Колориметрический датчик

Колориметрический датчик

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Родственные заявки

Настоящая заявка является частично продолженной заявкой от заявки на получение патента США №10/260369, поданной 30 сентября 2002 г.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к пленкам для колориметрических датчиков.

Уровень техники

Развитие надежных химических датчиков для широкого спектра анализируемых веществ остается важной областью приложения усилий для таких применений, как контроль состояния окружающей среды, контроль качества продукции и химическая дозиметрия. Среди многих способов химического распознавания колориметрические методики сохраняют свои преимущества, поскольку в них для преобразования сигнала можно использовать человеческий глаз вместо сложной аппаратуры.

Хотя в настоящее время существуют колориметрические датчики для широкого спектра анализируемых веществ, большинство из них основаны на использовании красителей и цветных химических индикаторов для обнаружения. Такие составы обычно имеют избирательный характер, а это значит, что необходимо иметь наборы таких веществ, чтобы обеспечить обнаружение различных классов соединений. Кроме того, многие из этих систем имеют ограничения по сроку службы вследствие выцветания и нежелательных побочных реакций. Другие системы оптического опознавания, такие как поверхностный плазменный резонанс и спектральная интерферометрия, требуют значительных аппаратных средств преобразования сигнала для получения отклика и, таким образом, непригодны для простой визуальной индикации.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение характеризуется новыми многослойными пленками для колориметрических датчиков. Обычно пленки состоят из яркого цветного многослойного интерференционного фильтра, оттенок которого смещается под действием анализируемого вещества. Многослойная структура обеспечивает универсальную основу для включения в него множества химических веществ, способных обнаруживать широкий спектр частиц. Пленки являются гибкими и надежными и могут быть выполнены с возможностью давать быстрый, обратимый (или, в некоторых случаях, постоянный) отклик. Таким образом, они хорошо подходят для применения в указанных выше областях.

Колориметрические датчики настоящего изобретения могут содержать отражающий слой, слой обнаружения поверх отражающего слоя и полуотражающий слой поверх слоя обнаружения. В колориметрических датчиках настоящего изобретения могут также присутствовать дополнительные слои, если эти дополнительные слои не оказывают отрицательного влияния на способность датчика обнаруживать данное анализируемое вещество. Дополнительные слои, при их наличии, могут присутствовать между любыми вышеуказанными слоями (то есть между отражающим слоем, слоем обнаружения и полуотражающим слоем) и(или) с любой стороны отражающего слоя и(или) полуотражающего слоя.

Для создания колориметрических датчиков по настоящему изобретению можно использовать слои различной конфигурации и из различных материалов. Например, отражающий слой колориметрического датчика может быть практически непрерывным слоем или прерывистым слоем и может содержать один или несколько отдельных слоев. Слой обнаружения может содержать один или несколько слоев, содержащих (i) по меньшей мере один полимерный компонент, (ii) по меньшей мере один неорганический компонент или (iii) сочетание (i) и (ii). Кроме того, подобно отражающему слою, полуотражающий слой может быть практически непрерывным слоем или прерывистым слоем и может содержать один или несколько отдельных слоев. Конструкция и состав колориметрических датчиков по настоящему изобретению меняются в зависимости от ряда факторов, в том числе, в частности, от интересующего анализируемого вещества или веществ, от среды, содержащей анализируемое вещество или вещества, и от требуемой чувствительности датчика.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на колориметрический датчик для определения наличия и(или) концентрации анализируемого вещества, содержащий практически непрерывный отражающий слой; слой обнаружения поверх отражающего слоя, причем слой обнаружения содержит по меньшей мере один полимерный компонент, при этом указанный слой обнаружения способен менять оптическую толщину под воздействием указанного анализируемого вещества; и практически непрерывный полуотражающий слой поверх слоя обнаружения, причем показатель преломления полуотражающего слоя отличается от показателя преломления слоя обнаружения, при этом по меньшей мере часть полуотражающего слоя является проницаемой для указанного анализируемого вещества.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение направлено на колориметрический датчик для определения наличия и(или) концентрации анализируемого вещества, содержащий практически непрерывный отражающий слой; слой обнаружения поверх отражающего слоя, причем слой обнаружения содержит по меньшей мере один полимерный компонент; и практически непрерывный полуотражающий слой поверх слоя обнаружения, причем показатель преломления полуотражающего слоя отличается от показателя преломления слоя обнаружения, при этом указанный датчик способен менять цвет под воздействием указанного анализируемого вещества.

В еще одном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на колориметрический датчик для определения наличия и(или) концентрации анализируемого вещества, причем колориметрический датчик содержит практически непрерывный отражающий слой; слой обнаружения поверх отражающего слоя, причем слой обнаружения содержит (i) по меньшей мере один полимерный компонент, (ii) по меньшей мере один неорганический компонент или (iii) одновременно (i) и (ii); и практически непрерывный полуотражающий слой поверх слоя обнаружения, причем показатель преломления полуотражающего слоя отличается от показателя преломления слоя обнаружения, и полуотражающий слой является проницаемым для указанного анализируемого вещества, при этом указанный датчик способен менять цвет под воздействием указанного анализируемого вещества.

В следующем варианте осуществления настоящее изобретение направлено на колориметрический датчик для определения наличия и(или) концентрации анализируемого вещества, причем колориметрический датчик содержит отражающий слой; слой обнаружения поверх отражающего слоя; прерывистый полуотражающий слой поверх слоя обнаружения, причем показатель преломления полуотражающего слоя отличается от показателя преломления слоя обнаружения, при этом указанный датчик способен менять цвет под воздействием указанного анализируемого вещества. В этом варианте осуществления датчик желательно имеет по меньшей мере одну из следующих характеристик: (а) прерывистый полуотражающий слой содержит единственный слой из полуотражающих островков, имеющих по меньшей мере одно измерение больше 10 мкм и подвергаемых воздействию области между полуотражающими островками, причем указанные подвергаемые воздействию области имеют ширину по меньшей мере 1,0 мкм; (b) прерывистый полуотражающий слой содержит единственный слой из полуотражающих островков, а слой обнаружения содержит углубления, уходящие вглубь слоя обнаружения; (с) прерывистый полуотражающий слой содержит единственный слой из полуотражающих островков, а слой обнаружения содержит по меньшей мере один неорганический компонент либо только его, либо в сочетании с по меньшей мере одним полимерным компонентом; (d) слой обнаружения содержит по меньшей мере один неорганический компонент, причем указанный по меньшей мере один неорганический компонент (i) смешан по меньшей мере с одним полимерным компонентом, (ii) находится в данном слое, содержащем по меньшей мере один полимерный компонент, но не смешан с этим по меньшей мере одним полимерным компонентом, (iii) находится в слое, отделенном от слоя, содержащего по меньшей мере один полимерный компонент, или (iv) представляет собой любое сочетание (i)-(iii); и (е) слой обнаружения содержит по меньшей мере два различных полимерных компонента, причем полимерные компоненты (1) смешаны друг с другом, (2) находятся в данном слое, но не смешаны друг с другом, (3) находятся в слое, отделенные друг от друга, или (4) находятся в любом сочетании (1)-(3).

Далее, настоящее изобретение направлено на матрицу датчиков. Один или несколько одинаковых или различных колориметрических датчиков могут сочетаться в виде матрицы датчиков, способных выдавать пользователю составной сигнал под воздействием одного или нескольких анализируемых веществ. Такие составные сигналы могут предоставлять дополнительную информацию, например, о природе чистого анализируемого вещества или смеси анализируемых веществ по сравнению с сигналом, выдаваемым единственным колориметрическим датчиком.

Далее, настоящее изобретение направлено на устройство, содержащее колориметрический датчик и источник света, корпусной элемент или их сочетание.

Настоящее изобретение направлено также на способ обнаружения наличия или отсутствия анализируемого вещества, содержащий этапы, на которых: предоставляют колориметрический датчик (или матрицу датчиков), как описано выше; предоставляют источник света, вводят датчик (или матрицу датчиков) в контакт со средой, которая может содержать анализируемые вещества, и следят за изменением оптических свойств датчика (или матрицы датчиков).

В настоящем изобретении термины используются в следующих значениях:

«анализируемое вещество» означает определенный компонент, который обнаруживают при химическом или биохимическом анализе;

«изменение размера» означает изменение расстояния в направлении, перпендикулярном поверхности слоя обнаружения;

«пористый материал» означает материал, содержащий непрерывную сеть пор во всем его объеме;

«отражающий» означает полуотражающий или полностью отражающий;

«полуотражающий» означает не полностью отражающий и не полностью пропускающий, предпочтительно отражающий от примерно 30 до примерно 70%, более предпочтительно отражающий от примерно 40 до примерно 60%;

«практически непрерывный» означает, что слой материала не имеет пор, но может иметь трещины, зернистые границы и другие структуры, которые создают проходы сквозь слой материала. «Практически непрерывный» слой может не иметь пор, но быть проницаемым для одного или нескольких анализируемых веществ.

«Прерывистый» означает слой материала, имеющий по меньшей мере два отдельных и обособленных островка с пустым пространством между ними, причем эти по меньшей мере два отдельных и обособленных островка с пустым пространством между ними находятся в данной плоскости.

Преимущество по меньшей мере одного варианта осуществления настоящего изобретения состоит в том, что многослойные пленки для датчиков могут быть выполнены таким образом, что водяной пар не вызывает изменения оптических свойств.

Другое преимущество по меньшей мере одного варианта осуществления настоящего изобретения состоит в том, что пленки могут быть легко обработаны. Отражающие слои могут быть нанесены посредством испарительного или вакуумного напыления, тогда как слой обнаружения может быть нанесен посредством покрытия растворителем, плазменного напыления или покрытия осаждением из паров (как описано в патенте США №5877895).

Еще одно преимущество по меньшей мере одного варианта осуществления настоящего изобретения состоит в том, что изменение внешнего вида датчика может быть спроектировано обратимым или постоянным.

Другие признаки и преимущества изобретения будут ясны из нижеследующих чертежей, подробного описания и формулы.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображена типичная многослойная пленка по настоящему изобретению.

На фиг.2 изображена типичная многослойная пленка по настоящему изобретению, содержащая слой обнаружения, который меняется по толщине от одного места к другому.

На фиг.3 изображена типичная многослойная пленка по настоящему изобретению, имеющая практически непрерывный полуотражающий слой и углубления в слое обнаружения.

На фиг.4 изображена типичная многослойная пленка по настоящему изобретению, имеющая прерывистый полуотражающий слой.

На фиг.5A-5F изображены виды спереди типичной матрицы датчиков из многослойной пленки настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Многослойные колориметрические пленки для датчиков по настоящему изобретению могут содержать цветные пленки, содержащие по меньшей мере один полимерный слой обнаружения между отражающим и полуотражающим слоями, которые оба могут быть металлическими слоями. Эти многослойные пленки обеспечивают общее средство для визуального преобразования сигнала. Пленки действуют в качестве интерференционного фильтра и таким образом могут быть яркого цвета из-за отражения определенных длин волн в видимом диапазоне. Окраска пленок для датчиков сильно зависит от толщины каждого слоя в стопке.

Общий вид многослойной пленки для датчиков по настоящему изобретению приведен на фиг.1. В общем типичный датчик 10 из многослойной пленки содержит (необязательную) подложку 12, отражающий слой 14, слой обнаружения 16 и полуотражающий слой 18.

Пленки для датчиков можно использовать для определения наличия и(или) концентрации анализируемого вещества или смеси анализируемых веществ. Анализируемым веществом может быть газ (например, пар) или жидкость. Анализируемым веществом может быть молекула, макромолекула, биомолекула или биомакромолекула. Анализируемое вещество может присутствовать в газообразной среде (например, в воздухе) или в жидкой среде (например, в воде и других жидкостях). Обычно анализируемое вещество является органическим материалом.

По меньшей мере в одном варианте осуществления анализируемое вещество обнаруживают по изменению оптической толщины полимера, содержащего слой обнаружения, после воздействия анализируемого вещества. Анализируемое вещество проходит через внешний полуотражающий слой и изменяет оптическую толщину слоя обнаружения. В одном варианте осуществления анализируемое вещество поглощается в по меньшей мере части слоя обнаружения. После поглощения изменение цвета (зачастую яркого) может указывать на наличие анализируемого вещества.

Изменение в оптической толщине обычно наблюдается в диапазоне видимого света и может быть обнаружено невооруженным человеческим глазом. Однако могут быть разработаны датчики, которые показывают изменение оптической плотности, когда на них воздействуют другие источники света, например, работающие в ультрафиолетовом, инфракрасном и ближнем инфракрасном диапазоне. Могут применяться различные механизмы обнаружения. Примеры подходящих механизмов обнаружения включают в себя спектрофотометры, волоконно-оптические спектрофотометры и фотодетекторы, например приборы с зарядовой связью (ПЗС), цифровые фотоаппараты и т.д.

В другом варианте осуществления анализируемое вещество обнаруживают, когда его наличие вызывает отслаивание слоя обнаружения от смежного слоя. Как правило, отслаивание происходит, когда анализируемое вещество увлажняет границу контакта между слоем обнаружения и смежным слоем, тем самым уменьшая сцепление на границе контакта. Когда происходит отслаивание, оптическая интерференция нарушается, и датчик утрачивает воспринимаемый цвет. Наличие анализируемого вещества может также вызывать выпотевание одного или нескольких полимеров в слое обнаружения от смежного слоя. Этот процесс, который включает в себя изменения формы слоя обнаружения, у которого сокращается граница контакта со смежными слоями, вызывает дефекты в материале, который непрерывно изменяет оптические свойства пленки для датчика.

Подложка

Подложка является необязательным элементом, но, при ее наличии, она может содержать любой подходящий материал, способный служить основанием для колориметрического датчика. Подложка может быть гибкой и негибкой. Материал подложки может быть выбран в зависимости от применения. Предпочтительно, он должен подходить для использования в процессе вакуумного напыления.

Отражающий слой

Отражающий слой может содержать любой материал, который способен образовывать полностью отражающий или полуотражающий слой. Предпочтительно, чтобы материал был полностью отражающим при толщине от примерно 20 до примерно 200 нм. Более тонкие слои могут использоваться для того, чтобы сделать отражающий слой полуотражающим. Хотя отражающий слой обычно делают более отражающим, чем полуотражающий слой, иногда желательно, чтобы отражательная способность отражающего слоя и полуотражающего слоя была одинаковой, чтобы реакцию на наличие анализируемого вещества можно было видеть с любой стороны пленки для датчика.

Подходящие материалы для отражающего слоя включают в себя металлы или полуметаллы типа алюминия, хрома, золота, никеля, кремния и серебра. Другие подходящие материалы, которые могут содержаться в отражающем слое, включают в себя оксиды металлов, например оксид хрома и оксид титана.

В некоторых примерных вариантах осуществления настоящего изобретения отражающий слой является по меньшей мере примерно на 90% отражающим (то есть по меньшей мере примерно на 10% пропускающим), а в некоторых вариантах осуществления примерно на 99% отражающим (то есть примерно на 1% пропускающим). В других примерных вариантах осуществления настоящего изобретения отражающий слой является полуотражающим слоем, причем отражающий слой является по меньшей мере примерно на 20% отражающим, например отражающим от примерно 20 до примерно 90% или отражающим от примерно 30 до примерно 70%.

В некоторых вариантах осуществления отражающий слой играет также роль подложки, обеспечивая основу датчика. Отражающий слой может быть практически непрерывным слоем или прерывистым слоем. Кроме того, отражающий слой может содержать один или несколько отражающих слоев. Желательно, чтобы отражающий слой содержал единственный отражающий слой.

Слой обнаружения

Слой обнаружения может содержать один или несколько полимеров или сополимеров. В большинстве вариантов осуществления слой обнаружения содержит по меньшей мере один полимер, оптическая толщина которого изменяется под воздействием анализируемого вещества. Изменение оптической толщины может быть вызвано изменением размеров, например изменением физической толщины полимера из-за расширения или сжатия или изменением показателя преломления слоя обнаружения из-за наличия или химической реакции анализируемого вещества. Слой обнаружения может менять один цвет на другой, меняться с цветного на бесцветный или меняться с бесцветного на цветной.

Подобно отражающему слою, слой обнаружения может содержать один или несколько слоев. Слой обнаружения может также содержать два или несколько подслоев. Один или несколько подслоев могут быть прерывистыми или узорчатыми. Подслои обычно содержат различные полимерные материалы и могут абсорбировать различные анализируемые вещества и(или) могут обладать различной степенью чувствительности к одному или нескольким анализируемым веществам. Подслои могут иметь различные конфигурации. Например, подслои могут быть наложены один на другой, образуя стопку из двух или большего количества слоев, или могут располагаться бок о бок в одном слое.

Слой обнаружения может содержать узор, чтобы при воздействии анализируемого вещества создавать цветные изображения, слова или сообщения. Узор подслоя может состоять из одной или нескольких частей, которые реагируют на определенное анализируемое вещество, и одной или нескольких частей, которые не реагируют на то же самое анализируемое вещество. В альтернативном варианте узор из реагирующего материала может быть нанесен на нереагирующий подслой большего размера. В этом случае предпочтительно делать узорчатый слой очень тонким, чтобы до абсорбции анализируемого вещества не наблюдалось никакого различия в оптической толщине. Узор может представлять собой легко опознаваемое предупреждение пользователю при воздействии анализируемого вещества.

Узор на толщину слоя обнаружения может быть нанесен так, как описано в патенте США №6010751. Может быть желательно выполнить датчик таким образом, чтобы присутствие анализируемого вещества заставляло слой обнаружения расширяться или сжиматься, что приводит к исчезновению узора (например, когда более тонкая часть расширяется до той же толщины, что и более толстая часть) или проявлению узора (например, когда одна часть сжимается до меньшей толщины, чем соседняя часть). Узоры можно также сделать проявляющимися в том случае, когда первоначально более тонкие и более толстые области имеют одинаковый цвет, но под воздействием одного или нескольких анализируемых веществ тонкая или толстая область либо обе сразу расширяются, приобретая различные оттенки.

Слой обнаружения может содержать смесь полимерных компонентов. Смесь может быть гомогенной или гетерогенной. Смесь полимерных компонентов в слое обнаружения может позволить обнаруживать большое количество анализируемых веществ при помощи относительно небольшого датчика. В одном примерном варианте осуществления настоящего изобретения слой обнаружения содержит по меньшей мере два различных полимерных компонента, причем полимерные компоненты (1) смешаны друг с другом, (2) находятся в одном слое, но не смешаны друг с другом (то есть расположены бок о бок), (3) находятся в слое, отделенные друг от друга (то есть в стопке) или (4) в любом сочетании (1)-(3).

Слой обнаружения может быть пористым. Иначе говоря, слой обнаружения может содержать непрерывную сеть пор во всем объеме. В результате может резко повыситься чувствительность обнаружения из-за увеличения площади поверхности, подвергаемой воздействию анализируемого вещества и(или) склонности пор конденсировать парообразные анализируемые вещества. Пористость можно получить посредством применения пористых материалов, например вспененных материалов, изготовленных из эмульсий в высокодисперсной фазе типа тех, что описаны в документе WO 01/21693, для образования слоя обнаружения. Пористость можно также получить посредством вспенивания двуокиси углерода для создания двунепрерывного, нанопористого материала (см. «Macromolecules», 2001, vol.34, p.8792-8801) или посредством нанофазного разделения смесей полимеров (см. «Science», 1999, vol.283, p.520). В общем, диаметр пор должен быть меньше длины волны источника света, используемого в процессе обнаружения. Как правило, желательно иметь поры в слое обнаружения со средним размером 10 нм или менее.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения полимеры, обладающие естественной микропористостью, или PIM, также могут использоваться для создания слоя обнаружения. В настоящем описании термином «полимеры, обладающие естественной микропористостью», или «PIM», называются несетчатые полимеры, которые образуют микропористые твердые частицы благодаря жесткой и искаженной молекулярной структуре. Из-за своей молекулярной структуры PIM не способны эффективно заполнять пространство, что ведет к микропористой структуре (например, структура, которая обычно содержит поры, имеет средний размер пор меньше, чем примерно 2 нм). Подходящими полимерами с естественной микропористостью (PIM) являются, в частности, полимеры, раскрытые в статье «Polymers of intrinsic microporosity (PIMs): robust, solution-processable, organic nanoporous materials» («Полимеры с внутренней микропористостью (PIM): надежные, обрабатываемые растворами органические нанопористые материалы»), Budd et al., Chem. Commun., 2004, p.230-231, содержание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.

Один или несколько полимеров в слое обнаружения могут быть по меньшей мере частично сшитыми. Сшивание может быть желательно в некоторых вариантах осуществления, потому что оно может повысить механическую устойчивость и чувствительность к определенным анализируемым веществам. Сшивание можно обеспечить посредством включения одного или нескольких многофункциональных мономеров в слой обнаружения или обработки слоя обнаружения, например, электронным пучком или гамма-лучами. В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения сшивание осуществляют в присутствии порообразователя, который можно впоследствии извлечь из сшитой системы с образованием пористого слоя обнаружения. В качестве подходящих порообразователей можно использовать, в частности, инертные органические молекулы, например нормальные алканы (например, декан) или ароматические соединения (например, бензол, толуол).

Для многих применений желательно, чтобы полимер или сополимер был гидрофобным. В этом случае снижается вероятность того, что водяной пар (или жидкая вода) вызовет изменение оптической толщины полимера и помешает обнаружению анализируемого вещества, например обнаружению паров органического растворителя.

Для обнаружения паров органического растворителя можно использовать, в частности, такие полимерные материалы, как полимеры и сополимеры (включая блок-сополимеры), изготовленные из классов мономеров, включающих в себя гидрофобные акрилаты и метакрилаты, дифункциональные мономеры, виниловые мономеры, углеводородные мономеры (олефины), силановые мономеры и фторсодержащие мономеры.

В качестве примеров гидрофобных акрилатов и метакрилатов можно привести, в частности, n-алкил(мет)акрилаты, имеющие алкильные группы -С_хН_2хСН₃, где х равно от 1 до примерно 17, метил(мет)акрилат, изодецил(мет)акрилат, 2-этилгексил(мет)акрилат, циклогексил(мет)акрилат, n-децил(мет)акрилат, n-бутил(мет)акрилат, изооктил(мет)акрилат, изопропил(мет)акрилат, лаурил(мет)акрилат, этил(мет)акрилат, адамантил(мет)акрилат, t-бутил(мет)акрилат, 2-феноксиэтил(мет)акрилат, изобомил(мет)акрилат и поли(диметилсилоксан)моно(мет)акрилат.

В качестве примеров многофункциональных мономеров можно привести, в частности, дивинилбензол, этиленгликоль ди(мет)акрилат, диэтиленгликоль ди(мет)акрилат, триэтиленгликоль ди(мет)акрилат, тетраэтиленгликоль ди(мет)акрилат, трипропиленгликоль ди(мет)акрилат, полиэтиленгликоль ди(мет)акрилат, 1,6-гексанэдиолди(мет)акрилат, триметилолпропан ди(мет)акрилат, неопентилгликоль ди(мет)акрилат, N,N-метиленебис(мет)акриламид, поли(диметилсилоксан)ди(мет)акрилат, поли(этиленгликоль)ди(мет)акрилат, диаксилаты, например, имеющиеся в продаже от компании UCB Chemicals под товарным знаком «IRR 214», пентаэритритол три - и тетраакрилат и триметилолпропан три(мет)акрилат.

Примеры виниловых мономеров включают в себя, в частности, стирол, метилстирол, винилацетат, винилбутират, винилстеарат, винилхлорид и винилнорборнен.

Примеры углеводородных мономеров (олефинов) включают в себя, в частности, изобутилен, этилен, пропилен, бутадиен и норборнен.

Примеры силановых мономеров включают в себя, в частности, органогидросиланы, алкоксисиланы, феноксисиланы и фторалкоксисиланы.

Примеры фторсодержащих мономеров включают в себя, в частности, тетрафторэтилен, фторид винилидена, гексафторпропилен и перфторалкил(мет)акрилаты.

Для обнаружения в растворе, обнаружения высокополярных анализируемых веществ и(или) использования в матрицах датчиков полимерные материалы, подходящие для слоя обнаружения, включают в себя, в частности, полимеры и сополимеры (включая блок-сополимеры), приготовленные из классов мономеров, включающих в себя гидроксилированные мономеры, акриламиды, ангидриды, функционализированные альдегидами мономеры, функционализированные аминами и солями аминов мономеры, функционализированные кислотами мономеры, функционализированные эпоксидами мономеры, виниловые мономеры, перечисленные выше многофункциональные мономеры и другие полимеры.

Примеры гидроксилированных мономеров включают в себя, в частности, гидроксиалкил(мет)акрилаты, гидроксиэтил(мет)акрилат и гидроксиметил(мет)акрилат.

Примеры акриламидов и акрилонитрилов включают в себя, в частности, (мет)акриламид, N-изопропил(мет)акриламид, N,N-диметил(мет)акриламид и (мет)акрилонитрил.

Примеры ангидридов включают в себя, в частности, (мет)акриловый ангидрид и малеиновый ангидрид.

Примеры функционализированных альдегидами мономеров включают в себя, в частности, акролеин.

Примеры функционализированных аминами или солями аминов мономеров включают в себя, в частности, t-бутиламиноэтил(мет)акрилат, диизопропиламиноэтил(мет)акрилат, диметиламиноэтил(мет)акрилат, винилпиридин, соль диметиламиноэтил(мет)акрилатметила хлорида, аминостирол, 4-аминостирол и винилимидазол.

Примеры функционализированных кислотами мономеров включают в себя, в частности, (мет)акриловую кислоту, карбоксиэтил(мет)акрилат, соли металлов (мет)акриловой кислоты, стиролсульфокислоту, мономеры, продаваемые компанией UCB Chemicals под торговым обозначением «EBECRYL 170» от компании UCB Chemicals, винилфосфоновую кислоту и винилсульфоновую кислоту.

Примеры функционализированных эпоксидами мономеров включают в себя, в частности, глицидил(мет)акрилат.

Примеры виниловых мономеров включают в себя, в частности, N-винилпирролидон, винилдиметилазаластон (VDM), 1,1-дихлорэтилен, виниловый спирт и винилфенол.

Примеры других полимеров включают в себя, в частности, поли(этиленоксид), поли(капролактон), поли(сульфон), поли(этиленгликоль), поли(уретаны), поли(карбонат), поли(этиленимин), поли(виниловый спирт), поли(винилфенол), этилцеллюлоза, фторполиол, сложные полиэфиры, полиамиды, полиимиды и полиацетали. Полимерные компоненты слоя обнаружения могут также включать в себя соответствующие функциональные группы или молекулярные рецепторы, включенные для обнаружения определенных анализируемых веществ. Например, функционализированные кислотой полимеры, такие как поли(акриловая кислота), обеспечивают обнаружение органических оснований, таких как аммиачный газ. Включение металлических комплексов, таких как металлопорфирины, в слой обнаружения обеспечивает обнаружение лигирующих образцов, таких как фосфины или меркаптаны. Подходящие молекулярные рецепторы включают в себя, в частности, каликсарены, циклодекстрины, дендритные полимеры, углеродные нанотрубки, аза-краун структуры, краун-эфиры, анионные хелатообразующие вещества, содержащие функциональную группу кислоты Льюиса, органометаллические комплексы металлов, порфирины, металлопорфирины, пептиды, гликопептиды, протеины, антитела, ферменты, олигонуклеотиды и нуклеиновые кислоты.

В следующем варианте осуществления настоящего изобретения слой обнаружения содержит один или несколько неорганических материалов, либо только их, либо в сочетании с одним или несколькими вышеописанными полимерными материалами. В одном примерном варианте осуществления настоящего изобретения слой обнаружения содержит один или несколько неорганических материалов без полимерного материала. В еще одном примерном варианте осуществления слой обнаружения содержит один или несколько неорганических материалов в сочетании с одним или несколькими вышеописанными полимерными материалами. В вариантах осуществления, содержащих как неорганический материал, так и полимерный материал, неорганические материалы могут присутствовать в отдельном слое внутри слоя обнаружения или могут быть перемешаны с полимерными материалами, образуя единый слой. Кроме того, неорганические материалы могут присутствовать в отдельном слое внутри слоя обнаружения, отделенном от одного или нескольких полимерных слоев, (то есть присутствовать в стопке из полимерных слоев и неорганических слоев) или могут находиться внутри единственного слоя вместе, но не быть перемешанными с полимерным материалом (то есть располагаться «бок о бок», когда имеется отдельная часть неорганического материала и отдельная часть полимерного материала).

Неорганические материалы, подходящие для использования в слое обнаружения, включают в себя, в частности, прозрачные и пористые оксиды металлов, нитриды и оксинитриды соответствующей толщины для создания цвета при помощи оптической интерференции. Конкретные примеры подходящих неорганических материалов включают в себя, в частности, оксиды кремния, нитриды кремния, оксинитриды кремния, оксиды алюминия, оксиды титана, нитрид титана, оксинитрид титана, оксиды олова, оксиды циркония и их сочетания. Другие неорганические материалы, такие как цеолиты, также подходят для использования в слое обнаружения. Желательно, чтобы неорганический материал был указанным выше пористым материалом.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения неорганические материалы используются в качестве «материалов, сорбирующих анализируемое вещество» и «материалов, реагирующих на анализируемое вещество» в слое обнаружения. В этом варианте осуществления неорганические материалы, например, указанные выше, могут использоваться самостоятельно или могут использоваться в качестве базовой подложки, с которой связаны группы, реагирующие на анализируемое вещество или сорбирующие анализируемое вещество. Например, в слое обнаружения могут быть распределены дисперсные оксиды, нитриды и(или) оксинитриды металлов, с которыми связано органосилановое соединение.

Включив в слой обнаружения соответствующие химические вещества или вещества, являющиеся рецепторами анализируемых веществ, можно создать датчики для широкого спектра анализируемых веществ в растворе. Либо при начальном нанесении, либо в ходе последующей функционализации нанесенных материалов молекулы рецептора, такие как пептиды или антитела, могут потенциально быть ковалентно связаны с полимером. Таким образом можно создать биодатчики для избирательного обнаружения бактерий, белков, ионов и т.д.

Слой обнаружения может иметь любую требуемую полную толщину. Желательно, чтобы полная толщина слоя обнаружения была больше примерно 50 нм, например находилась в диапазоне от примерно 100 до примерно 1000 нм. В одном варианте осуществления толщина слоя обнаружения является практически одинаковой по всему слою обнаружения. См., например, слой 16 обнаружения на фиг.1. В других вариантах осуществления настоящего изобретения толщина слоя обнаружения меняется от первого места слоя обнаружения до одного или нескольких других мест слоя обнаружения. В любом случае полуотражательный слой, накладываемый на слой обнаружения, может быть наложен таким образом, чтобы соответствовать изменениям толщины слоя обнаружения.

На фиг.2 приведен пример датчика по настоящему изобретению, содержащего слой обнаружения, который изменяется по толщине от одного места к другому. Как показано на фиг.2, датчик 20 содержит (необязательную) подложку 22, отражающий слой 24, слой 26 обнаружения и полуотражающий слой 28. Слой 26 обнаружения имеет первую толщину t_26a в первом месте 26а, вторую толщину t_26b во втором месте 26b и третью толщину t_26c в третьем месте 26 с.Хотя в примере датчика 20 толщина слоя 26 обнаружения изменяется по всему слою 26 обнаружения, толщина полуотражающего слоя 28 остается практически постоянной.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения слой обнаружения содержит одно или несколько «углублений», расположенных в слое обнаружения. В настоящем документе термин «углубления» используется для описания отверстий, бороздок, каналов или каких-либо других пустот (отличных от пор) в слое обнаружения. В отличие от пор углубления не образуют непрерывной сети во всем объеме слоя обнаружения. Как правило, углубления идут от верхней поверхности слоя обнаружения (то есть ниже полуотражающего слоя) вглубь слоя обнаружения на заданную глубину. Обычно по меньшей мере один из размеров углублений (то есть длина, ширина или диаметр) меньше примерно 10 нм; однако в настоящем изобретении могут использоваться углубления любого размера. В одном желательном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один размер углубления (то есть длина, ширина или диаметр) находится в пределах от примерно 1,0 до примерно 10 нм, более желательно, примерно 5 нм. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один размер углублений (например, ширина) находится в пределах от примерно 1,0 до примерно 1