ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК И ГАЗОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЕТУЧИХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
GAS SENSOR AND GAS MEASURING DEVICE FOR DETECTING VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS

Настоящее изобретение относится к газовому датчику, газоизмерительному прибору и к применению газового датчика согласно изобретению для обнаружения летучих органических соединений.
Газовые датчики обычно применяются как важнейшие компоненты газоизмерительных приборов. Например, они используются в так называемых персональных газоизмерительных приборах (PAM=personal air monitor, персональный монитор качества воздуха). С помощью таких персональных газоизмерительных приборов воздух, окружающий человека, непрерывно исследуется на опасные вещества, и при необходимости может выдаваться соответствующее предупреждение. К этим газоизмерительным приборам предъявляются высокие требования в отношении возможности количественной оценки измерения, достоверности, надежности, удобства использования, чувствительности и времени измерения.
Газовые датчики, подходящие для обнаружения химических соединений, состоят в основном из комбинации чувствительного элемента и измерительного преобразователя. Чувствительный элемент, например чувствительный электрод, обычно может взаимодействовать с анализируемыми молекулами на молекулярном уровне. При этом изменяется физико-химическое свойство чувствительного элемента, например, работа выхода поверхности приемника. Измерительный преобразователь может регистрировать это изменение и преобразовывать в сигнал, например электрический. В свою очередь, электрический сигнал может затем использоваться для подачи сигнала тревоги или подобного.
В этой связи известны, например, газовые датчики на полупроводниковой основе, которые состоят из полевого транзистора (FET) и сопряженного с FET конденсатора (Capacitively-Controlled Field Effect Transistor (CCFET), полевой транзистор с емкостным управлением). Конденсатор выполнен как воздушный конденсатор. Одна из двух обкладок конденсатора действует как чувствительный элемент, причем поверхность обкладки конденсатора (поверхность чувствительного элемента) может взаимодействовать с молекулами подлежащего обнаружению аналита. Исследуемый газ течет через конденсатор между обкладками конденсатора и образует диэлектрик. Если происходит взаимодействие поверхности чувствительного элемента с молекулами аналита, присутствующего в исследуемом газе, то изменяется емкость конденсатора. Это изменение емкости можно зарегистрировать с помощью FET и преобразовать в электрический сигнал.
В этой связи в документе US 4411741 A предусмотрен газовый датчик, у которого чувствительный электрод расположен напротив электрода затвора полевого транзистора и отделен от него воздушным зазором. Затвор FET и чувствительный электрод образуют при этом обкладки конденсатора.
В заявке DE 4333875 A1 также предусматривается полупроводниковый газовый датчик с FET. В этом случае используемый FET и воздушный зазор, в котором образован чувствительный к газу слой, т.е. конденсатор, пространственно отделены друг от друга, но связаны между собой электропроводящим образом. FET имеет электрод затвора, который соединен электропроводящим образом с электродом-датчиком. Напротив электрода-датчика находится газочувствительный слой. Газочувствительный слой отделен от электрода-датчика воздушным зазором и через этот воздушный зазор емкостно связан с электродом-датчиком.
Подобный датчик предусматривается также в документе EP 2006668 A1. При этом газочувствительный слой покрыт дополнительным защитным слоем. Этот дополнительный защитный слой адгезионно связан с газочувствительным слоем, но проницаем для целевого газа. Он предназначен для того, чтобы сильно нелинейные изменения сигнала измерения, которые могут возникать при определенных сочетаниях газочувствительного слоя и аналита, несмотря на более или менее линейное изменение концентрация целевого газа, модифицировать таким образом, чтобы изменение сигнала измерения примерно соответствовало изменению концентрации целевого газа.
2
Типичными материалами, из которых может состоять чувствительный слой таких известных газовых датчиков, являются металлы, полупроводники, полупроводниковые соединения или соединения металлов, как, например, платина, палладий, нитрид титана, фталоцианин меди, титанат бария, диоксид олова, оксид серебра, оксид кобальта, оксид хрома-титана, золото, йодид калия или же германий. От конкретного использующегося материала зависит то, какие аналиты можно обнаружить. Так, например, водород можно обнаружить с помощью платины или палладия, тогда как NO и другие неорганические газы могут быть обнаружены, наряду с прочим, с помощью чувствительных слоев из оксида кобальта, диоксида олова или фталоцианина меди. При этом часто проблематичным является обнаружение так называемых летучих органических соединений, в частности, когда они в целом являются относительно инертными, как, например, бензол. Причиной этого часто является почти полное отсутствие или очень ограниченное взаимодействие, проявляемое такими органическими соединениями с материалами, используемыми в качестве чувствительного слоя. Поэтому как альтернатива для обнаружения таких соединений часто применяются оптические датчики. Однако они могут быть очень чувствительными к ударам и другим механическим воздействиям. Кроме того, они часто имеют довольно большой размер.
Исходя из вышесказанного целью настоящего изобретения является, наряду с прочим, устранить эти и другие недостатки уровня техники и разработать усовершенствованный газовый датчик. Например, требуется разработать такой газовый датчик, который подходил бы для применения в персональных газоизмерительных приборах (PAM). При этом желательно, чтобы с помощью такого датчика можно было надежно и достоверно обнаруживать летучие органические соединения, в частности, бензол.
Для решения этой задачи изобретение предлагается газовый датчик в соответствии с пунктом 1, а также газоизмерительный прибор с таким газовым датчиком и применение такого газового датчика для обнаружения летучих органических соединений в соответствии с пунктами 21 и 22 формулы изобретения. Варианты осуществления являются предметом зависимых пунктов.
Изобретение предусматривает, что газовый датчик содержит измерительный канал с впуском газа и выпуском газа, по меньшей мере один чувствительный слой, электрод сравнения и блок оценки данных,
- причем электрод сравнения емкостным образом соединен с чувствительным слоем,
- причем электрод сравнения соединен электропроводящим образом с блоком оценки данных,
- причем чувствительный слой размещен в измерительном канале,
- причем измерительный канал образует диэлектрический слой между чувствительным слоем и электродом сравнения, и
- причем чувствительный слой содержит подложку и слой связывания аналита,
при этом слой связывания аналита представляет собой самоорганизующийся мономолекулярный слой, состоящий из молекул согласно общей формуле
R
-R
-X,
1
2
1
1
в которой R является связующей группой, выбранной из группы, содержащей сульфид, дисульфид, сульфинил, сульфино, сульфо, карбонотиол, тиосульфат, тиоцианат, изотиоцианат, предпочтительно сульфид или тиосульфат, и причем молекулы самоорганизующегося мономолекулярного слоя соединены с подложкой через R;
- причем подложка представляет собой слой металла, причем металл выбран из группы, содержащей золото, платину, палладий, серебро и медь;
2
- причем R является разделителем, выбранным из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, гетероалкан, гетероалкен, гетероалкин, замещенные алканы, замещенные алкены, замещенные алкины, замещенные гетероалканы, замещенные гетероалкены, замещенные гетероалкины, простые эфиры, амины; и
- причем X означает органическую или металлоорганическую группу, которая может вступать во взаимодействие с молекулой аналита, в частности органическую или металлоорганическую группу с по меньшей мере одной делокализованной π-системой.
Иначе говоря, слой связывания аналита может представлять собой самоорганизующийся мономолекулярный слой, состоящий из молекул согласно общей формуле
R
-R
-X
1
2
1
1
2
в которой R означает связующую группу, выбранную из группы, содержащей сульфид, дисульфид, сульфинил, сульфино, сульфо, карбонотиол, тиосульфат, тиоцианат, изотиоцианат, предпочтительно сульфид или тиосульфат, и причем молекулы самоорганизующегося мономолекулярного слоя соединены с подложкой через R; причем подложка представляет собой слой из металла, причем металл выбран из группы, содержащей золото, платину, палладий, серебро и медь; причем R является разделителем, выбранным из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, гетероалкан, гетероалкен, гетероалкин, замещенные алканы, замещенные алкены, замещенные алкины, замещенные гетероалканы, замещенные гетероалкены, замещенные гетероалкины, простые эфиры, амины; и причем X означает органическую или металлоорганическую группу с по меньшей мере одной делокализованной π-системой.
Слой связывания аналита может также представлять собой самоорганизующийся мономолекулярный слой, состоящий из молекул согласно общей формуле
R
-R
-X,
1
2
1
1
2
где R означает связующую группу, выбранную из группы, содержащей сульфид или тиосульфат, и причем молекулы самоорганизующегося мономолекулярного слоя через R соединены с подложкой; причем подложка является слоем из металла, причем металл выбран из группы, содержащей золото, платину, палладий, серебро и медь; причем R является разделителем, выбранным из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, гетероалкан, гетероалкен, гетероалкин, замещенные алканы, замещенные алкены, замещенные алкины, замещенные гетероалканы, замещенные гетероалкены, замещенные гетероалкины, простые эфиры, амины; и причем X означает органическую или металлоорганическую группу с по меньшей мере одной делокализованной π-системой.
Таким образом, анализируемый газ (проба газа) в любом случае может втекать через измерительный канал газового датчика во впуск газа и снова вытекать из измерительного канала через выпуск газа. Таким образом, анализируемый газ течет через измерительный канал как поток анализируемого газа. При этом изобретение относится как газовому датчику, через который непосредственно протекает поток анализируемого газа, так и к газовому датчику без потока анализируемого газа. Последний вариант соответствует, например, случаю, когда впуск газа и/или выпуск газа закрыты до монтажа газового датчика, например, в целях транспортировки или подобного. Во всех случаях измерительный канал содержит внутреннюю стенку, ограничивающую внутреннее пространство измерительного канала. Согласно изобретению, чувствительный слой является частью этой внутренней стенки. Тем самым чувствительный слой является частью измерительного канала. Анализируемый газ, протекающий через измерительный канал, движется вдоль чувствительного слоя. При этом чувствительный слой образует поверхность, которая может взаимодействовать с подлежащим обнаружению аналитом. Аналит типично содержится в анализируемом газе, который течет как поток пробы газа через измерительный канал. Электрод сравнения также может быть частью внутренней стенки. Поток анализируемого, или пробного, газа может, таким образом, течь через измерительный канал между чувствительным слоем и электродом сравнения.
Чувствительный слой в этом контексте представляет собой обкладку конденсатора. При этом конденсатор предпочтительно образован чувствительным слоем, электродом сравнения и действующим как диэлектрик потоком анализируемого газа или действующим как диэлектрик объемом измерительного канала между чувствительным слоем и электродом сравнения. Таким образом, электрод сравнения емкостным образом связан с чувствительным слоем. Например, чувствительный слой и электрод сравнения могут быть образованы на противоположных сторонах измерительного канала, предпочтительно на противоположных сторонах внутренней поверхности измерительного канала. Пробный, т.е. анализируемый, газ течет через измерительный канал таким образом, что поток анализируемого газа протекает между чувствительным слоем и электродом сравнения. Таким образом, измерительный канал образуется объемом между обеими обкладками конденсатора, который может вести себя как диэлектрик как в случае, когда через измерительный канал течет анализируемый газ, так и в случае, когда измерительный канал является пустым, т.е. в маловероятном случае, когда, например, в измерительном канале имеется вакуум. Таким образом, измерительный канал ведет себя как диэлектрик между обкладками конденсатора. Таким образом, измерительный канал образует диэлектрический слой. При этом благоприятно, если измерительный канал является обогреваемым. Кроме того, предпочтительно, чтобы измерительный канал был герметичным.
Измерительный канал может быть ограничен крышкой и изоляционным слоем. Такая крышка и такой изоляционный слой ограничивают по меньшей мере часть объема измерительного канала. Чувствительный слой может быть образован на крышке. Электрод сравнения может быть заделан в изоляционный слой. В этой связи предпочтительно, чтобы блок оценки данных также был заделан в изоляционный слой.
Блок оценки данных управляется либо по току, либо по напряжению, предпочтительно по напряжению. В этой связи управляемый по напряжению блок оценки данных может быть, например, транзистором или же другим управляемым по напряжению электронным элементом, например управляемым по напряжению осциллятором или подобным. При этом важно, чтобы управляемый по  напряжению блок оценки данных распознавал изменения емкости конденсатора и мог обрабатывать их без необходимости протекания тока. Если происходит взаимодействие аналита с чувствительным слоем, то изменяется работа выхода (т.е. энергия, которую нужно затратить, чтобы электрон мог выйти из соответствующего слоя вещества) в чувствительном слое и, как следствие, происходит изменение емкости конденсатора. Последнее можно обнаружить, в частности, управляемым по напряжению блоком оценки данных, если электрод сравнения соединен с ним электрически проводящим образом.
Оказалось особенно предпочтительным, когда чувствительный слой состоит из подложки и слоя связывания аналита. При этом слой связывания аналита может взаимодействовать как с подлежащими обнаружению аналитами, так и с подложкой. При этом взаимодействие слоя связывания аналита с аналитом предпочтительно ведет к изменению работы выхода подложки и, как следствие, к вышеописанному обнаруживаемому изменению емкости. В этой связи особенно предпочтительно, когда слой связывания аналита является самоорганизующимся мономолекулярным слоем (self-assembling monolayer, SAM). Этот SAM образует слой, который взаимодействует с исследуемым аналитом и может связываться к аналитом, предпочтительно обратимо (присоединяться).
Самоорганизующийся мономолекулярный слой (SAM) типично представляет собой слой, толщина которого соответствует одной молекуле образующего слой вещества. При этом образующее слой вещество обычно является органическим соединением. Молекулы SAM спонтанно упорядочиваются в результате адсорбции на поверхности и ориентируются более или менее упорядоченно относительно друг друга в результате взаимодействия между собой. Согласно изобретению, подложка чувствительного слоя образует поверхность, на которой располагается и упорядочивается SAM. Подложка и слой связывания аналита, т.е. SAM, при этом предпочтительно ковалентно связаны друг с другом.
1
2
1
2
1
2
Далее, предлагаемый изобретением газовый датчик особенно предпочтительно отличается тем, что чувствительный слой состоит из подложки, на поверхности которой образован слой SAM, молекулы которого соответствуют формуле R-R-X. Тогда как связующая группа R служит для связывания молекул SAM с подложкой и для размещения их на подложке, разделитель R служит для того, чтобы удерживать молекулы в определенном порядке относительно друг друга. X в этой связи представляет собой реакционноспособную группу молекулы R-R-X. С этой реакционноспособной группой могут взаимодействовать подлежащие обнаружению аналиты. Кроме того, реакционноспособная группа, как и разделитель, может влиять на упорядочение молекул слоя SAM.
Особым преимуществом настоящего изобретения является то, что X может быть органической или металлоорганической группой с по меньшей мере одной делокализованной π-системой. В результате со слоем SAM могут взаимодействовать, в частности, и относительно инертные летучие органические соединения, такие, например, как бензол.
Под делокализованной π-системой типично понимаются молекулярные орбитали, которые простираются на несколько атомов C и в которых электроны могут двигаться относительно свободно. Характерными для делокализованных π-систем являются мезомерные эффекты. При этом мезомерный эффект означает влияние на распределение электронов в такой системе атомов, которые притягивают к себе электроны π-связи (электроноакцепторный эффект, -M-эффект) или предоставляют электроны π-связи (электронодонорный эффект, +M-эффект).
Указанная π-система может взаимодействовать, например, с делокализованной π-системой соответствующего аналита. При этом аналит может присоединяться к реакционноспособной группе X и вызывать сдвиг π-электронов. Сдвиг π-электронов ведет к изменению дипольных моментов участвующих молекул и, как следствие, к желаемому и измеримому изменению работы выхода.
2
1
Присоединение аналита к группе X происходит предпочтительно в результате межмолекулярных взаимодействий, например, под действием вандерваальсовых сил или посредством водородных мостиковых связей. Допустимо также, чтобы межмолекулярные взаимодействия между молекулой аналита и реакционноспособной группой X вели к стабилизации комплекса. Сдвиг π-электронов, в частности, в группе X или изменение дипольных моментов участвующих молекул может в результате электронодонорного или электроноакцепторного эффектов передаться дальше посредством заместителей на группу X через разделитель R и через связующую группу R на подложку, что в конечном счете ведет к изменению работы выхода.
2
1
При этом предпочтительно, когда разделитель R выбран из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, гетероалкан, гетероалкен, гетероалкин, замещенные алканы, замещенные алкены, замещенные алкины, замещенные гетероалканы, замещенные гетероалкены, замещенные гетероалкины, простые эфиры или амины. С помощью такого разделителя можно задать расстояние между подложкой или связующей группой и реакционноспособной группой. В этом отношении предпочтительно, если разделитель является линейной молекулой или линейной молекулярной группой. Например, разделитель может содержать линейную атомную цепочку в качестве каркаса (backbone, основная цепь), которая состоит из атомов углерода или из смеси атомов углерода, кислорода и азота. При этом атомы линейной атомной цепочки могут быть соединены друг с другом посредством одинарной, двойной и/или тройной связи. В этой связи разделитель может быть, например, алканом, алкеном, алкином или же гетероалканом, гетероалкеном или гетероалкином. Кроме того, с каркасом могут быть соединены заместители, которые, например, поддерживают передачу изменения дипольного момента от реакционноспособной группы X к связующей группе R. Допустимо также, чтобы заместители приводили к взаимодействию между соседними разделителями. Тем самым с помощью разделителя можно способствовать или влиять на упорядочение и стабильность SAM. Таким образом, может быть также выгодным, когда разделитель является замещенным алканом, замещенным алкеном, замещенным алкином или же замещенным гетероалканом, замещенным гетероалкеном или замещенным гетероалкином.
1
1
1
Оказалось также выгодным, если связующая группа R выбрана из группы, содержащей сульфид, дисульфид, сульфинил, сульфино, сульфо, карбонотиол, тиоцианат, изотиоцианат, предпочтительно сульфид или тиосульфат. С помощью такой связующей группы отдельные молекулы SAM могут взаимодействовать с находящимися на поверхности подложки атомами металла и вступать с ними в ковалентную связь. Особенно предпочтительно, если связующая группа содержит по меньшей мере один атом серы, который приводит к связыванию связующей группы R с поверхностью подложки. При этом каждая связующая группа R предпочтительно вступает в связь точно с одним атомом на поверхности подложки. Далее, оказалось предпочтительным, если подложка является слоем из металла, причем металл выбран из группы, содержащей золото, платину, палладий, серебро и медь.
В любом случае для газового датчика согласно изобретению благоприятно, если подложка является слоем из золота. На слое золота молекулы SAM могут размещаться особенно хорошо. Таким образом, такая подложка особенно хорошо подходит для покрытия слоем SAM в качестве слоя связывания аналита. Кроме того, золото может особенно хорошо взаимодействовать с соединениями серы. Кроме того, слой золота можно получать с высокой чистотой и он, в частности, нечувствителен к окислению.
1
2
1
Кроме того, предпочтительно, если связующая группа R ковалентно связана с разделителем R и подложкой. В результате связующая группа R может регулировать положение отдельных молекул на подложке и фиксировать молекулы SAM в их положении на подложке.
1
1
1
Для такой связи молекул SAM предпочтительно, если связующая группа R образует по меньшей мере один серный мостик между разделителем и подложкой. В частности, когда подложка состоит из золота, предпочтительно связывание SAM-молекул через серный мостик. Вообще говоря, предпочтительно выбрать R из группы, содержащей сульфид или тиосульфат. В частности, тиоловые группы имеют высокое сродство к благородным металлам, в частности к золоту. Таким образом, в высшей степени предпочтительно, когда R является сульфидным остатком.
2
2
В следующем аспекте выгодно выбирать R из группы, содержащей алканы, алкены, алкины, замещенные алканы, замещенные алкены, замещенные алкины, простые эфиры, амины, причем заместители в замещенных алканах, алкенах или алкинах выбраны из группы, содержащей водород, алкил или арил. Альтернативно допустимо также выбирать R из группы, содержащей гетероалкены, гетероалкины, замещенные гетероалкены и замещенные гетероалкины.
2
В любом случае предпочтительно, если длина атомной цепочки, образующей каркас разделителя R, меньше или равна 40 атомам. При этом предпочтительно, если длина атомной цепочки составляет 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 или 15 атомов, особенно предпочтительно 6, 7, 8, 9, 10, 11 или 12 атомов, в высшей степени предпочтительно 6, 7, 8, 9 или 10 атомов.
2
2
3
3
3
2
2
1
2
1
1
2
1
2
n
Z
2
2
4
2
2
6
12
2
12
2
2
4
2
2
6
Z
Z
Далее, обнаружилось, что предпочтительно, если R является линейной молекулярной группой, соответствующей формуле (Y) с n∈{0,…,40}, причем каждая группа Y независимо от остальных групп Y соответствующего R выбрана из группы, содержащей CH, CH, C, CR, O, N, NR, и причем R выбран из группы, содержащей H, алкан, алкен, алкин или ароматическое соединение. При этом Y обозначает элементы или остатки R, которые образуют линейную атомную цепочку каркаса разделителя. Так, например, потенциально возможно, что R является молекулярной группой, соответствующий формуле (CH)(CH)(CH), которая в соответствии с приведенной формулой может быть представлена в виде (Y), причем группа Y в этом случае была бы выбрана из CH и CH. Молекулу соответствующего SAM можно было бы в этом случае представить как формулой R-R-X, так и соответственно как R-(Y)-X, где Y означает CH или CH, или как R-(CH)(CH)(CH)-X. Само собой разумеется, этот пример служит лишь для пояснения способа записи формул и никоим образом не ограничивает настоящее изобретение. Количество возможных и мыслимых комбинаций остатков Y разделителя R определяется скорее количеством разных допустимых длин цепей, образованных из Y, и выбором остатков Y, допустимых в соответствии с вышеизложенным. При этом особенно предпочтительно, если n∈{5,…,15}, предпочтительно n∈{6,…,10}. Таким образом, формула R-R-X молекулы SAM в одном предпочтительном варианте осуществления может быть представлена также в виде формулы
R
-(Y)
-X
1
n
Z
Z
Z
где n∈{0,…,20}, предпочтительно n∈{5,…,15}, особенно предпочтительно n∈{6,…,10}.
2
2
2
При этом выгодно выбирать R так, чтобы разделители соседних молекул взаимодействовали друг с другом через силы Ван-дер-Ваальса. Этим можно особенно хорошо стабилизировать разделители SAM. В частности, благодаря этому разделители могут способствовать тому, чтобы реакционноспособные группы X соседних молекул выстраивались в благоприятных позициях относительно друг друга, чтобы исследуемые аналиты могли вступать с SAM в эффективное взаимодействие. Например, реакционноспособные группы X могут быть упорядочены таким образом, чтобы соответствующий аналит мог встраиваться между реакционноспособными группами X двух соседних молекул, причем это встраивание ведет к изменению дипольного момента молекул SAM. В этой связи допустимо также, чтобы разделители соседних молекул были ковалентно связаны друг с другом. При этом ковалентное соединение может быть образовано как вдоль всей цепи R, так и между отдельными участками цепи R.
1
2
1
2
2
1
2
n
В итоге оказывается, что SAM могут содержать самые разные комбинации групп R и R. В одном особенно предпочтительном варианте осуществления R представляет собой серосодержащий остаток, например сульфидную группу, а R является алканом, алкеном или алкином, причем алкан, алкен или алкин как опция могут содержать один или несколько заместителей и иметь длину максимум 40 атомов, предпочтительно от 6 до 12 атомов, особенно предпочтительно от 6 до 10 атомов, вдоль их самой длинной цепи. Таким образом, R предпочтительно является остатком, соответствующим (Y). В высшей степени предпочтительно, когда R-R означает алкантиол, алкентиол или алкинтиол, факультативно замещенный алкантиол, алкентиол или алкинтиол, с соответствующей длиной цепи. Такие соединения тиола (тиоспирты) можно также обобщенно назвать меркаптановыми соединениями. Иными словами, в одном особенно предпочтительном варианте осуществления исходная молекула SAM соответствует, например, формуле
HS-(Y)
-X
n
1
2
1
2
Во всех этих мыслимых вариантах для R и R, соответственно для R-R предпочтительно выбирать делокализованную π-систему в реакционноспособной группе X согласно изобретению из группы, содержащей сопряженные π-системы с атомами углерода в качестве связующих центров, циклически сопряженные π-системы, π-системы с остатками с несколькими циклически сопряженными π-системами. При этом циклически сопряженные π-системы у остатков, которые содержат несколько таких систем, соединены через по меньшей мере одно связующее звено. Циклически сопряженные π-системы предпочтительно представляют собой планарные циклические соединения, т.е. планарные циклически сопряженные π-системы. В высшей степени предпочтительно, когда планарные циклически сопряженные π-системы являются ароматическими или гетероароматическими системами. Если реакционноспособная группа X является остатком, содержащим несколько таких циклических планарных π-систем, которые соединены через связующее звено, то это связующее звено предпочтительно выбрано из группы, содержащей C, азо-группу, линейную сопряженную π-систему или металлический центральный ион, который координирует циклические сопряженные π-системы в комплекс металла. При этом предпочтительно также, чтобы вся группа X была планарной группой. В любом случае X может содержать как электроноакцепторные, так и электронодонорные заместители. В одном предпочтительном варианте осуществления X является ароматическим или гетероароматическим остатком или остатком с по меньшей мере одной ароматической или гетероароматической группой. При этом допустимо также, в частности, чтобы X был замещенным ароматическим или гетероароматическим остатком.
4
4
4
2
3
3
3
2
Например, возможно, чтобы X представлял собой ароматический или гетероароматический остаток с по меньшей мере одним электроноакцепторным заместителем. Соответствующий электроноакцепторный заместитель предпочтительно может быть выбран из группы, содержащей COOR, COOH, CHO, C=(O)R, CN, CH=CH-COOH, NO, SOH, CF, особенно предпочтительно из группы, содержащей CF, CN, NO, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил.
2
2
3
3
3
3
2
5
5
5
5
Допустимо также, чтобы X представлял собой ароматический или гетероароматический остаток с по меньшей мере одним электронодонорным заместителем. Соответствующий электронодонорный заместитель предпочтительно может быть выбран из группы, содержащей NH, NR, OCH, CH, OH, OR, NHC=(O)R, OC=(O)R, арил, Br, Cl, I, F, особенно предпочтительно из группы, содержащей CH, OCH, NH, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил, галогенид.
Ароматический или гетероароматический остаток согласно изобретению может быть выбран, например, из группы, содержащей фуран, пиррол, тиофен, имидазол, пиразол, оксизол, изоксазол, тиазол, бензофуран, изобензофуран, индол, изоиндол, бензотиофен, бензимидазол, пурин, индазол, бензоксазол, бензизоксазол, бензотиазол, бензол, пиридин, пиразин, пиримидин, пиридазин, нафталин, антрацен, хинолин, изохинолин, хиноксалин, акридин, хинозалин, циннолин и т.п. Каждый из этих остатков может иметь один или несколько вышеописанных электроноакцепторных или электронодонорных заместителей.
Если π-система остатка X является линейной сопряженной π-системой, то можно, например, чтобы X был полиметиновым остатком или карбонильным остатком.
4
4
4
1
2
2
3
3
3
2
n
Z
Z
Z
В одном особенно простом варианте осуществления X может быть, например, фенильным остатком. Возможно также, чтобы X представлял собой антрацен, нафталин, фуран, индол, пиридин, пиримидин или пиррольный остаток. Альтернативно допустимо также, чтобы X был замещенным фенильным остатком, причем заместитель выбран из группы, содержащей COOR, COOH, CHO, C=(O)R, CN, CH=CH-COOH, NO, SOH, CF, особенно предпочтительно из группы, содержащей CF, CN, NO, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил. Это особенно предпочтительно, когда R означает тиоловую группу, а R - остаток, соответствующий (Y) с n∈{0,…,40}, предпочтительно n∈{5,…,15}, особенно предпочтительно n∈{6,…,10}. Таким образом, молекулы SAM могут соответствовать формуле
6
5
5
5
5
2
2
3
3
3
3
При этом R предпочтительно является водородом или одним или несколькими электронодонорными остатками из группы, содержащей NH, NR, OCH, CH, OH, OR, NHC=(O)R, OC=(O)R, арил, Br, Cl, I, F, особенно предпочтительно из группы, содержащей CH, OCH, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил, галогенид.
7
4
4
4
2
3
3
3
2
R предпочтительно означает водород или электроноакцепторный остаток из группы, содержащей COOR, COOH, CHO, COR, CN, CH=CH-COOH, NO, SOH, CF, особенно предпочтительно из группы, содержащей CF, CN, NO, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил.
n
Z
Z
Z
Группа (Y) предпочтительно такова, как определено выше, причем для n предпочтительно справедливо n∈{0,…,40}, особенно предпочтительно n∈{5,…,15}, в высшей степени предпочтительно n∈{6,…,10}. При этом предпочтительно выбирать Y из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, замещенный алкан, замещенный алкен, замещенный алкин, простой эфир или амин, причем заместители выбраны из группы водорода, алкила или ароматического соединения, особенно предпочтительно из водорода или алкильной группы. Таким образом, один особенно предпочтительный вариант осуществления молекул SAM соответствует формуле
В следующем варианте осуществления допустимо, чтобы X был полиметиновым остатком, то есть сопряженным полиеном, у которого акцептор электронов соединен с донором электронов через цепочку нечетного числа метиновых групп. Например, X может представлять собой группу, соответствующую формуле
2
1
2
n
Z
Z
Z
в которой A означает акцептор электронов, D донор электронов, R водород или алкил и n целое число или нуль. При этом X предпочтительно ковалентно связан с разделителем R через один из остатков R. Это особенно благоприятно, когда R является тиоловой группой, а R - остатком, соответствующим (Y) с n∈{0,…,40}, предпочтительно с n∈{5,…,15}, особенно предпочтительно n∈{6,…,10}. Таким образом, молекулы слоя SAM могут соответствовать формуле
6
5
5
5
5
5
2
3
3
3
3
2
При этом R и D предпочтительно означают водород, алкил или электронодонорный остаток из группы, содержащей NR, OCH, CH, OR, NHC=(O)R, OC=(O)R, арил, Br, Cl, I, F, особенно предпочтительно из группы, содержащей CH, OCH, NH, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил, галогенид.
7
4
4
2
3
3
3
2
R и A предпочтительно означают водород, алкил или электроноакцепторный остаток из группы, содержащей COOR, COOH, CHO, C=O, CN, CH=CH-COOH, NO, SOH, CF, особенно предпочтительно из группы, содержащей CF, CN, NO, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил.
6
7
Особенно предпочтительно, R и R независимо друг от друга означают водород или алкильный остаток.
Показатель m является целым числом или нулем.
n
Z
Z
Z
Группа (Y) предпочтительно такова, как определено выше, причем для n предпочтительно справедливо n∈{0,…,20}, особенно предпочтительно n∈{5,…,15}, в высшей степени предпочтительно n∈{6,…,10}. При этом предпочтительно выбирать Y из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, замещенный алкан, замещенный алкен, замещенный алкин, простой эфир или амин, причем заместители выбраны из группы водорода, алкина или арила, особенно предпочтительно из водорода или алкила. Таким образом, один особенно предпочтительный вариант осуществления молекул SAM соответствует формуле
3
6
7
в которой R, R и R таковы, как определено выше.
В следующем варианте осуществления X может представлять собой основной элемент нитрокрасителя, то есть ароматическое кольцо, несущее по меньшей мере одну нитрогруппу. Например, X может быть группой, соответствующий формуле
6
7
2
6
7
1
2
n
Z
Z
Z
в которой R, R означают водород или азотсодержащий органический остаток, который через атом азота может быть связан с нитробензильным остатком, и причем X предпочтительно ковалентно связан с разделителем R через этот остаток R или R или через другой атом углерода кольца. Это особенно предпочтительно, когда R представляет собой тиоловую группу, а R - остаток, соответствующий (Y) с n∈{0,…,40}, предпочтительно n∈{5,…,15}, особенно предпочтительно n∈{6,…,10}. Таким образом, молекулы слоя SAM могут соответствовать формуле
6
5
5
5
5
2
3
3
3
3
2
При этом R предпочтительно означает водород или электронодонорный остаток из группы, содержащей NR, OCH, CH, OH, OR, NHC=(O)R, OC=(O)R, арил, Br, Cl, I, F, особенно предпочтительно из группы, содержащей CH, OCH, NH, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил, галогенид.
7
4
4
4
2
3
3
3
2
R предпочтительно является водородом или электроноакцепторным остатком из группы, содержащей COOR, COOH, CHO, C(O)R, CN, CH=CH-COOH, NO, SOH, CF, особенно предпочтительно из группы, содержащей CF, CN, NO, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил.
6
7
5
4
5
5
5
4
2
2
2
Особенно предпочтительно, R и R независимо друг от друга означают водород или остаток, соответствующий NRR, NO, NHC=(O)R, NR или NH, причем R, R таковы, как определено выше.
n
Z
Z
Z
Группа (Y) предпочтительно такова, как определено выше, причем для n предпочтительно справедливо n∈{0,…,40}, особенно предпочтительно n∈{5,…,15}, в высшей степени предпочтительно n∈{6,…,10}. При этом предпочтительно выбирать Y из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, замещенный алкан, замещенный алкен, замещенный алкин, простой эфир или амин, причем заместители выбраны из группы водорода, алкила или арила, особенно предпочтительно из водорода или алкила. Таким образом, один особенно предпочтительный вариант осуществления SAM-молекулы соответствует формуле
В еще одном варианте осуществления возможно, чтобы X был основным элементом азокрасителя, у которого по меньшей мере два ароматических кольца соединены через азо-группу. Например, X может представлять собой группу, соответствующую формуле
6
7
1
2
n
Z
Z
Z
в которой R и R независимо друг от друга могут означать водород, арил, алкил или азотсодержащий органический остаток. Это особенно предпочтительно, когда R представляет собой тиоловую группу, а R - остаток, соответствующий (Y) с n∈{0,…,40}, предпочтительно с n∈{5,…,15}, особенно предпочтительно n∈{6,…,10}. Таким образом, молекулы SAM могут соответствовать формуле
6
5
5
5
5
2
3
3
3
3
2
При этом R предпочтительно является водородом или электронодонорным остатком из группы, содержащей NR, OCH, CH, OH, OR, NHC=(O)R, OC=(O)R, арил, Br, Cl, I, F, особенно предпочтительно из группы, содержащей CH, OCH, NH, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил, галогенид.
7
6
4
4
4
2
3
3
3
2
R независимо от R предпочтительно означает водород или электроноакцепторный остаток из группы, содержащей COOR, COOH, CHO, C(O)R, CN, CH=CH-COOH, NO, SOH, CF, особенно предпочтительно из группы, содержащей CF, CN, NO, при этом R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил.
6
7
5
4
5
5
5
4
2
2
2
Особенно предпочтительно, R и R независимо друг от друга означают водород, арил, алкил или остаток, соответствующий NRR, NO, NHC=(O)R, NR или NH, причем R и R таковы, как определено выше.
n
Z
Z
Z
Группа (Y) предпочтительно такова, как определено выше, причем для n предпочтительно справедливо n∈ {0,…,40}, особенно предпочтительно n∈{5,…,15}, в высшей степени предпочтительно n∈{6,…,10}. При этом предпочтительно выбирать Y из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, замещенный алкан, замещенный алкен, замещенный алкин, простой эфир или амин, причем заместители выбраны из группы водорода, алкила и арила, особенно предпочтительно из водорода и алкила. Таким образом, один особенно предпочтительный вариант осуществления SAM-молекулы соответствует формуле
В следующем варианте осуществления допустимо, чтобы реакционноспособная группа X была основным элементом карбонильного красителя. У такого остатка по меньшей мере две карбонильные группы сопряжены через одну или несколько π-связей. Например, X может быть группой, соответствующей формуле
6
7
1
2
n
Z
Z
Z
в которой R и R независимо друг от друга могут означать водород, арил, алкил или азотсодержащий органический остаток. m означает целое число или нуль. Это особенно предпочтительно, когда R представляет собой тиоловую группу, а R - остаток, соответствующий (Y) с n∈{0,…,40}, предпочтительно с n∈{5,…,15}, особенно предпочтительно n∈{6,…,10}. Таким образом, молекулы слоя SAM могут соответствовать формуле
6
5
5
5
5
2
3
3
3
3
2
При этом R предпочтительно является водородом или электронодонорным остатком из группы, содержащей NR, OCH, CH, OH, OR, NHC=(O)R, OC=(O)R, арил, Br, Cl, I, F, особенно предпочтительно из группы, содержащей CH, OCH, NH, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил, галогенид.
7
6
4
4
4
2
3
3
3
2
R независимо от R предпочтительно означает водород или электроноакцепторный остаток из группы, содержащей COOR, COOH, CHO, C(O)R, CN, CH=CH-COOH, NO, SOH, CF, особенно предпочтительно из группы, содержащей CF, CN, NO, причем R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил.
6
7
Особенно предпочтительно, R и R независимо друг от друга означают водород или арил.
n
Z
Z
Z
Группа (Y) предпочтительно такова, как определено выше, причем для n предпочтительно справедливо n∈ {0,…,40}, особенно предпочтительно n∈{5,…,15}, в высшей степени предпочтительно n∈{6,…,10}. При этом предпочтительно выбирать Y из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, замещенный алкан, замещенный алкен, замещенный алкин, простой эфир или амин, причем заместители выбраны из группы водорода, алкила или арила, особенно предпочтительно из водорода или алкильной группы. Таким образом, один особенно предпочтительный вариант осуществления молекул SAM соответствует формуле
В следующем варианте осуществления допустимо, чтобы реакционноспособная группа X представляла собой основной элемент триарилкарбениевого красителя. Такой основной элемент красителя представляет собой производное трифенилметана. Например, X может быть группой, соответствующей формуле
6
7
1
2
n
Z
Z
Z
в которой R и R независимо друг от друга могут означать водород, арил, алкил или азотсодержащий органический остаток. Показатель m выбран из 0 или 1. W означает водород или азотсодержащий органический остаток. Это особенно предпочтительно, когда R означает тиоловую группу, а R - остаток, соответствующий (Y), с n∈{0,…,40}, предпочтительно n∈{5,…,15}, особенно предпочтительно n∈{6,…,10}. Таким образом, молекулы SAM могут соответствовать формуле
6
5
5
5
5
2
3
3
3
3
2
При этом R предпочтительно является водородом или электронодонорным остатком из группы, содержащей NR, OCH, CH, OH, OR, NHC=(O)R, OC=(O)R, арил, Br, Cl, I, F, особенно предпочтительно из группы, содержащей CH, OCH, NH, при этом R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил, галогенид.
7
6
4
4
4
2
3
3
3
2
R независимо от R предпочтительно означает водород или электроноакцепторный остаток из группы, содержащей COOR, COOH, CHO, C(O)R, CN, CH=CH-COOH, NO, SOH, CF, особенно предпочтительно из группы, содержащей CF, CN, NO, при этом R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил.
6
7
4
5
4
5
Особенно предпочтительно, R и R независимо друг от друга означают азотсодержащий органический остаток формулы NRR, кислород или гидроксильную группу, причем R и R таковы, как определено выше.
n
Z
Z
Z
Группа (Y) предпочтительно такова, как определено выше, причем для n предпочтительно справедливо n∈{0,…,40}, особенно предпочтительно n∈{5,…,15}, в высшей степени предпочтительно n∈{6,…,10}. При этом предпочтительно выбирать Y из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, замещенный алкан, замещенный алкен, замещенный алкин, простой эфир или амин, причем заместители выбраны из группы водорода, алкила или арила, особенно предпочтительно содержат водород или алкил. Таким образом, один особенно предпочтительный вариант осуществления молекулы SAM соответствует формуле
В следующем варианте осуществления допустимо, чтобы реакционноспособная группа X представляла собой основной элемент антоцианидинового красителя. Такие основные элементы красителя представляют собой гидроксилированные производные флавилий-иона. Например, X может быть группой, соответствующей формуле
6
7
6
7
1
2
n
Z
Z
Z
в которой R и R независимо друг от друга могут означать водород или гидроксильный остаток. Однако по меньшей мере один остаток R или R является гидроксильным остатком. Это особенно предпочтительно, когда R означает тиоловую группу, а R - остаток, соответствующий (Y) с n∈{0,…,40}, предпочтительно с n∈{5,…,15}, особенно предпочтительно n∈{6,…,10}. Таким образом, молекулы SAM могут соответствовать одной из формул
6
7
3
3
При этом R и R предпочтительно означают водород или электронодонорный остаток из группы, содержащей OCH или OH, особенно предпочтительно из группы, содержащей OCH и OH.
6
7
Особенно предпочтительно, R и R независимо друг от друга означают водород или гидроксильный остаток.
n
Z
Z
Z
Группа (Y) предпочтительно такова, как определено выше, причем для n предпочтительно справедливо n∈{0,…,40}, особенно предпочтительно n∈{5,…,15}, в высшей степени предпочтительно n∈{6,…,10}. При этом предпочтительно выбирать Y из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, замещенный алкан, замещенный алкен, замещенный алкин, простой эфир и амин, причем заместители выбраны из группы водорода, алкила и арила, особенно предпочтительно из водорода и алкила. Таким образом, один особенно предпочтительный вариант осуществления SAM-молекулы соответствует формуле
В следующем варианте осуществления допустимо, чтобы реакционноспособная группа X представляла собой основной элемент металлокомплексного красителя, например комплекс фталоцианин-медь. Например, X может быть группой, соответствующей формуле
6
7
1
2
n
Z
Z
Z
в которой R и R независимо друг от друга могут означать водород или галоген. Это особенно предпочтительно, когда R означает тиоловую группу, а R - остаток, соответствующий (Y) с n∈{0,…,40}, предпочтительно n∈{5,…,15}, особенно предпочтительно n∈{6,…,10}. Таким образом, молекулы SAM могут соответствовать формуле
6
7
При этом R и R предпочтительно означают водород или галоген.
6
7
Особенно предпочтительно, R и R являются водородом.
n
Z
Z
Z
Группа (Y) предпочтительно такова, как определено выше, причем для n предпочтительно справедливо n∈{0,…,40}, особенно предпочтительно n∈{5,…,15}, в высшей степени предпочтительно n∈{6,…,10}. При этом предпочтительно выбирать Y из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, замещенный алкан, замещенный алкен, замещенный алкин, простой эфир или амин, причем заместители выбраны из группы водорода, алкила или арила, предпочтительно из водорода и алкила, особенно предпочтительно означают водород. Таким образом, один особенно предпочтительный вариант осуществления молекул SAM соответствует формуле
4
4
4
5
5
5
5
2
3
3
3
2
2
3
3
3
3
Другими словами, X предпочтительно выбран из группы, содержащей полиены, нитрокрасители, азокрасители, производные трифенилметана, антоцианидин, комплексы фталоцианин-металл. Альтернативно можно также выбирать X из группы, содержащей арильные остатки, которые выбраны из фенила, бензила, пиридила антрахинона, нафталина. При этом предпочтительно, в частности, чтобы X был остатком с по меньшей мере одним электроноакцепторным заместителем, причем указанный остаток выбран из группы, содержащей полиметин, арильные остатки, комплексы металла, макроциклические аренильные остатки и дендримеры, и причем заместитель предпочтительно выбран из группы, содержащей COOR, COOH, CHO, COR, CN, CH=CH-COOH, NO, SOH, CF, особенно предпочтительно из группы, содержащей CF, CN, NO, при этом R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил. Может быть также благоприятным, если X является остатком с по меньшей мере одним электронодонорным заместителем, причем указанный остаток выбран из группы, содержащей полиметин, арильные остатки, комплексы металла, макроциклические аренильные остатки и дендримеры, и причем заместитель предпочтительно выбран из группы, содержащей NR, OCH, CH, OH, OR, NHC=(O)R, OC(O)R, арил, Br, Cl, I, F, особенно предпочтительно из группы, содержащей CH и OCH, при этом R выбран из группы, содержащей H, арил, алкил, гетероарил, гетероалкил, галогенид.
В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения управляемый по напряжению блок оценки данных представляет собой полевой транзистор, в частности, полевой транзистор в газовом датчике согласно изобретению является полевым транзистором с емкостным управлением (CCFET).
При этом выгодно, если электрод сравнения соединен с электродом затвора полевого транзистора. Изменение емкости между чувствительным слоем и электродом сравнения может привести в результате к изменению переноса заряда между источником и стоком полевого транзистора. Это изменение тока можно в конечном счете использовать, например, для подачи сигнала тревоги или подобного.
В следующем аспекте изобретение относится к газоизмерительному прибору с газовым датчиком согласно изобретению. Кроме того, изобретение относится к применению газового датчика по изобретению для обнаружения летучих органических соединений, предпочтительно бензола и/или производных бензола.
Другие отличительные признаки, особенности и преимущества изобретения выявляются из формулы изобретения, а также из следующего описания примеров осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - схематическое изображение газового датчика согласно изобретению,
фиг. 2 - схематическое изображение чувствительного слоя,
фиг. 3A-3H - различные примеры реакционноспособной группы X молекулах слоя SAM,
фиг. 4 - схематическая иллюстрация связывания аналита в газовом датчике согласно изобретению,
фиг. 5 - обнаружение бензола с помощью газового датчика согласно изобретению.
Предлагаемый изобретением газовый счетчик 10, показанный на фиг. 1, содержит измерительный канал 11, который накрыт крышкой 14 и имеет впуск газа 12, а также выпуск газа 13. Объем измерительного канала 11 ограничен внутренней стенкой 111. Поток анализируемого газа M может течь от впуска газа 12 через этот объем к выпуску газа 13 и при этом течь вдоль внутренней стенки 111.
Кроме того, из фиг. 1 видно, что внутри измерительного канала 11 находится чувствительный слой 20. Чувствительный слой 20 нанесен на крышку 14. Он состоит из подложки 21 и слоя 22 связывания аналита. Чувствительный слой 20, в частности слой 22 связывания аналита, образует при этом часть внутренней стенки 111 измерительного канала 11. Напротив чувствительного слоя 20 расположен электрод 30 сравнения. Чувствительный слой 20, электрод 30 сравнения и образованный между чувствительным слоем 20 и электродом 30 сравнения объем измерительного канала 11, образуют конденсатор 40. Таким образом, можно видеть, что электрод 30 сравнения емкостным образом связан с чувствительным слоем 20. Емкость этого конденсатора 40 может изменяться в результате взаимодействий слоя 22 связывания аналита с аналитом, находящимся в потоке анализируемого газа M.
Кроме того, из фиг. 1 видно, что электрод 30 сравнения через электропроводящее соединение 31 соединен с управляемым по напряжению блоком 50 оценки данных. Управляемый по напряжению блок 50 оценки данных в показанном примере представляет собой полевой транзистор, а именно CCFET. Таким образом, блок 50 оценки данных содержит электрод истока 51, электрод стока 52 и электрод 53 затвора. Электрод 30 сравнения соединен с электродом 53 затвора. Электрод 53 затвора находится над каналом 54, который соединяет друг с другом электрод истока 51 и электрод стока 52. Электрод 53 затвора определяет, в зависимости от емкости конденсатора 40, поток зарядов, протекающий между электродом стока 51 и электродом истока 52 через канал 54.
Электрод 30 сравнения в показанном примере осуществления заделан в изоляционный слой 60. Изоляционный слой 60 находится на основе 61. Блок 50 оценки данных находится между изоляционным слоем 60 и основой 61. При этом изоляционный слой 60 позволяет предотвратить или по меньшей мере минимизировать ложные сигналы.
Итак, фиг. 1 показывает газовый датчик 10, причем газовый датчик 10 содержит измерительный канал 11 с впуском газа 12 и выпуском газа 13, по меньшей мере один чувствительный слой 20, электрод 30 сравнения и управляемый напряжением блок 50 оценки данных, причем электрод 30 сравнения емкостным образом связан с чувствительным слоем 20, причем электрод сравнения 30 соединен электропроводящим образом с блоком 50 оценки данных, причем чувствительный слой 20 образован в измерительном канале 11, причем измерительный канал 11 образует диэлектрический слой между чувствительным слоем 20 и электродом 30 сравнения, и причем чувствительный слой 20 содержит подложку 21 и слой 22 связывания аналита.
1
2
1
2
1
1
Как видно из фиг. 2, слой 22 связывания аналита такого газового датчика 10 образован как самоорганизующийся мономолекулярный слой (SAM). Молекулы этого SAM соответствуют общей формуле R-R-X. Видно, что молекулы состоят из трех функциональных звеньев, а именно связующей группы R, разделителя R и реакционноспособной группы X. При этом молекулы слоя SAM, т.е. слоя 22 связывания аналита, находятся на подложке 21 в синхронной ориентации и параллельны друг другу. При этом молекулы связаны с подложкой 21 через связующую группу R. Связующая группа R выбрана из группы, содержащей сульфид, дисульфид и тиосульфат.
2
1
2
Из фиг. 2 видно, что разделитель R определяет расстояние между реакционноспособной группой X и связующей группой R и тем самым подложкой 21. При этом разделитель R выбран из группы, содержащей алкан, алкен, алкин, гетероалкан, гетероалкен, гетероалкин, замещенные алканы, замещенные алкены, замещенные алкины, замещенные гетероалканы, замещенные гетероалкены, замещенные гетероалкины.
Реакционноспособная группа X является органической или металлоорганической группой. Для определения количества бензола группа X обладает по меньшей мере одной делокализованной π-системой. Подложка 21 представляет собой слой из металла, причем металл выбран из группы, содержащей золото, платину, палладий, серебро и медь.
На фигурах 3A-3H представлены различные примеры вариантов реакционноспособной группы X. Само собой разумеется, изобретение не ограничено показанными здесь конкретными молекулами.
2
2
1
6
7
В соответствии с примером осуществления с фиг. 3A, реакционноспособная группа X представляет собой фенильный остаток. При этом реакционноспособная группа X через ковалентную связь между остатком R и одним из кольцевых атомов фенильного остатка соединена с остатком R-R. R и R таковы, как описано выше. В одном особенно благоприятном примере осуществления (не показан) с такой реакционноспособной группой X молекулы SAM соответствуют формулам
6
7
3
причем и здесь R, R, R, n и Y таковы, как определено выше.
4
5
2
Согласно примеру осуществления с фиг. 3B, реакционноспособная группа X представляет собой нитрокраситель, у которого нитрогруппа связана с ароматическим кольцом, а именно нитрофенил. При этом ароматическое кольцо может иметь и другие заместители, отвечающие общей формуле NRR. При этом реакционноспособная группа X соединена с разделителем R через кольцо. В одном особенно благоприятном примере осуществления (не показан) с такой реакционноспособной группой X молекулы SAM соответствуют формулам
6
7
3
причем и здесь R, R, R, n и Y таковы, как определено выше.
2
На фиг. 3C реакционноспособная группа X представляет собой азокраситель. При этом реакционноспособная группа X соединена с разделителем R через кольцо. В одном особенно благоприятном примере осуществления (не показан) с такой реакционноспособной группой X молекулы SAM соответствуют формулам
6
7
3
причем R, R, R, n и Y таковы, как определено выше.
6
7
2
Согласно примеру осуществления с фиг. 3D, реакционноспособная группа X представляет собой полиметиновый остаток. При этом полиметиновый остаток в качестве заместителей R, R может содержать алкильные группы или водород. При этом реакционноспособная группа X соединена с разделителем R через такой остаток. В одном особенно благоприятном примере осуществления (не показан) с такой реакционноспособной группой X молекулы SAM соответствуют формулам
6
7
3
причем и здесь R, R, R, n и Y таковы, как определено выше.
2
6
7
В примере осуществления, показанном на фиг. 3E, реакционноспособная группа X представляет собой карбонильный краситель. При этом реакционноспособная группа X соединена с разделителем R через остаток R или R. В одном особенно благоприятном примере осуществления (не показан) с такой реакционноспособной группой X молекулы SAM соответствуют формулам
6
7
3
причем R, R, R, n и Y таковы, как определено выше.
2
В примере осуществления, показанном на фиг. 3F, реакционноспособная группа X представляет собой остаток триарилкарбения. При этом реакционноспособная группа X соединена с разделителем R через одно из колец. В одном особенно благоприятном примере осуществления (не показан) с такой реакционноспособной группой X молекулы SAM соответствуют формулам
6
7
3
причем R, R, R, n и Y таковы, как определено выше.
2
На фиг. 3G реакционноспособная группа является производным антоциана. При этом реакционноспособная группа X соединена с разделителем R через одно из колец. В одном особенно благоприятном примере осуществления (не показан) с такой реакционноспособной группой X молекулы SAM соответствуют формулам
6
7
3
причем R, R, R, n и Y таковы, как определено выше.
2
На фиг. 3H реакционноспособная группа представляет собой комплекс металла, а именно фталоцианин меди. При этом реакционноспособная группа X соединена с разделителем R через одно из колец. В одном особенно благоприятном примере осуществления (не показан) с такой реакционноспособной группой X молекулы SAM соответствуют формулам
6
7
3
причем R, R, R, n и Y таковы, как определено выше.
1
1
1
2
2
2
1
2
6
7
Из фиг. 4 видно, каким может быть пространственное расположение молекул SAM, т.е. слоя 22 связывания аналита. Связывание молекулы с подложкой 21 происходит через серный мостик. Таким образом, связующая группа R является сульфидной группой. При связывании молекул, т.е. при образовании слоя 22 связывания аналита в результате самоорганизации молекул, водородные радикалы тиоловых групп отщепляются и образуется ковалентная связь между атомами серы связующей группы R и атомами золота подложки 21. Кроме того, атомы серы связующей группы R ковалентно связаны с разделителем R. В примере осуществления, показанном на фиг. 4, разделитель R состоит из линейной цепочки четырех метиленовых групп. Здесь следует отметить, что длина разделителя R в особенно предпочтительных вариантах осуществления составляет от 6 до 12 атомов. Исключительно для наглядности и лучшей иллюстративности на фиг. 4 длина разделителя уменьшена всего до четырех метиловых групп. С концевой (относительно связующей группы R) метиленовой группой разделителя R соединена реакционноспособная группа X. В этом примере осуществления реакционноспособная группа X представляет собой фенильное кольцо. Фенильное кольцо содержит заместитель R, R, а именно нитрогруппу. Таким образом, SAM состоит из слоя замещенного фенилалкилмеркаптана формулы
3
6
7
в которой R является водородом, n=4, причем кольцевые атомы фенильного остатка в орто- и мета-положении содержат водород в качестве заместителя R, R и причем ароматическое кольцо в пара-положении содержит нитрогруппу в качестве заместителя.
Из схематического представления на фиг. 4 видно, кроме того, как аналит A (в показанном примере бензол) может с потоком анализируемого газа приблизиться к слою 22 связывания аналита. На следующем шаге молекулы бензола в аналите A могут плоскопараллельно присоединиться к фенильному остатку реакционноспособной группы X молекул SAM. В результате может произойти смещение заряда внутри SAM. Это, в свою очередь, можно обнаружить с помощью блока оценки данных, как описано выше.
На фиг. 5 показана кривая динамического измерения, снятая с помощью газового датчика 10, который имеет слой 22 связывания аналита в соответствии с одним из представленных выше примеров осуществления. В частности, такую кривую измерения можно получить с помощью слоя 22 связывания аналита, какой показан на фиг. 4.
На фиг. 5 показано изменение работы выхода в зависимости от наличия аналита. При этом кривая T показывает работу выхода, измеренную газовым датчиком 10. Кривая B показывает концентрацию аналита A, в данном случае бензола. В приемник сначала подают воздух, не содержащий бензола. Через 17 секунд устанавливают концентрацию бензола на уровне 1 ppm, как можно видеть из кривой B. Кроме того, видно, что работа выхода непосредственно после добавления бензола, а именно через примерно 3 секунды, изменяется на 5 мВ. Через 57 секунд поток бензола прерывают. Работа выхода в пределах 4 секунд возвращается к первоначальному исходному значению. Через 238 секунд подачу бензола возобновляют, а через 264 секунды снова прекращают. Можно видеть, что и при этой новой нагрузке происходит достоверное изменение работы выхода.
Изобретение не ограничено вышеописанными вариантами осуществления, но может быть модифицировано различными способами.
Все вытекающие из формулы изобретения, описания и чертежей отличительные признаки и преимущества, в том числе конструктивные особенности, пространственное расположение и технологические этапы, могут быть существенными для изобретения как по отдельности, так и в самых разных комбинациях.
Список позиций для ссылок
A - аналит
B - концентрация аналита
M - поток анализируемого газа
1
R - связующая группа
2
R - разделитель
T - работа выхода
X - реакционноспособная группа
10 - газовый датчик
11 - измерительный канал
111 - внутренняя стенка
12 - впуск газа
13 - выпуск газа
14 - крышка
20 - чувствительный слой
21 - подложка
22 - слой связывания аналита
30 - электрод сравнения
31 - соединение
40 - конденсатор
50 - блок оценки данных
51 - электрод истока
52 - электрод стока
53 - электрод затвора
54 - канал
60 - изоляционный слой
61 - основа