專利名稱：包含微孔聚合物的有機(jī)化學(xué)傳感器及使用方法
包含微孔聚合物的有機(jī)化學(xué)傳感器及使用方法
背景技術(shù)：
檢測化學(xué)被分析物(尤其是有機(jī)化學(xué)被分析物)的能力在許多應(yīng)用(包括環(huán)境監(jiān)測等等)中是重要的。這種對有機(jī)分子的檢測和/或監(jiān)測尤其可用于(例如)所謂的使用 壽命結(jié)束指示器中，該指示器是個人防護(hù)設(shè)備(例如呼吸器)所需的。已經(jīng)開發(fā)出許多用于檢測化學(xué)被分析物的方法，例如光學(xué)、重量分析、微電子機(jī)械 等的方法。具體而言，已經(jīng)開發(fā)出用于監(jiān)測電氣性質(zhì)(例如電容、阻抗、電阻等)的傳感器。 這類傳感器常常依賴于被分析物被吸附到材料上或吸收到其中時材料電氣性質(zhì)發(fā)生的變 化。例如，授予Snow等人的美國專利申請公開2006/0249402公開了一種感測裝置，該 傳感裝置具有底部電極、底部電極上的電介質(zhì)、電介質(zhì)上的納米電極網(wǎng)格和與該網(wǎng)格電接 觸的頂部電極。納米電極可以是碳納米管網(wǎng)。Snow等人將這種裝置描述為在存在化學(xué)被分 析物的情況下能夠表現(xiàn)出電容變化。授予Patel等人的美國專利申請公開2006/0237310公開了一種裝置，該裝置被描 述為能夠通過被分析物在化學(xué)感測材料中的吸附或吸收，使得電氣性質(zhì)(如電容、電阻等) 以可被與涂有該化學(xué)感測材料的感測電極對相關(guān)的電路所檢測的方式發(fā)生變化，從而檢測 到多種目標(biāo)被分析物。授予Stetter和Maclay的美國專利5，512，882公開了一種傳感器，其阻抗在暴露 于所選化學(xué)物質(zhì)的蒸氣時改變。該傳感器包含某種聚合物，該聚合物的物理結(jié)構(gòu)被蒸氣改 變(如通過膨脹或衰變)。該傳感器還具有散布有聚合物的導(dǎo)電元件?？赏ㄟ^阻抗測量電 路來測量變化。授予Sittler的美國專利5，482，678公開了一種傳感器，其包含在存在有機(jī)液體、 氣體或蒸氣的情況下膨脹的材料。該材料被涂敷到載體表面，使得該材料膨脹后載體撓曲 并改變兩塊電容器極板之間的距離，從而改變極板之間的電容。授予Plog和Maunz的美國專利5，965，451公開了一種用于選擇性地檢測烴的氣 體傳感器，其具有電容元件和作為電介質(zhì)的氣體可滲透的敏感層。該敏感層為摻雜貴金屬 的沸石，該沸石具有由原生孔隙構(gòu)成的規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)，原生孔隙的直徑接近有待檢測的氣 體分子的氣體動力學(xué)直徑。

發(fā)明內(nèi)容
申請人:公開了一種適用于檢測或監(jiān)測環(huán)境中(例如大氣環(huán)境中)的有機(jī)化學(xué)被分 析物的感測元件。這種感測元件包含靠近第一電極和第二電極的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì) 材料。在上下文中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料意指這樣一種材料能夠吸收有機(jī)化學(xué)被 分析物，并且在將有機(jī)被分析物吸收到該材料中時電氣性質(zhì)可表現(xiàn)出可測量的變化。在一 個實施例中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料在吸收被分析物時表現(xiàn)出介電常數(shù)的變化，使 得感測元件的電容變化可被觀測。在一個實施例中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料是固有微孔性的聚合物。這種材料可以提供下列優(yōu)點(diǎn)對于低含量的有機(jī)被分析物有高靈敏度；對有機(jī)被分析物響應(yīng)迅速；并且對水的靈敏度低。在不受理論或機(jī)理限制的情況下，申請人假定其在使用固有微孔 性的聚合物作為對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的性質(zhì)可能由于下列若干性質(zhì) 中的任何或全部性質(zhì)疏水性、最佳量的孔隙度、涵蓋最佳孔尺寸范圍的微孔的孔體積、以 及固有微孔性的聚合物從溶液中分離以形成對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層的能力。在多個實施例中，固有微孔性的聚合物可通過使用如下所述的任何單體組合來配 制，該單體組合導(dǎo)致剛性很強(qiáng)的聚合物并且給出內(nèi)有足夠結(jié)構(gòu)特征的聚合物，以引起扭曲 的結(jié)構(gòu)。在多個實施例中，這種材料可含有由剛性連接基連接的大致平面的第一物種構(gòu)成 的有機(jī)高分子，所述剛性連接基具有扭曲點(diǎn)，使得由該連接基連接的兩個相鄰的第一平面 的物種保持在非共面取向中。在多個實施例中，這種材料可含有由剛性連接基主要連接至 最多兩個其他所述第一物種的大致平面的第一物種構(gòu)成的有機(jī)高分子，所述剛性連接基具 有扭曲點(diǎn)，使得由所述連接基連接的兩個相鄰的第一平面的物種保持在非共面取向中。在 多個實施例中，這種扭曲點(diǎn)可以具有螺基、橋環(huán)部分或空間位阻的單個共價鍵，在該單個共 價鍵周圍存在受限的旋轉(zhuǎn)。在一個方面，本文公開了用于感測有機(jī)化學(xué)被分析物的感測元件，其包括第一電 極和第二電極；以及設(shè)置為至少靠近第一電極和第二電極的對被分析物相應(yīng)的微孔疏水性 電介質(zhì)材料，其中對被分析物相應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì)材料是固有微孔性的聚合物。在一 個實施例中，電極中的至少一個可被有機(jī)化學(xué)被分析物滲透。在另一個實施例中，可滲透的 電極是不連續(xù)的。在又一個實施例中，可滲透的電極是圖案化的。在多個實施例中，感測元 件可具有靠近電極中的至少一個的背襯層和/或覆蓋層。在多個實施例中，感測元件可具 有平行極板電容器構(gòu)型或叉指狀電容器構(gòu)型。在另一方面，本文公開了用于感測有機(jī)化學(xué)被分析物的傳感器，該傳感器包括感 測元件，感測元件包括第一電極、第二電極和設(shè)置為至少靠近第一電極和第二電極的對被 分析物相應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì)材料，其中對被分析物相應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì)材料是固 有微孔性的聚合物；和操作電路，操作電路與第一電極和第二電極電氣連通，其中操作電路 能夠向第一電極和第二電極施加電壓并且能夠檢測感測元件的電氣性質(zhì)的變化。在又一方面，本文公開了感測有機(jī)化學(xué)被分析物的方法，該方法包括提供傳感 器，傳感器包括感測元件和操作電路，感測元件包括第一電極、第二電極和設(shè)置為至少靠近 第一電極和第二電極的對被分析物相應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì)材料，其中對被分析物相應(yīng)的 微孔疏水性電介質(zhì)材料是固有微孔性的聚合物，操作電路與第一電極和第二電極電氣連 通，其中操作電路能夠向第一電極和第二電極施加電壓并且能夠檢測感測元件的電氣性質(zhì) 的變化；使感測元件暴露于環(huán)境中，環(huán)境可能包含一種或多種有機(jī)化學(xué)被分析物；向第一 電極和第二電極施加電壓；以及監(jiān)測感測元件的電氣性質(zhì)。本發(fā)明的這些方面和其他方面從以下具體實施方式
中將顯而易見。然而，在任何 情況下不應(yīng)將以上內(nèi)容理解為是對要求保護(hù)的主題的限制，該主題僅受所附權(quán)利要求書的 限定，因為其在審查期間可以進(jìn)行修改。


圖1為采用平行極板構(gòu)型的示例性感測元件的側(cè)視圖。
圖2為采用叉指狀構(gòu)型的示例性感測元件的俯視圖。圖2a為沿圖2中標(biāo)記為“2a”的線截取的圖2的示例性感測元件的剖視圖。圖3為采用叉指狀構(gòu)型的示例性感測元件的透視圖。圖4為平行極板構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴露于多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖5為平行極板構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴露 于多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖6為叉指狀構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴露于 多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖7為叉指狀構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴露于 多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖8為叉指狀構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴露于 多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖9為叉指狀構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴露于 多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖10為叉指狀構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴露 于多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖11為叉指狀構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴露 于多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖12為平行極板構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴 露于多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖13為平行極板構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴 露于多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖14為平行極板構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴 露于多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖15為平行極板構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴 露于多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。圖16為平行極板構(gòu)型的示例性感測元件的電容測量值的圖線，電容測量值隨暴 露于多種含量的有機(jī)被分析物的時間而變化。在上述多張圖中，相同的附圖標(biāo)記表明相同的元件。除非另外指明，本文件中所有 附圖均未按比例繪制，并且選擇這些附圖只是為了示出本發(fā)明的不同實施例。具體來說，多 種組件的尺寸僅采用說明性術(shù)語進(jìn)行描述，不應(yīng)從附圖推斷多種組件的尺寸之間的任何關(guān)系。
具體實施例方式雖然本公開中可以使用例如“頂部”、“底部”、“上方”、“下方”、“前”、“后”以及“第 一”和“第二”之類的術(shù)語，但應(yīng)當(dāng)理解，這些術(shù)語僅僅是在相對意義上使用。感測元件參照圖1和圖2，本文公開了感測元件1/101，其包括至少對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10/110，該電介質(zhì)層靠近第一電極20/120和第二電極30/130。下文將依次討論這些組件及其特征和性質(zhì)，以及其他任選組件及其特征和性質(zhì)。這些討論將參考以下兩者進(jìn)行 圖1，其示出基于平行極板電容器的一般構(gòu)型的示例性感測元件；圖2、圖2a和圖3，其示出 基于叉指狀電容器的一般構(gòu)型的示例性感測元件。為了清楚起見，在描繪不同的一般構(gòu)型 的圖中，對多種組件標(biāo)以不同的附圖標(biāo)記(一般來講，以100為單位增加)。然而應(yīng)當(dāng)理解， 除非另外說明，多種組件的結(jié)構(gòu)、組合物和性質(zhì)可以適用于任何電容性設(shè)計的感測元件。感測元件1/101被構(gòu)造為使得對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10/110足夠靠近第一 電極20/120和第二電極30/130，以至于該層中包含的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料能夠 與電極建立的電場發(fā)生相互作用。在感測元件1/101的操作中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì) 層10/110在吸收一種或多種被分析物時表現(xiàn)出電氣性質(zhì)的變化。在一個實施例中，電氣性 質(zhì)為下述的電容或與電容有關(guān)的性質(zhì)。通過在第一電極20/120和第二電極30/130之間賦 予電荷差(例如在兩個電極之間賦予電壓差)，并監(jiān)測感測元件為對被分析物的存在做出 響應(yīng)而發(fā)生的性質(zhì)變化，可測量這種與電容有關(guān)的性質(zhì)的變化。如本文隨后所述，使用操作 電路28/128可完成這種監(jiān)測。術(shù)語“電容”和“與電容有關(guān)的性質(zhì)”涵蓋任何電氣性質(zhì)及其測定過程，這種測定 過程通常與賦予電荷(無論是靜電荷還是時變電荷)和在賦予電荷期間和/或之后監(jiān)測電 氣性質(zhì)相關(guān)。這種性質(zhì)不但包括電容，而且包括阻抗、導(dǎo)納、電阻、電導(dǎo)系數(shù)等，并且可以根 據(jù)本領(lǐng)域已知的多種方法測量。對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10/110 (術(shù)語“層”在一般意義上使用，并涵蓋任何物 理構(gòu)型)至少部分地包含對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料。在上下文中，術(shù)語“對被分析物相 應(yīng)的電介質(zhì)材料”意指這樣一種材料能夠吸收有機(jī)化學(xué)被分析物，并且在將有機(jī)被分析物 吸收到該材料中時在一些電氣性質(zhì)方面可表現(xiàn)出可測量的變化。固有微孔性的聚合物 在一個實施例中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料選自包含所謂“固有微孔性的聚 合物”(下文稱PIM)的這類材料中。這種聚合物包括(但不限于)下列文獻(xiàn)中所公開的聚 合物"Polymers of IntrinsicMicroporosity(PIMs) :Robust, Solution-Processable, OrganicMicroporous Materials, '^Budd et al. ,Chem. Commun. ,2004, pp. 230-231 (Budd ^ 人，“固有微孔性的聚合物(PIM)穩(wěn)固、可溶液加工的有機(jī)微孔材料”，《化學(xué)通訊》2004年 H230-231 M) ；"Polymers oflntrinsic Microporosity(PIMs),"McKeown et al. ,Chem. Eur. J.，2005，11，No. 9，2610-2620 (McKeown 等人，“固有微孔性的聚合物(PIM) ”，《歐洲化 學(xué)雜志》2005年11月第9期第2610-2620頁)；授予McKeown等人的美國專利申請公開 2006/0246273 ；以及授予McKeown等人的已公布的PCT申請WO 2005/012397A2。
PIM可通過使用任何單體組合來配制，該單體組合導(dǎo)致剛性很強(qiáng)的內(nèi)有足夠結(jié)構(gòu) 特征的聚合物，以引起扭曲的結(jié)構(gòu)。在多個實施例中，PIM可含有由剛性連接基連接的大致 平面的物種構(gòu)成的有機(jī)高分子，所述剛性連接基具有扭曲點(diǎn)，使得由該連接基連接的兩個 相鄰的平面的物種保持在非共面取向中。在另外的實施例中，這種材料可含有由剛性連接 基主要連接至最多兩個其他所述第一物種的大致平面的第一物種構(gòu)成的有機(jī)高分子，所述 剛性連接基具有扭曲點(diǎn)，使得由所述連接基連接的兩個相鄰的第一平面的物種保持在非共面取向中。在多個實施例中，這種扭曲點(diǎn)可以具有螺基、橋環(huán)部分或空間位阻的單個共價 鍵，在該單個共價鍵周圍存在受限的旋轉(zhuǎn)。在具有這種剛性扭曲的結(jié)構(gòu)的聚合物中，聚合物鏈無法有效包絡(luò)在一起，因而該 聚合物具有固有的微孔性。因此，PIM具有的優(yōu)點(diǎn)為擁有并非顯著取決于材料受熱過程的 微孔性。因而PIM可以在以再生產(chǎn)的方式可大量制造的方面和在不表現(xiàn)出老化時變化、儲 存壽命等性質(zhì)的方面提供優(yōu)點(diǎn)。在上下文中，術(shù)語“微孔的”和“微孔性”意指材料具有大量內(nèi)部互連的孔體積，并 且平均孔尺寸(用(例如)吸附等溫線方法表征時)小于約lOOnm。這種微孔性使得有機(jī)被 分析物的分子(如果有)能夠滲透材料的內(nèi)部孔體積，并且留在內(nèi)部孔中。這種被分析物在 內(nèi)部孔中的存在可改變材料的介電氣性質(zhì)，使得介電常數(shù)(或任何其他合適的電氣性質(zhì)) 的變化可被觀測。在不受理論或機(jī)理限制的情況下，申請人認(rèn)為，憑借微孔電介質(zhì)材料，本 發(fā)明所公開的感測元件1/101可以具有感測有機(jī)被分析物方面的有利性質(zhì)在于電介質(zhì)材 料的電氣性質(zhì)方面的可測量的變化可能由被分析物分子在孔中的存在所致。因此，在不要 求被分析物分子在聚合物材料本身內(nèi)被充分溶解以引起聚合物材料的性質(zhì)(例如溶脹和/ 或膨脹)發(fā)生變化(雖然這種現(xiàn)象也可能發(fā)生，并且也可能有助于可測量的電氣響應(yīng))的 情況下，可能會檢測到被分析物。對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料的這種微孔性可能有助于 提高電介質(zhì)材料對少量有機(jī)被分析物的靈敏度。在多個實施例中，PIM具有至少約10%、至少約20%、或至少約30%的孔隙 度(如用(例如)吸附等溫線技術(shù)表征時，該技術(shù)例如使用可以商品名Autosorb得自 Quantachrome Instruments (Boynton Beach, Florida)的儀器進(jìn)行的那些)。這種孑匕隙度 可提供對低含量有機(jī)化學(xué)被分析物的良好響應(yīng)。然而，該材料不應(yīng)當(dāng)具有這樣的大體積，以 至于難以避免第一電極20/120和第二電極30/130之間的電氣短路或電弧放電。因此，在 多個實施例中，該材料具有至多約90%、至多約60%、或至多約40%的孔隙度。再次說明，在不受理論或機(jī)理限制的情況下，內(nèi)部孔的尺寸和分布可以使得孔中 的至少一些中的有機(jī)被分析物分子中的至少一些可以形成比本來(如，比在被分析物被監(jiān) 測的環(huán)境下)會有的凝聚度更高的狀態(tài)(如準(zhǔn)液態(tài))。這會導(dǎo)致與在被監(jiān)測的環(huán)境下相比， 被分析物分子以更大數(shù)量和/或更高濃度聚集在內(nèi)部孔中；此外(或相反)，該狀態(tài)下的 被分析物分子可以顯示具有比在未凝聚蒸氣或氣體狀態(tài)下更高的介電常數(shù)(相對介電常 數(shù))。因此，基于對被分析物相應(yīng)的微孔電介質(zhì)材料(正確選擇了孔尺寸和分布)的感測 元件可以顯示具有對少量有機(jī)被分析物優(yōu)異的靈敏度。在多個實施例中，PIM具有小于約 50nm、小于約20nm、或小于約IOnm的平均孔尺寸。在多個實施例中，PIM具有大于約0. 3nm、 大于約0. 5nm、或大于約1. Onm的平均孔尺寸。在一個實施例中，PIM為疏水材料(如疏水性有機(jī)聚合物材料)，該材料吸收液態(tài) 水的程度不會使其顯著膨脹或者說是物理特性不會表現(xiàn)出顯著改變。這種疏水性質(zhì)對于提 供對水的存在相對不敏感的有機(jī)被分析物感測元件是有用的。然而，該材料可以包含用于 特定目的的相對極性部分。在一個實施例中，PIM包含連續(xù)基質(zhì)。這種基質(zhì)被定義為某種組件(如涂層、層等)，在該組件中，材料的固體部分是連續(xù)互連的(而不論是否存在上述孔隙度或是否存在 下文將討論的任選添加劑)。也就是說，連續(xù)基質(zhì)與包含粒子聚集體(如沸石、活性炭、碳納米管等)的組件是區(qū)別明顯的。例如，由溶液沉積的層或涂層通常會包含連續(xù)基質(zhì)(即使該涂層本身以圖案化方式涂布和/或包含顆粒添加劑)。通過粉末噴涂、涂布并干燥分散 體(如膠乳)、或通過涂布并干燥溶膠凝膠混合物沉積的粒子的集合可以不包含申請人定 義的連續(xù)網(wǎng)。然而，如果這種膠乳、溶膠凝膠等層可被壓實，使得單個粒子不再可識別，并且 也不可能識別從不同粒子獲得的組件的區(qū)域，那么這種層就可以符合申請人對連續(xù)基質(zhì)的 定義。在某些實施例中，PIM可溶于通用有機(jī)溶劑中，因而適合常規(guī)的沉積方法(例如涂 布)。在某些實施例中，在PIM材料被沉積(如被涂布)或以其他方式形成以便包含對 被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層之后，可以使用合適的交聯(lián)劑(例如雙(苯甲腈)二氯化鈀(II)) 將該材料交聯(lián)。該處理可以使得對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層不溶于有機(jī)溶劑、和/或可以 提高某些應(yīng)用中期望的某些物理特性，例如耐久性、耐磨性等。在某些實施例中，PIM可以與其他材料混合。例如，PIM可以與本身不是對被分析 物相應(yīng)的電介質(zhì)材料的材料混合。盡管不會增強(qiáng)對被分析物的靈敏度，但這種材料可以有 其他用途。例如，這種材料可以允許形成具有優(yōu)異的機(jī)械性能等等的含PIM層。在一個實施 例中，PIM可以和其他材料溶解于通用溶劑中以形成均勻的溶液，可以澆注該溶液以形成同 時包含PIM和其他聚合物的、對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)共混物層。PIM也可以與對被分析物 相應(yīng)的電介質(zhì)材料(例如，沸石、活性炭、硅膠、超高交聯(lián)聚合物網(wǎng)等等)混合。這種材料可 以包含懸浮在含有PIM材料的溶液中的不溶解的材料。將這種溶液/懸浮液涂布并干燥， 可以得到對被分析物相應(yīng)的復(fù)合材料電介質(zhì)層，該層同時包含PIM材料和額外的對被分析 物相應(yīng)的電介質(zhì)材料。在多個實施例中，對被分析物不敏感的電介質(zhì)材料的額外的層可以設(shè)置為靠近對 被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層。提供這種層可以出于多種原因中的任何者，如，作為保護(hù)層、作 為粘結(jié)層以提高粘接性等等。在多個實施例中，可使用多個單獨(dú)的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料層。例如，可使 用多個PIM材料層。或者，除了 PIM材料層之外，還可使用一個或多個對被分析物相應(yīng)的某 些其他電介質(zhì)材料層。多種對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料層可彼此直接接觸，或可由用于 一些其他用途的一個或多個層(如本文所述的鈍化層、粘結(jié)層)隔開。電極參照圖1和圖2，第一電極20/120和第二電極30/130可包含任何合適的導(dǎo)電材 料?？墒褂貌煌牟牧?導(dǎo)電和/或不導(dǎo)電的材料)的組合作為不同的層或作為混合物， 只要具有足夠的整體導(dǎo)電性(如，電極材料具有小于約10_2歐姆 米的恒定電阻率)?？?用于制備第一電極和/或第二電極的材料的實例包括(但不限于)有機(jī)材料、無機(jī)材料、金 屬、合金、以及包含這些材料中的任何或全部材料的多種混合物和復(fù)合材料。在某些實施例 中，可以使用被涂布的(如蒸鍍、濺鍍等)金屬或金屬氧化物、或其組合。合適的導(dǎo)電材料 包括(例如)鋁、錫、銦錫氧化物、金、銀、鉬、鈀、銅等等。在一個實施例中，兩個電極均包含 相同的材料；在可供選擇的實施例中，第一電極和第二電極包含不同的材料。在多個實施例中，第一電極和第二電極中的任一者或兩者可被有機(jī)被分析物滲 透。就感測元件以一般方式被構(gòu)造為如圖1所示的平行極板電容器而言，這種電極滲透性可以特別有用。在這種情況下，如果第二電極30是可滲透的，則有機(jī)被分析物可通過主表 面13進(jìn)入對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10，而不必只能通過邊緣15進(jìn)入對被分析物相應(yīng)的 電介質(zhì)層10 (其可能是較慢的過程)。同樣，如果第一電極20是可滲透的，則有機(jī)被分析物 可以能夠通過主表面11進(jìn)入對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10(然而，如果背襯40對被分析 物而言為不可滲透的，則以可滲透構(gòu)型提供第一電極20可能沒有用)。在多個實施例中，電極可由于不連續(xù)而為被分析物可滲透的。在上下文中，術(shù)語 “不連續(xù)的”并不意味著電極包括彼此未電接觸的單元(斑點(diǎn)、島等)。相反，“不連續(xù)的”意 指在電極的整個邊界內(nèi)，一些區(qū)域不包含導(dǎo)電材料。這種不連續(xù)的電極可以是微觀不連續(xù) 的。例如，可通過沉積(如涂布、噴墨印刷等)含有導(dǎo)電材料的粒子(如納米粒子)的溶膠 來形成電極。在這種情況下，電極含有充分接觸的導(dǎo)電粒子以確保電極具有導(dǎo)電性，但在粒 子之間具有足夠的空間以使得電極對有機(jī)被分析物而言為可滲透的。在其他實施例中，電 極可具有宏觀不連續(xù)的結(jié)構(gòu)。例如，如果導(dǎo)電材料包含蒸鍍金屬(其通常為不可滲透的)， 則可以將導(dǎo)電金屬以圖案(例如，以網(wǎng)格圖案、或以實例1所公開的“梳形”圖案)的方式 而不是作為連續(xù)層來沉積。參照圖1和圖2，第一電極20/120的電氣可觸及區(qū)域25/125和第二電極30/130 的電氣可觸及區(qū)域35/135被設(shè)置為使得可以通過這些區(qū)域?qū)⒉僮麟娐?8/128連接到感測 元件。這種電氣可觸及區(qū)域可設(shè)置在任何方便的位置中。例如，在圖1和圖2的示例性例 證中，這種電氣可觸及區(qū)域被示出位于電極的邊緣上，在圖3的示例性例證中，這種電氣可 觸及區(qū)域被示出位于電極的主表面(123和133)上。在一個實施例中，設(shè)置了與第一電極 20的可觸及區(qū)域接觸(如附接到)的連接裝置(如接觸墊或凸塊)22/122，使得可(例如 通過線材24/124的附接)完成感測元件1/101和操作電路28/128之間的電氣連接。同樣 也可設(shè)置與第二電極30的可觸及區(qū)域接觸的類似的連接裝置32/132。示例性感測元件及制備方法平行極板構(gòu)型在一個實施例中，可制備以一般的方式被構(gòu)造為平行極板電容器(如圖1的剖視 圖中的示例方式所示)的感測元件1。在這種構(gòu)型中，感測元件具有兩個大致為平面的、平 行相對的電極，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層存在于兩個電極之間并且抑制兩個電極之間直 接電接觸。在制備這種感測元件的示例性方法中，提供了背襯40(其可以為材料的連續(xù)塊、 層或膜)，其靠近電極中的至少一個，并且可以起到為成品感測元件提供物理強(qiáng)度和完整性 的作用?？梢允褂萌魏魏线m的材料，包括玻璃、陶瓷、塑料等。在大規(guī)模生產(chǎn)過程中，可以使 用聚合物膜(例如聚酯)。在一些實施例中，背襯為被分析物可滲透的材料(例如硅橡膠、 微孔膜等)。在一個實施例中，在背襯40上設(shè)置了充當(dāng)?shù)谝浑姌O20的導(dǎo)電層。該導(dǎo)電層可以包 含上述材料中的任何材料，包括導(dǎo)電材料和不導(dǎo)電材料的共混物或混合物，并且可以通過 任何合適的方法沉積，包括(但不限于)旋涂、浸涂、網(wǎng)版印刷、轉(zhuǎn)涂、濺鍍、物理氣相沉積、 化學(xué)氣相沉積、或這種方法中的兩種或更多種的組合。在替代實施例中，可以通過將預(yù)制膜 (如金屬箔、導(dǎo)電帶等)置于背襯40的頂部上來設(shè)置導(dǎo)電層。如此前所述，該第一電極20 可以作為連續(xù)層或不連續(xù)層提供。
在一個實施例中，導(dǎo)電層被設(shè)置為使得電極20的第一表面21靠近和/或接觸背襯40的第一表面41的至少一部分。在可供選擇的實施例中，在電極20的第一表面21的 至少一部分與背襯40的第一表面41之間存在任選層。只要不妨礙感測元件1的功能，則 這種任選層可以用于任何目的(例如增強(qiáng)第一電極20與背襯40之間的粘結(jié))。在制備感測元件1的過程中，也提供對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10。在一個實施 例中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10被設(shè)置為使得層10的第一主表面11直接接觸第一電 極20的第二表面23的至少一部分(保持第一電極20的至少一部分可觸及，以用于連接到 操作電路)。在一個實施例中，通過涂布方法(例如，包括(但不限于)溶劑涂布、旋涂、浸涂、 轉(zhuǎn)涂、網(wǎng)版印刷等等)將對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料設(shè)置為靠近第一電極。在某些實施 例中，電介質(zhì)材料以這樣的方式設(shè)置，以使可能起到危及感測元件的性能的作用的缺陷、針 孔等的存在最小化。在具體實施例中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層包含通過以下方式沉積 的固有微孔性的聚合物將PIM材料的溶液涂布在合適的基底上并允許溶液干燥，以便形 成含有PIM材料的固體層。對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10也可通過其他方法提供。例如，可在第一電極的第 二表面上設(shè)置對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料的預(yù)成形的薄膜。在可供選擇的實施例中，對 被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料可以顆粒形式(如作為粉末、作為懸浮液、或作為溶膠)提供， 并且以這種形式沉積到第一電極上，以便形成顆粒涂層。如果需要，可以將這種材料壓實， 以便形成對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料的連續(xù)基質(zhì)。在多個實施例中，可通過將第二導(dǎo)電層設(shè)置為靠近對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10 來形成第二電極30。第二電極30可以包含上述導(dǎo)電材料，并且可以根據(jù)上述方法沉積。在 某些實施例中(特別是在背襯40對被分析物而言為不可滲透的情況下)，第二電極可以包 括不連續(xù)結(jié)構(gòu)(同樣如此前所述)，以便對有機(jī)被分析物而言為可被滲透的。參照圖1，任選護(hù)蓋層或阻擋層50可被設(shè)置為靠近電極中的至少一個。在一個實 施例中，覆蓋層50可設(shè)置在第二電極30的頂部上(保持第二電極30的某個區(qū)域可觸及， 以用于電接觸)。任何這種覆蓋層50都不應(yīng)顯著妨礙感測元件1的功能。例如，如果感測 元件被構(gòu)造為使得所關(guān)注的被分析物必須穿過覆蓋層50以便到達(dá)對被分析物相應(yīng)的電介 質(zhì)層10，則該覆蓋層應(yīng)當(dāng)對被分析物而言為可充分滲透的。覆蓋層50可以通過本領(lǐng)域已知的任何方法沉積，包括涂布(如旋涂、浸涂、溶劑涂 布、蒸鍍、轉(zhuǎn)涂、網(wǎng)版印刷、柔性版印刷等等)。在替代實施例中，覆蓋層50可包括設(shè)置在第 二電極30上的預(yù)制層(如膜或帶)。在一個實施例中，覆蓋層50被設(shè)置為使得覆蓋層50 的第一表面51直接接觸第二電極30的第二表面33的至少一部分。覆蓋層的第二表面可 以為感測元件的最外表面，或(如果需要)其本身可以接納額外的涂層或?qū)?。在一個實施例中，第一電極20的第二表面23以及對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10 的第一主表面11直接接觸，兩者間沒有插入層。同樣，在一個實施例中，第二電極30的第一 表面31與對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10的第二主表面13直接接觸，兩者間沒有插入層。 圖1描繪了這種實施例。然而，也可以設(shè)想的是，第一電極20與對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì) 層10之間、和/或第二電極30與對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10之間可以存在其他任選層。 在這種情況下，電極中的任一者或兩者可以不直接接觸對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料的表面中的一些或全部。例如，可以用粘結(jié)層提高電極與對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層之間的粘 結(jié)性。或可以在對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層的表面和電極的表面之間設(shè)置鈍化層(例如二 氧化硅層)，以便使電極之間的電弧放電的可能性最小化。在一些實施例中，可以使用多個 這類任選層；或者可以使單個層起到多種功能的作用。只要它們不會顯著妨礙感測元件的 所需功能，就可以將任何這類任選層(例如上述粘結(jié)層、鈍化層、保護(hù)層、覆蓋層等)用于任 何目的。例如，如果感測元件被構(gòu)造為使得所關(guān)注的被分析物必須穿過任選層以便到達(dá)對 被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層10，則該任選層應(yīng)當(dāng)對該被分析物而言為可充分滲透的。通常，多種層的邊緣可彼此齊平對齊(如圖1的示例性實施例所示)?；蛘?，多種 層可以與其他層重疊、和/或某些層的邊緣可以相對于其他層凹陷。在將對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料沉積在第一電極20的頂部上的過程中，應(yīng)當(dāng) 在第一電極20上設(shè)置電氣可觸及區(qū)域25，以使電極和操作電路之間能夠電接觸。相似地， 如果將覆蓋層置于第二電極30的頂部上，則應(yīng)當(dāng)相似地設(shè)置電氣可觸及區(qū)域35。這種電氣 可觸及區(qū)域可設(shè)置在任何方便的位置中。在一個實施例中，可以設(shè)置與第一電極20的可觸 及區(qū)域25電接觸的連接裝置(如接觸墊、凸塊等)22。相似地，也可以同樣設(shè)置與第二電極 30的可觸及區(qū)域35接觸的類似的連接裝置32。叉指狀構(gòu)型在另一個實施例中，可制備以一般方式被構(gòu)造為叉指狀電容器的感測元件。圖2 的俯視圖、圖2a的剖視圖(沿圖2的線“2a”截取)和圖3的透視圖示出了叉指狀感測元 件的示例性實施例。在上下文中，術(shù)語“叉指狀”涵蓋了在叉指狀構(gòu)型中存在的至少兩個電 極的任何布置方式。這種構(gòu)型包括叉指狀梳形圖案(例如圖2、圖2a和圖3所示)，以及本 領(lǐng)域熟知的叉指狀螺旋型或螺線型圖案。所有這些設(shè)計都具有共同的特點(diǎn)即在大體上共 面的叉指狀布置方式中存在(至少)兩個電極，并且在電極附近存在對被分析物相應(yīng)的電 介質(zhì)層，使得當(dāng)電極之間建立電場時，該層中包含的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料能夠與 電場相互作用。對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層/材料可以設(shè)置在電極之間(即位于兩個電極 的平面內(nèi))，并且插入到達(dá)第一電極和第二電極的任何兩點(diǎn)之間最近的直線路徑中?；蛘撸?對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層/材料可以設(shè)置為使得雖然不與電極共面，但對被分析物相 應(yīng)的電介質(zhì)材料至少暴露于兩個電極的相鄰的部分之間建立的邊緣電場中。在又一個替代 實施例中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層可以同時設(shè)置在這兩個位置中。通過采用將材料圖案化沉積的熟知方法中的任何方法(如掩模氣相沉積、網(wǎng)版印 刷、噴墨印刷)將導(dǎo)電材料沉積為兩種叉指型圖案，可得到叉指狀電極?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)計 電極圖案的具體幾何/尺寸性質(zhì)(間距、高度、長度等)。在一個實施例中，叉指狀電極設(shè)置在可以由上述材料構(gòu)成的背襯140上。第一電 極120和第二電極130通常設(shè)置在相同背襯140上。在一個實施例(圖2、圖2a和圖3所 示)中，第一電極120的第一表面121、以及第二電極130的第一表面131均直接接觸背襯 140的第一表面141的至少某個部分。在可供選擇的實施例中(未描繪)，電極120和/或 130與背襯140之間可存在任選層，該任選層類似于上述任選層，并且受到相同的問題和約 束ο如圖2、圖2a和圖3的示例性實施例所示，第一電極120和第二電極130的圖案化 沉積可以讓背襯140的表面141 (或其上的任何任選層的表面)的某個區(qū)域暴露在外。然后可通過上文參照平行極板型感測元件所述的類似方法，將對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層沉 積到背襯140上。所沉積的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料因而將充滿兩個電極之間的空 間(如圖2、圖2a和圖3所示空間117)。因此，在該實施例中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層 110的第一表面111將直接接觸背襯140的表面141的至少一部分。如圖2a和圖3所示， 該沉積方法也可以引起對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層110覆蓋、并接觸第一電極的第二表面 123以及第二電極的第二表面133(除非有選擇地進(jìn)行沉積，如將電極中的一個或兩個均掩 蓋)。因此，在多個實施例中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層110的第一表面111直接接觸第 一電極120的第二表面123、和/或第二電極130的第二表面133。在可供選擇的實施例中，任選層(圖2、圖2a或圖3中未示出)可以設(shè)置在第一 電極120的第二表面123的頂部上、和/或第一電極130的第二表面133的頂部上。(在 該實施例中，對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層110的第一表面111與第一電極120的第二表面 123之間、和/或與第二電極130的第二表面133之間可以不進(jìn)行直接接觸。)這種任選層 可以起到上文所述類似的作用(保護(hù)等)。然而，在叉指型感測元件中，一個或兩個電極的 頂部上的任選層可以不必對被分析物而言為可滲透的，因為被分析物可以不必通過滲透任 選層到達(dá)對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層110的區(qū)域117。在一個實施例中，可以將任選覆蓋層150(其可以充當(dāng)保護(hù)層、絕緣層、裝飾層等) 沉積在對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層Iio的第二表面113的頂部上。任何這類覆蓋層都不應(yīng) 顯著妨礙感測元件的功能(如，它對關(guān)注的被分析物而言應(yīng)當(dāng)為可充分滲透的)。該覆蓋層 可以包括通過任何已知的涂布方法(如旋涂、浸涂、溶劑涂布、蒸鍍、轉(zhuǎn)涂、網(wǎng)版印刷、柔性 版印刷等等)沉積的涂層。在替代實施例中，覆蓋層150可以包括設(shè)置在層110的第二表 面113的頂部上的預(yù)制層(如膜或帶)。在沉積對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料(以及任何任選覆蓋層)時，應(yīng)當(dāng)在第一電 極120上設(shè)置電氣可觸及區(qū)域125、以及在第二電極130上設(shè)置可觸及區(qū)域135，以允許每 一個電極和操作電路之間進(jìn)行電接觸。這種電氣可觸及區(qū)域可設(shè)置在任何方便的位置中。 例如，這種電氣可觸及區(qū)域125和135在圖2的示例性例證中被示出位于電極的邊緣上，而 在圖3的示例性例證中被示出位于電極的表面123和133上。在一個實施例中，可以設(shè)置與第一電極120的可觸及區(qū)域125電接觸的連接裝置 (如接觸墊、凸塊等)122。相似地，可以設(shè)置同樣與第二電極130的可觸及區(qū)域135接觸的 連接裝置132。操作電路對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層吸收足夠的被分析物時，與感測元件相關(guān)的電氣性質(zhì)(包括(但不限于)電容、阻抗、導(dǎo)納、電流、或電阻)可以發(fā)生可檢測的變化。這種可檢測 的變化可以被與第一電極和第二電極電氣連通的操作電路28/128檢測到。在上下文中，“操 作電路”通常是指可用于向第一電極和第二電極施加電壓(從而向電極賦予電荷差)和/ 或監(jiān)測感測元件的電氣性質(zhì)的電氣設(shè)備，其中電氣性質(zhì)可以響應(yīng)有機(jī)被分析物的存在而發(fā) 生變化。在多個實施例中，操作電路可以監(jiān)測下列任何一種性質(zhì)或其組合電感、電容、電 壓、電阻、電導(dǎo)系數(shù)、電流、阻抗、相位角、功耗因子、或耗散。這種操作電路可以包括單個設(shè)備，該設(shè)備既向電極施加電壓、又監(jiān)測電氣性質(zhì)。在 可供選擇的實施例中，這種操作電路可以包括兩個單獨(dú)的設(shè)備一個提供電壓、另一個監(jiān)測信號。操作電路可以通過線材24/124和34/134連接到第一電極20/120和第二電極30/130。在可供選擇的實施例中，操作電路可以設(shè)置為直接接觸第一電極和/或第二電極， 這種接觸既可以通過連接裝置22/122和32/132來完成，也可以通過將操作電路的某個部 分直接接觸每一個電極的電氣可觸及區(qū)域來完成。例如，操作電路可設(shè)置為駐留在電路板 或柔性電路(其中的任一者可充當(dāng)背襯40/140)上。然后可將第一電極直接沉積到電路板 /背襯40上，使得它直接接觸操作電路的一部分。操作電路28/128可以包括(例如)電源(其可以包括電池或硬連線的電源；或 者，可以通過(例如)向內(nèi)置到操作電路中的RFID電路充電來間接地提供電源)。操作電 路28/128也可以包括一個或多個微處理器，其被構(gòu)造用于控制電極的充電和/或監(jiān)測被充 電的感測電極對的一個或多個電氣性質(zhì)的變化。另外提供的有模數(shù)轉(zhuǎn)換器、用于保存來自 感測元件的數(shù)據(jù)的存儲裝置、用于操作感測元件的軟件、提供數(shù)據(jù)記錄和/或單向或雙向 遙測功能的元件等。被分析物感測元件(例如本文所公開的)可用于檢測和/或監(jiān)測(不論是定性地還是定 量地)有機(jī)被分析物的存在。這種被分析物可包括(但不限于)烴類、碳氟化合物、烷烴 類、環(huán)烷類、芳族化合物、醇類、醚類、酯類、酮類、商代烴類、胺類、有機(jī)酸類、氰酸鹽類、硝酸 鹽類以及腈類，例如正辛烷、環(huán)己烷、甲基乙基酮、丙酮、乙酸乙酯、二硫化碳、四氯化碳、苯、 苯乙烯、甲苯、二甲苯類、甲基氯仿、四氫呋喃、甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、叔丁醇、2-乙氧 基乙醇、乙酸、2-氨基吡啶、乙二醇單甲醚、甲苯-2，4-二異氰酸酯、硝基甲烷和乙腈等。被 分析物可為相對非極性有機(jī)分子或相對極性有機(jī)分子。被分析物可以為所謂的蒸氣，即在 被分析物(如甲苯、丙酮、庚烷等)所經(jīng)歷的溫度和壓力環(huán)境條件下能夠形成固體或液體的 分子。被分析物可為所謂的氣體，即在環(huán)境條件下通常不能形成液體或固體的分子(但如 上所述，這種分子在對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料的內(nèi)部孔中仍可以具有凝聚度更高的狀 態(tài))。這種氣體可以包括甲烷、乙烷等等。在一些情況下，可以檢測到有機(jī)被分析物分子的 混合物。本發(fā)明通過下列實例進(jìn)一步說明。下列實例中的所有數(shù)值均應(yīng)被視為由術(shù)語“大 約”修飾。實例
凝膠滲透餼譜法(GPC) 利用凝膠滲透色譜法(GPC)測量多種材料的分子量。通過向大約25mg的材料中 添加IOmL的THF來制備每一個樣品。利用0. 25微米的特氟隆注射器過濾器過濾溶液。 將100微升的溶液注入六蒸餾柱套件(JordiAssociates混合床和500A 25cm長的蒸餾 ft, Jordi Associates Inc. (Bellingham, MA)) ψ,Waters 2695 Separation
Module(ffaters 2695 分離模塊)(Waters Corp. (Milford,MA))聯(lián)合使用。Waters 2695 在35°C的溫度下操作，并使用THF作為洗脫液(以1. OmL/min的流速流動)。Shimadzu Scientific RID-10A 折射率檢測器(Shimadzu Scientific Inc. (Columbia,MD))與 Wyatt DAWN EOS 多角度激光散射檢測器(Wyatt Technology, Co. (Santa Barbara, CA))聯(lián)合使用 來檢測濃度變化。利用Wyatt的ASTRA軟件完成分子量的計算首先計算每一個樣品的dn/ dc，然后利用該值計算分子量。結(jié)果用Mw (重均分子量)和Mn (數(shù)均分子量)表示。
制備PIMl一般根據(jù) Budd 等人在 Advanced Materials, 2004, Vol. 16，No. 5, pp. 456-459 (《先 進(jìn)材料》，2004年，第16卷第5冊第456-459頁)中所報道的工序，由單體5，5，，6，6，-四 羥基-3，3，3，，3，-四甲基-1，1，-螺旋雙茚滿和四氟對苯二腈制備PIM材料。將19. 31g 的5，5’，6，6’ -四羥基_3，3，3’，3’ -四甲基_1，1’ -螺旋雙茚滿與11.34g的四氟對苯二 腈、47. 02g的碳酸鉀和500毫升的N，N- 二甲基甲酰胺混合，并將混合物在65°C下反應(yīng)48 小時。將所得聚合物溶解在四氫呋喃中，通過甲醇沉淀三次，然后在室溫條件下于真空中干 燥。得到重均分子量大約為95，000、數(shù)均分子量大約為64，300的黃色固體產(chǎn)物，分子量通 過利用光散射檢測的凝膠滲透色譜法確定。制備PIM2按照關(guān)于PIMl所述的相同一般工序制備PIM材料。將19. 31g的5，5，，6，6，-四 羥基-3，3，3’，3’-四甲基-1，1’-螺旋雙茚滿與11. 34g的四氟對苯二腈、47. 02g的碳酸鉀 和500毫升的N，N- 二甲基甲酰胺混合，并將混合物在65°C下反應(yīng)48小時。將所得聚合物 溶解在四氫呋喃中，通過甲醇沉淀三次，然后在室溫條件下于真空中干燥。得到重均分子量 大約為109，000、數(shù)均分子量大約為73，600的黃色固體產(chǎn)物，分子量通過利用光散射檢測 的凝膠滲透色譜法確定。制備PIM3按照關(guān)于PIMl所述的相同一般工序制備PIM材料。將5. 62g的5，5，，6，6，-四羥 基-3，3，3，，3，-四甲基-1，1，-螺旋雙茚滿與3. 30g的四氟對苯二腈、13. 68g的碳酸鉀和 150毫升的N，N-二甲基甲酰胺混合，并將混合物在65°C下反應(yīng)62小時。將所得聚合物溶 解在四氫呋喃中，通過甲醇沉淀兩次，然后在室溫條件下于真空中干燥。得到重均分子量大 約為65，300、數(shù)均分子量大約為35，600的黃色固體產(chǎn)物，分子量通過利用光散射檢測的凝 膠滲透色譜法確定。制備PIM4按照關(guān)于PIMl所述的相同一般工序制備PIM材料，不同的是使用再結(jié)晶的5，5’， 6,6'-四羥基_3，3，3’，3’ -四甲基_1，1’ -螺旋雙茚滿。在聚合反應(yīng)中使用之前，將購 自Aldrich的5，5，，6，6，-四羥基-3，3，3，，3，-四甲基_1，1，-螺旋雙茚滿從THF/庚烷 (1.2 1)中再結(jié)晶。將33.44g的再結(jié)晶5，5’，6，6’ -四羥基_3，3，3’，3’ -四甲基-1， 1’-螺旋雙茚滿與19. 80g的四氟對苯二腈溶解于900mL的無水N，N- 二甲基甲酰胺中。使 氮?dú)馄鹋萃ㄟ^攪拌的溶液1小時。將81. 45g的碳酸鉀加入單體溶液。將所得混合物在67°C 下用力攪拌67. 5小時。將所得聚合物溶解在四氫呋喃中，通過甲醇沉淀兩次，然后在65°C 條件下于真空中干燥。得到重均分子量大約為58，900、數(shù)均分子量大約為35，800的黃色固 體產(chǎn)物，分子量通過利用光散射檢測的凝膠滲透色譜法確定。制備樣品1使用以IX 10_5托的基底壓力操作的CHA Industries Mark-50蒸發(fā)器 和No. A-2049鋁丸(純度99. 995 %,6X6mm,得自Cerac Inc.)在潔凈的玻璃片 (2. 5cmX2. 5cm)上涂布連續(xù)的(未圖案化的)鋁涂層。以15埃/秒的速度沉積鋁涂層。最 終厚度為lOOnm。用金剛石筆尖的筆在鋁化玻璃上距一個邊緣約5mm處劃線。將劃線后的鋁 化玻璃敲打為5cmX5cm的玻璃塊，使得樣品的整個邊緣周圍都有掩模鋁表面形成的邊距。小心確保掩模區(qū)域距劃線仍有大約2mm。制備4重量％的PIMl氯苯溶液，并使用Laurell Technologies, Corp. (North Wales, PA)制造的 WS-400B-8NPP_Lite Single Wafer 旋 轉(zhuǎn)處理器以1200rpm的轉(zhuǎn)速將溶液旋涂到掩模樣品上2分鐘。使用以商品名Silverjet DGP-40LT-25C 得自 Advanced NanoProducts Co.，Ltd. (South Korea)的銀納米粒子懸浮 液(平均粒徑30nm，懸浮在甲醇中)制備第二電極。將0. 5g的量的這種可直接使用的懸浮 液與1毫升甲醇混合。將稀釋的銀納米粒子懸浮液以IOOOrpm的轉(zhuǎn)速旋涂到PIM膜上2分鐘。從掩模樣品上移除條帶，并將樣品在150°C下、在常規(guī)干燥烘箱中加熱3小時。通過將 預(yù)制掩模附接到樣品上，并在樣品上最靠近劃線的一側(cè)制作一系列Imm寬X4mm長的鋁凸 塊，使得鋁凸塊將第二電極連接到底部鋁電極上。在基底壓力為IX 10_6托的Kurt Lesker 真空系統(tǒng)中進(jìn)行鋁蒸鍍。以5A7sec的速率將購自Alfa Aesar的純度為99. 999%的鋁從 鎢舟中熱蒸發(fā)。最終厚度為lOOnm。該工序從而提供具有第一電極的玻璃(背襯)層，第一 電極具有連續(xù)的鋁層，可將操作電路與該鋁層接觸。鋁電極的頂部上為含PIM材料的對被 分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層(厚度大約600nm)。PIM材料的頂部上為包含微觀不連續(xù)(因此為 被分析物可滲透的)銀層(厚度大約300nm)的第二電極。第二電極通過鋁凸塊接觸較小 的被鋁涂布的區(qū)域，使得通過將操作電路附接到該較小的被鋁涂布的區(qū)域，可以將第二電 極與操作電路連接。制備樣品2按照關(guān)于樣品1所述，在一塊潔凈的玻璃上用鋁涂布、劃線、制作掩模以及用PIMl 涂布。從掩模樣品上移除條帶，并將樣品在150°C下、在常規(guī)干燥烘箱中加熱1小時。將圖 案化的第二電極在PIM材料的頂部上噴墨印刷，以完成該樣品的構(gòu)造。為了噴墨印刷第二 電極，在AdobePhotoshop中創(chuàng)建了位像(702點(diǎn)/英寸)，然后下載到XY沉積系統(tǒng)。用 于沉積銀的印刷頭為具有IOpL的液滴體積、128個噴嘴/孔的DimatixSX3-128印刷頭，印 刷頭組件長度大約為6. 5cm,噴嘴間距為508微米。用于構(gòu)造該電極的銀納米粒子溶膠可以 商品名AG-IJ-G-100-S1購自Cabot。該銀納米粒子溶膠大約含15-40重量％的乙醇、15-40 重量％的乙二醇和20重量％的銀。噴墨印刷期間通過使用多孔鋁真空臺板將樣品固定地 保持。完成印刷時，將樣品從多孔鋁真空臺板上移除，并在125°C下置于Thermolyne熱板上 15分鐘。噴墨印刷銀電極包括由實心矩形和從一端伸出的細(xì)紋組成的梳形圖案。印刷電極 的矩形部分被布置為使得該矩形的一部分位于較小的鍍鋁區(qū)域的一部分的頂部上(使得 通過將導(dǎo)線附接到該較小的鍍鋁區(qū)域上，可以實現(xiàn)與頂部電極的電接觸)，第二印刷電極的 其余部分位于PIM材料的頂部上。電極上的細(xì)紋設(shè)計成長度大約為8. 3mm、寬度大約為102 微米。細(xì)紋之間的間隙設(shè)計成大約152微米。(應(yīng)該指出的是，所有這些尺寸均為位像 的標(biāo)稱尺寸，而不是實際“印刷的”尺寸)。該工序提供第一電極包含連續(xù)鋁的玻璃背襯層。鋁電極的頂部上為包含PIM材料 的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層，包括梳形圖案銀層的第二電極位于PIM層的頂部上。可以 按照參照樣品1所述的類似方式將操作電路附接到電極上。制備樣品3通過將銅(厚度大約43微米)蒸鍍到聚酰亞胺背襯層(厚度大約52微米)上， 制備叉指狀電極換能器。電極包括連接到導(dǎo)線的尺寸為0. 5cmX0. 5cm的叉指狀梳形圖案。電極細(xì)紋寬度大約為20微米，間距大約為40微米。將叉指狀換能器敲打成5cmX5cm的玻 璃塊，使得換能器的兩端被條帶覆蓋，并且條帶中的一個完全覆蓋導(dǎo)線。將4重量％的PIMl 氯苯溶液(制備方法如上)以2500rpm的速度旋涂到掩模樣品上2分鐘。將條帶從掩模 樣品上移除。該工序從而提供具有第一叉指狀銅電極和第二叉指狀銅電極的聚酰亞胺背襯 層。叉指狀電極的頂部上為包含厚度大約400nm的PIM材料的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層。制備樣品4通過將金蒸鍍到聚合物背襯層上，制備叉指狀電極換能器。然后以光刻法的方式 來限定金，以具有連接到導(dǎo)線上的尺寸為1. 2cmX 1. Ocm的叉指狀梳形圖案。電極細(xì)紋間距 大約為320微米。將叉指狀換能器敲打成5cmX 5cm的玻璃塊，使得換能器的兩端被條帶覆 蓋，并且條帶中的一個完全覆蓋導(dǎo)線。將4重量％的？通2氯苯溶液(制備方法如上)以 1200rpm的速度旋涂到掩模樣品上2分鐘。從掩模樣品上移除條帶，并將樣品在100°C下、 在常規(guī)干燥烘箱中加熱1小時。該工序從而提供具有第一和第二叉指金電極的聚合物背襯 層。叉指狀電極的頂部上為包含厚度大約400nm的PIM材料的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層。制備樣品5通過將金蒸鍍到聚合物背襯層上，制備叉指狀電極換能器。然后以光刻法的方式 來限定金，以具有連接到導(dǎo)線上的尺寸為1. 2cmX 1. Ocm的叉指狀梳形圖案。電極細(xì)紋間距 大約為120微米。將叉指狀換能器敲打成5cmX 5cm的玻璃塊，使得換能器的兩端被條帶覆 蓋，并且條帶中的一個完全覆蓋導(dǎo)線。將4重量％的？通2氯苯溶液(制備方法如上)以 1200rpm的速度旋涂到掩模樣品上2分鐘。從掩模樣品上移除條帶，并將樣品在100°C下、 在常規(guī)干燥烘箱中加熱1小時。該工序從而提供具有第一和第二叉指金電極的聚合物背襯 層。叉指狀電極的頂部上為包含厚度大約400nm的PIM材料的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層。制備樣品6通過將金蒸鍍到聚合物背襯層上，制備叉指狀電極換能器。然后以光刻法的方式 來限定金，以具有連接到導(dǎo)線上的尺寸為1. 2cmX 1. Ocm的叉指狀梳形圖案。電極細(xì)紋間 距大約為80微米。將叉指狀換能器敲打成5cmX5cm的玻璃塊，使得換能器的兩端被條帶 覆蓋，并且條帶中的一個完全覆蓋導(dǎo)線。將4重量％的？通2氯苯溶液(制備方法如上)以 1200rpm的速度旋涂到掩模樣品上2分鐘。從掩模樣品上移除條帶，并將樣品在100°C下、 在常規(guī)干燥烘箱中加熱1小時。該工序從而提供具有第一和第二叉指金電極的聚合物背襯 層。叉指狀電極的頂部上為包含厚度大約400nm的PIM材料的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層。制備樣品7通過將金蒸鍍到聚合物背襯層上，制備叉指狀電極換能器。然后以光刻法的方式 來限定金，以具有連接到導(dǎo)線上的尺寸為1. 2cmX 1. Ocm的叉指狀梳形圖案。電極細(xì)紋間 距大約為40微米。將叉指狀換能器敲打成5cmX5cm的玻璃塊，使得換能器的兩端被條帶 覆蓋，并且條帶中的一個完全覆蓋導(dǎo)線。將4重量％的？通2氯苯溶液(制備方法如上)以 1200rpm的速度旋涂到掩模樣品上2分鐘。從掩模樣品上移除條帶，并將樣品在100°C下、 在常規(guī)干燥烘箱中加熱1小時。該工序從而提供具有第一和第二叉指金電極的聚合物背襯 層。叉指狀電極的頂部上為包含厚度大約400nm的PIM材料的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層。制備樣品8通過依次熱蒸鍍(DV-502A, Denton Vacuum (Moorestown, NewJersey)) 20 埃的鉻和IOOnm的金，制備鍍金聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET) (ST504，杜邦公司(Wilmington， Delaware))基底。通過用光刻法在直徑IOcm的硅晶圓上制備光致抗蝕劑(Shipleyl818，Rohm and Haas公司(Philadelphia，Pennsylvania))圖案，生成用于模鑄彈性體壓模的母模。通過 將未固化的聚二甲基硅氧烷(PDMS,SylgardTM184,Dow Corning (Midland Michigan))傾注 在母模上形成大約3. Omm的厚度，對照母模模鑄了彈性體壓模。通過將接觸母模的未固化 有機(jī)硅暴露于真空中，除去氣體，然后將其在70°C下固化2小時。從母模上剝離后，得到具 有浮雕圖案的PDMS壓模，其浮雕圖案具有高度大約1.8微米的凸起特征。利用該壓模，制 備電極細(xì)紋寬度大約為3微米、間距大約為10微米的叉指狀電極換能器。為了制備叉指狀電極換能器，通過將結(jié)構(gòu)化的壓模的背面(無浮雕圖案的平 坦表面)接觸 IOmM 的十八烷硫醇(“0DT，，00005，TCI AMERICA(ffellesley Hills, Massachusetts))乙醇溶液20小時，對該壓模進(jìn)行噴墨。通過首先將鍍金PET膜樣品的邊緣 與壓模表面接觸，然后用直徑約3. Ocm的輥?zhàn)幽雺涸揚(yáng)ET膜，使其與整個壓模接觸，來讓PET 膜接觸壓模的浮雕圖案表面(該面朝上)。然后使鍍金PET膜與壓模保持接觸20秒，從而 在金表面形成圖案化的硫醇類自組裝單層(SAM)。然后將鍍金PET膜從壓模上剝離。然后 將具有印刷圖案的鍍金PET膜浸入蝕刻劑溶液50秒，以進(jìn)行選擇性蝕刻和金屬圖案化。該 蝕刻劑包含 1. Og 的硫脲(T8656, Sigma-Aldrich(St. Louis, Missouri))、0. 54ml 的濃鹽酸 (HX0603-75, EMDChemicals (Gibbstown, New Jersey)) ,0. 5ml 的過氧化氫(30%，5240-05， Mallinckrodt Baker (Phi 11 ipsburg，New Jersey))和 21g 的去離子水。在對金進(jìn)行圖案化 蝕刻之后，使用由 2. 5g 的高錳酸鉀(PX1551-1，EMDChemicals (Gibbstown, New Jersey))、 4g 的氫氧化鉀(484016，Sigma-Aldrich(St. Louis, Missouri))和 100ml 的去離子水配成 的溶液對殘余的鉻進(jìn)行蝕刻。將叉指狀換能器敲打成5cmX 5cm的玻璃塊，使得換能器的兩 端被條帶覆蓋，并且條帶中的一個完全覆蓋導(dǎo)線。將4重量％的？通2氯苯溶液(制備方法 如上)以1200rpm的速度旋涂到掩模樣品上2分鐘。將條帶從掩模樣品上移除，并將樣品 在100°C的常規(guī)干燥烘箱中加熱1小時。該工序從而提供具有第一和第二叉指金電極的聚 合物背襯層。叉指狀電極的頂部上為包含厚度大約400nm的PIM材料的對被分析物相應(yīng)的 電介質(zhì)層。制備樣品9利用掩模以及上文“制備樣品1”中所述設(shè)備，在一塊潔凈的玻璃(2. 5cmX2.5cm) 上的1. 2cmX2. Ocm的一角處依次蒸鍍IOnm的鈦和IOOnm的鋁，形成連續(xù)(未圖案化)涂 層。利用PIM3的氯苯溶液在整個玻璃片的頂部上旋涂750nm厚的層。用含少量丙酮的 拭子移除PIM層，露出底部鋁電極的一小角，以用于連接到操作電路。利用上文“制備樣 品2”中所述噴墨印刷法，在PIM層的頂部上印刷0. 9cmX 1. 5cm的銀納米粒子溶膠(Cabot AG-IJ-G-100-S1)矩形，其中PIM層被布置為使得該矩形只有0. 9cmX 1. Ocm的部分直接位 于底部鋁電極上。完成印刷時，將樣品在125°C下置于Thermolyne熱板上15分鐘。為了提 高連接到頂部電極的能力，利用Advanced Nano Products Co. , Ltd.的銀納米粒子懸浮液 (得自 Advanced Nano Products Co. ,Ltd.的 Silverjet DGP-40LT-25C)將頂部噴墨印刷 電極增厚(僅在不直接位于底部鋁電極上方的區(qū)域)。只需要用油漆刷子將該納米粒子懸 浮液刷到所需區(qū)域的頂部上，便完成增厚步驟。在增厚步驟之后，將樣品在150°C下、在常規(guī)干燥烘箱中干燥1小時。該工序提供第一電極包含連續(xù)鋁的玻璃背襯層。鋁電極的頂部上為包含PIM材料的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層，并且包括微觀不連續(xù)(因此為被分析物可 滲透的)銀層的第二電極位于PIM層的頂部上。可以按照參照樣品1所述的類似方式將操 作電路附接到電極上。制備樣品10利用掩模以及上文“制備樣品1”中所述設(shè)備，在一塊潔凈的玻璃(2. 5cmX2. 5cm) 上的1. 2cmX2. Ocm的一角處依次蒸鍍IOnm的鈦和IOOnm的鋁，形成連續(xù)(未圖案化)涂 層。利用PIM4的氯苯溶液在整個玻璃片的頂部上旋涂400nm厚的層。用含少量丙酮的 拭子移除PIM層，露出底部鋁電極的一小角，以用于連接到操作電路。利用上文“制備樣 品2”中所述噴墨印刷法，在PIM層的頂部上印刷0. 9cmX 1. 5cm的銀納米粒子溶膠(Cabot AG-IJ-G-100-S1)矩形，其中PIM層被布置為使得該矩形只有0. 9cmX 1. Ocm的部分直接位 于底部鋁電極上。完成印刷時，將樣品在125°C下置于Thermolyne熱板上15分鐘。為了提 高連接到頂部電極的連接能力，利用Advanced Nano Products Co. , Ltd.的銀納米粒子懸 浮液(得自 Advanced Nano Products Co. ,Ltd.的 Silverjet DGP-40LT-25C)將頂部噴墨 印刷電極增厚(僅在不直接位于底部鋁電極上方的區(qū)域)。只需要用油漆刷子將該納米粒 子懸浮液刷到所需區(qū)域的頂部上，便完成增厚步驟。在增厚步驟之后，將樣品在150°C下、在 常規(guī)干燥烘箱中干燥1小時。該工序提供第一電極包含連續(xù)鋁的玻璃背襯層。鋁電極的頂 部上為包含PIM材料的對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)層，并且包括微觀不連續(xù)(因此為被分析 物可滲透的)銀層的第二電極位于PIM層的頂部上?？梢园凑諈⒄諛悠?所述的類似方式 將操作電路附接到電極上。測試樣品1使用簡單的定制構(gòu)建的直通遞送體系將已知濃度的丙酮遞送至樣品以進(jìn)行測量。 遞送體系整體采用特氟隆管子。將氮?dú)鈬娙牒幸簯B(tài)丙酮的容器內(nèi)并保持恒溫，以形成含 有飽和丙酮的氮?dú)饬?。利用得自FisherScientific的制冷機(jī)使液態(tài)丙酮保持恒溫，并按 照 Handbook of VaporPressure (蒸氣壓力手冊)(Yaws, C. I. Gulf Publishing :Houston, 1994)中的方法計算為形成飽和丙酮?dú)饬鞫獙⒅评錂C(jī)保持在哪個溫度。通過使用一系 列質(zhì)量流量控制器，用額外的氮?dú)鈱⒋孙柡捅獨(dú)饬飨♂?。使用紅外光譜儀(可以商品名 Miran Sapphire得自ThermoElectron(Waltham，MA))校準(zhǔn)氣流中丙酮的濃度。將丙酮?dú)?流通入含有樣品1的樣品箱(保持受控溫度)。利用鱷魚夾將樣品的第一電極和第二電極 連接到包括LCR測量儀(可以商品名Instek Model 821 LCR測量儀得自InstekAmerica, Corp. (Chino, CA))的操作電路。在整個蒸氣測試期間，按特定時間間隔以10千赫的頻率 監(jiān)測樣品電容(以毫微法拉計)的變化(如圖4所示)。首先將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量樣品在環(huán)境條件下(相對濕度大約 58%的室內(nèi)空氣中)的初始電容。然后從O時點(diǎn)開始將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度 大約8%，20°C)中。然后將試驗箱密封，將含394ppm的丙酮的氮?dú)饬饕朐囼炏渲胁⒈３?第一時期。然后將試驗箱返回到干燥氮?dú)猸h(huán)境中。反復(fù)再暴露于394ppm的丙酮中兩次，并 在每一次暴露于丙酮中之后都將樣品暴露于無丙酮的干燥氮?dú)饬髦?。在最后一次暴露于?燥氮?dú)庵兄?，將樣品暴露于?15ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬髦小＝?jīng)過一段時間后，將丙酮 的濃度逐步降低到651ppm、394ppm和133ppm。此后，將樣品暴露于干燥的氮?dú)庵?。接著打開試驗箱，并將樣品暴露于環(huán)境條件下(相對濕度51%的空氣中)。測試樣品2利用參照樣品1所述的相同裝置測試樣品2(制備方法如上)。在整個蒸氣測試期間，按特定時間間隔以10千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以毫微法拉計)的變化(如圖5所 示)。測試開始時，將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量樣品在室內(nèi)環(huán)境條件下(相對濕 度大約64%的空氣中)的初始電容。然后將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大約8%， 20°C)中。將試驗箱密封，將含394ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲?。然后將試驗?重新返回到干燥氮?dú)猸h(huán)境中。反復(fù)再暴露于394ppm的丙酮中兩次，并在每一次暴露之后都 將樣品暴露于干燥氮?dú)饬髦?。接著，依次將樣品暴露于?33、394、651和915ppm的丙酮的 氮?dú)饬?，并在每一次暴露之后將樣品返回到無丙酮的干燥氮?dú)猸h(huán)境中。在最后一次暴露于 干燥氮?dú)庵兄?，將樣品暴露于?15ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬髦小＝?jīng)過一段時間后，將丙 酮的濃度逐步降低到651ppm、394ppm和133ppm。此后，將樣品暴露于干燥的氮?dú)庵小＝又?打開試驗箱，并將樣品暴露于環(huán)境條件下(相對濕度64%的空氣中)。測試樣品3利用參照樣品1所述的相同裝置測試樣品3 (制備方法如上)。在測試期間，按特 定時間間隔以20千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以微微法計)的變化(如圖6所示)。蒸氣 測試開始時，將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量樣品在室內(nèi)環(huán)境條件下(相對濕度為 40%的空氣中，圖6未示出)的初始電容。然后將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度8%， 20°C)中。將試驗箱密封，將含133ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲?在圖6中，暴 露于氮?dú)庵信c暴露于133ppm的丙酮中之間的峰為人為結(jié)果)。在丙酮濃度為133ppm的條 件下經(jīng)過一段時間之后，將丙酮濃度增加到394ppm。在丙酮濃度為394ppm的條件下經(jīng)過一 段時間之后，將丙酮濃度增加到651ppm。在丙酮濃度為651ppm的條件下經(jīng)過一段時間之 后，將丙酮濃度增加到915ppm。在此之后，將樣品暴露于干燥的氮?dú)庵?。接著打開試驗箱， 并將樣品暴露于環(huán)境條件下(相對濕度40%的空氣中)。測試樣品4利用參照樣品1所述的相同裝置測試樣品4(制備方法如上)。在測試期間，按特定 時間間隔以10千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以微微法計)的變化(如圖7所示)。測試開始 時，將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量樣品在室內(nèi)環(huán)境條件下(相對濕度大約50%的 空氣中)的初始電容。將試驗箱密封，然后將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大約8%， 20°C)中。然后將含133ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲?。然后將試驗箱返回到干?氮?dú)猸h(huán)境中。重新暴露于133ppm的丙酮中，然后暴露于干燥氮?dú)庵?。接著將?94ppm的丙 酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲小Ｈ缓髮⒃囼炏浞祷氐礁稍锏獨(dú)猸h(huán)境中。重新暴露于394ppm 的丙酮中，然后暴露于干燥氮?dú)庵?。在暴露于干燥氮?dú)庵?，將樣品暴露于?51ppm的丙 酮的干燥氮?dú)饬髦?。?jīng)過一段時間后，將丙酮的濃度逐步降低到394ppm和133ppm。此后， 將樣品暴露于干燥的氮?dú)庵?。測試樣品5利用參照樣品1所述的相同裝置測試樣品5(制備方法如上)。在測試期間，按特定 時間間隔以10千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以微微法計)的變化(如圖8所示)。測試開始 時，將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量樣品在室內(nèi)環(huán)境條件下(相對濕度大約52%的空氣中)的初始電容。將試驗箱密封，然后將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大約8%， 20°C)中。然后將含133ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲小Ｈ缓髮⒃囼炏浞祷氐礁稍?氮?dú)猸h(huán)境中。重新暴露于133ppm的丙酮中，然后暴露于干燥氮?dú)庵?。然后將?94ppm的丙 酮的氮?dú)饬饕朐囼炏渲小Ｈ缓髮⒃囼炏浞祷氐礁稍锏獨(dú)猸h(huán)境中。重新暴露于394ppm的 丙酮中，然后暴露于干燥氮?dú)庵?。在暴露于干燥氮?dú)庵兄螅瑢悠繁┞队诤?51ppm的丙 酮的干燥氮?dú)饬髦?。?jīng)過一段時間后，將丙酮濃度逐步降低到394ppm和133ppm。此后，將 樣品暴露于干燥的氮?dú)庵小＝又蜷_試驗箱，并將樣品暴露于環(huán)境條件下(相對濕度50% 的空氣中)。
測試樣品6利用參照樣品1所述的相同裝置測試樣品6(制備方法如上)。在測試期間，按特定 時間間隔以10千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以微微法計)的變化(如圖9所示)。測試開始 時，將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量樣品在室內(nèi)環(huán)境條件下(相對濕度大約71%的 空氣中)的初始電容。將試驗箱密封，然后將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大約8%， 20°C)中。然后將含133ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲?。然后將試驗箱返回到干?氮?dú)猸h(huán)境中。重新暴露于133ppm的丙酮中，然后暴露于干燥氮?dú)庵?。然后將?94ppm的丙 酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲?。然后將試驗箱返回到干燥氮?dú)猸h(huán)境中。重新暴露于394ppm 的丙酮中，然后暴露于干燥氮?dú)庵小Ｔ诒┞队诟稍锏獨(dú)庵兄?，將樣品暴露于?51ppm的 丙酮的干燥氮?dú)饬髦?。?jīng)過一段時間后，將丙酮的濃度逐步降低到394ppm和133ppm。此 后，將樣品暴露于干燥的氮?dú)庵?。接著打開試驗箱，并將樣品暴露于環(huán)境條件下(相對濕度 71%的空氣中)。測試樣品7利用參照樣品1所述的相同裝置測試樣品7 (制備方法如上)。在測試期間，按特 定時間間隔以10千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以微微法計)的變化(如圖10所示)。測 試開始時，將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量樣品在室內(nèi)環(huán)境條件下(相對濕度大約 74%的空氣中)的初始電容。將試驗箱密封，然后將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大 約8%，20°C)中。然后將含133ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲小Ｈ缓髮⒃囼炏浞?回到干燥氮?dú)猸h(huán)境中。重新暴露于133ppm的丙酮中，然后暴露于干燥氮?dú)庵?。然后將?394ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲?。然后將試驗箱返回到干燥氮?dú)猸h(huán)境中。重新暴 露于394ppm的丙酮中，然后暴露于干燥氮?dú)庵?。在暴露于干燥氮?dú)庵兄?，將樣品暴露?含651ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬髦小＝?jīng)過一段時間后，將丙酮的濃度逐步降低到394ppm和 133ppm。此后，將樣品暴露于干燥的氮?dú)庵小＝又蜷_試驗箱，并將樣品暴露于環(huán)境條件下 (相對濕度71%的空氣中)。測試樣品8利用參照樣品1所述的相同裝置測試樣品8 (制備方法如上)。在測試期間，按特 定時間間隔以200千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以微微法計)的變化(如圖11所示)。測 試開始時，將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量樣品在室內(nèi)環(huán)境條件下(相對濕度大約 66%的空氣中)的初始電容。將試驗箱密封，然后將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大 約8%，20°C)中。然后將含133ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲小Ｈ缓髮⒃囼炏浞?回到干燥氮?dú)猸h(huán)境中。重新暴露于133ppm的丙酮中，然后暴露于干燥氮?dú)庵?。然后將?94ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲?。然后將試驗箱返回到干燥氮?dú)猸h(huán)境中。重新暴 露于394ppm的丙酮中，然后暴露于干燥氮?dú)庵?。在暴露于干燥氮?dú)庵兄?，將樣品暴露?含133ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬髦?。?jīng)過一段時間后，將丙酮的濃度逐步增加到394ppm和 651ppm。在651ppm的丙酮的條件下暴露一段時間后，將丙酮的濃度逐步降低到394ppm和 133ppm。此后，將樣品暴露于干燥的氮?dú)庵?。接著打開試驗箱，并將樣品暴露于環(huán)境條件下 (相對濕度65%的空氣中)。測試樣品9利用參照樣品1所述的相同裝置測試樣品9 (制備方法如上)。在測試期間，按特 定時間間隔以1千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以毫微法拉計)的變化。數(shù)據(jù)繪制在圖12中， 其繪制為電容比(△〔/(；，相對于絕對電容)隨時間變化的關(guān)系圖。將樣品放在試驗箱中， 然后將試驗箱密封。隨后將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大約8%，20°C，圖12未示 出)中。整個實驗過程中，樣品在這些干燥氮?dú)猸h(huán)境中的電容被用作C。值。整個實驗過程 在20°C的恒溫下進(jìn)行，因此相對濕度也是在該溫度下計算。然后將樣品暴露于含有相對濕 度12%的氮?dú)饬髦?。?jīng)過一段時間后，將樣品暴露于含50ppm的丙酮并且相對濕度為12% 的氮?dú)饬髦?。將相對濕度保持?2%，并將丙酮的濃度依次逐步增加到250ppm、500ppm和 IOOOppm0然后使試驗箱返回到相對濕度為12%的氮?dú)猸h(huán)境中。經(jīng)過一段時間后，將氮?dú)?流的相對濕度增加到24%。接著在相對濕度保持在24%的情況下，將樣品依次暴露于丙酮 濃度不斷增加(50ppm、250ppm、500ppm和IOOOppm)的環(huán)境中。然后使試驗箱返回到相對濕 度為24%的氮?dú)猸h(huán)境中。經(jīng)過一段時間后，將氮?dú)饬鞯南鄬穸仍黾拥?9%。接著在相對 濕度保持在39%的情況下，將樣品依次暴露于丙酮濃度不斷增加(50ppm、250ppm、500ppm 和IOOOppm)的環(huán)境中。然后使試驗箱返回到相對濕度為39%的氮?dú)猸h(huán)境中。然后使試驗 箱返回到干燥的氮?dú)猸h(huán)境中(相對濕度8%)。經(jīng)過一段時間后，將氮?dú)饬鞯南鄬穸仍?加到56%。接著在相對濕度保持在56%的情況下，將樣品依次暴露于丙酮濃度不斷增加 (50ppm、250ppm、500ppm和IOOOppm)的環(huán)境中。然后使試驗箱返回到相對濕度為56%的 氮?dú)猸h(huán)境中。經(jīng)過一段時間后，將氮?dú)饬鞯南鄬穸仍黾拥?0%。接著在相對濕度保持在 70%的情況下，將樣品依次暴露于丙酮濃度不斷增加(50ppm、250ppm、500ppm和IOOOppm) 的環(huán)境中。然后使試驗箱返回到相對濕度為70%的氮?dú)猸h(huán)境中。經(jīng)過一段時間后，將氮?dú)?流的相對濕度增加到88%。接著在相對濕度保持在88%的情況下，將樣品依次暴露于丙酮 濃度不斷增加(50ppm、250ppm、500ppm和IOOOppm)的環(huán)境中。然后將樣品暴露于相對濕度 88%、含Oppm的丙酮的氣流中。然后將樣品返回到干燥的氮?dú)猸h(huán)境(相對濕度8%)中。測試樣品10利用參照樣品1所述的相同裝置測試樣品10 (制備方法如上)。在測試期間，按特定時間間隔以1千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以毫微法拉計)的變化。數(shù)據(jù)繪制在圖13中， 其繪制為電容比(△〔/(；)隨時間變化的關(guān)系圖。將樣品放在試驗箱中，然后將試驗箱密封。 然后將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大約8%，20°C)中。整個實驗過程中，樣品在這 些干燥氮?dú)猸h(huán)境中的電容被用作C。值。將含5ppm的丙酮的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲?。?后將試驗箱返回到干燥氮?dú)猸h(huán)境中。接著將樣品暴露于含IOppm的丙酮的干燥氮?dú)饬髦小?經(jīng)過一段時間后，將丙酮的濃度增加到20ppm。此后，將樣品依次暴露于含50ppm、100ppm、 200ppm和500ppm的丙酮的氮?dú)饬髦?。然后將樣品返回到干燥氮?dú)猸h(huán)境中(在圖13中，暴露于200ppm的丙酮中和暴露于500ppm的丙酮中之間的電容比下降是遞送被分析物過程中的問題所導(dǎo)致的人為結(jié)果)。測試樣品11利用參照樣品1所述的相同裝置，對按照“制備樣品2”中所述類似方式制備的新 樣品進(jìn)行甲苯響應(yīng)測試。在測試期間，按特定時間間隔以1千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以 毫微法拉計)的變化(如圖14所示)。測試開始時，將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量 樣品在室內(nèi)環(huán)境條件下(相對濕度大約29%的空氣中)的初始電容。將試驗箱密封，并將 樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大約8%，20°C)中。然后將含16ppm的甲苯的干燥氮?dú)?流引入試驗箱中。經(jīng)過一段時間后，將甲苯的濃度增加到26ppm。此后，將樣品依次暴露于 含48ppm、91ppm和175ppm的甲苯的氮?dú)饬髦?。然后將樣品返回到干燥的氮?dú)猸h(huán)境中。測試樣品12利用參照樣品1所述的相同裝置，對按照“制備樣品2”中所述類似方式制備的新 樣品進(jìn)行己烷響應(yīng)測試。測試期間，按特定時間間隔以1千赫的頻率監(jiān)測樣品電容(以毫 微法拉計)的變化(如圖15所示)。測試開始時，將樣品置于未密封的試驗箱中，以測量樣 品在室內(nèi)環(huán)境條件下(相對濕度大約23%的空氣中)的初始電容。將試驗箱密封，然后將 樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大約8%，20°C)中。然后將含73ppm的己烷的干燥氮?dú)?流引入試驗箱中。經(jīng)過一段時間后，將己烷的濃度增加到117ppm。此后，將樣品依次暴露于 含231、322和408ppm的己烷的氮?dú)饬髦?。然后將樣品返回到干燥的氮?dú)猸h(huán)境中。測試樣品13利用參照樣品1所述的相同裝置，對按照“制備樣品2”中所述類似方式制備的新 樣品進(jìn)行異丙醇(IPA)響應(yīng)測試。測試期間，按特定時間間隔以1千赫的頻率監(jiān)測樣品電容 (以毫微法拉計)的變化(如圖16所示)。測試開始時，將樣品置于未密封的試驗箱中，以 測量樣品在室內(nèi)環(huán)境條件下(相對濕度大約23%的空氣中)的初始電容。將試驗箱密封， 然后將樣品暴露于干燥的氮?dú)?相對濕度大約8%，20°C)中。將含45ppm的異丙醇(IPA) 的干燥氮?dú)饬饕朐囼炏渲?。然后將試驗箱返回到干燥氮?dú)猸h(huán)境中。接著將樣品暴露于含 15ppm的IPA的干燥氮?dú)饬髦?。?jīng)過一段時間后，將IPA的濃度增加到23ppm。此后，將樣品 依次暴露于含45ppm、87ppm、171ppm和254ppm的IPA的氮?dú)饬髦小Ｈ缓髮悠贩祷氐礁稍?的氮?dú)猸h(huán)境中。接著打開試驗箱，并將樣品暴露于環(huán)境條件下(相對濕度26%的空氣中)。本文描述了本發(fā)明的一些實施例。然而應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的情況下可以 作出多種修改。因此，其他的實施例在以下權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于感測有機(jī)化學(xué)被分析物的感測元件，包括第一電極和第二電極；和對被分析物響應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì)材料，其設(shè)置為至少靠近所述第一電極和第二電極，其中所述對被分析物響應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì)材料為固有微孔性的聚合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測元件，其中所述固有微孔性的聚合物包含由剛性連接基 連接的大致平面的物種構(gòu)成的有機(jī)高分子，所述剛性連接基具有扭曲點(diǎn)，使得由所述連接 基連接的兩個相鄰的平面的物種保持在非共面取向中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感測元件，其中所述固有微孔性的聚合物包含由剛性連接基 主要連接到最多兩個其他所述第一物種的大致平面的第一物種構(gòu)成的有機(jī)高分子，所述剛 性連接基具有扭曲點(diǎn)，使得由所述連接基連接的兩個相鄰的第一平面的物種保持在非共面 取向中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感測元件，其中所述扭曲點(diǎn)為螺基、橋環(huán)部分或空間位阻的 單個共價鍵，在所述單個共價鍵周圍存在受限的旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測元件，其中所述電極中的至少一個對有機(jī)化學(xué)被分析物 而言為可滲透的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的感測元件，其中所述可滲透的電極具有不連續(xù)的導(dǎo)電材料層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的感測元件，其中所述可滲透的電極具有圖案化的導(dǎo)電材料層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測元件，其中所述感測元件具有平行極板電容器構(gòu)型。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測元件，其中所述感測元件具有叉指狀電容器構(gòu)型。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測元件，其中所述感測元件具有靠近所述電極中的至少 一個的背襯。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感測元件，其中所述感測元件具有靠近所述電極中的至少一個的覆蓋層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的感測元件，其中所述覆蓋層對有機(jī)化學(xué)被分析物而言為可 滲透的。
13.一種用于感測有機(jī)化學(xué)被分析物的傳感器，所述傳感器包括感測元件，其包括第一電極、第二電極和設(shè)置為至少靠近所述第一電極和第二電極的 對被分析物響應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì)材料，其中所述對被分析物響應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì) 材料為固有微孔性的聚合物；以及操作電路，其與所述第一電極和第二電極電氣連通，其中所述操作電路能夠向所述第 一電極和第二電極施加電壓，并且能夠檢測所述感測元件的電氣性質(zhì)的變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述固有微孔性的聚合物包含由剛性連接基 連接的大致平面的物種構(gòu)成的有機(jī)高分子，所述剛性連接基具有扭曲點(diǎn)，使得由所述連接 基連接的兩個相鄰的平面的物種保持在非共面取向中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述固有微孔性的聚合物包含由剛性連接基 主要連接到最多兩個其他所述第一物種的大致平面的第一物種構(gòu)成的有機(jī)高分子，所述剛 性連接基具有扭曲點(diǎn)，使得由所述連接基連接的兩個相鄰的第一平面的物種保持在非共面取向中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述扭曲點(diǎn)為螺基、橋環(huán)部分或空間位阻的 單個共價鍵，在所述單個共價鍵周圍存在受限的旋轉(zhuǎn)。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述電極中的至少一個對有機(jī)化學(xué)被分析物 而言為可滲透的。
18.—種感測有機(jī)化學(xué)被分析物的方法，所述方法包括 提供傳感器，所述傳感器包括感測元件，其包括第一電極、第二電極和設(shè)置為至少靠近所述第一電極和第二電極的 對被分析物響應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì)材料，其中所述對被分析物響應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì) 材料為固有微孔性的聚合物；和操作電路，其與所述第一電極和第二電極電氣連通，其中所述操作電路能夠向所述第 一電極和第二電極施加電壓，并且能夠檢測所述感測元件的電氣性質(zhì)的變化； 將所述感測元件暴露于可能含有一種或多種有機(jī)化學(xué)被分析物的環(huán)境中； 向所述第一電極和第二電極施加電壓；以及 監(jiān)測所述感測元件的電氣性質(zhì)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述感測元件包括電容器，并且其中所述被監(jiān) 測的電氣性質(zhì)為所述感測元件的電容性質(zhì)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述被監(jiān)測的性質(zhì)為所述感測元件的所述電容。
全文摘要
本發(fā)明申請人公開了用于感測有機(jī)化學(xué)被分析物的感測元件，感測元件包括第一電極、第二電極和設(shè)置為至少靠近第一電極和第二電極的對被分析物相應(yīng)的微孔疏水性電介質(zhì)材料。對被分析物相應(yīng)的電介質(zhì)材料可以為固有微孔性的聚合物?？杀O(jiān)測感測元件的電氣性質(zhì)，例如電容，以便感測有機(jī)化學(xué)被分析物。
文檔編號G01N27/30GK101815936SQ200880109912
公開日2010年8月25日 申請日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月5日
發(fā)明者尼爾·A·拉科, 斯特凡·H·格里斯卡, 納爾遜·B·小奧布賴恩, 邁克爾·S·文德蘭 申請人:3M創(chuàng)新有限公司