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行業(yè)新聞

國(guó)內(nèi)外石墨烯傳感器研究動(dòng)態(tài)盤點(diǎn)

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(diǎn)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(dú)特的二維結(jié)構(gòu)在傳感器中有廣泛的應(yīng)用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質(zhì)并保持其活性等特點(diǎn)，能提升傳感器的各項(xiàng)性能。

國(guó)內(nèi)外石墨烯傳感器研究動(dòng)態(tài)盤點(diǎn)

　　基于石墨烯的納米結(jié)構(gòu)在傳感器領(lǐng)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(guó)
　　美國(guó)羅格斯大學(xué)新布朗斯維克分校的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出了一種基于石墨烯的傳感器，它可以早期檢測(cè)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(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局(DARPA)資助的可靠神經(jīng)接口技術(shù)(RE-NET)項(xiàng)目使研究人員可以同時(shí)利用光學(xué)和電子學(xué)方法對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和刺激。
　　美國(guó)航空航天局(NASA)開(kāi)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(cè)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(guó)
　　由德州學(xué)院山東省生物物理省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室許士才博士、王吉華教授和周耀旗教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在石墨烯生物傳感技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域取得重大進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)將單晶石墨烯作為敏感材料與生物傳感技術(shù)有機(jī)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(cè)領(lǐng)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(shù)是德州市取得的一項(xiàng)世界性重大研究成果，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
　　該研究成果以“多通道石墨烯生物傳感器用于DNA雜交動(dòng)力學(xué)和親和力實(shí)時(shí)可靠檢測(cè)”為題，在《自然·通訊》期刊在線發(fā)表。《自然·通訊》期刊是國(guó)際上綜合類四大學(xué)術(shù)期刊之一，其報(bào)道內(nèi)容為具有較高水平的科學(xué)技術(shù)成果。期刊審稿專家對(duì)該成果給予高度評(píng)價(jià)：“該團(tuán)隊(duì)推動(dòng)可靠石墨烯傳感技術(shù)邁出了關(guān)鍵一步，所研制的石墨烯生物傳感器是目前世界比較先進(jìn)生物傳感器的代表之一，為分析檢測(cè)領(lǐng)域提供了一種全新方法?！?br /> 　　清華大學(xué)朱宏偉教授團(tuán)隊(duì)和北京華大智寶電子系統(tǒng)有限公司合作開(kāi)發(fā)出石墨烯溫度流量一體化傳感器件。他們針對(duì)熱力系統(tǒng)檢測(cè)用流量、溫度傳感器的應(yīng)用需求，通過(guò)對(duì)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(jì)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)熱力系統(tǒng)檢測(cè)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(wèn)題，形成了批量制備能力，有望在熱力系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)模應(yīng)用。
　　該團(tuán)隊(duì)完成了石墨烯晶片形狀、尺寸、表/界面狀態(tài)對(duì)傳感性能調(diào)制研究，通過(guò)基于石墨稀材料的傳感工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開(kāi)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(cè)量范圍達(dá)到0.01~6m3/h，測(cè)量精度達(dá)到0.005m3/h;溫度傳感器元件測(cè)量范圍達(dá)到0~100℃，測(cè)量精度達(dá)到0.02℃。
　　在石墨烯流量、溫度傳感材料基礎(chǔ)上，同時(shí)開(kāi)展了兩項(xiàng)拓展研究:1)提出了一種實(shí)現(xiàn)高靈敏柔性應(yīng)變傳感的新思路，通過(guò)石墨烯與超彈超薄高分子材料復(fù)合構(gòu)建了一類基于柔性傳感器原型器件，開(kāi)發(fā)了面向可穿戴裝備的傳感器的制造方法和工藝，在應(yīng)變、壓阻、扭轉(zhuǎn)、揮發(fā)性有機(jī)物、聲波等幾個(gè)典型傳感應(yīng)用上進(jìn)行了探索，并可探測(cè)脈搏、語(yǔ)音等微弱生理信號(hào)，有望應(yīng)用于移動(dòng)醫(yī)療、可穿戴式設(shè)備等領(lǐng)域;2)研究了水在石墨烯層片孔中的擴(kuò)散特性，開(kāi)發(fā)了一種同位素標(biāo)記法，揭示了水分子在石墨烯中的擴(kuò)散系數(shù)比微孔濾膜中微米尺寸通道的擴(kuò)散系數(shù)高4~5個(gè)數(shù)量級(jí)，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(chǔ)，并在快速過(guò)濾與分離領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
　　英國(guó)
　　英國(guó)南安普頓大學(xué)和日本先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的研究人員新近開(kāi)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(cè)出室內(nèi)的空氣污染。
　　這一新型傳感器可以感應(yīng)到來(lái)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(jī)化合物氣體分子。這些有害化學(xué)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(shù)很難檢測(cè)到，因?yàn)檫@些傳感器只能檢測(cè)到濃度為百萬(wàn)分之幾(ppm)的此類氣體。
　　該研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的石墨烯傳感器在通電后，可使單個(gè)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(cè)其濃度。通過(guò)監(jiān)測(cè)石墨烯束的電阻值，石墨烯材料對(duì)二氧化碳分子的吸附和釋放會(huì)以電阻“量子化”變化的形式被檢測(cè)到。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員只用了幾分鐘的時(shí)間就檢測(cè)到濃度約為30ppb的二氧化碳?xì)怏w。
　　英國(guó)蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)(UniversityofGlasgow)的研究人員設(shè)計(jì)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(cè)，還搭載了壓力感測(cè)功能。由于它是透明的，所以觸覺(jué)感應(yīng)層可堆棧在剛性或柔性的太陽(yáng)光電(PV)電池上，從而在操作時(shí)自動(dòng)供電。
　　愛(ài)爾蘭
　　在愛(ài)爾蘭科學(xué)基金會(huì)的資助下，都柏林圣三一學(xué)院先進(jìn)材料與生物工程研究(AMBER)中心和物理學(xué)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(jī)械性能的同時(shí)具備了導(dǎo)電性，從而制造出可穿戴的石墨烯-橡膠傳感器。
　　測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)混合橡膠被拉伸時(shí)，流經(jīng)混合物的電流會(huì)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(xì)微的人類活動(dòng)。該研究為開(kāi)發(fā)基于橡膠的可穿戴傳感器開(kāi)辟了道路，使其可用于監(jiān)測(cè)血壓、關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)高靈敏度的氣囊、監(jiān)控身體運(yùn)動(dòng)的醫(yī)療設(shè)備、作為嬰兒猝死癥和成人睡眠窒息癥的早期預(yù)警系統(tǒng)，以及嵌入衣物以監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作或病患的康復(fù)治療。


（文章來(lái)源：儀表網(wǎng)）


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