液滴微反应器在酶促反应中展现出巨大优势，其空间限域效应不仅能减少试剂消耗，还能提升反应速率与选择性。然而，静态操作模式受限于被动扩散的传质机制，导致反应效率提升存在瓶颈。传统搅拌手段虽可改善传质效率，但伴随的机械扰动会诱发微反应器结构失稳并引发交叉污染，限制了其实际应用潜力。
近日，江南大学化学与材料工程学院&合成与生物胶体教育部重点实验室联合香港中文大学化学系、深圳大学化学与环境工程学院联合设计了一种动态旋转的液体弹珠（Liquid Marble）微反应器。团队基于Pickering乳液模板法，成功制备出磁响应蛋白质基胶囊体（Colloidosome），其独特结构可以同步实现磁响应操控（Fe3O4纳米粒子的负载）、高疏水性及酶的固定化。该研究创新性地将葡萄糖氧化酶（GOx）和辣根过氧化物酶（HRP）分别限域于胶囊体壳层与液体弹珠核内，利用旋转磁场驱动微反应器定向运动，使级联反应速率较静态体系显著提升。进一步拓展至水/有机溶剂两相界面催化体系后，脂肪酶催化酯化反应同样显示出了显著的动态传质强化效应。该设计通过非接触式磁控技术规避了机械搅拌导致的结构失稳问题，并实现了精准定位与可控释放。该工作以“Rotating Liquid Marble Microreactors for Enhanced Enzymatic Reactions”为题发表在Wiley材料类顶级期刊《Advanced Functional Materials》(Adv. Funct. Mater.2025, 2504193)。江南大学2023级博士研究生蒋伟杰和深圳大学管鑫助理教授为该工作共同第一作者，江南大学蒋航副教授和香港中文大学魏涛教授为该工作通讯作者。
本研究首先基于Pickering乳液模板法构建了磁响应蛋白质胶囊体，其外层为紧密堆积的疏水二氧化硅纳米颗粒，内部通过玉米醇溶蛋白（zein）实现了磁性纳米颗粒与酶分子的共固定化。胶囊体呈均匀分散的近球形结构，内部可见磁性颗粒分布。其兼具磁响应特性与高疏水性，干燥后形成的粉末可有效阻隔水相环境。
图1. 磁响应蛋白质胶囊体的制备与表征.
图2. 液体弹珠的制备.
通过将水溶液滴在胶囊体粉末床表面滚动，成功构建了球形液体弹珠。表征分析显示，胶囊体在液滴表面以聚集体的形式形成了连续的疏水保护层。同时，液滴体积调控实验揭示，当体积超过临界阈值时，重力作用引发液滴椭球化形变，但仍保持完整的封装状态。此外，颗粒的尺寸也会显著影响液体弹珠的稳定性：尺寸较小的颗粒形成的液体弹珠表面更致密，导致内水相蒸发速率减缓。
图3. 液体弹珠的特性.
胶囊体中嵌入的Fe3O4纳米颗粒赋予液体弹珠非接触式磁控能力。实验表明，液体弹珠在外磁场作用下可实现精准的空间定位与定向迁移，同时实现可控内容物释放。而在液-气界面体系中，即当漂浮在水表面时，液体弹珠既可执行水平面定向运输，也可通过旋转磁场驱动绕垂直轴连续旋转。
图4. 液体弹珠的磁响应操控.
本研究进一步构建了空间分隔的双区室级联催化体系，其中GOx被固定于胶囊体内，HRP则限域在液体弹珠液核内。实验结果表明，在相同时间点，动态旋转液体弹珠内的荧光产物试卤灵的信号强度显著高于静态体系。在5 mM葡萄糖浓度条件下，动态体系反应物的生成速率较静态体系提高了1.7倍，验证了旋转对底物扩散的促进作用。
图5. 动态旋转液体弹珠中GOx和HRP的酶促级联反应.
最后将液体弹珠定位于甲苯/水两相界面，系统研究其旋转特性与动态催化性能：将脂肪酶封装于液体弹珠内。在酯化反应中，动态旋转有效提升了产物的转化率，此优势同样归因于旋转增强的界面传质效率。
图6. 动态旋转液体弹珠中的两相酶促反应.
论文链接:
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202504193