近十年金属有机化合物固定化酶研究进展及展望
固定化酶的研究进展和应用前景
固定化酶的研究进展和应用前景固定化酶是指将酶固定在固体载体上，并保持其生物活性的一种技术。
它有许多优点，如可重复使用、稳定性高、易于回收等，因此成为了生物技术领域一种非常有前途的研究方向。
一、固定化酶的发展历程固定化酶的概念最早可以追溯到20世纪50年代。
第一种固定化酶的载体是硅胶，随后又发展了许多种载体，如凝胶、海藻酸盐、纳米材料、磁性颗粒等。
随着技术的进步，目前已有各种方法来制备纳米载体和比之前更优异的凝胶载体。
同时，各种固定化酶的制备方法也在不断改进，包括共价结合、吸附、交联、包埋等。
二、固定化酶的应用固定化酶的应用范围非常广泛，包括生物催化、食品工业、医药工业、制药工业等。
其中，固定化酶在食品工业中的应用最为广泛。
如生产葡萄糖、果汁、醋等。
固定化酶也可以用于制药工业中的药品合成。
此外，还可以在纳米技术、环境保护、制垃圾处理等领域中找到应用。
三、固定化酶的优势1. 重复使用：固定化酶具有可重复使用的优势，节省了时间和成本，具有广泛应用前景。
2. 稳定性：与游离酶相比，固定化酶具有较高的稳定性和耐受性，并可在极端环境中保持其生物活性。
3. 易于回收：固定化酶可以设计成可在固定化酶中回收，增加了其经济价值。
四、固定化酶仍需解决的问题尽管固定化酶在许多领域中具有潜力，但仍存在一些问题。
1. 优化载体：优化载体并不是一件容易的事情，其选择需要结合具体的酶种和应用需求，存在一定的技术难度。
2. 降低成本：目前固定化酶的生产成本仍比较高，限制了其在一些领域中的推广。
3. 稳定性问题：目前许多固定化酶在长时间的储存或使用过程中还会出现酶失活的情况，这需要更好的研究与解决。
综合而言，固定化酶的广泛应用前景与其固有的优势是显而易见的。
在未来，我们需要持续关注固定化酶领域的研究与发展，加快技术优化和成本降低，更好地服务于人类的需求。
固定化酶技术及应用的研究进展
固定化酶技术及应用的研究进展一、固定化酶的制备方法研究进展固定化酶的制备方法包括物理吸附、共价键结和交联结构等。
近年来，研究者们发展了一系列新型的固定化酶制备方法，如钙凝胶法、包埋法、凝胶微球法和溶胶凝胶法等。
这些新方法不仅提高了固定化酶的稳定性和活性，还大幅度降低了制备成本，提高了酶的重复使用性。
固定化酶在生物工程领域的应用主要集中在酶催化反应、生物催化剂制备以及生物催化剂的应用等方面。
例如，固定化酶可以用于生物反应器中进行酶催化反应，实现对废水处理、医药合成和食品工业等的高效处理。
此外，固定化酶还可以用于制备各类生物催化剂，如药物微胶囊和生物传感器，用于治疗疾病和检测生物分子。
固定化酶在食品工业中的应用主要包括生产酶制剂、降解保健食品、生产高价值添加物以及改善食品品质等方面。
固定化酶可以用于生产各类酶制剂，如发酵酶、复合酶和水解酶等，以加速酶催化反应。
此外，固定化酶还可以用于生产特殊功能食品，如降解保健食品、胶原蛋白等，以满足不同人群的需求。
固定化酶在医药学领域的应用主要包括药物制剂、生物芯片、药物代谢和生物传感器等方面。
例如，固定化酶可以用于制备缓控释药物制剂，以提高药物的疗效和降低副作用。
此外，固定化酶还可以用于制备生物芯片，用于分析疾病标志物和药物代谢产物等。
固定化酶在环境保护领域的应用主要包括废水处理、大气污染控制和土壤修复等方面。
固定化酶可以用于废水处理中，加速有害物质的降解和去除。
此外，固定化酶还可以用于大气污染控制，将有害气体转化为无害物质。
固定化酶还可以用于土壤修复，加速土壤中有毒物质的降解和去除。
综上所述，固定化酶技术在多个研究领域取得了重要的进展。
通过不断创新和改进固定化酶制备方法，研究者们加强了固定化酶的稳定性和重复使用性，提高了酶的应用效果和利用价值。
固定化酶技术的进一步发展，将为生物工程、食品工业、医药学和环境保护等领域带来更多创新和突破。
2.3酶固定化方法的研究进展
- 1 -酶固定化方法的研究进展1摘要：酶作为一种生物催化剂，对环境十分敏感，易受物理、化学和生物等因素的影响而失活，而且反应后混入产品，纯化困难，不能实现连续操作，这些难以克服的现象大大限制了酶促反应在工业中的应用，在这种条件下，固定化酶的概念和技术得以提出和发展。
现如今，固定化酶技术已成为酶工程研究的重点和热点之一，该技术作为一种能有效提高生产效率的手段正引起人们的广泛重视.与游离酶相比，固定化酶有许多突出优点,尤其是稳定性和可重复使用性,使其在许多领域得到广泛应用。
本文介绍了固定化酶制备的常用方法（吸附法、包埋法、共价法、交联法）以及各种各样的载体材料,同时对酶在一些性能优良的载体上的固定进行了综述。
关键词：酶；固定化；载体中图分类号：TQ1．引言酶的化学本质是蛋白质，其催化作用具有高选择性、高催化活性、反应条件温和、环保无污染等特点。
但游离状态的酶对热、强酸、强碱、高离子强度、有机溶剂等稳定性较差，易失活，并且反应后混入催化产物，分离纯化困难，不能重复使用。
为了克服上述难题，在20 世纪60 年代发展起来了一项生物工程技术，叫固定化酶技术(Immobilized Enzyme)。
所谓的酶固定化是指用固体材料将酶束缚或限制于一定区域内，进行其特有的催化反应，并可回收及重复利用的技术。
该技术克服了自由酶的上述不足，提高了酶的储存稳定性，实现了重复使用及连续自动化生产，降低了成本，在生物工程、食品工业、医药和精细化学工业等领域有着广泛的应用前景。
2．酶的固定化方法根据固定酶材料与酶分子之间结合力的不同，可分为化学法和物理法。
化学法又可分为交联法和共价结合法。
交联法需要双功能或多功能交联试剂，在酶分子和交联试剂之间形成共价键，从而把酶束缚在固体材料上。
共价结合法是通过酶分子的非必须基团与载体表面的活性功能基团形成化学共价健实现不可逆结合的酶固定方法。
化学法所得的固定化酶与载体连接牢固，有良好的稳定性及重复使用性，成为目前研究最为活跃的一类酶固定化方法。
固定化酶载体材料的研究进展
1 对固定化酶载体材料性能要求
存和操作稳定性，酶活性损失较小。
成性质稳定、生物相容性高、并且具有高强度、
由于固定化酶载体材料对酶的性质影响
2.2 合成有机高分子载体
适于工业化生产的固定化酶载体材料，仍然是
极大，因此，对载体材料的种类和性能要求十分
合成有机高分子材料由于其化学、物理性 固定化酶技术研究领域的重要课题。
天然多糖类化合物比较适合担当酶的载 PCVA 进行交联反应，得亲水性显著改善的球 学报，1998(2):66-68.
体材料，此类材料具有无毒，传质性能好和丰富 状载体，载体与胰蛋白酶进行偶联反应制备了 [5]潘丽军，陈实公，赵妍嫣.多孔淀粉接枝聚合
易的等特点，主要有壳聚糖、海藻酸钠和淀粉 固定化胰蛋白酶，该固定化酶的比活大幅提高。 物为载体固定化纤维素酶的研究[J].食品科学,
效果，近年来也有学者通过制备磁性壳聚糖微 程度提高。
球固定化酶，从而达到比较好的分离效果。如王
2.3 无机载体
[8]钱军民，李旭祥.HEC/SiO2 凝胶复合物包埋固 定化葡萄糖氧化酶的研究 [J]. 应用化学，2002,
斌等[3]利用反相总浮交联法制备磁性壳聚糖微
无机载体具有一些有机材料不具备的优 19(2)：153-157.
学等生命科学等领域的研究异常活跃，并得到 对酶有一定的保护作用，易接枝，并对酶热处理 丙烯酸羟乙酯的共聚体系中加人磁流体，制得
迅速发展和广泛的应用。在固定化酶技术中，载 一段时间后，酶的活力最大可提高 40%，这为 苯乙烯磁性微球，利用碳化二亚胺法固定中性
体材料的结构和性能对酶的活性保持及应用至 工业应用提供了一条新途径。例如，以淀粉接枝 蛋白酶，发现粒径越小，固定化酶的活性越高。
固定化酶及其应用研究进展
后来某制药公司用聚丙烯酰胺凝胶包埋含有高活力天冬氨酸酶的大肠杆菌,用于工业上利用延胡索酸转化为L-天冬氨酸。上海生化所用固定化的3′-核糖核酸酶从RNA中生产3′-核苷酸,使酶的利用率提高了10倍;袁中一等将ABSE-纤维素固定的5′-磷酸二酯酶用来生产5′-核苷酸。固定化谷氨酸脱羧酶可以生产γ-氨基丁酸,制成了CO2电极,可用于测定谷氨酸的含量。
酶在生理学、生物化学、医学、农业、工业等方面具有重大意义。酶作为生物催化剂,尤其是固定化酶作为多相生物催化剂,能够在非常温和的条件下实现合成、降解及转换化学物质的特异性反应,效率高,能源消耗少.这无疑向我们展示出一幅广阔的应用前景. 现代意义下的酶,已不单单是一些微生物的重要产物,它已成为现代生物产业中一个不可缺少的组成部分。
而生化分析中最常用的H电极也绝大多数是固定化酶产品。青霉素酶电极就是其中的一种,经过固定化处理的酶电极与pH电极一起浸入含有青霉素的溶液时,青霉素酶即催化青霉素水解,使溶液中的氢离子浓度增加,通过pH电极测出溶液中pH的增加,从而计算出溶液中的青霉素的浓度。用L-乳酸脱氢酶与BO一起通过透析膜共固定在石墨电极,在NAD+存在时L-乳酸被氧化成丙酮酸,NAD+被还原成NADH,然后NADH被TBO电氧化,其电位差可通过Ag/AgCl电极测出。这种方法可以用来快速测定食物中的L-乳酸含量。南京大学改进方法,将葡萄糖氧化固定在一覆盖在金属电极的多层膜上,做成了一对葡萄糖高度灵敏的酶电极,以前0.10mmol/L葡萄糖浓度可以反映在22nA的电流上,而改进后的电极却可以将这一极限精确到0.01mmol/L,而且测定结果不受溶液中酸的影响,几星期后酶电极仍然稳定。生物传感器目前是各国固定化酶研究领域中最为活跃的部分之一,1995年美国举行的国际酶工程会议上有了重组海洛因酯酶传感器检测违禁药品、用脱辅基酶传感器检测重金属离子、检测2,4-二氯苯氧基乙酸的双酶偶联免疫传感器、电流型酶沟道免疫传感器等。
固定化酶研究进展
固定化酶研究进展摘要酶作为一种催化剂参与体内各种代谢反应，反应后其数量和性质不会发生变换。
酶可以在常温常压等温和条件下进行高效催化反应，但由于酶对环境极其敏感、并且反应后难以回收再利用，这就限制了酶制剂产品的开发和应用，在这种情况下，固定化酶应运而生。
固定化酶(immobilized enzyme)技术由于具有高效、专一、反应条件温和以及有利于节能减排等优点，近年来在生物学、化学、医学等生命科学等领域得到广泛的研究和利用。
本文主要针对固定化酶的结构功能，制备方法，应用领域以及研究前景作简单介绍。
关键词：固定化酶应用制备研究前景ABSTRACTAs a biological catalyst, enzymes involved in various metabolic reactions in vivo, and after the reaction volume and nature of change does not occur. Enzyme can be at room temperature and atmospheric pressure efficiently under mild conditions but the enzyme catalytic reaction on the environmentally sensitive, the reaction is difficult to limit the recovery of enzyme defects such as product development and application, in this case, the immobilized enzyme emerged.Immobilized enzyme (immobilized enzyme) technology as high efficiency, specificity, mild reaction conditions and contribute to the energy saving advantages, in recent years in chemistry, biology, biotechnology, medicine and other life sciences research in the field are extremely active and the rapid development and wide application. In this paper, the structure and function for the immobilized enzyme, preparation methods, applications, and research prospects brief.Key word：immobilized enzyme application research preparation prospects brief一前言 (4)二固定化酶简介 (5)三固定化酶的制备方法 (6)3.1 载体结合法 (6)3.1.1 物理吸附法 (6)3.1.2 离子结合法 (6)3.1.3共价结合法 (6)3.2 包埋法 (7)3.3交联法 (7)四固定化酶的应用 (8)4.1固定化酶在工业生产中的应用 (8)4.2固定化酶在生化制药中的应用 (8)4.3固定化酶在生物传感器方面的应用 (8)4.4固定化酶在环保技术方面的应用 (8)五固定化酶的研究展望 (9)参看文献： (10)酶是在生物体内自身合成的生物催化剂，它具有催化高效性和高度专一性的特点，但当它受强碱、强酸、高温等条件的影响时，性质会随之改变从而失去催化活性。
金属有机框架结构固定化酶的研究及其应用
金属有机框架结构固定化酶的研究及其应用金属有机框架结构（Metal Organic Framework, MOF）是一种由金属离子或金属氧化物和有机配体构成的开放性结构材料。
这种材料有着广泛的应用前景，例如在催化、气体吸附和分离、生物医学等领域都有潜在的应用价值。
最近，一些研究表明，MOF固定化酶可以提高酶的稳定性和催化性能，在生物技术和医学领域有着广泛的应用前景。
本文将会介绍MOF的特性，以及在固定化酶方面的研究进展和应用前景。
1. MOF的特性MOF是一种开放性结构的材料，具有许多优点。
首先，由于MOF具有高度开放的孔和通道结构，因此可以用于吸附和分离气体和分子。
其次，MOF可以调整晶格参数和孔径大小，因此它的催化性质非常灵活。
此外，MOF可以通过固定化功能分子、金属离子、无机物等进行改性，进一步提高其反应活性和选择性。
最后，MOF的晶型和配位化学结构可以通过选用不同的金属离子和有机配体进行调整，从而得到具有不同性质和应用的MOF材料。
2. MOF固定化酶的研究固定化酶是将酶固定在固体载体上，以提高酶的稳定性和催化能力，为工业化生产和生物技术应用提供了可行的方式。
MOF材料作为载体，固定化酶有着许多优点。
首先，MOF具有几何稳定性和可调节的结构，可以提高酶的空间定向性，降低大量激活能，提高反应效率。
其次，MOF具有良好的生物相容性和低毒性，可以作为一种生物医学载体材料使用。
最后，MOF具有高度可控的大小和形状，因此可以制备具有不同形状和尺寸的MOF固定化酶，以适应不同的反应环境和应用场合。
MOF固定化酶的主要方法包括物理吸附、共价连接和插入法等。
由于MOF的孔径和分子尺寸的匹配性很高，因此物理吸附能够很好地固定酶。
但是，物理吸附往往存在一些问题，例如活性不稳定、失活等。
共价连接法可以在MOF材料表面引入化学交联点，通过与酶分子反应的功能化配体共价连接的方式将酶固定在MOF孔道内部。
插入法是一种将酶通过电荷静电吸引到MOF孔道内部，然后通过固定化方法使其固定在内部的孔道中的方法。
金属有机骨架固定脂肪酶的研究进展
材料具有显著的特性,其催化活性、稳定性( 包 括 热、pH 值、有 机 溶 剂 和 储 存 稳 定 性 ) 、可 重 复 利 用 性 和
选择性等酶学性能均有很大的提高。 还概述了 MOF - 脂肪酶复合物在水解、酯化、酯交换等生物催化领
2. College of Food Science and Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China
Abstract: The unique properties of lipases such as better specificity, high catalytic efficiency and environmental friendliness enable them as the industrially important biocatalysts. The lipase immobilization technology expands the practical application of lipases since it overcomes the limitations of free lipase, such as easy
固定化酶 是 指 在 物 理 上 限 制 或 束 缚 在 一 定
和连续使用的酶。 将 酶 固 定 在 固 体 载 体 上,能 更
有效控制 反 应 过 程 并 提 高 酶 在 储 存 和 操 作 条 件
下的稳定性。 此外,固 定 化 酶 的 异 相 性 使 其 更 容
易地从产 品 中 分 离 出 来, 将 污 染 最 小 化, 而 且 回
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近十年金属有机化合物固定化酶研究进
展及展望
摘要：金属有机骨架材料(MOFs)凭借其较高的比表面积和孔体积、可设计和调控的孔径及结构,以及化学和热稳定性等特点,克服了传统固定化酶载体的孔径尺寸不可控、制备成本高、酶浸出、产物稳定性差等不足,近年来成为一类新型酶固定化载体。
首先,本文分类总结了MOFs固定化酶的特点和近几年发展进展。
文章最后展望了MOFs固定化酶未来发展前景，
关键字：金属有机骨架材料，生物酶，固定化，研究进展，应用现状
金属有机骨架材料（Metal Organic Frameworks，MOFs）凭借自身独特的性质如特定的主-客体相互作用及限域效应，极大提高了酶的负载率以及限制酶分子的流失，甚至极端环境下仍能维持酶的活性，近年来成为固定化酶载体的研究热点。
不同于传统载体，MOFs材料是由有机配体和金属离子在溶液中发生自组装而形成的一类具有周期性孔结构的结晶杂化材料。
由于其物理和化学性质的独特性，加上其化学和结构灵活多样的可调配性，使得MOFs材料在生物酶的固定领域具有巨大的应用价值[1, 2]。
1.MOFs固定化酶的方法
常见MOFs固定酶的方法主要包括以下4种，即表面吸附、共价结合、孔道包埋和原位合成，见表1。
其中，表面吸附的温和操作条件使其成为保持酶构象和活性的理想选择；酶表面上丰富的氨基与MOFs的羧酸基团以共价偶联结合生成肽键则可以防止酶从MOFs中浸出；酶进入介孔MOFs的孔道或空腔完成包埋可以实现高酶负荷和低酶浸出；原位合成的优势在于克服了酶尺寸限制对固定在MOFs上的应用，并且即使在恶劣条件下也能表现出色的稳定性。
表1 利用MOFs载体固定酶的4种主要合成策略及其比较方法
方法优势劣势
原位合成
制备条件温
和，酶活性不受影
响；快速
合成条件限于水溶液；MOFs种类较
少
表面吸附
操作简单；绿
色化学
酶与载体作用力弱，易流失；耗
时；强静电相互作用可能影响蛋白质构
象，从而导致酶活性下降
共价键法
酶与载体之间
作用力强
操作复杂；化学试剂引入可能对酶
活性有影响
孔道包埋
酶负载率高且
不易流失
对MOFs孔径（大多限于介孔）、酶
尺寸、形状都有要求
1.MOFs固定化酶的特点
MOFs用于酶的固定化具有4个显著的特点，即可重复使用性、高选择性和催
化活性、高稳定性和水耐受性。
（1）可重复使用性。
与游离酶相比，固定化酶
最大优点之一是它们的可重复使用性，这在MOFs作为载体材料中显得尤为突出，使得其成本大为降低。
MOFs材料可以构建大量规则的微孔或介孔，不仅如此，由
于其金属节点和有机配体丰富的几何学特征，载体的结构和形貌可以合理设计，
使其具备所需的特定功能。
Feng等将辣根过氧化物酶（HRP）分别固定在介孔材
料PCN-333和SBA-15上，HRP@PCN-333复合材料在5个循环内活性保持在至少80%以上，而HRP@SBA-15复合材料在经过一个循环后就失去了超过70%的活性[3]。
（2）高选择性和催化活性。
MOFs多孔骨架材料拥有巨大的比表面积和孔体积，
极有利于分子的吸附和扩散。
此外，由于MOFs骨架上的官能团可以积极参与催
化过程，且有机配体的调控可使其孔径大小按需优化，这使得酶-MOF复合材料对
底物分子具有更好的选择性，从而大大增强了酶-MOF复合物的催化活性。
Lykourinou等[4]使用Mb@TbmesoMOF复合材料催化1, 2, 3-三羟基苯（THB）
和2, 2'-连氮基双(2-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸盐)（ABTS），研究结果表明，
Mb@Tb-mesoMOF复合材料催化THB的初始速率几乎是ABTS的6倍，并且是游离
Mb和Mb@SBA-15催化速率的2倍以上。
（3）高稳定性。
通过特定的主-客体相互
作用，具有材料拓扑结构的MOFs多孔骨架材料可以为酶分子构建稳定的微环境，使其在保持酶活性、防止酶分子团聚等方面表现出巨大的优势。
一般情况下，当
酶暴露于极端环境中或者有机溶剂时，会使酶的构象发生改变，活性位点变形导
致酶活性的丧失。
而酶在MOFs多孔骨架材料上的固定则使得这些条件下酶活性
丧失最小化，从而增强酶对变性条件的耐受性。
Liang[5]等将HRP固定在ZIF-8上，得到的HRP@ZIF-8复合材料在沸水或沸腾的DMF溶剂中可保持85%的活性，
这种结果对于酶固定在其他材料上是前所未有的。
（4）水耐受性。
通常酶在水
溶液中易发生团聚现象，而固定在MOFs载体上的酶能降低对水的敏感性，再加
上MOFs空腔的紧密包封能减少酶结构的不利展开，故而负载在MOFs上的酶活性
能很好地维持。
基于以上实现的前提是MOFs具有优异的水耐受性，如锆基MOFs、NU-100x。
Chen等[6]将胰岛素封装在NU-1000中用于糖尿病治疗，胰岛素@NU-1000不仅有良好的水耐受性，而且对pH变化也不敏感。
3. MOFs固定酶研究进展
早在2006年，Pisklak等[7]首次报道了MOFs固定微过氧化物酶-11（MP-11），用于催化氧化亚甲基蓝（MB）。
此后，采用MOFs作为载体固定酶的合成
方法及其应用研究日益活跃，成为国际热点领域。
Ma等[8]研究了5种具有不同
表面积和官能团的沸石咪唑骨架（ZIFs）对葡萄糖脱氢酶（GDH）和亚甲基绿（MG）的表面吸附。
ZIFs的疏水特性使得ZIF-70可通过疏水作用将GDH吸附到
其表面。
此外，UV-vis光谱表明ZIF-70和GD存在主-客体相互作用和氢键作用，意味着GDH在ZIF-70上的吸附同时受物理作用和化学作用的影响。
4. MOFs固定酶展望总结
MOFs被证明是固定化酶的有效载体。
MOFs固定化酶在催化活性、稳定性及
可重复性方面表现出令人满意的效果，进而作为检测、降解环境污染物的有效手段，在环境监测和污染物去除中表现出良好的应用前景。
需要指出的是，酶-
MOFs复合材料在环境中的应用还处于初级阶段，拓展和探究MOFs固定化酶在绿
色环境化学中新的应用途径和技术手段也是研究者今后亟待解决的难点问题。
目
前大多数酶-MOFs在环境中的应用研究仅关注酶的功能而忽略了MOFs本身的吸附、分离和催化等性能，这些性能对污染物的去除作用是不可忽略的，故MOFs和酶
对污染物的协同作用是今后的研究方向之一。
此外，随着MOFs材料研究的迅速
发展以及人们对固定化酶性能影响因素的深入理解，MOFs固定化酶的可控制备将
成为今后研究的重点和热点，同时也在存在相当的挑战。
（1）不同固定化方法
对目标酶和MOFs的选择、合成条件提出不同的要求，对酶也产生不同程度的影响，既有各自的优势又有各自的局限性，在选择设计合成方法时中需要综合考虑。
（2）对MOFs材料的孔径和表界面特性进行设计和调控。
（3）酶和MOFs之间的
相互作用、MOFs中酶的构象及酶活性中心的取向在很大程度上是未知的，而利用
现代分析手段和模型研究将有助于探索这些信息以设计合成更有效的酶-MOFs系统。
参考文献
[1] Li W, Zhang Y, Zhang C, et al. Transformation of metal-organic frameworks for molecular sieving membranes[J]. Nature communications, 2016, 7: 11315.
[2] Qin L, Li Z, Xu Z, et al. Organic-acid-directed assembly of
iron–carbon oxides nanoparticles on coordinatively unsaturated metal sites of MIL-101 for green photochemical oxidation[J]. Applied
Catalysis B: Environmental, 2015, 179: 500-508.
[3] Feng D, Liu T F, Su J, et al. Stable metal-organic frameworks containing single-molecule traps for enzyme encapsulation[J]. Nature communications, 2015, 6: 5979.。