Anal. Chem. | 铁电纳米酶一相逢，便胜却天然无数

摘要：制备超高活性纳米酶是纳米酶研究的重要目标。天然酶可以通过静电预组织（ElectROStaTic Preorganization）效应降低反应能垒，提高催化效率。外加电场也能够调控酶活性位点的电荷分布和催化性能。电场是否能调控、提高纳米酶的催化活性？

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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2025年05月09日江苏。

*编辑：张祖豪

制备超高活性纳米酶是纳米酶研究的重要目标。天然酶可以通过静电预组织（ElectROStaTic Preorganization）效应降低反应能垒，提高催化效率。外加电场也能够调控酶活性位点的电荷分布和催化性能。电场是否能调控、提高纳米酶的催化活性？

受静电预组织效应启发，西南大学郑鹄志教授课题组整合铁电钛酸钡（BTO）固有的自发极化电场和天然过氧化物酶的活性位点——hemin，设计出超高活性的纳米酶——hemin-BTO。Hemin-BTO的类过氧化物酶（POD）活性比BTO提高了15倍。以TMB和H2O2为底物的催化常数（Kcat）分别是HRP的240倍和400倍。利用Hemin-BTO纳米酶超高的类POD活性，构建了一种纳米酶联免疫吸附分析法（NLISA），成功用于检测心力衰竭的生物标志物脑钠肽（BNP）（图1）。

图1. 纳米酶的构建及其增强免疫分析示意图

首先，采用溶剂热法制备了四方相铁电BTO，然后将hemin负载到BTO表面获得了Hemin-BTO（图2）。多种表征手段证实Hemin-BTO的成功制备（图2）。

图2 Hemin-BTO的制备与表征。（a）Hemin-BTO的合成途径及结构示意图；Hemin-BTO的（b）TEM图像；（c, d）HAADF-TEM图像，以及对应的EDX元素分布图（包括Ba、Ti、O、C、Fe和N）；（e）Hemin-BTO和BTO的XRD图谱；（f, g）Hemin-BTO、Hemin和BTO的Fe 2p和N 1s的光谱图。

紫外-可见漫反射光谱以及Mott-Schottky分析（图3）表明，Hemin-BTO 的ECB和EVB分别为-0.93 V和+2.19 V。由于Hemin-BTO的ECB比O2/O2•−, O2•−/H2O2和 H2O2/•OH的氧化还原电位更负，所以可以引发级联氧化还原反应。Hemin-BTO的EVB比H2O2/•OH的更正，这使得价带中的空穴（h+）能够将H2O2氧化为•OH自由基。因此，基于铁电效应，只要Hemin-BTO表面存在e−- h+对，氧化还原反应即可自发进行，从而高效产生多种ROS，使得Hemin-BTO表现出优异的类POD活性。同时，采用EIS对Hemin-BTO的电荷转移速率进行了研究，表明了负载hemin后，Hemin-BTO的电荷转移速率得到了显著的提升（图3）。

图3（a）BTO和Hemin-BTO的UV–vis漫反射光谱；（b）带隙；（c）Mott–Schottky图；（d）Hemin-BTO本征能带示意图；（e）BTO和Hemin-BTO的电化学阻抗谱。

Hemin-BTO的类POD活性显著高于纯Hemin、纯BTO以及Hemin-n-f-BTO，分别是它们的6倍、15倍和6倍（图4）。这说明，Hemin-BTO优异的类POD活性与自发极化电场和活性位点密切相关，两者缺一不可。同时，以TMB和H2O2为底物的催化常数（Kcat）高达9.71×105 s−1和1.41×106 s−1，分别是HRP的240倍和400倍。此外，Hemin-BTO催化过程中，产生了h+、•OH、1O2和O2•−，其中只有•OH、 1O2 和 h+在显色反应中起关键作用。

图4 （a）TMB氧化反应的原理示意图；（b）不同体系的吸收光谱，包括：Ⅰ： TMB， Ⅱ： TMB + H2O2， Ⅲ： TMB + Hemin-BTO，Ⅳ： TMB + H2O2+Hemin-BTO；（c）不同Hemin-BTO浓度下，TMB+ H2O2+Hemin-BTO的吸收光谱。Hemin-BTO对（d）TMB和（e）H2O2的双倒数图。（f、g）h+、•OH、1O2和O2•−的EPR光谱；（h）不同自由基清除剂对TMB+ H2O2+Hemin-BTO显色体系的影响。

进一步，运用DFT对BTO以及Hemin-BTO模型进行了计算分析（图5）。结果表明BTO的自发极化电场调节了活性位点hemin的内部静电场，从而增强了Hemin-BTO纳米酶与底物之间的亲和力。同时，hemin的引入有助于实现更高的载流子密度和降低中间体的吸附能，进而促进ROS的生成。此外，hemin的修饰显著改变了BTO界面的电子结构特征，并有效地降低了反应速率决定步骤的能垒，进而有效的调控了其类POD活性。

图5 （a） BTO和（b）Hemin-BTO模型中态密度分布的示意图；（c）BTO和Hemin-BTO类过氧化物酶催化氧化的反应过程，以及（d）相应的能量变化曲线；（e） BTO和Hemin-BTO在类过氧化物酶催化氧化过程中的表面结构模型。

最后，基于Hemin-BTO的超高催化活性，我们以Hemin-BTO纳米酶为标记物，构建了免疫吸附测定法（NLISA），用于心力衰竭标志物BNP的检测（图6）。NLISA的线性检测范围为10−500 pg mL−1，检出限为4 pg mL−1。构建的NLISA方法的检测限相较于其他分光光度酶联免疫吸附试验方法更低，甚至且其灵敏度已接近电化学发光及光电化学等高度灵敏的检测手段。