单酶分子沸石咪唑骨架-8纳米颗粒的催化变异性研究

《Advanced Materials Interfaces》：Observation of Catalytic Variability of Single Enzyme Zeolitic Imidazole Framework-8 Nanoparticles

酶封装MOF材料催化活性单颗粒分析|微腔荧光法|ZIF-8|HRP|BSA|催化多样性|表面吸附|封装机制|纳米颗粒稳定性|酶@MOF体系优化

　　金属-有机框架（MOFs）作为一种新型的先进材料，在酶封装领域展现出巨大的潜力。这类材料具有保护性、稳定性和生物相容性等特性，使其成为酶封装的理想载体。其中，沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）由于其独特的结构和性能，成为酶封装中最常被研究的MOF之一。ZIF-8不仅表现出良好的热稳定性和化学稳定性，还具有高孔隙率和可调控的合成条件，这些特性使其在生物医学和工业催化领域具有广泛的应用前景。通过将酶封装在ZIF-8中，科学家们能够开发出具有特定功能的酶@ZIF-8纳米颗粒（NPs），并优化其催化性能。

然而，目前对酶@ZIF-8 NPs的催化性能研究主要依赖于传统的整体测量方法，这种方法只能提供平均值，无法分辨个体纳米颗粒之间的催化活性差异。这限制了对催化机制的深入理解，并影响了进一步优化和设计新型酶@ZIF-8 NPs的能力。因此，研究者开始探索单颗粒分析技术，以更精确地了解催化活性的分布和机制。本文采用了一种基于微井的荧光方法，用于研究单个酶@ZIF-8 NPs的催化活性。通过将过氧化氢酶（HRP）封装在ZIF-8中，并利用牛血清白蛋白（BSA）作为载体，合成了具有催化活性的HRP+BSA@cZIF-8 NPs。该方法不仅能够提供单个纳米颗粒的催化活性数据，还能够揭示其内部的亚群分布，从而为后续的优化设计提供重要依据。

研究结果表明，HRP+BSA@cZIF-8 NPs的催化活性呈现出明显的双峰分布，其中一部分来源于表面吸附的HRP，另一部分则来源于被封装在ZIF-8结构内的HRP。通过微井技术，研究者能够将单个纳米颗粒隔离在微井中，从而实现对催化活性的精确测量。这种方法不仅提高了研究的分辨率，还使得对催化机制的理解更加深入。通过动态光散射（DLS）和纳米颗粒追踪分析（NTA）等技术，研究者发现HRP+BSA@cZIF-8 NPs具有良好的分散性和稳定性，其粒径约为126纳米，且聚散度指数（PDI）小于0.2。这表明纳米颗粒在合成后保持了良好的结构完整性，并且在室温下能够稳定存在30天，进一步验证了其在实际应用中的可行性。

通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的观察，研究者发现HRP+BSA@cZIF-8 NPs呈现出粗糙的球形结构，与之前报道的其他酶@ZIF-8 NPs相似。此外，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究者确认了纳米颗粒中存在蛋白质，这进一步支持了HRP和BSA的封装。X射线粉末衍射（pXRD）的结果也表明，HRP+BSA@cZIF-8 NPs具有预期的沸石结构，这为后续的催化活性研究提供了坚实的基础。

为了进一步验证催化活性的来源，研究者进行了表面吸附的HRP去除实验。通过使用1%的SDS溶液对纳米颗粒进行清洗，发现催化活性显著下降，表明部分HRP确实被表面吸附。而清洗后的纳米颗粒仍保留一定的催化活性，这表明部分HRP被封装在ZIF-8内部。通过对比不同浓度的HRP溶液，研究者发现HRP+BSA@cZIF-8 NPs的催化活性比单独的HRP更高，这可能与多分子封装或增强的催化效率有关。此外，通过微井荧光分析，研究者发现HRP+BSA@cZIF-8 NPs的催化活性呈现出明显的双峰分布，其中一部分与表面吸附的HRP相关，另一部分则与被封装在ZIF-8中的HRP有关。这种催化活性的差异可能是由于不同的封装方式、纳米颗粒大小或HRP的活性状态所导致。

在实验过程中，研究者优化了合成条件，包括不同的前驱体比例（HmIm:Zn为70:1）和HRP浓度（2 mg/mL），以确保纳米颗粒的稳定性和催化活性。通过DLS和NTA分析，研究者确认了纳米颗粒的粒径分布和分散性，从而为微井实验提供了可靠的样品。此外，通过X射线衍射和FTIR分析，研究者验证了纳米颗粒的结构和蛋白质的存在，进一步支持了其封装机制。

研究者还发现，微井技术能够有效区分不同催化活性的纳米颗粒，并且通过统计分析，确认了催化活性的分布符合泊松分布。这表明在实验条件下，大多数微井中仅包含一个纳米颗粒，从而保证了测量的准确性。通过对比不同稀释倍数下的荧光信号，研究者发现HRP+BSA@cZIF-8 NPs的催化活性在稀释倍数增加时逐渐减少，但仍然保持了一定的活性。这种结果进一步验证了纳米颗粒的催化活性与表面吸附和封装的HRP有关。

在结论部分，研究者指出，单颗粒分析技术对于理解酶@MOF NPs的催化机制至关重要。通过这种技术，可以揭示不同亚群之间的催化活性差异，并为优化纳米颗粒的性能提供指导。未来的研究需要进一步探索这些亚群的形成机制，包括不同的合成路径和封装方式。此外，研究者还提到，尽管BSA能够有效促进纳米颗粒的形成，但如何控制其封装过程以实现更均匀的催化活性仍然是一个挑战。通过冷冻透射电子显微镜（cryoTEM）和透射电子显微镜（TEM）的高分辨率成像，可以更深入地研究纳米颗粒内部的结构和活性分布。

最后，研究者还提到，本研究的局限性在于无法直接探测催化活性较低的纳米颗粒。尽管如此，通过微井技术，研究者仍然能够识别催化活性较高的纳米颗粒，并分析其可能的来源。此外，研究者还强调了在酶@MOF NPs的实际应用中，如生物传感和药物输送，单颗粒分析的重要性。通过精确控制纳米颗粒的催化活性，可以提高其在这些领域的性能和稳定性。未来的研究将进一步优化合成条件，探索如何通过调控蛋白质负载和纳米颗粒结构，实现更均匀的催化活性，从而提升其在实际应用中的价值。