专利名称：涂有透明有机薄膜的基材及其制备方法
技术领域：
本发明涉及涂有透明有机薄膜的基材，涉及这种涂有透明有机薄膜的基材的制备方法，还涉及其应用。
“透明”薄膜指的是在至少电磁波谱领域内具有明显透明的光学性能(没有光吸收，没有“猝灭”等)的薄膜，特别是在所考虑的透明波长范围内具有很小的光学衰减，或者说很小的“系数k”的薄膜。此光学衰减系数是采用光谱椭圆测量法或者分光光度法测量的。
此基材可以是电的绝缘体、导体或半导体基材。它构成透明有机薄膜的载体，可以根据涂布本发明透明有机薄膜的基材的应用或者用途选择载体。
本发明还涉及涂布薄的透明薄膜基材在质量控制、检定或认证领域中的应用。
实际上，本发明能够表明涂布本发明有机薄膜的基材的制造方法和/或来源，在它们的内部或表面上将能够有意地插入很少量已知的荧光、磷光或化学发光的标记物。在本发明的这些应用中，基材是一个很普通物体。
本发明还比如在透明有机薄膜当中或上面，在化学吸附或物理吸附预先被荧光、磷光或化学发光标记物官能化的化学物质、生化物质或生物物质进行检测领域中得到应用，比如用在通过荧光检测待进行化学分析或生化分析的片段，比如DNA片段的方法中得到应用。在此类应用中，该基材构成了检测介质的载体。
比如，在生物芯片的情况下，此基材可以是比如二氧化硅、金或复合物载体，比如是Au/Si、Au/SiO2或者更一般地是金属/基材载体，透明有机薄膜可以是在该表面某些部分上固定生物探针的其中一种分子介质。
当生物芯片与待分析的试样溶液相接触时，在试样的DNA和固定在基材上的DNA之间就发生配对。可以使用荧光、磷光或化学发光标记物预先对试样的DNA进行标记来检测此固定。按照本发明，可以选择该薄膜，使之在使用的荧光、磷光或化学发光标记物发射的波长下是透明的，致使尽可能少吸收此标记物所发射的光子，使得在基材表面上有很低浓度就能够检测出来，并且对测量的干扰尽可能小。于是，检测与生物芯片配对的信噪比和检测下限就得到改善。
在下面的叙述中，方括弧中的参考文献指的是附录中的文献。
现有技术关于生物芯片的应用，文献FR-A-2,787,581(1998)、FR-A-2,787,582(1998)和US-5,810,989(1998)叙述了在二氧化硅基材上导电聚合物前体单体，比如吡咯与被识别分子，特别是寡核苷酸官能化的单体进行电共聚合反应。此技术是当前在生物芯片区段上局部固定识别分子的最有用的技术中的一种技术。
在此技术中，利用在该基材上粘附聚吡咯导电薄膜，从而实现在其上固定识别分子。
如在前面的文献中，以及在文献FR-A-2,784,188(1998)和在FR-A-2,784,189(1998)中所叙述的，将如此官能化的芯片与含有能与载体上的识别分子偶联的靶分子的待分析的试样溶液相接触。
为了选择性地检测在识别分子与靶分子之间发生了偶联的区段，使用比如像荧光素或藻红素的荧光分子对靶分子进行“标记”可能是有利的，这些荧光分子在543nm具有吸收，而在580nm具有发射，然后借助于适当的光学设备检测其存在。
可惜，在所用的荧光标记物的发射波长区，聚吡咯具有不可忽视的吸收。在涉及相关技术的文献中对此缺点有大量的叙述。
实际上，在参考文献[1]中，Arwin等人测量了金载体上厚度22nm的聚吡咯薄膜，对于折光指数n＝1.45，消光系数k＝0.3；在参考文献[2]中，Kim等人测量了厚度47nm的聚吡咯薄膜，在λ＝632.8nm处的消光系数k＝0.3，折光指数n＝1.6；在参考文献[3]中，Kim等人测量了，处于氧化态的、54nm的聚吡咯薄膜，消光系数k＝0.28时折光指数n＝1.45，而对于47nm的还原态薄膜，消光系数k＝0.21时折光指数n＝1.6；在参考文献[4]中，Guedon等人测量了在金载体上厚度7.5～20nm的聚吡咯薄膜，在633nm处，消光系数k＝0.3时折光指数n＝1.7。
因此，用于固定识别分子的聚吡咯吸收了偶联靶分子的大部分荧光信号，所以这就干扰了检测的方式。
另外，靶分子及其标记物都包括在聚吡咯当中，特别是由于识别分子是通过共聚被固定的，此干扰吸收提高了本方法能够达到的检测下限值。
比如，在诊断领域中，这个缺点是很有妨碍的，因为在很低的靶分子浓度下，因此在表现出生物芯片的各种好处的荧光标记物的表面浓度也是很低的情况下，这个缺点就是非常明显的。
发明的公开本发明的目标的特别是提供一种涂有透明薄膜的基材，以及此涂有薄膜的基材的制造方法，本发明一方面对涉及生物芯片的现有技术中提出的技术问题给予答复，另一方面在任何一个目的物的质量控制、检定或认证的领域中提供一种新的有力的工具。
涂有本发明薄膜的基材，其特征在于此薄膜是电绝缘的有机聚合物，而且在至少一个波长范围内是透明的，其特征还在于所述薄膜与至少在所述波长范围内具有发射谱的标记物结合。
实际上，本发明人意外地发现，导电的特性和强消光性能是有联系的。
因此，按照本发明，术语“透明的”指的是在本发明使用的标记物在其检测的波长范围内是透明的。
按照本发明的第一个实施模式，在本发明绝缘聚合物应该是透明的这个波长范围，要根据比如在上述应用中使用的标记物来确定。
特别是，一旦选定了标记物，因此也就是选定了标记物发射波长，就很容易采用比如光谱椭圆测量法或者分光光度法确定在希望的波长下该一种或几种聚合物的消光值，并检验其在本发明中是否可以应用。
按照本发明的此第一种实施模式，就是说要根据标记物来选择绝缘聚合物。
按照本发明的第二种实施模式，在选择了绝缘聚合物以后，确定此绝缘聚合物是透明时的波长范围，然后根据此波长范围，选择其发射谱处于该聚合物所述透明范围内的标记物。
按照本发明的此第二种实施模式，就是说要根据该聚合物来选择标记物。
因此，按照本发明，各种绝缘聚合物都能够在至少一个波长范围内被用作透明薄膜。
其中，作为非限制性的例子，可以举出交联的或非交联的乙烯基聚合物、共聚物或者它们的混合物，特别是丙烯腈、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、甲基丙烯酸羟基乙酯、甲基丙烯酸羟基丙酯、氰基丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、苯乙烯、对氯苯乙烯、N-乙烯基吡咯烷酮、乙烯基卤化物、丙烯酰氯、甲基丙烯酰氯的交联或非交联聚合物、共聚物或它们的混合物。
作为非限定性的例子，还可以举出选自如下的交联或非交联的聚合物聚丙烯酰胺，异戊二烯、乙烯、丙烯、环氧乙烷和具有张力环分子、乳酸或者其低聚物、内酯、ε-己内酯、羟基乙酸、天门冬氨酸的聚合物，聚酰胺，聚氨酯，聚对亚苯二甲基和基于取代的聚对亚苯二甲基的聚合物、低聚肽和蛋白质，以及基于这些聚合物的预聚物、大分子单体或遥爪聚合物，以及可以由这些聚合物的单体或这些聚合物本身形成的共聚物和/或混合物。
然后，通过除与材料的光学性能严格有关以外的考虑，可以确定选择所考虑应用中的待用绝缘聚合物，例如选自上述绝缘聚合物。
比如，按照本发明，可以在本发明可使用的聚合物的范围内选择此聚合物，比如选自能够与基材粘附的聚合物、能够被官能化的聚合物、具有热弹性的聚合物等。
在上述绝缘聚合物中，本发明人特别注意到乙烯基聚合物，因为它们可以很容易地通过不同类型的反应，比如离子型或游离基型的反应来制造，特别是制造成薄膜，还因为它们可以经由电化学的途经得到，以及被电接枝在电的导体或半导体的表面上。
乙烯基聚合物是由如下通式(I)的单体经聚合得到的 其中，R1、R2、R3和R4是氢原子或任何性质的有机基团，比如它们选自如烷烃、烯烃、炔烃的烃类；比如酰胺、醛类、酮类、羧酸、酯类、酰卤、酸酐、腈类、胺类、硫醇、磷酸酯、醚类、芳香族的同素环或杂环，或者各种带有这些官能团的环状基团，以及具有多个这些官能团的任何基团；或者由与如上所述通式(I)相当的不同单体的混合物经聚合得到的。
在下面所公开的实施本发明的非限定性实施例中，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)的光学性能进行了检验。在质子惰性的有机介质中，这两种单体能够通过电还原生成电接枝绝缘聚合物。
按照本发明，在一个特殊的应用中，可以通过乙烯基单体的电接枝，将乙烯基聚合物任选有选择地在基材的导体或半导体表面上进行局部接枝，这使其在生物芯片的应用中作为聚吡咯的取代基变得有意义。
按照本发明的应用，可以采用专业人员已知的各种方法在各种类型的表面上沉积这些聚合物，以得到这些聚合物的薄膜，这些技术有在比如专利US-4,421,569、5,043,226或5,785,791中叙述的比如离心涂布技术(旋涂)、浸渍涂布技术(浸涂)、超真空蒸发技术、化学真空淀积(CVD)技术、表面化学聚合技术等；在比如专利申请WO-A-99/08717和WO-A-99/16907中叙述的在表面上进行光化学接枝聚合物的技术；在粒子或光子辐照下进行聚合物接枝、在氧化物或其他聚合物表面上直接或通过化学偶联剂(比如硫醇、硅烷等)进行化学接枝、在通过电化学就地得到的引发剂，特别是游离基引发剂引起的聚合反应后进行连续沉积等。
按照本发明的一个特定实施模式，例如通过在特别含有偶氮盐和可通过游离基途径可聚合单体的溶液或凝胶中，将导体或半导体的表面进行极化，就能够得到薄层状的透明聚合物沉积层。
按照一个有利的实施模式，这样的聚合物膜，特别以薄膜的形式，即其厚度小于一个微米，比如1～100nm的形式被接枝在基材的表面上。
在比如所附的权利要求所限定的本发明的范围内，另外的厚度也是可能的。
还可以涉及在一步或几步中，通过比如化学途径、电化学途径或光化学途径，在表面上接枝的预形成聚合物膜，或者涉及由前体单体，例如通过化学、电化学或光化学途径引发的在表面上直接构筑的薄膜。
可以按照本发明使用方法的物理-化学特征，在电的绝缘体、导体或半导体的表面上进行此接枝。
按照一个优先的实施模式，可以通过比如在专利申请EP-A-038,244中叙述的乙烯基单体电接枝的方法，在电的导体或半导体表面上得到透明聚合物的超薄膜。
按照本发明，只要能够与符合本发明的电绝缘有机聚合物结合，标记物可以是任何标记物，至少在该标记物的发射波长范围内，所述聚合物应该是透明的。
此标记物可以是比如荧光的、磷光的或化学发光的标记物。
这可以涉及比如选自下面荧光素、取代的荧光素的标记物比如二乙酸荧光素、5-和6-羧基荧光素、二乙酸5-和6-羧基荧光素、5-和6-羧基荧光素的琥珀酰亚胺酯等、若丹明和取代的若丹明、Coelenterazine和取代的Coelenterazine、水母发光蛋白、虫荧光素和取代的虫荧光素、磷酸溴氯吲哚氧酯(BCIP)、鲁米诺、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’-四甲基吲哚羰花青盐、3，3’-二(十六烷基)氧杂羰花青羟基乙磺酸酯、二(1，3-二巴比土酸)-三次甲基噁醇、四唑盐、钙络合物、钾络合物、蒽醌、蒽、芘、阿霉素、藻红蛋白、卟啉、酞菁，以及更一般地包括金属有机络合物、荧光蛋白，特别是绿色荧光蛋白(GFP，见K. F.Sullivan和S.A.Kay，《细胞生理学方法》第58卷绿色荧光蛋白，Academic Press，1999)、荧光无机盐(特别是铀盐)以及各种具有荧光团的分子。化学荧光标记物是当其在有其他分子存在时会发射荧光的标记物。这些标记物对于专业人员是已知的，这可能涉及比如在分子生物学中通常使用的生物素-抗生物素蛋白偶合。
考虑到选择结合的电绝缘有机聚合物，标记物的用量可以很少。比如，标记物的浓度可以在纳摩尔到微摩尔的数量级，比如1nmol～10μM。
按照本发明，术语“结合的标记物”指的是被混入绝缘聚合物薄膜的，或者被固定在一种或多种单体上的，比如用来制造聚合物薄膜的预先官能化的，或者是被直接或间接固定在薄膜表面上的，或者在制造聚合物薄膜时被埋入其表面中的，或者借助标记物溶液简单地将其涂布在薄膜上的标记物。
比如在进行质量控制、检定或认证应用中，可以将标记物混入绝缘有机聚合物中，或者在采用浸渍涂布聚合物以后，标记物放入能使聚合物溶涨的含有标记物的溶液中，或者在标记物存在下，在合成介质中进行聚合合成时放入，或者在与用标记物化学官能化的单体或共聚单体进行聚合合成时放入，或者借助于标记物溶液将其涂布在聚合物上。
比如在涉及到生物芯片的应用中，可以通过在薄膜上直接接枝，或者间接地接枝在绝缘有机聚合物薄膜上接枝的识别分子上结合标记物。
因此，通过用本发明的绝缘聚合物，比如用乙烯基聚合物代替广泛使用的聚吡咯，本发明就可以解决比如上述现有技术涉及到生物芯片的问题。实际上，如后面实施本发明实施例中所显示出的，这些绝缘聚合物的消光系数只及如聚吡咯的导电聚合物的1/10～1/100，这就明显地降低了在使用芯片，比如生物芯片的检测方法中对标记物的干扰。
因此，通过降低检测下限，使得其低于比如使用聚吡咯或其他导电聚合物芯片的检测下限，本发明能够制造出比现有技术敏感得多的检测芯片。
除了用按照本发明的选定绝缘聚合物代替涂布在基材上的导电膜以外，可以通过各种已知的方法来制造这些检测芯片。
本发明还涉及这样的透明有机薄膜的用途。
一般说来，这样的涂层能够保留住在相当于其透明区的电磁波谱区域内选择的比如荧光、磷光或化学发光标记物，而且特别当有机薄膜中或其表面上有很少量这些标记物存在时，允许检测这些标记物本身，这是由于所选的绝缘有机聚合物薄膜的光学透明性能所致。
因此，本发明涉及与标记物结合的电绝缘和透明的有机聚合物薄膜在至少一个波长范围内的应用，该标记物在检测化学物质的方法中，至少在所述波长范围内具有发射谱。
实际上本发明的绝缘有机聚合物薄膜可以被化学物质的识别分子官能化，这些物质有比如核酸、蛋白质、抗原、抗体、合成的有机分子等。比如在用生物芯片进行检测的方法中，该化学物质可以是DNA。
本发明的绝缘有机聚合物薄膜也可以用作分子，比如生物活性剂，象阿霉素的包封剂，其分子结构使得这些分子是荧光剂。在此类应用中，该分子本身同时具有两种性能一种与其生物活性有关，一种与其荧光特性有关。
更为一般地，本发明涉及与标记物结合的本发明电绝缘和透明的有机聚合物薄膜在至少一定波长范围内的应用，该标记物在检测化学物质的方法中，至少在所述波长范围内具有发射谱。
如在上面所公开的，该检测手段可以是一种生物芯片，比如具有DNA的芯片、具有蛋白质的芯片、化学探头等。
本发明还涉及与标记物结合的本发明电绝缘和透明的有机聚合物薄膜在至少一定波长范围内的应用，该标记物在选自质量控制方法、目的物的检定方法或目的物认证等方法中，至少在所述波长范围内具有发射谱。
在工业上涂布薄的绝缘聚合物薄膜的方法中进行质量控制时，比如十分关键的是要能够对涂层的厚度进行表征。对于薄的薄膜，特别是当此薄膜的厚度小于100nm时，必需使用昂贵而缓慢的技术，比如轮廓曲线法或椭圆偏光法，才得到可靠的厚度测量。另外，快速测量设备的检测下限经常高于微米。再有，当待认证试样形状复杂(微球、栅状、粉末等)时，采用轮廓曲线法或椭圆偏光法是很难办到的。
按照本发明，通过将聚合物薄膜与标记物，比如荧光剂、磷光剂或化学发光剂结合，通过测量发射的荧光强度有可能很简单地达到间接测量薄膜厚度。
通过用其光谱包括至少荧光团吸收波长的光源照射在其上面涂有结合了本发明标记物的聚合物薄膜的目的物，再测量在荧光团发射波长段的发射荧光强度，就能够做到这一点。
为此，对于按照相关的工业涂布方法覆盖了聚合物薄膜的不同平面试样，预先绘出标定曲线，或者说标准曲线，在此曲线上将与荧光标记物结合的薄膜荧光强度绘成随采用轮廓曲线法或椭圆偏光法所测量的厚度的函数就足够了，对于各个试样，与薄膜结合的标记物的浓度是经过选择的，而且这些标记物都是同样的。
使用这种标准曲线，采用有关工业方法制造的同样聚合物薄膜，它含有选择的与上述试样相同浓度的标记物，测量其薄膜所发射荧光的强度就足以测量出该薄膜是否具有所需的厚度，这就是说，知道了所述目的物的面积，就知道是否符合厚度方面的技术规范。
如果此面积是未知的，同样的操作程序提供了至少一种在线控制工业涂布聚合物薄膜方法的再现性的手段。
因此，使用标准曲线就能够在很短时间内对按照本发明的薄膜厚度进行控制。
在此质量控制的应用中，由于荧光团的介入，本发明利用了涂层的活性。
本发明还可以用于检定或认证目的物。为此，在所述目的物上面涂布一层在至少一定波长范围内是透明的电绝缘有机聚合物薄膜，此薄膜上结合了在至少所述波长范围内具有发射谱的本发明的标记物。这样一来，简单地测量荧光，就能够确定该目的物是否是被认证的物体，即是否含有与标记物相结合薄膜，或是否涉及所述目的物的复制件。
确定说不符合经常是很难的，因为许多方法在被处理的物体方面，还是通过在聚合物薄膜和未被处理物品表面之间构成界面性质都有很大的差别。此界面被埋藏在所涂布的薄膜下面，就很难通过涂布的薄膜进行分析，特别是当其厚度超过10nm时。在此情况下，与薄膜涂布方法有关的工业产权资格的持有人可以有利地使用比如荧光剂、磷光剂或化学发光剂等标记物来标记他们制造的薄膜，按照本发明，对于用来检测它们所需的上述测量设备，很低的浓度就足够了。
上述应用只是用来说明，这些应用和将构成薄膜的绝缘聚合物涂布到基材表面上的操作模式，都不应该构成对本发明应用的限制。
实际上，本技术领域的专业人员在其它的应用中，都将通过将一种或几种在一定波长范围内具有低消光系数的电绝缘聚合物的有机薄膜与在该波长范围内具有发射谱的标记物相结合，来估量本发明的重要性。
通过参照附图并阅读下面说明性的、非限制性实施例，本技术领域的技术人员将更加明了本发明的其他优点和特征。
附图的简要说明

图1是说明用来测量本发明绝缘聚合物薄膜厚度的具有旋转偏振片的椭圆偏振光测量法原理的示意图；图2和图3是对于以度表示的不同入射角tan(Ψ)＝f(λ(nm))(图2)和cos(Δ)＝f(λ(nm))(图3)时，以金作为基材的椭圆偏振光光谱图；图4是在只用金作为基材(Or)和与覆盖了有机薄膜的基材上，在75°角在300～800nm的波长测量指数(I)和(N)以及消光系数(E)和(K)的图；图5和图6是在300～800nm的光谱范围内，间隔为5nm在入射角为75°下tan(Ψ)＝f(λ(nm))(图5)和入射角为75°下在cos(Δ)＝f(λ(nm))(图6)时进行测量得到的没有有机聚合物薄膜的椭圆偏振光光谱图；图7是在300～800nm的波长范围内，对于没有有机薄膜的铂基材测量指数(I)和(N)以及消光系数(E)和(K)，以及由E.D.Palik编辑的《固体光学常数手册》(Handbook of Optical Constants of Solids)给出的数据图；图8a)、图9a)、图10a)和图11a)是通过在55°～75°，间隔5°下，在300～800nm的波长范围内和间隔5nm下tan(Ψ)＝f(λ(nm))，分别对于试样AuMAN7、AnMAN24、AuMAN2401和Au2301进行测量得到的覆盖了PMAN薄膜的铂基材的椭圆偏振光光谱图；图8b)、图9b)、图10b)和图11b)是在50～75°和间隔5°下，在300～800nm，间隔5nm的波长范围内以75°的入射角(图5)和在cos(Δ)＝f(λ(nm))时，分别对于试样AuMAN7、AnMAN24、AuMAN2401和Au2301进行测量得到的覆盖了PMAN薄膜的铂基材的椭圆偏振光光谱图；图12是表示在涂布了本发明不同电绝缘和透明有机聚合物涂层的金基材上测量试样的反射率(％)作为波长(nm)函数的图；图13a)和图13b)是在50～75°，间隔5°下，在300～800nm，间隔5nm的波长范围内，对于覆盖了基于重氮盐的导电有机聚合物薄膜的铂基材(试样0101Pt6)，在不同的入射角(°)下tan(Ψ)多角＝f(λ(nm))(图13a))和cos(Δ)多角＝f(λ(nm))(图13b))时测量的椭圆偏振光光谱图；
图14a)和图14b)是在50～75°，间隔5°下，在300～800nm，间隔5nm的波长范围内，对于覆盖了基于重氮盐的导电有机聚合物薄膜的铂基材(试样0101Pt14)，在不同的入射角(°)下tan(Ψ)多角＝f(λ(nm))(图14a))和cos(Δ)多角＝f(λ(nm))(图14b))时测量的椭圆偏振光光谱图；图15表示在400～800nm的波长范围内，以560nm为参考波长时，用来确定覆盖了重氮盐基导电有机薄膜的铂基材试样(试样0101Pt6和0101Pt14)的反射率的椭圆偏振光测量结果；图16表示在400～800nm的波长范围内，以560nm为参考波长时，用来确定覆盖了基于重氮盐导电有机薄膜的铂基材试样(试样0101Pt6和0101Pt14)损失的椭圆偏振光测量结果；图17是在表面上荧光团偶极子模型的示意图这表示放在表面x上面的偶极矩m的偶极子。三种介质的区别是不同的，偶极子环境，指数n1的区，在此是表膜；指数n2的区域是累积薄层，而n3的区域是基材；图18a)和图18b)表示在表面上按照两个方向平行(∥)(图18a)和垂直(⊥)放置在有机薄膜表面上的荧光团偶极子的荧光信号(信号(ua)＝f(聚合物厚度(nm)))的模型。在这两个图中，情况1n＝1.5；k＝0.02；情况2n＝1.5；k＝0.003；情况3n＝1.5；k＝0.0(极端值)；情况4模拟了典型导电有机薄膜如由重氮盐得到的膜n＝1.5；k＝0.4；在这些图上，横轴表示聚合物薄膜的厚度“e”，纵轴表示信号“s”。
图19a)和图19b)是涂布了聚合物的金基材的示意图，在第一种情况下(图19a))涂布的是按照先有技术的聚吡咯薄膜；在第二种情况下(图19b))涂布的是按照本发明的绝缘有机聚合物薄膜(ManAu11)；图20a)是在金基材上涂布了Amersham公司的一滴(0.5μL的1μM溶液)荧光团Cydctp(商品名)的荧光底片(物镜×50，曝光时间200ms)，在金区；图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)荧光团Cydctp(商品名)的荧光底片(物镜×50，曝光时间200ms)，在相当于聚吡咯的区域；
图20c)是在涂布在金基材上的聚甲基丙烯腈(PMAN)薄膜上(试样AuMan11)涂布了Amersham公司的一滴(0.5μL的1μM溶液)荧光团Cydctp(商品名)的荧光底片(物镜×50，曝光时间200ms)，在相当于MAN涂层的区域。
实施例实施例1试样光学性能的测量和建模技术通过分光椭圆偏振光法进行消光测定。这是一种非破坏性的光学技术，该方法能够通过调制使光线偏振，通过测定指数和厚度来表征涂布薄材料。
当光束在试样表面上反射时，其偏振态被调制。实际上，在倾斜入射时，光波的电场被按照两个特有的方向分解，其中一个垂直于入射平面(S波)，另一个与此面平行(P)。这两个波与试样的表面具有不同的相互作用，根据涉及波(S或P)，显示出振幅反射系数rS和rP。
此时由S波和P波在振幅和相位行为上的差别造成的偏振态的变化可以按照如下的公式eq1用ρ来表征ρ=rprs=tan(ψ)eiΔ---eq1]]>tan(Ψ)表示在偏振S和P之间的振幅比，而Δ表示它们之间的相位差。
使用的椭圆仪是SOPRA公司的GESP5(商品名)。它能够测量tan(Ψ)和cos(Δ)随待分析光束的波长的变化，即术语“分光椭圆偏振光分析”，和/或随入射角θ的变化。使用的具有旋转偏振片的椭圆分析仪的原理，显示在图1中。
在此图上，S表示光源，s和p表示入射光的偏振向量，P和A表示旋转偏振片，D表示检测器。
借助试样模型，通过对椭圆测量法给出的测试值进行回归，就可以计算出试样的特征。
为了对试样、厚度e、指数n和消光k进行表征，可以通过用非离散定律在复平面中的非线性回归，然后使用Lorentz振荡器模型，借助于修匀软件，通过对椭圆测量法的测量值进行回归分析。
分光光度学的测量证实了结果的一致性。
实施例2被检验的试样对8个不同的试样进行测量，它们的特征汇总在表1中。
对3个不同系列的试样进行分析—一个系列是在金上电接枝PMAN薄膜，厚度为9～150nm。此薄膜是在5×10-2M的四乙基高氯酸铵(TEAP)作为电解液载体存在下，在金电极上，将甲基丙烯腈在无水乙腈中的2.5M溶液进行电解还原而得到的。此电解还原是在100mV/s下，在-0.3-2.6V/(Ag+/Ag)的电流电压条件下，在没有间隔的电解室中，使用大面积铂制对电极进行的。改变电流电压扫描数可得到不同的厚度。
—两种在金上电接枝的PMMA薄膜，一个厚度是100nm，另一个是厚的(厚度＞0.5μm)。这两种薄膜是在与PMAN薄膜相同的条件下，对甲基丙烯酸甲酯进行电解还原得到的。
—两种薄膜是在作为电解质载体的5×10-2M的TEAP存在下，在铂电极上，将对硝基苯基四氟硼酸重氮盐(PNPD)在无水乙腈中的10-3M溶液进行电解还原而得到的。在-200mV/s下，施加从+0.3V/(Ag+/Ag)到-2.9V/(Ag+/Ag)的电位扫描。通过此操作程序分别得到厚度3nm和30nm的两种薄膜。
选择这最后一系列试样是因为，与前两个系列的薄膜相反，由PNPD电接枝得到的有机薄膜是电的导体。另外，椭圆测量法的测量值还将与在以聚吡咯薄膜作为导电聚合物时得到的数值进行比较。
在下面表1中报告的不同薄膜厚度是用轮廓曲线法测量出来的。在此表中，还报告了按照两个点间距为500μm和2mm时，用轮廓曲线法测量的算术粗糙度。
表I在实施的实施例中所使用试样的编号和特征

在此表格中，聚甲基丙烯腈或聚甲基丙烯酸甲酯薄膜都是绝缘的，硝基苯甲酸薄膜是导体。
基材的椭圆偏振光测量金层(基材)的特征测量了不同入射角的金的椭圆偏振光光谱。这种实施方式能够为50°～70°，间隔为5°时，根据对这些不同的数值得到的结果评价最终结果的质量。测量的光谱是在300～800nm，测量间隔是5nm。它们列于图2和图3中。
对试样MANAu11，对没有浸入反应混合物的部分，也就没有涂布任何有机薄膜的部分进行金的测试。
我们将要研究这层金的指数和消光值，其金层厚度超过微米在椭圆测量上能够将其与基材相似地对待。然后，相反解方程求出用于得到金的n和k的数据。每一个测量角都进行了此操作。在图4中报告了在整个300～800nm波长，在入射角75°下所测量的指数。
为了进行比较，除具有接枝的有机薄膜试样外，还报告了仅在金基材上进行的测试，这使得能够检验测试的稳定性。
铂层(基材)的特征在50～75°，以5°的间隔，在300～800nm的波长范围内，以5nm的间隔，以与金同样的条件测量铂的椭圆偏振光光谱。
对试样0101Pt6，对没有浸入反应混合物的部分，也就没有涂布任何有机薄膜的部分进行铂的测试。
图5(tan(Ψ)＝f(λ(nm))，入射角75°)和图6(cos(Δ)＝f(λ(nm)入射角75°)报告了由此测试得到的结果。
我们将要研究此铂层指数和消光值，其铂层厚度超过微米，在椭圆测量法上，能够将其层与基材相似地对待。此时相反解出在75°下测量的数据，以得到n(指数)和k(消光系数)。图7汇总了如此得到的指数(I)和消光(E)的结果。在此图中，还列出了E.D.Palik编辑的《固体光学常数手册》(Handbook of Optical Constants of Solids)所给出的值。
为了表征此试样，我们取由椭圆测量法给出的结果作为铂的参考值。
试样的椭圆偏振光测量在300～800nm的波长范围内，在θ＝60°下进行测量。在金基材上的试样的椭圆测量法结果为了使结果更加精确，测量在不同角度的试样AuMAN7、MANAu24、Au2301和Au2401。
对于试样AuMAN7，进行的测量使得能够形成在图8a)和图8b)中表示的光谱；对于AuMAN24形成在图9a)和图9b)中表示的光谱；对于Au2401形成在图10a)和图10b)中表示的光谱；而对于Au2301形成在图11a)和图11b)中表示的光谱。图a)相当于tan(Ψ)多角的测量，而图b)相当于cos(Δ)多角的测量。
在金基材上试样的分光光度学测量结果用手动分光光度计Lambda9m(商品牌号)测量了试样，测定了每个试样的反射率、透射率和损失，波长范围是400～800nm，参考波长是560nm。
我们观察到，所有在金基材上的试样都具有同样的光谱，而且在560nm时，72.5％＜R＜84.2％；T≈0，以及157％＜P＜27.5％。此结果报告在下面的表2中
表2对于在金基材上的试样，在560nm时的反射率(R)、透射率(T)和损失(P)

图12是对在涂有本发明的不同电绝缘和透明的有机聚合物薄膜的金基材试样上，反射率(％)与波长(nm)的函数关系图。
我们发现，所有在金基材上的试样具有同样的光谱，而且在560nm时，72.5％＜R＜84.2％；T≈0，以及15.7％＜P＜27.5％。特别是发现，在很宽的波长范围内，这些绝缘薄膜具有很小的损失。与用PNPD导电薄膜得到的结果相比，此观察将更加清楚。
在铂基材上的试样的椭圆测量法结果图13a)和图13b)表示在50～75°，间隔5°，波长范围300～800nm，间隔5nm时，对试样1010Pt6在不同入射角tan(Ψ)多角＝f(λ(nm))(图13a))，和cos(Δ)多角＝f(λ(nm))(图13b))下进行的椭圆偏振光光谱测试的光谱。
图14)和图14)表示在50～75°，间隔5°，波长范围300～800nm，间隔5nm下，对试样0101Pt14，在不同入射角tan(Ψ)多角＝f(λ(nm))(图14a))，和cos(Δ)多角＝f(λ(nm))(图14b))下进行椭圆测量法测试的光谱图。
在铂基材上的试样的分光光度学测量结果用手动分光光度计Lambda9m(商品牌号)测量了试样，测定了每个试样的反射率、透射率和损失，波长范围是400～800nm，参考波长是560nm。
我们发现，在铂基材上的试样具有十分不同的光谱。在下面的表3中汇总了反射率、透射率和损失。可以观察到，在导电聚合物PNPD薄膜的情况下，损失要比在金基材上得到的绝缘薄膜的情况下大得多。
表3铂基材上的试样，在560nm的反射率(R)、透射率(T)和损失(P)

图15表示在400～800nm的波长范围内，参考波长560nm时，涂有导电聚合物的铂试样0101Pt6和0101Pt14的反射率，图16表示其试样的损失。
试样的表征为了表征试样(e、n和k)，借助使用非分散定律的软件SporX(商品名)，然后用Lorentz振荡器对椭圆测量法的测量结果进行回归。一方面从两个模型之间，另一方面通过分光光度法得到了一致的结果。
这些表征小结汇总在表4中。
对于绝缘的乙烯基薄膜，测量到很低的消光系数(k＜0.02)，而导电的PNPD薄膜给出至少十倍大的消光系数。
为了进行比较，在同样的条件下，与所测量的试样厚度接近(20nm)的聚吡咯薄膜测量的消光系数为0.3～0.5。
表4试样的光学表征

现在研究对在薄膜表面上吸附的荧光团发射的信号进行表征。
首先，介绍由于低消光得到的好处，然后通过简单测试，表明对于在金基材上的PMAN薄膜，其荧光的产生率要远优于同样厚度的聚吡咯薄膜。
如在图17中所示，荧光团建立模型为电偶极子，即在电磁学理论中可设想的最小的源。这样的作法，在一般的应用中对所处理的问题没有任何不良影响，因为可以计算出问题的Green函数，而且能够把各种更为复杂的电磁源重组为基础偶板子的叠加。再者，我们假设，电磁场不被量子化。为了建立在激光共振腔中荧光和发光模型而进行的理论模型比较，无论从传统还是从量子的观点出发都显示出几乎类似的结果。
基于表4的结果模拟了如下的情况情况1n＝1.5/k＝0.02；情况2n＝1.5/k＝0.003；情况3n＝1.5/k＝0；(极端值)；后一种情况模拟了典型的导电有机薄膜，比如像由重氮盐得到的薄膜(试样0101Pt6和0101Pt14)；情况4n＝1.5/k＝0.4。
使用的荧光团是藻红素，吸收＝543nm，发射＝580nm，其相对于该表面的振幅是10nm。此荧光团浸入在环境液体中。
对于此偶极子考虑两个不同的方向一个是与表面平行的方向，一个是与表面垂直的方向。改变聚合物的厚度，计算出在荧光团环境介质中发射的信号(这是很开放的荧光分析显微镜的情况)。
图17是表面上荧光团偶极子模型的示意图它表示放在一个表面x上面的具有偶极矩m的偶极子。区分出三种介质，即偶极子的环境，在此区域1是表层；区域2是堆积的薄层；而区域3是基材。n1、ε1、n2、ε2和n3、ε3分别是区域1、2和3的指数和介电电容率；d表示在聚合物表面上偶极子的距离，而t表示聚合物的厚度。
图18a)和图18b)表示在按照两个方向，与表面平行(图18a))和与表面垂直(图18b))，放置在有机薄膜表面上荧光团偶板子的荧光信号模型(信号(ua)＝f(聚合物厚度)(nm))。在此两个图中，情况1n＝1.5，k＝0.02；情况2n＝1.5，k＝0.003；情况3n＝1.5，k＝0.0(极端值)；情况4模拟了典型的导电有机薄膜，比如由重氮盐得到的薄膜(试样0101Pt6和0101Pt14)n＝1.5，k＝0.4。
由在图18a)和图18b)中表示的结果，对于使用具有平行方向荧光团的MAN薄膜的本发明信号，可以观察到大约25的增益，而对于垂直方向为大约100。
现在通过检验涂布在金基材上的PMAN薄膜(试样AuMAN11)上的一滴荧光标记物的荧光信号，并与在金基材上涂布同样厚度的聚吡咯薄膜上的同样信号进行比较，简单地检测一下此模型的预测。使用的荧光团是1μM的Cy3dctp(商品名)(Amersham)。一滴的体积是0.5μL。
图19a)和图19b)，一个示意性地表示涂布了聚吡咯薄膜的基材(图19a))，另一个示意性地表示涂布了按照本发明的绝缘有机聚合物薄膜(ManAu11)(图19b))的基材。
图20a)、图20b)和图20c)是在金区(图20a))、在聚吡咯薄膜(图20b))和在此实施例中得到的聚甲基丙烯腈(MAN)薄膜上荧光的底片(目镜×50，曝光时间200ms)。
在这三张照片上的强光点是荧光团的聚集体，或者是荧光尘。这些点并不对应于靠近表面，即几个nm的荧光团，例如生物芯片正是这样的情况，而在球状物的情况下，是几十到几百个nm。因此，不是在这些发光点上，而是应该在这些点周围的“连续背景”上进行比较。
对于相同的曝光时间，观察到相同感光度的照像感受器、用同样的光学设备达到的同样的放大倍数，以及此时标记物的浓度是很低的(1μm)，在试样AuMAN11的情况下(底片c))，与表面“直接”接触的荧光团并没有“熄灭”，而它们在金区(底片a))和在导电有机涂层区(底片b))则是熄灭的。因此，如在图20上所说明的，在此直接观察了在导电薄膜上绝缘PMAN薄膜的优异透明性能。
实施例3在重氮盐存在下，通过电引发达到聚甲基丙烯腈薄膜层沉积在与实施例1同样的金表面上，通过电引发由重氮盐沉积聚甲基丙烯腈薄膜。这些薄膜是在5×10-2M四乙基高氯酸铵(TEAP)作为电解液载体和10-3M的4-硝基苯基四氟硼酸重氮盐存在下，将无水甲基丙烯腈在乙腈中的2.5M溶液进行电解还原而得到的。电解还原在100mV/s下，在+0.3～-1.5V/(Ag+/Ag)的电流电压条件下，在没有分隔的电极室中，使用大表面的铂对电极进行的。调节扫描数，以得到厚度大约为100nm的薄膜。
正如在由直接电接枝得到的聚甲基丙烯腈薄膜所观察到的，光学测量显示出系数k＜0.02。
实施例4监测再现性的操作程序在完全相同的金片上，制造含有藻红素的不同厚度的聚甲基丙烯腈薄膜。为此，在没有分隔的电极室中，在含有2.5M的甲基丙烯腈在无水乙腈、作为电解液载体的5×10-2M的四乙基高氯酸铵(TEAP)和10-3M的4-硝基苯基四氟硼酸重氮盐和1μM藻红素的溶液中，使用大表面铂对电极，在100mV/s下的+0.3～-1.0V/(Ag+/Ag)电流电压条件下将金片极化。通过椭圆测量法得到的薄膜厚度是50±5nm，精确度10％。
然后在543nm辐照每个金片，并测量在580nm下得到的荧光强度。在全部金片上测量到同样的荧光强度，测量的分散度小于15％。
实施例5质量控制的操作程序按照实施例4的操作程序，在1cm2的金片上涂布厚度逐渐变厚的PMAN(聚甲基丙烯腈)薄膜。改变电流电压扫描数可以得到从5nm到150nm的不同厚度。
对得到的涂层进行荧光测量，能够描绘出将厚度作为强度/cm3函数的标定曲线。
然后在5cm2的金表面上涂布84nm厚(用椭圆测量法测量)的PMAN薄膜。由标定曲线指出厚度是75nm，这样就能够不借助于直接测量厚度而进行准确的检测。
参考文献[1]Arwin等，Synthetic Metals 6 1983《使用分光光度椭圆测量法测量的薄聚吡咯和普鲁士蓝薄膜》；[2]Kim等，Journal of the Electrochemical Society，138(11)，1991《实时分光光度椭圆测量法就地表征吡咯电聚合》；[3]Kim等，Bulletin of the Korean Chemical Society，17(8)，1996《用三参数椭圆测量法研究聚吡咯薄膜》；[4]Guedon等，Analytical Chemistry，22，6003～6009，2000《通过表面胞质团共振成像技术进行聚吡咯基DNA传感器的实时、平行、无标记表征和优化》。
权利要求
1.涂有薄膜的基材，其特征在于该薄膜是在至少一个波长范围内透明的电绝缘有机聚合物，其特征还在于所述薄膜结合了至少在所述波长范围具有发射谱的标记物。
2.如权利要求1的涂有薄膜的基材，其中该薄膜含有选自乙烯基聚合物的绝缘聚合物。
3.如权利要求1的涂有薄膜的基材，其中该薄膜含有选自下面的交联或非交联绝缘聚合物丙烯腈、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、甲基丙烯酸羟基乙酯、甲基丙烯酸羟基丙酯、氰基丙烯酸酯、丙烯酸、甲基丙烯酸、苯乙烯、对氯苯乙烯、N-乙烯基吡咯烷酮和乙烯基卤化物的聚合物。
4.如权利要求1的涂有薄膜的基材，其中该薄膜含有选自下面的交联或非交联绝缘聚合物聚丙烯酰胺，异戊二烯、乙烯、丙烯、环氧乙烷和具有张力环分子、乳酸或者其低聚物、内酯、ε-己内酯、羟基乙酸、天门冬氨酸的聚合物，聚酰胺，聚氨酯，聚对亚苯二甲基和以取代的聚对亚苯二甲基为基的聚合物、低聚肽和蛋白质，以及基于这些聚合物的预聚物、大分子单体或遥爪聚合物，以及可以由这些聚合物的单体或这些聚合物本身形成的共聚物和/或混合物。
5.如权利要求1的涂有薄膜的基材，其中该薄膜是由如下式(I)单体或者与所述通式(I)相当的不同单体的混合物经聚合而得到的乙烯基聚合物 其中，R1、R2、R3和R4独立地是氢原子或如选自烷烃、烯烃、炔烃的烃类的有机基团；酰胺、醛类、酮类、羧酸、酯类、酰卤、酸酐、腈类、胺类、硫醇、磷酸酯、醚类、芳香族的同素环或杂环，或者各种带有这些官能团的环状基团，以及具有多个这些官能团的基团。
6.如权利要求1的涂有薄膜的基材，其中该薄膜是聚甲基丙烯腈或聚甲基丙烯酸甲酯。
7.如权利要求1的涂有薄膜的基材，其中该标记物选自荧光标记物、磷光标记物或化学发光标记物。
8.在至少一个波长范围内透明的电绝缘有机聚合物薄膜，其结合着在所述波长范围内具有发射谱的标记物，在化学物质的检测方法中的应用。
9.如权利要求8的应用，其中该绝缘有机聚合物薄膜被该化学物质的识别分子官能化。
10.如权利要求8的应用，其中该化学物质是DNA。
11.在至少一个波长范围内透明的电绝缘有机聚合物薄膜，其结合着在所述波长范围内具有发射谱的标记物，在化学物质的检测装置中的应用。
12.如权利要求11的应用，其中该检测装置是生物芯片。
13.在至少一个波长范围内透明的电绝缘有机聚合物薄膜，其结合着在所述波长范围内具有发射谱的标记物，在选自质量控制方法、目的物检定方法或认证方法中的应用。
14.如权利要求8～13中任何一项的应用，其中该薄膜是由如下式(I)的单体或者与所述通式(I)相当的不同单体的混合物通过聚合而得到的乙烯基聚合物 其中，R1、R2、R3和R4独立地是氢原子或如选自烷烃、烯烃、炔烃的烃类的有机基团；酰胺、醛类、酮类、羧酸、酯类、腈类、胺类、硫醇、磷酸酯、醚类、芳香族的同素环或杂环，或者各种带有这些官能团的环状基团，以及具有多个这些官能团的基团。
15.如权利要求14的应用，其中该薄膜是聚甲基丙烯腈或聚甲基丙烯酸甲酯。
16.如权利要求14的应用，其中该标记物选自荧光标记物、磷光标记物或化学发光标记物。
全文摘要
本发明涉及涂有透明有机薄膜的基材，涉及涂有透明有机薄膜基材的制造方法，还涉及其应用。此涂有薄膜的基材的特征在于，该薄膜是一种电绝缘有机聚合物的薄膜，它在至少一个波长范围内是透明的，其特征还在于所述薄膜与至少在所述波长范围内具有发射谱的标记物相结合。此基材特别应用于检测化学物质的装置，比如生物芯片中，用于质量控制方法、目的物检定方法或认证方法中。
文档编号G01N33/53GK1605035SQ02825286
公开日2005年4月6日 申请日期2002年10月16日 优先权日2001年10月18日
发明者F·布雷尼奥克斯, C·布罗, P·沙顿, S·盖廷 申请人:法国原子能委员会