Review
Free Access
Graphene Based Electrochemical Sensors and Biosensors: A Review
Yuyan Shao,
Jun Wang,
Hong Wu,
Jun Liu,
Ilhan A. Aksay,
Yuehe Lin,
Yuyan Shao
Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA
Search for more papers by this authorJun Wang
Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA
Search for more papers by this authorHong Wu
Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA
Search for more papers by this authorJun Liu
Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA
Search for more papers by this authorIlhan A. Aksay
Department of Chemical Engineering, Princeton University, Princeton, NJ 08544 USA
Search for more papers by this authorYuehe Lin
Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA
Search for more papers by this authorYuyan Shao,
Jun Wang,
Hong Wu,
Jun Liu,
Ilhan A. Aksay,
Yuehe Lin,
Yuyan Shao
Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA
Search for more papers by this authorJun Wang
Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA
Search for more papers by this authorHong Wu
Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA
Search for more papers by this authorJun Liu
Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA
Search for more papers by this authorIlhan A. Aksay
Department of Chemical Engineering, Princeton University, Princeton, NJ 08544 USA
Search for more papers by this authorYuehe Lin
Pacific Northwest National Laboratory, Richland WA 99352, USA
Search for more papers by this authorFirst published: 18 May 2010
Citations: 2,799
Abstract
Graphene, emerging as a true 2-dimensional material, has received increasing attention due to its unique physicochemical properties (high surface area, excellent conductivity, high mechanical strength, and ease of functionalization and mass production). This article selectively reviews recent advances in graphene-based electrochemical sensors and biosensors. In particular, graphene for direct electrochemistry of enzyme, its electrocatalytic activity toward small biomolecules (hydrogen peroxide, NADH, dopamine, etc.), and graphene-based enzyme biosensors have been summarized in more detail; Graphene-based DNA sensing and environmental analysis have been discussed. Future perspectives in this rapidly developing field are also discussed.
References
- 1 A. K. Geim, K. S. Novoselov, Nat. Mater. 2007, 6, 183.
- 2 T. Seyller, A. Bostwick, K. V. Emtsev, K. Horn, L. Ley, J. L. McChesney, T. Ohta, J. D. Riley, E. Rotenberg, F. Speck, Phys. Stat. Sol. B, Basic Solid State Phys. 2008, 245, 1436.
- 3 C. N. R. Rao, A. K. Sood, K. S. Subrahmanyam, A. Govindaraj, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 7752.
- 4 A. K. Geim, Science 2009, 324, 1530.
- 5 S. Park, R. S. Ruoff, Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 217.
- 6 M. Pumera, Chem. Rec. 2009, 9, 211.
- 7 J. Hass, W. A. de Heer, E. H. Conrad, J. Phys. Cond. Matter 2008, 20, 27.
- 8 M. D. Stoller, S. J. Park, Y. W. Zhu, J. H. An, R. S. Ruoff, Nano Lett. 2008, 8, 3498.
- 9 E. Yoo, J. Kim, E. Hosono, H. Zhou, T. Kudo, I. Honma, Nano Lett. 2008, 8, 2277.
- 10 D. H. Wang, D. W. Choi, J. Li, Z. G. Yang, Z. M. Nie, R. Kou, D. H. Hu, C. M. Wang, L. V. Saraf, J. G. Zhang, I. A. Aksay, J. Liu, ACS Nano 2009, 3, 907.
- 11 B. Seger, P. V. Kamat, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 7990.
- 12 R. Kou, Y. Y. Shao, D. H. Wang, M. H. Engelhard, J. H. Kwak, J. Wang, V. V. Viswanathan, C. M. Wang, Y. H. Lin, Y. Wang, I. A. Aksay, J. Liu, Electrochem. Commun. 2009, 11, 954.
- 13 E. Yoo, T. Okata, T. Akita, M. Kohyama, J. Nakamura, I. Honma, Nano Lett. 2009, 9, 2255.
- 14 Y. C. Si, E. T. Samulski, Chem. Mater. 2008, 20, 6792.
- 15 Y. M. Li, L. H. Tang, J. H. Li, Electrochem. Commun. 2009, 11, 846.
- 16 X. Wang, L. J. Zhi, N. Tsao, Z. Tomovic, J. L. Li, K. Mullen, Angew. Chem.-Int. Ed. 2008, 47, 2990.
- 17 J. B. Wu, H. A. Becerril, Z. N. Bao, Z. F. Liu, Y. S. Chen, P. Peumans, Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 263302.
- 18 Z. Liu, J. T. Robinson, X. M. Sun, H. J. Dai, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 10876.
- 19 H. Chen, M. B. Muller, K. J. Gilmore, G. G. Wallace, D. Li, Adv. Mater. 2008, 20, 3557.
- 20 C. S. Shan, H. F. Yang, J. F. Song, D. X. Han, A. Ivaska, L. Niu, Anal. Chem. 2009, 81, 2378.
- 21 Z. J. Wang, X. Z. Zhou, J. Zhang, F. Boey, H. Zhang, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 14071.
- 22 C. H. Lu, H. H. Yang, C. L. Zhu, X. Chen, G. N. Chen, Angew. Chem. Int. Ed.t. 2009, 48, 4785.
- 23 Y. Wang, J. Lu, L. H. Tang, H. X. Chang, J. H. Li, Anal. Chem. 2009, 81, 9710.
- 24 A. A. Balandin, S. Ghosh, W. Z. Bao, I. Calizo, D. Teweldebrhan, F. Miao, C. N. Lau, Nano Lett. 2008, 8, 902.
- 25 R. F. Service, Science 2009, 324, 875.
- 26 C. Lee, X. D. Wei, J. W. Kysar, J. Hone, Science 2008, 321, 385.
- 27 K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Science 2004, 306, 666.
- 28 Y. Hernandez, V. Nicolosi, M. Lotya, F. M. Blighe, Z. Y. Sun, S. De, I. T. McGovern, B. Holland, M. Byrne, Y. K. Gun'ko, J. J. Boland, P. Niraj, G. Duesberg, S. Krishnamurthy, R. Goodhue, J. Hutchison, V. Scardaci, A. C. Ferrari, J. N. Coleman, Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 563.
- 29 M. Lotya, Y. Hernandez, P. J. King, R. J. Smith, V. Nicolosi, L. S. Karlsson, F. M. Blighe, S. De, Z. M. Wang, I. T. McGovern, G. S. Duesberg, J. N. Coleman, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3611.
- 30 A. B. Bourlinos, V. Georgakilas, R. Zboril, T. A. Steriotis, A. K. Stubos, Small 2009, 5, 1841.
- 31 X. L. Li, G. Y. Zhang, X. D. Bai, X. M. Sun, X. R. Wang, E. Wang, H. J. Dai, Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 538.
- 32 W. A. de Heer, C. Berger, X. S. Wu, P. N. First, E. H. Conrad, X. B. Li, T. B. Li, M. Sprinkle, J. Hass, M. L. Sadowski, M. Potemski, G. Martinez, Solid State Commun. 2007, 143, 92.
- 33 K. V. Emtsev, A. Bostwick, K. Horn, J. Jobst, G. L. Kellogg, L. Ley, J. L. McChesney, T. Ohta, S. A. Reshanov, J. Rohrl, E. Rotenberg, A. K. Schmid, D. Waldmann, H. B. Weber, T. Seyller, Nat. Mater. 2009, 8, 203.
- 34 E. Rolling, G. H. Gweon, S. Y. Zhou, B. S. Mun, J. L. McChesney, B. S. Hussain, A. Fedorov, P. N. First, W. A. de Heer, A. Lanzara, J. Phys. Chem. Solids 2006, 67, 2172.
- 35 C. Berger, Z. M. Song, X. B. Li, X. S. Wu, N. Brown, C. Naud, D. Mayo, T. B. Li, J. Hass, A. N. Marchenkov, E. H. Conrad, P. N. First, W. A. de Heer, Science 2006, 312, 1191.
- 36 P. W. Sutter, J. I. Flege, E. A. Sutter, Nat. Mater. 2008, 7, 406.
- 37 K. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, J. H. Ahn, P. Kim, J. Y. Choi, B. H. Hong, Nature 2009, 457, 706.
- 38 A. Reina, X. T. Jia, J. Ho, D. Nezich, H. B. Son, V. Bulovic, M. S. Dresselhaus, J. Kong, Nano Lett. 2009, 9, 30.
- 39 X. S. Li, W. W. Cai, J. H. An, S. Kim, J. Nah, D. X. Yang, R. Piner, A. Velamakanni, I. Jung, E. Tutuc, S. K. Banerjee, L. Colombo, R. S. Ruoff, Science 2009, 324, 1312.
- 40 A. Dato, V. Radmilovic, Z. H. Lee, J. Phillips, M. Frenklach, Nano Lett. 2008, 8, 2012.
- 41 A. N. Obraztsov, Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 212.
- 42 S. Stankovich, D. A. Dikin, R. D. Piner, K. A. Kohlhaas, A. Kleinhammes, Y. Jia, Y. Wu, S. T. Nguyen, R. S. Ruoff, Carbon 2007, 45, 1558.
- 43 S. Gilje, S. Han, M. Wang, K. L. Wang, R. B. Kaner, Nano Lett. 2007, 7, 3394.
- 44 D. Li, M. B. Muller, S. Gilje, R. B. Kaner, G. G. Wallace, Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 101.
- 45 X. B. Fan, W. C. Peng, Y. Li, X. Y. Li, S. L. Wang, G. L. Zhang, F. B. Zhang, Adv. Mater. 2008, 20, 4490.
- 46 H. C. Schniepp, J. L. Li, M. J. McAllister, H. Sai, M. Herrera-Alonso, D. H. Adamson, R. K. Prud'homme, R. Car, D. A. Saville, I. A. Aksay, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 8535.
- 47 R. L. McCreery, Chem. Rev. 2008, 108, 2646.
- 48 C. E. Banks, T. J. Davies, G. G. Wildgoose, R. G. Compton, Chem. Commun. 2005, 829.
- 49 I. Dumitrescu, P. R. Unwin, J. V. Macpherson, Chem. Commun. 2009, 6886.
- 50 J. Wang, Electroanalysis 2005, 17, 7.
- 51 S. N. Kim, J. F. Rusling, F. Papadimitrakopoulos, Adv. Mater. 2007, 19, 3214.
- 52 K. Balasubramanian, M. Burghard, Anal. Bioanal. Chem. 2006, 385, 452.
- 53 Q. Zhao, Z. H. Gan, Q. K. Zhuang, Electroanalysis 2002, 14, 1609.
- 54 J. Wang, M. Musameh, Y. H. Lin, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 2408.
- 55 J. Wang, Y. H. Lin, Trac – Trends Anal. Chem. 2008, 27, 619.
- 56 G. G. Wildgoose, C. E. Banks, R. G. Compton, Small 2006, 2, 182.
- 57 K. P. Gong, F. Du, Z. H. Xia, M. Durstock, L. M. Dai, Science 2009, 323, 760.
- 58 Y. Y. Shao, J. H. Sui, G. P. Yin, Y. Z. Gao, Appl. Catal. B, Environ. 2008, 79, 89.
- 59 Y. Y. Shao, J. Liu, Y. Wang, Y. H. Lin, J. Mater. Chem. 2009, 19, 46.
- 60 Y. Y. Shao, R. Kou, J. Wang, C. M. Wang, V. Viswanathan, J. Liu, Y. Wang, Y. H. Lin, J. Nanosci. Nanotechnol. 2009, 9, 5811.
- 61 K. P. Gong, Y. M. Yan, M. N. Zhang, L. Su, S. X. Xiong, L. Q. Mao, Anal. Sci. 2005, 21, 1383.
- 62 I. Willner, Y. M. Yan, B. Willner, R. Tel-Vered, Fuel Cells 2009, 9, 7.
- 63 W. Z. Li, C. H. Liang, W. J. Zhou, J. S. Qiu, Z. H. Zhou, G. Q. Sun, Q. Xin, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 6292.
- 64 Y. H. Lin, X. L. Cui, X. R. Ye, Electrochem. Commun. 2005, 7, 267.
- 65 Y. Y. Shao, G. P. Yin, Y. Z. Gao, P. F. Shi, J. Electrochem. Soc. 2006, 153, A1093.
- 66 Y. Wang, Y. M. Li, L. H. Tang, J. Lu, J. H. Li, Electrochem. Commun. 2009, 11, 889.
- 67 S. Alwarappan, A. Erdem, C. Liu, C. Z. Li, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 8853.
- 68 A. Barth, W. Marx, Arxiv preprint 2008, arXiv:0808.3320v3, in press.
- 69 M. Segal, Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 611.
- 70 C. E. Banks, A. Crossley, C. Salter, S. J. Wilkins, R. G. Compton, Angew. Chem.-Int. Edit. 2006, 45, 2533.
- 71 V. C. Tung, M. J. Allen, Y. Yang, R. B. Kaner, Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 25.
- 72 G. X. Wang, J. Yang, J. Park, X. L. Gou, B. Wang, H. Liu, J. Yao, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 8192.
- 73 J. B. Jia, D. Kato, R. Kurita, Y. Sato, K. Maruyama, K. Suzuki, S. Hirono, T. Ando, O. Niwa, Anal. Chem. 2007, 79, 98.
- 74 O. Niwa, J. Jia, Y. Sato, D. Kato, R. Kurita, K. Maruyama, K. Suzuki, S. Hirono, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7144.
- 75 M. Zhou, Y. M. Zhai, S. J. Dong, Anal. Chem. 2009, 81, 5603.
- 76 S. L. Yang, D. Y. Guo, L. Su, P. Yu, D. Li, J. S. Ye, L. Q. Mao, Electrochem. Commun. 2009, 11, 1912.
- 77 W. J. Lin, C. S. Liao, J. H. Jhang, Y. C. Tsai, Electrochem. Commun. 2009, 11, 2153.
- 78 L. H. Tang, Y. Wang, Y. M. Li, H. B. Feng, J. Lu, J. H. Li, Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2782.
- 79 N. G. Shang, P. Papakonstantinou, M. McMullan, M. Chu, A. Stamboulis, A. Potenza, S. S. Dhesi, H. Marchetto, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 3506.
- 80 J. F. Wang, S. L. Yang, D. Y. Guo, P. Yu, D. Li, J. S. Ye, L. Q. Mao, Electrochem. Commun. 2009, 11, 1892.
- 81 R. S. Nicholso, Anal. Chem. 1965, 37, 1351.
- 82 A. E. Fischer, Y. Show, G. M. Swain, Anal. Chem. 2004, 76, 2553.
- 83 Y. L. Yao, K. K. Shiu, Electroanalysis 2008, 20, 1542.
- 84 C. Leger, P. Bertrand, Chem. Rev. 2008, 108, 2379.
- 85 F. A. Armstrong, H. A. O. Hill, N. J. Walton, Accounts Chem. Res. 1988, 21, 407.
- 86 W. J. Zhang, G. X. Li, Anal. Sci. 2004, 20, 603.
- 87 Y. H. Wu, S. S. Hu, Microchim. Acta 2007, 159, 1.
- 88 P. A. Prakash, U. Yogeswaran, S. M. Chen, Sensors 2009, 9, 1821.
- 89 A. L. Ghindilis, P. Atanasov, E. Wilkins, Electroanalysis 1997, 9, 661.
- 90 E. Katz, I. Willner, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 6042.
- 91 A. K. Sarma, P. Vatsyayan, P. Goswami, S. D. Minteer, Biosens. Bioelectron. 2009, 24, 2313.
- 92 X. H. Kang, J. Wang, H. Wu, A. I. Aksay, J. Liu, Y. H. Lin, Biosens. Bioelectron. 2009, 25, 901.
- 93 Z. H. Dai, J. Ni, X. H. Huang, G. F. Lu, J. C. Bao, Bioelectrochemistry 2007, 70, 250.
- 94 A. Guiseppi-Elie, C. H. Lei, R. H. Baughman, Nanotechnology 2002, 13, 559.
- 95 C. Y. Deng, J. H. Chen, X. L. Chen, C. H. Mao, L. H. Nie, S. Z. Yao, Biosens. Bioelectron. 2008, 23, 1272.
- 96 C. X. Cai, J. Chen, Anal. Biochem. 2004, 332, 75.
- 97 J. Wang, Chem. Rev. 2008, 108, 814.
- 98 J. A. Cracknell, K. A. Vincent, F. A. Armstrong, Chem. Rev. 2008, 108, 2439.
- 99 H. Wu, J. Wang, X. H. Kang, C. M. Wang, D. H. Wang, J. Liu, I. A. Aksay, Y. H. Lin, Talanta 2009, 80, 403.
- 100 C. E. Banks, R. R. Moore, T. J. Davies, R. G. Compton, Chem. Commun. 2004, 1804.
- 101 C. E. Banks, R. G. Compton, Analyst 2005, 130, 1232.
- 102 M. Pumera, R. Scipioni, H. Iwai, T. Ohno, Y. Miyahara, M. Boero, Chem. Eur. J. 2009, 15, 10851
- 103 H. Liu, J. Gao, M. Q. Xue, N. Zhu, M. N. Zhang, T. B. Cao, Langmuir 2009, 25, 12006.
- 104 M. Musameh, J. Wang, A. Merkoci, Y. H. Lin, Electrochem. Commun. 2002, 4, 743.
- 105 F. Valentini, A. Amine, S. Orlanducci, M. L. Terranova, G. Palleschi, Anal. Chem. 2003, 75, 5413.
- 106 M. G. Zhang, A. Smith, W. Gorski, Anal. Chem. 2004, 76, 5045.
- 107 J. Lu, L. T. Drzal, R. M. Worden, I. Lee, Chem. Mat. 2007, 19, 6240.
- 108 G. D. Liu, Y. H. Lin, Electrochem. Commun. 2006, 8, 251.
- 109 L. Wu, X. J. Zhang, H. X. Ju, Biosens. Bioelectron. 2007, 23, 479.
- 110 M. D. Rubianes, G. A. Rivas, Electrochem. Commun. 2003, 5, 689.
- 111 Y. H. Lin, F. Lu, Y. Tu, Z. F. Ren, Nano Lett. 2004, 4, 191.
- 112 M. Zhou, L. Shang, B. L. Li, L. J. Huang, S. J. Dong, Biosens. Bioelectron. 2008, 24, 442.
- 113 C. S. Shan, H. F. Yang, D. X. Han, Q. X. Zhang, A. Ivaska, L. Niu, Biosens. Bioelectron. 2009, 25, 1070.
- 114 A. Sassolas, B. D. Leca-Bouvier, L. J. Blum, Chem. Rev. 2008, 108, 109.
- 115 T. G. Drummond, M. G. Hill, J. K. Barton, Nat. Biotechnol. 2003, 21, 1192.
- 116 J. Li, S. J. Guo, Y. M. Zhai, E. K. Wang, Anal. Chim. Acta 2009, 649, 196.
- 117 J. Li, S. J. Guo, Y. M. Zhai, E. K. Wang, Electrochem. Commun. 2009, 11, 1085.
- 118 G. Kefala, A. Economou, A. Voulgaropoulos, Analyst 2004, 129, 1082.
- 119 L. D. Zhu, C. Y. Tian, R. L. Yang, J. L. Zhai, Electroanalysis 2008, 20, 527.
- 120 H. Xu, L. P. Zeng, S. J. Xing, Y. Z. Xian, G. Y. Shi, Electroanalysis 2008, 20, 2655.
- 121 C. S. Shan, H. F. Yang, D. X. Han, Q. X. Zhang, A. Ivaska, L. Niu, Langmuir 2009, 25, 12030.
- 122 H. Bai, Y. X. Xu, L. Zhao, C. Li, G. Q. Shi, Chem. Commun. 2009, 1667.
- 123 Y. Si, E. T. Samulski, Nano Lett. 2008, 8, 1679.
- 124 Y. X. Xu, H. Bai, G. W. Lu, C. Li, G. Q. Shi, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5856.
- 125 H. L. Guo, X. F. Wang, Q. Y. Qian, F. B. Wang, X. H. Xia, ACS Nano 2009, 3, 2653.
- 126 M. Zhou, Y. L. Wang, Y. M. Zhai, J. F. Zhai, W. Ren, F. A. Wang, S. J. Dong, Chem. Eur. J. 2009, 15, 6116.
- 127 G. K. Ramesha, S. Sampath, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 7985.
- 128 Y. Y. Shao, J. Wang, M. H. Engelhard, C. M. Wang, Y. H. Lin, J. Mater. Chem. 2009, 20, 743.
- 129 J. P. Dong, X. M. Qu, L. J. Wang, C. J. Zhao, J. Q. Xu, Electroanalysis 2008, 20, 1981.
- 130 S. Y. Deng, G. Q. Jian, J. P. Lei, Z. Hu, H. X. Ju, Biosens. Bioelectron. 2009, 25, 373.
- 131 D. C. Wei, Y. Q. Liu, Y. Wang, H. L. Zhang, L. P. Huang, G. Yu, Nano Lett. 2009, 9, 1752.
- 132 K. S. Subrahmanyam, L. S. Panchakarla, A. Govindaraj, C. N. R. Rao, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4257.
- 133 X. R. Wang, X. L. Li, L. Zhang, Y. Yoon, P. K. Weber, H. L. Wang, J. Guo, H. J. Dai, Science 2009, 324, 768.
- 134 X. L. Li, H. L. Wang, J. T. Robinson, H. Sanchez, G. Diankov, H. J. Dai, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15939.
- 135 M. N. Groves, A. S. W. Chan, C. Malardier-Jugroot, M. Jugroot, Chem. Phys. Lett. 2009, 481, 214.
- 136 N. Mohanty, V. Berry, Nano Lett. 2008, 8, 4469.
- 137 P. K. Ang, W. Chen, A. T. S. Wee, K. P. Loh, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 14392.
