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變得更加智能可控。基于石墨烯材料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展。

關鍵詞：石墨烯；傳感器；氣體；壓力；生物

中圖分類號：O657.1 文獻標志碼：A 文章編號：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，且只有一個碳原子厚度。由于其獨特的物理化學性質（高表面積、良好的導電性、機械強度高、易于功能化等），石墨烯在傳感器上的應用受到越來越多的關注。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展。

2 石墨烯基傳感器

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

2.1 石墨烯氣體傳感器

石墨烯具有蜂巢晶體結構，具有巨大的表面積，對周圍的環(huán)境非常敏感。據報道，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輸性能發(fā)生重大變化。孫宇峰等人[1]通過對Hummer方法的改進，制備了片狀多層氧化石墨烯。在不同濃度的NH3下進行敏感特性測試，實驗結果表明氧化石墨烯對NH3具有良好的響應，在（1.5-3.5）×10-4范圍內呈線性關系。侯書勇等人[2]通過臭氧處理制備了一種簡單、高效、可重復使用的單層石墨烯基NO2氣體傳感器，并研究了純的和經過臭氧處理的NO2氣體傳感器的響應特性和恢復特性。經臭氧處理后的石墨烯基氣體傳感器對NO2響應度明顯高于未經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%（質量分數）的石墨烯/WO3納米片復合材料，并研究其對H2S的氣敏性能。結果表明，復合石墨烯對WO3的結構和形貌產生了較大的影響，石墨烯復合使材料對H2S的靈敏度提高，工作溫度降低，且響應-恢復時間短。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成功地合成了多孔結構的氧化錫與石墨烯的復合物（RGO/SnO2）。測試了復合材料對NO2的傳感性能，結果表明復合材料的傳感性能優(yōu)于SnO2，并發(fā)現改變前驅液中SnO2和GO的質量比會引起復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]通過反應離子刻蝕和沖壓技術在塑料或柔性橡膠基質上制造出基于石墨烯的透明應變傳感器，在拉伸應變達到7.1%情況下對壓阻特性進行了研究。他們在透明的手套上安裝這種傳感器，測量由手指的運動引起的手套應變力的變化。2014年，蔣圣偉等人[6]提出了一種適用于納機電系統(tǒng)（NEMS）的懸浮石墨烯壓力傳感器，并結合傳統(tǒng)微機械加工工藝提出了壓力傳感器的制造過程?；诒∧づ蛎浽囼灧椒?，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系，并計算了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，當矩形寬度、方形邊長或圓形直徑越大，薄膜厚度越小時，壓力靈敏度越高。2017年，代岳等人[7]針對懸浮式石墨烯壓力傳感器設計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-應變關系，然后進行了不同條件及與實測值的對比分析。結果驗證了有限元建模仿真的準確性，表明3種形狀薄膜中矩形薄膜的中心形變位移和應變最大，且二者隨薄膜尺寸的增大而增大。

2.3 生物醫(yī)學傳感器

石墨烯具有杰出的和獨特的電子性能如提供大面積檢測、超高機動性和雙極性場效應的特點，被認為是一個優(yōu)秀的生物傳感材料。因此石墨烯醫(yī)藥傳感器也出現研究的熱潮。

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溶液中的電化學性能，結果表明石墨烯對K4Fe（CN）6在

GPE電極表面上的電子轉移起到了明顯的促進作用。用差示脈沖伏安法研究了多巴胺（DA）在該電極上的電化學行為，在磷酸鹽緩沖溶液中（pH=7）多巴胺在該電極上呈現明顯氧化峰，氧化峰電位隨著pH值的增加而負移，在抗壞血酸存在下多巴胺氧化峰峰高與其濃度在3-50μmol/L范圍內呈良好的線性關系，檢出限為0.8μmol/L。此外，實驗結果表明，該電極具有良好的重現性和穩(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，對銅/石墨烯納米復合膜進行了表征。研究顯示銅/石墨烯納米復合膜修飾電極對葡萄糖有較好的電催化活性，并且在8×10-6～9.4×10-4mol/L范圍內呈線性關系，靈敏度為0.225A·L·mol-1。實驗表明該修飾電極對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合材料所制成的傳感器檢測肺炎克雷伯菌（KPN），從而實現KPN的快速、精確檢測。利用電化學傳感器，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的實驗條件下，完成KPN檢測。結果表明基于石墨烯與氧化鋯納米復合材料所制成的傳感器具有良好的靈敏度與穩(wěn)定性，可實現傳感器對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）反應產生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，并對電極和酶反應條件進行優(yōu)化。選擇具有電活性的酪氨酸（Tyr）為目標分析物，并對L-Tyr和D-Tyr進行定量分析，最后對其在尿樣品中的Tyr含量進行檢測。結果在尿酸和其他電活性AA的存在下，該生物電化學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 結束語

石墨烯作為碳材料的構成基元，具有獨特的電子結構、優(yōu)異的性能和物化性質，因此在傳感器上有很大的應用前景。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展，展示了研究人員在石墨烯傳感器應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性質，進一步研究石墨烯和分子相互作用的機制等，能夠更好的促進石墨烯科學在傳感器領域的發(fā)展。

參考文獻：

[1]孫宇峰，等.氧化石墨烯的制備及其對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H2S氣敏性能的研究[J].人工晶體學報，2015（12）：3593-3596.

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

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

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

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