摘要：邻近-定向效应（Proximity-Orientation Effect, POE）作为促进生物酶与底物结合的核心效应，对酶促催化反应催化位点的空间排列和反应取向性起关键作用。本工作将Co原子掺入Pt基纳米酶晶格，利用过渡金属和贵金属在电子构型和原子半径上的差
*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2024年01月06日。
邻近-定向效应（Proximity-Orientation Effect, POE）作为促进生物酶与底物结合的核心效应，对酶促催化反应催化位点的空间排列和反应取向性起关键作用。本工作将Co原子掺入Pt基纳米酶晶格，利用过渡金属和贵金属在电子构型和原子半径上的差异，诱导晶格畸变，产生新催化位点并限制传输路径，构建了工程化的POE。该掺杂过渡金属的合金纳米酶（TANzyme）可作为具备过氧化氢酶-氧化酶活性（CAT-OXD like）的新型自级联纳米酶。密度泛函理论计算表明，Pt位点选择性地将H2O2分解为H2O和O2，而Co位点特异性吸附O2并转化为超氧阴离子，从而形成氧气转移的定向路径以连接双活性中心产生特定类型的氧自由基。这种简易的策略既赋予了纳米酶工程化POE的属性，又提升了其催化特异性。此外，基于TANzyme的高效催化性能，开发了一种基于视觉折纸传感的策略，实现对H2O2、核酸和河豚毒素的通用型传感。该策略突显了POE在提升纳米酶催化特异性中的关键作用，模拟了生物酶中独特的POE，为提升纳米酶催化和工程化设计新型纳米酶提出了新的策略。
如图1所示，密度泛函理论计算筛选了掺杂过渡金属（Fe、Co、Ni）的Pt合金纳米酶，以探索其自级联增强催化性能。结果显示，纯Pt倾向于吸附H2O2，表现出类CAT活性；而Pt-Co合金中，Co位点对O2的吸附优于H2O2，促进了ROS的生成，表现出类OXD活性，具有优异的自级联催化效果。Pt-Fe显示H2O2与O2的竞争吸附，而Pt-Ni则偏向H2O2的吸附，表现出类CAT特性。Pt-Co合金因双位点的高效职能分离构建了定向氧传输通道，具有构建工程化POE的潜力。动力学测试表明，Pt-Co纳米酶表现出最佳催化性能。
图1. 过渡金属掺杂TANzyme中氧物种吸附能的密度泛函计算。a) Pt-Fe、Pt-Co、Pt-Ni三种模型上O2和H2O2吸附的模型结构，颜色：Fe（蓝）、Co（橙）、Ni（绿）和Pt（白）；b) 四种纳米酶模型上O2和H2O2吸附的吉布斯自由能差异；c) 合成示意图；d) 时间-吸光度动力学曲线；e) 比活。
因此，以Pt-Co为研究对象，一步水热法合成了不同掺杂水平的PtXCo（X = 11、9、7）TANzyme，探讨了掺杂量对催化性能的影响。TEM显示Pt9Co TANzyme呈直径为50 nm的立方体形态，Co原子均匀分布于Pt结构中。傅立叶滤波和几何相位分析结果表明Co原子有效地插入到Pt的固有晶格中，且高分辨率TEM和XRD表明Co掺入导致晶格扭曲和应变（图2）。
图2. Pt9Co TANzyme 的表征：a) PtXCo（X = 11、9、7）TANzyme 合成原理，Pt9Co TANzyme 的b) SEM 图、c) TEM 图、d) HAADF 和元素映射、e) HRTEM 图、f) SAED分析、g) 几何相位分析和h) XRD 图。
为了探讨 Pt9Co TANzyme 中的局部催化中心的具体结构及工程化POE的作用机制，采用X射线吸收精细谱 (XAFS)对纳米酶进行分析。结果表明，Co原子掺入Pt的固有晶格有效地改变了Pt9Co中Pt位点附近的的化学环境，创建了局部电子缺陷域，奠定了工程化POE的基础。Pt 4f的XPS谱表明电子从Pt位点转移到Co位点上，增加了Co位点的电荷密度，促进了氧物质转移。EXAFS 分析发现 Co 掺入后，Pt9Co中Pt-Pt键存在缩短现象，并形成了新的Pt-Co桥接键，且Co 原子可有效捕获O2，形成 Pt4CoO的氧捕获后结构。因此，构建局部电子定向流动路径和氧物种传质路径是构建工程化POE、实现特异性催化的关键机制（图3）。
图3. XANES 和 EXAFS 对 Pt9Co的表征：a) 以 Pt箔和PtO2为参考的Pt9Co 的Pt-L3边 XANES 光谱，b) Pt9Co、Pt箔和PtO2 的EXAFS谱的傅里叶变换，c) R空间中Pt9Co的Pt-L3边 EXAFS 拟合分析；d) 以Co箔和Co(OH)2为参考的 Pt9Co 的 Co-K边XANES 光谱，e) Pt9Co、Co箔和Co(OH)2的EXAFS谱的傅里叶变换，f) R空间中Pt9Co的Co-K边 EXAFS 拟合分析；g) Pt-L3边和 h) Co-K边的小波转换分析。
如图4所示，酶动力学测试表明 Pt9Co TANzyme展示出显著的类过氧化氢酶活性，在宽温度和pH范围内稳定生成O2，并具有较低的活化能和更高的O2生成率。通过TMB氧化反应验证了CAT-OXD级联催化活性，电子顺磁共振显示 Pt9Co有效地将CAT-like反应产生的O2特异性地转化为超氧阴离子，表现出Co与Pt的协同效应，提高了催化性能。研究表明， Pt9Co TANzyme的CAT-OXD级联反应机制依赖于Pt和Co活性位点的协同作用。如图5，密度泛函理论计算表明 Pt9Co TANzyme中Pt位点倾向于异裂解H2O2，能垒低至0.64 eV，优于Pt纳米酶的同裂解路径（1.09 eV），这使得 Pt9Co更有利于CAT反应。同时，在OXD反应中， Pt9Co纳米颗粒中Co位点对O2的转换效率更高，显示出更低的能垒，更高的转化效率。因此，Co的引入改变了Pt活性位的电子结构，优化了催化路径并强化了POE效应，通过空间限制将CAT和OXD反应分别锁定在Pt和Co位点，以O2为桥梁连接级联反应，从而提高了催化效率和特异性。
图4. Pt9Co TANzyme 的自级联活性和动力学测定。
图5. Pt9Co的催化机理：a) Pt和Pt9Co 纳米酶催化机理的示意图，b) Pt和c) Pt9Co 纳米酶催化的CAT-OXD级联反应途径，d) Pt和Pt9Co 纳米酶的CAT-OXD级联催化机理的自由能途径图。
鉴于Pt9Co TANzyme表现出高特异性和高效能，开发了一种基于折纸的便携式传感器，实现了H2O2、miR-21和河豚毒素（TTX）的检测。该系统包括三种逐步深入的检测模式：VOS-I检测H2O2、基于VOS-I的VOS-II利用催化发夹组装策略检测miR-21、基于VOI-II的VOS-III结合适配体技术检测TTX。VOS-I与H2O2浓度之间呈现出良好的线性关系，浓度范围为50 μM至100 mM，检测限为13.2 μM；VOS-II在miR-21的检测中表现出线性响应，浓度范围为10 fM至100 nM，检测限为7.1 fM，并有效区分单碱基错配。VOS-III采用TTX特异性适配体探针，浓度范围为10 pg·mL-1至100 μg·mL-1，检测限为5.2 pg·mL-1（图6）。
图6. a) 便携式即时传感系统的检测流程，b) 三种检测模式反应原理，c-d) VOS-I对H2O2的检测，e) VOS-I模式的特异性分析，f-g) VOS-II对miR-21的检测，h) VOS-II模式的特异性分析，i-j) VOS-III对TTX的检测，k) VOS-III模式的特异性分析。
综上所述，本研究揭示了通过过渡金属掺杂贵金属构建工程化POE以实现特异性氧物种产生的新策略。采用密度泛函理论计算预测和一步水热法合成了Pt9Co TANzyme，开发了新型CAT-OXD的级联反应模式，以氧气为媒介连接Pt和Co双活性中心构建了工程化 POE，显著提升了催化特异性和效率。本研究不仅为贵金属合金纳米酶的仿生工程化POE提供了新思路，也深化了纳米酶特异性催化机制的理解。该工作以“Dual-Active Centers Linked by Oxygen Transfer for Enhancing Proximity-Orientation Effect of Nanozyme”为题目发表于Advanced Functional Materials。论文第一作者为华南农业大学材料与能源学院博士生申浩然，电子工程学院陈仕长副教授为共同第一作者，通讯作者为华南农业大学刘英菊教授和刘伟鹏副教授。
来源：币天科学社区
