双重衍生化增强型液相色谱-质谱/质谱联用技术用于脂肪酸的异构体分辨鉴定与定量

《Analytica Chimica Acta》：Double derivatization-enhanced LC-MS/MS for isomer-resolved identification and quantification of fatty acids

激光诱导金属掺杂石墨烯制备及尿酸检测应用研究。通过等离子处理聚酰亚胺引入亲水基团吸附金属离子，CO?激光直接实现Fe、Co、Ni、Cu原子级掺杂，构建三维多孔石墨烯网络。Ni掺杂LIG检测限降低10.6倍，线性范围提升5倍，DFT计算证实Ni活性位点增强吸附与电子转移。创新性在于简化传统金属掺杂制备流程，实现掺杂位点与石墨烯晶格原位结合，为可穿戴生物传感器开发提供新方法。

　　

马楠楠|刘麒麟|蔡年阳|朱芳芳|甘宁|于振中

宁波大学材料科学与化学工程学院，中国宁波315211

摘要

背景

激光诱导石墨烯（LIG）技术在可穿戴电化学传感器的制造方面展现出巨大潜力。然而，未经改性的LIG通常具有较差的电化学性能，往往需要通过掺杂异原子来提升其功能。在这些策略中，金属掺杂被证明能够显著增强传感能力。然而，传统的掺杂方法常常受到繁琐的前处理程序或金属-石墨烯界面相互作用弱的限制，从而影响了其实际效果。因此，迫切需要新的合成方法来高效制备金属掺杂的LIG。

结果

本研究开发了一种原位激光诱导金属掺杂石墨烯（M-LIG，M = Fe, Co, Ni, Cu）的制备方法。该方法首先对聚酰亚胺薄膜进行等离子体处理以引入亲水基团，以便金属离子吸附，随后通过CO₂激光照射在石墨烯形成过程中实现原子级金属掺杂。对制备参数和金属掺杂类型的系统研究揭示了它们对所得LIG的形态、结构和电化学性能的显著影响。这些材料被用于构建一种便携式电化学检测系统，用于高灵敏度地监测汗液中的尿酸。结果表明，M-LIG传感器的性能优于未经改性的LIG，其中Ni-LIG的检测限降低了10.6倍，线性检测范围提高了5倍。密度泛函理论计算表明，Ni活性位点在促进分析物吸附和电子转移方面起着关键作用。

意义

本研究提出了一种通用的M-LIG制备策略，显著简化了LIG的制备过程并提升了其传感性能。该方法在可穿戴电化学生物传感器的电极表面工程中具有广泛的应用前景，为开发精确的个性化健康监测设备开辟了新途径。

引言

汗液是由皮肤腺体分泌的生物液体，在体温调节中起着重要作用。由于其富含生物标志物（电解质、代谢物、激素和蛋白质）且易于获取，汗液已成为下一代诊断平台的理想介质[1,2]。当与可穿戴表皮电化学传感器结合使用时，这一优势尤为明显，这类传感器因能够实现实时和连续的健康监测而受到广泛关注[3,4]。在各种生物标志物中，尿酸（UA）作为人类嘌呤代谢的最终产物，是评估肾功能、痛风、先兆子痫等疾病的关键临床指标[[5], [6], [7]]。研究表明，汗液和血液中的尿酸水平之间存在强相关性，这使得非侵入性监测成为可能，有助于早期预警或管理相关疾病[8]。例如，Fernández-Sánchez团队和Wang团队分别基于纸张和微流控技术开发了可穿戴电化学传感器，用于监测汗液中的尿酸水平，以实现日常健康评估[9,10]。然而，汗液中尿酸浓度极低（处于μM级别），加上复杂的生物基质，给传感器带来了巨大挑战[11]，因此需要具有高灵敏度、选择性和抗干扰能力的可穿戴电化学传感平台。

作为最有前途的碳纳米材料之一，石墨烯及其衍生物因其出色的物理化学和结构特性（如大的比表面积、高电子迁移率、良好的生物相容性和显著的化学稳定性）而成为传统传感材料的替代品[12,13]。然而，传统的石墨烯合成方法（如机械剥离[14]、化学剥离[15]和化学气相沉积（CVD）[16]）通常涉及复杂的工艺、苛刻的条件和高生产成本。2014年，Tour团队开创了一种在常温空气中使用CO₂激光直接在聚合物基底上制备三维（3D）多孔石墨烯结构的新技术，即激光诱导石墨烯（LIG）[17]。该方法具有前驱体成本低、工艺简化以及可创建任意图案等优点，非常适合大规模生产和多种应用。Gao团队报道了一种全激光雕刻的可穿戴传感器，可实现汗液采样、化学传感和生命体征监测[18]。迄今为止，LIG已在电催化、能量存储和传感器等多个领域得到广泛应用[[19], [20], [21]]。

然而，未经改性的石墨烯的实际应用往往受到其反应活性位点不足的限制，通常需要通过掺杂异原子来提升其性能[22,23]。在各种掺杂策略中，金属元素掺杂已被证明能有效增强其电化学性能[24]。目前主要采用两种制备策略：第一种是将金属前驱体与聚酰亚胺混合形成含金属的聚酰亚胺薄膜，然后通过激光刻蚀制备金属-石墨烯复合材料；例如，Tour团队利用这种方法成功制备了掺杂Fe、Mo和Co元素的三维多孔石墨烯，表现出优异的电催化性能[17]。第二种策略是将金属纳米颗粒沉积在预先形成的LIG上；例如，Jeong等人通过电化学沉积在LIG上修饰银纳米颗粒，实现了对Cd²⁺、Pb²⁺和Cu²⁺离子的高灵敏度检测[25]。然而，第一种方法需要在苛刻的实验条件下进行耗时且复杂的金属-聚酰亚胺薄膜制备过程；而第二种方法虽然操作条件较为温和，但金属元素仅停留在石墨烯表面而未融入其晶格中，导致与石墨烯的相互作用有限，活性位点不足。因此，开发一种简单高效的LIG金属掺杂方法对于推进可穿戴电化学传感平台的发展至关重要。

在本研究中，我们开发了一种简便的原位激光诱导金属掺杂石墨烯制备方法，用于构建高灵敏度的尿酸检测平台。具体制备过程如图1A所示：首先对聚酰亚胺（PI）薄膜进行等离子体处理，引入含氧功能基团（如羧基和羟基），以便有效螯合金属离子；随后通过CO₂激光辐照进行碳化，将具有特定催化活性的金属位点固定在三维多孔石墨烯网络中。利用这种方法，我们成功制备了一系列金属（M = Fe, Co, Ni, Cu）掺杂的LIG电极（M-LIG），作为工作电极。这些电极与Ag/AgCl糊剂涂层的参比电极结合，构成三电极传感系统。结合微型化电化学检测模块，该系统能够实时获取电化学信号，并通过蓝牙无线传输到智能手机，实现汗液中尿酸水平的实时和高灵敏度监测（图1B）。这种策略为日常预防痛风提供了可行且经济高效的传感解决方案。

章节摘录

M-LIG电极的制备

M-LIG电极是通过CO₂激光辐照对聚酰亚胺（PI）薄膜进行直接碳化和图案化制备的。具体步骤如下：首先用无水乙醇和去离子水依次清洗500 μm厚的商用PI薄膜，去除表面污染物；使用胶带作为掩模，仅暴露直径为5 mm的圆形区域作为工作电极的活性传感区域。

LIG图案的制备

LIG技术能够通过直接激光辐照将碳基前驱体（如PI）局部转化为石墨烯。在本研究中，采用了模板掩模的LIG制备方法，使用不锈钢掩模精确引导激光路径。这种方法不仅简化了制备过程，还显著提高了石墨烯结构的精度和图案均匀性。

结论

总之，我们成功设计并制备了一种高性能的柔性电化学传感器，用于超灵敏度检测尿酸。核心创新在于建立了将过渡金属元素（Fe、Co、Ni和Cu）固定在三维多孔LIG网络中的稳健合成策略。在所制备的电极材料中，Ni-LIG作为尿酸氧化反应的最有效催化剂。

CRediT作者贡献声明

马楠楠：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学、研究、形式分析、数据管理。刘麒麟：验证、方法学、研究、数据管理。蔡年阳：可视化、验证、方法学、研究。朱芳芳：验证、方法学、研究、形式分析。甘宁：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、方法学、研究、形式分析。于振中：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22204086）、浙江省医疗卫生科技计划（编号：2025KY204）以及宁波大学的K. C. Wong Magna基金的支持。