Shang-Wei Lin, Phuc Khanh Lam, Chin-Teng Wu, Kuan-Hsuan Su, Chi-Fang Sung,
Sen-Ruo Huang, Je-Wei Chang, Orion Shih, Yi-Qi Yeh, Trung Hieu Vo, Heng-Kwong Tsao,
Haw-Ting Hsieh, U-Ser Jeng, Fa-Kuen Shieh, and Hsiao-Ching Yang
ACS Nano 2024, 18, 36, 25170-25182

國家同步輻射研究中心 鄭有舜研究員
國立中央大學 化學系 謝發坤教授
輔仁大學 化學系 楊小青特聘教授

我們研究透過分子動力學模擬與密度泛函理論計算，深入探討金屬有機框架 (metal-organic framework, MOF) 在水溶液中的成核與結晶過程，及其如何影響生物蛋白分子的包裹封裝機制，模擬結果提供質子轉移機制與結構演變之分子層級資訊。為驗證理論模型，進一步設計並執行原位小角與廣角X光散射（small- and wide-angle X-ray scattering, SWAXS）實驗量測，即時監測其水相中之成核與結晶過程。實驗數據與模擬結果相互印證，共同揭示環境友善型MOF的生長過程之成核與結晶機制之全貌。在此選擇了能夠水相合成的ZIF-8作為研究系統，發現其早期的成核與結晶可分為三個階段：在階段一，咪唑配體取代鋅-水配位錯合物中的水，觸發質子轉移，形成無定形簇核。第二階段，無定形簇核進一步發生關鍵的結構轉變，朝向有序晶核轉變，形成有序的中尺度結構，此轉變受到能量屏障的影響，成為控制結構轉換速率的決定步驟。最後第三階段，溶液中的穩定晶體奈米粒子逐漸形成，晶體與溶液界面間的分子相互作用達到與溫度相關的熱平衡。更進一步探究可封裝的胃蛋白酶（pepsin）、未封裝的溶菌酶（lysozyme）蛋白質，對ZIF-8形成的影響，發現其氨基酸質子轉移能力和濃度，影響複合結構的形狀和包裹封裝效率。這項研究結果有助於理解生物仿生礦化的分子機制，並對在無定形MOF核內操作為蛋白質成核位點具有潛在應用前景。在此結合理論模擬與實驗量測的研究策略，有助於全面理解環境友善型MOF在水溶液中的成核與結晶過程，並為生物仿生礦化分子機制研究提供嶄新的理論與技術發展方向。