(57)【要約】      （修正有）【課題】ナノ粒子／ナノファイバに基づく化学センサ装置及びそのような装置のアレイ、その製造方法、及びその使用方法に関し、さらに検体の検出方法に関する。【解決手段】導電性または半導体性の粒子またはファイバを有する基板１上の検体感知層３と、少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーまたは少なくとも１種のポリマー電解質を有する前記検体感知層上のポリマー層とを有する化学センサ。【選択図】図１
2007192805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満である導電性または半導体性の粒子またはファイバを有する前記基板上の検体感知層と、
少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーまたは少なくとも１種のポリマー電解質を有する前記検体感知層上のポリマー層と
を有する、化学センサ。
【請求項２】
前記検体感知層は、平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満、より好ましくは１〜１００ｎｍ、最も好ましくは１〜５０ｎｍの範囲の直径である導電性または半導体性の粒子を有することを特徴とする
請求項１に記載の化学センサ。
【請求項３】
前記検体感知層は、非導電性または半導体性である、有機媒体好ましくは有機ポリマー媒体をさらに有し、前記導電性または半導体性の粒子は前記有機ポリマー媒体に埋め込まれていることを特徴とする
請求項２に記載の化学センサ。
【請求項４】
前記検体感知層は有機ポリマー媒体を有さず、前記導電性または半導体性の粒子は有機リンカー分子によって互いに結合されており、または、前記導電性または半導体性の粒子は有機リガンド分子によって覆われていることを特徴とする
請求項２に記載の化学センサ。
【請求項５】
前記検体感知層は、１μｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以下、さらに好ましくは１〜３００ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする
請求項１〜４のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項６】
前記ポリマー層は、１０μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、さらに好ましくは１００ｎｍ以下、またさらに好ましくは７０ｎｍ未満、最も好ましくは１〜５０ｎｍの範囲の厚さを有することを特徴とする
請求項１〜５のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項７】
前記ポリマー層と前記検体感知層の厚さの比は０．００１〜１００００の範囲であり、好ましくは０．０１〜１０の範囲であり、さらに好ましくは０．０１〜１の範囲であり、最も好ましくは０．１〜１であることを特徴とする
請求項１〜６のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項８】
前記少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーまたは前記少なくとも１種のポリマー電解質は、１０００〜１０６の範囲の平均の分子量を有することを特徴とする
請求項１〜７のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項９】
前記少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーは、合成ポリマー、即ち、ポリアミド、ポリアミドアミン、ポリプロプレンイミン、ポリフェニレン、ポリ酸化エチレン、ポリエチレンイミン、超分岐ポリエチレンイミン、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリ４−ビニルフェノール、ポリエピクロルヒドリン、ポリイソブチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリメタクリル酸メチル、ポリカプロラクトンフルオロポリオール、ポリシロキサン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールのようなホモポリマー、または、酸化エチレン−アミドアミン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、スチレン−アリルアルコール共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ビニルメチルエステル−無水マレイン酸共重合体のような共重合体、及びそれらの組み合わせを含むグループから選択され、少なくとも１種のポリマー電解質は、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム塩、ポリアリルアミン塩酸塩、ポリアクリル酸、ポリジアリルジメチルアンモニウム塩化物などの合成ポリマー電解質及びそれらの組み合わせを含むグループから選択され、あるいは、少なくとも１種の非導電性または半導体性ポリマーまたはポリマー電解質は、デキストラン、キチン、キトサン、セルロース、ポリペプチド、タンパク質、ＲＮＡ、ＤＮＡなどの天然ポリマー及び天然ポリマー電解質を含むグループから選択されていることを特徴とする
請求項１〜８のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項１０】
前記基板は、１つまたはいくつかの電極を表面に有し、あるいは、１つまたはいくつかの電界効果トランジスタを表面に有し、前記基板上の前記検体感知層は前記１つまたはいくつかの電極と接触しており、あるいは、好ましくは絶縁層を貫通して前記１つまたはいくつかの電界効果トランジスタの少なくとも１つの導電チャネルと接触しており、あるいは、それ自身に前記１つまたはいくつかの電界効果トランジスタの導電チャネルを形成することを特徴とする
請求項１〜９のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項１１】
前記ポリマー層及び／または前記基板は、ＵＶ、可視及びＩＲ放射を含む１００ｎｍ〜１００００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射に対して透明であることを特徴とする
請求項１〜９のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項１２】
前記導電性または半導体性の粒子は、金属粒子、即ち、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｐｄなどの貴金属粒子、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅなどの貨幣金属粒子、単一ナノ粒子におけるこれらの金属の組み合わせ、例えば合金あるいはコア／シェル金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、例えば、ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅなどのII/VI半導体、あるいはＧａＡｓ，ＩｎＰなどのIII/V半導体、導電性ポリマーなどの有機材料から導電性または半導体性のナノ粒子、カーボンブラック粒子または金属装飾されたカーボンブラック粒子、例えば、Ｐｔ／カーボンブラックまたはＰｔＲｕ／カーボンブラックナノ粒子などの導電性粒子を含むグループから選択されることを特徴とする
請求項１〜１１のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項１３】
前記検体感知層は、平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満、より好ましくは１００ｎｍ未満である導電性のファイバを有することを特徴とする
請求項１，５〜１１のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項１４】
前記導電性のファイバは、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化タングステンのナノファイバなどの金属酸化物ナノファイバ、例えば導電ポリマーの有機材料からのナノファイバ、及びカーボンナノチューブを含むグループから選択されることを特徴とする
請求項１３に記載の化学センサ。
【請求項１５】
前記有機媒体は電気絶縁性または半導体性であり、少なくとも１つのポリマーからなり、前記ポリマーは、ポリイミド、ポリアミドアミン、ポリプロプレンイミン、ポリフェニレン、ポリ酸化エチレン、ポリエチレンイミン、超分岐ポリエチレンイミン、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリ４−ビニルフェノール、ポリエピクロルヒドリン、ポリイソブチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリメタクリル酸メチル、ポリカプロラクトンフルオロポリオール、ポリシロキサン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールのようなホモポリマー、または、酸化エチレン−アミドアミン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、スチレン−アリルアルコール共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ビニルメチルエステル−無水マレイン酸共重合体のような共重合体、及びそれらの組み合わせ、を有するグループから選択されることを特徴とする
請求項３，５〜１２のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項１６】
前記有機リガンド分子は、それらの官能基の一つにより、導電性粒子の表面に付くことができる単官能、二官能、または多官能の有機化合物であり、そのような官能基は、好ましくは、硫黄含有官能基、窒素含有官能基、リン含有官能基、または酸素含有官能基、例えば下記の化学式を含むグループから選択されることを特徴とする
請求項４，５〜１２のいずれかに記載の化学センサ。
【化１】
2007192805.tif 000006
【請求項１７】
前記有機リンカー分子は、それらの官能基の少なくとも２つにより、導電性粒子の表面に付くことができる、二官能または多官能の有機化合物であり、好ましくは、前記官能基は、硫黄含有官能基、窒素含有官能基、リン含有官能基、または酸素含有官能基、例えば下記の化学式を含むグループから選択されることを特徴とする
請求項４，５〜１２のいずれかに記載の化学センサ装置。
【化２】
2007192805.tif 000007
【請求項１８】
前記ポリマー層は前記検体感知層の表面を覆って、連続的かつ均一的に分布していることを特徴とする
請求項１〜１７のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項１９】
検出しようとする検体をさらに有し、前記少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーまたはポリマー電解質は、その極性の見地から、及び／または、電子伝達特性、例えばホールまたは電子伝導性の見地から、前記検出しようとする検体の極性に適合するように、及び／または前記検出しようとする検体への電子の供給／引き抜き能力と関連するように、選択されることを特徴とする
請求項１〜１８のいずれかに記載の化学センサ。
【請求項２０】
少なくとも２つのセンサ、好ましくは請求項１〜１９のいずれかに係るセンサを複数個有する化学センサアレイであって、個々のセンサは、それらの各ポリマー層において非導電性又は半導体性ポリマーあるいはポリマー電解質の種類において、及び／または、それぞれのポリマー層の厚みにおいて、及び／または、ポリマーと検体感知層の間の特定の組み合わせにおいて、互いに異なっており、このようにして各センサに対して異なる化学選択性、及び／または、異なる応答時間を提供する
化学センサアレイ。
【請求項２１】
基板と平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満である導電性または半導体性の粒子またはファイバを有する前記基板上の検体感知層を用い、さらに少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーまたは少なくとも１種のポリマー電解質を有する前記検体感知層上のポリマー層を用い、
前記検体感知層及び／またはポリマー層は前記検体に曝され、前記検体は少なくとも前記検体感知層の上層の前記ポリマー層にあるいは層中に収着され、
また、収着で、好ましくは前記ポリマー層及び／または検体感知層へあるいは層中への収着で、好ましくは、前記検体感知層の、電気抵抗の変化、仕事関数の変化、前記ＦＥＴの導電チャネルを流れる電流の変化、ＩＲ、ＵＶ／ｖｉｓ吸収率または透過率の変化、反射率の変化、屈折率の変化、ルミネッセンス、好ましくは蛍光発光、リン光発光、あるいは吸収率の変化の測定により、前記検体が検知されることを特徴とする
検体の検出方法。
【請求項２２】
前記基板、前記検体感知層、及び前記ポリマー層が、請求項１〜１９のいずれかで定義されることを特徴とする
請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
基板を用意する工程、
前記基板上に、好ましくは、層ごとの堆積、ディップコート、スピンコート、ドロップキャスト、スプレーコート、インクジェット印刷、スタンピング、ラングミューア−ブロジェット、ラングミューア−シェーファー堆積、あるいは溶液からのリガンド交換沈殿によって、平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満である導電性または半導体性の粒子またはファイバを堆積することによって、検体感知層を堆積し、堆積の間に前記粒子が非導電性または半導体性の媒体中に埋め込まれ、あるいは有機リンカー分子によって互いに結合し、あるいは有機リガンド分子によって覆われる工程、
前記検体感知層上に、好ましくは、層ごとの堆積、ディップコート、スピンコート、ドロップキャスト、スプレーコート、インクジェット印刷、スタンピング、ラングミューア−ブロジェット、ラングミューア−シェーファー堆積によって、ポリマー層を堆積する工程、
ここで、前記基板、前記検体感知層及び前記ポリマー層は、請求項１〜１９のいずれかのように定義され、また、請求項２０に係るアレイの場合には、少なくとも２個、好ましくは複数個のセンサを製造するのに必要な回数これらの工程を繰り返す
ことによって特徴付けられる、請求項１〜１９のいずれかの化学センサまたは請求項２０のアレイの製造方法。
【請求項２４】
検体を、好ましくは流体相中において、検出するための請求項１〜１９のいずれかに係る化学センサまたは請求項２０に係るアレイの使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ粒子（nanoparticle）／ナノファイバ（nanofiber）に基づく化学センサ及びそのようなセンサのアレイ、その製造方法、及びその使用方法に関し、さらに検体（analyte）の検出方法に関する。特に、本発明は、向上した選択性及び／または感度を有する化学センサに関し、向上した選択性及び／または感度で検体を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
先行技術から、ナノ粒子を検体の検出に用いることができることが知られている。それらは、例えば、ケミレジスタ（chemiresistor）センサまたは光学センサに使用され、ここで、検出しようとする検体の存在に応答して光学または電気特性が変化する。
【０００３】
導電性ナノ複合材料に基づく、流体（例えば気体及び蒸気）中の検体を検出するためのケミレジスタセンサは、非導電性または半導体性の媒体中に配置された電気伝導性の成分を含む。導電性の成分としては、金属ナノ粒子、カーボンブラックナノ粒子、または導電ナノファイバが用いられうる。非導電性の成分は、典型的には中に導電性粒子が分布される連続相として働く有機材料である。非導電性材料は、また、金属ナノ粒子のリガンド（ligand）として、また、３Ｄネットワーク中で粒子を結合するために働く、官能基を有する有機分子も有してよい。
【０００４】
これらのセンサの作用している原理は、複合材料における検体の収着（ソープション：sorption）によって生じる膜抵抗における変化の測定を有する。検体の存在において体積の変化を経験するために、ケミレジスタの感度は複合材料の能力によることが確信される。ケミレジスタの化学選択性は、化学組成とナノ複合材料の有機の成分における特定の官能基の存在に有る程度依存する。典型的には、これらのケミレジスタの検体の検出限界は、低いパート・パー・ミリオン（ｐｐｍ）濃度領域にある。
【０００５】
感知層の化学組成の変更による、検体に対する無機／有機複合ケミレジスタの感度と化学選択性の向上のために多数の研究が実行された［１］。金属酸化物感知層の上層に半透過膜を配置することによる、金属酸化物ケミレジスタの選択性の向上の研究が知られている［２］。センサから空間的に分離された補助的（ancillary）濃縮素子（preconcentrator）を用いた気相／蒸気センサの選択性の向上の研究も知られている［３］。上述の従来技術は以下のようにまとめられる：
【０００６】
［１］無機／有機ナノ複合ケミレジスタの選択性／感度の向上
特許文献１は、リンカー（linker）分子中に選択性向上ユニットを導入した高選択性のナノ粒子／有機結合センサの形成方法を記載している。選択性向上官能基の近接近（close proximity）に追加の微調整ユニットを導入することで選択性の微調整を達成できる。
特許文献２は、チオールでカプセル化した（thiol-encapsulated）Ａｕナノ粒子の膜に基づくセンサを記載しており、それによって目的の検体の収着のための活性部位を提供するリガンドシェルへの官能基の導入により、センサの選択性が調整されている。
特許文献３は、ポリマー及び／またはポリマー／モノマー混合物のブレンドを用いて、有機成分の組成を変えることで、カーボンブラック／ポリマーケミレジスタの選択性の調整方法を開示している。
【０００７】
［２］半透過膜を用いた金属酸化物ケミレジスタセンサの化学選択性の向上
特許文献４は、酸化ガリウム層の上層への二酸化シリコンか他のガス感知金属酸化物のいずれかを有するフィルタ層の堆積による、酸化ガリウム半導体ガスセンサの選択性を増加させるための方法を記載している。
非特許文献１は、商業的な半導体ガスセンサ（ＦＩＧＡＲＯ）の選択性を高める熱抵抗性のポリマー被膜の使用方法を記載している。
非特許文献２は、電界効果ガスセンサの選択性の変更のためのポジ型およびネガ型フォトレジスト膜の使用方法を記載している。
【０００８】
［３］気相／蒸気センサの例の感度の向上のための補助的濃縮素子
特許文献５は、高選択性の小型化した化学分析システムを形成するために用いられる化学濃縮素子を記載している。
非特許文献３は、検体の検出限界を低減する（即ちセンサの感度を高める）ためのカーボン粒子が混ぜられたポリマー膜からなるケミレジスタのアレイに結合されたマイクロマシン化したホットプレート濃縮素子を記載している。
非特許文献４は、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）カラムと多数成分の蒸気混合物の分析のための金属ナノ粒子のケミレジスタのアレイに連結された二重の吸着体（dual-adsorbent）のキャピラリの小型濃縮素子の使用方法を記載している。
【０００９】
非特許文献５は、一重壁（single-walled）のカーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）を記載しており、ここで、カーボンナノチューブのネットワークが化学選択的ポリマー層によって被覆されている。結果として得られるセンサは遅い応答速度を有すると記載されている。ポリマー層は１００ｎｍより大きい厚みを有する。
【特許文献１】ＥＰ１２１５４８５Ａ１号公報
【特許文献２】ＷＯ９９２７３５７号パンフレット
【特許文献３】ＵＳ６２９０９１１号公報
【特許文献４】ＵＳ６０１２３２７号公報
【特許文献５】ＵＳ６１７１３７８号公報
【特許文献６】ＵＳ５２０８１１１号公報
【特許文献７】ＰＣＴ／ＥＰ０２／１３３０９、２００２年１１月２６日出願
【非特許文献１】K. K. Wong et al., Tencon '95. Proc. IEEE Int. Conference on Microelectronics and VLSI, 1995, 179-182
【非特許文献２】E. Hedborg et al., Sensors and Actuators B 7, 1992, 661-664
【非特許文献３】Davis et al., Sensors and Actuators B 104, 2005, 207-216
【非特許文献４】Q.-Y. Cai et al., Anal. Chem. 74, 2002, 3533-3539
【非特許文献５】Snow et al., Science, 307, 2005, 1942-1945
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
先行技術の研究で得られた見込みのある結果にもかかわらず、センサ、例えばケミレジスタの対象検体に対する感度と選択性の向上がまだ必要である。従って、高められた感度及び／または選択性を有するナノ粒子に基づく向上した化学センサを提供することが本発明の目的であった。さらに、ここで用いられる全く同じナノ粒子材料に基づいていても、化学的に互いに別個の選択パターンを持つセンサの製造を可能にする、ナノ粒子に基づく化学センサの製造方法を提供することが本発明の目的であった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
これらのすべての問題は、
基板と、
平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満である導電性または半導体性の粒子またはファイバを有する前記基板上の検体感知層と、
少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーまたは少なくとも１種のポリマー電解質を有する前記検体感知層上のポリマー層と
を有する、化学センサにより解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
ある実施形態において、前記検体感知層は、平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満、より好ましくは１〜１００ｎｍ、最も好ましくは１〜５０ｎｍの範囲の直径である導電性または半導体性の粒子を有する。
【００１３】
上述のナノ粒子（nanoparticle）は、ナノ球体（nanosphere）、ナノロッド（nanorod）、ナノディスク（nanodisk）を含んで、しかしこれらに限定されることなく、多数の形状をとってもよい、あるいは、それらは、例えばマルチポッド（multi-pod）、星状（star like）あるいはスパイク状（spiky）などの不規則な形状またはフラクタル形状を有してもよい。
【００１４】
好ましい実施形態において、前記検体感知層はファイバを含まず、有機ポリマー媒体（medium）及び／または有機リガンド（ligand）及び／または有機リンカー（linker）を含んだこれらの粒子のみを有する。
【００１５】
ある実施形態において、前記検体感知層は、有機媒体好ましくは有機ポリマー媒体をさらに有し、有機ポリマー媒体は非導電性または半導体性であり、前記導電性または半導体性の粒子は前記有機媒体に埋め込まれている。前記導電性または半導体性の粒子は好ましくは前記有機媒体により互いに分離されている。
【００１６】
他の実施形態において、前記検体感知層は有機ポリマー媒体を有さず、前記導電性または半導体性の粒子は有機リンカー分子によって互いに結合されており、または、前記導電性粒子は有機リガンド分子によって覆われている。
【００１７】
ファイバの場合、好ましくは、これらは有機媒体に埋め込まれておらず、あるいは有機リンカーまたはリガンド分子によって結合も覆われてもいない。それらは単純に、有機媒体なしで、また、有機リンカーまたはリガンド分子なしで、前記基板上に堆積されている。
【００１８】
ある実施形態において、前記検体感知層は、１μｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以下、さらに好ましくは１〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する。
【００１９】
ある実施形態において、前記ポリマー層は、１０μｍ未満、好ましくは１μｍ未満、さらに好ましくは１００ｎｍ以下、またさらに好ましくは７０ｎｍ未満、最も好ましくは１〜５０ｎｍの範囲の厚さを有する。
【００２０】
ある実施形態において、前記ポリマー層と前記検体感知層の厚さの比は０．００１〜１００００の範囲であり、好ましくは０．０１〜１０の範囲であり、さらに好ましくは０．０１〜１の範囲であり、最も好ましくは０．１〜１である。
【００２１】
好ましくは、前記少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーまたはポリマー電解質は、１０００〜１０６の範囲の平均の分子量を有する。
【００２２】
ある実施形態において、前記少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーは、合成ポリマー、即ち、ポリアミド、ポリアミドアミン、ポリプロプレンイミン、ポリフェニレン、ポリ酸化エチレン、ポリエチレンイミン、超分岐ポリエチレンイミン、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリ４−ビニルフェノール、ポリエピクロルヒドリン（poly(epichchlorohydrin)）、ポリイソブチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリメタクリル酸メチル、ポリカプロラクトン、フルオロポリオール、ポリシロキサン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールのようなホモポリマー、または、酸化エチレン−アミドアミン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、スチレン−アリルアルコール共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ビニルメチルエステル−無水マレイン酸共重合体のような共重合体、及びそれらの組み合わせを含むグループから選択される。また、少なくとも１種のポリマー電解質は、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム塩、ポリアリルアミン塩酸塩、ポリアクリル酸、ポリジアリルジメチルアンモニウム塩化物などの合成ポリマー電解質及びそれらの組み合わせを含むグループから選択される。さらに、少なくとも１種の非導電性または半導体性ポリマーまたはポリマー電解質は、天然ポリマー及び／またはポリマー電解質、例えば、デキストラン、キチン、キトサン、セルロース、ポリペプチド、タンパク質、ＲＮＡ、ＤＮＡを含むグループから選択することができる。
【００２３】
ある実施形態において、前記ポリマー層も、平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満の粒子またはファイバを有し、前記粒子またはファイバは、少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーの材料とは異なる材料である。好ましくは、そのような粒子またはファイバは、Ｔｅｎａｘ（商標）、Ｃｈｅｍｏｓｏｒｂ（商標）、Ｃａｒｂｏｓｉｅｖｅ（商標）、Ｃａｒｂｏｔｒａｐ（商標）、Ｃａｒｂｏｘｅｎ（商標）、Ｃａｒｂｏｐａｃｋ（商標）など、これらは全て市場で購入可能であり、これらの吸着材料からの粒子またはファイバを含むグループから選択される。
【００２４】
ある実施形態において、前記ポリマー層は上述の少なくとも１種のポリマーと前記ポリマーとは異なる材料の上述の粒子またはファイバの複合材料からなる。
【００２５】
ある実施形態において、前記検体感知層及び前記ポリマー層は、センサの周囲に存在する検体に対して異なる収着能力または膨張（swelling）能力を有する。
【００２６】
ある実施形態において、前記ポリマー層は、空間的に検体感知層と結合して、特定の検体に対して本来の場所で（in-sisu）の予備濃縮（preconcentration）ユニットとして機能し、このようにしてこれらの検体に対するセンサの増強された感度をもたらす。
【００２７】
ある実施形態において、前記基板は、１つまたはいくつかの電極、好ましくは互いに入り込んだ（interdigitated）電極構造の電極を表面に有し、あるいは、１つまたはいくつかの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を表面に有し、前記基板上の前記検体感知層は前記１つまたはいくつかの電極と接触しており、あるいは、典型的には絶縁層を貫通して前記１つまたはいくつかの電界効果トランジスタの少なくとも１つの導電チャネルと接触しており、あるいは、それ自身に前記１つまたはいくつかの電界効果トランジスタの導電チャネルを形成する。
【００２８】
ある実施形態において、前記ポリマー層及び／または前記基板は、ＵＶ、可視及びＩＲ放射を含む１００ｎｍ〜１００００ｎｍの範囲の波長を有する電磁放射に対して透明である。
【００２９】
好ましくは、前記導電性または半導体性の粒子は、金属粒子、即ち、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｐｄなどの貴金属粒子、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅなどの貨幣金属粒子を含むグループから選択される。単一ナノ粒子において、これらの金属の組み合わせを用いること、即ち、合金あるいはコア／シェル金属ナノ粒子とすることも可能である。半導体ナノ粒子、即ち、ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＨｇＳ，ＨｇＳｅ，ＨｇＴｅなどのII/VI半導体、あるいはＧａＡｓ，ＩｎＰなどのIII/V半導体を用いることも可能であり、または、導電性ポリマーなどの有機材料から導電性または半導体性のナノ粒子を提供することも可能である。さらに、導電性粒子として、カーボンブラック粒子または金属装飾された（metal-decorated）カーボンブラック粒子、例えば、ＰｔＲｕ／カーボンブラック及びＰｔ／カーボンブラックナノ粒子を用いることも可能である。
【００３０】
ある実施形態において、前記検体感知層は、平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満、より好ましくは１００ｎｍ未満である導電性のファイバを有し、好ましくは前記導電性のファイバは、酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化タングステンのナノファイバ（nanofiber）などの金属酸化物ナノファイバ、またはそれらの組み合わせ及びカーボンナノチューブを含むグループから選択される。導電ポリマーなどの導電性または半導体性の有機材料のナノファイバを用いることも可能である。
【００３１】
ある実施形態において、前記有機媒体は電気絶縁性または半導体性であり、少なくとも１つのポリマーからなる。ここで用いられるように、「有機媒体」及び「有機マトリクス」の用語は同じ意味で使われる。
【００３２】
そのような有機ポリマー媒体は、ポリイミド、ポリアミドアミン、ポリプロプレンイミン、ポリフェニレン、ポリ酸化エチレン、ポリエチレンイミン、超分岐ポリエチレンイミン、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリ４−ビニルフェノール、ポリエピクロルヒドリン、ポリイソブチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリメタクリル酸メチル、ポリカプロラクトンフルオロポリオール、ポリシロキサン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールのようなホモポリマー、または、酸化エチレン−アミドアミン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、スチレン−アリルアルコール共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ビニルメチルエステル−無水マレイン酸共重合体のような共重合体、及びそれらの組み合わせを含んでもよい。
【００３３】
他の実施形態において、前記有機リガンド分子（被覆（capping）分子）は、それらの官能基（アンカー基）の一つにより、導電性粒子の表面に付くことができる単官能、二官能、または多官能の有機化合物である。そのようなアンカー基は、好ましくは、以下の例のような、硫黄含有官能基、窒素含有官能基、リン含有官能基、または酸素含有官能基を含むグループから選択される。
【００３４】
【化１】
2007192805.tif 000003
【００３５】
他の実施形態において、前記有機リンカー分子は、それらの官能基（アンカー基）の少なくとも２つにより、導電性粒子の表面に付くことができる、二官能または多官能の有機化合物であり、好ましくは、上記のリガンド分子に対する例のような、硫黄含有官能基、窒素含有官能基、リン含有官能基、または酸素含有官能基を含むグループから選択される。
【００３６】
上述の官能基が末端基を形成する場合、リンカーまたはリガンド分子に結合していないバレンス（valence）が水素原子あるいは小さなアルキル基ユニットを携えてよく、あるいはプロトンがはずれてイオンユニットを形成してもよい。
【００３７】
好ましくは、前記ポリマー層は前記検体感知層の表面を覆って、連続的かつ均一的に分布している。
【００３８】
好ましくは、本発明の実施形態に係る化学センサは、検出しようとする検体をさらに有し、前記少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーまたはポリマー電解質は、その極性の見地から、前記検出しようとする検体の極性に適合するように選択される。
【００３９】
好ましくは、本発明の実施形態に係る化学センサ装置は、検出しようとする検体をさらに有し、前記少なくとも１種の半導体性または導電性のポリマーは、その電子伝達特性（例えばホールまたは電子伝導性）の見地から、前記検出しようとする検体への電子の供給／引き抜き能力と関連するように選択される。
【００４０】
本発明の目的は、少なくとも２つのセンサ、好ましくは本発明の実施形態に係る複数のセンサを有する化学センサアレイによっても解決され、個々のセンサは、それらの各ポリマー層において非導電性又は半導体性ポリマーあるいはポリマー電解質の種類、及び／またはそれらの各ポリマー層と検体感知層の間の組み合わせにおいて互いに異なっており、このようにして各センサに対して異なる化学選択性を提供する。適切なパターン識別分析を用いることにより、アレイにおけるセンサの化学的選択パターン間の相違に基づいて異なる検体を同定できる。
【００４１】
あるいは、本発明の実施形態に係るアレイは、アレイ内のそれぞれのポリマー層の厚みが互いに異なるだけの同一のセンサを有してもよく、このようにして検体検出の時間的な分解能を提供する。ポリマー層の差異は、異なるセンサ間で応答時間を変化させ、即ち、短縮あるいは延長させる。これは、（それらの個々の検体感知層及びポリマー層のそれぞれに同一の材料を有する）組成的に同一なセンサからなるセンサアレイを形成する可能性を付与し、センサにおけるそれらの位置及び応答時間のみが異なる。このようにして、異なる検体が異なるパターンの応答をもたらしうる。適切なパターン識別分析を用いることで、アレイのセンサ間の時間の応答の差異に基づいて異なる検体が同定できる。
【００４２】
あるいは、組成の異なるセンサであって、それらセンサはさらにそれらのポリマー層の厚みにおいても互いに異なるセンサのアレイを提供し、このようにして同じアレイにおいて化学的選択性と時間的分解能を組み合わせることができる。
【００４３】
本発明の目的は、基板と平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満である導電性または半導体性の粒子またはファイバを有する前記基板上の検体感知層を用い、さらに少なくとも１種の非導電性または半導体性のポリマーまたは少なくとも１種のポリマー電解質を有する前記検体感知層上のポリマー層を用い、
前記検体感知層及び／またはポリマー層は前記検体に曝され、前記検体は少なくとも前記ポリマー層にあるいは層中に収着され、
さらに、収着で、好ましくは前記ポリマー層及び／または検体感知層へあるいは層中への収着で、好ましくは電気抵抗の変化の測定により、あるいは仕事関数の変化、前記感知層と相互作用するＦＥＴの導電チャネルを流れる電流の変化の測定により、あるいは、前記検体感知層の反射率の変化、屈折率の変化、発光、好ましくは蛍光発光、りん光発光、あるいは吸収の変化の測定により、あるいは、前記検体感知層のＵＶ／可視またはＩＲ吸収または透過スペクトルの変化により、前記検体が検知される
ことを特徴とする検体の検出方法によっても解決される。
【００４４】
好ましくは、本発明の実施形態に係る検体の検出方法において、前記基板、前記検体感知層及び前記ポリマー層はさらに上記のように定義される。
【００４５】
本発明の目的は、以下の
基板を用意する工程、
前記基板上に、好ましくは、層ごとの堆積、ディップコート、スピンコート、ドロップキャスト、スプレーコート、インクジェット印刷、スタンピング、ラングミューア−ブロジェット（Langmuir-Blodgett）、ラングミューア−シェーファー堆積（Langmuir Schafer deposition）、あるいは溶液からのリガンド交換沈殿（ligand-exchange precipitation）によって、平均の直径が１μｍ未満、好ましくは５００ｎｍ未満である導電性または半導体性の粒子またはファイバを堆積することによって、検体感知層を堆積し、堆積の間に前記粒子が非導電性または半導体性の媒体中に、好ましくは非導電性または半導体性のポリマー媒体中に埋め込まれ、あるいは有機リンカー分子によって互いに結合し、あるいは有機リガンド分子によって覆われる工程、
前記検体感知層上に、好ましくは、層ごとの堆積、ディップコート、スピンコート、ドロップキャスト、スプレーコート、インクジェット印刷、スタンピング、ラングミューア−ブロジェット、ラングミューア−シェーファー堆積によって、ポリマー層を堆積する工程、
ここで、前記基板、前記検体感知層、もし存在するならば前記有機媒体を含み、また、前記導電性または半導体性の粒子またはファイバを含む前記検体感知層の成分（component）、及び前記ポリマー層は、さらに上記のように定義され、本発明の実施形態に係るアレイの場合には、少なくとも２個、好ましくは複数個のセンサを製造するのに必要な回数これらの工程を繰り返す
ことによって特徴付けられる、本発明の実施形態の化学センサまたはアレイの製造方法によっても解決される。
【００４６】
好ましくは、本発明の実施形態に係る化学センサまたは化学センサアレイの製造方法において、前記基板、前記検体感知層、もし存在するならば前記有機媒体を含み、また、前記導電性または半導体性の粒子またはファイバを含む前記検体感知層の成分、及び前記ポリマー層は、さらに上記のように定義される。
【００４７】
製造においてファイバが用いられる場合、好ましくは、有機媒体あるいは有機リンカーまたはリガンド分子なしで単純に堆積され、一方で導電性または半導体性の粒子はそのような有機媒体またはリガンド分子とともに堆積される。
【００４８】
本発明の目的は、検体を、好ましくは流体相中において、検出するための本発明の実施形態に係る化学センサまたはアレイの使用方法によっても解決される。
【００４９】
本発明者らは、驚くべきことに、ナノ粒子またはナノファイバを有する検体感知層の上層のポリマー層の堆積及び存在が、ターゲット検体に対する感度を大きく高め、ナノ粒子系の検体センサの感度にも影響を与えて改善しうることを見出した。本発明者らは、どんな理論にとらわれることを望まず、検体感知層の上層のポリマー層である追加の層の存在が、検体感知層の付近で検体を濃縮するのに役立ち、従って感知層中の検体濃度の増加に至らしめ、それは最終的に検体感知層からの高い信号という結果になると現在確信している。さらに、検体感知層の上層のポリマー層は、検体と検体感知層の間の相互作用を変更でき、このように、特定の検体感知層に対する選択性の増加に至らしめうる。
【００５０】
ここで用いられる「ナノ粒子」または「ナノファイバ」という用語は、１μｍ未満の特徴的な大きさを有する粒子またはファイバを称することが意図される。さらに、そのようなナノ粒子は、異なる形状、即ち、多面体（球体）状、棒状、ディスク状、あるいは、例えば、マルチポッド、星状、スパイク状などのフラクタル状などであることができる。典型的には、これらのナノ粒子及び／またはナノファイバの特徴的な直径は、平均で、１μ未満、好ましくは５００ｎｍ以下、さらにより好ましくは３００ｎｍ以下である。好ましい実施形態において、上記の粒子またはファイバは、１ｎｍ〜１００ｎｍ、最も好ましくは１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の平均の直径を有する。しかしながら、ナノ粒子／ナノファイバの大きさは、また、特定の検体に対するその化学選択性を決定し、及び／または、作用するので、個々のナノ粒子／ナノファイバの実際の大きさもまた、検出しようとする個々の検体による。しかし、前記ナノ粒子の大きさが１μｍを超える、または前記ナノファイバの直径が１μｍを超えることにはならない。言い換えると（in turn）、前述の大きさの要求に応じる粒子またはファイバは、本出願において、「ナノ粒子」または「ナノファイバ」とも称せられうる。
【００５１】
ここで用いられている「検体感知層」という用語は、検体の存在に応答して、従来の手段により、例えば、この層の化学抵抗を測定することにより、あるいは、ＩＲ、ＵＶ／Ｖｉｓの吸収率、透過率あるいは反射率などのその光学特性、あるいは発光特性、例えば蛍光及び／またはリン光発光を測定することにより、検出できる、測定できる信号を生成する層を名づけることが意図されている。
【００５２】
ここで用いられる「（層）での収着」または「（層）への収着」は、吸収及び／または吸着を意味することが意図されている。それは、起こっている一方あるいは他方のプロセス、あるいは両方を暗に意味する。
【００５３】
典型的には、本発明に係る化学センサ装置の基板は、特に限定されず、例えばガラス、セラミック、シリコン、あるいはプラスチックであってよい。ナノ粒子またはナノファイバは、それ自体は電気伝導性であり、非導電性あるいは半導体性の有機媒体あるいはマトリクス中に埋め込まれてよく、あるいは、有機リガンド分子で覆われ、あるいは有機リンカー分子で連結されうる。そのような有機リガンドあるいはリンカー分子は、単−、二−、あるいは多官能有機分子でありうる。リンカーの場合、それらは二−あるいは多官能有機分子である。有機リガンドでの被覆と、有機リンカーでの連結は、ナノ粒子系のセンサを記載し、ここでナノ粒子が連結され、及び／または被覆されている、ヨーロッパ特許公報特許文献１に明確に広範囲に記載されている。
【００５４】
ときどき、本出願において、「ナノ複合材料」が参照される。この用語は、検体感知層中に見出すことができる材料を称することが意図されている。即ち、それは、絶縁性あるいは半導体性の有機媒体中に埋め込まれている電気伝導性ナノ粒子またはナノファイバでありうる。あるいは、それはリガンドで被覆したナノ粒子またはナノファイバでありうる。あるいは、それは、二−あるいは多官能有機分子で連結したナノ粒子またはナノファイバのネットワークでありうる。
【００５５】
金、白金、銀のナノ粒子のような金属ナノ粒子、カーボンブラックナノ粒子あるいは酸化バナジウム、酸化モリブデン、酸化タングステンのナノファイバ及びカーボンナノチューブなど、これに限定されないが、電気伝導性のナノ粒子及びナノファイバの多数の例が得られる。
【００５６】
好ましくは、前記電気伝導性あるいは半導体性の粒子が、金属粒子、即ち、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄなどの貴金属粒子、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅなどの貨幣金属粒子を有するグループから選択される。単一のナノ粒子において、これらの金属の組み合わせを用いること、即ち、合金またはコア／シェルの金属ナノ粒子も可能である。半導体性のナノ粒子、即ち、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅなどのＩＩ／ＶＩ半導体、あるいは、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどのＩＩＩ／Ｖ半導体を用いること、あるいは、導電性ポリマーなど、有機材料から導電性または半導体性のナノ粒子を供することも可能である。さらに、導電性粒子として、カーボンブラック粒子または金属装飾されたカーボンブラック粒子、例えば、Ｐｔ／カーボンブラック及び／またはＰｔＲｕ／カーボンブラックのナノ粒子を用いることも可能である。
【００５７】
ここで用いられるように、「電気伝導性」という用語は、電子または正孔を輸送する能力をさす。「非電気伝導性」のポリマーは、そのような輸送ができないポリマーである。それと対照的に、ここで用いられる「ポリマー電解質」は、電子や正孔ではなく、イオンを輸送することができる。
【００５８】
検体感知層が形成できる方法は、当業者に知られており、例えば特許文献１に記載されている。それらは、例えば、繰り返しの連続的なナノ粒子／ナノファイバの懸濁液及び有機成分（例えば有機ポリマー媒体を構成するポリマーまたはリンカー分子）の溶液への基板の浸漬を伴う、層ごとの堆積によって形成することができる。検体感知層を形成する他の可能性は、ディップコート技術、スピンコート技術、ドロップキャスト技術、スプレーコート技術、インクジェット印刷、スタンピング、溶液からのリガンド交換沈殿、ラングミューア−ブロジェット、ラングミューア−シェーファー技術を含む。
【００５９】
本発明に最高に重要なのは、検体感知層の上層のポリマー層の存在である。ポリマー層は厚みが変わってもよく、通常１０μｍより小さく、好ましくは１μｍより小さく、さらに好ましくは１００ｎｍより小さく、さらにより好ましくは７０ｎｍより小さく、最も好ましくは１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲である厚みである。
【００６０】
特にそのような薄い、７０ｎｍより薄い範囲のポリマー層で、著しく強められた選択性が達成され、同時に逆に応答時間に作用しない、即ち、過度に延長しないことを、本発明者らは見出した。典型的には、そのような薄いポリマー層（７０ｎｍより小さい）を用いることで達成される応答時間は１８０秒より短いｔ９０ｏｎ、またはｔ９０ｏｆｆであり、それは例えば本願の図２に見ることができる。ｔ９０ｏｎは、検体への露出の始まりの時からの測定された全信号の９０％を達成するのに必要な時間である。ｔ９０ｏｆｆは、検体への露出の終わりから、検体の露出の前の信号（ベースライン信号）に戻るのに必要な、そのようなベースライン信号への戻りの９０％が達成する点まで測定された時間である。
【００６１】
「流体相」という用語は、液相と気相を両方含むことが意図されている。
【００６２】
好ましい実施形態においては１０〜０．０１の範囲であるが、通常、ポリマー相の厚みと検体感知層の厚みの比は１００００〜０．００１の範囲である。従って、検体感知層それ自体は１μｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以下、より好ましくは１ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の厚みを有する。続く実施例において、典型的には、ポリマー層と検体感知層の両方が１００ｎｍ以下の厚みである。
【００６３】
次の特定の記載において、ケミレジスタ（chemiresistor）センサとして機能する、即ち、検体の存在または不在に応じた電気抵抗が測定される検体感知層が望まれているが、本発明による検体感知層の上層のポリマー層の原理を、電界効果トランジスタまたはセンサに基づくセンサなどの、検出しようとする検体の存在の結果として、吸収特性あるいは反射あるいは蛍光あるいはリン光発光特性などの光学特性が変化する、他の形態のセンサに適用することも可能である。ケミレジスタセンサ、即ち、電気抵抗の測定を伴う場合、基板はさらに少なくとも１つの電極、通常はいくつかの電極と、ある実施形態では櫛形電極構造を有する。そのような櫛形電極構造は、例えば特許文献１に記載されている。電界効果トランジスタが用いられる場合、基板は１つあるいはいくつかの電界効果トランジスタを有し、ナノ複合材料は好ましくは絶縁層を通して、電界効果トランジスタの伝導チャネルと接触し、あるいは、それ自体が電界効果トランジスタの伝導チャネルを形成する。ナノ粒子／ナノファイバの光学特性が測定される場合、検体感知層の上層のポリマー層及び／または基板は、ナノ粒子／ナノファイバの光学特性の測定を可能にするために、好ましくはＵＶと赤外を含む範囲の、さらに好ましくは１００ｎｍ〜１００００ｎｍの範囲の電磁放射に対して透明／透過性でなければならない。
【００６４】
ポリマー層は、スピンコート、ドロップキャスト、スプレーコート、層ごとの堆積、インクジェット印刷、スタンピング、及び、例えば、参照によりその全体がここで組み込まれる特許文献１に記載された他の知られた技術など、当業者に知られた方法で堆積される。
【００６５】
ここで提案される、本発明に係る化学センサのケミレジスタ実施形態は、複合材料に対応する（address）電極構造有し、基板上に堆積された、数ナノメートル厚の導電ナノ複合材料の層を有する。有機非導電ポリマー層はまた数ナノメートルの厚みであって、導電性材料の上層に堆積される。導電複合材料と流体相に存在する検体分子との相互作用は、導電性材料の抵抗の変化に至らしめる。測定されたセンサ信号は規格化された抵抗の変化
ΔＲ／Ｒｉｎｉ＝（Ｒｔ−Ｒｉｎｉ）／Ｒｉｎｉ
であり、ここで、Ｒｉｎｉは検体への露出前のセンサ抵抗であり、Ｒｔは検体露出の開始の後の時刻ｔにおけるセンサ抵抗である。この意味でここで提案される化学センサはケミレジスタである。
【００６６】
ケミレジスタの実施形態の模式図が図１に示される。基板（１）はガラス、セラミック、シリコンまたはプラスチック基板でよく、その上層に櫛形電極構造（２）がリソグラフィまたは印刷技術を通して形成されている。ナノ複合材料（３）は導電ナノ粒子を有し、それは有機マトリクス、好ましくは有機ポリマーマトリクスに埋め込まれてもよく、あるいは、単−、二−あるいは多官能有機リガンド分子で被覆されてもよく、あるいは二−あるいは多官能有機リンカー分子で結合されていてもよい。導電ナノ粒子は、限定されないが、（Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｆｅ、合金及びコア／シェルナノ粒子などの）金属ナノ粒子、（ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、導電ポリマーナノ粒子などの）半導体性ナノ粒子、あるいはカーボンブラック及び／または金属装飾されたカーボンブラックナノ粒子を有してもよい。
【００６７】
有機マトリクスあるいは媒体は、ポリアミド、ポリアミドアミン、ポリプロピレンイミン、ポリフェニレン、ポリ酸化エチレン、ポリエチレンイミン、超分岐ポリエチレンイミン、ポリＮ−イソプロピルアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリ４−ビニルフェノール、ポリエピクロルヒドリン、ポリイソブチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリメタクリル酸メチル、ポリカプロラクトン、フルオロポリオール、ポリシロキサン、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、または、酸化エチレン−アミドアミン共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、スチレン−アリルアルコール共重合体、塩化ビニル−酢酸ビニル共重合体、スチレン−無水マレイン酸共重合体、ビニルメチルエステル−無水マレイン酸共重合体のような共重合体、及びそれらの組み合わせなどの、絶縁性あるいは半導体性のポリマーを有してもよい。
【００６８】
一般に、本発明者らは、どんな理論にとらわれることを望まず、ポリマー層が検体とナノ複合導電層の間の相互作用を変更し、このようにして同時に半透過性の膜として、また、感知層に結合した、検体が本来の場所にある（analyte in-situ）濃縮（conceentrator）ユニットとして機能する働きをする。さらに、異なるポリマーは、同じ検体に対して相互作用するのに変動する能力を表すので、組成が別個のポリマー層で被覆された等しい複合ケミレジスタが目的の検体に対して異なる応答を供し、このように、特定に選択パターンを示す。このようにして、別個の応答の特徴を持つが、単一の導電ナノ複合材料に基づくセンサ素子のアレイが形成できる。
【００６９】
上記で概説したように、化学センサ装置はケミレジスタにもナノ粒子の使用にも制限されない。図１に示されるセンサ構造の変更も可能である。あるそのような変更は導電層の組成と構造に関係する。例えば、ナノファイバ材料、例えば五酸化バナジウムナノファイバ（特許文献７）、酸化モリブデン、酸化タングステン、ナノファイバまたはカーボンナノチューブは、ナノ粒子／有機複合材料の代わりに導電性成分として用いられうる。他の変更は、検体検出に伴う変換（transduction）原理に関する。例えば、ナノ複合材料が、典型的には絶縁層を通して、ＦＥＴの導電チャネルに接触して、あるいはそれ自体がＦＥＴの導電チャネルを形成して、検体感知層として用いられている電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）もまた、考えられる。本出願に存在する感度及び選択性の向上に対する研究が、他の導電性材料及び／または異なる変換原理が適用される場合にも効力があることが期待されている。例えば、ナノ粒子／ナノファイバの独特な光学特性を使用することも可能であり、そのような光学特性は検体の存在に応答して変化しうる。そのような光学特性は吸収特性あるいは蛍光発光またはリン光発光などのルミネッセンス発光特性でありうる。そのような場合、光学特性の変化が、ポリマー層、基板、またはその両者のいずれかを通して検出できることが重要であり、どの光学特性が検出されるかに応じて、ポリマー層または基板が対応する波長の電磁放射に対して透明でなければならない。
【００７０】
以下において、図面が参照される。
【００７１】
以下において、図解のために提供されるが本発明を限定はしない、次の実施例が参照される。
【００７２】
実施例
本発明における研究が以下の実験的発見によって明らかにされる。以下で提供される実施例は、ヘキサデカンジチオール分子（ＨＤＴ）で結合された金ナノ粒子（ＡｕＮＰ）を有するケミレジスタセンサに基づいているが、本発明はケミレジスタにも特定の粒子の使用にも限定されないことは明らかである。
【００７３】
実施例１
Ａ）導電複合材料の堆積
導電性材料の形成は、櫛形電極構造（ＩＤＥ）が設けられたＢＫ７ガラス基板上への層ごとの自己組織化により行った。各基板は、５ｎｍのチタン接着層を有し、その上層の９５ｎｍの金層が堆積された３つのＩＤＥを支持した。各ＩＤＥは、１０μｍのフィンガー（finger）ギャップ、１０μｍのフィンガー幅、１８００μｍの重なりを有する５０本のフィンガーの対からなっていた。そのように形成された基本的な複合ケミレジスタは、これ以降はＡｕＨＤＴと称せられる。ＡｕＨＤＴケミレジスタの形成は、以前に特許文献１において他のＡｕＮＰ系のケミレジスタに対して記載されており、参照によりその全体がここに組み込まれる。用いたナノ粒子は３ｎｍ〜６ｎｍの範囲の平均の直径を有した。
【００７４】
実施例２
Ｂ）ポリマー層の堆積
被膜層を形成するために用いたポリマーの構造式及び分子量が表１に示される。
ＡｕＨＤＴケミレジスタの上層へのポリマー層の堆積はスピンコートまたは層ごとの組織化によって行った。
【００７５】
表１：被膜を形成するのに用いられたポリマーの構造式及び分子量、ポリマー溶液の調製に用いられた溶媒
【表１】
2007192805.tif 000004
【００７６】
ａ．スピンコートによる堆積
表１のポリマー１〜６はＡｕＨＤＴケミレジスタの上層にスピンコートで堆積された。ポリマー溶液の調製のため、ポリマー５０ｍｇが５ｍｌの溶媒に溶解された。溶液の調製のために用いられた溶媒も表１に載せてある。ＡｕＨＤＴケミレジスタの表面へのポリマーのスピンコートは次のように行った。まず、対応するポリマーが溶解された０．３ｍｌの溶媒がＡｕＨＤＴケミレジスタの表面に滴下された。数秒後に、続くポリマー層の堆積のために、ケミレジスタがわずかに濡れた表面とするように回転された。回転が終了した後で、０．３ｍｌのポリマー溶液がケミレジスタの前処理した表面上に置かれた。ＡｕＨＤＴケミレジスタの上層に薄いポリマー層を形成するために、数秒後に試料は再び回転された。
【００７７】
ｂ．ＬｂＬ組織化（assembly）による堆積
表１のポリマー７と８は、ＡｕＨＤＴケミレジスタの上層に層ごとの堆積によってポリ電解質（polyelectrolyte）被膜を形成するために用いられた。ＰＳＳ溶液は１０２．３ｇのＰＳＳを５０ｍｌの脱イオン水中ＮａＣｌの１Ｍ溶液（５０ｍｌのMilliQ水中、２．９２ｇのＮａＣｌ、抵抗率１８．２ＭΩｃｍ）に溶解して調製された。ＰＡＨ溶液は４５．１ｇのＰＡＨを５０ｍｌの脱イオン水中ＮａＣｌの１Ｍ溶液に溶解して調製された。このようにして、１０−２ｍｏｌ／ｌのＰＳＳとＰＡＨ溶液（モノマー溶液として）が得られた。ポリマー層のＬｂＬ堆積は、ＡｕＨＤＴケミレジスタのＰＳＳ及びＰＡＨ溶液への連続的な浸漬とその間のMilliQ水中のリンスによって行われた。浸漬の手順は５回繰り返した。このようにして、ＰＳＳ−ＰＡＨの二重層を５層有するＡｕＨＤＴケミレジスタの上層のポリマー層が得られた。ＰＳＳ−ＰＡＨ二重層のＬｂＬ堆積の手順は特許文献６に記載されている。
【００７８】
ｃ．原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によってよみ決定されたＡｕＮＰ／ポリマー膜及びポリマー層の厚み
厚みの測定は、Nanoscope IVコントローラを有するAFM Dimension 3100顕微鏡（Digital Instruments、ＵＳＡ）を用いて、Tapping MODE AFMによって行われた。
まず、膜材料から薄いストライプを除去するために、下層に位置するガラス（ＳｉＯ２）基板が見えるまで、針で膜にひっかき傷を形成した。それから、ひっかき傷のエッジをＡＦＭで撮像し、ひっかき傷の高さとして膜厚が決定された。良好な統計のために、各膜に対して異なるスポット及びひっかき傷での少なくとも２０の測定が行われた。ポリマー層の厚みだけは、ＡｕＨＤＴ／ポリマーシステムの厚みと未被覆のＡｕＨＤＴ材料の厚みの差として決められた。
結果は下記の表２に示される。全ての場合でポリマー層の厚みは７０ｎｍより下であり、ほとんどで５０ｎｍより下でさえある。特にこれらの７０ｎｍ未満の大変薄いポリマー層において、高感度と高速応答時間が観測される。
【００７９】
表２：異なるポリマー層で形成され、被覆されたＡｕＨＤＴケミレジスタの全厚及びポリマー層の厚み
【表２】
2007192805.tif 000005
【００８０】
上述の厚み測定手順を図解する典型的なＡＦＭ像が図５−ａ〜図５−ｃに示される。
【００８１】
実施例３
Ｃ）気相感度測定
未被覆及びポリマー層で被覆されたＡｕＨＤＴケミレジスタの応答が、トルエン、１−プロパノール、４−メチル−２−ペンタノン（４Ｍ２Ｐ）、メタノール及び水の気相に対して、４００、２４００、及び５０００ｐｐｍ（体積／体積）の濃度で、特許文献１に記載のように測定された。
【００８２】
実施例４
Ｄ）結果
ポリマー被膜のＡｕＨＤＴケミレジスタの応答に対する効果を例示するために、５０００ｐｐｍ（ｖ／ｖ）の気相のトルエン、４Ｍ２Ｐ、メタノール及び水に対するセンサの応答記録が図２に示される。測定された応答から導かれた各センサの化学選択パターンが図３に示される。応答時間ｔ９０ｏｎ及びｔ９０ｏｆｆは、図２からわかるように、典型的には１８０秒より小さい。
【００８３】
主な発見は以下のようにまとめられる。
ａ．ポリマー層は、ポリマーと気相が似ている極性を有する場合に、ＡｕＨＤＴ応答の大きさの増加を引き起こす。例えば、被覆されたケミレジスタの未被覆のものに対する応答の大きさの増加は以下のように見られる：
・トルエンに対するＰＳで被覆されたＡｕＨＤＴ−約２倍に増加
・４Ｍ２Ｐに対するＰＶＰｄで被覆されたＡｕＨＤＴ−約３倍に増加
・水に対するＰＮＩＰＡＭ，ＰＶＰｄ及びＰＳＳ−ＰＡＨで被覆されたＡｕＨＤＴ−約４倍に増加
・メタノールに対するＰＮＩＰＡＭ及びＰＶＰｄで被覆されたＡｕＨＤＴ−８倍〜９倍に増加
【００８４】
ｂ．ポリマー層は、ケミレジスタの化学選択パターンの変化を引き起こし、それはポリマーと気相の間の極性の合致に依存する。例えば、
・ＰＳで被覆されたＡｕＨＤＴ−選択パターンがより疎水性の強いものに変わった。
・ＰＮＩＰＡＭ及びＰＶＰｄで被覆されたＡｕＨＤＴ−選択パターンが疎水性からより極性のものに変わった。センサは気相の４Ｍ２Ｐに対する最も高い選択性を、気相のトルエンに対してはより低い選択性を、気相のアルコールと水に対しては最も低い選択性を示す。
・ＰＳＳ−ＰＡＨで被覆されたＡｕＨＤＴ−選択パターンが疎水性から親水性のものに完全に切り替わった。センサは気相の水に対して最も高い選択性を、気相のトルエンに対して最も低い選択性を示す。
【００８５】
ｃ．ポリマー層は、センサの応答時間の特徴的な遅れを引き起こす。これは、主として被膜のない、また、異なる被膜を有するいくつかのケミレジスタがアレイで用いられ、検体の同定がパターン認識分析によってなされる場合、センサの応答から一時的な情報が得られる予定であるときに重要である。典型的には、ｔ９０ｏｎ及びｔ９０ｏｆｆが１８０秒より小さい。
【００８６】
明細書、請求項、及び／または添付の図面に開示された本発明の特徴は、分離して、また、それらのいずれの組合わせのどちらも、その様々な形態において発明を実現するための材料になりうる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】図１は、本発明に係るケミレジスタ装置の模式断面図を示す。
【図２】図２は、ａ）トルエン、ｂ）４−メチル−２−ペンタノンｃ）メタノール、ｄ）水の５００ｏｐｐｍ（体積／体積）までの、ヘキサデカンジチオール分子（ＨＤＴ）で結合されたＡｕ−ナノ粒子を有する、未被覆及びポリマーで被覆されたケミレジスタ（ＡｕＨＤＴ）の応答記録を示し、全ての測定は室温で行った。
【図３】図３は、未被覆及びポリマーで被覆されたＡｕＨＤＴのケミレジスタの気相濃度５０００ｐｐｍにおける気相感度測定から導かれた化学選択パターンを示す。
【図４−ａ】図４−ａは、ポリマー層、検体感知層及び基板を示す、本発明に係る化学センサのある実施形態に模式的配置を示す。
【図４−ｂ】図４−ｂは、検体が化学センサ中へ拡散したときの図４の配置を示す。
【図５−ａ】図５−ａは、ポリマー層のないＡｕＨＤＴの検体感知層を、ＡＦＭ像として、堆積した層の厚みをｎｍで示すパネルとともに、示す。
【図５−ｂ】図５−ｂは、頂部にポリスチレンのポリマー層を有するＡｕＨＤＴの検体感知層を、ＡＦＭ像として、堆積した層の厚みをｎｍで示すさらなるパネルとともに、示す。
【図５−ｃ】図５−ｃは、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム塩及びポリアリルアミン塩酸塩のポリマー層を有するＡｕＨＤＴの検体感知層を、ＡＦＭ像として、堆積した層の厚みをｎｍで示すさらなるパネルとともに、示す。
【図１】
2007192805.tif 000008
【図２】
2007192805.tif 000009
【図３】
2007192805.tif 000010
【図４−ａ】
2007192805.tif 000011
【図４−ｂ】
2007192805.tif 000012
【図５−ａ】
2007192805.tif 000013
【図５−ｂ】
2007192805.tif 000014
【図５−ｃ】
2007192805.tif 000015
【外国語明細書】
Nanoparticle/nanofiber based chemical sensor, arrays of such sensors, uses and method of fabrication thereof, and method of detecting an analyte
The present invention relates to a nanoparticle/nanofiber based chemical sensor and arrays of such sensors, to a method of fabrication thereof and to uses thereof, and furthermore relates to a method of detecting an analyte. In particular, the present invention relates to a chemical sensor having an enhanced selectivity and/or sensitivity, and it relates to a method of detecting an analyte at enhanced selectivity and/or sensitivity.
It is known from the prior art that nanoparticles can be used in the detection of analytes. They are for example used in chemiresistor sensors or optical sensors, wherein the optical or electrical properties change in response to the presence of an analyte to be detected. 
Chemiresistor sensors for detection of analytes in the fluid phase (e.g. gas and vapor) based on conductive nanocomposite materials include an electrically conductive component that is allocated in a non-conductive or semiconductive medium. As conductive component metal nanoparticles, carbon black nanoparticles, or conductive nanofibers may be used. The non-conductive component is typically an organic material, which acts as a continuous phase in which the conductive particles are distributed. The non-conductive material may also comprise functionalized organic molecules that serve either as capping ligands for the metal nanoparticles or to interlink the particles in a 3D network. 
The operating principle of these sensors comprises a measurement of the change in the film resistance caused by sorption of analytes in the composite material. It is believed that the sensitivity of the chemiresistors depends on the ability of the composite material to undergo volumetric change in presence of analytes. The chemical selectivity of the chemiresistors depends to a certain degree on the chemical composition and the presence of specific functionalities in the organic component of the nanocomposite material. Typically, the detection limit to analytes of these chemiresistors lies in the low parts-per-million (ppm) concentration range. 
Numerous studies have been carried out on improving the sensitivity and the chemical selectivity of inorganic/organic composite chemiresistors to analytes via modification of the chemical composition of the sensitive layer [1]. An approach for increasing selectivity of metal oxide chemiresistors by placing a semi permeable membrane on top of the metal oxide sensitive layer is known [2]. An approach for increasing sensitivity of gas/vapor sensors using ancillary preconcentrator spatially decoupled from the sensor is also known [3]. The aforementioned prior art can be summarized as follows:
[1] Improvement of selectivity/sensitivity of inorganic/organic nanocomposite chemiresistors
EP1215485 describes a method for preparation of highly selective nanoparticle/organic interlinked sensors via introducing selectivity enhancing units in the linker molecules. Introducing additional fine tuning unit in a close proximity of the selectivity-enhancing functionality can achieve a fine-tuning of the selectivity.
WO9927357 describes a sensor based on films of thiol-encapsulated Au-nanoparticles where the selectivity of the sensor is tailored by introducing functionality to the ligand shell thereby providing active sites for sorption of target analytes.
US6290911 discloses a method to tune the selectivity of carbon black/polymer chemiresistors by varying the composition of the organic component using blends of polymers and/or polymer/monomer mixtures.
[2] Improvement of the chemical selectivity of metal oxide chemiresistor sensors using semi permeable membranes
US6012327 describes a method for increasing the selectivity of gallium oxide semiconductive gas sensor by deposition of a filter layer comprising either silicon dioxide or another gas sensitive metal oxide atop of the gallium oxide layer.
K. K. Wong et al. (Tencon'95. Proc. IEEE Int. Conference on Microelectronics and VLSI, 1995, 179-182) describe the use of thermo resistive polymer coating to enhance the selectivity of commercial semiconductive gas sensors (FIGARO).
E. Hedborg et al. (Sensors and Actuators B 7, 1992, 661-664) describe the use of positive and negative photoresist membranes for modification of the selectivity of field-effect gas sensors.
[3] Ancillary preconcentrator units for improvement of the sensitivity of gas/vapor sensors - examples:
US6171378 describes a chemical preconcentrator to be used in forming a high-sensitivtiy miniaturized chemical analysis system. 
Davis et al. (Sensors and Actuators B 104, 2005, 207-216) describe a micromachined hot plate preconcentrator coupled to an array of chemiresistors comprised of  carbon particles impregnated polymer film to decrease the detection limit for analytes (i.e. increase sensitivtiy of the sensor).
Q.Y. Cai et al. (Anal. Chem. 74, 2002, 3533-3539) describe the use of a dual-adsorbent capillary minipreconcetrator in conjunction with a gas chromatography (GC) column and an array of metal nanoparticle chemiresistors for analysis of a multicomponent vapor mixture.
Snow et al. (Science, 307, 2005, 1942-1945) describe a single-walled carbon nanotube (SWNT) capacitor, wherein a network of carbon nanotubes is covered by a chemoselective polymer layer. The resultant sensors are described as having slow response rates. The polymeric layer has a thickness >100 nm.
Despite of the promising results obtained with prior art approaches, there is still need for an improvement of the sensitivity and selectivity of sensors, e.g. chemiresistors, towards target analytes. Accordingly, it was an object of the present invention to provide for improved chemical sensors based on nanoparticles having enhanced sensitivity and/or selectivity. Furthermore, it was an object of the present invention to provide for a method of fabrication of a chemical sensor based on nanoparticles which allows the fabrication of sensors having selectivity patterns chemically distinct from each other despite being based on the very same nanoparticle material used therein. 
All these objects are solved by a chemical sensor comprising 
- a substrate, 
- an analyte sensitive layer on top of said substrate, said analyte sensitive layer comprising electrically conductive or semiconductive particles or fibers, said particles or fibers having an average diameter <1 μm, preferably <500 nm, 
- a polymeric layer on top of said analyte sensitive layer, said polymeric layer comprising at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or comprising at least one type of polymer electrolyte. 
In one embodiment said analyte sensitive layer comprises electrically conductive or semiconductive particles, said particles having an average diameter < 1μm, preferably < 500 nm, more preferably a diameter in the range of from 1 nm to 100 nm, most preferably 1 nm to 50 nm.
It should be noted that said nanoparticles may adopt a number of shapes, including but not limited to nanospheres, nanorods, nanodisks, or they may have an irregular shape or a fractal shape, e.g. multi-pod, star like or spiky. 
In a preferred embodiment, said analyte sensitive layer comprises these particles only, including an organic polymeric medium and/or organic ligands and/or organic linkers, but does not comprise fibers. 
In one embodiment said analyte sensitive layer further comprises an organic medium, preferably an organic polymeric medium, which organic polymeric medium is electrically non-conductive or semiconductive, and said electrically conductive or semiconductive particles are embedded in said organic medium. It should be noted that said electrically conductive or semiconductive particles are preferably separated from each other by said organic medium.
In another embodiment said analyte sensitive layer does not comprise an organic polymeric medium, and said electrically conductive or semiconductive particles are linked to each other by organic linker molecules, or said electrically conductive particles are capped by organic ligand molecules. 
In the case of fibers, these are preferably not embedded in an organic medium nor are they linked or capped by organic linker or ligand molecules. They are simply deposited on said substrate without an organic medium and without organic linker or ligand molecules.
In one embodiment said analyte sensitive layer has a thickness ≦ 1 μm, preferably ≦ 500 nm, more preferably in the range of from 1 nm to 300 nm. 
In one embodiment said polymeric layer has a thickness < 10 μm, preferably < 1 μm, more preferably ≦ 100 nm, even more preferably < 70 nm and most preferably in the range of from 1 nm to 50 nm. 
In one embodiment the ratio of thickness of said polymeric layer to said analyte sensitive layer is in the range of from 10000 to 0.001, preferably in the range of from 10 to 0.01, more preferably 1 to 0.01, and most preferably 1 to 0.1.  
Preferably, said at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or polymer electrolyte has an average molecular mass in the range of from 1000 to 106. 
In one embodiment said at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer is selected from the group comprising synthetic polymers, i.e. homopolymers like poly(amide), poly(amido amine), poly(propylene imine), poly(phenylene), poly(ethylene oxide), poly(ethylene imine), hyperbranched poly(ethylene imine) poly(N-isopropyl acrylamide), poly(ethylene glycol), poly(vinyl pyrrolidone), poly(styrene), poly(vinyl alcohol), poly(4-vinyl phenol), poly(epichchlorohydrin), poly(isobutylene), poly(vinyl acetate), poly(methyl methacrylate), poly(caprolactone), fluoropolyols, polysiloxanes, polyaniline, polythiophene, polypyrrol or copolymers like poly(ethylene oxide)-co-poly(amido amine), poly (ethylene-co-vinyl acetate), poly(styrene-co-allyl alcohol), poly(vinyl chloride-co-vinyl acetate), poly(styrene-co-maleic anhydride), poly(vinyl methyl ester-co-maleic anhydride) and combinations thereof, and the at least one type of polymer electrolyte is selected from the group comprising synthetic polymer electrolytes such as poly(styrene sulfonate), poly(styrene sulfonate) sodium salt, poly(allylamine hydrochloride), polyacrylic acid, poly(diallyl dimethyl) ammonium chloride, and combinations thereof. In addition, said at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or polymer electrolyte can be selected from a group comprising natural polymers and/or polymer electrolytes, e.g. dextran, chitin, chitosan, cellulose, polypeptides, proteins, RNA, DNA.
In one embodiment, said polymeric layer also comprises particles or fibres, said particles or fibres having an average diameter < 1 μm, preferably < 500 nm, wherein said particles or fibres are of a material that is different from the material of the at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer. 
Preferably, such particles or fibers are selected from the group comprising particles or fibers from adsorbent materials such as TenaxTM, ChemosorbTM, CarbosieveTM, CarbotrapTM, CarboxenTM, CarbopackTM, of all of which are commercially available.
In one embodiment, said polymeric layer is made of a composite material of at least one type of polymer as described above and particles or fibres, as described above, of a material different to said polymer.
In one embodiment, said analyte sensitive layer and said polymeric layer have different sorption capability or swelling capability towards analytes present in the surroundings of the sensor. 
In one embodiment, said polymeric layer acts as an in-situ preconcentration unit, spatially coupled to the analyte sensitive layer, for specific analytes thus leading to an enhanced sensitivity of the sensor for these analytes.
In one embodiment said substrate has one or several electrodes, preferably an interdigitated electrode structure thereon, or it has one or several field effect transistors (FETs) thereon, and said analyte sensitive layer on top of said substrate is in contact with said one or several electrodes or is in contact, typically through an insulating layer, with at least one conductive channel of said one or several field effect transistors, or forms itself the conductive channel of said one or several field effect transistors. 
In one embodiment said polymeric layer and/or said substrate is transparent for electromagnetic radiation having a wavelength in the range of from 100 nm to 10000 nm, including UV, visible and IR radiation. 
Preferably, said electrically conductive or semiconductive particles are selected from the group comprising metal particles, i.e. noble metal particles such as Au, Pt, Ag, Pd, coinage metal particles such as Cu, Ni, Fe. It is also possible to use combinations of these metals in a single nanoparticle, i.e. to build an alloy or core/shell metal nanoparticles. It is also possible to use semiconductive nanoparticles, i.e. II/VI semiconductors such as CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, or III/V semiconductors such as GaAs, InP, or provide conducting or semiconducting nanoparticles from organic materials, such as conductive polymers. Further, it is also possible to use as conductive particles carbon black particles or metal-decorated carbon black particles, e.g. PtRu/carbon black and Pt/carbon black nanoparticles.
In one embodiment said analyte sensitive layer comprises electrically conductive fibers said fibers having an average diameter < 1 μm, preferably < 500 nm, more preferably < 100 nm, wherein, preferably said electrically conductive fibers are selected from the group comprising metal oxide nanofibers such as vanadium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide nanofibers or a combination thereof, and carbon nanotubes. It is also possible to use conductive or semiconductive nanofibers of organic materials, such as conductive polymers.
In one embodiment said organic medium is electrically insulating or semi-conducting and is made of at least one polymer. As used herein, the terms “organic medium” and “organic matrix” are used interchangeably.
Such an organic polymeric medium may comprise poly(amide), poly(amido amine), poly(propylene imine), poly(phenylene), poly(ethylene oxide), poly(ethylene imine), hyperbranched poly(ethylene imine) poly(N-isopropyl acrylamide), poly(ethylene glycol), poly(vinyl pyrrolidone), poly(styrene), poly(vinyl alcohol), poly(4-vinyl phenol), poly(epichchlorohydrin), poly(isobutylene), poly(vinyl acetate), poly(methyl methacrylate), poly(caprolactone) fluoropolyols, polysiloxanes, polyaniline, polythiophene, polypyrrol, or copolymers like poly(ethylene oxide)-co-poly(amido amine), poly (ethylene-co-vinyl acetate), poly(styrene-co-allyl alcohol), poly(vinyl chloride-co-vinyl acetate), poly(styrene-co-maleic anhydride), poly(vinyl methyl ester-co-maleic anhydride) and combinations thereof.
In another embodiment said organic ligand molecules (capping molecules) are mono-, bi- or polyfunctional organic compounds that are able to attach to the surface of the conductive particles with one of their functional groups (anchor group). Such anchor groups are preferably selected from the groups comprising sulfur-containing functionality, or nitrogen-containing functionality, or phosphor-containing functionality, or oxygen-containing functionality, as in the examples given below.
2007192805.tif 000016
In another embodiment said organic linker molecules are bi- or polyfunctional organic compounds that are able to attach to the surface of the conductive particles with at least two of their functional groups (anchor groups) and are preferably selected from the groups comprising sulfur-containing functionality, or nitrogen-containing functionality, or phosphor-containing functionality, or oxygen containing functionality, as in the examples given above for the ligand molecules.
In the case when the above-mentioned functional groups form a terminal group, the valences not bound to the linker or ligand molecule may carry a hydrogen atom, or a small alkyl unit, or may be deprotonated to form an ionic unit.
Preferably, said polymeric layer is continuously and homogeneously distributed over the surface of said analyte sensitive layer.
Preferably the chemical sensor according to the present invention further comprises an analyte to be detected, and said at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or polymer electrolyte is selected in terms of its polarity so as to match the polarity of said analyte to be detected. 
Preferably the chemical sensor arrangement according to the present invention further comprises an analyte to be detected, and said at least one type of electrically semiconductive or conductive polymer is selected in terms of its electron transport properties (e.g. hole or electron conductor) so as to correlate with the electron donating/withdrawing ability of said analyte to be detected. 
The objects of the present invention are also solved by a chemical sensor array comprising at least two sensors, preferably a plurality of sensors according to the present invention, wherein the individual sensors differ from each other in the type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or polymer electrolyte in their respective polymeric layer, and/or in the combination between their respective polymeric and analyte sensitive layers, thus affording a different chemical selectivity for each sensor. By using an appropriate pattern recognition analysis, different analytes can be identified based on the differences between the chemical selectivity patterns of the sensors in the array.
Alternatively, an array in accordance with the present invention may comprise identical sensors, which only differ from each other in the thickness of their respective polymeric layer within the array thus affording a temporal resolution of analyte detection. Variations in the thickness of the polymeric layer allow the response times to be varied between different sensors, i.e. shortened or extended. This gives the possibility to build a sensor array of compositionally identical sensors (which have identical materials in their respective analyte sensitive layers and polymeric layers respectively), which sensors only differ in their position within the array and their response times. Thus, different analytes may cause differently patterned responses. By using an appropriate pattern recognition analysis, different analytes can be identified based on the variation in the temporal response between the sensors in the array.
Alternatively, it is also possible to provide an array of compositionally different sensors which sensors additionally also differ from each other in the thickness of their respective polymeric layers, thus combining a chemical selectivity and temporal resolution in the same array.
The objects of the present invention are also solved by a method of detecting an analyte using a substrate and an analyte sensitive layer on top of said substrate, said analyte sensitive layer comprising electrically conductive or semiconductive particles or fibers, said particles or fibers having an average diameter < 1 μm, preferably < 500 nm, and further using a polymeric layer on top of said analyte sensitive layer, said polymeric layer comprising at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or at least one type of polymer electrolyte, characterized in that 
- said analyte sensitive and/or said polymeric layer is/are exposed to said analyte and said analyte is sorbed in or to at least said polymeric layer,
- and, upon sorption, preferably upon sorption in or to said polymeric layer and/or to said analyte sensitive layer, said analyte is detected, preferably by measuring a change of electrical resistance, or by measuring a change in work function, a change of current through a conductive channel of FET which interacts with the said sensitive layer, or by measuring a change of reflectance, a change of refractive index, a change of luminescence, preferably fluorescence emission, phosphorescence emission or absorbance, of said analyte sensitive layer, or by measuring a change in UV/visible or IR absorbance or transmittance spectrum of  said analyte sensitive layer. 
Preferably, in the method of detecting an analyte in accordance with the present invention, said substrate, said analyte sensitive layer and said polymeric layer are as defined further above. 
The objects of the present invention are also solved by a method of fabricating the chemical sensor or the array of the present invention, characterized by the following steps:
- providing a substrate
- depositing on said substrate an analyte sensitive layer by depositing electrically conductive or semiconductive particles or fibers having an average diameter < 1 μm, preferably < 500 nm, thereon, preferably by a layer-by-layer deposition, dip-coating, spin-coating, drop casting, spray coating, ink-jet printing, stamping, Langmuir-Blodgett, Langmuir Schaefer disposition or ligand-exchange precipitation from solution, during which depositing said particles become embedded in an electrically non-conductive or semiconductive medium, preferably an electrically non-conductive or semiconductive polymeric medium, or become linked to each other through organic linker molecules, or remain or become capped by organic ligand molecules, 
- depositing on said analyte sensitive layer a polymeric layer, preferably by a layer-by-layer deposition, dip-coating, spin-coating, drop casting, spray coating, ink-jet printing, stamping, Langmuir-Blodgett, Langmuir Schaeffer deposition,
wherein said substrate, said analyte sensitive layer, said components of the analyte sensitive layer including said organic medium, if present, and including said electrically conductive or semiconductive particles or fibres, and said polymeric layer are as defined further above, and in the case of an array according to the present invention, repeating these steps as many times as are necessary for producing the at least two, preferably the plurality of sensors.
Preferably, in the method of fabricating the chemical sensor or the chemical sensor array according to the present invention, said substrate, said analyte sensitive layer, said components of the analyte sensitive layer, including said organic medium, if present, and including said electrically conductive or semiconductive particles or fibres, and said polymeric layer are as defined further above. 
In the case of fibers being used in the fabrication, these are preferably simply deposited without an organic medium or organic ligand or linker molecules, whereas electrically conductive or semiconductive particles are deposited with such organic medium or ligand molecules.
The objects of the present invention are also solved by a use of the chemical sensor or of the array according to the present invention for detecting an analyte, preferably in the fluid phase. 
The inventors have surprisingly found that the deposition and presence of a polymeric layer on top of the analyte sensitive layer comprising nanoparticles or nanofibres greatly enhances the sensitivity towards a target analyte and may also influence and improve the selectivity of a nanoparticle based analyte sensor. Without wishing to be bound by any theory, the inventors presently believe that the presence of an additional layer on top of the analyte sensitive layer, which additional layer is a polymeric layer, serves to concentrate the analyte in the vicinity of the analyte sensitive layer and therefore leads to an increase in the analyte concentration in the sensitive layer, which ultimately results in a higher signal from the analyte sensitive layer. Furthermore, the polymeric layer on top of the analyte sensitive layer may modify the interaction between the analyte and the analyte sensitive layer and may thus lead to an increase in selectivity for a given analyte sensitive layer. 
The term “nanoparticle” or “nanofibre”, as used herein, is meant to designate particles or fibres which have characteristic dimensions < 1 μm. Further, such nanoparticles can have different shapes, i.e. faceted (spherical), rod-like, disk-like, or fractal, e.g. multi-pod, star-like, spiky. Typically the characteristic diameter of these nanoparticles and/or nanofibers, at an average, is < 1 μm, preferably ≦ 500 nm, and even more preferably ≦ 300 nm. In a preferred embodiment said particles or fibres have an averange diameter in the range of from 1 nm to 100 nm, most preferably from 1 nm to 50 nm. However, the actual size of the respective nanoparticles/nanofibres also depends on the respective analyte to be detected, since the size of a nanoparticle/nanofibre may also determine and/or affect its chemical selectivity towards specific analytes. In no case, however, will the dimensions of said nanoparticles be > 1 μm or the diameter of said nanofibres be > 1 μm. In turn, particles or fibers complying with the aforementioned dimension requirements may also be referred to as “nanoparticles” or “nanofibres” within the present application.
The term “analyte sensitive layer”, as used herein, is meant to designate a layer which, in response to the presence of an analyte, yields a measurable signal that can be detected by conventional means, for example by measuring the chemical resistance of this layer or by measuring its optical properties, such as IR, UV/Vis absorbance or transmittance, or reflectance, or luminescence properties, for example fluorescence and/or phosphorescence emission. 
The term “sorption in (a layer)” or “sorption to (a layer)”, as used herein is meant to denote absorption and/or adsorption. It may imply one or the other process taking place or both.
Typically, the substrate of the chemical sensor arrangement according to the present invention is not particularly limited and may for example be glass, ceramics, silicon, or plastic. The nanoparticles or nanofibres which, themselves, are electrically conductive may be embedded in a non-conductive or semi-conductive organic medium or matrix, or they may be capped with organic ligand molecules or interlinked with organic linker molecules. Such organic ligand or linker molecules may be mono-, bi- or polyfunctional organic molecules. In the case of linkers, they are bi- or polyfunctional organic molecules. The capping with organic ligands and the interlinkage with organic linkers is explicitly and extensively described in European Patent Publication EP 1 215 485 A1 which describes nanoparticle-based sensors, wherein the nanoparticles are interlinked and/or capped. 
Sometimes, in the present application, reference is made to a “nanocomposite material”. This term is meant to designate the material which can be found within the analyte sensitive layer, i.e. it can be the electrically conducting nanoparticles or nanofibres which are embedded in an insulating or semiconducting organic medium, or it can be the ligand-capped nanoparticles or nanofibres, or it can be a network of interlinked nanoparticles or nanofibres which are interlinked with bi-or polyfunctional organic molecules. 
Numerous examples of electrically conducting nanoparticles and nanofibres are available, such as but not limited to metal nanoparticles, like gold, platinum, silver nanoparticles, or carbon black nanoparticles or vanadium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide nanofibres and carbon nanotubes. 
Preferably, said electrically conductive or semiconductive particles are selected from the group comprising metal particles, i.e. noble metal particles such as Au, Pt, Ag, Pd, coinage metal particles such as Cu, Ni, Fe. It is also possible to use combinations of these metals in a single nanoparticle, i.e. to build an alloy or core/shell metal nanoparticles. It is also possible to use semiconductive nanoparticles, i.e. II/VI semiconductors such as CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, or III/V semiconductors such as GaAs, InP, or provide conducting or semiconducting nanoparticles from organic materials, such as conductive polymers. Further, it is also possible to use as conductive particles carbon black particles or metal-decorated carbon black particles, e.g. Pt/carbon black and/or PtRu/carbon black nanoparticles.
As used herein, the term “electrically conductive” refers to the capability of transporting electrons or holes. An “electrically non-conductive” polymer is a polymer incapable of such transport. In contrast thereto, a “polymer electrolyte”, as used herein, is capable of transporting ions, but not electrons or holes. 
The methods by which an analyte sensitive layer can be created are known to someone skilled in the art and have also been for example described in EP 1 215 485 A1. They may for example be prepared by layer-by-layer-deposition, which involves the repetitive sequential immersion of a substrate into a dispersion of nanoparticles/nanofibres and a solution of organic component (e.g. the polymers making up the organic polymeric medium or linker molecules). Other possibilities of creating the analyte sensitive layer include dip coating techniques, spin coating techniques, drop casting techniques, spray coating techniques, ink-jet printing, stamping, ligand exchange precipitation from solution, Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaeffer-techniques.
Of paramount importance to the present invention is the presence of a polymeric layer on top of the analyte sensitive layer. The polymeric layer may vary in its thickness and usually has a thickness < 10 μm, preferably < 1 μm, more preferably ≦ 100 nm, even more preferably < 70 nm and most preferably in the range of from 1 nm to 50 nm. 
The inventors have found that particularly with such thin polymeric layers, in the range <70 nm, a remarkably enhanced senstivity is achieved whilst at the same time not adversely affecting, i.e. unduly extending, the response times. Typically, the response times achieved by using such thin polymeric layers (< 70 nm) are t90on or t90off < 180 s, as can for example be seen in figure 2 of the present application. t90on is the time required for achieving 90% of the full signal as measured from the time of the beginning of exposure to the analyte. t90off is the time, measured from the end of exposure to analyte, which is required for returning to the pre-analyte-exposure signal (baseline signal) to the point when 90% of such return to the baseline signal  has been reached. 
The term “fluid phase” is meant to include both liquid phase and gas phase.
Usually, the ratio of the thickness of the polymeric layer to the thickness of the analyte sensitive layer is in the range of from 10000 to 0.001, although, in preferred embodiments, it is in the range of from 10 to 0.01. Accordingly, the analyte sensitive layer itself has a thickness ≦ 1 μm, preferably ≦ 500 nm, more preferably in the range of from 1 nm to 300 nm. In the examples that follow, typically, both the polymeric layer and the analyte sensitive layer are ≦ 100 nm thick. 
Although, in the following specific description, an analyte sensitive layer is described which functions as a chemiresistor sensor, i.e. the electrical resistance is measured in dependence on the presence or absence of an analyte, it is also possible to apply the principle of a polymeric layer on top of an analyte sensitive layer according to the present invention to other forms of sensors such as sensors based on field effect transistors or sensors, wherein the optical properties change, such as absorption properties, or reflectance, or fluorescence or phosphorescence emission properties, as a result of the presence of an analyte to be detected. In the case of a chemiresistor, i.e. involving the measurements of electrical resistance, the substrate further comprises at least one electrode, usually several electrodes and in some embodiments an interdigitated electrode structure. Such interdigitated electrode structures are for example described in EP 1 215 485 A1. In the case, where a field effect transistor is used, the substrate comprises one or several field effect transistors, and the nanocomposite material is in contact preferably through an insulating layer with the conducting channel(s) of the field effect transistor(s) or forms itself the conductive channel(s) of the field effect transistor(s). In the case where the optical properties of the nanoparticles/nanofibres are measured, the polymeric layer on top of the analyte sensitive layer and/or the substrate must be transparent/transmissive for electromagnetic radiation, preferably in the range including UV and infrared, more preferably in the range from 100 nm to 10000 nm, to enable the measurement of the optical properties of the nanoparticles/nanofibres.
The polymeric layer is deposited by methods known to someone skilled in the art, such as spin coating, drop casting, spray coating, layer-by-layer-deposition, ink-jet printing, stamping and other known techniques, for example described in EP 1 215 485A1, which is incorporated herein by reference in its entirety.
The chemiresistor embodiment of the chemical sensor according to the present invention proposed here comprises a few nanometer thick layer of conductive nanocomposite material deposited on a substrate that possesses electrode structures to address the composite material. A layer of organic non-conductive polymer also with a thickness of a few nanometers is deposited on top of the conductive material. The interaction of the conductive composite material with analyte molecules present in the fluid phase leads to a change in the resistance of the conductive material. The measured sensor signal is the normalized change of resistance 
2007192805.tif 000017
where Rini is the sensor resistance before exposure to analyte, and Rt is the sensor resistance at time t after the start of the analyte exposure. In this sense the chemical sensor proposed here is a chemiresistor. 
A schematical drawing of an embodiment of the chemiresistor is shown in Figure 1. The substrate (1) may be glass, ceramic, silicon or plastic substrate, on which interdigitated electrode structures (2) are fabricated via lithographic or print techniques. The nanocomposite material (3) comprises conductive nanoparticles that may be embedded in an organic matrix, preferably an organic polymeric matrix, or may be capped with mono-, bi- or polyfunctional organic ligand molecules, or interlinked with bi- or polyfunctional organic linker molecules. The conductive nanoparticles may comprise, but are not limited to, metal nanoparticles (like Au, Ag, Pt, Pd, Ni, Cu, Fe, alloy and core/shell nanoparticles) semiconductive nanoparticles (like CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, GaAs, InP, conductive polymer nanoparticles), or carbon black and/or metal-decorated carbon black nanoparticles. 
The organic matrix or medium may comprise insulating or semi conducting polymers like poly(amide), poly(amido amine), poly(propylene imine), poly(phenylene), poly(ethylene oxide), poly(ethylene imine), hyperbranched poly(ethylene imine) poly(N-isopropyl acrylamide), poly(ethylene glycol), poly(vinyl pyrrolidone), poly(styrene), poly(vinyl alcohol), poly(4-vinyl phenol), poly(epichchlorohydrin), poly(isobutylene), poly(vinyl acetate), poly(methyl methacrylate), poly(caprolactone) fluoropolyols, polysiloxanes, polyaniline, polythiophene, polypyrrol, or copolymers like poly(ethylene oxide)-co-poly(amido amine), poly (ethylene-co-vinyl acetate), poly(styrene-co-allyl alcohol), poly(vinyl chloride-co-vinyl acetate), poly(styrene-co-maleic anhydride), poly(vinyl methyl ester-co-maleic anhydride) and combinations thereof. 
In general, without wishing to be bound by any theory, the inventors believe at present that the polymer layer serves to modify the interaction between the analyte and the nanocomposite conductive layer and thus to act simultaneously as a semi permeable membrane and as an analyte in-situ concentrator unit coupled to the sensitive layer. In addition, since different polymers exhibit varying ability to interact with the same analyte, equal composite chemiresistors coated with compositionally distinct polymer layers will provide different responses to the target analyte, and thus will show specific selectivity patterns. In this manner, an array of sensor elements with distinct response features but based on a single conductive nanocomposite material can be built up.
As outlined above, the chemical sensor arrangement is neither restricted to being a chemiresistor nor to the use of nanoparticles. Modifications of the sensor architecture shown in Figure1 are also possible. One such modification may concern the composition and the structure of the conductive layer. For example, nanofiber materials, e.g. vanadium pentoxide nanofibers (PCT/EP02/13309, filed on 26.11.2002), molybdenum oxide, tungsten oxide , nanofibers or carbon nanotubes may be used as a conductive component instead of the nanoparticle/organic composite material. Another modification may concern the transduction principle involved in the analyte detection. For instance, field-effect-transistors (FET), in which a nanocomposite material is used as an analyte sensitive layer in contact, typically through an insulating layer, with the conductive channel of the FET or forms itself a conductive channel of the FET, may also be considered. It is expected that the approach for sensitivity and selectivity enhancement presented in this application will also be operative in case another conductive material and/or different transduction principles are applied. For example, it is also possible to make use of the unique optical properties of nanoparticles/nanofibers in that such optical properties may change in response to the presence of an analyte. Such optical properties may be the absorption characteristics or the luminescence emission characteristics, such as fluorescence emission or phosphorescence emission. In such a case, it is important that the change of optical properties can be detected either through the polymeric layer or the substrate or both such that, depending on which optical property is to be detected, the polymeric layer or the substrate must be transparent for electromagnetic radiation of the corresponding wavelength. 
In the following, reference is made to the figures, wherein 
figure 1 shows a schematical cross section representation of a chemiresistor arrangement according to the present invention, 
figure 2 shows response traces of non-coated and polymer coated chemiresistors (AuHDT), comprising Au-nanoparticles interlinked with hexadecanedithiol molecules (HDT), to 5000 ppm (volume/volume) of a) toluene, b) 4-methyl-2-pentanone, c) methanol, and d) water, wherein all measurements were performed at room temperature, 
figure 3 shows chemical selectivity patterns of non-coated and polymer-coated AuHDT chemiresistors derived from the vapour sensitivity measurements at 5000 ppm vapour concentration, 
figure 4a shows a schematic arrangement of one embodiment of a chemical sensor according to the present invention showing a polymeric layer, an analyte sensitive layer and a substrate, 
figure 4b shows the arrangement of figure 4a, this time with an analyte diffusing into the chemical sensor, 
figure 5a shows an analyte sensitive layer of AuHDT without a polymeric layer, both as an AFM image, together with a panel showing the thickness of the deposited layer in nm, 
figure 5b shows an analyte sensitive layer of AuHDT together with a polymeric layer of poly(styrene) on top, shown both as an AFM image, together with an extra panel showing the thickness of the deposited layer in nm, 
figure 5c showing an analyte sensitive layer of AuHDT together with a polymeric layer of poly(styrene sulfonate) sodium salt and poly(allylamine hydrochloride), shown both as an AFM image, together with an extra panel showing the thickness of the deposited layer in nm.
In the following, reference is now made to the following examples, which are given to illustrate, not to limit the present invention.
Examples
The approach in the present invention is demonstrated by the following experimental findings. The examples given below are based on a chemiresistor sensor that comprises gold nanoparticles (AuNP) interlinked with hexadecanedithiol molecules (HDT), but it is clear that the invention is not limited to a chemiresistor nor to the use of the specific particles. 
Example 1
A) Deposition of the conductive composite material
The fabrication of the conductive material was done via layer-by-layer self-assembly onto BK7 glass substrates equipped with interdigitated electrode structures (IDE). Each substrate supported three IDE comprising 5 nm titanium adhesion layer, on top of which 95 nm gold layer was deposited. Each IDE consisted of 50 finger pairs with 10 μm finger gap, 10 μm finger width and 1800 μm overlap. The so prepared basic composite chemiresistor is hereafter referred to as AuHDT. The preparation of the AuHDT chemiresistor was made as previously described in EP1215485 for other AuNP-based chemiresistors, which is incorporated herein by reference in its entirety. The nanoparticles used had an average diameter in the range of from 3 nm to 6 nm. 
Example 2
B) Deposition of the polymer layer 
The structural formulas and the molecular weights of the polymers used to produce the coating layer are shown in Table1. 
The deposition of the polymer layer on top of the AuHDT chemiresistor was done by spin coating or by layer-by-layer assembly.
Table1. Structural formulas and molecular weight of polymers used to produce the coating, and solvents used for the preparation of the polymer solutions.
2007192805.tif 000018
a. Deposition by spin coating
Polymers 1-6 in Table1 were deposited on top of the AuHDT chemiresistors via spin coating. For preparation of the polymer solutions 50 mg of the polymer were dissolved in 5 ml solvent. The solvents used for the preparation of the solutions are also listed in Table1. The spin coating of polymers on the surface of the AuHDT chemiresistors was performed as follows. First, 0.3ml of the solvent in which the corresponding polymer was dissolved, were dropped on the surface of the AuHDT chemiresistor. After a few seconds the chemiresistor was spun to produce a slightly wet surface for the subsequent polymer layer deposition. After the spinning was finished, 0.3ml of the polymer solution was placed on the pre-treated surface of the chemiresistor. The sample was spun again after a few seconds to produce a thin polymer layer on top of the AuHDT chemiresistor. 
b. Deposition by LbL assembly
Polymers 7 and 8 in Table1 were used to prepare a polyelectrolyte coating on top of the AuHDT chemiresistor via layer-by-layer (LbL) deposition. The PSS solution was prepared by dissolving 102.3mg of PSS in 50ml 1M solution of NaCl in deionized water (2.92g NaCl in 50ml MilliQ water with resistivity 18.2MΩcm). The PAH solution was prepared by dissolving 45.1mg of PAH in 50ml 1M solution of NaCl in deionized water. In this manner, PSS and PAH solutions with concentrations of 10-2 mol/l (as a monomer concentration) were obtained. The LbL deposition of the polymer layer was performed via sequential dipping of the AuHDT chemiresistor in the solutions of PSS and PAH with rinsing in MilliQ water in between. The dipping procedure was repeated 5 times. In this manner a polymer film on top of the AuHDT chemiresistor comprising 5 bilayers of PSS_PAH was obtained. The procedure for LbL deposition of PSS_PAH bilayers is described in US5208111. 
c. Thickness of AuNP/Polymer films and of the polymer layers only determined by Atomic Force Microscopy (AFM) 
The thickness measurements were performed by Tapping Mode AFM, using an AFM Dimension 3100 microscope with Nanoscope IV controller (Digital Instruments, USA). 
First, a scratch in the film was produced by a needle until the underlying glass (SiO2) substrate was seen in order to remove a thin stripe from the film material. Then the edge of the scratch was imaged by AFM and the film thickness was determined as the height of the scratch. At least 20 measurements on different spots and scratches for each film were performed for a good statistics. The thickness of the polymer layer only was determined as a difference between the thickness of the AuHDT/Polymer system and the thickness of the uncovered AuHDT material.
The results are presented in Table 2 below. In all cases the thickness of the polymer layer was below 70 nm, in most of the cases even below 50 nm. It is particularly in these very thin polymeric layers <70 nm that high sensitivity and fast response times are observed.
Table 2. Total thickness and polymeric layer thickness of AuHDT chemiresistors as prepared and covered with different polymeric layers
2007192805.tif 000019
Representative AFM images illustrating the above described thickness measurement procedure are shown in figures 5 a-c.
Example 3
C) Vapor sensitivity measurements
The responses of the non-covered and polymer-covered AuHDT chemiresistors to vapors of toluene, 1-propanol, 4-methyl-2-pentanone (4M2P), methanol and water with concentrations 400, 2400, and 5000ppm (volume/volume) were measured as described in EP1215485. 
Example 4
D) Results
The response traces of the sensors to 5000ppm (v/v) vapors of toluene, 4M2P, methanol and water are shown in Figure2 to exemplify the effect of the polymer coating on the response of the AuHDT chemiresistors. The chemical selectivity pattern of each sensor derived from the measured responses is shown in Figure3. The response times t90on and t90off typically are less than 180 s, as can be seen from figure 2.
The major findings can be summarized as follows:
a. The polymer layer causes an increase in the magnitude of the AuHDT response in cases when the polymer and the vapor possess similar polarity. For instance, response magnitude increase of the coated chemiresistors compared to the non-coated one is seen in case of:
o PS coated AuHDT to toluene  ca. 2x enhancement
o PVPd coated AuHDT to 4M2P  ca. 3x enhancement 
o PNIPAM, PVPd and PSS_PAH coated AuHDT to water  ca. 4x enhancement 
o PNIPAM and PVPd coated AuHDT to methanol  8x to 9x enhancement
b. The polymer layer causes a change in the chemical selectivity pattern of the chemiresistor that depends on the polarity match between the polymer and the vapor. For instance, 
o PS coated AuHDT  selectivity pattern changed to stronger hydrophobic one
o PNIPAM and PVPd coated AuHDT  selectivity pattern changed from hydrophobic to more polar one The sensors show highest sensitivity to 4M2P vapors, lower sensitivity to toluene vapors and lowest sensitivity to alcohol and water vapors 
o PSS_PAH coated AuHDT  selectivity pattern switched completely from hydrophobic to hydrophilic one. The sensor shows highest sensitivity to water vapors and lowest sensitivity to toluene vapors 
c. The polymer layer causes a characteristic delay in the response time of the sensors. This is of interest when temporal information from the sensor responses is to be obtained, mainly in the case when several chemiresistors without coating and with different coatings are used in an array and the identification of the analyte is done by pattern recognition analysis. Typically, t90on and t90off are less than 180 s. 
The features of the present invention disclosed in the specification, the claims and/or in the accompanying drawings, may, both separately, and in any combination thereof, be material for realizing the invention in various forms thereof.
Claims 
1.            A chemical sensor comprising 
- a substrate, 
- an analyte sensitive layer on top of said substrate, said analyte sensitive layer comprising electrically conductive or semiconductive particles or fibers, said particles or fibers having an average diameter <1 μm, preferably <500 nm, 
- a polymeric layer on top of said analyte sensitive layer, said polymeric layer comprising at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or comprising at least one type of polymer electrolyte. 
2.            The chemical sensor according to claim 1, characterized in that said analyte sensitive layer comprises electrically conductive or semiconductive particles, said particles having an average diameter < 1 μm, preferably < 500 nm, more preferably a diameter in the range from 1 nm to 100 nm, most preferably 1 nm to 50 nm.
3.            The chemical sensor according to claim 2, characterized in that said analyte sensitive layer further comprises an organic medium, preferably an organic polymeric medium, which is electrically non-conductive or semiconductive, and said electrically conductive or semiconductive particles are embedded in said organic polymeric medium. 
4.            The chemical sensor according to claim 2, characterized in that said analyte sensitive layer does not comprise an organic polymeric medium, and said electrically conductive or semiconductive particles are linked to each other by organic linker molecules, or said electrically conductive or semiconductive particles are capped by organic ligand molecules. 
5.            The chemical sensor according to any of the foregoing claims, characterized in that said analyte sensitive layer has a thickness ≦ 1 μm, preferably ≦ 500 nm, more preferably in the range of from 1 nm to 300 nm. 
6.            The chemical sensor according to any of the foregoing claims, characterized in that said polymeric layer has a thickness < 10 μm, preferably < 1 μm, more preferably ≦ 100 nm, even more preferably < 70 nm and most preferably in the range of from 1 nm to 50 nm. 
7.            The chemical sensor according to any of the foregoing claims, characterized in that the ratio of thickness of said polymeric layer to said analyte sensitive layer is in the range of from 10000 to 0.001, preferably in the range of from 10 to 0.01, more preferably 1 to 0.01, and most preferably 1 to 0.1.  
8.            The chemical sensor according to any of the foregoing claims, characterized in that said at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or said at least one type of polymer electrolyte has an average molecular mass in the range of from 1000 to 106 
9.            The chemical sensor according to any of the foregoing claims, characterized in that said at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer is selected from the group comprising synthetic polymers, i.e. homopolymers like poly(amide), poly(amido amine), poly(propylene imine), poly(phenylene), poly(ethylene oxide), poly(ethylene imine), hyperbranched poly(ethylene imine), poly(N-isopropyl acrylamide), poly(ethylene glycol), poly(vinyl pyrrolidone), poly(styrene), poly(vinyl alcohol), poly(4-vinyl phenol), poly(epichchlorohydrin), poly(isobutylene), poly(vinyl acetate), poly(methyl methacrylate), poly(caprolactone) fluoropolyols, polysiloxanes, polyaniline, polythiophene, polypyrrol, or copolymers like poly(ethylene oxide)-co-poly(amido amine), poly (ethylene-co-vinyl acetate), poly(styrene-co-allyl alcohol), poly(vinyl chloride-co-vinyl acetate), poly(styrene-co-maleic anhydride), poly(vinyl methyl ester-co-maleic anhydride) and combinations thereof, and the at least one type of polymer electrolyte is selected from the group comprising synthetic polymer electrolytes such as poly(styrene sulfonate), poly(styrene sulfonate) sodium salt, poly(allylamine hydrochloride), polyacrylic acid, poly(diallyl dimethyl) ammonium chloride, and combinations thereof; or said at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or polymer electrolyte is selected from the group comprising natural polymers and natural polymer electrolytes, such as dextran, chitin, chitosan, cellulose, polypeptides, proteins, RNA, DNA, 
10.            The chemical sensor according to any of the foregoing claims, characterized in that said substrate has one or several electrodes thereon, or it has one or several field effect transistors thereon, and said analyte sensitive layer on top of said substrate is in contact with said one or several electrodes or in contact, preferably through an insulating layer, with at least one conductive channel of said one or several field effect transistors or forms itself a conductive channel of said one or several field effect transistors.
11.            The chemical sensor according to any of claims 1-9, characterized in that said polymeric layer and/or said substrate is transparent for electromagnetic radiation having a wavelength in the range of from 100 nm to 10000 nm, including UV, visible and IR radiation. 
12.            The chemical sensor according to any of the foregoing claims, characterized in that said electrically conductive or semiconductive particles are selected from the group comprising metal particles, i.e. noble metal particles such as Au, Pt, Ag, Pd, coinage metal particles such as Cu, Ni, Fe, combinations of these metals in single nanoparticles, e.g. an alloy or core/shell metal nanoparticles; semiconductive nanoparticles, e.g.. II/VI semiconductors such as CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe, or III/V semiconductors such as GaAs, InP; conducting or semiconducting nanoparticles from organic materials, such as conductive polymers; conductive particles, such as carbon black particles or metal-decorated carbon black particles, e.g. Pt/carbon black or PtRu/carbon black nanoparticles.
13.            The chemical sensor according to any of claims 1, 5-11, characterized in that said analyte sensitive layer comprises electrically conductive fibers, said fibers having an average diameter < 1 μm, preferably <500 nm, more preferably < 100 nm.
14.            The chemical sensor according to claim 13, characterized in that said electrically conductive fibers are selected from the group comprising metal oxide nanofibers such as vanadium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide nanofibers, nanofibers from organic materials, e.g. conductive polymers, and carbon nanotubes.
15.            The chemical sensor according to any of claims 3, 5-12 characterized in that said organic medium is electrically insulating or semi-conducting and is made of at least one polymer, said polymer(s) being selected from the group comprising poly(amide), poly(amido amine), poly(propylene imine), poly(phenylene), poly(ethylene oxide), poly(ethylene imine), hyperbranched poly(ethylene imine) poly(N-isopropyl acrylamide), poly(ethylene glycol), poly(vinyl pyrrolidone), poly(styrene), poly(vinyl alcohol), poly(4-vinyl phenol), poly(epichchlorohydrin), poly(isobutylene), poly(vinyl acetate), poly(methyl methacrylate), poly(caprolactone) fluoropolyols, polysiloxanes, polyaniline, polythiophene, polypyrrol, or copolymers like poly(ethylene oxide)-co-poly(amido amine), poly (ethylene-co-vinyl acetate), poly(styrene-co-allyl alcohol), poly(vinyl chloride-co-vinyl acetate), poly(styrene-co-maleic anhydride), poly(vinyl methyl ester-co-maleic anhydride) and combinations thereof. 
16.            The chemical sensor according to any of claims 4, 5-12, characterized in that said organic ligand molecules are mono-, bi- or polyfunctional organic compounds that are able to attach to the surface of the conductive particles with one of their functional groups, such functional group preferably being selected from the groups comprising sulfur-containing functionality, or nitrogen-containing functionality, or phosphor-containing functionality, or oxygen-containing functionality, e.g.
2007192805.tif 000020
17.            The chemical sensor arrangement according to any of claims 4, 5-12, characterized in that said organic linker molecules are bi- or polyfunctional organic compounds that are able to attach to the surface of the conductive particles with at least two of their functional groups, such functional groups being preferably selected from the groups comprising sulfur-containing functionality, or nitrogen-containing functionality, or phosphor-containing functionality, or oxygen-containing functionality, e.g.
2007192805.tif 000021
18.            The chemical sensor according to any of the foregoing claims, characterized in that said polymeric layer is continuously and homogeneously distributed over the surface of said analyte sensitive layer.
19.            The chemical sensor according to any of the foregoing claims, further comprising an analyte to be detected, characterized in that said at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or polymer electrolyte is selected in terms of its polarity and/or in terms of its electron transport properties, e.g. hole or electron conductors, so as to match the polarity of said analyte to be detected, and/or so as to correlate with the electron donating/withdrawing ability of said analyte to be detected. 
20.            A chemical sensor array comprising at least two sensors, preferably a plurality of sensors according to any of claims 1-19, wherein the individual sensors differ from each other in the type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or polymer electrolyte in their respective polymeric layer, and/or in the thickness of their respective polymeric layer, and/or in the particular combination between the polymer and the analyte sensitive layer thus affording a different chemical selectivity and/or different response time for each sensor.
21.            A method of detecting an analyte using a substrate and an analyte sensitive layer on top of said substrate, said analyte sensitive layer comprising electrically conductive or semiconductive particles or fibers, said particles or fibers having an average diameter < 1 μm, preferably < 500 nm, and further using a polymeric layer on top of said analyte sensitive layer, said polymeric layer comprising at least one type of electrically non-conductive or semiconductive polymer or at least one type of polymer electrolyte, characterized in that 
- said analyte sensitive layer and/or said polymeric layer is/are exposed to said analyte and said analyte is sorbed in or to at least said polymeric layer on top of said analyte sensitive layer, 
- and, upon sorption, preferably upon sorption in or to said polymeric layer and/or to said analyte sensitive layer, said analyte is detected, preferably by measuring a change of electrical resistance, a change in work function, a change of current through a conductive channel of a FET, a change of IR, UV/vis absorbance or transmittance, a change of reflectance, a change of refractive index, a change of luminescence, preferably fluorescence emission, phosphorescence emission or absorbance, of said analyte sensitive layer.
22.            The method according to claim 21, characterized in that said substrate, said analyte sensitive layer and said polymeric layer are as defined in any of claims 1-19. 
23.            A method of fabricating the chemical sensor of any of claims 1-19 or the array according to claim 20, characterized by the following steps:
- providing a substrate
- depositing on said substrate an analyte sensitive layer by depositing electrically conductive or semiconductive particles or fibers having an average diameter < 1 μm, preferably < 500 nm, thereon, preferably by a layer-by-layer deposition, dip-coating, spin-coating, drop casting, spray coating, ink-jet printing, stamping, Langmuir-Blodgett, Langmuir-Schaeffer deposition, or ligand-exchange precipitation from solution, during which depositing said particles become embedded in an electrically non-conductive or semiconductive medium, or become linked to each other through organic linker molecules, or remain or become capped by organic ligand molecules, 
- depositing on said analyte sensitive layer, a polymeric layer, preferably by a layer-by-layer deposition, dip-coating, spin-coating, drop casting, spray coating, ink-jet printing, stamping, Langmuir-Blodgett, Langmuir-Schaeffer deposition,
wherein said substrate, said analyte sensitive layer and said polymeric layer are as defined in any of claims 1-19, and, in the case of an array according to claim 20, repeating these steps as many times as are necessary for producing the at least two, preferably the plurality of sensors.
24.            Use of the chemical sensor according to any of claims 1-19 or of the array according to claim 20 for detecting an analyte, preferably in the fluid phase. 
Abstract
The present invention relates to a nanoparticle/nanofiber based chemical sensor arrangement and arrays of such arrangements, to a method of fabrication thereof and to uses thereof, and furthermore relates to a method of detecting an analyte. In particular, the present invention relates to a chemical sensor arrangement having an enhanced selectivity or sensitivity, and it relates to a method of detecting an analyte at enhanced selectivity or sensitivity.
【図１】
2007192805.tif 000022
【図２】
2007192805.tif 000023
【図３】
2007192805.tif 000024
【図４．ａ】
2007192805.tif 000025
【図４．ｂ】
2007192805.tif 000026
【図５．ａ】
2007192805.tif 000027
【図５．ｂ】
2007192805.tif 000028
【図５．ｃ】
2007192805.tif 000029