摘要：金属纳米酶凭借其类酶催化活性和环境适应性，被视为替代天然酶进行工业化应用的理想材料。然而，其实际应用面临两大关键挑战：活性位点暴露不足导致催化效率受限，胶体稳定性差引发团聚失活。通过减小粒径或引入稳定剂虽能部分改善性能，却难以规避"活性-稳定性"的固有矛盾——
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*本文首发于“纳米酶 Nanozymes”公众号，2025年04月25日 江苏
金属纳米酶凭借其类酶催化活性和环境适应性，被视为替代天然酶进行工业化应用的理想材料。然而，其实际应用面临两大关键挑战：活性位点暴露不足导致催化效率受限，胶体稳定性差引发团聚失活。通过减小粒径或引入稳定剂虽能部分改善性能，却难以规避"活性-稳定性"的固有矛盾——高活性需要充分暴露活性位点，而稳定剂常通过强配位或空间位阻抑制底物接触。如何打破这一"跷跷板效应"，实现催化性能与稳定性的协同提升，成为金属纳米酶走向实际应用的核心难题。
天然酶的精妙催化机制为破解上述困境提供了灵感：其活性中心通过氨基酸残基的氢键网络动态调控底物结合与释放。受此启发，研究者提出在金属纳米颗粒表面构建羧基功能化界面，通过非共价作用优化微环境，兼顾电子效应与适度位阻。然而，现有羧基化策略存在显著缺陷（图1）：分步合成法配体交换效率低，工艺复杂且化学试剂消耗大；一步合成法虽可同步实现颗粒合成与功能化，但所用长链/多羧酸配体易造成过度位阻，遮蔽活性位点。因此，开发高效、绿色的合成策略，在精准调控界面氢键网络的同时避免活性位点覆盖，成为实现"活性-稳定性"双赢的破局关键。
针对上述问题，南京大学张淑娟教授团队提出一种简单高效的金属纳米酶合成方法。该方法绕过低效配体交换步骤，大幅简化合成流程，创新性地利用丁二酮（BD）的光化学反应一步实现纳米颗粒的可控爆发成核和原位表面功能化，得到表面乙酸（Ac）配体量精细可调的功能化铂纳米酶（Ac-Ptzyme），实现了催化活性与胶体稳定性的协同提升。酶动力学、理论计算与霍夫迈斯特效应实验表明，原位生成的Ac配体一方面通过静电排斥效应维持纳米酶胶体的分散稳定性，同时通过氢键桥联底物促进界面电子转移，在蓝藻细胞的氧化应激监测及病原菌生物膜抑制等发面展现出良好的应用潜力。
图1. 金属纳米颗粒合成与表面功能化策略对比
1. 光化学合成与表面功能化调控
光化学法是合成金属纳米颗粒的有效和常见方法。与各类典型光还原剂（脂肪酮、芳香酮、脂肪醇和亚硫酸盐）相比，BD表现出最佳的Pt(II)还原速率和纯度（图2）。这是由于BD具有较高的光解量子产率，光解产生的乙酰基自由基（CH3C•(O)）和偕二醇自由基（CH3C•(OH)2）水溶性良好，可高效还原Pt(II)，在实现爆发式成核的同时实现完成Ac配体的原位表面锚定。相比之下，芳香酮光解产生的自由基更多用于自聚合生成大分子聚合物，降低了所得Pt纳米颗粒的纯度。通过优化BD浓度与辐照时间，可获得粒径均一（3–5 nm）、单分散的八面体铂纳米颗粒。XPS分析表明所得Pt纳米颗粒（Ac-Ptzyme）表面富含羧酸基团（O–C=O占比13.3%），且Pt以金属态（Pt0，90.2%）为主。该策略可拓展至金、银、钯等贵金属纳米颗粒合成。
图2. 表面功能化Pt纳米颗粒的合成与表征
2. 类过氧化物酶活性评价
Ac-Ptzyme在酸性条件下表现出超强类POD活性，较未功能化铂纳米酶（Ptzyme）提升了10倍，且经180天储存仍保持稳定。Ac-Ptzyme对H2O2的表观米氏常数（Km, 0.15 mM）较辣根过氧化物酶（HRP）和其他Pt基纳米酶低3–700倍，充分说明Ac配体促进了纳米酶对底物的亲合性。Ac-Ptzyme基于表面原子浓度归一化的比催化效率（kcatSurAt/Km）较其他铂基纳米酶最少高2个数量级，展现出较Fenton体系高40倍的H2O2分解周转频率，且其比活性（567 U·mg-1）较Fe3O4提升200倍，甚至优于商业HRP（50–300 U·mg-1）（图3）
图3. Ac-Ptzymes的POD-like催化活性
3. Ac配体提升催化活性的机制
Ac通过重塑表界面化学微环境，在Pt表面形成了“配体-载体”协同催化界面。DFT理论计算表明Ac配体通过氢键桥联H2O2与TMB，显著增强底物共吸附能力（吸附能：Ac-Ptzyme −1.35 eV vs. Ptzyme −0.31 eV），并拉伸H2O2的O–O键（键长：1.475 Å→1.483 Å），降低解离能垒。同时，Ac的吸电子特性使Pt表面电子密度降低，而邻近TMB的Ac–O(#1)富集0.294 e，驱动电子从TMB经Ac配体向H2O2定向传递，加速氧化还原循环（图4）。
图 4：电子结构与底物结合机制
氢键在Ac-Ptzyme类酶催化中的作用通过霍夫迈斯特效应得到了进一步验证。与经典的Hofmeister序列一致，阴离子对Ac-Ptzyme氧化TMB的促进效应顺序为：CO32–、H2PO4–、F– > NO3– > Cl– > Br–。具体来说，Kosmotropes型离子（CO32–和H2PO4–）通过增强氢键网络提升催化速率，而Chaotropes型离子（NO3–和Br–）则破坏氢键而抑制活性。磷酸盐缓冲体系因形成的氢键稳定性超越醋酸盐体系而具有更高催化活性。值得注意的是，引入盐而导致的静电屏蔽效应会削弱底物吸附，但Kosmotropes离子通过熵补偿机制维持催化活性，凸显界面微环境动态调控的重要性（图5）。
图5. Hofmeister效应对表面氢键桥接电子转移的影响
4. 微生物污染防治应用
在工业管道、船舶等易滋生生物膜的场景中，Ac-Ptzyme凭借其酸性环境响应特性与高效H2O2催化能力，展现出卓越的抗菌性能。仅需0.039 mg·mL-1Ac-Ptzyme处理6 h，即可使铜绿假单胞菌菌落数（CFU）降低6个数量级（6 log），显著优于传统H2O2处理（仅1 log降低）。另外，基于Ac-Ptzyme/TMB的检测系统对水华蓝藻细胞内抗氧水平（谷胱甘肽和抗坏血酸）的灵敏度超越商业试剂盒，可实时评估抑藻剂处理后的藻细胞氧化损伤程度，为藻华防控治理提供新工具和精准指标（图6）。
图6. Ac-Ptzyme在生物膜抑制和有害水华控制中的应用
总而言之，本工作为高活性纳米酶的合成提供了一种简单易行的策略，突破了纳米酶“活性-稳定性”平衡局限。利用光化学一步法成功构建了表面富Ac配体的高活性铂纳米酶，Ac配体具有静电排斥稳定胶体和氢键桥联电子传递的双重功能，使Ac-Ptzyme的催化活性媲美天然酶，并在环境监测与生物医学领域展现出广阔应用前景。
该工作以“Operando Surface Ligands Boost Pt Nanozyme Activity for H2O2Catalysis via Bridged Electron Transfer”为题发表于ACS Catalysis。论文第一作者是南京大学环境学院博士研究生韦霜霜，通讯作者为南京大学张淑娟教授，中国科学技术大学李文卫教授、南京大学曾桂香副教授是论文的共同作者。感谢南京大学现代工程与应用科学学院魏辉教授的点评和建议。本文工作得到了国家自然科学基金杰出青年基金和重点项目的资助。
来源：老尹的科学大讲堂
