Aktivitas Meniru Peroksidase-Electron-Activated Panas dari Nanozymes Ultrathin Pd

Hasil dan Diskusi

Desain dan Karakterisasi Nanozim Pd NS

Sintesis khas lembaran nano paladium disiapkan melalui metode klasik (Gbr. 1a) untuk membangun serangkaian situs atom yang sangat aktif nanozim ultra tipis yang memiliki substrat yang melekat dan menangkap foton dan karakteristik meniru enzim peroksida yang efisien. Gambar 1 b-d menunjukkan gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) perbesaran rendah khas dari Pd NSs yang disintesis, di mana terdiri dari nanosheet seragam dengan dimensi lateral sekitar 10,0 nm (Gbr. 1b, inset) dan ketebalan rata-rata sekitar 1,1 nm (Gbr. 1c, sisipan). Menurut ukurannya, persentase luas permukaan datar atas dan bawah lebih dari 90%. Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HRTEM) digunakan untuk mengkonfirmasi lebih lanjut morfologi dan fase Pd NSs. Gambar 1 g menunjukkan jarak yang sesuai dari ~ 0.22 dan 0.256 nm untuk (111) dan (200) bidang kisi paladium [27]. Untuk memenuhi kebutuhan percobaan, pola XRD Pd NSs dikarakterisasi dengan pembebanan pada karbon komersial. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1e, puncak difraksi di sekitar 40,11, 46,65, dan 68,12 sesuai dengan (111), (200), dan (220) bidang kubik Pd NSs, yang konsisten dengan pengamatan dari HRTEM. Selain itu, tidak ada puncak yang menunjukkan fase kristal selain puncak yang terkait dengan karbon komersial. Spektrum Pd 3d menunjukkan dua puncak (Gbr. 1f) Pd 3d_5/2 dan Pd 3d_3/2 (dihasilkan dari pemisahan spin-orbit), terletak di masing-masing 335,5 dan 339,2 eV [25], yang mengungkapkan bahwa ada dua lingkungan kimia untuk atom paladium.

Karakterisasi nanozim. a Mekanisme pertumbuhan nanozymes Pd. b , c , dan d TEM. e pola XRD. f Spektrum Pd 3d XPS dari Pd NSs. g Gambar HRTEM dari Pd NSs

Aktivitas Meniru Fotokatalitik Peroksidase

Aktivitas seperti peroksidase dari Pd NS diselidiki dengan menggunakan TMB sebagai substrat peroksidase yang khas. Karena sebagian besar atom Pd terpapar pada permukaan lembaran nano ultra tipis, kami beralasan bahwa Pd NS ultra tipis memiliki kepadatan tinggi situs permukaan aktif dan dengan demikian menghasilkan aktivitas katalitik yang sangat baik. Seperti yang diharapkan, dalam koeksistensi H₂ O₂ , Pd NSs dapat secara efisien mengkatalisis oksidasi substrat tidak berwarna TMB menjadi produk biru oxTMB, dengan karakteristik penyerapan pada 652 nm (Gbr. 2a, b). Namun, tanpa penambahan H₂ O₂ , aktivitas Pd NSs dapat diabaikan di bawah kondisi eksperimental yang sama, yang mengungkapkan bahwa aktivitas seperti peroksidase memainkan peran penting selama reaksi. Mirip dengan enzim alami dan nanozim lainnya, nanozim Pd memiliki aktivitas peroksidase yang bergantung pada pH, suhu, dan konsentrasi (Gbr. 2c dan Gbr. S1). Di bawah kondisi percobaan, Pd NSs menunjukkan aktivitas katalitik yang dioptimalkan dalam larutan asam lemah, dan puncak absorbansi karakteristik larutan reaksi adalah yang tertinggi pada 35 °C ketika suhu bervariasi dari 25 hingga 75 °C (Gbr. 2c). Anehnya, dengan atau tanpa penyinaran cahaya, perbedaan yang signifikan dalam aktivitas meniru peroksidase diamati (Gbr. 2d dan Gbr. S2). Menurut nilai penyerapan larutan reaksi selama 60 min, aktivitas Pd NSs di bawah cahaya tampak dipamerkan sekitar 2,4~3,2 kali lebih tinggi dari Pd NSs dalam kondisi gelap (Gbr. 2d dan Gbr. S2). Demikian pula, pengenalan cahaya ke dalam proses katalisis nanopartikel logam plasmonik lainnya juga dapat meningkatkan aktivitas seperti peroksidase (Gbr. S3-S5). Dengan membandingkan nanozim ini, kami menemukan bahwa Pd NS menunjukkan rentang regulasi aktivitas terbesar. Fenomena seperti itu terutama disebabkan oleh struktur unik dari nanosheet ultra tipis. Dari hasil yang diperoleh ini, kami dapat menyimpulkan bahwa cahaya tampak memiliki efek langsung pada aktivitas mirip peroksidase dari semua bahan nano logam plasmonik (Gbr. 2e), dan efek SPR mungkin memainkan peran penting dalam proses katalitik.

Aktivitas meniru peroksidase dari Pd NSs. a-b Spektrum serapan UV-tampak khas dari sampel yang berbeda di bawah kondisi terang dan gelap. c Suhu dan pH berpengaruh pada aktivitas meniru peroksidase. d Kursus waktu untuk aktivitas meniru peroksidase. e Mekanisme seperti peroksidase dari Pd NSs di bawah cahaya gelap dan tampak. Kondisi percobaan:cahaya tampak =400 nm, TMB =0,7 mM, H₂ O₂ =50 mM, suhu =25 °C, Pd NSs =12,6 g/mL, dan larutan dapar fosfat (0,1 M, pH 4)

Investigasi Kinetik dan Mekanisme nanozim Pd

Untuk mengkarakterisasi perilaku enzimatik Pd NSs, kami menentukan teori kinetika enzim untuk reaksi. Namun, dalam kisaran konsentrasi yang sesuai dari TMB, Pd NSs menyajikan kurva Michaelis-Menten yang khas (Gbr. 3a). Konstanta Michaelis (Km) dan kecepatan reaksi maksimum (Vmax) diperoleh dengan menggunakan persamaan Lineweaver Burk, seperti yang ditunjukkan pada Tabel S1. Dibandingkan dengan horseradish peroxidase (HRP), nilai Km yang tampak dari Pd NSs dengan TMB melemah sebesar 0,28 (Gbr. 3a, b dan Tabel S1). Hasil ini menunjukkan bahwa struktur lembaran ultra tipis dari Pd NSs yang disiapkan menunjukkan afinitas tinggi terhadap TMB, bahkan lebih tinggi daripada enzim alami HRP.

Uji kinetik keadaan tunak dan mekanisme katalitik Pd NSs (12,6 μg/mL). a Konsentrasi H₂ O₂ adalah 50 mM, dan konsentrasi TMB bervariasi (0,1-1,5 mM). b Plot timbal balik ganda untuk TMB

Karena jelas bahwa H₂ O₂ dapat didekomposisi untuk membentuk spesies oksigen reaktif dengan Pd NSs, sangat penting untuk memahami spesies apa yang dihasilkan untuk menyediakan fungsi oksidasi. Pada prinsipnya, logam mulia dapat mengkatalisis penguraian H₂ O₂ untuk membentuk •OH, dan zat antara reaksi O* pada kondisi pH yang lebih rendah [28], salah satunya mungkin merupakan spesies yang menyediakan fungsi oksidasi dalam reaksi mimetik-enzim. Untuk memahami kemungkinan mekanisme katalitik Pd NSs, pertama-tama kami menggunakan asam tereftalat (TA)/H₂ O₂ sistem untuk menguji apakah karakteristik seperti peroksidase dari Pd NSs terkait dengan pembentukan radikal •OH (Gbr. 4a). Menggunakan TA sebagai probe fluoresen, produk yang sangat berfluoresensi dihasilkan oleh reaksi asam 2-hidroksitereftalat dengan •OH [29]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, intensitas fluoresensi larutan menurun secara signifikan setelah penambahan Pd NSs. Hasilnya konsisten baik dengan penurunan intensitas fluoresensi dengan meningkatnya konsentrasi Pd NSs (Gbr. S6). Hasil ini menunjukkan bahwa Pd NSs dapat mengkonsumsi radikal •OH daripada menghasilkannya. Oleh karena itu, mirip dengan perilaku katalitik yang dilaporkan dari nanopartikel feritin-platinum [30], kinerja katalitik Pd NS kami tidak bergantung pada pembentukan radikal •OH.

a Diagram mekanisme asam tereftalat (TA) menangkap radikal hidroksil (•OH). Spektrum sampel yang mengandung buffer fosfat (0,1 M, pH 4), H₂ O₂ (50 mM), dan penerangan cahaya tampak (λ 400 nm, 15 min). b Spektrum emisi fluoresensi dengan adanya Pd NSs (12,6 μg/mL) dan TA (66,7 μM). c Diagram mekanisme KBrO₃ menangkap elektronik panas. d Spektrum absorpsi dengan adanya Pd NSs (12.6 μg/mL), KBrO₃ (0,3 mg/mL), dan TMB (0,7 mM)

Untuk menyelidiki apakah mekanisme katalitik Pd NSs berhubungan dengan pembentukan elektron panas oleh cahaya, kami juga mengeksplorasi percobaan menjebak elektron panas spesies aktif selama reaksi fotokatalitik (Gbr. 4c) [31]. Seperti dapat dilihat dari Gambar 4d, kemampuan katalitik Pd NSs terhadap oksidasi TMB menurun secara signifikan dalam waktu 15 min dengan penambahan 0,3 mg/mL KBrO₃ (pemadam e ⁻ ). Perbedaan yang sangat besar antara KBrO₃ /sistem reaksi dan sistem murni mengungkapkan bahwa keberadaan elektron panas mungkin penting untuk oksidasi TMB. Hal ini sesuai dengan hasil Gambar S7 bahwa Pd NSs memiliki puncak serapan yang luas melalui efek SPR pada kisaran spektral 500-1000 nm [25]. Selain itu, begitu elektron panas menjauh dari permukaan Pd NSs, ada lubang yang sesuai yang tersisa di permukaannya. Karena lubang ini dapat mengoksidasi etanol untuk menghasilkan asetaldehida, mereka mungkin juga memiliki kemampuan oksidasi yang kuat terhadap TMB. Seperti yang diharapkan, tanpa penambahan H₂ O₂ , lebih banyak oxTMB dibuat di bawah penerangan cahaya tampak.

Selanjutnya, kami menguji apakah spesies oksigen reaktif dibentuk oleh aktivasi O₂ di bawah cahaya tampak, termasuk superoksida (O₂ ⁻ ). Mengingat hal ini, eksperimen terkontrol dilakukan di bawah atmosfer yang berbeda. Untuk Gambar. S8, kinerja katalitik enzim mimetik tidak berubah secara signifikan ketika kita diperkenalkan nitrogen dan oksigen dengan menjenuhkan sistem reaksi, yang tidak banyak dipengaruhi oleh O₂ untuk aktivitas fotokatalitik Pd NSs. Penting untuk menunjukkan bahwa kinerja akhir Pd NSs, bahkan hingga 0,051 a.u./min selama 5  menit di bawah cahaya tampak, adalah 3,2 kali lebih tinggi daripada katalis Pd NSs dalam gelap (Gbr. 2d). Aktivitas nanozim Pd yang sangat tinggi di bawah cahaya tampak mengarah pada hipotesis bahwa keberadaan elektron panas oleh efek SPR dari Pd NSs yang mendorong pembentukan zat antara reaksi O* alih-alih radikal bebas bertanggung jawab atas aktivitas seperti peroksidase (Gbr. 5a ) [28]. Singkatnya, percobaan perangkap spesies aktif dan percobaan ventilasi memberikan dukungan yang kuat untuk mekanisme enzim mimetik fotokatalitik Pd NSs.

a Diagram skema sensor untuk H₂ O₂ deteksi. b Kurva dosis-respon dengan konsentrasi hidrogen peroksida yang berbeda. Kondisi eksperimental:Pd nanozyme (25,2 μg/mL), buffer fosfat (0,1 M, pH 4), dan TMB (0,7 mM) penerangan cahaya tampak (λ 400 nm, 3 min). Inset:plot kalibrasi linier. c Gangguan pengotor lain pada absorbansi H₂ O₂ sensor kolorimetri pada 652 nm. Kondisi eksperimental:Pd nanozyme (25,2 μg/mL), buffer fosfat (0,1 M, pH 4), TMB (0,7 mM), iluminasi cahaya tampak (λ 400 nm, 15 mnt), dan termasuk 50 mM H₂ O₂ , 200 mM glukosa, Na ⁺ , K ⁺ , Ca ^{2 +} , dan CO₃ ²⁻ , dan sisipan menunjukkan perubahan warna larutan reaksi

Sensor Real-Time dan Sangat Sensitif Baru

Hal ini ditunjukkan dalam beberapa penelitian bahwa pengenalan cahaya ke dalam sensor sebagai input energi eksternal dapat meningkatkan kinerja sensor [22, 32, 33]. Misalnya, Ling dkk. [32] menemukan bahwa O₂ sifat penginderaan dari 10 at. % LaOCl-SnO₂ sensor ditingkatkan secara signifikan dengan penerangan sinar ultraviolet. Mempertimbangkan pengaruh signifikan cahaya pada sensor dan aktivitas peniruan peroksidase yang sangat baik dari Pd NS di bawah cahaya tampak dalam eksperimen kami, sensor kolorimetri yang efektif dan sensitif H₂ O₂ dibangun. Mekanisme sensor (Gbr. 5a) menunjukkan Pd NSs dapat memanfaatkan sepenuhnya luas permukaan spesifiknya yang besar untuk menangkap foton dan menghasilkan sejumlah besar elektron panas. Setelah itu, elektron panas mendorong penguraian H₂ O₂ untuk menghasilkan intermediet reaksi O*, yang dapat mengoksidasi TMB menjadi oxTMB biru. Akhirnya, deteksi efisien H₂ O₂ terwujud.

Seperti dapat dilihat dari inset Gambar 5b, rentang linier dari H₂ yang dibangun O₂ sensor oleh kami adalah dari 10 hingga 100 μM, dan penghitungan batas deteksi adalah 13,40 μM (LOD =3 s /k , di mana s dan k mewakili blok kalibrasi linier dari deviasi standar relatif dan kemiringan delapan pengukuran kontrol paralel, masing-masing. Dalam karya ini, s =2.97988 × 10 ⁻⁴ , k =6,67 × 10 ⁻⁵ ). Oleh karena itu, sensor hidrogen peroksida berdasarkan Pd NSs lebih unggul daripada nanomaterial lain yang dilaporkan dalam kondisi pengenalan cahaya. Dari Tabel S2, dapat dilihat bahwa dengan metode kolorimetri yang sama untuk mendeteksi hidrogen peroksida, dan sensor kami menunjukkan rentang linieritas yang luas [34]. Dan batas deteksi lebih rendah daripada banyak sensor berdasarkan meniru peroksidase berbasis Fe atau Co (Tabel S3) [35, 36]. Akhirnya, kami melakukan H₂ O₂ dan serangkaian eksperimen kontrol (Gbr. 5c) dengan gangguan potensial seperti K ⁺ , glukosa, Na ⁺ , CO₃ ²⁻ , dan Ca ²⁺ . Seperti ditunjukkan pada sisipan Gambar 5c, terlihat jelas bahwa absorbansi interferensi ini lemah pada 652 nm, dan warnanya tidak berubah. Berdasarkan hasil kami, sensor hidrogen peroksida yang efisien dan sangat spesifik berdasarkan cahaya tampak telah berhasil direalisasikan. Sensor ini tidak hanya memanfaatkan sepenuhnya cahaya tampak untuk meningkatkan kinerja pendeteksiannya, tetapi juga memberikan contoh yang baik untuk logam plasmonik lain dalam sensor.