[01089038]过氧化物酶纳米仿酶活性提高策略及比色传感平台构建

天然酶是一类极为重要的生物催化剂，保证生物体内的化学反应在极为温和的条件下高效、特异地进行。但是，由于天然酶自身的缺点(提纯困难、昂贵、容易变质等)，导致其应用受到很大限制。为克服这些缺点，中国科学家阎锡蕴院士首次发现四氧化三铁纳米粒子具有过氧化物酶仿酶的活性，提出纳米仿酶的概念。该项目从高活性纳米酶材料的设计出发，提出了纳米酶活性提高的有效策略，构筑了便捷的过氧化氢、葡萄糖等生物小分子比色传感平台。 1.主要研究内容： (1)提出了过氧化物酶纳米仿酶活性提高的有效策略：①率先使用大环共轭结构的卟啉等有机半导体分子修饰无机半导体纳米材料，通过协同作用提高纳米酶的活性。②提出了金属元素掺杂的方法以增加活性位点，提高纳米酶催化活性。例如，铁掺杂的硒酸铜，可催化显色反应3分钟完成。③提出了多元金属合金纳米酶活性增强策略，例如铁铂金三元金属合金纳米酶，在30秒内即可完成催化反应。 (2)探究了纳米仿酶的催化作用机理，分为两类：一是在催化的过程中产生了高活性物种；二是电子在反应底物之间直接转移。 (3)构筑了比色传感平台：在高活性的纳米仿酶基础上，构筑了快速、便捷、高选择性的生物小分子比色传感平台。 2.科学发现点：该项目提出了纳米酶活性提高的新策略，为开发高活性的纳米酶材料提供有力的理论和方法指导。发现点(1)：基于能带匹配理论，利用具有大环结构的有机半导体卟啉分子修饰无机半导体纳米材料，依靠协同作用实现纳米酶活性增强；发现点(2)：采用元素掺杂的方法，获得更多的活性位点；发现点(3)：从多元合金的角度出发，提出多元金属合金纳米酶活性增强策略；发现点(4)：催化机理主要是来源于催化反应过程中产生了羟基自由基等活性物种或者是电子在底物之间直接转移。 3.科学价值：(1)发现了卟啉分子修饰无机纳米仿酶活性增强的规律：卟啉分子的前线轨道HOMO、LUMO的能级与无机纳米半导体的价带、导带能级相匹配，从而加速了电子的转移。由于卟啉分子的特征吸收Soret带(420nm)位于可见光区，因此在自然光照射下，电子从HOMO快速跃迁到LUMO，并快速转移到无机半导体纳米材料的导带，有利于电子与空穴的分离，加速了催化过程。(2)揭示了纳米仿酶的催化机制：一是催化过程中产生的活性物种加速了催化过程；二是电子在底物之间直接发生快速的电子转移。 4.同行引用及评价：五篇代表作，均为JCR一区，他引共计488次，其中代表论文1，2，5均连续入选ESI高被引论文，属于化学学科领域同一出版年最优秀的前1％论文。发表在Biosensors and Bioelectronics上的代表论文1，自2015年2月出版以来，他引次数高达176次。分别被韩国翰林院院士、韩国工程院院士、韩国国立首尔大学的Taeghwan Hyeon教授，教育部“长江学者”及“杰出青年基金获得者”应义斌教授，食品科学家、爱尔兰皇家科学院院士孙大文教授等知名专家评价和引用。