沙 蒙，許維慶，吳志超，顧文玲，朱成周

（華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院,農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,智能生物傳感技術(shù)與健康國際聯(lián)合研究中心,武漢 430079）

新型高效生物催化劑的開發(fā)在化學(xué)研究中占有重要地位［1］.在自然界中，酶是一種高效的生物催化劑，由于其具有高催化活性與強(qiáng)的特異性，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、生物與醫(yī)療等領(lǐng)域［2，3］.近年來，隨著生物技術(shù)和納米材料科學(xué)的重大進(jìn)展，納米材料可以模擬天然酶的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能，在特定的生物催化中表現(xiàn)出與酶相似的作用機(jī)理［4，5］.2007年，Yan等［6］首次報道鐵磁納米粒子具有模擬過氧化物酶的活性并引起了廣泛的關(guān)注.2013年，Wei和Wang［7］定義了“具有酶學(xué)性質(zhì)的納米材料”為納米酶.納米酶結(jié)合了化學(xué)催化劑和生物催化劑的特性，兼具納米材料固有的物理化學(xué)特性（磁、光、熱及電學(xué)等）和類酶活性.納米酶的發(fā)現(xiàn)揭示了納米材料內(nèi)在的生物效應(yīng)及新特性，豐富了模擬酶的內(nèi)涵，為納米技術(shù)與生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的連接架起橋梁［8，9］.得益于經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、性質(zhì)可調(diào)、可大規(guī)模生產(chǎn)和回收利用等優(yōu)勢，納米酶克服了天然酶在實(shí)際應(yīng)用中的不足［10，11］.近年來，人們發(fā)現(xiàn)并設(shè)計(jì)了多種納米酶，包括金屬、金屬氧化物或硫化物和碳基納米酶等［12～16］.此外，大量研究表明，通過調(diào)節(jié)尺寸［17］、形貌［18］、晶面［19］、價態(tài)［20］及配位結(jié)構(gòu)［21］等新策略，能夠特異性地調(diào)控納米酶的催化性能［22］，這為尋求更高效的納米酶并探索其生物催化機(jī)制提供了可能.

目前，納米酶領(lǐng)域仍然面臨著多方面的挑戰(zhàn).首先，傳統(tǒng)納米酶的活性位點(diǎn)的密度和質(zhì)量活性較低，在催化過程中僅有表面1～2原子層參與反應(yīng)，導(dǎo)致其類酶催化效率遠(yuǎn)低于天然酶［23，24］.其次，納米材料復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征使得催化劑活性位點(diǎn)的識別較為困難.如晶面、尺寸、元素組成以及雜原子摻雜等因素都會導(dǎo)致復(fù)雜的催化機(jī)制和不同的催化路徑，難以精準(zhǔn)識別類酶活性位點(diǎn)及揭示構(gòu)效關(guān)系［25，26］.此外，納米材料雖然可以模擬出天然酶的性質(zhì)和功能，但由于本身缺乏精細(xì)結(jié)構(gòu)，難以精確模擬天然酶催化中心復(fù)雜的配位結(jié)構(gòu)和催化微環(huán)境，致使其催化的選擇性和活性不理想［3，27］.

隨著催化科學(xué)邁入微觀尺度研究，當(dāng)金屬組分以原子級分散的形式存在時，可以最大限度發(fā)揮金屬原子的利用效率，單原子材料應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)前材料科學(xué)與催化科學(xué)研究的熱點(diǎn)［28，29］.單原子材料的出現(xiàn)可以很好地應(yīng)對當(dāng)前納米酶急需解決的困境.首先，單原子材料是材料調(diào)控的極限，降低了成本并實(shí)現(xiàn)了金屬原子利用效率的最大化［30］；其次，金屬原子與載體之間的強(qiáng)相互作用，既能穩(wěn)定單原子，也能有效調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)，對提高催化活性和選擇性有重要意義［31，32］.單原子催化劑明確的活性結(jié)構(gòu)位點(diǎn)，為納米酶類酶催化機(jī)制探索提供了很好的模型體系，有利于揭示催化劑的構(gòu)效關(guān)系［33，34］.在眾多報道的單原子催化劑中，碳載單原子催化劑，尤其是M-N-C催化劑，其金屬原子與周圍氮原子之間形成的穩(wěn)定配位鍵（M-Nx）［35］，在能源催化與生物催化領(lǐng)域已展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值［36～39］.特別是其金屬活性中心與金屬酶活性中心M-Nx在幾何結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成上有很大的相似性，如辣根過氧化物酶［40，41］及細(xì)胞色素P450［42］等催化中心具有血紅素Fe-N4的結(jié)構(gòu)，由此可以實(shí)現(xiàn)類酶催化活性的有效模擬［43］，這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步促進(jìn)了新型類酶材料的理性設(shè)計(jì)和調(diào)控優(yōu)化，推動了類酶催化本質(zhì)的探索.

單原子催化劑具有明確的均相催化和多相催化的活性中心，但由于在合成和后續(xù)處理過程中有原子聚集的趨勢，因此在制備合成方面仍然面臨挑戰(zhàn).為了防止原子聚集并加強(qiáng)金屬-載體相互作用，研究人員已經(jīng)開發(fā)了一系列合成單原子催化劑的策略，包括自下而上和自上而下兩類［44，45］.單原子催化劑的構(gòu)建通常采用自下而上策略，包括質(zhì)量分離軟著陸法［46，47］、原子層沉積法［48，49］、濕化學(xué)法［50］和球磨法［51］等，主要利用載體的缺陷和空位位點(diǎn)錨定金屬前驅(qū)體，并通過化學(xué)還原得到單原子催化劑.自上而下策略是以較大尺度的單質(zhì)材料或者納米顆粒為前驅(qū)體，在特定條件下解離，實(shí)現(xiàn)向單原子位點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，主要包括高溫?zé)峤?、高溫原子遷移［52，53］等.目前對單原子材料的表征技術(shù)主要包括球差校正高分辨透射電子顯微鏡、高分辨的透射電子顯微鏡和X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)譜等.X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)譜能夠得到中心原子價態(tài)、配位數(shù)、配位原子的種類和中心原子與配位原子之間的鍵長等配位信息.先進(jìn)的表征手段有利于識別活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)并深入理解單原子類酶材料結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系［54～57］.本文總結(jié)了近幾年來單原子材料在模擬酶催化方面的研究進(jìn)展.首先，主要介紹了單原子類酶材料在類過氧化物酶（POD）、類氧化酶（OXD）、類過氧化氫酶（CAT）和類超氧化物歧化酶（SOD）等方面的研究，同時重點(diǎn)討論了調(diào)控單原子材料類酶活性的策略和類酶催化機(jī)理.隨后，系統(tǒng)地總結(jié)了單原子類酶材料在癌癥治療、抗氧化治療、抗菌和生物傳感等方面的具體應(yīng)用（Scheme 1）.最后，概述了單原子類酶材料發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn).

Scheme 1 Single?atom materials for enzyme?like catalysis and biomedical applications

1 單原子材料的類酶活性

1.1 類過氧化物酶

POD 在自然界中廣泛分布，由一大類酶組成，如較為常見的辣根過氧化物酶（HRP）和細(xì)胞色素c過氧化物酶等.過氧化物酶可以在H2O2或其它有機(jī)過氧化物存在下催化底物的氧化.在催化過程中，過氧化物被還原，底物通常作為電子給體［6］.近年來，諸多單原子催化劑被報道具有優(yōu)異的類過氧化物活性，并被廣泛地應(yīng)用于生物傳感和醫(yī)療等多個領(lǐng)域［58，59］.為了進(jìn)一步提高單原子催化劑的類過氧化物酶活性，研究者們通過調(diào)控金屬活性中心類型、提高單原子負(fù)載量、調(diào)控中心原子配位環(huán)境及引入官能團(tuán)或協(xié)同催化組分等策略實(shí)現(xiàn)了活性調(diào)控.

1.1.1 Fe基單原子類過氧化物酶 天然酶催化活性中心具有卟啉鐵輔基結(jié)構(gòu)，即Fe與卟啉環(huán)平面上的4個N配位.因此研究者們致力于開發(fā)Fe基單原子材料來模擬自然酶活性中心［60］，通過調(diào)控Fe單原子材料獨(dú)特的配位方式和電子結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對天然酶催化性能的高效模擬.Jiao等［50］采用葡萄糖和雙氰胺分別作為碳源和氮源，利用葡萄糖中的含氧基團(tuán)有效螯合Fe2+以避免團(tuán)聚，一步退火合成了Fe-N-C單原子類酶材料.所合成的Fe-N-C單原子材料具有Fe-N4活性結(jié)構(gòu)并表現(xiàn)出優(yōu)異的類過氧化物酶活性.

金屬活性中心的類型和數(shù)量是單原子材料類酶催化的核心和關(guān)鍵.為了進(jìn)一步提高單原子材料的類過氧化物酶活性，調(diào)控金屬活性中心類型并提高單原子負(fù)載量是非常有效的策略.Jiao等［61］采用鹽模板法，合成了高負(fù)載量和高暴露量的Fe-N-C，Co-N-C 和Zn-N-C 二維超薄單原子類酶材料.其中，F(xiàn)e-N-C 材料中Fe 的負(fù)載量高達(dá)13.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），遠(yuǎn)超當(dāng)時已報道的Fe 基單原子催化劑.擴(kuò)展X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)擬合得到Fe，Co，Zn 與N 配位數(shù)接近于4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e-N-C 的比活性（25.33 U/mg）顯著優(yōu)于Co-N-C（6.33 U/mg）和Zn-N-C（2.46 U/mg）［圖1（A）］.理論計(jì)算表明，活性位點(diǎn)FeN4吸附H2O2分子后發(fā)生均裂生成吸附態(tài)OH*；隨后一個OH*游離出來形成·OH，為反應(yīng)的決速步驟.相對于CoN4和ZnN4活性位點(diǎn)，F(xiàn)eN4與吸附態(tài)OH*的結(jié)合能力最弱且反應(yīng)能壘更小，與其優(yōu)異的催化性能相一致［圖1（B）］.

Fig.1 Experimental and theoretical studies on the POD?like activity of Fe?N?C[61]

調(diào)控單原子材料催化活性的另一個重要策略是調(diào)控中心原子的配位結(jié)構(gòu).中心原子的配位結(jié)構(gòu)在很大程度上影響中心原子的電子結(jié)構(gòu)［29］.不同的配位結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致中心金屬原子與鄰近原子之間的電子相互作用不同，這對提高催化性能具有重要意義.影響單原子位點(diǎn)配位結(jié)構(gòu)的主要因素有配位原子、配位數(shù)和配位空間結(jié)構(gòu)等［32］.將S，B，P等富電子且易摻雜的原子引入到單原子的配位環(huán)境中，一方面引起結(jié)構(gòu)的扭曲和電荷密度的改變，通過雜原子與鄰近原子的電負(fù)性差異調(diào)控活性中心的電子結(jié)構(gòu)［62］；另一方面可以在基底上引入幾何缺陷，進(jìn)一步提高催化活性和穩(wěn)定性.Jiao 等［63］將雜原子B引入到Fe-N-C單原子材料中（FeBNC），實(shí)現(xiàn)了對中心原子電子結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控［圖2（A）］，可以有效增強(qiáng)類過氧化物酶活性［圖2（B）］.理論計(jì)算表明，B誘導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)可以調(diào)節(jié)活性中心Fe原子的正電荷，從而降低羥基自由基（·OH）形成的能壘［圖2（C）］，最終導(dǎo)致FeBNC的類過氧化物酶的活性增強(qiáng).在此研究的基礎(chǔ)上，Jiao等［64］將原子尺寸更大的S原子引入到Fe-N-C單原子材料中（FeSNC），S原子會突出NC平面，導(dǎo)致NC骨架的結(jié)構(gòu)畸變.S原子的引入不僅實(shí)現(xiàn)了對活性中心的幾何結(jié)構(gòu)的調(diào)控，同時也實(shí)現(xiàn)了對中心原子電子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以Fe-N3S1為活性位點(diǎn)的FeSNC單原子類酶材料相較于以Fe-N4為活性位點(diǎn)的Fe-N-C，類過氧化物酶活性顯著增強(qiáng).理論計(jì)算結(jié)果表明，S誘導(dǎo)的幾何和電子效應(yīng)不僅增加了吸附態(tài)H2O2的O—O鍵的鍵合距離，還加速了Fe與O之間的電子轉(zhuǎn)移，從而降低了反應(yīng)中間體的形成能壘，實(shí)現(xiàn)了類過氧化物酶活性的提高.P和S在原子半徑和電負(fù)性方面具有相似性，并且P是許多天然酶的重要組成元素，在底物與天然酶活性中心的電子傳遞中發(fā)揮重要作用.Ji 等［27］以沸石咪唑鹽骨架8（ZIF-8）為載體，聚（環(huán)三磷腈-4，4′-二氨基二苯醚）（PZM）為P 的前驅(qū)體，錨定金屬活性中心Fe，聚合的PZM包覆在ZIF-8表面，得到Fe/ZIF-8@PZM核殼復(fù)合材料.進(jìn)一步退火得到以FeN3P為活性中心的單原子類酶材料.該單原子材料表現(xiàn)出優(yōu)異的類過氧化物酶活性，具有與HRP相當(dāng)?shù)拇呋屎瓦x擇性.理論計(jì)算表明，在吸附氧形成的過程中（2OH→O+H2O），由于異原子P 的引入，在FeN3P 位點(diǎn)上生成的O 吸附在P 上，H2O 吸附在Fe 上，P 的吸附作用導(dǎo)致O 和H2O之間形成氫鍵的鍵長最短，反應(yīng)能壘最小.在隨后的決速步驟中，吸附在P上的O遷移到Fe位點(diǎn)，反應(yīng)能壘低，易于發(fā)生.此外，配位數(shù)的不同影響著單原子活性位點(diǎn)的幾何和電子結(jié)構(gòu)，很大程度上影響了類酶催化性能.Xu 等［65］受自然酶配位環(huán)境啟發(fā)，通過將具有Fe-N4四配位的血紅素錨定在超薄N摻雜石墨烯上，合成了活性位點(diǎn)為Fe-N5結(jié)構(gòu)的單原子類酶材料（NG-Heme）.作為對比，通過直接將血紅素固定到石墨烯上，構(gòu)筑了Fe-N4四配位的單原子類酶材料（G-Heme）.與四配位結(jié)構(gòu)的G-Heme相比，五配位結(jié)構(gòu)的NG-Heme 的類過氧化物酶活性提高了42.1倍.理論計(jì)算表明，得益于NG-Heme 中軸向配體與Fe 的相互作用，使得NG-Heme 的d帶中心（?0.86 eV）比G-Heme（?1.06 eV）更高，從而促進(jìn)中間體的生成.

除了直接調(diào)控與金屬中心配位的原子類型和原子數(shù)，Xu等［66］通過對金屬有機(jī)框架（MIL-101）中有機(jī)配體進(jìn)行官能化，實(shí)現(xiàn)對空間鄰近的金屬活性位點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)的直接調(diào)整.結(jié)果表明，—NO2的引入能顯著提高M(jìn)IL-101 類酶催化活性和對底物的親和力.而—NH2的引入則恰恰相反［圖2（D）和（E）］.為了進(jìn)一步研究不同官能團(tuán)導(dǎo)致活性差異的背后原因，他們通過理論計(jì)算首先研究了—NO2的引入對吸附態(tài)的幾何效應(yīng).由于—NO2的強(qiáng)吸電子作用，使得的O—H 鍵取向偏向—NO2上的氧，H…O—N—O氫鍵距離縮短，這有利于O—O鍵的斷裂，降低OH*形成能.而NH2-MIL-101吸附的O—H鍵沒有明顯變化.其次，他們研究了—NO2的引入對MIL-101的電子效應(yīng).—NO2的引入改變了活性位點(diǎn)Fe的3d軌道分裂，降低了懸空鍵（）上的電子密度，從而增強(qiáng)了中間體OH*的吸附，降低了決速步驟的反應(yīng)能壘［圖2（F）］.

Fig.2 Regulation of coordination structure and functional groups

此外，通過引入一些協(xié)同催化的組分也能夠進(jìn)一步調(diào)控單原子類酶催化性能.Chen等［67］通過將Pt簇限域在層狀多孔的Fe-N-C載體上，構(gòu)建了單原子與簇偶聯(lián)的高性能類酶材料（FeSA-PtC）.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)eSA-PtC類過氧化物酶活性比Fe單原子提高了4.5倍，比Pt簇提高了7倍.進(jìn)一步探究表明，F(xiàn)e單原子與Pt簇之間存在協(xié)同作用，單原子Fe上的電子轉(zhuǎn)移到了Pt簇上，這可能是其活性提升的原因.

1.1.2 其它過渡金屬基單原子類過氧化物酶 除了Fe基單原子類酶材料，其它過渡金屬基單原子類酶材料也有相關(guān)報道.Chen等［68］采用一種非高溫退火的策略，通過配位作用直接將金屬Cu離子錨定在MOFs 的有機(jī)配體2，2′-聯(lián)吡啶-5，5′-二羧酸上，構(gòu)建了Cu-MOF 單原子類酶材料［圖3（A）］.其表現(xiàn)出類過氧化物酶活性，在H2O2存在的條件下，可以催化熒光紅染料（Amplex-Red）氧化生成有熒光信號的試鹵靈［圖3（B）］.同時在H2O2存在下催化多巴胺生成氨基色素［圖3（C）］.

除此之外，Zn，Mo，Co基單原子類酶材料也有相關(guān)報道.Xu等［69］仿照天然酶卟啉環(huán)的配位特點(diǎn)，將金屬有機(jī)框架ZIF-8作為前驅(qū)體，利用介孔硅保護(hù)策略，合成了具有Zn-N4活性中心的Zn基單原子類酶材料.該Zn基單原子材料具有較好的類過氧化物活性，催化H2O2產(chǎn)生·OH，可以實(shí)現(xiàn)99.85%的抑菌率.此外，Wang等［70］報道了一系列以Mo為活性中心的單原子類酶材料，通過調(diào)控Mo位點(diǎn)的配位數(shù)實(shí)現(xiàn)了對類過氧化物酶特異性的精準(zhǔn)調(diào)控.他們首先通過密度泛函理論（DFT）模擬，在一系列Mo-Nx-C單原子模型中確定了Mo-N3-C 是過氧化物酶特異性的最佳侯選模型.然后，通過客體模板策略，在800，900 和1000°C 的熱解條件下，分別合成了不同配位環(huán)境的MoSA-N4-C，MoSA-N3-C 和MoSA-N2-C.擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜表明，伴隨著熱解溫度的升高，Mo-N/O峰強(qiáng)度逐漸降低，其配位數(shù)逐漸變低.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，Mo-N3-C過氧化物酶特異性最好，且與Mo結(jié)合的N原子數(shù)在活性與特異性中起關(guān)鍵作用.理論計(jì)算表明，3種類酶材料活性位點(diǎn)吸附的H2O2都能自發(fā)分解，且分解產(chǎn)物高度依賴于Mo的配位環(huán)境.MoSA-N4-C和MoSA-N2-C中的Mo嵌入平面內(nèi)，吸附的H2O2會通過異裂的方式自發(fā)生成O*和H2O，而MoSA-N3-C 中的Mo 突出平面外，吸附的H2O2更有利于均裂成2 個OH*.研究還發(fā)現(xiàn)，MoSA-N3-C的最高占據(jù)分子軌道更容易水平吸附H2O2的最低未占據(jù)分子軌道，而MoSA-N2-C和MoSA-N4-C則更傾向于吸附垂直構(gòu)型的H2O2.

Fig.3 Cu?centered and Co?centered single?atom materials for mimicking peroxidase

目前報道的單原子類酶材料絕大多數(shù)是以無機(jī)碳材料作為基底，對金屬化合物等載體及載體與活性位點(diǎn)的相互關(guān)系等研究較少.金屬化合物（如硫族化合物）也是廣泛用于穩(wěn)定單原子的載體.金屬化合物表面的不飽和位點(diǎn)可以錨定單原子，有效防止金屬聚集.載體中的金屬位點(diǎn)與單原子位點(diǎn)的相互作用也是影響催化活性的重要因素，而天然酶也往往因?yàn)橄噜徫稽c(diǎn)的協(xié)同作用而表現(xiàn)出高反應(yīng)活性.Wang 等［71］采用超薄的MoS2納米片作為載體吸附Co 納米盤，通過電化學(xué)刻蝕得到Co 單原子類酶材料（SA Co-MoS2），該單原子材料具有較高的類過氧化物酶活性.他們分別從實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算兩個方面揭示了Co單原子中心和MoS2載體遵循不同的催化機(jī)理［圖3（D）］.Co活性中心遵循電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，MoS2則遵循類芬頓反應(yīng)的機(jī)制［圖3（E）和（F）］，Co單原子和MoS2協(xié)同提升類過氧化物酶活性.

1.2 類氧化物酶

OXD 屬于氧化還原酶的一類，可催化O2直接氧化底物.在氧化酶催化過程中，氧氣作為電子受體，可以接受4 個電子被還原成H2O，接受2 個電子生成H2O2，接受1 個電子生成.氧化酶種類很多，如細(xì)胞色素P450［21］、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）氧化酶［72］和多酚氧化酶等.目前，已有報道發(fā)現(xiàn)單原子材料具有類氧化酶活性［73，74］.

1.2.1 模擬細(xì)胞色素P450 Huang等［25］報道了一種用金屬有機(jī)框架包覆鐵酞菁的限域策略合成的具有軸向五配位的單原子類酶材料（FeN5SA/CNF）.值得注意的是，其原子級分散的活性位點(diǎn)與細(xì)胞色素P450活性中心的空間結(jié)構(gòu)十分相似［圖4（A）］.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)eN5SA/CNF的催化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于FeN4SA/CNF［圖4（B）］和商業(yè)Pt/C.理論計(jì)算結(jié)果表明，與四配位的FeN4SA/CNF 相比，軸向配位的N的引入使FeN5SA/CNF具有較強(qiáng)的電子推動作用，有利于電子填充到O2的反鍵π*軌道，進(jìn)一步促進(jìn)O—O鍵的裂解，從而使得吸附態(tài)氧更容易從底物3，3′，5，5′-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）中得到H+，提高吸附態(tài)氧對底物的氧化能力［圖4（C）］.

目前，關(guān)于單原子催化劑模擬氧化酶，研究最多的底物仍然是TMB.通過激活O2生成活性氧，然后氧化底物TMB，完成整個反應(yīng)過程.Xu等［75］合成的單原子催化劑Fe-N-C不僅模擬了細(xì)胞色素P450的Fe-Nx血紅素活性中心，而且模擬了細(xì)胞色素P450在人體內(nèi)的功能性.細(xì)胞色素P450參與了人體內(nèi)很多內(nèi)源性和外源性的藥物代謝，他們選取了二氫吡啶降壓藥（1，4-DHP）作為Fe-N-C 類P450 氧化酶的底物，實(shí)現(xiàn)了Fe-N-C對1，4-DHP藥物的代謝模擬［圖4（D）］.不僅如此，此工作還將生物催化與電催化氧還原（ORR）進(jìn)行比較，揭示了不同的反應(yīng)機(jī)制［圖4（E）］.電催化ORR與氧化酶催化反應(yīng)都是活化O2變成H2O的過程，有所不同的是，電催化ORR反應(yīng)中電子由電極傳遞到催化劑表面，而氧化酶催化反應(yīng)中電子由底物提供.他們通過將含鐵的離子液體前驅(qū)體在850 ℃下熱解得到了石墨結(jié)構(gòu)較多的Fe-N-C-850，在400 ℃下熱解得到了石墨結(jié)構(gòu)較少的Fe-N-C-400.石墨結(jié)構(gòu)在ORR 應(yīng)用中起至關(guān)重要的作用，因?yàn)橹苯油ㄟ^石墨框架，電子更容易從電極轉(zhuǎn)移.實(shí)驗(yàn)也證明了Fe-N-C-850具有更高的ORR活性，而低溫?zé)峤獾腇e-N-C-400具有更好的類氧化酶活性.由此可見，石墨結(jié)構(gòu)并不是驅(qū)動類酶氧化反應(yīng)的關(guān)鍵因素［圖4（F）］.

Fig.4 Single?atom materials for mimicking the active center of cytocrome P450

1.2.2 模擬多酚氧化酶 含銅的蛋白質(zhì)廣泛參與生命的各種氧化還原過程.如漆酶（氧化苯酚和芳香胺類）、血藍(lán)蛋白（O2轉(zhuǎn)運(yùn)）、酪氨酸酶（氧化單酚類）和兒茶酚氧化酶（氧化兒茶酚類），在其活性部位都有偶聯(lián)的多核銅（II）中心［76］.通過構(gòu)建原子級分散的含Cu催化劑，可以實(shí)現(xiàn)模擬Cu基氧化酶活性的目的.Liang 等［77］通過用配體鳥嘌呤腺苷單磷酸與二價銅離子配位，合成了具有原子尺度分散的無定形金屬有機(jī)框架材料（Cu/GMP），是首次報道能夠模擬漆酶的材料.漆酶是一種含4個銅離子的氧化酶，可以氧化生物環(huán)境系統(tǒng)中比較重要的底物（如多酚、多胺等），也可以直接活化氧氣生成水，無H2O2產(chǎn)生.通過實(shí)驗(yàn)證明，該類酶材料在4-氨基安替吡啉的存在下可以催化底物2，4-二氯苯酚生成紅色產(chǎn)物，并在相同質(zhì)量濃度下表現(xiàn)出比漆酶更高的催化活性.除了2，4-二氯苯酚，該類酶材料對萘酚、對苯二酚、鄰苯二酚和腎上腺素等多種底物均具有催化作用.在酚類氧化酶中除了漆酶，兒茶酚氧化酶也在生物系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，可以催化鄰苯二酚類底物氧化成相應(yīng)的鄰醌類；鄰醌類可聚合產(chǎn)生黑色素，形成一種不可溶解的屏障以保護(hù)受損植物免受病原體的傷害.天然的兒茶酚氧化酶活性中心由耦合的雙核銅與6個組氨酸配位組成的，在O2作用下催化氧化鄰苯二酚，O2被還原成過H2O2，進(jìn)一步通過O—O鍵的裂解形成水.Li等［78］合成具有三核銅中心的MOF-818，不僅模擬了兒茶酚氧化酶的活性結(jié)構(gòu)，且具有高效的兒茶酚氧化酶活性和高特異性，不表現(xiàn)出過氧化物酶活性.與天然酶有所不同的是，MOF-818在O2存在下催化鄰苯二酚氧化成鄰苯二醌，生成的是H2O2，而不是H2O.

1.3 類過氧化氫酶和類超氧化物歧化酶

過氧化氫酶作為另一類含金屬輔基的生物催化劑，能夠分解H2O2產(chǎn)生H2O 和O2.Wang 等［79］通過將單原子Ru 錨定在金屬有機(jī)框架Mn3［Co（CN）6］2中，進(jìn)一步封裝光敏劑Ce6，構(gòu)建了Ru 單原子催化劑.組裝的Ru單原子催化劑具有較好的類過氧化氫酶活性，能夠催化細(xì)胞內(nèi)的H2O2原位產(chǎn)生O2，緩解腫瘤微環(huán)境的缺氧狀態(tài).為了進(jìn)一步豐富單原子材料模擬酶的類型，研究者們對單原子材料的類超氧化物歧化酶活性進(jìn)行模擬.超氧化物歧化酶作為生物體內(nèi)普遍存在的一種抗氧化金屬酶，可以催化歧化生成O2和H2O2.Ma等［80］通過框架結(jié)構(gòu)原位封裝前驅(qū)體的策略合成了活性位點(diǎn)為Fe-N4的單原子類酶材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的超氧化物歧化酶活性，催化轉(zhuǎn)化為H2O2和O2，可以有效清除細(xì)胞氧化應(yīng)激產(chǎn)生的活性氧.

1.4 多酶活性

單原子材料是一種無機(jī)催化劑，缺乏如酶分子一樣精巧的三維空間結(jié)構(gòu)，并且單原子的載體缺少對特定底物的識別位點(diǎn).然而，酶的催化選擇性高度依賴于活性位點(diǎn)附近的空間結(jié)構(gòu)，尤其是活性中心周圍存在的重要氨基酸對底物的識別、活化起重要作用.因此，單原子類酶材料很難達(dá)到天然酶的選擇性.雖然對類酶材料進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以提升選擇性一直是納米酶研究領(lǐng)域不懈追求的目標(biāo)，但在實(shí)際應(yīng)用中具有多酶活性的納米材料也表現(xiàn)出很大優(yōu)勢.近幾年陸續(xù)有研究報道部分單原子材料具有多種酶的活性.具有多酶活性的單原子材料目前已廣泛應(yīng)用于抗菌、癌癥治療以及細(xì)胞保護(hù)等領(lǐng)域，能更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需求.Zhao等［81］利用高溫氣體遷移策略將Fe單原子錨定在N摻雜的納米材料上，合成了以Fe-N4為活性位點(diǎn)的單原子類酶材料.該Fe基單原子材料具有良好的類過氧化物酶、氧化酶和過氧化氫酶活性.Lu 等［82］采用主客體封裝策略，通過一鍋機(jī)械化學(xué)方法制備Fe-N-C 單原子類酶材料，無需溶液步驟和酸堿處理.合成得到的Fe-N-C具有類過氧化物酶、氧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶活性.

在單原子類酶材料活性中心中，引入另外一個金屬原子與其相鄰，也是一個調(diào)控催化活性的重要策略.雙金屬原子作為活性中心，可以繼承單原子活性中心暴露、原子利用效率大的優(yōu)勢，同時也能整合雙金屬的功能，利用其潛在的協(xié)同作用［29，31］.在自然界中，很多天然酶也具有雙金屬核心，如細(xì)胞色素c氧化酶、多酚氧化酶等具有雙銅核心，在催化過程中金屬二聚體的結(jié)構(gòu)有利于O2或過氧化物的吸附，促使O—O鍵斷［83～85］.Jiao等［86］合成以Fe-Fe雙位點(diǎn)為核心的雙金屬催化劑Fe2NC，F(xiàn)e2NC具有典型的氧化酶活性（細(xì)胞色素c氧化酶、NADH氧化酶和抗壞血酸氧化酶）和過氧化物酶活性（NADH過氧化物酶和抗壞血酸過氧化物酶），其類酶活性顯著好于以單原子Fe 為位點(diǎn)的Fe1NC.同時理論計(jì)算表明，由于雙鐵位點(diǎn)分別吸附O2或過氧化物中的2個O，可以延長O—O鍵的距離，加速O—O裂解，從而提高類酶催化活性.

特定的生物催化過程往往需要多酶的協(xié)同作用才能完成.生物系統(tǒng)中的多酶級聯(lián)反應(yīng)可以高效率、有條不紊地進(jìn)行，主要得益于以下幾點(diǎn)：首先可以減少反應(yīng)中間體在酶之間的擴(kuò)散，提高中間體的利用率［87］；其次，在有限的空間內(nèi)提高催化底物的局部濃度、加速傳質(zhì)［88］.受到天然酶級聯(lián)催化的啟發(fā)，構(gòu)建集成多酶活性于一體的單原子材料，串聯(lián)不同的反應(yīng)路徑并按照次序進(jìn)行，可以極大提高反應(yīng)效率和反應(yīng)產(chǎn)率.Zhu等［89］報道了Mn基單原子類酶材料，該材料表現(xiàn)出類過氧化氫酶、氧化酶和過氧化物酶活性，可以利用癌細(xì)胞環(huán)境中過量的H2O2發(fā)生級聯(lián)催化反應(yīng).首先，其過氧化氫酶功能催化H2O2的分解，在細(xì)胞中產(chǎn)生大量的O2.隨后，其類氧化酶功能可以介導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移到O2，從而產(chǎn)生豐富的.同時，其類過氧化物酶活性可催化H2O2分解生成·OH.兩種活性氧的產(chǎn)生誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生凋亡.Yan等［90］在應(yīng)對顱腦創(chuàng)傷引發(fā)的神經(jīng)炎癥時，開發(fā)了以CeO2團(tuán)簇為載體負(fù)載單原子Pt的類酶材料（Pt/CeO2），Pt單原子的引入誘導(dǎo)CeO2（111）發(fā)生晶格膨脹.Pt/CeO2具有類超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶和過氧化物酶多酶活性，且相較于CeO2，四酶活性顯著提高.基于顱腦創(chuàng)傷誘發(fā)產(chǎn)生的過量活性氧，Pt/CeO2多酶級聯(lián)反應(yīng)有顯著的清除效果.如，Pt/CeO2的類超氧化物歧化酶活性可以歧化生成H2O2和O2，Pt/CeO2進(jìn)一步利用類谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶、過氧化物酶活性代謝產(chǎn)生的H2O2，以達(dá)到減輕炎癥的治療效果.

2 單原子類酶材料在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

2.1 癌癥治療

癌癥發(fā)病率高且治療難度大，嚴(yán)重危害著人類生命健康.利用具有類酶活性的納米材料來進(jìn)行納米催化治療是一種新興的治療癌癥的技術(shù)，具有制備簡單、成本低及穩(wěn)定性高等優(yōu)勢.目前，基于納米酶的治療方法主要包括化學(xué)動力學(xué)治療（CDT）、光熱治療（PTT）和光動力治療（PDT）等［91～93］.上述治療過程中，納米酶通過催化O2或H2O2產(chǎn)生高毒性的活性氧（如，1O2或·OH），或通過光照射光敏劑來產(chǎn)生活性氧，引發(fā)腫瘤細(xì)胞凋亡或壞死.但納米酶在腫瘤微環(huán)境中催化活性仍然不足，單原子材料活性位點(diǎn)暴露量大、催化活性高，且金屬離子泄漏少、副作用小，在癌癥治療方面引起了廣泛關(guān)注.

CDT 是根據(jù)腫瘤微環(huán)境弱酸性、H2O2過量的特點(diǎn)，通過芬頓反應(yīng)或類芬頓反應(yīng)，催化H2O2產(chǎn)生·OH來殺死腫瘤細(xì)胞的一種治療方法.Huo等［93］利用ZIF-8錨定單原子Fe，高溫?zé)峤夂笮揎椌垡叶迹≒EG），合成了活性中心是Fe-N4的單原子類酶材料（PSAF NCs）.給小鼠靜脈注射PSAF NCs 后，由于腫瘤的高通透性和滯留效應(yīng)（EPR 效應(yīng)），PSAF NCs 會聚集在腫瘤病灶內(nèi).基于弱酸性和H2O2過量的微環(huán)境，PSAF NCs會原位催化H2O2生成毒性較強(qiáng)的·OH，抑制腫瘤生長.同時，產(chǎn)生·OH可以誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化物積累，進(jìn)一步誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞鐵死亡，協(xié)同增強(qiáng)了治療效果［圖5（A）］.然而，在CDT治療中大量產(chǎn)生的高毒性活性氧，在殺死腫瘤細(xì)胞的同時也會損傷正常細(xì)胞.如何有選擇性地殺死腫瘤細(xì)胞是一個關(guān)鍵問題.Wang等［94］采用金屬離子與有機(jī)配體自組裝的策略，合成了具有原子級分散Cu位點(diǎn)的六亞鐵酸銅類酶材料（SSNEs）.SSNEs具有類谷胱甘肽氧化酶和類過氧化物酶雙重酶活性.SSNEs作為類谷胱甘肽氧化酶，通過消耗谷胱甘肽將CuⅡ轉(zhuǎn)化成CuⅠ，CuⅠ的存在增強(qiáng)了SSNEs的類過氧化物酶活性，催化H2O2產(chǎn)生大量的·OH 并誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡.由于腫瘤細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常細(xì)胞，因此，SSNEs可以選擇性地在腫瘤環(huán)境中實(shí)現(xiàn)治療.

Fig.5 Single?atom materials for cancer treatment

PTT是在激光照射下，光熱轉(zhuǎn)換材料利用光熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱量來殺死癌細(xì)胞的一種治療方法.與化療、放療等傳統(tǒng)治療手段相比，PTT更高效、精準(zhǔn)和可控［35，45］.Su等［95］采用氮摻雜的介孔碳納米球負(fù)載鐵單原子，合成了Fe 單原子催化劑（SAFe-NMCNs）.SAFe-NMCNs 可以模擬過氧化氫酶和過氧化物酶雙重酶的活性.一方面，SAFe-NMCNs 作為類過氧化氫酶，能夠催化H2O2生成O2，實(shí)現(xiàn)在腫瘤部位的超聲成像；另一方面，SAFe-NMCNs 作為類過氧化物酶，能夠催化H2O2生成·OH 并誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡.此外，SAFe-NMCNs具有優(yōu)異的光熱性能，能夠?qū)崿F(xiàn)光熱增強(qiáng)的腫瘤治療效果.然而，在PTT治療中往往也存在一些問題.如，過多的熱量無法避免地會損傷腫瘤周圍的正常組織，但溫和的熱量對癌細(xì)胞造成的損傷也容易被熱休克蛋白（HSPs）修復(fù).如何控制溫度使得PPT效率最大化，又能減少對正常組織的傷害具有重大意義.Chang等［96］用ZIF-8負(fù)載Pd納米顆粒，高溫裂解得到氮配位的碳載Pd單原子類酶材料.該材料具有類過氧化物酶、谷胱甘肽氧化酶活性，且具有較好的光熱轉(zhuǎn)化效能.該單原子材料的雙重類酶活性可上調(diào)脂質(zhì)過氧化物酶（LPO）和活性氧水平，實(shí)現(xiàn)熱休克蛋白（HSPs）的失活并誘導(dǎo)鐵死亡，從而達(dá)到溫和的光熱治療效果［圖5（B）］.

PDT治療是通過特定波長的光照射腫瘤組織中的光敏劑，從而產(chǎn)生活性氧來殺死腫瘤細(xì)胞的一種治療方法.Wang 等［79］通過自組裝策略，將金屬離子、有機(jī)配體和Ce6 光敏劑封裝到聚乙烯吡咯烷酮（PVP）聚合物中，合成了Ru單原子催化劑（OxgeMCC-r）.在腫瘤細(xì)胞H2O2過表達(dá)的情況下，OxgeMCC-r催化H2O2原位生成O2，緩解腫瘤微環(huán)境的缺氧狀態(tài)，同時產(chǎn)生高細(xì)胞毒性的1O2，誘發(fā)腫瘤細(xì)胞凋亡［圖5（C）］.在實(shí)際的治療過程中，由于惡性腫瘤具有多樣性、復(fù)雜性和異質(zhì)性，單模態(tài)的治療方法效率低、治療效果有限.Du 等［97］采用卟啉基聚合物錨定Pd 單原子，合成了以Pd-N2-Cl2為活性中心的單原子催化劑（Pd-Pta/Por），可用于化學(xué)動力、聲動力和光動力三模態(tài)治療.首先，Pd-Pta/Por具有優(yōu)異的過氧化物酶活性，可催化H2O2生成·OH以用于化學(xué)動力治療.其次，卟啉基的聲敏劑和光敏劑在超聲或激光照射下產(chǎn)生1O2的效率顯著提高.因此，Pd-Pta/Por可以有效實(shí)現(xiàn)三模態(tài)聯(lián)合治療.

2.2 抗氧化治療

敗血癥是一種世界范圍內(nèi)的高發(fā)病率、高死亡率的多器官功能障礙，局部感染可導(dǎo)致活性氧和氮物質(zhì)（RONS）的過度產(chǎn)生，誘發(fā)炎癥.Cao等［99］針對敗血癥的治療設(shè)計(jì)了一種抗氧化納米材料，即以卟啉Co為核心的Co基單原子類酶材料（Co/PMCS）.該材料表現(xiàn)出類超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶的功能，可以有效消除和H2O2，同時通過氧化還原循環(huán)來去除·OH.·NO還可以通過與卟啉Co形成亞硝基金屬絡(luò)合物得到清除［圖6（A）］.此研究結(jié)果證實(shí)了該Co基單原子材料可以顯著緩解小鼠全身炎癥反應(yīng).

Fig.6 Single?atom materials for antioxidant therapy

外傷性腦損傷是一種高發(fā)病率和高死亡率的疾病.顱腦損傷后會產(chǎn)生許多RONS（如，·NO，·OH），從而導(dǎo)致一系列的生物和化學(xué)反應(yīng)，造成嚴(yán)重的神經(jīng)元損傷.Yan等［90］合成的Pt/CeO2單原子繃帶，其多酶催化活性比CeO2高3～10倍，清除RONS 的能力比CeO2高2～10倍［圖6（B）］.體內(nèi)體外研究表明，Pt/CeO2單原子基繃帶可明顯修復(fù)神經(jīng)創(chuàng)傷［圖6（C）］，且炎癥細(xì)胞因子表達(dá)同時減少［圖6（D）］，星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞的聚集減輕.根據(jù)研究結(jié)果，Pt/CeO2繃帶可減輕炎癥反應(yīng)，降低氧化應(yīng)激指標(biāo)，改善受損神經(jīng).

2.3 抗 菌

由細(xì)菌感染引發(fā)的一系列疾病已經(jīng)對全球公共衛(wèi)生構(gòu)成了巨大威脅［100］.傳統(tǒng)的抗生素治療價格高昂，具有生態(tài)毒性，而且抗生素的頻繁使用會導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性提高［101］.由于部分納米酶具有優(yōu)異的類氧化酶或類過氧化物酶活性，能夠催化H2O2或活化O2產(chǎn)生活性氧，所以部分納米酶可以用作新型的抗菌劑.單原子類酶材料具有催化活性高、金屬離子泄漏少和生物安全性好等優(yōu)勢［102］，可以廣泛用于抗菌.Xu 等［69］合成的具有Zn-N4卟啉結(jié)構(gòu)的單原子類酶材料（PMCS），表現(xiàn)出優(yōu)異的類過氧化物酶活性，可以促進(jìn)H2O2的均裂產(chǎn)生·OH［圖7（A）］.制備的PMCS具有良好的抗菌活性，可抑制銅綠假單胞菌的生長，且抑制率高達(dá)99.87%.在銅綠假單胞菌感染小鼠的模型中，經(jīng)PMCS和H2O2處理的小鼠在第6天傷口創(chuàng)面完全愈合，與組織學(xué)染色結(jié)果一致［圖7（B）］.Huo等［101］合成了以氮摻雜的碳為基底的Fe 單原子催化劑（SAF NCs）.SAF NCs 具有顯著的類過氧化物催化活性和光熱轉(zhuǎn)化性能，在生理水平的H2O2（50×10?6～100×10?6mol/L）存在下，產(chǎn)生大量的·OH，對革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）和革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）具有優(yōu)異的清除效果.豐富的·OH結(jié)合SAF NCs的本征光熱性質(zhì)，通過808 nm近紅外激光照射，可以有效地增強(qiáng)殺菌效果.在感染金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的小鼠模型中，經(jīng)SAF NCs，H2O2處理和808 nm激光照射的小鼠在第5天傷口消毒效果明顯優(yōu)于其它治療組.

Fig.7 Single?atom materials for bacterial disinfection

最近，Chen等［52］首次報道了一種逆轉(zhuǎn)燒結(jié)的策略.將Pt納米顆粒直接原子化，形成熱穩(wěn)定的Pt單原子類酶材料（PtTS-SAzymes）［圖7（C）］，其具有顯著的類過氧化物酶活性，遠(yuǎn)超過了Pt納米顆粒.理論計(jì)算表明，P和S摻入促進(jìn)了Pt團(tuán)簇到Pt單原子的原子化過程，而且P的給電子作用和N，S的吸電子作用使得Pt單原子具有獨(dú)特的電子空間結(jié)構(gòu)，有利于提高催化活性.利用PtTS-SAzymes優(yōu)異的類過氧化酶活性，他們還探究了其對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、腸炎沙門氏菌、肺炎克雷伯菌和金黃色葡萄球菌這5種代表性細(xì)菌的抗菌效果.在H2O2存在的情況下，PtTS-SAzymes對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、腸炎沙門氏菌和肺炎克雷伯菌的抑菌率為90%，對金黃色葡萄球菌的抑菌率為81%，抑菌效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于Pt納米顆粒［圖7（D）］.

2.4 生物傳感

單原子材料原子級分散的活性位點(diǎn)對生物分子的響應(yīng)具有高靈敏度和選擇性.目前，單原子材料作為一種新興高效的類酶材料，在生物傳感領(lǐng)域中顯示出極大的潛力［103］.基于單原子類酶材料的生物傳感器已成功應(yīng)用于檢測H2O2和釋放H2O2的小生物分子（如葡萄糖、膽堿等），還原性小生物分子（如抗壞血酸、生物硫醇等），酶活性，金屬離子（如Cr5+等）和腫瘤標(biāo)記物等.Jiao等［50］利用Fe-N-C單原子類酶材料來檢測Hela細(xì)胞產(chǎn)生的H2O2.由于Fe-N-C具有良好的類過氧化物酶活性，在目標(biāo)物H2O2存在下，可以誘導(dǎo)TMB發(fā)生變色反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對H2O2的直接檢測.H2O2是許多氧化酶催化底物氧化時的兩電子產(chǎn)物，如葡萄糖氧化酶、黃嘌呤氧化酶和膽堿氧化酶.因此，通過構(gòu)建級聯(lián)反應(yīng)可以對反應(yīng)過程中釋放H2O2的生物分子進(jìn)行信號放大檢測.Cheng等［104］合成的Fe單原子催化劑（CNT/FeNC）具有顯著的過氧化物酶活性.通過構(gòu)建葡萄糖氧化酶和CNT/FeNC之間的級聯(lián)反應(yīng)成功實(shí)現(xiàn)了對葡萄糖的比色檢測［圖8（A）］.葡萄糖氧化酶催化葡萄糖產(chǎn)生H2O2，進(jìn)一步通過CNT/FeNC 的催化作用使TMB變色.Wang 等［70］通過構(gòu)建黃嘌呤氧化酶和MoSA-N3-C 單原子類酶材料之間的級聯(lián)反應(yīng)體系，實(shí)現(xiàn)了對于黃嘌呤的檢測.Wu等［105］通過構(gòu)建乙酰膽堿酯酶、膽堿氧化酶和Cu-N-C單原子類酶材料之間的三酶級聯(lián)反應(yīng)體系，實(shí)現(xiàn)了對乙酰膽堿和有機(jī)磷農(nóng)藥的比色檢測［圖8（B）］.對于易于被氧化的還原性生物分子，可以直接通過氧化還原反應(yīng)進(jìn)行靈敏檢測.Cheng等［104］將合成的具有類過氧化物酶活性的Fe單原子催化劑涂覆在試紙上，隨后滴加H2O2和TMB的混合物，TMB由無色變?yōu)樗{(lán)色，然后利用抗壞血酸的還原作用，將氧化態(tài)的藍(lán)色TMB還原為無色，實(shí)現(xiàn)對抗壞血酸的直接檢測.單原子材料的類過氧化酶活性與催化環(huán)境的pH緊密相關(guān)，大多數(shù)單原子材料在酸性條件下能發(fā)揮最優(yōu)的催化性能.Jiao等［63］通過乙酰膽堿酯酶催化硫代乙酰膽堿生成乙酸來影響催化環(huán)境的pH值，進(jìn)一步調(diào)控FeBCN類過氧化物酶活性，從而實(shí)現(xiàn)對乙酰膽堿酯酶活性的評價.

Fig.8 Single?atom materials for biosensing

單原子類酶材料的比色傳感還被應(yīng)用于檢測金屬離子、腫瘤標(biāo)記物等方面.Mao等［106］將Fe單原子錨定到氮摻雜的石墨烯單層上（SA-Fe-NG），制備的SA-Fe-NG具有類過氧化物酶活性，可以催化H2O2，使得TMB顯色.而8-羥基喹啉（8-HQ）是一種TMB的氧化抑制劑，利用檢測物Cr（Ⅵ）與8-HQ之間的相互作用，使得原本被抑制的TMB恢復(fù)顯色作用，從而對實(shí)現(xiàn)Cr（VI）的檢測.Wu等［107］通過合成具有氰基缺陷的氮化碳納米顆粒（DCN），構(gòu)建了能夠區(qū)分多種金屬離子的陣列傳感器.通過利用氰基與不同金屬配位能力不同，DCN表現(xiàn)出不同程度的類過氧化物酶活性，從而實(shí)現(xiàn)了對多種金屬離子的區(qū)分.酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)（ELISA）是一種目前應(yīng)用十分廣泛的免疫檢測方法，是臨床診斷中檢測各種生物標(biāo)志物的“金標(biāo)準(zhǔn)”.基于單原子材料的酶聯(lián)免疫比色傳感也有相關(guān)報道［108］.Xu等［65］基于Fe基單原子材料的類過氧化物活性，構(gòu)建了一種“三明治”式的雙抗夾心的酶聯(lián)免疫檢測方法，用于比色檢測癌胚抗原［圖8（C）］.與商業(yè)化的酶聯(lián)免疫傳感器（HPR 基ELISA）相比，該Fe 基單原子傳感器具有更低的檢測限.

上面討論是基于單原子類酶材料的比色傳感器，是利用變色底物吸光度值的變化實(shí)現(xiàn)分析物的靈敏檢測.此外，通過生物傳感技術(shù)將被分析物的濃度轉(zhuǎn)化為電信號［109］、化學(xué)發(fā)光信號［110］進(jìn)行檢測，具有簡單、靈敏以及特異性高的特點(diǎn).基于Co-MoS2單原子類酶材料對H2O2的催化有顯著的循環(huán)伏安響應(yīng)，Wang等［71］建立了一種靈敏檢測H2O2的電化學(xué)生物傳感器.與文獻(xiàn)報道的H2O2電化學(xué)檢測方法相比，該電化學(xué)生物傳感器的線性響應(yīng)范圍為50～7.241 mmol/L，檢測限為10 nmol/L.Wei 等［109］通過將Fe單原子位點(diǎn)與碳封裝的Fe3C晶體耦合，合成了Fe單原子類酶材料（Fe3C@C/Fe-N-C）.Fe3C@C/Fe-N-C具有優(yōu)異的類過氧化物活性，并對H2O2的催化有靈敏的電化學(xué)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對活細(xì)胞釋放的H2O2的靈敏監(jiān)測［圖8（D）］.目前，單原子類酶材料也被用于化學(xué)發(fā)光傳感器來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的分析檢測.Wang等［110］通過將Cu2+固定在氧化石墨烯表面，合成了原子級分散的Cu2+-GO，該材料具有類過氧化物酶和類煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）過氧化物酶活性.Cu2+-GO類酶材料在H2O2的存在下，可以催化魯米諾產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光信號，還能在H2O2存在下催化多巴胺和NADH的氧化，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對H2O2的靈敏檢測.

3 總結(jié)與展望

近年來，單原子材料由于原子利用率高、活性位點(diǎn)清晰明確，且具有與金屬酶相似的配位結(jié)構(gòu)等多重優(yōu)勢，推動了新一代納米酶的發(fā)展和新型高效生物催化劑的開發(fā).本文總結(jié)了近幾年單原子催化劑在模擬酶催化活性方面的研究進(jìn)展，重點(diǎn)討論了單原子材料類酶催化活性的調(diào)控策略（調(diào)控金屬活性中心類型、提高單原子負(fù)載量、調(diào)控中心原子配位環(huán)境、引入官能團(tuán)或協(xié)同催化組分和載體-活性中心相互作用等）.此外，本文還總結(jié)了單原子類酶材料在生物醫(yī)學(xué)方面的具體應(yīng)用，主要包括癌癥治療、抗氧化治療、抗菌和生物傳感.

雖然單原子類酶材料領(lǐng)域已取得重大進(jìn)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn).（1）特異性不足.天然酶的活性中心是由金屬中心與鄰近原子配位形成，且周圍存在重要的氨基酸對底物的識別和活化起重要作用.單原子材料缺少像酶一樣的三維空間結(jié)構(gòu)，單原子的載體對底物沒有識別位點(diǎn)，導(dǎo)致單原子類酶材料特異性不足.通過雜原子摻雜、載體調(diào)控、特定基團(tuán)修飾以及與天然酶整合等策略可以進(jìn)一步提高單原子類酶材料的特異性.同時，具有多酶活性的單原子材料在實(shí)際應(yīng)用中同樣具有很大優(yōu)勢，可以拓展具有單酶活性材料的應(yīng)用場景，尤其在生物醫(yī)學(xué)和復(fù)雜生命分析領(lǐng)域中具有不可代替的作用.（2）單原子材料的類酶活性仍有待提升.雖然單原子材料原子利用率高，但金屬負(fù)載量、活性位點(diǎn)密度仍然不夠.通過開發(fā)新的合成策略（如缺陷工程策略、協(xié)同催化策略和空間限制策略）來提高活性位點(diǎn)密度，可以有效地提高催化活性.此外，可以著重利用金屬-載體相互作用和幾何/電子效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對金屬原子配位環(huán)境的調(diào)控，這為提升單原子材料本征催化活性提供了機(jī)會.（3）單原子材料的類酶新活性還有待開發(fā).目前報道的單原子材料模擬酶的類型還主要集中于氧化還原酶和水解酶兩種，對于轉(zhuǎn)移酶、裂合酶、連接酶和異構(gòu)酶等其它類酶活性的研究還鮮有報道，合理設(shè)計(jì)和開發(fā)新型單原子材料并發(fā)掘其類酶新特性尤為重要.（4）單原子類酶材料在實(shí)現(xiàn)仿生催化的同時，也表現(xiàn)出納米材料本身的功能性，如部分單原子材料具有優(yōu)異的光熱性能、光電性能及磁學(xué)性能，可以突破天然酶在應(yīng)用中的桎梏，完成天然酶力不能及的工作.充分利用單原子材料自身特性，可以在分析新方法構(gòu)建等方面為實(shí)現(xiàn)高靈敏的生物傳感提供解決方案.單原子類酶材料可以結(jié)合光電化學(xué)、表面增強(qiáng)拉曼光譜等其它傳感模式.還可以與免疫傳感結(jié)合，開發(fā)便攜式檢測設(shè)備.（5）目前，單原子類酶材料的催化行為、催化機(jī)制具有多樣性，DFT理論計(jì)算難以涵蓋不同類型的催化機(jī)理.尤其是當(dāng)單原子材料應(yīng)用于體內(nèi)診斷和治療時，由于材料本身性質(zhì)和復(fù)雜的生物環(huán)境等因素，很難建立起體內(nèi)催化機(jī)制.通過將原位表征技術(shù)與計(jì)算建模以及其它人工智能技術(shù)結(jié)合起來，可以為深入理解反應(yīng)機(jī)制指明方向.（6）單原子類酶材料在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中處于起步階段，仍然面臨著很多挑戰(zhàn)，如單原子材料生物相容性差、具有一定的毒性和不良的藥代動力學(xué)，無法大規(guī)模合成等.開發(fā)新的表面工程技術(shù)和大規(guī)模合成策略，對提高生物相容性和促進(jìn)臨床轉(zhuǎn)化具有重大意義.