基于级联纳米酶的Fe?O?-GOx@ZIF-8/Ag Janus纳米马达，具有pH响应性，可用于光芬顿法降解盐酸四环素

《Journal of Colloid and Interface Science》：Cascaded nanozyme-based Fe 3O 4-GOx@ZIF-8/Ag Janus nanomotors with pH-responsive for photo-Fenton degradation of tetracycline hydrochloride

Fe3O4-GOx@ZIF-8/Ag Janus纳米马达通过葡萄糖氧化酶催化葡萄糖生成过氧化氢驱动运动，并利用Ag纳米颗粒的pH响应性催化降解四环素，结合光催化Fenton反应实现高效污染治理。

　　这项研究提出了一种创新的纳米机器人设计，该机器人通过葡萄糖作为燃料，结合多种纳米酶系统和级联反应，实现对四环素盐酸盐（TCH）的动态去除。纳米机器人由Fe?O?纳米颗粒、葡萄糖氧化酶（GOx）和ZIF-8/Ag结构组成，具有独特的双面结构，使其能够在不同pH条件下切换运动和催化模式。这种设计不仅提升了纳米机器人的移动能力，还增强了其在水处理中的应用潜力。

在水处理领域，纳米材料因其卓越的催化性能和环境友好性而受到广泛关注。传统上，过氧化氢（H?O?）被用作许多微/纳米机器人的推进剂，因为它能够催化生成羟基自由基（·OH），这些自由基在降解污染物方面表现出色。然而，H?O?的高氧化性可能导致对水生生态系统的潜在危害，因此开发无需外部添加H?O?的推进机制成为研究重点。葡萄糖作为一种非毒性和广泛存在的生物分子，提供了替代方案。通过葡萄糖氧化酶的催化作用，葡萄糖可以在原位生成H?O?，从而支持自持续的级联反应，减少对外部氧化剂的依赖。

此外，纳米酶因其比天然酶更高的稳定性和催化活性而受到重视。例如，Ji等人报道的FeN?P中心单原子纳米酶表现出超过辣根过氧化物酶（HRP）的类过氧化物酶催化活性。Fe?O?纳米颗粒也因其类过氧化物酶活性而被广泛用于废水处理和生物传感领域。通过结合纳米酶的易修饰性和天然酶的特定催化功能，研究人员能够构建多功能的微/纳米机器人系统。这为开发具有多种响应能力的纳米材料提供了新思路，特别是在应对复杂环境条件时。

金属有机框架（MOF）因其超高比表面积和多孔结构，被认为是装载多种酶模拟系统和实现液体中自推进的理想载体。ZIF-8，一种具有高稳定性和大分子负载能力的MOF，被用于增强纳米机器人的性能。Liu等人展示了基于ZIF-8的仿生微机器人能够高效吸附和去除染料和抗生素，而ZIF-8修饰的微机器则可以通过光辅助芬顿反应快速降解抗生素和染料。这些研究为设计具有多种功能的纳米材料提供了重要参考。

本研究中的Fe?O?-Gox@ZIF-8/Ag双面纳米机器人，通过巧妙结合多纳米酶系统和级联反应，实现了pH控制的吸附-光催化降解功能。在中性条件下，纳米机器人表现出高度的移动性，而在酸性环境中则能够切换至有效的催化模式，从而实现目标污染物的高效去除。这种pH响应性模式切换的能力，使得纳米机器人能够在不同环境条件下适应性地工作，提高其在实际应用中的灵活性和效率。

为了实现这一目标，研究人员采用了一种简便的两步法来制备纳米机器人。首先，通过一锅法将葡萄糖氧化酶和Fe?O?纳米酶共组装于ZIF-8框架中，形成初步的结构。接着，在特定的晶体面上进行银纳米颗粒（Ag NPs）的定向共聚，以建立结构的不对称性。这种设计是实现纳米机器人自推进和智能功能的关键。Ag纳米颗粒在不同pH条件下表现出不同的催化行为，例如在较高pH条件下具有类过氧化氢酶活性，而在较低pH条件下则具有类过氧化物酶活性。这种特性使得Ag纳米颗粒能够作为pH调节的媒介，控制纳米机器人在不同环境下的功能切换。

在实际应用中，纳米机器人能够在高污染物浓度区域聚集，并通过酸化环境触发其催化模式，从而提高TCH的降解效率。这一过程涉及光辅助芬顿反应，其中纳米机器人通过生成羟基自由基来降解污染物。为了全面评估其应用潜力，研究团队还通过密度泛函理论（DFT）计算分析了TCH的降解路径，并评估了降解中间产物的毒理学特性。这些研究不仅揭示了纳米机器人在水处理中的高效性，还为其在实际环境中的安全性提供了重要依据。

研究团队通过将自推进运动、多酶级联反应和光增强芬顿过程相结合，构建了一个集成平台，为先进的水净化技术提供了新的策略。这一创新设计克服了传统纳米材料在复杂环境条件下的局限性，为开发具有智能响应能力的纳米材料开辟了新的方向。通过这种pH控制的模式切换机制，纳米机器人能够在不同条件下灵活调整其功能，从而实现更高效的污染物去除。

在实验过程中，研究人员对材料的表征和性能测试进行了详细分析。通过X射线衍射（XRD）图谱，可以清晰地观察到Fe?O?-Gox@ZIF-8/Ag纳米机器人的各个结晶相，包括Fe?O?、Ag和ZIF-8。这些结果验证了纳米机器人成功合成，并具备所需的结构特征。此外，通过其他表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），研究人员进一步确认了纳米机器人的形态和结构。这些表征数据不仅为理解纳米机器人的工作机制提供了基础，还为其在实际应用中的性能优化提供了指导。

在性能测试方面，研究人员评估了纳米机器人在不同pH条件下的运动能力和催化效率。实验结果表明，纳米机器人在中性条件下表现出卓越的移动性，而在酸性环境中则能够高效地触发催化反应。这种pH响应性使得纳米机器人能够在不同环境条件下自主调整其功能，从而实现更精准和高效的污染物去除。此外，纳米机器人在光辅助芬顿反应中的表现也十分出色，显示出其在降解污染物方面的强大能力。

这项研究的成果具有重要的实际应用价值。首先，它提供了一种无需外部添加过氧化氢的推进机制，降低了对环境的潜在影响。其次，通过结合多种纳米酶和级联反应，纳米机器人能够实现多模式、多步骤的污染物去除，提高了其在复杂环境中的适应性和效率。最后，pH控制的模式切换机制使得纳米机器人能够在不同条件下灵活调整其功能，从而实现更精准的环境修复。

未来的研究可以进一步探索纳米机器人在其他污染物去除中的应用，以及如何优化其在不同环境条件下的性能。此外，还可以研究纳米机器人在更复杂环境中的行为，例如在含有多种污染物的混合体系中，其是否能够同时处理多种污染物。这些研究将有助于推动纳米机器人在环境修复领域的广泛应用，并为开发更智能、更高效的纳米材料提供理论支持和技术指导。

综上所述，这项研究通过创新的纳米机器人设计，为水处理领域提供了一种新的解决方案。其核心在于利用葡萄糖作为燃料，结合多纳米酶系统和级联反应，实现pH控制的吸附-光催化降解功能。这种设计不仅提升了纳米机器人的性能，还增强了其在复杂环境中的适应能力，为未来的环境修复技术发展奠定了坚实基础。