单原子纳米酶及其在食品检测中的研究进展

宋光春，程 楠,*，黄荟娴，张俊杰，贺晓云，刘清亮，罗云波,，黄昆仑,

（1.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京 100083；2.农业农村部农业转基因生物安全评价（食用）重点实验室，北京 100083；3.山东拜尔检测股份有限公司，山东 潍坊 261061）

天然酶作为效率高、专一性强、反应条件温和的优质生物催化剂，已经被广泛用于食品检测中，但受限于成本较高、稳定性较差、易受环境影响失去活性等弊端，寻求天然酶的替代物一直是该领域的热门研究方向。纳米酶作为具有类似天然酶催化活性和酶促反应动力学特征的纳米材料，克服了天然酶的上述弊端，具有成本低、稳定性好、易于批量生产、耐苛刻的实验条件等优点，已经逐渐被应用于食品检测中。然而，纳米酶也存在着一些不可忽视的缺陷：首先，纳米酶的活性位点密度普遍比天然酶低，造成较低的类酶活性；其次，纳米酶具有不同的结晶纳米结构和多种表面构型，这使得很难清晰阐释其催化机理；最后，纳米酶的元素分布往往不均匀，这使得分辨实际活性位点变得极其困难。这些局限性在一定程度上制约着纳米酶在纳米生物交叉领域的快速发展。为了打破这些限制，合理设计和精准合成高效的纳米酶极其重要。

随着球差校正扫描透射电子显微技术的发展，不同种类的单原子纳米酶（single atom nanozyme，SAzymes）被不断研制、开发出来，并迅速成为纳米酶领域的研究前沿。单原子纳米酶作为一类新型的纳米酶，将具有催化活性的孤立金属原子锚定在固体载体上，活性位点分布均匀，相互之间没有明显的相互作用，极大地提高了原子利用率和活性中心密度，从而显著提高了类酶性能，许多研究结果表明其活性可比传统纳米酶高10～100 倍。此外，孤立的金属原子牢固地固定在载体骨架中，金属与载体之间强烈的相互作用使单原子纳米酶具有优异的稳定性，典型结构如金属-氧化物（M-氧化物）、金属-金属（M-M）、金属-N（M-N）和金属-N（M-N）等，更有利于对催化机理的研究。更重要的是，单原子纳米酶具有精确设计的配位结构，能够模拟出天然酶的催化活性中心，因此被认为是理想的纳米酶。到目前为止，单原子纳米酶在其设计开发、机理研究和应用探索方面已经取得了一定突破。

近几年的研究报道表明，食品检测是单原子纳米酶的重要应用场景之一，例如，对农药残留、抗氧化剂、过氧化氢、食品和农产品中的Cr等具有高生物毒性的重金属离子等进行检测。这些研究主要利用了单原子纳米酶高效的催化性能，从而缩短了检测时间、提高了检测灵敏度和稳定性，使所构建的检测方法和器件非常适用于现场即时检测。

本文主要介绍了单原子纳米酶及其在食品检测中的应用，首先介绍了从“纳米酶”发展到“单原子纳米酶”的历程，然后分析了单原子纳米酶类酶活性的最新研究动态，此外详细阐述了单原子纳米酶在食品检测中的初步应用进展，最后展望了其面临的挑战和未来的研究方向。

1 单原子纳米酶的发展历程

单原子纳米酶的发展历程如图1所示。

图1 单原子纳米酶的发展历程[9,18,20,25,29-33]Fig.1 Development history of single-atom nanozymes[9,18,20,25,29-33]

“纳米酶”的概念于2004年被首次提出，最初是指基于纳米颗粒的酶模拟物。直到2007年，FeO纳米颗粒被发现具有类过氧化物酶活性，自此打破了无机材料具有生物惰性的传统观念，激发了研究人员对探索其他新型酶样纳米材料的广泛兴趣。继而，多种纳米酶逐渐被研究者们探索发现，如金属氧化物、贵金属、碳材料和金属-有机骨架（metal organic framework，MOF）等。随着球差校正电子显微镜技术的发展达到了单个原子分散的分辨水平，通过球差校正扫描透射电子显微镜（high-angle annular dark field-scanning transmission electron microscope，HAADF-STEM）可以观察到这种单原子状态，其中Zn-沸石咪唑盐框架（zeolitic imidazolate framework，ZIF）-8和Fe单原子纳米酶（single iron site nanozyme，Fe SSN）的HAADF-STEM图的如图2所示。

图2 单原子纳米酶HAADF-STEM图像Fig.2 High-angle annular dark field scanning transmission electron microscopic images of single-atom nanozymes

从HAADF-STEM图像中能够观察到纳米材料中的金属原子以分散的单原子形式分布于材料中，且金属原子之间没有明显的相互作用，这样的结构极大地提高了原子利用率和活性中心密度，从而使得单原子纳米酶表现出优异的催化活性。正是随着HAADF-STEM技术的发展，使得纳米酶的研究进入单原子时代。2011年，研究发现分散在FeO上的单个Pt原子显示出高的稳定性和对CO氧化的活性，首次提出“单原子催化剂”概念，即将具有催化活性的孤立金属原子锚定在固体载体上而构建的催化剂，具有均匀分散的催化活性中心，良好的几何结构、电子结构及较高的催化活性，自此单原子纳米酶迅速成为纳米酶领域的研究前沿。2015年，Pei Guangxian等通过使用含微量Pd的Pd/Ag单原子催化剂获得最佳的Pd/Ag表面组成比和孤立的Pd原子，使得Pd/Ag单原子催化剂具有比先前报道的Pd/Au单原子体系更强的催化活性，这项研究表明改变单原子催化剂的金属组成和配比能显著改变催化活性。2016年，Liu Wengang等报道了一种Co-N-C单原子催化剂，其中Co作为单个原子分散体，这种独特的结构显示出出色的催化活性、化学选择性和稳定性，这项研究成果为后续设计和合成M-N-C基单原子催化剂提供了新的思路。2019年，基于单原子催化剂的优越性能将具有类酶活性位点的纳米酶与单原子催化技术结合起来形成“单原子纳米酶”的概念逐渐达成共识。同年，针对常规的纳米酶技术面临复杂的大小、组成以及固有的低密度活性位点问题，Huang Liang等制备了一类新型的单原子纳米酶，其在纳米材料中具有原子分散的酶样活性位点，可显著增强催化性能，通过实验研究和理论计算表明具有明确FeN活性中心的单原子纳米酶（FeNSA/CNF）比其他非单原子纳米酶显示出更高的类氧化酶活性。2020年，Wu Yu等合成了具有高浓度Cu活性位点的Cu-N-C单原子纳米酶，其具有显著的类过氧化物酶活性，可用于比色检测乙酰胆碱和有机磷农药。同年，Wang Ying等报道了一系列钼单原子纳米酶（Mo-N-C），通过理论设计和实验发现所制得的Mo-N-C、Mo-N-C、Mo-N-C单原子纳米酶表现出不同的类过氧化物酶活性，其类过氧化物酶样活性受Mo位点的配位数影响，这项研究结果表明单原子纳米酶的结构对其类酶样活性有着重要影响。可见，单原子纳米酶在设计和合成上不断突破和优化，旨在找到催化性能最佳、稳定性更强、灵敏度更高、制备方法更简单的策略，这也是未来单原子纳米酶的发展方向。

2 单原子纳米酶的类酶性质

单原子纳米酶具有多种类酶特性，包括类过氧化物酶（peroxidase，POD）、类过氧化氢酶（catalase，CAT）、类氧化酶（oxidase，OXD）、类超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和类谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GP）活性（表1）。

表1 单原子纳米酶类酶活性Table 1 Enzyme-like activity of single-atom nanozymes

续表1

基于单原子纳米酶所具有的类酶活性，比较了其所具有的类POD活性与非单原子纳米酶之间的区别，如表2所示。

表2 单原子纳米酶和非单原子酶类POD活力参数及比较Table 2 Comparison of kinetic parameters of peroxidase-like activity of single-atom and non- single-atom nanozymes

通过和非单原子纳米酶的类POD活性参数进行比较，发现单原子纳米酶具有比非单原子纳米酶更强的酶活力以及更小的米氏常数（）。因此，可以表明单原子纳米酶具有比非单原子纳米酶更强的类POD活性。

2.1 类过氧化物酶

天然POD是过氧化物酶体的标志酶，其活性中心为铁卟啉结构，能够以过氧化氢为电子受体催化底物氧化，同时将过氧化氢分解成水。因此，含有铁卟啉结构的单原子纳米酶往往具有类POD活性。诸多的研究表明单原子纳米酶具有显著的类POD活性，例如Niu Xiangheng等以TMB为典型底物验证了单原子铁纳米酶（Fe-N-C SAN）的类POD活性，其反应机理为：Fe-N-C SAN催化过氧化氢和氧气分别产生羟基和超氧自由基，然后生成具有强氧化能力的自由基诱导无色的TMB氧化为蓝绿色产物oxTMB，此外，Fe-N-C SAN比活度远大于典型的FeONPs、C NPs和Au NPs等非单原子纳米酶且与天然辣根过氧化物酶的比活度接近。Yan Ruijuan等合成的单原子Pt/CeO纳米酶，因CeO对Pt单原子具有很强的捕获能力，因此单原子Pt表现出比Pt颗粒和CeO纳米簇高3～10 倍的类POD活性。Lin Zhen等合成的Cu-N-C单原子纳米酶催化活性明显高于Cu@CuO气凝胶等纳米颗粒，且在极端条件下Cu-N-C的相对活性仍保持在90%以上，具有极好的稳定性。Li Youbing等在CuCl熔盐中通过取代反应合成的Ti(AlCu)C纳米酶，其中单原子Cu为催化反应提供了活性位点。Xu Bolong等报道的一种锌基咪唑啉沸石骨架（ZIF8）衍生的碳纳米材料（PMCS），也具有比C-ZIF-600和C-ZIF-700纳米酶更高的类POD活性。可见，单原子纳米酶具有比其他非单原子纳米酶更强的类POD活性。

2.2 类过氧化氢酶

天然CAT是以铁卟啉为辅基的结合酶，也是过氧化物酶体的标志酶，能催化过氧化氢分解成氧和水。理论研究及实验表明单原子纳米酶具有类CAT活性，例如Yan Ruijuan等研究发现将Pt单原子分散在CeO表面可将Pt单原子利用率提高到100%且单原子铂纳米酶（Pt/CeO）比Pt纳米颗粒和CeO纳米簇表现出更高的催化活性。然而，Xi Junqun等基于单原子铜纳米酶具有显著的类CAT活性合成了具有良好分散性的铜/碳纳米酶（Cu-HCSs），在物理条件下与碳纳米酶相比活力约高8 倍。Ma Wenjie等合成的单原子铁纳米酶（Fe-SAs/NC）与N-基纳米酶相比催化分解HO的速率更高，进一步说明Fe-SAs/NC中的单原子铁作为活性位点在模拟CAT催化过程中发挥着重要作用。此外，也有研究发现将单原子钌（Ru）掺杂到Mn[Co(CN)]MOF的纳米结构中构建了定义明确、均匀的单原子纳米酶（OxgenMCC-r）；具有不饱和活性Co-卟啉中心配位中心的新型单原子钴纳米酶（Co/PMCS）可模拟CAT来清除O•和HO，且活性明显高于其他纳米酶。由此可表明通过合理设计及修饰的单原子纳米酶能表现出更强的类CAT活性。

他想了一下，没想出所以然来。摇摇头，又想了一会，还是没有头绪。有点懂，又不太懂。似乎明白，又不确定明白。

2.3 类氧化酶

天然OXD是过氧化物酶体的主要酶类，约占过氧化物酶体总量的一半，其催化氧化底物的同时将氧还原成过氧化氢。研究人员发现单原子纳米酶具有类OXD活性，例如Huang Liang等报道了一种新型的单原子铁纳米酶（FeNSA/CNF），系统地研究了FeNSA/CNF和MNSA/CNF（M为Mn、Fe、Co、Ni和Cu）的催化活性，大小顺序为FeNSA/CNF＞MnNSA/CNF＞CoNSA/CNF＞FeNSA/CNF＞NiNSA/CNF＞CuNSA/CNF，且与大多数报道的纳米颗粒（如CeO、FeO、MnO、CuO、Au、Pd、Pt和普鲁士蓝）相比，FeNSA/CNF表现出更强的类OXD活性。此外，Zhang Xianlong等成功制备了含FeN活性位点的单原子铁纳米酶（Fe-N/C-CNT），证明了FeN是Fe-N/C-CNT具有显著类OXD活性的关键氧化活性位点，且其催化机理可能是基于其产生的活性氧。在类酶测定实验中，Wu Yu等制备的Fe-N-C单原子纳米酶能将无色底物TMB氧化成蓝绿色的oxTMB，且在实验过程中将带有巯基分子的Fe-N-C单原子纳米酶加入到反应体系中，发现TMB被氧化后与对照组相比颜色变浅、吸收峰降低，说明巯基分子能抑制Fe-N-C单原子纳米酶的类OXD活性。诸多研究可表明，单原子纳米酶具有比其他非单原子纳米酶更强的类OXD活性。

2.4 类超氧化物歧化酶

天然SOD能催化超氧阴离子自由基歧化生成氧和过氧化氢，SOD的催化作用是通过金属离子M（氧化态）和M（还原态）之间电子得失实现的。单原子纳米酶能模拟SOD催化过程，如Yan Ruijuan等研究中发现分散在金属氧化物（如CeO）上的Pt单原子纳米酶具有显著的类SOD活性，且活力高于Pt纳米颗粒、CeO纳米酶，约为CeO纳米酶的4 倍。同时，也有研究人员总结了Cu单原子纳米酶（Cu-N-C）、单原子铁纳米酶（Fe-SAs/NC）、单原子钴纳米酶（Co/PMCS）也具有比其他非单原子纳米酶更显著的类SOD活性。基于现有的研究可表明，单原子纳米酶在模拟SOD活性中具有极大的潜能。

2.5 类谷胱甘肽过氧化物酶

天然GP是一种重要的过氧化物分解酶，其活性中心是硒半胱氨酸，还原性辅酶（nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate，NADPH）能催化氧化型谷胱甘肽（glutathione oxidized，GSSG）生成还原型谷胱甘肽（glutathione，GSH），同时促进过氧化氢分解成水，通过计算NADPH的减少量就可以得到GP的活力。单原子纳米酶也具有类似天然GP的催化性能，例如Lu Mingju等报道的单原子铁纳米酶（Fe-N-C）能催化GSH氧化生成GSSG。Cao Fangfang等合成的新型单原子钴纳米酶（Co/PMCS）同样能模拟GP催化过程消除氧负离子（O•）和HO，且活性明显高于其他纳米酶。此外，Nie Lei等实验报道的单原子铂纳米酶（Pt/CeO）类GP催化活性也远大于非单原子纳米酶（如CeO纳米簇）。可见，单原子纳米酶在模拟GP催化过程中具有比其他非单原子纳米酶更强的活力。单原子纳米酶类酶催化活性及反应式总结如图3所示。

图3 单原子纳米酶类酶催化活性及反应式[54]Fig.3 Catalytic activity and reaction formula of single-atom nanozymes[54]

2.6 影响类酶性质的主要因素

影响单原子纳米酶类酶性质的主要因素是活性位点及配位结构，其活性位点主要为M-N，配位结构主要为M-N-C基（M主要为Fe、Cu、Pt、Zn）。对具有最佳电子和几何结构的M-N-C基配位结构的单原子纳米酶而言，明确影响活性大小的因素至关重要，而影响单原子纳米酶类酶催化活性的因素主要有载体形态、分子配体、金属簇、原子掺杂物、缺陷、N数目和类型、杂合方式等，因此，可以通过改变这些因素来增强单原子纳米酶的类酶催化活性。

例如通过调整碳载体的形态构造分层多孔的结构，不仅能提供较大的比表面积使得单原子纳米酶的活性位点更加稳定，而且还能促进反应物、离子和产物的结合，使得催化活性大大提高；碳载体中与单原子金属催化剂配位的分子均能够充当电子给体或受体诱导电子在金属活性位点重新分布，从而改变单原子纳米酶类酶活性；同样，嵌入碳载体中的金属簇不仅能够提供更多的活性位点，而且还能通过金属簇与单个金属位点之间的电荷转移来调节活性中心；在原始M-N-C基配位结构基础上添加掺杂物，基于掺杂物的内在因素使得电荷转移效应和活性中心的电子结构相互作用，从而能改变活性中心的催化性能；此外，碳载体中的任何缺陷或改变活性中心的配位数及类型都是调节催化活性的有效途径。

3 单原子纳米酶在食品安全快速检测中的应用

由于食物基质本身的复杂性，对其中待测物的分析通常要求具有很高的灵敏度和良好的重复性，这使得基于单原子纳米酶分析技术在食品安全快速检测过程中具有显著的优势。表3总结了单原子纳米酶在农药残留、抗氧化剂、糖类、过氧化氢、重金属离子等食品检测领域的初步应用进展，并在目标物检测范围以及检出限方面与非单原子纳米酶、传统检测技术进行了对比分析。

表3 单原子纳米酶、非单原子纳米酶、传统检测技术在食品安全快速检测领域的应用与比较Table 3 Application and comparison of single-atom and non-single-atom nanozymes and traditional analytical techniques for rapid food safety detection

3.1 农药残留检测

酶是一类生物催化剂支配着生物的新陈代谢、营养和能量转换等许多催化过程，基于酶的性质将其用于食品安全检测中，如利用乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase，AChE）、丁酰胆碱酯酶（butylcholinesterase，BChE）通过酶抑制率法来检测蔬菜、水果中有机磷和氨基甲酸酯类农药残留的含量。Wu Yu等报道了一种Cu-N-C单原子纳米酶，在氮掺杂碳纳米片的表面具有高浓度孤立的Cu单原子具有与天然POD相似的活性，利用Cu-N-C单原子纳米酶显著的类POD活性构建了AChE、胆碱氧化酶、单原子铜纳米酶（Cu-N-C）3种酶级联反应体系对乙酰胆碱（acetyl choline，ACh）进行比色检测，检出限为1.24 µmol/L，其灵敏度优于已报道的其他传感体系，基于级联反应体系在ACh检测方面优异的性能，研究团队进一步将其用于检测有机磷农药（organophosphorus pesticide，OP），线性范围为1～300 ng/mL，检出限为0.60 ng/mL，且级联反应体系对OP检测具有极高的灵敏性和选择性。这项工作不仅为合成具有丰富活性位点的单原子纳米酶提供了策略，而且还拓宽了单原子纳米酶在农药残留检测中的应用。此外，Wu Yu等从实用的角度利用AChE-Fe-N-C-TMB系统检测OP，可以在0.1～10.0 µg/mL范围内检测出，检出限为0.97 ng/mL。基于有机磷和氨基甲酸酯类农药分别对AChE和BChE活性有抑制作用，因此构建单原子纳米酶传感体系对AChE、BChE活性实现快速、灵敏、特异性检测，可进一步开发出对农药残留的新型检测技术，例如Wang Mengke等在Fe-SAS/NC和聚乙烯吡咯烷酮（polyvinylpyrrolidone，PVP）-Cu NC单原子纳米酶的基础上开发了AChE比荧光传感平台，其反应机理为：在过氧化氢存在下，Fe-SAS/NC能催化非荧光邻苯二胺（-phenylenediamine，OPD）氧化生成荧光2,3-二氨基吩嗪（2,3-diaminophenazine，DAP），DAP能猝灭PVPCu NC在438 nm波长处的荧光，AChE能将底物乙酰硫胆碱水解成含巯基的硫代胆碱，从而抑制Fe-SAS/NC的催化活性，阻断OPD氧化导致的PVP-Cu NC荧光恢复，而DAP在566 nm波长处的荧光减弱，因此，通过荧光变化实现了对AChE活性的高效定量检测。可见，基于单原子纳米酶的类酶催化活性在农药残留检测中具有一定的可行性，这对未来开发新型的农药残留检测技术具有一定的研究意义。

此外，与非单原子纳米酶及传统检测技术相比，单原子纳米酶在农药残留检测中的特异性及灵敏度更低，但其检测的靶标物质范围不是很广泛，只能对总体含量进行检测，无法实现在复杂机制中的特异性检测。因此与非单原子纳米酶及传统检测方法相比，单原子纳米酶检测技术还需要进一步加强及完善。

3.2 抗氧化剂检测

抗氧化剂是指能防止或延缓食品氧化、提高食品稳定性和延长贮存期的食品添加剂。抗氧化剂在食品中有着很重要的应用，其常作为食品添加剂加入到食品中，但过量使用会产生一些副作用，影响到人体健康甚至造成一些癌症等疾病的发生，因此，需提升对食品中抗氧化剂含量的检测技术以保障其安全性。例如Jing Wenjie等利用具有类OXD活性的Fe-N/C单原子纳米酶构建了三通道比色传感器阵列用于同时区分GSH、-半胱氨酸、抗坏血酸、尿酸）和褪黑激素5种抗氧化剂，所设计的比色传感阵列能准确识别含有GSH、-半胱氨酸、抗坏血酸、尿酸和褪黑激素的样品以及盲样，检出限低至100 nmol/L，与非单原子纳米酶及传统的抗氧化剂检测方法相比，虽然单原子纳米酶的检出限较高，但其能对样品中存在的单个抗氧化剂成分进行定量检测，弥补前两者对抗氧化剂检测的不足。且通过与传感阵列的形式相结合，能同时快速、高效的实现对多个物质的检测，相较于以前单一的检测方法，不仅大大缩短了检测时间、提高了检测效率，而且还解决了干扰性问题，弥补了非单原子纳米酶及传统检测技术的不足。可见，未来单原子纳米酶将在食品抗氧化剂检测中具有更广阔的应用空间。

3.3 糖类检测

糖类在生命活动过程中起着重要的作用，是一切生命体维持生命活动所需能量的主要来源。植物性食品中最重要的糖是淀粉和纤维素，动物性食品中最重要的糖是糖原，从日常的食品中摄入这些糖类是人类获取能量的主要方式，并且糖类的摄入量及种类还和人体的许多疾病息息相关，合理的糖类摄入量对于维持健康的身体状态十分必要；为此，开发简单、便携、灵敏、低成本的糖类检测方法显得极为重要。例如Zhou Xiaobin等基于半乳糖可被半乳糖氧化酶氧化生成HO的反应机理，利用Fe单原子纳米酶对半乳糖进行了定量比色检测，在50～500 mmol/L范围内，吸光度和半乳糖浓度之间具有良好的线性关系，检出限为10 mmol/L。Chen Min等通过牺牲载体的策略合成了新型单原子铁纳米酶（Fe SSN），为了缩短检测时间、简化测试流程，该团队制造出了Fe SSN-GO-TMB传感系统，其能在10h10～60h10mol/L线性范围内检测葡萄糖，检出限低至2.1h10mol/L。此外，Cheng Nan等以碳纳米管为基质制备了镶嵌有单原子铁的“CNT/FeNC”类POD的纳米材料，被作为信号元件应用到纸基生物传感器中成功实现了对葡萄糖快速、便携及高灵敏检测，检出限为0.02h10mol/L。与非单原子纳米酶及传统检测技术相比，单原子纳米酶在糖类检测中的应用主要集中在葡萄糖检测中，且检出限远低于前两者。可见，基于单原子纳米酶开发的检测技术比传统半乳糖、葡萄糖检测技术有更多优异的性能。

3.4 过氧化氢检测

过氧化氢作为食品添加剂在食品领域中应用十分广泛，如在鲜奶中添加微量的过氧化氢可以激活奶中过氧化物酶，产生较好的抑菌效果，延长鲜奶的保质期，但使用工业级的过氧化氢或高质量分数的过氧化氢则会对人体健康产生严重危害，因此，开发对食品中过氧化氢的快速、便携、灵敏的检测技术尤为重要。例如Cheng Nan等合成的具有100%单原子Fe分散的活性位点和较大表面积的新型单原子铁纳米酶CNT/FeNC被作为信号元件应用在一系列基于纸基的生物传感实验中实现对过氧化氢超灵敏比色检测，检出限为0.03h 10mol/L，远低于美国食品和药物管理局法规的检测水平（1.5h10mol/L）。Lin Zhen等成功合成了具有显著类POD活性的单原子铜纳米酶（Cu-N-C），并利用其对HO进行检测，检出限为0.12 µmol/L，可成功实现对微量过氧化氢高灵敏性和选择性检测，缩短检测时间。与非单原子纳米酶及传统检测技术相比，单原子纳米酶检测几乎能达到与前两者相近甚至更低的检出限，由此可说明单原子纳米酶检测技术具有高效、快速、灵敏的检测潜能。由此可见，基于单原子纳米酶检测技术在过氧化氢检测过程中具有很好的应用前景。

3.5 重金属离子检测

食品中重金属的污染问题一直是食品安全领域的研究热点，随着工业化发展水平的提高，食品原料极易受到重金属污染且重金属离子难降解、极易通过食物链大量蓄积在人体内，对人体消化系统、生殖系统、神经系统、心血管系统造成不可逆伤害。因此，开发灵敏、快速、高效的重金属检测方法控制其危害极为重要。例如Mao Yu等合成了具有类POD活性的单原子铁纳米酶（SA-Fe/NG），成功实现了对自来水、金枪鱼样品中Cr的检测，线性范围为30 nmol/L～3 μmol/L，检出限为3 nmol/L，且在相同条件下与10 μmol/L的K、Na、Li、Ba、Ca、Mg、Zn、Cd、Co、Cr、Mn、Ni、Hg、Pb和1 μmol/L的Cu等干扰离子反应时，这些金属离子在比色实验中的吸光度均明显低于1 μmol/L Cr，验证了SA-Fe/NG对Cr具有高选择性。与非单原子纳米酶及传统检测技术相比，单原子纳米酶的检出限明显高于前两者，且目前真正利用单原子纳米酶类酶活性用于重金属检测中的实例并不是很多，检测的离子种类也屈指可数，未来还需要在这方面继续加大研究力度，使得单原子纳米酶能真正充分的运用在食品重金属检测的研究领域中，为食品安全快速检测技术的发展提供新的思路。

基于单原子纳米酶在食品检测中的实验结果表明，单原子纳米酶相较于非单原子纳米酶及传统检测技术而言，整体上其对标靶物质不仅具有更强的选择性、稳定性、抗干扰性和灵敏性，而且还提高了反应速度、降低了检测的成本、简化了操作流程，从而促进了单原子纳米酶在食品检测中的应用，也为开发高效、快速、便携的食品安全快速检测技术提供了新的发展方向。

4 结 语

越来越多的研究表明，单原子纳米酶的检测技术正在逐渐缩小与传统食品分析技术的差距，单原子纳米酶也有望取代传统纳米酶及天然酶应用于食品成分检测领域中。然而，尽管单原子纳米酶具有诸多的优势但同时也面临着一些挑战。首先，开发高催化活性的单原子纳米酶并不容易这对材料有着严格的要求，不仅需要具有天然酶类的催化活性中心，而且还需保证其催化性能高于传统的纳米酶及天然酶，这在材料的选择及制备方面具有很大的挑战；其次，大多数单原子纳米酶同时具有多种类酶活性（如类POD、类OXD、类CAT、类GP和类SOD），这使得与底物的亲和力和特异性低于天然酶，开发能够表现出优异底物特异性的单原子纳米酶是今后需要面临的挑战；再其次，虽然大多数单原子纳米酶的催化机理都是基于明确的活性位点和结构，但具体的催化机理仍不清楚，深入揭示单原子纳米酶的基本原理和作用机制也是未来需要解决的问题；此外，对于单原子纳米酶结构的优化、信号识别方式的选择等方面都需要很深入的研究以保证对目标物检测具有高效性、便携性、灵敏性和稳定性；最后，单原子纳米酶对检测的食品成分存在一定的局限性，未来也需要在传感策略方面拓宽研究思路提高其在食品安全快速检测中的适用性。

基于目前单原子纳米酶所面临的挑战，本文也提出了相应的解决方法。首先，需要在金属原子的选择方面加强研究，结合原子特性及应用领域的特点制备、开发出新型单原子纳米酶；其次，综合单原子纳米酶的活性影响因素，如改变载体形态、分子配体、金属簇、原子掺杂物、缺陷、N数目和类型等方式增强单原子纳米酶的催化性能；最后，充分将单原子纳米酶与化学发光、荧光、电化学、智能手机等前沿技术结合起来，构建高效、快速、便携、准确、灵敏的智能检测技术应用于更多研究领域中。