酶-金属有机骨架复合物的界面合成及应用研究

The previous study by the applicant has demonstrated the synthesis of enzyme-metal-organic framework (MOF) composites via one-step precipitation in solution. The composite has higher enzymatic activity than native enzyme. As a nanoscaled biocatalytic building block, the composite has potential important applications in analytical science and biosensing. However, the uncontrollable synthesis of enzyme-MOF composites has hindered the further investigation and application of the composites. In this project, the controlled interfacial synthesis of enzyme-MOF composites will be studied. By using a commercial color ink-jet printer, the water solutions containing enzyme, metal ions and ligands respectively will be printed on substrates to in-situ form the enzyme-MOF composites on substrates. Based on the same ink-jet printing method, the enzyme electrode based on the glucose oxidase-MOF composite will be produced for the application in glucose detection. At the end of this project, if successful, we would address the problem of uncontrollable synthesis of enzyme-MOF composites, establish the new method for interfacial synthesis of enzyme-MOF composites by using the ink-jet printing technology, learn more about the fundamentals and mechanism of the interfacial synthesis, and provide generic technology for preparing enzyme electrodes with high sensitivity and stability.

申请人前期工作初步证实了溶液中的一步沉淀法可制备酶-金属有机骨架复合物，该复合物具有高于天然酶的活性，作为纳米尺度生物催化模块在分析检测、生物传感器等领域有着潜在的重要应用价值。然而，其不可控合成限制了对酶-金属有机骨架复合物的深入研究和应用探索。本项目拟研究酶-金属有机骨架复合物的界面可控合成新方法，利用市售彩色喷墨打印机将酶、金属离子、有机配体的水溶液打印于基材上，在基材上原位生成酶-金属有机骨架复合物；并以此方法为基础构建葡萄糖氧化酶-金属有机骨架复合酶电极，尝试应用于葡萄糖检测。通过本项目研究，期望解决酶-金属有机骨架复合物可控合成的关键问题，建立基于喷墨打印技术的酶-金属有机骨架复合物的界面合成新方法，阐明其界面生长机理，为可控合成提供科学基础，并为具有高灵敏度和良好稳定性的酶电极制备提供关键共性技术。

本项目研究工作面向医学检测需求，将化学工程、生物技术和纳米技术相结合，建立了酶-金属有机骨架复合物的界面合成新方法，阐述了化学结构及效应对酶催化剂性能的影响机制，开发了酶催化剂在医学检测中的应用。研究工作提出了界面合成酶-金属有机骨架复合物的新方法，并与溶液合成方法相比较，深入阐述了界面合成产物化学结构及效应的影响机制，为高效酶催化剂设计提供了理论基础。通过计算机设计图形和配色设置，实现了酶-金属有机骨架复合物在多种介质表面的原位一步合成，并且可以方便调控表面微液滴大小和混合过程，实现微液滴中的酶-金属有机骨架复合物的可控合成，为该类生物大分子的表面固定化、酶电极的制备提供了新技术。在酶-金属有机骨架复合物界面合成的基础上，构建了具有良好检测灵敏度、光照靶向加热酶催化系统、底物富集的酶电极，制备了应用于过氧化氢、葡萄糖等检测的生物电化学传感器。项目执行期内以通讯作者发表SCI论文12篇，包括1篇Nature Catalysis，1篇Nature Communications，申请中国发明专利2项，1项已获授权，相关技术正在产业化。执行期内，项目负责人获得 “闵恩泽能源化工奖”青年进步奖，入选“长江学者奖励计划”青年学者，获得国家优青资助，获得北京市首届杰青项目资助。