DE69605906T2 - Sensoranordnung zum nachweis van analyten in fluiden - Google Patents

Description

SENSORANORDNUNG ZUM NACHWEIS VON ANALYTEN IN FLUIDEN
• Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Sensoren zum Nachweis von Analyten in Fluiden.
• Es besteht beträchtliches Interesse an der Entwicklung von Sensoren, die als Analoga des Geruchssystems von Säugetieren wirken (Lundström et al. (1991) Nature 352 : 47-50; Shurmer und Gardner (1992) Sens. Act. B 8:1-11). Man glaubt, dass dieses System probabilistische Repertoires vieler verschiedener Rezeptoren verwendet, um einen einzigen Geruchsstoff zu erkennen (Reed (1992) Neuron 8:205-209; Lancet und Ben-Airie (1993) Curr. Biol. 3:668-674). In einer solchen Konfiguration beruht die Erkennung nicht auf hochspezifischen Rezeptoren, wie es für chemische Sensoren bei dem Ansatz der traditionellen molekularen "Schlüssel-Schloss"-Erkennung der Fall ist, sondern beruht stattdessen auf der Verarbeitung eines verteilten Musters im Riechkolben und im Gehirn (Kauer (1991) TINS 14:79-85; DeVries und Baylor (1993) Cell 10(S):139-149). Frühere Versuche zur Herstellung einer breit ansprechenden Sensoranordnung verwendeten beheizte Metalloxid-Dünnfilmwiderstände (Gardner et al. (1991) Sens. Act. B 4:117-121; Gardner et al. (1991) Sens. Act. B 6:71-75; Corcoran et al. (1993) Sens. Act. B 15:32-37), polymere Sorptionsschichten auf den Oberflächen akustischer Wellenresonatoren (Grate und Abraham (1991) Sens. Act. B 3:85-111; Grate et al. (1993) Anal. Chem. 65:1868-1881), Anordnungen elektrochemischer Detektoren (Steifer et al. (1986) Anal. Chem. 58:860-866; Steifer et al. (1990) Sens. Act. B 1:43-47; Stetter et al. (1993) Anal. Chem. Acta 284:1-11) oder leitende Polymere (Pearce et al. (1993) Analyst 118:371-377; Shurmer et al. (1991) Sens. Act. B 4:29-33). Anordnungen von Metalloxid-Dünnfilmwiderständen, die typischerweise auf mit unterschiedlichen Katalysatoren beschichteten SnO&sub2;-Filmen basieren, ergeben verschiedene diagnostische Signale für einige Dämpfe (Gardner et al. (1991) Sens. Act B 4:117-121; Gardner et al. (1991) Sens. Act B 6:71-75; Corcoran et al. (1993) Sens. Act. B 15:32-37). Da es allerdings am Verständnis der Funktion des Katalysators mangelt, ermöglichen SnO&sub2;-Anordnungen weder eine bewusste chemische Steuerung des Ansprechverhaltens von Elementen in den Anord nungen noch eine Reproduzierbarkeit des Ansprechverhaltens von Anordnung zu Anordnung. Oberflächen-akustische Wellenresonatoren reagieren sehr empfindlich auf Änderungen von sowohl der Masse als auch dem akustischen Scheinwiderstand der Beschichtungen in Elementen der Anordnung, aber der Signalübertragungsmechanismus beinhaltet eine komplizierte Elektronik, wobei eine Frequenzmessung bis 1 Hz erforderlich ist, während eine 100 MHz Rayleigh-Welle im Kristall aufrecht erhalten wird (Grate und Abraham (1991) Sens. Act. B 3:85-111, Grate et al. (1993) AnaL Chem. 65:1868-1881). Es wurde versucht, Sensoren mit leitenden Polymerelementen herzustellen, die elektrochemisch durch nominell identische Polymerfilme und -beschichtungen gezüchtet wurden (Pearce et al. (1993) Analyst 118:371-377; Shurmer et al. (1991) Sens. Act. B 4:29-33; Topart und Josowicz (1992) J. Phys. Chem. 96:7824-7830; Charlesworth et al. (1993) J. Phys. Chem. 97:5418-5423).
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer breit ansprechenden Sensoranordnung zum Nachweis eines Analyten aufgrund einer Vielzahl von "Chemoresistor"-Elementen. Solche Elemente werden einfach hergestellt und einfach chemisch modifiziert, um auf einen breiten Bereich von Analyten anzusprechen. Zusätzlich geben diese Sensoren beim Ansprechen auf ein interessierendes Fluid ein schnelles, niedrig-energetisches elektrisches Gleichstromsignal und ihre Signale werden ohne weiteres mit auf Software oder Hardware basierenden neuronalen Netzen zum Zwecke der Identifikation des Analyten integriert.
Relevante Literaturstellen
• Pearce et al. (1993) Analyst 118:371-377 und Gardner et al. (1994) Sensors and Actuators B 18-99:240-243 beschreiben Sensoranordnungen auf Polypyrrol-Basis zur Überwachung von Biergeschmack. Die US-PS 4,907,441 (Shurmer, 1990) beschreibt allgemeine Sensoranordnungen mit einem speziellen elektrischen Schaltungssystem. Die WO 85/01351 (Clifford) beschreibt Anordnungen von Halbleiter-Gassensoren. Solche Sensoren können jene einschließen, die aus bestimmten Gelen hergestellt werden, die calciniert werden, um glasartige amorphe oder kristalline Mischoxide herzustellen, wodurch der Kohlenstoffanteil entfernt wird.
• Die Erfindung stellt Verfahren, Vorrichtungen und hochentwickelte Systeme zum Nachweis von Analyten in Fluiden bereit. Die Vorrichtungen schließen einen chemischen Sensor ein, der erste und zweite leitende Elemente (z. B. elektrische Leitungen) umfasst, die elektrisch mit einem chemisch empfindlichen Widerstand verbunden sind, der einen elektrischen Pfad zwischen den leitenden Elementen bereitstellt. Der Widerstand umfasst eine Vielzahl abwechselnder nicht-leitender Bereiche (die ein nicht-leitendes organisches Polymer umfassen) und leitende Bereiche (die ein leitendes Material umfassen). Der elektrische Pfad zwischen den ersten und zweiten leitenden Elementen verläuft quer zu (d. h., führt durch) der Vielzahl von abwechselnden nicht-leitenden und leitenden Bereichen. In Gebrauch stellt der Widerstand eine Widerstandsdifferenz zwischen den leitenden Elementen bereit, wenn er mit einem Fluid, das einen chemischen Analyten in einer ersten Konzentration umfasst, in Kontakt kommt, und wenn er mit einem Fluid, das den chemischen Analyten in einer zweiten unterschiedlichen Konzentration umfasst, in Kontakt kommt.
• Nach einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Sensoranordnung zum Nachweis eines Analyten in einem Fluid bereit, das wenigstens erste und zweite chemisch empfindliche Widerstände umfasst, die durch elektrische Leitungen mit einer elektrischen Messvorrichtung verbunden sind, wobei jeder der chemisch empfindlichen Widerstände umfasst:
• einen ersten elektrischen Widerstand beim Kontakt mit einem ersten Fluid, das einen chemischen Analyten in einer ersten Konzentration umfasst, und
• einen zweiten elektrischen Widerstand beim Kontakt mit einem zweiten Fluid, das den chemischen Analyten in einer zweiten, unterschiedlichen Konzentration umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Differenz zwischen dem ersten elektrischen Widerstand und dem zweiten elektrischen Widerstand des ersten chemisch empfindlichen Widerstands sich von der Differenz zwischen dem ersten elektrischen Widerstand und dem zweiten elektrischen Widerstand des zweiten chemisch empfindlichen Widerstands unter denselben Bedingungen unterscheidet, und
• jeder der chemisch empfindlichen Widerstände weiter umfasst:
• Bereiche eines nicht-leitenden organischen Polymers und eines leitenden Materials, das anders zusammengesetzt ist, als das nicht-leitende organische Polymer, wobei jeder Widerstand
• einen elektrischen Pfad zwischen den Bereichen aus nicht-leitendem organischen Polymer und dem leitenden Material bereitstellt.
• Nach einem weiteren Aspekt schließt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung zum Nachweis eines Analyten in einem Fluid ein und umfasst:
• Ausbilden des Sensors mit Bereichen aus nicht-leitendem organischen Material und aus leitendem Material, das anders zusammengesetzt ist, als das nicht-leitende organische Material, derart, dass die Sensoren eine vorbestimmte Variation von Sensor zu Sensor in der Struktur und/oder Zusammensetzung des nicht-leitenden organischen Materials aufweisen und dadurch eine Sensorvielfalt bereitstellen.
• Die Erfindung schließt auch ein erfindungsgemäßes Verfahren ein, bei dem die Sensoranordnung mittels intergrierter Schaltkreistechnologie hergestellt wird.
• Verwendungsmöglichkeiten dafür sind z. B. ausgewählt aus Umwelt-Toxikologie und Umweltschutz, Biomedizin, Qualitätskontrolle von Materialien, Überwachung von Lebensmitteln und Überwachung der Landwirtschaft.
• Der elektrische Pfad durch jeden gegebenen nicht-leitenden Bereich besitzt typischerweise eine Länge in der Größenordnung von 100 A, wobei ein Widerstand in der Größenordnung von 100 mΩ über den Bereich bereitgestellt wird. Eine Variabilität der chemischen Empfindlichkeit von Sensor zu Sensor wird zweckmäßig durch ein qualitatives oder quantitatives Variieren der Zusammensetzung der leitenden und/oder nicht-leitenden Bereiche bereitgestellt. In einer Ausführungsform wird z. B. das leitende Material in jedem Widerstand konstant gehalten (z. B. dasselbe leitende Material wie z. B. Polypyrrol), während das nicht-leitende organische Polymer zwischen den Widerständen variiert (z. B. unterschiedliche Kunststoffe wie z. B. Polystyrol).
• Anordnungen solcher Sensoren sind mit wenigstens zwei Sensoren mit unterschiedlichen chemisch empfindlichen Widerständen konstruiert, wobei unterschiedliche Differenzen im Widerstand bereitgestellt werden. Eine elektronische Nase zum Nachweis eines Analyten in einem Fluid kann unter Verwendung solcher Anordnungen in Verbindung mit einem elektrischen Messgerät konstruiert werden, das elektrisch mit den leitenden Elementen jedes Sensors verbunden ist. Solche elektronische Nasen können eine Vielzahl von zusätzlichen Komponenten beinhalten, einschließlich Mittel zum Überwachen des zeitlichen Ansprechens jedes Sensors, zum Zusammensetzen und Analysieren der Sensordaten zur Bestimmung der Identität des Analyten, usw. Verfahren zur Herstellung und Verwendung der beschriebenen Sensoren, Anordnungen und elektronischen Nasen werden ebenfalls bereitgestellt.
• Fig. 1A zeigt eine Übersicht über den Aufbau des Sensors; Fig. 1B zeigt einen Überblick über die Betriebsweise des Sensors; Fig. 1 C zeigt einen Überblick über die Betriebsweise des Systems.
• Fig. 2 zeigt das Cyclovoltammogramm einer mit Poly(pyrrol) beschichteten Platinelektrode. Als Elektrolyt wurde 0,10 M [(C&sub4;H&sub9;)&sub4;N]&spplus; [ClO&sub4;]&supmin; in Acetonitril verwendet. Die Scanrate war 0,10 V s&supmin;¹.
• Fig. 3A zeigt das optische Spektrum eines schleuderbeschichteten Poly(pyrrol)-Films, der mit Methanol gewaschen wurde, um überschüssiges Pyrrol und reduzierte Phosphormolybdänsäure zu entfernen. Fig. 3B zeigt das optische Spektrum eines schleuderbeschichteten Poly(pyrrol)-Films auf Indium-Zinn-Oxid nach 10 Potentialzyklen zwischen +0,70 und -1,00 V bzgl. SCE in 0,10 M [(C&sub4;H&sub9;)&sub4;N]&spplus; [ClO&sub4;]&supmin; in Acetonitril bei einer Scanrate von 0,10 V s&supmin;¹. Die Spektren wurden in 0,10 M KCl-H&sub2;O aufgenommen.
• Fig. 4A ist eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung, wobei eine Vergrößerung von einem der modifizierten Keramikkondensatoren gezeigt ist, die als Messfühler verwendet werden. Die Ansprechmuster, die von der in Tabelle 3 beschriebenen Sensoranordnung erzeugt werden, sind für Aceton (Fig. 4B), Benzol (Fig. 4C) und Ethanol (Fig. 4D) abgebildet.
• Fig. 5 ist eine Hauptkomponentenanalyse autoskalierter Daten von individuellen Sensoren, die unterschiedliche Weichmacher enthalten. Die Zahlen in der rechten oberen Ecke jedes Quadrats beziehen sich auf die unterschiedlichen in Tabelle 3 beschriebenen Sensorelemente.
• Fig. 6A und 6B sind Hauptkomponentenanalysen von Daten, die von allen Sensoren (Tabelle 3) erhalten wurden. Die Bedingungen und Symbole entsprechen denen in Fig. 5A- 5D. Fig. 6A zeigt Daten, die in den ersten drei Hauptkomponenten pc1, pc2 und pc3 repräsentiert sind, während Fig. 6B die Daten zeigt, wenn sie in pc1, pc2 und pc4 repräsentiert sind. Ein höherer Unterscheidungsgrad zwischen einigen Lösungsmitteln könnte dadurch erreicht werden, dass die vierte Hauptkomponente als durch größere Trennungen zwischen Chloroform, Tetrahydrofuran und Isopropylalkohol in Fig. 6B dargestellt angesehen wird.
• Fig. 7A ist ein Graph des Partialdrucks (O) von Aceton als Funktion der ersten Hauptkomponente; eine lineare Regression der kleinsten Fehlerquadrate (-) zwischen dem Partialdruck von Aceton und der ersten Hauptkomponente (Pa = 8,26·pc1 + 83,4, R2 = 0,989); Partialdruck von Aceton (+), vorhergesagt aus einer multilinearen Regression der kleinsten Fehlerquadrate zwischen dem Partialdruck von Aceton und den ersten drei Hauptkomponenten (Pa = 8,26·pc1 - 0,673·pc2 + 6,25·pc3 + 83,4, R2 = 0,998). Fig. 7B ist ein Graph des Molanteils von Methanol, xm, (O) in einem Methanol/Ethanol-Gemisch als Funktion der ersten Hauptkomponente; lineare Regression der kleinsten Fehlerquadrate (--) zwischen xm und der ersten Hauptkomponente (xm = 0,112·pc1 + 0,524, R2 = 0,979); xm vorhergesagt aus einer multilinearen Regression der kleinsten Fehlerquadrate (+) zwischen xm und den ersten drei Hauptkomponenten (xm = 0,112·pc1 - 0,0300·pc2 - 0,0444·pc3 + 0,524, R2 = 0,987).
• Fig. 8 ist die Widerstandsantwort eines Poly(N-vinylpyrrolidon):Ruß (20 Gew.-% Ruß)-Sensorelements auf Methanol, Aceton und Benzol. Der Analyt wurde bei t = 60 s für 60 s eingeführt. Jede Spur wird durch den Widerstand des Sensorelements (etwa 125Ω) vor jedem Einwirken normalisiert.
• Fig. 9 zeigt die ersten Hauptkomponenten für das Ansprechen einer Sensoranordnung mit 10 Elementen auf Ruß-Basis. Die nicht-leitenden Komponenten der verwendeten Ruß-Verbundstoffe sind in Tabelle 3 aufgezählt und die Widerstände bestanden aus 20 Gew.-% Ruß.
• Die Erfindung stellt Sensoranordnungen zum Nachweis eines Analyten in einem Fluid zur Verwendung in Verbindung mit einem elektrischen Messgerät bereit. Diese Anordnungen umfassen eine Vielzahl von chemischen Sensoren unterschiedlicher Zusammensetzung. Jeder Sensor umfasst wenigstens erste und zweite leitende Zuleitungen, die elektrisch mit einem chemisch empfindlichen Widerstand verbunden sind und durch ihn getrennt sind. Die Zuleitungen können aus jedem zweckmäßigen leitenden Material bestehen, gewöhnlich aus einem Metall, und sie können zur Erzeugung eines möglichst großen Signal zu Rausch-Verhältnisses interdigitalisiert werden.
• Der Widerstand umfasst eine Vielzahl abwechselnder nicht-leitender und leitender Bereiche quer zu dem elektrischen Pfad zwischen den leitenden Zuleitungen. Im allgemeinen werden die Widerstände durch Vermengen eines leitenden Materials mit einem nicht-leitenden organischen Polymer hergestellt, derart, dass der mit dem Widerstand verbundene elektrisch leitende Pfad zwischen den Zuleitungen durch Lücken aus nicht-leitendem organischen polymeren Material unterbrochen ist. Zum Beispiel stellen in einem Kolloid, einer Suspension oder Dispension von partikulärem leitenden Material in einer Matrix aus nicht-leitendem organischen polymeren Material die Matrixbereiche, die die Teilchen trennen, die Lücken bereit. Die nicht-leitenden Lücken weisen Pfadlängen im Bereich von etwa 10 bis 1000 A auf, gewöhnlich in der Größenordnung von 100 A, wobei über jede Lücke ein individueller Widerstand von etwa 10 bis 1000 mΩ, gewöhnlich in der Größenordnung von 100 mΩ bereitgestellt wird. Die Pfadlänge und der Widerstand einer vorgegebenen Lücke sind nicht konstant, sondern es wird vielmehr angenommen, dass sie sich ändern, wenn das nichtleitende organische Polymer des Bereichs einen Analyten absorbiert, adsorbiert oder imbibiert. Demgemäß ist der von diesen Lücken in einen vorgegebenen Widerstand bereitgestellte dynamische Aggregatwiderstand eine Funktion der Analytendurchdringung der nichtleitenden Bereiche. In einigen Ausführungsformen kann das leitende Material auch zu dem dynamischen Aggregatwiderstand als Funktion der Analytendurchdringung beitragen (z. B. wenn das leitende Material ein leitendes organisches Polymer wie z. B. Polypyrrol ist).
• Eine große Vielzahl leitender Materialien und nicht-leitender organischer polymerer Materialien können verwendet werden. Die Tabelle 1 beispielhafte leitende Materialien zur Verwendung bei der Herstellung von Widerständen; es können auch Gemische wie die aufgelisteten verwendet werden. Tabelle 2 enthält beispielhafte nicht-leitende organische polymere Materialien; Gemische und Copolymere, wie aus den hier aufgezählten Polymeren, können ebenfalls verwendet werden. Die Kombinationen, Konzentrationen, Stöchiometrien der Gemische, Perkolationsschwellen, usw. werden einfach empirisch durch die Herstellung und Untersuchung von Prototypen der Widerstände (Chemoresistoren) wie nachstehend beschrieben bestimmt.
Tabelle 1 Hauptklasse Beispiele
• Organische Leiter leitende Polymere (Poly(aniline), Poly(thiophene), Poly(pyrrole), Poly(acetylene), usw.), kohlenstoffhaltige Materialien (Ruße, Graphit, Koks, C&sub6;&sub0;, usw.), Charge-Transfer-Komplexe (Tetramethylparaphenylendiaminchloranil, Tetracyanochinodimethan-Alkalimetall-Komplexe, Tetrathiofulvalen-Halogen-Komplexe, usw.), usw.
• Anorganische Leiter Metalle und Metalllegierungen (Ag, Au, Cu, Pt, AuCu-Legierung, usw.), hochdotierte Halbleiter (Si, GaAs, InP, MoS&sub2;, TiO&sub2;, usw.), leitende Metalloxide (In&sub2;O&sub3;, SnO&sub2;, NaxPt&sub3;O&sub4;, usw.), Supraleiter (YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;, Tl&sub2;Ba&sub2;Ca&sub2;Cu&sub3;O&sub1;&sub0;, usw), USW.
• Gemischte anorganische/organische Leiter Tetracyanoplatinat-Komplexe, Iridiumhalogencarbonyl-Komplexe, gestapelte makrocyclische Komplexe, usw.
Tabelle 2 Hauptklasse Beispiele
• Polymere mit Kohlenstoff-Hauptkette Poly(diene), Poly(alkene), Poly(acrylharzderivate), Poly(methacrylharzderivate), Poly(vinylether), Poly(vinylthioether), Poly(vinylalkohole), Poly(vinylketone), Poly(vinylhalogenide), Poly(vinylnitrile), Poly(vinylester), Poly(styrole), Poly(arylene), usw.
• Polymere mit acyclischer Heteroatom-Hauptkette Poly(oxide), Poly(carbonate), Poly(ester), Poly(anhydride), Poly(urethane), Poly(sulfonate), Poly(siloxane), Poly(sulfide), Poly(thioester), Poly(sulfone), Poly(sulfonamide), Poly(amide), Poly(harnstoffe), Poly(phosphazene), Poly(silane), Poly(silazane), usw.
• Polymere mit heterocyclischer Hauptkette Poly(furantetracarbonsäurediimide), Poly(benzoxazole), Poly(oxadiazole), Poly(benzothiazinophenothiazine), Poly(benzothiazole), Poly(pyrazinochinoxaline), Poly(pyrromellitimide), Poly(chinoxaline), Poly(benzimidazole), Poly(oxindole), Poly(oxoisoindoline), Poly(dioxoisoindoline), Poly(triazine), Poly(pyridazine), Poly(piperazine), Poly(pyridine), Poly(piperidine), Poly(triazole), Poly(pyrazole), Poly(pyrrolidine), Poly(carborane), Poly(oxadicyclononane), Poly(dibenzofurane), Poly(phthalide), Poly(acetale), Poly(anhydride), Kohlenhydrate, usw.
• Die Chemoresistoren können mittels vieler Techniken hergestellt werden, wie z. B. Lösungsgießen, Suspensionsgießen und mechanisches Mischen. Im allgemeinen sind Lösungsgießverfahren vorteilhaft, da sie homogene Strukturen und eine einfache Verarbeitung bereitstellen. Mit Lösungsgießverfahren können Widerstandselemente einfach durch Schleuder-, Sprüh- oder Tauchbeschichten hergestellt werden. Da alle Elemente des Widerstands allerdings löslich sein müssen, sind Lösungsgießverfahren in ihrer Anwendbarkeit beschränkt. Das Suspensionsgießen stellt immer noch die Möglichkeit der Schleuder-, Sprüh- oder Tauchbeschichtung bereit, aber es werden heterogenere Strukturen als mit dem Lösungsgießen erwartet. Bei dem mechanischen Mischen gibt es keine Löslichkeitsbeschränkungen, da es nur das physikalische Mischen der Widerstandskomponenten beinhaltet, aber die Her stellung der Vorrichtung ist schwieriger, da Schleuder-, Sprüh- und Tauchbeschichten nicht mehr möglich ist. Eine genauere Erläuterung jedes dieser Verfahren wird nachstehend gegeben.
• Für Systeme, bei denen sowohl die leitenden als auch nicht-leitenden Medien oder ihre Vorstufen in einem gewöhnlichen Lösungsmittel löslich sind, können die Chemoresistoren durch Lösungsgießen hergestellt werden. Die hier vorgestellte Pyrrol-Oxidation durch Phosphormolybdänsäure stellt ein solches System dar. Bei dieser Reaktion werden die Phosphormolybdänsäure und das Pyrrol in Tetrahydrofuran (THF) gelöst und die Polymerisation findet beim Verdampfen des Lösungsmittels statt. Dies ermöglicht, dass THF-lösliche nichtleitende Polymere in dem Reaktionsgemisch gelöst werden, wodurch die Bildung des Gemisches in einem einzigen Schritt bei der Verdampfung des Lösungsmittels ermöglicht wird. Die Wahl des nicht-leitenden Polymers bei diesem Verfahren ist natürlich auf solche Polymere beschränkt, die in dem Reaktionsmedium löslich sind. Für den vorstehend beschriebenen Fall des Poly(pyrrols) wurden die Reaktionen zunächst in THF durchgeführt, aber diese Reaktion sollte auf andere nicht-wässrige Lösungsmittel wie z. B. Acetonitril oder Ether verallgemeinerbar sein. Eine Vielzahl von Permutationen dieses Reaktionsschemas sind für andere leitende Polymere möglich. Einige davon sind nachstehend aufgeführt. Bestimmte leitende Polymere wie z. B. substituierte Poly(cyclooctatetraene) sind in ihrem undotierten nicht-leitenden Zustand in Lösungsmitteln wie z. B. THF oder Acetonitril löslich. Folglich können die Gemische aus dem undotierten Polymer und dem weichmachenden Polymer durch Lösungsgießen gebildet werden. Danach kann das Dotierverfahren (z. B. Einwirken von 10d- Dampf) mit der Mischung durchgeführt werden, um das substituierte Poly(cyclooctatetraen) leitend zu machen. Wiederum ist die Wahl des nicht-leitenden Polymers auf solche beschränkt, die in den Lösungsmitteln löslich sind, in denen das undotierte leitende Polymer löslich ist und auf solche, die bei den Bedingungen der Dotierreaktion stabil sind. Bestimmte leitende Polymere können auch über lösliche Polymer-Vorstufen hergestellt werden. In diesen Fällen können Gemische aus der Polymer-Vorstufe und dem nicht-leitenden Polymer zunächst gebildet werden, und anschließend kann die Polymer-Vorstufe durch eine chemische Reaktion in das gewünschte leitende Polymer überführt werden. Zum Beispiel kann Poly(pphenylenvinylen) durch eine lösliche Sulfonium-Vorstufe hergestellt werden. Gemische aus dieser Sulfonium-Vorstufe und dem nicht-leitenden Polymer können durch Lösungsgießen gebildet werden. Danach kann das Gemisch einer thermischen Behandlung unter Vakuum unterworfen werden, um die Sulfonium-Vorstufe in das gewünschte Poly(p- phenylenvinylen) zu überführen.
• Bei dem Suspensionsgießen werden eine oder mehrere der Komponenten des Widerstands suspendiert und die anderen werden in einem gewöhnlichen Lösungsmittel gelöst. Das Suspensionsgießen ist ein recht allgemeines Verfahren, das auf eine große Vielzahl von Materialien angewendet werden kann, wie z. B. Ruße oder kolloidale Metalle, die durch starkes Mischen oder Ultraschall in Lösungsmitteln suspendiert werden können. Bei einer Anwendung des Suspensionsgießens wird das nicht-leitende Polymer in einem geeigneten Lösungsmittel (wie z. B. THF, Acetonitril, Wasser, usw.) gelöst. Danach wird kolloidales Silber in dieser Lösung suspendiert und das erhaltene Gemisch wird verwendet, um Elektroden durch Eintauchen zu beschichten.
• Mechanisches Mischen eignet sich für alle der möglichen leitenden/nicht-leitenden Kombinationen. Bei diesem Verfahren werden die Materialien in einer Kugelmühle oder einer anderen Mischvorrichtung physikalisch gemischt. Zum Beispiel werden Komposite aus Ruß/nicht-leitendem Polymer einfach in einer Kugelmühle hergestellt. Wenn das nicht-leitende Polymer ohne Zersetzung geschmolzen oder wesentlich erweicht werden kann, kann ein mechanisches Mischen bei erhöhter Temperatur das Mischverfahren verbessern. Alternativ kann die Herstellung der Komposite manchmal durch einige aufeinanderfolgende Erhitzungs- und Mischschritte verbessert werden.
• Wenn die einzelnen Elemente hergestellt sind, können sie durch Variation ihrer chemischen Zusammensetzung und Morphologien für eine spezielle Anwendung optimiert werden. Die chemische Art der Widerstände bestimmt, auf welche Analyten sie ansprechen werden sowie ihr Vermögen zum Unterscheiden verschiedener Analyten. Das relative Verhältnis der leitenden zu isolierenden Komponenten bestimmt die Ansprechstärke, da der Widerstand der Elemente empfindlicher auf die sorbierten Moleküle wirkt, wenn die Perkolationsschwelle erreicht wird. Die Filmmorphologie ist ebenfalls wichtig bei der Bestimmung der Ansprecheigenschaften. Zum Beispiel sprechen dünne Filme schneller auf Analyten an als dicke. Daher können mit einer empirischen Liste an Information über chemisch unterschiedliche Sensoren, die mit verschiedenen Verhältnissen von isolierenden zu leitenden Komponenten und durch unterschiedliche Herstellungsverfahren hergestellt wurden, Sensoren ausgewählt werden, die für die in einer bestimmten Anwendung erwarteten Analyten, deren Konzentrationen und die gewünschten Ansprechzeiten geeignet sind. Eine weitere Optimierung kann dann iterativ vorgenommen werden, wenn Erkenntnisse über die Leistung einer Anordnung unter bestimmten Bedingungen vorliegen.
• Der Widerstand selbst kann einen Träger zum Anbringen der Zuleitung oder des Widerstands bilden. Zum Beispiel kann die strukturelle Starrheit des Widerstands durch eine Vielzahl von Verfahren erhöht werden: chemisches oder durch Bestrahlung bewirktes Vernetzen der Polymerkomponenten (Dicumylperoxid-Radikalvernetzung, Vernetzung von Poly(olefinen) durch UV-Strahlung, Vulkanisieren von Gummis, Elektronenstrahlvernetzen von Nylon, usw.), die Einverleibung von Polymeren oder anderen Materialien in die Widerstände zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften (z. B. die Einverleibung eines hochmolekularen Polymers mit hohem Gehalt an Übergangsmetall (TM)), die Einverleibung der Widerstandselemente in Trägermatrizen wie z. B. Tone oder Polymernetze (z. B. Bilden der Widerstandsgemische in Poly(methylmethacrylat)-Netzen oder in den Lamellen von Montmorillonit), usw. In einer weiteren Ausführungsform wird der Widerstand als eine Oberflächenschicht auf einer festen Matrix abgeschieden, die ein Befestigen der Zuleitungen ermöglicht. Typischerweise ist die Matrix ein chemisch inertes nicht-leitendes Substrat wie z. B. Glas oder ein keramisches Material.
• Besonders zu einer Maßstabsvergrößerung der Produktion geeignete Sensoranordnungen werden unter Verwendung der integrierten Schaltkreistechnologie (IC) hergestellt. Die Chemoresistoren können z. B. einfach mit vorderen Ende eines einfachen Verstärkers integriert werden, der über eine Schnittstelle mit einem Analog/Digitalwandler verbunden ist, um den Datenstrom wirksam direkt in den Analysebereich einer neuronalen Netz-Software oder -Hardware einzuspeisen. Mikro-Herstellungsverfahren können die Chemoresistoren direkt mit einem Mikrochip integrieren, der die Schaltung für eine analoge Signalkonditionierung/Verarbeitung und anschließende Datenanalyse enthält. Dies ermöglich die Herstellung von Millionen inkrementell unterschiedlicher Sensorelemente in einem einzigen Herstellungsschritt unter Verwendung der Tintenstrahltechnologie. Kontrollierte Gradienten in der Zusammensetzung der Chemoresistorelemente einer Sensoranordnung können auf eine Weise hervorgerufen werden, die derjenigen analog ist, wie ein Farbtintenstrahldrucker Mehrfachfarben aufbringt und mischt. In diesem Fall werden aber anstelle von Mehrfachfarben eine Vielzahl von unterschiedlichen Polymeren, die abgeschieden werden können, in der Lösung verwendet. Eine Sensoranordnung mit einer Million unterschiedlicher Elemente erfordert nur einen Chip von einer Größe von 1 · 1 cm, wenn Lithographie mit einer Strukturgröße von 10 um verwendet wird, was innerhalb der Möglichkeiten herkömmlicher technischer Verarbeitungs- und Abscheideverfahren liegt. Diese Technologie erlaubt die Herstellung empfindlicher, kleiner isolierter chemischer Sensoren.
• Bevorzugte Sensoranordnungen weisen eine vorbestimmte Variation in der Struktur der Zusammensetzung der nicht-leitenden organischen polymeren Bereiche von Sensor zu Sensor auf. Die Variation kann quantitativer und/oder qualitativer Art sein. Zum Beispiel kann die Konzentration des nicht-leitenden organischen Polymers in dem Gemisch von Sensor zu Sensor variieren. Alternativ kann in unterschiedlichen Sensoren eine Vielzahl unterschiedlicher organischer Polymere verwendet werden. Eine elektronische Nase zum Nachweis eines Analyten in einem Fluid wird durch ein elektrisches Verbinden der Sensorzuleitungen einer Anordnung von Sensoren unterschiedlicher Zusammensetzung mit einer elektrischen Messvorrichtung hergestellt. Die Vorrichtung misst Veränderungen des spezifischen Widerstands bei jedem Sensor der Anordnung, vorzugsweise simultan und vorzugsweise über eine bestimmte Zeit. Oft schließt die Vorrichtung Signalverarbeitungseinrichtungen ein und wird in Verbindung mit einem Computer und einer Datenstruktur zum Vergleichen eines gegebenen Antwortprofils mit einer Struktur-Antwortprofildatenbank zur qualitativen und quantitativen Analyse verwendet. Typischerweise umfasst eine solche Nase wenigstens 10, gewöhnlich wenigstens 100 und oft wenigstens 1000 unterschiedliche Sensoren, obwohl mit den hier beschriebenen Massenabscheidungs-Herstellungsverfahren oder auf andere Art und Weise Anordnungen in der Größenordnung von wenigstens 106 Sensoren auf einfache Art hergestellt werden können.
• Im Betrieb stellt jeder Widerstand einen ersten elektrischen Widerstand zwischen seinen elektrischen Zuleitungen bereit beim Kontakt mit einem ersten Fluid, das einen chemischen Analyten in einer ersten Konzentration umfasst und einen zweiten elektrischen Widerstand zwischen seinen leitenden Zuleitungen beim Kontakt mit einem zweiten Fluid, das denselben chemischen Analyten in einer zweiten unterschiedlichen Konzentration umfasst. Die Fluide können flüssig oder gasförmig sein. Die ersten und zweiten Fluide können Proben aus zwei unterschiedlichen Umgebungen darstellen, wie z. B. eine Veränderung der Konzentration eines Analyten in einem Fluid, von dem an zwei Zeitpunkten eine Probe genommen wurde, eine Probe und eine negative Kontrollprobe, usw. Die Sensoranordnung umfasst notwendigerweise Sensoren, die unterschiedlich auf eine Veränderung der Analytenkonzentration reagieren, d. h. die Differenz zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Widerstand eines Sensors unterscheidet sich von der Differenz zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Widerstand eines anderen Sensors.
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird das zeitliche Ansprechen jedes Sensors (Widerstand als Funktion der Zeit) aufgezeichnet. Das zeitliche Ansprechen jedes Sensors kann auf eine maximale Prozentzu- und -abnahme des Widerstands normalisiert werden, was ein Antwortmuster erzeugt, das mit dem Einwirken des Analyten zusammenhängt. Durch das iterative Erfassen bekannter Analyten wird eine Struktur-Funktionsdatenbibliothek erzeugt, die Analyten und Ansprechprofile korreliert. Ein unbekannter Analyt kann dann unter Verwendung von Algorithmen zum Vergleich des Antwortmusters und zur Erkennung charakterisiert oder identifiziert werden. Demgemäß werden Systeme zum Nachweis des Analyten, die Sensoranordnungen, eine elektrische Messvorrichtung zum Nachweisen eines Widerstands über jeden Chemoresistor, einen Computer, eine Datenstruktur von Antwortprofilen der Sensoranordnung und ein Vergleichsalgorithmus umfassen, bereitgestellt. In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Messvorrichtung eine einen integrierten Schaltkreis umfassende Hardware auf Basis eines neuronalen Netzes und ein Digital/Analog-Wandler (DAC), der gleichzeitig mit jedem Sensor verbunden ist, oder eine Vielzahl von DACs, die jeweils mit verschiedenen Sensoren verbunden sind.
• Eine Vielzahl von Analyten und Fluiden kann durch die beschriebenen Sensoren, Anordnungen und Nasen analysiert werden, solange der jeweilige Analyt ein differenzielles Ansprechen über eine Vielzahl von Sensoren der Anordnung erzeugen kann. Analytenanwendungen schließen weite Bereiche chemischer Substanzklassen ein, z. B. organische Verbindungen wie Alkane, Alkene, Alkine, Diene, alicyclische Kohlenwasserstoffe, Arene, Alkohole, Ether, Ketone, Aldehyde, Carbonyle, Carbonionen, mehrkernige Aromaten und Derivate solcher organischer Verbindungen, z. B. Halogenderivate, usw., Biomoleküle wie z. B. Zucker, Isoprene und Isoprenoide, Fettsäuren und Derivate davon, usw. Demgemäß schließen technische Anwendungen der Sensoren, Anordnungen und Nasen Umwelt-Toxikologie und Umweltschutz, Biomedizin, Qualitätskontrolle von Materialien, Überwachung von Lebensmitteln und landwirtschaftlichen Produkten, usw. ein.
• Das allgemeine Verfahren zur Verwendung der beschriebenen Sensoren, Anordnungen und elektronischen Nasen zum Nachweis des Vorliegens eines Analyten in einem Fluid beinhaltet das Fühlen des Vorliegens eines Analyten in einem Fluid über Widerstandsmessung mit einem chemischen Sensor, der erste und zweite leitende Zuleitungen umfasst, die elektrisch mit einem chemisch empfindlichen Widerstand, wie vorstehend beschrieben, verbunden sind und durch ihn getrennt sind durch Messen eines ersten Widerstands zwischen den leitenden Leitungen beim Kontakt des Widerstands mit einem ersten Fluid, das einen Analyten in einer ersten Konzentration umfasst und einen zweiten unterschiedlichen Widerstand beim Kontakt des Widerstands mit einem zweiten Fluid, das den Analyten in einer zweiten unterschiedlichen Konzentration umfasst.
• Die nachstehenden Beispiele dienen der Veranschaulichung und sind nicht beschränkend aufzufassen.
BEISPIELE Polymersynthese
• Die für Leitfähigkeits-, elektrochemische und optische Messungen verwendeten Poly(pyrrol)- Filme wurden durch das Einspritzen gleicher Volumina von mit Stickstoff gespülten Pyrrol- Lösungen (1,50 mmol in 4,0 ml trockenem THF) und Phosphormolybdänsäure (0,75 mmol in 4,0 ml THF) in ein mit Stickstoff gespültes Reagenzglas hergestellt. Sobald sich die beiden Lösungen vermischt hatten, wurde die gelbe Phosphormolybdänsäure-Lösung dunkelgrün, wobei sich einige Stunden lang kein beobachtbarer Niederschlag bildete. Diese Lösung wurde nach einstündigem Mischen zur Filmherstellung verwendet.
Sensorherstellung
• Sensoren aus weichgemachtem Poly(pyrrol) wurden durch Mischen zweier Lösungen hergestellt, wobei die eine 0,29 mmol Pyrrol in 5,0 ml THF und die andere 0,25 mmol Phosphormolybdänsäure und 30 mg Weichmacher in 5,0 ml THF enthielt. Das Gemisch dieser beiden Lösungen ergab ein Verhältnis von Pyrrol zu Weichmacher von 2 : 3 bezogen auf das Gewicht. Ein preiswertes, schnelles Verfahren zur Erzeugung der Chemoresistor-Anordnungselemente wurde mittels eines Querschnittsschnitts durch handelsübliche 22 nF Keramikkondensatoren (Kemet Electronics Corporation) erreicht. Mechanische Schnitte durch diese Kondensatoren zeigten eine Reihe ineinandergreifender Metalllinien (25% Ag : 75% Pt), die 15 um voneinander entfernt waren, und einfach mit dem leitenden Polymer beschichtet werden konnten. Die Monomer-, Weichmacher- und Oxidanslösungen wurden dann verwendet, um die ineinandergreifenden Elektroden durch Eintauchen zu beschichten, um einen festen elektrischen Kontakt zu den polymerisierten organischen Filmen bereitzustellen. Nachdem die Polymerisation abgeschlossen war, war der Film unlöslich und wurde mit Lösungsmittel (Tetrahydrofuran oder Methanol) gespült, um Rückstände der Phosphormolybdänsäure und des nicht umgesetzten Monomers zu entfernen. Die Sensoren wurden dann mit einem handelsüblichen Busstreifen verbunden, wobei die Widerstände der verschiedenen "Chemoresistor"-Elemente einfach unter Verwendung eines digitalen Mehrkanal- Widerstandsmessers beobachtet werden.
Durchführung der Messungen
• Optische Spektren wurden mit einem Hewlett Packard 8452A Spektrophotometer, das an einen IBM XT angeschlossen war, erhalten. Elektrochemische Experimente wurden unter Verwendung eines Princeton Applied Research Inc. 173 Potentiostaten/175 Universal-Programmiergeräts durchgeführt. Alle elektrochemischen Experimente wurden mit einer Platinblech-Hilfselektrode und einer gesättigten Kalomel-Referenzelektrode (SCE) durchgeführt. Das Schleuderbeschichten wurde mit einem Headway Research Inc. Photoresist-Schleuderbeschichter durchgeführt. Die Filmdicke wurde mit einem Dektak Model 3030 Profilometer bestimmt. Leitfähigkeitsmessungen wurden mit einer Vierpunkt-Sonde mit Osmiumspitze (Alessi Instruments Inc., Spitzenabstand = 0,050", Spitzenradius = 0,010") durchgeführt. Vorübergehende Widerstandsmessungen wurden mit einem herkömmlichen Universalmessgerät (Fluke Inc., "Hydra Data Logger"-Messgerät) durchgeführt.
• Hauptkomponentenanalyse und multilineare Regression der kleinsten Fehlerquadrate. Ein Datensatz, der von einem einzigen Einwirken eines Odorants auf die Anordnung erhalten wurde, ergab einen Satz Deskriptoren (d. h. Widerstände), dj. Die von mehrfachem Einwirken erhaltenen Daten ergaben daher eine Datenmatrix D, bei der jede Reihe, bezeichnet mit j, aus n Deskriptoren bestand, die ein einzelnes Glied des Datensatzes beschreiben (d. h. ein einzelnes Einwirken eines Geruchs). Da der Grundwiderstand und die relativen Veränderungen des Widerstands unter den Sensoren variieren, wurde die Datenmatrix vor der weiteren Verarbeitung autoskaliert (Hecht (1990) Mathematics in Chemistry: An Introduction to Modern Methods (Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ)). In diesem Vorverarbeitungsverfahren wurden alle Daten, die mit einem einzelnen Deskriptor zusammenhängen (d. h. eine Spalte in der Datenmatrix) um Null herum zentriert mit der Einheitsstandardabweichung
• d'ij = (dij - j)/σj (1)
• wobei j der Mittelwert für den Deskriptor i und σi die entsprechende Standardabweichung darstellt.
• Zur Bestimmung von Linearkombinationen der Daten wurde eine Hauptkomponentenanalyse (Hecht (1990)) durchgeführt, derart, dass die maximale Varianz [definiert als Quadrat der Standardabweichung] zwischen den Gliedern des Datensatzes in n beiderseitig orthogonalen Dimensionen erhalten wurde. Die Linearkombinationen der Daten führten zu der größten Varianz [oder Abstand] zwischen den Gliedern des Datensatzes in der ersten Hauptkompo nente (pc1) und ergaben abnehmende Varianzgrößen von der zweiten zu der n-ten Hauptkomponente (pc2 - pcn). Die zur Transformation der autoskalierten Daten in den Hauptkomponentenraum (durch Linearkombination) erforderlichen Koeffizienten wurden durch Multiplikation der Datenmatrix D mit ihrer transponierten DT bestimmt (d. h. die Matrix wurde diagonalisiert) (Hecht (1990)).
• R = DT·D (2)
• Diese Operation ergab die Korrelationsmatrix R, deren Diagonalelemente eins waren und deren andere Elemente die Korrelationskoeffizienten der Daten waren. Die Gesamtvarianz der Daten war daher durch die Summe der Diagonalelemente in R gegeben. Sodann wurden die n Eigenwerte und die entsprechenden n Eigenvektoren für R bestimmt. Jeder Eigenvektor enthielt einen Satz von n Koeffizienten, die verwendet wurden, um die Daten durch Linearkombination in eine ihrer n Hauptkomponenten zu überführen. Der entsprechende Eigenwert ergab den Anteil der Gesamtvarianz, der in dieser Hauptkomponente enthalten war. Diese Rechenoperation ergab eine Hauptkomponentenmatrix P, die dieselben Dimensionen hatte wie die ursprüngliche Datenmatrix. Unter diesen Bedingungen war jede Reihe der Matrix P immer noch mit einem speziellen Geruch verbunden und jede Spalte war mit einer speziellen Hauptkomponente verbunden.
• Da die Werte in dem Hauptkomponentenraum keine physikalische Bedeutung haben, war es zweckmäßig, die Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse in physikalischen Parametern auszudrücken, wie z. B. dem Partialdruck und dem Molanteil. Dies wurde über eine multilineare Regression der kleinsten Fehlerquadrate zwischen den Hauptkomponentenwerten und den entsprechenden interessierenden Parametern erreicht. Eine multilineare Regression der kleinsten Fehlerquadrate ergab eine Linearkombination der Hauptkomponenten, die die beste Anpassung an den entsprechenden Parameterwert ergab. Die Anpassungen wurden durch das Anhängen einer Spalte an die Hauptkomponentenmatrix P erreicht, wobei jeder Eintrag 1 war, wobei jede Reihe j einem unterschiedlichen Parameterwert (z. B. Partialdruck) vj, enthalten in Vektor V, entsprach. Die Koeffizienten für die beste multilineare Anpassung zwischen den Hauptkomponenten und dem interessierenden Parameter wurden durch die nachstehende Matrixoperation
• C = (PT·P)&supmin;¹·PT·V (3)
• erhalten, wobei C ein Vektor enthaltend die Koeffizienten für die Linearkombination war.
• Ein Schlüssel zur Herstellung von chemisch unterschiedlichen Sensorelementen war die Herstellung von verarbeitbaren, luftstabilen Filmen aus elektrisch leitenden organischen Polymeren. Dies wurde durch die kontrollierte chemische Oxidation von Pyrrol (PY) unter Verwendung von Phosphormolybdänsäure (H&sub3;PMo&sub1;&sub2;O&sub4;&sub0;) (20 in Tetrahydrofuran) erreicht:
• PY → PY&spplus;&spplus; + e&supmin; (4)
• 2PY&spplus;&spplus; → PY&sub2; + 2H&spplus; (5)
• H&sub3;PMo&sub1;&sub2;O&sub4;&sub0; + 2e&supmin; + 2H&spplus; → H&sub5;PMo&sub1;&sub2;O&sub4;&sub0; (6)
• Die Redox-getriebene oder elektrochemisch ausgelöste Polymerisation von Pyrrol war bereits untersucht worden, aber dieses Verfahren ergibt typischerweise unlösliche, schwer zu bearbeitende Niederschläge von Poly(pyrrol) als Produkt (Salmon et al. (1982) J. Polym. Sci., Polym. Lett 20:187-193). Unser Ansatz war, niedrige Konzentrationen des H&sub3;PMo&sub1;&sub2;O&sub4;&sub0;- Oxidans (Eº = +0,36 V bzgl. SCE) zu verwenden (Pope (1983) Heteropoly and Isopoly Oxometalates (Springer-Verlag, New York), Kapitel 4). Da das elektrochemische Potential von PY&spplus;&spplus;/PY positiver (Eº = +1,30 V bzgl. SCE) (Andrieux et al. (1990) J. Am. Chem. Soc. 112:2439-2440) als das von H&sub3;PMo&sub1;&sub2;O&sub4;&sub0;/H&sub5;PMo&sub1;&sub2;O&sub4;&sub0; ist, war die Gleichgewichtskonzentration an PY&spplus;&spplus; und daher die Polymerisationsrate in verdünnten Lösungen relativ niedrig (0,19 M PY, 0,09 M H&sub3;PMo&sub1;&sub2;O&sub4;&sub0;). Allerdings hat sich gezeigt, dass das Oxidationspotential von Pyrrololigomeren von +1,20 V über +0,55 auf +0,26 V bzgl. SCE abnimmt, wenn die Anzahl der Einheiten von 1 über 2 auf 3 ansteigt, und dass das Oxidationspotential von Bulk Poly(pyrrol) bei -0,10 V bzgl. SCE (Diaz et al. (1981) J. Electroanal. Chem. 121:355-361) liegt. Als Ergebnis ist die Oxidation von Pyrroltrimeren durch Phosphormolybdänsäure als thermodynamisch bevorzugt zu erwarten. Dies ermöglichte die Verarbeitung der Monomer- Oxidanslösung (d. h. Schleuderbeschichten, Tauchbeschichten, Einführen von Weichmachern, usw.), wonach die Polymerisation zur Bildung dünner Filme einfach durch ein Verdampfen des Lösungsmittels bewirkt wurde. Die elektrische Leitfähigkeit bei Gleichstrom von mit diesem Verfahren gebildeten Poly(pyrrol)-Filmen auf Glasflächen, nach dem Spülen der Filme mit Methanol zur Entfernung von überschüssiger Phosphormolybdänsäure und/oder Monomer lag in der Größenordnung von 15-30 S cm&supmin;¹ für Filme mit einer Dicke im Bereich von 40-100 nm.
• Die erfindungsgemäß hergestellten Poly(pyrrol)-Filme weisen ausgezeichnete elektrochemische und optische Eigenschaften auf. Zum Beispiel zeigt Fig. 2 das cyclovoltammetrische Verhalfen eines chemisch polymerisierten Poly(pyrrol)-Films nach 10 Zyklen von -1,00 V bis +0,70 V bzgl. SCE. Die kathodische Welle bei -0,40 V entspricht der Reduktion von Poly(pyrrol) in seinen neutralen, nicht-leitenden Zustand, und die anodische Welle bei -0,20 V entspricht der Reoxidation von Poly(pyrrol) in seinem leitenden Zustand (Kanazawa et al. (1981) Synth. Met. 4:119-130). Das Fehlen von zusätzlichem faradayschen Strom, der aus der Oxidation und Reduktion von Phosphormolybdänsäure in dem Film resultieren würde, lässt vermuten, dass in den Filmanionen nicht die Keggin-Struktur der Phosphormolyödänsäure vorliegt (Bidan et al. (1998) J. ElektroanaL Chem. 251:297-306) und deutet an, dass MoO&sub4;²&supmin; oder andere Anionen als Poly(pyrrol)-Gegenionen in den polymerisierten Filmen wirken.
• Fig. 3A zeigt das optische Spektrum eines verarbeiteten Poly(pyrrol)-Films, der auf Glas schleuderbeschichtet und dann mit Methanol gespült wurde. Das einzige Absorptionsmaximum war charakteristisch für ein hoch-oxidiertes Poly(pyrrol) (Kaufman et al. (1984) Phys. Rev. Lett. 53 : 1005-1008), und die Absorptionsbande bei 4,0 eV war charakteristisch für einen Übergang zwischen dem Leitungs- und dem Valenzband. Das Fehlen anderer Banden in diesem Energiebereich zeigte das Vorliegen von Bipolaron-Zuständen (vgl. Fig. 3A), wie sie in hoch-oxidiertem Poly(pyrrol) (Id.) beobachtet wurden. Durch ein Drehen des Films in 0,10 M [(C&sub4;H&sub9;)&sub4;N]&spplus;[ClO&sub4;]-Acetonitril und anschließendem Aufnehmen der optischen Spektren in 0,10 M KCl-H&sub2;O war es möglich, optische Übergänge zu beobachten, die charakteristisch für Polaron-Zustände in oxidiertem Poly(pyrrol) (vgl. Fig. 3B) sind. Es wurde berichtet, dass die Polaron-Zustände drei optische Übergänge bewirken (Id.), die bei 2,0, 2,9 und 4,1 eV in der Fig. 3B beobachtet wurden. Bei der Reduktion des Films (vgl. Fig. 3B) wurde eine erhöhte Intensität und eine Blauverschiebung in der 2,9 eV-Bande beobachtet, wie es für den mit den in dem Polymerrückgrat enthaltenen Pyrrol-Einheiten zusammenhängenden π→π*-Übergang erwartet wurde (Yakushi et al. (1983) J. Chem. Phys. 79:4774-4778).
• Wie in dem Experimentalteil beschrieben, wurden verschiedene Weichmacher in die Polymerfilme eingeführt (Tabelle 3).
Tabelle 3. In Anordnungselementen* verwendete Weichmacher Sensor Weichmacher
• 1 keiner
• 2 keiner**
• 3 Poly(styrol)
• 4 Poly(styrol)
• 5 Poly(styrol)
• 6 Poly(α-methylstyrol)
• 7 Poly(styrolacrylnitril)
• 8 Poly(styrol-maleinsäureanhydrid)
• 9 Poly(styrol-allylalkohol)
• 10 Polyvinylpyrrolidon)
• 11 Poly(vinylphenol)
• 12 Poly(vinylbutral)
• 13 Poly(vinylacetat)
• 14 Poly(carbonat)
• *Die Sensoren enthielten Pyrrol zu Weichmacher in einem Gewichtsverhältnis von 2 : 3.
• **Der Film wurde nicht zum Entfernen von überschüssiger Phosphormolybdänsäure gespült.
• Diese Einschlüsse erlaubten eine chemische Steuerung der Bindungseigenschaften und der elektrischen Leitfähigkeit der erhaltenen weichgemachten Polymere. Sensoranordnungen bestanden aus bis zu 14 unterschiedlichen Elementen, wobei jedes Element so hergestellt wurde, dass eine spezielle chemische Zusammensetzung und daher eine spezielle Sensorantwortreaktion für seinen Polymerfilm erhalten wird. Der Widerstand R jedes individuellen filmbeschichteten Sensors wurde automatisch vor, während und nach dem Einwirken verschiedener Odorantien aufgezeichnet. Ein typischer Versuch bestand aus einer 60-sekündigen Ruhephase, in der die Sensoren fließender Luft (3,0 l min&supmin;¹) ausgesetzt waren, einem 60-sekündigen Einwirken eines Gemisches aus Luft (3,0 l min&supmin;¹) und Luft, die mit einem Lösungsmittel gesättigt worden war (0,5-3,5 l min&supmin;¹), und anschließend einem 240-sekündigem Einwirken von Luft (3,0 l min&supmin;¹).
• In einer hier vorgestellten ersten Datenverarbeitung war die einzige verwendete Information die maximale Amplitude der Widerstandsänderung, geteilt durch den Anfangswiderstand, ΔRmax/Ri jedes einzelnen Sensorelements. Die meisten der Sensoren zeigten entweder ansteigenden oder absteigenden Widerstand beim Einwirken verschiedener Dämpfe, wie es von den Änderungen in den Polymereigenschaften beim Einwirken unterschiedlicher Arten von Chemikalien erwartet wurde (Topart und Josowicz (1992) J Phys. Chem. 96:7824-7830; Charlesworth et al. (1993) J. Phys. Chem. 97:5418-5423). In einigen Fällen zeigten Sensoren allerdings eine anfängliche Abnahme gefolgt von einem Anstieg des Widerstands beim Ansprechen auf einen Testgeruch. Da der Widerstand jedes Sensors relativ zu seinem Anfangswert ansteigen und/oder absteigen konnte, wurden für jeden Sensor zwei Werte von ΔRmax/Rj aufgezeichnet. Die Quelle des bidirektionalen Verhaltens einiger Sensoren/Geruchspaare wurde noch nicht genau untersucht, aber in den meisten Fällen entstand dieses Verhalten durch die Gegenwart von Wasser (was selbst einen schnellen Abfall des Filmwiderstands bewirkte) in den analysenreinen Reagenzien, die zur Erzeugung der Testgerüche dieser Untersuchung verwendet wurden. Dieses beobachtete Verhalten bezüglich dieser Luft-ausgesetzten, Wasser-enthaltenden Test-Lösungsmittel war reproduzierbar und reversibel mit einer gegebenen Sensoranordnung und es existieren viele praktische Anwendungen zur Geruchsmessung in der Umwelt, wo Luft und Wasser nicht einfach ausgeschlossen werden können.
• Fig. 4B-4D zeigen repräsentative Beispiele von Amplituden der Sensorantworten einer Sensoranordnung (vgl. Tabelle 3). In diesem Experiment wurden Daten für drei unterschiedliche Einwirkungen von Dämpfen von Aceton, Benzol und Ethanol, die in der Luft vorhanden waren, aufgezeichnet. Die von der in Tabelle 3 beschriebenen Sensoranordnung erzeugten Antwortmuster sind gezeigt für: (B) Aceton; (C) Benzol und (D) Ethanol. Die Sensorantwort wurde als die maximale Prozentzunahme und -abnahme des Widerstands geteilt durch den Anfangswiderstand (grauer Balken bzw. schwarzer Balken) jedes Sensors beim Einwirken von Lösungsmitteldampf definiert. In vielen Fällen zeigten die Sensoren reproduzierbare Zunahmen und Abnahmen des Widerstands. Ein Einwirken bestand aus: (i) einer 60-sekündigen Ruheperiode, in der die Sensoren fließender Luft ausgesetzt waren (3,0 l min&supmin;¹); (ii) einem 30-sekündigen Einwirken eines Gemisches aus Luft (3,0 l min&supmin;¹) und Luft, die mit Lösungsmittel gesättigt wurde (0,5 l min&supmin;¹); und (iii) einem 240-sekündigen Einwirken von Luft (3,0 l min&supmin;¹). Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass diese Odoranzien jeweils eine unverkennbare Antwort auf der Sensoranordnung bewirkten. In zusätzlichen Experimenten wurden über eine 5 Tage-Periode auf einer 14 Element-Sensoranordnung (Tabelle 3) insgesamt 8 gesonderte Dämpfe (Aceton, Benzol, Chloroform, Ethanol, Isopropanol, Methanol, Tetra hydrofuran und Ethylacetat) ausgewählt, so dass ein breiter Bereich von chemischen und physikalischen Eigenschaften abgedeckt war. Wie nachstehend erläutert, konnte jedes Odoranz deutlich und reproduzierbar von den anderen unter Verwendung dieser Sensorvorrichtung unterschieden werden.
• Hauptkomponentenanalyse (Hecht (1990) Mathematics in Chemistry: An Introduction to Modern Methods (Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ)) wurde verwendet, um die Präsentation der Daten zu vereinfachen und die unterscheidenden Fähigkeiten der einzelnen Sensoren und der Anordnung als Ganzes zu quantifizieren. In diesem Ansatz wurden Linearkombinationen der ΔRmax/Ri-Daten für die Elemente in der Anordnung konstruiert, derart, dass die Maximalvarianz (definiert als Quadrat der Standardabweichung) in den wenigsten beiderseitig orthogonalen Dimensionen enthalten war. Dies ermöglichte eine Darstellung der meisten Informationen, die in den in den Datensätzen, die in den Fig. 4B-4D in zwei (oder drei) Dimensionen gezeigt sind, enthalten sind. Resultierende Agglomeration oder das Fehlen solcher Einwirkdaten in dem Raum mit neuer Dimensionalität wurde als Maß der unterscheidenden Fähigkeit und der Reproduzierbarkeit der Sensoranordnung verwendet.
• Um die Variation der Sensorantwort einzelner Sensoren zu veranschaulichen, die von Veränderungen in dem Weichmacher-Polymer herrühren, wurde eine Hauptkomponentenanalyse der individuellen isolierten Antworten jedes der 14 individuellen Sensorelemente in einer typischen Anordnung (Fig. 5) durchgeführt. Die Daten wurden aus mehrfachem Einwirken von Aceton (a), Benzol (b), Chloroform (c), Ethanol (e), Isopropanol (1), Methanol (m), Tetrahydrofuran (t) oder Ethylacetat (@) über einen Zeitraum von 5 Tagen erhalten, wobei die Testdämpfe in unterschiedlichen Reihenfolgen auf die Anordnung einwirkten. Die Zahlen der Figuren beziehen sich auf die in Tabelle 3 beschriebenen Sensorelemente. Die Einheiten entlang der Achsen zeigen die Höhe der Hauptkomponente an, die verwendet wurde, um den speziellen Datensatz für einen Geruch zu beschreiben. Die schwarzen Bereiche zeigen Cluster an, die einem einzelnen Lösungsmittel entsprechen, welches von allen anderen unterschieden werden konnte; graue Bereiche markieren Daten von Lösungsmitteln, deren Signale mit anderen darum herum überlappen. Die Einwirkbedingungen waren denen in Fig. 4 identisch.
• Da jeder einzelne Sensor zwei Datenwerte ergab, resultierte die Hauptkomponentenanalyse dieser Antworten in nur zwei orthogonalen Hauptkomponenten; pc1 und pc2. Als Beispiel der Selektivität, die ein einzelnes Sensorelement zeigte, vertauschte der als Nr. 5 in Fig. 5 bezeichnete Sensor (der mit Poly(styrol) weichgemacht wurde) Aceton mit Chloroform, Isopropanol und Tetrahydrofuran. Er vertauschte ebenfalls Benzol mit Ethylacetat, während er leicht Ethanol und Methanol von allen anderen Lösungsmitteln unterscheiden konnte. Ein Wechsel des Weichmachers zu Poly(α-methylstyrol) (Sensor Nr. 6 in Fig. 5) zeigte wenig Wirkung auf die räumliche Verteilung der Antworten untereinander und in Bezug auf den Ursprung. Daher hatte eine recht geringe chemische Veränderung des Weichmachers wie erwartet wenig Einfluss auf die relative Varianz der 8 Testodoranzien. Im Gegensatz dazu führte der Zusatz einer Cyanogruppe zum Weichmacher in der Form von Poly(styrolacrylnitril) (Sensor Nr. 7 in Fig. 5) zu einem größeren Beitrag von Benzol und Chloroform zur Gesamtvarianz, während er den Beitrag von Ethanol verminderte. Ein Wechsel der Substituentengruppe im Weichmacher zu einer Wasserstoff-bindenden Säure (Poly(styrol-allylalkohol), Sensor Nr. 9 in Fig. 5) steigerte den Beitrag von Aceton zur Gesamtvarianz, während er einen geringen Effekt auf die anderen Gerüche hatte, mit Ausnahme des Vertauschens von Methanol und Ethanol. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass das Verhalten der Sensoren durch eine Variation der chemischen Zusammensetzung des Weichmacherpolymers systematisch verändert werden kann.
• Fig. 6A und 6B zeigen die Hauptkomponentenanalyse für alle 14 Sensoren, die in der Tabelle 3 und Fig. 4 und 5 beschrieben sind. Als die Lösungsmittel in einen dreidimensionalen Geruchsraum (Fig. 6A oder 6B) projiziert wurden, wurden alle 8 Lösungsmittel mit der hier erläuterten speziellen Anordnung leicht unterschieden. Der Nachweis eines individuellen Testgeruchs, basierend nur auf dem Kriterium des Beobachtens von etwa 1% der ΔRmax/Rj- Werte für alle Elemente in der Anordnung wurde einfach an der PPM-Grenze durchgeführt, ohne Steuerung der Temperatur oder Feuchtigkeit der fließenden Luft. Weitere Steigerungen der Empfindlichkeit sind nach einer gründlichen Verwendung der zeitlichen Komponenten der ΔRmax/Rj-Daten sowie einer vollständigeren Charakterisierung des Rauschens in der Anordnung wahrscheinlich.
• Wir haben auch die Eignung dieser Sensoranordnung zur Identifikation der Komponenten bestimmter Testgemische untersucht. Diese Aufgabe wird stark vereinfacht, wenn die Anordnung eine vorhersagbare Signalantwort aufweist, wenn die Konzentration eines gegebenen Odorants variiert wird und wenn die Antworten verschiedener einzelner Gerüche sich additiv verhalten (d. h. wenn eine Überlagerung aufrecht erhalten wird). Als eine 19 Element- Sensoranordnung einer Anzahl n verschiedener Aceton-Konzentrationen in der Luft ausgesetzt wurde, wurde die Aceton-Konzentration semi-quantitativ von der ersten Hauptkomponente vorhergesagt. Dies zeigte sich aus einer guten linearen Regression der kleinsten Fehlerquadrate durch die ersten drei Hauptkomponenten (vgl. Fig. 7A für die lineare Regression der kleinsten Fehlerquadrate für die erste Hauptkomponente).
• Dieselbe Sensoranordnung konnte auch die Komponenten in verschiedenen Test-Methanol/Ethanol-Gemischen auflösen (Morris et al. (1942) Can. J. Res. B 20:207-211). Wie in Fig. 7B gezeigt, wurde ein lineares Verhältnis zwischen der ersten Hauptkomponente und dem Molanteil von Methanol in der flüssigen Phase xm in einem Methanol/Ethanol-Gemisch beobachtet, was zeigte, dass für diese Gemisch/Sensoranordnungskombination Überlagerung auftritt. Obwohl die Komponenten im Gemisch recht genau von lediglich der ersten Hauptkomponente vorhergesagt werden konnten, konnte darüber hinaus ein Anstieg in der Genauigkeit erreicht werden unter Verwendung einer multilinearen Regression der kleinsten Fehlerquadrate durch die ersten drei Hauptkomponenten. Diese Beziehung galt für CH&sub3;OH/(CH&sub3;OH + C&sub2;H&sub5;OH)-Verhältnisse von 0 bis 1,0 in Luft-gesättigten Lösungen dieses Dampfgemisches. Die leitenden Sensoranordnungen auf Polymerbasis konnten daher nicht nur zwischen reinen Testdämpfen unterscheiden, sondern ermöglichten auch die Analyse von Odorantkonzentrationen sowie die Analyse von binären Dampfgemischen.
• Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die dargestellten Ergebnisse Fortschritte im Bereich der Sensorkonstruktion für Analyten bereitstellen. Eine relativ einfache Anordnungskonstruktion unter Verwendung lediglich eines mehrfach niederenergetischen elektrischen Gleichstrom-Widerstandsauslesesignals zeigte, dass sie einfach zwischen unterschiedlichen Testodorantien unterscheiden kann. Solche Anordnungen auf Basis eines leitenden Polymers sind einfach zu konstruieren und zu modifizieren, und sie bieten eine Möglichkeit, chemisch das Ansprechmuster eines Dampfes zu kontrollieren. Zum Beispiel durch Erhöhung des Verhältnisses von Weichmacher zu leitendem Polymer ist es möglich, sich der Perkolationsschwelle anzunähern. Bei diesem Punkt zeigt die Leitfähigkeit eine sehr empfindliche Antwort auf das Vorliegen des sorbierten Moleküls. Darüber hinaus wird die Herstellung von dünneren Filmen die Möglichkeit eröffnen, verminderte Antwortzeiten zu erhalten, und die Erhöhung der Anzahl an weichmachenden Polymeren und Polymerrückgrat- Funktionalitäten wird wahrscheinlich zu einer erhöhten Vielfalt unter den Sensoren führen. Diese Art von Anordnung auf Polymer-Basis ist chemisch flexibel, einfach herzustellen, zu verändern und zu analysieren, und sie verwendet einen niedrigenergetischen Gleichstrom- Widerstandsauslesesignal-Transduktionspfad, um chemische Daten in elektrische Signale umzuwandeln. Sie stellt einen neuen Ansatz für in einem großen Bereich ansprechende Geruchssensoren zur grundlegenden und angewandten Untersuchung von chemischen Imitatoren für den Geruchssinn von Säugetieren bereit. Solche Systeme sind geeignet zur Beurteilung der Allgemeinheit von Algorithmen für neuronale Netze, die entwickelt wurden, um zu verstehen, wie das Geruchssystem von Säugetieren die Richtung, Konzentration und Identität verschiedener Gerüche identifiziert.
Herstellung und Test von Sensoranordnungen auf Ruß-Basis Sensorherstellung
• Einzelne Sensorelemente wurden wie nachstehend beschrieben hergestellt. Jedes nichtleitende Polymer (80 mg, vgl. Tabelle 4) wurde in 6 ml THF gelöst.
Tabelle 4 Sensor Nr. Nicht-leitendes Polymer
• 1 Poly(4-vinylphenol)
• 2 Poly(styrol-allylalkohol)
• 3 Poly(α-methylstyrol)
• 4 Poly(vinylchlorid-vinylacetat)
• 5 Poly(vinylacetat)
• 6 Poly(N-vinylpyrrolidoh)
• 7 Poly(bisphenol-A-carbonat)
• 8 Poly(styrol)
• 9 Poly(styrol-maleinsäureanhydrid)
• 10 Poly(sulfon)
• Sodann wurden 20 mg Ruß (BP 2000, Cabot Corp.) durch heftiges Mischen suspendiert. Anschließend wurden ineinandergreifende Elektroden (die vorstehend beschriebenen durchgeschnittenen Kondensatoren) in dieses Gemisch getaucht und das Lösungsmittel wurde verdampft. Eine Reihe solcher Sensorelemente mit unterschiedlichen nicht-leitenden Polymeren wurde hergestellt und in einen handelsüblichen Busstreifen einverleibt, der es den Chemoresistoren erlaubte, einfach mit einem Mehrkanal-Widerstandsmesser überwacht zu werden.
Test der Sensoranordnung
• Um die Leistung der Sensoren auf Ruß-Basis zu beurteilen, wurden Anordnungen mit bis zu 20 Elementen einer Reihe von Analyten ausgesetzt. Ein Sensor-Einwirkvorgang bestand aus (1) einem 60-sekündigen Einwirken fließender Luft (6 l min&supmin;¹), (2) einem 60-sekündigen Einwirken eines Gemisches aus Luft (6 l min&supmin;¹) und Luft, die mit dem Analyten gesättigt wurde (0,5 l min&supmin;¹), (3) einer 5-minütigen Regenerierungsperiode, während der die Sensoranordnung fließender luft ausgesetzt war (6 l min&supmin;¹). Der Widerstand der Elemente wurde während des Einwirkens beobachtet, und Widerstandsveränderungen bis zu 250% konnten in Abhängigkeit der Dicke und der chemischen Zusammensetzung des Films in der Antwort auf einen Analyten beobachtet werden. In einem Experiment wurde eine 10 Element-Sensoranordnung bestehend aus Ruß-Kompositen, die mit einer Reihe nicht-leitender Polymere gebildet waren (vgl. Tabelle 4), Aceton, Benzol, Chloroform, Ethanol, Hexan, Methanol und Toluol über einen Zeitraum von 2 Tagen ausgesetzt. Insgesamt wurden 58 Einwirkungen dieser Analyten in diesem Zeitraum durchgeführt. In allen Fällen waren die Widerstandsänderungen in der Antwort auf die Analyten positiv, und mit Ausnahme von Aceton reversibel (vgl. Fig. 8). Die maximalen positiven Abweichungen wurden dann der Hauptkomponentenanalyse unterworfen, und zwar auf eine analoge Art, wie es für den Sensor auf Poly(pyrrol)- Basis beschrieben worden war. Fig. 9 zeigt die Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse für die gesamte 10 Element-Anordnung. Mit Ausnahme der Überlagerung von Toluol mit Benzol wurden die Analyten voneinander unterschieden.
• Obwohl die Erfindung vorstehend detailliert durch veranschaulichende Beispiele beschrieben wurde, um zum klaren Verständnis beizutragen, ist es ersichtlich, dass bestimmte Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne vom Schutzbereich der Patentansprüche abzuweichen.

Claims (11)

1. Sensoranordnung zum Nachweis eines Analyten in einem Fluid umfassend mindestens erste und zweite chemisch empfindliche Widerstände, die durch elektrische Leitungen mit einer elektrischen Meßvorrichtung verbunden sind, wobei jeder der chemisch empfindlichen Widerstände umfaßt:

einen ersten elektrischen Widerstand beim Kontakt mit einem ersten Fluid umfassend einen chemischen Analyten in einer ersten Konzentration, und

einen zweiten elektrischen Widerstand beim Kontakt mit einem zweiten Fluid umfassend den chemischen Analyten in einer zweiten, unterschiedlichen Konzentration, gekennzeichnet dadurch, daß

die Differenz zwischen dem ersten elektrischen Widerstand und dem zweiten elektrischen Widerstand des ersten chemisch empfindlichen Widerstands sich von der Differenz zwischen dem ersten elektrischen Widerstand und dem zweiten elektrischen Widerstand des zweiten chemisch empfindlichen Widerstands unter den selben Bedingungen unterscheidet, und

jeder der chemisch empfindlichen Widerstände weiter umfaßt:

Bereiche eines nicht-leitenden organischen Polymers und eines leitenden Materials, das anders zusammengesetzt ist als das nicht-leitende organische Polymer, wobei jeder Widerstand

einen elektrischen Pfad zwischen den Bereichen aus nicht-leitendem organischen Polymer und dem leitenden Material bereitstellt.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei sich das nicht-leitende organische Polymer des ersten chemisch empfindlichen Widerstands von dem nicht-leitenden organischen Polymer des zweiten chemisch empfindlichen Widerstands unterscheidet.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das leitende Material ein anorganischer Leiter ist.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das elektrische Meßgerät mit einem Computer umfassend einen innewohnenden Algorithmus verbunden ist.

5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die etwa 10 bis etwa 1000 Sensoren umfaßt.

6. Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung zum Nachweis eines Analyten in einem Fluid umfassend: Ausbilden der Sensoren mit Bereichen aus nicht-leitendem organischen Material und aus leitendem Material, das anders zusammengesetzt ist als das nicht-leitende organische Material, derart, daß die Sensoren eine vorbestimmte Variation von Sensor zu Sensor in der Struktur und/oder Zusammensetzung des nicht-leitenden organischen Materials aufweisen und dadurch eine Sensorvielfalt bereitstellen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Sensoranordnung etwa 10 bis etwa 1000 Sensoren umfaßt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das nicht-leitende organische Material ein organisches Polymer ist, in dem:

(a) das Polymer ein Gemisch oder ein Copolymer ist; und/oder

(b) beim Verändern des Polymers sich die Perkolationsschwelle des Sensors verändert; und/oder

(c) das Polymer einen Weichmacher enthält; und/oder

(d) das Polymer vernetzt ist; und/oder

(e) das Polymer in mindestens zwei der Sensoren unterschiedlich ist, und/oder

(f) die Konzentration des Polymers in mindestens zwei der Sensoren unterschiedlich ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Sensoranordnung mittels integrierter Schaltkreistechnologie hergestellt wird.

10. Verwendung der Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Sensoranordnung, die mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 9 hergestellt wurde, zum Nachweis des Vorliegens eines Analyten in einem Fluid.

11. Verwendung nach Anspruch 10 in einer Anwendung ausgewählt aus Umwelt- Toxikologie und Umweltschutz, Biomedizin, Qualitätskontrolle von Materialien, Überwachung von Lebensmitteln und Überwachung der Landwirtschaft.