《CARBON》：Rapid Fabrication of Hierarchical Carbon Nanofiber Electrodes via Nanosecond Laser Processing for Electrochemical Bilirubin Detection
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本研究采用纳米秒激光处理电纺聚丙烯腈纳米纤维，制备无粘合剂高导电碳纳米纤维电极。通过调控激光功率（0.3-3.0 W），优化碳化过程和结构，实现胆红素无酶检测，灵敏度达0.2419 μA/μM，检测限1.2 μM，线性范围10-275 μM，为便携式诊断设备提供新方法。
Sivaprakasam Radhakrishnan|Srinivasan Arthanari|Subramanian Vijayapradeep|Seungmin Yu|June Sik Hwang|Huseung Lee|Byoung-Suhk Kim
印度特伦甘纳邦瓦兰加尔SR大学科学与人文学院化学系，邮编506371
摘要
基于碳纳米纤维（CNF）的电极在过去几年中因其优异的物理化学和电化学性能而受到广泛关注。然而，传统的制造方法通常需要高温处理和复杂的多步骤工序。因此，仍需要一种快速、可工业化且成本效益高的CNF基电极制造工艺。在这里，我们报道了一种简便快捷的方法，通过将简单的静电纺丝聚丙烯腈（PAN）纳米纤维（NF）垫暴露于纳秒激光下，制备出无粘合剂、高度互联的CNF电极。研究了激光功率（0.3、0.9、1.5、2.25和3.0 W）对NF碳化及结构转变的影响。结果表明，CNF电极的形态、电子性能和电催化行为显著依赖于所施加的激光功率。电化学测试结果显示，这些CNF电极在无需酶的情况下对胆红素（BR）的检测表现出优异的电催化性能，具有高灵敏度（0.2419 μA μM-1）、宽线性范围（10-275 μM）、低检测限（1.2 μM；3σ / S）以及良好的选择性和重复性。这项工作为快速制造先进的碳基电化学传感器提供了一种通用的策略。
引言
代谢和细胞过程产生的代谢物和生物分子是人体生理状态的重要指标。其中许多生物分子已被确立为临床生物标志物，可用于早期检测和监测多种器官疾病和紊乱。[1]、[2]、[3] 胆红素（BR）是一种黄色的四吡咯化合物，其结构为C33H36N4O6，被认为是反映肝脏和血液功能的最重要临床标志物之一。BR主要由血红素分解产生，这一过程发生在红细胞（RBCs）寿命约为120天后。随后，卟啉被分解为未结合的胆红素，后者被运输到肝脏进行进一步结合和最终排泄。在正常个体中，血清总BR浓度通常为5.13至20.52 μmol/L（0.3至1.2 mg/dL）。[4] 超出这个范围的值可能表明存在需要关注的潜在状况。BR水平升高常与黄疸、肝炎、肝硬化和胆管阻塞有关。然而，低水平的BR也可能与贫血和少数遗传疾病相关。[5] 生物BR受多种因素影响，包括年龄、性别、基因多态性、情绪压力和肝功能；因此，精确量化BR水平对于早期诊断和治疗至关重要。因此，设计和合成有效、选择性和敏感的BR检测方法在临床诊断和分析化学中具有重要意义。
已经开发了几种BR分析方法，包括重氮化合物比色法、酶促测定法、紫外-可见光谱法、高效液相色谱法（HPLC）和荧光检测法。[6]、[7] 临床最常用的是重氮偶联技术，该技术涉及BR与重氮化磺胺酸之间的反应，生成可通过光谱法量化的显色剂。然而，这种方法存在一些局限性，如对pH值的敏感性、血红蛋白的干扰以及需要较大样本体积。同样，使用酶（例如胆红素氧化酶）的测定方法虽然具有特异性，但受到酶不稳定性的限制，这种酶在高离子强度、极端pH值和高温条件下容易变性。[8]、[9] 这些传统方法需要复杂的仪器设备、耗时的样品处理和较高的操作复杂性，限制了其在便携式、实时和即时检测（POC）中的应用。近年来，电化学技术在BR检测方面变得越来越有吸引力，因为它具有高灵敏度、低成本、快速响应时间以及微型化和自动化的潜力。[10]、[11]、[12]、[13] 尽管有这些优势，但电化学测定BR仍存在一些局限性，例如BR分子本身导电性低、非平面结构复杂，以及氧化过程中会污染电极表面，从而影响灵敏度和重复性。[14]、[15]、[16] 此外，其氧化还原过程较慢，且BR在生理流体中的电化学窗口有限，使其检测更加复杂。因此，特别是无酶（即非酶促）模式下的BR电化学传感平台开发较少。[17]、[18]
与基于酶的检测方法相比，无酶检测方法由于成本低、稳定性高、可长期储存和可回收性而更具实用性。[19]、[20] 然而，制造能够克服弱氧化还原活性和易被BR污染问题的电极材料仍然是一个重大挑战。高性能传感的关键在于设计电极表面，以实现高电导率、丰富的活性位点和高电催化活性。为了解决这些问题，许多研究采用了创新的纳米材料和复合材料来改性电极。[21] 例如，Huang等人制备了一种MOF耦合的碳纳米纤维用于无酶BR检测，检出限（LOD）为360 μM，灵敏度为4067 μA mM-1 cm-2。[22] 制备过程包括静电纺丝共聚物前驱体，随后进行高温热解（1100 °C）和多步骤MOF负载。Berchmans等人使用rGO-PSS复合电极，获得了0-450 μM的线性校准范围和2.0 μM的LOD。[23] 类似地，使用其他表面活性剂（如PVP、SDS和CTAB）制备的Cu-MOFs也表现出极低的LOD（低至0.12 μM），尽管合成过程复杂且成本较高。[24] Li等人描述了一种基于铈纳米立方体的传感器，通过水热合成制备，检出限为100 nM。[25> 一种潜在的方法是使用具有特定BR结合位点的分子印迹聚合物（MIPs），尽管聚合和模板提取可能较为繁琐。例如，Varmira等人使用2-氨基噻吩和AuFe2O3-GrCNT合成了一种MIP，检测范围为3.7-13.2 μM，LOD为1.36 pM。[26] Ghrera等人使用Ti3C2Tx MXene和o-苯二胺制备了一种MIP基传感器，具有优异的分析性能。[27] 尽管这些研究具有创新性，但这些结果的复杂性也凸显了开发更简单、可扩展的高性能无酶BR传感器制造方法的需求。
最近的研究表明，基于激光的方法越来越多地被用于制造具有可调特性的微米和纳米级多孔电极材料，适用于电化学传感和催化应用。[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35] 具体来说，激光照射聚合物材料可因高效吸热而快速光热转化，使PAN等前驱体在极短时间内转化为石墨碳结构。此外，它还便于控制微结构和导电性的调节。这些结构特征，包括石墨区域、缺陷密度和表面孔隙率，在决定电极-电解质界面的电子转移动力学和催化行为方面起着关键作用。[36]、[37]、[38]、[39] 例如，红外激光诱导的PAN纳米纤维碳化产生了具有高表面积和可调孔隙率的石墨碳。[40] 同样，使用商用CO2脉冲激光系统对PAN纳米纤维进行激光碳化，制备出了激光碳化纳米纤维（LCNFs），这些纳米纤维已成功应用于微超级电容器器件。[41] 虽然大多数研究使用高功率连续波（CW）激光进行碳化，但纳秒脉冲激光为低能量碳化提供了一条有前景但尚未充分探索的途径。与传统需要高温炉和惰性气氛的热解方法相比，激光处理无需掩模、快速、可控性强，并且适用于柔性基底。[42] 通过激光方法合成的碳材料在电化学传感方面具有多个优势：（1）可调节的孔隙率和高表面积，有利于有效吸附和分析物传输；（2）局部高温区域，可实现精确碳化而不损坏周围区域；（3）通过激光能量和暴露时间调节导电性；（4）与常用的静电纺丝纤维（如PAN、PVP和PI）兼容。[43]、[44] 总而言之，激光碳化不仅简化了电极制造过程，还提高了碳材料的电化学性能，使其适用于生物传感器、超级电容器、燃料电池和储能设备等应用。受这些发现的启发，开发了一种直接使用纳秒激光照射技术从静电纺丝PAN NF垫制备无粘合剂多孔CNF电极的方法。特别是石墨碳材料由于π-π相互作用、疏水性亲和力和有利的电化学动力学，对BR分子具有更高的选择性。[45] 电纺丝产生均匀、互联的纳米纤维结构，而激光热解则能快速将聚合物原位转化为导电的多孔碳纤维。在这项研究中，我们系统研究了激光功率（0.3-3.0 W）对碳化过程的影响，通过拉曼光谱、FE-SEM和HR-TEM监测了形态、结晶度和化学结构的变化。多孔CNF电极的催化性能和传感能力可通过循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）进行评估，用于无酶BR检测。有趣的是，这些多孔CNF电极表现出高灵敏度（0.2419 μA μM-1）、宽线性范围（10-275 μM）、低检测限（1.2 μM）、良好的重复性和抗干扰能力。这些发现展示了基于激光的多孔CNF电极在即时生物传感器中的应用潜力，尤其是在资源有限的临床条件下监测BR时。
材料
PAN（分子量=150,000 Da）、N,N'-二甲基甲酰胺（DMF，99.5%）和BR均从Sigma Aldrich购买。本研究中使用的化学试剂均为分析级，无需纯化。
PAN聚合物纳米纤维的合成
使用PAN（10 wt.%）在DMF溶液中通过静电纺丝（电压：15 kV；溶液流速：1.0 mL h-1；针头尺寸：25G）制备聚合物纳米纤维。该过程在约25 ± 2 °C的环境温度和40～50%的相对湿度下进行，以确保稳定的喷射形成。
PAN纳米纤维和CNF电极的结构与化学表征
使用FE-SEM观察了制备好的和经过激光处理的PAN NF的表面形态。图1a显示了通过静电纺丝过程获得的PAN NF的表面形态。得到的PAN NF垫均匀无缺陷或颗粒，表明静电纺丝条件非常适合制备高度均匀的纳米纤维。PAN NF的平均厚度估计为255±10 nm。随后，将所得PAN NF垫进行热处理
结论
在这项工作中，我们采用了一种简便快捷的方法——纳秒激光热解，从静电纺丝的PAN NF垫制备出无粘合剂的多孔CNF电极。激光照射条件，特别是功率，被确定为控制所得CNF电极形态、结构和电化学性能的关键因素。通过对这些多孔CNF电极进行全面的物理化学研究，证实了其高效性能
CRediT作者贡献声明
Byoung-Suhk Kim：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者（SR）感谢韩国国家研究基金会（NRF）通过教育部资助的基础科学研究计划（项目编号：RS-2023-00250003）。本研究还得到了韩国政府科学和信息通信技术部支持的研发成果商业化促进机构（COMPA）的资助（项目编号：RS-2023-00304743）。此外，该研究还得到了韩国科学技术信息通信部下的MSIT（信息技术研究中心）的支持。
