Small | 凹凸棒石氧空位诱导模板介导二氧化锰纳米酶类氧化酶活性的高效提升

一、研究背景

二氧化锰（MnO₂）纳米酶具备优异的类氧化酶活性（OXD活性）。模板法是一种经典的缺陷调控手段，通过在MnO₂引入氧空位（O_v）的方式，用以进一步提升其类氧化酶活性。然而，现有的O_v生成模板存在成本高昂、生物相容性差及模板溶解不完全导致的残留毒性等缺陷，极大限制了其在生物催化领域的应用。因此，开发兼具经济性、生物相容性良好且在体内降解后无毒的绿色模板用于制备高性能的MnO₂纳米酶，对其实际应用具有重要意义。

中国地质大学（北京）材料科学与工程学院张以河教授、佟望舒教授指导研究生李耀以天然黏土矿物凹凸棒石（ATP）作为氧空位（O_v）生成模板，制备出高活性MnO₂/ATP纳米酶，并进一步对于O_v的生成机制及其对MnO₂/ATP纳米酶类氧化酶活性的调控机制进行研究。该工作以“Attapulgite Template for Oxygen Vacancies Boost of Manganese Dioxide Nanozymes With High Oxidase-Like Activity”为题发表在Small期刊。

图文摘要：氧空位生成模板——凹凸棒石（ATP）

二、研究内容

该研究创新性的以凹凸棒石（ATP）为绿色模板，制备出富含氧空位（O_v）的MnO₂/ATP纳米酶。该研究进一步从形貌、物相、表面性质及元素组成等方面系统证实，表面富含羟基（-OH）基团的ATP作为模板，可诱导MnO₂以纳米氧化物的形式在其表面均匀原位生长，该过程不仅显著提升了材料中Mn³⁺/Mn⁴⁺的比值，同时大幅增加了O_v的含量，最终实现了MnO₂中O_v的温和、高效、原位构筑（图1）。

图1. MnO₂/ATP的理化性质：（a）MnO₂/ATP的制备流程示意图；（b）MnO₂、（c）ATP及（d）MnO₂/ATP的SEM图；（e）MnO₂/ATP的EDS图；（f）MnO₂/ATP的XRF图；（g）MnO₂、MnO₂/ATP（物理混合）（记为MnO₂/ATP-M）及MnO₂/ATP中Mn³⁺、Mn⁴⁺的含量对比图；（h）MnO₂/ATP-M和MnO₂/ATP的EPR图。

通过对纳米酶的类氧化酶活性（OXD活性）进行分析（图2）。该研究首先证实MnO₂/ATP纳米酶具备类氧化酶活性，且该活性源于材料中的MnO₂本体，而非体系中溶出的Mn³⁺或Mn⁴⁺等离子。该研究进一步探究了ATP添加量对MnO₂/ATP纳米酶类氧化酶活性的调控作用，明确该体系的最佳ATP添加量。此外，基于米氏方程的动力学分析结果显示，与MnO₂纳米酶相比，MnO₂/ATP纳米酶展现出更低的米氏常数（K_m）与更高的最大反应速率（V_max），其对底物四甲基联苯胺（TMB）的亲和性，优于目前已报道的绝大多数锰基纳米酶，同时MnO₂/ATP纳米酶的类OXD活性，较MnO₂纳米酶提升近3倍。该研究还阐明MnO₂/ATP纳米酶发挥类OXD活性的催化机制主要包含两方面：一是利用水体中的溶解氧生成超氧阴离子自由基（O₂^•-），二是与底物在纳米酶表面直接发生氧化还原反应，上述两种机制协同作用，共同驱动酶催化反应的循环进行。该研究最终证实，MnO₂/ATP纳米酶催化活性的显著提升，与材料中O_v含量的增加密切相关。图2. MnO₂/ATP的类氧化酶活性（OXD活性）：（a）MnO₂、ATP、MnO₂/ATP-M和MnO₂/ATP纳米酶在400-900 nm波长范围内的吸收光谱图；（b）不同ATP引入量制备MnO₂/ATP纳米酶的类OXD活性对比图；（c）MnO₂和MnO₂/ATP纳米酶酶促反应动力学参数K_m、V_max、k_cat、k_cat/K_m的关系雷达图；（d）MnO₂和MnO₂/ATP纳米酶与已报道的锰基纳米酶的K_m值对比图；（e）MnO₂和MnO₂/ATP纳米酶的比活性（SA）对比图；（f）MnO₂/ATP纳米酶在不同气氛条件下于652 nm处的吸收光谱图；（g）MnO₂/ATP纳米酶在不同自由基清除剂存在下于652 nm处的吸收光谱图；（h）MnO₂/ATP纳米酶的催化反应机理示意图；（i）体系中体系中Mn³⁺/Mn⁴⁺占比和O_ads/O_lat占比（左轴）与OXD活性（右轴）的相关性图。

基于以上分析，该研究推测，ATP表面的羟基基团（-OH基团）可通过调控MnO₂中的O_v含量，实现MnO₂/ATP纳米酶的OXD活性提升（图3）。为验证这一猜想，该研究设计制备了不同-OH含量的ATP衍生材料（羟基修饰型：ATP-R；羟基去除型：ATP-P），并以此为模板制备出对应的MnO₂/ATP-R和MnO₂/ATP-P纳米酶。该研究首先利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等表征手段，证实了不同-OH含量ATP衍生材料的制备。随后通过对所制备的MnO₂/ATP-R、MnO₂/ATP和MnO₂/ATP-P纳米酶进行OXD活性测试，证实MnO₂/ATP纳米酶的OXD活性与模板ATP表面的-OH基团含量相关。最后，该研究结合形貌表征、元素组成分析、表面性质分析等多维度研究手段进一步证实，MnO₂/ATP纳米酶的OXD活性的提升究其根本源于ATP表面-OH基团对MnO₂中O_v数量的精准调控，而非由MnO₂颗粒尺寸变化引发的活性位点密度改变所致。图3. 不同羟基（-OH）含量ATP模板（羟基修饰型：ATP-R；羟基去除型：ATP-P）制备的MnO₂/ATP系列纳米酶OXD活性提升机制：（a）MnO₂/ATP-R、MnO₂/ATP、MnO₂/ATP-P纳米酶的OXD相对活性对比图；（b）MnO₂/ATP-R、MnO₂/ATP、MnO₂/ATP-P纳米酶的SEM图；（c）MnO₂/ATP-R、MnO₂/ATP、MnO₂/ATP-P纳米酶的Mn³⁺/Mn⁴⁺占比和O_ads/O_lat占比；MnO₂/ATP-R、MnO₂/ATP、MnO₂/ATP-P纳米酶的（d）Mn2p、（e）Mn3s、（f）O1s和（g）Si2p谱图。

该研究进一步借助理论计算手段，从成核与生长两大机制维度，系统证实了ATP表面-OH基团对MnO₂中O_v含量的调控作用（图4）。研究发现，ATP表面的-OH基团可延长Mn-O键键长、降低Mn-O键键能，同时削弱Mn-O键间的相互作用，进而降低O_v的形成能，最终有效促进了O_v的生成，且当MnO₂晶格中形成O_v后，O_v会改变其周边Mn-O键的化学环境，这一微环境变化进一步为MnO₂生长阶段生成更多O_v创造了有利条件。图4. ATP模板调控MnO₂氧空位（O_v）的密度泛函理论（DFT）增强机制分析：（a）ATP晶体结构示意图；无羟基（-OH）、含羟基（-OH）ATP（200）晶面的结构示意图（插图为晶面侧视图）；（b）无羟基（-OH）、含羟基（-OH）条件下MnO₂（110）晶面的结构示意图（插图为晶面侧视图）；羟基（-OH）修饰前后MnO₂纳米酶的氧空位形成能对比图；（c）MnO₂与 MnO₂/ATP的态密度图及d带中心示意图；（d）无氧空位、含氧空位的MnO₂晶面结构示意图。

随后，该研究进一步通过理论计算手段系统研究了含O_v的MnO₂/ATP纳米酶的OXD活性提升机制。研究证实MnO₂/ATP纳米酶中形成的O_v可作为催化活性位点，既能降低O₂的吸附能，又能有效降低O₂的活化能垒，进而促进O₂在酶促反应过程中高效活化为O₂^•-，这也是MnO₂/ATP纳米酶的OXD活性实现显著提升的原因。最后，该研究依托MnO₂/ATP纳米酶（MA纳米酶）对抗坏血酸（AA）、谷胱甘肽（GSH）和茶多酚（TP）等小分子抗氧化物质的优异检测性能，进一步从实际应用层面证实，以ATP作为O_v诱导模板，能够制备出高性能的MnO₂/ATP纳米酶（图5）。图5. MnO₂/ATP纳米酶OXD活性提升机制分析：（a）氧气在无O_v、含O_v的MnO₂晶面吸附后晶体结构示意图；（b）氧气在无O_v、含O_v的MnO₂晶面的吸附能对比图；（c）基于MnO₂/ATP纳米酶（MA纳米酶）的抗坏血酸（AA）、谷胱甘肽（GSH）、茶多酚（TP）检测原理示意图；MA-TMB催化体系在有无（d）AA、（e）GSH、（f）TP存在下的相对活性图；MA-TMB催化体系652 nm处吸光度变化值（ΔA₆₅₂）与（g）AA、（h）GSH、（i）TP浓度的线性关系图。

三、总结与展望

该研究首次以凹凸棒石（ATP）为绿色模板，制备出富含氧空位（O_v）的MnO₂/ATP纳米酶。酶学活性测试结果表明，经优化的MnO₂/ATP纳米酶的活性较无O_v的MnO₂纳米酶提升近3倍，其类氧化酶活性表现优异，显著优于目前已报道的部分锰基纳米酶。理论计算结果证实，ATP表面的羟基（-OH）基团可有效降低O_v的形成能垒，进而促进MnO₂晶格中O_v的生成。而这些O_v可作为MnO₂/ATP纳米酶的核心催化活性位点，显著降低O₂的活化能垒，从而在酶促反应过程中促进O₂高效活化生成更多超氧阴离子（O₂^•-），为其类氧化酶活性的提升提供驱动力。综上所述，该研究基于绿色矿物模板策略制备的MnO₂/ATP纳米酶，将进一步推动矿物材料从传统吸附剂/载体向活性调控因子的功能转变，同时为天然矿物模板在纳米酶领域的深度开发与实际应用提供新的研究思路与技术支撑。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202512686