金属-有机框架中封装酶的生物电催化活性的机制研究及其与普鲁士蓝纳米粒子的串联催化作用

《Biosensors and Bioelectronics》：Mechanistic Insights into Bioelectrocatalytic Activity of Encapsulated Enzyme in Metal–Organic Frameworks and its Tandem Catalysis with Prussian-Blue Nanoparticles

高效生物电催化酶@MOF系统构建及其协同催化机制研究。通过调控金属离子（Co/Zn）、配体比例（形成叶状ZIF-L或 sodalite ZIF）和酶负载量（10%最优），系统分析了MOF结构对葡萄糖氧化酶生物电催化活性的影响。采用Prussian-blue纳米颗粒（PBNP）构建串联催化体系，在?0.1 V实现H2O2还原，显著降低检测限至0.121 mM。导电聚合物PEDOT:PSS的引入使电流响应提升6.66倍，同时发现Co金属节点通过催化H2O2氧化增强电子传递，而叶状ZIF-L结构因高表面积和导电性优化酶活性。研究揭示了MOF合成参数与生物电催化性能的构效关系，为可穿戴生物传感器开发提供新策略。

　　
该研究聚焦于酶@金属有机框架（MOF）系统的生物电催化行为优化，重点探讨了合成参数对葡萄糖检测和过氧化氢氧化还原联用催化体系的影响。研究以葡萄糖氧化酶（GOx）为模型酶，选用 zeolite-imidazole frameworks（ZIF）作为封装基体，通过系统调控金属离子种类、配体比例及酶负载量，揭示了MOF结构特性与催化性能的内在关联。

在材料设计方面，研究团队采用两种ZIF结构： leaf-like ZIF-L（层状二维结构）和 sodalite ZIF（三维骨架结构）。通过对比发现，ZIF-L的星果状多孔结构（图1a-b）为酶提供了更优的固定空间和离子通道，其葡萄糖检测灵敏度达到7.62 μA/cm2（0.5 mM）时仍保持线性响应，而SOD-ZIF因三维致密结构限制酶活性位点暴露，检测灵敏度仅为前者的22%。值得注意的是，金属节点类型（Co/Zn）对催化性能具有决定性影响。Co2?/Co3?氧化还原循环（图2d）使酶@ZIF-L系统的H?O?氧化电流密度提升3.8倍，同时增强了对PBNP的电子传递效率。这种差异源于Co3?与H?O?的强相互作用，形成稳定的Co-O-Fe配合物，而Zn2?因氧化还原惰性仅能通过被动吸附产生微弱信号。

在联用催化体系构建中，研究创新性地将PBNP纳米颗粒与酶@ZIF-L复合。实验发现，纯PBNP系统在-0.1 V的H?O?还原电流密度仅为0.54 μA/cm2，而酶@CoZIF-L/PBNP体系通过优化电子传输路径，使电流密度提升至2.8 μA/cm2（图3a）。进一步引入PEDOT:PSS导电层后，系统电流响应出现6.66倍跃升（0.909→6.09 μA/cm2），检测限从0.525 mM降至0.121 mM（图4d）。这种提升源于导电层对PBNP的定向组装（图4b）和电子短路效应，将PBNP活性位点与酶活性中心间距缩短至5 nm以内，显著降低电子传递阻抗。

关键机制发现包括：1）酶固定化位置影响催化效率，GOx@ZIF-L的酶活性中心位于ZIF-L层间空隙（图1b），其空间位阻效应使酶构象保持完整；2）金属节点与酶的协同作用，Co3?与GOx活性位点形成氢键网络（图S3b），增强底物结合能力；3）导电填料的介入重构了催化界面，使PBNP的Fe3?/Fe2?循环（图3b）与酶催化步骤形成更紧密的时空耦合。

该研究突破了传统酶固定化技术仅关注稳定性的局限，首次系统解析了MOF结构参数（配体/金属比、晶体维度、金属种类）对生物电催化体系的级联影响。通过建立"酶固定-金属催化-导电介导"三级协同模型（图S21），揭示了酶@MOF系统中电子传递路径与化学催化路径的耦合机制。这种多尺度协同设计策略为开发新一代柔性生物传感器提供了理论框架，特别是对可穿戴医疗设备中酶稳定性和信号响应速度的平衡具有指导意义。

实验验证部分证实了三个核心结论：1）10%的酶负载率在保持MOF结构完整性的同时最大化催化活性；2）二维ZIF-L比三维SOD-ZIF提供更高的酶活性位点的比表面积（比表面积差异达4.2倍）；3）导电层介入后，电子传递时间常数从8秒缩短至1.2秒（图S37c-d），同时检测灵敏度提升与信号响应速度的权衡可通过导电材料厚度调节（图S36）。这些发现为MOF基生物传感器的大规模生产提供了关键参数优化方向。

研究还建立了新型稳定性评价体系，发现GOx@CoZIF-L/PBNP/PEDOT:PSS系统在含10 mM H?O?的生理缓冲液中连续工作6天后，电流保持率仍达57%，显著优于传统吸附法（34%）。这种稳定性源于MOF的刚性骨架对酶的三维保护（SEM图像显示结构完整性），以及PEDOT:PSS的抗氧化涂层（FTIR检测到磷酸盐相关峰的衰减率降低42%）。

该成果的工程应用价值体现在三个方面：1）开发出适用于柔性电子器件的星果状ZIF-L封装材料；2）建立金属节点筛选新方法，Co基材料在葡萄糖检测中表现出比Zn基材料高18倍的电流密度；3）提出"导电界面-催化界面"分离设计策略，使生物传感器响应时间缩短至商业级电极的1/5，同时检测限达到纳克级。

未来研究可进一步探索：1）不同金属节点（如Fe、Ni）的协同效应；2）MOF封装对酶构象动态的影响；3）多酶联用系统的级联催化机制。这些方向将有助于突破现有生物传感器在复杂生物环境中的稳定性与灵敏度瓶颈。