改进的化学阻抗传感器的制造方法

文档序号:9476061
改进的化学阻抗传感器的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月21日提交的澳大利亚临时专利申请第2013900988号的 优先权,所述申请的内容W引用的方式并入本文。
技术领域
[0003] 本发明设及用于感测流体特性的化学传感器,更具体地,设及利用能够检测液体 环境中的离子分析物的化学电阻器材料的传感器。 阳004] 背景
[0005] 化学阻抗性材料是响应于与化学品的相互作用而改变它们的电阻的一类材料。具 体地说,化学阻抗性材料通常包括被涂覆或悬浮在基本非导电材料中的特定导电物质的混 合物。导电材料与非导电材料的比率是运样的,W使得可使用标准技术来测量所述材料电 导或电阻。通常,非导电材料包括,但不限于有机材料如聚合物或自组装单分子层。通常被 本领域技术人员所接受的是,运些化学阻抗性材料通过将化学物质吸附到有机材料中来起 作用。运种吸附致使有机材料溶胀,随后增加导电颗粒之间的距离,从而致使化学阻抗性材 料电阻增加。
[0006] 用于测定气相或液相中分析物水平的化学电阻器和化学电阻器阵列在本领域 中通过在存在特定分析物时测量化学阻抗性材料的电阻变化来完善地建立。实现运种 化学电阻器的一种方法在于制备金纳米颗粒的薄膜,所述金纳米颗粒的薄膜涂有有机 分子(化学阻抗性材料),并且在任一端上带有两个电极。WohltjenandSnow(Anal. 化em.,1998, 70, 2856)教导了具有基于金纳米颗粒材料的薄膜在有机蒸气(如在氮载气中 的甲苯)下的暴露导致可逆膜溶胀。所述溶胀致使导电颗粒进一步移动分开,运导致化学 电阻器的电阻增加。
[0007] 也可使用多种材料作为化学电阻器的感测元件。例如,碳黑可混合有导电 或非导电聚合物(Lonergan等人,QiemMater. , 1996, 8, 2298;Doleman等人,Anal. Chem.,1998, 70, 4177;Sotzing等人,ChemMater.,2000, 12, 593),并且沉积在两个电极 之间,W便形成用于检测气体或蒸气的化学电阻器。另外,石墨締(Schedin等人,化t. Mater.,2007, 6, 652)和碳纳米管(Wang等人,J.Am,Chem.Soc.,2008, 46, 8394)作为在存在 化学物质时可改变它们的导电性的材料近年来已经引起人们的兴趣。此类化学电阻器专用 于分析物的气相或蒸气相检测。 阳00引 Raguse等人的W0 2008/092210A1教导了化学电阻器在电解质溶液中的使用。为 了实现运种化学电阻器,设计了电极和化学阻抗性材料,W使得化学电阻器膜阻抗低于由 与电解质溶液接触的整个电极表面的双层电容产生的阻抗。当暴露于溶解在电解质溶液中 的甲苯、二氯甲烧或乙醇中时,纳米颗粒膜的电阻增加。
[0009]Raguse等人(W0 2008/092210A1 和J.WiysChemC, 2009, 113 04),15390)进一 步教导了溶解于水溶液中的有机分子与纳米颗粒膜之间的相互作用程度与运两者之间的 分配系数成比例,并且对于己硫醇官能化的金纳米颗粒来说,反映了熟知的辛醇-水分配 系数。然而,运些结果表明具有小的水-辛醇分配系数(即,与非极性、不带电荷的有机分 子相比具有相对高的水溶性)的带离子电荷的分子将仅极少地分配到化学电阻器膜中。带 离子电荷的分子与化学电阻器材料之间的此类弱相互作用在存在此类带电荷分子时将仅 仅导致化学电阻器电阻的小变化。因此存在对改进化学阻抗传感器在电解质溶液中起作用 W与离子分析物相互作用的能力,进而W便改进对所述带电荷分析物的灵敏度和选择性的 需要。
[0010] 存在有利于增加化学电阻器材料与溶解于电解质溶液中的带电荷分子之间的相 互作用的多种应用。例如,受制药、环境或生物医学行业感兴趣的大量分析物均为带电荷分 子。运些分析物包括但不限于各种药物、杀虫剂、除草剂、氨基酸、肤、代谢物。
[0011] 对本说明书中包括的文件、法令、材料、装置、物品等的任何讨论不应认为是承认 任何或所有运些内容形成现有技术基础的一部分或者是本公开相关领域中的一般常识,因 为其在本申请的每个权利要求的优先权日期之前已经存在。
[0012] 在整篇本说明书中,用词"包含(comprise)"或变化形式(如"comprises"或 "comprising")应理解为暗示包括所述要素、整数或步骤、或成组要素、整数或步骤,而非排 除任何其他要素、整数或步骤、或成组要素、整数或步骤。
[0013] 概述
[0014] 本发明的实施方案提供了用于检测具有小于约2, 000道尔顿分子量的小分子的 高度敏感的装置和方法。具体的实施方案设及对具有小于1,000道尔顿,更具体地处于约 50道尔顿与650道尔顿之间并且更具体地处于约500道尔顿与600道尔顿之间的分子量的 小分子的检测。
[0015] 在第一方面,提供一种用于测量离子分析物在电解质溶液中的存在或含量的传感 器,所述传感器包括:
[0016] (i)在电绝缘基板上的两个导电电极,并且所述两个导电电极相隔距离L其中L 处于lOnm与100ym之间;
[0017] (ii)化学电阻器膜,其中所述化学电阻器膜的阻抗在存在离子分析物时发生改 变,并且其中所述化学电阻器膜与所述电极接触;
[0018] (iii)栅极电极,其由导电材料形成;
[0019] (iv)电势发生器装置,其被配置来在栅极电极与化学电阻器膜之间施加电势差;
[0020] (V)控制器,其选择性地控制所述电势发生器装置,W便将相对于化学电阻器膜的 电势的正电势或负电势施加到栅极电极;W及
[oow(vU电压装置,其适于在所述导电电极对之间施加电压信号,W便能够测量所述 化学电阻器膜的电阻。
[0022] 所述传感器还可包括用于在电压信号下测量所述化学电阻器膜的电阻的装置。
[0023] 在一个实施方案中,栅极电极可由金、销、钮、银或碳形成。栅极电极可W为Ag/ AgCl栅极电极,并且所述Ag/AgCl栅极电极可由已经被氯化的银形成。优选地,栅极电极为 金电极。
[0024] 在第二实施方案中,栅极电极包括对电极和参比电极组合。所述对电极可由金、 销、钮、银或导电碳形成。所述参比电极可W为如通常在电化学中使用的那些标准参比电 极,例如,Ag/AgCl、非水性的Ag/Ag+、隶/硫酸亚隶或饱和甘隶电极。
[00巧]在实施方案中,所述电解质溶液的至少一种成分为具有相互作用基团的带净正电 或带净负电的分子。发明人已经确定,如果所述分子渗入化学电阻器膜中,那么相互作用基 团与化学电阻器膜的有机材料相互作用,从而导致化学电阻器膜改变它的电阻。
[00%] 在将相对于化学阻抗性材料的正电势施加到栅极电极的实施方案中,在溶液中的 带净正电荷的分子渗入化学阻抗性材料中。在栅极电极与化学阻抗性材料之间的电势波形 可通过本领域技术人员已知的许多标准方法施加。运些电势波形可包括脉冲、单或双脉冲、 方波、=角波、阶梯波。
[0027] 在一个实施方案中,在栅极电极与化学阻抗性材料之间施加稳态电势。优选地,施 加处于巧OOOmV与-2000mV范围之间,更优选地处于+1000mV与-lOOOmV之间,并且最优选 地处于巧OOmV至-500mV范围之间的稳态电势。
[0028] 在施加=角波,也就是,电势随时间被线性扫描的另一个实施方案中,所述扫描从 处于-2000mV与2000mV之间的电势V。开始,并且扫描到2000mV的上顶点电势V1,并且随后 扫描到-2000mV的下顶点电势Vz。扫描速率可处于0.ImV/s与lOOOmV/s之间,并且循环次 数可为一次或多次。整个测量可在存在带电荷分子时进行。优选V。为〇mV,Vi高达+1000mV, V2低至-lOOOmV,扫描速率处于ImV/s与lOmV/s之间。更优选如果V。为OmV,V1为巧OOmV, V2为-5〇〇mV,那么扫描速率为ImV/s。
[0029] 在产生脉冲,也就是在栅极与化学阻抗性材料之间施加恒定电势,并且随时间推 移测量电流的又一个实施方案中,优选的是,在存在带电荷分子时,脉冲在较低电势Vi处产 生,持续ls-60min,随后转换到较高电势V2处,持续ls-60min。优选的是,V1为低至-2000mV 的负值,V2为高达巧OOOmV的正值,并且其中每个脉冲持续Imin-lOmin。更优选的是,V1 为OmV,并且V2为巧OOmV,其中每个脉冲持续2min-5min。最优选的是,在V1为-500mV并 且V2为巧OOmV,其中每个脉冲持续2min-5min时。优选地在产生脉冲的情况下,优选的 是将电势保持在处于+lmV与+2000mV之间的单个电势,并且记录空白溶液中的电流,持续 ls-60min,随后转换到带电荷分子,持续ls-60min。更优选地,每种溶液的暴露持续时间为 Imin-lOmin,并且电势保持在+100mV与+1000mV之间。最优选地,每种溶液的暴露持续时 间为2min-5min,并且电势保持在巧OOmV下。
[0030] 在希望使化学阻抗性材料的电阻可逆的情况下,随后可将溶液转回到空白溶液, 持续ls-60min。
[0031] 本发明的发明人已经确定,对于溶液中给定浓度的带净正电荷的分子,通过在栅 极电极与化学阻抗性材料之间施加电势差,W使得与化学阻抗性材料相比栅极电极带正电 荷,与在栅极电极与化学阻抗性材料之间缺少电势差的情况下电阻变化的量相比,化学阻 抗性材料的电阻变化的量增加。
[0032] 本发明的发明人已经进一步确定,在先前段落中所描述情况下,通过使在栅极电 极与化学阻抗性材料之间的电势差可逆,由带电荷分子诱导的化学阻抗性材料中的电阻变 化基本上可逆。
[0033] 在将相对于化学阻抗性材料的负电势施加到栅极电极的可选实施方案中,在溶液 中的带净负电荷的分子渗入化学阻抗性材料中。
[0034] 在施加=角波,也就是,电势随时间被线性扫描的一个实施方案中,优选的是,所 述扫描从处于-2000mV与2000mV之间的电势V。开始,并且扫描到-2000mV的下顶点电势 Vi,并且随后扫描到+2000mV的上顶点电势Vz。扫描速率处于0.ImV/s与lOOOmV/s之间, 并且循环次数可为大于1次。整个测量在存在带电荷分子时进行。更优选V。为OmV,V1低 至-lOOOmV,V2高达+l〇〇〇mV,扫描速率处于ImV/s与lOmV/s之间。最优选V1为-500mV,V2 为巧OOmV,扫描速率为ImV/s。
[0035] 在产生脉冲,也就是,在栅极与化学阻抗性材料之间施加恒定电势,并且随时间推 移测量电流的又一个实施方案中,优选的是,在存在带电荷分子时,脉冲在高电势Vi处产 生,持续ls-60min,随后转换到低电势V2处,持续ls-60min。优选的是,V1为高达巧OOOmV 的正值,V2为低至-2〇〇〇mV的负值,并且每个脉冲持续Imin-lOmin。更优选的是,V1为OmV, 并且V2为-5〇〇mV,其中每个脉冲持续2min-5min。最优选的是,在V1为巧OOmV,并且V2 为-500mV,其中每个脉冲持续2min-5min时。优选地在产生脉冲的情况下,优选的是将电势 保持在处于-ImV与-2000mV之间的单个电势,并且记录空白溶液中的电流,持续ls-60min, 随后转换到带电荷分子,持续ls-60min。
[0036] 在希望
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