PT820585E - Matrizes de sensores para a deteccao de substancias a analisar em fluidos - Google Patents

Description

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DESCRICÃO “Matrizes de sensores para a detecção de substâncias a analisar em fluidos”

Campo do invento O campo do invento consiste em sensores eléctrícos para a detecção de substâncias a analisar em fluidos.

Antecedentes

Existe um interesse considerável no desenvolvimento de sensores que actuem como análogos do sistema olfactivo dos mamíferos (Lundstrõm et al. (1991) Nature 352:47-50; Shurmer e Gardner (1992) Sens. Act. B 3:1-11). Pensa-se que este sistema utilize repertórios probabilísticos provenientes de muitos receptores diferentes para o reconhecimento de um único odorante (Reed (1992) Neuron 5:205-209; Lancet e Ben-Airie (1993) Curr. Biol. 3:668-674). Nesta configuração, o ónus do reconhecimento não é posto em receptores muito específicos, tal como na abordagem tradicional de “chave-fechadura” do reconhecimento molecular à percepção sensorial química, mas, em vez disso, é conferido ao processamento de padrão distribuído do bolbo olfactivo e do cérebro (Kauer (1991) TINS 14:79-85; De Vries e Baylor (1993) Cell 70(S):139-149). Tentativas anteriores para a produção de uma matriz de sensores que tenham resposta lata exploraram resistências aquecidas de películas finas de óxido de metal (Gardner et al. (1991) Sens. Act. B 4:117-121; Gardner et al. (1991) Sens. Act. B 6:71-75; Corcoran et al. (1993) Sens. Act. B 75:32-37), camadas de sorção de polímeros nas superfícies de ressoadores de ondas acústicas (Grate e Abraham (1991) Sens. Act. B 3:85-111; Grate et al. (1993) Anal. chem. 55:1868-1881), matrizes de detectores electroquímicos (Stetter et al. (1986) Anal. Chem. 53:860-866; Stetter et al. (1990) Sens. Act. B 7:43-47; Stetter et al. (1993) Anal. Chem. Acta 284:1-11) ou polímeros condutores (Pearce et Al. (1993) Analyst 773:371-377; Shurmer et al. (1991) Sens. Act. B 4:29-33). Matrizes de resistências de película fina de óxido de metal, tipicamente com base em películas de Sn02 que foram revestidas com vários catalisadores, origina respostas de diagnóstico diferentes para vários vapores (Gardner et al. (1991) Sens. Act. B 4:117.121; Gardner et al. (1991) Sens Act. B 6:11-15·, Corcoran et al. (1993) Sens. Act. B 75:32-37). Contudo, devido à falta de compreensão sobre a função do catalisador, as matrizes de Sn02 não permitem o controlo químico deliberado da resposta dos elementos nas matrizes nem a reprodutibilidade de resposta de matriz para matriz. Ressoadores de onda acústica de superfície são extremamente sensíveis tanto à massa como a variações na impedância acústica dos revestimentos nos elementos da matriz, mas o mecanismo de transdução de sinal envolve electrónica algo

84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 2 complicada, requerendo medições de frequência de 1 Hz mantendo-se no cristal uma onda Rayleigh de 100 MHz (Grate e Abraham (1991) Sens. Act. B 5:85-111; Grate et al. (1993) Anal. Chem. (55:1868-1881). Foram feitas tentativas para a construção de sensores com elementos poliméricos condutores que foram electroquimicamente desenvolvidos através de películas e revestimentos de polímeros nominalmente idênticos (Pearce et al. (1993) Analyst /75:371-377; Shurmer et al. (1991) Sens. Act B 4\29-33; Topart e Josowicz (1992) J. Phys. Chem. 9(5:7824-7830; Charlesworth et al. (1993)/. Phys. Chem. 97:5418-5423). É um objecto presente proporcionar uma matriz de Sensores para detecção de substâncias a analisar de resposta lata, com base numa variedade de elementos “quimio-resistores”. Estes elementos são preparados de modo simples e são prontamente modificados quimicamente para responderem a uma lata gama de substâncias a analisar. Adicionalmente, estes sensores originam um sinal eléctrico de corrente contínua, rápido, de baixa potência, em resposta ao fluido de interesse e os seus sinais são prontamente integrados com redes neurais com base em suporte lógico ou em suporte físico para os fins da identificação da substâncias a analisar.

Literatura Relevante

Pearce et al (1993), Analyst 775:371-377 e Gardner et al (1994), Sensors and Actuators B 75-19:240-243 descrevem matrizes de sensores com base em polipirrolo para a monitorização do aroma da cerveja. Shurmer (1990), Patente EUA n° 4.907.441, descreve matrizes de sensores gerais com circuitos eléctricos particulares. Clifford, WO85/01351, descreve matrizes de sensores de semicondutores de gás. Estes sensores podem incluir os que são feitos a partir de certos geles que são calcinados para a produção de óxidos mistos, amorfos, vítreos ou cristalinos, removendo deste modo o teor em carbono.

Sumário do invento O invento proporciona métodos, aparelhos e sistemas técnicos para a detecção de substâncias a analisar em fluidos. Os aparelhos incluem um sensor químico compreendendo primeiro e segundo elementos condutores (e.g. condutores eléctricos) acoplados electricamente a uma resistência quimicamente sensível que proporciona um caminho eléctrico entre os elementos condutores. A resistência compreende uma pluralidade de regiões altemantes não condutoras (compreendendo um polímero orgânico não condutor) e regiões condutoras (compreendendo um material condutor). O caminho eléctrico entre o primeiro e o segundo elementos condutores é transversal (i.e. passa através) à referida pluralidade de regiões altemantes não condutoras e condutoras. Quando em utilização, o 84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 3

resistor proporciona uma diferença na resistência entre os elementos condutores quando feitos contactar com um fluido que compreende uma substância química a analisar a uma primeira concentração, do que quando feita contactar com um fluido que compreende a substância química a analisar a uma segunda concentração diferente.

Num primeiro aspecto, o invento proporciona uma matriz de sensores para a detecção de uma substância a analisar num fluido, compreendendo pelo menos o primeiro e segundo resistores quimicamente sensíveis, ligados por condutores eléctricos a um aparelho de medida eléctrico, compreendendo cada um dos referidos resistores quimicamente sensíveis: uma primeira resistência eléctrica quando feita contactar com um primeiro fluido compreendendo uma substância química a analisar a uma primeira concentração e uma segunda resistência eléctrica quando feita contactar com um segundo fluido compreendendo a referida substância química a analisar a uma segunda concentração diferente, caracterizada por a diferença entre a primeira resistência eléctrica e a segunda resistência eléctrica do referido primeiro resistor quimicamente sensível, ser diferente da diferença entre a primeira resistência eléctrica e a segunda resistência eléctrica do referido segundo resistor quimicamente sensível nas mesmas condições e cada um dos referidos resistores quimicamente sensíveis compreendendo adicionalmente: regiões de polímero orgânico não condutor e de material condutor com composição diferente da do referido polímero orgânico não condutor, em que cada resistor proporciona: um caminho eléctrico através das referidas regiões de polímero orgânico não condutor e o referido material condutor.

Num aspecto adicional o invento inclui um método para a produção de uma matriz de sensores para a detecção de uma substância a analisar num fluido compreendendo: conformar os referidos sensores de modo a terem regiões de material orgânico não condutor e de material condutor com composição diferente da do referido material orgânico não condutor, de modo que os referidos sensores tenham uma variação predeterminada inter-sensor na estrutura e/ou composição do material orgânico não condutor, proporcionando

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deste modo diversidade nos sensores. O invento também inclui um método de acordo com o invento, no qual a matriz de sensores é fabricada usando tecnologia de circuito integrado.

Esta utilização pode ser, por exemplo, numa aplicação seleccionada de entre toxicologia e medidas de correcçâo ambientais, biomedicina, controlo da qualidade de material, monitorização alimentar e monitorização agrícola. O caminho eléctrico através de uma dada região não condutora tem tipicamente um comprimento da ordem de 100 angstroms, proporcionando uma resistência na ordem de 100 ηιΩ através da região. A variabilidade na sensibilidade química de sensor para sensor é proporcionada convencionalmente pela variação qualitativa ou quantitativa da composição das regiões condutoras e/ou não condutoras. Por exemplo, numa concretização, o material condutor em cada resistência é mantido constante (e.g. o mesmo material condutor tal como polipirrolo) enquanto o polímero orgânico não condutor varia entre as resistências (e.g. plásticos diferentes tais como o poliestireno). São construídas matrizes destes sensores com pelo menos dois sensores com diferentes resistores quimicamente sensíveis, proporcionando diferenças não semelhantes na resistência. Pode ser construído um nariz electrónico para a detecção de uma substância a analisar num fluido usando estas matrizes em conjunto com um dispositivo de medição eléctrico, ligado electricamente aos elementos condutores de cada sensor. Estes narizes electrónicos podem incorporar uma variedade de componentes adicionais incluindo meios para a monitorização da resposta temporal de cada sensor, concatenação e análise dos dados do sensor para a determinação da identidade de substâncias a analisar, etc. São também proporcionados métodos para a realização e utilização dos sensores, matrizes e narizes electrónicos descritos.

Breve descrição das figuras A Fig. IA apresenta uma vista global da concepção do sensor; a Fig. 1B apresenta uma vista global da operação do sensor; a Fig 1C apresenta uma vista global da operação do sistema. A Fig. 2 apresenta um voltamograma cíclico de um eléctrodo de platina revestido com poli(pirrolo). O electrólito era [(C4H9)4N]+ [C104]" 0,10 M em acetonitrilo, com uma taxa de varrimento de 0,10 V s'1. 84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 5

A Fig. 3Α apresenta ο espectro óptico de uma película de poli(pirrolo) revestida por fiação, que foi lavada com metanol para a remoção do excesso de pirrolo e do ácido fosfomolíbdico reduzido. A Fig. 3B apresenta o espectro óptico de uma película feita por revestimento por rotação de poli(pirrolo) em óxido de índio-estanho depois de 10 ciclos de potencial, entre +0,70 e -1,00 V vs. SCE em [(C4H9)4N]+ [C104]" 0,10 M em acetronilo, a uma taxa de varrimento de 0,10 V -s'1. Os espectros foram obtidos em KC1-H20 0,10 M. A Fig. 4A é um esquema de uma matriz de sensores apresentando uma ampliação de um dos condensadores cerâmicos modificados, usados como elementos sensores. São apresentados os padrões de resposta gerados pela matriz de sensores descrita na Tabela 3 para: Fig. 4B acetona : Fig. 4C benzeno; e Fig. 4D etanol. A Fig. 5 é uma análise de componentes principais de dados auto-ajustados de sensores individuais contendo plastificantes diferentes. Os números no canto superior direito de cada quadrado referem-se aos diferentes elementos sensores descritos na Tabela 3.

As Fig. 6A e 6B são análises de componentes principais dos dados obtidos de todos os sensores (Tabela 3). As condições e os símbolos são idênticos aos das Figs. 5A-5D. Fig. 6A apresenta dados representados nos primeiros três componentes principais pcl, pc2, pc3, enquanto a Fig. 6B apresenta os dados quando representados em pcl, pc2 e pc4. Pôde ser obtido um grau de discriminação mais elevada entre alguns solventes considerando o quarto componente principal tal como ilustrado na Fig. 6B por separações maiores entre clorofórmio, tetra-hidrofurano e álcool isopropílico. A Fig. 7A é um gráfico de pressão parcial de acetona (O) como uma função do primeiro componente principal; ajuste linear por mínimos quadrados (-) entre a pressão parcial da acetona e o primeiro componente principal (Pa=8,26«pc 1 +83,4 R2=0,989); pressão parcial da acetona (+) prevista a partir de um ajuste de mínimos quadrados multi-linear entre a pressão parcial da acetona e os primeiros três componentes principais (Pa=8,26*pcl-0,673»pc2+6,25*p3+83,4, R2=0,998). A Fig 7B é um gráfico da ffacção molar de metanol, Xm, (O) numa mistura metanol-etanol como uma função do primeiro componente principal; ajuste de mínimos quadrados linear (—) entre e o primeiro componente principal (Xm~0,112»pcl+0,524, R2=0,979); xm previsto a partir de um ajuste de mínimos quadrados multi-linear (+) entre %m e os primeiros três componentes principais (xm=0,112*pcl-0,0300*pc2-0,0444*pc3+0,524, R2=0,987). A Fig. 8 é a resposta de resistência de um elemento sensor de poli(N-vinil- £

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ΕΡ Ο 820 585/PT 6 pirrolidona):negro de íiimo (negro de fumo 20 %p/p) a metanol, acetona e benzeno. A substância a analisar foi introduzida a t=60 s durante 60 s. Cada vestígio é normalizado pela resistência do elemento sensor (aprox. 125Ω) antes de cada exposição. A Fig. 9 são os primeiros três componentes principais para a resposta de uma matriz de sensores com 10 elementos, com base em negro de fumo. Os componentes não condutores dos compósitos de negro de fumo estão listados na Tabela 3 e as resistências consistiam em 20% p/p de negro de fumo.

Descricão detalhada do invento O invento proporciona matrizes de sensores para a detecção de uma substância a analisar num fluido para utilização em conjunto com um aparelho de medida eléctrico. Estas matrizes compreendem uma pluralidade de sensores químicos com composições diferentes. Cada sensor compreende pelo menos primeiro e segundo condutores acoplados electricamente a e separados por um resistor quimicamente sensível. Os condutores podem ser de qualquer material condutor conveniente, usualmente um metal e podem estar intercalados para maximizar a razão sinal para ruído. O resistor compreende uma pluralidade de regiões altemantes não condutoras e condutoras, transversais ao caminho eléctrico entre os condutores. Geralmente, os resistores são fabricadas por mistura de um material condutor com um polímero orgânico, não condutor, de modo que o caminho eléctrico condutor entre os condutores ligados ao resistor seja interrompido por intervalos de material polimérico orgânico, não condutor. Por exemplo, num colóide, suspensão ou dispersão de material condutor em partículas numa matriz de material polimérico orgânico, não condutor, as regiões de matriz que separam as partículas proporcionam os intervalos. Os intervalos não condutores variam em comprimento de caminho de cerca de 10 a 1.000 angstroms, usualmente na ordem de 100 angstroms, proporcionando uma resistência individual de cerca de 10 a 1.000 ιηΩ, usualmente na ordem de 100 mQ, através de cada intervalo. O comprimento do caminho e a resistência de um dado intervalo não é constante, mas em vez disso, crê-se que varie na medida em que o polímero orgânico não condutor da região absorva, adsorva ou se embeba numa substância a analisar. Consequentemente, a resistência dinâmica dos agregados proporcionada por estes intervalos num dado resistor é uma função à permeação da substância a analisar das regiões não condutoras. Em algumas concretizações, o material condutor também pode contribuir para a resistência dinâmica do agregado como uma função da permeação à substância a analisar (e.g., quando o material condutor é um polímero orgânico condutor tal como o polipirrolo). « «

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Pode ser utilizada uma grande variedade de materiais poliméricos orgânicos condutores e não condutores. A Tabela 1 proporciona materiais condutores de exemplo para uso no fabrico de resistores; podem também ser usadas misturas tais como as listadas. A Tabela 2 proporciona materiais poliméricos orgânicos, não condutores de exemplo; também podem ser usados misturas e copolímeros, tais como as dos polímeros aqui listados. As combinações, concentrações, estequeometrias das misturas, limiares de percolação, etc. são prontamente determinados empiricamente por fabrico e selecção de resistores protótipo (“quimio-resistores") tal como descrito seguidamente.

Tabela 1

Classe Principal Exemplos Condutores orgânicos Polímeros condutores (poli(anilinas), poli(tiofenos), poli(pirrolos), poli(acetilenos), etc)), materiais com carbono (negros de fiimo, grafite, coque, C60, etc), complexos de transferência de carga (cloroanileto de tetrametilparafenilenodiamina, complexos de metal alcalino de tetraciano-quinodimetano, complexos de halogeneto de tetratiofulvaleno, etc.), etc. Condutores inorgânicos Metais e ligas metálicas (Ag, Au, Cu, Pt, ligas de AuCu, etc.), semicondutores muito dopados (Si, GaAs, InP, MoS2,Ti02, etc), óxidos condutores de metal (ln203, Sn02, NaxPt304, etc.), supercondutores (YBa2Cu307, Tl2Ba2Ca2Cu3O10, etc), etc. Condutores mistos inorgânicos/orgânicos complexos de tetracianoplatinato, complexos de irído-halocarbonilo, complexos macrocíclicos empilhados, etc.

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Tabela 2

Classe Principal Exemplos Polímeros de carbono de cadeia principal poli(dienos), poli(alcenos), poli(acrílicos), poli(metacrílicos), poli(éteres de vinilo), poli(tioéteres de vinilo), poli(álcoois vinílicos), poli(vinilcetonas), poli(halogenetos de vinilo), poli(nitrilos de vinilo), poli(ésteres de vinilo), poli(estirenos), poli(arilenos), etc. Polímeros acíclicos de cadeia principal com heteroátomos poli(óxidos), poli(carbonatos), poli(ésteres), poli(anidridos), poli(uretanos), poli(sulfonatos),poli(siloxanos), poli(sulfiiretos), poli(tioésteres), poli(sulfonas), poli(sulfonamidas), poli(amidas), poli(ureias), poli(fosfazenos), poli(silanos), poli(silazanos), etc. Polímeros de cadeia principal heterocíclica poli(di-imidas de ácido furano-tetracarboxílico), poli(benzoxazolos), poli(oxadiazolos), poli(benzotiazino-fenotiazinas), poli(benzotiazolos), poli(pirazino-quinoxalinas), poli(piromelitimidas), poli(quinoxalinas), poli(benzimidazolos), poli(oxindolos), poli(oxoisoindolinas), poli(dioxoisoindolinas), poli(triazinas), poli(piridazinas), poli(piperazinas), poli(piridinas), poli(piperidinas), poli(triazolos), poli(pirazolos), poli(pirrolidinas), poli(carboranos), poli(oxabiciclononanos), poli(dibenzofuranos), poli(ftaletos), poli(acetais), poli(anidridos), hidratos de carbono, etc.

Os quimio-resistores podem ser fabricados por muitas técnicas tais como, mas não lhes estando limitadas, moldagem em solução, moldagem em suspensão e mistura mecânica. Em geral, são vantajosas as vias de moldagem em solução porque proporcionam estruturas homogéneas e facilidade de processamento. Com vias de moldagem em solução, podem ser facilmente fabricados elementos de resistência por revestimento por fiação, por pulverização ou por imersão No entanto, uma vez que todos os elementos do resistor devem ser solúveis, as vias de moldagem em solução são algo limitadas na sua aplicabilidade. A moldagem em suspensão ainda proporciona a possibilidade de revestimento por fiação, por pulverização ou por imersão, mas são esperadas estruturas mais heterogéneas do que com a moldagem em solução. Com mistura mecânica, não há restrições de solubilidade, uma vez que ela envolve 84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 9

apenas a mistura física dos componentes da resistência, mas o fabrico do dispositivo é mais difícil uma vez que já não é possível o revestimento por fiação, por pulverização ou por imersão. Segue-se uma discussão mais detalhada de cada um deles.

Para sistemas em que tanto os meios condutores como os não condutores ou os seus precursores de reacção são solúveis num solvente comum, os quimio-resistores podem ser fabricados por moldagem em solução. A oxidação de pirrolo por ácido fosfomolíbdico aqui apresentada representa um desses sistemas. Nesta reacção, o ácido fosfomolíbdico e o pirrolo são dissolvidos em tetra-hidrofurano (THF) e a polimerização ocorre por evaporação do solvente. Isto permite que os polímeros não condutores solúveis em THF sejam dissolvidos nesta mistura reaccional, permitindo assim a formação da mistura num único passo por evaporação do solvente. A escolha dos polímeros não condutores nesta via é, obviamente, limitada aos que são solúveis nos meios reaccionais. Para o caso do poli(pirrolo), descrito anteriormente, foram realizadas reacções preliminares em THF, mas esta reacção deverá ser generalizada a outros solventes não aquosos, tais como acetonitrilo ou éter. São possíveis para outros polímeros condutores uma variedade de permutações a este esquema. Algumas delas estão listadas a seguir. Certos polímeros condutores, tais como poli(ciclooctatetraenos) substituídos, são solúveis em solventes tais como THF ou acetonitrilo no seu estado não dopado e não condutor. Consequentemente, podem ser formadas as misturas entre o polímero não dopado e o polímero plastificante a partir de moldagem em solução. Depois disto, o procedimento de dopagem (exposição a vapor de I2, por exemplo) pode ser realizado na mistura para tomar condutor o poli(ciclooctatetraeno) substituído. De novo, a escolha dos polímeros não condutores está limitada aos que são solúveis nos solventes em que o polímero condutor não dopado é solúvel e aos que são estáveis à reacção de dopagem. Certos polímeros condutores podem, também, ser sintetizados através de um percursor de polímero solúvel. Nestes casos, podem primeiro ser formadas misturas entre o polímero precursor e o polímero não condutor seguindo-se a reacção química para a conversão do polímero precursor no polímero condutor desejado. Por exemplo, o poli(p-fenileno-vinileno) pode ser sintetizado através de um precursor sulfónio solúvel. Podem ser formadas misturas entre este precursor sulfónio e o polímero não condutor, por moldagem em solução. Depois disto, a mistura pode ser submetida a tratamento térmico em vácuo para a conversão do precursor sulfónio no poli(p-fenileno-vinileno) desejado.

Na moldagem em suspensão, são suspensos um ou mais dos componentes da resistência e os outros são dissolvidos num solvente comum. A moldagem em suspensão é uma técnica relativamente geral, aplicável a uma larga gama de espécies, tais como negros de fumo ou metais coloidais, que podem ser suspensos em solventes por mistura vigorosa ou por ultra-sons. Numa aplicação da moldagem em suspensão, o polímero não condutor é ,<Λ ,<Λ

84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 10 dissolvido num solvente adequado (tal como THF, acetonitrilo, água, etc.). É então suspensa prata coloidal nesta solução e a mistura resultante é usada para revestir os eléctrodos por imersão. A mistura mecânica é adequada para todas as combinações possíveis de condutores/não condutores. Nesta técnica, os materiais são misturados fisicamente num moinho de esferas ou noutro dispositivo de mistura. Por exemplo, compósitos de negro de fumo/polímero não condutor são prontamente feitos por moagem em moinho de esferas. Quando o polímero não condutor pode ser fundido ou significativamente amolecido sem decomposição, a mistura mecânica a temperatura elevada pode melhorar o processo de mistura. Altemativamente, o fabrico de compósitos pode, por vezes, ser melhorado por vários passos sequenciais de aquecimento e mistura.

Uma vez fabricados, os elementos individuais podem ser optimizados para uma aplicação particular por variação das suas constituição química e morfologia. A natureza química dos resistores determina quais as substâncias a analisar a que elas responderão e a sua capacidade para distinguir substâncias a analisar diferentes. A razão relativa de componentes condutor para isolante determina a magnitude da resposta uma vez que a resistência dos elementos se toma mais sensível às moléculas submetidas a sorção à medida que o limiar de percolação se aproxima. A morfologia da película é também importante na determinação das características de resposta. Por exemplo, películas finas respondem mais rapidamente às substâncias a analisar do que as espessas. Consequentemente, com um catálogo de informação empírica sobre sensores quimicamente diferentes, feitos com razões variantes de componentes isolantes para condutores e por diferentes vias de fabrico, podem ser escolhidos sensores que são adequados para as substâncias a analisar esperadas numa aplicação particular, para as suas concentrações e para os tempos de resposta desejados. Pode, seguidamente, ser realizada optimização adicional de uma forma iterativa à medida que, vai ficando disponível informação sobre o desempenho de uma matriz em condições particulares. O próprio resistor pode constituir um substrato para a ligação do condutor ou do resistor. Por exemplo, a rigidez estrutural dos resistores pode ser melhorada através de uma variedade de técnicas: reticulação química ou por radiação dos componentes do polímero (reticulação por radical de peróxido de dicumilo, reticulação por radiação UV de poli(olefinas), reticulação de borrachas por enxofre, reticulação de Nylon por feixe electrónico, etc.), incorporação de polímeros ou de outros materiais nos resistores para melhorar as propriedades físicas (por exemplo, a incorporação de polímeros de metal de transição de massa molecular elevada (Tm), a incorporação dos elementos de resistor em 84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 11 /£ £

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matrizes de suporte, tais como, redes de argilas ou de polímero (formação de misturas de resistores em redes de poli(metacrilato de metilo) ou em lamelas de montemorilonite, por exemplo), etc. Noutra concretização, o resistor é depositado como uma camada superficial sobre uma matriz sólida que proporciona meios para o suporte dos condutores. Tipicamente, a matriz é um substrato não condutor, quimicamente inerte, tal como um vidro ou material cerâmico.

Matrizes de sensores particularmente bem adequadas para produção em maior escala são fabricadas usando tecnologia de desenho de circuito integrado (Cl). Por exemplo os quimio-resistores podem ser facilmente integrados na extremidade frontal de um amplificador simples em interface com um conversor A/D para alimentar directamente, com eficiência, o fluxo de dados a uma secção de análise por suporte lógico ou por suporte físico de uma rede neural. Técnicas de micro-fabrico podem integrar directamente os quimio-resistores numa micro-pastilha que contém os circuitos para o condicionamento/processamento de sinal analógico e, depois, para análise dos dados. Isto proporciona a produção de milhões de elementos sensores incrementalmente diferentes num único passo de fabrico, usando tecnologia de jacto de tinta. Podem ser induzidos gradientes de composição controlados nos elementos quimio-resistores de uma matriz de sensores por um método análogo ao modo como uma impressora de jacto de tinta, a cores, deposita e mistura cores múltiplas. Contudo, neste caso, em vez de cores múltiplas é usada uma pluralidade de polímeros diferentes, em solução, que podem ser depositados. Uma matriz de sensores com um milhão de elementos distintos apenas requer uma pastilha com um tamanho de 1 cm x 1 cm, empregando litografia a um nível de pormenor de 10 pm, que está dentro da capacidade do processamento comercial convencional e dos métodos de deposição. Esta tecnologia permite a produção de sensores químicos sensíveis e de pequena dimensão, individuais.

Matrizes de sensores preferidas têm uma variação inter-sensor predeterminada na estrutura ou composição das regiões do polímero orgânico não condutor. A variação pode ser quantitativa e/ou qualitativa. Por exemplo, a concentração do polímero orgânico não condutor na mistura pode variar entre os sensores. Altemativamente, pode ser usada, em sensores diferentes, uma variedade de polímeros orgânicos diferentes. Um nariz electrónico para a detecção de uma substância a analisar num fluido é fabricado por acoplamento eléctrico dos condutores dos sensores de uma matriz de sensores com composição diferente a um dispositivo de medida eléctrico. O dispositivo mede variações na resistividade em cada sensor da matriz, de preferência simultaneamente e de preferência ao longo do tempo. Frequentemente, o dispositivo inclui meios de processamento de sinal e é usado em conjunto com um computador e uma estrutura de dados para a comparação de um dado perfil de

84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 12 resposta com uma base de dados de estrutura-perfis de resposta para análise qualitativa e quantitativa. Tipicamente um destes narizes compreende pelo menos dez, usualmente pelo menos 100 e, muitas vezes, pelo menos 1000 sensores diferentes, embora com técnicas de fabrico por deposição em massa, aqui descritas, ou de outro modo conhecidas na arte, sejam prontamente produzidas matrizes, na ordem de pelo menos 106 sensores.

Em operação, cada resistor proporciona uma primeira resistência eléctrica entre os seus condutores quando o resistor é feito contactar com um primeiro fluido compreendendo uma substância química a analisar a uma primeira concentração e uma segunda resistência eléctrica entre os seus condutores quando o resistor é feito contactar com um segundo fluido compreendendo a mesma substância química a analisar a uma segunda concentração diferente. Os fluidos podem ter natureza líquida ou gasosa. O primeiro e segundo fluidos podem reflectir amostras de dois ambientes diferentes, uma variação na concentração de uma substância a analisar num fluido amostrado em dois pontos no tempo, uma amostra e um controlo negativo, etc. A matriz de sensores compreende, necessariamente, sensores que respondem de modo diferente a uma variação na concentração de uma substância a analisar, i.e., a diferença entre a primeira e segunda resistência eléctrica de um sensor é diferente da diferença entre a primeira e segunda resistência eléctrica de outro sensor.

Numa concretização preferida, é registada a resposta temporal de cada sensor (resistência como uma função do tempo). A resposta temporal de cada sensor pode ser normalizada a um aumento percentual e uma diminuição percentual máximos na resistência que produz um padrão de resposta associado à exposição à substância a analisar. Criando, iterativamente, perfis para as substâncias a analisar conhecidas, é gerada uma base de dados estrutura-função correlacionando as substâncias a analisar e os perfis de resposta. Pode, então, ser caracterizada ou identificada a substância a analisar desconhecida usando comparação de padrão de resposta e algoritmos de reconhecimento. Consequentemente, são proporcionados sistemas de detecção de substâncias a analisar compreendendo matrizes de sensores, um dispositivo de medida eléctrico para a detecção da resistência entre cada quimio-resistor, um computador, uma estrutura de dados de perfis de resposta de matriz de sensores e um algoritmo de comparação. Noutra concretização, o dispositivo de medida eléctrico é um circuito integrado compreendendo suporte físico com base em rede neural e um conversor digital-analógico (DAC) multiplexado a cada sensor, ou uma pluralidade de DAC, cada um ligado a sensor(es) diferente(s).

Pode ser analisada uma lata variedade de substâncias a analisar e de fluidos pelos sensores, matrizes e narizes descritos, desde que a substância a analisar objecto seja capaz de gerar uma resposta diferencial entre uma pluralidade de sensores da matriz. Aplicações para

84 469 ΕΡ Ο 820 585/ΡΤ 13 substâncias a analisar incluem gamas latas de classes de produtos químicos, tais como produtos orgânicos, como alcanos, alcenos, alcinos, dienos, hidrocarbonetos alicíclicos, arenos, álcoois, éteres, cetonas, aldeídos, carbonilos, carbaniões, aromáticos polinucleares e derivados desses produtos orgânicos, e.g. derivados de halogeneto, etc., biomoléculas tais como açúcares, isoprenos e isoprenóides, ácidos gordos e derivados, etc. Consequentemente, aplicações comerciais dos sensores, matrizes e narizes incluem toxicologia e medidas de correcção ambientais, biomedicina, controlo de qualidade de materiais, monitorização de produtos alimentares e agrícolas, etc. O método geral para a utilização dos sensores, matrizes e narizes electrónicos descritos, para a detecção da presença de uma substância a analisar num fluido envolve a determinação resistiva da presença de uma substância a analisar num fluido, com um sensor químico compreendendo primeiro e segundo condutores acoplados a, e separados por, um resistor quimicamente sensível, tal como descrito anteriormente por medição de uma primeira resistência entre os condutores, quando o resistor é feito contactar com um primeiro fluido compreendendo uma substância a analisar, a uma primeira concentração, e uma segunda resistência diferente, quando o resistor é feito contactar com um segundo fluido compreendendo a substância a analisar a uma segunda concentração diferente.

Os exemplos seguintes são apresentados como ilustração e não como limitação.

Exemplos Síntese de polímero

As películas de poli(pirrolo) usadas para as medições de condutibilidade, electroquímicas e ópticas foram preparadas por injecção de volumes iguais de soluções de pirrolo purgadas com N2 (1,50 mmoles em 4,0 ml de tetra-hidrofúrano seco) e de ácido fosfomolíbdico (0,75 mmoles em 4,0 ml de tetra-hidrofúrano) num tubo de ensaio purgado com N2. Uma vez misturadas as duas soluções, a solução amarela de ácido fosfomolíbdico virou verde escuro, sem precipitação observável durante várias horas. Esta solução foi usada para a preparação de películas no período de uma hora que se segue à mistura.

Fabrico do Sensor

Foram feitos sensores plastificados de poli(pirrolo) por mistura de duas soluções, uma das quais continha 0,29 mmoles de pirrolo em 5,0 ml de tetra-hidrofúrano, contendo a outra 0,25 mmoles de ácido fosfomolíbdico e 30 mg de plastificante em 5,0 ml de tetra-

84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 14 hidrofurano. A mistura destas duas soluções resultou numa razão p:p de pirrolo para plastificante de 2:3. Foi conseguido um método barato e rápido para a criação de elementos quimio-resistores efectuando um corte pela secção transversal de condensadores cerâmicos comerciais de 22 nF (Kemet Electronics Corporation). As secções mecânicas destes condensadores revelaram uma série de linhas de metal intercaladas (25% de Ag:75% de Pt) separadas por 15 pm, que podiam ser prontamente revestidas com polímero condutor. As soluções monómero-plastificante-oxidante foram depois usadas para revestir por imersão os eléctrodos intercalados de modo a proporcionar um contacto eléctrico robusto com as películas orgânicas polimerizadas. Depois de a polimerização estar completa, a película era insolúvel e foi lavada com solvente (tetra-hidrofurano ou metanol) para a remoção de resíduos de ácido fosfomolíbdico residual e de monómero que não tinha reagido. Os sensores foram depois ligados a uma fita de ligação comercial, sendo as resistências dos vários elementos “quimio-resistores” prontamente monitorizadas pelo uso de um ohmímetro digital de multiplexação.

Instrumentação

Os espectros ópticos foram obtidos obtido num espectrofotómetro Hewlett Packard 8452A, com interface a um IBM XT. Foram realizadas experiências electroquímicas usando um potenciostato 173/programa universal 175, Princeton Applied Research Inc.. Todas as experiências electroquímicas foram realizadas com um auxiliar de porta de Pt e um eléctrodo saturado de calomelanos de referência (SCE). O revestimento por fiação foi realizado num aparelho de revestimento por fiação de foto-resistências Headway Research Inc. As espessuras de película foram determinadas com um medidor de perfis Dektak Modelo 3030. As medições de condutividade foram realizadas com uma sonda de quatro pontos com pontas de ósmio (Alessi Instruments Inc., espaçamento entre pontas=0,050”, raio da ponta=0,010”). As medições de resistência transiente foram efectuadas com um multímetro convencional (Fluke Inc., “Hydra Data Logger” Meter).

Análise de Componente Principal e Ajustes de Mínimos Quadrados Multi-linear.

Um conjunto de dados obtidos de uma única exposição da matriz a um odorante produziu um conjunto de descritores (i.e., resistências), dj. Os dados obtidos de exposições múltiplas produziram, assim, uma matriz de dados D em que cada linha, designada por j, consistia em n descritores, descrevendo um membro único do conjunto de dados (i.e., uma exposição única a um odor). Uma vez que a resistência de linha base e as variações relativas na resistência variaram entre sensores, a matriz de dados foi auto-ajustada antes de processamentos adicionais (Hecht (1990) Mathematics in Chemistry: An Introduction to Modem Methods (Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ)). Nesta técnica de processamento,

84 469

ΕΡ Ο 820 585/PT 15 todos os dados associados a um único descritor {i.e., uma coluna na matriz de dados) foram centrados em tomo do zero com desvio padrão unitário. d,iJ=(diJ -djVoj (1) em que dj é o valor médio para o descritor, i e σ( é o correspondente desvio padrão.

Foi realizada análise de componente principal (Hecht 1990)) para a determinação de combinações lineares dos dados, de modo que a variância máxima [definida como o quadrado do desvio padrão] entre os membros do conjunto de dados fosse obtida em n dimensões mutuamente ortogonais. As combinações lineares dos dados resultaram na maior variância (ou separação) entre os membros do conjunto de dados no primeiro componente principal (pcl) e produziram magnitudes de variância decrescentes do segundo ao componente principal n (pc2 - pcn). Os coeficientes requeridos para a transformação dos dados auto-ajustados no espaço do componente principal (por combinação linear) foram determinados por multiplicação da matriz de dados D, pela sua transposta DT (i.e., diagonalizando a matriz) (Hecht (1990)). R=DT«D (2)

Esta operação produziu a matriz de correlação R cujos elementos diagonais eram unitários e cujos elementos fora da diagonal eram os coeficientes de correlação dos dados. A variância total nos dados era, assim, dada pela soma dos elementos diagonais em R. Os n valores próprios e os correspondentes n vectores próprios de foram, então, determinados para R. Cada vector próprio continha um conjunto de n coeficientes que foram usados para a transformação dos dados por combinação linear em um dos seus n componentes principais. O valor próprio correspondente originou a fracção da variância total que estava contida nesse componente principal. Esta operação produziu uma matriz de componente principal P, que tinha as mesmas dimensões que a matriz de dados original. Nestas condições, cada linha da matriz P estava ainda associada a um odor particular e cada coluna estava associada a um componente principal particular.

Uma vez que os valores no espaço do componente principal não tinham qualquer significado físico, foi útil expressar os resultados da análise do componente principal em termos de parâmetros físicos, tais como pressão parcial e fracção molar. Isto foi conseguido através de um ajuste de mínimos quadrados multi-linear, entre os valores do componente principal e o correspondente parâmetro de interesse. Um ajuste de mínimos quadrados multi-linear resultou numa combinação linear dos componentes principais que originavam o 84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 16

melhor ajuste ao valor do parâmetro correspondente. Foram conseguidos ajustes por correlação de uma coluna a cada entrada unitária para a matriz P de componente principal, com cada linha, j, correspondendo a um valor de parâmetro diferente (e.g., pressão parcial) Vj, contido no vector V. Os coeficientes para o melhor ajuste multi-linear entre os componentes principais e o parâmetro de interesse foram obtidos pela operação da matricial seguinte (3) c^p^py^p^v em que C era um vector contendo os coeficientes da combinação linear.

Uma chave para a nossa capacidade de fabrico de elementos sensores quimicamente diferentes foi a preparação de películas processáveis, estáveis ao ar, de polímeros orgânicos, condutores eléctricos. Isto foi conseguido através da oxidação química controlada de pirrolo (PY) usando ácido fosfomolíbdico (H3PMo12O40) (20% em tetra-hidrofurano) (4) (5) (6) PY-» PY*+ + e" 2PY*+ -+ PY2 + 2ΕΓ H3PMO]2O40 + 2e + 2H —» Η5ΡΜθι204ο A polimerização do pirrolo actuada por redução-oxidação ou induzida electroquimicamente foi explorada anteriormente, mas este processo origina tipicamente depósitos de poli(pirrolo) insolúveis, de tratamento difícil como produto (Salmon et al. (1982) J. Polym Sei., Polym. Lett. 20:187-193). A nossa abordagem consistiu em usar concentrações baixas do oxidante H3PMo12O40 (E° = +0,36 V vs. SCE) (Pope (1983), Heteropoly and Isopoly Oxometalates (Springer-Verlag, New York), Cap. 4). Uma vez que o potencial electroquímico de PY+7PY é mais positivo (E° = +1,30 V vs SCE) (Andrieux et al. (1990) J. Am. Chem. Soc. 112:2439-2440) do que de Η3ΡΜο12Ο40/Η5ΡΜο12Ο40, a concentração de equilíbrio de PYT* e, assim, a velocidade de polimerização, era relativamente baixa em soluções diluídas (PY 019 M, H3PMo12O40 0,09 M). Contudo, foi mostrado que o potencial de oxidação de oligómeros de pirrolo diminui de +1,20 V para +0,55 para +0,26 V vs. SCE à medida que o número de unidades aumenta de um para dois para três, e que o potencial de oxidação do poli(pirrolo) global ocorre a -0,10 V vs. SCE (Diaz et al. (1981) J. Electroanal. Chem. 727:355-361). Como resultado, espera-se que a oxidação de trímeros de pirrolo por ácido fosfomolíbdico seja favorável termodinamicamente. Isto permitiu o processamento da solução monómero-oxidante (i.e., revestimento por fiação, revestimento por imersão, introdução de plastificantes, etc.), depois do tempo de polimerização, para a formação de películas finas fosse, simplesmente,

84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 17 realizado por evaporação do solvente. A condutividade eléctrica de corrente contínua de películas de poli(pirrolo) formadas por este método sobre lâminas de vidro, depois da lavagem das películas com metanol para a remoção do excesso de ácido fosfomolíbdico e/ou de monómero, estava na ordem de 15-30 S-cm’1 para películas com espessura variando entre 40 - 100 nm.

As películas de poli(pirrolo) produzidas neste trabalho exibiram excelentes propriedades electroquímicas e ópticas. Por exemplo, a Fig. 2 apresenta o comportamento voltamétrico cíclico de uma película de poli(pirrolo) polimerizada quimicamente, a seguir a dez ciclos de -1,00 V a +0,70 V vs. SCE. A onda catódica a -0,40 V correspondeu à redução do poli(pirrolo) ao seu estado neutro, não condutor, e a onda anódica a -0,20 V correspondeu à reoxidação do poli(pirrolo) ao seu estado condutor ( Kanazawa et al. (1981) Synth. Met. 4:119-130). A ausência de corrente farádica adicional, que resultaria da oxidação e redução do ácido fosfomolíbdico da película, sugere que a estrutura de Keggin de ácido fosfomolíbdico não estava presente nos aniões da película (Bidan et al. (1988) J. Electroanal. Chem. 257:297-306) e conduz ao facto de que Mo04 ’ ou outros aniões actuaram como contra-iões do poli(pirrolo) nas películas polimerizadas. A Fig. 3A apresenta o espectro óptico duma película de polipirrolo processada que tinha revestido vidro por revestimento por rotação e, depois, lavada com metanol. O único máximo de absorção era característico de um poli(pirrolo) muito oxidado (Kauônan et al. (1984) Phys. Rev. Lett. 53:1005-1008) e a banda de absorção a 4,0 eV era característica de uma transição entre bandas, entre as bandas de condução e de valência. A ausência de outras bandas nesta gama de energia constituía evidência para a presença de estados de bipolarização (ver Fig. 3A), como foi observado no poli(pirrolo) muito oxidado (Id.). Submetendo a película a ciclos, em [(C4H9)4N]X[C104]' 0,10 M-acetonitrilo e sendo, depois, registados os espectros ópticos em KC1 0,10 M-H20, foi possível observar transições ópticas características de estados de polarização no poli(pirrolo) oxidado (ver Fig. 3B). Os estados de polarização foram referidos como produzindo três transições ópticas (Id.), que eram observados a 2,0, 2,9,e 4,1 eV na Fig. 3B. Por redução da película (c.f. Fig 3B), foi observado um aumento de intensidade e um deslocamento para o azul na banda de 2,9 eV, tal como esperado para a transição π-+π* associada às unidades pirrolo contidas no esqueleto principal do polímero (Yakushi et al. (1983) J. Chem. Phys. 79-ΑΊΊΑ-ΑΊ1Κ).

Tal como descrito na secção de experimental, foram introduzidos vários plastificantes nas películas de polímero (Tabela 3).

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Tabela 3 - Plastificantes usados nos elementos da matriz* sensor plastífícante 1 nenhum 2 nenhum ** 3 poli(estireno) 4 poli(estireno) 5 poli(estireno) 6 poli(a-metil-estireno) 7 poli(estireno-acrilonitrilo) 8 poli(estireno-anidrido maleico) 9 poli(estireno-álcool alílico) 10 poli(vinilpirrolidona) 11 poli(vinilfenol) 12 poli(vinilbutral) 13 poli(acetato de vinilo) 14 poli(carbonato) * Os sensores continham uma razão 2:3 (p:p) de pirrolo para plastífícante. **Película não lavada para a remoção do excesso de ácido de fosfomolíbdico.

Estas inclusões permitiram controlo químico sobre as propriedades de ligação e a condutividade eléctrica dos polímeros plastificados resultantes. As matrizes de sensores que consistiam em tantos quantos 14 elementos diferentes, sendo cada elemento sintetizado para produzir uma composição química diferente e, assim, uma resposta de sensor diferente para a sua película de polímero. A resistência, R, de cada sensor individual revestido por película foi registada automaticamente antes, durante e depois da exposição a vários odorantes. Um ensaio típico consistiu num período de repouso de 60 seg. em que os sensores eram expostos a ar em circulação (3,0 litro-min'1), uma exposição de 60 seg. a uma mistura de ar (3,0 litro-min1) e ar que tinha sido saturado com solvente (0,5-3,5 litro-min’1) e, depois, uma exposição de 240 seg. ao ar (3,0 litro-min"1).

Num processamento inicial dos dados apresentados neste documento, a única informação usada foi a amplitude máxima da variação da resistência dividida pela resistência inicial AR^/Ri, de cada elemento sensor individual. A maior parte dos sensores exibiram tanto aumentos como diminuições nas resistências por exposição a diferentes vapores, tal como esperado a partir das variações nas propriedades do polímero por exposição a diferentes tipos de produtos químicos (Topart e Josowicz (1992) J. Phys. Chem. 96:7824-7830; Charlesworth et al. (1993) J. Phys. Chem. 97:5418-5423). Contudo, em alguns casos,

84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 19 os sensores apresentaram um decréscimo inicial seguido por um aumento da resistência em resposta a um odor de teste. Uma vez que a resistência de cada sensor podia aumentar e/ou diminuir relativamente ao seu valor inicial, foram referidos dois valores ARmax/Rj para cada sensor. A origem do comportamento bidireccional de alguns pares sensor/odor ainda não foi estudada em detalhe, mas na maior parte dos casos, este comportamento surgiu devido à presença de água (que por si induziu diminuições rápidas na resistência da película) nos solventes de grau reagente usados para gerar odores de teste deste estudo. O comportamento observado como resposta a estes solventes, contendo água, expostos ao ar eram reprodutíveis e reversíveis numa dada matriz de sensores e o ambiente era representativo de muitas aplicações práticas de detecção de odor nas quais ar e a água podiam ser facilmente excluídos.

As Figs. 4B-4D apresentam exemplos representativos de amplitude de resposta do sensor de uma matriz de sensores (ver Tabela 3). Nesta experiência, foram registados dados para três exposições independentes a vapores de acetona, benzeno e de etanol que circulavam com o ar. Os padrões de resposta geradas pela matriz de sensores descritos na Tabela 3 são apresentadas para: (B) acetona; (C) benzeno; e (D) etanol. A resposta do sensor foi definida como o aumento e diminuição percentual máximos da resistência divididos pela resistência inicial (barra cinzenta e barra negra, respectivamente) de cada sensor por exposição a vapor de solvente. Em muitos casos os sensores exibiram aumentos e diminuições reprodutíveis na resistência. Uma exposição consistia em: (i) um período de repouso de 60 seg. em que os sensores foram expostos a ar em circulação (3,0 litro-min'1); (ii) uma exposição de 60 seg. a uma mistura de ar (3,0 litro-min"1) e ar que tinha sido saturado com solvente (0,5 litro-min'1); e (iii) exposição de 240 seg. ao ar (3,0 litro-min"1). É evidente que estes odorantes, cada um por si, produziu uma resposta distinta na matriz de sensores. Em experiências adicionais, foi avaliado um total de 8 vapores distintos (acetona, benzeno, clorofórmio, etanol, álcool isopropílico, metanol, tetra-hidrofurano e acetato de etilo), escolhidos para cobrirem uma gama de características químicas e físicas, no decurso de um período de cinco dias, numa matriz de sensores de 14 elementos (Tabela 3). Tal como é discutido seguidamente, cada odorante podia ser identificado clara e reprodutivelmente relativamente aos outros usando este aparelho sensor. A análise de componente principal (Hecht (1990) Mathematics in Chemistry: An Introduction to Modern Methods (Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ)), foi usada para simplificar a apresentação dos dados e para quantificar e as capacidades de distinção dos sensores individuais da matriz, como um todo. Nesta abordagem, foram construídas combinações lineares dos dados ARmax/Rj para os elementos da matriz, de modo que a variância máxima (definida como o quadrado do desvio padrão) estivesse contida no menor 84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 20

número de dimensões mutuamente ortogonais. Isto permitiu a representação da maior parte da informação contida nos conjuntos de dados apresentados nas Fig. 4B-4D em duas (ou três) dimensões. O agrupamento resultante, ou sua ausência, dos dados de exposição semelhantes no novo espaço dimensional, foi usado como uma medida de capacidade de distinção e da reprodutibilidade da matriz de sensores.

De modo a ilustrar a variação da resposta de sensor para sensores individuais que resultaram de variações no polímero plastificante, foi realizada análise de componente principal, nas respostas individuais, independentes, de cada um dos 14 elementos sensores individuais numa matriz típica (Fig. 5). Foram obtidos dados de exposições múltiplas a acetona (a), benzeno (b), clorofórmio (c), etanol (e), álcool isopropílico (i), metanol (m), tetra-hidrofurano (t) ou acetato de etilo (@), durante um período de cinco dias, sendo os vapores de teste expostos à matiz em várias sequências. Os números junto aos valores referem-se aos elementos sensores descritos na Tabela 3. As unidades ao longo dos eixos indicam a amplitude do componente principal que foi usado para descrever o conjunto de dados particular para um odor. As regiões negras indicam o grupos correspondentes a um único solvente que poderia ser distinguido de todos os outros; regiões cinzentas realçam dados de solventes cujos sinais se sobrepunham com outros à sua volta. As condições de exposição foram idênticas às da Fig. 4.

Uma vez que cada sensor individual produziu dois valores de dados, a análise de componente principal destas respostas resultou em apenas dois componentes principais ortogonais; pcl e pc2. Como um exemplo da selectividade exibida por um elemento sensor individual, o sensor designado como número 5 na Fig. 5 (que foi plastificado com poli(estireno)) confundia a acetona com clorofórmio, álcool isopropílico e tetra-hidrofurano. Também confundia benzeno com acetato de etilo, embora se distinguisse facilmente etanol e metanol de todos os outros solventes. A mudança do plastificante para poli (a-metil-estireno) (sensor número 6 na Fig. 5) teve pouco efeito na distribuição espacial das respostas de uns relativamente aos outros e relativamente à origem. Assim, tal como esperado, uma pequena modificação química no plastificante teve pouco efeito na variância relativa dos oito odorantes de teste. Em contraste, a adição de um grupo ciano ao plastificante, na forma de poli(estireno-acrilonitrilo), (sensor número 7 na Fig. 5), resultou numa contribuição maior para a variância global pelo benzeno e clorofórmio, embora diminuindo a contribuição do etanol. Mudando o grupo substituinte no plastificante para um ácido de ligação de hidrogénio (poli(estireno-álcool alílico), sensor número 9 na Fig. 5) aumentou a contribuição da acetona para a variância global, embora tendo pouco efeito sobre os outros odores, com a excepção de confundir metanol e etanol. Estes resultados sugerem que o comportamento dos sensores pode ser alterado sistematicamente por variação da composição química do

84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ 21 polímero plastificante.

As Fig. 6A e 6B apresentam a análise de componente principal para todos os 14 sensores descritos na Tabela 3 e Figs. 4 e 5. Quando os solventes foram projectados num espaço de odor tridimensional (Fig. 6A ou 6B), todos os oito solventes eram facilmente distinguidos pela matriz específica aqui discutida. A detecção de um odor de teste individual, com base apenas no critério de observação de valores de ~1% de AR^/R, para todos os elementos da matriz, foi prontamente conseguida ao nível das partes por milhar sem qualquer controlo sobre a temperatura ou humidade do ar em circulação. São prováveis aumentos adicionais na sensibilidade após uma utilização minuciosa dos componentes temporais dos dados ARmax/R, bem como de uma caracterização mais completa do ruído na matriz.

Também se investigou a adequação desta matriz de sensores para a identificação dos componentes de certas misturas de teste. Esta tarefa está é muito simplificada se a matriz exibir um sinal de resposta previsível à medida que a concentração de um dado odorante é variada e se as respostas de vários odores individuais forem aditivas (i.e., se for mantida sobreposição). Quando uma matriz de sensores de 19 elementos foi exposta a um número, n, de concentrações diferentes de acetona em ar, a concentração de (CH3)2CO era prevista semi-quantitativamente a partir do primeiro componente principal. Isto resultava evidente de um bom ajuste de mínimos quadrados lineares para os primeiros três componentes principais (ver Fig. 7A o ajuste de mínimos quadrados linear para o primeiro componente principal). A mesma matriz de sensores também foi capaz de resolver os componentes em várias misturas de teste de metano 1-etanol (Morris et al. (1942) Can. J. Res. B 20:207-211. Tal como apresentado na Fig. 7B, foi observada uma relação linear entre o primeiro componente principal e a fracção molar de metanol na fase líquida, χ,„, numa mistura de CH3OH-C2H5OH, evidenciando que se manteve a sobreposição para esta combinação de mistura/matriz de sensores. Para além disso, embora os componentes na mistura pudessem ser previstos com uma precisão razoável a partir apenas do primeiro componente principal, poderá ser conseguido um aumento na precisão usando um ajuste de mínimos quadrados multi-linear para os primeiros três componentes principais. Esta relação manteve-se para razões de CH3OH/(CH3OH+C2H5OH) de 0 a 1,0 em soluções de ar saturado com esta mistura de vapor. As matrizes de sensores de polímero condutor podiam, consequentemente, não só distinguir entre vapores de teste puros, mas também permitir a análise de concentrações de odorantes bem como a análise de misturas binárias de vapores.

Em resumo, os resultados aqui apresentados avançam a área do desenho de sensores 22 22 0L-C- -//-Ο 84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ de substâncias a analisar. Um desenho relativamente simples de matriz de sensores, usando apenas um sinal de leitura de resistência eléctrica, multiplexado, de corrente contínua de baixa potência mostrou distinguir prontamente entre vários odorantes de teste. Estas matrizes de polímero condutor são de construção e modificação fácil e proporcionam uma oportunidade para efectuar controlo químico sobre o padrão de resposta um vapor. Por exemplo, aumentando o razão do plastificante para polímero condutor, é possível aproximar o limiar de percolação em que a condutividade exibe uma resposta muito sensível à presença de moléculas sorvidas. Para além disso, a produção de películas mais finas proporcionará a oportunidade da obtenção de tempos de resposta mais reduzidos, e aumentando o número de polímeros plastificantes e motivos de esqueleto de polímero, resultará provavelmente em diversidade aumentada entre os sensores. Este tipo de matriz com base em polímero é quimicamente flexível, é simples de fabricar, modificar e analisar, e utiliza caminho de transdução de sinal de leitura de resistência de corrente contínua de baixa potência para a conversão de dados químicos em sinais eléctricos. Proporciona uma nova abordagem a sensores para odores de resposta lata, para investigação fundamental aplicada a mímicos químicos para o sentido do cheiro dos mamíferos. Estes sistemas são úteis para a avaliação da generalidade dos algoritmos de rede neural desenvolvidos para a compreensão do modo como o sistema olfactivo dos mamíferos identifica a direccionalidade, concentração e identidade de vários odores.

Fabrico e teste de matrizes de sensores com base em negro de fumo

Fabrico do sensor

Foram fabricados elementos sensores individuais do modo seguinte. Cada polímero não condutor (80 mg, ver Tabela 4) foi dissolvido em 6 ml de THF. (Segue Tabela 4)

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Tabela 4

Sensor # Polímero não condutor 1 poli(4-vinil-fenol) 2 poli(estireno-álcool alílico) 3 po li(a-meti 1-estireno) 4 poli(cloreto de vinilo-acetato de vinilo) 5 poli(acetato de vinilo) 6 poli(N-vinilpirrolidona) 7 poli(carbonato de bisfenol A) 8 poli(estireno) 9 poli(estireno-anidrido maleico) 10 poli(sulfona)

Seguidamente, foram suspensos 20 mg de negro de fumo (BP 2000, Cabot Corp.) com mistura vigorosa. Foram então imersos eléctrodos intercalados (os condensadores cortados, descritos anteriormente) nesta mistura e permitiu-se a evaporação do solvente. Foi fabricada uma séries destes elementos sensores com diferentes polímeros não condutores e foram incorporados numa barra de fita comercial que permitiu que os quimio-resistores fossem facilmente monitorizados com um ohmímetro de multiplexação.

Teste da matriz de sensores

Para avaliar o desempenho dos sensores com base em negro de fumo, matrizes com tantos como 20 elementos foram expostas a uma série de substâncias a analisar. Uma exposição do sensor consistiu em (1) uma exposição de 60 segundos a ar em circulação (6 litro.min'1), (2) uma exposição de 60 segundos a uma mistura de ar (6 litro.min'1) e ar que tinha sido saturado com a substância a analisar (0,5 litro.min'1), (3) um período de recuperação de cinco minutos durante o qual a matriz de sensores foi exposta a ar em circulação (6 litro.min’1). A resistência dos elementos foi monitorizada durante a exposição e dependendo da espessura e constituição química da película, puderam ser observadas variações na resistência tão grandes quanto 250% em resposta a uma substância a analisar. Numa experiência, uma matriz de 10 elementos sensores consistindo em compósitos de negro de fumo, formados com uma série de polímeros não condutores (ver Tabela 4) foi exposta durante um período de dois dias a acetona, benzeno, clorofórmio, etanol, hexano, metanol e tolueno. Foram realizadas durante este período de tempo um total de 58 exposições a estas substâncias em análise. Em todos os casos, as variações na resistência 24 84 469 ΕΡ Ο 820 585 / ΡΤ foram positivas em resposta às substâncias a analisar e, com a excepção de acetona, eram reversíveis (ver Fig. 8). Os desvios positivos máximos foram, depois, submetidos a análise de componente principal de um modo análogo ao descrito para o sensor com base em poli(pirrolo). A Fig. 9 apresenta os resultados da análise de componente principal para toda a matriz de 10 elementos. Com a excepção de uma sobreposição entre tolueno com benzeno, as substâncias a analisar foram distinguidas uma da outra.

Todas as publicações e pedidos de patente citados nesta descrição são aqui incorporadas por referência, como se cada publicação ou pedido de patente individual fosse específica e individualmente indicado como sendo incorporado por referência. Embora o invento anterior tenha sido descrito em algum detalhe por meio de ilustração e exemplos com o fim de clarificar a compreensão, será prontamente evidente para os peritos na arte, à luz dos ensinamentos deste invento, que certas mudanças e modificações podem ser nele feitas sem haver desvio ao âmbito das reivindicações em anexo.

Lisboa, 24. 2000

Por CALIFÓRNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY

Claims (11)

1. 84 469 ΕΡ Ο 820 585 /PT REIVINDICAÇÕES 1 - Matriz de sensores para a detecção de uma substância a analisar num fluido compreendendo pelo menos primeiro e segundo resistores quimicamente sensíveis, ligados por condutores eléctricos a uma aparelho de medição eléctrico, compreendendo cada um dos resistores quimicamente sensíveis: uma primeira resistência eléctrica quando feita contactar com um primeiro fluido compreendendo uma substância química a analisar a uma primeira concentração, e uma segunda resistência eléctrica quando feita contactar com um segundo fluido compreendendo a referida substância química a analisar a uma segunda concentração diferente, caracterizada por a diferença entre a primeira resistência eléctrica e a segunda resistência eléctrica do referido primeiro resistor quimicamente sensível, ser diferente da diferença entre a primeira resistência eléctrica e a segunda resistência eléctrica do referido segundo resistor quimicamente sensível nas mesmas condições, e cada um dos referidos resistores quimicamente sensíveis compreender, adicionalmente, regiões de polímero orgânico não condutor e de material condutor com composição diferente da do referido polímero orgânico não condutor, em que cada resistor proporciona um caminho eléctrico através das referidas regiões de polímero orgânico não condutor e do referido material condutor.
2. 2 - Matriz de sensores de acordo com a reivindicação 1, em que o referido polímero orgânico não condutor do referido primeiro resistor quimicamente sensível é diferente do referido polímero orgânico não condutor do referido segundo resistor quimicamente sensível.
3. 3 - Matriz de sensores de acordo com a reivindicação 1 e 2, em que o referido material condutor é um condutor inorgânico.
4. 4 - Matriz de sensores de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que o referido dispositivo de medição eléctrico está ligado a um computador compreendendo um algoritmo residente. 84 469 ΕΡ Ο 820 585/PT 2/3
5. 5 - Matriz de sensores de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, que compreende cerca de 10 a cerca de 1000 sensores.
6. 6 - Método para a produção de uma matriz de sensores para a detecção de uma substância a analisar num fluido, compreendendo: formação dos referidos sensores de modo a terem regiões de material orgânico não condutor e de material condutor com composição diferente da do referido material orgânico não condutor, de modo que os referidos sensores tenham uma variação inter-sensor predeterminada na estrutura e/ou composição do material orgânico não condutor, proporcionando, deste modo, diversidade de sensor.
7. 7 - Método de acordo com a reivindicação 6, em que a matriz de sensores compreende cerca de 10 a cerca de 1000 sensores.
8. 8 - Método de acordo com a reivindicação 6 ou 7, em que o material orgânico condutor é um polímero orgânico no qual: (a) o polímero é uma mistura ou copolímero; e/ou (b) a variação do polímero varia o limiar de percolação do sensor; e/ou (c) o polímero contém um plastificante; e/ou (d) o polímero é reticulado; e/ou (e) o polímero é diferente em pelo menos dois dos sensores; e/ou (f) a concentração do polímero é diferente em pelo menos dois dos sensores.
9. 9 - Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, em que a matriz de sensores é fabricada usando tecnologia de circuito integrado.
10. 10 - Utilização de uma matriz de sensores de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, ou de uma matriz de sensores foi produzida por um método de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 9, para a detecção da presença de uma substância a analisar num fluido. 84 469 EPO 820 585 / PT 3/3
11. 11 - Utilização de acordo com a reivindicação 10 numa aplicação seleccionada de entre toxicologia toxicologia e medidas de correcção ambientais, biomedicina, controlo de qualidade de material, monitorização alimentar e monitorização agrícola. Lisboa, 24. MAR 2000 Por CALIFÓRNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY - O AGENTE OFICIAL -