eg电子占有率指导设计基于尖晶石氧化物的高效类过氧化物酶及其生物分析应用
批准号:
22104055
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王小宇
依托单位:
学科分类:
化学与生物传感
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王小宇
中文摘要
对具有类过氧化物酶活性的纳米酶研究虽然取得了一些实质性进展,但长期以来研究者们对其构效关系和催化机理所知甚少,因而在纳米酶设计和合成时往往采用经验和试错的方法,这导致目前的纳米酶活性普遍偏低。为了获得高活性的纳米酶,需要发展可用于纳米酶理性设计的活性描述符。最近,申请人发现钙钛矿氧化物中过渡金属离子的eg电子个数可用作其类过氧化物酶活性的描述符来指导纳米酶的理性设计。然而,eg这一活性描述符目前只在钙钛矿氧化物中得到了证实,其普适性还有待于证实;另外,受制备方法所限,钙钛矿氧化物尺寸偏大,且难以进行表面修饰,这极大限制了其在生物分析中的进一步应用。因此,针对eg电子占有率指导纳米酶设计所面临的挑战,本项目拟以尖晶石氧化物作为研究对象,系统研究尖晶石氧化物中金属阳离子的eg电子占有率对其过氧化物酶活性的影响,理性设计并合成能够高效模拟过氧化物酶的尖晶石氧化物,进而将其应用于生物分析领域。
英文摘要
Despite of the substantial progress, peroxidase-like nanozymes were generally developed by trail-and-error strategies because nanozymes’ catalytic mechanism and structure-activity relationship remain largely unknown. As a result, the catalytic activities of current nanozymes were generally low. To search for peroxidase-mimicking nanozymes with excellent catalytic activities, it is necessary to develop activity descriptors for the rational design of nanozymes. Recently, we found that eg occupancy of transition metal site could serve as a descriptor for designing peroxidase-mimicking perovskites. However, the eg principle is only demonstrated in perovskite oxides, and its universality needs to be further exploited. In addition, due to the limitation of the preparation method, the size of the perovskite oxides is too large and it is also difficult to perform surface modification, which greatly limits their further application for bioanalysis. To address these challenges, in this project we choose spinel oxides as a model system to study the relationship between eg occupancies and their peroxidase-like activities. Spinel oxides with high peroxidase-like activities will be designed by eg occupancy. Further, biosensing platform will be constructed using peroxidase-mimicking spinel oxides.
纳米酶学是纳米科学与酶学的交叉领域,纳米酶被认为是天然酶的有力替代品。能够模拟过氧化物酶催化的纳米酶被广泛用于生物分析与检测、生物成像、抗菌以及抗肿瘤治疗中。尽管近年来对具有类过氧化物酶活性的纳米酶研究取得了一系列实质性进展,但长期以来研究者们对其构效关系和催化机理所知甚少,因而在纳米酶设计和合成时往往采用经验和试错的方法,这导致目前的纳米酶活性普遍偏低。针对上述挑战,本项目以尖晶石氧化物作为模型氧化物,采用实验和理论计算相结合,发展可用于纳米酶理性设计的描述符,进而合成高活性尖晶石纳米酶,并研究其在分析传感中的应用。.在如下几个方面取得重要进展,即:(1)揭示了eg作为纳米酶类过氧化物酶活性描述符的有效性,预测并合成了具有最高活性的LiCo2O4;使用密度泛函理论对催化过程进行了计算,其活性趋势与实验结果保持较好的一致性。(2)开发了一系列具有类漆酶活性的尖晶石氧化物并构建了交叉反应传感器阵列用于苯酚类污染物的鉴别和区分,并在对实际自来水样中酚类污染物检测中得到了验证。(3)拓展研究了金属纳米颗粒的氧化酶活性,发展基于纳米酶的传感平台,用于生物活性小分子、抗氧化纳米材料、以及细胞的总抗氧化能力测定。相关研究成果发表在Analytical Chemistry、Nano Letters等期刊。本项目所发展的纳米酶设计指导规则为高性能纳米酶的设计和开发提供了新颖的思路和借鉴价值,所发展的分析方法可用于重要靶标的检测和鉴别。
国内基金
海外基金