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作 者

薛红蕾、高婉硕、高建委、Grégory F. Schneider（荷兰）、王琛、符汪洋

机 构

清华大学

Citation

Xue H L, Gao W S, Gao J W, Schneider G F, Wang C, Fu W Y. 2023. Radiofrequency sensing systems based on emerging two-dimensional materials and devices. Int. J. Extrem. Manuf.5032010.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/acd88d

撰稿 | 文章作者

01

文章导读

射频（radiofrequency, RF）技术在无线（wireless）通信与传感领域扮演着至关重要的角色。而二维（two-dimensional, 2D）材料具有优异的电学性质，能与射频电路完美整合。同时，其所有原子裸露在外，对外界环境变化极度敏感，在传感器领域展现出巨大潜力。近期，清华大学大学材料学院、先进材料教育部重点实验室的符汪洋副教授、王琛副教授、薛红蕾博士生、高婉硕博士生，和荷兰莱顿大学Grégory F. Schneider教授和高建委博士生在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表题为《Radiofrequency sensing systems based on emerging two-dimensional materials and devices》的综述，系统介绍了二维材料在射频生物化学传感领域的应用前景和挑战，主要涵盖了：1. 基于谐振电路的传感方案；2. 二维材料的独特性质及其在射频传感中的应用；3. 高灵敏二维射频生化传感器的发展与前景。图1为我们展示了基于二维材料的射频传感器的材料选择，目标检测物，以及基于谐振电路的测试信号。图2提供了近年来二维射频生物化学传感器发展的详细脉络。这无疑为物联网（Internet-of-Things, IoT）时代的需求开启了新的可能性和潜力。

关键词

射频传感；二维材料；生化检测

亮 点

  • 基于射频技术实现生物化学传感的电路基础；

  • 二维材料在射频传感电路中的重要作用及意义；

  • 二维射频传感平台在实际应用中的挑战，及其未来的发展潜力。

图1基于二维材料的射频传感器示意图。

图2基于二维材料的射频传感器的发展脉络。经许可转载，版权所有（2014）Elsevier， （2010）WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim，（2013） Springer Nature Customer Service Centre GmbH：Nature, Nature Communications，（2016）Elsevier，（2017） Springer Nature Customer Service Centre GmbH：Nature, Nature Communications，（2019） WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim，(2020) American Chemical Society，(2021) Elsevier，（2022）Springer Nature Customer Service Centre GmbH: Nature, Nature Communications，（2022） Wiley-VCH GmbH。

02

研究背景

自1980年以来，无线射频技术的出现显著提升了传感器在实际应用场景中的便利性。如今，无线射频检测系统，如基于LC谐振器和射频识别（RFID）技术等的设备，顺应了物联网快速发展的需求，已成为我们日常生活中不可或缺的元素。然而，现行广泛使用的射频传感技术主要是基于物理量的测量。为了构建实现面向包括食品安全、环境监测、生命科学研究和医学诊断等领域的射频传感平台，我们必须关注于优化生物化学传感功能材料的灵敏度和兼容性问题。在2004年发明石墨烯的机械剥离法以来，二维材料凭借其优越的物理和化学特性，成为构建高灵敏电子传感器的理想组成部分。得益于二维材料优异的机械特性，超薄二维柔性生化传感器能够与生物组织的曲面紧密结合，适合于可穿戴设备的制造。近年来，由于在高质量大面积化学气相沉积以及丝网印刷技术方面取得的进展，二维材料和器件制造变得更为经济高效，从而为其长期应用带来了希望。到目前为止，二维材料已成为集成射频电路和传感应用的理想选择。本篇综述概述了二维射频传感器机制，并对当前基于二维材料和器件的射频传感系统的趋势和挑战进行了深入的探讨和评估。

03

最新进展

本篇综述总结了二维射频生物化学传感器的最新进展，深入探讨了基于二维材料的射频传感机制。

1. 二维射频传感的工作机制与电路基础

当前研究主要集中在基于阻抗监测的二维射频传感器。目标分子吸附于二维材料表面并与其发生包括场效应、电荷转移、电容效应等在内的相互作用，从而对二维材料的电学特性产生调制（图3a，b），并为谐振电路所感知和读取。此外，零差/外差探测器是一种可以减少噪声干扰和提高灵敏度的快速有效的传感方案，可对吸附于表面的极性分子的偶极矩产生响应，而非极性分子的信号可以忽略不计（图3c）。

图3二维射频传感的传感机制。(a) 牙齿上的电阻器型无线细菌传感器。（上图）电感电容（LC）并联谐振电路，（下图）其对细菌浓度的线性电阻响应。经许可转载，版权所有，2013Springer Nature。(b) 量子电容葡萄糖无线传感器。（上图）石墨烯变容器-电感串联的LC电路，（下图）对葡萄糖含量变化的电容响应。经许可转载，版权所有，2017American Chemical Society。(c) 石墨烯外差谐波检测器。（左图）外加交流电场下，分子偶极子电子云（蓝色）与石墨烯表面的相互作用，以及实时的极性分子监测（右图）。经许可转载，版权所有，2014Springer Nature。

2. 二维材料在射频传感中的特性与应用

二维材料具有独特的物理和化学特性，特别是其所有原子裸露在外，对环境变化极为敏感，在射频生物化学传感领域有着广阔的应用前景。例如，石墨烯射频生物化学传感器（图4），过渡金属二硫化物（TMDs）射频传感器（图5），二维金属氧化物射频传感器以及二维过渡金属碳（氮）化物MXenes射频传感器（图6）。

图4石墨烯生物化学射频传感器。（a）用于葡萄糖检测的石墨烯可变电容器示意图。(b) 葡萄糖浓度引起的量子电容变化。经许可转载，版权所有，2017American Chemical Society。(c) 用于细胞因子检测的石墨烯场效应晶体管。(d) 1L-6在人体唾液中的实时监测响应。经许可转载，版权所有，2019Elsevier。(e) 智能、可穿戴的多功能隐形眼镜，用于慢性眼表炎症（OSI）的检测和治疗。(f) OSI阳性组（黑色）、自然愈合组（蓝色）和进行了快速OSI恢复处理实验组（红色）在治疗前（第1天）和治疗后（第4天、第7天），对MMP-9的无线检测。经许可转载，版权所有，2021American Association for the Advancement of Science。

图5TMDs无线传感器。（a）MoSe2可穿戴NO2无线传感器。经许可转载，版权所有，2019John Wiley and Sons。(b) SnS2纳米片NO2无线传感器。经许可转载，版权所有，2017Elsevier。(c) TMDs神经探针。经许可转载，版权所有，2022John Wiley and Sons。(d) 基于MoS2-SWCNT协同作用的实时无线乙烯探测。经许可转载，版权所有，2020American Chemical Society。

图6新兴的层状金属氧化物在无线传感器系统中的应用。(a) 二维金属氧化物合成方法。经许可转载，版权所有，2021Elsevier。(b) CuO-SWCNT协作工作用于无线H2S检测。经许可转载，版权所有，2016Elsevier。(c) GO/TiO2（左图）和GO/NiO（右图）尿素无线生物传感器的响应。经许可转载，该文是一篇开放获取文章，采用创作共用署名(CC BY)许可分发。(d) 增强型室温MXene/SnO2异质结氨气检测。经许可转载，版权所有， 2021Elsevier。

04

未来展望

物联网日新月异的发展加速了二维射频生物化学传感器在可穿戴电子、环境监测和临床诊断等多种应用场景中的快速发展。已有多类石墨烯及其衍生物、TMDs、MXene以及二维金属氧化物等在无线传感系统中脱颖而出。同时，得益于二维范德华材料的层状结构，我们可通过采用多样化的制备方法和合适的异质结构来显著改善其性能。这一切都为二维射频生物化学传感器的产业化铺平了道路。然而，长远来看，二维射频传感平台从实验室到生产链的转化，依然面临着巨大挑战。如何将二维传感器、电源设备、远程通信系统以及用户友好的读出软件整合到一个综合系统中，以及实现该系统的规模化产业制造，是一个复杂而繁琐的任务，仍有待我们的深入研究和不懈探索。

05

作者简介

符汪洋 副教授

清华大学

符汪洋是清华大学材料学院副教授。先后在清华大学材料学院获学士学位，中国科学院物理研究所获博士学位。回国前曾获德国洪堡学者（2014），瑞士 APM 学者（2015），荷兰 Veni 学者（2015）。入选中组部海外人才项目（2018）等。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金委面上项目、北京市科技计划等多项。研究重点围绕着利用新材料、新原理开发面向医学检测的生物化学传感器展开，在《Sci. Adv.》、《Nat. Commun.》、《Nano Lett.》、《Adv. Mater.》、《Nature》等期刊上发表论文60余篇，并申请发明专利10余项。先后荣获多次“中关村新兴领域专题赛”优胜奖，日内瓦国际发明展评审团特别嘉许金奖等，受邀担任《Materials Futures》期刊青年编委等。

范德华异质结的制备与应用

《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）是极端制造领域的首本国际期刊，致力于发表极端制造相关领域的高质量最新研究成果，文章形式主要为原创性和综述性文章。目前该刊共设四大栏目：材料与能场相互作用、工艺方法、极端功能材料/结构/器件、测量与系统。IJEM现已被SCI、EI、Scopus、CNKI等数据库收录。2023年JCR影响因子14.7，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区，TOP期刊。同时入选“中国最具国际影响力学术期刊”（TOP 5%）。钻石开放获取，免收作者版面费，双匿评审。

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撰稿：作者 编辑：范珂艳 审核：关利超