納米酶研究進展

新一代人工模擬酶：納米酶匯報人：研究方向：匯報時間：目錄01、納米酶的發(fā)現(xiàn)及優(yōu)點03、納米酶活性的影響因素02、納米酶的種類04、納米酶的應用納米酶的發(fā)現(xiàn)及特點1

2007年，科學家發(fā)現(xiàn)Fe3O4納米顆粒本具有內在類似辣根過氧化物酶的催化活性，無需在其表面修飾任何催化基團。磁納米顆粒在過氧化氫存在時，可催化HRP的多種底物發(fā)生氧化反應，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)納米酶是模擬酶領域的新成員Fe3O4催化底物被氧化并產(chǎn)生相應的顯色反應1.2納米酶的特點性質穩(wěn)定制備簡單對環(huán)境耐受性強可重復使用納米酶的種類22.1鐵基納米酶氧化鐵納米粒子是首個被報道的具有催化活性的納米酶，具有內在模擬過氧化物酶活性。最初的研究多集中在鐵磁納米材料的過氧化物酶催化活性，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其催化活性的影響。模擬過氧化物酶的應用范圍非常廣泛，通常與抗體或者其他生物分子偶聯(lián)用于信號放大，并形成可檢測的電信號或者顏色信號，用于血糖檢測、血清免疫檢測、疾病檢測等方面。納米酶用于輪狀病毒免疫檢測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)過氧化物酶活性還可以表現(xiàn)過氧化氫酶活性，且其催化反應不受高濃度過氧化氫抑制，可應用于谷胱甘肽檢測、葡萄糖檢測、免疫檢測等。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用價值。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，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構的Ag基雙金屬合金，表現(xiàn)出了過氧化物酶活性。實驗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、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、過氧化物酶。貴金屬納米材料的4種類酶活性1.3非金屬納米酶許多非金屬材料也具有過氧化物酶活性，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、碳納米點等。氧化石墨烯（GO）是石墨粉末經(jīng)過化學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構存在。GO的過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，因此親水性能與生物相容性較好，同時比表面積大,與底物的親和力強的特性也有助于提高其催化性能。GO對有機小分子底物有著非常強的親和力，因此GO對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尺寸效應納米模擬酶具有普通納米材料的尺寸效應。當納米材料的粒徑減小時，比表面積增大，表面原子數(shù)會成倍增加，導致表面原子的配位數(shù)嚴重不足，因此表面活性位點增加，增強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系。許多研究表明，相等質量的納米酶，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合理控制納米模擬酶的尺寸來達到最優(yōu)催化效果。尺寸對Fe3O4納米酶活性的影響3.2形貌結構納米催化劑在反應過程中因反應條件的不同其形貌和界面結構會發(fā)生相應的變化，進而影響催化性能，通過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活性。這可能是由于不同型貌結構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，導致催化性能不同。Fe3O4納米粒子的形貌對其催化活性的影響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)過一些修飾能夠改變其對底物的親和力，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、小分子會促進或抑制其反應活性。不同基團修飾Fe3O4MNPs的催化活性納米酶的應用44.1免疫檢測利用納米酶建立的免疫檢測方法，可對很多抗原實現(xiàn)快速檢測，這其中包括蛋白質、核酸、小分子抗原、病毒、細菌和細胞，提高檢測的速度和靈敏度，在臨床診斷方面具有巨大的應用前景。比如Fe3O4納米酶，既具有過氧化物酶活性，又具有超順磁性，在外加磁場作用下能夠定向移動。因此，將Fe3O4納米材料粒磁性與催化活性相結合，可以建立一個集分離、富集和檢測三功能于一體的新型酶聯(lián)免疫檢測方法。基于納米酶的免疫檢測新技術4.2腫瘤檢測以氧化石墨烯(GO)為基底，合成多孔鉑納米顆粒(PtNPs)的復合材料(PtNPs/GO)。研究發(fā)現(xiàn)PtNPs/GO具有極強的過氧化物酶活性，對其進行了葉酸的靶向性修飾后可以特異性地識別葉酸受體高表達的腫瘤細胞。此種腫瘤細胞免疫檢測法對腫瘤細胞的裸眼檢測極限是125個細胞。借助酶標儀，其檢測極限可到達30個細胞。納米酶用于腫瘤細胞的檢測4.3環(huán)境監(jiān)測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，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系統(tǒng)檢測限都低于10nmol/L，且初步應用于飲用水、化妝品、生活用水源頭水(自來水、河流、湖泊)中汞含量的檢測。納米酶檢測汞離子4.4植物抗逆非生物脅迫如干旱、寒冷、化學毒性、氧化脅迫會對植物的生長發(fā)育和生產(chǎn)力產(chǎn)生不利影響。脅迫條件下植物中過量的ROS會導致細胞膜、DNA、蛋白質和其他細胞成分受損，從而抑制植物生長。植物清除ROS的方法主要是通過抗氧化酶進行的，如超氧化物歧化酶（SOD），過氧化氫酶（CAT），過氧化物酶（POD）等。因此，提高植物清除ROS的能力，如通過使用具有抗氧化酶活性的納米材料，可以提高植物對非生物脅迫的抗性，從而減輕產(chǎn)量損失。改善植物生長和脅迫耐受性的納米調節(jié)劑4.4微生物檢測病原微生物引起的感染性疾病與食物中毒是最常見的疾病之一。利用納米酶的過氧化物酶樣活性能夠直接殺死病原微生物；如果結合相應的底物(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。Au@Pt納米顆粒檢測E.coliO157