半導體-酶光催化體系的研究進展*

李冠霖 李梅鈺 李雪辰 崔岱宗*

（東北林業(yè)大學生命科學學院，哈爾濱 150006）

半導體在特定波長的光激發(fā)條件下產(chǎn)生的光生電子可以為原核生物以及其細胞內(nèi)氫化酶、固氮酶等酶所利用，促進細菌的合成代謝及各類酶的催化反應［1］。目前，半導體-酶光催化體系的可行性與效率均已經(jīng)得到廣泛的論證，該體系的提出和發(fā)展為酶催化反應的大規(guī)模應用提出新思路，在化工原料生產(chǎn)、簡單有機產(chǎn)品合成、新型清潔能源等領域具有廣泛應用前景［2-9］。

本文梳理了近年來“半導體-酶”光催化領域內(nèi)的部分研究成果，對該雜化體系的構建及功能進行解析，分析了現(xiàn)有研究的局限，并對未來的研究方向提出一些構想。

1 雜化系統(tǒng)的構建

雜化系統(tǒng)主要由提供電子的半導體和催化反應的酶兩部分組成。在光激發(fā)條件下，半導體內(nèi)的電子會獲能躍遷，產(chǎn)生光電子。光電子通過體系中相應途徑傳遞到酶的活性中心，參與酶催化相應的反應［1］。受到光激發(fā)后，半導體在原位形成的氧化空穴可以通過引入外源犧牲劑進行填補。外源犧牲劑起到提供電子、阻止光生電子流的復合、防止光腐蝕的作用。圖1展示了該系統(tǒng)的基本組成。表1統(tǒng)計了近10年來國內(nèi)外部分研究者所構建的“半導體-酶”光驅(qū)動雜化系統(tǒng)的構建策略及其相應功能。

1.1 半導體的選擇

對半導體光催化性能的開發(fā)并不是一個新課題，早在20世紀80年代就已有對于半導體材料光催化性能的研究［18］。而利用半導體納米材料有效捕獲光并將其用于酶促反應則是該領域的最新應用。半導體納米材料具有足夠的光捕獲效率，且它們易與各類還原酶配對。同時，半導體材料支持通過導電層進行較輕松的電荷轉(zhuǎn)移，從而最大限度地減少微生物代謝過程中的能量損失［20］。其中，納米半導體材料以其廉價、吸收光譜寬且連續(xù)、電子傳遞效率高等優(yōu)點在雜化體系的構成中占據(jù)了重要地位［4］。熱力學研究表明，半導體光吸收劑的能帶位置需連接兩個半反應，即析氫反應（HER）和氧化反應（OER）［15］，以水分解為例（圖2）。且半導體光吸收劑的帶隙不應太寬，帶隙過寬將導致無法利用可見光（400~800 nm，帶隙：1.53~3.10 eV）。部分常用半導體帶隙圖與部分常見反應氧化還原電勢圖如圖3所示［21-22］。

Fig. 1 Construction strategy of semiconductor-enzyme hybrid system圖1 “半導體-酶”雜化體系的構建策略

Table 1 Types and functions of semiconductor-enzyme hybrid systems表1 “半導體-酶”雜化系統(tǒng)的種類及功能

Fig. 2 Energy level diagram of water decomposition at pH 7.0（the illustration was drawn according to Fang et al.［23］’s work）圖2 pH 7.0下驅(qū)動水分解的能級圖（據(jù)Fang等［23］的論文仿畫）

已有研究表明，雜化系統(tǒng)中半導體部分的電子反應分為3個步驟：光收集、電荷分離和表面反應。電子反應效率則與半導體材料帶隙、躍遷模型、內(nèi)建電場等性質(zhì)以及半導體的形狀、厚薄、結(jié)晶度等形態(tài)特性相關［4］。應用于雜化系統(tǒng)的半導體一般是半導體納米粒子。納米粒子具有較寬且連續(xù)的吸收光譜，克服了窄光譜吸收的缺點。且納米粒子有較為穩(wěn)定的化學結(jié)構，可以反復激發(fā)循環(huán)，具有抗氧化能力［18］。

研究發(fā)現(xiàn)，天然半導體礦物帶中一些細菌可以利用礦物經(jīng)太陽光照產(chǎn)生的光電子支撐自身生長代謝。受此啟發(fā)，人們建立了早期的“半導體-微生物”雜化系統(tǒng)，開始了以生物方式利用半導體光激發(fā)電子的探索［31］。國內(nèi)外研究者聚焦于半導體礦物金紅石、赤鐵礦、閃鋅礦等與氧化亞鐵硫桿菌、銅綠假單胞菌等的協(xié)同電子轉(zhuǎn)移作用，對其進行了大量的研究［32］。Liu等［33］研究表明，半導體與細菌的接觸面積是影響二者電子傳遞效率的最直接因素之一。以上結(jié)論同樣適用于由“半導體-微生物”系統(tǒng)進一步簡化發(fā)展而來的“半導體-酶”雜化系統(tǒng)。因此，納米材料有比表面積大、光電特性優(yōu)良的優(yōu)點，具有更高的電子傳遞效率，有效解決了普通半導體材料與酶組成的系統(tǒng)中電子傳遞效率低的問題而廣受研究者的青睞。

Fig. 3 The comparison of energy level diagrams of some semiconductors and some gibbs free energy diagrams for common REDOX reactions［4，8，17，22，24-30］圖3 部分半導體能級圖與部分常見氧化還原反應吉布斯自由能比較圖［4，8，17，22，24-30］

在雜化系統(tǒng)中，納米半導體材料一般被制成量子點 （納米粒子）或納米棒的形式［8-9，14-15，19-20，34-35］。量子點形式半導體材料尺寸大小對自身的電子結(jié)構具有一定的決定作用，這使其光電特性在一定程度上變得可控［36］。因此，量子點形式半導體材料得到了廣泛的應用［14］。如Brown等［19］聚焦于將CdS量子點與MoFe蛋白固氮酶相結(jié)合，實現(xiàn)了將N2還原為NH3的生物催化反應。而納米棒在系統(tǒng)中可以起到骨架作用，支撐系統(tǒng)并為酶提供附著位點［35-36］，同時，相較于零散的納米點形式，納米棒可以更好地進行封裝與修飾，這有利于半導體材料本身的穩(wěn)定性［37］，例如Brown等［35］將酶通過配體附著在CdS納米棒上，再集體封裝制成雜化系統(tǒng)用于H2的制取。

為了進一步提高系統(tǒng)的催化效率，部分研究者采用了復合型半導體，其主要目的是將前文所述電子傳遞的3個步驟分區(qū)進行，以進一步提升半導體的電子傳遞效率［25］。如采用溶膠-凝膠法制備的TiO2-硅藻土光催化劑，使負載在硅藻土載體上的銳鈦礦相轉(zhuǎn)變溫度顯著提高，達到近900℃，光催化活性增強［38］。Caputo等［14］將1∶1的CNx聚合物與TiO2納米晶在尿素中共加熱，制成CNx-TiO2復合半導體量子點（圖4）。這種結(jié)構實際上構成了一種半導體電池，TiO2與酶核心金屬離子的結(jié)合、CNx激發(fā)和CNx-TiO2電荷轉(zhuǎn)移極大地改善了可見光的吸收效率，從而拓寬了可利用光的范圍，提高了光激發(fā)電子的效率，在光驅(qū)動制氫的系統(tǒng)中擁有良好的應用［34，38-39］。同樣以類似方法形成半導體電池的還有Zhang等［34］以納米Ag顆粒與納米TiO2顆粒復合成納米團簇構建的CO2還原系統(tǒng)。采用復合型半導體還可以提高自身的穩(wěn)定性，這種復合型半導體一般采用包被式結(jié)構，由外層材料保護內(nèi)部，通過增強抗氧化或抗光腐蝕作用達到提高穩(wěn)定性的效果［15，20，34，38，40-51］。

Fig. 4 A schematic diagram of the composition of a hybrid system（the illustration was drawn according to Caputo et al.［14］’s work）圖4 一種雜化系統(tǒng)組成示意圖（據(jù)Caputo等［14］的論文仿畫）

1.2 應用各類酶的雜化系統(tǒng)

眾多研究表明，“半導體-酶”雜化體系能夠極大提高生物氧化還原酶的催化效率，其生產(chǎn)效率僅受到酶自身催化效率的影響［13］。根據(jù)Brown等［35］的研究，在“CdS-氫化酶”體系中，在最適條件下，“半導體-酶”雜化系統(tǒng)可使氫化酶催化產(chǎn)氫效率提高約40%；在Brown等［29］的另一項研究中，雜化體系在光照下產(chǎn)率相較于黑暗條件下提高近50%。

現(xiàn)有研究基本實現(xiàn)了對H2、NH3等簡單化合物的制取，如以“CdS-固氮酶”體系生產(chǎn)NH3、以“CdS-氫化酶”體系制氫。還有少量的研究以該類型體系制取了較復雜的有機產(chǎn)物，如Hamby等［15］構建的CdS-海洋磁球菌MC-1鐵氧還蛋白氧化還原酶體系，成功制取了2-氧戊二酸。還有研究者將雜化體系與生物的經(jīng)典代謝途徑相結(jié)合，用于制取有機產(chǎn)物，如Brown等［16］將CdSe-鐵氧蛋白還原酶體系與無氧呼吸部分路徑結(jié)合，用于制取乙醇。下文介紹幾種具有代表性的雜化系統(tǒng)應用實例。

1.2.1 “半導體-固氮酶”雜化系統(tǒng)

氮氣的裂解和氨的還原是一個過程復雜且具有挑戰(zhàn)性的多步反應。傳統(tǒng)化學固氮需要嚴格的高溫高壓條件，而通過固氮酶進行生物催化則可以在較為溫和的條件下完成該反應［4］。Brown等［29］以CdS納米晶光敏化固氮酶鉬鐵（MoFe）蛋白，以光能代替ATP水解的化學能來驅(qū)動N2被酶還原為NH3。他們將納米級CdS與MoFe固氮酶蛋白通過互補嵌合和表面靜電力結(jié)合起來，同時以4-羥基乙基哌嗪乙磺酸(2-[4-(2-hydroxyethyl)piperazin-1-yl]ethanesulfonic acid, HEPES)為犧牲劑提供電子，并加入固氮酶抑制劑（如乙炔、一氧化碳和氫氣）抑制氮氣還原，形成了高效催化N2還原為NH3的固氮體系。在最佳條件下，該體系的量子產(chǎn)率為75 min-1，是“固氮酶-ATP”偶聯(lián)反應速率的63%。

1.2.2 “半導體-氫化酶”雜化系統(tǒng)

氫能作為優(yōu)秀的清潔能源載體，具有單位質(zhì)量熱值高、零碳、無污染等優(yōu)點，被認為是最具應用前景的清潔能源［51］。傳統(tǒng)制氫的方法效率低、產(chǎn)氫品質(zhì)差。Caputo等［14］開發(fā)了一種由［NiFeSe］-氫化酶接合到CNx修飾的TiO2納米粒子表面的體系。他們以尿素為介質(zhì)加熱TiO2納米顆粒，并將其與CNx連接，通過構建耦合電子軌道擴展了能夠利用的光波長范圍，顯著改善了太陽能的收集效率，節(jié)省了約0.2 V的電子用于反應。最終在以甲基紫精（MV2+）為電子犧牲劑的上述雜化體系將量子產(chǎn)率提高至35 s-1，72 h內(nèi)，每摩爾氫化酶轉(zhuǎn)化量可達3.8×106mol H2。

1.2.3 “半導體-CO2還原酶CO脫氫酶”雜化系統(tǒng)

隨著全球氣候變暖，如何處理大氣中大量以CO2為代表的溫室氣體成為了全世界面臨的挑戰(zhàn)［52］。而以CO2為原料制取高價值化學品則對這一挑戰(zhàn)提供了一種行之有效的解決方案。Woolerton等［8］通過TiO2-一氧化碳脫氫酶雜化系統(tǒng)構建了高效將CO2還原為CO的途徑。他們在厭氧條件下將釕光敏劑改性的TiO2納米顆粒和酶置于水體系中，并緩緩攪拌使二者互相吸附，最后添加緩沖液和吸附染料并密封整個體系，成功實現(xiàn)了在可見光下使CO2轉(zhuǎn)化為更高價值化學品的反應，為溫室氣體處理提供了新思路。“半導體-酶”雜化系統(tǒng)不僅在碳中和方面有良好的應用，更為合成較為復雜的有機物提供了可能。Hamby等［15］開發(fā)了一種膠體CdS納米棒與2-氧戊二酸∶海洋磁球菌MC-1鐵氧還蛋白氧化還原酶雜化的體系，成功地以琥珀酰輔酶A和CO2為原料合成了2-氧戊二酸。他們使用3-巰基丙酸酯（MPA）配體包覆CdS納米管，使其帶上負電與2-氧酸氧化還原酶產(chǎn)生吸附作用，并整體封裝形成完整體系。在405 nm激光照射下，該體系的量子產(chǎn)率約為1%。該研究不僅為有機產(chǎn)物的工業(yè)合成提出更加綠色的新途徑，也展示了碳中和的新思路，同時對生物體新的能量代謝途徑的發(fā)現(xiàn)和構建有啟發(fā)意義。

1.3 犧牲劑

犧牲電子供體用于猝滅半導體因光激發(fā)而產(chǎn)生的光生空穴。當光電子被激發(fā)離開半導體時，會在原位留下帶著正電的“空穴”?？昭ㄓ兄鴺O高的氧化活性，既會導致酶被氧化而失活，又會縮短半導體材料的使用壽命。而電子犧牲劑則可以提供電子填補空穴以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，防止光腐蝕，同時阻止光電子流復合。電子犧牲劑一般是易被氧化的還原性物質(zhì)，具有較為容易解離的電子。然而，光催化制氫反應對犧牲劑的能帶位置和抗光腐蝕能力有著非常嚴格的要求，這極大限制了犧牲劑的種類。在早期的系統(tǒng)中，有研究者曾使用Na2S、Na2SO3、H2S作為光催化制氫反應的犧牲劑。然而這些物質(zhì)具有較強的毒性，無法運用于“半導體-酶”體系這種雜化系統(tǒng)。而有機犧牲劑結(jié)構多樣、種類繁多，其中有相當一部分具有優(yōu)秀的生物學適應性，因此，在“半導體-酶”雜化體系中，研究者常用抗壞血酸、半胱氨酸、甲酸、三乙醇胺等有機電子犧牲劑［53］。其中，抗壞血酸是優(yōu)秀的天然抗氧化劑，可以在中性、酸性條件下使用，具有十分優(yōu)良的性能；半胱氨酸作為一種天然氨基酸，在自然環(huán)境中廣泛存在，大大降低了“半導體-酶”雜化系統(tǒng)在自然環(huán)境中的應用難度；甲酸價格低廉，在酸性環(huán)境中也具有非常良好的性能，為“半導體-酶”雜化體系的大規(guī)模應用提供了條件；三乙醇胺則在堿性環(huán)境下表現(xiàn)良好。表2對這幾種常用的犧牲劑做了比較。

Table 2 Comparison of solubility，redox potential，pH and toxicity of common sacrificial agents表2 常用犧牲劑的溶解性、氧化還原電位、pH、毒性對比

2 雜化體系的作用機理與電子傳遞途徑

2.1 直接途徑（無介體途徑）

“半導體-酶”生物催化體系的功能本質(zhì)上是通過電子的傳遞促使反應的發(fā)生，因此解析其電子傳遞路徑十分必要。在無介質(zhì)的情況下，最初的光激發(fā)電子由半導體產(chǎn)生，激發(fā)出的光電子轉(zhuǎn)移到酶的活性中心，用于催化底物還原；而半導體上由于電子轉(zhuǎn)移而留下了帶有高氧化活性、帶正電的空穴。半導體空穴氧化電子犧牲劑獲得電子從而被填補，隨后再次被光激發(fā)，進入下一個循環(huán)［10，15］。在光電子離開半導體到達酶活性中心的過程中，會有大量電子猝滅而得不到有效利用。為避免電子浪費，研究者采用了多種方式使酶與半導體緊密結(jié)合以縮短電子傳遞途徑，例如利用配體連接酶與半導體［40］，對“酶-半導體”界面在拓撲和表面化學等方面進行合理設計，或提高酶的電活性，使電子更高效快速的進入酶的活性中心參與反應［23，53］。

2.2 間接途徑（有介體途徑）

有介質(zhì)的構建方式常見于人工光合體系等通過改造生物經(jīng)典代謝途徑合成較復雜化學產(chǎn)物的體系中，如Wilker等［11］構建的生產(chǎn)α-酮戊二酸的體系、Brown等［16］構建的還原乙醛生產(chǎn)乙醇的體系等。而現(xiàn)有研究中所使用的介體多為NAD+/NADH、NADP+/NADPH等輔酶以及多種高活性催化劑如鎳、銀等金屬［54］。這些物質(zhì)一般較容易結(jié)合和解離電子，是良好的電子傳遞載體。在這類體系中，半導體的光激發(fā)電子先結(jié)合到介體上，形成還原態(tài)介體。而后電子從介體轉(zhuǎn)移到酶的活性中心進行反應，而介體轉(zhuǎn)為氧化態(tài)進入下一個循環(huán)。直接途徑相較間接途徑增加了電子通過半導體-介質(zhì)-酶的傳遞過程［55-56］。

3 局限與不足

3.1 半導體材料對酶的毒性

光驅(qū)動雜化系統(tǒng)雖然有著光明的前景，但仍有著許多局限性。現(xiàn)有研究表明，傳統(tǒng)的半導體材料具有一定的毒性，這會對酶的活性和反應的正常進行產(chǎn)生危害。其毒性主要來源于3方面：a. 半導體材料中含有重金屬離子，具有重金屬毒性，會導致酶逐漸變性失活［57］；b. 納米級材料使半導體本身更加活躍，更易于發(fā)生反應，以CdS為例，研究發(fā)現(xiàn)鎘納米粒子的毒性可能來自自身的理化性質(zhì)，由于其具有較高的比表面積，在生物系統(tǒng)中具有了更高的毒性［58-59］；c. 半導體材料在光激發(fā)條件下還會產(chǎn)生具有強氧化性的空穴，產(chǎn)生大量活性氧（ROS）［60］，這同樣會導致酶的變性失活，這種毒性與其本身的光吸收強度及光生載流子產(chǎn)生效率呈正相關［60-61］。盡管雜化系統(tǒng)中有犧牲劑的存在，但氧化空穴的氧化壓力仍然不可避免地會對酶產(chǎn)生慢性損傷［62］。因此，在較短時間內(nèi)，雜化系統(tǒng)極大提高了酶的催化效率，但在長時間尺度內(nèi)，酶也會因為長期面對較高的氧化壓力而導致活性下降、半衰期縮短，最終失活。此種情況下，在酶的一生中雜化系統(tǒng)最終對酶的催化功能是否真正的起到了促進作用？“半導體-酶”雜化體系的應用成本是否會因此產(chǎn)生無法預料的大幅增長？這些問題仍然需要進一步的研究探索。

3.2 系統(tǒng)對光能利用效率

半導體-酶雜化系統(tǒng)對光能的利用率低，是目前制約該領域發(fā)展的另一掣肘。以制氫為例，從技術經(jīng)濟角度來看，雜化系統(tǒng)的光能轉(zhuǎn)化效率需要達到5%~10%方能產(chǎn)生一定的市場競爭力，達到25%才能與傳統(tǒng)化石燃料相媲美［63-64］?；诹Ｗ酉到y(tǒng)的最高光能利用效率約為1%［65］，而基于電極的系統(tǒng)通常可以達到10%左右［54］。其中，光電子在從半導體到酶活性中心的傳遞過程中，損失率一般高達80%以上［11，66］。因此需要設法提高系統(tǒng)的光利用率，進一步壓縮雜化系統(tǒng)的成本。

4 總結(jié)與展望

生物催化是一項被廣泛應用于化工和制藥行業(yè)的綠色技術。文中所述的許多成功研究表明，生物催化提高了化學反應過程的可持續(xù)性。通過利用光能來驅(qū)動化學轉(zhuǎn)化，將氧化還原生物催化和光催化相結(jié)合，實現(xiàn)更綠色環(huán)保的化學反應。因此，在過去的幾年里，利用光作為酶催化反應驅(qū)動力的概念提出就不足為奇了?！鞍雽w-酶”雜化系統(tǒng)可顯著提升酶的催化效率。隨著更多光酶的發(fā)現(xiàn)、如表1中所述的光酶及其犧牲劑，以及新型半導體的應用與在雜化系統(tǒng)的裝配，“半導體-酶”雜化系統(tǒng)必將會突顯出自身的巨大優(yōu)勢。目前，不僅有利用此系統(tǒng)進行重要化學物質(zhì)的合成，更有許多基于“光-酶”系統(tǒng)所開發(fā)出的各類新型實驗成果。例如，已有通過“光-酶”系統(tǒng)來開發(fā)癌癥治療方案、綠色化學、節(jié)能減污等方面的應用［67］；根據(jù)研究，光酶催化研究在仿生葉綠體等擁有光酶系統(tǒng)的仿生細胞器中有著巨大的前景［68-69］。這也指明了新的研究方向——能否將半導體-光酶雜化系統(tǒng)引入這些單純只有“光-酶”偶聯(lián)的系統(tǒng)，從而使其可以完成更復雜的反應鏈，達到更高標準的目標？當然，除了光酶以外，不斷出現(xiàn)的新型半導體亦值得發(fā)掘深究其與光酶和犧牲劑的聯(lián)系。未來將繼續(xù)致力于研究這類雜化高效光生物反應器以及其裝配方法的改良，有望獲得更深層次的成果［70］。