用纳米颗粒对石墨烯进行非共价修饰的制作方法

用纳米颗粒对石墨烯进行非共价修饰
1.本技术是以明尼苏达大学董事会(其是所有国家指定的申请人)以及美国公民philippe pierre joseph buhlmann和美国公民steven j.koester(其是所有国家指定的发明人)的名义于2021年5月24日作为pct国际专利申请提交的。本技术还是以美国国家公司boston scientific scimed,inc.(其是所有国家指定的申请人)以及美国公民justin theodore nelson和中国公民xue zhen(其是所有国家指定的发明人)的名义作为pct国际专利申请提交的。本技术要求于2020年5月26日提交的美国临时申请号63/030,139的优先权，其公开内容全部通过引用并入本文。
技术领域
2.本文的实施例涉及化学传感器，包括其的装置和系统，以及相关的方法。更具体地，本文的实施例涉及基于用纳米颗粒对石墨烯进行非共价修饰的化学传感器。


背景技术：

3.疾病的准确检测可以允许临床医生提供适当的治疗性介入。疾病的早期检测可以导致更好的治疗结果。可以使用许多不同的技术，包括分析组织样品、分析各种体液、诊断扫描、基因测序等来检测疾病。
4.一些疾病状态会导致特定化合物的产生。在一些情况下，释放到患者气体样品中的挥发性有机化合物(voc)可能是某些疾病的标志。这些化合物的检测或其的差异感测可以允许特定疾病状态的早期检测。


技术实现要素：

5.本文的实施例涉及基于用纳米颗粒对石墨烯进行非共价修饰的化学传感器。在第一方面，包括一种具有石墨烯变容器的医疗装置。所述石墨烯变容器包括石墨烯层和设置在所述石墨烯层的外表面上的至少一个非共价修饰层。非共价修饰层包括选自纳米颗粒，该纳米颗粒选自可以包括一种或多种金属、金属氧化物或其衍生物的组。
6.在第二方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，其中至少一个修饰层在石墨烯层的上方提供5％至150％的表面积覆盖率。
7.在第三方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，医疗装置可以包括在医疗装置上以阵列配置的多个石墨烯变容器。
8.在第四方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，医疗装置还可以包括一个以上的非共价修饰层。
9.在第五方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，医疗装置可以包括两个至20个不同的非共价修饰层。
10.在第六方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，纳米颗粒可以包括金属或金属氧化物，该金属或金属氧化物选自可以包括金(au)、铂(pt)、银(ag)、钯(pd)、三氧化二铁(fe2o3)、四氧化三铁(fe3o4)、氧化锌(zno)、氧化钯
(pdo)、二氧化锡(sno2)、钛(ti)、二氧化钛(tio2)、二氧化硅(sio2)、四氧二铁酸钴(cofe2o4)、三氧化二铟(in2o3)、五氧化二钒(v2o5)、氧化铂(pto2)、氧化铜(cuo)、氧化镉(cdo)、铌酸铬(crnbo4)、conb2o6、二硫化钼(mos2)、氧化钨(wo)、二氧化钨(wo2)、三氧化钨(wo3)、氧化钕(nd2o3)、氮化硼(bn)、cefeo4h、氧化锰(mn3o4)、可以包括针铁矿、四方纤铁矿、纤铁矿和六方纤铁矿的羟基氧化铁(feooh)及其任何组合或衍生物的组。
11.在第七方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，其中纳米颗粒包括金纳米颗粒。
12.在第八方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，其中纳米颗粒还用可以包括烷基硫代基、烯基硫代基、炔基硫代基、杂烷基硫代基、杂烯基硫代基、杂炔基硫代基、卤代烷基硫代基、卤代烯基硫代基、卤代炔基硫代基、卤化杂烷基硫代基、卤化杂烯基硫代基、卤化杂炔基硫代基、芳基硫代基、取代的芳基硫代基、杂芳基硫代基或取代的杂芳基硫代基的基团进行修饰。
13.在第九方面，包括一种修饰石墨烯表面的方法。该方法可以包括使石墨烯层与包括一种或多种纳米颗粒的溶液或悬浮液相接触，该一种或多种纳米颗粒包括金属、金属氧化物或其衍生物。该方法可以包括形成设置在石墨烯层的外表面上的一种或多种纳米颗粒的至少一个非共价修饰层，其中至少一个非共价修饰层包括一种或多种纳米颗粒，该纳米颗粒选自可以包括一种或多种金属、金属氧化物或其衍生物的组。该方法可以包括使用接触角测角术、拉曼光谱法、扫描电子显微镜法(sem)、透射电子显微镜法(tem)、原子力显微镜法(afm)、扫描隧道显微镜法(stm)或x射线光电子能谱法对至少一个非共价修饰层的表面覆盖范围进行量化。
14.在第十方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，其中至少一个非共价修饰层在石墨烯层的上方提供5％至150％的表面积覆盖率。
15.在第十一方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，其中使石墨烯层与溶液或悬浮液相接触包括将石墨烯层浸入溶液或悬浮液中。
16.在第十二方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，该方法还可以包括形成一个以上的非共价修饰层。
17.在第十三方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，纳米颗粒可以包括金属或金属氧化物，该金属或金属氧化物选自可以包括金(au)、铂(pt)、银(ag)、钯(pd)、三氧化二铁(fe2o3)、四氧化三铁(fe3o4)、氧化锌(zno)、氧化钯(pdo)、二氧化锡(sno2)、钛(ti)、二氧化钛(tio2)、二氧化硅(sio2)、四氧二铁酸钴(cofe2o4)、三氧化二铟(in2o3)、五氧化二钒(v2o5)、氧化铂(pto2)、氧化铜(cuo)、氧化镉(cdo)、铌酸铬(crnbo4)、conb2o6、二硫化钼(mos2)、氧化钨(wo)、二氧化钨(wo2)、三氧化钨(wo3)、氧化钕(nd2o3)、氮化硼(bn)、cefeo4h、氧化锰(mn3o4)、可以包括针铁矿、四方纤铁矿、纤铁矿和六方纤铁矿的羟基氧化铁(feooh)及其任何组合或衍生物的组。
18.在第十四方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，其中纳米颗粒还用可以包括烷基硫代基、烯基硫代基、炔基硫代基、杂烷基硫代基、杂烯基硫代基、杂炔基硫代基、卤代烷基硫代基、卤代烯基硫代基、卤代炔基硫代基、卤化杂烷基硫代基、卤化杂烯基硫代基、卤化杂炔基硫代基、芳基硫代基、取代的芳基硫代基、杂芳基硫代基或取代的杂芳基硫代基的基团进行修饰。
19.在第十五方面，包括一种用于检测分析物的方法。该方法可以包括收集气态样品并且使气态样品与一个或多个石墨烯变容器接触，其中一个或多个石墨烯变容器中的每一个包括石墨烯层和设置在石墨烯层的外表面上的至少一个非共价修饰层。非共价修饰层包括选自一种或多种纳米颗粒，该纳米颗粒可以包括金属、金属氧化物或其衍生物的组。
20.在第十六方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，气态样品可以包括患者呼吸样品或环境气体样品。
21.在第十七方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，该方法还可以包括测量一个或多个石墨烯变容器由于结合在气态样品中存在的一种或多种分析物而导致的电性能的差别反应。
22.在第十八方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，电性能可以选自电容或电阻所组成的组。
23.在第十九方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，纳米颗粒可以包括金属或金属氧化物，该金属或金属氧化物选自可以包括金(au)、铂(pt)、银(ag)、钯(pd)、三氧化二铁(fe2o3)、四氧化三铁(fe3o4)、氧化锌(zno)、氧化钯(pdo)、二氧化锡(sno2)、钛(ti)、二氧化钛(tio2)、二氧化硅(sio2)、四氧二铁酸钴(cofe2o4)、三氧化二铟(in2o3)、五氧化二钒(v2o5)、氧化铂(pto2)、氧化铜(cuo)、氧化镉(cdo)、铌酸铬(crnbo4)、conb2o6、二硫化钼(mos2)、氧化钨(wo)、二氧化钨(wo2)、三氧化钨(wo3)、氧化钕(nd2o3)、氮化硼(bn)、cefeo4h、氧化锰(mn3o4)、可以包括针铁矿、四方纤铁矿、纤铁矿和六方纤铁矿的羟基氧化铁(feooh)及其任何组合或衍生物的组。
24.在第二十方面，除了前述或下述方面中的一个或多个之外，或在一些方面的替代方面，其中纳米颗粒还用可以包括烷基硫代基、烯基硫代基、炔基硫代基、杂烷基硫代基、杂烯基硫代基、杂炔基硫代基、卤代烷基硫代基、卤代烯基硫代基、卤代炔基硫代基、卤化杂烷基硫代基、卤化杂烯基硫代基、卤化杂炔基硫代基、芳基硫代基、取代的芳基硫代基、杂芳基硫代基或取代的杂芳基硫代基的基团进行修饰。
25.本发明内容是对本技术的一些教导的概述并且不旨在成为本主题的排他性或详尽的处理。进一步的细节可在具体实施方式和所附权利要求中找到。在阅读和理解以下详细描述并且查看形成其一部分的附图后，其他方面对于本领域的技术人员而言将是显而易见的，附图中的每一个不应被理解为具有限制意义。本文的范围由所附权利要求及其法律等同物定义。
附图说明
26.结合以下附图可以更全面地理解各个方面，其中：
27.图1是根据本文的各种实施例的石墨烯变容器的示意性立体图。
28.图2是根据本文的各种实施例的石墨烯变容器的一部分的示意性横截面视图。
29.图3是根据本文的各种实施例的化学传感器元件的示意性俯视平面图。
30.图4是根据本文的各种实施例的测量区的一部分的示意图。
31.图5是根据本文的各种实施例的无源传感器电路和读取电路的一部分的电路图。
32.图6是根据本文的各种实施例的用于测量多个离散石墨烯变容器的电容的电路的示意图。
33.图7是根据本文的各种实施例的用于感测气态分析物的系统的示意图。
34.图8是根据本文的各种实施例的用于感测气态分析物的系统的示意图。
35.图9是根据本文的各种实施例的化学传感器元件变容器的一部分的示意性横截面视图。
36.图10是示出用于根据本文的各种实施例的石墨烯变容器的电容与dc偏置电压的图。
37.图11是示出用于根据本文的各种实施例的石墨烯变容器的电容与dc偏置电压的图。
38.图12是用于根据本文的各种实施例的石墨烯变容器的电容与dc偏置电压的代表图。
39.图13是用于根据本文的各种实施例的石墨烯变容器的电容与dc偏置电压的代表图。
40.虽然实施例易于实现各种修改和替代形式，但其具体细节已通过示例的方式在附图中示出且将更详细地进行描述。然而，应理解的是本文的范围不受限于所述的特定方面。相反地，其意图是涵盖落在本文的精神和范围内的修改、等同物和替代物。
具体实施方式
41.本文的实施例涉及化学传感器、包括其的医疗装置和系统，以及用于检测在气态样品，诸如，但不限于，患者的呼吸中的化学化合物和元素分子的相关方法。在一些实施例中，本文的化学传感器可以基于用纳米颗粒对石墨烯进行非共价表面修饰。
42.具有一个或多个离散结合检测器的化学传感器可以被配置为结合在复杂气态混合物，诸如呼吸中的一种或多种分析物，诸如挥发性有机化合物(voc)。离散结合检测器可以包括石墨烯量子电容变容器(“石墨烯变容器”)，由于在石墨烯变容器的表面上存在一种或多种分析物，诸如挥发性有机化合物(voc)，其可以响应于所施加的偏置电压而表现出电容的变化。以这种方式，可以通过使气体样品与基于石墨烯变容器的传感器元件接触来分析气体样品，从而提供偏置电压并且测量电容。
43.如本文所使用的，术语“分析物”可以包括各种分子化合物，诸如挥发性有机化合物和元素分子，诸如氧气。在一些情况下，分析物可以指示患者中的各种疾病状态，患者内的各种健康状态或药物代谢物。
44.石墨烯是包含采用六边形晶格的单层碳原子的碳的形式。石墨烯具有很高的强度和稳定性，这是因为其紧密地压在一起的sp2杂化轨道，其中每个碳原子与其相邻的三个碳原子各形成一个σ键，并且具有从六边形平面向外突出的一个p轨道。六边形晶格的p轨道可以杂化，以在石墨烯表面上形成π带，其适合于非共价静电相互作用，包括与其他分子的π-π堆积相互作用。
45.纳米颗粒是存在于纳米尺度上的颗粒。其至少部分地由于具有很大的表面积与体积比以及对感兴趣的分析物的独立相互作用而使自身适合于化学感测。在本文的实施例中，描述了各种纳米颗粒，包括诸如金纳米颗粒和1-辛硫醇功能化的金纳米颗粒的那些。纳米颗粒可以用各种基团进行功能化，以吸引各种感兴趣的分析物，并且在给定的纳米颗粒群中提供结合的多样性。
46.纳米颗粒可以通过非共价相互作用，诸如静电相互作用和范德瓦尔斯相互作用沉积到石墨烯上。在各种实施例中，非功能化的纳米颗粒可以沉积至石墨烯上，而在其他实施例中，功能化的纳米颗粒可以沉积至石墨烯上。在其他实施例中，非功能化和功能化的纳米颗粒的混合物可以沉积至石墨烯上。在一些实施例中，本文的纳米颗粒可以用各种基团进行共价修饰。在一些情况下，纳米颗粒可以用与石墨烯层的表面非共价相互作用的基团进行共价修饰。与石墨烯层的表面非共价相互作用的基团可以包括直接与石墨烯层的表面接触的那些或与石墨烯层的表面周边接触的那些。在其他实施例中，纳米颗粒可以用对各种分析物具有结合特异性的基团进行共价修饰。
47.石墨烯上纳米颗粒层的存在可以通过各种技术进行表征，包括使用x射线光电子能谱法(xps)。还可以对基于石墨烯的变容器执行电容-电压测量，以测量石墨烯变容器的狄拉克点在纳米颗粒功能化后如何移位。
48.基于石墨烯变容器的传感器元件可以暴露于一系列的偏置电压，以便辨别特征，诸如狄拉克点(或变容器表现出最低电容所在的偏置电压)。在存在或不存在一种或多种分析物的情况下由离散结合检测器生成的响应信号可以用于表征石墨烯表面的功能化，并且还可以用于表征气态混合物的含量。
49.现在参考图1，示出了根据本文的实施例的基于石墨烯的可变电容器(或石墨烯变容器)100的示意图。还应当理解，石墨烯变容器可以以各种几何形状用各种方式制备，并且图1所示的石墨烯变容器仅是根据本文实施例的一个示例。
50.石墨烯变容器100可以包括绝缘体层102、栅电极104(或“栅极触头”)、介电层(图1中未示出)、一个或多个石墨烯层，诸如石墨烯层108a和108b以及触头电极110(或“石墨烯触头”)。在一些实施例中，石墨烯层108a-b可以是连续的，而在其他实施例中，石墨烯层108a-b可以是不连续的。栅电极104可以沉积在绝缘体层102中形成的一个或多个凹陷中。绝缘体层102可以由诸如二氧化硅的绝缘材料形成，其形成在硅基板(晶片)等上。栅电极104可以由导电材料，诸如铬、铜、金、银、镍、钨、铝、钛、钯、铂、铱及其任何组合或合金形成，其可以沉积在绝缘体层102的顶部上或嵌入绝缘体层102中。介电层可以设置在绝缘体层102和栅电极104的表面上。石墨烯层108a-b可以设置在介电层上。下面将参考图2更详细地讨论介电层。
51.石墨烯变容器100包括八个栅电极指状物106a-106h。还应当理解，虽然石墨烯变容器100显示了八个栅电极指状物106a-106h，但是也可以设想任何数量的栅电极指状物配置。在一些实施例中，单独的石墨烯变容器可以包括少于八个的栅电极指状物。在一些实施例中，单独的石墨烯变容器可以包括多于八个的栅电极指状物。在其他实施例中，单独的石墨烯变容器可以包括两个栅电极指状物。在一些实施例中，单独的石墨烯变容器可以包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多的栅电极指状物。
52.石墨烯变容器100可以包括设置在石墨烯层108a和108b的部分上的一个或多个触头电极110。触头电极110可以由导电材料，诸如铬、铜、金、银、镍、钨、铝、钛、钯、铂、铱及其任何组合或合金形成。示例性石墨烯变容器的另外的方面可以在美国专利号9,513,244中找到，该专利的内容通过引用全部并入本文。
53.本文所述的石墨烯变容器可以包括其中单个石墨烯层已通过石墨烯和一种或多种纳米颗粒，诸如金属和金属氧化物或其衍生物之间的非共价相互作用进行表面修饰的那
些。在一些实施例中，纳米颗粒可以包括金(au)纳米颗粒。在一些实施例中，纳米颗粒可以包括金(au)、铂(pt)、银(ag)、钯(pd)、三氧化二铁(fe2o3)、四氧化三铁(fe3o4)、氧化锌(zno)、氧化钯(pdo)、二氧化锡(sno2)、钛(ti)、二氧化钛(tio2)、二氧化硅(sio2)、四氧二铁酸钴(cofe2o4)、三氧化二铟(in2o3)、五氧化二钒(v2o5)、氧化铂(pto2)、氧化铜(cuo)、氧化镉(cdo)、铌酸铬(crnbo4)、conb2o6、二硫化钼(mos2)、氧化钨(wo)、二氧化钨(wo2)、三氧化钨(wo3)、氧化钕(nd2o3)、氮化硼(bn)、cefeo4h、氧化锰(mn3o4)、任何形式的羟基氧化铁(feooh，其包括针铁矿、四方纤铁矿、纤铁矿和六方纤铁矿，或任何其他形式的feooh)，或其任何组合或衍生物中的一种或多种。
54.在各种实施例中，本文的纳米颗粒可以包括修饰，诸如用如本文所述的烷基硫代基、烯基硫代基、炔基硫代基、杂烷基硫代基、杂烯基硫代基、杂炔基硫代基、卤代烷基硫代基、卤代烯基硫代基、卤代炔基硫代基、卤化杂烷基硫代基、卤化杂烯基硫代基、卤化杂炔基硫代基、芳基硫代基、取代的芳基硫代基、杂芳基硫代基或取代的杂芳基硫代基的基团进行修饰。
55.如本文所使用的，术语“烷基”是指包含1至20个碳原子的任何线性、支链或环状烃基(即，c
1-c
20
烷基)。在一些实施例中，本文的烷基可以包含任何包含6至18个碳原子的线性、支链或环状烃基(即，c
6-c
18
烷基)。在其他实施例中，本文的烷基可以包含任何包含10至16个碳原子的线性、支链或环状烃基(即，c
10-c
16
烷基)。除非另有说明，本文所述的烷基具有通式c
nh2n 1
。
56.如本文所使用的，术语“烷基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的烷基，其共价键合至硫原子。
57.如本文所使用的，术语“烯基”是指包含1至20个碳原子的任何线性、支链或环状烃基，其中烯基包含至少一个碳-碳双键(即，c
1-c
20
烯基)。在一些实施例中，本文的烯基可以包含任何包含6至18个碳原子的线性、支链或环状烃基，其中烯基包含至少一个碳-碳双键(即，c
6-c
18
烯基)。在其他实施例中，本文的烯基可以包含任何包含10至16个碳原子的线性、支链或环状烃基，其中烯基包含至少一个碳-碳双键(即，c
10-c
16
烯基)。除非另有说明，本文所述的烯基具有通式c
nh(2n 1-2x)
，其中x是存在于烯基中的双键数量。
58.如本文所使用的，术语“烯基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的烯基，其共价键合至硫原子。
59.如本文所使用的，术语“炔基”是指包含1至20个碳原子的任何线性、支链或环状烃基，其包括一个或多个碳-碳三键(即，c
1-c
20
炔基)。在一些实施例中，本文的炔基可以包含任何包含6至18个碳原子的线性、支链或环状烃基，其包括一个或多个碳-碳三键(即，c
6-c
18
炔基)。在其他实施例中，本文的炔基可以包含任何包含10至16个碳原子的线性、支链或环状烃基，其包括一个或多个碳-碳三键(即，c
10-c
16
炔基)。
60.如本文所使用的，术语“炔基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的炔基，其共价键合至硫原子。
61.如本文所使用的，术语“杂烷基”是指包含1至20个碳原子和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)的任何线性、支链或环状烃基(即，c
1-c
20
杂烷基)。在一些实施例中，本文的杂烷基可以包含6至18个碳原子和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)的任何线性、支链或环状烃基(即，c
6-c
18
杂烷基)。
在其他实施例中，本文的杂烷基可以包含10至16个碳原子和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)的任何线性、支链或环状烃基(即，c
10-c
16
杂烷基)。在一些实施例中，本文的杂烷基可以具有通式-rz、-rzr、-zrzr或-rzrzr，其中r可以包括但不限于任何相同或不同的、线性、支链或环状的c
1-c
20
烷基或其组合；并且z可以包括一个或多个杂原子，包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合。
62.在一些实施例中，杂烷基可以包括但不限于烷氧基、烷基酰胺基、烷基硫醚基、烷基酯基、烷基磺酸盐基、烷基磷酸盐基等。适合在本文使用的杂烷基的示例可以包括但不限于选自-roh、-rc(o)oh、-rc(o)or、-ror、-rsr、-rcho、-rx、-rc(o)nh2、-rc(o)nr、-rnh
3
、-rnh2、-rno2、-rnhr、-rnrr、-rb(oh)2、-rso
3-、-rpo
42-或其任何组合；其中r可以包括但不限于任何相同或不同的、线性、支链或环状的c
1-c
20
烷基、c
1-c
20
杂烷基，其条件是至少一个杂原子包括但不限于n、o、p、s、si、se和b，存在于至少一个r基或其组合中；并且x可以是卤素，其包括f、cl、br、i或at。
63.如本文所使用的，术语“杂烷基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的杂烷基，其共价键合至硫原子。
64.如本文所使用的，术语“杂烯基”是指包含1至20个碳原子(包括一个或多个碳-碳双键)和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)的任何线性、支链或环状烃基(即，c
1-c
20
杂烯基)。在一些实施例中，本文的杂烯基可以包含6至18个碳原子(包括一个或多个碳-碳双键)和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)的任何线性、支链或环状烃基(即，c
6-c
18
杂烯基)。在其他实施例中，本文的杂烯基可以包含10至16个碳原子(包括一个或多个碳-碳双键)和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)的任何线性、支链或环状烃基(即，c
10-c
16
杂烯基)。在一些实施例中，本文的杂烯基可以具有通式-rz、-rzr、-zrzr或-rzrzr，其中r可以包括但不限于任何相同或不同的、线性、支链或环状的c
1-c
20
烷基或c
1-c
20
烯基，其条件是在至少一个r基或其组合中存在有至少一个碳-碳双键；并且z可以包括一个或多个杂原子，包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合。
65.在一些实施例中，杂烯基可以包括但不限于烯氧基、烯基胺、烯基硫酯基、烯基酯基、烯基磺酸盐基、烯基磷酸盐基等。适合在本文使用的杂烯基的示例可以包括但不限于选自-roh、-rc(o)oh、-rc(o)or、-ror、-rsr、-rcho、-rx、-rc(o)nh2、-rc(o)nr、-rnh
3
、-rnh2、-rno2、-rnhr、-rnrr、-rb(oh)2、-rso
3-、-rpo
42-或其任何组合；其中r可以包括但不限于任何相同或不同的、线性、支链或环状的c
1-c
20
烷基或c
1-c
20
烯基，其条件是至少一个或多个碳-碳双键和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)存在于至少一个r基或其组合中；并且x可以是卤素，其包括f、cl、br、i或at。
66.如本文所使用的，术语“杂烯基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的杂烯基，其共价键合至硫原子。
67.如本文所使用的，术语“杂炔基”是指包含1至20个碳原子(包括一个或多个碳-碳三键)和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)的任何线性、支链或环状烃基(即，c
1-c
20
杂炔基)。在一些实施例中，本文的杂炔基可以包含6至18个碳原子(包括一个或多个碳-碳三键)和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)的任何线性、支链或环状烃基(即，c
6-c
18
杂炔基)。在其他实施例中，本文的杂
炔基可以包含10至16个碳原子(包括一个或多个碳-碳三键)和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)的任何线性、支链或环状烃基(即，c
10-c
16
杂炔基)。在一些实施例中，本文的杂炔基可以具有通式-rz、-rzr、-zrzr或-rzrzr，其中r可以包括但不限于任何相同或不同的、线性、支链或环状的c
1-c
20
烷基、c
1-c
20
烯基或c
1-c
20
炔基，其条件是在至少一个r基或其组合中存在有至少一个碳-碳三键；并且z可以包括一个或多个杂原子，包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合。
68.在一些实施例中，杂炔基可以包括但不限于炔氧基、炔基胺、炔基硫酯基、炔基酯基、炔基磺酸盐基、炔基磷酸盐基等。适合在本文使用的杂炔基的示例可以包括但不限于选自-roh、-rc(o)oh、-rc(o)or、-ror、-rsr、-rcho、-rx、-rc(o)nh2、-rc(o)nr、-rnh
3
、-rnh2、-rno2、-rnhr、-rnrr、-rb(oh)2、-rso
3-、-rpo
42-或其任何组合；其中r可以包括但不限于任何相同或不同的、线性、支链或环状的c
1-c
20
烷基、c
1-c
20
烯基或c
1-c
20
炔基，其条件是至少一个或多个碳-碳三键和一个或多个杂原子(包括但不限于n、o、p、s、si、se和b或其任何组合)存在于至少一个r基或其组合中；并且x可以是卤素，其包括f、cl、br、i或at。
69.如本文所使用的，术语“杂炔基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的杂炔基，其共价键合至硫原子。
70.如本文所使用的，术语“卤代烷基”是指包含1至20个碳原子(即，c
1-c
20
)的任何线性、支链或环状烷基，其使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i、at中至少一个的卤素原子替换(即，c
1-c
20
卤代烷基)。在一些实施例中的，本文的卤代烷基可以包含任何包含6至18个碳原子的线性、支链或环状烷基，其使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子替换(即，c
6-c
18
卤代烷基)。在其他实施例中，本文的卤代烷基可以包含任何包含10至16个碳原子的线性、支链或环状烷基，其使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中的至少一个替换(即，c
10-c
16
卤代烷基)。在一些实施例中，卤代烷基可以包括单卤代烷基，其仅包含一个卤素原子来代替氢原子。在其他实施例中，卤代烷基可以包括多卤代烷基，其包含一个以上的卤素原子来代替氢原子，条件是仍存在至少一个氢原子。在其他实施例中，卤代烷基可以包括全卤代烷基，其包含卤素原子来代替相应烷基的每个氢原子。
71.如本文所使用的，术语“卤代烷基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的卤代烷基，其共价键合至硫原子。
72.如本文所使用的，术语“卤代烯基”是指包含1至20个碳原子(即，c
1-c
20
)的任何线性、支链或环状烯基，其使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子替换，并且其中卤代烯基包含至少一个碳-碳双键(即，c
1-c
20
卤代烯基)。在一些实施例中的，本文的卤代烯基可以包含任何包含6至18个碳原子的线性、支链或环状烯基，其使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子替换，并且其中卤代烯基包含至少一个碳-碳双键(即，c
6-c
18
卤代烯基)。在其他实施例中，本文的卤代烯基可以包含任何包含10至16个碳原子的线性、支链或环状烯基，其使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中的至少一个替换，并且其中卤代烯基包含至少一个碳-碳双键(即，c
10-c
16
卤代烯基)。
73.如本文所使用的，术语“卤代烯基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的卤代烯基，其共价键合至硫原子。
74.如本文所使用的，术语“卤代炔基”是指包含1至20个碳原子(即，c
1-c
20
)的任何线性、支链或环状炔基，其使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子
替换，并且其中卤代炔基包含至少一个碳-碳三键(即，c
1-c
20
卤代炔基)。在一些实施例中的，本文的卤代炔基可以包含任何包含6至18个碳原子的线性、支链或环状炔基，其使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子替换，并且其中卤代炔基包含一个或多个碳-碳三键(即，c
6-c
18
卤代炔基)。在其他实施例中，本文的卤代炔基可以包含任何包含10至16个碳原子的线性、支链或环状炔基，其使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中的至少一个替换，并且其中卤代炔基包含至少一个碳-碳三键(即，c
10-c
16
卤代炔基)。
75.如本文所使用的，术语“卤代炔基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的卤代炔基，其共价键合至硫原子。
76.如本文所使用的，术语“卤化杂烷基”是指如本文所述的包含1至20个碳原子(即，c
1-c
20
)并且使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子替换的任何杂烷基(即，c
1-c
20
卤化杂烷基)。在一些实施例中的，本文的卤化杂烷基可以包括如本文所述的包含6至18个碳原子(即，c
6-c
18
)并且使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子替换的任何杂烷基(即，c
6-c
18
卤化杂烷基)。在其他实施例中，本文的卤化杂烷基可以包括如本文所述的包含10至16个碳原子(即，c
10-c
16
)并且使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中的至少一个替换的任何杂烷基(即，c
10-c
16
卤化杂烷基)。
77.如本文所使用的，术语“卤化杂烷基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的卤化杂烷基，其共价键合至硫原子。
78.如本文所使用的，术语“卤化杂烯基”是指如本文所述的包含1至20个碳原子(即，c
1-c
20
)并且使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子替换的任何杂烯基(即，c
1-c
20
卤化杂烯基)。在一些实施例中的，本文的卤化杂烯基可以包括如本文所述的包含6至18个碳原子(即，c
6-c
18
)并且使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子替换的任何杂烯基(即，c
6-c
18
卤化杂烯基)。在其他实施例中，本文的卤化杂烯基可以包括如本文所述的包含10至16个碳原子(即，c
10-c
16
)并且使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中的至少一个替换的任何杂烯基(即，c
10-c
16
卤化杂烯基)。
79.如本文所使用的，术语“卤化杂烯基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的卤化杂烯基，其共价键合至硫原子。
80.如本文所使用的，术语“卤化杂炔基”是指如本文所述的包含1至20个碳原子(即，c
1-c
20
)并且使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子替换的任何杂炔基(即，c
1-c
20
卤化杂炔基)。在一些实施例中的，本文的卤化杂炔基可以包括如本文所述的包含6至18个碳原子(即，c
6-c
18
)并且使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中至少一个的卤素原子替换的任何杂炔基(即，c
6-c
18
卤化杂炔基)。在其他实施例中，本文的卤化杂炔基可以包括如本文所述的包含10至16个碳原子(即，c
10-c
16
)并且使一个或多个氢原子被包括f、cl、br、i或at中的至少一个替换的任何杂炔基(即，c
10-c
16
卤化杂炔基)。
81.如本文所使用的，术语“卤化杂炔基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的卤化杂炔基，其共价键合至硫原子。
82.如本文所使用的，术语“芳基”是指包含c5至c8元芳环的任何芳烃基团，诸如，例如环戊二烯、苯及其衍生物。与所提供的示例相对应的芳族自由基，例如，环戊二烯和苯基自由基及其衍生物。在一些实施例中，本文的芳基还可以被进一步取代以形成取代芳基。如本
文所使用的，术语“取代芳基”是指包含c
5-至c
8-元芳环的任何芳烃基团，其本身可以被一种或多种烷基、烯基、炔基、杂烷基、杂烯基、杂炔基、卤代烷基、卤代烯基、卤代炔基、卤化杂烷基、卤化杂烯基或卤化杂炔基或其任何组合取代，如本文所述。
83.本文使用的芳基或取代芳基中任一种的卤化可以包括其中一个或多个氢原子被卤素原子，包括f、cl、br、i或at中的至少一个替换的那些。芳基或取代芳基的额外取代可以包括但不限于：-oh、-c(o)oh、-c(o)or、-or、-sr、-cho、-c(o)nh2、-c(o)nr、-nh
3
、-nh2、-no2、-nhr、-nrr、-b(oh)2、-so
3-、-po
42-或任何组合，其中r是烷基、烯基、炔基、杂烷基、杂烯基、杂炔基、卤代烷基、卤代烯基、卤代炔基、卤化杂烷基、卤化杂烯基或卤化杂炔基或其任何组合。在一些实施例中，卤化芳基可以包括氯苯基。在其他实施例中，卤化芳基可以包括全氟苯基。
84.如本文所使用的，术语“芳基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的芳基，其共价键合至硫原子。如本文所使用的，术语“取代的芳基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的取代的芳基，其共价键合至硫(s)原子。
85.在一些实施例中，本文的芳基可以包括一个或多个杂原子以形成杂芳基。适合用于本文的杂原子包括但不限于n、o、p、s、si、se和b。如本文所使用的，术语“杂芳基”是指如本文定义的任何芳基，其中c
5-至c
8-元芳环的一个或多个碳原子已被一个或多个杂原子或杂原子的组合替换。杂芳基的示例可以包括但不限于吡咯、噻吩、呋喃、咪唑、吡啶和嘧啶的自由基。本文的杂芳基还可以被进一步取代以形成取代杂芳基。如本文所使用的，术语“取代杂芳基”是指如本文所述的任何杂芳基，其还被一种或多种烷基、烯基、炔基、杂烷基、杂烯基、杂炔基、卤代烷基、卤代烯基、卤代炔基、卤化杂烷基、卤化杂烯基或卤化杂炔基或其任何组合取代，如本文所述。
86.本文所述的杂芳基或取代杂芳基中任一种的卤化可以包括其中一个或多个氢原子被卤素原子，包括f、cl、br、i或at中的至少一个替换的那些。杂芳基或取代杂芳基的额外取代可以包括但不限于：-oh、-c(o)oh、-c(o)or、-or、-sr、-cho、-c(o)nh2、-c(o)nr、-nh
3
、-nh2、-no2、-nhr、-nrr、-b(oh)2、-so
3-、-po
42-或任何组合，其中r是烷基、烯基、炔基、杂烷基、杂烯基、杂炔基、卤代烷基、卤代烯基、卤代炔基、卤化杂烷基、卤化杂烯基或卤化杂炔基或其任何组合。
87.如本文所使用的，术语“杂芳基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的杂芳基，其共价键合至硫原子。如本文所使用的，术语“取代的杂芳基硫代基”是指具有通式r-s-的基团，其中r是如本文定义的取代的杂芳基，其共价键合至硫原子。
88.本文的纳米颗粒包括使纳米颗粒与各种试剂反应而产生的修饰。在一些实施例中，试剂具有式hs-r，其中r可以包括任何c
1-c
20
烃或杂烃，如本文其他地方所述，包括但不限于-rso
3-、-rpo
42-或其任何组合；并且可以与纳米颗粒反应，以产生具有在纳米颗粒和硫原子之间的共价键的产物，如可以用通式r-s-纳米颗粒描述的。在一些实施例中，试剂具有式hs-rx；其中r可以包括任何c
1-c
20
烃或杂烃，如本文其他地方所述，包括但不限于-rso
3-、-rpo
42-或其任何组合；并且x包括具有一个或多个取代的一个或多个芳环，如本文所述，诸如芘、苯基、联苯、杂芳环等；并且可以与纳米颗粒反应，以产生具有在纳米颗粒和硫原子之间的共价键的产物，如可以用通式xr-s-纳米颗粒描述的。
89.在一些实施例中，包括具有式rssr’的试剂，其中r和r’可以包括任何c
1-c
20
烃或杂
烃，如本文其他地方所述，包括但不限于-rso
3-、-rpo
42-或其任何组合；并且可以与纳米颗粒反应，以产生具有在纳米颗粒和硫原子之间的共价键的产物，如可以用通式r-s-纳米颗粒和r
’‑
s-纳米颗粒描述的。
90.在一些实施例中，试剂具有式xrssr’x；其中x包括具有一个或多个取代的一个或多个芳环，如本文所述，诸如芘、苯基、联苯、杂芳环等；其中r和r’可以包括任何c
1-c
20
烃或杂烃，如本文其他地方所述，包括但不限于-rso
3-、-rpo
42-或其任何组合；并且可以与纳米颗粒反应，以产生具有在纳米颗粒和硫原子之间的共价键的产物，如可以用通式r-s-纳米颗粒和r
’‑
s-纳米颗粒描述的。
91.在一些实施例中，包括具有式rsiz3、rr’siz2或rr’r”siz的试剂，其中z包括任何烷氧基，诸如甲氧基或乙氧基或任何卤素原子，诸如f、cl、br、i或at，并且r、r’和r”包括任何c
1-c
20
烃或杂烃，如本文的其他地方所述，包括但不限于-rso
3-、-rpo
42-或其任何组合；并且可以与纳米颗粒反应以产生具有在纳米颗粒和硅原子之间的共价键的产物，如可以用通式r-z2-si-纳米颗粒、r-r
’‑
si-纳米颗粒和r-r
’‑r”‑
si-纳米颗粒描述的。
92.在一些实施例中，包括具有式xrsiz3、(xr)(x’r’)siz2或(xr)(x’r’)(x”r”)siz的试剂；其中x包括具有一个或多个取代的一个或多个芳环，如本文所述，诸如芘、苯基、联苯、杂芳环等；其中z包括任何烷氧基，诸如甲氧基或乙氧基或任何卤素原子，诸如f、cl、br、i或at；并且r、r’和r”包括任何c
1-c
20
烃或杂烃，如本文其他地方所述，包括但不限于-rso3-、-rpo42-或其任何组合；并且可以与纳米颗粒反应，以产生具有在纳米颗粒和硅原子之间的共价键的产物，如可以用通式x-r-z2-si-纳米颗粒、(xr)-(x’r’)-si-纳米颗粒和(xr)-(x’r’)-(x”r”)-si-纳米颗粒描述的。
93.在一些实施例中，包括具有式rzh2、rr’zh或rr’r”z的试剂；其中z包括氮(n)或磷(p)；以及其中r、r’和r”包括任何c1-c20烃或杂烃，如本文其他地方所述，包括但不限于-rso
3-、-rpo
42-或其任何组合；并且可以与纳米颗粒反应，以产生具有在纳米颗粒和硅原子之间的共价键的产物，如可以用通式r-z-h-纳米颗粒、r-z-h
2-纳米颗粒、r-r
’‑
z-纳米颗粒、r-r
’‑
zh-纳米颗粒或r-r
’‑r”‑
z-纳米颗粒描述的。
94.在一些实施例中，试剂具有式(xr)zh2、(xr)(x’r’)zh和(xr)(x’r’)(x”r”)z；其中x包括具有一个或多个取代的一个或多个芳环，如本文所述，诸如芘、苯基、联苯、杂芳环等；其中z包括氮(n)或磷(p)；并且其中r、r’和r”包括任何c
1-c
20
烃或杂烃，如本文其他地方所述，包括但不限于-rso
3-、-rpo
42-或其任何组合；并且可以与纳米颗粒反应，以产生具有在纳米颗粒和硅原子之间的共价键的产物，如可以用通式(xr)-zh-纳米颗粒、(xr)-zh2-纳米颗粒、(xr)(x’r’)-z-纳米颗粒、(xr)(x’r’)-zh-纳米颗粒和(xr)(x’r’)(x”r”)-z-纳米颗粒描述的。
95.适合用于本文的纳米颗粒可以包括具有在从约1纳米(nm)至约1000nm的尺寸范围内的不同尺寸的那些。在一些实施例中，本文的纳米颗粒的尺寸可以大于或等于1nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm、200nm、210nm、220nm、230nm、240nm、250nm、260nm、270nm、280nm、290nm、300nm、310nm、320nm、330nm、340nm、350nm、360nm、370nm、380nm、390nm、400nm、410nm、420nm、430nm、450nm、460nm、470nm、480nm、490nm、500nm、510nm、520nm、530nm、540nm、550nm、560nm、570nm、580nm、590nm、600nm、610nm、620nm、630nm、640nm、
650nm、660nm、670nm、680nm、690nm、700nm、710nm、720nm、730nm、740nm、750nm、760nm、770nm、780nm、790nm、800nm、810nm、820nm、830nm、840nm、850nm、860nm、870nm、880nm、890nm、900nm、910nm、920nm、930nm、940nm、950nm、960nm、970nm、980nm、990nm、或1000nm或可以是落在上述值之间的范围内的量。
96.本文的纳米颗粒可以包括在溶剂，诸如水、甲醇、乙醇、氯仿、二氯甲烷、苯、甲苯、水、丙酮、乙腈、乙二醇、醚、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、己烷、乙酸乙酯中的溶液或悬浮液(例如，分散液)中或采用固体形式的那些。在各种实施例中，溶液或悬浮液还可以包含稳定剂或表面活性剂，诸如磷酸盐缓冲盐水(pbs)或柠檬酸，以稳定纳米颗粒。
97.在本文的各种实施例中，适合用于修饰石墨烯表面的纳米颗粒可以包括具有独特分析物结合特异性的一种或多种纳米颗粒。在一些实施例中，可以使用第一群纳米颗粒，其中整个第一群具有相同的分析物结合特异性。在其他实施例中，可以使用第一群和第二群的纳米颗粒的混合物，其中第一群的纳米颗粒具有不同于第二结合群的分析物结合特异性。在其他实施例中，可以使用第一群纳米颗粒、第二群纳米颗粒和第三群纳米颗粒的混合物，其中第一、第二和第三群纳米颗粒中的每一群都具有不同的分析物结合特异性。应当理解，在其他实施例中，可以使用第四、第五、第六、第七、第八、第九或第十群纳米颗粒。在一些情况下，分析物结合特异性可以归因于所使用的纳米颗粒的类型，并且在其他实施例中，分析物结合特异性可以归因于本文所使用的纳米颗粒的功能化。就这点而言，可以通过改变沉积在石墨烯表面的每个纳米颗粒的类型和密度来调整给定的修饰的石墨烯表面的结合多样性。
98.应当理解，在本文的各种实施例中，石墨烯可以被其他类似的单层或多层结构材料，包括例如，硼烯、石墨、碳纳米管或石墨烯的其他结构类似物取代。硼烯是以各种结晶构造布置的单层硼原子。
99.现在参考图2，示出了根据本文的各种实施例的石墨烯变容器200的一部分的示意性横截面视图。石墨烯变容器200可以包括绝缘体层102和凹入绝缘体层102中的栅电极104。栅电极104可以通过在绝缘体层102中的凹陷中沉积导电材料来形成，如上面参考图1所讨论的。介电层202可以形成在绝缘体层102和栅电极104的表面上。在一些示例中，介电层202可以由诸如二氧化硅、氧化铝、二氧化铪、二氧化锆、硅酸铪或硅酸锆的材料形成。在一些示例中，介电层202可以包括多层本文所列的介电材料。在一些实施例中，介电层202可以包括交替层的不同介电材料。在一些实施例中，介电层202可以包括交替层的氧化铝和二氧化铪。
100.石墨烯变容器200可以包括单个石墨烯层204，其可以设置在介电层202的表面上。石墨烯层204可以用非共价修饰层206进行表面修饰。非共价修饰层206可以由一种或多种类型的纳米颗粒或其衍生物形成，通过非共价相互作用设置在石墨烯层204的外表面上。在一些实施例中，非共价修饰层206可以由一种或多种纳米颗粒修饰形成，如本文其他地方所讨论的。
101.非共价修饰层206可以提供石墨烯层204的至少5％的表面覆盖率(按面积计)。在一些实施例中，非共价修饰层206可以提供石墨烯层204的至少10％的表面覆盖率。在其他实施例中，非共价修饰层206可以提供石墨烯层204的至少15％的表面覆盖率。在一些实施例中，非共价修饰层可以提供石墨烯层的至少20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、
81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％或100％的表面覆盖率(按面积计)。应当理解，非共价修饰层可以提供落在一定范围的表面覆盖率内，其中前述百分比中的任一个可以用作该范围的下限或上限，条件是该范围的下限是小于该范围的上限的值。
102.在一些实施例中，应当理解，纳米颗粒可以包括不止一个单层，诸如多层。多层可以通过扫描隧道显微镜(stm)和其他扫描探针显微镜等技术进行检测和量化。本文提及大于100％的覆盖百分比应指其中表面积的一部分被不止一个单层覆盖，诸如，由两层、三层或可能更多层的所使用的纳米颗粒覆盖的圆周。因此，本文提及105％的覆盖率应指示约5％的表面积包括在石墨烯层上方的不止单层的覆盖率。在一些实施例中，石墨烯表面可以包括石墨烯层的101％、102％、103％、104％、105％、110％、120％、130％、140％、150％或175％的表面覆盖率。应当理解，石墨烯层的多层表面覆盖率可以落在一定范围的表面覆盖率内，其中前述百分比中的任一个可以用作该范围的下限或上限，条件是该范围的下限是小于该范围的上限的值。例如，覆盖率的范围可以包括但不限于5％至150％(按表面积计)、80％至120％(按表面积计)、90％至110％或99％至120％(按表面积计)。
103.现在参考图3，示出了根据本文的各种实施例的化学传感器元件300的示意性俯视平面图。化学传感器元件可以包括基于石墨烯变容器的化学传感器元件。化学传感器元件300可以包括基板302。可以理解的是，基板可以由许多不同的材料形成。举例来说，基材可以由硅、玻璃、石英、蓝宝石、聚合物、金属、玻璃、陶瓷、纤维素材料、复合材料、金属氧化物等形成。基板的厚度可以变化。在一些实施例中，基板具有足够的结构完整性以进行处理，而不会出现可能损坏在其上面的部件的过度弯曲。在一些实施例中，基板可以具有约0.05mm至约5mm的厚度。基板的长度和宽度也可以变化。在一些实施例中，长度(或主轴)可以是约0.2cm至约10cm。在一些实施例中，长度(或主轴)可以是从约20μm至约1cm。在一些实施例中，宽度(垂直于主轴)可以是约0.2cm至约8cm。在一些实施例中，宽度(垂直于主轴)可以是从约20μm至约0.8cm。在一些实施例中，基于石墨烯的化学传感器可以是一次性的。
104.第一测量区304可以设置在基板302上。在一些实施例中，第一测量区304可以限定第一气体流动路径的一部分。第一测量区(或气体样品区)304可以包括多个离散的基于石墨烯的可变电容器(或石墨烯变容器)，其可以感测在气态样品，诸如呼吸样品中的分析物。在各种实施例中，气态样品可以包括环境气体样品。在本文设想了各种气态样品，包括从各种身体组织、体液、呼吸等释放的气体。在美国申请号16/696,348中描述了用于使用化学传感器元件来对气体进行采样的各种额外的方法，其内容通过引用并入本文。
105.与第一测量区304分开的第二测量区(或环境采样区)306也可以设置在基板302上。第二测量区306也可以包括多个离散石墨烯变容器。在一些实施例中，第二测量区306可以包括在第一测量区304内(类型和/或数量)相同的离散石墨烯变容器。在一些实施例中，第二测量区306可以仅包括在第一测量区304内的离散石墨烯变容器的子集。在操作中，可以反映分析的气态样品的从第一测量区生成的数据可以基于可以反映存在于环境中的分析物的从第二测量区收集的数据进行校正或归一化。
106.在一些实施例中，第三测量区(漂移控制或见证区)308也可以设置在基板上。第三测量区308可以包括多个离散石墨烯变容器。在一些实施例中，第三测量区308可以包括在第一测量区304内(类型和/或数量)相同的离散石墨烯变容器。在一些实施例中，第三测量
区308可以仅包括在第一测量区304内的离散石墨烯变容器的子集。在一些实施例中，第三测量区308可以包括与第一测量区304和第二测量区306不同的离散石墨烯变容器。下面更详细地描述第三测量区的方面。
107.第一测量区、第二测量区和第三测量区可以具有相同的尺寸或可以具有不同的尺寸。化学传感器元件300还可以包括用于存储参考数据的部件310。用于存储参考数据的部件310可以是电子数据存储装置、光学数据存储装置、印刷数据存储装置(诸如，印刷代码)等。参考数据可以包括但不限于关于第三测量区的数据(下文将更详细地描述)。
108.在一些实施例中，本文具体化的化学传感器元件可以包括电触头(未示出)，其可以用于向化学传感器元件300上的部件提供电力和/或可以用于读取关于测量区的数据和/或来自存储在部件310中的数据。然而，在其他实施例中，在化学传感器元件300上没有外部电触头。在美国申请号62/898,155中描述了本文的化学传感器元件的各种额外的部件，其内容通过引用并入本文。
109.应当理解，许多不同的电路设计可以用于从包括直接接触的电路设计以及无源无线传感电路设计两者的本文的化学传感器元件收集数据和/或信号。在美国公开申请号2019/0025237中描述了一些示例性测量电路，其内容通过引用并入本文。
110.应当理解，本文具体化的化学传感器元件可以包括与无源无线传感相兼容的那些。无源传感器电路502和读取电路522的一部分的示意图在图5中示出并且在下面更详细地进行讨论。在无源无线传感布置中，石墨烯变容器可以与电感器集成，使得石墨烯变容器的一个终端接触电感器的一端，并且石墨烯变容器的第二终端接触电感器的第二终端。在一些实施例中，电感器可以位于与石墨烯变容器相同的基板上，而在其他实施例中，电感器可以位于片外的位置中。
111.现在参考图4，示出了根据本文的各种实施例的测量区400的一部分的示意图。多个离散石墨烯变容器402可以以阵列设置在测量区400内。在一些实施例中，化学传感器元件可以包括以阵列配置在测量区内的多个石墨烯变容器。在一些实施例中，多个石墨烯变容器可以是相同的，而在其他实施例中，多个石墨烯变容器可以彼此不同。
112.在一些实施例中，离散石墨烯变容器可以是异质的，这是因为其在关于特定分析物的结合行为特异性方面都是不同的。在一些实施例中，一些离散石墨烯变容器可以重复以用于验证目的，但在其他方面，与其他离散石墨烯变容器是异质的。然而，在其他实施例中，离散石墨烯变容器可以是同质的，这是因为其在关于特定分析物的结合行为特异性方面是相同的。虽然图4的离散石墨烯变容器402被示为组织成网格的框，但是应当理解，离散石墨烯变容器可以采用许多不同的形状(包括但不限于各种多边形、圆形、椭圆形、不规则形状等)，并且继而，离散石墨烯变容器的组可以被布置成许多不同的图案(包括但不限于星形图案、z字形图案、径向图案、符号图案等)。
113.在一些实施例中，特定的离散石墨烯变容器402跨测量区的长度412和宽度414的顺序可以是基本上随机的。在其他实施例中，顺序可以是特定的。例如，在一些实施例中，测量区的顺序可以使得相对于位于更接近流入的气流的用于具有较高分子量的分析物的特定离散石墨烯变容器402而言，用于具有较低分子量的分析物的特定离散石墨烯变容器402位于更远离流入的气流处。就这点而言，可以利用可以用于提供在不同分子量的化学化合物之间的分离的色谱效应以提供化学化合物至对应的离散石墨烯变容器的最佳结合。
114.在特定测量区内的离散石墨烯变容器的数量可以是约1至约100，000。在一些实施例中，离散石墨烯变容器的数量可以是约1至约10，000。在一些实施例中，离散石墨烯变容器的数量可以是约1至约1，000。在一些实施例中，离散石墨烯变容器的数量可以是约2至约500。在一些实施例中，离散石墨烯变容器的数量可以是约10至约500。在一些实施例中，离散石墨烯变容器的数量可以是约50至约500。在一些实施例中，离散石墨烯变容器的数量可以是约1至约250。在一些实施例中，离散石墨烯变容器的数量可以是约1至约50。
115.适合用于本文的离散石墨烯变容器中的每一个可以包括一个或多个电路的至少一部分。举例来说，在一些实施例中，离散石墨烯变容器中的每一个可以包括一个或多个无源电路。在一些实施例中，可以包括石墨烯变容器，使得其直接集成在电路上。在一些实施例中，可以包括石墨烯变容器，使得其晶圆键合至电路。在一些实施例中，石墨烯变容器可以包括集成的读出电子装置，诸如读出集成电路(roic)。电路的电气性能，包括电阻或电容可以在与来自气体样品的成分结合，诸如特异性和/或非特异性结合时发生变化。
116.现在参考图5，示出了根据本文的各方面的无源传感器电路502和读取电路522的一部分的示意图。在一些实施例中，无源传感器电路502可以包括耦合到电感器510的金属氧化物-石墨烯变容器504(其中rs表示串联电阻并且cg表示变容器电容)。可以用各种方式和用各种几何形状来制备石墨烯变容器。举例来说，在一些方面，栅极电极可以凹入绝缘体层中，如在图1中被示为栅极电极104。栅极电极可以通过向绝缘体层中蚀刻凹陷并且随后将导电材料沉积至凹陷中来形成栅极电极而形成。介电层可以形成在绝缘体层和栅极电极的表面上。在一些示例中，介电层可以由金属氧化物，诸如氧化铝、二氧化铪、二氧化锆、二氧化硅，或另一种材料，诸如硅酸铪或硅酸锆形成。表面修饰的石墨烯层可以设置在介电层上。接触电极也可以设置在表面修饰的石墨烯层的表面上，其在图1中也被示为接触电极110。
117.示例性石墨烯变容器构造的另外的方面可以在美国专利号9,513,244中找到，该专利的内容通过引用全部并入本文。
118.在各种实施例中，作为石墨烯变容器的一部分并且因此作为传感器电路，诸如无源传感器电路的一部分的功能化石墨烯层(例如，功能化以包括分析物结合受体)暴露于在测量区的表面上方流动的气体样品。无源传感器电路502也可以包括电感器510。在一些实施例中，每个无源传感器电路502只包括单个变容器。在其他实施例中，每个无源传感器电路502包括多个变容器，诸如并联的。
119.在无源传感器电路502中，电路的电容在气体样品中的分析物与石墨烯变容器结合时发生变化。无源传感器电路502可以作为lrc谐振器电路发挥作用，其中lrc谐振器电路的谐振频率在与源于气体样品中的成分结合时发生变化。
120.读取电路522可以用于检测无源传感器电路502的电气性能。举例来说，读取电路522可以用于检测lrc谐振器电路的谐振频率和/或其中的变化。在一些实施例中，读取电路522可以包括读取线圈，其具有电阻524和电感526。当传感器侧的lrc电路处于其谐振频率时，读取电路的阻抗与频率的相位图具有最小值(或相位凹陷频率)。当变容器的电容响应于分析物的结合而变化时，会发生感测，这就改变了谐振频率和/或相位凹陷频率的值。
121.石墨烯变容器的电容可以通过在特定电压下和/或在一定范围的电压下输送激励电流来进行测量。测量电容提供了数据，其反映了分析物至石墨烯变容器的结合状态。各种
测量电路可以用于测量石墨烯变容器的电容。
122.现在参考图6，示出了根据本文的各种实施例的用于测量多个离散石墨烯变容器的电容的电路的示意图。电路可以包括与多路复用器604电连通的电容数字转换器(cdc)602。多路复用器604可以提供与多个石墨烯变容器606的选择性电连通。至石墨烯变容器606的另一侧的连接可以由开关603控制(如由cdc控制)，并且可以提供与第一数模转换器(dac)605和第二数模转换器(dac)607的选择性电连通。dac 605、607的另一侧可以连接至总线装置610，或在一些情况下，连接至cdc 602。电路还可以包括微控制器612，这将在下面更详细地进行讨论。
123.在这种情况下，来自cdc的激发信号控制在两个可编程数模转换器(dac)的输出电压之间的切换。dac之间的编程电压差确定了激发振幅，从而为测量提供了额外的可编程比例因子，并且允许测量比由dcd指定的范围更宽的电容。测量电容时的偏置电压等于cdc输入处的偏置电压(经由多路复用器进行，通常等于vcc/2，其中vcc是电源电压)与激发信号的平均电压之间的差，这是可编程的。在一些实施例中，缓冲放大器和/或旁路电容可以用于dac输出处以在切换期间保持稳定的电压。可以使用许多不同范围的dc偏置电压。在一些实施例中，dc偏置电压的范围可以是-3v至3v或-1v至1v或-0.5v至0.5v。
124.可以基于电容数据来计算许多不同的方面。例如，可以计算的方面包括电容对电压的最大斜率、电容对电压的最大斜率在基线值上的变化、电容对电压的最小斜率、电容对电压的最小斜率在基线值上的变化、最小电容、最小电容在基线值上的变化、最小电容下的电压(狄拉克点)、最小电容下的电压的变化、最大电容、最大电容的变化、最大电容与最小电容之比、反应时间常数以及前述中的任一个在不同的离散石墨烯变容器且特别是在对不同的分析物具有特异性的不同离散石墨烯变容器之间的比率。
125.现在参考图7，示出了根据本文的各种实施例的用于感测气态分析物的系统700的示意图。系统700可以包括壳体718。系统700可以包括咬口702，待评估的受试者可以将呼吸样品吹入该咬口702中。气态呼吸样品可以通过流入导管704，并且通过评估样品(患者样品)输入端口706。系统700还可以包括控制样品(环境)输入端口708。系统700还可以包括传感器元件室710，一次性传感器元件可以被置于该传感器元件室710中。当被置于传感器元件室中时，一次性传感器元件及其部分可以限定一个或多个气体流动路径。系统700还可以包括显示屏714和用户输入装置716，诸如键盘。系统还可以包括气体流出端口712。系统700还可以包括和与评估样品输入端口706和控制样品输入端口708中的一个或多个相关联的气流流体连通的流量传感器。应当理解，可以使用许多不同类型的流量传感器。在一些实施例中，可以使用热丝风速计来测量空气的流量。在一些实施例中，系统可以包括和与评估样品输入端口706和控制样品输入端口708中的一个或多个相关联的气流流体连通的co2传感器。用于数据分析和本文的化学传感器的反应动力学的额外方法可以在美国申请号16/712，255中找到，其内容通过引用并入本文。
126.在各种实施例中，系统700还可以包括其他功能部件。举例来说，系统700可以包括湿度控制模块740和/或温度控制模块742。湿度控制模块可以和与评估样品输入端口706和控制样品输入端口708中的一个或多个相关联的气流流体连通，以便调整一个或两个气流的湿度，以使两个流的相对湿度基本相同，以便防止对由系统获得的读数产生不利影响。温度控制模块可以和与评估样品输入端口706和控制样品输入端口708中的一个或多个相关
联的气流流体连通，以便调整一个或两个气流的温度，以使两个流的温度基本相同，以便防止对由系统获得的读数产生不利影响。举例来说，流入控制样品输入端口的空气可以被提高到37摄氏度更高，以便匹配或超过来自于患者的空气的温度。湿度控制模块和温度控制模块可以在系统700的壳体718中的输入端口的上游、在输入端口内或在输入端口的下游。在一些实施例中，可以集成湿度控制模块740和温度控制模块742。
127.在一些实施例(未示出)中，系统700的控制样品输入端口708也可以连接到咬口702。在一些实施例中，咬口702可以包括开关气流阀，使得当患者吸气时，空气从控制样品输入端口708流到咬口，并且系统被配置为使得这使环境空气跨适当的控制测量区(诸如，第二测量区)流动。随后，当患者呼气时，开关气流阀可以切换，使得来自患者的呼吸样品从咬口702流动通过流入导管704并且进入评估样品输入端口706，并且跨过在一次性传感器元件上的适当样品(患者样品)测量区(诸如第一测量区)。
128.在一个实施例中，包括一种制造化学传感器元件的方法。该方法可以包括使一个或多个测量区沉积至基板上。该方法还可以包括在基板上的测量区内沉积多个离散石墨烯变容器。该方法可以包括用如本文所述的一种或多种纳米颗粒来修饰石墨烯层的表面以通过非共价相互作用在石墨烯层的外表面上形成非共价修饰层来生成一个或多个离散石墨烯变容器。该方法可以包括使用接触角测角术、拉曼光谱法或x射线光电子能谱法对非共价修饰层的表面覆盖程度进行量化。该方法还可以包括沉积部件以将参考数据存储至基板上。在一些实施例中，测量区可以全部放置在基板的同一侧上。在其他实施例中，测量区可以放置在基板的不同侧上。
129.在一个实施例中，包括一种测定一个或多个气体样品的方法。该方法可以包括将化学传感器元件插入感测机中。化学传感器元件可以包括基板和第一测量区，其包括多个离散石墨烯变容器。第一测量区可以限定第一气体流动路径的一部分。化学传感器元件还可以包括与第一测量区分开的第二测量区。第二测量区也可以包括多个离散石墨烯变容器。第二测量区可以设置在第一气体流动路径的外部。
130.该方法还可以包括提示受试者将空气吹入感测机，以遵循第一气体流动路径。在一些实施例中，监测来自受试者的空气的co2含量，并且在co2含量的平台期用一次性传感器元件进行采样，这是因为据认为源自患者肺泡的空气具有最丰富含量的用于分析的化学化合物，诸如挥发性有机化合物。在一些实施例中，该方法可以包括使用流量传感器来监测呼吸样品的和控制(或环境)空气样品的总质量流量。该方法还可以包括询问离散石墨烯变容器，以确定其分析物结合状态。该方法还可以包括在完成采样时丢弃一次性传感器元件。
131.现在参考图8，示出了根据本文的各种实施例的用于感测气态分析物的系统800的示意图。在该实施例中，系统是手持格式。系统800可以包括壳体818。系统800可以包括咬口802，待评估的受试者可以将呼吸样品吹入该咬口702中。系统800还可以包括显示屏814和用户输入装置816，诸如键盘。系统还可以包括气体流出端口812。该系统还可以包括各种其他部件，诸如上面参考图7描述的那些。
132.在一些实施例中，测量区中的一个可以被配置为指示在使用之前的存储和处理期间可能由于老化和暴露于变化的条件(诸如，热暴露、光暴露、分子氧暴露、湿度暴露等)而发生的在化学传感器元件中的变化(或漂移)。在一些实施例中，第三测量区可以被配置为用于这个目的。
133.现在参考图9，示出了根据本文的各种实施例的化学传感器元件900的一部分的示意性横截面视图。化学传感器元件900可以包括基板902和为测量区的一部分的设置在其上的离散石墨烯变容器904。可选地，在一些实施例中，离散石墨烯变容器904可以被惰性材料906，诸如氮气，或惰性液体或固体封装。以这种方式，用于第三测量区的离散石墨烯变容器904可以被屏蔽，以免与气体样品接触，并且因此可以用作控制或参考，以特别地控制可能发生在制造时和在使用一次性传感器元件时之间的传感器漂移。在一些实施例中，诸如在使用惰性气体或液体的情况下，离散结合的检测器还可以包括阻隔层908，其可以是一层聚合物材料、铝箔等。在一些情况下，可以刚好在使用之前移除阻隔层908。
134.在一个实施例中，包括一种用于检测一种或多种分析物的方法。该方法可以包括从患者收集气态样品。在一些实施例中，气态样品可以包括呼出的呼吸。在其他实施例中，气态样品可以包括经由导管或其他类似提取装置从患者的肺部去除的呼吸。在一些实施例中，提取装置可以包括内窥镜、支气管镜或气管镜。该方法还可以包括使石墨烯变容器与气态样品接触，其中石墨烯变容器包括石墨烯层和通过非共价相互作用设置在石墨烯层外表面上的非共价修饰层。在一些实施例中，该方法可以包括测量石墨烯反应器的电容由于存在于气态样品中的一种或多种分析物的结合而产生的差别反应，其继而可以用于识别疾病状态。在一些实施例中，该方法可以包括从如本文所述的至少一种纳米颗粒或其衍生物选择的非共价修饰层。
135.石墨烯变容器
136.本文所述的石墨烯变容器可以用于感测气态样品，诸如，患者的呼吸中的一种或多种分析物。本文具体化的石墨烯变容器可以对在或接近百万分之一(ppm)或十亿分之一(ppb)水平下的在气态样品中找到的挥发性有机化合物(voc)表现出很高的灵敏性。voc至石墨烯变容器表面上的吸附可以改变此类装置的电阻、电容或量子电容，并且可以用于检测voc和/或其结合模式，这继而可以用于识别疾病状态，诸如癌症、心脏病、感染、多发性硬化症、阿尔茨海默氏病、帕金森氏病等。石墨烯变容器可以用于检测气体混合物中的各个分析物，以及在高度复杂的混合物中的反应模式。在一些实施例中，可以包括一个或多个石墨烯变容器以检测在气态样品中的同一分析物。在一些实施例中，可以包括一个或多个石墨烯变容器以检测在气态样品中的不同分析物。在一些实施例中，可以包括一个或多个石墨烯变容器以检测在气态样品中的大量分析物。本文所述的石墨烯变容器可以包括其中单个石墨烯层已通过与一种或多种纳米颗粒的非共价相互作用进行表面修饰的那些。
137.x射线光电子能谱法
138.x射线光电子能谱法(xps)是一种具有高度灵敏性的能谱技术，其可以定量地测量材料表面的元素组成。xps的过程涉及在真空下用x射线照射表面，同时测量在材料的顶部0至10nm内的动能和电子释放。在不希望受到任何特定理论约束的情况下，据认为xps可以用于确认设置在石墨烯表面上的修饰层的存在。
139.修饰层、石墨烯和下面的基板所包含的原子类型的表面浓度(如根据xps确定的)取决于石墨烯上的单层分子。例如，用于以任何给定的纳米颗粒进行修饰的石墨烯(生长在钢基板上)的碳、氧和铜的表面浓度(即，c％、o％和cu％，如根据xps确定的)取决于该纳米颗粒在溶液或悬浮液中的浓度。
140.接触角测角法
141.接触角测角法可以用于确定液体对固体表面的润湿性。润湿性或润湿可以由在液体和固体表面之间的接触区的分子间力导致。润湿的程度可以用在液体和固体表面之间的接触区域和与液体-蒸汽界面相切的线之间形成的接触角φ的值来描述。当固体表面是亲水的并且水被用作测试液体(即，高度的润湿性)时，用于φ的值可以落在0至90度的范围内。当固体表面是中度亲水的至疏水的(即，中等程度的润湿性)时，用于作为测试液体的水的φ的值可以落在85至105度的范围内。当固体表面是高度疏水的(即，低度的润湿性)时，用于作为测试液体的水的φ的值可以落在90至180度的范围内。因此，接触角的变化可以反映在基板的表面化学中的变化。
142.石墨烯表面和对石墨烯表面进行的修饰可以使用接触角测角法进行表征。接触角测角法可以提供有关石墨烯表面修饰程度的定量信息。接触角测量对样品表面上存在的基团具有高度灵敏性，并且可以用于确定自组装单层的形成和表面覆盖范围。与用功能层修饰的一个相比，裸露的石墨烯表面的接触角的变化可以用来确认功能层在石墨烯表面上的形成。
143.适合用于确定接触角测量的溶剂类型(也称为润湿溶液)是能够使在溶液在裸露的石墨烯上的接触角与在修饰的石墨烯上的接触角之间的差异最大化的那些，从而提高结合等温线测量的数据准确性。在一些实施例中，润湿溶液可以包括但不限于去离子(di)水、naoh水溶液、硼酸盐缓冲液(ph 9.0)、其他ph缓冲液、cf3ch2oh等。在一些实施例中，润湿溶液是极性的。在一些实施例中，润湿溶液是非极性的。
144.利用电容来表征由纳米颗粒进行的表面修饰
145.当石墨烯表面由一种或多种纳米颗粒进行修饰时，如本文所述，在与没有纳米颗粒的基线响应信号相比时，石墨烯的响应信号可以发生变化。现在参考图10，在根据本文的各种实施例的电容与dc偏置电压的图上示出了在表面修饰之前和之后的用于各个石墨烯变容器的响应信号。在图1002中示出了在暴露于一种或多种纳米颗粒之前的用于石墨烯变容器的响应信号。在图1004中示出了在用一种或多种纳米颗粒进行修饰之后的用于同一石墨烯变容器的响应信号。响应信号，诸如图10所示的电容与电压曲线可以通过测量在用一种或多种纳米颗粒进行表面修饰之前和之后在一定范围的dc偏置电压(一个激励周期的示例)下的电容来建立。
146.石墨烯变容器的响应信号的几个不同参数可以从基线值变为较高或较低的值，并且响应信号的形状可以响应于用纳米颗粒进行的表面修饰而改变。现在参考图11，示出了在暴露于气态混合物之前和之后的用于各个石墨烯变容器的与图10中所示的相同的响应信号，但却提供了各种注释以突出显示在石墨烯变容器响应信号的不同参数中的变化，其可以进行分析以对由纳米颗粒对石墨烯表面进行的修饰进行表征。举例来说，这些不同的参数可以包括但不限于狄拉克点的移位(即，石墨烯变容器的电容处于最小值时的电压)、石墨烯变容器的最小电容的变化、响应信号的斜率变化或石墨烯变容器的最大电容的变化、在特定偏置电压下的电容变化等(下面描述了参数的其他示例)。
147.在图11中，在用纳米颗粒进行表面修饰之前用于石墨烯变容器的响应信号被示为图1002，而在用纳米颗粒进行表面修饰之后用于同一石墨烯变容器的响应信号则被示为图1004。狄拉克点的移位被示为箭头1106。石墨烯变容器的最小电容的变化被示为箭头1108。响应信号的斜率变化可以通过比较在用纳米颗粒进行表面修饰之前用于石墨烯变容器的
图1002的斜率1110与在用纳米颗粒进行表面修饰之后用于石墨烯变容器的图1004的斜率1112而获得。石墨烯变容器的最大电容的变化被示为箭头1114。
148.在一些实施例中，最大电容与最小电容的比率可以用于表征用纳米颗粒进行的表面修饰。在一些实施例中，最大电容与狄拉克点移位的比率可以用于表征用纳米颗粒进行的表面修饰。在其他实施例中，最小电容与响应信号的斜率的移位的比率可以用于表征用纳米颗粒进行的表面修饰。在一些实施例中，参数，包括狄拉克点的移位、最小电容的变化、响应信号的斜率变化或最大电容的变化中的任一个的比率可以用于表征用纳米颗粒进行的表面修饰。
149.纳米颗粒和修饰的纳米颗粒
150.如本文所讨论的，纳米颗粒可以包括金(au)、铂(pt)、银(ag)、钯(pd)、三氧化二铁(fe2o3)、四氧化三铁(fe3o4)、氧化锌(zno)、氧化钯(pdo)、二氧化锡(sno2)、钛(ti)、二氧化钛(tio2)、二氧化硅(sio2)、四氧二铁酸钴(cofe2o4)、三氧化二铟(in2o3)、五氧化二钒(v2o5)、氧化铂(pto2)、氧化铜(cuo)、氧化镉(cdo)、铌酸铬(crnbo4)、conb2o6、二硫化钼(mos2)、氧化钨(wo)、二氧化钨(wo2)、三氧化钨(wo3)、氧化钕(nd2o3)、氮化硼(bn)、cefeo4h、氧化锰(mn3o4)、任何形式的羟基氧化铁(feooh，其包括针铁矿、四方纤铁矿、纤铁矿和六方纤铁矿，或任何其他形式的feooh)，或其任何组合或衍生物中的一种或多种。
151.在各种实施例中，本文的纳米颗粒可以包括修饰，诸如用如本文所述的烷基硫代基、烯基硫代基、炔基硫代基、杂烷基硫代基、杂烯基硫代基、杂炔基硫代基、卤代烷基硫代基、卤代烯基硫代基、卤代炔基硫代基、卤化杂烷基硫代基、卤化杂烯基硫代基、卤化杂炔基硫代基、芳基硫代基、取代的芳基硫代基、杂芳基硫代基或取代的杂芳基硫代基的基团进行修饰。
152.用本文所述的基团对纳米颗粒进行修饰可以包括各种合成反应方案，包括但不限于自组装单层的形成，通过配体交换反应进行，或通过各种还原方法进行。如通过引用并入本文的美国申请号us 2009/0104435a1中所描述的，各种配体交换反应可以用于以硫代基团来修饰金纳米颗粒。适合用于本文中的还原方法可以包括或者基于如由turkevich等(j.turkevich,p.c.stevenson和j.hillier,discuss.faraday soc.,1951,11,55)和brust与schiffrin(m.brust、m.walker、d.bethell、d.j.schiffrin和r.whyman,j.chem.soc.,chem.commun.,1994,801；m.brust、d.bethell、d.j.schiffrin和c.kiely,adv.mater.,1995,7,795)报告的那些，其通过引用并入本文。
153.在各种实施例中，本文的纳米颗粒可以通过使用自组装单层反应而进行修饰。可以在醇或另一种合适的溶剂或溶剂混合物中创建用于在纳米颗粒的表面上创建硫代修饰的硫醇化合物中的任一种的溶液。在各种实施例中，醇可以包括乙醇。用于在纳米颗粒表面上的硫醇化合物的自组装的硫代化合物的浓度可以包括在乙醇中的至少0.5mm。在各种实施例中，硫醇化合物的浓度可以包括在乙醇中的至少1.0mm。在其他实施例中，硫醇化合物的浓度可以高达硫醇化合物在具有该化合物的溶液饱和之前的最大溶解度。金纳米颗粒可以被添加至乙醇中的硫醇化合物，并且被允许在溶液中孵化约三小时。在各种实施例中，硫醇化合物和金纳米颗粒的溶液可以在孵化期间进行搅拌。孵化可以在约20
°
c至约30℃之间发生。在各种实施例中，孵化可以发生在室温或约25℃下。金纳米颗粒可以被移除并且在溶剂中进行冲洗，直到使用。
154.应当理解，金属纳米颗粒可以用各种方式用硫代化合物进行修饰。在一些实施例中，多纳米颗粒可以在溶剂和还原剂存在的情况下用硫代化合物进行修饰。举例来说，brust和schiffrin已经报道了在烷基硫醇化合物存在的情况下，使用氯金酸(haucl4)与还原剂的两相还原来对多纳米颗粒进行硫代修饰。各种还原剂适合在本文中使用，包括但不限于硼氢化钠、柠檬酸三钠和三乙基硼氢化锂。在其他实施例中，可以使用胺类还原剂对金纳米颗粒进行还原。在一些实施例中，还原反应可以发生在甲苯、四氢呋喃(thf)等中。
155.方法
156.本文设想了许多不同的方法，包括但不限于制造方法、使用方法等。本文其他地方描述的系统/装置操作的各方面可以作为根据本文各种实施例的一种或多个方法的操作来执行。在一个实施例中，包括一种修饰石墨烯表面的方法，该方法包括使石墨烯层与溶液或悬浮液接触，溶液或悬浮液可以包括一种或多种纳米颗粒，纳米颗粒可以包括金属、金属氧化物或其衍生物；形成设置在石墨烯层的外表面上的一种或多种纳米颗粒的至少一个非共价修饰层，其中至少一个非共价修饰层包括选自可以包括一种或多种金属、金属氧化物或其衍生物的一组的一种或多种纳米颗粒；以及使用接触角测角术、拉曼光谱法、扫描电子显微镜法(sem)、透射电子显微镜法(tem)、原子力显微镜法(afm)、扫描隧道显微镜法(stm)或x射线光电子能谱法对至少一个非共价修饰层的表面覆盖范围进行量化。
157.在一个实施例中，该方法可以包括通过将石墨烯层浸入悬浮液中来使石墨烯层与溶液或悬浮液接触。在其他实施例中，该方法可以包括通过用溶液或悬浮液喷涂、滴涂或旋涂石墨烯层来使石墨烯层与溶液或悬浮液接触。
158.在一个实施例中，包括一种用于检测分析物的方法，该方法包括收集气态样品；使气态样品与一个或多个石墨烯变容器接触，一个或多个石墨烯变容器中的每一个包括石墨烯层和设置在石墨烯层的外表面上的至少一个非共价修饰层，并且其中至少一个非共价修饰层包括选自一组的一种或多种纳米颗粒，该组可以包括金属、金属氧化物或其衍生物。在一个实施例中，气态样品可以包括患者呼吸样品或环境气体样品。在一个实施例中，该方法还可以包括测量一个或多个石墨烯变容器由于结合在气态样品中存在的一种或多种分析物而导致的电性能的差别反应。在一个实施例中，电性能选自包括电容或电阻的组。在一个实施例中，纳米颗粒可以包括选自一组的金属或金属氧化物，该组包括金(au)、铂(pt)、银(ag)、钯(pd)、三氧化二铁(fe2o3)、四氧化三铁(fe3o4)、氧化锌(zno)、氧化钯(pdo)、二氧化锡(sno2)、钛(ti)、二氧化钛(tio2)、二氧化硅(sio2)、四氧二铁酸钴(cofe2o4)、三氧化二铟(in2o3)、五氧化二钒(v2o5)、氧化铂(pto2)、氧化铜(cuo)、氧化镉(cdo)、铌酸铬(crnbo4)、conb2o6、二硫化钼(mos2)、氧化钨(wo)、二氧化钨(wo2)、三氧化钨(wo3)、氧化钕(nd2o3)、氮化硼(bn)、cefeo4h、氧化锰(mn3o4)、任何形式的羟基氧化铁(feooh，其包括针铁矿、四方纤铁矿、纤铁矿和六方纤铁矿，或任何其他形式的feooh)，和其任何组合或衍生物。在该方法的一个实施例中，纳米颗粒还用可以包括烷基硫代基、烯基硫代基、炔基硫代基、杂烷基硫代基、杂烯基硫代基、杂炔基硫代基、卤代烷基硫代基、卤代烯基硫代基、卤代炔基硫代基、卤化杂烷基硫代基、卤化杂烯基硫代基、卤化杂炔基硫代基、芳基硫代基、取代的芳基硫代基、杂芳基硫代基或取代的杂芳基硫代基的基团进行修饰。
159.可以参考下列示例更好地理解各方面。这些示例旨在代表具体的实施例，但不旨在限制本文的实施例的整体范围。
160.示例
161.实验材料
162.将平均直径为5nm的金纳米颗粒(au np)以5.5
×
1013个颗粒/ml的浓度悬浮在0.1m磷酸盐缓冲盐水(pbs)溶液中。将平均直径为2-4nm的1-辛硫醇功能化金纳米颗粒(c
8-s-au np)以2％w/v的浓度悬浮在甲苯溶液中。从aldrich(st.louis，mo)购得金纳米颗粒和1-辛硫醇功能化金纳米颗粒。从graphenea(西班牙多诺斯蒂亚)购得通过化学气相沉积法在铜箔上生长的单层石墨烯。
163.示例1：用纳米颗粒进行石墨烯表面修饰
164.使用乙醇将au np的悬浮液稀释到4.1*10
13
个颗粒/ml，以便润湿石墨烯表面。将石墨烯基板浸入au np悬浮液中过夜并且随后用小部分的乙醇清洗3次，以去除过多的au np悬浮液。将石墨烯基板浸入c
8-s-au np悬浮液中过夜并且随后用小部分的甲苯清洗3次，以去除过多的c
8-s-au np悬浮液。
165.示例2：使用xps的表面表征
166.在versaprobe iii扫描xps微探针(phi 5000,5physical electronics,chanhassen,mn)上收集裸石墨烯和纳米颗粒功能化石墨烯的x射线光电子能谱(xps)。在表1中示出了用于功能化石墨烯的表面元素组成的结果。
167.表1.如由xps确定的纳米颗粒功能化石墨烯的元素表面组成
[0168][0169]
示例3：石墨烯变容器的表面表征
[0170]
为了确定用金纳米颗粒(au np)和1-辛硫醇金纳米颗粒(c
8-s-au np)修饰的石墨烯基变容器的狄拉克点，执行电容-电压(c-v)测量。如图12中所示，在图1200中示出了在用金纳米颗粒(au np)进行功能化之前和之后用于石墨烯变容器的响应信号。在图1202中示出了在暴露于金纳米颗粒(au np)之前用于石墨烯变容器的响应信号。在图1204中示出了在用金纳米颗粒(au np)进行修饰之后的用于同一石墨烯变容器的响应信号。如在图中所示，石墨烯变容器的前向狄拉克点从1.0v(在表面修饰之前)向左移位至0.5v(在用au np进行表面修饰之后)，以给出约0.5v的移位。在用于以金纳米颗粒进行的石墨烯修饰的狄拉克点的移位被示为箭头1206。
[0171]
如图13所示，在图1300中示出了在用1-辛硫醇金纳米颗粒(c
8-s-au np)进行功能化之前和之后的用于石墨烯变容器的响应信号。在图1302中示出了在暴露于1-辛硫醇金纳
米颗粒(c
8-s-au np)之前用于石墨烯变容器的响应信号。在图1304中示出了在用1-辛硫醇金纳米颗粒(c
8-s-au np)进行修饰之后的用于同一石墨烯变容器的响应信号。如在图中所示，石墨烯变容器的前向狄拉克点从约1.2v(在表面修饰之前)向右移位至1.8v(在用c
8-s-au np进行表面修饰之后)，以给出约0.6v的移位。在用于以1-辛硫醇金纳米颗粒进行的石墨烯修饰的狄拉克点的移位被示为箭头1306。使用au np和c
8-s-au np的狄拉克点中的差异指示au np与c
8-s-au np相比较的对石墨烯的不同掺杂效应。
[0172]
应当注意，如在本说明书和所附的权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数个指示物，除非内容另有明确指示。还应当注意，术语“或”通常是按包括“和/或”的意义而采用的，除非内容另有明确指示。
[0173]
还应当注意，如在本说明书和所附权利要求中使用的，短语“被配置为”描述了被构造或配置为执行特定任务或采用特定配置的系统、设备或其他结构。短语“被配置为”可以与其他类似的短语互换使用，诸如被布置和配置为、被构造和布置为、被构造为、被制造和布置为等。
[0174]
本说明书中的所有公开和专利申请均表明本发明所属领域的普通技术水平。所有公开和专利申请均按如同每个单独的公开或专利申请是具体且单独地通过引用指明的程度来通过引用并入本文的。
[0175]
如本文所使用的，由端点表示的对数字范围的叙述应包括在该范围内包含的所有数字(例如，2至8包括2.1、2.8、5.3、7等)。
[0176]
提供了本文使用的标题以与37cfr 1.77下的建议一致或以其他方式提供组织提示。这些标题不应被视为限制或表征可能根据本公开内容发布的任何权利要求中阐述的本发明。作为一个示例，尽管标题提及“领域”，但此类权利要求不应受限于在该标题下选择的用于描述所谓技术领域的语言。此外，“背景”中对技术的描述并不承认该技术是本公开内容中任何发明的现有技术。“发明内容”也不能被视为在所发布的权利要求中阐述的本发明的特性。
[0177]
本文所述的实施例并非旨在穷举本发明或将本发明限制为在以下详细描述中公开的精确形式。相反地，选择和描述实施例，使得本领域的其他技术人员能够了解和理解原理和实践。因此，已经参考各种具体和优选实施例和技术描述了各方面。然而，应当理解，在保持在本文的精神和范围内的情况下，可以做出许多变化和修改。