化学进展

作者：范克龙, 高利增, 魏辉, 江冰, 王大吉, 张若飞, 贺久洋, 孟祥芹, 王卓然, 樊慧真, 温涛, 段德民, 陈雷, 姜伟, 芦宇, 蒋冰, 魏咏华, 李唯, 袁野, 董海姣, 张鹭, 洪超仪, 张紫霞, 程苗苗, 耿欣, 侯桐阳, 侯亚欣, 李建茹, 汤国恒, 赵越, 赵菡卿, 张帅, 谢佳颖, 周子君, 任劲松, 黄兴禄, 高兴发, 梁敏敏, 张宇, 许海燕, 曲晓刚, 阎锡蕴

单位：1 中国科学院生物物理研究所 中国科学院纳米酶工程实验室 蛋白质与多肽药物所重点实验室 北京 100101,2 郑州大学 基础医学院 纳米酶医学研究中心 郑州 450001,3 南京大学 现代工程与应用科学学院生物医学工程系 南京微结构国家实验室筹 江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室 南京 210023,4 中国科学院深圳先进技术研究院 深圳合成生物学创新研究院 深圳 518055,5 中国医学科学院基础医学研究所 北京协和医学院基础学院 北京 100005,6 北京理工大学 材料学院 北京 100081,7 南开大学 生命科学学院 生物活性材料教育部重点实验室 天津 300071,8 东南大学 生物科学与医学工程学院 南京 210096,9 中国科学院长春应用化学研究所 稀土资源国家重点实验室 化学生物学实验室 长春 130022,10 中国科学技术大学 合肥 230026,11 国家纳米科学中心 理论室 北京 100190

关键词：纳米酶,酶催化,生物催化,多酶活性

基金：国家自然科学基金项目(81930050),国家自然科学基金项目(22121003),国家自然科学基金项目(82122037),,国家重点研发计划(2019YFA0709204),,国家重点研发计划(2021YFC2102900),中国科学院创新交叉团队(JCTD-2020-08)

纳米酶(Nanozymes)是由我国科学家首次提出的新概念,它是一类具有生物催化功能的纳米材料,能够基于特定的纳米结构催化天然酶的底物并作为酶的代替品。自2007年首次报道以来,全球已有来自于55个国家的420多个研究机构证实了纳米酶的普遍规律。纳米酶的发现第一次揭示纳米材料蕴含一种独特的纳米效应——类酶催化效应。纳米酶作为一种新材料,既有纳米材料本身的理化性质,又有类似酶的催化功能,兼具天然酶与人工酶的优势于一身。其中,纳米结构不仅赋予纳米酶高效催化功能,而且使纳米酶比天然酶稳定,易于规模化生产。另外,纳米酶独特的多酶活性将为设计廉价、稳定、各种各样全新的催化级联反应提供功能分子。纳米酶是多学科交叉融合的典范, 2022年被IUPAC评为十大化学新兴技术。在全球从事化学、酶学、材料学、生物学、医学、理论计算等多领域科学家的共同推进下,如今纳米酶已经成为新的研究热点。我国科学家在这一新兴领域一直发挥着引领作用,解析了纳米酶的构-效关系,将其催化活性提高了约1万倍,实现了超越天然酶的理性设计,创造了全球首个纳米酶产品,出版了纳米酶学英文专著,发布纳米酶术语及中国/国际标准化。更可喜的是,纳米酶新领域汇集了一大批多学科交叉融合的优秀青年科学家,推动纳米酶进入高速发展阶段,纳米酶的种类已经超过1200多种,其催化机制研究也更加深入,应用研究也从当初的检测逐步拓展到纳米酶催化医学、传感检测、绿色合成、新能源、环境治理等多个领域。本文向读者介绍纳米酶自发现以来的主要进展,包括最近发现的天然纳米酶,期待纳米酶从新概念、新材料衍生出新技术、新产品、新商品,服务人类健康,并带动新学科发展。 目录 0 引言1 纳米酶概述1.1 纳米酶的发现与命名1.2 纳米酶术语及标准化1.2.1 “纳米酶”术语的演变1.2.2 “纳米酶”术语国家标准的制定1.2.3 纳米酶催化活性测量方法的国家标准和国际标准制定1.2.4 与“纳米酶”有关的国家标准样品和国家标准物质的研制现状1.2.5 小结1.3 纳米酶的催化活力测定1.3.1 纳米酶的催化活性种类1.3.2 典型的纳米酶反应动力学1.3.3 纳米酶的活性位点及颗粒数计算1.3.4 小结1.4 纳米酶催化机制1.4.1 过氧化物酶纳米酶1.4.2 氧化酶纳米酶1.4.3 超氧化物歧化酶纳米酶1.4.4 过氧化氢酶纳米酶1.4.5 小结2 纳米酶的设计2.1 纳米酶催化活性调节2.1.1 组成结构的影响2.1.2 外部因素的影响2.2 纳米酶的选择性调控2.2.1 分子印迹2.2.2 亲疏水作用2.2.3 物理和化学吸附2.2.4 表面修饰2.2.5 手性识别2.2.6 仿生设计2.2.7 集成式纳米酶2.2.8 小结2.3 纳米酶的多功能性特性2.3.1 引言2.3.2 酶活性与材料的磁性结合2.3.3 酶活性与金属等离子体性质结合2.3.4 酶活性与光热特性的结合2.3.5 酶活性与光声现象的结合2.3.6 酶活性与荧光特性的结合2.3.7 酶活性与材料的导电性结合2.3.8 表面修饰使纳米酶具有新功能2.3.9 小结2.4 纳米酶多酶活性2.4.1 POD-CAT2.4.2 POD-OXD2.4.3 SOD-CAT2.4.4 OXD-CAT2.4.5 具有3种及以上类酶活性的纳米酶2.4.6 小结3 纳米酶工程化3.1 纳米酶与机器学习3.2 纳米酶制备与表征3.2.1 纳米酶的制备3.2.2 纳米酶的表征3.3 纳米酶的合成3.3.1 物理合成法3.3.2 化学合成法3.3.3 生物合成法3.3.4 小结4 纳米酶的应用4.1 纳米酶传感4.1.1 比色分析法4.1.2 化学发光法4.1.3 荧光检测4.1.4 电化学检测4.1.5 表面增强拉曼散射(SERS)检测4.1.6 其他检测方法4.1.7 多模态检测4.1.8 小结4.2 纳米酶抗肿瘤4.2.1 纳米酶用于肿瘤催化治疗的应用现状4.2.2 纳米酶抗肿瘤的作用机制4.2.3 纳米酶抗肿瘤的应用策略4.2.4 小结4.3 纳米酶抗菌、抗病毒4.3.1 纳米酶介导的表层杀菌4.3.2 纳米酶介导的深层杀菌4.3.3 生物正交纳米酶介导的杀菌4.3.4 纳米酶介导的海洋防污4.3.5 纳米酶介导的抗真菌治疗4.3.6 纳米酶介导的抗病毒治疗4.4 纳米酶用于污水环境治理4.4.1 介绍4.4.2 水环境污染物检测4.4.3 水环境污染物处理4.4.4 小结5 对纳米酶领域的展望5.1 关键科学问题5.2 结语

来源：2023年第1期

《化学进展》期刊编辑部

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