原位激光诱导金属掺杂石墨烯电极用于汗液尿酸灵敏检测

研究背景
汗液作为一种富含生物标志物的非侵入性体液，在健康监测领域具有重要价值。尿酸（UA）作为嘌呤代谢的终产物，是评估肾功能、痛风等疾病的关键临床指标。然而，汗液中UA浓度极低（微摩尔级别）且基质复杂，对检测灵敏度提出极高要求。激光诱导石墨烯（LIG）技术因其低成本、图案化灵活等优势成为理想传感平台，但原始LIG电化学性能不足，通常需要杂原子掺杂增强性能。
创新策略：原位金属掺杂LIG制备方法
本研究开发了一种原位激光诱导金属掺杂石墨烯（M-LIG, M= Fe, Co, Ni, Cu）的简易制备方法。该策略的核心步骤包括：
等离子体处理：在聚酰亚胺（PI）薄膜表面引入羧基、羟基等亲水基团
金属离子吸附：通过静电吸附和螯合作用锚定金属离子
激光诱导掺杂：CO₂激光辐照同步实现PI碳化为石墨烯和金属原子级掺杂

材料表征与性能优化
表面润湿性变化：PI薄膜接触角从144.5°（原始）降至10.2°（等离子体处理后），最终LIG呈现超亲水性（接触角≈0°），有利于汗液渗透。
结构特征分析：
拉曼光谱显示M-LIG保持石墨烯特征峰（D带1349 cm⁻¹，G带1581 cm⁻¹，2D带2692 cm⁻¹）
Ni-LIG的I₂D/IG比值达1.92，接近单层石墨烯结构
ID/IG比值表明金属掺杂有效增加了石墨烯缺陷密度，提供更多活性位点
形貌分布验证：

XPS分析证实金属成功掺杂至LIG基质，Ni-LIG中Ni以+2价态存在（结合能855.0 eV和873.0 eV），且通过C-O-M键合实现原子级掺杂。元素分布显示Ni均匀分散于石墨烯骨架中，负载量为0.25 wt%。
电化学传感性能
检测系统构建：集成M-LIG工作电极、LIG对电极和丝网印刷Ag/AgCl参比电极，结合微型电化学检测模块实现无线信号传输。
性能比较：
Ni-LIG表现最优：检测限0.12μM，较原始LIG（1.27μM）降低10.6倍
线性检测范围上限从200μM提升至1000μM，扩大5倍
在人工汗液中保持良好线性响应（0-40μM：I=0.375CUA+11.5, R²=0.985）

机理研究：DFT理论计算
吸附行为分析：Ni-LIG与UA间的电荷密度重叠区域显著大于其他体系，Bader电荷分析显示净电荷转移达+0.69 e，表明Ni活性位点促进界面电子重排。
能带结构：Ni-LIG的d带中心（-1.66 eV）最接近费米能级，具有最强的UA吸附能力和催化活性。
反应能垒：UA氧化在Ni-LIG上的决速步能垒仅0.45 eV，显著低于其他材料，从能量角度解释其优异催化性能。

实际应用验证
汗液样本检测：对3名健康志愿者汗液样本进行检测，与商用UA检测试剂盒结果无显著差异（t检验，texp < tcrit[0.05,4]=2.78），证实传感器临床可行性。
稳定性表现：
室温储存一个月后信号保持94.7%
抗干扰性强，抗坏血酸、尿素等常见物质无影响
批内批间相对标准偏差分别为2.02%和5.42%
结论与展望
本研究建立了普适性的M-LIG制备策略，显著简化了制备流程并提升传感性能。Ni-LIG电极在汗液UA检测中展现出卓越的灵敏度、选择性和稳定性，为可穿戴健康监测设备开发提供了新途径。未来工作将重点解决集成化汗液采集系统等实际应用挑战。
来源：能源和环境催化