专利名称：由纳米颗粒/枝晶复合材料制成的化学传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种化学传感器、获得该化学传感器的方法和利用所述化学传感器检测待分析物的一种方法。
背景技术：
近年来人们一直做出很多努力来发展模仿嗅觉和味觉官能的器件。通常分别被称为电子鼻和电子舌的这些器件的适用范围很宽，诸如娱乐机器人、鉴别系统、质量控制系统、环境监控和医疗诊断。但是，目前仅有有限数量的电子鼻器件市场化。尽管这些器件能鉴别和区分一些“气味”样品，但仍需要进一步改进以满足上述许多先进应用的要求。这些应用通常要求更高的敏感性、更高的识别能力、更快的响应、更好的稳定性和较低的能量消耗。由于这些特性对器件所使用的化学传感器的特性依赖性很强，这就强烈需要改进传感器以满足先进电子鼻和电子舌应用的要求。
在过去几年内，基于有机/无机复合材料开发出了新型化学传感器。这些材料通常由包含无机颗粒材料的一种有机基质组成。该有机基质通常决定了材料的化学性能。因此，可通过有机基质合适的官能作用来控制传感器器件的化学选择性。无机颗粒材料赋予复合材料一些物理性能，其在与待分析物的相互作用时而改变，因此，可用于信号转换。
M.C.Lonergan等，Chem.Mater.1996，8，2298-2312描述了化学敏感的碳黑聚合物电阻器。暴露于蒸汽的碳黑-有机聚合物复合物可逆膨胀。为得到一传感器，沿两个金属铅制品间沉积碳黑-有机聚合物复合物薄膜。薄膜由于吸收蒸汽而膨胀引发薄膜电阻的变化并指示待分析物的存在。为了鉴别和区分蒸汽，构造了这种蒸汽-敏感元件的阵列，每个元件含有相同的碳黑导电相但以不同的有机聚合物作为绝缘相。传感器阵列各种聚合物不同的气-固分配系数产生了可用来区分蒸汽和蒸汽混合物的电阻变化模式。这种阵列传感器能分辨普通有机溶剂，包括分辨不同种类的分子如从醇中分辨出芳香烃，以及特定种类内的分子，如从甲苯分辨苯和从乙醇分辨甲醇(见B.J.Doleman等，Anal.Chem.1998，70，4177-4190)。
G.A.Sotzing等，Chem.Mater.2000，12，593-595描述了一种可用于高敏感地探测和识别生物胺的聚苯胺-碳黑化学电阻探测器。导电的聚苯胺被用作碳黑聚苯胺复合材料的聚合物相。吸附气味进入复合材料的聚合物相可使得探测器的直流电阻响应特性增加。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大约6个数量级。
由于敏感材料的聚合本性和碳黑颗粒相当不确定的分布，上述传感器的一个缺点是很难在分子程度控制材料的结构特性精度。但是，非常需要精确控制结构参数，如颗粒间距、待分析物与颗粒相互作用点的位置和孔隙度，因为这可极大地提高传感器的性能，例如化学敏感性或响应和恢复次数。而且，碳黑颗粒趋向于团聚，复合材料可包括具有高和低电导率的延伸区域。这些区域的尺寸限制了器件微型化的可能性。很难制备缩短响应时间所需的非常薄而均匀的膜(＜100nm)。
为了克服这些缺点，可用配体稳定的金属纳米颗粒来制造化学电阻器膜。此时，包围颗粒金属中心的配体壳提供了有机基质，使得颗粒间相互分开。因此，颗粒间距离能通过精确控制配体的尺寸来控制。也可利用配体的分子结构和化学官能度来调整复合材料膜的电传输性能和化学本性。因配合体与纳米颗粒表面相连，作为待分析物交互作用点的化学官能度能够在纳米颗粒表面精确定位。另外一个优点是，容易从不同的金属通过湿法化学法制备不同尺寸配体稳定的纳米颗粒。此特性也可用于进一步调整膜的物理和化学性能。
S.D.Evans等，J.Mater.Chem.2000，8，183-188使用对位取代苯硫酚衍生物来稳定金纳米颗粒。取代基的性质对于控制颗粒-颗粒和颗粒-溶剂交互作用的相对强度是重要的，因此其决定了这些体系的物理和化学性能。通过溶剂蒸发在微电极模式表面上形成了颗粒薄膜。此膜显示出欧姆行为并且室温电导率在10-6和10-2Ω-1cm-1间变化。暴露于不同的化学化合物时薄膜的电导率显示出变化。对极性溶剂中蒸汽的响应显示出很好的重现性，而对非极性有机待分析物的响应趋向极小的可重复性并表现出许多随时间变化的行为。由于ω-官能基的本性，对于水蒸汽相中的待分析物显示出不同的电导和椭圆响应。金纳米颗粒不通过连接分子相互连接。
H.Wohltjen和A.W.Snow，Anal.Chem.1998，70，2856-2859描述了基于单层稳定的金属纳米束转换膜的胶态的体金属-绝缘体-金属整体化学电阻器。转换薄膜由被辛烷硫醇单层封装的2nm的金簇组成并且通过喷枪技术沉积在相互交叉的微电极上。暴露于有机蒸汽时显示出较大的可逆响应。传感器对诸如甲苯和四氯乙烯的非极性化合物敏感，而对1-丙醇和水的响应小。
WO 00/00808描述了用于检测流体中待分析物的传感器阵列。这些阵列包含许多成分不同的传感器。此传感器包含嵌入诸如有机聚合物的非导电材料基体中的导电材料。可使用纳米颗粒作为导电材料，这些颗粒选择性的被与中心相连的配位分子稳定。配位分子可以是聚同官能化或聚异官能化。优选使用有机聚合物作为绝缘材料。还建议用烷基硫醇配体作为唯一的绝缘基质。
WO 00/33062和WO 99/08105中描述了类似的传感器和传感器阵列。
FR 2783051还描述了一种传感器。该传感器包含一纳米颗粒膜，其中纳米颗粒被配体分子稳定的同时至少一个官能单元与纳米颗粒表面相连并且至少一个官能单元与待分析物分子相互作用。
这些传感器的敏感膜通常是将配体稳定的纳米颗粒溶液涂覆于固体基体并蒸发溶剂而形成的。尽管这些器件表现出有前景的性能，但利用这种方法不容易制造膜厚度精确控制的均匀膜，使得可重复的构造和器件微型化相当困难。而且，这些膜缺少机械稳定性并趋向恶化和与基体脱离，特别是当尝试进一步处理传感器基体或当将传感器用于液体或恶劣环境时。缺少机械稳定性也削弱了传感器的总体性能，例如基线和信号稳定性。
为了克服这些缺点，可以使用WO 96/07487所描述的逐步层叠(layer-by-layer)技术制造的金属纳米颗粒膜。已知此方法可用于制备平均膜厚度控制在纳米范围内的均匀多层膜。由于该方法基于双或多官能连接分子和纳米颗粒的可交替且重复的自组合，所产生的膜结构包含一机械稳定性大大改善的交联的纳米颗粒网。
WO 99/27357详细描述了基于纳米颗粒-膜自组合的传感器的组装。首先，用3-硫基丙基二甲氧基甲基硅烷使基体官能化以便为纳米颗粒提供键接部位。然后将活化的基体浸入含有经烷基硫醇单层壳稳定的纳米金颗粒溶液中。基体表面的硫醇基团替代了部分与纳米金颗粒相连的烷基硫醇-配体，由此使纳米颗粒键结在基体表面上。通过随后使纳米金颗粒与键接分子的交替层相连而形成了薄膜。实验部分描述了用1，8-辛二硫醇作为连接分子。建议向配位壳引入异官能团以修正传感器的灵敏度。然后配位分子将被双官能化，一个官能团与金属中心表面连接，另一官能团为吸附目标物种提供吸引的相互作用部位。这表明利用不同官能化的纳米颗粒能影响传感器的化学选择性。还表明纳米颗粒的尺寸和配位体壳的厚度影响化学敏感度。发现利用自组合形成的传感器对甲苯最敏感，但对极性待分析物如丙醇和水的敏感度低。报导了当这些传感器暴露于相对高浓度的甲苯蒸汽(大约2200ppm)中时，电阻增加高达8.2％。我们研究了由纳米金颗粒和壬二硫醇组成的类似的化学传感器。我们发现当这些传感器暴露于不同的蒸汽中时，其通常响应出相当弱的电阻变化。例如，当采用5000ppm的甲苯蒸汽处理这些传感器时，电阻的相对变化低于3％。当采用仅5ppm的甲苯蒸汽时，信号通常小于0.03％且经常很难识别。
除了上述基于嵌入有机基质纳米颗粒的化学传感器外，由于有机枝晶化合物具有吸纳客体分子的能力，也一直用其来制备用于质量敏感化学传感器的敏感涂层。
M.Wells和R.M.Crooks，J.Am.Chem.Soc.1996，118，3988-3989描述了聚(酰氨基胺)(PAMAM)枝晶体在表面声波(SAW)物料平衡中的定位。枝晶体超结构内的空隙作为内受体，枝晶体末端官能团作为外受体。当使SAW-物料平衡暴露于具有不同官能团的挥发性有机化合物中时，获得了对剂量的快速响应，其中对待分析物的响应依照酸＞酒精＞疏水剂的次序减小。H.Tokuhisa和R.M.Crooks，Langmuir 1997，13，5608-5612证实了可利用带有不同有机残基的枝晶体外壳的官能化来影响器件的化学选择性。
WO 97/39041描述了枝晶体单层的制造及其在化学传感上的应用。EP0928813描述了纳米结构的金属/枝晶体复合材料的制备和特性。
K.Sooklal等，Adv.Mater.1998，10，1083-1087描述了存在PAMAM-枝晶体时通过纳米级CdS簇的抑制沉积制备CdS/枝晶体纳米复合材料。CdS簇的光学性能对包括枝晶体种类、溶剂种类及枝晶体和其它溶解物的浓度在内的合成条件敏感。通过在显微镜毛载片上涂覆溶液并随后蒸发溶剂制备这些CdS/枝晶体纳米复合材料的薄膜。这些薄膜大体上保留了它们母液的光学性能。
V.Chechik等，Langmuir 1999，15，6364-6369描述了用硫醇基官能化其部分或全部端基的第四代PAMAM枝晶体的合成。这些硫醇化的枝晶体在平面Au基体上形成了稳定的单层。在部分官能化的枝晶体的单层内大部分硫醇基团直接与Au表面结合。硫醇改性的枝晶体作为Au-纳米颗粒的有效稳定剂。甚至当过量的Au盐存在时进行还原，得到的颗粒也小(1-2nm)。该纳米复合物稳定而且通过凝胶过滤可被分离成纯态。
M.E.Garcia，L.A.Baker，R.M.Crooks，Anal.Chem.1999，71，256-258描述了枝晶体一金胶体纳米复合物的制备和特性。可在聚(氨基胺)(PAMAM)枝晶体存在时在原地还原HAuCl4制备出2-3nm尺寸状态的Au胶体。枝晶体封装该胶体赋予了胶体水溶液稳定性。可通过沉淀分离纳米复合材料。通过枝晶体的级别控制所得胶体的尺寸低级别的枝晶体产生大的胶体。
与质量敏感化学传感器相比，化学电阻器的信号转换和信号读出简单并且可易于使器件微型化和集成，尤其当目的是将延伸的传感器阵列集成为硅基电路时。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种传感器，它对目标待分析物具有选择性、高的敏感性、简单并且强的信号转换和操作性能的高稳定性。
为了达到该目的，本发明提供了一种化学传感器，它含有基体、在基体上形成的传感器介质和探测传感器介质物理性质变化的探测器，其中传感器介质包括具有键接单元的非线性聚合物或低聚物分子与至少一种第二组分的颗粒形成的网状物，其中键接单元与至少一种第二组分颗粒的表面结合，由此连接所述颗粒。
利用的非线性聚合物或低聚物分子可以是星形聚合物、梳状聚合物、超支链聚合物和枝晶体。星形聚合物是具有几个枝的或多或少是球形的聚合物。辐射状向外分布的线性聚合物与中心键接。梳型聚合物有按线性形成的线性聚合物的骨架。与该骨架相连的线性聚合物自分子骨架向侧面分布形成侧链。超支链聚合物的结构与上述聚合物的相似，但与分子的中心或骨架相连的聚合物是支链的。键接单元形成了聚合物的一部分并且优选位于聚合物链的末端。
枝晶体分子最适用于实施本发明。下面将参考枝晶体分子对本发明进行更具体的讨论。但是根据本发明的传感器也可基于上述的其它非线性聚合物或低聚物来成型。
本发明的传感器提供了具有高选择性和好的机械稳定性的传感器器件，它是通过用官能化的枝晶体交联传感器介质的组分而实施的。使用提供与待分析物分子结合部位的枝晶体，通过适当的官能化枝晶体结构也能够调节化学敏感性。也可利用枝晶体组分的大小和结构来控制膜材料的孔隙度。在制造传感器的过程中，传感器介质组分的交联使得可精确控制传感器介质的结构，如膜厚和颗粒间距，这提高了制造器件的可重复性。为了得到快速响应和高的敏感性，在基体上形成的传感器介质膜的厚度约为十纳米至几微米。
枝晶体、尤其是高级别的枝晶体是内部不致密而表面致密包裹的结构明确的准球形有机聚合物或低聚物。可在G.R.Newkome，C.N.Moorefiled，F.Voegtle，“Dentritic MoleculesConcepts，Synthesis，Perspectives”，VCH，1996，Weinheim，Germany找到枝晶体物理化学性质和结构的一般信息。纳米颗粒/枝晶体复合材料的制备和特性已在如R.M.Crooks，B.I.Lemon III，L.Sun，I.K.Yeung，M.Zhao，Top.Curr.Chem.2001，212，81-135；M.Zhao，L.Sun，R.M.Crooks，J.Am.Chem.Soc.1998，120，4877-4878；K.Sooklal，L.H.Hanus，H.J.Ploehn，C.J.Murphy，Adv.Mater.1998，10，1083-1087；G.Bar，S.Rubin，R.W.Cutts，T.N.Taylor，T.A.J.Zawodzinski，Languir1996，12，1172-1179；R.M.Crooks，M.Zhao，L.Sun，V.Chechik，I.K.Yeung，Acc.Chem.Res.2001，34，181-190；M.E.Garcia，L.A.Baker，R.M.Crooks，Anal.Chem.1999，71，256-258；V.Chechik，R.M.Crooks，Langmuir 1999，15，6364-6369；K.Esumi，A.Suzuki，N.Aihara，K.Usui，K.Torigoe，Langmuir 1998，14，3157-3159和EP0928813中有描述。
根据不同的分子结构，不同类型的枝晶体或枝晶体化合物是已知的。根据本发明所有的这些化合物都可用来成型化学传感器，下文中通常将其称为“枝晶体”或“枝晶体分子”。
枝晶体组分完成了下述之一的功能或性质或其组合a)纳米颗粒膜分子设计的孔隙度，这使得可在复合材料内吸纳和扩散待分析物。这可用于改善传感器的敏感性和响应时间以及通过提供尺寸选择性过滤效应来调节传感器器件的选择性。
b)交联复合材料的其它组分(如纳米颗粒、低聚物、聚合物)以赋予机械稳定性；c)调节复合材料的化学性质，从而利用枝晶体内部和/或其表面的化学性质调节了所设计的传感器器件的化学选择性；d)枝晶体也可提供一些可用于信号转换(如发光、吸收)的物理性质。
本发明的枝晶体结构可大致分为四部分形成中心部分的中心(或焦点)、支链重复单元的壳、间隔单元的另一个壳和用于交联复合材料其它组分的键接单元的外壳。
挠性或刚性的枝晶体结构及开孔有助于通过复合材料有助于吸纳待分析物分子，因此可增强传感器器件的敏感性。挠性结构通常包括相对高含量的sp3杂化的碳(和/或杂)原子并且具有高的构象自由度。相反地，刚性结构通常包括高含量的未饱和sp-和/或sp2杂化的碳(和/或杂)原子，优选支链重复单元的壳和中心的碳原子至少40％是sp2或sp杂化，构象自由度受限制(如受空间位阻限制)。但是，刚性枝晶体结构也可由sp3富碳笼型化合物(如金刚烷及其衍生物、环糊精、金属离子/冠醚络合物、金属离子/聚醚络合物)制成，或含有卟啉或酞菁染料(它们可与金属离子络合)及其衍生物。挠性枝晶体对待分析物种的吸纳伴随着枝晶体形状和体积的变化，而刚性枝晶体与待分析物结合时不膨胀。枝晶体内部的化学性质很大程度上决定了复合材料的化学选择性。可与待分析物分子结合的内部官能团作为内受体部位。一般的，枝晶体内部的极性官能团调节对极性待分析物分子的化学选择性，而非极性官能团(或非极性残基)有助于非极性待分析物的选择性。表1表示优选用于形成枝晶体中心结构和重复单元的结构单元。表1列出的结构单元可以任何的组合来形成枝晶体中心结构和重复单元。
表1用于形成枝晶体中心结构和重复单元的结构单元 *-C≡C-**-N＝N-* *-N＝**-S-S-* *-S-* *-O-* 表1的前两行示出的基团含有至少三个价键(*)，因此可作为支链单元和内受体部位，而那些具有两个价键(*)的基团作为内受体部位，如亚胺基或偶氮基，使得与特定的待分析物选择性的结合。苯环可带有6个支链并且可进行取代，如卤素原子、羟基或有机残基，如烷基或烷氧基。X代表这些取代基。
枝晶体中心和重复单元的结构可含有电子施主基团，如氨基、亚氨基、含杂原子(N、S、O)的芳基、羰基、羧基、醚基、含硫基等，它们可用于络合金属阳离子。合适的金属阳离子可以是主族金属，如Mg2+、Ca2+、Pb2+、等，过渡金属，如Mn2+、Co2+、Ru2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ag+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Cr3+、Pt2+、Au3+、Pd2+等，稀土金属如Ce3+、Eu3+等，它们本身用于形成与待分析物如O2、CO、NH3、SOx、NOx选择性相互作用的部位。G.R.Newkome，E.He，C.N.Moorefield，Chem.Rev.1999，99，1689-1746给出了金属枝晶体的例子。也可将氨单元质子化以形成阳离子结合部位。
为了增强与特定待分析物选择性的结合，可用末端结构单元将重复单元官能化。涉及使结构单元与枝晶体结构键接的单元的价键可带有氢原子或小的烷基如甲基或乙基、小的烷氧基如甲氧基、乙氧基，或可被去质子化以形成离子单元。该末端单元也可由下表3所给出的单元形成。
枝晶体的官能和结构单元可以与相同的待分析物结合的单元多于一个的方式排列。该协同作用可极大的提高选择性。而且可将结合部位的空间设置为可立体选择性敏感，如手形化合物。
化学键接于重复单元壳的的可以是间隔单元。这些单元是结构单元，它们主要用于由末端键接单元来使枝晶体的外层官能化。表2给出了可用于形成枝晶体间隔单元的结构单元的例子。这些单元可以任意组合形式用于形成间隔单元。
表2用于形成枝晶体间隔单元的结构单元*-CH2-* *-CH＝CH-* *-C≡C-* *-N＝N-**-N＝**-S-* *-O-* *-S-S-* 间隔基的结构优选由至少含有3个碳原子的亚烷基、链烃基或炔烃基形成。为了使间隔基与重复单元的壳键接，两部分都含有合适的官能或结构基团。例如该单元可形成酯键或酰胺键。
间隔基的末端带有官能团和/或结构单元，它作为枝晶体与复合材料的其它(第二)组分交联的键接单元。优选键接单元由极性基团和/或含硫基团形成。表3表示可用于形成枝晶体分子键接单元的结构单元的优选例子。
表3用于形成枝晶体键接单元的结构单元*-S-S-**-S-* *-NC *-O-* *-C＝C-* *-CNH H表3所示的基团的一些价键可由氢原子封端，从而形成了如封端的羟基、氨基或硫醇基，或被去质子化而形成了例如硫醇盐或羧酸盐基。
通过共价键或配位键(例如金属—配体，如Au/硫醇)优选使枝晶体交联复合材料的其它组分。但是通过非共价键如离子的偶极—偶极结合或金属离子络合也可得到枝晶体分子的键接。当枝晶体分子被连接于金属颗粒或半导体颗粒的表面时，优选枝晶体分子含有合适的形成枝晶体分子表面的键接单元的外壳。键接单元可通过合适的间隔单元与枝晶体分子偶联。优选键接单元选自由硫醇基、二硫基、氨基、异氰基、硫代氨基甲酸酯、二硫代氨基甲酸酯、螯合聚醚和羧基形成的基团。枝晶体分子内键接单元的类型可以相同或不同。与第二组分键接的极性键接单元也可作为用于待分析物的外受体。
枝晶体的结构(尤其是重复单元、间隔单元和/或键接单元)可含有以下氨基酸或由其形成如氨基乙酸(GLY)、丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、蛋氨酸(Met)、脯氨酸(Pro)、苯丙氨酸(Phe)、色氨酸(Trp)、丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)、半胱氨酸(Cys)、酪氨酸(Tyr)、天门冬素(Asn)、谷氨酸盐(Gln)、天门冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)、赖氨酸(Lys)、精氨酸(Art)、组氨酸(His)或核苷酸，或核苷酸结构单元如胞核嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶、腺嘌呤、鸟嘌呤、核糖、2-去氧核糖或这类化合物的衍生物。
如果用该敏感材料探测非极性待分析物，枝晶体的化学性质、尤其是枝晶体内部的结构也应为非极性。优选非极性枝晶体结构含有彼此间通过碳键和/或醚键相连的苯基或聚亚苯基单元。该枝晶体是相当刚性的并且其内部含有确定的可吸纳客体分子的孔隙。
如果用该敏感材料探测极性待分析物，枝晶体的化学性质、尤其是枝晶体内部的结构也应为极性。由于可由市售得到，优选用于成型传感器膜的枝晶体是聚酰胺基胺(PAMAM)枝晶体。进一步优选可市售得到的枝晶体是聚(丙烯亚胺)(PPI)枝晶体。那些可得到的枝晶体分子尺寸取决于枝晶体的级别(如级别-1至级别8)。不同级别枝晶体的物理和化学性质有区别，从而可用于改进化学传感器的选择性和/或敏感性。
在PAMAM和PPI枝晶体结构中支链位置都由氮原子形成。二者的结构都相当挠性，因为结构单元含有高含量的高旋转自由度的sp3杂化原子。由于两种结构都包含极性官能团(酰胺基或胺基)，这些枝晶体适用于制造对极性、亲水待分析物有选择性的传感器，尤其是含有亲水酰胺基的PAMAM枝晶体可用作内受体。基于PPI的传感器由于酰胺基官能团而尤其对酸性待分析物有选择性。
PAMAM和PPI枝晶体都与金属阳离子(如Ag+、Au3+、Pt2+、Pd2+、Cu2+)结合(络合)。另外，可通过UV辐射或湿化学法将金属阳离子还原以形成枝晶体稳定的金属纳米颗粒。半导体材料也可与该枝晶体分子形成簇，如PAMAM稳定的CdS簇。因此可将纳米颗粒用作传感器介质的第二组分。通过在纳米颗粒表面上吸纳枝晶体来用枝晶体稳定纳米颗粒。枝晶体外层的氨基作为结合于纳米颗粒表面的键接单元。由于氨基对许多金属表面有高亲和力，从而在金属基体(如金基体)上形成了单层。如Wells和Crooks(M.Wells，R.M.Crooks，J.Am.Chem.Soc.1996，118，3988-3989)所述，可利用PPI和PAMAM枝晶体的主氨基使枝晶体与有机硫醇的自成型单层共价键接。
可通过酰胺偶联使各种作为外受体的有机残基与主氨基偶联来控制PPI和PAMAM枝晶体外层的化学性质。这可用于调节枝晶体基传感器的化学选择性和/或改进枝晶体分子与如纳米颗粒表面的偶联。这是通过在枝晶体分子表面上提供如硫醇基团或二硫基团，使该键接单元通过合适的间隔单元由酰氨键与末端的氨基偶联而实施的。例如，V.Chechik等，Langmuir 1999，15，6364-6369的描述证实了如何用硫醇端基使PAMAM枝晶体官能化。表3给出了其它用于键接许多金属纳米颗粒的端基。用羟基封端(而不是氨基封端)也可得到PAMAM枝晶体。这些枝晶体被称为PAMAM-OH(Sigma-Aldrich)。也可通过市售得到羧基封端的PAMAM枝晶体。所有这些PAMAM枝晶体可用于制备用于传感器介质的高交联的枝晶体/聚合物复合材料。枝晶体的氨基、羟基或羧基用于交联复合材料的聚合物组分。
优选使用枝晶体复合材料作化学传感器，它利用光学或特别优选的电子性能的变化为信号转换。为了使复合材料具有有用的光学和/或电子性能，纳米颗粒可作为第二组分。
纳米颗粒是至少一维限制在纳米级的(＜1000nm，优选小于100nm)纳米范围的物质。因此纳米颗粒类似于球形(三维限制)、纤维或管(二维限制)或片(一维限制)。三维限制的纳米颗粒的例子是表面活性剂稳定的金属和半导体纳米颗粒和球壳状碳分子如C60。二维限制的纳米颗粒的例子是碳纳米管和半导体纳米纤维如V2O5纳米纤维。一维限制的纳米颗粒的例子是由ZnS或氧化钛制成的片。所有这些纳米颗粒可用于成型化学传感器。优选使用三维限定的纳米颗粒，其尺寸范围在0.8-100nm之间。
一般地，纳米颗粒由绝缘材料组成，但为了提供有用的光学和/或电子性能优选其由半导体材料或金属组成。可通过各种方法制备该纳米颗粒，文献中的许多论文描述了从气相技术至湿法化学合成等方法。湿法化学制备方法通常提供配体稳定和/或电荷稳定的纳米颗粒溶液。本领域的技术人员熟知这些制备方法。
纳米颗粒完成了两项不同的任务。首先，它们很大程度上确定了操作该传感器时测得的复合膜材料的物理性质。如果传感原理需要电导率，则优选金属颗粒，因为它们极大地提高了材料的电导率。例如，这使得可测量电导率的变化来作为传感器信号。根据经验，使用较大颗粒产生的膜比用较小颗粒产生的膜具有更高的导电率。而且许多金属和半导体纳米颗粒具有明显的光学性能(吸收和/或发光)，该性能随着待分析物与膜材料的相互反应而变化。其次，纳米颗粒作为键接枝晶体分子的纳米级基体。就此而言，可认为纳米颗粒是纳米颗粒/枝晶体网状物的连接物。这些纳米颗粒网状物在纳米颗粒间含有孔穴，它有助于待分析物种扩散进入传感器材料。
值得提及的是，用传感器器件探测某目标待分析物时，纳米颗粒材料也可用于调节膜的化学选择性。例如，许多金属纳米颗粒可与气体如CO、NH3、NOX、SOX等产生激烈的相互作用，该作用可促使用作传感器信号的光学和/或电子性能发生很大的变化。
纳米颗粒膜用作化学电阻器时，纳米颗粒的一个重要作用是提供足够电导率。因此，优选纳米颗粒为金属纳米颗粒。适用于制造纳米颗粒传感器膜的金属优选选自由Au、Ag、Pt、Pd、Cu、Co、Ni、Cr、Mo、Zr、Nb和Fe组成的组中。也可以使用含有这些金属组合(如合金)的纳米颗粒。
也可以使用半导体纳米颗粒(如II/VI半导体如CdS、CdSe、CdTe、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、HgS、HgSe、HgTe，或III/V半导体如GaAs、InAsInP，或其它如PbS、Cd3P2、TiO2、V2O5、SnO和其它过渡金属氧化物或包括中心/壳结构的这些材料的组合，如CdS/CdSe或CdSe/ZnS)。为了提高半导体纳米颗粒的电导率，可将其掺杂(如As、Sb、Al、B、P、In、镧系、过渡金属)。此时，枝晶体用于键接纳米颗粒。半导体纳米颗粒提供了可用于光和/或电子信号转换的性能，由此可用于制造化学传感器。
另外，也可用金属、半导体和/或绝缘体作为纳米颗粒。绝缘体材料可使用SiO2、Al2O3或MgO。根据本发明仅有绝缘体材料组成的纳米颗粒也可用于传感器介质的成型。
理论上也可能由导电的有机材料如导电的聚合物来作为导体或半导体颗粒。应理解为本文所述的纳米颗粒可以任意的组合用于制备敏感材料。
为了赋予枝晶体复合材料有用的电子性能，也可将枝晶体组分与(半)导体聚合物或低聚物结合而不是与(或包括在内)上述的纳米颗粒。M.Zhao，Y.Liu，R.M.Crooks，D.E.Bergbreiter，J.Am.Chem.Soc.1999，121，923-930和WO/9858970中已描述了枝晶体/聚合物复合材料的制造。用于赋予枝晶体复合材料有用的电子性能的(半)导体聚合物或低聚物的例子是聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩或这些聚合物的衍生物。G.Hadziioannou，P.F.van Hutten(编辑)“Semiconducting Polymers-Chemistry，Physics and Engineering”，Wiley-VCH，Weinheim，Germany中描述了半导体聚合物的其它例子。可通过使枝晶体的官能端基与(半)导体聚合物(或半导体低聚物)反应来制造该传感器介质。适用于该目的的枝晶体可具有极性或非极性分子结构，分别用来调节对极性或非极性待分析物的化学选择性。枝晶体用于交联半导体聚合物组分。
本发明的化学传感器可用于各种类型的化学传感器器件中，这些器件利用不同的物理性质来探测待分析物。第一组探测了电性能的变化。例如可测量传感器膜的导电率或电容的变化。因此，化学传感器可用作化学电阻器或化学电容器。传感器膜也可用于形成化学二极管器件或多终端器件如化学晶体管(如化学-FET)的构型中。文献(B.Crone，A.Dodabalapur，A.Gelperin，L.Torsi，H.E.Katz，A.J.Lovinger，Z.Bao，Appl.Phys.Lett.2001，78，2229-2231)中描述了含有基于聚噻吩半导体低聚物的化学敏感晶体管的例子。化学传感器也可用作质量敏感传感器。则将纳米颗粒膜用作压电材料上的膜，以形成化学敏感表面声波器件(SAW)或水晶微量天平(QCM)。
根据另一个实施方式，化学传感器可用作光学传感器。则测量的传感器信号为反射率、发光、吸收或散射的变化。此时待分析物分子与传感器材料的键接导致了光学性能的变化(UV/可见和/或IR)。例如，合适的材料包括显示出电致或光致发光的半导体纳米颗粒。例如当枝晶体/纳米颗粒材料吸收待分析物分子时发光性能有变化。该变化是由于纳米颗粒和/或纳米颗粒邻近环境(即枝晶体或待分析物本身的电子状态)的电子状态发生了变化。上面已给出了合适的半导体材料的例子。
也可以用于传感器膜做光学纤维(如光导干涉器件)的化学敏感层。化学传感器也可用热或温度的变化，因此可用作热敏电阻或其它热电器件。
优选用化学传感器形成化学电阻器，其中，传感器介质在一对接触电极上沉积为膜。
可将传感器膜沉积在如由Au制造的电极上，该电极通过例如平板印刷技术沉积在惰性基体上，或将两个电极沉积在膜上部。其它的构型也是可行的。可将一个电极置于传感器膜的下面，而将另一个电极沉积在传感器膜的上面。枝晶体复合材料对待分析物的吸收影响了传感器的电子性能，从而导致了传感器膜电导率的变化。
当化学传感器集成于IC器件时，惰性基体可由如Si/SiO2制成。进一步优选基体由玻璃和/或陶瓷制成。
可将优选具有不同传感器膜组成的几个化学传感器排列以形成传感器阵列。
根据本发明的化学传感器可微型化以用于如IC器件的传感器阵列中。
化学传感器含有至少一种纳米颗粒和至少一种枝晶体分子。
化学传感器可含有与两个枝晶体分子相连的单个纳米颗粒。然后，可将枝晶体分子与如带有另外键接单元的电极相连。
根据另一个实施方式，化学传感器可含有与两个纳米颗粒相连的单个枝晶体分子。
如F.L.Leibowitz，W.Zheng，M.M.Maye，C.-J.Zhong，Anal.Chem.1999，71，5076-5083所述，含有纳米颗粒的传感器膜可由一步法形成，该文献研究了Au-纳米颗粒/烷基二硫醇膜的形成和性能。该方法在基体存在时在溶液相中将纳米颗粒和键接分子混合而沉淀了膜材料。从而使表面具有合适键接单元的枝晶体与合适的纳米颗粒混合，产生了薄膜复合材料的沉淀。但是，为了得到高精度的稳定的纳米颗粒膜，优选通过逐层沉积纳米颗粒来制备纳米颗粒膜。D.Bethell，M.Brust，D.J.Schiffrin，C.Kiely，J.Electronanal.Chem.1996，409，137-143；M.Brust，D.Bethell，C.J.Kiely，D.J.Schiffrin，Langmuir 1998，14，5424-5429和WO96/07487中从原理上描述了该过程。本发明中，通过纳米颗粒和枝晶体逐步的自组织使纳米颗粒膜成型。这使得可在控制严格且可重复的条件下形成纳米颗粒传感器膜。
因此本发明的另一个目的是提供一种上述的形成化学传感器的方法，它包括的步骤为a)提供一个基体b)交替的在基体上沉积一层纳米颗粒和一层带有键接单元的非线性聚合物，从而使非线性聚合物与纳米颗粒偶联直至得到了均匀的传感器膜。优选用枝晶体分子作非线性聚合物。优选首先将基体官能化以在基体表面上提供键接基团。在优选的实施方式中，形成化学传感器的方法包括下面的步骤a)将基体官能化以在基体表面上提供键接基团；b)在官能化的基体表面上沉积一层纳米颗粒从而使纳米颗粒与键接基团连接；c)在纳米颗粒层上沉积枝晶体分子并且使枝晶体分子与纳米颗粒偶联；d)另外沉积一层纳米颗粒并且通过枝晶体分子与第一层的纳米颗粒键接；e)重复步骤c)和d)直至得到了纳米颗粒的均匀的传感器膜。
重复纳米颗粒的沉积和枝晶体分子的沉积直至得到了导电率足以用于化学电阻器(优选R＜10MΩ)的纳米颗粒传感器膜。可通过合适的方法实施纳米颗粒的沉积和枝晶体分子的沉积。可通过喷溅和浸渍合适溶剂中的纳米颗粒或枝晶体分子的溶液、并且蒸发该溶剂或旋涂技术来实现纳米颗粒的沉积和枝晶体分子的沉积。通常以配体稳定的纳米颗粒溶液的形式涂覆纳米颗粒。通过配体交换反应实现配体或枝晶体分子的键接。在该交换反应中，至少由枝晶体分子交换一些稳定的配体。例如，金-纳米颗粒表面上的十二烷基胺配体易于被硫醇官能化的枝晶体分子交换。可通过如使巯基的或氨烷基硅烷与基体表面偶联来对基体进行官能化。
形成传感器膜的最后一个步骤中，优选沉积了一层枝晶体分子，由此使传感器膜表面由枝晶体分子形成。
根据本发明方法的另一个实施方式，化学传感器的制造方法中，在基体表面上制备包括带有键接单元的非线性聚合物、纳米颗粒和溶剂的混合物，或将其涂覆于基体表面上，并且将溶剂除去以形成传感器介质膜。
也是在该实施方式中，首先将基体官能化以在基体表面上提供键接单元。
上述传感器可用于探测气相或溶液相中的待分析物分子。因此本发明的另一个主题是探测待分析物的一种方法，其中将上述化学传感器的传感器介质暴露于待分析物，并且通过探测器测量传感器膜物理性质的变化。物理性质的变化可以是如导电率、介电常数、反射率、颜色、发光、吸收率、质量、体积、密度、和/或热容的变化。
下面将利用实施例并且参考附图对本发明进行更详细的描述。
图1表示用于本发明化学传感器的枝晶体的一般结构示意图；图2a-2e表示用于本发明化学传感器的优选枝晶体结构和构件的示意图；图3表示成型的化学电阻器的示意图；图4a表示用于成型传感器膜的金-纳米颗粒的TEM显微照片；图4b表示图4a所示的金-纳米颗粒的尺寸分布；图5a表示金-纳米颗粒溶液的UV/可见光谱和3-14个沉积循环后的聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒膜的光谱；图5b表示在逐步生长聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒膜的过程中等离子体激光吸收(λ最大≈550nm)的增加和导电率的增加；图6a表示本发明聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒膜划痕边缘(底部)的AFM镜像；顶部表示沿该膜边缘的一维扫描。
图6b表示图6a所示膜高放大倍数时的一维扫描AFM镜像；图7a表示在逐步成型PPI-枝晶体/金-纳米颗粒膜和PAMAM-枝晶体/金-纳米颗粒膜的过程中等离子体激光吸收(λ最大≈526-560nm)的增加；图7b表示在逐步成型PPI-枝晶体/金-纳米颗粒膜和PAMAM-枝晶体/金-纳米颗粒膜的过程中电导率的增加；图8表示聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒复合薄膜电阻器暴露于甲苯蒸汽时的响应；图9表示将传感器暴露于各种蒸汽时测得的聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒传感器膜的敏感性等温线；图10比较了用聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒基化学电阻器和用壬二硫醇/金-纳米颗粒基化学电阻器测得的敏感性；和图11表示聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒膜电阻器(A)、PAMAM-枝晶体/金-纳米颗粒膜电阻器(B)和PPI-枝晶体/金-纳米颗粒膜电阻器(C)暴露于5000ppm甲苯、1-丙醇和水时的响应曲线。
具体实施例方式
图1A示出了可用于成型本发明化学传感器的枝晶体的一般结构。结构的中心是中心1(或焦点)。图1A的例子中，中心有三个枝翼(如1，3，5取代的苯环)。但是中心一般也可以具有不同数量的枝翼。优选中心具有两个枝翼(如1，4取代的苯环或亚烷基二胺)。更优选中心有三个枝翼(如1，3，5取代的苯环)。甚至更优选中心有四个枝翼(如碳或硅原子)。中心的每个枝翼与重复单元2的第一“壳”相连，每个分成两个新的枝翼。重复单元支链的原子可以是碳原子或杂原子(如氮)。图1A所示的例子自中心至结构的外侧共有三个重复单元的壳。因此所示的枝晶体结构被称为三级(G-3)枝晶体。本发明可利用各种级别的枝晶体，但是，级别1-6是优选的。尤其优选级别1-4。由于图1A所示的每个重复单元分成了两个枝翼，重复单元的每个壳使支链的总数翻倍。因此该结构表面的支链总数为24(＝3(中心)×2(1壳)×2(2壳)×2(3壳))。一般地，枝晶体结构中每个重复单元分成多于两个的枝翼也是可能的。本发明优选重复单元分成三个枝翼。更优选如图1A所示分成两个枝翼的重复单元。可用各种化学基团或杂原子将重复单元官能化，以向枝晶体结构引入内受体部位或调节其极性。重复单元的结构可以是刚性或挠性。刚性单元通常含有sp-和/或sp2杂化的碳原子；sp2杂化的碳原子可参予芳香基团(如苯环)的形成。但是，刚性枝晶体结构也可由sp3富碳笼型化合物(如金刚烷及其衍生物、环糊精、金属离子/冠醚络合物、金属离子/聚醚络合物)制成，或含有卟啉或酞菁染料(它们可与金属离子络合)及其衍生物。挠性结构通常含有sp3杂化的碳原子(和/或杂原子)，从而其构象自由度高。本发明可使用挠性和刚性的重复单元，但是优选用刚性重复单元。自图1A所示结构的内侧至外侧时，重复单元的最后一个壳之后是间隔单元3。由该图可以看出，24支链中的每一个与一个间隔单元相连。这些间隔单元的功能是使键接单元4与重复单元的外壳相连。间隔单元可包括碳原子数高达16或更多的短的线性亚烷基、链烃基或炔烃基单元。而且该间隔单元可用于向枝晶体的外部结构引入一些化学官能团(杂原子)。本发明可利用挠性和刚性间隔单元，但优选构象自由度高的(如包括碳原子数高达16的亚烷基)挠性间隔单元。上表2已给出了可用于形成间隔结构的其它合适单元。一般也可以利用不含有间隔单元或间隔单元仅为共价键的枝晶体。键接单元4是与传感器膜(如纳米颗粒)的其它组分连接从而交联敏感材料的官能团。交联单元排列在枝晶体分子的表面上。表3已给出了这种键接单元的例子。
图1B的示意图表示形成枝晶体结构的四个不同单元的空间排列。中间的中心1被至少一个重复单元2的壳包围。间隔单元3的壳紧跟在重复单元的壳之后，该单元3在枝晶体的外侧被键接单元4的外壳包围。应指出重复单元的壳可由化学组成和结构一致的单元或化学和/或结构不同的单元形成，壳与壳和/或一个壳内的重复单元可以不同。另外，枝晶体结构可含有化学组成和/或结构相同或不同的间隔或交联单元。可通过共价键如碳-碳键或官能键(如酯键、酰胺结合)使重复单元与中心相连。该键也用于重复单元彼此键结、间隔单元相连以及间隔单元和重复单元相连。涉及金属的共价键也可用于使枝晶体的结构单元相互键接。
根据中心1的枝翼数量可将枝晶体结构分成如图1C所示的扇形区5。尤其是，如果枝晶体由汇聚法合成，不同扇形区的化学组成和/或结构特征(重复单元、间隔单元和/或键接单元)可因链段的不同而不同。
图2a绘出了相应于上面的综述的枝晶体分子，该结构的中心是与2，3，4，5-四苯基苯重复单元相连的四苯基甲烷单元。每个四苯基苯单元与另外两个四苯基苯单元相连。因此该结构是2级枝晶体。每个外侧的四苯基苯单元带有两个通过酯键相连的硫辛酸残基。硫辛酸残基碳骨架形成了间隔单元壳，而枝晶体表面的二硫官能团形成了键接单元壳。如R.G.Nuzzo，D.L.Allara，J.Am.Chem.Soc.1993，105，4481-4483所述，已知二硫化物可与金属表面如金表面键接。因此该枝晶体很适用于交联金-纳米颗粒。聚亚苯基中心结构相当刚性并且其球形直径约为2.5nm。空间位阻仅允许相当低的构象自由度。枝晶体的聚亚苯基结构是疏水的并且不含有任何的极性官能团。酯键用于连接间隔单元。预计含有该疏水枝晶体的敏感材料对疏水待分析物的选择性高于亲水的待分析物。聚亚苯基型枝晶体的合成在例如F.Morgenroth，C.Kübel，K.Müllen，J.Master.Chem.1997，7，1207-1211和U.-M.Wiesler，A.J.Berresheim，F.Morgenroth，G.Lieser，K.Müllen，Macromolecules 2001，34，187-199中有描述。
除了硫辛酸残基外R也可利用其它的间隔单元和/或键接单元。图2a也绘出了这些基团的例子。可利用具有三、四或六个枝翼的中心来对图2a所示的枝晶体结构进行改性。图2b绘出了该中心。图2a所示用于枝晶体的相同重复单元、间隔单元或键接单元可与图2b的中心相连。
图2c示出了用于成型本发明化学传感器枝晶体的另一个例子。C.J.Hawker，K.L.Wooley，M.J.Frèchet，J.Chem.Soc.Perkin Tran.I 1993，1287-1297已描述了该枝晶体分子。该枝晶体内部疏水，但有一个羧酸官能团的亲水外表面。该枝晶体的中心具有两个枝翼且由4，4′-二氧二苯基单元组成。重复单元是彼此通过氧原子键接的3，5-苯羟基单元，从而形成了聚醚大分子结构。由于该结构含有四个重复单元壳，因此该枝晶体是四级枝晶体。间隔单元是在对位与羧酸基团相连的苯基单元。该结构比上述(图2a)聚亚苯基结构更具有挠性，因为它含有sp3杂化的碳原子和更高的构象自由度。图2c所示的枝晶体具有使疏水客体分子如聚环芳香类化合物成溶剂化物的能力。因此，含有该枝晶体的传感器对这种疏水待分析物具有明显的选择性，羧酸基团的亲水外表面可用于通过共价或非共价结合而直接与传感器复合材料的其它组分相连。羧酸基团也可用于使官能团偶联于枝晶体表面，其更适用于交联复合材料的其它组分。例如，可通过酯键和酰胺结合将合适的键接单元与羧酸偶联。
图2d表示极性亲水枝晶体的结构，该枝晶体是已知的市售StarburstPAMAM(聚胺基氨)枝晶体(Dendritech，Inc.)。图2d所示的枝晶体是二级枝晶体。结构的中心是乙二胺四乙酸，因此有四个枝翼用于通过酰胺键键接重复单元。重复单元是1，2-二氨基乙烷和乙酸，其仍通过酰胺键彼此连接。重复单元外壳的氨基在表面上提供了键接单元。因此，此时可不指定间隔单元。但是，应指出通过市售得到的PAMAM枝晶体带有可直接用作键接单元的氨基、羧基或羟基表面基团。为了促进枝晶体与复合材料的其它组分键接，也可能利用表面基团使间隔单元与更适用于交联材料的键接单元相连。
图2e所示的枝晶体也是市售的(Sigma-Aldrich)DAB-Am-16聚丙亚胺十六烷氨枝晶体，它也被称为聚(丙烯亚胺)或PPI-枝晶体。该结构的中心是1，4-二氨丁烷，因此具有四个氮原子价键的枝翼。重复单元是丙氨基单元。该图所示的结构具有三个重复单元的壳，因此是三级枝晶体。该例子中，键接单元也是由形成外壳的重复单元的氨基提供。因此，可不指定间隔单元。但是，可能利用表面氨基团连接其它间隔和键接单元，其更适用于交联该复合材料。
在图2d和图2e所示的枝晶体结构中，支链位置都是氮原子。这两种结构都是挠性的，因为它含有高含量的sp3杂化碳原子带来高的构象自由度。由于两种情况下都含有酰胺或胺基，这些枝晶体适用于制造对极性亲水待分析物有选择性的传感器。PAMAM中的疏水氨基可作为内受体，由此增强了对极性待分析物的选择性。由于其胺官能基，PPI枝晶体尤其对酸性待分析物有选择性。
图3表示纳米颗粒膜作敏感元件的化学电阻器。基体6上放置有交叉指型电极7。基体6沉积了覆盖电极结构7的复合膜8。向电极的极柱(lead)9施加恒电流，并且由探测器(未示出)探测出沿电极的电压变化。该图的放大部分表示纳米颗粒10与枝晶体分子11结合从而形成了枝晶体/纳米颗粒网状物。
纳米颗粒的制备由上述Leff等人，Langmuir 1996，12，4723-4730的湿法化学方法来制备十二烷胺稳定的金-纳米颗粒的胶体溶液。向快速搅拌的160mg AuCl3在20ml水的溶液中加入了639mg四辛基溴化铵的20ml甲苯液。搅拌直至有机相变为桔红色而水溶液相变为无色。向该混合物中加入1178mg十二烷胺和30ml甲苯。强烈搅拌的条件下加入了新制备的221mgNaBH4的15ml水溶液。溶液的颜色立即变成深紫色。在室温下搅拌一整夜后分离有机相并且加入40ml乙醇。将该混合物保存在-18℃下一整夜。用尼龙膜(0.45μm孔径)过滤从溶液中分离出沉淀物并且将其重溶于20ml的甲苯中。通过重复下面的三个步骤对该溶液进行分步沉淀1.加入乙醇(约40ml)，2.在冷藏室搁置一整夜，3.通过离心或过滤分离出该沉淀物。该方法得到了四个部分，其中部分2用于传感器的制造。部分2的TEM分析表明金-纳米颗粒已结晶并且其平均粒径为3.9nm，此时标准偏差为1.2nm。图4a示出了TEM显微照片。图4b表示统计700颗粒得出的尺寸分布图。与烷烃硫醇稳定的金-纳米颗粒相反，这些胺稳定的颗粒易进行配体交换反应，因此很适合用作结构单元用于由逐层方法成型出纳米颗粒/枝晶体膜。金表面与氨基的相互作用比与硫醇基的相互作用弱得多。因此硫醇或二硫化物官能化的枝晶体可易于在纳米颗粒表面交换烷基胺配体。但是，如下所述，氨基官能化的枝晶体也可在纳米颗粒表面交换烷基胺。也可用十二烷胺对金颗粒相对弱的稳定化来解释即使在分步沉淀后仍发现尺寸分布宽。但宽的尺寸分布应用于传感器并不一定就是缺点。因为宽的尺寸分布提高了复合材料的孔隙度，这有助于待分析物在膜内的扩散，因此可提高其敏感性。
可电学识别的聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒复合材料膜的制造和特性为了成型出传感器膜，利用了具有图2a(R＝硫辛酸残基)所示结构的枝晶体。将该膜沉积在BK7玻璃基体上来支持平版印刷制成的交叉指型电极结构。电极结构含有5nm的钛粘结层，在该层上沉积了95nm的金层。它们包括宽度为10μm、间隔为10μm、覆盖度为1800μm的50对指型电极。在成型该传感器膜之前，将该基体在具有丙酮、正己烷和异丙醇的溶液中超声洗涤并且施加氧等离子体(30W和0.24mbar下4min)。将洗净的基体浸入50μL 3-丙氨基二甲基乙氧基硅烷的5mL甲苯溶液中并且60℃下加热30分钟。该过程用氨基官能化了玻璃基体，该氨基作为后续纳米颗粒沉积的键接基团。将经甲苯洗涤的官能化基体置于含十二烷胺稳定的金-纳米颗粒的甲苯溶液中15分钟。金纳米颗粒的浓度对应λ最大＝514nm(10mm的路径长度)时0.4的吸收。接着用溶剂冲洗该基体并且将其置于键接溶液中，该溶液是10mg图2a所示结构(R＝硫辛酸残基)的枝晶体与5mL甲苯和300μL二氯甲烷的混合溶液。将该基体浸入键接溶液15分钟后用甲苯洗涤之。然后将基体浸入纳米颗粒溶液和键接溶液的过程重复14次。最后的处理是涂覆该枝晶体溶液从而提供了膜结构的最上层。在沉积循环之间，将基体在氮气流下干燥并且测量了UV/可见光谱(用Varian Cary 50扫描光谱仪)和电阻。图5a表示金-纳米颗粒溶液的UV/可见光谱和3和14个沉积循环后复合膜的光谱。可见，与液相光谱(λ＝514nm)相比，膜的等离子体激光吸收带(λ＝550nm)有红移。之前(T.Vossmeyer，E.DeIonno，J.R.Heath，Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1997，36，1080)已发现了该现象并且可解释为此时膜材料的介电环境和颗粒与颗粒间的相互作用不同。但是从该图也可以看出，3层膜的吸收带的最大值与14层膜中的一个的位置几乎相同。这表明在膜的连续生长过程中颗粒-颗粒之间的平均相互反应没有明显的变化。这对含有大的键接分子的膜(M.D.Musick等，Chem.Mater.2000，12，2869-2881)而言是典型的行为。图5b表示在膜的生长过程中等离子体激光吸收(λ最大≈550nm)和导电率是如何增加的。吸收和导电率都线性增加表明了在每个成型周期中沉积了相同量的金纳米可颗粒。应指出的是，在制备膜后的最初几个星期我们发现了膜电阻的增加(1.6MΩ-5.7MΩ)。通过用自制的设备在可变温度下测量IV研究了膜的电子传输性能，该设备包括一个液氮容器、一个计算机界面温度控制仪和一个HP4142B Source/Monitor设备。室温下相对于+/-3kVcm-1的场显示出欧姆行为在+/-3V的范围内。仅在更高的场并且低的温度时(＜200K)我们发现了轻微偏离于线性行为。在0.5kVcm-1的场测量了250K-100K间的电导率对温度的依从关系。我们发现随着1/T的增加ln(1/R)线性的降低，根据σ∞exp(-Ea/Kt)，这与电荷传输的Arrhenius型活化一致，其中σ是导电率(例如参见C.A.Neugebauer，M.B.Webb，J.Appl.Phys.1962，33，74-82)。从ln(1/R)对1/T图的斜率我们可以确定活化能Ea是78meV，这与理论计算和其他人报道(例如参见B.Abeles，P.Sheng，M.D.Coutts，Y.Arie，Adv.Phys.1975，24，407-461；M.Brust，D.Bethell，D.J.Schiffrin，C.J.Kiely，Adv.Mater.1995，7，795-797)的结果相同。为了研究膜厚和膜形貌的特性，我们利用了轻击式原子能显微镜分析(AFM)。图6a的底部表示在一个划痕的边缘膜的AFM镜像。该图顶部沿边缘的一维阶梯式轮廓表明膜约为60nm厚，对含直径为3.9nm和2.5nm球形的多层结构的致密填充而言，这比预期的小约10nm。该发现表明每个沉积步骤不会产生各组分的完整单层。考虑到实际的膜厚、交叉指型电极结构的几何形状和膜的电阻，我们计算的复合材料的室温电导率约为5.5×10-6Ω-1cm-1。图6a上部的一维扫描也表明与BK7-玻璃基体相比膜结构相当粗糙。这表明膜材料是很多孔的。图6b表示在更高放大倍数时膜的AFM镜像。它表明枝晶体和纳米颗粒团聚为小珠。由于顶部涡流，很难估计团聚的尺寸。但是，该图右手侧的一维扫描暗示该珠具有十个纳米级的尺寸。这意味着该珠仅由几个至几十个纳米颗粒和枝晶体组成。
可电学识别的PAMAM枝晶体/金-纳米颗粒复合材料膜和PPI枝晶体/金-纳米颗粒复合材料膜的制造和特性与上述方法相似，我们制备了PAMAM-和PPI-枝晶体/金-纳米颗粒复合材料。唯一的区别是我们用了10mg的PAMAM-G4(4级)或PPI-G3(3级)枝晶体的5ml甲醇液代替了聚亚苯基胺枝晶体溶液。在将该基体每次浸入枝晶体溶液之后、在将该基体浸入纳米颗粒溶液之前，首先将基体用甲醇然后用甲苯冲洗。因此，在将该基体浸入金纳米颗粒溶液之后、浸入枝晶体溶液之前，首先将基体用甲苯然后用甲醇冲洗。应指出的是我们所用的PAMAM-和PPI-枝晶体分别含有64和16个主表面氨基，以用作交联金-纳米颗粒的键接单元。图7a表示在逐步的膜沉积过程中金-纳米颗粒膜的等离子体激光吸收(λ最大≈526-560nm)上如何增加的。等离子体激光吸收的线性增加再次表明了在每个沉积周期中沉积了相同量的金纳米可颗粒。但是用PAMAM枝晶体比用PPI-枝晶体时沉积的金-纳米颗粒少。该结果的一个可行的解释是用于沉积膜的PPI枝晶体溶液的分子浓度约比PAMAM-枝晶体高8倍的事实。因此PPI-枝晶体溶液可更有效的替换金-纳米颗粒表面的十二烷胺配体。图7b表示在每个沉积循环之后测量的电导率的增加。可看出3-5次的沉积循环产生的电导率的增加相当低。这可能是因为“岛”的形成并且该岛的边部生长直至基体表面完全被金-纳米颗粒/枝晶体复合材料的薄膜覆盖。在最初的5个沉积循环之后，PPI-枝晶体/金-纳米颗粒膜的导电率线性增加，这表明膜组分高度可重复的沉积。但是，对于PAMAM-枝晶体复合材料，导电率的测量值较分散，但在膜的逐步沉积过程中也增加。在14个沉积循环之后，PAMAM-枝晶体/金-纳米颗粒膜的电阻为1.5MΩ，而PPI-枝晶体/金-纳米颗粒膜的电阻为3.0KΩ。前一个材料高的电阻率可解释为其高的有机-金属比，这是由于与PPI-枝晶体(Mr＝1687gmol-1)相比PAMAM枝晶体金含量低并且其尺寸更大(Mr＝14215g mol-1)。
聚亚苯基-枝晶体/金-纳米颗粒复合材料膜的蒸汽传感性能图8表示金-纳米颗粒/枝晶体复合薄膜电阻器暴露于甲苯蒸汽时的典型响应。向下的箭头表示从干燥的纯净空气转移至甲苯气氛，而向上的箭头表示转移回空气。实线的曲线是按浓度增加的方向(30ppm-5000ppm)测量的，而虚线的曲线是按浓度降低的方向(3500ppm-30ppm)测量的(也看图9)。在测量过程中将膜保存在39℃，因为发现当使用该传感器经历延长的时间周期(即星期)时，这样可提高可逆性。由该图可看出传感器器件暴露于甲苯蒸汽时响应出电阻的增加。图的A部分表示即使对非常低的蒸汽浓度(5ppm)，该传感器响应出好的分辨信号。该传感器响应快(t90＜5秒)并且是可逆的。当从甲苯气氛转移回空气时，发现较高浓度(图的B部分)下电阻降低了。在更高的浓度下并且当重复暴露于甲苯时电阻的降低变得更强烈。虽不受该理论的限制，但该发现揭示出传感器的总响应至少由两个对立的组分组成。在暴露于测试气体的过程中，一个组分增加了电阻并且控制着传感器的信号，当转移回空气时该组分的恢复快。另一个组分降低了电阻并且当转移回空气时恢复慢。我们可以将电阻增加的原因量化地解释为当使颗粒平均间距增加时膜材料的膨胀，而电阻的降低是由于待分析物分子扩散进入膜材料的表面孔隙。后一个过程可增加材料的介电常数而不会改变颗粒的平均间隔。从而该组分将降低膜的电阻。应指出的是，尤其是由聚亚苯基重复单元形成的枝晶体的刚性内结构提供的可吸纳溶剂分子的表面孔隙。枝晶体可膨胀从而增加颗粒间距离的结构部分是间隔单元的壳，其含有挠性烷基链。图9表示将传感器暴露于各种蒸汽时测得的敏感性等温线。可见对甲苯和四氯乙烯(TCE)疏水待分析物的响应比对较亲水的1-丙醇或对水本身的响应更强烈。由聚亚苯基枝晶体结构的疏水特性可理解该结果。也可看出记录的甲苯和TCE的等温线表现出滞后现象。该滞后现象是由上述(见图8)的响应行为产生的。尤其是在高浓度下暴露于蒸汽时似乎如图8所示通过降低“基线电阻”而增加了敏感性。在图10中，我们比较了用聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒基化学电阻器和壬二硫醇/金-纳米颗粒基化学电阻器测得的敏感性。后者的制造方法如上所述，但用5μL壬二硫醇代替了枝晶体。该比较表明含枝晶体的化学电阻器比壬二硫醇键接的电阻器的敏感性高几乎一个数量级。由于此时制造的传感器均利用了疏水的交联剂，用于非极性蒸汽其敏感性较高。
聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒膜电阻器、PAMAM-枝晶体/金-纳米颗粒膜电阻器和PPI-枝晶体/金-纳米颗粒膜电阻器的蒸汽-传感性能的比较图11表示聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒膜电阻器(A)、PAMAM-枝晶体/金-纳米颗粒膜电阻器(B)和PPI-枝晶体/金-纳米颗粒膜电阻器(C)暴露于5000ppm甲苯、1-丙醇和水时的响应曲线。正如已从图9看出的，聚亚苯基枝晶体/金-纳米颗粒膜电阻器(A)对非极性甲苯蒸汽表现出强烈的响应，对较极性的1-丙醇蒸汽表现出较弱的响应，对水表现出极小的响应。如上所述，由于枝晶体结构的疏水性质，该结果是可预料的。完全相反的，含有PAMAM-枝晶体的膜表现出互补的敏感性方式。甲苯几乎无响应，1-丙醇表现出明显而强烈的响应，而水表现出的响应最强，约比甲苯高出两个数量级。由于PAMAM-枝晶体结构的亲水性质，该结果也是可预料的。与PAMAM-枝晶体/金-纳米颗粒膜的响应相比，含PPI-枝晶体的传感器膜对甲苯和1-丙醇表现出较高的敏感性，而对水蒸汽表现出较低的敏感性。与其它两个传感器膜相比，对甲苯和1-丙醇的响应较慢并且在2分钟的暴露之后仍远未达到平衡。合起来看，三个不同传感器膜的敏感方式清楚的表明，由这些复合材料制成的化学传感器的化学选择性可由枝晶体组分的化学性质来控制。
表征传感器所用的设备通过将膜暴露与各种溶剂蒸汽的同时测量作为传感器信号的电阻的变化，研究了Au-纳米颗粒/枝晶体复合膜的蒸汽—传感性能。当传感器暴露于测试蒸汽时，我们利用了镀金的铝室，它装有弹簧钉与电极结构的接触垫加压接触。该室装有弯曲的换热通道以使测试蒸汽热平衡。由于我们发现在高温下操作该传感器改善了传感器在暴露于蒸汽后的恢复，我们在实验中将该室的温度恒定保持在39℃。而且，为了从传感器表面除去污染物，在操作每个实验之前，将该器件置于真空中(约8mbar)约六小时。在使用测试气氛时，通常施加恒直流电(用Keithley Source-Measure-Unit 236)并且(用Keithley 2002Multimeter)测量电压沿电极的变化来操作传感器。在低于1V的偏差下操作该传感器。用市售的气体分度系统(Kalibriersystem MK15/MK5或MK15-DDS-RL/MK5，Umwelttechnik MCZ Gmbh，Ober-Mrlen，Germany)产生溶剂的蒸汽。该系统包括用于在15℃-50℃温度范围内制备饱和溶剂蒸汽的起泡器和冷凝器。利用几个质量流量控制器用零点调整用气体来稀释该饱和蒸汽至1-5000ppm(ppm＝每百万的体积分数)的浓度范围。我们利用纯化且干燥的空气(露点-70℃)作零点调整用气体，它是由带有催化纯化单元的市售零点调整用气体发生器(Nullgasanlage MD2000-25，Umwelttechnik MCZ)提供的。该质量流量系统装有计算机控制的阀来使通过传感器槽的气体流在零点调整用气体和测试气体间转换。我们利用甲苯、四氯乙烯(TCE)、1-丙醇和水作测试气体。利用Antoine方程和由质量流量系统调整的稀释因子计算了测试槽中实际的蒸汽浓度。将测试室中的质量流调整至400mL/min并且在所用的实验中保持恒定。
权利要求
1.化学传感器，它含有基体、在基体上形成的传感器介质和探测传感器介质物理性质变化的探测器，其中传感器介质包括具有键接单元的非线性聚合物或低聚物分子与至少一种第二组分的颗粒形成的网状物，其中键接单元与至少一种第二组分颗粒的表面结合，由此连接所述颗粒。
2.根据权利要求1的化学传感器，其中非线性聚合物或低聚物分子是枝晶体分子。
3.根据权利要求2的化学传感器，其中枝晶体分子包括由中心和支链重复单元的壳形成的内部，以及键接单元的外壳。
4.根据权利要求1至3之一的化学传感器，其中键接单元由极性基团形成。
5.根据权利要求1至4之一的化学传感器，其中键接单元包括含硫的基团。
6.根据权利要求4或5的化学传感器，其中键接单元选自二硫基、硫醇基、硫醇盐基团、异氰酸酯基、硫代氨基甲酸酯基团、二硫代氨基甲酸酯基团、锍基和氨基。
7.根据权利要求3至6之一的化学传感器，其中支链重复单元的中心和壳的碳原子的至少40％为sp2或sp杂化。
8.根据权利要求3至6之一的化学传感器，其中枝晶体中心和/或支链重复单元的壳含有至少一个结构单元，该结构单元选自金刚烷、环糊精、冠醚、卟啉和酞菁染料。
9.根据权利要求3至8之一的化学传感器，其中该中心和/或支链重复单元的壳含有极性的内受体部位。
10.根据权利要求2至9之一的化学传感器，其中枝晶体分子是聚酰胺基胺(PAMAM)枝晶体。
11.根据权利要求2至9之一的化学传感器，其中枝晶体分子是聚(丙烯亚胺)(PPI)枝晶体。
12.根据权利要求3至8之一的化学传感器，其中中心和/或支链重复单元的壳含有与金属阳离子络合的供电子基团。
13.根据权利要求3的化学传感器，其中枝晶体分子的内部有疏水结构。
14.根据权利要求13的化学传感器，其中疏水结构由聚亚苯基结构形成或含有亚苯基单元。
15.根据权利要求2的化学传感器，其中枝晶体分子是金属枝晶体。
16.根据权利要求2至15之一的化学传感器，其中通过间隔单元的壳使键接单元的壳与支链重复单元的壳相连。
17.根据权利要求16的化学传感器，其中间隔单元的挠性结构含有亚烷基链，该链含有至少三个碳原子。
18.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中至少一种第二组分的颗粒是纳米颗粒。
19.根据权利要求18的化学传感器，其中纳米颗粒由金属组成。
20.根据权利要求19的化学传感器，其中金属选自Au、Ag、Pt、Pd、Cu、Co、Ni、Cr、Mo、Zr、Nb、Fe或这些金属的任意组合。
21.根据权利要求18的化学传感器，其中纳米颗粒由半导体材料组成。
22.根据权利要求21的化学传感器，其中半导体材料选自II/VI半导体、III/V半导体和Cd3P2。
23.根据权利要求18的化学传感器，其中纳米颗粒由绝缘体材料组成。
24.根据权利要求1的化学传感器，其中至少一种第二组分的颗粒由导体或半导体低聚物或聚合物组成。
25.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中化学传感器可形成为化学敏感电阻器、化学敏感晶体管、化学敏感二极管或化学敏感电容器。
26.形成权利要求1-25之一所述化学传感器的方法，它包括下面的步骤a)提供一个基体b)交替地在基体上沉积一层纳米颗粒和一层带有键接单元的非线性聚合物，直至得到了均匀的传感器膜，该键接单元使非线性聚合物与纳米颗粒偶联。
27.根据权利要求26的方法，其中均匀传感器膜的表面层由带有键接单元的非线性聚合物层形成。
28.形成权利要求1-25之一所述化学传感器的方法，其中在基体表面上制备或在基体表上涂覆至少一种带有键接单元的非线性聚合物和纳米颗粒在一种溶剂中的混合物，并且除去该溶剂以形成传感器介质膜。
29.权利要求26-28之一的方法，其中在沉积纳米颗粒和/或带有键接单元的非线性聚合物之前，将基体表面官能化以在该基体表面上提供键接基团。
30.探测待分析物的方法，其中将权利要求1-25之一所述的化学传感器暴露于待分析物中，并且通过探测器测量传感器膜物理性质的变化。
31.根据权利要求30的方法，其中物理性质的变化是导电率、介电常数、反射率、发光、吸收率、质量、体积、密度、和/或热容或其任意组合的变化。
32.根据权利要求30的方法，其中物理性质的变化是电子传输性能的变化。
全文摘要
本发明涉及一种化学传感器，它含有由纳米颗粒网状物形成的传感器膜，其中该纳米颗粒由官能化的枝晶体分子键接。该枝晶体有助于通过膜材料来有效的吸纳待分析物分子，由此使该传感器能够有高的敏感性。另外，枝晶体的化学性质极大程度上决定了传感器器件的化学选择性。通过交联敏感材料的组分，传感器表现出好的机械稳定性。
文档编号G01N27/12GK1402000SQ02141819
公开日2003年3月12日 申请日期2002年7月19日 优先权日2001年7月19日
发明者T·沃斯梅耶, 安田章夫, R·E·保尔, K·米伦 申请人:索尼国际(欧洲)股份有限公司, 马克斯普朗克科学促进协会