EP2591343A1 - Dispositif de detection et/ou quantification electrique par empreinte moleculaire de composes organophosphores - Google Patents

Dispositif de detection et/ou quantification electrique par empreinte moleculaire de composes organophosphores

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Publication number
EP2591343A1
EP2591343A1 EP11741636.2A EP11741636A EP2591343A1 EP 2591343 A1 EP2591343 A1 EP 2591343A1 EP 11741636 A EP11741636 A EP 11741636A EP 2591343 A1 EP2591343 A1 EP 2591343A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
group
detecting
quantifying
organophosphorus compound
organophosphorus
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11741636.2A
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German (de)
English (en)
Inventor
Simon Clavaguera
Alexandre Carella
Caroline Celle
Jean-Pierre Simonato
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2591343A1 publication Critical patent/EP2591343A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0057—Warfare agents or explosives
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T436/00—Chemistry: analytical and immunological testing
    • Y10T436/16—Phosphorus containing
    • Y10T436/163333—Organic [e.g., chemical warfare agents, insecticides, etc.]

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the detection and / or electrical quantification of organophosphorus compounds present in gaseous form or in solution.
  • Organophosphorus compounds are molecules consisting of a phosphorus atom to which are bonded different chemical groups whose nature determines the exact properties of the compound. Subject of intensive research on the combat gases during and after the Second World War which led to the development of Sarin, Soman, Tabun, Cyclosarin, GV, VX, VE, VG and VM gases, and molecules simulating the As a result of the action of organophosphorous neurotoxicants of the DFP (Diisopropylfluorophosphate), DCP (diethylchlorophosphate) and DMMP (dimethylmethylphosphonate) type, organophosphorus compounds are today mainly used in agriculture as insecticides or herbicides.
  • DFP Diisopropylfluorophosphate
  • DCP diethylchlorophosphate
  • DMMP dimethylmethylphosphonate
  • pesticides based on organophosphorus compounds include Parathion, Malathion, Methyl Parathion, Chlorpyrifos, Diazinon, Dichlorvos, Phosmet, Tetrachlorvinphos and methyl Azinphos.
  • organophosphorus compounds have the property of binding particularly strong and stable at the active site of this enzyme. Once fixed, the organophosphorus compound prevents the cholinesterase from degrading acetylcholine, a neurotransmitter released at the level of neuronal synapses during neuronal excitation: lack of degradation of acetylcholine in choline and inactive acetate, the cholinergic receptors are constantly stimulated, which can lead to paralysis and lead to death.
  • organophosphorus compounds used as insecticides are not only toxic to insects but also to any animal, man including. For this reason, despite their relatively good biodegradability that allowed them to supplant insecticides based on organochlorine compounds with low biodegradability, their often much higher toxicity requires special precautions for use. In addition, these insecticides being among the most used not only in agriculture by professionals but also by individuals, the Detection and dosing of organophosphorus compounds represent a public health interest and would also be particularly useful for the agri-food industry.
  • Kemp acid impregnated filter paper coupled to a fluorophore in an atmosphere having 10 ppm DFP allows the detection of this organophosphorus agent by reading fluorescence under a UV lamp.
  • This detection although specific, has various disadvantages. First of all, it needs to be implemented in an environment with reduced brightness which requires at least one ⁇ _> capping D ⁇
  • organophosphorus compounds which increases the power consumption and congestion, and therefore decreases the portability, the detection device and / or quantification and organophosphorus compounds. It can not always be used in places where the presence of organophosphorus compounds is to be detected in real time.
  • patent application EP 2 866 429 describes chemical sensors intended for the detection of explosives, in particular of nitroaromatic compounds, comprising a fluorescent material capable of forming a charge-transfer complex with the type of molecule to be detected and means of measuring the fluorescence variation of said material.
  • These sensors further comprise a filter comprising a polymeric material comprising cavities called "molecular fingerprints" whose geometric and chemical configuration is defined so as to fix the type of molecule to be detected.
  • MIPs Molecular Imprinted Polymers
  • MIPs Like biological receptors, MIPs have high affinity and good selectivity for a particular family of molecules. A priori, we can design MIPs in the image of any molecule or family of molecules depending on their size or the chemical functions they carry. Thus the synthesis of MIPs is conceivable for any chemical family. Because of their highly crosslinked chemical structure, MIPs have very good thermal and chemical stability.
  • a method for the selective detection of organophosphorus compounds has also been described in patent application EP 2154525.
  • This describes a device for detecting and / or quantifying organophosphorus compounds comprising an electrical device comprising a separate source electrode and a drain electrode. by a semiconductor material and a device for detecting the variation of the positive charges between the two electrodes.
  • the electrodes or the semiconductor material are grafted by receptor molecules capable of reacting with the organophosphorus compounds to be detected to form a positively charged cycle.
  • the detection devices of organophosphorus compounds currently available have the disadvantage either of not being selective of the organophosphorus compounds, or of being usable only for testing a sample in solution, or of requiring a fluorescence reader and a test environment. low light or presenting stability problems.
  • the so-called "receptor" molecules according to the invention are sensitive and specific molecules of the organophosphorus analytes to be detected, capable of generating an electrical charge after reaction with the organophosphorus compounds. This charge formation then modifies the electrical properties of the semiconductor material.
  • the detection is performed by recording over time the evolution of the electrical properties of the semiconductor material. More specifically, it has been shown that this polymeric material grafted with receptor groups makes it possible to increase the number of grafted receptor groups and therefore the sensitivity of the material.
  • the molecularly imprinted polymer by allowing only certain species to penetrate into the sensitive material and thus to react with the grafted receptor groups, advantageously makes it possible to increase the selectivity of the sensitive material. while protecting the semiconductor material from many interferents.
  • This polymeric material therefore acts as a barrier layer, which is protective of the semiconductor material, making it possible to limit the false positives commonly encountered when working with a bare or grafted semiconductor material, but also for sorting by preferentially allowing the molecules of interest to pass through. .
  • This polymeric material thus makes it possible to obtain a double selectivity, both steric and chemical. It makes it possible to detect molecules that have on the one hand a structure similar to the imprint used to form the MIP (size, shape, chemical functions) and on the other hand that are able to react with the receiver incorporated into the MIP polymer.
  • a first object of the invention relates to a device for detecting and / or quantifying at least one organophosphorus compound comprising:
  • an electrical device comprising a source electrode and a drain electrode separated by a semiconductor material
  • a function X capable of reacting with the organophosphorus compound to be detected to form an intermediate group -Z, X being chosen from -CH 2 OH, -CH 2 NH 2 , -CH 2 SH;
  • Y being a nucleophilic function chosen from a tertiary amine, an ether or a thioether.
  • Said polymeric material comprises so-called molecular cavity cavities whose geometric and chemical configuration makes it possible to let the organophosphorus compounds to be detected in said polymer material.
  • leaving group is meant a leaving group, nucleofuge, ie a group capable of being substituted by a nucleophilic group during a nucleophilic attack.
  • leaving groups mention may in particular be made of halogen atoms, in particular bromine, chlorine and fluorine atoms, and AlkO-, AlkS- groups, where Alk represents an alkyl group comprising from 1 to 6 carbon atoms. and ArO-, ArS-, where Ar is an aryl group substituted with one or more N0 2 and / or Cl groups or not.
  • the exposure of the receptor group to an organophosphorus compound leads to the formation of a nucleophilic intermediate group -Z, resulting from the nucleophilic substitution of an L 3 labile ligand on the phosphorus atom by the nucleophilic function X.
  • the generation of an electronic charge makes it possible to abruptly modify the electrostatic environment of the semiconductor material.
  • Y-function capable of reacting with said -Z group to form a cycle carrying a positive charge it is understood that the X and Y functions of the receiver group are in spatial proximity to one another, so as to allow intramolecular cyclization.
  • the reaction of the nucleophilic function Y on the group -Z leads to the formation of a 5- to 7-membered ring.
  • the receptor group is a group of formula -ALX in which A is a group comprising a function Y, and L is a group - (CH 2 ) n -, where n is an integer of 0 to 6. More preferably, n is an integer from 0 to 2.
  • X is -CH 2 OH.
  • A is a group comprising a tertiary amine, especially a nitrogen heterocycle, more particularly a heterocycloalkyl or a heteroaryl.
  • the receptor group is a group of formula (I):
  • the receptor group is a group of formula (II):
  • MIPs are robust biomimetic systems for selectively capturing a given type of molecule.
  • MIPs Like biological receptors, MIPs have high affinity and good selectivity for given molecules.
  • a priori we can design MIPs in the image of any molecule or family of functional molecules: thus, we can consider the synthesis of MIPs and more specifically for target molecules for which there is no biological equivalent .
  • MIPs Because of their highly crosslinked chemical structure, MIPs have very good thermal and chemical stability. They have on the other hand the advantage of being synthesized from low cost reagents. MIPs can be of different types: organic, organic-inorganic or inorganic hybrid.
  • the molecular imprinted polymer can be obtained by a process comprising the steps of:
  • polymerization by means of an initiator, and in the presence of a crosslinking agent, of one or more types of polyfunctional monomers (mf), in the presence of a so-called molecular imprinting molecule which can be either directly the molecule to detect either a steric and chemical analogue, and
  • the so-called molecular imprint molecule develops interactions with one or more functional monomers in a pore-forming solvent. These may be ionic, hydrophobic or hydrogen bonding interactions.
  • a crosslinking agent and a polymerization initiator leads to the formation of a synthetic matrix containing the recognition sites specifically constructed around the imprinted molecule.
  • the molecular imprint is removed using a suitable solvent: finally, a polymer matrix is obtained having so-called cavity cavities whose geometrical and magnetic coniiguration is perfectly adapted to the fixation or receiving the molecules of interest, these cavities communicating with the outer surface of the polymer material by means of channels.
  • the polymeric material comprising cavities with molecular imprints is obtained by polymerization of a monomer of acrylic or methacrylic acid.
  • the imprinting molecule making it possible to obtain a selectivity of the polymer for the organophosphorus compounds, is pinacolyl methylphosphate.
  • the initiator may especially be 2,2'-azobis (2,4-dimethyl) valeronitrile.
  • the crosslinking agent may be in particular ethylene glycol dimethacrylate.
  • the acrylic or methacrylic acid polymer is polymerized in the presence of at least one receptor molecule of formula RALX, in which R is a group which makes it possible to incorporate the group receptor in the imprinted polymer structure, A, L and X being as defined above.
  • the compound R-A-L-Y is a compound of formula (Ia) or (Ib
  • all or part of the cavities of the molecularly imprinted polymer comprises at least one receptor group as defined in the present application, capable of reacting with the organophosphorus compound (s) to be quantified and / or detected.
  • the molecularly imprinted polymer material is a film whose thickness is between 2 nm and 100 nm.
  • the invention also relates to a polymer material that can be obtained according to a process comprising the steps of:
  • polymerization by means of an initiator, and in the presence of a crosslinking agent, of one or more types of polyfunctional monomers (mf), in the presence of a so-called molecular imprinting molecule which can be either directly the molecule detecting either a steric and chemical analogue and a receptor molecule as defined in the present application, and
  • the electrical device may be of resistance type, or of the field effect transistor type.
  • the electrical device When the electrical device is of the resistor type, the variation of the intensity of the current between the source and drain electrodes is detected and possibly measured, variation of current intensity caused by the generation of positive charges when the cyclization of the receptor molecule when it comes into contact with the organophosphorus compounds, at a given and known imposed tension between the source and drain electrodes. This variation of current intensity gives access to the variation of conductance.
  • the semiconductor portion is separated from the gate by a dielectric material.
  • the intensity of the source-drain current is detected and possibly measured, for example, the variation of the intensity of the source-drain current, at a given and known voltage imposed between the source and drain electrodes crossing the transistor. Since the intensity of the current is a function of the gate voltage, the transconductance of the semiconductor is then available.
  • the change in conductance or the transconductance variation is indicative of the presence of organophosphorus compounds and is proportional to the concentration of organophosphorus compounds.
  • the semiconductor material acts as a transducer of the chemical signal in a signal of an electrical nature. Indeed, when the reaction takes place between an organophosphorus molecule and the polymer-bound receptor, the product of the reaction is a salt having a cation and an anion. The formation of this salt greatly disturbs the electrical properties of the semiconductor material on which the sensitive material is deposited. It is therefore the follow-up of one or more of the electrical properties of the semiconductor material that will inform the detection of organophosphorus compounds.
  • the semiconductor material which acts as a conduction channel is a semiconductor material, advantageously based on carbon, silicon, germanium, zinc, gallium, indium, cadmium or a material organic semiconductor.
  • the semiconductor material consists of silicon nanowire (s) and / or carbon nanotube (s).
  • the semiconductor material is silicon nanowire (s) etched on an SOI (Silicon On Insulator) surface.
  • these may be oligomers, polymers or small molecules.
  • they may be heterocyclic aromatic compounds such as thiophenes and their derivatives, preferably P3HT (poly-3-hexylthiophene), or polypyrroles and their derivatives, aryiamines and their derivatives, preferably PTA ( polytriarylamine), triarylamine-fluorene copolymers, isochromenones and their derivatives, heterocyclic macrocycles such as porphyrins, phthalocyanines and their derivatives.
  • P3HT poly-3-hexylthiophene
  • PTA polytriarylamine
  • PTA polytriarylamine
  • heterocyclic macrocycles such as porphyrins, phthalocyanines and their derivatives.
  • Organic semiconductor materials can also be polycyclic aromatic acenes and their derivatives, preferably anthracene or pentacene, arylenes and their derivatives, for example perylene, polyparaphenylene, polyparaphenylenevinylene or polyfluorene.
  • Organic semiconductor materials can also be polysilanes and their derivatives.
  • the electrodes may be metallic, for example gold, silver, palladium, platinum, titanium, doped silicon, copper or nickel.
  • the simple structure of the device allows low cost and large scale production.
  • the device can be very small, requiring little energy to operate, promoting its portability.
  • Another object of the invention relates to a multi-sensor comprising a device for detecting and / or quantifying organophosphorus compounds according to the present invention.
  • multisensor is meant a device comprising a plurality of elementary sensors assembled to each other, these elementary sensors being able to be provided with sensitive materials, and or different transducers.
  • Another subject of the present invention relates to a polymer material for detecting and / or quantifying at least one organophosphorus compound, said polymer material carrying at least one receptor group comprising:
  • a function X capable of reacting with the organophosphorus compound to be detected to form a -Z group, X being selected from -CH 2 OH, -CH 2 NH 2 , -CH 2 SH;
  • Y being a nucleophilic function chosen from a tertiary amine, an ether or a thioether
  • said polymeric material comprising so-called molecular finger cavities whose geometric and chemical configuration is defined so as to allow the organophosphorus compounds to be detected to be detected in said polymeric material.
  • the receptor group is a group of formula (I) or (II) as defined above.
  • the polymeric material is an acrylic polymer grafted with receptor groups as defined above.
  • Another subject of the present invention relates to a method for detecting and / or quantifying at least one organophosphorus compound, characterized in that it comprises the following steps:
  • test sample in liquid or gaseous form into contact with a detection and / or quantification device as defined above,
  • Alkyl denotes a linear, branched or cyclic aliphatic hydrocarbon chain comprising from 1 to 12 carbon atoms, especially from 1 to 6 carbon atoms. Branched means that one or more lower alkyl groups, such as methyl, ethyl or propyl, are linked to a linear alkyl chain. “Lower alkyl” refers to an alkyl group of 1 to 4 carbon atoms.
  • Alkylene refers to a substituted or unsubstituted, branched, linear or cyclic hydrocarbon chain comprising 1 to 12 carbon atoms resulting from the removal of 2 hydrogen atoms to form a divalent group.
  • alkylene refers to a substituted or unsubstituted, branched, linear or cyclic hydrocarbon chain comprising 1 to 12 carbon atoms resulting from the removal of 2 hydrogen atoms to form a divalent group.
  • methylene -C3 ⁇ 4-
  • 1,2-ethanediyl -CH 2 CH 2 -
  • Aryl refers to an aromatic group defined as a cyclic group satisfying the Huckel rule, that is to say having a number of delocalized ⁇ electrons equal to (4n + 2).
  • Huckel rule that is to say having a number of delocalized ⁇ electrons equal to (4n + 2).
  • Arylene refers to an aryl group as defined above wherein 2 hydrogen atoms have been removed to form a divalent group.
  • phenylene group By way of example, mention may be made of the phenylene group:
  • tertiary amine function is meant in the sense of the present application a function in which the nitrogen atom is not bonded to any atom hydrogen.
  • the nitrogen atom may thus be bonded to 3 carbon groups or may be included in an aromatic system such as in a pyridine.
  • ether function is meant a group -Alk-O-Alk- or -Alk-O-Ar, in which the term Alk denotes an alkyl or alkylene group and Ar denotes an aryl or arylene group, alkyl groups, alkyls aryls and arylenes being as defined above.
  • thioether function is meant a group -Alk-S-Alk-, or -Alk-S-Ar in which the term Alk denotes an alkyl or alkylene group, and Ar denotes an aryl or arylene group, alkyl groups, alkylenes, aryls and arylenes being as defined above.
  • heterocycle refers to a substituted or unsubstituted cyclic carboxy group in which the ring moiety comprises at least one heteroatom such as O, N or S.
  • the nitrogen and sulfur atoms may be optionally oxidized, and the Nitrogen atom may be optionally substituted in an aromatic or nonaromatic ring.
  • heterocycles include heteroaryl and hetero cycloalkyl groups.
  • heterocycloalkyl refers to a cycloalkyl group in which one or more carbon atoms are replaced with at least one heteroatom such as -O-, -N- or -S-.
  • heterocyclylalkyl groups mention may be made in particular of pyrrolidinyl, pyrrolinyl, imidazolidinyl, imidazolinyl, pirazolidinyl, pirazolinyl, pyrazymyl, pipendyl, piperazinyl, morpholinyl, thiomorpholinyl, tetrahydrofuranyl, dithiolyl, oxathiolyl, dioxazolyl, oxathiazolyl, pyranyl, oxazinyl and oxathiazinyl groups. and oxadiazinyl.
  • heteroaryl refers to an aromatic group containing from 5 to 10 carbon atoms in which one or more cyclic carbon atoms are substituted with one or more heteroatoms such as -O-, -N-, -S-.
  • heteroaryl group mention may be made in particular of pyrrolyl, furanyl, thienyl, pirazolyl, imidazolyl, thiazolyl, isothiazolyl, isoxazolyl, oxazolyl, oxathiolyl, oxadiazolyl, triazolyl, oxatriazolyl, furazanyl, tetrazolyl, pyridyl, pyrazinyl, pyrimidinyl and pyridazinyl groups.
  • merged cyclic systems By way of example of such merged cyclic systems, mention may be made in particular of groups phthalamide, phthalic anhydride, indoline, isoindoline, tetrahydroisoquinoline, chromane, isochromane, chromene, and isochromene.
  • Figure 1 shows the synthesis of the polymer material according to the invention.
  • a silicon nanowire (s) field effect transistor is prepared from a p-doped SOI wafer (10 B atom / cm).
  • the silicon wire of dimensions 70 nm in thickness, 0.2 ⁇ in width and 2 ⁇ in length is obtained by electron lithography and ion beam etching ("ion etching").
  • the thickness of the dielectric material (Si0 2 ) is 140 nm.
  • the Ti / Au (10/100 nm) source and drain electrodes are produced by electron lithography and resin separation ("Iift-off").
  • the degenerate silicon substrate is used as the gate electrode.
  • the layer of polymeric molecular imprint material is photocrosslinked at the surface of the semiconductor material as follows.
  • the transistor is simultaneously subjected to spinning (30 sec, 3000 rpm) and UV photoirradiation (30 sec).
  • the sample is then rinsed with toluene and acetone and placed in methanol overnight to extract the molecular imprint.
  • the sample is then rinsed with anhydrous methanol and dried under vacuum.
  • a carbon nanotube field effect transistor is prepared by vaporization on a silicon wafer comprising a native oxide layer (dielectric material with a thickness of 100 nm) and source and drain gold electrodes produced by electronic lithography and resin removal ("lift-off"). The electrodes are spaced by a channel of 20 ⁇ .
  • a solution of single walled carbon nanotubes (SWCNTs) dispersed in N-methylpyrrolidone (dispersion at 0.05 g / l of SWCNT, passed to the ultrasounds for 90 min and then centrifuged twice 1 hour at 14000 rpm) is nebulized for 10 sec on the layer of dielectric material between the electrodes.
  • the degenerate silicon substrate is used as the gate electrode.
  • the layer of polymeric molecular imprint material is photocrosslinked at the surface of the semiconductor material as follows.
  • the transistor is simultaneously subjected to the spin (30 sec, 3000 rpm) and UV photoirradiation (30 sec).
  • the sample is then rinsed with toluene and acetone and placed in methanol overnight to extract the molecular imprint.
  • the sample is then rinsed with anhydrous methanol and dried under vacuum.
  • Example 2 a new sensor prepared according to Example 1 is used.
  • the current 3 ⁇ 4s is then measured as a function of time.
  • Triethylamine at a concentration of 75,000 ppm in dry synthetic air for 3 minutes
  • Example 4 Detection of diphenylchlorophosphate (DPCP) by a carbon nanotube transistor having on its surface a thin film of molecular imprinting material B prepared according to Example 2. Between each exposure, a new sensor prepared according to Example 2 is used. The source (S), drain (D) and gate (G) electrodes are subject to the following potentials: V. The IDS current is then measured as a function of time.
  • DPCP diphenylchlorophosphate
  • the IDS current is stable when the sensor is in air only (IDS-10 "10 A) After exposure of the transistor to vapors of organophosphorus compounds (500 ppb of diphenylchlorophosphate in dry synthetic air for 3 minutes), the current IDS increases very rapidly by a factor greater than 10 in less than a minute.It is found experimentally that the variation of the conductance or the variation of the transconductance is indicative of the presence of organophosphorus compounds and is proportional to the number of reacted receptors. With the OPs, the response (variation of the positive charges) is all the more rapid and important that the concentration of OPs is high By performing a calibration curve, a quantification of the OPs can be performed.

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Abstract

La présente invention est relative à un procédé et un dispositif de détection et/ou de quantification électrique de composés organophosphorés présents sous forme gazeuse ou en solution. Le dispositif de l'invention comprend : un dispositif électrique comprenant une électrode source et une électrode drain séparées par un matériau semi-conducteur, et un dispositif de détection de charges positives entre les deux électrodes, l'une des surfaces du matériau semi-conducteur étant en contact avec un matériau polymère porteur d'au moins un groupe récepteur comprenant : 1) une fonction X susceptible de réagir avec le composé organophosphoré à détecter, pour former un groupement intermédiaire -Z, et 2) une fonction Y susceptible de réagir avec ledit groupement -Z pour former un cycle portant une charge positive; ledit matériau polymère comprenant des cavités dites à empreintes moléculaires dont la configuration géométrique et chimique permet de laisser pénétrer les composés organophosphorés à détecter dans ledit matériau polymère. L'invention trouve application dans le domaine de la détection et/ou de la quantification de composés organophosphorés, en particulier.

Description

DISPOSITIF DE DETECTION ET/OU QUANTIFICATION ELECTRIQUE PAR EMPREINTE MOLECULAIRE DE COMPOSES ORGANOPHOSPHORES
La présente invention est relative à un procédé et un dispositif de détection et/ou de quantification électrique de composés organophosphorés présents sous forme gazeuse ou en solution.
Les composés organophosphorés sont des molécules constituées d'un atome de phosphore auquel sont liés différents groupes chimiques dont la nature détermine les propriétés exactes du composé. Objet de recherches intensives sur les gaz de combat durant et après la seconde Guerre Mondiale qui ont abouti à la mise au point des gaz Sarin, Soman, Tabun, Cyclosarin, GV, VX, VE, VG et VM, et de molécules simulant l'action des organophosphorés neurotoxiques de type DFP (Diisopropylfluorophosphate), DCP (diéthylchlorophosphate) et DMMP (diméthyl- méthylphosphonate), les composés organophosphorés sont aujourd'hui principalement utilisés en agriculture comme insecticides ou herbicides. Parmi la grande variété de pesticides à base de composés organophosphorés existant on peut notamment citer le Parathion, le Malathion, le méthyl Parathion, le Chlorpyrifos, le Diazinon, le Dichlorvos, le Phosmet, le Tetrachlorvinphos et le méthyl Azinphos.
Le mode d'action des composés organophosphorés est basé sur l'affinité de ces derniers pour une enzyme impliquée dans la transmission de l'influx nerveux : la cholinestérase. Les composés organophosphorés ont en effet la propriété de se fixer de façon particulièrement forte et stable au niveau du site actif de cette enzyme. Une fois fixé, le composé organophosphoré empêche la cholinestérase de dégrader l'acétylcholine, neurotransmetteur libéré au niveau des synapses neuronales lors de l'excitation neuronale : faute de dégradation de l'acétylcholine en choline et acétate inactifs, les récepteurs cholinergiques sont constamment stimulés, ce qui peut entraîner une paralysie et conduire à la mort.
Le mécanisme impliqué dans la transmission de l'influx nerveux qui est perturbé par les composés organophosphorés étant identique dans l'ensemble du règne animal, les composés organophosphorés utilisés comme insecticides sont non seulement toxiques pour les insectes mais également pour tout animal, l'homme y compris. Pour cette raison, malgré leur relative bonne biodégradabilité qui leur a permis de supplanter les insecticides à base de composés organochlorés présentant une biodégradabilité faible, leur toxicité souvent bien supérieure requiert des précautions d'emploi particulières. De plus, ces insecticides étant parmi les plus utilisés non seulement dans l'agriculture par les professionnels mais aussi par les particuliers, la détection et le dosage des composés organophosphorés représentent un intérêt de santé publique et serait également particulièrement utile pour l'industrie agro-alimentaire.
En outre, malgré leur interdiction en 1997, les gaz de combat sont toujours une menace. D'une part, la production des gaz de combat du type Sarin, Soman, VX est aisée, et d'autre part, ces composés étant inodores et incolores ils peuvent être inhalés sans que l'individu en prenne conscience. La détection immédiate de tels gaz est donc un enjeu majeur pour protéger les soldats en zone de combat mais aussi les populations civiles face au risque terroriste. Celles-ci sont clairement avérées, notamment depuis l'attentat mortel au Sarin opéré par le groupe terroriste de Aum Shinrikyo dans le métro de Tokyo en 1995.
De nombreuses méthodes et dispositifs de détection des composés organophosphorés ont été développés.
Ainsi, des capteurs chimiques sensibles aux gaz organophosphorés, fonctionnant pour la plupart sur le principe des « nez électroniques », sont commercialisés. Le Brevet US 5,571,401, par exemple, décrit un capteur chimique constitué de puces comprenant une résistance composée de polymères non- conducteurs et de matériaux conducteurs : lorsqu'une molécule chimique entre en contact avec les matériaux conducteurs, une différence de résistance est alors détectée. Ces capteurs ont l'inconvénient d'être peu spécifiques et d'être sujets aux faux positifs. Des capteurs à base de réseaux bidimensionnels de nanotubes de carbone ont également été mis au point (WO 2006/099518) mais, bien qu'ils soient très sensibles et détectent un grand nombre de molécules, ils ne permettent pas d'obtenir une réponse spécifique et sélective des composés organophosphorés.
Récemment des méthodes de détection sélectives des composés organophosphorés en solution basées sur des mesures de fluorescence ont été décrites. Zhang et al. ont montré qu'en présence d'une molécule possédant une aminé à proximité spatiale d'un alcool primaire et un chromophore non plan, flexible et faiblement conjugué, les composés organophosphorés réagissent avec l'alcool primaire, le phosphate obtenu permettant la cyclisation par substitution nucléophile intramoléculaire, stabilisant le chromophore dans le plan et aboutissant à une augmentation de la fluorescence (S.-W. Zhang and T. M. Swager, J. Am. Chem. Soc, 2003, 125, 3420-3421). Cette cyclisation permet donc une détection par fluorescence des agents organophosphorés en solution. L'équipe de J. Rebek, Jr. a ensuite montré que certains dérivés de l'acide de Kemp comportant un alcool primaire proche d'une aminé tertiaire sont également de bons candidats pour détecter les espèces organophosphorées neurotoxiques (T. J. Dale & J. Rebek, Jr., J.Am.Chem.Soc, 2006, 4500-4501). Comme S.-W. Zhang et al. l'avait précédemment montré, lorsque l'alcool primaire réagit avec un composé organophosphoré, le phosphate obtenu permet la cyclisation par substitution nucléophile intramoléculaire et l'obtention d'un ammonium quaternaire selon la réaction présentée dans le schéma suivant :
ebek et coll. ont alors développé des dérivés de l'acide de Kemp où R est un fluorophore. Dans sa forme ouverte, la fluorescence est empêchée par un transfert d'électron photo induit dû à l'aminé. La cyclisation annule ce transfert d'électron et augmente la fluorescence de la molécule. Une exposition de 5 secondes
10 d'un papier filtre imprégné d'acide de Kemp couplé à un fluorophore dans une atmosphère comportant 10 ppm de DFP, permet la détection de cet agent organophosphoré par lecture de la fluorescence sous lampe UV. Cette détection, bien que spécifique, a divers inconvénients. Tout d'abord, elle nécessite d'être mise en œuvre dans un environnement à luminosité réduite ce qui requiert au minimum un ι_> câpôtâ D^
photons ce qui augmente la consommation électrique et l'encombrement, et donc diminue la portabilité, du dispositif de détection et/ou de quantification et des composés organophosphorés. Elle ne peut donc pas toujours être utilisée sur les lieux où la présence des composés organophosphorés est à détecter en temps réel.
0 Des méthodes basées sur l'utilisation d'un biocapteur comprenant des enzymes présentant une affinité pour les composés organophosphorés, par exemple la cholinestérase, ont également été développées. Dans la demande PCT WO 2004/040004, des algues unicellulaires exprimant au niveau membranaire l'acétylcholinestérase ont été utilisées pour tester la présence de composés 5 organophosphorés en milieu aqueux, le pourcentage d'inhibition de l'acétylcholinestérase étant corrélé avec la concentration en composés organophosphorés dans le liquide aqueux contrôlé. Cette méthode nécessite la mise en solution des composés organophosphorés avant leur détection.
Récemment, une méthode basée sur l'utilisation de polymères à0 empreinte moléculaire a été développée pour la détection d'explosifs, par fluorescence. Ainsi la demande de brevet EP 2 866 429 décrit des capteurs chimiques destinés à la détection d'explosifs, notamment de composés nitroaromatiques, comprenant un matériau fluorescent capable de former un complexe à transfert de charge avec le type de molécule à détecter et des moyens de mesure de la variation de fluorescence dudit matériau. Ces capteurs comprennent en outre un filtre comportant un matériau polymère comprenant des cavités dites « empreintes moléculaires » dont la configuration géométrique et chimique est définie de façon à fixer le type de molécule à détecter. De façon générale, les polymères dits à empreinte moléculaire (Molecular Imprinted Polymers - MIPs), sont des systèmes biomimétiques robustes permettant de capter sélectivement un type de molécule donnée. Tout comme les récepteurs biologiques, les MIPs bénéficient d'une grande affinité et d'une bonne sélectivité pour une famille de molécules particulières. A priori, on peut concevoir des MIPs à l'image de toute molécule ou famille de molécules en fonction de leur taille ou des fonctions chimiques qu'elles portent. Ainsi la synthèse de MIPs est envisageable pour toute famille chimique. En raison de leur structure chimique hautement réticulée, les MIPs présentent une très bonne stabilité thermique et chimique.
Toutefois, la sélectivité de ces capteurs chimiques reste limitée à des aspects stériques, à savoir la taille des cavités du polymère à empreinte moléculaire. En outre, ces capteurs chimiques dont la transduction est de nature fluorescente, nécessitent une source et un détecteur de lumière ainsi qu'une alimentation électrique et une électronique associée complexe. Ces capteurs sont donc coûteux et difficilement miniaturisables.
Une méthode de détection sélective des composés organophosphorés a par ailleurs été décrite dans la demande de brevet EP 2154525. Celle-ci décrit un dispositif de détection et/ou de quantification de composés organophosphorés comprenant un dispositif électrique comprenant une électrode source et une électrode drain séparées par un matériau semi-conducteur et un dispositif de détection de la variation des charges positives entre les deux électrodes. Les électrodes ou le matériau semi-conducteur sont greffés par des molécules réceptrices, susceptibles de réagir avec les composés organophosphorés à détecter pour former un cycle chargé positivement.
Toutefois, de tels dispositifs posent des problèmes de stabilité dans le temps. En effet, les matériaux semi-conducteurs, et plus particulièrement les nanotubes de carbone, sont souvent sensibles à l'oxygène, à l'humidité ainsi qu'aux interférents atmosphériques. En outre, ces derniers peuvent poser des problèmes de bruit de fond susceptible de nuire à la sensibilité du dispositif de détection.
En résumé, les dispositifs de détection des composés organophosphorés actuellement disponibles ont l'inconvénient soit de ne pas être sélectifs des composés organophosphorés, soit d'être utilisables uniquement pour tester un échantillon en solution, soit de nécessiter un lecteur de fluorescence et un environnement à faible luminosité ou encore de présenter des problèmes de stabilité. Le développement d'une méthode rapide, efficace et spécifique, permettant la détection sélective de composés organophosphorés à la fois sous forme gazeuse et en solution, dans tout milieu, quelle que soit sa luminosité, ainsi que la mise au point d'un dispositif à encombrement réduit et ayant une bonne portabilité permettant une détection simple, rapide et sélective représentent donc toujours un enjeu majeur dans la protection des soldats en zone de combat, des populations civiles exposées au risque terroriste, et plus largement pour la détection de pesticides organophosphorés.
II a maintenant été mis en évidence qu'en associant un matériau semi-conducteur à un matériau sensible à base d'un matériau polymère de type polymère à empreintes moléculaires (MIP) greffé par des molécules réceptrices, le polymère à empreinte moléculaire et les molécules réceptrices étant tous deux sélectifs des composés organophosphorés à détecter, il était possible d'augmenter considérablement à la fois la sélectivité, la sensibilité et la durée de vie du capteur chimique.
Le résultat observé par les inventeurs est d'autant plus surprenant que l'on aurait pu s'attendre à ce que la présence du matériau à empreinte moléculaire ait eu pour effet de diminuer l'accessibilité des molécules réceptrices et donc la sensibilité et/ou la sélectivité chimique du capteur. En outre on aurait pu également s'attendre à ce que ce matériau à empreinte moléculaire ait un « effet écran », Le. qu'il atténue la détection des charges positives au niveau du matériau semiconducteur, et donc la sensibilité du capteur.
Les molécules dites « réceptrices » selon l'invention sont des molécules sensibles et spécifiques des analytes organophosphorés à détecter, capables de générer une charge électrique après réaction avec les composés organophosphorés. Cette formation de charge modifie ensuite les propriétés électriques du matériau semiconducteur. La détection est réalisée en enregistrant au cours du temps l'évolution des propriétés électriques du matériau semi-conducteur. Plus spécifiquement, il a été montré que ce matériau polymère greffé par des groupements récepteurs permettait d'augmenter le nombre de groupes récepteurs greffés et donc la sensibilité du matériau.
En outre, il a été mis en évidence que le polymère à empreinte moléculaire, en ne permettant qu'à certaines espèces de pénétrer dans le matériau sensible et ainsi de réagir avec les groupements récepteurs greffés, permettait avantageusement d'augmenter la sélectivité du matériau sensible tout en protégeant le matériau semi-conducteur de nombreux interférents. Ce matériau polymère joue donc un rôle de couche barrière, protectrice du matériau semi-conducteur, permettant de limiter les faux positifs rencontrés couramment lors du travail avec un matériau semiconducteur nu ou greffé, mais également de tri en laissant passer préférentiellement les molécules d'intérêt. Ce matériau polymère permet ainsi d'obtenir une double sélectivité, à la fois stérique et chimique. Il permet en effet de détecter des molécules qui présentent d'une part une structure analogue à l'empreinte utilisée pour former le MIP (taille, forme, fonctions chimiques) et d'autre part qui sont capable de réagir avec le récepteur incorporé dans le polymère MIP.
Ainsi, un premier objet de l'invention concerne un dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré comprenant :
- un dispositif électrique comprenant une électrode source et une électrode drain séparées par un matériau semi-conducteur, et
- un dispositif de détection de charges positives entre les deux électrodes.
Ledit dispositif étant caractérisé en ce que l'une des surfaces du matériau semi-conducteur est en contact avec un matériau intermédiaire polymère porteur d'au moins un groupe récepteur comprenant :
- une fonction X susceptible de réagir avec le composé organophosphoré à détecter pour former un groupement intermédiaire -Z, X étant choisi parmi -CH2OH, -CH2NH2, -CH2SH ; et
- une fonction Y susceptible de réagir avec ledit groupement -Z pour former un cycle portant une charge positive, Y étant une fonction nucléophile choisie parmi une aminé tertiaire, un éther ou un thioéther.
Ledit matériau polymère comprend des cavités dites empreintes moléculaires dont la configuration géométrique et chimique permet de laisser pénétrer les composés organophosphorés à détecter dans ledit matériau polymère.
Groupe récepteur Au sens de la présente invention, les composés organophosphorés sont des composés de formule (W=)PLiL2L3, dans laquelle W est O ou S et l'un au moins des groupes Lj, L2, L3 représente un groupe partant.
Par « groupe partant », on entend un groupe labile, nucléofuge, ie un groupe susceptible d'être substitué par un groupe nucléophile lors d'une attaque nucléophile. Comme exemple de groupes partants, on peut citer notamment les atomes d'halogène, notamment les atomes de brome, de chlore et de fluor, et les groupes AlkO-, AlkS- où Alk représente un groupe alkyle comprenant de 1 à 6 atomes de carbone, et les groupes ArO-, ArS- où Ar représente un groupe aryle substitué par un ou plusieurs groupes N02 et/ou Cl ou non.
L'exposition du groupement récepteur à un composé organophosphoré conduit à la formation d'un groupement intermédiaire -Z nucléofuge, résultant de la substitution nucléophile d'un ligand labile L3 sur l'atome de phosphore par la fonction nucléophile X.
Z peut être ainsi un groupe phosphate, phosphoramidate, ou thiophosphate, L e un groupe résultant de la formation d'une liaison covalente -O-P(O), -N-P(=0), -S-P(=0) respectivement.
II s'ensuit une attaque nucléophile intramoléculaire par la fonction Y (éther (-0-), thioéther (-S-) ou aminé tertiaire (-N-)), sur l'atome de carbone du groupe récepteur porteur de la fonction Z (-0-P(=0), -N-P(=0), -S-P(=0)), pour aboutir à la formation d'un composé cyclisé présentant une charge électronique positive localisée sur les hétéroatomes N, O ou S de la fonction Y.
La réaction du groupe récepteur tel que défini ci-dessus avec un composé organophosphoré est illustrée dans le schéma ci-après.
La génération d'une charge électronique permet de modifier de façon brutale l'environnement électrostatique du matériau semi-conducteur.
Par « fonction Y susceptible de réagir avec ledit groupement -Z pour former un cycle portant une charge positive », on entend notamment que les fonctions X et Y du groupe récepteur se trouvent à proximité spatiale l'une de l'autre, de manière à permettre la cyclisation intramoléculaire. De préférence, la réaction de la fonction nucléophile Y sur le groupement -Z conduit à la formation d'un cycle comprenant de 5 à 7 chaînons.
De préférence, le groupement récepteur est un groupe de formule -A-L-X dans laquelle A est un groupe comprenant une fonction Y, et L est un groupe - (CH2)n-, où n est un entier de 0 à 6. Plus préférentiellement, n est un entier de 0 à 2.
De préférence, X est -CH2OH.
De préférence, A est un groupement comprenant une aminé tertiaire, notamment un hétérocycle azoté, plus particulièrement un hétérocycloalkyle ou un hétéroaryle.
De préférence, le groupement récepteur est un groupe de formule (I) :
(I)
Selon un autre mode de réalisation préféré, le groupement récepteur est un groupe de formule (II) :
(it)
Matériau polymère à empreinte moléculaire
De manière générale, les polymères dits à empreintes moléculaires (Molecularly Imprinted Polymers MIPs) sont des systèmes biomimétiques robustes permettant de capter sélectivement un type de molécule donnée.
Tout comme les récepteurs biologiques, les MIPs bénéficient d'une grande affinité et d'une bonne sélectivité pour des molécules données. A priori, on peut concevoir des MIPs à l'image de toute molécule ou famille de molécules fonctionnelles : ainsi, on peut envisager la synthèse de MIPs à façon et plus particulièrement pour des molécules cibles pour lesquelles il n'existe pas d'équivalent biologique.
En raison de leur structure chimique hautement réticulée, les MIPs présentent une très bonne stabilité thermique et chimique. Ils ont d'autre part l'avantage d'être synthétisés à partir de réactifs à bas coût. Les MIPs peuvent être de différentes natures : organique, hybride organique -inorganique ou inorganique.
Comme résumé sur le schéma illustré en figure 1 et décrit de façon plus détaillée ci-après, le polymère à empreinte moléculaire (MIP) peut être obtenu selon un procédé comprenant les étapes de :
- polymérisation, à l'aide d'un amorceur, et en présence d'un agent réticulant, d'un ou plusieurs types de monomères polyfonctionnels (mf), en présence d'une molécule dite empreinte moléculaire qui peut être soit directement la molécule à détecter, soit un analogue stérique et chimique, et
- extraction de l'empreinte moléculaire.
Plus particulièrement, lors d'une première étape dite de préarrangement, la molécule dite empreinte moléculaire développe des interactions avec un ou plusieurs monomères fonctionnels dans un solvant porogène. Il peut s'agir d'interactions ioniques, hydrophobes ou encore de liaisons hydrogène.
Lors d'une deuxième étape dite de polymérisation, l'ajout d'un agent réticulant et d'un amorceur de polymérisation conduit à la formation d'une matrice synthétique renfermant les sites de reconnaissance spécifiquement construits autour de la molécule empreinte.
Lors de la troisième étape dite d'extraction, l'empreinte moléculaire est éliminée à l'aide d'un solvant adéquat: on obtient finalement une matrice polymère présentant des cavités dites empreintes dont la conîiguration géométrique et cnrmique est parfaitement adaptée à la fixation ou réception des molécules d'intérêt, ces cavités communiquant avec la surface extérieure du matériau polymère au moyen de canaux.
De préférence, le matériau polymère comprenant des cavités à empreintes moléculaires est obtenu par polymérisation d'un monomère d'acide acrylique ou méthacrylique.
Selon un mode de réalisation, la molécule empreinte, permettant d'obtenir une sélectivité du polymère pour les composés organophosphorés est le méthylphosphate de pinacolyle.
L'amorceur peut être notamment le 2,2'-azobis-(2,4-diméthyl)- valéronitrile.
L'agent réticulant peut être notamment l'éthylène glycol diméthacrylate.
Selon une variante préférée, le polymère d'acide acrylique ou méthacrylique est polymérisé en présence d'au moins une molécule réceptrice de formule R-A-L-X, dans laquelle R est un groupe qui permet d'incorporer le groupe récepteur dans la structure du polymère à empreinte, A, L et X étant tels que définis ci-dessus.
De préférence R est un groupe comprenant une fonction CH2-CH- notamment un groupe CH2=CH-(C6H4)-CH2- ou un groupe CH2=CH-0-(CO)-(C6H4)- O- .
Selon une variante préférée, le composé R-A-L-Y est un composé de formule (la) ou (Ib
(la) (ib)
Avantageusement, tout ou partie des cavités du polymère à empreinte moléculaire comprend au moins un groupe récepteur tel que défini dans la présente demande, susceptible de réagir avec le(s) composé(s) organophosphoré à quantifier et/ou détecter.
De préférence, le matériau polymère à empreinte moléculaire est un film dont l'épaisseur est comprise entre 2 nm et 100 nm.
L'invention concerne également un matériau polymère susceptible d'être obtenu selon un procédé comprenant les étapes de :
- polymérisation, à l'aide d'un amorceur, et en présence d'un agent réticulant, d'un ou plusieurs types de monomères polyfonctionnels (mf), en présence d'une molécule dite empreinte moléculaire qui peut être soit directement la molécule à détecter, soit un analogue stérique et chimique, et d'une molécule réceptrice telle que définie dans la présente demande, et
- extraction de l'empreinte moléculaire.
Dispositif électrique
Le dispositif électrique peut être de type résistance, ou bien de type transistor à effet de champ.
Lorsque le dispositif électrique est du type résistance, on détecte et, éventuellement, on mesure, par exemple, la variation de l'intensité du courant entre les électrodes source et drain, variation d'intensité de courant provoquée par la production de charges positives lors de la cyclisation de la molécule réceptrice lorsqu'elle entre en contact avec les composés organophosphorés, à une tension donnée et connue imposée entre les électrodes source et drain. Cette variation d'intensité de courant donne accès à la variation de conductance.
Lorsque le dispositif électrique est du type transistor, la partie semi- conductrice est séparée de la grille par un matériau diélectrique.
Là encore, on détecte et, éventuellement, on mesure, par exemple, la variation de l'intensité du courant source-drain, à une tension donnée et connue imposée entre les électrodes source et drain traversant le transistor. L'intensité du courant étant une fonction de la tension de la grille, on a alors accès à la transconductance du semi-conducteur.
Dans les deux cas, la variation de la conductance ou la variation de transconductance est révélatrice de la présence de composés organophosphorés et est proportionnelle à la concentration en composés organophosphorés.
Le matériau semi-conducteur joue un rôle de transducteur du signal chimique en un signal de nature électrique. En effet, lorsque la réaction a lieu entre une molécule organophosphorée et le récepteur lié au polymère, le produit de la réaction est un sel présentant un cation et un anion. La formation de ce sel perturbe fortement les propriétés électriques du matériau semi-conducteur sur lequel est déposé le matériau sensible. C'est donc le suivi d'une ou de plusieurs des propriétés électriques du matériau semi-conducteur qui informera sur la détection de composés organophosphorés.
Le matériau semi-conducteur qui joue le rôle de canal de conduction est un matériau semi-conducteur, avantageusement à base de carbone, de silicium, de germanium, de zinc, de gallium, d'indium, de cadmium, ou d'un matériau semiconducteur organique.
De préférence, le matériau semi-conducteur est constitué de nanofil(s) de silicium et/ou de nanotube(s) de carbone.
Plus préférablement, le matériau semi-conducteur est constitué de nanofil(s) de silicium gravé(s) sur une surface SOI (Silicon On Insulator).
Dans le cas de matériaux semi-conducteurs organiques, ceux-ci peuvent être des oligomères, des polymères ou des petites molécules. Par exemple, il peut s'agir de composés aromatiques hétérocycliques tels que les thiophènes et leurs dérivés, de préférence le P3HT (poly-3-hexylthiophène), ou les polypyrroles et leurs dérivés, les aryiamines et leurs dérivés, de préférence le PTA (polytriarylamine), les copolymères triarylamine-fluorène, les isochromenones et leurs dérivés, des macrocycles hétérocycliques tels que les porphyrines, les phtalocyanines et leurs dérivés. Les matériaux semi-conducteurs organiques peuvent également être des acènes polycycliques aromatiques et leurs dérivés, de préférence l'anthracène ou le pentacène, des arylènes et leurs dérivés, par exemple le perylène, le polyparaphenylène, le polyparaphénylènevinylène ou le polyfluorène. Les matériaux semi-conducteurs organiques peuvent aussi être des polysilanes et leurs dérivés.
Les électrodes peuvent être métalliques, par exemple en or, en argent, en palladium, en platine, en titane, en silicium dopé, en cuivre ou en nickel.
La structure simple du dispositif permet une production à bas coût et à grande échelle. En outre, du fait de cette structure simple, le dispositif peut être de très petite taille, nécessitant peu d'énergie pour fonctionner, favorisant sa portabilité.
Un autre objet de l'invention concerne un multicapteur comprenant un dispositif de détection et/ou de quantification de composés organophosphorés selon la présente invention.
Par « multicapteur » on entend un dispositif comprenant plusieurs capteurs élémentaires assemblés les uns aux autres, ces capteurs élémentaires pouvant être munis de matériaux sensibles, et ou de transducteurs différents.
Matériau polymère
Un autre objet de la présente invention concerne un matériau polymère pour détecter et/ou quantifier au moins un composé organophosphoré, ledit matériau polymère étant porteur d'au moins un groupe récepteur comprenant :
- une fonction X susceptible de réagir avec le composé organophosphoré à détecter pour former un groupement -Z, X étant cnoisi parmi -CH2OH, -CH2NH2, -CH2SH ; et
- une fonction Y susceptible de réagir avec ledit groupement -Z pour former un cycle portant une charge positive, Y étant une fonction nucléophile choisie parmi une aminé tertiaire, un éther ou un thioéther ;
et
ledit matériau polymère comprenant des cavités dites à empreintes moléculaires dont la configuration géométrique et chimique est définie de façon à laisser pénétrer les composés organophosphorés à détecter dans ledit matériau polymère.
De préférence, le groupe récepteur est un groupe de formule (I) ou (II) tel que défini ci-dessus.
De préférence, le matériau polymère est un polymère acrylique greffé par des groupes récepteurs tels que définis ci-dessus. Un autre objet de la présente invention concerne un procédé de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- mise en présence de l'échantillon à tester sous forme liquide ou sous forme gazeuse avec un dispositif de détection et/ou de quantification tel que défini ci-dessus,
- mise en évidence des charges positives générées par la réaction du groupement récepteur avec le composé organophosphoré, en mesurant la variation de résistance, de conductance ou de transconductance dudit dispositif.
Définitions
Tels qu'on les utilise ci-dessus, et dans toute la description de l'invention, les termes suivants, sauf mention contraire, doivent être compris comme ayant les significations suivantes :
« Alkyle » désigne une chaîne hydrocarbonée aliphatique, linéaire, ramifiée ou cyclique, comprenant de 1 à 12 atomes de carbone, notamment de 1 à 6 atomes de carbone. Ramifié signifie qu'un ou plusieurs groupes alkyle inférieurs, tels que le méthyle, l'éthyle ou le propyle, sont liés à une chaîne alkyle linéaire. « Alkyle inférieur » se réfère à un groupe alkyle comprenant de I à 4 atomes de carbone.
« Alkylène » se réfère à une chaîne hydro carbonée, substituée ou non substituée, ramifiée, linéaire ou cyclique, comprenant de 1 à 12 atomes de carbone, résultant de l'élimination de 2 atomes d'hydrogène ae manière a lormer un groupe divalent. A titre d'exemple, on peut citer notamment le méthylène (-C¾-), ou le 1,2-éthanediyle (-CH2CH2-).
« Aryle » se réfère à un groupe aromatique défini comme un groupe cyclique satisfaisant à la règle de Huckel, c'est-à-dire présentant un nombre d'électrons π délocalisés égal à (4n+2). A titre d'exemples, on peut citer les groupes cyclopentadiényle, phényle, benzyle, biphényle, phénylacétylène, pyrényle et anthracényle.
« Arylène » se réfère à un groupe aryle tel que défini ci-dessus sur lequel 2 atomes d'hydrogène ont été éliminés pour former un groupe divalent. A titre d'exemple, on peut citer le groupe phénylène :
Par fonction « aminé tertiaire », on entend au sens de la présente demande une fonction dans laquelle l'atome d'azote n'est lié à aucun atome d'hydrogène. L'atome d'azote peut ainsi être lié à 3 groupements carbonés ou bien peut être inclus dans un système aromatique tel que dans une pyridine.
Par fonction « éther », on entend un groupement -Alk-O-Alk- ou - Alk-O-Ar, dans lequel le terme Alk désigne un groupement alkyle ou alkylène et Ar désigne un groupe aryle ou arylène, les groupes alkyles, aikylènes, aryles et arylènes étant tels que définis ci-dessus.
Par fonction « thioéther », on entend un groupement -Alk-S-Alk-, ou -Alk-S-Ar dans lequel le terme Alk désigne un groupement alkyle ou alkylène, et Ar désigne un groupe aryle ou arylène, les groupes alkyles, alkylènes, aryles et arylènes étant tels que définis ci -dessus.
Le terme « hétérocycle » se réfère à un groupe carbo cyclique substitué ou non substitué dans lequel la partie cyclique comprend au moins un hétéroatome tel que O, N ou S. Les atomes d'azote et de soufre peuvent être éventuellement oxydés, et l'atome d'azote peut être éventuellement substitué dans un cycle aromatique ou non aromatique. Au sens de la présente description, les hétérocycles comprennent les groupes hétéroaryles et hétéro cycloalkyles.
Le terme « hétérocycloalkyle » se réfère à un groupe cycloalkyle dans lequel un ou plusieurs atomes de carbone sont remplacés par au moins un hétéroatome tel que -O-, -N- ou -S-. Comme exemple de groupes hétérocycio alkyles, on peut citer notamment les groupes pyrrolidinyle, pyrrolinyle, imidazolidinyle, imidazolinyle, pirazolidinyle, pirazolinyle, pyrazaimyle, pipendyie, piperazinyie, morpholinyle, thiomorpholinyle, tetrahydrofuranyle, dithiolyle, oxathiolyle, dioxazolyle, oxathiazolyle, pyranyle, oxazinyle, oxathiazinyle, and oxadiazinyle.
Le terme « hétéroaryle » se réfère à un groupe aromatique contenant de 5 à 10 atomes de carbone dans lequel un ou plusieurs atomes de carbone cycliques sont substitués par un ou plusieurs hétéroatomes tels que -O-, -N-, -S-. Comme exemple de groupe hétéroaryle, on peut citer notamment les groupes pyrrolyle, furanyle, thiényle, pirazolyle, imidazolyle, thiazolyle, isothiazolyle, isoxazolyle, oxazolyle, oxathiolyle, oxadiazolyle, triazolyle, oxatriazolyle, furazanyle, tetrazolyle, pyridyle, pyrazinyle, pyrimidinyle, pyridazinyle, triazinyle, indolyle, isoindolyle, indazolyle, benzo furanyle, isobenzofuranyle, purinyle, quinazolinyle, quinolyl, isoquinolyl, benzoimidazolyl, benzothiazolyl, benzothiophenyl, thianaphihenyl, benzoxazolyle, benzisoxazolyle, cinnolinyle, phthalazinyle, naphthyridinyle, et quinoxalinyle. Sont compris dans cette définition les systèmes cycliques fusionnés dans lesquels le cycle aromatique est fusionné à un groupe hétérocycloalkyle. A titre d'exemple de tels systèmes cycliques fusionnés, on peut citer notamment les groupes phthalamide, anhydride phthalique, indoline, isoindoline, tétrahydroisoquinoline, chromane, isochromane, chromène, et isochromène.
Les exemples suivants illustrent l'invention, sans toutefois la limiter. Les produits de départs utilisés sont des produits connus ou préparés selon des modes opératoires connus.
Figure
Figure 1 : La figure 1 représente la synthèse du matériau polymère selon l'invention.
Exemples
Exemple 1 : Synthèse d'un matériau à empreintes moléculaires A selon l'invention à la surface d'un matériau semi-conducteur (nanofil(s) de silicium).
Un transistor à effet de champ à nanofil(s) de silicium est préparé à partir d'une tranche de SOI dopée p (10 B atom/cm ). Le fil de silicium de dimensions 70 nm d'épaisseur, 0,2 μπι de largeur et 2 μπι de longueur est obtenu par lithographie électronique et gravure sous faisceau d'ions (« ion etching »). L'épaisseur du matériau diélectrique (Si02) est de 140 nm. Les électrodes Ti/Au (10/100 nm) source et drain sont produites par lithographie électronique et décollement de résine (« Iift-off »). Le substrat de silicium dégénéré est utilisé comme électrode de grille. La couche de matériau polymère à empreintes moléculaires est photoréticulée en surface du matériau semi-conducteur comme suit.
Jne solution contenant deux monomères raciae metnacrynque (1 mmol) et le récepteur sélectif aux OPs (la) dont la structure est développée plus bas (1 mmol), un agent réticulant l'éthylèneglycol diméthacrylate (5 mmol), un photoamorceur le 2,2'-azobis-(2,4-diméthyl)-valéromtrile (60 mg), l'empreinte moléculaire le pinacolyl méthylphosphonate (0.25 mmol) est diluée avec 2 mL de toluène. Ce mélange réactionnel est dégazé par trois cycles vide-argon, puis 10 μL de cette solution sont déposés à la surface du matériau semi-conducteur sous azote. Le transistor est simultanément soumis à la tournette (30 sec, 3000 tr/min) et à une photoirradiation UV (30 sec). L'échantillon est ensuite rincé avec du toluène et de l'acétone puis placé dans du méthanol pendant une nuit pour extraire l'empreinte moléculaire. L'échantillon est ensuite rincé avec du méthanol anhydre puis séché sous vide.
Exemple 2 : Synthèse d'un matériau à empreintes moléculaires B selon l'invention à la surface d'un matériau semi-conducteur (nanotubes de carbone).
Un transistor à effet de champ à nanotubes de carbone est préparé par vaporisation sur une tranche de silicium comportant une couche d'oxyde natif (matériau diélectrique d'une épaisseur de lOOnm) et des électrodes d'or source et drain produites par lithographie électronique et décollement de résine (« lift-off »). Les électrodes sont espacées par un canal de 20 μιη. Une solution de nanotubes de carbone monoparoi (SWCNT ; Single Walled Carbon NanoTubc) dispersés dans de la N-méthylpyrrolidone (dispersion à 0,05 g/L de SWCNT, passée aux ultra-sons pendant 90 min puis centrifugée 2 fois 1 heure à 14000 tr/min) est nébulisée pendant 10 sec sur la couche du matériau diélectrique entre les électrodes. Le substrat de silicium dégénéré est utilisé comme électrode de grille. La couche de matériau polymère à empreintes moléculaires est photoréticulée en surface du matériau semiconducteur comme suit.
Une solution contenant deux monomères l'acide méthacrylique (1 mmol) et le récepteur sélectif aux OPs (Ib) dont la structure est développée ci- dessus (1 mmol), un agent réticulant le triméthylolpropane triméthylméthacrylate (5 mmol), un photoamorceur le 2,2-diméthoxy-2-phénylacétophénone (100 mg), l'empreinte moléculaire le pinacolyl méthylphosphonate (0.25 mmol) est diluée avec 2mL d'un mélange de solvants toluène/acétonitrile (1 : 1). Ce mélange réactionnel est dégazé par trois cycles vide-argon (vide = 50 mTorr, Argon sous pression atmosphérique), puis 10 μϊ^ dç cette solution sont déposés à la surface du matériau semi-conducteur sous azote. Le transistor est simultanément soumis à la tournette (30 sec, 3000 tr/min) et à une photoirradiation UV (30 sec). L'échantillon est ensuite rincé avec du toluène et de l'acétone puis placé dans du méthanol pendant une nuit pour extraire l'empreinte moléculaire. L'échantillon est ensuite rincé avec du méthanol anhydre puis séché sous vide.
Exemple 3 : Détection de diphénylchlorophosphate (DPCP) et d'interférents (solvants organiques, bases et acides) par un transistor à nanofil(s) de silicium comportant à sa surface un film mince de matériau à empreintes moléculaires A préparé selon l'exemple 1.
Entre chaque exposition, un nouveau capteur préparé selon l'exemple 1 est utilisé. Les électrodes source (S), drain (D) et grille (G) sont soumises aux potentiels suivants : VDS=-1 V et VGS=+2 V. Le courant ¾s est alors mesuré en fonction du temps. Le courant IDS est stable lorsque le capteur est sous air seulement (IDS=10~10 A). Après exposition du transistor à des vapeurs de composés organophosphorés (500 ppb de diphénylchlorophosphate dans l'air synthétique sec pendant 3 minutes), le courant IDS augmente très rapidement d'un facteur supérieur à 100 en moins d'une minute.
En revanche, lorsqu'un capteur préparé selon l'exemple 1 est soumis aux composés suivants, des variations du courant IDS inférieures à 5% sont observées :
Cyclohexane à une concentration de 20 000 ppm dans de l'air synthétique sec, pendant 3 minutes
> Dichlorométhane à une concentration de 530 000 ppm dans de l'air synthétique sec, pendant 3 minutes
> Acétonitrile à une concentration de 130 000 ppm dans de l'air synthétique sec, pendant 3 minutes
Triéthylamine à une concentration de 75 000 ppm dans de l'air synthétique sec, pendant 3 minutes
> Acide propionique à une concentration de 20 000 ppm dans de l'air synthétique sec, pendant 3 minutes
L'étude de l'art antérieur met en évidence la difficulté d'avoir un capteur de composés organophosphorés sélectif. Comme la réponse du capteur est extrêmement faible vis-à-vis des interférants et très forte vis-à-vis du diphénylchlorophosphate, cet exemple est révélateur de l'extrême sensibilité et de l'excellente sélectivité du capteur aux composés organophosphorés.
Exemple 4 : Détection de diphénylchlorophosphate (DPCP) par un transistor à nanotubes de carbone comportant à sa surface un film mince de matériau à empreintes moléculaires B préparé selon l'exemple 2. Entre chaque exposition, un nouveau capteur préparé selon l'exemple 2 est utilisé. Les électrodes source (S), drain (D) et grille (G) sont soumises aux potentiels suivants : Û V. Le courant IDS est alors mesuré en fonction du temps. Le courant IDS est stable lorsque le capteur est sous air seulement (IDS-10"10 A). Après exposition du transistor à des vapeurs de composés organophosphorés (500 ppb de dip énylchlorophosphate dans l'air synthétique sec pendant 3 minutes), le courant IDS augmente très rapidement d'un facteur supérieur à 10 en moins d'une minute. On constate expérimentalement que la variation de la conductance ou la variation de la transconductance est révélatrice de la présence de composés organophosphorés et est proportionnelle au nombre de récepteurs ayant réagi avec les OPs. La réponse (variation des charges positives) est d'autant plus rapide et importante que la concentration en OPs est élevée. En réalisant une courbe d'étalonnage, une quantification des OPs peut être réalisée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré comprenant :
- un dispositif électrique comprenant une électrode source et une électrode drain séparées par un matériau semi-conducteur, et
- un dispositif de détection de charges positives entre les deux électrodes,
ledit dispositif étant caractérisé en ce que l'une des surfaces du matériau semi-conducteur est en contact avec un matériau polymère porteur d'au moins un groupe récepteur comprenant :
- une fonction X susceptible de réagir avec le composé organophosphoré à détecter pour former un groupement intermédiaire -Z, X étant choisi parmi -CH2OH, -CH2NH2, -CH2SH ; et
- une fonction Y susceptible de réagir avec ledit groupement -Z pour former un cycle portant une charge positive, Y étant une fonction nucléophile choisie parmi une aminé tertiaire, un éther ou un thioéther ;
ledit matériau polymère comprenant des cavités dites à empreintes moléculaires dont la configuration géométrique et chimique permet de laisser pénétrer les composés organophosphorés à détecter dans ledit matériau polymère.
2. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré selon la revendication 1, dans lequel le groupement récepteur est un groupe de formule -A-L-X dans laquelle L est un groupe -(CH2)n- où n est un entier de 0 à 6, A est un groupe comprenant une fonction Y.
3. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel X est -CH2OH.
4. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel A est un groupement comprenant une aminé tertiaire.
5. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré selon la revendication 4, dans lequel A est un hétérocycle azoté.
6. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le groupement récepteur est un groupe de formule (I) :
(D
7. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le groupement récepteur est un groupe de formule (II) :
(I I)
8. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le matériau polymère comprenant des cavités à empreintes moléculaires est obtenu par polymérisation de monomères d'acide acrylique ou méthacrylique.
9. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré selon la revendication 8, dans lequel la polymérisation d'acide acrylique ou méfhâcrylique est réalisée en présence d'au moins un composé de formule ït-A-L-X, dans laquelle R est un groupe comprenant une fonction C¾-CH-, A, L et X étant tels que définis à la revendication 2,
10. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le matériau semi-conducteur est constitué de nanofîl(s) de silicium et/ou de nanotube(s) de carbone.
11. Dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel ledit dispositif électrique est de type transistor à effet de champ.
12. Multi capteur comprenant un dispositif de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré tel que défini aux revendications 1 à 11.
13. Matériau polymère pour détecter et/ou quantifier au moins un composé organophosphoré, ledit matériau polymère étant porteur d'au moins un groupe récepteur comprenant : - une fonction X susceptible de réagir avec le composé organophosphoré à détecter pour former un groupement intermédiaire -Z, X étant choisi parmi -CH2OH, -CH2NH2, -CH2SH ; et
- une fonction Y susceptible de réagir avec ledit groupement -Z pour former un cycle portant une charge positive, Y étant une fonction nucléophile choisie parmi une aminé tertiaire, un éther ou un thioéther ;
et
ledit matériau polymère comprenant des cavités dites à empreintes moléculaires dont la configuration géométrique et chimique est définie de façon à laisser pénétrer les composés organophosphorés à détecter dans ledit matériau polymère.
14. Matériau polymère selon la revendication 13, dans lequel le groupe récepteur est un groupe de formule (I) ou (II) tels que définis aux revendications 6 et 7.
15. Procédé de détection et/ou de quantification d'au moins un composé organophosphoré caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- mise en présence de l'échantillon à tester sous forme liquide ou sous forme gazeuse avec un dispositif de détection et/ou de quantification tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 11 ou avec un multicapteur selon la revendication 12,
- mise en évidence des charges positives générées par la réaction du groupement récepteur avec le composé organophosphoré, en mesurant la variation de résistance, de conductance ou de transconductance dudit dispositif.
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