摘要：纳米酶是具有本征酶催化活性的纳米材料，兼具高稳定性与低成本优势。其中，纳米氧化酶可直接催化氧气产生活性氧（ROS），在癌症治疗、生物传感、抗菌、食品安全、能源转化等方向具有广泛应用前景。近日，国家纳米科学中心赵宇亮院士团队系统梳理了纳米氧化酶近年来的研究进展，涵盖材料类型、催化机制、预测模型及应用场景，为该领域后续发展提供了重要参考。
背景介绍：
纳米酶（nanozymes）是一类具有类似酶催化活性的纳米材料，自2004年被首次提出以来，逐渐成为跨学科研究的前沿领域。2007年，研究者发现Fe₃O₄纳米颗粒可模拟过氧化物酶活性，催化过氧化氢分解，从而引发了广泛的研究兴趣。与传统天然酶相比，纳米酶具有稳定性高、制备成本低、易于规模化生产等显著优势，因此在环境治理、生物医学检测、食品安全监控、能源存储等领域展现出广阔的应用前景。在众多纳米酶中，氧化酶（oxidase，OXD）样纳米酶因其能在无需添加过氧化氢等辅因子的条件下，直接催化氧气参与底物氧化反应而备受关注。它们可催化包括TMB、葡萄糖、抗坏血酸、NADH、尿酸、谷胱甘肽等多种底物的氧化，并伴随活性氧物种（ROS）的生成，在癌症治疗、生物传感、抗菌、环境修复、工业催化等方面具有重要应用价值。
本文亮点：
本文系统介绍了纳米氧化酶在以下三个方面的研究进展。
纳米氧化酶材料及其应用。根据纳米氧化酶的反应底物种类，被分为TMB纳米氧化酶、Glu纳米氧化酶以及其他纳米氧化酶。从纳米材料入手，以TMB纳米氧化酶为例，介绍了金属、金属氧化物、碳纳米材料、金属有机框架以及单原子和其他类似Mxene的纳米氧化酶在生物传感、肿瘤治疗、抗菌消毒、能源转化以及工业催化中的应用。例如，利用Pd-Ir纳米片金属间的协同作用提高其纳米氧化酶活性，产生活性氧，杀灭革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌，用于治疗细菌感染。Pt-Ni纳米颗粒则被应用于构建比色传感器以测定总抗氧化能力（TAC），测量多种生物活性小分子与纳米材料的抗氧化水平。相比无缺陷的金属氧化物，含有氧空位的金属氧化物CoMo-3000r纳米球，具有更低的电荷转移阻力和更快的电荷转移能力，使其纳米氧化酶活性更为优异，进一步被应用于亚硫酸根的比色传感检测。Pd锚定在石墨炔与石墨烯双层碳材料上，形成碳材料纳米氧化酶Pd/GDY/G，能够降低O2的O-O键断裂能垒，使其纳米氧化酶活性提升，进一步实现染料与微塑料的快速降解。单原子纳米氧化酶Ir/CeO2@Lipo则构建“葡萄糖氧化酶-过氧化物酶”双酶级联体系，在肿瘤微环境中耗竭NADH并产生活性氧，诱导肿瘤细胞凋亡。
纳米氧化酶的催化机制。根据纳米氧化酶可催化多种底物氧化，不同底物对应特定电子转移路径，文中梳理了底物为TMB、Glu以及其他底物分子的反应机制。当底物为3,3′5,5′-四甲基联苯胺（TMB）时，其氧化大多遵循4电子路径，O2被还原生成H2O，TMB也是OXD-like活性检测的标准底物，图1总结了TMB为底物时的反应机制。
图1. 纳米氧化酶的催化机制示意图
当底物为葡萄糖（Glucose，Glu）时，如Au、Ir/CeO2等倾向通过2电子路径生成H2O2，而Pt、Pd、Rh等则优先遵循4电子路径生成H2O，对应的反应示例（以Au为例）和机制如图2a、2b所示。此外，密度泛函理论（DFT）计算表明，OOH*中间体的转化路径以及O2*裂解（OOH* → H2O2 vs OOH* → O* + H2O vs O2* → 2O*）是电子转移路径分岔的关键，OH吸附能（Eads,OH）可作为路径判断的核心描述符。底物为抗坏血酸（AA）、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、尿酸（UA）、谷胱甘肽（GSH）时，纳米氧化酶催化反应得到的O2还原产物则根据纳米材料性质不同得到H2O2或H2O。例如，Pd团簇负载在金属氧化物MnO2上形成复合物Pd@MnO2,该纳米氧化酶催化尿酸（UA）发生氧化形成尿酸的氧化产物和H2O2。Fe-N-C单原子纳米材料催化氧化谷胱甘肽（GSH），形成的O2还原产物是H2O。
另外，通过分析这些反应机制在各种材料中的体现，文中对材料结构与催化性能关系做了系统分析，总结了纳米氧化酶的材料设计原则，主要包括：（1）增大比表面积与活性位点密度：通过制备超小尺寸、均匀分散的纳米颗粒，提升底物可及性与周转频率；（2）调控电子结构：采用核壳结构、多金属协同、杂原子掺杂等方式，优化氧气吸附能与电子转移效率；（3）缺陷工程与配位环境调控：构建氧空位、金属空位等缺陷结构，设计低配位位点或轴向配体修饰，强化底物吸附与中间体形成；（4）界面效应与形貌控制：制备花状结构、介孔核壳等特殊形貌，利用界面协同作用提供多重活性位点，改善传质效率；（5）后合成功能化与外场调控：通过适配体修饰、多糖配体结合等功能化手段，或利用光、超声等外场调控，增强底物亲和力与反应动力学。
图2. 纳米氧化酶催化葡萄糖的反应机制
纳米氧化酶的预测模型。根据已报道的预测模型，将其将分为机制驱动模型和数据驱动模型两类。（1）机制驱动模型。文中介绍了以OH吸附能（Eads,OH）为核心参数建立的电子转移路径预测模型：Eads,OH > −2.24 eV时，遵循2电子路径生成H2O2；−2.72 eV < Eads,OH < −2.24 eV时，遵循图2b中的4电子路径（路径I）生成H2O；Eads,OH < −2.72 eV时，遵循图2b中的4电子路径（路径II）生成H2O。该模型成功预测了AgAu、CuPt等合金材料催化葡萄糖氧化反应机制，并经DFT计算得到了很好的验证，如图3所示。
图3. 纳米氧化酶的机制驱动模型及二元合金催化机制
（2）数据驱动模型。文中介绍了深度神经网络（DNN）模型、多算法融合模型以及DiZyme平台。对于DNN模型，数据集中整合了金属类型、价态、尺寸、pH、温度等9类特征，构建分类与回归双模型，酶类型预测准确率达90.6%，OXD活性预测的决定系数（R2）为0.80；对于多算法融合模型，根据数据集中的多维DFT特征，结合随机森林（RF）、Light Gradient Boosting Machine（LGBM）等12种机器学习算法，预测Co掺杂比例对OXD-POD活性的影响，RF模型的R2超过0.90；对于DiZyme平台，整个平台包含了上千条实验数据，采用集成学习算法预测催化动力学参数（Km、Vmax），平均绝对误差（MAE）小于0.64。以DiZyme平台为例，如图4所示。
图4. 数据驱动的机器学习模型
总结与展望：
文中提出纳米氧化酶面临的挑战分为（1）底物选择性不足；（2）路径选择性调控难度大；（3）关键动力学参数缺失率；（4）体内应用面临表面抗污染与靶向递送难题。接下来，文中从AI辅助材料设计、实验机制需实时反馈与更新以及构建实验与理论双重数据库的角度对纳米氧化酶的研究进行了展望，希望逐步实现从经验试错到理性设计的转变。
文章详情：
Recent Advances in Oxidase-like Nanozymes: Mechanisms, Prediction Models, and Applications
Xiaoli Wang, Qiao-Zhi Li*, Yuliang Zhao, and Xingfa Gao*
Cite this by DOI: 10.1021/acsami.5c15196
文章链接：https://doi.org/10.1021/acsami.5c15196
