基于MOF-氧化石墨烯纳米复合物的血红蛋白电极制备及其对H2 O2 还原的电催化效应研究

本研究针对生物电化学传感器中酶固定化效率低和电子传递受限的问题，开发了一种由金属有机框架（MOF）与氧化石墨烯（GO）复合的纳米材料作为血红蛋白（Hb）载体。通过滴铸法制备了Hb/ZIF-67-GO/GCE电极，系统研究了氧含基团对纳米复合物有序性及电催化性能的影响。结果表明，该电极对H2 O2 还原表现出高亲和力（KM =174.0 μM）和稳定性（9天活性保持率>90%），为生物传感器设计提供了新思路。

　　

在生物传感领域，如何实现酶分子的高效固定并保持其天然构象一直是重大挑战。传统载体材料如纯氧化石墨烯（GO）虽具有优良导电性，但易导致蛋白质变性；而金属有机框架（MOF）虽能保护酶结构，却存在导电性差的缺陷。针对这一"鱼与熊掌不可兼得"的困境，中国研究人员创新性地将两者优势结合，开发出ZIF-67-GO纳米复合物作为血红蛋白（Hb）的新型载体。

这项发表在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》的研究，通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和荧光光谱（FRS）等多技术联用，揭示了复合物中氧含基团介导的独特相互作用机制。研究发现，ZIF-67的加入使Hb负载量提升至148.1 mg•g^-1
，较纯GO提高2.5倍；同时通过弱静态猝灭作用（K_q
=1.37×10¹¹
L•(mol•s)^-1
）保护了血红素活性中心，使催化活性维持在0.60 U•mg^-1
。

关键实验技术
研究采用超声辅助共混法制备ZIF-67-GO复合物，通过ICP-AES测定酶负载量，结合SEM/XRD表征形貌结构，UV-Vis和CD光谱分析蛋白质构象变化，EIS和CV评估电荷传递性能，最后通过计时电流法（CA）测定H₂
O₂
检测灵敏度。

研究结果
3.1 材料表征与相互作用
SEM显示复合物形成"疏水外壳-亲水内核"的胶束结构（图2），XRD证实Hb整合使结晶度提高（图3）。FTIR证实Hb通过物理吸附固定，未发生竞争配位（图4）。CD光谱发现α-螺旋含量下降，表明形成了新型两亲性结构（图6）。

3.2 电化学性能
CV曲线在-137 mV出现可逆氧化还原峰（ΔE=24 mV），证实直接电子转移（图9）。DPV测试显示电活性位点主要来自Hb而非GO（图12）。在H₂
O₂
检测中表现出1.3×10^-3
A•L•mol^-1
的灵敏度，检测限达41.3 μM（图13）。动力学分析表明反应受电荷传递（2.5×10^-2
s^-1
）和底物转化（0.28 s^-1
）共同控制。

结论与意义
该研究开创性地构建了MOF-GO协同载体系统，解决了生物传感器中酶固定化与电子传递效率难以兼顾的难题。ZIF-67通过弱相互作用保护Hb天然构象，而GO氧含基团则调控复合物有序性，二者协同使电极在保持高负载量（148.1 mg•g^-1
）的同时，实现稳定的电催化性能（RSD=4.2%）。特别值得注意的是，研究发现GO的氧含基团会通过界面相互作用抑制电荷传递（2.5×10^-2
s^-1
），这一发现为后续性能优化提供了明确方向。该工作不仅为生物传感器设计提供了新材料体系，其揭示的"结构-性能"关系对纳米生物界面研究也具有重要启示。