【DFT+实验】唐点平课题组：几何和缺陷工程合作增强级联酶纳米反应器

生物催化级联在促进生物体内高效、特异和复杂反应方面发挥着关键作用，它通过底物的精确运输和封闭系统内多种酶的协调发挥作用。天然酶以其卓越的效率和选择性著称，主要主导底物特异性反应。探索将脆弱的天然酶固定在人工多孔基质中是扩大生物催化系统范围的一个极具前景的途径，因为人工基质具有以下明显优势：(i) 人工多孔基质提供了一个稳定可控的环境，可以保护脆弱的天然酶免受外界环境的干扰，从而保持其催化活性和选择性；(ii) 由于多孔基质的特殊结构，天然酶可以在其中高度定位，形成高效的反应中心，从而提高催化效率；(iii) 人工多孔基质的天然酶催化体系具有高稳定性和再生性，可以重复使用，降低催化过程的成本和资源消耗。然而，这项工作也面临着亟待解决和克服的重大挑战。

本研究设计了孔隙有序的介孔单原子（铁）氮掺杂碳纳米反应器（Mp-Fe-CN），其中设计了合理的孔隙大小，作为天然酶陷阱与模拟酶中心耦合。研究发现，极性引导的氮配体环境工程和空位簇缺陷明显影响了纳米多孔活性，并伴随着明显的介孔孔径增大。密度泛函理论揭示了 Fe-N4的活性中心和远端 N 原子配位对纳米酶催化过程的影响，确定了杂化轨道对电子转移和决定性步骤的贡献。作为概念验证，开发了一种基于级联纳米反应器的限域肌氨酸氧化酶，用于无创监测尿液中的肌氨酸水平，以评估潜在的前列腺癌。基于纳米催化单元表面介孔通道的设计，为纳米酶和天然酶之间的相互作用搭建了桥梁，实现了天然酶产物的级联纳米催化。

图1. SiO₂@ Ph（a）、Mp-Fe-CN（b-d）的 TEM 图像。(e) Mp-Fe-CN 的 HAADF-STEM 图像以及相关的 EDX 元素映射和线扫描（f）。(g) Mp-Fe-CN 的原子分辨率 ADF-STEM 图像。铁箔、Mp-Fe-CN 和 Fe₂O₃的 XANES（h）和 k³加权 EXAFS 信号的 WT（i）。

图 2 (a) H₂O₂/TMB/纳米酶催化溶液的时间相关吸收曲线。(b) 比较不同催化体系吸光度的散点图。(c) H₂O₂/TMB/纳米酶催化体系在一般 pH 值范围内的显色行为热图。Mp-M-CN 的 DOS 分布曲线（d）和相应的 d 波段中心（蓝线）以及 Mp-Fe-CN 的相应 DOS 分布曲线（e）。(f) 金属 d 波段与配位 N 原子的 p 轨道杂化示意图。(g) 过氧化氢在 Mp-Fe-CN 上的分解过程示意图。(h) Mp-M-CN 上过氧化氢催化分解至水脱附的自由能图。

图 3 (a) Mp-Fe-CN_11-15的 TEM 图像。(b) Mp-Fe-CN11-16 催化 TMB 分子氧化时的原位拉曼光谱。(c) Mp-Fe-CN11 催化 TMB 分子氧化时的随时间变化的原位拉曼光谱。(d) Mp-Fe-CN_11-16+DMPO+H₂O₂的EPR 光谱。(e) 纳米酶的动力学曲线。(f) Mp-Fe-CN_11-16SAzymes 的比活度。(g) 不同纳米酶的比活度比较。

图 4 (a) Mp-Fe-CN11-16 的本征 ESR 光谱。Mp-Fe-CN_11,13的 PL (b) 和 PALS (c) 光谱。Mp-Fe-CN 的 PFS 和 NFS SAzymes 细分结构之间的计算电荷密度差异：*H₂O₂(d)、*2OH(e)、*OH(f)、*H₂O(g)。红色和蓝色区域分别表示电子积累和电子耗尽。(h) 过氧化氢在 PFS 和 NFS 上分解的自由能级图。

图 5 (a) 尿液肌氨酸回收试验。不同浓度肌氨酸的紫外可见吸收光谱（a）和相应的信号回归曲线（b）。(c) 特异性分析。(d) 使用加标模拟物的特异性分析结果。(e) 实际样品中肌氨酸和加标处理的回收率结果。(f) 精度评估回归曲线。

唐点平教授：福州大学教授，博士生导师，福建省“闽江学者”特聘教授，德国“洪堡学者”,福建省杰出青年基金获得者，福建省“百人计划”引进高层次创业创新人才。曾获得全国百篇优秀博士论文提名奖，重庆市自然科学科学技术奖一等奖(排名第三)，入选“世界百名最具影响力分析科学家”荣誉称号。先后主持多项国家级和省部级科研课题，2019-2022年入选“中国高被引学者”榜单，2021-2022年入选“化学学科全球高被引科学家”，2篇论文入选“中国百篇最具影响力的国际学术论文”。以第一作者或者通讯作者已在Angewandte Chemie International Edition、Analytical Chemistry等国际权威刊物上发表SCI论文200多篇。

Yu Z, Zeng R, Gong H, et al. Geometric and defects engineering collaboration for enhanced cascade enzymatic nanoreactors. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6119-7.

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