构建经过氨基酸和肽修饰的氧化铈纳米酶，以增强其模拟碱性磷酸酶的催化活性

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Construction of amino acid and peptide-modified cerium oxide nanozymes for enhanced alkaline phosphatase-mimicking catalytic activity

　　纳米酶研究进展及在食品检测中的应用。通过环境友好的一锅合成法制备了双修饰（Arg/GHK）的CeO2纳米颗粒，显著提升了ALP-like催化活性，成功开发出检测植物磷酸酯类物质（如肌酸酐）的高灵敏度紫外和荧光传感器，检测限分别为0.077μM和0.15μM，并成功应用于七种食品样本的检测。

　　这项研究介绍了一种通过氨基酸和肽修饰来增强氧化铈（CeO?）纳米酶类活性的新策略。研究团队开发了一种类似碱性磷酸酶（ALP）功能的纳米酶，这种纳米酶在食品分析和生物检测领域展现出巨大的应用潜力。研究人员采用了一种环保的一步合成法，将碱性氨基酸和三肽引入CeO?纳米颗粒的合成过程中，从而优化其结构和性能。

ALP是一种重要的酶类，广泛应用于生物化学反应中，尤其是在碱性条件下催化多种磷酸酯生物分子的水解，如RNA、DNA、蛋白质、ATP和葡萄糖-6-磷酸等。ALP具有广泛的底物特异性以及出色的催化效率，使其在诊断、治疗、农业和环境行业等领域中不可或缺。然而，尽管ALP在许多生物过程中扮演着关键角色，其工业应用仍然受到生产成本高、操作条件严格、易失活以及长期储存困难等因素的限制。

为了解决这些问题，科学家们开始探索纳米酶这一新型催化剂。与天然酶相比，纳米酶表现出更高的催化效率、更好的稳定性、更易集成到制造流程中以及更优良的可回收性。在过去几十年中，纳米酶因其在生物传感、治疗干预等领域的广泛应用而受到越来越多的关注。目前，大多数研究集中在模拟氧化还原酶活性，而对非氧化还原酶类纳米酶的研究仍处于初级阶段，这为未来的创新和拓展提供了广阔的空间。

在非氧化还原酶类中，ALP因其独特的生物功能和明确的催化机制成为重要的研究对象。研究发现，ALP的催化活性依赖于金属离子（主要是锌离子）与活性位点中关键氨基酸残基（如甘氨酸、精氨酸、组氨酸和赖氨酸）之间的协同作用。锌离子作为路易斯酸，可以激活亲核试剂，使其攻击磷酸酯基团，进而促进P-O键的断裂。这些氨基酸残基在催化过程中发挥重要作用，不仅参与底物结合，还能稳定中间产物，并调节金属离子的配位环境和电子结构，以促进亲核攻击。尽管甘氨酸本身并不直接参与催化，但其内在的构象灵活性对于维持酶的结构完整性以及确保其正常功能至关重要。

受天然ALP催化机制的启发，研究人员开发了多种金属基纳米材料来模拟ALP的活性，包括金属氧化物、金属氢氧化物、单原子金属催化剂、贵金属以及金属有机框架等。其中，CeO?纳米颗粒因其独特的电子性质和纳米结构而受到特别关注。CeO?具有较高的氧化态，使其具有较强的还原能力，从而在结构内部形成高浓度的Ce3?离子，并伴随氧空位的产生。Ce??和Ce3?离子均具有较强的路易斯酸性，赋予材料出色的ALP类活性。此外，氧空位进一步增加了局部酸性，从而放大了整体的催化性能。然而，尽管CeO?纳米颗粒在模拟ALP方面具有潜力，其在实际应用中的发展仍面临一些挑战，如如何控制金属活性位点、优化氧空位的形成以及改善表面修饰策略。同时，对CeO?与底物之间原子级相互作用机制的深入理解对于高效率纳米酶的合理设计至关重要，尤其是氧空位如何影响催化循环。

研究团队特别关注了磷酸酸（PA）的检测。PA是许多植物组织（如谷物、豆类、水果和蔬菜）中磷的主要储存形式。由于其丰富的磷酸基团，PA可以作为ALP的底物。此外，PA还具有抗氧化和铁络合能力，使其成为一种独特的食品防腐剂。因此，PA被广泛用于肉类制品、酱油、果汁、酒精饮料和面包中，以防止变色、提高营养价值并延长保质期。然而，PA在人体内也可能与潜在的有毒金属元素（如Cd2?和Pb2?）结合，从而调节其毒性并促进其排泄。但另一方面，PA也可能与必需的矿物质结合，形成不溶性复合物，这在胃肠道中可能带来一定的负面影响。鉴于PA的双重作用，研究者迫切需要一种灵敏且快速的检测方法，以全面评估其在人体内的代谢行为。

为了实现这一目标，研究团队设计了一种利用氨基酸和肽修饰来增强CeO?纳米酶类活性的策略。这些氨基酸不仅具有氧化还原特性，可以促进Ce3?离子的生成并引入额外的氧空位，还具有碱性侧链，有助于金属氧化物的合成。更重要的是，这些氨基酸和肽能够模拟天然ALP的活性位点结构，并在催化磷酸酯底物的水解过程中发挥积极作用，从而显著提升CeO?纳米颗粒的ALP类活性。研究团队在室温下采用了一种环保的一步合成法，成功制备了一系列由氨基酸和肽修饰的CeO?纳米颗粒（见方案1a）。

经过优化，采用精氨酸和甘氨酸-组氨酸-赖氨酸（GHK）双重修饰的CeO?纳米颗粒（A/GHK-CeO?）在使用对硝基苯磷酸（p-NPP）和4-甲基伞形基磷酸（4-MUP）作为比色和荧光底物时，表现出显著增强的ALP类活性。这种提升可以归因于优化后的空间结构和电子结构，以及由氨基酸和肽修饰带来的氧空位数量增加。通过这种优化，A/GHK-CeO?纳米酶能够实现对PA的定量检测，其检测范围为0.50-80微摩尔（比色法）和0.090-22微摩尔（荧光法），检测限分别为0.15微摩尔和0.077微摩尔。这些结果表明，该纳米酶在检测PA方面具有出色的灵敏度和选择性。

最终，该纳米酶成功应用于食品样本中PA的检测，展现出其在实际应用中的潜力。通过将酶学原理与先进的纳米材料合成技术相结合，研究团队开发的CeO?纳米颗粒在氨基酸和肽修饰后表现出增强的ALP类活性，并在多个领域中展现出广阔的应用前景。该研究不仅为食品分析提供了一种新的工具，也为高灵敏度、高选择性检测磷酸酯类生物分子开辟了新的思路。未来，随着对纳米酶机制的进一步研究，这类材料有望在更多实际场景中得到应用，为生物医学、食品安全和环境监测等领域带来创新性的解决方案。