CN105229452B - 改进的化学阻抗传感器 - Google Patents

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Abstract

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：(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10nm与100μm之间；(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；(iii)栅极电极，其由导电材料形成；(iv)电势发生器装置，其被配置来在所述栅极电极与所述化学电阻器膜之间施加电势差；(v)控制器，其选择性地控制所述电势发生器装置，以便将相对于所述化学电阻器膜的电势的正电势或负电势施加到所述栅极电极；以及(vi)电压装置，其适于在所述导电电极对之间施加电压信号，以便能够测量所述化学电阻器膜的电阻。

Description

改进的化学阻抗传感器
相关申请的交叉引用
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，所述申请的内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及用于感测流体特性的化学传感器，更具体地，涉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。
背景技术
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这样的，以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，这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。这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。
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。实现这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。Wohltjen and Snow(Anal.Chem.,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，这导致化学电阻器的电阻增加。
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,Chem Mater.,1996,8,2298；Doleman等人,Anal.Chem.,1998,70,4177；Sotzing等人,Chem Mater.,2000,12,593)，并且沉积在两个电极之间，以便形成用于检测气体或蒸气的化学电阻器。另外，石墨烯(Schedin等人,Nat.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。
Raguse等人的WO 2008/092210 Al教导了化学电阻器在电解质溶液中的使用。为了实现这种化学电阻器，设计了电极和化学阻抗性材料，以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、二氯甲烷或乙醇中时，纳米颗粒膜的电阻增加。
Raguse等人(WO 2008/092210 Al和J.Phys Chem C,2009,113(34),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这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，这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以与离子分析物相互作用的能力，进而以便改进对所述带电荷分析物的灵敏度和选择性的需要。
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。这些分析物包括但不限于各种药物、杀虫剂、除草剂、氨基酸、肽、代谢物。
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这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。
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。
发明内容
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。具体的实施方案涉及对具有小于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。
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：
(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10nm与100μm之间；
(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；
(iii)栅极电极，其由导电材料形成；
(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；
(v)控制器，其选择性地控制所述电势发生器装置，以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；以及
(vi)电压装置，其适于在所述导电电极对之间施加电压信号，以便能够测量所述化学电阻器膜的电阻。
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。
在一个实施方案中，栅极电极可由金、铂、钯、银或碳形成。栅极电极可以为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。
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、铂、钯、银或导电碳形成。所述参比电极可以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+、汞/硫酸亚汞或饱和甘汞电极。
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。
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。这些电势波形可包括脉冲、单或双脉冲、方波、三角波、阶梯波。
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+2000mV与-2000mV范围之间，更优选地处于+1000mV与-1000mV之间，并且最优选地处于+500mV至-500mV范围之间的稳态电势。
在施加三角波，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V0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V2。扫描速率可处于0.1mV/s与1000mV/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V0为0mV，V1高达+1000mV，V2低至-1000mV，扫描速率处于1mV/s与10mV/s之间。更优选如果V0为0mV，V1为+500mV，V2为-500mV，那么扫描速率为1mV/s。
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V1处产生，持续1s-60min，随后转换到较高电势V2处，持续1s-60min。优选的是，V1为低至-2000mV的负值，V2为高达+2000mV的正值，并且其中每个脉冲持续1min-10min。更优选的是，V1为0mV，并且V2为+500mV，其中每个脉冲持续2min-5min。最优选的是，在V1为-500mV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+1mV与+2000mV之间的单个电势，并且记录空白溶液中的电流，持续1s-60min，随后转换到带电荷分子，持续1s-60min。更优选地，每种溶液的暴露持续时间为1min-10min，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+500mV下。
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1s-60min。
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，以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。
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。
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。
在施加三角波，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V0开始，并且扫描到-2000mV的下顶点电势V1，并且随后扫描到+2000mV的上顶点电势V2。扫描速率处于0.1mV/s与1000mV/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V0为0mV，V1低至-1000mV，V2高达+1000mV，扫描速率处于1mV/s与10mV/s之间。最优选V1为-500mV，V2为+500mV，扫描速率为1mV/s。
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V1处产生，持续1s-60min，随后转换到低电势V2处，持续1s-60min。优选的是，V1为高达+2000mV的正值，V2为低至-2000mV的负值，并且每个脉冲持续1min-10min。更优选的是，V1为0mV，并且V2为-500mV，其中每个脉冲持续2min-5min。最优选的是，在V1为+500mV，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-1mV与-2000mV之间的单个电势，并且记录空白溶液中的电流，持续1s-60min，随后转换到带电荷分子，持续1s-60min。
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1s-60min。
更优选地，每种溶液的暴露持续时间为2min-10min，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-500mV处。
本发明的发明人已经确定，对于溶液中给定浓度的带净负电荷的分子，通过在栅极电极与化学阻抗性材料之间施加电势差，以使得与化学阻抗性材料相比栅极电极带负电荷，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。
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。
导电电极对可由具有足够高导电性的任何材料制成，以使得与化学电阻器膜的电阻相比所述电极对电阻较小，并且以使得在测量条件下，所述电极对表现为电化学惰性，也就是，当浸入电解液中长达测量的时间段时，所述电极对表现为电化学惰性。合适的材料可以是惰性金属，如金、钯、铂、银、铜、镍或基于如碳黑、石墨烯或碳纳米管的导电碳的导电材料。优选的电极材料是金、银、钯和铂。
在优选的实施方案中，导电电极对涂有一薄层惰性材料，所述惰性材料特征在于：
(a)介电常数小于水的介电常数；
(b)至少部分地不可渗透离子；以及
(c)具有小于2纳米的厚度。
该惰性材料薄层具有降低暴露于电解液中的导电电极板的有效双层电容(Cdl)的效果。例如，在本领域中已知的是，虽然裸露的金表面的Cdl的值处于10-40μF/cm2之间，但是涂有十六烷基硫醇的自组装单分子层的的金表面具有1μF/cm2的Cdl，即，电容值减小大约10，并且伴随有阻抗增大10倍。
进一步优选的是，该惰性材料薄层是在金、银、钯或铂电极材料的表面上形成的自组装单分子层。此类自组装单分子层可由烷基硫醇、烷基二硫化物或其他硫官能化分子制成。
自组装单分子层可包括另外可用来通过物理相互作用(如疏水相互作用)或通过化学阻抗性材料结合到自组装单分子层的化学键合部分，将化学阻抗性材料固定到导电电极板的表面的分子。
优选的是，在其上图案化/加工电极的基板由优选具有在表面、玻璃或塑料上生长的二氧化硅层的硅晶片制成。
进一步优选的是，基板的表面被官能化，以使得基板的表面可用来通过物理相互作用(如疏水相互作用)或通过化学阻抗性材料结合到自组装单分子层的化学键合部分，将化学阻抗性材料固定到惰性非导电基板的表面。
在实施方案中，化学阻抗性材料的交流阻抗在单一频率下或在多频率下由阻抗谱测定。可部署使用正弦波或脉冲方法的标准设备来测定传感器的低频特性。优选地，使用交流阻抗谱来在低频下测定传感器的阻抗，所述低频优选低于100Hz至直流，更优选地处于10Hz与0.1Hz之间，最优选地在1Hz下。
在用来测量传感器的电阻特性的优选低频下，优选的是，导电电极板在电解质溶液中的阻抗，但在缺少化学电阻器薄膜的情况下，为当化学电阻器薄膜跨电极沉积时的两倍大，更优选地为5倍大，最优选地为大10倍。
优选地，化学阻抗性材料的所施加电压的幅值处于10mV与500mV之间。所施加电压更优选地处于20mV与200mV之间。所施加电压最优选地处于50mV与100mV之间。
在另一个实施方案中，制造包括至少两个化学阻抗传感器(优选根据本发明的多个装置)的化学阻抗传感器阵列；其中各个传感器在导电和/或非导电材料的类型上彼此不同。通过使用本领域技术人员已知的适当的化学计量和图案识别软件，可基于阵列中传感器的不同响应图案来识别和量化不同的带电荷分子，所述化学计量和图案识别软件如人工神经网络算法、主成分分析(PCA)、多层感知器(MLP)、广义回归神经网络(GRNN)、模糊推理系统(FIS)、自组织映射(SOM)、径向基函数(RBF)、遗传算法(GAS)、模糊神经系统(NFS)、自适应共振理论(ART)、偏最小二乘法(PLS)、线性多元回归(MLR)、主成分回归(PCR)、判别函数分析(DF A)、线性判别分析(LDA)、随机森林(RF)、聚类分析和最近邻域。
在第二方面，提供一种用于使用根据第一方面或它的实施方案中的任一个的传感器来测量离子分析物在电解质溶液中的存在或含量的方法，所述方法包括：
(i)使化学阻抗性材料与电解质溶液接触；
(ii)在栅极电极与化学阻抗性材料之间施加电势差；以及
(iii)测量化学阻抗性材料的电阻变化。
所述方法还可包括如下步骤：将在步骤(iii)中测量的值与在存在一个或多个已知浓度的所述离子分析物时的化学阻抗性材料的电阻变化的测量值比较，从而测定离子分析物在所述电解质溶液中的含量。
在第三方面，提供一种用于使用根据第一方面或它的实施方案中的任一个的传感器来调制化学阻抗性材料的电阻的方法，所述方法包括：
(i)使化学阻抗性材料和栅极电极与电解质溶液接触；
(ii)在栅极电极与化学阻抗性材料之间施加电势差；
(iii)利用净正电荷或净负电荷为栅极电极选择性地充电；以及
(iv)测量化学阻抗性材料的电阻变化。
在第三方面的一个实施方案中，优选的是，带电荷分析物分子包括：一个或多个正电荷(P)，以使得整个所述带电荷分析物分子带有净正电荷；和具有以下结构的相互作用基团(F)：P---F；其中相互作用基团(F)为有机官能团，并且所述有机官能团包括能够物理地或化学地结合到化学阻抗性材料的一个或多个化学部分。在另一个实施方案中，所述相互作用基团(F)包括作为其结构一部分的疏水基团，如含烃部分。在本发明的上下文中，含烃部分被定义为有机基团，所述有机基团是有机分子结构的包含至少一个亚甲基的部分。
此类含烃部分另外可包括，但不限于疏水部分，如环状或无环烷烃，包括直链和支链烷烃、环状或无环烷烃、炔烃、芳族基团、聚芳族基团、含氧杂环基团、含氮杂环基团、含硫杂环基团、氟代、氯代、溴代、碘代烷烃或芳族基团、硝基芳族基团、醚如甲醚、乙醚、丙醚、丁醚、戊醚、己醚和包含醚基团的其他直链和支链烃。
在另一个实施方案中，所述相互作用基团(F)包含作为其结构一部分的能够形成氢键的基团。所述相互作用基团(F)可包含作为其结构一部分的能够形成氢键的基团，如羟基、胺、羧酸、酯或醚基团；碱性基团，如胺；有机酸基团，如羧酸、磺酸、硼酸或膦酸。化学阻抗性材料也可包含能够形成氢键的基团。
带净正电荷的成分(P)可包括至少一种有机阳离子基团。优选地，这种阳离子基团(P)为带正电荷的伯铵、仲铵、叔铵、季铵、吡啶鎓、带正电荷的含氮杂环或基团。只要净电荷是正的，所述带电荷分子可另外包含一个或多个带负电荷的基团。
在另一个优选的实施方案中，带电荷分析物分子可包括：一个或多个负电荷(N)，以使得整个带电荷分析物分子带有净负电荷；和具有以下结构的相互作用基团(F)：N---F；其中相互作用基团(F)为有机官能团，并且所述有机官能团包括能够物理地或化学地结合到化学阻抗性材料的一个或多个化学部分。在一个优选的实施方案中，所述相互作用基团(F)包含作为其结构一部分的疏水基团，如含烃部分。
在本发明的上下文中，含烃部分被定义为有机基团，所述有机基团为有机分子结构的包括至少一个亚甲基的一部分。
此类含烃部分另外可包括，但不限于疏水部分，如环状或无环烷烃，包括直链和支链烷烃、环状或无环烷烃、炔烃、芳族基团、聚芳族基团、含氧杂环基团、含氮杂环基团、含硫杂环基团、氟代、氯代、溴代、碘代烷烃或芳族基团、硝基芳族基团、醚如甲醚、乙醚、丙醚、丁醚、戊醚、己醚和包含醚基团的其他直链和支链烃。
在另一个实施方案中，所述相互作用基团(F)包含作为其结构一部分的能够形成氢键的基团。所述相互作用基团(F)可包含作为其结构一部分的能够形成氢键的基团，如羟、胺、羧酸、酯或醚基团；碱性基团，如胺；有机酸基团，如羧酸、磺酸、硼酸或膦酸。化学阻抗性材料也可包含能够形成氢键的基团。
带净负电荷的成分(N)包括至少一种有机阴离子基团。优选地，这种阴离子基团(N)是带负电荷的阴离子，如羧酸盐、磺酸盐、膦酸盐、酚盐或硼酸盐基团。只要净电荷是负的，所述带电荷分子还可包含一个或多个带正电荷的基团。
如应理解的，对于包含有机酸或有机胺基团或有机酸和有机胺基团的组合的分析物分子来说，可通过调节电解质溶液的pH来调节分析物分子的整个电荷。
在另一个实施方案中，带电荷分析物分子可通过化学过程由带电荷分子或中性分子产生。所述化学过程可包括，但不限于电化学氧化/还原、化学氧化/还原、水解、臭氧分解、碳酸化、氢解、消除、降解、取代、加成。起始分子可包括，但不限于伯醇、醛、烯烃、烷基苯、腈、酰胺、硝基化合物、醛、酮。所述化学过程可在原位或非原位发生。在本发明的上下文中，原位被定义为位于操作的位置中,也就是说，所述化学过程在装置内部发生。非原位被定义为位于操作的位置外部，也就是说，所述化学过程作为样品制备步骤独立于装置发生。
在优选的实施方案中，化学氧化从中性的、带正电荷或带负电荷的分子产生带正电荷分析物分子。所述氧化可在原位或非原位发生。
在另一个优选的实施方案中，化学氧化从中性的、带正电荷或带负电荷的分子产生带负电荷分析物分子。所述氧化可在原位或非原位发生。
进一步优选的是，所述氧化在溶液外发生。
在优选的实施方案中，化学还原从中性的、带正电荷或带负电荷的分子产生带负电荷分析物分子。所述还原可在原位或非原位发生。
在另一个优选的实施方案中，化学还原从中性的、带正电荷或带负电荷的分子产生带正电荷分析物分子。所述还原可在原位或非原位发生。
进一步优选的是，所述还原在溶液外发生。
对于带正电荷分析物分子的产生来说，优选的是，起始分子为中性的或带负电荷的。
对于带负电荷分析物分子的产生来说，优选的是，起始分子为中性的或带正电荷的。
在又一个实施方案中，中性分子通过化学过程由带电荷分子产生。所述化学过程可包括，但不限于电化学氧化/还原、化学氧化/还原、水解、臭氧分解、碳酸化、氢解、消除、降解、取代、加成。此类实施方案可在存在感兴趣的另一种带电荷分析物分子时不需要测量特定分子的响应的情况下减少特定分子的响应。
电解质溶液可以是含水或非水性的，并且可包括，但不限于水、尿液、血液、汗液、呼气、唾液、痰液、泪液、脊髓液、牛奶、果汁、酒、饮料、发酵液、海水、废水、淡水，半咸水、地下水、乙醇、甲醇、二甲基甲酰胺、乙腈。
优选的是，电解质溶液为含水的，并且可包括，但不限于水、尿液、血液、汗液、呼气、唾液、痰液、泪液、脊髓液、牛奶、果汁、酒、饮料、发酵液、海水、废水、淡水，半咸水、地下水。
其他优选的带电荷分析物分子包括氨基酸和肽、RNA或DNA片断、带电荷的药理学活性药物、阿片样物质和它们的衍生物和类似物、带电荷的非甾族抗炎药、水杨酸、带电荷的杀虫剂、带电荷的除草剂、带电荷的杀虫剂、带电荷的环境污染物、带电荷的代谢物。
在上述方面或其实施方案中的任一个中，化学阻抗性材料可包括在其间具有由非导电性材料组成的连接的导电颗粒材料。所述导电材料可嵌入非导电颗粒材料内。任选地，非导电颗粒材料可涂覆导电颗粒材料，以便使化学阻抗性材料能够经受得住电阻变化。非导电材料可通过化学或物理方式附接到导电材料。导电材料可包括金属导体、无机导体、有机导体或有机导电聚合物或其混合物。非导电材料可以为有机分子或聚合物。
在一个实施方案中，化学阻抗性材料包括导电颗粒材料，如涂有非导电有机材料的纳米颗粒。如本文所使用的，术语“纳米颗粒”是指具有至少一个1微米或更小的长度尺度的材料。优选地，纳米颗粒具有1微米或更小的平均直径，并且平均直径大于1纳米。优选直径大于2nm且小于100nm的颗粒。更优选直径大于2nm且小于50nm的颗粒。
构成化学阻抗性材料的颗粒可采用多种形状，包括但不限于球形、棒状、圆盘形、立方形，板状，或它们可具有不规则形状或分形形状，例如多荚形、星状或尖形。优选近似球形的颗粒。
多种导电材料可用于纳米颗粒。优选地，纳米颗粒为选自Au、Ag、Ni、Co、Pt、Pd、Cu、Au/Ag、Au/Cu、Au/Ag/Cu、Au/Pt、Au/Pd、Au/Ag/Cu/Pd、Pt/Rh、Ni/Co和Pt/Ni/Fe组成的组的金属和金属合金。优选由金、银、铂或钯本身或作为合金组成的纳米颗粒。更优选由金组成的纳米颗粒。
在优选的实施方案中，金属纳米颗粒用是有机配位体的非导电材料封端、保护或涂覆。
如本发明中使用的术语“配位体”表示具有能够物理地或化学地结合到纳米颗粒的一个或多个结合基团，并且具有能够物理地或化学地结合到分析物分子的一个或多个另外的官能团的分子。
适用于结合到纳米颗粒的配位体结合基团可包括一个或多个硫醇基、二硫化物基、硫化物基、膦基或胺基。
能够化学地或物理地结合到分析物分子的官能团将取决于待检测的分析物的类型，并且可包括但不限于烃基(如环状或无环烷烃)、芳族基团(单芳族基团或聚芳族基团)；能够形成氢键的基团，如羟基、胺、羧酸、酯、或醚基；碱性基团，如胺；酸性基团，如羧酸、磺酸、膦酸；带正电荷基团，如铵或吡啶鎓基团；带负电荷基团，如酸的盐，如羧酸盐、磺酸盐或膦酸盐基团；与碳水化合物相互作用的硼酸基团；氢基酸或肽基团；DNA或RNA片段；冠醚或它们的衍生物。
优选的配位体可包括但不限于烷基硫醇，如乙烷硫醇、丙烷硫醇、丁烷硫醇、戊烷硫醇、己烷硫醇、庚烷硫醇、辛烷硫醇、壬烷硫醇、癸烷硫醇、十一烷硫醇、十二烷硫醇、十三烷硫醇、十四烷硫醇、十五烷硫醇、十六烷硫醇、十七烷硫醇、十八烷硫醇、植烷硫醇、苯硫酚、苄硫醇、对甲基苯硫酚、2-甲基苯硫醇、3-甲基苯硫醇、巯基吡啶、巯基苯甲酸、巯基苯硼酸、羟基苯硫酚、氨基苯硫酚、甲氧基苯硫酚、α-ω羟基烷基硫醇、α-ω氨基烷基硫醇、α-ω羧基烷基硫醇；硫醇取代的低聚乙二醇，包括乙二醇、三甘醇、四甘醇、五甘醇或六甘醇的单硫醇、烷基二硫醇如1,2-乙烷二硫醇、1,3-丙烷二硫醇、1,4-丁烷二硫醇、1,5-戊烷二硫醇、1,6-己烷二硫醇、1,7-庚烷二硫醇、1,8-辛烷二硫醇、1,9-壬烷二硫醇、1,10-癸烷二硫醇、1,11-十一烷二硫醇、1,12-十二烷二硫醇、1,3-十三烷二硫醇、1,14-十四烷二硫醇、1,5-十五烷二硫醇、1,16-十六烷二硫醇、1,17-十七烷二硫醇、1,18-十八烷二硫醇、半胱氨酸。
在一个实施方案中，在相同的化学阻抗性纳米颗粒材料内使用具有不同官能团的配位体混合物，以便调整化学电阻器与分析物的相互作用，因此能够形成针对各种分析物具有不同选择性和灵敏度的不同化学电阻器。
如应理解的，上述化合物的对称或混合的二硫化物可容易地从适当硫醇基的氧化过程中产生，并且也可被使用。
在另一个实施方案中，化学阻抗性材料为具有绝缘有机分子或聚合物的有机导体。导电有机成分选自碳黑、石墨、石墨烯、富勒烯、碳纳米管。如本文使用的术语“石墨烯”包括具有5层或更少层的石墨。优选的是，石墨烯为单层或双层的。
如本发明中使用的术语“碳纳米管”包括卷取的石墨烯片。碳纳米管可以为单壁或多壁的。优选的是，碳纳米管为单壁的。优选的是，碳黑包括平均直径在10nm与200nm范围内的颗粒。
导电有机成分通常与绝缘聚合物共混。
所述绝缘聚合物选自包含主链碳聚合物、主链无环杂原子聚合物、主链杂环聚合物的组。实例包括但不限于聚(二烯)、聚(烯烃)、聚(丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)、聚(乙烯基醚)、聚(二乙烯基硫醚)、聚(乙烯醇)、聚(乙烯酮)、聚(卤乙烯)、聚(乙烯基亚硝酸盐)、聚(乙烯基酯)、聚(苯乙烯)、聚芳醚(poly(aryines))、聚(氧化物)、聚(碳酸酯)、聚(酯)、聚(酸酐)、聚(氨酯)、聚(磺酸盐)、聚(硅氧烷)、聚(硫化物)、聚(硫酯)、聚(砜)、聚(磺胺)、聚(酰胺)、聚(脲)、聚磷腈、聚(硅烷)、聚(硅氮烷)、聚(呋喃四羧酸二酰亚胺)、聚(苯并噁唑)、聚(噁二唑)、聚(苯并噻嗪并吩噻嗪)、聚(苯并噻唑)、聚(吡嗪并喹喔啉)、聚(均苯四酰亚胺)(poly(pyromenitimides))、聚(喹喔啉)、聚(苯并咪唑)、聚(羟吲哚)、聚(氧代异吲哚啉)、聚(二氧代异吲哚啉)、聚(三嗪)、聚(哒嗪)、聚(哌嗪)、聚(吡啶)、聚(哌啶)、聚(三唑)、聚(吡唑)、聚(吡咯烷)、聚(碳硼烷)、聚(氧杂双环壬烷)、聚(二苯并呋喃)、聚(苯酞)、聚(乙缩醛)、聚(酸酐)、碳水化合物。
也可使用非导电有机聚合物材料；共混物和共聚物；塑性聚合物；和包括使用在此列出的聚合物的那些的其他变体。
所述绝缘成分也可以为被有机导体官能化的有机分子。官能化包括共价、非共价、范德华力、氢键、π-π相互作用。
在另一个实施方案中，化学阻抗性材料为有机导电聚合物。
优选的是，导电聚合物为聚(苯胺)、聚(噻吩)、聚(吡咯)、聚(乙炔)。进一步优选的是，化学阻抗性材料为有机导电聚合物/绝缘体。
在另一个实施方案中，化学阻抗性材料为不具有非导电共混物的有机导体。导电材料选自碳黑、石墨、石墨烯、C60、碳纳米管，优选碳纳米管和石墨烯。
化学阻抗性材料可由许多方法如喷涂、丝网印刷、溶液沉积、逐层沉积、冲压、涂布、旋涂、液滴沉积、蒸发自组装、刮涂或印刷制备。具体地，现存的各种印刷方法特别适用于基于纳米颗粒溶液和配位体溶液来产生化学阻抗性薄膜。此类印刷方法包括使用热印刷或压电印刷方法的喷墨印刷，以及凹版印刷和胶版印刷。
产生化学电阻器的特别优选的方法为使用喷墨印刷、热(泡沫喷射)印刷或压电印刷技术。
在本发明的另一个优选实施方案中，纳米颗粒的溶液被印刷，所述纳米颗粒用容易被一个或多个配位体基团替代的封端剂稳定。纳米颗粒膜随后按顺序或作为混合物暴露于一个或多个配位体基团中，以便形成化学电阻器。进一步优选的是，封端剂为N,N’-二甲基氨基吡啶(DMAP)。进一步优选的是，纳米颗粒的溶液被印刷，所述纳米颗粒用容易被一个或多个配位体基团(并且所述配位体基团也通过喷墨印刷被沉积在印刷的纳米颗粒上)替代的封端剂来稳定，其中纳米颗粒膜由配位体在基板上原位功能化。
进一步优选的是，纳米颗粒的溶液通过喷墨印刷或微量移液管液滴印刷来印刷，所述纳米颗粒为直径处于4nm至8nm之间的金纳米颗粒，用DMAP作为封端剂，配制为浓度处于0.1％至10％重量/体积之间的墨水，所述水溶液包含浓度在0至10％重量/体积之间的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。纳米颗粒膜随后按顺序或作为混合物暴露于一个或多个配位体基团中，以便形成化学电阻器。
具体优选的是，纳米颗粒的溶液通过喷墨印刷或微量移液管液滴印刷来印刷，所述纳米颗粒为直径处于4nm至8nm之间的金纳米颗粒，用DMAP作为封端剂，配制为浓度为1％重量/体积的墨水，所述水溶液包含浓度为4％重量/体积的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。纳米颗粒膜随后按顺序或作为混合物暴露于一个或多个配位体基团中，以便形成化学电阻器。
化学阻抗性材料沉积在导电电极之间。优选的是，导电电极由两个或更多个平行带状或圆形电极制成。在电极由1组或多组带状电极制成的情况下，优选的是，相邻带之间的距离的宽度处于10nm与10微米之间，并且导电电极板的宽度处于10nm与10微米之间。
在电极由1组或多组带状电极制成的情况下，更优选的是，相邻带之间的距离的宽度处于100nm与5微米之间，并且导电电极板的宽度处于100nm与5微米之间。
在电极由1组或多组带状电极制成的情况下，最优选的是，相邻带之间的距离的宽度处于100nm与1微米之间，并且导电电极板的宽度处于100nm与1微米之间。
在另一个实施方案中优选的是，电极由两个或更多个圆形带状电极制成，其中相邻带之间距离的宽度处于1微米至10微米之间，并且导电电极的宽度处于1微米与10微米之间。
导电电极板可通过标准光刻方式或通过电子束、聚焦离子束或本领域技术人员已知的其他合适的方法制造。
附图说明
通过举例的方式并且参考附图在下文进一步详细描述实施方案，在附图中：
图1示出根据本发明的一个实施方案的示意性传感器。
图2示出根据本发明的另一个实施方案的示意性传感器。
图3示出金纳米颗粒膜在存在带电荷物质时的示意图。图3a)示出的是在缺少栅极电压的情况下，而图3b)和图3c)示出的是在存在负栅极电压时。
图4示出在存在带电荷物质时通过以10mV/s的速率扫描栅极电压来调制涂有1-己硫醇的金纳米颗粒膜的电阻。图4a)示出阳离子表面活性剂十六烷基溴化吡啶(10mM)，图4b)示出阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(10mM)，图4c)示出盐溶液氯化钾(100mM)，以及图4d)示出两性离子表面活性剂3-[(3-胆酰胺丙基)-二甲基铵]-1-丙烷磺酸盐(100mM)。
图5示出在存在布洛芬时、在施加0V和-500mV的栅极电压下，涂有1-己硫醇的金纳米颗粒膜化学电阻器的相对电阻变化。
具体实施方式
参考图1，示意性地示出传感器100a的第一实施方案。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100a。传感器100a包括在电绝缘基板140上的两个导电电极(120,130)，并且所述两个导电电极相隔距离L，其中L处于10nm与100μm之间。传感器100a还包括由导电性材料形成的栅极电极150和化学电阻器膜160，其中在存在离子分析物时，化学电阻器膜160的阻抗发生改变；并且其中所述化学电阻器膜与电极(120,130)接触。传感器100a还包括被配置来在栅极电极与化学电阻器膜之间施加电势差的电势发生器装置180，例如恒电位仪。传感器100a还包括选择性地控制电势发生器装置180，以便将相对于化学电阻器膜160的电势的正电势或负电势施加到栅极电极150的控制器185。
传感器100a还包括适于在所述导电电极对120、130之间施加电压信号，以便能够测量化学电阻器膜160的电阻的装置170。与装置170相关联的是用于在所施加的电压信号下测量所述化学电阻器膜160的电阻的装置。
应理解，当在电解质溶液中的两个电极之间施加电势差时，电荷将积聚在材料表面处。
本发明人已经发现在栅极电极150与化学阻抗性膜160之间施加的电势差增加了在化学阻抗性膜160附近的带电荷分析物分子的浓度，并且允许所述带电荷分子渗入到化学阻抗性膜160中。不希望受限于任何科学理论，本发明人目前相信栅极电势促进带电荷分子渗入到化学阻抗性膜160中，也就是渗入到通常难以被带电荷分子渗透的材料中。带电荷分子渗入到化学阻抗性膜160中致使膜160溶胀，因为导电区域之间的距离增加。随后溶胀使电流降低，这因此增大了化学阻抗性膜160的电阻。
另外，本发明人现已发现，与在带电荷分析物分子上的特定官能团(也就是，所述相互作用基团(F))相互作用的化学阻抗性膜/材料在施加栅极电势期间甚至提供进一步增强的传感器响应。
参考图2，示意性地示出传感器100b的第二实施方案。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100b。全文中相同的数字是指相同的元件。
传感器100b包括在电绝缘基板140上的两个导电电极(120,130)，并且所述两个导电电极相隔距离L，其中L处于10nm与100μm之间。传感器100b还包括由对电极150和参比电极155组合组成的栅极电极和化学电阻器膜160，其中在存在离子分析物时，化学电阻器膜160的阻抗发生改变；并且其中所述化学电阻器膜与电极(120、130)接触。传感器100b还包括被配置来在栅极电极与化学电阻器膜之间施加电势差的电势发生器装置180，例如恒电位仪。传感器100b还包括选择性地控制电势发生器装置180，以便将相对于化学电阻器膜160的电势的正电势或负电势施加到栅极电极的控制器185。
为了更清楚地理解本发明的性质，现将参考以下非限制性实例描述本发明的优选形式。
本发明人已经证明，可以通过将外部栅极电极放置在包含(i)带电荷和(ii)有机物质的水溶液中来在外部调制金纳米颗粒的电阻。金纳米颗粒膜并未固有地表现出类晶体管特性，并且同样地，在跨栅极电介质施加栅极电压时未曾观察到源极-漏极电流的变化。
图3示出金纳米颗粒膜在存在带电荷物质时的示意图。图3a)示出的是在缺少栅极电压(VG＝0)的情况下。如图所示，在溶液中存在的阴离子烃和无机阳离子最低限度地与金纳米颗粒膜相互作用，并且并未明显地改变(被施加电压Vc的)跨膜的电阻。图3b)示出的是在存在负栅极电压(VG<0)时。在这个实例中，阴离子烃预浓缩到金纳米颗粒膜中，使金纳米颗粒的有机涂层溶胀，并且进而增加跨膜的电阻。图3c)再次示出的是负栅极电压，无机阴离子被驱动至膜，但并未明显地改变跨膜的电阻。
金纳米颗粒膜的电子导电性σ基于电子遂穿机制σ∝exp[-βL]exp[-Ec/kT]；其中β为电子遂穿衰变常数，L为颗粒间间距，Ec为库仑阻断能量，并且k为玻尔兹曼常数。因此，任何变量变化可导致纳米颗粒膜的电阻调制。
为了利用外部栅极电极有效地调制纳米颗粒膜电阻，本发明人已经确定，化学物质的电荷起着重要的作用。如电阻的增加(图4a)所示，当有机化学物质带有正电荷，例如，十六烷基溴化吡啶(10mM)时，涂有1-己硫醇的金纳米颗粒膜在施加正栅极电压后容易被调制。所述正栅极电压诱导纳米颗粒内部的负电荷，从而驱动带正电荷的离子(十六烷基吡啶)进入膜中，在所述膜中物质的有机成分被认为插入己硫醇涂层并且从而增加颗粒间间距。由于纳米颗粒膜通过电子遂穿在金芯之间并且沿着烷基硫醇盐涂层导电，这随后使电阻增加。如果有机化学物质带有负电荷，例如十二烷基硫酸钠(10mM)，那么电阻调制发生在负栅极电压处，因为纳米颗粒膜现在带有正电荷(图4b)。在两个所示实例中的小无机反离子对电阻调制并不起明显作用，并且这通过包含氯化钾离子(图4c)的溶液进一步确认，所述氯化钾离子为先前实例的离子强度的十倍。另外，如果电解质溶液包含两性离子分子，例如，3-[(3-胆酰胺丙基)-二甲基铵]-1-丙烷磺酸盐，那么纳米颗粒膜的电阻也不可由栅极(图4d)调制。这些结果是重要的，因为这允许带净正电荷或带净负电荷的物质通过栅极电极的极性来对金纳米颗粒膜进行选择性调制。
这对使调制效应为可逆来说也是重要的，并且发明人已经证实，将己酸从膜移除的速度可通过在水冲洗步骤期间施加正栅极电压而显著地增加。通过施加+0.5V的栅极电压，在120s内>90％返回到初始基准电阻。这意味着金纳米颗粒膜是可电转换的，因为带电荷的烃可通过在不同的栅极极性的情况下分配到膜中或从膜分配出去来改变电子遂穿路径。
实施例
实施例1.化学电阻器的形成
使用常规的光刻技术(Raguse等人,Anal.Chem.2007,79,7333)，用八个交叉指状金微电极(10个指状物，每个指状物长3mm，宽5微米，并且间隔5微米)的阵列使显微镜载玻片形成图案。
用八个交叉指状微电极形成图案的载玻片在沉积化学阻抗性材料金纳米颗粒之前用甲硅烷基化剂(巯丙基三乙氧基硅烷，MPTES)预处理，以用于将纳米颗粒更好地粘合到玻璃和电极表面。因此，将载玻片浸入包含2％v/v MPTES的甲苯溶液中两小时，接着用大量的甲苯清洗并在温和的氮气流中干燥。随后，经处理的载玻片在110℃的烘箱中烘焙一小时。
随后，将1.8nL包含1％w/v DMAP-金纳米颗粒和4％N-甲基吡咯烷酮的水溶液喷墨沉积到载玻片的微电极上，并且允许变干(Chow等人,Anal.Chim.Acta.2009,632,135)。随后，纳米颗粒膜用1mM乙腈中的1-己硫醇官能化两小时，并且随后用乙腈清洗，从而形成1-己硫醇官能化的金纳米颗粒膜。将在微电极图案化的载玻片上的纳米颗粒膜和外部栅极电极放置在溶液中以便形成化学电阻器。
实施例2.栅极电压与烃的净电荷之间的相关性
所述装置如同实施例1一样进行制备，并且被放置在良好的板状溶液保持器中，以使得由交叉指状电极和银/氯化银栅极电极桥接的金纳米颗粒膜与电解质溶液(100微升十六烷基溴化吡啶CPB、十二烷基硫酸钠SDS或3-[(3-胆酰胺丙基)-二甲基铵]-1-丙烷磺酸盐CHAPS)接触。通过以下步骤测量金纳米颗粒膜的电流：在100mV下偏置交叉指状电极的电势，同时在栅极电极与交叉指状电极中的一个之间的电势从0mV的初始电势开始在+500mV与-500mV之间进行扫描，其中使用如图1所示的Multi Autolab与M101恒电位仪和BA双恒电位仪模块(Autolab，荷兰)。根据欧姆定律，可获得在交叉指状电极之间的金纳米颗粒膜的电阻。在表1中，在存在10mM CPB时，金纳米颗粒膜的电阻随正栅极电压增加。
表1.在存在10mM CPB(扫描速率为10mV/s)时，在不同栅极电压情况下的金纳米颗粒膜的电阻。
表2示出针对阴离子烃(SDS)观察到的电阻。示出了从-500mV至+500mV进行扫描的栅极电势的部分。在负栅极电压下观察到电阻的增加。
表2.在存在10mM SDS(扫描速率为10mV/s)时，在不同栅极电压情况下的金纳米颗粒膜的电阻。
在表3中示出了在存在两性离子分子(CHAPS)时，金纳米颗粒膜的电阻。由于两性离子分子的净电荷为零，因而负或正栅极电压的施加并未明显地改变纳米颗粒膜的电阻。
表3.在存在10mM CHAPS(扫描速率为10mV/s)时，在不同栅极电压情况下的金纳米颗粒膜的电阻。
如表4中所示，在存在100mM KC1时，在-500mV与+500mV栅极电压之间的电阻变化小于5％。
表4.在存在100mM KCl(扫描速率为10mV/s)时，在不同栅极电压情况下的金纳米颗粒膜的电阻。
实施例3.化学电阻器电势的重复转换
所述装置如同实施例1和2一样进行制备，并且被暴露于包含SDS的溶液中。为了说明化学电阻器电阻在暴露于带电荷的烃中时是可逆的，使栅极电压在+500mV与-500mV之间、以2min的间隔进行10次转换。表5示出在处于-500mV和+500mV的重复栅极电势脉冲(在每个脉冲结束时取样)时，金纳米颗粒膜在包含1mM SDS的溶液中的电阻。施加-500mV使膜的电阻增加，而施加+500mV使膜的电阻降低。
表5.当施加-500mV和+500mV的栅极电势脉冲时，金纳米颗粒膜在1mM SDS中的电阻。
实施例4.电阻变化与带电荷分析物的链长的相关性
所述装置如同实施例1一样进行制备，并且被放置在具有模制的硅酮垫圈的流动池中，以便形成流动通道(长50mm，宽2.9mm并且高1.6mm)和具有入口和出口的有机玻璃顶板。由交叉指状电极和金线栅极电极桥接的八个纳米颗粒膜的阵列全部暴露于处于这种流动池配置中的两种不同溶液(水和具有带电荷分析物的水)中。通过将金线刺穿硅酮垫圈的两端来将金线插入流动池中。通过使用蠕动泵将溶液经由分别保持水和带电荷分析物溶液的两个流体贮存器递送到流动通道。带电荷分析物由具有不同碳链长度的链烷酸(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸和癸酸)组成。通过以下步骤来测量金纳米颗粒膜的电阻：使用内部植入有来自eDAQ的16-通道式电子流变仪单元的8-通道式电气测量系统，在100mV下偏置在交叉指状电极之间的电势，同时使用eDAQ恒电位仪(图1)使在栅极与交叉指状电极中的一个之间的电势保持恒定(0mV或-500mV)，持续6min。在典型实验中，纳米颗粒膜的基准电阻在水的流动溶液中测定，持续2min，随后在带电荷分析物溶液的流动溶液中测定，持续3min，并且随后在水中测定，持续1min。根据金纳米颗粒膜在水中的初始电阻和金纳米颗粒膜在带电荷分析物溶液中的最终电阻，可以测定由于在带电荷分析溶液中的暴露而发生的电阻的相对变化。
表6和表7显示相对电阻变化随着碳链长度的增加而增加。所述增加可与随着疏水性的增加，所述分子对纳米颗粒膜的分配系数增加相关。
表6.在0mV或-500mV栅极电压的情况下、在水中存在不同链烷酸(50mM)时，金纳米颗粒膜的相对电阻变化。
表7.在0mV或-500mV栅极电压的情况下，在水中存在不同链烷酸(0.05mM)时，金纳米颗粒膜的相对电阻变化。
实施例5.化学电阻器的再生
所述装置如同实施例1和实施例4一样进行制备，并且对于全部水/带电荷分析物在水溶液/水中的持续时间来说，将栅极电压保持在恒定的电势。为了在水冲洗期间完全移除带电荷分析物，使栅极-源极电压的极性与分析物电荷的极性相反。在暴露于0.5mM己酸中之后，在电势保持在-500mV的情况下，在恒定的水流下施加+500mV的栅极电势，持续2min。表8示出金纳米颗粒膜(跨交叉指状电极施加+100mV)在暴露/栅极电压期间的每个阶段结束时的电阻。通过在用水冲洗(1min)期间将栅极电势保持在-500mV处，36％恢复到初始基准，而在冲洗1min之后通过将栅极电势转换到+500mV进行另外2min冲洗，到初始基准的恢复增加到90％。
表8.在施加不同条件时金纳米颗粒的电阻。
实施例6.在缺少和存在栅极电压时己酸的测定
所述装置如同实施例1和实施例5一样进行制备，并且在0mV和-500mV栅极电压下暴露于一定范围的己酸浓度。表9示出了响应于己酸的相对电阻变化。与在0mV下相比，在-500mV的栅极电压下，相对电阻变化增强。所述增强因子随己酸浓度的变化而变化，因为众所周知的是，当向水中添加弱酸时，弱酸将部分离解，并且离解程度取决于酸的浓度。
表9.在0mV和-500mV栅极电压的情况下、在水中存在己酸时金纳米颗粒膜的相对电阻变化。
实施例7.在缺少和存在栅极电压时布洛芬的测定
为了说明金纳米颗粒膜作为用于带电荷有机分子的传感器的实用性，发明人测试了布洛芬((R,S)-α-甲基-4-(2-甲基丙基)苯乙酸)，即通常用作非甾族抗炎药物的可离子化有机酸基团的存在。
所述装置如同实施例1和实施例5一样进行制备，例外的是用Multi Autolab(Autolab，荷兰)来获取和记录数据。在0mV和-500mV栅极电压下，将化学电阻器暴露于一定范围的布洛芬浓度。表10和图5示出了响应于布洛芬的相对电阻变化。与在0mV下相比，在-500mV的栅极电压下，相对电阻变化增强，在栅极控制下存在1400％的相当高的电阻变化。随着布洛芬的浓度降低，中性物质的分率也降低，这在0V栅极偏置下由响应灵敏度的快速下降表示。相反，栅极电极的存在能够逐步跟踪由带电荷布洛芬所诱导的纳米颗粒电阻变化，所述带电荷布洛芬低至20nM的总布洛芬浓度(99.95％的带电荷形式)。这表示利用栅极调制使检测限度增强了250倍。所述增强因子随布洛芬酸的浓度的变化而变化，因为众所周知的是，当向水中添加弱酸时，弱酸将部分离解，并且离解程度取决于酸的浓度。
表10.在0mV或-500mV栅极电压的情况下、在水中存在布洛芬时金纳米颗粒膜的相对电阻变化。
实施例8.通过将辛酸乙酯水解成辛酸来进行对辛酸乙酯的测定
制备辛酸乙酯在100mL水中的溶液并且将其转移到圆底烧瓶中。将过量的氢氧化钠添加到烧瓶中。随后，使所述溶液回流1小时，并且蒸馏掉形成的乙醇。随后，用过量的稀盐酸处理辛酸钠，以便形成辛酸。随后将所述辛酸蒸馏到100mL的容量瓶中，并且用水填充至标记处。随后，用辛酸代替己酸，如实施例6所述对所述辛酸溶液进行测试。
实施例9.甲苯和己酸的混合物的测定。
所述装置如同实施例1一样一式三份(即，在表13和表14中的电极1、2和3)进行制备，并且暴露于甲苯和己酸在水中的混合物中。如表11和表12所示，使用具有中心点的两水平、两组分全析因设计来制备五种已知浓度的不同混合物。在0mV和-500mV的栅极电压下，如实施例7所述对每种溶液进行测试，表13和表14示出响应于甲苯和己酸的相对电阻变化(％)。基于在0V和-500mV的所施加的栅极电压下分析物溶液的％变化，使用偏最小二乘回归来执行数据分析，以便对甲苯和己酸进行定量。在15次测量(5个样品，重复3次)中，12个被用作训练组并且3个被用作测试组。在表15中示出了每个样品的预测浓度。
表11.用于具有中心点的两水平、两组分全析因设计的辛酸和己酸的浓度。
表12.用于实验设计的辛酸和己酸的水平。
表13.在0mV栅极电压下、在水中存在甲苯和己酸时金纳米颗粒膜的相对电阻变化(％)。
表14.在-500mV栅极电压下、在水中存在甲苯和己酸时金纳米颗粒膜的相对电阻变化(％)。
表15.如使用表13和表14中获得和所示的数据、使用偏最小二乘回归来测定的甲苯和己酸的预测浓度和实际浓度。
所述分析显示，通过使用具有一个物理传感器的虚拟传感器阵列，通过在不同栅极电压下执行测量，可以对每种组分进行定量。
如上文所示，对外部栅极电极施加电势在金纳米颗粒膜处诱导电荷，并且促进带相反电荷的物质向膜移动。应理解，发明人已经研究出导电是跨膜发生而非穿过膜发生。测量通过纳米颗粒膜(在纳米颗粒膜处)的电流在三电极电化学中是更常规的方法。
本发明对于开发可由化学信号和所施加的栅极电势两者的组合调制的装置具有意义。重要的是，在超过标准灵敏度的水平下使用化学电阻器检测小的带电荷分子(<～2000道尔顿)的能力，以及用单个传感器区分中性的、带正电荷的或带负电荷的分子的可能性。
本领域技术人员应理解，在不脱离本公开的广泛总体范围的情况下，可对上文所述的实施方案进行各种变更和/或修改。因此，本实施方案在所有方面应视为说明性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一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：
(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10nm与100μm之间；
(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；所述化学电阻器膜与所述电极接触；所述化学电阻器膜包括在其间具有由非导电材料组成的结的导电颗粒材料；
(iii)栅极电极，其由导电材料形成；
(iv)电势发生器装置，其被配置来在所述栅极电极与所述化学电阻器膜之间施加电势差；
(v)控制器，其选择性地控制所述电势发生器装置，以便将相对于所述化学电阻器膜的电势的正电势或负电势施加到所述栅极电极；以及
(vi)电压装置，其适于在所述导电电极对之间施加电压信号，以便能够测量所述化学电阻器膜的电阻。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述栅极电极为金电极、铂电极、钯电极、银电极、碳电极、Ag/AgCl栅极电极和银已被氯化的Ag/AgCl栅极电极中的一种。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述栅极电极包括对电极和参比电极。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述对电极由金、铂、钯、银和导电碳材料中的一种形成。
5.根据权利要求3或4所述的传感器，其中所述参比电极选自Ag/AgCl电极、非水性的Ag/Ag+电极、汞/硫酸亚汞电极和饱和甘汞电极中的一种。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器，其中所述两个导电电极各自由选自金、钯、铂、银、铜和镍的惰性材料或基于选自碳黑、石墨烯和碳纳米管的导电碳的导电材料形成。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器，其中所述两个导电电极分别涂有一薄层惰性材料，所述惰性材料特征在于：
(a)介电常数小于水的介电常数；
(b)至少部分地不可渗透离子；以及
(c)具有小于2纳米的厚度。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述两个导电电极中的每一个由金、银、钯或铂电极材料形成，并且所述惰性材料的所述薄层是在所述电极中的每一个的表面上形成的自组装单分子层。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器，其中所述电压装置被配置来在所述电极之间提供低频率f<f0＝100Hz信号或DC；并且其中所施加电压的幅值处于10mV与500mV之间。
10.根据权利要求1所述的传感器，其中所述导电颗粒材料包括金属导体、无机导体、有机导体或有机导电聚合物中的一种或它们的混合物。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中所述导电颗粒材料包括涂有为有机配位体或配位体的混合物的非导电有机材料的纳米颗粒。
12.根据权利要求11所述的传感器，其中所述纳米颗粒的直径大于2nm且小于100nm。
13.根据权利要求11或12所述的传感器，其中所述纳米颗粒由金、银、铂或钯制成。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器，其中所述化学电阻器膜为具有绝缘有机分子或聚合物的有机导体，或有机导电聚合物。
15.一种用于使用根据权利要求1至14中任一项所述的传感器来测量离子分析物在电解质溶液中的存在或含量的方法，所述方法包括：
(i)使所述化学电阻器膜与电解质溶液接触；
(ii)在所述栅极电极与所述化学电阻器膜之间施加电势差；以及
(iii)测量所述化学电阻器膜的电阻变化。
16.根据权利要求15所述的方法，其还包括如下步骤：将在步骤(iii)中测量的值与在存在一个或多个已知浓度的所述离子分析物时的所述化学电阻器膜的电阻变化的测量值比较，从而测定离子分析物在所述电解质溶液中的含量。
17.一种用于使用根据权利要求1至14中任一项所述的传感器来调制化学电阻器膜的电阻的方法，所述方法包括：
(i)使所述化学电阻器膜和所述栅极电极与电解质溶液接触；
(ii)在所述栅极电极与所述化学电阻器膜之间施加电势差；
(iii)利用净正电荷或净负电荷为所述栅极电极选择性地充电；以及
(iv)测量所述化学电阻器膜的电阻变化。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述离子分析物包括：一个或多个正电荷(P)或一个或多个负电荷(N)，以使得整个带电荷分析物分子在正电荷(P)的情况下带有净正电荷或在负电荷(N)的情况下带有净负电荷；和具有以下结构的相互作用基团(F)：分别为P---F或N---F。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述相互作用基团(F)为：(i)包括能够物理地或化学地结合到所述化学电阻器膜的一个或多个化学部分的有机官能团；或(ii)包含作为其结构一部分的疏水基团；或(iii)包含作为其结构一部分的能够形成氢键的基团。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述相互作用基团(F)包含作为其结构一部分的疏水基团，所述疏水基团为含烃部分。
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