设计合成多种荧光碳点（CDs）及手性CDs，利用其对生物酶的催化能力，将其用作生物传感、生物固氮、农业、抗菌、生物治疗等领域的酶基复合催化剂。此外，探究CDs的类酶催化活性及类酶催化的反应机制，并基于CDs的类酶催化活性，将CDs用于抗菌、抗氧化及抗衰老方面的应用中。
代表性工作：
Adv. Funct. Mater. | 具有多环二肽结构的碳点超越天然水解酶性能的研究
在现代工业生产和环境保护中，水解反应扮演着不可或缺的角色。天然水解酶虽然高效且具有特异性，但其在工业应用中常常受到稳定性差、成本高等因素的限制。因此，开发具有类似天然酶催化活性和选择性的人工酶催化剂，成为材料科学领域的一个热点研究方向。近年来，碳点（Carbon Dots, CDs）作为一种碳基纳米材料，因其独特的物理化学性质和生物相容性，在生物催化领域展现出巨大潜力。然而，关于碳点模拟水解酶活性的研究还相对较少。
本工作报道了一种具有多环二肽结构的碳点，展现出超越天然酶的类水解酶催化性能。与天然脂肪酶相比，这些碳点不仅表现出更高的催化活性（最大反应速率提高了2.85倍），而且对底物的浓度范围（0-8.0 mM）和类型（脂肪酯、芳香酯、磷酸酯）具有更广泛的适应性，同时在催化条件和稳定性方面也更为简单和优越。碳点的高效催化活性归因于其低的反应活化能（Ea：13.74 kJ/mol）和对底物的强吸附能力。通过理论计算和对照实验发现，碳点的吸附位点位于多环二肽的氮原子上。此外，我们还构建了集成碳点的膜催化剂，实现了对酯类化合物的即时水解。这项工作为设计高性能的类酶材料提供了新的思路，并深化了对碳基纳米酶催化机制的理解。
本研究系统考察了碳点（CDs）的类水解酶催化活性。以乙酸对硝基苯酯（pNPA）为模型底物，其水解产物对硝基苯酚（pNP）在405 nm处具有特征吸收峰，可通过紫外-可见分光光度法检测。如图1a所示，CDs可催化pNPA水解生成乙酸（AcOH）和黄色产物pNP。通过监测CDs（60 μg/mL）催化体系在0-20 min反应过程中吸收光谱的变化（图1b），发现405 nm处吸光度值随时间延长而逐渐增强。基于多功能酶标仪建立的pNP浓度及吸光度的标准曲线，并将测量值转化为产物浓度并计算催化效率。图1c展示了不同浓度CDs（20-100 μg/mL）催化的产物浓度-时间曲线，结果表明CDs的类水解酶活性具有浓度依赖性。
进一步考察了CDs（60 μg/mL）对不同浓度pNPA的催化性能。如图1d所示，当底物浓度在0-2 mM区间时，催化效率与pNPA浓度呈线性相关，符合一级反应动力学特征（v=kC1）；在2-8 mM浓度范围内，反应动力学呈现0-1级过渡特征（v=kCn，n=0~1）；当底物浓度超过8 mM后，反应速率趋于稳定，转为零级反应动力学（v=kC0）。此外，通过Arrhenius方程计算了CDs催化体系（pNPA浓度：2 mM）的活化能，结果显示该反应的活化能仅为13.74 kJ/mol（图1e），这一低活化能值充分证明CDs对酯类水解反应具有优异的催化效能。
图1. 碳点水解pNPA的示意图；碳点催化前后反应体系的紫外-可见吸收光谱；不同浓度碳点催化的产物浓度随时间变化曲线；不同pNPA浓度下碳点的反应动力学；碳点催化pNPA水解的活化能。
文章信息：Carbon Dots with Polycyclic Dipeptide Structure Surpass Natural Hydrolase Performance, Adv. Funct. Mater. 2024, 2423470.
