Catalytic properties of peroxidase mimicking nanozymes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Herein is the first attempt to critically review the catalytic properties of peroxidase mimicking nanozymes. For this aim the main factors affecting nanoparticles activity are discussed, and the catalytic properties are normalized allowing true comparison of different nanomaterials. The highest catalytic activities in hydrogen peroxide (H2O2) reduction have been recorded for nitrogen-coordinated iron atoms (FeN4, FeN5). However, the main disadvantages of metal/metal oxide as well as "single atom" nanozymes are their additional activities in oxygen reduction and H2O2 dismutation, impairing their application abilities. Nanoparticles catalytically synthesized from the most advantageous electrocatalyst (Prussian Blue) display enzymatic selectivity in addition to the highest catalytic activity. This may indicate simultaneous electron donation to H2O2 from different iron atoms. Accordingly, perspective synthesis of "single atom" nanozymes can be carried out considering bi-metallic (Fe–Fe like) structures in addition to the presently synthesized ones.The bibliography includes 121 references.

About the authors

Arkadii Arkad'evich Karyakin

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Chemistry

Email: aak@analyt.chem.msu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0457-7638
Doctor of chemical sciences, Professor

References

  1. F.Manea, F.B.Houillon, L.Pasquato, P.Scrimin. Angew. Chem., Int. Ed., 43, 6165 (2004)
  2. G.M.Blackburn, A.S.Kang, G.A.Kingsbury, D.R.Burton. Biochem. J., 262, 381 (1989)
  3. T.R.Cech. Harvey Lect., 82, 123 (1986)
  4. J.J.Rossi, N.Sarver. Trends Biotechnol., 8, 179 (1990)
  5. X.Y.Xiao, A.J.Bard. J. Am. Chem. Soc., 129, 9610 (2007)
  6. X.Y.Xiao, F.R.F.Fan, J.P.Zhou, A.J.Bard. J. Am. Chem. Soc., 130, 16669 (2008)
  7. E.Katelhon, L.Sepunaru, A.A.Karyakin, R.G.Compton. ACS Catal., 6, 8313 (2016)
  8. L.Huang, J.Chen, L.Gan, J.Wang, S.Dong. Sci. Adv., 5, eaav5490 (2019)
  9. S.-K.Lee, S.DeBeer George, W.E.Antholine, B.Hedman, K.O.Hodgson, E.I.Solomon. J. Am. Chem. Soc., 124, 6180 (2002)
  10. A.I.Yaropolov, V.Malovik, S.D.Varfolomeev, I.V.Berezin. Dokl. Akad. Nauk SSSR, 249, 1399 (1979)
  11. T.Ruzgas, E.Csöregi, J.Emnéus, L.Gorton, G.Marko-Varga. Anal. Chim. Acta, 330, 123 (1996)
  12. A.Bach, R.Chodat. Ber. Dtsch. Chem. Ges., 36, 600 (1903)
  13. P.Jones, D.Mantle, I.Wilson. J. Inorg. Biochem., 17, 293 (1982)
  14. D.I.Metelitza, V.A.Shibaev, A.N.Eryomin, V.I.Melnik, Z.I.Zhilina. Biochemistry-Moscow, 60, 257 (1995)
  15. R.A.W.Johnstone, A.J.Simpson, P.A.Stocks. Chem. Commun., 2277 (1997)
  16. L.Z.Gao, J.Zhuang, L.Nie, J.B.Zhang, Y.Zhang, N.Gu, T.H.Wang, J.Feng, D.L.Yang, S.Perrett, X.Yan. Nat. Nanotechnol., 2, 577 (2007)
  17. G.G.Guilbault, G.J.Lubrano, D.N.Gray. Anal. Chem., 45, 2255 (1973)
  18. Y.Zhang, G.S.Wilson. J. Electroanal. Chem., 345, 253 (1993)
  19. A.A.Karyakin. Curr. Opin. Electrochem., 5, 92 (2017)
  20. J.Fan, J.J.Yin, B.Ning, X.Wu, Y.Hu, M.Ferrari, G.J.Anderson, J.Wei, Y.Zhao, G.Nie. Biomaterials, 32, 1611 (2011)
  21. K.Cai, Z.C.Lv, K.Chen, L.Huang, J.Wang, F.Shao, Y.J.Wang, H.Y.Han. Chem. Commun., 49, 6024 (2013)
  22. S.E.Son, P.K.Gupta, W.Hur, H.B.Lee, Y.Park, J.Park, S.N.Kim, G.H.Seong. Anal. Bioanal. Chem., 414, 7191 (2022)
  23. Y.Fu, X.Zhao, J.Zhang, W.Li. J. Phys. Chem. C, 118, 18116 (2014)
  24. S.B.He, H.H.Deng, A.L.Liu, G.W.Li, X.H.Lin, W.Chen, X.H.Xia. ChemCatChem, 6, 1543 (2014)
  25. W.Li, B.Chen, H.Zhang, Y.Sun, J.Wang, J.Zhang, Y.Fu. Biosens. Bioelectron., 66, 251 (2015)
  26. Z.F.Wang, X.Yang, J.J.Yang, Y.Y.Jiang, N.Y.He. Anal. Chim. Acta, 862, 53 (2015)
  27. Y.Shen, Y.Zhao, Y.Zhu, J.Wang. Microchim. Acta, 189, 18 (2022)
  28. L.Li, B.Chen, M.Guo, Q.Yang, Y.Zhang, M.Zhang. ACS Appl. Nano Mat., 5, 1397 (2022)
  29. W.He, Y.Liu, J.Yuan, J.-J.Yin, X.Wu, X.Hu, K.Zhang, J.Liu, C.Chen, Y.Ji, Y.Guo. Biomaterials, 32, 1139 (2011)
  30. X.N.Hu, A.Saran, S.Hou, T. Wen, Y.L.Ji, W.Q.Liu, H.Zhang, W.W.He, J.J.Yin, X.C.Wu. RSC Adv., 3, 6095 (2013)
  31. X.H.Pham, V.K.Tran, E.Hahm, Y.H.Kim, J.Kim, W.Kim, B.H.Jun. Int. J. Mol. Sci., 23, 6424 (2022)
  32. W.W.He, X.C.Wu, J.B.Liu, X.N.Hu, K.Zhang, S.A.Hou, W.Y.Zhou, S.S.Xie. Chem. Mater., 22, 2988 (2010)
  33. L.L.Guo, H.J.Zheng, C.J.Zhang, L.B.Qu, L.L.Yu. Talanta, 210, 120621 (2020)
  34. Z.Xi, K.C.Wei, Q.X.Wang, M.J.Kim, S.H.Sun, V.Fung, X.H.Xia. J. Am. Chem. Soc., 143, 2660 (2021)
  35. T.Jiang, Y.Song, D.Du, X.T. Liu, Y.H.Lin. Acs Sensors, 1, 717 (2016)
  36. P.K.Gupta, S.E.Son, G.H.Seong. Microchim. Acta, 188, 119 (2021)
  37. S.E.Son, P.K.Gupta, W.Hur, H.B.Lee, Y.Park, J.Park, S.N.Kim, G.H.Seong. ACS Appl. Nano Mat., 4, 8282 (2021)
  38. J.P.Wei, X.L.Chen, S.G.Shi, S.G.Mo, N.F.Zheng. Nanoscale, 7, 19018 (2015)
  39. Y.Jv, B.Li, R.Cao. Chem. Commun., 46, 8017 (2010)
  40. X.X.Wang, Q.Wu, Z.Shan, Q.M.Huang. Biosens. Bioelectron., 26, 3614 (2011)
  41. C.L.Li, C.C.Huang, W.H.Chen, C.K.Chiang, H.T.Chang. Analyst, 137, 5222 (2012)
  42. M.Drozd, M.Pietrzak, P.Parzuchowski, M.Mazurkiewicz- Pawlicka, E.Malinowska. Nanotechnology, 26, 495101 (2015)
  43. Z.C.Huang, B.W.Liu, J.W.Liu. Nanoscale, 12, 22467 (2020)
  44. R.Cai, X.Gao, C.Zhang, Z.Hu, Y.Ji, J.Liu, X.Wu. Nanotechnology, 32, 485702 (2021)
  45. R.Sun, R.Lv, Y.Zhang, T.Du, Y.Li, L.Chen, Y.Qi. RSC Adv., 12, 21875 (2022)
  46. H.Yang, Z.Sun, X.Qin, H.Wu, H.Zhang, G.Liu. Food Chem., 376, 131906 (2022)
  47. H.Wei, E.Wang. Anal. Chem., 80, 2250 (2008)
  48. H.Dong, W.Du, J.Dong, R.Che, F.Kong, W.Cheng, M.Ma, N.Gu, Y.Zhang. Nat. Commun., 13, 5365 (2022)
  49. Y.Liu, F.Yu. Nanotechnology, 22, 145704 (2011)
  50. B.W.Liu, X.Han, J.W.Liu. Nanoscale, 8, 13620 (2016)
  51. K.L.Fan, H.Wang, J.Q.Xi, Q.Liu, X.Q.Meng, D.M.Duan, L.Z.Gao, X.Y.Yan. Chem. Commun., 53, 424 (2017)
  52. C.P.Ding, Y.H.Yan, D.S.Xiang, C.L.Zhang, Y.Z.Xian. Microchim. Acta, 183, 625 (2016)
  53. C.Song, W.Ding, W.W.Zhao, H.B.Liu, J.Wang, Y.W.Yao, C.Yao. Biosens. Bioelectron., 151, 111983 (2020)
  54. Z.H.Dai, S.H.Liu, J.C.Bao, H.X.Jui. Chemistry-a Eur. J., 15, 4321 (2009)
  55. A.K.Dutta, S.K.Maji, D.N.Srivastava, A.Mondal, P.Biswas, P.Paul, B.Adhikary. ACS Appl. Mater. Interfaces, 4, 1919 (2012)
  56. R.X.Qin, Y.S.Feng, D.D.Ding, L.Chen, S.Li, H.P.Deng, S.L.Chen, Z.X.Han, W.J.Sun, H.M.Chen. ACS Appl. Bio Mater., 4, 5520 (2021)
  57. L.Wang, J.Xue, J.Chang, C.Yu, H.Dai, Z.Yao, J.Zhou, G.Sun, W.Huang. J. Mater. Sci., 56, 13579 (2021)
  58. Q.Liu, Y.Yang, H.Li, R.Zhu, Q.Shao, S.Yang, J.Xu. Biosens. Bioelectron., 64, 147 (2015)
  59. J.Mu, Y.Wang, M.Zhao, L.Zhang. Chem. Commun., 48, 2540 (2012)
  60. D.Jampaiah, T.S.Reddy, V.E.Coyle, A.Nafadybc, S.K.Bhargava. J. Mater. Chem. B, 5, 720 (2017)
  61. Y.Sun, H.Xu, X.Zhao, Z.Hui, C.Yu, L.Wang, J.Xue, Y.Zhao, R.Zhou, H.Dai, C. Miao, Q. Chen, J.Zhou, G.Sun, W.Huang. J. Mater. Chem. B, 7, 6232 (2019)
  62. Y.Sun, H.Xu, L.Wang, C.Yu, J.Zhou, Q.Chen, G.Sun, W.Huang. J. Mater. Chem. B, 9, 983 (2021)
  63. Q.Wu, L.He, Z.W.Jiang, Y.Li, Z.M.Cao, C.Z.Huang, Y.F.Li. Biosens. Bioelectron., 145, 111704 (2019)
  64. W.W.He, H.M.Jia, X.X.Li, Y.Lei, J.Li, H.X.Zhao, L.W.Mi, L.Z.Zhang, Z.Zheng. Nanoscale, 4, 3501 (2012)
  65. Y.Chen, H.Cao, W.Shi, H.Liu, Y.Huang. Chem. Commun., 49, 5013 (2013)
  66. Q.T.Li, Q.Wang, Y.Li, X.D.Zhang, Y.M.Huang. Anal. Methods, 13, 2066 (2021)
  67. M.A.Komkova, E.E.Karyakina, A.A.Karyakin. J. Am. Chem. Soc., 140, 11302 (2018)
  68. H.H.Ye, J.Mohar, Q.X.Wang, M.Catalano, M.J.Kim, X.H.Xia. Sci. Bull., 61, 1739 (2016)
  69. Z.J.Zhang, X.H.Zhang, B.W.Liu, J.W.Liu. J. Am. Chem. Soc., 139, 5412 (2017)
  70. L.Jiao, W.Xu, H.Yan, Y.Wu, C.Liu, D.Du, Y.Lin, C.Zhu. Anal. Chem., 91, 11994 (2019)
  71. X.Niu, Q.Shi, W.Zhu, D.Liu, H.Tian, S.Fu, N.Cheng, S.Li, J.N.Smith, D.Du, Y.Lin. Biosens. Bioelectron., 142, 111495 (2019)
  72. B.Xu, H.Wang, W.Wang, L.Gao, S.Li, X.Pan, H.Yang, X.Meng, Q.Wu, L.Zheng, S.Chen, X.Shi, K.Fan, X.Yan, H.Liu. Angew. Chem., Int. Ed., 58, 4911 (2019)
  73. C.Zhao, C.Xiong, X.Liu, M.Qiao, Z.Li, T.Yuan, J.Wang, Y.Qu, X.Wang, F.Zhou, Q.Xu, S.Wang, M.Chen, W.Wang, Y.Li, T.Yao, Y.Wu. Chem. Commun., 55, 2285 (2019)
  74. N.Cheng, J.C.Li, D.Liu, Y.Lin, D.Du. Small, 15, 1901485 (2019)
  75. M.S.Kim, J.Lee, H.S.Kim, A.Cho, K.H.Shim, T.N.Le, S.S.A.An, J.W.Han, M.I.Kim. Adv. Funct. Mater., 30, 1905410 (2020)
  76. S.Ji, B.Jiang, H.Hao, Y.Chen, J.Dong, Y.Mao, Z.Zhang, R.Gao, W.Chen, R.Zhang, Q.Liang, H.Li, S.Liu, Y.Wang, Q.Zhang, L.Gu, D.Duan, M.Liang, D.Wang, X.Yan, Y.Li. Nat. Catal., 4, 407 (2021)
  77. P.Keoingthong, Q.Hao, S.K.Li, L.Zhang, J.Q.Xu, S.Wang, L.Chen, W.H.Tan, Z.Chen. Chem. Commun., 57, 7669 (2021)
  78. B.Xu, S.Li, L.Zheng, Y.Liu, A.Han, J.Zhang, Z.Huang, H.Xie, K.Fan, L.Gao, H.Liu. Adv. Mater., 34, 2107088 (2022)
  79. S.Zhang, Y.Li, S.Sun, L.Liu, X.Mu, S.Liu, M.Jiao, X.Chen, K.Chen, H.Ma, T. Li, X.Liu, H.Wang, J.Zhang, J.Yang, X.D.Zhang. Nat. Commun., 13, 4744 (2022)
  80. I.M.Ralston, H.B.Dunford, J.Wauters, K.Heremans. Biophys. J., 36, 311 (1981)
  81. C.V.Kumar, A.Chaudhari. Chem. Commun., 2, 2382 (2002)
  82. W.Wu, L.Huang, E.Wang, S.Dong. Chem. Sci., 11, 9741 (2020)
  83. K.Mosbach. Trends Biochem. Sci., 19, 9 (1994)
  84. B.Sellergren, M.Lepisto, K.Mosbach. J. Am. Chem. Soc., 110, 5853 (1988)
  85. G.G.Guilbault, G.J.Lubrano. Anal. Chim. Acta, 64, 439 (1973)
  86. F.W.Scheller, D.Pfeifer, F.Schubert, R.Reneberg, D.Kirstein. In Biosensors: Fundamental and Applications. (Eds A.P.F.Turner, I.Karube and J.S.Wilson). (Oxford: Oxford University Press, 1987)
  87. A.A.Karyakin, O.V.Gitelmacher, E.E.Karyakina. Anal. Lett., 27, 2861 (1994)
  88. A.A.Karyakin, O.V.Gitelmacher, E.E.Karyakina. Anal. Chem., 67, 2419 (1995)
  89. Miscellanea Berolinensia ad Incrementium Scientiarum. (Berlin, 1710)
  90. D.Brown. J. Philos.Trans., 33, 17 (1724)
  91. V.D.Neff. J. Electrochem. Soc., 128, 886 (1978)
  92. A.B.Bocarsly, S.Sinha. J. Electroanal. Chem., 137, 157 (1982)
  93. K.Itaya, T.Ataka, S.Toshima. J. Am. Chem. Soc., 104, 4767 (1982)
  94. J.F.Duncan, P.W.R.Wrigley. J. Chem. Soc., 1120 (1963)
  95. J.A.Ibers, N.Davidson. J. Am. Chem. Soc., 73, 476 (1951)
  96. D.Ellis, M.Eckhoff, V.D.Neff. J. Phys. Chem., 85, 1225 (1981)
  97. A.A.Karyakin, E.E.Karyakina, L.Gorton. J. Electroanal. Chem., 456, 97 (1998)
  98. A.A.Karyakin, E.E.Karyakina, L.Gorton. Electrochem. Commun., 1, 78 (1999)
  99. M.S.Lin, B.I.Jan. Electroanalysis, 9, 340 (1997)
  100. R.Garjonyte, A.Malinauskas. Sens. Actuators, B, B56, 93 (1999)
  101. J.Wang, X.J.Zhang, M.Prakash. Anal. Chim. Acta, 395, 11 (1999)
  102. P.A.Fiorito, S.I.C.de Torresi. J. Electroanal. Chem., 581, 31 (2005)
  103. L.Guadagnini, D.Tonelli, M.Giorgetti. Electrochim. Acta, 55, 5036 (2010)
  104. Z.Wang, X.Hao, Z.Zhang, S.Liu, Z.Liang, G.Guan. Sens. Actuators B: Chem., 162, 353 (2012)
  105. Z.Wang, S.Sun, X.Hao, X.Ma, G.Guan, Z.Zhang, S.Liu. Sens. Actuators B: Chem., 171, 1073 (2012)
  106. L.Han, Q.Wang, S.Tricard, J.Liu, J.Fang, J.Zhao, W.Shen. RSC Adv., 3, 281 (2013)
  107. N.S.Sangeetha, S.S.Narayanan. Anal. Chim. Acta, 828, 34 (2014)
  108. N.A.Sitnikova, M.A.Komkova, I.V.Khomyakova, E.E.Karyakina, A.A.Karyakin. Anal. Chem., 86, 4131 (2014)
  109. A.V.Borisova, E.E.Karyakina, S.Cosnier, A.A.Karyakin. Electroanalysis, 21, 409 (2009)
  110. M.A.Komkova, O.A.Ibragimova, E.E.Karyakina, A.A.Karyakin. J. Phys. Chem. Lett., 12, 171 (2021)
  111. J.F.Keggin, F.D.Miles. Nature (London), 137, 577 (1936)
  112. W.Zhang, S.Hu, J.J.Yin, W.He, W.Lu, M.Ma, N.Gu, Y.Zhang. J. Am. Chem. Soc., 138, 5860 (2016)
  113. B.Chance. J. Biol. Chem., 151, 553 (1943)
  114. B.Chance. Science, 109, 204 (1949)
  115. B.Chance. Arch. Biochem. Biophys., 41, 416 (1952)
  116. H.B.Dunford, J.S.Stillman. Coord. Chem. Rev., 19, 187 (1976)
  117. G.I.Berglund, G.H.Carlsson, A.T.Smith, H.Szoke, A.Henriksen, J.Hajdu. Nature (London), 417, 463 (2002)
  118. G.Battistuzzi, M.Bellei, C.A.Bortolotti, M.Sola. Arch. Biochem. Biophys., 500, 21 (2010)
  119. R.S.Koduri, R.E.Whitwam, D.Barr, S.D.Aust, M.Tien. Arch. Biochem. Biophys., 326, 261 (1996)
  120. T.L.Hill. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 72, 4918 (1975)
  121. D.Shoup, G.Lipari, A.Szabo. Biophys. J., 36, 697 (1981)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».