长春应化所杨秀荣院士/王德文课题组AFM: 构建受阻Lewis对用于开发高效人工酶

邃瞳科学云

2025-03-30

导读：本研究通过硼掺杂钴氧化物（CoOx）引入丰富的氧空位（Ov）合成CoBOx纳米片，成功构建受阻Lewis对（FLPs）。Ov不仅可以调节活性位点的价态和配位环境，而且有助于拉长Lewis对（M-O）的

第一作者：马丽敏

通讯作者：王德文副研究员，杨秀荣院士

通讯单位：中国科学院长春应用化学研究所

论文DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202503358

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优化底物的结合位点用于小分子活化对于设计类酶催化剂至关重要。本研究通过硼掺杂钴氧化物（CoO_x）引入丰富的氧空位（O_v）合成CoBO_x纳米片，成功构建受阻Lewis对（FLPs）。O_v不仅可以调节活性位点的价态和配位环境，而且有助于拉长Lewis对（M-O）的距离。实验和理论计算均表明，合成的CoBO_x中O_v周围的Co和O原子分别为Lewis酸（LA）位点和Lewis碱（LB）位点。其中，缺电子的LA位点能够有效促进O₂的吸附与裂解，而富电子的LB位点则有助于拉近带正电的TMB从而缩短反应距离，协同提升CoBO_x的类氧化酶（OXD）活性，加快酶反应动力学。此外，FLPs能够有效减少活性氧物种的减少，进一步加快氧化还原反应。密度泛函理论（DFT）计算进一步证明，FLPs诱导Co位点电子密度明显增加，不仅可以加快电子的转移速率，还有利于稳定反应中间体和降低决速步的反应能垒，有效提升OXD类酶催化活性。值得注意的是，在比色生物传感平台的概念验证应用中，在CoBO_x中构建的FLPs显示出对多巴胺（DA）靶点的高灵敏和高选择性的检测能力。本工作通过构建FLPs激活O₂分子从而显著提升CoBO_x的类OXD活性，为设计和构建高效的纳米酶提供了一种新的策略。

背景介绍

纳米酶，一种具有类酶特性的纳米材料因其能够克服天然酶的固有局限性，在过去几十年中一直是研究热点，但是纳米酶的活性和选择性通常低于天然酶。与天然酶催化过程类似，反应物在纳米酶上的充分吸附和活化是有效催化的基本条件。因此，优化底物的结合位点和反应途径以提高纳米酶的活性和选择性是一种有效的手段但极具挑战性。Lewis酸（LA）和Lewis（LB）由于高空间位阻而无法形成稳定的加合物，转而形成的受阻Lewis对（FLPs）在小分子激活（如H₂、CO₂、CH₄、烯烃、炔烃和H₂O等）方面引发广泛关注。尽管FLPs已被广泛用于有机合成催化或能源催化方面，但其在生物催化的应用中仍未得到充分探索，特别是在解决氧化酶模拟催化剂的氧活化效率的关键挑战方面。

本文亮点

(1) 本工作通过在CoO_x中掺杂B，成功合成了一种含FLPs的CoBO_x纳米片。B的掺杂引入大量的O_v，有助于形成LA与LB间的空间位阻从而构建FLPs；另外B作为给电子体，能够有效增加Co活性位点的电子密度，有效地增强了底物与催化剂间的相互作用与电子转移。

(2) FLPs不仅实现了O₂分子的快速吸附和活化，显著降低了O₂活化裂解的反应能垒；而且能够有效缩短反应物间的距离，有利于稳定反应中间体，协同耦合提升OXD类酶催化活性和加快催化反应动力学，对于新型纳米酶的设计和构建具有一定借鉴和参考价值。

图文解析

图1. 形貌及结构分析。a)合成CoBO_x纳米片和构建FLPs的示意图。b) CoBO_x的SEM图像。c,d) CoBO_x和CoO_x的TEM图像。e,f) CoBO_x和CoO_x的HR-TEM图像，无定形区域用白色虚线标记。CoBO_x和CoO_x的XRD谱图g)和EPR谱图h)。CoBO_x的电子密度等值面i)和原子结构特征j)，其中O_v用紫色虚线圈标记。k) CoBO_x和CoO_x的NH₃-TPD谱图。l)不同解吸温度下CoBO_x的Py-IR光谱。

图2. 电子结构分析。a-c) CoBO_x和CoO_x的B 1s，O 1s和Co 2p的XPS光谱。d) Co箔，CoO，Co₂O₃，CoBO_x和CoO_x的Co K边XANES光谱。插图是对应的上升边和边前峰区域放大图。e) Co箔，CoO，Co₂O₃，CoBO_x和CoO_x的EXAFS光谱的k²χ(k)振荡图。f) EXAFS光谱的傅里叶变换（FT）曲线。CoBO_x和CoO_x的Co K边的EXAFS拟合分析g)和EXAFS光谱的WT等值线图h)。

图3. OXD类酶活性评价及催化机理分析。 a)不同反应体系的紫外-可见吸收光谱。b) CoBO_x和CoO_x的类OXD活性比较。CoBO_x和CoO_x类OXD催化性能的比活性分析(c)和稳态动力学分析(d)。e)不同纳米材料的动力学参数对比。f) CoBO_x/TMB体系分别在空气、O₂饱和和N₂饱和的醋酸缓冲液中的紫外-可见吸收光谱。g) CoBO_x的EPR光谱。h)自由基清除剂（Try、硫脲和SOD）对CoBO_x的类OXD活性的影响。i) CoBO_x和CoO_x的O₂-TPD谱图。

图4. DFT理论计算用于酶活性分析。a) CoBO_x与CoO_x的差分电荷密度分析。b)不同B含量的纳米材料的LA酸度和LB碱度的分析。c) CoBO_x与CoO_x上Co 3d和O 2p轨道的PDOS。d) O₂吸附在CoBO_x和CoO_x的差分电荷密度分析；黄色和绿色区域分别表示电子的积累和消耗。e)TMB在CoBO_x和CoO_x上的吸附能对比及构型分析。CoBO_x和CoO_x的类OXD过程自由能图f)和反应路径g)。

图5. 基于CoBO_x的DA比色系统。a)基于CoBO_x的DA生物传感示意图。b)检测DA的可行性分析。c) oxTMB的吸收强度的DA浓度依赖性及其线性曲线拟合d)。e)与其他检测方法及材料的检测性能对比。f)CoBO_x的比色体系的抗干扰性。

总结与展望

本工作将B掺杂到CoO_x中合成富含O_v的（CoBO_x）纳米片，成功构建了FLPs，显著提高了纳米酶的活性和选择性。理论和实验结果表明，B掺杂导致活性中心Co位点的电荷重新分配和配位环境发生改变，LA（Co）和LB（O）位点得以共存，协同组成FLPs，有效提高OXD类酶反应活性。FLPs可以优化底物（TMB和O₂）的吸附能，降低O₂活化的能量势垒，促进O₂的捕获和解离，显著加快酶反应动力学。此外，由FLPs引起的电子密度的增加显著促进了电子的转移、中间体的稳定，降低了H₂O分子脱附的能量输入。最后，本工作构建了用于DA检测的比色传感平台作为概念验证应用，显示了在复杂生物样品中的高比色灵敏度，高效的测定活性、选择性和可行性。本工作所提出的FLPs在激活小分子方面具有巨大潜力，为设计和调控新型的类酶催化材料提供了新的方向。

文献信息

L. Ma, Y. Wang, Y. Chen, R. Han, D. Xu, D. Jiao, D. Wang, X. Yang, Construction of Frustrated Lewis Pairs for Efficient Artificial Enzyme. Adv. Funct. Mater. 2025, 2503358.

https://doi.org/10.1002/adfm.202503358

作者介绍

杨秀荣，中国科学院院士，中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室研究员，博士生导师。主要从事电分析化学、生物分子识别及微流控分析化学方面的研究。1998至2009年担任电分析化学开放和国家重点实验室主任。2010年起先后任中国化学会理事、监事、分析化学学科委员会主任, 吉林省化学会常务理事、分析化学专业委员会主任。现任《分析化学》主编等社会兼职。曾任国家863、973、科技攻关、重大基金等项目的课题负责人。发表包括Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv Funct. Mater.、ACS Nano、Anal. Chem.等370余篇SCI研究论文，授权发明专利15项。获得国家自然科学二等奖2项（2015、2009），吉林省科技进步一等奖5项（2018、2012、2007、2006、2005）；首届全国创新争先奖；中国分析测试协会科学技术一等奖（2005），吉林省高级专家（2005、2008），中国化学会梁树权分析化学基础研究奖（2003），政府特殊津贴（2002）等。国际及全国会议大会及邀请报告100余次。培养博士后、博士和硕士50余名。

王德文，中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室副研究员。主要从事功能材料的设计制备用于能源存储和转化及生物分析方向。目前以项目负责人身份主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金和吉林省人才发展基金等项目，获得吉林省自然科学一等奖（2024）。发表文章包括Nat. Commun、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. funct. Mater.、ACS Cent. Sci.和Appl. Catal. B: Environ.等国际知名期刊。