納米酶標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)

高利增 梁敏敏 溫濤 魏輝 張宇 范克龍 江冰 曲曉剛 顧寧 龐代文 許海燕 閻錫蘊(yùn)

摘?要：納米酶是一類本身蘊(yùn)含酶學(xué)特性的納米材料，能夠催化酶的底物，產(chǎn)生如同天然酶類似的催化反應(yīng)，并具有酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等特征，屬于一類新型模擬酶。自2007年首次報(bào)道以來，納米酶已成為多學(xué)科交叉的研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用研究涉及醫(yī)學(xué)、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、國(guó)防安全等多個(gè)領(lǐng)域。近年來，基于納米酶的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，已有納米酶相關(guān)產(chǎn)品問世。此刻，十分有必要對(duì)納米酶的相關(guān)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行研討并形成規(guī)范，以便專業(yè)人員深入理解和準(zhǔn)確評(píng)價(jià)納米材料的類酶活性，也有助于促進(jìn)納米酶產(chǎn)業(yè)化。

關(guān)鍵詞：納米酶;術(shù)語(yǔ);標(biāo)準(zhǔn)化

中圖分類號(hào)：N04?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?DOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2020.06.004

Abstract： Nanozyme refers to a class of nanomaterials that possess enzyme-like properties， capable of catalyzing the substrates of enzymes following the similar enzymatic kinetics. Nanozyme is as a new class of enzyme mimics which may be used as enzyme alternatives to improve human health. Since firstly reported in 2007， nanozyme has become an emerging field as a multidisciplinary research hotspot with broad application potential in many important fields such as biomedicine， environment treatment， agriculture and national security. With more and more novel nanozyme-based technologies and products developing， it is essential to make the related terms uniformed and standardized for nanozyme， which would not only be beneficial for scientists in this field to deeply understand and precisely evaluate nanozymes'?catalytic activities， but also promote the industrialization of nanozyme.

Keywords： nanozyme; vocabulary; standardization

引?言

隨著納米科技的發(fā)展及納米生物醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)很多納米材料自身具有與天然酶類似的催化活性，能夠在生理?xiàng)l件下催化天然酶的底物及其介導(dǎo)的生化反應(yīng)，表現(xiàn)出類似的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和催化機(jī)理，將這類材料命名為納米酶[1-2]。此外，這種類酶催化活性與納米材料的尺寸、成分、結(jié)構(gòu)和表面修飾等因素密切相關(guān)，屬于一類獨(dú)特的納米效應(yīng)。因此，納米酶既不同于傳統(tǒng)的小分子化學(xué)催化劑，也不同于以往的納米載體固定化酶，屬于新一代人工模擬酶[3-4]，兼具催化高效性、高穩(wěn)定性、多功能性、成本低且可大規(guī)模制備等特點(diǎn)，在生物醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、安全檢測(cè)等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。納米酶已成為納米生物交叉領(lǐng)域一個(gè)快速發(fā)展的新熱點(diǎn)[5]，吸引了來自納米科技、材料、物理、化學(xué)、酶學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域研究人員的興趣，從自身的背景對(duì)納米酶及其應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。迄今已有超過800種納米材料和納米結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)具有類似天然酶的催化活性，如金屬氧化物類，包括四氧化三鐵（Fe3O4）、四氧化三鈷（Co3O4）、氧化鈰（CeO2）、氧化銅（CuO）、二氧化錳（MnO2）、五氧化二釩（V2O5）等，貴金屬類，包括金（Au）、鉑（Pt）等，碳類，包括碳納米管、石墨烯、富勒烯、碳點(diǎn)、碳納米球體等，以及上述幾類材料的復(fù)合物[6]。

在對(duì)納米酶相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)的描述中，涌現(xiàn)出大量新的詞匯和術(shù)語(yǔ)，繁雜多樣，對(duì)該類材料的命名、酶學(xué)特性和機(jī)制等均缺少統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[7-10]，容易造成概念混淆和理解差異，不利于這一領(lǐng)域的發(fā)展。

本術(shù)語(yǔ)體系的提出，有利于規(guī)范納米酶的研發(fā)與評(píng)價(jià)，使不同學(xué)科背景和領(lǐng)域的人對(duì)本領(lǐng)域形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)于學(xué)術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)轉(zhuǎn)化和產(chǎn)品研發(fā)等均具有重要意義。

一?描述納米酶的基本術(shù)語(yǔ)

1.納米酶 nanozyme

一類具有類似天然酶催化活性和酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征的納米材料。

2.納米材料的類酶活性 enzyme-like activity of nanomaterials

納米材料表現(xiàn)出的類似天然酶的催化活性。

3.納米酶活性 nanozyme activity

也稱納米酶活力，是指納米酶催化特定化學(xué)反應(yīng)的能力。

4.納米酶活力單位 nanozyme unit

在最適反應(yīng)條件下，每分鐘內(nèi)催化1微摩爾底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的納米酶質(zhì)量為1個(gè)納米酶活性單位，用U表示。

5.納米酶比活力 nanozyme specific activity

也稱納米酶比活性，為每單位質(zhì)量的納米酶所含的納米酶活力單位數(shù)，通常用U/mg表示。

6.納米酶活性調(diào)控 nanozyme activity modulation

通過改變納米尺寸、（組成）元素、結(jié)構(gòu)、形貌、表面修飾等因素來調(diào)控其催化活性的行為。

7.納米酶動(dòng)力學(xué) nanozyme kinetics

研究納米酶結(jié)合底物能力和催化反應(yīng)速率及其影響因素，通過酶反應(yīng)分析法（enzyme assay）來獲得用于酶動(dòng)力學(xué)分析的反應(yīng)速率數(shù)據(jù)。

8.納米酶動(dòng)力學(xué)常數(shù) nanozyme kinetics constant

納米酶的催化反應(yīng)通常遵循米氏方程，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)包括：納米酶反應(yīng)最大速率、納米酶米氏常數(shù)、納米酶催化常數(shù)、納米酶專一性常數(shù)。

9.納米酶反應(yīng)最大速率 nanozyme maximum velocity

指一定條件下，當(dāng)納米酶被底物飽和時(shí)的反應(yīng)速率，通常用Vmax表示。

10.納米酶最適條件 nanozyme optimal condition

使納米酶的催化反應(yīng)速率最大的反應(yīng)條件，包括溫度、pH、底物、離子強(qiáng)度等。

11.納米酶米氏常數(shù) nanozyme Michaelis-Men-ten constant

反應(yīng)速率達(dá)到最大反應(yīng)速率一半時(shí)的底物濃度，通常用Km表示。

12.納米酶催化常數(shù) nanozyme catalytic number

也稱轉(zhuǎn)換數(shù)，納米酶被飽和時(shí)每秒鐘每個(gè)納米酶顆粒轉(zhuǎn)化底物的數(shù)量，通常用kcat表示。

13.納米酶專一性常數(shù) nanozyme selectivity constant

納米酶催化底物形成產(chǎn)物的表觀二級(jí)速率常數(shù)，通常用kcat/Km表示。

14.納米酶表征 nanozyme characterization

利用納米、生物、物理、化學(xué)等技術(shù)描述納米酶的物理、化學(xué)、生物學(xué)等特征。

15.納米酶多酶活性 nanozyme with multienzyme-like activity

指一種納米材料表現(xiàn)出不同的類酶活性。

二?描述特定催化類型納米酶的術(shù)語(yǔ)

1.氧化—還原納米酶 oxidoreductase nanozyme

能夠催化氧化—還原反應(yīng)，即分子間的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的納米酶，主要包括氧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶。例如：

①過氧化物納米酶 peroxidase nanozyme

具有與過氧化物酶相似催化活性的納米材料，即以過氧化氫為電子受體催化底物氧化的納米酶。

②氧化納米酶 oxidase nanozyme

具有氧化酶相似催化活性的納米材料，即催化氧化底物并將氧還原成過氧化氫的納米酶。

③超氧化物歧化納米酶 superoxide dismutase nanozyme

具有超氧化物歧化酶（superoxide dismutase， SOD）相似催化活性的納米材料，即催化超氧陰離子自由基產(chǎn)生氧氣和雙氧水的納米酶。

④過氧化氫納米酶 catalase nanozyme

具有過氧化氫酶相似催化活性的納米材料，即催化過氧化氫分解成氧和水的納米酶。

⑤鹵代過氧化物納米酶 haloperoxidase nanozyme

具有鹵代過氧化物酶相似催化活性的納米材料，即在過氧化氫存在的條件下，可催化鹵化物氧化為相應(yīng)的次鹵酸的納米酶。

⑥谷胱甘肽過氧化物納米酶 glutathione peroxidase nanozyme

具有谷胱甘肽過氧化物酶相似催化活性的納米材料，即可以催化過氧化氫將還原型谷胱甘肽氧化為氧化型谷胱甘肽的納米酶。

⑦尿酸氧化納米酶 uricase nanozyme

具有尿酸氧化酶相似催化活性的納米材料，即可催化尿酸氧化，最終生成尿囊酸的納米酶。

⑧葡萄糖氧化納米酶 glucose oxidase nanozyme

具有葡萄糖氧化酶相似催化活性的納米材料，即可催化葡萄糖氧化，最終生成葡萄糖酸的納米酶。

⑨甲烷單加氧納米酶methane monooxygenase nanozyme

具有甲烷單加氧酶相似催化活性的納米材料，即可催化甲烷發(fā)生單加氧反應(yīng)生產(chǎn)甲醇的納米酶。

2.水解納米酶 hydrolase nanozyme

是催化水解反應(yīng)的一類納米酶的總稱，根據(jù)水解底物的不同，又可細(xì)分為酯酶-、磷酸酶-、蛋白酶-、酸酐-納米酶。

3.裂合納米酶 lyase nanozyme

催化分解不同化學(xué)鍵的納米酶，但不包括水解及氧化反應(yīng)，過程中通常會(huì)形成一個(gè)新的雙鍵或一個(gè)新的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

4.轉(zhuǎn)移納米酶 transferase nanozyme

催化底物之間進(jìn)行基團(tuán)轉(zhuǎn)移的納米酶，比如乙?；?、甲基、氨基等基團(tuán)。

5.異構(gòu)納米酶 isomerase nanozyme

催化同分異構(gòu)體轉(zhuǎn)變的納米酶。

6. 連接納米酶 ligase nanozyme

催化兩分子底物合成為一分子產(chǎn)物的納米酶。

三?描述特定納米酶的術(shù)語(yǔ)

對(duì)納米酶的描述，應(yīng)具有“材料組成/術(shù)式”+“類酶活性”+納米酶的組成。

常見幾類主要有（此處僅為舉例，不限于這些類型）：

金屬氧化物

Fe3O4-過氧化物納米酶 Fe3O4-peroxidase nano-zyme

Co3O4-過氧化物納米酶 Co3O4-peroxidase nano-zyme

Cu2O-過氧化物納米酶 Cu2O-peroxidase nano-zyme

MnO2-過氧化物納米酶 MnO2-peroxidase nano-zyme

MoO3-過氧化物納米酶 MoO3-peroxidase nano-zyme

CeO2-超氧歧化物納米酶 CeO2-SOD nanozyme

TiO2-過氧化物納米酶 TiO2-peroxidase nano-zyme

V2O5-過氧化物納米酶 V2O5-peroxidase nano-zyme

FePO4-超氧歧化物納米酶 FePO4-SOD nano-zyme

MnFe2O4-超氧歧化物納米酶 MnFe2O4-SOD nanozyme

金屬硫化物

CuS-過氧化物納米酶 CuS-peroxidase nanozyme

MoS2-過氧化物納米酶 MoS2-peroxidase nano-zyme

金屬?gòu)?fù)合物

普魯士藍(lán)-過氧化物納米酶 Prussian blue-peroxidase nanozyme

Fe-N-C-氧化納米酶Fe-N-C-oxidase nanozyme

金屬有機(jī)框架化合物-氧化納米酶 metal-organic framework-oxidase nanozyme

金屬有機(jī)框架化合物-過氧化物納米酶metal-organic framework-peroxidase nanozyme

金屬有機(jī)框架化合物-水解納米酶 metal-organic framework-hydrolase nanozyme

金屬

金-過氧化物納米酶 Au-peroxidase nanozyme

鉑-過氧化氫納米酶 Pt-catalase nanozyme

鈀-過氧化物納米酶 Pd-peroxidase nanozyme

銥-過氧化物納米酶 Ir-peroxidase nanozyme

Au-Pd-氧化納米酶 Au-Pd-oxidase nanozyme

碳

碳球-過氧化物納米酶 Carbon sphere-peroxi-dase nanozyme

C3N4-過氧化物納米酶 C3N4-peroxidase nano-zyme

氧化石墨烯-過氧化物納米酶 Graphene oxide-peroxidase nanozyme

C60-超氧化物歧化納米酶 C60-SOD nanozyme

碳點(diǎn)-過氧化物納米酶 Carbon dots-peroxidase nanozyme

四?學(xué)科名稱

納米酶學(xué) nanozymology

研究納米酶的活性、催化機(jī)制、材料設(shè)計(jì)和工程轉(zhuǎn)化應(yīng)用的學(xué)科。

五?結(jié)?語(yǔ)

納米酶術(shù)語(yǔ)體系的建立和標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)納米酶的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、產(chǎn)品開發(fā)和市場(chǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定都具有十分重大的意義。本文介紹了該領(lǐng)域的最新進(jìn)展，以期為從事納米酶、模擬酶、納米材料領(lǐng)域的專家學(xué)者和技術(shù)人員提供參考。

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