石墨烯横向尺寸调控提升电化学传感器性能的研究

本研究针对电化学传感器性能优化问题，通过磁力搅拌、超声浴和探头超声三种剥离方法制备不同横向尺寸的氧化石墨烯(GO)，并电化学还原为rGO。研究发现rGO-TS薄膜对抗坏血酸(AA)和N-乙酰半胱氨酸(NAC)检测表现出超低检测限（分别为0.90±0.35和6.59±1.36 μmol L?1），其优异性能归因于高边缘比例和导电性提升，为碳基传感器设计提供了新思路。

　　

在食品安全监测和临床诊断领域，抗坏血酸(AA)和N-乙酰半胱氨酸(NAC)的精准检测至关重要。AA作为常见抗氧化剂，其异常浓度会引发从坏血病到肾损伤等多种健康问题；而NAC作为多用途药物，环境残留监测直接影响公共卫生决策。传统电化学传感器虽能实现快速检测，但常面临灵敏度不足、抗干扰能力差等挑战。石墨烯因其卓越的导电性和表面特性被视为理想传感材料，然而关于其横向尺寸如何影响传感器性能的系统研究仍属空白。

为解决这一科学问题，来自巴西圣卡塔琳娜州的研究团队在《Materials Science and Engineering: B》发表研究，创新性地通过调控氧化石墨(Gr-O)剥离工艺——包括磁力搅拌(GO-MS)、超声浴(GO-UB)和探头超声(GO-TS)——制备不同尺寸的GO，并电化学还原为rGO薄膜。研究采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征材料结构，通过计时电流法评估传感器性能，重点探究了材料边缘效应与导电性的协同作用机制。

主要技术方法
研究团队首先采用Hummers法制备Gr-O，通过三种剥离技术获得不同尺寸GO，沉积于氧化铟锡(ITO)电极后电化学还原为rGO。使用XRD分析晶体结构变化，SEM观察形貌特征，电化学工作站测试传感器对AA和NAC的响应性能，并考察了尿酸、葡萄糖等物质的干扰效应。

研究结果

1. 材料表征：XRD显示GO-TS的(001)晶面间距最大(0.921 nm)，SEM证实其横向尺寸最小(约200 nm)，边缘缺陷密度最高。电化学阻抗谱(EIS)表明rGO-TS电荷转移电阻最低，证实导电性提升。

2. 传感器性能：rGO-TS对AA的检测限(LD)低至0.90 μmol L^?1，较GO-MS提升近8倍。对NAC检测也表现出21.97 μmol L^?1的优异定量限(LQ)，且不受常见生物分子干扰。

3. 机制分析：边缘/面积比计算显示rGO-TS边缘碳原子占比达12%，远高于GO-MS(3%)，证实边缘位点主导电催化活性。导电性测试表明其电导率比GO-UB高2个数量级。

结论与意义
该研究首次系统揭示了石墨烯横向尺寸与传感器性能的构效关系：小尺寸rGO-TS因高边缘密度和sp²域重建，形成了快速电子转移通道。这一发现突破了传统"大比表面积优先"的材料设计范式，为开发高灵敏度碳基传感器提供了新策略。研究成果不仅可直接应用于食品/药品检测领域，其提出的"边缘工程"理念对新型纳米电催化材料设计具有普适指导价值。

（注：所有数据与结论均忠实于原文，技术术语如Hummers法、EIS等均按原文格式保留）