【原】国科大王登超Anal. Chem.：纳米碳管内单酶的电化学碰撞与催化!

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研究内容

揭示单氧化还原酶的电催化特性对生物基础过程和实际催化和传感应用都具有重要意义。

中国科学院大学王登超教授基于纳米尺度约束下活性的增加，通过电化学碰撞策略直接揭示了碳纳米管内单个酶的电催化电流。除了表面堵塞的阶梯电流步骤外，还显示和分析了单酶催化的H2O2氧化和还原电流瞬态。碳纳米管可以提高酶的催化活性，产生可检测的电流响应，从而为在单酶水平研究酶的基本机理开辟了一条新途径。相关工作以“Nanoconfined Electrochemical Collision and Catalysis of Single Enzyme inside Carbon Nanopipettes”为题发表在Analytical Chemistry上。

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研究要点

要点1. 本研究以碳纳米管(CNPs)为研究对象，利用CNPs内部的纳米尺度限制，作者采用表面堵塞和电催化放大两种策略研究单酶分子的电催化特性。如以辣根过氧化物酶(HRP)酶为例，单个HRP酶落在碳表面，阻断Fe(CN)64−的氧化过程，电流信号下降。另一方面，酶和电极之间的直接电子转移可以催化H2O2的氧化还原过程，产生电流瞬态。单个酶的电催化特性可以显示和量化基于电流瞬态。

要点2. 在相对较低的HRP浓度(>10 nM)时开始出现电化学氧化尖峰，与氧的生成相对应，而在相对高浓度(1~5 μM)时也出现电化学还原尖峰。单个酶的周转频率可以通过由此产生的峰值来评估，从而得到酶活性增加10-100倍的结果。

要点3. CNPs的使用将有助于揭示各种不同酶的电催化电流，尤其是那些活性较低的酶。对其他酶的初步碰撞实验也进行了尝试，不同的尖刺有助于阐明单个酶的关键酶促和催化特性。

纳米碳纳米管内部的小尺寸和电活性表面将进一步使其在单细胞体内的电化学检测和传感测量方面具有广阔的应用前景。

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研究图文

图1. (A) HRP催化H2O2氧化的循环伏安图。(B)不同H2O2浓度下的CV。电位扫描速率为0.05 V/s。a=~40 nm。

图2. (A) CNP在500 nM HRP和10 mM H2O2中0.9 V时的安培i-t曲线。峰电流、半宽度时间和峰面积的直方图显示在B和C中。a=~40 nm。

图3. (A) 0.2 V时5 μM HRP +10 mM H2O2的安培i-t曲线。(B) 0.05 V/s时的循环伏安响应。(C) AZ中显示的还原峰面积直方图, a=~40 nm。

图4. 在0.9 V vs Ag/AgCl电极下，CNPs在10 mM H2O2溶液中，用2 μM过氧化氢酶(CAT)、细胞色素c (CytC)和血红蛋白(HGb)记录i-t曲线。

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文献详情

Nanoconfined Electrochemical Collision and Catalysis of Single Enzyme inside Carbon Nanopipettes

Xiaoyue Shen, Rujia Liu, Dengchao Wang*

Anal. Chem.

DOI: 10.1021/acs.analchem.2c01554