铁氧化物磁性纳米材料模拟酶的应用研究进展

赵雪伶，朱志刚，李崭虹，吴益华，陈诚

（上海第二工业大学环境与材料工程学院，上海201209）

铁氧化物磁性纳米材料模拟酶的应用研究进展

赵雪伶，朱志刚，李崭虹，吴益华，陈诚

（上海第二工业大学环境与材料工程学院，上海201209）

铁氧化物磁性纳米材料过氧化物模拟酶催化活性的发现，开启了纳米材料研究的新领域。与天然酶相比，纳米材料模拟酶具有易制备、使用范围广、催化活性可调等优点。近期，各种新型铁氧化物磁性纳米材料模拟酶被制备出来并用于过氧化氢、葡萄糖、癌症标志物等检测。鉴于此，简要总结了近年来国内外磁性氧化铁纳米材料及磁性纳米复合材料模拟酶在光化学分析、电化学传感及有机污染物降解等方面的应用研究进展，并对今后可能的研究方向和要点做出展望。

铁氧化物磁性纳米材料；模拟酶；比色分析；电化学传感器；有机污染物降解

0　引言

人工酶，也称模拟酶，是仿生化学中的一个重要分支。过去的几十年，模拟酶因其高稳定性和廉价性等特点逐渐取代天然酶应用于医疗卫生和工业生产等各个领域。环糊精、金属配合物、卟啉、聚合物、超分子化合物等模拟酶已经被广泛研究［1］。这些研究大多是利用简单的物理化学方法，发现并合成具有类似酶催化活性的无机分子、有机分子或复合物结构，进而可以很方便地对催化反应机理、酶对底物的络合、微环境对酶催化反应的影响等方面的问题进行研究。

磁性纳米材料有独特的磁性和良好的生物相容性，在药物传输、磁共振成像、生物分离、组织修复和催化等方面应用广泛［2-5］。然而，对于磁性纳米颗粒的研究一直以来主要集中在其高效的分离能力上［6-7］，其本身的催化性能没有被发现。2007年，Gao等［8］最先发现Fe3O4磁性纳米颗粒（Fe3O4MNPs）具有过氧化物模拟酶活性。自此，铁磁性纳米材料在类过氧化物酶活性纳米材料研究领域开始占据非常重要的地位。基于此，本文着重围绕铁氧化物磁性纳米材料模拟酶的性质及应用进行综述，并对今后可能的研究方向和要点做出展望。

1　磁性氧化铁纳米材料

1.1磁性氧化铁纳米材料模拟酶的性质

氧化铁纳米颗粒是磁性材料的重要组成部分，以其独特的物理化学性质和表面可控性受到广泛关注，并应用于磁共振成像、组织修复、生物传感、生化分离等各个领域。而在氧化铁磁性纳米材料中研究较多的是Fe3O4和γ-Fe2O3。

近年来，Gao等［8］在利用Fe3O4MNPs进行肿瘤靶向检测的实验过程中首次发现Fe3O4有类似于天然过氧化物模拟酶的特性，能够催化H2O2氧化邻苯二铵（OPD）等底物发生显色反应。这一发现成为磁性纳米材料在应用上的重大突破，从而开辟了利用磁性纳米材料同时进行免疫检测和磁分离的新思路。Fe3O4磁性纳米颗粒具有许多优点使其可以作为过氧化物模拟酶：①稳定性好；②具有尺寸效应，催化活性随着颗粒粒径的减小而增强；③催化活性对于环境温度、pH值和底物浓度有依赖性；④制备方法简单，材料制备成本低廉、可大规模制备，同时还兼具磁性等其他多功能特性。

另外，进一步的研究表明，Fe3O4MNPs的形貌和表面修饰剂也会影响其催化活性。Liu等［9］研究了Fe3O4MNPs的形貌对H2O2-TMB体系催化活性的影响，结果表明，球形Fe3O4纳米颗粒的相对活性＞三角形Fe3O4纳米颗粒的相对活性＞八面体Fe3O4纳米颗粒的相对活性（见图1［9］）。Yu等［10］研究了6种表面修饰剂对Fe3O4MNPs模拟酶催化活性的影响，发现带正电荷的Fe3O4MNPs对带负电荷的底物的亲和性更强，其催化活性也更强。Liu等［11］的研究进一步表明可以通过对Fe3O4MNPs的修饰调节其催化活性。当通过共价作用将巯基和氨基修饰到Fe3O4MNPs的表面后，该纳米颗粒对H2O2-ABTs体系的催化能力大大增强，可能的原因是表面修饰的Fe3O4MNPs对H2O2的亲和能力增大，导致其催化能力增强，并且巯基具有一定的还原性，能促进低浓度H2O2的分解，产生能氧化ABTs变色的·OH。

图1　 Fe3O4纳米粒子的形貌对其催化活性的影响［9］Fig.1 A time-dependent catalytic activity of different Fe3O4nanostructures

1.2磁性氧化铁纳米材料模拟酶的应用

目前，作为过氧化物模拟酶，Fe3O4MNPs已经应用于发光传感、电化学生物传感和有机污染物降解等多个领域。

1.2.1比色和光化学发光传感

比色法是一种基于Fe3O4MNPs催化H2O2氧化一系列有机底物显色的简单、快速、可视化的检测方法。Gao等［8］利用抗体修饰的Fe3O4MNPs建立了新型的免疫检测方法，该方法中Fe3O4MNPs起到了三重作用：捕获、磁分离和检测。Gao和 Zhang等［12-13］使用CS-MNPs建立了基于磁性纳米颗粒的免疫阵列（见图2［13］）。Wu等［14］使用二巯基丁二酸修饰的超小Fe3O4MNPs检测表皮生长因子受体。此外，借助颜色和吸光度的变化，Fe3O4MNPs还可以用于检测过氧化氢和葡萄糖，检测线分别为3µmol/L和30µmol/L［15］。三聚氰胺与过氧化氢混合后可以形成一种在100°以下稳定的加合物。基于此，Ding等［16］利用Fe3O4MNPs可以催化氧化ABTs显色的性质建立了一种简单、快速的比色法，用于检测奶制品中的三聚氰胺。

图2　 Fe3O4纳米颗粒用于比色法检测凝血酶［13］Fig.2 Strategy for the Fe3O4MNPs-linked colorimetric assay for the detection of thrombin

1.2.2电化学生物传感器

小分子的电化学检测通常需要天然酶HRP或GOx的参与。然而，天然酶价格昂贵、易失活，利用过氧化物模拟酶纳米材料代替天然酶是克服其缺点的有效途径。Zhang等［17］通过层层自组装的方法将Fe3O4MNPs修饰到ITO玻璃上，并以该玻璃为工作电极，构建了廉价、稳定、高效的电化学传感器检测H2O2。与裸露的ITO电极相比，Fe3O4MNPs修饰的ITO电极对加入溶液的H2O2有较大的电响应信号。实验结果表明，构建的电化学传感器检测线低至1.6µmol/L，在室温下保存50天后，其电化学检测活性仍可达到最初活性的92.3%，并具有较好的抗干扰性。Kim等［18］把Fe3O4MNPs和GOx包覆在介孔碳的孔道中构建了高效的电化学传感平台。该传感器的线性范围为0.5～10 mmol/L，检出限大约为0.2 mmol/L，人体血糖可以不经稀释直接测定，且可于室温下在人体内存留2个月之久（见图3［18］）。

图3　 Fe3O4纳米颗粒用于电化学传感［18］Fig.3 Strategy for the Fe3O4MNPs used for the electrochemical biosensing

仅通过静电相互作用将酶修饰到电极表面，会造成较差的电极稳定性和重现性。Zhang等［19］通过共价作用将壳聚糖修饰的Fe3O4MNPs固定在电极表面，改善了电极的稳定性和重现性。他们先用溶剂热法制备壳聚糖修饰的Fe3O4MNPs，再将Fe3O4MNPs与APTES功能化的ITO电极通过戊二醛交联反应结合。该电极对H2O2有较高的灵敏度、较好的稳定性和选择性，检出限达10µmol/L，线性范围为0.2～2 mmol/L。随后，他们通过戊二醛将氨基化的Fe3O4MNPs和巯基乙酸修饰的金电极组装在一起测定胆碱［20］。该传感器灵敏度高（0.1 nmol/L），线性范围广（10-9～10-2mol/L），还具有较高的稳定性和选择性。

1.2.3有机污染物降解

随着现代合成化学工业的兴起，有机污染物的积累开始造成水环境污染甚至危害人类健康。自从纳米材料的拟酶性质被发现以来，辣根过氧化物酶已开始逐渐用于环境污染物的降解［21］。Fe3O4MNPs具有良好的稳定性以及易制备、易分离、高效的过氧化物模拟酶催化活性。基于此，Zhang等［22］利用Fe3O4MNPs催化去除污水中的苯酚和苯胺（见图4）。在温度为308 K、H2O2浓度为1.2 mol/L的条件下，6 h内20 mL、5 g/L Fe3O4MNPs能完全降解20 mL、1 mmol/L苯酚和20 mL、1 mmol/L苯胺。苯酚和苯胺各自的总有机碳（TOC）减少率分别为42.79%和40.38%。他们还对不同pH条件下Fe3O4MNPs的催化效果进行了比较，结果表明Fe3O4MNPs的催化效果随着pH的升高逐渐降低。Fe3O4MNPs活化H2O2的能力相对较弱，要完全去除污染物所需时间较长。Wang等［23-24］在Fe3O4MNPs的制备过程和降解污染物罗丹明B的过程中引入超声辅助手段，来提高纳米颗粒催化H2O2的能力；利用超声辅助下的反相共沉淀法制备了小粒径、大比表面积的Fe3O4MNPs，该颗粒配制成2.0 mL、15.5 g/L溶液，在40°、pH为5.4的条件下，60 min内可去除90%、50 mL、0.02 mmol/L的有机污染物罗丹明B。

图4　 Fe3O4纳米颗粒用于苯酚和苯胺的降解Fig.4 Possible reaction mechanism of the Fe3O4MNPs used to remove phenol and aniline

Gao［12］等的研究发现Fe2+在Fe3O4MNPs的过氧化物模拟酶催化中起着重要的作用，即金属离子的不同价态间可发生电子转移。因此，Fe3O4MNPs的化学组成和表面性质对其和H2O2之间的亲和力是至关重要的。Niu等［25］利用腐殖酸修饰的Fe3O4MNPs清除水中的磺胺。腐殖酸修饰的Fe3O4MNPs能在6 h内将100 mL、50 mg/L的磺胺矿化为无机离子或分子，效率是未修饰的Fe3O4MNPs的3.4倍，并且Fe3O4MNPs的催化作用与其大小和形貌有关［26］。

2　磁性复合纳米材料

未经修饰的铁氧化物磁性纳米颗粒很容易团聚，极不稳定，它的应用也面临着巨大的挑战。为了防止铁氧化物磁性纳米颗粒间的团聚，提高其催化活性，从实际应用的角度出发，在合成磁性纳米颗粒的过程中常常需要加入稳定试剂［27］。然而，研究表明稳定试剂的加入可能会严重影响铁氧化物磁性纳米颗粒的化学活性［28］。磁性复合纳米材料是通过适当的方法将磁性颗粒与其他功能性材料结合形成的具有多重功能的复合微粒。磁性复合纳米材料可以发挥磁性纳米颗粒与其他材料的协同作用，为光学和电化学传感器的发展及污染物的降解等方面提供新的思路。

目前，常见的磁性纳米复合材料有：磁性二氧化硅复合材料［29-31］，磁性氧化石墨烯复合材料［32］，金属或金属氧化物包裹的磁性纳米材料［33］，双功能和多功能磁性复合纳米材料等［34］。

近来，Qiu等［35］构建了一个纳米结构的多功能催化体系。该体系将Fe3O4MNPs和氧化酶包埋在介孔硅中用于比色生物传感。利用该传感器检测了葡萄糖和胆固醇（见图5），它们的检测限和线性范围分别为3µmol/L、5µmol/L，30～1000µmol/L、10～250µmol/L。另外，该生物传感器还具有较好的选择性和稳定性，可循环使用30次以上。利用带负电荷羧基化的MWCNTs和带正电荷PDDA-Fe3O4之间的电荷吸引作用，Moon等［36］制备了复合纳米材料过氧化物模拟酶传感器，用于测定过氧化氢和葡萄糖。实验结果表明，将Fe3O4MNPs和MWCNTs形成复合材料后，可加速电子传递，从而增强催化活性。Wu等［37］制备了哑铃状的Pt-Fe3O4纳米颗粒用于构建电化学免疫传感器，并用该传感器检测癌症标记物--鳞状细胞癌抗体，其制备过程如图6所示。另外，Zuo等［38］制备了多壁碳纳米管和Fe3O4MNPs的复合材料，该材料可以有效地催化氧化苯酚将它们从水中去除。0.12 mg/L的纳米复合材料在30 min内能有效去除80%初始浓度为0.25 g/L的苯酚；将反应时间延长至10 h，苯酚的去除率可达99%。

图5　磁性纳米复合材料用于比色测定葡萄糖和胆固醇［35］Fig.5 Schematic illustration of the nanocomposite entrapping both MNPs and oxidases in mesocellular silica

图6　基于磁性纳米复合材料的电化学免疫传感器［38］Fig.6 Immunoassays based on the peroxidase activity of magnetic nanocomposities

3　展望

铁氧化物磁性纳米材料过氧化物模拟酶催化活性的发现，开启了纳米材料研究的新领域。与天然酶相比，纳米材料模拟酶具有易制备、使用范围广、催化活性可调等优点，已广泛应用于生物传感、电化学传感、环境污染物降解等方面。研究表明，铁氧化物磁性纳米材料模拟酶的催化活性受到颗粒组成、形貌、大小、表面修饰、表面电荷等因素的影响。如何调控铁氧化物磁性纳米材料模拟酶的催化活性，提高它们的稳定性、特异性、选择性和灵敏度是需要进一步解决的问题。与体外环境相比，生命体内环境极其复杂，目前国内外还未出现对铁氧化物磁性纳米材料过氧化物模拟酶活性的体内研究。因此，目前对于铁氧化物磁性纳米材料模拟酶性质的研究才刚刚起步，其在生物技术和医疗领域的应用还有待进一步的探索。

［1］DONG Z Y，LUO Q，LIU J Q.Artificial enzymes based on supermolecular scaffolds［J］.Chem Soc Rev，2012，41：7890-7908.

［2］ELBIALY N S，FATHY M M，KHALIL W M.Doxorubicin loaded magnetic gold nanoparticles for in vivo targeted drug delivery［J］.Int J Pharm，2015，490（1/2）：190-199.

［3］BARICK K C，SINGH S，BAHADUR D，et al.Carboxyl decorated Fe3O4nanoparticles for MRI diagnosis and localized hyperthermia［J］.J Colloid Interf Sci，2014，418：120-125.

［4］NGUYEN D T，KIM K S.Functionalization of magnetic nanoparticles for biomedical applications［J］.Korean J Chem Eng，2014，31（8）：1289-1305.

［5］GAO J，LIANG G L，XU B.Multifunctional yolk-shell nanoparticlesapotentialMRIcontrastandanticanceragent［J］.J Am Chem Soc，2008，130（24）：11828-11833.

［6］PHILIP D S，JINDA F，HARI M R，et al.Superparamagnetic nanoparticle-supported catalysis of Suzuki crosscoupling reactions［J］.Org Lett，2005，7（11）：2085-2088.

［7］HU A G，YEE G T，LIN W B.Magnetically recoverable chiralcatalystsimmobilized on magnetitenanoparticlesfor asymmetric hydrogenation of aromatic ketones［J］.J Am Chem Soc，2005，127（36）：12486-12487.

［8］GAO L Z，ZHUANG J，NIE L，et al.Intrinsic peroxidaselike activity of ferromagnetic nanoparticles［J］.Nat Nanotechnol，2007，2（9）：577-583.

［9］LIU S H，LU F，XING R M，et al.Structural Effects of Fe3O4nanocrystals on peroxidase-like activity［J］.Chem Eur J，2011，17（2）：620-625.

［10］YU F Q，HUANG Y Z，COLE A J，et al.The artificial peroxidase activity of magnetic iron oxide nanoparticles and its application to glucose detection［J］.Biomaterials，2009，30（27）：4716-4722.

［11］LIUYP，YUFQ.Substrate-specificmodificationsonmagnetic iron oxide nanoparticles as an artificial peroxidase for improving sensitivity in glucose detection［J］.Nanotechnology，2011，22（14）：145704-145712.

［12］GAO L Z，WU J M，LYLE S，et al.Magnetite nanoparticlelinked immunosorbent assay［J］.J Phys Chem C，2008，112（44）：17357-17361.

［13］ZHANG Z X，WANG Z J，WANG X L，et al.Magnetic nanoparticle-linked colorimetric aptasensor for the detection of thrombin［J］.Sensors Actuat B-Chem，2010，147（2）：428-433.

［14］WU Y H，SONG M J，XIN Z，et al.Ultra-small particles of iron oxide as peroxidase for immunohistochemical detection［J］.Nanotechnology，2011，22（22）：225703-225705.

［15］WEI H，WANG E K.Fe3O4magnetic nanoparticles as peroxidase mimetics and their application in H2O2and glucose detection［J］.Anal Chem，2008，80（6）：2250-2254.

［16］DING N，YAN N，REN C L，et al.Colorimetric determination of melamine in dairy products by Fe3O4magnetic nanoparticles-H2O2-ABTS detection system［J］. Anal Chem，2010，82（13）：5897-5899.

［17］ZHANG L H，ZHAI Y M，GAO N，et al.Sensing H2O2withlayer-by-layerassembledFe3O4-PDDAnanocomposite film［J］.Electrochem Commun，2008，10（10）：1524-1526.

［18］KIM M I，YE Y L，WON B Y，et al.A highly efficient electrochemical biosensing platform by employing conductive nanocomposite entrapping magnetic nanoparticles and oxidase in mesoporous carbon foam［J］.Adv Funct Mater，2011，21（15）：2868-2875.

［19］ZHANG Z X，ZHU H，WANG X L.Sensitive electrochemical sensor for hydrogen peroxide using Fe3O4magnetic nanoparticles as a mimic for peroxidase［J］.Microchim Acta，2011，174（1）：183-189.

［20］ZHANG Z X，WANG X L.YANG X R.A sensitive choline biosensor using Fe3O4magnetic nanoparticles as peroxidase mimics［J］.Analyst，2011，136（23）：4960-4965.

［21］WEN F，DONG Y H，FENG L，et al.Horseradish peroxidase functionalized fluorescent gold nanoclusters for hydrogen peroxide sensing［J］.Anal Chem，2011，83（4）：1193-1196.

［22］ZHANG S X，ZHAO X L，NIU H Y，et al.Superparamagnetic Fe3O4nanoparticles as catalysts for the catalytic oxidation of phenolic and aniline compounds［J］.J Hazard Mater，2009，167（1）：560-566.

［23］WANG N，ZHU L H，WANG M Q，et al.Sono-enhanced degradation of dye pollutants with the use of H2O2activated by Fe3O4magnetic nanoparticles as peroxidase mimics［J］.Ultrason Sonochem，2010，17（1）：78-83.

［24］WANG N，ZHU L H，WANG D L，et al.Sono-assisted preparation of higyly-efficient peroxidase-like Fe3O4magnetic nanoparticles for catalytic removal of organic pollutantswithH2O2［J］.UltrasonSonochem，2010，17（3）：526-533.

［25］NIU H Y，ZHANG D，ZHANG S X，et al.Humic acid coated Fe3O4magnetic nanoparticles as highly efficient fenton-like catalyst for complete mineralization of sulfathiazole［J］.J Hazard Mater，2011，190（1）：559-565.

［26］JIANG J Z，ZOU J，ZHU L H，et al.Degradation of methylene blue with H2O2activated by perosidase-like Fe3O4magnetic nanoparticles［J］.J Nanosci Nanotechnol，2011，11（6）：4793-4799.

［27］JU Y，LI B X，CAO R.Positively-charged gold nanoparticlesasperoxidiasemimicandtheirapplicationinhydrogenperoxide and glucose detection［J］.Chem Commun，2010，46（2）：8017-8019.

［28］WANG S，CHEN W，LIU A L，et al.Comparison of the peroxidase-like activity of unmodified，amino-modified，and citrate-capped gold nanoparticles［J］.Chem Phys Chem，2012，13（5）：1199-1204.

［29］YANG C Q，WANG G，LU Z Y，et al.Effect of ultrasonic treatment on dispersibility of Fe3O4nanoparticles and synthesis of multi-core Fe3O4/SiO2core/shell nanoparticles［J］.J Marer Chem，2005，15（39）：4252-4257.

［30］PEDRO T，CARLOS J S.Synthesis of monodisperse superparamagnetic Fe/silica nanospherical composites［J］.J Am Chem Soc，2003，125（51）：15754-15755.

［31］QIU J D，PENG H P，LIANG R P.Ferrocene-modified Fe3O4@SiO2magnetic nanoparticles as building blocks for construction of reagentless enzyme-based biosensors［J］.Eletrochem Commun，2007，9（11）：2734-2738.

［32］YU S Y，ZHANG H J，YU J B，et al.Bifunctional magnetic-optical nanocomposites：Grafting lanthanide complex onto core-shell magnetic silica nanoarchitecture［J］.Langmuir，2007，23（14）：7836-7840.

［33］MA M，XIE J，ZHANG Y，et al.Fe3O4@Pt nanoparticles with enhanced peroxidase-like catalytic activity［J］.Mater Lett，2013，105（1）：36-39.

［34］杨俊松，张晖，王腾，等.水热体系中四氧化三铁与氧化石墨烯复合纳米颗粒的合成［J］.硅酸盐通报，2013，32（1）：100-103.

［35］QIU J D，PENG H P，LIANG R P.Ferrocene-modified Fe3O4@SiO2magnetic nanoparticles as building blocks for construction of reagentless enzyme-based biosensors［J］.Eletrochem Commun，2007，9（11）：2734-2738.

［36］MOON I K，SHIM J M，LI T H，et al.Fabrication of nanoporous nanocomposites entrapping Fe3O4magnetic nanoparticles and oxidases for colorimetric biosensing［J］. Chem Eur J，2011，17（38）：10700-10707.

［37］WU D，FAN H X，LI Y Y，et al.Ultrasensitive electrochemical immunoassay for squamous cell carcinoma antigen using dumbbell-like Pt-Fe3O4nanoparticles as signal amplification［J］.Biosens Bioelectron，2013，46（1）：91-96.［38］ZUO X L，PENG C，HUANG Q，et al.Design of a carbonnanotube/magnetic nanoparticle-basedperoxidase-like nanocomplex and its application for highly efficient catalytic oxidation of phenols［J］.Nano Res，2009（2）：617-623.

Research Progress of Magnetic Iron Oxide Nanoparticles as Enzyme Mimic

ZHAO Xueling，ZHU Zhigang，LI Zhanhong，WU Yihua，CHEN Cheng
（School of Environmental and Materials Engineering，Shanghai Polytechnic University，Shanghai 201209，P.R.China）

The discovery of iron oxide nanoparticles with peroxidase activity opens a new area in the research of nanomaterials.Comparing with natural enzymes，nanomaterial-based mimic enzymes possess the advantages of easy preparation，wide using range，adjustable catalytic activities，etc.In recent years，a wide range of iron oxide nanoparticles-based proxidase mimics have been fabricated to detect hydrogen peroxide，glucose，cocaine，cancer markers etc.The applications of magnetic iron oxide nanoparticles and magnetic nanocomposites based enzyme mimic to colorimetric analysis，electrochemical sensors and degradation of organic pollutants have been reviewed，and the research fields and key points of these materials have also been prospected.

magnetic iron oxide nanoparticles；enzyme mimic；colorimetric analysis；electrochemical sensors；degradation of organic pollutants

TB3

A

1001-4543（2016）03-0181-07

2016-02-29

赵雪伶（1988-），女，河南信阳人，讲师，博士，主要研究方向为纳米功能材料。电子邮箱xlzhao@sspu.edu.cn。

国家自然科学基金（No.61471233）、上海市科委基础研究重点项目（No.13NM1401300）、上海市教委曙光计划（No.14SG52）、上海第二工业大学校基金（No.EGD15XQD04）、上海高校青年教师培养资助计划（No.ZZZZEGD15012）、上海市功能性材料化学重点实验室2015年度开放课题（No.SKLFMC201502）资助