[发明专利]用于电化学感测、电容感测和场发射感测的基于纳米结构阵列的传感器

说明书

本发明涉及通过利用各种电化学光谱法、电容和场发射技术利用单独可寻址的纳米结构阵列作为纳米电极进行多分析物电化学感测。在某些方面，本发明提供了包括在基片上呈阵列的至少两个单独可寻址的纳米结构的器件和布置及其用途。在其他某些方面，本发明的特征在于包括该器件和芯片座并且还包括硬件和软件的系统。

相关申请

本发明要求2016年3月30日提交的美国临时申请号62/315,609的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

发明领域

本发明涉及一种电气器件，其包括呈阵列的单独可寻址的纳米结构，用于使用电化学光谱、电容和场发射技术来感测分析物。所述器件可用来操纵、监测和检测细胞。所述器件还可用作高分辨率电化学相机。

发明背景

电化学光谱法是监测液体、尤其是溶液中的化学物质的强大技术。它经常用于生物感测。多种技术归于电化学光谱法，包括伏安法、安培法、循环伏安法、快速扫描循环伏安法、电化学阻抗光谱法、溶出伏安法等。在电化学测量中采用各种尺寸、形状和材料的电极来改善信噪比。具有较高表面积的较小电极尺寸是优选的，原因是它们具有较高的灵敏度。单独可寻址的纳米结构阵列是电极执行灵敏、快速和多分析物电化学光谱法的完美解决方案。WO2013001076中报道了这种阵列，其全部内容通过引用并入本文。这样的纳米结构可被封装在微小空间中并因此为各种感测应用提供更高的空间和感测分辨率。纳米结构也可用不同的化学物质官能化，例如如WO2013132352中所述，其全部内容通过引用并入本文。这些器件也可用于独特的感测方案，允许实现用于基于成像材料的化学组成使该成像材料成像的电化学相机。

研究人员还采用电容感测来检测气体及固体、液体和气体中的分析物。电容器电极的尺寸和官能化分别决定分析物检测方法的灵敏度和选择性。当分析物来到电容器或超级电容器的电极之间时，系统的电容发生改变，然后可测量此改变。这也是一种检测分析物大小的强大技术。因此，我们可使用这种器件采用电容层析X射线成像。

此外，还可使用这种纳米结构阵列来进行气体和气体中杂质的基于场发射的感测。当在由纳米结构组成的两个电极之间施加电压时，将发生场发射(电子经由空气或真空从一个电极向另一个电极移动)。当气体分子或杂质或分析物来到电极之间时，将发生气体和其他物质的电离，引起场发射电流的变化。可使用适当的电子器件和软件检测这种变化。电极的材料、电极之间的距离和施加的电压都是影响该方法灵敏度的因素。

目前，电极要么大，要么复合纳米材料电极以不粘合在表面上的方式形成。因此，它们会在电化学测量期间剥离。此外，形成用于电容感测的密堆积电极是一个挑战，并且制造可能很麻烦。在形成场发射器件时会发生类似的问题。如果它们相距太远，则由于空气中的电弧放电，在空气中进行场发射将具有挑战性。然而，如果电极足够接近使得空气分子的平均自由程与电极之间的距离相当，则可实现这样的场发射器件。因此，本领域仍需要改进的场发射器件。

发明概述

本发明基于的是通过利用各种电化学光谱法、电容和场发射技术利用单独可寻址的纳米结构阵列作为纳米电极进行多分析物电化学感测的具新颖性和创造性的方法。用于纳米结构的材料包括具有优异的电学、热学和机械性质的碳纳米管。

在第一个方面，本发明提供了一种在基片(201)上呈阵列的至少两个单独可寻址的纳米结构(207)的布置(arrangement)，其中基片(201)不导电，其中在基片内有导电部(208)，其中所述导电部形成与纳米结构(207)的电触点，形成呈阵列的单独可寻址的纳米结构，其中纳米结构(207)经由第一基片(201)中的导电部(208)单独地与不导电基片(201)的第一面(202)上的导电路径(403)和第二基片(209)中的导电结构(210)连接，其中所述纳米结构(207)被介质(3000)覆盖，并且其中当在所述至少两个纳米结构(207)之间施加电压(900)时，在所述纳米结构之间产生电场或电磁场并在所述纳米结构之间形成电容(700)。