【Appl.Catal.B Environ】一种仿生漆酶模拟纳米酶的构建用于降解和检测酚类污染物
一种仿生漆酶模拟纳米酶的构建
用于降解和检测酚类污染物
Applied Catalysis B: Environmental ( IF 19.503 )
Pub Date : 2019-05-04
DOI: 10.1016/j.apcatb.2019.05.012
强调
合成了一种受活性位点启发的具有类漆酶活性的 CH-Cu 纳米酶。
CH-Cu纳米酶与天然酶相比具有优异的活性和稳定性。
CH-Cu 纳米酶对酚类污染物具有广泛的底物特异性。
CH-Cu 纳米酶在12次循环后保持 82% 的催化活性。
基于CH-Cu纳米酶的智能手机检测肾上腺素。
纳米酶被定义为具有类酶活性的纳米材料，在基础研究和应用研究中都引起了广泛的兴趣。漆酶是多铜氧化酶的成员，在环境催化和生化工业中用作绿色催化剂。根据漆酶活性位点的结构和电子转移途径，通过Cu+/Cu2+与半胱氨酸(Cys)-组氨酸(His)二肽的配位，报告了一种制备具有漆酶样活性的新型纳米酶(简称CH-Cu)的简单策略。
CH-Cu纳米酶表现出优异的催化活性、可回收性和底物普遍性，并且具有相似的K m（米氏常数）和更高的v max（最大速率）比相同质量浓度的漆酶。它们在各种条件下都很稳定，例如极端 pH 值、高温、长期储存和高盐度，这些条件会导致漆酶催化活性的严重损失。与漆酶相比，CH-Cu纳米酶在降解氯酚和双酚方面的功效更高，这在间歇反应中也得到了证实。此外，建立了一种基于CH-Cu纳米酶的智能手机定量检测肾上腺素的方法。
酚类化合物如氯酚和双酚是常见的有毒污染物，因为它们广泛用于木材防腐剂、杀虫剂和消毒剂。这些酚类化合物被认为是通过致癌作用、生殖毒性、神经毒性和内分泌干扰对人类健康构成威胁，在土壤和水中被广泛检测到 。
漆酶是多铜氧化酶 (MCO) 的成员，可催化多种有机底物的单电子氧化，例如多胺、芳基二胺、邻二酚和对二酚以及多酚，随后的四种-分子氧电子还原成水。因此，漆酶可用作水处理和土壤生物修复的绿色催化剂。然而，漆酶在复杂环境中稳定性差，漆酶难以回收，成本高，严重阻碍了其实际应用。为了实现漆酶的可回收性，许多努力都集中在将漆酶固定在合适的基质上。
例如，Sarma 等人在刺激响应膜上逐层组装漆酶，用于氯有机降解，在四个操作周期后，其初始活性损失了14%。吉等人将漆酶固定在介体膜混合反应器上，用于卡马西平的生物催化降解，在5 个降解循环后保持其初始活性的 15% 。最近，李等人将漆酶固定在Cu2O纳米线介晶材料上，用于生物修复 2,4-二氯苯酚污染的水，具有高生物催化活性，循环10次后效率保持在 75%。虽然通过酶固定化解决了可回收性问题，但由于酶在复杂条件下固有的脆弱性，酶的稳定性仍然是蛋白质化学中最困难的问题之一。
为了获得高度稳定的生物催化剂，构建模拟天然酶的纳米酶是一种很有前景的策略。纳米酶被定义为具有酶模拟活性的纳米材料，由于其多功能、低成本和高稳定性而引起了广泛的研究兴趣。各种纳米材料及其衍生物，如贵金属、金属氧化物和碳基纳米材料，作为纳米酶被开发用于病毒检测、重金属离子检测 、基于有机磷的神经毒剂的降解和细菌灭活。
与天然酶相比，由于纳米材料的固有特性，纳米酶表现出更好的稳定性和耐久性。例如，郭等人制备的 Au@Cu2O核@壳纳米晶体作为双功能催化剂用于可持续环境应用，4 个循环后甲基橙降解效率保持在 89%。王等人制备钒酸盐量子点散布的gC3N4纳米复合材料，通过收集可见光有效灭活沙门氏菌。
最近，基于金属基节点与有机配体的配位的有机-无机杂化物由于其易于制备、合适的尺寸和生物相容性，已成为一类有前途的纳米酶。例如，梁等人基于鸟苷一磷酸（GMP）配位的铜制备了具有漆酶样活性的纳米酶。王等人合成了一种卟啉金属有机骨架 PCN-600 (Fe)，它在水性条件下稳定，具有过氧化物酶的催化活性。此外，该方法已被证明可有效模拟酶活性位点的配位微环境，以设计和合成具有高催化活性的纳米酶。由于对过氧化物酶的活性位点结构和反应机理进行了深入研究，大量工作集中在制备具有过氧化物酶催化活性的纳米酶。例如，范等人通过单个氨基酸修饰优化了Fe3O4纳米酶的类过氧化物酶活性以模拟酶活性位点。
与具有类过氧化物酶活性的纳米酶的研究相比，具有类漆酶活性的纳米酶的报道有限，这可能是由于漆酶活性位点的复杂结构和催化机制所致。具体来说，漆酶中有四个铜位点，包括 1 型 (T1)、2 型 (T2) 和双核 3 型 (T3) 铜位点。底物的氧化发生在T1 Cu位点，电子从T1 Cu位点转移到T2/T3三核Cu簇，在那里分子氧通过半胱氨酸-组氨酸 (Cys-His) 途径转化为水。受漆酶活性位点结构和电子转移途径的启发，试图设计和合成纳米材料，利用与铜离子配位的 Cys-His二肽来模拟这一催化过程。
在此，提出了一种制备具有漆酶样活性的新型纳米酶（表示为 CH-Cu）的简便策略。该策略的灵感来自于活性位点的结构和漆酶通过Cu + /Cu 2+与 Cys-His二肽的配位的电子转移途径。具体而言，CH-Cu纳米酶是通过水热法使用Cys-His二肽和CuCl2合成的。使用 SEM、FTIR、XPS 和 XRD 对CH-Cu纳米酶进行了结构表征。评价了CH-Cu纳米酶的催化活性、稳定性、可回收性和底物特异性，并与天然酶进行了比较。此外，基于CH-Cu纳米酶建立了智能手机对肾上腺素的定量检测。最后，提出了CH-Cu纳米酶的催化作用机制。