江苏大学张祯&同济尹大强Anal. Chem.：基于COF胶囊的仿生级联纳米传感反应器

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研究内容

近年来，生物催化和化学催化在催化级联反应中的合作受到了广泛关注，但由于酶的脆性、载体和酶之间的相容性差以及催化效率有限，其实际应用仍受到阻碍。

江苏大学张祯、同济大学尹大强提出了一种简单的策略，以金属-有机骨架（ZIF-90）为模板，将葡萄糖氧化酶（GOx）和合成催化剂（Os纳米酶）与共价有机骨架（COF）胶囊整合而成制备了一种仿生级联纳米反应器（GOx@COFs@Os）。GOx@COFs@Os胶囊提供了一个广阔的微环境来保持GOx的构象自由度以维持其活性，其催化效率比自由级联系统提高了2.19倍，在级联反应中显示出良好的催化性能。相关工作以“Fabrication of Biomimetic Cascade Nanoreactor Based on Covalent Organic Framework Capsule for Biosensing”为题发表在国际著名期刊Analytical Chemistry上。

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研究要点

要点1.作者以金属-有机骨架（ZIF-90）为模板，将葡萄糖氧化酶（GOx）和合成催化剂（Os纳米酶）与共价有机骨架（COF）胶囊整合而成制备了一种仿生级联纳米反应器（GOx@COFs@Os）。

要点2.GOx@COFs@Os胶囊提供的微环境可保持GOx构象自由度以维持其活性，其中COF胶囊中GOx的酶活性等于游离酶的92.9%，比ZIF-90中包封的酶活性高1.88倍。COF胶囊可以保护GOx免受不相容环境（高温、酸性和有机溶剂）的影响，从而提高包装酶的稳定性。此外，将分散良好的Os纳米酶锚定在COF胶囊上，由于其良好的孔结构，可以提高底物的亲和力和扩散效率，显著提高级联催化反应的生物催化性能。

要点3.具有大孔结构的COF胶囊显著提高了对底物的亲和力，促进了有效的传质，催化效率比自由级联系统提高了2.19倍，在级联反应中显示出良好的催化性能。通过参数优化和验证，GOx@COFs@Os胶囊被成功地用于免疫测定中的葡萄糖监测、谷胱甘肽（GSH）传感和双酚S（BPS）检测。

该策略为提高生物催化级联性能提供了一条新的途径，以鼓励其在各个领域的广泛应用。

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研究图文

图1.（a）ZIF-90，GOx@ZIF-90，GOx@ZIF-90@COFs，GOx@COFs和GOx@COFs@Os胶囊的制备示意图。（b）GOx@ZIF-90，（c）GOx@ZIF-90@COFs，（d）GOx@COFs和（e）GOx@COFs@Os胶囊的TEM。（f）GOx@COFs@Os胶囊的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和相应的元素分布（C、N、O和Os）。（g）GOx@COFs@Os胶囊的HAADF和相应的EDS元素线扫描（C、N、O和Os）。

图2.（a）ZIF-90，GOx@ZIF-90，GOx@ZIF-90@COFs，COFs，GOx@COFs和GOx@COF@Os的XRD。（b）GOx，ZIF-90，GOx@ZIF-90，GOx@ZIF-90@COFs，GOx@COF和GOx@COF@Os的红外光谱。（c）GOx@COFs@Os的N2吸收-解吸等温线。（d）GOx@COFs@Os的CLSM。插图：（i）荧光图像，（ii）亮场显微镜图像以及（iii）合并图像。（e）用于量化GOx@COFs@Os内的GOx的TGA测量。（f）GOx@COFs@Os的XPS。（g）GOx@COFs@Os胶囊+TMB、葡萄糖+GOx+Os NPs+TMB和葡萄糖+GOx@COFs@Os NPs+TMB的典型吸收光谱。（h）相对荧光强度作为洗涤时间的函数。

图3.（a）游离GOx，GOx@ZIF-90和GOx@COFs活性的示意图。（b）游离GOx和在GOx@ZIF-90和GOx@COFs中的GOx的相对活性。（c）基于GOx@COFs@Os胶囊的生物催化级联系统示意图。（d）GOx@COFs@Os和葡萄糖+GOx@COFs@Os的ESR；在ESR分析中使用DMPO。（e）GOx@COFs@Os胶囊，GOx@COFs+Os和GOx+Os中葡萄糖氧化的酶反应动力学。（f）GOx@COFs@Os胶囊，GOx@COFs+Os和GOx+Os的米氏常数（Km）与Vmax的比较。（g）GOx@COFs@Os胶囊的可重复使用。

图4.（a）拟议级联系统的葡萄糖监测的示意图。（b）不同浓度葡萄糖（0-200 μM）检测系统的典型吸收光谱。插图：对应的色度图像。（c）吸光度比（A/A0）与葡萄糖浓度的关系范围为0至200 μM。插图：0-100 μM葡萄糖线性区域的拟合校准曲线。（d）通过所提出的方法和商用血糖仪检测人体血清样品中的葡萄糖浓度。插图：血清样本1-4由健康人提供，血清样本5-8由糖尿病患者提供。（e）基于级联系统的谷胱甘肽传感原理图。（f）吸收强度随GSH浓度（0-150 μM）的增加而降低。插图：对应的色度图像。（g）吸光度比（A/A0）与GSH浓度的关系范围为0至150 μM。插图：0-100 μM GSH线性区域的拟合校准曲线。（h）提出的GSH检测方法的特异性。（i）基于级联系统的免疫测定中BPS检测的示意图。（j）不同浓度BPS（0-1.6 ng/mL）检测系统的吸收光谱。插图：对应的色度图像。（k）吸光度比（A/A0）与BPS浓度（0-1.6 ng/mL）的关系。插图：在0-1.6 ng/mL BPS范围内的拟合校准曲线。（l）从所提出的ELISA和传统ELISA获得的检测浓度的比较。

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文献详情

Fabrication of Biomimetic Cascade Nanoreactor Based on Covalent Organic Framework Capsule for Biosensing

Dali Wei, Mingwei Li, Fengxiang Ai, Kun Wang, Nuanfei Zhu, Ying Wang, Daqiang Yin,* Zhen Zhang*