原位光谱电化学揭示EC'机制：锇配合物催化NADH氧化的直接证据

本研究针对NADH氧化过程中高过电位和反应机理不明确的问题，通过原位紫外-可见光谱电化学技术，系统研究了羧基功能化锇配合物(Os5)介导的NADH催化氧化过程。研究发现NADH在340 nm处的特征吸光度降低始于Os5的起始电位(+0.4 V)，而非NADH自身氧化电位(+0.7 V)，同时515 nm处锇配合物吸光度变化微弱，直接证实了EC'（电化学-催化）机制中锇配合物的电子穿梭作用。该工作为理解介导型电催化反应机制提供了直观的光谱证据，对开发高效生物传感器具有重要意义。

　　

在生物能量代谢和细胞信号转导中，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）作为关键辅酶扮演着不可或缺的角色。然而，NADH在电极表面的直接氧化需要较高的过电位，这不仅导致能量效率低下，还会引发副反应和电极污染。更棘手的是，传统电化学方法虽能记录电流信号，却难以实时捕捉反应过程中分子结构的动态变化，使得催化机制的研究停留在间接推测层面。

为了突破这一瓶颈，韩国天主教大学的研究团队在《Sensors and Actuators Reports》上发表了一项创新性研究。他们巧妙地将电化学分析与紫外-可见（UV-vis）光谱技术相结合，首次实现了对锇配合物介导NADH氧化过程的原位可视化监测，为EC'（电化学-催化）机制提供了直接的光谱证据。

研究团队采用了一套精密的实验方法体系：通过循环伏安法（CV）系统评估了五种不同取代基的锇配合物（Os1-Os5）的电化学性质；利用电化学阻抗谱（EIS）和Tafel分析测定了最优催化剂Os5的动力学参数；结合计时电流法（CA）验证了催化反应的持续性；最关键的是构建了同步采集光谱和电化学信号的原位UV-vis光谱电化学系统，使用ITO电极和蜂窝状金电极在薄层石英池中实时监测了340 nm（NADH特征吸收）和515 nm（Os5金属-配体电荷转移带）处的吸光度变化。

3.1. 不同功能基团锇配合物的比较分析

研究人员首先发现，带有吸电子基团（-Cl, -COOH）的Os4和Os5在催化NADH氧化时表现出显著的电流增强效应，而给电子基团取代的配合物催化活性较弱。特别是带有羧基的Os5，因其优异的水溶性和较高的形式电位（+0.547 V），被选为最佳电子转移介质。

3.2. 含羧基锇配合物的基本电化学性质

详细表征表明Os5具有理想的电化学可逆性，其扩散系数为5.96×10^-7 cm²/s，标准速率常数k⁰=0.01685 cm/s。连续25次CV扫描显示Os5在氧化还原循环中保持稳定，为其作为高效介质奠定了基础。

3.3. 含羧基锇配合物对NADH氧化的电催化活性

当Os5与NADH共存时，NADH的直接氧化峰消失，在Os5的氧化电位处出现显著的催化电流。浓度依赖性实验发现电流增强倍数与[Os5]/[NADH]比值呈幂律关系（y=5.0x^-0.7），符合EC'机制的理论预测。CA实验中NADH加入后立即出现的电流尖峰进一步证实了介质的催化循环。

3.4. 锇配合物介导NADH催化氧化的原位光谱电化学表征

最引人注目的发现来自原位光谱电化学实验：在NADH/Os5混合物中，340 nm处的吸光度降低始于+0.4 V（Os5的起始电位），而非NADH自身的+0.7 V；同时515 nm处Os5的吸光度变化微乎其微。这种"此消彼不长"的光谱现象直观表明：电化学生成的Os³⁺迅速氧化NADH后自身被还原为Os²⁺，从而维持了Os5的稳态浓度。计算得出的转换频率（TOF=0.55 s^-1）揭示了介质的高效电子穿梭能力。

这项研究的意义远超出其技术成就本身。它不仅确立了Os5作为NADH氧化的高效介质，更重要的是建立了一种普适性的原位分析策略，使研究人员能够"亲眼目睹"催化过程中的分子转变。这种直观的机制解析方法为理性设计高性能生物传感器提供了新范式，对疾病诊断、能源转换等领域的催化剂开发具有重要指导意义。随着这种原位光谱电化学平台的不断完善，我们有望揭开更多电催化反应的黑箱，推动精准分子检测技术的革新。