酶是具有高特异性和高催化效率的天然催化剂，然而天然酶自身的脆弱性使其暴露在外部环境中时极易失活。天然酶可以通过固定在合适载体上克服稳定性较差等问题。在众多固定化酶载体中，具有类似细胞膜结构的仿生胶囊是一种良好的固定化酶载体。其中，基于共价有机框架（COFs）材料的中空胶囊结构具有优越的物理、化学和机械稳定性，成为酶封装的理想载体。然而，目前基于表面吸附、孔径扩散方式等制备的COFs胶囊封装酶存在酶固载量低、酶易泄漏和传质阻力大等问题，极大限制了基于COFs胶囊封装酶的进一步应用。
近日，北京化工大学化学学院杨屹、宋佳一等在ACS Appl. Mater. Interfaces 杂志发表研究论文，利用无模板法在室温下将天然酶原位封装在COF-LZU1胶囊中，详细探究了COF-LZU1胶囊原位封装酶机理，制备的酶@COF-LZU1胶囊复合材料具有较高的活性、稳定性和重复使用性，并用于人体血糖的电化学检测，具有低检出限和宽检测范围等优点（图1）。
图1. 酶@COF-LZU1胶囊的制备流程图和形成机理。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
作者团队研究了酶@COF-LZU1在不同时间间隔（20、40、60和72小时）的形貌变化。起初，二维COF-LZU1层之间的π-π堆积形成了规则的孔隙，COF-LZU1晶体和酶分子通过共沉淀自组装成致密球形酶@COF-LZU1。随后，通过inside-out Ostwald ripening形成空心酶@COF-LZU1。在此过程中，COF-LZU1的内部晶体从中心迁移并在空心球体的外壁上自组装，使得系统的表面能最小化。通过系统性设计工作，使得酶@COF-LZU1的孔径小于酶分子尺寸，进而将酶分子保留在空心胶囊内（图2）。
图2. COF-LZU1胶囊封装酶的验证。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
通过酶促活性分析研究发现，在最佳反应条件下制备的胶囊封装酶比游离酶活性提升约30%，表明发展的COF胶囊原位封装酶具有较好的酶促活性保持能力。通过对酶促活性保留机理进行分析，发现酶促活性的提升主要来自以下三个方面：（1）胶囊的介孔结构降低了底物传质阻力；（2）胶囊对底物具有较高的亲和力；（3）胶囊的空腔结构确保了酶在催化过程中的构象转换自由。
作者团队考察了在严苛环境中胶囊结构保护酶的能力，发现制备的酶@COF-LZU1胶囊复合材料具有较好的热稳定性与有机溶剂稳定性。并以热稳定性为例，通过ATR-FTIR和荧光光谱证明了COF-LZU1胶囊可以有效地保护酶的二级结构和三级结构，使酶的活性不受损失（图3）。
图3. 酶@COF-LZU1的稳定性与重复使用性。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
鉴于酶@COF-LZU1的优良特性，作者基于制备的封装酶反应器发展了新型电化学传感器，利用直接4电子氧化还原反应机理检测人体血清中葡萄糖，所制备的传感器具有较低的检出限与较宽的检测范围（图4）。
图4. 酶@COF-LZU1制成的电化学传感器。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
综上，该研究采用无模板策略，在室温将天然酶原位封装在中空COF-LZU1胶囊中，利用简单而经济的技术制备了高性能的酶@COF-LZU1酶分析平台。COF-LZU1胶囊可以保持内部酶分子构象的自由度，同时还能对外部干扰提供强有力的保护。该研究在生物技术、疾病诊断和工业制造等应用中具有广阔的前景。
北京化工大学化学学院杨屹教授和宋佳一为该论文共同通讯作者，硕士研究生晁昊为该论文第一作者。该研究得到国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助。
Template-Free In Situ Encapsulation of Enzymes in Hollow Covalent Organic Framework Capsules for the Electrochemical Analysis of Biomarkers
Hao Chao, Zixin Zhou, Wenting He, Meng Li, Xiaoyu Yuan, Ping Su, Jiayi Song*, and Yi Yang*
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 20641–20651, DOI: 10.1021/acsami.2c01357
杨屹，北京化工大学化学学院教授，博士生导师，国家级教学名师、中组部“万人计划”教学名师，环境有害化学物质分析北京市重点实验室副主任，教育部化学类专业教学指导委员会委员。主要致力于基于样品前处理和色谱分离技术的新型分析方法和技术在生命与环境分析中的应用研究以及新型高灵敏、高特异性的生物化学传感器的构建和应用。近年来主持和参加国家自然科学基金、北京市自然科学基金、“十一五”科技支撑项目、国家重点研发计划等项目15项。获国家教委科技进步二等奖1项和中国分析测试协会科学技术二等奖1项等。系列研究在Anal. Chem.，ACS Appl. Mater. Interfaces，Chem. Commun.，Chem. Eng. J.，Anal. Chim. Acta，Talanta，J. Chromatogr. A等学术刊物发表论文190余篇。
宋佳一，博士，硕士生导师。2019年博士毕业并在北京化工大学化学学院工作。目前主要研究方向为基于天然酶和纳米酶的酶分析研究及基于样品前处理的色谱分离分析研究工作。近年来主持和参加了国家自然科学基金、北京市自然科学基金和中国博士后科学基金等资助研究项目。目前以第一作者或通讯作者在Anal. Chem.，ACS Appl. Mater. Interfaces，Chem. Commun.，Chem. Eng. J.，Talanta，J. Chromatogr. A，Appl. Surf. Sci.等研究领域期刊上发表SCI论文20余篇。
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