Vol.42 2021年4月
No.4
1188~1201 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES
高等学校化学学报
贵金属基纳米酶的研究进展
蔡瑞1，2，刘建波3，吴晓春1，2
（1.国家纳米科学中心，纳米科学卓越研究中心,
中国科学院纳米标准与检测重点实验室，北京100190；
2.中国科学院大学，北京100049；
3.枣庄学院光电工程学院，枣庄277160）
摘要贵金属纳米材料在纳米尺度具有独特的光学、电学性质及优异的催化性能，是一类重要的功能纳米材
reaction研究
料.基于贵金属材料的纳米酶研究是贵金属纳米材料在生物医学领域的一个前沿研究方向.贵金属基纳米酶
具有特殊的光学性质、较好的化学稳定性、可调控的类酶活性及良好的生物相容性，是目前纳米生物医学领
域的热点研究材料.本文总结了贵金属基纳米酶的活性种类、活性机理、活性调控以及在生物医学等领域的
潜在应用.
关键词贵金属；纳米酶；催化；检测；疾病诊疗
中图分类号O614文献标志码A
贵金属材料可广泛应用于工业催化、高温材料、电子和医疗等领域.由于在纳米尺度独特的光学性质［1］、良好的电学性质［2］、较高的光热转化效率［3］和优异的催化性能［4］，贵金属纳米材料引起了广泛关注.贵金属纳米材料优良的生物相容性和催化活性也促进了其在生物医学领域的研究［5］，2007年，阎锡蕴课题组［6］首次发现四氧化三铁磁性纳米颗粒具有类过氧化物酶活性，并提出“纳米酶”这一概念后，基于贵金属的纳米酶的研究也迅速增多［7］.
目前，已经发现有多种贵金属纳米材料具有类酶活性，按类酶活性来划分，贵金属纳米酶可以分为类氧化酶、类过氧化物酶（Peroxidase，POD），类过氧化氢酶（Catalase，CAT）和类超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）等，而且目前已知的贵金属纳米酶可以拥有一种或多种类酶活性.此外，对贵金属纳米酶进行合理的设计（形貌设计、组分调控、表面修饰等），可进一步改善其类酶活性［8~11］.由于其自身的稳定性、较低的生产成本（相对于天然酶）、可调控的类酶活性及多重类酶活性等优势，基于贵金属的纳米酶有望应用于小分子传感、环境治理以及疾病诊断与等领域［12，13］.
本文总结了贵金属基（贵金属及其复合材料）纳米酶的活性种类、活性机理、活性调控以及在生物医学等领域的潜在应用.
1材料分类
已知的贵金属基纳米酶从材料构成来看，可以分为贵金属单质纳米材料、贵金属合金纳米材料以及贵金属复合纳米材料.目前文献报道的贵金属单质纳米酶涵盖了金［14］、银［15］、铂［16］、钯［17］、钌［18］、铑［19］、锇［20］和铱［21］等贵金属，其中涉及单质金和单质铂的报道较多.此外，包含贵金属的各种纳米合金（银钯合金［9］、金钯合金［22］和银铂合金［23］等）也显示出各种类酶活性.贵金属纳米材料也可以与铁基纳米材料［24］（四氧化三铁、氧化铁等）、铜基纳米材料［25］（氧化铜、硫化铜等）、碳纳米材料［26］（碳点、还
doi：10.7503/cjcu20200591
收稿日期：2020-08-23.网络出版日期：2020-12-21.
基金项目：中国科学院战略性先导科技专项(B类)项目(批准号:XDB36000000)资助.
联系人简介：刘建波，男，博士，教授，主要从事贵金属纳米材料研究.E-mail:***************
吴晓春，女，博士，研究员，主要从事纳米材料和纳米标准研究.E-mail:***************
［综合评述］
No.4蔡瑞等：贵金属基纳米酶的研究进展原氧化石墨烯等）及其它纳米材料形成复合纳米材料.这些贵金属复合纳米材料通常可以结合不同材料各自的类酶活性或是增强原有的类酶活性，使其用途更为广泛.图1的电镜照片展示了一些金属基
纳米酶的形貌结构.图1（A ）示出了氢化空心Pt/TiO 2纳米球（H -Pt -TiO 2）的TEM 和EDX 元素分布图，其具有类CAT 活性［27］.图1
（B ）示出了金纳米颗粒核多孔空心碳纳米球壳（Au@HCNs ）纳米酶的合成过程示意图和中间产物的
TEM 照片，该纳米酶具有类氧化酶和类POD 活性［28］.图1（C ）为具有类氧化酶活性的金纳米棒和金钯核壳结构纳米棒包覆介孔二氧化硅后的TEM 照片（AuNR@mSiO 2和
Au@PdNR@mSiO 2），图中介孔二氧化硅壳的孔道结构清晰可见［29］.图1（D ）为具有类POD 活性的金纳米棒负载的铂纳米颗粒（Au@Pt NRs ）和铂铜纳米颗粒杂化结构（Au@PtCu NRs ）的TEM 照片［30］.对于Au@Pt NRs ，Pt 纳米颗粒均匀分布于金棒表面.对于Au@PtCu NRs ，PtCu 合金纳米线则主要位于金纳米棒的头部，呈现树枝状分布.
2酶活性分类
从类酶活性来看，已报道的贵金属基纳米酶主要表现为氧化还原酶，常见的有氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶这4类.
2.1
氧化酶
氧化酶（Oxidase ）是以氧气为电子受体、催化底物氧化的一类酶［13］.Rossi 等［31］首次发现“裸露”的金纳米颗粒可以催化氧气氧化葡萄糖，具有类葡萄糖氧化酶活性.Qu 等［32］制备了膨胀介孔二氧化硅包覆的金纳米颗粒（EMSN -AuNPs ），其具有类葡萄糖氧化酶和类POD 双重类酶活性.介孔二氧
化硅基底为AuNPs 的稳定分散提供了保障.利用EMSN -AuNPs 自身的双重类酶活性，成功构建了自激活的催化级联体系［图2（A ）］.Tseng 等［33］合成了铂纳米团簇，
发现其可以通过四电子还原过程催化氧化3，3′，5，5′-四甲基联苯胺（TMB ）、2，2′-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS ）和多巴胺，具有催化氧气氧化多种底物的能力.Yin 等［34］证明了铂纳米颗粒具有邻苯二酚氧化酶活性，
可以将多酚氧化成相应的邻醌.Petty 等［35］发现可见光照射下WO 3/Pt 纳米颗粒可以催化氧化还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷
酸磷酸（NADPH ），证明其具有类NADPH 氧化酶活性，
可用于体外杀死小鼠肿瘤细胞及抑制肿瘤生Fig.1Modulation of particle shapes and structures
(A)TEM image and STEM⁃EDX elemental maps of H⁃Pt⁃TiO 2[27].Copyright 2020,Wiley⁃VCH.(B)Schematic diagram of Au@HCNs synthesis and corresponding TEM characterization [28].Copyright 2018,American Chemical Society.(C)TEM images of AuNR@mSiO 2and Au@PdNR@mSiO 2[29].Copyright 2019,American Chemical Society.(D)TEM images of Au@Pt and Au@PtCu NRs,and STEM⁃EDX element maps for the Au@PtCu NRs [30].Copyright 2014,Springer.
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高等学校化学学报长.Wu 等［36］发现Au@Pt 纳米棒具有类抗坏血酸氧化酶活性并减弱其抗氧化功效，暗示Au@Pt 纳米棒等材料的类氧化酶活性也可能会对其它抗氧化剂产生抑制效果.
2.2过氧化氢酶
过氧化氢酶（CAT ）是一种催化过氧化氢分解成氧气和水的酶.Miyamoto 等［37］发现果胶包覆的铂纳米颗粒（PtNPs ）能够分解过氧化氢产生氧气，表明其具有类POD 活性.Yin 等［38］利用电子自旋共振光谱（ESR ）研究了AuNPs 催化过氧化氢的快速分解.在较低的pH 值下，过氧化氢的分解伴随着羟基自由基的形成，表现出类POD 活性.在较高的pH 值下，过氧化氢的分解则伴随着氧气的生成，表明AuNPs 在中性和碱性条件下表现出类CAT 活性.这种pH 依赖的类酶活性转换也存在于其它贵金属纳米酶中.已有的研究发现，金、银、铂、钯等材料通常在碱性条件下表现出较强的类CAT 活性，而在酸性条件下则以类POD 活性为主［39］.Wu 等［40］以金属有机框架颗粒为模板，制备了外包多孔金纳米壳、内嵌PtNPs 和负载光敏剂二氢卟吩e6的多功能杂化纳米结构（PUA -Ce6），并将其用于抗肿瘤.PUA -Ce6中的PtNPs 具有类CAT 活性，可以将肿瘤部位的H 2O 2分解成水和氧气.PUA -Ce6中的Ce6能够捕获穿透皮肤到达肿瘤部位的近红外光，并将氧气转变为单线态氧实现肿瘤杀伤，而吸收近红外光的多孔金纳米
壳通过光热效应产生局域高温杀伤肿瘤［图2（B ）］.
2.3过氧化物酶过氧化物酶（POD ）是以过氧化氢为电子受体、催化底物（如酚类、胺类化合物）氧化的一类酶，典型的如辣根过氧化物酶［12］.贵金属纳米材料的类POD 活性的研究较多.Li 等［41］发现带正电荷的AuNPs 具有类POD 活性，可以催化H 2O 2氧化TMB 生成蓝产物.后续有许多关于银［42］、铂［16］、钯［43］、钌［18］、铑［44］和铱［45］的POD 活性研究.Wu 等［9］合成了AgAu ，AgPt ，AgPd 纳米合金，并证明其具有稳定的类POD 活性.他们发现调节合金组分可以改变其类酶活性，为调控贵金属纳米酶活性提供了一种可行策略.Nie 等［46］制备了去铁铁蛋白包覆的铂纳米颗粒（Pt -Ft ）.在Pt -Ft 的催化作用下，过氧化氢能分别氧化底物TMB 和3，3′-二氨基联苯胺，表明Pt 具有类POD 活性.Mashazi 等［47］合成了具有类POD 活性的金铜纳米合金-氧化铜杂化纳米结构（CuO -Au ），并将其与葡萄糖氧化酶偶联用于葡萄糖的检测.葡萄糖氧化酶催化氧气与葡萄糖反应生成葡萄糖酸和H 2O 2.CuO -Au 催化H 2O 2氧化TMB 得到呈蓝的TMB 氧化产物，通过分光光度法可以对葡萄糖的浓度进行定量检测［图2（C ）］.
2.4超氧化物歧化酶
超氧化物歧化酶（SOD ）是细胞中用于抗氧化的重要天然酶，
可以催化超氧化物歧化生成氧气和过Fig.2Typical enzyme⁃like activities
(A)Glucose oxidase⁃and POD⁃like activities of EMSN⁃AuNPs [32].Copyright 2013,Elsevier.(B)CAT⁃like
activity of Pt NPs
in PUA⁃Ce6enhancing tumor PDT [40].Copyright 2018,Wiley⁃VCH.(C)POD⁃like activity of CuO⁃Au nanoalloys for selective
detection of glucose [47].Copyright 2018,Elsevier.(D)SOD ⁃and CAT ⁃like activities of Au ⁃Ag ⁃AFT nanozyme for ·O 2-
scavenging and H 2O 2decomposition [52].Copyright 2019,Elsevier.1190
No.4蔡瑞等：贵金属基纳米酶的研究进展氧化氢.金［48］、铂［49］、钯［50］、钌［51］和铑［19］等贵金属纳米材料均表现出不同程度的类SOD 活性.Wu 等［50］发现钯纳米颗粒可以清除超氧化物，表现出类SOD 活性，有可能将其用于生物系统的抗氧化保护.
Miyamoto 等［37］发现PtNPs 具有类SOD 活性并将其用于秀丽隐杆线虫的抗氧化.结果表明，
PtNPs 可以清除百草枯诱导的H 2O 2和超氧阴离子
·O 2‒，延长秀丽隐杆线虫的寿命.Ghourchian 等［52］制备了去铁铁蛋白包覆的金银合金纳米颗粒（Au -Ag -AFT ），将其用于抑制人精子细胞低温保存时的氧化应激.利用Au -Ag -AFT 的类SOD 和类C
AT 活性，能够将·O 2‒和H 2O 2最终转化为氧气和水，从而降低了氧化应激对细胞的损伤［图2（D ）］.
2.5其它酶
除了上述主要的类酶活性，贵金属基纳米酶还被报道具有其它的类酶活性.Naik 等［53］报道光照下CdS -Pt 纳米颗粒具有较强的硝酸还原酶（Nitrate reductase ）活性，可催化硝酸离子还原成亚硝酸离子.提高反应温度会增强电子转移，使催化活性进一步提升.Chen 等［54］制备了树枝状聚合物包覆的铂纳米颗粒（DENPt ）并用于催化氢离子还原产生氢气，证明其具有氢化酶（Hydrogenase ）活性.Miyamotoa 等［55］发现PtNPs 具有泛醌氧化还原酶（ubiquinone oxidoreductase ，NADH ）活性，可以作为线粒体复合物Ⅰ的模拟物降低活性氧（ROS ）的浓度.
3催化机理
对于贵金属纳米酶的类酶催化有许多报道，但对其催化机理的探究却较少.Gao 等［39］通过理论计算和实验验证探究了金、银、铂和钯的类POD 活性和类CAT 活性的产生机制，并详细阐释了溶液pH 对
于2种类酶活性的调控机制［图3（A ）和（B ）］.理论计算表明，类POD 活性和类CAT 活性是金、银、铂、
钯4种贵金属的本征催化活性.以Au （111）面为例，在酸性或中性条件下，H 2O 2吸附在Au （111）面上并发生碱式分解反应，产生具有强氧化性的吸附氧物种O *（
*表示吸附在金属表面的物质）.O *能够夺取有机底物的氢原子使其发生氧化反应，表现出类POD 活性.在碱性条件下，羟基会预先吸附在Au （111）面上.在OH *的作用下，
H 2O 2*发生酸式分解反应，产生吸附氧物种O 2*.O 2*脱离金属表面后变成氧气释放出来，表现出类CAT 活性.其中，OH *既是类CAT 的活性位点，也是类POD 活性的抑制位点［56］.当pH 增大时，H 2O 2*更易发生酸式分解，导致类POD 活性的降低与类CAT 活性的提高，这一理论计算结果也解释了pH 对于2种类酶活性的影响.理论计算还发现，过氧化氢在金属表面的吸附能越大，金属的
催化活性就越高，与实验结果一致，这为纳米酶的理性设计提供了依据
.
Fig.3Predicted catalytic mechanisms via theoretical calculation
(A)pH⁃switchable POD⁃like and CAT⁃like activities [39].Copyright 2015,Elsevier.(B)Calculated reaction energy profiles for
H 2O 2decomposition on Au(111)surface under different pH conditions [39].Copyright 2015,Elsevier.(C)Energy⁃based model
for the activation of 3O 2[57].Copyright 2015,American Chemical Society.(D)Rearrangements of two HO 2·groups on Au(111)surface [57].Copyright 2015,American Chemical Society.(E)Typical enzyme mimetic activities of metals and alloys.S and
S ox stand for organic substrates and oxidized organic substrates,respectively [57].Copyright 2015,American Chemical Society.1191
Vol.42高等学校化学学报随后，Gao 等［57］进一步通过理论计算和实验验证探究了金、银、铂、钯的类氧化酶活性和类SOD 活性的根源［图3（C ）和（D ）］.空气中的氧气主要为三线态氧（3O 2）.3O 2自身具有磁矩，因此不易与有机底物发生反应.当3O 2吸附于金属表面时，金属的电子进入3O 2的反键
轨道，使其发生解离产生无磁矩的
吸附氧物种O *.该吸附氧物种O *能够氧化有机底物，表现出类氧化酶活性.类似的，3O 2在金属表面的
吸附能越大，金属的催化活性就越高.超氧阴离子·O 2‒是Brønsted 碱，在溶液中易发生质子化转化为过氧羟基自由基（HO 2·）.HO 2·吸附于金属表面后，发生原子重排生成O 2*和H 2O 2*，表现出类SOD 活性.4活性调控
考虑到贵金属基纳米酶在生物、传感领域的潜在应用，类酶活性的调控显得尤为重要.目前，对贵金属基纳米酶的设计主要集中在活性调控，较少涉及底物选择性.与天然酶类似，贵金属基纳米酶的活性也会受到温度［58］和pH ［59］的影响.此外，粒径调节、形貌调控、组分改变、表面化学修饰、复合结构构建、光激发和抑制剂加入等均能对其类酶活性进行有效调控.
4.1粒径调控
粒径对于贵金属纳米酶的活性影响很大.Rossi 等［31］在固定金原子浓度的前提下，改变AuNPs 的粒径，考察其类葡萄糖氧化酶活性与粒径的关系.结果表明，其类葡萄糖氧化酶活性与粒径呈负相关，即粒径越小，活性越高.他们认为这是由于小粒径的颗粒比表面积更大，而这符合一般的认知，只有暴露在表面的原子具有催化活性.Yin 等［60］测试了3种粒径（5，30和50nm ）的PtNPs 的类抗坏血酸氧化酶活
性，发现其活性随着粒径的减小而增强.以上结果是在假定颗粒没有团聚和颗粒表面暴露的原子具有相似的催化活性的前提下得到的.当上述条件不满足时，催化活性与颗粒尺寸的关系会发生变化［61，62］.Tamiya 等［62］在建立基于AuNPs 纳米酶活性的电化学发光（ECL ）免疫检测方法时研究了颗粒粒
径的影响.他们利用鲁米诺电化学发光检测了金颗粒尺寸对其类氧化酶活性的影响［图4（A ）］，发现对于粒径为5，30，50，80和100nm 的颗粒，活性随粒径的增大而减小，但15nm 粒径的颗粒例外，其催化活性远高于其它粒径，推测这可能与颗粒聚集状态和表面暴露位点差异有关.4.2形貌调控
形貌也是调控贵金属纳米酶活性的有效手段.Yin 等［63］合成了棱长相近的钯纳米八面体和钯纳米立方体并比较了二者的抗氧化酶活性［图4（B ）］.结果表明，｛111｝晶面围成的钯纳米八面体比｛100｝晶面围成的钯纳米立方体显示出更好的保护细胞抵抗活性氧（ROS ）的能力.理论模拟表明，H 2O 2和HO 2
·Fig.4Nanozyme activity regulation
(A)Size⁃dependent oxidase⁃like activity of the AuNPs for ECL⁃based immunoassay conducted on screen⁃printed electrode (SPE)chips [62].Copyright 2018,American Chemical Society.(B)Shape⁃dependent nanozyme activity of Pd nanocrystals for cytoprotection via ROS⁃scavenging [63].Copyright 2016,American Chemical Society.(C)Composition⁃dependent enzymatic activity of branched AgPdNCs [9].Copyright 2010,American Chemical Society.(D)Pd/Pt ratio⁃modulated oxidase⁃like activity Au@PdPt NRs [66].Copyright 2011,American Chemical Society.
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