用于檢測液體中的分析物的傳感器和設備的制作方法

本發明涉及一種微波轉導傳感器，所述微波轉導傳感器由作為敏感材料的“分子印跡聚合物”(MIP)組成，并且更具體地講，基于硅的分子印跡材料，稱為“分子印跡硅”或MIS。本發明還涉及一種用于檢測液體中的分析物的設備。本發明在用于檢測水醇介質中的殺真菌劑諸如異菌脲時尤其有利。

背景技術：

具體地講，在分析化學領域，已知具有各種用于分析液體諸如水或酒的裝置，例如具體地講，以確定所述液體的化學含量，并且更具體地講，確定是否存在污染物諸如殺真菌劑。

其中測試條或色譜法是最常用系統。

測試條不允許在幾個ng/l水平上檢測到殺真菌劑的痕跡，并且色譜法的缺點在于其可能需要較長時間并且價格昂貴。

測量殺真菌劑的最常見方法為高效液相色譜法或HPLC。然而，該分析需要無數的初步操作，包括提取、純化、濃縮和潛在的干燥步驟。

已使用其他較新的方法來避免樣品處理步驟(提取、純化、濃縮和干燥)，以便減少分析時間并減少用于提取的顯著量的溶劑。

我們可引用固相微量提取或SPME的纖維的實例。該方法基于使用110μm的硅纖維來進行，該硅纖維在1cm長度范圍內涂有7μm至100μm厚的吸附劑并位于注射器的端部。針刺穿包含樣品的小瓶的隔膜，并且纖維浸入樣品中以提取化合物。將纖維在給定提取周期后的氣相階段引入色譜圖中。(Pichon V，2012年)Extraction sur phase solide pour l’analyse de composés organiques[用于有機化合物分析的固相提取][第1420頁]。Techniques de l’Ingénieur,base documentaire Chromatographie et techniques séparatives[工程技術、色譜法文檔庫和分離技術]。

在可測定殺真菌劑之前，SPME纖維需要實施幾個步驟：十分鐘提取，接著進行持續至少30分鐘的色譜分析。

我們也意識到由“分子印跡聚合物”或MIP組成的傳感器。這包括美國專利申請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)(“用于檢測萜烯的分子印跡、聚合物涂覆的石英晶體微量天平”，《分析化學》，2001年；第73卷，第4225-4228頁)。在這種特定情況下，在敏感材料內使用聲傳感器來執行轉導。

文檔US 2008/0288944描述了由分子印跡聚合物組成的傳感器，用于檢測特定靶向無機離子。該傳感器包括具有包含多個腔的大孔結構的一個或多個分子印跡聚合物珠粒(稱為絡合物)，所述腔包含陽離子配體，該陽離子配體在空間上取向以選擇性地接收并結合到旨在進行檢測的特定靶向無機離子。與光源(諸如紫外光、紅外光或可見光)相關的傳感器允許獲得固定有特定靶向無機離子的分子印跡聚合物的亮度。

文檔US 2012/0288944描述了用于使用由分子印跡聚合物組成的傳感器來檢測液體中的示蹤劑分子結構的工序。該工序包括使呈交聯星形的分子印跡聚合物與液體接觸，然后使液體的顏色變化與流體內示蹤劑分子結構的數量關聯。該設備具有附接到芯的聚合物臂，并且該芯具有適于選擇性地接收分子并使分子與示蹤劑分子結構結合的分子尺寸腔，所述芯還具有比色指示物。通過暴露至流體內的示蹤劑分子結構，將運動分子從分子印跡交聯聚合物中選擇性地除去，從而基于顏色損失來指示流體內示蹤劑分子結構的存在。

文檔US 2004/0126814描述了用于使用印有目標分析物的分子印跡聚合物(MIP)來檢測目標分析物的傳感器。可通過將襯底涂覆或壓到盤上而將MIP在電化學阻抗譜法中用作工作電極。傳感器還可使用分子印跡聚合物(MIP)來使用其他電化學工序檢測目標分析物。

科技出版物“Molecular-Imprinted,Polymer-Coated Quartz Crystal Microbalances for the Detection of Terpenes”(Anal.Chem.2001；73 4225-4228)(“用于檢測萜烯的分子印跡、聚合物涂覆的石英晶體微量天平”，《分析化學》，2001年；第73卷，第4225-4228頁)描述了允許檢測萜烯的石英微天平。微天平由兩個導電電極制成，該導電電極兩側具有覆蓋有分子印跡聚合物層的壓電襯底。當施加電流時，定位在襯底上兩個電極之間的石英會振動，從而通過敏感材料產生聲波。然而，該石英在向其端子施加電流時，僅能以一個頻率振蕩。電極端子中的電流能夠以一種不期望的方式傳送到石英端子，例如通過液體中的鹽晶體導電，這會造成萜烯誤檢。此外，該設備僅允許單次測量，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，本發明的技術問題包括提出一種用于檢測液體中的分析物的設備，從而允許在液體中以快速可靠的方式檢測分析物的存在。

技術實現要素：

本發明使用分子印跡聚合物借助于天線來回應這一技術問題，在存在分析物的情況下，該天線的特征發生變化。

為此，根據第一特征，本發明涉及一種用于利用天線在液體中檢測分析物的傳感器，該天線由以下各項形成：

-襯底，該襯底由兩個相對的面組成，

-接地層，該接地層位于襯底的第一面上，以及

-至少一個金屬零件，該至少一個金屬零件位于襯底的第二面上，

襯底的第二面的至少一個零件覆蓋有分子印跡聚合物層，該分子印跡聚合物層能夠與分析物相互作用并使得天線特征在微波頻率范圍內發生變化。

因此，本發明允許使用發射到天線隨后由該天線反射的信號來快速檢測液體中分析物的存在。測量由天線所反射的信號與參考信號的比允許對由于分子印跡聚合物對分析物的檢測而引起的天線特征的變化進行估計。當反射信號對應于參考信號時，表明未檢測到分析物。當反射信號不同于參考信號時，表明檢測到分析物。此外，反射信號與參考信號之間的差允許定量所存在的分析物。

本發明所執行測量的可靠性通過天線所反射信號的類型得到改進，該天線包括在存在分析物的情況下發生變化的兩個分量：振幅和相移。可獨立地測量反射信號的這兩個分量，以估計天線的特征諸如增益或品質因子。這些天線特征允許涉及待確認分析物的檢測或量化的測量，并限制測量誤差。此外，由天線所發射的信號以及因此反射信號的頻率可變化以執行若干連續測量并確認分析物的存在和/或數量。

根據一個操作工序，分子印跡聚合物層基于硅基或丙烯酸鹽基形成。

根據一個操作工序，分子印跡聚合物層的厚度介于50nm與1μm之間。

根據一個操作工序，當分子印跡聚合物層由硅基制成時，該分子印跡聚合物層使用烷氧基硅烷通過溶膠凝膠工藝來合成，并且當分子印跡聚合物層由丙烯酸酯基制成時，該分子印跡聚合物層通過游離基聚合來合成。

根據一個操作工序，金屬零件包括形成等腰三角形的三個內部條帶以及從該等腰三角形的兩個角相對于延伸穿過自由角的中線對稱地延伸的兩個外部條帶。

根據一個操作工序，接地層還沿襯底的第一面延伸，并且外部條帶能夠將襯底的第一面上的接地層連接到內部條帶。

根據一個操作工序，自由角電連接到連接器，該連接器能夠收集微波頻率范圍內的天線特征。

根據一個操作工序，每個金屬條帶的長度等于λ/2，其中λ為該天線處預先確定的波長。

根據一個操作工序，該天線處所預先確定的波長介于1GHz與10GHz之間。

根據第二特征，本發明涉及一種用于檢測液體中的至少一種分析物的設備，該設備包括根據本發明的第一特征的至少一個傳感器、頻率介于300MHz與300GHz之間的電磁波的發射裝置、反射到傳感器上的波的接收裝置以及用于根據該頻率測量反射波與入射波之間的比的測量裝置。

有利地，電磁波的所述發射裝置和反射波的所述接收裝置由矢量網絡分析儀組成。

附圖說明

從以下根據本發明參考附圖的用于檢測水醇環境中的殺真菌劑的設備的一個操作變型形式(通過非限制性實例的方式給出)的描述中，另外的優點和特征將是顯而易見的，在附圖中：

-圖1是根據本發明的一個操作工序的設備的示意圖；

-圖2是圖1所示傳感器的頂部的視圖，并且具有部分地表示的分子印跡聚合物層，

-圖3是圖1所示傳感器的頂部的視圖，以及

-圖4是圖1所示傳感器的天線特征根據分析物的量而以天線諧振頻率轉換的圖形表示。

具體實施方式

繼續描述根據本發明的用于檢測液體中的分析物的設備，相同的附圖標記表示相同的零件。根據本發明，具體地講，所述設備旨在檢測酒中的殺真菌劑諸如異菌脲；然而，在不脫離本發明的范圍的前提下，顯然根據本發明的設備可具有很多應用，諸如檢測水中的殺真菌劑。例如，作為本發明的一部分，可檢測到的分析物屬于微生物族諸如病毒、細菌、霉菌或屬于生物活性有機分子族諸如殺蟲劑、毒素、內分泌干擾素、激素、酶、維生素、抗生素和藥物；或離子族諸如主要礦物、有毒金屬、有機酸或有機堿；或生物分子族諸如脂類及其衍生物、氨基酸及其衍生物、肽及其衍生物、蛋白質及其衍生物、無分支及其衍生物的單鏈碳水化合物以及糖類及其衍生物。

參考圖1，所述設備包括傳感器1、頻率介于300MHz與300GHz之間(更具體地講，介于1GHz與10GHz之間)的電磁波的發射裝置2、反射到浸入包含至少一種待檢測分析物(所述分析物例如為殺真菌劑諸如異菌脲)的水醇液體中的傳感器1上的波的接收裝置3以及根據頻率測量反射波與入射波之間的比的裝置。前述電磁波的發射裝置2和反射波的接收裝置3由矢量網絡分析儀組成。此外，參考圖1至圖3，傳感器1由天線13組成，該天線由至少一個襯底10制成，所述至少一個襯底在其至少一個面上包括接地層15并且在另一面上包括至少一個金屬零件11，其中所述襯底10和所述金屬零件11覆蓋有分子印跡聚合物層12。優選地，前述分子印跡聚合物由稱為MIS“分子印跡硅”的硅基制成。前述分子印跡聚合物層12的恒定厚度在一微米范圍內，介于1nm與100μm之間并且優選地介于50nm與1μm之間。優選地，分子印跡聚合物層12基于烷氧基硅烷通過溶膠凝膠工序來合成。另外，襯底10由玻璃條帶組成。在該具體操作實例中，前述條帶具有略矩形或方形形式并且接地層15還覆蓋了包含金屬零件11的面的一部分。

顯然，在不脫離本發明的范圍的前提下，該條帶可具有任何形式。另外，接地層15可僅布置在天線13的與支承金屬零件11的面相對的一個面上。分子印跡聚合物層12也可基于另一聚合物諸如丙烯酸鹽制成，而不改變創造性。基于丙烯酸鹽的分子印跡聚合物通過自由基聚合來合成。分子印跡聚合物層12可僅覆蓋天線面13的包含金屬零件11的部分。

另外，金屬零件11具有包括三個內部條帶11a-11c和兩個外部條帶11d-11e的具體有利形式。優選地，金屬零件11由銀制成，但也可使用另一種導電材料而無需改變本發明。三個內部條帶11a-11c形成呈等腰三角形形狀的絕緣表面16。內部條帶11a-11c通過絕緣表面16與布置在包含金屬零件11的面上的接地層15電絕緣。等腰三角形的一個角(稱為自由角)連接到連接器14以從連接器14供應金屬零件11并收集微波頻率范圍內的天線特征13。例如，連接器14可為標準SMA式基板。等腰三角形的另外兩個角分別連接到外部條帶11d-11e。外部條帶11d-11e具有兩條邊，一條邊電連接到接地板15，一條邊電連接到內部條帶11a-11c。外部條帶11d-11e也通過絕緣表面16與布置在包含金屬零件11的面上的接地層15電絕緣并相對于延伸穿過自由角的中線對稱地延伸。絕緣表面16通過圖1至圖3上的剖面線來表示。每個金屬條帶11a-11e的長度優選地等于λ/2，其中λ為在微波頻率范圍內在天線13處預先確定的波長。例如，波長λ可被確定成使得天線13的諧振頻率介于1GHz與10GHz之間，優選地2.4GHz。作為一種變型，每個條帶11a-11e的長度可等于λ或3λ/2，而無需改變本發明，并且天線諧振頻率13可變化。

當然，天線13可具有任何形式。另外，在不脫離本發明的范圍的前提下，顯然傳感器1可具有若干任何形式的天線13。

傳感器制造工序1包括以下步驟，即在機械拋光步驟之前將襯底10利用玻璃切割為約2cm乘3cm的矩形條帶的形式。所述玻璃條帶隨后被20μm至30μm厚的銀層覆蓋。所述覆蓋有銀的條帶隨后被拋光數次直至獲得聚銀鏡，然后通過稱為“旋涂”的本領域技術人員眾所周知的工序來使紫外光(UV)敏感樹脂沉積。隨后將表示天線13幾何形狀的掩模置于樹脂上，然后用紫外(UV)光來輻射條帶。曝光樹脂后，形成銀濕式蝕刻并通過本領域技術人員眾所周知的任何適當裝置除去剩余樹脂。用蒸餾水沖洗后，傳感器1可在一個步驟中再次拋光并清洗以除去任何缺陷。此外，傳感器1被分子印跡聚合物層覆蓋，該分子印跡聚合物層通過存在的目標分析物(例如異菌脲)來闡述。最后，傳感器1隨后配備有SMA式連接器14(“超小型版本A”)，該SMA式連接器由阻抗為50歐姆的焊接或未焊接到傳感器1的同軸連接器制成。

使用以下選擇的比1/4/59(異菌脲/單體/成網劑)由硅基(MIS)合成分子印跡聚合物。使用單體APTMS(3-氨丙基三甲氧基硅烷)。這可按照以下方式來合成：

i)將16.8ml純乙醇在40℃下置于水浴中10分鐘。

ii)添加0.08g異菌脲，隨后添加2ml水。

iii)隨后添加0.18ml單體(APTMS)，然后將樣品攪拌5分鐘。

iv)添加3.1ml TEOS(原硅酸四甲酯)交聯劑，然后將樣品再次攪拌5分鐘。

v)隨后添加1ml引發劑(氫氧化銨)，然后將樣品攪拌5分鐘。

vi)隨后將樣品置于水浴(40℃)中24h并攪拌。

vii)隨后通過在20℃下以7500RPM(10000G)離心分離10分鐘，使所獲得的沉淀物與液相分離。連續進行若干次乙醇清洗，直至在HPLC分析期間在洗滌水中不再存在異菌脲。隨后在幾次洗滌后將聚合物在60℃下置于殺菌器中24小時。

作為一種變型，可通過在合成中途不添加異菌脲而遵循與MIS相同的協議來合成非印跡聚合物或NIS。MIS或NIS以懸浮液的形式沉積在傳感器上。為此通過鑒于以下比，向THF(四氫呋喃)中的MIS的懸浮液添加粉末PVC(聚氯乙烯)：25/8/4，MIS(mg)/PVC(mg)/THF(mL)。

以這種方式制備的溶液隨后通過使用以下參數通過旋涂法沉積于傳感器1的表面上：速度＝1,000rpm；加速度4,000rpm；持續時間＝40s。在不脫離本發明的范圍的前提下，分子印跡聚合物可通過襯底的化學功能化沉積于傳感器上。在不脫離本發明的范圍的前提下，若干分子印跡聚合物可沉積于同一傳感器上。

因此，當傳感器1浸入包含目標分析物的液體(例如異菌脲)中時，矢量網絡分析儀以激勵頻率在微波范圍內發射電磁波，并評估一旦進入即反射的波。發射波和反射波通過連接器14來傳送。分析物與傳感器1的分子印跡材料的相互作用使得天線13的特征在微波范圍內發生變化。涉及增殖微波結構的分子印跡材料使得電介質性質發生變化，這通過天線13的幾何形狀來增強。對于每個激勵頻率，反射波/入射波的比與分子印跡材料以這種方式與分析物的相互作用相關。網絡分析儀發射1至10GHz范圍內的若干頻率，從而得到稱為微波的標記，描述了分子印跡材料與分析物的相互作用。

參考圖4，在存在若干量的分析物的情況下，表示了根據本發明的傳感器1以諧振頻率2.4GHz的響應。對于分析物的每個量來說，相對于參考信號所接收的信號的振幅和相移的變化允許天線特征13的兩個互補測量，稱為將要供應的實部和虛部。圖4示出了該實部根據虛部的轉化。因此，這種輕微線性變換允許根據每個測量的實部和虛部的估計來外推液體內分析物的濃度。應當注意，每次測量在大約一分鐘內進行。

最后，剛剛給出的實例明顯僅是特定說明，并且絕不限制本發明的范圍。