Nanoenzimas de paladio ultradelgadas: Mimetismo peroxidasa activado por luz para catálisis de precisión

Resumen

Las nanoenzimas activadas por luz pueden proporcionar abundantes nuevas oportunidades para la industria química y biotecnología. Sin embargo, los sistemas catalíticos de control remoto actuales aún distan de ser satisfactorios. Aquí presentamos un interesante ejemplo de aplicación de nano láminas ultradelgadas de Pd (Pd NSs) como mimetismo peroxidasa controlable por luz. Dado que la mayoría de átomos Pd están expuestos en su superficie, Pd NSs con espesor 1,1 nm poseen alta actividad tipo peroxidasa. Más importante, bajo excitación lumínica, tal actividad intrínseca puede activarse aún más casi 2,4-3,2 veces. Este fenómeno atribuible a propiedad óptica única de Pd NSs ultradelgadas, que capturan fotones eficientemente generando electrones calientes vía efecto resonancia plasmónica superficial (SPR) y promueven descomposición in situ H₂O₂ en radicales especies oxígeno reactivas (O*). Esta catálisis mejorada también usable para detección colorimétrica H₂O₂ en tiempo real y alta sensibilidad. Esperamos nuestro trabajo aporte valiosos insights para diseño racional de nanoenzimas artificiales con actividad controlable y eficiente en diagnósticos biomédicos, administración fármacos y química ambiental.

Introducción

Las enzimas naturales son biocatalizadores exquisitos que catalizan casi toda transformación química de la vida. Sin embargo, persisten defectos inherentes: poca estabilidad y alto costo. Desde que nanopartículas magnetita con actividad mimetismo peroxidasa intrínseca se reportaron primero, diseño y desarrollo nanomateriales con actividades tipo enzima (nanoenzimas) han atraído creciente atención investigadora. Hasta ahora, series nanomateriales base óxido, metal, y carbono se han usado para mimetizar peroxidasa rábano picante (HRP). Entre estos, nanomateriales metales nobles (Ag, Au, Pt, Pd) reportados poseen altas actividades mimetismo peroxidasa. Por otro lado, introducir luz para activar actividad nanoenzimas también reportado, ofreciendo oportunidades biotecnología e industria química. Sin embargo, sistemas catalíticos control remoto actuales aún insatisfactorios.

Nanomateriales metálicos plasmónicos capturan o responden luz solar por propiedad óptica única resonancia plasmónica superficial (SPR). Estos nanomateriales, que capturan fotones generando electrones calientes mediante efecto SPR, se han vuelto materiales clave para mejorar tasa catalítica, promover nueva detección óptica biomoléculas, ingeniar terapia fototérmica, y usar luz solar como energía renovable. Sin embargo, ninguno se centró en efecto SPR de nanoenzimas basadas metales plasmónicos sobre actividades mimetismo enzimático. Sería atractivo combinar nanoenzimas basadas metales plasmónicos con efecto SPR para lograr catálisis enzimática altamente activa y sintonizable por luz.

Aquí reportamos por primera vez que nano láminas ultradelgadas Pd (Pd NSs) con espesor ~1,1 nm sirven como excelente mimetismo peroxidasa controlable por luz. Nanoenzimas basadas Pd y sistemas nanoenzimas controlados por luz reportados exhiben múltiples actividades mimetismo enzimático incluyendo oxidasa, peroxidasa, catalasa, superóxido dismutasa. Sin embargo, sus estructuras generalmente partículas, masas, varillas. Como sabemos, Pd NSs ultradelgadas tienen alta energía superficial, tamaño lateral pequeño, alta movilidad electrónica, resultando alta densidad sitios activos superficiales. Además, mayoría átomos expuestos en nano láminas ultradelgadas sirven como plataforma ideal para ingeniar rendimiento. Inspirados por estructura única nano láminas ultradelgadas, presentamos estrategia que no solo aprovecha plenamente sitios activos átomos Pd sino inyecta electrones calientes en proceso catálisis enzimática. Como muestra Esquema 1, interacción fotones con Pd NSs excita resonancia plasmónica superficial que decae no radiante en electrones y huecos calientes, promoviendo descomposición reductiva in situ H₂O₂ generando radicales especies oxígeno (O*) oxidando TMB bajo luz visible. Al introducir luz visible en reacción enzimática, Pd NSs exhiben actividades catalíticas significativamente mayores que condiciones oscuras.

Materiales y experimental

Materiales y caracterizaciones

Ácido cítrico (CA); N,N-dimetilformamida (DMF); 3,3',5,5'-tetrametilbencidina (TMB); bromuro cetiltrimetilamonio (CTAB) de Sigma Aldrich. Acetilacetonato Pd(II), W(CO)₆, polivinilpirrolidona (PVP) de Macklin. Peróxido hidrógeno (H₂O₂, 30 % p/p) Beijing Chemicals (Beijing, China). Todos químicos usados sin purificación adicional. Agua experimental purificada sistema Millipore (18,2 MΩ; Millipore Co., USA) usada todo el trabajo.

Estructuras fase productos caracterizadas difractómetro rayos X PANalytical radiación Cu Kα (λ=1,5406 Å). Espectros reflectancia difusa UV-vis (DRS) muestras caracterizados temperatura ambiente Lambda 750, PerkinElmer. Concentraciones catalizadores soluciones determinadas ICP-AES (720, Agilent). Imágenes microscopía electrónica transmisión (TEM) registradas JEM1400 plus microscopio transmisión electrónico operado 100 kV. Análisis TEM alta resolución (HRTEM) realizados JEM-2100F microscopio emisión campo (FE-TEM) 200 kV.

Síntesis nano láminas Pd

Según método reportado, Pd NSs sintetizadas. Brevemente, acetilacetonato Pd(II) (16 mg), PVP (PM=24.000, 30 mg), CA (150 mg), CTAB (60 mg) mezclados en DMF (10 ml) agitaron atmósfera nitrógeno 1 h. Cuando color solución matraz (25 ml) cambia solución naranja-rojo uniforme, 100 mg W(CO)₆ añadido solución atmósfera N₂. Calentar matraz 80 °C 1 h. Tras reacción, producto azul oscuro separado centrifugación (9000 rpm/min, 3 min) cantidad suficiente acetona y dispersado etanol. Proceso repetido tres veces. Finalmente, nano láminas Pd dispersadas 10 ml etanol para experimentos posteriores.

Medición actividad mimetismo peroxidasa fotocatalítica

Actividad tipo peroxidasa Pd NSs nanoenzimas evaluada midiendo oxidación TMB. Lámpara Xe 300 W (CEL-HXF300/CEL-HXUV300, China education Au-light Co., Ltd., Beijing) sirvió fuente luz, añadiendo filtro vidrio permite luz visible (λ≥400 nm) pasar. Experimento típico: 12,6 μg/ml Pd NSs nanoenzimas (medido ICP-AES) añadidos 1 ml solución tampón fosfórico (0,1 M, pH 4) conteniendo 50 mM H₂O₂ y 0,7 mM TMB temperatura ambiente. Durante diferentes tiempos irradiación, actividad mimetismo peroxidasa determinada monitoreando pico absorción característico 652 nm tras centrifugación, indicando concentración productos oxidación TMB. Experimento control mismas condiciones excepto iluminación.

Resultados y discusión

Diseño y caracterización nanoenzimas Pd NSs

Síntesis típica nano láminas paladio preparada método clásico (Fig. 1a) construir serie sitios atómicos altamente activos nanoenzimas ultradelgadas con sustratos inherentes y captura fotones y características mimetismo enzima peróxido eficientes. Fig. 1b-d muestran imagen TEM baja magnificación típica Pd NSs sintetizadas, compuestas nano láminas uniformes dimensiones laterales ~10,0 nm (Fig. 1b, inserto) y espesor promedio ~1,1 nm (Fig. 1c, inserto). Según tamaño, porcentaje área superficies superior e inferior plano >90 %. HRTEM usado confirmar morfología y fase Pd NSs. Fig. 1g muestra espaciados apropiados ~0,22 y 0,256 nm planos (111) y (200) red paladio. Para necesidades experimentales, patrón XRD Pd NSs caracterizado cargando carbono comercial. Fig. 1e picos difracción ~40,11, 46,65, 68,12 corresponden planos (111), (200), (220) Pd NSs cúbico, consistente observación HRTEM. Además, ningún pico indicativo fases cristalinas otros que picos asociados carbono comercial. Espectro Pd 3d exhibe dos picos (Fig. 1f) Pd 3d₅/₂ y Pd 3d₃/₂ (resultante separación spin-órbita), localizados respectivamente 335,5 y 339,2 eV, revelando dos entornos químicos átomo paladio.

Actividad mimetismo peroxidasa fotocatalítica

Actividad tipo peroxidasa Pd NSs investigada usando TMB sustrato peroxidasa típico. Dado que mayoría átomos Pd expuestos superficie nano láminas ultradelgadas, razonamos Pd NSs poseen alta densidad sitios activos superficiales resultando excelente actividad catalítica. Como esperado, coexistencia H₂O₂, Pd NSs catalizan eficientemente oxidación sustrato incoloro TMB a producto azul oxTMB, pico absorción característico 652 nm (Fig. 2a,b). Sin embargo, sin adición H₂O₂, actividad Pd NSs despreciable mismas condiciones experimentales, revelando actividad tipo peroxidasa papel importante durante reacción. Similar enzimas naturales y otras nanoenzimas, Pd nanoenzimas tienen actividad peroxidasa dependiente pH, temperatura, concentración (Fig. 2c y Fig. S1). Condiciones experimento, Pd NSs mostraron actividad catalítica optimizada solución ácido débil, pico absorción característico solución reacción máximo 35 °C variando temperatura 25-75 °C (Fig. 2c). Sorprendentemente, con o sin irradiación luz, diferencia significativa actividad mimetismo peroxidasa observada (Fig. 2d y Fig. S2). Según valor absorción solución reacción 60 min, actividad Pd NSs luz visible exhibió ~2,4-3,2 veces mayor que Pd NSs condiciones oscuras (Fig. 2d y Fig. S2). Similarmente, introducción luz proceso catálisis otros nanopartículas metales plasmónicos también aumenta actividad tipo peroxidasa (Fig. S3-S5). Comparando estas nanoenzimas, encontramos Pd NSs mostraron mayor rango regulación actividad. Tal fenómeno principalmente debido estructura única nano lámina ultradelgada. Resultados obtenidos inferimos luz visible tiene efecto directo actividad tipo peroxidasa todos nanomateriales metales plasmónicos (Fig. 2e), y efecto SPR puede jugar papel esencial proceso catalítico.

Investigación cinética y mecanismo nanoenzimas Pd

Para caracterizar comportamiento enzimático Pd NSs, determinamos teoría cinética enzimática reacción. Sin embargo, dentro rango concentración adecuado TMB, Pd NSs presentan curva típica Michaelis-Menten (Fig. 3a). Constante Michaelis (Km) y velocidad reacción máxima (Vmax) obtenidas usando ecuación Lineweaver-Burk, Tabla S1. Comparado peroxidasa rábano picante (HRP), valor Km aparente Pd NSs con TMB debilitado 0,28 (Fig. 3a,b y Tabla S1). Este resultado indica estructura lámina ultradelgada Pd NSs preparadas exhibe alta afinidad TMB, incluso superior enzima natural HRP.

Dado que H₂O₂ descompone formar especies oxígeno reactivas con Pd NSs, crucial entender qué especies producidas proporcionan función oxidación. En principio, metales nobles catalizan descomposición H₂O₂ formar •OH e intermedios reacción O* condiciones pH bajo, cualquiera de los cuales puede ser especie proporciona función oxidación reacciones mimetismo enzimático. Para entender posible mecanismo catalítico Pd NSs, primero usamos sistema ácido tereftálico (TA)/H₂O₂ probar si características tipo peroxidasa Pd NSs relacionadas formación radicales •OH (Fig. 4a). Usando TA sonda fluorescente, producto altamente fluorescente producido reacción ácido 2-hidroxitereftálico con •OH. Fig. 4b intensidad fluorescencia solución disminuye significativamente tras adición Pd NSs. Resultados consistentes intensidad fluorescencia disminuye aumento concentración Pd NSs (Fig. S6). Estos resultados indican Pd NSs consumen radicales •OH en lugar generarlos. Por tanto, similar comportamiento catalítico reportado nanopartículas ferritina-platino, rendimiento catalítico nuestros Pd NSs independiente formación radical •OH.

Para investigar si mecanismo catalítico Pd NSs relacionado formación electrones calientes por luz, también exploramos experimento atrapamiento especies activas electrones calientes durante reacción fotocatalítica (Fig. 4c). Como ve Fig. 4d, capacidad catalítica Pd NSs hacia oxidación TMB disminuye significativamente 15 min adición 0,3 mg/ml KBrO₃ (quencher e⁻). Tal enorme diferencia entre sistema KBrO₃/reacción y sistema puro revela presencia electrones calientes crítica oxidación TMB. Esto concuerda resultados Fig. S7 Pd NSs tienen pico absorción amplio efecto SPR rango espectral 500-1000 nm. Además, una vez electrones calientes se alejan superficie Pd NSs, quedan huecos correspondientes superficie. Como estos huecos oxidan etanol producir acetaldehído, podrían también tener poderosa capacidad oxidación TMB. Como esperado, sin adición H₂O₂, más oxTMB creado bajo iluminación luz visible.

Luego probamos si especies oxígeno reactivas formadas activación O₂ bajo luz visible, incluyendo superóxido (O₂⁻). En este sentido, experimentos controlados realizados diferentes atmósferas. Fig. S8, rendimiento catalítico enzimas mimeticas no cambia significativamente introduciendo nitrógeno y oxígeno saturando sistema reacción respectivamente, no afectado considerablemente O₂ actividad fotocatalítica Pd NSs. Esencial señalar rendimiento final Pd NSs, incluso 0,051 u.a./min 5 min luz visible, 3,2 veces mayor Pd NSs catalizadores oscuridad (Fig. 2d). Actividad extremadamente alta Pd nanoenzima luz visible lleva hipótesis que existencia electrones calientes efecto SPR Pd NSs promueve formación intermedios reacción O* en lugar radical libre explica actividad tipo peroxidasa (Fig. 5a). En resumen, experimento atrapamiento especies activas y experimento ventilación proveen soporte robusto mecanismo enzima mimetica fotocatalítica Pd NSs.

Nuevo sensor tiempo real alta sensibilidad

Demostrado en varios estudios introducción luz sensor como entrada energía externa mejora rendimiento sensor. Ejemplo, Ling et al. propiedades detección O₂ sensor 10 at.% LaOCl-SnO₂ mejoradas significativamente iluminación luz ultravioleta. Considerando influencia significativa luz sensor y excelente actividad mimetismo peroxidasa Pd NSs luz visible nuestros experimentos, sensor colorimétrico H₂O₂ eficaz y sensible construido. Mecanismo sensor (Fig. 5a) muestra Pd NSs aprovechan plenamente gran área superficial específica capturar fotones generar gran número electrones calientes. Tras esto, electrón caliente promueve descomposición H₂O₂ producir intermedios O*, oxidando TMB a oxTMB azul. Finalmente, detección eficiente H₂O₂ realizada.

Como ve inserto Fig. 5b, rango lineal sensor H₂O₂ construido por nosotros 10-100 μM, límite detección calculado 13,40 μM (LOD=3s/k, donde s y k representan bloques calibración lineal desviación estándar relativa y pendiente ocho mediciones control paralelas respectivamente. Este trabajo, s=2,97988×10⁻⁴, k=6,67×10⁻⁵). Por tanto, sensor peróxido hidrógeno basado Pd NSs superior otros nanomateriales reportados condición introducir luz. Tabla S2, mismo método colorimétrico detectar peróxido hidrógeno, nuestro sensor muestra amplio rango linealidad. Límite detección menor muchos sensores basados mimetismo peroxidasa Fe o Co (Tabla S3). Finalmente, realizamos H₂O₂ y serie experimentos control (Fig. 5c) con interferencias potenciales K⁺, glucosa, Na⁺, CO₃²⁻, Ca²⁺. Como muestra inserto Fig. 5c, absorbancia estas interferencias débil 652 nm, color no cambia. Basado resultados, sensor peróxido hidrógeno eficiente y altamente específico basado luz visible realizado exitosamente. Este sensor no solo aprovecha plenamente luz visible mejorar rendimiento detección sino buen ejemplo otros metales plasmónicos en sensores.

Conclusiones

En resumen, demostramos ejemplo emocionante aplicación nano láminas Pd ultradelgadas (Pd NSs) como mimetismo peroxidasa altamente eficiente y controlable por luz, debido alta densidad sitios activos superficie nano láminas y propiedad óptica única SPR. Con irradiación luz visible, electrones calientes generados nano láminas Pd vía efecto SPR descomponen subsiguientemente H₂O₂ producir intermedios O*. Bajo irradiación luz visible, tales nanoenzimas exhibieron actividad tipo peroxidasa mucho mayor que oscuridad. Tal sistema activado por luz usado para biosensado mejorado H₂O₂. Concepto básico presentado aquí, basado generación electrones calientes efecto SPR nanoenzimas Pd fotoactivadas, podría contribuir diseño sistemas enzimáticos artificiales inteligentes o más eficientes y ofrecer muchas nuevas oportunidades industria química y biotecnología.