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纳米半导体材料因其拥有独特的光、声、电、热等性能,在多个领域都拥有潜在的应用价值。纳米晶体CdS的带隙宽度处于4.5 eV至2.5eV之间,在紫外可见光的激发下可发生能级跃迁,因而被用作光催化剂催化生物反应。在酶催化氧化还原反应中,辅酶NAD(P)+/NAD(P)H循环对于酶促反应至关重要,但其价格昂贵,限制了大规模的生产应用。因此,开发能够利用太阳能转化NADH高效再生系统至关重要。本课题选用半导体材料-纳米硫化镉(CdS)在提供外源电子供体和特定波长光照下,将电子传递给辅酶NAD+再生NADH,并与酶催化反应形成辅酶自循环,促进生物催化反应的进行。主要研究内容有以下几个方面:1、不同方法合成CdS纳米材料。实验合成了 3种不同类型的CdS纳米颗粒:高温下合成CdS量子点、利用有机试剂在常温下合成CdS-Net Frameworks(CdS-NFs)纳米材料及CdS-NFs梭型纳米聚合物(CdS-NFs-A);并利用多角度激光光散射、SEM、TEM进行表征,发现CdS QDs的粒径小于5nm;CdS-NFs形成纳米网络结构,其中CdS粒径约5nm左右;CdS-NFs-Aregation形成了500nm大小的梭型纳米材料。2、CdS-NADH-细胞光催化反应研究。首先对亮氨酸脱氢酶(LDH)菌株进行复苏、表达;其次优化LDH最适反应条件:缓冲溶液、pH、温度、底物浓度等;在酶的最适反应条件下,建立CdS-NADH-细胞光催化反应体系,筛选了三种电子供体:三乙醇胺(TEOA)、抗坏血酸(VC)、HEPES缓冲溶液,并对光照、光照强度、光催化剂浓度进行优化,在最佳的光催化条件下催化三甲基丙酮酸(TMP)转化成L-叔亮氨酸。实验最终得出静息细胞在无需外源添加辅酶的条件下,以TEOA为电子供体,460 nm LED光激发下,5 mM的CdS-NFs可以使10mM的TMP转化效率达到95%、CdS-NFs-A底物转化效率达到55%、CdS QDs催化底物转化75%,且这三种材料的辅因子循环常数TOF与无材料的对照组相比分别提高了 19倍、11倍和15倍的结论。3、构建CdS-NADH-LDH的光催化反应体系。实验将LDH与3种CdS结合,探究不同的CdS材料对LDH的固定化率和酶活力的影响,发现CdS-NFs其固定化效率达到80%、固定化酶活力回收率为77%;在酶的最适反应条件下,外源添加0.5 mM的NADH,5 mM的CdS-NFs经过72 h的光催化10 mM的TMP转化效率达到了 95%,TOF提高了 8倍,CdS-NFs-A底物转化效率为65%,TOF提高了 5.4倍,CdS QDs因其自聚导致底物转化效率为75%,TOF提高了 6.25倍,光催化LDH与光催化静息细胞结果相似。4.研究CdS-NADH光催化体系,验证光催化剂的反应效率。实验在460 nm LED光激发下NAD+可再生NADH,但是再生效率较低,TOF仅有0.02 TTn h-1,主要是因为辅酶在光催化的体系中不能稳定存在,易降解成烟酰胺和AMP。实验验证CdS-NADH-LDH体系中辅酶的存在情况,发现辅酶仍然存在降解,由此猜测辅酶再生成为光催化阶段的限速步骤。综上所述,这3种CdS都可以通过光催化促进辅酶自循环,进而推动细胞氧化还原反应的进行,而其中CdS-NFs特殊的多孔网状结构,有利于氧化还原反应中底物与酶的结合,提高光催化的效率。CdS-NFs-A和CdS-NFs的合成不仅提高了 CdS的可溶性,其能量驱动的电子传递效率也有显著提高。本研究结果为基于金属有机框架制备高效半导体材料和光催化氧化还原反应提供了新的思路。