中文題目納米酶的問世與發(fā)展（文獻綜述）學摘要近年來，納米顆粒內(nèi)在的酶樣活性已成為人們關注的一個領域。自2007年納米酶問世以來，放眼全世界，有近30個國家200多個研究實驗室在積極地研究納米酶，有關納米材料模擬酶的研究領域迅速崛起。與天然酶昂貴的價格、易失活、難提取和要求極為苛刻的儲存條件相比，納米材料模擬酶（納米酶）具有穩(wěn)定、經(jīng)濟、易生產(chǎn)（可規(guī)模化制備）和存儲運輸條件要求低、催化效率高等優(yōu)點。這些優(yōu)點使得它們在各個領域的應用中都很有前景。本文章主要討論納米酶的發(fā)現(xiàn)歷程，和現(xiàn)已知的納米酶種類及其代表性的納米材料，以及現(xiàn)階段納米酶在化學、食品安全、生物醫(yī)藥等各個領域應用的最新研究進展，并對納米酶的未來發(fā)展方向提出一些思考。關鍵詞：納米材料；模擬酶；納米酶；催化；疾病診療AbstractInrecentyears,theintrinsicenzymaticactivityofnanoparticleshasbecomeanareaofconcern.Sincetheadventofnano-enzymesin2007,morethan200researchlaboratoriesinnearly30countriesaroundtheworldhavebeenactivelystudyingnano-enzymes,andtheresearchfieldofnano-materialmimeticenzymeshasrisenrapidly.Comparedwithnaturalenzymes,whichareexpensive,inactivated,difficulttoextractanddemandingstorageconditions,nano-materialsmimicenzymes(nanoenzymes)havetheadvantagesofstability,economy,easyproduction(large-scalepreparation),lowstorageandtransportationrequirements,andhighcatalyticefficiency.Theseadvantagesmakethemverypromisinginvariousfieldsofapplication.Thispapermainlydiscussesthediscoveryprocessofnano-enzymes,theknowntypesofnano-enzymesandtheirrepresentativenano-materials,aswellasthelatestresearchprogressofnano-enzymesinvariousfieldssuchaschemistry,foodsafety,biomedicineandsoon,andputsforwardsomethoughtsonthefuturedevelopmentdirectionofnano-enzymes.Keywords:Nanometermaterial;Enzymemimics;Nanozymes;Catalysis;Diagnosisandtreatmentofdiseases目錄中文摘要……………Ⅰ英文摘要……………Ⅱ目錄……………Ⅲ引言………………1納米酶的發(fā)現(xiàn)……………………2納米酶的種類……………………4（一）基于金屬納米顆粒的納米酶………………4（二）基于金屬氧化物的納米酶…………………6（三）基于碳納米管的納米酶……………………7（四）基于其他材料的納米酶……………………10納米酶的應用…………………10（一）納米酶在疾病診斷中的應用……………101．納米酶用于殺菌………102．納米酶用于癌癥診斷…………………123．納米酶用于傳染病診斷………………14（二）納米酶在環(huán)境監(jiān)測和污水治理上的應用…………………16（三）納米酶在免疫檢測和分析中的應用………17結論……………18參考文獻……………18致謝……………20引言人類對酶的認識經(jīng)歷了漫長久遠的過程。在遙遠的中國古代，隨著農(nóng)業(yè)技術的進步，人們開始不在為糧食而發(fā)愁，有了剩余的食物。于是人們將剩余的食物存放在空的桑樹洞里，時間久了，產(chǎn)生了一種具有香味的液體，這就是酒。夏禹時期，人們通過總結食物在容器中儲存一段時間后會產(chǎn)生酒，初步掌握了釀酒的原理及過程。到了殷商之后的周朝，人們就開始發(fā)展釀酒技術。戰(zhàn)國時期的人們就已經(jīng)知道利用酶來制造食品和治療疾病。但是，那個時候的人們并不知道酶具體是怎么工作的，直到1814年，原俄國科學院院士CkirchoffK用少量的麥芽提取液在室溫下使淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)楹吞牵醪秸J識了酶的催化作用，開始了酶的研究。1833年,法國化學家佩恩AnselmePayen和帕索茲ean-FranoisPersoz，從麥芽的水解物中用酒精沉淀得到一種可使淀粉水解生成糖的物質(zhì)，并將其命名為diastase，意思是“分離”，也就是現(xiàn)在所謂的淀粉酶。這是第一個無細胞酶制劑，并指出了它的催化特性和熱不穩(wěn)定性。后來，diastase在法國成為用來表示所有酶的名稱。同時，德國科學家施旺T.Schwann從胃液中提取出了消化蛋白質(zhì)的物質(zhì)，將它命名為胃蛋白酶，取希臘語中的消化之意。1926年，美國科學家薩姆納J.B.Sumner從刀豆種子中提取出脲酶的結晶，這是生物化學史上首次得到的結晶酶，并通過化學實驗證實了脲酶是一種蛋白質(zhì)。20世紀30年代，科學家們相繼提取出多種酶的蛋白質(zhì)結晶，并證實了酶是一類具有生物催化作用的蛋白質(zhì)這一概念。酶是一類強烈吸引科學家們的物質(zhì)，自然界一切生命現(xiàn)象都與酶有關，它們支配著生物的新陳代謝、營養(yǎng)和能量轉(zhuǎn)換等許多催化過程，與生命過程關系密切?？墒牵诩毎推渌烊晃镔|(zhì)中，酶的含量非常非常低，而且酶極其容易在非生理條件下發(fā)生結構變化而失活，分離提純相當困難。盡管如此，科學家們研究酶的熱情也不見消退。在過去幾十年里，科學家們一直在尋求通過全化學合成或半合成的方法制備人工模擬酶,作為高穩(wěn)定性和低成本的天然酶替代品。環(huán)糊精、金屬配合物、卟啉、聚合物、超分子和生物分子（如核酸、催化抗體和蛋白質(zhì)）等已被廣泛探索，通過各種途徑來模擬天然酶的結構和功能。到目前為止，對人工酶的研究科學家們已取得顯著進展。最近，一些納米材料，如富勒烯衍生物、金納米粒子、稀土納米粒子和鐵磁性納米粒子，被發(fā)現(xiàn)其具有類似于酶的獨特的結構。Fig.1Abrieftimelineforthedevelopmentofartificialenzymes(naturalenzymesarealsolistedforcomparison).圖1人工酶（也列出了天然酶進行比較）開發(fā)的簡要時間表納米酶的發(fā)現(xiàn)納米（nm）是一個長度單位，1納米等于10-9米。而納米粒子的尺度一般定義為1-100納米，當微粒的尺寸進入納米量級時，物質(zhì)的性能也發(fā)生了翻天覆地的變化。納米材料和納米技術是當下最熱門的研究課題之一，納米酶的發(fā)現(xiàn)正是基于材料在納米量級內(nèi)（1-100nm）展現(xiàn)出的新特性?！凹{米酶”一詞最初是由Scrimin、Pasquato和他的同事們一起創(chuàng)造的，用來描述他們的硫醇單層保護的具有突出核糖核酸酶樣活性的金簇。在這里，我們采用該術語，并將其擴展成具有催化功能的酶活性的納米材料。在通常情況下，我們認為納米材料本身是不具備生物效應的惰性物質(zhì)，例如被廣泛應用于分離純化和細胞標記等領域的磁性納米顆粒（Magneticnanoparticles）。直到2007年，閻錫蘊教授[1]高利增,閻錫蘊.納米酶的發(fā)現(xiàn)與應用[J].生物化學與生物物理進展,2013,40(10):892-902.的研究團隊發(fā)現(xiàn)無機納米材料磁性Fe3O[1]高利增,閻錫蘊.納米酶的發(fā)現(xiàn)與應用[J].生物化學與生物物理進展,2013,40(10):892-902.Fig.2Fe3O4nanozymedemonstratesperoxidase-likeactivitybycatalyzingH2O2andsubstrateswithcolorreaction圖2Fe3O4納米酶類似天然蛋白酶(Peroxidase)能夠催化底物被H2O2氧化并產(chǎn)生相應的顏色TMB：四甲基聯(lián)苯胺，DAB：2,2'-二氨基偶氮苯，OPD：鄰苯二胺.如上圖2所示，磁性Fe3O4納米顆粒在H2O2存在時，可以催化各種典型酶底物，例如，3,3′、5,5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）、2,2′-二偶氮氨基苯（DAB）和鄰苯二胺（OPD）的氧化，分別產(chǎn)生藍色、棕色和橙色，與辣根過氧化物酶（HRP）的催化相似。經(jīng)過深入的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4-MNPS催化反應符合乒乓球機理（即沒有酶的第三中間體），即Fe3O4-MNPS和HRP一樣，與第一底物結合反應，然后解離釋放產(chǎn)物，再與第二底物反應。與天然的HRP相比，納米酶對過氧化氫的親和力較低（納米酶為154mm，而HRP為3.70mm），但是與HRP相比，TMB具有更高的親和力（納米酶為0.098mm，而HRP為0.434mm）。通過計算出的比率常數(shù)kcal（測量總催化速率）可發(fā)現(xiàn)Fe3O4-MNPS模擬物對TMB和H2O2的反應速度比天然HRP快。這些初步研究的結果刺激了科學家們對將磁性氧化鐵納米材料用作過氧化物酶模擬物的興趣，越來越多的研究團隊將目光投向這一新的領域。在大量的試驗下，研究者們發(fā)現(xiàn)Fe3O4-MNPS與天然HRP相比，具有更大的催化活性，并且在更大的溫度和pH值范圍內(nèi)都表現(xiàn)出更強的活性，而且這種催化活性是可調(diào)節(jié)的。納米顆粒的尺寸、結構、形貌和表面修正對其催化活性有很大影響。在研究了不同粒徑的Fe3O4-MNPS（30nm、150nm和300nm）后，發(fā)現(xiàn)最小粒徑的納米顆粒具有最大的催化活性。這種現(xiàn)象可能有助于更小的納米顆粒具有更多的活性位點和更大的表面體積比，從而與基質(zhì)相互作用。此外，改變Fe3O4-MNPS的結構和形態(tài)也對其過氧化物酶樣活性有顯著影響。納米酶的問世，打破了無機世界與有機世界的壁壘，讓科學家們看到了酶科學發(fā)展的新方向——納米材料與酶技術的結合，推動了材料學、生物學、傳感學等多學科的發(fā)展。由下圖3可以看出，自2007年該報道出現(xiàn)后，有關納米酶的研究如雨后春筍般日益增多，不管是與此有關的論文還是引用的文獻，在數(shù)量上都呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。Fig.3Progressinpublications(a)andcitations(b)inthefieldofnanozyme圖3納米酶研究領域的進展2納米酶的種類2.1基于金屬納米顆粒的納米酶由于合成方法簡便，由檸檬酸鈉法制備得到的金納米顆粒在各個領域中用作廣泛研究，也曾有科學家做過有關納米金的催化活性的研究。2004年，MicheleRossi和他的同事們發(fā)現(xiàn)裸金通過溶解氧可以實現(xiàn)對葡萄糖的氧化PaoloBeltrame,MassimilianoComotti,CristinaDellaPina,MicheleRossi.AerobicoxidationofglucoseI.Enzymaticcatalysis[J].JournalofCatalysis,2004,228(2).。這個反應與葡萄糖氧化酶（GOx）的催化類似，似乎意味著金納米顆?？梢宰鳛镚Ox模擬物。該課題組對其進行了深入的機理研究——他們提出用Eley-Rideal機理解釋該催化現(xiàn)象：葡萄糖首先吸附到金納米顆粒的表面上，然后氧氣靠近金屬表面并與附著的葡萄糖反應產(chǎn)成葡萄糖酸和雙氧水。該催化反應也遵從Michaelis-PaoloBeltrame,MassimilianoComotti,CristinaDellaPina,MicheleRossi.AerobicoxidationofglucoseI.Enzymaticcatalysis[J].JournalofCatalysis,2004,228(2).此外，還有其他研究者合成了鐵蛋白包裹的鉑納米顆粒，并進行了該材料消除活性氧的能力測試。實驗結果表明，在體外條件下，所制備的材料展現(xiàn)出較好的超氧化物歧化模擬酶活性并且具有長期的穩(wěn)定性。He和其課題組制備出了鍍有鉑納米點外殼（Au@Pt納米結構）的Au納米棒HeWeiwei,LiuYing,YuanJinshan,YinJun-Jie,WuXiaochun,HuXiaona,ZhangKe,LiuJianbo,ChenChunying,JiYinglu,GuoYuting.Au@Ptnanostructuresasoxidaseandperoxidasemimeticsforuseinimmunoassays.[J].Biomaterials,2010,32(4).，該材料顯示出多重酶的性質(zhì)——其具有內(nèi)在的氧化酶樣、過氧化物酶樣和過氧化氫酶樣活性，可催化氧和過氧化氫還原，以及過氧化氫的歧化分解生成氧。隨后，他們又發(fā)現(xiàn)Au＠Pt納米棒也具有抗壞血酸氧化酶的活性，這可用于檢測葡萄糖時消除抗壞血酸的干擾HeWeiwei,LiuYing,YuanJinshan,YinJun-Jie,WuXiaochun,HuXiaona,ZhangKe,LiuJianbo,ChenChunying,JiYinglu,GuoYuting.Au@Ptnanostructuresasoxidaseandperoxidasemimeticsforuseinimmunoassays.[J].Biomaterials,2010,32(4).Liu,J.,Liu,W.,Wu,X.,etal.Au@Ptcore/shellnanorodswithperoxidase-andascorbateoxidase-likeactivitiesforimproveddetectionofglucose[J].SensorsandActuators,B.Chemical,2012,B166/167:708-714.后續(xù)也有大量報道指出貴金屬(NobleMetal)納米材料具有過氧化物酶催化活性,其中包括有金納米顆粒和納米棒、鉑納米顆粒以及多金屬形成的復合納米材料,如金-鉑納米棒、銀(鉑、金、鈀)納米顆粒等沈小美,高雪皎,高興發(fā).貴金屬和碳納米酶分子機制的理論研究[J].生物化學與生物物理進展,2018,45(02):204-217.Fig.4Typesandapplicationsofnano-enzymes圖4納米酶的類型及應用2.2基于金屬氧化物的納米酶2007年，閻錫蘊教授的研究團隊首次報道了磁性Fe3O4納米顆粒具有過氧化物模擬酶的性質(zhì)，能在H2O2存在的條件下催化3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）氧化為藍色產(chǎn)物，其它兩種底物重氮氨基苯（DAB）和鄰苯二胺（OPD）也能被氧化成各自相應的氧化態(tài)，產(chǎn)物呈現(xiàn)出對應的棕色和橙色。其催化反應的機理符合乒乓機制和米氏方程等酶的基本反應動力學原理及機制。同時，他們的研究發(fā)現(xiàn)：與天然的過氧化物酶（HRP）相比，磁性Fe3O4納米顆粒在更寬的溫度和pH值范圍內(nèi)仍然可以體現(xiàn)出較高的活性，也證明其穩(wěn)定性相較HRP更高。而且大量的研究也表明Fe3O4納米顆粒的尺寸、結構、形貌和表面修正對其催化活性有很大影響，比如說與三角盤狀和八面體狀相比，球形的Fe3O4納米材料的催化活性更高。同時還可以通過對納米顆粒進行表面的包覆來調(diào)控納米酶的活性，比如Fe3O4納米顆粒用普魯士藍包覆后催化活性會得到巨大的提升。納米酶的可調(diào)控性以及相對廉價易制取的特點使得它的應用前景無限好。隨后，科學家們等對鐵氧化物模擬酶的性質(zhì)進行了更細致的探索研究，發(fā)現(xiàn)鐵與其他納米材料形成的氧化物也具有類似過氧化物酶的催化活性,比如鐵鈷氧化物納米顆粒和鐵錳氧化物納米顆粒等。后續(xù)的實驗結果也顯示，除了鐵氧化物納米顆粒外,硫化鐵和硒化鐵納米材料也具有類似過氧化物酶的催化活性。除了以上說到的Fe基納米酶外，在其他金屬基納米酶里也發(fā)現(xiàn)了類似內(nèi)在的酶樣活性。比如氧化鈰納米顆粒（納米材料）XueJiao,HongjieSong,HuihuiZhao.Well-redispersedceriananoparticles:PromisingperoxidasemimeticsforH2O2andglucosedetection[J].Analyticalmethods,2012,4(10):3261-3267.，由于內(nèi)部Ce3+和Ce4+XueJiao,HongjieSong,HuihuiZhao.Well-redispersedceriananoparticles:PromisingperoxidasemimeticsforH2O2andglucosedetection[J].Analyticalmethods,2012,4(10):3261-3267.除了鐵和鈰氧化物外，Co3O4、CuOChen,Q.-Y.,Lin,X.-H.,Chen,W.,etal.Peroxidase-likeactivityofwater-solublecupricoxidenanoparticlesanditsanalyticalapplicationfordetectionofhydrogenperoxideandglucose[J].TheAnalyst:TheAnalyticalJournaloftheRoyalSocietyofChemistry:AMonthlyInternationalPublicationDealingwithAllBranchesofAnalyticalChemistry,2012,137(7):1706-1712.、MnO2和8RuteAndréChen,Q.-Y.,Lin,X.-H.,Chen,W.,etal.Peroxidase-likeactivityofwater-solublecupricoxidenanoparticlesanditsanalyticalapplicationfordetectionofhydrogenperoxideandglucose[J].TheAnalyst:TheAnalyticalJournaloftheRoyalSocietyofChemistry:AMonthlyInternationalPublicationDealingwithAllBranchesofAnalyticalChemistry,2012,137(7):1706-1712.8RuteAndré,FilipeNatálio,MadalenaHumanes,JanaLeppin,KatjaHeinze,RonWever,H.‐C.Schr?der,WernerE.G.Müller,WolfgangTremel.V₂O₅NanowireswithanIntrinsicPeroxidase‐LikeActivity[J].AdvancedFunctionalMaterials,2011,21(3).下表（圖5）給出的是目前發(fā)現(xiàn)的部分金屬氧化物納米材料及其在各領域的應用。Fig.5Typesandapplicationsofnano-enzymes圖5納米酶的類型及應用2.3基于碳納米管的納米酶除了金屬納米材料外，許多的非金屬納米材料也被發(fā)現(xiàn)具有類似的天然酶的催化活性。宋玉君老師和他的組員發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管（SWNT）具有內(nèi)在的過氧化物酶樣活性，可以在H2O2存在的條件下催化過氧化物酶底物3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）產(chǎn)生顯色反應YujunSong,XiaohuiWang,ChaoZhao,KonggangQu,JinsongRenDr.,XiaogangQuProf..Label‐FreeColorimetricDetectionofSingleNucleotidePolymorphismbyUsingSingle‐WalledCarbonNanotubeIntrinsicPeroxidase‐LikeActivity[J].Chemistry–AEuropeanJournal,2010,16(12).。一開始，為了增加SWNT在水溶液中的溶解性，先用濃硫酸和硝酸的混合物處理SWNT，然后可以發(fā)現(xiàn)在沒有SWNT的情況下，溶液的顏色在12h內(nèi)沒有變化；但是，在有SWNT的情況下，顏色立即從黑色變?yōu)樗{色。這一結果表明，單壁碳納米管可以催化TMB在H2O2存在下的反應生成藍色溶液。此外，研究者還通過改變pH（從1到12），溫度（從20到60°C），和H2O2濃度(從0.1到1000mm)來測量SWNT過氧化物酶樣活性，發(fā)現(xiàn)SWNT的催化活性與pH、溫度和H2O2YujunSong,XiaohuiWang,ChaoZhao,KonggangQu,JinsongRenDr.,XiaogangQuProf..Label‐FreeColorimetricDetectionofSingleNucleotidePolymorphismbyUsingSingle‐WalledCarbonNanotubeIntrinsicPeroxidase‐LikeActivity[J].Chemistry–AEuropeanJournal,2010,16(12).Fig.6SchematicillustrationofSWNTscatalyzingthereactionofperoxidasesubstrateTMBinthepresenceofH2O2togivetheblueproductoxidizedTMB(oxTMB).圖6SWNT在過氧化氫存在下催化過氧化物酶底物TMB反應得到藍色產(chǎn)物（OxTMB）此外，螺旋碳納米管（HCNT）也被發(fā)現(xiàn)能顯示出一種具有吸引力的內(nèi)在過氧化物酶樣活性。在CuiRongjing,Cui,Zhida,Han,Jun-Jie,Zhu.Helicalcarbonnanotubes:intrinsicperoxidasecatalyticactivityanditsapplicationforbiocatalysisandbiosensing.[J].Chemistry(WeinheimanderBergstrasse,Germany),2011,17(34):9377-84.的研究報告中提出了一種新的制備HCNT的方法——在475°C的溫度下，在由水熱法和氫還原相結合的方法得到的鐵納米粒子的存在下，通過乙炔的裂解來合成HCNT。該方法制備得到的HCNT具有大的比表面積和高的過氧化物酶樣活性，這種活性被發(fā)現(xiàn)遵循米氏動力學，并且對H2O2和TMB都顯示出很強的親和力。此外，這種HRongjing,Cui,Zhida,Han,Jun-Jie,Zhu.Helicalcarbonnanotubes:intrinsicperoxidasecatalyticactivityanditsapplicationforbiocatalysisandbiosensing.[J].Chemistry(WeinheimanderBergstrasse,Germany),2011,17(34):9377-84.Fig.7TypicalabsorptioncurvesofTMBreactionsolutionscatalyticallyoxidizedbytheHCNTsinthepresenceofH2O2incubatedat40?°CinpH?4.0bufferInset:ImagesofthesolutionsofHCNTs(left)andthemixtureofTMBandH2O2aftercatalyticreactionbyHCNTs(right).圖7TMB反應溶液被HCNT催化氧化的典型吸收曲線上圖（圖7）為40°C，在pH4.0緩沖液中培養(yǎng)的H2O2存在下，TMB反應溶液被HCNT催化氧化的典型吸收曲線：曲線a為500mmH2O2濃度下（不含HCNT）溶液的吸收光譜；曲線b為0mmH2O2濃度下（含HCNT）溶液的吸收光譜；曲線c則是100mmH2O2濃度時（含HCNT）溶液的吸收光譜。右上角的插圖分別是HCNT溶液（左）和HCNT催化反應后的TMB和H2O2混合物（右）的圖像?？梢钥闯觯€c所得溶液在652nm處表現(xiàn)出最大吸光度，其來源于TMB的氧化產(chǎn)物。而在沒有HCNT的情況下，從溶液中并沒有觀察到這樣的吸收光譜。這說明HCNT具有與過氧化物酶類似的活性。而且經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，與過氧化物酶類似，HCNT的催化活性也受到pH、溫度和H2O2濃度的影響。碳量子點(C-dots)是一類尺寸在10nm以下的新型碳納米材料，不僅具有碳系材料的特性，同時還具有光穩(wěn)定性。有研究發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(GDs)具有非常高效的模擬過氧化物酶特性，隨后又通過實驗證明了GDs可以在H2O2存在的條件下催化TMB產(chǎn)生顯色反應Shi,W.,Wang,Q.,Chen,S.,etal.Carbonnanodotsasperoxidasemimeticsandtheirapplicationstoglucosedetection[J].Chemicalcommunications,2011,47(23):6695-6697.Shi,W.,Wang,Q.,Chen,S.,etal.Carbonnanodotsasperoxidasemimeticsandtheirapplicationstoglucosedetection[J].Chemicalcommunications,2011,47(23):6695-6697.2.4基于其他材料的納米酶有研究報道JunfengZhai,SenLiu,LeiWang.Carboxylfunctionalizedmesoporouspolymer:Anovelperoxidase-likecatalystforH2O2detection[J].Analyticalmethods,2011,3(7):1475-1477.JunfengZhai,SenLiu,LeiWang.Carboxylfunctionalizedmesoporouspolymer:Anovelperoxidase-likecatalystforH2O2detection[J].Analyticalmethods,2011,3(7):1475-1477.3納米酶的應用3.1納米酶在疾病診斷中的應用3.1.1納米酶用于殺菌從古至今，由細菌感染所引發(fā)的疾病都給人類帶來了巨大的困擾。目前常見的抗菌藥物主要是抗生素，然而誤用和濫用抗生素會導致人體肝腎功能損害、菌群失調(diào)等不良反應，同時重復使用一種抗生素可能會使致病菌產(chǎn)生抗藥性（如抗藥性金黃葡萄球菌和綠膿桿菌）、甚至是細菌的二重感染發(fā)生。隨著全世界對抗生素濫用逐漸達成共識，抗生素的使用遭到了嚴格的管理，科學家們開始探索新的抗菌方法。我們知道，H2O2是生物體內(nèi)主要的活性氧物質(zhì)(reactiveoxygenspecies,ROS)，這些活性氧物質(zhì)在機體防御病原體侵襲中發(fā)揮著重要作用。這種物質(zhì)可以分解產(chǎn)生羥基自由基(·OH)，這種活性自由基本身具有很強的氧化能力，可以破壞核酸、蛋白質(zhì)、多糖、脂類等生物分子近而達到殺死細菌的作用?；诂F(xiàn)階段發(fā)現(xiàn)的納米酶所具有的氧化酶和過氧化物酶活性,可以通過催化氧氣或雙氧水在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的自由基(自由基風暴),利用其可以有效殺死多種耐藥性細菌。比如有課題組就利用石墨烯量子點(GQDs)的類過氧化物酶催化活性,成功制出了可用于傷口消毒的GQDs創(chuàng)可貼HanjunSun,NanGao,KaiDong,etal.GrapheneQuantumDots-Band-AidsUsedforWoundDisinfection[J].ACSnano,2014,8(6):6202-6210.。其在小白鼠身上的試驗結果顯示即使在較低濃度H2OHanjunSun,NanGao,KaiDong,etal.GrapheneQuantumDots-Band-AidsUsedforWoundDisinfection[J].ACSnano,2014,8(6):6202-6210.Fig.8TheantibacterialmechanismofGQDsunderalowconcentrationofH2O2圖8GQDs創(chuàng)可貼用于小白鼠傷口消毒Fig.9Biomoleculesdegradationandcariespreventionusingnanozymes圖9納米酶降解生物分子和預防齲齒此外，納米酶還可以用于治療與被膜相關的口腔疾病中，比如說齲齒和牙齦感染。一般來說，細菌容易在口腔發(fā)生累積并且很難除去的原因之一就是細菌可以陷入具有保護作用的細胞外基質(zhì),這些生物被膜存在于口腔中使得藥物很難越過它們?nèi)ブ苯犹幚淼郊毦?。而有研究發(fā)現(xiàn)具有過氧化物酶類似催化活性的鐵磁納米粒子(CAT-NP)可以用于控制菌斑生物膜（如圖8所示）Gao,Lizeng,Liu,Yuan,Kim,Dongyeop,etal.NanocatalystspromoteStreptococcusmutansbiofilmmatrixdegradationandenhancebacterialkillingtosuppressdentalcariesinvivo[J].Biomaterials,2016,101:272-284.。實驗顯示鐵磁納米粒子能夠在酸性條件下催化HGao,Lizeng,Liu,Yuan,Kim,Dongyeop,etal.NanocatalystspromoteStreptococcusmutansbiofilmmatrixdegradationandenhancebacterialkillingtosuppressdentalcariesinvivo[J].Biomaterials,2016,101:272-2納米酶用于癌癥診斷在醫(yī)學上，癌（cancer）是指起源于上皮組織的惡性腫瘤，是惡性腫瘤中最常見的一類。癌癥具有細胞分化和增殖異常、生長失去控制、浸潤性和轉(zhuǎn)移性等生物學特征。惡性腫瘤的臨床表現(xiàn)因其所在的器官、部位以及發(fā)展程度不同而不同，但惡性腫瘤早期多無明顯癥狀，即便有癥狀也常無特異性，等患者出現(xiàn)特異性癥狀時，腫瘤常常已經(jīng)屬于晚期，而醫(yī)學報告顯示二期以上病人的5年存活率僅有16%。因此，研發(fā)高靈敏、高特異性的早期診斷工具對于癌癥的治療具有重要意義。目前針對癌癥早期診斷的手段有基因檢測、腫瘤標記物分子檢測、影像學檢查、病理學檢查等，其中病理學檢查（包括臨床細胞學檢查和病理組織學檢查）為現(xiàn)階段具有確診意義的檢查手段。目前常規(guī)的基因檢測方法主要是通過聚合酶鏈式反應（polymerasechainreaction，PCR）擴增基因，然后使用帶標簽的核酸探針進行識別并轉(zhuǎn)化為可檢測的信號。但是這種方法不僅耗時費力，而且操作起來并不容易。有研究小組利用納米酶設計出了一種簡單、無標簽的DNA檢測方法——在介孔二氧化硅(mesoporoussilica,mSiO2)中裝載鉑納米顆粒(Ptnanoparticles,PtNPs)，構建Pt@mSiO2納米材料，可用于乳腺癌基因BRCA1的檢測。結果表明，這種不需要標簽、利用納米酶放大信號的方法對BRCA1的檢測靈敏度可達3nmol/L，并且具有良好的單堿基對錯配識別能力，可以檢測到基因的單堿基突變。比起傳統(tǒng)的基因檢測方法，這種方法不需要標記探針，而且檢測靈敏度高，在臨床上有很大的應用價值。其次，納米酶也被大量用于對腫瘤標志物分子檢測孟祥芹,范克龍.納米酶在疾病診斷中的應用[J].生物化學與生物物理進展,2018,45(02):218-236.，比如整合素蛋白GPⅡ孟祥芹,范克龍.納米酶在疾病診斷中的應用[J].生物化學與生物物理進展,2018,45(02):218-236.Fig.10Detectionofcancermarkerbynanozymes圖10納米酶用于腫瘤標志物分子檢測3.1.3納米酶用于傳染病診斷傳染病（InfectiousDiseases）是由各種病原體引起的能在人與人、動物與動物或人與動物之間相互傳播的一類疾病，其中病原體中大部分是微生物，小部分為寄生蟲。傳染病的傳播和流行必須具備3個環(huán)節(jié)，即傳染源（能排出病原體的人或動物）、傳播途徑（病原體傳染他人的途徑）及易感人群（對該種傳染病無免疫力者）。若能完全切斷其中的一個環(huán)節(jié)，即可防止該種傳染病的發(fā)生和流行。目前全球防疫部門采取的應對方式主要是對感染者進行快速診斷和確診后迅速隔離，從而避免大范圍的感染和傳播。正是由于意識到快速診斷對傳染病防治的重要性,很多科學家嘗試利用納米酶檢測靈敏度高的特點將其應用于傳染病的快速診斷方面。1976年在蘇丹南部和剛果（金）（舊稱扎伊爾）的埃博拉河地區(qū)發(fā)現(xiàn)的埃博拉（Ebolavirus，又譯作伊波拉）病毒，是一種非常罕見又十分致命的病毒。它是一種能引起人類和其他靈長類動物產(chǎn)生埃博拉出血熱的烈性傳染病病毒，其引起的埃博拉出血熱（EBHF）是當今世界上最致命的病毒性出血熱，感染者癥狀包括惡心、嘔吐、腹瀉、膚色改變、全身酸痛、體內(nèi)出血、體外出血、發(fā)燒等。感染者的死亡率在50%至90%之間，爆發(fā)后是十分兇險的疫情，因此迫切需要一種快速、高敏感度和易于操作的埃博拉診斷試劑。我國中科院的課題組利用Fe3O4納米酶代替膠體金試紙條中的膠體金納米顆粒，然后偶聯(lián)EBOV抗體，發(fā)明了一種納米酶試紙條法（如圖11所示）DeminDuan,KelongFan,DexiZhang,ShuguangTan,MifangLiang,YangLiu,JianlinZhang,PanheZhang,WeiLiu,XiangguoQiu,GaryP.Kobinger,GeorgeFuGao,XiyunYan.Nanozyme-stripforrapidlocaldiagnosisofEbola[J].BiosensorsandBioelectronics,2015,74.DeminDuan,KelongFan,DexiZhang,ShuguangTan,MifangLiang,YangLiu,JianlinZhang,PanheZhang,WeiLiu,XiangguoQiu,GaryP.Kobinger,GeorgeFuGao,XiyunYan.Nanozyme-stripforrapidlocaldiagnosisofEbola[J].BiosensorsandBioelectronics,2015,74.Fig.11Nano-enzymeteststrip圖11納米酶試紙條法艾滋病是一種危害性極大的傳染病，由感染艾滋病病毒（humanimmunodeficiencyvirus,HIV病毒）引起。HIV是一種能攻擊人體免疫系統(tǒng)的病毒，它把人體免疫系統(tǒng)中最重要的CD4T淋巴細胞作為主要攻擊目標，大量破壞該細胞，從而使人體喪失免疫功能。在針對HIV的檢測方面，目前主要有抗體、抗原及病毒基因測定等方法。有研究發(fā)現(xiàn)，汞離子可以特異性地刺激牛血清白蛋白包裹的銀納米顆粒(BSA-AgNCs)產(chǎn)生氧化酶活性?；诖税l(fā)現(xiàn)，她們發(fā)明了一種無標簽且無需H2O2的HIV病毒基因測定方法（如圖12所示）Guang-LiWang,Lu-YiJin,Xiu-MingWu,Yu-MingDong,Zai-JunLi.Label-freecolorimetricsensorformercury(II)andDNAonthebasisofmercury(II)switched-ontheoxidase-mimickingactivityofsilvernanoclusters[J].AnalyticaChimicaActa,2015,871.Guang-LiWang,Lu-YiJin,Xiu-MingWu,Yu-MingDong,Zai-JunLi.Label-freecolorimetricsensorformercury(II)andDNAonthebasisofmercury(II)switched-ontheoxidase-mimickingactivityofsilvernanoclusters[J].AnalyticaChimicaActa,2015,871.Fig.12DetectionofHIVVirusGene圖12HIV病毒基因測定方法研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以檢測到20nmol/L的HIV病毒DNA片段HIV-1,而且能區(qū)分含有單個堿基突變的DNA序列。這一新型病毒基因測定方法不依賴H2O2，同時靈敏度高、特異性強，而且不需要對待檢測的DNA進行額外修飾，在臨床樣品的檢測方面具有潛在的巨大應用價值。3.2納米酶在環(huán)境監(jiān)測與污水治理上的應用環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容之一是監(jiān)控過氧化物和重金屬離子的含量。我們發(fā)現(xiàn)，可以利用納米酶取代天然酶在環(huán)境監(jiān)測中的作用羅成,李艷,龍建綱.納米材料模擬酶的應用研究進展[J].中國科學:化學,2015,45(10):1026-1041.一般來說，雨水中的氮、硫化合物會被過氧化物氧化,從而使得酸度升高,形成酸雨。科學家們利用納米酶的過氧化物酶催化活性,可以快速檢測出雨水中過氧化物的含量,實現(xiàn)對酸雨的監(jiān)測。另外,納米酶還可以被用于檢測環(huán)境中的重金屬離子含量。將重金屬離子Hg2+加入具有過氧化物酶活性的納米材料中，會使羥基自由基能更容易地附著在納米材料表面，從而提高該納米材料的酶活性。通過Hg2+濃度和納米酶活性二者之間的定量關系可以實現(xiàn)對Hg2+的檢測。磁性納米酶具有的比表面積大、吸附能力強的優(yōu)勢和磁性材料的易于磁分離能力及穩(wěn)定的催化能力還可以用于污水處理。我們知道，污水中含有大量的苯酚類、苯胺類化合物、還有一些高磷農(nóng)藥、殺蟲劑等。研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過利用納米酶催化過氧化氫產(chǎn)生大量自由基來達到降解污水中的污染物的目的。相對于天然酶成本高、不穩(wěn)定、反應條件苛刻的局限性,納米酶既經(jīng)濟高效又穩(wěn)定，而且對環(huán)境友好無害，并且對多種污染物都具有降解作用，還可以通過循環(huán)使用進一步降低成本。因此，納米酶在污水治理方面具有廣泛的應用價值。3.3納米酶在免疫檢測和分析中的應用澳大利亞的MattTrau課題組利用Fe3O4納米酶的雙功能特性——磁性及過氧化物酶活性，構建了一種能快速的分離出病人血清中的循環(huán)腫瘤細胞(circulatingtumorcell，CTC)并對其進行比色檢測的納米酶免疫分析法Li,Junrong,Wang,Yuling,Wang,Jing,etal.Simpleandrapidcolorimetricdetectionofmelanomacirculatingtumorcellsusingbifunctionalmagneticnanoparticles[J].TheAnalyst:TheAnalyticalJournaloftheRoyalSocietyofChemistry:AMonthlyInternationalPublicationDealingwithAllBranchesofAnalyticalChemistry,2017,142(24):4788-4793.。他們先是用羧基修飾過的Fe3O4納米酶共價偶聯(lián)黑色素瘤特異性識別抗體，然后將這種帶有特異性識別功能的納米酶加入到病人血清中。通過Fe3O4納米酶的磁性，可以實現(xiàn)對CTC的富集和分離；同時，利用其過氧化物酶活性，實現(xiàn)了對CTC細胞的可視化檢測。實驗結果顯示該方法對黑