Композиция материалов сенсоров для определения химических соединений при следовых концентрациях и способ использования сенсоров

Композиция материалов сенсоров для определения химических соединений при следовых концентрациях и способ использования сенсоров

Иллюстрации

Показать все

Реферат

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ссылка к родственной заявке

Настоящая заявка заявляет приоритет согласно 35 U.S.C. §119(e) заявки на патент США № 11/259 506, озаглавленной MATERIAL COMPOSITIONS FOR SENSORS FOR DETERMINATION OF CHEMICAL SPECIES AT TRACE CONCENTRATION AND METHOD OF USING SENSORS, и заявки на патент США № 11/259 712, озаглавленной SELF-CONTAINED PHOSPHATE SENSORS AND METHOD FOR USING SAME, каждая из которых подана 26 октября 2005 года.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к сенсорам, используемым в оптическом анализе образцов, и, в частности, относится к композиции материалов сенсоров и к способам измерения следовых концентраций химических соединений, использующим сенсоры.

Описание уровня техники

Из уровня техники известны сенсорные способы и сенсорные пленки для количественного определения летучих и нелетучих соединений в жидкостях. Обычно количественное определение данных параметров проводят, используя специально предназначенные сенсорные системы, которые конкретно разработаны для данной цели. Данные сенсорные системы работают с использованием различных принципов, включая электрохимические, оптические, акустические и магнитные. Например, сенсорные системы используют для проведения оптического контроля биологических, химических и биохимических образцов. Были разработаны различные спектроскопические сенсоры, работающие с колориметрическими жидкими и твердыми реагентами. Фактически, спектрофотометрические индикаторы в аналитической химии были выбраны в качестве реагентов во многих коммерчески имеющихся оптических сенсорах и зондах.

Оптические сенсоры обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами сенсоров, причем наиболее важным является их широкий диапазон принципов преобразования: оптические сенсоры могут откликаться на анализируемые вещества, для которых нет других сенсоров. Кроме того, используя оптические сенсоры можно осуществить не только ″прямое″ определение анализируемого вещества, при котором измеряют спектроскопические характеристики анализируемого вещества, но также ″косвенное″ определение анализируемого вещества, при котором применяют чувствительный реагент. При взаимодействии с соединениями анализируемого вещества изменению подвергаются оптические свойства такого реагента, например упругое или неупругое рассеяние, поглощение, интенсивность люминесценции, время жизни люминесценции или вид поляризации. В значительной степени, данный вид косвенного определения объединяет химическую селективность с преимуществом, предлагаемым спектроскопическим измерением, и может часто преодолеть иные эффекты, причиняющие затруднения.

Поскольку спектрофотометрические индикаторы были первоначально разработаны для водных применений, их иммобилизация на твердый носитель является ключевым моментом для их применения при оптических измерениях. Полимерные материалы для оптических сенсоров на реагентной основе часто являются сложными многокомпонентными рецептурами. Ключевые ингредиенты рецептуры включают химически чувствительный реагент (индикатор), полимерную матрицу, вспомогательные второстепенные добавки и общий растворитель или смесь растворителей. Однако является трудным предсказать наилучшую рецептуру сенсорного материала для получения конкретной желаемой функциональности.

Например, фосфат является часто анализируемым веществом при очистке воды. Анализ на фосфаты также является обычным при мониторинге окружающей среды, в клинической диагностике и в других промышленных местах, таких как горные работы и металлургические процессы. Для анализа фосфата обычно используют оптические сенсоры.

Обычно используемый оптический метод определения фосфата представляет собой метод с использованием молибденового голубого. Основной механизм метода с использованием молибденового голубого включает образование гетерополикислоты (ГПК) в результате реакции ортофосфата с молибдатом. Образуется молибденовая кислота, и затем она восстанавливается с использованием восстановителя при кислотных условиях, приводя к возникновению окраски. Также известно несколько других методов анализа фосфата в водном растворе, основанных на химии ГПК. Они включают метод ванадомолибденофосфорной кислоты, метод хлорида молибдена-двухвалентного олова и метод комплекса катионный краситель-ГПК. Метод ГПК может быть колориметрическим, то есть изменение цвета сенсора возникает после контакта с анализируемым веществом, и/или он может быть фотометрическим, то есть поддающееся измерению изменение в оптическом свойстве сенсора возникает после контакта с анализируемым веществом.

Известные фотометрические методы анализа фосфата, основанные на образовании ГПК, требуют сильнокислой среды, делая необходимым использование концентрированных растворов серной кислоты в рецептурах сенсоров. В случае метода комплекса катионный краситель-ГПК обычно используют трифенилметановые красители. Полоса поглощения растворов трифенилметана при нейтральном рН обычно перекрывается с полосой комплекса краситель-ГПК. Таким образом, значение рН тестируемой среды для определения фосфата должно контролироваться ниже рН перехода тестируемой среды красителя, чтобы обнаружить изменение поглощения вследствие образования комплекса краситель-ГПК. Известные фотометрические методы имеют несколько недостатков, включая требование коррозионных и токсичных реагентов и, в случае комплекса катионный краситель-ГПК, сильно зависят от рН.

Помеха из-за силикатов является другим недостатком методов ГПК, используемых для анализа фосфатов. Известно, что 3 ч./млн силиката в образце воды мешают методу катионный краситель-ГПК. Известно, что обычно используемый метод молибденового голубого допускает концентрации силиката только до 10 ч./млн. Силикаты являются повсеместными в природной воде, и, следовательно, становится трудно определить низкие концентрации фосфата в данных случаях из-за помех, создаваемых силикатами.

Более того, реагенты, применяемые в известных фотометрических методах, обычно являются несовместимыми, что приводит к поэтапному подходу к определению фосфата. Образец добавляют в реактор (или ограниченное место) с уже существующими реагентами и затем воздействуют на него отдельно хранимым восстановителем. Данная нестабильность и отсутствие химической совместимости реагентов препятствует однореакторному подходу, таким образом, ограничивая разработку автономных сенсоров.

Для удобного и эффективного использования сенсоров в качестве применяемых на месте тестирующих устройств необходимы автономные твердые сенсоры. Поскольку оптические индикаторы были изначально разработаны для водных применений, их иммобилизация в твердом носителе является ключевой проблемой для их использования в оптических измерениях. Несовместимость реагентов и требование низкого значения рН мешает данной иммобилизации. Кроме того, чувствительность твердотельных сенсоров к низким концентрациям также является проблемой. Например, в патенте США № 5858797 описана основанная на химии молибденового голубого полоска для тестирования фосфата, чувствительная к концентрации фосфата только выше 6 ч./млн. Более того, реагент, представляющий собой молибденовый голубой, и восстановитель необходимо осадить отдельными слоями, чтобы минимизировать проблемы стабильности реагентов.

Таким образом, существует необходимость в упрощенных сенсорах, которые можно легко использовать для осуществления оптического анализа многократных количественных проб и/или других биологических, химических и физических параметров окружающей среды с высокой воспроизводимостью, которые обладают улучшенной сенсорной селективностью, пониженным откликом на помехи, повышенной стабильностью и другими желаемыми параметрами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном аспекте изобретение относится к способу количественного измерения концентрации химического соединения, содержащегося в растворе образца, сенсорной пленкой. Способ включает приготовление гидрогелевой сенсорной пленки, имеющей химический состав, включающий индикатор, который изменяет свое оптическое свойство в ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасном спектральном диапазоне при воздействии на него химического соединения, содержащегося в растворе образца. Способ далее включает воздействие на пленку фиксированного количества раствора образца. Способ далее включает измерение поглощения пленкой при длине волны, близкой к максимуму пика поглощения (λmax) индикатора, с использованием оптического сканирующего оборудования. Способ также включает количественное определение концентрации химического соединения, содержащегося в растворе образца, с использованием среднего поглощения, измеренного для сенсорной пленки.

Другим аспектом изобретения является способ количественного измерения концентрации химического соединения, содержащегося в растворе образца, множеством сенсорных пленок. Способ включает приготовление множества гидрогелевых сенсорных пленок, которые изменяют свое оптическое свойство в ультрафиолетовой, видимой или ближней инфракрасной области при воздействии на них химического соединения, содержащегося в растворе образца, где химическая композиция, добавленная в гидрогелевые пленки, включает рН индикатор, поверхностно-активное вещество и кислоту. Способ также включает варьирование концентрации кислоты в каждой из множества пленок предварительно определенным образом. Способ также включает воздействие на пленки фиксированного количества раствора образца. Способ далее включает измерение поглощения пленок при длине волны рядом с максимумом пика поглощения (λmax) индикатора с использованием оптического сканирующего оборудования и количественное определение концентрации химического соединения, содержащегося в растворе образца, с использованием среднего поглощения, измеренного для сенсорных пленок.

В другом аспекте изобретение относится к сенсору, используемому при определении концентрации химического соединения в образце при следовых концентрациях. Сенсор включает гидрогелевую сенсорную пленку, включающую соль четвертичного аммония, соль четвертичного фосфония или соль четвертичного имидазолия, и индикатор. Индикатор меняет свое оптическое свойство в ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасном спектральном диапазоне при воздействии на него химического соединения, содержащегося в растворе образца. Индикатор иммобилизуют в гидрогелевой пленке посредством образования ионной пары с ионом четвертичного аммония, где концентрация соли четвертичного аммония существенно выше, чем стехиометрическое количество, требующееся для ионной пары.

В другом аспекте изобретение относится к сенсору, используемому при определении концентрации химического соединения в образце при следовых концентрациях. Сенсор включает гидрогелевую сенсорную пленку, включающую индикатор и добавку, которая увеличивает чувствительность сенсора к химическому соединению, где добавка представляет собой полимер и где сенсорную пленку готовят, растворяя гидрогель, индикатор и второй полимер в смеси общих растворителей. Индикатор меняет свое оптическое свойство в УФ, ультрафиолетовом, видимом или ближнем инфракрасном спектральном диапазоне при воздействии на него химического соединения, содержащегося в растворе образца.

Согласно другому аспекту изобретение относится к автономному сенсору на фосфат. Автономный сенсор на фосфат включает, по меньшей мере, один специфичный аналитический реагент и, по меньшей мере, один модификатор рН. Автономный сенсор на фосфат можно использовать в виде раствора или в виде твердотельного устройства. Также описывается способ определения концентрации фосфата в тестируемом образце с использованием автономного сенсора на фосфат.

Согласно другому аспекту специфичный аналитический реагент включает молибдатную соль и краситель и сульфоновую кислоту в качестве модификатора рН. Автономный сенсор на фосфат может дополнительно включать растворитель или может быть иммобилизован в полимерную матрицу.

Согласно другому аспекту специфичный аналитический реагент включает комплекс металла, краситель и сульфоновую кислоту в качестве модификатора рН. Автономный сенсор на фосфат может дополнительно включать неводный растворитель. Согласно дальнейшему аспекту специфичный аналитический реагент включает комплекс металла и краситель и амин в качестве модификатора рН. Автономный сенсор на фосфат может быть иммобилизован в полимерную матрицу.

Согласно одному варианту осуществления изобретения описан способ определения фосфата в тестируемом образце. Способ включает контакт образца с автономным сенсором на фосфат, описанным выше, измерение изменения оптического свойства указанного автономного сенсора на фосфат, полученного контактом тестируемого образца с автономным сенсором на фосфат; и преобразование изменения оптического свойства в концентрацию фосфата.

Настоящее изобретение и его преимущества над предшествующим уровнем техники станут очевидными при чтении следующего ниже подробного описания и прилагаемой формулы изобретения со ссылкой к сопровождающим чертежам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Вышеуказанные и другие характерные черты изобретения станут более очевидными и само изобретение будет лучше понято посредством ссылки к следующему ниже описанию вариантов осуществления изобретения, взятому совместно с сопровождающими чертежами, где:

ФИГ.1 представляет собой поперечный разрез автономного сенсора, размещенного в виде пленки на подложке, созданной в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.

ФИГ.2 представляет собой поперечный разрез автономного сенсора из ФИГ.1 в контакте с тестируемым образцом.

ФИГ.3 представляет собой поперечный разрез автономного сенсора из ФИГ.1 после контакта с тестируемым образцом, приводящим к изменению в оптическом свойстве сенсора на фосфат.

ФИГ.4 представляет собой ряд спектров при различных концентрациях фосфата для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего комплекс h-PBMP-Zn-PC фиолетовый в дованоле.

ФИГ.5 представляет собой ряд спектров при различных концентрациях фосфата для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего комплекс h-PBMP-Zn-PC фиолетовый в полимерной матрице.

ФИГ.6 представляет собой калибровочную кривую для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего комплекс h-PBMP-Zn-PC фиолетовый в дованоле, полученную графическим изображением поглощения при 650 нм в виде функции концентрации фосфата.

ФИГ.7 представляет собой ряд спектров при различных концентрациях фосфата для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего азур C и молибдатную соль в воде.

ФИГ.8 представляет собой калибровочную кривую для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего азур C и молибдатную соль в воде, полученную графическим изображением поглощения при 650 нм в виде функции концентрации фосфата.

ФИГ.9 представляет собой ряд спектров при различных концентрациях фосфата для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего азур B и молибдатную соль в воде.

ФИГ.10 представляет собой калибровочную кривую для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего азур B и молибдатную соль в воде, показывающего реакцию голубой-фиолетовый, полученную графическим изображением поглощения при 650 нм в виде функции концентрации фосфата.

ФИГ.11 представляет собой калибровочную кривую для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего бриллиантовый крезиловый синий и молибдатную соль в воде, полученную графическим изображением поглощения при 622 нм в виде функции концентрации фосфата.

ФИГ.12 представляет собой калибровочную кривую в случае низких концентраций для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего азур B и молибдатную соль в воде, полученную графическим изображением поглощения при 650 нм в виде функции концентрации фосфата.

ФИГ.13 представляет собой ряд спектров при различных концентрациях фосфата для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего азур B и молибдатную соль в полимерной матрице.

ФИГ.14 представляет собой калибровочную кривую для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего азур B и молибдатную соль в полимерной матрице, полученную графическим изображением поглощения при 650 нм в виде функции концентрации фосфата.

ФИГ.15 представляет собой ряд спектров при различных концентрациях фосфата для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего малахитовый зеленый и молибдатную соль в полимерной матрице.

ФИГ.16 представляет собой калибровочную кривую для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего малахитовый зеленый и молибдатную соль в полимерной матрице, полученную графическим изображением поглощения при 650 нм в виде функции концентрации фосфата.

ФИГ.17 представляет собой ряд спектров при различных концентрациях фосфата для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего основный голубой и молибдатную соль в полимерной матрице.

ФИГ.18 представляет собой калибровочную кривую для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего основный голубой и молибдатную соль в полимерной матрице, полученную графическим изображением поглощения при 650 нм в виде функции концентрации фосфата.

ФИГ.19 представляет собой ряд спектров при различных концентрациях фосфата для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего метиленовый голубой и молибдатную соль в полимерной матрице.

ФИГ.20 представляет собой калибровочную кривую для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего метиленовый голубой и молибдатную соль в полимерной матрице, полученную графическим изображением поглощения при 650 нм в виде функции концентрации фосфата.

ФИГ.21 представляет собой ряд спектров при различных концентрациях фосфата для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего основный голубой и молибдатную соль в пластифицированной полимерной матрице.

ФИГ.22 представляет собой калибровочную кривую для варианта осуществления автономного сенсора из ФИГ.1, включающего основный голубой и молибдатную соль в пластифицированной полимерной матрице, полученную графическим изображением поглощения при 650 нм в виде функции концентрации фосфата.

ФИГ.23 иллюстрирует спектры поглощения молибдатной сенсорной пленки согласно другому варианту осуществления изобретения при различных концентрациях молибдата.

ФИГ.24 иллюстрирует кривую отклика для сенсорной пленки из ФИГ.23.

ФИГ.25 иллюстрирует спектры поглощения сенсора на магний согласно другому варианту осуществления изобретения при различных концентрациях магния.

ФИГ.26 иллюстрирует кривую отклика для сенсорной пленки из ФИГ.25.

ФИГ.27 иллюстрирует спектры поглощения сенсора на жесткость воды согласно другому варианту осуществления изобретения при различных концентрациях магния.

ФИГ.28 иллюстрирует кривую отклика для сенсорной пленки из ФИГ.27.

ФИГ.29 иллюстрирует спектры поглощения сенсора на кальций согласно другому варианту осуществления изобретения при различных концентрациях кальция.

ФИГ.30 иллюстрирует кривую отклика для сенсорной пленки из ФИГ.29.

ФИГ.31 иллюстрирует спектры поглощения сенсора на сульфит согласно другому варианту осуществления изобретения при различных концентрациях сульфита.

ФИГ.32 иллюстрирует кривую отклика для сенсорной пленки из ФИГ.31.

ФИГ.33 иллюстрирует типичный ряд спектров сенсора на сульфит согласно другому варианту осуществления изобретения при различных концентрациях сульфита.

ФИГ.34 иллюстрирует типичную кривую отклика для сенсорной пленки из ФИГ.33.

ФИГ.35 иллюстрирует калибровочную кривую для сенсора на щелочность.

ФИГ.36 иллюстрирует улучшение чувствительности отклика при добавлении увеличивающейся концентрации полимера нафион в ПГЭМА сенсорную пленку;

ФИГ.37 иллюстрирует улучшение ФИГ.36, графически нанесенное в виде сенсорного сигнала при воздействии 2 ч./млн хлора, демонстрируя существование критической неинтуитивной области концентрации нафиона в ПГЭМА, в которой получают максимальный отклик сенсора.

Соответствующие номера позиций иллюстрируют соответствующие части для всех видов чертежей.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теперь изобретение будет описано в следующем ниже подробном описании со ссылками к чертежам, где предпочтительные варианты осуществления описаны в деталях, чтобы дать возможность осуществить изобретение на практике. Хотя изобретение описано со ссылкой к данным конкретным предпочтительным вариантам осуществления, будет понятно, что изобретение не ограничивается данными предпочтительными вариантами осуществления. Наоборот, изобретение включает многочисленные варианты, модификации и эквиваленты, как будет ясно из рассмотрения следующего ниже подробного описания.

Описанными являются улучшенные композиции сенсорного материала и способы определения концентрации химических соединений в образце при следовых концентрациях. Варианты осуществления описанных здесь автономных сенсоров можно использовать либо в водном или неводном растворе, либо в виде твердотельного устройства. Такие автономные сенсоры имеют преимущество, состоящее в том, что не требуется никакого последующего добавления реагентов для определения концентраций анализируемого вещества, и тест определения анализируемого вещества требует минимального числа процедурных стадий. Более того, автономные сенсоры предоставляют увеличенную чувствительность и более быстрое время отклика. Варианты осуществления настоящего изобретения также предлагают способ определения концентраций химического соединения в тестируемом образце. Концентрацию в тестируемом образце можно количественно оценить, используя калибровочную кривую, полученную измерением образцов с известными концентрациями.

В одном аспекте автономный сенсор представляет собой оптический сенсор. Оптические сенсоры обладают рядом преимуществ по сравнению с другими типами сенсоров, причем наиболее важным является их широкий диапазон принципов преобразования: оптические сенсоры могут откликаться на анализируемые вещества, для которых нет других сенсоров. Кроме того, используя оптические сенсоры, можно осуществить не только ″прямое″ определение анализируемого вещества, при котором измеряют спектроскопические характеристики анализируемого вещества, но также ″косвенное″ определение анализируемого вещества, при котором применяют чувствительный реагент. При взаимодействии с соединениями анализируемого вещества изменению подвергаются оптические свойства такого реагента, например упругое или неупругое рассеяние, поглощение, интенсивность люминесценции, время жизни люминесценции или вид поляризации. В значительной степени данный вид косвенного определения объединяет химическую селективность с преимуществом, предлагаемым спектроскопическим измерением, и часто может преодолеть иные эффекты, причиняющие затруднения.

Согласно изобретению материалы сенсора изменяют свои оптические свойства в ультрафиолетовом (УФ), видимом или ближнем инфракрасном (ИК) спектральном диапазоне при воздействии на них следовых концентраций химического соединения. Пленка представляет собой композицию на полимерной основе, как правило, включающую химически чувствительный специфичный аналитический реагент (например, флуоресцентный или колориметрический индикатор), полимерную матрицу или комбинацию полимерных матриц и вспомогательные второстепенные добавки, где пленку получают из раствора компонентов в общем растворителе или смеси растворителей. Специфичный аналитический реагент иммобилизуют внутри полимерной матрицы с получением сенсорной пленки. Примерами добавок являются поверхностно-активные вещества и внутренние буферы. Также могут быть включены другие добавки. Полимеры, используемые в сенсорной пленке, являются проницаемыми для выбранных анализируемых веществ, где анализируемое вещество представляет собой конкретное химическое соединение или класс химических соединений, определяемых сенсором. Специфичный аналитический реагент изменяет свои оптические свойства (например, поглощение, флуоресценцию) в виде функции концентрации анализируемого вещества. Желательно специфичный аналитический реагент изменяет свои оптические свойства вне пленки, где на изменение в отклике не влияет присутствие мешающих соединений, предусмотренных рецептурой сенсора. Измерения проводят, используя систему детектирования ультрафиолетового/видимого/ближнего ИК света, известную специалисту в данной области.

Желаемый отклик достигается специальной разработкой композиции сенсорной пленки, где композиция включает дополнительные компоненты в пленке. Например, желаемый отклик сенсора достигается подстройкой потенциала окисления иммобилизованного специфичного аналитического реагента с выбором компонентов полимерной матрицы, где компоненты полимерной матрицы представляют собой дополнительные полимеры. Желательно, чтобы сенсорная пленка была автономной, поэтому она не нуждается во вспомогательных реагентах снаружи пленки.

В одном варианте осуществления вышеуказанные автономные сенсоры включают специфичный аналитический реагент и рН-модификатор. Используемые здесь "специфичные аналитические реагенты" представляют собой индикаторы, которые показывают изменение колориметрического, фоторефрактометрического, фотохромного, термохромного, флуоресцентного свойства, упругого рассеяния, неупругого рассеяния, поляризации или любого другого оптического свойства, применимого для определения физических, химических или биологических продуктов. Специфичные аналитические реагенты могут включать комплексы или соли металлов, органические и неорганические красители и пигменты, нанокристаллы, наночастицы, квантовые точки, органические флуорофоры, неорганические флуорофоры и их комбинации.

Модификаторы рН в сенсорах служат в качестве буферов и поддерживают уровень рН рецептуры сенсора при постоянном значении рН, которое является предпочтительным для механизма измерения. Выбор рН-модификатора зависит от природы используемого специфичного аналитического реагента, но рН-модификаторы могут включать кислоты, основания или соли.

Описанные здесь автономные сенсоры можно использовать в растворе или в виде твердотельных устройств. Для применения сенсора в виде раствора выбирают общий растворитель для различных компонентов сенсора. Некоторые примеры такого растворителя включают, но не ограничиваются этим, деионизированную воду (ДИ воду), 1-метокси-2-пропанол (дованол), этанол, ацетон, хлороформ, толуол, ксилол, бензол, изопропиловый спирт, 2-этоксиэтанол, 2-бутоксиэтанол, метиленхлорид, тетрагидрофуран, этиленгликольдиацетат и перфтор-(2-бутилтетрагидрофуран).

Для применения автономного сенсора в виде твердотельного устройства описанный выше сенсор присоединяют к полимерной матрице или иммобилизуют в ней. Затем сенсоры размещают в виде пленки на подложке. Необходимо понимать, что полимерный материал, используемый для изготовления сенсора, может воздействовать на свойства детектирования, такие как селективность, чувствительность и предел обнаружения. Таким образом, подходящие материалы для сенсорной пленки выбирают из полимерных материалов, способных предоставить желаемое время отклика, желаемую проницаемость, желаемую растворимость, степень прозрачности и твердость и другие аналогичные характеристики, имеющие отношение к представляющему интерес веществу, которое необходимо анализировать.

Полимерная матрица сенсорной пленки, предпочтительно, представляет собой пластмассовую пленку, т.е. полимерную пленку. Полимер, используемый для формирования полимерного носителя, зависит от применений сенсора. Полимер растворяют в растворителе, так что специфичный аналитический реагент становится диспергированным в жидкой среде. Альтернативно, специфичный аналитический реагент можно непосредственно нанести на уже сформованную пластмассовую пленку. В одном варианте осуществления изготавливают полимерную пленку и растворитель удаляют из пленки любым известным методом, таким как выпаривание, после чего следует воздействие на сухую пленку смеси, содержащей, по меньшей мере, один реагент. Таким образом реагент вводят в пленку. В одном варианте осуществления сенсорную пленку получают покрытием прозрачной пластмассовой поверхности тонким слоем химической смеси и предоставлением ей возможности высохнуть в течение периода, равного нескольким часам на воздухе в темноте. Толщина конечной пленки, желательно, составляет примерно от 0,1 до 200 микрон, более предпочтительно, 0,5-100 микрон и, более предпочтительно, 1-50 микрон.

Для оценки отклика на пленку воздействуют водными образцами анализируемого вещества. Желательно, количество водного образца анализируемого вещества находится в диапазоне примерно от 30 мкл до 50 мкл образца, однако рассматриваются другие количества без отклонения от объема изобретения. Время воздействия, желательно, составляет примерно 0,5-1000 секунд, более предпочтительно, 1-500 секунд и, более предпочтительно, 5-300 секунд. В одном варианте осуществления водный образец затем удаляют перед измерением сенсорной пленки. Альтернативно, водный образец может присутствовать во время измерения. В еще одном варианте осуществления измерение проводят непрерывно перед воздействием воды, во время воздействия воды и после воздействия воды. В дальнейшем варианте осуществления измерение проводят непрерывно перед воздействием воды и во время воздействия воды.

Понятно, что полимерный материал, используемый для получения сенсорной пленки, может воздействовать на свойства детектирования, такие как селективность, чувствительность и предел обнаружения. Таким образом, подходящие материалы для сенсорной пленки выбирают из полимерных материалов, способных предоставить желаемое время отклика, желаемую проницаемость, желаемую растворимость, степень прозрачности и твердость и другие аналогичные характеристики, имеющие отношение к представляющему интерес веществу. Подходящими полимерами, которые можно использовать в качестве полимерной подложки согласно настоящему описанию, являются гидрогели. Как определено в настоящем описании, гидрогель представляет собой трехмерную сетку из гидрофильных полимеров, которые были связаны вместе, образуя набухающую в воде, но нерастворимую в воде структуру. Термин гидрогель следует применять к гидрофильным полимерам в сухом состоянии (ксерогель), а также во влажном состоянии, как описано в патенте США № 5744794.

Для связывания данных гидрогелей вместе можно использовать ряд различных методов. Прежде всего, можно использовать связывание гидрогелей посредством радиационного сшивания или сшивания свободными радикалами гидрофильных полимеров, причем примерами являются полигидроксиэтилметакрилаты, полиакриловые кислоты, полиметакриловые кислоты, полиглицерилметакрилат, поливиниловые спирты, полиэтиленоксиды, полиакриламиды, поли(N-акриламиды), поли(N,N-диметиламинопропил-N'-акриламид), полиэтиленимины, полиакрилаты натрия/калия, полисахариды, например, ксантаты, альгинаты, гуаровая камедь, агароза и т.д., поливинилпирролидон и производные на основе целлюлозы. Во-вторых, можно использовать связывание посредством химического сшивания гидрофильных полимеров и мономеров соответствующими полифункциональными мономерами, причем примеры включают полигидроксиэтилметакрилат, сшитый подходящими агентами, такими как N,N'-метиленбисакриламид, полиэтиленгликольдиакрилат, триэтиленгликольдиакрилат, тетраэтиленгликольдиметакрилат, трипропиленгликольдиакрилат, пентаэритритолтетраакрилат, ди-триметилолпропантетраакрилат, дипентаэритритолпентаакрилат, триметилолпропантриакрилат, пентаэритритолтриакрилат, пропоксилированный триакрилат глицерина, этоксилированный пентаэритритолтетраакрилат, этоксилированный триметилолпропантриакрилат, гександиолдиакрилат, гександиолдиметакрилат и другие ди- и три-акрилаты и -метакрилаты; сополимеризацию гидроксиэтилметакрилатного мономера со сшивающими агентами на основе диметакрилатного сложного эфира; полиуретаны на основе полиэтиленоксида, приготовленные реакцией полиэтиленгликолей с концевой гидроксильной группой, с полиизоцианатами или реакцией с диизоцианатами в присутствии полифункциональных мономеров, таких как триолы; и производные целлюлозы, сшитые диальдегидами, диэпоксидами и полиосновными кислотами. В-третьих, связывание посредством включения гидрофильных мономеров и полимеров в блок- и привитые сополимеры, причем примерами являются блок- и привитые сополимеры полиэтиленоксида с подходящими полимерами, такими как полиэтиленгликоль (ПЭГ), акриловая кислота (АК), поливинилпирролидон, поливинилацетат, поливиниловый спирт, N,N-диметиламиноэтилметакрилат, сополимер акриламида и метилметакрилата, поли(N-изопропилакриламид), сополимер гидроксипропилметакрилата и N,N-диметиламиноэтилметакрилата; сополимеры винилпирролидона и стирола; сополимеры винилпирролидона и винилового спирта; полиуретаны; полиуретанмочевины; полиуретанмочевины на основе полиэтиленоксида; полиуретанмочевины и сополимеры акрилонитрила и акриловой кислоты и разнообразные производные полиакрилонитрилов, поливиниловых спиртов и полиакриловых кислот. Также может происходить образование молекулярных комплексов между гидрофобными полимерами и другими полимерами, причем примерами являются комплексы полиэтиленоксидных гидрогелей с полиакриловыми кислотами и полиметакриловыми кислотами. Наконец, связывание посредством переплетения сшивок высокомолекулярных гидрофильных полимеров, причем примерами являются гидрогели на основе высокомолекулярных полиэтиленоксидов, смешанные с полифункциональными акриловыми или виниловыми мономерами.

Как указано выше, также можно использовать сополимеры или со-поликонденсаты мономерных компонентов вышеуказанных полимеров и смеси вышеуказанных полимеров. Примеры использования данных материалов находятся в Michie, et al., "Distributed pH and water detection using fiber-optic sensors and hydrogels," J. Lightwave Technol. 1995, 13, 1415-1420; Bownass, et al., "Serially multiplexed point sensor for the detection of high humidity in passive optical networks," Opt. Lett. 1997, 22, 346-348 и U.S. Patent No. 5,744,794.

Как изложено выше, гидрогель, составляющий полимерную матрицу, растворяют в подходящем растворителе, включающем, но не ограничивающимся этим, метиловый эфир диэтиленгликоля и фениловый эфир этиленгликоля, 1-метокси-2-пропанол, этанол, ацетон, хлороформ, толуол, ксилол, бензол, изопропиловый спирт, 2-этоксиэтанол, 2-бутоксиэтанол, метиленхлорид, тетрагидрофуран, этиленгликольдиацетат и перфтор-(2-бутилтетрагидрофуран). Как правило, концентрация растворителя в растворе, содержащем полимер, составляет примерно 70 массовых процентов или более, причем примерно от 75 массовых процентов до 90 массовых процентов является желательным и предпочтительным является примерно 80 массовых процентов. Один предпочтительный гидрогель, который будет использован для иллюстративных целей ниже, представляет собой поли(2-гидроксиэтилметакрилат) (ПГЭМА), растворенный в растворителе, включающем 1-метокси-2-пропанол.

Полимерная матрица сенсорной пленки, предпочтительно, является проницаемой для избранных анализируемых веществ. Сенсорная пленка может быть селективно проницаемой для анализируемых веществ на основе размера (т.е. молекулярной массы); гидрофобных/гидрофильных свойств; фазы (т.е. является ли анализируемое вещество жидкостью, газом или твердым телом); растворимости; ионного обмена; способности подавлять диффузию коллоидного или дисперсного вещества; или состава водного образца, за исключением самого анализируемого вещества (например, рН образца в течение изм