在氟化玻璃碳电极上，通过油溶性二茂铁介导的水溶性NAD+的电化学再生过程，该过程发生在双连续微乳液中

《ACS Electrochemistry》：Electrochemical Regeneration of Water-Soluble NAD+ Mediated by Oil-Soluble Ferrocene at Fluorinated Glassy Carbon Electrode in Bicontinuous Microemulsion

间接电化学再生NAD+：开发双连续微乳体系（BME）中氟化玻璃碳电极（F-GC）与油溶性铁蹭（Fc）联用系统，通过调控电极表面亲水性形成油层，选择性氧化Fc实现NADH间接电化学氧化，耦合 horse liver alcohol dehydrogenase 酶催化反应，验证12小时电解还原产率达30%。

　　在生物电化学合成领域，核黄素辅酶（NAD?）的间接电化学再生技术具有重要的研究价值和应用前景。本研究开发了一种新型的电化学系统，用于NAD?的再生。该系统以一种非离子型表面活性剂C??E?稳定化的n-十六烷基双连续微乳液（BME）作为反应介质，以油溶性的二茂铁（Fc）作为电子媒介体，并采用表面疏水化的玻璃碳电极（F-GC）作为工作电极。通过调控电极的表面特性，实现了对NADH的高效间接电氧化再生，并进一步评估了该系统的应用潜力。研究结果表明，该系统不仅在理论上有可行性，而且在实际应用中展现出良好的前景。

### 微乳液的特性与作用

微乳液是一种热力学稳定的胶体分散体系，由水、油和表面活性剂组成，宏观上均一，微观上则呈现异质结构。根据其微观结构，微乳液可分为水包油型（W/O）、油包水型（O/W）以及双连续微乳液（BME）。BME因其独特的双连续结构，即油相和水相在微观尺度上相互交织，因此在电化学研究中备受关注。这种结构使得BME能够同时溶解疏水性物质和亲水性物质，从而为疏水性底物的电酶转化提供了便利。此外，BME的离子导电性主要由水相中的水溶性电解质维持，因此无需额外添加油溶性电解质即可进行电化学研究。

### 电极的制备与表面特性

玻璃碳（GC）是一种常用的电极材料，具有良好的导电性和化学稳定性。然而，其表面兼具亲水性和疏水性，限制了其在某些电化学反应中的选择性。为解决这一问题，研究采用CF?等离子体刻蚀技术对GC表面进行氟化处理，使其转化为疏水性电极（F-GC）。通过调控刻蚀时间和功率，可以获得具有不同疏水程度的F-GC电极。实验结果显示，随着刻蚀时间的增加，F-GC表面的疏水性显著增强，水接触角从87°逐渐增加至110°，表明疏水性随着氟化程度的提高而增强。此外，当刻蚀功率增加时，疏水性也会有所提升，但提升幅度趋于平缓，这可能是因为高功率等离子体处理导致表面氟化达到饱和状态。

为了进一步验证F-GC电极的疏水特性，研究通过循环伏安法（CV）分析了其对不同疏水性物质的电化学响应。结果显示，在F-GC电极上，仅出现油溶性物质Fc的氧化还原峰，而未观察到亲水性物质如K?Fe(CN)?的响应。这表明F-GC电极在BME中能够有效屏蔽亲水性物质，使其无法直接接触电极表面，从而实现对疏水性电子媒介体的高选择性氧化还原反应。这一特性为NADH的间接电氧化提供了理想的电极平台。

### 电化学行为与反应机制

在BME体系中，Fc作为电子媒介体参与NADH的间接氧化过程。当Fc在油相中被氧化为Fc?后，它能够与水相中的NADH发生化学反应，从而实现NADH的间接氧化，生成NAD?。研究通过CV实验验证了这一机制，发现当系统中同时存在Fc和NADH时，电极上的氧化还原峰显著增强，表明Fc对NADH的氧化具有催化作用。此外，研究还发现，在BME中，Fc的氧化还原过程受到扩散控制，其峰电流与扫描速率的平方根呈线性关系，这表明反应体系中物质的传输效率较高，有利于电化学合成的进行。

为了进一步确认Fc在NADH间接氧化中的作用，研究对比了不同电极对NADH的直接氧化情况。结果显示，在BME中，F-GC电极几乎完全抑制了NADH的直接氧化反应，而当系统中存在Fc时，NADH能够通过Fc的媒介作用实现间接氧化。这表明，F-GC电极的疏水性在BME体系中起到了关键作用，它能够选择性地促进油溶性电子媒介体的反应，同时避免亲水性物质直接接触电极表面，从而提高反应的选择性和效率。

### 二氢尼克酸脱氢酶（DH）的作用

在NADH的间接氧化过程中，二氢尼克酸脱氢酶（DH）起到了重要的催化作用。研究通过CV实验分析了不同浓度DH对NADH氧化反应的影响。结果显示，在低浓度DH（0.26–3.37 U mL?1）范围内，催化电流随DH浓度的增加而显著上升，但在高浓度DH（≥3.37 U mL?1）时，催化电流趋于稳定，表明DH在反应中具有一定的饱和效应。这一现象表明，DH是NADH间接氧化反应中的关键催化剂，其作用主要体现在加速反应速率上，而不是增加反应的可逆性。

此外，研究还发现，DH的催化作用可能局限于Fc与NADH之间的化学反应，即方程式（3）所示的反应过程。这表明，DH在反应中主要起到促进电子传递的作用，而非直接参与氧化还原反应。因此，提高DH的浓度可以增强反应效率，但当DH浓度达到一定水平后，反应速率不再显著增加，说明该反应的速率限制步骤可能发生在Fc与NADH之间的化学反应。

### 应用潜力评估

为了验证该NAD?电化学再生系统的实际应用价值，研究将其与马肝醇脱氢酶（HLADH）催化的4-苯基-2-丁醇氧化反应耦合。在BME体系中，HLADH能够选择性催化S-构型的4-苯基-2-丁醇转化为4-苯基-2-丁酮。实验结果表明，在0.45 V恒电位电解12小时后，产物4-苯基-2-丁酮的产率达到30%。这一结果不仅证明了该系统在实际应用中的可行性，还表明其在生物电合成中的巨大潜力。

该系统的一个显著优势在于其能够同时处理疏水性和亲水性物质，这在传统的水相或有机相体系中是难以实现的。此外，由于BME体系中无需额外添加油溶性电解质，因此在实际操作中更加简便。同时，F-GC电极的疏水性使得其能够自发形成厚度可控的有机层，从而为大规模的酶催化反应提供了理想的界面环境。

### 结论与展望

综上所述，本研究成功开发了一种基于疏水性电极、油溶性电子媒介体和双连续微乳液的“三位一体”电化学再生系统，用于NAD?的间接再生。该系统不仅在理论上有可行性，而且在实际应用中表现出良好的效果。通过调控电极的表面特性，可以有效提高反应的选择性和效率，同时避免亲水性物质对电极的干扰。此外，该系统在生物电合成中的应用潜力得到了验证，特别是在处理疏水性底物方面具有显著优势。

未来的研究可以进一步优化该系统的参数，如电极的疏水程度、Fc的浓度以及DH的活性，以提高NAD?再生的效率和反应的产率。同时，探索该系统在其他生物催化反应中的应用，如不同底物的氧化还原反应，将有助于拓展其在生物电化学合成领域的应用范围。此外，研究还可以进一步分析该系统在不同反应条件下的稳定性，以确保其在工业应用中的可靠性。总的来说，这一研究为开发高效、环保的NAD?再生技术提供了新的思路和方法，具有重要的科学价值和应用前景。