納米二氧化鈰模擬過氧化物酶的研究進展

方 蕾，馬永強

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150076；2.哈爾濱學(xué)院食品工程學(xué)院, 黑龍江哈爾濱 150086）

過氧化物酶通過H2O2來催化各種有機和無機化合物的氧化，基于此原理通過比色法可檢測多種芳香族化合物。過氧化物酶是臨床試驗的驅(qū)動力，在葡萄糖、肌酐、尿酸等許多重要的臨床試驗中起著關(guān)鍵作用。固定化過氧化物酶在酶免疫分析中的生物傳感器的構(gòu)建中也備受關(guān)注。然而，過氧化物酶作為一種生物有機材料，存在純化困難、穩(wěn)定性差等缺點[1]。

2007年發(fā)現(xiàn)的鐵磁性納米顆粒具有類似過氧化物酶的活性打破了無機材料具有生物惰性的傳統(tǒng)觀念，激發(fā)了研究人員對探索其他新型酶樣納米材料的廣泛興趣。在過去的十年里，報道超過300種納米材料固有的類酶活性，統(tǒng)稱為納米酶。與極端環(huán)境下容易失活的天然酶相比，納米酶具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、活性可調(diào)、功能多樣等特點[2]，在工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域成為天然酶的潛在替代品和有價值的競爭對手。快速價態(tài)轉(zhuǎn)變和表面電子轉(zhuǎn)移是大多數(shù)納米酶的作用機制，暗示了與表面性質(zhì)如尺寸、形貌、表面晶格、成分、改性等密切相關(guān)的納米酶酶學(xué)性質(zhì)的決定因素[3-4]。此外，諸如pH、溫度、離子溶液等環(huán)境因素，也會影響納米酶的催化活性[5]。納米酶的研究不僅是為了解決自然酶和傳統(tǒng)人工酶的局限性，而且也激勵科學(xué)家探索納米材料中隱藏的內(nèi)在生物學(xué)功能。納米酶的研究從新概念、新材料到新應(yīng)用取得了長足進展，成為納米技術(shù)與生物學(xué)的新興領(lǐng)域[6]。

納米二氧化鈰（CeO2NPs）由于其具有過氧化物酶活性以及其材料本身優(yōu)良特性，在近年研究中逐漸成為研究熱點。本文介紹了近幾年納米二氧化鈰模擬過氧化物酶在食品分析、生物標志物的檢測、醫(yī)學(xué)、光學(xué)傳感、仿生等方面應(yīng)用的研究進展，為后續(xù)進一步研究提供一定的參考。

1 納米二氧化鈰

鈰（Ce）是鑭系稀土元素，在地殼中的含量（66.5 ppm）甚至比銅（Cu，60 ppm）還要豐富。鈰的低價格為6.36美元/kg（2018年11月），是其他稀土金屬中無法比擬的。從金屬的稀缺性考慮，它的利用率并不高[7]。它特殊的外電子結(jié)構(gòu)[Xe]4f15d16s2，具有幾個假設(shè)的激發(fā)子態(tài)。鈰原子可以以兩種價態(tài)存在，+4（完全氧化）或+3（完全還原），并在氧化還原反應(yīng)中在兩種價態(tài)之間交替[8]。2008年，Heckert等[9]報告鈰離子也能發(fā)生類Fenton反應(yīng)并產(chǎn)生羥基自由基。二氧化鈰（CeO2）是一種具有螢石結(jié)構(gòu)的稀土金屬氧化物[10]。自1803年被發(fā)現(xiàn)后，逐漸成為應(yīng)用最廣泛的鈰化合物。研究發(fā)現(xiàn)在氧化鈰的螢石晶體結(jié)構(gòu)中，每個鈰（IV）陽離子被八個氧陰離子包圍，而每個氧由四個鈰配位。氧空位的形成導(dǎo)致了Ce（III）和Ce（IV）氧化態(tài)在粒子表面的共存。隨著顆粒尺寸的減小，在CeO2表面形成更多的氧空位，從而形成更多的Ce（III）。氧空位和Ce（IV）/Ce（III）氧化還原偶聯(lián)是影響其納米酶活性的關(guān)鍵，表面修飾調(diào)節(jié)納米材料的酶樣活性方法如圖1所示[11]。這些發(fā)現(xiàn)使納米鈰的應(yīng)用從工業(yè)催化擴展到食品檢測、醫(yī)學(xué)、生物、光學(xué)、傳感領(lǐng)域等[12-14]。

圖1 通過表面修飾來調(diào)節(jié)納米材料的酶樣活性的一些一般策略和效果Fig.1 A schematic showing some general strategies and effects of modulating the enzyme-like actives of nanomaterials via surface modification

2 納米二氧化鈰模擬過氧化物酶在食品分析中的應(yīng)用

擴大二維材料面內(nèi)間距的有效方法之一是異質(zhì)摻雜，它可以調(diào)節(jié)主體材料的導(dǎo)電性和催化性能。受此啟發(fā)，一些學(xué)者將Ce3+引入晶格中，提高催化活性，并應(yīng)用于H2O2的比色分析。同時鑒于食品成分通常復(fù)雜，測定中常存在干擾物質(zhì)（如抗壞血酸、多巴胺、精氨酸等），也需要考慮實際測定時方法的準確性。Zhang等[15]采用一步水熱法制備了負載鈰（III）離子、層間距為8.1 ? 的二硫化鉬（MoS2）納米片（NSs），由此獲得的材料具有很強的過氧化物酶樣活性，原理如圖2[15]所示。大量Ce（III）離子的引入使MoS2NSs的層間距增大。它還支持基板、中間產(chǎn)物和電子的穿梭和運輸，增加了MoS2的比表面積。產(chǎn)生了大量的活性中心，加速了底物與催化表面的接觸，改善了催化反應(yīng)動力學(xué)。該方法在1～50 μmol/L H2O2濃度范圍內(nèi)具有線性響應(yīng)，檢測限為0.47 μmol/L，并將比色法應(yīng)用于實際牛奶樣品，回收率高（98.4%～108.0%），重復(fù)性好，但是靈敏度并不理想，有待進一步深入研究。

圖2 Ce:MoS2催化H2O2分解示意圖Fig.2 Schematic diagram of decomposition of H2O2 catalyzed by Ce:MoS2

三聚氰胺有輕微的急性毒性。近年來，媒體常報道三聚氰胺被非法添加到乳及乳制品中，從而通過錯誤的總氮含量高讀數(shù)增加表觀蛋白質(zhì)含量。常見三聚氰胺檢測方法如氣相色譜-質(zhì)譜法、液相色譜法等昂貴、費時、復(fù)雜，因此開發(fā)快速檢測方法變得非常重要。Jin等[16]開發(fā)了一種簡單、快速的比色法，用明膠包被氧化鈰（Gel-CeO2）納米球作為過氧化物酶模擬物檢測三聚氰胺。采用微波輔助水熱法合成了單分散的CeO2凝膠納米球。凝膠-CeO2納米球具有良好的過氧化物酶活性，能催化H2O2氧化ABTS（2,2'-疊氮唑啉-6-磺酸）二銨，形成藍色氧化產(chǎn)物。在三聚氰胺存在下，過氧化氫會通過強氫鍵與三聚氰胺反應(yīng)。隨著H2O2的消耗，催化反應(yīng)中斷，藍色的ABTS氧化產(chǎn)物溶液變淡。ABTS氧化產(chǎn)物的吸光度強度與三聚氰胺濃度在50 nm～5.0 mm范圍內(nèi)的對數(shù)值呈線性關(guān)系。此外，檢測限（S/N=3）為5.5 nm，遠低于監(jiān)管水平。該方法簡單、快速、靈敏、可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景，可將該方法應(yīng)用于牛奶和奶粉中三聚氰胺的檢測。

傳統(tǒng)測定食品中維生素C的方法有滴定法、電化學(xué)法、光譜法和色譜法等，都存在缺點。比色法相對較簡便，逐漸受到關(guān)注。Lian等[17]制備了苝二亞胺修飾的磁性γ-Fe2O3/CeO2納米粒子（γ-Fe2O3/CeO2-PDI），并表現(xiàn)出良好的過氧化物酶樣活性。制備的γ-Fe2O3/CeO2-PDI粒徑為1020 nm，高比表面積為77 m2/g，且易于從水溶液中分離出來，有利于其實際應(yīng)用。由于PDI的修飾作用，γ-Fe2O3/CeO2-PDI比γ-Fe2O3/CeO2具有更多的表面缺陷（Ce3+）和活性氧物種，因而具有優(yōu)異的催化性能?；趯αu基的選擇性，提出了一種對羥基的點式催化機理，如圖3[17]所示。制備的γ-Fe2O3/CeO2-PDI納米粒子在食品分析中具有廣闊的應(yīng)用前景，提供了一種高靈敏度、高選擇性的比色方法建立的維生素C的檢測方法。

圖3 γ-Fe2O3/CeO2-PDI電子-空穴對分離示意圖及可能的反應(yīng)機理Fig.3 Schematic diagram of electron-hole pair separation and the possible reaction mechanism of γ-Fe2O3/CeO2-PDI

半胱氨酸作為重要的食品添加劑之一，測定含量的方法主要有高效液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等。這些方法通常繁瑣、費時、復(fù)雜，因此研發(fā)簡單、快速、廉價的測定方法勢在必行。Li等[18]提出了一種新的雜化鈀納米粒子分散在CeO2納米管（Pd-NPs/CeO2-NTs）上，協(xié)同增強過氧化物酶樣活性，用于巰基化合物的視覺檢測。此外還發(fā)現(xiàn)，即使在較低的H2O2水平上也有抑制作用。根據(jù)這一原理，巰基乙酸在66～400 nm的濃度范圍內(nèi)可以線性測定。同樣，在6～40 nm線性范圍內(nèi)檢測到巰基氨基酸（半胱氨酸）及其衍生物（谷胱甘肽），檢測限分別為2.9和11.3 nm?；趲€基化合物對顯色反應(yīng)的抑制作用，成功地檢測出巰基乙酸、半胱氨酸、谷胱甘肽等巰基化合物，并取得了良好的效果。由于其良好的酶學(xué)性質(zhì)，Pd-NPs/CeO2-NTs模擬物將有很好的應(yīng)用前景。

葡萄糖的常見的檢測方法有色譜法、光譜法、電化學(xué)生物傳感器法等。這些方法對檢測環(huán)境要求苛刻、較長的測定時間等難以大規(guī)模應(yīng)用于食品工業(yè)。Jampaiah 等[19]采用水熱法合成了不同量的Fe3+摻雜CeO2納米棒（NRs）（Fe摻雜量為3%、6%、9%和12%），并對其過氧化物酶活性和葡萄糖檢測進行了研究。過氧化物酶活性結(jié)果表明，6%的摻雜量比未摻雜和Fe3+摻雜的CeO2-NRs具有更好的催化性能。穩(wěn)態(tài)動力學(xué)分析還證實，與辣根過氧化物酶（HRP）酶（0.434 mm和10.0×10-8ms-1）相比，6%Fe3+摻雜的CeO2（6Fe/CeO2）NRs對3,3',5,5'四甲基聯(lián)苯胺（TMB）具有良好的催化性能。利用6Fe/CeO2-NRs催化氧化TMB底物的典型顯色反應(yīng)，建立了測定稀釋果汁中葡萄糖濃度的簡單、靈敏和選擇性好的比色分析方法。Fe3+摻雜對CeO2-NRs的結(jié)構(gòu)、形貌和表面改性可用于過氧化物酶模擬，為進一步研究CeO2改性材料在更多領(lǐng)域應(yīng)用提供了一條途徑。

3 納米二氧化鈰模擬過氧化物酶在H2O2和葡萄糖的比色檢測中的應(yīng)用

對H2O2和葡萄糖的檢測分析在諸多領(lǐng)域如生物分析和環(huán)境監(jiān)測等，具有重要意義。Esch等[20]研究了CeO2表面的氧空位類型，有助于發(fā)現(xiàn)納米氧化鈰的類過氧化物酶活性。之后，Jiao等[21]合成了一種分散性好的納米氧化鈰納米粒子，觀察到該納米氧化鈰對過氧化氫（過氧化氫酶底物）3,3,5,5-四甲基聯(lián)苯鹽酸鹽（TMB）具有良好的催化作用?；谶@一發(fā)現(xiàn)，他們開發(fā)了一種檢測葡萄糖的比色法，該方法顯示出良好的選擇性和靈敏度。

現(xiàn)代合成的納米復(fù)合材料已被用來實現(xiàn)每個組分各自特性或?qū)崿F(xiàn)協(xié)同增強的性能。Zhao[22]等在TiO2納米管上開發(fā)了一種獨特的高度分散的CeO2納米復(fù)合物，并將其視為過氧化物酶樣酶，見圖4[22]。測量了CeO2/納米管-TiO2的強過氧化物酶樣活性，該活性遠高于CeO2/納米線-TiO2、CeO2/納米棒-TiO2或CeO2/NPsTiO2（具有類似Ce/Ti摩爾比）的活性。動力學(xué)分析表明，催化作用符合通常的米氏動力學(xué)。與CeO2/納米線-TiO2、CeO2/納米二氧化鈦和CeO2/NP-TiO2相比，TiO2納米管與CeO2的納米復(fù)合物表現(xiàn)出最高的Ce3+生成，從而產(chǎn)生最強的過氧化物酶樣活性。該系統(tǒng)可為H2O2和葡萄糖的比色檢測提供一種簡單實用的方法，檢測限分別為3.2和6.1 μmol/L。

圖4 在H2O2存在下CeO2/NT-TiO2@0.1氧化TMB示意圖Fig.4 Schematic presentation for TMB oxidation in the presence of H2O2 over CeO2/NT-TiO2@0.1

H2O2作為許多酶促反應(yīng)的副產(chǎn)物，也是一種常用的生物傳感器靶點。Liu等[23]用一步法制備的卟啉功能化氧化鈰均勻納米粒子，作為H2O2檢測的比色探針。在H2O2存在下，卟啉功能化氧化鈰納米粒子對典型的過氧化物酶底物3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）表現(xiàn)出強烈的內(nèi)源性過氧化物酶活性。研究表明類過氧化物酶活性增強源于卟啉和鈰的協(xié)同作用，從而解釋了其作為一種人工模擬過氧化物酶的高性能。當與葡萄糖氧化酶結(jié)合時，可以檢測到葡萄糖。檢測限為1.9×10-2mmol/L葡萄糖，線性范圍可達0.15 mmol/L。Liu等[24]設(shè)計了Au/Co3O4-CeOx納米復(fù)合材料比色傳感器檢測H2O2，檢測限為5.29 μmol/L，線性檢測范圍為10～1000 μmol/L。結(jié)果表明，與辣根過氧化物酶（HRP）相比，Au/Co3O4-CeOx納米復(fù)合材料對H2O2具有更高的親和力，認為具有高過氧化物酶活性的Au/Co3O4-CeOx-NCs在生物技術(shù)和環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。Li等[25]以CeCl3·6H2O、檸檬酸（C6H8O7）和NH3·H2O為主要原料，采用水熱法制備了珊瑚狀氧化鈰空心納米結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)珊瑚狀CeO2具有均勻的形貌、良好的光學(xué)性能、較大的比表面積和良好的孔隙率。隨后對該材料進行酶模擬活性測試，發(fā)現(xiàn)該材料具有過氧化物酶樣活性，可用于葡萄糖檢測。

目前已經(jīng)報道了合成方法將決定所獲得的CeO2納米結(jié)構(gòu)的表面性質(zhì)，包括它們的比表面積、表面Ce3+分數(shù)和氧空位濃度。在CeO2及其相關(guān)前驅(qū)體的形成過程中，摻雜雜質(zhì)、控制納米結(jié)構(gòu)形貌和暴露面等各種策略也得到了廣泛的研究[26]。Huang等[27]將CeO2生長在Fe3O4空心納米顆粒（NPs）上，制備了蛋黃殼納米復(fù)合材料（NCs）。Fe3O4@CeO2協(xié)同催化活性，與天然酶、空心Fe3O4NP和CeO2NP相 比，其Fe3O4@CeO2NCs對H2O2和TMB表現(xiàn)出較低的Michaelis常數(shù)（Km）值或較強的親和力，通過競爭自由基實驗和電子自旋共振（ESR）分析研究了其活化機理。Guo等[28]認為過氧化物酶模擬物催化活性仍然是中等的，限制了它的應(yīng)用前景。為了解決這個問題，通過摻雜過渡金屬來調(diào)節(jié)納米氧化鈰的過氧化物酶模擬活性的有效策略。他們發(fā)現(xiàn)第一排過渡金屬（Mn、Fe、Co、Ni、Cu）的摻雜對納米氧化鈰的活性有一定的影響，在相同的摻雜比例下，其 活 性 大 小 順 序 為：Mn1Ce10＞Co1Ce10＞Fe1Ce10＞Cu1Ce10＞CeO2＞Ni1Ce10。通過進一步改變Mn/Ce比，得到具有最高過氧化物酶模擬活性的Mn1Ce5（比原始CeO2高13倍）。同時發(fā)現(xiàn)，在納米氧化鈰基體中均勻摻雜Mn而不發(fā)生相分離，保證了Mn1Ce5固溶體的形成。通過實驗和討論，認為表面氧（Oβ）和鈰錳之間的協(xié)同作用在提高Mn1Ce5過氧化物酶模擬活性中起著關(guān)鍵作用。該研究不僅證明了Mn摻雜納米氧化鈰具有更高活性的過氧化物酶模擬物，而且為調(diào)節(jié)納米酶的催化活性提供了一種很有前景的策略。Alizadeh等[29]研制了具有協(xié)同性能的Co3O4-CeO2納米片（Co/Ce比為3/1）作為新型生物傳感平臺的合成方法，表現(xiàn)出固有的過氧化物酶樣活性，能夠有效地催化葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖時產(chǎn)生的底物3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）的氧化，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種新型的紙基分析儀器（PADs）生物傳感器，用于葡萄糖的靈敏和可視化檢測。

多組分雜化納米結(jié)構(gòu)的制備具有重要意義，因為它們的兩相界面可以為氧化還原反應(yīng)提供豐富的環(huán)境，有利于提高催化性能。受上述考慮的啟發(fā)，Wang團隊[30]在不使用任何有機添加劑的情況下，通過非有機和清潔的水溶液路線成功地制備了納米強耦合Cu2O@CeO2核心@外殼結(jié)構(gòu)。Cu2O@CeO2核心@外殼立方體比純CeO2或Cu2O納米催化劑在類過氧化物酶催化反應(yīng)中更為活躍。Lian等[31]采用一鍋水熱法制備了一種新型的苝二亞胺（PDI）功能化CeO2納米復(fù)合材料（NC）。與純CeO2納米顆粒（CeO2-NPs）相比，NC催化劑具有更多的Ce3+和活性氧，對H2O2氧化3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺具有更高的過氧化物酶模擬活性，形成藍色產(chǎn)物，最大吸收波長為652 nm。該復(fù)合催化劑對H2O2的測定在20～80 μmol/L范圍內(nèi)具有較高的靈敏度和選擇性，檢測限（LOD）為2.59 μmol/L。Yang等[32]以木棉為生物模板，首次制備了具有類過氧化物酶活性的生物量衍生的層狀多孔CoFe-LDH（層狀雙氫氧化物）/CeO2雜化物。利用CoFe-LDH/CeO2在TMB和H2O2之間的加速電子轉(zhuǎn)移，建立了一種簡便、靈敏的H2O2和葡萄糖檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)對葡萄糖的響應(yīng)范圍為0.05～2 mmol/L，檢測限為0.015 mmol/L。為制備具有層次結(jié)構(gòu)的材料提供了一條可行的途徑，并為尋找具有催化活性的新型過氧化物酶模擬物提供了新的思路。Ge等[33]以高分子量聚環(huán)氧乙烷嵌段聚苯乙烯（PEO-b-PS）二嵌段共聚物為模板，兩種金屬鹽為共前驅(qū)體，采用溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)共組裝的方法，合成了具有高比表面積的有序介孔雜原子摻雜CeO2，其雙峰孔徑和高度結(jié)晶的壁使其作為過氧化物酶類生物活性催化劑具有良好的催化性能。Tan等[34]以兩個CeO2催化的反應(yīng)為例，證明了反應(yīng)物在催化劑表面的吸附/活化與活性中心的電子密度高度相關(guān)，即使是在相同成分/晶體結(jié)構(gòu)的催化劑上。TMPO-31PNMR顯示，CeO2表面Ce的電子密度大小為（100）＞（110）＞（111）。CeO2立方塊具有較高的過氧化物酶活性，這是由于H2O2的吸附和電致Ce原子在（100）表面的還原作用。這解釋了作為過氧化物酶模擬物獲得的極端1133%速率常數(shù)。最重要的是，只有當表面Ce能激活兩個反應(yīng)中的吸附分子時，“表面積”才成為一個重要因素。這項研究為CeO2基納米酶的設(shè)計提供了一些基本但關(guān)鍵的見解。Zhang等[35]證明CeO2對H2O2的Ce反應(yīng)性是由其局部結(jié)構(gòu)和電子密度決定的。對于葡萄糖檢測中（100）表面的過氧化物酶樣活性提高了2400%以上，這是由于富含電子的Ce物種促進了H2O2的吸附和隨后的活化。Guan等[36]以PVP和無機金屬鹽為原料，對電紡納米纖維進行熱處理，成功地制備了納米級PtNi/CeO2/NCNFs多孔納米纖維。PtNi/CeO2/NCNFs傳感器作為酶模擬物用于H2O2的檢測，具有良好的分析性能，NCNFs、PtNi合金和CeO2板的協(xié)同作用對提高性能起到了重要作用，以上結(jié)果證明PtNi/CeO2/NCNFs可以制備高效非酶制劑的酶模擬物過氧化氫傳感器。

4 納米二氧化鈰模擬過氧化物酶在生物標志物的檢測中的應(yīng)用

光電化學(xué)檢測由于使用高靈敏度、低成本的儀器和固有的小型化，在生命分析和癌癥預(yù)警方面顯示出廣泛的應(yīng)用潛力。Wang等[37]設(shè)計了一種金改性納米晶錨定CeO2（Au@NR-CeO2）八面體作為一種多功能信號調(diào)節(jié)器，制造過程如圖5[37]所示。該八面體不僅由于與光電層競爭性地捕獲光子能量和電子供體而猝滅光電流信號，而且還可以像過氧化物酶一樣催化光電層表面模擬酶催化沉淀（MECP）的形成。此外，空間位阻效應(yīng)Au@NR-CeO2八面體進一步降低了光電流信號的輸出。在與t-DNA孵育后，三螺旋構(gòu)象被分解，并且Au@NR-CeO2八面體從電極表面釋放，導(dǎo)致光電流信號顯著增加。與此同時，被釋放的Au@NR-CeO2八面體可流入實驗室紙上設(shè)備的色度區(qū)域，以催化顏色反應(yīng)，實現(xiàn)了對t-DNA的視覺檢測。在多重信號放大策略的基礎(chǔ)上，對t-DNA進行特異性檢測，檢測下限為0.28 fm，線性范圍為0.5 fm～50 nm。該方法對多種核酸和生物標志物的檢測具有潛在的實用價值。

圖5 用于檢測t-DNA的PEC/視覺生物傳感器的制造過程Fig.5 Fabrication process of the PEC/visual biosensor for detection of t-DNA

傳統(tǒng)檢測多巴胺的方法有直接氧化法、熒光法、電化學(xué)法等。近年來基于過氧化物酶模擬物的比色法因其快速、簡便、經(jīng)濟等優(yōu)點而備受關(guān)注。Lian[38]團隊采用多層生長法制備了一種新穎的核殼結(jié)構(gòu)Ag2S@CeO2，與純Ag2S相比，合成的復(fù)合催化劑具有更高的過氧化物酶活性，基于Ag2S@CeO2建立了一種高靈敏度、高選擇性的多巴胺檢測比色法，可用于生物分析和環(huán)境監(jiān)測。Liu等[39]采用無表面活性劑的方法合成了Pt/CeO2納米復(fù)合材料，與CeO2納米棒和Pt納米粒相比，由于金屬載體的強烈相互作用，制備的Pt/CeO2納米復(fù)合材料表現(xiàn)出更強的酶活性，基于抗壞血酸（AA）對氧化的內(nèi)在抑制作用，建立了一種簡便、靈敏、選擇性強的檢測方法，其線性關(guān)系良好（0.5～30 μmol/L），檢測下限（80 nm）。表明Pt/CeO2納米復(fù)合材料具有合成簡單、穩(wěn)定性高、過氧化物酶活性高等優(yōu)點，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Vinothkumar等[40]用水熱法合成的CePO4-CeO2納米棒具有良好的過氧化物酶活性。過氧化氫和葡萄糖的比色檢測在150 μmol/L濃度下呈線性響應(yīng)，LODs分別為2.9和4.1 μmol/L。該研究展示了CePO4-CeO2復(fù)合納米棒的過氧化物酶模擬活性的提高及其在抗氧化和生物傳感中的應(yīng)用。

5 納米二氧化鈰模擬過氧化物酶在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

納米酶應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測，具有靈敏度高、特異性強、檢出限低等特點，已被開發(fā)應(yīng)用于免疫分析、臨床診斷、神經(jīng)保護和疾病治療中，如小分子檢測、離子檢測、核酸檢測、蛋白質(zhì)檢測、體內(nèi)檢測等。Tian等[41]研究了一種多孔氧化鈰納米棒，其具有獨特的大比表面積和高表面Ce3+含量。這些結(jié)構(gòu)顯示出獨特的內(nèi)源性過氧化物酶活性。研究認為，表面Ce3+物種產(chǎn)生的類過氧化物酶活性是催化核心，從而說明了納米CeO2作為模擬過氧化物酶的人工酶的潛力，而且納米CeO2的過氧化物酶樣活性在惡劣條件下仍保持活性，這支持了其過氧化物酶樣活性研究的有效性和敏感性。該系統(tǒng)可作為一種新的乳腺癌診斷系統(tǒng)，其靈敏度高于經(jīng)典的HRP檢測系統(tǒng)。Shen課題組[42]研制了一種新型的基于雙信號放大CeO2@Ir納米棒電化學(xué)適配酶傳感器，用于循環(huán)腫瘤的同時分離和檢測。Dai課題組[43]首次通過水熱法合成了CeO2納米粒子修飾MnO2納米球的納米復(fù)合材料（CeO2@MnO2），并建立了用方波伏安法（SWV）檢測H2O2和前列腺特異性抗原（PSA）的電化學(xué)方法。由于MnO2-NS與CeO2-NP具有協(xié)同作用，對H2O2還原的電催化效果優(yōu)于單一組成。在優(yōu)化條件下，CeO2@MnO2材料可用于檢測范圍為1～3.0×103μmol/L的H2O2。CeO2@MnO2PSA的濃度在0.005～50.0 ng/mL之間呈線性分布。電化學(xué)分析具有較好的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性，其作為一種生物傳感平臺在臨床檢測人血清腫瘤標志物中具有很大的潛力。

過氧化氫（H2O2）的定量在生物醫(yī)學(xué)中作為炎癥生物標志物是有價值的，而且在使用產(chǎn)生或消耗與特定生物標記物相關(guān)的過氧化氫的酶的分析中也是有價值的。Henning等[44]利用酶模擬CeO2納米晶對H2O2敏感，并研究了H2O2存在對其電子和發(fā)光性能的影響。通過火焰合成一步制備并摻雜Eu3+粒子，直接沉積在Si和玻璃基底上，制備納米顆粒層，實時、原位監(jiān)測肺炎鏈球菌臨床分離株產(chǎn)生的H2O2濃度。此外，在納米顆粒的合成過程中，納米顆粒與大顆粒的混合火焰反應(yīng)性更強。通過監(jiān)測這些生物傳感器在體外對來自肺炎鏈球菌的大量過氧化氫濃度的反應(yīng)來證明它們的功能性，突出了它們在細胞培養(yǎng)中方便實時檢測過氧化氫的潛力。Dong等[45]以鈰（III）和偏苯三甲酸為原料制備了金屬有機骨架，并對其進行了熱解，得到了一種新型納米結(jié)構(gòu)CeO2/C納米線。對實驗參數(shù)溫度、前驅(qū)體和氣體氣氛進行了優(yōu)化。納米線表現(xiàn)出良好的分散性和大量的氧空位，這導(dǎo)致了優(yōu)良的過氧化物酶樣活性。納米線在pH為2～10之間，溫度范圍為4～80 °C時穩(wěn)定。以3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺為顯色底物，采用靈敏的比色法測定過氧化氫酶。在0.5～100 μm H2O2濃度范圍內(nèi)，652 nm處的吸光度線性增加。如果把葡萄糖氧化酶加到含有葡萄糖的溶液中，就會產(chǎn)生過氧化氫。這被用來設(shè)計一種新的方法用于葡萄糖的測定。在1～100 μmol/L葡萄糖濃度范圍內(nèi)，光響應(yīng)呈線性，檢測限為0.69 μmol/L（S/N=3）。該方法已成功應(yīng)用于血清葡萄糖的測定。Vinothkumar等[46]研究了用5 mol%三價稀土摻雜（RE3+=Eu3+、Nd3+、Pr3+和La3+）CNP對氧化態(tài)調(diào)制和抗氧化性能的影響。觀察到晶格參數(shù)、應(yīng)變和氧空位濃度隨離子半徑的增加而增加。在CNP中，離子半徑越大，晶粒尺寸（7.9 nm）越小，空位越大的La3+對過氧化物酶、氧化酶和羥基自由基（·HO）的清除作用越好。此外，CNPs表現(xiàn)出濃度依賴性的過氧化物酶和氧化酶活性，可被選擇性地激活用于各種治療應(yīng)用，并且證明了離子半徑和RE3+摻雜濃度對氧化鈰納米顆粒中缺陷形成的關(guān)鍵作用，以改善氧化鈰的抗氧化性能。

6 納米二氧化鈰模擬過氧化物酶在光學(xué)傳感中的應(yīng)用

電化學(xué)方法具有靈敏度高、響應(yīng)快、成本低、操作方便等優(yōu)點，而人工模擬酶由于其高穩(wěn)定性和優(yōu)異的催化活性，在傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Alizadeh等[47]基于氧化鈰納米片對過氧化氫具有良好的催化活性，建立了一種高通量檢測活細胞中H2O2的電化學(xué)方法。這種微流控傳感器對H2O2有很強的響應(yīng)，在100 nmol/L～20 mmol/L的寬檢測范圍內(nèi)具有高靈敏度，低檢測限為20 nmol/L，高靈敏度閾值為226.4 μA·cm-2·μM-1。這表明它在監(jiān)測活細胞直接分泌的H2O2方面具有潛在的應(yīng)用前景，為診斷和傳感領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個新的平臺。Saha課題組[48]使用一種與氧化鈰納米粒子結(jié)合的聚氨酯支架作為天然酶-辣根過氧化物酶（HRP）的替代品，用于快速和可重復(fù)使用的H2O2的檢測。以大豆油和蘋果酸為原料制備聚氨酯，通過超聲處理制備納米鈰或氧化鐵納米粒子，并將其復(fù)合到聚氨酯支架中。該支架對H2O2具有高度響應(yīng)性（＜10 s），檢測極限為3.18 μmol/L，可重復(fù)使用至少10個周期，且檢測活性無明顯損失。這種穩(wěn)定的納米顆粒結(jié)合支架可用于光學(xué)傳感、熒光成像、光電技術(shù)以及體內(nèi)應(yīng)用。

7 納米二氧化鈰模擬過氧化物酶在仿生中的應(yīng)用

天然酶又稱為仿生催化劑，由于純化成本高、變性引起的操作穩(wěn)定性差、天然來源有限等原因，阻礙了其廣泛應(yīng)用。在過去的幾十年中，已經(jīng)開發(fā)出納米材料顯示出過氧化物酶樣活性，并逐漸提高檢測限和使用范圍。Jampaiah等[49]用Co3O4納米粒子修飾CeO2微球形成Co3O4@CeO2雜化納米催化劑，在H2O2存在下對TMB底物的催化氧化表現(xiàn)出良好的類過氧化物酶活性，用于葡萄糖的比色測定檢出限（LOD）也有所提高，最低可達1.9 μM，并預(yù)測Co3O4NPs修飾的CeO2雜化花狀微球在仿生應(yīng)用中具有很大的應(yīng)用前景。

受生物酶的啟發(fā)，多步級聯(lián)反應(yīng)在催化中具有很高的吸引力。催化劑的活性和穩(wěn)定性歷來是人們關(guān)注的焦點。Zhang等[50]采用簡單易用的自組裝方法設(shè)計核-殼結(jié)構(gòu)的銀-金納米籠@CeO2（銀-金NC@CeO2）。結(jié)果表明，銀-AuNC@CeO2同時具有葡萄糖氧化酶樣活性和內(nèi)源性過氧化物酶樣活性。如預(yù)期，銀-金NC@CeO2雜化納米材料具有級聯(lián)反應(yīng)活性。此外，這種雜交材料有望在不使用生物酶的情況下檢測葡萄糖。這項研究在仿生催化方面具有潛在的應(yīng)用前景。

8 結(jié)語與展望

近年來，隨著人們對替代成本高、不穩(wěn)定的天然酶的要求越來越高，作為最重要的生物活性材料之一的高效無機模擬酶的合理設(shè)計越來越受到人們的關(guān)注。隨著納米材料酶的設(shè)計與開發(fā)，以其合成簡單、穩(wěn)定性好、催化活性高、成本效益好等獨特優(yōu)勢，成為過氧化物酶的替代品，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

雖然納米CeO2模擬過氧化物酶的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大進展，但在這一前沿仍然存在很多問題。比如，如何克服現(xiàn)存的缺陷，制備快速、簡便的綠色納米CeO2，開發(fā)更多改良的理化性質(zhì)、低毒性和更好動力學(xué)特性的納米CeO2過氧化物模擬酶，如何將其他領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)的良好應(yīng)用與食品分析、檢測相結(jié)合，深入挖掘與完善納米粒子模擬酶的催化機理等，都是未來研究發(fā)展的主題。再如，為了獲得最佳的催化活性，也有一些障礙和瓶頸需要克服。例如納米顆粒可以根據(jù)其微環(huán)境顯示不同的酶性質(zhì)和動力學(xué)，并且很難控制。對催化過程中環(huán)境因素的強烈抵抗力才能使得檢測系統(tǒng)具有很高的安全性和更穩(wěn)定，另外成本、可回收性也要考慮進去。將納米酶整合到介孔納米材料中是獲得高活性納米酶的一個很有前景的策略。大多數(shù)納米酶很難像生物酶一樣催化一種特定的底物，因此構(gòu)建基于納米酶的生物傳感器的選擇性和特異性有待進一步研究。將分子印跡聚合物錨定在納米酶上是開發(fā)具有高選擇性和特異性的新型納米酶的一種很有前景的方法。