1.2纳米材料模拟酶


纳米粒子是一类大小在1～100 nm之间、具有独特的化学、电学、物理、力学性能的粒子。由于纳米粒子具有不同于常规材料的尺寸效应、表面与界面效应和宏观量子隧道效应，在农业生产、汽车工业、食品加工、药物传递、电子产品、医学成像、化妆品、分析检测、建筑材料等领域得到了广泛应用。近年来，随着对纳米材料的深入研究，大量文献报道证实，纳米材料可以模拟多种天然酶的活性。


金属有机框架（metal-organic frameworks，MOFs）材料是一类由金属离子和多元有机配体通过共价键形成的新型晶体材料。研究人员已经合成了不同类型的MOFs，并将其广泛应用于电分析领域。沸石咪唑框架（zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs）作为一种常见的多孔MOFs材料，具有化学稳定性高、孔隙率均匀、比表面积大和结构可调节等优良特性。ZIFs可以作为模板和前驱体用于制备具有高导电性和热稳定性的多孔碳材料，通过不同的方式处理后可以作为类超氧化物歧化酶、类过氧化物酶、类氧化酶等。Wu等开发了一种新型的过氧化氢电化学生物传感器。他们采用含钴金属有机骨架碳化工艺，制备了具有菱形十二面体形貌的纳米碳复合材料（Co-NC RDCs）。Co-NC是通过炭化ZIF-67前驱体得到的产物，它具有多孔结构、大的比表面积和高的电导率，且对过氧化氢具有独特的电化学传感性能。


金属纳米材料如金纳米颗粒（AuNPs）、铂纳米颗粒（PtNPs）、银纳米颗粒（AgNPs），氧化铈纳米颗粒（CeOxNPs）等被广泛用于生物传感领域。AuNPs是一种海绵状结构，其有效表面积比相同体积的散装金膜大数百到数千倍。AuNPs同时还具有表面活性位点多、吸附力强、电子密度高等特点，能与多种生物分子结合而不影响其生物活性。因此，AuNPs在生物传感器中的应用为提高传感器性能和开发高效、新型生物传感器提供了可能性。铈离子可以在Ce3+和Ce4+之间可逆转换，使得Ce原子能够快速且大幅度地调整其电子结构（如产生氧空位或缺陷），以最佳的结构适应其周围环境，从而使得CeNPs具有优异的催化特性，可以用于清除各种毒性活性氧物质。2020年，Duanghathaipornsuk等采用普鲁士蓝（PB）和Ce NPs以及氧化石墨烯（GO）制备了CeNPs/GO复合材料，将其作为电极材料构建了用于检测·OH的电化学传感器。该传感器对·OH的检测限为60μmol/L。该项工作为开发检测·OH的电化学传感器提供了新思路。


与金属纳米酶相比，碳基纳米材料具有更高的生物相容性和可调节的酶活性。如石墨烯作为一种碳基纳米材料，由于其优异的导电率、比表面积高和成本低，在电化学传感方面具有非常大的应用潜力。Cui等将锰（Ⅲ）四苯基卟啉（MnTPP）与电化学还原氧化石墨烯（ERGO）复合得到具有超氧化物酶活性的MnTPP/ERGO纳米复合材料用于检测·，检出限为0.039μmol/L。石墨烯非常容易聚集导致其性能受到影响，这极大地限制了它的应用。将石墨烯羟基功能化可以解决它的团聚问题，通过增加含氧基团（羟基、羧基、氧）的数量来增加它在溶剂中的溶解性和分散性，还可以增大电化学传感器的活性表面积从而增强电化学性能。Aghamiri等制备了氧化还原蛋白（Cyt-c）固定在电聚合聚苯胺（PANI）/羟基化多壁碳纳米管（cMWCNT）复合材料薄膜修饰在玻碳电极（GCE）上，并应用于H2O2的痕量检测。具有多孔结构的cMWCNT对蛋白质具有极高的负载能力，通过cMWCNT的石墨结构与PANI的芳香环之间的相互作用结合成cMWCNT/PANI。该材料具有良好的导电性和优异的电荷转移特性。Cyt-c/cMWCNT/PANI/GC传感器对H2O2的检测灵敏度为97.6 nA/（μmol/L），检测限为0.2μmol/L，线性响应范围为2～600μmol/L。


磷酸锰（Mn3（PO4）2）是一种独特的锰盐，可通过歧化反应从水溶液中快速地去除超氧化物。Mn3（PO4）2对·有极好的催化活性，并且生物兼容性好，因此Mn3（PO4）2可以作为纳米模拟酶用于·的检测。Ding等制备了一种基于石墨烯/脱氧核糖核酸/磷酸锰（Gr/DNA/Mn3（PO4）2）模拟酶的传感器，该传感器能快速、灵敏地检测·。在该模拟酶中，利用π-π将DNA吸附在石墨烯上，一方面，在保持碳材料完整结构的同时可以对其进行功能化从而提高Mn3（PO4）2的催化性能；另一方面，将DNA吸附在石墨烯上还可以促进Mn3（PO4）2的均匀生长。该传感器成功检测到了癌细胞中释放的·，在生物传感和生物医疗领域具有广阔的应用前景。


聚苯胺（PANI）由于其高导电性和低成本，在众多导电聚合物中受到极大的关注。这些独特的性能使PANI适用于许多的领域（如燃料电池、超级电容器、电化学传感和生物传感等）。Gabunada等通过湿法回流策略合成了基于磁铁矿纳米棒的聚苯胺/还原氧化石墨烯（Fe3O4 PANI/rGO）。该复合材料热稳定性好、活性表面积大、催化活性点多、导电性强。用Fe3O4 PANI/rGO构建的传感器对H2O2的灵敏度为223.7μA/（mmol/L·cm2），LOD为4.45μmol/L，检测范围为100μmol/L～1.5 mmol/L。


通过一定的手段可以使上述提到的各种新型纳米材料具有更好的电化学活性，从而作为不同种类的纳米模拟酶与电化学技术结合，用于有效地检测活性氧物质，以促进对生物过程的理解和监测。