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电化学检测器的制作专利

来源:未知 编辑:晚一步 时间:2018-06-12

本发明涉及电化学检测器,但不唯一地,涉及用于检测可表示食物质量的生物胺的电化学检测器。

背景

食物中毒是全世界的许多城市中最严重的公众健康问题。食物中的多种毒素可以影响消费者的健康。因此,必须检查食物质量以确保一些有毒的或有害的毒素不会存在于食物中。

毒素的浓度可以通过使用测试剂来确定。传统的化学测试方法是耗时的且可能反应较慢。可选择地,实验室中的材料测试技术可以用于分析目标物质的浓度且甚至是测试样品的组成。虽然材料测试的结果可能是非常准确的且灵敏的,但是实验室中使用的这些技术可能并不适用于需要快速且低成本的测试结果的日常应用中。

发明概述

根据本发明的第一方面,提供了一种电化学检测器,其包括布置在半导体层上的物质选择层,其中物质选择层被设置成与目标物质相互作用以便改变半导体层的电特性。

在第一方面的实施方式中,目标物质包括胺。

在第一方面的实施方式中,目标物质包括生物胺。

在第一方面的实施方式中,物质选择层包括设置成容纳目标物质的至少一个分子的聚合物层。

在第一方面的实施方式中,聚合物层包括多个空位,每一个空位被设置成容纳目标物质的至少一个分子。

在第一方面的实施方式中,多个空位中的每一个包括与至少一个分子的分子结构匹配的结构。

在第一方面的实施方式中,多个空位对目标物质是选择性的。

在第一方面的实施方式中,聚合物层包括分子印迹聚合物。

在第一方面的实施方式中,分子印迹聚合物包括每个具有约50μm尺寸的多个聚合物颗粒。

在第一方面的实施方式中,物质选择层是导电的。

在第一方面的实施方式中,物质选择层是不导电的。

在第一方面的实施方式中,当聚合物层容纳至少一个分子时,物质选择层与半导体层的组合的电特性被改变。

在第一方面的实施方式中,物质选择层与半导体层的组合的电阻抗被改变。

在第一方面的实施方式中,半导体层包括有机半导体、聚合物半导体、小分子、基于氧化物的半导体以及硅基半导体中的至少一个。

在第一方面的实施方式中,电化学检测器还包括在所述半导体层下面的且在布置在半导体层上的物质选择层的相对侧的基材。

在第一方面的实施方式中,基材是柔性的基材。

在第一方面的实施方式中,基材包括绝缘材料和/或半导体,且其中绝缘材料还包括聚合物、玻璃以及陶瓷中的至少一种。

在第一方面的实施方式中,电化学检测器还包括布置在半导体层之上或其上面的至少两个电极。

在第一方面的实施方式中,半导体层、物质选择层以及电极基于有机材料和/或金属氧化物。

在第一方面的实施方式中,半导体层具有10nm-200nm的厚度。

在第一方面的实施方式中,至少两个电极被间隔约50μm到1000μm范围内的距离。

根据本发明的第二方面,提供了一种制造根据第一方面的电化学检测器的方法,包括下述步骤:将半导体层沉积在基材上;以及将物质选择层沉积在半导体层上。

在第二方面的实施方式中,将物质选择层沉积在半导体层上的步骤包括步骤:采用聚合过程制造分子印迹聚合物与目标物质的分子模板的组合;从分子印迹聚合物提取并去除分子模板;以及将分子印迹聚合物沉积到基材上。

在第二方面的实施方式中,将物质选择层沉积在半导体层上步骤还包括步骤:研磨并筛分分子印迹聚合物和分子模板的组合以获得多个聚合物颗粒,每个具有约50μm的尺寸。

在第二方面的实施方式中,该方法还包括步骤:沉积导电材料层,界定至少一个电极在半导体层之上或其上面。

在第二方面的实施方式中,沉积半导体层、物质选择层和/或导电材料层的步骤涉及溶液过程。

在第二方面的实施方式中,溶液过程包括旋涂和/或印刷,其中印刷的溶液过程还包括移动印刷和/或丝网印刷。

根据本发明的第三方面,提供了一种检测目标物质的方法,包括下述步骤:使根据第一方面的电化学检测器暴露于目标物质;在至少两个电极两端施加偏置电压和/或电流;以及基于暴露于目标物质的电化学检测器的电流-电压特性测定所检测的目标物质的量。

在第三方面的实施方式中,其中基于暴露于目标物质的电化学检测器的电流-电压特性测定所检测的目标物质的量的步骤包括测定电化学检测器的至少两个电极两端的电阻的变化。

在第三方面的实施方式中,其中目标物质的检测量还与食物质量相关。

附图简述

现在将通过举例参考附图来描述本发明的实施方式,在附图中:

图1是根据本发明一个实施方式的电化学检测器的侧视图;

图2A到2B和3A到3B是用在分子印迹聚合物的制造过程中的单体的结构式;

图4A和4B是显示了与目标物质相互作用的分子印迹聚合物层的UV响应的图;

图5是显示了分子印迹聚合物层的选择性性能的图;

图6是显示了制造图1的电化学检测器的工艺流程的示意图;

图7A是图1的电化学检测器暴露于目标物质的示意图;

图7B是图7A的电化学检测器与目标物质选择性相互作用的示意图;

图8是通过使用图7A的电化学检测器检测目标物质的示意图;以及

图9A和9B是图1化学检测器暴露于目标物质的响应的图。

具体实施方式

发明人已经通过他们自己的研究、试验和实验发现了生物胺为可以因细菌在具有游离氨基酸的环境中作用而形成的有机化合物(例如因前体氨基酸的脱羧作用而形成)。食物中天然地存在许多因污染而无意加入的或引入的具有氨基酸脱羧酶能力的氨基酸菌属。所形成的生物胺的量可以取决于食物组成和基质中存在的菌属的类型。

食物中存在一定浓度的生物胺会因其生理和毒性效应而引发健康问题。因此,食物质量可以通过食物中生物胺的量反映。例如,组织胺、腐胺、尸胺、酪胺、精胺以及亚精胺可能存在于发霉的食物中,尤其是鱼肉中。基于这些胺的浓度的化学质量指数(Quality Index-QI)可以用于表达鱼肉的质量。

为了测定这些毒性物质的存在和/或浓度,高性能的液相色谱-质谱(HPLC-MS)可以被用于检测生物胺,然而,检测的仪器巨大且是昂贵的,以及需要经受训练的人员来操作。此外,在将鱼肉中的提取物注入到HPLC-MS中之前,需要许多特殊处理。因此,QI并不能容易地适用于公众。

在日常应用中,便宜且一次性的传感器较具优势。优选地,基于薄膜的传感器具有高的灵敏度和选择性,这仅需要简单的设备制造工艺。此外,薄膜设备可以在制造期间被打印在大的面积上以降低制造成本。

参考图1,显示了电化学检测器100的示例性实施方式,其包括布置在半导体层104上的物质选择层102,其中物质选择层102被设置成与目标物质106相互作用,以便改变半导体层104的电特性。

在此实施方式中,电化学检测器100包括物质选择层102,其可以包括一个或多个被设置成在暴露于测试环境中时与其他化学物质相互作用的化学受体(chemical receptors)。例如,气态目标物质106可以存在于空气中,从而受体102A可以在电化学检测器100被置于空气中时与空气中的气态目标物质106相互作用。可选择地,基于液体的目标物质106可以被应用到电化学检测器100上,使得受体102A可以接触目标物质106且随后与目标物质106相互作用。

优选地,物质选择层102可以包括聚合物层。聚合物层102可以具有特定组成或结构以容纳目标物质的分子或分子的一部分,使得接触聚合物层的半导体层的电特性可以被改变。例如,聚合物层102可以包括多个空位(void)102A,每一个空位被设置成容纳目标物质106的至少一个分子。因而,空位102A可以操作为可以与目标物质106相互作用的“受体”。

此外,多个空位102A对目标物质106可以是选择性的,因而,物质选择层102可以仅与所选择的目标物质106相互作用。优选地,聚合物层可以包括分子印迹聚合物(molecular imprinted polymer-MIP),其中多个空位102A中的每一个可以包括与目标物质106的至少一个分子的分子结构匹配的结构,使得只有匹配的分子才可以填充聚合物层102中的空位102A,且聚合物层102不会与具有不匹配分子印迹结构的分子结构的物质相互作用。

在一个示例性实施方式中,目标物质106包括胺或生物胺,且MIP是选择性的以便仅与这样的胺或生物胺相互作用。

参考图2A到3B,显示了用于产生这样的分子印迹聚合物102的一些示例性单体。基于产生分子印迹聚合物中使用的不同单体,目标物质可以是导电的或不导电的。例如,MIP的前体可以包括如分别在图2A和2B中显示的(4-(二([2,2’-二噻吩]-5-基)甲基)苯基)-5,5-二甲基-1,3,2-二氧硼杂烷和18-(二([2,2’-二噻吩]-5-基)甲基)-2,3,5,6,8,9,11,12,14,15-十氢苯并[b][1,4,7,10,13,16]六氧杂十八熳环的单体混合物、目标物质(如1,4-二氨基丁烷,腐胺)的模板以及在聚合过程中的其他必须物质,且在聚合和提取目标物质的模板之后产生导电的MIP层。

可选择地,MIP的前体可以包括如分别在图3A和3B中显示的5,5-二甲基-2-(4-乙烯基苯基)-1,3,2-二氧硼杂烷和N-(2,3,5,6,8,9,11,12,14,15-十氢苯并[b][1,4,7,10,13,16]六氧杂十八熳环-18-基)甲基丙烯酰胺的单体混合物、目标物质(如1,4-二氨基丁烷,腐胺)的模板以及其他必须的物质诸如交联剂,在聚合和提取目标物质的模板之后产生不导电的MIP层102。本公开内容将讨论制备MIP层102的更详细的示例。

MIP层102包括可以容纳目标物质的分子的多个空位102A。参考图4A和4B,显示了不同浓度的腐胺溶液中的MIP的结合能力。如图3A所示的UV谱图暗示MIP显示了与不同浓度的腐胺溶液相互作用时的不同的UV谱图。参考图3B,显示了从0ppm到40ppm的线性范围。

参考图5,显示了MIP对目标物质是选择性的,即根据上面的示例性实施方式的腐胺。在此实施例中,用所制备的MIP层测试了不同浓度的组织胺、腐胺以及尸胺。参考图,MIP仅响应于腐胺,而并不响应于组织胺或尸胺,这暗示空位102A可以仅由腐胺填充,而不会由具有不相容的分子结构的物质填充。

电化学检测器100还包括半导体层104。半导体层104具有独特的电特性,其允许/阻止电流或电子在不同的条件下流通。例如,半导体可以被设置成在检测到目标物质106时允许电流流通和/或在目标物质106的浓度低于预定值时阻止电流流通。

半导体层104包括不同的半导体材料,诸如有机半导体、聚合物半导体、小分子、基于氧化物的半导体和/或硅基半导体。不同的半导体材料可以选择用于不同的制造过程,与基材层和/或MIP层匹配或其他因素诸如要求的性能诸如灵敏度、响应时间、检测范围等。

为了有利于测量流通半导体层104的电流,电化学检测器100可以包括在半导体层104之上或其上面的两个电极108。电极108可以被直接布置在半导体层104上且接触半导体层104,这可以增强电极-对-半导体界面处的导电率。可选择地,电极108可以在一些设备结构中被布置在MIP层102上。

优选地,两个或更多个电极108可以被布置在半导体层104之上或其上面以有利于测量。电极108可以包括界定在半导体层104之上或其上面的一个或多个金属垫。可选择地,电极108可以包括任何导电的材料诸如但不限于金属、掺杂半导体或导电氧化物。

电化学检测器100可以被制造在基材110上,如图1所示,基材110基本上在半导体层104之下且在MIP层的相对侧。基材110可以由为电化学检测器100的整个结构提供额外的机械强度的材料组成。例如,这可以包括诸如聚合物、玻璃或陶瓷的材料。基材110可以是柔性的基材110诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材,或可选择地,在一些其他结构中的非柔性的基材。在一些示例性的实施方式中,基材110是半导体层104(诸如硅基材),其包括用于支撑电化学检测器100的整个结构的必要的硬度以及具有期望的电性能的所要求的半导体材料。

任选地,电化学检测器100层的材料的所有沉积层,包括物质选择层的层、半导体层104和电极108基于有机材料。这可以对仅要求低温过程和/或溶液过程的一些优选的制备过程是有利的,使得制备复杂性和成本可以保持低的。

参考图2,制造电化学检测器100可以包括四个主要步骤或过程。首先,在步骤202,根据标准清洁过程清洁诸如柔性的PET基材或玻璃基材的基材110。第二,在步骤204,通过旋涂法和溶剂退火将半导体薄膜层沉积在基材的表面上。第三,在步骤206,可以是导电的或不导电的生物胺选择性材料与乙腈(1mg/mL)混合并旋涂到半导体层的顶部。

在步骤206中,可以采用其他溶剂诸如但不限于水、丙酮、甲醇、乙醇、丁醇、乙酸乙酯、乙二醇、苯、氯仿、四氢呋喃、叔丁醇、环己烷、氯乙烷、二乙醚、二乙基乙二醇、二甲基亚砜或适于溶解MIP聚合物颗粒的其他任何溶剂。溶剂可以随后在下面的干燥过程中被驱赶出来以便形成MIP层。

优选地,该过程包括使用聚合过程制造分子印迹聚合物和目标物质的分子模板的组合。如前面讨论的,此MIP中的空位102A或识别位点可以通过使可以是基于二氧硼杂烷的和基于18-冠-6的两种不同单体的相互配合来产生。这些单体的主链可以是导电的(如基于双(二噻吩)的)或不导电的(如基于CC双键的)。

在一个示例性实施方式中,导电的生物胺选择性材料可以通过在10mL乙腈(ACN)中混合1mmol的如分别在图2A和2B中显示的(4-(二([2,2’-二噻吩]-5-基)甲基)苯基)-5,5-二甲基-1,3,2-二氧硼杂烷和18-(二([2,2’-二噻吩]-5-基)甲基)-2,3,5,6,8,9,11,12,14,15-十氢苯并[b][1,4,7,10,13,16]六氧杂十八熳环的单体、0.5mmol的MIP模板(1,4-二氨基丁烷,腐胺)、1mmol的四丁基高氯酸铵以及1mmol的三氟乙酸来首先被制备。在充分混合溶液后,通过氮气使溶液脱气,且工作电极(ITO玻璃)可以被置于溶液中以便经由电聚合来制备MIP膜。MIP膜可以在0.5-1.5V的电势范围内以50mV/s的电势循环持续300个循环来制备。MIP膜可以随后用ACN冲洗以去除支撑电解质,且MIP模板接着被用0.01M的NaOH洗涤而被提取并去除,直至在提取物中检测不到模板。接着,膜可以在氮气气氛中被干燥。干燥膜可以通过在ACN中超声处理2小时被搅动,且随后滤出悬浮物。真空去除残余溶液,并对残余物称重。可以添加合适的ACN以制备储备溶液(如1mg MIP/1mL ACN)。

可选择地,不导电的生物胺选择性材料可以通过在5mL乙腈(ACN)中混合1mmol的如分别在图3A和3B中显示的5,5-二甲基-2-(4-乙烯基苯基)-1,3,2-二氧硼杂烷和N-(2,3,5,6,8,9,11,12,14,15-十氢苯并[b][1,4,7,10,13,16]六氧杂十八熳环-18-基)甲基丙烯酰胺的单体、5mmol的交联剂(如三羟甲基丙烷丙烯酸三甲酯)、0.1mmol的2-羟基-4’-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮以及0.1mmol的模板(1,4-二氨基丁烷,腐胺)。充分混合溶液后,通过氮气对溶液脱气,溶液可以暴露在UV灯(365nm的波长)下持续1小时以引发MIP聚合。聚合过程可以保持24小时。之后,可以过滤、洗涤并在氮气气氛中干燥MIP。接着,研磨MIP并筛分至使得MIP包括每个具有约50μm尺寸的聚合物颗粒。通过用氢氧化铵和甲醇(1:9)的混合物Soxhelt提取24小时,然后再用甲醇Soxhelt提取24小时来从MIP提取出模板。最后,MIP粉末可以在氮气气氛中干燥。

可选择地,MIP颗粒的尺寸可以具有不同的值,这可以有效改变电化学检测器的响应时间。

如稍早前讨论的,根据不同的应用和/或测量要求,上述导电的或不导电的MIP可以在步骤206中被布置在半导体层的表面上。

半导体层104和MIP层102的厚度可以分别是约50nm(或10nm-200nm中的任意厚度)和50-100μm。这些厚度可以在不同的设计中是变化的,以便优化许多参数,诸如任何工艺变量、半导体层104和/或MIP层的电阻值、电极108与半导体之间的接触电阻、物质选择层102和/或半导体层在相互作用期间的电效应等。

最后,在步骤208,诸如铜金属膜或其他导电材料的两个电极108被沉积在MIP层的表面上。在可选择的实施方式中,MIP层102可以被图案化,使得电极108可以直接接触半导体层104。电极108可以通过使用旋涂和/或印刷而保形沉积导电材料层,随后图案化导电材料层而被沉积。可选择地,电极108可以在其被沉积在半导体层104之上或上面时,被使用任何印刷技术图案化,例如,两个叉指型金属电极可以通过阴影掩膜的热蒸发被沉积并图案化在MIP层102的表面上。

优选地,至少两个电极108被间隔约50μm到100μm范围内的距离。这有效地影响了MIP层102的暴露于目标物质106且与目标物质106相互作用的面积,以及半导体和/或MIP层102在两个电极108之间的电阻。这些参数又影响电化学检测器100的选择性和性能。

优选地,整个制造过程是基于溶液过程(诸如旋涂和/或印刷),且每一个沉积的层是基于有机材料的。这允许电化学检测器100的制造规模容易缩放,诸如使用采用不同印刷技术的辊对辊制造过程。这些溶液过程可以仅要求低温设备且并不涉及任何真空过程,这进一步最小化制造电化学检测器100的成本。

参考图7A、7B和8,显示了使用电化学检测器100检测目标物质106的示例。在此实施例中,电化学检测器100被暴露于目标物质106。通过在两个电极108两端施加偏置电压或电流,可以获得受目标物质106影响的电化学检测器100的电流-电压特性。接着,可以基于所获得的不同电流-电压特性来确定目标物质106的浓度。在一些实施例中,电流-电压特性可以表征为两个电极108两端的电阻/阻抗值,这意味着所检测的目标物质106的量由电化学检测器100的电阻/阻抗的变化来表示。

由于物质选择层102可以是导电的或不导电的,因此电化学检测器100的电阻/阻抗的变化可以基于沉积在半导体层上的物质选择层102的电导率而增加或减小。例如,容纳导电的MIP层102中的目标物质分子可以导致物质选择层102和半导体层的组合的电阻/阻抗的减小。

可选择地,容纳导电的MIP层102中的目标物质分子可以因容纳有物质分子的MIP层102所赋予给半导体层的电场效应而导致半导体层的电阻/阻抗增大或减小。

参考图7B,物质选择结构可以仅与目标物质106而不与其他任何物质112相互作用。因此MIP与目标物质106相互作用时,MIP层102中的空位102A暂时地或永久性地容纳目标物质106的分子,这可以有效地改变MIP层的电阻和/或带电状态。因此,MIP层102和下面的半导体层104的组合的电流-电压特性可以被改变,这可以包括由邻近的MIP层102的改变的电场和/或MIP层的电导率引起的半导体层104的电导率的改变,因此半导体层104和/或MIP层102两端的电阻被改变。通过使用合适的测量装置诸如万用表114或半导体参数分析仪,可以测定电化学检测器100的电特性。

这些实施方式是有优势的,因为电化学检测器的活性层仅包括两个材料层,使得检测器的结构且因此检测器的制造保持简化,这增强了所制造的检测器的产率和性能稳定性。薄膜结构还使制造电化学检测器的所需量最小化。此外,制造仅需要低成本材料和工艺技术,使得大规模的制造过程是有利的。

有利地,电化学检测器基于选择性的结合来检测气相生物胺。因此,这样的传感器可以用于检测具有合适检测层的极低水平(ppb)的生物胺,电化学检测器可以被用作用于空气中的生物胺的有成本效益的、准确的且可靠的手段以评估食物质量。

此外,多种合适的物质选择结构或MIP层102可以被包括在电化学检测器中,这使得电化学检测器可以被用于检测多种目标物质。由于该检测是基于MIP层102与目标物质之间的选择性相互作用,因而检测器可以被用于检测极低水平或浓度(降至ppb水平)的目标化学品。这也能够使电化学检测器可以用于气体渗漏检测器。

参考图9A和9B,显示了根据本发明的实施方式的电化学检测器的响应的两副图。实验装置类似于图8中所示的示例。对于每一个实验,电化学检测器首先被稳定在大气条件中,且在读数(电阻)稳定后,含有胺目标物质(ppb水平的浓度)的分析物被放置靠近检测器。当分析物被放置靠近检测器时,电阻值增大。

可选择地,电化学检测器可以用于检测液相目标中的目标物质。

本领域技术人员将理解可以对如显示在具体实施方式中的本发明做出许多变化和/或改变而并不偏离宽泛描述的本发明的精神或范围。因此,本实施方式在所有方面均被认为是示例性的而不是限制性的。

本文包含的现有技术的任何参考文献都不应看做承认这些信息是公知常识,除非另外表示。

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