石墨烯傳感器的進(jìn)展綜述

姜慧娜　劉卷舒

摘 要：石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體，具有很多奇異的電子及機(jī)械性能。隨著石墨烯材料的發(fā)展，傳感器的發(fā)展也如虎添翼。很多優(yōu)異傳感器的誕生也使生活生產(chǎn)變得更加智能可控?；谑┎牧险撌隽耸怏w傳感器，壓力傳感器和生物傳感器的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：石墨烯；傳感器；氣體；壓力；生物

中圖分類號(hào)：O657.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）36-0171-02

1 概述

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角形蜂巢晶格的二維材料，且只有一個(gè)碳原子厚度。由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)（高表面積、良好的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度高、易于功能化等），石墨烯在傳感器上的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。本文有選擇地論述了石墨烯氣體傳感器，壓力傳感器和生物傳感器的研究進(jìn)展。

2 石墨烯基傳感器

傳感器是一種檢測裝置，能夠?qū)⒈粶y量的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。傳感器存在于我們生活中的各個(gè)方面，它的發(fā)展將會(huì)為人們的生活帶來更大的便利。石墨烯材料的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)傳感器的靈敏化、智能化、便捷化奠定了基礎(chǔ)。

2.1 石墨烯氣體傳感器

石墨烯具有蜂巢晶體結(jié)構(gòu)，具有巨大的表面積，對(duì)周圍的環(huán)境非常敏感。據(jù)報(bào)道，CO2、NH3和NO2等可吸附在純石墨烯上，使石墨烯納米傳感器的電子運(yùn)輸性能發(fā)生重大變化。孫宇峰等人[1]通過對(duì)Hummer方法的改進(jìn)，制備了片狀多層氧化石墨烯。在不同濃度的NH3下進(jìn)行敏感特性測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氧化石墨烯對(duì)NH3具有良好的響應(yīng)，在（1.5-3.5）×10-4范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。侯書勇等人[2]通過臭氧處理制備了一種簡單、高效、可重復(fù)使用的單層石墨烯基NO2氣體傳感器，并研究了純的和經(jīng)過臭氧處理的NO2氣體傳感器的響應(yīng)特性和恢復(fù)特性。經(jīng)臭氧處理后的石墨烯基氣體傳感器對(duì)NO2響應(yīng)度明顯高于未經(jīng)臭氧處理的石墨烯基氣體傳感器。桂陽海等人[3]為了改善WO3基材料的氣敏性能，通過水熱法制備出石墨烯添加量為0.5%、0.8%、1.0%、1.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的石墨烯/WO3納米片復(fù)合材料，并研究其對(duì)H2S的氣敏性能。結(jié)果表明，復(fù)合石墨烯對(duì)WO3的結(jié)構(gòu)和形貌產(chǎn)生了較大的影響，石墨烯復(fù)合使材料對(duì)H2S的靈敏度提高，工作溫度降低，且響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間短。郭晶等人[4]以中空管狀氧化錫（SnO2）和石墨烯（RGO）為材料通過靜電紡絲和水熱技術(shù)成功地合成了多孔結(jié)構(gòu)的氧化錫與石墨烯的復(fù)合物（RGO/SnO2）。測試了復(fù)合材料對(duì)NO2的傳感性能，結(jié)果表明復(fù)合材料的傳感性能優(yōu)于SnO2，并發(fā)現(xiàn)改變前驅(qū)液中SnO2和GO的質(zhì)量比會(huì)引起復(fù)合材料傳感性能的改變。

2.2 石墨烯壓力傳感器

Sang-Hoon Bae等人[5]通過反應(yīng)離子刻蝕和沖壓技術(shù)在塑料或柔性橡膠基質(zhì)上制造出基于石墨烯的透明應(yīng)變傳感器，在拉伸應(yīng)變達(dá)到7.1%情況下對(duì)壓阻特性進(jìn)行了研究。他們在透明的手套上安裝這種傳感器，測量由手指的運(yùn)動(dòng)引起的手套應(yīng)變力的變化。2014年，蔣圣偉等人[6]提出了一種適用于納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）的懸浮石墨烯壓力傳感器，并結(jié)合傳統(tǒng)微機(jī)械加工工藝提出了壓力傳感器的制造過程?；诒∧づ蛎浽囼?yàn)方法，給出了懸浮于矩形、方形與圓形3種空腔的石墨烯薄膜的最大變形與壓差的關(guān)系，并計(jì)算了3種形狀下薄膜的壓力靈敏度，可知矩形情況下單層石墨烯薄膜的壓力靈敏度最大，當(dāng)矩形寬度、方形邊長或圓形直徑越大，薄膜厚度越小時(shí)，壓力靈敏度越高。2017年，代岳等人[7]針對(duì)懸浮式石墨烯壓力傳感器設(shè)計(jì)缺乏定量分析方法的問題，采用有限元建模仿真方法，建立了矩形、方形和圓形等3種不同形狀懸浮石墨烯薄膜的壓力敏感特性模型，仿真得到了其壓力-應(yīng)變關(guān)系，然后進(jìn)行了不同條件及與實(shí)測值的對(duì)比分析。結(jié)果驗(yàn)證了有限元建模仿真的準(zhǔn)確性，表明3種形狀薄膜中矩形薄膜的中心形變位移和應(yīng)變最大，且二者隨薄膜尺寸的增大而增大。

2.3 生物醫(yī)學(xué)傳感器

石墨烯具有杰出的和獨(dú)特的電子性能如提供大面積檢測、超高機(jī)動(dòng)性和雙極性場效應(yīng)的特點(diǎn)，被認(rèn)為是一個(gè)優(yōu)秀的生物傳感材料。因此石墨烯醫(yī)藥傳感器也出現(xiàn)研究的熱潮。

莊貞靜等人[8]用石墨烯制備碳糊電極，考察了該電極在K4Fe（CN）6溶液中的電化學(xué)性能，結(jié)果表明石墨烯對(duì)K4Fe（CN）6在

GPE電極表面上的電子轉(zhuǎn)移起到了明顯的促進(jìn)作用。用差示脈沖伏安法研究了多巴胺（DA）在該電極上的電化學(xué)行為，在磷酸鹽緩沖溶液中（pH=7）多巴胺在該電極上呈現(xiàn)明顯氧化峰，氧化峰電位隨著pH值的增加而負(fù)移，在抗壞血酸存在下多巴胺氧化峰峰高與其濃度在3-50μmol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢出限為0.8μmol/L。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電極具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。張洋等人[9]采用電沉積的方法在石墨烯表面修飾一層銅膜，對(duì)銅/石墨烯納米復(fù)合膜進(jìn)行了表征。研究顯示銅/石墨烯納米復(fù)合膜修飾電極對(duì)葡萄糖有較好的電催化活性，并且在8×10-6～9.4×10-4mol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，靈敏度為0.225A·L·mol-1。實(shí)驗(yàn)表明該修飾電極對(duì)葡萄糖有較好的選擇性。

吳雪峰等人[10]用基于石墨烯與氧化鋯納米復(fù)合材料所制成的傳感器檢測肺炎克雷伯菌（KPN），從而實(shí)現(xiàn)KPN的快速、精確檢測。利用電化學(xué)傳感器，選擇差分脈沖伏安法，在初始電位為-0.6V、終止電位為0.2V、掃描速率為50mV/s的實(shí)驗(yàn)條件下，完成KPN檢測。結(jié)果表明基于石墨烯與氧化鋯納米復(fù)合材料所制成的傳感器具有良好的靈敏度與穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)KPN的快速、穩(wěn)定檢測。張婷婷等人[11]研制一種基于氧化石墨烯納米帶修飾的生物電化學(xué)傳感器，用于L和D-氨基酸（AA）的快速檢測。采用2種石墨烯材料，氧化石墨烯納米帶和還原石墨烯納米帶，修飾于絲網(wǎng)印刷碳電極（CSPE）制備2種電極。利用D-AA和D-氨基酸氧化酶（DAAO）反應(yīng)產(chǎn)生H2O2，然后以制備的電極通過差分脈沖伏安法（DPV）檢測H2O2和L-AA電信號(hào)，并對(duì)電極和酶反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。選擇具有電活性的酪氨酸（Tyr）為目標(biāo)分析物，并對(duì)L-Tyr和D-Tyr進(jìn)行定量分析，最后對(duì)其在尿樣品中的Tyr含量進(jìn)行檢測。結(jié)果在尿酸和其他電活性AA的存在下，該生物電化學(xué)傳感器能夠精確地檢測出尿樣中的L-Tyr和D-Tyr含量，其回收率分別為（95±5）%和（99±3）%。endprint

3 結(jié)束語

石墨烯作為碳材料的構(gòu)成基元，具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的性能和物化性質(zhì)，因此在傳感器上有很大的應(yīng)用前景。本文著重介紹了石墨烯在氣體，壓力，生物傳感器方面的研究進(jìn)展，展示了研究人員在石墨烯傳感器應(yīng)用上做出的努力和取得的成就。更深入地了解石墨烯的物理和化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)一步研究石墨烯和分子相互作用的機(jī)制等，能夠更好的促進(jìn)石墨烯科學(xué)在傳感器領(lǐng)域的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫宇峰，等.氧化石墨烯的制備及其對(duì)NH3的敏感特性研究[J].敏感材料，2012（43）：712-714.

[2]侯書勇，胡竹斌，管福鑫，等.臭氧處理對(duì)石墨烯基NO2氣體傳感器氣敏性影響[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（33）：15-17.

[3]桂陽海，王海燕，馬甜甜，等.石墨烯/WO3納米片的制備及對(duì)H2S氣敏性能的研究[J].人工晶體學(xué)報(bào)，2015（12）：3593-3596.

[4]郭晶，劉欣，孫文軍，等，氧化錫與石墨烯復(fù)合物的合成及其氣體傳感性能研究[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2016（5）：41-45.

[5]Sang-Hoon Bae，Youngbin Lee， Bhupcndra K Sharma，et al. Graphene-based transparent strain sensor[J].Carbon，2013（51）：236-

242.

[6]蔣圣偉，師帥，袁嬌嬌，等.一種懸浮石墨烯壓力傳感器的制造與建模[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014（5）：111-114.

[7]代岳，劉冠軍，邱靜，等.懸浮石墨烯薄膜的壓力敏感特性建模與仿真分析[J].測試技術(shù)學(xué)報(bào)，2017（1）：1-7.

[8]莊貞靜，李建永.基于石墨烯的碳糊電極對(duì)多巴胺的測定[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（5）：37-40.

[9]張洋，與利利，楊亞云，等.基于銅-石墨烯納米復(fù)合膜修飾電極的無酶葡萄糖傳感器[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（1）.

[10]吳雪峰，于秀艷.基于石墨烯與氧化鋯納米復(fù)合材料制成用于肺炎克雷伯菌檢測的傳感器[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2017（1）：95-98.

[11]張婷婷，鄂義峰.氧化石墨烯納米帶生物電化學(xué)傳感器的研制及對(duì)氨基酸的檢測[J].中國生化藥物雜志，2017（3）：58-61.endprint