综述：近年来，类漆酶纳米酶在分析应用方面的进展

《Toxicon: X》：Recent advances in the analytical applications of laccase-like nanozymes

本文系统综述了laccase-like纳米酶的材料类型、设计策略及其在环境监测、食品安全和生物医学检测中的应用，重点讨论了催化机制、结构优化和电子调控等提升性能的方法，并展望了未来发展方向。

　　

Xu Zhang|Xiaodan Zhang|Yuwan Lu|Yuming Huang

中国重庆西南大学化学与化学工程学院，400715

摘要

类漆酶纳米酶是一类新兴的功能性纳米材料，它们模仿天然漆酶的催化机制。这类纳米酶通过四电子氧还原反应将酚类和非酚类底物氧化为水，过程中不会产生有害的H₂O₂。这种独特的催化能力使它们在分析应用中具有吸引力。值得注意的是，这类纳米酶已经发展出一种一致的设计策略，并且其结构与活性之间存在明确的相关性。本文全面概述了类漆酶纳米酶在材料类型、设计、催化机制及分析应用方面的最新进展，重点讨论了它们在环境分析、食品安全和双分子分析中的潜在应用。同时，还介绍了通过仿生活性位点工程、结构优化和电子调控来提升酶样性能的合理设计策略。文章还指出了类漆酶纳米酶在先进检测技术中的发展方向，并对其当前面临的挑战进行了全面分析，以促进其持续发展。

引言

漆酶（EC 1.10.3.2）是一种多铜氧化酶，能够催化多种底物的氧化，包括酚类和胺类物质，并将分子氧还原为水[1]。由于其广泛的底物特异性和环保的催化特性，漆酶在传感、环境修复等领域具有广泛应用[1]。然而，天然漆酶的实际应用常常受到其对环境条件的敏感性、高生产成本以及回收和再利用困难的限制。纳米酶的出现为开发出稳健、可扩展且高效的生物催化剂提供了新的途径[1, 2, 3, 4, 5]。其中，类漆酶纳米酶因其能够复制天然漆酶的催化功能，同时具备更高的稳定性、可调的活性和易于功能化的特点而受到广泛关注[6, 7, 8]。自2015年首次报道具有类漆酶活性的含铜碳点（Cu-CDs）以来[9]，类漆酶纳米酶家族迅速扩展，包括配位聚合物[10, 11, 12]、金属有机框架[13, 14]、单原子纳米酶（SAzymes）[7, 16]以及复合纳米材料[17, 18, 19]。近年来，类漆酶纳米酶领域发展迅速，相关研究论文数量显著增加（见图1A）。如图1B所示，约60%的类漆酶纳米酶基于含铜催化系统，这些系统模仿了天然漆酶的多铜活性位点结构[20, 21]。这类纳米酶表现出较高的催化效率和可调的反应性，适用于环境监测[22, 23]、食品安全保障[15, 24]以及临床诊断[26, 27]等领域。此外，其他金属中心（如Mn、Fe、Co、Ce等）也具备类漆酶功能，为新型催化机制和扩展底物特异性提供了可能性[16, 19, 27, 28, 29]。Lynette等人总结了基于金属有机框架（MOFs）的类漆酶材料，但未详细讨论其传感应用[30]；Mekonnen等人介绍了基于类漆酶材料的比色传感平台[31]；Gu等人概述了多酚氧化酶类纳米酶的生物医学应用及环境修复潜力[32]；Wang等人简要介绍了通过配位策略制备的类漆酶纳米酶及其分析应用[33]；另一篇综述专门探讨了类漆酶纳米酶在污染物检测中的应用，总结了过去三年中基于铜和小分子配体的类漆酶纳米酶的研究进展[1]。目前，关于类漆酶纳米酶分析应用的系统性综述仍然不足，尤其是在比色检测、电化学检测、荧光检测、比率荧光测定和多模式传感器阵列方面。因此，有必要进行全面的综述以填补这些知识空白，为类漆酶纳米酶在分析科学中的合理设计和应用提供指导。

本综述全面总结了自2015年首次报道类漆酶纳米酶以来十年间的分析应用进展[9]。首先阐述了这些纳米酶的催化机制和结构基础，然后根据其组成和设计对其进行了详细分类。文章讨论了提升其性能的策略，包括仿生活性位点构建、缺陷工程和电子结构调控。此外，还重点介绍了这些纳米酶在传感中的应用，涵盖了传统的比色、荧光和电化学方法，以及创新的比率荧光和多模式传感器阵列。最后，讨论了当前面临的挑战及未来发展方向，强调了类漆酶纳米酶在连接实验室研究与实际分析应用方面的潜力。

类漆酶纳米酶的定义及其催化机制

漆酶是一种特殊的多铜氧化酶，其活性位点包含一个四核Cu簇[34]，由三种不同类型的铜（T1、T2和T3）组成，共同构成催化核心（见图3A）。它能够催化多种酚类和非酚类底物的氧化，并将分子O₂还原为H₂，过程中不会产生H₂O₂，是一种环保的生物催化剂。类漆酶纳米酶继承了漆酶的这些特性

类漆酶纳米酶的材料类型

类漆酶纳米酶的研究领域不断发展，旨在模仿天然漆酶的催化功能并克服其固有的局限性。由于类漆酶纳米酶的催化性能主要由其材料组成和原子结构决定，因此明确这些纳米酶的材料类型不仅有助于了解当前的研究现状，还能为未来的研究提供方向

类漆酶纳米酶的设计策略

天然漆酶因其高度有序的多铜中心（T1、T2和T3）、精确的配位环境以及明确的电子转移路径而具有出色的催化效率。因此，类漆酶纳米酶的合理设计不仅需要提高整体催化活性，还需要在纳米尺度上重构这些关键的结构和功能模块。虽然通用方法（如增加活性位点密度）也有帮助，

基于类漆酶纳米酶的传感模式

由于类漆酶纳米酶出色的催化性能和模仿天然酶的能力，它们通常可以在不需要额外外部底物（如H₂O₂）的情况下催化目标分析物的氧化。这一特性简化了分析过程，减少了底物依赖性和干扰。因此，它们被广泛应用于各种传感平台，包括传统的比色、电化学等传感方式

基于类漆酶纳米酶的分析应用

作为新兴的纳米酶之一，类漆酶纳米酶相比天然漆酶具有更高的稳定性、环境耐受性和成本效益，使其成为多种分析应用的有力候选者。它们在环境监测、食品安全分析和生物传感方面展现出巨大潜力，这得益于其在酚类、芳香胺类和硫醇键反应中的高效催化能力。本节总结了类漆酶纳米酶在这些领域的最新进展

总结与未来展望

在分析应用领域，类漆酶纳米酶已成为重要的工具。与其他类型的氧化酶纳米酶相比，基于类漆酶纳米酶的传感方法不需要依赖酸性环境，也不会产生有毒的H₂O₂，从而扩展了其应用范围。特别是基于类漆酶纳米酶的传感器具有多种响应机制、多样的传感模式和机器学习辅助优化等优点

CRediT作者贡献声明

Yuming Huang：撰写——综述与编辑、监督、概念构思。Xu Zhang：撰写——初稿、实验研究、数据整理。Xiaodan Zhang：撰写——综述与编辑、监督。Yuwan Lu：撰写——初稿、实验研究、资金获取、数据分析

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

感谢中国自然科学基金（项目编号：22506012）的资助。