上硅所施剑林院士等NSR：模型单原子催化剂桥接氧化酶催化和氧还原电催化

在纳米催化医学领域，寻找高性能催化剂至关重要。由于缺乏理论指导，目前对医用催化剂的筛选主要依靠试错的方法，因此建立医用催化剂的快速搜索评估方法具有重要意义。近日，中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林课题组，从实验和理论两个维度，利用模型单原子催化剂，通过显色反应、电化学伏安法、第一性原理计算和肿瘤催化治疗效果，揭示了氧化酶催化和氧还原（ORR）电催化活性之间的线性关系和内在同源性，并引入了评估类氧化酶催化剂活性的新方法-线性扫描伏安技术，基于线性扫描伏安法提出了可评估氧化酶催化活性的有效描述符-归一化平均电流密度()，该简便的评估方法可用于快速筛选成千上万种潜在的可能具有类氧化酶活性的ORR电催化剂以治疗肿瘤（图1）。该研究桥接了氧化酶催化和氧还原电催化，对寻找高效纳米酶具有重要理论和实践意义，同时推动后续对仿酶催化和电催化两个领域内在关系的深入探究。相关研究成果以“Bridging Oxidase Catalysis and Oxygen Reduction Electrocatalysis by Model Single-Atom Catalysts”为标题发表在《国家科学评论》（National Science Review）。论文第一作者是逯向雨博士，通讯作者是施剑林研究员。

具有酶催化活性的纳米材料，由于其高稳定性，低成本性，活性可调和高催化活性而在很多领域具有广阔的应用潜力（例如，生物传感器，免疫测定，疾病诊断，药物开发，防污和环境处理）。氧化酶可以催化O₂氧化有机分子，同时将O₂还原为水、过氧化氢或官能团。类氧化酶和类过氧化氢酶利用氧化性物质，诸如O₂和H₂O₂，来催化生物分子的氧化，构成许多生物医学应用的基础，例如肿瘤治疗和抗菌。不幸的是，H₂O₂是在代谢过程中由O₂缓慢地生成的，因此人体内H₂O₂的水平通常低于某个阈值，故使用H₂O₂作为底物的治疗方式会受到限制。氧化酶可使用O₂作为反应底物氧化有机物，基于物质转化的原理，相比于涉及H₂O₂的氧化途径，氧化酶催化有机物氧化的过程中O₂的利用率更高，且血液循环中O₂可持续供应，因此氧化酶是最有希望的提高氧化应激水平的候选催化剂。杀菌抗肿瘤最终的反应物来源为氧气，因此设计高活性的氧化酶和在现行氧化酶的评估方法之外开发新的氧化酶评估方法，在纳米催化医学领域具有重要意义。

人们通常认为酶催化和电催化是两个独立的科学领域，但是最近的研究发现，一些用于氧还原反应（ORR）的电催化剂具有类氧化酶的性质，而一些天然氧化酶也可以被用作氧还原电催化剂，因此研究人员猜想催化剂的类氧化酶活性与催化剂的氧还原反应活性在活性起源上是一致的。如果这个假设成立，便可以基于成熟且简便的伏安法评估催化剂的类氧化酶活性，并且可以评估大量已广泛用于燃料电池，染料敏化太阳能电池，金属空气电池的高活性氧还原电催化剂可能具有的类氧化酶活性，进而探索这些催化剂在催化医学等其他领域的应用。

图 1 模型单原子催化剂桥接氧化酶催化和氧还原电催化的示意图。

【文章要点】

1） 为了验证实验假设，研究人员选择单原子催化剂（SACs）作为模型催化剂，SACs是一种理想的非均相催化剂，具有超高的比金属质量催化活性，可以最大程度地利用金属原子，极大地减少后续释放到介质中的游离金属离子，最大程度地降低材料的离子毒性，对于需要以相对较少的金属元素实现高效治疗的癌症研究尤为有利。另外，SACs的金属原子作为催化活性位点孤立地分散在载体上，催化位点明确且均一的结构为从分子水平上理解反应机理提供了理想的模型系统，因此基于SACs探索出的活性顺序更有可比性，得出的规律更有代表性，研究出的机制将具有普遍意义。

在自然界中，血红素-铜氧化酶（HCOs），例如含有异核Cu-Fe中心的细胞色素C氧化酶，在呼吸过程的最后步骤中，可以以最小的超电势有效地催化氧气的四电子还原而生成水，因此仿细胞色素C氧化酶结构可能形成协同作用。作为必需的微量营养素，少量的铜和铁离子对组织和器官的副作用可忽略不计，因此铜/铁单原子材料适合生物医学应用。基于以上考虑，研究人员开发了四种模型SACs包括：（i）空心氮掺杂碳球（HNCS）；（ii）掺杂Cu单原子的HNCS（C-HNCS）；（iii）掺杂Fe单原子的HNCS（F-HNCS）；（iv）掺杂异核Cu-Fe中心的HNCS（CF-HNCS）。

图2 仿人体细胞色素C氧化酶结构的Cu-Fe双单原子催化剂的合成。

2）利用TMB显色反应和伏安技术-线性扫描伏安法（LSV），定量分析发现由TMB显色反应得出的类氧化酶活性（TMB显色反应的速度，v_n）与由伏安技术得出的ORR活性（归一化平均电流密度的绝对值，）具有良好的线性关系，有趣的是，在DMEM和SBF溶液中，Cu-Fe双单原子催化剂（CF-HNCS）的ORR活性高于Pt/C，表明葡萄糖和阴离子（如氯离子和磷酸根阴离子）可能会毒化Pt/C，使其类氧化酶活性失活，而CF-HNCS具有强大的抗毒作用和高的催化活性，因此可作为良好的抗癌催化剂。目前流行的用于评估类氧化酶活性的电子自旋共振，荧光和显色方法难以在组成复杂的细胞培养基DMEM中使用，但是LSV技术具有更宽的使用范围可在DMEM中用于评估催化剂的活性。在燃料电池中，阴极为氧化剂（通常是氧气），而阳极为还原剂，例如某些有机物。氧还原反应（ORR）是使用氧气的氧化反应的半反应，从化学反应的观点来看，如果提高催化剂的ORR活性，则在相同的反应条件下，特别是当速率决定步骤处于氧气还原的过程时，催化剂催化有机物氧化的能力将会增强，因此催化剂的类氧化酶活性和电化学ORR活性本质上是同源的。

图3 催化活性的表征。

3） 在分子水平上探究了单原子催化剂的类氧化酶/ORR活性的催化机理，密度泛函理论计算表明活性位点的金属原子种类和Cu-Fe的协同作用是影响催化活性的两个关键因素，仿细胞色素C氧化酶的异核中心Cu-Fe之间的协同作用使催化位点对含氧物质具有最佳的吸附强度，表明通过合理地设计活性中心，如仿生合成，可以获得高性能仿酶催化剂。

图4 DFT计算催化过程。

综上，研究人员通过显色反应评估出的氧化酶活性与电化学方法评估的氧还原活性之间的一致性，揭示了氧化酶催化和电催化之间的内在同源性；得出可以用电化学方法测试氧还原活性评估催化剂的氧化酶活性，同时提出了有效的用于快速评价酶催化活性的描述符()；通过催化剂对肿瘤的治疗效果，探索出氧还原催化剂用于肿瘤治疗的潜力，鉴于人们已经开发出数以万计的氧还原电催化剂，本工作证明大量的高活性ORR电催化剂有望成为氧化酶模拟物的候选，以便用于纳米催化医学领域中，例如肿瘤治疗和抗菌；单原子催化剂作为模型催化剂，得出的结论更具普适性，且证实了仿生双原子具有协同作用。本工作的发现对快速寻找用于肿瘤催化治疗的氧化酶模拟物具有启发性，并鼓励未来对酶催化和电催化之间关系的进一步探索。

该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究计划、上海市科委重点项目和上海市基础研究科技计划等项目的资助和支持。

论文链接： https://doi.org/10.1093/nsr/nwac022