WO2006005732A1 - Dispositif amplificateur de concentration d'analytes presents dans une atmosphere et systeme de detection associe - Google Patents

Dispositif amplificateur de concentration d'analytes presents dans une atmosphere et systeme de detection associe Download PDF

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WO2006005732A1
WO2006005732A1 PCT/EP2005/053290 EP2005053290W WO2006005732A1 WO 2006005732 A1 WO2006005732 A1 WO 2006005732A1 EP 2005053290 W EP2005053290 W EP 2005053290W WO 2006005732 A1 WO2006005732 A1 WO 2006005732A1
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WO
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membrane
analytes
sensor
concentration
cavity
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Application number
PCT/EP2005/053290
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Inventor
Alain Friederich
Frédéric NGUYEN VAN DAU
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Thales
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0606—Investigating concentration of particle suspensions by collecting particles on a support
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • G01N1/40—Concentrating samples
    • G01N1/4005—Concentrating samples by transferring a selected component through a membrane
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    • G01N1/4005—Concentrating samples by transferring a selected component through a membrane
    • G01N2001/4016—Concentrating samples by transferring a selected component through a membrane being a selective membrane, e.g. dialysis or osmosis

Definitions

  • the present invention relates to sensors used for the detection of analytes present in an atmosphere, such as particular chemical or biological species.
  • a chemical sensor is a system that uses chemical reactions to detect an analyte. It creates a link between the chemical recognition element, which reacts with the analyte, to a transducer that connects this chemical recognition to a useful physical signal, and transforms that physical signal into an electrical signal. It usually consists of:
  • a sensitive chemical interface that interacts with the analyte to be detected.
  • the interaction between the analyte and the physico-chemical sorption-sensitive chemical interface results in a variation of a measurable physical magnitude of the interface, for example, mass, electrical conductivity, temperature, or optical reflectivity.
  • a transducer which converts this particular physical quantity of the chemical interface, into an electrical signal, for example a voltage, a current, or a frequency or an optical signal. This signal is then processed by any appropriate instrumentation.
  • a biosensor is a system that uses biological reactions to detect an analyte. It creates a link between the biological recognition element, which reacts with the analyte, with a transducer that links this bio-recognition into a useful physical signal, and transforms this physical signal into an electrical signal.
  • a B cap t biosensor is based on the selective grafting of a target analyte to c (the analyte to be detected) on a U receptor ligand.
  • the receptor ligands are immobilized on the sensor surface $ _ba pt , forming a layer of molecules selected for their recognition properties of said analyte.
  • affinity systems the TD transducer is directly sensitive to the attachment (grafting) of the target analyte on the ligand.
  • catalytic or metabolic systems an enzyme is used as a reactant. This enzyme catalyzes a biochemical reaction to which the transducer reacts.
  • the transducer TD outputs an electrical signal S e in response to the detected physical signal.
  • the sensors are generally classified according to the transduction principles used.
  • Optical sensors use a light source to directly excite the target analyte or an analyte (eg polymer) that undergoes a change when brought into contact with the target analyte, and means to examine variations in optical properties that result: absorption, reflection, fluorescence.
  • Chemical sensors using this type of transduction are used for the detection of chemical vapors that contaminate the environment of an antipersonnel mine (detection of TNT).
  • a known device comprises an excitation light source, typically a laser diode, two transparent substrates covered with a fluorescent polymer layer, which form a planar waveguide for the light emitted by the polymer.
  • An interference filter passes the light emitted by the polymer and blocks a large part of the light emitted by the source.
  • a photomultiplier device (tube or photodiode) makes it possible to measure the intensity of the fluorescence.
  • Optical biosensors for their part, include optical transducers using, for example, fluorescence or radioactivity properties.
  • Resistance-variation sensors whose principle is based on the change in the conductance of a conductive polymer film or a mineral semiconductor film induced by gas sorption and the resulting chemical reactions.
  • a known structure consists for example of a porous thin film of semiconductor (metal oxide such as WO3 or SnO2, ZnO ... doped with platinum or palladium) deposited on a heated ceramic. The heating makes it possible to improve the kinetics of the surface reactions.
  • Mass variation sensors typically acoustic wave sensors, or piezoelectric vibration sensors.
  • a surface acoustic wave sensor comprises an emitter interdigital comb, a receiver, and a sensitive membrane formed by a metal oxide or a polymer, disposed between the emitter and the receiver.
  • the adsorption / absorption of analyte molecules by the sensitive membrane causes a change in the mass and viscoelastic properties of said membrane, which causes a disturbance of the transmission of the surface wave.
  • the material of the membrane is chosen according to the analyte to be detected.
  • An object of the invention is to provide a technical solution to this problem of low concentration analyte detection.
  • the idea underlying the invention is to promote the concentration of analytes in the environment of the chemical sensor.
  • the molecules of the virus type analytes have sizes of between 20 and 300 nanometers.
  • the molecules of bacterial toxins have sizes of between 1.71 and 271 nanometers.
  • a technical solution to the problem has been found in the use of two nanoporous membranes, the diameter of the nanopores of the first membrane being greater than the diameter of the nanopores of the second membrane, and a device capable of forming a flow of air in the direction of the first to the second membrane, so as to enclose in the space between the two membranes, analytes whose size is between the two diameters.
  • the response of the sensor corresponds to the amplification factor obtained.
  • the equivalent detection threshold of a system comprising a concentration enhancer according to the invention associated with a chemical sensor is considerably lowered, allowing the detection of the desired analytes at low concentrations.
  • the invention thus relates to an analyte concentration enhancing device present in an atmosphere, comprising a first nanoporous membrane and a second nanoporous membrane disposed in a conduit, and forming a cavity in the conduit, the nanopore diameter of the first membrane being greater than the size of the analytes to be detected, the diameter of the nanopores of the second membrane being smaller than the size of said analytes, and a pump device being provided for causing a flow current entering through the first membrane and out through the second.
  • the device in the invention makes it possible to concentrate in the amplification cavity the target analytes having a size between the two diameters of the membranes.
  • the other analytes contained in the observed atmosphere either do not enter the amplification cavity because their molecules are too large relative to the inlet diameter (nanopore diameter of the first membrane) or are rejected via the second membrane because their molecules are smaller than the exit diameter (diameter of the nanopores of the second membrane). This is typically the case with the main constituents of the atmosphere (oxygen, carbon monoxide, nitrogen dioxide, etc.).
  • the selectivity of the sensor is improved.
  • the invention also relates to a cell for detecting one or a plurality of analytes, comprising a concentration amplifier device associated with a sensor or a network of chemical sensors and an air circulation device.
  • the sensor may be of any technology, including resistance type, mass variation or optical.
  • the senor is a biosensor.
  • FIG. 1 already described is a simplified diagram of a biosensor, according to the state of the art;
  • FIGS. 2a to 2c show a nanopore membrane used in the invention, according to a view from above, and in section, according to the technology used, film or support;
  • FIG. 2d shows the constitution of a nanotubule nanopore used in one embodiment of the invention;
  • FIG. 3 represents a simplified block diagram of a concentration amplifier device according to the invention.
  • FIG. 4 represents the concentration principle of the invention, thanks to the pore diameter of the membranes of the concentration-enhancing device according to the invention
  • FIG. 5 represents a block diagram of one embodiment of a gaseous species detection system comprising an amplifier device according to the invention
  • FIG. 6 represents an alternative embodiment of such a system
  • FIG. 8 schematically shows an example of an embodiment of the assembly of two membranes obtained according to the so-called supported layer technology.
  • the principle of concentration amplification according to the invention applies to molecules of nanometric size, to allow detection well before the threshold limit of toxicity. It applies generally to molecules of size close to or greater than one nanometer.
  • chemical species such as sarin, tabun, or TNT (between 0.7 and 0.8 nm), viruses (between 10 and and 300 nm), toxins, especially bacterial toxins (between 1.71 and 271 nm).
  • a sensor according to the invention is particularly suitable for low-threshold detection of these analytes, in order to prevent any toxicity or to allow the implementation of appropriate measures to prevent any risk of contamination. It finds particular application in the detection of chemical or bacteriological weapons, but also to prevent any risk of contamination (hospitals, airports for example).
  • FIG. 3 schematically shows a concentration amplifier AMP device according to the invention. It comprises a conduit 1 of any shape, for example a circular section tube as shown. We might as well have a square section tube.
  • the conduit 1 may be of any suitable material, for example glass, quartz, plastic or metal.
  • This conduit comprises two nanoporous membranes m1 and m2. There is thus a cavity 2 whose space is delimited by the two membranes and the duct.
  • the assembly can for example be obtained by a suitable method of bonding or assembling the membranes.
  • a nanoporous membrane is a well known material, generally obtained from a polymer membrane. According to a possible manufacturing method, in a first step, this membrane is exposed to a flow of highly energetic ions which passes right through it, and which damages its structure. In a second step, an optical and chemistry combining process makes it possible to reveal the rectilinear trajectory of the ions and thus to form nanopores of essentially cylindrical shape.
  • the density of the pores is statistically controlled by controlling the flow of ions.
  • the diameter of the nanopores is controlled by the revealing parameters. With current technologies, precision is achieved that allows molecules to be separated by their size with a precision of one nanometer.
  • a nanoporous membrane is shown in Figure 2a, seen from above. It comprises a multitude of nanopores, in controlled density. The density will typically depend on the diameter of the nanopores.
  • a membrane obtained according to the film technology is shown in section in Figure 2b.
  • the membrane is a polymer film
  • the membrane is shown in section in FIG. 2c.
  • the membrane is a polymer film P O i 2 (polycarbonate, PET, polyimide, etc.) deposited by any suitable thin-film process, of thickness e2, typically between 0.2 and 5 microns, on a substrate S, for example a silicon substrate.
  • P O i 2 polycarbonate, PET, polyimide, etc.
  • the membranes are made in a thick layer. They are each assembled by any appropriate means (mechanical assembly, gluing) to the conduit.
  • each of the membranes is made of a thin layer deposited on a substrate. It is then expected to etch the substrate S1, S2 of each membrane m1, m2, and to assemble the two membranes by their substrates so that the etched portion of the substrate of each membrane forms the amplification cavity of the sensor according to the invention. .
  • the duct of FIG. 3 is thus produced by the substrates S1 and S2 of the membranes.
  • the AMP amplification device according to the invention further comprises
  • FIG. 2 a device 3 for air circulation, typically a pump or a fan, adapted to create a flow of incoming air (FE) by the first membrane and outgoing (Fs) by the second membrane.
  • This air circulation device 3 is typically provided at the bottom of the duct.
  • the first membrane which receives the incoming flux FE is chosen, with nanopores of diameter d1 and the second membrane which passes the outgoing flux Fs, with nanopores of diameter. d2, with d1> d2.
  • the molecules which pass through the M1 membrane the molecules of the analytes which have a size of M between d1 and d2 are trapped in the cavity 2, whereas those which have a size of m less than d2 emerge from the cavity by the m2 membrane, in the outflow.
  • This can be in the form of nanotubules of the material, arranged in the nanopores using technological processes for synthesizing nano-objects in well-known pores.
  • FIG. 2d shows in section such a nanopore whose internal walls are lined with a material in the form of a nanotubule.
  • the diameters d1 and d2 of the nanopores of the input membrane m1 and of the exit membrane m2 and the thickness of the nanotubules are determined according to the desired analyte size, with all the precision that technology allows.
  • membranes in a thin layer are typically obtained by a so-called “supported layer” membrane manufacturing technology (supported! Laye ⁇ , which makes it possible to obtain a particularly optimized membrane thickness, which is low (thin film technology), typically less than 5 microns.
  • the nanopore densities of the membranes pi, p ⁇ and their diameters di and 02 in so to create pressure conditions favorable to detection, that is to say, so that the cavity is not found in overpressure or depression.
  • the diameter D 2 or more generally the width of the section of the duct 1 typically corresponds to the size of the duct 1.
  • a system for detecting vapor or gas phase analytes, present in an atmosphere integrates an AMP concentration amplifier device according to the invention, an analyte detection sensor 10 and a pump device 3.
  • the amplifier and the pump device are typically integrated in the duct 1, as shown in FIG. 4, with the air circulation device (a fan or a pump) arranged at the bottom of the duct, and the sensor 10 can be disposed within the cavity in the conduit, or outside the cavity, on the conduit.
  • the sensor may be a chemical sensor or a biosensor, with a transducer of any type, in particular, it may be of the optical type, with variation of mass or resistance. It is arranged appropriately for perform the detection of the desired analytes in the confined atmosphere of said cavity (2). In practice, it can be disposed outside or inside said cavity (duct) depending on the technology in question. In the case of a biosensor, at least the Scapt receiving surface of the sensor (Figurel) is placed inside the cavity.
  • the conduit would be in such an application of the glass or quartz type, or more generally in any material transparent to the working wavelength of the detector.
  • the sensor 10 or at least the optical transduction portion of the sensor is disposed outside the amplification device AMP, on the conduit, at the cavity, by any suitable mounting. Such an arrangement is shown diagrammatically in FIG. 4.
  • the sensor technology used provides for the reaction with a detection analyte
  • a system for injecting said analyte into the cavity will be provided.
  • the sensor 10 is typically disposed inside the cavity 2, as shown schematically in FIGS. 5 and 8.
  • the sensor is integrated in the AMP amplifier device.
  • the sensitive portion 13 including the interface and the transducer would be in the cavity, while the portion 12 of measurement and power instrumentation would be outside.
  • the outgoing purge flow is expurgated into the atmosphere via the air circulation device 3.
  • a first set of valves v1 and v2 for the detection phase, and a second set of valves v3, v4 and v5 for the purge phase.
  • the detection valves v1 and v2 are disposed in the duct 1 on either side of the cavity 2 and each before entry, respectively the outlet of the bypass duct 5. They are controlled in the on state in phase of detection and in the closed state during the purge phase.
  • the purge valves v3, v4 and v5 are not arranged in the duct 1.
  • the valve v3 controlling the opening of the purge air inlet is arranged to isolate this inlet of the duct 1 at the outlet of the second membrane.
  • the valves v4 and v5 are arranged to respectively isolate the inlet and the outlet of the bypass duct 5 of the duct 1. These valves are controlled in the closed state in the detection phase and in the on state in the purge phase.
  • the first and second purge sets are controlled in a complementary manner, depending on the operational phase of the system: detection or purging.
  • the air circulation system will be dimensioned with respect to the volume of the cavity and the purge trip period constraint. As an order of magnitude, an air flow of 1 cm 3 / s can be provided.

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Abstract

Un dispositif amplificateur (AMP) de concentration d'analytes présents dans une atmosphère, comprend une première membrane nanoporeuse (ml) et une deuxième membrane nanoporeuse (m2) disposées dans un conduit (1), et formant une cavité (2) dans le conduit, le diamètre des nanopores de la première membrane étant supérieur à la taille des analytes à détecter, le diamètre des nanopores de la deuxième membrane étant inférieur à la taille desdits analytes. Un dispositif de pompe (3) est prévu permettant de provoquer un courant de flux entrant (FE) par la première membrane et sortant ( FS) par la deuxième. Un système de détection comprend avantageusement un tel dispositif associé à un capteur chimique ou biochimique.

Description

DISPOSITIF AMPLIFICATEUR DE CONCENTRATION D'ANALYTES PRESENTS DANS UNE ATMOSPHERE ET SYSTEME DE DETECTION
ASSOCIE
La présente invention concerne les capteurs utilisés pour la détection d'analytes présents dans une atmosphère, tels que des espèces chimiques ou biologiques particulières.
Dans de nombreux domaines de l'industrie (agro-alimentaire, pharmacie...), dans le domaine de la sécurité et de la prévention industrielle, civile (pollution domestique) et dans le domaine militaire, des capteurs sont utilisés pour permettre la détection d'une concentration anormale de certains analytes dans l'atmosphère, afin d'en prévenir les effets dangereux, par exemple l'explosion, l'empoisonnement, ou la contamination. A ces fins, des capteurs chimiques ou des biocapteurs sont utilisés. Dans le domaine biologique, il est nécessaire de détecter certaines toxines qui se révèlent dangereuses, telles certaines toxines bactériennes comme le bacille du charbon ou les toxines botuliques, ou certains virus, comme par exemple la variole, la grippe... Dans le domaine chimique, on connaît les dangers des dérivés organophosphorés (sarin, tabun...) et du TNT.
Un capteur chimique est un système qui utilise des réactions chimiques pour détecter un analyte. Il crée un lien entre l'élément de reconnaissance chimique, qui réagit avec l'analyte, à un transducteur qui relie cette reconnaissance chimique à un signal physique utile, et transforme ce signal physique en un signal électrique. Il est habituellement constitué :
- d'une interface chimique sensible, qui interagit avec l'analyte à détecter. L'interaction entre l'analyte et l'interface chimique sensible par sorption physico-chimique entraîne une variation d'une grandeur physique mesurable de l'interface, par exemple, la masse, la conductivité électrique, la température ou la réflectivité optique.
- d'un transducteur, qui convertit cette grandeur physique particulière de l'interface chimique, en un signal électrique, par exemple une tension, un courant, ou une fréquence ou un signal optique. Ce signal est ensuite traité par toute instrumentation appropriée. De manière analogue, un biocapteur est un système qui utilise des réactions biologiques pour détecter un analyte. Il crée un lien entre l'élément de reconnaissance biologique, qui réagit avec l'analyte, à un transducteur qui relie cette bio-reconnaissance en un signal physique utile, et transforme ce signal physique en un signal électrique.
Plus précisément, et comme schématiquement représenté sur la figure 1 , un biocapteur Bcapt est basé sur le greffage sélectif d'un analyte cible ac (l'analyte à détecter) sur un ligand récepteur U. Les ligands récepteurs sont immobilisés sur la surface du capteur $_bapt, formant une couche de molécules sélectionnées pour leurs propriétés de reconnaissance dudit analyte. Dans les systèmes dits à affinité, le transducteur TD est directement sensible à l'accrochage (greffage) de l'analyte cible sur le ligand. Dans les systèmes dits catalytiques, ou métaboliques, une enzyme est utilisée comme réactant. Cette enzyme catalyse une réaction biochimique à laquelle le transducteur réagit. Le transducteur TD fournit en sortie un signal électrique Se en réponse au signal physique détecté.
Les capteurs sont généralement classés en fonction des principes de transduction utilisés.
Les capteurs optiques utilisent une source lumineuse pour exciter directement l'analyte cible ou un analyte (polymère par exemple) qui subit une modification lorsqu'il est mis en présence de l'analyte cible, et des moyens pour examiner les variations des propriétés optiques qui en résultent : absorption, réflexion, fluorescence. Des capteurs chimiques utilisant ce type de transduction sont notamment utilisés pour la détection des vapeurs chimiques qui contaminent l'environnement d'une mine antipersonnel (détection de TNT). Un dispositif connu comprend une source de lumière d'excitation, typiquement une diode laser, deux substrats transparents recouverts d'une couche de polymère fluorescent, qui forment un guide d'onde planaire pour la lumière émise par le polymère. Le passage d'un flux d'air comprenant du trinitrotoluène (analyte cible) dans le guide d'onde modifie les propriétés de fluorescence du polymère (extinction). Un filtre d'interférence laisse passer la lumière émise par le polymère et bloque une grande partie de la lumière émise par la source. Un dispositif de type photomultiplicateur (tube ou photodiode) permet de mesurer l'intensité de la fluorescence. Les biocapteurs optiques comprennent pour leur part des transducteurs optiques utilisant par exemple les propriétés de fluorescence ou de radioactivité.
Les capteurs à variation de résistance dont le principe repose sur le changement de la conductance d'un film polymère conducteur ou d'un film semi-conducteur minéral induit par la sorption de gaz et par les réactions chimiques qui en découlent. Une structure connue consiste par exemple en un film mince poreux de semi-conducteur (oxyde métallique tel que WO3 ou SnO2, ZnO ... dopés avec du platine ou du paladium) déposé sur une céramique chauffée. Le chauffage permet d'améliorer la cinétique des réactions de surface.
Les capteurs à variation de masse, typiquement les capteurs à ondes acoustiques, ou les capteurs à vibration piézoélectrique. Par exemple, un capteur à ondes acoustiques de surface comprend un peigne interdigité émetteur, un récepteur, et une membrane sensible formée par un oxyde métallique ou un polymère, disposée entre l'émetteur et le récepteur. L'adsorption/absorption de molécules d'analytes par la membrane sensible, provoque une variation de la masse et des propriétés viscoélastiques de ladite membrane, qui entraîne une perturbation de la transmission de l'onde de surface. Le matériau de la membrane est choisi en fonction de l'analyte à détecter.
D'autres types de capteurs existent qui ne seront pas détaillés. Ces différents capteurs de l'état de la technique présentent généralement comme inconvénient d'être non-sélectifs: ils réagissent à plus d'un analyte, ce qui gêne leur identification et classification. Un autre inconvénient de ces capteurs est leur faible sensibilité : leur seuil de détection est généralement supérieur à la limite de toxicité ou dangerosité de certains analytes, actifs à faible concentration. Par exemple, des agents chimiques toxiques tels que les agents neurotoxiques types G (sarin, tabun), les agents vésicants tels l'ypérite, l'ypérite -azoté et la lewisite, ont en commun d'être des agents hautement toxiques, et actifs à de faibles concentrations, typiquement 0,01 mg/kg. Les capteurs de l'état de la technique ne sont pas capable d'atteindre de tels seuils de sensibilité.
Il y a un intérêt certain à être capable de détecter leur présence à bas seuil de détection, inférieur à un seuil dit de toxicité ou de contamination. Les capteurs d'analytes de l'état de la technique ne sont pas tous opérants pour de telles détections à bas seuil.
Un objet de l'invention est d'apporter une solution technique à ce problème de détection d'analytes en faible concentration.
L'idée à la base de l'invention est de favoriser la concentration d'analytes dans l'environnement du capteur chimique.
Dans l'invention, on fait l'observation suivante qu'un certain nombre d'analytes toxiques ou dangereux se caractérisent par des molécules de taille de l'ordre du nanomètre à quelques nanomètres.
Parmi ces analytes on peut citer les dérivés organophosphorés
(sarin, tabun, ...) mais aussi le TNT, qui sont des molécules de taille proche du nanomètre. Les molécules des analytes type virus, ont des tailles comprises entre 20 et 300 nanomètres. Les molécules des toxines bactériennes ont des tailles comprises entre 1 ,71 et 271 nanomètres.
Dans l'invention, une solution technique au problème posé a été trouvée dans l'utilisation de deux membranes nanoporeuses, le diamètre des nanopores de la première membrane étant supérieur au diamètre des nanopores de la deuxième membrane, et d'un dispositif apte à former un flux d'air dans le sens de la première vers la deuxième membrane, de manière à enfermer dans l'espace entre les deux membranes, des analytes dont la taille est comprise entre les deux diamètres.
En plaçant un capteur ou l'élément de surface sensible du capteur à l'intérieur de cet espace, la réponse du capteur correspond au facteur d'amplification obtenu. Le seuil de détection équivalent d'un système comprenant un amplificateur de concentration selon l'invention associé à un capteur chimique est considérablement abaissé, permettant la détection des analytes recherchés à de faibles concentrations.
Telle que revendiquée, l'invention concerne donc un dispositif amplificateur de concentration d'analytes présents dans une atmosphère, comprenant une première membrane nanoporeuse et une deuxième membrane nanoporeuse disposées dans un conduit, et formant une cavité dans le conduit, le diamètre des nanopores de la première membrane étant supérieur à la taille des analytes à détecter, le diamètre des nanopores de la deuxième membrane étant inférieur à la taille desdits analytes, et un dispositif de pompe étant prévu permettant de provoquer un courant de flux entrant par la première membrane et sortant par la deuxième.
Le dispositif dans l'invention permet de concentrer dans la cavité d'amplification les analytes cibles, ayant une taille comprise entre les deux diamètres des membranes. Les autres analytes contenus dans l'atmosphère observée, soit ne pénètrent pas dans la cavité d'amplification, car leurs molécules sont trop grandes par rapport au diamètre d'entrée (diamètre des nanopores de la première membrane) soit sont rejetées via la deuxième membrane parce leurs molécules sont de taille inférieure au diamètre de sortie (diamètre des nanopores de la deuxième membrane). C'est le cas typiquement des principaux constituants de l'atmosphère (oxygène, oxyde de carbone, di-oxyde d'azote... etc).
En adaptant le diamètre des nanopores des membranes, en fonction de la taille de l'espèce d'analyte à rechercher, on améliore la sélectivité du capteur. On sait aujourd'hui séparer des molécules avec une précision de l'ordre du nanomètre.
Dans un perfectionnement, pour réduire les risques d'accrochage des molécules aux parois des nanopores de la membrane d'entrée, on prévoit de tapisser les parois des nanopores par un matériau pris sous forme de nanotubules. De cette façon le transport des analytes à travers les nanopores de grand diamètre est optimisé.
En outre, pour réduire encore les risques d'accrochage, on prévoit une réalisation des membranes selon la technologie dite "à couche supportée" (supportée! layeή, qui permet d'obtenir une épaisseur de membrane particulièrement optimisée, faible.
L'invention concerne aussi une cellule de détection d'un ou d'une pluralité d'analytes, comprenant un dispositif amplificateur de concentration associé à un capteur ou un réseau de capteurs chimiques et un dispositif de circulation d'air. Le capteur peut-être de toute technologie, notamment du type à résistance, variation de masse ou optique.
Selon un aspect de l'invention, pour une application à la détection d'analytes de type biologiques tels que les toxines ou les virus, le capteur est un biocapteur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 déjà décrite est un schéma simplifié d'un biocapteur, selon l'état de l'art;
- les figures 2a à 2c montrent une membrane de nanopores utilisée dans l'invention, selon une vue de dessus, et en, coupe selon la technologie utilisée, film ou support; - la figure 2d montre la constitution d'une nanopore à nanotubule utilisée dans un mode de réalisation de l'invention;
- la figure 3 représente un schéma-bloc simplifié d'un dispositif amplificateur de concentration selon l'invention;
- la figure 4 représente le principe de concentration de l'invention, grâce au diamètre des pores des membranes du dispositif amplificateur de concentration selon l'invention;
- la figure 5 représente un schéma-bloc d'un mode de réalisation d'un système de détection d'espèces gazeuses comprenant un dispositif amplificateur selon l'invention; - la figure 6 représente une variante de réalisation d'un tel système;
- la figure 7 représente de façon schématique un système de purge intégré; et
- la figure 8 représente de façon schématique un exemple d'un mode de réalisation de l'assemblage de deux membranes obtenues selon la technologie dite à couche supportée.
Le principe d'amplification de concentration selon l'invention s'applique aux molécules de taille nanométrique, pour en permettre la détection bien avant le seuil limite de toxicité. Il s'applique d'une manière générale aux molécules de taille proche ou supérieure au nanomètre. On a répertorié précédemment un certain nombre d'espèces chimiques entrant dans ces fenêtres de taille de molécules : des espèces chimiques telles le sarin, le tabun, ou le TNT (entre 0,7 et 0,8 nm), les virus (entre 10 et 300 nm), les toxines, notamment les toxines bactériennes (entre 1 ,71 et 271 nm). Un capteur selon l'invention est particulièrement adapté à la détection à bas seuil de ces analytes, dans le but de prévenir toute toxicité ou de permettre la mise en place de mesures adaptées pour prévenir tout risque de contamination. Elle trouve notamment une application dans la détection des armes chimiques ou bactériologiques, mais aussi pour prévenir tout risque de contamination (hôpitaux, aéroports par exemple).
Sur la figure 3, on a schématiquement représenté un dispositif AMP amplificateur de concentration selon l'invention. Il comprend un conduit 1 de forme quelconque, par exemple un tube à section circulaire comme représenté. On pourrait tout aussi bien avoir un tube à section carrée. Le conduit 1 peut être en tout matériau adapté, par exemple en verre, quartz, plastique ou métal.
Ce conduit comprend deux membranes nanoporeuses m1 et m2. On a ainsi une cavité 2 dont l'espace est délimité par les deux membranes et le conduit. L'ensemble peut par exemple être obtenu par un procédé approprié de collage ou d'assemblage des membranes.
Une membrane nanoporeuse est un matériau bien connu, généralement obtenu à partir d'une membrane polymère. Selon un procédé possible de fabrication, dans une première étape, cette membrane est exposée à un flux d'ions hautement énergétiques qui la traverse de part en part, et qui endommage sa structure. Dans une deuxième étape, un traitement associant optique et chimie permet de révéler la trajectoire rectiligne des ions et de former ainsi des nanopores de forme essentiellement cylindrique.
La densité des pores est contrôlée de manière statistique en contrôlant le flux d'ions.
Le diamètre des nanopores est contrôlé par les paramètres de révélation. Avec les technologies actuelles, on atteint des précisions qui permettent de séparer des molécules par leur taille avec une précision de l'ordre du nanomètre.
Les techniques de fabrication des membranes nanoporeuses sont bien connues et ont fait l'objet de nombreuses publications. Elles ne seront pas détaillées plus avant. Une membrane nanoporeuse est représentée sur la figure 2a, en vue de dessus. Elle comprend une multitude de nanopores, en densité contrôlée. La densité va typiquement dépendre du diamètre des nanopores.
Les technologies actuelles permettent une densité de pores de l'ordre de 104 à 5.109 nanopores par cm2.
Deux technologies de fabrication sont principalement utilisées. La technologie dite à films (technologie couche épaisse) et la technologie dite à couche supportée (technologie couche mince).
Une membrane obtenue selon la technologie à film est représentée en coupe sur la figure 2b. La membrane est un film polymère
Pou (polycarbonate, PET, polyimide....) d'épaisseur e1 typiquement comprise entre 10 et 25 microns.
Une membrane obtenue selon la technologie à couche supportée est représentée en coupe sur la figure 2c. La membrane est un film polymère POi2 (polycarbonate, PET, polyimide....) déposée par tout procédé adapté en couche mince, d'épaisseur e2 typiquement comprise entre 0.2 et 5 microns, sur un substrat S, par exemple un substrat silicium.
Dans un premier exemple d'assemblage des membranes pour former un dispositif amplificateur selon l'invention comme représenté sur la figure 3, les membranes sont réalisées en couche épaisse. Elles sont chacune assemblées par tout moyen approprié (assemblage mécanique, collage) au conduit.
Dans un autre exemple d'assemblage schématiquement représenté sur la figure 8, chacune des membranes est réalisée en couche mince déposée sur un substrat. On prévoit alors de graver le substrat S1 , S2 de chaque membrane m1 , m2, et d'assembler les deux membranes par leurs substrats en sorte que la partie gravée du substrat de chaque membrane forme la cavité d'amplification du capteur selon l'invention. Le conduit.de la figure 3 est ainsi réalisé par les substrats S1 et S2 des membranes. Le dispositif AMP d'amplification selon l'invention comprend encore
(figure 2) un dispositif 3 de circulation d'air, typiquement une pompe ou un ventilateur, apte à créer un flux d'air entrant (FE) par la première membrane et sortant ( Fs) par la deuxième membrane. Ce dispositif 3 de circulation d'air est typiquement prévu en fond de conduit. Dans l'invention, et comme plus particulièrement détaillé sur la figure 3, on choisit la première membrane qui reçoit le flux entrant FE, avec des nanopores de diamètre d1 et la deuxième membrane qui laisse passer le flux sortant Fs, avec des nanopores de diamètre d2, avec d1 > d2. Ainsi, les molécules des analytes contenues dans le flux entrant qui ont une taille inférieure à d1 ; vont traverser la membrane m1. Parmi les molécules qui traversent la membrane m1 , les molécules des analytes qui ont une taille dM comprise entre d1 et d2 sont emprisonnées dans la cavité 2, alors que celles qui ont une taille comprise dm inférieure à d2 ressortent de la cavité par la membrane m2, dans le flux sortant.
Selon un mode de réalisation de l'invention, on choisit d1 supérieur à la taille de la molécule de l'analyte cible que l'on souhaite détecter, par exemple dans un rapport deux, pour limiter les risques d'accrochage des analytes aux parois internes des nanopores. Pour réduire le risque d'accrochage et pour améliorer la sensibilité du dispositif selon l'invention, on prévoit de préférence de tapisser les parois des nanopores avec un matériau qui optimise le transport des analytes à l'intérieur des nanopores. Ceci peut se faire sous forme de nanotubules du matériau, disposées dans les nanopores en utilisant des procédés technologiques de synthèse de nano -objets dans les pores bien connus. Sur la figure 2d, on a représenté en coupe une telle nanopore dont les parois internes sont tapissées par un matériau sous forme de nanotubule.
Les diamètres d1 et d2 des nanopores de la membrane d'entrée m1 et de la membrane de sortie m2 et l'épaisseur des nanotubules (qui réduit le diamètre interne utile des nanopores) sont déterminées en fonction de la taille d'analyte recherchée, avec toute la précision permise par la technologie.
On peut encore réduire le risque d'accrochage, en choisissant de préférence des membranes en couche mince. Ces membranes sont typiquement obtenues par une technologie de fabrication des membranes dite "à couche supportée" (supportée! layeή, qui permet d'obtenir une épaisseur de membrane particulièrement optimisée, faible (technologie couche mince), typiquement inférieure à 5 microns.
Selon un autre aspect de l'invention, on prévoit de déterminer les densités de nanopores des membranes pi, p∑ et leurs diamètres di et 02 en sorte de créer des conditions de pression favorable à la détection, c'est à dire pour que la cavité ne se retrouve ni en surpression ni en dépression. Ceci peut être obtenu avec une surface de nanopores équivalente égale entre les deux membranes, ce qui s'écrit comme suit : - la surface Si représentée par les nanopores de la première membrane est donnée par : Sn = p-ι.%.π.di2
- la surface Sb représentée par les nanopores de la deuxième membrane est donnée par : St2 = p2Λ4.π.d2 2
On choisit donc (p1 , d1 ) et (p2, d2) pour que : StI=St2. De cette façon, le pompage n'induit aucune variation de pression au sein de la cavité 2.
Dans un mode de réalisation pratique d'un dispositif de concentration selon l'invention, comme illustré sur la figure 4, le dispositif amplificateur de concentration AMP comprend un goulot d'entrée 4, en forme d'entonnoir, qui permet d'améliorer les performances de collection d'analytes au sein de la cavité 2. Si on se place dans le contexte d'un conduit à section circulaire, et si on note Di le diamètre extérieur du goulot et D2, le diamètre intérieur du goulot, on obtient un facteur d'amplification additionnel égal au carré du rapport des diamètres. Soit, si on prend par exemple Di=10cm et D2=I cm, un facteur d'amplification additionnel de 100.
Le diamètre D2, ou plus généralement la largeur de la section du conduit 1 correspond typiquement à la dimension du conduit 1.
Selon l'invention, un système de détection d'analytes en phase vapeur ou gazeuse, présents dans une atmosphère, intègre un dispositif AMP amplificateur de concentration selon l'invention, un capteur 10 de détection d'analytes et un dispositif de pompe 3. L'amplificateur et le dispositif de pompe sont typiquement intégrés dans le conduit 1 , comme représenté sur la figure 4, avec le dispositif de circulation d'air (un ventilateur ou une pompe) disposé en fond de conduit, et le capteur 10 peut-être disposé à l'intérieur de la cavité dans le conduit, ou à l'extérieur de la cavité, sur le conduit.
Le capteur peut-être un capteur chimique ou un biocapteur, à transducteur de tout type, en particulier, il peut-être du type optique, à variation de masse ou de résistance. Il est disposé de façon appropriée pour effectuer la détection des analytes recherchés dans l'atmosphère confinée de la dite cavité (2). En pratique, il peut être disposé à l'extérieur ou à l'intérieur de la dite cavité (du conduit) en fonction de la technologie considérée. Dans le cas d'un biocapteur, au moins la surface de réception Scapt du capteur (Figurel ) est placée à l'intérieur de la cavité.
Dans le cas d'un capteur à transducteur optique, on prévoira de préférence que le système optique soit disposé orthogonalement par rapport au sens du flux Ft =>Fs, plutôt que colinéaire, ce qui dans ce dernier cas imposerait des membranes transparentes. Le conduit serait dans une telle application du type en verre ou en quartz, ou plus généralement dans tout matériau transparent à la longueur d'onde de travail du détecteur. On comprend que dans ce cas, le capteur 10 ou au moins la partie transduction optique du capteur, est disposé à l'extérieur du dispositif d'amplification AMP, Sur le conduit, au niveau de la cavité, par tout montage approprié. Un tel montage est représenté schématiquement sur la figure 4.
Si la technologie du capteur utilisé prévoit la réaction avec un analyte de détection, on prévoira un système d'injection dudit analyte à l'intérieur de la cavité. Dans le cas des autres technologies de capteur chimique ou de biocapteur, le capteur 10 est typiquement disposé à l'intérieur de la cavité 2, comme représenté schématiquement sur les figures 5 et 8. En d'autres termes, le capteur est intégré dans le dispositif amplificateur AMP. En pratique, la partie sensible 13 comprenant l'interface et le transducteur serait dans la cavité, tandis que la partie 12 d'instrumentation de mesure et d'alimentation serait à l'extérieur.
En pratique, on prévoit en outre un système d'inversion et dérivation de flux de manière à permettre la purge périodique de la cavité 2. Un exemple d'un mode de réalisation d'un tel système est détaillé en relation avec la figure 6.
Typiquement, on réalise un tel système au moyen d'électrovannes, disposées et commandées pour qu'en phase de détection, le dispositif de circulation d'air 3 impose le flux FE =>FS, et en ce qu'en phase de purge, le sens du flux dans la cavité soit inversé, avec une entrée d'air prévue dans le conduit entre la deuxième membrane et le dispositif de circulation d'air, en sorte d'établir un flux de purge entrant FP par la deuxième membrane et un flux de purge sortant FSP par la première au moyen d'un conduit 5 de dérivation (by-pass). Dans l'exemple, le flux de purge sortant est expurgé dans l'atmosphère via le dispositif 3 de circulation d'air.
Dans l'exemple, on prévoit ainsi un premier ensemble de vannes v1 et v2, pour la phase de détection, et un deuxième ensemble de vannes v3, v4 etv5 pour la phase de purge.
Les vannes de détection v1 et v2 sont disposées dans le conduit 1 de part et d'autres de la cavité 2 et chacune avant l'entrée, respectivement la sortie du conduit de dérivation 5. Elles sont commandées à l'état passant en phase de détection et à l'état fermé en phase de purge.
Les vannes de purge v3, v4 et v5 ne sont pas disposées dans le conduit 1. La vanne v3 commandant l'ouverture de l'entrée d'air de purge est disposée pour isoler cette entrée du conduit 1 , en sortie de deuxième membrane. Les vannes v4 et v5 sont disposées pour isoler respectivement l'entrée et la sortie du conduit de dérivation 5, du conduit 1. Ces vannes sont commandées à l'état fermé en phase de détection et à l'état passant en phase de purge. Ainsi, les premier et deuxième ensembles de purge sont commandés de façon complémentaire, en fonction de la phase opérationnelle du système : détection ou purge. En pratique le système de circulation d'air sera dimensionné par rapport au volume de la cavité et à la contrainte de période de déclenchement de la purge. Comme ordre de grandeur, on peut prévoir un débit d'air de 1 cm3/s.
On peut par ailleurs prévoir un système à deux pompes, l'une pour la détection et l'autre pour la purge.
L'invention ne se limite pas aux exemples de mise en oeuvre décrits. En particulier toutes les variantes nécessitées par l'intégration d'un capteur particulier sont du domaine de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif amplificateur (AMP) de concentration d'analytes présents dans une atmosphère, comprenant une première membrane nanoporeuse (m1) et une deuxième membrane nanoporeuse (m2) disposées dans un conduit (1), et formant une cavité (2) dans le conduit, le diamètre des nanopores de la première membrane étant supérieur à la taille des analytes à détecter, le diamètre des nanopores de la deuxième membrane étant inférieur à la taille desdits analytes, et un dispositif de pompe (3) étant prévu permettant de provoquer un courant de flux entrant (FE) par la première membrane et sortant ( Fs) par la deuxième.
2. Dispositif amplificateur de concentration selon la revendication
1 , caractérisé en ce que les nanopores de la première membrane ont un diamètre supérieur de l'ordre de deux fois la taille des analytes à détecter.
3. Dispositif amplificateur de concentration selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la première membrane comprend des nanotubules synthétisées dans les nanopores, pour favoriser le transport des analytes au travers de cette membrane.
4. Dispositif amplificateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les membranes sont des membranes en couche mince.
5. Dispositif amplificateur de concentration selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit comprend un goulot d'entrée (4) en forme d'entonnoir.
6. Dispositif amplificateur de concentration selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un système (5) d'inversion et dérivation de flux permettant de purger ladite cavité.
7. Système de détection d'analytes, comprenant un capteur (10) permettant la détection desdits analytes, caractérisé en ce que ledit système comprend un dispositif amplificateur de concentration (AMP) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et en ce que le capteur est disposé pour effectuer la détection dans l'atmosphère confinée dans la dite cavité (2).
8. Système de détection selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit capteur est placé au moins en partie (13) à l'intérieur de la cavité.
9. Système de détection selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit capteur est du type capteur résistif, à semi-conducteur ou polymère.
10. Système de détection selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit capteur est du type capteur optique.*
11. Système de détection d'analytes de type dérivé organophosphoré ou de type TNT selon l'une quelconque des revendications 6 à 9 comprenant un capteur chimique.
12. Système de détection d'analytes de type virus ou toxines bactériennes selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 comprenant un biocapteur.
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