香港城市大学彭咏康课题组ACS Nano： 通过调控CeO2晶面来操纵H2O2的活化路径实现完全可控的酶促反应专一性

 第一作者：袁博，谭梓聪

通讯作者：彭咏康 教授

通讯单位：香港城市大学

论文DOI: 10.1021/acsnano.3c05409

图文摘要

成果简介

近日，香港城市大学化学系彭咏康博士课题组在ACS Nano上发表了题为“Regulating H₂O₂ Activation Pathway on Well-defined CeO₂ Nanozyme Allows Entire Steering of Its Specificity between Associated Enzymatic Reactions”的研究论文(https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05409)。研究发现，通过调控CeO₂表面上Ce位点的配位结构和电子结构，可以改变H₂O₂活化路径进而精准调控CeO₂在过氧化物酶模拟(POD-like)/过氧化氢酶模拟(CAT-like)和卤过氧化物酶模拟(HPO-like)反应中的活性和专一性。这项工作有望为纳米酶的合理设计提供指导，从而提高其活性、反应专一性和H₂O₂利用率。

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虽然纳米酶被认为是天然酶的优秀替代品，但其专一性差的问题严重制约了其发展。例如，CeO₂可以激活H₂O₂并表现出POD-like、CAT-like和HPO-like反应活性。但由于这些反应不可避免地竞争H₂O₂，影响了其在目标应用中的有效利用，因此精确控制反应专一性至关重要。本研究制备了三种不同形貌的CeO₂纳米材料：具有Ce_7c(111)位点的八面体(octa.)、具有Ce_6c(110)位点的棒状(rod)和具有Ce_6c(100)位点的立方体(cube)。尽管棒状Ce_6c(110)位点像文献中报道的那样表现出多种活性，但令人惊讶的是，立方体Ce_6c(100)位点具有最佳的POD/CAT-like反应活性，但却没有HPO-like反应活性。而八面体Ce_7c(111)位点则呈现出相反的趋势，它表现出微弱的POD/CAT-like反应活性，但却具有极高的HPO-like反应活性。这是因为不同形貌CeO₂表面的Ce位点具有不同的配位/电子结构，影响了H₂O₂的活化路径，从而影响酶促反应的选择性。进一步的抗菌测试表明，具有HPO-like活性的八面体Ce_7c(111)（生成HOBr）比具有POD-like活性（伴随着不必要的CAT-like活性）的立方体Ce_6c(100)（生成OH自由基）具有更好的杀菌效果。

背景介绍

随着纳米科学的发展，一系列纳米材料被报道具有与天然酶相似的催化性质，这一类的纳米材料被称为“纳米酶(nanozyme)”。与天然酶相比，纳米酶作为酶的模拟物不仅拥有与天然酶类似的高催化性能，同时也具有催化活性可调、成本低廉、制备过程简单、容易回收、热和pH 稳定性卓越等优点。自2007年Gao 等人在Nat. Nanotechnol.首次报道Fe₃O₄纳米颗粒具有POD-like活性以来, 具有可变氧化价态的过渡金属氧化物(如V₂O₅, MnO₂, Co₃O₄, Cu₂O, CeO₂等纳米颗粒)被报道不仅可以模拟过氧化物酶(POD)，还可以模拟其他与H₂O₂相关的氧化还原酶，如过氧化氢酶(CAT)和卤过氧化物酶(HPO)。POD-like反应通常将H₂O₂转化为OH自由基，CAT-like反应将H₂O₂分解为H₂O和O₂。此外，HPO-like反应能催化H₂O₂氧化卤化物为次卤酸（例如，Br^-转化为HOBr）。尽管这些酶模拟反应都有相应的应用，但一种材料的多种酶模拟反应会不可避免地竞争H₂O₂，影响其在目标应用中的性能和利用率。以CeO₂为例，它的POD-like活性已被广泛应用于多种重要生物分子(例如，葡萄糖、胆固醇、谷胱甘肽等)的检测。然而，它的CAT-like活性会促进H₂O₂的分解，从而降低了生物分子检测的灵敏度。同样， CeO₂的HPO-like反应具有的抗菌和抗污效果也会因其同时具有POD-/CAT-like反应而降低。

众所周知，多相催化不仅与反应物的吸附并且与其在催化剂表面活性位点上的活化密切相关。很多研究表明，改变CeO₂暴露的晶面可以调节其表面化学性质，进而改变其在许多催化反应中的性能。因此，我们认为调控CeO₂表面Ce位点的配位结构可以改变H₂O₂的活化路径，从而影响其在酶模拟反应中的选择性。研究表明，CeO₂的三种不同晶面(111), (110)和(100)表面Ce位点的配位/电子结构均不相同，可以预期不同的Ce位点会以不同的方式吸附/活化H₂O₂，从而影响它们在多种酶模拟反应中的专一性。

文章要点

本文制备了三种不同形貌的CeO₂纳米酶，包括具有(111)表面的八面体，具有(110)表面的棒状和具有(100)表面的立方体。尽管它们具有类似的Ce_3d XPS能谱，但是它们的TMPO-³¹P核磁共振(³¹P-NMR)化学位移表明，不同形貌CeO₂表面Ce位点的电子密度顺序为Ce_6c(100)> Ce_6c(110)> Ce_7c(111)。此外，研究发现，不同形貌CeO₂的ζ电位与它们的NMR信号有着很强的相关性。CeO₂八面体的正ζ电位(+44.7 mV)可归因于其表面缺电子的Ce_7c(111)位点，而立方体的负ζ电位(-17.7 mV)则是由于富电子的Ce_6c(100)位点。

3,3'5,5′-四甲基联苯胺(TMB)和酚红(PR)作为指示剂分别用于POD-like和HPO-like反应活性研究。结果表明，CeO₂立方体显示出最高的POD-like活性，其次是棒状和八面体。但有趣的是，对于HPO-like反应，它们的活性顺序则完全相反。CeO₂八面体几乎没有POD-like活性，但却显示出最高的HPO-like活性；而具有最佳POD-like活性的CeO₂立方体对HPO-like反应却几乎是惰性的。上述研究表明，CeO₂八面体和立方体对HPO-like和 POD-like反应有着很强的专一性。

为了进一步阐明背后的反应机制，利用EPR捕获自由基实验、H₂O₂的分解实验、原位Raman实验，结合DFT计算，从原子视角探究了不同Ce位点与H₂O₂的相互作用。结果显示，CeO₂立方体上的Ce_6c(100)位点通过自由基路径催化H₂O₂分解，其速率高于棒状上的Ce_6c(110)位点。而八面体上的Ce_7c(111)位点即使吸附了H₂O₂也无法进行这种氧化还原反应，导致了微弱的POD-like和CAT-like活性。但当反应溶液中加入KBr后，八面体Ce_7c(111)位点上吸附的H₂O₂快速分解，结合其极高的HPO-like活性，我们可以推断出BrOH的生成是通过peroxo路径而不是自由基路径。八面体Ce_7c(111)和立方体Ce_6c(100)表现出完全不同的H₂O₂激活路径，是由于它们的还原性和H₂O₂吸附构型截然不同。然而，中等还原性的棒状Ce_6c(110)能够生成双配位基或单配位基的peroxo物种，同时具有两种H₂O₂激活路径，因此在POD-like/CAT-like和HPO-like反应中均表现出中等的活性。

由于 HPO-like 反应的产物 HOBr 及 POD-like 反应的产物 OH 自由基均被报道具有杀菌作用，而CeO₂八面体和立方体分别对两种反应展现出很高的专一性,因此进一步比较了它们的抗菌效果。研究发现具有高 HPO-like 反应活性的八面体具有更优越的杀菌效果，该研究还有望在船体的抗生物污染方面得到进一步应用。

小结

本研究表明，H₂O₂相关酶促反应的专一性可以通过调控CeO₂纳米酶的形貌简单地实现。这是因为不同形貌CeO₂表面的Ce位点具有不同的配位/电子结构，会影响H₂O₂的活化路径，从而影响它们的酶模拟活性。其中，立方体Ce_6c(100)和八面体Ce_7c(111)分别仅表现出POD-like和HPO-like活性。而棒状Ce_6c(110)如文献中所报道的一样具有多种酶模拟活性，这是由于其具有中等的还原性，并且可以形成单配位基或双配位基构型的peroxo活性物种。这也解释了为什么具有多种Ce位点的CeO₂球形纳米酶具有多种酶模拟活性。因此，该研究强调了纳米酶表面研究的重要性，并为设计具有高活性、反应专一性和H₂O₂利用率的纳米酶提供了启示。

课题组介绍

Prof. Will Yung-Kang Peng (彭詠康) obtained his bachelor’s degree in Chemistry in 2009 from National Chung Cheng University (Taiwan) and graduated as a Master of Science in 2011 from National Taiwan University. After a year of military service (R.O.C.) and research assistant (NTU), he started a PhD in 2013 at Wolfson Catalysis Centre of Inorganic Chemistry Laboratory at University of Oxford (UK) under the supervision of Prof. Dr. S. C. Edman Tsang, for which he received a Clarendon scholarship from University of Oxford (top 3% graduate of 2013 year). He obtained his PhD degree in 2017 and stayed in the same group for postdoc (2017-2018). During his stay in Oxford, he has authored publications in some respectable journals such as JACS, Nature Communication, Nano Today and Materials Today. His research interest is using NMR-active probe to investigate surface features of faceted catalysts in both qualitative and quantitative manner. He joined the City University of Hong Kong as an Assistant Professor in May 2018.

课题组主页：https://ykpenglab.wixsite.com/ykpenglab

参考文献：Bo Yuan,§ Zicong Tan,§ Qiang Guo, Xiutong Shen, Chao Zhao, Jian Lin Chen, and Yung-Kang Peng*. Regulating the H₂O₂ Activation Pathway on a Well-Defined CeO₂ Nanozyme Allows the Entire Steering of Its Specificity between Associated Enzymatic Reactions. ACS Nano.2023.

文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05409