基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展_高原
DOI ：10．3724/SP．J．1096．2013．20747基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展
高原
1李艳2苏星光*2（电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室1，吉林大学化学学院2，长春130012）摘要近年来，随着石墨烯研究热潮的兴起，将石墨烯用于生物及化学检测的工作也日益增多。本文着重介绍了基于石墨烯及氧化石墨烯（GO ）的光学生物传感器，特别是基于石墨烯的荧光共振能量转移（FRET ）
传感器以及比色法传感器的设计思想和传感特性。
关键词石墨烯；氧化石墨烯；生物传感器；荧光共振能量转移；评述
2012-07-17收稿；2012-09-30接受
本文系国家自然科学基金（Nos．2127506，
21075050）资助项目*E-mail ：suxg@jlu．edu．cn
1引言
石墨烯是一种由纯碳原子的六元环平面结构构成的二维材料
［1］，是零维的富勒烯、一维的碳纳米管（CNTs ）以及三维石墨结构的构筑基元［2］。它具有非常大的理论比表面积、很高的杨氏模量［3］、超高的光学透过率、优良的导热性［4］和导电性，并能够通过电子转移实现荧光猝灭。目前，人们已将基于石
墨烯的材料广泛应用于诸多领域，如吸附剂
［5］、催化剂［6］、药物载体［7］等。石墨烯具有的奇特性质，使
得其能够满足高灵敏性传感器设计的需求，并已用于构建光学［8］、电化学［9］及场效应传感器［10，11］、细胞标记［12］及实时监测［13］等。本文介绍了基于石墨烯材料的光学生物传感器的研究进展，重点评述了基于石墨烯基的荧光共振能量转移（FRET ）以及比色法传感器。
2基于石墨烯的荧光共振能量转移传感器
荧光共振能量转移（FRET ）是能量由供体荧光团经无辐射途径转移给受体荧光团，并引起供体荧
光猝灭和受体荧光增强的光学现象，
是测量活体及体外纳米尺度距离及变化的有效手段。近年来，人们致力于开发基于石墨烯材料的FRET 传感器，
将其用于生物及化学检测。FRET 传感器主要由3部分构成：供体、受体（猝灭剂）及供受体之间的桥联媒介。在基于石墨烯的FRET 传感器中，石墨烯及其衍生物既可以作为供体，又可作为受体。一方面，石墨烯由于其结构特点，能够同时猝灭发射波长或结构不同的多种荧光团的荧光，是一种通用的猝灭剂；另一方面，石墨烯及其衍生物经过一定的化学处理，可以产生荧光信号，可作为荧光供体。基于石墨烯的FRET 生物传感器依托于一些生物分子构建的桥联基，
用于调节供体荧光团和受体之间的距离，从而引起荧光的变化。其中，DNA 、蛋白质、多肽等生物分子均
可以作为桥联基。
2．1以石墨烯作为猝灭剂
在报道的基于石墨烯材料的FRET 传感器中，以石墨烯材料作为猝灭剂的居多。氧化石墨烯（GO ）是石墨烯的一种重要衍生物，是化学还原法制备石墨烯的前驱体，在石墨烯片层结构的边缘和表面带有
多种含氧基团，
如羧基、羟基、环氧基等。正是由于这些含氧基团的存在，使其较石墨烯具有更好的水溶性，可以应用于生物体系中。石墨烯及GO 由于其大面积的共轭结构，可以作为能量受体猝灭多种有机染料及量子点的荧光，是一种广适性的荧光猝灭剂。与传统的猝灭剂相比，石墨烯材料具有更高的猝灭
效率，使FRET 传感器具有背景低、信噪比高、可多重检测的显著特点
［14 16］。2．1．1基于DNA 联接研究表明，石墨烯能区分多种DNA 分子结构，包括ssDNA ，dsDNA 以及茎环
结构等［17，18］。石墨烯及GO 由于其结构特点，对带有裸露的环状结构的化合物具有强烈的吸附能力。第41卷
2013年2月分析化学（FENXI HUAXUE ）特约来稿Chinese Journal of Analytical Chemistry
第2期174 180
DNA 中的碱基包含六元环结构，石墨烯会与裸露的碱基发生强烈的π-π相互作用、疏水作用等，从而吸附DNA 。但是石墨烯与不同分子结构的DNA 的结合能力明显不同。对于相同碱基数量的单链DNA （ssDNA ）和双链DNA （dsDNA ），石墨烯能够稳定吸附ssDNA ，而对dsDNA 的吸附能力则较弱。其原因是由于DNA 杂交后空间结构发生改变，磷酸盐骨架将碱基有效屏蔽在其中，使石墨烯无法与碱基接触，从而造成结合能力的减弱。DNA 一级结构的差异也会导致与石墨烯的结合能力不同，碱基数量越多的ssDNA 与石墨烯材料的结合能力越强。正是基于石墨烯对不同结构的DNA 的吸附能力有所区别，研究者们构建了一系列以DNA 联接的石墨烯基FRET 传感器。
(1)利用DNA 互补序列2009年，Lu 等［17］首次报道了基于石墨烯的FRET 生物传感器。该传感
器是由标记了羧基荧光素（FAM ）的ssDNA 与GO 构成。在没有目标DNA 时，
FAM-ssDNA 会吸附到GO 表面，造成FAM 与GO 之间发生FRET ，使FAM 荧光团的荧光被迅速猝灭；而当FAM-
ssDNA 与目标DNA 杂交后，会改变DNA 的构型并且削弱了FAM-ssDNA 与GO 之间的相互作用，这就造成FAM-ssDNA 从GO 表面释放出来，增大FAM 与GO 之间的距离，阻碍FRET ，造成FAM 荧光恢复。从而建立了一种用于检测特定DNA 序列的高灵敏度及选择性的荧光恢复检测方法。该课题组还运用GO 作为
纳米猝灭剂构建了一种分子信标（MB ）探针［18］。传统的分子信标探针两端分别标记荧光团和猝灭团。
而这种新型的分子信标探针则只需在一端标记荧光团，而猝灭剂GO 则不需要标记。与传统的分子信标相比，该探针不需要复杂的合成步骤，同时猝灭更有效、灵敏度更高。更重要的是，由于发卡状的DNA 在GO 表面的构象约束大大提高了该探针对单碱基错配的选择性识别能力。其后相继出现了以量
子点（QDs ）
［19］或Ag 纳米簇［20］标记的ssDNA 探针作为信号报告基团，以GO 作为猝灭剂，以类似的模型构建FRET 传感器，用于特定DNA 序列的检测。GO 能够同时猝灭标记ssDNA 探针的不同颜色的荧
光，
可利用此性质识别多种与ssDNA 探针互补的特定DNA 序列，实现在同一溶液中检测多种特定DNA 序列［21］。Zhang 等［22］构建了免标记的石墨烯FRET 传感器，用于DNA 特定序列的检测。当体系中不存在
目标ssDNA 时，探针ssDNA 及所用的DNA 嵌插染料（SYBR Green I ，
SG ）都吸附在石墨烯表面；当引入目标ssDNA 时，
由于形成dsDNA ，并且SG 与dsDNA 内嵌结合，从而远离石墨烯表面，使荧光恢复。(2)利用DNA 错配DNA 在通常情况下遵循碱基互配的原则，即腺嘌呤-胸腺嘧啶（A-T ）、鸟嘌呤-
胞嘧啶（G-C ）配对。但是在某些离子存在情况下，会有错配发生，较为常见的有C-
Ag +-C ［23］和T-Hg 2+-T 错配［24］。将DNA 错配与石墨烯FRET 传感器结合，可以实现特定离子的检测。Wen 等［23］利用荧光
标记的富含C 的ssDNA 构建了Ag +的荧光传感器。Ag +的引入可以引起富含C 的ssDNA 构型的变化，
当体系中没有Ag +时，
DNA 为柔软的单链结构；当有Ag +存在时，C 与Ag +发生络合形成C-Ag +-C ，DNA 链形成刚性的发卡dsDNA 结构。DNA 结构的改变使DNA 与GO 的相互作用发生改变，从而引起体系
荧光改变。Liu 等［25］也构建了类似的平台，利用半胱氨酸（Cys ）与C-C 错配竞争结合Ag +，实现对Cys
的检测。他们首先用足量的Ag +使富含C 的ssDNA 发生折叠，形成dsDNA 结构，使体系具有荧光。Cys
的加入会夺取C-Ag +-C 中的Ag +，使dsDNA 结构恢复成ssDNA 结构，吸附在GO 表面，造成荧光猝灭，
其荧光猝灭的程度与Cys 的浓度成正比。Zhang 等［26］则选用一条标记了荧光且富含T 的ssDNA ，利用T-
Hg 2+-T 错配，使ssDNA 折叠成dsDNA 结构，所以Hg 2+的加入会使最初较低的荧光信号增强。而碘化物比
T-T 错配具有更高的与Hg 2+结合的能力，碘化物的加入会造成荧光信号的再次猝灭。从而利用GO 作
为信号变化器，以Hg 2+和碘化物作为激活剂构建了一个简单可靠的荧光DNA 逻辑门。
(3)利用核酸适配体核酸适配体是一种功能性核酸，它是一段筛选出来的ssDNA 序列，能够特异性结合蛋白质、小分子或者离子，可作为便利的传感元件使用。核酸适配体与其特异性目标物结合会使其构型发生改变，单链结构发生折叠，阻碍核酸序列中碱基与石墨烯接触，引起二者距离的改变。例如，
选用荧光标记的凝血酶核酸适配体构建FRET 传感器用于凝血酶的检测［27］。首先，荧光标记的凝血酶
核酸适配体与石墨烯以非共价键结合，发生能量转移，造成体系荧光猝灭；然后向体系中加入凝血酶，该核酸适配体会特异性结合凝血酶，形成四链体-凝血酶结构，该结构与石墨烯的作用力较弱，最终造成体系荧光恢复。这种石墨烯-核酸适配体传感器无论是在缓冲溶液还是血清中均表现出优异的灵敏度和
选择性。文献中报道了多种基于石墨烯的核酸适配体FRET 传感器，分别用于赭曲霉素A ［28］、三磷酸
571第2期高原等：基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展
671分析化学第41卷
腺苷（ATP）［29］以及粘蛋白1（MUC1）［30］等物质的检测。由于核酸适配体能够选择性识别目标物质，区别其它结构类似物，所以核酸适配体传感器都具有较好的选择性，可用于检测稀释的实际样品中的待测物，如稀释的血清、细胞提取液、红酒等。文献中也报道了无标记的核酸适配体传感器。吖啶橙（AO）由于其结构特点能够吸附在还原的GO（rGO）表面，造成AO荧光猝灭［31］。而G-四链体结构的核酸适配体（PS．M）能够捕获吖啶橙，使AO从rGO表面脱离，恢复荧光。但是向AO-PS．M/GO混合液中加入血红素时，PS．M就会与血红素发生特异性结合，释放出AO，AO再次与GO结合导致荧光猝灭。该方法实现了血红素无标记定量检测，检出限为50nmol/L。
(4)利用脱氧核酶(DNAzyme)DNAzyme也是一种功能性核酸，具有催化功能以及识别目标分子的能力。DNAzyme可以与其对应的基底形成DNAzyme-基底杂化体，在特定离子的共同作用下，DNAzyme发挥其催化活性，将基底从断裂位点上剪切开。Zhao等［32］报道了一种基于GO-DNAzyme的Turn-on传感器，用于Pb2+的荧光放大检测。该传感器中以FAM标记的GR-5DNAzyme-基底杂化体作为分子识别模块及信号指示器，以GO作为猝灭剂。GR-5DNAzyme表现出更高的信噪比及更好的选择性。与之相反，Wen等［33］则利用8-17DNAzyme构建了一种Pb2+的Turn-off荧光传感器。同样，采用Cu2+依赖的标记FAM的DNAzyme与石墨烯自组装［34］，就可以构建用于检测Cu2+的DNAzyme传感器。文献中也报道了无标记的DNAzyme石墨烯传感器模型。Liu等［35］利用嵌插染料GelRed标记Cu2+依赖的DNAzyme的双链或三链区域。GelRed起初只有微弱的荧光，当插入DNAzyme的双链或三链区域会发出强烈的荧光。当引入石墨烯后，DNAzyme会与GO自组装形成GelRed-DNAzyme-石墨烯复合物，造成荧光猝灭。由于该DNAzyme的催化活性依赖Cu2+，所以当体系中有Cu2+存在时，该DNAzyme会发生断裂，释放出GelRed，导致荧光信号增强。该方法可用于多种待测物的分析。
(5)利用核酸水解酶在核酸水解酶（核酸外切酶或核酸内切酶）的作用下发生的酶切反应会使原有的DNA分子链断裂，从而改变其分子构型。例如，脱氧核糖核酸酶I（DNase I）是一种核酸内切酶，它能够非特异性将DNA剪切成寡核苷酸；但是DNase I只作用于ssDNA、dsDNA以及DNA/RNA复合物中的DNA链，却不能作用于RNA。以DNase I与GO保护的ssDNA探针构成的FRET体系可以用于mi-croRNAs（miRNA）的信号放大检测［36］。其原理是当没有miRNA时，荧光标记的ssDNA探针会吸附在GO上造成荧光猝灭；在加入miRNA后，ssDNA会从GO表面脱附并与miRNA形成复合物，同时荧光恢复。此时，RNA/DNA复合物立即成为DNase I的消化基底，由DNase I剪切其中的DNA链，从而释放出miRNA，释放出的miRNA会与另外的ssDNA探针结合，进入下一轮的剪切循环。该循环一直持续到消耗完所有的探针，所有荧光恢复，达到荧光信号显著放大的作用。这样利用多色荧光标记的ssDNA探针就可同时检测多种不同的miRNA。Lin等［37］以GO和λ核酸外切酶酶切反应为基础建立了一种简单、精确测定多核苷酸激酶（PNK）活性的方法。首先，荧光标记的dsDNA与GO混合时，体系具有荧光。但是当dsDNA被PNK磷酸化后，λ核酸外切酶会立即从末端剪切dsDNA，剪切后的片段就会吸附在GO表面，造成荧光猝灭；反之，如果体系中没有PNK或者PNK活性被抑制，则不会发生剪切反应，体系荧光仍保持。Lee等［38］则利用只剪切dsDNA而不剪切ssDNA的核酸外切酶Ⅲ（ExoⅢ）作用于5'端标记荧光的发卡型DNA。ExoⅢ从3'端剪切dsDNA直至dsDNA被耗尽，只剩ssDNA，从而造成有荧光标记的一段ssDNA序列吸附在GO表面，引起体系荧光猝灭，从荧光猝灭的程度可以衡量核酸外切酶的活性。
(6)其它方法Wu等［39］利用解链温度的差异，设计了一种用于分析DNA磷酸化反应的石墨烯分子信标，该分子信标可以测量T4多核苷酸激酶（PNK）的活性，对单碱基差异具有高特异性识别能力。该实验中用到了两条寡核苷酸（A，B）以及一个发卡序列DNA。其中A，B能够组成与发卡DNA完全匹配的序列，但是A具有5'-羟基端、B两端都为羟基端。当有PNK存在时，A和B两条DNA链会发生连结，与发卡DNA构成稳定的双链结构，该双链结构具有较高的解链温度，在50?时体系具有较强荧光。但没有PNK存在时，A和B两条DNA与发卡DNA发生杂交，形成有可连结缺口的双链结构，导致该双链DNA的解链温度较低，在50?时解链形成游离的发卡DNA的荧光会被GO猝灭，基于此原理就可以检测T4PNK的活性。Wu等［40］则利用了DNA的三级结构变化，构建FRET传感器，用于检测猴病
毒（SV40）中同型嘌呤同型嘧啶dsDNA 结构。这段具有17个碱基对的dsDNA 结构很容易与荧光标记
的ssDNA 结合形成三螺旋DNA ，使ssDNA 从GO 表面脱离，造成体系荧光恢复。Li 等［41］利用博来霉素
和Fe 2+
共同作用使ssDNA 断裂，造成较短的ssDNA 链段从GO 表面的释放，使体系荧光增强。该方法能够特异性检测博来霉素的含量。上文介绍了一系列以DNA 结构单一改变为基础的石墨烯FRET 传感器。Zhang 等［42］充分利用
DNA 不同的构型变化，在同一溶液中建立了一种多元检测方法。该体系中含有多种荧光标记的DNA 探针，包括特定序列的ssDNA 、核酸适配体、富含胞嘧啶（C ）和富含胸腺嘧啶（T ）的ssDNA ，每种探针以不同颜色的荧光团标记。利用石墨烯超强的猝灭效率，实现了同一溶液中对多种目标物的同时检测。
2．1．2基于蛋白质联接蛋白质的免疫反应也是构建石墨烯FRET 生物传感器桥联的途径之一。Liu 等［43］认为由于石墨烯是二维结构材料，所以能够突破传统FRET 生物传感器的距离限制（100 ），在更大尺度上造成有效的荧光猝灭。该课题组以石墨烯为荧光受体、以CdTe 量子点为荧光供体，采用一步
荧光免疫法检测α-胎蛋白（α-AFP ）。首先用α-AFP 的报告抗体Ab5修饰CdTe 量子点、并以其捕获抗
体Ab1修饰石墨烯，
然后通过夹心免疫反应特异性识别AFP ，形成CdTe-Ab5/AFP /Ab1-石墨烯复合物，造成CdTe 的荧光猝灭，荧光猝灭程度与AFP 浓度有关。同样，以不同的荧光团标记不同类型的抗体，通过免疫反应可以实现多种抗体共同检测。Chen 等［44］
以两种不同颜色的量子点分别标记了肠病毒和柯萨基病毒抗体，以GO 为猝灭剂，实现了对肠病毒和柯萨基病毒的同时检测。
糖-蛋白的反应也可以作为构建FRET 传感器的桥联基。文献［45，46］均利用糖-蛋白的反应检测
凝集素（Con A ）。以其中之一为例，
他们首先合成了一种尾端带有甘露糖的荧光共轭低聚物（FBT ），FBT 会与GO 通过π-π堆积而结合，并发生FRET 造成体系荧光猝灭。Con A 能够识别甘露糖单元，与FBT 尾端的甘露糖结合。结合后会阻碍FBT 与GO 之间FRET 的发生。由于不同菌株的凝集素含量不同，所以该传感器可用于两种不同大肠杆菌菌株的鉴别。
2．1．3基于多肽联接Feng 等［47］以多肽为桥联基构建了FRET 传感器。将GO 与FITC 标记的多肽
混合，
多肽会与GO 形成稳定的复合结构，通过FRET 使FITC 的荧光猝灭。由于该多肽链中含有基质金属蛋白酶2（MMP2）的核心基质PLGVR ，当向体系中引入MMP2时，该多肽链会被MMP2特异性识别并剪切成两段。标记了FITC 的多肽链会从GO 表面释放出来，体系荧光恢复。该传感器可用于实时监
测Hela 细胞分泌的MMP2。与其类似，
Li 等［48］报道了由蛋白酶引起的两端分别连接有QDs 与GO 的多肽链断裂，以FRET 效率衡量蛋白酶活性的方法。该方法成功应用于基质金属蛋白酶以及凝血酶活性的检测，并实现了对蛋白酶抑制剂活性的监测。
多肽与蛋白质的结合也能引起其空间结构的改变，并影响石墨烯与它之间的作用力。Wang 等
［49］以荧光标记的p21（WAF-1）衍生的细胞周期蛋白A2结合的多肽序列为探针，以石墨烯为猝灭剂，检测
早期癌症的预后指标—
——细胞周期蛋白A2。2．1．4竞争结合位点法石墨烯材料对芳香族化合物的结合能力，通常情况遵循六元环数量越多结合能力越强的原则，另外还要考虑分子构型、电荷排布等因素。除带有环状结构化合物外，石墨烯及GO
还对一些物质具有较强的结合能力，如Hg 2+。文献中也常利用不同物质与GO 的结合能力不同，采用
竞争结合位点的方法构建FRET 传感器。Huang 等［50］以还原的氧化石墨烯（rGO ）为纳米猝灭剂和吸附
剂，构建了rGO-有机染料纳米光开关用于Hg 2+的无标记检测。rGO 对Hg 2+具有高效的选择性吸附能
力及荧光猝灭能力。当体系中没有Hg 2+时，rGO 对有机染料造成荧光猝灭，当引入Hg 2+时，由于rGO
与Hg 2+的结合力更大，使有机染料从rGO 表面脱离，造成体系荧光增强。他们结合半胱氨酸与Hg 2+的反应，设计了一种rGO 的On-
off 可逆INHIBIT 逻辑门。其它多种物质的竞争结合也可应用于该模型中，如甲基蓝与荧光素竞争［51］，酒食黄与荧光素竞争［52］，罗丹明6G 与ssDNA 竞争［53］等。基于此原理，可
以实现待测物的低成本、免标记、灵敏检测。
Cai 等［54］则用待测物与GO 竞争结合荧光供体，实现了无标记可视化肝素（Hep ）的检测。该课题
组合成了具有荧光的水溶性共轭聚电解质（TFP ），TFP 能够通过π-π相互作用和静电力与GO 结合形
成复合物，使其荧光猝灭。而Hep 是一种硫酸盐化的多糖，带有负电荷，与TFP 的结合能力更强，造成
771第2期高原等：基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展
体系荧光恢复。这种方法可以用来区分Hep、4-硫酸软骨素和透明质酸。
2．2以石墨烯作为能量供体
具有荧光的石墨烯材料还可以作为一种新型的荧光标记物，在FRET传感器中作为能量供体。文献［55，56］以具有荧光的氧化石墨烯为荧光供体，以金纳米粒子作为受体，分别以DNA杂交和蛋白质的免疫反应为桥联基构建FRET生物传感器，检测了特定的DNA序列及病原体。该方法可广泛用于DNA、蛋白质、小分子及离子的检测。Chen等［57］报道了基于石墨烯的光致电子转移（PCT）无标记近红外荧光生物传感器，他们合成了在660nm处近红外发光的GO，可以通过π-π相互作用、静电力以及氢键特异性结合多巴胺。GO与多巴胺的这种结合会直接导致GO的近红外荧光发生猝灭。该方法可用于人血清样品及尿液中多巴胺含量的检测。
3比色法检测
Song等［58］制备了一种叶酸修饰的石墨烯-血红素复合物，该复合物具有协同类过氧化物酶的催化活性，可将其用于癌细胞的快速、特异性、定量检测。该实验采用3，3，5，5-四甲基联苯胺（TMB）作为基底。由于石墨烯具有较大的比表面积，并对疏水分子TMB具有较高的亲和性，能够提高基底TMB的局部浓度，使基底TMB与血红素催化位点接近，到达提高催化活性的目的。由于石墨烯具有较高的电导率，所以血红素与石墨烯之间会存在电子的传输。这种协同效应大大增强了血红素的催化活性。该复合物会通过叶酸与癌细胞表面过度表达的叶酸受体相连接，从而实现对癌细胞的比色法检测。
Guo等［59］制备了石墨烯-血红素复合物。该复合物不仅具有血红素的类过氧化物酶的催化活性，同时保持了石墨烯能够分辨ssDNA和dsDNA的能力。石墨烯-血红素复合物在高盐浓度的溶液中易发生聚集，但是当有ssDNA吸附到该复合物表面时会增强该复合物的抗聚集能力。所以在含有不同的DNA结构的复合物溶液中加入相同浓度的NaCl，离心后的上清液用比色法测试，就可以分辨ssDNA和dsDNA。
文献［58，59］是以石墨烯作为过氧化物酶模拟物（血红素）的载体，并且石墨烯组分的引入增强了血红素本身的催化活性，具有协同作用。他们还发现GO本身就具有类过氧化物酶的催化性质［60］，可用于H2O2及葡萄糖的检测中。实验中羧基化的GO能够催化底物TMB，在有H2O2存在下发生显色反应，使溶液颜色变蓝。结合葡萄糖的氧化反应，通过检测葡萄糖在葡萄糖过氧化物酶的作用下生成的
H
2O
2
含量，来进一步确定葡萄糖浓度。该方法可用于检测血液样品及果汁中葡萄糖的含量。Qu等［61］
运用GO对氢醌的显色反应具有催化活性，在H2O2存在下将无色的氢醌氧化成棕色的醌。采用夹心免疫法，建立了可通过肉眼判断溶液中前列腺癌肿瘤标志物（PSA）含量的比色法。
石墨烯与某些金属及金属氧化物的复合物同样也具有良好的类过氧化物酶的催化性质。Liu等［62］通过实验证明Au纳米粒子和石墨烯本身几乎不具有类过氧化物酶的性质，但是其杂化体Au-石墨烯在其界面上显示出良好的协同类过氧化物酶催化活性，可使底物显色。加入ssDNA或者核酸适配体会阻止过氧化物酶基底扩散并与活性界面接触，从而“关闭”Au-石墨烯杂化物的催化活性。当再加入目标分析物（如特定的ssDNA序列）会使原有的ssDNA或核酸适配体的构型发生改变，减弱与Au-石墨烯杂化物界面的作用力，被抑制的催化活性得以恢复，使底物显色。该课题组以这种石墨烯杂化材料为基础，利用其可调节的催化活性，设计了一种免标记比色法平台用于特定ssDNA序列检测、核酸适配体-蛋白相互作用的研究以及DNA断裂的监测。GO-Fe3O4复合物同样具有类过氧化物酶的性质［63］，复合物中Fe3O4成分的引入不仅赋予了该复合材料良好的超顺磁性，还增强了类过氧化物酶的催化活性。可以TMB为底物定量检测H2O2，并能够进一步检测糖尿病人尿液中的葡萄糖含量。
GO不仅具有超强的荧光猝灭能力，还具有颜色猝灭的能力。Fu等［64］利用GO对Au纳米棒的超强颜色猝灭能力，设计了一种超灵敏检测肝素的方法。以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）修饰的Au纳米棒（AuNRs），能够通过静电力自组装到GO表面，造成AuNRs的颜色由深到浅的转变。其原因是由于聚阳离子鱼精蛋白与GO之间具有更强的静电力，鱼精蛋白的加入可削弱AuNRs与GO之间静电作用，阻止AuNRs吸附到GO表面。但是，当有肝素存在时，肝素更容易结合鱼精蛋白，使AuNRs能够与GO结合，随肝素浓度的增加，溶液的颜色逐渐变浅。
871分析化学第41卷
4结语
总之，石墨烯材料在光学生物传感器中的应用广泛，其中以石墨烯基FRET 生物传感器的发展尤为迅速。从目前研究的报道来看，国内外研究工作者，特别是中国学者，在该领域开展了大量的理论和实验研究，并取得了突破性的进展，为石墨烯纳米材料在生物传感器中的应用开创了新的局面。基于
石墨烯的FRET 传感器主要由供体、
受体以及供受体之间的桥联基三部分构成。石墨烯材料可作为供体或受体之一，并由生物分子构建的桥联基调节荧光供体和受体之间的距离，通过体系荧光的变化实现对特定组分的检测。随着研究的深入，越来越多的生物分子的结构变化或反应被用作该传感器的桥联媒介。利用石墨烯材料优良的性质，可提高传感器的灵敏度；利用生物分子的特异性识别能力，可提高传感器的选择性。但是，石墨烯生物传感器仍存在一些不足，比如高盐浓度会引起石墨烯的聚集和沉淀，影响GO 表面电荷的排布，这些都是有待解决的问题。在今后的基于石墨烯的光学生物传感器的研究中，势必将发展更多省时省力的无标记检测方法。总之，基于石墨烯的光学生物传感器的应用是一个方兴未艾和值得高度重视的领域。
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971第2期高原等：基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展
081分析化学第41卷
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Development of Graphene-based Optical Biosensor
GAO Yuan1，LI Yan2，SU Xing-Guang*2
（1State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics，College of Electronic Science and Engineering，
2Department of Analytical Chemistry，College of Chemistry，Jilin University，Changchun130012，China）
Abstract Graphene and its derivatives have attracted extensive attentions due to their excellent and unique properties，and various graphene-based sensors have been developed．This article is focused on the applica-tions of graphene-based or graphene oxide-based optical biosensor，especially giving a detailed overview of fluorescence resonance energy transfer（FRET）and colorimetry biosensors．The underlying strategies and sensor characteristics were extensively discussed．
Keywords Graphene；Graphene oxide；Biosensor；Fluorescence resonance energy transfer；Review
（Received17July2012；accepted30September2012）
石墨烯研究现状及应用前景
石墨烯材料研究现状及应用前景 崔志强 （重庆文理学院材料与化工学院，重庆永川402160） 摘要：近几年来, 石墨烯材料以其独特的结构和优异的性能, 在化学、物理和材料学界引起了轰动。本文引用大量最新的参考文献,阐述了石墨烯的制备方法如机械剥离法、取向附生法、加热 SiC 法、爆炸法、石墨插层法、热膨胀剥离法、电化学法、化学气相沉积法、氧化石墨还原法、球磨法等，分析了各种制备方法的优缺点。论述了石墨烯材料在透明电极、传感器、超级电容器、能源储存、复合材料等方面的应用，同时简要分析了石墨烯材料研究的现实意义，展望了其未来的发展前景。 关键词：石墨烯材料；制备方法；现实意义；发展现状；应用前景 中图分类号: TQ323 文献标识码:A 文章编号: Research status and application prospect of graphene materials Cui Zhiqiang (Faculty of materials and chemical engineering, Chongqing Academy of Arts and Sciences, Yongchuan, Chongqing 402160) Abstract: In recent years, graphene has caused a sensation in chemical, physical and material science due to its unique structure and excellent properties. Cited in this paper a large number of the latest references, expounds the graphene preparation methods such as layer method, thermal mechanical stripping method, orientation epiphytic method, heating SiC method, explosion, graphite intercalation expansion stripping method, electrochemical method, chemical vapor phase deposition method, graphite oxide reduction method, ball milling method, and analyze the advantages and disadvantages of various preparation methods. This paper discusses the application of graphene materials in transparent electrodes, sensors, super capacitors, energy storage and composite materials, and briefly analyzes the practical significance of the study of graphene materials, and gives a prospect of its future development. Keywords: graphene materials; preparation methods; practical significance; development status; application prospect 0 引言 1985 年英美科学家发现富勒烯[1]和1991 年日本物理学家Iijima 发现碳纳米管[2]，加之英国曼彻斯特大学科学家于2004 年成功制备石墨烯[3]之后，金刚石（三维）、石墨（三维）、石墨烯（二维）、碳纳米管（一维）和富勒烯（零维）组成了一个完整的碳系材料“家族”。从理论上说，石墨烯是除金刚石外所有碳晶体的基本结构单元，如果从石墨烯上“剪”出不同形状的薄片，进一步就可以包覆成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管，堆叠成三维的石墨，如图1 所示[4]。由于石墨烯优异的电学、热学、力学性能，近年来各国科研人员对其的研究日益增长，已经是材料科学领域的研究热点之一。2010 年诺贝尔物理学奖揭晓[5-6]之后，人们对石墨烯的研究和关注越来越多，新的发现不断涌现。在不断深入研究石墨烯的制备方法和性质的过程中，其应用领域也在不断扩大。由于石墨烯缺乏带隙以及在室温下的超高电子迁移率、低于银铜的电阻率、高热导率[7]等，在光电晶体管、生化传感器、电池电极材料和复合材料方面有着很高
多孔石墨烯材料的研究进展
多孔石墨烯材料的研究进展 摘要：多孔石墨烯材料同时结合了石墨烯和多孔材料的优点，具有独特的二维结构及优异的理化性质，是一种具备巨大应用潜力的新型纳米碳质材料。然而单一的石墨烯材料很难充分满足各个领域的应用需求，且石墨烯片层容易堆叠和团聚，制约了其实际应用的发展。通过掺杂、改性、组装和复合等手段制备石墨烯衍生物及石墨烯纳米复合物等石墨烯基材料可以丰富并优化石墨烯的性质，拓展并提升石墨烯的性能，对于促进石墨烯的实际应用具有重大意义。作为一种新型石墨烯衍生物，多孔石墨烯以其二维片状结构、超高比表面积、开放的能带间隙、丰富的活性位点等特性吸引了研究者的很大关注。 关键词：石墨烯；杂化；石墨烯衍生物 引言 如果以化学家的视角将人类和世界写成一本书，碳元素必将会跻身关键词之列：从碳基生命到无机碳素，从史前壁画到太空天梯，从钻木取火到蒸汽革命，再从笔墨纸砚书酒花到柴米油糖酱醋茶，碳的身影无处不在，不可替代。作为世界上最为普遍和奇妙的元素，碳变化多端的魅力归因于其电子轨道杂化方式的多样性及其特殊的成键能力和成键方式。碳原子含有四个价电子，往往以sp，sp2和sp3等杂化形式构成具有不同性质的单质或化合物。以碳单质为例，碳元素存在多种结构、性质迥异的同素异形体。其中sp杂化形式的卡宾碳异常活泼，不易单独稳定存在；sp3杂化的金刚石稳定、超硬、价高，化学修饰较困难；sp2杂化的石墨、石墨烯化学修饰较易且具有独特的电子共轭体系，此外还存在杂化形式介于sp2杂化和sp3杂化之间的富勒烯及包含多种杂化形式碳原子的无定形碳等等。碳家族的众多成员极大丰富了碳质材料的性质，为其在各领域的广泛应用奠定了基础[1]。 1石墨烯及石墨烯基材料 石墨烯即单层或少层石墨薄片，是sp2杂化碳原子按照蜂窝状六元环结构排列而成的二维平面网络结构。2004年，曼彻斯特大学的Novoselov和Geim教授研究组利用机械剥离法成功得到独立存在的单原子层石墨烯，两位物理学家因这一开创性的发现在2010年共同获得诺贝尔物理学奖。然而当我们认真地追根溯源时，会发现石墨烯并非一颗横空出世的新星，围绕石墨烯的讨论已经在科学界
石墨烯性能简介
第一章石墨烯性能及相关概念 1 石墨烯概念 石墨烯（Graphene）是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。石墨烯狭义上指单层石墨，厚度为0.335nm，仅有一层碳原子。但实际上，10层以内的石墨结构也可称作石墨烯，而10层以上的则被称为石墨薄膜。单层石墨烯是指只有一个碳原子层厚度的石墨，碳原子-碳原子之间依靠共价键相连接而形成蜂窝状结构。完美的石墨烯具有理想的二维晶体结构，由六边形晶格组成，理论比表面积高达2.6×102m2 /g。石墨烯具有优异的导热性能(3×103W/(m?K))和力学性能(1.06×103 GPa)。此外，石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性，室温下的电子迁移率高达1.5×104 cm2 / (V·s)。石墨烯特殊的结构、突出的导热导电性能和力学性能，引起科学界巨大兴趣，成为材料科学研究热点。 石墨烯结构图
2 石墨烯结构 石墨烯指仅有一个原子尺度厚单层石墨层片，由 sp2 杂化的碳原子紧密排列而成的蜂窝状晶体结构。石墨烯中碳 -碳键长约为 0.142nm。每个晶格内有三个σ键，连接十分牢固形成了稳定的六边状。垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。石墨烯是石墨、碳纳米管、富勒烯的基本组成单元，可以将它看做一个无限大的芳香族分子，平面多环烃的极限情况就是石墨烯。 形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构，看上去就像一张六边形网格构成的平面。在单层石墨烯中，每个碳原子通过 sp2 杂化与周围碳原子成键给构整流变形，每一个六边单元实际上类似苯环，碳原子都贡献出个一个未成键电子。单层石墨烯厚度仅0.35nm ，约为头发丝直径的二十万分之一。 石墨烯的结构非常稳定，碳原子之间连接及其柔韧。受到外力时，碳原子面会发生弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力，从而保证了自身的结构稳定性。 石墨烯是有限结构，能够以纳米级条带形式存在。纳米条带中电荷横向移动时会在中性点附近产生一个能量势垒，势垒随条带宽度的减小而增大。因此，通过控制石墨烯条带的宽度便可以进一步得到需要的势垒。这一特性是开发以石墨烯为基础的电子器件的基础。
石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展
. . .. . . 报告题目：石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展 一、书目信息： 二、评分标准 1.格式规、容简明扼要。报告中引用的数据、观点等要注明出处20分 2. 报告结构合理，表述清晰20分 3. 石墨烯的结构、性能、制备方法概述正确、新（查阅5篇以上的文献）20分 4. 石墨烯的应用研究进展概述（文献）全、新（查阅5篇以上的文献）20分 5. 心得及进一步的研究展望真实，无抄袭与剽窃现象20分 三、教师评语 请根据写作容给定成绩，填入“成绩”部分。 注1：本页由报告题目、书目信息有学生填写，其余由教师填写。提交试卷时含本页。学生从第二页开始写作，要求见蓝色字体部分。 注2：“阅卷教师评语”部分请教师用红色或黑色碳素笔填写，不可用电子版。无“评语”视为不合规。注3：不符合规试卷需修改规后提交。 摘要 碳是自然界中万事万物的重要组成物质，也是构成生命有机体的主要元素。石墨和金刚石是两种典型的单质碳，也是最早为人们所熟知的两种碳的三维晶体结构，属于天然矿
密封线 石。除石墨和金刚石外，碳材料还包括活性炭、碳黑、煤炭和碳纤维等非晶形式。煤是重 要的燃料。碳纤维在复合材料领域有重要的应用。20 世纪80 年代，纳米材料与技术获得 了极大的发展。纳米碳材料也是从这一时期开始进入历史的舞台。1985 年，由60 个碳原 子构成的“足球”分子：C60被三位英美科学家发现。随后，C70、C86等大分子相继出现， 为碳家族添加了一大类新成员：富勒烯。富勒烯是碳的零维晶体结构，它们的出现开启了 富勒烯化学新篇章。三位发现者于1996 年获诺贝尔化学奖。1991 年，由石墨层片卷曲 而成的一维管状纳米结构：碳纳米管被发现。如今，碳纳米管已经成为一维纳米材料的典 型代表。发现者饭岛澄男于2008 年获卡弗里纳米科学奖。2004 年，一位新成员：石墨 烯，出现在碳材料的“家谱”中。石墨烯的发现者，两位英国科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）于2010 年获诺贝尔物理学 奖。 关键词：碳材料复合材料晶体结构 1 石墨烯的结构 石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 2 石墨烯的制备 2.1 物理法制备石墨烯 物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯。这些方法原料易得, 操作相对简单，合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少。 2.1.1机械剥离法 机械剥离法或微机械剥离法是最简单的一种方法，即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来。Novoselovt 等[1]于2004年用一种极为简单的微机械剥离法成功地从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯，验证了单层石墨烯的独立存在。具体工艺如下：首先利用氧等离子在 1 mm厚的高定向热解石墨表面进行离子刻蚀，当在表面刻蚀出宽20 μm—2 mm、深 5 μm的微槽后，用光刻胶将其粘到玻璃衬底上，再用透明胶带反复撕揭，然后将多余的高定向热解石墨去除并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声，最后将单晶硅片放入丙酮溶剂中，利用德华力或毛细管力将单层石墨烯“捞出”。 2.1.2取向附生法—晶膜生长
石墨烯材料的研究进展论文
石墨烯材料的研究进展 摘要：石墨烯是近年被发现和合成的一种新型二维碳质纳米材料。由于其独特的结构 和新奇的物化性能，在改善复合材料的热性能、力学性能和电性能等方面具有很大的潜力，已成为纳米复合材料研究的热点。综述了石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展，并对石墨烯纳米复合材料的发展前景进行了展望。 关键词：石墨烯；纳米复合材料；制备；应用 1，材料的基本情况 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，是构成其它碳同素异形体的基本单元。石墨烯的理论研究已有６０多年的历史，一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。２００４年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯。石墨烯的出现颠覆了传统理论，使碳的晶体结构形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 石墨烯的结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。石墨烯是构成石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯碳同素异形体的基本单元。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高于碳纳米管和金刚石，石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂，石墨烯是世界上导电性最好的材料。 常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 2，最热的应用合成 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域． 根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。最小最快石墨烯晶体管。2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。 石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由
石墨烯基础知识简介
1.石墨烯（Graphene）的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。C原子外层3个电子通过sp2杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。 如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。 图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。 图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。前两类具有
相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。 单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。 双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC 堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。 由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。这种微观褶皱在横向上的尺度在8~10nm 范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。 图1.3 单层石墨烯的典型构象 除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。 2.石墨烯的性质 2.1 力学特性
前沿讲座石墨烯研究进展
石墨烯 世界2010年最大的科学笑话？ 是“石墨薄片”获2010世界诺贝尔物理学奖? 获奖理由是说：获奖科学家用小学生使用的铅笔，在纸上涂抹下铅笔芯中的石墨粉，再用胶粘纸，进行反复粘贴，石墨粉变薄，而能创造出天下奇迹。也就是石墨粉越薄，强度越大，强得能超过钢铁100倍？越薄越能耐高温？越薄越有超导电性？而没有任何事实根据支持，竟然获奖。 “石墨薄片”获奖，被推荐和评选为2010世界最大笑的理由是：因为在宇宙间，在世界上找不到，永远也找不到，物质越薄，强度越大，越能耐高温，电阻越小的物质和事实存在,诺贝尔奖又是世界上的大事。而宇宙间有数不尽的大自然机器早已作了上百亿年的试验，证据事实数据堆山塞海。人类也进行了数不尽的物质材料验证实验，事实证据也无处不在。无不说明在地球上，人世间绝对没有，物质越薄强度越大……的物质和事实存在。难道宇宙和人类早已进行了千年，万年……. 的辛苦实验，还不如用铅笔在纸上毫无事实根据的胡乱画圈？而世界顶级的科学家们，则对大自然的事实视而不见，就此胡乱的相信和评选.....，还有我们更多无知的吹捧，难道不是天下的大笑话？如果您不相信可以去自作小学生的实验，去看一看变相批评瑞典皇家科学院，2010年物理学评审委员会的建议文章，就会更明白。当
然还有在自由的环境下，用“石墨诺贝尔笑话奖”这个题目就能看到成千上万的科学精英们，对此问题是怎么说的？又是怎么样去看？
科学家将石墨烯聚光能力提高20倍 据美国物理学家组织网8月30日报道，英国科学家表示，他们对石墨烯的最新研究表明，让石墨烯与金属纳米结构结合可将石墨烯的聚光能力提高20倍，改进后的石墨烯设备有望在未来的高速光子通讯中用作光敏器，让速度为现在几十倍的超高速互联网成为现实。相关研究发表于《自然—通讯》杂志上。 2010年，英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃谢洛夫因在石墨烯研究领域的突出贡献而荣膺诺贝尔奖。现在，他们和剑桥大学科学家做出了这项最新发现，为提高互联网和其他通讯设施的速度铺平了道路。 此前科学家们就发现，将两根紧密排列的金属丝放在石墨烯上方，用光照射于其上会产生电力，这个简单的设备其实是一个基本的太阳能电池。更重要的是，因为石墨烯内的电子拥有高流动性和高速度等独特属性，石墨烯设备处理数据的速度可能是目前最快的互联网光缆的几十倍甚至几百倍。 然而，迄今为止，这些极富应用潜力的设备在实用过程中一直遭遇聚光效率低下这一瓶颈，石墨烯只能吸收照射于其上的3%的光线来产生电力，其余光线全成了“漏网之鱼”。
石墨烯复合材料应用最新研究进展
2019年3月第46卷第3期 云南化工 Yunnan Chemical Technology Mar.2019 Vol.46，No.3 doi：10.3969/j.issn.1004-275X.2019.03.062 石墨烯复合材料应用最新研究进展 程扬帆 （湖北科技学院，湖北咸宁，437000） 摘要：介绍了石墨烯复合材料在国内外的应用前景及应用进展，着重介绍了利用石墨烯特性应用于电容储能、环境治理、导热散热性能和导电等多领域的研究。石墨烯复合材料的应用潜力巨大，具有非常广阔的市场前景。 关键词：石墨烯；复合材料；应用前景 中图分类号：TQ04文献标志码：A文章编号：1004-275X（2019）03-157-02 Recent Research Progress in the Application of Graphene Composites at Home and Abroad Cheng Yangfan (Hubei Institute of Science and Technology,Xianning,Hubei,437000) Abstract:This paper introduces the application p rospects and progress of graphene composites at home and abroad.It focuses on the application of graphene characteristics in capacitance energy storage, environmental management,thermal conductivity and heat dissipation,conductivity and other fields. Graphene composites have great potential and broad market prospects. Key words:Graphene;Compound material;Application prospect 1石墨烯复合材料及其应用前景 1.1定义与特性 石墨烯被称为“单层石墨片”。它是一种二维的结构，密集的碳原子与石墨的单原子层十分类似，是一种新型碳材料。石墨烯的多种优点造就它多种用途，比如它的比表面积大，可以用于吸附和环境治理；机械强度高可以用于航空航天等；载流子迁移率高可以用于半导体与电容等设备。应用的环境非常广泛，随着石墨烯新型材料国内外发展，石墨烯不但可以显著提升传统产业，还可以为高端制造业的发展提供推力。1.2国内外石墨烯复合材料发展趋势及应用前景 目前，世界上有很多关于石墨烯的讨论。2012年，有近2万篇关于石墨烯研究的论文被纳 入科学研究。中国和美国是前两个国家。与此同时，其他国家也积极参与石墨烯相关专利申请的布局。截至2013年6月，它已申请了3,000多项相关发明专利。从2006-2017年，国内和国际研究呈上升趋势。在“十一五”期间，石墨烯复合技术的发展还处于起步阶段，国内外研究的数量相对较少。在“十二五”期间，国外开展了研究，主要集中在石墨烯的制备和化合物的研究上。随后，石墨烯复合材料的研究进入了快速发展阶段。在过去两年中，研究数量已超过以前的总数。其中，国外研究数量急剧增加，工业化进程不断推进，国内则在重点领域不断扩展提升。 由于石墨烯的重要特性和巨大应用价值，全球多个国家将其定义到发展战略高度。比如亚太地区的日本和中国，美国、以及欧洲欧盟等区域国家。这其中不少国家投入的研究和开发金额达到十亿美元，专门用来研究用于石墨烯材料。美国科技发展战略同样包括石墨烯技术。各国企业也积极进行石墨烯产业的布局，相关开发和研究涉及多家公司，像比如洛克希德·马丁、波音、三星、IBM、杜邦、陶氏化学、索尼等巨头均在公司名单中[1]。 2石墨烯复合材料国内外应用进展 由于石墨烯具有多种独特的优点，将它作为复合材料的填充相，就可以增强材料的相应性能，这就为它的应用提供了多种方向。比如国内外相关研究应用于能量储存、液晶器件、电子器件，而在其他领域比如生物材料、传感材料和催化剂载体等也有较多的报道。随着对石墨烯复合材料研究的不断深入，它应用也越来越受到人们的重视。 2.1石墨烯储能复合材料应用 锂电池是当前用途最广泛的电池能源，锂电池整体性能提升的关键是开发新的电极材料。石墨烯作为一种新型碳质材料，加入到锂离子电池中能够大幅提高其导电性，因为它为锂离子电池解决了两个问题，大幅度提高能量密度与大幅度提高功率密度。相对应的，石墨烯就可以作为电池导电的添加剂了。国内也有报道将它作为复合电极材料的正负极[2]。 157--
石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展
石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展
姓名：学号： 20150700 密封线 报告题目：石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展 一、书目信息： 二、评分标准
姓名：学号： 20150700 密封线
姓名：学号： 20150700 密封线 2. 报告结构合理，表述清晰 20分 3. 石墨烯的结构、性能、制备方法概述正确、 新（查阅5篇以上的文献） 20分 4. 石墨烯的应用研究进展概述（文献）全、新 （查阅5篇以上的文献） 20分 5. 心得及进一步的研究展望真实，无抄袭与剽窃现象 20分 三、教师评语 请根据写作内容给定成绩，填入“成绩”部分。
密封线 注1：本页由报告题目、书目信息有学生填写，其余由教师填写。提交试卷时含本页。学生从第二页开始写作，要求见蓝色字体部分。 注2：“阅卷教师评语”部分请教师用红色或黑色碳素笔填写，不可用电子版。无“评语”视为不合规范。注3：不符合规范试卷需修改规范后提交。 摘要 碳是自然界中万事万物的重要组成物质，也是构成生命有机体的主要元 素。石墨和金刚石是两种典型的单质碳，也是最早为人们所熟知的两种碳的 三维晶体结构，属于天然矿石。除石墨和金刚石外，碳材料还包括活性炭、 碳黑、煤炭和碳纤维等非晶形式。煤是重要的燃料。碳纤维在复合材料领域 有重要的应用。20 世纪80 年代，纳米材料与技术获得了极大的发展。纳米 碳材料也是从这一时期开始进入历史的舞台。1985 年，由60 个碳原子构成 的“足球”分子：C60被三位英美科学家发现。随后，C70、C86等大分子相继 出现，为碳家族添加了一大类新成员：富勒烯。富勒烯是碳的零维晶体结构， 它们的出现开启了富勒烯化学新篇章。三位发现者于1996 年获诺贝尔化学 奖。1991 年，由石墨层片卷曲而成的一维管状纳米结构：碳纳米管被发现。 如今，碳纳米管已经成为一维纳米材料的典型代表。发现者饭岛澄男于2008 年获卡弗里纳米科学奖。2004 年，一位新成员：石墨烯，出现在碳材料的“家 谱”中。石墨烯的发现者，两位英国科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和 康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）于2010 年获诺贝尔物理 学奖。 关键词：碳材料复合材料晶体结构 1 石墨烯的结构 石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石
石墨烯材料研究进展
石墨烯材料研究进展 化学工程与工艺 0909403068 王月 摘要：石墨烯具有非凡的物理及电学性质，如高比表面积、高导电性、高机械强度、易于修饰及大规模生产等。2004年石墨烯的成功剥离，使石墨烯成为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，其产品研发和应用目前正在全球范围内急剧增加。本文通过对石墨烯的特性、制备和应用现状几方面进行了综述。 关键词：石墨烯制备应用进展 石墨烯是碳 原子紧密堆 积成单层二 维蜂窝状晶 格结构的一 种碳质新材 料，是构筑 零维富勒 烯、一维碳 纳米管、三 维体相石墨等sp2杂化碳（即碳以双键相连或连接其他原子）的基本结构单元，如图1所示。石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈〃海姆和康斯坦丁〃诺沃肖洛夫，
利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨 烯晶体，并发现了石墨烯载流子的相对论粒子特性，才引发石墨烯研 究热。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，人们发现，将石墨烯 引入工业化生产的领域已为时不远了[1]。 1石墨烯的特性 石墨烯是零带隙半导体，有着独特的载流子特性，为相对论力学 现象的研 究提供了一条重要 途径；电子在石墨 烯中传输的阻力很 小，在亚微米距离 移动时没有散射，具 有很好的电子传输 性质；石墨烯韧性 好，它们每100nm 距离上承受的最大 压力可达2.9N ［2］，是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。石墨烯特有的 能带结构使空穴和电子相互分离，导致了新电子传导现象的产生,如 量子干涉效应、不规则量子霍尔效应。Novoselov 等观察到石墨烯具 有室温量子霍耳效应，使原有的温度范围扩大了10倍。石墨烯在很 多方面具备超越现有材料的特性，具体如图 2 ［3］所示，日本企业的 一名技术人员形容单层石墨碳材料“石墨烯”是“神仙创造的材料”。 图2 石墨烯的特点
石墨烯在锂电池中的应用研究
LUOYANG NORMAL UNIVERSITY 2015届本科毕业论文 石墨烯在锂离子电池材料中的应用研究 院（系）名称化学化工学院 专业名称化学工程与工艺 学生姓名雷丙丽 学号110644058 指导教师刘丰讲师 完成时间2015年04月
石墨烯在锂离子电池材料中的应用研究 摘要：石墨烯是单原子层紧密堆积的一种特殊石墨材料，在电学、热学、力学等方面具有独特的构造和优良的功能，可以发挥其重要的作用。因为石墨烯具有较高的电导率、超大的比表面积、高的化学稳定性等优良的化学和物理特性，所以它在锂离子电池材料中的研究引起了人们的广泛关注。文章不仅综述了石墨烯的结构和制备工艺以及改性方法，而且介绍了石墨烯作为锂离子电池材料的最新研究进展，还分析了石墨烯各制备和改性方法对锂离子电池材料的影响，并对石墨烯在锂离子电池材料中应用的发展趋势进行了展望。 关键词：石墨烯；锂离子电池材料；电化学 The application of graphene in lithium-ion battery materials research Abstract：Graphene is a single atomic layer close packing of a kind of special graphite material, such as electrical, thermal and mechanical aspects has unique structure and excellent performance, can play its important role. Because of properties of high electrical conductivity, large surface area, and chemical stability, graphene holds great promising for potential applications in electrode materials for lithium-ion battery, it is in the lithium-ion battery materials research has attracted widespread attention. Article summarizes the modification of graphene and graphene is introduced as a new research progress of the lithium-ion battery materials, graphene is analyzed the influence of the preparation and applications of graphene in lithium-ion battery material development trend is prospected. Keywords：graphene; the modification of graphene; lithium—ion battery material 1 引言 近几年来，为了进一步实现可持续发展，锂离子电池受到人们的普遍关注，世界
石墨烯的研究进展概述
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/8b10096751.html, 石墨烯的研究进展概述 作者：兰耀海 来源：《建材发展导向》2014年第03期 摘要：由于石墨烯具有独特的结构和优越的性能，现己逐渐应用于电子材料、薄膜材 料、储能材料、液晶材料、催化材料等先进的功能材料领域。石墨烯复合材料是石墨烯应用研究中的重要领域，近年来已成为材料研究的热门领域。文章主要对石墨烯的物理化学性质、制备方法、石墨烯复合材料以及应用领域进行简单总结，并对未来石墨烯复合材料的发展做一展望。 关键词：石墨烯；复合材料；研究进展 1 石墨烯的物理化学性质 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直到2004年，英国科学家成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在。石墨烯具有特殊的单原子层结构和奇特的物理性质：强度达130GPa、热导率约5000J/（m·K·S），禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×105cm2/（V·s），具有极高的透明度（约为97.7%）、表面积的理论计算值为2630m2/g，石墨烯的杨氏模量（1100GPa）和断裂强度（125GPa）与碳纳米管相当，它还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列优良性质。 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收大约2.3%的光。石墨烯的物理性能优越可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，这赋予石墨烯良好的导电性。 2 石墨烯的制备方法 自从2004年曼彻斯特大学的研究小组发现了单层及薄层石墨烯以来，石墨烯的制备引起学术界的广泛关注。由于二维晶体结构在有限温度下是极不稳定，而考察石墨烯的基本性质并充分发挥其优异性能需要高质量的单层或薄层石墨烯，这就要求寻找一种石墨烯的制备方法来满足日益增长的研究及应用需求。 目前石墨烯的制备方法主要划分为三类：第一类为化学剥离法，这种方法通过制备氧化石墨作为前躯体，使用化学还原，溶剂热还原，热膨胀还原等手段得到对应的石墨烯。第二类为
石墨烯传感器研究进展
石墨烯传感器的研究进展 摘要 本文论述了石墨烯电化学和生物传感器的研究进展，包括石墨烯的直接电化学基础、石墨烯对生物小分子的电催化活性、石墨烯酶传感器、基于石墨烯薄膜 和石墨烯纳米带的实用气体传感器（可检测Ｏ 2、ＣＯ和ＮＯ 2 ）、石墨烯ＤＮＡ传 感器和石墨烯医药传感器（可用于检测扑热息痛）。 2004年，英国曼彻斯特大学ＡｎｄｒｅＫ．Ｇｅｉｍ等以石墨为原料，通过微机械力剥离法得到一系列叫作二维原子晶体的新材料———“石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）”。 石墨烯是碳纳米材料家族的新成员，具有二维层状纳米结构，室温下相当稳定。由于在石墨烯中碳原子呈ｓｐ２杂化，贡献剩余一个ｐ轨道上的电子形成了大π键，π电子可以自由移动，使石墨烯具有优良的导电性、新型的量子霍尔效应以及独特的超导性能。石墨烯对一些酶呈现出优异的电子迁移能力，并且对一些小分子（如H2O2、ＮＡＤＨ）具有良好的催化性能，使其适合做基于酶的生物传感器，即葡萄糖传感器和乙醇生物传感器。在电化学中应用的石墨烯大部分都是由还原石墨烯氧化物得到的，也称为功能化石墨烯片或者化学还原石墨烯氧化物，这种物质通常有较多的结构缺陷和官能团，在电化学应用上具有优势。 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。 １石墨烯的电化学基础 为了更好地了解碳材料在电化学领域的应用，有必要研究决定碳电极的几种重要参数的基本电化学行为，即电化学位窗口、电子迁移速率、氧化还原电位等。 ＺｈｏｕＭｉｎｇ等报道称石墨烯在０．１ｍｏｌ／ＬＰＢＳ（ｐＨ为７．０）中具有大约２．５Ｖ的电化学电位窗口，这与石墨、玻碳、甚至掺杂硼的金刚石电极相似，但是，从交流阻抗谱来看，石墨烯对电荷迁移的阻力比石墨和玻碳电极对电荷迁移的阻力小。 Ｔａｎｇ等通过氧化还原电对的循环伏安法研究了石墨烯的电子迁移行为，如具有良好氧化还原峰的３－／４－和３＋／２＋。在循环伏安法中所有阴阳两极的峰值电流都与扫描速率的平方根呈线性关系，表明石墨烯电极的氧化还原过程主要是由扩散控制的。在ＣＶｓ（循环伏安法）中，石墨烯中一个电子迁移的氧化还原电对的峰值电位差（ΔＥｐ）非常低，很接近于５９ｍＶ的理想值，比玻碳电极的小很多；另外，３－／４－的峰值电位差为６１．５～７３ｍＶ
我国石墨烯材料应用研究进展和发展前景
我国石墨烯材料应用研究进展和发展前景我国石墨烯材料应用研究进展和发展前景 中国粉体技术网 2015-09-21 11:55:24 阅读(620) 评论(0) 声明：本文由入驻搜狐媒体平台的作者撰写，除搜狐官方账号外，观点仅代表作者本人，不代表搜狐立场。举报 导读：手机充电只需几秒钟？史上最薄电灯泡？光驱动飞行器？关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中，似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。石墨烯这种二维碳材料引起l人们的广泛关注。那么近几年来我国石墨烯研究进展和发展前景又如何呢？ 手机充电只需几秒钟？史上最薄电灯泡？光驱动飞行器？关于石墨烯非凡应用的新闻不断出现在人们的视野当中，似乎石墨烯已经成为了无所不能的超级材料。2004年
英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖以来，石墨烯这种二维碳材料开始引起人们的广泛关注。那么近几年来我国石墨烯研究进展和发展前景又如何呢？ “重庆造“石墨烯安全手机获2万套订单 继今年3月全球首批量产石墨烯手机在重庆市问世后，“重庆造”石墨烯手机又有新产品。重庆墨希科技有限公司（以下简称重庆墨希科技）与重庆华森心时代实业公司（以下简称华森心时代）日前签订《石墨烯商务安全手机采购协议》，根据协议，华森心时代计划向重庆墨希科技采购价值3800万元的2万套石墨烯商务安全手机。 根据相关公告显示，这批石墨烯手机是符合国家保密局等保四级标准的硬件加密安全手机。其机型名为“LT521”，是一款5.5寸全高清屏的五模4G手机，采用了石墨烯触控屏、石墨烯导热膜及石墨烯电池，采购单价为1900元/套，配置方面与目前市场上主流的安卓智能手机差不多。据了解，华森心时代采购的这批手机将主要面向金融业、政府部门和商务高端人士销售。 今年3月，重庆墨希科技发布全球首批量产石墨烯手机时表示，由于采用石墨烯触摸屏、石墨烯电池和石墨烯导热
基于石墨烯吸波材料的研究进展
Material Sciences 材料科学, 2018, 8(3), 222-234 Published Online March 2018 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/8b10096751.html,/journal/ms https://https://www.wendangku.net/doc/8b10096751.html,/10.12677/ms.2018.83024 Research Progress of Microwave Absorbing Materials Based on Graphene Xingjun Lv, Yingrui Wu, Hang Li, Wei Li School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning Received: Mar. 2nd, 2018; accepted: Mar. 21st, 2018; published: Mar. 28th, 2018 Abstract Graphene, as a new type carbon material, due to its excellent physical and chemical properties, has become a research focus. In this paper, the electromagnetic wave absorbing properties and mechanism of graphene composites are reviewed. The development of graphene based composite absorbing materials is expected. Keywords Graphene, Absorbing Material, Composite 基于石墨烯吸波材料的研究进展 吕兴军，武应瑞，李航，李威 大连理工大学土木工程学院，辽宁大连 收稿日期：2018年3月2日；录用日期：2018年3月21日；发布日期：2018年3月28日 摘要 石墨烯作为一种新型的碳材料，由于其优良的物理化学性能成为研究的热点。本文综述了石墨烯复合材料的电磁波吸收性能和机理等，并对石墨烯基复合吸波材料的发展做了展望。 关键词 石墨烯，吸波材料，复合材料