《Chemical Engineering Journal》：Fine-tuned Ce electron density directs H
2O
2 activation pathway in industrially employable CeO
2 nanozymes for ～100% specificity and boosted activity in (Bromo)peroxidase mimicking
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为解决CeO2纳米酶普遍存在的过氧化物酶（POD）与溴过氧化物酶（BPO）样活性相互干扰、缺乏反应特异性的问题，研究人员开发了一种通过调控煅烧气氛（N2/空气）来精细调控CeO2纳米酶表面铈位点电子密度的简易方法。该研究成功制备出具有近100%特异性的POD或BPO样活性的CeO2纳米酶，其活性相较于天然酶和传统纳米酶提升超过1000%，并在葡萄糖检测和抗菌/防污应用中展现出优异性能，为高特异性纳米酶的规模化制备与应用奠定了坚实基础。
在生物传感、疾病治疗和环境修复等领域，天然酶因其高活性和特异性而备受青睐。然而，它们固有的局限性，如成本高昂、稳定性差以及制备纯化过程复杂，严重制约了其大规模实际应用。纳米酶，即具有类酶催化活性的纳米材料，以其高稳定性、低成本和可大规模制备的潜力，被视为天然酶的有力替代者。其中，二氧化铈（CeO2）纳米酶因其可逆的Ce3+/Ce4+氧化还原对和丰富的氧空位，展现出多种酶模拟活性，尤其是过氧化物酶（POD）和溴过氧化物酶（BPO）样活性，在生化分析和抗菌方面具有广阔前景。
然而，一个长期存在的挑战在于，大多数已报道的CeO2纳米酶同时具备POD和BPO样活性。当它们与共同的底物过氧化氢（H2O2）作用时，两种反应路径会相互竞争H2O2，导致在目标应用中的性能不佳。例如，在葡萄糖检测中（通常依赖POD样活性），BPO样活性会无谓地消耗H2O2，降低检测灵敏度；反之，在抗菌应用中（依赖BPO样活性产生次溴酸HOBr），POD样活性产生的羟基自由基（•OH）不仅会分解H2O2，其本身对细菌的杀伤效率也可能不及HOBr。因此，如何实现对CeO2纳米酶反应路径的精确调控，使其具备类似天然酶的高度特异性，是实现其高效应用的关键。以往的研究多集中于通过掺杂或表面修饰来调控Ce3+/Ce4+比例，但往往难以完全消除另一种活性的干扰，且制备方法通常复杂、耗时、产率低，不利于实际应用。
为了解决这一难题，发表在《Chemical Engineering Journal》上的这项研究提出了一种巧妙且易于放大的策略。研究人员通过简单地改变前驱体硝酸铈（Ce(NO3)3）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）混合物在惰性（N2）或氧化性（空气）气氛下的煅烧条件，成功制备出了具有高度特异性POD样或BPO样活性的CeO2纳米酶。在N2中600°C煅烧得到的样品（N-600）表现出专一的、高活性的POD样行为，而在空气中400°C煅烧得到的样品（A-400）则表现出专一且高效的BPO样活性。这种特异性的开关效应，并非源于传统的Ce3+/Ce4+比例变化（X射线光电子能谱显示两者比例相近），而是由煅烧气氛诱导的表面铈（Ce）位点电子密度的精细调控所决定。
为阐明其内在机制，研究人员综合运用了多种表征技术。核磁共振（NMR）探针（三甲基氧化膦，TMPO）分析揭示，N2氛围下制备的样品因形成Ce─N物种，导致表面Ce位点电子密度较高，有利于H2O2通过“自由基路径”均裂产生•OH，从而表现出POD样活性。相反，空气中制备的样品缺乏氮物种，Ce位点电子密度较低，表现为较强的路易斯酸性，更倾向于通过“过氧路径”与H2O2形成表面Ce-过氧物种，进而选择性氧化Br-生成HOBr，展现出BPO样活性。电子顺磁共振（EPR）和拉曼光谱等实验证据有力地支持了这两种不同的活化路径。密度泛函理论计算进一步从理论上证实，氮掺杂引入的电子效应和路易斯碱性共同促进了N-600对H2O2的还原，同时阻碍了Br-的氧化；而A-400的电子匮乏特性则有利于过氧物种的形成和Br-的氧化。
该研究的关键技术方法包括：通过调控煅烧气氛（N2或空气）和前驱体（Ce(NO3)3与PVP）制备具有特定表面性质的CeO2纳米酶；利用紫外-可见光谱系统评估其POD样（以TMB为底物）和BPO样（以酚红溴化为指示）活性并进行动力学分析；采用X射线光电子能谱、核磁共振探针技术、电子顺磁共振、拉曼光谱等手段深入表征表面电子结构和H2O2活化机理；结合密度泛函理论计算从原子层面阐释电子密度对反应路径的调控作用；并将优化后的纳米酶应用于葡萄糖检测（使用市售血清样本）和针对大肠杆菌的抗菌/防污性能评估。
3.1. 制备与表征
研究人员通过煅烧Ce(NO3)3和PVP的混合物，在N2或空气氛围下成功制备了超小的CeO2纳米颗粒，这些颗粒嵌入在多孔的碳基框架中。表征结果显示，不同气氛下制备的样品（如N-500和A-500）在形貌、颗粒尺寸和晶体结构上高度相似，CeO2纳米颗粒均为单晶，尺寸约4-5纳米。然而，XPS分析表明，N2下制备的样品中存在Ce─N物种，而空气中制备的样品则不含氮物种，这为后续活性差异提供了结构基础。
3.2. POD和BPO样活性的选择性模拟
活性测试表明，N2氛围制备的样品（如N-500）表现出优异的专一性POD样活性，其反应速率常数远高于空气中制备的样品（A-500）和对比样品。相反，A-500则表现出专一且高效的BPO样活性，而N-500在此反应中几乎无活性。动力学研究进一步证实，N-500对H2O2的亲和力更高，符合POD样活性特征；而A-500则更适合于BPO样反应。这表明通过简单改变煅烧气氛，可以实现对CeO2纳米酶反应路径的精确控制。
3.3. 调控H2O2活化路径的关键物种
机理研究表明，决定反应路径的关键在于表面Ce位点的电子密度，而非传统的Ce3+/Ce4+比例。31P NMR探针分析直接证实N-500的Ce位点电子密度高于A-500。EPR实验显示N-500能有效产生•OH自由基，而A-500则不能。H2O2分解实验和拉曼光谱监测表明，A-500通过形成表面Ce-过氧物种来活化H2O2，并在Br-存在下迅速消耗H2O2生成HOBr。这些结果清晰地揭示了电子密度通过影响H2O2的活化方式（自由基路径 vs. 过氧路径），最终决定了酶活性的特异性。
3.4. 理论见解
密度泛函理论计算模拟了H2O2在CeO2(111)表面及其氮掺杂表面的吸附和活化过程。结果表明，氮掺杂提高了表面Ce位点的电子密度，降低了H2O2均裂生成•OH的能量势垒，同时阻碍了Br-氧化路径的关键中间体形成，从理论上完美解释了实验观察到的特异性现象。
3.5. 温度效应、成本效益与稳定性
研究考察了煅烧温度的影响，发现最佳POD样活性出现在N2中600°C（N-600），最佳BPO样活性出现在空气中400°C（A-400）。成本估算表明，该方法制备的纳米酶成本远低于天然酶，且N-600和A-400表现出最佳的成本效益。两种样品均展现出优异的pH稳定性、热稳定性、储存稳定性和可回收性。该方法易于放大，单次制备量可达克级，显示出良好的规模化应用前景。
3.6. 葡萄糖检测和抗菌/防污应用
在应用层面，N-600作为POD模拟物，在葡萄糖检测中表现出高灵敏度、低检测限和良好的选择性，对实际血清样本的检测结果与商用仪器高度一致。在抗菌实验中，A-400在H2O2和Br-存在下对大肠杆菌表现出近乎完全的杀灭效果，显著优于N-600。防污实验进一步证实，涂覆有A-400的钢片能有效抑制生物膜形成，凸显了其BPO样活性在抗生物污损方面的巨大潜力。
本研究通过一种简便易行的煅烧气氛调控策略，成功实现了对CeO2纳米酶POD和BPO样活性的近100%特异性控制。其核心创新在于揭示了表面Ce位点的电子密度（而非简单的Ce3+/Ce4+比例）是决定H2O2活化路径和酶模拟特异性的关键因素。N2氛围引入的Ce─N物种提高了Ce位点电子密度，促使H2O2走自由基路径，主导POD样活性；而空气氛围制备的样品具有电子匮乏的Ce位点，利于形成过氧物种，主导BPO样活性。该研究不仅深刻阐明了纳米酶活性特异性的调控机制，而且提供了一种低成本、可规模化制备高性能特异性纳米酶的有效方法。所获得的N-600和A-400纳米酶在生物传感和抗菌防污等领域展示出卓越的应用性能，为解决纳米酶领域长期存在的特异性难题提供了全新的思路，对推动纳米酶的实际应用具有里程碑式的意义。
