《柱式石墨烯作为超高灵敏度的质量传感器》

  • 来源专题:纳米科技
  • 编译者: 郭文姣
  • 发布时间:2017-11-06
  • 碳纳米管(CNTs)支持的石墨烯薄片的混合结构维持了石墨烯和CNTs的独特特性,这使两种新型材料的优点得到了利用。在此基础上,利用分子动力学模拟,研究了三维柱状石墨烯结构作为纳米机械传感器的性能。得到的结果表明:(a)柱状石墨烯结构的质量灵敏度极高,能达到至少1个yg(10 24 g),质量响应率为0.34 GHz 1;(b)柱状石墨烯结构的尺寸,特别是碳纳米管柱之间的距离,对传感性能有显著的影响;(c)一种解析表达式可以从柱状石墨烯结构的共振频率中探测到沉积质量。对基于高灵敏度和大探测区域的柱式石墨烯传感器的未来设计和应用进行了分析。

    ——文章发布于2017年10月25日

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    • 在一项新的研究中,来自德国于利希研究中心、荷兰莱顿大学和中国上海大学的研究人员发现了一种优雅而又简单的方法来改进石墨烯传感器的灵敏度。这些所谓的“下一代石墨烯电子生化传感器设备”因具有非常低的电子噪音而能够检测含量非常低的HIV DNA。相关研究结果发表在2017年10月25日的Science Advances期刊上,论文标题为“Biosensing near the neutrality point of graphene”。 石墨烯的丰富电子特性已吸引了人们利用这种二维材料进行电子检测化学物和生物分子的巨大兴趣。莱顿大学莱顿化学研究所资深研究员Wangyang Fu说,“在过去的几年里,我们一直致力于收集石墨烯提供的独特的物理和化学特性,用于开发多功能的电子传感器设备。然而,制造实际的石墨烯电子传感器很大程度上依赖于我们理解和维持低水平电子噪音的能力。我们认为这是限制这种传感器分辨率的根本原因。” 通过与来自于利希研究中心和莱顿大学的同事们合作,Fu报道了一种低噪音的石墨烯电子传感器,实现方式就是在这种传感器的中性点(neutrality point)附近对它进行操作,这是因为他发现在中性点附近,能够让它的电子噪音最小化。 在这项研究中,Fu和同事们也对低噪音石墨烯芯片在生化检测上的应用进行了概念验证。为此,他们利用他们的传感器检测HIV DNA。他们选择一个HIV基因的片段作为实验对象。这种单链DNA片段结合到石墨烯表面上。论文共同作者Lingyan Feng和Dirk Mayer说道,“首先利用一个嵌二萘(pyrene)连接基团将一种单链PNA分子---一种合成的DNA变体---非共价地固定在石墨烯表面上。随后,一种互补的DNA链能够结合上来。我们能够在一种非常低的噪音水平下非常灵敏地检测这种杂交事件。” 论文共同作者Andreas Offenh usser和Hans-Joachim Krause总结道,“开发低噪音的可携带的可靠的石墨烯传感器用于POCT检测正处于石墨烯电子器件和生物传感器领域的前沿。这可能对更加广泛的医学诊断领域产生巨大的社会影响。”
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    •  1月29日,清华大学微电子系任天令教授团队在《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)上发表了题为《仿生针刺随机分布结构的高灵敏度和宽线性范围石墨烯压力传感器》(Epidermis Microstructure Inspired Graphene Pressure Sensor with Random Distributed Spinosum for High Sensitivity and Large Linearity)的研究成果,由人体皮肤感知微结构出发提出相似的仿生结构,通过微结构和分布模式的结合解决了灵敏度和线性范围之间的矛盾,为力学器件性能的综合提升提供了一种全新的思路。   近年来,柔性力学微纳传感器特别是在人体生理信息监测和检测方面成为学术界的研究热点,同时也有大量相关产业公司相继成立。相比于传统的硅基器件,由于具有舒适性、贴合性和可穿戴性等方面的特点而广泛应用于人体物理和化学活动的监测,但作为力学器件的两个重要指标灵敏度和线性度之间的矛盾一直未能得到很好的解决。通常制备出的器件都需要以牺牲一个指标而为提升另一个指标服务,这往往限制了其实际应用的范围,解决这一矛盾成研究难点。       (从上到下,从左到右)皮肤的微结构示意图,皮肤微结构和仿生结构照片,线性度和灵敏度与前人工作性能对比,腕部脉搏和呼吸监测结果。   任天令课题组基于人体皮肤,特别是指尖对于不同大小应力的高灵敏响应特点,根据对其微结构的研究提出了相似结构的制备。通过砂纸作为模板倒模成型柔性的基底,利用氧化石墨烯在高温下还原后作为力学敏感层,制备出具有针刺形貌和随机分布的压力传感器。该传感器表现出优异的稳定性、快速响应和低探测极限,实现了在更宽线性测量范围的高灵敏度。其中针刺结构之间接触面积突变主要贡献出高的灵敏度,随机分布主要贡献宽的线性范围,通过两者结合在很大程度上解决了这一对矛盾。   正是由于该传感器高的灵敏度和宽线性范围,课题组成功了应用于对人体各种生理活动的监测,例如脉搏、呼吸和声音识别,还实现对走、跑、跳等走路姿态的监控,以及对走路步态的监测。利用可穿戴的高性能力学传感器对人体各种生理活动参数的获取将会在个人健康和医疗方面具有重要的实际意义,具有重大的应用前景。   该研究成果得到了国家自然基金重点项目和科技部项目的支持。