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。结果表明，复合石墨
烯对WO3的结构和形貌产生了较大的影响，石墨烯复合使材料对H2S的灵敏度
提高，工作温度降低，且响应-恢复时间短。郭晶等人[4]以中空管状氧化锡（SnO2）
和石墨烯（RGO）为材料通过静电纺丝和水热技术成功地合成了多孔结构的氧
化锡与石墨烯的复合物（RGO/SnO2）。测试了复合材料对NO2的传感性能，结
果表明复合材料的传感性能优于SnO2，并发现改变前驱液中SnO2和GO的质
量比会引起复合材料传感性能的改变。
2.2 石墨烯压力传感器
Sang-Hoon Bae等人[5]通过反应离子刻蚀和冲压技术在塑料或柔性橡胶基
质上制造出基于石墨烯的透明应变传感器，在拉伸应变达到7.1%情况下对压阻
特性进行了研究。他们在透明的手套上安装这种传感器，测量由手指的运动引起
的手套应变力的变化。2014年，蒋圣伟等人[6]提出了一种适用于纳机电系统
（NEMS）的悬浮石墨烯压力传感器，并结合传统微机械加工工艺提出了压力传
感器的制造过程。基于薄膜膨胀试验方法，给出了悬浮于矩形、方形与圆形3
种空腔的石墨烯薄膜的最大变形与压差的关系，并计算了3种形状下薄膜的压力
灵敏度，可知矩形情况下单层石墨烯薄膜的压力灵敏度最大，当矩形宽度、方形
边长或圆形直径越大，薄膜厚度越小时，压力灵敏度越高。2017年，代岳等人[7]
针对悬浮式石墨烯压力传感器设计缺乏定量分析方法的问题，采用有限元建模仿
真方法，建立了矩形、方形和圆形等3种不同形状悬浮石墨烯薄膜的压力敏感特
性模型，仿真得到了其压力-应变关系，然后进行了不同条件及与实测值的对比
分析。结果验证了有限元建模仿真的准确性，表明3种形状薄膜中矩形薄膜的中
心形变位移和应变最大，且二者随薄膜尺寸的增大而增大。
2.3 生物医学传感器
石墨烯具有杰出的和独特的电子性能如提供大面积检测、超高机动性和双极
性场效应的特点，被认为是一个优秀的生物传感材料。因此石墨烯医药传感器也
出现研究的热潮。
庄贞静等人[8]用石墨烯制备碳糊电极，考察了该电极在K4Fe（CN）6溶液
中的电化学性能，结果表明石墨烯对K4Fe（CN）6在
GPE电极表面上的电子转移起到了明显的促进作用。用差示脉冲伏安法研
究了多巴胺（DA）在该电极上的电化学行为，在磷酸盐缓冲溶液中（pH=7）多
巴胺在该电极上呈现明显氧化峰，氧化峰电位随着pH值的增加而负移，在抗坏
血酸存在下多巴胺氧化峰峰高与其浓度在3-50μmol/L范围内呈良好的线性关系，
检出限为0.8μmol/L。此外，实验结果表明，该电极具有良好的重现性和稳定性。
张洋等人[9]采用电沉积的方法在石墨烯表面修饰一层铜膜，对铜/石墨烯纳米复
合膜进行了表征。研究显示铜/石墨烯纳米复合膜修饰电极对葡萄糖有较好的电
催化活性，并且在8×10-6～9.4×10-4mol/L范围内呈线性关系，灵敏度为
0.225A·L·mol-1。实验表明该修饰电极对葡萄糖有较好的选择性。
吴雪峰等人[10]用基于石墨烯与氧化锆纳米复合材料所制成的传感器检测
肺炎克雷伯菌（KPN），从而实现KPN的快速、精确检测。利用电化学传感器，
选择差分脉冲伏安法，在初始电位为-0.6V、终止电位为0.2V、扫描速率为50mV/s
的实验条件下，完成KPN检测。结果表明基于石墨烯与氧化锆纳米复合材料所
制成的传感器具有良好的灵敏度与稳定性，可实现传感器对KPN的快速、稳定
检测。张婷婷等人[11]研制一种基于氧化石墨烯纳米带修饰的生物电化学传感
器，用于L和D-氨基酸（AA）的快速检测。采用2种石墨烯材料，氧化石墨烯
纳米带和还原石墨烯纳米带，修饰于丝网印刷碳电极（CSPE）制备2种电极。
利用D-AA和D-氨基酸氧化酶（DAAO）反应产生H2O2，然后以制备的电极通
过差分脉冲伏安法（DPV）检测H2O2和L-AA电信号，并对电极和酶反应条件
进行优化。选择具有电活性的酪氨酸（Tyr）为目标分析物，并对L-Tyr和D-Tyr
进行定量分析，最后对其在尿样品中的Tyr含量进行检测。结果在尿酸和其他电
活性AA的存在下，该生物电化学传感器能够精确地检测出尿样中的L-Tyr和
D-Tyr含量，其回收率分别为（95±5）%和（99±3）%。