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国内外石墨烯传感器研究动态盘点

仪表研发 2019年12月06日 11:49:17 来源:仪表网人气:21422
  【仪表网 仪表研发】“石墨烯”又名“单层石墨片”,是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子,碳原子排列成二维结构,与石墨的单原子层类似。石墨烯因其独特的二维结构在传感器中有广泛的应用,具有体积小、表面积大、灵敏度高、响应时间快、电子传递快、易于固定蛋白质并保持其活性等特点,能提升传感器的各项性能。
 
  基于石墨烯的纳米结构在传感器领域有极大地前景。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产生活变得更加智能可控。
 
  美国
 
  美国罗格斯大学新布朗斯维克分校的科学家们设计出了一种基于石墨烯的传感器,它可以早期检测哮喘的发作,改善哮喘和其他呼吸系统疾病的治疗,防止患者病情恶化和死亡。
 
  美国国防先期研究计划局(DARPA)资助的可靠神经接口技术(RE-NET)项目使研究人员可以同时利用光学和电子学方法对神经系统进行监测和刺激。
 
  美国航空航天局(NASA)开发出只有原子大小的基于石墨烯材质的微型传感器,用以检测地球高空大气层的微量元素,以及航天器上的结构性缺陷。
 
  中国
 
  由德州学院山东省生物物理省级重点实验室许士才博士、王吉华教授和周耀旗教授带领研究团队在石墨烯生物传感技术研发领域取得重大进展,该团队将单晶石墨烯作为敏感材料与生物传感技术有机结合,成功研制出单晶石墨烯超痕量生物传感器,为分析检测领域提供了一种全新的分析方法。单晶石墨烯超痕量生物传感技术是德州市取得的一项世界性重大研究成果,拥有完全自主知识产权。
 
  该研究成果以“多通道石墨烯生物传感器用于DNA杂交动力学和亲和力实时可靠检测”为题,在《自然·通讯》期刊在线发表。《自然·通讯》期刊是国际上综合类四大学术期刊之一,其报道内容为具有较高水平的科学技术成果。期刊审稿专家对该成果给予高度评价:“该团队推动可靠石墨烯传感技术迈出了关键一步,所研制的石墨烯生物传感器是目前世界比较先进生物传感器的代表之一,为分析检测领域提供了一种全新方法。”
 
  清华大学朱宏伟教授团队和北京华大智宝电子系统有限公司合作开发出石墨烯温度流量一体化传感器件。他们针对热力系统检测用流量、温度传感器的应用需求,通过对石墨烯传感的作用与规律研究,突破石墨烯材料在热量表流量计应用的关键技术,开发热力系统检测用石墨烯流量、温度传感器件,解决了现有传感器表面结垢、功耗高等问题,形成了批量制备能力,有望在热力系统进行规模应用。
 
  该团队完成了石墨烯晶片形状、尺寸、表/界面状态对传感性能调制研究,通过基于石墨稀材料的传感工艺结构设计,开发了大量程、高精度的流量、温度传感器。流量传感器元件测量范围达到0.01~6m3/h,测量精度达到0.005m3/h;温度传感器元件测量范围达到0~100℃,测量精度达到0.02℃。
 
  在石墨烯流量、温度传感材料基础上,同时开展了两项拓展研究:1)提出了一种实现高灵敏柔性应变传感的新思路,通过石墨烯与超弹超薄高分子材料复合构建了一类基于柔性传感器原型器件,开发了面向可穿戴装备的传感器的制造方法和工艺,在应变、压阻、扭转、挥发性有机物、声波等几个典型传感应用上进行了探索,并可探测脉搏、语音等微弱生理信号,有望应用于移动医疗、可穿戴式设备等领域;2)研究了水在石墨烯层片孔中的扩散特性,开发了一种同位素标记法,揭示了水分子在石墨烯中的扩散系数比微孔滤膜中微米尺寸通道的扩散系数高4~5个数量级,证明了水分子可超快速传输,为基于石墨烯的传质特性研究奠定了基础,并在快速过滤与分离领域展现出广阔的应用前景。
 
  英国
 
  英国南安普顿大学和日本先进科学技术研究所的研究人员新近开发了一种以石墨烯为材料的传感器。该传感器能以较低的能耗检测出室内的空气污染。
 
  这一新型传感器可以感应到来自建筑、装饰材料、家具乃至家庭用品的二氧化碳分子以及挥发性有机化合物气体分子。这些有害化学气体的浓度水平一般在十亿分之几(ppb),现有的环境传感技术很难检测到,因为这些传感器只能检测到浓度为百万分之几(ppm)的此类气体。
 
  该研究团队研发出的石墨烯传感器在通电后,可使单个的二氧化碳分子逐一吸附到石墨烯材料上,并在分子水平上检测其浓度。通过监测石墨烯束的电阻值,石墨烯材料对二氧化碳分子的吸附和释放会以电阻“量子化”变化的形式被检测到。在实验中,研究人员只用了几分钟的时间就检测到浓度约为30ppb的二氧化碳气体。
 
  英国苏格兰格拉斯哥大学(Universityof Glasgow)的研究人员设计出一种基于石墨烯的透明柔性电容式触控传感器,不仅提供触控侦测,还搭载了压力感测功能。由于它是透明的,所以触觉感应层可堆栈在刚性或柔性的太阳光电(PV)电池上,从而在操作时自动供电。
 
  爱尔兰
 
  在爱尔兰科学基金会的资助下,都柏林圣三一学院先进材料与生物工程研究(AMBER)中心和物理学院的研究人员近日成功合作,将石墨烯添加入市售橡胶,使橡胶在保留原有机械性能的同时具备了导电性,从而制造出可穿戴的石墨烯-橡胶传感器。
 
  测试结果显示,当混合橡胶被拉伸时,流经混合物的电流会发生很大变化。因此,若将该石墨烯-橡胶混合物嵌入衣物,则能感知呼吸、脉搏等最细微的人类活动。该研究为开发基于橡胶的可穿戴传感器开辟了道路,使其可用于监测血压、关键运动和呼吸。
 
  此外,石墨烯-橡胶传感器还具备多种潜在用途,例如用于开发高灵敏度的气囊、监控身体运动的医疗设备、作为婴儿猝死症和成人睡眠窒息症的早期预警系统,以及嵌入衣物以监控运动员的动作或病患的康复治疗。
 
  (资料来源:百度学术,科学中国人,电子发烧友网)
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