生物催化級聯在促進生物體內高效、特異和復雜反應方面發揮著關鍵作用，它通過底物的精確運輸和封閉系統內多種酶的協調發揮作用。天然酶以其卓越的效率和選擇性著稱，主要主導底物特異性反應。探索將脆弱的天然酶固定在人工多孔基質中是擴大生物催化系統范圍的一個極具前景的途徑，因為人工基質具有以下明顯優勢：(i) 人工多孔基質提供了一個穩定可控的環境，可以保護脆弱的天然酶免受外界環境的干擾，從而保持其催化活性和選擇性；(ii) 由于多孔基質的特殊結構，天然酶可以在其中高度定位，形成高效的反應中心，從而提高催化效率；(iii) 人工多孔基質的天然酶催化體系具有高穩定性和再生性，可以重復使用，降低催化過程的成本和資源消耗。然而，這項工作也面臨著亟待解決和克服的重大挑戰。

本研究設計了孔隙有序的介孔單原子（鐵）氮摻雜碳納米反應器（Mp-Fe-CN），其中設計了合理的孔隙大小，作為天然酶陷阱與模擬酶中心耦合。研究發現，極性引導的氮配體環境工程和空位簇缺陷明顯影響了納米多孔活性，并伴隨著明顯的介孔孔徑增大。密度泛函理論揭示了 Fe-N4的活性中心和遠端 N 原子配位對納米酶催化過程的影響，確定了雜化軌道對電子轉移和決定性步驟的貢獻。作為概念驗證，開發了一種基于級聯納米反應器的限域肌氨酸氧化酶，用于無創監測尿液中的肌氨酸水平，以評估潛在的前列腺癌。基于納米催化單元表面介孔通道的設計，為納米酶和天然酶之間的相互作用搭建了橋梁，實現了天然酶產物的級聯納米催化。

圖1. SiO₂@ Ph（a）、Mp-Fe-CN（b-d）的 TEM 圖像。(e) Mp-Fe-CN 的 HAADF-STEM 圖像以及相關的 EDX 元素映射和線掃描（f）。(g) Mp-Fe-CN 的原子分辨率 ADF-STEM 圖像。鐵箔、Mp-Fe-CN 和 Fe₂O₃的 XANES（h）和 k³加權 EXAFS 信號的 WT（i）。

圖 2 (a) H₂O₂/TMB/納米酶催化溶液的時間相關吸收曲線。(b) 比較不同催化體系吸光度的散點圖。(c) H₂O₂/TMB/納米酶催化體系在一般 pH 值范圍內的顯色行為熱圖。Mp-M-CN 的 DOS 分布曲線（d）和相應的 d 波段中心（藍線）以及 Mp-Fe-CN 的相應 DOS 分布曲線（e）。(f) 金屬 d 波段與配位 N 原子的 p 軌道雜化示意圖。(g) 過氧化氫在 Mp-Fe-CN 上的分解過程示意圖。(h) Mp-M-CN 上過氧化氫催化分解至水脫附的自由能圖。

圖 3 (a) Mp-Fe-CN_11-15的 TEM 圖像。(b) Mp-Fe-CN11-16 催化 TMB 分子氧化時的原位拉曼光譜。(c) Mp-Fe-CN11 催化 TMB 分子氧化時的隨時間變化的原位拉曼光譜。(d) Mp-Fe-CN_11-16+DMPO+H₂O₂的EPR 光譜。(e) 納米酶的動力學曲線。(f) Mp-Fe-CN_11-16SAzymes 的比活度。(g) 不同納米酶的比活度比較。

圖 4 (a) Mp-Fe-CN11-16 的本征 ESR 光譜。Mp-Fe-CN_11,13的 PL (b) 和 PALS (c) 光譜。Mp-Fe-CN 的 PFS 和 NFS SAzymes 細分結構之間的計算電荷密度差異：*H₂O₂(d)、*2OH(e)、*OH(f)、*H₂O(g)。紅色和藍色區域分別表示電子積累和電子耗盡。(h) 過氧化氫在 PFS 和 NFS 上分解的自由能級圖。

圖 5 (a) 尿液肌氨酸回收試驗。不同濃度肌氨酸的紫外可見吸收光譜（a）和相應的信號回歸曲線（b）。(c) 特異性分析。(d) 使用加標模擬物的特異性分析結果。(e) 實際樣品中肌氨酸和加標處理的回收率結果。(f) 精度評估回歸曲線。

唐點平教授：福州大學教授，博士生導師，福建省“閩江學者”特聘教授，德國“洪堡學者”,福建省杰出青年基金獲得者，福建省“百人計劃”引進高層次創業創新人才。曾獲得全國百篇優秀博士論文提名獎，重慶市自然科學科學技術獎一等獎(排名第三)，入選“世界百名最具影響力分析科學家”榮譽稱號。先后主持多項國家級和省部級科研課題，2019-2022年入選“中國高被引學者”榜單，2021-2022年入選“化學學科全球高被引科學家”，2篇論文入選“中國百篇最具影響力的國際學術論文”。以第一作者或者通訊作者已在Angewandte Chemie International Edition、Analytical Chemistry等國際權威刊物上發表SCI論文200多篇。

Yu Z, Zeng R, Gong H, et al. Geometric and defects engineering collaboration for enhanced cascade enzymatic nanoreactors. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6119-7.

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