[发明专利]半导体电化学传感器

说明书

交叉引用

本申请要求2007年6月7日提交的美国临时申请60/942,646、 2007年6月7日提交的美国临时申请60/942,644、2007年6月7日提 交的美国临时申请60/942,641和2007年7月13日提交的美国临时申 请60/949,805的权益，所有这些申请都全文引入本文作为参考。

发明背景

分析物浓度，特别是氢离子浓度或pH的测定在许多研究、工业 和生产工艺中是重要的。例如，pH的测量在食品和饮料、生物燃 料、生物药物中以及在水和废物的处理中常规进行。

许多常规pH传感器采用涉及使用玻璃电极测量pH的电位测定 法。电位测定法具有几个缺点。电位传感器的一个限制是需要经常的 校准。电位pH电极，象电池，倾向于随着时间和使用而衰减。随着 电位电极老化，它的玻璃膜倾向于电阻改变，这随之又改变电极的电 位。由于此原因，玻璃电极需要定期校准。需要经常再校准以提供精 确的pH输出大大妨碍了其工业应用，特别是在需要持续的在线pH测 量时。在含有生物材料的介质中进行pH测量的生物技术环境中，再 校准特别麻烦。常规pH传感器的另一个重要的缺点是玻璃电极具有 内部溶液，在有些情况下，这些内部溶液可能泄漏到所检测的溶液 中。检测溶液中的物质例如蛋白质也可能会弄脏玻璃电极，使玻璃电 极被污染。已开发了ISFET装置，该装置在硅表面上使用场效应晶体 管结构来测量pH(Bergveld Em等人，IEEE Sensors Conference， Toronto，October，2003，1-26)。这些装置也具有限制。因此，仍然非常 需要可靠的、一致的分析物传感器，特别是pH传感器。

引用参考

本说明书中提到的所有出版物和专利申请都引入本文作为参考， 如同每个单独的出版物或专利申请具体且分别地引入作为参考。

发明内容

本发明的一个方面是用于检测分析物的存在的传感器，包括：具 有其上固定有氧化还原活性部分的表面的半导体电极，其中该氧化还 原活性部分显示对所述分析物的存在敏感的氧化电位和/或还原电位。 在一些实施方式中，分析物是氢离子且氧化还原活性部分对氢离子浓 度敏感。在一些实施方式中，传感器包括多种氧化还原活性部分，其 中这些氧化还原活性部分中的至少一种对分析物的存在敏感，并且至 少另外一种氧化还原活性部分对所述分析物的存在基本不敏感。

在一些实施方式中，分析物是氢离子，并且所述对氢离子的存在 基本不敏感的部分具有选自二茂铁、聚乙烯基二茂铁、紫精 (viologen)、聚紫精(polyviologen)和聚噻吩的取代基。在一些实施方式 中，对氢离子的存在基本不敏感的部分是二茂铁或二茂铁的衍生物。

在一些实施方式中，分析物是氢，并且对氢离子的存在敏感的氧 化还原活性部分包括选自蒽类、醌类、蒽醌类、菲醌类、苯二胺类、 儿茶酚类、吩噻嗪染料、单季铵化的N-烷基-4，4′-联吡啶鎓、RuOx和 Ni(OH)₂的取代基。在一些实施方式中，对氢离子的存在敏感的氧化 还原活性部分包括含有蒽的取代基。在一些实施方式中，对氢离子的 存在敏感的氧化还原活性部分包括含有蒽醌或菲醌的取代基。

在一些实施方式中，对分析物的存在敏感的氧化还原活性部分对 该分析物的浓度敏感。在一些实施方式中，该氧化还原活性部分的氧 化电位和/或还原电位对10^-3M至10^-10M范围内的分析物浓度敏感。 在一些实施方式中，该氧化还原活性部分的氧化电位和/或还原电位对 10^-1M至10^-14M范围内的分析物浓度敏感。在一些实施方式中，该 传感器检测从pH3到pH10的氢离子浓度。在一些实施方式中，该传 感器检测从pH1到pH14的氢离子浓度。

在一些实施方式中，该传感器在±0.1pH单位的精确度内检测氢 离子浓度。在一些实施方式中，该传感器在±0.01pH单位的精确度内 检测氢离子浓度。

在一些实施方式中，该氧化还原活性部分共价结合到电极的表面 上。在一些实施方式中，该氧化还原活性部分与固定在电极表面上的 聚合物结合。