轴向配体诱导自旋态调控切换单原子纳米酶催化选择性用于自驱动纳米马达

主要作者徐媛、程淼、王凯源、王继超等来自东南大学化学化工学院、医学院及物理学院，通讯作者为沈艳飞、管杰和张袁建。该研究发表于 *Journal of the American Chemical Society*，于2026年6月15日投稿，同年8月31日接收。

单原子纳米酶（single-atom nanozymes, SAzymes）因其具有类金属—氮四配位（M−N₄）活性中心、高原子利用效率和多样化的酶催化活性而被广泛关注。尤其是铁基SAzymes在活化过氧化氢（H₂O₂）时同时表现出类过氧化氢酶（catalase-like, CAT-like）和类过氧化物酶（peroxidase-like, POD-like）活性，前者将H₂O₂分解为水和氧气，后者则催化氧化底物并可能产生有害自由基。然而，在相同的血红素样活性位点上实现这两条竞争通路的精确选择性调控，一直是该领域的核心挑战。天然血红素金属酶通过轴向配体调控沿Fe＝O反应轴方向的局域电场（local electric field, Fz），从而在共享的金属—氧中间体范围内切换催化选择性。受此启发，本研究提出通过轴向氧配位与硫掺杂协同策略构建FeNSC−O单原子纳米酶，以轴向配体诱导的铁自旋态转变来调控H₂O₂活化路径，进而将催化选择性从POD样氧化通路转向CAT样歧化通路。

在材料合成方面，研究者采用聚合—热解策略，以单宁酸为氧源，分别在含硫与无硫碳载体上制备了FeNSC−O和FeNC−O两种SAzymes。透射电子显微镜和高角环形暗场扫描透射电子显微镜证实两种材料中铁物种均呈原子级分散。X射线光电子能谱（XPS）显示FeNSC−O中硫主要以噻吩型C−S−C构型嵌入碳骨架，且其Fe−O键相对含量高于FeNC−O。X射线吸收精细结构（EXAFS）拟合结果表明，FeNSC−O的铁中心为五配位FeN₄O结构，其中四个Fe−N键长均为1.99 Å，一个轴向Fe−O键长为2.07 Å，硫位于第二配位壳层且Fe−S距离为3.10 Å；而FeNC−O中氧主要以平面掺杂形式存在于FeN₄碳基质边缘。低温电子顺磁共振（EPR）和超导量子干涉仪磁化率测量进一步揭示，轴向氧配位使FeNSC−O中铁中心由FeNC−O中的高自旋（high-spin）态转变为几乎纯的中间自旋（intermediate-spin, IS）态，其有效磁矩由5.16 μB降至3.89 μB，未成对电子数由约4降至约3。

在酶活性表征中，FeNSC−O表现出显著增强的CAT样活性，其在1分钟内可产生830 mg L⁻¹溶解氧，远高于FeNC−O的280 mg L⁻¹；其CAT样比活性为472.6 U mg⁻¹，而FeNC−O为161.1 U mg⁻¹。稳态动力学显示FeNSC−O的CAT样Vmax为0.153 mM s⁻¹，较FeNC−O提高1.89倍。相反，FeNSC−O的POD样活性被显著抑制，其Vmax为1.44 μM s⁻¹，较FeNC−O的5.68 μM s⁻¹降低3.94倍。以Vmax(CAT)/Vmax(POD)定义选择性，FeNSC−O的CAT/POD选择性较FeNC−O提高了7.4倍。

密度泛函理论（DFT）计算表明，硫掺杂显著稳定了轴向氧配位构型，其形成能为−2.36 eV，远低于平面氧取代构型。电子结构分析显示，轴向氧配位诱导Fe 3dz²轨道与O 2pz轨道形成强σ杂化，同时Fe 3dxz/3dyz与O 2px/2py形成π杂化，导致Fe中心自旋极化显著降低，自旋磁矩由FeNC−O的1.70 μB降至FeNSC−O的1.23 μB。电荷分析表明，轴向氧从Fe中心夺取约0.54个电子，使Fe向H₂O₂的电荷转移几乎被完全抑制（仅0.0015 e），因此H₂O₂在FeNSC−O上的吸附能大幅减弱（ΔG = −0.179 eV，对比FeNC−O的−2.338 eV）。这种弱化作用同时限制了H₂O₂解离生成*O和后续POD通路的关键步骤，而对CAT通路中O₂的释放则因吸附弱化而变为热力学更有利的过程。POD通路中，FeNSC−O的决速步为*H₂O₂形成（ΔG = −0.14 eV），而FeNC和FeNC−O的决速步为*O形成（ΔG分别为−0.37和−0.40 eV），即轴向氧配位使得POD通路整体热力学驱动力降低，从而实现对竞争通路的抑制。

在应用层面，研究者将FeNSC−O封装于非对称空心纳米反应器中，通过真空灌注法构建了H₂O₂响应的自驱动纳米马达。该马达呈烧瓶状，空腔直径约420 nm，开口最小直径约100 nm。在10 mM H₂O₂存在下，马达的有效扩散系数达到4.70 μm² s⁻¹，较无燃料基线提高约55倍；平均追踪速度由基线的0.61 μm s⁻¹增至4.35 μm s⁻¹，且运动速度随H₂O₂浓度（0.2、1、10 mM）呈浓度依赖性增加。在脂多糖刺激的RAW 264.7巨噬细胞炎症模型中，FeNSC−O马达表现出时间依赖性细胞摄取，在2小时内达到平台；荧光定量显示细胞摄取效率随外源H₂O₂浓度（0、50、200 μM）升高而增强，验证了H₂O₂驱动的推进效应对细胞内递送的促进作用。在H₂O₂诱导的氧化损伤模型中，FeNSC−O马达处理组的细胞内活性氧（ROS）水平较H₂O₂刺激组降低约80%，而空纳米反应器对照组无显著变化。与Pt纳米颗粒相比，FeNSC−O在实现相当ROS清除效果的同时，因POD样活性低8.8倍而表现出更高的细胞存活率（91%对79%）。

本研究的核心结论是：轴向氧配位通过重构Fe 3d−O 2p轨道杂化、降低Fe自旋极化并削弱Fe向含氧中间体的电荷转移，从而抑制POD样通路并增强CAT样通路，最终实现CAT/POD选择性的7.4倍提升。这一策略从仿生角度建立了轴向配体诱导自旋态调控与单原子纳米酶通路选择性之间的构效关系，为设计高选择性SAzymes提供了理论依据。同时，将高选择性CAT样SAzyme与不对称纳米反应器结合构建自驱动纳米马达，展示了其在炎症靶向治疗和精准医学中的应用潜力。该工作的突出亮点在于：首次通过轴向氧配位与平面硫掺杂的协同策略实现了FeN₄位点自旋态的可控转变，并将这种电子结构调控与H₂O₂活化路径的热力学/动力学行为建立定量关联；在应用层面实现了催化选择性导向的主动治疗，使H₂O₂同时充当运动燃料与治疗靶点，为氧化应激相关疾病的精准干预提供了新思路。