核酸带负电荷的磷酸骨架与带正电荷的IONPs间静电作用促进核酸分子吸附到IONPs表面, 屏蔽了IONPs部分催化活性中心, 同时游离的核酸还能够与带正电荷的底物OPD结合, 减少与IONPs催化中心结合的OPD含量, 2种因素共同降低了IONPs催化效率.利用IONPs-OPD-H2O2与DNA-IONPs-OPD-H2O2体系的颜色差异可以实现对DNA的无标记检测[14].核酸分子与IONPs间静电吸附作用特性可以进一步延伸用于金属离子检测[21]. ssDNA通过静电作用吸附至IONPs表面, 屏蔽了IONPs部分催化中心, 因此抑制了IONPs催化效率. 胸腺嘧啶(T)能够与Hg2+配位形成T-Hg2+-T, 因此富含T的ssDNA会紧密结合Hg2+, 由原先的伸展状态变为折叠结构. 同时Hg2+与IONPs表面正电荷相互排斥等因素共同影响ssDNA与IONPs的静电吸附作用, 使IONPs催化中心重新暴露, 催化效率得到恢复. 因此IONPs催化活性恢复程度与靶目标金属离子含量之间成正相关性, 可以用于特定金属离子的检测.过氧化物酶常用于增强化学发光效率, 加速化学能转换成光能. IONPs具有高的比表面积, 能够有效吸附并催化溶解氧产生超氧阴离子, 大大增强鲁米诺化学发光亮度. 乙醇会清除超氧阴离子, 进而抑制鲁米诺氧化产生化学发光. Guan等人[18]发现某些非氧化还原型杀虫剂, 特别是含磷-硫键(P-S)的有机磷酯如灭线磷, 能够通过与Fe2+配位作用结合在IONPs表面, 并通过支链将IONPs表面的超氧阴离子围绕在一起, 有效抑制乙醇对超氧阴离子的清除作用, 因此通过氨基与Fe2+的配位作用结合在IONPs表面的鲁米诺能够被超氧阴离子氧化发光. 不同类型有机磷酯对不同表面修饰IONPs催化鲁米诺化学发光的增强效果不同, 比如灭线磷、甲基对硫磷、烟嘧磺隆、硫丹4种有机磷酯杀虫剂分别特异性增强未经修饰、β-环糊精修饰、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷修饰以及柠檬酸修饰的IONPs的催化活性. 借助IONPs超顺磁性能够对待检测样品中有机磷酯进行富集,有利于提高检测灵敏性.
2.5 中间产物羟自由基的应用
IONPs-H2O2体系生成的羟自由基具有强氧化性,除可以氧化底物用于检测分析外, 还可以用于降解有机污染物、抑制病原微生物和肿瘤的生长等.
IONPs催化H2O2降解有机污染物的反应也被称为异质Fenton样反应, 产生的羟自由基可以用于废水中苯酚的处理. Zhang等人[7]发现: 与HRP相比,IONPs能够耐受更高浓度的苯酚和H2O2, 并在较宽H2O2/苯酚比率范围内(2~160)都具有较高的催化活性, 表明IONPs在处理大量污染物时是更好的选择;IONPs/H2O2催化苯酚降解主要依赖于pH(最适pH为3), 在较宽温度范围内16~95℃都能有效催化苯酚降解; IONPs还具有制备简单、温度稳定性高、可循环利用、易于从反应体系中回收等优点. Wang等人[54]利用共沉淀法制备IONPs, 并考察了氮气氛热处理对IONPs 催化活性的影响 . 结果表明 , 热处理 (180~240℃)提高了IONPs对苯酚的催化效率, 且IONPs在较宽pH范围内(2~9)均表现出良好的催化活性. 多壁碳纳米管以及石墨烯量子点具有较大比表面积, 可以作为IONPs支持物且可以吸附/浓缩底物, 因而能够增强IONPs过氧化物酶样活性, 提高苯酚清除效率[30,51].
除苯酚外, 其他有机污染物如苯胺类物质[9]、磺胺噻唑[32]、有机染料[12,33,52,56]、双酚A[55]等都能被IONPs-H2O2体系催化降解. 由于Fe2+的再生速度低于消耗速度, Fenton样反应速率会逐渐降低. 腐殖酸(HA)含有羧基、酚基、羰基等多种功能基团, 能与IONPs形成复合物. HA-Fe3+复合物以及HA-Fe2+复合物内部的电子转移提高了Fe2+再生速率和羟自由基生成速率, 从而提高催化反应速率, IONPs/HA-H2O2催化磺胺噻唑的速率是IONPs-H2O2体系的3.4倍[32].超声辐照产生的空化作用可以产生局部高温高压,减少IONPs的聚集, 并增加传质速率, 加速羟自由基生成, 同时IONPs还可以为空泡形成提供更多的成核位点, 增加空化强度. 超声辐照和IONPs的协同作用可以加快IONPs对染料的催化降解速率[12]. 在外加交变磁场下IONPs能够产生热量, 提高局部溶液温度, 从而加速染料降解[56]. 氧化石墨烯疏水表面能促进双酚A吸附到氧化石墨烯-IONPs杂合纳米颗粒表面, 进而加速氧化石墨烯-IONPs-H2O2体系对双酚A的降解速率[55].与H2O2类似, 过硫酸盐(S2O82-)具有 O—O键结构, 在外界环境如紫外辐射、高温、过渡态金属等活化下会生成强氧化性硫酸根自由基, 并且溶解性更高及可操作pH范围更宽. Yan等人[53]利用IONPs-S2O82-体系降解磺胺间甲氧嘧啶: 当S2O82-与IONPs浓度比为1:2时, 该体系降解速率最快; IONPs表面钝化, 硫酸根自由基淬灭等因素会降低降解反应效率,分批次加入IONPs能改善这些不利因素; 当pH<7时,IONPs催化S2O82-主要生成硫酸根自由基, 能够有效降解磺胺间甲氧嘧啶; 当pH>8时, IONPs催化S2O82-主要生成硫酸根自由基和羟自由基, 仍有至少78.3%的磺胺间甲氧嘧啶被降解, 表明该体系使用pH范围非常宽, 在实际应用中无需预先调节pH; 通过液相色谱-质谱方法检测分析发现, 磺胺间甲氧嘧啶降解过程中没有产生有害中间产物.活性氧是清除细菌感染/破坏菌膜[61~63]或诱导肿瘤细胞死亡[64,65]的主要手段. H2O2是抑制细菌/肿瘤最常用的活性氧形式, 其稳定性较强但氧化能力较低, 无法快速达到损伤效果, 长期使用会诱导细菌/肿瘤产生抵抗, 影响预防和治疗效果, 如菌膜形成会引发医疗护理相关感染, 肿瘤治疗手段失效造成病情恶化等. IONPs催化H2O2产生的羟自由基氧化性极强, 能快速氧化致病因子, 可以用于抑制微生物生长和损伤肿瘤细胞. Zhang等人[57]发现IONPs-H2O2体系能够100%抑制细菌生长, 而单独IONPs或H2O2处理则基本没有影响. 进一步以HeLa细胞为肿瘤模型,通过细胞学实验和动物学实验证实, IONPs-H2O2体系能显著抑制HeLa肿瘤细胞生长, 而单独IONPs或H2O2处理基本没有效果(图4). 高利增等人[58]发现IONPs-H2O2体系不仅能够杀死细菌并降解细菌死后释放的大分子物质如核酸、蛋白质以及多糖等, 阻止菌膜的形成, 还能够穿透已形成的菌膜, 破坏菌膜以及内部的细菌.
3 总结与展望
和天然酶相比, IONPs模拟酶具有生产成本低廉、性质稳定、对外界环境耐受能力强、酶样催化活性易于调节、独特超顺磁性便于富集底物以及回收IONPs循环使用等优点, 在环境保护、食品安全、生物医学等领域具有广阔的应用前景, 主要包括免疫印迹、分析检测、污染物降解、病原微生物防治、肿瘤治疗等方向(图5). 随着其他纳米材料的过氧化物酶样活性逐渐被发现, IONPs的应用研究可以为其他纳米酶在生产生活实践中的应用研究提供借鉴.
IONPs在生物医学领域具有广泛的应用, 如核磁共振成像、药物靶向运输及可控释放、肿瘤磁热治疗等[66,67]. 内吞途径是IONPs进入细胞的主要途径, 包含IONPs的内体由初级内体(pH 6.0左右), 历经次级内体(pH 5.5左右), 最终成熟为溶酶体(pH 4.5左右)[68]. 由于溶酶体pH环境与IONPs过氧化物酶样活性的最佳反应pH比较接近, 当细胞内H2O2水平比较高时, 可能会激发IONPs的催化活性, 生成大量羟自由基, 该特性有望用于肿瘤治疗. 利用表面特异性修饰(如叶酸、透明质酸、转铁蛋白、整合素等)以及外加磁场作用能够增强IONPs肿瘤靶向性, 提高肿瘤内IONPs含量[69], 然而正常组织器官如肝脏、脾脏等仍积累了大量IONPs[70], 因此在利用该特性时如何降低对非瘤组织的损伤是一个必须考虑的现实问题. 利用外加交变磁场靶向增强肿瘤部位IONPs催化活性[56],以及肿瘤区域靶向引入H2O2或者诱导细胞产生H2O2的药物等[57], 有望避免激活正常组织器官内IONPs过氧化物酶样活性, 从而减少对正常组织的损伤.
羟自由基活性极高, 会氧化包括核酸、蛋白质、多糖等在内的周边所有分子, 造成严重氧化损伤. 多种疾病, 如心血管疾病、神经退行性疾病、代谢综合征等, 与高水平氧化应激发生密切相关[71], 因此在病理条件下应用IONPs可能会产生严重副作用. 丙烯醛是一种脂质过氧化产物, 同时也是多种环境污染物的主要成分. 丙烯醛吸入或者熏灼会导致肺脏、心脏、肝脏、大脑以及视网膜等组织器官的氧化损伤,可以作为相关临床疾病模型的诱导剂. 本课题组[72]用100 μg/mL IONPs处理大鼠心肌细胞H9c2(模型细胞)24 h, 接着用20 μmol/L丙烯醛(疾病模型)处理3 h,结果显示IONPs或丙烯醛单处理组对细胞活力基本没有影响, 而IONPs-丙烯醛双处理组则诱导了严重细胞氧化损伤和活力下降, 预示IONPs使用可能会加重氧化损伤相关疾病进展. 此外, IONPs还可以通过脂质过氧化产物引发磷脂中多不饱和脂肪酸的脂质过氧化链式反应, 造成生物膜脂质过氧化, 可能是IONPs诱导细胞氧化损伤的其他机制[73]. 因此体内应用IONPs时, 需要将IONPs的过氧化物酶样活性考虑在内, 谨慎选择应用的条件和对象, 避免产生副作用. Chen等人[74]发现IONPs酶样活性是pH依赖的: 在酸性溶酶体模拟环境中具有过氧化物酶样活性, 催化H2O2生成羟自由基; 在中性细胞质模拟环境中具有过氧化氢酶样活性, 催化H2O2生成水和O2. 对于非肿瘤研究而言, 设计IONPs逃离溶酶体策略有助于抑制IONPs过氧化物酶样活性, 降低其潜在毒性, 甚至可以激活过氧化氢酶样活性, 降低病理条件下细胞内活性氧水平, 提高细胞存活能力.
当前我国面临严重的水质污染问题, 各大河流湖泊水质均有不同程度的恶化, 严重影响人畜饮水以及农业灌溉用水. 抗生素、有机污染物、重金属等污染物不仅直接(如苯酚类有机污染物)或者间接(如汞等重金属通过食物链富集)危害人体健康, 还有可能促进病菌的耐药性, 导致超级细菌的出现, 降低目前药物的效价. IONPs的过氧化物酶样活性可以用于污染物的检测和降解处理, 独特的超顺磁性使其可以通过外部磁场方便地进行回收和重复利用, 结合简便的生产方法、低廉的制备成本、良好的运输及储存稳定性、较低的反应条件要求等优势, 将有效降低污染水质的处理成本, 在环境监测(如酸雨、汞离子等)和治理(如苯酚类、染料类、抗生素类等)领域获得广泛的应用.
尽管IONPs作为过氧化物模拟酶具有诸多优势,但是与天然酶相比, IONPs对底物的特异性和选择性较差, 反应灵敏度不够高, 催化效率较低, 因此阐明反应机制及影响因素, 并通过恰当的表面修饰, 构建杂合纳米材料, 以及与其他纳米酶或天然酶组成复合反应体系等提高酶促反应催化效率, 增加对底物的灵敏性及特异性, 将有望加快IONPs过氧化物酶样活性的商业化应用.
总之, 深入开发IONPs的过氧化物酶样催化活性并结合其独特的超顺磁性, 将拓展IONPs在分析检测, 环境保护以及生物医学等领域的应用, 为创造良好的生活环境以及促进身体健康做出贡献.
