综述：基于激光诱导石墨烯的气体传感器最新研究进展
2026-02-07 16:24:30 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文系统回顾了基于激光诱导石墨烯（LIG）的气体传感器技术，剖析了LIG及其纳米复合材料的气敏机制，着重强调了无线及独立式气敏平台在可穿戴传感器中的应用潜力，并展望了基于LIG的气体传感器未来发展方向。
气体传感器在人体健康监测中发挥着关键作用，可用于对一氧化碳（CO）、二氧化氮（NO₂）以及多种挥发性有机化合物（VOCs）等有害气体进行早期检测与持续监测。将气体传感器集成至可穿戴健康设备中，有助于实现健康状态的实时感知与主动管理。然而，现有柔性气体传感器的制备工艺复杂，制约了其规模化生产。近年来，具有高度多孔结构和丰富活性位点的激光诱导石墨烯（LIG），开始成为极具潜力的新型气敏材料。基于LIG的气体传感器展现出卓越的通用性，是多种气体检测应用的理想选择，其对氮氧化物（NOₓ）等一类有害空气污染物的高灵敏度、高选择性检测能力，为空气质量实时监测、排放控制及环境保护开辟了新的路径。
据麦姆斯咨询报道，近期，美国宾夕法尼亚州立大学程寰宇研究团队在Advanced Science期刊上发表了题为“Recent Advances in Laser-Induced Graphene-Based Gas Sensors: From Sensing Mechanisms to Biomedical Applications”的综述文章，系统回顾了基于激光诱导石墨烯（LIG）的气体传感器技术，剖析了LIG及其纳米复合材料的气敏机制，着重强调了无线及独立式气敏平台在可穿戴传感器中的应用潜力，并展望了基于LIG的气体传感器未来发展方向，展示了其在革新气敏技术、应对环境与人体健康挑战方面的巨大潜力。
图1 基于LIG的可穿戴气体传感器在人体健康监测中的应用
通用气体传感方法
气体传感方法依赖多种不同的作用机制，具体取决于传感材料、信号转换原理以及敏感层与目标气体分子之间的相互作用。与传统气体传感机制（例如光学式、电化学式、量热式、声表面波式、化学电阻式等）相比，基于LIG的气体传感器在室温工作能力、机械柔性以及可调控的表面化学特性等方面展现出独特优势，能够有效突破传统气体传感技术的多项瓶颈。
（1）基于LIG的气体传感机理
基于LIG的气体传感行为可通过其能带调制机制来解释，包括本征p型LIG、n型掺杂LIG以及基于LIG的p–n异质结结构。
图2 基于LIG的气体传感机制
除化学电阻型气敏机制外，LIG固有的自热特性及其衍生的热电阻行为，还可用于检测高热导率气体（例如烟道气中的N₂和CO₂）。这种热电阻型机制为气体检测提供了一种替代路径，将LIG的应用范围从单纯的吸附驱动型化学电阻传感拓展至更广泛的领域。
（2）LIG的结构与物理化学性能表征
在理解和优化气体传感应用的多孔LIG性能方面，表征起着至关重要的作用，它还提供了有关其结构、形态和性能的重要见解。
图3 LIG的结构与性能特征
（3）基于LIG的NOₓ气体传感器的性能
气体传感技术在环境与人体健康监测及保护中发挥着关键作用。通过准确检测并量化空气中的污染物、有害物质等各类气体，气体传感器可为空气质量评估、环境法规合规性检测以及人体有害暴露防护提供宝贵数据支撑。由于NOₓ对人体健康和生态环境均具有显著危害性，对其进行可靠的实时监测与早期预警具有重要意义。三维多孔LIG卓越的物理化学特性，使其成为NOₓ气体传感的理想候选材料。
图4 基于LIG的NOₓ气体传感器
（4）其它基于LIG的气体传感器
通过调控基于LIG的气体传感器的表面特性，不仅可实现对NOₓ的高效检测，还在氨气（NH₃）、挥发性有机化合物、湿度、氢气（H₂）等多种气体的检测中展现出巨大应用潜力。
图5 用于检测NH₃、H₂和湿度的基于LIG的气体传感器
除灵敏度、检测限和响应动力学特性外，基于LIG的气体传感器的长期运行稳定性，也是其实现实际应用必须重点考量的关键因素。为解决这一挑战，研究人员已提出多种优化策略，包括表面工程、物理隔离（例如引入膜结构）、工作参数调制以及湿度补偿等方法。这些策略有助于在提升灵敏度的同时显著增强传感器的长期稳定性。
（5）气体传感器中的膜结构策略
呼出气体中较高的相对湿度给气体检测带来了显著挑战，其根本原因在于水分子吸附会严重影响敏感层的反应活性，这一影响在亲水性LIG中尤为突出。尽管超疏水涂层可赋予传感器优异的防水性能，但往往会降低气体渗透性，并引发耐久性问题。相比之下，在LIG敏感区域引入半透性聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，可通过其硅氧烷主链（Si-O）为NOₓ分子提供有效的扩散通道。
图6 基于LIG的气体传感器的膜结构应用策略
（6）面向远程应用的下一代独立式基于LIG的气体传感器
基于LIG的气体传感器在构建面向环境与人体健康的全方位远程监测系统方面展现出巨大潜力。无线供能与数据通信技术是该类远程监测系统的核心支撑，各类无线通信技术可实现设备的无缆线数据交互，具体包括：基于电磁波的蓝牙技术、采用网状网络架构的ZigBee技术、基于无线电波实现短距离非接触式信息识别的射频识别（RFID）技术，以及基于电磁感应原理的近场通信（NFC）技术。
图7 下一代解耦型气体传感器与独立式气体传感器示意图
结论与未来展望
LIG作为一种高度敏感和选择性的活性材料，可用于连续气体监测应用。基于LIG的气体传感器具备低成本、可规模化生产、实时监测等优势，非常适用于公共健康监测设备。然而，基于LIG的气体传感器在可植入器件领域的研究仍处于空白阶段，而该领域有望为血管舒张、神经递质以及呼吸系统等生理参数的监测开辟全新应用场景。可植入器件面临的主要难题之一是需要通过多次手术完成器件的植入与取出。近十年来，瞬态电子器件的概念应运而生，其可通过被动或主动方式随时间自行降解，从而避免二次手术，为基于LIG的可植入传感器的发展提供了新的技术路径。
目前，大多数气体传感器仅专注于单一气体（例如NOₓ、NH₃或H₂）的检测，难以实现类似人体鼻腔的多气体协同检测功能。为突破这一局限，可开发“电子鼻（E-nose）”系统：通过传感器阵列收集不同温度下多种气体的响应信号，结合机器学习技术解析传感器数据，实现多气体的解卷积识别与浓度量化。
图8 稳健且智能化气体传感的实现策略
要实现真正可部署的无线传感系统，目前主要有两大发展策略：（1）将主动无线通信模块集成到传统电路中；（2）开发无源或自供电传感平台。每种策略都具有独特优势和实际应用限制。集成主动无线模块（例如蓝牙、ZigBee）可实现实时、高带宽数据传输，适用于农业、工业安全、环境监测等分布式网络，但其功耗较高，需优化电源管理与电磁屏蔽。相比之下，NFC、RFID或太阳能辅助平台等无源无线方案具有超低功耗特性，甚至无需电池，维护成本低，但无源系统也存在固有挑战，包括传输距离短、易受环境干扰，以及天线—传感器协同设计复杂等挑战。
综合来看，LIG在降低制造成本、提升环境稳定性、支持大面积部署以及加速数字化集成等方面具备显著优势，未来有望真正打通从实验室演示到工业级传感基础设施之间的鸿沟。
论文信息：https://doi.org/10.1002/advs.202521138
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