鐵基納米酶的分類和應用*

張宇驕，黃 珊,2，常愛敏，冶常明，蔡建健，張春煥，高巍偉

（1.青島科技大學，山東 青島 266042；2.徐州醫科大學附屬第三醫院，江蘇 徐州 221000；3.烏蘇市人民醫院，新疆 烏蘇 833000；4.張家口市第二醫院，河北 張家口 075000；5.濱州市無棣縣馬山子鎮中心衛生院，山東 濱州 251907）

天然酶是生物進化的杰出作品，可以有效的催化反應的進行，同時可以誘導生物體內絕大部分的生化反應。由于其具有售價昂貴、制備提純繁瑣、穩定性差、回收重復利用性差等缺點，天然酶在實際應用中受到較大的限制。我國科學家閻錫蘊等[1]在2007 年發現Fe3O4納米顆粒本身存在類似過氧化物酶的催化活性。納米酶可以模擬天然酶的生物催化效應，又可以克服天然酶的在實際應用方面的缺點。鐵基納米酶作為最早被發現和報道的納米酶引起了研究者們的廣泛關注，其具有低毒性、制取技術簡便、成本低廉、穩定性高和性能可控等優點，在醫學、農業、環境等領域得到廣泛應用。

1 研究背景

1.1 天然酶

天然酶是一種對底物具有高度特異性和高度催化效能的蛋白質、RNA 或其復合體。不同于一般催化劑，天然酶具有高效的催化活性、選擇性強和反應條件溫和等優點，廣泛用于疾病診斷、臨床治療、生物傳感以及環境等領域[2-3]。由于天然酶的蛋白質結構，在高溫、強酸或強堿等非生理條件下，天然酶極易受到破壞且在生物體內的含量非常低，所以天然酶的價格高昂、制備提純繁瑣。

天然酶的制備提純繁瑣、穩定性差、回收重復利用性差等弊端極大影響了其在生物醫學、食品安全以及環境等領域的實際應用。所以模擬天然酶不但有著重大的科學價值，同時具有巨大的現實應用意義。

1.2 納米酶的發現

納米酶的發現是基于無機材料在納米尺寸（1～100 nm） 展現出的與其宏觀尺寸完全不同的新的酶學特性[4]。

納米酶不但可以在相對溫和的生理條件下高效催化酶的底物，也可以作為酶的替代品應用到疾病診斷和治療等領域[5]。納米酶的發現打破了傳統意義上的“無機”與“有機”的界限，揭示了納米材料內在的生物效應及新特性，豐富了模擬酶的研究，也大大拓展了納米材料的應用領域和范圍。

1.3 納米酶與天然酶的比較

納米酶不同于天然酶，也不同于化學催化劑和傳統的有機小分子模擬酶，是一類獨特的催化劑。它與天然酶的區別在于，天然酶是生物催化劑，蛋白質的精細結構賦予其催化活性高和選擇性強的特點，同時也有易受環境影響、工業化生產成本高等缺點。納米酶作為一類新型催化劑，其催化活性來源于納米材料的納米效應，催化效率遠高于金屬離子或有機小分子等無機催化劑，某些納米酶的催化能力接近或超越天然酶。納米酶結構比較穩定，不僅能夠在溫和的生理條件下催化，也能夠在極端環境中催化。

綜上所述，這種兼具納米材料特性和催化功能的模擬酶，具有高催化效率、高安全性、價廉易得、可大規模生產等優點，在離子、分子和有機物檢測、抗耐藥細菌、疾病治療等方面應用前景十分廣闊。

1.4 鐵基納米材料

鐵基納米酶可分為鐵基金屬納米材料、鐵基氧化物納米材料、鐵基硫化物納米材料、鐵基有機框架納米材料等。其中基于Fe2O3的納米材料的磁學性質已廣為人知，目前研究者對其酶學性質的了解也日益加深。隨著納米技術的不斷發展，越來越多種類的鐵基納米材料被發現，鐵基納米酶應用的領域也在不斷拓寬。

2 常見的鐵基納米酶分類

2.1 鐵基雙金屬納米材料

目前報道較多的鐵基雙金屬納米材料有Fe-Co雙金屬納米酶（Fe-Co NPs），與單一金屬納米粒子相比具有更好的POD 活性[6]；Fe-Cu 雙金屬氮摻雜的納米材料（Fe-Cu-N-CNF NPs），其制備成本低、簡單環保并且在藥物分析、葡萄糖檢測中有著良好應用前景[7]；Fe-Pt 納米磁性多孔材料，在磁性分離技術中實現應用，在免疫檢測、提純等方面前景廣闊[8]；FeNi3納米材料，具有良好的生物相容性，在診療一體化中有重要應用[9]。鐵基金屬納米材料在檢測、催化和生物醫學等方面取得了良好的應用，未來有望開發新的用途。

2.2 鐵基氧化物納米材料

鐵基氧化物納米材料多種多樣，目前見于報端的有α/β/γ-Fe2O3、Fe3O4、MFe2O4(M 為金屬元素)、FeO、α/β/γ/δ-FeOOH 等[10]。其中報道較多的是Fe3O4納米粒子。通過其表面的Fe2+/Fe3+之間的相互轉化，保證了其高效的納米酶催化活性，還具有合成尺寸可控、活性高、毒性低等優點。Fe3O4納米材料涉及到人們生產和生活中的各個方面，在生物、醫療、能源、環保等領域都發揮著重要作用。Fe2O3納米粒子具有磁性、催化活性等獨特的理化性質和合成簡單、抗腐蝕能力強、環境污染小的優點，在光催化、鋰離子電池、超級電容器等方面有著廣泛的應用。

2.3 鐵基硫化物納米材料

鐵硫納米材料具有非常重要的用途，尤其是鐵硫團簇，在生物體內的電子傳遞，底物的結合與激活等方面起著關鍵作用，并且在污水處理、生物醫藥等領域也得到廣泛應用。目前報道較多的有FeS2、Fe3S4、Fe7S8等鐵硫納米材料，其中FeS2納米材料在空氣中不易被氧化，在太陽能電池領域得到應用；Fe3S4、Fe7S8納米材料具備鐵磁性或是超磁性，磁性受到多種參數的影響，包括制備方法、元素比例、物質的尺寸大小、形狀、結晶性以及晶體缺陷。并且Fe7S8納米材料的電輸運性能優于Fe3S4納米材料，是很好的半導體材料[11]。鐵硫納米材料根據不同的應用衍生出多種合成方法，例如水熱法、溶劑熱法、電化學法、熱分解法等[12]。

2.4 鐵基有機框架納米材料

鐵基金屬有機框架納米材料（Fe-MOF） 不僅具有一般MOF 的特點還存在穩定的Fe-O 鍵，所以Fe-MOF 具有非常優異的化學和結構穩定性[13]，有著價格低廉、資源豐富、毒性低、結構多樣性、比表面積大等優點，在分子傳感、催化、生物醫藥儲能等領域得到廣泛應用。Fe-MOF 是以鐵為金屬陽離子，再和有機配體通過配位聚合的方式所得的化合物，目前報道的Fe-MOF 材料有MIL、MOF-n、CID、PCN 等系列，常見的的合成方法有溶劑熱法和微波輻射法加熱法。

2.5 其他鐵基納米材料

納米零價鐵材料（nZVI） 是一種化學還原性很強的還原劑，因其特有的表面效應和小尺寸效應，從而具有優越的吸附性能和很高的還原活性。不止鐵基氧化物、硫化物納米材料，其他雜原子與鐵的化合物納米材料也被證明具有模擬酶活性。例如FeTe 納米棒[14]和Fe3C 納米材料[15]。

3 鐵基納米酶的應用

3.1 抗菌作用

在世界范圍內，由細菌感染引起的疾病是影響人類健康的重大難題之一，每年約有70 萬人死于抗藥性細菌引發的感染[16]，細菌感染是對人類生命健康的重大威脅。納米技術的加速發展，為抗感染研究開辟了道路，具有天然酶活性的納米材料為開發新的抗菌途徑提供了機會。廖姿楊團隊將磷酸鐵納米酶和水凝膠構成體系（FePO4HG），在H2O2的輔助下對MRSA 和AREC 表現出優異的抗菌能力，以低細胞毒性快速細菌死亡，且不產生耐藥性[17]。Fe2O3納米顆粒通過物理接觸和穿透作用，以及與細菌表面官能團的分子尺度相互作用，可以特異性靶向并殺死革蘭氏陽性細菌，如金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌[18]。Fe 和Fe-Cu NPs 因獨特的納米級表面反應性和磁性，成為環境應用中處理細菌的良好候選材料[19]。Fex-1S 納米片暴露于H2O2和空氣中時，細菌中的ROS 增強,對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和糞腸球菌等具有良好的殺菌效果[20]。

3.2 腫瘤治療

癌癥是全球第二大死因，腫瘤治療技術與人類的生命和健康密切相關。在過去幾十年中，納米技術在腫瘤的治療和診斷方面取得了巨大進展。鐵基納米酶具有pH 敏感的過氧化物和過氧化氫模擬酶活性并且具有極低的細胞毒性，在增加細胞內雙氧水濃度磷酸鐵納米酶過氧化物模擬酶性質顯著，表現為細胞嚴重凋亡和壞死，毒性低，顯著抑制腫瘤增長，腫瘤體積抑制率高[21]。XIE C K 等[22]制備的FeS@BSA 納米團簇可以通過釋放Fe2+和硫化氫氣體（H2S） 來抑制肝細胞癌（Huh7） 細胞。HUANG C Y等[23]將FeS2包裹在癌細胞源性外泌體（CDE） 中，通過催化治療和輻射致敏達到協同治療腫瘤的目的。MA X W 等[24]報道了多功能Janus 納米顆粒（Fe3O4-Pd JNPs），集成了超小Fe3O4和Pd 納米片用于乳腺癌治療。

3.3 成像

成像不僅大量應用在醫學范疇，在工業領域、植物領域，在有機化學分析中的應用也是不可或缺的。鐵基納米酶由于含有鐵元素和酶的催化性質，可以用于MRI 成像[25]，并且基于鐵基納米酶的催化性質，可以產生具有顏色、熒光的產物，這一獨特的性質也可以進行成像。成像和納米技術的融合更好地了解基礎生物學，監測健康，進行診斷和治療疾病提供了新的機會，在其他領域也有著更廣泛的應用前景。

3.4 環境監測與廢水處理

隨著工業化進程的加快，一些含染料、難降解污染物、乳液等的有機廢水大量排放，對生態環境造成了不可逆轉的破壞。鐵基納米酶具有過氧化物酶活性，產生的ROS 可用于檢測和降解廢水中的污染物并且可利用自身固有的磁性實現重復利用，極大降低了廢水處理的成本[26]，某些重金屬離子會影響納米酶的催化活性，因此鐵基納米酶同樣可以廣泛的用于有毒污染物方面的檢測。nZVI 也會引發污染物的氧化降解,特別是有機磷酸鹽和有機硫化物等化合物[27]。

3.5 分析檢測

大多具有類過氧化物酶活性的納米材料均可實現對過氧化氫和葡萄糖的檢測。葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx） 和氧氣的共用作用下分解產生過氧化氫[28]，在H2O2存在時，鐵基納米酶能夠催化氧化TMB，通過檢測氧化產物oxTMB 在400～800 nm波長處的吸光度，即可對葡萄糖和H2O2定量。H2O2和葡萄糖的檢測在生物學、醫學、環境保護和食品工業等許多領域都具有重要意義。鐵基納米酶還可以用于構建熒光生物傳感器，SONG C 等[29]制備了FeS@CNs，通過oxAR 法檢測熒光信號也能檢測H2O2含量，檢出限為0.86 M。Zhang L N 等[30]制備的FeS2-AuNPs 模擬酶，有效降低電活性材料NiHCFNPs 的差分脈沖伏安（DPV） 信號，用于超靈敏檢測α-胎蛋白（AFP）。

4 結論和展望

鐵基納米酶作為天然酶的替代物，具有高效催化作用的同時還有低毒性、制取技術簡便、成本低廉、穩定性高和性能可控等優點，在各種領域的應用中都表現出優異的靈敏度和良好的效果。對鐵基納米酶的研究還存在以下挑戰。一是鐵基納米酶的活性及催化靈敏度有待進一步優化，催化反應的特異性不如天然酶；二是鐵基納米酶能夠殺滅的細菌種類有限，抗菌譜有待進一步擴寬；三是鐵基納米酶在病毒方面的應用有待挖掘；四是鐵基納米酶抗菌的確切機制尚未完全闡明，通過發揮類酶活性產生ROS 殺滅細菌或病毒的機制并不具有特異性，只有對機制有了清晰的認知，才能拓寬磷鐵基在抗菌中的應用；五是鐵基納米酶用于生物醫學領域中，其生物安全性是一個不容忽視的問題[31]；六是鐵基納米酶如何在環境友好條件下實現從實驗室走向工業化生產，也是未來我們需要探討的問題。