專利名稱：利用半導(dǎo)體化合物的no檢測(cè)以及檢測(cè)no的傳感器和器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如在生物機(jī)體的呼吸周期期間所產(chǎn)生的氣體混合物中的一氧化氮NO的檢測(cè)，使得可以確定當(dāng)前的屬于生物機(jī)體的肺功能是正常的，還是偏離了預(yù)定的正常水平。
背景技術(shù)：
眾所周知的是，肺泡細(xì)胞和呼吸道上皮細(xì)胞產(chǎn)生內(nèi)生的一氧化氮，并且該一氧化氮被分泌到呼吸管道和/或肺中的空氣中。因此可以在呼出空氣中測(cè)量這部分分泌的一氧化氮。
進(jìn)一步眾所周知的是，對(duì)肺和呼吸管道中內(nèi)生的一氧化氮的產(chǎn)生的估計(jì)提供了對(duì)肺和呼吸管道的狀況和/或功能的測(cè)量，即肺的狀況或功能。

發(fā)明內(nèi)容
進(jìn)一步觀察到，在發(fā)炎的肺疾病的情況下，例如哮喘和肺泡炎，呼出空氣的一氧化氮濃度比正常情況高，因?yàn)橛捎诎l(fā)炎一氧化氮濃度已經(jīng)增加。因此一氧化氮濃度可以用作肺中發(fā)炎和發(fā)炎疾病的指示器，例如哮喘或任何過敏狀況導(dǎo)致肺和/或呼吸道的發(fā)炎。
哮喘構(gòu)成了嚴(yán)重且增長的全球健康問題。如今，在歐洲大約兩千五百萬人患有哮喘。
呼吸氣體分析是簡單的、非侵害性的方法，其可以用于發(fā)炎的臨床路線測(cè)量。
現(xiàn)在，僅在醫(yī)療中心的功能實(shí)驗(yàn)室中使用化學(xué)發(fā)光分析儀執(zhí)行呼出氣體分析。這些NO分析儀利用了NO和臭氧之間的光化學(xué)反應(yīng)
所形成的NO2的大約10-20％被產(chǎn)生為處于電激發(fā)態(tài)(NO2*)，其經(jīng)歷至基態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此發(fā)光。所發(fā)射的光處于590-2600nm的波長范圍，并且它的強(qiáng)度與通過反應(yīng)室的NO的質(zhì)量流量成比例。對(duì)NO的檢測(cè)限度大約為1ppb，考慮到正?；蚍闯Ｉ韺W(xué)學(xué)科中的呼出NO的水平(0-200ppb)，其是充足的。用于NO檢測(cè)的化學(xué)發(fā)光分析儀的缺點(diǎn)是它們相對(duì)昂貴(一般為$40.000)，并且設(shè)備體積大(例如不是便攜式的)。這些方面使得化學(xué)發(fā)光分析儀對(duì)于家庭使用(在個(gè)人健康監(jiān)測(cè)的情況下)或家庭醫(yī)生的使用缺乏吸引力。因此，具有以下這種NO感測(cè)器件將非常有利其相對(duì)成本低并且被小型化，使得可以例如以用于個(gè)人健康監(jiān)測(cè)的可隨意使用的器件的形式使用它。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種過程和器件，以及在所述器件中使用的傳感器，更具體地說是基于有機(jī)半導(dǎo)體化合物的用途。
因此，在第一方面中，本發(fā)明涉及用于檢測(cè)NO的有機(jī)半導(dǎo)體化合物的用途。
通常，用于使用有機(jī)半導(dǎo)體化合物感測(cè)氣體的檢測(cè)器是已知的，并且這些經(jīng)常被稱作電子鼻。然而，在文獻(xiàn)中沒有描述檢測(cè)NO的具體實(shí)例。此外，無機(jī)半導(dǎo)體化合物也被用作氣體檢測(cè)器，并且從B.Fruhberger等人的Sensors and Actuators B76(2001)，226-234中得知檢測(cè)NO的具體實(shí)例。該傳感器基于WO3薄膜化學(xué)電阻性傳感器元件，其在高溫(250℃)下工作。然而，該傳感器元件對(duì)NO不是特別敏感，因此需要另外的過濾器來測(cè)量復(fù)雜氣體混合物、例如人的呼吸中的NO。
本發(fā)明涉及有機(jī)半導(dǎo)體化合物，其本身能夠與一氧化氮反應(yīng)。因此，原則上不需要額外的過濾器，并且傳感器可以在環(huán)境溫度下工作。
本用途的優(yōu)選實(shí)施例在權(quán)利要求2-4中被要求。
觀察到，在WO02/44698中本身提及了使用噻吩作為導(dǎo)電聚合物用于檢測(cè)在所謂的電子鼻電導(dǎo)傳感器中的氣體。然而在該參考中沒有提及或建議任何噻吩用于檢測(cè)一氧化氮NO的用途。
在本用途中，并五苯是優(yōu)選的半導(dǎo)體化合物，因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)它不與水和氧起反應(yīng)，這兩者都是(呼出)空氣的主要成分。
在第二方面中，本發(fā)明涉及用于測(cè)量包含NO的氣體混合物中的NO的量的過程，其中通過使用有機(jī)半導(dǎo)體化合物測(cè)量所述的NO量，其電特性在與NO反應(yīng)時(shí)變化，所述變化被用作對(duì)存在于所述氣體混合物中的NO的量的直接或間接測(cè)量。
本過程的優(yōu)選實(shí)施例在權(quán)利要求6-10中被要求。


用于監(jiān)測(cè)氣體混合物中的NO的傳感器、用于確定空氣混合物的NO含量的FET型元件和器件分別在權(quán)利要求11-17、18-20和21-22中被要求，并且將在下文參考附圖來解釋，其中圖1是平面FET型元件的示意圖，圖2是在與NO反應(yīng)時(shí)根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體化合物的電導(dǎo)率(σ)的變化的圖，圖3a是碳納米管基傳感器的圖，圖3b是在根據(jù)圖3a的碳納米管基傳感器中的兩個(gè)金屬電極之間對(duì)準(zhǔn)的碳納米管陣列的放大圖，圖4是根據(jù)本發(fā)明用于確定呼吸期間的NO產(chǎn)量的器件的示意圖。
具體實(shí)施例方式
正如以上所述的，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管被要求用于檢測(cè)一氧化氮。因此，可以在眾所周知的常規(guī)平面FET結(jié)構(gòu)中或在納米級(jí)FET配置中使用有機(jī)半導(dǎo)體材料，這將在下文討論。
常規(guī)平面FET平面場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)在圖1中給出，并且包括幾層?xùn)烹姌O3，介電層5以及源/漏接觸1和2。在該情形下，電介質(zhì)被有機(jī)半導(dǎo)體材料4覆蓋。然后，NO與有機(jī)半導(dǎo)體材料的結(jié)合引起晶體管結(jié)構(gòu)內(nèi)的電荷載流子的耗盡或產(chǎn)生。這種所謂的化學(xué)激活的FET的有吸引力的特征是，可以通過電導(dǎo)率或相關(guān)特性的直接變化測(cè)量一氧化氮的結(jié)合。
圖2中示意性地描繪出了這種電導(dǎo)率的變化，其中y軸表示電導(dǎo)率σ，并且x軸表示時(shí)間t。時(shí)間點(diǎn)t0表示有機(jī)半導(dǎo)體化合物開始接觸NO的時(shí)間。
顯然，要達(dá)到最佳靈敏度，有機(jī)半導(dǎo)體層的摻雜濃度和厚度是重要參數(shù)更薄的層和低摻雜或本征材料，例如，將對(duì)應(yīng)更低的NO濃度，但是將會(huì)更快“飽和”。
納米級(jí)FET為進(jìn)一步改善常規(guī)平面結(jié)構(gòu)的感測(cè)特性，可以使用納米級(jí)FET。在最近的論文(Cui，Wei和Lieber in Scienee 293，1289(2001)以及Kong，F(xiàn)ranklin，Zhou，Chapline，Peng，Cho，和Dai in Science287，622(2000))中給出了這種納米級(jí)器件的實(shí)例。這種納米線或納米管傳感器的示意圖在圖3a和3b中給出，并且包括金屬電極6和7，其通過多個(gè)納米線或納米管8a-8d進(jìn)行跨接。一氧化氮與納米線或納米管的表面的結(jié)合可以引起納米直徑結(jié)構(gòu)的“體”中的電荷載流子的耗盡或產(chǎn)生。原則上，單個(gè)分子檢測(cè)是可以的。通過用根據(jù)本發(fā)明的有機(jī)半導(dǎo)體材料層覆蓋納米線或納米管獲得納米級(jí)FET對(duì)一氧化氮的靈敏度和選擇性。
可以通過例如所謂的汽相-液相-固相(VLS)生長方法，使用具有例如充當(dāng)催化生長中心的金粒的表面生長納米線，參見XiangfengDuan和Charles，M.Lieber in Advanced Materials 12，298(2000).這樣，可以將寬范圍的二元和三元III-V、II-VI、IV-IV族元素合成，例如GaAs、GaP、GaN、InP、GaAs/P、InAs/P、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、ZnO、SiGe等?？梢越柚呋鹆５某叽缫源植诘某叨葋砜刂萍{米線的直徑。如果需要的話，可以通過光化學(xué)刻蝕實(shí)現(xiàn)對(duì)納米線的直徑的細(xì)調(diào)，由此在刻蝕期間通過入射光的波長確定納米線的直徑。
此外，必要時(shí)可以通過在納米線的頂部上施加有機(jī)半導(dǎo)體層來改善納米線基傳感器的靈敏度。
圖4示意性地示出用于確定呼吸期間NO產(chǎn)量的器件9。該器件9包括導(dǎo)管12，該導(dǎo)管在其一端具有用于通過器件吸入或呼出空氣的接口13。導(dǎo)管12在另一端與可調(diào)節(jié)閥14連接，其可以被啟動(dòng)(選擇性地)以把空氣樣品從導(dǎo)管11傳遞到導(dǎo)管12，或把呼吸空氣的樣品從導(dǎo)管12傳送到導(dǎo)管10。如果由于人在接口13吸入空氣混合物而在導(dǎo)管12中引起欠壓(sub-pressure)，閥14將被啟動(dòng)以連接導(dǎo)管11和導(dǎo)管12(并且因此關(guān)閉導(dǎo)管10)。如果由于人在接口13呼氣而在導(dǎo)管12中引起過壓，閥14將被啟動(dòng)以連接導(dǎo)管10和導(dǎo)管12。
導(dǎo)管10和11分別與測(cè)量室15和16相連接，其設(shè)有如圖1和圖3a、b中所解釋的傳感器，用于測(cè)量隨著傳感器的CHEM-FET結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率的變化的NO含量。
另外，響應(yīng)于NO吸收/反應(yīng)的柵電勢(shì)的變化也可以用于監(jiān)測(cè)流過測(cè)量室的空氣樣品中的NO含量。
盡管沒有被示出，器件9還包括氣流測(cè)量所需的流量計(jì)。此外，可以在測(cè)量室的上游設(shè)置冷卻單元以從將要測(cè)量的空氣樣品中去除水。然而，當(dāng)使用并五苯作為半導(dǎo)體化合物時(shí)，由于它不與水反應(yīng)，因此冷卻單元并不是必需的。
在測(cè)量室16中的傳感器將測(cè)量空氣中的NO背景(當(dāng)空氣被吸入時(shí))。在測(cè)量室15中的傳感器將測(cè)量呼出空氣中的NO含量。測(cè)量室15和16與信號(hào)處理器17耦接，適合于根據(jù)存在于測(cè)量室15中的傳感器的讀數(shù)與存在于測(cè)量室16中的傳感器的讀數(shù)之間的差(或任何其它算法)來計(jì)算內(nèi)生的NO產(chǎn)量。存在的初步證據(jù)是，大氣NO的量并不影響內(nèi)生NO的量。在那種情況下可以省略測(cè)量室。
在本器件的另一修改中，僅將測(cè)量呼出空氣的NO含量。因而器件9將不包括測(cè)量室16和導(dǎo)管11(該實(shí)施例沒有被示出)。
根據(jù)上述，明顯的是，使用CHEM-FET結(jié)構(gòu)的NO的電檢測(cè)允許利用集成電路技術(shù)的小型化和集成。
已經(jīng)參考特定優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明；然而應(yīng)該理解的是，在不脫離其精神或基本特性的情況下，它可以用其它特定形式或其變型來具體實(shí)施。因此，無論從哪方面來看以上所述實(shí)施例都被認(rèn)為是說明性的而不是限制性的，本發(fā)明的范圍是由所附權(quán)利要求而不是由前述描述來指出。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)NO的有機(jī)半導(dǎo)體化合物的用途。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用途，其中所述有機(jī)半導(dǎo)體化合物是具有至少兩個(gè)共軛雙C＝C鍵的化合物，并且進(jìn)一步，可選地，在它的結(jié)構(gòu)式中包括活性氮、硫或其它雜原子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的用途，其中所述半導(dǎo)體化合物選自并五苯、聚亞苯基亞乙烯基、芳香胺、或噻吩，優(yōu)選并五苯。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的用途，其中所述噻吩是聚乙烯二氧化噻吩。
5.一種用于測(cè)量包含NO的氣體混合物中的NO量的過程，其中通過使用有機(jī)半導(dǎo)體化合物測(cè)量所述NO量，其電特性在與NO反應(yīng)時(shí)變化，所述變化被用作對(duì)存在于所述氣體混合物中的NO的量的直接或間接測(cè)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的過程，其中所述氣體混合物是由人吸入或呼出的呼吸氣體混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6的過程，其中所述有機(jī)半導(dǎo)體化合物具有至少兩個(gè)共軛雙C＝C鍵，并且進(jìn)一步，可選地，包括選自氮、硫和氧的至少一個(gè)活性雜原子。
8.根據(jù)權(quán)利要求5～7中的任何一個(gè)的過程，其中所述有機(jī)半導(dǎo)體化合物選自并五苯、聚亞苯基亞乙烯基、芳香胺、或噻吩，優(yōu)選并五苯。
9.根據(jù)權(quán)利要求5～8中的任何一個(gè)的過程，其中通過使用FET型元件檢測(cè)半導(dǎo)體化合物的電特性的所述變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求5～9中的任何一個(gè)的過程，其中電特性的所述變化根據(jù)所述半導(dǎo)體化合物的電導(dǎo)率的變化或FET型元件的柵電勢(shì)的變化來測(cè)量。
11.一種用于監(jiān)測(cè)氣體混合物中的NO的傳感器，包括具有在與氣體反應(yīng)時(shí)變化的電特性的化學(xué)敏感元件，所述元件包括具有共軛結(jié)構(gòu)的有機(jī)半導(dǎo)體化合物，其在與NO反應(yīng)時(shí)變化，使得它變得導(dǎo)電。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器，其中所述化學(xué)敏感元件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(18)，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有至少一個(gè)漏極(1)和至少一個(gè)源極(2)，并且包含具有共軛構(gòu)架的有機(jī)半導(dǎo)體化合物層(4)，在所述晶體管的源極和漏極之間延伸。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12的傳感器，其中所述半導(dǎo)體化合物選自并五苯、聚亞苯基亞乙烯基、芳香胺、或噻吩，優(yōu)選并五苯。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的傳感器，其中所述噻吩是聚乙烯二氧化噻吩。
15.根據(jù)權(quán)利要求11～14中的任何一個(gè)的傳感器，其中所述傳感器被配置為納米級(jí)FET型元件，例如碳納米管或納米線，有機(jī)半導(dǎo)體化合物被提供作為所述元件的涂層。
16.根據(jù)權(quán)利要求11～15中的任何一個(gè)的傳感器，其中所述有機(jī)半導(dǎo)體層至少局部涂有NO選擇的導(dǎo)電化合物。
17.一種FET型元件(18)，包括源極(1)和漏極(2)，以及有機(jī)半導(dǎo)體化合物層(4)，其可以與NO反應(yīng)以便改變其電特性。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的FET型元件，其中所述有機(jī)半導(dǎo)體化合物具有共軛構(gòu)架，并且可選地在它的結(jié)構(gòu)式中包括活性氮、硫或其它雜原子。
19.根據(jù)權(quán)利要求17和18的FET型元件，其中所述有機(jī)半導(dǎo)體化合物選自并五苯、聚亞苯基亞乙烯基、芳香胺、或噻吩，優(yōu)選并五苯。
20.一種用于確定空氣混合物、例如呼出空氣的NO含量的器件，包括-用于測(cè)量空氣量中的NO含量的測(cè)量室(15)，-所述測(cè)量室設(shè)有能根據(jù)NO含量產(chǎn)生傳感器讀數(shù)的NO傳感器，-信號(hào)處理器(17)，其具有耦接到所述NO傳感器的信號(hào)輸入，并且適合于根據(jù)傳感器讀數(shù)計(jì)算NO含量，其中所述NO傳感器是根據(jù)權(quán)利要求9～15中的任何一個(gè)的傳感器。
21.一種用于確定呼吸期間NO產(chǎn)量的器件(9)，包括-與容納第一傳感器的第一測(cè)量室(15)相關(guān)聯(lián)的第一導(dǎo)管(10)，-與容納第二傳感器的第二測(cè)量室(16)相關(guān)聯(lián)的第二導(dǎo)管(11)，-具有進(jìn)口(13)以便最接近人放置的公共導(dǎo)管(12)，-耦接到第一、第二和公共導(dǎo)管的閥裝置(14)，其對(duì)所述公共導(dǎo)管中的相對(duì)低的壓力敏感以選擇性地連接公共導(dǎo)管和第一導(dǎo)管，并且對(duì)所述公共導(dǎo)管中的相對(duì)高的壓力敏感以選擇性地連接公共導(dǎo)管和第二導(dǎo)管，-信號(hào)處理器(17)，其至少具有耦接到第一傳感器的第一信號(hào)輸入，和耦接到第二傳感器的第二信號(hào)輸入，并且適合于根據(jù)第一傳感器的讀數(shù)和第二傳感器的讀數(shù)之間的差或任何其它算法來計(jì)算NO產(chǎn)量，其中所述第一和第二測(cè)量室(15，16)設(shè)有如權(quán)利要求11～16中所限定的至少一個(gè)NO傳感器。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21的器件，其中測(cè)量室(15，16)包括如權(quán)利要求11～16中所限定的NO傳感器陣列，其彼此耦接以產(chǎn)生一個(gè)讀數(shù)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的器件，其中在所述傳感器陣列中，沿空氣樣品流動(dòng)的方向觀察，有機(jī)半導(dǎo)體化合物的量和/或其中的摻雜濃度從所述陣列中的第一傳感器到最后的傳感器增加。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于檢測(cè)NO的有機(jī)半導(dǎo)體化合物的用途，以及傳感器(18)和器件(19)，其中這種化合物用于檢測(cè)NO。器件(9)允許用簡單、非侵害性的方式進(jìn)行呼吸氣體分析，其可以用來預(yù)測(cè)肺和呼吸道的狀況和/或功能。更特別地，傳感器(18)具有納米級(jí)FET型結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G01N33/497GK1926427SQ200580006688
公開日2007年3月7日 申請(qǐng)日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月3日
發(fā)明者T·J·文克, N·P·威拉德 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司