光催化NAD（P）H 再生的研究進(jìn)展

董文錦, 陳夫山, 鄧 理, 咸 漠

（1. 青島科技大學(xué) 化工學(xué)院, 山東 青島 266042; 2. 中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所, 甘肅 蘭州730000;3. 中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所, 山東 青島266101）

酶固有的高活性、 選擇性和特異性, 使得酶催化反應(yīng)可以在環(huán)境友好的條件（水溶液、 環(huán)境溫度和壓力、 中性pH）下, 高效、 高選擇性地合成多種化學(xué)品［1］. 輔酶與酶催化反應(yīng)緊密相關(guān), 是酶催化反應(yīng)過(guò)程中不可或缺的重要組成, 在氧化還原酶催化的反應(yīng)中往往需要輔酶作為反應(yīng)的氧化劑或還原劑.

輔酶包括煙酰胺類、 泛醌、 核黃素、 維生素等,其中, 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD, cofactor I）參與的反應(yīng)約占已知酶催化氧化還原反應(yīng)的80%, 煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP, cofactor Ⅱ）參與的反應(yīng)約占10%, 它們?cè)谏w內(nèi)參與了400 多個(gè)重要的氧化還原反應(yīng), 即上述兩種輔酶NAD 和NADP 參與了絕大多數(shù)的酶催化氧化還原反應(yīng), 是輔酶中最重要的一類［2］.

如圖1所示, 上述兩種煙酰胺輔酶存在著對(duì)應(yīng)的氧化還原狀態(tài), 它們?cè)诜磻?yīng)中通過(guò)與底物發(fā)生反應(yīng), 轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原或氧化形態(tài). NAD（P）H與NAD（P）+的可逆轉(zhuǎn)化, 可以實(shí)現(xiàn)輔酶的高效利用［3］. NAD（P）+可以參與不同的酶催化反應(yīng), 例如: 在三羧酸循環(huán)中蘋(píng)果酸生成草酰乙酸、 丙酮酸生成乙酰輔酶A等過(guò)程中, NAD+會(huì)生成NADH, 即電子被儲(chǔ)存在NADH分子中; 消耗NADH的反應(yīng)如丙酮酸到乳酸、 乙醛到乙醇等過(guò)程中, NADH作為電子給體, 給出電子, 生成NAD+; 在DNA和蛋白質(zhì)的合成過(guò)程中,NADPH將氫轉(zhuǎn)移給二氫葉酸, 從而催化生成四氫葉酸［4］; 在類固醇還原酶的作用下, NADPH作為電子給體, 還原雌激素和雄激素等類固醇底物［5］; 在脂肪酸合成過(guò)程中, NADPH可以在烯?；d體蛋白還原酶的作用下參與還原不飽和硫酯［6］; 此外, 在糖酵解、 脂肪酸的代謝、 線粒體呼吸鏈中的生物氧化還原反應(yīng)過(guò)程中, NAD（P） 都起著重要作用, 是生物儲(chǔ)備能量的基礎(chǔ)［2,6-7］.

需要指出的是, 在細(xì)胞內(nèi), NAD（P）H / NAD（P）+可通過(guò)與底物代謝偶聯(lián)而可逆地轉(zhuǎn)化, 從而維持活細(xì)胞中的細(xì)胞內(nèi)氧化還原平衡. 但在體外酶催化反應(yīng)中往往需要適量或過(guò)量的NAD（P）, 而NAD（P） 高昂的價(jià)格使得外加輔酶沒(méi)有經(jīng)濟(jì)可行性, 從而限制了其在酶催化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用. 另外, 可以通過(guò)化學(xué)方法轉(zhuǎn)化NAD（P）, 從而調(diào)控酶反應(yīng), 為化學(xué)和生物過(guò)程之間搭建橋梁. 因此, 將輔酶再生體系引入酶催化反應(yīng), 不僅可以增加輔酶的利用效率而且可以幫助構(gòu)建新型的人工生物轉(zhuǎn)化（例如人工光合作用）［8］.

化學(xué)家早在上世紀(jì)就已經(jīng)著手研究輔酶的再生, 即通過(guò)催化方法實(shí)現(xiàn)NAD（P）+向NAD（P）H的轉(zhuǎn)化. 目前催化再生NAD（P）的方法可以分為以下4 類: 電化學(xué)法［9］、 酶催化法［10］、 化學(xué)催化法［11］和光催化法［12］. 其中, 酶法［13］、 化學(xué)法［14］、電化學(xué)法［15］可應(yīng)用于氧化型輔酶NAD（P）+和還原型輔酶NAD（P）H的再生, 而光催化法再生NAD（P）+的研究也引起了研究者的廣泛關(guān)注: 1989 年,Ruppert等［16］以［Ru（bpy）3］2+（其中bpy = 2,2'-聯(lián)吡啶）作為光敏劑, 甲基紫精 （MV2+）作為電子受體, 實(shí)現(xiàn)了NAD（P）+的光電化學(xué)再生; 2011 年, Gargiulo等［17］提出了一種氧化型煙酰胺輔酶NAD（P）+的光催化再生方法, 在可見(jiàn)光照射下, 黃素單核苷酸FMN 介導(dǎo)的NAD（P）H 氧化速率可以提高兩個(gè)數(shù)量級(jí), 即使在非優(yōu)化條件下, 輔酶和FMN的TON 分別可達(dá)170 和340; 2017 年, Rauch 等［18］報(bào)道了一種基于藍(lán)色LED光源的光催化再生體系, 實(shí)現(xiàn)NAD+的原位再生, 并且與可見(jiàn)光體系相比, 能耗更低, 效率更高; 2020 年, Son等［19］將溶致變色染料剛果紅（CR, Congo Red） 與芴基保護(hù)的丙氨酸二肽（Fmoc-FF） 雜化制備Fmoc-FF/CR水凝膠, 在可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)下再生NAD+, 與酶促反應(yīng)耦合高效地將乙醇氧化成乙醛, TON達(dá)42 953; Ma等［20］利用共軛微孔聚合物納米顆粒作為無(wú)金屬光敏劑, 在可見(jiàn)光照射下實(shí)現(xiàn)NAD+的高效再生; 2021年, Huang等［21］報(bào)道了一種水溶性、 光穩(wěn)定的香豆素功能化環(huán)金屬銥配合物（Ir3）, 能夠催化NAD（P）H光氧化再生NAD（P）+, Ir3 表現(xiàn)出了較高的體內(nèi)生物相容性和光催化抗癌效率; 最近, Liao等［22］受NAD（P）H氧化酶的啟發(fā), 設(shè)計(jì)了一種再生NAD（P）+的光-生物催化反應(yīng)體系, 該體系在NAD（P） H氧化過(guò)程中表現(xiàn)出較高的TOF和良好的pH及底物耐受性.

我們主要介紹其中的光催化再生NAD（P）H法,主要包括其研究發(fā)展歷史、 最新進(jìn)展及其中的關(guān)鍵問(wèn)題. 需要指出的是, 在非酶催化NAD（P）H再生方法中, 產(chǎn)物有1,4-、 1,2-、 1,6-NAD（P）H及NAD2二聚體等, 其中只有1,4-NAD（P）H具有生物活性. 目前NAD（P）H 的再生研究中, 僅有部分研究中會(huì)給出NAD（P）+轉(zhuǎn)化率及NAD（P）H異構(gòu)體選擇性［6,23］. 因此需要建立更詳實(shí)可靠的評(píng)價(jià)方法, 但我們的綜述范圍僅針對(duì)光催化再生方法, 我們后續(xù)提到的再生效率均未區(qū)分1,4-、 1,2-、 1,6-NAD（P）H及NAD2二聚體.

1 光催化NAD（P）H再生

光催化NAD（P）H 再生作為一種較為新穎的再生方法, 因其利用了太陽(yáng)能而受到越來(lái)越多的關(guān)注, 特別是可見(jiàn)光催化方法具有反應(yīng)可控、 利用可見(jiàn)光等優(yōu)點(diǎn).

天然光合作用利用光系統(tǒng) I（Photosystem I, PS I）吸收光能, 并通過(guò)一系列蛋白質(zhì)復(fù)合物介導(dǎo)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移過(guò)程. PS I 是整合于光合膜上的由多個(gè)蛋白亞基組成的色素蛋白復(fù)合物, 它在光合電子傳遞鏈中催化電子從類囊體膜內(nèi)的蛋白質(zhì)體藍(lán)素（PC）和細(xì)胞色素c6 轉(zhuǎn)移到類囊體膜外的還原鐵氧化還原蛋白, 在鐵氧化還原蛋白-NADP+還原酶（Ferredoxin NADP+Reductase, FNR）的作用下, 電子最終被傳遞給NADP+［24］. 通過(guò)這種方式, 將光能以化學(xué)“貨幣”的形式儲(chǔ)存起來(lái), 使NADP+轉(zhuǎn)化為其還原形式NADPH. 由于與PS I 的相似性, 許多的光催化NAD（P）H 再生過(guò)程被稱為人工PS I.

圖式1 存在或不存在M的條件下, 光催化再生NAD（P）H的示意圖Scheme 1 Schematic illustration of photocatalytic regeneration of NAD（P）H in the absence or presence of M

如上圖所示, 在光催化NAD（P）H 再生過(guò)程中,光敏劑（PS, Photosensitizer）經(jīng)光照激發(fā), 生成激發(fā)態(tài)分子PS*, PS*從還原劑（電子給體, ED, Electron donor）中得到電子, 再將電子轉(zhuǎn)移給電子介體（M,Mediator）, M 與質(zhì)子結(jié)合, 以氫負(fù)離子（H-/ （2e-+H+）） 的形式完成NAD（P）+到NAD（P）H 的轉(zhuǎn)化.其中, 光敏劑是整個(gè)再生系統(tǒng)的核心, 開(kāi)發(fā)穩(wěn)定高效的光敏劑是目前研究的熱點(diǎn). 常用的光敏劑根據(jù)化學(xué)成分可以分為有機(jī)光敏劑和無(wú)機(jī)光敏劑.

1.1 有機(jī)光敏劑

有機(jī)光敏劑包括低聚噻吩［25］、 有機(jī)染料［26］、卟啉或金屬卟啉［27］、 硫堇［28］、 苯甲胺藍(lán)［1a］和共軛有機(jī)骨架［29］等.

1998 年, Kim 等［25］構(gòu)建了一個(gè)新型光能轉(zhuǎn)化系統(tǒng), 該系統(tǒng)由低聚噻吩、 MV2+和EDTA 組成, 并與FNR 結(jié)合使用. 其中, 低聚噻吩作為光敏劑,EDTA 作為電子給體, MV2+作為電子介體. MV2+在低聚噻吩作用下生成MV·-自由基, 將電子傳遞給NADP+, 結(jié)合FDR 催化將NADP+還原為NADPH.該系統(tǒng)驗(yàn)證了在人工光敏電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)中偶聯(lián)酶作為催化劑的可行性, 為生物酶催化劑與光能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)耦合提供了新思路.

有機(jī)染料尤其是蒽基染料因具有良好的光氧化還原特性, 作為光敏劑在光催化方面得到了廣泛的研究與應(yīng)用［26b］. 利用有機(jī)染料分子吸收光能生成激發(fā)態(tài)分子, 進(jìn)而氧化三乙醇胺（TEOA） 得到電子,將電子以氫負(fù)離子形式傳遞給NAD+, 生成NADH.2009 年, Lee 等［26a］將染料曙紅Y （Eosin Y）作為光敏劑引入再生體系中, 在電子介體［RhCp*（bpy）-H］+（M）、 電子給體TEOA 存在下, 實(shí)現(xiàn)了NADH的可見(jiàn)光光催化再生. 為尋找更多用于人工光系統(tǒng)的光敏劑, Lee 等［26b］篩選了更多的有機(jī)染料， 他們發(fā)現(xiàn): 赤蘚紅B、 曙紅Y、 孟加拉玫瑰紅和熒光桃紅B在光照下均可以高效再生NADH, 周轉(zhuǎn)頻率（TOF）為1144.8～1537.3 h-1. 同時(shí), 他們發(fā)現(xiàn)這些染料的光化學(xué)性質(zhì)受鹵素原子取代的影響, 熒光素及其鹵素取代衍生物再生NADH 效率由小到大依次為: 熒光素、 曙紅Y （2,4,5,7-Br 取代）、 赤蘚紅B （2,4,5,7-I取代）、 熒光桃紅B（2,4,5,7-Br、 3′, 4′, 5′, 6′-Cl取代）、 孟加拉玫瑰紅（2,4,5,7-I、 3′, 4′, 5′, 6′-Cl取代）, 原因是隨著取代原子變重（H ＜ Cl ＜ Br ＜I）, 染料的電負(fù)性減小, 給電子能力增強(qiáng), 其還原電位也隨之加強(qiáng). 2013 年, Lee 等［26c］報(bào)道了與NADPH 光化學(xué)再生相結(jié)合的細(xì)胞色素P450 催化的間-癸烷基化反應(yīng), 其中, 曙紅Y、 TEOA 和M 分別作為光敏劑、 電子給體和電子介體, 為可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的非酶促NADPH 再生提供了一種高效新途徑.

雖然這些光敏劑NAD（P）H 再生效率較好, 但是有機(jī)小分子具有以下缺點(diǎn): 難重復(fù)利用、 結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和產(chǎn)物/光敏劑難分離等［30］. 因此, 需要通過(guò)物理固定或化學(xué)修飾來(lái)賦予它們新的特性, 以適應(yīng)更具挑戰(zhàn)性的光催化應(yīng)用.

卟啉是一類具有4 個(gè)吡咯環(huán)的大分子雜環(huán)化合物, 具有大的π 共軛結(jié)構(gòu), 表現(xiàn)出光、 電和熱穩(wěn)定性強(qiáng)、 可見(jiàn)光吸收范圍廣等特點(diǎn). 這些優(yōu)異的性能使得卟啉材料成為光催化體系的理想材料.

2011 年, Lee 等［27a］首次報(bào)道了用于模擬人工光合作用的集光（捕光）合成木材. 該研究利用物理包埋的方式固定有機(jī)光敏劑, 封裝在木質(zhì)纖維素基質(zhì)中的水不溶性卟啉可以模擬自然光系統(tǒng), 利用光能實(shí)現(xiàn)NADH 的光催化再生, 從而可以通過(guò)依賴NADH 的酶來(lái)生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品. 多孔的合成木材復(fù)合材料為卟啉的包封提供了微環(huán)境, 并且由于包含了氧化還原活性木質(zhì)素成分, 還可以實(shí)現(xiàn)有效的光合作用. 在此基礎(chǔ)上, Kim 等［27b］設(shè)計(jì)了管狀結(jié)構(gòu)的光敏劑, 它可以降低空穴電子復(fù)合率. 如圖2 所示, Park 等通過(guò)苯丙氨酸二肽（FF） 與對(duì)羥基苯基卟啉（THPP） 的自組裝, 合成了集光多肽納米管,并將Pt 納米粒子摻雜到納米管表面, 從而可以顯著促進(jìn)FF/THPP/Pt 中電子的分離和轉(zhuǎn)移, 即高效地將電子傳遞給NAD+再生NADH, 同時(shí)該光催化體系具有良好的生物相容性, 可以與氧化還原酶結(jié)合催化α-酮戊二酸合成L-谷氨酸［27b］.

圖2 THPP作為光敏劑再生 NAD（P）H［27b］Fig.2 Regeneration of NAD（P）H by photosensitizer THPP［27b］

固定光敏劑的方法中, 相較于傳統(tǒng)的物理包埋法, 化學(xué)接枝法得到的光敏劑更為穩(wěn)定、 更為通用. 2012 年, Yadav等［27c］報(bào)告了一種新型的基于石墨烯的可見(jiàn)光活性光敏劑的合成（圖3a）: 該光敏劑將發(fā)色團(tuán)多蒽醌取代的卟啉 （MAQSP）與化學(xué)轉(zhuǎn)化的石墨烯（CCG） 共價(jià)鍵合, 既有發(fā)色團(tuán)的捕光作用, 又有CCG非凡的電子傳遞性能, 可以實(shí)現(xiàn)光催化NADH的高效再生, 并與酶促反應(yīng)偶聯(lián)催化CO2制備甲酸, 其中MAQSP作為電子給體, CCG作為電子受體, M作為電子介體. 2014年, Yadav等［27d］在進(jìn)一步的研究中, 結(jié)合兩種發(fā)色團(tuán)Isatin（靛紅）和卟啉（記為IP）, 與CCG 共價(jià)結(jié)合, 合成了新開(kāi)發(fā)的CCG-IP光敏劑（圖3b）. 該光敏劑能夠收集足夠的可見(jiàn)光, 與多酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)耦合后, 可以將CO2高選擇性地還原為甲醇.

圖3 （a） CCGCMAQSP （化學(xué)轉(zhuǎn)化石墨烯偶聯(lián)的多蒽醌取代卟啉）光催化NADH 再生［27c］;（b） CCGC-IP-bonded石墨烯納米片光催化NADH 再生［27d］（圖片引自文獻(xiàn)并得到ACS授權(quán)）Fig.3 （a） CCGCMAQSP photocatalyzed regeneration of NADH［27c］; （b） CCGC-IP-bonded graphene nanosheet photocatalyzed regeneration of NADH［27d］（Figures adapted from references with kind permission from American Chemical Society）

NAD（P）H 的再生和耦合的酶促反應(yīng)主要發(fā)生在水溶液中, 卟啉的疏水性質(zhì)導(dǎo)致未溶解的卟啉與水相之間形成相界面, 這對(duì)光生電子的傳遞起到了屏障作用［27a,27e］. 為了增加卟啉的親水性, Zhang等［27e］制備了多種含有羧基的離子型卟啉作為光敏劑, 在M 作為電子介體, TEOA 作為電子給體條件下, 含有鋅的羧基卟啉（ZnTPyPBr） 光敏劑具有最佳的NADH 再生效率, 該體系可應(yīng)用于甲醇的光酶催化合成.

有機(jī)光敏劑雖然能夠有效地利用光生成激發(fā)態(tài), 從而奪取還原劑的電子, 但是目前已知的光敏劑無(wú)法將兩個(gè)電子同時(shí)傳遞NAD（P）+分子, 往往需要電子傳遞的媒介M經(jīng)過(guò)Rh-H物種以氫負(fù)離子的形式實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電子向NAD（P）+的轉(zhuǎn)移. M是一種廣泛使用的電子介體, 能夠?qū)㈦p電子從還原的光敏劑轉(zhuǎn)移到氫化物形式的NAD（P）+, 選擇性地生成1,4-NAD（P）H. 除了光化學(xué)再生, M還可以在溫和條件下催化甲酸與NAD（P）+的轉(zhuǎn)移加氫［31］.

為減少電子傳遞媒介M 在反應(yīng)體系中對(duì)于酶反應(yīng)的影響, 同時(shí)降低酶對(duì)M 的抑制, 有機(jī)光敏劑與M 的固載研究受到了科學(xué)家的廣泛關(guān)注. 2014年, Oppelt 等［32］將M 和光敏劑結(jié)合到一起, 合成了Rh-BipyE-PVab聚合物（聯(lián)吡啶-聚（亞芳基乙炔）-聚（亞芳基乙烯）銠共聚物）, 并負(fù)載到玻璃微球表面, 以TEOA 作為電子給體, 實(shí)現(xiàn)非均相的光催化NADH 再生體系, 該再生體系在可見(jiàn)光條件下生成NADH 的TOF 達(dá)到0.145 h-1, 與之前報(bào)道的非均相體系的結(jié)果接近, 該固定化方式縮短了Rh 與光敏劑之間的距離, 避免了Rh 的損失［32］.

近年來(lái), 共價(jià)有機(jī)骨架 （Covalent organic frameworks, COFs）因?yàn)榫哂蟹€(wěn)定可修飾的結(jié)構(gòu)、 大孔隙率、 高比表面積和易于功能化等性質(zhì)而受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注, 相關(guān)研究也成為近十年來(lái)材料科學(xué)和化學(xué)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一.

2019 年, Zhao 等［29a］報(bào)道了一個(gè)以三嗪為中心平面單元, 由sp2C ＝C 鍵橋接而成的二維COF 材料 （TP-COF）, 其孔隙結(jié)構(gòu)呈鑲嵌狀六角形, 是一種優(yōu)良的半導(dǎo)體材料, 表現(xiàn)出了前所未有的輔酶再生效率, 12 min L-谷氨酸的產(chǎn)率達(dá)到97%. 這一結(jié)果證明了二維COFs 材料可用于NAD（P）H 再生, 這也是COFs 材料第一次應(yīng)用于人工PS I 系統(tǒng)的報(bào)道.

在后續(xù)工作中, Wang 等［29c］進(jìn)一步制備了兩種更穩(wěn)定的全共軛COFs, 用于光催化NADH 再生. 該工作中, 具有亞胺鍵的COFs 經(jīng)氧化環(huán)化轉(zhuǎn)化為超穩(wěn)定的π 共軛芳香噻吩［3,2-c］吡啶鍵連的二維COFs （B-COF-2、 T-COF-2）, 得益于其獨(dú)特的二維分子結(jié)構(gòu)和合適的電子性能, 具有三嗪?jiǎn)卧娜泄曹椊Y(jié)構(gòu)的光敏劑T-COF-2 在10 min 內(nèi)表現(xiàn)出良好的光催化NADH 再生效率, 達(dá)到74%［29c］. 由于光敏劑和NADH 之間的π-π 疊加作用, 在沒(méi)有M作為電子介體的情況下, NADH 的再生也可以順利完成.

上述工作表明, 通過(guò)控制COFs材料的形狀、 孔徑、 鏈接方式及后修飾, 功能化的COFs材料在光催化NAD（P）H再生領(lǐng)域具有較高的發(fā)展?jié)摿?

作為新興的有機(jī)多孔材料, 共軛微孔聚合物（Conjugated micro porouspolymers, CMPs）由于具有電子結(jié)構(gòu)可調(diào)、 合成方法多樣、 功能廣泛等特點(diǎn),在光催化領(lǐng)域得到了廣泛的研究. 2020 年, Lan等［33］報(bào)道了一系列含有光敏單元的親水性CMPs,如二苯并［b,d］噻吩砜基聚合物（DBTS-CMP1）,DBTS-CMP1 作為非均相光敏劑, 在電子給體TEOA、 電子介體M 存在下, 45 min 內(nèi)光催化再生NADH 效率為84%, 與醇脫氫酶YADH 耦合時(shí)表現(xiàn)出較好的生物相容性, 95 min 后甲醛選擇性還原得到2.33 mmol/L 的甲醇. 此外, 該工作還探究了再生過(guò)程中光生電子的傳遞路徑, 為使用CMPs 作為高效非均相光敏劑進(jìn)行光催化NADH 再生和光生物催化系統(tǒng)提供了很好的借鑒.

金屬有機(jī)骨架（MetalOrganicFrameworks, MOFs）是由金屬離子或金屬離子團(tuán)簇與有機(jī)配體通過(guò)配位鍵連接形成的一類新型的結(jié)晶多孔材料, 目前也被用于光催化領(lǐng)域. MIL-125-NH2是一種以鈦為金屬中心, 以2-氨基對(duì)苯二甲酸為有機(jī)連接配體的MOFs 材料. Aguirre 等［34］首次報(bào)道了將MIL-125-NH2作為光敏劑, 在沒(méi)有M 存在下實(shí)現(xiàn)NADH 的光催化再生.

綜上所述, 有機(jī)光敏劑具有高效的光催化再生NAD（P）H 催化活性, 但是大多數(shù)有機(jī)光敏劑還不夠穩(wěn)定, 無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)使用. 目前, 固定化有機(jī)光敏劑是一種可行的解決方案, 在此背景下, 努力開(kāi)發(fā)更高效、 更穩(wěn)定的有機(jī)光敏劑或固定化有機(jī)光敏劑的方法是光催化NAD（P）H 再生的一個(gè)巨大挑戰(zhàn).

1.2 無(wú)機(jī)光敏劑

除有機(jī)光敏劑外, 無(wú)機(jī)光敏劑, 如金屬配合物［35］、 TiO2材料［36］、 半導(dǎo)體量子點(diǎn)［37］和氮化碳［38］,具有成本低、 化學(xué)穩(wěn)定性好、 毒性低和光電性質(zhì)分子可調(diào)等優(yōu)勢(shì), 已成功用于NAD（P）H 的光催化再生.

1.2.1 金屬配合物 早在1979年, Kirch等［39］報(bào)道了由三聯(lián)吡啶釕配合物［Ru（bpy）3］2+作為光敏劑,［Rh（bpy）2H］ 作為金屬氫化物再生催化劑, TEOA作為電子給體, 實(shí)現(xiàn)光還原水得到分子氫的反應(yīng).1981年, Kiwi［40］報(bào)道了光催化還原再生NADH的首次嘗試, 利用［Ru（bpy）3］2+作為光敏劑, 三乙胺作為電子給體, 實(shí)現(xiàn)了NADH的再生. 隨后, Wienkamp和Steckan［35a］在此基礎(chǔ)上, 利用了Kirch等［39］報(bào)道的體系實(shí)現(xiàn)了NADH的光催化再生, 他們還證明Kiwi等報(bào)道的體系中, 沒(méi)有產(chǎn)生NADH, NAD+發(fā)生了自由基二聚生成了無(wú)活性的 （NAD）2.

1984 年, Mandler［35b］等報(bào)道了利用Ru（bpy）3Cl2作為光敏劑, 以MV2+作為電子介體, 實(shí)現(xiàn)NADPH的再生: 在光照條件下, 激發(fā)態(tài)三聯(lián)吡啶釕奪取硫醇分子的電子, 將其傳遞給MV2+, 再由鐵氧化還原蛋白-NADP+還原酶（Ferredoxin NADP+Reductase,FDR） 催化MV·+還原NADP+得到NADPH. 結(jié)果顯示以Ru（bpy）3Cl2為光敏劑, 40 h 后NADPH 的TON 為13. 用該光催化系統(tǒng)將丁酮酶催化還原為手性2-丁醇, 光學(xué)純度為100%. 1986 年, Mandler等［35c］進(jìn)一步報(bào)道了將光催化系統(tǒng)應(yīng)用于丙酮酸還原制備乳酸、 乙酰丙酸還原制備β-羥基丁酸等反應(yīng). 盡管這些方法涉及多步電子傳遞過(guò)程, 但其利用金屬配合物作為光敏劑實(shí)現(xiàn)NAD（P）H 的再生,為后續(xù)人工光系統(tǒng)I 研究開(kāi)辟了思路, 也為方興未艾的光催化輔酶再生研究提供了先例.

從酶催化實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看, 目前利用金屬配合物作為光敏劑來(lái)光催化NAD（P）H 再生方法仍存在以下問(wèn)題: （1）使用高濃度的有機(jī)胺（如TEOA、 三乙胺、 EDTA 等）作為電子給體, 生成的產(chǎn)物為亞胺或醛, 反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性較低, 產(chǎn)物復(fù)雜, 且這些叔胺對(duì)多吡啶配合物等光敏劑表現(xiàn)出強(qiáng)的淬滅能力, EDTA 隔離金屬離子的能力可能會(huì)影響含金屬生物催化劑（如含鐵的CYPs）的功能; （2）光敏劑無(wú)法將電子直接轉(zhuǎn)移給NAD（P）+, 需要使用較高濃度的M 或者M(jìn)V2+作為媒介傳遞電子, 最終以氫負(fù)離子形式將電子轉(zhuǎn)移給輔酶; （3）由于M與金屬配合物光敏劑、 硫醇和氨基的配位, 在氨基酸殘基存在下， M 會(huì)失活［41］; （4）光催化再生體系的效率需要繼續(xù)提高: 雖然基于光敏劑分子計(jì)算的TOF 較高, 但是考慮到反應(yīng)體系中的M 的用量, 實(shí)際反應(yīng)效率仍然需要提高, 降低金屬配合物的用量,從而降低成本和對(duì)于酶反應(yīng)的干擾.

圖式2 NAD（P）+的可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)移氫化［35d］Scheme 2 The visible-light-driven transfer hydrogenation of NAD（P）+［35d］

為了克服氨基酸殘基耐受性這個(gè)問(wèn)題, 目前科學(xué)家們已經(jīng)應(yīng)用了“隔離”策略來(lái)避免金屬配合物與酶中的配位殘基接觸. Ko¨hler等［42］將具有生物素標(biāo)簽的半三明治Ir復(fù)合物摻入抗生物素蛋白鏈菌素中, 構(gòu)建了人工金屬酶, 并有效地分隔了Ir復(fù)合物和下游的NADH依賴性酶. 出于相同的目的, 半三明治Rh配合物已與用于光催化還原NAD+的聚光聚合物材料配合使用［32］.

考慮到上述問(wèn)題, 2020 年, Dong 等［35d］構(gòu)建了一種能耐受氨基酸殘基的NAD（P）H 再生的有效光催化轉(zhuǎn)移氫化體系, 該體系用Ru（tpy）（biq）Cl2作為光敏劑, 甲酸鹽作為電子給體, 利用激發(fā)態(tài)Ru（tpy）（biq）Ln（L 為配位陰離子或中性配體）物種容易解離配體的性質(zhì), 有效避免了氨基酸殘基對(duì)于Ru 中心的配位, 從而解決了氨基酸殘基不耐受問(wèn)題, 實(shí)現(xiàn)了NADH 的高效再生, TOF 值達(dá)159 h-1, 量子產(chǎn)率為7.9×10-3. 另外, 該體系的催化劑Ru（tpy）（biq）Cl2, 既是光敏劑又是電子介體, 可以直接將電子轉(zhuǎn)移給NAD+, 從而避免使用昂貴的M 作為電子介體. 同時(shí), 該體系還可以用于NADPH、 BNAH 的高效再生, TOF 分別為190、 90 h-1.

1.2.2 TiO2作為一種廣泛使用的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料, TiO2也是第一例應(yīng)用于光催化NAD（P）H再生的無(wú)機(jī)光敏劑. TiO2具有成本低、 制備工藝簡(jiǎn)單、 化學(xué)惰性、 穩(wěn)定性好以及耐光腐蝕和化學(xué)腐蝕等獨(dú)特優(yōu)勢(shì), 在光催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［43］. 然而,TiO2可見(jiàn)光吸收和光敏化能力較差, 即使在電子給體EDTA存在的情況下, 其催化效率也很低. 此外,TiO2一般需要用紫外光驅(qū)動(dòng), 但紫外光的能量較高, 容易造成蛋白質(zhì)變性, 從而破壞酶等生物分子,這使得TiO2光催化NADH再生不能與酶促反應(yīng)耦合［44］.

考慮到可見(jiàn)光占據(jù)太陽(yáng)光的46%, 為了開(kāi)發(fā)高效的光催化NADH 再生體系, 需要光敏劑能夠吸收可見(jiàn)光, 因此需要對(duì)TiO2進(jìn)行改性, 摻雜是TiO2改性的常用方法. Jiang 等［36a］將碳、 硼及磷等元素?fù)诫s到TiO2中, 用于可見(jiàn)光催化的NADH 再生. 例如,他們用乙酸、 乙醇作為碳源, 通過(guò)酸催化溶膠-凝膠法將碳摻雜入TiO2, 摻雜的碳大大增加了TiO2對(duì)可見(jiàn)光的吸收能力. 以巰基乙醇作為電子給體, M作為電子介體, 實(shí)現(xiàn)了NADH 的高選擇性再生: 在pH=6.0、 37 ℃、 NAD+初始濃度0.2 mmol/L、 M 初始濃度0.3 ～ 0.5 mmol/L 的條件下, NADH 的光再生率可達(dá)63.98%［36a］. 摻雜其他元素的TiO2結(jié)果類似.

2021 年, Yin 等［36b］利用TiO2納米管作為光敏劑, 水作為氫供體, M 作為氫轉(zhuǎn)移催化劑, 實(shí)現(xiàn)光催化NADPH 再生, 連續(xù)光照2 h 后, NADPH 產(chǎn)率為91.2%, 濃度高達(dá)3.64 mg·mL-1, 可以與ADH 突變的交聯(lián)酶協(xié)同催化合成（R）-［1-, 5-雙（三氟甲基）苯基］乙醇,ee值超過(guò)99.99%, 這為制備其它手性醇藥物中間體提供了參考.

與有機(jī)光敏劑相比, TiO2類光敏劑催化再生NADH 的效率較低, 但作為第一代異構(gòu)無(wú)機(jī)光敏劑,TiO2類光敏劑及其改性為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)其他無(wú)機(jī)光敏劑打下了基礎(chǔ)［30］.

1.2.3 量子點(diǎn)（Quantum Dots, QDs） 量子點(diǎn)具有尺寸光學(xué)可調(diào)、 高的表面與體積比, 以及可低溫便利合成等獨(dú)特性能, 常用的量子點(diǎn)包括CdS、 CdSe和CdTe等納米晶體和碳納米點(diǎn)（Carbon Nano Dots,CNDs）［30-36］, 禁帶寬度適合吸收可見(jiàn)光, 具有良好的光穩(wěn)定性, 是繼TiO2后得到研究人員廣泛關(guān)注的一類無(wú)機(jī)光敏劑. Nam等［37a］通過(guò)熱注入法制備了CdTe、 CdSe和CdS納米晶體, 在可見(jiàn)光（＞420 nm）條件下, 產(chǎn)生激發(fā)電子, 這些電子被轉(zhuǎn)移到電子介體M中, 驅(qū)動(dòng)NAD+還原為NADH, 量子點(diǎn)的TOF由大到小依次為: CdTe、 CdS、 CdSe, 其中, CdTe納米晶體的TOF（0.540 h-1）比磷摻雜的TiO2高約180倍, 但微米級(jí)CdTe、 CdS和CdSe納米粒子即使在高濃度下也不能實(shí)現(xiàn)NADH的再生, 由此可見(jiàn), 納米晶體越小,表面活性位點(diǎn)增多, NADH產(chǎn)率越高, 光催化效率提高.

考慮到量子點(diǎn)晶體的納米尺寸, 研究人員選擇將其沉積到不同載體上, 比如SiO2、 TiO2等. Lee等［37b］采用Stober 法合成了膠體、 微米尺寸的SiO2微珠, 通過(guò)硅前驅(qū)體的水解和成核反應(yīng), 得到了單分散球形二氧化硅納米顆粒, 再通過(guò)CdSO4和Na2S的連續(xù)離子層吸附反應(yīng)將CdS 量子點(diǎn)沉積在SiO2微珠表面, 改變涂層循環(huán)次數(shù)可以在SiO2表面得到不同數(shù)量CdS 納米顆粒. 利用表面生長(zhǎng)CdS 的SiO2微珠作為光敏劑, 可以實(shí)現(xiàn)NADH 的可持續(xù)光催化再生和L-谷氨酸的酶促合成, 且在重復(fù)使用4次后,依舊保持了較高的光催化NADH 再生效率. CdS 量子點(diǎn)包覆的SiO2可見(jiàn)光催化 NADH 再生的TOF 為0.28 h-1, 比摻雜的TiO2高8～9 倍. 該研究表明, 優(yōu)化光敏劑表面形貌和電荷復(fù)合延遲是實(shí)現(xiàn)NADH光再生最佳性能的關(guān)鍵因素.

CNDs 是一種碳基零維材料, 具有成本低、 熒光性能好、 生物相容性好及易修飾等特點(diǎn), 已被廣泛應(yīng)用于光電子器件的開(kāi)發(fā). Yadav 等［37c］采用反相微乳液法制備了SiO2/CNDs 光敏劑, NADH 再生效率為74.1%, 與酶促反應(yīng)耦合由CO2生成甲酸. 這是將SiO2/CNDs 應(yīng)用于CO2利用的光生物催化體系的首例報(bào)道. Kim 等［37d］以氮摻雜的CNDs 作為光敏劑, TEOA 作為電子給體, M 作為電子介體, 實(shí)現(xiàn)了NADH 及其類似物mNADHs 的高效光催化再生,進(jìn)而促進(jìn)了與老黃酶催化的不飽和烯烴的選擇性還原.

石墨烯量子點(diǎn) （Graphene quantum dots, GQDs）是一種具有光學(xué)、 化學(xué)和生物特性的半導(dǎo)體納米材料, 在人工光合作用中發(fā)揮著重要的作用. Singh等［37e］從檸檬中提取檸檬酸, 與酸性品紅染料加熱反應(yīng)制備花朵狀基于品紅的GQDs （GQDF）, 以GQDF 作為光敏劑, 抗壞血酸作為電子給體, M 作為電子介體, 實(shí)現(xiàn)了NADH 的光催化再生, NADH產(chǎn)率為72%, 是純酸性品紅染料的2.5 倍. 該工作還可應(yīng)用于CO2的利用.

1.2.4 基于石墨氮化碳（g-C3N4）的光敏劑 2009年,Wang等［45］報(bào)道了聚合氮化碳作為一種常見(jiàn)的光敏劑, 可以實(shí)現(xiàn)無(wú)貴金屬條件下的光解水制氫. 這種可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的光催化析氫能力, 使得g-C3N4材料得到了化學(xué)家的青睞.g-C3N4具有制備簡(jiǎn)單、 帶隙適宜、 可以吸收可見(jiàn)光、 穩(wěn)定性好等特點(diǎn), 因而被視為新一代的可見(jiàn)光光敏劑.

在電子給體和電子介體存在的情況下,g-C3N4光催化再生NADH 的機(jī)理和上述有機(jī)光敏劑類似.Liu 等［38a］報(bào)道了一種硅藻結(jié)構(gòu)的石墨氮化碳（DEg-C3N4） 光催化再生NADH 的方法: 利用M 作為電子介體, NADH 產(chǎn)率可達(dá)100%; 此外, 在沒(méi)有M時(shí),g-C3N4和NAD+之間也可以直接進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移,NADH 再生產(chǎn)率可達(dá)50%. 該工作是無(wú)電子介體、無(wú)金屬的光催化NADH 再生的首次報(bào)道. 雖然介孔石墨氮化碳（mesoporous graphitic carbon nitride, mpg-C3N4） 具有更高的比表面積, 但是硅藻狀石墨氮化碳的再生效率有顯著提高, 這是因?yàn)槠涔柙鍫畹慕Y(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)捕光能力, 從而提高光催化效率. 然而, 由于沒(méi)有M 存在, NADH 的再生是非特異性的,選擇性較差. 基于以上研究成果, Liu 等進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了犧牲模板法構(gòu)建介孔g-C3N4微球 （CNMS）和高通量法合成納米g-C3N4棒 （CNR）的方法, 這兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)NADH 的高效再生.

雖然無(wú)金屬g-C3N4因其優(yōu)異的光、 化學(xué)性能而等被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域, 但其仍存在比表面積小、 可見(jiàn)光收集能力受限、 電荷復(fù)合率高、 電導(dǎo)率低等缺點(diǎn), 阻礙了其在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用. 因此, 化學(xué)家們將g-C3N4與多種化合物（如金屬、 金屬氧化物或硫化物、 量子點(diǎn)和有機(jī)分子）結(jié)合制備了多相光敏劑, 使入射光可以在光敏劑中多次反射, 延長(zhǎng)光保留時(shí)間, 從而提高其光催化NAD（P）H 再生效率［46］. 例如, Yang 等［38b］基于類囊體膜的光反應(yīng)過(guò)程, 合成了一種二維異構(gòu)光敏劑, 稱為QDs@Flakeg-C3N4, 用于可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)的NADH 再生, 然后將NADH 再生體系與乙醇脫氫酶催化甲醛加氫反應(yīng)耦合生產(chǎn)甲醇. 此外, Wu等［38c］將α-Fe2O3和碳引入g-C3N4表面制備g-C3N4@α-Fe2O3/C 核殼光敏劑,α-Fe2O3部分作為額外的光敏劑, 可以產(chǎn)生更多的光生電子, 而C 部分則是一個(gè)橋梁, 促進(jìn)電子從α-Fe2O3部分到g-C3N4或g-C3N4到C 部分的轉(zhuǎn)移, 因此, 光催化NADH 再生的有效載流子顯著增加, 其初始反應(yīng)速率達(dá)到7.7 mmol·h-1·g-1.

2020 年, 受單核金屬酶的啟發(fā), Liu 等［38e］將Co 原子分散在超薄二維氮化碳納米片上, 制備的單原子催化劑Co1/C3N4在M 存在下, 可以實(shí)現(xiàn)NADH的高效光催化再生, 再生率高達(dá)99%. 原位再生的NADH 與酶催化苯甲醛反應(yīng)耦合生產(chǎn)苯甲醇, 產(chǎn)率達(dá)到100%, 而在非酶催化體系中, 通常需要在貴金屬催化劑、 高溫高壓條件下來(lái)實(shí)現(xiàn)醛的還原反應(yīng).該結(jié)果表明, 單原子催化劑Co1/C3N4可以作為一種高效的光酶耦合反應(yīng)催化劑. 通過(guò)將M 與 Co1/C3N4單原子催化劑反應(yīng), 得到的Co1/C3N4-Rh 光敏劑仍然具有良好的NADH 再生和酶催化還原性能, 在不添加額外的M 條件下, 10 h 后苯甲醇的產(chǎn)率可達(dá)95%. 不飽和Co 位點(diǎn)可以與M 的Cp*環(huán)配合形成固定化催化體系, 雖然降低了光酶催化效率, 但該工作將均相、 多相和酶催化有機(jī)結(jié)合起來(lái), 為進(jìn)一步構(gòu)建光酶催化體系提供了新思路.

2020 年, Tian 等［38f］報(bào)道了一種將Rh 配合物接枝到噻吩修飾的多孔g-C3N4納米薄片（TPE-C3N4）上的集成人工PS I, 用于光催化NAD（P）H 再生.TPE-C3N4作為光敏劑, 其光學(xué)及光電性能較g-C3N4有了顯著提高, 能將電子快速轉(zhuǎn)移給Rh 配合物,顯著提高了電子-空穴對(duì)的分離和光吸收能力, 從而增強(qiáng)了光催化NADH 再生效率. 該體系的NADH再生速率達(dá)到9.3 μmol/L·min-1, 與封裝在MOF中的甲酸脫氫酶 （FDH） 耦合, 可以光驅(qū)動(dòng)CO2還原生成甲酸. 在此基礎(chǔ)上, Tian 等［38g］進(jìn)一步找到了TPE-C3N4中噻吩的最優(yōu)占比, 在最優(yōu)條件下,NADH、 NADPH 的光催化再生效率分別可達(dá)59.00、40.99 μmol·L-1·min-1, 是g-C3N4的 ～ 84.3 倍和24.7 倍. 該體系進(jìn)一步與酶促反應(yīng)耦合, 以964 和14.9 μmol·L-1·h-1的速度連續(xù)合成了L-叔亮氨酸和氧化苯乙烯. 這些工作大大促進(jìn)了光酶耦合體系的進(jìn)一步發(fā)展.

最近, Yu 等［38h］將羧基修飾的QDs （CdSe/ZnS）與g-C3N4一鍋法反應(yīng)制備了QDs/g-C3N4納米片光敏劑, 在QDs 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、 NAD+初始濃度為1 mmol/L 的最優(yōu)條件下, NADH 產(chǎn)率為95.7%, 是g-C3N4作為光敏劑的兩倍. 將該體系與ADH 耦合,催化糠醛選擇性還原得到糠醇, 產(chǎn)量達(dá)0.6 mmol/L,選擇性約100%. 這為其它可再生資源中平臺(tái)化合物的選擇性加氫提供了借鑒.

此外,g-C3N4材料可以與微流控技術(shù)相結(jié)合,Huang 等［38i］提出了一種有效再生NADH 的基于氮化碳光敏劑的微流控芯片設(shè)計(jì), 其分析過(guò)程簡(jiǎn)單,g-C3N4與Rh 配合物的相互作用增強(qiáng), 輔酶再生率較高. 該設(shè)計(jì)為今后制備高效的人工光系統(tǒng)提供了新的可能.

2 總結(jié)與展望

依賴NAD（P）H的酶催化反應(yīng)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用方面越來(lái)越受到人們的關(guān)注, 基于其必要性和高成本, NAD（P）H的再生對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要. 光催化NAD（P）H再生具有多方面優(yōu)勢(shì): 例如將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)化為化學(xué)能, 可以充分利用清潔、 豐富的太陽(yáng)能,反應(yīng)可控等. 通過(guò)合理的設(shè)計(jì)與調(diào)整, 可以有效提高光敏劑的捕光能力, 提高NAD（P）H再生效率.

自從1981 年, Kiwi進(jìn)行了光催化還原再生NADH的首次嘗試, 科學(xué)家們開(kāi)始廣泛研究光催化NADH再生, 1983年, Wienkamp和Steckan首次實(shí)現(xiàn)了NADH的直接光再生. 有機(jī)光敏劑和無(wú)機(jī)光敏劑均已成功應(yīng)用于光化學(xué)輔酶再生領(lǐng)域, 多樣化的光敏劑為可見(jiàn)光催化NAD（P）H再生體系提供了更多的研究思路. 值得注意的是, 光敏劑仍存在以下不足: 有機(jī)染料如卟啉、 釕配合物、 黃嘌呤染料等容易發(fā)生光漂白而導(dǎo)致催化效率降低或者直接失活;量子點(diǎn)納米晶體通常含有毒重金屬（如鎘）;g-C3N4已報(bào)道會(huì)與生物催化劑產(chǎn)生局部高濃度的自由基, 從而導(dǎo)致酶的失活［47］. 另一方面, 由于某些光敏劑的均質(zhì)性, 將產(chǎn)物從反應(yīng)混合物中分離出來(lái)是一個(gè)復(fù)雜而昂貴的過(guò)程.

以利用清潔、 豐富、 廉價(jià)的太陽(yáng)能為目標(biāo), 開(kāi)發(fā)穩(wěn)定、 吸收可見(jiàn)光、 高效的光敏劑是其中的關(guān)鍵,光催化NAD（P）H再生研究中需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)方面: （1）物理固定和化學(xué)修飾可以賦予光敏劑新的特性（例如: 可以吸收可見(jiàn)光）; （2）光能轉(zhuǎn)換體系離不開(kāi)高效的電子介體, 開(kāi)發(fā)既能吸收可見(jiàn)光又能實(shí)現(xiàn)負(fù)氫轉(zhuǎn)移的光敏劑, 避免昂貴電子介體M或有毒電子介體MV2+的使用; （3）解決光敏劑與酶生物相容問(wèn)題, 實(shí)現(xiàn)光催化NAD（P）H的再生和酶促反應(yīng)的耦合; （4）人工光系統(tǒng)需要電子給體來(lái)提供電子充當(dāng)還原劑, 應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇綠色、 生物相容性好、可持續(xù)的電子給體.