基于石墨烯的化学传感器的非共价修饰制造技术

本文的实施例涉及化学传感器、包括该传感器的设备和系统以及相关的方法。在一个实施例中，包括一种医疗设备，其具有石墨烯变容器，该石墨烯变容器包括石墨烯层和通过自组装单层和石墨烯的π电子系统之间的非共价相互作用配置在石墨烯层的外表面的自组装单层膜。自组装单分子层包括柱芳烃、取代的柱芳烃、杯芳烃、取代的杯芳烃、全烷基化环糊精、取代的全烷基化环糊精、芘或取代芘或其衍生物中的一种或多种。其他实施例也包括在本文中。其他实施例也包括在本文中。其他实施例也包括在本文中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于石墨烯的化学传感器的非共价修饰
[0001]本申请作为PCT国际专利申请于2020年8月18日在所有指定国以美国公司波士顿科学国际有限公司(Boston Scientific Scimed,Inc.)作为申请人的名义、并且在所有指定国以中国公民甄学(Xue Zhen)作为专利技术人的名义进行提交。本申请还作为PCT国际专利申请，在所有指定国以明尼苏达大学董事会的名义、并且在所有指定国以美国公民菲利普
·
皮埃尔
·
约瑟夫
·
布尔曼(Philippe Pierre Joseph Buhlmann)和美国公民史蒂芬
·
J
·
科斯特(Steven J.Koester)作为专利技术人的名义进行提交。本申请要求于2019年8月20日提交的美国临时申请第62/889,387号的优先权，其全部内容通过援引并入本文。


[0002]本文的实施例涉及化学传感器、包括该化学传感器的设备和系统以及相关方法。更具体地说，本文的实施例涉及基于石墨烯的非共价表面修饰的化学传感器。

技术介绍

[0003]对疾病的准确检测可以使临床医生提供适当的治疗干预措施。疾病的早期检测可以带来更好的治疗效果。可以使用许多不同的技术，包括分析组织样品、分析各种体液、诊断性扫描、基因测序等来检测疾病。
[0004]一些疾病状态会导致特定化学物质的产生。在某些情况下，释放到患者气体样品中的挥发性有机化合物(VOC)可能是某些疾病的标志。对这些化合物的检测或对这些化合物的差异化感测可以实现对特定疾病状态的早期检测。

技术实现思路

[0005]在第一方面，包括一种医疗设备，其具有石墨烯变容器，该石墨烯变容器包括石墨烯层和通过自组装单层膜和石墨烯的π电子系统之间的非共价相互作用布置在石墨烯层的外表面上的自组装单层膜。自组装单层膜可以包括柱芳烃、取代的柱芳烃、杯芳烃、取代的杯芳烃、全烷基化环糊精、取代的全烷基化环糊精、芘或取代的芘，或其衍生物中的一种或多种。
[0006]在第二方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个方面之外，或在一些方面的替代方案中，自组装单层膜提供至少0.9的朗缪尔θ值。
[0007]在第三方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个方面之外，或在一些方面的替代方案中，自组装单层膜提供至少0.98的朗缪尔θ值。
[0008]在第四方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个方面之外，或在一些方面的替代方案中，自组装单层膜在石墨烯上提供50％至150％的表面积覆盖率。
[0009]在第五个方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个方面之外，或在一些方面的替代方案中，可以包括多个石墨烯变容器，该多个石墨烯变容器以阵列形式配置在医疗设备上。
[0010]在第六方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个方面之外，或在一些方面
的替代方案中，自组装单层膜可以包括下式的取代的柱芳烃：其中每个R0可以各自包括：
–
R1、
–
OR1或
–
SR1；并且其中每个R1可以各自包括：
–
H；
–
OH；＝O；任何直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
卤代杂烷基、C1–
C
20
卤代杂烯基、C1–
C
20
卤代杂炔基或它们的任何组合；芳基、杂芳基、取代的芳基、取代的杂芳基芳基、卤代芳基、取代的卤代芳基、苄基或取代的苄基、联苯或取代的联苯、芳氧基、芳硫基、芳基胺或其任何取代基；
–
R2OH、
–
R2C(O)OH、
–
R2C(O)OR2、
–
R2OR2、
–
R2SR2、
–
R2CHO、
–
R2X(其中X是卤素原子)、
–
R2C(O)NH2、
–
R2C(O)NR2、
–
R2NH
3+
、
–
R2NH2、
–
R2NO2、
–
R2NHR2、
–
R2NR2R2、
–
R2N3、
–
R2OPO(OH)2、
–
R2OSO(OH)2或它们的任何衍生物或组合；其中每个R2可以各自包括任何相同或不同的直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
卤代杂烷基、C1–
C
20
卤代杂烯基、C1–
C
20
卤代杂炔基或它们的任何取代基或组合；并且其中n是至少从5到15的整数。
[0011]在第七方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个方面之外，或在一些方面的替代方案中，其中至少一些R0取代基不同于其他R0取代基。
[0012]在第八方面，除了前述方面或以下方面中的一个或多个方面之外，或在一些方面的替代方案中，自组装单层膜可以包括下式的取代的柱芳烃：其中每个R0可以各自包括：
–
R1、
–
OR1或
–
SR1；并且其中每个R1可以各自包括：
–
H；
–
OH；＝O；任何直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.医疗设备，其包括：石墨烯变容器，所述石墨烯变容器包括：石墨烯层；自组装单层膜，所述自组装单层膜通过所述自组装单层膜和石墨烯的π电子系统之间的非共价相互作用布置在所述石墨烯层的外表面上；其中所述自组装单层膜包括柱芳烃、取代的柱芳烃、杯芳烃、取代的杯芳烃、全烷基化环糊精、取代的全烷基化环糊精、芘或取代的芘，或其衍生物中的一种或多种。2.如权利要求1和3
‑
7的任一项所述的医疗设备，其中所述自组装单层膜提供至少0.9的朗缪尔θ值。3.如权利要求1
‑
2和4
‑
7任一项所述的医疗设备，其中所述自组装单层膜在所述石墨烯上提供50％至150％的表面积覆盖率。4.如权利要求1
‑
3和5
‑
7任一项所述的医疗设备，所述自组装单层膜包括取代的柱芳烃，其包括：其中每个R0各自包含：
–
R1、
–
OR1或
–
SR1；并且其中每个R1各自包含：
–
H；
–
OH；＝O；任何直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
卤代杂烷基、C1–
C
20
卤代杂烯基、C1–
C
20
卤代杂炔基或它们的任何组合；芳基、杂芳基、取代的芳基、取代的杂芳基芳基、卤代芳基、取代的卤代芳基、苄基或取代的苄基、联苯或取代的联苯、芳氧基、芳硫基、芳基胺或其任何取代基；
–
R2OH、
–
R2C(O)OH、
–
R2C(O)OR2、
–
R2OR2、
–
R2SR2、
–
R2CHO、
–
R2X，其中X是卤素原子、
–
R2C(O)NH2、
–
R2C(O)NR2、
–
R2NH
3+
、
–
R2NH2、
–
R2NO2、
–
R2NHR2、
–
R2NR2R2、
–
R2N3、
–
R2OPO(OH)2、
–
R2OSO(OH)2或它们的任何衍生物或组合；其中每个R2各自包括任何相同或不同的直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
卤代杂烷基、C1–
C
20
卤代杂烯基、C1–
C
20
卤代杂炔基或它们的任何取代或组合；并且其中n是至少从5到15的整数。5.如权利要求1
‑
4和6
‑
7任一项所述的医疗设备，所述自组装单层膜包括取代的柱芳烃，其包括：
其中每个R0各自包括：
–
R1、
–
OR1或
–
SR1；并且其中每个R1各自包括：
–
H；
–
OH；＝O；任何直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
卤代杂烷基、C1–
C
20
卤代杂烯基、C1–
C
20
卤代杂炔基或它们的任何组合；芳基、杂芳基、取代的芳基、取代的杂芳基芳基、卤代芳基、取代的卤代芳基、苄基或取代的苄基、联苯或取代的联苯、芳氧基、芳硫基、芳基胺或其任何取代基；
–
R2OH、
–
R2C(O)OH、
–
R2C(O)OR2、
–
R2OR2、
–
R2SR2、
–
R2CHO、
–
R2X，其中X是卤素原子、
–
R2C(O)NH2、
–
R2C(O)NR2、
–
R2NH
3+
、
–
R2NH2、
–
R2NO2、
–
R2NHR2、
–
R2NR2R2、
–
R2N3、
–
R2OPO(OH)2、
–
R2OSO(OH)2或它们的任何衍生物或组合；其中每个R2各自包括任何相同或不同的直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
卤代杂烷基、C1–
C
20
卤代杂烯基、C1–
C
20
卤代杂炔基或它们的任何取代或组合；并且其中x是至少0到15的整数，y是至少0到15的整数，n是至少5到15的整数。6.如权利要求1
‑
5和7任一项所述的医疗设备，所述自组装单层膜包括取代的杯芳烃，其包括以下任一种：(a.)(b.)
或(c.)其中每个R0各自包括：
–
R1、
–
OR1或
–
SR1；并且其中每个R1各自包括：
–
H；
–
OH；任何直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
卤代杂烷基、C1–
C
20
卤代杂烯基、C1–
C
20
卤代杂炔基或它们的任何组合；芳基、杂芳基、取代的芳基、取代的杂芳基芳基、卤代芳基、取代的卤代芳基、苄基或取代的苄基、联苯或取代的联苯、芳氧基、芳硫基、芳基胺或其任何取代基；
–
R2OH、
–
R2C(O)OH、
–
R2C(O)OR2、
–
R2OR2、
–
R2SR2、
–
R2CHO、
–
R2X，其中X是卤素原子、
–
R2C(O)NH2、
–
R2C(O)NR2、
–
R2NH
3+
、
–
R2NH2、
–
R2NO2、
–
R2NHR2、
–
R2NR2R2、
–
R2N3、
–
R2OPO(OH)2、
–
R2OSO(OH)2或它们的任何衍生物或组合；其中每个R2各自包括任何相同或不同的直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
卤代杂烷基、C1–
C
20
卤代杂烯基、C1–
C
20
卤代杂炔基或它们的任何取代或组合；并且其中n是至少3到15的整数。7.如权利要求1
‑
6任一项所述的医疗设备，所述自组装单层膜包括取代的全烷基化环糊精，其包括：其中每个Z各自包括：
–
S或
–
O；并且其中每个R1各自包括：
–
H；
–
OH；任何直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
卤代杂烷基、C1–
C
20
卤代杂烯基、C1–
C
20
卤代杂炔基或它们的任何组合；芳基、杂芳基、取代的芳基、取代的杂芳基芳基、卤代芳基、取代的卤代芳基、苄基或取代的苄基、联苯或取代的联苯、芳氧基、芳硫基、芳基胺或其任何取代基；
–
R2OH、
–
R2C(O)OH、
–
R2C(O)OR2、
–
R2OR2、
–
R2SR2、
–
R2CHO、
–
R2X，其中X是卤素原子、
–
R2C(O)NH2、
–
R2C(O)NR2、
–
R2NH
3+
、
–
R2NH2、
–
R2NO2、
–
R2NHR2、
–
R2NR2R2、
–
R2N3、
–
R2OPO(OH)2、
–
R2OSO(OH)2或它们的任何衍生物或组合；其中每个R2各自包括任何相同或不同的直链、支链或环状C1–
C
20
烷基、C1–
C
20
烯基、C1–
C
20
炔基、C1–
C
20
杂烷基、C1–
C
20
杂烯基、C1–
C
20
杂炔基、C1–
C
20
卤代烷基、C1–
C
20
卤代烯基、C1–
C
20
卤代炔基、C1–
C
20
卤代杂烷基、C1–
C
20
卤代杂烯基、C1–
C
20
卤代杂炔基或它们的任何取代基或组合；并且其中n是至少从5到10的整数。8.修饰石墨烯表面的方法，所述方法包括：通过自组装单层膜和石墨烯的π电子系统之间的非共价相互作用形成布置在石墨烯层外表面上的自组装单层膜；所述自组装单层膜包括柱芳烃、取代的柱芳烃、杯芳烃、取代的杯芳烃、全烷基化环糊精、取代的全烷基化环糊精、芘或取代的芘...

【专利技术属性】
技术研发人员：甄学，菲利普，
申请(专利权)人：明尼苏达大学董事会，
类型：发明
国别省市：