科研动态

你想过吗？世界上还存在这样一种物质，既可以充当催化剂，又可以充当“发电机”；既可以大规模制备，又高效节能。

小编可以很负责任地告诉你：还真有！！！它的名字叫：生物小分子络合剂。浙江大学杭州国际科创中心未来科学研究院青年PI陶凯及其团队通过设计开发利用γ-羧谷氨酸（Gla）作为生物小分子络合剂，实现了可媲美传统乙二胺四乙酸（EDTA）络合剂才能达到的络合效果，展现出优异的催化性能与压电特性！

催化小能手

陶凯研究员告诉我们，传统的生物催化要使用生物酶，但是生物酶对储备条件极为苛刻，大规模制备也比较麻烦，而且很难人工合成，多数只能从生物体中提取。

但是，陶凯团队在新架构下研制出的生物小分子络合剂，不仅成本低，制备简单，而且催化性能比传统的生物酶效果更好。

Gla络合金属离子制备仿EDTA络合架构的原理示意图如图1所示。和传统EDTA类似，Gla使用分子骨架上的羧基参与金属配位，形成钳式螯合超结构架构体系。

图1 Gla-金属离子络合的本构模型

进一步研究表明，Gla-金属离子络合体系可自组装形成针状晶体结构（图2）。在组装体中，每一个金属离子与三个Gla的五个羧基形成络合键，从而组装成具有高热稳定性的超结构体系。

图2 Gla-金属离子络合组装的机制分析

由于铜离子（Cu(II)）在生命体新陈代谢过程中发挥重要的催化作用，研究团队首先对Gla+ Cu(II)络合体系的催化性能进行了研究。实验发现，Gla+Cu(II)对2,4-二氯苯酚(2,4-DP)和4-氨基安替比林 (4-AP)的偶联反应具有极高的催化性能（图3）。反应溶液在Gla+Cu(II)体系存在下，在507 nm处产生明显的吸收峰，从而证明Gla+Cu(II)具有优良的催化性能，并有望取代传统的生物酶催化剂。

图3 Gla+Cu(II)络合超结构的催化性能测试。
(a,b) Gla+Cu(II)络合体系对2,4-DP + 4-AP反应的催化效果；(c,d) 不同催化剂体系的催化活性比较。

神奇“发电机”

所谓压电性能，某种程度上可以理解为是机械发电的能力。

陶凯团队发现，利用Gla+Zn(II)络合体系作为压力敏感构件设计制造压电发电机，在50N的外加压力作用下，可得到开路电压(Voc)达1.5 ± 0.3 V、短路电流(Isc)达138.8 ± 26.5 nA的信号输出，差不多相当于一节5号干电池的能量。

同时，这种架构还特别“结实”，经得起“千锤百炼”。络合架构的高机械强度保证了压电发电机具有高耐受性，在经过1000次的50 N压力循环测试后仍能保持稳定的电压输出（图4）。

图4 Gla+Zn(II)络合架构制备压电发电机。
(a) Gla+Zn(II)作为压力敏感构件制造压电发电机；(b,c) 器件开路电压(Voc)和短路电流(Isc)与载荷之间的关系；(d) 压电发电机耐久性测试。

因为拥有优异的压电性能，利用Gla+Zn(II)络合体系作为压力敏感构件设计制造的压电发电机前景广阔。

畅想下，如果使用这种压电发电机制作生物电池，电池里就无需使用含铅的无机压电材料。只要外界给点压力，生物电池就能发电，将比传统电池更环保，有望开辟新思路，助力碳中和。

同时，这种发电机还可应用在传感器上，因为使用了多肽生物材料，它将比其他材料更适合植入人体内，在穿戴医疗设施上大展身手，助力仿生电子皮肤和生物-器件界面交互装备的研发。

勇于创新 开拓未来

“几乎没有任何研究课题会完全按照预期发展，只有抓住一些不寻常的瞬间，才有可能实现突破。”陶凯坚定地认为，有突破才能创新，而创新往往都源于意外。

生物小分子络合剂的发现，也正是陶凯团队创新性地利用氨基酸设计出仿EDTA的钳式络合架构体系，创造性地将氨基酸和金属离子相结合，才获得了意外收获。

该络合架构可自组装形成针状超结构体系，从而显著促进络合金属离子的活性，表现出优异的催化与压电性能，为使用生物有机小分子络合超结构体系设计制造多功能的生物有机软器件开辟了一条新思路。