用于气体样品中的氧化氮的集成光电化学传感器制造技术

一个基于检测光化学及光电化学信号的气相检测系统。感应平台尤其对低ppbV浓度的氧化氮的检测作用显著。由于化学反应发生在优化的材料中，光化学分析基于彩色显影。电化学分析可基于电化学传感器的掺杂度或氧化还原电势的变化；而光电化学探测可基于电化学和光电化学方法的联合。每个独立的信号可被同时检测，以提高检测的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请大体涉及化学传感器，且更具体地，涉及用于集成电化学、电学和/或光学检测的系统和方法。
技术介绍
氧化氮(NOX)为重要的环境污染物。它们在人类呼吸中的水平也为诸如哮喘的疾病的关键生物标记。现有的方法和装置可检测未知的分析物，但通常缓慢、昂贵和/或体积庞大。微型化传感器和方法，通常缺少足够的灵敏度、选择度和/或可靠性；且对于检测诸如大气或人类呼吸的复杂基底中的一个或多个分析物尤其不足。
技术实现思路
本公开包括用于检测氧化氮的化学传感器和方法，其基于两个检测原理——光学和电化学的其中一个或两者，光学和电化学检测原理可被联合以便改善选择度和可靠性。根据能够分别达到较低的ppbV和ppmV检测极限的两个不同原理：电化学和光学——的集成，本感应装置可检测氧化氮。本装置允许对于调整系统的不同替换以便改善选择度。本专利技术实施例的传感器和方法的优点可包括：相对于先前的装置——诸如基于单个检测方法的先前装置——的改进的选择度和可靠性；分析物的实时检测；对于(例如，利用高生产率的制造过程)集成到诸如便携装置的其他装置的高耐受性和适配性；通过减少假的正响应和假的负响应而改进的结果可靠性；和/或对于环境或生物医学应用的不同气体的同时检测。本专利技术的传感器可不仅仅在环境监测中应用，也可作为用于哮喘及其他疾病的非侵入医学诊断和管理装置。例如，本专利技术的传感器和/或方法可被构造成和/或用于基于实验室的分析装置、手持式或便携式化学传感器及作业，和/或类似物。本专利技术传感器的实施例包括可执行氮气及其反应产物的单独或联合的电化学和/或光学检测的集成传感器或传感装置。本专利技术的传感器和方法的实施例将电化学和/或光学感应原理集成到单个装置，以便检测氧化氮，并由此可展现出改进的选择度和可靠性。本专利技术传感器可以多种方式被构造，诸如获得联合的光电化学信号，和/或或者独立的光学和电化学信号。氧化物的同时检测可通过实施两个或多个传感元件来实现(例如，在相同的空间，或在由滤波片分隔的不同空间)。传感元件可包括或被嵌入有氧化还原燃料、芳香二胺和/或配合物探针。本专利技术的传感器的这些实施例包括：耦合到基底的芳香胺化合物；与基底流体流通的气体流动系统；以及构造成检测芳香胺化合物的光学变化的光学检测系统。在一些实施例中，基底包括选自由纤维素、纤维素衍生物、玻璃、塑料、金属网、沸石、纳米复合粒子及氧化铝颗粒组成的组中的至少一个材料。在一些实施例中，基底包括多孔膜，其中芳香胺化合物嵌入到多孔膜上。在一些实施例中，多孔膜包括包含氧化铝颗粒的纤维素/聚酯纤维膜。在一些实施例中，多孔膜限定感应区域，其中芳香胺由材料限定到多孔膜上。在一些实施例中，材料包括聚二甲硅氧烷。在一些实施例中，芳香胺化合物包括至少一个选自由芳香单胺、芳香单胺衍生物、芳香二胺、1，2-苯二胺、芳香二胺衍生物、二氨基萘、以及二氨基萘衍生物组成的组中的至少一个化合物。在一些实施例中，气体流动系统包括入口和出口。在一些实施例中，气体流动系统包括过滤器。在一些实施例中，光学检测系统包括光源和光学探测器。在一些实施例中，光源和光学探测器定位在基底的同一侧。在一些实施例中，基底包括多孔膜。在一些实施例中，光源定位在多孔膜的一个侧面上而光探测器定位在与光源相对的多孔膜侧面上。在一些实施例中，光学监测系统包括光波导。在一些实施例中，光源包括发光二极管(LED)。在一些实施例中，光学探测器包括电荷耦合器(CCD)相机。在一些实施例中，光学探测器为互补金属氧化物半导体(CMOS)相机。本专利技术的传感器的一些实施例包括：耦合到基底上并与第一电极间隔开的第二电极；将第一电极耦合到第二电极的耦合器；耦合到基底上的电解质；耦合到基底上的探测器物质，该探测器物质被构造成对氧化氮敏感；耦合到基底上的反电极；耦合到基底上的参考电极；与基底流体流通的气体流动系统；耦合到第一电极、第二电极、反电极以及参考电极中至少其中两个的电探测器，电探测器被构造成检测耦合器中的电变化。在一些实施例中，耦合器包括导体或半导体材料。在一些实施例中，导体或半导体材料包括选自由：金属氧化物、金属氧化物衍生物、聚吡咯、聚吡咯衍生物、聚苯胺、聚苯胺衍生物、聚噻吩、聚噻吩衍生物以及聚(3，4-亚甲基二氧乙烯噻吩)组成的组中的一个或多个材料。在一些实施例中，电解质包括离子化液体或具有电解质的低蒸汽压溶剂。在一些实施例中，探测器物质被设置在参考电极上。在一些实施例中，探测器物质设置在电解质中。在一些实施例中，探测器物质包括选自于：芳香单胺、芳香单胺衍生物、芳香二胺、1，2-苯二胺、芳香二胺衍生物、二氨基萘、二氨基萘衍生物、血蛋白、血缩氨酸多肽、金属肽菁、金属肽菁衍生物、金属卟啉类化合物、金属卟啉类化合物衍生物、铁(II)氨基甲酸盐，以及铁(II)氨基甲酸盐衍生物组成的组中的一个或多个材料。在一些实施例中，探测器物质设置在参考电极上，其中探测器物质包括选自由：银、芳香单胺、芳香单胺衍生物，芳香二胺、1，2-苯二胺、芳香二胺衍生物、二氨基萘、二氨基萘衍生物、血蛋白、血缩氨酸多肽、金属肽菁、金属肽菁衍生物、金属卟啉类化合物、金属卟啉类化合物衍生物、铁(II)氨基甲酸盐，以及铁(II)氨基甲酸盐衍生物成的组中的一个或多个材料。在一些实施例中，气体流动系统包括入口和出口。在一些实施例中，气体流动系统包括过滤器。在一些实施例中，电探测器被构造成控制和测量一个或多个耦合电极的一个或多个电变化。在一些实施例中，电探测器被耦合到第一电极，且被构造成提供电位扰动。在一些实施例中，电探测器包括双恒电位仪。在一些实施例中，电探测器耦合到第一电极、第二电极以及参考电极，且电探测器被构造成测量选自由电位改变、电容以及电流组成的组中的电变化和/或特性。在一些实施例中，探测器物质被混合到电解质，且其中传感器被构造成使得，如果一个或多个氧化氮被引入到电解质中，探测器物质与一个或多个氧化氮中的至少一个发生化学反应，且一个或多个电变化可与化学反应同时测量。在一些实施例中，探测器物质被设置在参考电极上，其中传感器被构造成使得，如果一个或多个氧化氮被引入到参考电极上，探测器物质将与一个或多个氧化氮中的至少一个发生化学反应，且一个或多个电变化可与化学反应同时测量。本专利技术的传感器的一些实施例包括：基底；耦合到基底的芳香胺化合物；耦合到基底的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.06.05 US 61/184,5961.一种传感器，其包括：
基底(14)；
耦合到基底(14)的芳香胺化合物；
与基底流体流通的气体流动系统(42)；以及
构造成检测芳香胺化合物的光学变化的光学检测系统(46)。
2.根据权利要求1的传感器，其中基底(14)包括选自由纤维素、纤
维素衍生物、玻璃、塑料、金属网、沸石、纳米复合粒子、凝胶及氧化铝
颗粒组成的组中的至少一个材料。
3.根据权利要求1的传感器，其中基底(14)包括多孔膜(78)，其
中芳香胺化合物嵌入到多孔膜(78)上。
4.根据权利要求3的传感器，其中多孔膜(78)包括包含氧化铝颗粒
的纤维素/聚酯纤维膜。
5.根据权利要求3的传感器，其中多孔膜(78)限定感应区域，且其
中芳香胺由材料限定在多孔膜上。
6.根据权利要求5的传感器，其中材料包括聚二甲硅氧烷。
7.根据权利要求1的传感器，其中芳香胺化合物包括至少一个选自于
芳香单胺、芳香单胺衍生物，芳香二胺、1，2-苯二胺，芳香二胺衍生物、二
氨基萘、以及二氨基萘衍生物组成的组中的至少一个化合物。
8.根据权利要求1的传感器，其中气体流动系统(42)包括入口和出
口。
9.根据权利要求8的传感器，其中气体流动系统(42)包括过滤器。
10.根据权利要求1的传感器，其中光学检测系统(46)包括光源和
光学探测器(74)。
11.根据权利要求10的传感器，其中光源和光学探测器(74)定位在
基底(14)的同一侧。
12.根据权利要求10的传感器，其中基底包括多孔膜(78)，且光源
定位在多孔膜(78)的一个侧面上而光学探测器(74)定位在与光源相对
的多孔膜(78)的侧面上。
13.根据权利要求10的传感器，其中光学检测系统(46)包括光波导。
14.根据权利要求10的传感器，其中光源包括发光二极管(LED)。
15.根据权利要求10的传感器，其中光学探测器(74)包括电荷耦合
器(CCD)相机。
16.根据权利要求10的传感器，其中光学探测器为互补金属氧化物半
导体(CMOS)相机。
17.一种传感器，其包括：
耦合到基底(14)上的第一电极(22)；
耦合到基底(14)上并与第一电极(22)间隔开的第二电极(26)；
将第一电极(22)耦合到第二电极(26)的耦合器(30)；
耦合到基底(14)上的电解质；
耦合到基底(14)上的探测器物质，该探测器物质被构造成对氧化氮
敏感；
耦合到基底(14)上的反电极；
耦合到基底(14)上的参考电极(38)；
与基底(14)流体流通的气体流动系统(42)；以及
耦合到第一电极(22)、第二电极(26)、反电极以及参考电极(38)
中至少其中两个的电探测器(50)，电探测器(50)被构造成检测耦合器
(30)中的电变化。
18.根据权利要求17的传感器，其中耦合器(30)包括导体或半导体
材料。
19.根据权利要求18的传感器，其中导体或半导体材料包括选自于：
金属氧化物、金属氧化物衍生物、聚吡咯、聚吡咯衍生物、聚苯胺、聚苯
胺衍生物、聚噻吩、聚噻吩衍生物以及聚(3，4-亚甲基二氧乙烯噻吩)组
成的组中的一个或多个材料。
20.根据权利要求17的传感器，其中电解质包括离子化液体或具有电
解质的低蒸汽压溶剂。
21.根据权利要求17的传感器，其中探测器物质被设置在参考电极
(38)上。
22.根据权利要求17的传感器，其中探测器物质设置在电解质中。
23.根据权利要求17的传感器，其中探测器物质包括选自于：芳香单
胺、芳香单胺衍生物、芳香二胺、1，2-苯二胺、芳香二胺衍生物、二氨基
萘、二氨基萘衍生物、血蛋白、血缩氨酸多肽、金属肽菁、金属肽菁衍生
物、金属卟啉类化合物、金属卟啉类化合物衍生物、铁(11)氨基甲酸盐，
以及铁(11)氨基甲酸盐衍生物组成的组中的一个或多个材料。
24.根据权利要求17的传感器，探测器物质设置在参考电极(38)上，
且其中探测器物质包括选自于：银、芳香单胺、芳香单胺衍生物，芳香二
胺、1，2-苯二胺、芳香二胺衍生物、二氨基萘、二氨基萘衍生物、血蛋
白、血缩氨酸多肽、金属肽菁、金属肽菁衍生物、金属卟啉类化合物、金
属卟啉类化合物衍生物、铁(11)氨基甲酸盐，以及铁(11)氨基甲酸盐
衍生物成的组中的一个或多个材料。
25.根据权利要求17的传感器，其中气体流动系统(42)包括入口和
出口。
26.根据权利要求17的传感器，其中气体流动系统(42)包括过滤器。
27.根据权利要求17的传感器，其中电探测器(50)被构造成控制和
测量一个或多个耦合电极的一个或多个电变化。
28.根据权利要求27的传感器，其中电探测器(50)被耦合到第一电
极(22)，且其中电探测器(50)被构造成提供电位扰动。
29.根据权利要求27的传感器，其中电探测器(50)包括双恒电位仪。
30.根据权利要求17的传感器，其中电探测器(50)耦合到第一电极
(22)、第二电极(26)以及参考电极(38)，且其中电探测器(50)被构
造成测量选自由电位改变、电容以及电流组成的组中的电变化。
31.根据权利要求30的传感器，其中，探测器物质被混合到电解质，
且其中传感器被构造成使得，如果一个或多个氧化氮被引入到电解质中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶农健，埃里卡·佛纳兹，罗德里戈·伊格莱西亚斯，
申请(专利权)人：亚利桑那州大学董事会，
类型：发明
国别省市：