2007年，Landmark的研究認為Fe3O4納米顆粒（NPs)可替代辣根過氧化物酶（HRP），在酶聯(lián)免疫吸附試驗(ELISA)中，F(xiàn)e3O4 NPs同樣具有和氧化信號分子3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）相同的催化能力。這一研究具有里程碑意義。不久，Wei和Wang構(gòu)建了一個用葡萄糖氧化酶（GOx）和Fe3O4 NPs監(jiān)測葡萄糖濃度的實驗，證明了酶和無機納米顆?？捎糜谏飩鞲械目尚行?。
 圖1. 基于納米酶的傳感平臺示意圖此后，越來越多的納米材料（如碳、金屬、金屬氧化物、金屬-有機框架以及其他的納米材料）被證明具有不同的類酶活性，通過整合納米材料和酶的兩個概念被統(tǒng)稱為“納米酶”。與傳統(tǒng)納米催化劑相比，“納米酶”強調(diào)在生理條件下模擬酶轉(zhuǎn)化底物的功能。對于其他人工酶，“納米酶”強調(diào)納米材料，豐富了人工酶從有機化學到無機化學的擴展。納米材料的經(jīng)濟成本、高穩(wěn)定性和多功能的物理化學特性克服了酶的固有不穩(wěn)定性和成本，同時在合理設(shè)計和功能化方面提供了更多的潛力，如磁響應(yīng)，光熱特性，表面增強拉曼散射（SERS），熒光等。上述多功能不僅為環(huán)境保護和醫(yī)療保健治療提供了可能性，而且可以進行基于多平臺的傳感和成像。近日，南京大學魏輝教授在Analytical Chemistry發(fā)表題為“Nanozyme-Enabled Analytical Chemistry”的綜述文章。作者首先總結(jié)了“納米酶”在分析化學中的進展。具有過氧化物酶活性和氧化酶活性的納米酶可用于傳感。原則上，較高的活度降低了檢測限（LOD），而較好的選擇性排除了其他干擾，為分析化學提供了基礎(chǔ)。討論制備高性能“納米酶”的策略（增強活性和特異性）。討論各種分析物在體外和在體內(nèi)的應(yīng)用。此外，納米酶輔助診斷成像技術(shù)也被涵蓋。討論了納米酶領(lǐng)域目前面臨的挑戰(zhàn)。圖2. 基于Ni-Pt納米酶的酶聯(lián)免疫吸附試驗及其性能改進。催化科學、材料化學和計算技術(shù)的發(fā)展促進了納米酶活性的提高，這是納米酶取代酶或超越酶的前提。隨著納米酶報道的一些創(chuàng)紀錄的高活性，特異性的缺乏變得突出，因為它可能會被類似物干擾，從而阻礙真正的無酶感應(yīng)。將MIPs、超分子化學等化學識別技術(shù)和多通道指紋識別技術(shù)引入納米酶領(lǐng)域。更重要的是，具有自適應(yīng)鍵的單原子碳、MOF和COF等新興材料在精細模仿自然方面也展現(xiàn)出巨大的潛力。這種高性能的納米酶及其多功能性描述了納米酶可以達到的多種分析靶點和分析方法，從體外傳感和藥物評估到體內(nèi)檢測、診斷和成像。盡管從Michaelis-Menten動力學方程可以得到類似的Michaelis-Menten常數(shù)，但由于測量單個粒子的確切活性位點數(shù)量的問題，仍然難以獲得納米酶的真實TOF。此外，越來越多的證據(jù)表明，納米酶的作用機制不僅取決于材料的種類，還取決于底物，從而導致更復(fù)雜的情況。只有結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和更深入的機理研究，才能更好地指導研究者篩選出活性好、特異性更好的納米酶。
納米酶的兩個顯著特征是它們的穩(wěn)定性和易于加工。將納米酶應(yīng)用于器件中，不僅可以充分利用納米酶的電導率等多種功能，而且可以延長酶基生物傳感器的生命周期。然而，很少有商業(yè)化的納米酶驅(qū)動的條帶或便攜式設(shè)備進入市場。納米酶在機制和實際應(yīng)用方面的研究進展，為進一步深入理解納米酶提供了有力的證據(jù)。納米酶是人工酶與納米材料的交叉產(chǎn)物。然而，研究納米材料(尤其是無機納米材料)固有的類酶活性有助于更便宜、更穩(wěn)定或更快的檢測方法。
https:///10.1021/acs.analchem.1c04492
魏輝，南京大學教授，博士生導師，國家高層次海外研究人員入選者，國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金項目獲得者，英國皇家化學會會士（Fellow of the Royal Society of Chemistry）。本科畢業(yè)于南京大學化學化工學院，師從夏興華教授。博士畢業(yè)于中國科學院長春應(yīng)用化學研究所，師從汪爾康院士。之后分別在UIUC和Emory大學從事博士后研究工作。2013年加入南京大學現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院。 目前，研究工作集中在生物納米功能材料、生物納米醫(yī)學、生物分析與傳感等方面。自開展研究工作以來，在Nature Nanotechnology、Chemical Society Reviews、Nature Communications, Science Advances，Analytical Chemistry、Chemical Science等國際學術(shù)期刊上發(fā)表90余篇研究論文，論文被引用7000余次?，F(xiàn)任自然(Nature)出版社《Scientific Reports》雜志編委。
|
