1. 引言
全球健康持续受到新兴和传统传染病的威胁，从新型冠状病毒（SARS-CoV-2）到人类免疫缺陷病毒（HIV），早期、灵敏的诊断对于有效干预和控制传播至关重要。传统的诊断方法，如聚合酶链式反应（PCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）和侧流层析（LFA），虽然做出了巨大贡献，但在速度、成本、灵敏度或设备依赖性方面仍面临挑战。过氧化物酶模拟纳米酶（PMNs）——一类具有内在过氧化物酶样催化活性的纳米材料——应运而生，成为克服这些限制的有力工具。自2007年发现具有过氧化物酶样活性的四氧化三铁（Fe3O4）纳米颗粒以来，该领域发展迅速。与天然辣根过氧化物酶（HRP）相比，PMNs展现出卓越的稳定性（尤其在富含蛋白酶的临床样本中）、可媲美甚至超越HRP的催化效率、更低的制造成本，以及可集成多种检测模式（如光热、表面增强拉曼散射）的潜力，使其在资源有限环境下的即时诊断中极具吸引力。
2. PMNs的理性设计
PMNs的性能并非偶然，而是可以通过精心的理性设计来优化，其关键设计参数包括材料选择、形态控制和活性位点调制。
2.1 材料选择
材料是决定PMNs催化活性和稳定性的基石。目前研究的PMNs材料种类繁多：
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金属基PMNs：以铂族金属（如Pd、Ir、Pt）为代表，通常具有极高的催化效率（表观催化常数Kcat可达106s−1量级）和卓越的化学/热稳定性。值得注意的是，一些金属（如Pt、Au）在酸性条件下同时具有过氧化物酶和氧化酶样活性，可能导致高背景信号，而锇（Os）纳米颗粒则表现出对过氧化物酶样反应的高选择性。
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金属化合物基PMNs：包括金属氧化物（如Fe3O4、CeO2）、硫化物、尖晶石氧化物等。它们成本较低，但某些材料（如Fe3O4）在催化过程中可能发生结构降解。金属碳化物和氮化物则展现出更好的稳定性。
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多孔框架材料：如金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs），具有高比表面积和有序孔道，但水稳定性常是挑战。通过热解将其转化为碳基MOF衍生物，可以同时提高稳定性和催化活性，甚至创造出类似天然酶中血红素结构的单原子活性位点（如Fe–N4）。
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碳基PMNs：如石墨烯氧化物、碳量子点（CQDs）。虽然催化效率通常低于金属基材料，但它们成本低、化学稳定、生物相容性好，易于表面功能化和掺杂改性。
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杂化纳米酶：通过将多种材料或天然酶集成到一个纳米结构中，可以实现级联反应或信号放大。例如，将氧化酶封装在钴掺杂的介孔氧化铈（Co-m-ceria）的孔道中，可以实现代谢物的级联检测；将Pd-Ir纳米颗粒封装在金囊泡中，可通过热触发释放实现信号放大。
2.2 形态控制
PMNs的催化行为与其可接触的表面积和暴露的晶面类型紧密相关。
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尺寸：增大颗粒尺寸通常能增加催化表面积，从而提高总活性（Kcat）。但在实际检测应用中，较小的纳米颗粒可能因其更高的扩散性和更低的位阻，展现出更低的检测限。
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形状与晶面：不同形状暴露的晶面原子排列不同，影响反应物吸附和中间体稳定性。例如，具有（100）晶面的Pd立方体比（111）晶面的Pd八面体活性更高。高指数晶面因含有台阶、边缘和扭结，能提供更多低配位的活性位点，进一步促进催化。
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复杂结构：树枝状、中空或多孔结构能极大增加活性位点数量和底物扩散效率。例如，Pt空心纳米枝晶因其开放的空腔和树枝状分支上的高指数晶面而表现出极高的活性。
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二维材料：如石墨相氮化碳（g-C3N4）、层状双氢氧化物（LDHs），其超薄特性使得几乎所有催化中心都位于表面，易于进行活性位点工程。例如，通过氨基酸插层调控CoFe-LDH的层间距和氧空位浓度，可显著增强其过氧化物酶样活性。
2.3 活性位点调制
通过纳米合成技术对PMNs活性位点的电子结构进行精确调控，是提升其性能的核心。
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表面应变：通过制造晶格失配（如在Pd立方体上外延生长Pt壳层）或利用纳米颗粒自身的几何结构（如二十面体中的孪晶界），可以在表面引入拉伸或压缩应变，从而调整反应中间体的吸附能，优化催化活性。
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表面合金化：将不同金属在原子尺度上混合，可以协同调制电子结构。例如，在Pt表面引入适量的Ni形成Ni-Pt合金，可以减弱中间体吸附，促进电子转移，使催化活性呈现火山型依赖关系。高熵合金（HEAs）将五种或更多元素混合，通过晶格畸变和“鸡尾酒效应”等进一步提升电子转移效率和催化活性。
3. PMNs在传染病检测平台中的应用
基于上述理性设计的高性能PMNs，已被成功集成到多种快速生物传感平台中，用于检测传染病相关的生物标志物（如病原体抗原、核酸、抗体等）。
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侧流层析（LFA）：PMNs作为比传统金纳米颗粒更灵敏的显色标签，可直接用于LFA试纸条，实现目标物的可视化检测。具有多重模态（如催化、表面增强拉曼散射）的PMNs还能在同一平台上提供多通道信号，提高检测的准确性和特异性。
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电化学传感器：一些PMNs（如普鲁士蓝纳米颗粒）本身具有电化学活性，可作为电活性标签用于夹心型免疫分析，在电极表面产生可测量的电流信号，同时保留催化显色能力。
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微流体与溶液相检测：PMNs可与微流控芯片结合，实现样本处理、反应和检测的自动化、小型化。在溶液相检测中，功能化的PMNs与目标物结合后，通过催化底物（如3,3′,5,5′-四甲基联苯胺 TMB）产生颜色、荧光或化学发光信号，其强度与目标物浓度成正比。
4. 总结与展望
PMNs为传染病的快速、灵敏、低成本诊断开辟了新的道路。其卓越的性能源于从原子尺度到宏观形态的精准设计。通过材料选择、形态工程和活性位点调制，可以定制出满足特定检测需求的高性能PMNs。将这些纳米酶集成到LFA、电化学传感器等即时诊断平台中，已经展示出巨大的应用潜力。未来，人工智能的介入有望加速PMNs的设计与优化过程。然而，该领域仍面临一些挑战，包括大规模生产的标准化、在复杂真实样本中性能的进一步验证、以及多模态信号系统的集成与兼容性等。克服这些挑战，将推动PMNs从实验室研究真正走向临床实践和公共卫生应用，为全球传染病防控提供强有力的技术工具。
