黃、、、葉汝權*
納米？微型列特。(2020)12:157
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00496-0
這篇文章的亮點
1.總結了激光誘導石墨烯的制備方法和工程策略。
2.概述了基於LIG的傳感器，重點介紹了其設計原理和工作機理。
3.討論了光傳感器與信號傳輸的集成以及智能傳感系統的發展前景。
內容簡介
香港城市大學化學系葉如泉教授團隊以設計原理和工作機理為核心，總結了LIG技術在傳感器應用方面的進展。論文的第壹作者是香港城市大學化學系博士生黃·。首先簡要介紹了LIG和LIG復合物的制備原理，包括形貌和組成的調控，物理化學特性的控制等。然後基於設計原理和工作機理(特異性結合和非特異性結合的化學傳感器，基於壓阻效應的機械傳感器等。)，LIG傳感器進行了總結。最後，作者討論了LIG的影響及其未來發展。
圖形閱讀指南
I LIG的制備及相關力學性能
聚酰亞胺薄膜等可以用co？激光不需要掩膜就可以轉化成石墨烯，通過計算機控制軟件可以制備出任意形狀的LIG。通過改變制備氣氛、前驅體和激光參數，包括激光掃描速度、工作模式、頻率和每點脈沖數，可以調控LIG的物理化學特性。不僅紅外激光，可見光、紫外光等激光也能成功制備LIG。紅外激光制備LIG主要是由於光熱效應。瞬間高溫是前驅體的化學鍵斷裂和復合，同時伴隨著氣體的產生，這也是LIG孔隙率高的原因之壹。
對於紫外激光來說，LIG的轉化主要是光化學反應，因為紫外光波長短，能量高，可以直接斷裂化學鍵。對於可見光激光，光熱效應和光化學反應可能同時存在。與絲網印刷、3D打印和光刻技術相比，激光誘導制備石墨烯顯示出其制備工藝簡單、成本低、高效環保的獨特優勢。由於前驅體(有機薄膜)的柔韌性和LIG容易轉移到兼具機械性能和延展性的基底上，LIG已被廣泛應用於傳感器，尤其是可穿戴設備。
圖1。(a)PI a)將PI轉換為LIG的示意圖。(b)LIG的掃描電鏡和HRTEM圖像。刻度是10微米和5海裏。(LIG在不同大氣中的接觸角。(d)纖維狀光的SEM圖像。
圖二。LIG及其復合材料的力學性能。(a)彎曲狀態的摻硼LIG。(b)具有不同彎曲半徑的摻硼LIG電容器的電容保持率。(c-d)LIG超級電容器在不同拉伸強度下的測試。(e)LIG與水泥混合。(f)基於輕質水泥復合材料的氣體傳感器。
基於LIG的化學傳感器
化學傳感器廣泛應用於食品安全、水產養殖和飲用水的汙染物、危險氣體排放行業周圍的空氣質量以及葡萄糖、乳酸和多巴胺等代謝物的檢測。化學物質檢測的工作機理通常依賴於刺激引起的電阻、電容、電荷轉移電阻等電信號的變化。這種化學物質的檢測可以分為兩類，壹類是基於化學物質與LIG表面的特異性結合，另壹類是基於非特異性結合。
2.1特異性結合化學傳感器
特異性結合的化學傳感器通常修飾LIG的表面，如抗體、酶和適體。由於識別元件和目標化學物質之間的精確結合，這種傳感器通常表現出非凡的傳感選擇性。當識別元素與目標化學物質結合時，電極表面電容、界面傳輸電阻等信號會發生變化，這與目標化學物質的濃度有關。通過檢測相關電信號的變化，可以推導出相應化學物質的濃度。
圖3。基於LIG的特異性結合化學傳感器的制備工藝及傳感性能。利用化學物質與修飾LIG之間的特異性結合機制，成功檢測了從小分子到生物分子甚至病原體的多種物質。
圖4。各種特異性結合光化學傳感器。(A)凝血酶傳感器，(b)雙酚a傳感器和(c)酶葡萄糖傳感器的示意圖。(d)用於檢測大腸桿菌O157:H7的基於AuNPs-LIG的傳感器的示意圖。(e)大腸桿菌傳感器的奈奎斯特圖。(f)阻抗響應與濃度的校準曲線。
2.2非特異性結合化學傳感器
非特異性結合化學傳感器在化學傳感器中也起著重要的作用，非特異性結合傳感器的成本通常低於特異性結合傳感器。化學氧化還原反應和物理性質是非特異性結合化學傳感器的信息源。
2.2.1化學氧化還原反應
化學氧化還原反應通常用於檢測溶質或氣體。檢測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還原電位，因此氧化還原電位的識別有助於區分不同的分析物。同時，與氧化還原反應有關的電流密度與被分析物的濃度呈正相關。通過校準特定電勢下的電流密度，可以提供關於分析物濃度的信息。
圖5。基於化學氧化還原反應的葡萄糖傳感器。(a)連續添加不同葡萄糖濃度的電流響應。(b)葡萄糖傳感器的校準曲線。
物理特征
通過使用與被測物體相互作用的LIG的物理特性，例如電阻、熱導率、電導率或阻抗，來檢測相應的響應。例如，隨著溶液離子濃度的增加，界面傳輸電阻會降低。通過構建離子濃度與界面傳輸電阻的關系，可以用來檢測未知溶液的離子濃度。但由於其他離子也能產生類似的效應，這種檢測方法不適用於多組分溶液的濃度檢測。
圖6。基於內在和外在物理特性的非特異性結合傳感器。(a)基於電阻變化的氫傳感器。氫作用於LIG的能帶分析(上)和氫在LIG/Pd上的催化反應(下)。(b)抗性反應和H？濃度的關系。(c)基於對各種氣體的熱導率的氣體傳感器的響應。(d)彎曲半徑為7毫米的氣體傳感器對空氣的響應幅度。圖示顯示了氣體傳感器在0和1000次彎曲循環後對空氣的響應。(e)硝酸鹽傳感器對硝酸鹽濃度的響應。圖示為浸入溶液中的傳感器的等效電路。(f)實際溫度和測量溫度之間的比較。
Iilig機械傳感器
機械傳感器廣泛應用於精細運動檢測、手語翻譯和機器人抓取。基於LIG的機械傳感器通常是基於壓阻效應，可以檢測到由於激勵引起的形狀變形而引起的電阻變化。當LIG處於拉伸、彎曲、振動狀態時，其電阻會發生變化。通過監測LIG的電阻，結合機器學習，可以確定設備的物理狀態。同時，記錄心跳、脈搏和聲帶振動引起的LIG電阻的時間分辨變化，可用於檢測心率和辨別聲音。
圖7。(A)將3D打印PEEK齒輪轉換為LIG的流程示意圖。(二)Peeklig智能組件雙向彎曲拉伸的工作機理。(c)傳感器電阻隨施加應變的變化。(d)彎曲響應時間和恢復時間。(e)齒輪磨損和電路電阻之間的關系。插圖顯示了智能齒輪的三種不同磨損程度:(I)無磨損，(II)部分磨損和(III)嚴重磨損。
通過按時間順序記錄壓阻效應，基於LIG的機械傳感器可用於實時檢測各種信號，如心跳、運動和聲音。
圖8。腦電圖，心電圖和肌電圖測量。
四展望
自2014發現LIG以來，LIG合成技術的進步顯著改善了石墨烯的性能，增加了應用的通用性。比如激光的波長從紅外延伸到可見光甚至紫外，將LIG結構的空間分辨率提高到12？m .LIG復合材料的制備策略，如原位改性和原位改性，可以提高LIG的機械強度、導電性等物理性能，也可以通過添加功能材料來改善LIG的化學性能。LIG技術的低成本和簡單合成促進了壹系列LIG傳感器的發展，使其成為工業生產的潛在候選技術之壹。
通過傳感機制的合理設計，從各種化學物質到聲音、運動、溫度等各種刺激都被成功檢測到。由於LIG的高比表面積和化學穩定性，這些傳感器通常表現出高靈敏度和穩定性。此外，LIG的高導電性使其成為將刺激信號轉化為電信號的理想傳感器。最初由聚合物制成的LIG通常是柔性的，將其轉移到其他基底(如彈性體或水泥)上可以賦予其彈性或剛性，這使得LIG可以用於不同的場景，如可穿戴電子設備和智能建築。LIG傳感器的發展已經從單壹的檢測元件發展到集成系統。通過將無線傳輸和微控制器模塊與物聯網相結合，實現了對被測對象的實時連續檢測。
作為壹種圖形化和可印刷的制造技術，基於LIG的傳感器為開發集成小型化器件開辟了壹條新的途徑。但LIG技術在實際應用中仍有壹定的提升空間。例如，在壹些情況下，LIG層和前體之間的結合強度不足。雖然可以通過壹些方式來避免，例如用粘性聚合物功能化或將LIG轉移到彈性體，但是化學品的消耗和額外的制造步驟對於生產來說並不理想。壹些LIG傳感器沒有經過體內或現場測試，這可能無法反映傳感器在實際情況下的可行性、穩定性和耐用性。但是，這對於實際應用是非常重要的，因為來自環境的幹擾和實驗室條件的變化可能會影響傳感器的靈敏度和可靠性。盡管如此，在世界各地研究人員的共同努力下，LIG在各種傳感器中的多樣性壹直令人滿意。隨著未來的發展，LIG傳感器將在廣泛的應用中發現壹片新天地。
作者簡介
葉如泉
這篇文章的記者
香港城市大學助理教授
主要研究領域
激光誘導石墨烯技術在催化、水處理、能量轉換和傳感器方面的應用；二氧化碳還原和水分解等催化反應的界面和催化劑的合理設計可以提高能量利用效率。
主要研究成果
在NAT等高影響力學術期刊上以第壹作者或通訊作者身份發表論文20余篇。Commun。脫線。，ACS Nano，ACC。化學。研究，Angew。化學。裏面的由…編輯，並已獲得國際專利和美國授予的6項專利。曾獲全國優秀自費留學生獎、香港工程師學會青年工程師/研究員優秀論文獎。
作者:原作者
長三角激光聯盟陳常軍轉載