本研究由东南大学沈艳飞（yanfei shen）、管杰（jie guan）和张袁健（yuanjian zhang）团队主导完成，第一作者为许元（yuan xu）、程苗（miao cheng）、王凯源（kaiyuan wang）和王继超（jichao wang），发表于 *Journal of the American Chemical Society*（2026年，第148卷，第40131−40143页）。该研究聚焦于单原子纳米酶（single-atom nanozymes, sazymes）的催化路径选择性调控问题，通过模拟天然血红素金属酶中轴向配体对局部电场的调控机制，成功设计并合成了具有轴向氧配位的FeN₄结构单原子纳米酶（FeNSC−O），实现了过氧化氢酶样（catalase-like, CAT）与过氧化物酶样（peroxidase-like, POD）活性之间高达7.4倍的选择性提升，并将其构建为H₂O₂驱动的自推进纳米马达用于炎症细胞内的活性氧（reactive oxygen species, ROS）清除。
单原子纳米酶因其类金属−N₄活性中心、高原子利用效率和多样化的酶催化活性，被视为天然酶的重要替代品而受到广泛关注。然而，在同一血红素类活性位点上精确调控催化选择性——尤其是区分过氧化氢酶样与过氧化物酶样活性——仍然是该领域的核心挑战。H₂O₂活化过程可能经由多种金属−氧相关路径（包括吸附、O−O键断裂、表面结合氧物种、高价金属−氧中间体或自由基生成等）进行，因此调控金属−氧物种的反应活性成为切换反应路径的关键策略。
天然血红素金属酶为路径选择性H₂O₂活化提供了启发式范式。尽管不同的血红素酶共享相似的卟啉铁中心和Compound I中间体，但周围蛋白质骨架在活性位点施加高度特异的分子内局部电场，特别是沿着Fe＝O反应轴方向的电场分量（Fz），能够调控铁氧单元的电子结构、自旋分布和热力学性质，从而在同一金属−氧中间体平台内实现反应选择性切换。值得注意的是，带有不同轴向配体的血红素蛋白表现出截然不同的Fz分布：Cys配位的加氧酶呈现强正Fz，Tyr配位的过氧化氢酶呈现弱正Fz，His配位的过氧化物酶则呈现负Fz。这一差异与其催化功能的多样性密切关联。
基于上述认识，本研究旨在通过在平面Fe−N₄位点引入轴向配体，构建不对称的反应轴微环境，从而直接扰动配位对称性和电子结构、重构金属d轨道分裂模式并调控金属中心的自旋态分布，最终实现H₂O₂活化从POD样氧化路径向CAT样歧化路径的选择性切换。此外，研究者进一步将所获得的FeNSC−O单原子纳米酶封装于非对称空心纳米反应器中，构建了H₂O₂响应的自推进纳米马达，旨在实现炎症细胞的主动穿透和胞内ROS清除。
研究采用聚合−热解组合策略制备了两种对比样品：FeNSC−O（含硫碳载体，轴向氧配位）和FeNC−O（无硫碳载体，平面氧掺杂），均以单宁酸为氧源。通过透射电子显微镜（TEM）和高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）证实两种样品中铁物种均以原子级分散形式存在于碳基质上，X射线衍射（XRD）未检测到晶体铁氧化物。能量色散X射线光谱（EDS）元素面扫描确认Fe物种均匀分布。
X射线光电子能谱（XPS）分析显示FeNSC−O中存在噻吩型C−S−C硫物种（S 2p₃/₂ 164.0 eV），且Fe−O键相对强度较FeNC−O更高（32.1% vs 24.8%），表明硫掺杂促进了金属配位氧物种的优先形成。Fe 2p XPS进一步显示FeNSC−O中Fe³⁺比例高出56%，与其增强的金属−氧配位能力一致。
Fe K边X射线吸收近边结构（XANES）显示FeNSC−O的吸收边相对于FeNC−O发生正移，表明其Fe价态更高，与额外Fe−O键形成导致的配体到金属电荷转移增强相符。扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）拟合揭示了两者的第一配位壳层差异：FeNSC−O最优拟合为五配位FeN₄O模型（四个Fe−N路径1.99 Å，一个Fe−O路径2.07 Å），而FeNC−O则为畸变的四配位FeN₄模型（三个Fe−N 1.96 Å，一个拉长的Fe−N 2.11 Å）。扩展范围拟合进一步表明S位于Fe第二配位壳层（Fe−S距离3.10 Å），而非直接与Fe配位。
低温电子顺磁共振（EPR）谱显示FeNSC−O的g = 6信号（对应S = 5/2高自旋态）消失且g = 4信号（对应S = 3/2中自旋态）增强。超导量子干涉装置（SQUID）磁化率测量与居里−魏斯定律拟合得出FeNSC−O和FeNC−O的有效磁矩分别为3.89 μB和5.16 μB，对应未成对电子数约3和4。结合XPS的Fe²⁺:Fe³⁺比例进行定量自旋态去卷积，结果表明FeNC−O含约76.5%高自旋Fe³⁺和23.5%中自旋Fe³⁺，而FeNSC−O几乎完全（约98%）由中自旋Fe³⁺组成。
在pH依赖性实验排除pH干扰后，研究分别在pH 7.4（CAT样活性）和pH 3.6（POD样活性）条件下进行活性评价。CAT样活性通过溶解氧生成量监测，FeNSC−O在1分钟内产生830 mg s L⁻¹氧气，显著高于FeNC−O（280 mg s L⁻¹）和对照样品。CAT样比活性（specific activity, SA）为472.6 U mg⁻¹（FeNSC−O）和161.1 U mg⁻¹（FeNC−O）。稳态动力学拟合得出FeNSC−O的CAT样最大反应速率（Vmax）为0.153 mM·s⁻¹，是FeNC−O（0.081 mM·s⁻¹）的1.89倍，但底物亲和力更弱（Km = 210 mM vs 160 mM），符合CAT途径催化剂通常具有较低H₂O₂亲和力的特征。
POD样活性以TMB（3,3′,5,5′-四甲基联苯胺）为底物进行比色测定。FeNSC−O的POD样比活性为191.9 U mg⁻¹，远低于FeNC−O的418.1 U mg⁻¹；Vmax分别为1.44 μM·s⁻¹和5.68 μM·s⁻¹，即POD途径被抑制3.94倍。由此定义的CAT选择性（Vmax(CAT)/Vmax(POD)）在FeNSC−O中较FeNC−O提升了7.4倍。
DFT形成能计算评估了不同氧掺杂构型的热力学稳定性。在原始FeNC中，平面氧取代的形成能（0.19∼2.86 eV）高于轴向配位氧（−1.01 eV），但当Fe位于碳层边缘时，平面取代变得有利（−1.37∼−1.17 eV）。在FeNSC体系中，轴向配位氧的形成能显著降低至−2.36 eV，远优于平面取代（−0.62∼2.62 eV），证明硫掺杂大幅稳定了轴向配位氧构型。
自旋密度分布和投影态密度（PDOS）分析揭示：FeNC−O的自旋密度主要来源于Fe dz²轨道（未成对dz²电子），而引入轴向氧后，FeNSC−O中Fe dz²与轴向O pz轨道杂化形成σ键轨道并被自旋向上和向下电子同时占据，自旋极化几乎消失；自旋密度转而主要来源于Fe dxz/dyz与O px/py杂化的π键轨道。这一重分布使Fe中心自旋磁矩从1.70 μB（FeNC−O）降至1.23 μB（FeNSC−O）。
CAT样反应机理的自由能计算表明，H₂O₂吸附步骤中FeNC和FeNC−O的Fe−O间存在强电子耦合和显著电荷转移（Bader电荷转移0.631 e和0.704 e），而FeNSC−O的Fe与H₂O₂间距离达2.273 Å（FeNC约为1.67 Å），电荷转移仅0.0015 e，轴向氧则从Fe获取0.54电子。PDOS显示FeNSC−O中Fe 3d与H₂O₂ O 2p的能带中心间隔（3.25 eV）远大于FeNC（0.67 eV）和FeNC−O（0.45 eV），轨道重叠大幅减弱。在POD路径中，FeNC−O的决速步（*O形成）自由能变化最负（−0.40 eV），反应速率最高；FeNSC−O的决速步（*H₂O₂形成）自由能变化仅−0.14 eV，且*H₂O₂向*O+H₂O转化需克服约0.21 eV能垒（FeNC和FeNC−O中该步骤无能垒），进一步确证其POD路径受抑。
通过软模板法制备了具有烧瓶状不对称结构的空心纳米反应器（空腔直径约420 nm，瓶颈长度约310 nm，最小孔口直径100 nm），经真空灌注法将FeNSC−O负载其中获得纳米马达。时间分辨光学追踪显示，无H₂O₂时马达呈布朗运动，加入10 mM H₂O₂后产生定向推进。均方位移（mean square displacement, MSD）分析显示H₂O₂存在时有效扩散系数达4.70 μm²·s⁻¹，较无燃料基线提升约55倍；追踪速度从基线的约0.61 μm·s⁻¹增至0.2、1和10 mM H₂O₂时的1.82、2.42和4.35 μm·s⁻¹，呈现燃料浓度依赖特性。
在LPS刺激的RAW 264.7巨噬细胞炎症模型中，罗丹明110标记的FeNSC−O马达在2小时左右达到胞内荧光平台，且胞内积累呈现H₂O₂浓度依赖性（200 μM H₂O₂组的归一化荧光约为0 μM组的4倍），而空心烧瓶对照组无此浓度依赖性。胞内ROS清除实验中，DCFH-DA探针检测显示FeNSC−O马达处理组荧光强度较H₂O₂刺激组降低约80%，空心烧瓶组无显著变化。与Pt纳米颗粒相比，FeNSC−O在保持同等ROS清除效果的同时表现出更高的细胞存活率（91% vs 79%），归因于其竞争性POD活性低8.8倍。
本研究通过仿生轴向配体工程策略成功实现了单原子纳米酶催化路径选择性的精确调控。核心发现包括：（1）硫掺杂稳定了轴向氧配位构型，使FeNSC−O中Fe中心从高自旋态转变为中自旋态；（2）轴向氧配体诱导的Fe 3dz²−O 2pz σ杂化和Fe 3dxz/dyz−O 2px/py π杂化重构了轨道电子结构，降低了Fe自旋极化并削弱了Fe向含氧中间体的电子转移能力；（3）由此导致的H₂O₂弱吸附和*O形成受限有效抑制了POD路径，而O₂弱结合则促进了CAT路径中的O₂释放，实现了CAT/POD选择性7.4倍提升；（4）将FeNSC−O封装于不对称空心纳米反应器中构建的H₂O₂响应自推进纳米马达，具备炎症细胞主动穿透和胞内ROS清除能力。
该研究的科学价值在于首次系统阐明了轴向配体、自旋态和催化路径选择性之间的构效关系，为单原子纳米酶的路径选择性调控提供了电子结构层面的理论依据和实验范式。其应用价值在于为氧化应激相关疾病的靶向治疗开辟了新路径——H₂O₂同时充当推进燃料和治疗靶点，实现了催化活性与主动传输的双重功能集成，为精准医学和智能药物递送系统提供了概念验证。
本研究的突出亮点体现在三个层面：其一，在策略设计上，将天然血红素酶中轴向配体调控Fe＝O轴局部电场的生物学原理成功移植至单原子纳米酶体系，实现了从“活性增强”到“选择性切换”的范式跃迁；其二，在机理阐释上，通过XANES/EXAFS、低温EPR、SQUID磁学测量和DFT计算的系统联用，从配位构型、自旋态分布、轨道杂化、电荷转移和反应自由能等多维度构建了完整的“结构−电子−催化选择性”证据链；其三，在功能集成上，首次将催化选择性优化的单原子纳米酶与不对称空心纳米反应器相结合，利用CAT路径产生的O₂作为推进动力源，实现了酶样活性与自驱动行为的有机统一，为纳米酶在炎症微环境中的主动靶向干预提供了新思路。