CN101233241A - 基于碳纳米管的葡萄糖传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供传感器如生物传感器，其包含至少一个含有分析物敏感基团如葡萄糖敏感基团的自组装单层(SAM)，所述自组装单层通过末端基团结合已沉积在碳纳米管(CNT)如单壁碳纳米管(SWNT)外壁表面上的金属或金属氧化物薄层，而附接到该碳纳米管的外壁表面。

Description

基于碳纳米管的葡萄糖传感器
发明背景
血液和尿液中葡萄糖检测对于糖尿病诊断是必要的。食品工业的发酵过程中的葡萄糖监测也是必要的，因为发酵中葡萄糖的数量对食品产品的质量有很大的影响。参见G.Harsanyi，“Sensors in BiomedicalApplications：Fundamentals，Technology and Applications，”TechnomicPub.Lancaster，PA(2000))。葡糖氧化酶(GOD)因其对葡萄糖的高选择性和在很广pH值范围内的高活性，已被广泛用于葡萄糖生物传感器中。参见BJ.White等，Biochem.Biophys.Res.Commun..296，1069(2002)。葡萄糖生物传感器的灵敏度和稳定性对于其定量分析应用来说是关键特征。参见例如V.G.Gavalas等，Analyt.Chim.Acta，67，404(2000)；M.Delvaux等，Biosens.Bioelectron.，18，943(2003)。已进行了很多尝试以改进生物传感器的特征，包括使用新型固定化技术和新的酶固定化材料。玻璃态碳(GC)、石墨、碳浆、碳纤维、多孔碳和碳球常用作生物传感器固定化基质的电极材料(M.Albareda-Sirvent等，Sens.Actuat，B69，153(2000)；S.Sotriropoulou等，Biosens.Bioelectron.，18，211(2003)。一些GOD传感器的确显示很高的灵敏度。但是，这些生物传感器的寿命只有几个星期，且稳定性低，从而限制了它们在苛刻环境中的使用。参见Z.Liron等(编辑)，Novel Approaches inBiosensors and Rapid Diagnostic Assays，Kluwer，Acad.Plenum Pub.NY(2001)第203页。
碳纳米管(CNT)是一种新型的碳材料，可认为是通过将石墨烯层(graphene layer)折叠成碳圆柱体而形成的。CNT可包括单壳单壁纳米管(single shell-single-walled nanotube，SWNT)或多壳多壁纳米管(several shells-multi-walled nanotube，MWNT)。参见S.Iijima等，Nature，363.603(1993)；S.Iijima，Nature，354，56(1991)。CNT因其特殊的几何结构和独特的电子学、机械、化学和热学特性，在电子场发射器、场效应晶体管、致动器、气体传感器中具有潜在效用，从而引起人们日益关注。CNT已被公认是有前途的电极材料。SWNT是显示出高迁移率的半导体，因为它们所有的原子都位于管表面上。CNT最近才被作为葡萄糖和DNA的生物传感器进行研究，已发现它们在反应速度、可逆性和检测限方面的性能上要比其它碳电极优越得多。参见例如S.Sotriropoulou等，Anal.Bioanal.Chem.，375，103(2003)；A.Guiseppe-Elie等，Nanotech.13，559(2002)；M.L Pedano等，Biosens. Bioelectron.，18，269(2003)；K.Bestman等，Nano Lett.，3，727(2003)；M.Gao等，Synth.Metals，137.1393(2003)。但是，它们的潜在效用因为需要而受限，即需要以共价或非共价方式将管表面官能化至足够的稳定性和密度，同时又不破坏纳米管π离域体系。
Chen等，J.Amer.Chem.Soc，123，3838(2001)通过1-芘丁酸、琥珀酰亚胺酯连接基团将铁蛋白这种蛋白质固定化在SWNT上。连接基团通过π堆积非共价吸附到SWNT的壁上。蛋白质上的胺基团与锚定的琥珀酰亚胺酯反应形成酰胺键，该键能将蛋白质或其它含有游离NH2基团的分子固定化。但是，Chen等没有报道官能化的SWNT的电学特性。
K.Besterman等，Nano Lett.，3，727(2003)使用相同的连接基团将葡糖氧化酶E.C1.1.3.4结合到碳纳米管上。他们观察到酶的固定化降低了SWNT的电导。使用标准参比电极，发现官能化的SWNT的电导对pH和葡萄糖浓度的变化敏感。但是，为产生有用的纳米级生物传感器，有必要增加SWNT表面上的传感分子的有效密度。
V.M.Mirsky等，Biosensors&Bioelectronics，12，977(1997)报道，官能化硫醇的自组装单层能被组装在金电极上，用来固定化抗人血清白蛋白(HSA)抗体。随后的HAS结合会导致电极容量下降。这个方法虽然用来制作常规的电极是有前途的，但未曾被应用来制作纳米传感器。因此，仍不断需要制作用于生物分析物的耐久灵敏的纳米传感器的方法。
发明概述
本发明提供包含至少一个自组装单层(SAM)的生物传感器如葡萄糖传感器，所述自组装单层包含分析物敏感基团如葡萄糖敏感基团，其附接到碳纳米管(CNT)如单壁碳纳米管(SWNT)的外壁表面。例如，自组装单层可通过末端硫醇基团附接到纳米管，所述基团结合已沉积在纳米管外壁表面上的用于SAM的薄层基材，如亚单层的金属例如金、银、铜或钯。本文所用的术语“亚单层”指能保持CNT导电特性的导电金属或合金(如金)层，例如这层导电金属或合金不会连续到在纳米管上形成导电层的程度。如果需要，可将介电层如薄层金属氧化物如Ta2O5/TiO2或SiO2施加到纳米管表面，其用来通过游离羟基锚定SAM，或者可将金单层施加到其上。这种层可以是连续的或者是不连续的，厚度为约1至约10μ。
分析物敏感基团可包括生物分子如蛋白质，包括抗体、细胞因子、抗原、受体等以及酶例如葡萄糖敏感生物分子如GOD。但是，为使生物传感器对分析物的灵敏度最大化，优选的分析物敏感基团不是生物分子如肽或核酸。这种分子包括能够螯合或共价结合靶分析物的有机官能团。对于葡萄糖和其它糖而言，这种基团包括磷酸根、膦酸根和硼酸根基团。下文讨论到，当水合-B(OH)2 -基团结合一分子葡萄糖时，H+被释放，从而测试溶液的pH会下降。而pH下降又会引起官能化CNT的电导出现可检测的变化，该变化可通过本领域公知的技术测量。参见例如B.R.Azamian等，J.Amer.Chem.Soc. 124，12664(2002)。葡萄糖与硼酸基团的结合也可用下文公开的内部荧光测定法(internal fluorescence assay)来测定。
附图简述
图1(A-F)图示本发明的生物传感器的形成。
图2和3分别图示化合物4和II的合成。
发明详述
在以下描述中提及了附图，这些附图构成本文的一部分，给出这些附图是为了说明可实施本发明的具体实施方案。对这些实施方案作了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实施本发明，但应认识到其它实施方案也可使用，且可作出结构上、逻辑上和电学上的改变而不偏离本发明的范围。因此，以下描述不应按限制性意义进行理解，本发明的范围由后附权利要求书限定。
图1A-D是说明葡萄糖传感器的形成的横截面示意图。在这个实施方案中，二氧化硅基材210上形成第一层220，然后形成第二层230。在一个实施方案中，所述第一层是铂或者其熔点比第二层230高的其它层。所述第二层是镍或钴，或者碳纳米管会形成于其上的其它材料。
如图2B所示，使用普通的照相平版印刷术形成了几个岛或平台(250)。每个岛由先前所形成的第一层(240)和第二层(235)构成。如图2C所示，施加热导致突出于第二层材料(235)的凸起(260)的形成。所产生的结构形成了所需图案的平台(240)，其具有准备好用于碳纳米管生长的薄Ni岛(260)。在一个实施方案中，各平台是1-5微米矩形，间隔1-5微米。平台大小和间隔以及凸起密度都容易更改。
图2D中，在乙烯、甲烷或CO环境中施加热(280)后，纳米管270已经形成在各凸起之上和之间。在一个实施方案中，使用四点温度探头(four point temperature probe)来确保维持适当的温度，以便纳米管沉积。通过更改平台的大小和间隔、凸起的密度和所形成的纳米管的数量，可改变各岛之间的电导率。施加电场以控制CNT的生长方向和由纳米管获得点对点校正(point-to-point correction)。由于平台是由导电材料形成的，它们在所产生的生物传感器中可充当电极。
如图1E所示，可通过将金属非连续亚单层溅射到CNT(270)上，提供岛(275)形式的金属层如金层。然后可在金属岛上形成自组装单层，这些岛可能已按需作了进一步的图案加工(patterned)。SAM(280)在自发的自组装过程中形成，在该过程中SAM组成分子的一端通过配位作用或通过离子缔合作用共价结合到基材表面，例如通过与带有氧化物、氢化物、卤素或氢氧化物的基材表面的缩合反应，所述基材表面如沉积在CNT上的金属亚单层或氧化物、氢化硅或卤化硅层表面。下表1总结了充当相应金属性或介电性基材层上的SAM前体的有机配体，其中R包括下文对HS-(R)-X所定义的基团。
表1在相应基材上形成稳定SAM的配体
基材 配体或前体 结合
 Au，Ag，Cu RSH，ArSH(硫醇) RS-M(M＝Au，Ag，Cu)
 Au RSSR′(二硫化物) RS-Au，R′S-Au
 Au RSR′(硫化物) RS-Au，R′S-Au
 Au RSO2H RSO2-Au
 Pd RSH，ArSH RS-Pd
 Pt RNC RNC-Pt
 GaAs，InP RSH RS-GaAs，RS-InP
 SiO2，玻璃 RSiCl3，RSi(OR′)3 硅氧烷
 Si/Si-H (RCOO)2(纯) R-Si
 Si/Si-H RCH＝＝CH2 RCH2CH2Si
 Si/Si-Cl RLi，R-MgX R-Si
 金属氧化物 RCOOH RCOO-...MOn
 金属氧化物 RCONHOH RCONHOH...MOn
 ZrO2 RPO3H2 RPO3 -2...Zr(IV)
 In2O3/SnO2(ITO) RPO3H2 RPO3 -2...M(n+)
已尝试描述SAM表面上官能团的排列和浓度。有理由认为，长链烃以一致的、与基材几乎成法线的角度向外突出，在其外围形成有序密集的二维阵列。参见例如J.Liu等，Chem.Phys.Lett..303，125(1999)。通过将该系统暴露于适当的磺酸RSO2H或硫醇如HS-(R)-X或二硫化物X-(R)-S-S-(R)-X的溶液，可将ω官能化硫醇(280)单层吸附到金、银、铜、钯、GaAs或InP“岛”上，其中每个R为(C2-C30)烷基、(C6-C14)芳基、(C6-C14)芳基(C2-C30)烷基、(C2-C30)烷芳基或(C2-C30)烷基(C6-C14)芳基(C2-C30)烷基接头，其中烷基任选被NH、N(C1-C4)烷基、O、S、CH＝CH、C≡C等隔开。有机异氰化物可与表1所示的Pt“岛”反应。
或者，如表1所示，可通过施加薄的介电氧化物层例如SiO2、ZrO2、In2O3/SnO2或Ta2O5层，为碳纳米管表面提供游离羟基(OH)，这些羟基然后可与通式(R1)3Si-(R)-X或(HO)2P(O)-(R)-X的分子反应，其中X和R如上所定义，R1是卤素(Cl、Br)或O(C1-C4)烷基。这些SAM通过各个分子之间Si-O-Si或Ta-O-Ta键的形成而得到强化，它们可以是连续单层或者有几层的厚度，或者可以是非连续的(亚单层)。硅基材表面可通过SiH基团的游离基加成，或者通过X-R-SiCl3或X-R-Si(OR′)3(其中R′是(C1-C4)烷基)与SiO2表面如玻璃表面上的游离SiOH基团的反应，与有机过氧化物反应或者结合到X-(R)-CH＝CH2。有机锂或格氏试剂也可与表1所示的氢化硅部分(moiety)偶联。同样如表1所示，各种金属氧化物可结合到羧酸、羟基酰胺和膦酸。
X是官能团，可结合靶分析物，或者可通过进一步的反应转化成这种结合基团。这种基团包括卤素、CN、NH2、SC(O)CH3、PO3H、SCN、环氧基、乙烯基、CO2(CrC4)烷基、OH、CO2H、SO3H、CO2CF3、C6H4B(OH2)和B(OH2)。
对于蛋白质的固定化，例如V.M.Mirsky等，Biosensors& Bioelectronics，12，977(1997)所教导，可将酸基团和氨基基团如ω-羧基烷基硫醇和ω-氨基烷基硫醇进行活化，以引入邻苯二甲酰胺基团、琥珀酰亚胺基团、氯羰基、硝基苯基、CHO和NCS基团。硼酸和硼酸盐封端的硫醇可按以下文献所公开进行制备：已公开的美国专利申请US-2003-0027982-A1；Kettner等，J.Biol.Chem.，259，15106(1984)；和Matteson等的美国专利第4,525,309号。
靶物质可包含其所固有的、可与SAM表面的末端官能团反应的官能团，例如对于糖类是硼酸、乙醛或乙缩醛基团或者对于氨基酸是CO2H或NH2基团，或者靶物质可如下进行修饰以引入合适的官能团：向分子中引入亲和素或生物素基团以产生结合对，或者向有机聚合物如高分子烃或纤维素中引入官能团。靶物质和SAM之间的反应和/或结合可以在两者接触时自发发生，或者可以在两者接触过程中进行催化或以别的方式引发。参见例如DJ.Pitchard等，Anal.Chem.，69，3605(1995)；H.Gau等，Science，283，46(1999)。
本发明的一个优选实施方案涉及通过将金属层如金层暴露于通式HS-(R)-X的化合物(其中X是B(OH)2或C6H4B(OH)2)，来形成自组装单层。在葡萄糖水溶液存在下，这些化合物会与葡萄糖(Glu)或其它含二醇糖类反应，形成以下通式的缩酮样衍生物：
Figure S2006800277291D00071
H+的释放会降低局部pH，从而改变CNT的电导率。电导率的升降可用本领域公知的方法进行检测。
因此，本发明的一个实施方案采用了下式I的化合物，这种化合物可在金属表面如金表面上形成自组装单层，且可在糖类的存在下发射荧光：
Figure S2006800277291D00072
其中F表示荧光团，R为低级脂族或芳族基团，n和m各自为0、1或2，n+m为整数2或3，p为1-30，[CH2CH2]P部分和附接到硼原子的苯环部分被取代或未被取代。
式I的化合物在糖类的存在下通过光诱导电子转移(PET)机制发射荧光。传感器的荧光强度响应胺基团和荧光团之间的光诱导电子转移而发生变化，该光诱导电子转移由糖羟基与硼酸的结合调节。不存在糖结合时，荧光基团的荧光被氮原子的未共用电子对猝灭。当例如葡萄糖结合时，未共用电子对用于键形成而不参与荧光猝灭。硼酸和葡萄糖之间硼酸酯的形成会增加硼酸的Lewis酸性、降低PET，从而传感器的内在荧光被再激发。
在上式I中，荧光团(F)包括多种含有π电子体系的原子或基团。优选的荧光团包括萘基、蒽基、芘基和菲基基团。最优选的荧光团是蒽基。荧光团形成性(fluorophore-forming)原子或基团任选被取代，只要取代基不会对荧光造成不利影响。
在式I中，附接到氮原子的R基团是低级脂族(C1-C6)或芳族官能团。优选R为具有1-4个碳原子的烷基，即甲基、乙基、丙基或丁基，或者为苯基。
在式I中，m为0、1或2。因此，本发明化合物中的氮原子被布置在硼酸部分的附近，该氮原子通过亚甲基或亚乙基附接或者直接附接在苯基硼酸的邻位。优选m为1，因此氮原子通过亚甲基附接到苯环。在式I中，n也为0、1或2，n+m为整数2或3。因此，氮原子和硼酸的位置贴近荧光团。优选n为1。
附接到苯基硼酸的硼原子的苯环可被一个或多个适当的取代基取代，只要这种取代不会对荧光造成不利影响。合适取代基的实例包括甲基、乙基、丙基、丁基、苯基、甲氧基、乙氧基、丁氧基和苯氧基。
式I所表示的本发明化合物在其分子结构中含有荧光团，但在糖类不存在下不会发射荧光。应理解这是因为荧光团的荧光被氮原子的未共用电子对所猝灭；氮原子的电子占据了荧光团的最低激发单能量态(lowest excited singlet energy state)，从而抑制了荧光。但是，本发明的化合物当结合糖类时会发射高强度的荧光。这个现象可以这样解释：糖类的存在在氮原子(N)和硼原子(B)之间产生化学键，从而形成糖与本发明苯基硼酸化合物的强复合物，其中电子不足的硼原子结合到富含电子的氮原子。因此，氮原子的未共用电子对已被用来与硼原子发生键合，而不会贡献于猝灭荧光的电子转移过程，从而显示该化合物的内在荧光。
落入本发明式I化合物范围内的一个优选化合物是下式II的化合物，其中F(荧光团)为蒽基，R为甲基，n、m和p各自为1。
Figure S2006800277291D00091
式II的化合物在单糖如D-葡萄糖和D-果糖的存在下显示出强度大大增加的荧光。因此，该化合物适合用于检测全体单糖或者具体的某种单糖。在检测可能含有多种单糖的样品中的具体某种单糖时，通常将样品进行预处理(例如层析)以使各单糖分离，然后再用本发明的荧光化合物进行检测。
本发明的化合物能在表1所示的基材表面上形成自组装单层。例如，化合物I和II的硫醇基团容易吸附到金表面，从而形成包含有充当糖结合位点的游离苯基硼酸部分的单层。硫醇是从其低浓度溶液被吸附上去的，该浓度优选0.5-2.5mM，最优选1-2mM。合适的溶剂包括甲醇、乙醇和四氢呋喃(THF)。SAM的质量取决于吸附时间。合适的吸附时间从约12小时到两三天。为形成最优质的SAM，优选较长的吸附时间。
金属表面宜在碳纳米管如SWNT的表面上形成为亚单层膜。薄的介电层如金属氧化物层或二氧化硅层可以是连续的。合适的基材材料是很好地透过红外光、可见光和/或紫外光的材料。
由于PET机制，在糖不存在下，被金属覆盖的CNT的金属区域不会发射荧光；在糖存在下，金属表面会发生荧光。本发明化合物的PET性质根据附接到硫醇基团的亚烷基链的长度而变化。
图1的构建物可手术植入到患者体内以便连续监测葡萄糖水平。在葡萄糖存在下所产生的荧光信号则通过光学手段测量。如要在体外样品即从患者活体提取的样品中检测葡萄糖，可用大型荧光检测装置或者用荧光检测微系统来检测荧光，这也构成本发明的一部分。
由于在此光学系统中没有使用透镜和镜子，在系统的装配中不要求进行严格的校直和定距。但是，当使用光源阵列时，微通道芯片和光源之间可能需要进行校直。当光源是芯片时，通过校直的硅-玻璃静电键合(aligned silicon-glass anodic bonding)或硅-聚合物-玻璃键合实现校直。
本发明的微系统相比于常规的光学检测系统提供了许多优点。常规的光学检测台(bench)往往体积大，价钱贵。与之对比，小型化的系统比较便宜，比较紧凑，所需样品量较少，容易使用。这些优点对于糖尿病患者进行葡萄糖自我监测来说尤其有用和重要。
现通过以下非限制性实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
2-(9-(2-硫乙基)-1-(甲基-[甲基]氨基)甲基)苯基硼酸(II)的制备
如下制备(2-溴甲基)苯基硼酸酐：如图2-3所示，使邻溴甲苯与镁(1.1当量)在二乙醚中25℃下进行反应。-78℃下向硼酸三甲酯(10当量)的二乙醚溶液中滴加格氏试剂。将所得混合物再搅拌2小时，然后让其升温至室温，再搅拌2小时。减压除去二乙醚，从水中重结晶出固体。将产物苯基硼酸在真空炉中干燥过夜，产生苯基硼酸酐(2)。
将苯基硼酸酐与NBS(N-溴代琥珀酰亚胺)(1.1当量)和催化性的AIBN(氮杂异丁基腈)在作为溶剂的四氯化碳中混合。将混合物在200瓦灯的辐射下回流2小时。溶液趁热过滤，除去溶剂，产生2-溴甲基硼酸酐。
将溴甲基硼酸酐与9-甲基氨基甲基-10-羟乙基蒽(3)(2.1当量)在氯仿中混合，回流2小时。混合物冷却后过滤，除去溶剂。然后将固体用二乙醚洗涤，从乙酸乙酯中重结晶，产生的产物用25％过量的氢溴酸和硫酸的水溶液(48％)进行处理。将混合物回流几小时。将水不溶性层分离；依次用水、冷浓硫酸和碳酸钠溶液洗涤；分离；用氯化钙干燥；蒸馏产生相应的溴化物2-(9-(2-溴乙基)-1-甲基[(甲基)氨基]甲基)苯基硼酸(5)。
将95％乙醇和硫脲的混合物在蒸汽浴上加热至回流温度。关掉蒸汽，将该溴化物一次性加入。5分钟内发生激烈的反应，有(5)的异硫脲溴化物盐从溶液中分离出来。不再施加热量，让这个放热反应继续进行到完成。过滤收集异硫脲溴化物盐，干燥。将异硫脲溴化物盐和85％氢氧化钾水溶液的混合物回流煮沸5小时。然后给烧瓶装上分液漏斗、进气管和蒸汽蒸馏用冷凝器。氮气通过进气管通入，滴加冷却的硫酸水溶液。继续滴加到刚果红试纸显示反应混合物变酸性，然后加入20％过量的酸。酸的加入结束时，停止通入氮气，通过进气管给予蒸汽。将油与蒸馏物中的水分离，在氯化钙上干燥。将粗产物在氮气氛中减压下通过10英寸Vigreux柱进行分级分离，产生式II的化合物：
Figure S2006800277291D00121
实施例2
如下在碳纳米管上的金亚单层上制备式II化合物的自组装单层。
Superslip显微镜玻璃盖玻片用作纳米管芯片的基材。将盖玻片在Piranha溶液(30％H2O2∶浓H2SO4 1∶3)中清洁15秒钟，用Milli-Q级的水小心漂洗。然后将盖玻片在氮气流中干燥，放入真空蒸发器中。用Polaron E5000溅射镀膜系统在盖玻片上沉积铂膜(约50nm厚)，然后在铂膜上沉积镍膜。将该溅射镀膜系统维持在2.0×10-2mbar和20mA的条件下180秒钟。
然后对镍膜和铂膜进行图案加工，产生图1B的岛250所表示的交叉指形图案(interdigitated finger pattern)，使镍层退火形成图1D所示的岛(260)。然后沉积碳纳米管，以使图1D所示的各岛桥接。在装配物上溅射亚单层的金，然后将金溅射过的纳米管浸入式II化合物的溶液中15小时。溶液的浓度为1.0mM，以THF∶甲醇9∶1为溶剂。这个固定化过程用SPR光谱分析法进行监测。SAM形成后，将所得芯片用甲醇漂洗，然后在氮气下干燥。
当暴露于稀葡萄糖溶液时，该SAM装配物产生可检测的光信号和相邻电极间电导的可检测变化。
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所有本文引用或提及的专利和出版物旨在说明本发明所述领域的技术人员的技术水平，每个这种被引用的专利或出版物通过引用结合到本文中，结合的程度如同它已单独地通过引用整体进行了结合，或者在本文中整体进行了阐述。本申请人保留将任何这种被引用专利或出版物的任何和所有材料和信息有形结合到本说明书中的权利。
本文描述的具体方法和组合物代表了本发明的优选实施方案，它们是示例性的，并不意在限制本发明的范围。本发明的其它目标、方面和实施方案在本领域技术人员仔细研究本说明书后自然会想到，它们涵括在权利要求的范围所确定的本发明精神内。本领域技术人员显然知道，可不偏离本发明的范围和精神，对本文所公开的本发明作出不同的替代和修改。
本文所示例性描述的本发明在适当情况下，可在本文没有具体公开认为必要的任何一种或多种要素或者一种或多种限制不存在下进行实施。本文所示例性描述的方法和过程在适当情况下可按不同的步骤顺序进行实施，且它们并不一定要限制于本文中或权利要求书中所指明的步骤顺序。本文中和所附权利要求书中用到的单数名词包括复数含义，除非上下文清楚作出另外说明。因此例如提及“检测器”则包括多个这种检测器，以此类推。本发明在任何情况下都不能被解释为局限于本文所具体公开的具体实施例或实施方案或方法。本发明在任何情况下都不能被解释为受专利和商标局的任何审查员或者任何其它官员或雇员作出的任何陈述的限制，除非这种陈述在本申请人的回复书中明确地和无条件或无保留地专门得到采纳。
本文所采用的术语或措辞是作为描述性用语而不是限制性用语来使用，并没有打算使用这种术语或措辞来排斥所说明或所描述的特征或其部分的任何等同物，而是应当认识到在所提出权利要求的本发明范围当中可能有多种不同的修改方案。因此，应理解到，虽然本发明已通过优选的实施方案和任选的特征进行了具体的公开，但本领域技术人员可能会采用本文公开的原理思路的修改和变化方案，因此认为这种修改和变化方案落入所附权利要求书所限定的本发明的范围当中。
本文对本发明作了宽泛和一般的描述。每个落入属类公开内容(generic disclosure)当中的较窄物类(species)和次属类组群(subgenericgrouping)也构成本发明的一部分。这包括带有将任何主题从类属中除去的附带条件或负面限制的本发明类属描述，不管被除去的材料是否在本文中明确述及。

Claims (27)

1.一种碳纳米管，所述碳纳米管具有在其外表面上沉积的用于自组装单层(SAM)的基材薄层，并在所述基材上含有包含式-R-X基团的SAM，其中R为有机连接部分，X为结合部分，当所述碳纳米管暴露于含水环境中的分析物时其与分析物相互作用，产生可检测的信号或改变碳纳米管的电导性质。
2.权利要求1的碳纳米管，其中所述基材是金属亚单层。
3.权利要求1的碳纳米管，其中所述金属是金、银、铜、钯、铂、GaAs或InP。
4.权利要求2或3的碳纳米管，其中所述SAM包含有机硫醇。
5.权利要求3的碳纳米管，其中所述金属是金，所述SAM包含有机硫基基团或有机磺基基团。
6.权利要求1的碳纳米管，其中所述基材是SiO2层或包含Si-OH、Si-H或Si-Cl基团的硅层。
7.权利要求6的碳纳米管，其中R直接结合到基材层的硅原子。
8.权利要求6的碳纳米管，所述碳纳米管包含≡Si-O-R-X基团。
9.权利要求6的碳纳米管，其中所述SAM通过以下工艺形成，所述工艺包括使所述基材与X-R-SiCl3、X-R-Si(OR1)3、(X-R-CO2)2、X-R-CH＝CH2、X-R-Li或X-R-MgX反应，R1为(C1-C4)烷基。
10.权利要求1的碳纳米管，其中所述基材是金属氧化物层。
11.权利要求10的碳纳米管，其中所述金属氧化物层是Ta2O5/TiO2。
12.权利要求10或11的碳纳米管，其中所述SAM通过以下工艺形成，所述工艺包括使所述基材层与X-R-CO2H、X-C(O)NHOH或X-R-PO3H2反应。
13.权利要求1、2、6或10的碳纳米管，其中R为(C2-C30)烷基、(C2-C30)烷基(C6-C12)芳基、(C6-C12)芳基(C2-C30)烷基或(C2-C30)烷基(C6-C12)芳基(C2-C30)烷基，其中烷基任选被NH、N(C1-C4)烷基、O、S、-CH＝CH-、-C≡C-或它们的组合隔开。
14.权利要求1的碳纳米管，其中X为酶。
15.权利要求1的碳纳米管，其中X为葡糖氧化酶，分析物为葡萄糖。
16.权利要求1的碳纳米管，其中X为-B(OH)3 -，分析物为糖。
17.权利要求1的碳纳米管，其中所述碳纳米管是单壁碳纳米管。
18.权利要求2的碳纳米管，所述碳纳米管在其外表面和金属亚单层之间还包含介电氧化物层。
19.一种碳纳米管，所述碳纳米管具有在其外表面上沉积的介电氧化物膜，在所述氧化物膜上具有式(R2)3Si-(R)-X、X-R-CO2H、X-R-C(O)NHOH或(HO)2P(O)-(R)-X的化合物的自组装单层，其中R2为Cl、Br或(C1-C4)烷氧基，其中所述化合物的各(R2)3Si-基团或(HO)2P(O)-结合到所述氧化物层，R为有机连接部分，X为结合部分，当所述碳纳米管暴露于含水环境中的分析物时其与分析物相互作用，产生可检测的信号或改变碳纳米管的电导性质。
20.权利要求19的碳纳米管，其中R为(C2-C30)烷基、(C6-C14)芳基、(C2-C30)烷基(C6-C14)芳基、(C2-C30)烷基(C6-C14)芳基(C2-C30)烷基或(C6-C14)芳基(C2-C30)烷基，其中烷基任选被-O-、-S-、-CH＝CH-、-C≡C-、NH或N(C1-C4)烷基隔开。
21.权利要求19的碳纳米管，其中X为酶。
22.权利要求21的碳纳米管，其中X为葡糖氧化酶，分析物为葡萄糖。
23.权利要求19的碳纳米管，其中X为-B(OH)3 -，分析物为糖。
24.权利要求19的碳纳米管，其中所述碳纳米管是单壁碳纳米管。
25.一种检测含水介质中的葡萄糖浓度的方法，所述方法包括使权利要求1或19的碳纳米管与包含葡萄糖的含水介质接触，并测量由含水介质中葡萄糖的存在所引起的碳纳米管电导或荧光的变化。
26.权利要求25的方法，其中所述含水介质是水。
27.权利要求26的方法，其中所述含水介质是血液或血浆。
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