创新的尿素传感器：采用激光和滴铸技术制备的Pt/石墨烯/铜电极

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Innovative Urea Sensor: Pt/Graphene/Copper Electrode via Laser and Drop Casting Techniques

基于脉冲激光消融法制备的铂纳米颗粒与单层石墨烯复合电极在0.5-10 mM范围内实现了0.5 mM检测限和0.1238 mA·mM?1·cm?2灵敏度，通过伏安法和电化学阻抗谱验证了其优异的尿素传感性能。

　　本研究提出了一种创新的纳米结构电极，用于对尿素进行高灵敏度的电化学检测。该电极采用了一种新型的铂纳米颗粒（Pt NPs）与单层石墨烯（Gr）结合的结构，通过在铜基底上沉积铂纳米颗粒，形成了Pt/Gr/Cu复合电极。这种电极不仅具有优异的电催化性能，还具备良好的稳定性和重现性，使其在生物医学检测、环境监测以及食品质量控制等领域展现出广阔的应用前景。

尿素是人体代谢过程中产生的主要含氮废物之一，主要通过肾脏排出体外。在正常生理条件下，血液中的尿素氮（BUN）浓度通常维持在1.8至7.1 mmol/L之间。然而，当肾功能受损，尤其是肾功能早期阶段，肾小球滤过率（GFR）下降会导致尿素清除率降低，从而引起BUN浓度升高。除了肾功能障碍外，尿素浓度的升高也可能与年龄增长、胃肠道出血、蛋白质分解加速或血容量减少等因素有关。因此，对尿素浓度的准确检测对于评估肾功能及早期发现肾病具有重要意义。

传统上，尿素检测依赖于化学分析方法，但这些方法通常存在操作复杂、成本高以及灵敏度有限等缺点。近年来，电化学传感器因其低成本、高灵敏度和操作简便等优势，逐渐成为一种重要的替代手段。特别是非酶促电化学传感器，因其无需依赖酶的催化作用，具有更好的稳定性和可重复性。在非酶促传感器领域，铂基材料因其优异的电催化性能和良好的导电性，成为研究的重点。

本研究通过脉冲激光烧蚀（PLAL）技术合成了一种表面无配体的铂纳米颗粒。该方法在液态环境中进行，利用高能激光脉冲将铂靶材表面的原子蒸发并沉积于水溶液中，形成纳米颗粒。这种方法的优点在于无需使用表面活性剂或还原剂，从而避免了可能影响传感器性能的残留物。此外，PLAL合成的铂纳米颗粒具有较高的纯度和均匀的尺寸分布，平均粒径约为10 nm，标准差为3 nm。这种纳米颗粒随后被滴涂到单层石墨烯薄膜上，该薄膜生长在铜基底上，形成Pt/Gr/Cu复合电极。石墨烯因其卓越的导电性、广阔的电活性表面以及良好的结构稳定性，能够与铂纳米颗粒形成协同效应，从而显著提升电极的电化学性能。

为了验证该电极的性能，研究团队采用了多种电化学测量技术，包括循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）。在CV模式下，电极对尿素的检测限达到了0.5 mM，线性响应范围为0.5-10 mM，灵敏度为0.1238 mA·mM^-1·cm^-2。而在EIS模式下，检测限同样为0.5 mM，灵敏度为0.0217 mM^-1·cm^-2，线性响应范围为1-8 mM。两种方法的检测限一致，表明电极的稳定性良好，且检测性能不受测量方式的影响。这一结果表明，电极的界面噪声水平决定了其检测限，而非具体的测量技术。

在电化学性能分析中，研究团队发现Pt/Gr/Cu电极在尿素浓度增加时，其氧化峰电流显著增强。这表明电极对尿素具有良好的催化活性。此外，通过50次连续的循环伏安测量，电极的稳定性得到了验证。其中，A0、A1和A2峰的电流分别保持了初始值的65.5%、88.7%和76.9%，而A4峰的电流甚至增加了108.7%。这些结果进一步证实了电极在尿素氧化过程中的高效催化能力。在阴极区域，B2和B3峰的电流分别增加到其基线值的106.0%和163.3%，说明电极在长期使用后仍能保持良好的电化学性能。

研究还对Pt/Gr/Cu电极与现有尿素传感器进行了性能对比。结果显示，该电极在灵敏度和检测范围方面优于裸铂纳米颗粒，但与某些其他材料（如聚吡咯-铂复合电极）相比，其灵敏度略低。然而，由于其铂含量极低（仅为几微克/平方厘米），其检测限并不低于一些高铂含量传感器。此外，该电极的线性响应范围（1.0-10 mM）涵盖了大多数临床和诊断应用所需的尿素浓度区间，使其在实际应用中具有重要的价值。

从结构和性能角度来看，Pt/Gr/Cu电极的优势在于其纳米结构设计和材料组合。铂纳米颗粒的高催化活性与石墨烯的优异导电性相结合，形成了一个高效的电化学反应界面。石墨烯作为载体，不仅提供了广阔的电活性表面，还促进了电子的快速传输，从而提高了检测灵敏度。此外，电极的低铂含量和高稳定性使其在大规模生产和应用中更具可行性。未来，研究团队计划进一步测试该电极在不同环境和生物样品中的性能，包括血液、血清以及水样，以评估其在实际应用中的适用性。

在实际应用方面，Pt/Gr/Cu电极不仅适用于实验室环境，还具有广阔的工业应用前景。由于其制备过程可以通过喷雾涂布或喷墨打印等工业技术进行规模化生产，因此在实际检测中具有较高的可行性。此外，该电极的高灵敏度和良好的稳定性使其在复杂的样品基质中仍能保持较高的检测精度和选择性。例如，已有研究表明，基于贵金属和石墨烯的传感器在含有干扰物质的样品中仍能保持其灵敏度和选择性，这为Pt/Gr/Cu电极在实际检测中的应用提供了理论支持。

尽管本研究的检测限为0.5 mM，这一数值对于大多数临床诊断应用来说是足够的。在人体血浆中，尿素的检测限通常为2.5 mM，因此该电极能够满足临床需求。同时，该电极的线性响应范围（1.0-10 mM）也涵盖了正常和病理性尿素浓度范围，使其在临床诊断和环境监测中具有重要价值。

总的来说，Pt/Gr/Cu电极在尿素检测方面表现出优异的性能，其低铂含量、高灵敏度以及良好的稳定性使其成为一种极具潜力的非酶促电化学传感器。未来的研究将进一步探讨该电极在不同样品中的实际应用，包括其在复杂基质中的选择性和抗干扰能力。同时，该电极的制备方法也具备工业化的潜力，有望在生物医学、环境监测和食品检测等领域得到广泛应用。