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*本文首發于“納米酶Nanozymes”公衆号，2022年8月29日

*編輯：俞紀元

納米酶兼具傳統酶的高催化性能與納米材料的穩定結構，具有成本低、環境穩定性高以及結構設計靈活等優勢，因而在傳感、成像、疾病治療和組織工程等多個領域受到廣泛關注。目前，雖然研究人員在納米酶的開發與利用方面做出了極大的努力，但其活性和選擇性與天然酶之間仍存在一定差距。近年來，有研究表明将活性物質封裝在中空結構的空腔内構建納米反應器可顯著增強材料的催化活性。盡管已經開發出一些基于碳納米管限域結構的功能性納米材料，但設計和制造具有特定尺寸的碳管反應器來限域催化劑以實現類酶活性的增強仍然是一個挑戰。

近日，盧曉峰教授等提出了一種包覆-熱解的策略，成功制備了封裝了Fe0納米粒子（Fe NPs）的氮摻雜碳管（Fe@NC NTs）。由于其獨特的限域結構和組分間強大的相互作用，展現出遠優于非限域的Fe納米粒子和氮摻雜碳管（NC NTs）的類過氧化物酶活性。此外，還具有優良的重現性以及較為理想的長期儲存穩定性，有利于實際應用。基于其優異的類過氧化物酶催化活性實現了總抗氧化能力（total antioxidant capacity, TAC）的檢測，在食品安全和人類健康方面展現了廣闊的應用前景。

作者首先利用靜電紡絲技術制備了形貌均一的Fe2O3納米纖維，随後，通過氧化聚合在其表面包覆聚吡咯（polypyrrole, PPy）鞘層。最後，經過在H2/Ar混合氣氛中進行高溫碳化及還原，Fe2O3納米纖維轉化為Fe NPs并封裝在由PPy層衍生的NC NTs中（圖1）。

圖1：（a）Fe@NC NTs的制備流程圖；

（b-d）Fe2O3納米纖維、（e-g）Fe2O3@PPy-20納米纖維和（h-j）Fe@NC-20-700 NTs的SEM、直徑分布和TEM圖。

作者對所制備的Fe@NC NTs的類酶活性進行了探究，發現其具有優異的類過氧化物酶活性，在H2O2存在下，可快速催化3,3’,5,5’-四甲基聯苯胺（TMB）氧化（圖2a和b）。此外，作者對催化體系的pH值、PPy殼層厚度以及熱解溫度等條件進行了優化，證實當吡咯單體加入量為20 μL、熱解溫度為700 ℃時，可獲得催化活性最好的Fe@NC NTs（圖2c和2d）。實驗結果證實了過厚的外壁可能會影響電子轉移，導緻催化活性下降。此外，随着溫度的升高，碳結構石墨化程度随之提高，加快了電子轉移速率，從而使催化活性得到提升。然而過高的熱解溫度會造成納米粒子的聚集且碳管受到破壞，繼而導緻催化活性下降。進一步的穩态動力學分析證明Fe@NC-20-700 NTs對H2O2和TMB都具有最小的Km值，意味着其具有與底物具有最大的親和能力，與其所具有的最佳催化活性相對應（圖2e和f）。

圖2：（a）Fe@NC NTs的類過氧化物酶催化特性；

（b）不同體系的紫外-可見吸收光譜；

（c）pH值對Fe@NC NTs類過氧化物酶活性的影響；

（d）不同吡咯單體加入量和不同熱解溫度下獲得的Fe@NC NTs的類過氧化物酶活性；

（e）不同吡咯單體加入量的Fe@NC NTs分别以H2O2和TMB為底物的Km值；

（f）不同煅燒溫度下獲得的Fe@NC NTs分别以H2O2和TMB為底物的Km值。

為了确定Fe@NC NTs優異的類過氧化物酶活性的來源，作者還将其與非受限Fe NPs和NC NTs的催化活性進行了對比。如圖3a所示，Fe NPs的催化活性可以忽略不計，而将其封裝在NC NTs中後，類過氧化物酶活性顯著增強。此外，NC NTs的催化活性也不理想，進一步說明了Fe@NC NTs的限域結構的重要作用，這可能與活性分子的濃度和受限結構中傳荷/傳質性能的提高有關。随後，利用電子順磁共振波譜（EPR）測試對生成的活性中間體進行鑒定，表明Fe@NC NTs可以催化分解H2O2産生•OH，從而表現出優異的類過氧化物酶活性（圖3b）。此外，所制備的納米酶還展現了良好的重現性和長期儲存穩定性（圖3c和d）。

圖3：（a）Fe@NC NTs與Fe NPs和NC NTs的類過氧化物酶活性對比；

（b）EPR圖譜；

（c）五個批次Fe@NC NTs的類過氧化物酶活性；

（b）Fe@NC NTs的長期儲存穩定性。

基于Fe@NC NTs優異的類過氧化物酶活性，作者實現了以抗壞血酸（AA）為抗氧化模型的對商業飲料、新鮮果蔬的TAC檢測，與傳統的銅還原總抗氧化能力（CUPRAC）檢測方法具有一定的可比性（圖4），證實了基于Fe@NC NTs納米酶的TAC檢測方法的可靠性，具有良好的實際應用價值。此外，該工作提出的将納米顆粒可控地限制在管狀碳納米材料内的合成策略，可以推廣到構建其他多孔限域催化劑，具有廣闊的應用前景。

圖4：（a）Fe@NC NTs-TMB-H2O2體系在不同AA濃度下的紫外-可見吸收光譜；

（b）651 nm處吸光度-AA濃度曲線，插圖為吸光度與 AA 濃度的線性關系曲線圖。

（c）CUPRAC體系的吸光度與AA濃度的線性關系圖；

（d）兩種方法測定真實樣品的TAC值。

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撰稿：宋 娜

審閱：劉淑傑

編輯：楊從忠