專利名稱：制備聚合物涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在載體上通過可聚合的液體組合物的光聚合而制備聚合物涂層的方法，一種適于在載體上制備聚合物涂層的裝置以及一種用以制備含有其中摻入了指示劑的聚合物涂層的傳感器的方法。
在載體上制備聚合物涂層是已知的技術(shù)。為此需要將可聚合的液體盡可能以均勻的厚度施涂于載體上并進(jìn)行完全的聚合。該聚合過程可以通過化學(xué)聚合引發(fā)劑或是通過對液體進(jìn)行照射而引發(fā)。
有關(guān)粘合劑膜制備的聚合技術(shù)是已知的，其中要將官能化的丙烯酸酯預(yù)聚物的混合物施涂于載體上，然后通過照射聚合物物料表面進(jìn)行完全地或部分地硬化。聚合物涂層厚度的控制可通過選擇光照強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間以及通過所用預(yù)聚物的自吸收性來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)有技術(shù)方法的缺點(diǎn)在于，通常需要很高昂的成本來調(diào)節(jié)載體上預(yù)定的和均勻的聚合物涂層厚度。此外，在傳統(tǒng)的聚合反應(yīng)方法中，人們常常發(fā)現(xiàn)聚合物涂層在載體上的粘結(jié)力非常小。
因此本發(fā)明的任務(wù)在于至少部分地克服所述的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，特別是提供一種在載體上制備聚合物涂層的方法，該方法能較為簡單地制備得到具有預(yù)設(shè)的和均勻的涂層厚度的聚合物涂層。
與現(xiàn)有技術(shù)中記載的有關(guān)制備粘合劑的方法(在該方法中制備的是封閉且疏水的聚合物涂層)相反，所制備出的應(yīng)是開放的、且能吸收含水試樣液體和分析物的親水涂層。
該任務(wù)可以通過如下方法得以解決，即將一種液態(tài)可聚合組合物施涂在載體上，并且直接在載體上進(jìn)行聚合，但是不是完全聚合而只是在具有預(yù)設(shè)厚度的層中進(jìn)行聚合。以這種方法就能簡單地制得均勻且很好地粘附于載體上的涂層載體。
因此本

發(fā)明內(nèi)容
在于一種在透明載體上制備聚合物涂層的方法，包括如下步驟(a)提供載體，(b)將可光聚合的液體組合物施涂于載體上，
(c)透過載體照射可光聚合的液體組合物，照射方式是使液體組合物只進(jìn)行部分的聚合反應(yīng)且在載體上形成具有預(yù)設(shè)厚度的聚合物層，和(d)從聚合物涂層上去除殘留的液體組合物。
用以制備聚合物涂層的載體是一種至少部分光學(xué)透明的載體，例如塑料載體如聚碳酸酯膜、醋酸纖維素膜、聚酯膜或聚醚膜，玻璃載體或石英載體。也可以使用復(fù)合材料制成的載體。當(dāng)使用這種至少部分光學(xué)透明的載體時(shí)，優(yōu)選透過載體對液體組合物進(jìn)行照射。載體厚度的選擇較好地是一方面使得聚合物涂層具有足夠的機(jī)械穩(wěn)定性，而另一方面要使得用來照射的光線具有足夠的透過度。例如，所用載體的厚度可以為5μm至20mm。同樣還優(yōu)選使用透射UV的載體。
可光聚合的液體組合物含有至少一種可光聚合的物質(zhì)，即通過光照(必要時(shí)可以在有光引發(fā)劑存在的條件下)能聚合的物質(zhì)。這類物質(zhì)的優(yōu)選例子是可光聚合的單體，如烯屬不飽和物質(zhì)，即帶有C＝C-鍵的物質(zhì)。合適的可光聚合的物質(zhì)的其他實(shí)例是官能化的且在光照下能交聯(lián)的低聚物或高聚物。這類光活性的官能化產(chǎn)物包括例如丙烯酸酯、疊氮化合物、卡巴肼、砜疊氮化合物(Sulfonazide)、重氮甲酮、二甲基順丁烯二酰亞胺、可光致環(huán)化的基團(tuán)(如查耳酮)和Benophen衍生物。合適的低聚物或高聚物是例如聚氨酯、聚乙烯醇、聚酯、聚醚、聚乙烯基吡咯烷酮、聚丙烯酸酯或低聚糖。特別優(yōu)選的是選自如下一組的可光聚合的物質(zhì)，例如丙烯酸類單體，如丙烯酰胺，丙烯酸酯如聚二丙烯酸乙二醇酯，乙烯基芳族單體，如4-乙烯基苯磺酸，官能化的聚乙烯基吡咯烷酮和一種或多種上述物質(zhì)的任意結(jié)合。
在一優(yōu)選實(shí)施方式中，所用的含水可聚合組合物中，待聚合的單體以溶解的形式存在。因此，對于該實(shí)施方式較為理想的是使用在含水溶劑中具有足夠高溶解性的親水單體。
液態(tài)組合物中聚合反應(yīng)的引發(fā)可以由光照來實(shí)現(xiàn)。為啟動聚合反應(yīng)，優(yōu)選組合物中含有一種或多種光引發(fā)劑。合適的光引發(fā)劑的例子有自由基引發(fā)劑如苯甲酮、聯(lián)苯酰、蒽醌、硫代磺酸、偶氮化合物，或是離子引發(fā)劑如三芳基锍鹽、六氟銻酸芳鎓(Aryliumafluoroantimonate)。
透過載體對組合物進(jìn)行光照，以使得聚合反應(yīng)開始于載體表面并且——根據(jù)設(shè)定的聚合反應(yīng)條件的不同——由于光被吸收于可聚合液體之內(nèi)，從而在距載體表面一個(gè)預(yù)設(shè)的距離聚合反應(yīng)終止。載體上水平層的翹曲或是偏離并不會影響聚合物涂層的厚度。機(jī)械公差可被進(jìn)一步地消除。
聚合物涂層的厚度可以通過合適的措施在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。特別是聚合物涂層厚度能通過變化光照射強(qiáng)度，光照持續(xù)時(shí)間或/和向液體組合物中添加聚合反應(yīng)的阻聚劑，例如UV吸收物質(zhì)來控制。另外，也可以通過載體厚度或/和載體材料來實(shí)行控制。聚合物涂層的厚度優(yōu)選為≤500μm且特別優(yōu)選為≤100μm。如果將聚合物涂層用作傳感器，特別是用作生物傳感器，則常常也可制備更小的層厚度，優(yōu)選≤50μm，特別優(yōu)選≤5μm。
如果將聚合物涂層用作為傳感器的成分，則其除了上述的成分外還應(yīng)較為理想地包括指示劑，如能在包圍著聚合物層的介質(zhì)中對參數(shù)作出反應(yīng)的光學(xué)和/或電化學(xué)指示劑。可以向指示劑中添加可光聚合的液體組合物或是——特別是當(dāng)它們是小分子時(shí)——使指示劑分散到已制成的聚合物涂層中。如果聚合物層含有多種指示劑，則也可以將上述各種措施結(jié)合起來。
指示劑也可以是一種大分子，例如有著≥10kD特別是≥20kD的分子量。特別優(yōu)選用作指示劑的是催化劑物質(zhì)，例如在需要時(shí)能以酶-輔酶絡(luò)合物形式存在的酶。特別優(yōu)選的酶的例子是氧化還原酶，特別是脫氫酶，如葡萄糖脫氫酶(E.C.1.1.1.47)或氧化酶。輔酶優(yōu)選是以共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵連接在酶上且通過與酶底物的反應(yīng)能變性如被氧化或還原的有機(jī)分子。優(yōu)選的輔酶的例子是黃素衍生物、煙堿衍生物、醌衍生物，例如FAD，F(xiàn)ADH2，NAD+，NADH/H+，NADP+，NADPH/H+或PQQ。
除了酶和必要時(shí)含有的輔酶外，聚合物層還含有媒劑，即具有再生輔酶作用的物質(zhì)。在這種情況下酶就起到了催化指示劑的作用，即其能轉(zhuǎn)化底物的多種分子，而這種底物是例如存在于所加試樣中的分析物，如血液中的葡萄糖。
在一特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，聚合物涂層含有酶-輔酶絡(luò)合物作為待驗(yàn)證的酶底物的化學(xué)計(jì)量反應(yīng)物。這里的輔酶是一次反應(yīng)不會再生。在該實(shí)施方式中不必再用到需要結(jié)合使用穩(wěn)定性很小且易干擾性很高的復(fù)雜反應(yīng)劑混合物的媒劑。
如果使用大分子的底物作為指示劑，則可以通過合適的聚合物交聯(lián)作用(如通過使用二或/和多官能基單體)獲得交聯(lián)聚合物涂層，在該涂層中插入有固定形式的大分子指示劑物質(zhì)，同時(shí)可以將低分子量的物質(zhì)，如輔酶、酶底物等分散到該層中。
聚合物涂層的制備可以以連續(xù)工藝進(jìn)行，其中在施涂于載體上的液體可光聚合的組合物上連續(xù)生成聚合物涂層。當(dāng)進(jìn)行連續(xù)的聚合反應(yīng)時(shí)，優(yōu)選在第一位置將可光聚合的液體組合物連續(xù)施涂于本身運(yùn)動著的載體上，然后在第二位置上對其進(jìn)行連續(xù)的光照。顯而易見地，載體也可以保持靜止，而施涂液體和光照的位置移動。同樣也可考慮使用非連續(xù)的方法來生產(chǎn)聚合物膜。這些實(shí)施方式有一個(gè)共同點(diǎn)，即由于是透過載體對可光聚合的液體組合物進(jìn)行照射，因此可以進(jìn)行直接在載體上起動但并不完全的液體聚合反應(yīng)。
本發(fā)明的再一個(gè)內(nèi)容在于生產(chǎn)聚合物涂層的裝置，其包括(a)用于容納且必要時(shí)還能用于運(yùn)送載體的機(jī)構(gòu)，(b)用于將可光聚合的液體組合物施涂于載體上的機(jī)構(gòu)，和(c)用于透過載體照射可光聚合的液體組合物，從而能在載體上形成具有預(yù)定厚度的聚合物涂層的機(jī)構(gòu)，和(d)任選地，用于將未聚合的液體組合物從聚合物涂層上分離的機(jī)構(gòu)。
所述方法和裝置可用于生產(chǎn)一種其中的聚合物涂層中包埋有指示劑，例如生物分子，如酶的傳感器。指示劑在聚合物涂層中可以以固定形式存在。特別優(yōu)選指示劑是酶，必要時(shí)是以酶-輔酶絡(luò)合物的形式。傳感器可以是例如光學(xué)或/和電化學(xué)傳感器。特別優(yōu)選的傳感器是基于熒光的傳感器。
本發(fā)明的還一個(gè)內(nèi)容在于制備傳感器的方法，包括以下步驟(a)預(yù)備載體，(b)將可光聚合的且含有至少一種指示劑的液體組合物施涂于該載體上，(c)透過載體照射可光聚合的液體組合物，其照射方式使得在載體上形成具有預(yù)設(shè)厚度的聚合物涂層，
(d)從聚合物涂層中去除殘留的液體組合物，和(e)將具有含指示劑的聚合物涂層的載體置入傳感器中，該傳感器含有用以檢測指示劑和試樣中的分析物間的反應(yīng)的機(jī)構(gòu)。
所述檢測機(jī)構(gòu)優(yōu)選是光學(xué)或/和電化學(xué)的檢測機(jī)構(gòu)。特別優(yōu)選的又是光學(xué)檢測機(jī)構(gòu)，其包括用以照射聚合物涂層的光源和用以捕捉來自聚合物涂層的光的探測器。光源，例如激光或LED，優(yōu)選設(shè)置成能使光透過載體照射到聚合物涂層中去。探測器優(yōu)選設(shè)置成能捕捉到來自聚合物涂層的例如熒光發(fā)射的光線。
傳感器可以用來確定任意分析物，例如物理化學(xué)參數(shù)，如溫度，如O2、CO2、NOx等的氣體分壓，或者是用來確定生物化學(xué)參數(shù)，如生物試樣中的被分析物，如體液。
另外，以下將通過附圖和實(shí)施例來闡述本發(fā)明。


圖1顯示了通過本發(fā)明的方法制備得的傳感器的第一種實(shí)施方式。在一種光學(xué)透明的載體(1)上施涂含有指示劑，如含有針對酶促反應(yīng)的檢測試劑的聚合物涂層(2)。再在聚合物涂層上放置試樣(3)，如血液?？梢酝ㄟ^光學(xué)方法來確定發(fā)生在含于試樣(3)中的分析物和含于聚合物涂層(2)之間的檢測試劑之間的酶促反應(yīng)。來自光源(4)比如激光器或LED的光會從下方(透過載體)射入反應(yīng)劑層(2)中。
從試樣上反射回來的吸收光或熒光可在探測器(5)中檢測。必要時(shí)(特別是為檢測熒光)在探測器之前接入一個(gè)光學(xué)過濾件(6)，用以抑制熒光激發(fā)光的串?dāng)_。
圖2顯示了本發(fā)明聚合物涂層的制備過程。在第一位置(13)，例如在一光學(xué)透明的載體(11)上，例如在一塑料膜上施涂液體試劑(12)。在第二位置上，利用來自光源(14)的光從下透過載體(11)照射液體試劑(12)。同時(shí)使載體沿著箭頭所示方向(15)運(yùn)動。于是在載體(11)上會直接形成聚合過的試劑層(16)。在聚合物涂層(16)上存在著過量的液體試劑。聚合好的試劑層(16)的厚度可以通過試劑組成、光照持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度以及通過載體(11)的性質(zhì)來控制。
圖3自下方示出了基于熒光的傳感器的實(shí)施方式。例如通過圖2的連續(xù)方法制得的且含有指示劑的聚合物涂層可以被切割，并利用已知技術(shù)埋入到傳感器21中去。在將試樣涂覆到上側(cè)面之后，利用來自光源的激發(fā)光(23)，例如UV光從下方照射。通過分析物與檢測試劑在聚合物涂層(22)中的反應(yīng)而產(chǎn)生的熒光(24)例如藍(lán)光能被探測器檢測到。
也可將多種(相同或是不同的)反應(yīng)物施涂于載體上。圖4所示的就是盤形的這種實(shí)施方式的例子。在光學(xué)透明的載體(31)上可排布多個(gè)由帶有指示劑的聚合物涂層組成的試劑點(diǎn)(32)。
實(shí)施例實(shí)施例1在聚合物膜中檢測葡萄糖脫氫酶體系(GlucDH)NAD+中的葡萄糖將如下物質(zhì)的懸浮液混入塑料試劑瓶中。
配方1

將0.5ml這種懸浮液和0.5ml GlucDH溶液(100mg/ml)相混合，并且混合物在超聲波槽內(nèi)進(jìn)行無氣泡的均勻混合。
將澄清溶液澆注到經(jīng)電暈處理的膜(？)上并用常用的光照設(shè)備(Isel-UV-照射儀2)透過載體照射20min。然后用水短暫洗滌該膜并接著將其空氣干燥。
這樣所得到的層厚度為＜2μm。將新鮮調(diào)配的葡萄糖/NAD+溶液(GKL-3-溶液，300mg/dl葡萄糖，1ml/6.4mg NAD+)點(diǎn)在膜上。然后在UV燈下就能立即觀察到很強(qiáng)的熒光。
實(shí)施例2通過添加UV吸收劑影響層厚度制備出其中含有藍(lán)色顏料(吸收最大值≈650nm)用以更好識別的聚合物涂層(配方2)。在另一項(xiàng)試驗(yàn)中在初始配方中混入黃色顏料作為UV吸收劑(配方3)。
配方2

通過攪拌和超聲波槽處理將混合物混合均勻，用滴管將其分散在140μm的Pokalon膜(等離子處理，4級)上并置于UV照射儀(ActinaU4，W.Lemmen GmbH)上照射1min。
所得到的層厚度用螺旋測微器測量，為240.5μm。
配方3

將如上所述的混合物分布于膜上然后進(jìn)行聚合。用螺旋測微器測量所得的層厚度為79.3μm。
試驗(yàn)結(jié)果表明，對層厚度的影響是可以實(shí)現(xiàn)的。如果沒有UV吸收劑，在其他反應(yīng)條件相同的情況下，層厚度為240.5μm(見上)；而有了UV吸收劑(媒染黃7)則只有79.3μm。
權(quán)利要求
1.一種在透明載體上制備聚合物涂層的方法，包括如下步驟(a)預(yù)備載體，(b)將可光聚合的液體組合物施涂于載體上，(c)透過載體照射可光聚合的液體組合物，其照射方式使得在載體上形成具有預(yù)設(shè)厚度的聚合物涂層，和(d)從聚合物涂層上去除殘留的液體組合物。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于使用至少部分光學(xué)透明的載體。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于使用厚度為至少5μm的載體。
4.上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于使用選自塑料載體、玻璃載體或石英載體的載體。
5.上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于使用一種可光聚合的液體組合物，該組合物包含有至少一種可光聚合的物質(zhì)。
6.權(quán)利要求5的方法，其特征在于所使用的單體選自丙烯酸類單體、乙烯基芳族單體、官能化的聚乙烯基吡咯烷酮和它們的任意組合。
7.上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于所用的可光聚合的液體組合物含有至少一種光引發(fā)劑。
8.上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于通過變化以下三種變量來控制聚合物涂層厚度(i)照射強(qiáng)度，(ii)照射持續(xù)時(shí)間，和/或(iii)添加能吸收聚合反應(yīng)光的物質(zhì)。
9.上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于所制得的聚合物涂層厚度為≤500μm，特別是≤5μm。
10.上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于所制備得的聚合物涂層含有至少一種指示劑。
11.權(quán)利要求10的方法，其特征在于使用大分子物質(zhì)作為指示劑。
12.權(quán)利要求10或11的方法，其特征在于使用催化性物質(zhì)特別是酶作為指示劑。
13.上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于制備交聯(lián)的聚合物涂層。
14.權(quán)利要求13的方法，其特征在于交聯(lián)聚合物涂層中包含大分子。
15.上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于使用UV光進(jìn)行照射。
16.上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于聚合反應(yīng)以連續(xù)過程進(jìn)行。
17.權(quán)利要求16的方法，其特征在于在第一位置將可光聚合的液體組合物連續(xù)施涂于本身運(yùn)動著的載體上，然后在第二位置上對其進(jìn)行連續(xù)的光照。
18.一種用于制備聚合物涂層的裝置，其包括(a)用于容納且必要時(shí)還能用于運(yùn)送載體的機(jī)構(gòu)，(b)用于將可光聚合的液體組合物施涂于載體上的機(jī)構(gòu)，(c)用于透過載體照射可光聚合的液體組合物，從而能在載體上形成具有預(yù)定厚度的聚合物涂層的機(jī)構(gòu)，和(d)必要時(shí)包括的用于將未聚合的組合物從聚合物涂層上脫除的機(jī)構(gòu)。
19.權(quán)利要求1至17之一的方法或權(quán)利要求18的裝置用于生產(chǎn)其中聚合物涂層含有至少一種指示劑的傳感器的用途。
20.權(quán)利要求19的用途，其特征在于指示劑在聚合物涂層中以固定形式存在。
21.權(quán)利要求19或20的用途，其特征在于聚合物涂層中含有酶，酶在適當(dāng)時(shí)以酶-輔酶絡(luò)合物的形式存在。
22.權(quán)利要求19-21之一的用途，其特征在于傳感器選自光學(xué)或/和電化學(xué)傳感器。
23.一種用于制備傳感器的方法，其包括如下步驟(a)預(yù)備透明載體，(b)將可光聚合的且含有至少一種指示劑的液體組合物施涂于載體上，(c)透過載體照射可光聚合的液體組合物，其照射方式使得在載體上形成具有預(yù)設(shè)厚度的聚合物涂層，(d)從聚合物涂層中去除殘留的液體組合物，(e)將具有含指示劑的聚合物涂層的載體置入傳感器中，該傳感器含有用以在試樣中檢測指示劑和分析物的反應(yīng)的機(jī)構(gòu)。
24.權(quán)利要求23的方法，其特征在于指示劑包括酶，酶在適當(dāng)時(shí)以酶-輔酶絡(luò)合物的形式存在。
25.權(quán)利要求24的方法，其特征在于檢測機(jī)構(gòu)包括光學(xué)或/和電化學(xué)檢測機(jī)構(gòu)。
26.權(quán)利要求25的方法，其特征在于光學(xué)檢測機(jī)構(gòu)包括用于照射聚合物涂層的光源和用于捕捉來自聚合物涂層的光的探測器。
27.權(quán)利要求26的方法，其特征在于設(shè)置光源使得光能透過載體照射入聚合物涂層中。
28.權(quán)利要求26或27的方法，其特征在于設(shè)置探測器用以捕捉來自聚合物涂層的熒光發(fā)射。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在載體上通過光聚合一種可光聚合的液體組合物來制備聚合物涂層的方法，一種用于在載體上制備聚合物涂層的合適的裝置，和一種用于制備其中置入了指示劑的傳感器的方法。
文檔編號C12Q1/32GK1653189SQ03811081
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月16日
發(fā)明者C·霍恩, J·赫尼斯, W·-R·克納珀 申請人:霍夫曼-拉羅奇有限公司