納米酶材料及其應(yīng)用

基于納米酶具有合成簡便、穩(wěn)定性好、催化活性易調(diào)控以及適用范圍廣等優(yōu)勢，本書從納米酶的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展，納米酶的催化活性，所表現(xiàn)的過氧化物酶納米酶、超氧化物歧化酶納米酶、過氧化氫酶納米酶、氧化酶納米酶、水解酶納米酶、碳基納米酶及酶活性調(diào)控策略等，進行詳細介紹，同時，總結(jié)了過渡金屬基、貴金屬基及碳基納米酶表現(xiàn)的納米酶活性的研究現(xiàn)狀，并介紹了納米酶在檢測傳感、新型抗菌劑及治療藥物等方面的應(yīng)用。
本書主要適于從事環(huán)境、食品、醫(yī)藥、生物、煙草等行業(yè)分析檢測的技術(shù)人員閱讀，也可作為高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)研究生和本科生的課外參考書。

天然酶由于容易受到諸如熱穩(wěn)定性差和pH 范圍窄等因素的限制，導(dǎo)致其變性，顯著削弱或阻礙其酶活性。納米酶是一類具有類酶活性的納米材料，自2007年中國科學(xué)家閻錫蘊等首次發(fā)現(xiàn)Fe3O4 納米顆粒具有內(nèi)在類過氧化物酶活性后，納米酶研究領(lǐng)域迅速發(fā)展起來。中國科學(xué)家在納米酶領(lǐng)域作出了巨大貢獻：發(fā)現(xiàn)并命名了納米酶，建立了研究納米酶催化活性的方法，創(chuàng)立了納米酶術(shù)語及標準化，解析了納米酶的構(gòu)效關(guān)系。截至目前，已有幾百種不同組成、結(jié)構(gòu)的納米材料被發(fā)現(xiàn)具有類酶活性。相比天然酶，納米酶結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，制備和保存工藝更加經(jīng)濟，功能更加多樣化，并且具有可調(diào)節(jié)的催化活性。納米酶具有獨特的物理化學(xué)特性、穩(wěn)定的功能屬性、可調(diào)節(jié)的催化活性、精確的結(jié)構(gòu)組成以及大規(guī)模制備的可行性，已被廣泛應(yīng)用于分子檢測、生物傳感、疾病診斷及治療、環(huán)境保護等領(lǐng)域。近20年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，許多具有催化類酶活性的功能納米材料被發(fā)現(xiàn)。納米酶在許多方面是不尋常的，包括其尺寸可調(diào)的催化活性(形態(tài)、結(jié)構(gòu)和組成)、可用于修飾和生物結(jié)合的巨大表面積、各種額外的活性以及對環(huán)境刺激的智能響應(yīng)。越來越多的納米材料被研究用于模擬一系列天然存在的蛋白質(zhì)。
在過去的5年中，得益于納米技術(shù)、生物技術(shù)、催化科學(xué)和計算設(shè)計的快速發(fā)展，高性能納米材料在模擬新的酶活性、調(diào)控納米酶活性、闡明催化機理和拓寬潛在應(yīng)用等方面取得了重大進展。目前，全球已有30多個國家的400多個實驗室從事納米酶研究，其應(yīng)用研究也涉及生物醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護等多個領(lǐng)域，逐漸形成了納米酶研究新領(lǐng)域。近幾年納米酶相關(guān)領(lǐng)域的研究也進入了高速發(fā)展時期，論文數(shù)量逐年攀升。盡管自2013年以來，諸多研究人員發(fā)表了許多優(yōu)秀的論文，但論文大多集中在納米酶的某些特定主題上，而其余的都是簡短的評論。因此，需要全面地總結(jié)和進一步分析所有的進展，尤其是就近五年發(fā)表的1100多篇研究論文成果的相關(guān)總結(jié)分析。這樣的分析對于幫助研究者更好地理解納米酶，進而推進這一領(lǐng)域的發(fā)展是必要的。在本論著中，我們將對納米酶的類型、單原子納米酶、納米酶的活性和選擇性調(diào)控以及納米酶在生物醫(yī)學(xué)傳感、治療和環(huán)境修復(fù)等方面的應(yīng)用進行介紹。最后，本書還討論了納米酶目前面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究方向。
盡管編寫團隊做了大量的工作，本書不足之處在所難免，敬請廣大讀者提出寶貴意見。

編者
2024年3月 

第1章　納米酶的發(fā)展與潛能001
1.1　納米酶的定義 001
1.2　納米酶在模擬酶中的地位 001
1.2.1　傳統(tǒng)模擬酶 002
1.2.2　納米酶 002
1.3　納米酶的催化活性 005
1.3.1　納米酶催化活性接近或超越天然酶 005
1.3.2　納米酶的底物親和力與選擇性 006
1.3.3　納米酶催化類型 007
1.4　納米酶的發(fā)展及方向 008
1.4.1　納米酶的發(fā)展 008
1.4.2　納米酶的方向 009
參考文獻 011

第2章　過氧化物酶納米酶013
2.1　辣根過氧化物酶納米酶 014
2.2　過渡金屬基過氧化物酶納米酶 014
2.2.1　鐵基納米酶 014
2.2.2　銅基納米酶 016
2.2.3　錳基納米酶 016
2.3　貴金屬基過氧化物酶納米酶 017
2.3.1　Au 基納米酶 018
2.3.2　Pt 基納米酶 019
2.3.3　Pd 基納米酶 019
2.3.4　貴金屬合金 019
2.4　金屬有機框架過氧化物酶納米酶      020
2.5　過渡金屬硫化物基過氧化物酶納米酶 022
2.6　碳基過氧化物酶納米酶 023
2.6.1　碳基納米酶的催化機理 024
2.6.2　碳點基過氧化物酶納米酶 026
2.6.3　單原子過氧化物酶納米酶 031
2.6.4　鹵過氧化物酶模擬酶 042
2.6.5　谷胱甘肽過氧化物酶模擬酶 043
參考文獻 045

第3章　超氧化物歧化酶納米酶 051
3.1　碳基SOD 納米酶 051
3.2　鈰基SOD 納米酶 054
3.2.1　鈰基納米酶的合成 054
3.2.2　鈰基納米酶的SOD 活性及其調(diào)控因素 055
3.3　以卟啉環(huán)為配體的金屬基SOD 納米酶 056
3.3.1　Mn（Ⅲ）（卟啉）配合物 057
3.3.2　鐵基配合物 058
3.4　黑色素基SOD 納米酶 058
3.5　其他SOD 模擬酶及其催化機制 059
參考文獻 060

第4章　過氧化氫酶納米酶061
4.1　過氧化氫酶納米酶研究進展 061
4.2　金屬基過氧化氫酶納米酶 062
4.2.1　貴金屬基擬過氧化氫酶 062
4.2.2　過渡金屬基擬過氧化氫酶 063
4.3　金屬氧化物基過氧化氫酶納米酶 065
4.4　MOF 的過氧化氫酶納米酶 066
4.5　碳基擬過氧化氫酶納米酶 066
4.6　其他具有過氧化氫酶活性的納米材料 067
參考文獻 067

第5章　氧化酶納米酶069
5.1　模擬多酚氧化酶 071
5.2　模擬漆酶氧化酶 071
5.3　其他模擬漆酶氧化物酶 077
5.4　葡萄糖氧化酶納米酶 078
5.4.1　金基葡萄糖氧化酶模擬酶 078
5.4.2　其他模擬酶     082
5.5　細胞色素c 氧化酶納米酶 083
5.6　其他具有氧化酶納米材料 083
參考文獻 084

第6章　水解酶納米酶 087
6.1　金屬基水解酶納米酶 087
6.1.1　過渡金屬基水解酶納米酶 087
6.1.2　貴金屬基水解酶模擬酶 087
6.2　金屬有機框架（MOF 基）水解酶納米酶 090
6.3　金屬氧化物基水解酶納米酶 092
6.4　過渡金屬硫化物（TMD）基水解酶納米酶 092
6.5　碳基水解酶納米酶 092
6.6　其他水解酶納米酶 092
參考文獻 094

第7章　不同組成成分的納米酶 095
7.1　金屬基納米酶 095
7.1.1　過渡金屬基納米酶 095
7.1.2　非過渡金屬基納米酶 099
7.2　碳基納米酶 104
7.2.1　碳基納米酶的發(fā)展 104
7.2.2　碳基納米酶分類 105
參考文獻 108

第8章　酶活調(diào)控策略 111
8.1　尺寸 111
8.2　形狀和形貌 112
8.3　構(gòu)成 114
8.4　形成復(fù)合物或雜合體 117
8.5　表面涂層及改性 118
8.6　啟動子和抑制劑 122
8.7　pH 和溫度 122
8.8　光 125
8.9　缺陷工程 126
8.9.1　構(gòu)建及表征 126
8.9.2　缺陷工程構(gòu)建的主要納米酶 127
參考文獻 131

第9章　納米酶的應(yīng)用 136
9.1　納米酶的傳感應(yīng)用 136
9.1.1　體外傳感 136
9.1.2　體內(nèi)傳感 160
9.2　納米酶的生物應(yīng)用 174
9.2.1　生物成像 174
9.2.2　治療藥物 176
9.2.3　抗菌-納米酶 186
參考文獻 204

第10章　結(jié)論、挑戰(zhàn)與展望 218
10.1　抗菌領(lǐng)域 218
10.2　傳感領(lǐng)域 219
10.3　醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 219
參考文獻 219