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总体上，石墨烯相比传统材料在力学、热学、光学、电学等特性方面具有显著优势，这使得石墨烯在传感器领域应用中具有更大的潜力。具体的优势表现在以下几个方面。
（1）石墨烯的高电子迁移率、大比表面积、低热噪声以及单原子层厚度使其更容易吸附气体分子（O 2 、CO x 以及NO x 等）、生物分子和化学分子，这提高了石墨烯基离子、气体以及生物传感器的灵敏度。传统分子探测器由于其热噪声明显，很难将探测精度提高到原子水平，而石墨烯则很容易实现单分子探测。
（2）石墨烯的高机械柔韧性与原子级厚度，使其在力学传感器方面表现出优异性能。例如，石墨烯可与物体表面形成良好的共形接触，结合柔性基底材料，做成可穿戴式传感器，用于人体脉搏、血压、心率等体征参数的测量；以及石墨烯可作为压力或声压传感器的弹性敏感元件，用于高灵敏度力学参数的测量。
（3）石墨烯具有宽光谱吸收的特点，且在300～2500 nm波段，其光谱吸收较为平坦，这使得石墨烯成为光谱光电探测器的优良材料。此外，利用石墨烯的光谱吸收响应和基于表面等离子体共振特性，可将其作为敏感材料制作表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）传感器。
（4）石墨烯是目前已知最薄的单层二维材料，质量轻、机械柔韧性好、易于加工、与大面积柔性固体支持物的兼容性良好，适合制备柔性传感器。而且，石墨烯复合其他功能材料可以增强对特定分析物的敏感性和选择性，并诱导柔韧性和可拉伸性，构建多功能石墨烯基柔性传感器 [36] 。
（5）石墨烯还具有稳定的物理化学性质，可进行官能化处理及具有超强的量子约束。通过改性或掺杂，可形成石墨烯基材料或石墨烯衍生物；通过在材料表面吸附单个化学或生物分子以引起电荷或能量转移，进而改变石墨烯的电子和光学性质，这可为石墨烯基电学或光纤传感器在生物、化学传感领域应用带来新的机遇。