纳米酶（Nanozyme）是指蕴含酶学特性的纳米材料，它能够在生理条件下催化酶底物的反应，具有如同天然酶一样的催化效率和酶促反应动力性质。相比于生物酶，纳米酶具有易于制备，储存以及较低的成本等优点，受到了越来越多研究学者的关注。目前，全球已经有200多个实验室从事纳米酶研究工作，开发出多种具有模拟酶活性的纳米材料。因为纳米酶的高稳定性和易于修饰等优点，在生物传感和免疫测定等分析领域，纳米酶逐渐成为替代天然酶的热门材料。
但是，大多数纳米酶都是通过trial-and-error策略制备的。为了指导合成具有预期性能的高性能纳米酶，针对纳米材料的不同类型建立相应的催化理论，需要利用密度泛函理论计算和实验验证的方法，研究纳米酶的分子机制、预测纳米酶活性的活性指标，解析纳米酶的催化反应历程和结构活性关系，从电子、原子、分子、纳米尺度研究纳米酶催化的过程及催化反应的热力学及动力学。
基于此，近日吉林大学的崔小强教授和哈尔滨师范大学的赵景祥教授（通讯作者）合作，在Chem. Commun.上发表论文，详细报道了金属-氮-碳纳米材料（M-Nx -C）用作氧化模拟酶的研究，通过理论预测和实验验证的方式，系统地阐明了不同金属位点（M = Fe, Co, Ni）以及不同氮配位数 (x = 3, 4, 5) 对其氧化模拟酶活性的影响，最终筛选出Fe-N3-C作为高效的氧化模拟酶，并详细研究了其酶催化动力学、反应活性中间体，以及通过理论计算给出纳米酶催化的底物结合、催化反应、产物释放的各个过程，并最终用于谷胱甘肽的比色检测中。该工作有利于今后更好地理解纳米酶的催化机理以揭示其结构活性关系，合理设计更多更高效的纳米酶。
Scheme: The strategy for the structure-dependent enzymatic activity is successfully developed for rationally designing of high-performance oxidase mimics.
Figure 1. (a) The potential oxidase-like model with optimized structures of Fe-C3, Fe-N3/C, Fe-N4/C, and Fe-N5/C. (b) The optimized structures for O2 adsorption on Fe-C3, Fe-N3/C, Fe-N4/C, and Fe-N5/C structures and the corresponding adsorption energies. (c) The absorbance changes of oxTMB with different catalysts. (d) The free-energy diagram for the oxidase-like mechanism on different structures. (e) Optimized geometric structures of various intermediates along the oxidase-like reaction path on Fe-N/C-CNTs. (f) The calculated charge density distribution for O2 adsorption on the Fe-N/C-CNT surface. Red and yellow denote electron accumulation and electron depletion, respectively.
这一成果近期发表在Chem. Commun. 上，崔小强教授和赵景祥教授为通讯作者。该工作得到中国国家自然科学基金的支持，特别感谢赵景祥教授在理论计算上给予的帮助，特别感谢中国科学院高能物理研究所郑黎荣老师在同步辐射测试上给予的帮助。
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Elucidating the mechanism of the structure-dependent enzymatic activity of Fe–N/C oxidase mimics
Ying Wang, Ziwei Zhang, Guangri Jia, Lirong Zheng, Jingxiang Zhao, Xiaoqiang Cui
Chem. Commun., 2019, 55, 5271-5274, DOI: 10.1039/c9cc01503e
崔小强教授简介
崔小强，吉林大学教授，博士生导师，2015年度吉林省“长白山学者”特聘教授，2010年教育部新世纪优秀人才，长春市第六批、第七批有突出贡献专家，现任吉林大学材料科学与工程学院副院长。研究团队开展面向能源和生物传感的新型纳米材料研究，探索低维纳米材料表界面性质调控对催化性能的影响规律，解决能源和生物传感检测领域中新材料设计制备的基本原理和实际应用问题，从事纳米材料理论设计、合成表征及性能测试，研究新能源领域水制氢、氮气还原、二氧化碳固定和生物检测等国际前沿领域中的低维材料基础和应用问题。目前已发表SCI论文120余篇，他引3200余次，H因子34；申请发明专利17项，已授权9项。自2010年进入吉林大学材料科学与工程学院工作以来，承担科技部、教育部、国家自然科学委、吉林大学、吉林省、企业横向课题等项目多项，累计到账金额1000余万元。
https://www.x-mol.com/university/faculty/38028
赵景祥教授简介
赵景祥，1978年出生，哈尔滨师范大学教授，2009年7月获吉林大学理学博士；2015年3月至2016年3月，美国波多黎各大学国家公派访问学者，合作导师为陈中方教授；近年来一直致力于低维纳米材料结构、性质及应用的理论研究工作，目前已在ACS Catal.、J. Mater. Chem. A、ACS. Appl. Mater. & Int.、J. Power Sources、Carbon、Electrochimia Acta、J. Phys. Chem. C、Phys. Chem. Chem. Phys. 等国际高水平期刊发表SCI论文60余篇；作为项目负责人，主持哈尔滨师范大学青年骨干项目1项，黑龙江省杰出青年基金1项，获黑龙江省科技厅二等奖1项。
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