2020年09月25日 | 疫情让氧化石墨烯传感器大显身手

石墨烯是一种二维结构的纳米材料，每个碳原子以杂化的方式形成六边形结构。这是一种稳定的材料，有良好的机械拉伸性与电子属性。基于石墨烯的纳米结构在传感器领域有极大地前景。这是由于每个原子与感应环境相接触，且石墨烯的电学属性可以通过这种接触而改变。石墨烯有着独特的物理属性，从而使得在很多传感领域有应用。如光传感器，电磁传感器，应力与质量传感器以及化学与电化学传感器。

据悉，柏林Fraunhofer IZM的研究人员开发了一种氧化石墨烯传感器，可以在15分钟内检测出脓毒症或Covid-19抗体等急性感染症状。

Fraunhofer IZM的团队自2018年4月以来一直致力于石墨烯- POC项目，该项目基于氧化石墨烯传感器平台。

这种传感器通过一滴血或唾液在15分钟内进行分析，使用的是3D结构的石墨烯薄片，而不是其他传感器使用的2D单分子层。这种三维结构增加了测量表面和测量精度。

Fraunhofer IZM的科学家和制图- POC的子项目经理Manuel Bauscher：“我们可以从目前的医学领域转向其他方向发展;即朝向环境技术和环境影响的检测。当然，病毒检测的应用是我们的首要任务。”

该测试可用于检测患者从感染中恢复后出现的抗体。Fraunhofer IZM的研究人员目前正专注于这项应用，以检测Covid-19病毒的早期感染，这有助于追踪感染是如何传播的。

放置在石墨烯传感器表面的真实分子可以检测Covid-19抗体的特定生物标记物，并对生物标记物浓度进行差异测量，以确定是否存在感染。

基于氧化石墨烯的传感器必须集成到塑料载体中，在部署快速测试之前必须测试系统的可靠性。尽管检测感染的最初项目计划运行到2021年春季，但研究人员预计还需要一年时间才能验证Covid-19传感器。

3D阵列氧化石墨烯的灵敏度可能会开启进一步得到应用，例如，在不需要加热的情况下，在室温下检测一氧化碳或丙酮。当金属氧化物与氧化石墨烯传感器的敏感表面结合时，氧化石墨烯传感器可在较低温度下发生反应。

Fraunhofer IZM的团队也在考虑将该技术推向批量生产。他们希望将氧化石墨烯涂层应用在晶片层上，这样就可以同时处理数百个芯片。

这个项目的合作伙伴包括：Charite, Aptarion Biotech AG, Technische Universitat Berlin, MicroDiscovery GmbH和alpha-board GmbH。它由德国联邦教育和研究部(BMBF)资助。

延伸阅读——石墨烯传感器种类颇多

除此之外，石墨烯在传感器的研发上贡献颇多。下面就介绍几种常见的石墨烯传感器：

石墨烯电化学传感器

碳是电化学分析和电催化领域应用最广的材料。例如，碳纳米管在生物传感器、生物燃料电池和质子交换膜（PEM）燃料电池方面有着良好的性能。基于石墨烯的电极在电催化活性和宏观尺度的导电性上比碳纳米管更有优势。因此，在电化学领域，石墨烯就有了大展身手的机会。

石墨烯在电化学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。

石墨烯气体传感器

石墨烯独特的二维特点使之在传感器领域具有光明的应用前景。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检测到。当然目前检测可以分为直接和间接检测。 通过TEM可以直接观测到单原子的吸附和释放过程，并且观察到了碳链和空位，实时研究了其动力学过程。

这些技术提供了一种研究更复杂化学反应的真实动力学的途径，并能鉴别未知吸附物的原子结构。通过测量霍尔效应的办法通过霍尔电阻的变化间接检测单原子的吸附和释放过程，极大提高了微量气体快速检测的灵敏性。

研究还发现，高灵敏性来自于石墨烯电学上的低噪音特性。此外，石墨烯还可用于外加电荷、磁场以及机械应力等的敏感检测。由于石墨烯具有六角网状结构，可用来制备分解气体的显微滤网。石墨烯的优异的性能使其应用前景非常广泛。

石墨烯生物小分子传感器

H2O2通常是氧化酶和过氧化酶基体酶化的产物，在生物过程和生物传感器的发展中起着重要作用。H2O2也是食品、药品、医疗、工业和环境分析的基本介质；因此，探测H2O2有着重要意义。开发探测H2O2的电极的关键是减少氧化/还原过电位。碳纳米管等多种碳材料都可用来构建探测H2O2的生物传感器，石墨烯在这方面有着良好的前景。

与石墨/玻碳和玻碳电极相比，石墨烯修饰电极的电子迁移速率显著提高。如图所示，H2O2在CR-GO/GC （a1）,石墨/GC (b1)和GC电极（c1）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。在CR-GO/GC电极上，H2O2在-0.2V线性关系式0.05-1500µM，比以前报道的碳纳米管德范围要宽。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。

石墨烯酶传感器

由于电极表面和生物大分子如蛋白质和DNA之间能否进行有效电荷传递，对于生物传感器的开发至关重要，所以要了解蛋白质和DNA的直接电化学性质。氧化还原蛋白质（酶）的直接电子转移研究不仅为生物体内电子转移机理研究提供参考，还为第三代电化学生物传感器的构置提供重要手段。然而，蛋白质和酶的氧化还原活性位点包埋在疏水的多肽链中，其活性中心很难与电极表面相连，直接电子转移难于实现。因此，蛋白质和酶在传统的Au、Pt、玻碳电极上不能进行直接电化学表征。另外吸附的大分子杂质或蛋白质也降低了电子传递。为了促进蛋白质或酶与电极表面之间的电子传递，人们做了大量的工作。

石墨烯医药传感器

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。他们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。对乙酰氨基酚在修饰电极上有着准可逆的氧化还原过程，和裸玻碳电极相比，对乙酰氨基酚的过电位下降了。这种电催化行为归因于石墨烯独特的物理和化学性能，即精妙的电子特征、强有力的π-π键合以及强的吸附能力。该传感器对于检测对乙酰氨基酚有着优良的性能：检测限为3.2×10-8M，可再现性为相对标准偏差的5.2%，可接受的回复从96.4%到103.3%。