近年来,纳米酶作为一种新型人工模拟酶,发展迅速,提供了克服传统天然酶固有不足的新思路和新途径。纳米酶具有结构高稳定性、可调控催化活性、功能多样性、可回收重复利用性和规模制备性等优异性质,因此在分析检测、生物医药、环境修复以及实际工农业生产中得到了广泛的研究和应用。然而,当前大部分研究工作都集中在氧化/还原型纳米酶研究方面,对于水解型纳米酶的探索相对较少。磷酸纳米酶是一种能够催化磷酸酯键水解的类酶材料,Dorsomedial prefrontal cortex具有广阔的应用前景,因此有望成为纳米酶研究领域的一个重要分支。然而,当前磷酸纳米酶研究仍处于初期,面临着材料种类稀少、催化活性低下、催化机制理解不充分以及应用过于简单等问题。因此,构建具有高催化活性的新型磷酸纳米酶,探讨其催化机制,以及拓展其生物和传感应用具有重要意义。本论文将聚焦于新型磷酸纳米酶的设计合成、催化机理的探索,及其在生物和传感方面的应购买Berzosertib用。具体研究内容如下:1.简要概述了纳米酶的发展状况,综述了目前磷酸纳米酶的分类、活性调控及应用现状,分析了当前磷酸纳米酶发展的优缺点并对其未来的可能发展作了初步展望,并基于此提出了本论文的主题研究思路。2.表面官能团对磷酸纳米酶催化性能有着重要影响,深入理解其表面性质有助于高性能磷酸纳米酶的设计合成。本章研究以金属-有机框架材料M-BDC(M=Zr,Gd,Hf;BDC=对苯二甲酸)作为模板,通过强碱氢氧根离子与BDC配体发生交换取代反应,在室温下合成了三种具有显著类磷酸酶催化活性的多孔羟基金属氧化物Zr OOH、Gd OOH和Hf OOH。并对所合成Zr OOH、Gd OOH和Hf OOH材料的类磷酸酶催化活性进行了深入的研究和验证。尤其是,通过同位素示踪,结合高分辨质谱技术及核磁共振技术实验发现合成的三种羟基金属氧化物大量的表面羟基可以作为亲核反应试剂直接参与了磷酸酯中正电性磷原子的攻击作用,加速了磷酸酯底物分子末端的磷酯键断裂。此外,研究发现Cr(III)离子作为“中毒”抑制剂可以有效地抑制Gd OOH的类磷酸酶催化活性。基于此效应,Cr(III)离子比色生物传感平台被成功构建。结果显示了Zr OOH、Gd OOH和Hf OOH作为磷酸纳米酶的潜在应用,加深了对材料表面羟基在磷酸纳米酶的催化脱磷酸中的作用认识。3.利用高性能磷酸纳米酶来控制酵母细胞的ATP脱磷酸化代谢,有望实现酵母乙醇产量的提升。本章研究了以葡聚糖和钆盐作为反应原料,成功合成了葡聚糖包裹的超细钆基纳米粒子(Dextran-coated nanogadolinia,DCNG)。研究表明,所制备的DCNG具有良好的磷酸酶催化活性,能够在生理条件下选择性催化ATP末端高能磷酸键的水解,从而实现ATP的脱磷酸催化反应。此外,DCNG的特殊无定形超细结构和天然葡聚糖的良好生物相容性,使其很容易被酵母通过细胞内吞作用吸收。作为磷酸纳米酶,DCNG通过脱磷酸水解方式加速消耗酵母细胞内ATP,从而通过人为干预酵母细胞内ATP水平来实现下调,进而提高酵母细胞的乙醇产量。这一研究结果有望为扩展纳米酶的潜在生物应用提供新思路,并为磷酸纳米酶的深层次应用发展提供新方向。4.磷酸纳米酶对细胞特定代谢产物的水解有助于加强铁死亡效应。本章研究在溶剂热条件下利用L-精氨酸(L-Arg)诱导合成了具有形貌结构均一、高(111)晶面暴露、分散性良好等特点,且表现出优异磷酸酯酶催化活性的L-Arg Ce O_2超细纳米粒子。研究了L-Arg Ce O_2磷酸纳米酶对于细胞生理活动代谢分子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP(H))和6-磷酸葡萄糖(G6P)的脱磷酸水解作用。体外和细胞水平实验证实,L-Arg Ce O_2可通过脱磷酸化实现细胞内NADP(H)水平下调,进而抑制还原型谷胱甘肽(GSH)的再生合成,减少细胞内GSH对活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的消耗作用,增强氧胁迫能力,最终促进细胞铁死亡增强效果。通过研究结果可知,该研究从细胞磷酸酯代谢产物方向着手,探讨了Ce O_2磷酸纳米酶催化活性对细胞内NADP(H)水平的调节来影响细胞的铁死亡。表明Ce O_2磷酸纳米酶可以通过调控特定代谢产物实现间接性提高细胞内ROS水平,而非通过纳米酶自身催化本质直接产生ROS以实现提高其含量,研究结果有可能为Ce O_2磷酸纳米酶的生物效应及相关应用研究提供新思路、新见解。5.构建比色传感平台是磷酸纳米酶的重要应用组成部分,非氧化还原型比色传感有望克服实际样品中还原性物质的干扰。本章利用第四章合成所得具有自身颜色浅、粒径均匀、结构超小且具有良好水分散性的L-Arg Ce O_2纳米颗粒构建基于磷酸纳米酶的比色传感方法。与已有研究报道基于Ce O_2纳米酶的比色传感研究不同,在本研究工作中,着重探索了基于Ce O_2磷酸酶活性的非氧化还原型比色传感平台的构建与应用。并展示了所得L-Arg Ce O_2非氧化还原比色传感具有纳米酶自身颜色低下和抗内源还原性共存物质的干扰等优点。尤其是,利用具有磷酸酶催化活性的L-Arg Ce O_2磷酸纳米酶进行三种简单、廉价、高灵敏度的水解酶类型比色传感平台的构建。其中,利用与铈的强配位作用抑制L-Arg Ce O_2磷酸纳米酶的催化活性构建了氟离子的比色传感方法;通过联合核酸适配体识别单元,利用其对L-Arg Ce O_2磷酸纳米酶的催化活性的开-关特性构建了玉米赤霉烯酮的比色传感方法;利用L-Arg Ce O_2磷酸纳米酶催化L-抗坏血酸-2-磷酸(L-ascorbyl-2-phosphate,AAP)脱磷酸所产生的具有强还原性的抗坏血酸诱导银纳米粒子形成的性质,构建了过氧化氢比色传感方法。研究结果可丰富基于纳米酶的非氧化还原类型比色传感检测方法。6.构建更高效的磷酸纳米酶催化体系有利于提高相应比色传感的检测灵敏度。本章报告了一种L-肌肽表面功能化修饰的二氧化铈磷酸纳米酶(L-carnosine-modified nanoceria phosphatase-mimicking nanozyme,CMNC)的设计合成,该纳米酶通过在Ce O_2纳米颗粒表面引入末端含咪唑氨基酸残基的天然二肽来模拟天然磷酸酶的催化反应活性中心微环境以提高其脱磷酸催化活性。此外,发现了超声辐射能够进一步促进CMNC磷酸纳米酶催化活性的提升,实现CMNC磷酸纳米酶通过材料表面结构优化和特定外部刺激两方面双重作用增强活性。最后,依据所得结果构建了超灵敏非氧化还原类型磷酸纳米酶免疫比色分析检测法用于C反应蛋白及前列腺癌抗原的比色传感。一方面超声活化磷酸纳米酶可以为检测应用提供一种创新的比色信号放大策略。另一方面,Rapamycin试剂纳米粒子表面末端咪唑环氨基酸残基的引入为磷酸纳米酶的合理设计及合成提供了新的参考策略。