对于单分子气体检测或探测，需提高传感器锁钥类型结合位点对众多分析物的选择敏感度，包括化学试剂甚至生物物种。

6.1.11.1 生物传感器

石墨烯独特的化学、光学、电学和电化学特性使其成为制造生物传感器[莫哈蒂等（Mohanty et al.），2008；邵等（Shao et al.），2010；单等（Shan et al.），2010；周等（Zhou et al.），2009]的绝佳材料，可用于探测酶[单等（Shan et al.），2009；宋等（Song et al.），2010]和脱氧核糖核酸（DNA）低聚物[唐等（Tang et al.），2010]、分析脱氧核糖核酸（DNA）[何等（He et al.），2010；陆等（Lu et al.），2009]、探测活细胞中分子原位探测[王等（Wang et al.），2010]、检测核酸[尼尔逊等（Nelson et al.），2010]和凝血酶[常等（et al.），2010]。科学家在这一方面的努力取得了丰硕的成果，包括强化单链脱氧核糖核酸（ssDNA）中核苷酸碱基的结合能力。这种结合能力在脱氧核糖核酸（DNA）杂交成为双股脱氧核糖核酸（dsDNA）后会被削弱。科学家们利用这种现象和石墨烯的荧光猝灭能力研发出了石墨烯基脱氧核糖核酸（DNA）传感器[巴拉帕鲁鲁等（Balapanuru et al.），2010]。示例如下：

1）检测脱氧核糖核酸（DNA）。由于氧化石墨烯可溶于水，氧化石墨烯多色脱氧核糖核酸（DNA）探测器可用于探测溶液中的脱氧核糖核酸（DNA）。这些探测器探测速度快、敏感度高，能够在溶液中有选择地探测脱氧核糖核酸（DNA）[何等（He et al.），2010]。

2）检测细菌。用石墨烯探测细菌、脱氧核糖核酸（DNA）和蛋白质[莫哈蒂等（Mohanty et al.），2008]的设备已问世。

3）传送寡核苷酸。科学家们正尝试用石墨烯将寡核苷酸（分子信标和寡核苷酸适配子）传送至活细胞中，用以原位探测生物分子[王等（Wang et al.），2010；陆等（Lu et al.），2010]。

4）传感生物分子。科学家们还尝试将石墨烯复合材料应用于电化学传感生物分子中，如葡萄糖[刘等（Liu et al.），2010]、脱氧核糖核酸（DNA）和蛋白质[曾等（Zeng et al.），2010]等。由于超高比表面积和高电子迁移率，石墨烯设备的灵敏度非常高。

虽然目前已研发出了许多高检测灵敏度的石墨烯生物传感器，人们依然面临许多有待解决的问题，如石墨烯传感器的批次质量差异、可靠性和再现性等。

然而拥有大比表面积、高导电性、轻薄质地、高强度的石墨烯必然有助于研发快速有效的生物电传感装置，用以监控葡萄糖、血红素、胆固醇等生物分子，甚至脱氧核糖核酸（DNA）测序。

6.1.11.2 气体传感器

石墨烯具有高比表面积，并可掺杂各种阳离子和阴离子。这一特性使石墨烯可用作气体传感器。石墨烯能吸收大量气体，被吸收的气体会改变表面态的浓度，表面态浓度的变化反过来会改变石墨烯的表面电阻。因此，这使得衡量电阻的变化成为可能，探测范围也可得以扩展，如可探测到浓度为10^-9～10^-6的二氧化氮（NO₂）和氨气（NH₃）。科学家们通过图形化石墨烯提高了石墨烯片的灵敏度，从而增大了石墨烯的活性比表面积，也因而扩大了探测范围。

6.1.11.3 化学传感器

石墨烯还可用于化学传感器，这主要是由于石墨烯具有以下有利的特性。

1）由于具有高比表面积，石墨烯或氧化石墨烯能够检测出浓度为10^-9～10^-6的化学物质。

2）石墨烯的电学和力学特性可调节以适应传感信号转导的需求。

3）通过聚合物、金属或其他改性剂而实现的石墨烯官能化有助于石墨烯与特定分子进行相互作用，提高传感器的选择性。

4）石墨烯的机械强度不会影响其二维离域传输特性。(www.daowen.com)

5）由于石墨烯具有高导电性，在分子相互作用的过程中一个轻微的变化都会导致载流子（电子）浓度发生重大变化。因此，石墨烯能够极其精确地探测出浓度为10^-9～10^-6的分子。

6）石墨烯单晶可与四种探测器同时使用，从而将接触电阻产生的影响减至最小。

7）石墨烯及氧化石墨烯的生产成本低廉。

单层石墨烯的内表面没有悬键。为了提高石墨烯表面靶分子的化学吸附性，石墨烯需与聚合物、金属和其他合适的改性剂进行官能化，以增强靶标生物的吸附性能，这会引起量化分析物浓度的电阻发生变化。

探索石墨烯沉积基底在调整石墨烯特性方面的重要作用不失为一件趣事。例如：沉积在碳化硅（SiC）上的单层石墨烯与具有低载流子浓度的N型半导体的性能相似，这是由于电子是从碳化硅转移至石墨烯上的。相反，沉积在碳化硅上的多层石墨烯则类似于载流子浓度相对较高的P型半导体。另一个例子是负载钯（Pd）的石墨烯。负载钯的石墨烯能检测出合成气中体积分数为0.5%～1%的氢，而纯石墨烯对氢的敏感度较弱。因此，研究基底可能造成的影响及其在协助引导石墨烯和基底间电子流方向的作用是十分必要的。此外，还须了解石墨烯上吸附的金属/离子或聚合物在试验中对石墨烯与分子之间相互作用的影响，即测试分子是否能与吸附在石墨烯上的材料形成某类特定的化合物。

6.1.11.4 压力传感器

由于具有高载流子迁移率和杨氏模量等特性，石墨烯是制造纳米电子机械系统（NEMS）的良好材料。石墨烯能在自身不破裂的情况下再延展20%。气体（包括氦气）无法透过石墨烯，因而利用石墨烯片可检测气体压力。石墨烯受到施加应力时会产生电势，因此可用作压阻材料，这意味着石墨烯片受压时会产生电子信号，从而测试施压强度。为此，将石墨烯沉积于类似二氧化硅、氮化硅甚至某些聚合物等适合的基底上。研究表明，石墨烯每单位面积的灵敏度是传统压阻传感器材料的20～100倍。

压阻式膜基压力传感器的灵敏度与施压强度、电阻、施加的电压有关，即

S=[V₀-V_P]/V₀P （6.1）

式中，S表示灵敏度；V₀表示起始施加电压；V_P表示施压P后的电压。

在这一测量方法中，将恒定电流施加于石墨烯片，由于其自身电阻会导致一些电压的产生。这些电压会随着施加于石墨烯片的压力而不断产生。因此，科学家们描绘出了（V₀-V_P）和外加电压之间的参照图。

6.1.11.5 应变计

石墨烯的压阻特性可用于制造应变式传感器。石墨烯片会沉积在二氧化硅等合适的基底上。图6.3所示为石墨烯应变计的原理图。通过对沉积在基底上的石墨烯片施加应力可测量产生的电阻，且电阻（δ_R）和机械应力（ε）之间的变化关系也可测量出来。应变系数（G_F）的计算公式为G_F=（δR/R）/ε应变系数显示电学位移对机械变形的灵敏度。

图6.3 石墨烯应变计的原理图

此设备可用于检测基础设施的变形或结构变化，也可用于检测人体内部的活动。由于其良好的力学特性，石墨烯应变传感器的应用前景广阔，可应用于包括人体诊断等各个方面。鉴于石墨烯的高透光率，其还可用于制造触摸屏。据估计，石墨烯应变传感器的市值能达到45亿美元。