CN106687811A - 用于增强化学电阻感测的制剂 - Google Patents

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Abstract

传感器材料包含多个导电性碳质纳米材料颗粒；经选择与目标分析物选择性相互作用的检测剂；和离子液体，其中多个导电性碳质纳米材料颗粒、检测剂和离子液体组合形成糊剂。此外，分析物可扩散到糊剂中与检测剂相互作用以改变糊剂的导电率。还描述了基于所述传感器材料的装置及使用所述装置的方法。

Description

用于增强化学电阻感测的制剂
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年7月15日提交的美国专利申请62/024,924的优先权，其在此通过引用整体并入。
引用并入
为了更全面地描述到本文所述发明的日期为止本领域技术人员已知的现有技术的状况，本文引用的全部专利、专利申请和公开均在此通过引用整体并入。
背景技术
气体感测技术正用于广泛的多种应用，例如安全监测、防卫监测、工艺监测或空气质量控制。其他应用(例如食品工业中的乙烯或生物胺感测)可从气体传感器中获益，然而，现有的传感器技术不能满足必需的要求。
用于检测乙烯、生物胺或氨的现有方法具体地包括气相色谱、光声光谱以及电化学法和比色法。这些方法各自都有缺点和折衷，包括笨重、昂贵、复杂、体积大、灵敏性和选择性受限、准确性不足以及需要显著的工作能耗和/或高度训练的技术人员来进行分析。
化学电阻式传感器(chemiresistive sensor)具有克服许多这些限制的潜力并且导致可称重、多路复用、低成本、低功耗、便携、高选择性和高灵敏性的感测技术。为了成为一种用于实际应用的可行技术，这些传感器需要具有足够的选择性并且对期望的分析物具有足够大的响应。
之前，Fukushima等已描述了SWCNT和离子液体的糊剂的形成但是不含检测剂分子并且没有提及在感测方面的使用(Fukushima等，Science,300,2072-2074和US 7,531,114B2)。
发明内容
公开了一种改善感测响应的方法。描述了一种传感器材料，其包含多个导电性碳质纳米材料颗粒；能够与目标分析物相互作用的检测剂；和离子液体，其中多个导电性碳质纳米材料颗粒、检测剂和离子液体组合形成糊剂。选择离子液体以促进分析物与糊剂相互作用，导致糊剂的导电率变化。
在一些实施方案中，碳质纳米材料颗粒为碳纳米管。在另一些实施方案中，碳质纳米材料颗粒选自石墨粉、单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、还原石墨氧化物和碳黑粉。
在前述任一实施方案中，离子液体包含选自咪唑阳离子、吡啶阳离子、吡咯烷阳离子、阳离子及其组合的阳离子。在另一些实施方案中，离子液体包含选自以下的阴离子：双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺(TFSI-)阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺(FSI-)阴离子、卤化物阴离子、硝酸根阴离子、四氟硼酸根阴离子、六氟磷酸根阴离子、双三氟甲磺酰亚胺(bistriflimide)阴离子、三氟甲磺酸根阴离子、甲苯磺酸根阴离子及其组合。在另一些实施方案中，离子液体包含选自甲酸根、烷基硫酸根、烷基磷酸根、羟乙酸根(glycolate)及其组合的非卤化有机阴离子。在另一些实施方案中，离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺或1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺。
在前述任一实施方案中，检测剂共价结合至碳质纳米材料颗粒。在另一些实施方案中，其中检测剂非共价结合至碳质纳米材料颗粒。在另一些实施方案中，检测剂限制在碳质纳米材料颗粒内。
在前述任一实施方案中，检测剂为小分子、聚合物或生物物质。在另一些实施方案中，生物物质包括肽、蛋白质、DNA、RNA或PNA。
在前述任一实施方案中，检测剂包含能够结合在溶液、气相或固相中的目标分析物的官能团。在一些实施方案中，官能团选自硫醇基、醛基、酯基、羧酸基团、羟基或其组合。
在前述任一实施方案中，检测剂为富电子或贫电子部分；其中目标分析物和检测剂之间的相互作用包括静电相互作用。
在前述任一实施方案中，检测剂包含金属或含金属化合物。在一些实施方案中，目标化合物和检测剂之间的相互作用包括结合至金属或含金属化合物。在另一些实施方案中，含金属化合物选自钛盐、银盐、铂盐、金盐、铝盐、镍盐、钯盐和铜盐。在另一些实施方案中，含金属物质包括铜盐。在另一些实施方案中，含金属物质包括钯盐。
在一些实施方案中，检测剂选自PdCl2、5,10,15,20-四苯基卟啉合钴(III)高氯酸盐([Co(tpp)]ClO4)、3,6-二-2-吡啶基-1,2,4,5-四嗪及其组合。
在前述任一实施方案中，以3:1至1:10的重量比使碳质纳米材料颗粒与检测剂混合。在一些实施方案中，以1:1至1:10的重量比使碳质纳米材料颗粒与检测剂混合。
在前述任一实施方案中，使约0.1重量％至20重量％的碳质纳米材料颗粒与离子液体混合。在一些实施方案中，使约0.25重量％至10重量％的碳质纳米材料颗粒与离子液体混合。
在前述任一实施方案中，传感器材料还包含粘度改性剂添加剂。在一些实施方案中，粘度改性剂添加剂选自低分子量溶剂、高分子量溶剂、增塑剂、乙二醇、四乙二醇、稀释剂和矿物油。
在一个方面，装置包括第一电极和第二电极；布置成与第一电极和第二电极电接触的传感器材料；其中传感器材料包含根据上文所公开的任一实施方案的传感器材料。
在一些实施方案中，装置还包括与安培计或电压计连接的电路以检测形成传感器材料的糊剂的导电率变化。
在一些实施方案中，第一电极和第二电极位于刚性基底上。在另一些实施方案中，刚性基底选自玻璃、聚合物材料和印刷电路板。
在一些实施方案中，第一电极和第二电极位于柔性基底上。在另一些实施方案中，柔性基底选自纸和聚合物材料。
在一些实施方案中，第一电极和第二电极为复杂电路的一部分。在另一些实施方案中，所述复杂电路为近场通信(NFC)芯片或射频识别(RFID)芯片。
在一个方面，检测分析物的方法包括：提供根据上文所公开任一实施方案的感测装置；使传感器材料暴露于环境中，其中传感器材料的导电率变化指示分析物的存在；以及检测传感器材料的导电率变化。
在一些实施方案中，方法还包括将所检测到的导电率变化无线传输至另一用于分析和储存的装置。在一些实施方案中，方法还包括通过无线射频通信检测分析物。在一些实施方案中，方法还包括检测来自包括传感器的射频识别标签的输出。
在一些实施方案中，分析物为蒸气。
在一些实施方案中，分析物选自硫醇、酯、醛、醇、醚、烯烃、炔烃、酮、酸、碱及其组合。
在一些实施方案中，分析物为霉菌。
在一些实施方案中，分析物为乙烯、含氮气体或胺。
在一些实施方案中，分析物为腐胺或尸胺。
在一些实施方案中，分析物的浓度为0至10％、0至5％、0至1％、0至1000ppm、0至100ppm、0至80ppm、0至50ppm、0至10ppm、0至5ppm、0至1ppm、0至0.5ppm、0至100ppb、0至50ppb或0至10ppb。
在一些实施方案中，传感器材料在与分析物相互作用后还经历体积变化；并且方法包括检测体积变化并从体积变化获得关于分析物的信息。
在一些实施方案中，传感器材料在与分析物相互作用之后还经历颜色变化；并且方法包括检测颜色变化并且从颜色变化获得关于分析物的信息。
在一些实施方案中，分析物与检测剂相互作用以形成范德华相互作用、共价键、离子键、氢键或配价键。
在一些实施方案中，分析物与检测剂经由生物分子对之间的结合事件相互作用，其中生物分子为蛋白质、核酸、糖蛋白、碳水化合物或激素。在另一些实施方案中，生物分子对选自抗体/肽对、抗体/抗原对、抗体片段/抗原对、抗体/抗原片段对、抗体片段/抗原片段对、抗体/半抗原对、酶/基质对、酶/抑制剂对、酶/辅因子对、蛋白质/基质对、核酸/核酸对、蛋白质/核酸对、肽/肽对、蛋白质/蛋白质对、小分子/蛋白质对、谷胱甘肽/GST对、抗-GFP/GFP融合蛋白对、Myc/Max对、麦芽糖/麦芽糖结合蛋白对、碳水化合物/蛋白质对、碳水化合物衍生物/蛋白质对、金属结合标签/金属/螯合物、肽标签/金属离子-金属螯合物对、肽/NTA对、凝集素/碳水化合物对、受体/激素对、受体/效应物对、互补核酸/核酸对、配体/细胞表面受体对、病毒/配体对、蛋白A/抗体对、蛋白G/抗体对、蛋白L/抗体对、Fc受体/抗体对、生物素/抗生物素蛋白对、生物素/链霉抗生物素蛋白对、药物/靶标对、锌指/核酸对、小分子/肽对、小分子/蛋白质对、小分子/靶标对、碳水化合物/蛋白质对(例如麦芽糖/麦芽糖结合蛋白(MBP))、小分子/靶标对和金属离子/螯合剂对。
在一个方面，制备传感器材料的方法包括：提供多个导电性碳质纳米材料颗粒；提供选择成与目标分析物相互作用的检测剂；提供离子液体；将多个导电性碳质纳米材料颗粒、检测剂和离子液体混合以形成糊剂。
在一个方面，方法包括制备传感器材料的方法，包括：提供多个导电性碳质纳米材料颗粒；提供选择成与目标分析物相互作用的检测剂；提供离子液体；提供可与检测剂和离子液体混溶的溶剂；将检测剂和离子液体溶解在该溶剂中形成混合物；将多个导电性碳质纳米材料颗粒添加至该混合物中；以及使溶剂蒸发以形成包含多个导电性碳质纳米材料颗粒、检测剂和离子液体的糊剂。
附图说明
结合附图，考虑以下详细描述，本公开内容的以上及其他目的和优势将更清楚，在附图中相同的参考标记始终是指相同的部分。
图1示出了根据一个或更多个实施方案使用三种基本成分制成传感器材料的示意图；
图2示出了使用根据本公开内容的传感器材料检测分析物的装置的示意图；
图3示出了使用SWCNT、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIM)BF4和5,10,15,20-四苯基卟啉合钴(III)高氯酸盐([Co(tpp)]ClO4)的糊剂制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为10重量％并且SWCNT相对[Co(tpp)]ClO4的质量比为1:1。箭头表示暴露于40ppm乙烯100秒的开始。
图4示出了使用SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为10重量％并且[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的质量比为4:1。箭头表示暴露于40ppm乙烯300秒和600秒的开始。
图5示出了使用SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂在纸上制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为5重量％并且[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的质量比分别为10:1、5:1和1:1。箭头表示暴露于40ppm乙烯100秒的开始。
图6示出了使用以下制造的传感器对40ppm乙烯的平均感测响应：SWCNT和[Co(tpp)]ClO4的悬浮液；涂覆有BMIM BF4的[Co(tpp)]ClO4和SWCNT的悬浮液；SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂以及原始SWCNT的悬浮液。
图7示出了使用以下制造的传感器在传感器制造四周之后对40ppm乙烯的初始响应百分比：SWCNT和[Co(tpp)]ClO4的悬浮液；涂覆有BMIM BF4的[Co(tpp)]ClO4和SWCNT的悬浮液以及SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂。
图8示出了使用SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为1重量％并且[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的质量比为5:1。箭头表示暴露于40ppm乙烯100秒的开始。
图9示出了使用原始SWCNT的悬浮液制造的传感器和由SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂制造的传感器对不同分析物的平均感测响应。
图10A示出了使用SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为1重量％并且[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的质量比为5:1。箭头表示暴露于1ppm、2ppm和5ppm氨100秒的开始。
图10B示出了在图10A中记录的平均感测响应。
图11A示出了使用SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为1重量％并且[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的质量比为5:1。箭头表示暴露于2ppm、4ppm和8ppm尸胺100秒的开始。
图11B示出了在图11A中记录的平均感测响应。
图12A示出了使用SWCNT、PdCl2和以下三种类型离子液体的糊剂制造的传感器的感测响应：1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(乙基TFMS)、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(丁基TFMS)、1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(己基TFMS)。线表示暴露于80ppm乙烯500秒的开始和结束。
图12B示出了在图12A中记录的平均感测响应和由SWCNT和PdCl2在异丙醇中的悬浮液通过滴涂(drop-casting)制造的传感器的平均感测响应。
图12C示出了使用SWCNT、PdCl2和BMIM BF4的糊剂制造的传感器和由SWCNT和PdCl2在异丙醇中的悬浮液通过滴涂制造的传感器对80ppm乙烯的感测响应。线表示暴露于80ppm乙烯500秒的开始和结束。
图13示出了使用SWCNT、PdCl2和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(丁基HFP)的糊剂制造的传感器对80ppm乙烯的感测响应。线表示暴露于80ppm乙烯500秒的开始和结束。
图14A示出了使用SWCNT、[Co(tpp)]ClO4和以下三种类型的离子液体的糊剂制造的传感器的感测响应：l-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(乙基TFMS)、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(丁基TFMS)、1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(己基TFMS)。线表示暴露于80ppm乙烯500秒的开始和结束。
图14B示出了在图14A中记录的平均感测响应。
图15示出了使用SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂制造的传感器的平均感测响应和误差，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为1重量％并且[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的质量比为5:1。在制造工艺期间在不同时间施加感测材料。
图16示出了使用SWCNT、BMIM BF4和PdCl2的糊剂制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为0.25重量％并且PdCl2相对SWCNT的质量比为5:1。在制造工艺期间在不同时间施加感测材料。箭头表示暴露于40ppm乙烯100秒的开始；以及
图17示出了使用SWCNT、BMIM BF4和PdCl2的糊剂制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为1重量％并且PdCl2与SWCNT的质量比为5:1。施加不同厚度的感测材料。箭头表示暴露于40ppm乙烯100秒的开始。
具体实施方式
传感器材料包含多个导电性碳质纳米材料颗粒；选择成与目标分析物相互作用的检测剂；和离子液体，其中多个导电性碳质纳米材料颗粒、检测剂和离子液体组合以形成糊剂。而且，分析物可扩散到糊剂中以与检测剂相互作用以改变糊剂的导电率。
图1示出了传感器材料的组分。碳质纳米材料101与检测剂102和离子液体103组合以形成糊剂104。
在某些实施方案中，碳质纳米材料颗粒101为碳纳米管。在一些实施方案中，碳纳米管为单壁纳米管。在一些实施方案中，碳纳米管为多壁纳米管。在一些实施方案中，碳纳米管为双壁纳米管。在一些实施方案中，碳质纳米材料颗粒101选自石墨粉、单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、还原石墨氧化物和碳黑粉。
在某些实施方案中，检测剂102可为可与分析物相互作用和/或对周围介质或环境的变化作出响应的任意部分，并且可以以多种不同构造并入到装置中。例如，检测剂102可为小分子、聚合物、生物物质等。在一些实施方案中，检测剂可包括离子物质(例如盐)。在一些实施方案中，检测剂102可包括中性物质。在一些实施方案中，检测剂102可为有机物质、有机金属物质或无机物质。在某些实施方案中，检测剂102可通过共价键与碳质纳米材料颗粒连接。在某些实施方案中，检测剂102可通过非共价键与碳质纳米材料颗粒连接。在某些其他实施方案中，检测剂102可基本上包含(例如，分散)碳质纳米材料颗粒内，并且可不与碳质纳米材料颗粒形成共价键。
在一些实施方案中，检测剂102可包含能够与介质(例如溶液、气相、固相)中的另一生物分子或化学分子结合的生物基团或化学基团。例如，检测剂102可包含如硫醇基、醛基、酯基、羧酸基团、羟基等的官能团，其中官能团与分析物形成键。在一些情况下，检测剂102可为富电子或贫电子部分，其中分析物和检测剂之间的相互作用包括静电相互作用。在一些实施方案中，分析物和检测剂102之间的相互作用包括与金属或含金属部分的结合。
在一些实施方案中，检测剂102可为含金属物质。例如，物质可为包括金属盐的含金属物质。在一些实施方案中，金属盐为过渡金属盐或络合物。金属盐的一些实例包括，但不限于，TiO2、TiCl4及其他钛盐；AgCl、AgPF6、Ag(OCOCF3)、Ag(SO3CF3)及其他银盐；PtCl2及其他铂盐；Au2Cl6及其他金盐；Al(OEt)3及其他铝盐；Ni(SO3CF3)2、NiCl2及其他镍盐；以及Cu(SO3CF3)及其他铜盐。在一些实施方案中，物质可为含铜物质。在一些实施方案中，含铜物质为盐，例如Cu(II)盐。在一些实施方案中，物质可为含钯物质。在一些实施方案中，含钯物质为盐，例如Pd(II)盐。具体含金属物质的一些实例包括但不限于PdCl2。在某些实施方案中，检测剂102包含5,10,15,20-四苯基卟啉合钴(III)高氯酸盐([Co(tpp)]ClO4)、3,6-二-2-吡啶基-1,2,4,5-四嗪及其组合。
在某些实施方案中，上述检测剂的组合用于形成待用作传感器材料的糊剂。例如，可将PdCl2和铜盐组合以用作用于检测乙烯的检测剂102。
根据本公开内容，可使用任意的已知离子液体作为离子液体103。在另一些实施方案中，离子液体103包含选自咪唑阳离子、吡啶阳离子、吡咯烷阳离子、阳离子及其组合的阳离子。在另一些实施方案中，离子液体103包含选自以下的阴离子：双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺(TFSI-)阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺(FSI-)阴离子、卤化物阴离子、硝酸根阴离子、四氟硼酸根阴离子、六氟磷酸根阴离子、双三氟甲磺酰亚胺阴离子、三氟甲磺酸根阴离子、甲苯磺酸根阴离子及其组合。在另一些实施方案中，离子液体103包含选自甲酸根、烷基硫酸根、烷基磷酸根、羟乙酸根及其组合的非卤化有机阴离子。在某些实施方案中，离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺或1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺。
在一些实施方案中，以3:1至1:10的重量比使碳质纳米材料颗粒101与检测剂102混合。在某些实施方案中，碳质纳米材料颗粒101相对检测剂102的重量比为1:1。在某些其他实施方案中，碳质纳米材料颗粒101相对检测剂102的重量比为1:5。在某些其他实施方案中，碳质纳米材料颗粒101相对检测剂102的比为1:10。
在一些实施方案中，使约0.1重量％至20重量％的碳质纳米材料颗粒101与离子液体103混合。在另一些实施方案中，使约0.25重量％至20重量％的碳质纳米材料颗粒101与离子液体103混合。在一些实施方案中，使约1重量％至20重量％的碳质纳米材料颗粒101与离子液体103混合。在另一些实施方案中，使约5重量％至20重量％的碳质纳米材料颗粒101与离子液体103混合。在另一些实施方案中，使约10重量％至20重量％的碳质纳米材料颗粒101与离子液体103混合。在另一些实施方案中，使约0.25重量％至10重量％的碳质纳米材料颗粒101与离子液体103混合。在一些实施方案中，使约1重量％至10重量％的碳质纳米材料颗粒101与离子液体103混合。在另一些实施方案中，使约5重量％至10重量％的碳质纳米材料颗粒101与离子液体103混合。
在一些实施方案中，碳质纳米材料颗粒101以0.1重量％至20重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，碳质纳米材料颗粒101以0.1重量％至15重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，碳质纳米材料颗粒101以1重量％至15重量％存在于糊剂中。在另一些实施方案中，碳质纳米材料颗粒101以5重量％至15重量％的范围存在于糊剂中。
在另一些实施方案中，检测剂102以0.05重量％至65重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，检测剂102以0.05重量％至45重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，检测剂102以0.05重量％至15重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，检测剂102以0.1重量％至65重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，检测剂102以0.1重量％至45重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，检测剂102以0.1重量％至15重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，检测剂102以0.1重量％至15重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，检测剂102以5重量％至65重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，检测剂102以5重量％至45重量％的范围存在于糊剂中。
在另一些实施方案中，离子液体103以20重量％至99.5重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，离子液体103以20重量％至75重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，离子液体103以20重量％至45重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，离子液体103以25重量％至99.5重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，离子液体103以25重量％至75重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，离子液体103以25重量％至45重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，离子液体103以30重量％至99.5重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，离子液体103以30重量％至75重量％的范围存在于糊剂中。在另一些实施方案中，离子液体103以30重量％至45重量％的范围存在于糊剂中。
在一些实施方案中，传感器材料还包含调节用于多种不同应用的糊剂的物理特性的添加剂，例如粘度改性剂。合适的粘度改性剂可为粘度增强剂或粘度降低剂。一些合适的粘度改性剂包括但不限于，低分子量溶剂和高分子量溶剂、增塑剂、乙二醇、四乙二醇、稀释剂、矿物油等。
可使用任何已知混合技术来使用传感器材料的组分形成糊剂。在一个实施方案中，通过球磨进行混合，其中添加所有组分并研磨指定持续时间以形成均匀的糊剂。在另一些实施方案中，通过球磨进行混合，其中添加一些组分并研磨指定的持续时间以形成均匀的糊剂，随后在一个或多个步骤中添加另外的组分并另外混合。在另一些实施方案中，使用搅拌器进行成分的混合。在另一些实施方案中，用研钵和杵进行成分的混合。
在一个方面，装置包括第一电极和第二电极；布置成与第一电极和第二电极电接触的传感器材料，其中传感器材料包含多个碳质纳米材料颗粒、选择成与目标分析物选择性相互作用的检测剂；和离子液体。使多个导电性碳质纳米材料颗粒、检测剂和离子液体混合在一起形成糊剂；并且分析物可扩散到糊剂中以与检测剂相互作用以改变糊剂的导电率。装置还包括能够检测糊剂的导电率变化的电路以检测关于分析物的信息。
图2示出了使用根据本公开内容的传感器材料检测分析物的装置的示意图。装置200包括第一电极201和第二电极202以及与第一电极和第二电极电接触的包含碳质纳米材料颗粒、检测剂和离子液体的传感器材料。使第一电极201和第二电极202连接以形成具有能够测量传感器材料203的导电率的组件的电路204。
在另一个方面，检测分析物的方法包括：提供第一电极和第二电极；提供布置成与第一电极和第二电极电接触的传感器材料；其中传感器材料包含多个碳质纳米材料颗粒、选择成与目标分析物选择性相互作用的检测剂；离子液体，其中使多个碳质纳米材料颗粒、检测剂和离子液体混合在一起以形成糊剂。糊剂中的检测剂可与分析物相互作用以改变传感器材料的导电率。方法还包括将传感器材料暴露于分析物，其中暴露于分析物改变传感器材料的导电率；以及检测传感器材料的导电率变化以收集关于分析物的信息。
在一些实施方案中，第一电极和第二电极位于刚性基底(例如玻璃、聚合物材料)上。在另一些实施方案中，第一电极和第二电极位于印刷电路板上。在另一些实施方案中，第一电极和第二电极位于柔性基底上。在一些实施方案中，柔性基底为纸。在另一些实施方案中，柔性基底为聚合物材料。在一些实施方案中，第一电极和第二电极印刷在柔性基底上。电极的印刷可采用本领域已知的任何常见技术来进行。这些技术为但不限于，丝网印刷、胶版印刷、凹版印刷、木版印刷、喷墨印刷、凸版印刷、移印和雕刻印刷(intaglio)。
在一些实施方案，第一电极201和第二电极202为复杂电路的一部分，所述复杂电路例如近场通信(NFC)或射频识别(RFID)芯片。
在某些实施方案中，分析物为蒸气或气体。在一些实施方案中，分析物选自硫醇、酯、醛、醇、醚、烯烃、炔烃、酮、酸、碱及其组合。在另一些实施方案中，分析物为霉菌。在另一些实施方案中，分析物为乙烯。在一些实施方案中，分析物为含氮气体。在某些实施方案中，分析物为胺。在某些实施方案中，分析物为腐胺或尸胺。
在一些实施方案中，分析物的浓度为0至10％、10ppm至10％、100ppm至10％、1000ppm至10％、1％至10％或5％至10％。在另一些实施方案中，分析物的浓度为0至5％、10ppm至5％、100ppm至5％、1000ppm至5％、1％至5％或2％至5％。在另一些实施方案中，分析物的浓度为在0至1％、10ppb至1％、100ppb至1％、1ppm至1％或10ppm至1％。在另一些实施方案中，分析物的浓度为0至1000ppm、10ppb至1000ppm、100ppb至1000ppm、1ppm至1000ppm或10ppm至1000ppm。在另一些实施方案中，分析物的浓度为0至100ppm、10ppb至100ppm、100ppb至100ppm、1ppm至100ppm或10ppm至100ppm。在另一些实施方案中，分析物的浓度为0至80ppm、10ppb至80ppm、100ppb至80ppm、1ppm至80ppm或10ppm至80ppm。在另一些实施方案中，分析物的浓度为0至50ppm、10ppb至50ppm、100ppb至50ppm、1ppm至50ppm或10ppm至50ppm。在另一些实施方案中，分析物的浓度为0至10ppm、10ppb至10ppm、100ppb至10ppm或1ppm至10ppm。在一些实施方案中，分析物的浓度为0至1ppm、10ppb至1ppm或100ppb至1ppm。在另一些实施方案中，分析物的浓度为0至0.5ppm、10ppb至0.5ppm或100ppb至0.5ppm。在另一些实施方案中，分析物的浓度为0至100ppb或10ppb至100ppb。在另一些实施方案中，分析物的浓度为0至50ppb或10ppb至50ppb。在另一些实施方案中，分析物的浓度为0至10ppb。
分析物与用于形成传感器材料203的糊剂104中检测剂102之间的相互作用可包括形成键，例如共价键(如碳-碳、碳-氧、氧-硅、硫-硫、磷-氮、碳-氮、金属-氧或其他共价键)、离子键、氢键(如例如在羟基、胺基、羧基、硫醇基和/或类似官能团之间)、配价键(如金属离子和单齿或多齿配体之间的络合或螯合)等。相互作用还可包括范德华相互作用。在一个实施方案中，相互作用包括与分析物形成共价键。在一些情况下，装置和分析物之间的相互作用可包括反应，例如电荷转移反应。在另一些实施方案中，物质和/或其他装置组件可在周围环境改变(例如温度改变)之后经历化学或物理转变以从装置产生可确定的信号。
用于形成传感器材料203的糊剂104中的检测剂102与分析物还可通过生物分子对之间的结合事件来相互作用，所述生物分子包括蛋白质、核酸、糖蛋白、碳水化合物、激素等。具体实例包括抗体/肽对、抗体/抗原对、抗体片段/抗原对、抗体/抗原片段对、抗体片段/抗原片段对、抗体/半抗原对、酶/基质对、酶/抑制剂对、酶/辅因子对、蛋白质/基质对、核酸/核酸对、蛋白质/核酸对、肽/肽对、蛋白质/蛋白质对、小分子/蛋白质对、谷胱甘肽/GST对、抗-GFP/GFP融合蛋白对、Myc/Max对、麦芽糖/麦芽糖结合蛋白对、碳水化合物/蛋白质对、碳水化合物衍生物/蛋白质对、金属结合标签/金属/螯合物、肽标签/金属离子-金属螯合物对、肽/NTA对、凝集素/糖类对、受体/激素对、受体/效应物对、互补核酸/核酸对、配体/细胞表面受体对、病毒/配体对、蛋白A/抗体对、蛋白G/抗体对、蛋白L/抗体对、Fc受体/抗体对、生物素/抗生物素蛋白对、生物素/链霉抗生物素蛋白对、药物/靶标对、锌指/核酸对、小分子/肽对、小分子/蛋白质对、小分子/靶标对、碳水化合物/蛋白质对(例如麦芽糖/MBP(麦芽糖结合蛋白))、小分子/靶标对和金属离子/螯合剂对。物质的具体非限制性实例包括肽、蛋白质、DNA、RNA、PNA。
在一些实施方案中，分析物可与传感器材料203接触或者可设置成足够接近传感器材料203，或可渗入到传感器材料203的内部部分以与糊剂104相互作用。在一些实施方案中，传感器材料在与分析物相互作用之后可发生体积或尺寸变化(例如增加、减小)。例如，在吸收分析物之后，装置的组分可“溶胀”，其中体积的变化可导致装置的特性变化。在一些实施方案中，分析物可引起传感器材料203的颜色变化。
本申请人惊讶地发现检测剂与碳质纳米材料颗粒的组合以及将该组合包含在使用离子液体形成的糊剂中提供意想不到且有利的特性。这些特性为但不限于，显著改善对分析物存在的响应信号、延长传感器的使用寿命、提高灵敏性、降低检测界限和增强选择性。这些有利特性涵盖传感器的多个关键性能指标并且因此代表显著的进步。
本申请人还惊讶地发现：与缺少离子液体载体和/或不呈糊剂形式的组合物相比，上述糊剂对于感测分析物提供更强的灵敏性。由于分析物需要扩散到糊剂中并且与检测剂相互作用以改变特性(例如电学特性)以产生可被检测和分析以用于分析物检测的信号，因此本领域技术人员预期这样的传感器在灵敏性和选择性方面的性能会显著降低。而且，预期由于离子液体的极化特性，检测剂具有与碳质纳米材料颗粒分离的趋势和表现出对离子液体的选择性亲和力。为此，传感器的性能可受到严重损害。意想不到地且与通常见解相反地，本申请人已经确定这不仅是可行的而且所得传感器材料提供增强的特性，如下文所讨论的。本申请人推测离子液体与碳质纳米颗粒表面的相互作用导致碳质纳米颗粒解散并且因此增加可用的碳质纳米颗粒表面积。结果，检测剂可更容易地与碳质纳米颗粒相互作用并且检测剂-分析物的相互作用导致对碳质纳米颗粒或碳质纳米颗粒网络的导电率的作用增强。
在不受理论束缚的情况下，认为与离子液体共混改善检测剂和碳质纳米材料颗粒的分散，从而增加暴露的表面积。而且，与预期表现相反，离子液体的存在不妨碍分析物与检测剂和碳质纳米材料颗粒的相互作用。
例示性实施例
材料与测量
单壁碳纳米管(SWCNT)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(97％，BMIM BF4)、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(97％，乙基TFMS)、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(98％，丁基TFMS)、1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(98％，己基TFMS)和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(97％，丁基HFP)、尸胺(>97％)、异丙醇(>99％)、邻-二氯苯(无水)、氯化钯(II)和3,6-二-2-吡啶基-l,2,4,5-四嗪购自Sigma-Aldrich并且按原样使用。检测剂5,10,15,20-四苯基卟啉合钴(III)高氯酸盐([Co(tpp)]ClO4)按照文献步骤(Sugimoto等,Bull.Chem.Soc.Jpn.,54,3425-3432)合成。分析物(氮气中的1％乙烯气体(1.0001体积％±2％)和氮气中的1％氨气体(0.9979％±2％))和载体气体干燥氮气从AirGas获得。
为了确定装置的感测能力，在分析物暴露之后监测传感器的导电率变化。使用PalmSens EmStat-MUX(PalmSens BV)来进行感测测量。将装置放置于定制的聚四氟乙烯壳体中，该壳体由气流的进口/出口和用于使传感器暴露于分析物的气体室组成。通过64针IC测试夹头(3M)使装置连接至稳压器。使用Sierra Instruments气体混合器系统、kin-tek气体发生器、由注射泵组成的定制设备或由蠕动泵组成的定制设备通过使分析物与氮气、空气或加湿氮气混合来产生不同浓度的分析物。
传感器材料通过以下两种不同方法施加至装置：1)使用金属刮刀施加或2)使用丝网印刷模拟法。丝网印刷模拟法通过将掩模置于整个装置上来进行。掩模在电极之间的空间上具有激光切割的洞。将传感器材料铺展在孔上，并使用刀片刮擦以提供均匀的厚度。材料的厚度根据使用不同厚度的掩模而改变。
实施例1
以下实施例描述了由具有作为用于分析物检测剂的[Co(tpp)]ClO4的SWCNT-BMIMBF4糊剂构成的传感器的制造和测量。
通过使用研钵和杵研磨SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4 10分钟制备糊剂。糊剂的组成为在BMIM BF4中的10重量％SWCNT和[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的1:1质量比。通过使用热蒸发器(Mill Lane Engineering，EV-2000)将具有1mm电极间隙的金电极图案沉积到载玻片上来制造基底。电极图案使用阴影掩模并铺层10nm的铬，然后100nm的金来制作。通过使用金属刮刀将糊剂置于电极之间来制造传感器。添加另外的糊剂直到对于每个传感器在电极之间的传感器材料的电阻为7kΩ至30kΩ。
为了确定装置的感测能力，使用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于分析物(在氮气中的40ppm乙烯)和载体气体氮气持续三个循环。图3示出了使用SWCNT、BMIMBF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为10重量％并且SWCNT相对[Co(tpp)]ClO4的质量比为1:1。箭头表示暴露于40ppm乙烯100秒的开始。传感器的平均感测响应确定为0.94％。
实施例2
以下实施例描述了由3,6-二-2-吡啶基-l,2,4,5-四嗪糊剂在柔性纸装置上构成的传感器的制造和测量。
通过使用研钵和杵研磨SWCNT和BMIM BF4制备糊剂。然后添加3,6-二-2-吡啶基-l,2,4,5-四嗪以得到4:1质量比(四嗪:SWCNT)并混合组分。通过使用热蒸发器(Mill LaneEngineering，EV-2000)将具有1mm电极间隙的金电极图案沉积到称重纸上来制造基底。电极图案使用阴影掩模并且铺层10nm的铬然后100nm的金来制作。通过使用金属刮刀将糊剂置于电极之间制造传感器。添加另外的糊剂直到对于每个传感器在电极之间的传感器材料电阻为1kΩ至4kΩ。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于分析物(在氮气中的40ppm乙烯)分别300秒和600秒，和氮气。图4示出了使用SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为10重量％并且[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的质量比为4:1。箭头表示暴露于40ppm乙烯300秒和600秒的开始。在暴露300秒的情况下，感测响应确定为0.96％，而在暴露600秒的情况下为1.0％，而且为几乎不可逆的响应。
实施例3
以下实施例描述了在纸装置上的[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器的制造和测量。
通过用玛瑙研钵和杵研磨SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4 10分钟制备糊剂。制备了三种在BMIM BF4中的5重量％SWCNT的糊剂：[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的1:1、5:1和10:1质量比。通过使用热蒸发器(Mill Lane Engineering，EV-2000)将具有1mm电极间隙的金电极图案沉积到称重纸上来制造基底。电极图案使用阴影掩模并且铺层10nm的铬然后100nm的金来制作。通过使用金属刮刀将糊剂置于电极之间制造传感器。添加另外的糊剂直到对于每个传感器在电极之间的传感器材料的电阻为7kΩ至30kΩ。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于分析物(在氮气中的40ppm乙烯)和载体气体氮气持续三个循环。
图5示出了使用SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂在纸上制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为5重量％并且[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的质量比分别为10:1、5:1和1:1。箭头表示暴露于40ppm乙烯100秒的开始。1:1质量比糊剂的平均感测响应为1.7％，而5:1和10:1糊剂较低，分别为平均0.24％和0.33％。
该结果表明随着传感器材料的量增加，传感器响应增加。然而，因为总系统的导电率由于导电性碳质纳米材料颗粒(例如碳纳米管)的减少而将变得微不足道，预料到这样的阈值：在阈值之后检测剂量的另外增加将不会产生成比例的响应增加。
实施例4
以下实施例描述了以下三种类型传感器的制造和测量：1)SWCNT-[Co(tpp)]ClO4层；2)BMIM BF4铺层在SWCNT-[Co(tpp)]ClO4层上和3)SWCNT-[Co(tpp)]ClO4糊剂。
通过使用热蒸发器(Mill Lane Engineering，EV-2000)将具有1mm电极间隙的金电极图案沉积到在载玻片上来制造基底。电极图案使用阴影掩模并且铺层10nm的铬然后100nm的金来制作。
通过滴涂包含SWCNT和[Co(tpp)]ClO4的悬浮液制备SWCNT-[Co(tpp)]ClO4传感器。该悬浮液通过将[Co(tpp)]ClO4([Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的10:1质量比)和0.25mg/mLSWCNT在邻-二氯苯中声波处理1分钟来制备。滴涂悬浮液直到每个传感器的电阻为7kΩ至10kΩ。在每个连续的悬浮液滴涂之间，真空干燥装置直到溶剂完全除去。
通过滴涂SWCNT-[Co(tpp)]ClO4悬浮液直到每个传感器的电阻为2kΩ至5kΩ来制备由在SWCNT-[Co(tpp)]ClO4层上的BMIM BF4层构成的传感器。在每个滴涂之间，真空干燥装置直到溶剂完全除去。将在甲醇中的10mg/mL BMIM BF4溶液滴涂(1μL每滴)到SWCNT-[Co(tpp)]ClO4层上。真空干燥装置以除去甲醇。
通过使用玛瑙研钵和杵研磨SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO420分钟制备[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器。糊剂组成为在BMIM BF4中的1重量％SWCNT以及[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的5:1质量比。通过使用金属刮刀将糊剂置于电极之间制造传感器。添加另外的糊剂直到对于每个传感器在电极之间的传感器材料的电阻为7kΩ至30kΩ。
另外地，通过滴涂SWCNT在邻-二氯苯中的悬浮液来制造原始SWCNT传感器。该悬浮液通过将SWCNT(0.25mg/mL)在邻-二氯苯中声波处理1分钟制备。滴涂悬浮液直到每个传感器的电阻为7kΩ至10kΩ。在每个连续的悬浮液滴涂之间，真空干燥装置直到溶剂完全除去。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于分析物(在氮气中的40ppm乙烯)和载体气体氮气持续三个循环。图6示出了使用以下制造的传感器对40ppm乙烯的平均感测响应：SWCNT和[Co(tpp)]ClO4的悬浮液；涂覆有BMIM BF4的SWCNT和[Co(tpp)]ClO4的悬浮液；SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂和原始SWCNT的悬浮液。
单层SWCNT-[Co(tpp)]ClO4传感器的平均感测响应为0.13％。BMIM BF4涂覆的SWCNT-[Co(tpp)]ClO4传感器具有平均1.3％的响应，因此与未经涂覆的SWCNT-[Co(tpp)]ClO4传感器相比，改善了十倍。在40ppm下[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器具有平均2.5％的响应，与BMIM BF4涂覆的传感器相比，改善了两倍，而与未经涂覆的SWCNT-[Co(tpp)]ClO4传感器相比，提高了二十倍。
如以上所讨论的，该意想不到的信号提高归因于检测剂和碳纳米管在离子液体糊剂中改善的分散。如本申请人确定的，由于离子液体不妨碍分析物向糊剂中的扩散，由作为传感器材料的糊剂产生的相对响应显著强于其他配置(例如不含离子液体的仅检测剂和碳纳米管的组合或其中离子液体涂覆在检测剂和碳纳米管之上的配置)。
因此，预期的是具有作为传感器材料的糊剂的装置的改善的响应将延长工作寿命。这是期望的，因为传感器在响应强度下降到阈值以下(在其之后检测分析物是不可能的)之前具有较长的可用功能期。
实施例5
以下实施例描述了以下三种类型传感器的制造及其在四周时间内的测量：1)SWCNT-[Co(tpp)]ClO4层；2)BMIM BF4铺层在SWCNT-[Co(tpp)]ClO4层上和3)[Co(tpp)]ClO4糊剂。
通过使用热蒸发器(Mill Lane Engineering，EV-2000)将具有1mm电极间隙的金电极图案沉积到在载玻片上来制造基底。电极图案使用阴影掩模并且铺层10nm铬然后100nm金来制作。
通过滴涂SWCNT和[Co(tpp)]ClO4悬浮液制备SWCNT-[Co(tpp)]ClO4传感器。该悬浮液通过将[Co(tpp)]ClO4([Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的10:1质量比)和0.25mg/mL SWCNT在邻-二氯苯中声波处理7分钟制备。滴涂悬浮液直到每个传感器的电阻为7kΩ至10kΩ。在每个连续的悬浮液滴涂之间，真空干燥装置直到溶剂完全除去。
通过滴涂SWCNT-[Co(tpp)]ClO4悬浮液直到每个传感器的电阻为2kΩ至5kΩ来制备由在SWCNT-[Co(tpp)]ClO4层上的BMIM BF4层构成的传感器。在每个滴涂之间，真空干燥装置直到溶剂完全除去。将在甲醇中的2mg/mL BMIM BF4溶液滴涂(1μL每滴)到SWCNT-[Co(tpp)]ClO4层上。真空干燥装置以除去甲醇。
通过用玛瑙研钵和杵研磨SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO410分钟制备[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器。糊剂组成为BMIM BF4中的1重量％SWCNT以及[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的5:1质量比。通过使用金属刮刀将糊剂置于电极之间制造传感器。添加另外的糊剂直到对于每个传感器在电极之间的传感器材料的电阻为7kΩ至30kΩ。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于分析物(在氮气中的40ppm乙烯)和载体气体氮气持续三个循环。在四周之后，重复测量。图7示出了使用以下制造的传感器在传感器制造后四周对40ppm乙烯的初始响应的百分比：SWCNT和[Co(tpp)]ClO4的悬浮液；涂覆有BMIM BF4的SWCNT和[Co(tpp)]ClO4的悬浮液；SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂。
在该时间之后，单层SWCNT-[Co(tpp)]ClO4传感器的平均感测响应为初始响应的51.6％。在四周之后，涂覆有BMIM BF4的SWCNT-[Co(tpp)]ClO4传感器为初始响应的8.6％。在40ppm下[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器为初始响应的102.5％。
实施例6
以下实施例描述了[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器的制造和测量。
通过使用玛瑙研钵和杵研磨SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO420分钟制备糊剂。糊剂的组成为在BMIM BF4中的1重量％SWCNT和[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的5:1质量比。通过使用热蒸发器(Mill Lane Engineering，EV-2000)将具有1mm电极间隙的金电极图案沉积到载玻片上来制造基底。电极图案使用阴影掩模并且铺层10nm铬然后100nm金来制作。通过使用金属刮刀将糊剂置于电极之间制造传感器。添加另外的糊剂直到每个传感器在电极之间的传感器材料的电阻为7kΩ至30kΩ。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于分析物(在氮气中的40ppm乙烯)和载体气体氮气持续三个循环。图8示出了使用SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂制造的传感器的感测响应，其中BMIM BF4中的SWCNT含量为1重量％并且[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的质量比为5:1。箭头表示暴露于40ppm乙烯100秒的开始。传感器的平均感测响应为4.5％。
实施例7
以下实施例描述了[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器的制造和测量。使传感器暴露于乙烯、乙酸乙酯、乙醇、己烷、氯仿和乙腈。
通过使用玛瑙研钵和杵研磨SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4 20分钟制备糊剂。糊剂的组成为在BMIM BF4中的1重量％SWCNT和[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的5:1质量比。通过使用热蒸发器(Mill Lane Engineering，EV-2000)将具有1mm电极间隙的金电极图案沉积到称重纸上来制造基底。电极图案使用阴影掩模并且铺层10nm铬然后100nm金来制作。通过使用金属刮刀将糊剂置于电极之间制造传感器。添加另外的糊剂直到对于每个传感器在电极之间的传感器材料的电阻为7kΩ至30kΩ。
为了确定装置的感测能力，在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于分析物(在氮气中的40ppm乙烯)和载体气体氮气持续三个循环并使用在“材料和测量”中描述的方法测量响应。传感器对乙烯的平均感测响应为4.5％。
使用气体发生器(Kin-Tek,491M Base Module)获得其他分析物气体流。使传感器交替地暴露于在氮气中的分析物和载体气体氮气持续三个循环。图9示出了用原始SWCNT悬浮液制造的传感器和由SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4的糊剂制造的传感器对不同分析物的平均感测响应。对乙酸乙酯(200ppm)的平均感测响应为1.6％。对己烷(200ppm)和氯仿(200ppm)的平均响应分别为1.4％和1.8％。对乙醇(200ppm)的平均响应为13.5％。对100ppm乙腈的平均响应为21.5％。
实施例8
以下实施例描述了[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器的制造和测量，在不同浓度的氨下测试。
通过使用球磨机研磨SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4制备糊剂。糊剂的组成为在BMIM BF4中的1重量％SWCNT和[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的5:1质量比。使用阴影掩模并且铺层10nm铬然后100nm金来制作电极图案。通过使用如“材料和方法”中所描述的技术丝网印刷将糊剂置于电极之间制造传感器。以0.05mm的厚度施加糊剂。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于以下分析物100秒和载体气体干燥氮气持续三个循环：在干燥氮气中分别1ppm、2ppm和5ppm的氨。图10A示出了在不同分析物浓度下的感测响应。箭头表示每个暴露于氨100秒的开始。如图10B中示出的，对1ppm氨的平均感测响应为1.2％±0.1％，对2ppm氨为3.8％±0.4％和对5ppm氨为7.1％±0.7％。
实施例9
以下实施例描述了[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器的制造和测量，在不同浓度的尸胺下测量。
通过使用球磨机研磨SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4制备糊剂。糊剂的组成为在BMIM BF4中的1重量％SWCNT和[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的5:1质量比。使用阴影掩模并且铺层10nm铬然后100nm金来制作电极图案。通过使用如“材料和方法”中所描述的技术丝网印刷将糊剂置于电极之间制造传感器。以0.05mm的厚度施加糊剂。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地分别暴露于以下分析物100秒和具有8500ppm湿度的载体气体空气持续三个循环：在具有8500ppm湿度的空气中2ppm、4ppm和8ppm尸胺。图11A示出了在不同分析物浓度下的感测响应。箭头表示每个暴露于尸胺100秒的开始。
图11B示出了感测响应的不可逆部分，根据文献(Liu,S.F.,Petty,A.R.,Sazama,G.T.和Swager,T.M Angew.Chem.Int.Ed.,2015,54,6554-6557)其可与氨浓度有关。在2ppm、4ppm和8ppm尸胺下获得的感测响应分别为4.0％±1.0％、5.2％±1.2％和9.5％±1.1％。
实施例10
以下实施例描述了具有不同基于咪唑的离子液体的PdCl2糊剂传感器的制造和测量，在80ppm乙烯下测试。使用的离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(乙基TFMS)、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(丁基TFMS)、1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(己基TFMS)。
通过使用球磨机研磨SWCNT、离子液体和PdCl2制备糊剂。糊剂的组成为在离子液体中的1重量％SWCNT和PdCl2相对SWCNT的5:1质量比。测试的离子液体为BMIM BF4、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(丁基TFMS)、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(乙基TFMS)、1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(己基TFMS)。由在异丙醇中5:1质量比的PdCl2和SWCNT的悬浮液通过滴涂制备对照感测材料。该悬浮液通过声波处理5分钟制备。
使用阴影掩模并且铺层10nm铬然后100nm金来制作电极图案。通过使用如“材料和方法”中所描述的技术丝网印刷将糊剂置于电极之间制造传感器。以0.05mm的厚度施加糊剂。通过在电极之间滴涂对照感测材料来制造对照传感器。在每个连续的滴涂之间，使装置在空气中干燥。滴涂悬浮液直到每个传感器的电阻为0.95kΩ至1.5kΩ。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器暴露于分析物(在具有10,000ppm湿度的氮气中的80ppm乙烯)500秒和具有10,000ppm湿度的载体气体氮气持续一个循环。图12A示出了具有不同离子液体的糊剂的感测响应。线表示暴露于乙烯500秒的开始和结束。图12B中所示对丁基TFMS的相对响应为0.17％±0.01％。对乙基TFMS的响应为0.28％±0.03％。对己基TFMS的响应为0.36％±0.005％。这表明离子液体受其烷基侧链影响的极性和粘度对感测性能有作用。滴涂的PdCl2传感器的响应为0.11％±0.06％。图12C示出了滴涂的PdCl2对照传感器和BMIM BF4糊剂传感器的感测响应。滴涂的对照传感器的较低感测响应和较高误差表明使用传感器材料糊剂优于例如滴涂SWCNT和检测剂的混合物的替代方法。
实施例11
与实施例10类似，以下实施例描述了具有1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(丁基HFP)的PdCl2糊剂传感器的制造和测量，在80ppm乙烯下测试。
通过使用球磨机研磨SWCNT、丁基HFP和PdCl2制备糊剂。糊剂的组成为在丁基HFP中的1重量％SWCNT和PdCl2相对SWCNT的5:1质量比。使用阴影掩模并且铺层10nm铬然后100nm金来制作电极图案。通过使用如“材料和方法”中所描述的技术丝网印刷将糊剂置于电极之间制造传感器。以0.05mm的厚度施加糊剂。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于分析物(在具有10,000ppm湿度的氮气中的80ppm乙烯)800秒和具有10,000ppm湿度的载体气体氮气持续一个循环。图13示出了丁基HFP糊剂的感测响应。线表示暴露于乙烯800秒的开始和结束。对丁基HFP的相对响应为-0.226％±0.01％。
实施例12
与实施例10类似，以下实施例描述了具有不同基于咪唑离子液体的[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器的制造和测量，在80ppm乙烯下测试。使用的离子液体为：1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(乙基TFMS)、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(丁基TFMS)、1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺(己基TFMS)。
通过使用球磨机研磨SWCNT、离子液体和[Co(tpp)]ClO4制备糊剂。糊剂的组成为在离子液体中的1重量％SWCNT和[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的5:1质量比。测试的离子液体为丁基TFMS、乙基TFMS和己基TFMS)。通过使用如“材料和方法”中所描述的技术丝网印刷将糊剂置于电极之间制造传感器。以0.05mm的厚度施加糊剂。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。传感器交替地暴露于分析物(在干燥氮气中的80ppm乙烯)500秒和载体气体干燥氮气一个循环。图14A示出了不同离子液体的感测响应。线表示暴露于乙烯500秒的开始和结束。对丁基TFMS的相对响应为0.3％±0.1％。对乙基TFMS的响应为1.0％±0.7％。己基TFMS的响应为0.20％±0.01％。三种离子液体糊剂的相对响应示于图14B中。
实施例13
以下实施例描述了[Co(tpp)]ClO4糊剂传感器的制造和测量，在制造工艺期间的不同点下用乙烯进行测试。
通过使用玛瑙研钵和杵研磨SWCNT、BMIM BF4和[Co(tpp)]ClO4制备糊剂。糊剂的组成为在BMIM BF4中的1重量％SWCNT和[Co(tpp)]ClO4相对SWCNT的5:1质量比。使用阴影掩模并且铺层10nm铬然后100nm金来制作电极图案。通过用金属刮刀将糊剂置于电极之间制造传感器。在研磨1分钟、4分钟、7分钟、10分钟、13分钟、17分钟和20分钟之后施加糊剂。添加糊剂直到对于每个传感器在电极之间的传感器材料的电阻为7kΩ至30kΩ。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。传感器交替地暴露于分析物(在氮气中的40ppm乙烯)100秒和载体气体氮气持续三个循环。图15示出了在多种不同研磨时间下的平均感测响应以及所示的每个时间点的标准偏差。尽管感测响应随着更多的混合而降低，但是响应的标准偏差还随着另外的研磨时间而降低。
实施例14
以下实施例描述了PdCl2糊剂传感器的制造和测量，在制造过程期间的不同点下使用乙烯进行测试。
通过使用球磨机研磨SWCNT、BMIM BF4和PdCl2制备糊剂。糊剂的组成为在BMIM BF4中的0.25重量％SWCNT，和PdCl2相对SWCNT的5:1质量比。使用阴影掩模并且铺层10nm铬然后100nm金来制作电极图案。通过使用金属刮刀将糊剂置于电极之间制造传感器。在研磨1分钟、3分钟、5分钟、7分钟和10分钟之后施加糊剂。添加传感器材料直到对于每个传感器在电极之间的传感器材料的电阻为7kΩ至20kΩ。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于分析物(在加湿氮气(10,000ppm水)中的40ppm乙烯)100秒和载体气体加湿氮气持续三个循环。图16示出了不同研磨时间下的感测响应。箭头表示每个暴露于40ppm乙烯100秒的开始。感测响应随着另外的研磨而降低：在研磨1分钟之后平均5.2％；在研磨3分钟之后平均4.7％；在研磨5分钟之后平均4.6％；在研磨7分钟之后平均1.1％；在研磨10分钟之后平均0.9％。
实施例15
以下实施例描述了施加不同厚度感测材料的PdCl2糊剂传感器的制造和测量。
通过使用球磨机研磨SWCNT、BMIM BF4和PdCl2制备糊剂。糊剂的组成为在BMIM BF4中的1重量％SWCNT，和PdCl2相对SWCNT的5:1质量比。使用阴影掩模并且铺层10nm铬然后100nm金来制作电极图案。通过使用如“材料和方法”中所描述的技术丝网印刷将糊剂置于电极之间制造传感器。通过改变丝网印刷掩模的厚度以0.05mm、0.10mm和0.15mm的厚度施加糊剂。
为了确定装置的感测能力，用在“材料和测量”中描述的方法在暴露于分析物之后监测传感器的导电率变化。使传感器交替地暴露于分析物(在加湿氮气(10,000ppm水)中的40ppm乙烯)100秒和载体气体加湿氮气持续三个循环。图17示出了在不同厚度下的感测响应。箭头表示每个暴露于40ppm乙烯100秒的开始。感测响应随着厚度的增加而降低，从在0.05mm厚度下的平均3.0％，到在0.10mm厚度下的1.6％，到在0.15mm厚度下的0.3％。
尽管在前述示例性的实施方案中已经对本公开内容进行描述和举例说明，但是应理解的是本公开内容仅以示例的方式作出，并且可对实施本公开内容的细节进行多种改变而不脱离本公开内容的精神和范围，本公开内容的精神和范围仅受所附权利要求书的限制。另一些实施方案附在权利要求书中。

Claims (52)

1.一种传感器材料，包含：
多个导电性碳质纳米材料颗粒；
能够与目标分析物相互作用的检测剂；和
离子液体，
其中所述多个导电性碳质纳米材料颗粒、所述检测剂和所述离子液体组合以形成糊剂；并且
其中所述离子液体被选择成促进分析物与所述糊剂相互作用，导致所述糊剂的导电率变化。
2.根据权利要求1所述的传感器材料，其中所述碳质纳米材料颗粒为碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的传感器材料，其中所述碳质纳米材料颗粒选自石墨粉、单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、还原石墨氧化物和碳黑粉。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器材料，其中所述离子液体包含选自以下的阳离子：咪唑阳离子、吡啶阳离子、吡咯烷阳离子、阳离子及其组合。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器材料，其中所述离子液体包含选自以下的阴离子：双(三氟甲烷磺酰基)酰亚胺(TFSI-)阴离子、双(氟磺酰基)酰亚胺(FSI-)阴离子、卤化物阴离子、硝酸根阴离子、四氟硼酸根阴离子、六氟磷酸根阴离子、双三氟甲磺酰亚胺阴离子、三氟甲磺酸根阴离子、甲苯磺酸根阴离子及其组合。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器材料，其中所述离子液体包含选自以下的非卤化有机阴离子：甲酸根、烷基硫酸根、烷基磷酸根、羟乙酸根及其组合。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器材料，其中所述离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺、1-丁基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺或1-己基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器材料，其中所述检测剂共价结合至所述碳质纳米材料颗粒。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器材料，其中所述检测剂非共价结合至所述碳质纳米材料颗粒。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器材料，其中所述检测剂限制在所述碳质纳米材料颗粒内。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器材料，其中所述检测剂为小分子、聚合物或生物物质。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器材料，其中所述检测剂包含能够结合在溶液、气相或固相中的目标分析物的官能团。
13.根据权利要求12所述的传感器材料，其中所述官能团选自硫醇基、醛基、酯基、羧酸基团、羟基或其组合。
14.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器材料，其中所述检测剂为富电子或贫电子部分；其中目标分析物和所述检测剂之间的相互作用包括静电相互作用。
15.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器材料，其中所述检测剂包含金属或含金属化合物。
16.根据权利要求15所述的传感器材料，其中目标化合物和所述检测剂之间的相互作用包括结合至所述金属或含金属化合物。
17.根据权利要求16所述的传感器材料，其中所述含金属化合物选自钛盐、银盐、铂盐、金盐、铝盐、镍盐、钯盐和铜盐。
18.根据权利要求16所述的传感器材料，其中所述含金属物质包含铜盐。
19.根据权利要求16所述的传感器材料，其中所述含金属物质包含钯盐。
20.根据权利要求1所述的传感器材料，其中所述检测剂选自PdCl2、5,10,15,20-四苯基卟啉合钴(III)高氯酸盐([Co(tpp)]ClO4)、3,6-二-2-吡啶基-1,2,4,5-四嗪及其组合。
21.根据权利要求11所述的传感器材料，其中所述生物物质包含肽、蛋白质、DNA、RNA或PNA。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的传感器材料，其中以3:1至1:10的重量比使所述碳质纳米材料颗粒与所述检测剂混合。
23.根据权利要求1至21中任一项所述的传感器材料，其中以1:1至1:10的重量比使所述碳质纳米材料颗粒与所述检测剂混合。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的传感器材料，其中使约0.1重量％至20重量％的所述碳质纳米材料颗粒与所述离子液体混合。
25.根据权利要求1至23中任一项所述的传感器材料，其中使约0.25重量％至10重量％的所述碳质纳米材料颗粒与所述离子液体混合。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的传感器材料，还包含粘度改性剂添加剂。
27.根据权利要求26所述的传感器材料，其中所述粘度改性剂添加剂选自低分子量溶剂、高分子量溶剂、增塑剂、乙二醇、四乙二醇、稀释剂和矿物油。
28.一种装置，包括：
第一电极和第二电极；
布置成与所述第一电极和所述第二电极电接触的传感器材料；
其中，所述传感器材料包含权利要求1至36中任一项所述的传感器材料。
29.根据权利要求28所述的装置，还包括与安培计或电压计连接以检测形成所述传感器材料的糊剂的导电率变化的电路。
30.根据权利要求28所述的装置，其中所述第一电极和所述第二电极位于刚性基底上。
31.根据权利要求30所述的装置，其中所述刚性基底选自玻璃、聚合物材料和印刷电路板。
32.根据权利要求28所述的装置，其中所述第一电极和所述第二电极位于柔性基底上。
33.根据权利要求32所述的装置，其中所述柔性基底选自纸和聚合物材料。
34.根据权利要求28所述的装置，其中所述第一电极和所述第二电极为复杂电路的一部分。
35.根据权利要求34所述的装置，其中所述复杂电路为近场通信(NFC)芯片或射频识别(RFID)芯片。
36.一种检测分析物的方法，包括：
提供根据权利要求28至35中任一项所述的感测装置；
将所述传感器材料暴露于环境，其中所述传感器材料的导电率变化指示所述分析物的存在；以及
检测所述传感器材料的所述导电率变化。
37.根据权利要求36所述的方法，还包括将所检测到的导电率变化无线传输至另一用于分析和储存的装置。
38.根据权利要求37所述的方法，还包括通过无线射频通信检测所述分析物。
39.根据权利要求38所述的方法，还包括检测来自包括所述传感器的射频识别标签的输出。
40.根据权利要求36所述的方法，其中所述分析物为蒸气。
41.根据权利要求36所述的方法，其中所述分析物选自硫醇、酯、醛、醇、醚、烯烃、炔烃、酮、酸、碱及其组合。
42.根据权利要求36所述的方法，其中所述分析物为霉菌。
43.根据权利要求36所述的方法，其中所述分析物为乙烯、含氮气体或胺。
44.根据权利要求36所述的方法，其中所述分析物为腐胺或尸胺。
45.根据权利要求36所述的方法，其中所述分析物的浓度为0至10％、0至5％、0至1％、0至1000ppm、0至100ppm、0至80ppm、0至50ppm、0至10ppm、0至5ppm、0至1ppm、0至0.5ppm、0至100ppb、0至50ppb或0至10ppb。
46.根据权利要求36所述的方法，其中所述传感器材料在与所述分析物相互作用后还经历体积变化；以及
检测所述体积变化并且从所述体积变化获得关于所述分析物的信息。
47.根据权利要求36所述的方法，其中所述传感器材料在与所述分析物相互作用之后还经历颜色变化；以及
检测所述颜色变化并且从所述颜色变化获得关于所述分析物的信息。
48.根据权利要求36所述的方法，其中所述分析物与所述检测剂相互作用以形成范德华相互作用、共价键、离子键、氢键或配价键。
49.根据权利要求36所述的方法，其中所述分析物与所述检测剂经由生物分子对之间的结合事件来相互作用，其中所述生物分子为蛋白质、核酸、糖蛋白、碳水化合物或激素。
50.根据权利要求49所述的方法，其中所述生物分子对选自抗体/肽对、抗体/抗原对、抗体片段/抗原对、抗体/抗原片段对、抗体片段/抗原片段对、抗体/半抗原对、酶/基质对、酶/抑制剂对、酶/辅因子对、蛋白质/基质对、核酸/核酸对、蛋白质/核酸对、肽/肽对、蛋白质/蛋白质对、小分子/蛋白质对、谷胱甘肽/GST对、抗-GFP/GFP融合蛋白对、Myc/Max对、麦芽糖/麦芽糖结合蛋白对、碳水化合物/蛋白质对、碳水化合物衍生物/蛋白质对、金属结合标签/金属/螯合物、肽标签/金属离子-金属螯合物对、肽/NTA对、凝集素/碳水化合物对、受体/激素对、受体/效应物对、互补核酸/核酸对、配体/细胞表面受体对、病毒/配体对、蛋白A/抗体对、蛋白G/抗体对、蛋白L/抗体对、Fc受体/抗体对、生物素/抗生物素蛋白对、生物素/链霉抗生物素蛋白对、药物/靶标对、锌指/核酸对、小分子/肽对、小分子/蛋白质对、小分子/靶标对、碳水化合物/蛋白质对例如麦芽糖/麦芽糖结合蛋白(MBP)、小分子/靶标对和金属离子/螯合剂对。
51.一种制备传感器材料的方法，包括：
提供多个导电性碳质纳米材料颗粒；
提供选择成与目标分析物相互作用的检测剂；
提供离子液体；
使所述多个导电性碳质纳米材料颗粒、所述检测剂和所述离子液体混合以形成糊剂。
52.一种制备传感器材料的方法，包括：
提供多个导电性碳质纳米材料颗粒；
提供选择成与目标分析物相互作用的检测剂；
提供离子液体；
提供能够与所述检测剂和所述离子液体混溶的溶剂；
将所述检测剂和所述离子液体溶解在所述溶剂中以形成混合物；
将所述多个导电性碳质纳米材料颗粒添加至所述混合物中；以及使所述溶剂蒸发以形成包含所述多个导电性碳质纳米材料颗粒、所述检测剂和所述离子液体的糊剂。
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