基于石墨烯传感器的研究进展田洁

基于石墨烯传感器的研究进展田洁第1页/共35页主要内容石墨烯的发现历程石墨烯的结构石墨烯的特性石墨烯的制备石墨烯传感器难题及展望第2页/共35页石墨烯的发现历程1918年，V.Kohlschütter和P.Haenni详细地描述了石墨氧化物纸的性质（graphiteoxidepaper）1948年，G.Ruess和F.Vogt发表了最早用穿透式电子显微镜拍摄的少层石墨烯（层数在3层至10层之间的石墨烯）2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院（InstituteforMicroelectronicsTechnology）的两组物理团队共同合作，首先分离出单独石墨烯平面2005年，同样曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子（quasiparticle）是无质量迪拉克费米子（Diracfermion）。类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。第3页/共35页第4页/共35页第5页/共35页石墨烯的发现历程2004年，俄国的两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。安德烈·海姆康斯坦丁·诺沃肖洛夫第6页/共35页石墨烯的结构石墨烯具有六边形晶格组成的二维晶体的结构，这种结构可以看作是一层被剥离的石墨片层，碳原子之间是sp2杂化第7页/共35页石墨烯简介石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。这种稳定的晶格结构还使石墨烯具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于其原子间作用力非常强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。第8页/共35页石墨烯的结构第9页/共35页石墨烯是形成其他维数炭质材料的基本单元零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨第10页/共35页石墨烯的特性第11页/共35页石墨烯的特性第12页/共35页石墨烯的特性石墨烯的性质结构稳定电子传导速率最快高机械强度和弹性导热性好透明度高电阻率小第13页/共35页第14页/共35页第15页/共35页第16页/共35页第17页/共35页第18页/共35页第19页/共35页第20页/共35页第21页/共35页制备难题利用不同的化学方法，特别是化学气相沉积法和氧化石墨还原法规模制备石墨烯已经成为可能，然而石墨烯的电子结构以及晶体的完整性均受到强氧化剂严重的破坏，使其电子性质受到影响，一定程度上限制了其在精密的微电子领域的应用。化学法制备石墨烯的途径还在进一步探索完善中，现阶段工艺的不成熟以及较高的成本都限制了其大规模应用。第22页/共35页生物传感器是利用生物识别元件，信号转换装置，数据处理系统和显示系统结合在一起的分析设备，能够感受特定的被测量物质并按照一定规律将其转换成可识别的电信号，通过对电信号进行处理，监测出被测物质及其浓度。第23页/共35页石墨烯在生物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第24页/共35页石墨烯气体传感器石墨烯巨大的表面积使之对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以被检测到。石墨烯气敏传感器的原理是基于设备和气体分子相互作用时的电导率变化，吸附在石墨烯层的气体分子作为受体或客体通过引起设备电导的增加或降低来反映被测气体的浓度。第25页/共35页第26页/共35页石墨烯生物小分子传感器H２O２在CR－GO／GC（a），石墨／GC（b）和GC电极（c）上的氧化还原开始电位分别是：0.20／0.10Ｖ、0.80／-0.35Ｖ和0.70／-0.25Ｖ，表明石墨烯对H２O２具有更好的催化活性。这些都归因于石墨烯棱面的高密度缺陷，这些位置为生物样品的电子迁移提供了活性中心。基于石墨烯的电极探测H２O２的增强效应会导致电化学传感器的高选择性和高灵敏度。第27页/共35页石墨烯酶传感器在PBS溶液中测得的石墨烯、石墨-葡萄糖氧化酶和石墨烯-葡萄糖氧化酶修饰的玻碳电极的循环伏安曲线（CV）。只在石墨烯-葡萄糖氧化酶修饰的电极上观察到了一对清晰的氧化还原峰，这是在GOD中的氧化还原活性中心（FAD）的可逆电子迁移过程的特征，表明成功得到了石墨烯电极上的GOD的电子迁移证据。第28页/共35页石墨烯DNA电化学传感器DNA生物传感器是进行DNA结构分析和检测的重要手段，主要依赖于探针与目标分析物之间高特异性的生物识别过程，即DNA分子间的特异性互补配对规律，实现对特定序列DNA的快速识别和检测，通过与能量转换器的整合或祸联，提供关于氧化还原标记物的可测信号输出。第29页/共35页石墨烯医药传感器已研究了用于选择检测对乙酰氨基酚（扑热息痛）的电化学传感器，该传感器是根据功能化石墨烯的电催化活性构建的。用循环伏安法和方波伏安法表征了石墨烯修饰的玻碳电极上的对乙酰氨基酚的电化学行为。结果表明，石墨烯修饰的电极上的对乙酰氨基酚具有良好的电催化活性。第30页/共35页农药残留物监测基于乙酰胆碱酯酶可以选择性地催化底物分解，而其催化活性能具有被有机磷类农药抑制这一特性，将乙酰胆碱酯酶固定于羧酸衍生物/石墨烯/金纳米粒子修饰的电极，制备了能够检测有机磷和氨基甲酸酯农药残留物的电化学传感器，石墨烯对催化响应起到了信号放大的作用。第31页/共35页难题及展望。分子在石墨烯上的吸附机制生物分子在石墨烯上的定向排列生物分子之间的相互作用机制尚不明确第32页/共35页展望使用不同方法制备的石墨烯作为传感元件的研究仍需深人探索;