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本文聚焦纳米酶工程在双模传感应用领域的进展。纳米酶（nanozymes）可模拟天然酶功能，具有诸多优势。文章详细介绍多种基于纳米酶的双模传感技术，如比色 / 荧光、比色 / 光热等，分析其应用、面临挑战及未来机遇，为相关研究提供参考。
引言
酶在工业和生物体内的生物转化过程中发挥着至关重要的作用，是一类不可或缺的生物大分子催化剂。然而，天然酶存在一些难以克服的固有缺陷，比如对环境变化十分敏感，在不同的温度、pH 值等条件下，其活性容易受到影响；稳定性欠佳，保存和使用过程中容易失活；成本高昂，大规模生产和应用受到限制；而且使用寿命较短，这些问题极大地限制了天然酶的广泛应用。
为了解决这些问题，纳米酶（artificial enzymes）应运而生。纳米酶具有出色的催化活性，在诸如高温、极端 pH 值等恶劣环境下，仍能保持良好的催化功能，展现出了高度的稳定性。同时，纳米酶还具备多功能性，可以根据不同的需求进行设计和调整。基于超分子化学、蛋白质工程和纳米科学的飞速发展，纳米酶工程技术也取得了显著进步，能够更好地解决天然酶存在的问题。
自 2007 年发现具有过氧化物酶模拟活性的 Fe3O4纳米颗粒以来，纳米酶相关的研究成果如雨后春笋般涌现，已有超过 7500 篇相关文章发表。众多纳米材料，像碳基纳米材料、贵金属纳米颗粒、金属氧化物、金属有机框架（MOFs）以及多金属纳米结构等，都被证实具有模拟天然酶的能力。这些纳米酶在生物传感器、食品安全检测、环境保护、药物递送、疾病诊断与治疗、组织工程以及抗菌和抗氧化等众多领域发挥着重要作用。目前，已开发出约 300 种不同类型的纳米酶，涵盖氧化还原酶、蛋白酶、水解酶、核酸酶、一氧化氮合酶（NOS）等。由于纳米酶尺寸微小、比表面积大且表面性质易于调控，它们能够高效地与生物标志物结合，从而显著提高疾病诊断的速度和灵敏度，在传染病、心血管疾病以及癌症等疾病的诊断方面具有巨大的潜力。
在众多纳米酶中，金属和金属氧化物纳米颗粒因金属活性中心具备催化电子氧化还原过程的卓越能力，成为目前应用最为广泛的纳米酶。不过，金属纳米酶的模拟酶活性会受到多种因素的影响，例如温度、环境 pH 值、还原剂以及金属中心的氧化态等。疾病组织与正常组织在诸多特性上存在差异，这为纳米酶在生物医学中的应用和设计提供了独特的契机。以肿瘤微环境（TME）为例，其氧化还原电位明显高于正常组织，不同的肿瘤能够特异性地激活纳米酶的功能，使其在肿瘤组织和正常组织中的反应表现出明显差异。研究发现，细胞内的谷胱甘肽（GSH）可以将 Fe3+、Cu2+、Mn4+等金属离子还原为低价态离子，如 Fe2+、Mn3+和 Cu+，进而显著改变纳米酶在疾病微环境中的催化效率和类过氧化物酶活性。
除了金属纳米酶，碳纳米管（CNTs）和石墨烯中酶活性的发现，进一步拓展了碳基材料在生物学领域的应用范围。富勒烯（C60）具有独特的催化活性，可被视为一种碳基纳米酶。在光照条件下，水溶性羧酸（-COOH）功能化的富勒烯能够加速 DNA 磷酸二酯键的断裂。2010 年，Qu 团队发现石墨烯具有内在的过氧化物酶模拟活性，进一步丰富了碳基纳米酶的种类。碳基纳米酶凭借其明确的几何和电子结构，以及优异的机械、光学、热学和电学性能，成为生物医学领域中模拟酶的理想材料。此外，基于金属有机框架（MOFs）的纳米酶也不断被开发出来，包括水解酶（如核酸酶、蛋白酶、磷酸酶和碳酸酐酶）和氧化还原酶（如超氧化物歧化酶、过氧化物酶、氧化酶和过氧化氢酶）等类型。MOF 基纳米酶在环境管理、分析化学以及疾病诊断和治疗等方面展现出巨大的潜力，其出色的催化活性使其在比色生物传感器的开发中发挥了重要作用，成为实时检测的有力工具。
尽管纳米酶在生物医学领域取得了显著进展，但目前对于影响纳米酶催化效率、模拟酶性质以及底物特异性的因素，人们的认识还不够深入。纳米酶的固有结构特征与外部环境条件之间的关系仍有待进一步探索，这对于优化纳米酶的性能至关重要。催化机制的研究对于设计具有固有催化能力的新型纳米酶也十分关键，这种策略在生物医学中作为可控的多功能平台得到了广泛应用。近年来，纳米酶在化学动力学疗法（CDT）、氧依赖性肿瘤治疗、放射治疗、活性氧（ROS）相关疾病以及细菌感染疾病等生物医学领域展现出了新的应用潜力，为纳米酶在传感和医学领域的拓展提供了新的思路。然而，在将纳米酶明确应用于传感和医学之前，其生物相容性、生物安全性、可扩展性、稳定性以及潜在的副作用等问题仍需要深入研究。
近年来，基于纳米酶的生物传感技术不断涌现，包括比色、荧光、电化学、光热和光电化学等多种检测模式，可用于检测生物分子、微生物、癌细胞以及其他疾病生物标志物等多种目标分析物。与传统检测技术相比，纳米酶生物传感方法具有诸多优势，如检测限（LOD）低、特异性和准确性高、成本低、操作快速便捷等。其中，模拟过氧化物酶的纳米酶可用于开发比色传感器，实现对分析物的定性和定量检测，因其成本效益高、响应迅速、操作简便且所需仪器简单，受到了科学界的广泛关注。不过，这类纳米酶也存在一些问题，如催化响应较低、易受周围环境条件影响、亲和力较弱等，通过对纳米酶表面进行修饰和改性可以在一定程度上解决这些问题。纳米酶的荧光特性可用于开发荧光传感器，该传感器具有优异的光学和荧光性能、高光稳定性、较宽的激发和发射波长选择范围以及较窄的发射峰。但荧光传感技术也存在闪烁效应和聚集诱导猝灭（ACQ）等问题，会导致荧光信号减弱甚至消失，而且生物系统中的成分也会干扰荧光活性，产生较高的背景信号。由于纳米材料具有良好的生物相容性和有效的光热转换能力，在光热传感应用中受到了广泛欢迎。例如，具有等离子体特性的金纳米颗粒（AuNPs）能够强烈吸收光，并将吸收的光能转化为热能；石墨烯及其衍生物具有制备简单、结构独特、光热效应强且无生物毒性等优点。然而，部分纳米酶存在光热转换效率有限、光热稳定性不足以及合成过程复杂等问题。纳米材料因其高反应性和快速的电子转移速率，能够显著缩短电化学传感器的响应时间。AuNPs 具有较大的表面积，有利于生物分子的固定，从而增强电化学信号，提高对低丰度生物标志物的检测灵敏度；金纳米线的高纵横比则为电化学应用提供了更好的导电性。但纳米材料的尺寸、形状和表面特性的微小差异都会对其电化学性能产生显著影响，给获得稳定且可重复的检测结果带来了挑战。具有粗糙表面的金属纳米颗粒在表面突起处会产生更强的电磁场，当被测量的分子靠近这些 “尖端” 时，其拉曼信号更易被放大。表面增强拉曼散射（SERS）技术利用这一原理，当分析物分子吸附在金属纳米颗粒表面的特定 SERS 活性位点时，拉曼散射信号会大幅增强，检测灵敏度可提高 1014 - 1015倍，能够在分子水平检测痕量物质。不过，作为 SERS 基底的贵金属纳米结构存在稳定性差、成本高、重复性不一致、生物相容性不佳以及对探针分子缺乏选择性等问题，开发经济高效、高灵敏度、稳定且可重复使用的 SERS 基底仍是一项艰巨的任务。
综上所述，基于纳米酶的双模传感策略，如比色 / 荧光、比色 / 光热、比色 / 电化学和比色 / SERS 等，能够在化学或生物刺激下产生两种不同的可测量信号，有望提供一种高效的检测平台。双模检测方法通过自我验证和自我校正机制提高了检测的准确性，在分析应用中具有重要价值。该系统通过与目标的同步相互作用产生两种不同的物理化学信号来识别目标分析物，使用独立的检测器，避免了单模分析中可能出现的交叉干扰，保证了检测结果的可靠性和准确性。此外，双模检测还能减少复杂基质中数据解释的不一致性，实现相互验证，从而提高传感的多样性、可靠性和精度。如果两种检测模式具有不同的灵敏度，还可以扩大分析物的检测范围，便于对目标进行初步观察。双模传感系统能够有效克服单模检测的诸多缺点，如检测试剂消耗大、信息获取有限、可靠性和精度较低等。因此，开发高效且经济的双模生物传感系统已成为当前研究的热点。虽然此前已有不少文献对纳米酶的活性及其在微生物检测、诊疗、传感器阵列和侧向流动分析等领域的应用进行了总结，但对于多模生物传感设备这一新型检测技术的关注较少，相关信息也较为匮乏。随着对检测精度和灵敏度要求的不断提高，多模检测技术的快速发展已成为研究的关键焦点。本文将重点探讨纳米酶双模传感应用的最新进展，分析其结构特性以及各种因素对催化活性的影响，并对纳米酶传感器阵列的开发与应用以及智能纳米酶在传感和生物医学应用中的协同效应进行综述。
纳米材料的酶模拟特性
在每一个生机勃勃的生物体中，都存在着各种各样的酶。它们或是独自发挥作用，或是相互协作，共同推动着生物体中特定的生化反应或一系列反应的进行。过氧化物酶、过氧化氢酶、漆酶、水解酶、超氧化物歧化酶和氧化酶等，都是维持生命活动必不可少的重要酶类。这些酶在生物体内各司其职，共同维持着生命的正常运转。
纳米材料的特性及其在酶活性中的作用
纳米材料具有独特的物理化学性质，这些性质可以根据具体的应用需求进行精确调控，并且与它们的类酶特性密切相关。纳米材料的酶活性，包括底物选择性、催化活性以及多酶样活性等方面，都依赖于其物理化学性质，例如尺寸大小、形状特征、晶体状态、表面修饰情况以及自组装方式等。这些性质相互关联、相互影响，共同决定了纳米材料在模拟酶催化过程中的表现。不同尺寸的纳米材料可能对特定底物具有不同的亲和力，从而影响底物选择性；而表面修饰则可以改变纳米材料的电子云分布，进而调节其催化活性。深入研究这些性质之间的关系，有助于更好地理解和优化纳米酶的性能，为其在生物医学和传感领域的应用提供更坚实的理论基础。
纳米酶在双模传感方法中的应用
新兴的生物传感技术，如比色传感、电化学传感、荧光传感等，在检测各种目标分析物方面发挥着重要作用。然而，单模检测方法存在诸多不足，比如检测过程中需要消耗大量的检测试剂，获取的信息较为有限，而且检测结果的可靠性和准确性也不尽如人意。这些问题严重制约了单模传感技术的发展和应用。相比之下，双模传感系统能够有效弥补这些缺陷。基于金、铁等纳米材料的双模生物传感策略逐渐受到关注，它们通过整合两种不同的检测信号，实现了对目标分析物更准确、更全面的检测。在比色 / 荧光双模传感中，比色信号可以提供直观的定性分析，而荧光信号则能够进行更灵敏的定量检测，两者相互补充，大大提高了检测的可靠性和准确性。这种双模传感技术为生物分析领域带来了新的发展机遇，有望在疾病诊断、环境监测等众多领域得到广泛应用。
纳米酶传感器阵列（人工鼻）
具有过氧化物酶模拟活性的纳米酶常通过与特定的识别配体结合来构建各种生物传感器。然而，这种方法存在一个明显的缺陷，即无法实现对多种分析物的同时检测，缺乏通用性。为了解决这一问题，纳米酶传感器阵列应运而生。这种传感器阵列就像是一个 “人工鼻”，能够快速、准确地对多种分析物进行检测。它利用不同纳米酶对不同分析物的特异性响应，通过阵列化的设计，实现了对多种目标的并行检测。在检测复杂样品中的多种生物标志物时，纳米酶传感器阵列可以同时检测多个指标，大大提高了检测效率和信息获取量。这一技术的出现，为生物传感领域的多组分检测提供了新的解决方案，具有广阔的应用前景。
具有级联作用的协同智能纳米酶
酶级联反应是指多个酶促反应在一个步骤中连续进行，中间产物无需分离的过程。它是生物体内构建代谢网络和信号通路的重要方式，对于维持生命的生存和生长起着关键作用。在体外，酶级联反应可以通过精心设计的多酶体系，将生物底物高效地转化为目标产物。近年来，具有协同作用和智能特性的纳米酶在级联反应中展现出独特的优势。这些纳米酶能够模拟生物体内的酶级联过程，实现更复杂、更高效的催化反应。它们可以通过自身的结构和功能特点，与其他纳米酶或生物分子协同工作，在传感和生物医学领域发挥重要作用。在生物医学治疗中，基于纳米酶的级联反应可以实现对肿瘤细胞的特异性杀伤，通过模拟体内的代谢过程，产生具有细胞毒性的物质，精准地破坏肿瘤细胞，同时减少对正常细胞的损伤，为癌症治疗提供了新的策略和方法。
结论与展望
纳米酶作为一类经过特殊设计的纳米材料，能够模拟天然酶的功能，在生物医学、传感和催化等领域展现出巨大的应用潜力。近年来，人们在纳米酶用于传感应用方面付出了诸多努力，尤其是在增强双模传感技术上取得了一定进展。纳米酶与双模传感技术的结合，为提高检测的准确性、灵敏度和多样性提供了新的途径。然而，目前该领域仍面临一些挑战，如纳米酶的催化机制尚未完全明确，生物相容性和安全性问题有待进一步研究，以及如何提高纳米酶的稳定性和可重复性等。未来，需要深入研究纳米酶的结构与功能关系，优化其制备工艺，以提高纳米酶的性能。同时，还应加强多学科交叉合作，将纳米技术、生物技术、材料科学等不同领域的知识和技术有机结合，开发出更高效、更智能的双模传感系统。相信随着研究的不断深入，纳米酶在双模传感应用领域将取得更大的突破，为人类健康和环境监测等方面提供更有力的技术支持。
