综述：抗氧化铈基纳米酶的近期进展：催化机制与生物分析/生物医学应用

本综述系统探讨了铈基纳米酶（Ce-based nanozymes）借助其独特的Ce3+/Ce4+氧化还原对与表面氧空位结构，模拟天然抗氧化酶（如CAT、SOD、POD）的催化机制，在ROS清除、抗炎、抗肿瘤及生物传感等领域展现出广阔应用前景，为仿生催化设计与疾病治疗策略提供了新思路。

　　

2. 天然过氧化氢酶的催化机制及其对纳米酶的启示

天然过氧化氢酶（CAT）是一种含血红素的四聚体酶，其活性中心由血红素b辅因子构成，其中Fe(III)-原卟啉IX复合物嵌入卟啉环核心，具有八面体配位结构。第五配位点由远端组氨酸（His74）占据，第六位点则结合H₂O₂或水分子。四聚体架构通过亚基-亚基相互作用增强稳定性，确保每个活性位点独立高效运作。

2.1. 天然过氧化氢酶的催化机制

铁离子作为过氧化氢酶的关键催化中心，其氧化还原动力学遵循经典的“乒乓机制”。氧化阶段：H₂O₂作为电子受体与Fe(III)结合，O-O键发生异裂裂解，远端组氨酸（His439）协助质子抽象，生成高价铁-氧中间体（化合物I：Fe(IV)=O及卟啉自由基阳离子）。还原阶段：第二个H₂O₂分子将化合物I还原回Fe(III)。近端组氨酸（His74）通过轴向配位精细调节铁离子的电子密度，促进氧自由基中间体（O₂•?）质子化形成水。整个循环中，铁离子作为电子中继站（Fe(III) ? Fe(IV)），而卟啉的共轭体系通过自由基离域稳定高能中间体。这种涉及铁氧化还原循环和卟啉自由基稳定的协同电子转移机制使反应可在亚毫秒内完成。

天然过氧化氢酶的高催化效率不仅源于铁活性中心，还得益于其精确设计的蛋白质微环境。血红素铁处于高自旋状态，其配位环境由近端组氨酸（His74）作为第五配体，以及远端组氨酸（His439）和天冬氨酸（Asp234）等氨基酸残基组成。该结构不仅稳定铁离子的氧化态，还通过氢键网络调节底物H₂O₂的结合和质子转移。具体而言，远端His439与H₂O₂的氧原子形成氢键，精确固定底物分子在活性中心的取向，确保O-O键的裂解方向符合催化要求。同时，Asp234通过静电相互作用极化H₂O₂分子，降低O-O键裂解能垒。此外，活性位点周围形成的疏水通道进一步加速底物扩散。这种结构与功能的耦合为高效催化循环奠定了基础。

2.2. 铈基纳米酶的设计思路

天然酶的催化效率不仅取决于活性中心，还依赖于周围氨基酸微环境通过氢键、质子转移等相互作用的精细调节。因此，除金属位点设计外，复制天然酶的微环境对于开发高性能铈基纳米酶至关重要。

2.2.1. 金属活性位点设计

金属离子在天然酶中通常作为底物转化的主要活性中心，多种金属离子的协同相互作用可显著增强催化效率。这一机制为仿生催化剂的设计提供了创新灵感。徐等人通过将硝酸铝与金属有机框架（MOF）-808在温和条件下整合，模拟天然水解酶的“吸附-活化”协同机制，成功构建了具有高密度路易斯酸位点（Al3?）的MOF-808-Al纳米酶。该仿生纳米酶对乙基对氧磷（DENP）表现出1923.08 mol·L^-1·min^-1的水解速率，比原始MOF-808（188.14 mol/L·min）高一个数量级，接近天然磷酸三酯酶的催化效率。Naidi等人受过氧化氢酶氧化还原机制启发，通过绿色合成制备了Zr/Sn双掺杂CeO₂纳米粒子。金属掺杂在CeO?表面诱导氧空位形成，模拟过氧化氢酶功能，通过吸附/活化底物（如H?O?）产生自由基。在512 μg/mL浓度下，10% Zr/Sn-CeO?通过剂量依赖性抗菌活性显著抑制金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌的生物膜形成。

2.2.2. 微环境功能化与动态调控

孙等人通过将D-或L-苯丙氨酸（Phe）共价接枝到CeO?纳米粒子表面，构建了立体选择性纳米酶。氨基酸功能化有效调节了纳米酶的表面电荷和疏水性，优化了底物对活性位点的访问。他们观察到未修饰的CeO₂纳米粒子缺乏立体选择性，而氨基酸修饰的变体能够区分DOPA对映体：CeNP@D-Phe优先催化L-DOPA氧化，而CeNP@L-Phe对D-DOPA表现出更高活性，实现了立体选择性催化氧化。这一设计灵感源自天然酶的催化机制，特别是氨基酸作为辅因子在立体化学中的关键作用。

2.2.3. 靶向递送系统

天然酶催化与无机催化剂之间的一个根本区别在于它们的靶向精度：天然酶通过活性位点的结构互补性、氢键网络和静电相互作用实现底物特异性结合——“选择性锁钥”机制，使其在复杂生理环境中具有超高效率。Anwar等人利用功能化脂质体载体开发了一种核靶向催化系统，将仿生过氧化物酶模块精确递送至病变细胞的核区。动物研究表明，该系统同时清除活性氧（ROS）并诱导肿瘤微环境中的细胞凋亡，抗癌疗效比非靶向系统提高3.2倍。Kwon等人设计了线粒体靶向三苯基膦（TPP）修饰的二氧化铈纳米酶（TPP-ceria NPs）。通过共价连接亲脂性阳离子TPP，他们利用线粒体膜电位进行主动靶向，在线粒体内富集铈纳米粒子以直接清除线粒体ROS（如Aβ诱导的氧化应激）。相比之下，未修饰或带正电荷但非疏水的胺修饰CeO₂纳米粒子未能有效靶向线粒体，催化效率显著降低。在5XFAD阿尔茨海默病模型小鼠中，TPP-ceria NPs显著减少神经元死亡，抑制小胶质细胞和星形胶质细胞（GFAP⁺）的异常激活，并减轻神经炎症。这些案例表明，纳米酶克服传统催化剂非选择性的能力。未来与合成生物学和单分子操作的整合可能实现时空分辨医学和适应性生物修复的智能催化系统。

3. 铈基抗氧化纳米酶的优势

铈（Ce）是自然界中最丰富的稀土元素，具有独特的氧化还原特性。Ce3?和Ce??氧化态之间的 facile 相互转换赋予二氧化铈（CeO₂）丰富的氧空位和卓越的储氧能力（OSC），使其在非均相催化中广泛应用。在生物医学中，铈基材料与其他纳米材料相比具有明显优势：较低的细胞毒性增强了生物相容性，稳定的萤石型晶体结构确保了材料耐久性，丰富的稀土储量便于大规模生产。关键在于，其氧化还原特性赋予其优异的酶模拟抗氧化活性，在痕量检测、医学诊断和抗炎/抗癌治疗中展现出巨大潜力。

3.1. 表面氧空位与化学态的协同调控

3.1.1. 氧空位与Ce³⁺/Ce⁴⁺动态平衡

铈基纳米酶的核心优势在于其独特的氧化还原动态平衡机制。在合成过程中，部分氧原子逃离CeO₂晶格，形成氧空位，同时将Ce⁴⁺还原为Ce³⁺以维持电荷平衡。与典型的纳米酶氧化物（如Fe₃O₄、Co₃O₄）不同，CeO₂的氧空位密度可通过调节合成参数轻松调整。Vinothkumar等人研究了不同制备条件下CeO₂纳米酶的超氧化物阴离子清除能力。通过改变燃烧合成中的燃料/氧化剂比例，他们控制了氧空位浓度。X射线光电子能谱（XPS）显示，在缺氧条件（F/O = 0.6）下合成的CeO₂纳米粒子Ce³⁺比例达40%，空位密度与氧浓度成反比。这些纳米粒子表现出最佳的抗氧化酶样性能，在过氧化物酶活性和羟基自由基（•OH）清除效率方面超越其他氧化物（对H₂O₂的米氏常数（K_m）= 0.237 mM）。值得注意的是，在低底物浓度（10 nM）下，CeO₂纳米粒子通过Ce³⁺介导的氧化还原循环有效清除•OH和H₂O₂，同时抑制芬顿反应（甲基紫降解速率：0.00153 min^-1）。相反，在高底物水平（500 μg/mL）下，它们表现出氧化酶样活性，生成O₂•?自由基。这些发现突显了氧空位如何调节Ce³⁺/Ce⁴⁺平衡，从而实现抗氧化治疗中的双重功能。

3.1.2. 粒径与暴露晶面

H₂O₂在CeO₂上的催化分解涉及Ce³⁺和Ce⁴⁺作为活性位点：Ce³⁺与H₂O₂反应产生•OH和Ce⁴⁺，随后•OH与另一个H₂O₂反应形成HO₂?，后者在Ce⁴⁺位点分解，再生Ce³⁺并释放O₂。因此，粒径和暴露晶面关键地控制活性位点密度和催化效率。Shlapa等人探索了水热合成CeO₂纳米粒子中的溶剂效应。透射电子显微镜（TEM）和XPS显示，增加异丙醇浓度（降低介电常数）将粒径从13.4 nm减小至2.8 nm，同时将Ce³⁺含量从23%提高至42.8%。较大粒子对H₂O₂分解表现出优异的过氧化氢酶样/过氧化物酶样活性，而较小粒子则显示出增强的氧化酶样活性（DPD氧化速率加倍）。Wang等人合成了超小CeO₂纳米点（CNDs, ～2.0 nm），与常规10–200 nm CeO₂相比，提供了更高的表面积、活性位点密度和过氧化物酶样活性。3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）测定显示在650 nm处有强烈氧化，在5.5 mM H?O?下实现～100% HeLa细胞杀伤（在pH 7.4下效率提高3倍）。在体内，CNDs到第9天将肿瘤体积减少67%，正常细胞存活率达95%，且无血液毒性（P > 0.05），证实了肿瘤选择性作用。Shlapa进一步指出，亚10 nm CeO₂纳米粒子的zeta电位为+40 mV，加强了与带负电荷生物分子的相互作用，从而增强细胞内抗氧化催化。Fisher等人通过水热调控制备了形态多样的CeO₂纳米粒子（棒状、立方体、八面体）。H₂O₂分解活性顺序为：棒状 > 立方体 > 八面体 > 市售球形纳米粒子。结构分析显示棒状具有最高的氧空位密度（配位数：6.7 vs. 球形的8.0），{110}晶面的Ce-O-Ce桥结构降低了•OH生成活化能，与{100}/{111}晶面协同增强以实现峰值性能。

3.2. 多功能活性与微环境响应性

3.2.1. 多酶催化活性

根据作用机制和底物特异性，抗氧化酶可分为不同类型。例如，超氧化物歧化酶（SOD）特异性催化超氧化物阴离子歧化为H₂O₂和O₂，过氧化物酶利用H₂O₂作为底物将其还原为水同时氧化酚类或胺类，过氧化氢酶将H?O?分解为水和氧气，而谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）依赖谷胱甘肽还原脂质过氧化物或H?O?。天然酶通常表现出高底物特异性，依赖特定活性位点进行高效催化，但多酶系统需要多种酶的协同作用。相比之下，纳米酶可以用单一材料模拟多种酶活性。其多酶模拟能力源于表面可变价态或活性位点的多样性，使其能够在复杂环境中同时清除多种活性氧（ROS）。Sozarukova等人通过热解硝酸铈铵水溶液并用柠檬酸铵稳定，成功制备了单相立方CeO₂溶胶。使用化学发光测定，他们证明该溶胶在pH 7.4下表现出多酶催化活性：在超氧化物阴离子生成系统（Lucigenin/黄嘌呤氧化酶）中，0.12 mM CeO₂显示出超氧化物歧化酶（SOD）样活性，抑制率仅为30%，但当与SOD共价结合时，活性显著增加，抑制率超过50%。在H₂O₂系统中，它表现出剂量依赖性的过氧化物酶（POD）样活性，在50 mM H₂O₂下发光强度增加。关键在于，在混合ROS系统中，CeO₂表现出促氧化作用，化学发光（CL）信号随浓度增强直至饱和。互补地，Guo等人通过控制多巴胺（DA）在碱性条件下的自聚合和Ce³⁺在聚多巴胺（PDA）表面的氧化沉积，开发了PDA@CeO₂复合材料。该设计通过Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原循环和PDA抗氧化能力的协同作用，同时清除O₂•?、•OH和H?O?。PDA@CeO₂恢复了H₂O₂损伤的3T3-L1成纤维细胞弹性（弹性模量：6.13 kPa vs. 损伤细胞的3.23 kPa）。共聚焦成像进一步显示，PDA@CeO₂可通过维持谷胱甘肽水平减少ROS介导的F-肌动蛋白解聚，从而保持细胞骨架完整性并减轻氧化损伤。

3.2.2. 高效催化动力学与选择性

铈基纳米酶的催化效率受表面电荷和缺陷工程调控，核心机制与掺杂诱导的电子结构重构密切相关。材料表面电荷直接影响反应物分子在活性位点的吸附强度：适度的正电荷通过静电相互作用吸引阴离子底物，降低吸附能垒，而表面氧空位可产生局部富电子区域，优化中间体的结合能。掺杂引入的杂原子可协同增强Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对的电子转移能力，同时诱导晶格应变产生更多活性缺陷位点。这些结构特征可有效缩短电荷转移路径，增强活性氧物种生成速率，最终通过协同电子和几何效应增强催化动力学。Vinothkumar等人通过酶动力学分析证明，具有高氧空位密度的CeO₂纳米粒子对H₂O₂表现出更强的底物亲和力，K_m值仅为2.1 mM，甚至低于天然辣根过氧化物酶（HRP, 3.7 mM）。同时，Fisher等人通过循环伏安法证实，CeO₂纳米棒富含氧空位的{110}晶面电子转移速率常数（k???? = 0.45 s^-1）比CeO₂立方体高1.5倍。值得注意的是，Pütz等人通过控制水热合成时间合成了具有可调表面特性的介孔CeO_2-x纳米粒子。随着水热持续时间增加，材料的比表面积（SBET）从75 m²/g升至195 m²/g，而Ce³⁺/Ce⁴⁺比率从0.36增至0.76，表面ζ电位从+36 mV降至+18 mV。在过氧化物酶反应中，具有更大比表面积的CeO₂通过暴露更多位点增强活性，而在卤代过氧化物酶（HPO）反应中，正ζ电位驱动带负电荷的卤化物离子（如Br?）吸附，通过静电相互作用增强反应动力学。关键的是，氧空位普遍促进电子转移以优化催化途径。与天然酶相比，CeO_2-x在PO（过氧化物酶-氧化酶）反应中表现出显著优势，CeO₂-3H达到0.7655 μmol/min的反应速率，超越天然辣根过氧化物酶。尽管CeO₂-2H的HPO速率0.2086 μmol/min略低于海洋卤代过氧化物酶，但其整体热稳定性和更宽的pH耐受性突出了其实际应用潜力。

4. 性能优化策略

在阐明纳米酶仿生催化过程中，研究已逐渐从“结构模拟”转向“功能优化”范式。类似于天然酶通过氨基酸微环境动态调节活性中心，铈基纳米酶的催化效率同样通过表面原子构型和反应微环境进行精细调控。研究发现，金属中心负载、形态工程和氧空位工程等策略可有效增强抗氧化纳米酶的催化活性。这些仿生优化策略不仅保留了铈基材料的结构优势，还将纳米酶设计推进到原子级精确调控。

4.1. 活性位点调控

4.1.1. 耦合金属活性中心

负载活性金属可提供额外的底物转化位点，显著增强铈基纳米酶的催化活性。过渡金属（如Fe、Co、Mn、Cu）由于其强底物吸附能力和成本效益，作为常见活性中心。张等人通过水热法合成了Mn/Co掺杂的CeO₂纳米酶。通过调节金属前体的掺杂比例和反应温度，他们实现了Ce原子的部分替代，形成Mn-O-Ce/Co-O-Ce键。金属掺杂显著改变了活性中心的电子结构：Mn²⁺/Co²⁺替代Ce⁴⁺诱导晶格畸变，促进氧空位形成，增加Ce³⁺/Ce⁴⁺比率，从而增强电子转移能力。有趣的是，Mn掺杂优先暴露SOD样活性位点，而Co掺杂通过类似于CAT辅因子的机制增强H₂O₂分解。与纯CeO₂相比，这种原子级调控使Mn/CeO₂的SOD样活性提高2倍，Co/CeO₂的CAT样活性提高4–6倍，两者POD样活性提高8–10倍。蒋等人通过将Cu单原子位点锚定在CeO₂上，显著增强POD样活性同时抑制羟基自由基清除能力（HORAC），创建了一个高效抗菌系统。密度泛函理论（DFT）计算揭示Cu-O-Ce相互作用降低了关键反应步骤的能垒。贵金属如Au、Ag和Pt也可作为H₂O₂分解的活性中心。尽管比过渡金属具有更强的催化能力，但其较弱的底物吸附需要铈基载体进行活化。Bhagat等人通过异相成核合成了金核/铈壳纳米粒子（Au/CeO₂ CSNPs）。通过形成Ce³⁺-EDTA复合物控制水解动力学，确保CeO₂壳在金核上均匀生长，同时CTAB静电稳定Au核并促进Ce3?-EDTA吸附。Au/CeO₂界面形成耦合氧化还原对（Au?/Au和Ce³⁺/Ce⁴⁺），通过协同电子转移增强催化活性。金核促进高导电性，而CeO₂壳中的动态Ce³⁺/Ce⁴⁺转换优化可逆氧化还原能力。该材料在酸性条件（pH 4）下表现出POD样活性，直接氧化底物而非产生羟基自由基，从而提高反应效率。同时，在中性条件（pH 7–8）下，Ce³⁺主导的SOD和CAT样活性被激活，实现pH依赖的多酶功能。

4.1.2. 协同双金属位点

双金属纳米酶通过双金属原子之间的协同相互作用显著增强催化性能，通过多维调控实现卓越活性。首先，双金属原子之间的直接或间接配位抑制金属聚集，增加活性位点密度。例如，在王等人制备的FePc@2D-Cu-N-C材料中，Fe-Cu轴向配位实现了超过80%的双原子对密度。其次，异金属之间的电子耦合通过调整d带中心位置优化电子结构，加强底物（如O₂、H₂O₂）吸附并加速电子转移，从而显著降低活化能。最后，双原子位点实现协同多步催化。曾等人开发了用于抗氧化酶模拟反应的FeCo-N-C双金属材料，其中双位点H₂O₂分解能垒为0.21 eV，显著低于单金属Co-N₄（0.40 eV）。此外，Fe-N₄和Co-N₄位点分别主导底物吸附和活化，协同完成氧化酶（OXD）和过氧化物酶级联反应。3D碳载体进一步增加底物-活性位点界面，增强电子传输效率。这些机制共同赋予双金属纳米酶优于单金属系统的卓越活性、稳定性和多功能性。葛等人设计了Mo-Pt/CeO₂双单原子催化剂。Mo原子的引入不仅提供H₂O₂吸附和活化位点，还通过电子转移调节Pt中心的电荷密度，降低电子云密度，促进关键•OH中间体的生成。同时，双金属负载增加了CeO₂载体中的氧空位浓度和Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对。与单原子Pt/CeO₂相比，Mo-Pt/CeO₂双位点催化剂实现了34.16 × 10^-8 m/s的V_max（提高37.5倍）和降低三分之二的K_m，表明底物亲和力显著增强。

4.2. CeO₂基载体的调控

4.2.1. 形态控制

具有独特形态的纳米酶表现出不同的催化活性。首先，特定形态（如纳米片、纳米线或中空结构）可暴露更多高活性晶面或边缘位点，优化活性中心分布。其次，形态调控改变表面原子的配位环境和电子结构，影响反应中间体的吸附能和电子转移路径。最后，分级多孔或三维结构可增强传质效率，缩短底物扩散距离，改善反应动力学。田等人通过两步水热法合成了多孔CeO₂纳米棒（PN-Ceria），显著提高了其过氧化物酶样活性。该结构通过低温（100°C）合成Ce(OH)₃/CeO₂前体纳米棒，随后高温（160°C）水热处理诱导脱水和氧化，形成具有2–4 nm孔的多孔纳米棒。这些多孔CeO₂纳米棒表现出141 m²/g的高比表面积，显著超过常规CeO₂纳米棒（98.3 m²/g）和纳米粒子（77.4 m²/g）。此外，PN-Ceria显示出最佳的氧空位含量，Ce³⁺比例高达32.8%。高Ce³⁺比率增强电子转移效率，而多孔结构加速底物扩散和界面反应。这种形态-性能相关性赋予PN-Ceria 5.35 × 10⁴ s^-1的催化效率（K_c????），比天然辣根过氧化物酶（HRP）高4.1倍，实现了对乳腺癌生物标志物的超灵敏检测，检测限低至0.01 ng/mL。

除形态工程外，构建多