综述：激光直写制备激光诱导石墨烯电极在药物和生物医学分析中的应用

这篇综述系统阐述了激光诱导石墨烯（LIG）电极的制备技术及其在药物监测、生物标志物检测等领域的应用。文章详细分析了LIG的高导电性、大比表面积和可功能化特性，重点探讨了其在代谢物（如葡萄糖）、神经递质（如多巴胺）、抗生素（如氯霉素）等小分子检测中的卓越性能，并展望了LIG在即时诊断（POC）和可穿戴设备中的发展前景。

　　

激光诱导石墨烯电极：药物与生物医学分析的革命性材料

摘要

激光诱导石墨烯（LIG）通过激光直写技术从聚合物基底（如聚酰亚胺）直接转化而来，兼具高导电性（25000-3000 mS/cm）、多孔结构（比表面积340 m²
/g）和可调控的表面化学性质。这种材料无需复杂化学处理，即可用于构建高性能电化学传感器，尤其适合药物残留检测、疾病标志物分析和即时诊断设备。

1. 引言

传统电化学传感器依赖贵金属或碳基材料，而LIG的制备仅需一步激光加工，成本降低90%以上。其独特的三维多孔结构显著提升了电子传递效率，例如对乙酰氨基酚（PCM）的检测限低至3.39 nM，远优于传统电极。

2. 制备与特性

2.1 激光类型选择
CO₂
激光（10.6 μm）最常用，紫外激光（如193 nm）则适合高精度图案化。激光功率和扫描速度可调控石墨化程度——功率从1.7 W升至8.2 W时，比表面积从370降至100 m²
/g，但导电性提升。

2.2 表面修饰策略

• 金属纳米颗粒：铜纳米立方体（CuNCs）修饰的LIG对葡萄糖灵敏度达4532.2 μA/mM·cm²

• 分子印迹聚合物（MIP）：用于氯霉素（CAP）检测时，检测限低至0.62 pM

3. 小分子检测应用

3.1 代谢物监测
镍钴层状双氢氧化物（NiCo-LDH）修饰的LIG可在血清中检测0.5-270 μM葡萄糖，检测限50 nM。酪氨酸（Tyr）在软木基LIG上呈现30.3 μM的检测限，展现生物质材料的潜力。

3.2 神经递质传感
MXene/金钯纳米颗粒（AuPdNPs）复合LIG能同时检测多巴胺（DA）和尿酸（UA），线性范围跨越5个数量级，在尿液分析中回收率达94-112%。

3.3 药物分析
四环素（TC）的MIP传感器在牛奶中检测限32 pM，而甲氨蝶呤（MA）的便携式传感器可通过智能手机读取，适用于缉毒现场检测。

4. 生物大分子检测

4.1 蛋白质检测
SARS-CoV-2刺突蛋白的场效应晶体管（FET）传感器响应时间仅15分钟，检测限1 pg/mL。适体修饰的LIG对大肠杆菌（E. coli）检测限达100 CFU/mL，优于传统培养法。

4.2 核酸分析
肽核酸（PNA）功能化LIG对miRNA-141的检测限创纪录地达到0.6 aM，相当于单分子级别灵敏度。

5. 挑战与展望

当前LIG传感器面临三大瓶颈：

1. 长期稳定性问题（如酶修饰电极活性保持不足72小时）
2. 复杂基质干扰（血清中蛋白质非特异性吸附）
3. 规模化生产良率（目前批次差异达±15%）

未来趋势包括：

• 机器学习辅助的多靶点同步检测
• 自供电系统集成（如摩擦纳米发电机）
• 可降解LIG用于植入式短期监测

从实验室到临床，LIG技术正在重塑生物医学检测的边界，其核心优势在于将复杂的分析过程简化为"激光书写即得传感器"的颠覆性模式。