TW201534922A

TW201534922A - 包含柔性奈米結構的感測器及其製造方法

Info

Publication number: TW201534922A
Application number: TW103140010A
Authority: TW
Inventors: Jun-Hyung Kim
Original assignee: Sk Innovation Co Ltd
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2014-11-19
Publication date: 2015-09-16
Also published as: US20150177139A1; CN104730037A; KR20150072292A

Abstract

本發明係有關於一種具有奈米結構作為檢測元件的感測器及其製造方法。該感測器包括作為檢測元件的奈米結構，用於在柔性襯底上檢測標記物，其中該奈米結構包括：包含結合到柔性襯底的連接基團的連接層；和由金屬離子形成的金屬奈米粒子。

Description

包含柔性奈米結構的感測器及其製造方法

【相關申請的交叉參考】

本申請要求於2013年12月19日提交的申請號為No.10-2013-0159751的韓國專利申請的優先權，其在此通過引用被全部併入本文中。

本發明的各種實施例有關一種具有作為檢測元件的柔性奈米結構的感測器，以及該感測器的製造方法。

奈米結構被廣泛用作感測器，其可通過與金屬奈米粒子配體的方式檢測光、酶、病毒、氣體，和重金屬。

特別地，用一種貴金屬金製造的奈米粒子，表面等離子體共振(SPR)現象會發生。SPR現象在入射光激發電子集體振盪時發生。金奈米粒子具有期望的物理、化學和光學特性，其支援此現象及其應用。

例如，生物感測器可以包括用於將陽極與陰極電連接的奈米結構，且奈米結構可以包括奈米粒子，奈米粒子與受體結合或被受體包覆。

由於奈米結構的電導性依靠被吸收的光的波長而變化，奈米結構技術可被應用於光學感測器。

奈米結構可根據應用領域按不同尺寸被製造，並且可被用於高靈敏的電學、化學，及光學應用。但是，由於過程複雜，將該技術用於大規模生產能力有限。此外，奈米粒子需要均勻並高濃度地被製備以用於電傳感和高速操作。

各種實施例有關包括柔性奈米結構的感測器，奈米結構允許大規模生產，其簡單並適於控制奈米粒子的大小，以及用於製造感測器的方法。

同樣，各種實施例有關包括柔性奈米結構的感測器，其可確保甚至在被按比例縮放(scale)時，應用設備的操作穩定性、可重複性和可靠性。

在一個實施例中，感測器包括作為檢測元件用於在柔性襯底上檢測標記物的奈米結構，其中奈米結構包括：連接層，其包括與柔性襯底結合的連接基團；以及由與連接基團結合的金屬離子生長的金屬奈米粒子。

柔性襯底可以是具有羥基(-OH)官能團的有機材料，該官能團適於與有機材料表面的連接基團結合。

感測器還可包括：與金屬奈米粒子表面結合的受體。

受體可以是從酶底物、配體、氨基酸、肽、蛋白質、核酸、脂質和碳水化合物中選擇的一個或多個。

柔性襯底可以是聚合物，其包括從聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醯亞胺 (PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙醯纖維素(TAC)、聚醚碸(PES)、聚二甲矽氧烷(PDMS)中選擇的一種或兩種以上的化合物。

奈米結構的製造還可以包括與金屬離子或奈米粒子表面相結合的一種或多種有機表面活性劑。

金屬奈米粒子可具有約0.5奈米至3奈米的平均粒子直徑。

每個連接基團可包括選自以下群組的一個官能團：胺基，羧基，和硫醇基，其適用於被結合到金屬離子。

連接層可包括自組裝單分子層(單個分子厚度的粒子層)或矽烷化合物層。

金屬奈米粒子可被安排為彼此分離，以形成單奈米粒子層(一個奈米粒子厚度的層)。

奈米結構可具有垂直多重堆疊(multi-stack)結構，其中連接層和奈米粒子層交替重複堆疊。

在另一個實施例中，感測器可包括作為檢測元件用於在柔性襯底上檢測標記物的奈米結構，其中奈米結構包括：形成於柔性襯底上的電介質材料粒子載體；與電介質材料粒子載體表面結合的連接基團；以及與連接基團結合的由金屬離子形成的金屬奈米粒子。

感測器還包括與金屬奈米粒子表面結合的受體。

受體可以是選自酶底物、配體、氨基酸、肽、蛋白質、核酸、脂質和碳水化合物中的至少一種。

柔性襯底可以是聚合物，其包括從聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醯亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙醯纖維素(TAC)、聚醚碸(PES)、聚二甲矽氧烷(PDMS)中選擇的一種或兩種以上的化合物。

電介質材料粒子載體，其具有與之結合的連接基團，可被設置在柔性襯底上以形成單支撐層或垂直堆疊的多層。

每個連接基團可包括選自以下群組的官能團：胺基，羧基，和硫醇基，其適用於結合到金屬離子。

奈米結構的製造還可包括在金屬離子生長(還原或聚集)前與金屬離子表面或生長中的奈米粒子/離子表面結合的一種或多種有機表面活性劑。

在另一個實施例中，製造感測器的方法包括：形成柔性襯底；形成連接層，其包括柔性襯底上的連接基團；將金屬離子結合到連接層的連接基團；通過生長金屬離子形成金屬奈米粒子；以及將受體結合到金屬奈米粒子表面。

柔性襯底的形成可以包括形成具有羥基(-OH)官能團的有機材料，該官能團適於與有機材料表面的連接基團結合。

可通過施加能量生長金屬離子。

方法還可包括在施加能量之前或其過程中提供一種或多種有機表面活性劑。

連接層可以通過向該柔性襯底的表面供應連接基團溶液形成，其中連接基團溶於溶劑中。

連接層可以通過使用含有連接基團的氣體的原子層沉積(ALD)法形成。

每個連接基團可具有適於與金屬離子結合的官能團。

將金屬離子結合到連接層的連接基團可包括將金屬前體應用到連接基團。

在另一個實施例中，用於製造感測器的方法可以包括形成柔性襯底；在柔性襯底上形成具有結合在襯底上的連接基團的電介質材料粒子載體；將金屬離子結合到連接基團；由金屬離子形成金屬奈米粒子；以及將受體結合至金屬奈米粒子的表面。柔性襯底的形成可以包括形成具有羥基(-OH)官能團的有機材料，該官能團適於與有機材料表面的連接基團結合。

金屬離子可通過施加能量的方式生長。方法還可包括在施加能量之前或期間提供一種或多種有機表面活性劑。

形成具有結合於其上的連接基團的電介質材料粒子載體可包括：通過將電介質材料粒子載體與連接基團在溶劑中混合以形成溶液的方式製備載體材料溶液；以及用載體材料塗覆柔性襯底或將載體材料溶液沉積在柔性襯底上。

將金屬離子結合到連接基團可包括將金屬前體施加到連接基團。

11‧‧‧襯底

12A‧‧‧陽極

12B‧‧‧陰極

13‧‧‧奈米結構

13A‧‧‧金屬奈米粒子

110‧‧‧襯底

112‧‧‧矽襯底

114‧‧‧表層

120‧‧‧連接層

120A‧‧‧基團

122、126‧‧‧官能團

124‧‧‧鏈式基團

130‧‧‧金屬離子

140‧‧‧金屬奈米粒子

150‧‧‧受體

210‧‧‧襯底

212‧‧‧襯底

214‧‧‧表層

220‧‧‧載體層

222‧‧‧載體

224‧‧‧連接基團

230‧‧‧金屬離子

240‧‧‧金屬奈米粒子

250‧‧‧結合受體

圖1是根據本發明第一實施例示出了部分感測器的側視圖。

圖2A至圖2E是根據本發明第一實施例說明的用於製造感測器平臺的方法的側視圖。

圖3A至圖3D是根據本發明第二實施例說明的用於製造感測器平臺的方法的側視圖。

在下文中，根據實施例的具有奈米結構作為檢測元件的感測器及其製造方法將參考附圖進行詳細描述。然而，本發明將以不同的形式體現並不受到此處提出的實施例限制。而是，這些實施例被提供以便本發明將徹底並完整地，以及將完全向本技術領域內的技術人員傳達本發明的保護範圍。此外，附圖不需要按比例繪製以及，在某些情況下，該比例將會被誇大以便於清楚地闡述本實施例的特徵。貫穿整個說明書，在本發明的各個附圖以及實施例中的相似被標記的部件與附圖標記直接對應。同樣，所有“實施例”指本發明的實施例。

應當容易理解的是，在本說明書中的“上”和“上面”的意思應當以最寬泛的方式解釋以使“上”不僅僅意味著“直接位於其上”還意味著中間零件或其之間的層“上”，以及“上面”不僅僅意味著直接的上方還意味著中間零件或其之間的層的上方。還要注意的是，在本說明書中，“連接/聯接”指一個元件與另一個元件不僅直接相連而且可以通過中間元件與另一元件相連。此外，只要沒有特別指出，單數形式可以包括複數形式，並反之亦然。

除非另有說明，在此使用的所有術語，包括技術的或科學的術語，具有符合本發明的技術領域內技術人員可以理解的相同含義。在下文中，當其可能使本發明的主題模糊不清時，已知的功能和構造的詳細說明將被省略。

圖1為示出了根據第一實施例的感測器平臺的一部分的側面圖。

參考圖1，陽極12A和陰極12B在襯底11上形成，並彼此相對。同樣地，奈米結構13形成在襯底11上。襯底11的形狀和材料可根據應用領域而不同。奈米結構13可包括單層(一個奈米粒子厚度)或多層(多個奈米粒子厚度)的金屬奈米粒子13A。

圖1示出了實施例感測器的一部分。但是本發明技術可被應用到不同的三維結構，且奈米結構13的位置和形狀可不同以適應被應用的平臺。本發明可被應用於任何具有金屬奈米粒子的感測器以檢測標誌物。標誌物為目標材料且示例包括酶、病毒、氣體和重金屬。本發明中的奈米結構13可被應用於各種具有不同材料的物理結構中。

【根據本發明第一實施例的感測器平臺及其製造方法】

圖2A至2E為示出了根據第一實施例的感測器平臺的製造方法的側視圖。該實施例關注在奈米結構的製造上，該奈米結構為檢測元件。

根據第一實施例的製造感測器平臺的方法包括：將連接基團120A結合至襯底110(見圖2A)；將金屬離子130結合到連接基團120A(見圖2B和圖2C)；以及通過向金屬離子130施加能量由金屬離子130形成金屬奈米粒子140(見圖2D)。該根據第一實施例的感測器平臺的製造方法還可包括將受體150結合在金屬奈米粒子140的表面上。同樣，該方法可還包括提供一種或多種有機表面活性劑，以在施加能量之前或期間控制金屬奈米粒子140的大小。

圖2A示出了結合到製備好的連接基團120A的連接基團120A。襯底110可具有表層114，表層具有適於結合至連接基團120A的官能團。例如，襯底110可為矽襯底112，包括作為表層114的二氧化矽(SiO₂)層。

襯底110可為半導體襯底、透明襯底，以及柔性襯底，且襯底110的材料、結構和形狀可根據被應用到的應用設備而不同。同時，襯底110可作為對感測器平臺元件的物理支撐的組元，例如，電極，或襯底110可以是組元的原材料。

柔性襯底的非限定示例包括由聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醯亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙醯纖維素(TAC)、聚醚碸(PES)、聚二甲矽氧烷(PDMS)，或其混合物構成的柔性聚合物襯底。當柔性襯底被使用時，該襯底的表面層114可以由具有適於結合到連接基團的官能團(例如，官能團-OH)的有機材料構成。

襯底110的表層114還可以是金屬薄膜。金屬薄膜可具有大約100奈米或更小的厚度。根據本發明的實施例，金屬薄膜可具有大約1奈米-10奈米的厚度。當金屬薄膜特別薄時，約為1奈米或更小，可能損害薄膜的均勻度。用於作為表層114的金屬薄膜的材料的非限制性示例可包括過渡金屬包括貴金屬、金屬、以及它們的混合物。過渡金屬的實例包括Sc、Y、La、Ac、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Te、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au以及它們的混合物，且金屬的實例包括Li、Na、K、Rb、Cs、Fr、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、Zn、Cd、Al、Ga、In、Tl、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Po及其混合物。

連接層120可形成在襯底110上，且可由連接基團120A組成。連接層120可以是結合到襯底110表面的自組裝單分子層。

該連接基團120A可以為化學結合到襯底110的表面上或由襯底110的表面吸附的有機連接基團並可以與金屬離子化學結合。具體地，該連接基團120A可以為具有與襯底的表面層114化學結合或被襯底的表面層114吸附的官能團122以及被化學結合到金屬離子(隨後被形成)的官能團126。該化學結合可以包括共價鍵、離子鍵，或配位鍵。舉例來說，金屬離子和連接基團之間的鍵可以為在正電荷(或負電荷)金屬離子與負電荷(或正電荷)的連接基團之間的在官能團126上的離子鍵。襯底110的表層114和連接基團之間的鍵可以為連接基團的官能團122和襯底的表面之間自發的化學鍵。

更具體地說，該連接基團120A可以為形成自組裝單分子層(厚度為一個分子或個連接基團的層)的有機分子。換句話說，該連接基團120A可以為具有結合到表面層114的官能團122的有機分子以及適合與金屬離子結合的官能團126。連接基團120A還可以包括鏈式基團124，該鏈式基團124連接官能團122和官能團126，並通過範德瓦爾斯相互作用而排列單分子層的形成。

自組裝可以通過適當設計襯底表面材料和有機分子的第一官能團122完成。一組公知的材料的自組裝端部基團可以被使用。

在具體的非限定性實施例中，當襯底110的表層 114是由氧化物、氮化物、氧氮化物或矽酸鹽製成時，作為連接基團的有機分子可以為由下面分子式1表示的化合物。

(分子式1)R1-C-R2

在分子式1中，R1代表與襯底結合的官能團，C代錶鏈式基團，以及R2代表與金屬離子結合的官能團。R1可以為選自以下群組的一個或多個的官能團：乙醯基、乙酸基、磷烷基、磷酸基、醇基、乙烯基、醯胺基、苯基、胺基、丙烯醛基、矽烷基、靛青以及烷醇基。C可以為具有1到20個碳原子的線型的或分支的碳鏈。R2可以為選自以下群組的一個或多個功能性群組：羧酸、羧基、胺基、磷烷基、磷酸以及硫醇基

在非限定的實施例中，作為連接基團120A的有機分子可以選自以下群組中的一個或多個：正辛基三氯矽烷(OTS)、六甲基二矽氮烷(HMDS)、十八烷基三氯矽烷(ODTS)、 (3-氨丙基)三甲氧基甲矽烷(APS)、(3-氨丙基)三乙氧基矽烷、N-(3-氨丙基)-二甲基-乙氧基矽烷(APDMES)、全氟癸基三氯矽烷(PFS)、巰丙基三甲氧基矽烷(MPTMS)、N-(2-氨乙基)-3氨丙基三甲氧基甲矽烷(aminopropyltrymethoxysilane)、(3-氯丙基三甲氧矽烷)二亞乙基三胺、十八烷基三甲氧基矽烷(OTMS)、(十七氟癸基三甲氧基矽烷)三氯甲矽烷(FDTS)、二氯二甲基矽烷(DDMS)、N-(氯丙基三甲氧矽烷)乙二胺三乙酸、十六硫醇(HDT)，以及環氧己基三乙氧基矽烷(epoxyhexyltriethoxysilan)。

為確保奈米粒子和襯底之間的穩定絕緣，作為連接基團的有機分子可以包括烷烴鏈式基團，尤其是具有3到20個碳原子的烷烴鏈式基團，並可以進一步包括含氧的一部分。該部分含氧的示例包括乙二醇(-O-CH₂-CH₂-)、羧酸(-COOH)、醇(-OH)、醚(-O-)、酯(-COO-)、酮(-CO-)、醛(-COH)和/或醯氨(-NH-CO-)等。

連接基團120A的附著物可以通過將襯底110與溶劑中的連接基團120A的溶液接觸來實施。用於形成連接基團溶液的溶劑可以為可以溶解連接基團並易於通過蒸發移除的任何溶劑。如技術領域內所公知的，當該連接基團包括矽烷基團時，用於促進水解作用的水可以加入到連接基團溶劑中。可以理解的是，襯底和連接基團溶液之間的接觸可以使用任何能在襯底上形成自組裝單分子層的方法來實施。在非限定實施例中，連接基團溶液和襯底之間的接觸通過使用以下方法來實施：浸漬、微接觸印刷、旋塗、輥塗、螢幕塗層、噴塗、旋轉塗曝、澆塗、絲網印刷、噴墨塗布或落模法。

當金屬離子通過連接基團120A被固定在襯底上時，其好處在於：對襯底的表面層114的損害可以被防止以及具有均勻分佈的金屬離子層可以形成。同樣地，通過能量的施加製備的奈米粒子可以被穩定地固定。

該連接基團可以具有與金屬離子化學結合的官能團。該襯底110的表面可以被修飾以形成官能團(連接基團)，並且接著金屬前體可以被供應到表面修飾的襯底以使金屬離子可以與官能團結合。該官能團可以為選自以下群組中的一個或多個的基團：羧酸、羧基、氨基、磷烷基、磷酸以及硫醇基。在襯底表面上的官能團的形成可以使用任何方法來實施。用於在襯底表面上形成官能團的方法的具體示例包括等離子體改性、化學修飾，以及具有官能團的化合物的氣相澱積(應用)。襯底表面的修飾可以由氣相澱積(具有官能團的化合物的應用)實施以防止引入表面層雜質、品質劣化以及損壞。

在具體和非限定實施例中，當襯底110的表面層114由氧化物、氮氧化物或矽酸鹽形成，官能團(連接基團)可以通過襯底110上的矽烷化合物層形成。

該矽烷化合物層可以由具有一個或多個選自以下基團的官能團的烷氧基矽烷化合物組成：羧酸、羧基、氨基、磷烷基、磷酸以及硫醇基。

矽烷化合物，可由下面分子式2表示：(分子式2)R¹ _n(R²O)_3-nSi-R

在分子式2中，R¹為氫、羧酸基、羧基、胺基、磷烷基、磷酸基、硫醇基、具有1到10個碳原子的線型或分支的烷基；R²為具有1到10個碳原子的線型或分支的烷基；R²為具有1到10個碳原子的線型或分支的烷基；烷基R可以被選自以下群組中的一個或多個基團取代：羧酸基、羧基、胺基、磷烷基、磷酸基以及硫醇基；烷基R¹以及烷基R²可以分別獨立地被選自下列群組的一個或多個基團取代：鹵素、羧酸基、羧基、胺基、磷烷基、磷酸基以及硫醇基；以及n可以為0、1或2。

該矽烷化合物還可以由以下分子式3到5來表示：(分子式3)(R³)₃Si-R⁴-SH

(分子式4)(R³)₃Si-R⁴-COOH

(分子式5)(R³)₃Si-R⁴-NH₂

在分子式3、4和5中，R³基團可以為獨立於烷氧基或烷基的每個基團，以及一個或多個R³基團為烷氧基；以及R⁴為具有1到20個碳原子的二價碳氫化合物基團。在分子式3、4或5中的基團R³可以是相同的或不同的並且每個為獨立的烷氧基，諸如甲氧基、乙氧基或丙氧基，或者烷基；以及R⁴可以為具有1到20個碳原子的二價的碳氫化合物基團，諸如-CH₂-、-CH₂-CH₂-、-CH₂-CH₂-CH₂-、-CH₂-CH(CH₃)-CH₂-或-CH₂-CH₂-CH(CH₃)-。

羧基矽烷化合物的非限定示例包括甲基矽二乙酸酯、1,3-二甲基-1,3-乙酸二甲矽醚、1,2-二甲基-1,2-乙酸乙矽烷、1,3-二甲基-1,3-二丙醯氧基二矽烷甲烷(dipropionoxydisilamethane)以及1,3-二乙基-1,3-二乙醯氧基二矽烷甲烷(diacetoxydisilamethane)。氨基矽烷化合物的非限定示例包括N-(2-氨乙基)氨丙基三(甲氧基)矽烷、N-(2-氨乙基)氨丙基三(乙氧基)矽烷、N-(2-氨乙基)氨丙基二氯乙酸甲酯(甲氧基)矽烷、N-(2-氨乙基)氨丙基二氯乙酸甲酯(乙氧基)矽烷、3-氨丙基三(甲氧基)矽烷、3-氨丙基三(乙氧基)矽烷、3-氨丙基二氯乙酸甲酯(甲氧基)矽烷以及3-氨丙基二氯乙酸甲酯(乙氧基)矽烷。硫醇基矽烷化合物的非限定示例包括巰基丙基三甲氧基矽烷、巰基丙基三乙氧基矽烷、巰乙基三甲氧基矽烷以及巰乙基三乙氧基矽烷。

上述的矽烷化合物可以被應用到或沉積在襯底110的表面上以形成官能團(由矽烷化合物層導致的官能團)。該矽烷化合物層可以通過應用或乾燥矽烷化合物溶液而形成。作為一種選擇，矽烷化合物可以通過向襯底表面供應氣態矽烷化合物來沉積。

隨著矽烷化合物官能團與隨後被供應的金屬前體反應以將金屬離子固定到襯底，優選地形成矽烷化合物層，在該均勻層上官能團被平均地暴露於表面。該矽烷化合物層可以通過原子層沉積(ALD)形成。

上述具有官能團的矽烷化合物(具體地為具有分子式2、3和4的矽烷化合物)可以屬於上述自組裝分子基團。具體地，(R³)₃Si可以相當於與襯底表面結合的官能團，R⁴可以相當於鏈式基團，以及R(分子式2中的R)諸如-SH、-COOH或-NH₂可以相當於與金屬離子結合的官能團。該矽烷化合物層可以為單分子層。

圖2B和C示出了與連接基團120A結合的金屬離子130。該金屬離子130可以被結合到連接基團120A的官能團126。

該金屬離子130可以通過向襯底結構供應金屬前體而形成，其中形成連接基團。換句話說，該金屬離子130可以通過向襯底應用金屬前體溶液或向襯底應用氣態金屬前體而形成。

該金屬前體可被設計為適應所期望的奈米粒子類型。舉例來說，該金屬前體可以為選自以下群組的一個或多個金屬：過渡金屬、貧金屬以及類金屬。在非限定實施例中，過渡金屬前體可以為過渡金屬鹽。具體來說，該過渡金屬可以選自以下群組的一個或多個：金、銀、釕、鈀和鉑，以及過渡金屬鹽可以選自以下群組：過渡金屬的鹵化物、硫屬化合物、鹽酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽、醋酸鹽或銨鹽。當過渡金屬前體的過渡金屬為金時，過渡金屬前體的示例包括但不限於，HAuCl₄、AuCl、AuCl₃、Au₄Cl₈、KAuCl₄、NaAuCl₄、NaAuBr₄、AuBr₃、AuBr、AuF₃、AuF₅、AuI、AuI₃、KAu(CN)₂、Au₂O₃、Au₂S、Au₂S₃、AuSe、Au₂Se₃等等。然而，本公開的範圍不限於這些實施例。

通過連接基團120A被結合(附接)到襯底的該金屬離子130可以為選自以下群組中一個或多個金屬的離子：過渡金屬、貧金屬以及類金屬。根據金屬前體的種類，該金屬離子130可以為上述的金屬離子本身或包括上述金屬的離子。金屬離子130本身可以結合到有機分子(連接基團)的官能團126(見圖2B)，或者含有金屬的離子可以結合到有機分子的官能團126(見圖2C)。含有金屬的離子可源於在其與有機分子官能團的反應中的金屬前體。

圖2D示出了通過能量施加造成的金屬離子130的減少或生長形成的金屬奈米粒子140。該金屬奈米粒子140可以通過連接基團120A形成在襯底110。

先進技術使數十到數百個原子的非常微小的奈米粒子的合成成為可能，但是由於熱力學，合成的奈米粒子可以不具有均勻的粒子尺寸分佈以及奈米粒子之間的尺寸差別可以隨著合成過程中反應區域的尺寸的增加而增加。另外，通過使用自上而下的方法製備奈米粒子的方法能夠通過先進光刻技術製備具有大約20nm或更小尺寸的粒子，但是由於該方法是複雜的並需要精准控制所以其難以進行商業應用。

然而，在根據第一實施例的製造方法中，奈米粒子在與襯底的表面區域對應的非常小的反應領域中被直接製備，以及因此具有非常均勻並可控大小的尺寸的奈米粒子可以以高密度製備。由於奈米粒子通過使用連接基團將金屬原子(離子)固定到襯底上並接著向金屬離子施加能量，所以該奈米粒子可以以簡單、方便並低成本的方式迅速生產。此外，由於成核現象以及生長(奈米粒子的形成)通過在金屬原子(離子)通過連接基團被固定到襯底上的這個狀態上施加能量來誘發，所以該金屬原子(離子)的遷移可以被控制，導致形成更均勻以及更微小的奈米粒子。用於成核和生長以形成奈米粒子的金屬材料可以通過被結合到連接基團上的金屬原子(離子)被單獨地供應。換句話說，用於形成奈米粒子的供應來自於結合到連接基團的金屬原子(離子)的擴散。由於金屬原子(離子)被結合到連接基團上，所以金屬原子(離子)緩慢地遷移超過預定距離以參與成核和生長，並因此每個奈米粒子的反應區域可以被限定圍繞原子核。因此，更小的、具有更均勻尺寸、更均勻分隔距離和更高密度的奈米粒子可以被形成。另外，金屬奈米粒子到連接基團上的結合被保持，於是該奈米粒子通過連接基團可以被穩定地固定到襯底上。奈米粒子間的分隔距離可以相當於參與到奈米粒子的成核和生長中的金屬原子的擴散距離。

被施加以形成奈米粒子的能量可以選自以下一個或多個能量：熱能、化學能、光能、震動能、離子束能、電子束能，以及輻射能。

熱能可以包括焦耳熱並且可以被直接施加或間接施加。熱能的直接施加可以在熱源和具有在其中被固定的金屬離子的襯底彼此互相物理接觸的狀態下被實施。熱能的間接施加可以在熱源和在其中被固定的金屬離子的襯底相互間不在物理接觸的狀態下實施。直接施加的非限定示例包括設置加熱元件的方法，其通過電流的流動在襯底下方產生熱量並將熱能通過襯底傳送給金屬離子。間接施加的非限定示例包括使用常規的熱處理爐，其包括在其中放置需要熱處理的物體(諸如管)的空間，圍繞該空間以防止熱量散失的熱絕緣材料，以及放置在熱絕緣材料內部的加熱元件。間接加熱施加的非限定示例在襯底上的預設距離中放置加熱元件的方法中可以看到，其中該金屬離子被固定，並將熱能通過在襯底和加熱元件之間出現的流體(包括空氣)傳送到金屬離子。

光能可以具有包括波長範圍從遠紫外到近紅外的波長，以及光能的施加可以包括帶有光線的照射。在非限定的實施例中，光源可以設置在襯底的上方，其具有從金屬離子的預設距離上固定在其間的金屬離子，以及來自光源的光線可以照射在金屬離子上。

震動能可以包括微波和/或超聲波。震動能的施加可以包括與微波和/或超聲波之間的照射。在非限定實施例中，微波和/或超聲波源可以被以距金屬離子預設距離而設置在具有固定在其上的金屬離子的襯底上，以及來自源的微波和/或超聲波可以照射在金屬離子上。

輻射能可以包括選自α射線、β射線和γ射線中的一個或多個的射線。在非限定的實施例中，輻射源可以以距金屬離子的預設距離而設置在具有固定在其上的金屬離子的襯底上，以及來自該源的輻射可以照射在金屬離子上。

能量可以為粒子束的動能，以及該粒子束可以包括離子束和/或電子束。該束的離子可以為負電荷。在非限定的實施例中，離子或電子源可以距金屬離子的預設距離而設置在具有固定在其上的金屬離子的襯底上，以及該離子束和/或電子束可以使用加速元件而被施加到金屬離子上，該加速元件提供了在金屬離子的方向上加速離子或電子的電場(磁場)。

化學能為化學反應之前和之後之間的吉布斯自由能差，以及該化學能可以包括還原能量。化學能可以包括利用還原劑的還原反應的能量並可以意味著其中金屬離子通過還原劑被還原的還原反應的能量。在非限定的實施例中，化學能的施加可以為還原反應，其中還原劑與具有固定在其上的金屬離子的襯底接觸。該還原劑可以以液態或氣態供應。

在根據實施例的製造方法中，能量的施加可以包括同時地或順序地施加選自以下群組的一種或多種能量：熱能、化學能、光能、震動能、離子束能、電子束能，以及輻射能。

在同時應用的具體實施例中，熱量的施加可以與粒子束的應用同時進行。可以理解的是，該粒子束的粒子可以通過熱能加熱。

在同時施加的另一具體實施例中，熱量的施加可以與還原劑的施加同時進行。仍在同時施加的另一個實施例中，粒子束的施加可以與紅外線或微波的施加同時進行。

順序的施加可以意味著一種能量在另一種能量被施加後繼續施加。其還可以意味著不同種類的能量被連續地或不連續地向金屬離子施加。更優選的是，通過連接基團被固定到襯底上的金屬離子的還原在奈米粒子形成前被執行，並因此在順序施加的具體實施例中，熱量可以在還原劑加入後或正電荷粒子束施加後被施加。

在非限定的粒子實施例中，能量的施加可以使用包括鎢鹵素燈的高速熱處理(RTP)系統實施，以及該快速熱處理可以在50到150℃/秒的速度上實施。同樣地，快速熱處理可以在還原環境或惰性氣體環境中被執行。

在非限定粒子實施例中，能量的施加可以通過將溶劑中帶有還原劑的溶液與金屬離子接觸來實施，該接觸伴隨著通過使用在還原環境或惰性氣體環境中的快速熱處理系統的熱處理。

在非限定的粒子實施例中，能量的施加可以通過在真空室中從電子束發生器產生電子束以及向金屬離子加速所產生的電子束來實施。該電子束發生器可以為方形或線槍型。該電子束可以通過從電子束發生器生成等離子體和使用遮罩膜從等離子體中抽取電子來產生。另外，可以理解的是，加熱元件可以設置在保持器上以在真空室中承載襯底，以及熱能可以通過在電子束施加的前、中和/或之後的這個熱元件應用到襯底上。

當所期望的奈米粒子為金屬奈米粒子時，該金屬奈米粒子可以通過上述的能量的應用在原地製備。當被製備的奈米粒子不是金屬奈米粒子而是金屬化合物奈米粒子時，該金屬化合物奈米粒子可以通過在上述能量的應用中或應用後提供不同於金屬離子的物質來製備。具體地，該金屬化合物奈米粒子可以包括金屬氧化物奈米粒子、金屬氮化物奈米粒子、金屬碳化物奈米粒子或金屬互化物奈米粒子。更具體地，該金屬化合物奈米粒子可以通過在應用上述能量之中或之後在氣態或液態中提供不同物質來製備。在特定的實施例中，代替金屬奈米粒子的金屬氧化物奈米粒子可以通過在能量應用過程中提供包括氧氣的氧源來製備。此外，代替金屬奈米粒子的金屬氮化物奈米粒子可以通過在能量應用過程中提供包括氮氣的氮源來製備。金屬碳化物奈米粒子可以通過供應碳源來製備，該碳源包括能量施加過程中的C₁-C₁₀的碳氫氣體，以及金屬互化物奈米粒子可以通過提供包括不同物質的前體氣體來製備，其在能量應用過程中提供金屬互化物。具體地，該金屬互化物奈米粒子可以通過碳化、氧化、氮化或由上述能量的應用製備的金屬奈米粒子的合金化處理來製備。

奈米粒子的密度(通道區域的每單位表面面積中的奈米粒子的數量)以及粒子尺寸和粒子尺寸分佈可以通過能量施加條件控制，包括種類、大小、溫度，以及能量應用的持續性。

具體地說，具有大約0.5nm到3nm的平均粒子半徑的奈米粒子可以通過施加能量來製造。在這個情況下，均勻的奈米粒子可以被製備為具有標準差大約±20%或更少的粒子直徑。同樣地，具有大約10¹³到10¹⁵/cm²奈米粒子密度(其為每單位面積的奈米粒子的數量)的高密度奈米粒子被製備。

按照一個實施例，當所施加的能量為電子束時，該電子束可以以大約0.1KGy到100KGy的劑量被照射。隨著這個電子束照射劑量，具有大約2到3nm的平均粒子直徑的奈米粒子可以被製備，以及該奈米粒子可以具有大約±20%或更低的粒子直徑標準差。該製備的奈米粒子密度(其為每單位面積中奈米粒子的數量)的範圍為大約10¹³到10¹⁵/cm²。

按照另一實施例，當所施加的能量為電子束時，該電子束可以以大約100μGy到50KGy的劑量被照射。隨著這個電子束照射劑量，具有平均大約1.3到1.9nm的平均粒子直徑的奈米粒子可以被製備，以及該奈米粒子可以具有大約±20%或更低的粒子直徑標準差。製備的奈米粒子密度(其為每單位面積內的奈米粒子的數量)的範圍可以從約10¹³到10¹⁵/cm²，並且更具體地，該奈米粒子密度範圍可以從約0.2×10¹⁴到0.2×10¹⁵/cm²。

按照另一實施例，當所施加的能量為電子束時，該電子束可以以大約1μGy到10KGy的劑量被照射。隨著這個電子束照射劑量，具有平均大約0.5到1.2nm的平均粒子直徑的奈米粒子可以被製備，以及該奈米粒子可以具有大約±20%或更低的粒子直徑標準差。製備的奈米粒子密度(其為每單位面積內的奈米粒子的數量)的範圍可以從約10¹³到10¹⁵/cm²，更具體地，該奈米粒子密度範圍可以從約0.2×10¹⁴到0.3×10¹⁵/cm²。

根據另一實施例，當所施加的能量為熱能時，具有大約2到3nm的平均粒子直徑的奈米粒子通過在大約100到500℃的溫度範圍內在還原氣體(reducing atmosphere)中實施熱處理大約0.5到2小時來製備或通過向被結合到連接基團上的金屬離子供應還原劑並在大約200到400℃的溫度在惰性氣體中實施熱處理大約0.5到2小時來製備。該製備的奈米粒子可以具有大約±20%或更低的粒子半徑標準差。製備的奈米粒子密度(其為每單位面積內的奈米粒子的數量)範圍可以為大約10¹³到10¹⁵/cm²。

按照另一實施例，當所施加的能量為熱能時，具有大約1.3到1.9nm的平均粒子直徑的奈米粒子通過在大約200到400℃的溫度範圍內的還原氣體中實施熱處理大約0.5到2小時來製備或通過向被結合到連接基團上的金屬離子供應還原劑並在大約100到300℃的溫度在惰性氣體中實施熱處理大約0.5到2小時來製備。製備的奈米粒子可以具有大約±20%或更低的粒子半徑標準差。製備的奈米粒子密度(其為每單位面積內的奈米粒子的數量)範圍可以為大約10¹³到10¹⁵/cm²，更具體地，可以為大約0.2×10¹⁴到0.2×10¹⁵/cm²。

根據另一實施例，當所施加的能量為熱能時，具有大約0.5到1.2nm的平均粒子直徑的奈米粒子通過在大約200到400℃的溫度範圍內的還原氣體中實施熱處理大約0.2到1小時中的來製備或通過向被結合到連接基團上的金屬離子供應還原劑並在大約100到300℃的溫度上在惰性氣體環境中實施熱處理大約0.2到1小時來製備。該製備的奈米粒子可以具有大約±20%或更低的粒子半徑標準差。該奈米粒子密度(其為每單位面積內的奈米粒子的數量)範圍可以為大約10¹³到10¹⁵/cm²，更具體地，大約從0.2×10¹⁴到0.3×10¹⁵/cm²。

根據另一實施例，當所施加的能量為化學能時，具有大約2到3nm的平均粒子直徑的奈米粒子通過實施在大約0.5到2小時內在大約20到40℃的反應溫度內由還原劑還原的化學反應來製備。該製備的奈米粒子可以具有大約±20%或更低的粒子半徑標準差。製備的奈米粒子密度(其為每單位面積內的奈米粒子的數量)範圍可以為大約10¹³到10¹⁵/cm²。

根據另一實施例，當所施加的能量為化學能時，具有大約1.3到1.9nm的平均粒子直徑的奈米粒子通過實施在大約0.5到2小時內在大約-25到5℃的反應溫度內由還原劑引發的化學反應來製備。該製備的奈米粒子可以具有大約±20%或更低的粒子半徑標準差。該製備的奈米粒子密度(其為每單位面積內的奈米粒子的數量)範圍可以為大約10¹³到10¹⁵/cm²，以及更具體地，為大約0.2×10¹⁴到0.2×10¹⁵/cm²。

根據另一實施例，當所施加的能量為化學能時，具有大約0.5到1.2nm的平均粒子直徑的奈米粒子通過實施在大約0.2到1小時內在大約-25到5℃的反應溫度內由還原劑引發的化學反應來製備。該製備的奈米粒子可以具有大約±20%或更低的粒子半徑標準差。製備的奈米粒子密度(其為每單位面積內的奈米粒子的數量)範圍可以為大約10¹³到10¹⁵/cm²，以及更具體地，為大約0.2×10¹⁴到0.3×10¹⁵/cm²。

如上所述，奈米粒子可通過在還原氣氛中施加熱能和/或化學能而生長。當熱能在還原氣氛中施加時，該還原氣氛可以包括氫氣。在特定的實施例中，該還原氣氛可以為包含大約1到5%的氫氣的惰性氣體。熱能可以在還原氣體流動的氣氛中被施加以提供均勻的還原。在特定的實施例中，該環境可以以大約10到100cc/min的流速流動。當化學能和熱能被順序地施加時，還原劑可以與金屬離子接觸，隨後在惰性氣體的環境中施加熱能。該還原劑可以為將金屬離子還原為金屬的任何化合物。當化學能通過還原劑的添加而被施加時，過渡金屬奈米粒子還可以通過還原反應形成。當奈米粒子通過還原反應由金屬離子形成時，該還原反應應當非常迅速地發生並均勻地遍及通道區域以使過渡金屬離子尺寸更加均勻。可以使用強還原劑，以及在優選的實施例中，該還原劑可以為NaBH₄、KBH₄、N₂H₄H₂O、N₂H₄、LiAlH₄、HCHO、CH₃CHO或其兩種或多種的混合物。同樣地，當施加化學能並使用如上所述的強還原劑時，奈米粒子的尺寸可以通過調整化學反應的溫度以及控制成核率和奈米粒子的生長來控制。被結合到連接基團上的金屬離子和還原劑之間的接觸可以通過向金屬離子連接區域應用溶解還原劑的溶液，或通過以溶解還原劑的溶液浸漬襯底，或通過向襯底應用氣相的還原劑來完成。在具體的非限定實施例中，還原劑和金屬離子之間的接觸可以在室溫下實施大約1到12小時。

如上所述，過渡金屬奈米粒子的成核和生長可以通過以下的因素中的一個或多個來控制：施加能量的種類、大小、以及時間。

當能量被施加或在能量被施加以將金屬奈米粒子轉化為金屬化合物奈米粒子之後時，能夠通過供應異質氣體源不僅僅製備金屬奈米粒子而且製備金屬氧化物奈米粒子、金屬氮化物奈米粒子、金屬碳化物奈米粒子，或金屬互化物奈米粒子。為清楚起見，通過施加能量使該金屬離子生長(即還原、形成、改變等)成金屬奈米粒子。這不會暫態發生在所有的金屬離子、和因此的有機表面活性劑、或其它材料中，在此生長期間(即在施加能量期間，或在能量施加中的暫停過程中)可添加此至金屬奈米粒子的混合物(其已由能量的施加而生長/還原/聚集)和金屬離子(其還沒有成長/凝聚/等等)。這種材料的添加(例如，電介質有機材料、表面活性劑、氧、碳源等)可以導致具有所希望特性的奈米結構。在非限制性實施例中：化學反應可在金屬奈米粒子與引入的材料之間進行，導致不同組分的奈米粒子，也許是氧化的奈米粒子；該引入的材料可簡單地結合到襯底、金屬離子、或奈米粒子，以控制金屬奈米粒子或金屬離子的遷移，導致更精細尺寸和更均勻的奈米粒子。這一結果是可能的，因為在能量的使用中，金屬離子可在奈米結構上擴散並凝聚形成奈米粒子。添加材料可物理地抑制(部分地)金屬離子的擴散並收縮反應區域，這允許較少的金屬離子聚集，導致更精細和更均勻的奈米粒子。

在根據實施例的製造方法中，奈米粒子的尺寸可以通過供應被結合到金屬離子上或被吸附到金屬離子上的有機表面活性劑被控制，接著被施加能量。否則，在其上生長的奈米粒子的尺寸可以通過供應有機表面活性劑而被控制，該有機表面活性劑在施加能量時在金屬離子上被結合或被吸附。有機表面活性劑的供應可以在製造過程中選擇性地實施。作為在能量施加之前或之中的有機表面活性劑，可以使用一種或多種有機表面活性劑。

為了更有效地抑制金屬離子的大量轉移，彼此不同的第一有機材料和第二有機材料可以作為表面活性劑使用。

第一有機材料可以是含氮或含硫的有機化合物。例如，含硫的有機材料可包括在一端具有硫醇基的線性或支鏈烴化合物。在一個具體實例中，含硫的有機化合物可以是選自HS-C_n-C_H3(n為2到20的整數)，正十二烷基硫醇，甲硫醇，乙硫醇，丁硫醇，乙基己基硫醇，異辛基硫醇，叔-十二烷基硫醇，硫甘醇乙酸，巰基丙酸，巰基乙醇，巰基丙醇，巰基丁，巰基己醇和辛基巰基乙酸鹽中的一種或幾種。

第二有機材料可以是基於相轉移催化劑的有機化合物，例如季銨或膦鹽。更具體地，第二有機表面活性劑可以是選自四磷酸溴化銨(tetraocyly ammonium bromide)，四乙基銨，四正丁基溴化銨，四甲基氯化銨，和四丁基氟化銨中的一種或多種。

在使用能量之前或期間施加的有機表面活性劑可結合到或吸附在金屬離子的核上，或與連接基團結合的金屬離子上，且奈米粒子的成核與生長可由結合到或吸附在金屬離子的有機表面活性劑控制。該有機表面活性劑能夠在施加能量的過程中抑制金屬離子的品質傳遞，從而形成更均勻的和更細微的奈米粒子。因為金屬離子與有機表面活性劑結合，相比他們原本會擴散，以參與核化或生長時，或者其擴散被有機表面活性劑物理地劑抑制時，這些金屬離子需要更高的活化能。因此，金屬原子(離子)的擴散可以減慢且參與核的生長的金屬原子(離子)的數量可能會減少。

在存在該有機表面活性劑時，施加能量的過程可包括，施加能量之前，施加有機表面活性劑的溶液至通道區的(即，具有由連接基團結合到其上的金屬離子的襯底表面)或將有機表面活性劑以氣態供給到通道區域。可替代地，它可包括，與能量施加一起，施加有機表面活性劑的溶液至具有形成在其中的金屬離子的通道區域，或將有機表面活性劑以氣態供給到通道區域來粘結或吸附的有機活性劑至金屬核。可替代地，它可以包括，施加能量的過程中，將有機表面活性劑的溶液施加至具有形成在其中的金屬離子的通道區，或將有機表面活性劑以氣態供給至通道區來將有機材料粘結或吸附到金屬核。可替代地，它可以包括，在施加能量一段預定時間後，且在暫停施加能量時，將有機表面活性劑的溶液施加到具有金屬離子在其中形成的通道區域，或將有機材料以氣態供給至通道區域以粘結或吸附的有機表面活性劑至金屬核，接著再重新施加能量。

在根據第一實施例的製造方法中，能量可以被應用到的整個區域或具有結合到其上的金屬離子的區域的一部分。當能量被施加到該區域的一部分時，能量可以照射在點、線或預定的平面形狀中。在一個非限制性的實施例中，能量可以被施加(被照射)進點，而金屬離子的結合區域可以被完全掃描。將能量施加到金屬離子結合的區域的一部分不僅可以包括將能量照射在點、線或平面形狀，而金屬離子的結合區域被完全掃描的情況，也可在一種情況下，將能量僅施加(照射)到與金屬離子結合的區域的一部分。如上，奈米粒子的圖案可以通過施加能量到溝道區域的一部分而形成。換言之，將能量施加(照射)到通道區域的一部分能夠形成奈米粒子的圖案。

圖2E示出了結合到金屬奈米粒子140的受體 150。受體150可以結合到或塗覆在金屬奈米粒子140的表面。所有適於粘合到金屬奈米粒子140的表面上的，並與標記物反應(例如分子、重金屬、病毒等)以通過物理、光學、電學和/或化學機制感應的材料可被用作受體150。

標記物可以是蛋白質、核酸、寡糖、氨基酸、碳水化合物、溶液氣體、硫的氧化物氣體、氧化氮氣體、農藥殘留、重金屬以及對環境有害的物質。適於回應於標記物的受體150可以是選自酶底物、配體、氨基酸、肽、蛋白質、核酸、脂質和碳水化合物中的至少一種。受體150可通過官能團結合至或塗覆在長成的金屬奈米粒子140的表面上。受體150的官能團可以是選自胺基，羧酸基和硫醇基至少一種。

參考圖2E，對通過根據第一實施例的製造方法製造的感測器進行詳細描述。

根據第一實施例的感測器包括奈米結構，用於物理，電，化學，和光學檢測標記物。

該奈米結構可包括襯底110，形成在襯底110的受體120A，以及由與連接基團120A結合的金屬離子生長的金屬奈米粒子140。該奈米結構可進一步包括結合到金屬奈米粒子140表面上的受體150。金屬奈米粒子140的表面上，在奈米粒子生長之前或期間，將有機表面活性劑結合可並隨後保持。

襯底110可包括表層114，其可以是金屬薄膜或過渡金屬，包括貴金屬、金屬，或它們的混合物。根據另一實施例，襯底110可以是柔性襯底，其可包括具有羥基(-OH)官能團的表層。

連接基團120A可以是通過自組裝結合到襯底110 的表面的有機分子。該奈米結構可包括由結合到襯底110的連接基團120形成的連接基團120A層。該連接層120A可以是在襯底110表面形成的自組裝單分子層。另外，連接基團層120可以是矽烷化合物層且連接基團120A可以包括從胺基、羧酸基和硫醇基團中選擇的官能團。連接基團120A可以根據襯底的表層114進行選擇。

金屬奈米粒子140可以選自金屬奈米粒子，金屬氧化物奈米粒子，金屬氮化物奈米粒子，金屬碳化物奈米粒子和金屬互化物奈米粒子。金屬奈米粒子140通過結合金屬離子到連接基團120A，然後生長金屬離子而生長。

金屬奈米粒子140的尺寸可根據金屬奈米粒子140 生長時的能量施加條件被控制。另外，奈米粒子的大小可以在施加用於生長金屬奈米粒子140的能量之前或無論是否提供表面活性劑時的施加能量時被控制。該表面活性劑可以是有機表面活性劑，且表面活性劑可以在金屬奈米粒子140生長結束之後保留在金屬奈米粒子140的表面上。根據一個實施例，當不使用有機表面活性劑的情況下，金屬奈米粒子140可具有大約2.0至3.0nm的粒子直徑。根據另一個實施例，當使用單獨一種有機表面活性劑的情況下，金屬奈米粒子140可具有大約1.3至1.6nm的粒子直徑。根據另一實施例，當使用不同種類的有機表面活性劑時，金屬奈米粒子140可以具有約0.5至1.2奈米的粒子直徑。

金屬奈米粒子140可以彼此分開地被佈置在同一平面上，以形成單層奈米粒子。這是可能的，因為奈米粒子層是通過施加能量到被附連到連接基團的離子層(一層金屬離子)而形成的。由於奈米粒子層是通過施加能量至通過與連接基團的結合而形成的單一離子層，防止了奈米粒子之間的聚合，使得奈米粒子可形成奈米粒子被彼此分離的單層奈米粒子。可以形成高密度的極微細的奈米粒子的奈米粒子層。

具體地，奈米粒子層的奈米粒子可具有約0.5至3 奈米的平均粒子直徑，並且具有等於或小於約±20%的粒子半徑的標準差，這表明該奈米粒子的大小是非常均勻的。此外，奈米粒子的密度是非常高的，可以是約10¹³至10¹⁵/cm²的範圍。奈米粒子的密度是單位面積的奈米粒子數。

所有與標記物反應的材料可被用作受體150。標記物的實例包括蛋白質、核酸、寡糖、氨基酸、碳水化合物、溶液氣體、硫的氧化物氣體、氮氧化物氣體、農藥殘留、重金屬和對環境有害的物質。受體150可以結合或塗覆在長成的金屬奈米粒子140的表面。該受體150適於通過官能團結合到金屬奈米粒子140的表面上。受體150可以是選自酶底物，配體，氨基酸，肽，蛋白質，核酸，脂質，和碳水化合物中的至少一種。受體150的官能團可以是選自胺基，羧酸基和硫醇基的至少一種。

該奈米結構可具有垂直多重堆疊結構，其中連接基團層120和結合有受體150的奈米粒子層，交替並重複地堆疊。

【根據本發明的第二實施例的奈米結構和其製造方法】

圖3A到3D是示出了根據第二實施例的製造感測器平臺的方法的橫截面圖。本實施例也關注在奈米結構的製造上。奈米結構是感測器的檢測元件。

根據該第二實施例製造感測器平臺的方法可包括，在連接基團224結合的表面上形成電介質材料粒子載體222，然後將連接基團224與電介質材料粒子載體222結合(參照圖3A)，結合金屬離子230至連接基團224(見圖3B)，以及通過施加能量由金屬離子230形成金屬奈米粒子240(參照圖3C)。該方法可進一步包括結合受體250到金屬奈米粒子240的表面上。另外，該方法可以進一步包括在施加能量之前或期間提供的一種或多種的有機表面活性劑。

圖3A示出了電介質材料粒子的載體222與結合在其上的在襯底210上形成的連接基團224。襯底210可以包括表層214。襯底210可以是具有二氧化矽(SiO₂)電介質層作為表層214的矽襯底212。

該襯底210可包括柔性襯底或透明襯底。當襯底210是柔性襯底時，襯底210的表層214可以是具有羥基(-OH)官能團的有機物質。如第一實施例中所描述的襯底210的形狀和材料可以是多樣的。

具有結合到其上的連接基團224的電介質材料粒子載體222可以在襯底210上形成多個以形成載體層220。用於形成具有在襯底210上與其結合的連接基團224的載體層220的方法可包括通過將電介質材料粒子載體與連接基團在溶劑中混合以形成溶液，以及將載體層材料沉積或施加到襯底210上或至襯底210。將載體層材料施加到襯底210上可通過旋塗法，或使用將襯底210浸漬在溶有支撐層材料的溶液中的液體沉積法。

該電介質材料粒子載體222可以包括具有以下至少一種元素的氧化物：金屬、過渡金屬、貧金屬，以及類金屬。同樣地，該電介質材料粒子載體222可以包括至少一種選自以下的材料：氧化矽、氧化鉿、氧化鋁、氧化鋯、鋇鈦複合氧化物、氧化釔、氧化鎢、氧化鉭、氧化鋅、氧化鈦、氧化錫、鋇鋯複合氧化物、氮化矽、氮氧化矽、矽酸鋯、矽酸鉿以及聚合物。

該連接基團224可以為有機分子，其適於被化學結合到或者被吸附在電介質材料粒子載體222的表面上並被化學結合到金屬離子230。具體地說，該連接基團224可以為有機分子，其包括適於被化學結合到或者被吸附在電介質材料粒子載體222的表面的第一官能團以及隨後被形成的適於被化學結合到金屬離子的第二官能團。該連接基團224還可以包括用於將第一官能團和第二官能團相互連接的鏈式官能團。該連接基團224可以包括適於結合到金屬離子的一個官能團，其選自以下群組：胺基、羧酸基、以及硫醇基。連接基團224可以通過第一實施例中所描述的方法由相同或相似的材料形成。

圖3B示出了被結合到連接基團224的金屬離子230。該金屬離子230可以被結合到連接基團224的官能團。該金屬離子230可以通過向襯底(具有在其上形成的連接基團) 供應金屬前體而形成。特別地，該金屬離子230可以通過向襯底210應用金屬前體溶液或向襯底210應用氣態金屬前體而形成。用於將金屬離子230結合到連接基團224的方法以及用於該方法的材料可以與第一實施例描述的各種方法及材料不同。

圖3C示出了通過施加能量和生長金屬離子230形成的金屬奈米粒子240。被施加以形成奈米粒子的能量可以為選自以下的一種或多種能量：熱能、化學能、光能、震動能、離子束能、電子束能、以及輻射能。各種實施例可以與第一實施例相同或相似。

在根據第二實施例的製造方法中，奈米粒子的尺寸可以通過供應結合到或者被吸附在有機表面活性劑並隨後通過能量應用來控制。另外，奈米粒子的尺寸可以通過在能量施加的過程中供應結合到或者被吸附在金屬離子的有機表面活性劑在生長期間被控制。這種有機表面活性劑的供應可以在生產過程中選擇性地實施。在能量施加前或能量施加過程中所應用的有機表面活性劑可以為一種或多種不同的有機材料。

在施加能量之前或過程中，有機表面活性劑可結合到或吸附在金屬奈米粒子或金屬離子的核上，並且通過施加能量，奈米粒子的核化和的生長可以由被結合到或吸附在金屬離子的有機的表面活性劑來控制。總之，生長的金屬奈米粒子尺寸240可以被控制到均勻微細。

為了更有效地抑制金屬離子的轉移，第一有機材料和不同種類的第二有機材料可以被作為表面活性劑使用。

該第一有機材料可以為氮基或含硫的有機化合物。舉例來說，該含硫的有機材料可以包括在一個端部具有硫醇基的線型的或分支的碳氫化合物。在一個特定的示例中，該含硫的有機化合物可以選自以下化合物中的一個或多個：HS-C_n-CH₃(n：2到20的整數)、n-十二烷硫醇、甲硫醇、乙硫醇、丁硫醇、乙基己基硫醇、異辛基硫醇、叔-十二烷硫醇、硫代乙二醇乙酸(thioglycolacetic acid)、巰基丙酸、巰基乙醇、硫代正丙醇、硫代正丁醇、硫代正乙醇以及辛基巰基乙酸鹽。

該第二有機材料可以為相轉移催化基的有機化合物，舉例來說，季銨或磷鹽。更具體地，該第二有機表面活性劑可以選自以下的一個或多個：四辛基溴化銨(tetraocylyammonium)、四乙銨、四正丁基溴化銨(4-n-butylammonium)、氯化四甲銨，以及四丁銨氟化物。

圖3D顯示了受體250結合在其上的金屬奈米粒子 240。受體250可結合到或塗在金屬奈米粒子240的表面。所有適於結合到金屬奈米粒子240的表面的材料，或適於與標記物(其為目標材料)反應的通過物理、光學、電學和化學機制檢測的材料可以用作受體250。

標記物可以是蛋白質、核酸、寡糖、氨基酸、碳水化合物、溶液氣體、硫的氧化物氣體、一氧化氮氣體、農藥殘留、重金屬，和對環境有害的物質。適於與標記物反應的受體250可以是選自酶底物，配體，氨基酸，肽，蛋白質，核酸，脂質，和碳水化合物中的至少一種。受體250可以通過官能團結合或塗覆在長成的金屬奈米粒子240的表面上。受體250的官能團可以是選自胺基，羧酸基和硫醇基的至少一種。

參考圖3D，對通過根據第二實施例的製造方法所形成的感測器平臺進行詳細說明。

根據第二實施例的感測器包括奈米結構，其用於物理的，電的，化學的，和光的標記物檢測(其為目標材料或能量形式)。

該奈米結構可包括電介質材料的粒子載體222，其形成在襯底210上且包括與其結合的連接基團224，和從與連接基團224結合的由金屬離子形成的金屬奈米粒子240。並且，奈米結構可以進一步包括結合到金屬奈米粒子240的表面上的受體250。

該襯底210可以包括具有適用於結合至連接基團224的官能團的表層224。該表層可以包括氧化層。具體地說，襯底210的表層的非限定示例可以為選自以下至少一種材料的層：氧化矽、氧化鉿、氧化鋁、氧化鋯、鋇鈦複合氧化物、氧化釔、氧化鎢、氧化鉭、氧化鋅、氧化鈦、氧化錫、鋇鋯複合氧化物、氮化矽、氮氧化矽、矽酸鋯，以及矽酸鉿。

該襯底210可以為柔性襯底，其可以包括具有氫氧根(-OH)官能團的有機物質的表層214。該柔性襯底可以選自以下中的一個或兩個或多個的混合：聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚萘二甲酸乙二酯(PEN)、聚醯亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙醯纖維素(TAC)、聚醚碸(PES)、以及聚二甲矽氧烷(PDMS)。

該電介質材料粒子載體222可以為具有選自以下的至少一個元素的氧化物粒子：金屬、過渡金屬、貧金屬，以及類金屬。該電介質材料粒子載體222可以為具有大約10到20nm的平均粒子直徑。該電介質材料粒子載體222可以在襯底210上形成為單層(一個粒子厚)或多層(多層粒子厚)。

同樣地，該電介質材料粒子載體222可以包括選自以下的至少一種材料：氧化矽、氧化鉿、氧化鋁、氧化鋯、鋇鈦複合氧化物、氧化釔、氧化鎢、氧化鉭、氧化鋅、氧化鈦、氧化錫、鋇鋯複合氧化物、氮化矽、氮氧化矽、矽酸鋯、矽酸鉿以及聚合物。

該連接基團224可以為有機分子。該奈米結構可以包括由結合到襯底210的表面的連接基團224形成的連接層。該連接層可以為形成在電介質材料粒子載體222的表面上的自組裝單分子層。該連接基團224可以包括選自以下的一個官能團：胺基、羧酸基，以及硫醇基。連接基團120A的每個可以包括被結合到電介質材料粒子載體222的表面上的第一官能團，結合到金屬離子的第二官能團，以及用於將第一官能團和第二官能團相互連接的鏈式基團。

該金屬奈米粒子240可以選自以下金屬奈米粒子，金屬氧化物奈米粒子、金屬氮化物奈米粒子、金屬碳化物奈米粒子、以及金屬互化物奈米粒子。該金屬奈米粒子240通過將金屬離子結合到連接基團224並隨後生長金屬離子而生長。

該金屬奈米粒子240的尺寸可以通過在金屬奈米粒子240的生長過程中的能量施加狀況控制。同樣地，奈米粒子的尺寸可以在用於生長金屬奈米粒子240的能量施加前或施加期間被控制。該表面活性劑可以為有機表面活性劑，以及該表面活性劑可以在金屬奈米粒子240生長完成保持在金屬奈米粒子240的表面上。按照本發明的實施例，當不使用表面活性劑時，該金屬奈米粒子240可以具有大約2.0到3.0nm的粒子直徑。根據另一實施例，當使用單個種類的表面活性劑時，該金屬奈米粒子240可以具有大約1.3到1.6nm的平均粒子直徑。根據本發明的另一實施例，當使用多種類的表面活性劑時，該金屬奈米粒子240可以具有大約0.5到1.2nm的粒子直徑。各種實施例中的金屬奈米粒子240可以與第一實施例中相同或相似。

該受體250可以結合或塗覆在長成的金屬奈米粒子240的表面上。所有與標記物反應的材料，如蛋白質，核酸，寡糖，氨基酸，碳水化合物，溶液氣體的表面，硫氧化物氣體，一氧化氮氣體，農藥殘留，重金屬，或對環境有害的物質，可被用作受體250。該受體250可以是選自酶底物，配體，氨基酸，肽，蛋白質，核酸，脂質，和碳水化合物中的至少一個。受體250可具有選自胺基，羧酸基和硫醇基中的至少一種官能團。官能團允許受體250被結合到金屬奈米粒子240的表面上。

根據一個實施例，一個感測器平臺可由極精細和均勻的尺寸的高密度的奈米粒子形成。即使當按比例縮小時，感測器平臺具有優良的工作穩定性，重現性和可靠性。此外，由於奈米粒子由電介質物質連接基團固定，其物理穩定性也是優良的。

根據實施例可以允許通過形成金屬離子層的簡單方法直接製造奈米結構，其通過使用連接基團和將能量施加到金屬離子層以將離子轉變成金屬奈米粒子。因此，大量生產可以通過簡單的工藝以低成本實現。另外，由於奈米結構的平臺被製造在原位，原料的浪費可以被最小化。

雖然用於示例性目的的各種實施例已經在此處描述，但是對於技術領域內的技術人員顯而易見的是，在不偏離此處以下列申請專利範圍限定的交底書的構思和保護範圍的前提下可以做出各種修改和變形。

11‧‧‧襯底

12A‧‧‧陽極

12B‧‧‧陰極

13‧‧‧奈米結構

13A‧‧‧金屬奈米粒子

Claims

一種感測器，包括：作為檢測元件的奈米結構，用於在柔性襯底上檢測標記物；其中，奈米結構包括：連接層，包括連接基團，連接基團與柔性襯底結合；以及在連接層上由金屬離子形成的金屬奈米粒子。
根據申請專利範圍第1項所述的感測器，其中上述柔性襯底包括有機材料和與上述有機材料表面的上述連接基團結合的羥基(-OH)官能團。
根據申請專利範圍第1項所述的感測器，還包括：結合至上述金屬奈米粒子表面的受體。
根據申請專利範圍第3項所述的感測器，其中上述受體包括選自包括酶底物，配體，氨基酸，肽，蛋白質，核酸，脂質和碳水化合物的組中的至少一個。
根據申請專利範圍第1項所述的感測器，其中上述柔性襯底包括聚合物，上述聚合物包括從聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醯亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙醯纖維素(TAC)、聚醚碸(PES)、聚二甲矽氧烷(PDMS)中選擇的一種或兩種以上的化合物。
根據申請專利範圍第1項所述的感測器，其中上述奈米結構還包括：一種或多種結合至上述金屬離子或上述金屬奈米粒子表面的有機表面活性劑。
根據申請專利範圍第1項所述的感測器，其中上述金屬奈米粒子具有約0.5奈米至3奈米的平均粒子直徑。
根據申請專利範圍第1項所述的感測器，其中上述連接基團包括官能團，與上述金屬離子結合的上述官能團選自包括胺基、羧基，和硫醇基的組。
根據申請專利範圍第1項所述的感測器，其中上述連接層包括自組裝單分子層或矽烷化合物層。
根據申請專利範圍第1項所述的感測器，其中上述金屬奈米粒子被彼此分開排列以形成上述金屬奈米粒子的單層。
根據申請專利範圍第1項所述的感測器，其中上述奈米結構具有垂直多重堆疊結構，其中上述連接層和包括上述金屬奈米粒子的上述奈米粒子層交替重複堆疊。
一種感測器，包括：作為檢測元件的奈米結構，用於在柔性襯底上檢測標記物；其中奈米結構包括：形成在上述柔性襯底上的電介質材料粒子載體；結合至上述電介質材料粒子載體表面的連接基團；以及由上述金屬離子形成的金屬奈米粒子。
根據申請專利範圍第12項所述的感測器，其中上述柔性襯底包括有機材料和與上述有機材料表面的上述連接基團結合的羥基(-OH)官能團。
根據申請專利範圍第12項所述的感測器，還包括：結合至上述金屬奈米粒子表面的受體。
根據申請專利範圍第14上述的感測器，其上述中受體包括選自包括酶底物，配體，氨基酸，肽，蛋白質，核酸，脂質和碳水化合物的組中的至少一個。
根據申請專利範圍第12項所述的感測器，其中上述柔性襯底包括聚合物，上述聚合物包括從聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚醯亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙醯纖維素(TAC)、聚醚碸(PES)、聚二甲矽氧烷(PDMS)中選擇的一種或兩種以上的化合物。
根據申請專利範圍第12項所述的感測器，其中上述電介質材料粒子載體與結合至其上的上述連接基團在上述柔性襯底上排列以形成單載體層或垂直多重堆疊，其中上述電介質材料粒子載體和上述連接基團交替重複堆疊。
根據申請專利範圍第12項所述的感測器，其中上述連接基團包括選自胺基、羧基，和硫醇基組中的官能團，其被結合至上述金屬離子。
根據申請專利範圍第12項所述的感測器，其中上述奈米結構還包括：一種或多種結合至上述金屬離子或上述奈米粒子表面的有機表面活性劑。
一種製造感測器的方法，包括：形成柔性襯底；在上述柔性襯底上形成包含連接基團的連接層；將金屬離子結合至上述連接層的上述連接基團；通過生長上述金屬離子形成上述金屬奈米粒子；以及將受體結合至上述金屬奈米粒子的表面。
根據申請專利範圍第20項所述的感測器，其中上述形成上述柔性襯底包括：形成有機材料和與上述有機材料表面的上述連接基團結合的羥基(-OH)官能團。
根據申請專利範圍第20項所述的方法，其中上述金屬離子通過施加能量而生長。
根據申請專利範圍第22項所述的方法，還包括：在施加能量之前或其期間提供一種或多種有機表面活性劑。
根據申請專利範圍第20項所述的方法，其中上述連接層通過將在溶劑中溶解有上述連接基團的連接基團溶液施加至上述柔性襯底表面而形成。
根據申請專利範圍第20項所述的方法，其中上述連接層通過使用含有上述連接基團氣體的原子層沉積(ALD)法形成。
根據申請專利範圍第20項所述的方法，其中上述連接基團具有結合至上述金屬離子的官能團。
根據申請專利範圍第20項所述的方法，其中上述金屬離子與上述連接層的上述連接基團的結合包括：施加金屬前體至上述連接基團。
一種製造感測器的方法，包括：形成柔性襯底；在上述柔性襯底上形成電介質材料粒子載體，且將連接基團與上述電介質材料粒子載體結合；將金屬離子結合至上述連接基團；由上述金屬離子形成金屬奈米粒子；以及將受體結合至上述金屬奈米粒子的表面。
根據申請專利範圍第28項所述的方法，其中上述形成上述柔性襯底包括：形成有機材料和與上述柔性襯底表面的上述連接基團結合的羥基(-OH)官能團。
根據申請專利範圍第28項所述的方法，其中上述金屬離子通過施加能量而生長。
根據申請專利範圍第29項所述的方法，還包括：在施加上述能量之前或期間提供一種或多種有機表面活性劑。
根據申請專利範圍第28項所述的方法，其中上述形成具有結合至其上的上述連接基團的上述電介質材料粒子載體包括：通過將上述電介質材料粒子載體與上述連接基團在溶劑中混合來製備載體材料溶液；以及使用上述載體材料溶液塗覆上述柔性襯底，或將上述載體材料溶液沉積在上述柔性襯底上。
根據申請專利範圍第28項所述的方法，其中上述金屬離子與上述連接基團的結合包括：將金屬前體施加至上述連接基團。