香港城市大學彭詠康課題組ACS Nano： 通過調控CeO2晶面來操縱H2O2的活化路徑實現完全可控的酶促反應專一性

?第一作者：袁博，譚梓聰

通訊作者：彭詠康 教授

通訊單位：香港城市大學

論文DOI: 10.1021/acsnano.3c05409

圖文摘要

成果簡介

近日，香港城市大學化學系彭詠康博士課題組在ACS Nano上發表了題為“Regulating H₂O₂ Activation Pathway on Well-defined CeO₂ Nanozyme Allows Entire Steering of Its Specificity between Associated Enzymatic Reactions”的研究論文(https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05409)。研究發現，通過調控CeO₂表面上Ce位點的配位結構和電子結構，可以改變H₂O₂活化路徑進而精準調控CeO₂在過氧化物酶模擬(POD-like)/過氧化氫酶模擬(CAT-like)和鹵過氧化物酶模擬(HPO-like)反應中的活性和專一性。這項工作有望為納米酶的合理設計提供指導，從而提高其活性、反應專一性和H₂O₂利用率。

全文速覽

雖然納米酶被認為是天然酶的優秀替代品，但其專一性差的問題嚴重制約了其發展。例如，CeO₂可以激活H₂O₂并表現出POD-like、CAT-like和HPO-like反應活性。但由于這些反應不可避免地競爭H₂O₂，影響了其在目標應用中的有效利用，因此精確控制反應專一性至關重要。本研究制備了三種不同形貌的CeO₂納米材料：具有Ce_7c(111)位點的八面體(octa.)、具有Ce_6c(110)位點的棒狀(rod)和具有Ce_6c(100)位點的立方體(cube)。盡管棒狀Ce_6c(110)位點像文獻中報道的那樣表現出多種活性，但令人驚訝的是，立方體Ce_6c(100)位點具有最佳的POD/CAT-like反應活性，但卻沒有HPO-like反應活性。而八面體Ce_7c(111)位點則呈現出相反的趨勢，它表現出微弱的POD/CAT-like反應活性，但卻具有極高的HPO-like反應活性。這是因為不同形貌CeO₂表面的Ce位點具有不同的配位/電子結構，影響了H₂O₂的活化路徑，從而影響酶促反應的選擇性。進一步的抗菌測試表明，具有HPO-like活性的八面體Ce_7c(111)（生成HOBr）比具有POD-like活性（伴隨著不必要的CAT-like活性）的立方體Ce_6c(100)（生成OH自由基）具有更好的殺菌效果。

背景介紹

隨著納米科學的發展，一系列納米材料被報道具有與天然酶相似的催化性質，這一類的納米材料被稱為“納米酶(nanozyme)”。與天然酶相比，納米酶作為酶的模擬物不僅擁有與天然酶類似的高催化性能，同時也具有催化活性可調、成本低廉、制備過程簡單、容易回收、熱和pH 穩定性卓越等優點。自2007年Gao 等人在Nat. Nanotechnol.首次報道Fe₃O₄納米顆粒具有POD-like活性以來, 具有可變氧化價態的過渡金屬氧化物(如V₂O₅, MnO₂, Co₃O₄, Cu₂O, CeO₂等納米顆粒)被報道不僅可以模擬過氧化物酶(POD)，還可以模擬其他與H₂O₂相關的氧化還原酶，如過氧化氫酶(CAT)和鹵過氧化物酶(HPO)。POD-like反應通常將H₂O₂轉化為OH自由基，CAT-like反應將H₂O₂分解為H₂O和O₂。此外，HPO-like反應能催化H₂O₂氧化鹵化物為次鹵酸（例如，Br^-轉化為HOBr）。盡管這些酶模擬反應都有相應的應用，但一種材料的多種酶模擬反應會不可避免地競爭H₂O₂，影響其在目標應用中的性能和利用率。以CeO₂為例，它的POD-like活性已被廣泛應用于多種重要生物分子(例如，葡萄糖、膽固醇、谷胱甘肽等)的檢測。然而，它的CAT-like活性會促進H₂O₂的分解，從而降低了生物分子檢測的靈敏度。同樣， CeO₂的HPO-like反應具有的抗菌和抗污效果也會因其同時具有POD-/CAT-like反應而降低。

眾所周知，多相催化不僅與反應物的吸附并且與其在催化劑表面活性位點上的活化密切相關。很多研究表明，改變CeO₂暴露的晶面可以調節其表面化學性質，進而改變其在許多催化反應中的性能。因此，我們認為調控CeO₂表面Ce位點的配位結構可以改變H₂O₂的活化路徑，從而影響其在酶模擬反應中的選擇性。研究表明，CeO₂的三種不同晶面(111), (110)和(100)表面Ce位點的配位/電子結構均不相同，可以預期不同的Ce位點會以不同的方式吸附/活化H₂O₂，從而影響它們在多種酶模擬反應中的專一性。

文章要點

本文制備了三種不同形貌的CeO₂納米酶，包括具有(111)表面的八面體，具有(110)表面的棒狀和具有(100)表面的立方體。盡管它們具有類似的Ce_3d XPS能譜，但是它們的TMPO-³¹P核磁共振(³¹P-NMR)化學位移表明，不同形貌CeO₂表面Ce位點的電子密度順序為Ce_6c(100)> Ce_6c(110)> Ce_7c(111)。此外，研究發現，不同形貌CeO₂的ζ電位與它們的NMR信號有著很強的相關性。CeO₂八面體的正ζ電位(+44.7 mV)可歸因于其表面缺電子的Ce_7c(111)位點，而立方體的負ζ電位(-17.7 mV)則是由于富電子的Ce_6c(100)位點。

3,3'5,5′-四甲基聯苯胺(TMB)和酚紅(PR)作為指示劑分別用于POD-like和HPO-like反應活性研究。結果表明，CeO₂立方體顯示出最高的POD-like活性，其次是棒狀和八面體。但有趣的是，對于HPO-like反應，它們的活性順序則完全相反。CeO₂八面體幾乎沒有POD-like活性，但卻顯示出最高的HPO-like活性；而具有最佳POD-like活性的CeO₂立方體對HPO-like反應卻幾乎是惰性的。上述研究表明，CeO₂八面體和立方體對HPO-like和 POD-like反應有著很強的專一性。

為了進一步闡明背后的反應機制，利用EPR捕獲自由基實驗、H₂O₂的分解實驗、原位Raman實驗，結合DFT計算，從原子視角探究了不同Ce位點與H₂O₂的相互作用。結果顯示，CeO₂立方體上的Ce_6c(100)位點通過自由基路徑催化H₂O₂分解，其速率高于棒狀上的Ce_6c(110)位點。而八面體上的Ce_7c(111)位點即使吸附了H₂O₂也無法進行這種氧化還原反應，導致了微弱的POD-like和CAT-like活性。但當反應溶液中加入KBr后，八面體Ce_7c(111)位點上吸附的H₂O₂快速分解，結合其極高的HPO-like活性，我們可以推斷出BrOH的生成是通過peroxo路徑而不是自由基路徑。八面體Ce_7c(111)和立方體Ce_6c(100)表現出完全不同的H₂O₂激活路徑，是由于它們的還原性和H₂O₂吸附構型截然不同。然而，中等還原性的棒狀Ce_6c(110)能夠生成雙配位基或單配位基的peroxo物種，同時具有兩種H₂O₂激活路徑，因此在POD-like/CAT-like和HPO-like反應中均表現出中等的活性。

由于 HPO-like 反應的產物 HOBr 及 POD-like 反應的產物 OH 自由基均被報道具有殺菌作用，而CeO₂八面體和立方體分別對兩種反應展現出很高的專一性,因此進一步比較了它們的抗菌效果。研究發現具有高 HPO-like 反應活性的八面體具有更優越的殺菌效果，該研究還有望在船體的抗生物污染方面得到進一步應用。

小結

本研究表明，H₂O₂相關酶促反應的專一性可以通過調控CeO₂納米酶的形貌簡單地實現。這是因為不同形貌CeO₂表面的Ce位點具有不同的配位/電子結構，會影響H₂O₂的活化路徑，從而影響它們的酶模擬活性。其中，立方體Ce_6c(100)和八面體Ce_7c(111)分別僅表現出POD-like和HPO-like活性。而棒狀Ce_6c(110)如文獻中所報道的一樣具有多種酶模擬活性，這是由于其具有中等的還原性，并且可以形成單配位基或雙配位基構型的peroxo活性物種。這也解釋了為什么具有多種Ce位點的CeO₂球形納米酶具有多種酶模擬活性。因此，該研究強調了納米酶表面研究的重要性，并為設計具有高活性、反應專一性和H₂O₂利用率的納米酶提供了啟示。

課題組介紹

Prof. Will Yung-Kang Peng?(彭詠康) obtained his bachelor’s degree in Chemistry in 2009 from National Chung Cheng University (Taiwan) and graduated as a Master of Science in 2011 from National Taiwan University. After a year of military service (R.O.C.) and research assistant (NTU), he started a PhD in 2013 at Wolfson Catalysis Centre of Inorganic Chemistry Laboratory at University of Oxford (UK) under the supervision of Prof. Dr. S. C. Edman Tsang, for which he received a Clarendon scholarship from University of Oxford (top 3% graduate of 2013 year). He obtained his PhD degree in 2017 and stayed in the same group for postdoc (2017-2018). During his stay in Oxford, he has authored publications in some respectable journals such as JACS, Nature Communication, Nano Today and Materials Today. His research interest is using NMR-active probe to investigate surface features of faceted catalysts in both qualitative and quantitative manner. He joined the City University of Hong Kong as an Assistant Professor in May 2018.

課題組主頁：https://ykpenglab.wixsite.com/ykpenglab

參考文獻：Bo Yuan,§ Zicong Tan,§ Qiang Guo, Xiutong Shen, Chao Zhao, Jian Lin Chen, and Yung-Kang Peng*. Regulating the H₂O₂ Activation Pathway on a Well-Defined CeO₂ Nanozyme Allows the Entire Steering of Its Specificity between Associated Enzymatic Reactions. ACS Nano.2023.

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05409