[发明专利]用于气体样品中的氧化氮的集成光电化学传感器

说明书

技术领域

本申请大体涉及化学传感器，且更具体地，涉及用于集成电化学、电学和/或光学检测的系统和方法。

背景技术

氧化氮(NO_X)为重要的环境污染物。它们在人类呼吸中的水平也为诸如哮喘的疾病的关键生物标记。现有的方法和装置可检测未知的分析物，但通常缓慢、昂贵和/或体积庞大。微型化传感器和方法，通常缺少足够的灵敏度、选择度和/或可靠性；且对于检测诸如大气或人类呼吸的复杂基底中的一个或多个分析物尤其不足。

发明内容

本公开包括用于检测氧化氮的化学传感器和方法，其基于两个检测原理——光学和电化学的其中一个或两者，光学和电化学检测原理可被联合以便改善选择度和可靠性。

根据能够分别达到较低的ppbV和ppmV检测极限的两个不同原理：电化学和光学——的集成，本感应装置可检测氧化氮。本装置允许对于调整系统的不同替换以便改善选择度。

本发明实施例的传感器和方法的优点可包括：相对于先前的装置——诸如基于单个检测方法的先前装置——的改进的选择度和可靠性；分析物的实时检测；对于(例如，利用高生产率的制造过程)集成到诸如便携装置的其他装置的高耐受性和适配性；通过减少假的正响应和假的负响应而改进的结果可靠性；和/或对于环境或生物医学应用的不同气体的同时检测。

本发明的传感器可不仅仅在环境监测中应用，也可作为用于哮喘及其他疾病的非侵入医学诊断和管理装置。例如，本发明的传感器和/或方法可被构造成和/或用于基于实验室的分析装置、手持式或便携式化学传感器及作业，和/或类似物。

本发明传感器的实施例包括可执行氮气及其反应产物的单独或联合的电化学和/或光学检测的集成传感器或传感装置。本发明的传感器和方法的实施例将电化学和/或光学感应原理集成到单个装置，以便检测氧化氮，并由此可展现出改进的选择度和可靠性。本发明传感器可以多种方式被构造，诸如获得联合的光电化学信号，和/或或者独立的光学和电化学信号。氧化物的同时检测可通过实施两个或多个传感元件来实现(例如，在相同的空间，或在由滤波片分隔的不同空间)。传感元件可包括或被嵌入有氧化还原燃料、芳香二胺和/或配合物探针。

本发明的传感器的这些实施例包括：耦合到基底的芳香胺化合物；与基底流体流通的气体流动系统；以及构造成检测芳香胺化合物的光学变化的光学检测系统。在一些实施例中，基底包括选自由纤维素、纤维素衍生物、玻璃、塑料、金属网、沸石、纳米复合粒子及氧化铝颗粒组成的组中的至少一个材料。

在一些实施例中，基底包括多孔膜，其中芳香胺化合物嵌入到多孔膜上。在一些实施例中，多孔膜包括包含氧化铝颗粒的纤维素/聚酯纤维膜。在一些实施例中，多孔膜限定感应区域，其中芳香胺由材料限定到多孔膜上。在一些实施例中，材料包括聚二甲硅氧烷。

在一些实施例中，芳香胺化合物包括至少一个选自由芳香单胺、芳香单胺衍生物、芳香二胺、1，2-苯二胺、芳香二胺衍生物、二氨基萘、以及二氨基萘衍生物组成的组中的至少一个化合物。

在一些实施例中，气体流动系统包括入口和出口。在一些实施例中，气体流动系统包括过滤器。在一些实施例中，光学检测系统包括光源和光学探测器。在一些实施例中，光源和光学探测器定位在基底的同一侧。

在一些实施例中，基底包括多孔膜。在一些实施例中，光源定位在多孔膜的一个侧面上而光探测器定位在与光源相对的多孔膜侧面上。

在一些实施例中，光学监测系统包括光波导。在一些实施例中，光源包括发光二极管(LED)。在一些实施例中，光学探测器包括电荷耦合器(CCD)相机。在一些实施例中，光学探测器为互补金属氧化物半导体(CMOS)相机。

本发明的传感器的一些实施例包括：耦合到基底上并与第一电极间隔开的第二电极；将第一电极耦合到第二电极的耦合器；耦合到基底上的电解质；耦合到基底上的探测器物质，该探测器物质被构造成对氧化氮敏感；耦合到基底上的反电极；耦合到基底上的参考电极；与基底流体流通的气体流动系统；耦合到第一电极、第二电极、反电极以及参考电极中至少其中两个的电探测器，电探测器被构造成检测耦合器中的电变化。

在一些实施例中，耦合器包括导体或半导体材料。在一些实施例中，导体或半导体材料包括选自由：金属氧化物、金属氧化物衍生物、聚吡咯、聚吡咯衍生物、聚苯胺、聚苯胺衍生物、聚噻吩、聚噻吩衍生物以及聚(3，4-亚甲基二氧乙烯噻吩)组成的组中的一个或多个材料。