激光诱导石墨烯在智能传感中的应用
黄、、、叶汝权*
纳米？微型列特。(2020)12:157
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00496-0
这篇文章的亮点
1.总结了激光诱导石墨烯的制备方法和工程策略。
2.概述了基于LIG的传感器，重点介绍了其设计原理和工作机理。
3.讨论了光传感器与信号传输的集成以及智能传感系统的发展前景。
内容简介
香港城市大学化学系叶如泉教授团队以设计原理和工作机理为核心，总结了LIG技术在传感器应用方面的进展。论文的第一作者是香港城市大学化学系博士生黄·。首先简要介绍了LIG和LIG复合物的制备原理，包括形貌和组成的调控，物理化学特性的控制等。然后基于设计原理和工作机理(特异性结合和非特异性结合的化学传感器，基于压阻效应的机械传感器等。)，LIG传感器进行了总结。最后，作者讨论了LIG的影响及其未来发展。
图形阅读指南
I LIG的制备及相关力学性能
聚酰亚胺薄膜等可以用co？激光不需要掩膜就可以转化成石墨烯，通过计算机控制软件可以制备出任意形状的LIG。通过改变制备气氛、前驱体和激光参数，包括激光扫描速度、工作模式、频率和每点脉冲数，可以调控LIG的物理化学特性。不仅红外激光，可见光、紫外光等激光也能成功制备LIG。红外激光制备LIG主要是由于光热效应。瞬间高温是前驱体的化学键断裂和复合，同时伴随着气体的产生，这也是LIG孔隙率高的原因之一。
对于紫外激光来说，LIG的转化主要是光化学反应，因为紫外光波长短，能量高，可以直接断裂化学键。对于可见光激光，光热效应和光化学反应可能同时存在。与丝网印刷、3D打印和光刻技术相比，激光诱导制备石墨烯显示出其制备工艺简单、成本低、高效环保的独特优势。由于前驱体(有机薄膜)的柔韧性和LIG容易转移到兼具机械性能和延展性的基底上，LIG已被广泛应用于传感器，尤其是可穿戴设备。
图1。(a)PI a)将PI转换为LIG的示意图。(b)LIG的扫描电镜和HRTEM图像。刻度是10微米和5海里。(LIG在不同大气中的接触角。(d)纤维状光的SEM图像。
图二。LIG及其复合材料的力学性能。(a)弯曲状态的掺硼LIG。(b)具有不同弯曲半径的掺硼LIG电容器的电容保持率。(c-d)LIG超级电容器在不同拉伸强度下的测试。(e)LIG与水泥混合。(f)基于轻质水泥复合材料的气体传感器。
基于LIG的化学传感器
化学传感器广泛应用于食品安全、水产养殖和饮用水的污染物、危险气体排放行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刺激引起的电阻、电容、电荷转移电阻等电信号的变化。这种化学物质的检测可以分为两类，一类是基于化学物质与LIG表面的特异性结合，另一类是基于非特异性结合。
2.1特异性结合化学传感器
特异性结合的化学传感器通常修饰LIG的表面，如抗体、酶和适体。由于识别元件和目标化学物质之间的精确结合，这种传感器通常表现出非凡的传感选择性。当识别元素与目标化学物质结合时，电极表面电容、界面传输电阻等信号会发生变化，这与目标化学物质的浓度有关。通过检测相关电信号的变化，可以推导出相应化学物质的浓度。
图3。基于LIG的特异性结合化学传感器的制备工艺及传感性能。利用化学物质与修饰LIG之间的特异性结合机制，成功检测了从小分子到生物分子甚至病原体的多种物质。
图4。各种特异性结合光化学传感器。(A)凝血酶传感器，(b)双酚a传感器和(c)酶葡萄糖传感器的示意图。(d)用于检测大肠杆菌O157:H7的基于AuNPs-LIG的传感器的示意图。(e)大肠杆菌传感器的奈奎斯特图。(f)阻抗响应与浓度的校准曲线。
2.2非特异性结合化学传感器
非特异性结合化学传感器在化学传感器中也起着重要的作用，非特异性结合传感器的成本通常低于特异性结合传感器。化学氧化还原反应和物理性质是非特异性结合化学传感器的信息源。
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气体。检测可以是定性的或定量的。例如，不同的分析物往往具有不同的氧化还原电位，因此氧化还原电位的识别有助于区分不同的分析物。同时，与氧化还原反应有关的电流密度与被分析物的浓度呈正相关。通过校准特定电势下的电流密度，可以提供关于分析物浓度的信息。
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。
物理特征
通过使用与被测物体相互作用的LIG的物理特性，例如电阻、热导率、电导率或阻抗，来检测相应的响应。例如，随着溶液离子浓度的增加，界面传输电阻会降低。通过构建离子浓度与界面传输电阻的关系，可以用来检测未知溶液的离子浓度。但由于其他离子也能产生类似的效应，这种检测方法不适用于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)基于电阻变化的氢传感器。氢作用于LIG的能带分析(上)和氢在LIG/Pd上的催化反应(下)。(b)抗性反应和H？浓度的关系。(c)基于对各种气体的热导率的气体传感器的响应。(d)弯曲半径为7毫米的气体传感器对空气的响应幅度。图示显示了气体传感器在0和1000次弯曲循环后对空气的响应。(e)硝酸盐传感器对硝酸盐浓度的响应。图示为浸入溶液中的传感器的等效电路。(f)实际温度和测量温度之间的比较。
Iilig机械传感器
机械传感器广泛应用于精细运动检测、手语翻译和机器人抓取。基于LIG的机械传感器通常是基于压阻效应，可以检测到由于激励引起的形状变形而引起的电阻变化。当LIG处于拉伸、弯曲、振动状态时，其电阻会发生变化。通过监测LIG的电阻，结合机器学习，可以确定设备的物理状态。同时，记录心跳、脉搏和声带振动引起的LIG电阻的时间分辨变化，可用于检测心率和辨别声音。
图7。(A)将3D打印PEEK齿轮转换为LIG的流程示意图。(二)Peeklig智能组件双向弯曲拉伸的工作机理。(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)齿轮磨损和电路电阻之间的关系。插图显示了智能齿轮的三种不同磨损程度:(I)无磨损，(II)部分磨损和(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、运动和声音。
图8。脑电图，心电图和肌电图测量。
四展望
自2014发现LIG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。比如激光的波长从红外延伸到可见光甚至紫外，将LIG结构的空间分辨率提高到12？m .LIG复合材料的制备策略，如原位改性和原位改性，可以提高LIG的机械强度、导电性等物理性能，也可以通过添加功能材料来改善LIG的化学性能。LIG技术的低成本和简单合成促进了一系列LIG传感器的发展，使其成为工业生产的潜在候选技术之一。
通过传感机制的合理设计，从各种化学物质到声音、运动、温度等各种刺激都被成功检测到。由于LIG的高比表面积和化学稳定性，这些传感器通常表现出高灵敏度和稳定性。此外，LIG的高导电性使其成为将刺激信号转化为电信号的理想传感器。最初由聚合物制成的LIG通常是柔性的，将其转移到其他基底(如弹性体或水泥)上可以赋予其弹性或刚性，这使得LIG可以用于不同的场景，如可穿戴电子设备和智能建筑。LIG传感器的发展已经从单一的检测元件发展到集成系统。通过将无线传输和微控制器模块与物联网相结合，实现了对被测对象的实时连续检测。
作为一种图形化和可印刷的制造技术，基于LIG的传感器为开发集成小型化器件开辟了一条新的途径。但LIG技术在实际应用中仍有一定的提升空间。例如，在一些情况下，LIG层和前体之间的结合强度不足。虽然可以通过一些方式来避免，例如用粘性聚合物功能化或将LIG转移到弹性体，但是化学品的消耗和额外的制造步骤对于生产来说并不理想。一些LIG传感器没有经过体内或现场测试，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。但是，这对于实际应用是非常重要的，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，在世界各地研究人员的共同努力下，LIG在各种传感器中的多样性一直令人满意。随着未来的发展，LIG传感器将在广泛的应用中发现一片新天地。
作者简介
叶如泉
这篇文章的记者
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、能量转换和传感器方面的应用；二氧化碳还原和水分解等催化反应的界面和催化剂的合理设计可以提高能量利用效率。
主要研究成果
在NAT等高影响力学术期刊上以第一作者或通讯作者身份发表论文20余篇。Commun。脱线。，ACS Nano，ACC。化学。研究，Angew。化学。里面的由…编辑，并已获得国际专利和美国授予的6项专利。曾获全国优秀自费留学生奖、香港工程师学会青年工程师/研究员优秀论文奖。
作者:原作者
长三角激光联盟陈常军转载