基于激光直写石墨烯的传感器及其应用综述

基于石墨烯材料的传感器在生物学、医学和环境等领域具有广阔的应用前景。激光直写石墨烯（LSG）为应力、生物、气体、温度、湿度和多功能集成传感器提供了一种多功能、低成本和环保的方法。

生物、化学和物理信息的实时检测对于医学诊断和环境监测具有重要的意义。因此，迫切需要开发具有多种功能的高性能传感器以满足信息时代的要求。石墨烯是一种具有二维结构的独特材料，已被证明是机械应力和应变、生化物质以及气体、温度和湿度传感器的理想候选材料。

激光直写石墨烯（LSG）用于应力、生物、气体、温度和湿度传感器

迄今为止，石墨烯的常规制备方法主要包括机械剥离（ME）、化学气相沉积（CVD）、外延生长（EG）和氧化石墨烯还原（rGO）等。然而，机械剥离法效率较低，化学气相沉积法和外延生长法能耗高且价格昂贵，而氧化还原法在制备石墨烯过程中会造成环境污染。

因此，一种可以避免这些缺点的石墨烯制备方法引起了人们的极大兴趣，激光直写（LDW）技术由于具有选择性和局部还原、精确和快速的图案化以及无需掩模和额外的化学品等优势，近年来广受关注。激光直写技术利用激光照射碳前驱体，并通过原位直写即可制备石墨烯，因此无污染。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自上海理工大学和昆士兰科技大学的研究团队在Light: Advanced Manufacturing期刊发表了一篇题为“Laser-Scribed Graphene for Sensors: Preparation, Modification, Applications and Future Prospects”的综述文章，介绍了现有的激光直写石墨烯（LSG）技术在传感器应用方面的最新进展及未来展望。

LSG制备方法

利用激光直写技术可以通过两种方法制备LSG：激光还原氧化石墨烯和激光诱导石墨烯。第一种方法是使用飞秒激光照射还原石墨烯以制备LSG。第二种方法是通过激光照射聚合物前驱体（例如聚酰亚胺和酚醛树脂）以及天然材料（例如纸张和木材）来制备LSG。通过调节激光参数、控制大气条件和掺杂等方法可以改变LSG的表面形态和性能。激光参数包括激光功率、扫描速度和脉冲重复率。较高的扫描速度和脉冲重复率以及潮湿环境可以改善LSG的表面亲水性。掺杂可以提高基于LSG的传感器的检测范围和灵敏度，例如，在掺杂剂和LSG之间建立导电通道会增加微裂纹数量和电阻，从而分别提高了应力和应变传感器的性能。

LSG在各类传感器中的应用

研究人员从设计灵敏度高、检测范围广、响应时间快、重复性好的传感器策略出发，重点介绍了LSG在应力、生物、气体、温度、湿度和多功能集成传感器中的应用。应力传感器通过将力信号转换成电信号以进行检测，由于LSG具有出色的机械强度和导电性，可以响应各种形式的外部施加应力，并将其转换为电信号进行检测。生物传感器通过将生物或生化反应转换为物理化学信号以进行分析，LSG由于具良好的有电催化活性和强吸附能力，可灵敏地检测葡萄糖、多巴胺、过氧化氢、核酸和胰岛素等离子和生物分子。

LSG还可以用于气体、温度和湿度等环境变化的检测。LSG中大量的三维微纳多孔结构为氨、氢等气体检测提供了更多的活性位点和扩散路径。LSG具有高耐磨性和快速响应时间，石墨烯电阻和温度之间呈负指数关系，因此可用作为温度传感器以实时监测体温和电池温度的变化。LSG和氧化石墨烯的组合对湿度变化的敏感性明显高于其他功能导电材料，因为LSG的孔隙率提高了氧化石墨烯的亲水性。除了典型传感器之外，在结合了两个或多个物理或生物信号检测的多功能集成传感器中，LSG可以帮助实现更全面和准确的检测，例如与生化、温度和应变传感器集成，用于汗液中的尿酸和酪氨酸检测。

基于LSG的传感器未来展望

研究人员称，虽然基于LSG的传感器具有很多优点，但仍存在一些挑战和进一步发展的空间。在LSG制备方面，需要继续研究新的前躯体，以提高生产效率和对生化物质的粘附能力，同时改善相关缺陷。在提高传感器性能方面，可以通过优化设计LSG表面微结构和掺杂以提高应力传感器性能，可以采用电化学测试来分析生物传感器，并结合超细激光光刻技术以最大限度地提高LSG结构的比表面积。基于对激光物质相互作用机理的深入研究以及激光诱导结构精确控制技术的发展，研究人员期望激光直写技术可以扩展到其它灵敏度更高、检测范围更广、响应时间更快、重复性更好的材料和传感器中。

审核编辑：刘清