具有成本效益的激光诱导石墨烯电化学电池制造方法，用于NADH检测

《ACS Omega》：Cost-Effective Fabrication of Laser-Induced Graphene Electrochemical Cell for NADH Detection

激光诱导石墨烯/聚酰亚胺复合电极用于NADH检测，通过450 nm激光加工实现低成本（0.10美元/个）高灵敏度（LOD 2.72 μmol/L）传感器，表面含C=O基团增强电催化活性，检测电位低至50 mV vs Ag/AgCl，线性范围5-1000 μmol/L，重复性RSD<8.22%，稳定性达一年。

　　激光诱导石墨烯（Laser-Induced Graphene, LIG）因其独特的性能和广泛的应用前景，近年来在电化学传感技术领域引起了广泛关注。LIG不仅具有优异的导电性和机械性能，还因其结构可控、可大规模生产以及环保特性而备受青睐。在本研究中，我们开发了一种基于LIG/聚酰亚胺（PI）复合材料的新型电化学传感器，通过450 nm激光照射实现对烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的安培检测。NADH作为一种重要的生物标志物，与多种神经退行性疾病密切相关，因此，其高灵敏度和快速检测能力在临床诊断和生物医学研究中具有重要意义。

LIG的结构和性能通过拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）和薄层电阻测量进行了全面表征。实验结果显示，LIG的平均薄层电阻为24.38 ± 2.19 Ω/□，表明其具有出色的导电性。XPS分析进一步揭示了LIG表面存在C═O键（288.9 eV），这些键是在激光诱导石墨烯制备过程中形成的氧化环境下的产物。C═O键的存在可能增强了LIG的电催化活性，通过红ox介导促进NADH的氧化反应。实验采用了一种打印的Ag/AgCl伪参比电极，并在仅需50 mV的电位下实现了对NADH的检测，其浓度范围为5 μmol/L至10 mmol/L。传感器的检测限（LOD）为2.72 μmol/L，定量限（LOQ）为9.07 μmol/L，且在1 mmol/L范围内具有良好的线性响应。

为了验证传感器的性能，实验还评估了其在不同浓度下的重复性和可重复性。在相同的实验条件下，重复测量的相对标准偏差（RSD）为2.76%，表明其具有良好的测量一致性。而同一批次内不同电极的RSD为5.78%，不同批次之间的RSD为8.22%。这些结果表明，LIG基电极在重复性和可重复性方面表现优异，具备作为可靠电化学传感器平台的潜力。此外，该方法的总材料成本仅为0.10美元，显著低于传统电化学传感器的制造成本，进一步凸显了其在低成本、环保型生物传感器开发中的优势。

在传统电化学传感器的开发过程中，通常需要复杂的合成步骤、昂贵的试剂以及高能耗的处理过程。例如，石墨烯氧化物（GO）的还原通常需要高温处理或使用有毒化学还原剂，如肼、氢碘酸和氢化钠等，这不仅增加了生产成本，还对环境造成了污染。相比之下，激光诱导石墨烯技术提供了一种一步法的制备方式，无需高温、溶剂或后续处理，从而实现了低成本、高效率的材料合成。LIG的制备过程不仅简化了传统方法的复杂性，还降低了对环境的影响，使其成为一种更加可持续的替代方案。

LIG的制备通常基于聚酰亚胺等聚合物材料，通过激光照射实现石墨烯的形成。在本研究中，我们使用了一种低功率、低成本的激光雕刻机（450 nm），结合聚酰亚胺作为原材料，实现了LIG的高效制备。激光的光热效应促使聚酰亚胺中的碳键断裂，形成具有多孔结构的石墨烯电极。这种方法避免了传统氧化和还原过程中的高能耗和污染问题，同时保留了材料的高导电性和化学稳定性。

在实际应用中，LIG传感器的电化学性能通过多种实验方法进行了验证。例如，通过循环伏安法（CV）和恒电流法（chronoamperometry）对NADH的检测进行了系统研究。实验发现，LIG传感器在50 mV的电位下即可实现对NADH的高效检测，而传统的商业传感器通常需要更高的电位（如-1.04 V vs Ag/AgCl）才能达到类似的检测效果。这表明，LIG的表面氧功能团（如C═O键）在电催化氧化过程中起到了重要作用，能够作为红ox媒介，显著降低NADH的氧化过电位，提高检测效率。

此外，为了评估传感器的稳定性和寿命，实验对LIG传感器在一年内的性能进行了长期测试。结果显示，即使经过长时间储存和使用，传感器仍能保持较高的检测一致性，电流响应的变化幅度较小。同时，其检测结果的重复性也保持良好，表明该传感器在实际应用中具有较强的鲁棒性。这种稳定性对于实际应用中的传感器而言至关重要，特别是在需要长期监测的医疗和环境检测场景中。

本研究还通过对比实验验证了LIG传感器在NADH检测中的优越性。与其他类型的碳基传感器相比，LIG传感器不仅在检测限和定量限方面表现更优，还具有更低的检测电位和更宽的检测范围。例如，某些传统传感器的检测电位高达-1.04 V vs Ag/AgCl，而LIG传感器仅需50 mV即可实现检测。这不仅降低了能耗，还提高了检测的便捷性。此外，LIG传感器的检测范围可达1 mmol/L，远高于其他传感器的检测能力，表明其具有更高的灵敏度和适应性。

在实际应用中，LIG传感器还表现出良好的选择性。通过实验测试，传感器在检测NADH时，能够有效抑制其他干扰物质（如葡萄糖和尿素）的电化学信号，从而实现高选择性的检测。这一特性对于实际应用中的复杂样品（如全血）尤为重要，因为其中可能含有多种电活性物质，容易对检测结果产生干扰。LIG传感器的低电位检测和表面氧功能团的存在，使其能够有效区分NADH与其他物质，确保检测的准确性。

此外，LIG传感器的制备过程具有高度的可重复性和可扩展性。通过使用相同的实验条件和设备，可以在短时间内生产出大量高质量的传感器，满足大规模应用的需求。同时，LIG的结构可以通过调整激光参数（如功率、速度和扫描次数）进行优化，以适应不同的检测要求。这种灵活性使得LIG传感器在多种应用场景中具有广泛的应用潜力，包括但不限于医疗诊断、环境监测和生物分析等领域。

综上所述，LIG/PI复合材料在NADH检测中的应用展现出显著的优势。其低成本、高灵敏度、良好选择性和稳定性，使其成为一种理想的电化学传感器材料。同时，LIG的制备过程环保、高效，为大规模生产和可持续发展提供了新的思路。未来，随着LIG技术的不断进步，其在生物医学和环境监测领域的应用前景将更加广阔。