用于酶催化反應(yīng)的液滴微流控研究進(jìn)展綜述

在過去的三十年里，微流控平臺(tái)的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)化學(xué)、化工、生物學(xué)和材料學(xué)的研究范式，已被廣泛用于生物化學(xué)反應(yīng)、快速混合和微粒合成等。液滴是通過微通道中兩個(gè)相互不混溶的相的擠出和剪切形成，利用微流體在微通道環(huán)境中的快速產(chǎn)生和控制形成穩(wěn)定均一的微液滴。產(chǎn)生的微液滴不僅具有大的比表面積和可控的限域環(huán)境，還可與其他分析檢測(cè)裝置聯(lián)用，對(duì)反應(yīng)中的各種動(dòng)力學(xué)參數(shù)條件進(jìn)行高通量篩選和優(yōu)化，可顯著提高催化效率。

從傳統(tǒng)間歇反應(yīng)器向微液滴的轉(zhuǎn)變，可以改善催化過程，如在微液滴中進(jìn)行反應(yīng)試劑的快速混合，并精確控制其他參數(shù)，包括濃度、溫度和時(shí)間，極大減少副反應(yīng)發(fā)生，確保反應(yīng)的重現(xiàn)性。而且，催化循環(huán)可以在相對(duì)安全的微流體液滴中進(jìn)行，減少爆炸性或危險(xiǎn)的中間體的影響，提高反應(yīng)的安全性。此外，在微液滴中，反應(yīng)物和催化劑使用量較少，可通過少量的試劑和催化劑高通量篩選各種反應(yīng)條件，降低成本。

與傳統(tǒng)金屬與小分子催化不同，酶催化具有專一性的特點(diǎn)。酶催化依賴與底物特定位點(diǎn)的結(jié)合，選擇性極高。在溶液的開放式環(huán)境中，特定攪拌和反應(yīng)時(shí)間下的酶催化反應(yīng)呈現(xiàn)級(jí)聯(lián)式放大，如PCR反應(yīng)等。然而，生物體中的酶催化往往局限在細(xì)胞、細(xì)菌或病毒的內(nèi)環(huán)境中，與開放式的溶液環(huán)境有著明顯的不同。盡管酶催化劑在化學(xué)合成領(lǐng)域中受到了極大的關(guān)注，但與其他催化反應(yīng)相比，發(fā)展較為緩慢。微液滴與細(xì)胞結(jié)構(gòu)類似，可通過成分的改變模擬真實(shí)的細(xì)胞環(huán)境，因此微液滴是研究生物酶催化反應(yīng)的理想選擇之一。

該文章系統(tǒng)綜述了微流控液滴中催化反應(yīng)的最新進(jìn)展，討論了微液滴在催化中的作用，包括小分子金屬催化中的均相和非均相催化，大分子生物酶在油包水和水包油環(huán)境的中的催化。最后，該文章討論了微液滴中催化存在的問題和未來發(fā)展方向，旨在推動(dòng)微液滴介質(zhì)中小分子和大分子催化中反應(yīng)的發(fā)展，為催化劑的高通量篩選以及生物酶的定向進(jìn)化提供指導(dǎo)。

圖1 微流控液滴中金屬基和酶催化的基本原理

以上研究以“Homogeneous, heterogeneous, and enzyme catalysis in microfluidics droplets”為題發(fā)表在Smart Molecules期刊上，論文第一作者為華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院碩士生梅放和博士后林鴻宇，通訊作者為華東師范大學(xué)胡連瑞研究員、豆偉濤副研究員和徐林教授。




審核編輯：劉清