通讯作者：鞠熀先 教授

通讯单位：南京大学

论文DOI：10.1002/anie.202503734

化学发光（CL）体系大多需要催化剂的参与。由于催化限制的存在，CL体系仅能实现闪光信号的增强。保持催化剂优异的催化活性以实现强烈、持续的CL信号并应用于生物成像是该领域的难题。为打破对CL的催化限制，作者基于经典的普鲁士蓝类似物设计了一种中熵纳米酶（ME PBA），其金属位点可通过框架内电子转移加速价态循环恢复纳米酶的催化活性，实现了鲁米诺-过氧化氢体系的持久CL信号。基于ME PBA增强的CL成像信号，作者构建了一种用于评估细菌运动性能的方法，该方法具备成本低、便捷、快速等特点。

光学成像作为一种强大的实时监测工具在生物医学和生物检测领域受到广泛关注。CL成像凭借其高信噪比和操作简便的优势展现出巨大的实际应用潜力。但传统CL体系普遍存在闪光特性或发光效率低的问题，难以满足生物成像中对持续且高强度发光的需求。常用的增强CL信号策略是使用催化剂，但大部分催化剂由于产物吸附或活性位点消耗/转化导致催化限制，仅展现出CL的闪光增强，因而难以实现生物成像。延长CL寿命的方法通常需要特定的反应条件。保持催化剂优异的催化活性进而实现强烈、持续的CL信号是发展CL成像技术的难题。此外，细菌运动性是一种关键的毒力因子，对细菌的入侵和增殖至关重要，其常用的评估方法是构建基因工程表达荧光蛋白。该方法操作复杂且耗时长的缺点，因此需开发简单的新策略以实现细菌运动性的快速评估。

出发点：钴基催化剂大多对鲁米诺-过氧化氢CL体系具备超强的闪光增强性质，但其持续性极差，需要保持其高活性，实现CL成像。

本文亮点：①本研究设计的ME PBA具备优异的催化活性，并且在催化鲁米诺-过氧化氢反应后仍能保持较高的催化活性1 h以上。此策略成功地打破了传统催化剂对CL的催化限制，将闪光CL转化为强烈的辉光。②构建的CL成像方法可实时监测评估细菌运动性。相比于传统的构建基因工程表达荧光蛋白，该方法具备成本低、便捷、快速等特点。

作者通过引入等量的Co²⁺ Ni²⁺, Cu²⁺与铁氰化钾配位，成功制备了一种具有特殊催化性能的ME PBA，并借助元素分析以及构型熵计算进行了验证。随后，作者研究了ME PBA的催化性质（Figure 1），发现其对鲁米诺-过氧化氢体系展现出独特的双重催化增强性质——既能瞬时催化增强闪光信号，又能持续催化鲁米诺-过氧化氢反应增强辉光信号。在最优条件下，ME PBA的闪光催化活性超过经典的Co²⁺催化剂，且其持续催化活性与闪光催化活性相当。ME PBA增强的CL成像信号能够至少持续1 h，成功将闪光信号转化为强烈的辉光。作者还探究了构型熵与催化能力持续性之间的关系，发现ME PBA具有最强的催化持续性，而当纳米酶的熵进一步降低或增加时，其催化持续性都会出现下降。这一发现为设计具有高效且持久催化性能的纳米材料提供了重要参考。

Figure 1. a) CL intensity of ME PBA-luminol-H₂O₂in pH 7.4 PBS (a’), pH 9.0 PBS (b’), pH 9.0 Tris (c’), pH 9.0 CBS (d’), pH 10.0 NaOH (e’), and pH 11.0 NaOH (f’). n = 3. b) Enhancement times of flash CL signal with free metal ions and various PBAs. c) CL kinetic curve of ME PBA. d) Real-time enhancement times of CL signal by Co²⁺ and Co-involved PBAs. e) Schematic illustration of two reaction paths between H₂O₂and ME PBA. f) CL imaging kinetic curve of ME PBA (n = 3). 图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202503734.

为深入探究ME PBA所具备的高催化活性及催化持续性的机制，作者考察了反应过程中产生的活性氧自由基，发现ME PBA能够持续且高效地催化过氧化氢，进而生成三种活性氧（O₂˙⁻，·OH，¹O₂）与鲁米诺反应产生持续的CL信号。随后，作者对ME PBA的活性状态进行了考察，结果显示其依旧保持着较高的催化活性，而仅含有Co位点纳米酶的活性出现了显著下降，凸显了ME PBA优异的催化持续性。作者还考察ME PBA的多孔性，结果表明其多孔性并非导致催化持续性增强的主要原因。结合实验数据以及理论计算，作者揭示了ME PBA实现高效且持续催化的核心机制：ME PBA通过框架内金属位点之间的电子转移加速价态的循环以快速恢复催化活性，从而将闪光信号转化为强烈的辉光（Figure 2）。该研究不仅揭示了ME PBA的催化机制，更重要的是打破了纳米酶在CL催化方面存在的固有限制，为相关领域的研究与应用开辟了新的思路。

Figure 2. a) Schematic illustration of Fenton-like reaction process of Co species. b) The regeneration of active valence of Co through ET in framework of ME PBA. c) Schematic process of ME PBA-participated CL reaction. 图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202503734.

Figure 3.a) Schematic illustration of CL imaging for dynamic evaluation of bacterial motility. b) CL imaging kinetic curve of ME PBA after linking with 4-mercaptophenylboronic acid (n = 3). c) CL images of control (upper) and experimental (below) groups at different collection times. d) Photos for plate counting of bacterial colonies before (upper) and after (below) motility evaluation for 40 min. 图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202503734.

最后，作者基于ME PBA增强的CL成像信号构建了一种简便的CL成像方法以评估细菌运动性，该方法在24孔板上即可完成（Figure 3）。与传统的构建基因工程方法相比，这种CL成像方法优势显著：不仅分析时间短、成本低、操作便捷，还能实现实时监测，且评估准确性高，为细菌运动性的研究与评估提供了更为高效的新选择。

总结：为实现CL信号的持续增强并应用于生物成像，作者设计了一种具有Co, Ni, Cu三核构型的ME PBA以打破纳米酶对CL反应的催化限制。ME PBA展现出对鲁米诺-过氧化氢体系优异的闪光以及持续催化活性，成功地将闪光CL信号转化为强烈的辉光。随后，作者基于实验结果以及理论计算揭示了ME PBA可以通过框架内的电子转移加速价态循环的机制。最后，作者提出了一种简便的CL成像方法来评估细菌运动性，该方法具备成本低、便捷、快速等特点。此研究工作打破了纳米酶的催化限制，为实现持续催化活性开辟了新的手段，并成功地将闪光CL转化为强烈的辉光以满足生物成像和生物分析的需求。

展望：①普鲁士蓝类似物中金属位点间的电子转移是通过氰基桥实现的，后续研究可通过缩短电子转移距离以实现更高效、持久的催化性能。②本研究通过金属间电荷转移加速价态循环实现持续催化，后续工作可开发更高效的电子转移机制，进一步延长CL寿命。

捕捉实验细节：在方案设计时，我们计划利用高熵纳米酶的多金属协同作用进一步提升闪光催化性能，从而提高传感方法的灵敏性。于是，我们通过组合不同的金属源、用量、不同的金属价态合成了数十种材料。但我们在最初考察材料性能时更多关注了闪光信号强度，再次分析数据时，我们才进一步发现了ME PBA具有独特的动力学性质，在闪光后仍可以保持较高的催化活性。在证实此现象后，我们重新考察了构型熵与催化持续性的关系，并开展了后续一系列的验证实验以及理论计算，揭示其催化机制，并将获得的持久强CL信号应用于生物成像。

论文信息：

该工作以 “Transforming Chemiluminescence from Flash to Glow by Breaking the Catalytic Limitation with a Medium-Entropy Nanozyme” 为题发表于Angew. Chem. Int. Ed. （DOI：10.1002/anie.202503734）。南京大学化学化工学院鞠熀先教授为论文通讯作者，论文第一作者是南京大学2023级博士研究生罗帅同学。该研究工作得到了国家自然科学基金的资助。

鞠熀先  教授，南京大学生命分析化学全国重点实验室主任，国际电化学会会士、英国皇家化学会会士、中国化学会会士。1986、1989、1992年分别获南京大学理学学士、硕士与博士学位后留校任教。2003年获国家杰出青年科学基金，2007年教育部“长江学者”特聘教授、2009年为“973”计划项目首席科学家，2010年选为享受国务院特殊津贴专家，2005-2014年为国家自然科学基金创新研究群体的负责人。研究方向为生命分析化学与分子诊断学。获美国化学会2022年度测量科学进展讲座奖、中国化学传感器首届雷磁杰出成就奖，以及省部级自然科学或科学技术奖励一等奖11项、二等奖6项。发表论文992篇，授权专利64件，中、英文专著与编著14部。论文被SCI刊物他引49500多次，h-index 112 (Google h-index 124，引用58500多次)。

任《Front. Chem.: Anal. Chem.》主编、《Targets》主编，《Sensors》、《J. Anal. Testing》、《EngMedicine》等刊副主编。中国分析测试协会生物传感专业委员会主任，中国仪器仪表学会分析仪器分会副理事长、电分析化学专业委员会主任、化学传感器专业委员会副主任，中国化学会分析化学学科委员会副主任、有机分析专业委员会副主任，中国生物工程学会生物传感-生物芯片-纳米生物技术专业委员会副主任，中国药理学会分析药理学专业委员会副主任，江苏省化学化工学会分析化学专业委员会主任、质谱分析专业委员会副主任，江苏省分析测试学会副理事长。