Angew. Chem. ：级联限域反应提升纳米酶选择性和传感灵敏度

天然酶由于催化效率高、底物选择性强而备受关注，然而大部分天然酶存在生产和纯化操作困难、极端条件下稳定性差等缺点，极大地限制了其在复杂甚至苛刻的工业反应体系中的应用。自从具有类过氧化物酶活性的纳米氧化铁被报道以来，大量的纳米材料被用于模拟天然酶的功能。这些同时具有天然酶活性和纳米材料理化特性的纳米酶在一定程度上克服了天然酶的缺点，在生物传感、疾病治疗和环境治理等领域展现出广阔的应用前景。然而，由于纳米酶中缺乏天然酶中的分子识别单元，因而研究如何提高纳米酶的选择性具有非常重要的意义。

围绕这个科学问题，涌现了许多创造性的解决思路，如以引入天然酶或者人工识别单元（分子印迹和环糊精）为代表的外在途径和以调控纳米酶配位结构为代表的内在途径。但是，由于纳米酶的多样性和复杂性，亟需发展一种普适性的方法来提高其选择性。众所周知，经过数百万年的进化，生命体内的化学转化和信号传导具有高效和高特异性的特征，多酶的级联反应在其中起着至关重要的作用。不仅如此，生命体内的级联反应通常发生在限域空间内，这不仅可以提高各酶促反应对底物的选择性，而且还能够有效防止中间产物的损失，提高反应效率。

图1. N-C和PB纳米酶级联反应体系的高选择性展示图

通过借鉴生命体中化学转化的基本原理，近日东南大学张袁健教授课题组提出了在微流控装置中构建纳米酶催化的级联反应体系，通过对底物的逐步筛选和定向流通，实现了基于纳米酶的高选择性催化反应。该研究以碳氮纳米笼（N-C）和普鲁士蓝纳米颗粒（PB）两种纳米酶为例成功构建了级联催化体系，通过对纳米酶的种类和组合顺序的调控，利用两步反应对底物进行筛选，发现21种起始小分子底物中（包括谷胱甘肽和细胞色素C）只有抗坏血酸（AA）能够最终获得TMB氧化产物，与干扰物的转化反应相比，其选择性高达2000倍（图1）。

进一步利用微流控系统消除底物和中间产物间潜在的干扰，将N-C和PB固定在微流控芯片的流道中驱动催化级联反应，AA在第一个通道中被N-C催化氧化产生H₂O₂，然后H₂O₂进入第二个通道，成为第二个催化反应的底物之一，即在PB催化下氧化TMB。与开放式反应系统相比，利用此微流控装置中的级联反应，检测AA的灵敏度提高了110倍（图2）。

图2. 微流控装置的示意图和限域空间系统与开放式系统检测AA的对比图

通过向大自然学习，本研究不仅为提高纳米酶的反应选择性提供了一个简单便捷的普适性方法，还提高了检测灵敏度。为应对更加复杂和苛刻的应用场景，可联合该方法与其他已有报道的策略，进一步优化纳米酶体系的选择性。此外，本研究所提出的限域空间内的纳米酶级联反应有望用作一个简化的模型，用于揭示更多细胞内代谢的理化过程。

论文信息：

Cascaded Nanozyme system with High Reaction Selectivity by Substrate Screening and Channeling in a Microfluidic Device

Qing Zhou, Hong Yang, Xinghua Chen, Yuan Xu, Dan Han, Sisi Zhou, Songqin Liu, Yanfei Shen, Yuanjian Zhang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202112453