CN1359002A

CN1359002A - 基于纳米颗粒组件的选择性化学传感器

Info

Publication number: CN1359002A
Application number: CN01145459A
Authority: CN
Inventors: T·沃斯梅耶; I·贝斯纳德; J·维塞尔斯; W·E·福特; 安田章夫
Original assignee: Sony International Europe GmbH
Current assignee: Sony Deutschland GmbH
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2002-07-17
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: AU9708301A; US20020132361A1; EP1215485B1; EP1215485A1; KR20020046960A; ATE502296T1; JP2002228616A; US7211439B2; CN1243974C; AU781166B2; JP4097181B2; DE60045740D1

Abstract

本发明涉及一种纳米颗粒膜,包含由纳米颗粒通过连结分子互连形成的纳米颗粒网。连结分子含有至少两个连结单元可结合到纳米颗粒表面上。通过将选择性增强单元引入连结分子,可增强纳米颗粒膜对靶标分析物的选择性。通过在选择性增强单元附近加入微调单元可微调选择性。该纳米颗粒膜可用于制造有选择性并且性能稳定的化学传感器。

Description

基于纳米颗粒组件的选择性化学传感器

发明领域

本发明涉及一种包含一层纳米颗粒膜的化学传感器，所述化学传感器的形成方法和使用所述化学传感器检测分析物的方法。

技术背景

出于对环境中污染物的严重忧虑，需要改进监控和/或分析以检测某种化学物的方法。尽管分析技术能检测低至十亿分之几或更低水平的许多物质，但所述分析技术通常需要在野外收集样本、将样本带回实验室和通过例如气相色谱或质谱分析样本。所述分析需要复杂的设备，通常需要几天才能获得最终的结果。因此，目前的分析技术不能提供关于污染物或杂质当时是否存在的任何信息。为克服所述分析技术的局限性，人们对能给出更快速的回馈信息的化学传感器已进行了研究。此外，当时监控分析物的应用是质量控制，例如在食物生产或在医疗保健中的质量控制的需要。

最近，已研制出一种基于导电纳米粒径颗粒的新型传感器，所述每个颗粒均涂覆了一种有机物。因此导电纳米颗粒是通过一薄层绝缘物质分隔开的。所述纳米颗粒膜的电阻可由于化学物的存在而改变。因此通过将所述纳米颗粒膜沉积到一对接触电极上，可将该膜用作化学电阻。

M.C.lonergan等在Chem.Mater.，1996，8，2298-2312中描述了化学传感的碳黑聚合物电阻。碳黑—有机聚合物复合物暴露在蒸气中会发生可逆性膨胀。为获得传感器，沉积的碳黑-有机聚合物复合物的薄膜中穿过两条金属引线。吸附蒸气使膜膨胀导致膜电阻的变化并标志出分析物的存在。为鉴别和分类蒸气，将所述蒸气传感元件排成阵列，每个元件含同样的碳黑导电相，但含不同的有机聚合物作为绝缘相。传感器阵列的不同聚合物的不同的气-固分配系数产生电阻变化的模式，可用于分类蒸气和蒸气混合物。此类传感器阵列可分辨常规的有机溶剂，包括不同类的分子，如从醇中分辨出芳香烃，以及特殊类内的分子，如从甲苯中分辨出苯和从乙醇中分辨出甲醇(请参阅B.J.Doleman等，Anal.Chem.1998，70，4177-4190)。

G.A.Sotzing等在Chem. Mater.，2000，12，593-595中描述了一种聚苯胺-碳黑化学电阻式探测器，可用于高灵敏度检测和识别生物胺。导电性聚苯胺被用作碳黑聚苯胺复合物的聚合相。有气味的物质被吸附入该复合物的聚合相中产生探测器的直流电阻响应的特异性增加。探测器对丁胺的响应比对水、丙酮、甲醇、乙酸乙酯和丁醇的响应高出约6个数量级。

S.D.Evans等在J.Mater.Chem.，2000，10，183-188中使用对位取代的硫代苯酚衍生物稳定金的纳米颗粒。取代基的性质对于控制颗粒-颗粒和颗粒-溶剂间相互作用的相对强度很重要并因此对确定这些系统的物理和化学性能很重要。颗粒的薄膜是通过溶剂在微电极图案表面上的蒸发而形成。膜显示出电阻行为并且室温导电率在10^-6和10^-2Ω^-1cm^-1之间变化。当暴露到各种化合物时，薄膜显示导电率改变。对极性溶剂的反应显示出良好的再现性，而对非极性有机分析物的反应的重现性较差，并且显示出多种随时间变化的行为。由于ω-官能团的性质，对蒸气相的分析物显示出不同的电导仪和椭圆仪的响应。金纳米颗粒未通过连接分子相互连接。

高精密度的纳米颗粒膜的制备方法描述于WO96/07487中。该膜含通过双官能连接分子链接的金纳米颗粒。为装配该薄膜，首先用双官能连接分子处理基片，以便该连接分子的第一反应基与基片反应，使其连接到其上。当使用例如玻璃基片时，可使用巯基烷基硅烷作为连接分子。基片的表面随后被硫醇基覆盖。接着将基片浸入金纳米颗粒的溶液中，金纳米颗粒会结合到基片表面上的硫醇基。基片的表面随后被一层金纳米颗粒覆盖。然后将基片浸入烷基二硫醇的溶液中，烷基二硫酚用作双官能的连接分子并以其一个硫醇基结合到金颗粒的表面。通过重复浸入金纳米颗粒的溶液和浸入双官能连接分子的溶液的步骤，通过成分间的自组可形成薄膜。连接分子包含一个烃骨架，该骨架可以是一个线性或分枝的脂族链，可含有重键或其他基团以改变连接分子的电子特性。在实验中使用1，9-壬烷二硫醇作为连接分子。建议使用这些薄膜作为传感器用于例如检测氧化剂如氯气或臭氧。

H.Wohltjen和A.W.Snow在Anal.Chem.，1998，70，2856-2859中描述了一种基于单层稳定的金属纳米簇(nanocluster)传感器膜的胶体金属-绝缘体-金属集成的化学电阻传感器。传感器薄膜是由被单层辛烷硫醇包封的2nm金簇组成的并通过气刷技术沉积在交指型微电极上。当暴露到有机蒸气时，显示出可逆的大响应。传感器对非极性化合物例如甲苯和四氯乙烯敏感，而对1-丙醇和水响应很小。

基于纳米颗粒膜自组的传感器的装配具体描述于WO99/27357。首先用巯基烷基硅烷使基片官能化以提供纳米颗粒的接合点。然后将活化的基片浸入含金纳米颗粒的溶液中，其中通过一薄层烷基硫醇使金纳米颗粒稳定。基片表面上的硫醇基取代了一些键合到金纳米颗粒表面的烷基硫醇配位体，从而使纳米颗粒附着到基片表面。随后再交替附着金纳米颗粒和连接分子层，就装配成薄膜。在实验部分，描述了使用1，8-辛烷二硫醇作为连接分子。未描述为了与特定的分析物选择性相互作用而官能化的连接分子。为改变传感器的灵敏度，建议向配位体壳中引入多官能度。配位体分子应为双官能的，一个官能团与金属芯表面接合，另一官能团为吸附靶标物质提供相互吸引。已表明通过使用不同官能化的纳米颗粒可改变传感器的化学选择性。此外还显示纳米颗粒的粒径和配位体壳的厚度会影响化学敏感性。已发现通过自组制备的传感器对甲苯最灵敏，而对极性分析物(丙醇和水)不太灵敏。

WO00/00808描述了用于检测流体中的分析物的传感器阵列。这些阵列包含多个组成不同的传感器。传感器包含包埋于非导电材料例如有机聚合物基质中的导电材料。可使用纳米颗粒作为导电材料，所述颗粒可选择通过配位体分子附着到中心核被稳定。配位分子也可是聚同官能化的或聚杂官能化的。绝缘材料优选使用有机聚合物。此外还建议使用烷基硫醇配位体作为专用的绝缘基质。

FR2783051描述了另一种传感器。该传感器包含一层纳米颗粒膜，其中的纳米颗粒用配位体分子稳定，所述配位体分子的至少一个官能单元接合到纳米颗粒的表面和至少一个官能单元与分析物分子相互作用。

尽管使用上述化学传感器得到的结果是鼓舞人心的，但仍需要改善对待检测分析物的选择性以及改善传感器性能的稳定性，例如信号和基线稳定性。

因此本发明的一个目的是提供一种对分析物的选择性增强并且性能稳定性高的化学传感器。

发明概述

为解决这一问题，本发明提供了一种化学传感器，包含一个基片、该基片上形成的纳米颗粒膜，所述纳米颗粒膜包含由纳米颗粒通过连接分子连接形成的纳米颗粒网，所述连接分子含至少两个能结合到纳米颗粒表面的连接单元和至少一个选择性增强单元，该单元具有一个可逆性结合分析物分子的结合位点，还提供检测该纳米颗粒膜物理性能变化的检测方法。

发明详述

纳米颗粒是各种形状的小颗粒，沿至少一个方向的最大尺寸在0.4nm至几百纳米之间。已知有空间三维尺寸相等的纳米颗粒以及空间一维的尺寸较大的纳米丝，纳米纤维和纳米管，空间二维上尺寸较大的纳米片。所有这些纳米颗粒均可用于化学传感器的装配。纳米颗粒的制备描述于许多出版物中，并且是本领域技术人员熟知的。

纳米颗粒是通过连接分子相互连接的。这些连接分子包括一个分子骨架并且是至少双官能的，即包括至少两个结合到纳米颗粒表面的连接单元。结合可通过例如共价键、络合物形成、离子相互作用或偶极相互作用实现。结合必须是足够强至能确保形成纳米颗粒网。连接单元结合到邻近的纳米颗粒表面，从而使纳米颗粒相互连接形成纳米颗粒网。所述纳米颗粒的相互连接改善了化学传感器的机械性能，从而降低了基线漂移、信号波动和机械性损坏(例如当在液体介质中使用传感器时)的问题。此外，能相互连接纳米颗粒的连接分子能通过“叠层”装配制造可重复和同质的纳米颗粒膜。通过叠层技术装配的纳米颗粒膜可加工得很薄(大约5-500nm)并是高精密度的。它们能提供相当高的机械强度并且当浸入液体时确实不会脱落。由于其改进的稳定性，这些传感器不仅适用于气态分析物，而且可用于检测液态分析物。连接分子可以是双官能的以连接两个纳米颗粒，而且可以是多官能的。所述多官能连接分子能通过几个连接单元附着到纳米颗粒的表面，由此增强连接分子附着到纳米颗粒的表面。此外，能彼此相互连接超过两个纳米颗粒，并因此进一步增强稳定性。连接分子的分子结构还可包括非连接单元封端的支链。

为改进纳米颗粒膜对分析物、优选极性分析物的选择性，连接分子包括除连接单元以外的至少一个选择性增强单元，该单元具有可逆性结合分析物分子的结合位点。选择性增强单元优选形成了分子骨架的一部分或者是支链封端单元。连接分子的分子骨架的最佳定义是在两个相互连接的纳米颗粒间形成最长连接的连接分子的结构部分。

本发明范围内的和描述连接分子和分析物间的相互作用时使用的结合和配位优选表示分析物分子与选择性增强单元的可逆性结合或配位。优选在选择性增强单元和分析物分子间无共价键形成。换言之，结合必须足够强至能实现充分选择性增强。分析物可与选择性增强单元形成共价键。然后只能使用一次化学传感器检测分析物，从而使该化学传感器的敏感膜不可逆转地改变。因为较广的适用性，优选分析物与选择性增强单元的可逆性结合。

在分析物和选择性增强单元之间可出现不同类型的相互作用。选择性增强基团可以是带电荷或偶极单元，可形成氢键或可包括可高度极化的电子系统。分析物和选择性增强单元间的相互作用可以是两个带电基团间、带电基团和偶极子之间或两个偶极子之间的静电相互作用，或电荷与感应偶极子之间、偶极子和感应偶极子之间极化相互作用。感应偶极子/感应偶极子相互作用也可引起靶标分析物和选择性增强单元间的足够强的相互作用。然而，在本发明范围内就感应偶极子/感应偶极子相互作用而论，只有包括离域的π-电子系统的可高度极化的单元被认为是可选择性增强的单元。亚烷基链的极化性很弱，因此其与靶标分析物的相互作用可能不足以导致选择性增强。

选择性增强基团的结构和化学性质取决于被检测分析物的结构和化学性质。如果靶标分析物是阳离子或包括阳离子单元，则选择性增强单元优选包括至少一个能产生电荷/电荷或电荷/偶极子相互作用的官能团。优选选择性增强单元包括阴离子单元和/或偶极单元(官能团)。如果分析物是金属离子，则特别优选能充当双齿或多齿供体配位体。如果靶标分析物是阴离子或包括一个阴离子单元，则选择性增强单元优选包含至少一个阳离子单元和/或偶极单元。也可以是选择性增强单元，其包含金属阳离子，通过至少一个供体配位体结合到连接分子上。用于结合金属离子最优选的是双齿或多齿(螯合)配位体。包含金属阳离子的选择性增强单元不仅可用于增强与阴离子分析物的相互作用。螯合的金属离子可与气体如H₂S、NH₃、CO、O₂、NO_x、SO_x产生强烈的相互作用，因此很适用于增强传感器对所述气体的选择性。

如果分析物是极性的，即包含永久偶极矩，那么选择性增强单元优选包含至少一个永久偶极矩以使偶极子/偶极子相互作用，和/或一个带电荷单元以使偶极子/电荷相互作用。

如果靶标分析物可充当形成氢键的氢供体，则选择性增强单元应优选包含至少一个可充当氢受体的偶极单元。如果靶标分析物可充当形成氢键的氢受体，则选择性增强单元优选包括至少一个可充当氢供体的单元。

如果靶标分析物是非极性的，但包含一个可极化的结构单元，例如离域的π-电子系统，则选择性增强单元也优选为非极性的并应优选包含可极化的离域π-电子系统。

纳米颗粒膜在分析物存在时物理性能的改变机制是不完全清楚的。本发明提供了一些理论依据以解释该效应，但这不应理解为对本发明范围的限制。分析物对例如纳米颗粒膜导电率的影响的一种可能的解释是，连接分子的偶极矩的改变。通过分析物分子结合到至少一个选择性增强单元上，会出现改变分析物和选择性增强单元的偶极矩的电子相互作用。如果选择性增强单元处于例如载荷子运输中(期间驱动电流通过膜)，偶极矩的变化会强烈地影响传感器材料的运输性能，因此改变了装置的电阻。因此选择性增强单元的优选特征是在与分析物分子相互作用时其偶极矩改变。

例如纳米颗粒膜导电率变化的另一种可能的机制是相邻连接分子间的相互作用受到分析物存在的干扰。纳米颗粒网中相邻连接分子可通过选择性增强单元和/或通过其他基团(例如微调单元)彼此相互作用。所述相互作用可以是通过偶极子/偶极子相互作用(包括范德华相互作用)和/或通过氢键。文献中已报道通过有机分子间的氢键相互作用(在基片上形成单层分子)可增强沿分子阵列的电子偶合(s.Sek等，J.Phys.Chem.B 2000，104，5399-5402)。如果分析物分子渗入纳米颗粒膜并与选择性增强单元(和其他基团)相互作用，纳米连接分子间的相互作用受到干扰，因此纳米颗粒膜的电子传输特性受到影响。当在例如化学电阻装置中使用该纳米颗粒膜时，这种作用会影响传感器信号。

选择性增强基团还可与连接分子内的其他基团发生分子内相互作用。这是通过氢键或偶极子相互作用实现的。当分析物与选择性增强单元配位时，这些分子内相互作用受到干扰，这也对例如纳米颗粒膜的电子传输特性有影响。

本发明的化学传感器可用于各种类型的使用不同的物理性能检测分析物的化学传感器装置中。首先检测电子性能的变化。例如可测定纳米颗粒膜的导电率或电容的变化。因此，该化学传感器可充当化学电阻或化学电容器。纳米颗粒膜还可以用于形成化学二极管或多端装置如化学晶体管(例如化学场效应晶体管)的参数。该化学传感器还可用作质量灵敏传感器。那么纳米颗粒膜可用作压电材料上的涂层以形成化学灵敏的表面声波(SAW)装置或石英晶体微量天平(QCM)。

根据另一实施方案，将该化学传感器用作光敏元件。然后测量传感器信号作为反射率、荧光性、吸收或散射的变化。例如可在分析物和选择性增强单元之间形成电荷转移复合物，导致传感器光学性质改变。也可以使用纳米颗粒膜作为光纤的化学感光膜(例如验光仪、干涉仪)。

化学传感器也可利用热量或温度的变化，因此可用作热敏电阻或其他热电装置。

优选使用化学传感器作为化学电阻。

通过例如平板印刷术可将纳米颗粒膜沉积在交指型电极例如由金制成的交指型电极上，所述交指型电极被沉积在惰性基片上，或者可将两个电极沉积在膜的顶部。也可使用其他构型。可将一个电极设置在纳米颗粒膜的下面，另一个电极可沉积在纳米颗粒膜的上部。通过将分析物结合到选择性增强单元上，传感器的电子特性受到影响，导致纳米颗粒膜的导电率改变。

当将化学传感器集成入IC装置时，惰性基片可由例如Si/SiO₂制成。此外优选基片由玻璃和/或陶瓷制成。

可装配优选含不同组成的纳米颗粒膜的若干化学传感器以形成传感器阵列。

在优选的实施方案中，选择性增强单元可与分析物形成氢键。则选择性增强单元是氢供体或氢受体基团。

选择性增强基团可以是带电单元。所述带电单元的实例是主族金属、过渡金属和/或稀土金属的金属阳离子，阳离子单元和/或阴离子单元。选择性增强单元还可是具有永久偶极矩的偶极子单元。根据另一实施方案，选择性增强单元是可极化的结构单元。所述可极化结构单元的实例是芳族π-电子系统，例如来源于苯、萘、薁、芴、蒽、菲、芘、、并四苯、苯并菲等的π-电子系统，或共轭的π-电子系统，例如-C＝C-C＝C-等。优选芳族π-电子系统作为可极化的结构单元。

优选至少一个选自下组的选择性增强单元：

-CX₂-，-CX₃， -N＝N-，-NO₂，-N(O)-，-S-，-S-S-，-S(O)-，-SO₂-，-SO₃-，-OSO₃-，-O-，-C(O)-，-C(O)O-，-C(O)S-， -CN，-SCN，-NCO，-NC，

其中X是卤素原子。

一价基团例如-OH、-CN等优选连于分子骨架或连接分子的支链上。二价基团例如-S-、-S-S-、-O-、-N＝N-等可以整合在分子骨架或支链中或可通过例如优选含1-8个碳原子的低级烷基、或优选含5-10个碳原子的芳基封端于一端，或可携带一个氢原子。选择性增强单元也可是质子化的或去质子化的以形成阳离子基团，或形成阴离子基团。选择性增强基团以其他化合价直接或通过连接单元例如优选含1-8个碳原子的亚烷基连接到连接分子的分子骨架。三价或多价的选择性增强单元可在分子骨架内形成支链或连接分子的支链或一些化合价，可带有优选1-8个碳原子的烷基例如甲基，含5-10个碳原子的芳基，或可带有一个氢原子。这些基团可如上一价和二价基团所述连接在分子骨架上。

上述基团的组合也是可能的。

选择性增强基团还可形成杂环基的主要部分。所述基团可来源于例如吡啶、嘧啶、吡咯、吡咯烷、呋喃、噻唑等。

优选至少一个选择性增强基团是酰胺基。

连接单元可以是连接分子中的封端基团，以便使纳米颗粒彼此稳定地相互连接。还可整合入分子链中。在这种情况下，结合到纳米颗粒也可产生悬空支链。应注意到双官能或多官能的连接分子可包括封端连接单元或整合入分子链中的连接单元。两种连接单元的任何组合也是可能的。

为获得能长期使用而无性能退化的传感器，纳米颗粒网应提供足够的稳定性。优选连接单元是能使连接单元更好地结合到金属纳米颗粒的表面的封端基团。

为形成稳定的纳米颗粒网，连接分子的连接单元应结合到纳米颗粒的表面。优选的连接单元选自下组：-S-，-S-S-，-SO₃-，-OSO₃-，

-NC，

-OH，-C(O)O-，-C(O)-， -C(S)SH.

上述官能团可形成封端基团。那么未结合到连接分子的化合价可带有一个氢原子或优选含1-8个碳原子的低级烷基例如甲基或可去质子化以形成离子单元。连接基团还可整合入例如亚烷基链中。

分子内的连接单元可以是相同或不同的。

为进一步增强选择性，连接分子优选包含至少一个排列在选择性增强单元附近的微调单元，如此微调单元就能与结合到选择性增强单元的分析物分子相互作用。分析物分子和微调单元间的相互作用可以是空间上的、电子的或通过氢键的。通过分析物分子和微调单元间的相互作用，可调节即增强或减弱选择性增强单元和分析物分子间的相互作用。

分析物分子和微调单元间的相互作用与上述选择性增强单元相同。因此微调单元可包含与上述选择性增强单元相同的官能或结构单元。微调单元与连接分子内的选择性增强单元可以是相同或不同的。分析物和微调单元间的相互作用必然影响分析物的可逆结合。因此在分析物和微调单元间还会有非共价键出现。与微调单元的结合不必和与选择性增强单元一样强。因此弱相互作用如烷基间产生的范德华力也可用于调节传感器的选择性。在这种情况下，微调单元也可是烷基，优选含1-10个碳原子，其中烷基可以是线型或分枝的并可带有其他取代基。

调节作用还可通过引入位阻得以实现，并由此在空间上阻止或减弱选择性增强单元和分析物间的相互吸引。因此，如果只想让非常小的分析物能与选择性增强单元相互作用，则微调单元应包含能占据空间的单元，例如支链烷基、苯甲基或取代苯甲基，该单元位于选择性增强单元近处。然而如果位阻不需如此大(例如体积阻碍效应只需适中)，则可以减小微调单元的体积或增加微调单元和选择性增强单元间的距离。

微调单元优选能形成连接分子与分析物相互作用的次相互作用位点。分析物和连接分子间的相互作用主位点出现在选择性增强单元中。然而，邻近的微调单元可以作为调节与分析物相互作用的另一官能或结构单元。因此，连接分子的结构应能使分析物与相互作用主位点(选择性增强单元)和相互作用次位点(微调单元)产生协同的相互作用。根据化学选择的预期效果，取代基必须具有适宜的电子性能或空间特性。例如如果希望通过空间相互作用调节化学选择性，则可将空间多的基团例如分支的烷基残基排列在相互作用主位点附近。如果希望有额外的电子相互作用，微调单元可以是至少一个可形成氢键的官能团或可以是卤素原子。如果微调单元具有适当的构型，可以通过引入一个手性基团作为微调单元以实现手性选择性。

微调单元可能存在巨大的结构差异，该结构取决于被检测的分析物。可选择如上所述选择性增强单元的极性基团以便通过氢键或偶极子-偶极子相互作用建立分析物和微调单元的相互作用。此外可使用可高度极化的π-电子系统，例如含若干苯环的芳族系统，所述苯环也可缩合形成更大范围的π-电子系统。也可使用含若干双键或三键的共轭的π-电子系统以形成可极化的单元，所述单元可与具有永久偶极矩或带电荷的分析物产生非共价的相互作用。此外可使用可弱极化的基团。实例是线型或支链的烷基或环烷基，分别优选含1-20或5-20个碳原子。优选这些基团作为空间上需要的基团以保护选择性增强单元不受较大分子的影响。

为调节连接分子对靶标分析物分子的选择性，充分的条件是连接分子的分子结构带有的相互作用主位点(选择性增强单元)和相互作用次位点(微调单元)彼此足够接近，以便可能产生与分析物分子的协同相互作用。当然，也可以在同一连接分子中排列多个主和/或次相互作用位点。它们可与几个相同或不同的分析物分子相互作用。

为了在选择性增强单元和微调单元间建立紧密的空间关系，连接分子优选包含一个定向单元，以将微调单元定位于选择性增强单元附近的方式将选择性增强单元和微调单元连接起来，这样结合到选择性增强单元的分析物可与微调单元相互作用。

定向单元必须在空间上排列选择性增强单元和微调单元，使微调单元能调节选择性增强单元和分析物间的相互作用。优选定向单元是烃骨架，可以是饱和的或可是(部分)不饱和的。更优选定向单元是包含至少一个环状单元(例如来源于环己烷、环戊烷等)或更优选芳族单元(例如来源于苯、萘、薁、芴、蒽、菲、芘、、并四苯、苯并菲等)的刚性部分。这些环状单元还可包括杂原子如O、S和N原子(例如来源于噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩、噻蒽、呋喃、吡喃-2H、吡喃-4H、异苯并呋喃、苯并呋喃、吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲唑、吲哚、异吲哚、中氮茚、二氮杂萘、喹啉、嘌呤、喹嗪-4H、吩嗪、吖啶、咔唑、噁唑、异噁唑、哌啶、哌嗪)。杂原子还可充当选择性增强单元和/或微调单元。

为构建适宜的定向单元，可采用多种结构单元的组合。最简单的情况是定向单元就是互相连接选择性增强单元和微调单元的共价键。定向单元可以是含1-10个碳原子的亚烷基，其中至少一个CH₂基团可被乙烯基和/或乙炔基取代，此外至少两个乙烯基和/或乙炔基可构成一个共轭键系统，和/或含5-10个碳原子的环烯基，和/或含6-18个碳原子的芳族基团，其中若干苯环可缩合，此外芳香基可包括至少一个杂原子，优选N、O、S或Si原子，并且在所述基团中至少一个氢原子可以被含1-6个碳原子的线型或支链烷基所取代。

连接单元、选择性增强单元和微调单元可通过接合单元连接。接合单元可由亚烷基、链烯基和/或炔基形成。

优选连接分子包含一个离域的π-电子系统，例如由共轭双键和/或芳香基形成的π-电子系统。包含这些连接分子的纳米颗粒膜具有更好的导电率，因此可制得更薄。这降低了膜内扩散程的长度，并能装配非常灵敏并表现出快速响应的传感器。

用于装配化学传感器的连接分子是由不同单元组成的，其中每个单元均根据需解决的分析问题而选择。因此技术人员能根据靶标分析物设计化学传感器。这可通过例如分子建模方法实现。

对技术人员而言，将连接分子分割成若干不同的单元，用作研究分析物特异的连接分子的结构模型是显而易见的。实际上，在各单元的官能上会出现一些重叠。例如定向单元的一部分还可充当微调单元或选择性增强单元，反之亦然。

连接分子不应过大以致于不能确保通过叠层技术形成均质膜和不能精确地控制膜厚度。优选连接分子的分子量为100-2000g/mol，特别优选100-1000g/mol，最优选1000-600g/mol。

在优选的实施方案中，化学传感器包含一个连接分子，其中定向单元是含4-18个碳原子的环系统，该环系统可以是芳族或非芳族的并且该环系统的至多四个碳原子可被杂原子取代，所述杂原子独立地选自O、N、S，至少一个选择性增强单元是通过羰基碳原子、氮原子或氧原子结合到该环系统的酰胺基和/或酯基，至少一个微调基团是该环系统的取代基，该取代基选自氢原子、卤素原子、含1-6个碳原子的烷基、氨基、羟基和羰基氧原子。

定向单元的非芳族环系统可来源于环己烷或环戊烷，该定向单元的芳族环系统可来源于苯、萘、薁、芴、蒽、菲、芘、、并四苯或苯并菲。

在更优选的实施方案中，化学传感器包含一个连接分子，其中的选择性增强单元是酰胺基，定向单元是亚苯基环和/或环亚己基环，微调单元是氢原子、卤素原子、羟基、氨基、含1-6个碳原子的烷氧基、和/或含1-6个碳原子的烷基。该连接分子还可包含硫醇基作为连接单元结合到纳米颗粒的表面。连接单元可通过含1-6个碳原子的亚烷基连接到选择性增强单元。

在优选实施方案中，连接分子含至少一种氨基酸或氨基酸衍生物。优选连接分子含至少两种相同或不同的氨基酸或氨基酸衍生物，所述氨基酸或氨基酸衍生物优选通过酰胺键彼此连接。

通过使用氨基酸作为分子结构单元可方便地组合具有选择性增强性能的连接分子。使用α-氨基酸制备连接分子的一个优点是许多不同的氨基酸是易于获得的。此外，为合成连接分子，可采用最初为肽合成研究的精心制作的方案。连接分子可包含一种或多种具有相同或不同残基的氨基酸结构。如果使用多种氨基酸形成连接分子，可通过酰胺(肽)键将其互相连接。不同氨基酸结构的组合能制造多种具有独特的化学选择性的不同的连接分子。优选在一个连接分子中含氨基酸结构的数目是≤10，更优选≤5。最优选使用下列α-氨基酸：甘氨酸(Gly)，丙氨酸(Ala)，缬氨酸(Val)，亮氨酸(Leu)，异亮氨酸(Ile)，蛋氨酸(Met)，脯氨酸(Pro)，苯丙氨酸(Phe)，色氨酸(Trp)，丝氨酸(Ser)，苏氨酸(Thr)，半胱氨酸(Cys)，酪氨酸(Tyr)，天冬酰胺(Asn)，谷氨酰胺(Gln)，天冬氨酸(Asp)，谷氨酸(Glu)，赖氨酸(Lys)，精氨酸(Art)，组氨酸(His)。这些氨基酸还可被衍生化用于进一步调节与分析物的相互作用。例如，在合成连接分子后可去保护官能团。此外，原则上可使用α-氨基酸、β-、γ-、...ω-氨基酸或对应的D-异构体以及L-异构体。

当连接分子含至少一种笼状化合物、环糊精、冠醚、穴状化合物、卟啉、酞菁和/或氨基环己烷(cyclams)时，可进一步调节纳米颗粒膜的选择性。连接分子还可含偶氮苯、轮烷和/或联苯基。

在另一优选实施方案中，连接分子含金属和/或金属阳离子。

由金属、半导体或绝缘体制成的纳米颗粒膜可完成两种不同的任务。首先它们能准确确定该复合膜材料的物理特性，所述物理特性是在该传感器工作时测定的。如果传感原理需要导电性，则优选金属颗粒，因为其能强烈地增强该材料的导电性。这允许例如测量导电率的变化作为传感器信号。根据经验，使用较大的颗粒比较小的颗粒能导致膜具有更高的导电率。此外，许多金属和半导体纳米颗粒具有显著的光学特性(吸收和发光性)，这可由于分析物与膜材料的相互作用而改变。其次，纳米颗粒用作结合双官能或多官能连接分子的纳米级基质。在此情况下，纳米颗粒可视为纳米颗粒/连接分子网络的接合点。这些纳米颗粒网包含在纳米颗粒中间的孔，这些孔帮助分析物渗入膜材料中。

为使用纳米颗粒作为化学电阻，该纳米颗粒的一个重要功能是提供充分的导电性。因此，纳米颗粒优选为金属纳米颗粒。适用于制造纳米颗粒膜的金属优选选自金、银、铂、钯、铜、镍、铬、钼、锆、铌、铁。还可使用这些金属的组合物(例如合金)制备纳米颗粒。还可使用半导体纳米颗粒(例如II/VI半导体如CdS、CdSe、CdTe、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、HgS、HgSe、HgTe，或III/V半导体如GaAs、InP，或其他如PbS、Cd₃P₂、TiO₂和其他过渡金属氧化物，或这些材料的组合物，例如芯/壳结构)。为增强半导体纳米颗粒的导电性，可将其掺杂(例如用砷、锑、铝、硼、磷、铟、镧系金属、过渡金属)。此外，金属、半导体和/或绝缘体的组合物也可用作纳米颗粒。原则上，可用导电的有机物如导电的聚合物作为导电或半导体的纳米颗粒。很清楚本文所述纳米颗粒还可以任何组合物的形式用于制备传感材料。

优选用该化学传感器形成化学电阻，其中的纳米颗粒膜被沉积在一对接触电极上，反之亦然。该纳米颗粒膜的电阻由于分析物存在而改变。可使用上述纳米颗粒膜的其他传感器系统是例如光化学传感器。在这种情况下，分析物分子结合到连接分子上导致光学特性的改变(UV/可见光和/或IR)。适宜的材料可包括例如显示出电致发光性和/或光致发光性的半导体纳米颗粒。当分析物结合到连接分子时，发光性会改变。连接分子电偶联到纳米颗粒的电子结构。当分析物一连接分子相互作用导致连接分子的电子结构(能级)改变，这会影响纳米颗粒的电子结构。因此该纳米颗粒材料的光学特性改变了。适宜的半导体材料的实例在上文已经给出。

纳米颗粒膜可通过Leibowitz等在Anal.Chem.199，71，5076-5083中所述的一步法形成。然而，为高度精确地获得稳定的纳米颗粒膜，该纳米颗粒膜优选通过纳米颗粒的叠层沉积制备。纳米颗粒膜的装配是通过纳米颗粒和连接分子的自组形成的。因此能在受控制的和可再现的条件下形成纳米颗粒膜。因此本发明的另一主题是上述化学传感器的形成方法，包括下列步骤：a)将基片官能化以提供基片表面上的连接单元；b)在官能化的基片表面上沉积纳米颗粒层；c)在纳米颗粒层上沉积双官能或多官能连接分子，使双官能或多官能连接分子连结在纳米颗粒上；d)再沉积一层纳米颗粒并通过双官能或多官能连结分子将其与第一层的纳米颗粒连结起来；e)重复步骤c)和d)直至得到均匀的纳米颗粒膜。

重复沉积纳米颗粒和双官能或多官能连结分子直至得到具有足够用作化学电阻的导电率的纳米颗粒膜(优选R＜1MOhm)。纳米颗粒的沉积和双官能或多官能的连结分子的沉积可通过任何适宜的方法进行。可通过喷雾或用纳米颗粒或双官能或多官能连结分子在适宜溶剂中的溶液浸渍并蒸发溶剂或通过旋涂技术沉积纳米颗粒或双官能或双官能连结分子。通常以配位体稳定化的纳米颗粒的溶液形式涂布该纳米颗粒。通过配位体交换反应结合配位体或连结分子。在所述交换反应中，通过连结分子交换至少一些稳定的配位体。例如通过硫醇官能化的连结分子可容易地交换金纳米颗粒表面上的十二烷基胺配位体。

可将本发明的化学传感器小型化以便在例如IC装置中的传感器阵列中使用。该化学传感器包括至少一种纳米颗粒和至少两种连结分子或至少两种纳米颗粒和至少一种连结分子。

该化学传感器可包括单个纳米颗粒，有两个连结分子连于其上。然后可将连结分子分别以其端部连结到例如电极上。

根据另一实施方案，该化学传感器可包括连于两个纳米颗粒上的单个连结分子。

上述传感器可用于检测分析物分子。因此本发明的另一主题是检测分析物的分子，其中将如上所述的化学传感器的纳米颗粒膜暴露于分析物并通过检测手段测量纳米颗粒膜的物理性能的改变。物理性能的改变可以是例如导电率、介电常数、反射率、发光性、吸光性、质量、体积、密度和/或热容的变化。

附图说明

下面将通过实施例并参考附图更详细地说明本发明。

图1a-c是连结分子的通式结构的示意图；

图2a-d是分析物和选择性增强单元间相互作用的模型和连结分子内选择性增强单元、定向单元和微调单元的一些可能的结构排列；

图3a-n是设计连结分子的一般原理的示意图和根据这些原理设计的连结分子。

图4a-c表示与连结分子相互作用的分析物的排列；

图5表示解释连结分子和分析物借助苯取代相互作用的模型。

图6表示传感器对不同溶剂蒸气的反应。

图7a-b表示传感器重复暴露于干燥空气或溶剂蒸气过程中传感器的响应图形。

图8表示一种装配好的化学电阻。

图1表示通过互相连结纳米颗粒形成纳米颗粒网的连结分子的通式结构。在这些通式结构中能够选择性地与分析物相互作用的单元已被省略。然而，很清楚每种结构包含至少一个选择性增强单元。这些单元可位于分子结构中的任何地方(骨架、接合处、和/或支链)。在图1a中显示了连结分子的最简单的结构。该连结分子包含分子骨架1，该骨架由连结单元2封端。连结单元2接合到纳米颗粒3的表面，由此使纳米颗粒3相互连结并形成纳米颗粒网。在图1a中，连结分子是双官能的。然而，不仅双官能的，多官能的连结分子也能将纳米颗粒相互连结。所述多官能连结分子示于图1b中。分子骨架1形成被连结单元2封端的支链4。所述多官能连结分子能相互连结多个纳米颗粒3。连结单元不能是封端基团，但可整合入分子链中。在此情况下，分子骨架1的支链未被连结单元2封端，而形成悬挂支链5(图1c)。而且不是每个支链都必须被连结单元2封端，这些支链也可形成未接合纳米颗粒的悬挂支链6(图1c)。

图2表示连结分子分子骨架1的一部分以解释选择性增强单元8、分析物7和微调单元9的不同的排列可能性。

在图2a中，连结分子骨架1仅包含一个选择性增强单元8，分析物7连于其上。在图2b-2d中，存在一个额外的微调单元9，形成分析物的次相互作用位点并由此调节分析物7和选择性增强单元8间的相互作用。选择性增强单元8和微调单元9是通过定向单元13连结的。连结分子内选择性增强单元8和微调单元9的排列有不同的可能性。微调单元9可形成分子骨架1的支链的封端(图2b)。此外微调单元9可整合入分子骨架1中(图2c)。第三种可能性是微调单元9可整合入分子骨架1的支链11中。

图3a示意性表示满足本发明基本要求的连结分子的最简单的可能结构。该结构包括两个连结单元2以连结两个纳米颗粒，和一个选择性增强单元8以选择性地与靶标分析物相互作用。两个连结单元是封端的官能团，通过接合单元19与选择性增强单元8连结。图3b给出了符合图3a方案的连结分子的具体实例。连结单元2是能接合到多种金属(例如金、银、铂)或半导体(例如CdSe、CdTd)纳米颗粒上的硫醇基。选择性增强单元8是仲胺基，为分子结构引入了永久偶极矩。此外，该氨基可充当氢键碱。因此，这种选择性增强单元可调节传感器对极性分析物分子的选择性，特别是对那些能充当氢键酸的分析物分子的选择性。将氨基8与硫醇基2连结起来的接合单元19是由-CH₂-CH₂-片断形成的。

图3c示意性表示包含一个选择性增强单元8的连结分子的另一简单结构。然而，与图3a相比，此选择性增强单元8未形成分子骨架1的主要部分。相反该单元是结合在分子骨架1上。此种排列的实例示于图3d中。在此种情况下，选择性增强单元8是由羟基形成，调节对能形成氢键的极性分析物的选择性。然而与此相反，在图3b中，该羟基不具有如氨基的碱度。分子骨架1由戊二烯链形成，该链的两端由作为连结单元的硫醇基2封端。

图3e示意性地表示含有两个整合入分子骨架1中的选择性增强单元8的连结分子。连结单元2通过接合单元19接合到两面上。图3f表示所述结构排列的具体实例。分子骨架1由丁二烯单元(-(CH₂)₄-)形成，所述单元的两端连结到充当选择性增强单元8的酰胺基的氮原子上。这些选择性增强单元具有偶极矩并且易于形成氢键。因此，可调节该传感器对极性亲水物质的选择性。羰基碳原子通过充当接合单元19的亚甲基(-CH₂-)连结到连结单元2上。

图3g示意性地表示上述结构的延伸结构：在两个选择性增强单元8之间插入微调单元9。选择性增强单元8通过定向单元13与微调单元9连结。图3h表示符合图3g方案的具体的分子结构。在此种情况下，微调单元9是被整合在定向单元13中的氮原子。微调单元(＝N-)是强碱性的并且引入了额外了偶极矩。因此，该单元微调了对极性、酸性或离子分析物的选择性。微调单元和定向单元形成2，6-取代的吡啶环。形成选择性增强单元8的取代基是两个酰胺基。上述基团通过羰基碳原子与吡啶环连结。定向单元13使微调单元9紧邻选择性增强单元8。这允许例如多齿接合金属离子。连结单元2通过-CH₂＝CH₂-片断19与酰胺基氮原子连结。

图3i示意性表示一种更复杂的连结分子，其中四个微调单元9连于中央定向单元13上。图3j表示此种结构排列的一种具体的排列。在此种情况下，定向单元13是取代的苯环，该苯环使选择性增强单元8和微调单元9彼此紧邻。在1，4-位置上，环系统通过氮原子与作为选择性增强单元8的两个酰胺基连结。在2，3-和5，6-位置上的是形成微调单元9的取代基X₁-X₄，所述取代基可以是氢原子、烷基残基、卤素原子或官能团如-NH₂、-OH等，如果例如烷基是占据空间有要求的取代基(例如支链的烷基残基)，则分析物分子对选择性增强单元的接近受到空间上的阻碍。这能调节对空间位阻较小的小分析物品种的选择性。此外，官能团如氨基或羟基能进一步增强连结分子和适宜的分析物分子间氢键的形成。

图3k示意性地表示了含四个选择性增强单元8的连结分子的结构，所述选择性增强单元是由化学上不同的基团形成的(8.1和8.2)。该分子还包含一个定向单元13和微调单元9。如图31的实例所示，此种结构可通过使用两个氨基酸作为结构单元很方便地组合而成。更具体地说，该结构的中央部分包含一个异亮氨酸(Ile)单元和一个精氨酸(Arg)单元，上述单元通过形成酰胺键(肽键)彼此连结，所述酰胺基形成了中央选择性增强单元8.1。精氨酸的羧酸基被转变成额外的酰胺基(形成另一选择性增强单元8.1)，通过CH₂-CH₂-片断19.1将分子与连结单元2(硫醇基)连结起来。异亮氨酸的氨基也被用于通过额外的酰胺基(额外的选择性增强单元8.1)将另一-CH₂-CH₂-片断19.1与连结分子连结起来。该分子的此末端也被作为第二连结单元2的硫醇基封端。异亮氨酸的α-碳原子形成定向单元13，支链的烷基残基连于其上，形成分子的微调单元9。此微调单元引入位阻并因此能调节分析物分子与选择性增强单元8之间的相互作用。精氨酸的残基包含胍基作为额外的选择性增强单元8.2，这是一种非常强的有机碱。此基团易于被质子化形成阳离子部分。因此可调节对阴离子或含阴离子部分的分析物分子或能形成氢键的极性酸性分析物的选择性。该胍基经由-(CH₂)₃-片断和形成接合单元19.2的α-碳原子连于连结分子上。

图3m示意性地表示了一种对称的连结分子，该分子包括四个连结单元2和六个选择性增强单元8。图3n表示符合此种结构排列的连结分子的实例。冠醚(18-冠-6)结构形成了分子的中心部分。六个醚(-O-)单元8均匀排列用于与金属离子特别是钾离子相互作用。乙烯基19.1将醚氧原子彼此连结。冠醚骨架被四个亚甲基单元(19.2)取代，所述亚甲基使分子结构与作为连结单元2的硫醇基连结。关于环状聚醚的实例是其他分子结构的单元，所述单元也能用于结合金属阳离子(例如-COO^-；-(NH-CH₂-CH₂-NH)-；-(N＝CH-CH＝N)-；-(S-CH₂-CH₂-CH₂-S)-，-(N＝CH-CH＝N-CH＝CH-N)＝，-N(CH₂COO^-)₂，冠醚，穴状化合物，卟啉，酞菁。连于连结分子的金属阳离子本身可作为气体如H₂S、NH₃、CO、O₂、NO_x、SO_x的选择性增强单元。

在图3的实例中，连结单元2是硫醇基。然而，连结单元的功能是将连结分子连于至少两个纳米颗粒上，从而使其互相连结。因此，每个连结分子包含至少两个连结单元，所述连结单元可以是相同的官能单元或彼此不同的。该连结单元的实例是：-SR、-SSR，-SO₃R、-OSO₃R、-NR₂、-NHC(NH)-NH₂、-NC、-PR₂、-P(O)R₂；-PO₃R₂、-OPO₃R₂、-OH、-COOR、-C(O)H、C(O)NR₂、-Si(OR)₃、-C(S)SH和这些官能单元的离子形式(其中R是H或有机残基，该有机残基可以是封端或未封端的残基。如果R是未封端的残基，则R可以是接合单元、分子骨架的一部分或分子结构的一个支链，可连于其他官能或结构单元。如果该官能或结构单元直接结合到另一官能或结构单元上，则R代表其他官能或结构单元。)。

图3的实例还显示了一些可充当选择性增强单元8的官能单元和结构单元。然而，很清楚也可使用其他多种可用于增强连结分子和选定类的化合物分析物间的相互吸引(但非共价的)的官能和结构单元。表1给出了带电荷的单元、偶极单元、能形成氢键的单元或可强极化的单元的实例。必须将这些单元与小的接合单元(例如-CR₂-，＝CR-等)接合以便将其互相连结或将其与连结分子连结(或将其整合入连结分子中)，原则上如上述实例所示。当然，它们也可彼此直接连结。如果金属阳离子是选择性增强单元的一部分，则离子通过至少一个供体配位体与连结分子配位。应注意到表1所给出的一些官能单元可整合进环状和可能是芳族结构的单元(例如-S-，-O-，-NR-，＝N-)。

表1支持不同类型相互作用的不同的官能和结构单元的实例(R是H或有机残基，该有机残基可以是封端或未封端的残基。如果R是未封端的残基，则R可以是接合单元、分子骨架的一部分或分子结构的一个支链，可连于其他官能或结构单元。如果该官能单元或结构单元直接结合到另一官能或结构单元上，则R代表其他官能或结构单元。X是卤素原子)。

I)带电荷单元·金属阳离子—主族金属(例如Mg²⁺，Ca²⁺，pb²⁺等)—过渡金属(例如Mn²⁺，Co²⁺，Fe²⁺/³⁺，Cu²⁺，Ag⁺，Zn²⁺，Cd²⁺，Hg²⁺，Cr³⁺等)—稀土金属(例如Ce³⁺，Eu³⁺等)·阳离子单元(例如-NR₃ ⁺，-(NR₂)⁺，-NHC(NH₂)₂ ²⁺)·阴离子单元(例如-S^-，-O^-，-C(O)O^-，-SO₃ ^-，-OSO₃ ^-，-PO₃ ^2-，OPO₃ ^2-，-(OPOO^-)，-O(PO₂)O₃ ^2-)，-C₅H₄ ^-

II)偶极单元(永久偶极矩)，包括氢键供体和受体，例如-CR₂X，-CRX₂，-CX₃，＝CRX，-NR₂，-(NR)-，-(N＝CR)-，-NO₂，-SR，-(CR₂-S)-，＝(CR-S)-，-(SO)-，-(SO₂)-，-O(SO₂)O-，-SO₃R，-OR，-(CR₂-O)-，＝(CR-O)-，-(C(O))-，-C(O)R，-C(O)OR，-C(O)NR₂，-(C(O)NR)-，-(NRC(O)NR)-，-(NRC(O)NRNR)-，-(NRC(S)NR)-，-(NRC(S)NRNR)-，(C(O)NRNR)-，-(SO₂NR)-，-(SO₂NRNR)-，-(SO₂NRNRC(O))-，-(NRC(O)NRNRC(O))，-(NRC(S)NRNRC(O))-，-NRC(NR)(NR₂)，-(PO₃NR)--(PO₃NRNR)-，-(PO₃NRNRCO)-，-(C(O)O)-，-CN，-NCO，-NC，-PR₂，-(PR)-，-(POR₂)-，-(POR)-，-OPO(OR)₂，-(OPOORO)，-(OSiR₂O)-等)。

III)可极化的结构单元(芳族π-电子系统，例如-C₆R₃，-(C₆R₄)-；共轭的π-电子系统，例如-C＝C-C＝C等)。

图3中的实例还显示可用作微调单元的相同的官能和结构单元。然而，微调单元9的一般功能是调节选择性增强单元和分析物间的相互作用。这可通过在分析物和连结分子间引入额外的相互作用(涉及电荷和永久偶极矩的电荷相互作用，和/或极化作用)得以实现。因此微调单元可包含表1所列作为选择性增强单元相同的官能或结构单元。此外，调节作用还可通过引入位阻得以实现。这可通过引入对空间有要求的有机残基得以实现，所述有机残基可以是饱和的烃基或不饱和的烃基，所述不饱和的烃基可构成芳族结构单元例如苯甲基。

图3还给出定向单元13的实例。定向单元的功能是将选择性增强单元8和微调单元9相互连结。优选定向单元能从空间上排列选择性增强单元和微调单元，使微调单元能调节选择性增强单元和分析物间的相互作用。优选定向单元是饱和或(部分)不饱和的烃骨架。更优选定向单元是含至少一个环状单元(例如来源于环己烷、环戊烷等)的刚性部分或更优选为芳族单元(例如来源于苯、萘、薁、芴、蒽、菲、芘、、并四苯、苯并菲等)。定向单元还可包含杂原子如O、S和N原子。这些杂原子也可用作微调单元，如图3g的实例所示(例如定向单元可来源于噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩、噻蒽、呋喃、吡喃-2H、吡喃-4H、异苯并呋喃、吡咯、咪唑、吡唑、吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、吲唑、吲哚、异吲哚、中氮茚、二氮杂萘、喹啉、嘌呤、喹嗪-4H、吩嗪、吖啶、咔唑、噁唑、异噁唑、哌啶、哌嗪)。然而，在最简单的情况下，定向单元仅仅是连结选择性增强单元和微调单元的共价键。

应注意到为了微调纳米颗粒膜的化学选择性，微调单元不必直接紧邻选择性增强单元，尽管这种排列是优选的。微调单元还可调节纳米颗粒膜的整体化学性质。例如如果微调单元包含非极性疏水残基(例如烷基或芳基残基)，则该膜会变得更疏水。因此，可调节对疏水分析物的选择性。反之，如果微调基团包含极性官能单元，则膜可变得更亲水，这样就能调节对亲水分析物的选择性。

通过结合上述结构单元，可为每个分析问题或需检测的分析物设计连结分子。

图4显示了可用于获得纳米颗粒网的连结分子的结构。该分子对应于图3j所示的一种实例。该连结分子包含由亚苯基环形成的定向单元，所述亚苯基环可被X₁、X₂、X₃、X₄取代。两个形成选择性增强单元(主相互作用基团)的酰胺基结合到亚苯基环上。连结分子的连结单元是由硫醇基形成的，所述硫醇基经由结合单元亚甲基连结到酰胺基上。充当硫醇盐连结基团的硫醇基接合到纳米颗粒3的表面。

图4a显示在羟基分析物和酰胺官能化连结分子的羰基间形成了氢键。如果空间位阻不能阻止羟基氧原子接近酰胺键，则酰胺质子也可卷入氢键中，如图4b所示。

只要空间位阻不很严重，极性的质子惰性分析物(例如丙酮)还可通过酰胺质子与连结分子相互作用(图4c)。

与微调单元(次相互作用位点)的相互作用详细描述于图5中。形成微调单元的苯环的取代基X位于分析物分子附近，所述分析物分子被结合到选择性增强单元(主相互作用位点)的Z原子(例如酰胺基的羰基-氧)上。假如调节基团X是烷基，会出现与分析物分子的空间相互作用，这可能削弱分析物分子与主结合位点Z的相互作用。假如X是羟基或氨基，可能与分析物分子形成氢键，这样分析物分子就更稳固地结合到连结分子上。如果调节取代基具有合适的构型，就可能获得如图6b所示的手性选择性。还可使用其他结构单元代替苯环以便使取代基X接近主相互作用位点。例如可使用连于主相互作用位点的环己烷环。与苯环相似，环己烷环可被调节基团X取代。

为测试化学传感器的化学选择性，合成了若干连结分子。分子的结构示于示意图1。

示意图1用于制造传感器的连结分子的结构。

这些分子有两个硫醇基可结合于纳米颗粒上。此外，每个连结分子包含两个酰胺键(-C(O)NH-)，所述酰胺键能增强对极性分析物的选择性。分子的中心部分是亚环己烷环或亚苯基环(分别是分子A和B)。这些中心部分有取代基X₁-X₄，所述取代基能微调分析物分子和连结分子间的相互作用，因此能微调化学传感器的化学选择性。表2显示了可用于修饰分子A和B的不同的取代基并给出了随后将使用的缩写。

分子	X1	X2	X3	X4	缩写
分子	X1	X2	X3	X4	缩写	A	H	H	H	H	DMAA-CH
B	Cl	H	Cl	H	DMAA-DCB	A	H	H	H	H	DMAA-CH
B	Cl	H	Cl	H	DMAA-DCB	B	H	H	H	H	DMAA-B
B	CH₃	H	CH₃	H	DMAA-DMB	B	H	H	H	H	DMAA-B

表2：示意图1中分子A和B的取代基DMAA-CH：1，4-二-(巯基乙酰胺)-环己烷DMAA-DEB：1，4-二-(巯基乙酰胺)-2，5-二氯-苯DMAA-B：1，4-二-(巯基乙酰胺)-苯DMAA-DMB：1，4-二-(巯基乙酰胺)-2，5-二甲基苯

作为对比，使用1，9-壬二硫醇(NDT)作为双官能连结分子，该物质不包含选择性增强单元。此外，传感器是通过旋涂将十二烷硫醇(DT)稳定化的金纳米颗粒沉积在交指型电极结构上制造的。

具体实施方式

纳米颗粒和化学传感器装置是依据下列通用程序获得的。1.制备金属纳米颗粒a)十二烷基胺稳定化的金纳米颗粒

这些十二烷基胺稳定化的金纳米颗粒是如最近的参考文献中所述的方法制备：D.V.Leff.L.Brandt，J.R.Heath，Langmuir，1996，12，4723。

向快速搅拌的含160mg AuCl₃的20ml水溶液中添加含639mg四辛基溴化铵的20ml甲苯溶液。搅拌直至有机相变成橙色，同时水相变成无色。向混合物中添加1178mg十二烷基胺和10ml甲苯，使有机相从橙色变为红色。在剧烈搅拌下添加新制备的含221mg NaBH₄的15ml水溶液。溶液的颜色立即变成深紫色。在室温条件下搅拌过夜，分离有机相并加入80ml乙醇。混合物在-18℃冰箱中储存过夜。通过尼龙膜(0.45μm孔径)过滤，将沉淀物从溶液中分离出来并再溶于17.5ml甲苯中。将此溶液进行分级沉淀，所述分级沉淀通过重复下列三步进行：

1.添加乙醇(5-20ml)；

2.在冰箱中静置过夜；

3.离心分离沉淀。

通过这种方式获得四个组分并用于制造传感器。TEM分析显示金纳米颗粒是结晶并且直径在2-20nm之间。b)十二烷基硫醇稳定化的金纳米颗粒

这些纳米颗粒是以与Brust和Coworkers(J.Chem.Soc.，Chem.Commun.1994，801-802)所述的相似方式制备。向快速搅拌的含206mg AuCl₃的20ml水溶液中添加含840mg四辛基溴化铵的20ml甲苯溶液。搅拌直至有机相变成橙色，同时水相变成无色。向混合物中添加含33μl十二烷基硫醇的20ml甲苯，使有机相从橙色变为红色。在剧烈搅拌下添加新制备的含257mg NaBH₄的20ml水溶液。溶液的颜色立即变成黑色。在室温条件下搅拌过夜，分离有机相并加入40ml乙醇。混合物在-33℃冰箱中储存7小时。通过尼龙膜(0.45μm孔径)过滤，将沉淀物从溶液中分离出来并再溶于几ml甲苯中，得到第一组分。向滤液中添加40ml乙醇，将混合物储存在冰箱中过夜。分离第二组分后，加入40ml乙醇，在冰箱中储存过夜后分离第三组分。继续进行几次分级沉淀，得到十二烷基硫醇稳定化的金-纳米颗粒的六种组分。第三组分的TEM分析显示纳米颗粒金属芯的直径是大约3-6nm。

制造化学电阻传感器装置a)基片清洁和氨基官能化：

将金属纳米颗粒膜沉积在BK7-玻璃基片上，所述基片均具有三种平板印刷制成的交指型电极结构。该电极结构包含5nm的钛粘附层，其上沉积了95nm的金层。所述电极包含50个指针对，指针对宽10μm、间距10μm、重叠1800μm。在将纳米颗粒装配到基片上之前，氧等离子体处理(等离子体处理条件：在30W和0.5mbar下大约4分钟)之前，用丙酮和异丙醇清洁基片。将干净的基片浸入含50μl 3-氨基丙基二甲基乙氧基硅烷的5ml甲苯溶液中，并加热至60℃保持30分钟。此步骤中用氨基使玻璃基片官能化，所述氨基充当随后的纳米颗粒沉积的连结单元。b)通过金纳米颗粒的叠层沉积制造传感器：

用甲苯清洗基片后，将其浸入含十二烷基胺稳定化的金纳米颗粒的甲苯溶液中5分钟。之后，用溶剂漂洗基片，然后浸入连结剂溶液中。当使用表2所列的酰胺官能化连结分子时，用甲苯和DMF清洗基片，然后浸入含1-5mg连结化合物的5ml DMF溶液中。当使用1，9-壬二硫醇连结剂时，可使用2-丙醇代替DMF。在这种情况下，将大约160μl连结剂溶于4ml 2-丙醇中以制备连结剂溶液。将基片保留在连结剂溶液中5分钟，之后用DMF(或2-丙醇)和甲苯漂洗。然后重复将基片浸入纳米颗粒溶液和连结剂溶液的步骤，直至沉积膜具有足够低的电阻(通常在kΩ至MΩ范围，通过交指型电极结构测量)。c)通过旋涂制造传感器：

将十二烷基硫醇稳定化的金纳米颗粒溶液滴在氨基官能化的基片的电极结构上。几秒钟后，旋转基片产生未交联的金纳米颗粒膜。测试化学电阻的化学选择性

为研究传感器的特性，将传感器芯片安装在用Teflon^制造的试验槽中。传感器通过压在电极结构接触垫上的镀金弹簧针与测量设备连结。通常施加直流电(使用Keithley source-measure unit 236)使传感器工作并且在施加恒定试验气氛时测量穿过电极的电压变化(使用Keithley 2002万用表)。每个传感器的电流调节在0.3-150μA范围内以便由此产生的穿过传感器电极的电压是大约0.1V。如此功率消耗在0.03-15μW范围内。

溶剂的蒸气是用商用的气体校准系统(Kalibriersystem MK15/MK5或MK15/DDS-RL/MK5，Umwelttechnik MCZ GmbH，Obermrlen，德国)产生的。这些系统包括起泡器和冷凝器，用于在15-50℃温度范围内制备饱和的溶剂蒸气。通过使用几个质量流量控制器，可用零点调整用气体将饱和蒸气稀释到0.5-6000ppmv浓度范围内。作为零点调整用气体，可使用通过商用零点调整用气体发生器(Nullgasanlage MD2000-25，Umwelt-technik MCZ)产生的纯净和干燥的空气(露点-70℃)。质量流量系统配备计算机控制阀，用于将流过传感器小室的气体在零点调整用气体和试验气体间转换。甲苯、1-丙醇和丙酮蒸气被用作试验气体。试验槽中蒸气的实际浓度通过使用Antoine方程和由质量流量系统调节的稀释系数计算。试验室中的质量流量调节至2L/min并且在整个试验中保持恒定。

表3和图6概括了通过将传感器暴露于三种不同的2400ppmv浓度的溶剂蒸气中获得的实验结果。

溶剂蒸气@2400ppmv	S1NDT	S2DMAA-CH	S3DMAA-DCB	S4DMAA-B	S5DMAA-DMB	S6DT
溶剂蒸气@2400ppmv	S1NDT	S2DMAA-CH	S3DMAA-DCB	S4DMAA-B	S5DMAA-DMB	S6DT	甲苯	+0.65％¹	+0.06％²	+0.52％	+0.01％	+0.32％³	+0.77％¹
1-丙醇	+0.11％¹	+1.38％²	+0.63％²	+0.76％²	+1.04％³	-0.24％³	甲苯	+0.65％¹	+0.06％²	+0.52％	+0.01％	+0.32％³	+0.77％¹
1-丙醇	+0.11％¹	+1.38％²	+0.63％²	+0.76％²	+1.04％³	-0.24％³	丙酮	-0.03％¹	+0.52％²	+0.47％²	+0.46％²	+0.34％³	-0.04％¹

表3：传感器暴露于2400ppmv的溶剂蒸气中300秒后电阻的相对变化。每栏的抬头给出了用于制备传感器的连结分子的缩写。必要时要对结果作基线漂移的校正。

¹信号到达稳定值

²信号仍在上升

³信号接近到达稳定值

使用甲苯作为典型的非极性溶剂，选择1-丙醇作为典型的羟基溶剂，而丙酮则充当典型的极性质子惰性溶剂。在图6中很容易看出用1，9-壬二硫醇(NDT)制成的传感器S1对非极性甲苯蒸气有明显的选择性。这是可以预期的，因为所用的连结分子不包含任何极性官能团(除了结合纳米颗粒的硫醇基以外)。用十二烷基硫醇(DT)稳定化的金纳米颗粒制成的传感器S6也对甲苯蒸气有选择性。颗粒周围的十二烷基残基的非极性也能解释这一结果。用这种传感器获得的结果与Wohltjon和Snow(上述引文中)以前报道的结果相一致。与此强烈对比的是用酰胺官能化的连结分子制成的传感器S2-S4对极性溶剂丙酮，特别是羟基溶剂1-丙醇表现出明显的选择性。传感器S5也对1-丙醇有选择性。然而，对非极性溶剂甲苯和质子惰性溶剂丙酮的反应相似。图6显示出的相同的选择性模式是对60-2400ppmv的整个浓度范围定性观察得到的。

连结分子的酰胺官能化强烈地影响传感器的动力学。图7a显示出用酰胺官能化的连结分子(例如DMAA-CH)(在图7中，向上的箭头表示注入空气，向下的箭头表示注入蒸气)制成的传感器的典型的响应痕迹。可见即使在暴露于1-丙醇蒸气5分钟后，传感器信号仍在上升。为进行比较，图7b显示出用1，9-壬二硫醇制成的传感器S1的响应曲线。该传感器响应得更快并且在几秒钟后就得到稳定的信号。不含酰胺官能化连结分子的传感器S6也象传感器S1反应得一样快。酰胺官能化传感器相当慢的响应可以用伴随极性分析物分子与酰胺基的相互作用产生的结构变化来解释。由于酰胺官能化连结剂是极刚性的分子，结构变化会受到更强的阻碍，不应象伴随分析物分子吸附传感器S1和S6发生的亚烷基链的构象变化一样快。

最后，概括于表3和图6的结果表明化学电阻的化学选择性可通过改变邻近酰胺官能团的分子结构进行微调。如此，使用环己基环或苯环作为分子的中心部分和/或改变取代基X₁-X₃能显著地改变每种传感器(S2-S5)的信号比。

图8显示了具有纳米颗粒膜作为灵敏元件的化学电阻。在玻璃基片15上放置交指型电极16。在基片上沉积纳米颗粒膜17，该膜覆盖电极结构16。向电极的引线18施加电流并通过检测器检测电流的变化(未示出)。图形详细描述的部分显示纳米颗粒3通过连结分子12相互连结，由此形成纳米颗粒网。

Claims

1.一种化学传感器，其包含基片，基片上形成的纳米颗粒膜，该纳米颗粒膜包含由纳米颗粒通过连结分子互连形成的纳米颗粒网，所述连结分子具有至少两个能结合到纳米颗粒表面上的连结单元和至少一个具有可逆性结合分析物分子的结合位点的选择性增强单元，和用于检测该纳米颗粒膜物理性能变化的检测装置。

2.根据权利要求1的化学传感器，其中选择性增强单元能可逆地结合分析物分子。

3.根据权利要求1或2的化学传感器，其中选择性增强单元的结合位点能通过电荷相互作用和/或极化相互作用结合分析物。

4.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中选择性增强单元的结合位点是能与分析物形成氢键的氢键供体基团或氢键受体基团。

5.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中至少一个选择性增强单元选自下组：-CX₂-，-CX₃， -N＝N-，-NO₂，

-N(O)-，-S-，-S-S-，-S(O)-，-SO₂-，-SO₃-，-OSO₃-，-O-，

-C(O)-，-C(O)O-，-C(O)S-，

，-CN，-SCN，-NCO，-NC，

其中X是卤素原子。

6.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中至少一个选择性增强单元是酰胺基。

7.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中的连结单元是封端基团。

8.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中的连结单元选自下组：

-S-，-S-S-，-SO₃-，-OSO₃-，

-NC，

-OH，-C(O)O-，-C(O)-，

-C(S)S-

9.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中的连结分子包含至少一个排列在选择性增强单元附近的微调单元，这种排列方式使微调单元能与结合到选择性增强单元上的分析物分子相互作用。

10.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中的连结分子包含至少一个定向单元，所述定向单元以将微调单元定位于选择性增强单元附近的方式连结选择性增强单元和微调单元，以便结合到选择性增强单元的分析物能与微调单元相互作用。

11.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中的定向单元是一个键，含1-10个碳原子的亚烷基，其中至少一个CH₂基团可被乙烯基和/或乙炔基取代，此外至少两个乙烯基和/或乙炔基可构成一个共轭键系统，和/或

含5-10个碳原子的环亚烷基，和/或

含6-18个碳原子的芳香基，其中几个苯环可以缩合，此外该芳香基可包含至少一个杂原子，优选N、O、S或Si原子，

且上述基团中的至少一个氢原子可被直链或支链的具有1至6个碳原子的烷基取代。

12.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中至少一个选择性增强单元是酰胺基，至少一个微调单元是氢原子、卤素原子、含1-6个碳原子的烷基、羟基、氨基、和/或含1-6个碳原子的烷氧基，结合单元是亚苯基和/或环亚己基。

13.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中的连结分子包含至少一种氨基酸或氨基酸衍生物。

14.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中的连结分子包含至少一种选自笼状化合物、环糊精、冠醚、穴状化合物、卟啉、酞菁、氨基环己烷的化合物。

15.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中的连结分子包含一种金属和/或金属阳离子。

16.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中的纳米颗粒是金属纳米颗粒。

17.根据权利要求16的化学传感器，其中的金属纳米颗粒包含一种选自金、银、铂、钯、铜、镍、铬、钼、锆、铌、铁的金属或上述金属的任何组合。

18.根据权利要求1-15中任一项的化学传感器，其中的纳米颗粒是半导体纳米颗粒。

19.根据权利要求18的化学传感器，其中的半导体纳米颗粒包含II/IV半导体或III/V半导体。

20.根据权利要求1-15中任一项的化学传感器，其中的纳米颗粒是绝缘体纳米颗粒。

21.根据上述权利要求之一的化学传感器，其中该传感器包含至少一种纳米颗粒和至少两种连结分子，或至少两种纳米颗粒和至少一种连结分子。

22.根据权利要求1-21任一项所述的化学传感器的制造方法，包括下列步骤：

a)将基片官能化以提供基片表面上的连接基团；

b)将纳米颗粒层沉积到官能化的基片表面上；

c)在纳米颗粒层上沉积双官能或多官能连接分子，使双官能或多官能连接分子连结在纳米颗粒上；

d)再沉积一层纳米颗粒并通过双官能或多官能连结分子将其与第一层的纳米颗粒连结起来；

e)重复步骤c)和d)直至得到均匀的膜。

23.检测分析物的方法，其中将根据权利要求1-21任一项的化学传感器暴露于分析物并通过检测装置测量纳米颗粒膜物理性能的变化。

24.根据权利要求23的方法，其中物理性能的变化是导电率、介电常数、反射率、发光性、吸光性、质量、体积、密度和/或热容的变化。