导图社区 纳米酶
介绍纳米酶定义、优点、种类、催化活性影响因素、催化机理以及应用等,因此总结归纳对其催化机理。进一步研究将有助于理解及工作原理,有助于设计和合成更有效的碳纳米管。
编辑于2021-12-28 12:59:58纳米酶
定义
一些具有固有酶活性的功能纳米材料被定义为纳米酶
优点
纳米酶与天然酶相比,纳米酶具有大规模生产方便、储存时间长、成本低、在恶劣环境中稳定性高等优点
种类
各种纳米材料,如氧化铁纳米颗粒、普鲁士蓝纳米颗粒、氧化钒纳米颗粒、氧化铈纳米颗粒、贵金属纳米颗粒和纳米碳材料(CNMs),已被发现具有类酶催化活性
碳纳米材料
碳纳米材料(CNMs),包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯、碳量子点和石墨烯量子点,已成为材料科学中的一个明星家族
一般来说,cnm具有超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性。在这两种催化活性中,过氧化物酶活性已被深入研究和广泛利用
过氧化物酶活性比较
纳米酶氧化石墨烯-COOH具有最佳的pH和温度,其催化活性取决于过氧化氢的浓度
碳纳米管(MWCNTs)具有更好的过氧化物酶活性
CQDs或碳纳米颗粒表现出高的过氧化物酶样活性。通过在CQDs中掺杂铁和氮,可以进一步增强其类过氧化物酶的活性
GQDs的类过氧化物酶活性甚至高于氧化石墨烯。其他的CNMs,例如c60-羧基富勒烯(C60[C(COOH)2]2)和碳纳米角也显示出类似过氧化物酶的活性
获得的MWCNT@rGONR异质结构比分子及其未还原形式具有更高的过氧化物酶活性,因为异质结构改善了它们的电子转移过程,从而促进了COH自由基的生成
除CNMs外,CNMs的一些类似物,如gC3N4,也表现出一定的类过氧化物酶活性,和CQDs一样,铁的掺杂可以进一步增强其催化活性
催化活性影响因素
温度
碳纳米材料最佳催化温度通常在40度左右
pH值
碳纳米材料最佳催化pH值在4.0
其活性随着溶液碱度的增加而降低。然而,CNMs在中性pH下仍表现出一定的催化活性,这满足了一些生物医学应用的需要,如抗菌药物的使用
底物浓度
The CNM-catalyzed reaction is inhibited at high H2O2 concentration like natural peroxidases, which indicates that the CNM-catalyzed reaction follows the pingpong mechanism
催化机理
Although the above-mentioned CNM-based peroxidase mimics have exhibited promising peroxidase-like activity in sensing, therapy, and catalysis, compared with natural peroxidases, the low catalytic efficiency of the CNMs has restricted their further practical applications
因此,有必要了解其催化机制,以设计和合成更有效的CNM基过氧化物酶模拟物
在2010年,我们的小组探索了氧化石墨烯-cooh催化的过氧化氢氧化TMB的动态过程
go-cooh催化的反应在高过氧化氢浓度下受到抑制,并遵循乒乓机制,这与hrp催化的反应相似
活动中间体
我们发现GQDs的类过氧化物酶活性源于它们催化过氧化氢分解
应用
纳米酶被广泛应用于传感、治疗和催化领域
详细讨论了CNM纳米酶在传感、治疗和环境工程中的酶的性质、催化机理和新的应用
传感
一系列用于过氧化氢、葡萄糖、小分子、离子、DNA和疾病生物标志物的生物传感器已经被开发出来
治疗
在了解CNM基过氧化物酶模拟物的催化机制的基础上,我们将GQDs与低剂量过氧化氢结合,开发了一种抗菌体系
利用GQDs催化的过氧化氢转化为·OH,由于·OH对细菌的抑制作用更强,因此提高了过氧化氢的抗菌活性,从而避免了在伤口消毒中使用具有毒性的高浓度过氧化氢
环境工程
Safavi和同事强调了CQDs在偶氮染料降解中的过氧化物酶行为。在降解实验中,CQDs可以加速甲基红和甲基橙的降解效率和速率常数
其他
除了其固有的酶活性外,cnm及其衍生物还可作为调节剂,进一步提高人工过氧化物酶的催化活性和稳定性
用碳纳米管分散和稳定人工过氧化物酶
CNMs在CNM-人工过氧化物酶杂交体中最重要的功能是它们能够有效地分散和稳定纳米颗粒和小分子
对于小分子,针对水溶液中的分子聚集导致其作为过氧化物酶模拟物的催化活性钝化的问题,Duan和Huang等人。通过p-p堆叠相互作用制备了一种hemin-石墨烯共轭物
这种血红素-石墨烯共轭物中的氧化石墨烯阻止了铁卟啉的自二聚,从而保持了血红素的高催化活性
此外,在CNMs分散和稳定纳米过氧化物酶的同时,对于导电性较差的材料,如四氧化三铁,CNMs的高电导率是提高其活性的另一个重要特性
Modulating the Substrate Adsorption by CNMs
除了分散和稳定人工过氧化物酶外,通过调节人工过氧化物酶的底物吸收,还可以调节杂交纳米酶的催化活性
氧化石墨烯的高表体积比和对疏水分子的高亲和力提高了TMB对纳米酶的吸附效率
CNM-based人工过氧化物酶催化的反应有两个底物,一个是过氧化物(过氧化氢通常),另一个是一种物质还原,如TMB
总结归纳
优势
与大多数纳米酶类似,碳纳米过氧化物酶的成本、易于生产的规模、存储时间和在恶劣环境下的稳定性都优于那些天然过氧化物酶
同时,碳纳米管提供的大表面积也有利于其酶活性;碳纳米管丰富的表面化学性质保证了它们易于转化为不同的应用
挑战
碳纳米材料的酶催化活性依然低于天然酶,需要开发高
碳纳米酶的催化机理尚未完全了解。虽然目前已确定了活性中间体、催化活性和底物结合位点,但其反应机制尚不清楚
因此,对其催化机理的进一步研究将有助于理解其工作原理,有助于设计和合成更有效的碳纳米管
纳米纳米酶的合理设计和构建仍然具有挑战性,这可以通过纳米技术的快速发展和更好地理解其催化机制来解决
值得一提的是,计算模拟将有助于改进CNM纳米酶的设计,特别是对于GQDs和CQDs,它们比天然酶要简单得多
碳纳米管丰富的表面化学性质为立体选择性纳米酶和异位纳米酶的设计提供了一条可行的途径。例如,手性cnm的出现可能使天然酶等对映选择性底物特异性成为可能
CNMs的样酶活性已广泛应用于传感、治疗和环境科学,考虑到其在体内的毒性极低,未来对CNMs纳米酶的研究可能会集中于扩大其像天然酶一样在体内的应用