纳米酶研究进展

新一代人工模拟酶：纳米酶汇报人：研究方向：汇报时间：目录01、纳米酶的发现及优点03、纳米酶活性的影响因素02、纳米酶的种类04、纳米酶的应用纳米酶的发现及特点1

2007年，科学家发现Fe3O4纳米颗粒本具有内在类似辣根过氧化物酶的催化活性，无需在其表面修饰任何催化基团。磁纳米颗粒在过氧化氢存在时，可催化HRP的多种底物发生氧化反应，并产生与HRP催化完全相同的颜色。1.1纳米酶的发现纳米酶是模拟酶领域的新成员Fe3O4催化底物被氧化并产生相应的显色反应1.2纳米酶的特点性质稳定制备简单对环境耐受性强可重复使用纳米酶的种类22.1铁基纳米酶氧化铁纳米粒子是首个被报道的具有催化活性的纳米酶，具有内在模拟过氧化物酶活性。最初的研究多集中在铁磁纳米材料的过氧化物酶催化活性，研究Fe3O4和Fe2O3纳米材料的尺度大小、形貌(如纳米颗粒、纳米线、纳米片、纳米棒等)以及表面修饰等因素对其催化活性的影响。模拟过氧化物酶的应用范围非常广泛，通常与抗体或者其他生物分子偶联用于信号放大，并形成可检测的电信号或者颜色信号，用于血糖检测、血清免疫检测、疾病检测等方面。纳米酶用于轮状病毒免疫检测2.2非铁金属纳米酶（1）其它金属氧化物纳米酶除铁基纳米酶以外，其他许多类型的金属氧化物纳米材料也体现出模拟酶性能。如氧化铈具有模拟过氧化物酶，模拟超氧化物歧化酶(SOD)的特性。四氧化三钴材料具有双重模拟酶活性，既可以表现过氧化物酶活性还可以表现过氧化氢酶活性，且其催化反应不受高浓度过氧化氢抑制，可应用于谷胱甘肽检测、葡萄糖检测、免疫检测等。此外，研究者还发现五氧化二钒、氧化锰等也具有模拟酶特性，使得它们具有许多潜在的应用价值。2.2非铁金属纳米酶（2）贵金属纳米酶一些金属纳米材料尤其是贵金属纳米材料具有金属催化活性位点，也表现出催化活性，包括金纳米材料、铂纳米材料等。除单金属外，双金属纳米合金粒子亦具有类似的催化活性。AgAu纳米盒，AgPd纳米晶，以及AgPt纳米片等中空或者多孔结构的Ag基双金属合金，表现出了过氧化物酶活性。实验表明贵金属纳米材料在不同条件下可具有以下4种模拟酶活性：氧化酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶。贵金属纳米材料的4种类酶活性1.3非金属纳米酶许多非金属材料也具有过氧化物酶活性，尤其是碳基纳米材料，其是指其基本单元至少有一维是小于100nm的碳材料，如碳纳米管、氧化石墨烯、碳纳米点等。氧化石墨烯（GO）是石墨粉末经过化学氧化及剥离之后的产物，多数以单层、双层或者少层的二维层状结构存在。GO的过氧化物酶催化活性于2011年首次发现，GO拥有较丰富的含氧官能团，因此亲水性能与生物相容性较好，同时比表面积大,与底物的亲和力强的特性也有助于提高其催化性能。GO对有机小分子底物有着非常强的亲和力，因此GO对TMB的亲和力甚至高于天然酶HRP。碳基纳米材料(A：碳纳米管；B：石墨烯)纳米酶活性的影响因素33.1尺寸效应纳米模拟酶具有普通纳米材料的尺寸效应。当纳米材料的粒径减小时，比表面积增大，表面原子数会成倍增加，导致表面原子的配位数严重不足，因此表面活性位点增加，增强了纳米催化剂的催化效率，因此纳米模拟酶表现出的催化活性与粒径大小有直接的关系。许多研究表明，相等质量的纳米酶，粒径越小表现出的催化活性越高。因此可以利用纳米模拟酶的尺寸效应合理控制纳米模拟酶的尺寸来达到最优催化效果。尺寸对Fe3O4纳米酶活性的影响3.2形貌结构纳米催化剂在反应过程中因反应条件的不同其形貌和界面结构会发生相应的变化，进而影响催化性能，通过有选择性地暴露出高活性或者特定能量的晶面，可以有效提高纳米粒子的催化反应活性。这可能是由于不同型貌结构的材料表面铁原子晶格排列方式不同，因此暴露出的晶面活性不同，导致催化性能不同。Fe3O4纳米粒子的形貌对其催化活性的影响3.3表面修饰纳米模拟酶的催化活性主要发生在颗粒表面，其表面经过一些修饰能够改变其对底物的亲和力，从而影响催化性能。相比天然酶，纳米酶表面修饰更加容易，多种离子、小分子会促进或抑制其反应活性。不同基团修饰Fe3O4MNPs的催化活性纳米酶的应用44.1免疫检测利用纳米酶建立的免疫检测方法，可对很多抗原实现快速检测，这其中包括蛋白质、核酸、小分子抗原、病毒、细菌和细胞，提高检测的速度和灵敏度，在临床诊断方面具有巨大的应用前景。比如Fe3O4纳米酶，既具有过氧化物酶活性，又具有超顺磁性，在外加磁场作用下能够定向移动。因此，将Fe3O4纳米材料粒磁性与催化活性相结合，可以建立一个集分离、富集和检测三功能于一体的新型酶联免疫检测方法。基于纳米酶的免疫检测新技术4.2肿瘤检测以氧化石墨烯(GO)为基底，合成多孔铂纳米颗粒(PtNPs)的复合材料(PtNPs/GO)。研究发现PtNPs/GO具有极强的过氧化物酶活性，对其进行了叶酸的靶向性修饰后可以特异性地识别叶酸受体高表达的肿瘤细胞。此种肿瘤细胞免疫检测法对肿瘤细胞的裸眼检测极限是125个细胞。借助酶标仪，其检测极限可到达30个细胞。纳米酶用于肿瘤细胞的检测4.3环境监测利用汞离子与纳米材料之间相互作用抑制纳米酶活性的特点，基于铂纳米颗粒、金纳米簇以及铂-金双金属纳米颗粒的汞离子检测系统检测限都低于10nmol/L，且初步应用于饮用水、化妆品、生活用水源头水(自来水、河流、湖泊)中汞含量的检测。纳米酶检测汞离子4.4植物抗逆非生物胁迫如干旱、寒冷、化学毒性、氧化胁迫会对植物的生长发育和生产力产生不利影响。胁迫条件下植物中过量的ROS会导致细胞膜、DNA、蛋白质和其他细胞成分受损，从而抑制植物生长。植物清除ROS的方法主要是通过抗氧化酶进行的，如超氧化物歧化酶（SOD），过氧化氢酶（CAT），过氧化物酶（POD）等。因此，提高植物清除ROS的能力，如通过使用具有抗氧化酶活性的纳米材料，可以提高植物对非生物胁迫的抗性，从而减轻产量损失。改善植物生长和胁迫耐受性的纳米调节剂4.4微生物检测病原微生物引起的感染性疾病与食物中毒是最常见的疾病之一。利用纳米酶的过氧化物酶样活性能够直接杀死病原微生物；如果结合相应的底物(如TMB等)，纳米酶也可以用于食物及饮用水中微生物污染状况的检测。Au@Pt纳米颗粒检测E.coliO157