这篇发表于 Journal of the American Chemical Society 2026 年 3 月的学术论文，由张泽东（武汉理工大学/清华大学）、宋光春（中国农业科学院）、沈纪（武汉理工大学/清华大学）、杨佳睿、庄泽超（清华大学）、孙文明（首都师范大学）、刘祥文（北京科学技术研究院）、张德权（中国农业科学院）、王定胜（清华大学）及何大平（武汉理工大学）共同完成，是一项关于柔性单原子纳米酶的原创性研究报告。
一、 学术背景与研究目标
该研究的核心科学领域是纳米酶与单原子催化。纳米酶，即具有类酶催化活性的无机纳米材料，已展现出巨大的生物医学和环境应用潜力。然而，传统的无机纳米酶，尤其是结构明确的单原子纳米酶，其活性中心通常固定在刚性载体上，缺乏天然酶通过构象变化适应不同底物和反应环境的“柔性”或“诱导契合”能力。这种结构刚性限制了其催化功能的多样性和效率。因此，如何将天然酶的动态适应性和多功能性赋予原子级分散的催化中心，是设计高性能、智能化仿生催化剂的关键挑战。
研究团队的学术背景基于两点重要认知：1）在天然酶中，活性位点在底物结合时可发生构象调整，从而优化催化路径并降低能垒；2）他们的前期工作发现，主族元素镓在硫、磷等软配体配位下，可展现出超越常规晶格振动的周期性“柔性振荡”。基于此，本研究提出了一个核心科学问题：能否通过精确调控镓单原子的配位环境，特别是引入柔性配体，构建出一种具有类似天然酶动态适应性的“柔性单原子纳米酶”，从而实现单一活性中心对多种类酶活性的自适应性切换？本研究的目标正是验证这一构想，通过理论与实验相结合，设计并制备出基于镓-氮三硫（Ga-N3S）配位的柔性单原子纳米酶，并系统评估其在过氧化物酶、氧化酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶等多种类酶反应中的性能，阐明其“柔性”结构对催化性能的调控机制。
二、 详细研究流程
本研究采用了“理论预测指导—精准合成验证—性能系统评价—机理深入探究”的完整工作流程。
流程一：理论设计与模拟。 研究首先从原子尺度进行理论计算与模拟，以预测和筛选具有潜在动态灵活性的活性中心结构。研究团队采用了从头算分子动力学模拟（AIMD）方法，对不同的镓单原子配位结构（如对称的Ga-N4、非对称的Ga-N3O以及目标结构Ga-N3S）进行了数皮秒尺度的动态模拟。这是本研究的一个核心理论方法，用于观察不同配位环境下金属-配体键长的波动情况。模拟结果显示，刚性对称的Ga-N4结构键长波动极小（约±0.25 Å），而Ga-N3O的波动有所增加但仍有限。然而，当引入硫（S）配体形成Ga-N3S结构时，Ga-N键的波动范围急剧增大至约±1.2 Å。这种显著的周期性结构振动表明，Ga-N3S位点具有本征的结构柔性，可能引发配位环境的动态重构。
进一步，研究者通过电子结构分析揭示了这种柔性的起源。计算表明，Ga-S键具有适中的共价强度（晶体轨道哈密顿布居积分，ICOHP为-4.03 eV），介于Ga-N和Ga-O之间。更重要的是，在费米能级附近存在强烈的Ga 4p轨道与S 3p轨道杂化。对AIMD轨迹的相关性分析发现，这种电子耦合强度对短键长范围内的微小变化极为敏感。这意味着，Ga-N3S位点的周期性几何振荡可以有效地、自适应地调节其电子结构，为实现动态催化提供了理论结构基础。
流程二：材料合成与结构表征。 基于理论设计的指导，研究团队采用了一种聚合物限域合成策略来精准制备具有不同配位环境的镓单原子纳米酶。通过调控聚合物前驱体（如引入含硫或含氧单体），在热解过程中可控地制备了Ga-N4、Ga-N3O以及目标产物Ga-N3S三种构型。表征方法全面而先进： 1. 形貌与元素分布：通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）直接观测到碳载体上原子级分散的亮点，证实了Ga的单原子状态。能量色散X射线光谱（EDS）元素映射显示Ga、N、S元素在Ga-N3S样品中均匀分布，排除了Ga纳米颗粒的存在。 2. 局部配位结构分析：这是确认“柔性”配位环境是否成功构建的关键环节。研究综合运用了X射线吸收精细结构谱。首先，近边结构谱（XANES）显示所有Sazyme中Ga的氧化态略低于Ga2O3参比样。扩展边精细结构谱（EXAFS）的傅里叶变换谱中，仅在~1.47 Å处出现第一配位壳层峰，未检测到Ga-Ga散射路径，再次证实了Ga的单原子分散。通过对EXAFS数据进行曲线拟合，定量得到了Ga-N和Ga-S配位键的键长与配位数，有力支持了Ga-N3S模型的正确性。此外，X射线光电子能谱（XPS）也验证了样品中N、S、O等杂原子的成功掺杂以及Ga的价态。 这些多维度的结构表征结果与AIMD模拟预测的模型高度吻合，证明了实验成功制备了具有理论设计的“柔性”Ga-N3S配位结构的单原子纳米酶。
流程三：催化性能系统评估。 为验证“柔性”结构带来的多功能自适应性，研究者对制备的几种Ga Sazyme进行了一系列标准化的类酶活性测试。他们评估了四种核心的模拟活性：过氧化物酶（POD-like）、氧化酶（OXD-like）、过氧化氢酶（CAT-like）和超氧化物歧化酶（SOD-like）活性。 在所有测试中，Ga-N3S FSazyme（柔性单原子纳米酶）均表现出显著优于刚性结构Ga-N4和非对称但仍较刚性的Ga-N3O的性能。例如，在典型的POD-like反应（以H2O2为底物氧化TMB）中，Ga-N3S不仅初始活性最高，其反应速率还随时间持续增强，这与其“自适应”的结构特性相符。时间依赖性和动力学（米氏方程拟合）分析均证实了这一点。此外，FSazyme在连续十次循环测试后仍能保持稳定的活性，且反应后的催化剂结构（通过STEM和XAFS验证）未发生明显改变，证明了其良好的结构稳定性和循环稳定性。
流程四：反应机理探究。 为了从理论上解释Ga-N3S FSazyme性能优越的原因，研究团队进行了密度泛函理论计算，聚焦于H2O2分解这一关键步骤。计算比较了Zn-N4、Ga-N4、Ga-N3O和Ga-N3S模型上H2O2分解为H2O和O2的反应路径自由能变化。 结果表明，与Zn-N4相比，引入Ga单原子位点改变了反应的速决步（RDS）。更重要的是，在Ga基催化剂中，柔性Ga-N3S结构对于速决步（*OH → *O的转化）具有最低的热力学能垒。动力学分析也显示，在Ga-N3S上形成*O物种的过渡态能垒也低于Ga-N3O。计算还发现，Ga-N3S位点能够同时吸附两个*OH中间体，这有利于它们进一步结合生成H2O，而Ga-N4结构则无法实现这种共吸附，需要额外的扩散步骤，因此反应性较低。中间体（*O和*OH）在Ga-N3S上更强的吸附自由能也与其更高的反应活性（更低的米氏常数）相关联。这些理论计算结果与AIMD模拟揭示的结构柔性相呼应，共同阐明了Ga-N3S位点通过动态调节其几何与电子结构，优化了关键氧中间体的吸附与转化，从而实现了高效的多功能类酶催化。
流程五：概念应用展示。 为了进一步展示这种自适应FSazyme在复杂实际环境中的应用潜力，研究者探索了两个概念验证性的比色传感应用。其一，利用Ga-N3S的POD-like活性，构建了一个用于肉制品新鲜度的智能指示标签。肉品腐败过程中释放的挥发性胺类物质，能与H2O2和FSazyme协同作用，调节氧化型TMB的生成，从而引起标签颜色从蓝到无色的渐变，直观反映新鲜度变化。其二，利用其固有的OXD-like活性（无需外源H2O2），开发了用于检测水样中Fe3+的芯片式比色传感器，其检测性能与常规方法相当。这两个应用证明了FSazyme能够适应不同的氧化环境（有/无外加H2O2），并实现特定的传感功能，展现了其实际应用的可能性。
三、 主要研究结果
这些结果之间存在清晰的逻辑链条：理论模拟预测了Ga-N3S的柔性→实验成功合成并表征了该结构→该结构在实际测试中展现出卓越的多功能催化性能→理论计算解释了其性能优异的微观机理→最终的应用演示体现了其实际价值。每一步的结果都为下一步的研究提供了支撑和深化。
四、 结论与研究价值
本研究成功设计并制备了一种基于Ga-N3S配位的柔性单原子纳米酶，通过实验与理论相结合，证明了通过引入硫配体可以赋予单原子位点以显著的结构柔性和电子结构自适应能力。这种“柔性”使得单一活性中心能够像天然酶一样，根据反应环境自适应地调节其构型与电子态，从而高效地催化多种不同的类酶反应（POD、OXD、CAT、SOD等），实现了从“一种结构对应一种功能”到“一种结构自适应多种功能”的跨越。
本研究的科学价值在于：首次提出并实现了“柔性单原子纳米酶”的概念，将天然酶的“诱导契合”和动态适应性机制成功地引入到无机单原子催化体系中，为设计新一代智能、多功能的仿生催化剂开辟了全新的思路和普适性策略（即通过调控主族金属与软配体的配位来引入柔性）。其应用价值在于：所开发的FSazyme在生物传感（如食品新鲜度监测、环境离子检测）乃至未来的疾病诊疗（如调节活性氧水平）等领域具有广阔的应用前景。它能够根据不同的目标分析物或反应条件，切换其催化功能，实现更复杂、更智能的检测或催化任务。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容
文中还提及了与“智能”单原子催化剂相关的最新研究进展，将本研究置于“动态催化”和“仿生催化”这一快速发展的前沿领域中进行定位。同时，研究者通过两个具体的传感应用（新鲜度指示和Fe3+检测），不仅展示了FSazyme的功能多样性，也为其在即时检测、智能包装等领域的潜在应用提供了直接的原理验证，增强了研究的完整性和吸引力。补充材料中可能包含更详细的合成方法、表征图谱、动力学数据及计算参数，为其他研究者复现和深入研究提供了充分的信息。