ISSN：1672-3678 CN：32-1706/Q背景介绍
传统的固定化酶材料日益不能满足应用的需求，一大批新型的材料，尤其是纳米材料以其比表面积大等优点逐步登上了固定化酶材料的“舞台”。磁性纳米材料不仅具有比表面积大，表面易于修饰，与酶分子尺度相近等纳米材料的优点，更具有独特的磁学性质，并可通过多种材料的复合解决单一材料在固定化酶领域所存在的缺陷，使得磁性纳米复合材料在固定化酶领域内得到广泛的研究。因此本文对近几年来磁性纳米复合材料在固定化酶领域的应用进行系统分类和综述，以期对未来的固定化酶的应用提供参考。磁性纳米复合材料概况
磁性纳米材料可以通过外部磁场提供药物和生物分子的引导传递，并进行固定和分离磁性标记生物实体，同时具有低毒性、高生物相容性等优点，但是化学稳定性差、聚集倾向高、吸附酶量低等缺点限制了磁性纳米粒子在固定化酶领域的应用。针对这些问题，近年来，研究人员采用无机材料或者有机材料等与裸磁性纳米材料复合形成磁性纳米复合材料应用于固定化酶领域。新一波的研究正试图利用这些复合材料独特的物理或表面特性，使其在固定化酶、生物医学和临床应用中发挥巨大的作用。以Fe3O4为磁性组分的纳米复合材料
目前，在固定化酶领域磁性纳米复合材料的制备主要是以Fe3O4磁性纳米粒子作为磁性组分，再根据不同的应用的需要，选择合适的其他组分材料进行复合，如二氧化硅(SiO2)、氧化石墨烯(GO)、金纳米粒子（Au）等无机材料，壳聚糖等天然高分子材料，MOFs等自组装材料等。Fe3O4磁性纳米粒子在空气容易氧化，并且在酸性环境中会发生溶解，因此在一定程度上限制了其使用范围。而二氧化硅(SiO2)具有在上述条件下稳定性高、化学惰性强、表面基团丰富易于修饰，尤其是形成介孔结构后，使之具有可控孔径、高比表面积等性质，使得Fe3O4@SiO2复合材料在固定化酶领域得到众多研究者的青睐。石墨烯是蜂窝状碳晶格的二维结构，其具有较大的比表面积和优异的机械、结构、电学和热性能。氧化石墨烯金（Au）纳米粒子表面含有较为丰富的官能团，如硫醇基和二硫基的官能团，能为酶分子的固定提供良好的载体，还具有良好的导电性和生物相容性，能为维持酶的良好活性提供微环境。天然高分子材料是一种价格低廉，来源广泛，多功能化且具有良好生物相容性的物质，近年来，壳聚糖、多巴胺等为主要的天然高分子材料对纳米表面进行化学改性用于固定化酶领域逐步成为研究热点，用天然高分子材料包覆磁性纳米颗粒可以很好地解决磁性纳米颗粒在液体介质中的聚集问题。此外，对磁性纳米粒子用天然高分子聚合物进行表面改性可以改善磁性纳米粒子的生物相容性，使其可以广泛适用于生物医学方面，如蛋白质固定化、药物传递系统、伤口愈合、组织工程和磁共振成像等。
图1 Lac固定在PPPD/Fe3O4纳米复合材料上的示意图
Fig.1Schematic illustration of Lac immobilization on PpPD/Fe3O4nanocomposite
图1为将漆酶共价结合在PPPD/Fe3O4纳米复合材料用于活性蓝19染料的降解，结果表明，固定化漆酶的贮存稳定性、操作稳定性和热稳定性均高于游离漆酶。固定化漆酶在在染料中1 h的染料去除率约为80%，而游离漆酶的去除率约为20%。循环8次后，固定化酶对染料的去除率仍保持在43%。图2 GOx嵌入到mZIF-8制备比色传感器的示意图，该传感器用于快速检测葡萄糖。
Fig.2 Schematic illustration of the GOx embedded mZIF-8 process and used as colorimetric sensor for the fast detection of glucose.
通过生物矿化作用将葡萄糖氧化酶（GOx）嵌入到磁性沸石咪唑酯骨架8（mZIF-8）中，制备了一种快速检测葡萄糖的比色检测器。制备的酶反应器表现出良好的可重复利用性和对葡萄糖具有高度特异性检测，重复12次后，仍保留着88.7%的活性；该酶反应器具有较宽pH、温度适用性，载体材料提高了酶在较为复杂的外界环境中的稳定性。以其他材料为磁性组分的纳米复合物
除了Fe3O4以外，还有其他的磁性纳米材料被应用于固定化酶领域的研究，如CuFe2O4、Co3O4、CNi等。CuFe2O4、Co3O4纳米粒子具有环境相容性好、催化活性高、易于分离等优点，在催化剂、固定化酶、传感器和电子学等领域得到了广泛的应用。图3生物传感器的制作步骤
Fig.3 The fabrication steps of the biosensor
将谷氨酸氧化酶（GCE）固定在Co3O4/壳聚糖/石墨烯复合膜修饰玻碳电极上，构建了一种快速检测谷氨酸的酶生物传感器，该酶生物传感器对谷氨酸的亲和力更强，具有低响应时间（25s），宽泛的适用范围，可在4.0×10-6 M- 6.0×10-4 M的谷氨酸浓度范围内实现线性检测。碳包覆镍纳米粒子(CNi)比单碳层具有更高的镍特性，可以加快电子转移的速率，表现出良好的电催化活性。在外层多层碳的保护下，包覆金属镍即使在空气中暴露了几年，也不会被水解和氧化，因此具有相当的稳定性，能够克服纳米粒子的团聚。总结
随着纳米材料的不断发展，磁性纳米复合材料已经在固定化酶领域方面显示出明显的优势，并取得了丰硕的成果。但同时，目前的研究中还存在一些问题，例如局限于固定化单酶而忽略对固定化多酶体系的研究，缺乏对于载体-酶分子界面作用的有效调控手段，磁性载体与酶协同催化的研究较少等。总之，本领域涉及材料科学、生物科学、催化科学以及过程科学等诸多学科的交叉融合，其进展和成果可以应用于生物、制药、能源、环境、食品等行业，具有巨大的发展潜力。作者简介
韩林，2021年在天津科技大学化学工程与技术专业获得硕士学位，硕士期间主要从事金属-有机涂层材料及其固定化酶应用的研究。目前于北京化工大学攻读博士学位，主要从事肝素的生物催化转化研究。一作发表2篇文章。
李健，2010年获天津大学化学工艺专业博士学位，目前担任天津科技大学硕士生导师。长期从事催化科学基础和应用研究，包括酶固定化与生物催化，仿生纳米复合材料、多级有序结构催化剂载体设计、烯烃聚合催化剂等。主持和参加了国家自然科学基金、863项目、973项目、天津市自然科学基金、中石油重大专项课题等多项项目，发表论文20余篇，包括Composite Science and Technology, Journal of Materials, Carbohydrate Polymer等SCI Top期刊。
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