金屬有機(jī)框架(MOF)納米材料作為納米酶引起了人們的廣泛關(guān)注。一方面因?yàn)?span style="font-family: "Times New Roman", serif;">MOF結(jié)構(gòu)中的金屬離子和有機(jī)配體都可以被設(shè)計(jì)為活性位點(diǎn)。另一方面MOF的孔道結(jié)構(gòu)可以調(diào)控底物的擴(kuò)散，進(jìn)而來(lái)影響其催化活性。近年來(lái)關(guān)于納米酶活性位點(diǎn)的研究報(bào)道也層出不窮，這里我將分享一篇采用有機(jī)配體作為催化位點(diǎn)的納米酶，發(fā)表在2012年Angew. Chem. Int. Ed上的一篇文章，題目是Zirconium-Metalloporphyrin PCN-222: Mesoporous Metal–Organic Frameworks with Ultrahigh Stability as Biomimetic Catalysts，該工作由德州農(nóng)工大學(xué)周宏才教授課題組報(bào)道。金屬卟啉在自然界中有許多重要的作用，如光捕獲、氧氣運(yùn)輸以及催化等。其中鐵卟啉是許多過(guò)氧化物酶以及蛋白質(zhì)的輔因子，包括過(guò)氧化物酶、細(xì)胞色素c、血紅蛋白和肌紅蛋白。受此啟發(fā)，作者基于鋯氧簇(Zr6 cluster)和鐵卟啉分子Fe-TCPP(TCPP=tetrakis(carboxyphenyl)porphyrin)構(gòu)建了一種非常穩(wěn)定的MOF納米材料用于天然過(guò)氧化物酶的模擬，即PCN-222(Fe) (PCN=Porous Coordination Networks)，其中一個(gè)Zr6和8個(gè)羧基配位，結(jié)構(gòu)如圖1所示。PCN-222(Fe)相比于其他金屬有機(jī)框架而言，具有較大的孔徑(3.7 nm)，足以使得過(guò)氧化物酶底物從溶液擴(kuò)散到催化位點(diǎn)。
圖1. PCN-222示意圖
PCN-222(Fe)對(duì)酸環(huán)境和高溫具有超強(qiáng)的耐受性，這一點(diǎn)可以通過(guò)XRD和BET測(cè)試證明。如圖2所示，經(jīng)過(guò)水、沸水、2 M HCl、4 M HCl、8 M HCl以及濃鹽酸處理24 h后仍然具有非常好的結(jié)晶性。同時(shí)，N2吸附脫附曲線也沒(méi)有發(fā)生顯著變化，說(shuō)明其比表面積以及孔徑分布得以維持。PCN-222(Fe)的穩(wěn)定性主要源自于Zr4+和O的強(qiáng)相互作用。
圖2. PCN-222(Fe)經(jīng)過(guò)各種條件處理之后的XRD譜圖(a)以及N2吸脫曲線和孔徑分布(b)
進(jìn)一步，作者以鄰苯三酚作為過(guò)氧化物酶底物(圖3a)，在雙氧水存在下測(cè)定其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。如圖3b-c所示，通過(guò)測(cè)定不同濃度底物的初始反應(yīng)速率、速率與濃度的雙倒數(shù)作圖，且實(shí)現(xiàn)了一個(gè)非常良好的線性擬合，最終得到米氏常數(shù)Km為0.33 mM，速率常數(shù)Kcat為16.1 min-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于血紅素的2.4 min-1。隨后以3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)為底物，比較不同金屬卟啉基PCN-222的催化性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有PCN-222(Fe)在雙氧水存在下可以使得TMB發(fā)生顯色反應(yīng)(圖3d)。
圖3.鄰苯三酚作為底物的反應(yīng)方程式(a), 動(dòng)力學(xué)測(cè)試(b-c)，不同金屬卟啉基PCN-222加入到TMB溶液中(含雙氧水)反應(yīng)1 min，1為無(wú)，2-8分別對(duì)應(yīng)PCN-222(Fe), PCN-222(Mn), PCN-222(Co), PCN-222(Ni), PCN-222(Cu), PCN-222(Zn), PCN-222
除了測(cè)試鄰苯三酚動(dòng)力學(xué)以外，作者也測(cè)定了TMB以及鄰苯二胺(OPD)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果表明PCN-222(Fe)活性仍比血紅素的高。出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因是1：?jiǎn)挝环肿淤|(zhì)量下該MOF的催化位點(diǎn)濃度遠(yuǎn)高于天然酶，如辣根過(guò)氧化物酶(HRP)；2：三維的框架可以防止鐵卟啉分子發(fā)生聚集；3：介孔的結(jié)構(gòu)不會(huì)影響底物的擴(kuò)散。總之，該文章首次采用鐵卟啉同時(shí)作為催化位點(diǎn)和有機(jī)配體與鋯氧簇組裝成為穩(wěn)定性很高的介孔MOF材料，又證明了其具有優(yōu)異的類酶催化活性，為后續(xù)研究工作提供了非常重要的指導(dǎo)和幫助。
撰稿：李通
校審：劉雨風(fēng)、馬浩辰
編輯：徐庚辰
