초박형 Pd 나노자임의 고온 전자 활성화 과산화효소 모방 활성

결과 및 토론

Pd NS 나노자임의 설계 및 특성화

팔라듐 나노시트의 전형적인 합성은 고유한 기질과 광자 포획 및 효율적인 과산화물 효소 모방 특성을 갖는 일련의 고도로 활성인 원자 부위 초박형 나노자임을 구성하는 고전적 방법(그림 1a)을 통해 준비되었습니다. 그림 1b-d는 합성된 Pd NS의 일반적인 저배율 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 보여줍니다. 여기에서 측면 치수가 약 10.0 nm이고(그림 1b, 삽입) 평균 두께가 약 10mm인 균일한 나노시트로 구성됩니다. 1.1 nm(그림 1c, 삽입). 크기에 따라 상하 평면의 면적 비율은 90% 이상입니다. 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)은 Pd NS의 형태와 위상을 추가로 확인하는 데 사용됩니다. 그림 1g는 팔라듐 [27]의 (111) 및 (200) 격자 평면에 대해 ~ 0.22 및 0.256 nm의 적절한 간격을 보여줍니다. 실험의 요구를 충족시키기 위해 Pd NS의 XRD 패턴은 상업용 탄소에 로딩되는 특성이 있습니다. 도 1e에 도시된 바와 같이, 약 40.11, 46.65 및 68.12에서의 회절 피크는 HRTEM의 관찰과 일치하는 입방 Pd NS의 (111), (200) 및 (220) 평면에 해당합니다. 더욱이, 상업용 탄소와 관련된 피크 외에 결정상을 나타내는 피크가 없습니다. Pd 3d 스펙트럼은 두 개의 피크를 나타냅니다(그림 1f). Pd 3d_5/2 및 Pd 3d_3/2 (스핀 궤도 분할의 결과), 각각 335.5 및 339.2 eV[25]에 위치하여 팔라듐 원자에 대한 두 가지 화학적 환경이 있음을 보여줍니다.

나노자임의 특성화. 아 Pd 나노자임의 성장 메커니즘. ㄴ , ㄷ , 및 d TEM. 이 XRD 패턴. 에 Pd NS의 Pd 3d XPS 스펙트럼. 지 Pd NS의 HRTEM 이미지

광촉매 과산화효소 모방 활동

Pd NS의 퍼옥시다제 유사 활성은 TMB를 전형적인 퍼옥시다제 기질로 사용하여 조사하였다. 대부분의 Pd 원자가 초박형 나노시트의 표면에 노출되어 있기 때문에 초박형 Pd NS가 높은 밀도의 활성 표면 사이트를 보유하여 우수한 촉매 활성을 초래한다고 추론합니다. 예상대로 H₂의 공존에 O₂ , Pd NS는 652 nm에서 특성 흡수와 함께 무색 기질 TMB의 청색 생성물 oxTMB로의 산화를 효율적으로 촉매할 수 있습니다(그림 2a, b). 그러나 H₂를 추가하지 않고 O₂ , Pd NS의 활성은 동일한 실험 조건에서 무시될 수 있으며, 이는 과산화효소 유사 활성이 반응 동안 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었다. 천연 효소 및 기타 나노자임과 유사하게, Pd 나노자임은 pH, 온도 및 농도 의존적인 퍼옥시다제 활성을 갖는다(그림 2c 및 그림 S1). 실험 조건에서 Pd NSs는 약산성 용액에서 최적화된 촉매 활성을 보였고, 반응 용액의 특성 흡광도 피크는 온도가 25°C에서 75°C까지 변할 때 35°C에서 가장 높았다(Fig. 2c). 놀랍게도, 광 조사의 유무에 관계없이 과산화효소 모방 활성의 상당한 차이가 관찰되었습니다(그림 2d 및 그림 S2). 60분 동안 반응 용액의 흡수 값에 따르면 가시광선에서 Pd NS의 활성은 어두운 조건에서 Pd NS의 활성보다 약 2.4~3.2배 더 높게 나타났습니다(그림 2d 및 그림 S2). 유사하게, 다른 플라즈몬 금속 나노입자가 촉매작용 과정에 빛을 도입하면 과산화효소와 같은 활성을 증가시킬 수 있습니다(그림 S3-S5). 이러한 나노자임을 비교함으로써, 우리는 Pd NS가 가장 큰 범위의 활성 조절을 나타낸다는 것을 발견했습니다. 이러한 현상은 주로 초박형 나노시트의 독특한 구조에 기인한다. 이러한 결과로부터 우리는 가시광선이 모든 플라즈몬 금속 나노물질의 과산화효소 유사 활성에 직접적인 영향을 미치며(그림 2e), SPR 효과가 촉매 과정에서 필수적인 역할을 할 수 있음을 추론할 수 있습니다.

Pd NS의 과산화효소 모방 활성. a-b 가시 광선 및 암 조건에서 다양한 샘플의 일반적인 UV 가시 흡수 스펙트럼. ㄷ 과산화효소 모방 활성에 대한 온도 및 pH 영향. d 과산화효소 모방 활동에 대한 시간 경과. 이 어둡고 가시광선에서 Pd NS의 과산화효소와 같은 메커니즘. 실험 조건:가시광선 =λ ≥ 400 nm, TMB =0.7 mM, H₂ O₂ =50mM, 온도 =25°C, Pd NSs =12.6μg/mL 및 인산염 완충 용액(0.1M, pH 4)

Pd 나노자임의 동역학 및 메커니즘 조사

Pd NS의 효소 거동을 특성화하기 위해 우리는 반응에 대한 효소 동역학 이론을 결정했습니다. 그러나 TMB의 적절한 농도 범위 내에서 Pd NS는 전형적인 Michaelis-Menten 곡선을 나타냅니다(그림 3a). Michaelis 상수(Km)와 최대 반응 속도(Vmax)는 Table S1과 같이 Lineweaver Burk 식을 이용하여 구하였다. 양고추냉이 과산화효소(HRP)와 비교하여 TMB가 있는 Pd NS의 겉보기 Km 값은 0.28만큼 약화되었습니다(그림 3a, b 및 표 S1). 이 결과는 준비된 Pd NS의 초박형 시트 구조가 천연 효소 HRP보다 훨씬 더 높은 TMB에 대한 높은 친화성을 나타냄을 나타냅니다.

Pd NS의 정상 상태 운동 분석 및 촉매 메커니즘(12.6 μg/mL). 아 H₂의 농도 O₂ 50 mM이었고, TMB 농도는 다양하였다(0.1-1.5 mM). ㄴ TMB에 대한 이중 역수 도표

H₂ O₂ Pd NS와 함께 활성 산소 종을 형성하도록 분해될 수 있으므로 산화 기능을 제공하기 위해 생성되는 종을 이해하는 것이 중요합니다. 원칙적으로 귀금속은 H₂의 분해를 촉매할 수 있습니다. O₂ 낮은 pH 조건에서 •OH 및 반응 중간체 O*를 형성하기 위해[28], 둘 중 하나는 효소 모방 반응에서 산화 기능을 제공하는 종이 될 수 있습니다. Pd NS의 가능한 촉매 메커니즘을 이해하기 위해 먼저 테레프탈산(TA)/H₂을 사용했습니다. O₂ Pd NS의 peroxidase-like 특성이 OH 라디칼의 형성과 관련이 있는지 여부를 테스트하기 위한 시스템입니다(그림 4a). TA를 형광 프로브로 사용하여 2-hydroxyterephthalic acid와 OH를 반응시켜 고형광 생성물을 생성하였다[29]. 도 4b에 도시된 바와 같이, 용액의 형광 강도는 Pd NSs 첨가 후에 현저하게 감소한다. 결과는 Pd NS 농도가 증가함에 따라 감소한 형광 강도와 잘 일치합니다(그림 S6). 이러한 결과는 Pd NS가 OH 라디칼을 생성하기보다는 소비할 수 있음을 나타냅니다. 따라서 페리틴-백금 나노입자의 보고된 촉매 거동과 유사하게 [30], Pd NS의 촉매 성능은 •OH 라디칼의 형성과 무관합니다.

아 하이드록실 라디칼(•OH)을 포착하는 테레프탈산(TA)의 메커니즘 다이어그램. 인산염 완충액(0.1 M, pH 4), H₂를 포함하는 시료의 스펙트럼 O₂ (50 mM) 및 가시광선 조명(λ ≥ 400 nm, 15 분). ㄴ Pd NS(12.6 μg/mL) 및 TA(66.7 μM) 존재하의 형광 방출 스펙트럼. ㄷ KBrO₃의 메커니즘 다이어그램 뜨거운 전자 제품을 캡처합니다. d Pd NS(12.6 μg/mL), KBrO₃ 존재 시 흡수 스펙트럼 (0.3 mg/mL) 및 TMB(0.7 mM)

Pd NS의 촉매 메커니즘이 빛에 의한 열전자 형성과 관련이 있는지 여부를 조사하기 위해 우리는 또한 광촉매 반응 동안 활성 종 열전자의 트래핑 실험을 조사합니다(그림 4c)[31]. 그림 4d에서 볼 수 있듯이 TMB 산화에 대한 Pd NS의 촉매 능력은 0.3mg/mL KBrO3의 첨가에 의해 15분 이내에 상당히 감소합니다. (e ⁻ 의 소광제 ). KBrO₃의 엄청난 차이 /반응 시스템 및 순수 시스템은 뜨거운 전자의 존재가 TMB 산화에 중요할 수 있음을 보여줍니다. 이는 Pd NS가 500-1000 nm의 스펙트럼 범위에서 SPR 효과를 통해 넓은 흡수 피크를 갖는다는 Fig. S7의 결과와 일치한다[25]. 게다가, 일단 뜨거운 전자가 Pd NS의 표면에서 멀어지면 표면에 상응하는 구멍이 남습니다. 이 구멍은 에탄올을 산화시켜 아세트알데히드를 생성할 수 있기 때문에 TMB에 대한 강력한 산화 능력을 가질 수도 있습니다. 예상대로 H₂ 추가 없이 O₂ , 가시광선 아래에서 더 많은 oxTMB가 생성되었습니다.

다음으로 활성산소가 O₂의 활성화에 의해 형성되었는지 테스트합니다. 과산화물(O₂ 포함)을 포함한 가시광선 아래에서 ^- ). 이를 고려하여 서로 다른 분위기에서 통제된 실험을 수행했습니다. 그림 S8의 경우, O₂의 영향을 크게 받지 않는 반응 시스템을 포화 상태로 질소와 산소를 각각 도입해도 모방 효소의 촉매 성능은 크게 변하지 않습니다. Pd NS의 광촉매 활성을 위해. 가시광선 아래에서 5분 동안 0.051 a.u./min까지 Pd NS의 궁극적인 성능이 어둠 속에서 Pd NSs 촉매의 성능보다 3.2배 더 높다는 점을 지적하는 것이 중요합니다(그림 2d). 가시광선에서 Pd 나노자임의 극도로 높은 활성은 자유 라디칼 대신 반응 중간체 O*의 형성을 촉진하는 Pd NS의 SPR 효과에 의한 열전자의 존재가 퍼옥시다제 유사 활성을 설명한다는 가설로 이어집니다(그림 5a). ) [28]. 간단히 말해서, 활성 종의 포획 실험과 환기 실험은 Pd NS의 광촉매 모방 효소 메커니즘에 대한 견고한 지원을 제공합니다.

아 H₂용 센서 개략도 O₂ 발각. ㄴ 다양한 과산화수소 농도의 용량-반응 곡선. 실험 조건:Pd 나노자임(25.2 μg/mL), 인산 완충액(0.1 M, pH 4), TMB(0.7 mM) 가시광 조명(λ) ≥ 400 nm, 3 분). 삽입:선형 보정 플롯. ㄷ H₂의 흡광도에 대한 다른 불순물의 간섭 O₂ 652 nm의 비색 센서. 실험 조건:Pd 나노자임(25.2 μg/mL), 인산염 완충액(0.1 M, pH 4), TMB(0.7 mM), 가시광선 조명(λ) ≥ 400 nm, 15 min), 50 mM H₂ 포함 O₂ , 200 mM 포도당, Na ⁺ , K ⁺ , Ca ^{2 +} 및 CO₃ ²⁻ , 삽입은 반응 용액의 색상 변화를 보여줍니다.

새로운 실시간 고감도 센서

이것은 외부 에너지의 입력으로 센서에 빛을 도입하면 센서의 성능을 향상시킬 수 있다는 여러 연구에서 입증되었습니다[22, 32, 33]. 예를 들어, Ling et al. [32] O₂ 10 at의 감지 특성. % LaOCl-SnO₂ 센서는 자외선 조명으로 크게 개선되었습니다. 우리 실험에서 가시광선 하에서 센서에 대한 빛의 상당한 영향과 Pd NS의 우수한 과산화효소 모방 활성을 고려할 때 효과적이고 민감한 비색 센서 H₂ O₂ 지어졌다. 센서의 메커니즘(그림 5a)은 Pd NS가 광자를 포착하고 많은 수의 뜨거운 전자를 생성하기 위해 큰 비표면적을 최대한 활용할 수 있음을 보여줍니다. 그 후, 뜨거운 전자는 H₂의 분해를 촉진합니다. O₂ TMB를 청색 oxTMB로 산화시킬 수 있는 반응 중간체 O*를 생성합니다. 마지막으로 H₂의 효율적인 검출 O₂ 실현되었습니다.

그림 5b의 삽입도에서 알 수 있듯이 구성된 H₂의 선형 범위는 O₂ 우리의 센서는 10 ~ 100 μM이었고 검출 한계의 계산은 13.40 μM(LOD =3 s /카 , 여기서 s 그리고 k 각각 8개의 병렬 제어 측정의 상대 표준 편차 및 기울기의 선형 교정 블록을 나타냅니다. 이 작업에서 s =2.97988 × 10 ⁻⁴ , 카 =6.67 × 10 ⁻⁵ ). 따라서 Pd NS를 기반으로 한 과산화수소 센서는 빛을 도입하는 조건에서 보고된 다른 나노 물질보다 우수했습니다. 표 S2에서 과산화수소를 감지하기 위한 동일한 비색 방법으로 우리 센서가 넓은 범위의 선형성을 나타냄을 알 수 있습니다[34]. 그리고 검출 한계는 Fe 기반 또는 Co 기반 과산화효소 모방체를 기반으로 하는 많은 센서보다 낮았습니다(표 S3)[35, 36]. 마지막으로 H₂를 수행했습니다. O₂ 및 K ⁺ 와 같은 잠재적 간섭이 있는 일련의 제어 실험(그림 5c) , 포도당, Na ⁺ , CO₃ ²⁻ , 및 Ca ²⁺ . 그림 5c의 삽입도에서 볼 수 있듯이 이러한 간섭의 흡광도는 652 nm에서 약하고 색상이 변하지 않음을 알 수 있습니다. 우리의 결과를 바탕으로 가시광을 기반으로 하는 효율적이고 특이성이 높은 과산화수소 센서가 성공적으로 구현되었습니다. 이 센서는 가시광선을 최대한 활용하여 감지 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 센서의 다른 플라즈몬 금속에 대한 좋은 예를 제공합니다.