納米酶研究進(jìn)展

新一代人工模擬酶：納米酶匯報(bào)人：研究方向：匯報(bào)時(shí)間：目錄01、納米酶的發(fā)現(xiàn)及優(yōu)點(diǎn)03、納米酶活性的影響因素02、納米酶的種類(lèi)04、納米酶的應(yīng)用納米酶的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn)1

2007年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)Fe3O4納米顆粒本具有內(nèi)在類(lèi)似辣根過(guò)氧化物酶的催化活性，無(wú)需在其表面修飾任何催化基團(tuán)。磁納米顆粒在過(guò)氧化氫存在時(shí)，可催化HRP的多種底物發(fā)生氧化反應(yīng)，并產(chǎn)生與HRP催化完全相同的顏色。1.1納米酶的發(fā)現(xiàn)納米酶是模擬酶領(lǐng)域的新成員Fe3O4催化底物被氧化并產(chǎn)生相應(yīng)的顯色反應(yīng)1.2納米酶的特點(diǎn)性質(zhì)穩(wěn)定制備簡(jiǎn)單對(duì)環(huán)境耐受性強(qiáng)可重復(fù)使用納米酶的種類(lèi)22.1鐵基納米酶氧化鐵納米粒子是首個(gè)被報(bào)道的具有催化活性的納米酶，具有內(nèi)在模擬過(guò)氧化物酶活性。最初的研究多集中在鐵磁納米材料的過(guò)氧化物酶催化活性，研究Fe3O4和Fe2O3納米材料的尺度大小、形貌(如納米顆粒、納米線、納米片、納米棒等)以及表面修飾等因素對(duì)其催化活性的影響。模擬過(guò)氧化物酶的應(yīng)用范圍非常廣泛，通常與抗體或者其他生物分子偶聯(lián)用于信號(hào)放大，并形成可檢測(cè)的電信號(hào)或者顏色信號(hào)，用于血糖檢測(cè)、血清免疫檢測(cè)、疾病檢測(cè)等方面。納米酶用于輪狀病毒免疫檢測(cè)2.2非鐵金屬納米酶（1）其它金屬氧化物納米酶除鐵基納米酶以外，其他許多類(lèi)型的金屬氧化物納米材料也體現(xiàn)出模擬酶性能。如氧化鈰具有模擬過(guò)氧化物酶，模擬超氧化物歧化酶(SOD)的特性。四氧化三鈷材料具有雙重模擬酶活性，既可以表現(xiàn)過(guò)氧化物酶活性還可以表現(xiàn)過(guò)氧化氫酶活性，且其催化反應(yīng)不受高濃度過(guò)氧化氫抑制，可應(yīng)用于谷胱甘肽檢測(cè)、葡萄糖檢測(cè)、免疫檢測(cè)等。此外，研究者還發(fā)現(xiàn)五氧化二釩、氧化錳等也具有模擬酶特性，使得它們具有許多潛在的應(yīng)用價(jià)值。2.2非鐵金屬納米酶（2）貴金屬納米酶一些金屬納米材料尤其是貴金屬納米材料具有金屬催化活性位點(diǎn)，也表現(xiàn)出催化活性，包括金納米材料、鉑納米材料等。除單金屬外，雙金屬納米合金粒子亦具有類(lèi)似的催化活性。AgAu納米盒，AgPd納米晶，以及AgPt納米片等中空或者多孔結(jié)構(gòu)的Ag基雙金屬合金，表現(xiàn)出了過(guò)氧化物酶活性。實(shí)驗(yàn)表明貴金屬納米材料在不同條件下可具有以下4種模擬酶活性：氧化酶、過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶。貴金屬納米材料的4種類(lèi)酶活性1.3非金屬納米酶許多非金屬材料也具有過(guò)氧化物酶活性，尤其是碳基納米材料，其是指其基本單元至少有一維是小于100nm的碳材料，如碳納米管、氧化石墨烯、碳納米點(diǎn)等。氧化石墨烯（GO）是石墨粉末經(jīng)過(guò)化學(xué)氧化及剝離之后的產(chǎn)物，多數(shù)以單層、雙層或者少層的二維層狀結(jié)構(gòu)存在。GO的過(guò)氧化物酶催化活性于2011年首次發(fā)現(xiàn)，GO擁有較豐富的含氧官能團(tuán)，因此親水性能與生物相容性較好，同時(shí)比表面積大,與底物的親和力強(qiáng)的特性也有助于提高其催化性能。GO對(duì)有機(jī)小分子底物有著非常強(qiáng)的親和力，因此GO對(duì)TMB的親和力甚至高于天然酶HRP。碳基納米材料(A：碳納米管；B：石墨烯)納米酶活性的影響因素33.1尺寸效應(yīng)納米模擬酶具有普通納米材料的尺寸效應(yīng)。當(dāng)納米材料的粒徑減小時(shí)，比表面積增大，表面原子數(shù)會(huì)成倍增加，導(dǎo)致表面原子的配位數(shù)嚴(yán)重不足，因此表面活性位點(diǎn)增加，增強(qiáng)了納米催化劑的催化效率，因此納米模擬酶表現(xiàn)出的催化活性與粒徑大小有直接的關(guān)系。許多研究表明，相等質(zhì)量的納米酶，粒徑越小表現(xiàn)出的催化活性越高。因此可以利用納米模擬酶的尺寸效應(yīng)合理控制納米模擬酶的尺寸來(lái)達(dá)到最優(yōu)催化效果。尺寸對(duì)Fe3O4納米酶活性的影響3.2形貌結(jié)構(gòu)納米催化劑在反應(yīng)過(guò)程中因反應(yīng)條件的不同其形貌和界面結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而影響催化性能，通過(guò)有選擇性地暴露出高活性或者特定能量的晶面，可以有效提高納米粒子的催化反應(yīng)活性。這可能是由于不同型貌結(jié)構(gòu)的材料表面鐵原子晶格排列方式不同，因此暴露出的晶面活性不同，導(dǎo)致催化性能不同。Fe3O4納米粒子的形貌對(duì)其催化活性的影響3.3表面修飾納米模擬酶的催化活性主要發(fā)生在顆粒表面，其表面經(jīng)過(guò)一些修飾能夠改變其對(duì)底物的親和力，從而影響催化性能。相比天然酶，納米酶表面修飾更加容易，多種離子、小分子會(huì)促進(jìn)或抑制其反應(yīng)活性。不同基團(tuán)修飾Fe3O4MNPs的催化活性納米酶的應(yīng)用44.1免疫檢測(cè)利用納米酶建立的免疫檢測(cè)方法，可對(duì)很多抗原實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，這其中包括蛋白質(zhì)、核酸、小分子抗原、病毒、細(xì)菌和細(xì)胞，提高檢測(cè)的速度和靈敏度，在臨床診斷方面具有巨大的應(yīng)用前景。比如Fe3O4納米酶，既具有過(guò)氧化物酶活性，又具有超順磁性，在外加磁場(chǎng)作用下能夠定向移動(dòng)。因此，將Fe3O4納米材料粒磁性與催化活性相結(jié)合，可以建立一個(gè)集分離、富集和檢測(cè)三功能于一體的新型酶聯(lián)免疫檢測(cè)方法?；诩{米酶的免疫檢測(cè)新技術(shù)4.2腫瘤檢測(cè)以氧化石墨烯(GO)為基底，合成多孔鉑納米顆粒(PtNPs)的復(fù)合材料(PtNPs/GO)。研究發(fā)現(xiàn)PtNPs/GO具有極強(qiáng)的過(guò)氧化物酶活性，對(duì)其進(jìn)行了葉酸的靶向性修飾后可以特異性地識(shí)別葉酸受體高表達(dá)的腫瘤細(xì)胞。此種腫瘤細(xì)胞免疫檢測(cè)法對(duì)腫瘤細(xì)胞的裸眼檢測(cè)極限是125個(gè)細(xì)胞。借助酶標(biāo)儀，其檢測(cè)極限可到達(dá)30個(gè)細(xì)胞。納米酶用于腫瘤細(xì)胞的檢測(cè)4.3環(huán)境監(jiān)測(cè)利用汞離子與納米材料之間相互作用抑制納米酶活性的特點(diǎn)，基于鉑納米顆粒、金納米簇以及鉑-金雙金屬納米顆粒的汞離子檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)限都低于10nmol/L，且初步應(yīng)用于飲用水、化妝品、生活用水源頭水(自來(lái)水、河流、湖泊)中汞含量的檢測(cè)。納米酶檢測(cè)汞離子4.4植物抗逆非生物脅迫如干旱、寒冷、化學(xué)毒性、氧化脅迫會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和生產(chǎn)力產(chǎn)生不利影響。脅迫條件下植物中過(guò)量的ROS會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜、DNA、蛋白質(zhì)和其他細(xì)胞成分受損，從而抑制植物生長(zhǎng)。植物清除ROS的方法主要是通過(guò)抗氧化酶進(jìn)行的，如超氧化物歧化酶（SOD），過(guò)氧化氫酶（CAT），過(guò)氧化物酶（POD）等。因此，提高植物清除ROS的能力，如通過(guò)使用具有抗氧化酶活性的納米材料，可以提高植物對(duì)非生物脅迫的抗性，從而減輕產(chǎn)量損失。改善植物生長(zhǎng)和脅迫耐受性的納米調(diào)節(jié)劑4.4微生物檢測(cè)病原微生物引起的感染性疾病與食物中毒是最常見(jiàn)的疾病之一。利用納米酶的過(guò)氧化物酶樣活性能夠直接殺死病原微生物；如果結(jié)合相應(yīng)的底物(如TMB等)，納米酶也可以用于食物及飲用水中微生物污染狀況的檢測(cè)。Au@Pt納米顆粒檢測(cè)E.coliO157