納米酶在生物傳感器應(yīng)用中的最新研究進展*

丁飄飄，徐偉航，李 寧，曾德福，舒 婷

(湖北科技學(xué)院醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

生物傳感器具有操作簡單、響應(yīng)快、成本低、易于微型化等優(yōu)點，適用于實時檢測[1]。傳感材料是生物傳感器的核心部分，決定著傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度、線性范圍和檢出限。因此，合理設(shè)計傳感材料是構(gòu)建高性能生物傳感器的重要環(huán)節(jié)[2]。

天然酶由于其高效的生物催化活性，可以催化一系列特定的化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)，具有最佳的性能和底物特異性等特性而被廣泛利用于生物傳感器，但是天然酶自身存在制備、純化過程復(fù)雜，催化活性和穩(wěn)定性易受影響等缺點，限制了其在更多領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。納米酶是一類具有內(nèi)在類酶活性的納米材料，它們表現(xiàn)出類似天然酶的酶促反應(yīng)動力學(xué)和催化機理，具有穩(wěn)定性好、成本低和易于制備等優(yōu)點，是天然酶的有力替代品，為電化學(xué)檢測提供更多的結(jié)合位點，獲得更靈敏的電流響應(yīng)信號和更高的檢測效率，為其實際應(yīng)用提供了廣闊前景。自2007年首次發(fā)現(xiàn)Fe3O4納米顆粒具有類過氧化物酶活性以來，數(shù)百種具有酶催化活性的納米材料被發(fā)現(xiàn)，包括覆蓋貴金屬、金屬氧化物、金屬硫化物、金屬有機框架和碳納米材料等。本文對幾種常見的金屬、金屬硫化物及碳基納米酶的最新研究進展及應(yīng)用進行綜述。

1 鐵基納米酶

鐵基納米酶具有良好的酶催化活性、低成本、高穩(wěn)定性和易存儲等優(yōu)點，被應(yīng)用于分析檢測、癌癥治療、成像、環(huán)境檢測與廢水處理等領(lǐng)域。

楊冬等[3]發(fā)現(xiàn)β-FeOOH納米棒是具有類過氧化物酶特性的納米粒子，其良好的分散性和穩(wěn)定性可以確保在催化過程中與底物的充分接觸，保證了催化反應(yīng)的效率。與辣根過氧化酶相比，β-FeOOH納米棒與底物親和力相似，反應(yīng)速率更高，具有更高的催化活性，且制備簡單、成本更低，為納米酶取代天然酶在工業(yè)、醫(yī)療、生物等領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供了新思路。

Yuan等[4]構(gòu)建了一系列具有不同磁熱轉(zhuǎn)換能力的氧化鐵納米顆粒，并系統(tǒng)研究了磁場刺激對氧化鐵納米顆粒過氧化物酶(POD)活性的影響。結(jié)果表明，在不改變?nèi)芤簻囟鹊那闆r下，交變磁場(AMF)可以有效提高過氧化物酶活性。因此，具有磁熱轉(zhuǎn)換能力的氧化鐵納米酶可以遠程調(diào)節(jié)催化性能，在生物化學(xué)應(yīng)用中提供一種安全有效的方法。

夏凡[5]合成了Cu-CuFe2O4納米酶，并對其改性和復(fù)合，采用易操作的比色法研究其作為過氧化物酶活性并檢測H2O2、谷胱甘肽、多巴胺等物質(zhì)。與大多數(shù)同類型的材料相比，檢測溫度為35℃時，較短時間內(nèi)可檢測血清中谷胱甘肽的含量，檢測限低至0.34μmol/L，且該材料具有良好的選擇性，有實際應(yīng)用的潛力。

在鐵基納米酶的研究中還存在以下挑戰(zhàn)：催化活性主要集中在氧化還原反應(yīng)上，催化反應(yīng)的特異性不如天然酶，容易引起機體代謝紊亂而產(chǎn)生一定的毒性等。因此，開發(fā)新型低毒、高穩(wěn)定性和特異性的鐵基納米酶是未來研究的目標[6]。

2 銅基納米酶

銅基納米酶由于其優(yōu)異的電催化性能成為傳感器材料的首選，但其存在導(dǎo)電性差的缺點，所以眾多研究者通過擴大材料的孔徑，得到更大的表面積，暴露更多催化位點，便于材料能與更多的待測物接觸，提高電極的工作效率。

Naveen等[7]發(fā)現(xiàn)一種獨立的銅納米酶用于比色法檢測人尿中的葡萄糖。該傳感器可在0.5～15mmol/L的生物相關(guān)動態(tài)線性范圍內(nèi)工作，同時顯示最小的樣品基質(zhì)效應(yīng)，無需進行顯著的樣品處理或稀釋，即可量化來自正常人群和糖尿病患者尿液中的葡萄糖。

Abir等[8]用硫化銅聯(lián)合牛血清白蛋白[CuS-BCA-Cu3(PO4)2]組成納米顆粒，研制出一種具有過氧化物酶模擬活性的納米傳感器。該傳感器對多巴胺的檢測限為0.13μmol/L，線性范圍為0.05～100μmol/L，特異性高。并對納米傳感器在牛肉和血液樣本中檢測多巴胺的性能進行了評估，證明了該傳感器具有較好的檢測效果。

Adijat等[9]利用電沉積技術(shù)在導(dǎo)電玻璃上制備了納米級CuO薄膜電極，該電極對葡萄糖氧化呈現(xiàn)出良好的響應(yīng)，靈敏度達1207μA·mM-1·cm-2，線性范圍達到2.2mmol/L，檢測限低至1.19μmol/L，在0.55V的條件下反應(yīng)時間少于4s，具有良好的實際應(yīng)用價值。

Hui等[10]研制出了具有堿性磷酸酶活性的熒光和比色納米傳感器，該傳感器是由銅與核苷酸組成的納米材料，用于檢測人血清中堿性磷酸酶的活性。與蛋白質(zhì)、氨基酸和其他干擾組分相比，該方法對堿性磷酸酶活性具有較高的選擇性，在診斷和實際用途上顯示出巨大的潛力。

3 金基納米酶

納米金具有表面活性位點多、吸附力強、電子密度大等特點，且能與多種生物分子結(jié)合而不影響其生物活性，因此，金基納米粒子在生物傳感器中的應(yīng)用為提高傳感器性能和開發(fā)高效、新型生物傳感器拓展了廣闊的研究與應(yīng)用空間[11]。

陳威風等[12]利用納米金模擬酶在一定條件下能夠催化過氧化氫氧化3，3'，5，5'-四甲基聯(lián)苯胺發(fā)生顏色反應(yīng)，同時結(jié)合特異性高、親和力強的核酸適配體建立了快速檢測單增李斯特菌的方法，該方法具有較高的準確度和精密度，為單增李斯特菌快速測定提供了新思路。

Khoshfetrat等[13]制備的納米多孔金電極，實現(xiàn)了一種級聯(lián)信號放大策略。該方法利用多次擴增的優(yōu)勢，在0.1pg/mL～60ng/mL的動態(tài)范圍內(nèi)檢測前列腺特異性抗原，檢出限為0.02pg/mL。為高靈敏度靶向生物分析和功能納米材料設(shè)計開辟了新的領(lǐng)域。

Liu等[14]采用簡單、溫和的方法合成了尺寸小、光學(xué)性能好、具有類似過氧化物酶活性的金納米顆粒(AuNPs)。在過氧化氫(H2O2)的存在下，過氧化物酶底物(TMB)可被氧化成藍色。且經(jīng)過三輪回收后的催化活性仍能達到原水平的92.69%，表現(xiàn)出良好的可重復(fù)利用性，為H2O2的快速檢測提供了一種比色方法，為生物傳感器和催化分析的循環(huán)利用提供了新思路。

Yang等[15]通過金納米粒子和核酸適體修飾的PbMo二維納米酶測定循環(huán)腫瘤細胞，構(gòu)建了一種新型的細胞傳感器。該細胞傳感器具有良好的分析性能，釋放率為93.70%～97.40%，細胞活力良好。因此，將Au@PdMo納米酶引入電化學(xué)細胞傳感器可為腫瘤細胞的早期檢測提供一個有前景的平臺。

Ni等[16]基于雙功能過氧化物模擬酶活性和牛血清白蛋白金納米團簇(BSA-AuNCs)的熒光反應(yīng)，建立了一種比色和熒光雙通道法測定堿性磷酸酶活性。比色法和熒光法的檢出限分別低至0.26和0.16mU/mL。該方法已成功應(yīng)用于人血清中堿性磷酸酶的檢測，結(jié)果令人滿意。

Ahmed等[17]提出了一種高靈敏度、高特異性和低成本的雙增強比色免疫分析法。以3，3'，5，5'-四甲基聯(lián)苯胺(TMBZ)作為還原劑，從藍色的病毒靶特異性抗體-金離子混合物中還原金納米顆粒(AuNPs)，AuNPs在TMBZ-H2O2混合物中具有類似過氧化物酶的活性，促使呈現(xiàn)的藍色進一步放大。實驗結(jié)果表明，顏色的變化與流感病毒濃度直接相關(guān)，且可以通過肉眼監(jiān)測顏色變化來確定樣品中是否存在目標病毒。研制的雙增強比色免疫傳感器已經(jīng)能成功地應(yīng)用于檢測禽流感病毒A(H5N1)，檢測限為1.11pg/mL。本研究不僅為AuNPs的合成提供了一條簡便的途徑，而且為Au NPs作為納米酶開發(fā)生物傳感器開辟了一條創(chuàng)新的途徑。

4.金屬硫化物

硫化物由于其較高的比表面積和豐富的活性邊，提高了其他納米材料的電子轉(zhuǎn)移效果，并具有良好的分散性能和催化性能。因此，硫化物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[18]。

譚娟等[19]研究發(fā)現(xiàn)，單分散的二硫化鉬(MoS2)量子點表現(xiàn)出十分微弱的類過氧化物酶活性，構(gòu)建了以智能手機作為檢測器的便攜式比色方法，用于二異丙基氟磷酸(DFP)含量的測定。結(jié)合納米酶催化底物高靈敏顯色的優(yōu)勢，這種智能手機檢測方法有望進一步擴展到床邊檢測，為醫(yī)療條件落后的偏遠地區(qū)在快速檢測與診斷方面提供方法和技術(shù)。

Huang等[20]發(fā)現(xiàn)，水熱法合成的二硫化釩(VS2)納米片具有穩(wěn)定的類似過氧化物酶的活性。二維VS2薄片作為過氧化物酶(POx)模擬物可以替代辣根過氧化物酶，用于檢測果汁中的葡萄糖。該檢測方法覆蓋5～250μmol/L葡萄糖濃度范圍，檢測限為1.5μmol/L，為VS2納米片模擬自然生物催化奠定了基礎(chǔ)，促進了生物技術(shù)和分析化學(xué)新應(yīng)用的興起。

Zhang等[21]合成了再現(xiàn)性良好的二硫化鉑(PtS2)納米片，PtS2納米片具有類過氧化物酶活性，可催化H2O2氧化3，3'，5，5'-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)生成有色溶液。利用微流控技術(shù)將PtS2納米片集成到多巴胺功能化透明質(zhì)酸(HA-DA)水凝膠微球中，構(gòu)建了PtS2@HA-DA微球的H2O2高靈敏度傳感器，并進一步開發(fā)了兩種葡萄糖傳感器用于人血清中葡萄糖的測定，結(jié)果可靠，重現(xiàn)性好，促進PtS2納米片在生物醫(yī)學(xué)診斷和藥物分析領(lǐng)域的應(yīng)用。

5 碳基納米酶

碳基納米材料被報道為過氧化物酶模擬物，具有較高的生物相容性和可調(diào)節(jié)的酶樣活性，比金屬納米酶有著更廣泛的研究。

Zhu等[22]以苯胺、吡咯、過硫酸銨為原料，設(shè)計了一種Cu2+修飾的中空間隙直徑約20nm的羧基空心碳納米球(Cu2+-HCNSs-COOH)，可增強過氧化物酶活性，檢測過氧化氫(H2O2)和降解亞甲基藍(MB)。與貴金屬納米酶相比，Cu2+修飾的羧基空心碳納米酶表現(xiàn)出突出的催化活性和對底物(四甲基聯(lián)苯胺和H2O2)有較高的親和力，這將為碳基納米酶的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，為高效廉價的納米酶在生物傳感器的應(yīng)用提供新的研究思路。

石墨烯具有較大的比表面積，比其他碳材料(如碳納米管和碳點)更有可能成為一種高活性催化劑。Liu等[23]研究結(jié)果表明，與天然辣根過氧化物酶(HRP)和其他過氧化物酶相比，制備的石墨烯基納米材料具有更高的催化活性，可模擬H2O2催化3，3'，5，5'-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)檢測L-半胱氨酸，檢測限為0.1μmol/L，并可在血清中進行實際檢測，表明其作為一種有效的納米酶在生物系統(tǒng)中具有潛在應(yīng)用前景。

Mamta等[24]利用尿素、檸檬酸三鈉和檸檬酸等原料，合成了熒光石墨烯氮化碳量子點(g-CNQDs)和氧化石墨烯量子點(GQDs)，重要的是制備的g-CNQDs和GQDs過氧化物酶模擬活性是在沒有功能化或摻雜其他納米顆粒的情況下建立的，并根據(jù)石墨氮化碳量子點的模擬酶活性建立了一個簡單的比色體系，用于檢測水溶液中的氟離子，在10～120M的線性范圍內(nèi)有很高的選擇性和靈敏性，這一過程還可以在各種基材(如紙張)或其他柔性基材(如聚酰亞胺)上轉(zhuǎn)換成一種設(shè)備形式，進行實時檢測。

Liang等[25]報道了氮摻雜石墨烯納米材料(N-GNMs)，具有過氧化物酶(POD)活性，用于檢測腫瘤細胞。N-GNMs表現(xiàn)出很高的催化活性，能夠響應(yīng)3，3'，5，5'-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)中微量的內(nèi)源性H2O2，從而提高檢測效率。這是氮摻雜石墨烯材料作為催化劑在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的首次應(yīng)用，為氮摻雜石墨烯的未來應(yīng)用和新型納米酶材料的發(fā)現(xiàn)提供了機會。

6 結(jié)論與展望

近幾年來，鐵基納米酶、銅基納米酶、金基納米酶、硫化物以及碳基納米酶等在生物傳感器中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，并取得了不錯的成果，正在逐步取代天然酶。但目前的納米酶傳感器還存在一些不足，如靈敏度差、選擇性低等。鑒于天然酶的多樣性，許多具有催化特性的納米酶都還未應(yīng)用于生物傳感，如合成酶、水解酶等，因此，更多的納米酶傳感器還有待開發(fā)。新型納米生物傳感器在真實環(huán)境樣品中的應(yīng)用是納米酶傳感器發(fā)展的必經(jīng)階段，目前得到的許多研究成果在應(yīng)用于實際樣本之前還有一段路要走，相信在研究人員的密切關(guān)注和研究下，將會研究出越來越多的滿足臨床需求的納米酶材料。