用于电化学感测、电容感测和场发射感测的基于纳米结构阵列的传感器的制作方法

本发明要求2016年3月30日提交的美国临时申请号62/315,609的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

发明领域

本发明涉及一种电气器件，其包括呈阵列的单独可寻址的纳米结构，用于使用电化学光谱、电容和场发射技术来感测分析物。所述器件可用来操纵、监测和检测细胞。所述器件还可用作高分辨率电化学相机。

发明背景

电化学光谱法是监测液体、尤其是溶液中的化学物质的强大技术。它经常用于生物感测。多种技术归于电化学光谱法，包括伏安法、安培法、循环伏安法、快速扫描循环伏安法、电化学阻抗光谱法、溶出伏安法等。在电化学测量中采用各种尺寸、形状和材料的电极来改善信噪比。具有较高表面积的较小电极尺寸是优选的，原因是它们具有较高的灵敏度。单独可寻址的纳米结构阵列是电极执行灵敏、快速和多分析物电化学光谱法的完美解决方案。wo2013001076中报道了这种阵列，其全部内容通过引用并入本文。这样的纳米结构可被封装在微小空间中并因此为各种感测应用提供更高的空间和感测分辨率。纳米结构也可用不同的化学物质官能化，例如如wo2013132352中所述，其全部内容通过引用并入本文。这些器件也可用于独特的感测方案，允许实现用于基于成像材料的化学组成使该成像材料成像的电化学相机。

研究人员还采用电容感测来检测气体及固体、液体和气体中的分析物。电容器电极的尺寸和官能化分别决定分析物检测方法的灵敏度和选择性。当分析物来到电容器或超级电容器的电极之间时，系统的电容发生改变，然后可测量此改变。这也是一种检测分析物大小的强大技术。因此，我们可使用这种器件采用电容层析x射线成像。

此外，还可使用这种纳米结构阵列来进行气体和气体中杂质的基于场发射的感测。当在由纳米结构组成的两个电极之间施加电压时，将发生场发射(电子经由空气或真空从一个电极向另一个电极移动)。当气体分子或杂质或分析物来到电极之间时，将发生气体和其他物质的电离，引起场发射电流的变化。可使用适当的电子器件和软件检测这种变化。电极的材料、电极之间的距离和施加的电压都是影响该方法灵敏度的因素。

目前，电极要么大，要么复合纳米材料电极以不粘合在表面上的方式形成。因此，它们会在电化学测量期间剥离。此外，形成用于电容感测的密堆积电极是一个挑战，并且制造可能很麻烦。在形成场发射器件时会发生类似的问题。如果它们相距太远，则由于空气中的电弧放电，在空气中进行场发射将具有挑战性。然而，如果电极足够接近使得空气分子的平均自由程与电极之间的距离相当，则可实现这样的场发射器件。因此，本领域仍需要改进的场发射器件。

发明概述

本发明基于的是通过利用各种电化学光谱法、电容和场发射技术利用单独可寻址的纳米结构阵列作为纳米电极进行多分析物电化学感测的具新颖性和创造性的方法。用于纳米结构的材料包括具有优异的电学、热学和机械性质的碳纳米管。

在第一个方面，本发明提供了一种在基片(201)上呈阵列的至少两个单独可寻址的纳米结构(207)的布置(arrangement)，其中基片(201)不导电，其中在基片内有导电部(208)，其中所述导电部形成与纳米结构(207)的电触点，形成呈阵列的单独可寻址的纳米结构，其中纳米结构(207)经由第一基片(201)中的导电部(208)单独地与不导电基片(201)的第一面(202)上的导电路径(403)和第二基片(209)中的导电结构(210)连接，其中所述纳米结构(207)被介质(3000)覆盖，并且其中当在所述至少两个纳米结构(207)之间施加电压(900)时，在所述纳米结构之间产生电场或电磁场并在所述纳米结构之间形成电容(700)。

在一个实施方案中，电场导致带电物质(800)在纳米结构之间的移动。在一个实施方案中，每个纳米结构(207)具有基底尺寸(2210)，其中基底尺寸(2210)的范围为约1-1,000,000nm。在一个实施方案中，高度(2220)的范围为约10-1,000,000nm。在一个实施方案中，纳米结构(207)包含一个或多个纳米材料。在一个实施方案中，纳米结构(207)选自：纳米管、纳米纤维、纳米棒和纳米线。在一个实施方案中，纳米结构(207)选自碳纳米管、碳纳米纤维、硅纳米线、氧化锌纳米棒。在一个实施方案中，距离(2213)是每个纳米材料之间的间隙，其范围为1-100nm。在一个实施方案中，所述至少两个纳米结构(207)彼此分开一定距离(800)，其中距离(800)的范围为1-100000nm。在一个实施方案中，所述至少两个纳米结构通过基片中的导电部(theelectricalportion)带有正电荷或负电荷。在一个实施方案中，每个纳米材料具有1-100nm的基底尺寸(2212)和1-1,000,000nm的高度(2211)。在一个实施方案中，介质(3000)为固体表面或液体或气体。在一个实施方案中，介质是静止的或流动的。在一个实施方案中，介质选自真空、空气、气体混合物、聚合物、陶瓷、硅、半导体、金属、有机硅、石英、云母、特氟隆、油、溶液和液体混合物。在一个实施方案中，介质(3000)比纳米结构的高度厚至少约1-500000nm。在一个实施方案中，可在纳米结构和外电极之间施加电压(900)。在一个实施方案中，外电极的材料可选自金属、复合材料、半导体、导电聚合物和银/氯化银。在一个实施方案中，纳米结构阵列可带有恒定电荷或电流。在一个实施方案中，纳米结构阵列可带有交变电荷或电流。在一个实施方案中，在纳米结构之间形成电容(700)并且电场的方向取决于所施加电压(900)的极性。在一个实施方案中，介质还包含在介质(3000)中的分析物(600)。在另一个实施方案中，分析物(600)包含介质中的杂质。在一个实施方案中，分析物的尺寸为1埃至1mm；优选1nm至1000nm；最优选1埃至10nm。在一个实施方案中，分析物选自离子、细胞、纳米颗粒dna、rna、生物分子、聚合物、陶瓷、金属、气体、细菌、病毒、蒸气和毒素。在一个实施方案中，分析物为化学物质。在一个实施方案中，由于由介质中的分析物引起的电化学变化或阻抗变化，所述化学物质使用电化学光谱法来检测。在一个实施方案中，分析物为化学物质，由于由分析物引起的介质中的介电常数变化，所述化学物质可使用电容变化来检测。在一个实施方案中，分析物为化学物质，由于分析物因场发射而电离从而引起介质性质的变化，所述化学物质可使用场发射感测来检测。

在另一个方面，本发明的特征在于一种器件(300)，其包括在基片(201)上呈阵列的至少两个单独可寻址的纳米结构(207)，其中基片(201)不导电且在基片内有导电部(208)，其中导电部形成与纳米结构(207)的电触点，形成呈阵列的单独可寻址的纳米结构，其中纳米结构(207)经由第一基片(201)中的导电部(208)单独地与不导电基片(201)的第一面(202)上的导电路径(403)和第二基片(209)中的导电结构(210)连接，其中所述纳米结构(207)被介质(3000)覆盖，并且其中当在至少两个纳米结构(207)之间施加电压(900)时，将在所述纳米结构之间产生电场或电磁场并在纳米结构之间形成电容(700)。

在一个实施方案中，电场导致带电物质(800)在纳米结构之间的移动。在一个实施方案中，阵列中的至少一个纳米结构(207)可带有第一电荷，并且阵列中的至少第二纳米结构(207)可带有第二电荷。在一个实施方案中，第一组和第二组纳米结构之间的电相互作用将产生第一电信号，其中外部扰动或介质(3000)中分析物(600)的存在产生电场的变化。在一个实施方案中，第一组和第二组纳米结构之间的电相互作用将产生第一电信号，其中外部扰动或介质(3000)中分析物(600)的存在产生电容(700)的变化。在一个实施方案中，第一组和第二组纳米结构之间的电相互作用将产生第一电信号，其中外部扰动或介质(3000)中分析物(600)的存在产生带电物质在所述两个纳米结构之间的流动的变化，引起可产生第二电信号的变化。在另一个实施方案中，分析物(600)包含介质中的杂质。在一个实施方案中，来自纳米结构的这种第一和第二信号可用作像素化传感器信号以使用连接到器件(300)的外部电路进行电化学感测。在一个实施方案中，来自纳米结构的这种第一和第二信号可用作像素化传感器信号以使用连接到器件(300)的外部电路进行电容感测。在一个实施方案中，来自纳米结构的这种第一和第二信号可用作像素化传感器信号以使用连接到器件(300)的外部电路进行基于场发射的感测。在一个实施方案中，如本文中任何一个方面或实施方案中所述的器件用作电化学、电容和/或场发射传感器阵列。在一个实施方案中，纳米结构充当用于介质(3000)中分析物(600)的电化学检测的纳米电极阵列，其中所述布置用作电容感测器件，其中纳米结构充当用于介质(3000)中分析物(600)的电容感测的纳米电极阵列，并且其中所述布置用作基于场发射的感测器件，其中纳米结构充当用于介质(3000)中分析物(600)的基于场发射的感测的纳米电极阵列。在另一个实施方案中，分析物(600)包含介质中的杂质。在一个实施方案中，纳米结构是官能化的。在一个实施方案中，官能化经由共价官能化、表面吸附、电聚合或电化学沉积进行。在一个实施方案中，纳米结构的官能化增强纳米结构上的带电。在一个实施方案中，纳米结构的官能化同时增强多分析物的感测。在一个实施方案中，官能化是用化学物质进行的和/或经由共价官能化、表面吸附、电化学沉积进行的以同时增强多分析物的感测。在一个实施方案中，绝缘层中的所述导电部(208)是光伏的。在一个实施方案中，当材料暴露于光时，所述导电部(208)产生电。在一个实施方案中，暴露于光允许从电磁波收集能量转化为电以用于自供电器件。

在另一个实施方案中，本发明提供了一种系统(4000)，其包括如本文中的任何方面和实施方案中所述的器件(300)及芯片座(4401)。在一个实施方案中，芯片座(4401)提供至少一个与纳米结构阵列器件(300)的电触点。在一个实施方案中，芯片座(4401)为纳米结构阵列(207)周围的介质(3000)提供微流控。在一个实施方案中，芯片座(4401)为外部硬件(4402)提供电连接。在一个实施方案中，外部硬件(4402)包括数据采集和信号生成硬件电子器件。在一个实施方案中，硬件(4402)使用有线或无线连接连接到软件(4403)，并且其中软件(4403)处理从器件(300)生成的数据。

在另一个方面，本发明的特征在于一种系统(4000)，其包括纳米结构阵列感测器件(300)、芯片座(4401)、硬件(4402)和软件(4403)。

在一个实施方案中，所述系统可以高检测效率同时检测多分析物并利用差分感测、高表面积纳米电极阵列、电子器件和软件算法来改善感测。

在另一个方面，本发明的特征在于一种使用如本文中任何一个方面和实施方案中所述的系统来监测、检测或操纵细胞的方法。在一个实施方案中，细胞的操纵包括细胞穿孔，其中使用纳米结构(207)向细胞膜(1401)递送电荷，其中所述电荷对细胞造成电击，并且其中细胞膜位点特异性地在用来递送电荷的纳米结构(207)处打开(1404)。在一个实施方案中，可检测细胞中和细胞周围的一种或多种化学物质和/或分析物，其中所述化学物质和分析物的检测包括使用电化学、电容和场发射技术进行的细胞内分析物测量、跨细胞膜的电位和分析物测量、细胞微环境中的分析物测量。

在一个实施方案中，使用官能化的纳米结构(5207)在细胞内递送化学物质而不使用电穿孔损伤细胞，其中所述纳米结构上的官能团可在细胞内递送。在一个实施方案中，细胞监测包括使用电化学、电容或场发射感测来监测细胞的运动、化学物质和分析物分泌和摄取，其中所述细胞为在介质(3000)中的分隔的单个细胞，其中所述细胞为在介质中的细胞群中的单个细胞，或者其中所述细胞与多个其他细胞相互作用。在一个实施方案中，细胞检测包括化学物质和分析物的检测，其中所述化学物质和分析物处于介质(3000)中的单个细胞的微环境中，其中可使用单独可寻址的纳米结构以特别的分辨率检测单个细胞膜的化学活性，并且其中所述细胞在体内或体外。

在另一个实施方案中，本发明提供了一种使用如本文中的任何方面和实施方案中所述的系统进行多分析物检测的方法。在一个实施方案中，可同时检测多种分析物。在一个实施方案中，可实时检测多种分析物。在一个实施方案中，使用电化学光谱法、电容感测或场发射感测中的一种或多种进行检测。在一个实施方案中，确定分析物的大小。在一个实施方案中，检测分析物的浓度。在一个实施方案中，系统还包括远程计算和数据存储场所。在一个实施方案中，系统还执行数据分析。在一个实施方案中，可同时分析来自多个系统的数据分析。

在另一个实施方案中，数据采集包含数据采集/连接端口、放大器/模拟电路、adc、微控制器和通信入口。其中用于信号生成的硬件包含输入设置变量、微控制器、数字电位计、放大器/模拟电路/缓冲器和输出端口/连接器。在另一个实施方案中，数据处理软件可处理由如本文所述的器件生成的数据，并包括以下原始数据操纵过程中的至少一个并允许原始数据的图形表示，利用机器学习算法(其能够将新数据与随着时间的推移学习得到的数据或数据库中的数据加以比较并产生数据的分析输出)。

在一个实施方案中，如本文中的任何方面和实施方案中所述的器件可用作电化学相机以经由电化学光谱学、电容感测或使用场发射感测方法来使液体、气体或表面、膜中的分析物的化学组成成像。在一个实施方案中，如本文中的任何方面和实施方案中所述的器件和/或系统可与远程计算场所(云)连接并可同时分析来自多个系统和器件的数据以允许来自多个系统的数据的比较，从而创建生态系统的快照。

附图简述

图1示出了流程图，该流程图示意性地示出了制造根据本申请中的实施方案并如wo2013001076中所述的包含纳米结构的器件的方法。

图2a-d示出了器件的放大截面图，其中每个视图对应于根据图1的方法的制造过程的阶段。

图3示出了根据本发明的器件的一个实施方案的透视图。

图4a-c示出了根据本发明的器件的示例性实施方案的横截面侧视图。

图5示出了图4c。

图6示出了形成如本文件中的实施方案中所述的系统(4000)的芯片座(4401)、硬件(4402)和软件(4403)的流程图。

图7示出了具有不同的相应电荷的两个相邻纳米结构的细节。

图8示出了单独可寻址的纳米结构阵列以及每个纳米结构如何被官能团官能化。

图9示出了基于纳米结构阵列的器件的横截面视图和俯视图，其中纳米结构被覆盖在具有杂质(800)的介质(300)中并且各个纳米结构带有不同的相应电荷。

图10示出了系统(4000)，其在芯片座(4401)中具有纳米结构阵列器件(3000)，芯片座(4401)连接到硬件(4402)并且该硬件连接到计算机或移动器件上的软件(4403)。

图11以实例示出了器件(4000)的真实实现。

图12示出了作为电化学相机的器件(4000)。

图13示出了在具有分析物(600)和带电物质(800)的介质(300)中用各种基团官能化的带电纳米结构阵列。

图14示出了在介质中纳米结构阵列上的细胞，其中该细胞正在被操纵、监测，分析物和细胞正在被检测。

图15a-o示出了由各种形状和尺寸的碳纳米管(cnt)组成的纳米结构的扫描电子(sem)显微照片。

图16示出了用氧化锌纳米棒官能化的cnt纳米结构的sem显微照片。

图17示出了纳米结构阵列，其中在相邻的纳米结构之间施加相反的电压，引起纳米结构之间的场发射(701)。

图18示出了在实验中使用两个纳米结构之间的场发射来检测呼吸的图。

图19示出了在另一个实验中使用两个纳米结构之间的场发射来检测呼吸的图。

详细描述

本发明基于的是通过利用各种电化学光谱法、电容和场发射技术利用单独可寻址的纳米结构阵列作为纳米电极进行多分析物电化学感测的具新颖性和创造性的方法。

除非本文另有定义，否则结合本发明使用的科学和技术术语应具有本领域普通技术人员通常所理解的含义。这些术语的含义和范围应该是清楚的，然而，如果存在任何潜在的歧义，则本文提供的定义优先于任何字典或非固有定义。此外，除非上下文另有要求，否则单数术语应包括复数，复数术语应包括单数。在本申请中，除非另有说明，否则“或”的使用意味着“和/或”。此外，术语“包括(including)”以及其他形式如“包括(includes)”和“包括(included)”的使用不是限制性的。此外，除非另有特别说明，否则术语如“元件”或“部件”涵盖包含一个单元的元件和部件二者以及包含多于一个子单元的元件和部件。

除非明确指出相反，否则本说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”和“一个”应理解为指“至少一个”。

范围包括每个单独的成员。因此，例如，100nm的范围是指1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99或100nm。

还应理解，除非明确指出相反，否则在本文要求保护的包括多于一个步骤或行为的任何方法中，方法的步骤或行为的顺序不一定限于其中所陈述的该方法的步骤或行为的顺序。

这里参考为理想化的实施方案的示意性图示的图示描述了示例性实施方案。因此，由于例如制造技术和/或公差导致的与图示形状的差异是可预料的。

本发明的特征在于一种具有新颖性和创造性的器件(300)，其包括以阵列布置在具有导电部(208)的第一不导电基片(201)上的纳米结构(207)，其中纳米结构(207)经由第一基片(201)中的导电部(208)单独地与导电路径(403)和第二基片(209)中的导电结构(210)连接，其中器件(300)用作电化学传感器阵列，其中纳米结构充当用于介质中分析物的电化学检测的纳米电极阵列；其中器件(300)用作电容感测器件，其中纳米结构充当用于介质中分析物的电容感测的纳米电极阵列；其中器件(300)用作基于场发射的感测器件，其中纳米结构充当用于介质中分析物的基于场发射的感测的纳米电极阵列。

本发明的特征还在于一种系统，其包括器件(300)、芯片座(4401)器件，芯片座(4401)器件至少提供与纳米结构阵列器件(300)的电触点和纳米结构阵列周围气体或液体的微流控以及硬件(4402)的外部电连接的接头，硬件(4402)包括：数据采集和信号生成硬件，其中数据采集包括数据采集、连接端口、放大器、模拟电路、adc、微控制器和通信入口，其中用于信号生成的硬件包括输入设置变量、微控制器、数字电位计、放大器、模拟电路、缓冲器及输出端口和连接器。

在一个实施方案中，数据处理软件(4403)可处理从器件(300)生成的数据，包括以下原始数据操纵过程中的至少一个并允许原始数据的图形表示，利用机器学习算法(其能够将新数据与随着时间的推移学习得到的数据或数据库中的数据加以比较并产生数据的分析输出)。

采用包括纳米结构阵列感测器件、芯片座器件、用于如本文所述的数据处理例如用于电化学、电容和场发射感测应用的硬件和软件的系统(4000)。

由于高的表面积、小的电极尺寸和电极之间的小间隙，所述器件可用于电容感测，原因是它们在充电时充当超级电容器。

由于布置在基片上的纳米结构的紧密接近以及由材料如碳纳米管、碳化硅纳米线等组成的纳米结构的优异场发射性质，所述器件还可用作基于场发射的感测器件。

所述器件可具有与芯片座集成的基于纳米结构的单独可寻址的电极阵列，所述芯片座可提供与纳米结构阵列的电连接以及微流控以允许固体、液体或气体暴露于纳米结构阵列并与纳米结构阵列相互作用。芯片座还并结合了硬件如多通道恒电位计，其能够生成信号、从纳米结构阵列获取数据并经由硬线或无线方式将其传输到软件。所述器件还包括能够接收数据并实时绘制数据或分析数据并提供报告的软件。该软件能够进行机器学习和人工智能算法，以提供来自纳米结构阵列的数据的精确分析。

所述器件可用作固体表面上、液体溶液中或气体中化学物质的多分析物检测系统。所述器件可用来检测分子、离子、dna、rna、蛋白质、纳米颗粒、细胞、亚细胞细胞器、有机化合物、毒素和无机化合物。所述器件还可用来检测纳米颗粒并区分纳米颗粒的尺寸。纳米结构可通过不同的官能材料官能化以使得多种分析物检测具有特异性。所述器件可用来监测分隔的单个细胞、细胞群中的单个细胞、细胞的相互作用、单个细胞的微环境，并可在体内和体外提供单个细胞膜的化学活性的特别的分辨率。

纳米结构的单独可寻址性允许将可变信号发送到各种纳米结构，允许同时采用多种电化学检测技术来检测分析物如化学物质、气体和生物分子等。类似地，向单独可寻址的纳米结构施加不同的信号允许使用电容感测方法和场发射感测技术进行多分析物检测。结合纳米结构上的各种官能化，将实现器件用途和应用的许多排列和变型。

所述器件可用作电化学相机来以特别的分辨率对表面和分析物的化学组成成像，包括分析物的大小、分析物的数量和浓度、分析物的位置和分析物的材料。

所述器件还可用作化学相机，使用电容感测方法来对分析物的化学组成和尺寸分布成像，包括分析物的大小、分析物的数量和浓度、分析物的位置和分析物的材料。

所述器件可用作相机或人工鼻以使用场发射感测技术感测气体混合物、挥发性物质、爆炸物的化学组成、材料和杂质等的特征以及它们的浓度。

相应地，本发明描述了具有令人惊奇并出人意料的用途的布置和器件。本文件中描述的布置和器件是创新的，原因是它们允许使用纳米材料如碳纳米管来以现有技术中不可能的高化学和空间分辨率进行感测。

纳米结构器件300与芯片座的组合使用是独特的，原因是芯片座提供与器件的电触点以及微流控，这已证明在纳米尺度上是挑战性的。此外，已证明难以克服在如此小的尺度下的测量的噪声水平。相应地，需要降低系统噪声的独特方式，包括但不限于密封系统以防止蒸发、温度监测、热稳定性、敏感的高级电子器件和用于执行数据分析的高级软件。由于纳米结构具有巨大的表面积并彼此靠近布置，因此如果向相邻电极施加相同的电压，则它们能够充当一个器件而不是一个阵列。此外，使它们超敏感的性质如增大的表面积和优异的电性能也可能使它们对拾取噪声超敏感。因此，需要特殊的电子器件来在不同的纳米结构处施加不同的电位并需要功能强大的软件来同时分析来自多个传感器的数据。阵列中可能存在数十、数百和数千个纳米结构，同时分析来自所有器件的数据需要非常强大的分析软件。因此，为了利用纳米结构阵列器件进行感测应用，需要非常特殊的芯片座，以及用于进行有用测量的硬件和软件。现有技术未提供本发明所提供的布置、器件及其用途。实际上，本发明是多年实验的结果，这些实验旨在达成适当的设置、以最佳的参数利用纳米结构器件进行多分析物感测。此外，现有技术中没有任何内容预测和解决可能影响信号的噪声问题和物理变化(例如，温度和辐射)。本发明描述了深入的实验和特别的精度来减轻这些问题，使得系统运行最佳。

在一个方面，本发明描述了在基片(201)上呈阵列的至少两个、至少3个、至少4个、至少5个、至少6个、至少7个、至少8个、至少9个、至少10个、至少11个、至少12个、至少13个、至少14个、至少15个、至少16个、至少17个、至少18个、至少19个、至少20个、至少21个、至少22个、至少23个、至少24个、至少25个、至少26个、至少27个、至少28个、至少29个、至少30个、至少31个、至少32个、至少33个、至少34个、至少35个、至少36个、至少37个、至少38个、至少39个、至少40个、至少41个、至少42个、至少43个、至少44个、至少45个、至少46个、至少47个、至少48个、至少49个、至少50个、至少60个、至少70个、至少80个、至少90个、至少100个、至少200个、至少300个、至少400个、至少500个、至少1000个、至少100,000个、至少1000,000个、至少1000,000,000个或更多个单独可寻址的纳米结构(207)的布置。优选地，基片(201)不导电，并且在基片内有导电部(208)。优选地，导电部形成与纳米结构(207)的电触点，形成呈阵列的单独可寻址的纳米结构。优选地，纳米结构(207)经由第一基片(201)中的导电部(208)单独地与不导电基片(201)的第一面(202)上的导电路径(403)和第二基片(209)中的导电结构(210)连接。优选地，纳米结构(207)被介质(3000)覆盖，其中当在所述至少两个纳米结构(207)之间施加电压(900)时，将在所述纳米结构之间产生电场或电磁场并在所述纳米结构之间形成电容(700)。

在一个方面，本发明描述了一种器件(300)，其包括以阵列布置在具有导电部(208)的第一不导电基片(201)上的纳米结构(207)，其中纳米结构(207)经由第一基片(201)中的导电部(208)单独地与导电路径(403)和第二基片(209)中的导电结构(210)连接，其中器件(300)用作电化学传感器阵列，其中纳米结构充当用于液体中分析物的电化学检测的纳米电极阵列，其中器件(300)用作电容感测器件，其中纳米结构充当用于气体或液体中分析物的电容感测的纳米电极阵列，其中器件(300)用作基于场发射的感测器件，其中纳米结构充当用于气体中分析物基于场发射的感测的纳米电极阵列。

在另一个方面，本发明描述了一种芯片座器件，其至少提供与纳米结构阵列器件(300)的电触点和纳米结构阵列周围气体或液体的微流控以及硬件的外部电连接接头，所述硬件包括：数据采集和信号生成硬件，其中数据采集包括数据采集/连接端口、放大器/模拟电路、adc、微控制器和通信入口，其中用于信号生成的硬件包括输入设置变量、微控制器、数字电位计、放大器/模拟电路/缓冲器及输出端口/连接器。

本发明还涵盖数据处理软件，其可处理从上述器件(300)生成的数据，并包括以下原始数据操纵过程中的至少一个并允许原始数据的图形表示，利用机器学习算法(其能够将新数据与随着时间的推移学习得到的数据或数据库中的数据加以比较并产生数据的分析输出)。

包括纳米结构阵列感测器件、芯片座器件和如上所述的数据处理软件的系统被用于感测应用。

上述系统可通过电化学光谱法、电容感测或使用场发射感测方法的方法通过允许分析物中1mm至1埃、优选100nm至1nm、最优选1nm至1埃的尺寸检测来感知尺寸；以及通过允许分析物的化学物类检测来感知化学物质。

以上描述中描述的系统可通过电化学光谱检测、电容感测或使用场发射感测方法来感测混合物中分析物的浓度。

以上描述中的系统可以高检测效率同时检测多分析物并利用差分感测、高表面积纳米电极阵列、电子器件和软件算法来改善感测。

以上描述中的系统可执行细胞穿孔；细胞内测量、跨细胞膜测量、细胞微环境测量、在细胞内递送化学物质而不损伤细胞。

以上描述中的器件含有用化学物质经由共价官能化、表面吸附、电化学沉积官能化的纳米结构以同时增强多分析物的感测。

以上描述中的器件可用作电化学相机以经由电化学光谱学、电容感测或使用场发射感测方法来对液体、气体或表面、膜中的分析物的化学组成成像。

权利要求中描述的器件和系统，其中使用电化学光谱法、电容感测或使用场发射感测方法中的一者或组合来实时地同时进行多分析物检测。

所述器件可用来监测分隔的单个细胞、细胞群中的单个细胞、细胞的相互作用、单个细胞的微环境，并可在体内和体外提供单个细胞膜的化学活性的特别的分辨率。

如所有以上权利要求中所描述的系统可与云(远程计算和数据存储)位置连接并执行数据分析。

以上权利要求中描述的器件和系统可与远程计算位置(云)连接并可同时分析来自多个系统和器件的数据以允许来自多个系统的数据的比较，创建生态系统的快照。

权利要求一中的器件，其中绝缘层中的所述导电部是光伏的(208)；当材料暴露于光时，它产生电，允许从电磁波收集能量转化为电以用于自供电器件。

在一个实施方案中，鉴于上述和其他现有技术，本发明提供了一种通过利用各种电化学光谱学技术利用单独可寻址的纳米结构阵列作为纳米电极进行多分析物电化学感测的方法。用于纳米结构的材料包括碳纳米管，其具有优异的电学、热学和机械性质。

在一个实施方案中，由于高的表面积、小的电极尺寸和电极之间的小间隙，所述器件可用于电容感测，原因是它们在充电时充当超级电容器。

在一个实施方案中，由于由材料如碳纳米管、碳化硅纳米线等组成的纳米结构的良好场发射性质，所述器件还可用作基于场发射的感测器件。

在一个实施方案中，所述器件可具有与芯片座集成的基于纳米结构的单独可寻址的电极阵列，所述芯片座可提供与纳米结构阵列的电连接以及微流控以允许纳米结构阵列暴露于固体、液体或气体和与固体、液体或气体相互作用。

在一个实施方案中，芯片座还结合了可充当多通道恒电位计的硬件，该恒电位计可生成信号、从纳米结构阵列获取数据并经由硬线或无线方式将其传输到软件。

在一个实施方案中，所述器件还包括能够接收数据并实时绘制数据或分析数据并提供报告的软件。

在一个实施方案中，所述软件能够进行机器学习和人工智能算法，以提供来自纳米结构阵列的数据的精确分析。

在一个实施方案中，其中纳米结构阵列带有恒定电荷或改变的电荷。这种单独可寻址的纳米结构阵列可用作像素化传感器以进行电容感测。

在一个实施方案中，其中每一个纳米结构具有500nm²的基底尺寸并由选自但不限于碳纳米管、纳米纤维、纳米棒的纳米材料组成。每个纳米材料元件(在纳米管的情形下，纳米结构中的每个纳米管)之间的距离为5nm。两个纳米结构彼此分开500nm。纳米结构带有“正电荷”。

在一个实施方案中，其中在介质(3000)中的纳米材料和外电极之间施加电压。用于不由纳米结构组成的顶电极的合适材料包括透明无机和有机导电材料，其选自但不限于以下列表：ito(氧化铟锡)、ato(氧化锑锡)、氧化锡、pedot或其他导电聚合物、及碳纳米管或金属纳米线浸渍和复合材料。

在一个实施方案中，其中纳米结构由碳纳米管或碳纳米纤维或氧化锌纳米棒或硅纳米线或其他纳米材料组成但不限于此。

在一个实施方案中，纳米结构可连接到用于供电和信号处理软件的外部电路以获得介质(3000)中分析物的空间分辨率。

在一个实施方案中，其中纳米结构可用各种化学物质官能化以增强感测能力。

在一个实施方案中，介质材料选自以下列表但不限于该列表：空气、溶液、液体、聚合物、陶瓷、油、有机硅、石英、云母、特氟隆、锶、缓冲溶液和真空。

在一个实施方案中，介质为电介质，使得它是可通过施加的电场极化的电绝缘体。这意味着电介质材料是绝缘材料或非常差的电流导体。当电介质材料被置于电场中时，将没有电流流过它们，它们没有可漂移通过材料的松散束缚电子或自由电子。相反，将发生电极化。

在一个实施方案中，可通过使用光刻、深度uv光刻或电子束光刻技术在基片上图案化的区域中蒸发金属催化剂、然后通过化学气相沉积工艺在沉积催化剂的位置处生长纳米材料来在基片上形成纳米结构。

在一个实施方案中，用于外电极的材料选自以下列表但不限于该列表：金属、导电聚合物如铜、铂、钛、导电环氧树脂、银漆、ito(氧化铟锡)、ato(氧化锑锡)、氧化锡、pedot或其他导电聚合物、以及碳纳米管或金属纳米线浸渍和复合材料、银/氯化银参比电极。

在一个实施方案中，基片选自以下列表但不限于该列表：柔性基片如聚合物、有机硅、聚酰胺。

在一个实施方案中，基片选自以下列表但不限于该列表：刚性基片如硅和二氧化硅。

在一个实施方案中，基片选自以下列表但不限于该列表：用金属接触线如小金属丝或薄金属膜连接的聚合物膜中实心且柔性的硅岛的组合。

在一个实施方案中，所述器件可用作电化学相机以特别的分辨率对表面和分析物的化学组成成像。

在一个实施方案中，所述器件还可用作化学相机，使用电容感测方法感测分析物的化学组成和尺寸分布。

在一个实施方案中，所述器件可用作相机或人工鼻以使用场发射感测技术感测气体混合物的化学组成以及它们的浓度。

在一个实施方案中，如本文件中所述的系统可与云(远程计算和数据存储)位置连接并执行数据分析。

在一个实施方案中，本文件中所述的器件和系统可与远程计算位置(云)连接并可同时分析来自多个系统和器件的数据以允许来自多个系统的数据的比较，创建生态系统的快照。

在一个实施方案中，在本文件中的器件中，其中绝缘层中的所述导电部是光伏的(208)；当材料暴露于光时，它会产生电，允许从电磁波收集能量转化为电以用于自供电器件。

在一个实施方案中，硬件(4402)包括电子器件，不限于仪表电子器件、运算放大器、晶体管、二极管、电阻器、电容器、微控制器、电感器、数据采集电子器件、信号发生电子器件。

在一个实施方案中，硬件(4402)还包括数据采集电子器件，其中数据采集包括数据采集连接端口、放大器、模拟电路、模数转换器(adc)、微控制器和通信入口，其中用于信号生成的硬件包括输入设置变量、微控制器、数字电位计、放大器、模拟电路、缓冲器及输出端口和连接器。

在另一个实施方案中，软件(4403)包括但不限于以下中的至少之一，包括：算法和/或原始数据操纵过程，原始数据的图形表示，利用机器学习算法和人工智能算法(能够将新数据与随着时间的推移学习得到的数据或数据库中的数据加以比较并产生从器件(3000)生成的数据的分析输出)。

在一个实施方案中，纳米结构(207)由纳米材料组成，其中纳米材料包括但不限于纳米管、纳米线、纳米棒、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、硅纳米线、氧化锌纳米棒、复合材料等。

在一个实施方案中，阵列中的单独可寻址的纳米结构可在至少2个纳米结构的范围内。阵列中的纳米结构的范围可变化，例如至少两个、至少3个、至少4个、至少5个、至少6个、至少7个、至少8个、至少9个、至少10个、至少11个、至少12个、至少13个、至少14个、至少15个、至少16个、至少17个、至少18个、至少19个、至少20个、至少21个、至少22个、至少23个、至少24个、至少25个、至少26个、至少27个、至少28个、至少29个、至少30个、至少31个、至少32个、至少33个、至少34个、至少35个、至少36个、至少37个、至少38个、至少39个、至少40个、至少41个、至少42个、至少43个、至少44个、至少45个、至少46个、至少47个、至少48个、至少49个、至少50个、至少60个、至少70个、至少80个、至少90个、至少100个、至少200个、至少300个、至少400个、至少500个、至少1000个、至少100,000个、至少1000,000个、至少1000,000,000个或更多个。

在一个实施方案中，仅2个纳米结构用于感测应用。

在另一个实施方案中，使用10,000,000个纳米结构来扫描300mm长的表面进行检测。

在另一个实施方案中，使用10,000个纳米结构来测量电化学或电容阻抗光谱以监测细胞群。

在一个实施方案中，纳米材料为由元素和化合物的亚微米厚排列形成的材料，实例包括但不限于纳米管、纳米棒、纳米线、2d材料，更具体地但不限于石墨烯、碳纳米管、硅纳米线等。

在一个实施方案中，阵列中的纳米结构具有基础面积、高度和纳米结构之间的距离。

在另一个实施方案中，纳米结构由纳米材料组成，所述纳米材料具有其各自的基础面积、高度和纳米结构内纳米材料之间的距离。

在一个实施方案中，纳米结构被介质(3000)覆盖，其中介质(3000)比纳米结构的高度厚至少约1nm-500,000μm。

在一个实施方案中，提供了一种使用本文件中描述的系统监测或检测或操纵细胞的方法。

在一个实施方案中，使用以上描述的器件来操纵细胞，其中细胞的操纵包括细胞穿孔，其中使用纳米结构(207)向细胞膜(1401)递送电荷，其中所述电荷对细胞造成电击，其中细胞膜位点特异性地在用来递送电荷的纳米结构(207)处打开(1404)。

在一个实施方案中，提供了一种方法，其中可检测细胞中和细胞周围的化学物质和分析物，其中所述化学物质和分析物的检测包括使用电化学、电容和场发射技术的细胞内分析物测量、跨细胞膜的电位和分析物测量、细胞微环境中的分析物测量。

在一个实施方案中，提供了如上所述的器件，其中使用官能化的纳米结构(5207)在细胞内递送化学物质而不使用电穿孔损伤细胞，其中所述纳米结构上的官能团可在细胞内递送。

在一个实施方案中，提供了如上所述的器件，其中细胞监测包括使用电化学、电容或场发射感测来监测细胞的运动、化学物质和分析物分泌和摄取，其中所述细胞为在介质(3000)中分隔的单个细胞，其中所述细胞为介质中的细胞群中的单个细胞，或者其中所述细胞与多个其他细胞相互作用。

在一个实施方案中，提供了如上所述的器件，其中检测细胞包括化学物质和分析物的检测，其中所述化学物质和分析物处于介质(3000)中单个细胞的微环境中，其中可使用单独可寻址的纳米结构以特别的分辨率检测单个细胞膜的化学活性，其中所述细胞在体内，其中所述细胞在体外。

在一个实施方案中，所述器件可用作固体表面上、液体溶液中或气体中化学物质的多分析物检测系统。

在一个实施方案中，所述器件可用来检测分子、离子、dna、rna、蛋白质、有机化合物和无机化合物。

在一个实施方案中，所述器件还可用来检测纳米颗粒并区分纳米颗粒的尺寸、纳米颗粒的空间位置、纳米颗粒的材料和纳米颗粒的浓度/数量。

在一个实施方案中，纳米结构可通过不同的官能材料官能化以允许多种分析物检测具有特异性。

在一个实施方案中，所述器件可用来监测分隔的单个细胞、细胞群中的单个细胞、细胞的相互作用、单个细胞的微环境，并可在体内和体外提供单个细胞膜的化学活性的特别的分辨率。在一个实施方案中，纳米结构的单独可寻址性允许将可变信号发送到各种纳米结构，允许同时采用多种电化学、电容和场发射检测技术来检测分析物。

类似地，在一个实施方案中，向单独可寻址的纳米结构施加不同的信号允许使用电化学、电容和场发射感测方法进行多分析物检测。

类似地，在一个实施方案中，向单独可寻址的纳米结构施加不同的信号允许使用电化学、电容和场发射感测技术进行多分析物检测。

在一个实施方案中，结合纳米结构上的各种官能化，可实现器件用途和应用的许多排列和变型。在一个实施方案中，提供了如上所述的器件，使用该系统实现多分析物检测。

在一个实施方案中，提供了如上所述的器件，其中可同时检测多种分析物。多种分析物是指1种或更多种、2种或更多种、3种或更多种、4种或更多种、5种或更多种、6种或更多种、7种或更多种、8种或更多种、9种或更多种、10种或更多种、11种或更多种、12种或更多种、13种或更多种、14种或更多种、15种或更多种、16种或更多种、17种或更多种、18种或更多种、19种或更多种、20种或更多种、30种或更多种、40种或更多种、50种或更多种、60种或更多种、70种或更多种、80种或更多种、90种或更多种、100种或更多种、200种或更多种、300种或更多种、400种或更多种、500种或更多种、一直到无限多种的分析物。

在一个实施方案中，提供了如上所述的器件，其中可实时检测多种分析物。

在一个实施方案中，提供了如上所述的器件，其中使用电化学光谱法、电容感测或场发射感测中的一种或多种进行检测。

在一个实施方案中，提供了如上所述的器件，其中确定分析物的大小。

在一个实施方案中，提供了如上所述的器件，其中检测分析物的浓度。

在一个实施方案中，提供了如上所述的器件，其中所述系统还包括远程计算和数据存储场所。

在一个实施方案中，使用电穿孔向细胞中递送化学物质。

在一个实施方案中，当纳米结构上的官能团与细胞接触时，化学物质将被递送到细胞中。

在一个实施方案中，当向官能化的纳米结构施加少量电荷时，化学物质将被递送到细胞，并且该官能团将从纳米结构释放并被细胞吸收。

在一个实施方案中，通过由纳米结构递送到细胞的电荷操纵细胞。

在一个实施方案中，通过用于官能化纳米结构的官能团操纵细胞。

在一个实施方案中，通过使用芯片座中的微流控向细胞递送的刺激物和化学物质来操纵细胞。

在一个实施方案中，当细胞被迫对外部刺激如电荷、化学物质、热或光作出反应时，细胞被操纵。

在一个实施方案中，在介质中监测细胞的运动。

在一个实施方案中，在介质中监测细胞分裂。

在一个实施方案中，在介质中监测干细胞的转化。

在一个实施方案中，在介质中监测细胞所分泌的化学物质。

在一个实施方案中，在介质中监测细胞所吸收/摄取的化学物质。

在一个实施方案中，在介质中检测细胞的运动。

在一个实施方案中，在介质中检测细胞分裂。

在一个实施方案中，在介质中检测干细胞的转化。

在一个实施方案中，在介质中检测细胞所分泌的化学物质。

在一个实施方案中，在介质中检测细胞所吸收/摄取的化学物质。

在一个实施方案中，系统(4000)可同时感测多分析物，实现检测的高效率。

在一个实施方案中，系统(4000)可利用差分感测。

在一个实施方案中，系统(4000)可利用高表面积纳米结构作为电极阵列。

在一个实施方案中，系统(4000)可利用硬件和敏感电子器件进行高精度测量和高信噪比测量。

在一个实施方案中，系统(4000)可利用软件算法来改进感测。

优点

上文已描述了本发明的各种方面和实施方案，以下是本发明实现的示例性优点：

1-所述器件和系统可实时地同时进行多分析物检测；

2-所述器件和系统可充当化学相机；

3-所述器件和系统可充当检测化学物质(气体)的人工鼻；

4-所述器件和系统可监测分隔的单个细胞、细胞群中的单个细胞、细胞的相互作用、单个细胞的微环境，并可在体内和体外提供单个细胞的化学活性的特别的分辨率；

5-所述器件和系统是移动的、手持的、稳健的且低耗能的；

6-所述器件和系统具有无源传感器并因此耗能非常少；

8-进行测试所需的样品量与传感器的大小成正比，并且由于器件是微小的(亚微米到几十纳米)，故可从可能昂贵或有时不可得到很多样品的非常少的样品进行多分析物检测；

9-所述器件和系统可进行分析物如纳米颗粒的化学检测和尺寸检测以及分析物的浓度/数量、它们的材料和空间位置检测；

10-所述系统可连接到云网络进行计算分析、数据存储；

11-所述系统可对来自多个系统和连接到系统的多个器件的数据进行计算，这些数据可用于群体的种群统计学研究；

12-由于纳米结构(基于碳纳米管)和顶电极的高电场；

13-器件的运行功耗低，原因是它是无源器件；

14-允许设计的灵活性；

15-由于数据是从同一位置的较高数目的传感器收集的(其他技术有1个传感器，而我们可在同一区域中拼组多个传感器)，故分辨率提高并可通过智能算法防止错误信号，该智能算法可消除异常数据点；

16-可实现基于超超灵敏(ultra-supersensitive)电容的指纹传感器;

17-可检测和映射亚微米级压力的空间分辨率；

18-可采用独立的微型器件，厚度范围从100-1000微米；

19-器件可集成在柔性基片上。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不偏离本发明或本文公开的实施方案的范围的情况下，可使用合适的等同物来进行本文所述本发明的布置、器件和方法的其他合适修改和调整。现已详细描述了本发明，通过参考以下实施例将更清楚地理解本发明，这些实施例仅出于示意的目的引入而不意图限制本发明。

实施例

以下是本发明的一些器件、系统和应用的实施例。

在一个实施例中，纳米结构可由碳纳米管、硅纳米线、氧化锌纳米棒、碳化硅纳米线、碳纳米纤维制成。在一个实施例中，纳米结构可为1微米至1纳米大小。在一个实施例中，芯片座可由耐腐蚀性化学品的塑料或金属组成。在一个实施例中，芯片座可具有弹簧针以与含纳米结构器件的芯片的连接。

在一个实施例中，硬件可具有多通道恒电位计作为信号发生器和数据采集系统。在一个实施例中，软件可在独立的电子器件、计算机、膝上型电脑、移动电子器件或云计算系统上运行。在一个实施例中，软件可具有机器学习算法和/或人工智能算法以执行数据分析。

在一个实施例中，可将细胞置于纳米结构上方的介质中。所述细胞可以是任何类型的细胞，并且在某些实施例中可以是来自人受试者的细胞。在某些实施例中，所述细胞为干细胞。可将干细胞置于纳米结构上方的介质中。例如，可将干细胞置于纳米结构上方的介质中并可使用电化学阻抗光谱法来监测干细胞向骨细胞的转化。

在一个实施例中，可将健康的骨细胞置于纳米结构上方的介质中。在一个实施例中，可将健康的骨细胞置于纳米结构上方的介质中并暴露于辐射，同时可使用纳米结构作为电容层析x射线成像传感器来监测骨细胞从健康细胞向癌细胞的转化。

在一个实施例中，在相邻的纳米结构之间施加电压，该电压在空气中产生场发射电流。在一个实施例中，在相邻的纳米结构之间施加电压，该电压在空气中产生场发射电流并使纳米结构暴露于人呼吸。人呼吸中不同浓度气体与水蒸气的存在将改变场发射电流，这可通过连接到纳米结构器件的硬件和软件来检测。

在一个实施例中，施加在至少两个相邻纳米结构之间的电压为直流电压。在一个实施例中，施加在至少两个相邻纳米结构之间的电压为交流电压。在一个实施例中，施加在至少两个相邻纳米结构之间的电压为约10v至-10v。在一个实施例中，施加在至少两个相邻纳米结构之间的电压为约5v至-5v。在一个实施例中，施加在至少两个相邻纳米结构之间的电压为约1v至-1v。在一个实施例中，施加在至少两个相邻纳米结构之间的电压为约1mv至-1mv。在一个实施例中，施加在至少两个相邻纳米结构之间的电压的频率为约0.01hz至-100mhz。

图1示出了如wo2013001076中所述的制造纳米结构阵列的方法，该专利的全部内容通过引用并入本文。

图2示出了如wo2013001076中所述的纳米结构阵列制造的步骤，其中在图2a中，201为具有面202和203的不导电基片；其中在图2b中，204为金属叠层，其中205为导电金属，206为置于基片201的面202上的催化剂，其中在图2c中，207为纳米结构，208为形成在基片201中的导电部，其中在图2d中，209为具有导电部210的第二不导电基片，导电部210在基片201的面203处提供与导电部208的电触点。

图3示出了器件300，其包括在具有导电部208的不导电基片201的面202上的纳米结构207和在第一不导电基片201的面203上的具有导电部210的第二不导电基片(209)，如wo2013001076中所述。

图4示出了如wo2013001076中所述的器件410、411和412的实施方案，其中在图4a中，纳米结构207经由在不导电基片201中的导电部208与导电结构210连接，其中在图4b中，纳米结构207经由电容耦合经由在不导电基片201中的导电部208与导电结构210连接，其中在图4c中，纳米结构207经由在不导电基片201中的导电部208与导电结构210连接，另一导电部403为纳米结构207提供第二接触通路。

图5更详细地示出了器件412，其中纳米结构207经由在不导电基片201中的导电部208与导电结构210连接，另一导电部403为纳米结构207提供第二接触通路。

图6示出了流程图，该流程图列出了系统(4000)的要求。要求不限于此列表。所述要求包括芯片座(4401)、硬件(4402)和软件(4403)，以利用基于纳米结构的器件(300)作为电化学、电容和基于场发射的传感器。系统(400)需要芯片座(4401)，芯片座(4401)至少能够提供与纳米结构阵列的电连接(4411)和与固体、液体或气体相互作用的微流控(4421)以及硬件(4402)的外部电连接(4431)的接头，硬件(4402)包括：数据采集和信号生成硬件，其中数据采集包括但不限于数据采集和连接端口、放大器和模拟电路、adc、微控制器和通信入口。此外，硬件(4402)包括但不限于信号发生器，其中用于信号生成的硬件包括但不限于输入设置变量、微控制器、数字电位计、放大器、模拟电路、缓冲器和输出端口、无线通信硬件和连接器。数据处理软件(4403)包括但不限于原始数据、原始数据的图形表示、机器学习算法、与学习得到的数据或数据库的比较、分析输出。软件可在计算机或移动电子器件或独立电子器件上运行。

图7以各种图示示出了器件(300)。图中示出了器件(412)，其中示出了纳米结构(207)。还示出了纳米结构(207)，其连接到在不导电基片(209)中的导电部(208)，导电部(210)连接到导电部(208)。还示出了纳米结构(207)具有高度(2220)和基底尺寸(2210)的细节。还示出了纳米结构(207)由具有高度(2211)和基底尺寸(2212)的纳米材料(2203)组成。纳米结构(207)之间的间隙为(800)，而纳米材料之间的间隙为(2213)。还示出了纳米结构可独立地带有不同的电荷，其中所述电荷是正的或负的。

图8示出了单独可寻址的纳米结构(207)的阵列和器件(300)，其中每个纳米结构充当传感器或电极，其中纳米结构(207)用附着于其的官能团(501)官能化。官能化的纳米结构(5207)。每个纳米结构通过在基片中的导电部(208)连接到不导电基片(201)。还示出了由催化剂(206)的材料组成的纳米结构的尖端中的纳米颗粒(503)。

图9示出了含分析物(600)的介质(3000)中纳米结构阵列(207)的横截面视图和俯视图，其中纳米结构被充电以用于感测应用并在纳米结构之间形成电容(700)。

图10示出了系统(4000)的一个实例，其中基于纳米结构阵列的器件(300)在具有电触点(4411)和微流控(4421)的芯片座(4401)中。芯片座经由电连接(4431)连接到硬件(4402)。硬件(4402)提供信号并从基于纳米结构阵列的器件(300)执行数据采集。硬件(4402)连接到计算机或移动器件，其中软件(4403)对数据执行分析并提供报告。

图11示出了系统(4000)的一个实例和真实呈现，其中基于纳米结构阵列的器件(300)在具有电触点(4411)和微流控(4421)的芯片座(4401)中。芯片座经由电连接(4431)连接到硬件(4402)。硬件(4402)提供信号并从基于纳米结构阵列的器件(300)执行数据采集。硬件(4402)连接到计算机或移动器件，其中软件(4403)对数据执行分析并提供报告。

图12示出了用作传感器的纳米结构(207)阵列，如电化学传感器或电容传感器或场发射传感器阵列。硬件(4402)可用来生成和接收传感器阵列所需的信号。硬件(4402)可以是但不限于用于电化学光谱法的恒电位计。自每个纳米结构得到的信号可被软件(4403)利用以准备介质(3000)中的分析物的基于化学、电容或场发射的图像。每一个单独可寻址的纳米结构(207)充当成像的单个像素。纳米结构在电化学光谱法过程、电容感测或基于场发射的感测中充当工作电极。外电极(701)可用于实例如电化学感测中，其中(701)可以是三电极测量装置中的对电极或参比电极或者对电极和参比电极二者。所有单独可寻址的纳米结构(207)与共用的外电极(701)如对电极和参比电极一起工作。

图13示出了在具有导电部(208)的不导电基片(201)上的纳米结构(207)的布置。导电部(208)连接到不导电基片(209)中的导电部(210)。纳米结构(207)被覆盖在具有分析物(600)的介质(3000)中。当在介质(3000)中的纳米结构和外电极(701)之间施加电压(900)时，带电物质(800)将流向适当的带相反电荷的纳米结构或外电极。可使用这样的方法来对溶液中的物质进行电化学检测。此外，waqas等人在专利[2]中讨论了在基片上生长纳米结构后使纳米结构官能化的方法。可使用该图示中的布置来使用电聚合使纳米结构进一步官能化，其中向需要官能化的纳米结构施加电势，同时可向在此布置中用作电极的单独可寻址的纳米结构的其余部分施加相反极性的电荷，以防止非特异性结合并确保仅在感兴趣的纳米电极上官能化。可使用该图示中的布置来使用表面吸附(用溶液中的官能化酶和其他化学物质浸泡纳米结构)使纳米结构进一步官能化。可使用蛋白质、抗体和酶用此方法将纳米结构官能化。不同的纳米结构可用不同的方法官能化。因此，可采用所有技术来同时进行多种分析物的电化学光谱检测。

图14示出了图12中讨论的电化学传感器器件用于细胞应用的工作原理细节。示出了搁置在介质(3000)中官能化的纳米结构(5207)阵列上的单个细胞的横截面。纳米结构(207)布置在不导电基片(201)上。为了操纵细胞，在纳米结构之一处施加正电荷，实现位点特异性电穿孔(1404)，其中细胞膜(1401)打开。这导致细胞中的流体流出细胞的流动并在施加电荷的纳米结构的位置处与介质(3000)混合。这允许细胞内的分析物(600)靠近纳米结构并因此可使用电化学光谱法检测。此外，使用与电穿孔位点相邻的纳米结构，可以收集化学信号，如图示中的星号(600)所示。使用该方法也可实现纳米结构上的官能团与细胞内分子的相互作用。通过控制每个纳米结构上所施加的电压，可以电化学方式生成细胞表面图像。可使用此技术来监测各种细胞行为，包括细胞如何移动和分裂。因此，该图示意了其中我们可操纵细胞、监测其行为并在其微环境中检测细胞内外的各种化学物质的方法，所述微环境是介质中靠近细胞膜的环境。可使用此方法的一些应用来检测癌症并监测化学组合物在癌症的早期阶段对细胞表面的影响。当受阿尔茨海默氏症和帕金森病侵袭时，它还可用来监测神经元变性。此外，我们可在干细胞转化为例如血细胞或骨细胞之前监测和检测该细胞微环境中发生的特定化学变化。

图15a-o示出了各种纳米结构阵列尺寸的扫描电子显微镜(sem)显微照片。可控制纳米结构的长度和纳米结构的基底尺寸。a-b示出了纳米结构(207)阵列以及埋在二氧化硅膜中的导电部(210)。该纳米结构的基底尺寸为500平方纳米并且在这些情况下由纳米材料(碳纳米管)组成。碳纳米管高500nm至数微米。在图15a中还可看到顶部金属触点(403)。图15a-i示出了阵列中的纳米结构(207)的各种真实形状和尺寸，显微照片示出了纳米结构的32×6阵列(图15c和f)，而其他则示出了阵列中各种纳米结构的显微照片缩放。图15j-m示出了由碳纳米管组成的纳米结构的较长基线，其中纳米管高数百微米。图15n-o示出了纳米结构的复杂布置，其中在整个布置中，纳米结构在基底尺寸和长度方面相异。因此，图15示出了基于纳米结构阵列器件的各种呈现。

图16a-e示出了用氧化锌纳米棒(5207)官能化的基于碳纳米管的纳米结构的显微照片。图16-d示出了由用大量氧化锌纳米棒官能化的碳纳米管组成的纳米结构的俯视图(1601)。图16e示出了由其中该官能化稀疏的碳纳米管组成的纳米结构的侧壁(1602)。

图17示出了纳米结构阵列(207)的横截面视图，其中纳米结构带电并在纳米结构之间形成电容(700)以用于感测应用。在相邻纳米结构之间发生场发射，其中电子因施加的电压而从一个纳米结构移向另一个。当气体经过纳米结构时，气体发生电离，引起场发射电流的变化。然后可使用本文件中描述的硬件(4402)和软件(4403)来检测此变化。这是利用基于纳米结构阵列的器件在纳米结构(207)之间的场发射来感测空气的介质(3000)中作为分析物(600)的气体的存在的实例。

图18示出了显示使用由碳纳米管(cnts)组成的纳米结构阵列作为基于场发射的感测器件来检测呼吸的图。在两个相邻的纳米结构之间施加电压并测量电流(场发射电流)。箭头(1901)指示当cnt纳米结构暴露于人呼吸的时间，箭头(1902)指示当暴露于人呼吸被去除的时间。可以看出，当纳米结构暴露于人呼吸时，纳米结构之间的场发射电流(y轴)增大。因此，可使用该技术来检测气体。

图19示出了显示使用由碳纳米管(cnts)组成的纳米结构阵列作为基于场发射的感测器件来检测呼吸的另一张图。在两个相邻的纳米结构之间施加电压并测量电流(场发射电流)。箭头(1901)指示当cnt纳米结构暴露于人呼吸的时间，箭头(1902)指示当暴露于人呼吸被去除的时间。可以看出，当纳米结构暴露于人呼吸时，纳米结构之间的场发射电流(y轴)增大。因此，可使用该技术来检测气体。