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WO2015150562A1 - Dispositif de detection et/ou de dosage d'au moins un composé chimique et enceinte destinée à former un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de detection et/ou de dosage d'au moins un composé chimique et enceinte destinée à former un tel dispositif Download PDF

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Publication number
WO2015150562A1
WO2015150562A1 PCT/EP2015/057412 EP2015057412W WO2015150562A1 WO 2015150562 A1 WO2015150562 A1 WO 2015150562A1 EP 2015057412 W EP2015057412 W EP 2015057412W WO 2015150562 A1 WO2015150562 A1 WO 2015150562A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
vibrating
vibrating surface
cell
chemical compound
mechanical wave
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2015/057412
Other languages
English (en)
Inventor
Emmanuel Scorsone
Bertrand BAZIN
Farbod Ghassemi
Gäelle LISSORGUES
Rafa MANAI
Krishna Persaud
Lionel Rousseau
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Priority to US15/301,512 priority patent/US20180209941A1/en
Publication of WO2015150562A1 publication Critical patent/WO2015150562A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01N29/036—Analysing fluids by measuring frequency or resonance of acoustic waves
    • G—PHYSICS
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    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/106—Number of transducers one or more transducer arrays

Definitions

  • the invention relates to the field of chemical compound detection and dosing and in particular to devices enabling such detection and / or assay using at least one vibrating surface as a transducer.
  • the gravimetric type devices and in particular those implementing one or more vibrating surfaces as a transducer, generally make it possible to achieve sensitivities and selectivities greater than those obtained by others. technologies.
  • Such detection and / or dosing devices comprise one to several vibrating surfaces, such as those formed by levers, preferably functionalized so as to interact preferentially with one or more specific chemical compounds.
  • vibrating surfaces such as those formed by levers
  • the interaction of the vibrating surface with this specific chemical compound modifies the resonance frequency of the latter by a modification of its physical characteristics.
  • -chemicals such as its mass or surface energy. Measuring the resonant frequency of the vibrating surface therefore makes it possible to know whether the surface has been brought into contact with said specific chemical compound and in what proportion.
  • such devices generally comprise, for each of the vibrating surfaces, a vibrating surface actuating system adapted to vibrate the vibrating surface and a system for measuring the amplitude of the vibrating surface. vibration of the vibrating surface.
  • actuating systems can be of three different types: actuating systems capacitive, piezoelectric actuation systems and Laplace force actuation systems.
  • these actuating systems must include an adaptation of the vibrating surface to vibrate.
  • the vibrating surface necessarily comprises a conductive area so as to form a frame of a capacitor and an electrical connection to apply to the conductive area a bias voltage.
  • the vibrating surface must comprise both a piezoelectric zone formed in a piezoelectric material and an electrical connection for polarizing the piezoelectric zone.
  • the vibrating surface must have a conductive loop to generate a magnetic field when a current is flowing through it.
  • the object of the invention is to remedy this drawback, and in particular to provide a detection and / or dosing device which comprises several vibrating surfaces and at least one actuating system, said actuation system having no no influence on the mechanical characteristics of the vibrating surfaces and therefore on their resonance frequency and allowing a common calibration of the vibrating surfaces.
  • the invention relates to a device for detecting and / or assaying one or more chemical compounds comprising:
  • At least one first vibrating surface having a resonant frequency which varies when the first vibrating surface is brought into contact with at least one chemical compound to be detected
  • At least one first system for actuating the first vibrating surface adapted to vibrate the first vibrating surface.
  • the first actuation system is adapted to generate a first mechanical wave remote from the first vibrating surface, said first actuation system being arranged in said detection and / or dosing device so that the first mechanical wave is transmitted. to the first vibrating surface so as to vibrate the first vibrating surface.
  • Such a device may also be simpler to manufacture, since the actuating system is not necessarily integrated with a substrate of the vibrating surface and it can be macroscopic contrary to operating systems of the prior art which necessarily include elements of the same order of magnitude as the vibrating surface, that is to say microscopic.
  • the device may comprise at least a second vibrating surface having a resonant frequency which varies when the second vibrating surface is brought into contact with at least one chemical compound to be detected, the first actuation system being arranged so that the first mechanical wave is transmitted to the second surface so as to also vibrate the second vibrating surface.
  • the device allows the transmission of the same mechanical wave to the first and the second vibrating surface. It is therefore possible to make a common calibration for the first and second vibrating surfaces.
  • the device may further comprise a plurality of vibrating surface vibration amplitude measuring systems configured to measure the vibration amplitude of the first and second vibrating surfaces.
  • Systems for measuring the vibration amplitude of vibrating surfaces may include strain gauges and optical systems such as laser vibrometers.
  • the arrangement of the first actuation system with respect to the first and the second vibrating surface can be adapted so that the power of the first mechanical wave transmitted to the first and second vibrating surfaces is substantially equal.
  • the device may comprise, according to a possibility outside the scope of the invention:
  • At least one second vibrating surface having a resonant frequency which varies when the second vibrating surface is brought into contact with at least one chemical compound to be detected
  • At least one second actuating system of the second vibrating surface adapted to vibrate the second vibrating surface, the second actuating system being adapted to generate a second mechanical wave remote from the second vibrating surface, said second system actuator being arranged in said device so that the second mechanical wave is transmitted to the second surface to vibrate.
  • the device may comprise:
  • a vibrating surface substrate disposed in said cell, said substrate comprising the first vibrating surface.
  • the cell may include the first actuation system.
  • the first actuation system may be a piezoelectric actuator.
  • the first vibrating surface can be made of diamond.
  • the invention furthermore relates to a cell intended to be used in a device according to the invention and in which a chemical composition comprising at least one chemical compound to be detected may be introduced, said cell comprising at least one location intended to receive a vibrating surface substrate having at least a first vibrating surface having a resonant frequency that varies when the first vibrating surface is brought into contact with at least one chemical compound to be detected,
  • said cell further comprising at least a first actuation system adapted to generate a first mechanical wave remote from the location, said first actuation system being arranged in the cell so that the first mechanical wave is transmitted to the first vibrating surface so as to vibrate the first vibrating surface when the vibrating surface substrate is received in the location.
  • the invention furthermore relates to a cell intended to be used in a device according to the invention, and in which a chemical composition comprising at least one chemical compound to be detected may be introduced, said cell comprising at least a first and a second location for respectively receiving a first and a second vibrating surface substrate respectively comprising a first and a second vibrating surface having each having a resonant frequency which varies when they are placed in the presence of at least one chemical compound to be detected,
  • said cell further comprises at least a first actuation system adapted to generate a first mechanical wave remote from the first and second location, said first actuation system being arranged in the cell so that the first mechanical wave is transmitted at the first and second vibrating surfaces to vibrate the first and second vibrating surfaces as the first and second vibrating surface substrates are received in the first and second locations.
  • composition a mixture of chemical compounds in fluidic form, that is to say gaseous or in solution.
  • the device according to the invention may comprise:
  • At least a first and a second vibrating surface substrate disposed in said cell, the first and second substrates respectively comprising the first and the second vibrating surface.
  • the device according to the invention may comprise:
  • At least one vibrating surface substrate disposed in said cell, said substrate comprising at least the first and second vibrating surfaces.
  • FIG. 1 illustrates an exemplary detection and / or assay device according to the invention
  • FIG. 2 is an exploded view of the device illustrated in FIG.
  • FIGS. 3a and 3b respectively show an example of a vibrating surface of a device according to the invention comprising a strain gauge, and a measuring principle of the strain gauge,
  • FIGS. 4a, b and c illustrate an example of a cover for a device according to the invention in which the vibration measurement systems of the vibrating surfaces are strain gages
  • FIG. 5 illustrates an exemplary hood for a device according to the invention in which the measurement systems are optical.
  • FIG. 1 illustrates a device 1 for detecting and / or dosing one or more chemical compounds, in which a chemical composition, in fluidic form, can be introduced to detect and / or dose at least one chemical compound .
  • Such a device comprises, as illustrated in the exploded view of FIG. 2:
  • the cell 10 comprises, as illustrated in FIG. 2:
  • an analysis chamber 13 delimiting an analysis volume intended to contain the chemical composition
  • the base 11 comprises a base and a housing for housing the piezoelectric actuator 12 and the analysis chamber 13.
  • the base 11 comprises a through hole for the electrical connection of the piezoelectric actuator 12.
  • the piezoelectric actuator 12 is a piezoelectric transducer adapted to generate a mechanical wave in a frequency range comprising the resonant frequencies of the vibrating surfaces 21.
  • the piezoelectric actuator 12 has a circular shape so as to have axial symmetry.
  • the cell may comprise another type of actuation system adapted to generate a mechanical wave such as for example an electromagnetic actuation system.
  • the analysis chamber 13 is disposed in the housing formed by the base 11 by being in mechanical contact with the piezoelectric actuator 12.
  • the enclosure has a generally cylindrical shape and comprises an axis of symmetry. When the analysis chamber 13 and the piezoelectric actuator 12 are arranged in the housing of the base 11, the axes of symmetry of the analysis chamber 13 and the piezoelectric actuator 12 coincide.
  • the inner surface of the analysis chamber 13 is preferably neutral with respect to the chemical compounds to be analyzed, that is to say that it is adapted not to react chemically or physically with said chemical compounds.
  • Such neutrality of the inner surface of the analysis chamber 13 can be obtained either by the material in which the analysis chamber 13 is made or by a suitable inner lining.
  • the analysis chamber 13 may for example be made, depending on the type of chemical compositions to be analyzed, of stainless steel, polytetrafluoroethylene (better known by its acronym PTFE), polyetheretherketone (better known by its acronym PEEK) or in a glass.
  • the analysis chamber 13 may also comprise, depending on the chemical compounds to be analyzed and their shape, a coating in one of these same materials.
  • the analysis chamber 13 has locations each adapted to receive a substrate 20 of vibrating surfaces.
  • the locations of the substrates 20 are distributed in the chamber substantially equidistant from the axis of symmetry of the analysis chamber 13.
  • the locations of the substrates 20 are arranged in the analysis chamber 13 so as to a substrate 10 disposed on one of the locations is in mechanical contact with the test chamber.
  • FIG. 3a illustrates an example of a vibrating surface substrate 20 in which the vibrating surface 21 is a micrometric lever and in which there is provided a strain gauge 22 integrated at the base of the lever for measuring the vibration amplitude of the lever.
  • Such a strain gauge 22 known from the prior art, is a resistive dipole whose resistance varies with the stress applied to it. Such an integrated gauge at the base of the lever, therefore sees its resistance varied depending on the vibration amplitude of the lever. Thus, by placing the strain gauge 22 in a Wheatstone bridge 25, as illustrated in FIG. 3b, it is possible to obtain an accurate measurement of the vibration amplitude of the lever.
  • Each strain gauge 22 forms a system for measuring the vibration amplitude of the corresponding vibrating surface 21.
  • the measurement of the amplitude of vibration of a lever is also possible for the measurement of the amplitude of vibration of a lever to be carried out in the device 1 by an optical measurement such as obtained with a laser vibrometer.
  • an optical measurement such as obtained with a laser vibrometer.
  • the lever of a substrate 20 has the following characteristic dimensions:
  • This lever is preferably made of diamond but can also be made of another material such as a silicon carbide, a tungsten carbide, a silicon nitride or silicon.
  • the diamond is nevertheless to be preferred since it allows the lever surface to be functionalized without the need to use a hook layer, such as a gold layer, to achieve such surface functionalization.
  • the diamond by its strong Young's modulus, allows the supply of vibrating surface with particularly important resonant frequencies and quality factors of this resonance also important, which allows to obtain a good sensitivity in the frame. detection of chemical compounds.
  • each of the vibrating surfaces 21 is preferentially functionalized so that each of the vibrating surfaces 21 is particularly sensitive to a chemical compound or to a family of chemical compounds.
  • the vibrating surfaces 21 may be functionalized to interact with the presence of narcotics, their precursors and / or their degradation products in a gaseous medium. such as, for example, opiates, cocaine, cannabinoids or amphetamines.
  • each of the vibrating surfaces can be functionalized to interact with a predefined gene or gene portion.
  • the device can also be adapted to allow environmental analyzes such as air or water quality analyzes, the vibrating surfaces then being functionalized to interact with certain pollutants or pollution markers.
  • the substrates 20 according to this embodiment comprise a vibrating surface 21 in the form of a lever
  • the substrate may incorporate another type of vibrating surface, such as vibrating bridges or vibrating membranes, or have a more complex shape than that of a simple lever, comprising, for example, a circular platform, or square, whose width is greater than that of the base of the lever.
  • the substrates 20 When the substrates 20 are placed on their dedicated locations in the analysis chamber, the substrates 20 are then in mechanical contact with the analysis chamber 13 which is itself in mechanical contact with the piezoelectric actuator 12. Any mechanical wave generated by the mechanical actuator will be transmitted to the analysis chamber 13 and the substrates 20 located in the analysis chamber 13.
  • the vibrating surfaces 21 are therefore also subjected to the mechanical wave.
  • the mechanical wave thus transmitted to the vibrating surfaces, if its frequency coincides with the resonance frequency of certain vibrating surfaces, excites the resonant vibration mode of these vibrating surfaces and then sets them in vibration.
  • the piezoelectric actuator forms an actuation system adapted to generate a mechanical wave remote from the vibrating surfaces 21 and whose arrangement allows a transmission of the mechanical wave to the vibrating surfaces 21 to put it in vibration.
  • the analysis chamber 13 is in fluid communication with the supply conduit 15 thus allowing the introduction into the chamber of analysis of the chemical composition by said conduit. Similarly, in order to extract the chemical composition after analysis, the chamber is in fluid communication with the withdrawal conduit 16.
  • the hood illustrated in FIG. 2 is adapted to hermetically close the analysis chamber 13 while allowing electrical connection of the substrates 20 with the outside of the cell 10 to a processing unit, not shown.
  • the hermeticity of the closing of the analysis chamber 13 by the cover 14 is obtained, as illustrated in FIG. 2, by means of an O-ring 17 which is interposed between the cover 14 and the cover 14. test chamber 13.
  • the cover comprises, as illustrated in FIGS. 4 a, b and c, passages for connectors 18, shown in FIG. Figure 4c by solid lines.
  • These connectors 18 to facilitate the making contact on the substrates 20, are preferably spring connectors so as to allow a contact on the substrates by a simple implementation. place of the cover 14 which puts them in contact with contact surfaces formed on the substrates 20.
  • the passages of the connectors are preferably filled, after installation of the spring connectors 18 and as illustrated in FIG. 4c, by a waterproof filling material 19, such as an adhesive.
  • a waterproof filling material 19 such as an adhesive.
  • Such a filling material 19, as well as the inner surface of the cover forming an inner wall of the enclosure when the cell is closed, are preferably neutral or neutralized vis-à-vis the chemical compounds to be analyzed.
  • the cover has a conformation adapted for such a measurement.
  • Figure 5 illustrates a sectional view of a cover 14 having such a conformation. Indeed, so as to allow the measurement, the cover has a central wall 14a at least partially transparent to the wavelength at which the amplitude measurement is performed.
  • the device 1 is adapted to be connected to a control unit.
  • the control unit is configured to control the piezoelectric actuator and measure the resonant frequency of the vibrating surfaces so as to detect and / or assay at least one chemical compound in a chemical composition.
  • the control unit is configured to implement the method of detecting and / or assaying at least one chemical compound comprising the following steps:
  • the piezoelectric actuator so as to apply a mechanical wave by scanning its frequency over a frequency range in which the resonance frequencies of the vibrating surfaces, whether or not they have reacted with a chemical compound, are included, measuring during the implementation of the piezoelectric actuator 12 of the amplitude of vibration so as to detect the resonant frequency of each of the vibrating surfaces 21,
  • the processing unit can also be configured to perform a first calibration step prior to the analysis of the chemical composition.
  • a preliminary calibration step may include the substeps of:
  • the device 1 comprises a cell 10 which comprises the piezoelectric actuator 12, and a plurality of substrates 20 each having a vibrating surface 21, it is also possible without going out of the of the invention, the device 1 comprises a single substrate 20 on which are integrated an actuating system and the vibrating surfaces 21.
  • the device comprises a plurality of substrates each comprising an actuating system and a vibrating surface, said actuating system being dedicated to the vibrating surface on the same substrate, and an equal number of vibrating surfaces or a single substrate comprising a plurality actuating systems and vibrating surfaces.
  • the transmission of the mechanical wave generated by the piezoelectric actuator to each of the vibrating surfaces 21 is made by mechanical contact between the piezoelectric actuator 12 and the analysis chamber 13 and between the analysis chamber 13 and each of the substrates 20, it is conceivable, without departing from the scope of the invention that the transmission of the mechanical wave is performed acoustically.
  • the piezoelectric actuator 12 could be disposed in the enclosure 10 away from the substrates 20 without mechanical contact with the latter, the mechanical wave being transmitted by acoustic wave through the fluid in the analysis chamber 13
  • This possibility of the invention is particularly suitable in the case where the chemical composition to be analyzed is a liquid solution.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (1) de détection et/ou de dosage d'un ou plusieurs composés chimiques comportant au moins une première et une deuxième surface vibrante (21) présentant chacune une fréquence de résonance qui varie lorsque qu'elles sont mises en présence d'au moins un composé chimique à détecter, et au moins un premier système d'actionnement (12) de la première et la deuxième surface vibrante (21) adapté pour mettre en vibration la première et la deuxième surface vibrante (21). Le premier système d'actionnement (12) est adapté pour générer une première onde mécanique à distance de la première et la deuxième surface vibrante (21), ledit premier système d'actionnement (12) étant agencé dans ledit dispositif (1) de manière à ce que la première onde mécanique soit transmise à la première et la deuxième surface vibrante (21) de manière à mettre en vibration la première et la deuxième surface vibrante (21). L'invention concerne en outre une cellule (10) destinée à former un tel dispositif (1).

Description

DISPOSITIF DE DETECTION ET/OU DE DOSAGE D'AU MOINS UN COMPOSÉ CHIMIQUE ET ENCEINTE DESTINÉE À FORMER UN TEL DISPOSITIF
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention se rapporte au domaine de la détection et du dosage de composé chimique et notamment aux dispositifs permettant une telle détection et/ou dosage à l'aide d'au moins une surface vibrante en tant que transducteur.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Parmi les dispositifs de détection et/ou dosage, les dispositifs de type gravimétrique, et notamment ceux mettant en œuvre une ou plusieurs surfaces vibrantes en tant que transducteur, permettent généralement d'atteindre des sensibilités et des sélectivités supérieures à celles obtenues par d'autres technologies.
De tels dispositifs de détection et/ou de dosage comportent une à plusieurs surfaces vibrantes, telles que celles formées par des leviers, préférentiellement fonctionnalisées de manière à interagir préférentiellement avec un ou plusieurs composés chimiques spécifiques. Ainsi, lors de la mise en présence d'une surface vibrante avec l'un des composés chimiques spécifiques correspondant, l'interaction de la surface vibrante avec ce composé chimique spécifique modifie la fréquence de résonance de cette dernière par une modification de ses caractéristiques physico-chimiques telles que sa masse ou son énergie de surface. Une mesure de la fréquence de résonance de la surface vibrante permet donc de savoir si la surface a été mise en présence avec ledit composé chimique spécifique et ceci dans quelle proportion.
Pour réaliser une telle mesure de la fréquence de résonance, de tels dispositifs comportent généralement, pour chacune des surfaces vibrantes, un système d'actionnement de la surface vibrante adapté pour mettre en vibration la surface vibrante et un système de mesure de l'amplitude de vibration de la surface vibrante. Ces systèmes d'actionnement peuvent être de trois types différents : les systèmes d'actionnement capacitifs, les systèmes d'actionnement piézoélectriques et les systèmes d'actionnement par force de Laplace.
Quel que soit le type de systèmes d'actionnement employé, ces systèmes d'actionnement doivent comprendre une adaptation de la surface vibrante à faire vibrer. En effet, pour les systèmes d'actionnement capacitifs, la surface vibrante comprend nécessairement une zone conductrice de manière à former une armature d'un condensateur et une liaison électrique pour appliquer à la zone conductrice une tension de polarisation. Pour les systèmes d'actionnement piézoélectriques, la surface vibrante doit comporter à la fois une zone piézoélectrique formée dans un matériau piézoélectrique et une liaison électrique pour polariser la zone piézoélectrique. Pour les systèmes d'actionnement par force de Laplace, la surface vibrante doit comporter une boucle conductrice pour générer un champ magnétique lorsqu'elle est parcourue par un courant.
Or, de telles adaptations modifient les caractéristiques mécaniques des surfaces vibrantes et peuvent donc avoir une influence négative sur la sensibilité des dispositifs de détection et/ou de dosage équipés de tels systèmes d'actionnement. Cela est particulièrement le cas lorsque les surfaces vibrantes sont réalisées en diamant. Or, le diamant est particulièrement intéressant à utiliser puisque, en raison de son module d'Young particulièrement élevé, il permet de fournir des surfaces vibrantes avec des fréquences de résonance et des facteurs de qualités particulièrement élevées et donc d'atteindre des sensibilités relativement importantes.
Ainsi, quel que soit le système d'actionnement mis en œuvre, l'adaptation d'une surface vibrante réalisée en diamant va nécessairement induire une dégradation des propriétés mécaniques et un abaissement de la fréquence de résonance de la surface vibrante et de là une baisse de la sensibilité.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient, et notamment de fournir un dispositif de détection et/ou de dosage qui comporte plusieurs surfaces vibrantes et au moins un système d'actionnement, ledit système d'actionnement n'ayant pas d'influence sur les caractéristiques mécaniques des surfaces vibrantes et donc sur leur fréquence de résonance et autorisant un étalonnage commun des surfaces vibrantes.
A cet effet, l'invention concerne un dispositif de détection et/ou de dosage d'un ou plusieurs composés chimiques comportant :
- au moins une première surface vibrante présentant une fréquence de résonance qui varie lorsque la première surface vibrante est mise en présence d'au moins un composé chimique à détecter,
- au moins un premier système d'actionnement de la première surface vibrante adapté pour mettre en vibration la première surface vibrante.
Le premier système d'actionnement est adapté pour générer une première onde mécanique à distance de la première surface vibrante, ledit premier système d'actionnement étant agencé dans ledit dispositif de détection et/ou dosage de manière à ce que la première onde mécanique soit transmise à la première surface vibrante de manière à mettre en vibration la première surface vibrante.
L'utilisation d'un tel système d'actionnement permet de mettre en vibration la surface vibrante sans nécessiter une quelconque adaptation de cette dernière contrairement aux dispositifs de l'art antérieur. Il en résulte que les caractéristiques mécaniques de la surface vibrante sont préservées et donc que la sensibilité n'est pas affectée.
II doit être entendu ci-dessus et dans le reste de ce document par onde mécanique générée à distance d'une surface vibrante que l'onde mécanique est générée à une distance de la surface vibrante qui est non nulle. Une telle caractéristique doit s'entendre en opposition aux systèmes d'actionnement de la plupart des dispositifs de l'art antérieur dans lesquelles soit le système d'actionnement est intégré à la surface vibrante, tel qu'un actionneur piézoélectrique intégré à une poutre vibrante, soit permet de produire l'onde mécanique en générant un déplacement de la surface vibrante en elle- même, tel qu'un actionneur du type capacitif.
On notera également qu'un tel dispositif peut également être plus simple à fabriquer, puisque le système d'actionnement n'est pas nécessairement intégré à un substrat de la surface vibrante et qu'il peut être macroscopique contrairement aux systèmes d'actionnement de l'art antérieur qui comportent nécessairement des éléments du même ordre de grandeur que la surface vibrante, c'est-à-dire microscopique.
Le dispositif peut comporter au moins une deuxième surface vibrante présentant une fréquence de résonance qui varie lorsque la deuxième surface vibrante est mise en présence d'au moins un composé chimique à détecter, le premier système d'actionnement étant agencé pour que la première onde mécanique soit transmise à la deuxième surface de manière à mettre également en vibration la deuxième surface vibrante.
De cette manière le dispositif permet la transmission de la même onde mécanique à la première et la deuxième surface vibrante. Il est donc possible de faire un étalonnage commun pour les première et deuxième surfaces vibrantes.
Le dispositif peut comporter en outre plusieurs systèmes de mesure de l'amplitude de vibration de surface vibrante configurés pour mesurer l'amplitude de vibration de la première et de la deuxième surface vibrante.
Les systèmes de mesure de l'amplitude de vibration de surfaces vibrantes peuvent comporter les jauges de contrainte et les systèmes optiques tels que les vibromètres laser.
L'agencement du premier système d'actionnement vis-à-vis de la première et la deuxième surface vibrante peut être adapté pour que la puissance de la première onde mécanique transmise à la première et à la deuxième surface vibrante soit sensiblement égale.
Le dispositif peut comporter, selon une possibilité qui sort du cadre de l'invention :
- au moins une deuxième surface vibrante présentant une fréquence de résonance qui varie lorsque la deuxième surface vibrante est mise en présence d'au moins un composé chimique à détecter,
- au moins un deuxième système d'actionnement de la deuxième surface vibrante adapté pour mettre en vibration la deuxième surface vibrante, le deuxième système d'actionnement étant adapté pour générer une deuxième onde mécanique à distance de la deuxième surface vibrante, ledit deuxième système d'actionnement étant agencé dans ledit dispositif de manière à ce que la deuxième onde mécanique soit transmise à la deuxième surface pour la mettre en vibration.
Le dispositif peut comporter :
- une cellule dans laquelle est susceptible d'être introduite une composition chimique comprenant au moins un composé chimique à détecter,
- un substrat de surface vibrante disposé dans ladite cellule, ledit substrat comportant la première surface vibrante.
La cellule peut comporter le premier système d'actionnement.
Le premier système d'actionnement peut être un actionneur piézoélectrique.
La première surface vibrante peut être réalisée en diamant.
L'invention concerne en outre une cellule destinée à être utilisée dans un dispositif selon l'invention et dans laquelle est susceptible d'être introduite une composition chimique comprenant au moins un composé chimique à détecter, ladite cellule comportant au moins un emplacement destiné à recevoir un substrat de surface vibrante comportant au moins une première surface vibrante présentant une fréquence de résonance qui varie lorsque la première surface vibrante est mise en présence d'au moins un composé chimique à détecter,
ladite cellule comportant en outre au moins un premier système d'actionnement adapté pour générer une première onde mécanique à distance de l'emplacement, ledit premier système d'actionnement étant agencé dans la cellule de manière à ce que la première onde mécanique soit transmise à la première surface vibrante de manière à mettre en vibration la première surface vibrante lorsque le substrat de surface vibrante est reçu dans l'emplacement.
L'invention concerne en outre une cellule destinée à être utilisée dans un dispositif selon l'invention, et dans laquelle est susceptible d'être introduite une composition chimique comprenant au moins un composé chimique à détecter, ladite cellule comportant au moins un premier et un deuxième emplacement destinés à recevoir respectivement un premier et un deuxième substrat de surface vibrante comportant respectivement une première et une deuxième surface vibrante présentant chacune une fréquence de résonance qui varie lorsqu'elles sont mise en présence d'au moins un composé chimique à détecter,
ladite cellule comporte en outre au moins un premier système d'actionnement adapté pour générer une première onde mécanique à distance du premier et deuxième emplacement, ledit premier système d'actionnement étant agencé dans la cellule de manière à ce que la première onde mécanique soit transmise à la première et à la deuxième surface vibrante de manière à mettre en vibration la première et la deuxième surface vibrante lorsque le premier et le deuxième substrat de surface vibrante sont reçus dans le premier et le deuxième emplacement.
On entend ci-dessus et dans le reste de ce document par composition chimique un mélange de composés chimiques sous forme fluidique, c'est-à-dire gazeuse ou en solution.
Le dispositif selon l'invention peut comporter :
- une cellule dans laquelle est susceptible d'être introduite une composition chimique comprenant au moins un composé chimique à détecter,
- au moins un premier et un deuxième substrat de surface vibrante disposé dans ladite cellule, le premier et le deuxième substrat comportant respectivement la première et la deuxième surface vibrante.
Le dispositif selon l'invention peut comporter :
- une cellule dans laquelle est susceptible d'être introduite une composition chimique comprenant au moins un composé chimique à détecter,
- au moins un substrat de surface vibrante disposé dans ladite cellule, ledit substrat comportant au moins la première et la deuxième surface vibrante.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 illustre un exemple de dispositif de détection et/ou dosage selon l'invention, la figure 2 est une vue en éclaté du dispositif illustré sur la figure 1,
les figures 3a et 3b illustrent respectivement un exemple de surface vibrante d'un dispositif selon l'invention comportant une jauge de contrainte, et un principe de mesure de la jauge de contrainte,
Les figures 4a, b et c illustrent un exemple de capot pour un dispositif selon l'invention dans lequel les systèmes de mesure de la vibration des surfaces vibrantes sont des jauges de contraintes,
La figure 5 illustre un exemple de capot pour un dispositif selon l'invention dans lequel les systèmes de mesure sont optiques.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes possibilités doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 1 illustre un dispositif 1 de détection et/ou de dosage d'un ou plusieurs composés chimiques, dans lequel une composition chimique, sous forme fluidique, est susceptible d'être introduite pour en détecter et/ou doser au moins un composé chimique.
Un tel dispositif comprend, comme illustré sur la vue en éclaté de la figure 2 :
- une cellule 10 dans laquelle est destinée à être introduite la composition chimique,
- plusieurs substrats 20 de surfaces vibrantes comportant chacun une surface vibrante 21, telle qu'illustrée sur la figure 3a.
La cellule 10 comporte, comme illustré sur la figure 2 :
- un socle 11,
- un actionneur piézoélectrique 12, - une enceinte d'analyse 13 délimitant un volume d'analyse destiné à contenir la composition chimique,
- un capot 14 destiné à fermer l'enceinte 13,
- un conduit d'amenée 15 destiné à amener la composition chimique,
- un conduit de retrait 16 destiné au retrait de la composition chimique après son analyse.
Le socle 11 comporte une embase et un logement pour loger l'actionneur piézoélectrique 12 et l'enceinte d'analyse 13. Le socle 11 comporte un orifice de passage pour la connexion électrique de l'actionneur piézoélectrique 12.
L'actionneur piézoélectrique 12 est un transducteur piézoélectrique adapté pour générer une onde mécanique dans une gamme de fréquence comprenant les fréquences de résonance des surfaces vibrantes 21. L'actionneur piézoélectrique 12 présente une forme circulaire de manière à présenter une symétrie axiale.
En variante à un tel actionneur piézoélectrique, la cellule peut comporter un autre type de système d'actionnement adapté pour générer une onde mécanique tel que par exemple un système d'actionnement électromagnétique.
L'enceinte d'analyse 13 est disposée dans le logement formé par le socle 11 en étant en contact mécanique avec l'actionneur piézoélectrique 12. L'enceinte présente une forme générale cylindrique et comporte un axe de symétrie. Lorsque l'enceinte d'analyse 13 et l'actionneur piézoélectrique 12 sont disposés dans le logement du socle 11, les axes de symétrie de l'enceinte d'analyse 13 et de l'actionneur piézoélectrique 12 sont confondus.
La surface intérieure de l'enceinte d'analyse 13 est préférentiellement neutre vis-à-vis des composés chimiques à analyser, c'est-à-dire qu'elle est adaptée pour ne pas réagir chimiquement ou physiquement avec lesdits composés chimiques. Une telle neutralité de la surface intérieure de l'enceinte d'analyse 13 peut être obtenue soit par le matériau dans lequel est réalisée l'enceinte d'analyse 13, soit par un revêtement intérieur adapté. Ainsi, l'enceinte d'analyse 13 peut être par exemple réalisée, en fonction du type de compositions chimiques à analyser, en acier inoxydable, en polytétrafluoroéthylène (plus connu sous son sigle PTFE), en polyétheréthercétone (plus connu sous son sigle PEEK) ou encore dans un verre. De même, l'enceinte d'analyse 13 peut également comporter, en fonction des composés chimiques à analyser et de leur forme, un revêtement dans l'un de ces mêmes matériaux.
L'enceinte d'analyse 13 comporte des emplacements adaptés chacun pour recevoir un substrat 20 de surfaces vibrantes. Les emplacements des substrats 20 sont répartis dans l'enceinte de manière sensiblement équidistante par rapport à l'axe de symétrie de l'enceinte d'analyse 13. Les emplacements des substrats 20 sont agencés dans l'enceinte d'analyse 13 de manière à ce qu'un substrat 10 disposé sur l'un des emplacements est en contact mécanique avec l'enceinte d'analyse.
La figure 3a illustre un exemple de substrat 20 de surface vibrante dans lequel la surface vibrante 21 est un levier micrométrique et dans lequel il est prévu une jauge de contrainte 22 intégrée à la base du levier pour mesurer l'amplitude de vibration du levier.
Une telle jauge de contrainte 22, connue de l'art antérieur, est un dipôle résistif dont la résistance varie avec la contrainte qui lui est appliquée. Une telle jauge intégrée à la base du levier, voit donc sa résistance variée en fonction de l'amplitude de vibration du levier. Ainsi, en plaçant la jauge de contrainte 22 dans un pont de Wheatstone 25, tel que cela est illustré sur la figure 3b, il est possible d'obtenir une mesure précise de l'amplitude de vibration du levier.
Chaque jauge de contrainte 22 forme un système de mesure de l'amplitude de vibration de la surface vibrante 21 correspondante.
En variante à une telle jauge de contrainte 22, il également possible que la mesure de l'amplitude de vibration d'un levier soit réalisée dans le dispositif 1 par une mesure optique telle qu'obtenue avec un vibromètre laser. Dans le cadre d'une telle variante, il n'est pas nécessaire d'intégrer un quelconque système de mesure dans la base du levier. De telles mesures optiques de l'amplitude de vibration d'une surface vibrante étant connues de l'art antérieur, elles ne sont pas décrites plus en détail.
Typiquement, le levier d'un substrat 20 présente les dimensions caractéristiques suivantes :
- une longueur comprise entre 5 et 2000 micromètres, - une largeur comprise entre 5 et 1000 micromètres, et
- une épaisseur comprise entre 500 nanomètres et 200 micromètres.
Ce levier est préférentiellement réalisé en diamant mais peut également être réalisé dans un autre matériau tel qu'un carbure de silicium, un carbure de tungstène, un nitrure de silicium, ou encore le silicium. Le diamant est néanmoins à préférer puisqu'il permet une fonctionnalisation de la surface du levier sans nécessiter d'utiliser une couche d'accroché, telle qu'une couche d'or, pour réaliser une telle fonctionnalisation de surface. De plus, le diamant de par son fort module d'Young, permet la fourniture de surface vibrante avec des fréquences de résonance particulièrement importantes et des facteurs de qualité de cette résonance également importants, ce qui permet d'obtenir une bonne sensibilité dans le cadre de la détection de composés chimiques.
La surface de chacune des surfaces vibrantes 21 est préférentiellement fonctionnalisée de manière à ce que chacune des surfaces vibrantes 21 soit particulièrement sensible à un composé chimique ou à une famille de composés chimiques. Ainsi par exemple, dans le cadre d'une utilisation du dispositif 1 pour la détection de stupéfiants, les surfaces vibrantes 21 peuvent être fonctionnalisées pour interagir avec la présence de stupéfiants, de leurs précurseurs et/ou de leurs produits de dégradation dans un milieu gazeux tel que, par exemple, ceux des opiacés, de la cocaïne, de cannabinoïdes ou encore des amphétamines. Dans le cadre d'une utilisation en tant que puce à ADN, chacune des surfaces vibrantes peut être fonctionnalisée pour interagir avec un gène ou une portion de gène prédéfini. De même, le dispositif peut également être adapté pour permettre des analyses environnementales telles que des analyses de la qualité de l'air ou de l'eau, les surfaces vibrantes étant alors fonctionnalisées pour interagir avec certains polluants ou marqueurs de pollution.
Bien entendu, si les substrats 20 selon ce mode de réalisation comprennent une surface vibrante 21 en forme de levier, il est également envisageable, sans que l'on sorte du cadre de l'invention que le substrat intègre un autre type de surface vibrante, tel que par exemple des ponts vibrants ou des membranes vibrantes, ou encore présenter une forme plus complexe que celle d'un levier simple, en comportant, par exemple, une plateforme circulaire, ou carrée, dont la largeur est plus importante que celle de la base du levier.
Lorsque les substrats 20 sont placés sur leurs emplacements dédiés dans l'enceinte d'analyse, les substrats 20 sont alors en contact mécanique avec l'enceinte d'analyse 13 qui est elle-même en contact mécanique avec l'actionneur piézoélectrique 12. Ainsi, toute onde mécanique générée par l'actionneur mécanique sera transmise à l'enceinte d'analyse 13 et aux substrats 20 se trouvant dans l'enceinte d'analyse 13. Les surfaces vibrantes 21 sont donc elles aussi soumises à l'onde mécanique. L'onde mécanique ainsi transmise aux surfaces vibrantes, si sa fréquence coïncide avec la fréquence de résonance de certaines surfaces vibrantes, excite le mode de vibration résonnant de ces surfaces vibrantes et les met alors en vibration.
Avec une telle configuration de la cellule, l'actionneur piézoélectrique forme un système d'actionnement adapté pour générer une onde mécanique à distance des surfaces vibrantes 21 et dont l'agencement permet une transmission de l'onde mécanique aux surfaces vibrantes 21 pour la mettre en vibration.
L'enceinte d'analyse 13 est en communication fluidique avec le conduit d'amenée 15 autorisant ainsi l'introduction dans l'enceinte d'analyse de la composition chimique par ledit conduit. De même, afin d'extraire la composition chimique après analyse, l'enceinte est en communication fluidique avec le conduit de retrait 16.
Le capot illustré sur la figure 2 est adapté pour fermer hermétiquement l'enceinte d'analyse 13 tout en autorisant une connexion électrique des substrats 20 avec l'extérieur de la cellule 10 à une unité de traitement, non illustrée.
L'herméticité de la fermeture de l'enceinte d'analyse 13 par le capot 14 est obtenue, comme cela est illustré sur par la figure 2, au moyen d'un joint torique 17 venant s'intercaler entre le capot 14 et l'enceinte d'analyse 13. En ce qui concerne la communication électrique des substrats 20 avec l'extérieur de la cellule 10, le capot comporte, comme illustré sur les figures 4 a, b et c, des passages pour des connecteurs 18, représenté sur la figure 4c par des traits pleins. Ces connecteurs 18 pour faciliter la prise de contact sur les substrats 20, sont préférentiellement des connecteurs à ressort de manière à permettre une prise de contact sur les substrats par une simple mise en place du capot 14 qui les met en appui sur des surfaces de contacts ménagées sur les substrats 20.
De manière à assurer l'herméticité du capot 14, les passages des connecteurs sont préférentiellement remplis, après installation des connecteurs 18 à ressort et comme illustré sur la figure 4 c, par un matériau de remplissage 19 étanche, tel qu'une colle. Un tel matériau de remplissage 19, de même que la surface interne du capot formant une paroi interne de l'enceinte lorsque la cellule est refermée, sont préférentiellement neutres, ou rendus neutres vis-à-vis des composés chimiques à analyser.
Dans le cas où la mesure de l'amplitude de vibration de chacune des surfaces vibrantes 21 est réalisée de manière optique, le capot présente une conformation adaptée pour une telle mesure. La figure 5 illustre une vue en coupe d'un capot 14 présentant une telle conformation. En effet, de manière à autoriser la mesure, le capot comporte une paroi centrale 14a au moins partiellement transparente à la longueur d'onde à laquelle est réalisée la mesure d'amplitude.
Le dispositif 1 est adapté pour être relié à une unité de commande. L'unité de commande est configurée pour commander l'actionneur piézoélectrique et effectuer la mesure de la fréquence de résonance des surfaces vibrantes de manière à détecter et/ou doser au moins un composé chimique dans une composition chimique.
L'unité de commande est configurée pour mettre en œuvre le procédé de détection et/ou dosage d'au moins un composé chimique comportant les étapes suivantes :
- introduction dans la cellule d'une composition chimique à analyser qui est susceptible de comporter au moins un composé chimique à détecter et/ou doser ceci pour faire interagir ledit composé chimique avec la surface vibrante correspondante,
- mise en œuvre de l'actionneur piézoélectrique de manière à appliquer une onde mécanique en balayant sa fréquence sur une gamme de fréquences dans laquelle sont comprises les fréquences de résonance des surfaces vibrantes qu'elles aient ou non réagi avec un composé chimique, - mesure pendant la mise en œuvre de l'actionneur piézoélectrique 12 de l'amplitude de vibration de manière à détecter la fréquence de résonance de chacune des surfaces vibrantes 21,
- analyse des variations de fréquence de résonance de chacune des surfaces vibrantes 21 de manière à déterminer si au moins une surface vibrante 21 a interagi avec un ou plusieurs composés chimiques et dans quelle proportion,
- détermination à partir de l'analyse des variations de fréquences de résonance des surfaces vibrantes 21 d'une détection d'au moins l'un du ou des composés chimiques à détecter et/ou doser et, le cas échéant, de la quantité de composé chimique présent dans la composition chimique.
Selon une possibilité de l'invention, l'unité de traitement peut également être configurée pour réaliser une première étape d'étalonnage préalable à l'analyse de la composition chimique. Une telle étape d'étalonnage préalable peut comporter les sous-étapes de :
- mise en œuvre de l'actionneur piézoélectrique 12, de manière à appliquer une onde mécanique en balayant sa fréquence sur une gamme de fréquences dans laquelle sont comprises les fréquences de résonance des surfaces vibrantes 21 sans interaction avec un quelconque composé chimique,
- mesure pendant la mise en œuvre de l'actionneur piézoélectrique 12 de l'amplitude de vibration de manière à détecter la fréquence de résonance de chacune des surfaces vibrantes 21,
- correction de la fréquence de résonance de référence de chaque surface vibrante 21 à partir de la valeur déterminée pendant la sous-étape de mesure de manière à utiliser cette valeur pour déterminer le décalage en fréquence pendant le reste de la procédure d'analyse.
Une telle étape d'étalonnage est également particulièrement intéressante dans le cas où l'agencement de l'actionneur piézoélectrique 12 vis-à-vis des emplacements des substrats 20 ne permet pas de transmettre l'onde mécanique à toutes les surfaces vibrantes 21 avec la même puissance. Si dans le mode de réalisation ci-dessus, le dispositif 1 comporte une cellule 10 qui comprend l'actionneur piézoélectrique 12, et une pluralité de substrats 20 comportant chacun une surface vibrante 21, il est également envisageable, sans que l'on sorte du cadre de l'invention, que le dispositif 1 comporte un unique substrat 20 sur lequel sont intégrés un système d'actionnement et les surfaces vibrantes 21. De même, il est également envisageable, en dehors du cadre de l'invention, que le dispositif comporte une pluralité de substrats comportant chacun un système d'actionnement et une surface vibrante, ledit système d'actionnement étant dédié à la surface vibrante se trouvant sur le même substrat, et un nombre égal de surfaces vibrantes ou encore un unique substrat comportant une pluralité de systèmes d'actionnement et de surfaces vibrantes.
On peut également noter que si dans le mode de réalisation la transmission de l'onde mécanique générée par l'actionneur piézoélectrique à chacune des surfaces vibrantes 21 est réalisée par contact mécanique entre l'actionneur piézoélectrique 12 et l'enceinte d'analyse 13 et entre l'enceinte d'analyse 13 et chacun des substrats 20, il est envisageable, ceci sans que l'on sorte du cadre de l'invention que la transmission de l'onde mécanique soit réalisée acoustiquement. Ainsi, l'actionneur piézoélectrique 12 pourrait être disposé dans l'enceinte 10 à distance des substrats 20 sans contact mécanique avec ces derniers, l'onde mécanique étant transmise par onde acoustique au travers du fluide se trouvant dans l'enceinte d'analyse 13. Cette possibilité de l'invention est particulièrement adaptée dans le cas où la composition chimique à analyser est une solution liquide.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) de détection et/ou de dosage d'un ou plusieurs composés chimiques comportant :
- au moins une première et deuxième surface vibrante (21) présentant chacune une fréquence de résonance qui varie lorsqu'elles sont mises en présence d'au moins un composé chimique à détecter,
- au moins un premier système d'actionnement de la première surface vibrante (21) ada pté pour mettre en vibration la première surface vibrante (21),
le dispositif (1) étant caractérisé en ce que le premier système d'actionnement est adapté pour générer une première onde mécanique à distance de la première et de la deuxième surface vibrante (21), ledit premier système d'actionnement étant agencé dans ledit dispositif (1) de manière à ce que la première onde mécanique soit transmise à la première et à la deuxième surface vibrante (21) de manière à mettre en vibration la première et la deuxième surface vibrante (21).
2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel l'agencement du premier système d'actionnement vis-à-vis de la première et la deuxième surface vibrante est adapté pour que la puissance de la première onde mécanique transmise à la première et à la deuxième surface vibrante (21) soit sensiblement égale.
3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, comportant :
- une cellule (10) dans laquelle est susceptible d'être introduite une composition chimique comprenant au moins un composé chimique à détecter,
- au moins un premier et un deuxième substrat (20) de surface vibrante disposés dans ladite cellule (10), le premier et le deuxième substrat (20) comporta nt respectivement la première et la deuxième surface vibrante (21).
4. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, comportant - une cellule (10) dans laquelle est susceptible d'être introduite une composition chimique comprenant au moins un composé chimique à détecter,
- au moins un substrat (20) de surface vibrante disposé dans ladite cellule (10), ledit substrat (20) comportant au moins la première et la deuxième surface vibrante (21).
5. Dispositif (1) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la cellule comporte le premier système d'actionnement.
6. Dispositif (1) selon la revendication 5, dans lequel le premier système d'actionnement est un actionneur piézoélectrique.
7. Dispositif (1) selon la revendication 4, dans lequel le substrat comporte le premier système d'actionnement.
8. Dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel au moins la première surface vibrante est réalisée en diamant.
9. Cellule (10) destinée à être utilisée dans un dispositif (1) selon la revendication 3 prise seule ou en combinaison avec l'une quelconque des revendications 5, 6 et 8, et dans laquelle est susceptible d'être introduite une composition chimique comprenant au moins un composé chimique à détecter, ladite cellule (10) comportant au moins un premier et un deuxième emplacement destinés à recevoir respectivement un premier et un deuxième substrat (20) de surface vibrante comportant respectivement une première et une deuxième surface vibrante (21) présentant chacune une fréquence de résonance qui varie lorsqu'elles sont mises en présence d'au moins un composé chimique à détecter,
ladite cellule (10) étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre au moins un premier système d'actionnement adapté pour générer une première onde mécanique à distance du premier et deuxième emplacement, ledit premier système d'actionnement étant agencé dans la cellule (10) de manière à ce que la première onde mécanique soit transmise à la première et à la deuxième surface vibrante (21) de manière à mettre en vibration la première et la deuxième surface vibrante (21) lorsque le premier et le deuxième substrat (20) de surface vibrante sont reçus dans le premier et le deuxième emplacement.
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