人工酶催化在生物治疗、污染物降解和抗菌等领域具有重要应用价值，其中类过氧化物酶（POD）模拟物通常通过活化H₂O₂产生·OH自由基来实现氧化反应。然而，天然血红素酶并不局限于自由基途径，而是可通过高价金属氧中间体实现更具选择性的氧化过程。相比传统过渡金属，镧系元素具有独特的4f电子构型、较大的离子半径和柔性的配位环境，为构建新型金属酶模拟物提供了更广阔的元素空间。针对镧系普鲁士蓝类似物（PBA）纳米酶催化机制尚不清晰的问题，作者构建了覆盖14种非放射性镧系元素的六氰铁酸盐框架库，系统揭示了镧系收缩对形貌、配位结构和H₂O₂活化路径的调控作用（图1），并筛选出CePBAs和TbPBAs分别作为自由基主导与结合氧主导通路的代表元素。
图1.镧系金属酶模拟物（LnMEs）库的合成与形貌表征。
作者首先通过水/乙醇二元溶剂体系结合PVP辅助结晶，建立了一种温和的LnME合成策略。该方法不需要高温高压或复杂后处理，即可获得粒径约2 μm、组成均一的镧系PBA颗粒。随着镧系元素从La到Lu的离子半径逐渐减小，材料形貌呈现出清晰的半径依赖性演化：LaPBAs和CePBAs表现为规则六方双锥结构，Pr至Eu系列逐渐过渡，而Gd至Lu系列则形成夹角约60°的菱形片状结构。该结果说明，镧系收缩不仅是元素周期性质的体现，也可作为驱动PBA框架形貌和晶面暴露变化的内在结构因素（图2）。
图2. LnMEs的元素组成、形貌演化与晶体/光谱表征。
进一步的结构表征显示，不同镧系节点会诱导PBA框架发生连续的配位与晶相变化。XPS结果表明，CePBAs和TbPBAs中分别存在明显的Ce⁴⁺/Ce³⁺和Tb⁴⁺/Tb³⁺组分，提示镧系节点与氰基配体之间存在显著电子转移；而Fe 2p信号在不同LnMEs中高度相似，说明低自旋FeC₆单元对整体催化活性的差异贡献较小。FT-IR与Raman光谱进一步发现，随镧系原子序数增加，C≡N伸缩振动峰系统性蓝移，反映出更小离子半径带来的局部电荷密度升高和C≡N键增强。
在类POD活性方面，所有LnMEs在酸性条件下均表现出一定H₂O₂活化能力，其中CePBAs在pH 3.6时比活最高，可达到5.8 U·mg⁻¹。DMPO电子顺磁共振结果显示，各类LnMEs均可产生DMPO-OH信号，且·OH浓度与类POD比活之间呈良好线性相关（R² = 0.917），表明自由基生成是类POD反应的重要来源。稳态动力学分析进一步显示，CePBAs具有更高的最大反应速率，其Vmax约为87 mM·min⁻¹。催化剂毒化实验表明，磷酸根对CePBAs活性的抑制明显强于SCN⁻，提示真正主导H₂O₂活化的是表面镧系节点而非低自旋FeC₆位点。值得注意的是，TbPBAs虽然·OH产率较低，却仍保持较高的TMB氧化能力，提示其反应中可能存在不同于自由基途径的结合氧中间体（图3）。
图3. LnMEs的类POD活性、自由基生成及催化位点验证。
为验证非自由基通路，作者进一步考察了LnMEs的类卤过氧化物酶（HPO）活性。以celestine blue（CB）为探针时，TbPBAs表现出最强的Cl⁻氧化能力，并在pH 5.2附近达到最佳活性。PMSO氧化实验显示，PMSO₂生成比例与类HPO信号强度呈显著正相关，说明该过程依赖表面结合氧物种而非单纯·OH氧化。加入KCl后，EPR谱中出现DMPO-ClO加合物，进一步证明TbPBAs能够通过*O物种活化Cl⁻并生成含氯活性氧。PCA分析将·OH生成和PMSO₂转化分解为相反的主成分权重，从而在同一元素库中清晰划分出羟基自由基偏好型与*O偏好型通路：CePBAs位于·OH主导区，而TbPBAs、DyPBAs和ErPBAs更偏向结合氧主导区（图4）。理论计算和原位光谱进一步解释了Ce与Tb之间的机制分化。
图4. LnMEs的类HPO活性、结合氧中间体识别与PCA机制分类。
在机制图谱指导下，作者构建了Ce/Tb双金属PBA体系，希望将Ce的自由基生成能力与Tb的结合氧活化能力整合到同一框架中。三种CeTbPBAs均成功合成，其中CeTb-1保持六方双锥形貌，并表现出与TbPBAs相当的类HPO活性和较高类POD活性。XRD结果显示CeTb-1在CePBA与TbPBA特征晶面之间出现过渡衍射峰，提示Ce/Tb共掺杂实现了晶格参数的连续调节；同时材料在水和酸性缓冲液中保持较稳定晶体结构，72 h内金属释放处于ppb水平，总浸出量低于0.26 wt%，说明其在抗菌相关条件下具有较好的短期稳定性。作者随后将CeTb-1用于生物膜抗菌验证。对于革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌，单独CeTb-1或H₂O₂几乎不产生明显杀菌作用，而CeTb-1 + H₂O₂组合可分别实现约3.66-log和2.77-log的细菌灭活，并显著清除两类细菌形成的生物膜。SEM结果显示，联合处理后细菌表面出现明显皱缩、孔洞和结构破坏。转录组结果进一步揭示，CeTb/H₂O₂相较H₂O₂单独处理诱导更强的氧化应激和代谢重编程，在E. coli中产生577个差异基因；抗氧化防御相关基因soxS、dps、ahpC、katE和trxC显著下调，而核糖体和硫代谢等通路发生广泛扰动。这说明双金属LnMEs通过协同产生·OH、HClO等多种ROS，同时破坏细菌氧化还原稳态与大分子完整性，最终导致生长抑制和死亡（图5）。
图5. CeTb双金属LnMEs的构建及其多ROS协同抗菌应用。
总之，本研究从元素库构建出发，系统建立了“元素选择—配位几何—活化路径—ROS输出”之间的构效关系。CePBAs主要通过H₂O₂均裂产生·OH自由基，表现出优异类POD活性；TbPBAs则通过稳定结合氧中间体实现类HPO催化，能够进一步活化Cl⁻生成含氯活性氧。双金属CeTbPBAs将两种互补氧活化通路整合在同一PBA框架中，实现多ROS协同生成和高效抗菌。这一工作不仅将普鲁士蓝类似物人工酶的设计空间拓展到f区镧系元素，也提出了通过元素选择调控*OH/*O平衡的普适策略，为面向生物医学和选择性氧化反应的高性能纳米酶设计提供了新的思路。
该工作以“Establishing a lanthanide hexacyanoferrate framework library to design metalloenzyme mimics with enhanced ROS production”为题发表于Chemical Engineering Journal。王管诚和马靖原为论文共同第一作者，通讯作者为江苏省生物材料与器件重点实验室张宇教授、马明副教授和武昊安副教授，以及南京市产品质量监督检验院梅秀明博士。
研究进展