用于检测细菌和/或病毒的比色传感器的制作方法

1.本发明涉及用于检测细菌和/或病毒的比色传感器。


背景技术：

2.已知用于检测细菌污染剂例如埃希氏大肠杆菌的比色传感器。
3.用于检测细菌例如埃希氏大肠杆菌的比色传感器的实例描述于g.m.patern
ò
、l.moscardi、s.donini、d.ariodanti、i.kriegel、m.zani、e.parisini、f.scotognella、g.laznani，“hybrid one
‑
dimensional plasmonic photonic crystals for optical detection of bacteria contaminants”,j.phys.chem.lett.2019,10,4980
‑
4986。这样的传感器包含银层(等离激元金属)和一维光子晶体。银特征是对埃希氏大肠杆菌的生物响应性，当与后者接触时，这改变光子响应。换句话说，如果检测到细菌的存在，例如通过使受试者的分泌物与银层接触，察觉到传感器颜色改变。
4.然而，为了检测其它污染剂或病毒(通常具有比细菌的尺寸小得多的尺寸)，需要更大敏感性的传感器。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是提供具有改进敏感性的比色传感器，其能够精确地检测细菌还有病毒例如covid
‑
19病毒。
6.根据权利要求1的用于检测细菌和/或病毒的比色传感器和根据权利要求18的用于检测细菌和/或病毒的比色传感器满足这个目的和其它目的。
7.从属权利要求限定了本发明的可能有利的实施方案。
附图说明
8.为了更好地理解本发明并了解其优势，以下将参考附图描述本发明的一些示例的非限制性实施方案，其中：
9.图1是根据本发明第一可能实施方案的比色传感器的横截面示意图；
10.图2是根据本发明第二可能实施方案的比色传感器的横截面示意图；
11.图3是根据本发明第三可能实施方案的比色传感器的横截面示意图；
12.图4是根据本发明第四可能实施方案的比色传感器的横截面示意图；
13.图5是根据本发明第五可能实施方案的比色传感器的横截面示意图；
14.图6是根据本发明第六可能实施方案的比色传感器的横截面示意图；
15.图7是一维光子晶体的横截面示意图；
16.图8a
‑
8c是包含根据本发明的可能实施方案的比色传感器的试剂盒在不同使用条件下的透视图；
17.图9a
‑
9c是包含根据本发明另外的可能实施方案的比色传感器的试剂盒在不同使用条件下的透视图；
18.图10a
‑
10c是包含根据本发明另外的可能实施方案的比色传感器的试剂盒在不同使用条件下的透视图；
19.图11
‑
14是根据本发明另外的可能实施方案的比色传感器的横截面示意图。
具体实施方式
20.参考附图1
‑
6，通常由标记1显示用于检测细菌和/或病毒的比色传感器。传感器1例如可制成标签，该标签被施加至一个或多个片材或被施加在辊形支撑体上，或例如被施加在如图8
‑
10中所示的仪器200上。通过说明的方式，直接或间接地通过仪器200的抽取装置201，由标签实施的传感器1可浸入接收受试者的待分析的分泌物样品的容器中。或直接或间接地通过仪器200的抽取装置201，由标签实施的传感器1可被施加在例如期望检查是否被感染的受试者的舌头上。
21.例如，参考图8a
‑
8c，仪器200可包含成型为铲的本体202，在该铲上施加传感器1。
22.参考图9a
‑
9c，仪器200可包含铲形体202(在其上施加传感器1)和第二铲形体203(在其上施加抽取装置201)。第二铲形体203相对于铲体202的旋转引起抽取装置201与传感器1接触。根据说明的实施方案，铲体的相对旋转围绕垂直于彼此对齐的铲体的纵向轴的轴。
23.参考图10a
‑
10c，仪器200可包含铲形体202(在其上施加传感器1)和第二铲形体203(在其上施加抽取装置201)。第二铲形体203相对于铲体202的旋转引起抽取装置201与传感器1接触。根据说明的实施方案，铲体的相对旋转围绕平行于彼此并排且平行的铲体的纵向轴的轴。
24.优选地，比色传感器1包含支撑层2，根据可能的实施方案该支撑层具有支撑另外的上方层的功能。采用示例的非限制性方式，支撑层2可由聚碳酸酯、或pvc、或teslin、或聚酯、或类似的材料制成，或可由纸材料制成。
25.比色传感器1包含一个或多个，优选多个具有光子晶体结构的层3’、3
”…
，其优选与支撑层2重叠。在光学和微光学中，术语“光子晶体”意为在与光的波长或更通常地电磁辐射的波长相当的尺度上具有周期调制的折射率的结构。基于折射率周期调制的类型，将光子晶体分类为：
26.‑
一维光子晶体，其具有仅在一个方向上的折射率周期性(还称为布拉格镜)；
27.‑
二维光子晶体，其具有在两个方向上的折射率周期性；
28.‑
三维光子晶体，其具有在三个方向上的折射率周期性。
29.根据实施方案，具有光子晶体结构的层3、3
”…
包含一维光子晶体结构。参考图7，一维光子晶体结构包含多个层，其具有各自的折射率n1、n2、n3、n4。考虑到以入射角α入射的光线101，由反射光线束102给出总反射光。通过合适地选择层的折射率和周期性，能够制造具有落入确定波长范围中的非常高反射系数的镜。因此，改变入射光线101的入射角α，考虑到处于相对于光子晶体结构的固定位置，观察者将观察到该结构的颜色改变。类似地，对于入射光线的相同入射角而言如果观察者改变他/她相对于光子晶体结构并因此相对于反射光束102的位置和/或取向，观察者将看到光子晶体结构中的颜色改变。
30.根据实施方案，具有光子晶体结构的层3、3
”…
包含多个二氧化硅(sio2)和二氧化钛(tio2)的交替层。
31.此外，比色传感器1包含功能层4，所述功能层4包含能够在确定条件下产生表面电子激发(换句话说表面等离激元)，对细菌和/或病毒生物响应的纳米材料，直接或间接与一个或多个具有晶体光子结构的层3’、3
”…
重叠。在本说明书中和在所附权利要求书中，术语“生物响应”意为所考虑材料当与细菌或病毒的分子接触并受细菌或病毒的分子刺激时改变其特性，特别是改变等离激元共振能，这取决于在材料和细菌/病毒之间的界面中放置了什么。因此，被制成与纳米材料的纳米颗粒的表面结合的任何要素将有助于改变等离激元能量，使得将观察到与宏观材料的颜色不同的颜色。
32.例如，已知银的抗菌性质，这通过与细菌膜结合改变银的静电表面特性。此外，最近的研究显示了胶体银和金如何对一些病毒生物响应。
33.根据实施方案，功能层4的纳米材料包含银、或基于银的材料(例如胶体银)或金、或基于金的材料。明显地，可提供没有明确提到的另外的纳米材料，其不是等离激元的并对特定病毒或细菌生物响应。
34.优选地，功能层4特征是纳米厚度，换句话说在纳米范围内。根据可能的实施方案，功能层4具有在4和20纳米之间的厚度。这个非常薄的层可例如通过不同的沉积技术来施加：真空沉积、溅射、物理气相沉积或其它喷涂技术。
35.换句话说，如果检测到细菌，例如通过使被细菌感染的受试者的分泌物与功能层4接触，如上文描述的，在与细菌自身接触的纳米材料部分中由于其生物响应，功能层的结构改变引起等离激元能量改变，从而显示在这个部分中不同于宏观材料颜色的颜色。这样的颜色改变被传感器1的光子晶体层3’、3
”…
的整体干涉电
‑
光结构放大。
36.根据实施方案，选择性地设置功能层4从而形成例如字母数字串、图像、符号、码。例如，可设置功能层4使得表示待识别的细菌或病毒(例如covid
‑
19)的一个或多个文字是可见的。
37.然后，已知一些蛋白质物质或抗体充当病毒受体。例如，观察到在covid
‑
19和sars
‑
cov的情况下，ace2蛋白质(血管紧张素转化系统2)充当膜受体。申请人出乎预料地发现了添加这样的蛋白质或抗体至功能层4能够使传感器1也检测例如在人或其它受试者的分泌物或液体中存在的病毒例如covid
‑
19病毒，并有助于改变等离激元能量从而还在这个情况下引起包括具有光子晶体结构的层3、3
”…
的传感器结构的干涉电
‑
光改变，这进而引起视觉感知的颜色改变。
38.为了这个目的，形成功能层4的生物响应的等离激元纳米材料可掺杂有以上提及的充当病毒受体的蛋白质物质或抗体。供选择地，传感器1可包含受体层5，所述受体层5包含以上提及的充当病毒受体的蛋白质物质或抗体，其中功能层4和受体层5彼此重叠，优选彼此接触。同样，受体层5优选特征是纳米厚度。根据实施方案，传感器1还包含第二功能层6，其优选包含与功能层4的纳米材料相同的纳米材料，与受体层5重叠。此外，第二功能层6优选特征是纳米厚度，其仍更优选在4和20纳米之间。
39.作为本文之前所讨论的替代或除了本文之前所讨论的以外，为了改进传感器1的敏感性使得其能够更好地检测细菌以及病毒的存在(病毒通常具有比细菌的尺寸小得多的尺寸)，传感器1可包含等离激元纳米结构化层7，其与具有光子晶体结构的层3、3
”…
重叠，包含能够形成等离激元颜色的纳米结构。
40.等离激元纳米结构化层7是纳米蚀刻的结构，换句话说包含蚀刻的纳米结构，将所
述蚀刻的纳米结构成型以便提高由纳米结构固有的光子和等离激元共振所产生的电磁场的强度，进而提高光和物质之间的相互作用，以便获得所谓的等离激元颜色(还称为结构颜色)。这样的等离激元颜色通过在光和等离激元纳米结构化层7(“纳米结构栅格”)之间的共振相互作用获得，其中在金属层中或在由金属纳米颗粒涂覆的聚合物层中蚀刻该等离激元纳米结构化层7。由这些纳米结构产生的表面局部化的等离激元能够通过纳米地控制它们的形态从而在没有颜料的情况下产生偏振色。可通过例如电子束技术制成纳米结构。
41.等离激元纳米结构化层7的纳米结构能够引起表面等离激元共振现象。因此，等离激元纳米结构化层7的纳米结构能够改进传感器1敏感性，换句话说，如果检测到菌剂的存在(或特别是病毒例如covid
‑
19的存在)，则加强上文描述的传感器颜色改变的现象。
42.根据实施方案，等离激元纳米结构化层7的纳米结构具有零衍射级，换句话说能够仅产生入射光波的反射和折射而没有衍射。
43.根据实施方案，构造等离激元纳米结构化层7的纳米结构以产生偏振光光学效应。
44.参考附图1
‑
6，本文将描述本发明可能的替代实施方案。
45.第一实施方案(图1)
46.根据这个实施方案，比色传感器1按顺序包含(参考图的取向从下至上)：
47.‑
支撑层2；
48.‑
多个具有交替的光子晶体的结构例如sio2和tio2的结构的层3'、3
”…
；
49.‑
受体层5；
50.‑
功能层4，例如具有银(ag)。
51.第二实施方案(图2)
52.根据这个实施方案，比色传感器1按顺序包含(参考图的取向从下至上)：
53.‑
支撑层2；
54.‑
多个具有交替的光子晶体的结构例如sio2和tio2的结构的层3'、3
”…
；
55.‑
功能层4，例如由银(ag)制成；
56.‑
受体层5。
57.第三实施方案(图3)
58.根据这个实施方案，比色传感器1按顺序包含(参考图的取向从下至上)：
59.‑
支撑层2；
60.‑
多个具有交替的光子晶体的结构例如sio2和tio2的结构的层3'、3
”…
；
61.‑
等离激元纳米结构化层7；
62.‑
功能层4，例如由银(ag)制成。
63.第四实施方案(图4)
64.根据这个实施方案，比色传感器1按顺序包含(参考图的取向从下至上)：
65.‑
支撑层2；
66.‑
多个具有交替的光子晶体的结构例如sio2和tio2的结构的层3'、3
”…
；
67.‑
等离激元纳米结构化层7；
68.‑
受体层5；
69.‑
功能层4，例如由银(ag)制成。
70.第五实施方案(图5)
71.根据这个实施方案，比色传感器1按顺序包含(参考图的取向从下至上)：
72.‑
支撑层2；
73.‑
多个具有交替的光子晶体的结构例如sio2和tio2的结构的层3'、3
”…
；
74.‑
等离激元纳米结构化层7；
75.‑
功能层4，例如具有银(ag)；
76.‑
受体层5。
77.第六实施方案(图6)
78.根据这个实施方案，比色传感器1按顺序包含(参考图的取向从下至上)：
79.‑
支撑层2；
80.‑
多个具有交替的光子晶体的结构例如sio2和tio2的结构的层3'、3
”…
；
81.‑
等离激元纳米结构化层7；
82.‑
功能层4，例如具有银(ag)；
83.‑
受体层5；
84.‑
第二功能层6，例如具有银。
85.观察到在以上描述的实施方案中，受体层5(如果提供)可供选择地通过掺杂功能层4和/或第二功能层6而被取代。
86.此外，观察到在本说明书中和在所附权利要求书中，参考传感器1，术语“重叠的”层不必还暗示在所提及的重叠层之间的直接接触。因此，这样的层可与彼此直接接触，或者供选择地，它们可具有一个或多个在它们之间布置的中间层，前提是它们仍然重叠。另外，术语“重叠”不暗示表示为彼此重叠的层的任何次序。
87.根据本发明的另一变体，如果比色传感器1包含等离激元纳米结构化层7，则它可不含具有光子晶体结构的层3’、3
”…
。实际上，观察到等离激元纳米结构化层7的存在足以确保即使在不存在具有光子晶体结构的层3’、3
”…
的情况下合适的敏感性。例如，可在没有层3’、3
”…
的情况下实施图3
‑
6中显示的所有变体，其中保持所有其它显示的层(图11
‑
14)。
88.第七实施方案(图11)
89.根据这个实施方案，比色传感器1按顺序包含(参考图的取向从下至上)：
90.‑
支撑层2；
91.‑
等离激元纳米结构化层7；
92.‑
功能层4，例如由银(ag)制成。
93.第八实施方案(图12)
94.根据这个实施方案，比色传感器1按顺序包含(参考图的取向从下至上)：
95.‑
支撑层2；
96.‑
等离激元纳米结构化层7；
97.‑
受体层5；
98.‑
功能层4，例如由银(ag)制成。
99.第九实施方案(图13)
100.根据这个实施方案，比色传感器1按顺序包含(参考图的取向从下至上)：
101.‑
支撑层2；
102.‑
等离激元纳米结构化层7；
103.‑
功能层4，例如具有银(ag)；
104.‑
受体层5。
105.第十实施方案(图14)
106.根据这个实施方案，比色传感器1按顺序包含(参考图的取向从下至上)：
107.‑
支撑层2；
108.‑
等离激元纳米结构化层7；
109.‑
功能层4，例如具有银(ag)；
110.‑
受体层5；
111.‑
第二功能层6，例如具有银。
112.观察到即使在以上描述的实施方案中，受体层5(如果提供)可供选择地通过掺杂功能层4和/或第二功能层6而被取代。
113.本领域技术人员为了满足具体的临时需要可引入元素的许多添加、修改或取代，其具有与以上给出的比色传感器描述在操作上等效的其它要素，而不脱离所附权利要求书的范围。