【DFT+实验】河南大学赵俊伟教授课题组ACS AMI：纯多酸二维材料作为类酶催化剂检测氧化应激生物标志物

英文原题：First Ultrathin Pure Polyoxometalate 2D Material as a Peroxidase Mimicking Catalyst for Detecting Oxidative Stress Biomarkers

通讯作者：赵俊伟，河南大学；宋宇飞，北京化工大学

作者：Jun Jiang, Yanzhou Li, Lulu Liu, Lijuan Chen, Junwei Zhao*, Carsten Streb and Yu-fei Song*

自2004年石墨烯被发现以来，二维材料因其特殊的物理化学性质及其在微电子器件、绿色催化、能量存储和生物监测等领域广阔应用前景，已成为研究热点之一。二维材料的电子限域效应及其超薄的厚度使其具有优异的光电性能、机械柔性和光透明性，可用于制备弹性和透明的光电器件。另外，大的比表面积保证了它们作为催化剂时催化活性位点的充分暴露。纳米酶作为生物酶的替代材料，具有稳定性高、成本低、制备简单等优点。目前，二维材料作为纳米酶催化剂主要集中在石墨烯及其衍生物、过渡金属卤化物、贵金属等材料，应用于生物传感、环境处理、纳米药物等领域。特别是，铁基二维材料可以进一步提升纳米酶的催化性能，因为它们的催化过程存在与天然过氧化物酶——血红素相似的催化机制。因此，铁基二维材料具有优异的类酶活性得益于铁组分电子得失能力和二维材料电子属性的协同作用。然而，迄今为止，科学家们对新型铁基二维材料的探索还不充分，制备铁基二维材料纳米酶并深入研究其性能仍面临巨大的挑战。

近期，河南大学赵俊伟教授团队在多金属氧酸盐（简称多酸）二维材料的类酶活性研究方面取得新进展，基于一维链状有机配体修饰的异金属嵌入锗钨氧酸盐及其一维链间的π-π相互作用力，通过液相剥离的方法制备了首例超薄纯多酸二维材料，并系统探究了其类酶催化性能，相关成果以标题为”First Ultrathin Pure Polyoxometalate 2D Material as a Peroxidase Mimicking Catalyst for Detecting Oxidative Stress Biomarkers”发表在ACS Applied Materials & Interfaces，2022，https://doi.org/10.1021/acsami.2c15579上，河南大学博士研究生蒋君和李艳周博士为文章的共同第一作者，河南大学赵俊伟教授和北京化工大学宋宇飞教授共为通讯作者。此研究得到国家自然科学基金、河南省高校科技创新团队支持计划等资助支持。

本文报道了基于一维链状有机配体修饰的异金属嵌入锗钨氧酸盐及其一维链间的π-π相互作用力制备的首例超薄纯多酸二维材料及其类酶活性用于检测氧化应激生物标志物的研究。在本研究中，作者合成了一维链状有机配体修饰的异金属嵌入锗钨氧酸盐（1）（图1），由于一维链间存在大量的π-π相互作用，晶态材料可通过液相剥离的方法制备成超薄多酸二维材料（2D-1）。

图1.一维链状有机配体修饰的异金属嵌入锗钨酸盐的结构及分析

利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、红外光谱和粉末X-射线衍射等对2D-1的形貌和组成进行了系统表征（图2）。结果表明，2D-1的厚度可低至单层。

图2. 1和2D-1的电镜照片及PXRD

接着系统探究了2D-1的类酶催化性能，进行了静态动力学分析，并将其用于过氧化氢的检测，检出限低至58nM（图3）。实验结果和理论计算共同证明了2D-1优异的催化性能且催化活性位点位于铁中心和有机配体上，提出了其可能催化机理（图3）。在此基础上，利用2D-1和尿酸酶催化的级联反应，进一步实现了尿酸的检测。

图3.2D-1的类酶催化性能及机理研究

综上所述，在合成有机配体修饰的异金属嵌入锗钨氧酸盐晶态材料的基础上，借助液相剥离的方法，制备了超薄纯多酸二维材料，并对其类酶催化性能进行深入研究，进一步将其用于过氧化氢和尿酸的检测，具有检测限低、重复性好等优点。本研究不仅为制备超薄纯多酸二维材料奠定了基础，而且拓宽了多酸材料在生物学和医学领域的潜在应用范围。

二级教授，博士生导师，河南省多酸化学重点实验室副主任，河南省特聘教授，河南省学术技术带头人，英国皇家化学会会士，河南省高层次人才，河南省化学会理事，河南省科技创新人才，河南省优秀教师，河南省高等学校青年骨干教师，河南省优秀硕士论文指导教师，河南省高校科技创新团队带头人，河南省高校科技创新人才，中国青少年科技创新奖获得者，宝钢教育奖获得者。主要从事多金属氧簇材料的制备、光电器件和药物活性等研究。主持国家自然科学基金、河南省杰出青年基金、河南省高校科技创新人才支持计划、河南省自然科学基金等17项，在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Coord. Chem. Rev.等期刊发表SCI论文180余篇，授权专利12项，获省部级奖励2项、市厅级奖励13项。主编专著1部、参编教材4部。