江西师范大学：一种制备强韧酶@共价有机框架微胶囊的策略：生物传感新平台

近期，江西师范大学汪莉团队在科爱创办的期刊Bioactive Materials上针对酶传感器中酶易失活的问题，提出了基于疏水COFs微胶囊（enzyme@MCCOFs）的温和封装策略。通过Pickering乳液界面组装和COFs再生长，在保持酶活性的同时实现85.9%的高封装效率。该策略普适性强，适用于不同疏水COFs，且无需特定官能团修饰。研究还建立了微胶囊尺寸预测公式，可实现精准调控。

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研究内容简介

酶生物传感器因高特异性与灵敏度备受青睐，但酶易失活、难回收等问题限制了其应用。本研究提出一种基于Pickering乳液的油水界面组装策略，利用疏水COFs微胶囊（enzyme@MCCOFs）温和封装酶，封装效率达85.9%。COFs外壳机械强度高、孔径可调，既能保护酶活性，又促进底物传输。通过公式精准调控微胶囊尺寸，并构建了双模式葡萄糖传感平台。该方法仅需COFs轻度疏水，无需特定官能团，为酶固定化提供了普适性新方案（如示意图1所示）。

示意图1. GOx@MCCOF-1合成过程示意图.

该工作通过Pickering乳液界面组装和COFs原位再生长策略，成功构建了葡萄糖氧化酶（GOx）封装的高稳定性微胶囊GOx@MCCOF-1。以疏水性COF-1球体（300 nm，水接触角97°）为乳化剂，在油水界面形成稳定乳液后，通过胺醛缩合反应进行界面再生长（Sc(OTf)3催化），使微胶囊壳层增厚并填补颗粒间隙（图1b-c），最终获得直径40 μm、BET比表面积达245.94 m²/g的结晶性微胶囊（PXRD显示特征峰5.4°-25.2°，图1h）。该结构不仅保持COF-1的18.4 Å规则孔径（图1i），且经6次循环后仍保持完整。荧光显微镜证实FITC-GOx均匀分布（图1f-g），FT-IR检测到1680 cm⁻¹酰胺键特征峰，实现了85.9%的酶封装效率。这种温和的界面组装-再生长策略为酶固定化提供了兼具机械稳定性与传质效率的普适性方法。

图1: COF-1 (a) 和 GOx@MCCOF-1(b) 的 SEM 图像，以及 GOx@MCCOF-1(c) 的高倍 SEM 图像。FITC-GOx@MCCOF-1(d) 的荧光显微镜图像。模拟COF-1的三维AA堆叠构象(e)，π-π层间堆叠距离(f)。COF-1、MCCOF-1、GOx@MCCOF-1和模拟 AA 堆叠 (g) 的 PXRD 模式。COF-1、MCCOF-1和 GOx@MCCOF-1的 FT-IR 光谱 (h)。COF-1浓度和水油比对GOx@MCCOF-1粒径的影响(i)。

研究验证了疏水性（接触角>90°）对构建酶@COFs微胶囊的关键作用：COF-2（100°）、COF-3（104°）成功形成稳定微胶囊，而亲水性COF-4（64°）因乳化能力不足导致结构缺陷，证实适度疏水是界面组装策略的核心条件（图2）。

图2: COF-2 (a)、COF-3 (b) 和 COF-4 (c)的结构图。COF-2 (d)、COF-3 (e)、COF-4 (f)、GOx@MCCOF-2(g)、GOx@MCCOF-3 (h)和 GOx@MCCOF-4(i) 的 SEM 图像。GOx@MCCOF-2(j)、GOx@MCCOF-3(k) 和 GOx@MCCOF-4 (l) 的光学显微镜图像。

研究发现，通过调节水油比（1.25%~5%）和COF-1浓度（0.025~0.1 wt%），可精准控制GOx@MCCOF-1微胶囊尺寸（14.22~70.67 μm），水相比例增加或COF-1浓度降低均会导致微胶囊尺寸增大，这为调控酶载体性能提供了有效手段（图3）。

图3: COF-1纳米颗粒(196、306、458、590 nm)的SEM图像和不同合成条件下的相应尺寸分布直方图a-h)。由COF-1构建的GOx@MCCOF-1(21.47、38.51、57.09、70.05 μm)的光学显微镜图像和相应的尺寸分布直方图，粒径为196 nm (i，m)，306 nm (j，n)，458 nm (k，o)和590 nm (l，p)。

该研究开发的GOx@MCCOF-1微胶囊展现出卓越的催化性能（图4）。（1）封装效率达85.9%，酶活性保持完整；（2）其规则孔道（1.61 nm）有效防止酶泄漏，同时促进底物富集；（3）在60℃、pH4、DMSO和胰蛋白酶等恶劣条件下仍保持81%以上活性；（4）与游离酶相比，(Cyt C+GOx)@MCCOF-1的Km降低40%（0.495 mM），催化效率提升2.75倍，这归因于微胶囊内高浓度微环境缩短了酶与底物间距。

图4: GOx-Cyt C级联催化系统示意图 (a)。GOx@MCCOF-1、GOx-COF-1和Situ-GOx@COF-1的GOx封装效率(b)。不同方法制备的游离GOx和固定化GOx氧化葡萄糖的催化曲线(c)。在60°C、PBS（pH=4）、DMS、胰蛋白酶(d)中处理后游离GOx、GOx@MCCOF-1、GOx-COF-1和Situ-GOx@COF-1的相对活性。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通过 Lineweaverer-Burk 图(f)计算。

该研究通过构建GOx@MCPt-COF-1微胶囊酶系统，开发了一种双模式葡萄糖生物传感器（比色/电化学）。Pt修饰的COF-1载体不仅赋予体系过氧化物酶特性（催化TMB显色，检测限0.45 μM），还显著提升电子传递效率（电化学检测限18.71 μM）。酶在微胶囊中的自由构象和COF孔道尺寸筛选共同保障了高选择性，而微胶囊结构增强了酶稳定性（50天后活性保留>92%）。该传感器在极端条件和实际样品（如橙汁）中表现优异，综合性能优于传统酶电极（图5a-g）。

图5: GOx@MCPt-COF-1的构造和传感机制的示意图(a)。TMB+GOx@MCPt-COF-1和 TMB+GOx@MCPt-COF-1+ 葡萄糖的紫外可见吸光度光谱(b)。不同葡萄糖浓度（10-250 μM）的GOx@MCPt-COF-1+TMB级联催化体系的紫外-可见吸收光谱(c)。吸光度与葡萄糖浓度的线性图，插图是相应的比色图像(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 溶液中进行CV测试 。(e)以GOx@MCPt-COF-1/GCE为工作电极， 在 O2饱和 PBS 中连续添加葡萄糖后进行DPV测试以及(f)峰值电流密度与葡萄糖浓度间的线性关系曲线(g)。

综上所述，该研究提出了一种简单高效的酶@MCCOFs微胶囊制备策略：通过水油界面组装COFs球形成Pickering乳液，温和环境实现高效酶封装（封装效率优异），COFs再生长增强微胶囊机械强度以抵御恶劣条件。该策略仅需COFs适度疏水性，无需特定官能团，理论上可普适性封装各类酶。通过建立尺寸预测公式精准调控微胶囊大小，并支持COFs预修饰或后修饰以满足应用需求。以GOx@MCPt-COF-1级联催化系统为例构建的双模式葡萄糖生物传感器，展现出优异性能和稳定性。该平台在医学诊断、环境监测等领域具有应用潜力，未来将优化亲水性并探索体内检测及规模化应用。

来源：ACs期刊资讯