基于多酸材料的過(guò)氧化物模擬酶的研究及應(yīng)用進(jìn)展

楊 爽,何承運(yùn), 游文武, 李艷周*

(1. 河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 河南省多酸化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 開封475004; 2. 河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院, 河南 開封 475004)

酶(包括少量核酸和蛋白質(zhì)分子)是一種催化和維持生命體內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)有序進(jìn)行的重要物質(zhì)[1-2]。其具有底物特異識(shí)別性、催化效率高、酶催化種類繁多等優(yōu)點(diǎn)。但其從動(dòng)物組織提取和微生物發(fā)酵中分離純化難、提取出來(lái)后易失活難儲(chǔ)存、使用條件嚴(yán)格(需合適的溫度和酸堿度)等不足極大的限制了其在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用[3]。所以，通過(guò)化學(xué)合成的方式來(lái)設(shè)計(jì)模擬具有生物酶活性的材料，逐漸成為解決生物酶缺陷的有力策略。

迄今為止，已發(fā)現(xiàn)許多材料具有顯著的酶催化活性，包括金屬納米粒子、碳基材料、復(fù)合材料、金屬氧化物材料等[4-7]。多金屬氧酸鹽(POMs)作為一種由氧和V族和VI族最高氧化態(tài)的金屬(W、Mo、V等)組成的金屬氧簇基金屬氧化物，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[8-15]。與其他金屬氧化物材料相比，POMs中與氧原子配位的主要金屬離子通常不暴露在外部環(huán)境中，導(dǎo)致POMs產(chǎn)生離域負(fù)電荷。因此，POMs一般是具有明確結(jié)構(gòu)的聚陰離子。POMs的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其具有氧化還原性質(zhì)以及酸堿反應(yīng)性；它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們?cè)谠踊蚍肿铀缴弦子谡{(diào)節(jié)，即可以通過(guò)從母體中去除一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)金屬八面體從而形成單、雙或三缺位POM前驅(qū)體構(gòu)筑塊[15]。所以POMs不僅可以形成本身具有納米尺寸的飽和聚陰離子，如H3PW12O40、H4SiW12O40和H3PMo12O40，也可以將形成的缺位構(gòu)筑塊與金屬離子發(fā)生配位反應(yīng)形成金屬取代的POMs等。對(duì)POMs結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合成與性能研究一直都是金屬氧簇領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)久不衰的研究熱點(diǎn)[8, 10]。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)POMs材料還具有許多在生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域可以應(yīng)用的理想特性，如低毒、生物穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)多功能性、優(yōu)越的氧化還原活性等。因此，POMs材料已被廣泛應(yīng)用于抗腫瘤和抗病毒研究中[9]。POM在不改變其結(jié)構(gòu)及組成的同時(shí)可以發(fā)生迅速的多電子氧化還原過(guò)程，使其成為優(yōu)異的氧化還原傳感材料。據(jù)報(bào)道，POMs可以通過(guò)多步驟電子轉(zhuǎn)移過(guò)程催化O2和H2O2實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)底物的環(huán)氧化和氧化[16]。因此，POMs也具有氧化一些染料如3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)使其發(fā)生顏色改變的類過(guò)氧化酶活性。目前提升POMs材料類過(guò)氧化酶活性的途徑主要分為以下兩類：一是利用POMs材料的結(jié)構(gòu)多樣性改變其功能構(gòu)筑塊；二將POMs與其它納米材料制備成復(fù)合材料(如與碳納米管、石墨烯復(fù)合)[17-33]。

過(guò)氧化氫是一種廣泛存在于食品、藥品、生物體、工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境污染中的化學(xué)品，準(zhǔn)確、快速地測(cè)定過(guò)氧化氫具有重要意義[34-37]。POMs分子團(tuán)簇的尺寸小，比表面積大，活性位點(diǎn)多，因而在基于類過(guò)氧化物酶催化反應(yīng)的生物檢測(cè)中可以實(shí)現(xiàn)更快的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)(更短的檢測(cè)時(shí)間)以及更低的檢測(cè)極限[38]。目前已經(jīng)有很多關(guān)于納米酶的優(yōu)秀綜述報(bào)道[39-41]，但是到目前為止，集中于POMs及其復(fù)合材料作為類過(guò)氧化物酶的報(bào)道還很少。此外，將POMs及其復(fù)合材料作為類過(guò)氧化氫酶的詳細(xì)分類也很少受到關(guān)注。本文按照材料結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了分類，總結(jié)了近期關(guān)于POMs及其復(fù)合材料在類過(guò)氧化氫酶催化方面的研究進(jìn)展(如圖1所示)，并對(duì)POMs作為類酶所面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)和討論，以期引起來(lái)自不同學(xué)科的研究人員，包括化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)和生物化學(xué)等領(lǐng)域的研究人員的關(guān)注。

圖1 多酸材料作為類過(guò)氧化酶催化氧化TMB的示意圖Fig.1 Schematic diagram of TMB catalyzed by typical polyoxometalate materials as peroxidase-like enzyme

1多酸基材料作為類酶的研究進(jìn)展

1.1 飽和Keggin型多酸材料

Keggin型POMs是目前合成最多的雜多金屬氧簇，也是目前研究最為充分的一類金屬氧簇化合物。該結(jié)構(gòu)類型的化合物是由Keggin在1934年通過(guò)計(jì)算H3PW12O40的X射線粉末衍射譜得到，其最終結(jié)構(gòu)的確定是在1936年[16]。Keggin型結(jié)構(gòu)陰離子的通式可表示為[XM12O40]n-(X=P、Si、Ge等；M=Mo、W等)。該結(jié)構(gòu)類型的陰離子是由12個(gè)八面體和一個(gè)中心原子四面體組成；每3個(gè)八面體通過(guò)共邊連接成為一個(gè)三金屬簇，4組三金屬簇再通過(guò)共頂點(diǎn)形成分子籠簇，中心雜原子在分子籠簇中心，整個(gè)陰離子呈現(xiàn)出Td對(duì)稱性，其直徑通常為1～5 nm。值得一提的是，該Keggin型POMs的陰離子在水溶液體系中具有非常好的穩(wěn)定性，這為其作為類酶催化劑提供了有力保證(如圖 2所示)。

圖2 飽和Keggin型多酸作為類過(guò)氧化氫酶的示意圖Fig.2 Schematic diagram of saturated Keggin-type POM as peroxidase mimic enzyme

東北師范大學(xué)王曉紅教授課題組首次證明三例飽和Keggin型聚多金屬酸鹽(H3PW12O40、H4SiW12O40和H3PMo12O40)具有過(guò)氧化物酶催化活性[17]，可以催化過(guò)氧化物酶底物TMB在水溶液中形成藍(lán)色。其中，H3PW12O40對(duì)TMB的催化活性高于天然酶HRP和其它兩種POMs。他們還基于POMs/H2O2/TMB體系構(gòu)建了一種簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的過(guò)氧化氫或葡萄糖比色檢測(cè)的方法。其對(duì)過(guò)氧化氫和葡萄糖檢測(cè)都具有良好的響應(yīng)，線性范圍分別為0.134～67 μmol·L-1和0.1～100 μmol·L-1。隨后，其他Keggin型陰離子也被報(bào)道具有較好的的類酶催化活性[18]。2019年，吉林大學(xué)齊燕飛教授課題組研究了18種具有不同結(jié)構(gòu)的經(jīng)典POMs的類酶活性[18]，其中包括飽和Keggin的H3PW12O40、H4SiW12O40、H4GeW12O40、K4GeW12O40、H3PMo12O40、 H4SiMo12O40等。他們發(fā)現(xiàn)POMs的結(jié)構(gòu)、雜原子、配位原子、取代金屬離子、pH和底物種類都是影響類酶活性的因素。在其所研究的18種POMs中，H3PW12O40、H4SiW12O40和H4GeW12O40具有類過(guò)氧化酶活性，而H3PMo12O40和H4SiMo12O40展現(xiàn)出來(lái)的是氧化酶活性，K4GeW12O40既沒有顯示過(guò)氧化酶活性也沒有氧化酶活性。換言之，飽和Keggin的多鉬酸鹽具有氧化酶活性，而飽和Keggin的多鎢酸鹽具有過(guò)氧化酶活性。對(duì)于飽和Keggin型POMs而言，pH在2.5～5之間展現(xiàn)出優(yōu)異的類酶活性，但是pH在大于6時(shí)其活性逐漸降低。該項(xiàng)系統(tǒng)的研究不僅為POMs作為類酶提供了詳盡的背景資料，也為設(shè)計(jì)具有類酶活性的POMs提供了指導(dǎo)。除了有關(guān)游離飽和Keggin型POMs的研究，近年來(lái)，科學(xué)家還將飽和Keggin構(gòu)建單元引入到金屬有機(jī)框架(MOF)中，得到多例新穎的結(jié)合了POM化學(xué)優(yōu)點(diǎn)與MOF化學(xué)特性的具有過(guò)氧化物酶樣活性的材料[19]。因?yàn)閷eggin型POMs嵌入到MOFs的有序通道中，不僅可以在空腔內(nèi)提供更多的跳躍位點(diǎn)，也有助于提高M(jìn)OFs的穩(wěn)定性。另外，POMs陰離子通常在晶態(tài)下通過(guò)較強(qiáng)的氫鍵親和力，被大量的水分子包圍，這可能會(huì)構(gòu)建離子或電子的傳輸途徑。POMs與MOFs的協(xié)同作用可能會(huì)使其展現(xiàn)出更加優(yōu)異的過(guò)氧化物酶活性。例如，蘇忠民課題組在水熱條件下制備了由Keggin型POMs支撐的穩(wěn)定的金屬有機(jī)框架Cu6(trz)10(H2O)4[H2SiW12O40]·8H2O (trz=1,2,4-三唑) (如圖3a所示)[20]。該材料由Cu2+離子形成了具有22元環(huán)的二維層狀結(jié)構(gòu)，它們通過(guò)ab平面上的trz配體相互連接。此外，二維層通過(guò)Keggin型POM陰離子進(jìn)一步相互連接，生成一個(gè)具有一維通道的三維多孔網(wǎng)絡(luò)。POM陰離子的存在不僅使其表現(xiàn)出對(duì)水的選擇性吸附和質(zhì)子導(dǎo)電性能，也顯示出有效的內(nèi)在過(guò)氧化物酶樣活性。

另外，曲阜師范大學(xué)沙靖全課題組合成了一種新型的POM模板3-D銅(II)-三唑框架[(Cu10(trz)10(OH)6(Cl)4][H3PW12O40]·2H2O[21](如圖 3b所示)。單晶X射線衍射表征結(jié)果顯示該三維POM/銅(II)-三唑雜交框架材料具有一維通道，且在塊狀Keggin型磷酸鎢態(tài)模板下具有pcu拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該新型化合物可以作為一種新型的過(guò)氧化物酶，在H2O2存在下可有效催化TMB的氧化。該課題組發(fā)現(xiàn)TMB、trz和磷酸鎢酸之間的靜電相互作用和氫鍵/π-π堆疊相互作用是增強(qiáng)過(guò)氧化物酶樣活性的原因。此外，該組還探討了所得材料在H2O2的比色傳感方面的應(yīng)用并展現(xiàn)出較寬的線性范圍(1～80 μmol·L-1)、低檢測(cè)限(0.21 μmol·L-1)以及快的響應(yīng)速度 (2 min)。同年，王佳寧課題組也采用trz與Cu的同族金屬Ag反應(yīng)，得到一種穩(wěn)定的三明治型POM柱狀配位聚合物[Ag15(trz)10][SiW12O40](Ag15SiW12)[22](如圖 3c所示)。單晶X射線衍射(SCXRD)分析表明，SiW12聚陰離子夾在相鄰的具有兩種不同孔隙的Ag-trz片之間，形成了一個(gè)三維的POM柱片狀框架。該課題組研究了Ag15SiW12的過(guò)氧化物酶活性，結(jié)果顯示其也具有廣泛的線性范圍 (1～100 μmol·L-1)、更快的響應(yīng)時(shí)間(1 min)和更低的檢測(cè)極限(0.27 μmol·L-1)。他們將Ag15SiW12優(yōu)異的過(guò)氧化物酶活性歸因于該材料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和各個(gè)組分間的協(xié)同作用。

圖3 基于飽和Keggin型POM的金屬有機(jī)框架Cu6(trz)10(H2O)4[H2SiW12O40] (a)， [(Cu10(trz)10(OH)6(Cl)4][H3PW12O40] (b)和[Ag15(trz)10][SiW12O40](Ag15SiW12) (c)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structures of Cu6(trz)10(H2O)4[H2SiW12O40] (a), [(Cu10(trz)10(OH)6(Cl)4][H3PW12O40] (b) and [Ag15(trz)10][SiW12O40](Ag15SiW12) (c)

1.2 過(guò)渡金屬取代多鎢酸材料

過(guò)渡金屬取代的POMs在過(guò)去的二十年里一直吸引了人們的興趣，它們不僅擁有迷人的結(jié)構(gòu)拓?fù)洌以诖呋?、納米科學(xué)、磁性、發(fā)光和電化學(xué)材料方面有很大潛在應(yīng)用。一般來(lái)說(shuō)，Zr(IV)離子具有高氧化態(tài)(+4)和可變的配位模式，其配位鍵長(zhǎng)度約在0.20～0.25 nm之間不等。此外，Zr(IV)離子具有較強(qiáng)的嗜氧性，對(duì)結(jié)合無(wú)機(jī)和有機(jī)氧供體配體具有較高的配位能力，這為各種有機(jī)官能團(tuán)修飾的Zr(IV)取代的POM基分子材料的設(shè)計(jì)合成和功能化提供了可能[23]。2012年，李陽(yáng)光教授課題組報(bào)道了三例新的含有四核{(lán)Zr4}取代的多鎢酸鹽，證實(shí)了Zr取代的POMs對(duì)O供體配體具有顯著的親和力[24]。該課題組將過(guò)氧化氫、D，L-曼德爾酸和醋酸緩沖液引入含有Zr(IV)離子和各種三缺位的多鎢酸鹽前驅(qū)體的反應(yīng)體系中，得到了一系列新的鋯取代的多鎢酸鹽Na4(NH4)14[Zr4(μ3-O)2(μ-O2)2(OAc)2(P2W16O59)2]·51H2O (1) (如圖4a所示) 和 (NH4)16[Zr4(μ3-O)2(Mal)2(H2O)2(P2W16O59)2]·14H2O (2) (如圖4b所示)?；衔?和2具有類似的三明治型結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)由四核Zr簇和兩個(gè)[P2W16O59]12-構(gòu)建，但它們?cè)趝Zr4}簇上的修飾配體不同，1和2的修飾配體分別是醋酸和D，L-曼德爾酸。這三例材料中，化合物1表現(xiàn)出最好的催化活性，其雙氧水的線性檢測(cè)范圍為100～1 000 μmol·L-1(R2= 0.997)，檢測(cè)限為100 μmol·L-1。通過(guò)對(duì)比空白實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)具有過(guò)氧化物酶活性的四核Zr取代的多鎢酸鹽的催化性能主要?dú)w因于夾心{Zr4}簇的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征，而不是缺位的多金屬氧酸鹽陰離子本身或獨(dú)立的Zr離子。換而言之，該研究結(jié)果表明，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料的性能優(yōu)異性可能是由于單個(gè)組分的特定性質(zhì)和相應(yīng)的協(xié)同效應(yīng)的結(jié)合而引起的。2015年高廣剛課題組也發(fā)現(xiàn)了類似的協(xié)同作用，該課題組報(bào)道了兩種基于銅(II)-咪唑絡(luò)合物改性?shī)A心型鎢鉍酸鹽或鎢銻酸鹽，Na4H2[Cu4(H4im)12(H3im)2][Cu3(H2O)3(XW9O33)2]·nH2O (H4im=咪唑，H3im=去質(zhì)子化咪唑、X=Bi(1)、n=28或X=Sb(2)、n=25) (如圖 4c所示)[25]。夾心型的聚氧陰離子[(Cu3(H2O)3(XW9O33)2]12-被兩個(gè)銅(II)-咪唑配合物修飾形成1或2。與其他Keggin型多酸基類過(guò)氧化物酶相比，1和2使用TMB作為過(guò)氧化物酶底物在生理pH附近均表現(xiàn)出良好的過(guò)氧化物酶活性。其對(duì)雙氧水得檢測(cè)線性范圍在1～50 μmol·L-1間，檢測(cè)限為0.12 μmol·L-1。三明治型多鎢氧簇和銅(II)-咪唑配體物的協(xié)同效應(yīng)可能是增強(qiáng)過(guò)氧化物酶樣活性的主要原因，這是因?yàn)檫溥蚺潴w與帶負(fù)電荷的多鎢氧簇相互作用增加了對(duì)TMB底物的親和力。

圖4 過(guò)渡金屬取代的多鎢酸鹽陰離子 [Zr4(μ3-O)2(μ-O2)2(OAc)2 (P2W16O59)2]18- (a)、[Zr4(μ3-O)2(Mal)2(H2O)2(P2W16O59)2]16- (b)和[Cu4(H4im)12(H3im)2][Cu3(H2 O)3(XW9O33)2]6- (c)的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structures of transition metal substituted polytungstate anions [Zr4(μ3-O)2(μ-O2)2(OAc)2 (P2W16O59)2]18- (a), [Zr4(μ3-O)2(Mal)2(H2O)2(P2W16O59)2]16- (b) and [Cu4(H4im)12(H3im)2][Cu3(H2 O)3(XW9O33)2]6- (c)

除了雙氧水，過(guò)渡金屬取代的多鎢酸鹽還可以作為級(jí)聯(lián)反應(yīng)中的一環(huán)用于多巴胺(DA)和萊克多巴胺(RAC)的比色檢測(cè)。時(shí)君友課題組建立了一種基于SiW9M3(M=Co2+、Fe3+、Cu2+、Mn2+)過(guò)氧化物酶活性的比色檢測(cè)方法[26]。其對(duì)DA的檢測(cè)限低至5.38 μmol·L-1，而對(duì)RAC的檢測(cè)限為79.4 μmol·L-1。除了以Si為雜原子中心的多酸，王曉紅教授課題組還報(bào)道了一系列過(guò)渡金屬取代的磷鎢酸鹽，并研究了過(guò)渡金屬取代多氧金屬酸鹽PW11MO39n-和PW9M3O34n-，(縮寫為PW11M和PW9M3，其中M=Cu2+、Co2+、Mn2+、Fe3+)在TMB氧化過(guò)程中的類過(guò)氧化物酶活性[27]。在上述材料中，PW11Cu和PW9Cu3由于具有較高的氧化還原電位，因此其活性最高。PW11Cu的雙氧水檢測(cè)線性范圍為8.96×10-2～2.2 μmol·L-1，檢測(cè)限為0.006 μmol·L-1；PW9Cu3的雙氧水檢測(cè)線性范圍為1.21×10-2～1.21 μmol·L-1，檢測(cè)限為9.8×10-4μmol·L-1。此外，王曉紅課題組還發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)體系中加入三聚氰胺可以進(jìn)一步地提高PW11Co(Cu)與三聚氰胺的相互作用，產(chǎn)生更多的羥基自由基，從而提高PW11Co(Cu)類過(guò)氧化物酶的活性。

1.3 多鉬酸鹽多酸材料

通過(guò)前文敘述，基于飽和Keggin型的多酸材料(H3PW12O40、H4SiW12O40等)和過(guò)渡金屬取代的多酸材料(SiW9M3、PW11M等)都表現(xiàn)出較好的過(guò)氧化氫酶樣活性[16,26-27]。這些研究主要集中于含鎢的POMs(W-POMs)，但對(duì)于含鉬POMs(Mo-POMs)的研究和報(bào)道卻是很少。與W-POMs相比，Mo-POMs比具有相同結(jié)構(gòu)的W-POMs具有更強(qiáng)的氧化能力(Mo > W)[39]，因此可以作為更優(yōu)異的納米酶，這意味著 Mo-POMs可能會(huì)表現(xiàn)出新穎的類酶催化性能。例如，東北師范大學(xué)李陽(yáng)教授課題組發(fā)現(xiàn)一種釩鉬磷雜多酸(H5PMo10V2O40，PMoV2)，具有過(guò)氧化物酶樣活性，可以催化魯米諾/H2O2反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光(CL)[28]。在此基礎(chǔ)上，該課題組設(shè)計(jì)了一種無(wú)酶魯米諾/H2O2/PMoV2的CL系統(tǒng)，用于過(guò)氧化氫的超靈敏檢測(cè)。CL強(qiáng)度在高達(dá)5×106μmol·L-1的寬范圍內(nèi)與H2O2濃度表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性，其雙氧水檢測(cè)限為5 000 μmol·L-1，除了雙氧水的檢測(cè)之外，該方法也成功地用于人血清中葡萄糖的測(cè)定。該研究為功能性多酸材料在多種生物傳感分析(如膽固醇、尿酸、乳酸等的測(cè)定)中的應(yīng)用提供了可能性[31,35]。除了PMoV2，王曉紅教授課題組也設(shè)計(jì)報(bào)道了一種葉酸功能化多金屬鉬酸鹽(FA-PMo4V8)，可在無(wú)需使用過(guò)氧化物酶和肌氨酸氧化酶(SOD)的條件下，利用TMB比色反應(yīng)中檢測(cè)H2O2和肌氨酸[29]。在最佳條件下，F(xiàn)A-PMo4V8表現(xiàn)出優(yōu)異的過(guò)氧化物酶樣活性，檢測(cè)線性范圍為0.007～4 μmol·L-1，檢測(cè)限為0.012 μmol·L-1。此外，該課題組還發(fā)現(xiàn)FA-PMo4V8通過(guò)在氧氣存在下與肌氨酸反應(yīng)可以生成 H2O2，因而可以間接實(shí)現(xiàn)肌氨酸的檢測(cè)，其具體檢測(cè)的線性范圍為0.2～500 μmol·L-1，檢測(cè)限為0.311 μmol·L-1。由于FA-PMo4V8易于制備，可工作pH范圍大，其在檢測(cè)中具有良好的選擇性、重現(xiàn)性和高的靈敏度，因而在對(duì)尿肌氨酸的比色檢測(cè)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，有望用于臨床試驗(yàn)。

除鉬釩酸鹽以外，沙靖全課題組報(bào)道一例含F(xiàn)e3+和Mo6+的Anderson型多酸(NH4)3(H6Fe(III)Mo6O24](FeMo6)[30]。該材料首次作為一種類氧化酶模擬酶，表現(xiàn)出催化氧化鄰苯二胺(OPD)、2,2′-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTs) 和TMB的能力。由于FeMo6具有類芬頓效應(yīng)，該課題組開發(fā)了一種兩次連續(xù)“開啟”熒光的新型傳感器。并用該傳感器使用FeMo6-OPD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多巴胺的檢測(cè)，線性范圍為1～100 μmol·L-1，檢測(cè)限為2.27×10-2μmol·L-1(3σ/s)。

2 多酸基復(fù)合材料作為類酶的研究進(jìn)展

2.1 多酸與石墨烯復(fù)合材料

氧化石墨烯(GO)是石墨烯的氧化物，經(jīng)氧化后，其含氧官能團(tuán)增多而使得其化學(xué)性質(zhì)較石墨烯更加活潑，從而擴(kuò)寬了其應(yīng)用范圍。例如，2010年，曲曉剛研究小組發(fā)現(xiàn)在H2O2存在下，羧基(-COOH)功能化的氧化石墨烯(GO)具有類過(guò)氧化氫酶活性，可以催化TMB產(chǎn)生藍(lán)色產(chǎn)物[40]。此外，GO具有優(yōu)異的機(jī)械性能，堅(jiān)固耐用，表面積大，可作為載體錨定各種不同的材料[41-43]。2015年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)胡平安教授和邱云峰副教授課題組合成了二苯丙氨酸(FF)肽陽(yáng)離子、PW12和GO的復(fù)合材料[44](如圖5所示)。復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)如下：1) 由于非共價(jià)相互作用，F(xiàn)F的引入可增強(qiáng)復(fù)合材料的生物相容性和對(duì)TMB的親和力；2) FF和POMs之間的強(qiáng)靜電相互作用可以增強(qiáng)異相材料的穩(wěn)定性；3) GO作為載體的引入可以最大化的優(yōu)化FF/POMs復(fù)合材料的分散和整個(gè)復(fù)合材料的比表面積，并由于芳香區(qū)域和/或GO基面上豐富的含氧基團(tuán)的相互作用能力而增強(qiáng)TMB或H2O2的親和力；4) GO和POMs之間的強(qiáng)電子轉(zhuǎn)移會(huì)改變 POMs的氧化還原性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二肽-多金屬氧酸鹽(POMs)-氧化石墨烯(GO)三元雜化物是一種極好的過(guò)氧化物酶樣模擬物[42]，與單獨(dú)的POMs相比，過(guò)氧化物酶活性得到了增強(qiáng)。使用TMB作為顯色底物，F(xiàn)F@PW12的類過(guò)氧化物酶活性比原始PW12在均相中的活性高13倍。此外，含有5% GO的FF@PW12@GO三元雜化物的類過(guò)氧化物酶活性是FF@PW12的1.7倍。

圖5 FF@PW12/GO類過(guò)氧化物酶催化過(guò)程示意圖(a)及其復(fù)合材料的納米形貌(b、c、d和e)[44]Fig.5 Schematic diagram of the catalytic process (a) and the nanomorphology of FF@PW12/GO peroxidase-like enzyme (b, c, d and e)[44]

2.2 多酸與單壁碳納米管復(fù)合材料

圖6 基于PMNT-2類酶催化L-Crys變色生物響應(yīng)機(jī)理示意圖(a)和材料的形貌表征結(jié)果(b、c和d)[46]Fig.6 Proposed mechanistic scheme for the L-Cys colorimetric biosensing on PMNT-2 (a) and its morphology characterized by SEM, TEM, and EDX elemental mapping (b, c and d)[46]

2.3 多酸與聚吡咯復(fù)合材料

除了導(dǎo)電性能良好的石墨烯和單壁碳納米管材料外，導(dǎo)電高分子材料—聚吡咯(PPy)也是一種典型的具有超高比表面積的導(dǎo)電聚合物[47]。研究發(fā)現(xiàn)，PPy可以作為一種提供電子快速傳輸?shù)摹皹颉?，從而可以提高?fù)合材料的催化性能[48-49]。2019年，沙靖全課題組利用PPy涂層包裹四重螺旋Ag5[bimt]2[PMo12O40]·2H2O(Ag5PMo12)作為一種過(guò)氧化物酶模擬物用于尿酸的選擇性比色檢測(cè)，尿酸檢測(cè)的線性檢測(cè)范圍為1～50 μmol·L-1，檢測(cè)限為0.47 μmol·L-1(如圖7所示)[50]。2020年，該課題組還通過(guò)簡(jiǎn)便的原位氧化聚合工藝在另外一種具有八重螺旋的新型Wells-Dawson型多酸基金屬有機(jī)框架 [Cu9(FKZ)12(H2O)8][H3P2W18O62]2·4H2O (CuFK ZP2W18) (HFKZ=1-(2,4-二氟苯基)-1,1-雙[(1H-1,2,4-三唑-1-基)甲基])中引入PPy，制備獲得CuFKZP2W18/PPy(n)納米復(fù)合材料(n= 7%、15%、30%)[51]。其中CuFKZP2W18/PPy(15%)表現(xiàn)出優(yōu)異的類過(guò)氧化物酶催化活性。在以TMB為底物的比色法監(jiān)測(cè)中表現(xiàn)出較低的檢測(cè)限(對(duì)H2O2為0.07 μmol·L-1，對(duì)抗壞血酸為0.627 μmol·L-1)，較小的Km值(對(duì)H2O2為106 μmol·L-1，對(duì)鄰苯二胺為42 μmol·L-1)以及高的靈敏度(對(duì)H2O2為2.271×10-2μmol·L-1，對(duì)抗壞血酸為2.51×10-3μmol·L-1)。

圖7 Ag5PMo12 (a), PPy (b), 和 Ag5PMo12@PPy的形貌表征(c)及Ag5PMo12@PPy材料(d)的元素成像圖； H2O2 + TMB + Ag5PMo12@PPy反應(yīng)體系的吸收光譜(e)和(g)和對(duì)應(yīng)的反應(yīng)過(guò)程(f)[50]Fig.7 SEM of Ag5PMo12 (a), PPy (b), and Ag5PMo12@PPy (c), and corresponding EDX elemental mapping images of Ag5PMo12@PPy (d); Absorption spectra (e and g) of the H2O2 + TMB + Ag5PMo12@PPy system and the corresponding process (f)[50]

3 結(jié)論與展望

我們以POM材料結(jié)構(gòu)類型為分類標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)介紹了POM材料在類過(guò)氧化物酶領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。盡管POM類酶克服了生物酶的許多缺點(diǎn)，但其仍然存在一些挑戰(zhàn)。

1)目前POM模擬酶的研究主要集中在少數(shù)POM中(如表1所示)，然而目前已有成千上萬(wàn)種具有不同結(jié)構(gòu)特色的POM被報(bào)道，如何高效地篩選性能優(yōu)異的POM模擬酶是一個(gè)具有很大地挑戰(zhàn)性。

表1 一些典型的POM基類過(guò)氧化物酶

2)特異性是生物酶的基本特征之一，但是對(duì)于POM類酶而言，它們并不具備特異性，可以氧化還原一類底物。所以，特異性的缺乏也是目前制約POM類酶走向?qū)嶋H生產(chǎn)應(yīng)用的主要問題之一。進(jìn)一步在POM類酶材料表面進(jìn)行抗體或者適配體修飾有可能賦予其特異性。

3)POM作為類酶，其大小，形態(tài)，表面狀態(tài)等性質(zhì)與其酶催化性能之間的相互關(guān)系仍舊研究甚少。POM比表面積越大，催化活性越高，但是目前作為類過(guò)氧化物酶的非水溶性的POM大多為塊體單晶結(jié)構(gòu)，納米級(jí)的POM制備可能是進(jìn)一步提高酶催化活性的有效手段；但是過(guò)多的增加POM類酶的比表面積，又會(huì)降低納米POM材料的穩(wěn)定性。所以POM類酶的納米化及其穩(wěn)定性問題也是值得研究的問題。