磷酸盐诱导的质子-电子界面调控机制稳定了具有氧化酶活性的Mn-MOF纳米酶

《Microchemical Journal》：Phosphate-induced proton–Electron interfacial regulation stabilizes oxidase-mimicking Mn-MOF nanozymes

纳米酶氧激活效率受限于低氧活化效率和窄pH适用范围，通过磷酸修饰Mn-BTC构建的Mn-BTC-P纳米酶通过协同调控电子结构与质子微环境，显著提升氧活化效率和pH稳定性，并成功应用于儿茶酚检测。

　　

徐文杰|王一杰|郑旭然|安娟|孔珍|刘青云

山东科技大学化学与生物工程学院，中国青岛市266590

摘要

类似氧化酶（OXD-like）的纳米酶的催化性能通常受到低氧活化效率的限制，导致反应动力学缓慢且有效pH范围狭窄。虽然调整金属活性中心的电子结构可以促进氧的还原，但电子工程往往不足以克服界面反应微环境带来的动力学障碍。为了解决这个问题，我们提出了一种基于磷酸盐的协同调控策略，使用锰基金属有机框架（Mn-BTC）作为平台。磷酸盐的引入重构了表面，调整了锰中心的电结构并丰富了附近的质子环境，从而有效地促进了氧的活化。所得到的磷酸盐修饰的Mn-BTC-P纳米酶在广泛的pH范围内表现出增强的类似氧化酶的活性，同时具有更高的底物亲和力和更快的反应动力学。由于其出色的催化性能，Mn-BTC-P纳米酶还被验证为一种可靠的儿茶素检测比色平台，在实际样品中表现出一致的有效性。这项工作阐明了质子-电子协同工程在活性氧生成中的作用，并提供了一种开发具有优异类似氧化酶活性的纳米酶的新方法。

引言

纳米酶是一类具有类似酶催化活性的合成纳米材料[1]，[2]。由于它们可调节的结构、卓越的稳定性和低成本[3]，纳米酶在包括生物分析[4]、[5]、抗菌处理[6]、[7]、食品安全[8]、[9]和能量转换[10]、[11]在内的多个领域受到了广泛关注。在各种类型的纳米酶中，类似氧化酶（OXD-like）的纳米酶可以直接利用溶解氧作为氧化剂，而无需外部过氧化物[12]。与传统的过氧化物酶系统相比，OXD-like纳米酶在操作安全性、系统简化以及适应生理相关条件方面具有内在优势[13]，[14]。尽管有这些优势，OXD-like纳米酶的催化活性常常受到低催化效率和反应条件敏感性的影响[12]。例如，溶液pH的变化会导致催化活性显著变化，从而导致反应产物的不稳定[15]，[16]。这些限制与分子氧活化机制密切相关，并直接影响底物氧化速率和整体催化效率[17]，[18]。由于其固有的信号可读性，OXD-like纳米酶已被用于比色传感平台[19]。然而，它们在变化条件下的催化不稳定性仍然是一个亟待解决的问题。

分子氧的活化是类似氧化酶反应的第一步[20]。其效率决定了底物氧化速率和整体催化性能[21]。从反应过程的角度来看，分子氧的活化通常涉及质子的参与，以及活性中心的电子结构[22]。目前提高氧化酶催化效率的努力主要集中在调节催化活性位点的电子结构上[23]，[24]。通过调整金属中心的价态分布[25]、配位环境[26]、缺陷结构[27]或电子态密度[28]，可以增强活性位点向氧分子捐赠电子的能力，从而增加溶解氧的初始还原。研究人员已经设计了多种技术来操纵电子结构。这些技术包括构建核壳结构以最大化界面间的电子传输[29]，利用多金属协同作用来控制电子占据状态[30]，以及通过杂原子掺杂或异常工程来操纵局部电子态的密度[31]，[32]。尽管这些“电子工程”技术可以促进催化剂的内在活性，但它们往往无法克服反应界面环境带来的动力学限制[33]，[34]。大多数氧化酶的活性仍然依赖于溶液中的质子供应，这限制了它们在狭窄的酸性pH范围内的最佳活性[35]，[36]。一旦反应系统的pH偏离这个范围，催化效率会显著下降[37]。因此，仅优化电子结构无法解决氧化酶在实际应用中面临的环境敏感性问题。

最近的研究开始通过调节反应界面处的局部微环境来研究类似氧化酶反应的调控[38]。通过直接调控参与质子的过程，可以在次优条件下保持氧化酶的活性[39]。氧的活化受到活性中心周围电子结构和化学环境的影响[40]。理想的解决方案涉及同时调节活性中心的电子状态及其附近的质子微环境。理论认为，这将通过提高电子转移效率和提供附近的质子源来增加氧活化过程的有效工作窗口。然而，在材料设计中实现“质子-电子”协同控制仍然是一个重大挑战。我们设想引入结合配位能力和酸性特性的功能单元，从而能够调节活性中心的电子结构及其周围的质子微环境。

在这里，我们构建了一种质子-电子协同调控机制来调节类似氧化酶的纳米酶的催化性能（方案1）。使用锰基金属有机框架（Mn-BTC）作为模型系统，引入了磷酸基团以获得改性的纳米酶，记为Mn-BTC-P。磷酸盐的引入重构了表面，调节了锰中心的电子状态，并在活性位点建立了富质子的局部微环境。这种协同调控策略提高了其类似氧化酶的活性，并减轻了类似氧化酶酶对反应条件变化的敏感性。作为概念验证，Mn-BTC-P在以儿茶素为代表底物的比色系统中进一步展示了稳定的类似氧化酶的催化行为。这项工作证明了质子-电子协同调控在实际分析应用中的可行性和普遍意义，为高性能类似氧化酶纳米催化剂的合理设计提供了新的见解。

章节片段

化学试剂和仪器

所使用的化学试剂和仪器在电子支持信息中提供。

Mn-BTC的合成

使用Mn(CH₃COO)₃·2H₂O作为锰前体，1,3,5-苯三羧酸（BTC）作为有机配体。具体来说，将0.67?g的Mn(CH₃COO)₃·2H₂O和0.525?g的BTC分别溶解在50?mL的去离子水和乙醇的混合溶剂中（v/v?=?1:1），形成两种均匀的溶液。然后将两种溶液合并并转移到密封的烧瓶中，

磷酸盐诱导的Mn-BTC结构演变和电子调控

Mn-BTC是通过一种已报道的方法[41]经过少量修改后合成的，随后用磷酸处理得到Mn-BTC-P。原始的Mn-BTC具有规则的棒状结构（图S1）。经过磷酸处理后，Mn-BTC-P基本上保持了棒状框架，但表面变得明显粗糙（图1a），表明酸处理诱导了表面结构的重构。这种形态演变预计有助于

结论

总之，通过引入磷酸盐作为调控单元，我们实现了Mn活性位点及其附近质子环境的同步调控。通过有效活化分子氧，这种协同调控提高了类似氧化酶的活性，并降低了催化行为对反应条件的敏感性，使得在更广泛的分析设置中表现稳定。此外，由于其稳定的类似氧化酶活性，

CRediT作者贡献声明

徐文杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，方法学，研究，形式分析，概念化。王一杰：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源获取，资金筹集。郑旭然：验证，软件，形式分析，数据管理。安娟：监督，形式分析。孔珍：验证。刘青云：资源，项目管理，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（w2512073, 22471146）和山东省自然科学基金（ZR2024MB010, ZR2024QB004, ZR2024QB302, ZR2024QE450）的支持。