細菌性傳染病是涉及全球健康一個重大的問題，致病性感染的臨床治療已成為全球公共衛生領域日益嚴峻的挑戰。目前這種治療僅限于抗生素，但抗生素的濫用和誤用已經激發了細菌的進化潛力，引發了更強大的耐多藥菌株的產生，一旦這些細菌結合成生物膜，它們的耐藥性就會更強。因此，迫切需要開發新的制劑來處理日益嚴重的細菌感染問題。隨著納米技術的快速發展，納米抗菌材料逐漸進入大眾視線，引來研究者們的廣泛關注。納米抗菌材料通常將無機抗菌劑采用高科技的納米處理技術，使其具有更為廣泛、卓越的抗菌殺菌功能，并且通過緩釋作用，提高抗菌長效性。接觸反應：即抗菌制品中的金屬離子與細菌接觸反應后，造成微生物固有成分破壞或產生功能障礙。光催化反應：在光的作用下，金屬離子能起到催化活性中心的作用，激活水和空氣中的氧，產生羥基自由基和活性氧離子，活性氧離子具有很強的氧化能力，能在短時間內破壞細菌的繁殖能力而使細胞死亡，從而達到抗菌的目的。引自：https://doi.org/10.1002/adma.202100637納米酶作為一類具有類酶催化活性的納米材料，因其穩定性高、成本低的優點，逐步成為簡單、高效的天然酶替代材料，在抗菌治療領域嶄露頭角。近年來，人們對納米酶的不同材料進行了研究，如金屬氧化物、貴金屬、納米碳材料等。然而，傳統的納米酶由于催化活性低、催化活性位點難定位等問題面臨挑戰。單原子納米酶的發現進一步引起了廣泛關注。原子分散的金屬活性位點最大限度地利用了金屬原子，使得材料具有較高的催化活性和金屬利用率。更重要的是，可以精確地設計和控制孤立金屬原子的配位結構，描述催化活性中心的電子結構和配位有助于理解納米酶的結構-性能關系。然而，單原子催化劑在某些反應中由于缺乏鄰近位點而導致催化效率和燒結性能低下。與單原子催化劑相比，一些原子分散和完全暴露的簇狀催化劑可以表現出酶樣活性，因此在納米酶領域有潛在的應用前景。ZIF-8衍生的Zn單原子納米酶用于傷口抗菌示意圖引自： https://doi.org/10.1002/anie.201813994近日，中科院沈陽金屬所劉洪陽團隊與北京大學馬丁教授、遼寧大學夏立新教授、香港科技大學王寧教授、中科院上海應用物理研究所姜政研究員、中科院山西煤化研究所溫曉東研究員等合作，基于前期研究工作，在納米金剛石-石墨烯雜化載體上構建亞納米尺度完全暴露Cu金屬團簇納米酶，表現出優異的模擬氧化酶活性與抗菌性能。相關研究成果在線發表在Applied Catalysis B: Environmental（IF=19.5)上。
| 亞納米材料的特征尺寸在1 nm以下，與較大尺寸的納米材料相比具備一些獨特性質，基于此，亞納米材料成為打破無極材料和高分子材料之間壁壘的一個切入點，對功能亞納米材料進行合理組裝和加工將為微納器件的構筑和無機納米材料的應用帶來新機遇 |
接下來，我們就一起走進課堂看看新型原子級團簇如何成為抗菌小達人的呢？首先，研究實驗中分別制備合成了納米金剛石-石墨烯(ND@G)，負載銅納米顆粒的納米金剛石-石墨烯(Cu-NPs /ND@G)以及負載原子級分散且完全暴露Cu3團簇的納米金剛石-石墨烯(Cu3/ND@G)。
圖1 Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的形貌表征：A、B為Cu-NPs/ND@G的球差電鏡表征；C、D為Cu3/ND@G的球差電鏡表征圖2 Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的結構組成表征從圖1A中可以看出，粒徑2~3 nm的Cu-NPs均勻分布在ND@G表面，圖1B中Cu-NPs為納米單晶，晶格條紋與Cu（111）平面對應（d=0.208）。圖1C和D中亮點為原子級分散暴露的Cu3團簇。結合圖2A的XRD結果，在Cu- NPs /ND@G和Cu3/ND@G上沒有觀察到與塊體單質Cu相關的衍射峰，說明Cu在ND@G表面高度分散，沒有大的Cu顆粒的存在。XPS分析得出，由于Cu3簇與ND@G載體之間形成Cu-C鍵產生了強烈的相互作用，Cu3簇的價態在Cu0和Cu2+之間。綜合組成結構的分析結果，表明 Cu團簇由三個Cu原子組成，且Cu3/ND@G的殼層配位數為2。圖3 Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G的類氧化酶活性 然后，研究者以3，3 '，5，5 ' -四甲基聯苯胺(TMB)為基質進行實驗，系統評價Cu3/ND@G的類氧化酶活性（結果如圖3）。與Cu3/ND@G在空氣飽和緩沖液中652 nm處的紫外吸收相比，Cu3/ND@G催化TMB氧化的反應速率在O2飽和條件下顯著增加，而在N2飽和條件下急劇下降，因此TMB的氧化速率與O2濃度高度相關，說明Cu3/ND@G可以催化O2分解為?OH。圖4 Cu3/ND@G各種中間體沿模擬氧化酶反應路徑的優化吸附構型與Cu3/ND@G、Cu-NPs/ND@G模擬氧化酶機理的自由能圖。灰色、棕色、紅色和白色的球分別代表C、Cu、O和H原子(Cu3/ND@G)具有獨特的活性吸附位點，有利于吸附和裂解O2，從而增強類氧化酶和抗菌活性。Cu/ND@G的催化速率常數(Kcat = 1.474 × 10?1 s?1)的活性高于銅單原子氧化酶模擬物(0.5 × 10?3 s?1)，甚至高于商業Pt/C模擬物(1.01 × 10?2 s?1)。采用密度泛函理論 (DFT) 計算表明，原子分散的Cu3團簇作為活性中心顯著提高了類氧化酶活性，這是因為O2容易分解成活性氧(?OH)，與前文所得結論一致。
最后，采用平板計數法評價ND@G、Cu-NPs/ND@G和Cu3/ND@G對大腸桿菌的抑菌活性，如圖5，對照空白實驗，Cu3/ND@G明顯表現出最高的抑菌活性。 圖5 生長抑菌實驗：將不同的材料和大腸桿菌液孵育后涂在LB瓊脂平板上。(A)空白；(B)ND@G；(C) Cu-NPs/ND@G；(D) Cu3/ND@G★ 制備出負載原子級分散且完全暴露Cu3團簇的納米金剛石-石墨烯(Cu3/ND@G)★ 原子級分散的Cu3團簇作為活性中心顯著提高了納米酶的類氧化酶活性。★ Cu3/ND@G的催化速率常數(Kcat)遠高于以往報道的銅基氧化酶模擬物。★ Cu3/ND@G納米酶具有較強的抑菌活性，在抗菌領域具有廣闊的應用前景。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120826
