含碳纳米管的化学传感器、其制备方法和其用途技术

本发明专利技术涉及一种检测至少一种化学化合物的装置，所述装置包括至少一个具有几层石墨烯的碳纳米管，其上接枝了至少一种具有能够与所述化学化合物反应的基团Ｇ１或所述Ｇ１基团的前体的分子。本发明专利技术也涉及所述装置的用途和制备这样的装置的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及气态化学物质并且尤其是有毒气态化学物质的检测、鉴定和定量的领域。本专利技术更特别是涉及包含官能化多层碳纳米管并容许这种检测、鉴定和定量的化学传感器型装置，涉及其制备方法和其用途。官能化显示为精细的聚合物层或者碳纳米管表面上的一些化学基团。
技术介绍
在大气中有毒化学物质的检测在民用或职业生活中都对我们安全是重要的保证。 而且对于大量的化学试剂已经建立了受限的平均暴露值。在这种背景下，开发实施化学传感器，即将化学信息转换成有用的分析信号，因此变得绝对必要。然而，严格的约束条件限制着这种化学传感器的生产，后者必须同时是灵敏的和选择性的。实际上，传感器应该对于目标化学剂是非常灵敏的，即能够传送对低于限制含量的含量(根据气体不同是PPm或ppb级)的响应。传感器也应该是选择性的，即应该能够辨别区分出几种化学剂。对于这些基本的约束限制，其它更次要的问题可能会加入到规格表中。因此，优选-传感器具有较低的笨重度，换句话说，其可以微型化，以便在需要分析的介质中进行直接分析而不是进行取样分析；-传感器应该生产简单以便具有尽可能低的成本；-在操作期间传感器应该消耗很少的能量而提高便利性；-传感器可以被多次使用(传感器的可逆性原理)。许多有毒气体被传感器型的装置目标挥发性有机化合物、氨、氮氧化物、氯化化合物、甲基膦酸二甲酯(DMMP)、氢、甲烷...。本领域关于此后提出的化学剂的传感器描述更特别地涉及容许检测氯气的装置和基于碳纳米管的传感器。氯浓度可以导致生命和健康立即呈现危险的值约lOppm。氯的限制权重暴露 (8h暴露/工作日)对于某些公共机构如委员会德拉桑特等德拉安全部门特拉维尔(the Commission de la Santeet de la Securitedu Travail)(职业健康安全委员会)(加拿大组织)已经评价为500ppb。这就是为什么需要确保这些气体检测浓度在几百个ppb级别或甚至更低的原因。一般而言，化学剂传感器包含两种主要组分识别系统和信号转换器。它们都根据其转换方法而进行分类电、热、电化学、光、质量或磁转换而影响健康、环境、工业和国防市场四种不同类型的市场。不同氯敏感传感器已经存在可以提及的有电位传感器、离子化传感器、光化学传感器和源自半传导材料的电阻型传感器。电位传感器基于制作固体电解质，例如SrCl2-KCl或PbCl2-KCl或BaCl2KCl。这种传感器的工作原理基于电位的测定，这种电位根据氯含量不同而变化。典型地，这些传感器的响应针对超过Ippm的浓度范围进行研究。这种类型的传感器的主要缺陷因此是其灵敏度较低。而且即使检测报告在某些条件下是在室温，该系统通常会被加热至典型地超过 300°C的温度。离子化传感器的原理包括在氯穿过靠近电子源(热离子发射)时而离子化氯。 氯含量可以从所收集的电流中估计。采用这种技术，就可以检测非常低的氯含量，低于 lOOppb，而与温度和湿度无关。然而，这种方法的缺点是测定方法的不可便携性，阻碍了原位测定。光化学传感器的原理基于对所检测气体敏感的薄膜的光学性质的研究，这些薄膜可以对单种气体尤其敏感(选择性传感器原理)。在敏感薄膜的气体吸附或反应导致其荧光或吸光性在特定波长发生有效变化。采用吸光度或荧光的变化速率，就可以追溯所研究的化学剂的浓度。在氯的具体情况下，成形的敏感薄膜可以是苯基卟啉、邻甲苯胺、三联吡啶基钌络合物或者是包含特定分子或离子(Br_，r)的纳米多孔膜。采用这些光化学装置，就可以检测低含量的氯，低至50ppb。而且，让我们注意到检测在室温下进行。这种类型传感器的缺陷在于尤其是包含敏感膜、二极管和检测器的完整设备的生产成本。对于源自半导体的电阻型传感器，测定的是容许检测气态试剂的装置电阻。这是一种文献中最经常遇到的，尤其是检测氯的化学传感器类型。在半导体表面上气体的吸附可以诱导导致载流子产生和系统电导率改变的电荷传递。敏感层可以是有机半导体如金属酞菁或其它金属氧化物半导体如化03、103或51102。基于半导体的检测器是对氯非常敏感的装置。文献报道的装置具有非常低的检测阈值低至50ppb。然而，让我们注意到，当这类检测器被加热典型地高于150°C的温度下时检测才能变得有效。它们在室温下并不工作的事实是其主要缺点。而且，注意到，在氯的这种具体情况下，从未提及这种类型传感器的选择性。总之，在以上描述的不同装置中，其中没有任何一个总体上满足前述所建立的标准。几年以来，一种非常具有前景的材料，碳纳米管，作为化学传感器中的敏感组分已经用于许多研究中。基于碳纳米管的装置受益于该材料的奇特性质。首先，碳纳米管具有非常大的比表面积，这可以获得1，500m2/g而由此提供用于与环境气氛发生相互作用的非常大的表面。 其次，碳纳米管具有非常高的电导率，其电导率证明对其表面上分子的吸附极度敏感，并因此更通常是对其环境极度敏感。这些性质的组合致使碳纳米管作为化学传感器敏感组分是非常有意义的材料。另外，小尺寸的碳纳米管有助于制成微型化装置。许多类型基于纳米管的化学传感器都列于文献中。这些可以是基于CNTFET (碳纳米管场效应晶体管)原理的传感器、基于体系电阻测定的电阻型传感器、声学传感器、测定阻抗的传感器、离子化传感器.......仅基于碳纳米管的CNTFET型和电阻型的传感器将在此后进行解释，这两种类型都最接近于本专利技术。第一方法包括将碳纳米管(单壁或多壁)分散于传感阵列中。工作原理与电阻型半导体传感器(测定体系电阻变化)相同。研究的基质是氧化锡(SnO2),或聚合物(PMMA，聚苯乙烯)或其它钨氧化物(WO3) W，5]。通过这些装置检测的气体是二氧化氮(NO2)、四氢呋喃(THF)、氯代甲烷和其它挥发性有机化合物(VOC)。通过将装置与对照(没有任何纳米管)比较，看起来包含纳米管的传感器，尤其是在灵敏度方面是更具竞争性的W]。在室温下观察到的检测阈值可以最好达到低于Ippm(对于文献中NO2为500ppb)。另一方法所关注的是在“传感器”装置中直接合成碳纳米管。这种类型传感器的原理如专利申请US 2007/0145356中所示；然而，在该文献中没有显示通过这种装置的方式的检测实施例。在该类型的装置中，生长可以控制而使之通过光刻(lithography)获得提供两金属电极之间的连接的独特单层碳纳米管。硅基底，可以是偏压的，起到栅极的作用。由Konget al在2000年进行实施的有关这些装置的最早研究，测定了室温下对气体环境的纳米管的电导。所观察的检测限对于NO2 *2ppm，而对于NH3为0.1%。通过使用相同类型的装置，但是此次由Qi等人采用薄层聚乙烯亚胺覆盖的碳纳米管能够将NO2灵敏度阈值降低至IOOppt 。多壁纳米管也可以用作敏感组分而直接合成于装置内。按照相同的方式，正如在先前的段落中，多壁纳米管可以横向合成而在两个电极之间，具有较低的密度。这些传感器，尤其是对氨敏感，具有50ppm的检测阈值。在大多数装置中，其制作包括一个合成多壁纳米管的阶段，纳米管的生长是大量的而由薄的催化剂层(几个纳米)在基底(Si， SiO2或Si3N4)上直接实施。体系的电阻测定通过事先沉积(在催化剂层之下)的相互交叉的电极的方式或通过使两个金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于检测至少一种化学化合物的装置，特征在于，所述装置包括至少一个具有几层石墨烯层的碳纳米管，所述碳纳米管上接枝至少一种具有能够与所述化学化合物反应的基团Ｇ１或这样的基团Ｇ１的前体的分子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁·梅恩莱尔米特，
申请(专利权)人：法国原子能及替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：FR