纳米酶在生物传感器应用中的最新研究进展*

丁飘飘，徐伟航，李 宁，曾德福，舒 婷

(湖北科技学院医学部药学院，湖北 咸宁 437100)

生物传感器具有操作简单、响应快、成本低、易于微型化等优点，适用于实时检测[1]。传感材料是生物传感器的核心部分，决定着传感器的灵敏度、响应速度、线性范围和检出限。因此，合理设计传感材料是构建高性能生物传感器的重要环节[2]。

天然酶由于其高效的生物催化活性，可以催化一系列特定的化学或生物化学反应，具有最佳的性能和底物特异性等特性而被广泛利用于生物传感器，但是天然酶自身存在制备、纯化过程复杂，催化活性和稳定性易受影响等缺点，限制了其在更多领域的研究与应用。纳米酶是一类具有内在类酶活性的纳米材料，它们表现出类似天然酶的酶促反应动力学和催化机理，具有稳定性好、成本低和易于制备等优点，是天然酶的有力替代品，为电化学检测提供更多的结合位点，获得更灵敏的电流响应信号和更高的检测效率，为其实际应用提供了广阔前景。自2007年首次发现Fe3O4纳米颗粒具有类过氧化物酶活性以来，数百种具有酶催化活性的纳米材料被发现，包括覆盖贵金属、金属氧化物、金属硫化物、金属有机框架和碳纳米材料等。本文对几种常见的金属、金属硫化物及碳基纳米酶的最新研究进展及应用进行综述。

1 铁基纳米酶

铁基纳米酶具有良好的酶催化活性、低成本、高稳定性和易存储等优点，被应用于分析检测、癌症治疗、成像、环境检测与废水处理等领域。

杨冬等[3]发现β-FeOOH纳米棒是具有类过氧化物酶特性的纳米粒子，其良好的分散性和稳定性可以确保在催化过程中与底物的充分接触，保证了催化反应的效率。与辣根过氧化酶相比，β-FeOOH纳米棒与底物亲和力相似，反应速率更高，具有更高的催化活性，且制备简单、成本更低，为纳米酶取代天然酶在工业、医疗、生物等领域的实际应用提供了新思路。

Yuan等[4]构建了一系列具有不同磁热转换能力的氧化铁纳米颗粒，并系统研究了磁场刺激对氧化铁纳米颗粒过氧化物酶(POD)活性的影响。结果表明，在不改变溶液温度的情况下，交变磁场(AMF)可以有效提高过氧化物酶活性。因此，具有磁热转换能力的氧化铁纳米酶可以远程调节催化性能，在生物化学应用中提供一种安全有效的方法。

夏凡[5]合成了Cu-CuFe2O4纳米酶，并对其改性和复合，采用易操作的比色法研究其作为过氧化物酶活性并检测H2O2、谷胱甘肽、多巴胺等物质。与大多数同类型的材料相比，检测温度为35℃时，较短时间内可检测血清中谷胱甘肽的含量，检测限低至0.34μmol/L，且该材料具有良好的选择性，有实际应用的潜力。

在铁基纳米酶的研究中还存在以下挑战：催化活性主要集中在氧化还原反应上，催化反应的特异性不如天然酶，容易引起机体代谢紊乱而产生一定的毒性等。因此，开发新型低毒、高稳定性和特异性的铁基纳米酶是未来研究的目标[6]。

2 铜基纳米酶

铜基纳米酶由于其优异的电催化性能成为传感器材料的首选，但其存在导电性差的缺点，所以众多研究者通过扩大材料的孔径，得到更大的表面积，暴露更多催化位点，便于材料能与更多的待测物接触，提高电极的工作效率。

Naveen等[7]发现一种独立的铜纳米酶用于比色法检测人尿中的葡萄糖。该传感器可在0.5～15mmol/L的生物相关动态线性范围内工作，同时显示最小的样品基质效应，无需进行显著的样品处理或稀释，即可量化来自正常人群和糖尿病患者尿液中的葡萄糖。

Abir等[8]用硫化铜联合牛血清白蛋白[CuS-BCA-Cu3(PO4)2]组成纳米颗粒，研制出一种具有过氧化物酶模拟活性的纳米传感器。该传感器对多巴胺的检测限为0.13μmol/L，线性范围为0.05～100μmol/L，特异性高。并对纳米传感器在牛肉和血液样本中检测多巴胺的性能进行了评估，证明了该传感器具有较好的检测效果。

Adijat等[9]利用电沉积技术在导电玻璃上制备了纳米级CuO薄膜电极，该电极对葡萄糖氧化呈现出良好的响应，灵敏度达1207μA·mM-1·cm-2，线性范围达到2.2mmol/L，检测限低至1.19μmol/L，在0.55V的条件下反应时间少于4s，具有良好的实际应用价值。

Hui等[10]研制出了具有碱性磷酸酶活性的荧光和比色纳米传感器，该传感器是由铜与核苷酸组成的纳米材料，用于检测人血清中碱性磷酸酶的活性。与蛋白质、氨基酸和其他干扰组分相比，该方法对碱性磷酸酶活性具有较高的选择性，在诊断和实际用途上显示出巨大的潜力。

3 金基纳米酶

纳米金具有表面活性位点多、吸附力强、电子密度大等特点，且能与多种生物分子结合而不影响其生物活性，因此，金基纳米粒子在生物传感器中的应用为提高传感器性能和开发高效、新型生物传感器拓展了广阔的研究与应用空间[11]。

陈威风等[12]利用纳米金模拟酶在一定条件下能够催化过氧化氢氧化3，3'，5，5'-四甲基联苯胺发生颜色反应，同时结合特异性高、亲和力强的核酸适配体建立了快速检测单增李斯特菌的方法，该方法具有较高的准确度和精密度，为单增李斯特菌快速测定提供了新思路。

Khoshfetrat等[13]制备的纳米多孔金电极，实现了一种级联信号放大策略。该方法利用多次扩增的优势，在0.1pg/mL～60ng/mL的动态范围内检测前列腺特异性抗原，检出限为0.02pg/mL。为高灵敏度靶向生物分析和功能纳米材料设计开辟了新的领域。

Liu等[14]采用简单、温和的方法合成了尺寸小、光学性能好、具有类似过氧化物酶活性的金纳米颗粒(AuNPs)。在过氧化氢(H2O2)的存在下，过氧化物酶底物(TMB)可被氧化成蓝色。且经过三轮回收后的催化活性仍能达到原水平的92.69%，表现出良好的可重复利用性，为H2O2的快速检测提供了一种比色方法，为生物传感器和催化分析的循环利用提供了新思路。

Yang等[15]通过金纳米粒子和核酸适体修饰的PbMo二维纳米酶测定循环肿瘤细胞，构建了一种新型的细胞传感器。该细胞传感器具有良好的分析性能，释放率为93.70%～97.40%，细胞活力良好。因此，将Au@PdMo纳米酶引入电化学细胞传感器可为肿瘤细胞的早期检测提供一个有前景的平台。

Ni等[16]基于双功能过氧化物模拟酶活性和牛血清白蛋白金纳米团簇(BSA-AuNCs)的荧光反应，建立了一种比色和荧光双通道法测定碱性磷酸酶活性。比色法和荧光法的检出限分别低至0.26和0.16mU/mL。该方法已成功应用于人血清中碱性磷酸酶的检测，结果令人满意。

Ahmed等[17]提出了一种高灵敏度、高特异性和低成本的双增强比色免疫分析法。以3，3'，5，5'-四甲基联苯胺(TMBZ)作为还原剂，从蓝色的病毒靶特异性抗体-金离子混合物中还原金纳米颗粒(AuNPs)，AuNPs在TMBZ-H2O2混合物中具有类似过氧化物酶的活性，促使呈现的蓝色进一步放大。实验结果表明，颜色的变化与流感病毒浓度直接相关，且可以通过肉眼监测颜色变化来确定样品中是否存在目标病毒。研制的双增强比色免疫传感器已经能成功地应用于检测禽流感病毒A(H5N1)，检测限为1.11pg/mL。本研究不仅为AuNPs的合成提供了一条简便的途径，而且为Au NPs作为纳米酶开发生物传感器开辟了一条创新的途径。

4.金属硫化物

硫化物由于其较高的比表面积和丰富的活性边，提高了其他纳米材料的电子转移效果，并具有良好的分散性能和催化性能。因此，硫化物在生物医学领域得到了广泛的应用[18]。

谭娟等[19]研究发现，单分散的二硫化钼(MoS2)量子点表现出十分微弱的类过氧化物酶活性，构建了以智能手机作为检测器的便携式比色方法，用于二异丙基氟磷酸(DFP)含量的测定。结合纳米酶催化底物高灵敏显色的优势，这种智能手机检测方法有望进一步扩展到床边检测，为医疗条件落后的偏远地区在快速检测与诊断方面提供方法和技术。

Huang等[20]发现，水热法合成的二硫化钒(VS2)纳米片具有稳定的类似过氧化物酶的活性。二维VS2薄片作为过氧化物酶(POx)模拟物可以替代辣根过氧化物酶，用于检测果汁中的葡萄糖。该检测方法覆盖5～250μmol/L葡萄糖浓度范围，检测限为1.5μmol/L，为VS2纳米片模拟自然生物催化奠定了基础，促进了生物技术和分析化学新应用的兴起。

Zhang等[21]合成了再现性良好的二硫化铂(PtS2)纳米片，PtS2纳米片具有类过氧化物酶活性，可催化H2O2氧化3，3'，5，5'-四甲基联苯胺(TMB)生成有色溶液。利用微流控技术将PtS2纳米片集成到多巴胺功能化透明质酸(HA-DA)水凝胶微球中，构建了PtS2@HA-DA微球的H2O2高灵敏度传感器，并进一步开发了两种葡萄糖传感器用于人血清中葡萄糖的测定，结果可靠，重现性好，促进PtS2纳米片在生物医学诊断和药物分析领域的应用。

5 碳基纳米酶

碳基纳米材料被报道为过氧化物酶模拟物，具有较高的生物相容性和可调节的酶样活性，比金属纳米酶有着更广泛的研究。

Zhu等[22]以苯胺、吡咯、过硫酸铵为原料，设计了一种Cu2+修饰的中空间隙直径约20nm的羧基空心碳纳米球(Cu2+-HCNSs-COOH)，可增强过氧化物酶活性，检测过氧化氢(H2O2)和降解亚甲基蓝(MB)。与贵金属纳米酶相比，Cu2+修饰的羧基空心碳纳米酶表现出突出的催化活性和对底物(四甲基联苯胺和H2O2)有较高的亲和力，这将为碳基纳米酶的发展奠定基础，为高效廉价的纳米酶在生物传感器的应用提供新的研究思路。

石墨烯具有较大的比表面积，比其他碳材料(如碳纳米管和碳点)更有可能成为一种高活性催化剂。Liu等[23]研究结果表明，与天然辣根过氧化物酶(HRP)和其他过氧化物酶相比，制备的石墨烯基纳米材料具有更高的催化活性，可模拟H2O2催化3，3'，5，5'-四甲基联苯胺(TMB)检测L-半胱氨酸，检测限为0.1μmol/L，并可在血清中进行实际检测，表明其作为一种有效的纳米酶在生物系统中具有潜在应用前景。

Mamta等[24]利用尿素、柠檬酸三钠和柠檬酸等原料，合成了荧光石墨烯氮化碳量子点(g-CNQDs)和氧化石墨烯量子点(GQDs)，重要的是制备的g-CNQDs和GQDs过氧化物酶模拟活性是在没有功能化或掺杂其他纳米颗粒的情况下建立的，并根据石墨氮化碳量子点的模拟酶活性建立了一个简单的比色体系，用于检测水溶液中的氟离子，在10～120M的线性范围内有很高的选择性和灵敏性，这一过程还可以在各种基材(如纸张)或其他柔性基材(如聚酰亚胺)上转换成一种设备形式，进行实时检测。

Liang等[25]报道了氮掺杂石墨烯纳米材料(N-GNMs)，具有过氧化物酶(POD)活性，用于检测肿瘤细胞。N-GNMs表现出很高的催化活性，能够响应3，3'，5，5'-四甲基联苯胺(TMB)中微量的内源性H2O2，从而提高检测效率。这是氮掺杂石墨烯材料作为催化剂在生物医学领域的首次应用，为氮掺杂石墨烯的未来应用和新型纳米酶材料的发现提供了机会。

6 结论与展望

近几年来，铁基纳米酶、铜基纳米酶、金基纳米酶、硫化物以及碳基纳米酶等在生物传感器中的应用已经越来越广泛，并取得了不错的成果，正在逐步取代天然酶。但目前的纳米酶传感器还存在一些不足，如灵敏度差、选择性低等。鉴于天然酶的多样性，许多具有催化特性的纳米酶都还未应用于生物传感，如合成酶、水解酶等，因此，更多的纳米酶传感器还有待开发。新型纳米生物传感器在真实环境样品中的应用是纳米酶传感器发展的必经阶段，目前得到的许多研究成果在应用于实际样本之前还有一段路要走，相信在研究人员的密切关注和研究下，将会研究出越来越多的满足临床需求的纳米酶材料。