单原子纳米酶的展望：先进的合成技术、功能机理及其生物医学应用

“纳米酶 (Nanozyme)”是指蕴含酶学特性的纳米材料，它能够在生理条件下催化酶底物的反应，具有如同天然酶一样的催化效率和酶促反应动力性质。但是纳米酶活性中心密度低，导致其催化活性远低于天然酶。而单原子纳米酶的金属中心分散，最大限度地提高了活性中心的原子利用率和密度；另外，明确的配位结构为催化机理研究和设计提供了新的视角。单原子纳米酶具有成为下一代纳米酶的巨大潜力。

上海大学叶代新副研究员和赵宏滨教授等研究者近日总结了单原子纳米酶的发展和应用。对单原子纳米酶的合成、功能机制和生物医学应用相关研究进行了综述。

本文要点：

（1）单原子纳米酶(SANs)是一种近年来发展迅速的新一代纳米酶，其在生物传感、疾病诊断与治疗、生物成像等领域有着广泛的应用。SANs具有分散的单原子结构和良好的配位环境，也具有显著的催化活性和稳定性。

（2）作者在文中从合成、表征、功能机制、性能验证和优化以及生物医学应用等方面综述了近年来国内外对SANs的研究进展。分析了目前影响SANs实际应用的若干技术难题，并提出了克服这些难题的研究策略。

目前单原子纳米酶(SANs)具有以下挑战：

（1）低效的酶样催化活性。尤其是在生理环境下，对具有小分子和自由基的类酶催化性能的SAN的改进仍然具有挑战性。

（2）模拟物的催化选择性不足。大多数SANs的底物选择性不足，是因为其是一种缺乏生物空间结构的无机催化剂。而催化选择性高度依赖于SAN活性中心附近的空间结构。因此，实现与天然酶相似的选择性仍是一项艰巨的任务。

（3）缺乏对纳米酶催化机理的认识。为了更好地了解SANs的复杂结构和催化性能，需要更有效，更高级的原位表征和计算技术。例如活性金属中心周围的配位环境（例如，配位数，距离和相邻的原子种类）以及金属与载体之间的电子相互作用机理。

（4）有待开发更广泛的生物医学应用。随着对纳米酶催化机理的进一步加深，这些新颖的SANs可以在将来应用于各种生物医学类领域。

相关论文发表在Analytical Chemistry上。文章的第一作者是上海大学沈丽华硕士研究生，通讯作者为上海大学叶代新副研究员和赵宏滨教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Perspectives for Single-Atom Nanozymes: Advanced Synthesis, Functional Mechanisms, and Biomedical Applications

Lihua Shen, Daixin Ye*, Hongbin Zhao*, Jiujun Zhang

Anal. Chem., 2021, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c04084

研究团队简介

叶代新副研究员：上海大学特聘副研究员，硕士生导师，上海市青年东方学者。2015年博士毕业于复旦大学师从国家杰出青年获得者孔继烈教授。2015年-2019年在瑞典哥德堡大学从事博士后研究，合作导师为瑞典皇家科学院院士Andrew Ewing教授。主要从事新型碳纳米材料开发设计，主要用于催化和电化学传感领域等。目前已发表文章近50篇，其中第一作者或通讯作者文章28篇，引用1500多次，H指数为20。

赵宏滨教授：现为上海大学理学院化学系科研副主任，可持续能源研究院氢能燃料电池研究中心常务副主任，科技部重点研发计划锂离子和燃料电池会评网评专家。主要研究方向为燃料电池电极材料、锂离子电池、锂硫电池和超级电容器等。至今已发表高水平SCI和EI论文共80余篇，入选ESI高被引论文4篇，HOTPAPER论文1篇，他引总次数超过1600次。

张久俊院士：博士/教授/博士生导师，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大工程研究院院士，长期从事电化学能源存储和转换的研究和产业化工作。曾担任加拿大国家院首席科学家，并在全球领先的企业任职过高级研究员和项目经理；加拿大国家自然科学基金会评专家、美国国家能源部（DOE）基金委员会评委、国际科技基金仲裁团委员；连续7年入选全球高被引学者名单。至今已发表科学技术论文报告400多篇，被引用22000多次。