DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un capteur à transduction microondes comportant comme matériau sensible un polymère à empreintes moléculaires dit MIP selon l'acronyme anglo-saxon « Molecularly Imprinted Polymer », et plus particulièrement des matériaux à empreintes moléculaires sur base de silicium dits MIS selon l'acronyme anglo-saxon « Molecularly Imprinted Silica ». L'invention concerne également un dispositif pour la détection d'un analyte dans un liquide. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour détecter un fongicide tel que l'iprodione dans un milieu hydro-alcoolique. ART ANTÉRIEUR

Dans le domaine de la chimie analytique en particulier, il est bien connu des moyens variés pour analyser des liquides tels que l'eau ou du vin par exemple afin de déterminer notamment le contenu chimique desdits liquides, et plus particulièrement de déterminer la présence ou non de polluants tels que des fongicides.

Parmi les systèmes les plus couramment utilisés, on connaît les bandelettes réactives ou la chromatographie. Les bandelettes réactives ne permettent pas la détection de traces de fongicides de l'ordre de quelques ng/1 et la chromatographie présente l'inconvénient d'être longue et coûteuse.

La méthode la plus utilisée pour le dosage des fongicides est la chromatographie liquide à haute performance dite HPLC. Cependant, cette analyse nécessite de nombreuses opérations préliminaires consistant dans des étapes d'extraction, de purification, de concentration et éventuellement de séchage. Pour éviter l'étape de traitement de l'échantillon (extraction, purification, concentration et séchage), pour réduire le temps d'analyse et pour réduire les quantités de solvant importantes utilisées pour l'extraction, d'autres moyens plus récents ont été mis en place.

On peut citer comme exemple la fibre de Micro Extraction en Phase solide dite SPME selon l'acronyme anglo-saxon « Solid Phase MicroExtraction ». Cette méthode est basée sur l'utilisation d'une fibre de silicium de 110 μιη enrobée d'un adsorbant d'une épaisseur de 7 à 100 μιη sur une longueur de 1 cm et située au bout d'une seringue. Pour l'extraction des composés, l'aiguille perce le septum du flacon contenant l'échantillon et la fibre est immergée dans l'échantillon. Après un temps d'extraction donné, la fibre est introduite dans un chromatographe en phase gazeuse (Pichon V, 2012. Extraction sur phase solide pour l'analyse de composés organiques [P 1420]. Techniques de l'Ingénieur, base documentaire Chromatographie et techniques séparatives.)

La fibre SPME nécessite la mise en place de plusieurs étapes avant la détermination du fongicide : extraction d'une dizaine de minutes suivie d'une analyse chromatographique qui dure au moins 30 minutes. On connaît également des capteurs comportant un polymère à empreintes moléculaires dit MIP selon l'acronyme anglo-saxon « Molecularly Imprinted Polymer ». C'est le cas notamment des demandes de brevet américain US 2008/0144002, US 2012/0288944, US 2004/0126814 et de la publication scientifique « Molecular-Imprinted, Polymer-Coated Quartz Crystal Microbalances for the Détection of Terpenes (Anal.Chem. 2001, 73, 4225-4228). Dans ce cas précis, la transduction est effectuée au moyen d'une onde acoustique dans le matériau sensible.

Le document US 2008/0288944 décrit un capteur comportant un polymère à empreintes moléculaires pour la détection d'un ion inorganique cible spécifique. Ledit capteur comprend une ou plusieurs perles de polymère à empreintes moléculaires comprenant une structure macroporeuse qui présente une pluralité de cavités dites de complexation, lesdites cavités de complexation contenant des ligands cationiques spatialement orientés pour sélectivement recevoir et se lier à un ion cible inorganique spécifïque devant être détecté. Le capteur, associé à une source lumineuse telle qu'une lumière ultraviolette, infrarouge ou visible, permet de procurer la luminescence des perles de polymère à empreintes moléculaires sur lesquelles se sont fixés un ion cible inorganique déterminé.

Le document US 2012/0288944 décrit un procédé pour détecter une structure moléculaire traceur dans un fluide utilisant un capteur comprenant un polymère à empreintes moléculaires. Le procédé consiste à mettre en contact un polymère à empreintes moléculaires en étoile réticulé avec le fluide puis à corréler le changement de couleur dans le fluide avec la quantité de la structure moléculaire traceur dans le fluide. Le dispositif comporte des bras polymériques attachés à un noyau, et le noyau présente des cavités de tailles moléculaires adaptés pour recevoir de manière sélective et lier des molécules ayant la structure moléculaire traceur, ledit noyau ayant également un indicateur colorimétrique. La molécule de déplacement est sélectivement éliminée du polymère réticulé à empreintes moléculaires par exposition à la structure moléculaire traceur dans le fluide en indiquant ainsi la présence de la structure moléculaire traceur dans le fluide sur la base d'une perte de la couleur.

Le document US 2004/0126814 décrit un capteur pour détecter un analyte cible au moyen d'un polymère à empreintes moléculaires (MIP) qui a été imprimé avec l'analyte cible. Le MIP peut être utilisée comme une électrode de travail en spectroscopie d'impédance électrochimique, soit en revêtant un substrat soit en étant pressé sur un disque. Le capteur peut également utiliser le polymère à empreintes moléculaires (MIP) pour détecter un analyte cible par d'autres procédés électrochimiques.

La publication scientifique « Molecular-Imprinted, Polymer-Coated Quartz Crystal Microbalances for the Détection of Terpenes (Anal.Chem. 2001, 73, 4225-4228) décrit une microbalance à quartz permettant de détecter des terpènes. La microbalance est réalisée par deux électrodes conductrices disposées de part et d'autre d'un substrat piézoélectrique recouvert d'une couche de polymère à empreintes moléculaires. Sous l'application d'une tension électrique, un quartz disposé sur le substrat entre les deux électrodes vibre, produisant une onde acoustique à travers le matériau sensible. Cependant, ce quartz ne peut osciller qu'à une seule fréquence lorsqu'une tension est appliquée sur ses bornes. La tension aux bornes des électrodes peut être transmise de manière non souhaitée aux bornes du quartz par exemple par conduction des cristaux de sel dans un liquide ce qui induit des fausses détections de terpènes. En outre, ce dispositif ne permet d'effectuer qu'une seule mesure indiquant la présence ou non du terpène et il ne permet pas de quantifier la présence des terpènes.

Le problème technique de l'invention consiste donc à proposer un dispositif de détection d'un analyte dans un liquide permettant de détecter la présence d'un analyte dans un liquide de manière fiable et rapide.

EXPOSE DE L'INVENTION

L'invention propose de répondre à ce problème technique au moyen d'une antenne dont les caractéristiques évoluent en présence d'un analyte au moyen d'un polymère à empreintes moléculaires.

A cet effet, selon un premier aspect, l'invention concerne un capteur pour la détection d'un analyte dans un liquide comportant une antenne formée par :

un substrat comprenant deux faces opposées,

- un plan de masse disposé sur une première face du substrat, et

au moins un élément métallique disposé sur une deuxième face du substrat, au moins une partie de la deuxième face du substrat étant recouverte d'une couche de polymère à empreintes moléculaires apte à interagir avec un analyte et induire une variation des caractéristiques de l'antenne dans la gamme de fréquence des microondes.

L'invention permet ainsi de détecter rapidement la présence d'un analyte dans un liquide au moyen d'un signal transmis sur l'antenne puis réfléchi par l'antenne. La mesure d'un rapport du signal réfléchi par l'antenne avec un signal de référence permet d'estimer les variations des caractéristiques de l'antenne induites par la détection de l'analyte par le polymère à empreintes moléculaires. Lorsque le signal réfléchi correspond au signal de référence, cela indique qu'il n'y a pas de détection d'analyte. Lorsque le signal réfléchi diffère du signal de référence, cela indique la détection d'un analyte. En outre, la différence entre le signal réfléchi et le signal de référence permet de quantifier la présence de l'analyte.

L'amélioration de la fiabilité de la mesure effectuée par l'invention provient de la nature du signal réfléchi par l'antenne qui comporte deux composantes qui varient en présence d'un analyte : une amplitude et un déphasage. Ces deux composantes du signal réfléchi peuvent être mesurées indépendamment pour estimer les caractéristiques de l'antenne telles que le gain ou le facteur de qualité. Ces caractéristiques de l'antenne permettent de confirmer la mesure de détection ou de quantification de l'analyte et limiter les erreurs de mesure. En outre, la fréquence du signal transmis sur l'antenne, et par conséquence du signal réfléchi, peut varier pour effectuer plusieurs mesures consécutives et confirmer la présence et/ou la quantité de l'analyte.

Selon un mode de réalisation, la couche de polymère à empreintes moléculaires est réalisée sur une base de silicium ou d'acrylate.

Selon un mode de réalisation, la couche de polymère à empreintes moléculaires présente une épaisseur comprise entre 50 nm et 1 μιη. Selon un mode de réalisation, la couche de polymère à empreintes moléculaires est synthétisée par un procédé sol-gel à partir d'alkoxysilane lorsque la couche de polymère à empreintes moléculaires est réalisée sur une base de silicium et la couche de polymère à empreintes moléculaires est synthétisée par polymérisation radicalaire lorsque la couche de polymère à empreintes moléculaires est réalisée sur une base d'acrylate.

Selon un mode de réalisation, l'élément métallique comporte trois bandes internes formant un triangle isocèle et deux bandes externes s 'étendant depuis deux sommets du triangle isocèle symétriquement par rapport à la médiane passant par le sommet libre. Selon un mode de réalisation, le plan de masse s'étendant également sur la première face du substrat, les bandes externes sont aptes à relier le plan de masse disposé sur la première face du substrat avec les bandes internes. Selon un mode de réalisation, le sommet libre est connecté électriquement avec un connecteur apte à collecter les caractéristiques de l'antenne dans la gamme de fréquence des microondes. Selon un mode de réalisation, la longueur de chaque bande de l'élément métallique est égale à λ/2, λ étant une longueur d'onde prédéterminée de l'antenne.

Selon un mode de réalisation, la longueur d'onde prédéterminée de l'antenne est comprise entre 1GHz et 10GHz.

Selon un second aspect, l'invention concerne un dispositif de détection d'au moins un analyte dans un liquide comportant au moins un capteur selon le premier aspect de l'invention, des moyens d'émission d'une onde électromagnétique à une fréquence comprise entre 300MHz et 300 GHz, des moyens de réception de l'onde réfléchie sur le capteur et des moyens de mesure du rapport entre l'onde réfléchie et l'onde incidente en fonction de la fréquence.

Avantageusement, les moyens d'émission d'une onde électromagnétique et les moyens de réception de l'onde réfléchie consistent en un analyseur de réseau vectoriel.

DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre d'une unique variante d'exécution, donnée à titre d'exemple non limitatif, du dispositif de détection de fongicides en milieu hydro-alcoolique conforme à l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la Figure 1 est une représentation schématique du dispositif selon un mode de réalisation de l'invention,

- la Figure 2 est une vue de dessus du capteur de la Figure 1 comportant une couche de polymère à empreintes moléculaires partiellement représentée,

- la Figure 3 est une vue de dessus du capteur de la Figure 1 , et - la Figure 4 est une représentation graphique de l'évolution des caractéristiques de l'antenne du capteur de la Figure 1 pour la fréquence de résonance de l'antenne en fonction de la quantité de l'analyte. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

Dans la suite de la description du dispositif de détection d'un analyte dans un liquide suivant l'invention, les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments. Le dispositif suivant l'invention est particulièrement destiné à la détection de fongicides, tels que l'iprodione, dans du vin ; toutefois, il est bien évident que le dispositif suivant l'invention pourra trouver de nombreuses applications telles que la détection de fongicides dans de l'eau sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Par exemple, dans le cadre de cette invention, les analytes qui peuvent être détectés appartiennent à la famille des microorganismes tels que les virus, les bactéries, les moisissures ; ou bien à la famille des molécules organiques actives bio logiquement telles que les pesticides, les toxines, les perturbateurs endocriniens, les hormones, les enzymes, les vitamines, les antibiotiques, les médicaments ; ou bien à la famille des ions tels que les minéraux essentiels, les métaux toxiques, les acides organiques ou les bases organiques ; ou bien à la famille des bio molécules telles que les lipides et leurs dérives, les acides aminés et leurs dérivés, les peptides et leurs dérivés, les protéines et leurs dérivés, les oses et leurs dérivés, les polysaccharides et leurs dérivés.

En référence à la Figure 1, le dispositif comporte un capteur (1), des moyens d'émission (2) d'une onde électromagnétique à une fréquence comprise entre 300MHz et 300 GHz , plus particulièrement entre 1 et 10 GHz, et des moyens de réception (3) de l'onde réfléchie sur le capteur (1) qui est plongé dans un liquide hydro-alcoolique comportant au moins un analyte à détecter, ledit analyte est un fongicide tel que l'iprodione par exemple, et des moyens de mesure du rapport entre l'onde réfléchie et l'onde incidente en fonction de la fréquence. Lesdits moyens d'émission (2) d'une onde électromagnétique et les moyens de réception (3) de l'onde réfléchie consistent en un analyseur de réseau vectoriel. Par ailleurs, en référence aux Figures 1 à 3, le capteur (1) comporte une antenne (13) constituée d'au moins un substrat (10) comportant sur au moins l'une de ses faces un plan de masse (15) et sur l'autre face au moins un élément métallique (11), ledit substrat (10) et ledit élément métallique (11) étant recouverts d'une couche (12) d'un polymère à empreintes moléculaires. Ledit polymère à empreintes moléculaires est réalisé, de préférence, sur une base de silicium dit MIS selon l'acronyme anglo-saxon « Molecularly Imprinted Silica ». Ladite couche de polymère à empreintes moléculaires à base de silicium (12) présente une épaisseur constante de l'ordre du micromètre, comprise entre 1 nm et 100 μιη et préférentiellement comprise entre 50 nm et 1 μιη. De préférence, la couche de polymère à empreintes moléculaires (12) est synthétisée par un procédé sol-gel à partir d'alkoxysilane. De plus, le substrat (10) consiste en une lame de verre. Dans cet exemple particulier de réalisation, ladite lame présente une forme sensiblement rectangulaire ou carré et le plan de masse (15) recouvre également une partie de la face comportant l'élément métallique (11).

Il est bien évident que la lame pourra présenter une forme quelconque sans pour autant sortir du cadre de l'invention. En outre, le plan de masse (15) peut être disposé uniquement sur une face de l'antenne (13) opposée à la face portant l'élément métallique (11). La couche de polymère à empreintes moléculaires (12) peut également être réalisée sur une base d'un autre polymère, tel que l'acrylate, sans changer l'invention. Les polymères à empreintes moléculaires à base d'acrylate sont synthétisés par polymérisation radicalaire. La couche de polymère à empreintes moléculaires (12) peut recouvrir qu'une partie de la face de l'antenne (13) comportant l'élément métallique (1 1).

En outre, l'élément métallique (11) présente une forme particulièrement avantageuse comportant trois bandes internes (11 a- 11c) et deux bandes externes (l ld- l le). De préférence, l'élément métallique (11) est réalisé en cuivre mais un autre matériau conducteur peut être utilisé sans changer l'invention. Les trois bandes internes (11 a- 11c) forment une surface isolante (16) triangulaire isocèle. Les bandes internes (l la-l lc) sont isolées électriquement du plan de masse (15) disposé sur la face contenant l'élément métallique (11) par une surface isolante (16). Un sommet du triangle isocèle, appelé sommet libre, est relié à un connecteur (14) de sorte à alimenter l'élément métallique (11) par le connecteur (14) et à collecter les caractéristiques de l'antenne (13) dans la gamme de fréquence des microondes. Par exemple, le connecteur (14) peut être une embase normalisée du type SMA. Les deux autres sommets du triangle isocèle sont reliés respectivement aux bandes externes (l ld-l le). Les bandes externes (l ld-l le) présentent deux extrémités, une extrémité connectée électriquement au plan de masse (15) et une extrémité connectée électriquement aux bandes internes (11 a- 11c). Les bandes externes (l ld-l le) sont également isolées électriquement du plan de masse (15) disposé sur la face contenant l'élément métallique (11) par une surface isolante (16) et s'étendent symétriquement par rapport à la médiane passant par le sommet libre. La surface isolante (16) est représentée par des hachures sur les Figures 1 à 3. De préférence, la longueur de chaque bande (11 a- l ie) est égale à λ/2, λ étant une longueur d'onde prédéterminée de l'antenne (13) dans la gamme de fréquence des microondes. Par exemple, la longueur d'onde λ peut être déterminée pour que l'antenne (13) présente une fréquence de résonnance comprise entre 1GHz et 10 GHz, de préférence 2,4GHz. En variante, les longueurs de chaque bande (11 a- l ie) peuvent être égales à λ ou 3 λ/2 sans changer l'invention et la fréquence de résonnance de l'antenne (13) peut varier.

Il va de soi que l'antenne (13) peut présenter une forme quelconque. De plus, il est bien évident que le capteur (1) pourra comporter plusieurs antennes (13) de forme quelconque sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Le procédé de fabrication du capteur (1) comporte une étape de découpe du substrat (10) en verre sous la forme d'une lame rectangulaire d'environ 2 cm par 3 cm avant une étape de polissage mécanique. Ensuite, ladite lame de verre est recouverte d'une couche de cuivre d'une épaisseur de 20 à 30 μιη. Ladite lame recouverte de cuivre subit alors plusieurs polissages jusqu'à l'obtention d'une surface polymiroir du cuivre puis une résine sensible aux ultra- violets (UV) est déposée par un procédé dit de « spin- coating » bien connu de l'homme du métier. Un masque représentant la géométrie de l'antenne (13) est alors mis en place sur la résine, puis la lame est irradiée par des ultraviolets (UV). Après révélation de la résine, une gravure humide du cuivre est réalisée et la résine restante est supprimée par tous moyens appropriés bien connus de l'homme du métier. Après rinçages à l'eau distillée, le capteur (1) peut subir une autre étape de polissage et de nettoyage afin de supprimer d'éventuelles imperfections. Le capteur (1) est, par ailleurs, recouvert d'une couche de polymère à empreintes moléculaires qui est élaboré avec la présence de l'analyte cible, par exemple l'iprodione. En dernier lieu, le capteur (1) est alors équipé d'un connecteur de type SMA (14) selon l'acronyme anglo- saxon « Subminiature version A » qui consiste dans un connecteur coaxial dont l'impédance est de 50 Ohms et qui est soudé ou non à l'électrode du capteur (1).

La synthèse du polymère à empreintes moléculaires a été réalisée sur une base de silicium (MIS) en utilisant le ratio retenu suivant 1/4/59 (ratio molaire iprodione/monomères/agent réticulant). Le monomère utilisé est l'APTMS (3- aminopropyl-trimethoxysilane). La synthèse s'est déroulée de la manière suivante :

i) 16,8 mL d'éthanol absolu a été placé au bain-marie à 40°C pendant 10 min. ii) 0,08g d'iprodione est ajoutée puis 2 mL d'eau.

iii) 0,18 mL de monomère (APTMS) a été ensuite ajouté, puis les échantillons ont été placés sous agitation durant 5 min.

iv) 3,1 mL de réticulant TEOS (Tetraéthyl Orthosilicate) ont été ensuite ajoutés, et les échantillons sont de nouveau agité pendant 5 min.

v) 1 mL d'Inititateur (Hydroxyde d'Ammonium) a été ajouté, puis les échantillons ont été agités durant 5 min.

vi) Les échantillons sont ensuite placés 24h au bain-marie (40°C) sous agitation. vii) Le précipité obtenu est séparé de la phase liquide par centrifugation à 7500 RPM (10000G) pendant 10 min à 20°C. Plusieurs lavages successifs ont été ensuite réalisés avec de l'éthanol, jusqu'à ce qu'il n'y ait plus d'iprodione dans les eaux de lavage lors de l'analyse par HPLC. Après les différents lavages, le polymère est placé à l'étuve à 60°C durant 24 heures.

En variante, un polymère non imprimé, NIS, selon l'acronyme anglo-saxon « Non Imprinted Silica » peut être synthétisé en suivant le même protocole que le MIS en omettant l'ajout de l'iprodione dans le milieu de synthèse. Le MIS ou le NIS est déposé sur le capteur sous la forme d'une suspension. Pour cela, du PVC (polychlorure de vinyle) en poudre a été ajouté à une suspension de MIS dans du THF (tétrahydrofurane) en respectant le ratio suivant : 25/8/4, MIS(mg)/PVC(mg)/THF(mL). La solution ainsi préparée a été ensuite déposée à la surface du capteur (1) par la méthode de spin-coating en utilisant les paramètres suivants : vitesse = 1000 tr/min, accélération = 4000 tr/min, durée = 40 s. Le polymère à empreinte moléculaire peut être déposé sur le capteur par fonctionnalisation chimique du substrat sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Plusieurs polymères à empreintes polymères peuvent être déposés sur le même capteur sans pour autant sortir du cadre de l'invention.

Ainsi, lorsque le capteur (1) est plongé dans un liquide contenant l'analyte cible, par exemple l'iprodione, l'analyseur de réseau vectoriel émet une onde électromagnétique à une fréquence d'excitation, dans le domaine des microondes, et évalue l'onde réfléchie à l'entrée de celui-ci. Les ondes émises et réfléchies transittent par le connecteur (14). L'interaction de l'analyte avec le matériau à empreintes moléculaires du capteur (1) induit des variations des caractéristiques de l'antenne (13) dans la gamme des microondes. Le matériau à empreintes moléculaires prenant part à une structure propagative microonde voit sa variation de propriétés diélectriques exaltée par la géométrie de l'antenne (13). De cette manière pour chaque fréquence d'excitation, le rapport onde réfléchie/onde incidente est associé à l'interaction du matériau à empreintes moléculaires avec l'analyte. L'analyseur de réseau émet plusieurs fréquences de l'ordre du millier dans la gamme de 1 à 10 GHz procurant une signature dite microonde décrivant l'interaction du matériau à empreintes moléculaires avec l'analyte.

En référence à la Figure 4, la réponse du capteur (1) suivant l'invention est représentée, à la fréquence de résonance 2.4 GHz, en présence de plusieurs quantités de l'analyte. Pour chaque quantité de l'analyte, la variation d'amplitude et de déphasage du signal reçu par rapport à un signal de référence permet de fournir deux mesures complémentaires des caractéristiques de l'antenne (13) appelées parties réelle et imaginaire. La Figure 4 illustre l'évolution de cette partie réelle en fonction de la partie imaginaire. Cette évolution est sensiblement linéaire permettant ainsi d'extrapoler la concentration de l'analyte dans le liquide à partir de l'estimation de la partie réelle et de la partie imaginaire de chaque mesure. On notera que chaque mesure est réalisée en une minute environ.

Enfin, il est bien évident que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières et en aucun cas limitatif quant au domaine d'application de l'invention.