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前言:

多价金属纳米酶是一类基于过渡金属（如 Fe, Mn, Cu, Ce 等）构建的纳米催化材料，其核心特征在于金属离子具备可变的氧化态（如 Fe2+/Fe3+, Ce3+/Ce4+），能够高效模拟天然氧化还原酶的催化中心，在分析检测中展现出显著优于天然酶的催化效率与稳定性。

近日，徐州工程学院李昭博士与东南大学张宇教授团队在 《Chemical Engineering Journal》 上发表了题为 《Recent advances of multivalent metal nanozymes in analysis and detection》 的综述文章，系统总结了多价金属纳米酶在分析检测领域的最新进展、工作机制与应用前景，并对其未来发展方向提出了展望。

研究内容:

1 多价金属纳米酶：人工酶的“高能版本”

与传统天然酶相比，多价金属纳米酶具备以下突出优势：

催化效率高：催化活性可达天然酶的 10 倍以上，部分体系甚至提升 30 倍；

稳定性强：在极端 pH、高温等条件下仍保持活性，适用于复杂样品体系；

多功能模拟：可同时模拟过氧化物酶、氧化酶、超氧化物歧化酶等多种酶活性；

结构可设计：通过调控纳米结构、表面化学、金属配位环境，可精确调控其催化性能与选择性。

这些特性使其在食品安全快检、疾病标志物分析、环境污染监测等领域展现出巨大潜力。

2 工作机制：信号如何被“放大”与“转换”？

多价金属纳米酶在检测中的核心机制主要包括：

2.1 催化信号放大机制

纳米酶表面高密度的活性位点可实现底物的高效转化，通过级联反应或产物循环实现信号指数级增长。例如，Fe3O4 纳米酶催化 TMB 显色反应的速率可达天然辣根过氧化物酶的 30 倍。

2.2 目标触发活性调控

目标物与纳米酶或其表面修饰物（如适配体、抗体）结合后，可动态调节催化活性，实现“开-关”型信号响应，提升检测特异性。

2.3 级联催化增强特异性

将纳米酶与天然酶或其它催化剂在空间上耦合，构建有序催化链，实现“识别-转化-信号输出”一体化，大幅降低背景干扰。

2.4 环境响应信号输出

纳米酶的催化活性可受 pH、温度、光、磁场等外部信号调控，适用于智能传感与可控检测。

2.5 纳米酶介导的信号转换

将识别事件转换为电化学、荧光、比色等多模态信号，兼容常规检测设备，实现高灵敏度定量分析。

3 多模态分析方法：从“单一看”到“多维测”

基于多价金属纳米酶的分析方法已从单一信号模式发展为多模态联用平台，显著提升检测可靠性：

4 应用场景：从实验室走向现场

多价金属纳米酶可用于农药残留、抗氧化剂、重金属等有害物质的快速筛查。例如：Ce-MOF 纳米酶可在 2 min内区分多种抗氧化剂；PtNPs/PtSA-NC 材料可实现有机磷农药的可视化检测。

图1：Ce-MOF 纳米酶用于抗氧化剂的区分检测（a）；HS-Mn/Co-MOF 中空结构纳米酶催化 TMB 氧化的可能机制（b）。（来源：原文献图6）

4.2 生物活性分子检测

在疾病标志物（如 PCT）、神经递质、代谢物等检测中发挥重要作用：

Mn2O3@dPCN 纳米酶构建的免疫传感器，对 PCT 的检测限低至 0.011 ng/mL；

CuMn-His 超小纳米酶可实现多种生物硫醇的高选择性识别。

图2：基于 CuMn-His 纳米酶构建的比色传感阵列，用于生物硫醇检测与疾病识别。（来源：原文献图7）

图3：Mn2O3@dPCN 纳米酶的制备及其在降钙素原免疫检测中的应用原理。（来源：原文献图8）

4.3 环境污染监测

适用于水体、大气、土壤中污染物如重金属、有机磷农药、酚类化合物的检测：

CuCo-NPC 纳米酶构建的电化学-比色双模式传感器，可同时检测邻苯二酚；

金属-嘧啶纳米立方具备 pH 可切换的双酶活性，适用于宽 pH 范围内的农药检测。

图4：金属-嘧啶纳米立方用于宽 pH 响应型有机磷农药传感（a）；CuCo-NPC 纳米酶的合成及其在邻苯二酚双模式检测中的应用（b）。（来源：原文献图9）

5 挑战与展望：迈向智能、精准、实用的下一代纳米酶传感器

尽管多价金属纳米酶发展迅速，但仍面临以下挑战：

选择性优化：在复杂基质中如何避免非特异性反应；

机制深度不足：多价态协同催化机制尚不明确；

生物相容性：金属离子释放可能引起的细胞毒性；

标准化与规模化：材料合成一致性、批次稳定性待提升。

未来发展方向包括：

人工智能辅助设计：通过机器学习预测材料构效关系，加速纳米酶开发；

多模态系统集成：结合智能手机、微流控纸芯片，开发便携式现场检测设备；

机制研究深化：利用原位表征与理论计算揭示催化本质；

安全性与标准化：建立生物安全评价体系与产业标准。

图5：多价金属纳米酶在分析检测中面临的主要挑战与未来发展方向示意图。（来源：原文献图10）

研究总结:

多价金属纳米酶作为新一代仿生催化材料，正在推动分析检测技术向更高灵敏度、更强选择性、更好实用性的方向发展。随着材料设计、机制解析与器件集成等多学科交叉融合，其有望在个性化医疗、智能环境监测、现场快速检测等领域实现更广泛的应用落地。该综述不仅系统梳理了多价金属纳米酶的研究现状，也为未来理性设计高性能纳米酶传感器提供了重要参考。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171146

作者团队：

徐州工程学院李昭博士

东南大学张宇教授团队

期刊信息：

Chemical Engineering Journal, Volume 526, 2025, 171146