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博文

NML综述 | 金属和金属氧化物纳米酶的性能、机制和应用

已有 737 次阅读 2021-9-15 00:21 |系统分类:论文交流

A Review on Metal- and Metal Oxide-Based Nanozymes: Properties, Mechanisms, and Applications

Qianwen Liu, Amin Zhang*, Ruhao Wang, Qian Zhang, Daxiang Cui*

Nano-Micro Letters (2021)13: 154 

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00674-8

本文亮点
1该综述概述了各种结构的金属和金属氧化物纳米酶的特性、优缺点及合成方法;

2. 该综述讨论了金属和金属氧化物纳米酶的内在催化活性和催化机理

3. 该综述总结了近年来金属和金属氧化物纳米酶在生物分析、消炎、抗菌和抗癌领域的最新应用进展

内容简介
2007年,Gao课题组发现磁性氧化铁纳米颗粒(Fe₃O₄ nanoparticles)具有显著的酶样活性。自此,越来越多具有催化活性的纳米材料被发现、设计、报道。纳米酶是一种极富有潜力的天然酶替代物,并且已经在临床医学,食品安全,环境监测和化工生产等多个领域取得了良好的研究成果。由于具有低成本、高稳定性、易于批量生产、储存等优势,金属和金属氧化物纳米酶的发展在过去的十年里更是取得了飞跃性的进步。众所周知,催化活性和催化机理的分析对于新型纳米酶的设计与应用具有基础性作用。目前已经报道的金属和金属氧化物纳米酶可主要分为氧化还原酶家族和水解酶家族。上海交通大学崔大祥课题组在本综述中,在概述其特性和合成方案的基础上,首先介绍了具有类氧化还原酶活性的纳米酶的催化机理以及内在活性调节机制。之后,对于近年来金属和金属氧化物纳米酶在生物分析、消炎、抗菌和抗癌领域的主要应用方向和进展做了回顾。最后,本文总结了金属和金属氧化物纳米酶现阶段面临的挑战,并对其未来的发展进行了展望。
图文导读
I 金属和金属氧化物纳米酶的结构特性与合成方案
一般来说,现有的基于金属和金属氧化物的纳米酶可以大致分为单金属、金属合金、金属氧化物、金属核/壳纳米结构和杂化纳米材料。
单金属纳米酶通常是在自然条件下具有显著化学稳定性的贵金属纳米材料。它们通常具有与多种生物分子配体和抗体的易接合位点、显著的表面等离子体共振特性、优异的光学和光热转换特性。单金属纳米酶可以通过预成型种子介导生长,高温还原法,电化学合成,光化学法,生物合成和空间限制介质/模板法来制备。
金属合金纳米酶常见的化学合成方法包括一锅法、电偶置换反应、CO还原法、水热生长法、电沉积法等。由于这多种组分的协同效应,双金属纳米合金往往表现出优于贵金属纳米材料的光学和化学性能,以及更好的催化性能。
与贵金属纳米材料相比,金属氧化物纳米酶通常具有较低的价格和简洁的合成工艺。此外,它们还表现出许多独特的性质,如磁性、荧光猝灭和介电性质。近年来,金属氧化物纳米酶的制备方法多种多样,包括脉冲激光烧蚀法、共沉淀法、溶胶-凝胶法和热分解法。
而通过水热反应、溶剂热法、溶胶-凝胶法、原子层沉积,可以制备基于金属核/壳(无机/无机)纳米结构的纳米酶。通过调整不同的材料和修饰结构,研究人员可以方便地掌控基于核/壳结构的纳米酶的稳定性和功能性。
基于金属和金属氧化物的杂化纳米酶可以通过在金属或金属氧化物纳米材料表面修饰有机分子或聚合物来制备。一般来说,杂化纳米酶的内在特性可能归因于大小、含量和组分结构。

II 金属和金属氧化物纳米酶的催化机理和活性调节机制

目前已经报道的金属和金属氧化物纳米酶可主要分为氧化还原酶家族和水解酶家族。而大部分的纳米酶都具有类氧化还原酶活性,包括过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、氧化酶(OXD)和超氧化物歧化酶(SOD)。大量研究表明,纳米酶的活性不仅与纳米材料自身的特性(组成元素、尺寸、形态、表面修饰)有关,也受到外部因素(环境pH值、温度、光照、离子)的影响。
Celardo等人在2011年曾提出CeO₂纳米粒子CAT样活性与SOD样活性的电子转移机制,该模型被认为是一种经典的假设机制,但也存在一定的局限性。Wang等人深入研究了纳米氧化铈的结构和电子性质,提出了原子水平的CAT样活性催化机制。在该模型中,CeO₂(111)表面氧化过氧化氢分子以形成氧分子和H₂-CeO₂(111)表面。之后,另一个过氧化氢分子则与H₂-CeO₂(111)表面反应生成水分子(图1a)。
基于POD样纳米酶的催化反应一般可归纳为Fenton或Fenton样反应或电子转移过程。而Maxim A等人对生物相关的超氧物驱动Fenton反应条件下•OH的生成提出新的观点。基于自旋俘获电子顺磁共振(EPR)实验,他们发现纳米颗粒表面的反应而不是纳米颗粒释放的金属离子是造成γ-Fe₂O₃和Fe₃O₄纳米粒子的POD样活性的原因(图2b)。此外,γ-Fe₂O₃表面催化中心的•OH生成速率比溶解态金属离子的生成速率至少高50倍。
目前已经发现了大量金属基和金属氧化物基的氧化酶模拟物,中间体的形成和电子转移过程已被证明对这些纳米酶的OXD样性质有重要影响。Zhang等人提出的Mn₃O₄纳米粒子的可能反应机理如图1c所示。在这个模型中,作为中间产物的•OH/O₂与Mn3⁺可共同催化TMB氧化。
在严格的密度泛函理论和微观动力学模型的帮助下,Gu等人研究了Langmuir-Hinshelwood(LH)和Eley-Rideal(ER)机制,以分别描述Co₃O₄和Fe₃O₄的SOD样活性。如图1d所示,ER机制对于Co₃O₄更为可行,因为通过ER机制的势垒低于沿着LH机制的势垒。同样的道理,LH机制对于Fe₃O₄更为可行(图1e)。

图1. (a) 纳米氧化铈仿CAT反应的原子级催化机理;(b) γ-Fe₂O₃纳米粒子介导的POD样活性催化机制;(c) 具有OXD样活性的Mn₃O₄纳米粒子氧化TMB的机理;(d, e) Co₃O₄和Fe₃O₄的SOD模拟活性的反应能谱。

III 金属和金属氧化物纳米酶的最新应用进展

近些年来,金属和金属氧化物纳米酶由于其高度的表面积比,酶活性和良好的生物相容性等优势,在生物分析、抗菌、消炎、抗癌等领域都取得了突破性的进展。在生物分析领域,基于纳米酶的比色法、电化学法、酶联免疫法等被用于提升各类物质(重金属离子、生物标志物、病原体微生物、抗体等)检测的灵敏度与特异性。

如图2a所示,Ling等人通过在金属卟啉-金属有机框架上生长超小的Pt纳米粒子获得Pt@P-MOF(Fe)纳米酶,并利用该纳米酶作为信号探针、DNA变构开关和ExoⅢ循环扩增等电化学模板进行端粒酶检测。Logan等人使用聚乙二醇(OEG)功能化的金纳米粒子(OEG-AuNPs)来检测海水中的重金属离子。在该方案中,OEG-AuNPs在较宽的pH范围内(高NaCl浓度条件下)表现出增强的稳定性和减弱的催化性能,对于近海海水Hg2⁺的检出限低至13ppb(图2b)。

在抗菌领域,具有类POD和OXD活性的金属和金属氧化物纳米酶被证实能催化活性氧(ROS)的产生,因而被视为有前途的杀菌剂。但是纳米酶的pH依赖性催化活性限制了其在中性pH下的抗菌应用。Chishti等人发现三磷酸腺苷(ATP)作为调节剂可以改善CeO₂纳米晶体的催化活性,从而增强了对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制效果(图2d)。机理研究表明,ATP引起的底物亲和力的降低是改善中性环境(pH=7.4)下纳米酶活性的关键。

在消炎应用研究中,Liu等人通过整合3-羟基苯并[g]黄酮(Fla)、MnO₂和中性粒细胞膜(Neu)制造了Neu-MnO₂/Fla用于共控释放和特异性抗炎。如图2c所示,中空介孔二氧化锰纳米粒不仅以其优越的载药能力和生物降解性能成为理想的载体,而且由于其类CAT活性,能够在光照下分解内源性H₂O₂,促进CO的原位释放,从而实现协同抗炎作用。

在癌症治疗的研究中,由于其独特的生物安全性、光热性能、催化性,纳米酶被广泛用于辅助增强光动力疗法、化学动力疗法、声学疗法和光热疗法的治疗效果,并且在免疫治疗学中展露出强大的应用潜力。例如,光穿透深度和过度暴露对健康组织造成的热损伤限制了光热疗法的应用。Li等人制备了H₂O₂响应型催化剂PtFe@Fe₃O₄,该纳米酶在酸性TME环境下表现出POD样活性、CAT样活性和优异的光热性能(图2e)。实验结果显示基于PtFe@Fe₃O₄纳米酶的光热疗法对深部胰腺癌的抗肿瘤率高达99.8%。

图2. (a) 合成cDNA@Pt@P-MOF;(Fe)作为端粒酶活性分析的信号探针;(b) OEG-AuNPs与裸AuNPs定量检测海水(3.5%NaCl)中Hg2⁺离子的原理;(c) 中性粒细胞膜修饰的二氧化锰纳米酶促进原位共释放协同抗炎作用;(d) 在pH=4.5和pH=7.4条件下,引入ATP前后CeO₂纳米晶的催化活性;(e) PtFe@Fe₃O₄纳米酶用于辅助光热疗法治疗深部胰腺癌的工作机制。

IV 总结与展望

尽管目前已经报道的金属和金属氧化物纳米酶克服了许多天然酶的局限性,其发展依然面临着诸多挑战:(1) 与大多数天然酶相比,基于金属和金属氧化物的纳米酶往往缺乏底物特异性。(2) 探索纳米酶的内部催化机理是掌握纳米酶催化反应的基础。与新型纳米材料的合成和应用相比,对其催化机理进行深入研究的。(3) 在纳米酶的相关应用中,POD模拟酶已经成为一个广泛关注的问题,特别是在分析和检测领域。而氧化还原酶家族的其他组分也被证明在许多情况下具有不可替代的功能。因此,SOD、CAT、SOD模拟酶的推广利用还有待进一步研究。(4) 考虑到大规模制备过程中的成本控制,寻找贵金属纳米酶的替代品逐渐受到重视。此外,在保证纳米合金和纳米复合材料性能的同时,降低其含量也值得进一步研究。(5) 纳米酶的长期体内毒性仍然是其临床应用的一个挑战。虽然大量的研究都涉及到生物相容性的讨论,但其毒性机制的系统性研究及相应的解决方案仍然是亟待解决的问题。
作者简介

崔大祥

本文通讯作者

上海交通大学 讲席教授

主要研究领域

纳米功能材料的制备与表征;基于纳米效应的胃癌预警与早期诊断系统;智能响应的纳米机器与传感器技术;智能响应的纳米药物递送系统、纳米免疫治疗与干细胞治疗技术。

主要研究成果

在Nature Protocols, Adv Mater., ACS Nano, JACS, Cancer Research, Biosensors & Bioelectronics, Applied Physics Letters等国际专业杂志上发表SCI论文380多篇,论文被Science, Nature Nanotechnology, Chem. Review等杂志引用与评论,他引次数已超过16000多次,H-index 为68,在国际学术会议上作邀请报告50多次,获国家科技进步二等奖1项,教育部高等学校优秀成果奖技术发明一等奖1项,上海市技术发明一等奖1项,中国发明协会1等奖2项,华夏医学科技奖二等奖1项,中国电子学会技术发明二等奖1项,军队科技进步二等奖1项,主编专著2部,参与编写出版专著8部, 授权发明专利65项,参与开发的部分产品获医疗器械证。

Email: dxcui@sjtu.edu.cn

刘倩雯

本文第一作者

上海交通大学 硕士研究生
主要研究领域

金属/金属氧化物纳米酶的合成、电化学生物传感器的设计。

撰稿:原文作者
编辑:《纳微快报(英文)》编辑部
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

E-mail:editor@nmletters.org
Tel:021-34207624



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