近期，江西師范大學汪莉團隊在科愛創(chuàng)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(xiàn)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(yù)測公式，可實現(xiàn)精準調(diào)控。

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研究內(nèi)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(yīng)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(diào)，既能保護酶活性，又促進底物傳輸。通過公式精準調(diào)控微膠囊尺寸，并構(gòu)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(gòu)建了葡萄糖氧化酶（GOx）封裝的高穩(wěn)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(wěn)定乳液后，通過胺醛縮合反應(yīng)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(jié)晶性微膠囊（PXRD顯示特征峰5.4°-25.2°，圖1h）。該結(jié)構(gòu)不僅保持COF-1的18.4 ?規(guī)則孔徑（圖1i），且經(jīng)6次循環(huán)后仍保持完整。熒光顯微鏡證實FITC-GOx均勻分布（圖1f-g），F(xiàn)T-IR檢測到1680 cm?1酰胺鍵特征峰，實現(xiàn)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(wěn)定性與傳質(zhì)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(gòu)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(gòu)建酶@COFs微膠囊的關(guān)鍵作用：COF-2（100°）、COF-3（104°）成功形成穩(wěn)定微膠囊，而親水性COF-4（64°）因乳化能力不足導致結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)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(diào)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(yīng)尺寸分布直方圖a-h)。由COF-1構(gòu)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(yīng)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(fā)的GOx@MCCOF-1微膠囊展現(xiàn)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(guī)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(nèi)高濃度微環(huán)境縮短了酶與底物間距。

圖4: GOx-Cyt C級聯(lián)催化系統(tǒng)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(gòu)建GOx@MCPt-COF-1微膠囊酶系統(tǒng)，開發(fā)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(gòu)象和COF孔道尺寸篩選共同保障了高選擇性，而微膠囊結(jié)構(gòu)增強了酶穩(wěn)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(xiàn)優(yōu)異，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)酶電極（圖5a-g）。

圖5: GOx@MCPt-COF-1的構(gòu)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(lián)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(yīng)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(xù)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(guān)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(huán)境實現(xiàn)高效酶封裝（封裝效率優(yōu)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(yù)測公式精準調(diào)控微膠囊大小，并支持COFs預(yù)修飾或后修飾以滿足應(yīng)用需求。以GOx@MCPt-COF-1級聯(lián)催化系統(tǒng)為例構(gòu)建的雙模式葡萄糖生物傳感器，展現(xiàn)出優(yōu)異性能和穩(wěn)定性。該平臺在醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，未來將優(yōu)化親水性并探索體內(nèi)檢測及規(guī)模化應(yīng)用。

來源：ACs期刊資訊