血红素基模拟酶的功能化构建与应用

李莹; 韩林; 冯恬恬; 李健

doi:10.7536/PC20250505

化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (11) :1652-1660 DOI: 10.7536/PC20250505

综述与评论

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血红素基模拟酶的功能化构建与应用

李莹 ¹ ,
韩林 ² ,
冯恬恬 ¹ ,
李健 ¹^,^*

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Functional Construction and Application of Hemin-Based Mimetic Enzyme

Ying Li ¹ ,
Lin Han ² ,
Tiantian Feng ¹ ,
Jian Li ¹^,^*

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摘要

模拟酶作为一种仿生催化剂，能够有效克服生物酶在提纯、储存及循环利用等方面的限制。血红素是大多数过氧化物酶活性中心的必需辅基，其铁卟啉结构赋予其基础的类过氧化物酶催化活性，但天然游离血红素存在因分子间自聚集、易氧化失活及催化位点暴露不足等问题，导致催化效率降低且稳定性差，将血红素与负载材料结合得到的血红素基模拟酶，既可有效抑制血红素自聚集与氧化降解，又能增强其催化活性与稳定性。本综述主要介绍了几类常见的血红素基模拟酶，并根据各种负载材料的作用原理以及血红素基模拟酶的特性，对血红素基模拟酶的构建及应用进行了归纳和总结，剖析了各种负载材料的结构特性对模拟酶功能的调控规律，并对其发展趋势进行展望。目前血红素基模拟酶的设计构建仍面临自组装过程复杂、制备过程可控性较差等关键瓶颈问题，未来可聚焦于对负载材料进行更深入的物理化学研究，将血红素和各种支持物的性能进行高度结合，例如建立负载材料物化特性与血红素分子定向组装的构效关系图谱，通过界面工程策略实现血红素与载体性能的协同优化，或者寻找其他性能相似的负载材料，开发兼具高催化活性与结构均一性的血红素基模拟酶，推动血红素基模拟酶在多领域的实际应用。

Abstract

As a type of biomimetic catalyst， artificial enzymes can effectively overcome the limitations of natural enzymes in purification， storage， and recyclability. Hemin （Fe（Ⅲ）-protoporphyrin Ⅸ）， serving as the essential cofactor in the active center of most peroxidases， possesses fundamental peroxidase-like catalytic activity due to its iron-porphyrin structure. However， native free hemin suffers from issues such as intermolecular self-aggregation， susceptibility to oxidative deactivation， and insufficient exposure of catalytic sites， leading to reduced catalytic efficiency and poor stability. Combining hemin with supporting materials to form hemin-based artificial enzymes can effectively inhibit hemin self-aggregation and oxidative degradation while simultaneously enhancing its catalytic activity and stability. This review primarily introduces several common types of hemin-based artificial enzymes. It summarizes and categorizes their construction and applications based on the underlying principles of the various support materials and the characteristics of the resulting hemin-based enzymes. Furthermore， it analyzes how the structural properties of different supports regulate the functions of the artificial enzymes and provides an outlook on their future development. Current challenges in designing and constructing hemin-based artificial enzymes include complex self-assembly processes and poor controllability during preparation. Future studies could focus on conducting in-depth physicochemical research on support materials to achieve a higher integration of hemin and support properties. This may involve establishing structure-activity relationship maps correlating the physicochemical properties of supports with the directional assembly of hemin molecules， implementing interface engineering strategies for synergistic optimization of hemin and carrier performance， or exploring alternative support materials with similar properties. The development of hemin-based artificial enzymes combining high catalytic activity with structural homogeneity is key to facilitating their practical applications across multiple fields.

Contents

1 Introduction

2 Hemin

3 Synthesis and application of hemin-based artificial enzymes

3.1 Carbon-supported hemin artificial enzymes

3.2 MOF-supported hemin artificial enzymes

3.3 Integration and applications of hemin-functionalized inorganic supports

3.4 Research and application of synthetic polymer-immobilized Hemin

3.5 Conjugation and applications of Hemin with biomacromolecules

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

血红素 / 模拟酶 / 金属-有机骨架 / 生物催化

Key words

hemin / artificial enzymes / metal-organic frameworks / biocatalysis

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李莹, 韩林, 冯恬恬, 李健. 血红素基模拟酶的功能化构建与应用[J]. 化学进展, 2025, 37(11): 1652-1660 DOI:10.7536/PC20250505

Ying Li, Lin Han, Tiantian Feng, Jian Li. Functional Construction and Application of Hemin-Based Mimetic Enzyme[J]. Progress in Chemistry, 2025, 37(11): 1652-1660 DOI:10.7536/PC20250505

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1 引言

酶是一类具有催化活性的蛋白质，它具有催化效率高、专一性强、反应条件温和等特点，是高效的天然催化剂，调节着所有生命体的各个生物学过程^[1]。然而，天然酶的提纯难度大、生产成本高、稳定性差和回收困难等缺点阻碍了其在工业生产、农业等各方面的广泛应用^[2-3]。为了克服天然酶的这些缺点，模拟酶应运而生。目前，模拟酶的研究已经取得了很大进展，开发得到了不同的模拟酶，如纳米材料模拟酶、冠醚化合物模拟酶^[4-5]、卟啉类模拟酶等^[6]。血红素属于卟啉类化合物，是大多数过氧化物酶活性中心的必需辅基，同时，血红素具有模拟多种酶的能力，可催化过氧化物的多样化氧化反应。基于此特性，研究者已构建了多种仿生催化氧化反应体系。将血红素与各种负载材料（如金属有机骨架/MOFs）或大分子结合起来所形成的血红素基模拟酶具有模拟多种酶的能力，这些材料有的可以稳定血红素并保护其催化位点，有的则可以模拟天然酶催化活性位点周围的肽微环境。同时还可以保持一定的低成本，其制备和储存成本都大大降低。本文主要综述了几种常见的血红素基模拟酶的研究进展，并对其未来发展前景进行了展望。

2 血红素

近十年来，构建高效的人工模拟酶以替代天然酶是科学家们长期追求的目标，天然过氧化物酶虽然具有催化效率高、专一性强等优点，但成本高、易失活等缺点限制了其广泛应用，而解决这个问题的有效办法之一就是寻找简单的人工模拟酶，并提高其稳定性和催化效率。天然过氧化物酶是一种以铁卟啉血红素为辅基，参与生命体内生理代谢的生物大分子。

血红素，又称亚铁血红素，由亚铁离子和四吡咯环所组成^[7]，结构如图1所示，血红素的特点有：（1）功能中心三价铁原子作为催化氧化中心；（2）耐酸性好，能够催化不同的反应，如酸性单体的聚合^[8]；（3）适用于包括复合加工在内的某些应用，并且研究发现血红素在一定高温下仍能保持其催化活性^[9-10]；（4）低成本。

血红素是构成过氧化物酶活性中心的关键组分，二者关系结构图如图2所示。与辣根过氧化物酶（HRP）相比，血红素因具有热稳定性高、制备简单和成本低等优点，被用作HRP的替代品，经常被用于各种催化氧化反应和材料合成^[12-13]。血红素的催化过程包含三个主要步骤：过氧化物底物与血红素中的铁离子发生配位，伴随一分子水解离，形成中间体Compound Ⅰ，Compound Ⅰ作为强氧化剂氧化底物，生成底物自由基及还原态中间体Compound Ⅱ，Compound Ⅱ再吸收一分子底物的电子，恢复血红素的静息状态，完成催化过程。催化作用原理图如图3所示。

然而，单独的血红素会在水中自动缔合、聚集形成低催化活性且可以破坏氧化介质的二聚体，这些二聚体影响血红素分子的动力学和结构性质以及它们的功能。此外，铁中心的局部电子结构随着二聚化后的溶剂相互作用和轴向配位的变化而发生改变，限制其催化活性寿命，同时缺乏天然酶中的肽微环境，因此并没有表现出令人满意的活性。为解决这些问题，研究者提出两种策略：一是修改卟啉结构，合成多种铁卟啉衍生物，以提高催化活性或稳定性；二是将血红素负载于高表面积材料（如沸石、二氧化硅、碳基纳米材料或者MOFs），以增强血红素的稳定性。

近十年来，血红素基模拟酶的研究取得了重大进展。许多血红素基模拟酶具有过氧化物酶（POD）或氧化酶（OXD）的活性，可以催化氧化还原反应、水解反应等，可在多个领域中应用^[16]。基于不同负载材料的人工模拟酶在种类和催化活性方面都有显著突破。下文将对近年来发展迅速的几种血红素基模拟酶进行系统地阐述和归纳总结。

3 血红素基模拟酶的合成及应用

血红素基模拟酶近些来发展迅速，研究者们设计并研发出了使用不同负载材料组成且比相应天然酶活性高的模拟酶。表1总结了不同负载材料的物理化学特性对比。

下文将根据各种负载材料的作用原理以及血红素基模拟酶的特性，对血红素基模拟酶的构建及应用进行系统阐述。

3.1 碳基材料负载血红素制备模拟酶

3.1.1 石墨烯-血红素的合成及应用

近年来，石墨烯因其超大比表面积、优异的热导率与电导率、极高的机械强度以及低廉的制造成本而受到研究者的广泛关注。除了固有的催化活性外，石墨烯及其衍生物由于表面具有丰富的化学物质，也可以作为异质催化过程的良好支持物，且与血红素有较强的结合作用，从而产生了较高的反应周转率，增强了血红素分子系统的催化活性和稳定性^[17]。

Guo等^[18]在2010年首次采用湿化学法通过π-π相互作用合成了血红素-石墨烯杂化纳米片（H-GNs），H-GNs过氧化物酶样活性示意图如图4，该材料同时结合了血红素的过氧化物酶活性以及石墨烯对ss-DNA和ds-DNA亲和力不同的选择性，开发了一种用于在室温下检测人类DNA中疾病相关单核苷酸多态性（SNPs）的无标记比色检测系统。将该材料应用在生物医学检测中，减少成本的同时提高了灵敏度和准确度。与单纯的石墨烯相比，氧化石墨烯本身由于其丰富的含氧官能团和晶格缺陷而表现出轻微的过氧化物酶活性。而现在的研究者们多通过使用化学还原氧化石墨烯合成还原氧化石墨烯（rGO），在扩大成本效益的同时使rGO的结构变得更加具有可塑性。

Xu等^[19]通过湿化学法将血红素与还原氧化石墨烯进行了非共价固定化，合成了Hemin-rGO模拟酶并对材料进行活性测定，发现血红素的功能化石墨烯衍生物对增加血红素类过氧化物酶活性具有积极的贡献。研究者们通过改变rGO的含量合成了不同含量比的Hemin-rGO并对其进行活性测定，发现了Hemin-rGO的活性不仅与rGO的含量有关还依赖于血红素的负载含量。负荷过高时，部分血红素聚集为低催化活性的二聚体，并且在过量过氧化氢存在的情况下会发生氧化自破坏；负荷过低时，血红素缺乏不足以产生足够的催化活性中心。此外，相对过量的rGO聚集可能会屏蔽该模拟酶的活性位点。因此，在研究过程中把握好血红素和负载材料的含量比，对模拟酶活性的进一步提高将产生一定的推动作用。同时，通过水热法合成的血红素-氧化石墨烯复合材料（Hemin/rGO）具有过氧化物酶的性质，将该材料修饰到玻璃电极表面，在有氧的情况下实现了对吲哚乙酸的催化氧化，利用电流时间曲线法，设计了一种方便、快捷和低成本的检测植物激素吲哚乙酸含量的新方法^[20]。

Palanisamy等^[21]在2018年采用维生素C还原氧化石墨烯-纤维素微纤维复合材料（GO-CMF）并将血红素固定在该复合材料上合成了Hemin/RGO-CMF（血红素固定化还原氧化石墨烯-纤维素微纤维复合材料）。与还原氧化石墨烯（RGO）相比，CMF与RGO结合所具有的独特性质（高导电性、多孔性和高比表面积）可以吸引更多固定化血红素分子的牢固吸附、增强固定化血红素的直接电子转移和电催化，同时还可以降低过氧化氢的还原电位。

实验表明，由该复合材料制备的电化学传感器可以在0.06~540.6 µmol·L^-1范围内对过氧化氢进行线性检测，最低检测限为16 nmol·L^-1。且该传感器具有良好的pH耐受性，在酸性（pH=4.0）或碱性（pH=8.0）溶液中都可以观察到相同的电流强度。经过循环实验证明，该材料制成的传感器具有良好的循环稳定性（11天后仍保留96.2%的初始灵敏度），且在100倍浓度常见干扰物质的存在下，该传感器具有高度的选择性。

上述研究为石墨烯基血红素模拟酶的定向设计提供了重要参考。

3.1.2 碳纳米管-血红素的合成及应用

近年来，碳纳米管（CNTs）在生物技术方面的应用引起了人们广泛的关注。首先，这些碳纳米管可以用简易的方法合成；碳纳米管（CNTs）是由石墨烯片同轴卷曲而成的新型纳米碳材料。其次，它的内外表面可以用不同的官能团选择性地功能化。按照石墨烯片层数不同，可以分为两类：单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs）^[22]。

2013年，Zhang等^[23]制备出了Hemin-单壁碳纳米管（SWCNT）材料，SWCNT不仅可以有效地负载血红素，并且可以为保持血红素的高活性提供了一个有益的微环境。在这种复合材料中，血红素通过与SWCNT侧壁之间的π-π键非共价作用牢固地吸附到SWCNT材料上，且该种材料在pH较低的溶液中产量更高，可能的原因是在酸性溶液中，血红素的羧基和羧基修饰的SWCNT之间的氢键在酸性溶液中易于形成，使两者之间结合得更牢固。活性测定表明，该复合材料表现出比单独血红素更高的过氧化物酶活性。将这种材料与葡萄糖氧化酶（GOx）结合，可以构建出一种灵敏、快速检测葡萄糖的方法，此外，该复合材料还具有高稳定性和优异的循环性。

SWCNT的显著优势在于其高比表面积，对于芳香族分子如底物3，3，5，5-四甲基联苯胺（TMB）具有较高的亲和力。这有助于底物分子向催化活性中心的转运，可以提高催化中心的底物浓度。SWCNT的这种特点与天然酶的催化机制相似，简单来说，天然酶的催化机制主要就是其能够结合基质并使底物接近催化活性位点。其次，由于SWCNT-Hemin对TMB的高亲和力，活性位点血红素和底物TMB可以被限制在纳米尺度的区域，有效防止了血红素在活性位点的二聚并提高了活性部位的底物浓度，大大提高了该复合材料的催化活性。经过对该复合材料12个周期的循环测定，该模拟酶仍可保持着90%的催化活性，表明了其良好的稳定性和较高的循环使用率。该模拟酶对葡萄糖的检测限可达到 2 µmol·L^-1，比Fe₃O₄过氧化物模拟酶的检测限还低。由此表明，Hemin-SWCNT模拟酶是一种很有潜力的传感检测材料。

为进一步提高血红素的过氧化物酶活性，Wu等^[24]在2019年利用氨基对SWNT-Hemin进行修饰，合成了SWNT-NH₂@Hemin（氨基修饰碳纳米管@血红素）纳米模拟酶。SWNT通过π-π相互作用增强了血红素的过氧化物酶活性，而带正电荷的氨基则在模拟HRP的活性中发挥了精氨酸的作用，即在催化过程中稳定中间体，并促进O―O键的断裂。之后，将该复合材料与葡萄糖氧化酶（GOx）结合起来，通过级联反应检测葡萄糖。线性检测范围是0.025~1.625 mmol·L^-1，最低检测限为5.4 µmol·L^-1。实验证明，SWNT-NH₂@Hemin的过氧化物酶活性是SWNT@Hemin的1.29倍，氨基基团的修饰显著提高了其催化活性。因此，通过有效的选择模拟酶配合金属的配体可以显著提高模拟酶的活性，此发现为以后的研究工作也提供了一种有利的思路。

3.2 金属有机骨架（MOFs）负载血红素制备模拟酶

金属有机骨架（Metal-organic frameworks， MOFs）是由金属离子（或金属团簇）和有机配体通过配位化学原理自动组装成的一种杂化的微孔晶体材料^[25]，MOFs作为一类新型的无机-有机杂化材料，具有比表面积大、孔体积大、热稳定性高、骨架具有机械稳定性和开放的金属中心，因此在环境净化^[26-27]、气体的储气分/离^[28]、药物运输等方面具有很大的应用潜力。

MOFs材料的特点：（1）框架具有较高的比表面积：（2）表面性质易于调控：这可以通过改变表面几何形状或化学成分来调节以适应MOFs的应用。因此，MOFs的稳定性和对固定化酶的反应性可以被调整^[29-30]。（3）改变金属离子中心和有机配体可以改变MOFs的结构和物理化学性质以及提高对底物的亲和力。

在均相中，血红素的二聚和自降解会使它们的寿命活动受到限制。因此，把血红素固定在固体基质中是有希望提高其稳定性、保护活性基团免受二聚的。两者结合所形成的模拟酶也得到了广泛的应用。Luo等^[31]将Hemin封装到了HKUST-1（化学式为[Cu₃（TMA）₂（H₂O）₃]_n）中，HKUST-1具有不饱和金属位点，而血红素的加入，与其结合得到的MOFs基固体催化剂具有优异的性能，并被首次应用于化学发光领域。功能化的MOFs不仅具有良好的催化活性，而且在中性条件下可作为固体过氧化物模拟酶循环利用。合成的Hemin@HKUST-1复合材料已被用于开发具有宽响应范围和低检测限的H₂O₂和葡萄糖的实用传感器。由于血红素能催化H₂O₂和鲁米诺的化学发光（CL）反应，因此他们将Hemin封装到HKUST-1中，并利用所获得的Hemin@HKUST-1催化H₂O₂与鲁米诺之间的CL反应。由于CL检测具有灵敏度高、背景干扰低、仪器仪表简单等优点，在许多领域得到了广泛的应用。因此，MOFs与化学发光的结合对于分析化学是有意义的。此外，Hemin与MOFs的结合在治理环境污染方面也有一定的应用。

Cao等^[32]开发的PCN-222（Fe）通过血红素配体与Zr₆簇的配位组装，构建了具有介孔通道的稳定MOF结构，PCN-222（Fe）的晶体结构及其基本网络拓扑如图5所示。其过氧化物酶活性比游离血红素提高近20倍，这种刚性限域环境有效抑制了血红素二聚化，同时促进了底物在通道内的扩散。

Yi等^[33]制备了仿生的Hemin-Bi₂WO₆复合材料，并证明了它们对罗丹明B的光催化芬顿样降解也具有出色的性能。这些研究证实了血红素衍生的仿生催化剂对有机污染物降解的高催化活性^[34]。除此外，血红素（Hemin）接枝到金属有机框架材料 UiO-66-NH₂（ZrMOF）的表面，构建了过氧化物酶模拟物Hemin-ZrMOF，研究表明，该模拟物能有效地催化原子转移自由基聚合反应（ATRP），实现功能性高分子的合成，与游离血红素相比，Hemin-ZrMOF 展现出了更为优良的苯酚降解与高分子催化合成能力，并能够实现模拟酶从催化体系中的快速分离回收以及避免金属催化剂的痕量残留^[35]。

近年来，与MOFs有关的衍生物成为各个领域的研究热点^[36]。其中，由于血红素和MOFs的独特性能使两者结合的衍生物研究更是成为了研究中心。未来，随着研究的深入，这些复合材料有望在更广泛的应用中发挥重要作用。

3.3 其他无机材料负载血红素的结合及应用

氮化硼（BN）具有二维（2D）石墨状结构和一些独特的物理和化学特性，例如高比表面积^[37]、高导热性、化学耐久性和高抗氧化性^[38-39]。这些特性使多孔BN成为在各个领域中应用的候选者，特别是与诸如气体吸收和污染物吸附之类的吸附有关的领域。利用水热法合成了血红素-氮化硼复合材料（Hemin/BN），利用该复合材料的拟过氧化物酶性质，制备了一种直接测定吲哚乙酸的新型电化学生物传感器。将制备的Hemin/BN复合材料修饰到玻璃电极表面，在有氧的条件下，利用时间电流法，实现了对吲哚乙酸简单、快速、高选择性的测定。并且，测定结果令人满意，有望投入实际中。

然而，此类静态组装体系难以响应复杂生物微环境的需求；与此相对，MoS₂纳米片则展现了动态可调的智能特性：在感染微环境酸性条件下，其表面质子化触发电荷反转，同步激活类过氧化物酶活性，使•OH生成速率提升3.2倍。MoS₂抗菌机理合成如图6所示。这种pH门控的“酶活性开关”驱动纳米片靶向结合革兰氏阴性菌膜，通过原位产生的•OH高效破坏病原体结构，凸显了二维纳米酶从静态传感向动态按需治疗的范式升级^[40]。

3.4 合成高分子负载血红素的研究与应用

水凝胶是由亲水性高分子通过交联作用形成的三维网络结构，且以水为分散介质^[41]。水凝胶和氨基酸残基通常为人工过氧化物模拟酶提供了一个类似于天然酶的微环境。

受此研究启发，Wang等^[42]用超分子水凝胶作为一种基质来封装血红素模拟过氧化物酶。血红素分子被固定化，在纳米纤维内/周围相互分离，而水凝胶使血红素免受氧化失活。超分子水凝胶中氨基酸自组装的纳米纤维可以作为活性位点周围的微环境，同时纳米纤维之间的超分子相互作用可以有效地减少血红素的二聚化。这样，将血红素复合物嵌入水凝胶中，表现出比自由血红素分子更强的催化活性。

Qu等^[43]研制出了一种由嵌段共聚物聚（乙二醇）聚（4-乙烯基吡啶）（PEG-b-P4VP）和血红素组成的过氧化物人工模拟酶。该嵌段共聚物胶束由亲水性PEG壳和疏水P4VP核心组成，可作为某些疏水性生物分子（如血红素）的超分子支架。此外，P4VP分子中的吡啶部分是天然过氧化物酶中组氨酸咪唑部分的一个极好的替代品，它可以与血红素协调并提供与血红蛋白中组氨酸残基相似的微环境。PEG链和P4VP-血红素可以模拟天然过氧化物酶中的蛋白质口袋，从而在催化剂和底物之间产生特殊的包含体行为。嵌段共聚物的化学稳定性以及与血红素的强配位相互作用使该人工模拟酶在较高的pH和温度下均保持较高的活性。此后，该团队受酶的多层次结构及水凝胶的独特结构启发，研制出了另一种嵌段共聚物并将其固定在水凝胶上，表现出更高的过氧化物模拟酶活性。

3.5 生物源大分子-血红素的结合及应用

Qu等^[44]设计了一种通过嵌段共聚物聚（乙二醇）聚（1-乙烯基咪唑）（PEG-b-PVIm）协同自组装制备的血红素基胶束，进而将血红素胶束固定在海藻酸盐水凝胶中（HM-AH）。在该复合结构中，血红素胶束是催化活性中心，胶束为血红素提供了可溶性载体和与辣根过氧化物酶（HRP）催化活性位点相似的微环境。海藻酸盐水凝胶则保护胶束免受恶劣反应条件的影响并进一步提高血红素胶束的催化活性和稳定性。海藻酸盐水凝胶就像一个反应器，将催化剂固定在该反应器中，底物扩散进入反应器中，与催化剂反应后，产物溢出反应器。并且由于底物在水凝胶中扩散速率的差异，水凝胶作为识别中心，也表现出一定的底物选择性。该研究中用于组装血红素胶束的嵌段共聚物（PEG-b-PVIm），其亲水块/疏水块的质量比高，可以更好地与亲水性底物结合，进一步提高了人工体系的催化活性。所合成的模拟酶在催化活性和稳定性方面都有了很大的提高，但制备过程较复杂，因此，寻找一种制备方法简单，选择性大，催化活性高的人工酶仍然是一个重大的挑战。

在天然过氧化物酶中，催化中心血红素的激活受到远端精氨酸（Arg）以及作为酸碱催化剂的远端组氨酸（His）的辅助。其中，远端精氨酸与远端组氨酸一起作为质子供体存在，不仅与O―O键的裂解有关，而且在催化过程中提供了带正电荷的基团来稳定中间体。

受此机制的启发，Wang等^[45]设计和组装了一个含有Gln（谷氨酰胺）的肽（Q肽）、富集鸟嘌呤的DNA（G-DNA）和血红素的过氧化物酶模拟系统，用来模拟辣根过氧化物酶中的His-Arg-His催化三联体，如图7所示。其中，Q肽通过组装Gln的羧酰胺基来模拟Arg的功能；G-DNA被设计成由四个碱基堆叠而成的高阶G-四链体，可以通过π-π堆叠和轴向配位与血红素相互作用，此外还可以作为一个分子支架来稳定和定位血红素辅助分子。血红素与核酸的共价连接已被证明可以显著提高血红素的催化能力和溶解度，提高过氧化物酶的活性。然而，这个系统仍存在一定的缺点限制了其应用：（1）这些结构的组装增加了其序列设计的复杂性；（2）由于鸟嘌呤会损害过氧化氢，血红素/DNA模拟酶在氧化过程中容易发生氧化失活。

为进一步优化这种生物传感器系统，Li等^[46]设计了一个动态的DNA自组装激活血红素模拟系统，用于荧光生物传感。该传感器在目标靶分子存在的情况下，启动熵驱动的DNA组装电路，并将催化活性受到抑制的血红素二聚体分解为有活性的血红素单体，之后具有活性的血红素模拟酶催化非荧光酪胺转化为荧光二聚胺，为荧光传感提供一种快速、简单、无酶的信号扩增策略。

生物源大分子作为血红素的支持物为其提供了良好的生物相容性，两者结合所组成的人工模拟酶与天然酶相比在催化活性和稳定性方面均有一定的提高。

4 结论与展望

综上所述，血红素掺杂所形成的复合材料模拟酶是目前所研究的新型材料之一。在这篇综述中，我们对血红素基模拟酶的合成及应用等进行了系统地阐述。血红素基模拟酶近十年来发展较为迅速，研究者们设计并研发出了使用不同负载材料组成且比相应天然酶活性高的模拟酶。尽管血红素基模拟酶的研究领域取得了可实现的结果，所构建的催化剂已克服了部分局限性，如血红素单体稳定性不高或者催化活性不足等问题。但是基于血红素的模拟酶的设计目前尚未完全成熟，很多机理和应用还没有完全被研究和开发出来，部分血红素基模拟酶的组装过于复杂，制备过程不可控都是有待去解决的问题。对负载材料进行更深入的物理化学研究，将血红素和各种支持物的性能进行高度结合，或者寻找其他性能相似的负载材料，研究出制备方法简单，结构均一的血红素基模拟酶也是一种挑战。若能通过技术改进或材料创新制备更稳定的血红素模拟酶，其在生物传感、疾病诊断及环境治理等领域的应用潜力将显著扩大。对于血红素基模拟酶的研究还有很长的路要走，相信当血红素模拟酶的制备及合成技术成熟时，对于未来整个领域的发展和应用也将产生积极的推动作用。

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