摘要：纳米酶结合了纳米催化剂的物理化学特性与酶的催化性能，从而实现了更加优化的催化功能以及更高的稳定性。特别是受金属酶启发的单原子纳米酶，由于其具有类似的催化中心，展现出了卓越的类酶活性。它们的作用机制与天然金属辅因子类似，可用于底物激活和电子转移，旨在模拟酶的催化
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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2025年04月28日 江苏
研究背景
纳米酶结合了纳米催化剂的物理化学特性与酶的催化性能，从而实现了更加优化的催化功能以及更高的稳定性。特别是受金属酶启发的单原子纳米酶，由于其具有类似的催化中心，展现出了卓越的类酶活性。它们的作用机制与天然金属辅因子类似，可用于底物激活和电子转移，旨在模拟酶的催化能力。因此，研究人员付出了大量努力进行原子调控以提高催化性能，包括配位工程和几何工程，主要依靠高温方法来产生缺陷，或引入其他杂原子来稳定金属单原子，并进一步控制配位环境或立体化学。然而，对单原子掺杂位点的有序调控仍有待发展。将不受控制的随机缺陷作为单原子纳米酶的锚定位点，可能会使其结构信息变得复杂，阻碍研究人员对构效关系的研究，且不利于催化效率的提高。
因此，设计具有规则结合位点以锚定单原子的载体材料至关重要。这种思路使单原子插入到预先设定的位置，就如同在棋盘上摆放棋子一样，从而形成具有精确活性位点的单原子阵列，这种排列可以显著增加单原子的负载量，使得合成具有更高负载量和更强催化活性的单原子催化剂成为可能。碲作为元素周期表第 Ⅵ 族的一种元素，具有与硒相似的物理和化学性质，并推测碲具有类似于硒的生物催化能力。在一定程度上，碲也具有抗氧化作用，有助于清除体内产生的自由基，减轻氧化应激损伤，从而维持细胞的正常功能和结构。因此，碲有潜力作为单原子纳米酶活性中心来发挥生物催化效应。
研究内容
图1. a) Te-2NGY纳米酶合成的示意图；b) Te-2NGY纳米酶的透射电子显微镜图像；c) Te-2NGY纳米酶的高分辨透射电子显微镜图像；d) Te-2NGY纳米酶的选区电子衍射图；e) 带有晶面的Te-2NGY纳米酶模型；f) 碲单原子在理想模型中的分布示意图；g) Te-2NGY纳米酶的环形明场扫描透射电子显微镜图像；h) 碲单原子分布的三维示意图（插图为俯视图）；i) Te-2NGY纳米酶的EDS能谱图。
近期，上海大学叶代新和赵宏滨等人利用球磨法自下而上合成的具有棋盘状空腔的石墨炔作为载体材料，再将碲单原子热驱动引入，合成片层状的石墨炔纳米酶（Te-2NGY）。如图1与图2所示，通过球差电镜、红外、拉曼、同步辐射、X射线对分布函数等一系列表征深入探究了纳米酶的形貌与结构，结果显示石墨炔的结构完整性良好，碲单原子按预设的位点锚定在空腔内，负载量达到19.21 wt%。
图2. a) 2NGY和Te-2NGY纳米酶的红外光谱；b) 2NGY和Te-2NGY纳米酶的拉曼光谱；2NGY和Te-2NGY纳米酶的c) C的K边、d) N的K边X射线吸收近边结构光谱；对Te-2NGY纳米酶的X射线光电子能谱分析: e) C 1s、f) Te 3d；g) 2NGY 和 Te-2NGY 纳米酶的实验PDF图谱与Te-2NG纳米酶的理论PDF图谱；h) Te-2NGY理论模型中与PDF峰值对应的原子间距示意图。
通过这种方式合成的碲单原子纳米酶具有良好的类过氧化物酶活性，如图3所示，密度泛函理论揭示了碲单原子的掺入对催化活性的提升作用是通过降低H吸附的能垒来实现的。H吸附作为催化过程中的决速步，与活性中间体——羟基自由基的生成有关。能垒的降低有利于羟基自由基更快产生，进而提升活性。此外，态密度和微分电荷分布分析进一步证明了碲锚定在促进自由基生成中的益处。
图3. a) 2NGY和 b) Te-2NGY的能带结构示意图和分波态密度图；c) 由2NGY（深灰色）和Te-2NGY（红色）催化过氧化氢分解的自由能图的密度泛函理论计算结果；d) 2NGY和 e) Te-2NGY上氧吸附的分波态密度图；f) Te-2NGY和2NGY上氧吸附的电荷密度差（电荷积累处为黄色，电荷消耗处为蓝色）；g) Te-2NGY和2NGY的电子定域函数图。
基于碲单原子纳米酶增强的类过氧化物酶活性，结合双酚化合物对活性的抑制特性，成功构建了高通量纳米酶传感阵列（图4）。实验结果显示，该双通道比色传感阵列能够精准识别并有效区分五种双酚类化合物。通过与智能手机RGB平台的创新性联用，该传感阵列具备了现场检测的应用潜力，在食品安全监测领域展现出广阔的应用前景。碲单原子纳米酶传感阵列不仅实现了对双酚类化合物的高灵敏度、高准确度检测，还为今后研究结构相似化合物的检测方法提供了重要借鉴。此外，本研究中关于单原子锚定位点的设计，为纳米酶的精准合成、作用机制探究及活性提升开辟了新的研究思路。
图4. a) 纳米酶比色传感阵列检测双酚类化合物的示意图；针对不同浓度双酚所获得的比色响应模式的典型得分图：b) 双酚A，c) 双酚F，d) 双酚S；不同浓度下双酚类化合物比色响应模式的标准得分：e) 1000 μM，f) 1 μM；g) （F）在100 μM浓度下对五种双酚的层次聚类分析图的响应情况。
论文信息：
相关论文发表在Small上。文章的第一作者是上海大学的硕士研究生夏佳凝，博士研究生郭建，通讯作者为上海大学叶代新副教授和赵宏滨教授。该工作得到了国家自然科学基金的支持
赵宏滨课题组链接：https://www.x-mol.com/groups/zhaohongbin
文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202501797
来源：科学小课堂
