华中师范大学朱成周课题组：轴向配体诱导的自适应构象单原子纳米酶在碱性介质中增强化学发光

化学发光（CL）是一种快速、灵敏的分析方法，然而大多数的CL反应效率低导致CL信号低。目前高效的CL体系主要是酶参与的CL反应，特别是辣根过氧化物酶（HRP）催化的鲁米诺-H₂O₂ CL体系，已经在生物传感领域引起广泛的关注。然而，天然酶的成本高和易变性等缺点阻碍了其实际应用。为了解决这一问题，通过模拟酶的结构来设计高活性和稳定性的模拟酶替代天然酶是一种有效的策略。近年来，研究者发现金属和氮掺杂碳基单原子纳米酶（M-N-C SAzymes）可以在原子尺度上模拟血红素的配位结构而表现出优异的类POD活性。因此，通过引入M-N-C SAzymes有望于提高鲁米诺-H₂O₂体系的CL信号。然而与HRP相比，M-N-C SAzymes的类过氧化物酶（POD）活性仍然有待提高。

HRP的活性中心包含血红素以及与血红素中铁配位的组氨酸轴向配体。这种非刚性轴向配体在催化过程中可以自适应地变化去调节中间体的吸附，从而促进反应的进行，与构象动力学紧密相关。但是目前提高M-N-C SAzymes类POD活性的策略主要通过调控活性位点的配位数和配位结构来打破活性位点的平面对称性，继而改变电子结构达到调控催化活性的目的，却很少有人关注活性位点类似HRP的轴向配位结构和配位依赖的催化行为。并且目前M-N-C SAzymes主要在酸性介质中表现出良优异的类POD活性，很少应用到碱性介质中。因此，设计在碱性介质中同样具有优异的类POD活性的M-N-C SAzymes是十分重要的研究课题。最近有研究发现碱性介质中的OH^-可以自发地吸附在金属活性中心上形成内源性轴向配体，此配体类似于HRP的组氨酸配体可以诱导产生自适应构象，优化中间态反应进行。但至今为止还没有实验和理论研究这种内源性轴向配体在碱性介质中对M-N-C SAzymes类POD活性的影响和配位依赖的催化行为。

近日，华中师范大学朱成周教授团队及其合作者通过理论计算和实验研究发现轴向配体诱导的自适应构象M-N-C SAzymes（M = Fe, Co, Ni）在碱性介质中可以促进鲁米诺-H₂O₂体系的化学发光。首先，利用密度泛函理论（DFT）计算发现M-N-C SAzymes在碱性介质中可以自发吸附OH^-形成内源性轴向配体，使活性中心由MN₄变成M(OH)N₄。轴向配体在催化H₂O₂还原的过程中可以自适应变化调整轴向配位M-O键长，使得Co-N-C SAzymes在决速步具有最低的能垒。与Fe-N-C SAzymes和Ni-N-C SAzymes相比，分子动力学（AIMD）模拟进一步揭示鲁米诺阴离子和Co-N-C SAzymes具有最好的亲和力，可以快速发生电子转移。因此，理论计算预测Co-N-C SAzymes具有最好的类POD活性（图1）。

图1. 反应的理论计算。Co-N-C催化H₂O₂还原过程的（a）反应步骤和（b）自由能分布图；（C）催化过程中M-N-C轴向M-O键长；（d）M-N-C在AIMD模拟体系中势能随时间的变化；（e）1.6 ps时，O^*在M-N-C上与鲁米诺阴离子反应的AIMD模拟图。

基于理论计算，该课题组合成了一系列锚定在氮掺杂碳纳米管气凝胶的M-N-C SAzymes（M = Fe, Co, Ni）。实验发现M-N-C SAzymes均能在碱性介质中催化鲁米诺-H₂O₂体系的CL信号增强，并且Co-N-C SAzymes的类POD活性分别是Fe-N-C SAzymes和Ni-N-C SAzymes的13.5和19.5倍，这与理论计算的结果一致。与Fe-N-C SAzymes和Ni-N-C SAzymes相比，活性氧（ROS）的定性和定量分析表明Co-N-C SAzymes可以高效地催化H₂O₂高选择性产生O₂·^-。基于理论计算和实验，作者提出Co-N-C SAzymes增强鲁米诺-H₂O₂体系发光的机制（图2），最后应用Co-N-C-鲁米诺-H₂O₂CL体系成功构建了CL传感器用于乙酰胆碱酯酶和有机磷农药的灵敏检测。这项工作不仅阐明了内源性轴向配体对M-N-CSAzymes活性的影响，而且为发展新型CL的催化剂提供了新的解决方案。

图2. （a）不同催化剂活化的鲁米诺-H₂O₂ CL强度；（b）不同CL体系的CL动力学曲线；（c）M-N-CSAzymes活化H₂O₂的DMPO-O₂·^-的ESR谱；（d）M-N-C SAzymes激活H₂O₂体系的ROS产生量；（e）Co-N-CSAzymes-鲁米诺-H₂O₂体系的CL机制。

该成果以“Single-atom nanozymes with axial ligand-induced self-adaptive conformation in alkaline medium boost chemiluminescence”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi: 10.1007/s11426-022-1495-y）。

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【通讯作者简介】

胡六永，武汉工程大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师。2017年5月博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所。随后，在中国科学院长春应用化学研究所汪尔康院士课题组和香港科技大学颜河教授课题组从事博士后研究工作。2019年加入武汉工程大学，研究方向主要为光电化学生物传感和能源催化。

顾文玲，华中师范大学化学学院副教授，硕士生导师。2018年1月博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，师从汪尔康院士。随后，在香港科技大学赵天寿院士的指导下从事博士后研究工作。2019年加入华中师范大学化学学院，主要从研究方向是电化学生物传感和电化学催化。

史乐，西安交通大学电气工程学院新型储能与能量转换纳米材料研究中心教授，博士生导师。2013年与2017分别于北京大学和香港科技大学获学士学位和博士学位，2017年至2018年10月于香港科技大学机械与航空航天工程学系担任助理研究员，2018年11月至今先后任西安交通大学电气工程学院副教授、教授。目前主要从事新型储能与能量转换体系中反应机理及微观物质输运特性研究。

朱成周，华中师范大学化学学院教授、博士生导师，英国皇家化学会会士、德国洪堡学者和海外高层次青年人才入选者。2013年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，随后在德累斯顿工业大学和华盛顿州立大学进行博士后研究。2018年4月加入华中师范大学，主要研究方向为原子尺度材料催化与传感。

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