摘要
酶作为一种生物大分子催化剂具有温和、高效、专一等特点，广泛应用各种催化过程。然而，天然酶价格昂贵，稳定性差，易失活，难回收，严重制约了在生产实践中的应用。近年来，人工酶工程的发展为解决天然酶的上述缺陷带来了新的机遇，其中纳米酶是一类具有拟酶催化功能的纳米材料，具有制备简单、结构和功能可调、稳定性高、成本低廉等特点，已成为极具发展潜力的新一代人工酶。然而，目前纳米酶的设计合成仍以经验性试错为主，缺乏系统、科学的理论指导，导致纳米酶种类局限、活性偏低、选择性差、应用受限。据此，受天然酶构效关系启发，本研究采用仿生化策略设计制备了一系列新型纳米酶，系统探究了仿生纳米酶结构、性质和催化应用，为新型纳米酶的理性设计提供了理论和实践参考，主要研究内容和成果如下： （1）受天然碳酸酐酶（CA）活性中心锌和组氨酸咪唑配位结构启发，采用氨基酸微环境仿生策略以二价锌和三氮唑类有机配体为原料设计合成了一系列金属有机框架仿生CA纳米酶ZnTazs，成功构筑了Zn与三氮唑及其衍生物N/O原子配位微环境和几何结构，有效模拟了天然CA的结构和功能。结果表明，ZnTazs可有效催化模型底物p-NPA的水解，表现出良好的仿生CA催化活性，尤其是ZnTaz-1和ZnTaz-2，二者催化p-NPA的水解速率分别可达42.1和73.8nM·s–1，催化效率（Kcat/Km）分别为1.16和1.49M–1s–1，优于一些文献报道的CA模拟物；二者还可催化p-NPB的水解，催化速率分别可达27.86和43.00nM·s–1。ZnTaz-1和ZnTaz-2还具有良好的催化稳定性和重复利用性，经不同温度、pH和溶剂处理后仍保持较高活性和结构稳定性，重复利用6次催化活性仍分别保留61.4%和83.5%。最后，ZnTaz-1和ZnTaz-2可有效促进CO2的水合捕获，缓冲液pH降低速率明显优于对照组，30min内CaCO3沉淀量分别为106.4mg和117.6mg，分别为空白对照的3.4和3.8倍。 （2）受天然水解酶类活性中心组氨酸基本单元及锌离子辅因子结构启发，采用生物分子（肽）自组装仿生策略以Zn2+和三种富组氨酸七肽（Ac-IHIHIQI-CONH2、Ac-IHIHIYI-CONH2和Ac-IHVHLQI-CONH2）为基本单元构筑了具有广谱水解酶样活性的锌-七肽自组装生物纳米酶ZnHPs，系统探究了仿生纳米酶的结构、性质和催化应用。结果表明，在弱碱性环境中，Zn2+可诱导富组氨酸七肽自组装形成具有β-折叠二级结构和有序纳米纤维状微观形貌的生物纳米酶ZnHPs，可催化水解多种对硝基苯酯模型底物，包括结构简单的p-NPA，以及具有复杂烷基侧链或芳香侧链的p-NPB、p-NPH、p-NPO和p-NPS，催化过程符合典型的Michaelis-Menten酶促反应动力学模型，其中Zn2+-Ac-IHVHLQI-CONH2表现出了最高的仿生水解酶催化活性，归因于其独特的氨基酸序列所带来的优势超分子结构。最后，ZnHPs可用于高效降解塑化剂邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP），降解效率受温度、pH、反应时间等因素影响，其中Zn2+-Ac-IHVHLQI-CONH2对DEHP降解率可达到86.80%。 （3）受天然漆酶多铜基活性中心及其Cu2+/Cu+电子转移催化机制启发，采用金属活性中心仿生策略设计制备了一系列多价态铈基金属有机框架（MV-Ce-MOFs）仿生漆酶纳米酶，MV-Ce-MOFs固有的多价态铈（Ce4+/Ce3+）及其氧化还原反应性可有效模拟天然漆酶活性中心结构和功能。系统探究了MV-Ce-MOFs的合成、结构和拟酶催化特性，讨论了拟酶催化机理。以Ce-UiO-66和Ce-MOF-808为代表，结果表明，二者具有良好的晶体结构、有序微观形态和规则多孔网络，框架表面存在混合价态铈离子（Ce4+/Ce3+），表现出了良好的仿生漆酶催化活性和催化特性，可催化酚类、芳香胺类等多种典型漆酶模型底物及模式反应，催化效率高于等质量浓度天然漆酶。更重要的是，Ce-UiO-66和Ce-MOF-808具有良好的催化稳定性和重复利用性能，经高温、酸碱和有机溶剂等苛刻条件处理后仍保持较高活性，重复使用8个批次活性仍分别保留90.16%和83.04%，为二者催化应用奠定了良好基础。最后，上述金属活性中心仿生策略还通过其他代表性MV-Ce-MOFs得到了验证。 （4）鉴于Ce-UiO-66和Ce-MOF-808的良好仿生催化活性和稳定性，系统探究了二者在比色传感及环境污染物降解方面的应用。传感检测方面，首先基于氧化显色法建立了儿茶酚胺类神经递质多巴胺（DPA）的比色传感体系，结果表明，Ce-UiO-66和Ce-MOF-808对其检测线性范围分别为0–100和0–250μM，检测限（LOD）分别为1.73和2.65μM，具有快速、灵敏、准确和精密的特点，可用于尿样和盐酸多巴胺注射液的检测分析；然后基于纳米酶对TMB的氧化能力，建立了oxTMB还原褪色法检测硫醇污染物（MCs），结果表明，Ce-UiO-66和Ce-MOF-808对2-巯基苯并噻唑（MBTZ）检测线性范围均为0–100μM，LOD分别为5.34和4.26μM，干扰响应低，准确度高，可用于环境水样监测，此方法可类推至其他MCs；最后基于纳米酶介导的酶活抑制法建立了有机磷农药毒死蜱（CPs）的比色传感体系，Ce-UiO-66和Ce-MOF-808对其检测线性范围分别为0–100和0–120ng/mL，LOD分别为1.83和2.75ng/mL，选择性好，准确度高，可用于果蔬和水样农残检测。 （5）环境催化方面，系统探究了Ce-UiO-66和Ce-MOF-808在催化降解双酚A（BPA）和四环素类（TCs）抗生素方面的应用。结果表明Ce-UiO-66和Ce-MOF-808可通过氧化降解的方式去除BPA，催化反应受纳米酶浓度、反应时间、pH和底物浓度等因素影响，BPA（500μg/mL）优化降解率分别可达87.68%和93.55%，反应过程符合Michaelis-Menten动力学规律，循环利用性能较好，产物毒性较低；Ce-UiO-66和Ce-MOF-808还具有良好的四环素（TC）氧化降解能力，反应受温度、pH、纳米酶浓度等因素影响，TC优化降解率分别可达89.29%和94.69%，反应符合准一级动力学模型，热降解活化能（Ea）分别为34.56和24.99kJ·mol–1，鉴别出了13种降解产物、中间体。此外，Ce-UiO-66和Ce-MOF-808还可用于降解其他TCs，表现出了类似天然漆酶的多功能用途。
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