活性氧（ROS）是细胞中产生的活性阴离子或中性高度不稳定小分子，主要包括过氧化物、·、·OH、H2O2、单线态氧（1O2）、烷基过氧化物（ROO）和一氧化氯（ClO）。ROS是正常细胞系统中的重要组成部分，在调节生物体的各种生理功能中起着重要的作用。低浓度时，ROS作为信号分子参与正常细胞代谢的生理活动，但当ROS浓度不断升高时，它会引起细胞损伤导致癌症、糖尿病、心脏病、肿瘤和一些神经退行性疾病，这一现象被称为氧化应激。ROS对环境科学、生命科学等领域的基础研究与应用都有着重要影响，因此对ROS的检测与定量分析有着重要意义。目前已经存在许多用于定量测定ROS的分析方法（如荧光法、分光光度法、高效液相色谱法、电子自旋共振法、质谱法、比色法和电化学方法），但在选择分析方法与检测手段时需要考虑以下问题：（1）不同种类的ROS具有不同的内在特性（寿命、扩散速率及生成源），这可能导致对其测量的不准确和不一致；（2）一些检测方案需要在细胞源上进行检测，还需要考虑所用传感材料的生物相容性；（3）ROS检测需要成本低廉、稳定性高、选择性好和灵敏度优异的检测技术。


电化学技术因其高灵敏度、高选择性、易于操作和直接定量等特点，已被证明是测定ROS的有效工具。近年来，通过研究天然酶的结构和催化特性，人们设计与合成了与天然酶活性相似的纳米模拟酶来代替天然酶。纳米模拟酶不仅比表面积大、生物相容性好、结构性能稳定，而且还具有化学与物理性质易于控制、成本低等优点。因此，纳米模拟酶常被用于构建生物电化学传感器（如谷胱甘肽、葡萄糖、胆固醇、·、·OH以及H2O2等生物小分子传感器）。本文主要总结了纳米模拟酶在活性氧（OH，H2O2）检测中的应用研究进展。


1、模拟酶


天然酶是在活细胞中产生的蛋白质，对底物具有高度特异性和催化性能，不仅在生物体中表现出催化特性，还能催化外部反应，模拟环境。由于这一特点，它们被广泛应用于疾病诊断、临床治疗、农业工程和食品加工等各个领域。然而，天然酶很容易失活，苛刻的pH环境可能会使天然酶失去催化功能。此外，天然酶的提取和纯化过程也会造成其损耗并增加成本。这些天然酶固有的缺陷大大阻碍了它们的实际应用。


模拟酶是一种以主-客体化学和超分子化学理论为基础发明的具有天然酶类似催化活性的非蛋白类物质。主-客体化学的基本原理来源于酶和底物之间的相互作用，即主体和客体在结合部位的空间及电子排列的互补，这类似于酶与其所识别的底物的结合。超分子化学理论是根据酶催化反应机理有效地模拟酶分子的催化过程，通过研究寻找出能与底物分子产生分子间相互作用的主体分子。


纳米模拟酶是具有酶活性的纳米材料，因其成本低、表面易修饰、稳定性强、活性可调等优点而受到人们的广泛关注。它能有效地克服天然酶成本高、稳定性差、可重复性差等缺点，并保持天然酶催化活性高和选择性好等特点。到目前为止，各种基于纳米模拟酶的分析传感器已被用于检测各种离子、生物小分子（如过氧化氢、葡萄糖、乳酸、胆固醇和乙醇）、生物大分子（如凝血酶和DNA）和其他生物分子（如细胞、细菌或病毒）。


1.1传统模拟酶


根据主-客体化学和超分子理论，已研究出了多种传统模拟酶。传统模拟酶不仅在耐酸碱、热稳定性方面优于天然酶，而且价格便宜，可大量应用于实际生产中。几种常见的传统模拟酶的介绍如下：


环糊精是由多个葡萄糖单元组成的环状低聚糖。环糊精的外缘亲水而内腔疏水，因而它能够像酶一样提供一个疏水的结合点，并作为主体包络各种适当的客体，如有机分子、无机离子以及气体分子等。因此，它经常被用作与其他材料结合的模仿酶的底物。


卟啉是一类由四个吡咯环和四个内消旋碳以不同的方式排列形成的大分子杂环化合物，所得的卟啉异构体表现出非常不同的电子特性。研究表明，卟啉是一种具有丰富化学配位的多功能配体，它非常容易与所有金属/准金属/非金属形成络合物。因此，卟啉长期以来被广泛用于材料科学、生物学和医学等领域。


2020年，Fan等通过CoⅢ-PPIX的CoⅢ和Py2CD的吡啶N之间的共价键实现了邻甲基化环糊精二聚体与钴原卟啉（CoⅢPPIX Py2CD）的仿生组装（如图1所示），开发了用于检测H2O2的电化学传感器。该传感器检测线性范围较宽，检测下限为2.47×10－7mol/L，为仿生载体的开发和生物的检测分析提供了一些建设性的启示。


在传统模拟酶中除了上述提到的环糊精模拟酶和卟啉类模拟酶外，还有分子印迹聚合物模拟酶。分子印迹聚合物模拟酶是通过分子印迹技术（molecular imprinting technology，MIT）将功能单体与分子印迹模板通过交联剂聚合成分子印迹聚合物（molecular imprinted polymer，MIP），然后再将印迹分子从MIP中除去，只留下具有特定分子特异性识别功能的分子结构。分子印迹聚合物模拟酶在催化、固相萃取、传感器和抗体等许多方面得到了迅速发展。分子印迹聚合物模拟酶具有良好的储存稳定性、潜在的可重复使用性、简单的制备工艺以及易于与传感器集成等优点。


电化学方法灵敏度高，响应速度快且不需要复杂的仪器，这些特性使其与分子印迹聚合物模拟酶的结合在分析研究中有广阔的应用前景。2019年，Huang等研究了一种用于检测·OH的分子印迹聚合物模拟酶传感器（如图2），该传感器以吡咯为功能单体，通过简单的电化学方法在还原氧化石墨烯（rGO）上印迹2，5-二甲基苯甲酸（2，5-DHBA）。该方法改善了2，5-DHBA的导电性和质量传输，增加了2，5-DHBA识别活性位点的可能性。


除了上述提到的几种传统模拟酶外，其他的如冠醚类、杯芳烃类也受到了人们的关注。冠醚是一种简单的环状化合物，最常见的形式是环氧乙烷的大环低聚物。其特征是可以通过不同的合成方法调节其空腔大小从而选择性地结合阳离子和中性物种。胡伟等发现杂氮冠醚化席夫碱钴（Ⅱ）配合物对磷酸二酯（BNPP）水解具有很好的催化活性。杯芳烃是由苯酚基和亚甲基或类似基团交替连接形成的环状低聚物。与冠醚相似，杯芳烃也具有可调节的疏水空腔，可以对金属离子和中性分子进行包络。Ozyilmaz等通过将Fe3O4与杯芳烃的衍生物进行结合制备了一种包封脂肪酶，并研究其催化活性与稳定性。


相比天然酶，传统模拟酶在耐酸、耐碱、热稳定性等方面都具有优势，而且价格便宜，能大规模用于实际应用中。但是，传统模拟酶也存在合成较为复杂、催化活性位点单一、催化效率低以及分离、回收和再生较困难等缺点。