[发明专利]基于纳米颗粒组件的选择性化学传感器

说明书

发明领域

本发明涉及一种包含一层纳米颗粒膜的化学传感器，所述化学传感器的形成方法和使用所述化学传感器检测分析物的方法。

技术背景

出于对环境中污染物的严重忧虑，需要改进监控和/或分析以检测某种化学物的方法。尽管分析技术能检测低至十亿分之几或更低水平的许多物质，但所述分析技术通常需要在野外收集样本、将样本带回实验室和通过例如气相色谱或质谱分析样本。所述分析需要复杂的设备，通常需要几天才能获得最终的结果。因此，目前的分析技术不能提供关于污染物或杂质当时是否存在的任何信息。为克服所述分析技术的局限性，人们对能给出更快速的回馈信息的化学传感器已进行了研究。此外，当时监控分析物的应用是质量控制，例如在食物生产或在医疗保健中的质量控制的需要。

最近，已研制出一种基于导电纳米粒径颗粒的新型传感器，所述每个颗粒均涂覆了一种有机物。因此导电纳米颗粒是通过一薄层绝缘物质分隔开的。所述纳米颗粒膜的电阻可由于化学物的存在而改变。因此通过将所述纳米颗粒膜沉积到一对接触电极上，可将该膜用作化学电阻。

M.C.lonergan等在Chem.Mater.，1996，8，2298-2312中描述了化学传感的碳黑聚合物电阻。碳黑—有机聚合物复合物暴露在蒸气中会发生可逆性膨胀。为获得传感器，沉积的碳黑-有机聚合物复合物的薄膜中穿过两条金属引线。吸附蒸气使膜膨胀导致膜电阻的变化并标志出分析物的存在。为鉴别和分类蒸气，将所述蒸气传感元件排成阵列，每个元件含同样的碳黑导电相，但含不同的有机聚合物作为绝缘相。传感器阵列的不同聚合物的不同的气-固分配系数产生电阻变化的模式，可用于分类蒸气和蒸气混合物。此类传感器阵列可分辨常规的有机溶剂，包括不同类的分子，如从醇中分辨出芳香烃，以及特殊类内的分子，如从甲苯中分辨出苯和从乙醇中分辨出甲醇(请参阅B.J.Doleman等，Anal.Chem.1998，70，4177-4190)。

G.A.Sotzing等在Chem. Mater.，2000，12，593-595中描述了一种聚苯胺-碳黑化学电阻式探测器，可用于高灵敏度检测和识别生物胺。导电性聚苯胺被用作碳黑聚苯胺复合物的聚合相。有气味的物质被吸附入该复合物的聚合相中产生探测器的直流电阻响应的特异性增加。探测器对丁胺的响应比对水、丙酮、甲醇、乙酸乙酯和丁醇的响应高出约6个数量级。

S.D.Evans等在J.Mater.Chem.，2000，10，183-188中使用对位取代的硫代苯酚衍生物稳定金的纳米颗粒。取代基的性质对于控制颗粒-颗粒和颗粒-溶剂间相互作用的相对强度很重要并因此对确定这些系统的物理和化学性能很重要。颗粒的薄膜是通过溶剂在微电极图案表面上的蒸发而形成。膜显示出电阻行为并且室温导电率在10^-6和10^-2Ω^-1cm^-1之间变化。当暴露到各种化合物时，薄膜显示导电率改变。对极性溶剂的反应显示出良好的再现性，而对非极性有机分析物的反应的重现性较差，并且显示出多种随时间变化的行为。由于ω-官能团的性质，对蒸气相的分析物显示出不同的电导仪和椭圆仪的响应。金纳米颗粒未通过连接分子相互连接。

高精密度的纳米颗粒膜的制备方法描述于WO96/07487中。该膜含通过双官能连接分子链接的金纳米颗粒。为装配该薄膜，首先用双官能连接分子处理基片，以便该连接分子的第一反应基与基片反应，使其连接到其上。当使用例如玻璃基片时，可使用巯基烷基硅烷作为连接分子。基片的表面随后被硫醇基覆盖。接着将基片浸入金纳米颗粒的溶液中，金纳米颗粒会结合到基片表面上的硫醇基。基片的表面随后被一层金纳米颗粒覆盖。然后将基片浸入烷基二硫醇的溶液中，烷基二硫酚用作双官能的连接分子并以其一个硫醇基结合到金颗粒的表面。通过重复浸入金纳米颗粒的溶液和浸入双官能连接分子的溶液的步骤，通过成分间的自组可形成薄膜。连接分子包含一个烃骨架，该骨架可以是一个线性或分枝的脂族链，可含有重键或其他基团以改变连接分子的电子特性。在实验中使用1，9-壬烷二硫醇作为连接分子。建议使用这些薄膜作为传感器用于例如检测氧化剂如氯气或臭氧。