納米材料模擬酶應用進展

吳 鵬，陳 誠,2*，趙雪伶,2*，林東海,2

(1 上海第二工業大學 能源與材料學院，上海 201209;2 上海先進熱功能材料工程技術研究中心，上海 201209)

生物大分子包括蛋白質、核酸等物質，而酶在生物體內是以蛋白質的形式存在的一種生物大分子。酶具有不改變化學平衡、提高化學反應效率和特異性催化某些化學反應等許多特點，在生物醫藥[1-2]、催化[3]和檢測[4]等領域有著廣泛應用。

天然酶是由活細胞產生，具有完整的化學結構和空間結構，主要是各種氨基酸通過肽鍵連接形成具有特殊催化功能的蛋白質，其來源一般是提取自動物組織或者微生物發酵。在溫和條件下(接近環境溫度，大氣壓力和中性pH)，天然酶對底物具有高催化活性和高選擇性，能夠介導生物體中絕大多數的生物過程[5-8]。

雖然天然酶有著專一性高、催化能力強等特點，但是存在易失活、穩定性差、合成困難、純化復雜、價格昂貴等缺點，阻礙了其大規模開發、利用。因此，科學家一直致力于天然酶結構特征模仿和人工模擬酶催化機制的研究[9]，希望克服天然酶的一系列缺點，研發出具有類似天然酶的簡單結構的模擬酶。目前，納米材料已經可以模擬過氧化物酶、新型漆酶、膽固醇氧化酶和過氧化氫酶等多種天然酶。與天然酶相比，納米材料模擬酶具有制備簡單、性質穩定、重復性好、選擇性高等優點，大大提升了酶在各領域的應用范圍。經過大量研究發現，納米材料的活性不是一一對應的，通常一種納米材料可以表現出多種酶活性，而且不同種類的納米材料也可以表現出同種酶活性。如金納米材料可以表現出過氧化物酶、葡萄糖氧化酶、氧化酶等多種酶活性；而氧化銅、碲化鎳、多金屬鹽、羧基化富勒烯、聚吡咯、二硫化鉬和硫化鎘都可以表現出過氧化物酶活性。目前，納米材料模擬酶不僅可以應用在電化學傳感領域以及谷胱甘肽、葡萄糖、膽固醇、H2O2等物質的測定，還能應用于環境污染防治領域中減少重金屬鹽含量、農藥含量測定和預防疾病的基因檢測。鑒于此，本文簡單介紹了人工模擬酶、納米材料模擬酶及其應用進展，并對未來納米材料模擬酶的發展進行了一些討論和展望。

1 人工模擬酶

在1877年Wilhelm定義了“酶”的概念后，人工模擬酶[10]逐漸發展成為了一個熱門的領域，吸引了大量研究人員的注意。人工模擬酶是基于1988年Cram，Pederson與Lehn共同提出的主-客體化學與超分子化學兩大理論[11-12]通過一系列化學反應合成與天然酶同樣的活性中心和專一催化活性的非蛋白質分子，尋找和天然酶催化活性類似的替代材料。目前傳統的模擬酶主要為3種類型，分別是模擬酶和天然酶金屬離子相同、模擬酶和天然酶催化活性中心類似以及整體模擬天然酶[13]。

研究發現，一些無機納米材料催化效率與天然酶極其相似，并且具備類似天然酶的催化特性。改變納米材料的粒徑、形貌和組分等可以調控和優化其熱力學性能、電學性能、光學性能、磁力學性能以及催化性能。納米材料模擬酶具有天然酶不具備的制備簡單、性質穩定、重復性好、選擇性高、對外部環境依賴性低等優點[14-15]。因此，科學家[16-18]將這種和天然酶含有類似活性的納米材料統稱為納米材料模擬酶，簡稱納米酶。

最近幾年，一些納米材料表現出十分令人驚嘆的酶活性，如金屬有機框架、金納米粒子、雙金屬納米粒子和鐵磁體等。這些納米材料模擬酶在生物傳感、癌癥診斷測試、免疫測定、神經保護、環境監測和污染物去除等研究領域[19]廣泛應用。

納米材料模擬酶一般分為金屬氧化物納米模擬酶、貴金屬納米模擬酶、碳基模擬酶、納米酶復合體、金屬有機框架化合物(metal-organic framework，MOFs)等5類。金屬氧化物納米模擬酶中以磁性四氧化三鐵為代表的鐵氧化物納米酶在很多領域中廣泛應用。例如， Ran等[20]制備了一種形狀規則、組成均勻的核殼材料，可用于固定化漆酶的合成。通過自組裝的方法將磁性Fe3O4納米顆粒包裹MoS2，并將Fe3O4@MoS2進一步包裹聚乙烯亞胺制得固定漆酶。所合成的固定漆酶在較寬的pH值(3～10)、溫度(20～70 ℃)和貯存時間(1～14天)范圍內性質穩定，可回收性優異。與游離漆酶相比，固定化漆酶對水中致癌性持久性有機污染物的降解效率更高，實驗測得固定漆酶對水中致癌性持久性有機污染物的負載能力為120 mg/g，活性回收率高達90%。

貴金屬納米模擬酶主要利用貴金屬模擬酶的活性，例如金納米粒子、鉑納米粒子、銀納米粒子以及多金屬形成的復合納米材料，這些納米材料具有較強的催化活性，可以用來制備比色傳感器、檢測H2O2和葡萄糖。Meng等[21]開發出一種測定氧四環素的生物傳感器，其原理是利用金納米表面電荷特性與生物DNA分子、氧四環素配體的特異性結合，在最佳實驗條件下，拉曼信號與氧四環素濃度呈正相關。實驗結果表明基于金納米的傳感器具有非常高的選擇性。路麗霞等[22]利用碘離子抑制鉑納米粒子過氧化物，模擬酶活性建立了I-的比色傳感體系。此方法成功應用于食鹽樣品和水樣中I-的檢測。

碳基模擬酶是以碳基納米材料為主，因為碳基納米材料能夠模擬天然酶的活性，如摻雜碳[23]、碳納米管(CNTs)[24]和石墨烯[25]等碳類材料成為近些年來的研究熱點。Wu等[26]通過水熱反應合成了硫摻雜石墨烯。摻雜硫后石墨烯的類過氧化物酶活性大大提高，主要是由于含硫基團提供了類過氧化物酶活性位點。硫原子具有吸引電子的性質，使硫摻雜還原氧化石墨烯具有更寬的能帶，加速H2O2的分解，而且硫原子的摻雜還引起相鄰碳原子的極化，導致碳骨架中產生更多的缺陷，這些缺陷提供了高活性的催化位點。基于此建立的高效靈敏的葡萄糖比色檢測系統測得的檢測限低至0.38 μmol/L。

納米酶復合體一般是指為了提高納米材料模擬酶的催化活性，將不同材料的納米材料模擬酶組裝形成復雜高效的納米催化體系。Lien等[27]研究了具有類過氧化物酶的催化活性的纖維蛋白原修飾Au-Bi (Fib-Au-Bi)納米材料用于檢測凝血酶。凝血酶可以加速纖維蛋白原水解為纖維單體，而在含有H2O2的條件下，10-乙酰基3,7-二羥基吩嗪(AR)能夠被凝血酶催化氧化生成具有強熒光的物質。基于此創建的纖維蛋白原修飾Au-Bi納米粒子(Fib-Au-Bi NPs)熒光法成功檢測了凝血酶。

MOFs因為具有比表面積高、多孔有序、結構尺寸可調控優化等優點也可以作為過氧化物模擬酶。美國Yaghi課題組[28]和日本Kitagawa課題組[29]合成的MOFs材料結構十分穩定，這項工作將化學中通常分離的有機和無機兩個分支結合起來，并展現了巨大的應用潛力。現在MOFs材料的種類突破數萬種，如ZIFs系列、HKUST系列和MIL系列等。Zhao等[30]報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檢測葡萄糖。HP-MIL-88B-BA具有的分級多孔結構提供了足夠的識別位點，有利于葡萄糖氧化酶的固定和防止酶泄漏。層次化的孔隙結構增加了底物的轉換效率，從而減少了響應時間。結果顯示，葡萄糖氧化酶@HP-MIL-88B-BA對葡萄糖反應迅速，測得檢出限為0.98 μmol/L。

2 納米材料模擬酶的應用

2.1 納米材料模擬酶的電化學傳感領域應用

電化學傳感器從20世紀60年代開始發展，并在生物傳感領域取得重大突破。電化學傳感器不僅可以檢測各種氣體分子，金屬離子以及生物體內各種活性小分子，還能夠檢測蛋白質、DNA和糖類等生物大分子。

圖1 熒光法測定葡萄糖示意圖[34]Fig.1 Schematic design for fluorometric determination of glucose[34]

2.2 生物小分子的檢測

2.2.1 谷胱甘肽測定

谷胱甘肽存在于人體的所有細胞中并能夠控制細胞的生長和功能，其主要由谷氨酸、半胱氨酸及甘氨酸組成。人體中谷胱甘肽含量異常會引起許多疾病，如惡性腫瘤、肝臟疾病、囊狀纖維癥、阿爾茨海默病以及帕金森病等[36]。谷胱甘肽的測定方法一般采用比色法，通過過氧化物酶、谷胱甘肽還原產生的H2O2以及底物TMB(3′,3′,5′,5′-四甲基聯苯胺)反應出現肉眼可見的藍色的特點測定谷胱甘肽含量[37-38]，相較于高效液相色譜法[39-41]、質譜法[42]、熒光法[43-44]、電化學法[45]和量熱法[46-47]等分析方法，比色法產生的顏色變化簡單易觀察。

2.2.2 葡萄糖測定

葡萄糖是生物體的重要供能物質，不僅為細胞活動提供能量，還是新陳代謝的重要中間產物。在生物醫學領域，生物體中的葡萄糖濃度是診斷糖尿疾病的關鍵依據，其在代謝過程中濃度的異常會引發機體許多疾病，如肝病、蠶豆病、糖尿病及其并發癥等。因此檢測葡萄糖含量具有重要意義。

閻錫蘊院士課題組2007年首先報道了具有過氧化物酶活性[51]的磁性Fe3O4納米顆粒，發現其能夠催化H2O2底物發生顯色反應，這種性質可以用于葡萄糖的檢測。Chen等[52]報道的具有過氧化物酶的性質的氧化銅納米材料，與其他納米顆粒(Fe3O4等)相比，CuO納米顆粒對底物TMB展現出的親和力更高。另外還合成了具有良好的酸堿度和溫度耐受力高度分散的水溶性氧化銅納米顆粒，利用其過氧化物模擬酶的性質發生Trinder反應，這種反應能夠催化H2O2氧化苯酚和4-氨基安替比林反應生成紅色醌類化合物[53]，基于此構建了CuO NPs-H2O2-苯酚-4-氨基安替比林體系成功檢測了葡萄糖[54]。Lu等[55]構建的不對稱的Janus型的Fe2O3-SiO2(JFSNs)納米酶表現出優異的過氧化物酶活性和良好的磁性，如圖2所示。JFSNs納米酶的不對稱結構特性使其在生物傳感領域應用范圍十分廣泛。該工作利用葡萄糖氧化酶(GOx)固化的JFSNs進行葡萄糖敏感比色檢測，表現出可觀的選擇性和可接受的重復性。

圖2 JFSNs過氧化物酶活性及葡萄糖檢測示意圖[55]Fig.2 Schematic diagram of JFSNs peroxidase activity and glucose detection [55]

Yuan等[56]通過鐵離子置換銅離子的方法，將Cu(HBTC)-1,1,3,5-均苯三甲酸(H3BTC)配體中兩個羧基與Cu離子配位的產物Cu(HBTC)(H2O)3轉變成二維Fe-BTC納米片，通過二維Fe-BTC納米片表現的過氧化物酶活性催化H2O2與TMB反應產生明顯的顏色變化。結果測得的線性范圍為0.04～30 μmol/L，檢出限為36 nmol/L。Yin等[57]研究了一種檢測時間短、操作簡便的一步法比色檢測葡萄糖，由于酸浸的磁性CoFe2O4為反應提供了適宜的酸性微環境，擴大了過氧化物納米酶CoFe2O4催化pH范圍，并且在中性和弱堿性溶液中都表現出良好的催化活性，再偶聯葡萄糖氧化酶實現了一步法比色檢測葡萄糖。與其他方法相比，納米材料模擬酶檢測葡萄糖更高效穩定，對糖尿病的早期診斷及血糖控制具有重要意義，也能夠對肝病、蠶豆病、糖尿病及其并發癥等提早預防。

2.2.3 膽固醇測定

1816年，化學家本歇爾將一種環戊烷多氫菲的衍生物稱作膽固醇。膽固醇在人體的腎、脾、皮膚、肝、膽汁和神經組織中含量非常高，通常以酯化膽固醇和游離膽固醇2種形式存在，例如在血液中，膽固醇蛋白質結合形成載脂蛋白運往身體各處；其他含量低的膽固醇在血液中常常處于游離態，這兩種膽固醇的總量一般被稱為總膽固醇含量。膽固醇也是重要的人體供能物質，不僅可以維持人體的機體正常運行，還是人體不可或缺的重要生理物質。膽固醇的含量異常會引發冠心病、心臟病以及中風，并且還與糖尿病、肝臟疾病、腎臟疾病等疾病有非常大的關聯。2017年，世界衛生組織還將膽固醇列為3級致癌物。因此檢測膽固醇的含量具有重要意義。

Zhang等[58]在玻碳電極上修飾了一層L-半胱氨酸-還原石墨烯復合材料，再通過金硫鍵和金納米材料結合，構建的基于納米金催化的Luminol-H2O2體系的膽固醇生物傳感器靈敏度非常高。同年，Liu等[59]發現Au納米棒(NRs)介導的Au納米棒@Pt納米點核/殼納米結構生長過程中，表現出雙重功能類酶(過氧化物酶和類氧化酶)活性。基于此構建了以金@鉑納米棒偶聯膽固醇氧化酶共同作用的膽固醇檢測系統，測得的檢測限為30 μmol/L,線性范圍為3×10-5～3×10-4mol/L。實驗結果還顯示異丙醇和去垢劑Triton X-100對膽固醇的測定沒有任何的阻礙作用。Guan等[60]構建了一種基于Au@Fe3O4納米復合材料模擬辣根過氧化物酶活性的比色傳感器，如圖3所示。利用表面氨基自組裝的方法成功制備了分散良好的Au@Fe3O4納米復合材料。所制備的納米復合材料在H2O2的存在下具有非常強的類過氧化物酶活性，能夠催化氧化2,2′-偶氮-雙(3-乙基芐噻唑-6-磺酸)(ABTS)生成肉眼可以明顯觀察到的綠色產物。測得在0.1～7.5 mg/mL范圍內對膽固醇表現出線性響應，檢出限低至0.003 mg/mL。Zhang等[61]報道了通過耦合具有過氧化物酶活性的聚吡咯納米顆粒和膽固醇氧化酶檢測膽固醇。聚吡咯納米顆粒作為納米酶誘導膽固醇氧化酶催化膽固醇氧化生成的H2O2與TMB發生顯色反應。在最佳條件下，TMB在652 nm處的吸光度與10～800 μmol/L濃度范圍內的膽固醇含量成正比，在10～100 μmol/L范圍內呈線性關系，檢出限為3.5 μmol/L。這些工作都表明，含有過氧化物酶活性的納米材料模擬酶可以為生物醫學、食品分析和臨床診斷提供一個良好的應用方案。

圖3 Au@Fe3O4納米復合材料的過氧化物酶模擬活性示意圖和膽固醇的比色檢測[60]Fig.3 Schematic illustration of peroxidase mimic activity of Au@Fe3O4 nanocomposites and colorimetric detection of cholesterol[60]

2.2.4 H2O2測定

過氧化氫是非常重要的化工產品，廣泛存在于生物、環境、紡織、食品等行業。在人體中，免疫細胞釋放的過氧化氫作為一種代謝中間產物能夠抵御病原體侵害。在環境中，H2O2可與醋酸溶液混合制得消毒液體，產生的過氧乙酸具有殺菌作用。在紡織行業中可以利用H2O2漂白和脫漿等。在食品行業，H2O2是生產中必不可少的加工助劑。過氧化氫檢測儀器一般價格不菲并且需要專業培訓才能上崗操作。而利用含有過氧化物酶(peroxidase, POD)的納米材料模擬酶的便攜終端能讓現場檢測人員簡單便攜檢測H2O2濃度。天然POD的結構主要是由調控和催化2個部分構成，其中催化部分是由催化中心和結合部位組成[62]。Bai等[63]報道了一種具有良好的過氧化物酶樣活性的新型夾層結構磁性微球(四氧化三鐵@間苯二酚/甲醛樹脂-金屬@聚多巴胺)用于H2O2檢測，雙殼磁性微球不僅為貴金屬納米粒子提供了豐富的活性位點，還能有效地抑制聚集和浸出。其中超小型貴金屬納米粒子夾在間苯二酚/甲醛樹脂和聚多巴胺間，通過不同單金屬或雙金屬納米粒子修飾微球可以改變金屬前驅體。結果測得的檢測限為3.1 μmol/L。Liu等[64]研究了基于人血清白蛋白@聚多巴胺/ Fe納米復合物的H2O2體外檢測和活細胞內H2O2原位檢測比色法。研究發現Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)被固定在聚多巴胺支撐的血清白蛋白上，血清蛋白@聚多巴胺/Fe納米復合物表現出的過氧化物酶活性主要受金屬活性中心和聚合物配體的影響，并且比游離Fe(Ⅲ)高近1000倍。這是由于在酸性微環境中，納米復合材料表面醌類和羥基的存在大大加速了Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)的轉化。這種將配體與金屬離子結合模擬天然酶結構是常見的合成納米酶的方法。上述工作都能夠非常精確地測定H2O2的濃度，并且由于制備簡單可用于臨床診斷、環境領域和工業催化。

2.3 農藥檢測

環境污染是國民長期關注的重點領域，而有機磷農藥作為一種典型的污染物引發的生態問題急切需要解決。在現代農業生產過程中有機磷農藥是提高農作物產量的重要手段，但是這也對社會的經濟發展和人類的可持續發展造成了巨大的影響，因此檢測有機磷的含量具有重要意義。

有機磷農藥對乙酰膽堿酯酶的活性具有不可逆的抑制作用，將會導致乙酰膽堿在神經元中的含量異常，進而影響人的中樞神經系統。Liang等[65]基于這一特點創建了一個基于四氧化三鐵納米顆粒為核心并偶聯乙酰膽堿酯酶-膽堿氧化酶的傳感器系統，該系統可以用于有機磷農藥類物質的測定，測得乙酰甲胺磷、甲基對氧磷以及沙林的檢測限分別為5 μmol/L,10 nmol/L和1 nmol/L。Guan等[66]報道了乙醇對四氧化三鐵納米顆粒催化的魯米諾化學發光具有猝滅作用，而有機磷農藥與四氧化三鐵納米顆粒結合能夠抑制這種猝滅作用，基于此建立了綠茶中滅線磷的檢測系統。如圖4所示，測得乙硫磷檢出限為0.1 nmol/L，檢測范圍在0.1 nmol/L～100 μmol/L之間。該檢測系統中四氧化三鐵納米粒子的超順磁特性為測量的進行排除了干擾，同時不同表面修飾的四氧化三鐵納米顆粒可以產生獨特的響應模式，催化不同的有機磷農藥產生的魯米諾化學發光的增強效應也不完全相似。Singh等[67]基于乙酰膽堿酯酶抑制原理創建了穩定性優異的電化學生物傳感器，成功檢測了有機磷農藥，利用還原性氧化石墨烯和氧化鋅納米花修飾金電極，將乙酰膽堿酯酶在氧化鋅納米花/還原性氧化石墨烯/金納米界面上固定，還原性氧化石墨烯的高比表面積提高了有機磷農藥傳感器的靈敏度和線性范圍，氧化鋅納米花作為催化劑，提高了工作電極的電導率，測得的檢測限為0.01 nmol/L。上述方法對甲基對氧磷、甲基對硫磷和乙基對氧磷等有機磷農藥類的檢測展現出非常優異的準確度和精密度，滿足實際樣品分析的要求，在常規檢測中具有廣闊的應用前景。

圖4 滅線磷檢測示意圖[66]Fig.4 Schematic diagram of methophos detection[66]

2.4 重金屬鹽檢測

重金屬污染是一種具有長期穩定性和持續累加性的工農業污染物，重金屬非常難以被生物降解，能夠在環境中長期穩定存在，在生物鏈的富集作用下，通過水、空氣或者土壤進入人體，對人體的健康危害十分巨大。如鉛中毒會影響人的中樞神經系統，導致發育緩慢、智力底下；通過吸入鎘煙塵或鎘化合物粉塵引起的鎘中毒會導致肺氣腫、肺纖維化，最終導致肺功能減退并且對腎臟損害程度也較大；汞毒性會導致頭痛、頭暈、惡心、嘔吐、口腔炎癥、睡眠障礙、腎臟功能受損等。

Liu等[68-70]利用DNA酶作為一類特殊的催化劑[71]識別物質，并將納米金作為信號轉換物質設計出了鉛離子傳感器，如圖5所示。其原理是通過修飾的納米金和DNA酶混合產生雜交反應，納米金團聚，顏色呈藍色；當鉛離子存在時，酶被催化水解，納米金解聚，顏色由藍變紅,檢測范圍一般在100 nmol/L～200 μmol/L之間。Augustine等[72]報道了用于檢測水溶液中Hg2+的比色傳感器。碳修飾的Fe3O4納米材料具有優秀的過氧化物酶活性，Hg2+與谷胱甘肽的巰基有很強的親和力，能夠促進TMB在溶液中的氧化，使溶液呈現出強烈的藍色，測得的檢出限為236 pmol/L。Yang等[73]基于AuNPs的類過氧化物酶活性建立了一種高選擇性、高靈敏度的汞比色檢測系統。在弱還原劑存在的條件下，只有無機汞能被還原為Hg0，而在強還原劑存在下，無機汞和有機汞都能被還原為Hg0。由于汞與金的高親和力，Hg0以金汞合金的形式沉積在AuNPs表面，導致金納米顆粒類過氧化物酶活性顯著增強。結果顯示在5～100 nmol/L范圍內，無機汞和總汞的檢出限分別為1.9 nmol/L和0.9 nmol/L。這些和納米材料模擬酶結合的重金屬鹽分析方法具有十分高的選擇性和靈敏度，也保證了在復雜生物樣品中的實際應用。

圖5 汞離子檢測示意圖[73]Fig.5 Schematic diagram of mercury ion detection[73]

2.5 基因檢測

研究基因在自然環境中的表達對環境領域中污染物的降解和微生物的檢測具有非常重要的意義。通過碳納米管、石墨烯材料、貴金屬納米材料以及復合材料構建的電化學傳感器具有特異性優異、靈敏度高、易操作等特點，能夠有效地檢測基因。另外，檢測特定序列的DNA還對癌癥、病毒感染等疾病的預防具有非常重要的參考意義。

Kou等[74]利用距離可控的DNA鑷子調控酶間間距，建立了一種重復性良好的高效酶級聯擴增檢測目標DNA的電化學方法，如圖6所示。酶功能化的DNA鑷子保持在開放狀態，酶間距離較遠導致催化效率較低。通過靶誘導依賴Mg2+的DNA酶裂解循環，一個輸入信號可以轉換成多個相應的亞甲基藍標記的DNA，這些DNA不僅作為信號探針提供可檢測的電化學信號,而且還使DNA鑷子從打開到關閉狀態,減小了酶間距離，提高了敏感目標DNA分析的催化效率，最后測得的檢出限低至30 fmol/L。Li等[75]研究了一種簡單的DNA-血紅素酶動態自組裝的多功能熒光生物傳感系統。血紅素不僅可以作為動態DNA組裝的模塊，而且可以作為可調控的模擬酶。在靶目標存在的情況下，熵驅動的動態DNA組裝電路將具有抑制催化活性的標記血紅素二聚體分解為活化的血紅素單體。再利用擬半胱氨酸酶可將非熒光酪氨酸催化成熒光雙胺作為信號，最終測得目標DNA濃度低至78 pmol/L,動態范圍為0.1～50 nmol/L。綜上所述，證明依據納米材料模擬酶所設計的DNA檢測系統是一種簡單、快速、通用的生物傳感方法，具有較高的靈敏度和特異性，為基因診斷提供了一個新的平臺。

圖6 再生DNA鑷子對酶級聯反應的動態調控示意圖[74]Fig.6 Schematic diagram of dynamical regulation of enzyme cascade reaction by regenerated DNA tweezer[74]

3 結束語

經過一百多年的發展，人工模擬酶，特別是和納米材料相結合的納米材料模擬酶具有非常大的研究潛力。納米材料模擬酶具有易制備、易儲存、性質穩定和重復性高等優點，通過改變納米材料的粒徑、形貌和表面修飾基團，能夠非常顯著改變納米材料模擬酶的活性，也可以通過改變電荷、涂層、摻雜、負載和外部環境等來對改變納米材料模擬酶的活性。目前納米材料模擬酶主要處于偶聯納米材料、加大活性位點的研究階段。納米模擬酶雖然已經被用于生物醫藥領域疾病的診斷和治療，實現了環境領域的農藥污染和重金屬鹽的檢測和消除，并在電化學傳感、生物小分子檢測等方面有所應用，但是納米材料模擬酶還有一些問題亟待解決：

(1)自然界中天然酶的種類和數量巨大，但現階段研究的納米材料模擬酶主要集中在過氧化氫酶、過氧化物酶、新型漆酶和氧化酶等少數幾種酶。因此，利用已發現的納米材料模擬酶的性質，與其他納米模擬酶偶聯發現更多的納米材料模擬酶是一個非常好的思路，可以大大拓展納米材料模擬酶的反應類別。

(2)納米材料模擬酶具有高穩定性和高催化活性的優點，然而人們對于很多納米模擬酶僅僅是了解其模擬酶的特性，對其反應機理還缺少深入研究。因此深入了解納米酶的結構和催化反應機理是非常有必要的。

(3)目前的研究主要集中在酶的活性位點上，但納米材料模擬酶的蛋白質支架對于酶反應的選擇性和效率也非常重要，目前還沒有很細致的研究。此外，有些酶必須在特定的環境中才能正常發揮作用。因此，未來納米材料模擬酶需要拓展新的思路去解決這些問題。

(4)納米材料模擬酶還存在底物選擇性差的問題。如何合理構建具有高底物選擇性和催化效率的新型納米材料模擬酶還需要投入更大的努力和關注。

(5)雖然許多納米材料被證明可以作為納米模擬酶，且一些納米材料模擬酶的催化活性和天然酶比較毫不遜色，但是大多數納米材料模擬酶的催化活性依然遠低于相應的天然酶，這也是研究人員需要認真考慮的重要部分。