能够感测污染物的电容性电极及传感器系统以及其方法

专利名称：能够感测污染物的电容性电极及传感器系统以及其方法
能够感测污染物的电容性电极及传感器系统以及其方法 本发明涉及使用于传感器系统中的电容性电极。该电极能够电容性地感测流体中的污染物。流体的示例为水，且电极例如可用于生产高质量的饮用水及工业用水。现有感测技术包括使用表面等离子体谐振(SPR)和马赫-曾德(Mach-khnder) 干涉量度法检测污染物和传感器表面的接合。实践中使用的多数传感器系统测量如水的流体中的特定污染物。举例而言，可利用传感器表面上的响应于亚硝酸阴离子结合到特定表面层而改变的紫外(UV)光谱来测量水中存在的亚硝酸阴离子。用于测量特定污染物的存在的其它感测技术包括荧光及放射化学标记，阻抗测量。为了排除和这些污染物最终存于于例如饮用水中的有关的所有安全风险，将要求利用现有感测技术关于极多数量的污染物对水进行分析。作为说明，当前的水框架指令(Water Framework Directive)根据欧盟水质量规范指令(EU-ffater Quality Specification Directive)包括33种有毒组分的列表。该列表将要扩展为具有100种以上的附加组分，其可能将在不远的将来包含到水规范中。此外，可最终存于饮用水中的如药物的潜在有毒组分的数量持续增加。在整个水链中所有这些组分的浓度将逐渐增大到一稳定浓度，在该稳定浓度下，通过净化移除的有毒组分的总量等于引入到水链中的有毒组分的量。由于水中的有毒组分的种类繁多且通常浓度很低，例如地表水或饮用水中的这些组分的检测费用高、劳动密集、且离线。另一问题涉及检测污染物浓度而非仅检测污染物的存在。本发明的目的在于提供可在传感器系统中使用的电容性电极，其能够电容性地感测流体中的污染物，从而比现有设备和方法更有效。用根据本发明的电极来实现该目标，该电极包括-换能元件；-亲合层，其在使用中与要测量的流体接触，其中该亲合层包括多阵列表面；以及-绝缘层，其将换能元件和亲合层分隔开，其中电极布置成在使用中，流体中的污染物可与亲合层相互作用。电极主要成分由换能元件或换能层来定义。该换能元件的至少一个表面设置有膜状亲合层。检测原理基于污染物和亲合层的相互作用。污染物包括溶解组分、悬浮颗粒及微生物。其可包括有机和无机组分，如药物。换能元件和亲合层由绝缘层分隔开。换能元件可由硅衬底制成。在该硅衬底的至少一侧上设置绝缘层及亲合层。优选地，在该硅衬底的背面上设置电接触件。使用电容性电极的传感器系统的建立就是电容的建立，该电容中两个平行电容器板是半导体衬底和膜状亲合层。因为C= (ΑΧ ε d/d，薄绝缘层(厚度为d)对高电容C作贡献，其中ε C1是有机单分子层的介电常数，且A是板的表面积。在膜状亲合层与样本溶液中的污染物之间的相互作用导致亲合层处的电荷变化Δ9，其在硅衬底中反映为电荷变化-Δ9。电荷变化或电荷密度变化Δσ = AQ/A以ΔΕ=Δσ / ε C1改变电场，其使电位变化升高AV = (AQXd)/ (ΑΧ ε0) = AQ/C。该化学传感器是具有电读出的免标记传感器。亲合层的电性质可能对于流体中存在的污染物非常敏感。污染物与亲合层相互作用，由此如上所述地改变电性质。对电性质改变的测量是对流体中的污染物类型的测量。此外，该测量可给出针对该污染物浓度的测量。可利用物理吸着和化学吸附作用来实现亲合层。示例为分子印迹聚合物、乳液聚合、溶剂浇铸。优选地，亲合层的多阵列表面为2x2、4x4、8x8或16x16的多阵列。产生阵列的一个可能的方法为光刻。优选地，阵列中的不同点具有50μπι到Imm之间的直径。点可由不同材料制成，其中各材料具有其自身的特有行为。根据本发明的电极是用于检测流体中的污染物的多阵列，免标记化学电极。不同材料具有不同极性及亲合性。这些不同性质影响特定点与流体中存在的污染物的相互作用程度。根据与一个点的相互作用或与不同非选择性点的组合的相互作用，实现流体中存在的污染物的测量。这仅仅指示污染物的存在与否。 此外，该测量还可给出污染物浓度的指示。不同非选择性相互作用的组合形成多阵列传感器的指纹类型的响应。多阵列表面优选包括不同聚合物及聚合物混合物。在多阵列表面层的诸点上设置不同材料。有可能例如使用accurel (微多孔聚丙烯膜)，其中孔被具有特征电性质的特定流体填充。不同聚合物和/或聚合混合物的示例使用环糊精改性聚合物及可塑剂。可测量归因于流体与膜之间的分配平衡的膜容量变化。根据本发明的优选实施例中，绝缘膜包括有机单分子层。已知电极使用SW2绝缘层。使用有机单分子层的优点在于Si-C键单分子层更稳定。此外，扩散到SiO2层的阳离子可在测量中造成噪声。通过使用有机单分子层来避免该噪声。此外，与具有同等厚度的SiO2层相比，有机单分子层示出较佳的绝缘性质。根据本发明的优选实施例，绝缘层包括设置有官能化的组分的烯和/或炔。绝缘层的烯和/或炔可用Si-H连接到换能层。可官能化烯和/或炔以便针对特定情形应用提供期望的特性。可利用不与Si-H反应的官能团来直接实现对单分子层的官能化。另外，利用不与Si-H反应的官能团的间接方法是可能的。在另一步骤中连接期望的分子。可选地，可利用消除保护后与期望分子组合的受保护官能团来实现该间接方法。官能团的示例为COOH和NH2。其它示例为OH和CN。由于0H-C00H-和NH2-团可与Si-H反应， 在间接方法中，使用例如酯和酰胺来保护这些团。在根据本发明的优选实施例中，亲合层基本上包括小于Imm的颗粒，使得当该层被暴露到高频交流时基本上作为导体，而当被暴露到直流时作为绝缘体。通过提供具有Imm以下直径的相对小的颗粒，有可能操纵吸附特性。例如在电极之间或在工作电极和反电极之间施加交流时，该吸附特性可被操纵。操纵吸附特性可改善使用根据本发明的电极的传感器灵敏度。本发明还涉及用于测量流体中的污染物的传感器系统，包括-包括如上所述的电容性电极的工作电极；-反电极，其布置成在使用中，要测量的流体分隔开工作电极和反电极；以及-稳压器，其电容性地感测由亲合层吸附污染物造成的电性质变化。对于包括如上所述的工作电极的传感器系统而言，传感器系统提供如对电极所陈述的相同的效果和优点。系统利用官能化电极表面上的特定污染物吸附，官能化电极表面是要测量的流体中的电容器的一部分。该官能化电极是传感器系统的工作电极。根据本发明，有可能在传感器系统中设置一个以上的工作电极。还将反电极设置在流体中。可选地， 可使用基准电极。反电极包括如金属、碳、活性碳的导电材料，且聚合物层在该导电层上。优选地，电极表面相对大，例如0. Imm2以上。例如可使用阻抗谱法来表征表面性质。在亲合层中的点阵列中，每个点具有其自身的对于流体中的特定污染物的特定灵敏度。如上所述， 个别测量和测量组合两者提供关于流体中的污染物类型和污染物浓度的信息。这一类型的测量可被认为是多阵列传感器系统的指纹响应测量。这种指纹传感器例如可用于跟踪水质量变化以检测如非法排水、事故、强降雨等的事件。基于可这些测量，可采取快速措施，诸如防止进水或改为不同水源。如果要求，可使用指纹响作为导引，进行附加测量以便通过离线测量来检测更准确的浓度值。提供实时信息并对如药物的特定有机/无机组合物的群组敏感的水指纹传感器系统将尤其对保护清洁水质量作出贡献。在根据本发明的优选实施例中，将工作电极的亲和层布置在圆柱形管中。亲合层的多阵列表面可被认为是2维表面区域。例如通过将该表面区域设置在圆柱形管中(流体通过该管运输)，构造3维表面区域。通过研究测量以及尤其通过研究及时测量中的变化来测量附加信息。在管内发生层析型处理，多阵列表面中的各点中的各污染物的吸附特性给出关于该污染物的停留时间变化的信息。这不仅包含静态测量，但还包含更多动态测量。当然，取决于2维表面区域的维度，其还应用于该2维阵列。优选地，设置流动装置以便将使用中的传感器暴露到流体的连续流中。可在线进行该测量。取决于维度，根据本发明的旁线(at-line)方案也是可能的。在该旁线方案中， 沿着传感器表面运输数量受控的部分流体。在管状配置的情况下，进行动态测量导致一种 4维测量。在根据本发明的进一步优选实施例中，传感器系统包括用于在工作电极与反电极之间提供电位差的电装置。通过在传感器系统的工作电极与反电极之间施加电位差来操纵吸附特性。这改变传感器系统的灵敏度，使得传感器系统可被适配成特定需求，例如测量饮用水中的特定种类污染物。优选地，传感器系统进一步包括用于在工作电极与反电极之间提供交变电场的附加电装置。通过在传感器系统的诸电极之间提供交变电场来操纵流体中污染物的吸附。尤其可操纵亲水组分及离子的吸附特性。这可用于改善特定范围中的传感器系统灵敏度。在根据本发明的进一步优选实施例中，反电极包括亲合层。通过对反电极也设置官能化层，可进行更特殊的测量。工作电极和反电极两者上的亲合层性质可相同或不同，这取决于传感器系统的特定应用。本发明还涉及用于检测流体中的污染物和/或用于处理流体的传感器系统，该系统包括-包括亲合层的工作元件，使用中的工作元件与要测量的流体接触，且其中工作元件布置成在使用中，流体中的污染物可与亲合层相互作用；以及-光伏装置。这种传感器系统提供参照上述电极和传感器系统陈述的相同效果和优点。在电容性电极和传感器系统的若干实施例中通过使用如上所述的亲合层来实现光伏型传感器系统。这种光伏传感器系统允许检测流体中的污染物和/或处理流体，其利用光伏装置；成形为亲合层的官能化表面，该官能化表面优选形成光伏装置的一部分，或者布置在光伏装置上，且可在该表面上发生存在于流体中的组分吸附；向光伏装置提供电磁波的至少一个源，电磁波包括光；以及用于直接或间接测量和/或直接或间接利用由光伏装置产生的电流以用于流体中的电解和/或消毒。根据本发明的技术适合于用于以下作用的传感器用于检测水中的污染物，用于对水进行消毒的目的，以及用于直接或间接测量并影响一般微生物，尤其是藻类及化学发光和/或生物发光细菌的新陈代谢。在水处理技术领域中，保证输送的可靠性及饮用水的水质量特别重要。由于可能存在于地表水和泉水中的有毒组分和微生物的范围，水质量的快速分析表现出挑战。监控水质量的一种节省成本的方法是应用“指纹传感器”。这种传感器用相对简单的装置在线地检测水质量的变化。如果检测到变化，则离线研究包含什么类型的(多种)污染物，并作出是否干预处理的决定。注意到，指纹传感器优选基于物理测量原理，以使不需要用化学品， 并且传感器维护有限。还注意到，指纹传感器优选具有一些选择性及能力以区分存在于水中的有毒组分的不同群组。后者使得在指纹传感器产生警报的情况下有可能已得到污染物的哪个群组有必要离线研究的指示。最后，要注意，指纹传感器阵列(每个传感器具有对一个有毒组分群组的特定灵敏度)是用于保证水质量的尤其节省成本的救济手段。根据本发明的传感器系统可实现(enalbe)优选地仅利用物理原理，且优选以阵列形式应用的有效在线指纹传感器，其中传感器阵列的各元件具有对水中的有毒组分的一个或多个群组的特定灵敏度。如本专利申请的下文中将陈述的，该传感器不仅适合于检测水中的有毒组分，而是可广泛利用于化学处理产业、制药产业、食品产业、生物技术处理及药物应用中。根据第一方面，该技术包含光伏装置。光伏装置优选为包含一片半导体材料的传统光伏电池(PV电池)，该半导体材料具有在ρ型和η型掺杂之间的分隔表面。根据第二方面，本发明优选包含处在流体中的官能化表面，使得存在于水中的污染物特别吸附到该表面。官能化表面优选布置在部分的光伏电池上，该光伏电池设计成接收电磁辐射并将电磁辐射转换成电能。但是，还可能将吸附污染物的表面放置在流体中，且将PV电池放置在流体外部，其中可由PV电池接收的电磁辐射首先被引导通过官能化表面。根据第三方面，本发明包含至少一个电磁发射器，其优选发射在达到PV电池前首先被引导通过官能化表面的光。要注意，阳光以及包含RGB LED、UV LED、红外LED的LED， 电致发光箔(EL箔)，包含UV灯、霓虹灯及钠灯的气体放电管可用作电磁发射器。对于本领域技术人员而言这些辐射源的每一个具有特定频率光谱是显而易见的，通过结合本发明， 将得到对流体中的不同类型污染物的特定灵敏度。与本发明组合中，尤其优选RGB LED，因为它们小、防水且价格便宜，且可控制成位于单个点中的光源且具有可调节的频率光谱。进一步要注意，不仅是光，还有包含无线电波的其它电磁波可应用于与本发明组合。最后要注意，根据本发明的传感器选择性及灵敏度可通过应用调制电磁波来增大。根据第四方面，本发明包含用于测量由PV电磁产生的电力的装置，例如通过将电负载连接到PV电池并测量通过电池的电流和/或PV电池上的电压。对于本领域技术人员而言以下内容是显而易见的，即不仅是由PV电池在稳定情形下测量的绝对电力包括关于存在于液体中的组分的感兴趣的信息，所测量电信号的动态级数和针对电磁发射器的不同类型输入信号的振幅对频率特性的级数也具有感兴趣的信息。尤其适合应用于与本发明组合的输入信号的非限制性列表为单色光，包含调幅光的调制光，脉冲化光，红外区、可视区、紫外区中的具有宽频率光谱的光、一个或多个上述类型光的组合，包含调幅和/或调频和/或单边带调制和/或相位调制波的无线电波。本发明还涉及包括如上所述的传感器系统的微反应器。微反应器提供与那些参照用于电容和/或光伏感测的传感器系统的所陈述的相同的效果和优点。更具体地，微反应器能够分解吸附到电极或工作电极的官能化表面区域的组分。根据本发明的微反应器的优选实施例中，亲合层的表面区域比电极或工作电极稍小些。此外，优选使用聚合物，其在直流下作为绝缘体，而在交流下作为导体。本发明进一步涉及用于测量流体中的污染物的方法，该方法包括以下步骤-提供如上所述的传感器系统；以及-电容和/或光伏性地感测归因于亲合层的污染物吸附的电性质变化。这种方法提供与那些参照电极和传感器系统所陈述的相同的效果和优点。本发明进一步还涉及用于生产电容性电极和/或工作电极的方法，其包括如上所述的亲合层，该方法包括以下步骤-蚀刻硅表面；-氢化硅烷化硅表面以形成键合的有机单分子层；以及-沉积亲合层。这种方法提供与那些参照电极和传感器系统所陈述的相同的效果和优点。优选地，亲合层的沉积包括使用不同聚合物或聚合混合物来形成多阵列亲合层。在本发明的优选实施例的基础上，阐述本发明的进一步优点、特征及细节，其中本发明的优选实施例参考以下附图-

图1示出根据本发明的传感器系统的概览视图；-图2示出根据本发明生产电极的方法；-图3A和IBB示出多阵列表面的点；-图4示出生产图3表面的方法；-图5示出将颗粒包含到官能化表面层的方法；以及-图6示出利用光伏装置的传感器系统。传感器系统2 (图1)包括工作电极4。工作电极4包括硅衬底的基层6。衬底6被有机单分子层8覆盖着，该有机单分子层8起到衬底6和膜状亲合层10之间的薄纳米大小绝缘体的作用。亲合层10与流体12接触。衬底6的一侧设置有单分子层8和亲合层10。 衬底6的另一侧设置有背面接触件14。传感器系统2还包括反电极16和基准电极18。反电极16例如由钼制成，而基准电极例如由AgCl/Cl制成。这些电极16、18处于流体12中。 电极4、16、18通过电路20连接到稳压器22。稳压器22通过连接或电路M连接到计算机 26。计算机用于控制传感器系统2，且还用于监控由系统2执行的测量。工作电极4的生产观(图2)开始于硅衬底6。在衬底6的顶面上设置有薄层氧化硅30。通过蚀刻32，移除该氧化硅层30并形成氢端接硅表面。通过氢化硅烷化34及36 来形成Si-C键合的有机单分子层8。在单分子层8的顶面上沉积38亲合层10。用双键(烯)或三键(炔)将单分子层8连接到衬底6。可分别用官能团R(图2)或R’(未示出)来官能化单分子层8。多层表面40(图3A和3B)包括基底材料42，在基底材料42上设置点44、46、 48及50。点44、46、48及50由不同材料制成，并具有不同电性质。通过工艺52设置点 44、46、48及50，其中通过蚀刻操作56从基底材料移除SW2层M。这样得到氢端接硅 (hydrogen-terminate silicon) 58。在步骤60中向表面58设置SiC键合的有机单分子层。 在沉积步骤64中添加亲合层66。分子印迹聚合物可用作亲合层。这些层由工艺68产生。 基底材料设置有聚合物材料72和颗粒74。沉积步骤76后得到亲合层。在步骤78、80中， 颗粒74和颗粒80交换。在一实施例中，亲合层由微多孔聚丙烯膜(accurel)制成。孔填充有与流体中的污染物相互作用的特定提取流体。可测量到电容变化中的改变，该改变指示流体中的特定组分的存在和/或特定组分的浓度。替代地，填充有溶剂的聚合物涂层可用作亲合层。可通过改变溶剂组分来操纵涂层的吸附性质。可(自动地)纠正如填充聚合物的及时性质的改变。此外，可通过在聚合物涂层生产期间施加特定交联剂和链传递剂来操纵填充期间的聚合物涂层的稳定性。根据本发明的电极可用作微反应器，该微反应器可以是微生物燃料电池(MFC)。通过将电极用作阳极或阴极，燃料电池可用作生物毒性传感器。电极上的涂层取决于该燃料电池应对其敏感的特定有毒组分来选择。根据本发明的电极的另一应用是用作主动型除垢 scalling)传感器。在超饱和溶液中，通过将溶液暴露到超声振动中来发起成核。通过使用根据本发明的电极来允许测量极低浓度试剂和阻垢剂。通过使用传感器允许阻垢剂的用量策略，由此改善工艺效率。传感器有时使用电活化剂来替代超声活性剂。根据本发明的电极还可用作所谓的同轴传感器，其中水作为同心彼此绝缘的两个导体之间的电介质。这些导体是天线系统的一部分，且作为电吸滤器。该过滤器的频率随着响应于水的归因于水中的污染物的电性质变化而变化。可通过利用射频交流电压技术来测量频率变化。通过使用根据本发明的电极来获得选择性更好且更灵敏的传感器。由水中的组分的与涂层相关的吸附特性来实现这一灵敏度改善。此外，通过在同心绝缘的两个导体之间设置电位差异来操纵这一灵敏度。接下来，在此在不对本发明的范围引进任何限制的情况下，现将阐述用于检测污染物的传感器系统的本发明的诸多实施例，该传感器系统利用光伏装置以及包括官能化表面的“电极”。传感器系统84测量管86中的污染物，在管上和/或管中设置官能化的表面区域88。源90通过管86将光94传输到表面88，该光由接收器92 (部分地)接收。这允许以上述方式测量存在于管86中的流体中的污染物。下面将描述进一步实施例、选项和/ 或替代方案。在第一实施例中，官能化表面位于在光源和PV电池之间的光路中。官能化表面对于由光源产生的光是透明的。这种表面的非限制性示例是优选施加薄涂层的玻璃或石英。 在该情形中“薄”理解为意味着优选具有0.1纳米到100微米范围中的厚度的涂层。涂层的性质为其优选吸附存在于流体中的组分。如果存在于液体中的组分吸附到表面，表面的透射性质将变化，其导致PV电池检测光强度的变化，该变化可按照由PV电池供应的电流的变化的形式来测量。光源和/或PV电池可位于液体外部或者液体内部。发生吸附的官能化表面位于液体中。
在第二实施例中，所应用的PV电池位于水中。向PV电池施用防止PV电池的腐蚀的涂层。该涂层还用作吸附污染物的表面。在第三实施例中，所应用的太阳能电池位于水中，且是针对水的电解特别设计的。 该太阳能电池安装有极薄涂层，其防止太阳能电池的腐蚀，但是其引导电子通过厚度小的涂层。通过选择太阳能电池的带隙，涂层上的电位可被调节。在此有可能将太阳能电池应用于电容性消电离。取决于电位(应用带隙)和水的组分，水中的不同类型污染物将被吸附到涂层。对于本领域技术人员而言，显而易见的，这创造了用于使传感器灵敏且专用于检测各种组分的空前的可能性，更为显见的原因是，不仅是涂层的属性，还有电位现在都可用作控制参数以使存在于水中的组分被吸附。最后要注意，在足够大的带隙下，不仅发生电容性消电离但还发生电解。其结果为存在于水中的有机分子将分解，分解结果为OH、0及Cl基等。分解产物将会或将不会良好地吸附到官能化表面且将会或将不会良好地吸收光。对于本领域技术人员而言，可利用这些现象来控制根据本发明的传感器灵敏度是显而易见的。在第四实施例中，根据任一在前实施例的传感器与以下装置组合或部分地被以下装置替代基于光电二极管、光电晶体管、基于光的电阻器(LDR)、基于真空技术的光电倍增器、基于固态技术的光电倍增器来检测光的传感器；用于无线电波和/或0. OlHz到 1000GHZ范围中的交流电压的天线和/或放大器；或所谓的化学FET(ChemFET)(具有化学调制栅电极表面的场效应晶体管)。要注意，化学FET具有相对于本发明的缺点，该缺点为包含用电能馈电的外部电源的电路必须构造在FET周围。在根据本发明的原理应用太阳能电池的情况下，可更简单更便宜地实现没有电源的测量系统。可有利地应用组合太阳能电池、FET和/或化学FET的系统。该系统明确地形成本发明的一部分。在第五实施例中，根据任一在前实施例的传感器用于检测由生物发光或化学发光生物体产生的光。本领域技术人员已知由这些生物体产生的光的量可用作水中存在的有毒组分的测量。PV电池或玻璃或石英的官能化表面优选选择成发光微生物在该表面上形成生物膜。发光微生物的特定应用是用这些生物体来布置太阳能电池表面上的生物膜，其中微生物的活性确定该表面电位。其结果为，微生物将开始不同地活动，这增大传感器灵敏度。 要注意，具有表面上的发光微生物生物膜的太阳能电池形成新型微生物燃料电池。由于太阳能电池技术的最近的发展使得有可能生产具有可调节小带隙的太阳能电池，存在优化这种燃料电池的许多可能性。在第六实施例中，在太阳能电池上布置的微生物燃料电池中应用亲阳极和/或亲阴极细菌，该太阳能电池具有如上述任一实施例的配置。然后我们获得新型微生物燃料电池。现在当光入射在太阳能电池上时，表面电位将变化。对于本领域技术人员而言，可按照这种方式组合太阳能电池产生的能量与由微生物产生的电能是显而易见的。简言之，这意味着可用非常有效的方式分解水，因为已建立了太阳能电池辅助的微生物电解电池。这种系统可用作传感器，但是还可用于从废水和阳光来产生氢。对于本领域技术人员而言，该系统还可用于对水进行消毒是显而易见的。在第七实施例中，根据上述实施例1至6的任一实施例的传感器用于研究和/或抑制和/或增强藻类的新陈代谢。出于该目的，可利用以下事实分散在水中的藻类吸收光，或藻类可被吸附到表面，由此该表面吸收确定频率光谱的光。在第八实施例中，石英瓶或PET瓶或其它容器表面在内侧上安装有太阳能电池，
10或者太阳能电池根据以上实施例1至7的任一实施例布置在该容器中。这提供以低成本且在没有对于电极的情况下用太阳消毒和/或分析水和/或产生氢的选项。在第九实施例中，根据以上实施例1至7的任一实施例的传感器应用于制药产业和/或化学产业和/或生物化学产业和/或食品产业以便表征中间产物、最终产物并用于通过指纹法来快速确定产物是否符合其已规定要求。在第十实施例中，组合根据上述实施例1至9的任一实施例的多个传感器，从而获得传感器阵列，它们一起来提供比由这些传感器各自分别提供的信息之和更多的信息。在第^^一实施例中，在实施例1至10中描述的至少一个传感器与光学传感器组合，其中通过Mach Zehnder干涉量度法测量组分是否已被吸附到表面。本领域技术人员已知，根据Mach Zehnder干涉量度原理操作的传感器基于透过已吸附组分的表面的光和透过未吸附组分的同一表面的光的相位差分测量。在根据本发明的技术中，差分测量在许多情况下是所期望的，如比较入射光通过已吸附组分的表面时太阳能电池产生的能量与入射光通过未吸附组分的表面时同一太阳能电池产生的能量的情形。但是要注意，当应用太阳能电池时，可首先利用具有不被所吸附组分所吸收的频率的光。这一测量被称作零测量。然后具有被吸附到表面的组分所吸收的频率的光传输通过同一太阳能电池。通过确定两个信号振幅的商数，获得对于所吸附组分的光吸收的相对测量。可针对宽频率光谱自动地重复该过程，由此有可能非常精确地映射哪个物质或物质组分被吸附到表面，而不需要利用达成该目的所需的多单元的差分测量。对于本领域技术人员而言，太阳能电池的带隙很大程度上决定该太阳能电池敏感的光谱的频率宽度。出于该原因，除了应用太阳能电池外，应用不同带隙太阳能电池的多阵列传感器是对于水的指纹法的有力帮助。在第十二实施例中，在实施例1至11中描述的至少一个传感器与电容性传感器组合，该电容性传感器测量组分是否已被吸附到表面。在第十三实施例中，在实施例1至12中描述的至少一个传感器与基于微生物燃料电池的传感器组合。在另一实施例中，进行间接测量。用气体排出水样本，使得有机污染物转移到气相中。气相接触感测层，并且污染物被转移到感测或膜层。实验已示出可在气相中例如以 2ppm的分辨率测量辛烷。本发明不旨在受限于本发明的上述优选实施例。所诉诸的权利由下面的权利要求定义，在权利要求范围内的许多改型是可预见的。例如，有可能将根据本发明的电极组合在还使用光学、机械、和/或压电测量的感测系统中。此外，在涉及所吸附微生物的应用情形下，可例如通过利用干涉光谱法(interspectroscopy)来表征这些微生物。
权利要求
1.一种用于能够电容性地感测流体中的污染物的传感器系统中的电容性电极，所述电极包括-换能元件；-亲合层，在使用中所述亲合层与要测量的流体接触，其中所述亲合层包括多阵列表面；以及-绝缘层，其将所述换能元件和所述亲合层分隔开，其中所述电极布置成在使用中所述流体中的污染物可与所述亲合层相互作用。
2.如权利要求1所述的电容性电极，其特征在于，所述多阵列表面包括不同聚合物和/ 或聚合混合物。
3.如权利要求1或2所述的电容性电极，其特征在于，所述绝缘层包括有机单分子层。
4.如权利要求1、2或3所述的电容性电极，其特征在于，所述绝缘层包括设置有官能化组分的烯和/或炔。
5.如权利要求1至4的任一项所述的电容性电极，其特征在于，所述亲合层基本上包括小于1 μ m的颗粒，使得当所述层被暴露于高频交流时基本上作为导体，而当被暴露于直流时作为绝缘体。
6.一种用于测量流体中的污染物的传感器系统，包括-工作电极，其包括如权利要求1-5的任一项所述的电容性电极； -反电极，其布置成在使用中要测量的流体分隔开所述工作电极和反电极；以及 -稳压器，其电容性地感测由所述亲合层吸附污染物造成的电性质变化。
7.如权利要求6所述的传感器系统，其特征在于，所述工作电极的至少亲合层安排在圆柱形管中。
8.如权利要求6或7所述的传感器系统，其特征在于，还包括能够将所述传感器暴露于基本上连续的流体流的流装置。
9.如权利要求6、7或8所述的传感器系统，其特征在于，还包括电装置，所述电装置用于在所述工作电极和反电极之间提供电位差。
10.如权利要求6-9的任一项所述的传感器系统，其特征在于，还包括附加电装置，所述附加电装置用于在所述工作电极和反电极之间提供交变电场。
11.如权利要求6-10的任一项所述的传感器系统，其特征在于，所述反电极包括亲合层。
12.一种用于检测流体中的污染物和/或用于处理流体的传感器系统，包括-包括亲合层的工作元件，在使用中工作元件与要测量的流体接触，且其中所述工作元件布置成在使用中，所述流体中的污染物可与所述亲合层相互作用；以及 -光伏装置。
13.一种微反应器包括如权利要求6-12的任一项所述的传感器系统。
14.一种用于测量流体中的污染物的方法，包括以下步骤 -提供如权利要求6-12的任一项所述的传感器系统；以及-电容性和/或光伏性地感测归因于所述亲合层的污染物吸附的所述亲合层的性质的变化。
15.一种用于生产如权利要求1-5的任一项所述的电容性电极和/或工作元件和/或如权利要求6-12的任一项所述的传感器系统的方法，包括以下步骤 -蚀刻硅表面；-氢化硅烷化硅表面以形成键合的有机单分子层；以及 -沉积所述亲合层。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，沉积所述亲合层包含不同的聚合物和/或聚合混合物以用于形成多阵列亲合层。
全文摘要
本发明涉及用于电容性和/或光伏感测流体中的污染物的电极和传感器系统。本发明还涉及包括这种传感器系统的微反应器和用于测量和生产的方法。电容性电极包括换能元件(6)；亲合层(10)，在使用中亲合层与要测量的流体接触，其中该亲合层包括多阵列表面；以及有机单分子绝缘层(8)，其将换能元件和亲合层分隔开，其中电极布置成在使用中流体中的污染物可与亲合层相互作用。
文档编号G01N33/18GK102257382SQ200980147065
公开日2011年11月23日 申请日期2009年10月27日 优先权日2008年10月27日
发明者E·J·R·苏德霍特, L·C·P·M·德斯麦特, M·J·J·梅耶 申请人:斯马特频率有限公司