[发明专利]一种基于摩擦纳米发电机的分子传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用摩擦纳米发电机的原理而制作的分子传感器，可以利用把施加的外力产生的机械能转化为电能的过程来感知在表面吸附的微生物，分子或离子。

背景技术

在微电子和材料技术高速发展的今日，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件不断被开发出来，并在人们日常生活的各个领域展现出前所未有的应用前景。传感网络将是未来驱动经济发展的根本动力。传感包括机械传感，化学传感，生物传感和气体传感。分子传感器是指利用传感器件将环境中值得注意的分子讯息（如重金属含量或人体中特定生物分子的改变量）转换成电讯号以便纪录分析的一种装置。随着科技不断的进步，其应用也越来越广，包括在化学分析、医疗诊断、食品工业或环境监测等领域上，皆可见到各种分子传感器的运用。然而一般分子传感器皆须外接电源来驱动其工作，不仅耗费能源，而且目前常用的电源以可充电或一次性电池为主，这些电源的体积较大，使分子传感器的应用范围受到了严重的制约，同时电池废弃后对环境产生的恶劣影响也促使人们努力的寻找更为环保的动力来源。

自然界和人类生命存续过程中会不断产生各种动能和势能，如何将这些微小的能量转变为我们所需的驱动力来源，是人们在不断探寻的方向。但是，目前在分子传感领域还没有相应的成果被报道。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于摩擦纳米发电机的分子传感器，能够将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能，实现了无需外接电源的分子传感器技术。

为实现上述目的，本发明提供的分子传感器包括：

第一导电元件，

第一导电元件下表面接触放置的第一摩擦层，

第二导电元件，

第二导电元件上表面接触放置的第二摩擦层，

与第二摩擦层上表面结合的修饰层，

以及，弹性连接件；

其中，所述弹性连接件用于使所述第一摩擦层下表面与所述第二摩擦层及修饰层上表面面对面并保持一定间距；

所述第一摩擦层与所述第二摩擦层及所述修饰层能够在外力的作用下至少部分接触并在外力撤销时通过绝缘弹性连接件的作用而恢复原有间距，同时通过所述第一导电元件和所述第二导电元件向外输出电信号；

并且，所述电信号能够在所述修饰层与待探测目标物质结合后发生改变；

优选地，所述修饰层材料和/或第二摩擦层上表面材料与待探测目标物质之间存在摩擦电极序差异；

优选地，在所述待探测目标物质与所述修饰层结合后，所述修饰层和/或第二摩擦层上表面与所述第一摩擦层下表面的接触面积变小，缩小的面积占原接触面积的百分比为0.01%-99.99%；

优选地，所述修饰层能够与待探测目标物质发生高选择性的相互作用；

优选地，所述修饰层为功能化的分子或基团；

优选地，所述功能化的分子或基团选自羧基，氨基，脱氧核糖核酸，核酸适体，蛋白质或高分子聚合物；

优选地，所述修饰层通过化学键连或物理吸附与第二摩擦层上表面结合；

优选地，在与所述第一摩擦层下表面摩擦的过程中，所述修饰层与所述第二摩擦层上表面具有相同的得失电子倾向；

优选地，所述第一摩擦层下表面和第二摩擦层上表面的材料之间存在摩擦电极序差异；

优选地，所述第一摩擦层的下表面材料和/或所述第二摩擦层的上表面材料为绝缘材料或半导体材料；

优选地，所述绝缘材料选自苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚（2,6-二甲基聚亚苯基氧化物）、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林；

优选地，所述半导体材料选自硅、锗、第Ⅲ和第Ⅴ族化合物、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物、由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体和有机半导体；