《Bioorganic Chemistry》：Nanozyme activities of hydrothermally synthesized calcium titanate (CaTiO3) nanoparticles: peroxidase, oxidase, and SOD-like catalysis
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萨尔萨比尔·阿明·卡布利（Salsabeel Amin Kabli）、库拉特·乌尔·艾因·汗（Qurat ul Ain Khan）、伊布蒂萨姆·哈米德（Ibtisam Hamid）、安朱姆·哈米德·拉特（Anjum Hamid Rather）、鲁米萨·萨利姆·汗（Rumysa S
萨尔萨比尔·阿明·卡布利（Salsabeel Amin Kabli）、库拉特·乌尔·艾因·汗（Qurat ul Ain Khan）、伊布蒂萨姆·哈米德（Ibtisam Hamid）、安朱姆·哈米德·拉特（Anjum Hamid Rather）、鲁米萨·萨利姆·汗（Rumysa Saleem Khan）、苏玛雅·沙基尔·瓦尼（Sumayah Shakil Wani）、拉比亚·哈米德（Rabia Hamid）、阿卜杜拉·阿卜杜勒-海（Abdalla Abdal-Hay）、拉维·马尼·特里帕蒂（Ravi Mani Tripathi）、法希姆·A·谢赫（Faheem A. Sheikh）
印度查谟和克什米尔邦斯利那加哈扎拉特巴尔（Hazratbal）的克什米尔大学纳米技术系纳米结构与仿生实验室（Nanostructured and Biomimetic Lab, Department of Nanotechnology, University of Kashmir, Srinagar 190006, Jammu and Kashmir, India）
摘要
我们报道了一种一步水热法合成钛酸钙（CaTiO3）纳米颗粒的方法，并证明这种地球上丰富的钙钛矿氧化物是一种具有多功能性的、能够模拟氧化还原酶的纳米酶。通过综合结构分析（XRD和FE-SEM、EDX）证实，其晶体晶格富含缺陷，且具有正交晶系结构，这些特征共同形成了具有氧化还原活性的表面位点。CaTiO3对TMB/H2O2表现出类似过氧化物酶的活性，其最大反应速率（Vmax(TMB)为（0.94 ± 0.01）× 10^-8 M s^-1，Km(TMB)为0.49 ± 0.02 mM；对H2O2的最大反应速率为（1.44 ± 0.07）× 10^-8 M s^-1，Km(H2O2)为15.86 ± 2.3 mM，从而证实了通过晶格介导的直接分子氧激活机制。作为无过氧化物系统的CaTiO3纳米颗粒，其氧化酶活性遵循米氏动力学方程，最大反应速率为（1.38 ± 0.11）× 10^-8 M s^-1 μM min^-1，Km为0.18 ± 0.07 mM，这也证实了通过晶格介导的直接O2激活。此外，CaTiO3还表现出强大的超氧化物清除能力，其EC20、EC50和EC80值分别为9.83 ± 1.88、27.73 ± 5.28和78.22 μg·mL^-1（R^2 = 0.98495）。机制分析表明，所有三种催化反应均源于Ti^3+/Ti^4+的氧化还原循环以及氧空位驱动的电荷重分布，使得ROS的可逆激活和歧化成为可能。综上所述，这些结果将CaTiO3确立为一种新型的钙钛矿基纳米酶，表明在地球上丰富的氧化物中精确调控缺陷结构可以赋予其类似酶的活性。这项工作为CaTiO3作为下一代生物传感、抗氧化治疗和环境氧化还原技术的可扩展和可调催化平台奠定了基础。
引言
催化氧化和还原反应是许多生物、环境和工业过程的基础[1]。在生物系统中，这些转化主要由氧化还原酶（包括过氧化物酶、氧化酶和超氧化物歧化酶）调控，在生理条件下它们具有出色的底物特异性和催化效率[2]。然而，天然酶存在一些固有的局限性，如稳定性差、生产成本高以及操作pH值和温度范围狭窄，这些因素严重限制了它们的大规模和/或长期应用[3]。近年来，具有天然酶类似特性的纳米材料（称为纳米酶）作为一种有前景的替代方案出现，旨在克服这些障碍[4]。纳米酶结合了无机材料的物理化学稳定性，成为生物催化和异相催化之间的桥梁，从而扩展了酶模拟系统在分析[5]、生物医学[6]和环境应用[7]中的应用范围。此外，人们还致力于开发具有催化活性和生物适宜性的系统，包括杂环支架（如喹诺酮衍生物），这些材料已显示出有希望的治疗和生化活性[8],[9],[10]。
自2007年高（Gao）及其同事发现Fe3O4纳米颗粒具有类似过氧化物酶的活性[11]以来，纳米酶领域呈指数级发展。已有大量纳米材料被报道能够模拟天然酶的活性。例如，金属氧化物如CeO2[12]、MnO2[13]和TiO2[14]表现出类似酶的行为。特别是金属纳米颗粒（如Au[15]、Pt[16]和Pd[17]）也表现出类似的活性。此外，基于碳的材料（如氧化石墨烯[18]和金属有机框架[19]也被归类为纳米酶。这些材料能够在温和条件下催化涉及典型底物（如3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、o-苯二胺（OPD）和H2O2）的氧化还原反应[20]。纳米酶的催化机制通常涉及活性氧物种（ROS）（如羟基自由基（•OH）和超氧阴离子（O2•^-）的生成，这些物种通过表面电子转移来催化底物氧化[21]。
近年来，人们非常关注开发具有优异催化效率和结构灵活性的氧化物基材料。在氧化物基材料中，钙钛矿氧化物（ABO3）因其结构可调性和丰富的氧化还原化学性质而成为催化应用的有希望的候选材料[22]。在这些材料中，A位通常被碱金属和/或稀土金属占据；B位则由能够呈现多种价态的过渡金属阳离子组成。这种结构灵活性使钙钛矿具有高氧迁移率、可变的缺陷浓度和强的金属-氧共价性，这些都是任何氧化还原反应发生的关键参数[23]。事实上，像LaMnO3[24]、SrFeO3[25]和BaTiO3[26]这样的钙钛矿已被研究用于其催化性能和类似酶的氧化还原驱动的应用。
基于这些认识，研究人员越来越多地关注其他具有类似结构和电子灵活性的钙钛矿体系。在这方面，钛酸钙（CaTiO3）是一种经典的钙钛矿氧化物，以其优异的化学稳定性[27]、无毒性和可调的表面化学性质[29]而著称。Ti^4+/Ti^3+的氧化还原对和氧空位的存在有助于其表面的电荷转移和氧激活[30]。此外，CaTiO3具有明确的晶体结构，能够容纳表面缺陷和电子供体，为产生ROS的氧化还原反应提供催化位点[31]。这些内在的物理化学性质表明，CaTiO3可能表现出类似天然酶的氧化还原酶催化行为。然而，据我们所知，尚未有系统研究来揭示CaTiO3纳米颗粒的氧化酶、过氧化物酶和/或超氧化物歧化酶活性。确立这些活性不仅将扩展钙钛矿氧化物的功能范围，还将为人工酶催化中晶格氧和缺陷工程的作用提供宝贵的见解。
在生物系统中，氧化酶利用分子氧催化有机底物的氧化，生成水或过氧化氢作为副产物，而过氧化物酶则利用H2O2作为共底物来氧化显色分子（如3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）[32]。另一方面，超氧化物歧化酶（SOD）通过催化超氧自由基（O2•^-）歧化为O2和H2O2，在中和超氧自由基方面发挥关键作用[33]。因此，一种无机纳米材料能够模拟所有三种酶活性（即氧化酶、过氧化物酶和SOD）将是在开发多功能氧化还原纳米酶方面的重大挑战。这样的材料可以协同作用，调节不同的ROS物种，从而在生物传感、抗氧化防御和环境修复方面提供更好的性能[34]。
在本研究中，我们报道了CaTiO3纳米颗粒的氧化酶、过氧化物酶和SOD样活性。具体而言，该研究旨在将CaTiO3确立为一种新的氧化还原酶模拟纳米酶家族成员。为此，我们使用TMB和H2O2作为模型底物，在各种实验条件下系统评估了CaTiO3的催化行为。此外，还在没有H2O2的情况下研究了其类似氧化酶的活性，以评估CaTiO3激活溶解氧的能力；而在有H2O2的情况下研究了其类似过氧化物酶的活性，以探究其分解过氧化氢的能力；同时通过抑制吡咯醇还原（SOD模拟的标准检测方法）分析了其类似SOD的活性。稳态动力学分析用于确定米氏常数（Km）、最大反应速率（Vmax）和转化数（k_cat），以便与天然酶和制备的纳米酶进行直接比较。
这些发现有望显著促进对钙钛矿氧化物纳米酶中结构-活性关系的理解。在单一钙钛矿框架（如CaTiO3）中展示多种类似氧化还原酶的活性，将为设计用于生物传感、治疗和环境催化的多功能催化剂开辟新的机会。这项工作进一步证实了金属氧化物材料作为开发类似酶纳米酶的多功能平台的重要价值。
章节片段
材料
二氧化钛（TiO2，纯度≥98%）、吡咯醇（纯度≥99%，特级纯AR级）、冰醋酸（AR级）和3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB，纯度≥98%）均购自印度孟买的Sisco Research Laboratories Pvt. Ltd.。氢氧化钠（NaOH）颗粒的分子量为40 g/mol，碳酸钙（CaCO3）的分子量为100.09 g/mol，购自印度孟买的Merck Life Science Private Limited。过氧化氢（H2O2，浓度为30% w/v，100
形态学评估（FE-SEM）
使用FE-SEM观察了TiO2和CaCO3前体的表面形态以及合成的CaTiO3粉末的形态，如图1所示。TiO2前体的形态（图1A）显示了几乎球形的纳米颗粒密集聚集，颗粒大小通常在20至100 nm之间。这些细小均匀的颗粒是商业TiO2粉末的特征，有助于提高固态水热反应的表面积。
结论与未来展望
在这项工作中，我们证明了水热合成的CaTiO3是一种结构明确的钙钛矿氧化物，它表现出类似过氧化物酶、氧化酶和SOD的催化活性。详细的结构和成分分析证实了形成了相纯的CaTiO3，具有均匀的形态和丰富的氧空位表面，这些特征共同为异相氧化还原催化创造了有利条件。在所有三种催化途径中，CaTiO3都表现出明显的
CRediT作者贡献声明
萨尔萨比尔·阿明·卡布利（Salsabeel Amin Kabli）：撰写初稿、进行形式分析、概念构思。库拉特·乌尔·艾因·汗（Qurat ul Ain Khan）：进行形式分析。伊布蒂萨姆·哈米德（Ibtisam Hamid）：进行数据管理。安朱姆·哈米德·拉特（Anjum Hamid Rather）：进行数据管理。鲁米萨·萨利姆·汗（Rumysa Saleem Khan）：进行数据管理。苏玛雅·沙基尔·瓦尼（Sumayah Shakil Wani）：制定方法论。拉比亚·哈米德（Rabia Hamid）：提供资源。阿卜杜拉·阿卜杜勒-海（Abdalla Abdal-Hay）：撰写、审稿和编辑、制定方法论。拉维·马尼·特里帕蒂（Ravi Mani Tripathi）：撰写、审稿和编辑、概念构思。法希姆·A·谢赫（Faheem A. Sheikh）：撰写、审稿和编辑、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了查谟和克什米尔邦科学、技术及创新委员会的研究资助（JKST&IC/SRE/180-84）。
