CN104937416B - 化学传感装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及化学传感装置和相关的方法。在一个实例中，化学传感装置可以包括基板和细长纳米结构，所述细长纳米结构具有连接端和与所述连接端相对的自由端，所述连接端被固定至所述基板并且所述自由端包括具有经由共价键连接至其上的电位传感配体的金属。

Description

化学传感装置

背景技术

用于进行分子分析的体系可以包括使用表面增强拉曼光谱(SERS)、增强荧光、增强发光和等离子体传感等。具体到SERS，拉曼光谱是用在凝聚态物理和化学中来研究分子体系中的各种低频模式的光谱技术。更详细地说，在拉曼光谱中，特定波长范围的大致单色光束通过分子样品并发出散射光光谱。从分子发出的波长的光谱被称为“拉曼光谱”，所发射的光被称为“拉曼散射光”。拉曼光谱可以揭示分子的电子的、振动的和转动的能量水平。不同的分子产生不同的拉曼光谱，它们可以像指纹一样用于识别分子，甚至确定分子的结构。使用这种和其它传感技术，在这样的装置中增强装置灵敏度、简化传感器、提供额外的柔性等是期望的。

附图简述

根据下面的发明详述结合所附的附图，本发明的附加特征和优点将是显而易见的，所述附图以举例的方式一起说明了本公开的特征。

图1是根据本公开的实例的化学传感装置的横截面视图；

图2是根据本公开的实例的化学传感装置的横截面视图；

图3是根据本公开的实例的化学传感装置的透视图；和

图4是根据本公开的实例的方法的流程图；和

图5是根据本公开的实例的方法的流程图；和

图6是根据本公开的实例的暴露于Cr(VI)的化学传感装置的SERS光谱。

现在参照所示出的示例性实施方式，并在本文中用特定的语言来描述它们。然而，应当理解，不意欲据此对本公开的范围进行限制。

发明详述

拉曼光谱可被用来研究当光子与分子相互作用时分子能量状态之间的跃迁，这导致散射光子的能量被转移。分子的拉曼散射可以被看作两个过程。处于某个能量状态的分子首先被入射光子激发至另一个(虚拟或实际的)能量状态，其通常处于光学频域中。激发的分子随后作为偶极源在它处于与激发光子相比可能相对低(即斯托克斯散射)或可能相对高(即反斯托克斯散射)的频率下的环境的影响下辐射。不同分子或物质的拉曼光谱具有可被用来鉴定种类的特征峰。因此，拉曼光谱是用于多种化学或生物传感应用的有用技术。然而，固有拉曼散射过程非常低效，且粗糙的金属表面、各种类型的纳米天线以及波导结构已被用来增强拉曼散射过程(即上文所述的激发和/或辐射过程)。

由吸附在结构化金属表面上或结构化金属表面的几个纳米之内的化合物(或离子)所产生的拉曼散射光可以比由溶液中或在气相中相同的化合物所产生的拉曼散射光强100倍以上。分析化合物的这一过程被称为表面增强拉曼光谱(“SERS”)。近年来，SERS已经成为用于研究分子结构以及表征界面和薄膜体系的常规和强大的工具，甚至使单分子检测成为可能。工程师、物理学家和化学家不断寻求用于进行SERS的系统和方法的改善。

大多数的SERS体系仅在某些热点增强电-磁场。虽然这可能是期望的，但是在许多情况下，例如通过简单的吸附使分析物均匀地散布在SERS基板上。然而，只有一小部分的分析物实际成为热点。

已经认识到，发展基于一类新的表面增强拉曼光谱(SERS)结构的化学传感装置是有利的。具体地，本发明装置可以含有多个固定至基板的具有有金属涂层或帽的自由端的细长纳米结构。本发明纳米结构可以弯曲并捕获分子，然后可以使用SERS技术感测所述分子。另外，本发明纳米结构通常包括连接至所述金属涂层或帽的配体，其可以提供先前未达到的选择性和灵敏度。

注意，在讨论化学传感装置、检测目标分子的方法或制造化学传感装置的方法时，这些讨论中的每一个可以被认为可用于其它实施方式，无论那个实施方式的上下文中是否明确地讨论它们。因此，例如，在讨论用于化学传感装置的配体时，这样的配体也可以被用于检测目标分子的方法中，反之亦然。

因此，化学传感装置可以包括：基板和细长纳米结构，所述细长纳米结构具有连接端和与所述连接端相对的自由端，所述连接端被固定至所述基板并且所述自由端包括具有经由共价键连接至其上的电位传感配体的金属。

如本文所用，术语“纳米结构”是指具有小于1微米的宽度或直径的尺寸的任意结构。因此，细长纳米结构可以包括具有长度比最小宽度长至少两倍的纵横比的结构。实例可以包括纳米锥、纳米角锥(nanopyrramide)、纳米棒、纳米条、纳米指(nanofinger)、纳米杆(nanopole)和纳米草坪(nanograss)，不局限于此。如本文所用，术语“纳米锥”、“纳米角锥”、“纳米棒”、“纳米条”、“纳米杆”和“纳米草坪”分别是指大致圆锥形、大致角锥形、大致棒状、大致条状、大致杆状和大致草状的结构，其具有小如几十纳米(nm)的高度和几纳米直径或宽度的纳米尺寸。例如，柔性柱可以包括具有下列尺寸的纳米柱：10nm至500nm的直径，20nm至2微米(μm)的高度和20nm至500nm的柔性柱之间的间隙。本领域的术语，“大致圆锥形”、“大致角锥形”、“大致棒状”、“大致条状”、“大致杆状”和“大致草状”是指该结构在使用纳米技术制造的限度内几乎具有圆锥、角锥、棒、条、杆和草状不平坦的各形状。

如本文所用，术语“金属帽”是指具有500nm或更小的宽度或直径的纳米结构，包括纳米球、扁长纳米椭圆体、扁圆纳米椭圆体、纳米盘和纳米板。在一个实例中，金属帽可以具有形状感应的磁性各向异性。如本文所用，术语“纳米球”、“扁长纳米椭圆体”、“扁圆纳米椭圆体”、“纳米盘”和“纳米板”分别是指大致球形、大致扁长椭圆形、大致扁圆椭圆形、大致盘状和大致板状的结构，其具有大小小至几纳米(nm)的尺寸：高度、直径或宽度。此外，术语“大致球形”、“大致扁长椭圆体”、“大致扁圆椭圆体”、“大致盘状”和“大致板状”是指该结构在使用纳米技术制造的限度内几乎具有球、扁长椭圆体、扁圆椭圆体、盘和板的各形状。

通常，细长纳米结构可以包括具有金属涂层或金属帽的非金属柱。在一个实例中，纳米结构可以包括用SERS活性金属(诸如金、银、铜、铂、铝等)或合金形式的这些金属的组合涂覆的聚合物，诸如抗蚀剂。通常，SERS活性金属可以被选择性涂覆在非金属柱的顶端上或沉积于其上。此外，SERS活性金属可以是多层结构，例如，具有1至50nm金外涂层(over-coating)的10至100nm银层，或者反之亦然。此外，可以用薄的介电层进一步涂覆SERS活性金属。

通常，使用聚合物可以使纳米结构足够柔性以允许弯曲，从而尖端在结构的顶部接触。合适的聚合物的实例包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯、硅氧烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、光致抗蚀剂、纳米压印抗蚀剂和其它热塑性聚合物及包括一种或多种单体/低聚物/聚合物的UV可固化材料。在另一个实例中，纳米结构可以包括具有足够的柔性来弯曲的无机材料。这样的无机材料的实例包括氧化硅、硅、氮化硅、氧化铝、金刚石、类金刚石碳、铝、铜等。

所述化学传感装置通常包括连接至金属涂层或帽的电位传感配体。在一个实例中，电位传感配体可以包括根据式I的连接官能团(A)、间隔基团(B)和电位传感部分(PS)：

A-B-PS(I) 式I

其中A是连接至纳米结构的有机官能团，B是取代或未取代、直链或支链烷基或芳基，并且PS是能够结合至目标分子的有机官能团。所述官能团可以包括能够共价键合至金属涂层或帽的任意基团。所述电位传感部分可以包括能够与目标分子相互作用(包括离子化、配位、共价键合)的任意部分。所述间隔基团通常包括共价键合所述官能团至所述电位传感部分的任意原子基团。例如，在一个方面，所述金属可以包括金并且所述官能团可以包括共价键合至所述金上的硫醇。所述配体还可以包括具有胺电位传感部分的烷基间隔基团。例如，不限于，3-氨丙基硫醇将有资格作为这样的配体，虽然其它氨基烷基硫醇也有资格。各种官能团可以包括伯胺、仲胺、叔胺、酰胺、腈、异腈、氰酸酯、异氰酸酯、硫氰酸酯、异硫氰酸酯、叠氮化物、硫醇、硫醇酯、硫化物、亚磺酸酯、磺酸酯、磷酸酯、羟基、醇化物、酚酯(phenolate)、羰基、羧酸酯、膦、氧化膦、膦酸、磷酰胺和磷酸酯。此外，各种电位传感基团可以包括单独或与更复杂的结构组合的如本文所讨论的官能团，所述更复杂的结构例如甲基红染料、羧基荧光素染料、羧基罗丹明染料、花青染料、冠醚、聚胺等。具体地说，电位传感基团的实例的列表包括4-吡啶硫醇、3-吡啶硫醇、2-吡啶硫醇、4-吡啶甲硫醇、3-吡啶甲硫醇、2-吡啶甲硫醇、4-吡啶乙硫醇、3-吡啶乙硫醇、2-吡啶乙硫醇、4-吡啶丙硫醇、3-吡啶丙硫醇、2-吡啶丙硫醇、4-吡啶丁硫醇、3-吡啶丁硫醇、2-吡啶丁硫醇、4-吡啶戊硫醇、3-吡啶戊硫醇、2-吡啶戊硫醇等。

所述化学传感装置通常包括配制来选择性地结合目标分子的电位传感配体。所述目标分子可以是金属离子、有机化合物或氢离子。在一个实例中，所述目标分子是金属离子并且所述电位传感配体被配制来选择性地结合所述金属离子。在一个实例中，所述金属离子可以包括铬、铅、汞、锌、钙、钠、氢、钾、砷及它们的混合物。

通过使用本发明电位传感配体，所述化学传感装置可以足够灵敏来检测浓度低至百万分之(ppm)1的目标分子，包括金属离子、有机化合物或氢离子。在一个方面，灵敏度可以低至十亿分之(ppb)1，并且在一个具体方面，低至万亿分之(ppt)1。

关于灵敏度，本发明化学装置可以包括多个连接至基板上形成阵列的细长纳米结构。在一个实例中，所述阵列可以包括子阵列。在一个方面，所述子阵列可以各自具有对目标分子的单独的选择性。因此，一个阵列可以具有对多个目标分子的选择性。所述化学传感装置还可以被配置来检测来自液体或气体的目标分子。

此外，所述化学传感装置还可以包括有效地联接至所述纳米结构的检测器。在一个实例中，所述检测器可以是色度计、反射计、分光计、分光光度计、拉曼光谱仪、光学显微镜和/或用于测量发光的仪器。

参照图1，化学传感装置100可以包括具有连接至其上的细长纳米结构104的基板102。所述细长纳米结构具有有金属帽108沉积在其上的柱状结构106。另外，电位传感配体110可以被共价键合至所述金属帽。如插图中所示，所述电位传感配体通常可以包括结构A-B-PS，其中A是结合所述配体至所述金属帽的官能团，B是间隔基团，并且PS是通过所述间隔基团偶联至所述官能团的电位传感部分。尽管本发明附图提供了化学传感装置的具体结构，但是应理解，所示出的结构并不旨在进行限制，并且本公开考虑使用如本文中所讨论的各种元件。例如，本发明金属帽也可以是金属涂层。

参照图2，示出了具有键合至其上的配体的单个细长纳米结构的展开图。注意，图2的元件不一定是按比例绘制的，也不代表可用于本文中的每个化学传感装置，即它仅仅提供了具有一组特定配体的一个化学传感装置的示例性实施方式。在这个实例中，化学传感装置200可以包括具有连接至其上的细长纳米结构104的基板102。所述细长纳米结构可以包括具有金属帽108沉积在其上的柱状结构106。多个吡啶盐电位传感部分110经由硫醇键连接至所述金属帽。在这个特定实例中，所述吡啶盐电位传感部分被示出为结合至铬(VI)。

参照图3，化学传感装置300可以包括具有连接至其上的细长纳米结构104的基板102。所述细长纳米结构可以包括具有金属帽108沉积在其上的柱状结构106。所述金属帽也可以具有连接至其上的配体(未示出)。所述多个纳米结构可以形成具有子阵列114的阵列112。所述化学传感装置还可以包括有效地联接至所述纳米结构的检测器116。此外，还示出了激发能源120的来源，诸如光源或激光源。

参照图4，用于检测目标分子的方法400可以包括将化学传感装置暴露402于目标分子，所述化学传感装置包括任意本文所述的那些，将所述目标分子捕获404在所述化学传感装置中来产生捕获的目标分子；将激发能量施加406至所述捕获的目标分子；并测量408从所述捕获的目标分子发出的能量。在一个实例中，所述激发能量和所述发出的能量可以是电磁能。另外，所述方法还可以包括冲洗来自所述化学传感装置的所述捕获的金属目标分子。因此，本发明装置可以是可重复使用的和/或可以是可回收的。

参照图5，制造化学传感装置的方法500可以包括将纳米结构布置502至基板，所述纳米结构具有连接至所述基板的连接端和与所述连接端相对的自由端，所述连接端被固定至所述基板；将金属沉积504于所述自由端上；并且将电位传感配体共价键合506至所述金属。

注意，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一种”、“一个”和“所述”包括复数指示物，除非上下文另有明确说明。

如本文中所用，为方便起见将多个项目、结构元件、组成成分和/或材料可用一个共同列表显示。然而，这些列表应解释为如同列表中的每个成员均被单独鉴定为独立且唯一的成员。因此，在没有相反指示的情况下，不应仅基于这样的列表中的个体成员在共同群组中的出现而将其解释为该同一列表的任何其它成员的实际等同物。

浓度、量和其它数值数据可以范围形式在本文中表达或呈现。应理解的是，这样的范围形式仅仅是为了方便和简洁而使用，因此这样的范围形式应该被灵活地解释为不仅包括明确描述作为范围的界限的数值，而且还包括该范围内涵盖的所有单独数值或子范围，如同每个数值和子范围都被明确地列举一样。作为说明，“约1重量％至约5重量％”的数值范围应当被解释为不仅包括明确列举的约1重量％至约5重量％的值，而且还包括单独数值和该指定范围内的子范围。因此，在该数值范围内包括诸如2、3.5和4的单独数值及诸如1-3、2-4和3-5等的子范围。这个原则同样适用于只列举一个数值的范围。另外，不管所描述的范围或特征的宽度，都应该适用这样的解释。

实施例

下面的实施例说明目前已知的本公开的实施方式。因此，这些实施例不应被认为是本发明的限制，而仅仅是用来教导如何制造本公开的装置。因此，在本文中公开了代表性数量的装置和制造它们的方法。

实施例1-用电位传感配体修饰金细长纳米结构的通用制备方法

可以通过用化学试剂处理金纳米结构来用表面修饰实现使电位传感部分固定至纳米结构上的金表面。将反应物部分A引入至表面上。此外，具有电位传感(PS)部分结合至其上的反应物部分B与反应物部分A反应。例如，可以将所述修饰的基板浸入结合至反应物部分B的电位传感部分的溶液中。反应物部分A和B异类反应而不是同类反应来形成基板和电位传感器部分之间的共价键，从而将电位化学传感部分固定于金涂覆的纳米结构表面上。

实施例2-具有电位传感配体的金细长纳米结构的制备

用3-氨丙基硫醇进行金纳米结构的表面修饰，提供具有反应性氨基的修饰表面，其对活化酯是反应性的。随后用活化酯的溶液处理修饰的金纳米结构，其中活化酯包括电位传感部分。活化酯和氨基之间发生反应，经由丙基硫醇键形成电位传感分子部分和金纳米结构表面之间的共价键。

实施例3-具有电位传感配体的金细长纳米结构的制备

本发明实施例设置用于制备用pH指示剂修饰以感测酸度的纳米结构。首先，将商业可购的甲基红用DSC(Ν,Ν'-二琥珀酰亚胺碳酸酯)在催化量的3-二甲基氨基吡啶的存在下修饰，得到具有反应性琥珀酰亚胺基团的经修饰的甲基红。其次，用3-氨丙基硫醇的溶液修饰金纳米结构，生成表面上具有反应性氨基的经修饰的金纳米结构。当用修饰的甲基红处理修饰的纳米指时，表面和染料之间发生反应，形成连接有甲基红染料的金纳米指，它可用于检测质子离子H⁺。

实施例4-用电位传感配体修饰金细长纳米结构的可选通用制备方法

另一种方法是先用某些化学试剂修饰电位传感部分来形成具有反应性基团的经修饰的电位传感部分，它们对金纳米结构表面是反应性的。例如，可以用商业可购的3-氨丙基硫醇来处理具有电位传感部分的活化酯，并且氨基与活化酯之间发生反应，产生偶联至反应性硫醇基团的经修饰的电位传感部分，其对金纳米结构表面是反应性的。当用偶联至反应性硫醇基团的经修饰的电位传感部分处理未处理的金纳米结构时，硫醇基团和金表面之间发生化学反应以形成化学键，从而使电位传感部分固定在金纳米结构表面上。

实施例5-具有电位传感配体的金细长纳米结构的制备

甲基红染料与3-氨丙基硫醇在诸如Ν,Ν'-二环己基碳二酰亚胺(DCC)的偶联试剂的存在下的反应形成在末端具有硫醇基团的修饰的甲基红，其对金表面是反应性的。当用修饰的甲基红处理金纳米结构时，金纳米结构和甲基红之间形成共价键。因此，甲基红被固定在金纳米结构表面上，其可用于检测质子离子H⁺。

实施例6-具有电位传感配体的金细长纳米结构的制备

纳米结构(在下文方案1中被称为“NS”)可以被用于检测金属离子，如铬(VI)。如方案1中所示：4-乙烯基吡啶与硫脲在对甲苯磺酸存在下反应，得到中间体2。用氢氧化铵处理中间体2形成4-吡啶乙硫醇3，其可被转化成HCl盐4。小心地用碱中和HCl盐4后，它可以自组装成金纳米结构(NS)表面。由于吡啶可与Cr(VI)形成配位键，所以它可用于高灵敏度和选择性地检测铬(VI)。

方案1

合成用于铬VI的电位传感配体

实施例7-具有电位传感配体的金细长纳米结构的制备

通过用4-巯基吡啶处理金表面来制备金纳米结构。在室温下，在不搅拌的情况下将金纳米结构浸入到含有4-巯基吡啶的乙醇溶液中24小时，随后用纯乙醇溶剂漂洗。为制备阳离子吡啶盐形式的官能化的4-巯基吡啶，将所述金纳米结构再次浸入0.1M的硫酸中30分钟。随后将吡啶盐-官能化的纳米结构暴露于不同量的Cr(VI)，如图6中所示。值得注意的是，SERS检测到浓度低至1ppm的Cr(VI)的存在。此外，基于所获得的数据，可能出现下阈值，因为光谱在0ppm和1ppm之间清楚地可分辨。作为比较，底平线表示暴露于Cr(VI)的相同的纳米结构，除了没有配体连接至其上。值得注意的是，光谱显示没有活性。图6中提供的证据示出了本发明配体提供了在低至1ppm的灵敏度下的金属离子的可检测性，这是其他方式未达到的。

虽然已经参照某些实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可以作出各种修改、改变、省略和替换，而不偏离本发明的精神。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的范围来限定。

Claims (14)

1.一种化学传感装置，其包括：

基板；和

具有连接端和与所述连接端相对的自由端的多个细长纳米结构，所述连接端被固定至所述基板并且所述自由端包括具有经由共价键连接至其上的电位传感配体的金属，

其中每个细长纳米结构具有下列尺寸：10nm至500nm的直径，20nm至2μm的高度和20nm至500nm的纳米结构之间的间隙，

其中所述纳米结构是柔性的，且

其中所述电位传感配体包括根据式I的连接官能团(A)、间隔基团(B)和电位传感部分(PS)：

A-B-PS(I)

其中A是连接至所述纳米结构的有机官能团，B是取代或未取代、直链或支链的烷基或芳基，并且PS是能够结合至目标分子的有机官能团。

2.根据权利要求1所述的化学传感装置，其中所述纳米结构包括具有金属涂层或金属帽的非金属柱。

3.根据权利要求1所述的化学传感装置，其中所述金属选自下列的组：金、银、铜、铝、铂及它们的混合物。

4.根据权利要求1所述的化学传感装置，其中所述电位传感配体被配制来选择性地结合金属离子、有机化合物或氢离子。

5.根据权利要求4所述的化学传感装置，其中所述电位传感配体被配制来选择性地结合铬离子、铅离子、汞离子、锌离子、钙离子、钠离子、氢离子、钾离子、砷离子或它们的混合物。

6.根据权利要求4所述的化学传感装置，其中所述化学传感装置足够灵敏来检测浓度低至1ppt的所述金属离子、所述有机化合物或所述氢离子。

7.根据权利要求1所述的化学传感装置，其还包括有效地联接至所述纳米结构的检测器，所述检测器选自色度计、反射计、分光计、分光光度计、拉曼光谱仪、光学显微镜和用于测量发光的仪器的组。

8.根据权利要求1所述的化学传感装置，其还包括多个连接至所述基板上形成阵列的所述细长纳米结构。

9.根据权利要求8所述的化学传感装置，其中所述阵列包括子阵列，所述子阵列具有对目标分子的单独的选择性，所述目标分子选自金属离子、有机化合物和氢离子的组。

10.根据权利要求8所述的化学传感装置，其中所述化学传感器可以检测来自液体或气体的所述目标分子。

11.一种用于检测目标分子的方法，其包括：

将化学传感装置暴露于目标分子，所述化学传感装置包括：

基板；和

多个细长纳米结构，所述细长纳米结构具有连接端和与所述连接端相对的自由端，所述连接端被固定至所述基板并且所述自由端包括具有经由共价键连接至其上的电位传感配体的金属；

将所述目标分子捕获在所述化学传感装置中来产生捕获的目标分子；

将激发能量施加至所述捕获的目标分子；并且

测量从所述捕获的目标分子发出的能量，

其中每个细长纳米结构具有下列尺寸：10nm至500nm的直径，20nm至2μm的高度和20nm至500nm的纳米结构之间的间隙，

其中所述纳米结构是柔性的，且

其中所述电位传感配体包括根据式I的连接官能团(A)、间隔基团(B)和电位传感部分(PS)：

A-B-PS(I)

其中A是连接至所述纳米结构的有机官能团，B是取代或未取代、直链或支链的烷基或芳基，并且PS是能够结合至目标分子的有机官能团。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述激发能量和所述发出的能量是电磁能，并且所述目标分子选自金属离子、有机化合物和氢离子的组。

13.根据权利要求11所述的方法，其还包括冲洗来自所述化学传感装置的所述捕获的金属目标分子。

14.一种制造化学传感装置的方法，其包括：

将多个细长纳米结构布置于基板上，每个所述细长纳米结构具有连接至所述基板的连接端和与所述连接端相对的自由端，所述连接端被固定至所述基板；

将金属沉积于所述自由端上；并且

将电位传感配体共价键合至所述金属，

其中每个细长纳米结构具有下列尺寸：10nm至500nm的直径，20nm至2μm的高度和20nm至500nm的纳米结构之间的间隙，

其中所述纳米结构是柔性的，且

其中所述电位传感配体包括根据式I的连接官能团(A)、间隔基团(B)和电位传感部分(PS)：

A-B-PS(I)

其中A是连接至所述纳米结构的有机官能团，B是取代或未取代、直链或支链的烷基或芳基，并且PS是能够结合至目标分子的有机官能团。