基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展_高原

石墨烯传感器的研究进展摘要本文论述了石墨烯电化学和生物传感器的研究进展，包括石墨烯的直接电化学基础、石墨烯对生物小分子的电催化活性、石墨烯酶传感器、基于石墨烯薄膜和石墨烯纳米带的实用气体传感器（可检测O 2、CO和NO 2）、石墨烯DNA传感器和石墨烯医药传感器（可用于检测扑热息痛）。

2004年，英国曼彻斯特大学Andre K.Geim等以石墨为原料，通过微机械力剥离法得到一系列叫作二维原子晶体的新材料----- “石墨烯（G raphene）”。

石墨烯是碳纳米材料家族的新成员，具有二维层状纳米结构，室温下相当稳定。

由于在石墨烯中碳原子呈sp2 杂化，贡献剩余一个p轨道上的电子形成了大n键，n 电子可以自由移动，使石墨烯具有优良的导电性、新型的量子霍尔效应以及独特的超导性能。

石墨烯对一些酶呈现出优异的电子迁移能力，并且对一些小分子（如H2O2 NADH）具有良好的催化性能，使其适合做基于酶的生物传感器，即葡萄糖传感器和乙醇生物传感器。

在电化学中应用的石墨烯大部分都是由还原石墨烯氧化物得到的，也称为功能化石墨烯片或者化学还原石墨烯氧化物，这种物质通常有较多的结构缺陷和官能团，在电化学应用上具有优势。

碳是电化学分析和电催化领域应用最广的材料。

例如，碳纳米管在生物传感器、生物燃料电池和质子交换膜（PEM）燃料电池方面有着良好的性能。

基于石墨烯的电极在电催化活性和宏观尺度的导电性上比碳纳米管更有优势。

因此，在电化学领域，石墨烯就有了大展身手的机会。

石墨烯在电化学传感器上的应用有以下优点：①体积小，表面积大；②灵敏度高；③响应时间快；④电子传递快；⑤易于固定蛋白质并保持其活性；⑥减少表面污染的影响。

1石墨烯的电化学基础为了更好地了解碳材料在电化学领域的应用，有必要研究决定碳电极的几种重要参数的基本电化学行为，即电化学位窗口、电子迁移速率、氧化还原电位等。

Zhou Ming等报道称石墨烯在0. lmol/L PBS （pH 为7.0 ）中具有大约2.5V 的电化学电位窗口，这与石墨、玻碳、甚至掺杂硼的金刚石电极相似，但是，从交流阻抗谱来看，石墨烯对电荷迁移的阻力比石墨和玻碳电极对电荷迁移的阻力小。

2021石墨烯在电化学生物传感器领域的应用范文 石墨烯由于具有大的比表面积、优异的机械性能和良好的导电性，使得它在纳米电子器件，传感器，药物载体，超级电容器以及能量存储等领域得到了广泛的应用。

将石墨烯应用于电生物传感器不仅有重要的理论价值，而且对生命分析领域的快速发展具有重要现实指导意义。

本文重点介绍了石墨烯在电化学物传感器领域的研究进展，简单探讨了石墨烯在电化学领域应用存在的问题。

1石墨烯在电化学生物传感器领域的研究进展 1.1酶传感器 由于石墨烯对H2O2具有较高的电催化活性，对葡萄糖氧化酶具有良好的直接电化学催化氧化性能，因此石墨烯可以作为卓越的电极材料制备酶生物传感器。

Shan[1]报道了利用聚乙烯吡咯烷酮修饰的功能化石墨烯纳米材料构建了电化学葡萄糖生物传感器，该小组将聚乙烯吡咯烷酮功能化的石墨烯分散于聚乙烯亚胺功能化的离子液体后，制备得到石墨烯/离子液体修饰电极能极好的固定葡萄糖氧化酶，利用石墨烯复合材料材料对 O2和 H2O2的还原催化作用，成功制备出葡萄糖电化学生物传感器检测，线性范围为 2~14 mmol/L。

Liu[2]研究了将铜纳米粒子通过电解沉积在石墨烯片层上构建了非酶葡萄糖传感器，在 500 mV 电压下，对葡萄糖的检测线性范围达到 4.5 mM，最低检测限位为 0.5 μM。

Zhuo[3]研究小组研究了以细胞因子与葡萄糖氧化酶级联催化物为信号放大物，功能化磁性石墨烯纳米球为信号标记物，构建了用于检测甲状腺激素的免疫传感器，最低检测限可达15 fg/mL。

1.2免疫传感器 由于石墨烯就有大的表面面积和良好的生物相容性，因此，MohammedZourob[4]研究了通过电还原芳基重氮盐在石墨烯修饰丝网印刷电极表面键合一层有机膜构建了用于检测乳球蛋白的电化学免疫传感器，在 PBS 溶液中对乳球蛋白的检测线性范围为1pg/mL~1 ng/mL，最低检出限可达 0.8 pg/mL。

基于石墨烯场效应晶体管生物传感器的病毒核酸免扩增、高灵敏检测基于石墨烯场效应晶体管生物传感器的病毒核酸免扩增、高灵敏检测近年来，病毒感染成为全球公共卫生领域的重要问题。

针对病毒核酸的敏感检测，是疫情防控和病毒疾病诊断的关键环节。

传统的核酸检测方法主要依赖于PCR扩增技术，但PCR扩增技术存在耗时长、操作复杂以及需要高质量实验室条件等局限性。

为了解决这些问题，石墨烯场效应晶体管生物传感器为病毒核酸的免扩增、高灵敏检测提供了一种新思路。

石墨烯作为一种单层碳原子的二维材料，具有高导电性、高透明度、高柔韧性和极大的比表面积等优异特性。

这些特性使石墨烯成为生物传感器领域的研究热点。

将石墨烯应用于生物传感器中，可以通过利用石墨烯对生物分子的高灵敏度响应，实现对病毒核酸的准确检测。

在石墨烯场效应晶体管生物传感器中，利用市售硅基可重复使用的晶体管作为基底，通过化学修饰方法将石墨烯薄膜均匀地覆盖在晶体管表面。

接着，在石墨烯表面修饰适当的探针分子，实现对病毒核酸的特异性识别。

当目标病毒核酸存在于样品中时，病毒核酸与探针分子发生特异性杂交反应，而这种杂交反应会引起石墨烯表面的电导率变化。

通过测量石墨烯场效应晶体管的电流变化，可以检测到病毒核酸的存在并进一步进行定量分析。

相较于传统的PCR扩增技术，基于石墨烯场效应晶体管生物传感器的病毒核酸检测具有以下优势。

首先，石墨烯场效应晶体管生物传感器无需进行PCR扩增步骤，大大缩短了检测时间，并且操作简便。

其次，通过修饰不同的探针分子，可以实现对不同病毒核酸的特异性检测。

此外，该生物传感器对病毒核酸的检测具有高灵敏度，可以检测到极低浓度的病毒核酸。

此外，由于石墨烯的高比表面积，使得生物传感器对样品中微量核酸的检测具有更强的敏感性和准确性。

虽然基于石墨烯场效应晶体管的病毒核酸生物传感器在核酸检测方面具有许多优势，但是在实际应用中还存在一些挑战。

首先，石墨烯材料的合成和制备相对复杂，需要进一步寻找更加简便、高效、可扩展的石墨烯制备方法。

石墨烯光电特性的研究与应用随着中国科学家们在石墨烯领域的发现和研究不断深入，石墨烯作为一种新型材料，已经引起了世界范围内的广泛关注。

其中，石墨烯的光电特性更是备受关注。

本文将从石墨烯的光电特性出发，探讨其研究现状及应用前景。

一、石墨烯的光电特性石墨烯，简单来说就是由碳原子组成的二维晶体材料，在其表面和边缘都具有非常优异的光学和电学性质。

其中，石墨烯的光电特性，主要表现在以下几个方面：1. 显著的吸收和折射：石墨烯具有显著的光学吸收效应，可将光线以超过97%的效率吸收。

同时，石墨烯的相对折射率也非常明显。

2. 高透过率和透射率：石墨烯的透射率非常高，可以达到97.7%。

同时，其透过率也达到了80%以上。

由此，石墨烯的透明度可以与玻璃媲美。

3. 明显的光学非线性效应：石墨烯具有显著的光学非线性效应，可用于激光器等光学器件。

4. 热光学效应：石墨烯还具有显著的热光学效应，可用于热传输和热管理等领域。

5. 其他优异性质：石墨烯还具有优异的电学性能，例如高载流子迁移率以及超短的载流子寿命等。

通过对石墨烯的这些光电特性的研究与探索，科学家们逐渐发现了石墨烯在多个领域的广泛应用前景。

二、石墨烯光电特性的研究现状1. 石墨烯的光学吸收研究石墨烯对光的吸收效应非常显著，可以达到超过97%的效率。

石墨烯的光学吸收研究主要针对其光学学习特性进行探讨。

例如，一项研究发现，单层石墨烯对于可见光的吸收率与入射光的波长呈反比例关系。

此外，随着石墨烯层数的增加，其对光的吸收效率也会逐渐降低。

2. 石墨烯的透明性研究石墨烯的透明度极高，可与玻璃媲美。

石墨烯的透明性研究主要探讨石墨烯的透过率与其在不同波长下的透明度，以及石墨烯的光学和电学制备方法等。

3. 石墨烯的光电器件研究石墨烯的光电性能非常优异，已经被应用于多种光电器件的制备中。

例如，石墨烯被用于制造柔性纤维型光电器件等。

此外，石墨烯与其他材料的复合也被广泛研究。

4. 其他石墨烯光电特性的研究石墨烯作为一种新型材料，其光电特性还有很多有待探索的领域。

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。

石墨烯在传感器技术中的应用前景石墨烯是一种新型的二维材料，具有很多优异的性能，如高导电性、高机械强度、高导热性、高透明性等等。

这些性能使它可以被应用于许多领域，其中传感器技术是最具有应用前景的一个领域之一。

在本文中，我们将详细地探讨石墨烯在传感器技术中的应用前景。

1. 石墨烯基压力传感器压力传感器是一种广泛应用于许多领域的传感器，如汽车、医疗、环境监测等等。

石墨烯具有优异的机械强度，可以被用来制造高灵敏度、高精度的压力传感器。

石墨烯基压力传感器与传统压力传感器相比，具有更好的灵敏度和更高的响应速度。

这让它在制造生物医学器械和环境监测设备等方面有了广泛的应用。

2. 石墨烯基光学传感器光学传感器是指利用光学原理来进行测量和检测的传感器。

石墨烯的优异透明性和高导电性可以被用于制造高灵敏度的光学传感器。

石墨烯基光学传感器在检测微生物、甲醛等有害气体、污染物质等方面有了广泛的应用。

3. 石墨烯基化学传感器化学传感器是用于检测和测量化学物质浓度、气体浓度等的传感器。

石墨烯具有高度的化学稳定性和电子传导性，可以被用来制造高灵敏度、高精度的化学传感器。

石墨烯基化学传感器在检测汽车尾气、空气污染物、药品成分、食品添加剂、病毒等方面有了广泛的应用。

4. 石墨烯基生物传感器生物传感器是指利用生物分子之间的相互作用和反应来进行测量和检测的传感器。

石墨烯具有优异的导电性和高度的生物相容性，可以被用来制造高灵敏度、高精度的生物传感器。

石墨烯基生物传感器在制造生物医学器械、检测生物标志物等方面有了广泛的应用。

5. 石墨烯基热传感器热传感器是一种测量温度变化的传感器，被广泛应用于许多领域，如电子、航空、化工等。

石墨烯具有优异的导热性，可以被用来制造高灵敏度、高精度的热传感器。

石墨烯基热传感器在制造电子元器件、汽车发动机温度检测等方面有了广泛的应用。

6. 石墨烯基气体传感器气体传感器是一种测量气体浓度的传感器，被广泛应用于环境监测、工业生产和生物医疗等领域。

三维石墨烯纳米材料复合生物传感器制备及应用研究中期报告一、研究背景及意义生物传感器作为一种新型的生物分析工具，一般由生物材料、传感器和信号处理模块三部分组成，能够有效地检测细胞、蛋白质等生物分子的活性及浓度变化，具有快速、便捷、高灵敏度等特点，因此在医疗、食品安全、环境监测等领域具有广阔的应用前景。

目前，生物传感器的研究重点已经从对传感器结构的优化转向了传感材料的探究，因为材料的性质直接影响着传感器的灵敏度和选择性。

石墨烯是一种兼具高导电性、高机械强度和化学稳定性的新型纳米材料，近年来被广泛应用于传感器制备领域。

目前石墨烯生物传感器的应用主要集中在二维石墨烯单层和多层薄膜材料上，但这些材料存在着一定的局限性，如易聚集、易脱落、灵敏度低等问题。

因此，寻求一种新型的石墨烯材料，既能克服现有材料的缺陷，又能满足生物传感器的应用需求，具有重要的研究意义。

本研究旨在制备一种三维石墨烯纳米材料，并将其应用于生物传感器的制备中，通过实验探究其性能和应用效果，为生物传感器的进一步发展提供新思路。

二、研究进展1. 材料制备本研究采用化学还原法制备了三维石墨烯纳米材料。

具体步骤如下：（1）制备氧化石墨烯纳米片（GO）。

将石墨粉末加入硝酸和硫酸的混合酸液中，超声分散30分钟，然后加入过量的过氧化氢，反应12小时。

（2）制备还原石墨烯纳米片（rGO）。

将得到的GO悬浊液加入甲醇/水混合溶剂中，再加入水杨醛作为还原剂，反应24小时。

（3）制备三维石墨烯纳米材料。

将rGO和二氧化钛纳米颗粒混合，经过超声分散和真空干燥，得到三维石墨烯复合纳米材料。

2. 材料表征对制备得到的三维石墨烯纳米材料进行了表征，主要包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析。

SEM图像显示，制备的三维石墨烯纳米材料呈现出较为均匀的孔洞结构，孔径大小在50-100 nm范围内。

TEM观察结果表明，石墨烯纳米材料呈现出明显的层状结构，平均厚度约为30 nm。

石墨烯在传感器领域中的应用石墨烯是一种由碳原子构成的单层薄膜材料，具有高导电性、高透明度和超强机械强度等优异特性，因此被广泛应用于多个领域，如电子、光学、能源和材料科学等。

在传感器领域中，石墨烯也被认为是一种具有巨大潜力的新型材料，因为其极高的灵敏度、快速的响应速度和良好的可重复性能够在诸多应用中发挥出色的作用。

1. 石墨烯在气体传感器方面的应用石墨烯气体传感器是一种基于石墨烯的传感器，其工作原理是通过检测气体分子与石墨烯表面之间相互作用引起的电性变化。

由于石墨烯具有大量可利用的表面积，它们能够高效地吸附气体分子，从而实现高灵敏度的检测。

另外，石墨烯还能够很快地响应气体的变化，并且具有很好的选择性，能够有效地区分不同种类的气体。

因此，石墨烯在气体传感器方面的应用具有广泛的前景，可以应用于空气污染监测、生化检测和气体检测等领域。

2. 石墨烯在生物传感器方面的应用生物传感器是一种能够检测生物分子的传感器，如蛋白质、DNA和细胞等。

由于石墨烯具有良好的生物相容性、高灵敏度和极低的检测限度，它们能够被广泛应用于医药和生物医学领域。

例如，基于石墨烯的蛋白质传感器在癌症诊断中能够识别一些癌症特异性蛋白质，从而帮助医生早早发现并治疗癌症。

另外，基于石墨烯的DNA传感器也能够检测基因的变异并对其进行分类，为疾病的诊断和治疗提供帮助。

3. 石墨烯在应力传感器方面的应用应力传感器是一种用于测量物体形变或受力的传感器，例如测量桥梁或建筑物的变形。

基于石墨烯的应力传感器由于具有可靠性高和灵敏度高的特点，大大拓展了应力传感器的应用领域。

基于石墨烯的微型应力传感器可以嵌入到纤维中，用于测量材料的应力分布，从而更好地了解材料的力学性能。

此外，基于石墨烯的智能应力传感器可以在机器人、汽车等领域，通过测量机器的变形来完成精准控制，提高机器的效率和安全性。

4. 石墨烯在环境传感器方面的应用环境传感器用于检测大气、水和土壤中的污染物质，例如二氧化碳、甲醛和重金属等。