协同共碳化的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）与橙皮作为高效活化剂，用于过二硫酸盐驱动的微污染物降解

《Chemical Engineering Journal》：Synergistically co-carbonized PET and orange peel as a high-performance activator for peroxydisulfate-driven micropollutant degradation

三维空心Mo基单原子纳米酶通过轴向硫配体和L-组氨酸手性配体协同优化，显著提升过氧化氢酶模拟活性（196.4倍）和手性选择性（因子4.81），并构建自供能光电化学传感平台实现DOPA异构体高灵敏检测。

　　

蔡新发|张正宇|杜翠翠|张晓华|陈金华

湖南大学化学与化学工程学院化学与生物传感国家重点实验室，长沙，410082，中国

摘要

同时增强单原子纳米酶的过氧化物酶模拟催化活性和对手性选择性的双配体三维（3D）理性调控是一个重要且具有挑战性的课题。本文受辣根过氧化物酶（HRP）结构的启发，开发了具有三维空心结构的多层钼基单原子纳米酶（SAzymes），包括L-His@H-Mo-S₁-N₄-C、H-Mo-S₁-N₄-C和H-Mo-N₄-C。通过引入S原子轴向配体和L-His手性配体这两种双配体，L-His@H-Mo-S₁-N₄-C表现出显著的过氧化物酶模拟催化活性，其催化效率分别比H-Mo-N₄-C和H-Mo-S₁-N₄-C提高了196.4倍和7.9倍。令人惊讶的是，它还表现出优异的对选择性，对选择性因子（4.81）优于HRP。此外，密度泛函理论（DFT）计算表明，S原子轴向配体破坏了Mo-N₄电子对称性，降低了决定速率步骤的能量障碍，从而提升了催化活性。同时，L-His手性配体通过形成三维催化结合口袋并在催化过程中促进羟基自由基（·OH）的生成，进一步增强了催化性能，这也是其对选择性的关键来源。作为概念验证，成功构建了一个基于L-His@H-Mo-S₁-N₄-C的自驱动光电化学（PEC）生物传感平台，用于DOPA对映体检测，展现了出色的分析性能。这项工作为SAzymes的理性设计提供了一条有吸引力的途径，同时提高了它们的过氧化物酶模拟催化活性和对选择性。

引言

天然酶是生物过程中强大的生物催化剂，[1] 能够高效调节代谢并控制生物体内的化学反应。[2] 例如，辣根过氧化物酶（HRP）具有复杂的三维（3D）结构，其催化中心由血红素中的铁原子、近端氨基酸的轴向配体和远端氨基酸的手性配体组成。这种独特的配置赋予HRP优异的催化活性和对选择性，在疾病治疗、药物中的不对称催化以及手性生物传感等领域具有重要的应用价值。[3] 然而，天然酶本身存在一些缺点，如对外部环境的敏感性、稳定性不足以及纯化成本高等，这些因素严重限制了它们的实际应用。[4] 在过去二十年里，具有酶类似特性的纳米酶[5] 作为一种有前景的替代品出现，因为它们具有稳定的结构、显著的活性和较低的成本。[6] 尽管已经投入了大量努力进行高活性纳米酶的随机合成和批量筛选，但要达到与天然酶相当的催化性能仍然是一个主要挑战。

目前，基于天然酶结构特征合理设计纳米酶的策略已被证明可以显著提升它们的催化性能，相比无目标的筛选方法更为有效。由于单原子纳米酶（SAzymes）在几何结构上与天然酶的催化中心相似，并且具有可调的电子配位能力[7]，它们结合了纳米酶和单原子催化的优点[9]，能够在原子层面模拟天然酶的功能。[10] 例如，朱等人开发了具有孤立Fe-N₄位点的Fe-N-C SAzymes，用于细胞内H₂O₂的监测，显示出很高的过氧化物酶模拟活性[11]；刘等人构建了具有Zn-N₄活性位点的过氧化物酶模拟SAzymes，用于抗菌伤口治疗[12]。这些SAzymes主要模拟了酶催化中心的M-N₄（金属原子）对称二维（2D）平面结构。然而，这种平面结构导致电子分布对称，大多数催化金属原子都嵌入在平面内，因此对天然酶活性的模拟效果不佳[13]。受到天然酶中近端氨基酸轴向配体结构的启发，在SAzymes的M-N₄活性中心引入多种轴向配体（如N、S、B、Cl等）是一种有趣且重要的策略，可以有效克服2D平面结构的局限性，显著提升催化活性[14]。例如，董等人报道了含有N轴向配体的Fe-N₅ SAzymes，改变了Fe原子活性中心的电子分布，使催化活性提高了17倍[15]；杨等人开发了含有N轴向配体的新型Ir-N₅ SAzymes，其不对称电子分布使其催化性能优于Ir-N₄ SAzymes[16]。

另一方面，经过数亿年的进化，天然酶形成了高度精确和高效的催化结构[17]。然而，天然酶的对选择性复杂性常常被忽视，导致对其对选择性性能的研究有限[18]。最近，曲等人开发了类似过氧化物酶的手性纳米酶，以金纳米颗粒作为催化中心，手性半胱氨酸作为对选择性识别的选择剂[19]。不幸的是，这种方法需要牺牲纳米酶的催化活性来提高其对选择性。到目前为止，同时引入轴向配体和手性配体以调节SAzymes的结构以解决这种权衡问题仍然是一个未解决的课题。

本文通过模拟HRP的三层结构，开发了具有三维空心结构的多层钼基单原子纳米酶（SAzymes），包括H-Mo-N₄-C、H-Mo-S₁-N₄-C和L-His@H-Mo-S₁-N₄-C（图1）。由于多价钼原子的电子结构可以通过配位数和配体类型更容易调节[20]，因此选择钼（Mo）作为金属中心来模拟HRP的第一层结构。轴向配体（S原子，原子半径较大）和手性配体（L-His，最常见的氨基酸手性配体）分别用于模拟HRP的第二层和第三层催化中心结构[21]。与H-Mo-S₁-N₄-C和H-Mo-N₄-C SAzymes相比，L-His@H-Mo-S₁-N₄-C SAzyme表现出最高的过氧化物酶模拟催化活性和对选择性，也显著超过了HRP。为了阐明双配体增强催化活性和对选择性的机制，进行了密度泛函理论（DFT）计算以系统评估基于钼的SAzymes的性能。此外，作为概念验证，成功构建了一个基于L-His@H-Mo-S₁-N₄-C的自驱动光电化学（PEC）生物传感平台，用于DOPA对映体检测。

部分摘录

Mo-ZIF-8的制备

Mo-ZIF-8的制备方法与先前报道的方法类似。[22] 将2-甲基咪唑（3.7克）溶解在80毫升无水甲醇中，用超声波处理10分钟，然后搅拌30分钟（溶液A）。将Zn(NO₃)₂·6H₂O（1.785克）和MoO₂(acac)₂（0.196克）溶解在40毫升无水甲醇中，用超声波处理10分钟，然后搅拌30分钟，得到均匀溶液B。[23] 随后在室温下剧烈搅拌的同时，将溶液A逐滴加入溶液B中。

基于钼的SAzymes的特性分析

通过透射电子显微镜（TEM）研究了H-Mo-N₄-C、H-Mo-S₁-N₄-C和L-His@H-Mo-S₁-N₄-C SAzymes的形态。[25] TEM图像显示，H-Mo-N₄-C（图1A）、H-Mo-S₁-N₄-C（图1B）和L-His@H-Mo-S₁-N₄-C（图1C）均呈现特征性的空心三维多面体结构。此外，能量色散X射线光谱（EDS）映射结果显示H-Mo-N₄-C（图S1A）中C、N和Mo元素分布均匀；C、N、Mo和S元素在

结论

总之，通过模拟HRP的三层结构，成功开发了具有三维空心结构的多层钼基SAzymes，包括H-Mo-N₄-C、H-Mo-S₄-C和L-His@H-Mo-S₁-N₄-C。通过将S原子轴向配体和L-His手性配体引入H-Mo-N₄-C SAzymes，L-His@H-Mo-S₁-N₄-C在所有基于钼的SAzymes中表现出最高的过氧化物酶模拟催化活性（分别比H-Mo-N₄-C和H-Mo-S₁-N₄-C高196.4倍和7.9倍）。

CRediT作者贡献声明

蔡新发：撰写——原始稿件、方法学、数据整理、概念构思。张正宇：撰写——审稿与编辑、验证。杜翠翠：撰写——审稿与编辑、验证。张晓华：撰写——审稿与编辑、验证。陈金华：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。

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。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：22374035、22074033、52570200）的财政支持。