Actividad imitadora de peroxidasa activada por electrones calientes de nanozimas ultrafinas de Pd

Ensayo cinético de estado estacionario y mecanismo catalítico de Pd NS (12,6 μg / mL). un La concentración de H ₂ O ₂ fue de 50 mM, y se varió la concentración de TMB (0,1-1,5 mM). b Gráficos recíprocos dobles para TMB

Dado que está claro que H ₂ O ₂ pueden descomponerse para formar especies reactivas de oxígeno con Pd NS, es crucial comprender qué especies se producen para proporcionar una función de oxidación. En principio, los metales nobles pueden catalizar la descomposición de H ₂ O ₂ para formar • OH, y los intermedios de reacción O * en condiciones de pH más bajas [28], cualquiera de las cuales puede ser la especie que proporciona la función de oxidación en las reacciones enzimáticas-miméticas. Para comprender el posible mecanismo catalítico de los Pd NS, primero usamos ácido tereftálico (TA) / H ₂ O ₂ sistema para probar si las características de tipo peroxidasa de las Pd NS están relacionadas con la formación de radicales • OH (Fig. 4a). Usando TA como sonda fluorescente, se produjo un producto altamente fluorescente mediante la reacción del ácido 2-hidroxitereftálico con • OH [29]. Como se muestra en la Fig. 4b, la intensidad de fluorescencia de la solución disminuye significativamente después de la adición de Pd NS. Los resultados concuerdan con la disminución de la intensidad de fluorescencia con el aumento de la concentración de Pd NS (Fig. S6). Estos resultados indican que los Pd NS pueden consumir radicales • OH en lugar de generarlos. Por lo tanto, de manera similar al comportamiento catalítico informado de las nanopartículas de ferritina-platino [30], el rendimiento catalítico de nuestros Pd NS fue independiente de la formación del radical • OH.

un Diagrama del mecanismo de captación de radicales hidroxilo (• OH) del ácido tereftálico (TA). Espectros de muestras que contienen tampón fosfato (0,1 M, pH 4), H ₂ O ₂ (50 mM) e iluminación de luz visible ( λ ≥ 400 nm, 15 min). b Los espectros de emisión de fluorescencia en presencia de Pd NS (12,6 μg / mL) y TA (66,7 μM). c Diagrama de mecanismo de KBrO ₃ capturando electrónica caliente. d El espectro de absorción en presencia de Pd NS (12,6 μg / ml), KBrO ₃ (0,3 mg / ml) y TMB (0,7 mM)

Para investigar si el mecanismo catalítico de las NS de Pd se relaciona con la formación de electrones calientes por la luz, también exploramos el experimento de captura de electrones calientes de especies activas durante la reacción fotocatalítica (Fig. 4c) [31]. Como se puede ver en la Fig. 4d, la capacidad catalítica de los Pd NS hacia la oxidación de TMB disminuye significativamente en 15 minutos mediante la adición de 0,3 mg / ml de KBrO ₃ (un extintor de e ^- ). Una gran diferencia entre KBrO ₃ El sistema de reacción y el sistema puro revelan que la presencia de electrones calientes podría ser crítica para la oxidación de TMB. Esto está de acuerdo con los resultados de la Fig. S7 de que las NS de Pd tienen un pico de absorción amplio a través del efecto SPR en el rango espectral de 500-1000 nm [25]. Además, una vez que los electrones calientes se alejan de la superficie de los Pd NS, quedan agujeros correspondientes en su superficie. Dado que estos orificios pueden oxidar el etanol para producir acetaldehído, también pueden tener una poderosa capacidad de oxidación hacia TMB. Como se esperaba, sin la adición de H ₂ O ₂ , se creó más oxTMB bajo la iluminación de luz visible.

A continuación, probamos si se formaron especies reactivas de oxígeno mediante la activación de O ₂ bajo luz visible, incluido superóxido (O ₂ ^- ). A la luz de esto, se realizaron experimentos controlados en diferentes atmósferas. Para la Fig. S8, el rendimiento catalítico de las enzimas miméticas no cambia significativamente cuando se introducen nitrógeno y oxígeno saturando el sistema de reacción, respectivamente, que no se ve afectado considerablemente por el O ₂ para la actividad fotocatalítica de Pd NSs. Es esencial señalar que el rendimiento final de los Pd NS, incluso hasta 0,051 a.u./min durante 5 min bajo luz visible, fue 3,2 veces mayor que el de los catalizadores de Pd NS en la oscuridad (Fig. 2d). La actividad extremadamente alta de la nanozima de Pd bajo luz visible lleva a la hipótesis de que la existencia de electrones calientes por el efecto SPR de las NS de Pd que promueven la formación de intermediarios de reacción O * en lugar de radicales libres explica una actividad similar a la peroxidasa (Fig.5a ) [28]. En resumen, el experimento de captura de especies activas y el experimento de ventilación brindan un soporte sólido para el mecanismo enzimático mimético fotocatalítico de las Pd NS.

un Diagrama esquemático de un sensor para H ₂ O ₂ detección. b Curva dosis-respuesta de diferentes concentraciones de peróxido de hidrógeno. Condiciones experimentales:nanozima de Pd (25,2 μg / ml), tampón de fosfato (0,1 M, pH 4) e iluminación de luz visible de TMB (0,7 mM) ( λ ≥ 400 nm, 3 min). Recuadro:gráficos de calibración lineal. c Interferencia de otras impurezas en la absorbancia de H ₂ O ₂ sensor colorimétrico a 652 nm. Condiciones experimentales:nanozima de Pd (25,2 μg / ml), tampón de fosfato (0,1 M, pH 4), TMB (0,7 mM), iluminación de luz visible ( λ ≥ 400 nm, 15 min) e incluye 50 mM H ₂ O ₂ , Glucosa 200 mM, Na ⁺ , K ⁺ , Ca ^{2 +} y CO ₃ ²⁻ , y el recuadro muestra los cambios de color de las soluciones de reacción

Un nuevo sensor altamente sensible en tiempo real

Esto se demostró en varios estudios que la introducción de luz en el sensor como entrada de energía externa puede mejorar el rendimiento del sensor [22, 32, 33]. Por ejemplo, Ling et al. [32] encontró que O ₂ detección de propiedades de los 10 at. % LaOCl-SnO ₂ El sensor se mejoró significativamente mediante la iluminación con luz ultravioleta. Teniendo en cuenta la influencia significativa de la luz en el sensor y la excelente actividad de imitación de la peroxidasa de las Pd NS bajo luz visible en nuestros experimentos, un sensor colorimétrico eficaz y sensible H ₂ O ₂ fue construido. El mecanismo del sensor (Fig. 5a) muestra que los Pd NS pueden hacer un uso completo de su gran área de superficie específica para capturar fotones y generar una gran cantidad de electrones calientes. Después de eso, el electrón caliente promueve la descomposición de H ₂ O ₂ para producir intermedios de reacción O *, que pueden oxidar TMB a azul oxTMB. Finalmente, la detección eficiente de H ₂ O ₂ se realizó.

Como puede verse en el recuadro de la Fig. 5b, el rango lineal del H ₂ construido O ₂ sensor de nuestra parte fue de 10 a 100 μM, y el cálculo del límite de detección fue de 13,40 μM (LOD =3 s / k , donde s y k representan los bloques de calibración lineal de la desviación estándar relativa y la pendiente de ocho medidas de control paralelas, respectivamente. En este trabajo, s =2.97988 × 10 ⁻⁴ , k =6,67 × 10 ⁻⁵ ). Por lo tanto, el sensor de peróxido de hidrógeno basado en Pd NS fue superior a otros nanomateriales reportados bajo la condición de introducir luz. En la Tabla S2, se puede ver que con el mismo método colorimétrico para detectar peróxido de hidrógeno, nuestro sensor muestra un amplio rango de linealidad [34]. Y el límite de detección fue más bajo que muchos sensores basados ​​en imitadores de peroxidasa basados ​​en Fe o Co (Tabla S3) [35, 36]. Finalmente, llevamos a cabo H ₂ O ₂ y una serie de experimentos de control (Fig. 5c) con posibles interferencias como K ⁺ , glucosa, Na ⁺ , CO ₃ ²⁻ y Ca ²⁺ . Como se muestra en el recuadro de la Fig. 5c, es obvio que la absorbancia de estas interferencias es débil a 652 nm y el color no cambia. Basándonos en nuestros resultados, se ha realizado con éxito un sensor de peróxido de hidrógeno altamente específico y eficiente basado en luz visible. Este sensor no solo hace un uso completo de la luz visible para mejorar su rendimiento de detección, sino que también proporciona un buen ejemplo para otros metales plasmónicos en el sensor.