近期，江西師范大學汪莉團隊在科愛創辦的期刊Bioactive Materials上針對酶傳感器中酶易失活的問題，提出了基于疏水COFs微膠囊（enzyme@MCCOFs）的溫和封裝策略。通過Pickering乳液界面組裝和COFs再生長，在保持酶活性的同時實現85.9%的高封裝效率。該策略普適性強，適用于不同疏水COFs，且無需特定官能團修飾。研究還建立了微膠囊尺寸預測公式，可實現精準調控。

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研究內容簡介

酶生物傳感器因高特異性與靈敏度備受青睞，但酶易失活、難回收等問題限制了其應用。本研究提出一種基于Pickering乳液的油水界面組裝策略，利用疏水COFs微膠囊（enzyme@MCCOFs）溫和封裝酶，封裝效率達85.9%。COFs外殼機械強度高、孔徑可調，既能保護酶活性，又促進底物傳輸。通過公式精準調控微膠囊尺寸，并構建了雙模式葡萄糖傳感平臺。該方法僅需COFs輕度疏水，無需特定官能團，為酶固定化提供了普適性新方案（如示意圖1所示）。

示意圖1. GOx@MCCOF-1合成過程示意圖.

該工作通過Pickering乳液界面組裝和COFs原位再生長策略，成功構建了葡萄糖氧化酶（GOx）封裝的高穩定性微膠囊GOx@MCCOF-1。以疏水性COF-1球體（300 nm，水接觸角97°）為乳化劑，在油水界面形成穩定乳液后，通過胺醛縮合反應進行界面再生長（Sc(OTf)3催化），使微膠囊殼層增厚并填補顆粒間隙（圖1b-c），最終獲得直徑40 μm、BET比表面積達245.94 m2/g的結晶性微膠囊（PXRD顯示特征峰5.4°-25.2°，圖1h）。該結構不僅保持COF-1的18.4 ?規則孔徑（圖1i），且經6次循環后仍保持完整。熒光顯微鏡證實FITC-GOx均勻分布（圖1f-g），FT-IR檢測到1680 cm?1酰胺鍵特征峰，實現了85.9%的酶封裝效率。這種溫和的界面組裝-再生長策略為酶固定化提供了兼具機械穩定性與傳質效率的普適性方法。

圖1: COF-1 (a) 和 GOx@MCCOF-1(b) 的 SEM 圖像，以及 GOx@MCCOF-1(c) 的高倍 SEM 圖像。FITC-GOx@MCCOF-1(d) 的熒光顯微鏡圖像。模擬COF-1的三維AA堆疊構象(e)，π-π層間堆疊距離(f)。COF-1、MCCOF-1、GOx@MCCOF-1和模擬 AA 堆疊 (g) 的 PXRD 模式。COF-1、MCCOF-1和 GOx@MCCOF-1的 FT-IR 光譜 (h)。COF-1濃度和水油比對GOx@MCCOF-1粒徑的影響(i)。

研究驗證了疏水性（接觸角>90°）對構建酶@COFs微膠囊的關鍵作用：COF-2（100°）、COF-3（104°）成功形成穩定微膠囊，而親水性COF-4（64°）因乳化能力不足導致結構缺陷，證實適度疏水是界面組裝策略的核心條件（圖2）。

圖2: COF-2 (a)、COF-3 (b) 和 COF-4 (c)的結構圖。COF-2 (d)、COF-3 (e)、COF-4 (f)、GOx@MCCOF-2(g)、GOx@MCCOF-3 (h)和 GOx@MCCOF-4(i) 的 SEM 圖像。GOx@MCCOF-2(j)、GOx@MCCOF-3(k) 和 GOx@MCCOF-4 (l) 的光學顯微鏡圖像。

研究發現，通過調節水油比（1.25%~5%）和COF-1濃度（0.025~0.1 wt%），可精準控制GOx@MCCOF-1微膠囊尺寸（14.22~70.67 μm），水相比例增加或COF-1濃度降低均會導致微膠囊尺寸增大，這為調控酶載體性能提供了有效手段（圖3）。

圖3: COF-1納米顆粒(196、306、458、590 nm)的SEM圖像和不同合成條件下的相應尺寸分布直方圖a-h)。由COF-1構建的GOx@MCCOF-1(21.47、38.51、57.09、70.05 μm)的光學顯微鏡圖像和相應的尺寸分布直方圖，粒徑為196 nm (i，m)，306 nm (j，n)，458 nm (k，o)和590 nm (l，p)。

該研究開發的GOx@MCCOF-1微膠囊展現出卓越的催化性能（圖4）。（1）封裝效率達85.9%，酶活性保持完整；（2）其規則孔道（1.61 nm）有效防止酶泄漏，同時促進底物富集；（3）在60℃、pH4、DMSO和胰蛋白酶等惡劣條件下仍保持81%以上活性；（4）與游離酶相比，(Cyt C+GOx)@MCCOF-1的Km降低40%（0.495 mM），催化效率提升2.75倍，這歸因于微膠囊內高濃度微環境縮短了酶與底物間距。

圖4: GOx-Cyt C級聯催化系統示意圖 (a)。GOx@MCCOF-1、GOx-COF-1和Situ-GOx@COF-1的GOx封裝效率(b)。不同方法制備的游離GOx和固定化GOx氧化葡萄糖的催化曲線(c)。在60°C、PBS（pH=4）、DMS、胰蛋白酶(d)中處理后游離GOx、GOx@MCCOF-1、GOx-COF-1和Situ-GOx@COF-1的相對活性。GOx@MCCOF-1、GOx-COF-1 和 Situ-GOx@COF-1(e) 的可回收性。Cyt C+GOx、Cyt C+GOx@MCCOF-1和（Cyt C+GOx）@MCCOF-1的 Km和 Vmax通過 Lineweaverer-Burk 圖(f)計算。

該研究通過構建GOx@MCPt-COF-1微膠囊酶系統，開發了一種雙模式葡萄糖生物傳感器（比色/電化學）。Pt修飾的COF-1載體不僅賦予體系過氧化物酶特性（催化TMB顯色，檢測限0.45 μM），還顯著提升電子傳遞效率（電化學檢測限18.71 μM）。酶在微膠囊中的自由構象和COF孔道尺寸篩選共同保障了高選擇性，而微膠囊結構增強了酶穩定性（50天后活性保留>92%）。該傳感器在極端條件和實際樣品（如橙汁）中表現優異，綜合性能優于傳統酶電極（圖5a-g）。

圖5: GOx@MCPt-COF-1的構造和傳感機制的示意圖(a)。TMB+GOx@MCPt-COF-1和 TMB+GOx@MCPt-COF-1+ 葡萄糖的紫外可見吸光度光譜(b)。不同葡萄糖濃度（10-250 μM）的GOx@MCPt-COF-1+TMB級聯催化體系的紫外-可見吸收光譜(c)。吸光度與葡萄糖濃度的線性圖，插圖是相應的比色圖像(d)。GCE、GOx@MCCOF-1/GCE 和 GOx@MCPt-COF-1/GCE 在含有 5.0 mM [Fe(CN)6]3-/4-的0.1 M KCl 溶液中進行CV測試 。(e)以GOx@MCPt-COF-1/GCE為工作電極， 在 O2飽和 PBS 中連續添加葡萄糖后進行DPV測試以及(f)峰值電流密度與葡萄糖濃度間的線性關系曲線(g)。

綜上所述，該研究提出了一種簡單高效的酶@MCCOFs微膠囊制備策略：通過水油界面組裝COFs球形成Pickering乳液，溫和環境實現高效酶封裝（封裝效率優異），COFs再生長增強微膠囊機械強度以抵御惡劣條件。該策略僅需COFs適度疏水性，無需特定官能團，理論上可普適性封裝各類酶。通過建立尺寸預測公式精準調控微膠囊大小，并支持COFs預修飾或后修飾以滿足應用需求。以GOx@MCPt-COF-1級聯催化系統為例構建的雙模式葡萄糖生物傳感器，展現出優異性能和穩定性。該平臺在醫學診斷、環境監測等領域具有應用潛力，未來將優化親水性并探索體內檢測及規模化應用。

來源：ACs期刊資訊