Brevet FR2945124A1 — publié le 20101105

Procédé et dispositif de mesure de la concentration d'un analyte dans un liquide échantillon L'invention concerne un procédé de mesure de la concentration d'un analyte dans un liquide échantillon. Elle concerne en outre un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé. Des capteurs à base de semi-conducteurs, qui reposent sur des principes de mesure capacitifs, sont connus. Ceux-ci sont utilisés dans le domaine des chimiocapteurs et des biocapteurs. On entend par biocapteurs des capteurs qui mettent à profit par exemple la sélectivité d'enzymes. On connaît déjà des biocapteurs en technologie du silicium, dans lesquels un enzyme est fixé sur la surface du cap- teur (DE 44 36 001 C2). Dans un groupe de capteurs se produit sur le capteur une réaction chimique qui est sélective pour un ion ou pour une molécule et dans laquelle intervient simultanément un changement de pH. Des exemples d'application pour cela sont entre autres la détermination de métaux lourds et de pesticides dans les eaux usées, la détermination de pénicilline et l'analyse d'ADN. Ces capteurs ont en commun qu'ils ont une structure de capteurs de pH qui sont équipés d'une couche sensible additionnelle pour l'analyte à déterminer, la couche sensible au pH située en dessous étant en outre active. Ce principe de capteur a pour conséquence de devoir effectuer plusieurs mesures consécutives pour pouvoir indiquer la concentration d'un analyte puisque le capteur détecte tant le pH d'une solution échantillon que le changement de pH additionnel qui résulte de la réaction de l'analyte présent dans la solution échantillon avec la deuxième couche sensible. L'invention définie dans les revendications permet une détermination directe de la concentration de l'analyte par mesure différentielle. Un objet de l'invention est un procédé de mesure de la concentration d'un analyte dans un liquide échantillon ou dans un gaz échantillon, dans lequel on agence dans une cellule de mesure commune au moins deux capteurs à effet de champ capacitifs réalisés en technologie de semi-conducteurs, lesquels présentent une structure de base identique et dont un forme un capteur de mesure avec couche de transducteur active et un autre forme un capteur de référence sans couche de transducteur active, dans lequel : - les capteurs sont amenés simultanément en contact avec le liquide échantil- Ion ou le gaz échantillon, respectivement, - une prétension composée d'une tension électrique continue et d'une tension alternative superposée est appliquée entre chaque capteur et une électrode de référence contactée simultanément par le liquide échantillon ou le gaz échantillon, respectivement, - le changement de capacité causé par l'analyte est annulé par un asservisse-ment de la prétension appliquée au capteur de mesure, - un signal de mesure est engendré en calculant la différence entre des va-leurs représentatives des potentiels de tension continue appliquée au capteur de mesure et au capteur de référence, respectivement. Selon d'autres caractéristiques du procédé : - chaque capteur présente une électrode de référence qui lui est associée et un circuit de mesure électronique associé au moyen duquel la prétension asservie est appliquée avec tension alternative superposée ; - les capteurs fonctionnent simultanément ; - les capteurs fonctionnent en alternance avec seulement un circuit de mesure électronique qui est commuté entre les capteurs ; - les capteurs ont une électrode de référence commune et un circuit de mesure électronique commun et la prétension asservie avec tension alternative superposée est appliquée en alternance entre l'électrode commune et un des capteurs ; - dans la cellule de mesure sont agencés un capteur de référence et plusieurs capteurs ayant différentes couches de transducteur ; - la cellule de mesure est exposée en alternance avec le liquide échantillon contenant l'analyte et avec une solution tampon ; et - les capteurs mesurent des valeurs de pH ou des concentrations d'ions. Un autre objet de l'invention est un dispositif de mesure de la concentration d'un analyte dans un liquide échantillon ou dans un gaz échantillon, en particulier pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une cellule de mesure commune dans laquelle sont agencés au moins deux capteurs à effet de champ capacitifs réalisés en technologie de semi-conducteurs, lesquels présentent une structure de base identique et dont un forme un capteur de mesure avec couche de transducteur active et un autre forme un capteur de référence sans couche de transducteur active, et comportant un système électronique de mesure, qui présente une source de tension continue commandable en série avec une source de tension alternative, pour annuler par asservissement de la tension continue des changements de capacité du capteur de mesure qui sont causés par l'analyte et dériver un signal de mesure en calcu- tant la différence entre des valeurs représentatives des potentiels de tension continue appliquée au capteur de mesure et au capteur de référence, respective-ment. Selon d'autres caractéristiques du dispositif : - une électrode de référence propre et un circuit de mesure électronique propre 25 sont associés à chaque capteur ; - les capteurs présentent une électrode de référence commune qui peut être formée par un des capteurs ; - les capteurs présentent un circuit de mesure électronique commun qui peut être commuté entre les capteurs ; 30 - les capteurs à effet de champ sont sensibles au pH ou aux ions ; - la couche de transducteur présente un enzyme fixé ; et - la cellule de mesure peut être exposée, par l'intermédiaire de valves commandées en alternance, à un liquide échantillon et à une solution tampon. L'invention sera décrite ci-après à titre d'exemple pour un capteur de pénicilline, mais elle peut être appliquée à tous les capteurs qui reposent sur le principe d'une réaction de capteur et d'un changement de pH simultané. Sur un capteur de pH, en particulier avec surface en nitrure de silicium ou en pentoxyde de tantale ou autre surface sensible au pH, est fixé un enzyme qui ré- agit sélectivement avec de la pénicilline présente dans un échantillon à mesurer en fournissant de l'acide pénicillinique en libérant des ions H. Dans le dispositif de mesure selon l'invention est alors effectuée une mesure de différence pour déterminer la concentration de pénicilline. Cette structure permet de déterminer directement la concentration de pénicilline. Il ne faut ainsi plus effectuer des mesures successives, comme ceci est nécessaire dans l'état de la technique. Deux capteurs sont simultanément en contact avec le liquide échantillon ou le gaz échantillon à analyser. Un premier capteur de pH, réalisé de préférence en tant que structure de type EIS, détecte le pH du liquide échantillon à déterminer. Un deuxième capteur, le biocapteur, présente une structure identique au premier capteur, et additionnellement, une couche active au pH est suivie par la structure sensible à la pénicilline et à base d'enzyme. Sur la structure sensible à la pénicilline se fixe sélectivement de la pénicilline présente dans le liquide échantillon, la pénicilline réagissant pour former de l'acide pénicillinique et des ions H+ étant libérés. Ceux-ci sont détectés par le deuxième capteur additionnellement aux ions H+ qui correspondent au pH d'origine du liquide échantillon. Au moyen d'une unité d'évaluation électronique, la concentration d'ions H+ est déterminée par formation de différence à partir des signaux de mesure des deux capteurs, concentration qui est due uniquement à la réaction enzymatique et qui correspond à la concentration de pénicilline. La miniaturisation possible du dispositif de mesure décrit est particulièrement avantageuse tant du point de vue des constituants fluidiques que du point de vue du système de mesure et d'évaluation électronique, conjointement dans une unité modulaire compacte pour des applications industrielles. Pour augmenter la durée de vie des capteurs, il est particulièrement avantageux de les mettre en contact en alternance avec le liquide échantillon et avec une solution tampon pour la neutralisation, au moyen d'un procédé d'arrosage. D'autres caractéristiques et avantages ressortent de la description qui suit en faisant référence aux dessins annexés. Ceux-ci montrent : - figure 1, un premier mode de réalisation d'un agencement de capteurs avec deux capteurs, - figure 2, un deuxième mode de réalisation synchronisé selon la figure 1, - figure 3 un troisième mode de réalisation d'un agencement de capteur avec deux capteurs, - figure 4, un mode de réalisation avec un nombre quelconque de capteurs, - figure 5, la réalisation fluidique du mode de réalisation d'un agencement de capteurs avec deux capteurs. La figure 1 montre schématiquement un agencement de capteur capacitif selon l'invention selon un premier mode de réalisation. Une surface de mise en contact respective d'un capteur de pH 3 et d'un biocapteur 4 sensible à la pénicilline, par exemple, est en liaison fluidique avec l'analyte 2. A chaque capteur 3, 4 est associée une électrode de référence (p.ex. Ag/AgCI) qui plonge dans un liquide échantillon 2 de préférence aqueux. En option, on peut utiliser des électrodes additionnelles (par exemple du fil de platine) qui peuvent être avantageuses pour assurer la continuité de la mesure. Les faces arrière des capteurs sont en contact électrique avec les électrodes de référence apparentées. Les potentiels sont prélevés via les électrodes de référence et les mises en contact des faces arrière des capteurs qui sont à leur tour directement reliées aux deux circuits de mesure 5, qui sont séparés. Les deux circuits de mesure 5 pour mesurer la capacité ont la même structure, comme déjà décrit dans le document DE 19708166. Chacun contient une source de tension continue commandable, en série avec une source de tension alternative. Le principe de mesure repose sur le fait qu'au moyen de la composante alter- native de tension UAC, la capacité du capteur est déterminée et le changement de capacité causé par la présence de l'analyte (c.à.d. les ions additionnellement libérés) est annulé par la commande de la tension continue UBIAS. Le potentiel continu appliqué au capteur correspond alors à une valeur de mesure déterminée dans le circuit de mesure 5 respectif. Le système électronique de mesure contenant les deux circuits de mesure 5 forme alors à partir des deux valeurs de mesure au moyen d'un circuit de soustraction 13, le signal de mesure MA qui indique directe-ment la concentration de l'analyte. Dans l'exemple choisi, la différence entre les deux concentrations d'ions H+ sur le biocapteur 4 et sur le capteur de pH 3 correspond à la concentration de pénicilline dans le liquide échantillon. A la figure 2 est représenté un mode de réalisation optimisé qui permet additionnellement une synchronisation au moyen d'un synchronisateur 6. Les deux circuits de mesure 5 sont activés et désactivés en alternance par le synchronisateur. La figure 3 montre un autre mode de réalisation de l'invention qui constitue une simplification des modes de réalisation des figures 1 et 2. Une seule électrode de référence 1 plonge dans l'analyte 2 et est en liaison électrique avec un circuit de mesure 5 qui est mis en circuit en alternance (sous la commande d'un signal d'horloge) au moyen d'un commutateur 7 pour contacter soit la face arrière du premier capteur 3 soit celle du deuxième capteur 4. Pour calculer la différence, on effectue un stockage intermédiaire des valeurs de mesure obtenues pour les capteurs. Comme représenté à la figure 4, le principe de mesure et l'évaluation peuvent être étendus à un nombre quelconque de capteurs montés en parallèle, la différence étant respectivement déterminée par rapport au capteur de pH. Une réalisation fluidique du mode de réalisation d'un agencement de capteur avec deux capteurs est montrée à la figure 5. Depuis un récipient pour échantillon contenant un liquide échantillon 2, celui-ci est amené dans un canal à fluide 12 via une première valve 8 à une buse de distribution 11 qui arrose de liquide échantillon le premier capteur 3 (capteur de pH) et le deuxième capteur 4 (capteur de pénicilline) sur une face de capteur respective. Une électrode de référence 1 plonge dans le canal à fluide 12. Les faces arrière de capteurs et l'électrode de référence ont, comme décrit ci-dessus, une liai-son électrique avec le système électronique de mesure (non représenté à la figure 5). Un récipient avec solution tampon 10 alimente une deuxième valve 9 en solution tampon qui après une ou plusieurs mesures, est respectivement conduite dans le canal à fluide 12 et qui parvient aux capteurs 3, 4 via la buse de distribution. Cette opération de rinçage succédant en aval de la mesure assure une neutralisation des surfaces de capteurs et prolonge considérablement la durée de vie des capteurs. Les deux valves 8 et 9 sont toutes les deux fermées en mode de repos, en mode de mesure, la valve 8 est ouverte et la valve 9 est fermée, et en mode de nettoyage, la valve 8 est fermée et la valve 9 est ouverte. Revendications1. Procédé de mesure de la concentration d'un analyte (2) dans un liquide échantillon ou dans un gaz échantillon, dans lequel on agence dans une cellule de mesure commune au moins deux capteurs (3, 4) à effet de champ capacitifs réalisés en technologie de semi-conducteurs, lesquels présentent une structure de 10 base identique et dont un forme un capteur de mesure avec couche de transducteur active et un autre forme un capteur de référence sans couche de transducteur active, dans lequel : - les capteurs (3, 4) sont amenés simultanément en contact avec le liquide échantillon ou le gaz échantillon, respectivement, 15 - une prétension composée d'une tension électrique continue et d'une tension alternative superposée est appliquée entre chaque capteur et une électrode de référence contactée simultanément par le liquide échantillon ou le gaz échantillon, respectivement, - le changement de capacité causé par l'analyte est annulé par un asservisse-20 ment de la prétension appliquée au capteur de mesure, - un signal de mesure est engendré en calculant la différence entre des va-leurs représentatives des potentiels de tension continue appliquée au capteur de mesure et au capteur de référence, respectivement. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque capteur présente 25 une électrode de référence qui lui est associée et un circuit de mesure électroni- que (5) associé au moyen duquel la prétension asservie est appliquée avec ten- sion alternative superposée. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les capteurs fonctionnent simultanément. 30 4. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les capteurs fonctionnent en alternance avec seulement un circuit de mesure électronique qui est commuté entre les capteurs. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les capteurs (3, 4) ont une électrode de référence commune et un circuit de mesure électronique (5) commun et la prétension asservie avec tension alternative superposée est appliquée en alternance entre l'électrode commune et un des capteurs. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel dans la cellule de mesure 10 sont agencés un capteur de référence et plusieurs capteurs ayant différentes couches de transducteur. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans le-quel la cellule de mesure est exposée en alternance avec le liquide échantillon contenant l'analyte et avec une solution tampon. 15 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans le-quel les capteurs mesurent des valeurs de pH ou des concentrations d'ions. 9. Dispositif de mesure de la concentration d'un analyte (12) dans un liquide échantillon ou dans un gaz échantillon, en particulier pour mettre en oeuvre le pro-cédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une cel- 20 Iule de mesure commune dans laquelle sont agencés au moins deux capteurs (3, 4) à effet de champ capacitifs réalisés en technologie de semi-conducteurs, les-quels présentent une structure de base identique et dont un forme un capteur de mesure avec couche de transducteur active et un autre forme un capteur de référence sans couche de transducteur active, et comportant un système électronique 25 de mesure (5), qui présente une source de tension continue commandable en série avec une source de tension alternative, pour annuler par asservissement de la tension continue des changements de capacité du capteur de mesure qui sont causés par l'analyte et dériver un signal de mesure en calculant la différence entre des valeurs représentatives des potentiels de tension continue appliquée au cap- 30 teur de mesure et au capteur de référence, respectivement. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel une électrode de référence propre et un circuit de mesure électronique (5) propre sont associés à chaque capteur. 11. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel les capteurs présentent une électrode de référence commune qui peut être formée par un des capteurs. 12. Dispositif selon la revendication Il, dans lequel les capteurs (3, 4) présentent un circuit de mesure électronique (5) commun qui peut être commuté entre les capteurs. 13. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 12, dans lequel les capteurs à effet de champ sont sensibles au pH ou aux ions. 14. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 13, dans lequel la couche de transducteur présente un enzyme fixé. 15. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 14, dans lequel la cellule de 15 mesure peut être exposée, par l'intermédiaire de valves commandées en alternance, à un liquide échantillon et à une solution tampon.