使用经过铜纳米粒子修饰的激光诱导石墨烯，可以简单且低成本地构建对Pb(II)离子具有高灵敏度的电化学传感器

《Microchemical Journal》：Simple and low-cost construction of sensitive Pb (II) ions electrochemical sensor using cu nanoparticles modified laser-induced graphene

高效检测饮用水中铅离子的新方法，采用激光烧蚀和电化学沉积制备铜纳米颗粒修饰的激光诱导石墨烯电极，实现铅离子检测线性范围1-500 μg/L，灵敏度0.26-0.083 μA·μg?1·L，检测限0.45 μg/L，实际水样回收率92.5%-97.4%。该传感器成本低、操作简便，拓展了激光诱导石墨烯在环境监测中的应用。

　　铅离子（Pb2?）的高效检测对于保障饮用水安全、保护生态环境以及满足监管标准具有重要意义。近年来，随着环境监测需求的不断增长，研究者们致力于开发更灵敏、更快速、更经济的检测方法。在此背景下，一种基于铜纳米颗粒修饰的激光诱导石墨烯电极（Cu NPs/LIG）的新型电化学传感器被成功研制，为铅离子的检测提供了新的思路和手段。

本研究通过一种简单的激光烧蚀策略和电化学沉积技术，实现了Cu NPs/LIG电极的快速制备。首先，利用激光烧蚀技术将聚酰亚胺薄膜转化为具有多孔结构的激光诱导石墨烯（LIG）。随后，通过恒电位沉积法将铜纳米颗粒（Cu NPs）负载于LIG电极表面，从而构建出Cu NPs/LIG电化学传感器。该传感器在1–100 μg/L和100–500 μg/L的铅离子浓度范围内均表现出良好的线性关系，其灵敏度分别达到0.26 μA μg?1 L和0.083 μA μg?1 L。同时，检测限低至0.45 μg/L，表明该传感器在低浓度铅离子检测方面具有显著优势。通过将该传感器应用于实际环境水样的检测，实验回收率在92.5%至97.4%之间，显示出其在实际应用中的可行性。

铅污染已成为全球范围内的重大环境问题，对人类健康和生态系统构成严重威胁。铅作为一种重金属元素，即使在低浓度下也会对神经系统造成损害，尤其是对儿童的生长发育具有不可逆的影响。此外，铅还可能对心血管、免疫和生殖系统产生不良影响，因此，开发一种能够快速、准确地检测铅离子的方法显得尤为重要。传统的铅离子检测方法往往需要复杂的设备和繁琐的步骤，难以满足现场快速检测的需求。而电化学方法因其高灵敏度、快速响应、低成本和便携性，逐渐成为重金属离子检测的主流手段之一。

电化学传感器的工作原理主要依赖于重金属离子在电极表面的电化学还原和阳极溶出反应。这些反应过程中，重金属离子会在电极表面发生氧化或还原反应，产生可测量的电化学信号。因此，电极材料的性能直接影响传感器的整体表现。理想的电极材料应具备良好的富集能力和电子传导性能，以促进重金属离子的吸附和反应过程。近年来，石墨烯因其优异的物理化学性质，如大比表面积、高导电性和良好的化学稳定性，被广泛应用于电化学传感器领域。然而，传统的石墨烯合成方法，如机械剥离和化学气相沉积（CVD），通常存在工艺复杂、耗时长和成本高等问题，限制了其在实际应用中的推广。

激光诱导石墨烯（LIG）技术作为一种新型的石墨烯制备方法，为解决上述问题提供了可能。LIG技术通过激光照射聚合物基底（如聚酰亚胺薄膜），在短时间内将其转化为具有多孔结构的石墨烯材料。这一过程不仅操作简便，而且能够快速形成结构均匀的电极，同时适用于柔性基底，为电化学传感器的开发提供了新的可能性。LIG的多孔结构可以提供大量活性位点，促进目标分析物的吸附，而其高导电性则有助于电子在电化学反应中的高效传递。因此，LIG材料在重金属离子检测方面展现出广阔的应用前景。

尽管LIG材料在电化学传感器中具有诸多优势，但其单一结构在检测低浓度重金属离子时仍存在一定的局限性。为了进一步提升LIG电极的检测性能，研究者们普遍采用表面修饰策略，将金属纳米颗粒负载于LIG表面。常见的修饰材料包括银、铋、锡/铈双金属等，这些纳米颗粒能够通过其独特的物理化学特性，如高催化活性、大比表面积和强吸附能力，显著增强电极的电化学响应。铜作为一种常见金属，具有丰富的储量和较低的成本，同时具备良好的导电性和催化活性，使其成为一种极具潜力的修饰材料。然而，目前尚未有关于铜纳米颗粒与LIG材料结合用于铅离子检测的研究报道。

在本研究中，铜纳米颗粒被成功负载于LIG电极表面，构建出Cu NPs/LIG电化学传感器。该传感器在铅离子检测方面表现出优异的性能，其检测灵敏度和范围均优于传统LIG电极。此外，该传感器在实际环境水样中的检测回收率较高，表明其具有良好的实际应用价值。铜纳米颗粒与LIG材料的结合不仅提高了传感器的灵敏度，还通过其独特的吸附和催化特性，增强了对铅离子的识别能力。这种修饰方法操作简便，能够有效控制铜纳米颗粒的尺寸、分布和负载量，为电化学传感器的制备提供了一种高效且经济的途径。

除了提升检测性能外，Cu NPs/LIG电极的制备方法还具有一定的环保意义。激光烧蚀和电化学沉积技术均为绿色工艺，能够在不使用有害溶剂和高温条件下完成材料的制备，减少了对环境的污染。此外，该方法所需的设备和材料成本相对较低，有利于大规模生产和推广。因此，Cu NPs/LIG电极不仅在性能上具有优势，而且在可持续性和经济性方面也表现出色。

本研究的创新点在于首次将铜纳米颗粒与LIG材料结合用于铅离子的检测，并通过系统实验验证了其优越的性能。通过激光烧蚀和电化学沉积技术的结合，研究人员能够在短时间内制备出结构均匀、性能稳定的Cu NPs/LIG电极，为重金属离子检测提供了一种新的解决方案。此外，该研究还探索了Cu NPs/LIG电极在不同浓度范围内的检测能力，表明其在宽浓度范围内均能保持良好的线性响应和稳定性。这些发现不仅拓展了LIG材料在环境监测领域的应用范围，也为其他重金属离子的检测提供了借鉴。

在实际应用中，电化学传感器的便携性和快速响应能力使其成为现场检测的理想选择。Cu NPs/LIG电极的制备方法简便，且无需复杂的预处理步骤，这使得其在野外环境或现场快速检测中具有较高的适用性。同时，该传感器的检测限低至0.45 μg/L，能够在极低浓度下准确识别铅离子，这对于环境监测和水质分析具有重要意义。此外，该传感器的高回收率（92.5%–97.4%）表明其在实际样品检测中的可靠性，能够为环境管理部门提供准确的数据支持。

本研究的成果不仅为铅离子的检测提供了一种高效、经济、环保的方法，还为其他重金属离子的检测开辟了新的研究方向。铜纳米颗粒与LIG材料的结合方式可以为后续研究提供理论依据和技术支持，推动电化学传感器在环境监测领域的进一步发展。同时，该研究也为相关材料的制备和应用提供了新的思路，有助于探索更多具有高灵敏度和高选择性的电化学传感器。

在材料表征方面，本研究采用粉末X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术对LIG和Cu NPs/LIG材料进行了分析。XRD结果表明，激光诱导石墨烯材料在约2θ = 26°处出现了明显的衍射峰，这与石墨烯的典型特征峰相吻合，证实了LIG的成功制备。SEM图像则进一步展示了Cu NPs在LIG表面的均匀分布，为后续电化学性能的提升提供了直观的依据。这些表征手段不仅验证了材料的结构特性，还为传感器的性能优化提供了重要的实验数据支持。

实验结果表明，Cu NPs/LIG电极在铅离子检测过程中表现出显著的信号增强效果。这种增强效果主要归因于铜纳米颗粒与LIG材料的协同作用。一方面，铜纳米颗粒的高催化活性促进了铅离子在电极表面的氧化反应，提高了检测灵敏度；另一方面，LIG的多孔结构为铅离子的吸附提供了丰富的活性位点，增强了传感器的选择性和稳定性。此外，铜纳米颗粒的强吸附能力也有助于铅离子在电极表面的富集，从而进一步提升检测效果。

从应用角度来看，Cu NPs/LIG电化学传感器不仅适用于实验室环境，也具备良好的现场检测潜力。由于其制备过程简单、成本低廉，且能够快速响应，该传感器可以被广泛应用于饮用水、土壤和工业废水等环境样本的检测。同时，其高灵敏度和低检测限使其能够满足对痕量铅离子的检测需求，为环境监测提供了更加精确的工具。此外，该传感器的稳定性和重复性也为其在实际应用中的推广提供了保障。

综上所述，本研究通过将铜纳米颗粒与激光诱导石墨烯材料结合，成功开发出一种高效、经济、环保的铅离子检测电化学传感器。该传感器在检测灵敏度、检测范围和实际应用能力方面均表现出显著优势，为重金属离子检测提供了一种新的技术路径。未来，随着材料科学和电化学技术的不断发展，Cu NPs/LIG电极有望在更多领域得到应用，如生物医学检测、食品安全监测和工业过程控制等。同时，该研究也为其他重金属离子的检测提供了理论基础和技术支持，推动了电化学传感器的进一步创新和优化。