초박막 팔라듐 나노자임: 정밀 촉매를 위한 빛 활성화 페록시데이즈 모방

요약

빛 활성화 나노자임은 화학 산업과 생명공학에 새로운 기회를 제공할 수 있습니다. 그러나 현재 원격 제어 촉매 시스템은 여전히 만족스럽지 않습니다. 여기서는 초박막 Pd 나노시트(Pd NSs)를 빛 제어 페록시데이즈 모방체로 적용하는 흥미로운 예를 제시합니다. 두께 1.1 nm의 Pd NSs는 대부분의 Pd 원자가 표면에 노출되어 있어 높은 페록시데이즈 유사 활성을 가집니다. 더 중요하게는 빛 조사 하에서 이러한 고유 활성이 2.4-3.2배 더 활성화될 수 있습니다. 이러한 현상은 초박막 Pd NSs의 독특한 광학적 특성, 즉 표면 플라즈몬 공명 효과를 통해 광자를 효율적으로 포착하여 핫 전자를 생성하고 H₂O₂의 현장 분해를 촉진하여 반응성 산소 종 라디칼(O*)을 생성하기 때문으로 귀착됩니다. 이러한 향상된 촉매는 H₂O₂의 실시간 고감도 비교색 검출에도 사용될 수 있습니다. 본 연구가 생물의학 진단, 약물 전달, 환경 화학에서 제어 가능하고 효율적인 활성을 가진 인공 나노자임의 합리적 설계에 귀중한 통찰을 제공하기를 기대합니다.

서론

천연 효소는 생명의 거의 모든 화학적 변환을 촉매할 수 있는 정교한 생체촉매입니다[1, 2]. 그러나 낮은 안정성과 높은 비용 등 고유한 결함이 여전히 존재합니다. 자기 나노입자의 내재적 페록시데이즈 모방 활성이 최초 보고된 이래[3], 효소 유사 활성을 가진 나노물질 설계 및 개발(나노자임)이 점점 더 많은 연구 관심을 끌고 있습니다[4]. 지금까지 산화물계[5-7], 금속계[8-10], 탄소계 나노물질[11-13]이 horseradish peroxidase(HRP) 모방에 사용되었습니다. 이 중 은(Ag)[15], 금(Au)[16, 17], 백금(Pt)[8], 팔라듐(Pd)[18, 19] 등 귀금속 나노물질[8, 14-19]이 높은 페록시데이즈 모방 활성을 가진 것으로 보고되었습니다. 한편 빛을 도입하여 나노자임 활성을 활성화하는 것도 보고되어 생명공학과 화학 산업에 풍부한 기회를 제공합니다[4, 20]. 그러나 현재 원격 제어 촉매 시스템은 여전히 만족스럽지 않습니다.

플라즈모닉 금속 나노물질은 표면 플라즈몬 공명(SPR)의 독특한 광학적 특성으로 햇빛을 포착하거나 반응할 수 있습니다. SPR 효과를 통해 광자를 포착하여 핫 전자를 생성하는 이러한 금속 나노물질은 촉매 속도 향상[21], 생체분자 새로운 광학 센싱[22], 광열 치료 엔지니어링, 햇빛을 재생 에너지로 활용[23, 24]하는 핵심 소재가 되었습니다. 그러나 이들 중 어느 것도 플라즈모닉 금속 기반 나노자임의 SPR 효과가 효소 모방 활성에 미치는 영향에 초점을 맞추지 않았습니다. 따라서 플라즈모닉 금속 기반 나노자임과 SPR 효과를 결합하여 고활성, 빛 조절 가능 효소 촉매를 달성하는 것이 매력적일 것입니다.

본 연구에서는 두께 약 1.1 nm의 초박막 Pd 나노시트(Pd NSs)가 우수하고 빛 제어 가능한 페록시데이즈 모방체로 작용함을 최초로 보고합니다. Pd 기반 나노자임과 빛 제어 나노자임 시스템이 산화효소, 페록시데이즈, 카탈라아제, 슈퍼옥사이드 디스뮤타제 등 다중 효소 모방 활성을 가짐이 보고되었습니다[4, 18, 19]. 그러나 이들의 구조는 일반적으로 입자, 벌크, 막대 형태입니다. 알려진 바와 같이 초박막 Pd NSs는 높은 표면 에너지, 작은 측면 크기, 높은 전자 이동도를 가져 활성 표면 부위의 높은 밀도를 초래합니다[25]. 게다가 초박막 나노시트에 노출된 대부분의 원자가 성능 엔지니어링의 이상적 플랫폼이 될 수 있습니다[26]. 초박막 나노시트의 독특한 구조에 영감을 받아 Pd 원자의 활성 부위를 최대한 활용할 뿐만 아니라 핫 전자를 효소 촉매 과정에 주입하는 전략을 제시합니다. Scheme 1에 보인 바와 같이 광자와 초박막 Pd NSs의 상호작용은 표면 플라즈몬 공명을 흥분시켜 비복사적으로 핫 전자와 정공으로 붕괴시키며, 이는 가시광 하에서 H₂O₂의 현장 환원적 분해를 촉진하여 산소 종 라디칼(O*)을 생성하고 TMB를 산화시킵니다. 효소 반응에 가시광을 도입함으로써 Pd NSs는 암조건 대비 현저히 높은 촉매 활성을 보입니다.

재료 및 실험

재료 및 특성 분석

구연산(CA); N,N-디메틸포름아미드(DMF); 3,3',5,5'-테트라메틸벤지딘(TMB); 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB)는 Sigma Aldrich에서 구입했습니다. Pd(II) 아세틸아세토네이트, W(CO)₆, 폴리비닐피롤리돈(PVP)은 Macklin에서 구입했습니다. 과산화수소(H₂O₂, 30 wt%)는 Beijing Chemicals(Beijing, China)에서 구입했습니다. 모든 화학물질은 추가 정제 없이 사용했습니다. Millipore 시스템(18.2 MΩ; Millipore Co., USA)으로 정제한 실험용 물을 전체 작업에 사용했습니다.

생성물의 상 구조는 Cu Kα 방사선(λ=1.5406 Å)을 사용하는 PANalytical X선 회절계로 특성화했습니다. 시료의 UV-Vis 확산 반사 스펙트럼(DRS)은 Lambda 750, PerkinElmer로 상온에서 특성화했습니다. 용액 내 촉매 농도는 ICP-AES(720, Agilent)로 결정했습니다. 투과 전자 현미경(TEM) 이미지는 100 kV에서 작동하는 JEM1400 plus 투과 전자 현미경으로 기록했습니다. 고해상도 TEM(HRTEM) 분석은 200 kV에서 JEM-2100F 전계 방출 투과 전자 현미경(FE-TEM)으로 수행했습니다.

Pd 나노시트 합성

보고된 방법[27]에 따라 Pd NSs를 합성했습니다. 간단히, Pd(II) 아세틸아세토네이트(16 mg), PVP(MW=24,000, 30 mg), CA(150 mg), CTAB(60 mg)을 DMF(10 mL)에 혼합하고 질소 분위기에서 1시간 교반했습니다. 플라스크(25 mL) 내 용액 색이 균일한 주황-적색 용액으로 변하면 W(CO)₆ 100 mg을 N₂ 분위기 하에서 용액에 첨가했습니다. 이후 80°C에서 1시간 가열했습니다. 반응 후 어두운 청색 생성물을 아세톤을 충분히 넣고 원심분리(9000 rpm/min, 3분)로 분리한 후 에탄올에 분산시켰습니다. 이 과정을 3회 반복했습니다. 최종적으로 Pd 나노시트를 10 mL 에탄올에 분산시켜 추가 실험에 사용했습니다.

광촉매 페록시데이즈 모방 측정

Pd NSs 나노자임의 페록시데이즈 모방 활성은 TMB 산화 측정으로 평가했습니다. 300-W Xe 램프(CEL-HXF300/CEL-HXUV300, China education Au-light Co., Ltd., Beijing)를 광원으로 사용하고 유리 필터를 추가하여 가시광(λ≥400 nm)을 통과시켰습니다. 전형적 실험에서 12.6 μg/mL Pd NSs 나노자임(ICP-AES 측정)을 0.1 M 인산 완충 용액(pH 4, 50 mM H₂O₂, 0.7 mM TMB 함유) 1 mL에 첨가하고 상온에서 진행했습니다. 조사 중 서로 다른 시간에 원심분리 후 652 nm 특성 흡수 피크를 모니터링하여 페록시데이즈 모방 활성을 결정했습니다(이는 TMB 산화 생성물 농도를 나타냄). 대조 실험은 조명 제외 동일한 조건으로 수행했습니다.

결과 및 논의

Pd NSs 나노자임 설계 및 특성 분석

전형적인 팔라듐 나노시트 합성은 고전적 방법(Fig. 1a)으로 준비되어 고유한 기질과 광자 포착, 효율적인 과산화물 효소 모방 특성을 가진 고활성 원자 부위 초박막 나노자임 시리즈를 구축했습니다. Fig. 1b-d는 합성된 Pd NSs의 전형적 저배율 TEM 이미지로, 약 10.0 nm 측면 치수(Fig. 1b 인셋)와 약 1.1 nm 평균 두께(Fig. 1c 인셋)의 균일한 나노시트로 구성됨을 보여줍니다. 크기에 따라 상하 평평한 표면의 면적 비율이 90% 이상입니다. 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)으로 Pd NSs의 형태와 상을 추가 확인했습니다. Fig. 1g는 팔라듐의 (111)과 (200) 격자면에 해당하는 ~0.22, 0.256 nm 적절한 간격을 보여줍니다[27]. 실험 필요에 따라 상용 탄소에 로딩하여 Pd NSs의 XRD 패턴을 특성화했습니다. Fig. 1e에서 약 40.11, 46.65, 68.12의 회절 피크는 입방 Pd NSs의 (111), (200), (220) 면에 해당하며 HRTEM 관찰과 일치합니다. 또한 상용 탄소 관련 피크 외에 다른 결정상 피크는 없습니다. Pd 3d 스펙트럼은 두 피크(Fig. 1f) Pd 3d₅/₂와 Pd 3d₃/₂(스핀-궤도 분할 결과)를 각각 335.5, 339.2 eV에서 보여줍니다[25], 이는 팔라듐 원자에 두 가지 화학 환경이 있음을 드러냅니다.

광촉매 페록시데이즈 모방 활성

Pd NSs의 페록시데이즈 유사 활성은 전형적 페록시데이즈 기질인 TMB를 사용하여 조사했습니다. 초박막 나노시트 표면에 대부분의 Pd 원자가 노출되어 있으므로 초박막 Pd NSs가 높은 밀도의 활성 표면 부위를 가져 우수한 촉매 활성을 가질 것으로 추론했습니다. 예상대로 H₂O₂와 공존 시 Pd NSs는 무색 기질 TMB를 청색 생성물 oxTMB로 효율적으로 촉매 산화하며, 652 nm에서 특성 흡수를 보입니다(Fig. 2a, b). 그러나 H₂O₂ 첨가 없이 동일 조건에서 Pd NSs 활성은 무시할 수 있어 페록시데이즈 유사 활성이 반응에서 중요한 역할을 함을 보여줍니다. 천연 효소와 다른 나노자임과 유사하게 Pd 나노자임은 pH, 온도, 농도 의존적 페록시데이즈 활성을 가집니다(Fig. 2c, Fig. S1). 실험 조건에서 Pd NSs는 약산성 용액에서 최적화된 촉매 활성을 보이며, 온도가 25-75°C로 변할 때 35°C에서 반응 용액의 특성 흡수 피크가 가장 높았습니다(Fig. 2c). 놀랍게도 빛 조사 유무에 따라 페록시데이즈 모방 활성에 유의미한 차이가 관찰되었습니다(Fig. 2d, Fig. S2). 반응 용액의 60분 흡수 값에 따르면 가시광 하 Pd NSs 활성이 암조건 대비 약 2.4-3.2배 높았습니다(Fig. 2d, Fig. S2). 유사하게 다른 플라즈모닉 금속 나노입자에도 빛을 촉매 과정에 도입하면 페록시데이즈 유사 활성이 증가합니다(Fig. S3-S5). 이들 나노자임 비교 결과 Pd NSs가 가장 큰 활성 조절 범위를 보임을 발견했습니다. 이러한 현상은 주로 초박막 나노시트의 독특한 구조 때문입니다. 이 결과로부터 가시광이 모든 플라즈모닉 금속 나노물질의 페록시데이즈 유사 활성에 직접적 영향을 미치며, SPR 효과가 촉매 과정에서 필수적 역할을 할 수 있음을 추론할 수 있습니다(Fig. 2e).

Pd 나노자임의 동역학 및 메커니즘 조사

Pd NSs의 효소적 거동을 특성화하기 위해 반응에 대한 효소 동역학 이론을 결정했습니다. 그러나 적절한 TMB 농도 범위 내에서 Pd NSs는 전형적인 미카엘리스-멘텐 곡선을 보입니다(Fig. 3a). 미카엘리스 상수(Km)와 최대 반응 속도(Vmax)는 라인위버-버크 방정식으로 얻었으며 Table S1에 나타냈습니다. horseradish peroxidase(HRP)와 비교할 때 TMB에 대한 Pd NSs의 겉보기 Km 값은 0.28로 약화되었습니다(Fig. 3a, b, Table S1). 이 결과는 제조된 Pd NSs의 초박막 시트 구조가 천연 효소 HRP보다 더 높은 TMB 친화성을 가짐을 나타냅니다.

H₂O₂가 Pd NSs로 분해되어 반응성 산소 종을 형성함이 명확하므로, 산화 기능을 제공하는 종이 무엇인지 이해하는 것이 중요합니다. 원칙적으로 귀금속은 H₂O₂를 분해하여 저pH 조건에서 •OH와 반응 중간체 O*를 형성할 수 있습니다[28], 둘 중 어느 것이 효소 모방 반응에서 산화 기능을 제공하는 종일 수 있습니다. Pd NSs의 가능한 촉매 메커니즘을 이해하기 위해 테레프탈산(TA)/H₂O₂ 시스템을 사용하여 Pd NSs의 페록시데이즈 유사 특성이 •OH 라디칼 형성과 관련 있는지 테스트했습니다(Fig. 4a). TA를 형광 프로브로 사용하여 2-하이드록시테레프탈산이 •OH와 반응하여 높은 형광 생성물을 생성합니다[29]. Fig. 4b에서 Pd NSs 첨가 후 용액 형광 강도가 유의미하게 감소함을 볼 수 있습니다. 결과는 Pd NSs 농도 증가에 따라 형광 강도가 감소하는 것과 잘 일치합니다(Fig. S6). 이 결과는 Pd NSs가 •OH 라디칼을 생성하는 것이 아니라 소비함을 나타냅니다. 따라서 보고된 페리틴-백금 나노입자[30]의 촉매 거동과 유사하게 우리 Pd NSs의 촉매 성능은 •OH 라디칼 형성과 무관합니다.

Pd NSs의 촉매 메커니즘이 빛에 의한 핫 전자 생성과 관련 있는지 조사하기 위해 광촉매 반응 중 활성 종 핫 전자 포획 실험도 탐구했습니다(Fig. 4c)[31]. Fig. 4d에서 0.3 mg/mL KBrO₃(전자 포획제) 첨가로 Pd NSs의 TMB 산화 촉매 능력이 15분 내 현저히 감소함을 볼 수 있습니다. KBrO₃/반응 시스템과 순수 시스템 간의 이러한 엄청난 차이는 핫 전자 존재가 TMB 산화에 결정적일 수 있음을 드러냅니다. 이는 Pd NSs가 SPR 효과로 500-1000 nm 스펙트럼 범위에서 넓은 흡수 피크를 가짐(Fig. S7)[25]과 일치합니다. 게다가 핫 전자가 Pd NSs 표면에서 이동하면 표면에 해당하는 정공이 남습니다. 이 정공이 에탄올을 산화하여 아세트알데히드를 생성할 수 있으므로 TMB에 대해서도 강력한 산화 능력을 가질 수 있습니다. 예상대로 H₂O₂ 첨가 없이 가시광 조명 하에서 더 많은 oxTMB가 생성되었습니다.

다음으로 가시광 하에서 산소 활성화로 슈퍼옥사이드(O₂⁻)를 포함한 반응성 산소 종이 형성되는지 테스트했습니다. 이를 위해 다양한 분위기에서 대조 실험을 수행했습니다. Fig. S8에서 질소와 산소를 각각 반응 시스템에 포화 도입했을 때 모방 효소 촉매 성능이 유의미하게 변하지 않아 Pd NSs의 광촉매 활성이 O₂에 크게 영향을 받지 않음을 보여줍니다. Pd NSs의 궁극적 성능이 가시광 하에서 5분간 0.051 a.u./min까지 도달하여 암조건 Pd NSs 촉매보다 3.2배 높았음을 지적해야 합니다(Fig. 2d). Pd 나노자임의 가시광 하 극도로 높은 활성은 Pd NSs의 SPR 효과에 의한 핫 전자 존재가 자유 라디칼 대신 반응 중간체 O* 형성을 촉진하여 페록시데이즈 유사 활성을 설명한다는 가설을 뒷받침합니다(Fig. 5a)[28]. 요약하면 활성 종 포획 실험과 환기 실험이 Pd NSs의 광촉매 모방 효소 메커니즘을 강력히 지지합니다.

새로운 실시간 고감도 센서

빛을 외부 에너지 입력으로 센서에 도입하면 센서 성능을 개선할 수 있음을 여러 연구에서 입증했습니다[22, 32, 33]. 예를 들어 Ling 등[32]은 자외선 조명으로 10 at.% LaOCl-SnO₂ 센서의 O₂ 감지 특성이 현저히 개선됨을 발견했습니다. 빛의 센서에 대한 유의미한 영향과 우리 실험에서 가시광 하 Pd NSs의 우수한 페록시데이즈 모방 활성을 고려하여 효과적이고 민감한 비교색 H₂O₂ 센서를 구축했습니다. 센서 메커니즘(Fig. 5a)은 Pd NSs가 큰 비표면적을 활용하여 광자를 포착하고 다량의 핫 전자를 생성함을 보여줍니다. 이후 핫 전자가 H₂O₂ 분해를 촉진하여 반응 중간체 O*를 생성하고, 이는 TMB를 청색 oxTMB로 산화시킵니다. 결국 H₂O₂의 효율적 검출이 실현되었습니다.

Fig. 5b 인셋에서 우리가 구축한 H₂O₂ 센서의 선형 범위는 10-100 μM이었으며, 검출 한계 계산값은 13.40 μM(LOD=3s/k, 여기서 s와 k는 각각 8회 평행 대조 측정의 상대 표준편차와 기울기의 선형 보정 블록을 나타냅니다. 본 연구에서 s=2.97988×10⁻⁴, k=6.67×10⁻⁵). 따라서 빛 도입 조건에서 Pd NSs 기반 과산화수소 센서는 다른 보고된 나노물질보다 우수했습니다. Table S2에서 동일한 비교색법으로 과산화수소를 검출할 때 우리 센서가 넓은 선형 범위를 보임을 알 수 있습니다[34]. 검출 한계도 Fe-기반 또는 Co-기반 페록시데이즈 모방 기반 많은 센서보다 낮았습니다(Table S3)[35, 36]. 마지막으로 H₂O₂와 K⁺, 글루코스, Na⁺, CO₃²⁻, Ca²⁺ 등 잠재적 간섭 물질로 대조 실험을 수행했습니다(Fig. 5c). Fig. 5c 인셋에서 이 간섭 물질들의 652 nm 흡광도가 약하고 색 변화가 없음이 명확합니다. 우리 결과를 바탕으로 가시광 기반의 효율적이고 고특이적 과산화수소 센서가 성공적으로 실현되었습니다. 이 센서는 가시광을 최대한 활용하여 검출 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 다른 플라즈모닉 금속 센서의 좋은 본보기가 됩니다.

결론

요약하면, 나노시트 표면의 높은 활성 부위 밀도와 SPR의 독특한 광학적 특성으로 인해 초박막 Pd 나노시트(Pd NSs)를 고효율, 빛 제어 가능 페록시데이즈 모방체로 적용하는 흥미로운 예를 입증했습니다. 가시광 조사 시 Pd 나노시트에서 SPR 효과로 생성된 핫 전자가 H₂O₂를 후속 분해하여 중간체 O*를 생성합니다. 가시광 조사 하에서 이러한 나노자임은 암조건 대비 훨씬 높은 페록시데이즈 유사 활성을 보입니다. 이러한 빛 활성화 시스템은 H₂O₂ 생물 센싱 향상에 추가로 사용되었습니다. 여기 제시된 기본 개념, 즉 광활성화 Pd 나노자임의 SPR 효과를 통한 핫 전자 생성을 기반으로 한 것은 스마트하거나 더 효율적인 인공 효소 시스템 설계에 기여할 수 있으며 화학 산업과 생명공학에 많은 새로운 기회를 제공할 수 있습니다.