贵金属基纳米酶的研究进展

蔡 瑞，刘建波，吴晓春

（1.国家纳米科学中心,纳米科学卓越研究中心,中国科学院纳米标准与检测重点实验室,北京100190；2.中国科学院大学,北京100049；3.枣庄学院光电工程学院,枣庄277160）

贵金属材料可广泛应用于工业催化、高温材料、电子和医疗等领域. 由于在纳米尺度独特的光学性质［1］、良好的电学性质［2］、较高的光热转化效率［3］和优异的催化性能［4］，贵金属纳米材料引起了广泛关注. 贵金属纳米材料优良的生物相容性和催化活性也促进了其在生物医学领域的研究［5］，2007年，阎锡蕴课题组［6］首次发现四氧化三铁磁性纳米颗粒具有类过氧化物酶活性，并提出“纳米酶”这一概念后，基于贵金属的纳米酶的研究也迅速增多［7］.

目前，已经发现有多种贵金属纳米材料具有类酶活性，按类酶活性来划分，贵金属纳米酶可以分为类氧化酶、类过氧化物酶（Peroxidase，POD），类过氧化氢酶（Catalase，CAT）和类超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）等，而且目前已知的贵金属纳米酶可以拥有一种或多种类酶活性. 此外，对贵金属纳米酶进行合理的设计（形貌设计、组分调控、表面修饰等），可进一步改善其类酶活性［8～11］.由于其自身的稳定性、较低的生产成本（相对于天然酶）、可调控的类酶活性及多重类酶活性等优势，基于贵金属的纳米酶有望应用于小分子传感、环境治理以及疾病诊断与治疗等领域［12，13］.

本文总结了贵金属基（贵金属及其复合材料）纳米酶的活性种类、活性机理、活性调控以及在生物医学等领域的潜在应用.

1 材料分类

已知的贵金属基纳米酶从材料构成来看，可以分为贵金属单质纳米材料、贵金属合金纳米材料以及贵金属复合纳米材料. 目前文献报道的贵金属单质纳米酶涵盖了金［14］、银［15］、铂［16］、钯［17］、钌［18］、铑［19］、锇［20］和铱［21］等贵金属，其中涉及单质金和单质铂的报道较多. 此外，包含贵金属的各种纳米合金（银钯合金［9］、金钯合金［22］和银铂合金［23］等）也显示出各种类酶活性. 贵金属纳米材料也可以与铁基纳米材料［24］（四氧化三铁、氧化铁等）、铜基纳米材料［25］（氧化铜、硫化铜等）、碳纳米材料［26］（碳点、还原氧化石墨烯等）及其它纳米材料形成复合纳米材料. 这些贵金属复合纳米材料通常可以结合不同材料各自的类酶活性或是增强原有的类酶活性，使其用途更为广泛. 图1的电镜照片展示了一些金属基纳米酶的形貌结构. 图1（A）示出了氢化空心Pt/TiO2纳米球（H-Pt-TiO2）的TEM 和EDX 元素分布图，其具有类CAT 活性［27］. 图1（B）示出了金纳米颗粒核多孔空心碳纳米球壳（Au@HCNs）纳米酶的合成过程示意图和中间产物的TEM 照片，该纳米酶具有类氧化酶和类POD 活性［28］. 图1（C）为具有类氧化酶活性的金纳米棒和金钯核壳结构纳米棒包覆介孔二氧化硅后的TEM 照片（AuNR@mSiO2和Au@PdNR@mSiO2），图中介孔二氧化硅壳的孔道结构清晰可见［29］. 图1（D）为具有类POD活性的金纳米棒负载的铂纳米颗粒（Au@Pt NRs）和铂铜纳米颗粒杂化结构（Au@PtCu NRs）的TEM 照片［30］. 对于Au@Pt NRs，Pt 纳米颗粒均匀分布于金棒表面. 对于Au@PtCu NRs，PtCu 合金纳米线则主要位于金纳米棒的头部，呈现树枝状分布.

Fig.1 Modulation of particle shapes and structures

2 酶活性分类

从类酶活性来看，已报道的贵金属基纳米酶主要表现为氧化还原酶，常见的有氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶这4类.

2.1 氧化酶

氧化酶（Oxidase）是以氧气为电子受体、催化底物氧化的一类酶［13］. Rossi 等［31］首次发现“裸露”的金纳米颗粒可以催化氧气氧化葡萄糖，具有类葡萄糖氧化酶活性. Qu 等［32］制备了膨胀介孔二氧化硅包覆的金纳米颗粒（EMSN-AuNPs），其具有类葡萄糖氧化酶和类POD 双重类酶活性. 介孔二氧化硅基底为AuNPs 的稳定分散提供了保障. 利用EMSN-AuNPs 自身的双重类酶活性，成功构建了自激活的催化级联体系［图2（A）］. Tseng等［33］合成了铂纳米团簇，发现其可以通过四电子还原过程催化氧化3，3′，5，5′-四甲基联苯胺（TMB）、2，2′-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）和多巴胺，具有催化氧气氧化多种底物的能力. Yin等［34］证明了铂纳米颗粒具有邻苯二酚氧化酶活性，可以将多酚氧化成相应的邻醌. Petty 等［35］发现可见光照射下WO3/Pt纳米颗粒可以催化氧化还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH），证明其具有类NADPH 氧化酶活性，可用于体外杀死小鼠肿瘤细胞及抑制肿瘤生长. Wu等［36］发现Au@Pt 纳米棒具有类抗坏血酸氧化酶活性并减弱其抗氧化功效，暗示Au@Pt 纳米棒等材料的类氧化酶活性也可能会对其它抗氧化剂产生抑制效果.

Fig.2 Typical enzyme⁃like activities

2.2 过氧化氢酶

过氧化氢酶（CAT）是一种催化过氧化氢分解成氧气和水的酶. Miyamoto等［37］发现果胶包覆的铂纳米颗粒（PtNPs）能够分解过氧化氢产生氧气，表明其具有类POD活性. Yin等［38］利用电子自旋共振光谱（ESR）研究了AuNPs催化过氧化氢的快速分解. 在较低的pH值下，过氧化氢的分解伴随着羟基自由基的形成，表现出类POD活性. 在较高的pH值下，过氧化氢的分解则伴随着氧气的生成，表明AuNPs在中性和碱性条件下表现出类CAT 活性. 这种pH依赖的类酶活性转换也存在于其它贵金属纳米酶中.已有的研究发现，金、银、铂、钯等材料通常在碱性条件下表现出较强的类CAT活性，而在酸性条件下则以类POD活性为主［39］. Wu等［40］以金属有机框架颗粒为模板，制备了外包多孔金纳米壳、内嵌PtNPs和负载光敏剂二氢卟吩e6的多功能杂化纳米结构（PUA-Ce6），并将其用于抗肿瘤治疗. PUA-Ce6中的PtNPs 具有类CAT 活性，可以将肿瘤部位的H2O2分解成水和氧气. PUA-Ce6 中的Ce6 能够捕获穿透皮肤到达肿瘤部位的近红外光，并将氧气转变为单线态氧实现肿瘤杀伤，而吸收近红外光的多孔金纳米壳通过光热效应产生局域高温杀伤肿瘤［图2（B）］.

2.3 过氧化物酶

过氧化物酶（POD）是以过氧化氢为电子受体、催化底物（如酚类、胺类化合物）氧化的一类酶，典型的如辣根过氧化物酶［12］. 贵金属纳米材料的类POD活性的研究较多. Li等［41］发现带正电荷的AuNPs具有类POD 活性，可以催化H2O2氧化TMB 生成蓝色产物. 后续有许多关于银［42］、铂［16］、钯［43］、钌［18］、铑［44］和铱［45］的POD 活性研究. Wu 等［9］合成了AgAu，AgPt，AgPd 纳米合金，并证明其具有稳定的类POD活性. 他们发现调节合金组分可以改变其类酶活性，为调控贵金属纳米酶活性提供了一种可行策略. Nie 等［46］制备了去铁铁蛋白包覆的铂纳米颗粒（Pt-Ft）. 在Pt-Ft 的催化作用下，过氧化氢能分别氧化底物TMB和3，3′-二氨基联苯胺，表明Pt具有类POD活性. Mashazi等［47］合成了具有类POD活性的金铜纳米合金-氧化铜杂化纳米结构（CuO-Au），并将其与葡萄糖氧化酶偶联用于葡萄糖的检测. 葡萄糖氧化酶催化氧气与葡萄糖反应生成葡萄糖酸和H2O2. CuO-Au催化H2O2氧化TMB得到呈蓝色的TMB氧化产物，通过分光光度法可以对葡萄糖的浓度进行定量检测［图2（C）］.

2.4 超氧化物歧化酶

超氧化物歧化酶（SOD）是细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气和过氧化氢. 金［48］、铂［49］、钯［50］、钌［51］和铑［19］等贵金属纳米材料均表现出不同程度的类SOD活性. Wu等［50］发现钯纳米颗粒可以清除超氧化物，表现出类SOD 活性，有可能将其用于生物系统的抗氧化保护.Miyamoto等［37］发现PtNPs具有类SOD活性并将其用于秀丽隐杆线虫的抗氧化治疗. 结果表明，PtNPs可以清除百草枯诱导的H2O2和超氧阴离子，延长秀丽隐杆线虫的寿命. Ghourchian等［52］制备了去铁铁蛋白包覆的金银合金纳米颗粒（Au-Ag-AFT），将其用于抑制人精子细胞低温保存时的氧化应激. 利用Au-Ag-AFT 的类SOD 和类CAT 活性，能够将和H2O2最终转化为氧气和水，从而降低了氧化应激对细胞的损伤［图2（D）］.

2.5 其它酶

除了上述主要的类酶活性，贵金属基纳米酶还被报道具有其它的类酶活性. Naik等［53］报道光照下CdS-Pt 纳米颗粒具有较强的硝酸还原酶（Nitrate reductase）活性，可催化硝酸离子还原成亚硝酸离子.提高反应温度会增强电子转移，使催化活性进一步提升. Chen等［54］制备了树枝状聚合物包覆的铂纳米颗粒（DENPt）并用于催化氢离子还原产生氢气，证明其具有氢化酶（Hydrogenase）活性. Miyamotoa等［55］发现PtNPs具有泛醌氧化还原酶（ubiquinone oxidoreductase，NADH）活性，可以作为线粒体复合物Ⅰ的模拟物降低活性氧（ROS）的浓度.

3 催化机理

对于贵金属纳米酶的类酶催化有许多报道，但对其催化机理的探究却较少. Gao等［39］通过理论计算和实验验证探究了金、银、铂和钯的类POD活性和类CAT活性的产生机制，并详细阐释了溶液pH对于2种类酶活性的调控机制［图3（A）和（B）］. 理论计算表明，类POD活性和类CAT活性是金、银、铂、钯4种贵金属的本征催化活性. 以Au（111）面为例，在酸性或中性条件下，H2O2吸附在Au（111）面上并发生碱式分解反应，产生具有强氧化性的吸附氧物种O*（*表示吸附在金属表面的物质）. O*能够夺取有机底物的氢原子使其发生氧化反应，表现出类POD活性. 在碱性条件下，羟基会预先吸附在Au（111）面上. 在OH*的作用下，发生酸式分解反应，产生吸附氧物种脱离金属表面后变成氧气释放出来，表现出类CAT 活性. 其中，OH*既是类CAT 的活性位点，也是类POD 活性的抑制位点［56］. 当pH增大时，H2O2*更易发生酸式分解，导致类POD活性的降低与类CAT活性的提高，这一理论计算结果也解释了pH对于2种类酶活性的影响. 理论计算还发现，过氧化氢在金属表面的吸附能越大，金属的催化活性就越高，与实验结果一致，这为纳米酶的理性设计提供了依据.

Fig.3 Predicted catalytic mechanisms via theoretical calculation

随后，Gao等［57］进一步通过理论计算和实验验证探究了金、银、铂、钯的类氧化酶活性和类SOD活性的根源［图3（C）和（D）］. 空气中的氧气主要为三线态氧（3O2）.3O2自身具有磁矩，因此不易与有机底物发生反应. 当3O2吸附于金属表面时，金属的电子进入3O2的反键轨道，使其发生解离产生无磁矩的吸附氧物种O*. 该吸附氧物种O*能够氧化有机底物，表现出类氧化酶活性. 类似的，3O2在金属表面的吸附能越大，金属的催化活性就越高. 超氧阴离子·O2-是Brønsted碱，在溶液中易发生质子化转化为过氧羟基自由基（HO2·）. HO2·吸附于金属表面后，发生原子重排生成O2*和H2O2*，表现出类SOD活性.

4 活性调控

考虑到贵金属基纳米酶在生物、传感领域的潜在应用，类酶活性的调控显得尤为重要. 目前，对贵金属基纳米酶的设计主要集中在活性调控，较少涉及底物选择性. 与天然酶类似，贵金属基纳米酶的活性也会受到温度［58］和pH［59］的影响. 此外，粒径调节、形貌调控、组分改变、表面化学修饰、复合结构构建、光激发和抑制剂加入等均能对其类酶活性进行有效调控.

4.1 粒径调控

粒径对于贵金属纳米酶的活性影响很大. Rossi等［31］在固定金原子浓度的前提下，改变AuNPs的粒径，考察其类葡萄糖氧化酶活性与粒径的关系. 结果表明，其类葡萄糖氧化酶活性与粒径呈负相关，即粒径越小，活性越高. 他们认为这是由于小粒径的颗粒比表面积更大，而这符合一般的认知，只有暴露在表面的原子具有催化活性. Yin等［60］测试了3种粒径（5，30和50 nm）的PtNPs的类抗坏血酸氧化酶活性，发现其活性随着粒径的减小而增强. 以上结果是在假定颗粒没有团聚和颗粒表面暴露的原子具有相似的催化活性的前提下得到的. 当上述条件不满足时，催化活性与颗粒尺寸的关系会发生变化［61，62］. Tamiya 等［62］在建立基于AuNPs纳米酶活性的电化学发光（ECL）免疫检测方法时研究了颗粒粒径的影响. 他们利用鲁米诺电化学发光检测了金颗粒尺寸对其类氧化酶活性的影响［图4（A）］，发现对于粒径为5，30，50，80和100 nm的颗粒，活性随粒径的增大而减小，但15 nm粒径的颗粒例外，其催化活性远高于其它粒径，推测这可能与颗粒聚集状态和表面暴露位点差异有关.

Fig.4 Nanozyme activity regulation

4.2 形貌调控

形貌也是调控贵金属纳米酶活性的有效手段. Yin等［63］合成了棱长相近的钯纳米八面体和钯纳米立方体并比较了二者的抗氧化酶活性［图4（B）］. 结果表明，｛111｝晶面围成的钯纳米八面体比｛100｝晶面围成的钯纳米立方体显示出更好的保护细胞抵抗活性氧（ROS）的能力. 理论模拟表明，H2O2和HO2·在钯｛111｝面的吸附能要高于｛100｝面，因此钯｛111｝面催化清除H2O2和HO2·的能力更强. Tang 等［8］合成具有高指数面｛hk0｝的铂凹面纳米立方体，发现其类POD 活性是相同粒径的铂纳米球的4 倍.Zhou 等［64］合成了由｛100｝晶面围成的钯纳米立方体（Pd NCs）和由｛730｝晶面围成的钯凹面纳米立方体（Pd CNCs）. 实验表明，Pd CNCs比Pd NCs具有更强的类抗坏血酸氧化酶活性. 第一性原理计算表明，Pd｛730｝晶面吸附的O2比Pd｛100｝晶面吸附的O2带更多的负电荷，有利于抗坏血酸的氧化.

4.3 组分调控

对于贵金属合金纳米酶，组分改变是调控其类酶活性的有效策略［65］. Wu等［9］制备了3种基于Ag的中空/多孔双金属合金纳米颗粒（AgAu，AgPd 和AgPt），它们具有本征的类POD 活性［图4（C）］. 对于AgPd纳米合金，其类POD活性随着合金中Ag含量的降低而提高. 在后续实验中，他们通过在金纳米棒上生长PdPt合金纳米点，得到了合金组分可调的Au@PdPt NRs［图4（D）］［66］. 实验表明，随着合金中Pd百分比的增加，Au@PdPt NRs的类氧化酶活性逐渐增强. 此外，Au@PdPt NRs作为类氧化酶催化氧化TMB的稳态动力学实验表明，提高合金中Pd的比例还可以增强其对TMB的亲和力，表明纳米酶组分调控对还原底物的选择性也有一定影响.

4.4 表面修饰

通常情况下，分散在溶液体系的纳米酶需要进行适当的表面化学修饰以便保证其分散稳定性. 一方面，这可能会导致部分表面原子被封闭，活性位点数目减少，类酶活性下降. 另一方面，表面化学修饰也能通过调节纳米酶的表面电荷、提供特异性表面配体等增加纳米酶对底物的亲和力，进而实现催化活性的增强和底物选择性改善. 因此，表面化学修饰也是调控纳米酶性质的重要手段［10，18，67～71］.

Fu等［68］发现肝素（Heparin）可以大幅提高牛血清白蛋白包覆的金纳米团簇（AuNCs）的类POD活性［图5（A）］. 肝素吸附在AuNCs表面能够使其表面电势降低，增强AuNCs对带正电的底物TMB的吸附，导致类酶活性提高. 利用这一特点，他们实现了肝素和肝素酶（Heparinase）的选择性检测. Lin等［69］合成了带正电的巯基乙胺修饰的金纳米颗粒和带负电的柠檬酸根包覆的金纳米颗粒，并比较了它们的类POD 活性. 结果表明，对于同一显色底物，带相反电荷的AuNPs 表现出更高的活性. Wu 等［70］发现AuNCs 表面包覆上四环素的特异性核酸适配体（TCs-Apt）后能够加快其对TMB的催化氧化，提高其类POD活性.

Fig.5 Surface chemistry modification and formation of hybrid nanozymes

Zeta电势结果表明，TCs-Apt 的包覆使得AuNCs 的表面电势降低. 当底物换为带负电的ABTS 后，TCs-Apt 的包覆则会降低AuNCs 对ABTS 的催化氧化速率. 随着溶液离子强度的增加，TCs-Apt 对于AuNCs过氧化物酶活性（TMB为底物）的增强程度逐渐缩小，表明AuNCs-TCs-Apt与底物TMB之间的静电吸引是增强催化活性的主要因素.

Wang等［14］分别用5种嘌呤衍生物包覆AuNPs以提升其类酶活性［图5（B）］. 研究发现，2，6-二氨基嘌呤（DAP）包覆的金颗粒具有最强的类POD活性. 由于DAP分子的两个氨基可以稳定金颗粒，导致其对过氧化氢的亲和力增强. Qiu等［10］发现组氨酸修饰可以增强钯纳米颗粒的类POD活性. 组氨酸修饰的钯颗粒（His-Pd）与水的接触角远小于钯颗粒与水的接触角，表明His-Pd 具有更好的亲水性. 此外，酶稳态动力学研究表明，His-Pd对反应底物TMB和H2O2的米氏常数（Km）远小于裸露的钯颗粒，这表明His-Pd 对底物表现出更强的亲和力. Zhang 等［71］构建了一种基于AuNPs 的纳米酶，其具有显著增强的葡萄糖选择性和催化氧化活性. 利用分子印迹技术，他们在聚苯乙烯微球负载的AuNPs的表面包覆了一层带有“葡萄糖分子特征孔洞”的氨基苯硼酸聚合物外壳，提高了对葡萄糖的选择性. 为进一步提高催化活性，他们在聚合物外壳中引入了具有供氧功能的全氟辛溴烷纳米乳液，显著提升了纳米酶对葡萄糖的催化氧化活性.

4.5 复合材料

构建复合纳米结构也是调控纳米酶催化性能的有效策略［72～76］. Ni等［73］将PdNPs分散到CeO2纳米管上，得到PdNPs/CeO2NTs. 他们发现，与单独的PdNPs 和CeO2NTs 相比，PdNPs/CeO2NTs 具有更强的类POD活性，表现出协同增强效应. 实验证明，PdNPs/CeO2NTs活性的提高源于PdNPs和CeO2NTs之间强烈的相互作用，可以显著增加Ce3+/Ce4+比率. Dong等［74］制备了碳点-铂纳米复合物（CDs-Pt）. 由于碳点与铂的协同作用，CDs-Pt的类POD活性分别是碳点和铂的9倍和5倍. Zhang等［75］在铂纳米颗粒包覆的碳纳米管（Pt/CNTs）上沉积了超薄的Fe2O3原子层，极大地提高了其类POD活性并抑制了其类氧化酶活性［图5（C）］. 研究结果表明，Fe2O3原子层阻挡了底物和Pt活性位点的接触，降低了Fe2O3/Pt/CNTs的类氧化酶活性. 另一方面，Fe2O3原子层的沉积导致Pt/CNTs 中Pt0/Pt2+比例升高并引入了Pt-O-Fe3+活性位点，增强了其对双氧水的亲和性，使得Fe2O3/Pt/CNTs 的类POD 活性显著提高. 构建的基于Fe2O3/Pt/CNTs的葡萄糖比色测定方法因消除了类氧化酶活性带来的假阳性结果表现出更高的检测灵敏度. Qu等［76］制备了具有类POD 活性的金纳米团簇-氧化石墨烯纳米复合物（AuNCs-GO）［图5（D）］. 制得的AuNCs-GO在较宽的pH范围（3≤pH≤7）均显示出良好的类酶活性. GO比表面积大、对疏水分子亲和力高，因此底物TMB可以被氧化石墨烯高效吸附. 此外，AuNCs 的活性位点与GO吸附的底物TMB位于同一区域，这种结构与天然酶的催化机制相似，因而能够极大地提高其类酶活性.

4.6 光增强

贵金属纳米材料具有独特的尺寸、形状、组成和结构依赖的局域表面等离激元性质（Local surface plasmon resonance，LSPR）. 利用光照激发局域等离激元，其弛豫过程产生光热效应和光生热载流子，局域升温或热载流子注入都可以用来提高类酶活性［11，25，29，77］. Wu 等［29］制备了钯包覆的金纳米棒（Au@PdNRs）并研究了其近红外光谱区LSPR增强的类氧化酶活性. 研究发现，LSPR增强的类酶活性主要源于局域光热效应. 热电子向分子氧的注入效率很低，其贡献可以忽略. 进一步利用ROS光谱探针分别鉴别了Pd 和Au 表面激活的O2活性中间体. Pd 表面的O2活性中间体为类原子氧吸附物种，而Au表面的中间体多为类分子氧吸附物种，与之前的理论模拟结果一致［57］，这种差异导致Au@PdNRs比AuNRs 表现出更高的类氧化酶活性. Xia 等［11］发现可见光照可以提高粒径为15 nm的AuNPs 的类POD活性［图6（A）］. 实验表明，利用可见光激发AuNPs的局域表面等离激元，在颗粒表面产生热电子和热空穴. 热电子能够注入到吸附在AuNPs 表面的H2O2的分子轨道上，激活H2O2分解为·OH，提高了AuNPs的类酶活性. 加入乙醇作为电子供体可以有效捕获光生空穴，使热电子注入H2O2的效率进一步提高. Dong 等［77］合成了一种二硫化钼包覆的金纳米双锥体杂化结构（AuNBPs@MoS2）并用于双光子荧光成像和抗肿瘤治疗［图6（B）］. 杂化纳米结构的类POD 活性产生的ROS 可用于杀伤肿瘤细胞. 由于纳米双锥各向异性的结构以及MoS2中较高的电子密度，激发AuNBPs@MoS2位于近红外光谱区的LSPR可原位产生大量的ROS. 此外，光激发下，AuNBPs@MoS2显著的光热效应使局部溶液温度迅速升高，可用于杀伤细胞. 细胞实验证明，光热效应和ROS 的联合作用可用于增强AuNBPs@MoS2的抗肿瘤治疗.

Fig.6 LSPR⁃enhanced enzyme⁃like activity

4.7 抑制剂

许多离子、小分子和核酸等会吸附于贵金属纳米酶的表面，覆盖其表面的活性位点，从而对其类酶活性产生抑制作用［78～82］.

Bansal等［80］发现特异性识别啶虫脒的核酸适配体S-18能够包覆在AuNPs表面使表面钝化，从而抑制其类POD活性. 当啶虫脒存在时，适配体S-18会从颗粒表面脱附并与靶向分子啶虫脒结合. 通过调控适配体与靶向分子的相互作用，可以实现AuNPs 类酶活性的抑制与恢复. Xie等［81］发现半胱氨酸分子能够抑制金核铂壳纳米颗粒（Au@Pt）的类POD活性. Au@Pt能使H2O2分解成·OH，产生的·OH吸附在颗粒表面氧化有机底物. 电子顺磁共振实验表明，半胱氨酸与Au@Pt 表面的结合会减弱颗粒表面对·OH的吸附，不利于其类酶催化. Chen等［82］发现Hg2+能够在柠檬酸包覆的铂纳米颗粒（PtNP）表面形成汞齐，从而抑制PtNP的类POD活性. 酶稳态动力学实验表明，Hg2+加入后PtNP对底物（H2O2和TMB）的亲和力减弱、催化活性降低. X射线光电子能谱证实了HgPt合金的形成，他们认为非常活泼的PtNP表面原子能够催化柠檬酸还原Hg2+，形成汞齐.

5 应用

由于较高的化学稳定性，较低的生产成本（相对于天然酶）和易于调控的催化活性，贵金属基纳米酶有望应用于传感、环境治理以及疾病治疗等领域.

5.1 传感

5.1.1 离子传感 食品、饮用水、药物、工业废水中常含有许多种类的离子，一些离子（如汞离子或铅离子）的浓度一旦超标，可能会对人体健康、环境造成危害. 因此，研究人员致力于将贵金属基纳米酶应用于离子传感［65，78，83，84］. Wu等［78］合成了金核铂壳纳米棒（Au@PtNRs），并研究了其类POD活性的抑制剂，研究表明，Hg2+对Au@PtNRs的类酶活性有明显的抑制作用. 据此，可以通过对类酶反应的抑制实现Hg2+的选择性检测. Liao等［83］发现Pb2+能够诱导谷胱甘肽包覆的金纳米团簇（AuNCs）发生聚集，最终导致其POD活性大幅提高. 在此基础上，他们提出了一种简便可靠的Pb2+比色检测方法［图7（A）］. 此外，POD活性的聚集诱导增强也揭示了金纳米团簇的分散状态对其催化活性有很大影响. Lu等［84］发现谷胱甘肽（GSH）能够抑制PtNPs 的类氧化酶活性. 加入Cu2+后可将GSH 氧化成谷胱甘肽二硫化物（GSSG），恢复PtNPs 的类氧化酶活性. 基于这一原理，他们构建了一种具有比色、光热（温度）和荧光三重信号输出的Cu2+传感器.

Fig.7 Detection applications

5.1.2 小分子传感 研究人员也将贵金属基纳米酶用于多巴胺［85］、葡萄糖［86］等小分子的传感检测.Li等［41］合成了带正电荷的巯基乙胺包覆AuNPs. 该纳米颗粒具有类POD活性，可以催化H2O2氧化TMB生成蓝色产物，据此可通过比色法检测H2O2. Jin 等［86］合成具有POD 活性的超微小铂纳米团簇（Pt NCs）. 稳态动力学实验表明，Pt NCs对底物TMB和H2O2的亲和力强于辣根过氧化物酶. 过氧化氢的电化学还原实验表明，Pt NCs通过加速TMB和H2O2之间的电子转移从而显示POD活性. 基于Pt NCs的POD活性开发了一个新的高度敏感的比色法用于人体血样中的葡萄糖检测［图7（B）］. Qu等［85］发现牛血清白蛋白包覆的金纳米团簇（BSA-AuNCs）能发出强烈的荧光，加入多巴胺会通过光生电子转移猝灭BSA-AuNCs 的荧光［图7（B）］. 此外，多巴胺的吸附也会导致BSA-AuNCs 的类POD 活性下降. 由此研制了一种简便的荧光、比色双通道探针用于检测多巴胺.

5.1.3 核酸传感 利用核酸的碱基互补配对原则，研究人员提出了基于纳米酶的核酸分子检测的方法［87～89］. Wang等［88］制备了介孔二氧化硅包覆的铂纳米颗粒（Pt@mSiO2），之后用单链DNA探针分子封闭介孔SiO2的通道以降低铂颗粒的类POD活性. 之后加入靶标DNA进行杂交后，介孔SiO2的通道随即打开并恢复PtNPs的类酶活性. 利用PtNPs 催化氧化TMB产生显色底物，他们提出了一种简便的无标记检测核酸的比色方法. Wang等［89］发现Hg2+能够激活牛血清白蛋白包覆的银纳米团簇（BSA-AgNCs）的类氧化酶活性. 在此基础上，利用Hg2+和DNA探针分子上2个胸腺嘧啶的特异性结合，制备了DNA-Hg2+结构. 当加入与探针分子互补的靶标DNA时，被封闭的Hg2+得以释放并促进BSA-AgNCs的类酶活性提升，由此开发出了一种无标记检测DNA分子的比色法.

5.1.4 蛋白质传感 基于抗原-抗体相互作用、适配体-靶标分子相互作用等，贵金属基纳米酶可用于多种蛋白质的检测［90～92］. Li 等［91］提出了一种基于AuNPs 类POD 活性的蓖麻毒素（Ricin，一种剧毒蛋白质）比色传感器［图7（C）］. 他们发现，蓖麻毒素结合适配体（RBA）吸附到AuNPs表面可以加快H2O2氧化TMB 产生蓝色产物的速率. 加入蓖麻毒素后，RBA 从AuNPs 表面解吸并与蓖麻毒素结合，导致AuNPs 的类酶活性下降. 这种用肉眼或光谱比色检测蓖麻毒素的方法具有特异性好和灵敏度高的优点. Yang等［92］以DNA为模板合成了银铂双金属纳米团簇，将其用于凝血酶的比色检测. 在预吸附链霉亲和素的96孔板中，利用生物素（Biotin）与链霉亲和素的特异性相互作用，将连接了生物素的凝血酶核酸适配体固定到96孔板上. 以15-mer凝血酶核酸适配体的单链DNA作为模板，合成适配体功能化的ssDNA-Ag/PtNCs. 当目标分子凝血酶存在时，2个核酸适配体与凝血酶特异性结合形成夹心结构并固定到96孔板上. 利用ssDNA-Ag/PtNCs的类POD活性催化TMB氧化产生蓝色产物，实现了凝血酶的定量比色测定.

5.1.5 细胞传感与病毒传感 基于贵金属基纳米酶的检测方法也被用于细胞和病毒的检测［93～97］. 利用抗体和适配体对细胞表面受体和病毒表面受体的特异性结合，研究人员开发了基于贵金属基纳米酶的肿瘤细胞和病毒检测的方法. Cai等［93］在牛血清白蛋白（BSA）包覆的金纳米团簇上共价结合叶酸分子，以增强其对叶酸过表达的肿瘤细胞的靶向性. 得到的NCs-FA纳米探针具有良好的稳定性、低的细胞毒性、高的荧光亮度和类酶活性. 实验证明该纳米探针可用于肿瘤组织的荧光/可视化检测. 对于同一肿瘤组织切片，纳米探针的类POD 活性导致的吸收染色和荧光染色同时存在，2 种结果可相互印证.纳米探针也可以有效地区分正常细胞和癌细胞，显示出了诊断癌症的临床潜力. Yu 等［94］制备了一种叶酸偶联的多孔Pd@Au 纳米颗粒（Pd@AuNPs），可用于快速检测人慢性粒细胞白血病细胞（K-562）［图7（D）］. 测试前，在96 孔板上预先孵化待测的叶酸受体过表达的K-562，然后加入叶酸偶联的Pd@AuNPs，借助叶酸与叶酸受体的特异性结合，将纳米颗粒连接到K-562上. 最后利用Pd@AuNPs的类POD 活性进行显色反应，实现K-562 的比色检测. Hosseini 等［95］介绍了一种比色法测定牛奶样品中空肠弯曲杆菌含量的方法. 该方法主要基于DNA适配体与空肠弯曲杆菌细胞膜上特定的表面蛋白的相互作用. DNA 适配体通过静电相互作用包覆在Au@Pd 纳米颗粒的表面，抑制其类POD 活性. 空肠弯曲杆菌与DNA适配体结合后脱离颗粒表面，使Au@Pd恢复类酶活性，催化氧化TMB显色，实现样品中空肠弯曲杆菌的定量.

Huang等［96］提出了一种对呼吸道合胞病毒（RSV）的高灵敏度比色检测法. 他们制备了RSV抗体包覆的金纳米颗粒-氧化石墨烯杂化材料（AuNPs-GO）. 利用微量滴定板上吸附的RSV抗体、待测溶液中的RSV及RSV抗体包覆的AuNPs-GO三者形成夹心结构，完成RSV的俘获. 之后，利用Hg2+增强抗体包覆的AuNPs-GO的类POD活性进行显色，实现RSV的比色检测. 类似的，Liu等［97］基于Au@Pt纳米棒的类POD活性，建立了基于纳米酶的酶联免疫吸附测定（ELISA）病毒检测方法. 利用静电作用将腮腺炎抗原结合到介孔二氧化硅包覆的Au@Pt纳米棒上，得到Ags-APMSN. 然后，将待测样品中的腮腺炎病毒抗原吸附于微孔板上. 随后加入腮腺炎IgM 抗体作为桥梁，连接腮腺炎病毒抗原和Ags-APMSN，将Ags-APMSN固定于微孔板上. 最后利用Ags-APMSN的类POD活性氧化底物TMB生成蓝色产物，实现对腮腺炎病毒的检测. 该方法原则上也可以扩展到新型冠状病毒肺炎（COVID-19）的抗体检测.

5.2 疾病治疗

5.2.1 抗菌治疗 研究发现贵金属基纳米酶产生的ROS 能有效杀伤细菌，可用于抗菌治疗［72，98，99］.Qu 等［98］发现介孔二氧化硅负载的金纳米颗粒（MSN-AuNPs）能够催化H2O2分解生成羟基自由基.MSN-AuNPs 具有的类氧化酶活性和类POD活性能够产生·O2-，1O2和·OH. 由于具有产生活性氧（ROS）的能力，MSN-AuNPs对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）均表现出显著的抗菌性能. Wang等［99］发现石墨烯量子点-银纳米颗粒杂化材料（GQD/AgNP）同样也具有类POD和类氧化酶双重类酶活性，能够产生ROS，对耐药菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出优异的抗菌性能.Wang 等［72］在超薄二维金属有机骨架（MOFs）上生长超小金纳米颗粒（UsAuNPs），制得UsAuNPs/MOFs纳米复合材料，并将其用于抗菌治疗［图8（A）］. TMB的催化氧化实验表明，UsAuNPs/MOFs 的类POD活性强于单独的UsAuNPs和MOFs. 细菌实验表明，低剂量H2O2在UsAuNPs/MOFs的作用下产生羟基自由基，对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）均具有良好的抗菌性能.

5.2.2 癌症治疗 贵金属基纳米酶的类POD活性、光敏化性质以及局域光热效应等可以用于缓解肿瘤部位的乏氧［29］以及实现肿瘤细胞的光热［100］和光动力杀伤［101］. 因此，贵金属基纳米酶是一类有潜力的抗肿瘤治疗材料. Gao等［102］在包载了阿霉素（DOX）的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）表面生长金纳米颗粒，之后表面进行聚乙二醇化，制备了具有载药、类CAT活性、光声成像和光热效应的多功能杂化纳米结构［图8（B）］. 得到的PLGA/DOX@PDA-Au-PEG杂化结构具有高达69.0%的光热转换效率和强的光声信号. 杂化纳米结构在808 nm激光照射下，O2产生增强，有效缓解了肿瘤部位的乏氧状况，DOX的释放和ROS浓度的提高增强了化疗/光热联合治疗肿瘤的效果. Wang等［103］在纳米金属有机框架化合物表面嵌入金纳米颗粒（Au@ZIF-8），并将光敏剂Ce6 包裹在其内部［图8（C）］. Au@ZIF-8 到达肿瘤部位后，AuNP能够催化H2O2产生O2，缓解肿瘤部位乏氧. 同时，光照下Ce6产生的1O2对肿瘤细胞进行杀伤. 研究结果表明，内含Ce6的Au@ZIF-8在癌症治疗方面有很大的潜力，为精准医疗提供了一种简便策略.

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

5.2.3 抗氧化治疗 贵金属基纳米酶可清除ROS，可用于与ROS 相关疾病的治疗，如抗氧化治疗［52］.Kondo 等［104］研究了铂纳米颗粒（Nano-Pts）对X 射线诱导的人淋巴瘤U937 细胞凋亡的抗氧化作用.Nano-Pts能通过抑制U937细胞内ROS（主要是H2O2）来减轻X射线诱导的细胞凋亡. Nano-Pts预处理也可显著缓解辐射诱导的Fas配体表达和线粒体膜电位降低. Stadler等［105］报道了一种包裹铂纳米颗粒的微反应器用于缓解人类神经母细胞瘤引发的兴奋性中毒［图8（D）］. 该微反应器能够通过清除细胞中的H2O2和氨进而缓解兴奋性中毒. 该研究有望为与兴奋毒性相关的神经疾病提供一种治疗方法.

5.3 环境治理

工业生产过程中产生的大量重金属离子以及有机污染物对微生物、水生环境和人类构成了严重的威胁. 因此，环境治理受到了广泛的关注［106］. Shao等［107］制备了具有类POD活性的Au/CuS纳米复合物用来降解有机污染物罗丹明6G. Au/CuS 可以催化H2O2产生具有强氧化性的·OH，氧化许多有机污染物. 此外，Au/CuS可以作为一种高灵敏度和高重现性的表面增强拉曼光谱（SERS）基底. 基于上述2种特性，他们采用Au/CuS底物作为降解污染物罗丹明6G的催化剂，并利用SERS对降解过程进行实时定量监测. Wang等［108］合成了Au/Fe3O4/GO纳米杂化材料，其具有高催化活性和分散稳定性以及磁分离的能力. 这种杂化材料能够对水溶液中的Hg2+进行超灵敏检测. 此外，只需外加磁场即可快速（30 min内）将Au/Fe3O4/GO 及其表面结合的Hg 从溶液中清除，去除效率高达99%. 重复使用15 次后该杂化材料的去除效率仍然很高.

6 总结与展望

综上所述，贵金属基纳米酶具有易于调控的类酶催化活性，可以通过颗粒尺寸、形貌、组成、结构和表面化学等参数进行调控. 此外，贵金属基纳米酶独特的局域等离激元特性赋予了其类酶催化活性的时空调控性. 贵金属基纳米酶作为一类多功能纳米酶引起了研究人员的广泛关注，其相关研究取得显著进展，在生物传感、疾病诊断和治疗领域展现了诱人前景. 从模拟酶的角度来看，贵金属基纳米酶包括其它种类的纳米酶与天然酶相比，目前尚存在一些不足. 首先，纳米酶的催化活性和底物选择性与天然酶相比还有很大的差距. 纳米酶的催化活性主要源于其表面暴露的活性位点. 表面暴露的活性位点越多，催化活性就越高. 因此减小颗粒尺寸是提高类酶催化的一个重要手段，实现高效的单原子催化可望将纳米酶的催化活性提高到天然酶的水平. 对于底物选择性，研究人员通过对纳米酶的表面进行特异性的抗体和核酸修饰，采用分子印迹技术及包覆一些结构聚合物来改善其底物的选择性，目前已取得了一定进展. 其次，目前发现的纳米酶多数为氧化还原酶，种类相对单一. 如何通过受天然酶的启发和发展理论计算新方法来丰富纳米酶的活性种类也是其未来的一个重要发展方向. 总体而言，纳米酶的提出和研究丰富并推动了模拟酶的发展. 其独特的多功能集成优势和智能响应特性将模拟酶的研究推向了一个新高度，未来尚有很大的发展空间.