纳米酶是指具有类酶催化活性的纳米材料,其通常具有稳定性好、结构多样、成本低廉等优点。在过去这些年,纳米酶作为天然酶的理想替代物之一,在化学传感、药物诊疗、环境治理、工业催化等领域都展现出良好的应用前景。但是,由于发展时间还较短,目前已报道的纳米酶大多仍面临催化活性低、底物亲和力差、催化机理不明、应用模式单一等缺点,因此,对于新型纳米酶的开发和应用研究仍吸引着广泛的注意。金属-有机框架（Metal-organic frameworks,MOFs）是一类由金属离子/团簇与有机配体自组装形成的多孔晶体材料,受益于其超高的比表面积、独特的化学组分、规律的结构排布等优势,其在过去二十多年迅速发展成一种新兴热点材料。考虑到MOFs含有的过渡金属节点（如Fe、Co）可以直接或经过特定处理衍生出丰富的催化活性位点,其多样的结构和较大的孔隙又有利于底物的传输与富集,我们认为基于MOFs的材料在新型模拟酶的构建和应用方面有着巨大的研究潜力。但相较于MOFs在其他领域如火如荼的研究,关于其纳米酶性质的开发目前仍非常有限,且大多研究并不深入。为了完善这方面的研究,本文中我们致力于关注基于Fe、Co的MOF及其衍生物,构建相关的新型模拟酶材料,系统探究其模拟酶性质以及拓展其在分析检测中的应用潜力。总体上,本论文共分为六章。第一章:检索相关文献,我们首先归纳总结了纳米酶的分类以及常用材料;然后阐述了基于MOFs的材料作为纳米酶的潜力,并从材料构建和生化分析应用两方面对其当前研究现状进行概述;最后,结合基于MOFs纳米酶的优势和纳米酶当前面对的挑战,阐明本论文的研究思路及研究意义。第二章:我们利用MOF独特的多功能特性构建了新型的比率荧光探针用于酸性磷酸酶（ACP）的活性检测。在此章节中,我们发现NH₂-MIL-101（Fe）受益于结构中氨基有机配体的存在,能在456 nm处发射蓝色荧光(F₄₅₆);同时,其结构中的Fe基金属节点又使其具有类过氧化物酶活性,能催化H₂O₂氧化酶联底物OPD,在556 nm处产生黄色荧光(F₅₅₆),而新产生的F₅₅₆由于内率效应又将逐渐猝灭F₄₅₆。故在NH₂-MIL-101催化OPD氧化的过程中,这样一对相反的荧光信号正好可以被用来设计新型的比率荧光探针。如果将焦磷酸根（PPi）引入NH₂-MIL-101/H₂O₂/OPD系统,PPi将会与NH₂-MIL-101（Fe）中的金属位点配位抑制其类过氧化物酶活性,进而抑制OPD的氧化使F₅₅₆降低F₄₅₆升高;但如果同时引入酸性磷酸酶（ACP）,PPi则会被水解,故NH₂-MIL-101（Fe）类过氧化物酶活性恢复,OPD的氧化恢复,F₅₅₆升高F₄₅₆降低。基于上述可逆的作用机理,以PPi作为中间体,NH₂-MIL-101/H₂O₂/OPD系统可成功应用于ACP的活性检测。实验结果表明,F₅₅₆/F₄₅₆的数值与ACP的浓度在0.01-30 U/L之间呈现良好的线性关系,且对ACP活性的检出限为0.005 U/L。这是比率荧光探针首次被设计用于ACP的活性检测,这个检测效果也比大多数之前报道的ACP检测方法更灵敏,选择性实验和在人血清中的回收实验都证明了此方法适用性良好。第三章:我们选取NH₂-Co-MOF为前体,通过在N₂氛围中一步式碳化的方式,制备了钴和碳的复合材料C-Co-MOF。热重、SEM、红外、XRD、XPS等材料表征表明,在高温碳化过程中,MOF前体将同时作为牺牲模板和碳源,在基本保持原有形貌的同时,其含有的有机配体将直接碳化形成异原子掺杂的多孔碳,而其含有的金属节点将被还原为Co纳米颗粒。实验证明C-Co-MOF具有良好的类氧化酶催化活性,可以在无需H₂O₂的条件下,直接催化空气中的O₂氧化不同酶联底物。以OPD作为荧光底物,通过青霉胺（D-pen）上巯基对氧化态底物的还原作用,C-Co-MOF可以被用来定量检测青霉胺浓度。其线性范围为0.1-50μM,检出限为0.05μM。与其他青霉胺检测方法比较,此方法线性范围宽,检出限低。进一步实验证明,该检测方法具有良好的选择性,可无需纯化直接测定药片中青霉胺含量,检测结果可靠,具有良好的应用潜力。第四章:在上一章基础之上,我们选取了含N量更为丰富、热稳定性更好的沸石咪唑酯骨架结构材料ZIF-67为前体,高温碳化制备了Co、N共掺杂的高效类氧化酶材料Co,N-HPC。在高温碳化过程中,ZIF-67超高比表面积得以部分保留,结构中丰富的含氮有机配体作为碳源和氮源在热解过程中形成具有多级空隙结构的N掺杂缺陷碳网;同时,其结构中规整排布的Co离子在高温中被原位还原为均匀的纳米颗粒,镶嵌在N掺的缺陷碳网中,提供可利用的催化活性位点。在与不同酶联显色底物混合时,Co,N-HPC均可在没有H₂O₂存在的条件下快速催化底物氧化显色。活性氧种类测量结果表明,单线态氧（¹O₂）和超氧自由基（O₂·^-）是此催化过程中产生的主要自由基。利用谷胱甘肽（GSH）可以抑制TMB氧化的特性,我们设计了基于Co,N-HPC的比色传感器用于GSH的定量检测。其检测线性范围为0.05-30μM,检出限为36 nM。与大部分已报导的GSH检测方法相比,这个检测方法更灵敏、方便,且可快速通过反应溶液颜色裸眼粗略判断含量。实际样实验证明此检测方法被证明可成功应用于人血清中GSH的直接检测和加标回收检测。第五章:次级金属掺杂被认为是改善纳米材料催化活性有效途径之一,在本章中,我们通过离子辅助溶剂热反应以及低温煅烧的方法,以MOF为前体制备了一系列Co基双金属纳米笼材料（C-CoM-HNC,M=Ni,Mn,Cu,Zn）。经表征,这些C-CoM-HNC与其单金属对应物C-Co-HNC具有相似的形貌以及晶体结构,但是其类氧化酶活性却有明显差异。其中,Cu掺杂产生的C-CoCu-HNCs活性最佳,其动力学参数K_m仅为C-Co-HNC的五分之一,而V_max却是C-Co-HNC的5.3倍,说明Cu掺杂既大大提高了材料对TMB的亲和能力,又明显改善了材料对底物的催化效率。基于C-CoCu-HNC这种出色的类氧化酶催化活性,联合乙酰胆碱酯酶（AChE）可以水解特定胆碱底物产生还原性的硫代胆碱抑制TMB氧化的特性,我们通过多级酶联反应构建了AChE活性检测的新型比色方法。其检测线性范围为0.0001-1 U/L,检出限低至0.1 mU/L,并且可以直接用于人血液中AChE活性的检测,结果可靠,具有临床诊断的实际应用潜力。在此基础上,我们将C-CoM-HNC应用于活化过一硫酸盐（PMS）降解有机污染物（RhB）,其活性表现与前面类氧化酶活性一致,其中C-CoCu-HNC还具有较宽的pH适用性且能在重复使用8次以内保持很高的催化能力。进一步的密度泛函理论（DFT）计算表明,和C-Co-HNC相比,Cu掺杂的材料会与O₂/PMS连接更紧密,吸附能更负,并且材料自身的d能带中心向正移动。这些变化将有利于O₂/PMS在C-CoCu-HNC表面的吸附和解离,从而使C-CoCu-HNC表现出更高的类氧化酶催化活性。总的来说,本章工作不仅构建了一种AChE临床诊断的可靠检测方法,也从实验和理论两方面为开发更高催化活性的新型纳米酶提供了一些有用线索。第六章:对全文进行总结,并对未来研究进行展望。