聚苯乙烯循环利用与石墨颗粒整合：可持续增强型电化学传感器制造的循环经济策略

　　本综述创新性地提出将废弃聚苯乙烯（PS）杯回收再利用，与石墨（Gpt）复合制成导电复合材料，通过3D打印笔制造高性能、低成本且环境可持续的电化学传感器。研究系统优化了Gpt/PS比例（最佳50:50），实现了高电活性面积（49.3 mm2）与低电荷转移电阻（1.5 kΩ），并成功应用于磺胺类药物（Sulf）的高灵敏检测（LOD达0.3 μmol L?1），在药品、水及牛奶样本中回收率近100%，为循环经济（CE）理念在分析器件制造中的实践提供了典范。

　　

Chemicals, solutions, and samples

本研究使用所有化学品均为分析纯级别。储备液和工作溶液每日新鲜配制，无需去除溶解氧，使用由Sartorius Arium? Pro纯化系统（德国哥廷根）制备的超纯水（电阻率 > 18.2 MΩ·cm）。磺胺（Sulf，99% 重量）、阿莫西林（AMX，98% 重量）、石墨（Gpt，粒径20 μm，98% 重量）、六氨合钌（III）氯化物（98.0% 重量）、多巴胺（98% 重量）、铁氰化钾（K₃[Fe(CN)₆]）和亚铁氰化钾（K₄[Fe(CN)₆]）等化学品均购自Sigma Aldrich（美国圣路易斯）。氯化钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氢氧化钠和盐酸等基础化学品购自Synth（巴西迪亚德马）。所有实验均在室温下进行，使用0.1 mol L^?1磷酸盐缓冲溶液（PBS，pH 7.0）作为支持电解质。磺胺药物样品（100 mg）购自当地药店，牛奶样品（全脂）购自当地市场，水样品（自来水）采集自实验室水龙头。牛奶样品前处理参考先前方法：简单地说，将10 mL牛奶与10 mL乙腈混合，涡旋1分钟，然后在5000 rpm下离心10分钟；取上清液用PBS（pH 7.0）适当稀释后直接用于分析。水样和药物样品仅经适当稀释后分析，未进行进一步预处理。

Characterizations of the developed Gpt/PS composite materials

扫描电子显微镜（SEM）图像揭示了所开发导电材料的不同形态特征。图2A展示了Gpt颗粒的不规则碎片状结构，这是该材料的典型特征，表明其作为导电填料的角色。另一方面，PS表面呈现纤维状和拉伸形态，这是热塑性材料经受机械应力的典型表现（图2B）。所提出的Gpt/PS复合材料的SEM图像（图2C–F）显示，随着Gpt比例的增加，导电颗粒在聚合物基质中的分布变得更加均匀和密集。特别地，Gpt/PS（50:50）复合材料显示出更均匀的形态，Gpt颗粒良好分散并嵌入PS基质中，形成了连续的导电网络（图2F），这有利于电子转移并增强电化学性能。此外，还进行了红外光谱（FTIR）和拉曼光谱分析以评估复合材料的化学结构和石墨碳的性质。Gpt/PS复合材料的FTIR光谱（未显示数据）显示，与纯PS相比，没有出现新的吸收带，表明Gpt的加入没有改变聚合物的化学结构。拉曼光谱（图3）显示，所有复合材料在约1350 cm^?1（D带）和1580 cm^?1（G带）处均出现特征峰，分别对应于石墨碳的无序结构和sp²杂化碳原子的面内振动。D带与G带的强度比（I_D/I_G）可用于评估石墨材料的缺陷程度。计算得到的I_D/I_G比值约为0.95，表明Gpt颗粒具有高度有序的石墨结构，且复合材料中保持了良好的石墨性质。热重分析（TGA）在氮气氛下进行，以研究复合材料的热稳定性。纯PS在约350°C开始分解，在450°C左右完全分解。而Gpt/PS复合材料的热分解曲线显示，随着Gpt含量的增加，分解温度略微提高，表明热稳定性有所增强。例如，Gpt/PS（50:50）复合材料在500°C时仍保留约50%的重量，这主要归因于Gpt的热稳定性。这些结果表明，Gpt的加入不仅增强了材料的导电性，还略微改善了其热稳定性。

Conclusion

我们提出了一种创新方法，将增材制造与循环经济（CE）原则相结合，用于开发定制化、增强型且经济实惠的电化学传感器，以用于分析应用。研究了不同比例的Gpt和PS材料，考虑了可打印性、机械稳定性和电化学性能等因素。通过全面的结构、形态、热学和电化学表征，证实了基于回收PS和Gpt的成功生产出具有增强性能的导电复合材料。最佳组成的Gpt/PS（50:50）电极表现出优异的电化学性能，包括高电活性面积（49.3 mm²）和低电荷转移电阻（1.5 kΩ）。此外，开发了一种用于磺胺（Sulf）抗生素检测的差分脉冲伏安法（DPV），该方法具有宽线性范围（1–10 μmol L^?1 和 10–50 μmol L^?1）、低检测限（0.3 μmol L^?1）、高电极内和电极间精度（RSD < 2.2%），以及即使存在其他抗生素时也具有良好的选择性。在药品、水和牛奶等真实样品中，接近100%的回收率证明了电化学分析的准确性和可靠性。这些结果验证了所提出的3D打印传感器的性能，并强调了符合循环经济原则的可持续电化学研究。未来展望包括探索其他塑料废物和导电材料，进一步推进循环经济在（生物）传感器制造中的应用。