Многослойные колориметрические датчики

Многослойные колориметрические датчики

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

Обнаружение определяемых при анализе веществ (аналитов), например, органических химических веществ, является важным компонентом во многих приложениях, например, при мониторинге состояния окружающей среды и ему подобных. Обнаружение и/или мониторинг аналитов может проводиться, например, приборами индивидуального пользования (переносными или носимыми на теле или одежде), и/или зональными приборами (которые, например, могут быть установлены в исследуемом окружении).

Разработано множество способов обнаружения химических аналитов, включая оптические, гравиметрические, микроэлектромеханические и колориметрические способы. И хотя в настоящее время разработаны колориметрические приборы для широкого спектра аналитов, большинство из них основано на использовании красителей или окрашенных химических веществ-индикаторов. Такие вещества, как правило, являются высоко специфичными, что означает, что для обнаружения различных классов соединений необходимо иметь большой набор датчиков. Более того, большинство таких систем имеет ограниченный срок эксплуатации из-за эффекта фотоотбеливания или побочных химических реакций. Большинство таких систем требует также использования сложного и громоздкого электронно-оптического оборудования для считывания оптических показаний таких датчиков.

Сущность изобретения

В настоящем изобретении предлагаются способы и устройства для обнаружения присутствия определяемого вещества (аналита). Такие способы и устройства могут содержать по меньшей мере один чувствительный элемент, содержащий по меньшей мере один оптически реагирующий слой, содержащий по меньшей мере высоко чувствительный к данному аналиту подслой и минимально чувствительный к данному аналиту подслой.

В одном из воплощений изобретения предлагается оптически считываемый чувствительный элемент для оптического обнаружения аналита, содержащий оптически реагирующий слой, расположенный между отражающим слоем и полуотражающим слоем, причем оптически реагирующий слой содержит по меньшей мере первый, высоко чувствительный к аналиту подслой и второй, минимально чувствительный к аналиту подслой.

Во втором воплощении изобретения предлагается способ изготовления чувствительного элемента для обнаружения,аналита, содержащий этапы: формирования полу-отражающего слоя на оптически прозрачной основе; формирования слоя минимально чувствительного к аналиту материала поверх полуотражающего слоя; формирования слоя высоко чувствительного к аналиту материала поверх слоя минимально чувствительного к аналиту материала; и формирования проницаемого для аналита отражающего слоя поверх слоя высоко чувствительного к аналиту материала.

Еще в одном воплощении изобретения предлагается способ использования чувствительного элемента, содержащий этапы: обеспечения оптически считываемого чувствительного элемента, предназначенного для обнаружения аналита и содержащего оптически реагирующий слой, расположенный между отражающим слоем и полуотражающим слоем и содержащий по меньшей мере первый, высоко чувствительный к аналиту подслой и второй, минимально чувствительный к аналиту подслой; и воздействия на чувствительный элемент атмосферы, потенциально содержащей исследуемый аналит.

Данные, а также прочие воплощения изобретения будут более ясны из приведенного ниже подробного описания изобретения. Кроме того, приведенные выше краткие описания воплощений изобретения ни в коей мере не следует рассматривать как ограничения предмета изобретения, так как предмет изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения, которая может быть скорректирована в процессе рассмотрения заявки.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Сечение фрагмента чувствительного элемента в соответствии с одним из воплощений изобретения.

Фиг.2. Сечение фрагмента чувствительного элемента в соответствии с еще одним воплощением изобретения.

Фиг.3. Общий вид спектра отражения чувствительного элемента в соответствии с воплощениями настоящего изобретения.

Фиг.4. Сечение оптически реагирующего слоя чувствительного элемента.

Фиг.5. График полученной на основании экспериментальных данных зависимости наблюдаемого оптического сдвига различных чувствительных элементов под воздействием различных концентраций исследуемого аналита.

Аналогичные номера позиций на чертежах обозначают аналогичные элементы. Если явно не указано иное, все чертежи в настоящей заявке не обязательно выполнены в масштабе, и приводятся с целью иллюстрации различных воплощений изобретения. В частности, размеры различных компонентов на чертежах являются только лишь иллюстративными, и никаких выводов о пропорциях размеров различных компонентов из данных чертежей делать не следует. Несмотря на то, что в настоящей заявке могут использоваться такие термины, как «верх», «низ», «верхний», «нижний», «вверх», «вниз», «под», «над», «передний», «задний», «наружу», «вовнутрь», «первый» и «второй», следует понимать, что данные термины используются только в их относительном смысле, если явно не указано иное. В частности, такие характеристики, как «низкий», «средний» и «высокий», употребляемые в отношении определенных параметров (например, концентрации), следует понимать как относительные (сравнительные) в рамках данного контекста (так, например, «средней» считается концентрация между «низкой» и «высокой» в рамках одного и того же контекста).

Подробное описание изобретения

На фиг.1 и 2 представлены различные воплощения предлагаемого чувствительного элемента 2. Чувствительный элемент 2 представляет собой многослойную структуру, содержащую по меньшей мере оптически реагирующий слой 230, расположенный между отражающим слоем 240 и полу-отражающим слоем 220, так что упомянутые слои в сочетании образуют так называемый интерференционный фильтр, характеризующийся спектром отражения, который может меняться в присутствии аналита. Чувствительный элемент 2 имеет спектр отражения, общий вид которого изображен на фиг.3. Данный спектр содержит один или более пиков (например, пики 181, 183 и 184) и впадин (например, 185), соответствующие различным длинам волны отраженного света и которые могут меняться в присутствии аналита или при изменении концентрации аналита (здесь и далее в настоящем описании упоминания концентрации аналита относятся к концентрации аналита в атмосфере, под воздействием которой находится чувствительный элемент). Так, например, присутствие достаточного количества аналита может вызывать сдвиг пиков и впадин спектра отражения, изображенного на фиг.3, в сторону большей длины волны. Спектр отражения чувствительного элемента 2 может быть определен визуально, то есть по его внешнему виду (например, по относительно преобладающему цвету или оттенку), который может меняться в присутствии достаточного количества аналита. То есть, при воздействии на него достаточной концентрации аналита внешний вид чувствительного элемента 2 может меняться от первого (исходного) внешнего вида ко второму внешнему виду, визуально отличимому от первого внешнего вида.

Чувствительный элемент 2 может быть оптически считан при воздействии на него лучей 40 падающего света (как показано на фиг.1 и 2) и наблюдении за светом, отраженным от чувствительного элемента 2. Для обеспечения лучей 40 не требуется специального внешнего источника света (хотя при необходимости могут использоваться один или более специальных источников света). Лучи 40 света могут исходить из единственного дискретного источника света; или же в качестве источника лучей 40 света может использоваться внешнее освещение (которое в свою очередь может исходить от нескольких дискретных источников света, представлять собой сочетание света, исходящего непосредственно от источников света, и отраженного света, может быть солнечным светом и прочими видами освещения).

В воплощениях, содержащих конструкцию, изображенную на фиг.1, чувствительный элемент 2 содержит (по порядку): полу-отражающий слой 220, оптически реагирующий слой 230, отражающий слой 240 и основу 210. При считывании чувствительного элемента 2 лучи 40 света падают на полу-отражающий слой 220. Некоторая часть лучей 40 света может отражаться от полу-отражающего слоя 220 и выходить из чувствительного элемента 2 в виде лучей 41 света. Еще одна часть лучей 40 света может проходить через полу-отражающий слой 220 и далее через оптически реагирующий слой 230 к отражающему слою 240. По меньшей мере часть данных лучей может отразиться от отражающего слоя 240 и выйдет из чувствительного элемента 2 в виде лучей 42 света. Лучи 41 и 42 могут взаимодействовать (интерферировать конструктивно и/или деструктивно), в совокупности формируя спектр отражения чувствительного элемента, который может меняться в присутствии аналита или при изменении концентрации аналита.

В воплощении, изображенном на фиг.1, аналит может проникать через полуотражающий слой 220 и попадать в оптически реагирующий слой 230. Это может приводить к изменению оптических свойств (например, оптической толщины) по меньшей мере части слоя 230 (например, одного из подслоев слоя 230, как будет более подробно описано ниже), в результате чего спектр света, отраженного чувствительным элементом 2, может в достаточной мере измениться, что позволит обнаружить присутствие налита и/или наблюдать за изменением его концентрации.

В воплощении, изображенном на фиг.1, полу-отражающий слой 220 является проницаемым для аналита, и данное его свойство может быть обеспечено способами, которые будут обсуждаться ниже, так чтобы данный слой был связан по газообразной среде с оптически реагирующим слоем 230, в результате чего аналит сможет попасть в оптически реагирующий слой 230 через слой 220. В воплощении, изображенном на фиг.1, отражающий слой 240 может быть проницаемым или не проницаемым для аналита. В воплощении, изображенном на фиг.1, может не требоваться прохождение света через основу 210 или его взаимодействие с основой 210 при оптическом считывании чувствительного элемента 2, поэтому основа 210 не обязательно должна обладать какими-то определенными оптическими свойствами (например, прозрачностью).

Другое воплощение чувствительного элемента 2 изображено на фиг.2. В воплощениях, содержащих конструкцию, изображенную на фиг.2, чувствительный элемент 2 содержит (по порядку): основу 210 (дополнительно возможную), полуотражающий слой 220, оптически реагирующий слой 230 и отражающий слой 240. Лучи 40 света падают на основу 210 и проходят через нее. Некоторая часть лучей 40 света может отражаться от полу-отражающего слоя 220 и выходить из чувствительного элемента 2 в виде лучей 41 света. Еще одна часть лучей 40 света может проходить через полу-отражающий слой 220 и далее через оптически реагирующий слой 230 к отражающему слою 240. По меньшей мере часть данных лучей может отразиться от отражающего слоя 240 и выйдет из чувствительного элемента 2 в виде лучей 42 света. Лучи 41 и 42 могут взаимодействовать, в совокупности формируя спектр отражения чувствительного элемента, который может меняться в присутствии аналита или при изменении концентрации аналита.

В воплощении, изображенном на фиг.2, аналит может проникать через отражающий слой 240 и попадать в оптически реагирующий слой 230. Это может приводить к изменению оптических свойств (например, оптической толщины по меньшей мере части слоя 230 (например, подслоя 230, как будет более подробно описано ниже), в результате чего спектральный состав света, отраженного от чувствительного элемента 2, может значительно меняться, что может позволить зафиксировать присутствие аналита и/или изменение его концентрации. В воплощениях, в которых используется конструкция, изображенная на фиг.2, отражающий слой 240 является проницаемым для аналита (способы достижения данного свойства будут подробно обсуждаться ниже), и связан с оптически реагирующий слоем 230 по исследуемой среде. В конструкции, изображенной на фиг.2, полу-отражающий слой 220 может быть проницаемым или непроницаемым для аналита. В конструкции, изображенной на фиг.2, свет может беспрепятственно проходить через основу 210, то есть основа 210 может быть оптически прозрачной в соответствующем диапазоне длины волны.

Свойства оптически реагирующего слоя 230, основы 210 (если таковая имеется), полу-отражающего слоя 220 и/или отражающего слоя 240, их прочие характеристики и способы их изготовления будут более подробно описаны ниже. Данные свойства подразумеваются как таковые, что из них в целом может быть изготовлен отражающий чувствительный элемент (работающий по принципу интерференции света), в частности, в соответствии с обоими воплощениями, изображенными на фиг.1 и 2 и описанными выше (или в соответствии с одним из них, в случаях, когда это явно оговорено). Сведущим в данной области техники будет понятно, что хотя на чертежах различных чувствительных элементов могут использоваться одни и те же номера позиций для обозначения вышеупомянутых слоев, слои, обозначенные такими номерами позиций, могут иметь одинаковые или различные конфигурации и/или состав.

Оптически реагирующий слой 230 определяется как слой, имеющий оптическую толщину (физическая толщина, умноженная на коэффициент преломления), по меньшей мере часть которой может меняться в присутствии аналита, в результате чего спектр отражения, определяемый сочетанием оптически реагирующего слоя 230, отражающего слоя 240 и полу-отражающего слоя 220, может значительно сдвигаться (где под термином «значительно» понимается, что в обычных условиях эксплуатации чувствительного элемента 2 может быть зафиксировано изменение внешнего вида чувствительного элемента 2) при воздействии на чувствительный элемент 2 определенной концентрации аналита. В частности, оптически реагирующий слой 230, будучи расположен между подходящими отражающим слоем 240 и полу-отражающим слоем 220, может характеризоваться сдвигом спектра отражения по меньшей мере на 15 нм при воздействии на чувствительный элемент 2 атмосферы, содержащей 1000 ppm стирола как достаточно представительного типа исследуемого органического аналита. Здесь и далее все упоминания о сдвиге спектра относятся к результатам измерений в соответствии с процедурой измерений, описанной в разделе «Реакция образцов на тестовый аналит» ниже. Термин «оптически реагирующий», употребляемый в отношении слоя 230 дополнительно означает, что суммарная (физическая) толщина слоя 230, считая все его подслои в целом, по порядку величины равна длине волны видимого света или близка к ней (то есть составляет от примерно 100 нм до примерно 2000 нм). В различных воплощениях суммарная физическая толщина слоя 230 может составлять от примерно 200 нм до примерно 1500 нм, о примерно 400 нм до примерно 1000 нм, или от примерно 500 нм до примерно 800 нм (все вышеупомянутые значения толщины относятся к физической толщине, а не к оптической толщине, если явно не указано иное.)

Оптически реагирующий слой 230 может содержать по меньшей мере два подслоя 232 и 236, как показано на фиг.4. Подслой 232 является высокочувствительным к аналиту подслоем (в контексте настоящего описания), а подслой 236 является подслоем, минимально чувствительным к аналиту подслоем (также в контексте настоящего описания). В различных воплощениях толщина высокочувствительного к аналиту подслоя 232 может составлять от примерно 100 нм до примерно 700 нм. Толщина минимально чувствительного к аналиту подслоя 236 в различных воплощениях может составлять от примерно 700 нм до примерно 100 нм. В различных воплощениях суммарная толщина подслоев 232 и 236 может составлять от примерно 200 нм до примерно 1500 нм. В некоторых воплощениях суммарная толщина подслоев 232 и 236 может составлять от примерно 400 нм до примерно 1000 нм, или от примерно 500 нм до примерно 800 нм. В различных воплощениях отношение толщины подслоя 232 к толщине подслоя 236 может составлять от примерно 1:8 до примерно 8:1. В отдельных воплощениях отношение толщины подслоя 232 к толщине подслоя 236 может составлять от примерно 1:4 до примерно 4:1, или от примерно 1:2 до примерно 2:1.

В различных воплощениях подслои 232 и 236 могут находиться в непосредственном контакте друг с другом и могут иметь совмещенные края (то есть быть наложены друг на друга и иметь совмещенные, идентичные по размеру и форме периметры). В некоторых воплощениях оптически реагирующий слой 230 может иметь совмещенные края с отражающим слоем 240 и/или полу-отражающим слоем 220.

Подслой 232 является высокочувствительным по отношению к исследуемому аналиту, что достигается за счет выбора подходящих материалов, которые содержит подслой 232. В данном контексте «высоко чувствительный к аналиту» означает, что подслой 232 является достаточно проницаемым для аналита, и что присутствие аналита в слое 232 приводит к изменению оптической толщины подслоя 232, а следовательно, и оптической толщины всего слоя 230, достаточному для того, чтобы произошел заметный сдвиг спектра отражения чувствительного элемента 2. В частности, термин «высоко чувствительный к аналиту» означает, что подслой 232 изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полу-отражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, имеет спектр отражения, который сдвинется по меньшей мере примерно на 15 нм под воздействием атмосферы, содержащей примерно 50 ppm стирола. (Как было указано выше, здесь, до этого и далее стирол упоминается как полезный представительный органический аналит, то есть как аналит, удобный для описания характеристик чувствительности материалов, используемых в настоящем изобретении. Упоминание в данном контексте стирола ни коим образом не следует рассматривать как ограничение области применения настоящего изобретения приложениями, связанными с наблюдением за концентрацией стирола.) В различных воплощениях высоко чувствительный к аналиту подслой 232 может быть изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полу-отражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, имеет спектр отражения, который под воздействием атмосферы, содержащей примерно 50 ppm стирола, сдвинется по меньшей мере примерно на 25 нм, по меньшей мере примерно на 35 мм или по меньшей мере примерно на 45 нм.

Подслой 236 является минимально чувствительным к исследуемому аналиту, что достигается за счет выбора материалов, которые содержит подслой 236. В данном контексте «минимально чувствительный к аналиту» означает или что подслой 236 является достаточно непроницаемым по отношению к аналиту, и/или что присутствие аналита в слое 236 не приводит к изменению оптической толщины подслоя 236, которая проявилась бы в изменении оптических свойств слоя 230 в виде заметного сдвига спектра отражения чувствительного элемента 2. В частности, термин «минимально чувствительный к аналиту» означает, что подслой 236 изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полуотражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, имеет спектр отражения, который под воздействием атмосферы, содержащей примерно 20 ppm стирола, сдвинется не более чем примерно на 10 нм. В различных воплощениях минимально чувствительный к аналиту подслой 236 изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полу-отражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, имеет спектр отражения, который под воздействием атмосферы, содержащей примерно 20 ppm стирола, сдвинется не более чем примерно на 5 нм, не более чем примерно на 3 нм, не более чем примерно на 1 нм.

За счет использования в оптически реагирующем слое 230 подслоя 230, содержащего высоко чувствительный к аналиту материал, и подслоя 236, содержащего минимально чувствительный к аналиту материал, общей чувствительностью слоя 230 (а следовательно, и всего чувствительного элемента 2) к данному уровню концентрации аналита можно управлять, меняя вклад в слой 230 от каждого из подслоев. Так, например, чувствительный элемент, содержащий оптически реагирующий слой 230, содержащий минимально чувствительный к аналиту подслой 236, может требовать присутствия аналита в более высокой концентрации, чтобы произошел сдвиг спектра отражения, сравнимый со сдвигом спектра отражения элемента, содержащего оптически реагирующий слой 230 примерно такой же толщины, но не содержащего подслоя 236.

Так, например, в одном из воплощений изобретения чувствительный элемент 2 может содержать оптически реагирующий слой 230, содержащий высоко чувствительный к аналиту подслой 232 и минимально чувствительный к аналиту подслой 236 в такой конфигурации, что (даже несмотря на то, что высоко чувствительный к аналиту подслой 232 может быть изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полу-отражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, имеет спектр отражения, сдвигающийся, например, на 100 мм под воздействием атмосферы, содержащей 200 ppm стирола) сдвиг спектра отражения чувствительного элемента 2 под воздействием атмосферы, содержащей 200 ppm стирола, составит не более чем примерно 40 нм. В различных воплощениях чувствительный элемент 2 может содержать высоко чувствительный к аналиту слой 232 и минимально чувствительный к аналиту подслой 236 в такой конфигурации, что сдвиг спектра отражения чувствительного элемента 2 под воздействием атмосферы, содержащей 200 ppm стирола, составит не более чем примерно 30 нм, или не более чем примерно 20 нм.

Кроме того, путем выбора подходящей толщины минимально чувствительного к аналиту подслоя 236 в сочетании с подходящей толщиной высоко чувствительного к аналиту подслоя 232, что обеспечивает определенную суммарную толщину оптически реагирующего слоя 230, может быть получен исходный спектр отражения чувствительного элемента 2 (то есть его спектр отражения в отсутствии аналита или в присутствии аналита в необнаружимой концентрации), который может, например, придавать чувствительному элементу 2 определенный внешний вид при визуальном осмотре (например, определенный цвет). За счет такой конфигурации может быть изготовлен чувствительный элемент 2, содержащий подслои 232 и 236 и имеющий такой же внешний вид, который имел бы чувствительный элемент 2, содержащий только высоко чувствительный к аналиту материал (и не содержащий подслоя 236), и в то же время чувствительный к другой (более высокой) концентрации аналита, чем чувствительный элемент 2, содержащий только высоко чувствительный к аналиту материал.

Таким образом, использование оптически реагирующего слоя 230, содержащего подслои 232 и 236, позволяет получить чувствительный элемент 2, чувствительный к требуемому диапазону концентраций аналита, а также имеющий требуемый внешний вид.

Такое сочетание высоко чувствительного к аналиту подслоя 232 и минимально чувствительного к аналиту подслоя 236 может обеспечивать преимущества, важные по меньшей мере для некоторых приложений. В частности, сведущим в данной области техники известно, что отражательные датчики общего типа, используемые в настоящее время, могут быть подвержены явлению, именуемому «циклический переход». Циклический переход означает, что под воздействием достаточно высокой концентрации аналита спектр отражения датчика может меняться настолько, что датчик примет внешний вид, близкий к его исходному внешнему виду, который он имел в отсутствие аналита. (При воздействии еще более высоких концентраций аналита возможны и дальнейшие превращения внешнего вида датчика). К своему удивлению изобретатели обнаружили, что использование оптически реагирующего слоя 230, содержащего высоко чувствительный к аналиту подслой 232 в сочетании с минимально чувствительным к аналиту подслоем 236 позволяет получить чувствительный элемент 2, менее подверженный эффекту циклического перехода. В различных воплощениях свойства и толщина подслоев 232 и 236 могут быть подобраны таким образом, что чувствительный элемент 2 может не быть подверженным эффекту циклического перехода даже при чрезвычайно высоких концентрациях аналита. Так, например, различные воплощения чувствительного элемента 2 могут не иметь эффекта циклического перехода даже при концентрациях органического аналита, например, стирола, вплоть до 200, 400 или даже 1000 ppm.

В различных воплощениях изобретения такая способность не испытывать циклического перехода может быть обеспечена для чувствительных элементов, характеризующихся сдвигом спектра отражения, составляющим менее чем примерно 100 нм, менее чем примерно 80 нм или менее чем примерно 60 нм под воздействием атмосферы, содержащей 200 ppm органического аналита, например, стирола. В некоторых воплощениях изобретения такая способность не испытывать циклического перехода может быть обеспечена для чувствительных элементов, характеризующихся сдвигом спектра отражения, составляющим менее чем примерно 100 нм, менее чем примерно 80 нм или менее чем примерно 60 нм под воздействием атмосферы, содержащей 400 ppm органического аналита, например, стирола. В некоторых воплощениях изобретения такая способность не испытывать циклического перехода может быть обеспечена для чувствительных элементов, характеризующихся сдвигом спектра отражения, составляющим менее чем примерно 100 нм, менее чем примерно 80 нм или менее чем примерно 60 нм под воздействием атмосферы, содержащей 1000 ppm органического аналита, например, стирола.

Высоко чувствительный к аналиту подслой 232 может содержать любой материал, обладающий достаточно высокой чувствительностью к аналиту, по сравнению с минимально чувствительным к аналиту подслоем 236, в сочетании с которым он используется. Как было указано выше, подслой 232 является достаточно проницаемым по отношению к исследуемому аналиту и имеет оптическую толщину, которая под воздействием требуемой концентрации аналита может меняться в достаточной степени для функционирования чувствительного элемента 2 в смысле, описанном выше. И хотя теоретически это не обязательно, оптическая толщина подслоя 232 может меняться при его реакции на аналит, проникающий, например, за счет заполнения пор в материале, по меньшей мере частью которого является подслой 232, что может приводить к увеличению оптической толщины по меньшей мере за счет увеличения коэффициента преломления. Оптическая толщина подслоя 232 может также меняться при проникновении аналита в подслой и его набухании, то есть в данном случае оптическая толщина может увеличиваться по меньшей мере за счет увеличения физической толщины слоя. В некоторых материалах реакция на аналит может быть смешанной, то есть представлять собой сочетание упомянутых выше способов реакции на аналит.В некоторых материалах при некоторых концентрациях аналита может преобладать один из упомянутых выше типов реакции, а при других концентрациях - второй из упомянутых типов реакции; и так далее.

В некоторых воплощениях подслой 232 содержит пористый материал. В данном контексте «пористый» означает, что материал содержит внутренние поры, которые по меньшей мере частично сообщаются между собой. Могут быть, например, выбраны материалы со средним размером пор (определяемым, например, методом изотермической сорбции) менее чем примерно 100 нм. В некоторых воплощениях могут быть, например, выбраны материалы со средним размером пор менее чем примерно 20 нм, менее чем примерно 10 нм или менее чем примерно 2 нм. Подслой 232 может быть гомогенным или гетерогенным и может быть, например, изготовлен из одного или более неорганических компонентов, одного или более органических компонентов, или из смеси органических и неорганических компонентов. Типичные неорганические материалы, которые могут быть использованы для изготовления подслоя 232, включают оксиды металлов, нитриды металлов, оксинитриды металлов и прочие неорганические материалы, из которых могут быть сформированы прозрачные (и при необходимости пористые слои) подходящей толщины, имеющие подходящую оптическую чувствительность. Так, например, подслой 232 может содержать оксиды кремния, нитриды кремния, оксинитриды кремния, оксиды алюминия, оксиды титана, нитриды титана, оксинитриды титана, оксиды олова, оксиды циркония, цеолиты и их сочетания.

Особенно подходящим неорганическим материалом, чувствительным к аналиту, может быть пористый кремнезем. Пористые кремнеземы могут быть, например, изготовлены путем обработки золево-гельных смесей, с органической матрицей или без нее. Примеры органических матриц включают поверхностно-активные вещества, например, анионные или неионные, такие, как соли алкилтриметиламмония блочные полимеры типа поли(этиленоксид-со-пропилен оксид), а также прочие поверхностно-активные вещества и полимеры. Золево-гельные смеси могут быть преобразованы в силикат, и из них может быть удалена органическая матрица, в результате чего в кремнеземе останется сеть пор. В качестве органической матрицы может быть использовано широкое разнообразие органических молекул. Так, например, для получения пористого силиката могут быть использованы сахара, такие, как глюкоза и манноза. Для того, чтобы сделать поры более гидрофобными и ограничить поглощение ими водяного пара, в золево-гельные композиции могут быть включены органо-замещенные силоксаны или органо-бис-силоксаны. Для получения неорганических пористых материалов, чувствительных к аналиту, может также использоваться плазменно-химическое осаждение паров. Данный способ в целом основан на формировании плазмы из газообразных предшественников, нанесении слоя плазмы на основу с образованием аморфного слоя с неупорядоченной сетью ковалентных связей и последующем нагревании аморфного слоя с неупорядоченной сетью ковалентных связей с образованием пористого аморфного слоя с неупорядоченной сетью ковалентных связей. Такие способы и материалы более подробно описаны в патентной заявке США 2008/078281 («Датчики для обнаружения органических химических веществ, содержащие микропористый слой, полученный способом плазменного осаждения, способы их изготовления и использования»), упоминаемой в настоящей заявке для ссылки.

В некоторых воплощениях оптически реагирующий слой 230 содержит, по меньшей мере частично, кремний-органические материалы, под которым в контексте настоящей заявки понимаются гибридные соединения, содержащие ковалентно связанную трехмерную сетку из атомов кислорода и кремния (-Si-O-Si-) и некоторое количество органических функциональных групп R (где R обозначает углеводородную группу, возможно, содержащую гетероатомы), связанных с кремний-кислородной сеткой по меньшей мере одной связью Si-C. Такие материалы и способы их изготовления более подробно описаны в предварительной патентной заявке США 61/140131 («Аморфные микропористые кремний-органические соединения»), упоминаемой в настоящей заявке для ссылки.

В некоторых воплощениях высоко чувствительный к аналиту подслой 232 по меньшей мере частично изготовлен из компонентов, выбранных из семейства материалов, содержащих так называемые «полимеры с присущей микропористостью» (PIM). Описание и характеристики полимеров данного семейства приводятся, например, в публикациях "Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs): Robust, Solution-Processable, Organic Microporous Materials," Budd et al., Chem. Commun., 2004, pp.230-231; "Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs), " McKeown et al., Chem. Eur. J., 2005, 11, No.9, 2610-2620; в опубликованной патентной заявке США 2006/0246273 (McKeown с соавторами); а также в международной патентной публикации WO 2005/012397А2 (McKeown с соавторами); все упомянутые выше публикации упоминаются в настоящей заявке для ссылки.

Полимеры с присущей микропористостью могут быть получены из любых сочетаний мономеров, которые приводят к образованию очень жесткого полимера, в котором имеются достаточные структурные черты, придающему ему сильно закрученную структуру. В некоторых воплощениях полимеры с присущей микропористостью могут содержать органические макромолекулы, содержащие в целом плоские группы, связанные жесткими связующими группами, содержащими точку скручивания, в результате чего две смежные группы, связанные такой связующей группой, не будут находиться в одной плоскости. В некоторых воплощениях такие материалы могут содержать органические макромолекулы, содержащие первые в целом плоские группы, связанные жесткими связующими группами максимум с двумя другими упомянутыми первыми группами, причем упомянутые связующие группы имеют точку скручивания, в результате чего две смежные первые плоские группы не будут находиться в одной плоскости. В некоторых воплощениях такая точка скручивания может содержать вращающую группу, кольцо с мостиком или стерически стесненную одиночную ковалентную связь, вращение вокруг которой ограничено.

Полимерные цепи такого полимера, имеющего жесткую и скрученную структуру, не могут упаковаться друг с другом достаточно плотно, в результате чего и возникает присущая такому полимеру микропористость. Преимуществом полимеров с присущей микропористостью является то, что их микропористость не зависит существенно от тепловой предыстории материала. Прочими преимуществами полимеров с присущей микропористостью могут быть, например, воспроизводимость в больших количествах и отсутствие свойств, меняющихся со временем (например, в течение времени выдержки или в течение срока хранения изделия), и прочие.

В некоторых воплощениях оптически реагирующий слой 230 содержит, по меньшей мере частично, пористый полимерный материал с большим количеством поперечных связей. Примерами таких материалов являются стирольные смолы со сверхвысоким количеством поперечных связей типа «стиросорб» (описаны, например, в публикациях V.A. Davankov and P. Tsyurupa, Pure and Appl. Chem., vol.61, pp.1881-89 (1989); L.D. Belyakova, T.I. Schevchenko, V.A. Davankov and M.P. Tsyurupa, Adv. in Colloid and Interface Sci. vol.25, pp.249-66, (1986)), включая материалы производства Purolite (Бала-Цинвид, штат Пенсильвания, США), предлагаемые под торговым наименованием Styrosorb.

Во многих приложениях может быть предпочтительно, чтобы подслой 232 был гидрофобным. Это может, например, уменьшать вероятность влияния воды (в жидком состоянии) или водяного пара на чувствительность подслоя 232 и его способность обнаруживать аналит, например, обнаруживать пары органических растворителей. В некоторых воплощениях высоко чувствительный к аналиту подслой 232 изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полуотражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, будет иметь спектр отражения, который будет сдвигаться не более чем примерно на 15 нм под воздействием атмосферы, относительная влажность которой составляет 90%.

Дополнительные свойства и характеристики подходящих материалов для изготовления высоко чувствительного к аналиту подслоя 232, а также способы изготовления подслоя 232 из таких материалов подробно описаны, например, в патентной заявке США 2008/0063874, упоминаемой в настоящей заявке для ссылки.

В различных воплощениях подслой 232 может содержать сочетания (например, смеси, композитные структуры и им подобные) вышеперечисленных материалов, и/или множество слоев таких материалов.

Минимально чувствительный к аналиту подслой 236 может содержать любой материал, который, во-первых, имеет достаточно низкую (включая нулевую и/или неизмеримо малую) оптическую чувствительность к аналиту (а также к любым другим веществам, которые могут препятствовать обнаружению исследуемого аналита), по сравнению с высоко чувствительным к аналиту подслоем 232, в сочетании с которым он используется; во-вторых, совместим со способами обработки, применяемыми для изготовления подслоя 232 (которые будут более подробно описаны ниже); и в-третьих, оптически совместим с высоко чувствительным к аналиту подслоем 232. Под «оптически совместимым» понимается, что подслой 236 содержит материал или материалы, в достаточной степени оптически прозрачные, и имеющие показатели преломления, достаточно близкие к показателю преломления подслоя 232, в результате чего обеспечивается функционирование чувствительного элемента 2. То есть, разность между показателями преломления подслоев 232 и 236 не должна быть настолько большой, чтобы свет, отраженный от границы раздела между подслоями 232 и 236, оказывал существенное негативное влияние на функционирование чувствительного элемента 2 (например, за счет того, что будет существенно уменьшаться количество света, который должен пройти через 236 и попасть в высоко чувствительный к аналиту подслой 232). Кроме того,