单纳米颗粒酶催化行为的电化学研究

Single nanoparticle (NP) electrochemical measurements enable visualization of the electrochemical signal of a single NP that is masked in ensemble measurements. Nanomaterials have attracted extensive attention in mimetic enzymes in recent year. Enzymatic properties of nanoparticles are determined by their sizes, geometric structures and surface characteristics. This project aims at developing a novel analytical method to investigate the enzymatic catalytic behavior and intrinsic activity of single nanoenzyme using a low-noise electrochemical measurement device. A new method is further introduced for the data analysis to recognize and exact the useful information of single nanoenzyme in the raw experimental data, resulting in distinguishing the catalytic difference of enzymatic activities between individual NPs. By analyzing the time-resolved current signals, the relationships between nanomaterial structures and catalytic activities are studied. In combination with theoretical analysis and dynamic simulation, the catalytic mechanisms of nanoenzymes are illustrated. This reveals the common and special features of catalytic mechanisms between nanoenzyme and natural enzyme, providing important scientific significance for high-performance nanoenzyme.

单颗粒电化学测量能消除体系中的平均效应，用于研究整体检测不能获取单个纳米颗粒的行为信息。近年来，纳米材料因其人工模拟酶的性质而受到广泛关注，其中纳米颗粒的形貌、尺寸以及表面性质的差异对其酶催化活性有重要影响。本课题以建立快速、精准评价纳米材料模拟酶活性的新方法为导向，围绕单个纳米酶催化过程及其本征活性这一核心目标，利用高分辨电化学检测装置研究单个纳米酶在微纳电极表界面的催化行为。进一步，开发高准确度电流信号数据分析新方法，有效区分单个纳米粒子之间的酶催化活性差异性，获取真实、可信的单个纳米酶催化准确信息。通过高分辨电流信号获取纳米材料模拟酶结构与催化活性之间关系，结合理论分析和动力学模拟方法，研究纳米酶催化过程中的催化机理，有利于揭示纳米材料模拟酶与天然蛋白酶在催化机制上的共性和区别，对构建新型高性能纳米模拟酶具有重要意义。

与天然酶相比，纳米材料模拟酶具有催化效率高、稳定、低成本、易保存和规模化制备的优点，已在分析化学、生物传感、降解环境污染物、电化学传感等领域显示出诱人的应用前景。目前文献报道评价纳米酶活性的检测方法主要有比色法、化学发光、荧光检测等体系，主要是大量纳米粒子催化活性整体平均后的结果，不能观测到单个纳米酶颗粒上发生的催化反应过程。本项目面向构建高效人工模拟酶的重大需求，从发展新方法出发，通过建立高分辨单颗粒瞬态电化学检测手段研究单个纳米酶颗粒的催化行为研究，进一步开发单颗粒电化学大数据深度特征分析方法，有效区分单个纳米粒子之间的酶催化活性差异性，消除传统检测方法中的平均效应，获取了纳米酶颗粒催化行为的准确本征信息。项目负责人受资助研究成果以第一或通讯作者发表高水平SCI论文15篇，包括在高质量学术期刊Nature Protoc. 1篇、Nature Commun. 1篇、J. Am. Chem. Soc. 2篇、Angew. Chem. Ed. Int. 2篇、J. Phys. Chem. Lett. 2篇等，获授权发明专利3项。基于以上研究成果，项目研究人员受邀在Frontiers in Chemistry期刊撰写关于Editorial: Single Entity Electrochemistry，并分别受中国科学：化学和Science China Chemistry杂志邀请撰写单颗粒电化学研究进展综述各1篇。此外，项目负责人受邀担任电化学期刊青年编委、Frontiers in Bioengineering & Biotechnology期刊Guest Editor 、Frontiers in Chemistry期刊Guest Editor、BMC Chemistry期刊Topic Editor等。参加国际会议5人次，国内会议10人次，5人获得硕士学位。项目执行期内，项目负责人获2021年国家“万人计划”青年拔尖人才计划，2019年上海市浦江人才计划等；培养硕士研究生5名，协助培养博士研究生4名。