综述:激光诱导石墨烯在智能传感方向的应用

Laser‑Induced Graphene: En Route to Smart Sensing

Libei Huang, Jianjun Su, Yun Song, Ruquan Ye*

Nano‑Micro Lett.(2020)12:157

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00496-0

本文亮点

1总结了激光诱导石墨烯的制备和工程化策略。
2. 综述基于LIG的传感器,重点介绍其设计原理和工作机制。
3. 讨论LIG传感器与信号传输的集成及其未来智能化传感系统的前景。
内容简介

近年来,激光诱导聚合物转换成石墨烯(LIG)的技术备受关注,在电池,催化,杀菌,分离过滤,传感等方面具有广泛的应用。LIG技术具有环境友好、组分可调、形貌可控、孔隙率高、柔韧性好、机械性能稳定、良好的导电性和导热性等优点。图形化和可印刷的制造工艺和LIG的独特的优越性能开辟了一条新的微型石墨烯器件的制备途径,它在传感方向的应用从单一的检测组件迅速发展成为集成的智能检测系统。香港城市大学化学系叶汝全教授团队以设计原理和工作机制为核心,综述了LIG技术在传感器应用上的进展,论文第一作者为香港城市大学化学系博士研究生黄丽蓓。文章首先简要介绍了LIG和LIG复合物的制备原理,包括形貌和组分的调控,物理和化学特性的控制等。接着基于设计原理和工作机制(特异结合型和非特异结合型的化学传感器,基于压阻效应的机械传感器等),对LIG传感器进行总结。最后,作者讨论了LIG的影响及其未来发展。

图文导读

LIG的制备及其相关机械性能
聚酰亚胺膜等可被CO₂激光转化成石墨烯,无需掩膜板, 任何形状的LIG可通过计算机控制软件的控制进行制备。通过改变制备的气氛,前驱物,激光的参数包括激光扫描速度,工作模式,频率,每点脉冲数等,可对LIG的物理和化学特性进行调控。不仅是红外激光,可见光,紫外光等激光器也可成功制备LIG。红外激光制备LIG主要是源于光热效应,瞬间的高温可是前驱物的化学键断裂和重新组合,这个过程会伴随着气体的生成,这也是LIG高孔隙率的原因之一。对于紫外光激光来说,LIG的转化主要是一种光化学反应,因为紫外光波长短,能量大,可直接使化学键断裂。而对于可见光激光,光热效应和光化学反应则可能同时存在。相比于丝网印刷,3D打印,光刻等,激光诱导制备石墨烯展现了它制备过程简单、低成本、高效、环保的独特优势。得益于前驱物(有机薄膜)的柔韧性以及LIG易于转移到兼具机械性能和延展性的衬底上的特点,LIG在传感器,特别是可穿戴器件上具有广泛的应用。
图1. (a)PI转化成LIG的示意图。(b)LIG的SEM,HRTEM图。比例尺为10 μm和5 nm。(c)在不同气氛下,LIG的接触角。(d)纤维状的LIG的SEM图。

图2. LIG及其复合材料的机械特性。(a)弯曲状态下的硼掺杂的LIG。(b)不同弯曲半径下硼掺杂的LIG电容的电容保持率。(c-d)LIG超级电容器在不同拉伸强度下的测试。(e)LIG与水泥复合。(f)基于LIG-水泥复合物的气体传感器。

II 基于LIG的化学传感器

化学传感器广泛应用于食品安全、水产养殖和饮用水中的污染物、有危险气体排放的工业周围的空气质量以及葡萄糖、乳酸和多巴胺等代谢物的检测。化学物质检测的工作机理通常依赖于由刺激物引起的电阻、电容和电荷转移电阻等电信号的变化。这种化学物质的检测可分为两大类,一类是基于化学物质与LIG表面的特异结合,另一类是基于非特异性结合。
2.1 特异性结合的化学传感器
特异性结合型化学传感器是通常是对LIG的表面进行修饰,如抗体、酶和适配体等。由于识别元件和目标化学物质之间的精确结合,此类传感器往往表现出非凡的传感选择性。当识别元件与目标化学物质结合后,电极表面的电容、界面传输电阻等信号将产生变化,与目标化学物质的浓度相关。通过检测相关电信号的变化,可以推导出对应化学物质的浓度。

图3. 基于LIG的特异结合型化学传感器的制作工艺及传感性能。利用化学物质与被修饰的LIG之间特异性结合机制,从小分子到生物分子甚至病原体,许多物质已经被成功地检测。

图4. 各种特异性结合的LIG化学传感器。(a)凝血酶传感器、(b)双酚a传感器和(c)酶类葡萄糖传感器示意图。(d)用于检测大肠杆菌O157:H7的基于AuNPs-LIG的传感器示意图。(e)大肠杆菌传感器的奈奎斯特图。(f)阻抗响应随浓度的校准曲线。

2.2 非特异性结合的化学传感器
非特异性结合化学传感器在化学传感器中也起着重要作用,相比特异性结合型传感器,非特异性结合传感器的成本通常较低。化学氧化还原反应和物理性质都是非特异结合型化学传感器的信息来源。
2.2.1 化学氧化还原反应
化学氧化还原反应通常用于检测溶质或者气体。检测可以是定性的,也可以是定量的。例如,不同分析物往往有不同的氧化还原电位,因而通过氧化还原电位的鉴定,有助于区分不同的分析物。同时,与氧化还原反应相关的电流密度与分析物的浓度正相关,通过标定特定电位下的电流密度,可以提供有关分析物浓度的信息。
图5. 基于化学氧化还原反应的葡萄糖传感器。(a)连续添加不同葡萄糖浓度的电流响应。(b)葡萄糖传感器的校准曲线。
2.2.2 物理特性
利用LIG与被测物相互作用时的电阻、被测物的热导、被测物溶液的电导率或阻抗等物理性质来探测相应的响应。例如,但溶液离子浓度增加,界面传输电阻将下降。通过构建离子浓度与界面传输电阻的关系,可以用以检测未知溶液的离子浓度。然而,由于其他离子亦能产生类似的效果,这一检测手段不适于对多组分溶液的浓度检测。

图6. 基于内在和外在物理特性的非特异性结合传感器。(a)基于电阻变化的氢气传感器。氢气作用于LIG(顶部)和氢气在LIG/Pd(底部)上催化反应的能带分析。(b)不同弯曲状态下的电阻响应与H₂浓度的关系。(c)基于热导的气体传感器对各种气体的响应。(d)弯曲曲率半径为7 mm的气体传感器对空气的响应幅度。插图显示了0和1000次弯曲循环后气体传感器对空气的响应。(e)硝酸盐传感器对硝酸盐浓度的响应。插图是传感器浸入溶液中的等效电路。(f)实际温度和测量温度的比较。

III LIG机械传感器

机械传感器广泛应用于人体精细运动检测、手语翻译和机器人抓手等领域。基于LIG的机械传感器通常是建立在压阻效应的基础上的,它可以检测由激励引起的形状变形引起的电阻变化。当LIG处于拉伸、弯曲、震动状态时,其电阻将产生变化。通过监测LIG的电阻,结合机器学习,可以判定器件所处的物理状态。同时,记录LIG电阻因心跳、脉搏、声带振动等引起的时间分辨变化,则可以用以检测心率、辨别声音。

图7. (a)3D打印PEEK齿轮转换成LIG的过程的示意图。(b)PEEK−LIG 智能组件的双向弯曲和拉伸的工作机制。(c)传感器电阻随施加应变的变化。(d)弯曲响应时间和恢复时间。(e)齿轮磨损程度与电路电阻的关系。插图显示了智能齿轮的三种不同磨损程度:(I)未磨损(II)部分磨损(III)严重磨损。

通过按时间顺序记录压阻效应,基于LIG的机械传感器可用于实时检测各种信号,如心跳、动作和声音。

图8. 脑电图、心电图和肌电图测量。
IV 展望

自2014年LIG的发现以来,LIG合成技术的进步显著改善了石墨烯的性能,增加了应用的通用性。例如,激光的波长从红外延伸到可见光甚至紫外线,这使LIG结构的空间分辨率提高到∼12 µm。LIG复合材料的制备策略,如原位改性和非原位改性,可以提高LIG的机械强度、导电性等物理性能,也可以通过加入功能材料来提高LIG的化学性能。LIG技术的低成本和合成的简单性促进了一系列LIG传感器的发展,使其成为工业生产的潜在候选技术之一。随着传感机制的合理设计,从各种化学物质到声音、运动和温度,各种各样的刺激被成功检测。由于LIG的高比表面积和化学稳定性,这些传感器往往表现出高灵敏度和高稳定性。此外,LIG的高导电性使其成为将刺激信号转换为电信号的理想传感器。由聚合物制成的原始LIG通常是柔性的,其转移到其他基材(如弹性体或水泥)可以赋予其弹性或刚性,这使得LIG可用于不同的场景,如可穿戴电子设备和智能建筑等。LIG传感器的发展已经从单一的检测元件发展成为集成系统。通过将无线传输和微控制器模块与物联网集成起来,实现了对被测物的实时和连续检测。

作为一种可图形化和可打印的制造技术,基于LIG的传感器为开发集成化小型化器件开辟了一条新的途径。然而,LIG技术在实际应用中仍有一定的改进空间。例如,在某些情况下,LIG层与前驱体的结合强度不够。尽管可通过一些方式进行规避,如用粘性聚合物功能化或将LIG转移到弹性体上,但是化学品的消耗和额外的制造步骤对生产来说并不理想。有些LIG传感器没有进行体内或现场检测,这可能无法反映传感器在实际情况下的可行性、稳定性和耐用性。然而,这对于实际应用来说却是很重要的,因为来自环境的干扰和实验室条件的变化可能会影响传感器的灵敏度和可靠性。尽管如此,在全球范围内研究人员的共同努力下,LIG转变为各种传感器的多样性一直是令人满意的。随着未来的发展,LIG传感器将在广泛的应用中找到一片新天地。

作者简介

叶汝全

本文通讯作者

香港城市大学 助理教授

主要研究领域

激光诱导石墨烯技术在催化、水处理、能源转换、传感器等方向的应用;二氧化碳还原,水分解等催化反应的界面、催化剂的合理设计,提高能源利用效率。

主要研究成果

在Nat. Commun., Adv. Mater., ACS Nano, Acc. Chem. Res., Angew. Chem. Int. Ed.等高影响力学术期刊以第一作者或通讯作者发表论文20余篇,获授权国际专利、美国授权专利6项,曾获国家优秀自费留学生奖,香港工程师学会青年工程师/研究人员杰出论文奖。

个人主页: 

https://www.ye-lab.com/

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

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