引言

随着采矿、冶金和化学工业的发展，重金属污染已成为日益严重的环境问题。镉（Cd²⁺）和铅（Pb²⁺）等重金属不仅会通过大气沉降、化肥和废水灌溉进入生态系统，还会在食物链中积累，对人体健康造成慢性中毒甚至器官衰竭。因此，快速、准确地检测土壤和水中的重金属含量至关重要。本文将介绍一种创新的低成本、高性能的激光诱导多孔石墨烯（LIPG）电极，该电极能够高效检测Cd²⁺和Pb²⁺，并具有广泛的应用前景。

正文

一、背景与研究意义

重金属污染对环境和人类健康的威胁不容忽视。传统的重金属检测方法如原子吸收光谱法（AAS）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）等虽然灵敏度高，但设备昂贵且操作复杂，难以实现现场快速检测。电化学传感器因其快速、简便、适合现场检测的优势而备受关注。然而，传统电化学传感器的制备工艺繁琐，难以满足大批量生产的需求。本文介绍了一种基于激光诱导多孔石墨烯（LIPG）的电化学传感器，该传感器通过优化激光参数，实现了低成本、高灵敏度的批量制备。

二、材料与方法

2.1 材料与仪器

实验中使用了多种材料和仪器，包括聚酰亚胺（PI）薄膜、Nafion溶液、铋盐溶液等。激光器采用CO₂激光器，最大功率为30W，波长为10640nm。电化学工作站用于进行循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和方波阳极溶出伏安法（SWASV）测试。

2.2 LIPG电极的制备

LIPG电极的制备过程如下：首先，将PI薄膜切割成矩形片，超声清洗去除表面杂质后干燥；然后，将PI薄膜固定在激光平台上，精确聚焦激光点；接着，使用EzCad2软件设计电极图案并配置激光雕刻路径；最后，在电极导线部分涂覆PDMS溶液并固化，实现外绝缘。通过优化激光功率、速度和频率等参数，制备了高质量的LIPG电极。

2.3 单因素优化

为了确定最佳激光参数，进行了单因素优化实验。实验结果表明，PI薄膜厚度为0.20mm时，电极质量最佳；激光功率为80%，激光频率为10kHz时，Cd²⁺和Pb²⁺的剥离电流达到最大值；激光雕刻速度为175mm/s和250mm/s时，剥离电流也较高。这些结果为进一步的空间优化提供了基础。

2.4 响应曲面法与Box-Behnken设计

为了系统优化多个激光参数，采用了响应曲面法（RSM）和Box-Behnken设计（BBD）。通过建立两个响应曲面模型，优化了激光功率、速度和频率，得到了两组最优参数。实验结果表明，优化后的LIPG电极在检测Cd²⁺和Pb²⁺时表现出更高的灵敏度和更低的检测限。

三、结果与讨论

3.1 形貌与物理特性表征

通过扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）等手段，对优化前后LIPG电极的形貌和物理特性进行了表征。结果显示，优化后的LIPG电极具有更稳定的三维结构和更大的比表面积，有利于提高电子转移速率和电化学活性。

3.2 电化学性能表征

通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和方波阳极溶出伏安法（SWASV）测试，评估了LIPG电极的电化学性能。实验结果表明，优化后的LIPG电极具有更高的双层电容（Cdl），更快的电子转移动力学和更低的电荷转移电阻，从而显著提高了对Cd²⁺和Pb²⁺的检测灵敏度。

3.3 实际样品检测

为了验证Bi/Nafion/LIPG电极的实际应用效果，对其进行了土壤和水样中Cd²⁺和Pb²⁺的检测。结果显示，该电极在实际样品中表现出优异的稳定性和重复性，平均回收率分别为99.61%和99.90%，显示出广阔的应用前景。

结论

本文通过激光诱导多孔石墨烯（LIPG）技术，成功制备了一种低成本、高性能的电化学传感器，能够高效检测土壤和水中的微量Cd²⁺和Pb²⁺。通过系统优化激光参数，获得了最佳的LIPG电极，其检测限分别达到了0.25µg/L和0.41µg/L。此外，该电极在实际样品检测中表现出优异的稳定性和重复性，具有广泛的应用前景。未来的研究将进一步探索LIPG电极在其他重金属检测中的应用，推动环保监测技术的发展。

Fig. 1. 铋/全氟磺酸/层状双金属氢氧化物（LIPG）电极制备过程的示意图。

Fig. 2. 不同厚度的 PI 薄膜及由其制备的 LIPG 电极

Fig. 3. 铋/全氟磺酸/脂质体修饰石墨电极（Bi/Nafion/LIPG）传感器的稳定性（a）、重现性和长期稳定性（b）以及选择性（c）。