1.3 石墨烯应用于传感器领域的优势
就传感应用而言，石墨烯具有比表面积大、灵敏度高、响应时间快、重复性好、性能稳定等优良特征。目前，基于石墨烯的传感器多种多样，主要包括力学传感器、气体传感器、湿度传感器、温度传感器、生物传感器、光学传感器、离子传感器等。石墨烯用于传感器的优势总结如下。
①石墨烯在室温下具有优良的导电性和很低的热噪声，且其高比表面积和原子级厚度使整个碳原子直接与分析物接触。因此，对目标物质[气体（O2，COx，NOx等），生物（DNA，病毒、细菌等）或化学分子（流体中的各种离子或化学物质）]吸附在其表面时产生的电子扰动高度敏感。这保证了基于石墨烯的传感器具有极高的灵敏度。而传统的固态分子探测器，由于其表面的热波动和缺陷引起的噪声远远大于单个分子的影响，因此探测精度无法达到单个分子水平。2007年，曼彻斯特大学的Novoselov研究小组制造了石墨烯气体传感器，实现了单个NO2和NH3气体分子的检测，传感器的检测分辨率达到了单分子尺度。
②石墨烯具有机械柔韧性和极薄的厚度，其可与复杂待测物体表面保形地亲密接触，例如皮肤、大脑、眼睛，保证了其获得高质量信号的同时而无刺激、运动伪影或干扰。
③在生物传感器方面，电极与生物分子之间能否进行有效的电荷传递对开发生物传感器十分重要。石墨烯在生物传感器中的优越性能，例如高比表面积、方便的功能化、宽的电位窗、快电子传输速率及生物相容的结构，使得受体[例如酶、抗体和脱氧核糖核酸（DNA）]可以有效地固定在生物传感器上（图1.6），被用于直接或间接检测生物小分子、蛋白质标定、DNA检测、细胞检测等领域。
图1.6 基于石墨烯的纳米电子生物传感器[18]
④在光学传感器中，石墨烯吸收光的波长范围很广，其在300～2500nm波段，吸收光谱平坦。如此大的能量覆盖范围对应于较宽的电磁光谱范围（从远红外到紫外线），这使得石墨烯成为一种十分理想的广谱光电探测器的敏感材料。石墨烯及其氧化物具有很多特殊的光学性能及光敏特性，可用于荧光传感器等领域。
⑤石墨烯易于从尺度、形貌、成分等多种角度对其结构、性质进行调控，且可与其他功能材料优势互补，形成新型复合材料和新型智能结构。与传统块体材料相比，石墨烯的合成和制备工艺简单，对设备的要求不高，且可供调控的性质多样，变化范围大。这赋予了石墨烯根据应用需求进行便捷调控的能力。例如，在应变传感器中，诸如检测极限、量程、灵敏度和循环稳定性之类的属性对于传感器的应用至关重要。通过灵活地设计石墨烯材料及其结构，获得的传感器可同时满足高灵敏、大量程、高稳定、柔性化和空间适应性等综合性需求。
⑥石墨烯可进行官能化处理，具有丰富的衍生物类型，支持与任意基材的自由结合。这种固有的可集成性很容易使集成的传感器件性能受益于石墨烯及其范德华异质结的有趣特性和功能。
⑦石墨烯面外方向上的超薄几何形状导致强烈的量子约束，从而产生了许多以体积形式不存在的、前所未有的物理特性，给新型传感器的开发带来了新的机遇。
⑧除了作为敏感材料以外，石墨烯还可以作为传感器的电极材料。归因于稳定的物理化学性质、良好的室温导电性、良好的可拉伸性和柔性，可克服传统金属电极变形能力不足的缺点，为开发高性能穿戴式传感器的电极材料提供了新的途径。
⑨石墨烯将使传感器更小更轻，还可变身为曲面，具有与生物互联的特点，对开发健康检测类可穿戴设备具有积极的推动作用。使用石墨烯作为传感器，可以监测和扫描人类的生理状态甚至神经系统，以开发移动健康类的监测设备及应用，有望极大地改变人类的生活方式。