Reseña: Aplicación del grafeno inducido por láser en la detección inteligente

Grafeno inducido por láser: en camino hacia la detección inteligente

Libei Huang, Jianjun Su, Yun Song, Ruquan Ye*

Nano?Micro Lett.(2020) )12:157

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

Aspectos destacados de este artículo

1. Resumen de Estrategias de ingeniería y preparación de grafeno por inducción láser.

2. Descripción general de los sensores basados ​​en LIG, centrándose en sus principios de diseño y mecanismo de funcionamiento.

3. Discutir la integración de los sensores LIG y la transmisión de señales y sus perspectivas para futuros sistemas de detección inteligentes.

Introducción

El equipo del profesor Ye Ruquan del Departamento de Química de la Universidad de la ciudad de Hong Kong, revisó el progreso de la tecnología LIG en aplicaciones de sensores con el principio de diseño y el mecanismo de trabajo como núcleo. El primer autor del artículo es Hong Kong Huang Lipei, candidato a doctorado en el Departamento de Química de la City University. Primero, el artículo presenta brevemente los principios de preparación de LIG y compuestos LIG, incluido el control de la morfología y los componentes, y el control de las propiedades físicas y químicas. Luego, basándose en los principios de diseño y mecanismos de funcionamiento (sensores químicos de unión específica y de unión no específica, sensores mecánicos basados ​​en efecto piezoresistivo, etc.), se resume el sensor LIG. Finalmente, los autores discuten el impacto de LIG y su desarrollo futuro.

Introducción gráfica

Preparación de I LIG y sus propiedades mecánicas relacionadas

¿Las películas de poliimida se pueden convertir en grafeno mediante láser de CO? sin necesidad de placa de máscara y Se puede preparar LIG de cualquier forma bajo el control de un software de control por computadora. Al cambiar la atmósfera de preparación, los precursores y los parámetros del láser, incluida la velocidad de escaneo del láser, el modo de trabajo, la frecuencia, el número de pulsos por punto, etc., se pueden controlar las propiedades físicas y químicas de LIG. No sólo los láseres infrarrojos, sino también los 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 puede romper y recombinar los enlaces químicos de los precursores. Este proceso va acompañado de la generación de gas, que es una de las razones de la alta porosidad. de 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, que puede romper directamente los enlaces químicos. En el caso de los láseres de luz visible, pueden existir al mismo tiempo efectos fototérmicos y reacciones fotoquímicas. En comparación con la serigrafía, la impresión 3D, la fotolitografía, etc., la preparación de grafeno inducida por láser muestra sus ventajas únicas de proceso de preparación simple, bajo costo, alta eficiencia y protección ambiental. Gracias a la flexibilidad del precursor (película orgánica) y la facilidad de transferir LIG a sustratos con propiedades mecánicas y ductilidad, LIG ​​tiene una amplia gama de aplicaciones en sensores, especialmente dispositivos portátiles.

Figura 1. (a) Diagrama esquemático de la conversión de PI en LIG. (b) Imágenes SEM y HRTEM de LIG. Las barras de escala son de 10 μm y 5 nm. (c) Ángulo de contacto de LIG en diferentes atmósferas. (d) Imagen SEM de LIG fibrosa.

Figura 2. Propiedades mecánicas de LIG y sus materiales compuestos. (a) LIG dopada con boro en estado doblado. (b) Tasa de retención de capacitancia de un capacitor LIG dopado con boro bajo diferentes radios de curvatura. (c-d) Pruebas de supercondensadores LIG bajo diferentes resistencias a la tracción. (e) LIG y compuesto de cemento. (f) Sensor de gas basado en compuesto de cemento LIG.

II Sensores químicos basados ​​en LIG

Los sensores químicos se utilizan ampliamente en seguridad alimentaria, contaminantes en acuicultura y agua potable, calidad del aire alrededor de industrias con emisiones de gases peligrosos y detección de glucosa en metabolitos. como el ácido láctico y la dopamina. El mecanismo de funcionamiento de la detección química generalmente se basa en cambios en señales eléctricas como la resistencia, la capacitancia y la resistencia a la transferencia de carga causadas por estímulos. La detección de dichas sustancias químicas se puede dividir en dos categorías principales, una se basa en la unión específica de sustancias químicas a la superficie de LIG y la otra se basa en la unión no específica.

2.1 Sensores químicos de unión específica

Los sensores químicos de unión específica suelen modificar la superficie de las LIG, como anticuerpos, enzimas y aptámeros. Estos sensores suelen exhibir una selectividad de detección extraordinaria debido a la unión precisa entre el elemento de reconocimiento y la sustancia química objetivo. Cuando el elemento de reconocimiento se combina con la sustancia química objetivo, cambiarán señales como la capacitancia y la resistencia de transmisión de la interfaz en la superficie del electrodo, que están relacionadas con la concentración de la sustancia química objetivo. Al detectar cambios en las señales eléctricas relacionadas, se puede deducir la concentración de la sustancia química correspondiente.

Figura 3. Proceso de fabricación y rendimiento de detección del sensor químico de unión específica basado en LIG. Utilizando el mecanismo de unión específico entre sustancias químicas y LIG modificada, se han detectado con éxito muchas sustancias, desde pequeñas moléculas hasta biomoléculas e incluso patógenos.

Figura 4. Varios sensores químicos LIG de unión específica. Diagrama esquemático de (a) sensor de trombina, (b) sensor de bisfenol a y (c) sensor enzimático de glucosa. (d) Diagrama esquemático del sensor basado en AuNPs-LIG para detectar 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 desempeñan un papel importante en los sensores químicos en comparación con los sensores de unión específicos, el costo de los sensores de unión no específicos. suele ser más alto más bajo. Las reacciones químicas redox y las propiedades físicas son fuentes de información para sensores químicos de unión no específica.

2.2.1 Reacción química de oxidación-reducción

La reacción química de oxidación-reducción se suele utilizar para detectar solutos o gases. Las pruebas pueden ser cualitativas o cuantitativas. Por ejemplo, diferentes analitos a menudo tienen diferentes potenciales redox, por lo que la identificación de potenciales redox puede ayudar a distinguir diferentes analitos. Al mismo tiempo, la densidad de corriente relacionada con la reacción redox está relacionada 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.

2.2.2 Propiedades físicas

Utilice propiedades físicas como la resistencia cuando LIG interactúa con el objeto a medir, la conductividad térmica del objeto a medir, la conductividad o impedancia de la solución a medir, etc. para detectar la respuesta correspondiente. Por ejemplo, a medida que aumenta la concentración de iones en la solución, la resistencia de transferencia de la interfaz disminuirá. 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 concentraciones en 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 catalizadora de hidrógeno sobre LIG/Pd (abajo). (b) La relación entre la respuesta de resistencia y la concentración de H? bajo diferentes estados de flexión. (c) Respuesta del sensor de gas basado en conductividad térmica a varios gases. (d) Amplitud de respuesta de un sensor de gas con un radio de curvatura de 7 mm al aire. El recuadro muestra la respuesta del sensor de gas al aire después de 0 y 1000 ciclos de flexión. (e) Respuesta del sensor de nitrato a la concentración de nitrato. El recuadro es el circuito equivalente del sensor sumergido en solución. (f) Comparación de la temperatura real y la temperatura medida.

Sensor mecánico III LIG

Los sensores mecánicos se utilizan ampliamente en campos como la detección de movimientos finos del cuerpo humano, la traducción del lenguaje de signos y las pinzas robóticas. Los sensores mecánicos basados ​​en LIG suelen basarse en el efecto piezoresistivo, que detecta cambios en la resistencia causados ​​por la deformación de la forma inducida por la excitación. Cuando LIG se estira, dobla o vibra, su resistencia cambiará. Al monitorear la resistencia de LIG y combinarla con el aprendizaje automático, se puede determinar el estado físico del dispositivo. Al mismo tiempo, al registrar los cambios resueltos en el tiempo en la resistencia LIG causados ​​por los latidos del corazón, el pulso, la vibración de las cuerdas vocales, etc., se puede utilizar para detectar la frecuencia cardíaca e identificar sonidos.

Figura 7. (a) Diagrama esquemático del proceso de conversión de engranajes PEEK impresos en 3D en LIG. (b) El mecanismo de trabajo de flexión y estiramiento bidireccional de los componentes inteligentes de PEEK LIG. (c) Cambio en la resistencia del sensor con la tensión aplicada. (d) Tiempo de respuesta de flexión y tiempo de recuperación. (e) La relación entre el grado de desgaste de los engranajes y la resistencia del circuito. La ilustración muestra tres niveles de desgaste diferentes del equipo inteligente: (I) No usado (II) Parcialmente usado (III) Muy desgastado.

Al registrar cronológicamente el efecto piezoresistivo, 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.

IV Outlook

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 e incluso el ultravioleta, lo que aumenta la resolución espacial de la estructura LIG a 12 µm. Las estrategias de preparación de materiales compuestos LIG, como la modificación in situ y la modificación ex 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 simplicidad de 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.

Con el diseño adecuado de los mecanismos de detección, se detecta con éxito una amplia variedad de estímulos, que van desde diversos productos químicos hasta sonido, movimiento y temperatura. Debido a la alta superficie específica y la estabilidad química de LIG, estos sensores a menudo exhiben alta sensibilidad y estabilidad. Además, la alta conductividad eléctrica de LIG lo convierte en un sensor ideal para convertir señales de estimulación en señales eléctricas. El LIG original hecho de polímeros suele ser flexible y su transferencia a otros sustratos como elastómeros o cemento puede darle elasticidad o rigidez, lo que hace que el LIG sea útil 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 integrar la transmisión inalámbrica y los módulos de microcontrolador con Internet de las cosas, se logra la detección continua y en tiempo real del objeto bajo prueba.

Como tecnología de fabricación imprimible y modelable, los sensores basados ​​en LIG abren una nueva forma de desarrollar dispositivos integrados y miniaturizados. Sin embargo, la tecnología LIG todavía tiene margen de mejora en aplicaciones prácticas. Por ejemplo, en algunos casos, la capa de LIG no se une con suficiente fuerza al precursor. Aunque se puede evitar de alguna manera, como funcionalizarlo con un polímero pegajoso 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 importante para aplicaciones prácticas porque 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 transformados en varios sensores, gracias a los esfuerzos concertados de investigadores de todo el mundo, ha sido gratificante. Con el desarrollo futuro, los sensores LIG encontrarán un nuevo mundo en una amplia gama de aplicaciones.

Sobre el autor

Ye Ruquan

Autor correspondiente de este artículo

Profesor asistente, City University of Hong Kong

Principales áreas de investigación

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

Resultados principales de la investigación

Alto impacto en Nat. Commun., Adv. Mater., Acc. Chem. Int. Ha publicado más de 20 artículos en revistas académicas como primer autor o autor correspondiente y ha obtenido 6 patentes internacionales autorizadas y 6 patentes autorizadas en EE. UU. Ha ganado el Premio Nacional para Estudiantes Extranjeros Autofinanciados Sobresalientes y el Instituto de Ingenieros de Hong Kong. Premio al artículo destacado de jóvenes ingenieros/investigadores.

Escrito por: Autor original

Reimpreso por Chen Changjun de Yangtze River Delta Laser Alliance