[发明专利]包含微孔聚合物的有机化学传感器及使用方法

说明书

背景技术

检测化学被分析物(尤其是有机化学被分析物)的能力在许多应用(包括环境监测等等)中是重要的。这种对有机分子的检测和/或监测尤其可用于(例如)所谓的使用寿命结束指示器中，该指示器是个人防护设备(例如呼吸器)所需的。

已经开发出许多用于检测化学被分析物的方法，例如光学、重量分析、微电子机械等的方法。具体而言，已经开发出用于监测电气性质(例如电容、阻抗、电阻等)的传感器。这类传感器常常依赖于被分析物被吸附到材料上或吸收到其中时材料电气性质发生的变化。

例如，授予Snow等人的美国专利申请公开2006/0249402公开了一种感测装置，该传感装置具有底部电极、底部电极上的电介质、电介质上的纳米电极网格和与该网格电接触的顶部电极。纳米电极可以是碳纳米管网。Snow等人将这种装置描述为在存在化学被分析物的情况下能够表现出电容变化。

授予Patel等人的美国专利申请公开2006/0237310公开了一种装置，该装置被描述为能够通过被分析物在化学感测材料中的吸附或吸收，使得电气性质(如电容、电阻等)以可被与涂有该化学感测材料的感测电极对相关的电路所检测的方式发生变化，从而检测到多种目标被分析物。

授予Stetter和Maclay的美国专利5,512,882公开了一种传感器，其阻抗在暴露于所选化学物质的蒸气时改变。该传感器包含某种聚合物，该聚合物的物理结构被蒸气改变(如通过膨胀或衰变)。该传感器还具有散布有聚合物的导电元件。可通过阻抗测量电路来测量变化。

授予Sittler的美国专利5,482,678公开了一种传感器，其包含在存在有机液体、气体或蒸气的情况下膨胀的材料。该材料被涂敷到载体表面，使得该材料膨胀后载体挠曲并改变两块电容器极板之间的距离，从而改变极板之间的电容。

授予Plog和Maunz的美国专利5,965,451公开了一种用于选择性地检测烃的气体传感器，其具有电容元件和作为电介质的气体可渗透的敏感层。该敏感层为掺杂贵金属的沸石，该沸石具有由原生孔隙构成的规则晶体结构，原生孔隙的直径接近有待检测的气体分子的气体动力学直径。

发明内容

申请人公开了一种适用于检测或监测环境中(例如大气环境中)的有机化学被分析物的感测元件。这种感测元件包含靠近第一电极和第二电极的对被分析物相应的电介质材料。在上下文中，对被分析物相应的电介质材料意指这样一种材料：能够吸收有机化学被分析物，并且在将有机被分析物吸收到该材料中时电气性质可表现出可测量的变化。在一个实施例中，对被分析物相应的电介质材料在吸收被分析物时表现出介电常数的变化，使得感测元件的电容变化可被观测。

在一个实施例中，对被分析物相应的电介质材料是固有微孔性的聚合物。这种材料可以提供下列优点：对于低含量的有机被分析物有高灵敏度；对有机被分析物响应迅速；并且对水的灵敏度低。在不受理论或机理限制的情况下，申请人假定其在使用固有微孔性的聚合物作为对被分析物相应的电介质材料中已经发现的性质可能由于下列若干性质中的任何或全部性质：疏水性、最佳量的孔隙度、涵盖最佳孔尺寸范围的微孔的孔体积、以及固有微孔性的聚合物从溶液中分离以形成对被分析物相应的电介质层的能力。

在多个实施例中，固有微孔性的聚合物可通过使用如下所述的任何单体组合来配制，该单体组合导致刚性很强的聚合物并且给出内有足够结构特征的聚合物，以引起扭曲的结构。在多个实施例中，这种材料可含有由刚性连接基连接的大致平面的第一物种构成的有机高分子，所述刚性连接基具有扭曲点，使得由该连接基连接的两个相邻的第一平面的物种保持在非共面取向中。在多个实施例中，这种材料可含有由刚性连接基主要连接至最多两个其他所述第一物种的大致平面的第一物种构成的有机高分子，所述刚性连接基具有扭曲点，使得由所述连接基连接的两个相邻的第一平面的物种保持在非共面取向中。在多个实施例中，这种扭曲点可以具有螺基、桥环部分或空间位阻的单个共价键，在该单个共价键周围存在受限的旋转。

在一个方面，本文公开了用于感测有机化学被分析物的感测元件，其包括：第一电极和第二电极；以及设置为至少靠近第一电极和第二电极的对被分析物相应的微孔疏水性电介质材料，其中对被分析物相应的微孔疏水性电介质材料是固有微孔性的聚合物。在一个实施例中，电极中的至少一个可被有机化学被分析物渗透。在另一个实施例中，可渗透的电极是不连续的。在又一个实施例中，可渗透的电极是图案化的。在多个实施例中，感测元件可具有靠近电极中的至少一个的背衬层和/或覆盖层。在多个实施例中，感测元件可具有平行极板电容器构型或叉指状电容器构型。