Nanozymes de palladium ultraminces : mimétisme de peroxydase activé par la lumière pour catalyse de précision

Résumé

Les nanozymes activées par la lumière peuvent fournir une multitude de nouvelles opportunités pour l'industrie chimique et la biotechnologie. Cependant, les systèmes catalytiques à contrôle distant actuels sont encore loin d'être satisfaisants. Ici, nous présentons un exemple intéressant d'application de nanosheets de Pd ultraminces (Pd NSs) comme mimétique de peroxydase contrôlable par la lumière. Puisque la plupart des atomes de Pd sont exposés sur leur surface, les Pd NSs avec une épaisseur de 1,1 nm possèdent une activité de type peroxydase élevée. Plus important encore, sous excitation lumineuse, une telle activité intrinsèque peut être davantage activée d'un facteur de 2,4 à 3,2 fois. Un tel phénomène peut être attribué à la propriété optique unique des Pd NSs ultraminces, qui peuvent capturer efficacement les photons pour générer des électrons chauds via l'effet de résonance de plasmon de surface et ainsi promouvoir la décomposition in situ de H₂O₂ en radicaux d'espèces réactives de l'oxygène (O*). Cette catalyse améliorée peut aussi être utilisée pour la détection colorimétrique en temps réel et hautement sensible de H₂O₂. Nous espérons que notre travail peut fournir des informations précieuses pour la conception rationnelle de nanozymes artificiels avec une activité contrôlable et efficace en diagnostics biomédicaux, administration de médicaments, et chimie environnementale.

Introduction

Les enzymes naturelles sont des biocatalyseurs exquis qui peuvent catalyser presque chaque transformation chimique de la vie. Cependant, il existe encore des défauts inhérents, tels que la faible stabilité et le coût élevé. Depuis que les nanoparticules de magnétite avec une activité mimétique de peroxydase intrinsèque ont été rapportées pour la première fois, la conception et le développement de nanomatériaux avec des activités de type enzymatique (nanozymes) ont attiré une attention de recherche croissante. Jusqu'à présent, une série de nanomatériaux à base d'oxydes, de métaux, et de carbone ont été utilisés pour imiter la peroxydase de raifort (HRP). Parmi ceux-ci, les nanomatériaux à base de métaux nobles, tels que l'argent (Ag), l'or (Au), le platine (Pt), et le palladium (Pd), ont été rapportés pour posséder des activités mimétiques de peroxydase élevées. D'autre part, l'introduction de la lumière pour activer l'activité des nanozymes a aussi été rapportée, ce qui offre une multitude d'opportunités pour la biotechnologie et l'industrie chimique. Cependant, les systèmes catalytiques à contrôle distant actuels sont encore loin d'être satisfaisants.

Les nanomatériaux métalliques plasmoniques peuvent capturer ou répondre à la lumière du soleil en raison de la propriété optique unique de la résonance de plasmon de surface (RPS). Ces nanomatériaux métalliques, qui peuvent capturer les photons pour générer des électrons chauds par l'effet RPS, sont devenus les matériaux clés pour améliorer le taux catalytique, promouvoir la nouvelle détection optique de biomolécules, ingénier la thérapie photothermique, et utiliser la lumière du soleil comme énergie renouvelable. Cependant, aucun d'entre eux ne s'est concentré sur l'effet RPS des nanozymes à base de métaux plasmoniques sur leurs activités mimétiques enzymatiques. Ainsi, il serait attrayant de combiner les nanozymes à base de métaux plasmoniques avec l'effet RPS pour atteindre une catalyse enzymatique hautement active et réglable par la lumière.

Ici, nous rapportons pour la première fois que les nanosheets de Pd ultraminces (Pd NSs) avec une épaisseur d'environ 1,1 nm peuvent servir comme un excellent mimétique de peroxydase contrôlable par la lumière. Les nanozymes à base de Pd et les systèmes de nanozymes contrôlés par la lumière ont été rapportés pour exhibiter de multiples activités mimétiques enzymatiques incluant l'oxydase, la peroxydase, la catalase, et la superoxyde dismutase. Cependant, leurs structures sont généralement des particules, des masses, et des tiges. Comme nous le savons tous, les Pd NSs ultraminces ont une haute énergie de surface, une petite taille latérale, et une haute mobilité électronique, ce qui résulte en une haute densité de sites actifs de surface. De plus, la plupart des atomes exposés aux nanosheets ultraminces peuvent servir comme une plateforme idéale pour ingénier leur performance. Inspiré par la structure unique des nanosheets ultraminces, nous présentons une stratégie qui non seulement fait plein usage des sites actifs des atomes de Pd mais injecte aussi des électrons chauds dans le processus de catalyse enzymatique. Comme montré dans le Schéma 1, l'interaction des photons avec les Pd NSs ultraminces peut exciter la résonance de plasmon de surface qui se désintègre non-radiativement en électrons chauds et trous, favorisant ainsi la décomposition réductrice in situ de H₂O₂ pour générer des radicaux d'espèces d'oxygène (O*) avec oxydation du TMB sous lumière visible. En introduisant la lumière visible dans la réaction enzymatique, les Pd NSs exhibent des activités catalytiques significativement plus hautes que celles des Pd NSs sous conditions sombres.

Matériaux et Expérimental

Matériaux et Caractérisations

L'acide citrique (CA) ; N,N-diméthylformamide (DMF) ; 3,3',5,5'-tétraméthylbenzidine (TMB) ; et bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) ont été achetés chez Sigma Aldrich. L'acétylacétonate de Pd(II), W(CO)₆, et polyvinylpyrrolidone (PVP) ont été obtenus chez Macklin. Le peroxyde d'hydrogène (H₂O₂, 30 % p/p) a été acheté chez Beijing Chemicals (Beijing, Chine). Tous les produits chimiques ont été utilisés sans purification supplémentaire. L'eau expérimentale purifiée par système Millipore (18,2 MΩ ; Millipore Co., USA) a été utilisée tout au long du travail.

Les structures de phase des produits ont été caractérisées par un diffractomètre à rayons X PANalytical qui utilisait le rayonnement Cu Kα (λ = 1,5406 Å). Et les spectres de réflectance diffuse UV-vis (DRS) des échantillons ont été caractérisés à température ambiante en utilisant le Lambda 750, PerkinElmer. Les concentrations de catalyseurs en solutions ont été déterminées par l'ICP-AES (720, Agilent). Les images de microscopie électronique en transmission (MET) ont été enregistrées sur un microscope électronique en transmission JEM1400 plus opéré à 100 kV. Les analyses MET à haute résolution (HRMET) ont été effectuées sur un microscope électronique en transmission à émission de champ JEM-2100F (FE-MET) à 200 kV.

Synthèse des Nanosheets de Pd

Selon la méthode rapportée, les Pd NSs ont été synthétisées. Brièvement, l'acétylacétonate de Pd(II) (16 mg), PVP (PM = 24 000, 30 mg), CA (150 mg), et CTAB (60 mg) ont été mélangés dans le DMF (10 ml) et agités dans une atmosphère d'azote pendant 1 h. Quand la couleur de la solution dans le flacon (25 ml) change en une solution orange-rouge uniforme, 100 mg de W(CO)₆ a été ajouté dans la solution sous une atmosphère N₂. Ensuite, chauffer le flacon à 80 °C pendant 1 h. Après la réaction, le produit bleu foncé a été séparé par centrifugation (9000 tr/min, 3 min) avec une quantité suffisante d'acétone et puis dispersé dans l'éthanol. Ce processus a été répété trois fois. Finalement, les nanosheets de Pd ont été dispersées dans 10 ml d'éthanol pour de futures expériences.

Mesure de l'Activité Peroxydase-Mimétique Photocatalytique

L'activité peroxydase-mimétique des nanozymes Pd NSs a été évaluée en mesurant l'oxydation du TMB. Une lampe Xe de 300 W (CEL-HXF300/CEL-HXUV300, China education Au-light Co., Ltd., Beijing) a servi comme source de lumière, et l'ajout d'un filtre en verre permet à la lumière visible (λ ≥ 400 nm) de passer. Dans une expérience typique, 12,6 μg/ml de nanozymes Pd NSs (mesuré par ICP-AES) ont été ajoutés à 1 ml de solution tampon acide phosphorique (0,1 M, pH 4) contenant 50 mM H₂O₂ et 0,7 mM TMB à température ambiante. Pendant les différents temps sous irradiation, l'activité peroxydase-mimétique a été déterminée en surveillant le pic d'absorption caractéristique à 652 nm après centrifugation, ce qui indique la concentration des produits d'oxydation du TMB. L'expérience de contrôle avait les mêmes conditions sauf pour l'illumination.

Résultats et Discussion

Conception et Caractérisation des Nanozymes Pd NSs

Une synthèse typique de nanosheets de palladium a été préparée à travers une méthode classique (Fig. 1a) pour construire une série de nanozymes ultraminces à sites atomiques hautement actifs qui ont des substrats intrinsèques et des caractéristiques de capture de photons et d'enzyme mimétique de peroxyde efficaces. La Figure 1b-d montre une image MET typique à bas grossissement des Pd NSs synthétisées, dans laquelle composées de nanosheets uniformes avec des dimensions latérales d'environ 10,0 nm (Fig. 1b, encart) et l'épaisseur moyenne d'environ 1,1 nm (Fig. 1c, encart). Selon la taille, le pourcentage de surface des surfaces plates supérieure et inférieure est plus de 90 %. La microscopie électronique en transmission à haute résolution (HRMET) est utilisée pour confirmer davantage la morphologie et la phase des Pd NSs. La Figure 1g montre les espacements appropriés de ~ 0,22 et 0,256 nm pour les plans de réseau (111) et (200) du palladium. Afin de répondre aux besoins de l'expérience, le motif XRD des Pd NSs a été caractérisé en chargeant sur du carbone commercial. Comme montré en Fig. 1e, les pics de diffraction à environ 40,11, 46,65, et 68,12 correspondent aux plans (111), (200), et (220) des Pd NSs cubiques, ce qui est cohérent avec l'observation de la HRMET. De plus, aucun pic indicatif de phases cristallines autres que les pics associés au carbone commercial. Le spectre Pd 3d exhibe deux pics (Fig. 1f) Pd 3d₅/₂ et Pd 3d₃/₂ (résultant de la séparation spin-orbite), localisés respectivement à 335,5 et 339,2 eV, ce qui a révélé qu'il y a deux environnements chimiques pour l'atome de palladium.

Activité Peroxydase-Mimétique Photocatalytique

L'activité de type peroxydase des Pd NSs a été investiguée en utilisant le TMB comme substrat de peroxydase typique. Puisque la plupart des atomes de Pd étaient exposés sur la surface des nanosheets ultraminces, nous raisonnons que les Pd NSs ultraminces possèdent une haute densité de sites actifs de surface et résultent ainsi en une excellente activité catalytique. Comme prévu, en coexistence de H₂O₂, les Pd NSs peuvent 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'addition de H₂O₂, l'activité des Pd NSs peut être négligée sous la même condition expérimentale, ce qui a révélé que l'activité de type peroxydase jouait un rôle important pendant la réaction. Similaire aux enzymes naturelles et autres nanozymes, les nanozymes Pd ont une activité peroxydase dépendante du pH, de la température, et de la concentration (Fig. 2c et Fig. S1). Sous la condition d'expérience, les Pd NSs ont montré une activité catalytique optimisée dans la solution acide faible, et le pic d'absorbance caractéristique de la solution de réaction était le plus haut à 35 °C quand la température variait de 25 à 75 °C (Fig. 2c). Surprenamment, avec ou sans irradiation lumineuse, une différence significative dans l'activité peroxydase-mimétique a été observée (Fig. 2d et Fig. S2). Selon la valeur d'absorption de la solution de réaction pour 60 min, l'activité des Pd NSs sous lumière visible exhibait environ 2,4~3,2 fois plus haute que celle des Pd NSs sous conditions sombres (Fig. 2d et Fig. S2). Similairement, l'introduction de la lumière dans le processus de catalyse d'autres nanoparticules métalliques plasmoniques peut aussi augmenter leur activité de type peroxydase (Fig. S3–S5). Par comparaison de ces nanozymes, nous avons trouvé que les Pd NSs montraient la plus grande gamme de régulation d'activité. Un tel phénomène est principalement dû à la structure unique de la nanosheet ultramince. De ces résultats obtenus, nous pouvons inférer 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 RPS peut jouer un rôle essentiel dans le processus catalytique.

Investigation Cinétique et Mécanistique des Nanozymes Pd

Pour caractériser le comportement enzymatique des Pd NSs, nous avons déterminé la théorie de cinétique enzymatique pour la réaction. Cependant, dans la gamme de concentration appropriée de TMB, les Pd NSs 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 montré dans le Tableau S1. Comparé avec la peroxydase de raifort (HRP), la valeur apparente de Km des Pd NSs avec TMB était affaiblie de 0,28 (Fig. 3a, b et Tableau S1). Ce résultat indique que la structure de feuille ultramince des Pd NSs préparées exhibe une haute affinité pour le TMB, même plus haute que celle de l'enzyme naturelle HRP.

Puisqu'il est clair que H₂O₂ peut être décomposé pour former des espèces réactives de l'oxygène avec les 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 H₂O₂ pour former •OH, et les intermédiaires de réaction O* à des conditions de pH plus bas, l'un ou l'autre pouvant être l'espèce qui fournit la fonction d'oxydation dans les réactions mimétiques enzymatiques. Afin de comprendre le mécanisme catalytique possible des Pd NSs, nous avons d'abord utilisé le système acide téréphthalique (TA)/H₂O₂ pour tester si les caractéristiques de type peroxydase des Pd NSs sont liées à la formation de radicaux •OH (Fig. 4a). En utilisant le TA comme sonde fluorescente, un produit hautement fluorescent a été produit par la réaction de l'acide 2-hydroxytéréphthalique avec •OH. Comme montré en Fig. 4b, l'intensité de fluorescence de la solution diminue significativement après l'addition des Pd NSs. Les résultats sont en bon accord avec l'intensité de fluorescence diminuée avec l'augmentation de la concentration des Pd NSs (Fig. S6). Ces résultats indiquent que les Pd NSs peuvent consommer les radicaux •OH plutôt que de les générer. Donc, similaire au comportement catalytique rapporté des nanoparticules ferritine-platine, la performance catalytique de nos Pd NSs était indépendante de la formation de radical •OH.

Pour investiguer si le mécanisme catalytique des Pd NSs se rapporte à la formation d'électrons chauds par la lumière, nous avons aussi exploré l'expérience de piégeage d'espèces actives électrons chauds pendant la réaction photocatalytique (Fig. 4c). Comme on peut le voir de la Fig. 4d, la capacité catalytique des Pd NSs vers l'oxydation du TMB diminue significativement dans les 15 min par l'addition de 0,3 mg/ml KBrO₃ (un quenceur de e⁻). Une telle différence énorme entre le système réaction/KBrO₃ et le système pur révèle que la présence d'électrons chauds pourrait être critique pour l'oxydation du TMB. Cela est en accord avec les résultats de la Fig. S7 que les Pd NSs ont un pic d'absorption large par l'effet RPS dans la gamme spectrale de 500–1000 nm. De plus, une fois les électrons chauds éloignés de la surface des Pd NSs, il y a des trous correspondants laissés sur leur surface. Puisque ces trous peuvent oxyder l'éthanol pour produire de l'acétaldéhyde, ils pourraient aussi avoir une puissante capacité d'oxydation vers le TMB. Comme attendu, sans l'addition de H₂O₂, plus d'oxTMB a été créé sous l'illumination de lumière visible.

Ensuite, nous testons si des espèces réactives de l'oxygène étaient formées par l'activation de O₂ sous lumière visible, incluant le superoxyde (O₂⁻). À cet égard, des expériences contrôlées ont été effectuées sous différentes atmosphères. Pour la Fig. S8, la performance catalytique des enzymes mimétiques ne change pas significativement quand nous introduisons l'azote et l'oxygène en saturant le système de réaction respectivement, ce qui n'est pas considérablement affecté par le O₂ pour l'activité photocatalytique des Pd NSs. Il est essentiel de souligner que la performance ultime des Pd NSs, même jusqu'à 0,051 a.u./min pour 5 min sous lumière visible, était 3,2 fois plus haute que celle des catalyseurs Pd NSs dans le noir (Fig. 2d). L'activité extrêmement haute des nanozymes Pd sous lumière visible mène à une hypothèse que l'existence d'électrons chauds par l'effet RPS des Pd NSs favorisant la formation d'intermédiaires de réaction O* au lieu de radicaux libres rend compte d'une activité de type peroxydase (Fig. 5a). En bref, l'expérience de piégeage d'espèces actives et l'expérience de ventilation fournissent un support solide pour le mécanisme d'enzyme mimétique photocatalytique des Pd NSs.

Un Nouveau Capteur en Temps Réel et Hautement Sensible

Ceci a été démontré dans plusieurs études que l'introduction de la lumière dans le capteur comme une entrée d'énergie externe peut améliorer la performance du capteur. Par exemple, Ling et al. ont trouvé que les propriétés de détection d'O₂ du capteur 10 at.% LaOCl-SnO₂ étaient significativement améliorées par l'illumination de lumière ultraviolette. En considérant l'influence significative de la lumière sur le capteur et l'excellente activité peroxydase-mimétique des Pd NSs sous lumière visible dans nos expériences, un capteur colorimétrique H₂O₂ efficace et sensible a été construit. Le mécanisme du capteur (Fig. 5a) montre que les Pd NSs peuvent faire plein usage de leur grande surface spécifique pour capturer les photons et générer un grand nombre d'électrons chauds. Après cela, l'électron chaud favorise la décomposition de H₂O₂ pour produire des intermédiaires de réaction O*, qui peuvent oxyder le TMB en oxTMB bleu. Finalement, la détection efficace de H₂O₂ a été réalisée.

Comme on peut le voir de l'encart de la Fig. 5b, la gamme linéaire du capteur H₂O₂ construit par nous était de 10 à 100 μM, et le calcul de la limite de détection était 13,40 μM (LOD = 3s/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 NSs était supérieur aux autres nanomatériaux rapportés sous la condition d'introduction de lumière. Du Tableau S2, on peut voir qu'avec la même méthode colorimétrique pour détecter le peroxyde d'hydrogène, notre capteur montre une large gamme de linéarité. Et la limite de détection était plus basse que beaucoup de capteurs basés sur des mimétiques de peroxydase à base de Fe ou Co. Finalement, nous avons effectué des expériences de contrôle H₂O₂ et une série (Fig. 5c) avec des interférences potentielles telles que K⁺, glucose, Na⁺, CO₃²⁻, et Ca²⁺. Comme montré dans l'encart de la Fig. 5c, il est évident que l'absorbance de ces interférences est faible à 652 nm, et la couleur ne change pas. Basé sur nos résultats, un capteur de peroxyde d'hydrogène efficace et hautement spécifique basé sur la lumière visible a été réalisé avec succès. Ce capteur non seulement fait plein usage de la lumière visible pour améliorer sa performance de détection mais fournit aussi un bon exemple pour d'autres métaux plasmoniques dans le capteur.

Conclusions

En résumé, nous avons démontré un exemple excitant d'application de nanosheets de Pd ultraminces (Pd NSs) comme un mimétique de peroxydase hautement efficace et contrôlable par la lumière, en raison d'une haute densité de sites actifs sur la surface des nanosheets et de la propriété optique unique de RPS. Avec l'irradiation de lumière visible, les électrons chauds générés à partir des nanosheets de Pd via l'effet RPS peuvent décomposer subséquemment H₂O₂ pour produire des intermédiaires O*. Sous irradiation de lumière visible, de tels nanozymes exhibaient une activité de type peroxydase beaucoup plus haute que celle dans le noir. Un tel système activé par la lumière a été utilisé davantage pour la biosensibilité améliorée de H₂O₂. Le concept de base présenté ici, basé sur la génération d'électrons chauds par l'effet RPS sur les nanozymes 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 Matériaux

Toutes les données générées ou analysées pendant cette étude sont incluses dans cet article publié.

Abréviations

Pd NSs :

Nanosheets de Pd

Ag :

Argent

Au :

Or

Pt :

Platine

Pd :

Palladium

RPS :

Résonance de plasmon de surface

MET :

Microscopie électronique en transmission

HRMET :

MET à haute résolution

XRD :

Diffraction des rayons X

HRP :

Peroxydase de raifort

Km :

Constante de Michaelis

O₂⁻ :

Superoxyde