导语
发展低成本、高灵敏的葡萄糖检测技术对糖尿病管理至关重要。传统比色法依赖的天然酶存在稳定性差、成本高的问题，而常规合成方法制备的纳米酶往往活性有限。浙江工业大学邵韦副教授团队在《Journal of Alloys and Compounds》上发表研究，提出一种超快焦耳加热合成策略。该策略通过施加40 V, 280 A的电流脉冲，使前驱体在毫秒间经历约2000 K·s⁻¹的极速升温和自然冷却，成功制备出具有丰富氧空位的二维多孔Fe₂O₃纳米酶。得益于独特的结构与高密度缺陷（氧空位浓度达24.6%），该材料表现出优异的类过氧化物酶活性，在葡萄糖检测中实现了1.56 μM的低检出限，并具有良好的选择性与循环稳定性，为便携式生化检测提供了高性能的纳米酶材料。
研究要点
合成高效：采用毫秒级脉冲焦耳加热技术，升温速率约2000 K·s⁻¹，通过快速热循环有效抑制晶粒粗化并“冻结”高浓度氧空位。
结构优异：成功构建兼具二维多孔形貌与高密度缺陷（氧空位浓度24.6%）的Fe₂O₃，有利于底物传质与电子转移。
性能突出：材料展现出卓越的类过氧化物酶活性，基于其构建的比色传感体系对葡萄糖的检出限低至1.56 μM，线性范围宽（2–700 μM）。
应用潜力：传感器具有良好的选择性、重现性（循环使用6次活性保持90%以上）及pH适应性，适用于复杂样品分析。
图文解读
图1：超快焦耳加热合成路线示意图
该示意图展示了从金属-有机凝胶前驱体到二维多孔Fe₂O₃纳米酶的快速转化过程。在焦耳加热产生的高温脉冲下，前驱体发生剧烈的氧化还原反应并释放气体，瞬间形成介孔结构；随后的快速冷却则有助于将形成的高浓度氧空位结构稳定下来，同时避免纳米片的堆叠，整个过程在毫秒时间内完成。
图2：微观形貌与晶体结构表征
透射电镜图像显示，所得Fe₂O₃-JH材料保持了二维多孔的形貌。高分辨图像呈现了清晰的晶格条纹，对应于α-Fe₂O₃的（112）晶面。选区电子衍射及元素面扫分析证实了材料的结晶性和Fe、O元素的均匀分布。与传统煅烧样品相比，焦耳加热法有效抑制了高温下的颗粒团聚与孔道坍塌。
图3：光谱学分析与类酶活性
X射线光电子能谱分析定量表明，Fe₂O₃-JH表面的氧空位浓度高达24.6%，显著高于传统方法制备的对比样品。电子顺磁共振谱在g≈2.003处的信号增强进一步佐证了缺陷的存在。类过氧化物酶活性测试显示，Fe₂O₃-JH催化氧化TMB底物产生的吸光度信号最强，说明其具有更高的催化活性，这与其丰富的氧空位促进H₂O₂活化密切相关。
图4：葡萄糖检测性能与稳定性评估
在葡萄糖氧化酶与纳米酶的级联催化体系中，Fe₂O₃-JH实现了对葡萄糖的高灵敏比色检测。吸光度与葡萄糖浓度在2至700 μM范围内呈现良好的线性关系，计算得出的检出限为1.56 μM。材料在重复使用6次后，催化活性仍能保持在90%以上，且形貌与结构未发生明显变化，显示出优异的操作稳定性。此外，该传感器对果糖、乳糖等常见糖类物质具有良好的选择性。
总结与展望
本研究通过超快焦耳加热这一独特的能量注入方式，在极短时间内同步实现了Fe₂O₃纳米酶的多孔形貌构建与高浓度氧空位缺陷的创制。这项工作不仅提供了一种合成高性能纳米酶的高效方法，也揭示了通过动力学调控缺陷结构以优化催化性能的有效途径。所制备的纳米酶在葡萄糖比色传感中展现出的高灵敏度与稳定性，使其在低成本、便携化的即时检测领域具有明确的应用前景。未来，此合成策略有望拓展至其他金属氧化物纳米酶体系，并可探索其在多酶协同催化及更复杂的生物传感中的应用。
文献信息
Jingjing Li, Jiajie Chen, Lijun Wu, Jiaoying Wang, Yanrong Ren, Huijun Song, Wei Shao*. Ultrafast Joule heating to construct oxygen-vacancy-rich two-dimensional porous Fe2O3 nanozymes for high-sensitivity colorimetric glucose detection. J. Alloys Compd. 2025.
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.185890
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