通过聚多巴胺（PDA）调控过氧化物酶模拟铜纳米酶的表面化学以活化H?O?，用于AuCl??检测、水净化及消毒

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：PDA-modulated surface chemistry of a peroxidase-mimicking Cu nanozyme to activate H 2O 2 for AuCl 4? detection, water purification, and disinfection

　　摘要背景模拟过氧化物酶的纳米酶在传感、抗菌治疗和环境保护方面具有潜力，但其活性往往局限于强酸性条件下。本研究开发了一种聚多巴胺包覆的铜纳米酶（Cu-PDA-2.5），在近中性条件下表现出增强的活性。方法通过光谱分析和密度泛函理论计算对Cu-PDA-2.5进行表征，以考察界面相互作用、电荷重分布和底物吸附。评估了过氧化物酶样动力学、AuCl??比色传感、染料降解、抗菌活性以及湖水消毒性能。重要发现Cu-PDA-2.5在pH 6.5时表现出最大过氧化物酶样活性。PDA与铜配位并形成氢键，促进了界面电荷重分布和底物吸附。针对H?O?的Km和Vmax分别为2.6 μM和81.83 μM min?1，针对TMB的分别为1.52 μM和312.5 μM min?1。AuCl??在未添加H?O?的情况下触发了开型响应，在250–1250 μM范围内被检测到，检测限为11.11 μM。该纳米酶在15 min内降解了刚果红和孔雀绿，在模拟废水中保持活性，并在45–60 min内以3.12和12.5 μg mL?1的浓度消除了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。湖水消毒进一步证明了其在环境相关条件下的多功能潜力。引言酶作为天然生物催化剂，在食品、制药、造纸、纺织和诊断等行业中得到广泛应用[1]。其受关注的原因在于其能够在温和条件下高效且具有底物特异性地催化物理化学反应[2]。然而，酶在细胞外活性有限，并且在pH、温度和溶剂条件变化时容易发生构象不稳定和失活[3]。这些局限性促使人们强烈关注开发能够模拟酶功能同时提供更佳稳定性和操作灵活性的仿生催化剂[4,5]。仿生催化剂（纳米酶）是有前景的催化候选材料，因为其催化行为可以通过定制材料组成、结构和表面化学来调控。通过结构修饰的这种可调性有助于在苛刻反应条件下实现操作优化。因此，纳米酶已被广泛应用于医学、环境和工业领域[6,7,8]。尽管取得了这些进展，但超越概念验证的应用往往依赖于在真实条件下维持催化性能，同时确保重复使用时的活性保持。过去十年间，研究人员开发了大量纳米酶材料，包括金属氢氧化物、金属-有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和金属配合物[1]。其中，金属配合物尤为突出，因为配位化学能够对活性位点结构和电子构型进行平衡控制。尽管金属纳米团簇和纳米颗粒通常表现出比基于金属配合物的催化剂更高的活性，但它们往往存在稳定性差、成核失控、聚集和催化特异性有限等问题[9,10]。相比之下，金属配合物提供了精确设计的配位环境，合理的配体设计可进一步调控电子结构并驱动底物相互作用途径[11,12,13]。这种原子水平的控制相比结构不太明确的纳米颗粒体系，能够增强活性、选择性和稳定性，从而提升稳健性和可重复性。一系列过渡金属中心，包括Cu、Fe、Au、Mn和Ag，已被纳入金属-配体配位网络以模拟漆酶、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等氧化还原酶活性[14]。其中，Cu对于模拟POD的纳米酶尤为吸引人，因为其可及的氧化还原化学支持类Fenton H?O?转化和活性氧物种生成。Cu-Fenton体系展示了Cu(II)/Cu(I)介导的电子转移过程在H?O?依赖性氧化中的作用[15]，而Cu-有机配位组装体也可表现出过氧化物酶样活性并在不同反应条件下保持催化功能[16]。此外，单活性位Cu纳米酶表明催化选择性强烈受局部Cu-N配位环境支配，表明由配体定义的Cu中心而非单独的Cu决定了酶样行为[17]。这些特性使Cu非常适合本研究的设计，其中Cu-DPDI配位网络提供了催化框架，可通过界面表面修饰进一步调控。模拟POD的纳米酶尤其吸引人，因为它们激活H?O?产生反应性氧化物种如O?•?、1O?和•OH，从而实现底物氧化用于污染物降解、分析物检测和消毒[18,19,20]。因此，将Cu氧化还原化学与配体控制的配位环境相结合直接支持了本研究的目标，而界面修饰提供了额外的调控催化活性和稳定性的手段[8]。在分析物传感方面，金纳米颗粒（AuNPs）是广泛研究的纳米酶，因为它们具有多种酶样活性、可调的表面化学性质、生物相容性和强光学性质[21]。重要的是，其催化活性可通过目标物诱导的表面相互作用进行调控；例如，Hg2?增强了基于Au的纳米酶的过氧化物酶样活性，而Pb2?也已通过分析物响应的AuNP体系被检测到[22,23]。这些研究表明了分析物调控纳米酶活性在比色传感中的更广泛潜力，并激发了将该策略扩展到溶解态Au(III)物种的想法。这在环境上具有重要意义，因为Au纳米材料在水生系统中可能发生转化和生物溶解[24]，而生命周期研究强调了从纳米废物中回收和再利用金的好处[25]。因此，本研究选择AuCl??作为代表性的溶解态Au(III)物种，以评估Cu-PDA纳米酶的分析物响应调控并建立简单的比色传感平台。尽管POD样纳米酶产生的氧化化学为多种水处理应用提供了共同的机理基础，但许多研究仅在单一概念验证测试中展示纳米酶性能，而未探索多种结果。根据目标不同，相同的H?O?激活平台可被导向显色传感、有机污染物氧化转化或微生物灭活。近期研究已展示了基于纳米酶的水消毒[8]和类Fenton/纳米酶介导的有机污染物降解[26,27,28]。尽管存在这些优势，但保持Cu处于稳定的多相配位环境中至关重要，因为在水/氧化条件下Cu的释放可能引入均相催化贡献并损害可回收性[29,30,31]。界面涂层提供了一种潜在解决方案，通过结合表面稳定化与金属结合功能。PDA尤其适合，因为其具有强粘附力和可与金属离子配位的邻苯二酚/醌官能团[32]。因此，本研究使用PDA来稳定和调控Cu–DPDI配位网络，旨在保留Cu同时保持近中性条件下的强POD样活性。所得平台被评估用于AuCl??传感、染料降解、抗菌活性和水消毒。章节摘要材料与方法详细的材料和实验方法部分在支持文件中提供。纳米酶合成与表征通常，POD活性在弱酸性条件下被证实；相反，我们的纳米酶（Cu-DPDI，一种4-氨基吡啶/戊二醛衍生的Schiff碱-Cu配位网络）在近中性pH（pH 6.5）下表现出最高效率。另一引起我们注意的观察是纳米酶/H?O?/TMB体系的瞬时显色反应，这是均相催化的特征行为。这是由于体系中的铜浸出，源于……的表面反应。结论本研究报道了一种PDA包覆纳米酶的合成与环境应用。结果表明，PDA包覆以一石二鸟的方式发挥作用，既增强了Cu纳米酶的POD样活性，又阻碍了反应过程中的Cu浸出。全面表征确认形成了均匀的PDA层，平均厚度为5.6 nm（由TEM/SEM测定）。机理研究表明，优化后的纳米酶Cu-PDA-2.5表现出……CRediT作者贡献声明Qurat Ul Ain：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，软件，方法学，形式分析，概念化。Usman Rasheed：撰写——审阅与编辑，方法学。Ting Chen：方法学。Bin Liang：方法学。Zhangfa Tong：监督指导。Kai Huang：撰写——审阅与编辑，监督指导，资源，项目管理。Qurat Ul Ain | Usman Rasheed | Ting Chen | Bin Liang | Zhangfa Tong | Kai Huang国家非食品生物质能技术重点实验室，广西生物精炼重点实验室，广西壮族自治区科学院生态环境研究所，广西南宁市大岭路98号，邮编530007，中国