纳米酶（英文名：Nanozyme），是指具有催化活性的无机纳米材料，其融合了天然酶和传统人工模拟酶的优点，包括氧化还原纳米酶、转移纳米酶、水解纳米酶、裂合纳米酶、异构纳米酶、连接纳米酶。
自2000年以来，中国多学科的交叉融合发展推动了纳米酶的诞生。中国科学家高利增首次发现四氧化三铁纳米颗粒的类酶催化现象，相关成果于2007年发表。2015年，阎锡蕴因纳米酶领域突出贡献当选ABA首位女科学家主席。2018年，其团队连发3篇论文，证实了纳米酶能用于体内肿瘤治疗，并拿到了纳米酶产品的首个医疗器械证书。2020年，纳米酶的国际标准立项，该标准规范了测量方案。此后，中国科学家相继在金属有机框架纳米酶MIL-47（V）、碳点纳米酶生物医学应用、纳米酶仿生抗菌机制等方面取得研究成果。2026年，纳米酶作为实验材料随神舟飞船二十三号载人飞船进入中国空间站，并会进行“纳米酶对生物大分子合成和保护机理研究”实验。
纳米酶催化机制的理论计算通常基于两种主要的结构模型，分别是团簇（cluster）模型和周期性平板（slab）模型。纳米酶的功效与天然酶相似，但性能更强、成本更低、更易使用，能够改善医疗检测、清除环境污染和提高制造安全性。其具有催化活性高、稳定而经济的特点，在医学检测、化工、食品、农业、环境监测与治理等多个领域得到广泛应用，如纳米酶传感、抗肿瘤、抗菌、抗病毒等。2007年，纳米酶入选中国科学院、中国工程院院士评选的年度“中国十大科技进展”。2025年6月，纳米酶入选世界经济论坛2025年度十大新兴技术榜单。
定义
纳米酶（外文名：Nanozyme），是指具有催化活性的无机化合物纳米材料，其融合了天然酶和传统人工模拟酶的优点。随着纳米酶技术的迅速发展，纳米酶的标准化应运而生。中国科学院生物物理研究所和中国医学科学院基础医学研究所等多个研究单位参与制定了纳米酶标准术语，在基本术语“纳米尺度”和“纳米材料”以及“酶”的基础上，定义了13个描述纳米酶的术语，第一次从酶学角度系统地对纳米酶定义、酶学催化特征、纳米酶活性相关的常用术语等多个方面进行了统一描述，并使其成为国家标准。根据催化反应性质的不同，定义了六类具有特定活性类型纳米酶的术语，包括氧化还原纳米酶、水解纳米酶、裂合纳米酶、异构纳米酶、连接纳米酶、转移纳米酶。此外，针对催化底物之间进行某些基团转移或交换的纳米酶，提出了纳米酶的命名规则，即“材料组成－酶名称＋纳米酶”。
在纳米酶催化活性的测量方面，阎锡蕴院士参考天然酶活力的概念，定义了纳米酶的催化活性单位（nanozyme unit，U）和纳米酶的比活性（specific activity，U/mg）。催化活性单位指在最适反应条件下，每分钟内催化1 μ摩尔底物转化为产物所需的纳米酶量为1U，比活性的定义为每单位质量的纳米酶单位数，这些标准化都使得纳米酶产品的类酶活性可量化，有利于对纳米酶相关产品的评价以及开发。
历史沿革
自2000年以来，中国多学科的交叉融合发展推动了纳米酶的诞生。中国科学家高利增在阎锡蕴院士实验室攻读博士期间，首次发现四氧化三铁纳米颗粒的类酶催化现象，相关成果2007年发表于《Nature Nanotechnology》，为该领域发展奠定重要基础。2007年至2018年，纳米酶研究已在26个国家逾220个实验室开展，其应用研究也拓展到了生物、医学、农业、环境治理、国防安全等多个领域。2018年，阎锡蕴团队连续发表了3篇论文，证实了纳米酶能用于体内肿瘤治疗，拿到了纳米酶产品的首个医疗器械证书，定义了纳米酶活性单位，还补全了纳米酶的定义版图。
2019年11月，中国专家团队在国际标准化组织纳米技术委员会第21次全体会议中，首次向国际标准专家介绍了金属和金属氧化物纳米颗粒类过氧化物酶活性的测量原理和方法，经过ISO国际项目申请程序，于2020年获得立项。该标准规范了标准测量方案，对类过氧化物酶纳米材料的研发和质量控制，以及理解纳米酶的生物效应均具有重要意义。
2020年10月，南京大学现代工程与应用科学学院魏辉课题组的研究成果金属有机框架纳米酶MIL-47（V）的类谷胱甘肽过氧化物酶活性的调控研究及抗炎药应用发表于《Wiley Online Library》。研究首次报道了具有类GPx活性的MOF纳米酶，通过将金属钒与取代的对苯二甲酸配位制备出一系列具有类GPx活性的MIL-47（V）-X（X=F，Br，NH2，CH3，OH和H）MOF纳米酶，且以最优性能MIL-47（V）-NH2为例，证明了其在体外清除活性氧和保护细胞免受氧化损伤的功能。2023年，西安交通大学科研人员在碳点纳米酶生物医学应用方面取得系列进展，研究成果以《解析碳点纳米酶超氧化物歧化酶活性的催化机制》为题发表在《Nature Communications》上。结合其高催化活性，研究团队成功地将碳点SOD纳米酶应用于抵御体内缺血性中风引起的氧化应激，并取得良好的治疗效果。
2025年11月，中国科学院与中国农业大学联合团队关于纳米酶仿生抗菌机制的研究成果发表于《Nature Microbiology》。2026年2月，该联合团队宣布首次证实纳米酶可通过人工催化编辑调控细菌特定代谢通路（如色氨酸代谢），实现对致病菌（如沙门氏菌）的选择性杀灭并保护益生菌，为抗感染治疗及解决微生物耐药性提供了创新路径。团队计划推进该成果的临床转化，拓展应用边界，为应对全球公共卫生安全挑战贡献方案。同年5月24日，神舟飞船二十三号载人飞船在酒泉卫星发射中心成功升空。神舟二十三号载人飞船上会进行“纳米酶对生物大分子合成和保护机理研究”，纳米酶的实验样品会安装至舱外辐射生物学暴露装置，开展为期5个月的在轨暴露实验。
催化机制
关于纳米酶的催化机制的理论计算通常基于两种主要的结构模型，分别是团簇（cluster）模型和周期性平板（slab）模型。团簇模型主要利用分子动力学模拟研究纳米材料表面上各种键或共价键的相互作用及其能量变化，而周期平板模型以实验数据为基础分析其在生物催化反应过程中发挥的作用。现有的碳材料纳米酶和单原子纳米酶均基于sp2杂化碳元素的二维平面结构。在碳材料纳米酶结构中，含有非碳元素如羰基/羧基/羟基的集团构成了类酶活性的催化中心。而在单原子纳米酶结构中，过渡金属元素Fe/Co/Ni/Mn/Cu等通过N/O/P/S等非金属元素与碳材料框架形成的配位结构则是类酶活性的催化中心。对于以上两种材料的纳米酶，考虑到sp2杂化碳元素在二维平面上的结构特性，对于上述两种材料的纳米酶，研究人员可以采用H饱和方法来处理模型的边缘结构。因此，它们可以作为一个孤立的系统，使用团簇模型进行非周期性的模拟计算。这种计算可以通过量子化学程序来进行几何优化、寻找过渡态、计算各种谱和波函数分析。
由于三维晶体结构的贵金属纳米酶和金属氧化物/硫化物纳米酶难以构建边缘结构的团簇模型，因此更适合使用周期性的平板结构模型进行研究。通过对这些二维晶体模型进行合理简化后可得到相应的一维或多维纳米材料模型。这种计算方法使用了基于平面波基组的固体量子化学程序，其准确性与K点、磁矩和布里渊区等关键参数有很大的关联。与孤立体系相比，这种方法更为复杂，但它同样可以进行几何优化、寻找过渡态、计算各种谱和波函数的分析。然而，由于纳米酶的结构及催化过程的复杂性，现有的理论模拟方法在全面认识、预测和筛选纳米酶类酶活性方面仍存在诸多不足。在应用周期板模型的数值模拟中，往往难以全面地考虑溶剂效应、熵效应等因素对反应能的影响，而纳米酶结构与其活性之间存在着密切的关系。对于纳米酶中的金属和金属氧化物，它们的大小和外观并不是简单的，而是由众多的晶面和表面缺陷组合而成的。因此，如何将这一复杂结构的纳米酶系统纳入一个统一的物理框架之中成为一个亟待解决的问题。在现有的理论计算研究领域，溶剂效应、熵效应以及与催化反应有关的pH和离子浓度都未被纳入考虑，这些因素在未来构建纳米酶理论研究体系时是不能被忽视的。
主要特点
纳米酶的功效与天然酶相似，但性能更强、成本更低、更易使用，能够改善医疗检测，清除环境污染和提高制造安全性。
主要应用
纳米酶既不同于天然酶，也不同于化学酶，由于其具有催化活性高、稳定而经济的特点，在医学检测、化工、食品、农业、环境监测与治理等多个领域得到广泛应用。纳米酶在应用中主要涉及纳米酶传感、抗肿瘤、抗菌、抗病毒和环境治理等几个方面。针对实际问题，研究人员致力于开发具有独特催化活性和物理化学性质的纳米酶。
纳米酶传感器
纳米酶传感器主要分为比色分析法、化学发光、荧光检测、电化学检测、表面增强拉曼散射检测，可以利用多种检测方法进行信号输出和分析。纳米酶比色分析法以纳米酶催化无色底物产生有色化合物的显色反应为基础，具有类氧化还原酶活性的纳米酶通过催化显色底物（TMB、DAB、ABTS）的氧化来实现颜色变化，而具有水解酶类活性的纳米酶则通过催化显色底物的水解来引发颜色变化。纳米酶比色分析法已经与多种检测技术相结合，例如试纸条、酶联免疫吸附分析、免疫组织化学分析等，被广泛应用于临床生物标志物检测、环境污染物检测等。纳米酶化学发光分析法是基于纳米酶催化的化学发光反应，是底物吸收化学能而产生电子激发态、释放光辐射的过程。根据其原理发明了一种过氧化物纳米酶探针，可以将埃博拉糖蛋白的分离、识别和可视化试纸条检测进行高效整合，根据该技术开发的纳米酶检测试剂盒已获得多项医疗器械注册管理办法证书，用于实际应用。
纳米酶的荧光检测方法通过催化荧光底物产生荧光信号，以及纳米酶催化反应的产物间接增强或淬灭荧光信号。已有研究者开发了一种基于纳米酶作为光电化学荧光多功能信号标记的新型双模微流控传感平台，用于检测神经元特异性烯醇化酶。在实际操作中引入微流控装置，纳米酶作为光电化学信号的淬灭剂和荧光信号的启动剂，使得生物传感器的小型化和自动化成为可能。将纳米酶应用于传感领域，不仅可以充分利用纳米酶的多功能性和易制备性构建便捷、低廉以及快速的检测方法，还可以利用其高稳定性突破传统酶基传感器因适用条件苛刻而导致的应用局限性。截至2024年，多种纳米酶检测试剂盒已获得医疗器械注册管理办法证书，商业化的产品也将很快进入市场。
纳米酶抗肿瘤
纳米酶应用于抗肿瘤治疗时，主要以产生活性氧（ROS）杀伤肿瘤细胞为核心机理。纳米酶在抗肿瘤治疗中，主要涉及ROS水平升高导致H2O2和谷胱甘肽（GSH）水平升高。肿瘤细胞通常会上调其抗氧化系统，以对抗细胞内较高水平的ROS。在肿瘤微环境中，H2O2水平会相应地增加。由于异常的氧化应激状态，肿瘤微环境显示出比正常组织更高的氧化还原电位水平。不同类型活性的纳米酶所催化的反应之间存在关联性。这些纳米酶可以实现细胞内不同类型ROS之间的相互转化。在细胞内存在几种形式的ROS中，将细胞内源性的O2-或H2O2转化为OH是增强对肿瘤细胞氧化损伤效果的主要策略。这些不同类型活性的纳米酶能够针对不同种类的ROS进行相应的催化反应，促使ROS之间发生转化。因此，利用不同类型活性的纳米酶来实现对不同种类ROS的转化，是增强对肿瘤细胞氧化损伤效果的重要策略。一方面，纳米酶可以作为治疗剂，通过独特的酶模拟能力用于催化治疗，可直接杀死肿瘤细胞或抑制肿瘤生长。另一方面，纳米酶可通过催化活性，改善肿瘤微环境条件，有利于联合并增强化疗、放疗、光热疗法、光动力疗法、声动力疗法及免疫疗法的治疗效果。
纳米酶抗菌、抗病毒
纳米酶具有仿酶活性，可调节产生的活性氧自由基水平。过多的活性氧自由基可以破坏细胞膜、蛋白、核酸，杀死包括细菌、真菌以及病毒在内的病原菌。临床研究显示，美国FDA批准了一种可用于治疗铁缺乏症的铁氧化物纳米粒子（FerIONPs），该纳米颗粒与葡萄糖氧化酶偶联，可充分发挥链球菌微环境高血糖低pH的特性，原位降解葡萄糖生成H2O2，达到靶向清除口腔细菌的目的，从而达到防治龋病的目的。
与细菌一样，过氧化物纳米酶也可以通过ROS发挥抗病毒作用。一般来说，对抗病毒性疾病的策略是预防和治疗。纳米酶利用其催化和物理化学特性直接或间接地灭活病毒，为对抗病毒感染提供了一个新的方向。病毒治疗中纳米酶的作用主要是通过增加ROS水平、调节机体免疫环境、阻止病毒复制、氧化病毒脂质包膜和蛋白。纳米酶因其可以模拟多种天然酶而具有清除病原菌的特性，其以催化为本质的作用机制不易产生耐药性。此外，作为一种纳米材料，纳米酶具有特殊的物化性质，与光热、磁热和声动力治疗相结合时，可以增强其杀灭病原微生物的能力，对表层细菌感染、深层细菌感染、海洋防污、真菌以及病毒感染均有良好的治疗效果。
纳米酶处理环境污染物
利用纳米酶的独特物理化学性质和催化特性，可以在环境污染物检测和降解处理方面发挥更大的潜力。纳米酶已成功实现了多种水环境污染物的高灵敏检测，如重金属离子、农药、神经毒剂、毒素等有机污染物。同时，利用纳米酶的酶催化活性，已经实现了去除多种水环境污染物，包括苯酚类、胺类以及染料类有机化合物废水等。纳米酶的应用在去除水环境污染物方面具有许多优势，例如结合了磁性纳米颗粒的高氧化效率和磁分离特性、高催化活性、温和的应用条件和易于回收等特点。因此，在更多的环境领域研究中引入纳米酶，不断提高其催化效率和特异性，能够使其在环境保护过程中发挥更加重要的作用。
荣誉奖项
研究人员
阎锡蕴，1957年2月生，汉族，博士，无党派人士。中国科学院生物物理研究所研究员、中国科学院院士、中国科学院大学教授、发展中国家女科学家组织（OWSD）中国委员会执委会委员、第十二届中华全国妇女联合会执委会委员。2015年5月10日，阎锡蕴研究员凭借其在纳米酶的发现和应用方面的科学贡献及其在国际科技组织工作中的长期奉献成功当选ABA主席（2015-2018年），成为该组织自成立以来的首位女科学家主席。
高利增
高利增，中国科学院生物物理研究所研究员，博士生导师，国家高层次领军人才。师从阎锡蕴院士，首次发现四氧化三铁纳米颗粒类酶催化现象，为纳米酶领域的发展奠定了基础。其担任中国生物物理学会纳米酶分会会长，中国科学院纳米酶工程实验室副主任，中国科学院生物物理研究所生物大分子全国重点实验室研究组长。研究方向主要包括纳米酶学，铁硫化学生物学，以及仿生抗菌，在《Nat Nanotechnol》《Nat Microbiol》《Nat Protoc》《Nat Rev Bioeng》等杂志发表论文150余篇，多次入选科睿唯安全球高被引科学家和爱思唯尔中国高被引学者。
参考资料 >
词话‘纳米酶’——酶家族的新成员.中国科学院生物物理研究所.2026-07-23
纳米酶.术语在线.2026-07-23
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中国科学院与中国农大联合团队突破纳米酶仿生抗菌机制 开辟抗感染治疗新路径.光明网.2026-07-22
中国生物物理学会阎锡蕴副理事长兼秘书长当选ABA主席.中国生物物理学会.2026-07-22
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学术前沿 | 现代工学院魏辉课题组金属有机框架纳米酶MIL-47(V)的类谷胱甘肽过氧化物酶活性的调控研究及抗炎应用.微信公众平台.2026-07-23
【科技自立自强】西安交大科研人员在碳点纳米酶生物医学应用方面取得系列新进展.西安交通大学新闻网.2026-07-23
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