CN117083519A - 石墨烯的醛酮受体修饰 - Google Patents
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- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本文的实施方式涉及用于检测带有醛和酮的分析物的化学传感器，其基于用含有肼或羟胺官能团的化合物对石墨烯进行非共价表面修饰。在一个实施方式中，包括一种医疗装置，其具有石墨烯变容二极管，该石墨烯变容二极管包括石墨烯层和自组装单层，自组装单层通过自组装单层的一种或多种烃的氢原子上的部分正电荷与石墨烯的π电子系统之间的静电相互作用而设置在石墨烯层的外表面上。自组装单层可以包含一种或多种具有一个或多个肼基或羟胺基、取代的肼基或羟胺基、或其衍生物的化合物。其他实施方式也包括在本文中。
Description
本申请对于所有指定国家以申请人明尼苏达大学董事会的名义作为PCT国际专利申请于2022年3月10日提交，并且对于所有指定国家的发明人为美国公民Blair K.Troudt、美国公民Philippe Pierre Joseph Buhlmann和美国公民Steven J.Koester。本申请还对所有指定国家以申请人美国国家公司波士顿科学医学有限公司的名义作为PCT国际专利申请提交，并且对于所有指定国家的发明人为美国公民Xue Zhen。本申请要求2021年3月16日提交的美国临时申请63/161,640和2022年3月8日提交的美国申请17/689,760的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文中的实施方式涉及化学传感器、包括其的装置和系统以及相关方法。更具体地，本文的实施方式涉及用于检测带有醛和酮的分析物的化学传感器，其基于用含有肼或羟胺官能团的化合物对石墨烯进行非共价表面修饰。
背景技术
准确检测疾病可以让临床医生提供适当的治疗干预措施。早期检测疾病可以带来更好的治疗结果。可以使用许多不同的技术来检测疾病，包括分析组织样本、分析各种体液、诊断扫描、基因测序等。
一些疾病状态会导致特定化合物的产生。在某些情况下，释放到患者气态样本中的挥发性有机化合物(VOC)可能是某些疾病的标志。具体地，挥发性有机化合物可以包括醛和酮，它们是已知的疾病生物标志物并且可以在气态样本中检测到。这些化合物的检测或它们的差异感测可以允许特定疾病状态的早期检测。
发明概述
在第一方面，提供包括具有石墨烯变容二极管的医疗装置。石墨烯变容二极管包括石墨烯层，其具有通过自组装单层的一种或多种烃的氢原子上的部分正电荷与石墨烯的π电子系之间的静电相互作用而设置在石墨烯层的外表面上的自组装单层。自组装单层包含一种或多种化合物，所述化合物可包含一种或多种肼基或羟胺基、取代的肼基或羟胺基、或其衍生物。
在第二方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，自组装单层提供至少0.9的朗缪尔θ值。
在第三方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，自组装单层提供对石墨烯的按表面积计50％至150％的覆盖。
在第四方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，自组装单层包含有效地催化肼基或羟胺基与醛或酮之间的反应的酸性化合物。
在第五方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，自组装单层可以包含下式的化合物：
其中Z包括NH或O，其中R1包括(CH2)mCH3，其中50>m>5，其中X包括CH2、O、NH、N(CH2)nCH3、-C(＝O)O-、OC(＝O)、-C(＝O)NH-、-NHC(＝O)-、-C(＝O)N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)C(＝O)-、-S、-S(＝O)-、-S(＝O)2-、-S(＝O)2O-、-OS(＝O)2-、-S(＝O)2NH-、-NHS(＝O)2-、-S(＝O)2N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)S(＝O)2-，并且其中n是0或1至20，其中Y包括(C6H4)p或(CH2)p，其中p是0、1或2，其中W包括H、(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，其中q是0、1或2，其中V包括H、NO、NO2、Cl、Br、I、F、CF3、-CN、-NC、C6H5(苯基)、OR、-C(＝O)R、SR、COOR、OCOOR、-S(＝O)R、-S(＝O)2R、-S(＝O)2OR、-OS(＝O)2R、-S(＝O)2NHR、-NHS(＝O)2R、-S(＝O)2NRR2、-NR2S(＝O)2R，其中R和R2包括(CH2)kCH3并且k为0、1或2，其中R1X和V可以存在于相对于YZNH2基团的任何环位置处，并且W存在于相对于YZNH2的α位置处，以提供W和YZNH2之间的邻近性；及该化合物的任何互变异构体。
在第六方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，其中W存在于有效地允许W上的酸性氢原子与醛分子相互作用的α位置处，以催化醛与肼基或羟胺基的反应。
在第七方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，该式包含能有效地诱导化合物的自组装的多于一个R1X部分。
在第八方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，该式包含有效地向该化合物提供电子密度的多于一个V部分。
在第九方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，自组装单层可以包括下式的化合物：
其中R1包括(CH2)mCH3，其中50>m>5，其中X包括CH2、O、NH、N(CH2)nCH3、-C(＝O)O-、-OC(＝O)-、-C(＝O)NH-、-NHC(＝O)-、-C(＝O)N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)C(＝O)-、-S、-S(＝O)-、-S(＝O)2-、-S(＝O)2O-,-OS(＝O)2-、-S(＝O)2NH-、-NHS(＝O)2-、-S(＝O)2N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)S(＝O)2-，并且其中n是0或1至20，其中W包括H、(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，其中q是0、1或2，其中V包括H、NO、NO2、Cl、Br、I、F、CF3、-CN、-NC、C6H5(苯基)、OR、-C(＝O)R、SR、COOR、OCOOR、-S(＝O)R、-S(＝O)2R、-S(＝O)2OR、-OS(＝O)2R、-S(＝O)2NHR、-NHS(＝O)2R、-S(＝O)2NRR2、-NR2S(＝O)2R，其中R和R2包括(CH2)kCH3并且k为0、1或2，其中R1X和V可以存在于相对于NNH2基团的任何环位置处，并且W存在于相对于NNH2基团的α位置处；及其任何互变异构体。
在第十方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，其中W存在于有效地允许W上的酸性氢原子与醛分子相互作用的α位置处，以催化醛与肼基或羟胺基的反应。
在第十一方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，自组装单层可以包括下式的化合物：
其中Z包括NH或O，其中Y包括(CH2)p，其中p为0至20，其中Ar包括具有16个或更多个芳族碳的芳族取代基；及其任何互变异构体。
在第十二方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，芳族取代基包括并四苯、苯并蒽、(chrysene)、并五苯、二苯并蒽、三亚苯、芘、苯并芘、苉、苝、苯并苝、戊芬、并五苯、蒽嵌蒽、晕苯、卵苯、或其衍生物。
在第十三方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，芳族取代基进一步包括一个或多个取代基，包括(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，位于YZNH2的α位置处以有效地允许取代基上的酸性氢原子与醛分子相互作用从而催化醛与肼基或羟胺基的反应的基团。
在第十四方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，自组装单层可以包括下式的化合物：
其中Ar包括具有16个或更多个芳族碳的芳族取代基；及其任何互变异构体。
在第十五方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，芳族取代基包括并四苯、苯并蒽、并五苯、二苯并蒽、三亚苯、芘、苯并芘、苉、苝、苯并苝、戊芬、并五苯、蒽嵌蒽、晕苯、卵苯、或其衍生物。
在第十六方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，芳族取代基进一步包括一个或多个取代基，该取代基包括(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，位于NNH2基团的α位置处，以有效地允许取代基上的酸性氢原子与醛分子相互作用。
在第十七方面，包括一种修饰石墨烯表面以产生石墨烯变容二极管的方法，该方法包括通过在自组装单层的多个烃的氢原子上的部分正电荷与石墨烯的π电子系之间的静电相互作用形成设置在石墨烯层的外表面上的自组装单层，自组装单层可包括一种或多种化合物，所述化合物可包含肼基或羟胺基、取代的肼基或羟胺基、或其衍生物。
在第十八方面，除了前述或以下方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，该方法还可以包括使用接触角测角法、拉曼光谱法或X射线光电子能谱来量化自组装单层的表面覆盖程度。
在第十九方面，包括一种用于检测分析物的方法，该方法包括从患者收集气态样本，使该气态样本与一个或多个石墨烯变容二极管接触，该一个或多个石墨烯变容二极管中的每一个可以包含石墨烯层、自组装单层，自组装单层通过自组装单层中多个烃的氢原子上的部分正电荷与石墨烯的π电子系统之间的静电相互作用设置在石墨烯层的外表面上，并且其中自组装单层包括选自可包含肼基或羟胺基、取代的肼基或羟胺基、或其衍生物的化合物中的至少一种。
在第二十方面，除了前述方面或下述方面中的一个或多个之外，或者在一些方面的替代方案中，该方法可以进一步包括测量由于气态样本中存在的一种或多种分析物的结合而导致的一个或多个石墨烯变容二极管在电性质方面的差异响应。该发明内容是本申请的一些教导的概述，并且不旨在是对本主题的排他性或详尽的处理。更多细节在具体实施方式和所附权利要求中找到。在阅读和理解以下具体实施方式并查看形成其一部分的附图之后，其他方面对于本领域技术人员来说将是明显的，其中每个附图不应被理解为限制性的。本文的范围由所附权利要求及其合法等同物限定。
附图说明
结合以下附图可以更全面地理解各方面，其中：
图1是根据本文中的各种实施方式的石墨烯变容二极管的示意性透视图。
图2是根据本文中的各种实施方式的石墨烯变容二极管的一部分的示意性剖视图。
图3是根据本文中的各种实施方式的化学传感器元件的示意性俯视平面图。
图4是根据本文中的各种实施方式的测量区的一部分的示意图。
图5是根据本文中的各种实施方式的读取电路的一部分和无源传感器电路的电路图。
图6是根据本文中的各种实施方式的用于测量多个离散的石墨烯变容二极管的电容的电路系统的示意图。
图7是根据本文中的各种实施方式的用于感测气态分析物的系统的示意图。
图8是根据本文中的各种实施方式的用于感测气态分析物的系统的示意图。
图9是根据本文中的各种实施方式的化学传感器元件的一部分的示意性剖视图。
图10是根据本文中的各种实施方式的示例性反应的代表性1H NMR谱。
图11是根据本文中的各种实施方式的示例性反应的代表性1H NMR谱。
图12是一系列根据本文中的各种实施方式的示例性反应的1H NMR谱。
图13是根据本文中的各种实施方式的示例性化合物的代表性1H NMR谱。
图14是一系列根据本文中的各种实施方式的示例性反应的1H NMR谱。
图15是根据本文中的各种实施方式的示例性化合物的代表性1H NMR谱。
图16是根据本文中的各种实施方式的示例性反应的反应物浓度相对于时间的代表性线图。
图17是根据本文中的各种实施方式的示例性反应的反应物浓度相对于时间的代表性线图。
图18是根据本文中的各种实施方式的作为浓度对数的函数的相对表面覆盖的代表性线图。
虽然实施方式易于进行各种修改和替代形式，但是其细节已经通过示例和附图的方式示出，并且将被详细描述。尽管如此，应当理解，本文的范围不限于所描述的特定方面。相反，意图是覆盖落入本文的精神和范围内的修改、等同物和替代物。
具体实施方式
醛和酮是两大类有机化合物，普遍存在于各种样本中，尤其是气态样本中。一些醛(例如甲醛)会对人们的健康产生负面影响，并且若干醛和酮是已知的疾病生物标志物，可以被检测作为人类呼吸中的分析物。在一个示例中，人呼吸中C1-C10醛的水平升高可能是肺癌的标志物，特别是一种醛(己醛(C6H12O))已知是肿瘤氧化应激的主要生物标志物之一。在另一个示例中，呼吸酮(例如丙酮)可以指示患者的代谢状态或某些疾病状态，例如糖尿病酮症酸中毒。
根据本文中的各种实施方式，通过对醛和酮具有特定反应性的某些类别的化合物的衍生化，来完成气态样本中分析物的存在的测定。例如，本文中的靶向醛和酮的羰基特异性衍生剂可以包括含氮基团，例如胺、羟胺或肼，其在缩合反应中与醛和酮上的羰基反应分别形成亚胺、肟和腙。举例来说，本文中的实施方式可包括用自组装单层表面官能化的化学传感器，所述自组装单层包含a)胺、b)O-羟胺和c)肼中的一种或多种，通过以下的一般缩合反应检测醛：
a)
b)
c)
本文中的实施方式涉及化学传感器、包括该化学传感器的医疗装置和系统，以及用于检测气态样本(例如但不限于患者呼吸中的气态样本)中的化学化合物的相关方法。在一些实施方式中，本文中的化学传感器可以基于石墨烯的非共价表面修饰。在各种实施方式中，含有肼和羟胺官能团的化合物用于将此类化合物自组装到石墨烯表面上。自组装是通过在含有肼和羟胺的化合物上包含(加入)长烷基链(例如C1-C50)来实现的，除了静电相互作用和π-π堆积相互作用之外，长烷基链还在石墨烯和化合物之间提供CH-π相互作用。
石墨烯是碳的一种形式，在六方晶格中含有单层碳原子。石墨烯由于其紧密堆积的sp2杂化轨道而具有高强度和稳定性，其中每个碳原子与其三个相邻的碳原子各形成一个西格玛(σ)键，并具有一个投射到六角形平面之外的p轨道。六方晶格的p轨道可以杂化，在石墨烯表面形成π键，适合与其他分子发生非共价静电相互作用和π-π堆积相互作用。
不希望受任何特定理论的束缚，据信烃基(例如烷基链)内的氢原子可以通过静电相互作用与石墨烯表面上的π电子系相互作用。氢原子具有低的电负性，因此它们带有部分正电荷。烷基链的氢原子上的部分正电荷可以参与到与石墨烯表面上π带的π电子系的静电相互作用。烷基链可以以沿着碳-碳主链的全反式构象沿吸附到石墨烯表面上，使得所有碳原子落入垂直或平行于石墨烯表面的一个平面中。
举例来说，沿着石墨烯表面具有垂直取向的碳-碳主链的烷基链的反式构象产生了一种构型，在这种构型中烷基链的每隔一个-CH2-基团具有指向石墨烯的氢原子。这样，烷基链可以相对于石墨烯表面自行取向，使得交替-CH2-基团的-CH2-氢布置在与石墨烯表面的相同距离处，并且氢-石墨烯相互作用最大化。举另一个例子，沿着石墨烯表面具有平行取向的碳-碳主链的烷基链的反式构象产生了一种构型，在这种构型中烷基链的每个-CH2-基团具有一个指向石墨烯的氢原子。就其本身而言，烷基链也可以相对于石墨烯表面自行取向，使得交替-CH2-基团的-CH2-氢布置在与石墨烯表面的相同距离处，并且氢-石墨烯相互作用最大化。在任一构象中，烷基链都可以沿着烷基链的长度与石墨烯表面相互作用。还据信，烯基链和炔基链及其衍生物的氢原子可以类似地与石墨烯表面相互作用。
用自组装单层对石墨烯进行非共价官能化不会显著影响石墨烯的原子结构，并且提供了一种对十亿分之一(ppb)或百万分之一(ppm)水平的许多挥发性有机化合物(VOC)具有高灵敏度的稳定的基于石墨烯的传感器。因此，本文中的实施方式可用于检测VOC和/或检测VOC差异结合模式，进而可用于识别疾病状态。
本文中考虑了各种基于包含单层碳原子的石墨烯的变容二极管。现在参考图1，根据本文中的实施方式示出了基于石墨烯的可变式电容器(或石墨烯变容二极管)100的示意图。应当理解，可以以各种方式制备具有各种几何形状的石墨烯变容二极管，并且图1所示的石墨烯变容二极管只是根据本文中的实施方式的一个示例。
石墨烯变容二极管100可以包括绝缘体层102、栅电极104(或“栅极接触件”)、介电层(图1中未示出)、一个或多个石墨烯层(例如石墨烯层108a和108b)以及接触电极110(或“石墨烯接触件”)。在一些实施方式中，石墨烯层108a-b可以是连续的，而在其他实施方式中，石墨烯层108a-b可以是不连续的。栅电极104可以沉积在绝缘体层102中形成的一个或多个凹陷内。绝缘体层102可以由绝缘材料(例如二氧化硅)形成，形成在硅基材(晶圆)上，等等。栅电极104可以由导电材料(例如铬、铜、金、银、钨、铝、钛、钯、铂、铱及其任何组合或合金)形成，其可以沉积在绝缘体层102的顶部上或嵌入在绝缘体层102内。介电层可以设置于栅电极104和绝缘层102的表面上。石墨烯层108a-b可以设置在介电层上。下面将参考图2更详细地讨论介电层。
石墨烯变容二极管100包括八个栅电极指106a-106h。应当理解，虽然石墨烯变容二极管100示出了八个栅电极指106a-106h，但是可以考虑任意数量的栅电极指配置。在一些实施方式中，单个石墨烯变容二极管可以包括少于八个栅电极指。在一些实施方式中，单个石墨烯变容二极管可以包括多于八个栅电极指。在其他实施方式中，单个石墨烯变容二极管可以包括两个栅电极指。在一些实施方式中，单个石墨烯变容二极管可以包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个栅电极指。
石墨烯变容二极管100可以包括设置在石墨烯层108a和108b的部分上的一个或多个接触电极110。接触电极110可由导电材料(例如铬、铜、金、银、钨、铝、钛、钯、铂、铱及其任何组合或合金)形成。示例性石墨烯变容二极管构造的其他方面可以在美国专利9,513,244中找到，其内容通过引用整体并入本文。
本文中所述的石墨烯变容二极管可包括其中单个石墨烯层已通过石墨烯与用烃基取代的分子(例如，如上文所述的含有肼和羟胺官能团的化合物)之间的非共价静电相互作用进行表面修饰的那些石墨烯变容二极管。在一些实施方式中，单个的石墨烯层的表面可通过石墨烯与许多化合物中的任何一种之间的非共价相互作用进行表面修饰，所述化合物包含含有16个或更多个芳族碳原子的芳族取代基并且包含肼和羟胺官能团。芳族取代基可以包括并四苯、苯并蒽、并五苯、二苯并蒽、三亚苯、芘、苯并芘、苉、苝、苯并苝、戊芬、并五苯、蒽嵌蒽、晕苯、卵苯、或其衍生物。适合本文中使用的化合物的其他取代如下所述。关于适使用本文中使用的石墨烯变容二极管和富含π电子的分子的细节也将在下文中更全面地讨论。
现在参照图2，示出了根据本文中的各种实施方式的石墨烯变容二极管200的一部分的示意性剖视图。石墨烯变容二极管200可以包括绝缘体层102和凹进绝缘体层102中的栅电极104。可以通过在绝缘体层102中的凹陷中沉积导电材料来形成栅电极104，如上文参考图1所讨论的。介电层202可以形成在栅电极104和绝缘体层102的表面上。在一些示例中，介电层202可以由诸如二氧化硅、氧化铝、二氧化铪、二氧化锆、硅酸铪或硅酸锆的材料形成。
石墨烯变容二极管200可以包括可以设置在介电层202的表面上的单个石墨烯层204。石墨烯层204可以用自组装单层206进行表面修饰。自组装单层206可以由通过非共价静电相互作用设置在石墨烯层204的外表面上的富含π电子的分子的同质群体形成。下面更全面地描述示例性富含π电子的分子。自组装单层206可以提供石墨烯层204的至少90％的表面覆盖率(按面积计)。在一些实施方式中，自组装单层206可以提供石墨烯层204的至少95％的表面覆盖率。在其他实施方式中，自组装单层206可以提供石墨烯层204的至少98％的表面覆盖率。
在一些实施方式中，自组装单层可提供石墨烯层的至少50％、60％、70％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或100％表面覆盖(按面积)。应当理解，自组装单层可以提供落在范围内的表面覆盖率，其中任何前述百分比可以充当该范围的下限或上限，只要该范围的下限是小于该范围的上限的值即可。
在一些实施方式中，应当理解，石墨烯层表面上的富含π电子的分子的自组装可以包括自组装成多于单层，例如多层。多层可以通过扫描隧道显微镜(STM)和其他扫描探针显微镜等技术来检测和量化。本文中提及大于100％的覆盖百分比是指表面区域的一部分被多于单层覆盖的情况，例如被两层、三层或可能更多层的所用化合物覆盖。因此，本文中提及的105％覆盖率应指示约5％的表面积包含石墨烯层上方多于单层的覆盖。在一些实施方式中，石墨烯表面可以包含石墨烯层的101％、102％、103％、104％、105％、110％、120％、130％、140％、150％或175％表面覆盖率。应当理解，石墨烯层的多层表面覆盖率可以落在表面覆盖率的范围内，其中任何前述百分比可以充当该范围的下限或上限，只要该范围的下限是小于该范围的上限的值即可。例如，覆盖率的范围可包括但不限于按表面积计50％至150％、按表面积计80％至120％、按表面积计90％至110％或者99％至120％。
在一些实施方式中，适合本文中使用的自组装单层可提供以至少某个最小阈值的朗缪尔θ值量化的单层对石墨烯表面的覆盖，但避免用比单层更厚的多层覆盖石墨烯表面的大部分。下面更全面地描述朗缪尔θ值及使用朗缪尔吸附理论对特定自组装单层的朗缪尔值进行测定的详细信息。在一些实施方式中，适合本文中使用的自组装单层提供至少0.95的朗缪尔θ值。在一些实施方式中，适合本文中使用的自组装单层提供至少0.98的朗缪尔θ值。在一些实施方式中，自组装单层可以提供至少0.85、0.86、0.87、0.88、0.89、0.90、0.91、0.92、0.93、0.94、0.95、0.96、0.97、0.98、0.99或1.0的朗缪尔θ值。应当理解，自组装单层可以提供朗缪尔θ值的范围，其中前述朗缪尔θ值中的任何一个都可以充当该范围的下限或上限，只要该范围的下限是小于该范围的上限的值即可。
现在参考图3，示出了根据本文中的各种实施方式的化学传感器元件300的示意性俯视平面图。化学传感器元件300可以包括基材302。应当理解，基材可以由许多不同的材料形成。举例来说，基材可以由硅、玻璃(glass)、石英、蓝宝石、聚合物、金属、玻璃(glasses)、陶瓷、纤维素材料、复合材料、金属氧化物及其类似物来形成。基材的厚度可以不同。在一些实施方式中，基材具有足够的结构完整性，在处理时不会有可能会损坏其上的组件的过度弯曲。在一些实施方式中，基材可以具有约0.05mm至约5mm的厚度。基材的长度和宽度也可以不同。在一些实施方式中，长度(或主轴)可以为约0.2cm至约10cm。在一些实施方式中，长度(或主轴)可以为约20μm至约1cm。在一些实施方式中，宽度(垂直于主轴)可以为约0.2cm至约8cm。在一些实施方式中，宽度(垂直于主轴)可以为约20μm至约0.8cm。在一些实施方式中，基于石墨烯的化学传感器可以是一次性的。
在基材302上可以设置第一测量区304。在一些实施方式中，第一测量区304可以限定第一气体流动路径的至少一部分。第一测量区(或气体样本区)304可以包括多个离散的基于石墨烯的可变式电容器(或石墨烯变容二极管)，其可以感测气态样本(例如呼吸样本)中的分析物。在基材302上还可以布置与第一测量区304分离的第二测量区(或环境样本区)306。第二测量区306可以限定第二气体流动路径的至少一部分。在一些实施方式中，第二气体流动路径可以与第一气体流动路径分开。
第二测量区306还可以包括多个离散的石墨烯变容二极管。在一些实施方式中，第二测量区306可以包括与第一测量区304内的石墨烯变容二极管相同(类型和/或数量)的离散的石墨烯变容二极管。在一些实施方式中，第二测量区306可以仅包括第一测量区304内的离散的石墨烯变容二极管的子集。在操作中，从第一测量区304收集的数据(其能够反映所分析的气态样本)可以基于从第二测量区收集的数据(其能够反映环境中存在的分析物)来校正或归一化。
在一些实施方式中，还可以在基材上设置第三测量区(漂移对照或见证区)308。第三测量区308可以包括多个离散的石墨烯变容二极管。在一些实施方式中，第三测量区308可以包括与第一测量区304内的石墨烯变容二极管相同(类型和/或数量)的离散的石墨烯变容二极管。在一些实施方式中，第三测量区308可以仅包括第一测量区304内的离散的石墨烯变容二极管的子集。在一些实施方式中，第三测量区308可以包括与第一测量区304和第二测量区306的那些石墨烯变容二极管不同的离散的石墨烯变容二极管。下面更详细地描述第三测量区的各方面。第三测量区308可以限定第三气体流动路径的至少一部分。在一些实施方式中，第三气体流动路径可以与第一气体流动路径和第二气体流动路径分开。
第一测量区304、第二测量区306和第三测量区308可以具有相同的尺寸或者可以具有不同的尺寸。化学传感器元件300还可以包括存储参考数据的组件310。存储参考数据的组件310可以是电子数据存储装置、光学数据存储装置、印刷数据存储装置(例如印刷代码)等。参考数据可以包括但不限于关于第三测量区308的数据(下面更详细地描述)。
在一些实施方式中，本文中的化学传感器元件可以包括电触点(未示出)，电触点可用于向化学传感器元件300上的组件提供电力和/或可用于读取关于测量区的数据和/或来自存储在组件310中的数据。尽管，在其他实施方式中，在化学传感器元件300上没有外部电触点。
现在参考图4，示出了根据本文中的各种实施方式的测量区400的一部分的示意图。多个离散的石墨烯变容二极管402可以以阵列的形式设置在测量区400内。在一些实施方式中，化学传感器元件可以包括在测量区内以阵列配置的多个石墨烯变容二极管。在一些实施方式中，多个石墨烯变容二极管可以是相同的，而在其他实施方式中，多个石墨烯变容二极管可以彼此不同。
在一些实施方式中，离散的石墨烯变容二极管可以是异质的，其中它们在针对特定分析物的结合行为或特异性方面均彼此不同。在一些实施方式中，一些离散的石墨烯变容二极管可以出于验证目的进行复制，但以其他方式与其他离散的石墨烯变容二极管异质的。然而在其他实施方式中，离散的石墨烯变容二极管可以是同质的。虽然图4的离散的石墨烯变容二极管402被显示为组织成网格的框，但应当理解，离散的石墨烯变容二极管可以呈现许多不同的形状(包括但不限于各种多边形、圆形、椭圆形、不规则形状等)，并且反过来，离散的石墨烯变容二极管可以布置成许多不同的图案(包括但不限于星形图案、之字形图案、放射状图案、符号图案等)。
在一些实施方式中，特定的离散的石墨烯变容二极管402跨越测量区的长度412和宽度414的顺序可以是基本上随机的。在其他实施方式中，该顺序可以是特定的。例如，在一些实施方式中，可以对测量区进行排序，使得相对于用于具有较高分子量的分析物的特定的离散的石墨烯变容二极管402(其位置更靠近进入的气流)，用于具有较低分子量的分析物的特定的离散的石墨烯变容二极管402位于距离进入气流更远的位置。因此，可以利用色谱效应(其可用于提供不同分子量的化合物之间的分离)来提供化学化合物与相应的离散石墨烯变容二极管的最佳结合。
在特定的测量区内的离散的石墨烯变容二极管的数量可以是约1至约100000。在一些实施方式中，离散的石墨烯变容二极管的数量可以是约1至约10000。在一些实施方式中，离散的石墨烯变容二极管的数量可以是约1至约1000。在一些实施方式中，离散的石墨烯变容二极管的数量可以是约2至约500。在一些实施方式中，离散的石墨烯变容二极管的数量可以是约10至约500。在一些实施方式中，离散的石墨烯变容二极管的数量可以是约50至约500。在一些实施方式中，离散的石墨烯变容二极管的数量可以是约1至约250。在一些实施方式中，离散的石墨烯变容二极管的数量可以是约1至约50。
合适本文中使用的离散的石墨烯变容二极管的每一个可以包括一个或多个电路的至少一部分。举例来说，在一些实施方式中，每一个离散的石墨烯变容二极管可以包括一个或多个无源电子电路。在一些实施方式中，可以包括石墨烯变容二极管，使得它们直接集成在电子电路上。在一些实施方式中，可以包括石墨烯变容二极管，使得它们被晶片接合到电子电路。在一些实施方式中，石墨烯变容二极管可以包括集成的读出电子器件，例如读出集成电路(ROIC)。电子电路的电性质(包括电阻或电容)可以在与来自气体样本的组分结合(例如特异性和/或非特异性结合)时发生变化。
应当理解的是，本文中包含的化学传感器元件可以包括与无源无线感测兼容的那些化学传感器元件。图5中示出了读取电路522的一部分和无源传感器电路502的示意图，并在下文中更详细地讨论。在无源无线感测布置中，石墨烯变容二极管可以与电感器集成，使得石墨烯变容二极管的一个端子接触电感器的一端，并且石墨烯变容二极管的第二端子接触电感器的第二端子。在一些实施方式中，电感器可以位于与石墨烯变容二极管相同的基材上，而在其他实施方式中，电感器可以位于芯片外(off-chip)位置。
现在参考图5，示出了根据本文中的各个方面的读取电路522的一部分和无源传感器电路502的示意图。在一些实施方式中，无源传感器电路502可以包括耦合到电感器510的金属氧化物-石墨烯变容二极管504(其中RS表示串联电阻并且CG表示变容二极管电容器)。石墨烯变容二极管可以通过各种方式制备并具有各种几何形状。举例来说，在一些方面，栅电极可以凹进绝缘体层中，如图1中的栅电极104所示。可以通过在绝缘体层中蚀刻出凹陷并且然后在凹陷中沉积导电材料以形成栅电极，来形成栅电极。可以在栅电极和绝缘体层的表面上形成介电层。在一些示例中，介电层可以由金属氧化物(诸如氧化铝、二氧化铪、二氧化锆、二氧化硅)形成，或者由诸如硅酸铪或硅酸锆的其它材料形成。经表面修饰的石墨烯层可以设置在介电层上。接触电极也可以设置在经表面修饰的石墨烯层的表面上，也如图1中作为接触电极110所示。
在各种实施方式中，官能化的石墨烯层(例如，被功能化以包含分析物结合受体)暴露于流经测量区的表面上方的气体样本，该官能化的石墨烯层是石墨烯变容二极管的一部分并且因此是传感器电路(例如无源传感器电路)的一部分。无源传感器电路502还可以包括电感器510。在一些实施方式中，每个无源传感器电路502，仅包括单个变容二极管。在其他实施方式中，每个无源传感器电路502，包括多个变容二极管(例如并联的)。
在无源传感器电路502中，电子电路的电容在气体样本中的分析物与石墨烯变容二极管结合时发生改变。无源传感器电路502可以用作LRC谐振器电路，其中LRC谐振器电路的谐振频率在与来自气体样本的组分结合时发生改变。
读取电路522可用于检测无源传感器电路502的电性质。举例来说，读取电路522可用于检测LRC谐振器电路的谐振频率和/或其变化。在一些实施方式中，读取电路522可以包括具有电阻524和电感526的读取线圈。当传感器侧的LRC电路处于其谐振频率时，读取电路的阻抗相位与频率的关系图具有最小值(或相位下降频率(phase dip frequency))。当变容二极管电容响应分析物的结合(这改变谐振频率和/或改变相位下降频率的值)而变化时，就能发生感测。
本文中还考虑了用于石墨烯变容二极管的其他类型的读出电路。例如，现在参考图6，示出了根据本文中的各种实施方式的用于测量多个离散的石墨烯变容二极管的电容的电路的另一实施方式的示意图。该电路可以包括与多路复用器604电通信的电容数字转换器(CDC)602。多路复用器604可以提供与多个石墨烯变容二极管606的选择性电通信。到石墨烯变容二极管606的另一侧的连接可以由开关603控制(如由CDC控制)并且可以提供与第一数模转换器(DAC)605和第二数模转换器(DAC)607的选择性电通信。DAC 605、607的另一侧可以连接到总线装置610，或者在一些情况下连接到CDC 602。该电路还可以包括微控制器612，这将在下文中更详细地讨论。
在这种情况下，来自CDC的激励信号控制两个可编程数模转换器(DAC)的输出电压之间的切换。DAC之间的编程电压差决定了激励幅度，为测量提供了额外的可编程比例因子，并允许测量比CDC指定的电容范围更广的电容。测量电容处的偏置电压等于CDC输入处的偏置电压(经由多路复用器，通常等于VCC/2，其中VCC是电源电压)与激励信号的平均电压之间的差值，这是可编程的。在一些实施方式中，可以在DAC输出处使用缓冲放大器和/或旁路电容，以在切换期间维持稳定的电压。可以使用许多不同范围的DC偏置电压。在一些实施方式中，DC偏置电压的范围可以是从-3V到3V、或从-1V到1V、或从-0.5V到0.5V。
可以根据电容数据计算许多不同的方面。例如，可以计算的方面包括电容对电压的最大斜率、电容对电压的最大斜率相对于基线值的变化、电容对电压的最小斜率、电容对电压的最小斜率相对于基线值的变化、最小值电容、最小电容相对于基线值的变化、最小电容处的电压(狄拉克点)、最小电容处的电压的变化、最大电容、最大电容的变化、最大电容与最小电容之比、响应时间常数以及不同离散的石墨烯变容二极管之间(特别是对不同分析物具有特异性的不同离散石墨烯变容二极管之间)的前述任意项的比例。
现在参考图7，示出了根据本文中的各种实施方式的用于感测气态分析物的系统700的示意图。系统700可以包括外壳718。系统700可以包括吹口702，待评估的受试者可以将呼吸样本吹入该吹口702中。气态呼吸样本可以穿过流入导管704并且穿过评估样本(患者样本)输入端口706。系统700还可以包括对照样本(环境)输入端口708。系统700还可以包括传感器元件腔室710，一次性传感器元件可以放置到传感器元件腔室710中。系统700还可以包括显示屏714和用户输入设备716(例如键盘)。系统还可以包括气体流出端口712。系统700还可包括与气流流体连通的流量传感器，该气流是与评估样本输入端口706和对照样本输入端口708中的一个或多个相关联的。应当理解，可以使用许多不同类型的流量传感器。在一些实施方式中，可以使用热线风速计来测量空气流量。在一些实施方式中，系统可以包括与气流流体连通的CO2传感器，该气流是与评估样本输入端口706和对照样本输入端口708中的一个或多个相关联的。
在一些实施方式中，评估样本输入端口706可以与第一测量区304和气体流动路径流体连通。在各种实施方式中，对照样本输入端口708可以与第二测量区306和第二气体流动路径或第三测量区308和第三气体流动路径流体连通。
在各种实施方式中，系统700还可以包括其他功能组件。举例来说，系统700可以包括湿度控制模块740和/或温度控制模块742。湿度控制模块可以与气流流体连通，该气流是与评估样本输入端口706和对照样本输入端口708中的一个或多个相关联的，以便调节一个或两个气体流的湿度，从而使得两股流的相对湿度基本相同，以防止对系统获得的读数产生不利影响。温度控制模块可以与气流流体连通，该气流是与评估样本输入端口706和对照样本输入端口708中的一个或多个相关联的，以便调节一个或两个气体流的温度，从而使两个流的温度基本相同，以防止对系统获得的读数产生不利影响。举例来说，流入对照样本输入端口的空气可以被升高到37摄氏度或更高，以便匹配或超过来自患者的空气的温度。湿度控制模块和温度控制模块可以在系统700的外壳718中的输入端口的上游、输入端口内、或输入端口的下游。在一些实施方式中，湿度控制模块740和温度控制模块742可以是集成的。
在一些实施方式(未示出)中，系统700的对照样本输入端口708还可以连接到环境采样件722。在一些实施方式中，环境采样件722可以包括切换气流阀，使得当患者吸气时，空气从对照样本输入端口708流入系统中，并且系统被配置成使得这导致环境空气流过适当的对照测量区(例如第二测量区)。然后，当患者呼气时，切换性气流阀可以切换，使得来自患者的呼吸样本从吹口702流过环境流入导管724并进入评估样本输入端口706并穿过在一次性传感器元件上的适当的样本(患者样本)测量区(例如第一测量区304)。在其他实施方式中，系统可以被配置为主动地将环境空气吸入环境采样件722中，使得这导致环境空气流过适当的对照测量区(例如第二测量区)。
在一个实施方式中，包括一种制造化学传感器元件的方法。该方法可以包括将一个或多个测量区沉积到基材上。该方法还可以包括在基材上的测量区内沉积多个离散的石墨烯变容二极管。该方法可以包括通过用富含π电子的分子修饰石墨烯层的表面以经由静电相互作用在石墨烯层的外表面上形成自组装单层，来产生一个或多个离散的石墨烯变容二极管。该方法可以包括使用接触角测角法、拉曼光谱法或X射线光电子能谱法来量化自组装单层的表面覆盖程度。该方法可以包括选择表现出至少0.9的朗缪尔θ值的衍生的石墨烯层，如下面将更全面地讨论。该方法还可以包括将用于存储参考数据的组件沉积到基材上。在一些实施方式中，测量区可以全部放置在基材的同一侧上。在其他实施方式中，测量区可以放置在基材的不同侧上。
在一个实施方式中，包括分析一种或多种气体样本的方法。该方法可以包括将化学传感器元件插入到感测机器中。化学传感器元件可以包括基材和包括多个离散的石墨烯变容二极管的第一测量区304。第一测量区304可以限定第一气体流动路径的一部分。化学传感器元件可以进一步包括与第一测量区304分离的第二测量区306。第二测量区306还可以包括多个离散的石墨烯变容二极管。第二测量区306可以设置在第一气体流动路径的外侧。在各种实施方式中，第一测量区304可以与评估样本输入端口706流体连通，以限定第一气体流动路径，并且第二测量区306可以与环境样本输入端口708流体连通，以限定与第一气体流动路径分开的第二气体流动路径。
该方法可以进一步包括提示受试者将空气吹入感测机器，以遵循第一气体流动路径。在一些实施方式中，监测来自受试者的空气的CO2含量，并在CO2含量的平台期期间使用一次性传感器元件进行采样，因为据信来源于患者肺泡的空气具有最丰富的用于分析的化合物(例如挥发性有机化合物)含量。在一些实施方式中，该方法可以包括使用流量传感器监测呼吸样本和对照(或环境)空气样本的总质量流量。该方法可以进一步包括询问离散的石墨烯变容二极管以确定它们的分析物结合状态。该方法还可以包括在采样完成后丢弃一次性传感器元件。
现在参考图8，示出了根据本文中的各种实施方式的用于感测气态分析物的系统800的示意图。在该实施方式中，系统是手持式的。系统800可以包括外壳818。系统800可以包括吹口802，待评估的受试者可以将呼吸样本吹入该吹口702中。系统800还可以包括显示屏814和用户输入设备816(例如键盘)。系统还可以包括气体流出端口812。系统还可以包括各种其他组件，例如上文中参考图7描述的那些组件。
在一些实施方式中，测量区中的一个测量区可以被配置为指示化学传感器元件中的变化(或漂移)，该变化可能由于在使用前的储存和处理过程中老化和暴露于改变的条件(例如热暴露、光暴露、分子氧暴露、湿度暴露等)。在一些实施方式中，第三测量区可以被配置用于此目的。
现在参考图9，示出了根据本文中的各种实施方式的化学传感器元件900的一部分的示意性剖视图。化学传感器元件900可以包括基材902和设置在其上的离散的石墨烯变容二极管904，离散的石墨烯变容二极管904是测量区的一部分。可选地，在一些实施方式中，离散的石墨烯变容二极管904可以被惰性材料906(例如氮气、或惰性液体或固体)封装。以这种方式，用于第三测量区的离散的石墨烯变容二极管904可以被屏蔽以免与气体样本接触，并且因此可以用作对传感器漂移的具体控制的对照或参考，传感器漂移可能发生在制造时间和使用一次性传感器元件的时间之间。在一些实施方式中，例如在使用惰性气体或液体的情况下，离散的结合检测器还可以包括阻挡层908，其可以是箔、聚合物材料的层等。在一些情况下，可以在正要使用之前去除阻挡层908。
在一个实施方式中，包括用于检测一种或多种分析物的方法。该方法可以包括从患者收集气怸样本。在一些实施方式中，气态样本可以包括呼出气。在其他实施方式中，气态样本可以包括经由导管或其他类似的提取装置从患者的肺部移出的呼气。在一些实施方式中，提取装置可以包括内窥镜、支气管镜或气管镜。该方法还可以包括使石墨烯变容二极管与气态样本接触，其中石墨烯变容二极管包括石墨烯层和通过静电相互作用设置在石墨烯层的外表面上的自组装单层。在一些实施方式中，自组装单层可以提供至少0.9的朗缪尔θ值。下面将更全面地讨论朗缪尔θ值。在一些实施方式中，该方法可以包括测量由于气态样本中存在的一种或多种分析物的结合而导致的石墨烯反应器的电容的差异响应，进而可用于识别疾病状态。
石墨烯变容二极管
本文中描述的石墨烯变容二极管可用于感测气态样本(例如患者的呼吸)中的一种或多种分析物。本文中包含的石墨烯变容二极管可以对气态样本中存在的处于或接近百万分之一(ppm)或十亿分之一(ppb)水平的挥发性有机化合物(VOC)表现出高灵敏度。VOC吸附到石墨烯变容二极管的表面上可以改变此类装置的电阻、电容或量子电容，并且可用于检测VOC和/或VOC的结合模式，进而可用于识别疾病状态，例如癌症、心脏病、感染、多发性硬化症、阿尔茨海默病、帕金森病等。石墨烯变容二极管可用于检测气体混合物中的各单个分析物，以及高度复杂的混合物中的响应模式。在一些实施方式中，可以包括一个或多个石墨烯变容二极管，以检测气态样本中的相同分析物。在一些实施方式中，可以包括一个或多个石墨烯变容二极管，以检测气态样本中的不同分析物。在一些实施方式中，可以包括一个或多个石墨烯变容二极管，以检测气态样本中的多种分析物。在各种实施方式中，本文中的一个或多个石墨烯变容二极管可以适合用于检测一种或多种醛化合物。在一些实施方式中，醛化合物可以包括但不限于戊醛(C5H10O)、己醛(C6H12O)、庚醛(C7H14O)、辛醛(C8H16O)和壬醛(C9H18O)。在一些实施方式中，酮化合物可以包括但不限于丙酮(C3H6O)、2-丁酮(C4H8O)、2-戊酮(C5H10O)、3-戊酮(C5H10O)、2-己酮(C6H12O)、3-己酮(C6H12O)、2-庚酮(C7H14O)、3-庚酮(C7H14O)或4-庚酮(C7H14O)。
示例性石墨烯变容二极管可以包括石墨烯层和设置在石墨烯层外表面上的自组装单层，自组装单层通过静电相互作用与石墨烯层相互作用，如上文中参考图2所示和讨论的。适合在本文中使用的自组装单层可以提供至少0.9的朗缪尔θ值。下面更全面地描述使用朗缪尔吸附理论对特定自组装单层的朗缪尔θ值的测定。在一些实施方式中，适合本文中使用的自组装单层提供至少0.95的朗缪尔θ值。在一些实施方式中，适合本文中使用的自组装单层提供至少0.98的朗缪尔θ值。
本文描述的石墨烯变容二极管可以包括其中单个石墨烯层已通过与一种或多种含有肼或羟胺官能团的化合物的非共价静电相互作用进行表面修饰的那些石墨烯变容二极管，如本文中其他地方所描述。本文中其他地方所描述的含有肼或羟胺官能团的化合物可以包括额外的取代基，包括但不限于下文描述的任意数量的官能团，包括但不限于烷基、烯基、炔基、杂烷基、杂烯基和/或杂炔基。
本文中使用时，术语“烷基”是指任何含有1-50个碳原子的直链或支链烃官能团(即C1-C50烷基)。在一些实施方式中，本文中的烷基可以包含任何含有6至32个碳原子的直链或支链烃官能团(即，C6-C32烷基)。在其他实施方案中，本文中的烷基可以包含任何含有12至26个碳原子的直链或支链烃官能团(即，C12-C26烷基)。除非另有说明，否则本文中所描述的烷基具有通式CnH2n+1。
本文使用时，术语“烯基”是指任何含有1至50个碳原子的直链或支链烃官能团，其中所述烯基包含至少一个碳-碳双键(即，C1-C50烯基)。在一些实施方式中，本文中的烯基可以包含任何含有6至32个碳原子的直链或支链烃官能团，其中烯基包含至少一个碳-碳双键(即，C6-C32烯基)。在其他实施方式中，本文中的烯基可以包含任何含有12至26个碳原子的直链或支链烃官能团，其中烯基包含至少一个碳-碳双键(即，C12-C26烯基)。除非另有说明，否则本文中所描述的烯基具有通式CnH(2n+1-2x)，其中x是烯基中存在的双键的数量。
本文使用时，术语“炔基”是指任何含有1至50个碳原子的直链或支链烃官能团，其包含一个或多个碳-碳三键(即，C1-C50炔基)。在一些实施方式中，本文中的炔基可以包含任何含有6至32个碳原子的直链或支链烃官能团，其包含一个或多个碳-碳三键(即，C6-C32炔基)。在其他实施方式中，本文中的炔基可以包含任何含有12至26个碳原子的直链或支链烃官能团，其包含一个或多个碳-碳三键(即，C12-C26炔基)。
本文使用时，术语“杂烷基”是指任何含有1至50个碳原子和一个或多个杂原子的直链或支链烃官能团，杂原子包括但不限于N、O、P、S、Si、Se、和B或其任意组合(即，C1-C50杂烷基)。在一些实施方式中，本文中的杂烷基可以包含任何含有6至32个碳原子和一个或多个杂原子的直链或支链烃官能团，杂原子包括但不限于N、O、P、S、Si、Se、和B或其任意组合(即，C6-C32杂烷基)。在其他实施方式中，本文中的杂烷基可以包含任何含有12至26个碳原子和一个或多个杂原子的直链或支链烃官能团，杂原子包括但不限于N、O、P、S、Si、Se、和B或其任意组合(即，C12-C26杂烷基)。在一些实施方式中，本文中的杂烷基可以具有通式-RZR、-ZRZR或-RZRZR，其中R可以包括但不限于任何相同或不同的、直链或支链C1-C50烷基或其组合；并且Z可以包括一个或多个杂原子，包括但不限于N、O、P、S、Si、Se和B或其任意组合。
在一些实施方式中，杂烷基可以包括但不限于烷氧基、烷基酰胺基、烷基硫醚基、烷基酯基等。适合本文中使用的杂烷基的未例可以包括但不限于选自-ROH、-RC(O)OH、-RC(O)OR、-ROR、-RSR、-RCHO、-RX、-RC(O)NH2、-RC(O)NR、-RNH3 +、-RNH2、-RNO2、-RNR、-RNRR、-RB(OH)2或其任意组合的那些；其中R可以包括但不限于任何相同或不同的、直链或支链C1-C50烷基或其组合；X可以是卤素，包括F、Cl、Br、I或At。
本文中使用时，术语“杂烯基”是指任何含有1至50个碳原子、包括一个或多个碳-碳双键和一个或多个杂原子的直链或支链烃官能团，杂原子包括但不限于N、O、P、S、Si、Se和B或其任意组合(即C1-C50杂烯基)。在一些实施方式中，本文中的杂烯基可以包含任何含有6至32个碳原子、包括一个或多个碳-碳双键和一个或多个杂原子的直链或支链烃官能团，杂原子包括但不限于N、O、P、S、Si、Se和B或其任意组合(即C6-C32杂烯基)。在其他实施方式中，本文中的杂烯基可以包含任何含有12至26个碳原子、包括一个或多个碳-碳双键和一个或多个杂原子的直链或支链烃官能团，杂原子包括但不限于N、O、P、S、Si、Se和B或其任意组合(即C12-C26杂烯基)。在一些实施方式中，本文中的杂烯基可以具有通式-RZR、-ZRZR或-RZRZR，其中R可以包括但不限于任何相同或不同的、直链或支链C1-C50烷基或C1-C50烯基，条件是至少一个R基团或其组合中存在至少一个碳-碳双键；并且Z可以包含一个或多个杂原子，杂原子包括但不限于N、O、P、S、Si、Se和B或其任意组合。
在一些实施方式中，杂烯基可以包括但不限于烯氧基、烯基胺、烯基硫酯基团、烯基酯基团等。适合在本文中使用的杂烯基的示例可以包括但不限于选自-ROH、-RC(O)OH、-RC(O)OR、-ROR、-RSR、-RCHO、-RX、-RC(O)NH2、-RC(O)NR、-RNH3 +、-RNH2、-RNO2、-RNR、-RNRR、-RB(OH)2或其任意组合；其中R可以包括但不限于任何相同或不同的、直链或支链C1-C50烯基或其组合；并且X可以是卤素，包括F、Cl、Br、I或At。
本文中使用时，术语“杂炔基”是指任何含有1至50个碳原子、包括一个或多个碳-碳三键和一个或多个杂原子的直链或支链烃官能团，杂原子包括但不限于N、O、P、S、Si、Se和B或其任意组合(即C1-C50杂炔基)。在一些实施方式中，本文中的杂炔基可以包含任何含有6至32个碳原子、包括一个或多个碳-碳三键和一个或多个杂原子的直链或支链烃官能团，杂原子包括但不限于N、O、P、S、Si、Se和B或其任意组合(即C6-C32杂炔基)。在其他实施方式中，本文中的杂炔基可以包含任何含有12至26个碳原子、包括一个或多个碳-碳三键和一个或多个杂原子直链或支链烃官能团，杂原子包括但不限于N、O、P、S、Si、Se和B或其任意组合(即C12-C26杂炔基)。在一些实施方式中，本文的杂炔基可以具有通式-RZR、-ZRZR或-RZRZR，其中R可以包括但不限于任何相同或不同的、直链或支链的C1-C50烷基、C1-C50烯基或C1-C50炔基，条件是至少一个R基团或其组合中存在至少一个碳-碳三键；并且Z可以包含一个或多个杂原子，包括但不限于N、O、P、S、Si、Se和B或其任意组合。
在一些实施方式中，杂炔基可以包括但不限于炔氧基、炔基胺、炔基硫酯基团、炔基酯基团等。适合本文中使用的杂炔基的示例可以包括但不限于选自-ROH、-RC(O)OH、-RC(O)OR、-ROR、-RSR、-RCHO、-RX、-RC(O)NH2、-RC(O)NR、-RNH3 +、-RNH2、-RNO2、-RNR、-RNRR、-RB(OH)2或其任意组合的那些；其中R可以包括但不限于任何相同或不同的、直链或支链C1-C50炔基或其组合；并且X可以是卤素，包括F、Cl、Br、I或At。
在一些实施方式中，适合在本文中所描述的自组装单层的化合物可以包括具有通式(1)及其任何互变异构体的感测分子；：
/>
其中Z包括NH或O；其中R1包括(CH2)mCH3且50>m>5；其中X包括CH2、O、NH、N(CH2)nCH3、-C(＝O)O-、-OC(＝O)-、-C(＝O)NH-、-NHC(＝O)-、-C(＝O)N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)C(＝O)-、-S、-S(＝O)-、-S(＝O)2-、-S(＝O)2O-、-OS(＝O)2-、-S(＝O)2NH-、-NHS(＝O)2-、-S(＝O)2N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)S(＝O)2-，且n为0或1至20；其中Y包括(C6H4)p或(CH2)p并且p为0、1或2；其中W包括H、(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，并且q为0、1或2；
其中V包括H、NO、NO2、Cl、Br、I、F、CF3、-CN、NC、C6H5(苯基)、OR、
-C(＝O)R、SR、COOR、OCOOR、-S(＝O)R、-S(＝O)2R、-S(＝O)2OR、-OS(＝O)2R、
-S(＝O)2NHR、-NHS(＝O)2R、-S(＝O)2NRR2、-NR2S(＝O)2R，其中R和R2包含(CH2)kCH3并且k为0、1或2；并且
其中R1X和V可以存在于相对于YZNH2基团的任何环位置处，并且W存在于相对于YZNH2的α位置处，以提供W和YZNH2之间的邻近性。应当理解，当W存在于相对于YZNH2的α位置处时，该定位有效地允许W上的酸性氢与进入的醛氧原子相互作用。W在YZNH2的α位处的构型被配置为有效地允许W上的酸性氢原子与醛分子相互作用，从而催化醛与肼基或羟胺基的反应。在各种实施方式中，自组装单层进一步包含有效地催化肼基或羟胺基与醛或酮之间的反应的酸性化合物。
在其他实施方方式中，肼基或羟胺基上的NH2基团或NH基团(当Z是NH时)的质子化将分别产生NH3 +或NH2 +，来吸引阴离子基团以平衡电中性。此外，V部分可以包括一个或多个控制电子密度并因此影响YZNH2基团的活性的给电子或吸电子基团。在各种实施方式中，本文中的化合物可以包括用于与石墨烯的自组装的一个或多个R1X基团。在各种实施方式中，该式包含有效诱导化合物的自组装的多于一个R1X部分。
在一些实施方式中，适合在本文中所描述的自组装单层的化合物可以包括具有通式(2)的感测分子：
其中Z包括NH或O；其中R1包括(CH2)mCH3且50>m>5；并且其中X包括CH2、O、NH、N(CH2)nCH3、-C(＝O)O-、-OC(＝O)-、-C(＝O)NH-、-NHC(＝O)-、-C(＝O)N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)C(＝O)-、-S、-S(＝O)-、-S(＝O)2-、-S(＝O)2O-、-OS(＝O)2-、-S(＝O)2NH-、-NHS(＝O)2-、-S(＝O)2N((CH2)nCH3)-、-((CH2)nCH3)S(＝O)2-，且n为0或1至20。
在各种实施方式中，本文中所描述的自组装单层包括具有式(3)的感测分子4-十六烷基苯肼：
在一些实施方式中，适合在本文中所描述的自组装单层的化合物可以包括具有通式(4)及其任何互变异构体的感测分子：
其中R1包括(CH2)mCH3且50>m>5；并且其中X包括CH2、O、NH、N(CH2)nCH3、-C(＝O)O-、-OC(＝O)-、-C(＝O)NH-、-NHC(＝O)-、-C(＝O)N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)C(＝O)-、-S、-S(＝O)-、-S(＝O)2-、-S(＝O)2O-、-OS(＝O)2-、-S(＝O)2NH-、-NHS(＝O)2-、-S(＝O)2N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)S(＝O)2-且n为0或1至20；其中W包括H、(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，并且q为0、1或2；
其中V包括H、NO、NO2、Cl、Br、I、F、CF3、-CN、-NC、C6H5(苯基)、OR、-C(＝O)R、SR、COOR、OCOOR、-S(＝O)R、-S(＝O)2R、-S(＝O)2OR、-OS(＝O)2R、-S(＝O)2NHR、-NHS(＝O)2R、-S(＝O)2NRR2、-NR2S(＝O)2R，并且其中R和R2包括(CH2)kCH3，并且k为0、1或2；并且
其中R1X和V可以存在于相对于NNH2基团的任何环位置处，并且W存在于相对于NNH2基团的α位置处。应当理解，当W存在于相对于NNH2基团的α位置处时，定位有效地允许W上的酸性氢与引入的醛氧原子相互作用。W在YZNH2的α位处的构型被配置为有效地允许W上的酸性氢原子与醛分子相互作用，从而催化醛与肼基或羟胺基的反应。在各种实施方式中，自组装单层进一步包含有效地催化肼基或羟胺基与醛或酮之间的反应的酸性化合物。此外，V部分可以包括一个或多个控制电子密度并因此影响NNH2基团的活性的给电子或吸电子基团。在各种实施方式中，本文中的化合物可以包括用于与石墨烯的自组装的一个或多个R1X基团。在各种实施方式中，该式包含有效诱导化合物的自组装的多于一个R1X部分。
在一些实施方式中，适合在本文中所描述的自组装单层的化合物可以包括具有通式(5)的感测分子：
及其任何互变异构体；其中Z包括NH或O；其中Y包括(CH2)p并且p为0至20；并且其中Ar包含具有16个或更多个芳族碳的芳族取代基。芳族取代基可以包括但不限于并四苯、苯并蒽、并五苯、二苯并蒽、三亚苯、芘、苯并芘、苉、苝、苯并苝、戊芬、并五苯、蒽嵌蒽、晕苯、卵苯、或其衍生物。芳族取代基进一步包含取代基，包括(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，其中q是0、1或2，位于YZNH2基团的α位置处，以有效地允许取代基上的酸性氢原子与醛分子相互作用。在各种实施方式中，Ar包含具有16个或更多个芳族碳的芳族取代基，其具有一个或多个取代基，其中该一个或多个取代基可以包括H、OH、卤素、NO2、COOH、SO3H、PO3H、NH2、CN、O-NH2、S-NH2、N-NH2、OR、-C(＝O)R、SR、COOR、OCOOR、-S(＝O)R、-S(＝O)2R、-S(＝O)2OR、-OS(＝O)2R、-S(＝O)2NHR、-NHS(＝O)2R、-S(＝O)2NRR2、-NR2S(＝O)2R，其中R和R2是烷基、烯基、炔基、杂烷基、杂烯基、杂炔基、卤代烷基、卤代杂烷基、卤代烯基、卤代杂烯基、卤代炔基或卤代杂炔基，如本文中其他地方所述。
在一些实施方式中，适合在本文中所描述的自组装单层的化合物可以包括具有通式(6)的感测分子：
及其任何互变异构体，其中Ar包含具有16个或更多个芳族碳的芳族取代基。芳族取代基可以包括但不限于并四苯、苯并蒽、并五苯、二苯并蒽、三亚苯、芘、苯并芘、苉、苝、苯并苝、戊芬、并五苯、蒽嵌蒽、晕苯、卵苯、或其衍生物。芳族取代基进一步包含取代基，包括(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，其中q是0、1或2，位于NNH2基团的α位置，以有效地允许取代基上的酸性氢原子与醛分子相互作用。在各种实施方式中，Ar包含具有16个或更多个芳族碳的芳族取代基，具有一个或多个取代基，其中该一个或多个取代基可包括H、OH、卤素、NO2、COOH、SO3H、PO3H、NH2、CN、O-NH2、S-NH2、N-NH2、OR、-C(＝O)R、SR、COOR、OCOOR、-S(＝O)R、-S(＝O)2R、-S(＝O)2OR、-OS(＝O)2R、-S(＝O)2NHR、-NHS(＝O)2R、-S(＝O)2NRR2、-NR2S(＝O)2R，其中R和R2是烷基、烯基、炔基、杂烷基、杂烯基、杂炔基、卤代烷基、卤代杂烷基、卤代烯基、卤代杂烯基、卤代炔基或卤代杂炔基，如本文中其他地方所述。
本文的实施方式具体地包括适用于本文中所描述的自组装单层的任何化合物。也就是说，本文中的实施方式包括化合物本身，即使不是石墨烯层上的自组装单层的一部分。因此，在各种实施方式中，包括用于修饰石墨烯层的化合物，其中化合物包括适合用于在石墨烯表面上形成自组装单层的本文中所描述的任何化合物。在一个实施方式中，包括用于修饰石墨烯层的化合物，化合物包含如上所述的式1、2、3、4、5或6中的任一个。
接触角测角法
接触角测角法可用于确定液体对固体表面的润湿性。润湿性或润湿可以由液体和固体表面之间接触区域处的分子间力产生。润湿的程度可以用液体与固体表面的接触面积与液-汽界面的切线之间形成的接触角Φ的值来描述。当固体的表面是亲水的并且使用水作为测试液体时(即高度润湿性)，Φ的值可以落在0至90度的范围内。当固体的表面是中等亲水至疏水的(即中等程度的润湿性)时，对于作为测试液体的水来说，Φ的值可以落在85至105度的范围内。当固体表面是高度疏水的(即低程度的润湿性)时，以水为试验液体的Φ的值可以落在90至180度的范围内。因此，接触角的变化可以反映基材的表面化学的变化。
石墨烯表面和对石墨烯表面的修饰可以使用接触角测角法来表征。接触角测角法可以提供有关石墨烯表面修饰程度的定量信息。接触角测量对样本表面上存在的官能团高度敏感，并且可用于确定自组装单层的形成和表面覆盖程度。与已经浸入含有富含π电子的分子的自组装溶液中的石墨烯表面相比，裸石墨烯表面的接触角发生变化可以用于确认石墨烯表面上自组装单层的形成。
适合在确定接触角测量中使用的溶剂的类型(也称为润湿溶液)是使溶液在裸石墨烯上的接触角与修饰石墨烯上的接触角之间的差异最大化的那些溶剂类型，从而提高测量结合等温线的数据准确性。在一些实施方式中，润湿溶液可以包括但不限于去离子(DI)水、NaOH水溶液、硼酸盐缓冲剂(pH 9.0)、其他pH缓冲剂、三氟乙醇(CF3CH2OH)等等。在一些实施方式中，润湿溶液是极性的。在一些实施方式中，润湿溶液是非极性的。
朗缪尔吸附理论
不希望受任何特定理论的束缚，据信根据朗缪尔吸附理论，石墨烯的单层修饰可以通过根据以下公式改变自组装溶液的主体中的吸附物的浓度来控制：
其中θ是表面覆盖分数，C是自组装溶液的主体中吸附物的浓度，并且K是吸附物吸附到石墨烯的平衡常数。实验上，表面覆盖可以通过根据下式的裸石墨烯和经修饰的石墨烯之间的接触角的变化来表示：
其中Φ(i)是经修饰的石墨烯的接触角与自组装溶液中浓度的函数，Φ(裸)是裸石墨烯的接触角，并且Φ(sat.)是用完整单层受体分子修饰的石墨烯的接触角(即100％表面覆盖或θ＝1.0)。将从等式(2)代入等式(1)并求解Φ(i)，给出等式(3)
因此，实验观察到的Φ(i)值可以使用两个拟合参数K和Φ(sat.)拟合为自组装溶液中受体浓度的函数。一旦确定了这两个参数，就可以使用K从等式(1)预测在不同自组装浓度下的相对表面覆盖。
数据可以与朗缪尔吸附模型拟合，以确定表面吸附的平衡常数以及在石墨烯上形成具有90％或更大表面覆盖(即，θ>0.9)的致密单分子层所需的自组装溶液的浓度。在一些实施方式中，期望的是至少90％或更大的表面覆盖。在一些实施方式中，期望的是至少95％或更大的表面覆盖。在一些实施方式中，期望的是至少98％或更大的表面覆盖。
X射线光电子能谱
X射线光电子能谱(XPS)是一种能够定量测量材料表面的元素组成的高灵敏度的光谱技术。XPS过程涉及在真空下用X射线照射表面，同时测量材料顶部0至10nm内的动能和电子释放。不希望受任何特定理论的束缚，据信XPS可以用于确认在石墨烯表面上形成的自组装单层的存在。
组成单层、石墨烯和底层基材的原子类型的表面浓度(由XPS确定)取决于单层的朗缪尔θ值，或者换句话说，石墨烯上单层分子的表面密度。例如，石墨烯涂覆的铜基材上任何给定的4-烷基苯肼单层的碳、氧和铜的表面浓度(即，C％、O％和Cu％，由XPS测定)取决于自组装溶液中此4-十六烷基苯肼的浓度。由于实验误差，对于表面吸附，当单独拟合C％、O％或Cu％数据时，会得出略有不同的平衡常数K值。然而，由于C％、O％或Cu％数据表征相同的平衡，因此只有一个真实值K。因此，XPS数据不仅可以单独拟合C％、O％和Cu％数据，还可以作为一组组合数据。对组成单层、石墨烯和底层基材的若干原子类型的组合数据进行拟合，更准确地估计真实值K。为此，可以使用以下等式，其中每个数据点由包含(i)指数、(ii)自组装溶液的浓度和(iii)由XPS测定的碳、氧或铜浓度的一向量组成。
指数1用于C％数据，2用于O％数据，3用于Cu％数据。对于输入0，克罗内克δ(Kronecker delta)的输出为1，对于任何其他输入，其输出为0。该拟合程序一步即可提供碳、氧和铜的最大表面浓度(即分别为C％(sat.)、O％(sat.)和Cu％(sat.))以及对于所有三个吸附等温线的一个单一的K值。
在上面的例子中，K值由3条吸附等温线拟合，即3种原子的表面浓度。还可以对1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多种不同类型的原子的吸附等温线进行相同类型的拟合。
由XPS数据的拟合确定的平衡常数K可以用在朗缪尔吸附模型中，来确定用石墨烯上形成单层的各种分子(例如含有肼或羟胺官能团的化合物)及其互变异构体和衍生物修饰的石墨烯表面的θ值。
方法
本文中的实施方式包括用于修饰石墨烯表面的方法。在一个实施方式中，该方法可以包括修饰石墨烯的表面以产生石墨烯变容二极管，包括通过在自组装单层的多个烃的氢原子上的部分正电荷与石墨烯的π电子系统石之间的静电相互作用形成设置在石墨烯层的外表面上的自组装单层。自组装单层可包括一种或多种化合物，化合物包括肼基或羟胺基、取代的肼基或羟胺基、或其衍生物。在一些实施方式中，该方法可以包括使用接触角测角法、拉曼光谱法或x射线光电子能谱法来量化自组装单层的表面覆盖程度。在各种实施方式中，该方法可以包括选择表现出至少0.9的朗缪尔θ值的经衍生的石墨烯层。在其他实施方式中，该方法可以包括选择表现出至少0.98的朗缪尔θ值的经衍生的石墨烯层。
在各种实施方式中，本文中的方法可以包括通过从患者收集气体样本并使气体样本与一个或多个石墨烯变容二极管接触，来检测分析物。一个或多个石墨烯变容二极管包含石墨烯层和自组装单层，该自组装单层通过自组装单层的多个烃的氢原子上的部分正电荷与石墨烯的π电子系统之间的静电相互作用设置在石墨烯层的外表面上。自组装单层可以包括选自包含肼基或羟胺基、取代的肼基或羟胺基、或其衍生物的化合物中的至少一种。该方法可以进一步包括测量由于气态样本中存在的一种或多种分析物的结合而导致的一个或多个石墨烯变容二极管在电性质方面的差异响应，其中电性质选自包括电容或电阻的组。在各种实施方式中，自组装单层提供至少0.98的朗缪尔θ值。在其他实施方式中，自组装单层提供至少0.9的朗缪尔θ值。
参考以下示例可以更好地理解各方面。这些示例旨在代表特定实施方式，但不旨在限制本文中的实施方式的总体范围。
实施例
实施例1：材料
苯胺、O-苯基羟胺盐酸盐、苯肼、苯甲醛、四氢呋喃-d8(四氢呋喃-d8)和三氟乙酸(TFA)购自Sigma Aldrich。去离子水(DI水，比电阻0.18MΩm)通过用Milli-Q PLUS试剂级水系统(Millipore，Billerica，MA)纯化获得。环己烷(15毫摩尔(mM)，除非另有说明)用作内标。所有自组装化合物均通过光谱以1.1摩尔当量从15-25mM来进行评估。
实施例2：试剂的制备
O-苯基羟胺盐酸盐在使用1H NMR研究前被中和。向O-苯基羟胺盐酸盐在水中的悬浮液，滴加1M碳酸氢钠水溶液直至不再形成气泡。然后用二氯甲烷萃取水溶液3次。将有机层用硫酸镁干燥，并在氮气流下蒸发溶剂，留下O-苯基羟胺的棕色油状物。1H NMR证实了所期望的产物的特征(身份)。所有其他试剂均按购买时使用。
实施例3：1H NMR谱图方法
制备四氢呋喃-d8溶剂储备溶液，含有H2O(5％v/v)和TFA(5mol％)(相对于所用探针的浓度)和15mM环己烷作为内标。用THF-d8储备溶液制备苯胺(30mM)、苯肼(40mM)和O-苯基羟胺(116mM)探针溶液和苯甲醛(30mM)溶液。在就要测量NMR谱之前，用注射器将300μL探针溶液和300μL苯甲醛溶液添加到NMR管中，然后将其颠倒两次以混合。在不同的时间间隔记录1H NMR谱。过将300μL每种溶液与300μL溶剂储备溶液混合来制备苯甲醛、苯肼、O-苯基羟胺和苯胺的参考光谱。全部1H NMR实验均在Bruker Advance III(500MHz)上进行。
实施例4：由1H NMR报告的苯胺的缩合的对比例
苯胺和苯甲醛的缩合反应形成亚胺产物，如以下反应方案所示：
制备苯胺/苯甲醛(1.1:1摩尔当量)的反应混合物，并且每五分钟记录一次1H NMR(500MHz)谱，总共40分钟。在2小时(图10)和24小时(图11)时获得苯胺/苯甲醛(1.1:1摩尔当量)反应(THF-d8,5％v/v H2O,5mol％THF)的1H NMR谱1100。2小时后，1H NMR谱1000表明，苯胺和苯甲醛在特定条件下的反应有利于反应物苯胺和苯甲醛，如对应于苯胺1002、苯甲醛1004的1H NMR峰所证实。还存在少量的亚胺产物1006，如图10所示。24小时后，1H NMR谱1000表明，苯胺和苯甲醛在特定条件下的反应继续有利于反应物苯胺和苯甲醛。如图11所示，对应于苯胺1102、苯甲醛1104和亚胺产物1106的1H NMR谱表明与2小时后的反应相比几乎没有变化或没有变化。图10和图11中呈现的数据表明，基于苯胺的化合物虽然适合在一些分析装置中用于测量醛，但与本文分析的其他肼和羟胺化合物相比，基于苯胺的化合物表现出在整个24小时上与苯甲醛的反应不完全且缓慢。
实施例5：由1H NMR谱报告的O-苯基羟胺的缩合
O-苯基羟胺和苯甲醛的缩合反应形成肟产物，如下所示：
制备58mM的O-苯基羟胺和26mM苯甲醛的反应混合物，并且每五分钟记录一次1HNMR谱，总共40分钟。如图12中所示，在具有15mM环己烷内标、5mol％TFA和5％v/v H2O的THF-d8中，获得O-苯基羟胺/苯甲醛(2:1摩尔当量)反应的芳香区(500Mhz)的一系列1H NMR谱1200。
如图12所示，当反应物O-苯基羟胺与苯甲醛的比例为2:1(摩尔当量)时，在10.2ppm处苯甲醛的HCO峰1202在整个40分钟跨度上显示出下降。同时，当反应物O-苯基羟胺与苯甲醛的比例为2:1(摩尔当量)时，在8.5ppm处肟的HCN峰1204在整个40分钟跨度上显示出增加。从3分钟(底部)到38分钟(顶部)苯甲醛的下降表明反应物转化为肟产物。从3分钟(底部)到38分钟(顶部)肟产物的增加进一步表明反应物转化为肟产物。结果显示肟产物峰中的峰重叠和分裂模式，这表明反应产生了E异构体和Z异构体的混合物。24小时后，O-苯基羟胺和苯甲醛反应物保留在系统中，表明尚未达到平衡。
图13中示出了具有标记的各种肟产物峰的1H NMR谱1300。在20分钟时获得O-苯基羟胺/苯甲醛(1:1.1摩尔当量)反应(THF-d8，5％v/v H2O，5mol％THF)的1H NMR谱(500Mhz)。峰标记对应于标记的肟产物结构(嵌入图1302)，其中相应的氢原子被标记为H、Ha、Hb、Hc、Hd、He、Hf、Hg和Hh。标记为B和P的额外的峰分别对应于未反应的苯甲醛和O-苯基羟胺。
实施例6：由1H NMR谱报告的苯肼的缩合
苯肼和苯甲醛的缩合反应形成腙产物，如下所示：
制备23mM苯肼和17mM苯甲醛的反应混合物，并且每五分钟记录一次1H NMR，总共35分钟。图14中示出了在具有15mM环己烷内标、5mol％TFA和5vol％H2O的THF-d8中一系列苯肼/苯甲醛(1.4:1摩尔当量)反应的1H NMR谱图1400(500MHz)。
如图14所示，当使用1.4:1比例(摩尔当量)的反应物苯肼与苯甲醛时，在10.2ppm处苯甲醛的HCO峰1402在整个35分钟的跨度上下降。同时，当使用1.4:1比例(摩尔当量)的反应物苯肼与苯甲醛时，在对应于腙产物的9.8ppm处的HCN峰1404随着时间的推移而增加，显示出在35分钟的跨度上增加。1H NMR数据表明，该反应中1.4:1的苯肼与苯甲醛的摩尔比有利于腙产物的形成。从3分钟(底部)下降到33分钟(顶部)的苯甲醛的下降表明反应物转化为腙产物。在腙反应产物中观察到E异构体和Z异构体的混合物。
图15中示出了具有标记的各种腙产物峰的1H NMR谱1500。在20分钟时获得图14的苯肼/苯甲醛(1:4.1摩尔当量)反应(THF-d8，5％v/v H2O，5mol％THF)的1H NMR谱(500Mhz)。峰标记的Ha、Hb、Hc、Hd、He、Hf、Hg和Hh对应于腙产物结构(嵌入图1502)。
实施例7：初始速率常数的确定
为了确定O-苯基羟胺和苯肼与苯甲醛的反应动力学，通过1H NMR监测每个反应。绘制每个峰的积分随时间的图。使用二级反应动力学，开发了一个模型，同时拟合探针和醛二者的时间和浓度数据，以确定反应的初始速率常数(ko)。
现在参考图16和17，苯甲醛(图16)和苯肼(图17)的反应物浓度相对于时间的代表性图。图17的线1602和图17的线1702表示给出每个反应的初始速率常数(ko)的模型拟合。该模型是使用数学软件开发的，用于将时间与每个物种的浓度联系起来，ko作为变量。等式中的常数值是使用反应物种的初始浓度确定的，并将数据拟合到这些值以确定对于每个感兴趣的探针的平均值ko(表格1)。
表格1.由O-苯基羟胺或苯肼与苯甲醛的的1H NMR数据确定的相对标准差，以及初始速率常数ko。
结果表明，苯肼与苯甲醛的反应比O-苯基羟胺与苯甲醛的反应快，进一步表明在苯肼与苯甲醛的反应中，平衡有利于腙产物的形成。
实施例8：4-十六烷基苯肼的合成
感测探针4-十六烷基苯肼的合成按照以下反应方案进行：
合成如下进行：向浓盐酸(3mL)和乙酸(9mL)的冷却圆底烧瓶中添加4-十六烷基苯胺(1mmol，0.32g)。将悬浮液在0℃下剧烈搅拌30分钟，然后滴加NaNO2水溶液(1.8mmol，0.12g，去离子水，1mL)，历时5分钟。在0℃搅拌额外的15分钟后，将反应混合物滴加到氯化锡(II)二水合物(SnCl2·H2O,3mmol,0.7g)溶于5mL浓盐酸中的室温搅拌的溶液，形成白色沉淀。搅拌1小时后，通过真空过滤收集白色沉淀并用去离子水冲洗。然后将收集的产物悬浮在2M NaOH(10mL)中，再次过滤并用去离子水冲洗，得到浅橙色粗产物，将其在真空下干燥。
实施例9：4-十六烷基苯肼的纯化
将浅橙色粗制的4-十六烷基苯肼溶解在四氢呋喃(THF)中并冷却至0℃，同时滴加浓HCl以导致白色盐酸盐沉淀。过滤白色盐酸盐，用THF冲洗以除去任何残留的副产物，并用5％NaOH溶液冲洗3次来进行中和。将所得白色固体真空干燥，并根据需要重复沉淀步骤，以获得具有以下特征的分析纯的产物：11H NMR(500MHz，THF-d8,δ)分布：9.46(s,1H),6.93(d,2H,J＝6.94Hz),6.72(d,2H,J＝6.71Hz),5.82(s,2H),1.32(s,30H),0.92(t,3H,J＝0.92Hz)。ESI-MS 333.4m/z。
实施例10：用4-十六烷基苯肼进行石墨烯修饰
使用接触角测角仪(Erma，东京，日本)对用4-十六烷基苯肼修饰的石墨烯进行接触角测量。将一滴4微升(μl)、8μl或12μl的合适的溶剂(如本文中其他地方所描述)置于石墨烯表面上，并从两个点处的6个前进的接触角读数获得平均接触角。图18中示出了作为4-十六烷基苯肼吸附到石墨烯的相对表面覆盖的函数的浓度的对数。对于用4-十六烷基苯肼修饰的石墨烯，通过接触角测角法测定的相对表面覆盖(θ)为θ(sat)＝76.6°±0.2°(K＝8548±500M-1；Log(K)＝3.93Log(M-1))。
应当注意的是，如本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”以及不使用数量词的情形包括复数指示物，除非内容另外明确指出。因此，例如，提及含有“一种化合物”或“化合物”的组合物包括两种或更多种化合物的混合物。还应当注意的是，术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非内容明确地另有说明。
还应当注意的是，如本说明书和所附权利要求中所使用的，短语“配置”描述了被构造或配置为执行特定任务或采用特定配置的系统、装置或其他结构。短语“配置”可以与其他类似短语互换使用，例如布置和配置、构造和排布、构造、制造和排布等。
本说明书中的所有出版物和专利申请表明了本发明所属领域的普通技术人员的水平。所有出版物和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同每个单独的出版物或专利申请通过引用具体且单独地指出一样。
如本文所用，通过端点列举的数值范围应包括包含在该范围内的所有数值(例如，2至8包括2.1、2.8、5.3、7等)。
本文使用的标题是为了与37CFR 1.77下的建议保持一致，或者以其他方式提供组织线索。这些标题不应被视为限制或表征本公开内容可能提出的任何权利要求中阐述的发明。例如，尽管标题涉及“技术领域”，但此类权利要求不应受到在该标题下选择的用于描述所谓的技术领域的语言的限制。此外，“背景技术”中的技术描述并不承认该技术是本公开中的任何发明的现有技术。“发明内容”也不应被视为对已发布的权利要求中阐述的发明的表征。
本文描述的实施方式并不旨在是穷举的或将本发明限制于下面实施方式中公开的精确形式。而是，选择和描述实施方式使得本领域的其他技术人员能够领会和理解原理和实践。就其本身而言，已经参考各种具体和优选的实施方式和技术来描述了各方面。然而，应当理解，可以做出许多变化和修改，同时保持在本文的精神和范围内。
Claims (15)
1.一种医疗装置，包括：
石墨烯变容二极管，其包括：
石墨烯层；和
自组装单层，其通过自组装单层的一种或多种烃的氢原子上的部分正电荷与石墨烯的π电子系之间的静电相互作用而设置在所述石墨烯层的外表面上；且
其中所述自组装单层包含一种或多种化合物，所述化合物包含一个或多个肼基或羟胺基、取代的肼或羟胺基、或其衍生物。
2.根据权利要求1和3-14中任一项所述的医疗装置，其中所述自组装单层进一步包含有效地催化所述肼基或羟胺基与醛或酮之间的反应的酸性化合物。
3.根据权利要求1-2和4-14中任一项所述的医疗装置，所述自组装单层包含下式的化合物及其任何互变异构体：
其中Z包含NH或O，
其中R1包含(CH2)mCH3，其中50>m>5，
其中X包含CH2、O、NH、N(CH2)nCH3、-C(＝O)O-、-OC(＝O)-、
-C(＝O)NH-、-NHC(＝O)-、-C(＝O)N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)C(＝O)-、
-S、-S(＝O)-、-S(＝O)2-、-S(＝O)2O-、-OS(＝O)2-、-S(＝O)2NH-、-NHS(＝O)2-、
-S(＝O)2N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)S(＝O)2-，其中n为0或1至20，其中Y包含(C6H4)p或(CH2)p，其中p是0、1或2，
其中W包含H、(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，其中q是0、1或2，
其中V包括H、NO、NO2、Cl、Br、I、F、CF3、-CN、-NC、C6H5(苯基)、OR、-C(＝O)R、SR、COOR、OCOOR、-S(＝O)R、-S(＝O)2R、
-S(＝O)2OR、-OS(＝O)2R、-S(＝O)2NHR、-NHS(＝O)2R、-S(＝O)2NRR2、
-NR2S(＝O)2R，其中R和R2包含(CH2)kCH3并且k为0、1或2，
其中R1X和V可以存在于相对于YZNH2基团的任何环位置处，
并且W存在于相对于YZNH2的α位置处，以提供W和YZNH2之间的邻近性。
4.根据权利要求1-3和5-14中任一项所述的医疗装置，其中W存在于有效地允许W上的酸性氢原子与醛分子相互作用的α位置处，以催化醛与肼基或羟胺基的反应。
5.根据权利要求1-4和6-14中任一项所述的医疗装置，其中所述式包含有效诱导所述化合物的自组装的多于一个R1X部分。
6.根据权利要求1-5和7-14中任一项所述的医疗装置，其中所述式包含有效地向所述化合物提供电子密度的多于一个V部分。
7.根据权利要求1-6和8-14中任一项所述的医疗装置，所述自组装单层包含下式的化合物及其任何互变异构体：
其中R1包含(CH2)mCH3，其中50>m>5，
其中X包含CH2、O、NH、N(CH2)nCH3、-C(＝O)O-、-OC(＝O)-、-C(＝O)NH-、-NHC(＝O)-、-C(＝O)N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)C(＝O)-、-S、–S(＝O)-、-S(＝O)2-、-S(＝O)2O-、-OS(＝O)2-、-S(＝O)2NH-、-NHS(＝O)2-、-S(＝O)2N((CH2)nCH3)-、-N((CH2)nCH3)S(＝O)2-，其中n为0或1至20，
其中W包含H、(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，其中q是0、1或2，
其中V包括H、NO、NO2、Cl、Br、I、F、CF3、-CN、-NC、C6H5(苯基)、OR、-C(＝O)R、SR、COOR、OCOOR、-S(＝O)R、-S(＝O)2R、-S(＝O)2OR、-OS(＝O)2R、-S(＝O)2NHR、-NHS(＝O)2R、-S(＝O)2NRR2、-NR2S(＝O)2R，其中R和R2包含(CH2)kCH3并且k为0、1或2，
其中R1X和V可以存在于相对于NNH2基团的任何环位置处，并且W存在于相对于NNH2基团的α位置处。
8.根据权利要求1-7和9-14中任一项所述的医疗装置，其中W存在于有效地允许W上的酸性氢原子与醛分子相互作用的α位置处，以催化醛与肼基或羟胺基的反应。
9.根据权利要求1-8和10-14中任一项所述的医疗装置，所述自组装单层包含下式的化合物及其任何互变异构体：
其中Z包含NH或O，
其中Y包含(CH2)p，其中p为0至20，
其中Ar包含具有16个或更多个芳族碳的芳族取代基。
10.根据权利要求1-9和11-14中任一项所述的医疗装置，其中所述芳族取代基包括并四苯、苯并蒽、(chrysene)、并五苯、二苯并蒽、三亚苯、芘、苯并芘、苉、苝、苯并苝、戊芬、并五苯、蒽嵌蒽、晕苯、卵苯、或其衍生物。
11.根据权利要求1-10和12-14中任一项所述的医疗装置，其中所述芳族取代基进一步包含一个或多个取代基，该取代基包括(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或者(CH2)qPO2OH，位于YZNH2基团的α位置处以有效地允许该取代基上的酸性氢原子与醛分子相互作用从而催化所述醛与所述肼或羟胺基团的反应。
12.根据权利要求1-11和13-14中任一项所述的医疗装置，所述自组装单层包含下式的化合物及其任何互变异构体：
其中Ar包含具有16个或更多个芳族碳的芳族取代基。
13.根据权利要求1-12和14中任一项所述的医疗装置，其中所述芳族取代基包括并四苯、苯并蒽、并五苯、二苯并蒽、三亚苯、芘、苯并芘、苉、苝、苯并苝、戊芬、并五苯、蒽嵌蒽、晕苯、卵苯、或其衍生物。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的医疗装置，其中所述芳族取代基进一步包含一个或多个取代基，该取代基包括(CH2)qOH、(CH2)qCOOH、(CH2)qSO2OH或(CH2)qPO2OH，位于NNH2基团的α位置处有效地允许该取代基上的酸性氢原子与醛分子相互作用。
15.一种修饰石墨烯表面以产生石墨烯变容二极管的方法，所述方法包括：
形成设置在石墨烯层的外表面上的自组装单层，这通过该自组装单层的多个烃的氢原子上的部分正电荷与石墨烯的π电子系之间的静电相互作用而实现；
所述自组装单层包含一种或多种化合物，所述化合物包含肼基或羟胺基、取代的肼基或羟胺基或其衍生物。
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Cited By (1)
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2022
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