Activité d'imitation de la peroxydase activée par électrons chauds des nanozymes de Pd ultraminces

Résultats et discussion

Conception et caractérisation des nanozymes Pd NSs

Une synthèse typique de nanofeuillets de palladium a été préparée par une méthode classique (Fig. 1a) pour construire une série de sites atomiques ultrafins nanozymes qui ont des substrats inhérents et une capture de photons et des caractéristiques efficaces d'imitation d'enzyme peroxyde. La figure 1 b–d montre une image typique de microscopie électronique à transmission (MET) à faible grossissement des Pd NS synthétisés, dans lesquels se composent de nanofeuillets uniformes avec des dimensions latérales d'environ 10,0 nm (Fig. 1b, en médaillon) et l'épaisseur moyenne d'environ 1,1 nm (Fig. 1c, encadré). Selon la taille, le pourcentage de surface de la surface plane supérieure et inférieure est supérieur à 90 %. La microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) est utilisée pour confirmer davantage la morphologie et la phase des Pd NS. La figure 1 g montre les espacements appropriés de ~ 0,22 et 0,256  nm pour les plans de réseau (111) et (200) du palladium [27]. Afin de répondre aux besoins de l'expérience, le modèle XRD de Pd NSs a été caractérisé par chargement sur du carbone commercial. Comme le montre la figure 1e, les pics de diffraction à environ 40,11, 46,65 et 68,12 correspondent aux plans (111), (200) et (220) des Pd NS cubiques, ce qui est cohérent avec l'observation du HRTEM. De plus, pas de pics indicatifs de phases cristallines autres que les pics associés au carbone commercial. Le spectre Pd 3d présente deux pics (Fig. 1f) Pd 3d_5/2 et Pd 3d_3/2 (résultant du dédoublement spin-orbite), situés respectivement à 335,5 et 339,2 eV [25], qui a révélé qu'il existe deux environnements chimiques pour l'atome de palladium.

Caractérisation des nanozymes. un Mécanisme de croissance des nanozymes de Pd. b , c , et d TEM. e modèles XRD. f Spectre Pd 3d XPS des Pd NS. g Image HRTEM de Pd NSs

Activité d'imitation de la peroxydase photocatalytique

L'activité de type peroxydase des Pd NS a été étudiée en utilisant le TMB comme substrat de peroxydase typique. Étant donné que la plupart des atomes de Pd ont été exposés à la surface de nanofeuillets ultraminces, nous pensons que les NS de Pd ultraminces possèdent une densité élevée de sites de surface actifs et entraînent ainsi une excellente activité catalytique. Comme prévu, dans la coexistence de H₂ O₂ , Pd NSs peut catalyser efficacement l'oxydation du substrat incolore TMB en produit bleu oxTMB, avec l'absorption caractéristique à 652  nm (Fig. 2a, b). Cependant, sans l'ajout de H₂ O₂ , l'activité des Pd NSs peut être négligée dans les mêmes conditions expérimentales, ce qui a révélé que l'activité de type peroxydase jouait un rôle important au cours de la réaction. Semblable aux enzymes naturelles et à d'autres nanozymes, les nanozymes de Pd ont une activité de peroxydase dépendante du pH, de la température et de la concentration (Fig. 2c et Fig. S1). Dans les conditions expérimentales, les Pd NS ont montré une activité catalytique optimisée dans la solution d'acide faible et le pic d'absorbance caractéristique de la solution de réaction était le plus élevé à 35 °C lorsque la température variait de 25 à 75 °C (Fig. 2c). Étonnamment, avec ou sans irradiation lumineuse, une différence significative dans l'activité d'imitation de la peroxydase a été observée (Fig. 2d et Fig. S2). Selon la valeur d'absorption de la solution réactionnelle pendant 60 min, l'activité des Pd NS sous lumière visible était environ 2,4 à 3,2 fois supérieure à celle des Pd NS dans l'obscurité (Fig. 2d et Fig. S2). De même, l'introduction de lumière dans le processus de catalyse d'autres nanoparticules métalliques plasmoniques peut également augmenter leur activité de type peroxydase (Fig. S3-S5). En comparant ces nanozymes, nous avons constaté que les Pd NS présentaient la plus grande plage de régulation de l'activité. Un tel phénomène est principalement dû à la structure unique de la nanofeuille ultrafine. De ces résultats obtenus, nous pouvons déduire que la lumière visible a un effet direct sur l'activité de type peroxydase de tous les nanomatériaux métalliques plasmoniques (Fig. 2e), et l'effet SPR peut jouer un rôle essentiel dans le processus catalytique.

L'activité d'imitation de la peroxydase des Pd NS. a-b Spectres d'absorption UV-visible typiques de différents échantillons dans des conditions de lumière visible et d'obscurité. c Effet de la température et du pH sur l'activité d'imitation de la peroxydase. d Cours dans le temps pour l'activité d'imitation de la peroxydase. e Le mécanisme de type peroxydase des Pd NS sous une lumière sombre et visible. Conditions expérimentales :lumière visible =λ ≥ 400 nm, TMB =0,7 mM, H₂ O₂ =50 mM, température =25 °C, Pd NSs =12,6 g/mL et solution tampon phosphate (0,1 M, pH 4)

Investigation cinétique et mécanisme des nanozymes Pd

Pour caractériser le comportement enzymatique des Pd NS, nous avons déterminé la théorie de la cinétique enzymatique de la réaction. Cependant, dans la plage de concentration appropriée de TMB, les Pd NS présentent une courbe typique de Michaelis-Menten (Fig. 3a). La constante de Michaelis (Km) et la vitesse de réaction maximale (Vmax) ont été obtenues en utilisant l'équation de Lineweaver Burk, comme indiqué dans le tableau S1. Par rapport à la peroxydase de raifort (HRP), la valeur apparente de Km des Pd NS avec TMB a été affaiblie de 0,28 (Fig. 3a, b et Tableau S1). Ce résultat indique que la structure en feuille ultrafine des Pd NS préparés présente une affinité élevée pour le TMB, encore plus élevée que celle de l'enzyme naturelle HRP.

Dosage cinétique à l'état d'équilibre et mécanisme catalytique des Pd NS (12,6  μg/mL). un La concentration de H₂ O₂ était de 50  mM et la concentration de TMB était variable (0,1 à 1,5  mM). b Doubles intrigues réciproques pour le TMB

Puisqu'il est clair que H₂ O₂ peuvent être décomposés pour former des espèces réactives de l'oxygène avec Pd NSs, il est crucial de comprendre quelles espèces sont produites pour fournir une fonction d'oxydation. En principe, les métaux nobles peuvent catalyser la décomposition de H₂ O₂ pour former •OH, et les intermédiaires de réaction O* à des conditions de pH plus faibles [28], dont l'une ou l'autre peut être l'espèce qui assure la fonction d'oxydation dans les réactions enzymatiques mimétiques. Afin de comprendre le mécanisme catalytique possible des Pd NS, nous avons dans un premier temps utilisé l'acide téréphtalique (TA)/H₂ O₂ système pour tester si les caractéristiques de type peroxydase des Pd NS sont liées à la formation de radicaux •OH (Fig. 4a). En utilisant TA comme sonde fluorescente, un produit hautement fluorescent a été produit par la réaction de l'acide 2-hydroxytéréphtalique avec •OH [29]. Comme le montre la figure 4b, l'intensité de fluorescence de la solution diminue de manière significative après l'ajout de Pd NS. Les résultats sont en bon accord avec l'intensité de fluorescence diminuée avec l'augmentation de la concentration de Pd NSs (Fig. S6). Ces résultats indiquent que les Pd NS peuvent consommer les radicaux •OH plutôt que de les générer. Par conséquent, similaire au comportement catalytique rapporté des nanoparticules de ferritine-platine [30], la performance catalytique de nos Pd NS était indépendante de la formation du radical •OH.

un Schéma du mécanisme de l'acide téréphtalique (TA) capturant les radicaux hydroxyles (•OH). Spectres d'échantillons contenant du tampon phosphate (0,1 M, pH 4), H₂ O₂ (50 mM) et éclairage en lumière visible (λ 400 nm, 15 min). b Les spectres d'émission de fluorescence en présence de Pd NSs (12,6 μg/mL) et TA (66,7 μM). c Schéma du mécanisme de KBrO₃ capture d'électronique chaude. d Le spectre d'absorption en présence de Pd NSs (12,6 μg/mL), KBrO₃ (0,3 mg/mL) et TMB (0,7 mM)

Pour étudier si le mécanisme catalytique des Pd NS est lié à la formation d'électrons chauds par la lumière, nous explorons également l'expérience de piégeage d'électrons chauds d'espèces actives au cours de la réaction photocatalytique (Fig. 4c) [31]. Comme on peut le voir sur la figure 4d, la capacité catalytique des Pd NS envers l'oxydation du TMB diminue considérablement en 15 min par l'ajout de 0,3 mg/mL de KBrO₃ (un quencher de e ⁻ ). Une si grande différence entre le KBrO₃ /système de réaction et système pur révèle que la présence d'électrons chauds pourrait être critique pour l'oxydation du TMB. Ceci est conforme aux résultats de la figure S7 selon lesquels les Pd NS ont un large pic d'absorption par effet SPR dans la gamme spectrale de 500 à 1000  nm [25]. En outre, une fois que les électrons chauds se sont éloignés de la surface des Pd NS, il reste des trous correspondants à leur surface. Étant donné que ces trous peuvent oxyder l'éthanol pour produire de l'acétaldéhyde, ils pourraient également avoir une puissante capacité d'oxydation vis-à-vis du TMB. Comme prévu, sans l'ajout de H₂ O₂ , plus d'oxTMB a été créé sous l'éclairage de la lumière visible.

Ensuite, nous testons si des espèces réactives de l'oxygène ont été formées par l'activation de O₂ sous lumière visible, y compris le superoxyde (O₂ ⁻ ). À la lumière de cela, des expériences contrôlées ont été réalisées sous différentes atmosphères. Pour la figure S8, les performances catalytiques des enzymes mimétiques ne changent pas de manière significative lorsque l'on introduit de l'azote et de l'oxygène avec saturation du système réactionnel, respectivement, ce qui n'est pas considérablement affecté par le O₂ pour l'activité photocatalytique des Pd NSs. Il est essentiel de souligner que les performances ultimes des Pd NSs, même jusqu'à 0,051 µa.u./min pendant 5 µmin sous lumière visible, étaient 3,2 fois supérieures à celles des catalyseurs Pd NSs dans l'obscurité (Fig. 2d). L'activité extrêmement élevée du nanozyme de Pd sous lumière visible conduit à l'hypothèse que l'existence d'électrons chauds par l'effet SPR des Pd NS favorisant la formation d'intermédiaires de réaction O* au lieu de radicaux libres explique une activité de type peroxydase (Fig. 5a ) [28]. En bref, l'expérience de piégeage d'espèces actives et l'expérience de ventilation fournissent un support solide pour le mécanisme enzymatique mimétique photocatalytique des Pd NS.

un Schéma de principe d'un capteur pour H₂ O₂ détection. b Courbe dose-réponse de différentes concentrations de peroxyde d'hydrogène. Conditions expérimentales :nanozyme de Pd (25,2 g/mL), tampon phosphate (0,1 M, pH  4) et éclairage en lumière visible TMB (0,7 mM) (λ 400 nm, 3 min). Encart :tracés d'étalonnage linéaires. c Interférence d'autres impuretés sur l'absorbance de H₂ O₂ capteur colorimétrique à 652 nm. Conditions expérimentales :Pd nanozyme (25,2 μg/mL), tampon phosphate (0,1 M, pH 4), TMB (0,7 mM), éclairage en lumière visible (λ ≥ 400 nm, 15 min), et dont 50 mM H₂ O₂ , Glucose 200 mM, Na ⁺ , K ⁺ , Ca ^{2 +} , et CO₃ ²⁻ , et l'encart montre les changements de couleur des solutions de réaction

Un nouveau capteur en temps réel et hautement sensible

Cela a été démontré dans plusieurs études que l'introduction de lumière dans le capteur en tant qu'apport d'énergie externe peut améliorer les performances du capteur [22, 32, 33]. Par exemple, Ling et al. [32] a trouvé que O₂ propriétés de détection du 10 at. % LaOCl-SnO₂ capteur a été considérablement amélioré par l'éclairage de la lumière ultraviolette. Compte tenu de l'influence significative de la lumière sur le capteur et de l'excellente activité d'imitation de la peroxydase des Pd NS sous lumière visible dans nos expériences, un capteur colorimétrique efficace et sensible H₂ O₂ a été construit. Le mécanisme du capteur (Fig. 5a) montre que les Pd NS peuvent utiliser pleinement sa grande surface spécifique pour capturer des photons et générer un grand nombre d'électrons chauds. Après cela, l'électron chaud favorise la décomposition de H₂ O₂ pour produire des intermédiaires de réaction O*, qui peuvent oxyder le TMB en bleu oxTMB. Enfin, la détection efficace de H₂ O₂ a été réalisé.

Comme on peut le voir dans l'encart de la figure 5b, la plage linéaire du H₂ construit O₂ capteur par nous était de 10 à 100 μM, et le calcul de la limite de détection était de 13,40 μM (LOD =3 s /k , où s et k représentent les blocs d'étalonnage linéaire de l'écart type relatif et de la pente de huit mesures de contrôle parallèles, respectivement. Dans ce travail, s =2,97988 × 10 ⁻⁴ , k =6,67 × 10 ⁻⁵ ). Par conséquent, le capteur de peroxyde d'hydrogène basé sur les Pd NS était supérieur aux autres nanomatériaux rapportés à condition d'introduire de la lumière. À partir du tableau S2, on peut voir qu'avec la même méthode colorimétrique pour détecter le peroxyde d'hydrogène, et notre capteur montre une large gamme de linéarité [34]. Et la limite de détection était inférieure à celle de nombreux capteurs basés sur des imitateurs de peroxydase à base de Fe ou de Co (tableau S3) [35, 36]. Enfin, nous avons réalisé H₂ O₂ et une série d'expériences de contrôle (Fig. 5c) avec des interférences potentielles telles que K ⁺ , glucose, Na ⁺ , CO₃ ²⁻ , et Ca ²⁺ . Comme le montre l'encart de la figure 5c, il est évident que l'absorbance de ces interférences est faible à 652 nm, et la couleur ne change pas. Sur la base de nos résultats, un capteur de peroxyde d'hydrogène efficace et hautement spécifique basé sur la lumière visible a été réalisé avec succès. Ce capteur utilise non seulement pleinement la lumière visible pour améliorer ses performances de détection, mais fournit également un bon exemple pour d'autres métaux plasmoniques dans le capteur.

Conclusions

En résumé, nous avons démontré un exemple passionnant d'application de nanofeuilles de Pd ultrafines (Pd NSs) en tant qu'imitateur de peroxydase hautement efficace et contrôlable par la lumière, en raison d'une haute densité de sites actifs à la surface des nanofeuilles et de la propriété optique unique de la SPR. Avec l'irradiation de la lumière visible, les électrons chauds générés par les nanofeuillets de Pd via l'effet SPR peuvent ensuite décomposer H₂ O₂ pour produire des intermédiaires O*. Sous irradiation à la lumière visible, ces nanozymes présentaient une activité de type peroxydase beaucoup plus élevée que celle de l'obscurité. Un tel système activé par la lumière a également été utilisé pour la biodétection améliorée de H₂ O₂ . Le concept de base présenté ici, basé sur la génération d'électricité chaude par effet SPR sur les nanozymes de Pd photoactivés, pourrait contribuer à la conception de systèmes enzymatiques artificiels intelligents ou plus efficaces et offrir de nombreuses nouvelles opportunités pour l'industrie chimique et la biotechnologie.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

Abréviations

Pd NS :

Nanofeuillets Pd

Ag :

Argent

Au :

Or

Pt :

Platine

Pd :

Palladium

SPR :

Résonance plasmonique de surface

TEM :

Microscopie électronique à transmission

HRTEM :

TEM haute résolution

XRD :

Diffraction des rayons X

HRP :

Peroxydase de raifort

Km :

Constante de Michaelis

O₂ ⁻ :

Superoxyde