顆粒在線訊：近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究員劉洪陽、博士研究生孟凡池等，與北京大學(xué)教授馬丁、遼寧大學(xué)教授夏立新、香港科技大學(xué)教授王寧、中科院上海應(yīng)用物理研究所研究員姜政、中科院山西煤炭化學(xué)研究所研究員溫曉東等合作，精準(zhǔn)調(diào)控亞納米尺度Cu金屬團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出亞納米尺度下原子級分散且全暴露Cu3團(tuán)簇納米酶，其表現(xiàn)出優(yōu)異的模擬氧化酶活性與抗菌性能。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《應(yīng)用催化B：環(huán)境》（Applied Catalysis B: Environmental）上。 

　　隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展，越來越多的病菌隨之出現(xiàn)，威脅人類健康，尋找新型抗菌材料刻不容緩。納米酶是一類具有模擬酶催化活性的納米材料，因強(qiáng)大多樣的酶催化活性而備受關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)一些納米酶具有模擬氧化酶、過氧化物酶等催化活性，其產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)可以有效地滅活細(xì)菌。目前，構(gòu)建具有優(yōu)異模擬酶催化活性的新型納米酶研究存在挑戰(zhàn)。與單原子催化劑相比，亞納米尺度原子級分散且完全暴露的金屬團(tuán)簇催化劑不僅能提供相鄰的金屬原子作為催化位點(diǎn)，而且能保持充分的原子利用效率，提供了多種結(jié)構(gòu)可能性和催化可行性。將這種原子級分散且完全暴露的金屬團(tuán)簇催化劑應(yīng)用于抗菌領(lǐng)域，可有效提升抗菌性能，保護(hù)人類健康。 

　　劉洪陽團(tuán)隊(duì)致力于亞納米尺度金屬催化材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。在前期研究工作基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)在納米金剛石-石墨烯雜化載體上構(gòu)造了亞納米尺度完全暴露Cu金屬團(tuán)簇，經(jīng)球差電鏡（圖1）分析表明，原子級分散且完全暴露的Cu3團(tuán)簇（Cu3/ND@G）錨定在富缺陷石墨烯表面。密度泛函理論（DFT）計(jì)算結(jié)果表明（圖2），亞納米尺度原子級分散且完全暴露的Cu3團(tuán)簇作為活性中心有利于O2的吸附，從而促進(jìn)催化O-O鍵斷裂形成活性氧物質(zhì)(·OH)，顯著提高了Cu3/ND@G納米酶的模擬氧化酶樣活性。與Cu單原子納米酶（Cu1/ND@G）和Cu納米顆粒納米酶（Cu-NPs/ND@G）相比，亞納米尺度完全暴露且原子級分散的Cu3金屬團(tuán)簇納米酶表現(xiàn)出優(yōu)異的模擬氧化酶活性（Kcat=1.474×10-1s-1）。這種完全暴露且原子級分散的Cu3金屬團(tuán)簇納米酶在NaAc緩沖液（pH4.5）中具有≥99%的抗菌率（圖3），其結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的抗菌性能（圖4）顯示了在生物醫(yī)學(xué)、微生物防腐等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值。 

　　研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)青年科學(xué)家項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目/碳基能源重大研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目/國際合作中港聯(lián)合基金項(xiàng)目/面上項(xiàng)目、遼寧省“興英才計(jì)劃”、沈陽材料科學(xué)國家研究中心青年人才項(xiàng)目與企業(yè)合作項(xiàng)目的資助，并獲得上海同步輻射光源的支持。 

圖1.A、B：Cu納米粒子（Cu-NPs/ND@G）的球差電鏡表征；C、D：亞納米尺度Cu3金屬團(tuán)簇（Cu3/ND@G）的球差電鏡表征

　　圖2.Cu3/ND@G各種中間體沿模擬氧化酶反應(yīng)路徑的優(yōu)化吸附構(gòu)型與Cu3/ND@G、Cu-NPs/ND@G模擬氧化酶機(jī)理的自由能圖，灰色、棕色、紅色和白色的球分別代表C、Cu、O和H原子

　　圖3.生長抑制試驗(yàn)：將不同的材料和大腸桿菌菌液孵育后涂在LB瓊脂平板上，用A、空白，B、ND@G，C、Cu-NPs/ND@G，D、Cu3/ND@G處理。培養(yǎng)條件：37℃、24小時(shí)

圖4.亞納米尺度下Cu3金屬團(tuán)簇活性中心結(jié)構(gòu)與抗菌性能示意圖