基于单颗粒成像的纳米酶生物效应研究

Nanozymes are nanomaterials with enzyme-like biocatalytic activity. They hold great promises in bioanalysis and clinical diagnostics and treatments due to their excellent chemical diversity and structural stability. However, the microscopic catalytic mechanisms and the structure-activity relationships of nanozymes remain under debate, thus hampering their practical applications because of the limited biocatalytic efficiency as well as the substrate specificity. Here we propose a single nanoparticle level mechanistic study to clarify the structural basis of nanozyme’s enzyme-like activity by using two kinds of chemical imaging techniques. By taking transition metal oxides, Prussian-blue analogues, and nobel metals as three types of model redox nanozymes, surface plasmon resonance microscopy and dark-field microscopy are employed to determine the biocatalytic activity of single nanozyme against its natural substrate, and to map the sub-nanoparticle distribution of activity. In combination with in situ structural characterization tools such as scanning electron microscope, the structure-activity relationship can be explored and established at single nanoparticle and even sub-nanoparticle levels. These results are anticipated to guide the rational design and optimization of nanozyme systems with higher catalytic activity and improved substrate specificity, and to boost their applications in bioanalysis and clinical diagnostics and treatments.

纳米酶是一类具有类酶生物催化效应的功能化纳米材料，具有化学多样性好和结构稳定等优点，在生物检测和临床诊疗等领域具有巨大的应用潜力。当前纳米酶研究中的一个瓶颈问题是其生物效应的微观结构基础尚不明确，从而制约了纳米酶催化效率和底物专一性的进一步改善，阻碍了其实际应用。本项目拟以过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物和贵金属等三类氧化还原型纳米酶为模型体系，利用表面等离激元共振和暗场散射两种化学成像技术测量单个纳米酶颗粒的生物催化活性，绘制活性区域的空间分布图像；结合电子显微镜等原位结构表征和调控技术，在单颗粒乃至亚颗粒尺度上阐释纳米酶生物效应的微观结构基础，以期揭示新的生物催化机制；在此基础上理性设计与构建具有高催化活性和优良底物专一性的新型纳米酶催化体系，增强其应用于生物分析的效能。本项目的成功实施将丰富人们对纳米材料调控生命过程的认识，对于推动纳米酶在生物检测和临床诊疗中的深入应用具有重要意义。

纳米酶是一类具有类酶生物催化效应的功能化纳米材料，具有化学多样性好和结构稳定等优点，在生物检测和临床诊疗等领域具有巨大的应用潜力。本项目提出以过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物和贵金属这三类常用的氧化还原型纳米酶为模型体系，一方面利用SPR成像技术研究单个纳米酶颗粒对其天然底物的催化活性和活性位点分布；另一方面结合电子显微镜等结构表征技术获取同一个体的结构信息，在单颗粒水平上探索纳米酶生物效应的微观结构基础。. 本项目按照研究计划顺利执行。在方法开发方面，分别以过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物和贵金属这三类纳米颗粒为研究对象，利用SPR显微成像技术开展了单颗粒水平的氧化还原反应动力学研究，实现了单颗粒化学反应活性的测量以及亚颗粒水平的活性位点分布研究。在构效关系机制研究方面，揭示了电子密度的不均匀分布对单个金纳米颗粒和普鲁士蓝纳米颗粒光学质心的影响规律，阐明了离子和电子在单颗粒内部协同输运的空间轨迹，实现了普鲁士蓝纳米颗粒内部两种电荷储存机理的定量区分。这些研究工作对于阐明纳米酶生物效应的微观结构基础提供了重要的科学数据和方法学支撑。. 通过对照项目计划书，各项研究目标均已顺利完成，部分指标超额完成。在基础研究方面，以Fe3O4、CdS、Au、Pt/C、普鲁士蓝这5种典型的氧化还原型纳米酶为模型体系探索了其结构—活性关系。在仪器装置改进和方法开发方面，发展了2种评估单个纳米颗粒催化活性的新方法，建立了2种生物分析新技术分别实现了氧气、氢气等重要分析物的高灵敏检测与成像分析。相关研究成果共发表SCI论文16篇，其中包括PNAS（2篇）、JACS（2篇）、Nat. Commun.（1篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（1篇）、ACS Nano（2篇）、Chem. Sci.（1篇）、Anal. Chem.（4篇）等。项目标注方面，所发表的16篇论文中有10篇以第一标注致谢了本项目支持，6篇为第二标注。项目执行期内，提交中国发明专利2项，均已获授权。项目负责人参加国际国内学术会议12次，国内外邀请访问报告15次。主办小型学术会议2次，国内外参会代表总计70人，通过会议交流扩大了本项目所研发技术的影响力和认可度。