无机纳米酶在分析传感领域的应用研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230286

摘要/Abstract

摘要：

天然酶是一种存在于生物体内的蛋白质催化剂，具有催化活性高、选择性强和反应条件温和等特点，对促进生物体内的各种生物化学反应起着重要作用。此外，天然酶还可以作为催化剂、传感器和药物等的传递载体，在能源储存、环境监测、疾病治疗、食品加工和生物制药等领域具有重要的应用价值。然而作为一种蛋白质，其本身存在的稳定性差、制备流程复杂、提纯成本高和回收困难等缺陷，大大限制了天然酶的实际应用。为了克服这些缺陷，研究人员一直致力于开发可以替代天然酶的人工合成酶。自从2007年，Fe₃O₄磁性纳米粒子被发现具有类似辣根过氧化物酶的活性之后，开发具有类似天然酶特性的纳米材料迅速引起了科研工作者的广泛兴趣。 2013年，正式将具有类似天然酶活性的纳米材料定义为纳米酶。科研工作者已发现多种纳米酶，这些纳米酶可在不同环境下表现出不同的活性，主要包括过氧化物酶、氧化酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等。目前，已经报道的纳米酶大致可以分为4类，包括金属氧化物纳米酶或硫化物纳米酶（氧化铁、氧化铈、氧化锰和氧化铜等）、碳基纳米酶（碳纳米管、氧化石墨烯和碳点等）、贵金属纳米酶（铂、金、银和钯等）和金属有机框架（MOF）基纳米酶等。与天然酶相比，纳米酶具有很多优势，首先，纳米酶制备方法简单，成本较为低廉，为大规模生产提供了可能性。此外，纳米材料所特有的一些物理化学特性也赋予了纳米酶更多独特的性质，如可以调节纳米粒子的形貌、结构和成分等使其在不同环境下表现出可调节的类酶活性；而且纳米材料所拥有的独特性质，如磁效应、光热效应等，使其具备更广泛的设计空间，可以通过增加光照、热、超声波或磁场等外源因素影响纳米酶的催化行为，这些均可以作为调节纳米酶活性的可行策略。同时，纳米酶具有较好的生物相容性和稳定性，可以使其重复利用。基于如此多的优点，纳米酶在许多领域被广泛研究和利用，包括在分析检测、环境治理、有机化合物降解、疾病诊断和治疗等，特别是在传感应用领域具有很大的商业化前景，可以作为商业测量方法的响应。在此，本文介绍了纳米酶的分类以及提高纳米酶催化活性的在尺寸、形貌、结构、组成、表面涂层和改性方面的策略。同时，我们着重关注了传感领域，总结了其在生物小分子、生物大分子、酚类污染物、含有机磷的农药和离子检测等方面的进展，并提出关于利用纳米酶发挥传感功能的挑战的意见。

关键词: 纳米酶, 催化活性, 纳米材料, 传感检测

Abstract:

Nanozymes are suggested to be the substitute of natural enzymes owing to their merits involving low cost， high stability and large specific surface area. Over the past 15 years， a plethora of studies has provided enormous insights into the structure and function of nanoparticle enzyme mimics in the application of sensing and detecting. To date a great number of nanomaterials have been developed as nanozymes including metals， metal oxides and carbon-based materials. Nanozymes have played a more significant role in some areas， especially in sensing （small molecules detection， ion detection， biomacromolecules detection and so on）. Herein， we review the approaches and the applications of nanozyme during the past decades， with a specific focus on the area of sensing. Furthermore， we will propose the opinion about the challenges to utilize nanozyme for sensing applications.

Key words: Nanozymes, Catalytic activity, Nanoparticle, Sensing

中图分类号:

O651

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图/表 23

图1 Fe-N/C催化剂（a） 2200、（b） 400、（c） 120和（d） 35 nm下的SEM图；（e） Fe-N/C催化剂的尺寸与氧化活性的关系图［17］Fig.?1　SEM images of Fe-N/C catalysts with size of 2200 （a）， 400 （b）， 120 （c） and 35 nm （d）， respectively；（e） The size-dependent oxidase-like activities of Fe-N/C catalysts with different sizes［17］

图2 揭示触发分子对CeO2的面选择性响应以提高纳米酶的活性［24］

Fig.2 Facet-selective response of trigger molecule to CeO2 ［110］ is revealed for up-regulating oxidase-like activity of nanoceria［24］

图3 通过控制Pt的含量来理性设计高性能的Au@Pt纳米粒子双功能纳米酶［27］

Fig.3 Rational design of high-performance Au@Pt NP bifunctional nanozymes by controlling the Pt amount［27］

图4 多环芳烃稳定的IrO2/GO纳米复合材料的制备及其对过氧化物酶AA检测示意图［30］

Fig.4 Schematic illustration of the preparation of PAH stabilized IrO2/GO nanocomposites and the colorimetric detection of AA based on the peroxidase-like activity of IrO2/GO nanocomposites［30］

图5 （A） F-捕获的被氧化酶倒转的纳米氧化铈示意图；（B）纳米氧化铈粒径分布和透射电子显微镜图；（C） ABTS （0.5 mmol/L）和（D） TMB （1 mmol/L）的紫外吸收光谱图［38］

Fig.5 （A） A scheme showing F--capped nanoceria with improved oxidase turnovers；（B） DLS size distribution and a TEM image （inset） of nanoceria； UV-Vis spectra of （C） ABTS （0.5 mmol/L） and （D） TMB （1 mmol/L） oxidation by nanoceria［38］

图6 （A） Fe3O4纳米粒子、（B） T-MIPneg和（C） A-MIPpos纳米凝胶对TMB和ABTS的氧化的光学照片图；（D） Fe3O4纳米粒子印记TMB的示意图［40］

Fig.6 Photographs showing the activity and specificity of （A） Fe3O4 NPs，（B） T-MIPneg and （C） A-MIPpos nanogels for oxidation of TMB and ABTS with or without H2O2；（D） A scheme of imprinting TMB on Fe3O4 NPs［40］

图7 提出的L-半胱氨酸的比色检测机制示意图［47］Fig.?7　Proposed mechanism for the colorimetric detection of L-Cys［47］

图8 CuBDC级联半胱氨酸氧化酶和过氧化物酶模拟活性和刺激响应的荧光示意图［51］

Fig.8 Schematic illustration of the cascade cysteine oxidase- and peroxidase-mimicking activities and stimulus-responsive fluorescence of CuBDC［51］

图9 以TMB作为指示剂的V2O5纳米片比色法检测谷胱甘肽的示意图［54］

Fig.9 Schematic illustration of V2O5 nanosheet based colorimetric assay for glutathione detection using TMB as the indicator［54］

图10 基于MnO2-Cu/Ag NCs-VB1体系的谷胱甘肽比率荧光检测的传感器示意图［56］

Fig.10 Schematic illustration of the ratiometric fluorescent sensor for GSH based on MnO2-Cu/Ag NCs-VB1 system［56］

图11 （A） MA-Hem/AueAg纳米复合材料纳米酶的制备流程示意图和（B）葡萄糖催化比色测试图［58］

Fig.11 Schematic illustration of （A） the fabrication procedure of MA-Hem/AueAg nanocomposite nanozymes and （B） the catalysis-based colorimetric test for glucose［58］

图12 （a） GOx葡萄糖氧化和H2O2介导的HRP催化TMB氧化的反应机制；（b）非酶葡萄糖识别采用仿生纳米酶级联法MGCN进行葡萄糖氧化，随后原位生成H2O2和几丁质AcOH分解H2O2和TMB氧化［60］

Fig.12 （a） Enzymatic scheme of GOx and HRP with H2O2-mediated TMB oxidation；（b） Non-enzymatic glucose recognition using a biomimetic nanozyme cascade method of MGCN for glucose oxidation with subsequent in-situ generation of H2O2 and chitin-AcOH for decomposition of H2O2 and TMB oxidation［60］

图13 利用CoOOH纳米片和OPD进行碱性磷酸酶活性荧光和比色双模式测定的示意图［61］

Fig.13 Scheme depiction of the fluorescence and colorimetric dual-mode assay of alkaline phosphatase activity by using CoOOH nanoflakes and OPD［61］

图14 基于Pd/g-C3N4的比例荧光测定乙酰胆碱酯酶活性的示意图［62］

Fig.14 Illustration of the Pd/g-C3N4 based ratiometric fluorescence strategy for determination of AChE activity［62］

图15 模拟CH-Cu纳米酶的漆酶制备示意图，该纳米酶与天然漆酶的催化中心相似。漆酶的PDB代码为1V10［65］

Fig.15 Schematic illustration of the preparation of laccase mimicking CH-Cu nanozymes， which resembles the catalytic center of natural laccase. PDB code of the laccase is 1V10［65］

图16 毒死蜱农药的传感检测步骤示意图［69］

Fig.16 Schematic represents the steps involved in chlorpyrifos sensing［69］

图17 基于可降解MnOOH纳米酶的乙酰胆碱酯酶活性与农药的传感原理图［70］

Fig.17 The sensing principle of AChE activity and pesticides based on degradable MnOOH nanozyme［70］

图18 基于汞促进AuNPs纳米酶活性的AuNZ-PAD对Hg2+离子的比色传感机制示意图［72］

Fig.18 Schematic illustration of the AuNZ-PAD colorimetric sensing mechanism for Hg2+ ions based on the mercury-promoted nanozyme activity of AuNPs［72］

图19 浓缩-检测一体化战略示意图［74］

Fig.19 Illustration of enrichment-detection integration strategy［74］

图20 CuS纳米粒子在Cr2O72-离子存在时在酸性介质中催化H2O2分解生成?OH-自由基并与对苯二甲酸反应形成荧光活性TA-OH配合物的示意图［77］

Fig.20 Representation of the decomposition of H2O2 catalyzed by CuS nanoparticles in the presence of Cr2O72- ions in acidic medium to generate ·OH- radicals and formation of fluorescent active TA-OH complex upon reaction with terephthalic acid［77］

图21 基于CuO纳米粒子自级联催化反应的Ag+离子检测机理示意图［81］

Fig.21 Schematic illustration of detection mechanism of Ag+ ions based on CuO NPs as self-cascade catalytical reaction［81］

图22 （A）用于催化H2O2辅助的AR氧化为试卤灵的CoOxH-GO纳米杂化物的制备，（B）葡萄糖氧化偶联CoOxH-GO纳米杂化物过氧化物酶用于葡萄糖检测，（C）基于抑制CoOxH-GO纳米杂化物酶活性的CN-离子检测，（D）用于氰化物离子传感的CoOxH-GO/N+M的制备［87］

Fig.22 Schematic representation of （A） the preparation of CoOxH-GO nanohybrid for the catalysis of H2O2 mediated oxidation of AR to resorufin，（B） glucose oxidase coupled with peroxidase-like CoOxH-GO nanohybrid for the detection of glucose，（C） detection of CN- ions based on the inhibition of the enzymatic activity of CoOxH-GO nanohybrid and （D） the fabrication of CoOxH-GO/N+M for sensing of cyanide ions［87］

图23 CoOOH纳米片作为探针用比色法检测砷酸盐的示意图［90］

Fig.23 Illustration of the colorimetric method of CoOOH nanoflakes as probe for arsenate detection［90］

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