成果推介：用于环境痕量重金属快速检测的微型化石墨烯传感器

• 成果背景

  随着深圳经济的快速发展和工业化程度的提高，环境污染问题日益加重，污染突发性事故频发，其中重金属污染尤为严重。重金属污染防治工作刻不容缓，重金属的严重污染不仅仅危害了人类的身体健康和生命安全，同时对我市经济的可持续发展和社会安定造成了重大影响。而对重金属的污染进行治理工作的第一步，是对重金属污染进行有效、快速、实时监控。建立现场快速检测污染物的处理分析方法，设计超灵敏先进的检测方法、开发高性能的仪器设备能产生良好的经济效益和社会效益，对于实现我市发展经济与环境保护兼顾的可持续发展具有重要意义。

• 成果简介

  （1）微纳多级结构石墨烯纸电极的结构设计和印刷制备

  以氧化型石墨烯纳米片、多巴胺和亲水性离子液体为原料，通过聚合反应形成微纳多级多孔石墨烯水凝胶，进一步将其加工为具有良好水溶性的石墨烯功能墨水，研究了石墨烯纳米材料的尺寸、离子液体分子种类和聚合反应及组装等工艺参数对石墨烯组装体微纳的多级结构和印刷浆料性能的影响规律；发展了高稳定高导电石墨烯功能墨水及其宏量制备方法，揭示了材料结构、溶剂性质对石墨烯功能墨水稳定性、流变性能和导电性的影响；开发了大面积石墨烯纸状薄膜高分辨率喷印制造的新技术，实现了驱动参数对喷印墨滴临界操作条件的有效调控，最终采用印刷工艺制备了具有特殊微纳结构的柔性石墨烯纸电极。

  （2）石墨烯纸电极表面功能化修饰和性能优化

  以制备用于超灵敏检测重金属离子的功能电极材料为导向，建立了微纳多级结构的柔性石墨烯纸状电极上负载活性功能纳米材料绿色可控的合成方法。采用改进的超声电沉积、水热沉淀等无模板法制备对于重金属离子有特殊催化活性的金属（如金属铋）纳米线阵列，如金属有机框架（MOF）衍生的氮掺杂碳包覆Bi纳米粒子、BiCu合金颗粒、咪唑氮和巯基修饰的Bi-MOF等，通过控制组装、沉积反应条件改变纳米阵列的微纳结构，利用金属铋和基体材料之间的协同效应提高了其检测重金属离子的性能，构建了能用于重金属离子超灵敏检测的功能化石墨烯纳米复合纸电极。

  （3）功能化石墨烯纳米复合电极及传感器件的实际应用

  以功能化石墨烯纳米复合电极作为自支撑电极，研制开发了微型化电化学传感器的软件系统和硬件系统；综合评估了电化学传感器对多种重金属离子（包括铅、锌、汞、镉离子等）的同时分析检测性能，如线性范围、检出限、灵敏度、重现性、稳定性和选择性等；最终采用研制的微型石墨烯传感器用于了检测各种复杂环境水体中痕量重金属离子。结果表明，该传感器检测不受水体浊度影响，同时检测多种重金属离子，检测限低于1.0 pmol/L，线性范围高达10 mmol/L，相对标准偏差小于3%，检测速度低于5 min/样。证明了制备微型化石墨烯传感器在准确高效低成本监控深圳市重金属污染重点区域具有重要的实用性。

• 成果意义

  （1）设计具有自主知识产权的石墨烯功能电极和微型化电化学传感器，构建具有普遍适用意义的高性能石墨烯传感器技术平台，在新型微型化分析检测仪器的研发方面取得重大突破。提高深圳市在该领域科学仪器的市场占有率，降低对进口相关仪器设备的依存度。

  （2）建立用于复杂环境水体中多种重金属离子快速、灵敏、现场检测的技术平台，实现对深圳市全市范围内重金属污染排放相对集中的河流流域、饮用水源地、淡水河流域等重点区域重金属污染的有效防控。

• 负责人简介

  肖菲， 研究员，教授，博士生导师。研究方向为纳米电分析化学和柔性功能电极，在相关领域发表SCI论文100篇；参与编著纳米材料前沿丛书《石墨烯：从基础 到应用》（化学工业出版社）；作为第一作者或通讯作者在ACS Nano、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Biotechnology Advances、Biosensor & Bioelectronics、Analytical Chemistry等发表论文40余篇，其中ESI高被引论文8篇；论文总的被引频次4000余次，H因子37。参与一项国家重点研发计划，主持两项国家自然基金面上项目和一项青年项目。

主要研究方向：纳米电分析化学和柔性功能电