激光衍生石墨烯实现高性能传感和探测

    LDG/MIP 为基础的电化学传感器敏感地和选择性地探测水样品中的BPA

    KAUST使用激光束发展了一个简单的办法来制造石墨烯电极，同现有的制作方法相比较，具有更好的性能。

    这种神奇的电极由石墨烯组成，是碳的一种典型形式，这一物质的出现将会改变电活性物质的传输方式，可以在不同领域，如从食品安全到临床诊断到环境的探测和测量均会带来革命性的影响。

    石墨烯包括多重超薄和高度有序的相互连接的蜂窝形的环状碳原子所组成的板条。这一多层的层次结构使得材料具有独特的电性能，尤其是电导率和电催化活性，与此同时，其物理性质也非常有用，可以用来制造电化学传感器。

    石墨烯电极可以使用 CO2激光束在不同的基材上实现制备

    比较典型的，石墨烯电极可以通过剥离单个石墨或者在活性的混合前驱体的气体在基材上通过沉积获得。然而，这些办法存在耗时多，制备步骤复杂和分离过程繁琐等弊端，而且，在制备的过程中还需要控制层叠和基材的氧化等问题。

    为了提高技术上所面临的挑战和制备时价格昂贵的问题，来自 Khaled Salama实验室的研究人员，联合其他研究人员，发展了一种简单且可以可伸缩的方法，利用激光束来将聚合物或碳的前驱体薄膜转换成石墨烯电极。这一无掩膜的制备工艺可以制备出均匀，三维多层的电极，同时具有高的孔隙率和表面积，可以满足下一代电化学传感器和生物传感平台的需要。

Salama的研究团队及其合作来自卡萨布兰卡哈桑二世大学（摩洛哥），利用激光衍生石墨烯（Laser-derived graphene (LDG)）电极用作传感平台，实现大多数酚化合物抗氧化物质和相关的电活性生物分子的传感。所有测试的化合物在石墨烯为基础的平台上同传统的碳电极平台系统相比较，均呈现出较高的电催化活性。

    石墨烯为基础的平台在探测扑热息痛，一种常见的药物时，呈现出有益的性能，Abdellatif Ait Lahcen说到，他是来自Salama实验室的博士后研究人员。结合抗坏血酸，他们同时可以在常用的商业药丸中区分出扑热息痛来，这是一种经常用来制造典型的电化学分析所用的干涉剂。

    一整套的激素和神经递质的电化学行为的评估称之为儿茶酚胺，也可以提供我们了解这些化学物氧化-还原的机理。

    这里有许多的电极改性措施可以提高传感器的性能。生物受体，诸如酶，核酸，抗体等，提供了特定目标传感器，但他们需要复杂的表面固定技术。

    潜在的替代技术目前正在因为这些天然受体而开始出现。合成高分子材料，如著名的分子印记聚合物（molecularly imprinted polymers (MIPs)）是耐用的且比较易于制备。KAUST 的研究人员打算优化制造传感器的工艺并拓展这些传感器在其他的生物分子和疾病生物指标（标记）上。我们正在发展分子印记聚合物 (MIPs)）改性的仿生传感器用于早期的乳腺癌的探测，Ait Lahcen说到。

    使用激光衍生的石墨烯电极制造的传感平台同使用碳电极的相比呈现出较高的电化学性能：

    图解：探测对象为：含硫化合物，药物和抗氧化剂，儿茶酚胺以及他们的前驱体，L-多巴(存在于体内的化学物质，用以治疗帕金森病)。

    研究人员通过分子印记聚合物（molecularly imprinted polymers (MIPs)）改变LDG（激光衍生石墨烯）来制造出廉价的传感器用于探测水中和塑料样品中的丙二酚。这一改性包括在存在BPA分子的时候在施加电压的条件下合成聚吡咯，这作为模板和当移除的时候在聚合物中留下印记。在相似的基材条件下，传感器对BPA的反应呈现出高度的敏感性和选择性，诸如雌二醇（女性荷尔蒙），肾上腺素，丙二酚等。

    提出的采用激光刻画石墨烯 改性聚合物的分子印记用于丙二酚的示意图

结合激光衍生石墨烯（LDG）电极和分子印记聚合物（molecularly imprinted polymers (MIPs)）将会导致电化学传感器高度的敏感性和选择性，Tutku Beduk说到，他是Salama实验室的博士研究生。

    图：(A)概念性的绘图，光学照片和制造可穿戴的化学／物理传感器； (B)概念性的可穿戴葡萄糖传感器带和可穿戴传感器的图片；(C)制造可伸缩传感器的详细的示意图和多层工作检点的示意图

    Salama 相信这些分子印记聚合物（molecularly imprinted polymers (MIPs)）为基础的传感器将会帮助我们确保水保持干净，纯净和无毒。

    激光衍生石墨烯（LDG） 电化学传感器和生物传感器的优点和缺点的图形化表示

    文章来源:

    “Electrochemical sensors and biosensors using laser-derived graphene: A comprehensive review” by Abdellatif Ait Lahcen, Sakandar Rauf, Tutku Beduk, Ceren Durmus, Abdulrahman Aljedaibi, Suna Timur, Husam N. Alshareef, Aziz Amine, Otto S. Wolfbeis and Khaled N. Salama, 27 August 2020, Biosensors and Bioelectronics.

    DOI: 10.1016/j.bios.2020.112565

    “Laser scribed graphene: A novel platform for highly sensitive detection of electroactive biomolecules” by Abdelghani Ghanam, Abdellatif Ait Lahcen, Tutku Beduk, Husam N. Alshareef, Aziz Amine and Khaled Nabil Salama, 19 August 2020, Biosensors and Bioelectronics.

    DOI: 10.1016/j.bios.2020.112509

    “One-step electrosynthesized molecularly imprinted polymer on laser scribed graphene bisphenol a sensor” by Tutku Beduk, Abdellatif Ait Lahcen, Nouran Tashkandi and Khaled Nabil Salama, 11 April 2020, Sensors and Actuators B: Chemical.

DOI: 10.1016/j.snb.2020.128026