用于检测液体中的分析物的传感器和设备的制作方法

文档序号:11160388阅读:800来源:国知局
用于检测液体中的分析物的传感器和设备的制造方法与工艺

本发明涉及一种微波转导传感器,所述微波转导传感器由作为敏感材料的“分子印迹聚合物”(MIP)组成,并且更具体地讲,基于硅的分子印迹材料,称为“分子印迹硅”或MIS。本发明还涉及一种用于检测液体中的分析物的设备。本发明在用于检测水醇介质中的杀真菌剂诸如异菌脲时尤其有利。



背景技术:

具体地讲,在分析化学领域,已知具有各种用于分析液体诸如水或酒的装置,例如具体地讲,以确定所述液体的化学含量,并且更具体地讲,确定是否存在污染物诸如杀真菌剂。

其中测试条或色谱法是最常用系统。

测试条不允许在几个ng/l水平上检测到杀真菌剂的痕迹,并且色谱法的缺点在于其可能需要较长时间并且价格昂贵。

测量杀真菌剂的最常见方法为高效液相色谱法或HPLC。然而,该分析需要无数的初步操作,包括提取、纯化、浓缩和潜在的干燥步骤。

已使用其他较新的方法来避免样品处理步骤(提取、纯化、浓缩和干燥),以便减少分析时间并减少用于提取的显著量的溶剂。

我们可引用固相微量提取或SPME的纤维的实例。该方法基于使用110μm的硅纤维来进行,该硅纤维在1cm长度范围内涂有7μm至100μm厚的吸附剂并位于注射器的端部。针刺穿包含样品的小瓶的隔膜,并且纤维浸入样品中以提取化合物。将纤维在给定提取周期后的气相阶段引入色谱图中。(Pichon V,2012年)Extraction sur phase solide pour l’analyse de composés organiques[用于有机化合物分析的固相提取][第1420页]。Techniques de l’Ingénieur,base documentaire Chromatographie et techniques séparatives[工程技术、色谱法文档库和分离技术]。

在可测定杀真菌剂之前,SPME纤维需要实施几个步骤:十分钟提取,接着进行持续至少30分钟的色谱分析。

我们也意识到由“分子印迹聚合物”或MIP组成的传感器。这包括美国专利申请US 2008/0144002、US 2012/0288944、US 2004/0126814和科技出版物“Molecular-Imprinted,Polymer-Coated Quartz Crystal Microbalances for the Detection of Terpenes”(Anal.Chem.2001;73 4225-4228)(“用于检测萜烯的分子印迹、聚合物涂覆的石英晶体微量天平”,《分析化学》,2001年;第73卷,第4225-4228页)。在这种特定情况下,在敏感材料内使用声传感器来执行转导。

文档US 2008/0288944描述了由分子印迹聚合物组成的传感器,用于检测特定靶向无机离子。该传感器包括具有包含多个腔的大孔结构的一个或多个分子印迹聚合物珠粒(称为络合物),所述腔包含阳离子配体,该阳离子配体在空间上取向以选择性地接收并结合到旨在进行检测的特定靶向无机离子。与光源(诸如紫外光、红外光或可见光)相关的传感器允许获得固定有特定靶向无机离子的分子印迹聚合物的亮度。

文档US 2012/0288944描述了用于使用由分子印迹聚合物组成的传感器来检测液体中的示踪剂分子结构的工序。该工序包括使呈交联星形的分子印迹聚合物与液体接触,然后使液体的颜色变化与流体内示踪剂分子结构的数量关联。该设备具有附接到芯的聚合物臂,并且该芯具有适于选择性地接收分子并使分子与示踪剂分子结构结合的分子尺寸腔,所述芯还具有比色指示物。通过暴露至流体内的示踪剂分子结构,将运动分子从分子印迹交联聚合物中选择性地除去,从而基于颜色损失来指示流体内示踪剂分子结构的存在。

文档US 2004/0126814描述了用于使用印有目标分析物的分子印迹聚合物(MIP)来检测目标分析物的传感器。可通过将衬底涂覆或压到盘上而将MIP在电化学阻抗谱法中用作工作电极。传感器还可使用分子印迹聚合物(MIP)来使用其他电化学工序检测目标分析物。

科技出版物“Molecular-Imprinted,Polymer-Coated Quartz Crystal Microbalances for the Detection of Terpenes”(Anal.Chem.2001;73 4225-4228)(“用于检测萜烯的分子印迹、聚合物涂覆的石英晶体微量天平”,《分析化学》,2001年;第73卷,第4225-4228页)描述了允许检测萜烯的石英微天平。微天平由两个导电电极制成,该导电电极两侧具有覆盖有分子印迹聚合物层的压电衬底。当施加电流时,定位在衬底上两个电极之间的石英会振动,从而通过敏感材料产生声波。然而,该石英在向其端子施加电流时,仅能以一个频率振荡。电极端子中的电流能够以一种不期望的方式传送到石英端子,例如通过液体中的盐晶体导电,这会造成萜烯误检。此外,该设备仅允许单次测量,以表明存在或不存在萜烯,并且不能定量所存在的萜烯。

因此,本发明的技术问题包括提出一种用于检测液体中的分析物的设备,从而允许在液体中以快速可靠的方式检测分析物的存在。



技术实现要素:

本发明使用分子印迹聚合物借助于天线来回应这一技术问题,在存在分析物的情况下,该天线的特征发生变化。

为此,根据第一特征,本发明涉及一种用于利用天线在液体中检测分析物的传感器,该天线由以下各项形成:

-衬底,该衬底由两个相对的面组成,

-接地层,该接地层位于衬底的第一面上,以及

-至少一个金属零件,该至少一个金属零件位于衬底的第二面上,

衬底的第二面的至少一个零件覆盖有分子印迹聚合物层,该分子印迹聚合物层能够与分析物相互作用并使得天线特征在微波频率范围内发生变化。

因此,本发明允许使用发射到天线随后由该天线反射的信号来快速检测液体中分析物的存在。测量由天线所反射的信号与参考信号的比允许对由于分子印迹聚合物对分析物的检测而引起的天线特征的变化进行估计。当反射信号对应于参考信号时,表明未检测到分析物。当反射信号不同于参考信号时,表明检测到分析物。此外,反射信号与参考信号之间的差允许定量所存在的分析物。

本发明所执行测量的可靠性通过天线所反射信号的类型得到改进,该天线包括在存在分析物的情况下发生变化的两个分量:振幅和相移。可独立地测量反射信号的这两个分量,以估计天线的特征诸如增益或品质因子。这些天线特征允许涉及待确认分析物的检测或量化的测量,并限制测量误差。此外,由天线所发射的信号以及因此反射信号的频率可变化以执行若干连续测量并确认分析物的存在和/或数量。

根据一个操作工序,分子印迹聚合物层基于硅基或丙烯酸盐基形成。

根据一个操作工序,分子印迹聚合物层的厚度介于50nm与1μm之间。

根据一个操作工序,当分子印迹聚合物层由硅基制成时,该分子印迹聚合物层使用烷氧基硅烷通过溶胶凝胶工艺来合成,并且当分子印迹聚合物层由丙烯酸酯基制成时,该分子印迹聚合物层通过游离基聚合来合成。

根据一个操作工序,金属零件包括形成等腰三角形的三个内部条带以及从该等腰三角形的两个角相对于延伸穿过自由角的中线对称地延伸的两个外部条带。

根据一个操作工序,接地层还沿衬底的第一面延伸,并且外部条带能够将衬底的第一面上的接地层连接到内部条带。

根据一个操作工序,自由角电连接到连接器,该连接器能够收集微波频率范围内的天线特征。

根据一个操作工序,每个金属条带的长度等于λ/2,其中λ为该天线处预先确定的波长。

根据一个操作工序,该天线处所预先确定的波长介于1GHz与10GHz之间。

根据第二特征,本发明涉及一种用于检测液体中的至少一种分析物的设备,该设备包括根据本发明的第一特征的至少一个传感器、频率介于300MHz与300GHz之间的电磁波的发射装置、反射到传感器上的波的接收装置以及用于根据该频率测量反射波与入射波之间的比的测量装置。

有利地,电磁波的所述发射装置和反射波的所述接收装置由矢量网络分析仪组成。

附图说明

从以下根据本发明参考附图的用于检测水醇环境中的杀真菌剂的设备的一个操作变型形式(通过非限制性实例的方式给出)的描述中,另外的优点和特征将是显而易见的,在附图中:

-图1是根据本发明的一个操作工序的设备的示意图;

-图2是图1所示传感器的顶部的视图,并且具有部分地表示的分子印迹聚合物层,

-图3是图1所示传感器的顶部的视图,以及

-图4是图1所示传感器的天线特征根据分析物的量而以天线谐振频率转换的图形表示。

具体实施方式

继续描述根据本发明的用于检测液体中的分析物的设备,相同的附图标记表示相同的零件。根据本发明,具体地讲,所述设备旨在检测酒中的杀真菌剂诸如异菌脲;然而,在不脱离本发明的范围的前提下,显然根据本发明的设备可具有很多应用,诸如检测水中的杀真菌剂。例如,作为本发明的一部分,可检测到的分析物属于微生物族诸如病毒、细菌、霉菌或属于生物活性有机分子族诸如杀虫剂、毒素、内分泌干扰素、激素、酶、维生素、抗生素和药物;或离子族诸如主要矿物、有毒金属、有机酸或有机碱;或生物分子族诸如脂类及其衍生物、氨基酸及其衍生物、肽及其衍生物、蛋白质及其衍生物、无分支及其衍生物的单链碳水化合物以及糖类及其衍生物。

参考图1,所述设备包括传感器1、频率介于300MHz与300GHz之间(更具体地讲,介于1GHz与10GHz之间)的电磁波的发射装置2、反射到浸入包含至少一种待检测分析物(所述分析物例如为杀真菌剂诸如异菌脲)的水醇液体中的传感器1上的波的接收装置3以及根据频率测量反射波与入射波之间的比的装置。前述电磁波的发射装置2和反射波的接收装置3由矢量网络分析仪组成。此外,参考图1至图3,传感器1由天线13组成,该天线由至少一个衬底10制成,所述至少一个衬底在其至少一个面上包括接地层15并且在另一面上包括至少一个金属零件11,其中所述衬底10和所述金属零件11覆盖有分子印迹聚合物层12。优选地,前述分子印迹聚合物由称为MIS“分子印迹硅”的硅基制成。前述分子印迹聚合物层12的恒定厚度在一微米范围内,介于1nm与100μm之间并且优选地介于50nm与1μm之间。优选地,分子印迹聚合物层12基于烷氧基硅烷通过溶胶凝胶工序来合成。另外,衬底10由玻璃条带组成。在该具体操作实例中,前述条带具有略矩形或方形形式并且接地层15还覆盖了包含金属零件11的面的一部分。

显然,在不脱离本发明的范围的前提下,该条带可具有任何形式。另外,接地层15可仅布置在天线13的与支承金属零件11的面相对的一个面上。分子印迹聚合物层12也可基于另一聚合物诸如丙烯酸盐制成,而不改变创造性。基于丙烯酸盐的分子印迹聚合物通过自由基聚合来合成。分子印迹聚合物层12可仅覆盖天线面13的包含金属零件11的部分。

另外,金属零件11具有包括三个内部条带11a-11c和两个外部条带11d-11e的具体有利形式。优选地,金属零件11由银制成,但也可使用另一种导电材料而无需改变本发明。三个内部条带11a-11c形成呈等腰三角形形状的绝缘表面16。内部条带11a-11c通过绝缘表面16与布置在包含金属零件11的面上的接地层15电绝缘。等腰三角形的一个角(称为自由角)连接到连接器14以从连接器14供应金属零件11并收集微波频率范围内的天线特征13。例如,连接器14可为标准SMA式基板。等腰三角形的另外两个角分别连接到外部条带11d-11e。外部条带11d-11e具有两条边,一条边电连接到接地板15,一条边电连接到内部条带11a-11c。外部条带11d-11e也通过绝缘表面16与布置在包含金属零件11的面上的接地层15电绝缘并相对于延伸穿过自由角的中线对称地延伸。绝缘表面16通过图1至图3上的剖面线来表示。每个金属条带11a-11e的长度优选地等于λ/2,其中λ为在微波频率范围内在天线13处预先确定的波长。例如,波长λ可被确定成使得天线13的谐振频率介于1GHz与10GHz之间,优选地2.4GHz。作为一种变型,每个条带11a-11e的长度可等于λ或3λ/2,而无需改变本发明,并且天线谐振频率13可变化。

当然,天线13可具有任何形式。另外,在不脱离本发明的范围的前提下,显然传感器1可具有若干任何形式的天线13。

传感器制造工序1包括以下步骤,即在机械抛光步骤之前将衬底10利用玻璃切割为约2cm乘3cm的矩形条带的形式。所述玻璃条带随后被20μm至30μm厚的银层覆盖。所述覆盖有银的条带随后被抛光数次直至获得聚银镜,然后通过称为“旋涂”的本领域技术人员众所周知的工序来使紫外光(UV)敏感树脂沉积。随后将表示天线13几何形状的掩模置于树脂上,然后用紫外(UV)光来辐射条带。曝光树脂后,形成银湿式蚀刻并通过本领域技术人员众所周知的任何适当装置除去剩余树脂。用蒸馏水冲洗后,传感器1可在一个步骤中再次抛光并清洗以除去任何缺陷。此外,传感器1被分子印迹聚合物层覆盖,该分子印迹聚合物层通过存在的目标分析物(例如异菌脲)来阐述。最后,传感器1随后配备有SMA式连接器14(“超小型版本A”),该SMA式连接器由阻抗为50欧姆的焊接或未焊接到传感器1的同轴连接器制成。

使用以下选择的比1/4/59(异菌脲/单体/成网剂)由硅基(MIS)合成分子印迹聚合物。使用单体APTMS(3-氨丙基三甲氧基硅烷)。这可按照以下方式来合成:

i)将16.8ml纯乙醇在40℃下置于水浴中10分钟。

ii)添加0.08g异菌脲,随后添加2ml水。

iii)随后添加0.18ml单体(APTMS),然后将样品搅拌5分钟。

iv)添加3.1ml TEOS(原硅酸四甲酯)交联剂,然后将样品再次搅拌5分钟。

v)随后添加1ml引发剂(氢氧化铵),然后将样品搅拌5分钟。

vi)随后将样品置于水浴(40℃)中24h并搅拌。

vii)随后通过在20℃下以7500RPM(10000G)离心分离10分钟,使所获得的沉淀物与液相分离。连续进行若干次乙醇清洗,直至在HPLC分析期间在洗涤水中不再存在异菌脲。随后在几次洗涤后将聚合物在60℃下置于杀菌器中24小时。

作为一种变型,可通过在合成中途不添加异菌脲而遵循与MIS相同的协议来合成非印迹聚合物或NIS。MIS或NIS以悬浮液的形式沉积在传感器上。为此通过鉴于以下比,向THF(四氢呋喃)中的MIS的悬浮液添加粉末PVC(聚氯乙烯):25/8/4,MIS(mg)/PVC(mg)/THF(mL)。

以这种方式制备的溶液随后通过使用以下参数通过旋涂法沉积于传感器1的表面上:速度=1,000rpm;加速度4,000rpm;持续时间=40s。在不脱离本发明的范围的前提下,分子印迹聚合物可通过衬底的化学功能化沉积于传感器上。在不脱离本发明的范围的前提下,若干分子印迹聚合物可沉积于同一传感器上。

因此,当传感器1浸入包含目标分析物的液体(例如异菌脲)中时,矢量网络分析仪以激励频率在微波范围内发射电磁波,并评估一旦进入即反射的波。发射波和反射波通过连接器14来传送。分析物与传感器1的分子印迹材料的相互作用使得天线13的特征在微波范围内发生变化。涉及增殖微波结构的分子印迹材料使得电介质性质发生变化,这通过天线13的几何形状来增强。对于每个激励频率,反射波/入射波的比与分子印迹材料以这种方式与分析物的相互作用相关。网络分析仪发射1至10GHz范围内的若干频率,从而得到称为微波的标记,描述了分子印迹材料与分析物的相互作用。

参考图4,在存在若干量的分析物的情况下,表示了根据本发明的传感器1以谐振频率2.4GHz的响应。对于分析物的每个量来说,相对于参考信号所接收的信号的振幅和相移的变化允许天线特征13的两个互补测量,称为将要供应的实部和虚部。图4示出了该实部根据虚部的转化。因此,这种轻微线性变换允许根据每个测量的实部和虚部的估计来外推液体内分析物的浓度。应当注意,每次测量在大约一分钟内进行。

最后,刚刚给出的实例明显仅是特定说明,并且绝不限制本发明的范围。

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