【纳米】南京大学与江西师范大学课题组合作在纳米酶研究领域取得新进展- 大数跨境

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2018-09-04

导读：南京大学魏辉教授课题组与江西师范大学高兴发教授课题组合作，通过模拟计算进一步阐释了氮掺杂还原型氧化石墨烯提高类过氧化物酶催化活性和催化选择性的本质原因。

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纳米酶是指具有类酶催化活性的功能纳米材料。与天然酶相比，纳米酶具有很多独特的优点，如价格便宜、稳定性高、可大量制备等。然而，目前开发的纳米酶普遍存在催化活性较低和催化特异性较差的缺点，在一定程度上限制了纳米酶的应用。提高纳米酶的催化选择性和催化活性是纳米酶领域的研究热点。

南京大学魏辉教授课题组在纳米酶领域进行了较为系统深入的研究，包括纳米酶的合成设计及其在生物分析中的应用。近日，他们发现氮掺杂的碳纳米材料（还原型氧化石墨烯和介孔碳球）能高效、高选择性模拟过氧化物酶的催化活性，并与江西师范大学高兴发教授课题组合作，通过模拟计算进一步阐释了氮掺杂还原型氧化石墨烯提高类过氧化物酶催化活性和催化选择性的本质原因。

图1. 氮掺杂还原型氧化石墨烯高效、高选择性模拟过氧化物酶活性的示意图

实验发现，与非掺杂的碳纳米材料相比，氮掺杂纳米材料的类过氧化物酶催化活性大大增强（氮掺杂还原型氧化石墨烯的活性增强105倍，氮掺杂介孔纳米碳的活性增强60多倍），而其他类酶催化活性（氧化酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶）没有明显的增强。实验表明，氮掺杂的碳基纳米材料能特异性提高类过氧化物酶的催化活性。催化动力学研究表明，氮掺杂的还原型氧化石墨烯对TMB和H₂O₂的最大反应速率都比非掺杂的还原型氧化石墨烯大，进一步验证了类过氧化物酶催化活性的增强。

图2. 氮掺杂还原型氧化石墨烯的类过氧化物酶活性的考察

图3. 氮掺杂还原型氧化石墨烯其他类酶活性的考察

通过DFT计算，他们进一步揭示了氮掺杂还原型氧化石墨烯特异性增强类过氧化物酶活性的本质。其本质是氮的掺杂能选择性活化H₂O₂，而不能有效活化O₂和^.O₂^-，并在氮原子的邻位生成具有较好稳定性的^.O，生成的^.O进而氧化过氧化物底物，表现出类过氧化物酶的催化活性。

图4. 氮掺杂还原型氧化石墨烯特异性模拟过氧化物酶DFT计算的总结

这一研究不仅为高活性、高特异性纳米酶的合理设计提供思路，且有助于纳米酶催化机理的研究。相关研究成果近期发表在Chemistry of Materials 上，胡益辉和高雪皎为文章的共同第一作者，高兴发教授和魏辉教授为文章的共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金项目、国家青年千人计划、江苏省双创计划、中国博士后科学基金项目等的资助。

该论文作者为：Yihui Hu, Xuejiao J. Gao, Yunyao Zhu, Faheem Muhammad, Shihua Tan, Wen Cao, Shichao Lin, Zhong Jin, Xingfa Gao and Hui Wei

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