Aplicación del grafeno inducido por láser en la detección inteligente

Huang...,, Ye Ruquan*

¿Nano? Microcarta. (2020)12:157

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00496-0

Aspectos destacados de este artículo

1. Se resumen los métodos de preparación y las estrategias de ingeniería del grafeno inducido por láser.

2. Se ofrece una descripción general de los sensores basados ​​en LIG, centrándose en sus principios de diseño y mecanismo de funcionamiento.

3. Se discute la integración de sensores de luz y transmisión de señales y las perspectivas de desarrollo de sistemas de detección inteligentes.

Introducción al contenido

El equipo del profesor Ye Ruquan del Departamento de Química de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong, resumió el progreso de la tecnología LIG en aplicaciones de sensores, centrándose en los principios de diseño y los mecanismos de trabajo. El primer autor del artículo es Huang, estudiante de doctorado en el Departamento de Química de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong. Primero, se introducen brevemente los principios de preparación de LIG y complejos LIG, incluido el control de la morfología y composición, el control de las propiedades físicas y químicas, etc. Luego, basándose en los principios de diseño y mecanismos de funcionamiento (sensores químicos con unión específica y unión no específica, sensores mecánicos basados ​​en efecto piezorresistivo, etc.), se resumieron los sensores LIG. Finalmente, los autores discuten el impacto de LIG y su desarrollo futuro.

Guía de lectura gráfica

Preparación y propiedades mecánicas relacionadas de I LIG

¿Se pueden utilizar películas de poliimida, etc. en co? El láser se puede convertir en grafeno sin máscara y se pueden preparar LIG de cualquier forma mediante un software de control por computadora. Las propiedades físicas y químicas de LIG se pueden controlar cambiando la atmósfera de preparación, los parámetros del precursor y del láser, incluida la velocidad de escaneo del láser, el modo de trabajo, la frecuencia y el número de pulsos por punto. No sólo el láser infrarrojo, sino también láseres como la luz visible y la luz ultravioleta pueden preparar LIG con éxito. La preparación de LIG mediante láser infrarrojo se debe principalmente al efecto fototérmico. La alta temperatura instantánea hace que los enlaces químicos del precursor se rompan y se recombinen, acompañado de la generación de gas, lo que también es una de las razones de la alta porosidad del LIG.

Para los láseres ultravioleta, la conversión de LIG es principalmente una reacción fotoquímica, porque la luz ultravioleta tiene una longitud de onda corta y alta energía, y puede romper directamente los enlaces químicos. Para los láseres de luz visible, los efectos fototérmicos y las reacciones fotoquímicas pueden existir simultáneamente. En comparación con las tecnologías de serigrafía, impresión 3D y fotolitografía, la preparación de grafeno inducida por láser muestra sus ventajas únicas de proceso de preparación simple, bajo costo, alta eficiencia y protección ambiental. Debido a la flexibilidad del precursor (película orgánica) y la fácil transferencia de LIG a sustratos con propiedades mecánicas y ductilidad, LIG ​​se ha utilizado ampliamente en sensores, especialmente en dispositivos portátiles.

Figura 1. (a)PI a) Diagrama esquemático de la conversión de PI a LIG. (b) Imágenes SEM y HRTEM de LIG. La escala es de 10 micras y 5 millas náuticas. (Ángulo de contacto de LIG en diferentes atmósferas. (d) Imagen SEM de luz en forma de fibra.

Figura 2. Propiedades mecánicas de LIG y sus materiales compuestos. (a) LIG dopada con boro en estado doblado ( b ) Retención de capacitancia de capacitores LIG dopados con boro con diferentes radios de curvatura (c-d) Pruebas de supercondensadores LIG a diferentes resistencias a la tracción. (f) Sensores LIG-. sensores químicos basados ​​en

Los sensores químicos se utilizan ampliamente en la seguridad alimentaria, los contaminantes en la acuicultura y el agua potable, la calidad del aire en las industrias de emisión de gases peligrosos y el mecanismo de trabajo de la glucosa, el ácido láctico y la dopamina y otros metabolitos. La detección de sustancias generalmente se basa en cambios en señales eléctricas como la resistencia, la capacitancia y la resistencia de transferencia de carga causadas por la estimulación. La detección de dichas sustancias químicas se puede dividir en dos categorías. Una se basa en la química. unión de sustancias a la superficie de LIG.

2.1 Sensores químicos de unión específica

Los sensores químicos de unión específica suelen modificar la superficie de LIG, como anticuerpos, enzimas y aptámeros. a menudo exhiben una selectividad de detección extraordinaria debido a la unión precisa entre el elemento de reconocimiento y la sustancia química objetivo, la capacitancia de la superficie del electrodo y el transporte interfacial. Las señales como la resistencia cambiarán, lo que está relacionado con la concentración de la sustancia química objetivo. de las señales eléctricas relevantes se puede deducir la concentración de la sustancia química correspondiente

Figura 3.

Proceso de preparación y rendimiento de detección de sensores químicos de unión específicos basados ​​en LIG. Utilizando el mecanismo de unión específico entre sustancias químicas y LIG modificada, se ha detectado con éxito una variedad de sustancias que van desde moléculas pequeñas hasta biomoléculas e incluso patógenos.

Figura 4. Varios sensores fotoquímicos de unión específica. Ilustración esquemática de (A) sensor de trombina, (b) sensor de bisfenol a y (c) sensor de glucosa enzimático. (d) Diagrama esquemático del sensor basado en AuNPs-LIG para la detección de E. coli O157:H7. (e) Gráfico de Nyquist del sensor de E. coli. (f) Curva de calibración de respuesta de impedancia versus concentración.

2.2 Sensores químicos de unión no específica

Los sensores químicos de unión no específica también juegan un papel importante en los sensores químicos. El coste de los sensores de unión no específica suele ser menor que el de los sensores químicos de unión no específica. sensores de unión específicos. Las reacciones químicas redox y las propiedades físicas son fuentes de información para sensores químicos no específicos.

2.2.1 Reacción química de oxidación-reducción

La reacción química de oxidación-reducción se suele utilizar para detectar solutos o gases. La detección puede ser cualitativa o cuantitativa. Por ejemplo, diferentes analitos suelen tener diferentes potenciales redox, por lo que la identificación de los potenciales redox puede ayudar a distinguir diferentes analitos. Al mismo tiempo, la densidad de corriente asociada con la reacción redox se correlaciona positivamente con la concentración del analito. Al calibrar la densidad de corriente a un potencial específico, se puede proporcionar información sobre la concentración del analito.

Figura 5. Sensor de glucosa basado en reacción química redox. (a) Respuesta actual a la adición continua de diferentes concentraciones de glucosa. (b) Curva de calibración del sensor de glucosa.

Características físicas

La respuesta correspondiente se detecta utilizando las propiedades físicas del LIG que interactúan con el objeto que se está midiendo, como la resistencia, la conductividad térmica, la conductividad eléctrica o la impedancia. Por ejemplo, a medida que aumenta la concentración de iones en la solución, la resistencia al transporte interfacial disminuye. Al construir la relación entre la concentración de iones y la resistencia de transmisión de la interfaz, se puede utilizar para detectar la concentración de iones de soluciones desconocidas. Sin embargo, dado que otros iones también pueden producir efectos similares, este método de detección no es adecuado para la detección de concentración de soluciones de varios componentes.

Figura 6. Sensores de unión no específicos basados ​​en propiedades físicas intrínsecas y extrínsecas. (a) Sensor de hidrógeno basado en el cambio de resistencia. Análisis de banda de energía del hidrógeno que actúa sobre LIG (arriba) y reacción catalítica de hidrógeno sobre LIG/Pd (abajo). (b) Respuesta de resistencia y H? relación de concentración. (c) Respuesta del sensor de gas basada en la conductividad térmica a varios gases. (d) Amplitud de respuesta de un sensor de gas con un radio de curvatura de 7 mm al aire. Ilustración que muestra la respuesta de un sensor de gas al aire después de 0 y 1000 ciclos de flexión. (e) Respuesta del sensor de nitrato a la concentración de nitrato. La figura muestra el circuito equivalente de un sensor sumergido en solución. (f) Comparación entre la temperatura real y la temperatura medida.

Sensores mecánicos Iilig

Los sensores mecánicos se utilizan ampliamente en la detección de movimientos finos, la traducción del lenguaje de signos y el agarre de robots. Los sensores mecánicos basados ​​en LIG generalmente se basan en el efecto piezoresistivo, que puede detectar cambios en la resistencia debido a la deformación de la forma debido a la excitación. Cuando LIG se estira, dobla o vibra, su resistencia cambia. Al monitorear la resistencia del LIG, combinado con el aprendizaje automático, se puede determinar el estado físico del dispositivo. Al mismo tiempo, se registran los cambios resueltos en el tiempo en la resistencia a LIG causados ​​por los latidos del corazón, el pulso y la vibración de las cuerdas vocales, que pueden usarse para detectar la frecuencia cardíaca e identificar sonidos.

Figura 7. (A) Diagrama esquemático del proceso para convertir engranajes PEEK impresos en 3D en LIG. (2) El mecanismo de trabajo de flexión y estiramiento bidireccional de los componentes inteligentes de Peeklig. (c) Cambio en la resistencia del sensor con la tensión aplicada. (d) Tiempo de respuesta de flexión y tiempo de recuperación. (e) Relación entre el desgaste de los engranajes y la resistencia del circuito. La ilustración muestra tres niveles diferentes de desgaste del engranaje inteligente: (I) sin desgaste, (II) desgaste parcial y (III) desgaste severo.

Al registrar cronológicamente el efecto piezorresistivo, los sensores mecánicos basados ​​en LIG se pueden utilizar para detectar diversas señales, como latidos del corazón, movimiento y sonido, en tiempo real.

Figura 8. Mediciones de EEG, ECG y EMG.

Cuatro perspectivas

Desde el descubrimiento de LIG en 2014, los avances en la tecnología de síntesis de LIG han mejorado significativamente el rendimiento del grafeno y han aumentado la versatilidad de las aplicaciones.

Por ejemplo, la longitud de onda del láser se extiende desde el infrarrojo hasta la luz visible o incluso el ultravioleta, y la resolución espacial de la estructura LIG aumenta a 12? m. Las estrategias de preparación de materiales compuestos LIG, como la modificación in situ y la modificación in situ, pueden mejorar las propiedades físicas de LIG, como la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica, y las propiedades químicas de LIG también se pueden mejorar agregando materiales funcionales. . El bajo coste y la sencilla síntesis de la tecnología LIG han impulsado el desarrollo de una serie de sensores LIG, convirtiéndola en una de las tecnologías candidatas potenciales para la producción industrial.

A través del diseño racional del mecanismo sensor se han detectado con éxito diversos estímulos que van desde diversas sustancias químicas hasta sonido, movimiento, temperatura, etc. Debido a la alta superficie específica y la estabilidad química de LIG, estos sensores generalmente exhiben alta sensibilidad y estabilidad. Además, la alta conductividad de LIG lo convierte en un sensor ideal para convertir señales de estímulo en señales eléctricas. La LIG inicialmente hecha de polímeros suele ser flexible, y su transferencia a otros sustratos como elastómeros o cemento puede darle elasticidad o rigidez, lo que permite que LIG se utilice en diferentes escenarios, como la electrónica portátil y los edificios inteligentes. El desarrollo de sensores LIG ha evolucionado desde componentes de detección únicos hasta sistemas integrados. Al combinar la transmisión inalámbrica y los módulos de microcontrolador con Internet de las cosas, se logra la detección continua en tiempo real del objeto medido.

Como tecnología de fabricación imprimible y modelable, los sensores basados ​​en LIG abren una nueva forma de desarrollar dispositivos miniaturizados integrados. Sin embargo, la tecnología LIG todavía tiene margen de mejora en aplicaciones prácticas. Por ejemplo, en algunos casos, la fuerza de unión entre la capa de LIG y el precursor es insuficiente. Si bien se puede evitar de alguna manera, como funcionalizarlo con un polímero viscoso o transferir el LIG a un elastómero, el consumo de productos químicos y los pasos de fabricación adicionales no son ideales para la producción. Algunos sensores LIG no se han probado in vivo o en el campo, lo que puede no reflejar la viabilidad, estabilidad y durabilidad del sensor en situaciones del mundo real. Sin embargo, esto es muy importante para aplicaciones prácticas, ya que la interferencia del medio ambiente y los cambios en las condiciones del laboratorio pueden afectar la sensibilidad y confiabilidad del sensor. No obstante, la diversidad de LIG en varios sensores ha sido satisfactoria gracias a los esfuerzos conjuntos de investigadores de todo el mundo. Con el desarrollo futuro, los sensores LIG encontrarán un nuevo mundo en una amplia gama de aplicaciones.

Acerca del autor

Ye Ruquan

El reportero de este artículo

Profesor asistente en la Universidad de la Ciudad de Hong Kong

Principal campo de investigación

La aplicación de la tecnología de grafeno inducido por láser en catálisis, tratamiento de agua, conversión de energía y sensores; el diseño racional de interfaces y catalizadores para reacciones catalíticas como la reducción de dióxido de carbono y la división del agua; puede mejorar la eficiencia en el uso de energía.

Principales resultados de la investigación

Publicado más de 20 artículos como primer autor o autor correspondiente en revistas académicas de alto impacto como NAT. Comunitario. Desconectado. , ACS Nano, ACC. Químico. Investigación, Angew. Químico. Está editado por... y ha recibido patentes internacionales y 6 patentes otorgadas por Estados Unidos. Ha ganado el Premio Nacional para Estudiantes Extranjeros Autofinanciados Sobresalientes y el Premio al Trabajo Destacado para Jóvenes Ingenieros/Investigadores de la Institución de Ingenieros de Hong Kong.

Autor: Autor original

Reimpreso por Chen Changjun de Yangtze River Delta Laser Alliance