铁基纳米酶的分类和应用*

张宇骄，黄 珊,2，常爱敏，冶常明，蔡建健，张春焕，高巍伟

（1.青岛科技大学，山东 青岛 266042；2.徐州医科大学附属第三医院，江苏 徐州 221000；3.乌苏市人民医院，新疆 乌苏 833000；4.张家口市第二医院，河北 张家口 075000；5.滨州市无棣县马山子镇中心卫生院，山东 滨州 251907）

天然酶是生物进化的杰出作品，可以有效的催化反应的进行，同时可以诱导生物体内绝大部分的生化反应。由于其具有售价昂贵、制备提纯繁琐、稳定性差、回收重复利用性差等缺点，天然酶在实际应用中受到较大的限制。我国科学家阎锡蕴等[1]在2007 年发现Fe3O4纳米颗粒本身存在类似过氧化物酶的催化活性。纳米酶可以模拟天然酶的生物催化效应，又可以克服天然酶的在实际应用方面的缺点。铁基纳米酶作为最早被发现和报道的纳米酶引起了研究者们的广泛关注，其具有低毒性、制取技术简便、成本低廉、稳定性高和性能可控等优点，在医学、农业、环境等领域得到广泛应用。

1 研究背景

1.1 天然酶

天然酶是一种对底物具有高度特异性和高度催化效能的蛋白质、RNA 或其复合体。不同于一般催化剂，天然酶具有高效的催化活性、选择性强和反应条件温和等优点，广泛用于疾病诊断、临床治疗、生物传感以及环境等领域[2-3]。由于天然酶的蛋白质结构，在高温、强酸或强碱等非生理条件下，天然酶极易受到破坏且在生物体内的含量非常低，所以天然酶的价格高昂、制备提纯繁琐。

天然酶的制备提纯繁琐、稳定性差、回收重复利用性差等弊端极大影响了其在生物医学、食品安全以及环境等领域的实际应用。所以模拟天然酶不但有着重大的科学价值，同时具有巨大的现实应用意义。

1.2 纳米酶的发现

纳米酶的发现是基于无机材料在纳米尺寸（1～100 nm） 展现出的与其宏观尺寸完全不同的新的酶学特性[4]。

纳米酶不但可以在相对温和的生理条件下高效催化酶的底物，也可以作为酶的替代品应用到疾病诊断和治疗等领域[5]。纳米酶的发现打破了传统意义上的“无机”与“有机”的界限，揭示了纳米材料内在的生物效应及新特性，丰富了模拟酶的研究，也大大拓展了纳米材料的应用领域和范围。

1.3 纳米酶与天然酶的比较

纳米酶不同于天然酶，也不同于化学催化剂和传统的有机小分子模拟酶，是一类独特的催化剂。它与天然酶的区别在于，天然酶是生物催化剂，蛋白质的精细结构赋予其催化活性高和选择性强的特点，同时也有易受环境影响、工业化生产成本高等缺点。纳米酶作为一类新型催化剂，其催化活性来源于纳米材料的纳米效应，催化效率远高于金属离子或有机小分子等无机催化剂，某些纳米酶的催化能力接近或超越天然酶。纳米酶结构比较稳定，不仅能够在温和的生理条件下催化，也能够在极端环境中催化。

综上所述，这种兼具纳米材料特性和催化功能的模拟酶，具有高催化效率、高安全性、价廉易得、可大规模生产等优点，在离子、分子和有机物检测、抗耐药细菌、疾病治疗等方面应用前景十分广阔。

1.4 铁基纳米材料

铁基纳米酶可分为铁基金属纳米材料、铁基氧化物纳米材料、铁基硫化物纳米材料、铁基有机框架纳米材料等。其中基于Fe2O3的纳米材料的磁学性质已广为人知，目前研究者对其酶学性质的了解也日益加深。随着纳米技术的不断发展，越来越多种类的铁基纳米材料被发现，铁基纳米酶应用的领域也在不断拓宽。

2 常见的铁基纳米酶分类

2.1 铁基双金属纳米材料

目前报道较多的铁基双金属纳米材料有Fe-Co双金属纳米酶（Fe-Co NPs），与单一金属纳米粒子相比具有更好的POD 活性[6]；Fe-Cu 双金属氮掺杂的纳米材料（Fe-Cu-N-CNF NPs），其制备成本低、简单环保并且在药物分析、葡萄糖检测中有着良好应用前景[7]；Fe-Pt 纳米磁性多孔材料，在磁性分离技术中实现应用，在免疫检测、提纯等方面前景广阔[8]；FeNi3纳米材料，具有良好的生物相容性，在诊疗一体化中有重要应用[9]。铁基金属纳米材料在检测、催化和生物医学等方面取得了良好的应用，未来有望开发新的用途。

2.2 铁基氧化物纳米材料

铁基氧化物纳米材料多种多样，目前见于报端的有α/β/γ-Fe2O3、Fe3O4、MFe2O4(M 为金属元素)、FeO、α/β/γ/δ-FeOOH 等[10]。其中报道较多的是Fe3O4纳米粒子。通过其表面的Fe2+/Fe3+之间的相互转化，保证了其高效的纳米酶催化活性，还具有合成尺寸可控、活性高、毒性低等优点。Fe3O4纳米材料涉及到人们生产和生活中的各个方面，在生物、医疗、能源、环保等领域都发挥着重要作用。Fe2O3纳米粒子具有磁性、催化活性等独特的理化性质和合成简单、抗腐蚀能力强、环境污染小的优点，在光催化、锂离子电池、超级电容器等方面有着广泛的应用。

2.3 铁基硫化物纳米材料

铁硫纳米材料具有非常重要的用途，尤其是铁硫团簇，在生物体内的电子传递，底物的结合与激活等方面起着关键作用，并且在污水处理、生物医药等领域也得到广泛应用。目前报道较多的有FeS2、Fe3S4、Fe7S8等铁硫纳米材料，其中FeS2纳米材料在空气中不易被氧化，在太阳能电池领域得到应用；Fe3S4、Fe7S8纳米材料具备铁磁性或是超磁性，磁性受到多种参数的影响，包括制备方法、元素比例、物质的尺寸大小、形状、结晶性以及晶体缺陷。并且Fe7S8纳米材料的电输运性能优于Fe3S4纳米材料，是很好的半导体材料[11]。铁硫纳米材料根据不同的应用衍生出多种合成方法，例如水热法、溶剂热法、电化学法、热分解法等[12]。

2.4 铁基有机框架纳米材料

铁基金属有机框架纳米材料（Fe-MOF） 不仅具有一般MOF 的特点还存在稳定的Fe-O 键，所以Fe-MOF 具有非常优异的化学和结构稳定性[13]，有着价格低廉、资源丰富、毒性低、结构多样性、比表面积大等优点，在分子传感、催化、生物医药储能等领域得到广泛应用。Fe-MOF 是以铁为金属阳离子，再和有机配体通过配位聚合的方式所得的化合物，目前报道的Fe-MOF 材料有MIL、MOF-n、CID、PCN 等系列，常见的的合成方法有溶剂热法和微波辐射法加热法。

2.5 其他铁基纳米材料

纳米零价铁材料（nZVI） 是一种化学还原性很强的还原剂，因其特有的表面效应和小尺寸效应，从而具有优越的吸附性能和很高的还原活性。不止铁基氧化物、硫化物纳米材料，其他杂原子与铁的化合物纳米材料也被证明具有模拟酶活性。例如FeTe 纳米棒[14]和Fe3C 纳米材料[15]。

3 铁基纳米酶的应用

3.1 抗菌作用

在世界范围内，由细菌感染引起的疾病是影响人类健康的重大难题之一，每年约有70 万人死于抗药性细菌引发的感染[16]，细菌感染是对人类生命健康的重大威胁。纳米技术的加速发展，为抗感染研究开辟了道路，具有天然酶活性的纳米材料为开发新的抗菌途径提供了机会。廖姿杨团队将磷酸铁纳米酶和水凝胶构成体系（FePO4HG），在H2O2的辅助下对MRSA 和AREC 表现出优异的抗菌能力，以低细胞毒性快速细菌死亡，且不产生耐药性[17]。Fe2O3纳米颗粒通过物理接触和穿透作用，以及与细菌表面官能团的分子尺度相互作用，可以特异性靶向并杀死革兰氏阳性细菌，如金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌[18]。Fe 和Fe-Cu NPs 因独特的纳米级表面反应性和磁性，成为环境应用中处理细菌的良好候选材料[19]。Fex-1S 纳米片暴露于H2O2和空气中时，细菌中的ROS 增强,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和粪肠球菌等具有良好的杀菌效果[20]。

3.2 肿瘤治疗

癌症是全球第二大死因，肿瘤治疗技术与人类的生命和健康密切相关。在过去几十年中，纳米技术在肿瘤的治疗和诊断方面取得了巨大进展。铁基纳米酶具有pH 敏感的过氧化物和过氧化氢模拟酶活性并且具有极低的细胞毒性，在增加细胞内双氧水浓度磷酸铁纳米酶过氧化物模拟酶性质显著，表现为细胞严重凋亡和坏死，毒性低，显著抑制肿瘤增长，肿瘤体积抑制率高[21]。XIE C K 等[22]制备的FeS@BSA 纳米团簇可以通过释放Fe2+和硫化氢气体（H2S） 来抑制肝细胞癌（Huh7） 细胞。HUANG C Y等[23]将FeS2包裹在癌细胞源性外泌体（CDE） 中，通过催化治疗和辐射致敏达到协同治疗肿瘤的目的。MA X W 等[24]报道了多功能Janus 纳米颗粒（Fe3O4-Pd JNPs），集成了超小Fe3O4和Pd 纳米片用于乳腺癌治疗。

3.3 成像

成像不仅大量应用在医学范畴，在工业领域、植物领域，在有机化学分析中的应用也是不可或缺的。铁基纳米酶由于含有铁元素和酶的催化性质，可以用于MRI 成像[25]，并且基于铁基纳米酶的催化性质，可以产生具有颜色、荧光的产物，这一独特的性质也可以进行成像。成像和纳米技术的融合更好地了解基础生物学，监测健康，进行诊断和治疗疾病提供了新的机会，在其他领域也有着更广泛的应用前景。

3.4 环境监测与废水处理

随着工业化进程的加快，一些含染料、难降解污染物、乳液等的有机废水大量排放，对生态环境造成了不可逆转的破坏。铁基纳米酶具有过氧化物酶活性，产生的ROS 可用于检测和降解废水中的污染物并且可利用自身固有的磁性实现重复利用，极大降低了废水处理的成本[26]，某些重金属离子会影响纳米酶的催化活性，因此铁基纳米酶同样可以广泛的用于有毒污染物方面的检测。nZVI 也会引发污染物的氧化降解,特别是有机磷酸盐和有机硫化物等化合物[27]。

3.5 分析检测

大多具有类过氧化物酶活性的纳米材料均可实现对过氧化氢和葡萄糖的检测。葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx） 和氧气的共用作用下分解产生过氧化氢[28]，在H2O2存在时，铁基纳米酶能够催化氧化TMB，通过检测氧化产物oxTMB 在400～800 nm波长处的吸光度，即可对葡萄糖和H2O2定量。H2O2和葡萄糖的检测在生物学、医学、环境保护和食品工业等许多领域都具有重要意义。铁基纳米酶还可以用于构建荧光生物传感器，SONG C 等[29]制备了FeS@CNs，通过oxAR 法检测荧光信号也能检测H2O2含量，检出限为0.86 M。Zhang L N 等[30]制备的FeS2-AuNPs 模拟酶，有效降低电活性材料NiHCFNPs 的差分脉冲伏安（DPV） 信号，用于超灵敏检测α-胎蛋白（AFP）。

4 结论和展望

铁基纳米酶作为天然酶的替代物，具有高效催化作用的同时还有低毒性、制取技术简便、成本低廉、稳定性高和性能可控等优点，在各种领域的应用中都表现出优异的灵敏度和良好的效果。对铁基纳米酶的研究还存在以下挑战。一是铁基纳米酶的活性及催化灵敏度有待进一步优化，催化反应的特异性不如天然酶；二是铁基纳米酶能够杀灭的细菌种类有限，抗菌谱有待进一步扩宽；三是铁基纳米酶在病毒方面的应用有待挖掘；四是铁基纳米酶抗菌的确切机制尚未完全阐明，通过发挥类酶活性产生ROS 杀灭细菌或病毒的机制并不具有特异性，只有对机制有了清晰的认知，才能拓宽磷铁基在抗菌中的应用；五是铁基纳米酶用于生物医学领域中，其生物安全性是一个不容忽视的问题[31]；六是铁基纳米酶如何在环境友好条件下实现从实验室走向工业化生产，也是未来我们需要探讨的问题。