[发明专利]通过焦耳效应热活化的选择性官能化

说明书

技术领域

本发明涉及对导电材料或半导体材料进行选择性官能化的方法，使用该方法获得的材料，以及这些材料在用于检测和/或量化关注分子的装置(化学传感器)中的用途。

背景技术

在过去数年中，基于纳米线的化学传感器已引起大量关注，因而在文献中报导了许多进展。特别地，已描述使用硅纳米线的传感器用于检测蛋白质溶液的pH(Cui，Y.；Wei，Q.；Park，H.；Lieber，C.M.；Science，2001，293，1289-1292)、或者气体分子(Zhou，X.T.；Hu，J.Q.；Li，C.P.；Ma，D.D.；Lee，C.S.；Lee，S.T.；Chem.Phys.Lett.，2003，369，220-224)和其他感兴趣的分子。这些基于硅纳米线的传感器的检测机理一般基于这些纳米线在它们表面上的带电化学分子或生物分子的存在下的电导率变化。

一般仅在用能够与待检测的目标分子特异性相互作用的“探针”分子对硅纳米线的表面进行适当化学官能化之后，才有可能进行这些目标分子的检测。大多数时间，这些传感器采取矩阵的形式，其中纳米线的选择性官能化是至关重要的。

旨在使表面官能化定位的数种方法已在文献中描述，具体而言：基于探针分子(或受体分子)与纳米线之间的静电吸引力的方法：疏水性膜的光刻法；微接触印刷法；蘸笔纳米光刻法；和电化学方法。

然而，基于静电吸引力的方法不允许相对于周围区域获得表面改性的高度选择性，且不可用于接枝中性或弱带电受体分子。

光刻法和微接触印刷法不允许超细微、特别是纳米级的定位。

此外，印刷技术也需要预制微结构/纳米结构的精确排列。在选择性表面官能化的定位方面和可被接枝的分子方面，蘸笔纳米光刻法提供了优良的灵活性。然而，该技术需要使用昂贵的设备，并且其不适于大规模的表面官能化。最后，电化学方法受限于官能团的选择，所述官能团必须具有氧化还原性质。

最近，已报导利用焦耳效应来进行硅纳米线选择性官能化的方法。更准确而言，该方法基于当跨硅纳米线的末端施加电场时发生的极度定位的纳米级焦耳加热(Inkyu Park；Zhiyong Li；Albert P.Pisano和R.Stanley Williams；Nano Lett.，2007，7(10)，第3106-3111页)。该极度定位的加热可用于选择性地移除覆盖硅纳米线的预选区域的保护性聚合物膜。在适当的后续处理之后，由此暴露的表面可随后被化学分子官能化，而纳米线的其他相邻区域则保持受到化学惰性聚合物膜的保护。

然而，该表面官能化方法需要用聚合物膜涂布硅纳米线的在先步骤，以及随后任选地，在完成表面官能化后，移除保护性聚合物膜的步骤。

现在已开发了一种新方法，其允许对导电材料或半导体材料的表面在纳米级上进行选择性地官能化。更准确而言，该方法使用由焦耳加热局部产生的热能来使导电材料或半导体材料相对于化学反应活化。

因此，当在位于半导体材料(如硅纳米线)任一侧上的两个电极的末端施加电势差时，部分电能通过焦耳加热被转化为热能。然后所述纳米线转化为电阻器，局部加热含有待接枝的受体分子的溶液或气体。

有利地，该方法允许极度选择性的表面官能化，这是因为仅有电活化并由此热活化的纳米线将被受体分子官能化。

此外，该易于实施的方法可采取有限数目的步骤进行。因此，该方法尤其不需要预先将聚合物膜施用于待选择性官能化的材料上。此外，该方法能够易于成比例地放大至工业规模。

发明内容

因此，本发明的第一主题涉及一种通过将受体分子(R)共价接枝至导电材料或半导体材料(M)的表面而使该导电材料或半导体材料官能化的方法，所述方法包括如下步骤：

i)跨位于材料(M)任一侧上的源极和漏极的末端施加足够的电势差以使所述材料(M)针对分子(R)的接枝反应热活化；以及

ii)使由此活化的材料(M)与含有受体分子(R)的液体或气体介质接触，由此获得由共价接枝的受体分子(R)官能化的材料(M)。

导电材料或半导体材料(M)

根据一个方面，材料(M)为纳米材料，即具有至少一个纳米级形貌特征的材料，即其一个尺寸小于100nm的材料。示例性的纳米材料可以提及的有纳米线、纳米片或纳米管，特别是硅纳米线和碳纳米管。

材料(M)可为导电材料或半导体材料。