蔡 瑞，劉建波，吳曉春

（1.國家納米科學中心,納米科學卓越研究中心,中國科學院納米標準與檢測重點實驗室,北京100190；2.中國科學院大學,北京100049；3.棗莊學院光電工程學院,棗莊277160）

貴金屬材料可廣泛應(yīng)用于工業(yè)催化、高溫材料、電子和醫(yī)療等領(lǐng)域. 由于在納米尺度獨特的光學性質(zhì)［1］、良好的電學性質(zhì)［2］、較高的光熱轉(zhuǎn)化效率［3］和優(yōu)異的催化性能［4］，貴金屬納米材料引起了廣泛關(guān)注. 貴金屬納米材料優(yōu)良的生物相容性和催化活性也促進了其在生物醫(yī)學領(lǐng)域的研究［5］，2007年，閻錫蘊課題組［6］首次發(fā)現(xiàn)四氧化三鐵磁性納米顆粒具有類過氧化物酶活性，并提出“納米酶”這一概念后，基于貴金屬的納米酶的研究也迅速增多［7］.

目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有多種貴金屬納米材料具有類酶活性，按類酶活性來劃分，貴金屬納米酶可以分為類氧化酶、類過氧化物酶（Peroxidase，POD），類過氧化氫酶（Catalase，CAT）和類超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）等，而且目前已知的貴金屬納米酶可以擁有一種或多種類酶活性. 此外，對貴金屬納米酶進行合理的設(shè)計（形貌設(shè)計、組分調(diào)控、表面修飾等），可進一步改善其類酶活性［8～11］.由于其自身的穩(wěn)定性、較低的生產(chǎn)成本（相對于天然酶）、可調(diào)控的類酶活性及多重類酶活性等優(yōu)勢，基于貴金屬的納米酶有望應(yīng)用于小分子傳感、環(huán)境治理以及疾病診斷與治療等領(lǐng)域［12，13］.

本文總結(jié)了貴金屬基（貴金屬及其復合材料）納米酶的活性種類、活性機理、活性調(diào)控以及在生物醫(yī)學等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用.

1 材料分類

已知的貴金屬基納米酶從材料構(gòu)成來看，可以分為貴金屬單質(zhì)納米材料、貴金屬合金納米材料以及貴金屬復合納米材料. 目前文獻報道的貴金屬單質(zhì)納米酶涵蓋了金［14］、銀［15］、鉑［16］、鈀［17］、釕［18］、銠［19］、鋨［20］和銥［21］等貴金屬，其中涉及單質(zhì)金和單質(zhì)鉑的報道較多. 此外，包含貴金屬的各種納米合金（銀鈀合金［9］、金鈀合金［22］和銀鉑合金［23］等）也顯示出各種類酶活性. 貴金屬納米材料也可以與鐵基納米材料［24］（四氧化三鐵、氧化鐵等）、銅基納米材料［25］（氧化銅、硫化銅等）、碳納米材料［26］（碳點、還原氧化石墨烯等）及其它納米材料形成復合納米材料. 這些貴金屬復合納米材料通?？梢越Y(jié)合不同材料各自的類酶活性或是增強原有的類酶活性，使其用途更為廣泛. 圖1的電鏡照片展示了一些金屬基納米酶的形貌結(jié)構(gòu). 圖1（A）示出了氫化空心Pt/TiO2納米球（H-Pt-TiO2）的TEM 和EDX 元素分布圖，其具有類CAT 活性［27］. 圖1（B）示出了金納米顆粒核多孔空心碳納米球殼（Au@HCNs）納米酶的合成過程示意圖和中間產(chǎn)物的TEM 照片，該納米酶具有類氧化酶和類POD 活性［28］. 圖1（C）為具有類氧化酶活性的金納米棒和金鈀核殼結(jié)構(gòu)納米棒包覆介孔二氧化硅后的TEM 照片（AuNR@mSiO2和Au@PdNR@mSiO2），圖中介孔二氧化硅殼的孔道結(jié)構(gòu)清晰可見［29］. 圖1（D）為具有類POD活性的金納米棒負載的鉑納米顆粒（Au@Pt NRs）和鉑銅納米顆粒雜化結(jié)構(gòu)（Au@PtCu NRs）的TEM 照片［30］. 對于Au@Pt NRs，Pt 納米顆粒均勻分布于金棒表面. 對于Au@PtCu NRs，PtCu 合金納米線則主要位于金納米棒的頭部，呈現(xiàn)樹枝狀分布.

Fig.1 Modulation of particle shapes and structures

2 酶活性分類

從類酶活性來看，已報道的貴金屬基納米酶主要表現(xiàn)為氧化還原酶，常見的有氧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶這4類.

2.1 氧化酶

氧化酶（Oxidase）是以氧氣為電子受體、催化底物氧化的一類酶［13］. Rossi 等［31］首次發(fā)現(xiàn)“裸露”的金納米顆?？梢源呋鯕庋趸咸烟牵哂蓄惼咸烟茄趸富钚? Qu 等［32］制備了膨脹介孔二氧化硅包覆的金納米顆粒（EMSN-AuNPs），其具有類葡萄糖氧化酶和類POD 雙重類酶活性. 介孔二氧化硅基底為AuNPs 的穩(wěn)定分散提供了保障. 利用EMSN-AuNPs 自身的雙重類酶活性，成功構(gòu)建了自激活的催化級聯(lián)體系［圖2（A）］. Tseng等［33］合成了鉑納米團簇，發(fā)現(xiàn)其可以通過四電子還原過程催化氧化3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）、2，2′-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）和多巴胺，具有催化氧氣氧化多種底物的能力. Yin等［34］證明了鉑納米顆粒具有鄰苯二酚氧化酶活性，可以將多酚氧化成相應(yīng)的鄰醌. Petty 等［35］發(fā)現(xiàn)可見光照射下WO3/Pt納米顆粒可以催化氧化還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），證明其具有類NADPH 氧化酶活性，可用于體外殺死小鼠腫瘤細胞及抑制腫瘤生長. Wu等［36］發(fā)現(xiàn)Au@Pt 納米棒具有類抗壞血酸氧化酶活性并減弱其抗氧化功效，暗示Au@Pt 納米棒等材料的類氧化酶活性也可能會對其它抗氧化劑產(chǎn)生抑制效果.

Fig.2 Typical enzyme?like activities

2.2 過氧化氫酶

過氧化氫酶（CAT）是一種催化過氧化氫分解成氧氣和水的酶. Miyamoto等［37］發(fā)現(xiàn)果膠包覆的鉑納米顆粒（PtNPs）能夠分解過氧化氫產(chǎn)生氧氣，表明其具有類POD活性. Yin等［38］利用電子自旋共振光譜（ESR）研究了AuNPs催化過氧化氫的快速分解. 在較低的pH值下，過氧化氫的分解伴隨著羥基自由基的形成，表現(xiàn)出類POD活性. 在較高的pH值下，過氧化氫的分解則伴隨著氧氣的生成，表明AuNPs在中性和堿性條件下表現(xiàn)出類CAT 活性. 這種pH依賴的類酶活性轉(zhuǎn)換也存在于其它貴金屬納米酶中.已有的研究發(fā)現(xiàn)，金、銀、鉑、鈀等材料通常在堿性條件下表現(xiàn)出較強的類CAT活性，而在酸性條件下則以類POD活性為主［39］. Wu等［40］以金屬有機框架顆粒為模板，制備了外包多孔金納米殼、內(nèi)嵌PtNPs和負載光敏劑二氫卟吩e6的多功能雜化納米結(jié)構(gòu)（PUA-Ce6），并將其用于抗腫瘤治療. PUA-Ce6中的PtNPs 具有類CAT 活性，可以將腫瘤部位的H2O2分解成水和氧氣. PUA-Ce6 中的Ce6 能夠捕獲穿透皮膚到達腫瘤部位的近紅外光，并將氧氣轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉€態(tài)氧實現(xiàn)腫瘤殺傷，而吸收近紅外光的多孔金納米殼通過光熱效應(yīng)產(chǎn)生局域高溫殺傷腫瘤［圖2（B）］.

2.3 過氧化物酶

過氧化物酶（POD）是以過氧化氫為電子受體、催化底物（如酚類、胺類化合物）氧化的一類酶，典型的如辣根過氧化物酶［12］. 貴金屬納米材料的類POD活性的研究較多. Li等［41］發(fā)現(xiàn)帶正電荷的AuNPs具有類POD 活性，可以催化H2O2氧化TMB 生成藍色產(chǎn)物. 后續(xù)有許多關(guān)于銀［42］、鉑［16］、鈀［43］、釕［18］、銠［44］和銥［45］的POD 活性研究. Wu 等［9］合成了AgAu，AgPt，AgPd 納米合金，并證明其具有穩(wěn)定的類POD活性. 他們發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)合金組分可以改變其類酶活性，為調(diào)控貴金屬納米酶活性提供了一種可行策略. Nie 等［46］制備了去鐵鐵蛋白包覆的鉑納米顆粒（Pt-Ft）. 在Pt-Ft 的催化作用下，過氧化氫能分別氧化底物TMB和3，3′-二氨基聯(lián)苯胺，表明Pt具有類POD活性. Mashazi等［47］合成了具有類POD活性的金銅納米合金-氧化銅雜化納米結(jié)構(gòu)（CuO-Au），并將其與葡萄糖氧化酶偶聯(lián)用于葡萄糖的檢測. 葡萄糖氧化酶催化氧氣與葡萄糖反應(yīng)生成葡萄糖酸和H2O2. CuO-Au催化H2O2氧化TMB得到呈藍色的TMB氧化產(chǎn)物，通過分光光度法可以對葡萄糖的濃度進行定量檢測［圖2（C）］.

2.4 超氧化物歧化酶

超氧化物歧化酶（SOD）是細胞中用于抗氧化的重要天然酶，可以催化超氧化物歧化生成氧氣和過氧化氫. 金［48］、鉑［49］、鈀［50］、釕［51］和銠［19］等貴金屬納米材料均表現(xiàn)出不同程度的類SOD活性. Wu等［50］發(fā)現(xiàn)鈀納米顆粒可以清除超氧化物，表現(xiàn)出類SOD 活性，有可能將其用于生物系統(tǒng)的抗氧化保護.Miyamoto等［37］發(fā)現(xiàn)PtNPs具有類SOD活性并將其用于秀麗隱桿線蟲的抗氧化治療. 結(jié)果表明，PtNPs可以清除百草枯誘導的H2O2和超氧陰離子，延長秀麗隱桿線蟲的壽命. Ghourchian等［52］制備了去鐵鐵蛋白包覆的金銀合金納米顆粒（Au-Ag-AFT），將其用于抑制人精子細胞低溫保存時的氧化應(yīng)激. 利用Au-Ag-AFT 的類SOD 和類CAT 活性，能夠?qū)⒑虷2O2最終轉(zhuǎn)化為氧氣和水，從而降低了氧化應(yīng)激對細胞的損傷［圖2（D）］.

2.5 其它酶

除了上述主要的類酶活性，貴金屬基納米酶還被報道具有其它的類酶活性. Naik等［53］報道光照下CdS-Pt 納米顆粒具有較強的硝酸還原酶（Nitrate reductase）活性，可催化硝酸離子還原成亞硝酸離子.提高反應(yīng)溫度會增強電子轉(zhuǎn)移，使催化活性進一步提升. Chen等［54］制備了樹枝狀聚合物包覆的鉑納米顆粒（DENPt）并用于催化氫離子還原產(chǎn)生氫氣，證明其具有氫化酶（Hydrogenase）活性. Miyamotoa等［55］發(fā)現(xiàn)PtNPs具有泛醌氧化還原酶（ubiquinone oxidoreductase，NADH）活性，可以作為線粒體復合物Ⅰ的模擬物降低活性氧（ROS）的濃度.

3 催化機理

對于貴金屬納米酶的類酶催化有許多報道，但對其催化機理的探究卻較少. Gao等［39］通過理論計算和實驗驗證探究了金、銀、鉑和鈀的類POD活性和類CAT活性的產(chǎn)生機制，并詳細闡釋了溶液pH對于2種類酶活性的調(diào)控機制［圖3（A）和（B）］. 理論計算表明，類POD活性和類CAT活性是金、銀、鉑、鈀4種貴金屬的本征催化活性. 以Au（111）面為例，在酸性或中性條件下，H2O2吸附在Au（111）面上并發(fā)生堿式分解反應(yīng)，產(chǎn)生具有強氧化性的吸附氧物種O*（*表示吸附在金屬表面的物質(zhì)）. O*能夠奪取有機底物的氫原子使其發(fā)生氧化反應(yīng)，表現(xiàn)出類POD活性. 在堿性條件下，羥基會預先吸附在Au（111）面上. 在OH*的作用下，發(fā)生酸式分解反應(yīng)，產(chǎn)生吸附氧物種脫離金屬表面后變成氧氣釋放出來，表現(xiàn)出類CAT 活性. 其中，OH*既是類CAT 的活性位點，也是類POD 活性的抑制位點［56］. 當pH增大時，H2O2*更易發(fā)生酸式分解，導致類POD活性的降低與類CAT活性的提高，這一理論計算結(jié)果也解釋了pH對于2種類酶活性的影響. 理論計算還發(fā)現(xiàn)，過氧化氫在金屬表面的吸附能越大，金屬的催化活性就越高，與實驗結(jié)果一致，這為納米酶的理性設(shè)計提供了依據(jù).

Fig.3 Predicted catalytic mechanisms via theoretical calculation

隨后，Gao等［57］進一步通過理論計算和實驗驗證探究了金、銀、鉑、鈀的類氧化酶活性和類SOD活性的根源［圖3（C）和（D）］. 空氣中的氧氣主要為三線態(tài)氧（3O2）.3O2自身具有磁矩，因此不易與有機底物發(fā)生反應(yīng). 當3O2吸附于金屬表面時，金屬的電子進入3O2的反鍵軌道，使其發(fā)生解離產(chǎn)生無磁矩的吸附氧物種O*. 該吸附氧物種O*能夠氧化有機底物，表現(xiàn)出類氧化酶活性. 類似的，3O2在金屬表面的吸附能越大，金屬的催化活性就越高. 超氧陰離子·O2-是Br?nsted堿，在溶液中易發(fā)生質(zhì)子化轉(zhuǎn)化為過氧羥基自由基（HO2·）. HO2·吸附于金屬表面后，發(fā)生原子重排生成O2*和H2O2*，表現(xiàn)出類SOD活性.

4 活性調(diào)控

考慮到貴金屬基納米酶在生物、傳感領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，類酶活性的調(diào)控顯得尤為重要. 目前，對貴金屬基納米酶的設(shè)計主要集中在活性調(diào)控，較少涉及底物選擇性. 與天然酶類似，貴金屬基納米酶的活性也會受到溫度［58］和pH［59］的影響. 此外，粒徑調(diào)節(jié)、形貌調(diào)控、組分改變、表面化學修飾、復合結(jié)構(gòu)構(gòu)建、光激發(fā)和抑制劑加入等均能對其類酶活性進行有效調(diào)控.

4.1 粒徑調(diào)控

粒徑對于貴金屬納米酶的活性影響很大. Rossi等［31］在固定金原子濃度的前提下，改變AuNPs的粒徑，考察其類葡萄糖氧化酶活性與粒徑的關(guān)系. 結(jié)果表明，其類葡萄糖氧化酶活性與粒徑呈負相關(guān)，即粒徑越小，活性越高. 他們認為這是由于小粒徑的顆粒比表面積更大，而這符合一般的認知，只有暴露在表面的原子具有催化活性. Yin等［60］測試了3種粒徑（5，30和50 nm）的PtNPs的類抗壞血酸氧化酶活性，發(fā)現(xiàn)其活性隨著粒徑的減小而增強. 以上結(jié)果是在假定顆粒沒有團聚和顆粒表面暴露的原子具有相似的催化活性的前提下得到的. 當上述條件不滿足時，催化活性與顆粒尺寸的關(guān)系會發(fā)生變化［61，62］. Tamiya 等［62］在建立基于AuNPs納米酶活性的電化學發(fā)光（ECL）免疫檢測方法時研究了顆粒粒徑的影響. 他們利用魯米諾電化學發(fā)光檢測了金顆粒尺寸對其類氧化酶活性的影響［圖4（A）］，發(fā)現(xiàn)對于粒徑為5，30，50，80和100 nm的顆粒，活性隨粒徑的增大而減小，但15 nm粒徑的顆粒例外，其催化活性遠高于其它粒徑，推測這可能與顆粒聚集狀態(tài)和表面暴露位點差異有關(guān).

Fig.4 Nanozyme activity regulation

4.2 形貌調(diào)控

形貌也是調(diào)控貴金屬納米酶活性的有效手段. Yin等［63］合成了棱長相近的鈀納米八面體和鈀納米立方體并比較了二者的抗氧化酶活性［圖4（B）］. 結(jié)果表明，｛111｝晶面圍成的鈀納米八面體比｛100｝晶面圍成的鈀納米立方體顯示出更好的保護細胞抵抗活性氧（ROS）的能力. 理論模擬表明，H2O2和HO2·在鈀｛111｝面的吸附能要高于｛100｝面，因此鈀｛111｝面催化清除H2O2和HO2·的能力更強. Tang 等［8］合成具有高指數(shù)面｛hk0｝的鉑凹面納米立方體，發(fā)現(xiàn)其類POD 活性是相同粒徑的鉑納米球的4 倍.Zhou 等［64］合成了由｛100｝晶面圍成的鈀納米立方體（Pd NCs）和由｛730｝晶面圍成的鈀凹面納米立方體（Pd CNCs）. 實驗表明，Pd CNCs比Pd NCs具有更強的類抗壞血酸氧化酶活性. 第一性原理計算表明，Pd｛730｝晶面吸附的O2比Pd｛100｝晶面吸附的O2帶更多的負電荷，有利于抗壞血酸的氧化.

4.3 組分調(diào)控

對于貴金屬合金納米酶，組分改變是調(diào)控其類酶活性的有效策略［65］. Wu等［9］制備了3種基于Ag的中空/多孔雙金屬合金納米顆粒（AgAu，AgPd 和AgPt），它們具有本征的類POD 活性［圖4（C）］. 對于AgPd納米合金，其類POD活性隨著合金中Ag含量的降低而提高. 在后續(xù)實驗中，他們通過在金納米棒上生長PdPt合金納米點，得到了合金組分可調(diào)的Au@PdPt NRs［圖4（D）］［66］. 實驗表明，隨著合金中Pd百分比的增加，Au@PdPt NRs的類氧化酶活性逐漸增強. 此外，Au@PdPt NRs作為類氧化酶催化氧化TMB的穩(wěn)態(tài)動力學實驗表明，提高合金中Pd的比例還可以增強其對TMB的親和力，表明納米酶組分調(diào)控對還原底物的選擇性也有一定影響.

4.4 表面修飾

通常情況下，分散在溶液體系的納米酶需要進行適當?shù)谋砻婊瘜W修飾以便保證其分散穩(wěn)定性. 一方面，這可能會導致部分表面原子被封閉，活性位點數(shù)目減少，類酶活性下降. 另一方面，表面化學修飾也能通過調(diào)節(jié)納米酶的表面電荷、提供特異性表面配體等增加納米酶對底物的親和力，進而實現(xiàn)催化活性的增強和底物選擇性改善. 因此，表面化學修飾也是調(diào)控納米酶性質(zhì)的重要手段［10，18，67～71］.

Fu等［68］發(fā)現(xiàn)肝素（Heparin）可以大幅提高牛血清白蛋白包覆的金納米團簇（AuNCs）的類POD活性［圖5（A）］. 肝素吸附在AuNCs表面能夠使其表面電勢降低，增強AuNCs對帶正電的底物TMB的吸附，導致類酶活性提高. 利用這一特點，他們實現(xiàn)了肝素和肝素酶（Heparinase）的選擇性檢測. Lin等［69］合成了帶正電的巰基乙胺修飾的金納米顆粒和帶負電的檸檬酸根包覆的金納米顆粒，并比較了它們的類POD 活性. 結(jié)果表明，對于同一顯色底物，帶相反電荷的AuNPs 表現(xiàn)出更高的活性. Wu 等［70］發(fā)現(xiàn)AuNCs 表面包覆上四環(huán)素的特異性核酸適配體（TCs-Apt）后能夠加快其對TMB的催化氧化，提高其類POD活性.

Fig.5 Surface chemistry modification and formation of hybrid nanozymes

Zeta電勢結(jié)果表明，TCs-Apt 的包覆使得AuNCs 的表面電勢降低. 當?shù)孜飺Q為帶負電的ABTS 后，TCs-Apt 的包覆則會降低AuNCs 對ABTS 的催化氧化速率. 隨著溶液離子強度的增加，TCs-Apt 對于AuNCs過氧化物酶活性（TMB為底物）的增強程度逐漸縮小，表明AuNCs-TCs-Apt與底物TMB之間的靜電吸引是增強催化活性的主要因素.

Wang等［14］分別用5種嘌呤衍生物包覆AuNPs以提升其類酶活性［圖5（B）］. 研究發(fā)現(xiàn)，2，6-二氨基嘌呤（DAP）包覆的金顆粒具有最強的類POD活性. 由于DAP分子的兩個氨基可以穩(wěn)定金顆粒，導致其對過氧化氫的親和力增強. Qiu等［10］發(fā)現(xiàn)組氨酸修飾可以增強鈀納米顆粒的類POD活性. 組氨酸修飾的鈀顆粒（His-Pd）與水的接觸角遠小于鈀顆粒與水的接觸角，表明His-Pd 具有更好的親水性. 此外，酶穩(wěn)態(tài)動力學研究表明，His-Pd對反應(yīng)底物TMB和H2O2的米氏常數(shù)（Km）遠小于裸露的鈀顆粒，這表明His-Pd 對底物表現(xiàn)出更強的親和力. Zhang 等［71］構(gòu)建了一種基于AuNPs 的納米酶，其具有顯著增強的葡萄糖選擇性和催化氧化活性. 利用分子印跡技術(shù)，他們在聚苯乙烯微球負載的AuNPs的表面包覆了一層帶有“葡萄糖分子特征孔洞”的氨基苯硼酸聚合物外殼，提高了對葡萄糖的選擇性. 為進一步提高催化活性，他們在聚合物外殼中引入了具有供氧功能的全氟辛溴烷納米乳液，顯著提升了納米酶對葡萄糖的催化氧化活性.

4.5 復合材料

構(gòu)建復合納米結(jié)構(gòu)也是調(diào)控納米酶催化性能的有效策略［72～76］. Ni等［73］將PdNPs分散到CeO2納米管上，得到PdNPs/CeO2NTs. 他們發(fā)現(xiàn)，與單獨的PdNPs 和CeO2NTs 相比，PdNPs/CeO2NTs 具有更強的類POD活性，表現(xiàn)出協(xié)同增強效應(yīng). 實驗證明，PdNPs/CeO2NTs活性的提高源于PdNPs和CeO2NTs之間強烈的相互作用，可以顯著增加Ce3+/Ce4+比率. Dong等［74］制備了碳點-鉑納米復合物（CDs-Pt）. 由于碳點與鉑的協(xié)同作用，CDs-Pt的類POD活性分別是碳點和鉑的9倍和5倍. Zhang等［75］在鉑納米顆粒包覆的碳納米管（Pt/CNTs）上沉積了超薄的Fe2O3原子層，極大地提高了其類POD活性并抑制了其類氧化酶活性［圖5（C）］. 研究結(jié)果表明，F(xiàn)e2O3原子層阻擋了底物和Pt活性位點的接觸，降低了Fe2O3/Pt/CNTs的類氧化酶活性. 另一方面，F(xiàn)e2O3原子層的沉積導致Pt/CNTs 中Pt0/Pt2+比例升高并引入了Pt-O-Fe3+活性位點，增強了其對雙氧水的親和性，使得Fe2O3/Pt/CNTs 的類POD 活性顯著提高. 構(gòu)建的基于Fe2O3/Pt/CNTs的葡萄糖比色測定方法因消除了類氧化酶活性帶來的假陽性結(jié)果表現(xiàn)出更高的檢測靈敏度. Qu等［76］制備了具有類POD 活性的金納米團簇-氧化石墨烯納米復合物（AuNCs-GO）［圖5（D）］. 制得的AuNCs-GO在較寬的pH范圍（3≤pH≤7）均顯示出良好的類酶活性. GO比表面積大、對疏水分子親和力高，因此底物TMB可以被氧化石墨烯高效吸附. 此外，AuNCs 的活性位點與GO吸附的底物TMB位于同一區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)與天然酶的催化機制相似，因而能夠極大地提高其類酶活性.

4.6 光增強

貴金屬納米材料具有獨特的尺寸、形狀、組成和結(jié)構(gòu)依賴的局域表面等離激元性質(zhì)（Local surface plasmon resonance，LSPR）. 利用光照激發(fā)局域等離激元，其弛豫過程產(chǎn)生光熱效應(yīng)和光生熱載流子，局域升溫或熱載流子注入都可以用來提高類酶活性［11，25，29，77］. Wu 等［29］制備了鈀包覆的金納米棒（Au@PdNRs）并研究了其近紅外光譜區(qū)LSPR增強的類氧化酶活性. 研究發(fā)現(xiàn)，LSPR增強的類酶活性主要源于局域光熱效應(yīng). 熱電子向分子氧的注入效率很低，其貢獻可以忽略. 進一步利用ROS光譜探針分別鑒別了Pd 和Au 表面激活的O2活性中間體. Pd 表面的O2活性中間體為類原子氧吸附物種，而Au表面的中間體多為類分子氧吸附物種，與之前的理論模擬結(jié)果一致［57］，這種差異導致Au@PdNRs比AuNRs 表現(xiàn)出更高的類氧化酶活性. Xia 等［11］發(fā)現(xiàn)可見光照可以提高粒徑為15 nm的AuNPs 的類POD活性［圖6（A）］. 實驗表明，利用可見光激發(fā)AuNPs的局域表面等離激元，在顆粒表面產(chǎn)生熱電子和熱空穴. 熱電子能夠注入到吸附在AuNPs 表面的H2O2的分子軌道上，激活H2O2分解為·OH，提高了AuNPs的類酶活性. 加入乙醇作為電子供體可以有效捕獲光生空穴，使熱電子注入H2O2的效率進一步提高. Dong 等［77］合成了一種二硫化鉬包覆的金納米雙錐體雜化結(jié)構(gòu)（AuNBPs@MoS2）并用于雙光子熒光成像和抗腫瘤治療［圖6（B）］. 雜化納米結(jié)構(gòu)的類POD 活性產(chǎn)生的ROS 可用于殺傷腫瘤細胞. 由于納米雙錐各向異性的結(jié)構(gòu)以及MoS2中較高的電子密度，激發(fā)AuNBPs@MoS2位于近紅外光譜區(qū)的LSPR可原位產(chǎn)生大量的ROS. 此外，光激發(fā)下，AuNBPs@MoS2顯著的光熱效應(yīng)使局部溶液溫度迅速升高，可用于殺傷細胞. 細胞實驗證明，光熱效應(yīng)和ROS 的聯(lián)合作用可用于增強AuNBPs@MoS2的抗腫瘤治療.

Fig.6 LSPR?enhanced enzyme?like activity

4.7 抑制劑

許多離子、小分子和核酸等會吸附于貴金屬納米酶的表面，覆蓋其表面的活性位點，從而對其類酶活性產(chǎn)生抑制作用［78～82］.

Bansal等［80］發(fā)現(xiàn)特異性識別啶蟲脒的核酸適配體S-18能夠包覆在AuNPs表面使表面鈍化，從而抑制其類POD活性. 當啶蟲脒存在時，適配體S-18會從顆粒表面脫附并與靶向分子啶蟲脒結(jié)合. 通過調(diào)控適配體與靶向分子的相互作用，可以實現(xiàn)AuNPs 類酶活性的抑制與恢復. Xie等［81］發(fā)現(xiàn)半胱氨酸分子能夠抑制金核鉑殼納米顆粒（Au@Pt）的類POD活性. Au@Pt能使H2O2分解成·OH，產(chǎn)生的·OH吸附在顆粒表面氧化有機底物. 電子順磁共振實驗表明，半胱氨酸與Au@Pt 表面的結(jié)合會減弱顆粒表面對·OH的吸附，不利于其類酶催化. Chen等［82］發(fā)現(xiàn)Hg2+能夠在檸檬酸包覆的鉑納米顆粒（PtNP）表面形成汞齊，從而抑制PtNP的類POD活性. 酶穩(wěn)態(tài)動力學實驗表明，Hg2+加入后PtNP對底物（H2O2和TMB）的親和力減弱、催化活性降低. X射線光電子能譜證實了HgPt合金的形成，他們認為非?；顫姷腜tNP表面原子能夠催化檸檬酸還原Hg2+，形成汞齊.

5 應(yīng)用

由于較高的化學穩(wěn)定性，較低的生產(chǎn)成本（相對于天然酶）和易于調(diào)控的催化活性，貴金屬基納米酶有望應(yīng)用于傳感、環(huán)境治理以及疾病治療等領(lǐng)域.

5.1 傳感

5.1.1 離子傳感 食品、飲用水、藥物、工業(yè)廢水中常含有許多種類的離子，一些離子（如汞離子或鉛離子）的濃度一旦超標，可能會對人體健康、環(huán)境造成危害. 因此，研究人員致力于將貴金屬基納米酶應(yīng)用于離子傳感［65，78，83，84］. Wu等［78］合成了金核鉑殼納米棒（Au@PtNRs），并研究了其類POD活性的抑制劑，研究表明，Hg2+對Au@PtNRs的類酶活性有明顯的抑制作用. 據(jù)此，可以通過對類酶反應(yīng)的抑制實現(xiàn)Hg2+的選擇性檢測. Liao等［83］發(fā)現(xiàn)Pb2+能夠誘導谷胱甘肽包覆的金納米團簇（AuNCs）發(fā)生聚集，最終導致其POD活性大幅提高. 在此基礎(chǔ)上，他們提出了一種簡便可靠的Pb2+比色檢測方法［圖7（A）］. 此外，POD活性的聚集誘導增強也揭示了金納米團簇的分散狀態(tài)對其催化活性有很大影響. Lu等［84］發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽（GSH）能夠抑制PtNPs 的類氧化酶活性. 加入Cu2+后可將GSH 氧化成谷胱甘肽二硫化物（GSSG），恢復PtNPs 的類氧化酶活性. 基于這一原理，他們構(gòu)建了一種具有比色、光熱（溫度）和熒光三重信號輸出的Cu2+傳感器.

Fig.7 Detection applications

5.1.2 小分子傳感 研究人員也將貴金屬基納米酶用于多巴胺［85］、葡萄糖［86］等小分子的傳感檢測.Li等［41］合成了帶正電荷的巰基乙胺包覆AuNPs. 該納米顆粒具有類POD活性，可以催化H2O2氧化TMB生成藍色產(chǎn)物，據(jù)此可通過比色法檢測H2O2. Jin 等［86］合成具有POD 活性的超微小鉑納米團簇（Pt NCs）. 穩(wěn)態(tài)動力學實驗表明，Pt NCs對底物TMB和H2O2的親和力強于辣根過氧化物酶. 過氧化氫的電化學還原實驗表明，Pt NCs通過加速TMB和H2O2之間的電子轉(zhuǎn)移從而顯示POD活性. 基于Pt NCs的POD活性開發(fā)了一個新的高度敏感的比色法用于人體血樣中的葡萄糖檢測［圖7（B）］. Qu等［85］發(fā)現(xiàn)牛血清白蛋白包覆的金納米團簇（BSA-AuNCs）能發(fā)出強烈的熒光，加入多巴胺會通過光生電子轉(zhuǎn)移猝滅BSA-AuNCs 的熒光［圖7（B）］. 此外，多巴胺的吸附也會導致BSA-AuNCs 的類POD 活性下降. 由此研制了一種簡便的熒光、比色雙通道探針用于檢測多巴胺.

5.1.3 核酸傳感 利用核酸的堿基互補配對原則，研究人員提出了基于納米酶的核酸分子檢測的方法［87～89］. Wang等［88］制備了介孔二氧化硅包覆的鉑納米顆粒（Pt@mSiO2），之后用單鏈DNA探針分子封閉介孔SiO2的通道以降低鉑顆粒的類POD活性. 之后加入靶標DNA進行雜交后，介孔SiO2的通道隨即打開并恢復PtNPs的類酶活性. 利用PtNPs 催化氧化TMB產(chǎn)生顯色底物，他們提出了一種簡便的無標記檢測核酸的比色方法. Wang等［89］發(fā)現(xiàn)Hg2+能夠激活牛血清白蛋白包覆的銀納米團簇（BSA-AgNCs）的類氧化酶活性. 在此基礎(chǔ)上，利用Hg2+和DNA探針分子上2個胸腺嘧啶的特異性結(jié)合，制備了DNA-Hg2+結(jié)構(gòu). 當加入與探針分子互補的靶標DNA時，被封閉的Hg2+得以釋放并促進BSA-AgNCs的類酶活性提升，由此開發(fā)出了一種無標記檢測DNA分子的比色法.

5.1.4 蛋白質(zhì)傳感 基于抗原-抗體相互作用、適配體-靶標分子相互作用等，貴金屬基納米酶可用于多種蛋白質(zhì)的檢測［90～92］. Li 等［91］提出了一種基于AuNPs 類POD 活性的蓖麻毒素（Ricin，一種劇毒蛋白質(zhì)）比色傳感器［圖7（C）］. 他們發(fā)現(xiàn)，蓖麻毒素結(jié)合適配體（RBA）吸附到AuNPs表面可以加快H2O2氧化TMB 產(chǎn)生藍色產(chǎn)物的速率. 加入蓖麻毒素后，RBA 從AuNPs 表面解吸并與蓖麻毒素結(jié)合，導致AuNPs 的類酶活性下降. 這種用肉眼或光譜比色檢測蓖麻毒素的方法具有特異性好和靈敏度高的優(yōu)點. Yang等［92］以DNA為模板合成了銀鉑雙金屬納米團簇，將其用于凝血酶的比色檢測. 在預吸附鏈霉親和素的96孔板中，利用生物素（Biotin）與鏈霉親和素的特異性相互作用，將連接了生物素的凝血酶核酸適配體固定到96孔板上. 以15-mer凝血酶核酸適配體的單鏈DNA作為模板，合成適配體功能化的ssDNA-Ag/PtNCs. 當目標分子凝血酶存在時，2個核酸適配體與凝血酶特異性結(jié)合形成夾心結(jié)構(gòu)并固定到96孔板上. 利用ssDNA-Ag/PtNCs的類POD活性催化TMB氧化產(chǎn)生藍色產(chǎn)物，實現(xiàn)了凝血酶的定量比色測定.

5.1.5 細胞傳感與病毒傳感 基于貴金屬基納米酶的檢測方法也被用于細胞和病毒的檢測［93～97］. 利用抗體和適配體對細胞表面受體和病毒表面受體的特異性結(jié)合，研究人員開發(fā)了基于貴金屬基納米酶的腫瘤細胞和病毒檢測的方法. Cai等［93］在牛血清白蛋白（BSA）包覆的金納米團簇上共價結(jié)合葉酸分子，以增強其對葉酸過表達的腫瘤細胞的靶向性. 得到的NCs-FA納米探針具有良好的穩(wěn)定性、低的細胞毒性、高的熒光亮度和類酶活性. 實驗證明該納米探針可用于腫瘤組織的熒光/可視化檢測. 對于同一腫瘤組織切片，納米探針的類POD 活性導致的吸收染色和熒光染色同時存在，2 種結(jié)果可相互印證.納米探針也可以有效地區(qū)分正常細胞和癌細胞，顯示出了診斷癌癥的臨床潛力. Yu 等［94］制備了一種葉酸偶聯(lián)的多孔Pd@Au 納米顆粒（Pd@AuNPs），可用于快速檢測人慢性粒細胞白血病細胞（K-562）［圖7（D）］. 測試前，在96 孔板上預先孵化待測的葉酸受體過表達的K-562，然后加入葉酸偶聯(lián)的Pd@AuNPs，借助葉酸與葉酸受體的特異性結(jié)合，將納米顆粒連接到K-562上. 最后利用Pd@AuNPs的類POD 活性進行顯色反應(yīng)，實現(xiàn)K-562 的比色檢測. Hosseini 等［95］介紹了一種比色法測定牛奶樣品中空腸彎曲桿菌含量的方法. 該方法主要基于DNA適配體與空腸彎曲桿菌細胞膜上特定的表面蛋白的相互作用. DNA 適配體通過靜電相互作用包覆在Au@Pd 納米顆粒的表面，抑制其類POD 活性. 空腸彎曲桿菌與DNA適配體結(jié)合后脫離顆粒表面，使Au@Pd恢復類酶活性，催化氧化TMB顯色，實現(xiàn)樣品中空腸彎曲桿菌的定量.

Huang等［96］提出了一種對呼吸道合胞病毒（RSV）的高靈敏度比色檢測法. 他們制備了RSV抗體包覆的金納米顆粒-氧化石墨烯雜化材料（AuNPs-GO）. 利用微量滴定板上吸附的RSV抗體、待測溶液中的RSV及RSV抗體包覆的AuNPs-GO三者形成夾心結(jié)構(gòu)，完成RSV的俘獲. 之后，利用Hg2+增強抗體包覆的AuNPs-GO的類POD活性進行顯色，實現(xiàn)RSV的比色檢測. 類似的，Liu等［97］基于Au@Pt納米棒的類POD活性，建立了基于納米酶的酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）病毒檢測方法. 利用靜電作用將腮腺炎抗原結(jié)合到介孔二氧化硅包覆的Au@Pt納米棒上，得到Ags-APMSN. 然后，將待測樣品中的腮腺炎病毒抗原吸附于微孔板上. 隨后加入腮腺炎IgM 抗體作為橋梁，連接腮腺炎病毒抗原和Ags-APMSN，將Ags-APMSN固定于微孔板上. 最后利用Ags-APMSN的類POD活性氧化底物TMB生成藍色產(chǎn)物，實現(xiàn)對腮腺炎病毒的檢測. 該方法原則上也可以擴展到新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）的抗體檢測.

5.2 疾病治療

5.2.1 抗菌治療 研究發(fā)現(xiàn)貴金屬基納米酶產(chǎn)生的ROS 能有效殺傷細菌，可用于抗菌治療［72，98，99］.Qu 等［98］發(fā)現(xiàn)介孔二氧化硅負載的金納米顆粒（MSN-AuNPs）能夠催化H2O2分解生成羥基自由基.MSN-AuNPs 具有的類氧化酶活性和類POD活性能夠產(chǎn)生·O2-，1O2和·OH. 由于具有產(chǎn)生活性氧（ROS）的能力，MSN-AuNPs對革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）和革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）均表現(xiàn)出顯著的抗菌性能. Wang等［99］發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點-銀納米顆粒雜化材料（GQD/AgNP）同樣也具有類POD和類氧化酶雙重類酶活性，能夠產(chǎn)生ROS，對耐藥菌、大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能.Wang 等［72］在超薄二維金屬有機骨架（MOFs）上生長超小金納米顆粒（UsAuNPs），制得UsAuNPs/MOFs納米復合材料，并將其用于抗菌治療［圖8（A）］. TMB的催化氧化實驗表明，UsAuNPs/MOFs 的類POD活性強于單獨的UsAuNPs和MOFs. 細菌實驗表明，低劑量H2O2在UsAuNPs/MOFs的作用下產(chǎn)生羥基自由基，對革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）和革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）均具有良好的抗菌性能.

5.2.2 癌癥治療 貴金屬基納米酶的類POD活性、光敏化性質(zhì)以及局域光熱效應(yīng)等可以用于緩解腫瘤部位的乏氧［29］以及實現(xiàn)腫瘤細胞的光熱［100］和光動力殺傷［101］. 因此，貴金屬基納米酶是一類有潛力的抗腫瘤治療材料. Gao等［102］在包載了阿霉素（DOX）的聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）表面生長金納米顆粒，之后表面進行聚乙二醇化，制備了具有載藥、類CAT活性、光聲成像和光熱效應(yīng)的多功能雜化納米結(jié)構(gòu)［圖8（B）］. 得到的PLGA/DOX@PDA-Au-PEG雜化結(jié)構(gòu)具有高達69.0%的光熱轉(zhuǎn)換效率和強的光聲信號. 雜化納米結(jié)構(gòu)在808 nm激光照射下，O2產(chǎn)生增強，有效緩解了腫瘤部位的乏氧狀況，DOX的釋放和ROS濃度的提高增強了化療/光熱聯(lián)合治療腫瘤的效果. Wang等［103］在納米金屬有機框架化合物表面嵌入金納米顆粒（Au@ZIF-8），并將光敏劑Ce6 包裹在其內(nèi)部［圖8（C）］. Au@ZIF-8 到達腫瘤部位后，AuNP能夠催化H2O2產(chǎn)生O2，緩解腫瘤部位乏氧. 同時，光照下Ce6產(chǎn)生的1O2對腫瘤細胞進行殺傷. 研究結(jié)果表明，內(nèi)含Ce6的Au@ZIF-8在癌癥治療方面有很大的潛力，為精準醫(yī)療提供了一種簡便策略.

Fig.8 Applications in antibacterial,anticancer,and antioxidant treatments

5.2.3 抗氧化治療 貴金屬基納米酶可清除ROS，可用于與ROS 相關(guān)疾病的治療，如抗氧化治療［52］.Kondo 等［104］研究了鉑納米顆粒（Nano-Pts）對X 射線誘導的人淋巴瘤U937 細胞凋亡的抗氧化作用.Nano-Pts能通過抑制U937細胞內(nèi)ROS（主要是H2O2）來減輕X射線誘導的細胞凋亡. Nano-Pts預處理也可顯著緩解輻射誘導的Fas配體表達和線粒體膜電位降低. Stadler等［105］報道了一種包裹鉑納米顆粒的微反應(yīng)器用于緩解人類神經(jīng)母細胞瘤引發(fā)的興奮性中毒［圖8（D）］. 該微反應(yīng)器能夠通過清除細胞中的H2O2和氨進而緩解興奮性中毒. 該研究有望為與興奮毒性相關(guān)的神經(jīng)疾病提供一種治療方法.

5.3 環(huán)境治理

工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量重金屬離子以及有機污染物對微生物、水生環(huán)境和人類構(gòu)成了嚴重的威脅. 因此，環(huán)境治理受到了廣泛的關(guān)注［106］. Shao等［107］制備了具有類POD活性的Au/CuS納米復合物用來降解有機污染物羅丹明6G. Au/CuS 可以催化H2O2產(chǎn)生具有強氧化性的·OH，氧化許多有機污染物. 此外，Au/CuS可以作為一種高靈敏度和高重現(xiàn)性的表面增強拉曼光譜（SERS）基底. 基于上述2種特性，他們采用Au/CuS底物作為降解污染物羅丹明6G的催化劑，并利用SERS對降解過程進行實時定量監(jiān)測. Wang等［108］合成了Au/Fe3O4/GO納米雜化材料，其具有高催化活性和分散穩(wěn)定性以及磁分離的能力. 這種雜化材料能夠?qū)λ芤褐械腍g2+進行超靈敏檢測. 此外，只需外加磁場即可快速（30 min內(nèi)）將Au/Fe3O4/GO 及其表面結(jié)合的Hg 從溶液中清除，去除效率高達99%. 重復使用15 次后該雜化材料的去除效率仍然很高.

6 總結(jié)與展望

綜上所述，貴金屬基納米酶具有易于調(diào)控的類酶催化活性，可以通過顆粒尺寸、形貌、組成、結(jié)構(gòu)和表面化學等參數(shù)進行調(diào)控. 此外，貴金屬基納米酶獨特的局域等離激元特性賦予了其類酶催化活性的時空調(diào)控性. 貴金屬基納米酶作為一類多功能納米酶引起了研究人員的廣泛關(guān)注，其相關(guān)研究取得顯著進展，在生物傳感、疾病診斷和治療領(lǐng)域展現(xiàn)了誘人前景. 從模擬酶的角度來看，貴金屬基納米酶包括其它種類的納米酶與天然酶相比，目前尚存在一些不足. 首先，納米酶的催化活性和底物選擇性與天然酶相比還有很大的差距. 納米酶的催化活性主要源于其表面暴露的活性位點. 表面暴露的活性位點越多，催化活性就越高. 因此減小顆粒尺寸是提高類酶催化的一個重要手段，實現(xiàn)高效的單原子催化可望將納米酶的催化活性提高到天然酶的水平. 對于底物選擇性，研究人員通過對納米酶的表面進行特異性的抗體和核酸修飾，采用分子印跡技術(shù)及包覆一些結(jié)構(gòu)聚合物來改善其底物的選擇性，目前已取得了一定進展. 其次，目前發(fā)現(xiàn)的納米酶多數(shù)為氧化還原酶，種類相對單一. 如何通過受天然酶的啟發(fā)和發(fā)展理論計算新方法來豐富納米酶的活性種類也是其未來的一個重要發(fā)展方向. 總體而言，納米酶的提出和研究豐富并推動了模擬酶的發(fā)展. 其獨特的多功能集成優(yōu)勢和智能響應(yīng)特性將模擬酶的研究推向了一個新高度，未來尚有很大的發(fā)展空間.