用于酶催化反应的液滴微流控研究进展综述

在过去的三十年里，微流控平台的出现改变了传统化学、化工、生物学和材料学的研究范式，已被广泛用于生物化学反应、快速混合和微粒合成等。液滴是通过微通道中两个相互不混溶的相的挤出和剪切形成，利用微流体在微通道环境中的快速产生和控制形成稳定均一的微液滴。产生的微液滴不仅具有大的比表面积和可控的限域环境，还可与其他分析检测装置联用，对反应中的各种动力学参数条件进行高通量筛选和优化，可显著提高催化效率。  

从传统间歇反应器向微液滴的转变，可以改善催化过程，如在微液滴中进行反应试剂的快速混合，并精确控制其他参数，包括浓度、温度和时间，极大减少副反应发生，确保反应的重现性。而且，催化循环可以在相对安全的微流体液滴中进行，减少爆炸性或危险的中间体的影响，提高反应的安全性。此外，在微液滴中，反应物和催化剂使用量较少，可通过少量的试剂和催化剂高通量筛选各种反应条件，降低成本。  

与传统金属与小分子催化不同，酶催化具有专一性的特点。酶催化依赖与底物特定位点的结合，选择性极高。在溶液的开放式环境中，特定搅拌和反应时间下的酶催化反应呈现级联式放大，如PCR反应等。然而，生物体中的酶催化往往局限在细胞、细菌或病毒的内环境中，与开放式的溶液环境有着明显的不同。尽管酶催化剂在化学合成领域中受到了极大的关注，但与其他催化反应相比，发展较为缓慢。微液滴与细胞结构类似，可通过成分的改变模拟真实的细胞环境，因此微液滴是研究生物酶催化反应的理想选择之一。  

该文章系统综述了微流控液滴中催化反应的最新进展，讨论了微液滴在催化中的作用，包括小分子金属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环境的中的催化。最后，该文章讨论了微液滴中催化存在的问题和未来发展方向，旨在推动微液滴介质中小分子和大分子催化中反应的发展，为催化剂的高通量筛选以及生物酶的定向进化提供指导。  

图1 微流控液滴中金属基和酶催化的基本原理

以上研究以“Homogeneous, heterogeneous, and enzyme catalysis in microfluidics droplets”为题发表在Smart Molecules期刊上，论文第一作者为华东师范大学化学与分子工程学院硕士生梅放和博士后林鸿宇，通讯作者为华东师范大学胡连瑞研究员、豆伟涛副研究员和徐林教授。   




审核编辑：刘清