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研究背景
以二硫化亚铁（FeS2）和四硫化三铁（Fe3S4）过氧化物纳米酶为代表的硫化铁纳米材料因其生物相容性和类过氧化物酶（POD-like）活性在纳米催化医学领域受到越来越多的关注。然而，目前聚焦于其催化活性方面的研究较少，不同类型的硫化铁纳米酶的POD活性存在差异的机制仍不明确。有鉴于此，中国科学院生物物理研究所高利增研究员团队采用理论计算与实验表征相结合的研究方法，揭示了FeS2和Fe3S4催化过氧化氢产生羟基自由基并进一步氧化显色底物的过程。实验结果表明，FeS2过氧化物纳米酶的催化活性明显高于Fe3S4，利用DFT计算通过模拟过氧化氢在FeS2（100）和Fe3S4（001）表面产生羟基自由基，对其催化机理进行了详细研究，模拟结果与实验观察具有良好的一致性。
本文聚焦于过氧化氢在硫化铁纳米酶表面碱式解离过程，采取理论计算和实验研究结合的方法揭示了不同晶型硫化铁纳米酶过氧化物酶活性差异的内在机制，为过渡金属硫化物功能纳米酶的理性设计和精确确制备提供了理论基础。该成果以“Deciphering the Catalytic Mechanism of Peroxidase-like Activity of Iron Sulfide Nanozymes”为题发表在国际著名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces上。
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文章内容介绍
文章首先合成了粒径尺寸一致的两种具有代表性的硫化铁纳米酶：二硫化亚铁（FeS2）纳米材料和四硫化三铁（Fe3S4）纳米材料，并利用形貌表征和谱学表征鉴定了两种材料的成功合成。作者进一步研究了两种材料的过氧化物酶活性，包含最适催化pH，酶催化动力学曲线等，从实验表征方面揭示了两种材料的催化活性差异。
图1：FeS2纳米酶和Fe3S4纳米酶的合成与表征。
图2：FeS2纳米酶和Fe3S4纳米酶的过氧化物酶活性测试。
进一步，作者采用DFT计算揭示了两种材料活性差异的内在机制：通过模拟过氧化氢在FeS2（100）和Fe3S4（001）表面产生羟基自由基，对其催化机理进行了详细研究：态密度分析表明两种硫化铁纳米酶表面的铁元素通过Fe 3d电子与在-10 ~ 5 eV范围内的过氧化氢前线分子轨道之间的相互作用，可以有效地催化羟基自由基的产生;FeS2纳米酶中的
图3：FeS2(100)和Fe3S4(001)表面与过氧化氢结合及其态密度计算。
图4：FeS2纳米酶和Fe3S4纳米酶的过氧化物酶活性催化过程计算。
综上，本文作者利用理论和实验相结合的方法，建立了具有较强借鉴意义理论模型，揭示了不同晶格结构硫化铁过氧化物纳米酶催化活性差异的内在原因，为设计高活性纳米酶提供了一种全新思路。
