碳纳米管赋能新一代传感技术：前沿进展与未来展望
2025-06-28 09:18:04 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文全面概述了基于碳纳米管的传感器的最新进展，包括单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。研究人员探讨了碳纳米管在各种传感应用中的功能作用，包括气体传感、化学检测、生物传感、压力和应变监测。
碳纳米管（CNT）因其独特的结构、电学和力学性能，已成为传感技术中至关重要的纳米材料。碳纳米管具有高长径比、卓越的比表面积、优异的电导率以及化学可调性，使其在多种传感平台中具备卓越的灵敏度和快速响应能力。
据麦姆斯咨询报道，近日，韩国岭南大学（Yeungnam University）的研究团队在Chemosensors期刊上发表了题为“Unlocking the Future: Carbon Nanotubes as Pioneers in Sensing Technologies”的综述论文，全面概述了基于碳纳米管的传感器的最新进展，包括单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。研究人员探讨了碳纳米管在各种传感应用中的功能作用，包括气体传感、化学检测、生物传感和压力/应变监测。
该综述强调了碳纳米管的传感机制，例如电导率变化、表面吸附现象、分子识别和压阻效应。此外，该综述还探讨了通过表面功能化、混合材料集成和纳米结构设计等提高灵敏度和选择性的策略。文中还涵盖了阻碍商业化部署的可重复性、选择性和可扩展性的挑战。最后，研究人员对基于柔性和可穿戴碳纳米管的传感器等新兴方向及其在实时环境、生物医学和结构健康监测系统中的作用进行了综合分析。通过概述当前的进展和现有的局限性，该综述强调了碳纳米管在跨学科领域的下一代传感技术设计中的变革潜力。
图1 基于碳纳米管的传感应用
碳纳米管的特性
碳纳米管是一种完全由排列成六边形晶格的碳原子组成的圆柱形纳米结构，类似于卷起的石墨烯片。根据石墨烯层数的不同，碳纳米管主要分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。碳纳米管的长度可以从几微米到数毫米不等，赋予其极高的长径比，这是其在传感应用中至关重要的特性之一。
碳纳米管的一个显著特性是其手性（chirality），即石墨烯片卷曲时所形成的角度。手性会显著影响碳纳米管的电学特性，从而将其分为金属性或半导体性。总之，碳纳米管的结构特征，包括其手性、长径比、缺陷密度和构型，在决定其是否适用于各种传感应用方面起着至关重要的作用。先进的合成技术和后功能化方法持续发展，以针对特定传感器设计优化这些结构属性。
图2 多壁碳纳米管原子结构的示意图
碳纳米管具有卓越的电学和力学性能，使其成为传感技术领域最具前景的材料之一。其独特的一维（1D）结构以及sp²杂化的碳–碳键结构赋予其优异的性能表现，超越了许多传统纳米材料。
碳纳米管的类型及其应用
单壁碳纳米管是一类独特的碳纳米材料，由单层石墨烯片卷曲形成无缝的圆柱结构，其直径通常在0.4至3纳米之间，长度可达数微米甚至数毫米。
多壁碳纳米管由多层同心卷曲的石墨烯片组成，层与层之间的间距约为0.34纳米，呈现类似俄罗斯套娃式的嵌套圆柱结构。这种多层结构是多壁碳纳米管区别于单壁碳纳米管的显著特征，使其具有优异的机械强度、化学稳定性以及可调的电学特性，适用于多种传感平台。多壁碳纳米管的典型直径范围为2纳米至100多纳米，其长度可根据合成方法的不同延伸至数微米。多层石墨烯壁不仅增强了多壁碳纳米管的机械强度，还提供了更大的比表面积，从而在传感过程中能与目标分析物产生更高效的相互作用。
研究人员对单壁碳纳米管和多壁碳纳米管在传感应用中的性能作了比较分析。
图3 单壁碳纳米管和多壁碳纳米管在传感应用中的比较分析及碳纳米管的轨道结构
基于碳纳米管的传感器
由于碳纳米管独特的物理化学特性，包括其高比表面积、优异的电导率以及化学可调性，基于碳纳米管的气体传感器在近年取得了显著进展。目前，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管均已被用作有毒气体检测中的活性传感元件。其准一维结构有助于电子沿管轴方向的弹道式输运，一旦气体分子在碳纳米管表面发生吸附或扰动，就会显著改变其电学特性。这种变化通常表现为电阻或电流的变化，从而实现对气体的实时检测。
图4 基于差分微波的气体传感器工作机制的示意图
碳纳米管因其优异的灵敏度、选择性和快速响应时间，已成为开发化学传感器极具前景的材料。碳纳米管在检测化学污染物方面的一项关键优势在于其能够通过多种机制与目标分子发生相互作用，例如物理吸附、化学吸附或电荷转移过程。这些相互作用会引起碳纳米管电学特性的变化，例如电导率或电阻的变化，这些变化可以被轻松检测并与污染物的浓度相关联。
图5 基于碳纳米管的化学电阻式传感器架构示意图
研究人员还在该综述中介绍了基于碳纳米管的生物传感器、压力和应变传感器的研究进展。
基于碳纳米管的传感技术的进展
基于纳米结构碳纳米管传感器的进步正在彻底革新传感技术领域，特别是在提升灵敏度和检测限方面表现突出。碳纳米管本身所具有的一维结构、纳米级直径、超大比表面积以及卓越的电导率，使其成为高性能传感器的理想材料。然而，为了进一步优化其传感性能，研究人员对碳纳米管的纳米结构配置进行了大量探索，例如排列阵列、分级架构以及混合纳米复合材料等。这些结构设计显著提升了碳纳米管在多种应用中的灵敏度和选择性。
图6 MWCNT/SnO₂纳米线异质结传感器的制备工艺及其电子结构示意图
小结
综上所述，该综述全面探讨了碳纳米管的基本性质、类型、传感机制以及在不同传感器平台中的广泛应用，包括气体传感器、化学传感器、生物传感器、压力和应变传感器。在最初的部分，该综述强调了单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的结构独特性，说明了它们在结构、电学特性和在各种传感平台中的适用性方面的差异。文中还探讨了基于碳纳米管的传感的基本机制，包括电导率、表面吸附相互作用、光学响应和分子识别能力的变化。
在应用方面，碳纳米管在检测NO₂、NH₃和CO等有毒气体的气体传感器以及用于污染物环境监测和工业安全系统的化学传感器中表现出卓越的性能。此外，基于碳纳米管的生物传感器在检测葡萄糖、DNA、蛋白质和各种疾病生物标志物等生物分子方面显示出巨大的潜力，使其成为医学诊断的关键组成部分。将碳纳米管传感器集成到智能、可穿戴设备和物联网（IoT）平台的新兴趋势为实时健康监测和环境监测提供了令人兴奋的前景。
然而，尽管取得了上述的显著进展，但功能化稳定性、现实条件下的灵敏度限制、成本效益、制造技术的可扩展性以及潜在的环境或毒理学问题等挑战仍然是广泛商业化的重大障碍。未来的研究必须通过新型材料工程、可持续生产方法和全面的生物相容性评估来解决这些局限性。总之，基于碳纳米管的传感技术有望在医疗保健、环境监测、工业安全和可穿戴电子产品等领域推动下一代传感器发展与应用的变革。
论文链接：https://doi.org/10.3390/chemosensors13070225
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