【分析】ACS AMI：基于COF胶囊的酶反应器构建及比色传感研究- 大数跨境

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2023-03-10

导读：福州大学林子俺研究员课题组以可降解的MOFs材料为模板，制备基于COF胶囊的固定化酶反应器，并将其应用于葡萄糖的比色检测。

酶是一类具有高催化活性和立体选择性的生物大分子，在生物医药领域展现出诱人的应用前景。然而，游离酶非生理条件下稳定性差、不易储存以及难以重复利用等缺点，使其实际应用受到严重限制。酶固定化技术是维持酶活性和提高酶稳定性的有效方法。共价有机框架（COFs）因其具有高的孔隙率，易于功能化以及结构稳定等特点，被视为酶的理想载体。然而，当前常用的固定化酶方法面临酶易泄漏以及体系传质效率低等问题，导致制备高性能的基于COFs的固定化酶反应器仍然是巨大的挑战。

近期，福州大学林子俺研究员课题组以可降解的MOFs材料为模板，制备基于COF胶囊的固定化酶反应器，并将其应用于葡萄糖的比色检测。该工作为基于COF的固定化酶反应器的构建提供了新的视角。相关成果发表在国际学术期刊ACS Appl. Mater. Interfaces 上。

作者选择温和条件下可降解的ZPF-1作为模板，先将细胞色素c（Cyt c）封装在ZPF-1内部，制得Cyt c@ZPF-1；随即在Cyt c@ZPF-1表面生长COF层形成核壳结构的Cyt c@ZPF-1@COF；最后，在温和的环境下，Cyt c@ZPF-1@COF的内核ZPF-1被选择性降解，形成空腔，ZPF-1包裹的Cyt c被同步释放至空腔内，得到Cyt c@COF胶囊（如图1所示）。得益于COF胶囊的介孔结构，Cyt c分子被限制在COF胶囊空腔内，有效避免了酶的泄漏；同时COF内部发达的孔道允许小分子底物自由扩散进出胶囊，极大提升了体系的传质效率。

图1. enzyme@COF 胶囊的合成示意图及对Cyt c@COF胶囊的表征

酶活性测试结果显示Cyt c封装在COF胶囊后，其催化活性可提高1.3-1.9倍（见图2）。动力学实验进一步证实Cyt c被封装后，其对底物的亲和力显著提升。对Cyt c活性提高的机制进行探究，发现COF胶囊与Cyt c之间的相互作用导致Cyt c产生了结构扰动，该结构扰动可能提升了Cyt c活性中心对底物的可及性。此外，实验发现Cyt c@COF对高温，有机溶剂和变性剂等不良环境展现出良好的抵抗能力。循环利用实验表明在循环利用5次后，Cyt c@COF仍保留了其初始活性的80%以上。

图2. Cyt c@COF胶囊的性能评价

在此基础之上，作者将葡萄糖氧化酶（GOx）和Cyt c共封装于COF胶囊内，成功构建了基于COF胶囊的多酶级联反应系统（GOx-Cyt c@COF，见图3）。与游离GOx和Cyt c相比，所制备的GOx-Cyt c@COF的活性提高了1.6倍。此外，GOx-Cyt c@COF还展现出优异的底物选择性。鉴于其表现出的高的催化活性和优异的选择性，GOx-Cyt c@COF被应用于葡萄糖的比色检测。实验结果表明，与现有方法相比，基于GOx-Cyt c@COF的葡萄糖比色检测方法具有低的检测限和宽的检测范围，展现出令人满意的性能。

图3. GOx-Cyt c@COF胶囊应用于葡萄糖检测

该研究工作得到了国家自然科学基金（22274021，21974021和 22036001）的资助，作者在此表示感谢！

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Construction of Covalent Organic Framework Capsule-Based Nanoreactor for Sensitive Glucose Detection

Chao Zhong, Guorong Li, Wenchang Tian, Dan Ouyang, Yin Ji, Zongwei Cai, and Zian Lin*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 10158–10165, DOI: 10.1021/acsami.2c19408

导师介绍

林子俺研究员/博导，福州大学化学学院副院长，福州大学食品安全与生物分析教育部重点实验室副主任。迄今为止，以第一作者或通讯作者身份在包括 J. Am. Chem, Soc., Adv. Mater., Mass Spectrom. Rev., Anal. Chem., ACS Appl. Mater. Interfaces, Chem. Commun., J. Hazard. Mater., ACS Sustain. Chem. Eng.等国际权威刊物上已发表SCI论文110余篇，申请中国发明专利 17 项（已获授权 13 项）。

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