CN110554077B - 用于检测挥发性有机化合物的气体传感器和气体测量仪器 - Google Patents

用于检测挥发性有机化合物的气体传感器和气体测量仪器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于检测挥发性有机化合物的气体传感器和气体测量仪器。具体地，本发明涉及气体传感器10，其中所述气体传感器10具有包括气体入口12和气体出口13的测量通道11，至少一个接收器层20，参考电极30和电压控制的运算器50，其中所述参考电极30与所述接收器层20电容耦合，其中所述参考电极30以导电的方式与所述运算器50连接，其中所述接收器层20构建在所述测量通道11中，其中所述测量通道11在所述接收器层20和所述参考电极30之间构成电介质层，和其中所述接收器层20具有载体21和分析物结合层22。本发明在此设计，该分析物结合层22是自组织单分子层(SAM)。

Description

用于检测挥发性有机化合物的气体传感器和气体测量仪器
本申请是申请号为201580060327.0，申请日为2015年11月4日，同题的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种气体传感器，一种气体测量仪器和根据本发明的气体传感器用于检测挥发性有机化合物的用途。
背景技术
气体传感器通常被用作气体测量仪器的基本组件。例如，它们用于所谓的个人相关的气体测量仪器（PAM =个人空气监测器）。用这样的个人相关的气体测量仪器来持续检验包围人的空气中的有害物质，并必要时发出相应的警告。对该气体测量仪器提出高的关于测量的可定量性、可靠性、安全性、可操作性、灵敏度的要求。
气体传感器，其适合于检测化学化合物，基本上由接收器和换能器的组合组成。接收器-如接收器电极-通常可在分子水平上与待检测的分析物分子相互作用。在此，该接收器的物理化学性质例如接收器表面的功函数改变。换能器可获取该变化，并将其转换为一个-例如电-信号。该电信号然后可又用于触发警报等。
在这种情况下，例如，基于半导体的气体传感器是已知的，其由一个场效应晶体管（FET）和一个与该FET耦合的电容器（电容控制场效应晶体管（CCFET））组成。该电容器被形成为空气电容。两个电容器面之一充当接收器，其中所述电容器面的表面（接收器表面）能够与待检测的分析物分子相互作用。待检验的样气从电容器面之间流过电容器，并形成电介质。如果存在于样气中的分析物分子与接收器表面发生相互作用，则电容器的电容改变。该电容变化可借助FET获得，并将其转换为电信号。
关于此点，US 4,411,741 A设计一种气体传感器，在其中接收器电极相对FET的栅电极布置，并且通过空气隙与栅电极分开。FET的栅电极和接收器电极在此形成电容器面。
DE 43 33 875 A1也设计了一种具有FET的半导体-气体传感器。利用的FET和空气隙，在其中形成有气体敏感层，即电容器，在此空间上彼此分开地布置，但仍彼此电耦合。该FET具有以传导方式(leitend)与传感器电极连接的栅电极。相对传感器电极布置气体敏感层。该气体敏感层通过空气隙与传感器电极隔开，并且经空气隙与传感器电极电容耦合。
EP 2 006 668 A1同样设计了这样的传感器。在此气体敏感层被另外的保护层覆盖。该另外的保护层以粘附的方式与所述气体敏感层连接，但可通过目标气体。它用于以这样的方式来修改测量信号的高度非线性的变化，其在气体敏感层和分析物的特定组合中尽管目标气体浓度或多或少线性的变化可能发生，使得测量信号的变化大致对应于目标气体浓度的变化。
这种已知的气体传感器的接收器层可由其构成的典型的材料是金属、半导体、半导体化合物或金属化合物，像例如铂、钯、氮化钛、酞菁铜、钛酸钡、二氧化锡、氧化银、氧化钴、铬-钛-氧化物、金、碘化钾或锗。每次使用的材料决定哪些分析物可被检测到。因此，例如氢可借助铂或钯检测，而NO2和其它无机气体可尤其用由氧化钴、二氧化锡或酞菁铜制成的接收器层检测。在此，所谓的挥发性有机化合物的检测通常是成问题的，尤其是当它们通常处于相对惰性的状态像例如苯。对此原因是通常完全不或仅受限地发生这种有机化合物显示与用作接收器层的材料的相互作用。因此作为替代方案，通常使用光学传感器用于检测这种化合物。然而，这些对冲击和其它机械作用可能非常敏感。此外，它们往往比较大。
发明内容
以此为依据，本发明的目的尤其是，克服现有技术的这些和其它缺点，并提供一种改进的气体传感器。例如，应提供可适合用于PAM的气体传感器。在此期望的是，借助这种传感器能够更安全且可靠地检测挥发性有机化合物，尤其是苯。
为了实现这一目的，本发明提出了一种气体传感器，以及具有这种气体传感器的气体测量仪器，和这种气体传感器用于检测挥发性有机化合物的用途。
1. 气体传感器(10)，其中所述气体传感器(10)具有包括气体入口(12)和气体出口(13)的测量通道(11)，至少一个接收器层(20)，参比电极(30)和运算器(50)，
•其中所述参比电极(30)与所述接收器层(20)电容耦合，
•其中所述参比电极(30)以导电的方式与所述运算器(50)连接，
•其中所述接收器层(20)构建在所述测量通道(11)中，
•其中所述测量通道(11)在所述接收器层(20)和所述参比电极(30)之间构成电介质层，和
•其中所述接收器层(20)具有载体(21)和分析物结合层(22)，
其中该分析物结合层(22)是由根据以下通式的分子构成的自组织单分子层(SAM)：
R1-R2-X，
其中R1是选自硫醚、二硫醚、亚磺酰基、亚磺基、磺基、硫代羰基、硫代硫酸酯、硫氰酸酯、异硫氰酸酯的偶联基团，并且其中所述自组织单分子层的分子各自经R1偶联到所述载体上；
其中所述载体是金属层，其中所述金属选自金、铂、钯、银和铜；
其中R2是选自烷烃、烯烃、炔烃、杂烷烃、杂烯烃、杂炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、取代的杂烷烃、取代的杂烯烃、取代的杂炔烃、醚、胺的间隔基；和
其中X是可与分析物分子相互作用的有机或金属-有机基团，
其特征在于，相邻分子的间隔基R2通过范德华力相互作用。
2. 根据项目1的气体传感器，其特征在于，R1是选自硫醚或硫代硫酸酯的偶联基团。
3. 根据项目1或2的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个离域的π-体系的有机或金属-有机基团。
4. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，所述载体(21)是金层。
5. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，所述偶联基团R1与所述间隔基R2且与所述载体(21)共价连接。
6. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，所述偶联基团R1在所述间隔基R2和所述载体(21)之间形成至少一个硫桥。
7. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，R1选自硫醚、二硫醚或硫代硫酸酯。
8. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，R1是硫醚基。
9. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，R2选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚、胺，其中所述取代的烷烃、烯烃或炔烃的取代基选自氢、烷基或芳基。
10. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，R2是对应于式(Y)n的直链分子基团，其中n∈{ 0, …, 40 }Z，其中每个Y独立于各个R2的其余的Y选自CH2、CH、C、CR3、O、N、NR3，并且其中R3选自H、烷烃、烯烃、炔烃或芳烃。
11. 根据项目10的气体传感器，其特征在于，n∈{ 5, …, 15 }Z。
12. 根据项目10的气体传感器，其特征在于，n∈{ 6, …, 10 }Z。
13. 根据项目3的气体传感器，其特征在于，所述基团X的离域的π-体系选自碳原子作为结合中心的共轭的π-体系、环状共轭的π-体系、具有多个环状共轭的π-体系的基团的π-体系。
14. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个吸电子取代基的芳族或杂芳族基团。
15. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个推电子取代基的芳族或杂芳族基团。
16. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，X选自多烯；硝基染料；偶氮染料；三苯基甲烷衍生物；花青素；酞菁-金属-络合物。
17. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，X是芳基，其选自苯基、苄基、吡啶基、蒽醌、萘。
18. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个吸电子取代基的基团，其中所述基团选自：聚甲炔、芳基、金属络合物、大环芳基和树枝状大分子。
19. 根据项目18的气体传感器，其特征在于，其中所述取代基选自COOR4、COOH、CHO、COR4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。
20. 根据项目18的气体传感器，其特征在于，其中所述取代基选自CF3、CN、NO2。
21. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个推电子取代基的基团，其中所述基团选自：聚甲炔、芳基、金属络合物、大环芳基和树枝状大分子。
22. 根据项目21的气体传感器，其特征在于，其中所述取代基选自NR5 2、OCH3、CH3、OH、OR、NHC=(O)R5、OC(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
23. 根据项目21的气体传感器，其特征在于，其中所述取代基选自CH3和OCH3。
24. 根据前述项目之一的气体传感器，其特征在于，所述运算器(50)是场效应晶体管。
25. 根据项目24的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器的场效应晶体管是电容控制的场效应晶体管（CCFET）。
26. 根据项目24的气体传感器，其特征在于，所述参比电极(30)与场效应晶体管的栅电极(53)连接。
27. 具有根据项目1-26中任一项的气体传感器(10)的气体测量仪器。
28. 根据项目1-26中任一项的气体传感器(10)用于检测挥发性有机化合物的用途。
29. 项目28的用途，用于检测苯和/或苯衍生物。
在气体传感器中，其中所述气体传感器具有包括气体入口和气体出口的测量通道，至少一个接收器层，参考电极和运算器，
•其中所述参考电极与所述接收器层电容耦合，
•其中所述参考电极以导电的方式与运算器连接，
•其中所述接收器层构建在所述测量通道中，
•其中所述测量通道在接收器层和参考电极之间构成电介质层，和
•其中所述接收器层具有载体和分析物结合层
本发明设计，
该分析物结合层是由根据以下通式的分子构成的自组织单分子层：
R1-R2-X
，其中R1是选自硫醚、二硫醚、亚磺酰基、亚磺基、磺基、羰硫基(Carbonothiol)、硫代硫酸酯、硫氰酸酯、异硫氰酸酯，优选硫醚或硫代硫酸酯的偶联基团，并且其中所述自组织单分子层的分子各自经R1偶联到所述载体上；
其中所述载体是金属层，其中所述金属选自金、铂、钯、银和铜；
其中R2是选自烷烃、烯烃、炔烃、杂烷烃、杂烯烃、杂炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、取代的杂烷烃、取代的杂烯烃、取代杂炔烃、醚、胺的间隔基；和
其中X是可与分析物分子相互作用的有机或金属-有机基团，特别是具有至少一个离域的π-体系的有机或金属-有机基团。
换言之，该分析物结合层可以是由根据以下通式的分子构成的自组织单分子层：
R1-R2-X
，其中R1是选自硫醚、二硫醚、亚磺酰基、亚磺基、磺基、羰硫基(Carbonothiol)、硫代硫酸酯、硫氰酸酯、异硫氰酸酯，优选硫醚或硫代硫酸酯的偶联基团，并且其中所述自组织单分子层的分子各自经R1偶联到所述载体上；其中所述载体是金属层，其中所述金属选自金、铂、钯、银和铜；其中R2是选自烷烃、烯烃、炔烃、杂烷烃、杂烯烃、杂炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、取代的杂烷烃、取代的杂烯烃、取代杂炔烃、醚、胺的间隔基；和其中X是具有至少一个离域的π-体系的有机或金属-有机基团。
该分析物结合层还可以是由根据以下通式的分子构成的自组织单分子层：
R1-R2-X
，其中R1是选自硫醚或硫代硫酸酯的偶联基团，并且其中所述自组织单分子层的分子各自经R1偶联到所述载体上；其中所述载体是金属层，其中所述金属选自金、铂、钯、银和铜；其中R2是选自烷烃、烯烃、炔烃、杂烷烃、杂烯烃、杂炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、取代的杂烷烃、取代的杂烯烃、取代杂炔烃、醚、胺的间隔基；和其中X是具有至少一个离域的π-体系的有机或金属-有机基团。
待检验的气体（样气）因此可在每种情况下通过所述气体入口流入气体传感器的测量通道，并通过气体出口又从测量通道流出。因此，样气作为样气流流过测量通道。本发明在此不仅包括由样气流笔直流过的气体传感器，还包括没有样气流的气体传感器。后者可以是例如这样的情况，当气体入口和/或气体出口例如用于运输目的等在气体传感器的组装之前封闭。测量通道在每种情况下具有内壁，其限定所述测量通道的内部。根据本发明，接收器层是该内壁的一部分。就此，接收器层是测量通道的一部分。流过测量通道的样气沿着接收器层流动。接收器层在此形成可与待检测的分析物相互作用的表面。所述分析物通常包含在样气中，其作为样气流流过测量通道。参考电极也可以是内壁的一部分。因此，该样气流或样气可以在接收器层和参考电极之间流过测量通道。
在这种情况下，接收器层是电容器的一个面。在此，电容器优选地由接收器层、参考电极和充当电介质的样气流或充当电介质的介于接收器层和参考电极之间的测量通道的体积形成。就此，参考电极与接收器层电容耦合。例如，可以在测量通道的相互对置侧上形成接收器层和参考电极，优选地在测量通道的内侧的相互对置侧上。测量通道被样气，即被待检验的气体流过，从而使接收器层和参考电极之间的样气流流过。因此，该测量通道在电容器的两个面之间形成体积，其既当测量通道被样气流过，也当测量通道是空的时-即万一例如测量通道为真空-可以充当电介质。即测量通道形成一个电介质层。在此有利的是，当测量通道可以被加热。此外，有益的是，当测量通道是压力密封的。
测量通道可以由盖和绝缘层来限定。这样的盖和这样的绝缘层限定所述测量通道的体积的至少一部分。可以在盖上形成接收器层。参考电极可以嵌入在该绝缘层中。在这种情况下，所述运算器也嵌入在绝缘层中是可以想到的。
运算单元是电流-或电压控制的，但优选是电压控制的。电压控制的运算器，在这种情况下，可例如为晶体管或另一种电压控制的电子构件，如电压控制的振荡器等。在此重要的是，该电压控制的运算单元可以识别并处理电容器的电容变化，而电流流动不是所需的。如果分析物与接收器层发生相互作用，则接收器层上的功函数（即，为使电子从相应的材料层离开必须耗费的这样的能量）改变，并且因此发生所述电容器的电容变化。后者可特别地随后被电压控制的运算单元识别，当参考电极以导电的方式与其连接。
已经发现的是，当接收器层由载体和分析物结合层组成时是尤其有利的。在此，该分析物结合层可以与待检测的分析物相互作用，还可以与载体相互作用。分析物结合层与分析物的相互作用在此优选地导致载体的功函数变化并且因此导致上文已描述的可检测的电容变化。就此特别有益的是，当分析物结合层是自组织单分子层（自组装单层，SAM）。该SAM形成了这样的层，其与待检测的分析物相互作用并且所述分析物优选可以可逆地结合在其上（可以附接(anlagern)）。
自组织单分子层（SAM）通常是其厚度对应于层形成材料的一个分子的层。层形成材料在此通常是有机化合物。SAM的分子通过吸附至表面上自发排列，并通过相互作用以或多或少有序的方式彼此对齐。根据本发明，接收器层的载体形成在其上SAM排列并对齐的表面。所述载体和分析物结合层，即SAM，在此优选相互共价连接。
根据本发明的气体传感器的进一步特别有益的特征在于，所述接收器层由载体组成，在其表面上形成SAM，其分子对应式R1-R2-X。偶联基团R1用于将SAM的分子结合到载体上和使其在载体上排列，而间隔基R2用来使分子彼此保持一定的顺序。X在这种情况下是分子R1-R2-X的反应性基团。待检测的分析物可以与该反应性基团相互作用。反应性基团此外可以-也如间隔基-影响SAM的分子的顺序。
本发明的一个特别的优点在于，X可以是具有至少一个离域的π-体系的有机或金属-有机基团。以这种方式，特别地甚至相对惰性的挥发性有机化合物像例如苯，可与SAM相互作用。
离域的π-体系在此通常应理解为分子轨道，其延续若干个C-原子，并且在其中电子可以相对自由移动。离域的π-体系的特点是内消旋效应。内消旋效应在此是通过原子对在这样的体系中的电子分布的影响，所述原子吸引π-键电子（吸电子效应，-M-效应）或提供π-键电子（推电子效应，+M-效应）。
该π-体系在此可以例如与相应的分析物的离域的π-体系相互作用。在此，分析物可附接至所述反应性基团X上，并引起π-电子的偏移。π-电子的偏移导致所涉及的分子的偶极矩变化，并因此导致功函数的期望且可测量的变化。
将分析物附接至基团X上优选经由分子间的相互作用，例如通过范德华力的作用或通过氢桥键来实现。还可以想到的是，分析物分子和反应性基团X之间的分子间相互作用导致络合物的稳定化。尤其是在基团X中的π-电子的偏移或所涉及的分子的偶极矩的变化可借助推电子效应或吸电子效应通过基团X上的取代基经由间隔基R2和偶联基团R1转递至载体上，由此最终发生功函数变化。
在此有利的是，当R2是间隔基时，其选自烷烃、烯烃、炔烃、杂烷烃、杂烯烃、杂炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、取代的杂烷烃、取代的杂烯烃、取代杂炔烃、醚或胺。借助这样的间隔基，可测定该载体或偶联基团和反应性基团之间的距离。就此有益的是，当间隔基是线性分子或线性分子基团。例如，间隔基可以具有作为主链（骨架）的线性原子链，其由碳原子组成或由碳原子、氧原子和氮原子混合组成。线性原子链的原子可在此经单-、双-和/或三键相互连接。在这方面，间隔基可以例如为烷烃、烯烃、炔烃或也可以是杂烷烃、杂烯烃或杂炔烃。此外，取代基可以连接到主链上，其例如支持反应性基团X的偶极变化转移至偶联基团R1上。还可以设想的是，这些取代基导致相邻间隔基之间的相互作用。以这种方式，SAM的顺序和稳定性也可借助间隔基得到支持或受到影响。因此，也可以有益的是，当间隔基是取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃或取代的杂烷烃、取代的杂烯烃或取代的杂炔烃。
已显示，还有益的是，当R1是偶联基团时，其选自硫醚、二硫醚、亚磺酰基、亚磺基、磺基、羰硫基、硫氰酸酯、异硫氰酸酯，优选硫醚或硫代硫酸酯。借助这样的偶联基团，SAM的单个分子可以与排列在载体的表面上的金属原子相互作用并形成(eingehen)共价键。特别有利的是，当偶联基团具有至少一个硫原子时，这导致该偶联基团R1结合到载体的表面上。在此优选地是，每个偶联基团R1与载体的正好一个表面原子形成键。就此认识到，有利的是，当所述载体是金属层，其中所述金属选自金、铂、钯、银和铜。
在每种情况下，在根据本发明的气体传感器中有利的是，当所述载体是金层。在金层上SAM可排列得特别好。因此，这样的载体是特别适合的，以用SAM作为分析物结合层涂覆。金也可以特别良好地与硫化合物相互作用。金层也可以以高纯度制备，并且特别地对氧化不敏感。
也有益的是，当偶联基团R1共价与间隔基R2和与载体连接。该偶联基团R1可以以这种方式控制单个分子在载体上的排列和将SAM-分子锚固在载体上的其位置中。
对于SAM-分子的这种结合，有利的是，当偶联基团R1在间隔基和载体之间形成至少一个硫桥。特别地，当载体由金构成，SAM-分子经硫桥的偶联是有益的。就此有利的是，当R1选自硫醚或硫代硫酸酯。特别地巯基对贵金属，尤其是金具有高的亲和力。在这方面，非常特别有益的是，当R1为硫醚基。
在另一个方面，有益的是，R2选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚、胺，其中所述取代的烷烃、烯烃或炔烃的取代基选自氢、烷基或芳基。可替代地，还可以想到的是R2选自杂烯烃、杂炔烃、取代的杂烯烃和取代的杂炔烃。
在每种情况下，有利的是，当形成间隔基R2的主链的原子链的长度小于或等于40个原子。在此优选的是，当原子链的长度为5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15个原子，特别优选6、7、8、9、10、11或12个原子，最优选为6、7、8、9或10个原子。
就此认识到，有利的是，R2是对应式(Y)n（其中n∈{0，...，40}Z）的线性分子基团，其中每个Y独立于各个R2的其余的Y选自CH2、CH、C、CR3、O、N、NR3，并且其中R3选自H、烷烃、烯烃、炔烃或芳烃。Y在此表示R2单体或基团，其形成间隔基-主链的线性原子链。因此例如，可设想的是，R2是对应于式(CH2)4(CH)2(CH2)6的分子基团，其对应于上述式作表示为(Y)12，其中Y在这种情况下将选自CH2和CH。对应的SAM的分子可以在这种情况下，根据式R1-R2-X对应地表示为R1-(Y)12-X，其中Y是CH2或CH或表示为R1-(CH2)4(CH)2(CH2)6-X。应当理解，该示例仅用于说明式写法，并且决不是表示对本发明的限制。对于间隔基R2的基团Y的可能的并且可想到的组合的量其实是由Y形成的链的各种可能的长度的量和根据上述可以想到的基团Y的选择产生。在此特别优选的是，当n∈{5，...，15}Z，优选n∈{6，...，10}Z。SAM的分子的式
R1-R2-X
可因此在一个优选的实施方案中还表示为
R1-(Y)n-X
其中n∈{ 0, …, 20 }Z，优选n∈{ 5, …, 15 }Z，特别优选n∈{ 6, …, 10 }Z。
有益的是，当这样选择R2，使得相邻分子的间隔基通过范德华力相互作用。通过这种方式，间隔基可以使SAM特别良好地稳定。特别地，间隔基可以以这种方式有助于，相邻分子的反应性基团X以有利位置彼此对齐，使得待检测的分析物与SAM有效地相互作用。例如，反应性基团X可以这样对齐，使得相应的待检测的分析物嵌到两个相邻分子的反应性基团X之间，其中该嵌入引起SAM的分子的偶极矩变化。在这方面，还可以想到的是，相邻分子的间隔基相互共价连接。在此共价键可以既沿R2的整个链还可以在R2的链的各个部分之间形成。
总的来说，认识到，SAM可以具有基团R1和R2的各种不同的组合。在一个特别优选的实施方案中，R1是含硫基团如硫醚基，且R2为烷烃、烯烃或炔烃，其中所述烷烃、烯烃或炔烃可选地可具有一个或多个取代基，并且沿其最长链具有最多40个原子，优选6至12个原子，特别优选6至10个原子的长度。就此，R2优选为对应于(Y)n的基团。就此，最优选地，当R1-R2是具有相应的链长度的烷基巯基、烯基巯基或炔基巯基，任选是取代的烷基巯基、烯基巯基或炔基巯基。这种巯基化合物(硫醇)还可通常称作硫醇化合物。换言之，在一个特别优选的实施方案中，SAM的起始分子对应于式
HS-(Y)n-X
在所有这些可想到的方案中，针对R1和R2或R1-R2，有利的是，当根据本发明的反应性基团X的离域的π-体系选自碳原子作为结合中心的共轭的π-体系、环状共轭的π-体系、具有多个环状共轭的π-体系的基团的π-体系。在此，环状共轭的π-体系在具有多个这种体系的基团中通过至少一个连接体(linker)连接。该环状共轭的π-体系优选地为平面环状化合物，即平面环状共轭的π-体系。最优选地，所述平面环状共轭的π-体系是芳族或杂芳族体系。若所述反应性基团X是具有通过连接体连接的多个这种环状平面π-体系的基团，则所述连接体优选选自C、偶氮基、线性共轭的π-体系或金属中心离子，其作为金属络合物与环状共轭的π-体系配位。在此，还有利的是，整个基团X是平面基团。在每种情况下，X可以具有吸电子取代基和推电子取代基两者。在一个优选的实施方案中，X是芳族或杂芳族基团或具有至少一个芳族或杂芳族基团的基团。在此，还特别想到的是，X是取代的芳族或杂芳族基团。
例如，可以想到的是，X是具有至少一个吸电子取代基的芳族或杂芳族基团。相应的吸电子取代基可以优选选自COOR4、COOH、CHO、C=(O)R4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，尤其优选选自CF3、CN、NO2，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。
还可以想到的是，X是具有至少一个推电子取代基的芳族或杂芳族基团。相应的推电子取代基可以优选选自NH2、NR5 2、OCH3、CH3、OH、OR、NHC=(O)R5、OC=(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，特别优选选自CH3、OCH3、NH2，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
根据本发明的芳族或杂芳族基团可例如选自呋喃、吡咯、噻吩、咪唑、吡唑、噁唑(Oxyzol)、异噁唑、噻唑、苯并呋喃、异苯并呋喃、吲哚、异吲哚、苯并噻吩、苯并咪唑、嘌呤、吲唑、苯并噁唑、苯并异噁唑、苯并噻唑、苯、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、萘、蒽、喹啉、异喹啉、喹喔啉、吖啶、喹唑啉、噌啉等。这些基团中的每个可具有一个或多个上述的吸电子或推电子取代基。
若基团X的π-体系是线性共轭的π-体系，则可设想，例如，X是多次甲基(Polymethin-Rest)或羰基。
在一个特别简单的实施方案中，X可以是例如苯基。还可以设想的是，X为蒽、萘、呋喃、吲哚、吡啶、嘧啶或吡咯-基团。可替代地，还可以想到的是，X是取代的苯基，其中，所述取代基选自COOR4、COOH、CHO、C=(O)R4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，特别优选选自CF3、CN、NO2，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。这是特别有利的，当R1是巯基，并且R2为对应于(Y)n的基团，其中n∈{0，...，40}Z，优选n∈{5，...，15}Z，特别优选n∈{6，...，10}Z。因此SAM的分子可对应于式
Figure 371197DEST_PATH_IMAGE001
。
R6在此优选是氢或一个或多个选自以下的推电子基团：NH2、NR5 2、OCH3、CH3、OH、OR、NHC=(O)R5、OC=(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，特别优选选自CH3、OCH3，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
R7优选是氢或选自以下的吸电子基团：COOR4、COOH、CHO、C=(O)R4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，尤其优选选自CF3、CN、NO2，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。
(Y)n优选为如上文所定义，其中对于n适用，优选n∈{0，...，40}Z，特别优选n∈{5，...，15}Z，最优选n∈{6，...，10}Z。在此有益的是，当Y选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚或胺，其中所述取代基选自氢、烷基或芳烃，特别优选氢或烷基。因此SAM-分子的一个特别优选的实施方案对应于式
Figure 288337DEST_PATH_IMAGE002
。
在另一实施方案中可设想的是，X是多次甲基，即，共轭多烯，其中通过次甲基的奇数链使电子受体与电子供体相连。例如X可为对应于下式的基团：
Figure 68075DEST_PATH_IMAGE003
，
其中A是电子受体，D是电子给体，R是氢或烷基，且n是整数或零。在此X优选通过基团R之一与间隔基R2共价连接。这是特别有利的，当R1是巯基，并且R2为对应于(Y)n的基团，其中n∈{0，...，40}Z，优选n∈{5，...，15}Z，特别优选n∈{6，...，10}Z。因此SAM的分子可对应于式
Figure 525601DEST_PATH_IMAGE004
。
R6和D在此优选为氢、烷基或选自以下的推电子基团：NR5 2、OCH3、CH3、OR5、NHC=(O)R5、OC=(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，特别优选选自CH3、OCH3、NH2，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
R7和A优选为氢、烷基或选自以下的吸电子基团：COOR4、COOH、CHO、C=O、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，尤其优选选自CF3、CN、NO2，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。
特别优选R6和R7相互独立地为氢或烷基。
m是整数或零。
(Y)n优选为如上文所定义，其中对于n适用，优选n∈{0，...，20}Z，特别优选n∈{5，...，15}Z，最优选n∈{6，...，10}Z。在此有益的是，当Y选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚或胺，其中所述取代基选自氢、炔烃或芳基，特别优选氢或烷基。因此SAM-分子的一个特别优选的实施方案对应于式
Figure 339973DEST_PATH_IMAGE005
，
其中R3、R6和R7如上所定义。
在另一个实施方案中，X可以是硝基染料的染料基体，即，芳族环，在其上结合有至少一个硝基。例如X可为对应于下式的基团：
Figure 162435DEST_PATH_IMAGE006
，
其中R6、R7可以是氢或含氮的有机基团，其通过氮原子与硝基苄基连接，并且其中X优选通过该基团R6或R7或环的另一个碳原子与间隔基R2共价连接。这是特别有利的，当R1是巯基，并且R2为对应于(Y)n的基团，其中n∈{0，...，40}Z，优选n∈{5，...，15}Z，特别优选n∈{6，...，10}Z。因此SAM的分子可对应于式
Figure 242518DEST_PATH_IMAGE007
。
R6在此优选为氢或选自以下的推电子基团：NR5 2、OCH3、CH3、OH、OR、NHC=(O)R5、OC=(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，特别优选选自CH3、OCH3、NH2，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
R7优选为氢或选自以下的吸电子基团：COOR4、COOH、CHO、C(O)R4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，尤其优选选自CF3、CN、NO2，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。
特别优选R6和R7相互独立地为氢或对应于NR5R4、NO2、NHC=(O)R5、NR5 2或NH2的基团，其中R5、R4如上文所定义。
(Y)n优选为如上文所定义，其中对于n适用，优选n∈{0，...，40}Z，特别优选n∈{5，...，15}Z，最优选n∈{6，...，10}Z。在此有益的是，当Y选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚或胺，其中所述取代基选自氢、烷基或芳基，特别优选氢或烷基。因此SAM-分子的一个特别优选的实施方案对应于式
Figure 441418DEST_PATH_IMAGE008
。
在又另一个实施方案中，也可以设想的是，X是偶氮染料的染料基体，其中至少两个芳族环通过偶氮基团连接。例如X可为对应于下式的基团：
Figure 110297DEST_PATH_IMAGE009
，
其中R6和R7各自相互独立地可为氢、芳基、烷基或含氮有机基团。这是特别有利的，当R1是巯基，并且R2为对应于(Y)n的基团，其中n∈{0，...，40}Z，优选n∈{5，...，15}Z，特别优选n∈{6，...，10}Z。因此SAM的分子可对应于式
Figure 103661DEST_PATH_IMAGE010
。
R6在此优选为氢或选自以下的推电子基团：NR5 2、OCH3、CH3、OH、OR、NHC=(O)R5、OC=(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，特别优选选自CH3、OCH3、NH2，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
R7独立于R6优选为氢或选自以下的吸电子基团：COOR4、COOH、CHO、C(O)R4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，尤其优选选自CF3、CN、NO2，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。
特别优选R6和R7相互独立地为氢、芳基、烷基或对应于NR5R4、NO2、NHC=(O)R5、NR5 2或NH2的基团，其中R5、R4如上文所定义。
(Y)n优选为如上文所定义，其中对于n适用，优选n∈{0，...，40}Z，特别优选n∈{5，...，15}Z，最优选n∈{6，...，10}Z。在此有益的是，当Y选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚或胺，其中所述取代基选自氢、烷基和芳基，特别优选氢和烷基。因此SAM-分子的一个特别优选的实施方案对应于式
Figure 857990DEST_PATH_IMAGE011
。
在另一个实施方案中，可以想到的是，所述反应性基团X为羰基染料的染料基体。在这样的基团中，至少两个羰基经一个或多个π-键共轭。例如X可为对应于下式的基团：
Figure 657319DEST_PATH_IMAGE012
，
其中R6和R7各自相互独立地可为氢、芳基、烷基或含氮有机基团。m是整数或零。这是特别有利的，当R1是巯基，并且R2为对应于(Y)n的基团，其中n∈{0，...，40}Z，优选n∈{5，...，15}Z，特别优选n∈{6，...，10}Z。因此SAM的分子可对应于式
Figure 180704DEST_PATH_IMAGE013
。
R6在此优选为氢或选自以下的推电子基团：NR5 2、OCH3、CH3、OH、OR、NHC=(O)R5、OC=(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，特别优选选自CH3、OCH3、NH2，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
R7独立于R6优选为氢或选自以下的吸电子基团：COOR4、COOH、CHO、C(O)R4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，尤其优选选自CF3、CN、NO2，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。
特别优选R6和R7相互独立地为氢或芳基。
(Y)n优选为如上文所定义，其中对于n适用，优选n∈{0，...，40}Z，特别优选n∈{5，...，15}Z，最优选n∈{6，...，10}Z。在此有益的是，当Y选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚或胺，其中所述取代基选自氢、烷基或芳基，特别优选氢或烷基。因此SAM-分子的一个特别优选的实施方案对应于式
Figure 610548DEST_PATH_IMAGE014
。
在另一个实施方案中，可以想到的是，所述反应性基团X为三芳基碳鎓离子-染料的染料基体。这种染料基体为三苯基甲烷的衍生物。例如X可为对应于下式的基团：
Figure 662293DEST_PATH_IMAGE015
，
其中R6和R7各自相互独立地可为氢、芳基、烷基或含氮有机基团。M选自0或1。W是氢或含氮有机基团。这是特别有利的，当R1是巯基，并且R2为对应于(Y)n的基团，其中n∈{0，...，40}Z，优选n∈{5，...，15}Z，特别优选n∈{6，...，10}Z。因此SAM的分子可对应于式
Figure 937417DEST_PATH_IMAGE016
。
R6在此优选为氢或选自以下的推电子基团：NR5 2、OCH3、CH3、OH、OR、NHC=(O)R5、OC=(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，特别优选选自CH3、OCH3、NH2，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
R7独立于R6优选为氢或选自以下的吸电子基团：COOR4、COOH、CHO、C(O)R4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，尤其优选选自CF3、CN、NO2，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。
特别优选R6和R7相互独立地为根据式NR4R5的含氮有机基团、氧或羟基，其中R4、R5如上文所定义。
(Y)n优选为如上文所定义，其中对于n适用，优选n∈{0，...，40}Z，特别优选n∈{5，...，15}Z，最优选n∈{6，...，10}Z。在此有益的是，当Y选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚或胺，其中所述取代基选自氢、烷基或芳基，特别优选氢或烷基。因此SAM-分子的一个特别优选的实施方案对应于式
Figure 580888DEST_PATH_IMAGE017
。
在另一个实施方案中，可以想到的是，所述反应性基团X为花青素-染料的染料基体。这种染料基体为花色鎓的羟基化的衍生物。例如X可为对应于下式的基团：
Figure 916054DEST_PATH_IMAGE018
，
其中R6和R7各自相互独立地可为氢或羟基。然而，R6或R7中的至少一个基团为羟基。这是特别有利的，当R1是巯基，并且R2为对应于(Y)n的基团，其中n∈{0，...，40}Z，优选n∈{5，...，15}Z，特别优选n∈{6，...，10}Z。因此SAM的分子可对应于式
Figure 644976DEST_PATH_IMAGE019
Figure 786107DEST_PATH_IMAGE020
Figure 284085DEST_PATH_IMAGE021
。
R6和R7在此优选为氢或选自OCH3或OH的推电子基团，特别优选选自OCH3和OH。
特别优选R6和R7相互独立地为氢或羟基。
(Y)n优选为如上文所定义，其中对于n适用，优选n∈{0，...，40}Z，特别优选n∈{5，...，15}Z，最优选n∈{6，...，10}Z。在此有益的是，当Y选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚或胺，其中所述取代基选自氢、烷基和芳基，特别优选氢和烷基。因此SAM-分子的一个特别优选的实施方案对应于式
Figure 55732DEST_PATH_IMAGE022
Figure 6370DEST_PATH_IMAGE023
Figure 701925DEST_PATH_IMAGE024
。
在另一个实施方案中，可以想到的是，所述反应性基团X为金属络合物-染料例如酞菁-铜-络合物的染料基体。例如X可为对应于下式的基团：
Figure 54409DEST_PATH_IMAGE025
，
其中R6和R7各自相互独立地可为氢或卤素。这是特别有利的，当R1是巯基，并且R2为对应于(Y)n的基团，其中n∈{0，...，40}Z，优选n∈{5，...，15}Z，特别优选n∈{6，...，10}Z。因此SAM的分子可对应于式
Figure 996957DEST_PATH_IMAGE026
。
在此R6和R7优选为氢或卤素。R6和R7特别优选为氢。
(Y)n优选为如上文所定义，其中对于n适用，优选n∈{0，...，40}Z，特别优选n∈{5，...，15}Z，最优选n∈{6，...，10}Z。在此有益的是，当Y选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚或胺，其中所述取代基选自氢、烷基或芳基，优选氢和烷基，特别优选氢基。因此SAM-分子的一个特别优选的实施方案对应于式
Figure 434892DEST_PATH_IMAGE027
。
换言之，X优选选自多烯；硝基染料；偶氮染料；三苯基甲烷；花青素；酞菁-金属-络合物。可替代地，也可以设想，X选自芳基，其选自苯基、苄基、吡啶基、蒽醌、萘。在此特别有益的是，X是具有至少一个吸电子取代基的基团，其中所述基团选自：多次甲基、芳基、金属络合物、大环烷芳基(Arenyl-Reste)和树枝状大分子，并且其中所述取代基优选选自COOR4、COOH、CHO、COR4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，特别优选选自CF3、CN、NO2，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。有利地也可以是，X为具有至少一个推电子取代基的基团，其中所述基团选自：多次甲基、芳基、金属络合物、大环烷芳基和树枝状大分子，并且其中所述取代基优选选自NR5 2、OCH3、CH3、OH、OR、NHC=(O)R5、OC(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，特别优选选自CH3和OCH3，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
在本发明的一个优选实施方案中，电压控制的运算器是场效应晶体管，特别地根据本发明的气体传感器的场效应晶体管是一个电容控制的场效应晶体管（CCFET）。
在此有益的是，当参考电极与场效应晶体管的栅电极连接。在接收器层和参考电极之间的电容变化可通过该方式引起在源极和FET的漏极之间的电荷传输的变化。电流流动的这种变化可以最终用于例如触发警报等。
在另一方面，本发明设计了具有本发明的气体传感器的气体测量仪器。此外，本发明设计了本发明的气体传感器用于检测挥发性有机化合物，优选苯和/或苯衍生物的用途。
附图说明
本发明的其它特征、细节和优点由权利要求的措词，以及由参照附图的实施例的以下描述得出。示出：
图1是本发明的气体传感器的示意图，
图2是所述接收器层的示意图，
图3a至3h是SAM-分子的反应性基团X的各种示例，
图4是在本发明的气体传感器中分析物结合的示意图，
图5是借助本发明的气体传感器对苯的检测。
具体实施方式
本发明涉及气体传感器(10)，其中所述气体传感器(10)具有包括气体入口(12)和气体出口(13)的测量通道(11)，至少一个接收器层(20)，参考电极(30)和运算器(50)，
•其中所述参考电极(30)与所述接收器层(20)电容耦合，
•其中所述参考电极(30)以导电的方式与所述运算器(50)连接，
•其中所述接收器层(20)构建在所述测量通道(11)中，
•其中所述测量通道(11)在所述接收器层(20)和所述参考电极(30)之间构成电介质层，和
•其中所述接收器层(20)具有载体(21)和分析物结合层(22)
其特征在于，
该分析物结合层(22)是由根据以下通式的分子构成的自组织单分子层(SAM)：
R1-R2-X，
其中R1是选自硫醚、二硫醚、亚磺酰基、亚磺基、磺基、羰硫基、硫代硫酸酯、硫氰酸酯、异硫氰酸酯，优选硫醚或硫代硫酸酯的偶联基团，并且其中所述自组织单分子层的分子各自经R1偶联到所述载体上；
其中所述载体是金属层，其中所述金属选自金、铂、钯、银和铜；
其中R2是选自烷烃、烯烃、炔烃、杂烷烃、杂烯烃、杂炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、取代的杂烷烃、取代的杂烯烃、取代的杂炔烃、醚、胺的间隔基；和
其中X是可与分析物分子相互作用的有机或金属-有机基团，特别是具有至少一个离域的π-体系的有机或金属-有机基团。
2. 根据项目1的气体传感器，其特征在于，所述载体(21)是金层。
3. 根据项目1或2中任一项的气体传感器，其特征在于，所述偶联基团R1与所述间隔基R2且与所述载体(21)共价连接。
4. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，所述偶联基团R1在所述间隔基R2和所述载体(21)之间形成至少一个硫桥。
5. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，R1选自硫醚、二硫醚或硫代硫酸酯。
6. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，R1是硫醚基。
7. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，R2选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚、胺，其中所述取代的烷烃、烯烃或炔烃的取代基选自氢、烷基或芳基。
8. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，R2是对应于式(Y)n的线性分子基团，其中n∈{ 0, …, 40 }Z，其中每个Y独立于各个R2的其余的Y选自CH2、CH、C、CR3、O、N、NR3，并且其中R3选自H、烷烃、烯烃、炔烃或芳烃。
9. 根据项目8的气体传感器，其特征在于，n∈{ 5, …, 15 }Z，优选n∈{ 6, …,10 }Z。
10. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，相邻分子的间隔基R2通过范德华力相互作用。
11. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，相邻分子的间隔基R2相互共价连接。
12. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，所述基团X的离域的π-体系选自碳原子作为结合中心的共轭的π-体系、环状共轭的π-体系、具有多个环状共轭的π-体系的基团的π-体系。
13. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个吸电子取代基的芳族或杂芳族基团。
14. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个推电子取代基的芳族或杂芳族基团。
15. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，X选自多烯；硝基染料；偶氮染料；三苯基甲烷衍生物；花青素；酞菁-金属-络合物。
16. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，X是芳基，其选自苯基、苄基、吡啶基、蒽醌、萘。
17. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个吸电子取代基的基团，其中所述基团选自：多次甲基、芳基、金属络合物、大环烷芳基和树枝状大分子，并且其中所述取代基优选选自COOR4、COOH、CHO、COR4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，特别优选选自CF3、CN、NO2，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。
18. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个推电子取代基的基团，其中所述基团选自：多次甲基、芳基、金属络合物、大环烷芳基和树枝状大分子，并且其中所述取代基优选选自NR5 2、OCH3、CH3、OH、OR、NHC=(O)R5、OC(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，特别优选选自CH3和OCH3，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
19. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，所述运算器(50)是场效应晶体管，特别地，根据本发明的气体传感器的场效应晶体管是电容控制的场效应晶体管（CCFET）。
20. 根据前述项目中任一项的气体传感器，其特征在于，所述参考电极(30)与场效应晶体管的栅电极(53)连接。
21. 具有根据前述项目中任一项的气体传感器(10)的气体测量仪器。
22. 根据前述项目中任一项的气体传感器(10)用于检测挥发性有机化合物优选苯和/或苯衍生物的用途。
在图1中所示的本发明的气体传感器10具有测量通道11，其被盖14覆盖，并且具有气体入口12和气体出口13。测量通道11的体积由内壁111限定。样气流M可以从气体入口12通过该体积流向气体出口13，并且在此沿内壁111流动。
此外在图1中可见，接收器层20被布置在测量通道11的内部。接收器层20被施加在盖14上。它由载体21和分析物结合层22组成。接收器层20，特别是分析物结合层22，在此形成测量通道11的内壁111的一部分。相对所述接收器层20布置了接收器电极30。接收器层20、接收器电极30和在接收器层20和接收器电极30之间形成的测量通道11的体积构成电容器40。就此可知，参考电极30与接收器层20电容耦合。该电容器40的电容可通过分析物结合层22与在样气流M中含有的分析物相互作用变化。
此外在图1中可见，接收器电极30经由导电接线31与电压控制的运算单元50连接。所述电压控制的运算单元50在示出的实施例中是场效应晶体管，即CCFET。运算单元50就此具有源电极51、漏电极52和栅电极53。参考电极30与栅电极53连接。栅电极53布置在通道54上，其与源电极51和漏极电极52相互连接。栅电极53根据电容器40的电容测定电荷流动，其在漏电极和源电极51、52之间通过通道54发生。
在所示实施例中，接收器电极30嵌入绝缘层60中。绝缘层60被布置在基板61上。运算单元50被布置在绝缘层60和基板61之间。绝缘层60在此可有助于避免或至少最小化错误信号。
就此，图1示出气体传感器10，其中气体传感器10具有包括气体入口12和气体出口13的测量通道11，至少一个接收器层20，参考电极30和电压控制的运算器50，其中所述参考电极30与接收器层20电容耦合，其中所述参考电极30以导电的方式与运算器50连接，其中在所述测量通道11中形成接收器层20，其中，所述测量通道11在接收器层20和参考电极30之间构成电介质层，并且其中所述接收器层20具有载体21和分析物结合层22。
这种气体传感器10的分析物结合层22-如在图2中可见的-形成为自组织单分子层（SAM）。这些SAM的分子对应于通式R1-R2-X。显而易见的是，该分子由三个功能单元组成，即偶联基团R1、间隔基R2和反应性基团X。SAM即所述分析物结合层22的分子，在此以同步取向且相互平行地在载体21上对齐。在此，分子各自经偶联基团R1偶联到载体21上。偶联基团R1在此选自硫醚、二硫醚和硫代硫酸酯。
在图2中可见，间隔基R2决定反应性基团X到偶联基团R1和因此到载体21具有的距离。间隔基R2在此选自烷烃、烯烃、炔烃、杂烷烃、杂烯烃、杂炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、取代的杂烷烃、取代的杂烯烃、取代杂炔烃。
所述反应性基团X为有机或金属-有机基团。为测量苯，所述基团X具有至少一个离域的π-体系。载体21是金属层，其中所述金属选自金、铂、钯、银和铜。
在图3a至3h中示出了反应性基团X的实施方案的各种不同的示例。不言而喻，本发明不限于在此具体示出的分子。
对应于图3a的实施例，反应性基团X是苯基。反应性基团X在此经由基团R2和苯基的环原子之一之间的共价键与基团R2-R1偶联。R6和R7如上文已描述。在具有这种反应性基团X的一个特别有利的（未在图中示出）实施例中，SAM的分子对应于式
Figure 855509DEST_PATH_IMAGE028
或
Figure 390395DEST_PATH_IMAGE029
其中在此R6、R7、R3、n和Y也如上述所定义的。
根据图3b的实施例，反应性基团X为硝基染料，其中硝基结合在芳族环上，即硝基苯基。所述芳族环可在此根据通式NR4R5具有其它取代基。反应性基团X在此经由所述环与间隔基R2偶联。在具有这种反应性基团X的一个特别有利的（未示出）实施例中，SAM的分子对应于式
Figure 503845DEST_PATH_IMAGE030
或
Figure 429075DEST_PATH_IMAGE031
其中在此R6、R7、R3、n和Y也如上述所定义的。
在图3c中，反应性基团X为偶氮染料。反应性基团X在此经由所述环与间隔基R2偶联。在具有这种反应性基团X的一个特别有利的（未示出）实施例中，SAM的分子对应于式
Figure 653383DEST_PATH_IMAGE032
或
Figure 527929DEST_PATH_IMAGE033
其中R6、R7、R3、n和Y如上述所定义的。
对应于图3d的实施例，反应性基团X为多次甲基。在此所述多次甲基具有作为取代基R6、R7 的烷基或氢。反应性基团X在此经由这种基团与间隔基R2偶联。在具有这种反应性基团X的一个特别有利的（在图中未示出）实施例中，SAM的分子对应于式
Figure 812280DEST_PATH_IMAGE034
或
Figure 224807DEST_PATH_IMAGE035
其中R6、R7、R3、n、m和Y如上述所定义的。
在图3e中示出的实施例中，反应性基团X为羰基染料。反应性基团X在此经由基团R6或R7与间隔基R2偶联。在具有这种反应性基团X的一个特别有利的（未示出）实施例中，SAM的分子对应于式
Figure 252806DEST_PATH_IMAGE036
或
Figure 434389DEST_PATH_IMAGE037
其中R6、R7、R3、n、m和Y如上述所定义的。
在图3f中示出的实施例中，反应性基团X为三芳基碳鎓根。反应性基团X在此经由环之一与间隔基R2偶联。在具有这种反应性基团X的一个特别有利的（未示出）实施例中，SAM的分子对应于式
Figure 686378DEST_PATH_IMAGE038
或
Figure 586201DEST_PATH_IMAGE039
其中R6、R7、R3、n、m、W和Y如上述所定义的。
在图3g中，反应性基团是花青素衍生物。反应性基团X在此经由环之一与间隔基R2偶联。在具有这种反应性基团X的一个特别有利的（未示出）实施例中，SAM的分子对应于下式之一
Figure 152312DEST_PATH_IMAGE040
Figure 453980DEST_PATH_IMAGE041
Figure 627604DEST_PATH_IMAGE042
Figure 824842DEST_PATH_IMAGE043
Figure 7693DEST_PATH_IMAGE044
Figure 960606DEST_PATH_IMAGE045
其中R6、R7、R3、n和Y如上述所定义的。
在图3h中，反应性基团是金属络合物，即铜-酞菁。反应性基团X在此经由环之一与间隔基R2偶联。在具有这种反应性基团X的一个特别有利的（未示出）实施例中，SAM的分子对应于式
Figure 757660DEST_PATH_IMAGE046
或
Figure 179545DEST_PATH_IMAGE047
其中R6、R7、R3、n和Y如上述所定义的。
在图4中可以看到，SAM，即分析物结合层22的分子的空间排列可以是如何的。所述分子到载体21上的偶联通过硫桥实现。所述偶联基团R1因此是硫醚基。在分子的偶联，即在由分子的自组织形成分析物结合层22时，巯基中的氢基脱离，并在偶联基团R1的硫原子和载体21的金原子之间形成共价键。偶联基团R1的硫原子此外与间隔基R2共价连接。间隔基R2在图4所示的实施例中，由4个亚甲基的直链构成。应在这一点上注意，间隔基R2的长度在特别有利的实施方案中为6-12个原子。仅仅是出于观察原因和更好的示出，间隔基的长度，在图4中被减小到只有四个亚甲基。在相对于偶联基团R1末端的间隔基R2的亚甲基上结合有反应性基团X。反应性基团X在该实施例中为苯环。该苯环携取代基R6、R7，即硝基。因此，SAM由根据下式的取代的苯基烷基硫醇的层构成：
Figure 353038DEST_PATH_IMAGE048
其中R3是氢，n = 4，其中苯基的环原子在邻位和间位上各自携带作为取代基R6、R7的氢和其中芳族环在对位上具有作为取代基的硝基。
在图4的示意图中还可以看到，分析物A-在所示的实施例中是苯-可如何与样气流一起与所述分析物结合层22靠近。在下一步骤中，分析物A的苯分子可与反应性基团X的苯基平面平行地加到SAM上。通过这种方式，可发生SAM内的电荷偏移。这又是借助如上述的运算器可检测的。
在图5中可以看到动态测量曲线，其借助具有对应于上文示出的实施例之一的分析物结合层20的气体传感器10记录。特别地，借助分析物结合层20，如其在图4所示的，可获得这样的测量曲线。
在图5中可见依赖于分析物的存在的功函数的变化。在此曲线T呈现由气体传感器10测量的功函数。曲线B给出分析物A（在这里是苯）的浓度。接收器首先用无苯空气加载。17秒后，施加1ppm的苯-浓度，如在曲线B中可见。还可见，在加入苯后，即约3秒后，功函数立即变化了5mV。57秒后，将苯流动被中断。功函数在4秒内退回到原先的起始值。238秒后，苯输入又开启和264秒后又关闭。可以看到，即使在该重新的加载时，也实现了功函数的可靠的变化。
本发明并不限定于上述实施方案，而是可以以多种方式进行修改。 所有权利要求、说明书和附图中的特征和优点，包括设计细节、空间布置和过程步骤，可以既针对本身也在各种不同的组合中是本发明必不可少的。
附图标记列表
A 分析物
B 分析物浓度
M 样气流
R1 偶联基团
R2 间隔基
T 功函数
X 反应性基团
10 气体传感器
11 测量通道
111 内壁
12 气体入口
13 气体出口
14 盖
20 接收器层
21 载体
22 分析物结合层
30 接收器电极
31 接线
40 电容器
50 运算单元
51 源电极
52 漏电极
53 栅电极
54 通道
60 绝缘层
61 基板。

Claims (28)

1.气体传感器(10)，其中所述气体传感器(10)具有包括气体入口(12)和气体出口(13)的测量通道(11)，至少一个接收器层(20)，参比电极(30)和运算器(50)，
•其中所述参比电极(30)与所述接收器层(20)电容耦合，
•其中所述参比电极(30)以导电的方式与所述运算器(50)连接，
•其中所述接收器层(20)构建在所述测量通道(11)中，
•其中所述测量通道(11)在所述接收器层(20)和所述参比电极(30)之间构成电介质层，和
•其中所述接收器层(20)具有载体(21)和分析物结合层(22)，
其中该分析物结合层(22)是由根据以下通式的分子构成的自组织单分子层(SAM)：
R1-R2-X，
其中R1是选自硫醚、二硫醚、亚磺酰基、亚磺基、磺基、硫代羰基、硫代硫酸酯、硫氰酸酯、异硫氰酸酯的偶联基团，并且其中所述自组织单分子层的分子各自经R1偶联到所述载体上；
其中所述载体是金属层，其中所述金属选自金、铂、钯、银和铜；
其中R2是选自烷烃、烯烃、炔烃、杂烷烃、杂烯烃、杂炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、取代的杂烷烃、取代的杂烯烃、取代的杂炔烃、醚、胺的间隔基；和
其中X是可与分析物分子相互作用的具有至少一个离域的π-体系的有机或金属-有机基团，
其特征在于，相邻分子的间隔基R2通过范德华力相互作用。
2.根据权利要求1的气体传感器，其特征在于，R1是选自硫醚或硫代硫酸酯的偶联基团。
3.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，所述载体(21)是金层。
4.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，所述偶联基团R1与所述间隔基R2且与所述载体(21)共价连接。
5.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，所述偶联基团R1在所述间隔基R2和所述载体(21)之间形成至少一个硫桥。
6.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，R1选自硫醚、二硫醚或硫代硫酸酯。
7.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，R1是硫醚基。
8.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，R2选自烷烃、烯烃、炔烃、取代的烷烃、取代的烯烃、取代的炔烃、醚、胺，其中所述取代的烷烃、烯烃或炔烃的取代基选自氢、烷基或芳基。
9.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，R2是对应于式(Y)n的直链分子基团，其中n∈{ 0, …, 40 }Z，其中每个Y独立于各个R2的其余的Y选自CH2、CH、C、CR3、O、N、NR3，并且其中R3选自H、烷烃、烯烃、炔烃或芳烃。
10.根据权利要求9的气体传感器，其特征在于，n∈{ 5, …, 15 }Z。
11.根据权利要求9的气体传感器，其特征在于，n∈{ 6, …, 10 }Z。
12.根据权利要求1的气体传感器，其特征在于，所述基团X的离域的π-体系选自碳原子作为结合中心的共轭的π-体系、环状共轭的π-体系、具有多个环状共轭的π-体系的基团的π-体系。
13.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个吸电子取代基的芳族或杂芳族基团。
14.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个推电子取代基的芳族或杂芳族基团。
15.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，X选自多烯；硝基染料；偶氮染料；三苯基甲烷衍生物；花青素；酞菁-金属-络合物。
16.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，X是芳基，其选自苯基、苄基、吡啶基、蒽醌、萘。
17.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个吸电子取代基的基团，其中所述基团选自：聚甲炔、芳基、金属络合物、大环芳基和树枝状大分子。
18.根据权利要求17的气体传感器，其特征在于，其中所述取代基选自COOR4、COOH、CHO、COR4、CN、CH=CH-COOH、NO2、SO3H、CF3，其中R4选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基。
19.根据权利要求17的气体传感器，其特征在于，其中所述取代基选自CF3、CN、NO2。
20.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，X是具有至少一个推电子取代基的基团，其中所述基团选自：聚甲炔、芳基、金属络合物、大环芳基和树枝状大分子。
21.根据权利要求20的气体传感器，其特征在于，其中所述取代基选自NR5 2、OCH3、CH3、OH、OR、NHC=(O)R5、OC(O)R5、芳基、Br、Cl、I、F，其中R5选自H、芳基、烷基、杂芳基、杂烷基、卤基。
22.根据权利要求20的气体传感器，其特征在于，其中所述取代基选自CH3和OCH3。
23.根据权利要求1或2的气体传感器，其特征在于，所述运算器(50)是场效应晶体管。
24.根据权利要求23的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器的场效应晶体管是电容控制的场效应晶体管（CCFET）。
25.根据权利要求23的气体传感器，其特征在于，所述参比电极(30)与场效应晶体管的栅电极(53)连接。
26.具有根据权利要求1-25中任一项的气体传感器(10)的气体测量仪器。
27.根据权利要求1-25中任一项的气体传感器(10)用于检测挥发性有机化合物的用途。
28.权利要求27的用途，用于检测苯和/或苯衍生物。
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