Heme Cofactor‐Resembling Fe–N Single Site Embedded Graphene as Nanozymes to Selectively Detect H2O2 with High Sensitivity

材料科学 催化作用 石墨烯 选择性 血红素 辅因子 氧化剂 活动站点 辣根过氧化物酶 过氧化物酶 纳米技术 合理设计 组合化学 过渡金属 密度泛函理论 化学 无机化学 计算化学 有机化学
作者
Min Su Kim,Junsang Lee,Hye Su Kim,Ara Cho,Kyu-Hwan Shim,Thao Nguyen Le,Seong Soo A. An,Jeong Woo Han,Moon Il Kim,Jinwoo Lee
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:30 (1) 被引量:218
标识
DOI:10.1002/adfm.201905410
摘要

Abstract Over the past decade, the catalytic activity of nanozymes has been greatly enhanced, but their selectivity is still low and considered a critical issue to overcome. Herein, Fe–N 4 single site embedded graphene (Fe–N‐rGO), which resembles the heme cofactor present in natural horseradish peroxidase, shows a marked enhancement in peroxidase‐like catalytic efficiency of up to ≈700‐fold higher than that of undoped rGO as well as excellent selectivity toward target H 2 O 2 without any oxidizing activity. Importantly, when Fe or N is doped alone or when Fe is replaced with another transition metal in the Fe–N 4 site, the activity is negligibly enhanced, showing that mimicking the essential cofactor structure of natural enzyme might be essential to design the catalytic features of nanozymes. Density functional theory results for the change in Gibbs free energy during the peroxide decomposition reaction explain the high catalytic activity of Fe–N‐rGO. Based on the high and selective peroxidase‐like activity of Fe–N‐rGO, trace amounts of H 2 O 2 produced from the enzymatic reactions from acetylcholine and cancerous cells are successfully quantified with high sensitivity and selectivity. This work is expected to encourage studies on the rational design of nanozymes pursuing the active site structure of natural enzymes.
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