为什么石墨烯可用于生物传感器设计

一、简介：

      生物传感器是一种对生物质敏感并将其浓度或特 征信息转化为电信号进行检测的仪器，具有选择 性好、灵敏度高、分析速度快的特点。随着智能设备的兴起，生物传感器在人类日常生活中发挥的作用日益显著，例如人脸识别、语音识别、指纹识别等等，通过感应人体身体的变化来控制仪器。手机 IR 孔便是众多生物传感器中的一种，通过感应人体的红外线变化，控制手机的屏幕，让手机更加智能 化的为人类服务。手机IR孔其实是指手机上面红外线测试孔，一般在手机正上方，外观为一个黑色圆孔。 

       手机 IR 孔其实是一个距离传感器，利用感应生物体红外线（IR）来实现距离的感应。当我们拿起手机贴在耳朵旁接听电话时，这个时候手机屏幕会自动黑屏，避免因勿碰而随机拨出电话或者启动某个应用程序。当手机离开耳朵时，手机屏幕又会自动变亮，可以正常操作手机。这主要是通过感应人身体的发出的红外线来实现，这就需要手机 IR 孔能通过红外线，同时不透过紫外线及可见光，通过光线的变化来控制屏幕的亮度。 在手机 IR 孔生产过程中，需要测试 IR 孔不同波长的透过率便于质控。一般选用 550nm、850nm 和 940nm 几个测试波长位置。欧美标准一般测试 550nm 和 850nm 两个波长的透过率，而日韩标准一般选用 550nm 和 940nm 两个波长的透过率。一般质控要求手机 IR 孔 850nm 处的透光率达到 80% 以上， 550nm 处透过率低于 15%，这样才能使手机 IR 孔能感受到红外线的变化，同时又不受可见光的干扰。

二、硬件配置 

       PerkinElmer Lambda 950 紫外可见近红外分光光度计， 150mm 高反射率 Spectralon 涂层积分球，仪器见图 1。

       样品一般为片状小孔，测试样品反射时，除了镜面反射， 还会存在大量漫反射信号；测试样品透射时，除了垂直透射信号，也会存在大量散射信号。若采用标准检测器时， 只能收集其中一部分光，无法检测到散射信号，测试结 果不准确。此时采用积分球检测器，可以收集样品反射或者透射所有光谱信号，测试结果更加准确，见图 2。

图2 标准检测器（上）和积分球检测器（下）测试光路图

       对于紫外积分球检测器，其内壁涂层以及积分球尺寸直接影响到测试效果。常见积分球内壁涂层有氧化镁、硫 酸钡、特氟龙涂层，其中氧化镁和硫酸钡涂层反射率低， 长期稳定性差，无法解决长期使用后发黄变性的问题。 图 3 可以看出氧化镁和硫酸钡涂层在 1600nm 以上反射率低，不适用此近红外波段测试。而 PerkinElmer 积分球检测器采用特氟龙涂层，光反射率高，全波段反射率波动不大，长期稳定性好。另外积分球孔径越大，入射光窗口 / 内表面积比越小，即开孔率越小，光损失越小， 测试效果更佳。PerkinElmer 150mm 特氟龙涂层积分球， 反射率高，测试结果更加准确。

图3 积分球不同涂层反射率光谱图

       PerkinElmer Lambda 950 双光束紫外 - 可见分光光度计采 用 150mm 内径特氟龙涂层积分球检测器，光反射率高， 长期稳定性好，不会出现变黄变性的问题；同时积分球开 孔率小，光损失小，测试结果更加准确。该仪器双光束、 双单色器设计，超低杂散光，杂散光仅为 0.00007% T， 波长准确度及精密度高，Z大测试吸光度为 8A（OD 8）， 样品测试结果更加准确，仪器光路图见图 4。

图 4 PerkinElmer Lambda 紫外 - 可见分光度计仪器及积分球

三、样品测试

       3.1 测试条件

       测试波长：1000-400nm；波长间隔 5nm，积分时间 0.3S，

       测试透射率 T%。

       3.2 测试过程

       测试时，无需前处理，扫面空气背景后，将样品固定在仪器入射口，测试样品 400-1000nm 下透射曲线，得到样品在不同波长下的透射率值，谱图见图 5。同一样品多次测试，其透射率曲线完全重合，仪器测试重复性高，稳定性好，谱图见图 6。

图5 手机 IR 孔测试谱图

图 6 手机 IR 孔 3 次测试谱图

四、结论 

       PerkinElmer Lambda 系列分光光度计配置 150mm 积分 球检测器，具有测试准确、操作简单等优势；积分球检测器采用特氟龙材质涂层，反射率高、光能量损失小，测试准确性及稳定性高；特氟龙涂层化学稳定性好，长期不老化，不怕酸碱；150mm 积分球开孔率小，测量精度高。

作者：钱程 PerkinElmer Inc.Guangzhou, China