DE102018203848A1 - Ligand, SAMFET, method of making same and sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Liganden (V) für einen SAMFET (10). Der Ligand (V) weist die Struktur R-S-K-S-A auf. Dabei ist R eine Rezeptorgruppe für einen Analyten, Sund Ssind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alkylengruppen, perfluorierten Alkylengruppen und aliphatischen Ethergruppen, K ist eine aromatische oder hetereoaromatische Gruppe und A ist eine Ankergruppe für ein Dielektrikum (12). Der SAMFET (10) wird hergestellt, indem ein Transistorsubstrat (30) bereitgestellt wird. Dieses weist eine Gateelektrode (11), ein auf der Gateelektrode (11) angeordnetes Dielektrikum (12), eine auf dem Dielektrikum (12) angeordnete Sourceelektrode (13) und eine auf dem Dielektrikum (12) angeordnete Drainelektrode (14) auf. Zumindest das Dielektrikum (12) wird mit einer Lösung des Liganden (V) benetzt. Dann erfolgt ein Wärmebehandeln des Transistorsubstrats (30). Der so erhaltene SAMFET (10) weist eine zwischen der Sourceelektrode (13) und der Drainelektrode (14) auf dem Dielektrikum (12) angeordnete selbstorganisierte monomolekulare organische Schicht (15) mit Rezeptorgruppen (R) für den Analyten auf. Der SAMFET kann als Teil eines Sensors zum Detektieren des Analyten verwendet werden.The invention relates to a ligand (V) for a SAMFET (10). The ligand (V) has the structure R-S-K-S-A. Where R is a receptor group for an analyte, Sund S are independently selected from the group consisting of alkylene groups, perfluorinated alkylene groups, and aliphatic ether groups, K is an aromatic or heteroaromatic group, and A is an anchor group for a dielectric (12). The SAMFET (10) is made by providing a transistor substrate (30). This has a gate electrode (11), a dielectric (12) arranged on the gate electrode (11), a source electrode (13) arranged on the dielectric (12) and a drain electrode (14) arranged on the dielectric (12). At least the dielectric (12) is wetted with a solution of the ligand (V). Then, heat treatment of the transistor substrate (30) is performed. The SAMFET (10) thus obtained has a self-assembled monomolecular organic layer (15) with receptor groups (R) for the analyte, arranged between the source electrode (13) and the drain electrode (14) on the dielectric (12). The SAMFET may be used as part of a sensor for detecting the analyte.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Liganden für einen SAMFET. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen SAMFET und ein Verfahren zur Herstellung des SAMFETs. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Sensor, der den SAMFET umfasst.The present invention relates to a ligand for a SAMFET. Furthermore, the present invention relates to a SAMFET and a method for manufacturing the SAMFET. Finally, the present invention relates to a sensor comprising the SAMFET.
Stand der TechnikState of the art
Gassensoren liefern ein elektrisches Spannungssignal, dass sich in Abhängigkeit von der Anwesenheit des Analyten ändert. Ein Gassensor kann beispielsweise auf einem Transistor basieren. In dem Transistor fließt Strom von einer Sourceelektrode zu einer Drainelektrode, sobald an seine Gateelektrode eine elektrische Spannung angelegt wird. Wechselwirkt die aktive Schicht eines Halbleiters zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode mit einem Analyten, so werden die Kennlinien des Transistors verändert. Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Ligand für einen SAMFET weist die folgende Struktur auf:
Dabei bezeichnet R eine Rezeptorgruppe für einen Analyten, der mittels eines Sensors detektierbar ist, in dem der SAMFET verbaut ist. Die Rezeptorgruppe kann abhängig vom zu detektierenden Analyten ausgewählt werden. Geeignete Rezeptorgruppen für Bestandteile von Gasen sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Amingruppen (NH2), Hydroxygruppen (OH), Carboxygruppen (COOH), Thiolgruppen (SH), C2 bis C10 Alkenylgruppen und aromatischen C6 bis C18 Gruppen. Unter den C2 bis C10 Alkenylgruppen ist eine Vinylgruppe besonders bevorzugt.In this case, R denotes a receptor group for an analyte, which can be detected by means of a sensor in which the SAMFET is installed. The receptor group can be selected depending on the analyte to be detected. Suitable receptor groups for constituents of gases are in particular selected from the group consisting of amine groups (NH 2 ), hydroxy groups (OH), carboxy groups (COOH), thiol groups (SH), C 2 to C 10 alkenyl groups and aromatic C 6 to C 18 groups , Among the C 2 to C 10 alkenyl groups, a vinyl group is particularly preferred.
S1 und S2 sind flexible Spacer, welche es Molekülen des Liganden ermöglichen, sich in einer monomolekularen Schicht selbst zu organisieren. Sie sind unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Alkylengruppen, perfluorierten Alkylengruppen und aliphatischen Ethergruppen. Diese Gruppen können verzweigt oder unverzweigt sein, wobei unverzweigte Gruppen bevorzugt sind. Bei den Alkylengruppen handelt es sich vorzugsweise um C2 bis C20 Alkylengruppen und bei den perfluorierten Alkylengruppen handelt es sich vorzugsweise um perfluorierte C2 bis C20 Alkylengruppen. Unter Ethergruppen werden Gruppen mit einem oder mit mehreren Sauerstoffatomen verstanden. Bevorzugt handelt es sich um aliphatische C2 bis C20 Ethergruppen.S 1 and S 2 are flexible spacers which allow molecules of the ligand to self-assemble in a monomolecular layer. They are independently selected from the group consisting of alkylene groups, perfluorinated alkylene groups and aliphatic ether groups. These groups may be branched or unbranched, with unbranched groups being preferred. The alkylene groups are preferably C 2 to C 20 alkylene groups and the perfluorinated alkylene groups are preferably perfluorinated C 2 to C 20 alkylene groups. By ether groups are meant groups having one or more oxygen atoms. Preference is given to aliphatic C 2 to C 20 ether groups.
K ist eine aromatische oder hetereoaromatische Gruppe. Diese bildet einen halbleitenden Kern des Liganden, der im Betrieb des SAMFET durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen „dotiert“ werden kann. Dieser Kern ist vorzugweise ausgewählt aus Gruppen basierend auf Perylenbisimid, Naphthalenbisimid, Pentacen, Thiophen und Oligothiophenen sowie deren Derivaten gemäß den folgenden Strukturformeln:
Dabei bezeichnet X jeweils Wasserstoff, eine Cyanogruppe (CN) oder eine C1 bis C10 Alkylgruppe. In unterschiedlichen Einheiten, beziehungsweise in unterschiedlichen aromatischen oder hetereoaromatischen Ringen, kann X jeweils gleich oder unterschiedlich sein, n kann Werte von 0 bis 4 annehmen, p kann Werte von 0 bis 2 annehmen und q kann Werte von 0 bis 3 annehmen.In this case, X in each case denotes hydrogen, a cyano group (CN) or a C 1 to C 10 alkyl group. In different units, or in different aromatic or heteroaromatic rings, X may each be identical or different, n may assume values of 0 to 4, p may assume values of 0 to 2 and q may assume values of 0 to 3.
Schließlich bezeichnet A eine Ankergruppe, mit welcher der Ligand auf der Oberfläche eines Dielektrikums des SAMFETs verankert werden kann. Vorzugweise ist diese ausgewählt aus der Gruppe, die aus P(O)Y1Y2, -C(O)Y1, - SH und -SiY1Y2Y3 besteht. Dabei sind die Reste Y1, Y2 und Y3 unabhängig voneinander aus der Gruppe ausgewählt, die aus -OH, -CI, -Br, und -O-Z besteht, wobei Z eine C1 bis C10 Alkylgruppe ist.Finally, A denotes an anchor group with which the ligand can be anchored on the surface of a dielectric of the SAMFET. Preferably, this is selected from the group consisting of P (O) Y 1 Y 2 , -C (O) Y 1 , -SH, and -SiY 1 Y 2 Y 3 . The radicals Y 1 , Y 2 and Y 3 are independently selected from the group consisting of -OH, -CI, -Br, and -OZ, wherein Z is a C 1 to C 10 alkyl group.
Dieser Ligand vereint in sich die Eigenschaften eines herkömmlichen SAMFET-Liganden und eines SAMFET-Rezeptors. Unter Verwendung dieses Liganden ist es also nicht mehr notwendig, zunächst eine monomolekulare organische Schicht aus dem Liganden auf dem Dielektrikum eines Transistorsubstrats aufzubringen und diese Schicht dann anschließend mit einer separaten Rezeptorschicht zu beschichten. Vielmehr genügt zur Fertigstellung des SAMFETs das Aufbringen der monomolekularen organischen Schicht aus dem vorliegenden Liganden. Die Aufgabe der nun nicht mehr notwendigen Rezeptorschicht wird durch die Rezeptorgruppen übernommen, welche mit dem Analyten wechselwirken können. Da die Rezeptorgruppen kovalent an den Liganden angebunden sind, kann der Analyt, je nach gewählter Kombination aus Analyt und Rezeptorgruppe, sogar einen ausgeprägteren Effekt auf die Kennlinien des SAMFET ausüben, als dies mittels einer aufgedampften Rezeptorschicht erreicht werden könnte. Dies ermöglicht die Fertigung eines SAMFET mit einer besonders hohen Empfindlichkeit gegenüber dem Analyten.This ligand combines the properties of a traditional SAMFET ligand and a SAMFET receptor. Thus, using this ligand, it is no longer necessary to first apply a monomolecular organic layer of the ligand on the dielectric of a transistor substrate and then subsequently coat this layer with a separate receptor layer. Rather, to complete the SAMFET, it is sufficient to apply the monomolecular organic layer of the present ligand. The task of the now no longer necessary receptor layer is taken over by the receptor groups, which can interact with the analyte. Since the receptor groups are covalently attached to the ligand, the analyte, depending on the selected combination of analyte and receptor group, even exert a more pronounced effect on the characteristics of the SAMFET, as could be achieved by means of a vapor-deposited receptor layer. This allows the manufacture of a SAMFET with a particularly high sensitivity to the analyte.
Der SAMFET weist eine Gateelektrode, ein auf der Gateelektrode angeordnetes Dielektrikum, eine auf dem Dielektrikum angeordnete Sourceelektrode und eine auf dem Dielektrikum angeordnete Drainelektrode auf. Zwischen der Sourceelektrode und der Drainelektrode befindet sich ein Kanal, in dem eine monomolekulare organische Schicht mit Rezeptorgruppen für einen Analyten angeordnet ist. Diese organische Schicht weist insbesondere die voranstehend beschriebenen Liganden auf. Durch Anbindung eines Analyten an die Rezeptorgruppen werden die Kennlinien des SAMFET verändert.The SAMFET has a gate electrode, a dielectric disposed on the gate electrode, a source electrode disposed on the dielectric, and a drain electrode disposed on the dielectric. Between the source electrode and the drain electrode is a channel in which a monomolecular organic layer having receptor groups for an analyte is arranged. This organic layer has, in particular, the ligands described above. By connecting an analyte to the receptor groups, the characteristics of the SAMFET are changed.
Das Verfahren zur Herstellung des SAMFET beginnt mit dem Bereitstellen eines Transistorsubstrats. Dieses weist eine Gateelektrode, ein auf der Gateelektrode angeordnetes Dielektrikum, eine auf dem Dielektrikum angeordnete Sourceelektrode und eine auf dem Dielektrikum angeordnete Drainelektrode auf. Zumindest das Dielektrikum wird mit einer Lösung eines Liganden benetzt, der Rezeptorgruppen für einen Analyten aufweist. Es ist allerdings bevorzugt, dass das gesamte Transistorsubstrat in der Lösung eingetaucht wird, was eine besonders schnelle und einfache Herstellung des SAMFETs ermöglicht. Durch ein Wärmebehandeln des Transistorsubstrats wird das Lösungsmittel der Lösung verdampft und eine monomolekulare organische Schicht des Liganden zwischen der Sourceelektrode und Gateelektrode auf dem Dielektrikum ausgebildet.The method of manufacturing the SAMFET begins by providing a transistor substrate. This has a gate electrode, a dielectric disposed on the gate electrode, a source electrode arranged on the dielectric and a drain electrode arranged on the dielectric. At least the dielectric is wetted with a solution of a ligand, the receptor groups for an analyte having. However, it is preferred that the entire transistor substrate be immersed in the solution, allowing for a particularly fast and easy fabrication of the SAMFET. By heat treating the transistor substrate, the solvent of the solution is evaporated and a monomolecular organic layer of the ligand is formed between the source electrode and the gate electrode on the dielectric.
Bei den Liganden handelt es sich vorzugweise um die voranstehend beschriebenen Liganden. Dabei sind die Ankergruppen der Liganden Ankergruppen für das Dielektrikum des Transistorsubstrats.The ligands are preferably the ligands described above. The anchor groups of the ligands are anchor groups for the dielectric of the transistor substrate.
Der Sensor zum Detektieren eines Analyten, weist mindestens einen SAMFET gemäß der vorangehenden Beschreibung auf. Die organische Schicht des SAMFETs weist Rezeptorgruppen für den Analyten auf, der mittels des Sensors detektiert werden soll. Als weitere Komponenten kann der Sensor insbesondere einen Signalprozessor aufweisen, der elektrisch mit dem SAMFET verbunden ist sowie eine Ausgabeeinheit, welche Signale vom Signalprozessor empfängt.The sensor for detecting an analyte comprises at least one SAMFET as described above. The organic layer of the SAMFET has receptor groups for the analyte to be detected by the sensor. As further components, the sensor may in particular comprise a signal processor which is electrically connected to the SAMFET and an output unit which receives signals from the signal processor.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein Reaktionsschema der Darstellung eines Liganden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
2 zeigt schematisch Bereiche, in welcher ein Ligand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unterteilt werden kann. -
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines SAMFETs gemäß dem Stand der Technik. -
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Transistorsubstrats, das zur Herstellung eines erfindungsgemäßen SAMFETs verwendet werden kann. -
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines SAMFETs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die einzelnen Verfahrensschritte bildlich illustriert sind. -
6 zeigt eine schematische Darstellung eines SAMFETs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
7 zeigt ein Reaktionsschema der Anbindung eines Analyten an Rezeptorgruppen der organischen Schicht eines SAMFETs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 Figure 9 is a reaction diagram illustrating a ligand according to an embodiment of the invention. -
2 schematically shows areas in which a ligand can be divided according to an embodiment of the invention. -
3 shows a schematic cross-sectional view of a SAMFET according to the prior art. -
4 shows a schematic cross-sectional view of a transistor substrate which can be used to produce a SAMFET according to the invention. -
5 shows a flowchart of a method for producing a SAMFET according to an embodiment of the invention, wherein the individual process steps are illustrated graphically. -
6 shows a schematic representation of a SAMFET according to an embodiment of the invention. -
7 shows a reaction scheme of the attachment of an analyte to receptor groups of the organic layer of a SAMFET according to an embodiment of the invention. Embodiments of the invention
Die Darstellung eines Liganden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in
Die unfunktionalisierte Imidgruppe der Verbindung II wird mittels Kaliumcarbonat deprotoniert und in situ weiter umgesetzt. Hierzu werden 1 g (2,15 mmol) der Verbindung II in Dimethylformamid (DMF) 5 Tage lang bei einer Temperatur von 80°C mit 1 g Kaliumcarbonat und 0,8 g (2,15 mmol) 1-Dimethylphosphoryl-12-bromdodecan zur Reaktion gebracht. Hierbei wird die Verbindung III als Zwischenstufe erhalten, welche zu der Verbindung IV weiterreagiert. Die Verbindung IV wird mittels Flashchromatographie mit einer Mischung aus Chloroform und Essigsäure aufgearbeitet. Die Synthese von 1-Dimethylphosphoryl-12-bromdodecan erfolgt gemäß einer Vorschrift, die in
Zu 1 g (1,32 mmol) einer Lösung der Verbindung IV in Dichlormethan werden bei einer Temperatur von 0°C tropfenweise 2 ml (15,16 mmol) Trimethylbromsilan über einen Zeitraum von 2 Stunden zugegeben und so unter Dimethylierung der Dimethylphosphorylgruppe der erfindungsgemäße Ligand V erhalten. Nach Zugabe des Trimethylbromsilans wird die Temperatur der Lösung über einen Zeitraum von 48 Stunden auf 20°C erhöht. Es wird eine 1:1 Mischung von Methanol und Wasser zugesetzt und der gebildete Niederschlag abfiltriert. Dieser wird in Trifluoressigsäure gelöst und in Dioxan erneut gefällt, um den Liganden V zu isolieren.2 ml (15.16 mmol) of trimethylbromosilane are added dropwise to 1 g (1.32 mmol) of a solution of compound IV in dichloromethane at a temperature of 0 ° C. over a period of 2 hours, and the dimethyl ligand according to the invention is then dimethylated under dimethylation Behavior. After addition of the trimethylbromosilane, the temperature of the solution is raised to 20 ° C. over a period of 48 hours. A 1: 1 mixture of methanol and water is added and the precipitate formed is filtered off. This is dissolved in trifluoroacetic acid and reprecipitated in dioxane to isolate the ligand V.
In dem Liganden V fungiert die Aminogruppe als Rezeptor R, der beispielsweise mit Kohlendioxid aus der Umgebungsluft reagieren kann. Die Buthylengruppe, welche die Aminogruppe von dem Perylenbisimid trennt, fungiert als erster flexibler Spacer S1. Die Perylenbisimidgruppe bildet einen halbleitenden Kern K. Dieser wird durch die Dodecylengruppe als zweitem flexiblem Spacer S2 von dem Phosphonsäurerest getrennt, der als Ankergruppe A fungiert. Dies ist in
In einem herkömmlichen SAMFET, wie er aus der
Zur Herstellung eines SAMFETs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zunächst ein Transistorsubstrat
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen SAMFETs
In
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