生物、化學和物理信息的實時檢測對于醫學診斷和環境監測具有重要的意義。因此，迫切需要開發具有多種功能的高性能傳感器以滿足信息時代的要求。石墨烯是一種具有二維結構的獨特材料，已被證明是機械應力和應變、生化物質以及氣體、溫度和濕度傳感器的理想候選材料。
激光直寫石墨烯（LSG）用于應力、生物、氣體、溫度和濕度傳感器
迄今為止，石墨烯的常規制備方法主要包括機械剝離（ME）、化學氣相沉積（CVD）、外延生長（EG）和氧化石墨烯還原（rGO）等。然而，機械剝離法效率較低，化學氣相沉積法和外延生長法能耗高且價格昂貴，而氧化還原法在制備石墨烯過程中會造成環境污染。因此，一種可以避免這些缺點的石墨烯制備方法引起了人們的極大興趣，激光直寫（LDW）技術由于具有選擇性和局部還原、精確和快速的圖案化以及無需掩模和額外的化學品等優勢，近年來廣受關注。激光直寫技術利用激光照射碳前驅體，并通過原位直寫即可制備石墨烯，因此無污染。
據麥姆斯咨詢報道，近期，來自上海理工大學和昆士蘭科技大學的研究團隊在Light: Advanced Manufacturing期刊發表了一篇題為“Laser-Scribed Graphene for Sensors: Preparation, Modification, Applications and Future Prospects”的綜述文章，介紹了現有的激光直寫石墨烯（LSG）技術在傳感器應用方面的最新進展及未來展望。
LSG制備方法
利用激光直寫技術可以通過兩種方法制備LSG：激光還原氧化石墨烯和激光誘導石墨烯。第一種方法是使用飛秒激光照射還原石墨烯以制備LSG。第二種方法是通過激光照射聚合物前驅體（例如聚酰亞胺和酚醛樹脂）以及天然材料（例如紙張和木材）來制備LSG。通過調節激光參數、控制大氣條件和摻雜等方法可以改變LSG的表面形態和性能。激光參數包括激光功率、掃描速度和脈沖重復率。較高的掃描速度和脈沖重復率以及潮濕環境可以改善LSG的表面親水性。摻雜可以提高基于LSG的傳感器的檢測范圍和靈敏度，例如，在摻雜劑和LSG之間建立導電通道會增加微裂紋數量和電阻，從而分別提高了應力和應變傳感器的性能。
LSG在各類傳感器中的應用
研究人員從設計靈敏度高、檢測范圍廣、響應時間快、重復性好的傳感器策略出發，重點介紹了LSG在應力、生物、氣體、溫度、濕度和多功能集成傳感器中的應用。應力傳感器通過將力信號轉換成電信號以進行檢測，由于LSG具有出色的機械強度和導電性，可以響應各種形式的外部施加應力，并將其轉換為電信號進行檢測。生物傳感器通過將生物或生化反應轉換為物理化學信號以進行分析，LSG由于具良好的有電催化活性和強吸附能力，可靈敏地檢測葡萄糖、多巴胺、過氧化氫、核酸和胰島素等離子和生物分子。LSG還可以用于氣體、溫度和濕度等環境變化的檢測。LSG中大量的三維微納多孔結構為氨、氫等氣體檢測提供了更多的活性位點和擴散路徑。LSG具有高耐磨性和快速響應時間，石墨烯電阻和溫度之間呈負指數關系，因此可用作為溫度傳感器以實時監測體溫和電池溫度的變化。LSG和氧化石墨烯的組合對濕度變化的敏感性明顯高于其他功能導電材料，因為LSG的孔隙率提高了氧化石墨烯的親水性。除了典型傳感器之外，在結合了兩個或多個物理或生物信號檢測的多功能集成傳感器中，LSG可以幫助實現更全面和準確的檢測，例如與生化、溫度和應變傳感器集成，用于汗液中的尿酸和酪氨酸檢測。
基于LSG的傳感器未來展望
研究人員稱，雖然基于LSG的傳感器具有很多優點，但仍存在一些挑戰和進一步發展的空間。在LSG制備方面，需要繼續研究新的前軀體，以提高生產效率和對生化物質的粘附能力，同時改善相關缺陷。在提高傳感器性能方面，可以通過優化設計LSG表面微結構和摻雜以提高應力傳感器性能，可以采用電化學測試來分析生物傳感器，并結合超細激光光刻技術以最大限度地提高LSG結構的比表面積。基于對激光物質相互作用機理的深入研究以及激光誘導結構精確控制技術的發展，研究人員期望激光直寫技術可以擴展到其它靈敏度更高、檢測范圍更廣、響應時間更快、重復性更好的材料和傳感器中。
論文鏈接：
https://doi.org/10.37188/lam.2023.011
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