【人物与科研】吉林大学崔小强课题组和哈尔滨师范大学赵景祥课题组：配位数精准调控钼单原子纳米酶特异性

导语

天然酶具有较高的催化活性和底物特异性，已广泛应用于工业、医疗、生物等领域。虽然前景看好，但往往存在成本高、稳定性差、回收困难等内在缺陷。为了克服这些缺点，自2007年阎锡蕴院士等人发现无机纳米材料具有内在的类酶性质以来，数百种纳米材料被发现可以模拟过氧化物酶、氧化酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等天然酶的催化活性。与天然酶相比，纳米酶具有成本低、稳定性好、使用寿命长、催化效率高等优点，纳米酶是最具前景的天然酶替代品之一。随着“纳米酶”概念的出现，纳米酶研究已经成为连接纳米技术和生物学的新兴领域。深入了解其可能的催化机理，对开发新型高效纳米酶及合理调控纳米酶性能具有重要意义。在前期工作基础上（Nano-Micro Letters, 2019, 11, 102; Chem. Commun. 2019, 55, 5271-5274），吉林大学崔小强课题组和哈尔滨师范大学赵景祥课题组制备了一系列具有不同氮配位数的Mo_SA-N_x-C单原子催化剂，通过理论预测和实验验证，证明了Mo_SA-N₃-C具有最高的类过氧化物酶特异性，并进一步揭示了纳米酶特异性与单原子配位数的结构依赖机制。该成果发表于学术刊物Chem上（DOI: 10.1016/j.chempr.2020.10.023）。

崔小强教授简介

崔小强，吉林大学材料科学与工程学院副院长，教授、博士生导师。主要研究领域为低维纳米材料物理与化学，研究内容是面向能源催化与生物传感，从原子尺度上开展低维纳米材料高效催化以及生物传感特性的设计制备和应用研究。主要研究成果：提出创新制备方法，获得多种性能优异的低维纳米催化材料，并从原子尺度揭示材料形成机制和催化机理。成果连续发表在 Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、Chem、ACS Energy Lett.、ACS Catal.等学科顶级期刊。已发表 SCI 检索论文 145 篇，SCI 他引 4800 余次，H 因子 37。申请国家发明专利 33 项，授权 13 项。主持科技部国家重点研发计划纳米专项课题、国家自然科学基金面上项目、企业横向课题等项目 11 项，到账经费 1169 万元。获教育部“新世纪优秀人才”计划支持、吉林省“长白山学者”、长春市第六、七批有突出贡献专家，吉林省第七批拔尖创新人才第三层次，吉林省第十六批享受政府津贴专家。

主页：

http://dmse.jlu.edu.cn/info/1182/2027.htm

赵景祥教授简介

赵景祥，哈尔滨师范大学教授。1978年出生，2009年7月获吉林大学理学博士；2015年3月至2016年3月，美国波多黎各大学国家公派访问学者，合作导师为陈中方教授；近年来一直致力于低维纳米材料结构、性质及应用的理论研究工作，目前已在J. Am. Chem. Soc.、 ACS Catal.、J. Mater. Chem. A、ACS. Appl. Mater. & Int.、J. Power Sources、Carbon、Electrochimia Acta、J. Phys. Chem. C、Phys. Chem. Chem. Phys.等国际高水平期刊发表SCI论文60余篇；作为项目负责人，主持哈尔滨师范大学青年骨干项目1项，黑龙江省杰出青年基金1项，获黑龙江省科技厅二等奖1项。2018年荣获“龙江学者”青年学者。

前沿科研成果

单原子纳米酶性能精确调控和机理探究

在前期工作中，吉林大学崔小强教授课题组和哈尔滨师范大学赵景祥教授课题组通过理论预测和实验验证的方式，系统阐明和建立金属-氮-碳催化剂与其氧化模拟酶活性的构效关系，筛选出Fe-N₃-C作为高效的氧化模拟酶，详细研究了其酶催化动力学、反应活性中间体，纳米酶催化的底物结合、催化反应、产物释放的各个过程，并用于谷胱甘肽的比色检测中（ Chem. Commun. 2019, 55, 5271-5274）。进一步，研究团队以超薄二硫化钼纳米片为载体，利用静电吸附自组装、电化学刻蚀制备了单原子钴阵列，设计并合成一种新型单原子纳米酶——单原子Co-MoS₂，发现其具有高效的类过氧化物酶催化活性。作者利用具有明确均一结构的此类材料作为模拟酶模型，详细揭示了单原子金属中心与载体分别呈现不同催化机理（ Nano-Micro Letters, 2019, 11, 102）。

在前期研究的基础上，研究团队最近针对纳米酶特异性瓶颈问题，提出精确调控单原子纳米酶配位数以实现高效类过氧化物酶特异性的思路。研究团队通过理论预测和实验验证的方式设计并合成具有不同Mo_SA-N_x配位数（X = 2, 3, 4）的Mo_SA-N_x-C单原子催化剂，从原子尺度上系统阐明了不同氮配位数对钼单原子纳米酶类过氧化模拟酶特异性的影响，详细分析了单原子微观结构与纳米酶特异性之间构效关系的本质原因。Mo_SA-N₃-C纳米酶具有最高的催化活性和底物特异性，可实现对黄嘌呤的高灵敏、高选择性鉴定。该项研究为精准调控单原子纳米酶的类酶行为开辟了一条新道路。

Mo_SA-N_x-C催化剂制备策略示意图

（来源：Chem）

这一成果近期发表在Chem上（DOI: 10.1016/j.chempr.2020.10.023）。研究工作主要由吉林大学王颖博士和贾广日博士共同完成，同步辐射实验由中国科学院高能物理研究所郑黎荣老师、澳大利亚迪肯大学李陆华老师和日本同步辐射光源老师完成。特别感谢赵晓老师在同步辐射数据分析上给予的帮助、张庆华老师和谷林老师在高角度球形暗场相扫描透射电子显微镜测试中提供的帮助。研究工作得到了科技部国家重点研发计划纳米专项课题和国家自然科学基金等项目的资助。