综述：基于漆酶模拟纳米酶的比色传感器最新进展

《Talanta》：Recent Advances of Colorimetric Sensors based on Laccase-Mimicking Nanozymes

　　

摘要
天然漆酶表现出稳定性差、成本高、储存要求严格和回收性弱等缺陷，这大大限制了其在比色传感和催化修复中的实用性。模拟漆酶纳米酶克服了这些缺点。铜衍生物通过定制配位复制漆酶 Cu(I)/Cu(II) 氧化还原反应，而基于 Ag、Mn、Ce、Co、Pt 和 Fe 的纳米酶利用由异质结构和配体调节的多价金属氧化还原对和氧空位，实现了类似的酚类氧化。本综述概述了基于纳米酶的比色传感器的最新进展。我们将模拟漆酶纳米酶归类为主要的基于 Cu 的变体（氨基酸、肽、核苷酸、MOF、氧化铜和双金属掺杂 Cu 杂化物）和互补的基于 Ag、Mn、Ce、Co、Pt 和 Fe 的类似物，并详细介绍了它们的合成、催化途径和结构优化。总结了两类比色传感机制：催化信号机制（直接催化激活、抑制和基于活性增强的传感）和靶标识别机制（适配体介导的和基于分子印迹的识别）。我们回顾了它们在环境监测、食品安全筛查和生物医学生物标志物定量方面的应用，主要针对酚类、农药、重金属、霉菌毒素、抗生素和儿茶酚胺。值得注意的是，现有大多数工作仍停留在实验室概念验证研究阶段，缺乏经过验证的现场和临床实际应用。我们还指出了关键局限性，包括基质稳定性不足、底物特异性窄、合成复杂和低单靶通量。提出了前瞻性策略，包括仿生活性位点工程、机器学习辅助传感器阵列、多模态信号转导、可扩展低成本制造和智能手机耦合便携式检测器。

引言
天然漆酶是一种典型的多铜氧化酶，广泛分布于真菌、植物和细菌中。它具有两个不同的铜活性结构域，一个是用于底物氧化的单核 1 型（T1）位点，另一个是负责 O2 还原的三核 2 型（T2）/3 型（T3）铜簇。电子从 T1 中心的酚类底物释放，通过保守的半胱氨酸（Cys）和组氨酸（His）桥梁转移到 T2/T3 簇，实现逐步的 Cu(I)/Cu(II) 循环将 O2 还原为水 [1], [2], [3], [4]。得益于其温和的催化条件和广泛的底物谱，天然漆酶已广泛应用于环境修复和食品预处理 [5], [6], [7]。然而，天然漆酶面临显著的应用局限性：在极端 pH、高温和高盐条件下容易失活；从生物组织中纯化的过程繁琐且昂贵；其可重用性差，复杂的生物基质通常导致酶变性和信号干扰 [8], [9], [10]。这些缺陷极大地阻碍了基于漆酶的检测和催化技术的普及和工业化 [11], [12]。

纳米酶技术的出现提供了解决自然酶瓶颈的可行方案 [13], [14], [15]。纳米酶是工程化的纳米结构材料（包括无机纳米粒子（NPs）、金属配位复合物、有机 - 无机杂化物和碳基复合材料），具有固有的类酶催化活性，并具有低成本、强化学和热稳定性、易于功能化和可回收等特征 [16], [17], [18], [19]。特别是，模拟漆酶纳米酶可以通过金属离子配位、价态调节和结构仿生重建天然漆酶的催化微环境，在不添加额外过氧化氢（H2O2）的情况下模拟天然漆酶独特的酚类氧化性能 [20], [21], [22]。结合以 2,4-二氯苯酚（2,4-DP）和 4-氨基安替比林（4-AAP）为代表的经典显色底物，模拟漆酶纳米酶可以产生依赖于底物浓度的可见颜色变化，为开发潜在便携式视觉传感原型奠定了实验室概念验证基础。大多数报告的读出策略仍依赖辅助工具（智能手机、ImageJ 软件、微流控芯片、标准化光源），无法在非规范现场条件下实现纯免仪器的肉眼定量检测 [23], [24], [25], [26]。然而，未修饰的原生模拟漆酶纳米酶存在固有的缺点。由于缺乏与天然漆酶多铜活性口袋相当的可定制底物结合空腔，它们在传感测定中表现出较差的靶标选择性和狭窄的底物覆盖范围。为了克服这一局限性，在纳米酶表面构建人工底物结合位点已成为一种强大且通用的策略，可大大改善靶标识别能力 [27]。

此外，为解决纳米酶文献中模拟漆酶催化与其他氧化酶样行为之间普遍存在的混淆，本综述提出了统一的多元标准来区分模拟漆酶、通用氧化酶样、过氧化物酶样和邻苯二酚酶样活性（表 S1，支持信息）。真正的模拟漆酶纳米酶通过仿生金属氧化还原位点重现天然多铜漆酶的电子转移途径：它们利用溶解的 O2 作为末端电子受体选择性氧化酚类底物，并产生最少的非特异性活性氧（ROS）。值得注意的是，非酚类显色剂（TMB、ABTS、OPD）的氧化无法验证模拟漆酶活性，因为伴随的比色信号通常源自 ROS 介导的非选择性通用氧化酶活性。

近年来，研究人员开发了众多成分和形态多样的纳米酶基系统 [28]。基于 Cu 的纳米酶构成了最成熟的研究分支，因为 Cu 活性位点与天然漆酶中心的高匹配度，包括氨基酸、肽、核苷酸、MOF、氧化铜和双金属掺杂铜复合衍生物 [29], [30], [31], [32]。同时，其他非 Cu 金属基纳米酶，包括基于 Ag、Mn、Ce、Co、Pt 和 Fe 的纳米酶，已逐渐崭露头角成为有前景的替代品。这些材料将模拟漆酶纳米酶的底物识别范围扩大到了非酚类抗生素、有机磷农药和重金属离子。基于不同的信号响应规则，研究人员确定了四种成熟的比色传感机制，实现了对各种分析物的定性鉴别和定量检测 [33], [34], [35], [36]。结合智能手机 RGB 图像分析，基于模拟漆酶纳米酶构建的比色传感器通过智能手机读出、试纸和微流控辅助平台，实现了可控的实验室规模模拟现场分析。然而，在环境、食品和生物医学研究领域，极少有记录表明相对于标准仪器技术进行了严格的独立现场或临床验证 [37], [38], [39]。值得注意的是，重要的是区分概念验证实验室演示和真正经过验证的现场或临床部署。为此，我们提出了一个分层验证框架，清晰地区分了技术成熟度的不同阶段（见支持信息，表 S2）。

尽管多篇综述总结了氧化酶模拟纳米酶的一般分类和催化性能，但很少有综述文章系统地梳理模拟漆酶特异性纳米酶比色传感器的材料分类、传感机制和多场景应用 [40], [41], [42], [43], [44]。此前曾报道过一篇关于用于传感的模拟漆酶纳米酶的通用综述 [45]，但它涵盖了混合的比色 - 电化学系统，而没有专门讨论视觉比色传感器。其材料分类过于简单，缺乏对比色信号调节机制、集成应用总结和针对性前景的系统总结。本综述侧重于 2020-2026 年发表的基于模拟漆酶纳米酶的比色传感器的最新进展。如图 1 所示，我们根据材料系统对模拟漆酶纳米酶进行分类。然后我们结合典型实验案例阐述了两核心比色传感机制 [46]。此外，我们系统地总结了环境监测、食品安全和生物医学诊断方面的应用进展 [47], [48]。最后，讨论了现有的挑战和未来的研究趋势，期望激发高性能模拟漆酶纳米酶的设计，并促进便携式视觉传感技术的发展。

章节片段
模拟漆酶纳米酶的分类
基于 Cu 的纳米酶因其 Cu(I)/Cu(II) 位点的氧化还原活性而在该领域占据突出地位，而其他金属物种包括 Ag、Mn、Ce、Co、Pt 和 Fe 也表现出有前景的模拟漆酶催化性能。

模拟漆酶纳米酶的比色传感机制
通过区分信号生成机制和靶标识别原理，我们将所有报告的基于模拟漆酶纳米酶的比色传感策略分为两类分层结构且相互互补的类别。第一类称为催化信号机制，其中分析物直接调节纳米酶的固有模拟漆酶催化活性以产生独立且可读的吸收信号。这一基本机制

模拟漆酶纳米酶的应用
由于其可定制的催化性能和便捷的视觉信号读出，模拟漆酶纳米酶已在三个主要分析领域得到广泛应用，即环境污染物检测、食品安全控制和生物医学诊断。

结论
本综述从材料系统、比色传感机制和实际应用的角度系统总结了基于模拟漆酶纳米酶的比色传感器的研究进展。对 2020 年至 2026 年间筛选的所有 116 篇核心论文以及从表 1 中提取的分析数据进行的统计分析，定量描绘了该领域的整体研究格局。在所有报告的纳米酶材料中，基于 Cu 的纳米酶占

文献检索方法
于 2026 年 7 月 12 日在 Web of Science Core Collection、Scopus 和 Google Scholar 上实施了系统文献检索。核心布尔搜索公式为 (laccase-mimicking OR laccase-mimicking) AND (nanozyme OR nanomaterial) AND (colorimetric sensor OR visual detection)，辅以基于金属的纳米酶和便携式传感平台等扩展关键词。出版时期限制为 2000 年 1 月至 2026 年 7 月，仅包括同行评审的全文文章和综述

CRediT 作者贡献声明
刘国成：验证，监督。严利和：方法论，调查，形式分析，数据整理。马佳慧：方法论，调查，形式分析，数据整理。池仲梅：监督，方法论，资金获取，概念化。褚世琦：方法论，调查，形式分析，数据整理

利益冲突
作者声明无竞争财务利益。

竞争利益声明
? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能看似影响了本论文报告的工作。

致谢
作者对国家自然科学基金（No. 22404007）、辽宁省教育厅青年项目（No. JYTQN2025）、辽宁省自然科学基金和教育厅（Nos. LJ212410167017, 2022-BS-302）的财政支持表示衷心感谢。

池仲梅 | 马佳慧 | 褚世琦 | 严利和 | 刘国成
中国辽宁锦州 121013，渤海大学，化学学院，辽宁省太阳能电池转换材料专业技术创新中心