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用于抗炎及抗肿瘤方面的应用中。
将柠檬酸碳化形成碳核，然后利用手性氨基酸对碳核进行手性功能化以形成手性CDs，并通过调节手性源及反应参数对CDs表面的手性官能团进行调控。对于由脂肪性氨基酸合成得到的手性CDs，其手性由原料直接传递；而通过芳香性氨基酸高温合成得到的手性CDs，由于氨基酸的芳香环和碳核之间的π电子共轭作用，使得构型扭曲，CDs手性发生翻转。此外，利用该手性CDs对葡萄糖氧化酶（GOx）活性进行了调控。实验结果表明：在180 ℃下合成得到的D-CDs使得GOx的二级结构变得更松散及暴露更多的活性中心，从而对GOx活性具有更强促进作用（+34.8%）。基于手性CDs对酶活性的调控，将其进一步用于制备灵敏的GOx-手性CDs葡萄糖传感器，实现对葡萄糖浓度的灵敏检测（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 4, 5877-5886.）。
手性CDs合成示意图。
以有机酸和含氨基的有机小分子分别作为碳源及氮源，采用水热法，通过调控前驱体的组成和比例制备了一系列吡咯氮含量不同的氮掺杂CDs。发现这些CDs在可见光照射下对3, 3', 5, 5'-四甲基联苯胺（TMB）氧化具有不同程度的催化能力，具有类氧化酶活性。其中利用酒石酸和3-氨基酚为前驱体合成得到的氮掺杂CDs的类氧化酶活性最强，最大反应速率（Vmax）和米氏常数（Km）可达至121.95×10-8M/s和0.61 mM。通过分析系列不同吡咯氮含量的氮掺杂CDs结构与其类酶活性的关系，发现吡咯氮在催化过程中起关键作用。利用自由基清除实验和电子自旋共振谱的实验，证实TMB的氧化是由于CDs的氧活化产生的超氧自由基介导；此外，通过原位瞬态光电压测试进一步证明了N掺杂CDs表面的吡咯氮既是催化活性中心又是底物结合中心。基于CDs的低毒性及类氧化酶催化活性，验证了其在生物体系的实用性，在可见光照射下，TA-NCDs能富集于线粒体，杀死近60%的HeLa细胞。该工作为人工酶的设计合成和拓展人工酶在抗肿瘤领域的应用起到了一定的参考作用（Carbon, 2021, 692-700.）。
以酒石酸和3-氨基酚为前驱体合成得到的氮掺杂CDs在可见光照射下对TMB的催化氧化示意图。
[1] Mengling Zhang, Yurong Ma, Huibo Wang, Bo Wang, Yunjie Zhou, Yang Liu,* Mingwang Shao, Hui Huang,* Fang Lu,* Zhenhui Kang,* Chiral Control of Carbon Dots via Surface Modification for Tuning the Enzymatic Activity of Glucose Oxidase,ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 4, 5877-5886.
[2] Huibo Wang, Mengling Zhang, Kaiqiang Wei, Yajie Zhao, Haodong Nie, Yurong Ma, Yunjie Zhou, Hui Huang,* Yang Liu,* Mingwang Shao, Zhenhui Kang,* Pyrrolic nitrogen dominated the carbon dot mimic oxidase activity,Carbon, 2021, 692-700.
