纳米酶分析化学最新综述

2007年，Landmark的研究认为Fe3O4纳米颗粒（NPs)可替代辣根过氧化物酶（HRP），在酶联免疫吸附试验(ELISA)中，Fe3O4 NPs同样具有和氧化信号分子3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）相同的催化能力。这一研究具有里程碑意义。不久，Wei和Wang构建了一个用葡萄糖氧化酶（GOx）和Fe3O4 NPs监测葡萄糖浓度的实验，证明了酶和无机纳米颗粒可用于生物传感的可行性。

此后，越来越多的纳米材料（如碳、金属、金属氧化物、金属-有机框架以及其他的纳米材料）被证明具有不同的类酶活性，通过整合纳米材料和酶的两个概念被统称为“纳米酶”。

与传统纳米催化剂相比，“纳米酶”强调在生理条件下模拟酶转化底物的功能。对于其他人工酶，“纳米酶”强调纳米材料，丰富了人工酶从有机化学到无机化学的扩展。

纳米材料的经济成本、高稳定性和多功能的物理化学特性克服了酶的固有不稳定性和成本，同时在合理设计和功能化方面提供了更多的潜力，如磁响应，光热特性，表面增强拉曼散射（SERS），荧光等。上述多功能不仅为环境保护和医疗保健治疗提供了可能性，而且可以进行基于多平台的传感和成像。

近日，南京大学魏辉教授在Analytical Chemistry发表题为“Nanozyme-Enabled Analytical Chemistry”的综述文章。

作者首先总结了“纳米酶”在分析化学中的进展。具有过氧化物酶活性和氧化酶活性的纳米酶可用于传感。原则上，较高的活度降低了检测限（LOD），而较好的选择性排除了其他干扰，为分析化学提供了基础。讨论制备高性能“纳米酶”的策略（增强活性和特异性）。讨论各种分析物在体外和在体内的应用。此外，纳米酶辅助诊断成像技术也被涵盖。讨论了纳米酶领域目前面临的挑战。

图2. 基于Ni-Pt纳米酶的酶联免疫吸附试验及其性能改进。

催化科学、材料化学和计算技术的发展促进了纳米酶活性的提高，这是纳米酶取代酶或超越酶的前提。随着纳米酶报道的一些创纪录的高活性，特异性的缺乏变得突出，因为它可能会被类似物干扰，从而阻碍真正的无酶感应。将MIPs、超分子化学等化学识别技术和多通道指纹识别技术引入纳米酶领域。更重要的是，具有自适应键的单原子碳、MOF和COF等新兴材料在精细模仿自然方面也展现出巨大的潜力。这种高性能的纳米酶及其多功能性描述了纳米酶可以达到的多种分析靶点和分析方法，从体外传感和药物评估到体内检测、诊断和成像。

图3. 纳米酶活性

尽管从Michaelis-Menten动力学方程可以得到类似的Michaelis-Menten常数，但由于测量单个粒子的确切活性位点数量的问题，仍然难以获得纳米酶的真实TOF。 此外，越来越多的证据表明，纳米酶的作用机制不仅取决于材料的种类，还取决于底物，从而导致更复杂的情况。只有结合实验数据和更深入的机理研究，才能更好地指导研究者筛选出活性好、特异性更好的纳米酶。

图4. 纳米酶和设备供电。

纳米酶的两个显著特征是它们的稳定性和易于加工。 将纳米酶应用于器件中，不仅可以充分利用纳米酶的电导率等多种功能，而且可以延长酶基生物传感器的生命周期。 然而，很少有商业化的纳米酶驱动的条带或便携式设备进入市场。 纳米酶在机制和实际应用方面的研究进展，为进一步深入理解纳米酶提供了有力的证据。 纳米酶是人工酶与纳米材料的交叉产物。 然而，研究纳米材料(尤其是无机纳米材料)固有的类酶活性有助于更便宜、更稳定或更快的检测方法。

链接：

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c04492

魏辉，南京大学教授，博士生导师，国家高层次海外研究人员入选者，国家自然科学基金优秀青年基金项目获得者，英国皇家化学会会士（Fellow of the Royal Society of Chemistry）。本科毕业于南京大学化学化工学院，师从夏兴华教授。博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，师从汪尔康院士。之后分别在UIUC和Emory大学从事博士后研究工作。2013年加入南京大学现代工程与应用科学学院。

目前，研究工作集中在生物纳米功能材料、生物纳米医学、生物分析与传感等方面。自开展研究工作以来，在Nature Nanotechnology、Chemical Society Reviews、Nature Communications, Science Advances，Analytical Chemistry、Chemical Science等国际学术期刊上发表90余篇研究论文，论文被引用7000余次。现任自然(Nature)出版社《Scientific Reports》杂志编委。

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