石墨烯传感器的进展综述

石墨烯传感器的进展综述

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，具有很多奇异的电子及机械性能。随着石墨烯材料的发展，传感器的发展也如虎添翼。很多优异传感器的诞生也使生活生产变得更加智能可控。基于石墨烯材料论述了石墨烯气体传感器，压力传感器和生物传感器的研究进展。

标签：石墨烯；传感器；气体；压力；生物

1 概述

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形蜂巢晶格的二维材料，且只有一个碳原子厚度。由于其独特的物理化学性质（高表面积、良好的导电性、机械强度高、易于功能化等），石墨烯在传感器上的应用受到越来越多的关注。本文有选择地论述了石墨烯气体传感器，压力传感器和生物传感器的研究进展。

2 石墨烯基传感器

传感器是一种检测装置，能够将被测量的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器存在于我们生活中的各个方面，它的发展将会为人们的生活带来更大的便利。石墨烯材料的應用为实现传感器的灵敏化、智能化、便捷化奠定了基础。

2.1 石墨烯气体传感器

石墨烯具有蜂巢晶体结构，具有巨大的表面积，对周围的环境非常敏感。据报道，CO2、NH3和NO2等可吸附在纯石墨烯上，使石墨烯纳米传感器的电子运输性能发生重大变化。孙宇峰等人[1]通过对Hummer方法的改进，制备了片状多层氧化石墨烯。在不同浓度的NH3下进行敏感特性测试，实验结果表明氧化石墨烯对NH3具有良好的响应，在（1.5-3.5）×10-4范围内呈线性关系。侯书勇等人[2]通过臭氧处理制备了一种简单、高效、可重复使用的单层石墨烯基NO2气体传感器，并研究了纯的和经过臭氧处理的NO2气体传感器的响应特性和恢复特性。经臭氧处理后的石墨烯基气体传感器对NO2响应度明显高于未经臭氧处理的石墨烯基气体传感器。桂阳海等人[3]为了改善WO3基材料的气敏性能，通过水热法制备出石墨烯添加量为0.5%、0.8%、1.0%、1.5%（质量分数）的石墨烯/WO3纳米片复合材料，并研究其对H2S的气敏性能。结果表明，复合石墨烯对WO3的结构和形貌产生了较大的影响，石墨烯复合使材料对H2S的灵敏度提高，工作温度降低，且响应-恢复时间短。郭晶等人[4]以中空管状氧化锡（SnO2）和石墨烯（RGO）为材料通过静电纺丝和水热技术成功地合成了多孔结构的氧化锡与石墨烯的复合物（RGO/SnO2）。测试了复合材料对NO2的传感性能，结果表明复合材料的传感性能优于SnO2，并发现改变前驱液中SnO2和GO的质

量比会引起复合材料传感性能的改变。

2.2 石墨烯压力传感器

Sang-Hoon Bae等人[5]通过反应离子刻蚀和冲压技术在塑料或柔性橡胶基质上制造出基于石墨烯的透明应变传感器，在拉伸应变达到7.1%情况下对压阻特性进行了研究。他们在透明的手套上安装这种传感器，测量由手指的运动引起的手套应变力的变化。2014年，蒋圣伟等人[6]提出了一种适用于纳机电系统（NEMS）的悬浮石墨烯压力传感器，并结合传统微机械加工工艺提出了压力传感器的制造过程。基于薄膜膨胀试验方法，给出了悬浮于矩形、方形与圆形3种空腔的石墨烯薄膜的最大变形与压差的关系，并计算了3种形状下薄膜的压力灵敏度，可知矩形情况下单层石墨烯薄膜的压力灵敏度最大，当矩形宽度、方形边长或圆形直径越大，薄膜厚度越小时，压力灵敏度越高。2017年，代岳等人[7]针对悬浮式石墨烯压力传感器设计缺乏定量分析方法的问题，采用有限元建模仿真方法，建立了矩形、方形和圆形等3种不同形状悬浮石墨烯薄膜的压力敏感特性模型，仿真得到了其压力-应变关系，然后进行了不同条件及与实测值的对比分析。结果验证了有限元建模仿真的准确性，表明3种形状薄膜中矩形薄膜的中心形变位移和应变最大，且二者随薄膜尺寸的增大而增大。

2.3 生物医学传感器

石墨烯具有杰出的和独特的电子性能如提供大面积检测、超高机动性和双极性场效应的特点，被认为是一个优秀的生物传感材料。因此石墨烯医药传感器也出现研究的热潮。

庄贞静等人[8]用石墨烯制备碳糊电极，考察了该电极在K4Fe（CN）6溶液中的电化学性能，结果表明石墨烯对K4Fe（CN）6在

GPE电极表面上的电子转移起到了明显的促进作用。用差示脉冲伏安法研究了多巴胺（DA）在该电极上的电化学行为，在磷酸盐缓冲溶液中（pH=7）多巴胺在该电极上呈现明显氧化峰，氧化峰电位随着pH值的增加而负移，在抗坏血酸存在下多巴胺氧化峰峰高与其浓度在3-50μmol/L范围内呈良好的线性关系，检出限为0.8μmol/L。此外，实验结果表明，该电极具有良好的重现性和稳定性。张洋等人[9]采用电沉积的方法在石墨烯表面修饰一层铜膜，对铜/石墨烯纳米复合膜进行了表征。研究显示铜/石墨烯纳米复合膜修饰电极对葡萄糖有较好的电催化活性，并且在8×10-6～9.4×10-4mol/L范围内呈线性关系，灵敏度为0.225A·L·mol-1。实验表明该修饰电极对葡萄糖有较好的选择性。

吴雪峰等人[10]用基于石墨烯与氧化锆纳米复合材料所制成的传感器检测肺炎克雷伯菌（KPN），从而实现KPN的快速、精确检测。利用电化学传感器，选择差分脉冲伏安法，在初始电位为-0.6V、终止电位为0.2V、扫描速率为50mV/s 的实验条件下，完成KPN检测。结果表明基于石墨烯与氧化锆纳米复合材料所制成的传感器具有良好的灵敏度与稳定性，可实现传感器对KPN的快速、稳定检测。张婷婷等人[11]研制一种基于氧化石墨烯纳米带修饰的生物电化学传感

器，用于L和D-氨基酸（AA）的快速检测。采用2种石墨烯材料，氧化石墨烯纳米带和还原石墨烯纳米带，修饰于丝网印刷碳电极（CSPE）制备2种电极。利用D-AA和D-氨基酸氧化酶（DAAO）反应产生H2O2，然后以制备的电极通过差分脉冲伏安法（DPV）检测H2O2和L-AA电信号，并对电极和酶反应条件进行优化。选择具有电活性的酪氨酸（Tyr）为目标分析物，并对L-Tyr和D-Tyr 进行定量分析，最后对其在尿样品中的Tyr含量进行检测。结果在尿酸和其他电活性AA的存在下，该生物电化学传感器能够精确地检测出尿样中的L-Tyr和D-Tyr含量，其回收率分别为（95±5）%和（99±3）%。