纳米材料模拟酶应用进展

吴 鹏，陈 诚,2*，赵雪伶,2*，林东海,2

(1 上海第二工业大学 能源与材料学院，上海 201209;2 上海先进热功能材料工程技术研究中心，上海 201209)

生物大分子包括蛋白质、核酸等物质，而酶在生物体内是以蛋白质的形式存在的一种生物大分子。酶具有不改变化学平衡、提高化学反应效率和特异性催化某些化学反应等许多特点，在生物医药[1-2]、催化[3]和检测[4]等领域有着广泛应用。

天然酶是由活细胞产生，具有完整的化学结构和空间结构，主要是各种氨基酸通过肽键连接形成具有特殊催化功能的蛋白质，其来源一般是提取自动物组织或者微生物发酵。在温和条件下(接近环境温度，大气压力和中性pH)，天然酶对底物具有高催化活性和高选择性，能够介导生物体中绝大多数的生物过程[5-8]。

虽然天然酶有着专一性高、催化能力强等特点，但是存在易失活、稳定性差、合成困难、纯化复杂、价格昂贵等缺点，阻碍了其大规模开发、利用。因此，科学家一直致力于天然酶结构特征模仿和人工模拟酶催化机制的研究[9]，希望克服天然酶的一系列缺点，研发出具有类似天然酶的简单结构的模拟酶。目前，纳米材料已经可以模拟过氧化物酶、新型漆酶、胆固醇氧化酶和过氧化氢酶等多种天然酶。与天然酶相比，纳米材料模拟酶具有制备简单、性质稳定、重复性好、选择性高等优点，大大提升了酶在各领域的应用范围。经过大量研究发现，纳米材料的活性不是一一对应的，通常一种纳米材料可以表现出多种酶活性，而且不同种类的纳米材料也可以表现出同种酶活性。如金纳米材料可以表现出过氧化物酶、葡萄糖氧化酶、氧化酶等多种酶活性；而氧化铜、碲化镍、多金属盐、羧基化富勒烯、聚吡咯、二硫化钼和硫化镉都可以表现出过氧化物酶活性。目前，纳米材料模拟酶不仅可以应用在电化学传感领域以及谷胱甘肽、葡萄糖、胆固醇、H2O2等物质的测定，还能应用于环境污染防治领域中减少重金属盐含量、农药含量测定和预防疾病的基因检测。鉴于此，本文简单介绍了人工模拟酶、纳米材料模拟酶及其应用进展，并对未来纳米材料模拟酶的发展进行了一些讨论和展望。

1 人工模拟酶

在1877年Wilhelm定义了“酶”的概念后，人工模拟酶[10]逐渐发展成为了一个热门的领域，吸引了大量研究人员的注意。人工模拟酶是基于1988年Cram，Pederson与Lehn共同提出的主-客体化学与超分子化学两大理论[11-12]通过一系列化学反应合成与天然酶同样的活性中心和专一催化活性的非蛋白质分子，寻找和天然酶催化活性类似的替代材料。目前传统的模拟酶主要为3种类型，分别是模拟酶和天然酶金属离子相同、模拟酶和天然酶催化活性中心类似以及整体模拟天然酶[13]。

研究发现，一些无机纳米材料催化效率与天然酶极其相似，并且具备类似天然酶的催化特性。改变纳米材料的粒径、形貌和组分等可以调控和优化其热力学性能、电学性能、光学性能、磁力学性能以及催化性能。纳米材料模拟酶具有天然酶不具备的制备简单、性质稳定、重复性好、选择性高、对外部环境依赖性低等优点[14-15]。因此，科学家[16-18]将这种和天然酶含有类似活性的纳米材料统称为纳米材料模拟酶，简称纳米酶。

最近几年，一些纳米材料表现出十分令人惊叹的酶活性，如金属有机框架、金纳米粒子、双金属纳米粒子和铁磁体等。这些纳米材料模拟酶在生物传感、癌症诊断测试、免疫测定、神经保护、环境监测和污染物去除等研究领域[19]广泛应用。

纳米材料模拟酶一般分为金属氧化物纳米模拟酶、贵金属纳米模拟酶、碳基模拟酶、纳米酶复合体、金属有机框架化合物(metal-organic framework，MOFs)等5类。金属氧化物纳米模拟酶中以磁性四氧化三铁为代表的铁氧化物纳米酶在很多领域中广泛应用。例如， Ran等[20]制备了一种形状规则、组成均匀的核壳材料，可用于固定化漆酶的合成。通过自组装的方法将磁性Fe3O4纳米颗粒包裹MoS2，并将Fe3O4@MoS2进一步包裹聚乙烯亚胺制得固定漆酶。所合成的固定漆酶在较宽的pH值(3～10)、温度(20～70 ℃)和贮存时间(1～14天)范围内性质稳定，可回收性优异。与游离漆酶相比，固定化漆酶对水中致癌性持久性有机污染物的降解效率更高，实验测得固定漆酶对水中致癌性持久性有机污染物的负载能力为120 mg/g，活性回收率高达90%。

贵金属纳米模拟酶主要利用贵金属模拟酶的活性，例如金纳米粒子、铂纳米粒子、银纳米粒子以及多金属形成的复合纳米材料，这些纳米材料具有较强的催化活性，可以用来制备比色传感器、检测H2O2和葡萄糖。Meng等[21]开发出一种测定氧四环素的生物传感器，其原理是利用金纳米表面电荷特性与生物DNA分子、氧四环素配体的特异性结合，在最佳实验条件下，拉曼信号与氧四环素浓度呈正相关。实验结果表明基于金纳米的传感器具有非常高的选择性。路丽霞等[22]利用碘离子抑制铂纳米粒子过氧化物，模拟酶活性建立了I-的比色传感体系。此方法成功应用于食盐样品和水样中I-的检测。

碳基模拟酶是以碳基纳米材料为主，因为碳基纳米材料能够模拟天然酶的活性，如掺杂碳[23]、碳纳米管(CNTs)[24]和石墨烯[25]等碳类材料成为近些年来的研究热点。Wu等[26]通过水热反应合成了硫掺杂石墨烯。掺杂硫后石墨烯的类过氧化物酶活性大大提高，主要是由于含硫基团提供了类过氧化物酶活性位点。硫原子具有吸引电子的性质，使硫掺杂还原氧化石墨烯具有更宽的能带，加速H2O2的分解，而且硫原子的掺杂还引起相邻碳原子的极化，导致碳骨架中产生更多的缺陷，这些缺陷提供了高活性的催化位点。基于此建立的高效灵敏的葡萄糖比色检测系统测得的检测限低至0.38 μmol/L。

纳米酶复合体一般是指为了提高纳米材料模拟酶的催化活性，将不同材料的纳米材料模拟酶组装形成复杂高效的纳米催化体系。Lien等[27]研究了具有类过氧化物酶的催化活性的纤维蛋白原修饰Au-Bi (Fib-Au-Bi)纳米材料用于检测凝血酶。凝血酶可以加速纤维蛋白原水解为纤维单体，而在含有H2O2的条件下，10-乙酰基3,7-二羟基吩嗪(AR)能够被凝血酶催化氧化生成具有强荧光的物质。基于此创建的纤维蛋白原修饰Au-Bi纳米粒子(Fib-Au-Bi NPs)荧光法成功检测了凝血酶。

MOFs因为具有比表面积高、多孔有序、结构尺寸可调控优化等优点也可以作为过氧化物模拟酶。美国Yaghi课题组[28]和日本Kitagawa课题组[29]合成的MOFs材料结构十分稳定，这项工作将化学中通常分离的有机和无机两个分支结合起来，并展现了巨大的应用潜力。现在MOFs材料的种类突破数万种，如ZIFs系列、HKUST系列和MIL系列等。Zhao等[30]报道的基于硼酸功能化的多孔MIL-88B(HP-MIL-88B-BA)固定葡萄糖氧化酶用于快速检测葡萄糖。HP-MIL-88B-BA具有的分级多孔结构提供了足够的识别位点，有利于葡萄糖氧化酶的固定和防止酶泄漏。层次化的孔隙结构增加了底物的转换效率，从而减少了响应时间。结果显示，葡萄糖氧化酶@HP-MIL-88B-BA对葡萄糖反应迅速，测得检出限为0.98 μmol/L。

2 纳米材料模拟酶的应用

2.1 纳米材料模拟酶的电化学传感领域应用

电化学传感器从20世纪60年代开始发展，并在生物传感领域取得重大突破。电化学传感器不仅可以检测各种气体分子，金属离子以及生物体内各种活性小分子，还能够检测蛋白质、DNA和糖类等生物大分子。

图1 荧光法测定葡萄糖示意图[34]Fig.1 Schematic design for fluorometric determination of glucose[34]

2.2 生物小分子的检测

2.2.1 谷胱甘肽测定

谷胱甘肽存在于人体的所有细胞中并能够控制细胞的生长和功能，其主要由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸组成。人体中谷胱甘肽含量异常会引起许多疾病，如恶性肿瘤、肝脏疾病、囊状纤维症、阿尔茨海默病以及帕金森病等[36]。谷胱甘肽的测定方法一般采用比色法，通过过氧化物酶、谷胱甘肽还原产生的H2O2以及底物TMB(3′,3′,5′,5′-四甲基联苯胺)反应出现肉眼可见的蓝色的特点测定谷胱甘肽含量[37-38]，相较于高效液相色谱法[39-41]、质谱法[42]、荧光法[43-44]、电化学法[45]和量热法[46-47]等分析方法，比色法产生的颜色变化简单易观察。

2.2.2 葡萄糖测定

葡萄糖是生物体的重要供能物质，不仅为细胞活动提供能量，还是新陈代谢的重要中间产物。在生物医学领域，生物体中的葡萄糖浓度是诊断糖尿疾病的关键依据，其在代谢过程中浓度的异常会引发机体许多疾病，如肝病、蚕豆病、糖尿病及其并发症等。因此检测葡萄糖含量具有重要意义。

阎锡蕴院士课题组2007年首先报道了具有过氧化物酶活性[51]的磁性Fe3O4纳米颗粒，发现其能够催化H2O2底物发生显色反应，这种性质可以用于葡萄糖的检测。Chen等[52]报道的具有过氧化物酶的性质的氧化铜纳米材料，与其他纳米颗粒(Fe3O4等)相比，CuO纳米颗粒对底物TMB展现出的亲和力更高。另外还合成了具有良好的酸碱度和温度耐受力高度分散的水溶性氧化铜纳米颗粒，利用其过氧化物模拟酶的性质发生Trinder反应，这种反应能够催化H2O2氧化苯酚和4-氨基安替比林反应生成红色醌类化合物[53]，基于此构建了CuO NPs-H2O2-苯酚-4-氨基安替比林体系成功检测了葡萄糖[54]。Lu等[55]构建的不对称的Janus型的Fe2O3-SiO2(JFSNs)纳米酶表现出优异的过氧化物酶活性和良好的磁性，如图2所示。JFSNs纳米酶的不对称结构特性使其在生物传感领域应用范围十分广泛。该工作利用葡萄糖氧化酶(GOx)固化的JFSNs进行葡萄糖敏感比色检测，表现出可观的选择性和可接受的重复性。

图2 JFSNs过氧化物酶活性及葡萄糖检测示意图[55]Fig.2 Schematic diagram of JFSNs peroxidase activity and glucose detection [55]

Yuan等[56]通过铁离子置换铜离子的方法，将Cu(HBTC)-1,1,3,5-均苯三甲酸(H3BTC)配体中两个羧基与Cu离子配位的产物Cu(HBTC)(H2O)3转变成二维Fe-BTC纳米片，通过二维Fe-BTC纳米片表现的过氧化物酶活性催化H2O2与TMB反应产生明显的颜色变化。结果测得的线性范围为0.04～30 μmol/L，检出限为36 nmol/L。Yin等[57]研究了一种检测时间短、操作简便的一步法比色检测葡萄糖，由于酸浸的磁性CoFe2O4为反应提供了适宜的酸性微环境，扩大了过氧化物纳米酶CoFe2O4催化pH范围，并且在中性和弱碱性溶液中都表现出良好的催化活性，再偶联葡萄糖氧化酶实现了一步法比色检测葡萄糖。与其他方法相比，纳米材料模拟酶检测葡萄糖更高效稳定，对糖尿病的早期诊断及血糖控制具有重要意义，也能够对肝病、蚕豆病、糖尿病及其并发症等提早预防。

2.2.3 胆固醇测定

1816年，化学家本歇尔将一种环戊烷多氢菲的衍生物称作胆固醇。胆固醇在人体的肾、脾、皮肤、肝、胆汁和神经组织中含量非常高，通常以酯化胆固醇和游离胆固醇2种形式存在，例如在血液中，胆固醇蛋白质结合形成载脂蛋白运往身体各处；其他含量低的胆固醇在血液中常常处于游离态，这两种胆固醇的总量一般被称为总胆固醇含量。胆固醇也是重要的人体供能物质，不仅可以维持人体的机体正常运行，还是人体不可或缺的重要生理物质。胆固醇的含量异常会引发冠心病、心脏病以及中风，并且还与糖尿病、肝脏疾病、肾脏疾病等疾病有非常大的关联。2017年，世界卫生组织还将胆固醇列为3级致癌物。因此检测胆固醇的含量具有重要意义。

Zhang等[58]在玻碳电极上修饰了一层L-半胱氨酸-还原石墨烯复合材料，再通过金硫键和金纳米材料结合，构建的基于纳米金催化的Luminol-H2O2体系的胆固醇生物传感器灵敏度非常高。同年，Liu等[59]发现Au纳米棒(NRs)介导的Au纳米棒@Pt纳米点核/壳纳米结构生长过程中，表现出双重功能类酶(过氧化物酶和类氧化酶)活性。基于此构建了以金@铂纳米棒偶联胆固醇氧化酶共同作用的胆固醇检测系统，测得的检测限为30 μmol/L,线性范围为3×10-5～3×10-4mol/L。实验结果还显示异丙醇和去垢剂Triton X-100对胆固醇的测定没有任何的阻碍作用。Guan等[60]构建了一种基于Au@Fe3O4纳米复合材料模拟辣根过氧化物酶活性的比色传感器，如图3所示。利用表面氨基自组装的方法成功制备了分散良好的Au@Fe3O4纳米复合材料。所制备的纳米复合材料在H2O2的存在下具有非常强的类过氧化物酶活性，能够催化氧化2,2′-偶氮-双(3-乙基苄噻唑-6-磺酸)(ABTS)生成肉眼可以明显观察到的绿色产物。测得在0.1～7.5 mg/mL范围内对胆固醇表现出线性响应，检出限低至0.003 mg/mL。Zhang等[61]报道了通过耦合具有过氧化物酶活性的聚吡咯纳米颗粒和胆固醇氧化酶检测胆固醇。聚吡咯纳米颗粒作为纳米酶诱导胆固醇氧化酶催化胆固醇氧化生成的H2O2与TMB发生显色反应。在最佳条件下，TMB在652 nm处的吸光度与10～800 μmol/L浓度范围内的胆固醇含量成正比，在10～100 μmol/L范围内呈线性关系，检出限为3.5 μmol/L。这些工作都表明，含有过氧化物酶活性的纳米材料模拟酶可以为生物医学、食品分析和临床诊断提供一个良好的应用方案。

图3 Au@Fe3O4纳米复合材料的过氧化物酶模拟活性示意图和胆固醇的比色检测[60]Fig.3 Schematic illustration of peroxidase mimic activity of Au@Fe3O4 nanocomposites and colorimetric detection of cholesterol[60]

2.2.4 H2O2测定

过氧化氢是非常重要的化工产品，广泛存在于生物、环境、纺织、食品等行业。在人体中，免疫细胞释放的过氧化氢作为一种代谢中间产物能够抵御病原体侵害。在环境中，H2O2可与醋酸溶液混合制得消毒液体，产生的过氧乙酸具有杀菌作用。在纺织行业中可以利用H2O2漂白和脱浆等。在食品行业，H2O2是生产中必不可少的加工助剂。过氧化氢检测仪器一般价格不菲并且需要专业培训才能上岗操作。而利用含有过氧化物酶(peroxidase, POD)的纳米材料模拟酶的便携终端能让现场检测人员简单便携检测H2O2浓度。天然POD的结构主要是由调控和催化2个部分构成，其中催化部分是由催化中心和结合部位组成[62]。Bai等[63]报道了一种具有良好的过氧化物酶样活性的新型夹层结构磁性微球(四氧化三铁@间苯二酚/甲醛树脂-金属@聚多巴胺)用于H2O2检测，双壳磁性微球不仅为贵金属纳米粒子提供了丰富的活性位点，还能有效地抑制聚集和浸出。其中超小型贵金属纳米粒子夹在间苯二酚/甲醛树脂和聚多巴胺间，通过不同单金属或双金属纳米粒子修饰微球可以改变金属前驱体。结果测得的检测限为3.1 μmol/L。Liu等[64]研究了基于人血清白蛋白@聚多巴胺/ Fe纳米复合物的H2O2体外检测和活细胞内H2O2原位检测比色法。研究发现Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)被固定在聚多巴胺支撑的血清白蛋白上，血清蛋白@聚多巴胺/Fe纳米复合物表现出的过氧化物酶活性主要受金属活性中心和聚合物配体的影响，并且比游离Fe(Ⅲ)高近1000倍。这是由于在酸性微环境中，纳米复合材料表面醌类和羟基的存在大大加速了Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)的转化。这种将配体与金属离子结合模拟天然酶结构是常见的合成纳米酶的方法。上述工作都能够非常精确地测定H2O2的浓度，并且由于制备简单可用于临床诊断、环境领域和工业催化。

2.3 农药检测

环境污染是国民长期关注的重点领域，而有机磷农药作为一种典型的污染物引发的生态问题急切需要解决。在现代农业生产过程中有机磷农药是提高农作物产量的重要手段，但是这也对社会的经济发展和人类的可持续发展造成了巨大的影响，因此检测有机磷的含量具有重要意义。

有机磷农药对乙酰胆碱酯酶的活性具有不可逆的抑制作用，将会导致乙酰胆碱在神经元中的含量异常，进而影响人的中枢神经系统。Liang等[65]基于这一特点创建了一个基于四氧化三铁纳米颗粒为核心并偶联乙酰胆碱酯酶-胆碱氧化酶的传感器系统，该系统可以用于有机磷农药类物质的测定，测得乙酰甲胺磷、甲基对氧磷以及沙林的检测限分别为5 μmol/L,10 nmol/L和1 nmol/L。Guan等[66]报道了乙醇对四氧化三铁纳米颗粒催化的鲁米诺化学发光具有猝灭作用，而有机磷农药与四氧化三铁纳米颗粒结合能够抑制这种猝灭作用，基于此建立了绿茶中灭线磷的检测系统。如图4所示，测得乙硫磷检出限为0.1 nmol/L，检测范围在0.1 nmol/L～100 μmol/L之间。该检测系统中四氧化三铁纳米粒子的超顺磁特性为测量的进行排除了干扰，同时不同表面修饰的四氧化三铁纳米颗粒可以产生独特的响应模式，催化不同的有机磷农药产生的鲁米诺化学发光的增强效应也不完全相似。Singh等[67]基于乙酰胆碱酯酶抑制原理创建了稳定性优异的电化学生物传感器，成功检测了有机磷农药，利用还原性氧化石墨烯和氧化锌纳米花修饰金电极，将乙酰胆碱酯酶在氧化锌纳米花/还原性氧化石墨烯/金纳米界面上固定，还原性氧化石墨烯的高比表面积提高了有机磷农药传感器的灵敏度和线性范围，氧化锌纳米花作为催化剂，提高了工作电极的电导率，测得的检测限为0.01 nmol/L。上述方法对甲基对氧磷、甲基对硫磷和乙基对氧磷等有机磷农药类的检测展现出非常优异的准确度和精密度，满足实际样品分析的要求，在常规检测中具有广阔的应用前景。

图4 灭线磷检测示意图[66]Fig.4 Schematic diagram of methophos detection[66]

2.4 重金属盐检测

重金属污染是一种具有长期稳定性和持续累加性的工农业污染物，重金属非常难以被生物降解，能够在环境中长期稳定存在，在生物链的富集作用下，通过水、空气或者土壤进入人体，对人体的健康危害十分巨大。如铅中毒会影响人的中枢神经系统，导致发育缓慢、智力底下；通过吸入镉烟尘或镉化合物粉尘引起的镉中毒会导致肺气肿、肺纤维化，最终导致肺功能减退并且对肾脏损害程度也较大；汞毒性会导致头痛、头晕、恶心、呕吐、口腔炎症、睡眠障碍、肾脏功能受损等。

Liu等[68-70]利用DNA酶作为一类特殊的催化剂[71]识别物质，并将纳米金作为信号转换物质设计出了铅离子传感器，如图5所示。其原理是通过修饰的纳米金和DNA酶混合产生杂交反应，纳米金团聚，颜色呈蓝色；当铅离子存在时，酶被催化水解，纳米金解聚，颜色由蓝变红,检测范围一般在100 nmol/L～200 μmol/L之间。Augustine等[72]报道了用于检测水溶液中Hg2+的比色传感器。碳修饰的Fe3O4纳米材料具有优秀的过氧化物酶活性，Hg2+与谷胱甘肽的巯基有很强的亲和力，能够促进TMB在溶液中的氧化，使溶液呈现出强烈的蓝色，测得的检出限为236 pmol/L。Yang等[73]基于AuNPs的类过氧化物酶活性建立了一种高选择性、高灵敏度的汞比色检测系统。在弱还原剂存在的条件下，只有无机汞能被还原为Hg0，而在强还原剂存在下，无机汞和有机汞都能被还原为Hg0。由于汞与金的高亲和力，Hg0以金汞合金的形式沉积在AuNPs表面，导致金纳米颗粒类过氧化物酶活性显著增强。结果显示在5～100 nmol/L范围内，无机汞和总汞的检出限分别为1.9 nmol/L和0.9 nmol/L。这些和纳米材料模拟酶结合的重金属盐分析方法具有十分高的选择性和灵敏度，也保证了在复杂生物样品中的实际应用。

图5 汞离子检测示意图[73]Fig.5 Schematic diagram of mercury ion detection[73]

2.5 基因检测

研究基因在自然环境中的表达对环境领域中污染物的降解和微生物的检测具有非常重要的意义。通过碳纳米管、石墨烯材料、贵金属纳米材料以及复合材料构建的电化学传感器具有特异性优异、灵敏度高、易操作等特点，能够有效地检测基因。另外，检测特定序列的DNA还对癌症、病毒感染等疾病的预防具有非常重要的参考意义。

Kou等[74]利用距离可控的DNA镊子调控酶间间距，建立了一种重复性良好的高效酶级联扩增检测目标DNA的电化学方法，如图6所示。酶功能化的DNA镊子保持在开放状态，酶间距离较远导致催化效率较低。通过靶诱导依赖Mg2+的DNA酶裂解循环，一个输入信号可以转换成多个相应的亚甲基蓝标记的DNA，这些DNA不仅作为信号探针提供可检测的电化学信号,而且还使DNA镊子从打开到关闭状态,减小了酶间距离，提高了敏感目标DNA分析的催化效率，最后测得的检出限低至30 fmol/L。Li等[75]研究了一种简单的DNA-血红素酶动态自组装的多功能荧光生物传感系统。血红素不仅可以作为动态DNA组装的模块，而且可以作为可调控的模拟酶。在靶目标存在的情况下，熵驱动的动态DNA组装电路将具有抑制催化活性的标记血红素二聚体分解为活化的血红素单体。再利用拟半胱氨酸酶可将非荧光酪氨酸催化成荧光双胺作为信号，最终测得目标DNA浓度低至78 pmol/L,动态范围为0.1～50 nmol/L。综上所述，证明依据纳米材料模拟酶所设计的DNA检测系统是一种简单、快速、通用的生物传感方法，具有较高的灵敏度和特异性，为基因诊断提供了一个新的平台。

图6 再生DNA镊子对酶级联反应的动态调控示意图[74]Fig.6 Schematic diagram of dynamical regulation of enzyme cascade reaction by regenerated DNA tweezer[74]

3 结束语

经过一百多年的发展，人工模拟酶，特别是和纳米材料相结合的纳米材料模拟酶具有非常大的研究潜力。纳米材料模拟酶具有易制备、易储存、性质稳定和重复性高等优点，通过改变纳米材料的粒径、形貌和表面修饰基团，能够非常显著改变纳米材料模拟酶的活性，也可以通过改变电荷、涂层、掺杂、负载和外部环境等来对改变纳米材料模拟酶的活性。目前纳米材料模拟酶主要处于偶联纳米材料、加大活性位点的研究阶段。纳米模拟酶虽然已经被用于生物医药领域疾病的诊断和治疗，实现了环境领域的农药污染和重金属盐的检测和消除，并在电化学传感、生物小分子检测等方面有所应用，但是纳米材料模拟酶还有一些问题亟待解决：

(1)自然界中天然酶的种类和数量巨大，但现阶段研究的纳米材料模拟酶主要集中在过氧化氢酶、过氧化物酶、新型漆酶和氧化酶等少数几种酶。因此，利用已发现的纳米材料模拟酶的性质，与其他纳米模拟酶偶联发现更多的纳米材料模拟酶是一个非常好的思路，可以大大拓展纳米材料模拟酶的反应类别。

(2)纳米材料模拟酶具有高稳定性和高催化活性的优点，然而人们对于很多纳米模拟酶仅仅是了解其模拟酶的特性，对其反应机理还缺少深入研究。因此深入了解纳米酶的结构和催化反应机理是非常有必要的。

(3)目前的研究主要集中在酶的活性位点上，但纳米材料模拟酶的蛋白质支架对于酶反应的选择性和效率也非常重要，目前还没有很细致的研究。此外，有些酶必须在特定的环境中才能正常发挥作用。因此，未来纳米材料模拟酶需要拓展新的思路去解决这些问题。

(4)纳米材料模拟酶还存在底物选择性差的问题。如何合理构建具有高底物选择性和催化效率的新型纳米材料模拟酶还需要投入更大的努力和关注。

(5)虽然许多纳米材料被证明可以作为纳米模拟酶，且一些纳米材料模拟酶的催化活性和天然酶比较毫不逊色，但是大多数纳米材料模拟酶的催化活性依然远低于相应的天然酶，这也是研究人员需要认真考虑的重要部分。