纳米酶材料及其应用

基于纳米酶具有合成简便、稳定性好、催化活性易调控以及适用范围广等优势，本书从纳米酶的发现、发展，纳米酶的催化活性，所表现的过氧化物酶纳米酶、超氧化物歧化酶纳米酶、过氧化氢酶纳米酶、氧化酶纳米酶、水解酶纳米酶、碳基纳米酶及酶活性调控策略等，进行详细介绍，同时，总结了过渡金属基、贵金属基及碳基纳米酶表现的纳米酶活性的研究现状，并介绍了纳米酶在检测传感、新型抗菌剂及治疗药物等方面的应用。
本书主要适于从事环境、食品、医药、生物、烟草等行业分析检测的技术人员阅读，也可作为高等学校相关专业研究生和本科生的课外参考书。

天然酶由于容易受到诸如热稳定性差和pH 范围窄等因素的限制，导致其变性，显著削弱或阻碍其酶活性。纳米酶是一类具有类酶活性的纳米材料，自2007年中国科学家阎锡蕴等首次发现Fe3O4 纳米颗粒具有内在类过氧化物酶活性后，纳米酶研究领域迅速发展起来。中国科学家在纳米酶领域作出了巨大贡献：发现并命名了纳米酶，建立了研究纳米酶催化活性的方法，创立了纳米酶术语及标准化，解析了纳米酶的构效关系。截至目前，已有几百种不同组成、结构的纳米材料被发现具有类酶活性。相比天然酶，纳米酶结构更加稳定，制备和保存工艺更加经济，功能更加多样化，并且具有可调节的催化活性。纳米酶具有独特的物理化学特性、稳定的功能属性、可调节的催化活性、精确的结构组成以及大规模制备的可行性，已被广泛应用于分子检测、生物传感、疾病诊断及治疗、环境保护等领域。近20年来，随着纳米技术的发展，许多具有催化类酶活性的功能纳米材料被发现。纳米酶在许多方面是不寻常的，包括其尺寸可调的催化活性(形态、结构和组成)、可用于修饰和生物结合的巨大表面积、各种额外的活性以及对环境刺激的智能响应。越来越多的纳米材料被研究用于模拟一系列天然存在的蛋白质。
在过去的5年中，得益于纳米技术、生物技术、催化科学和计算设计的快速发展，高性能纳米材料在模拟新的酶活性、调控纳米酶活性、阐明催化机理和拓宽潜在应用等方面取得了重大进展。目前，全球已有30多个国家的400多个实验室从事纳米酶研究，其应用研究也涉及生物医学、农业、工业生产、环境保护等多个领域，逐渐形成了纳米酶研究新领域。近几年纳米酶相关领域的研究也进入了高速发展时期，论文数量逐年攀升。尽管自2013年以来，诸多研究人员发表了许多优秀的论文，但论文大多集中在纳米酶的某些特定主题上，而其余的都是简短的评论。因此，需要全面地总结和进一步分析所有的进展，尤其是就近五年发表的1100多篇研究论文成果的相关总结分析。这样的分析对于帮助研究者更好地理解纳米酶，进而推进这一领域的发展是必要的。在本论著中，我们将对纳米酶的类型、单原子纳米酶、纳米酶的活性和选择性调控以及纳米酶在生物医学传感、治疗和环境修复等方面的应用进行介绍。最后，本书还讨论了纳米酶目前面临的挑战和未来的研究方向。
尽管编写团队做了大量的工作，本书不足之处在所难免，敬请广大读者提出宝贵意见。

编者
2024年3月 

第1章　纳米酶的发展与潜能001
1.1　纳米酶的定义 001
1.2　纳米酶在模拟酶中的地位 001
1.2.1　传统模拟酶 002
1.2.2　纳米酶 002
1.3　纳米酶的催化活性 005
1.3.1　纳米酶催化活性接近或超越天然酶 005
1.3.2　纳米酶的底物亲和力与选择性 006
1.3.3　纳米酶催化类型 007
1.4　纳米酶的发展及方向 008
1.4.1　纳米酶的发展 008
1.4.2　纳米酶的方向 009
参考文献 011

第2章　过氧化物酶纳米酶013
2.1　辣根过氧化物酶纳米酶 014
2.2　过渡金属基过氧化物酶纳米酶 014
2.2.1　铁基纳米酶 014
2.2.2　铜基纳米酶 016
2.2.3　锰基纳米酶 016
2.3　贵金属基过氧化物酶纳米酶 017
2.3.1　Au 基纳米酶 018
2.3.2　Pt 基纳米酶 019
2.3.3　Pd 基纳米酶 019
2.3.4　贵金属合金 019
2.4　金属有机框架过氧化物酶纳米酶      020
2.5　过渡金属硫化物基过氧化物酶纳米酶 022
2.6　碳基过氧化物酶纳米酶 023
2.6.1　碳基纳米酶的催化机理 024
2.6.2　碳点基过氧化物酶纳米酶 026
2.6.3　单原子过氧化物酶纳米酶 031
2.6.4　卤过氧化物酶模拟酶 042
2.6.5　谷胱甘肽过氧化物酶模拟酶 043
参考文献 045

第3章　超氧化物歧化酶纳米酶 051
3.1　碳基SOD 纳米酶 051
3.2　铈基SOD 纳米酶 054
3.2.1　铈基纳米酶的合成 054
3.2.2　铈基纳米酶的SOD 活性及其调控因素 055
3.3　以卟啉环为配体的金属基SOD 纳米酶 056
3.3.1　Mn（Ⅲ）（卟啉）配合物 057
3.3.2　铁基配合物 058
3.4　黑色素基SOD 纳米酶 058
3.5　其他SOD 模拟酶及其催化机制 059
参考文献 060

第4章　过氧化氢酶纳米酶061
4.1　过氧化氢酶纳米酶研究进展 061
4.2　金属基过氧化氢酶纳米酶 062
4.2.1　贵金属基拟过氧化氢酶 062
4.2.2　过渡金属基拟过氧化氢酶 063
4.3　金属氧化物基过氧化氢酶纳米酶 065
4.4　MOF 的过氧化氢酶纳米酶 066
4.5　碳基拟过氧化氢酶纳米酶 066
4.6　其他具有过氧化氢酶活性的纳米材料 067
参考文献 067

第5章　氧化酶纳米酶069
5.1　模拟多酚氧化酶 071
5.2　模拟漆酶氧化酶 071
5.3　其他模拟漆酶氧化物酶 077
5.4　葡萄糖氧化酶纳米酶 078
5.4.1　金基葡萄糖氧化酶模拟酶 078
5.4.2　其他模拟酶     082
5.5　细胞色素c 氧化酶纳米酶 083
5.6　其他具有氧化酶纳米材料 083
参考文献 084

第6章　水解酶纳米酶 087
6.1　金属基水解酶纳米酶 087
6.1.1　过渡金属基水解酶纳米酶 087
6.1.2　贵金属基水解酶模拟酶 087
6.2　金属有机框架（MOF 基）水解酶纳米酶 090
6.3　金属氧化物基水解酶纳米酶 092
6.4　过渡金属硫化物（TMD）基水解酶纳米酶 092
6.5　碳基水解酶纳米酶 092
6.6　其他水解酶纳米酶 092
参考文献 094

第7章　不同组成成分的纳米酶 095
7.1　金属基纳米酶 095
7.1.1　过渡金属基纳米酶 095
7.1.2　非过渡金属基纳米酶 099
7.2　碳基纳米酶 104
7.2.1　碳基纳米酶的发展 104
7.2.2　碳基纳米酶分类 105
参考文献 108

第8章　酶活调控策略 111
8.1　尺寸 111
8.2　形状和形貌 112
8.3　构成 114
8.4　形成复合物或杂合体 117
8.5　表面涂层及改性 118
8.6　启动子和抑制剂 122
8.7　pH 和温度 122
8.8　光 125
8.9　缺陷工程 126
8.9.1　构建及表征 126
8.9.2　缺陷工程构建的主要纳米酶 127
参考文献 131

第9章　纳米酶的应用 136
9.1　纳米酶的传感应用 136
9.1.1　体外传感 136
9.1.2　体内传感 160
9.2　纳米酶的生物应用 174
9.2.1　生物成像 174
9.2.2　治疗药物 176
9.2.3　抗菌-纳米酶 186
参考文献 204

第10章　结论、挑战与展望 218
10.1　抗菌领域 218
10.2　传感领域 219
10.3　医学领域 219
参考文献 219