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MOF-818構建類氧化酶納米酶催化兒茶酚氧化的研究

發布時間：2021-05-17 作者：axc 分享到：

與**酶相比，納米酶具有穩定性高、價格低廉、制備方便等優點，被認為是**酶的優良替代品¹^，²^，³。而具有類氧化酶活性的納米酶是納米酶家族中的重要組成部分，得到了廣泛研究。目前報道的類氧化酶納米酶具有相似的機理，即通過活化O₂產生活性氧，活性氧隨后氧化底物。因此，它們通常具有較低的特異性，可以催化多種還原性底物的氧化，包括2,2'-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS），3,3',5,5'-四甲基聯苯胺（TMB），鄰苯二胺（OPD），抗壞血酸，乙醇，兒茶酚和谷胱甘肽等⁴^，⁵。

開發新型類氧化酶納米酶亟待解決現有類氧化酶納米酶的一些弊端。（1）先前報道的基于金屬氧化物和貴金屬的納米酶用于模擬氧化酶仍顯示出類過氧化物酶活性。（2）一般報道的類氧化酶的納米酶通常使用TMB和2,2'-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸ABTS作為底物。但是，TMB和ABTS是過氧化物酶的顯色底物，不能用來表征類氧化酶活性。（3）高特異性納米酶的開發仍然很困難。目前，幾乎沒有高特異性的氧化酶納米酶被開發和報道。探索具有高特異性的納米材料用來模擬**氧化酶對基礎研究和實際應用都具有重要意義。

通過模擬**酶結構，設計相應的納米酶是提高納米酶特異性的可行策略。**兒茶酚氧化酶由6個組氨酸配位的雙銅離子中心構成，而MOF-818中也存在由3個銅離子為中心類似結構（圖1）。在這項工作中，我們證明了基于MOF的納米材料——MOF-818可以構建類氧化酶納米酶。MOF-818可以催化兒茶酚的氧化，但不具有類過氧化物酶的活性，與此前報道過的具有類兒茶酚氧化酶性質的納米酶相比，具有仿生策略優勢的MOF-818具備更高的催化能力和特異性。

采用3,5-二叔丁基鄰苯二酚（3,5-DTBC）作為研究兒茶酚氧化酶活性的底物。通過對3,5-DTBC在 415nm的氧化產物的特征吸收峰進行監測，探究了MOF-818和3,5-DTBC濃度對反應速率的影響。隨著MOF-818和3,5-DTBC濃度的增加，反應速率明顯提高。同時測試了在不同pH和溫度下MOF-818的類兒茶酚氧化酶活性。隨著pH值和溫度的升高，MOF-818的催化活性逐漸提高（圖2）。

為了明確MOF-818的活性中心，我們合成了僅含有Zr的MOF-808，與MOF-818相比，MOF-808不具有兒茶酚氧化酶活性，表明Cu而不是Zr構成兒類茶酚氧化酶的活性中心。MOF-818催化3,5-DTBC氧化的吸收峰在O₂飽和條件下明顯升高，而在N₂飽和條件下降低，表明該反應需要氧氣的參與。為了檢測該反應的產物是水還是過氧化氫，作者將辣根過氧化物酶（HRP）和TMB同時加入到MOF-818和3,5-DTBC的混合溶液中，650 nm的吸收峰表明在反應中生成了H₂O₂，電子順磁共振（EPR）進一步證實了H₂O₂的存在。此外，EPR光譜也證明了系統中鄰苯半醌自由基的存在（圖3）。

此外，我們還對CeO₂、Pt NPs和MOF-818的催化性質進行了比較。MOF-818僅催化3,5-DTBC的氧化而不具有明顯的類過氧化物酶活性，而CeO₂和Pt NPs可以同時催化TMB和3,5-DTBC的氧化，并同時具有類過氧化物酶活性。由于**的兒茶酚氧化酶不具有過氧化物酶活性，因此，MOF-818是模擬鄰苯二酚氧化酶的納米酶中的優選。同時MOF-818還顯示出比以前報道的類兒茶酚氧化酶納米酶（如CeO₂和Pt NPs）更**的催化能力（圖4）。

綜上所述，本工作首次提出MOF-818具有**的類兒茶酚氧化酶活性，并且具有良好的反應特異性，MOF-818可以催化兒茶酚氧化，但不表現過氧化物酶活性。本工作系統地研究了反應條件對催化劑的影響，與以前報道的兒茶酚氧化酶納米酶不同，MOF-818僅催化鄰苯二酚的氧化而不表現出明顯的類過氧化物酶活性。此外，通過模仿**鄰苯二酚氧化酶的活性中心，MOF-818比以前報道的鄰苯二酚氧化酶納米酶表現出更高的催化能力和特異性。

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