通过Pd掺杂和ZIF-67载体对Pt纳米酶的氧化态进行协同调控，可以提高其在免疫检测中的催化效率

《Bioscience Reports》：Synergistic modulation of oxidation state of Pt nanozymes via Pd doping and ZIF-67 support enhances the catalytic efficiency for immunoassay detection

Pt4Pd1@ZIF-67纳米酶通过Pd掺杂与ZIF-67支撑协同调控Pt氧化态，使OH吸附能降低，反应能垒下降，催化活性比Pt@ZIF-67和Pt@ZIF-67-S分别提高1.97和3.87倍，并开发间接竞争免疫检测法用于朱-linear烯酮检测（LOD 0.534 ng/L）。

　　

刘振江|杨颖|余伟国|冯建坤|陈海龙|李如楠|李龙华|薛源

江苏大学环境与安全工程学院，中国镇江212013

摘要

调节活性中心的氧化状态是提高催化性能的一种有前景的策略。然而，单一调控策略的固有电子特性使得难以精确控制纳米酶的氧化状态。在本研究中，我们通过整合两种调控策略（Pd掺杂和ZIF-67载体）设计了高效的Pt_XPd₁@ZIF-67纳米酶，以有效调节Pt活性中心的氧化状态。结果表明，具有中等氧化状态的Pt₄Pd₁@ZIF-67纳米酶表现出最佳的催化活性，其催化活性分别比Pt@ZIF-67和Pt@ZIF-67-S（S表示去除ZIF-67载体）高1.97倍和3.87倍。理论计算表明，适中的Pt氧化状态增强了OH的吸附能力，从而降低了关键反应步骤（2*OH → *O +H₂O）的能量障碍，最终提高了纳米酶的催化活性。重要的是，Pt₄Pd₁@ZIF-67纳米酶被成功用于开发了一种新型间接竞争免疫测定方法，用于检测玉米赤霉酮，检测限为0.534 ng L^-1

引言

由于纳米酶能够克服天然酶的局限性，如高制备成本、易失活和难以回收等问题[1]、[2]、[3]、[4]，它们在各种催化领域受到了越来越多的关注。特别是基于铂（Pt）的纳米酶由于其良好的生物相容性、高稳定性和易于合成而成为最广泛使用的催化剂[5]、[6]。然而，由于铂资源稀缺且催化活性相对较低，在减少铂含量的同时提高催化活性仍然是一个重大挑战[7]、[8]、[9]。

先前的研究发现，调节催化剂的电子性质（如氧化状态、带隙、最高占据分子轨道（HOMO）、最低未占据分子轨道（LUMO）和自旋状态）可以有效提高催化性能[10]、[11]、[12]、[13]。在这些性质中，氧化状态作为价电子转移的特征参数，被认为是调节催化剂与中间体之间吸附能量的合理参数，从而实现高催化活性[14]、[15]。一种常见的策略是使用不同的载体来调节氧化状态。例如，刘等人使用不同的金属有机框架来调节Pt位点的氧化状态，他们的结果表明，最高氧化状态的Pt显著增强了*O的吸附能力，从而表现出异常高的催化活性[16]。另一种策略是合金化。郭等人通过Sn掺杂设计了一种高指数的金属间纳米酶（H-Pt₃Sn）。结果表明，低氧化状态的H-Pt₃Sn在活化H₂O₂方面更有效，其能量障碍低于Pt₃Sn和Pt[17]。尽管这些单独的策略提高了纳米酶的催化活性，但单一调控方法的局限性阻碍了对活性中心氧化状态的灵活控制。因此，通过整合这两种调控策略来精确定制活性中心的电子状态至关重要。

在本研究中，我们采用Pd掺杂和ZIF-67载体作为两种重要的电子调控策略来调节Pt_xPd₁@ZIF-67（x表示Pt与Pd的摩尔比）的氧化状态。Pd掺杂和ZIF-67的协同效应克服了单一策略所带来的局限性，避免了氧化状态的单调增加或减少。具体来说，具有中等氧化状态的Pt₄Pd₁@ZIF-67纳米酶表现出最高的催化活性。机理研究表明，中等氧化状态导致OH中间体的吸附能量降低，从而显著降低了关键反应步骤（2*OH → *O +H₂O）的能量障碍。此外，我们基于Pt₄Pd₁@ZIF-67开发了一种间接竞争纳米酶联免疫吸附测定（ic-NLISA）方法，用于检测玉米赤霉酮（ZEN），检测限为0.534 ng L^-1。

试剂

六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O）、2-甲基咪唑（C₄H₆N₂）、氯铂酸钾（K₂PtCl₄）、四氯铂酸钠（Na₂PdCl₄）、盐酸（HCl）、硝酸（HNO₃）、硼氢化钠（NaBH₄）、十二水合磷酸二钠（Na₂HPO₄·12H₂）、无水柠檬酸（C₆H₈O₇）、辣根过氧化物酶（HRP）、3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、O-苯二胺（OPD）、2,2′-偶氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）、二甲基亚砜（DMSO）

Pt_xPd₁@ZIF-67纳米酶的合成与表征

Pt_xPd₁@ZIF-67纳米酶的合成过程如图1a所示[18]。首先，通过溶剂热法合成ZIF-67载体（图S1–3），然后加入双金属PtPd纳米颗粒（NPs）得到Pt_xPd₁@ZIF-67纳米酶。使用ICP-MS测定了Pd和Pt的实际含量，结果与标称值非常接近（表S1）。随后，通过多种方法对Pt_xPd₁@ZIF-67进行了全面表征。

结论

总之，本研究阐明了Pd掺杂和ZIF-67载体在调节基于Pt的纳米酶氧化状态方面的协同效应。其中，具有中等氧化状态的Pt₄Pd₁@ZIF-67表现出显著的类POD活性。首先，实验结果表明，嵌入ZIF-67中的高氧化态Pt将主要活性自由基（ROS）从·OH转变为¹O₂，且Pt₄Pd₁@ZIF-67表现出最强的¹O₂信号。其次，DFT计算表明，中等氧化状态

CRediT作者贡献声明

余伟国：撰写——初稿、验证、方法学、研究、数据分析、数据整理。冯建坤：资源提供。杨颖：撰写——初稿、数据分析、概念构思。刘振江：方法学、概念构思。李龙华：资源提供、数据分析。薛源：资源提供。陈海龙：资源提供。李如楠：资源提供

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

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作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（2023YFD1701300）、国家自然科学基金（NSFC32372601）、贵州安顺烟草重点研发计划（2023ASXM05）以及中国水处理技术与材料协同创新中心的支持。