專利名稱：涂有透明有機薄膜的基材及其制備方法
技術領域：
本發明涉及涂有透明有機薄膜的基材，涉及這種涂有透明有機薄膜的基材的制備方法，還涉及其應用。
“透明”薄膜指的是在至少電磁波譜領域內具有明顯透明的光學性能(沒有光吸收，沒有“猝滅”等)的薄膜，特別是在所考慮的透明波長范圍內具有很小的光學衰減，或者說很小的“系數k”的薄膜。此光學衰減系數是采用光譜橢圓測量法或者分光光度法測量的。
此基材可以是電的絕緣體、導體或半導體基材。它構成透明有機薄膜的載體，可以根據涂布本發明透明有機薄膜的基材的應用或者用途選擇載體。
本發明還涉及涂布薄的透明薄膜基材在質量控制、檢定或認證領域中的應用。
實際上，本發明能夠表明涂布本發明有機薄膜的基材的制造方法和/或來源，在它們的內部或表面上將能夠有意地插入很少量已知的熒光、磷光或化學發光的標記物。在本發明的這些應用中，基材是一個很普通物體。
本發明還比如在透明有機薄膜當中或上面，在化學吸附或物理吸附預先被熒光、磷光或化學發光標記物官能化的化學物質、生化物質或生物物質進行檢測領域中得到應用，比如用在通過熒光檢測待進行化學分析或生化分析的片段，比如DNA片段的方法中得到應用。在此類應用中，該基材構成了檢測介質的載體。
比如，在生物芯片的情況下，此基材可以是比如二氧化硅、金或復合物載體，比如是Au/Si、Au/SiO2或者更一般地是金屬/基材載體，透明有機薄膜可以是在該表面某些部分上固定生物探針的其中一種分子介質。
當生物芯片與待分析的試樣溶液相接觸時，在試樣的DNA和固定在基材上的DNA之間就發生配對。可以使用熒光、磷光或化學發光標記物預先對試樣的DNA進行標記來檢測此固定。按照本發明，可以選擇該薄膜，使之在使用的熒光、磷光或化學發光標記物發射的波長下是透明的，致使盡可能少吸收此標記物所發射的光子，使得在基材表面上有很低濃度就能夠檢測出來，并且對測量的干擾盡可能小。于是，檢測與生物芯片配對的信噪比和檢測下限就得到改善。
在下面的敘述中，方括弧中的參考文獻指的是附錄中的文獻。
現有技術關于生物芯片的應用，文獻FR-A-2,787,581(1998)、FR-A-2,787,582(1998)和US-5,810,989(1998)敘述了在二氧化硅基材上導電聚合物前體單體，比如吡咯與被識別分子，特別是寡核苷酸官能化的單體進行電共聚合反應。此技術是當前在生物芯片區段上局部固定識別分子的最有用的技術中的一種技術。
在此技術中，利用在該基材上粘附聚吡咯導電薄膜，從而實現在其上固定識別分子。
如在前面的文獻中，以及在文獻FR-A-2,784,188(1998)和在FR-A-2,784,189(1998)中所敘述的，將如此官能化的芯片與含有能與載體上的識別分子偶聯的靶分子的待分析的試樣溶液相接觸。
為了選擇性地檢測在識別分子與靶分子之間發生了偶聯的區段，使用比如像熒光素或藻紅素的熒光分子對靶分子進行“標記”可能是有利的，這些熒光分子在543nm具有吸收，而在580nm具有發射，然后借助于適當的光學設備檢測其存在。
可惜，在所用的熒光標記物的發射波長區，聚吡咯具有不可忽視的吸收。在涉及相關技術的文獻中對此缺點有大量的敘述。
實際上，在參考文獻[1]中，Arwin等人測量了金載體上厚度22nm的聚吡咯薄膜，對于折光指數n＝1.45，消光系數k＝0.3；在參考文獻[2]中，Kim等人測量了厚度47nm的聚吡咯薄膜，在λ＝632.8nm處的消光系數k＝0.3，折光指數n＝1.6；在參考文獻[3]中，Kim等人測量了，處于氧化態的、54nm的聚吡咯薄膜，消光系數k＝0.28時折光指數n＝1.45，而對于47nm的還原態薄膜，消光系數k＝0.21時折光指數n＝1.6；在參考文獻[4]中，Guedon等人測量了在金載體上厚度7.5～20nm的聚吡咯薄膜，在633nm處，消光系數k＝0.3時折光指數n＝1.7。
因此，用于固定識別分子的聚吡咯吸收了偶聯靶分子的大部分熒光信號，所以這就干擾了檢測的方式。
另外，靶分子及其標記物都包括在聚吡咯當中，特別是由于識別分子是通過共聚被固定的，此干擾吸收提高了本方法能夠達到的檢測下限值。
比如，在診斷領域中，這個缺點是很有妨礙的，因為在很低的靶分子濃度下，因此在表現出生物芯片的各種好處的熒光標記物的表面濃度也是很低的情況下，這個缺點就是非常明顯的。
發明的公開本發明的目標的特別是提供一種涂有透明薄膜的基材，以及此涂有薄膜的基材的制造方法，本發明一方面對涉及生物芯片的現有技術中提出的技術問題給予答復，另一方面在任何一個目的物的質量控制、檢定或認證的領域中提供一種新的有力的工具。
涂有本發明薄膜的基材，其特征在于此薄膜是電絕緣的有機聚合物，而且在至少一個波長范圍內是透明的，其特征還在于所述薄膜與至少在所述波長范圍內具有發射譜的標記物結合。
實際上，本發明人意外地發現，導電的特性和強消光性能是有聯系的。
因此，按照本發明，術語“透明的”指的是在本發明使用的標記物在其檢測的波長范圍內是透明的。
按照本發明的第一個實施模式，在本發明絕緣聚合物應該是透明的這個波長范圍，要根據比如在上述應用中使用的標記物來確定。
特別是，一旦選定了標記物，因此也就是選定了標記物發射波長，就很容易采用比如光譜橢圓測量法或者分光光度法確定在希望的波長下該一種或幾種聚合物的消光值，并檢驗其在本發明中是否可以應用。
按照本發明的此第一種實施模式，就是說要根據標記物來選擇絕緣聚合物。
按照本發明的第二種實施模式，在選擇了絕緣聚合物以后，確定此絕緣聚合物是透明時的波長范圍，然后根據此波長范圍，選擇其發射譜處于該聚合物所述透明范圍內的標記物。
按照本發明的此第二種實施模式，就是說要根據該聚合物來選擇標記物。
因此，按照本發明，各種絕緣聚合物都能夠在至少一個波長范圍內被用作透明薄膜。
其中，作為非限制性的例子，可以舉出交聯的或非交聯的乙烯基聚合物、共聚物或者它們的混合物，特別是丙烯腈、甲基丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羥基乙酯、甲基丙烯酸羥基丙酯、氰基丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、苯乙烯、對氯苯乙烯、N-乙烯基吡咯烷酮、乙烯基鹵化物、丙烯酰氯、甲基丙烯酰氯的交聯或非交聯聚合物、共聚物或它們的混合物。
作為非限定性的例子，還可以舉出選自如下的交聯或非交聯的聚合物聚丙烯酰胺，異戊二烯、乙烯、丙烯、環氧乙烷和具有張力環分子、乳酸或者其低聚物、內酯、ε-己內酯、羥基乙酸、天門冬氨酸的聚合物，聚酰胺，聚氨酯，聚對亞苯二甲基和基于取代的聚對亞苯二甲基的聚合物、低聚肽和蛋白質，以及基于這些聚合物的預聚物、大分子單體或遙爪聚合物，以及可以由這些聚合物的單體或這些聚合物本身形成的共聚物和/或混合物。
然后，通過除與材料的光學性能嚴格有關以外的考慮，可以確定選擇所考慮應用中的待用絕緣聚合物，例如選自上述絕緣聚合物。
比如，按照本發明，可以在本發明可使用的聚合物的范圍內選擇此聚合物，比如選自能夠與基材粘附的聚合物、能夠被官能化的聚合物、具有熱彈性的聚合物等。
在上述絕緣聚合物中，本發明人特別注意到乙烯基聚合物，因為它們可以很容易地通過不同類型的反應，比如離子型或游離基型的反應來制造，特別是制造成薄膜，還因為它們可以經由電化學的途經得到，以及被電接枝在電的導體或半導體的表面上。
乙烯基聚合物是由如下通式(I)的單體經聚合得到的 其中，R1、R2、R3和R4是氫原子或任何性質的有機基團，比如它們選自如烷烴、烯烴、炔烴的烴類；比如酰胺、醛類、酮類、羧酸、酯類、酰鹵、酸酐、腈類、胺類、硫醇、磷酸酯、醚類、芳香族的同素環或雜環，或者各種帶有這些官能團的環狀基團，以及具有多個這些官能團的任何基團；或者由與如上所述通式(I)相當的不同單體的混合物經聚合得到的。
在下面所公開的實施本發明的非限定性實施例中，在分子中R1＝R2＝H，R3＝CH3和R4＝CN的聚甲基丙烯腈(PMAN)和分子中R1＝R2＝H、R3＝CH3和R4＝C(O)OCH3的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的光學性能進行了檢驗。在質子惰性的有機介質中，這兩種單體能夠通過電還原生成電接枝絕緣聚合物。
按照本發明，在一個特殊的應用中，可以通過乙烯基單體的電接枝，將乙烯基聚合物任選有選擇地在基材的導體或半導體表面上進行局部接枝，這使其在生物芯片的應用中作為聚吡咯的取代基變得有意義。
按照本發明的應用，可以采用專業人員已知的各種方法在各種類型的表面上沉積這些聚合物，以得到這些聚合物的薄膜，這些技術有在比如專利US-4,421,569、5,043,226或5,785,791中敘述的比如離心涂布技術(旋涂)、浸漬涂布技術(浸涂)、超真空蒸發技術、化學真空淀積(CVD)技術、表面化學聚合技術等；在比如專利申請WO-A-99/08717和WO-A-99/16907中敘述的在表面上進行光化學接枝聚合物的技術；在粒子或光子輻照下進行聚合物接枝、在氧化物或其他聚合物表面上直接或通過化學偶聯劑(比如硫醇、硅烷等)進行化學接枝、在通過電化學就地得到的引發劑，特別是游離基引發劑引起的聚合反應后進行連續沉積等。
按照本發明的一個特定實施模式，例如通過在特別含有偶氮鹽和可通過游離基途徑可聚合單體的溶液或凝膠中，將導體或半導體的表面進行極化，就能夠得到薄層狀的透明聚合物沉積層。
按照一個有利的實施模式，這樣的聚合物膜，特別以薄膜的形式，即其厚度小于一個微米，比如1～100nm的形式被接枝在基材的表面上。
在比如所附的權利要求所限定的本發明的范圍內，另外的厚度也是可能的。
還可以涉及在一步或幾步中，通過比如化學途徑、電化學途徑或光化學途徑，在表面上接枝的預形成聚合物膜，或者涉及由前體單體，例如通過化學、電化學或光化學途徑引發的在表面上直接構筑的薄膜。
可以按照本發明使用方法的物理-化學特征，在電的絕緣體、導體或半導體的表面上進行此接枝。
按照一個優先的實施模式，可以通過比如在專利申請EP-A-038,244中敘述的乙烯基單體電接枝的方法，在電的導體或半導體表面上得到透明聚合物的超薄膜。
按照本發明，只要能夠與符合本發明的電絕緣有機聚合物結合，標記物可以是任何標記物，至少在該標記物的發射波長范圍內，所述聚合物應該是透明的。
此標記物可以是比如熒光的、磷光的或化學發光的標記物。
這可以涉及比如選自下面熒光素、取代的熒光素的標記物比如二乙酸熒光素、5-和6-羧基熒光素、二乙酸5-和6-羧基熒光素、5-和6-羧基熒光素的琥珀酰亞胺酯等、若丹明和取代的若丹明、Coelenterazine和取代的Coelenterazine、水母發光蛋白、蟲熒光素和取代的蟲熒光素、磷酸溴氯吲哚氧酯(BCIP)、魯米諾、壬基吖啶橙(NAO)、5，5’，6，6’-四氯-1，1’3，3’-四乙基苯并咪唑基羰花青氯、4-(4-二(十四烷基)氨基苯乙烯基)-N-甲基吡啶碘、高氯酸1，1’-二(十八烷基)-3，3，3’，3’-四甲基吲哚羰花青鹽、3，3’-二(十六烷基)氧雜羰花青羥基乙磺酸酯、二(1，3-二巴比土酸)-三次甲基噁醇、四唑鹽、鈣絡合物、鉀絡合物、蒽醌、蒽、芘、阿霉素、藻紅蛋白、卟啉、酞菁，以及更一般地包括金屬有機絡合物、熒光蛋白，特別是綠色熒光蛋白(GFP，見K. F.Sullivan和S.A.Kay，《細胞生理學方法》第58卷綠色熒光蛋白，Academic Press，1999)、熒光無機鹽(特別是鈾鹽)以及各種具有熒光團的分子。化學熒光標記物是當其在有其他分子存在時會發射熒光的標記物。這些標記物對于專業人員是已知的，這可能涉及比如在分子生物學中通常使用的生物素-抗生物素蛋白偶合。
考慮到選擇結合的電絕緣有機聚合物，標記物的用量可以很少。比如，標記物的濃度可以在納摩爾到微摩爾的數量級，比如1nmol～10μM。
按照本發明，術語“結合的標記物”指的是被混入絕緣聚合物薄膜的，或者被固定在一種或多種單體上的，比如用來制造聚合物薄膜的預先官能化的，或者是被直接或間接固定在薄膜表面上的，或者在制造聚合物薄膜時被埋入其表面中的，或者借助標記物溶液簡單地將其涂布在薄膜上的標記物。
比如在進行質量控制、檢定或認證應用中，可以將標記物混入絕緣有機聚合物中，或者在采用浸漬涂布聚合物以后，標記物放入能使聚合物溶漲的含有標記物的溶液中，或者在標記物存在下，在合成介質中進行聚合合成時放入，或者在與用標記物化學官能化的單體或共聚單體進行聚合合成時放入，或者借助于標記物溶液將其涂布在聚合物上。
比如在涉及到生物芯片的應用中，可以通過在薄膜上直接接枝，或者間接地接枝在絕緣有機聚合物薄膜上接枝的識別分子上結合標記物。
因此，通過用本發明的絕緣聚合物，比如用乙烯基聚合物代替廣泛使用的聚吡咯，本發明就可以解決比如上述現有技術涉及到生物芯片的問題。實際上，如后面實施本發明實施例中所顯示出的，這些絕緣聚合物的消光系數只及如聚吡咯的導電聚合物的1/10～1/100，這就明顯地降低了在使用芯片，比如生物芯片的檢測方法中對標記物的干擾。
因此，通過降低檢測下限，使得其低于比如使用聚吡咯或其他導電聚合物芯片的檢測下限，本發明能夠制造出比現有技術敏感得多的檢測芯片。
除了用按照本發明的選定絕緣聚合物代替涂布在基材上的導電膜以外，可以通過各種已知的方法來制造這些檢測芯片。
本發明還涉及這樣的透明有機薄膜的用途。
一般說來，這樣的涂層能夠保留住在相當于其透明區的電磁波譜區域內選擇的比如熒光、磷光或化學發光標記物，而且特別當有機薄膜中或其表面上有很少量這些標記物存在時，允許檢測這些標記物本身，這是由于所選的絕緣有機聚合物薄膜的光學透明性能所致。
因此，本發明涉及與標記物結合的電絕緣和透明的有機聚合物薄膜在至少一個波長范圍內的應用，該標記物在檢測化學物質的方法中，至少在所述波長范圍內具有發射譜。
實際上本發明的絕緣有機聚合物薄膜可以被化學物質的識別分子官能化，這些物質有比如核酸、蛋白質、抗原、抗體、合成的有機分子等。比如在用生物芯片進行檢測的方法中，該化學物質可以是DNA。
本發明的絕緣有機聚合物薄膜也可以用作分子，比如生物活性劑，象阿霉素的包封劑，其分子結構使得這些分子是熒光劑。在此類應用中，該分子本身同時具有兩種性能一種與其生物活性有關，一種與其熒光特性有關。
更為一般地，本發明涉及與標記物結合的本發明電絕緣和透明的有機聚合物薄膜在至少一定波長范圍內的應用，該標記物在檢測化學物質的方法中，至少在所述波長范圍內具有發射譜。
如在上面所公開的，該檢測手段可以是一種生物芯片，比如具有DNA的芯片、具有蛋白質的芯片、化學探頭等。
本發明還涉及與標記物結合的本發明電絕緣和透明的有機聚合物薄膜在至少一定波長范圍內的應用，該標記物在選自質量控制方法、目的物的檢定方法或目的物認證等方法中，至少在所述波長范圍內具有發射譜。
在工業上涂布薄的絕緣聚合物薄膜的方法中進行質量控制時，比如十分關鍵的是要能夠對涂層的厚度進行表征。對于薄的薄膜，特別是當此薄膜的厚度小于100nm時，必需使用昂貴而緩慢的技術，比如輪廓曲線法或橢圓偏光法，才得到可靠的厚度測量。另外，快速測量設備的檢測下限經常高于微米。再有，當待認證試樣形狀復雜(微球、柵狀、粉末等)時，采用輪廓曲線法或橢圓偏光法是很難辦到的。
按照本發明，通過將聚合物薄膜與標記物，比如熒光劑、磷光劑或化學發光劑結合，通過測量發射的熒光強度有可能很簡單地達到間接測量薄膜厚度。
通過用其光譜包括至少熒光團吸收波長的光源照射在其上面涂有結合了本發明標記物的聚合物薄膜的目的物，再測量在熒光團發射波長段的發射熒光強度，就能夠做到這一點。
為此，對于按照相關的工業涂布方法覆蓋了聚合物薄膜的不同平面試樣，預先繪出標定曲線，或者說標準曲線，在此曲線上將與熒光標記物結合的薄膜熒光強度繪成隨采用輪廓曲線法或橢圓偏光法所測量的厚度的函數就足夠了，對于各個試樣，與薄膜結合的標記物的濃度是經過選擇的，而且這些標記物都是同樣的。
使用這種標準曲線，采用有關工業方法制造的同樣聚合物薄膜，它含有選擇的與上述試樣相同濃度的標記物，測量其薄膜所發射熒光的強度就足以測量出該薄膜是否具有所需的厚度，這就是說，知道了所述目的物的面積，就知道是否符合厚度方面的技術規范。
如果此面積是未知的，同樣的操作程序提供了至少一種在線控制工業涂布聚合物薄膜方法的再現性的手段。
因此，使用標準曲線就能夠在很短時間內對按照本發明的薄膜厚度進行控制。
在此質量控制的應用中，由于熒光團的介入，本發明利用了涂層的活性。
本發明還可以用于檢定或認證目的物。為此，在所述目的物上面涂布一層在至少一定波長范圍內是透明的電絕緣有機聚合物薄膜，此薄膜上結合了在至少所述波長范圍內具有發射譜的本發明的標記物。這樣一來，簡單地測量熒光，就能夠確定該目的物是否是被認證的物體，即是否含有與標記物相結合薄膜，或是否涉及所述目的物的復制件。
確定說不符合經常是很難的，因為許多方法在被處理的物體方面，還是通過在聚合物薄膜和未被處理物品表面之間構成界面性質都有很大的差別。此界面被埋藏在所涂布的薄膜下面，就很難通過涂布的薄膜進行分析，特別是當其厚度超過10nm時。在此情況下，與薄膜涂布方法有關的工業產權資格的持有人可以有利地使用比如熒光劑、磷光劑或化學發光劑等標記物來標記他們制造的薄膜，按照本發明，對于用來檢測它們所需的上述測量設備，很低的濃度就足夠了。
上述應用只是用來說明，這些應用和將構成薄膜的絕緣聚合物涂布到基材表面上的操作模式，都不應該構成對本發明應用的限制。
實際上，本技術領域的專業人員在其它的應用中，都將通過將一種或幾種在一定波長范圍內具有低消光系數的電絕緣聚合物的有機薄膜與在該波長范圍內具有發射譜的標記物相結合，來估量本發明的重要性。
通過參照附圖并閱讀下面說明性的、非限制性實施例，本技術領域的技術人員將更加明了本發明的其他優點和特征。
附圖的簡要說明

圖1是說明用來測量本發明絕緣聚合物薄膜厚度的具有旋轉偏振片的橢圓偏振光測量法原理的示意圖；圖2和圖3是對于以度表示的不同入射角tan(Ψ)＝f(λ(nm))(圖2)和cos(Δ)＝f(λ(nm))(圖3)時，以金作為基材的橢圓偏振光光譜圖；圖4是在只用金作為基材(Or)和與覆蓋了有機薄膜的基材上，在75°角在300～800nm的波長測量指數(I)和(N)以及消光系數(E)和(K)的圖；圖5和圖6是在300～800nm的光譜范圍內，間隔為5nm在入射角為75°下tan(Ψ)＝f(λ(nm))(圖5)和入射角為75°下在cos(Δ)＝f(λ(nm))(圖6)時進行測量得到的沒有有機聚合物薄膜的橢圓偏振光光譜圖；圖7是在300～800nm的波長范圍內，對于沒有有機薄膜的鉑基材測量指數(I)和(N)以及消光系數(E)和(K)，以及由E.D.Palik編輯的《固體光學常數手冊》(Handbook of Optical Constants of Solids)給出的數據圖；圖8a)、圖9a)、圖10a)和圖11a)是通過在55°～75°，間隔5°下，在300～800nm的波長范圍內和間隔5nm下tan(Ψ)＝f(λ(nm))，分別對于試樣AuMAN7、AnMAN24、AuMAN2401和Au2301進行測量得到的覆蓋了PMAN薄膜的鉑基材的橢圓偏振光光譜圖；圖8b)、圖9b)、圖10b)和圖11b)是在50～75°和間隔5°下，在300～800nm，間隔5nm的波長范圍內以75°的入射角(圖5)和在cos(Δ)＝f(λ(nm))時，分別對于試樣AuMAN7、AnMAN24、AuMAN2401和Au2301進行測量得到的覆蓋了PMAN薄膜的鉑基材的橢圓偏振光光譜圖；圖12是表示在涂布了本發明不同電絕緣和透明有機聚合物涂層的金基材上測量試樣的反射率(％)作為波長(nm)函數的圖；圖13a)和圖13b)是在50～75°，間隔5°下，在300～800nm，間隔5nm的波長范圍內，對于覆蓋了基于重氮鹽的導電有機聚合物薄膜的鉑基材(試樣0101Pt6)，在不同的入射角(°)下tan(Ψ)多角＝f(λ(nm))(圖13a))和cos(Δ)多角＝f(λ(nm))(圖13b))時測量的橢圓偏振光光譜圖；
圖14a)和圖14b)是在50～75°，間隔5°下，在300～800nm，間隔5nm的波長范圍內，對于覆蓋了基于重氮鹽的導電有機聚合物薄膜的鉑基材(試樣0101Pt14)，在不同的入射角(°)下tan(Ψ)多角＝f(λ(nm))(圖14a))和cos(Δ)多角＝f(λ(nm))(圖14b))時測量的橢圓偏振光光譜圖；圖15表示在400～800nm的波長范圍內，以560nm為參考波長時，用來確定覆蓋了重氮鹽基導電有機薄膜的鉑基材試樣(試樣0101Pt6和0101Pt14)的反射率的橢圓偏振光測量結果；圖16表示在400～800nm的波長范圍內，以560nm為參考波長時，用來確定覆蓋了基于重氮鹽導電有機薄膜的鉑基材試樣(試樣0101Pt6和0101Pt14)損失的橢圓偏振光測量結果；圖17是在表面上熒光團偶極子模型的示意圖這表示放在表面x上面的偶極矩m的偶極子。三種介質的區別是不同的，偶極子環境，指數n1的區，在此是表膜；指數n2的區域是累積薄層，而n3的區域是基材；圖18a)和圖18b)表示在表面上按照兩個方向平行(∥)(圖18a)和垂直(⊥)放置在有機薄膜表面上的熒光團偶極子的熒光信號(信號(ua)＝f(聚合物厚度(nm)))的模型。在這兩個圖中，情況1n＝1.5；k＝0.02；情況2n＝1.5；k＝0.003；情況3n＝1.5；k＝0.0(極端值)；情況4模擬了典型導電有機薄膜如由重氮鹽得到的膜n＝1.5；k＝0.4；在這些圖上，橫軸表示聚合物薄膜的厚度“e”，縱軸表示信號“s”。
圖19a)和圖19b)是涂布了聚合物的金基材的示意圖，在第一種情況下(圖19a))涂布的是按照先有技術的聚吡咯薄膜；在第二種情況下(圖19b))涂布的是按照本發明的絕緣有機聚合物薄膜(ManAu11)；圖20a)是在金基材上涂布了Amersham公司的一滴(0.5μL的1μM溶液)熒光團Cydctp(商品名)的熒光底片(物鏡×50，曝光時間200ms)，在金區；圖20b)是在涂布在金基材上的聚吡咯薄膜上涂布了Amersham公司的一滴(0.5μL的1μM溶液)熒光團Cydctp(商品名)的熒光底片(物鏡×50，曝光時間200ms)，在相當于聚吡咯的區域；
圖20c)是在涂布在金基材上的聚甲基丙烯腈(PMAN)薄膜上(試樣AuMan11)涂布了Amersham公司的一滴(0.5μL的1μM溶液)熒光團Cydctp(商品名)的熒光底片(物鏡×50，曝光時間200ms)，在相當于MAN涂層的區域。
實施例實施例1試樣光學性能的測量和建模技術通過分光橢圓偏振光法進行消光測定。這是一種非破壞性的光學技術，該方法能夠通過調制使光線偏振，通過測定指數和厚度來表征涂布薄材料。
當光束在試樣表面上反射時，其偏振態被調制。實際上，在傾斜入射時，光波的電場被按照兩個特有的方向分解，其中一個垂直于入射平面(S波)，另一個與此面平行(P)。這兩個波與試樣的表面具有不同的相互作用，根據涉及波(S或P)，顯示出振幅反射系數rS和rP。
此時由S波和P波在振幅和相位行為上的差別造成的偏振態的變化可以按照如下的公式eq1用ρ來表征ρ=rprs=tan(ψ)eiΔ---eq1]]>tan(Ψ)表示在偏振S和P之間的振幅比，而Δ表示它們之間的相位差。
使用的橢圓儀是SOPRA公司的GESP5(商品名)。它能夠測量tan(Ψ)和cos(Δ)隨待分析光束的波長的變化，即術語“分光橢圓偏振光分析”，和/或隨入射角θ的變化。使用的具有旋轉偏振片的橢圓分析儀的原理，顯示在圖1中。
在此圖上，S表示光源，s和p表示入射光的偏振向量，P和A表示旋轉偏振片，D表示檢測器。
借助試樣模型，通過對橢圓測量法給出的測試值進行回歸，就可以計算出試樣的特征。
為了對試樣、厚度e、指數n和消光k進行表征，可以通過用非離散定律在復平面中的非線性回歸，然后使用Lorentz振蕩器模型，借助于修勻軟件，通過對橢圓測量法的測量值進行回歸分析。
分光光度學的測量證實了結果的一致性。
實施例2被檢驗的試樣對8個不同的試樣進行測量，它們的特征匯總在表1中。
對3個不同系列的試樣進行分析—一個系列是在金上電接枝PMAN薄膜，厚度為9～150nm。此薄膜是在5×10-2M的四乙基高氯酸銨(TEAP)作為電解液載體存在下，在金電極上，將甲基丙烯腈在無水乙腈中的2.5M溶液進行電解還原而得到的。此電解還原是在100mV/s下，在-0.3-2.6V/(Ag+/Ag)的電流電壓條件下，在沒有間隔的電解室中，使用大面積鉑制對電極進行的。改變電流電壓掃描數可得到不同的厚度。
—兩種在金上電接枝的PMMA薄膜，一個厚度是100nm，另一個是厚的(厚度＞0.5μm)。這兩種薄膜是在與PMAN薄膜相同的條件下，對甲基丙烯酸甲酯進行電解還原得到的。
—兩種薄膜是在作為電解質載體的5×10-2M的TEAP存在下，在鉑電極上，將對硝基苯基四氟硼酸重氮鹽(PNPD)在無水乙腈中的10-3M溶液進行電解還原而得到的。在-200mV/s下，施加從+0.3V/(Ag+/Ag)到-2.9V/(Ag+/Ag)的電位掃描。通過此操作程序分別得到厚度3nm和30nm的兩種薄膜。
選擇這最后一系列試樣是因為，與前兩個系列的薄膜相反，由PNPD電接枝得到的有機薄膜是電的導體。另外，橢圓測量法的測量值還將與在以聚吡咯薄膜作為導電聚合物時得到的數值進行比較。
在下面表1中報告的不同薄膜厚度是用輪廓曲線法測量出來的。在此表中，還報告了按照兩個點間距為500μm和2mm時，用輪廓曲線法測量的算術粗糙度。
表I在實施的實施例中所使用試樣的編號和特征

在此表格中，聚甲基丙烯腈或聚甲基丙烯酸甲酯薄膜都是絕緣的，硝基苯甲酸薄膜是導體。
基材的橢圓偏振光測量金層(基材)的特征測量了不同入射角的金的橢圓偏振光光譜。這種實施方式能夠為50°～70°，間隔為5°時，根據對這些不同的數值得到的結果評價最終結果的質量。測量的光譜是在300～800nm，測量間隔是5nm。它們列于圖2和圖3中。
對試樣MANAu11，對沒有浸入反應混合物的部分，也就沒有涂布任何有機薄膜的部分進行金的測試。
我們將要研究這層金的指數和消光值，其金層厚度超過微米在橢圓測量上能夠將其與基材相似地對待。然后，相反解方程求出用于得到金的n和k的數據。每一個測量角都進行了此操作。在圖4中報告了在整個300～800nm波長，在入射角75°下所測量的指數。
為了進行比較，除具有接枝的有機薄膜試樣外，還報告了僅在金基材上進行的測試，這使得能夠檢驗測試的穩定性。
鉑層(基材)的特征在50～75°，以5°的間隔，在300～800nm的波長范圍內，以5nm的間隔，以與金同樣的條件測量鉑的橢圓偏振光光譜。
對試樣0101Pt6，對沒有浸入反應混合物的部分，也就沒有涂布任何有機薄膜的部分進行鉑的測試。
圖5(tan(Ψ)＝f(λ(nm))，入射角75°)和圖6(cos(Δ)＝f(λ(nm)入射角75°)報告了由此測試得到的結果。
我們將要研究此鉑層指數和消光值，其鉑層厚度超過微米，在橢圓測量法上，能夠將其層與基材相似地對待。此時相反解出在75°下測量的數據，以得到n(指數)和k(消光系數)。圖7匯總了如此得到的指數(I)和消光(E)的結果。在此圖中，還列出了E.D.Palik編輯的《固體光學常數手冊》(Handbook of Optical Constants of Solids)所給出的值。
為了表征此試樣，我們取由橢圓測量法給出的結果作為鉑的參考值。
試樣的橢圓偏振光測量在300～800nm的波長范圍內，在θ＝60°下進行測量。在金基材上的試樣的橢圓測量法結果為了使結果更加精確，測量在不同角度的試樣AuMAN7、MANAu24、Au2301和Au2401。
對于試樣AuMAN7，進行的測量使得能夠形成在圖8a)和圖8b)中表示的光譜；對于AuMAN24形成在圖9a)和圖9b)中表示的光譜；對于Au2401形成在圖10a)和圖10b)中表示的光譜；而對于Au2301形成在圖11a)和圖11b)中表示的光譜。圖a)相當于tan(Ψ)多角的測量，而圖b)相當于cos(Δ)多角的測量。
在金基材上試樣的分光光度學測量結果用手動分光光度計Lambda9m(商品牌號)測量了試樣，測定了每個試樣的反射率、透射率和損失，波長范圍是400～800nm，參考波長是560nm。
我們觀察到，所有在金基材上的試樣都具有同樣的光譜，而且在560nm時，72.5％＜R＜84.2％；T≈0，以及157％＜P＜27.5％。此結果報告在下面的表2中
表2對于在金基材上的試樣，在560nm時的反射率(R)、透射率(T)和損失(P)

圖12是對在涂有本發明的不同電絕緣和透明的有機聚合物薄膜的金基材試樣上，反射率(％)與波長(nm)的函數關系圖。
我們發現，所有在金基材上的試樣具有同樣的光譜，而且在560nm時，72.5％＜R＜84.2％；T≈0，以及15.7％＜P＜27.5％。特別是發現，在很寬的波長范圍內，這些絕緣薄膜具有很小的損失。與用PNPD導電薄膜得到的結果相比，此觀察將更加清楚。
在鉑基材上的試樣的橢圓測量法結果圖13a)和圖13b)表示在50～75°，間隔5°，波長范圍300～800nm，間隔5nm時，對試樣1010Pt6在不同入射角tan(Ψ)多角＝f(λ(nm))(圖13a))，和cos(Δ)多角＝f(λ(nm))(圖13b))下進行的橢圓偏振光光譜測試的光譜。
圖14)和圖14)表示在50～75°，間隔5°，波長范圍300～800nm，間隔5nm下，對試樣0101Pt14，在不同入射角tan(Ψ)多角＝f(λ(nm))(圖14a))，和cos(Δ)多角＝f(λ(nm))(圖14b))下進行橢圓測量法測試的光譜圖。
在鉑基材上的試樣的分光光度學測量結果用手動分光光度計Lambda9m(商品牌號)測量了試樣，測定了每個試樣的反射率、透射率和損失，波長范圍是400～800nm，參考波長是560nm。
我們發現，在鉑基材上的試樣具有十分不同的光譜。在下面的表3中匯總了反射率、透射率和損失。可以觀察到，在導電聚合物PNPD薄膜的情況下，損失要比在金基材上得到的絕緣薄膜的情況下大得多。
表3鉑基材上的試樣，在560nm的反射率(R)、透射率(T)和損失(P)

圖15表示在400～800nm的波長范圍內，參考波長560nm時，涂有導電聚合物的鉑試樣0101Pt6和0101Pt14的反射率，圖16表示其試樣的損失。
試樣的表征為了表征試樣(e、n和k)，借助使用非分散定律的軟件SporX(商品名)，然后用Lorentz振蕩器對橢圓測量法的測量結果進行回歸。一方面從兩個模型之間，另一方面通過分光光度法得到了一致的結果。
這些表征小結匯總在表4中。
對于絕緣的乙烯基薄膜，測量到很低的消光系數(k＜0.02)，而導電的PNPD薄膜給出至少十倍大的消光系數。
為了進行比較，在同樣的條件下，與所測量的試樣厚度接近(20nm)的聚吡咯薄膜測量的消光系數為0.3～0.5。
表4試樣的光學表征

現在研究對在薄膜表面上吸附的熒光團發射的信號進行表征。
首先，介紹由于低消光得到的好處，然后通過簡單測試，表明對于在金基材上的PMAN薄膜，其熒光的產生率要遠優于同樣厚度的聚吡咯薄膜。
如在圖17中所示，熒光團建立模型為電偶極子，即在電磁學理論中可設想的最小的源。這樣的作法，在一般的應用中對所處理的問題沒有任何不良影響，因為可以計算出問題的Green函數，而且能夠把各種更為復雜的電磁源重組為基礎偶板子的疊加。再者，我們假設，電磁場不被量子化。為了建立在激光共振腔中熒光和發光模型而進行的理論模型比較，無論從傳統還是從量子的觀點出發都顯示出幾乎類似的結果。
基于表4的結果模擬了如下的情況情況1n＝1.5/k＝0.02；情況2n＝1.5/k＝0.003；情況3n＝1.5/k＝0；(極端值)；后一種情況模擬了典型的導電有機薄膜，比如像由重氮鹽得到的薄膜(試樣0101Pt6和0101Pt14)；情況4n＝1.5/k＝0.4。
使用的熒光團是藻紅素，吸收＝543nm，發射＝580nm，其相對于該表面的振幅是10nm。此熒光團浸入在環境液體中。
對于此偶極子考慮兩個不同的方向一個是與表面平行的方向，一個是與表面垂直的方向。改變聚合物的厚度，計算出在熒光團環境介質中發射的信號(這是很開放的熒光分析顯微鏡的情況)。
圖17是表面上熒光團偶極子模型的示意圖它表示放在一個表面x上面的具有偶極矩m的偶極子。區分出三種介質，即偶極子的環境，在此區域1是表層；區域2是堆積的薄層；而區域3是基材。n1、ε1、n2、ε2和n3、ε3分別是區域1、2和3的指數和介電電容率；d表示在聚合物表面上偶極子的距離，而t表示聚合物的厚度。
圖18a)和圖18b)表示在按照兩個方向，與表面平行(圖18a))和與表面垂直(圖18b))，放置在有機薄膜表面上熒光團偶板子的熒光信號模型(信號(ua)＝f(聚合物厚度)(nm))。在此兩個圖中，情況1n＝1.5，k＝0.02；情況2n＝1.5，k＝0.003；情況3n＝1.5，k＝0.0(極端值)；情況4模擬了典型的導電有機薄膜，比如由重氮鹽得到的薄膜(試樣0101Pt6和0101Pt14)n＝1.5，k＝0.4。
由在圖18a)和圖18b)中表示的結果，對于使用具有平行方向熒光團的MAN薄膜的本發明信號，可以觀察到大約25的增益，而對于垂直方向為大約100。
現在通過檢驗涂布在金基材上的PMAN薄膜(試樣AuMAN11)上的一滴熒光標記物的熒光信號，并與在金基材上涂布同樣厚度的聚吡咯薄膜上的同樣信號進行比較，簡單地檢測一下此模型的預測。使用的熒光團是1μM的Cy3dctp(商品名)(Amersham)。一滴的體積是0.5μL。
圖19a)和圖19b)，一個示意性地表示涂布了聚吡咯薄膜的基材(圖19a))，另一個示意性地表示涂布了按照本發明的絕緣有機聚合物薄膜(ManAu11)(圖19b))的基材。
圖20a)、圖20b)和圖20c)是在金區(圖20a))、在聚吡咯薄膜(圖20b))和在此實施例中得到的聚甲基丙烯腈(MAN)薄膜上熒光的底片(目鏡×50，曝光時間200ms)。
在這三張照片上的強光點是熒光團的聚集體，或者是熒光塵。這些點并不對應于靠近表面，即幾個nm的熒光團，例如生物芯片正是這樣的情況，而在球狀物的情況下，是幾十到幾百個nm。因此，不是在這些發光點上，而是應該在這些點周圍的“連續背景”上進行比較。
對于相同的曝光時間，觀察到相同感光度的照像感受器、用同樣的光學設備達到的同樣的放大倍數，以及此時標記物的濃度是很低的(1μm)，在試樣AuMAN11的情況下(底片c))，與表面“直接”接觸的熒光團并沒有“熄滅”，而它們在金區(底片a))和在導電有機涂層區(底片b))則是熄滅的。因此，如在圖20上所說明的，在此直接觀察了在導電薄膜上絕緣PMAN薄膜的優異透明性能。
實施例3在重氮鹽存在下，通過電引發達到聚甲基丙烯腈薄膜層沉積在與實施例1同樣的金表面上，通過電引發由重氮鹽沉積聚甲基丙烯腈薄膜。這些薄膜是在5×10-2M四乙基高氯酸銨(TEAP)作為電解液載體和10-3M的4-硝基苯基四氟硼酸重氮鹽存在下，將無水甲基丙烯腈在乙腈中的2.5M溶液進行電解還原而得到的。電解還原在100mV/s下，在+0.3～-1.5V/(Ag+/Ag)的電流電壓條件下，在沒有分隔的電極室中，使用大表面的鉑對電極進行的。調節掃描數，以得到厚度大約為100nm的薄膜。
正如在由直接電接枝得到的聚甲基丙烯腈薄膜所觀察到的，光學測量顯示出系數k＜0.02。
實施例4監測再現性的操作程序在完全相同的金片上，制造含有藻紅素的不同厚度的聚甲基丙烯腈薄膜。為此，在沒有分隔的電極室中，在含有2.5M的甲基丙烯腈在無水乙腈、作為電解液載體的5×10-2M的四乙基高氯酸銨(TEAP)和10-3M的4-硝基苯基四氟硼酸重氮鹽和1μM藻紅素的溶液中，使用大表面鉑對電極，在100mV/s下的+0.3～-1.0V/(Ag+/Ag)電流電壓條件下將金片極化。通過橢圓測量法得到的薄膜厚度是50±5nm，精確度10％。
然后在543nm輻照每個金片，并測量在580nm下得到的熒光強度。在全部金片上測量到同樣的熒光強度，測量的分散度小于15％。
實施例5質量控制的操作程序按照實施例4的操作程序，在1cm2的金片上涂布厚度逐漸變厚的PMAN(聚甲基丙烯腈)薄膜。改變電流電壓掃描數可以得到從5nm到150nm的不同厚度。
對得到的涂層進行熒光測量，能夠描繪出將厚度作為強度/cm3函數的標定曲線。
然后在5cm2的金表面上涂布84nm厚(用橢圓測量法測量)的PMAN薄膜。由標定曲線指出厚度是75nm，這樣就能夠不借助于直接測量厚度而進行準確的檢測。
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權利要求
1.涂有薄膜的基材，其特征在于該薄膜是在至少一個波長范圍內透明的電絕緣有機聚合物，其特征還在于所述薄膜結合了至少在所述波長范圍具有發射譜的標記物。
2.如權利要求1的涂有薄膜的基材，其中該薄膜含有選自乙烯基聚合物的絕緣聚合物。
3.如權利要求1的涂有薄膜的基材，其中該薄膜含有選自下面的交聯或非交聯絕緣聚合物丙烯腈、甲基丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯、甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸羥基乙酯、甲基丙烯酸羥基丙酯、氰基丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、苯乙烯、對氯苯乙烯、N-乙烯基吡咯烷酮和乙烯基鹵化物的聚合物。
4.如權利要求1的涂有薄膜的基材，其中該薄膜含有選自下面的交聯或非交聯絕緣聚合物聚丙烯酰胺，異戊二烯、乙烯、丙烯、環氧乙烷和具有張力環分子、乳酸或者其低聚物、內酯、ε-己內酯、羥基乙酸、天門冬氨酸的聚合物，聚酰胺，聚氨酯，聚對亞苯二甲基和以取代的聚對亞苯二甲基為基的聚合物、低聚肽和蛋白質，以及基于這些聚合物的預聚物、大分子單體或遙爪聚合物，以及可以由這些聚合物的單體或這些聚合物本身形成的共聚物和/或混合物。
5.如權利要求1的涂有薄膜的基材，其中該薄膜是由如下式(I)單體或者與所述通式(I)相當的不同單體的混合物經聚合而得到的乙烯基聚合物 其中，R1、R2、R3和R4獨立地是氫原子或如選自烷烴、烯烴、炔烴的烴類的有機基團；酰胺、醛類、酮類、羧酸、酯類、酰鹵、酸酐、腈類、胺類、硫醇、磷酸酯、醚類、芳香族的同素環或雜環，或者各種帶有這些官能團的環狀基團，以及具有多個這些官能團的基團。
6.如權利要求1的涂有薄膜的基材，其中該薄膜是聚甲基丙烯腈或聚甲基丙烯酸甲酯。
7.如權利要求1的涂有薄膜的基材，其中該標記物選自熒光標記物、磷光標記物或化學發光標記物。
8.在至少一個波長范圍內透明的電絕緣有機聚合物薄膜，其結合著在所述波長范圍內具有發射譜的標記物，在化學物質的檢測方法中的應用。
9.如權利要求8的應用，其中該絕緣有機聚合物薄膜被該化學物質的識別分子官能化。
10.如權利要求8的應用，其中該化學物質是DNA。
11.在至少一個波長范圍內透明的電絕緣有機聚合物薄膜，其結合著在所述波長范圍內具有發射譜的標記物，在化學物質的檢測裝置中的應用。
12.如權利要求11的應用，其中該檢測裝置是生物芯片。
13.在至少一個波長范圍內透明的電絕緣有機聚合物薄膜，其結合著在所述波長范圍內具有發射譜的標記物，在選自質量控制方法、目的物檢定方法或認證方法中的應用。
14.如權利要求8～13中任何一項的應用，其中該薄膜是由如下式(I)的單體或者與所述通式(I)相當的不同單體的混合物通過聚合而得到的乙烯基聚合物 其中，R1、R2、R3和R4獨立地是氫原子或如選自烷烴、烯烴、炔烴的烴類的有機基團；酰胺、醛類、酮類、羧酸、酯類、腈類、胺類、硫醇、磷酸酯、醚類、芳香族的同素環或雜環，或者各種帶有這些官能團的環狀基團，以及具有多個這些官能團的基團。
15.如權利要求14的應用，其中該薄膜是聚甲基丙烯腈或聚甲基丙烯酸甲酯。
16.如權利要求14的應用，其中該標記物選自熒光標記物、磷光標記物或化學發光標記物。
全文摘要
本發明涉及涂有透明有機薄膜的基材，涉及涂有透明有機薄膜基材的制造方法，還涉及其應用。此涂有薄膜的基材的特征在于，該薄膜是一種電絕緣有機聚合物的薄膜，它在至少一個波長范圍內是透明的，其特征還在于所述薄膜與至少在所述波長范圍內具有發射譜的標記物相結合。此基材特別應用于檢測化學物質的裝置，比如生物芯片中，用于質量控制方法、目的物檢定方法或認證方法中。
文檔編號G01N33/53GK1605035SQ02825286
公開日2005年4月6日 申請日期2002年10月16日 優先權日2001年10月18日
發明者F·布雷尼奧克斯, C·布羅, P·沙頓, S·蓋廷 申請人:法國原子能委員會