【Fe@ZIF-8碳化】单原子纳米酶的轴向氯化工程：高效模拟过氧化物酶的Fe-N4Cl催化位点

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摘要：
首都师范大学陈郑博\Northwestern University的Xijun Wang\中国科学院高利增和南开大学张冀杰老师等报道的本篇文章（J. Am. Chem. Soc. 2024）中提出了一种新颖的单原子纳米酶（SAzyme）设计方法，即通过轴向氯化工程构建Fe-N4Cl催化位点，以提高其过氧化物酶模拟活性。与传统的Fe-N4/CN SAzyme相比，Fe-N4Cl/CNCl SAzyme显示出显著增强的催化性能，其最大反应速率、催化常数和比活性分别提高了4.9倍、3.9倍和2.7倍。此外，Fe-N4Cl/CNCl SAzyme在体外和体内抑制肿瘤细胞生长方面也表现出优越的效果。密度泛函理论（DFT）计算表明，Fe-N4Cl位点有利于•OH自由基的释放，降低了速率决定步骤的能量障碍，从而加速了反应速率。这项研究展示了轴向氯化工程在提高酶样活性方面的巨大潜力，并为肿瘤治疗的实际应用提供了新方向。

研究背景：
1. 在生物催化领域，传统酶的高成本和不稳定性限制了其在工业和医疗中的广泛应用。尽管纳米酶（nanozymes）作为酶的替代品，具备了低成本和良好稳定性，但其催化效率和动力学性能仍然较低，亟需改进。
2. 为了解决纳米酶的催化效率问题，研究者们尝试通过优化催化位点的结构和配位环境来提升其酶样活性。例如，部分研究者通过替换金属配位原子（如N、O、P、S）来打破金属-N4位点的对称性，从而提高催化性能。
3. 在前人研究的基础上，本文作者提出了轴向氯化工程的概念，通过在Fe-N4催化位点的轴向引入氯原子，打破了配位的对称性。作者通过合成Fe-N4Cl/CNCl SAzyme，展示了这种新型催化位点在过氧化物酶模拟中的优越性能。

实验部分：
1. 制备Fe(acac)3@ZIF-8：
   1) 将Zn(NO3)2·6H2O和Fe(acac)3加入到DMF和甲醇的混合溶剂中（体积比4:1），在超声条件下获得均匀溶液。
   2) 将2-甲基咪唑加入到上述混合溶剂中，同样在超声条件下处理。
   3) 将两个溶液在室温下混合并剧烈搅拌24小时，通过离心收集Fe(acac)3@ZIF-8粉末，用甲醇洗涤六次，最后在50°C下干燥数小时。
2. 制备Fe-N4Cl/CNCl SAzyme：
   1) 将Fe(acac)3@ZIF-8粉末与NaCl作为前驱物进行热解，NaCl置于较小的瓷舟中，Fe(acac)3@ZIF-8粉末置于较大的瓷舟中，NaCl位于Fe(acac)3@ZIF-8的上游。
   2) 使用真空泵移除管式炉中的空气后，通入99.999%的氩气，重复三次。
   3) 将样品加热至900°C，保持2.5小时，自然冷却至室温，无需进一步处理直接使用。
3. 制备Fe-N4/CN SAzyme：
   1) 不添加NaCl，仅对Fe(acac)3@ZIF-8粉末进行热解，条件同上。
   2) 热解后自然冷却至室温，无需进一步处理直接使用。

分析测试：
1. X射线粉末衍射（XRD）：
   - 结果显示Fe-N4Cl/CNCl和Fe-N4/CN SAzymes的特征峰位于25°和44°，对应于碳的(002)和(100)/(101)衍射，未观察到金属或金属氧化物的衍射峰。
2. 电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）：
   - 测试结果显示Fe-N4Cl/CNCl和Fe-N4/CN中Fe的含量分别为1.07 wt%和0.85 wt%。
3. 高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和元素映射：
   - HAADF-STEM图像显示Fe-N4Cl/CNCl SAzyme具有与ZIF-8相似的菱形十二面体形态，未形成Fe基纳米颗粒。
   - 元素映射结果显示C、N、Fe和Cl在N和Cl共掺杂的碳基质上均匀分布。
4. X射线光电子能谱（XPS）：
   - N 1s谱图显示吡啶N、Fe-N、吡咯N、石墨N和氧化N共存。
   - Cl 2p谱图在198 eV处检测到Fe-Cl键。
   - Fe 2p谱图显示Fe3+和Fe2+组分及卫星峰共存。
5. 氮气吸附-脱附等温线（BET）：
   - Fe-N4Cl/CNCl和Fe-N4/CN SAzymes的BET比表面积分别为1016 m²/g和788 m²/g。
   - Fe-N4Cl/CNCl具有更多的微孔，而两者的介孔分布相似。
6. BJH方法吸附分析：
   - 分析了Fe-N4Cl/CNCl和Fe-N4/CN SAzymes的孔径分布。
7. 电子自旋共振（ESR）实验：
   - 通过使用5,5-二甲基-1-吡咯啉N-氧化物（DMPO）作为自旋捕获剂，观察到·OH自由基的特征信号（1:2:2:1四重态），表明Fe-N4Cl/CNCl SAzyme有效地激活H2O2生成·OH自由基。
8. 57Fe Mössbauer光谱：
   - 分析了Fe-N4Cl/CNCl SAzyme中铁中心的氧化态，结果显示Fe主要以Fe(III)物种存在。
9. 扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）测量：
   - 在Fe K边的EXAFS测量显示Fe-N4Cl/CNCl SAzyme中铁的存在形式为Fe-N4Cl位点，Fe-N配位数为4.03，Fe-Cl配位数为0.97。
10. 过氧化物酶样活性测试：
    - Fe-N4Cl/CNCl SAzyme的TON值为282.7，Fe-N4/CN SAzyme的TON值为177.1，显示Fe-N4Cl位点具有更高的催化活性。
11. 细胞活性测定：
    - CCK-8实验结果显示，随着Fe-N4Cl/CNCl SAzyme浓度的增加，4T1细胞存活率逐渐降低，显示出比Fe-N4/CN SAzyme更强的杀伤效果。
12. 透射电子显微镜（TEM）表征：
    - 4T1细胞经Fe基SAzymes处理后，TEM图像显示Fe基SAzymes成功内化至4T1细胞的溶酶体中。
13. 细胞内活性氧（ROS）测定：
    - 使用H2DCFDA荧光探针，Fe-N4Cl/CNCl SAzyme处理的4T1细胞显示出比Fe-N4/CN SAzyme更强的荧光强度，表明Fe-N4Cl/CNCl SAzyme在细胞内产生更多的ROS。
14. 在体抗肿瘤效果测试：
    - 经过15天的治疗，Fe-N4Cl/CNCl SAzyme处理的4T1肿瘤小鼠的平均肿瘤体积为672 mm³，比Fe-N4/CN SAzyme处理的1199 mm³小，约为PBS对照组（1593 mm³）的42%。
15. 生物安全性评估：
    - 经过Fe基SAzymes处理的小鼠未观察到明显的体重下降，主要器官的病理分析与PBS对照组相比无异常变化，表明Fe基SAzymes具有良好的生物安全性。

总结：
本文通过轴向氯化工程成功构建了Fe-N4Cl催化位点，显著提高了单原子纳米酶的过氧化物酶模拟活性。实验结果表明，Fe-N4Cl/CNCl SAzyme在催化反应中表现出优越的性能，且在体外和体内均展现出良好的抗肿瘤效果。DFT计算进一步揭示了Fe-N4Cl位点在催化H2O2活化中的优势，为未来的研究提供了理论基础。

展望：
本文的研究为单原子纳米酶的设计提供了新的思路，未来希望作者能够进一步探索其他元素的轴向配位工程，研究其对催化性能的影响。此外，建议开展更多的生物相容性和毒性研究，以评估其在临床应用中的潜力。同时，深入探讨催化机制和反应动力学，将有助于优化纳米酶的设计和应用。

Axial Chlorination Engineering of Single-Atom Nanozyme: Fe‑N4Cl Catalytic Sites for Efficient Peroxidase-Mimicking
文章作者：Shengjie Wei,# Minmin Sun,# Juan Huang,# Zhengbo Chen,* Xijun Wang,* Lizeng Gao,* and Jijie Zhang*
DOI：10.1021/jacs.4c13335
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c13335

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