石墨烯还在生物医学和药物传递方面具有相当重要的前景。石墨烯独特的二维结构使它在传感探测领域具有光明的应用前景，巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感，即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。
这种检测目前可以分为直接检测和间接检测。通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。量子霍尔效应只发生于二维导体，处于外磁场中时，石墨烯的电导率会展现出反常量子霍尔效应。
当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时，吸附位置会发生电阻的局域变化，而石墨烯特别具有高电导率和低噪声的优良品质，能够侦测这微小的电阻变化。
由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺寸厚度、分子栅极结构等等特色，应用于细菌侦测与诊断器件，石墨烯是个很优良的选择。
中国科学院上海分院的科学家在2010年发表的论文中报道，发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性，则可能找到一系列新的应用，像自动除去气味的鞋子，或保存食品新鲜的包装。
发表在今天的ACS Nano期刊上的一篇重要论文中，芝加哥大学的科学家报告说，成功地使用石墨烯这一最强大的已知材料之一，用于检测实验室中的SARS-COV-2新冠病毒。研究人员表示，该发现可能是新冠病毒检测中的一个突破，可检测新冠病毒及其变体。
在实验中，研究人员组合石墨烯的薄片，其厚薄比邮票还薄1,000倍，抗体设计用于靶向冠状病毒上的新冠刺突蛋白。然后，当暴露于人造唾液中的携带型核阳性和携带型阴性样品时，它们测量了这些石墨烯片的原子水平振动。
研究发现，当用新冠阳性样品处理时，抗体偶联的石墨烯片的振动改变，但是在用携带新冠阴性样品或其他冠状病毒处理时，却不发生振动改变。通过用一种称为拉曼光谱仪测量这样的振动变化，在五分钟内这种振动变化即变得明显。拉曼光谱仪（Raman spectrometer）是一种用来研究晶格及分子的振动模式、旋转模式和其他低频模式的一种分光技术仪器。
由于石墨烯是由碳组成的单个原子厚物质，碳原子由化学键粘合，其弹性和运动可以产生共振振动，这称为声子（phonon），可以非常精确地测量。当像新冠病毒分子这样的分子与石墨烯相互作用时，它以非常具体和可量化的方式改变这些谐振振动。
因为石墨烯只是一个原子厚，因此其表面上的分子相对庞大，可以产生其电子能量的特定变化。在该实验中，研究人员用抗体修饰石墨烯，并实质上校准它仅与新冠刺突蛋白反应。通过这种方法，石墨烯可以类似地用于检测C新冠病毒的变体。
抗体（antibody），又称免疫球蛋白，是一种主要由浆细胞分泌，被免疫系统用来鉴别与中和外来物质如细菌、病毒等病原体的大型Y形蛋白质。抗体能通过其可变区唯一识别特定外来物的一个独特特征，该外来目标被称为抗原。
