电催化活性影响综述（Anal.Chem.）

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*本文首发于“纳米酶Nanozymes”公众号，2022年8月29日

*编辑：俞纪元

纳米酶兼具传统酶的高催化性能与纳米材料的稳定结构，具有成本低、环境稳定性高以及结构设计灵活等优势，因而在传感、成像、疾病治疗和组织工程等多个领域受到广泛关注。目前，虽然研究人员在纳米酶的开发与利用方面做出了极大的努力，但其活性和选择性与天然酶之间仍存在一定差距。近年来，有研究表明将活性物质封装在中空结构的空腔内构建纳米反应器可显著增强材料的催化活性。尽管已经开发出一些基于碳纳米管限域结构的功能性纳米材料，但设计和制造具有特定尺寸的碳管反应器来限域催化剂以实现类酶活性的增强仍然是一个挑战。

近日，卢晓峰教授等提出了一种包覆-热解的策略，成功制备了封装了Fe0纳米粒子（Fe NPs）的氮掺杂碳管（Fe@NC NTs）。由于其独特的限域结构和组分间强大的相互作用，展现出远优于非限域的Fe纳米粒子和氮掺杂碳管（NC NTs）的类过氧化物酶活性。此外，还具有优良的重现性以及较为理想的长期储存稳定性，有利于实际应用。基于其优异的类过氧化物酶催化活性实现了总抗氧化能力（total antioxidant capacity, TAC）的检测，在食品安全和人类健康方面展现了广阔的应用前景。

作者首先利用静电纺丝技术制备了形貌均一的Fe2O3纳米纤维，随后，通过氧化聚合在其表面包覆聚吡咯（polypyrrole, PPy）鞘层。最后，经过在H2/Ar混合气氛中进行高温碳化及还原，Fe2O3纳米纤维转化为Fe NPs并封装在由PPy层衍生的NC NTs中（图1）。

图1：（a）Fe@NC NTs的制备流程图；

（b-d）Fe2O3纳米纤维、（e-g）Fe2O3@PPy-20纳米纤维和（h-j）Fe@NC-20-700 NTs的SEM、直径分布和TEM图。

作者对所制备的Fe@NC NTs的类酶活性进行了探究，发现其具有优异的类过氧化物酶活性，在H2O2存在下，可快速催化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）氧化（图2a和b）。此外，作者对催化体系的pH值、PPy壳层厚度以及热解温度等条件进行了优化，证实当吡咯单体加入量为20 μL、热解温度为700 ℃时，可获得催化活性最好的Fe@NC NTs（图2c和2d）。实验结果证实了过厚的外壁可能会影响电子转移，导致催化活性下降。此外，随着温度的升高，碳结构石墨化程度随之提高，加快了电子转移速率，从而使催化活性得到提升。然而过高的热解温度会造成纳米粒子的聚集且碳管受到破坏，继而导致催化活性下降。进一步的稳态动力学分析证明Fe@NC-20-700 NTs对H2O2和TMB都具有最小的Km值，意味着其具有与底物具有最大的亲和能力，与其所具有的最佳催化活性相对应（图2e和f）。

图2：（a）Fe@NC NTs的类过氧化物酶催化特性；

（b）不同体系的紫外-可见吸收光谱；

（c）pH值对Fe@NC NTs类过氧化物酶活性的影响；

（d）不同吡咯单体加入量和不同热解温度下获得的Fe@NC NTs的类过氧化物酶活性；

（e）不同吡咯单体加入量的Fe@NC NTs分别以H2O2和TMB为底物的Km值；

（f）不同煅烧温度下获得的Fe@NC NTs分别以H2O2和TMB为底物的Km值。

为了确定Fe@NC NTs优异的类过氧化物酶活性的来源，作者还将其与非受限Fe NPs和NC NTs的催化活性进行了对比。如图3a所示，Fe NPs的催化活性可以忽略不计，而将其封装在NC NTs中后，类过氧化物酶活性显著增强。此外，NC NTs的催化活性也不理想，进一步说明了Fe@NC NTs的限域结构的重要作用，这可能与活性分子的浓度和受限结构中传荷/传质性能的提高有关。随后，利用电子顺磁共振波谱（EPR）测试对生成的活性中间体进行鉴定，表明Fe@NC NTs可以催化分解H2O2产生•OH，从而表现出优异的类过氧化物酶活性（图3b）。此外，所制备的纳米酶还展现了良好的重现性和长期储存稳定性（图3c和d）。

图3：（a）Fe@NC NTs与Fe NPs和NC NTs的类过氧化物酶活性对比；

（b）EPR图谱；

（c）五个批次Fe@NC NTs的类过氧化物酶活性；

（b）Fe@NC NTs的长期储存稳定性。

基于Fe@NC NTs优异的类过氧化物酶活性，作者实现了以抗坏血酸（AA）为抗氧化模型的对商业饮料、新鲜果蔬的TAC检测，与传统的铜还原总抗氧化能力（CUPRAC）检测方法具有一定的可比性（图4），证实了基于Fe@NC NTs纳米酶的TAC检测方法的可靠性，具有良好的实际应用价值。此外，该工作提出的将纳米颗粒可控地限制在管状碳纳米材料内的合成策略，可以推广到构建其他多孔限域催化剂，具有广阔的应用前景。

图4：（a）Fe@NC NTs-TMB-H2O2体系在不同AA浓度下的紫外-可见吸收光谱；

（b）651 nm处吸光度-AA浓度曲线，插图为吸光度与 AA 浓度的线性关系曲线图。

（c）CUPRAC体系的吸光度与AA浓度的线性关系图；

（d）两种方法测定真实样品的TAC值。

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撰稿：宋 娜

审阅：刘淑杰

编辑：杨从忠