GOx@Fe3O4-HNTs微囊反应器的构筑及多酶级联催化性能

doi:10.7503/cjcu20230403

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (1): 20230403.doi: 10.7503/cjcu20230403

GOx@Fe₃O₄-HNTs微囊反应器的构筑及多酶级联催化性能

黄雨晴¹, 刘妍¹, 张宏丽¹, 林森¹^,²(), 孙仕勇¹^,²(), GOLUBEV Evgeny³, 吕瑞¹, KOTOVA Olga³, KOTOVA Elena⁴

^1.西南科技大学环境与资源学院, 固体废物处理与资源化教育部重点实验室, 绵阳 621010
^2.西南科技大学非金属矿产地质及其开发利用四川省高等学校重点实验室, 绵阳 621010
^3.俄罗斯科学院乌拉尔分院科米科学中心地质研究所, 瑟克特夫卡尔 167982, 俄罗斯
^4.圣彼得堡国立矿业大学, 圣彼得堡 199106, 俄罗斯

收稿日期:2023-09-11 出版日期:2024-01-10 发布日期:2023-10-20
通讯作者: 林森 E-mail:lsen@swust.edu.cn;shysun@swust.edu.cn
作者简介:孙仕勇, 男, 博士, 教授, 主要从事矿物功能材料研究. E-mail: shysun@swust.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(42372056);俄罗斯科学基金(21-47-00019);西南科技大学博士研究基金(22zx7173)

Construction of GOx@Fe₃O₄-HNTs Microcapsule Reactor and Its Multi-enzyme Cascade Catalytic Performance

HUANG Yuqing¹, LIU Yan¹, ZHANG Hongli¹, LIN Sen¹^,²(), SUN Shiyong¹^,²(), GOLUBEV Evgeny³, LYU Rui¹, KOTOVA Olga³, KOTOVA Elena⁴

^1.Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle of Ministry of Education，School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China
^2.Key Laboratory of Non?metallic Mineral Geology and Utilization in Sichuan Provincial Higher Education Institutions，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China
^3.Yushkin’s Institute of Geology，Komi Science Center，Ural Branch of RAS，Syktyvkar 167982，Russia
^4.St Petersburg Mining State University，St. Petersburg 199106，Russia

Received:2023-09-11 Online:2024-01-10 Published:2023-10-20
Contact: LIN Sen E-mail:lsen@swust.edu.cn;shysun@swust.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(42372056);the Russian Science Foundation(21-47-00019);the Doctoral Research Foundation of Southwest University of Science and Technology, China(22zx7173)

摘要/Abstract

摘要：

细胞内或细胞间的微空间使得生物体内的各种酶促反应能够高效有序地进行. 基于此, 本文结合天然酶-纳米酶二者的优势, 构筑了一种模拟体内酶促级联反应的微囊反应器. 首先，以天然硅铝酸盐矿物埃洛石纳米管（HNTs）为载体, 在其表面原位生成具有类辣根过氧化物酶活性的四氧化三铁（Fe₃O₄）；随后, 将其作为囊壁材料封装天然葡萄糖氧化酶（GOx）, 构筑GOx@Fe₃O₄-HNTs微囊反应器. 当向体系中加入葡萄糖时, 微囊反应器内的GOx先将葡萄糖转化为葡萄糖酸和过氧化氢（H₂O₂）, 之后H₂O₂继续被囊壁中的Fe₃O₄催化转化为羟基自由基, 触发底物3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）显色. 其中, Fe₃O₄-HNTs作为囊壁材料不仅使囊内GOx免受外界环境干扰, 还可与GOx构建级联催化反应体系, 这种酶-纳米酶微囊化级联体系具有比天然酶系统更优异的催化性能和反应稳定性. 此外, 因磁性Fe₃O₄的参与, 材料还具有可回收性和重复使用性. 这种酶-纳米酶复合微囊反应器为模拟生物体内限域环境下的多酶反应体系提供了新方法, 同时为后续生物分析与仿生催化领域的进一步研究奠定了基础.

关键词: 纳米酶, 微囊反应器, 埃洛石纳米管, 葡萄糖氧化酶, 级联反应

Abstract:

The intracellular or intercellular microspace effectively enables various enzymatic reactions in organisms to proceed efficiently and orderly. Inspired from nature， this study combined the advantages of both natural enzymes and nanozymes to construct a microencapsulated reactor that simulates the enzymatic cascade reaction in vivo. First， the natural aluminosilicate mineral halloysite nanotubes（HNTs） were used as a carrier to in situ generate iron tetroxide（Fe₃O₄） with horseradish peroxidase-like activity on its surface. Then， it was used as a capsule wall material to encapsulate natural glucose oxidase（GOx）， forming the GOx@Fe₃O₄-HNTs microcapsule reactor. When glucose is added into the system， the GOx within microcapsule reactor will first convert the glucose into gluconic acid and hydrogen peroxide（H₂O₂）， and the H₂O₂ will continue to be catalyzed by Fe₃O₄ from the capsule wall and converted into hydroxyl radicals， triggering the color development of the substrate 3，3'，5，5'-tetramethylbenzidine（TMB）. Among them， Fe₃O₄-HNTs not only serves as the capsule wall material to protect GOx from environmental interference， but also can conduct a cascade catalytic reaction system with GOx. This kind of enzyme-nanozyme microencapsulation cascade system makes it have better catalytic performance and reaction stability than the natural enzyme systems. In addition， due to the participation of magnetic Fe₃O₄， the material is also recyclable and reusable. This enzyme-nanoenzyme composite microcapsule reactor provides a new method for simulating a multi-enzyme reaction system in the confined environment of organisms， and also lays a foundation for subsequent research in the fields of bioanalysis and biomimetic catalysis.

Key words: Nanoenzyme, Microcapsule reactor, Halloysite nanotube, Glucose oxidase, Cascade reaction

中图分类号:

O643.3

TrendMD:

黄雨晴, 刘妍, 张宏丽, 林森, 孙仕勇, GOLUBEV Evgeny, 吕瑞, KOTOVA Olga, KOTOVA Elena. GOx@Fe₃O₄-HNTs微囊反应器的构筑及多酶级联催化性能. 高等学校化学学报, 2024, 45(1): 20230403.

HUANG Yuqing, LIU Yan, ZHANG Hongli, LIN Sen, SUN Shiyong, GOLUBEV Evgeny, LYU Rui, KOTOVA Olga, KOTOVA Elena. Construction of GOx@Fe₃O₄-HNTs Microcapsule Reactor and Its Multi-enzyme Cascade Catalytic Performance. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(1): 20230403.

图/表 12

Fig.1 XRD patterns(A) and FTIR spectra(B) of HNTs, Fe3O4 and Fe3O4⁃HNTs(CTAB), SEM images of Fe3O4⁃HNTs(CTAB)(C), GOx@Fe3O4⁃HNTs(D) and relevant energy spectrum(E) of GOx@Fe3O4⁃HNTs microcapsules, TG curves of HNTs, Fe3O4⁃HNTs(CTAB) and GOx@Fe3O4⁃HNTs microcapsules(F) and surface contact angles of Fe3O4⁃HNTs(G) and Fe3O4⁃HNTs(CTAB)(H)

Fig.2 Optical microscopy images of GOx@Fe3O4⁃HNTs microcapsules under the oil/water ratios of 10∶1(A), 20∶1(B) and 40∶1(C)

Fig.3 Optical microscopy images showing the effect of TMOS cross⁃linking agent additions(50, 80, 100, 200 μL) on the intact structure of Fe3O4⁃HNTs hollow microcapsules from aqueous phase

Fig.4 UV⁃Vis absorption spectra of different systems(A) and the Fe3O4⁃HNTs+H2O2+TMB system before and after the addition of isopropanol(B)

Fig.5 UV⁃Vis absorption spectra of GOx@Fe3O4⁃HNTs+Glucose+TMB, GOx@Fe3O4⁃HNTs+TMB and GOx@Fe3O4⁃HNTs+glucose systems(A) and of glucose+GOx+Fe3O4⁃HNTs+TMB and glucose+GOx@Fe3O4⁃HNTs+TMB in 0.1 mol/L NaAc⁃HAc buffer(B), cascade reaction enzymatic activities of GOx+Fe3O4⁃HNTs and GOx@Fe3O4⁃HNTs(C), and absorbance⁃time curves of Fe3O4⁃HNTs+GOx and GOx@Fe3O4⁃HNTs in 100 mmol/L glucose(D)

Fig.6 Relative activity with different addition amounts of glucose solution(0.1 mol/L)(A) and at different reaction time(B) for cascade reactions in GOx@Fe3O4⁃HNTs microcapsules

Fig.7 Temperature stability(A) and pH stability(B) of GOx@Fe3O4⁃HNTs and GOx+HRP, recyclability of GOx@Fe3O4⁃HNTs(C) and storage stability of GOx@Fe3O4⁃HNTs and GOx+HRP(D)

Fig.8 Step⁃by⁃step Lineweaver⁃Burk diagrams of the cascade reactions of GOx⁃glucose(A) and Fe3O4⁃H2O2(B) for GOx@Fe3O4⁃HNTs microcapsules

Table 1 Michaelis constant(Km) and maximum velocity(vmax) of GOx-glucose and Fe3O4-H2O2 in GOx@Fe3O4-HNTs microcapsules

Catalyst	Substance	R²	K_m/（mmol∙L^-1）	v_max/（mmol∙mL^-1∙min^-1）
GOx	Glucose	0.993	831.6	1.5
Fe₃O₄	H₂O₂	0.996	159.4	0.3

Fig.9 Lineweaver⁃Burk plots of GOx@Fe3O4⁃HNTs microcapsules and GOx+HRP system at different concentrations of glucose(A) and TMB(B)

Table 2 Michaelis constant(Km) and maximum velocity(vmax) of GOx@Fe3O4-HNTs microcapsules and GOx+HRP system

Catalyst	Substance	R²	K_m/（mmol∙L^-1）	v_max/（mmol∙mL^-1∙min^-1）
GOx@Fe₃O₄⁃HNTs	Glucose	0.979	99.94	0.38
GOx@Fe₃O₄⁃HNTs	TMB	0.993	1.95	0.35
GOx+HRP	Glucose	0.995	2.13	0.17
GOx+HRP	TMB	0.996	0.47	0.19

Fig.10 UV⁃Vis absorption spectra and corresponding digital photo(inset) of cascade reactions of GOx@Fe3O4⁃HNTs with the glucose concentrations from 1 μmol/L to 200 μmol/L(A) and the linear calibration curve of glucose detection at 655 nm(B)

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Construction of GOx@Fe₃O₄-HNTs Microcapsule Reactor and Its Multi-enzyme Cascade Catalytic Performance

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