光活性纳米材料模拟氧化酶的构建及其在肿瘤标志物检测中的应用

The research on artificial enzyme mimetics is of great significance for the design of novel sensors in analytical chemistry, the development of new synthetic methods in materials chemistry, the finding of efficient catalysts in catalytic chemistry and the reveal of the mechanism and nature of life in life science. Great progress has been made in the synthesis and application of nanomaterials as enzyme mimetics using hydrogen peroxide as an electron acceptor. Nanomaterials as enzyme mimetics was found to demonstrate higher catalytic activity and better stability than natural enzymes. However, the catalytic activity of nanomaterials as enzyme mimetics was optimal only under acidic solution conditions, which limited the use of antibodies and other pH-labile biomolecules as targeting ligands. In this research, photoactive material would be explored as oxidase mimetics. The characteristics and mechanism of these photoactive materials to oxidize a substrate would be studied. Ultrasensitive immunosensors for tumor markers would be developed by the design of cooperative and effective sensing interfaces based on the efficient photocatalytic reaction of the substrate and the photoactive materials and the highly specific recognition between antibody and antigen. The use of photoactive nanomaterials as enzyme mimetics is expected to overcome the limitations of the reported enzyme mimetics based on nanomaterials. In addition, to the best our knowledge, this is the first report using photoactive nanomaterials as oxidase mimetics and probes for biosensors, which can provide new perspective for the design of immuosensors.

模拟酶研究不仅对分析化学中新型生物传感器的建立有重要意义，而且对于材料化学（新合成反应或方法的建立）、催化化学（高效催化剂的开发）以及生命科学（生物原理和生命过程实质的揭示）也有十分重要的意义。以过氧化氢为电子受体的纳米材料模拟酶研究取得了重大进展，显示了比天然酶更好的催化活性和稳定性。但是，现有的纳米材料模拟酶必须要在较强的酸性条件下才能发挥其高效的催化活性，这限制了其在生物传感中的应用。本研究拟探索具有氧化酶活性的可见光光活性的纳米材料，揭示光活性纳米材料模拟氧化酶的催化特点及规律；构建光活性模拟氧化酶的光催化探针反应与免疫反应的高特异性识别协同一致的传感界面，建立新型高灵敏地肿瘤标志物免疫传感器。该研究不仅为了解决当前纳米材料模拟酶体系需要在较强的酸性条件下才能高效工作的弊端，同时，也是光活性纳米材料在分析化学中的崭新应用，为免疫传感器的研制提供新原理、新方法。

模拟酶研究不仅对分析化学中新型生物传感器的建立有重要意义，而且对于材料化学（新合成反应或方法的建立）、催化化学（高效催化剂的开发）以及生命科学（生物原理和生命过程实质的揭示）也有十分重要的意义。本项目针对现有的纳米材料模拟酶必须依赖于过氧化氢，而且要在较强的酸性条件下才能发挥其催化活性，从而限制了其在生物传感中的应用这一弊端，提出了探索制备光活性纳米材料模拟氧化酶及其免疫分析应用的设想。本项目的研究内容和结果如下：（i）合成了壳聚糖修饰的氧化石墨烯和不同尺寸的金纳米簇作为光活性模拟酶，结果显示所制备的纳米材料在光诱导下具有高效的模拟酶活性，并揭示了光生空穴、•OH和O2•−是所合成的光活性模拟酶的催化机理。基于刀豆蛋白（ConA）和糖类化合物的特异性结合或者胰蛋白酶对表面包覆物质的特异性分解作用，建立了新型的针对葡萄糖和胰蛋白酶的高灵敏检测方法。（ii）制备了具有双重模拟酶活性的CS-AgX（X=Cl、Br、I）纳米材料，利用CS-AgI所具备的光活性模拟酶的性质进行的癌细胞检测结果进一步表明，该催化性质温和而稳定的光活性模拟酶有望在生物催化以及生物传感方面具有潜在的广泛应用前景。（iii）提出了两种通过简便的Hg2+诱导作用产生纳米材料模拟氧化酶的策略，弥补了现有的纳米氧化酶种类稀少的缺陷。以Hg2+诱导的银纳米簇模拟酶为基础的无标记DNA分析方法显示了反应条件温和、快速，且信号灵敏、易实现可视化检测的优势。（iv）通过碱性磷酸酶以及葡萄糖氧化酶的原位催化反应产生了光活性模拟酶，实现了天然酶和模拟酶的催化反应的高效耦合，为生物传感分析提供了一种级联放大反应的新途径。（v）与常规的HRP的催化反应需要借助H2O2和浓H2SO4来终止反应不同，本研究中开拓了通过光照的纳米材料如GO和TiO2-CA以调控HRP的催化活性，其在肿瘤标志物的免疫分析应用中显示了良好的效果。总之，所建立的多种温和条件下高活性模拟酶体系，为基于信号放大的生物传感分析提供了新材料、新原理和新方法。