Neue Klasse von Einzelatom-Nanozymen
Nanozyme - katalytische Nanomaterialien mit enzymähnlichen Eigenschaften - bieten den Vorteil von niedrigen Kosten, hoher Stabilität, abstimmbarer katalytischer Aktivität und einfacher Massenproduktion. Aus diesen Gründen werden sie in den Bereichen Biosensorik, Therapeutika und Umweltschutz eingesetzt.
Schematische Darstellung von atomar verteilten Fe-Stellen, die das aktive Zentrum von Cytocrome P450 nachahmen, atomare Strukturcharakterisierung sowie die experimentelle und theoretische Untersuchung der oxidaseähnlichen Aktivität von Einzelatom-Nanozymen.
DONG Shaojun
Die geringe Dichte an aktiven Stellen in Nanozymen hängt jedoch mit einer viel geringeren katalytischen Aktivität zusammen als bei natürlichen Enzymen. Darüber hinaus schränken ihre inhomogene elementare Zusammensetzung und die von der Facettenstruktur abgeleiteten komplexen katalytischen Mechanismen die umfassende Anwendung konventioneller Nanozyme erheblich ein.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. DONG Shaojun vom Changchun Institute of Applied Chemistry (CIAC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entdeckte eine neue Klasse von Einzelatom-Nanozymen, die modernste Einzelatom-Technologie mit intrinsischen enzymähnlichen Wirkstellen integriert.
Die Forscher synthetisierten Einzelatom-Nanozyme mit Kohlenstoff-Nanoframe-begrenzten axialen N-koordinierten FeN5-Zentren (FeN5 SA/CNF). Theoretische Berechnungen und experimentelle Studien zeigten, dass die höchste oxidaseähnliche Aktivität von FeN5 SA/CNF von den enzymähnlichen aktiven Stellen und katalytischen Mechanismen abgeleitet wurde.
Die atomar verteilten Metallzentren maximierten die Effizienz der atomaren Nutzung und die Dichte der aktiven Zentrem. Die klar definierte Koordinationsstruktur lieferte ein klares experimentelles Modell für die Untersuchung von Mechanismen.
Die aktuellen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Einzelatom-Nanozyme die kritischen Nachteile herkömmlicher Nanozyme überwunden haben. Darüber hinaus scheint die Nachahmung der aktiven Stellen natürlicher Enzyme eine effiziente Methode zur Synthese von Einzelatom-Nanozymen mit hoher Aktivität und klarem Mechanismus zu sein.
Darüber hinaus hängen die katalytischen Eigenschaften und der Mechanismus von Einzelatom-Nanozymen hauptsächlich von der sterischen Konfiguration der aktiven Zentren ab und nicht von der Größe, Struktur oder Facette der Träger. So können durch die Veränderung der unterstützten Nanomaterialien bestimmte Arten von aktiven Stellen auf allgemeine Anwendungen mit bestimmten enzymähnlichen Mechanismen ausgedehnt werden.
Die in Science Advances veröffentlichte Studie zeigt, dass definierte Einzelatom-Nanozyme eine neue Perspektive auf den katalytischen Mechanismus und das rationale Design von Nanozymen bieten. Sie bieten auch ein großes Potenzial, die nächste Generation von Nanozymen zu werden.
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