新一代化学魔术师—纳米酶

科幻电影之所以深受年轻人的喜爱，是因为它不仅代表了人类想象力的高峰，也是对未来的某种设想或警示。《星际穿越》是一部经典的科幻电影，讲述了在全球植物大灭绝的情况下，人类没有办法继续在地球生存，所以去寻找新的家园。倘若有一天真的出现了严重的粮食危机，传统的农业生产因为天灾或者人祸无法满足人类的食物需求，那么人类何去何从呢？

中国科学家于2021年9月回答了该问题，首次发明了一种颠覆性的淀粉制备方法。它不依赖植物光合作用，但是也需要在酶的催化作用下，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，化学合成淀粉。我们不难发现酶在自然生成淀粉和人工合成淀粉这两个过程起到了至关重要的作用。酶是一类极为重要的生物催化剂（biocatalyst）。由于酶的作用，生物体内的化学反应在极为温和的条件下也能高效和特异地进行，所以酶已广泛用于农业、食品、化工及医学等领域。但是，大部分天然酶制备困难、稳定性差、催化条件苛刻，难以大规模应用。因此，如何设计出具有高催化活性的仿生酶成为了研究人员面临的共同难题。

图1 淀粉的自然生成过程及人工合成过程

纳米酶是一类人工合成的具有酶活性的仿生纳米材料。与天然酶相比，纳米酶具有结构简单、性质稳定、高选择性和廉价易得的优点。我们成功地制备了具有辣根过氧化物酶催化活性的纳米金，研究发现该纳米酶具有催化鲁米诺化学发光的性质，结合纳米金与纤维蛋白原/纤维蛋白作用的差异，建立了检测纤维蛋白的化学发光新方法。目前，研究者虽然制备了多种纳米酶，然而，纳米材料表面能高，极易团聚，表面完整光滑，浸润性很差，这些因素严重影响了其在溶液中分散性，导致催化活性迅速降低。所以，如何构建仿生体系，提高纳米颗粒的分散性是构建纳米酶的关键。

木材作为一种重要的生物材料，具有无毒、再生、降解、高弹性、抗拉抗压等优良特性。随着纳米材料科学、高分子材料科学及木材化学的发展，人类对木材的认识步入了一个新阶段。木材作为多孔性高分子材料具有复杂的层级结构，其结构特点可以概括为结构有序、层次分明。这种自然形成的分级多孔结构不仅具有极高的稳定性和生物相容性，而且可以使纳米材料均匀分散，避免结块。此外，其庞大的孔径和高比表面积进一步使其适用收纳其他微粒和聚合物，为木材的功能化和木材性能的提升提供了空间。基于此我们以氯金酸为金源，通过化学还原法，利用木头多孔结构，构建了一种木质金纳米酶。

图2 木材的层级结构

木质金纳米酶作为一种新型的复合材料，它成功地结合了这两种材料的特性，并由于二者的协同作用，使得该复合材料具有良好的催化活性和电子传导性，可用于多相催化、燃料电池和化学/生物传感器等领域。例如，研究表明这种杂合体具有超强的过氧化物酶催化活性，可催化TMB–H2O2的显色反应，并以DNA为识别分子，基于这种杂合体与DNA的作用，建立了一种检测核酸分子和金属离子的新方法。这种方法的建立拓展了纳米酶在生物传感中的应用。

图3 构建木质金纳米酶及测定金属离子

导师简介

张远馥，博士，副教授，硕士研究生导师，陕西师范大学 陕西省生命分析化学重点实验室 客座人员。主要从事发光分析新体系和生物传感器的研究工作，通过生物分子与无机纳米材料之间的相互作用与调控，研制新型纳米生物复合材料，发展新一代生物检测策略。主持了国家自然科学基金青年项目1项、山东省自然科学基金青年项目1项，参与国家自然科学基金面上项目3项。迄今在Biosens. Bioelectron.，Analyst，Anal. Chim. Acta等重要杂志上发表SCI论文30余篇。科研成果曾获山东省高等学校科学技术奖1项、陕西高等学校科学技术奖2项、陕西科学技术奖贰等奖等奖励。指导学生参加并获第二届全国大学生化学实验创新设计大赛“微瑞杯”华北赛区三等奖。

招生专业：分析化学