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國內(nèi)外石墨烯傳感器研究動態(tài)盤點
2019-12-05
“石墨烯”又名“單層石墨片”，是指一層密集的、包裹在蜂巢晶體點陣上的碳原子，碳原子排列成二維結(jié)構(gòu)，與石墨的單原子層類似。石墨烯因其獨特的二維結(jié)構(gòu)在傳感器中有廣泛的應用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應時間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性等特點，能提升傳感器的各項性能。
美國羅格斯大學新布朗斯維克分校的科學家們設計出了一種基于石墨烯的傳感器，它可以早期檢測哮喘的發(fā)作，改善哮喘和其他呼吸系統(tǒng)疾病的治療，防止患者病情惡化和死亡。
美國國防先期研究計劃局(DARPA)資助的可靠神經(jīng)接口技術(RE-NET)項目使研究人員可以同時利用光學和電子學方法對神經(jīng)系統(tǒng)進行監(jiān)測和刺激。
美國航空航天局(NASA)開發(fā)出只有原子大小的基于石墨烯材質(zhì)的微型傳感器，用以檢測地球高空大氣層的微量元素，以及航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷。
中國
由德州學院山東省生物物理省級重點實驗室許士才博士、王吉華教授和周耀旗教授帶領研究團隊在石墨烯生物傳感技術研發(fā)領域取得重大進展，該團隊將單晶石墨烯作為敏感材料與生物傳感技術有機結(jié)合，成功研制出單晶石墨烯超痕量生物傳感器，為分析檢測領域提供了一種全新的分析方法。單晶石墨烯超痕量生物傳感技術是德州市取得的一項世界性重大研究成果，擁有完全自主知識產(chǎn)權。
該研究成果以“多通道石墨烯生物傳感器用于DNA雜交動力學和親和力實時可靠檢測”為題，在《自然·通訊》期刊在線發(fā)表。《自然·通訊》期刊是國際上綜合類四大學術期刊之一，其報道內(nèi)容為具有較高水平的科學技術成果。期刊審稿專家對該成果給予高度評價：“該團隊推動可靠石墨烯傳感技術邁出了關鍵一步，所研制的石墨烯生物傳感器是目前世界比較先進生物傳感器的代表之一，為分析檢測領域提供了一種全新方法。”
清華大學朱宏偉教授團隊和北京華大智寶電子系統(tǒng)有限公司合作開發(fā)出石墨烯溫度流量一體化傳感器件。他們針對熱力系統(tǒng)檢測用流量、溫度傳感器的應用需求，通過對石墨烯傳感的作用與規(guī)律研究，突破石墨烯材料在熱量表流量計應用的關鍵技術，開發(fā)熱力系統(tǒng)檢測用石墨烯流量、溫度傳感器件，解決了現(xiàn)有傳感器表面結(jié)垢、功耗高等問題，形成了批量制備能力，有望在熱力系統(tǒng)進行規(guī)模應用。
該團隊完成了石墨烯晶片形狀、尺寸、表/界面狀態(tài)對傳感性能調(diào)制研究，通過基于石墨稀材料的傳感工藝結(jié)構(gòu)設計，開發(fā)了大量程、高精度的流量、溫度傳感器。流量傳感器元件測量范圍達到0.01~6m3/h，測量精度達到0.005m3/h;溫度傳感器元件測量范圍達到0~100℃，測量精度達到0.02℃。
在石墨烯流量、溫度傳感材料基礎上，同時開展了兩項拓展研究:1)提出了一種實現(xiàn)高靈敏柔性應變傳感的新思路，通過石墨烯與超彈超薄高分子材料復合構(gòu)建了一類基于柔性傳感器原型器件，開發(fā)了面向可穿戴裝備的傳感器的制造方法和工藝，在應變、壓阻、扭轉(zhuǎn)、揮發(fā)性有機物、聲波等幾個典型傳感應用上進行了探索，并可探測脈搏、語音等微弱生理信號，有望應用于移動醫(yī)療、可穿戴式設備等領域;2)研究了水在石墨烯層片孔中的擴散特性，開發(fā)了一種同位素標記法，揭示了水分子在石墨烯中的擴散系數(shù)比微孔濾膜中微米尺寸通道的擴散系數(shù)高4~5個數(shù)量級，證明了水分子可超快速傳輸，為基于石墨烯的傳質(zhì)特性研究奠定了基礎，并在快速過濾與分離領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。
英國
英國南安普頓大學和日本先進科學技術研究所的研究人員新近開發(fā)了一種以石墨烯為材料的傳感器。該傳感器能以較低的能耗檢測出室內(nèi)的空氣污染。
這一新型傳感器可以感應到來自建筑、裝飾材料、家具乃至家庭用品的二氧化碳分子以及揮發(fā)性有機化合物氣體分子。這些有害化學氣體的濃度水平一般在十億分之幾(ppb)，現(xiàn)有的環(huán)境傳感技術很難檢測到，因為這些傳感器只能檢測到濃度為百萬分之幾(ppm)的此類氣體。
該研究團隊研發(fā)出的石墨烯傳感器在通電后，可使單個的二氧化碳分子逐一吸附到石墨烯材料上，并在分子水平上檢測其濃度。通過監(jiān)測石墨烯束的電阻值，石墨烯材料對二氧化碳分子的吸附和釋放會以電阻“量子化”變化的形式被檢測到。在實驗中，研究人員只用了幾分鐘的時間就檢測到濃度約為30ppb的二氧化碳氣體。
英國蘇格蘭格拉斯哥大學(UniversityofGlasgow)的研究人員設計出一種基于石墨烯的透明柔性電容式觸控傳感器，不僅提供觸控偵測，還搭載了壓力感測功能。由于它是透明的，所以觸覺感應層可堆棧在剛性或柔性的太陽光電(PV)電池上，從而在操作時自動供電。
愛爾蘭
在愛爾蘭科學基金會的資助下，都柏林圣三一學院先進材料與生物工程研究(AMBER)中心和物理學院的研究人員近日成功合作，將石墨烯添加入市售橡膠，使橡膠在保留原有機械性能的同時具備了導電性，從而制造出可穿戴的石墨烯-橡膠傳感器。
測試結(jié)果顯示，當混合橡膠被拉伸時，流經(jīng)混合物的電流會發(fā)生很大變化。因此，若將該石墨烯-橡膠混合物嵌入衣物，則能感知呼吸、脈搏等最細微的人類活動。該研究為開發(fā)基于橡膠的可穿戴傳感器開辟了道路，使其可用于監(jiān)測血壓、關鍵運動和呼吸。
此外，石墨烯-橡膠傳感器還具備多種潛在用途，例如用于開發(fā)高靈敏度的氣囊、監(jiān)控身體運動的醫(yī)療設備、作為嬰兒猝死癥和成人睡眠窒息癥的早期預警系統(tǒng)，以及嵌入衣物以監(jiān)控運動員的動作或病患的康復治療。
基于石墨烯的納米結(jié)構(gòu)在傳感器領域有極大地前景。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產(chǎn)生活變得更加智能可控。
美國美國羅格斯大學新布朗斯維克分校的科學家們設計出了一種基于石墨烯的傳感器，它可以早期檢測哮喘的發(fā)作，改善哮喘和其他呼吸系統(tǒng)疾病的治療，防止患者病情惡化和死亡。
美國國防先期研究計劃局(DARPA)資助的可靠神經(jīng)接口技術(RE-NET)項目使研究人員可以同時利用光學和電子學方法對神經(jīng)系統(tǒng)進行監(jiān)測和刺激。
美國航空航天局(NASA)開發(fā)出只有原子大小的基于石墨烯材質(zhì)的微型傳感器，用以檢測地球高空大氣層的微量元素，以及航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷。
中國
由德州學院山東省生物物理省級重點實驗室許士才博士、王吉華教授和周耀旗教授帶領研究團隊在石墨烯生物傳感技術研發(fā)領域取得重大進展，該團隊將單晶石墨烯作為敏感材料與生物傳感技術有機結(jié)合，成功研制出單晶石墨烯超痕量生物傳感器，為分析檢測領域提供了一種全新的分析方法。單晶石墨烯超痕量生物傳感技術是德州市取得的一項世界性重大研究成果，擁有完全自主知識產(chǎn)權。
該研究成果以“多通道石墨烯生物傳感器用于DNA雜交動力學和親和力實時可靠檢測”為題，在《自然·通訊》期刊在線發(fā)表。《自然·通訊》期刊是國際上綜合類四大學術期刊之一，其報道內(nèi)容為具有較高水平的科學技術成果。期刊審稿專家對該成果給予高度評價：“該團隊推動可靠石墨烯傳感技術邁出了關鍵一步，所研制的石墨烯生物傳感器是目前世界比較先進生物傳感器的代表之一，為分析檢測領域提供了一種全新方法。”
清華大學朱宏偉教授團隊和北京華大智寶電子系統(tǒng)有限公司合作開發(fā)出石墨烯溫度流量一體化傳感器件。他們針對熱力系統(tǒng)檢測用流量、溫度傳感器的應用需求，通過對石墨烯傳感的作用與規(guī)律研究，突破石墨烯材料在熱量表流量計應用的關鍵技術，開發(fā)熱力系統(tǒng)檢測用石墨烯流量、溫度傳感器件，解決了現(xiàn)有傳感器表面結(jié)垢、功耗高等問題，形成了批量制備能力，有望在熱力系統(tǒng)進行規(guī)模應用。
該團隊完成了石墨烯晶片形狀、尺寸、表/界面狀態(tài)對傳感性能調(diào)制研究，通過基于石墨稀材料的傳感工藝結(jié)構(gòu)設計，開發(fā)了大量程、高精度的流量、溫度傳感器。流量傳感器元件測量范圍達到0.01~6m3/h，測量精度達到0.005m3/h;溫度傳感器元件測量范圍達到0~100℃，測量精度達到0.02℃。
在石墨烯流量、溫度傳感材料基礎上，同時開展了兩項拓展研究:1)提出了一種實現(xiàn)高靈敏柔性應變傳感的新思路，通過石墨烯與超彈超薄高分子材料復合構(gòu)建了一類基于柔性傳感器原型器件，開發(fā)了面向可穿戴裝備的傳感器的制造方法和工藝，在應變、壓阻、扭轉(zhuǎn)、揮發(fā)性有機物、聲波等幾個典型傳感應用上進行了探索，并可探測脈搏、語音等微弱生理信號，有望應用于移動醫(yī)療、可穿戴式設備等領域;2)研究了水在石墨烯層片孔中的擴散特性，開發(fā)了一種同位素標記法，揭示了水分子在石墨烯中的擴散系數(shù)比微孔濾膜中微米尺寸通道的擴散系數(shù)高4~5個數(shù)量級，證明了水分子可超快速傳輸，為基于石墨烯的傳質(zhì)特性研究奠定了基礎，并在快速過濾與分離領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。
英國
英國南安普頓大學和日本先進科學技術研究所的研究人員新近開發(fā)了一種以石墨烯為材料的傳感器。該傳感器能以較低的能耗檢測出室內(nèi)的空氣污染。
這一新型傳感器可以感應到來自建筑、裝飾材料、家具乃至家庭用品的二氧化碳分子以及揮發(fā)性有機化合物氣體分子。這些有害化學氣體的濃度水平一般在十億分之幾(ppb)，現(xiàn)有的環(huán)境傳感技術很難檢測到，因為這些傳感器只能檢測到濃度為百萬分之幾(ppm)的此類氣體。
該研究團隊研發(fā)出的石墨烯傳感器在通電后，可使單個的二氧化碳分子逐一吸附到石墨烯材料上，并在分子水平上檢測其濃度。通過監(jiān)測石墨烯束的電阻值，石墨烯材料對二氧化碳分子的吸附和釋放會以電阻“量子化”變化的形式被檢測到。在實驗中，研究人員只用了幾分鐘的時間就檢測到濃度約為30ppb的二氧化碳氣體。
英國蘇格蘭格拉斯哥大學(UniversityofGlasgow)的研究人員設計出一種基于石墨烯的透明柔性電容式觸控傳感器，不僅提供觸控偵測，還搭載了壓力感測功能。由于它是透明的，所以觸覺感應層可堆棧在剛性或柔性的太陽光電(PV)電池上，從而在操作時自動供電。
愛爾蘭
在愛爾蘭科學基金會的資助下，都柏林圣三一學院先進材料與生物工程研究(AMBER)中心和物理學院的研究人員近日成功合作，將石墨烯添加入市售橡膠，使橡膠在保留原有機械性能的同時具備了導電性，從而制造出可穿戴的石墨烯-橡膠傳感器。
測試結(jié)果顯示，當混合橡膠被拉伸時，流經(jīng)混合物的電流會發(fā)生很大變化。因此，若將該石墨烯-橡膠混合物嵌入衣物，則能感知呼吸、脈搏等最細微的人類活動。該研究為開發(fā)基于橡膠的可穿戴傳感器開辟了道路，使其可用于監(jiān)測血壓、關鍵運動和呼吸。
此外，石墨烯-橡膠傳感器還具備多種潛在用途，例如用于開發(fā)高靈敏度的氣囊、監(jiān)控身體運動的醫(yī)療設備、作為嬰兒猝死癥和成人睡眠窒息癥的早期預警系統(tǒng)，以及嵌入衣物以監(jiān)控運動員的動作或病患的康復治療。
（文章來源：儀表網(wǎng)）
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