BRPI0718971B1

BRPI0718971B1 - Sistema para medir parâmetros múltiplos

Info

Publication number: BRPI0718971B1
Application number: BRPI0718971-0A
Authority: BR
Inventors: Hua Wang; Radislav A. Potyrailo; Steven T. Rice; Vincent F. Pizzi
Original assignee: Ge Healthcare Bio-Sciences Corp.
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2019-04-16
Also published as: EP2084521B1; RU2457472C2; RU2009115832A; US20100021993A1; EP2084521A2; JP2014132273A; WO2008127429A3; RU2012113401A; CN101583866B; WO2008127429A2; BRPI0718971B8; JP2010510523A; CN101583866A; RU2606170C2; US20120206155A1; CA2669224A1; BRPI0718971A2

Abstract

sistema para medir parâmetros múltiplos um sistema para medir parâmetros em um recipiente é revelado. um recipiente tem uma solução. uma camada protetora é depositada sobre pelo menos um sensor e pelo menos uma parede do recipiente, onde a camada protetora é acoplada à parede do recipiente para formar uma vedação entre o recipiente e o pelo menos um sensor. o pelo menos um sensor é configurado para ter um campo eletromagnético baseado em uma espessura do recipiente e a camada protetora. o pelo menos um sensor, em conjunto com uma etiqueta de identificação digital fica na proximidade de um analisador e leitor de impedância que constituem um dispositivo de medição. o pelo menos um sensor é configurado para determinar pelo menos um parâmetro da solução. a etiqueta é configurada para prover uma id digital associada ao pelo menos um sensor, onde o recipiente fica na proximidade do leitor e de um analisador de impedância. o analisador de impedância é configurado para receber certa faixa de freqüências do pelo menos um sensor, com base no parâmetro, e calcular mudanças de parâmetro com base na impedância complexa medida sobre certa faixa de freqüências.

Description

“SISTEMA PARA MEDIR PARÂMETROS MÚLTIPLOS” Referência cruzada a pedidos correlatos

Este pedido reivindica prioridade ao pedido de patente provisório US 60/866.714, depositado em 21 de novembro de 2006, cujo inteiro conteúdo é aqui incorporado aqui pela referência em sua totalidade. Campo da Invenção

Esta invenção se refere a um sistema para a montagem e utilização em recipientes.

Fundamentos da Invenção

De modo a manter humanos seguros contra soluções, como líquido, gás e sólido, que possam ser tóxicas ou prejudiciais aos mesmos, diferentes dispositivos são usados para testar as soluções e determinar se são perigosas. Estes dispositivos incluem sensores químicos ou biológicos que acoplam um marcador de identificação a um anticorpo. Por exemplo, alguns sensores químicos/biológicos incluem um chip acoplado a um anticorpo, onde o chip inclui marcadores fluorescentes identificando o anticorpo específico.

São conhecidos sensores químicos ou biológicos que incluem elementos estruturais formados de um material que responde seletivamente a um análito específico, como mostrado na patente US 6.359.444. Outros sensores conhecidos químicos ou biológicos incluem um material eletromagneticamente ativo localizado em uma posição específica sobre os sensores que pode ser alterado por uma condição externa, como indicado na patente US 6.025.725. Alguns sistemas conhecidos de sensores químicos ou biológicos incluem componentes para medir mais de um parâmetro elétrico, conforme mostrado na patente US 6.586.946.

Embora os sensores acima mencionados possam ser usados para medir parâmetros elétricos, um sistema de bio-processamento descartável de uso único utilizando estes sensores não foi desenvolvido.

de 30/11/2018, pág. 8/118

Embora os sistemas e tecnologias de bio-processamento descartáveis possam ser prontamente usados, sua aceitação é prejudicada pela ausência de tecnologias de monitoração não-invasivas de uso efetivo único eficazes. A monitoração de parâmetros-chave de processo é crucial para a segurança, documentação de processo e eficácia dos compostos produzidos, bem como, para manter o processo sob controle. A utilização de tecnologias de sensor descartável não-invasivo em linha para leitura em linha de multiparâmetros nos conjuntos de bio-processamento descartáveis possibilitará emprego de produção segura e rápida, devido a permitir entendimento sem defeito de estratégias de purificação descartáveis e eliminará analíticos fora-de-linha dispendiosos e consumidores de tempo. Por conseguinte, há a necessidade de um sistema que possibilite o usuário testar de modo simples e não-invasivo material químico e/ou biológico em uma solução em um sistema de bioprocessamento descartável, no qual o usuário pode, com segurança, obter medições do material, descartando, depois, o sistema de bio-processamento. Breve Sumário da invenção

A presente invenção foi realizada à vista dos fundamentos técnicos acima mencionados, sendo um objetivo da presente invenção prover um sistema e método para a montagem de utilização de sensores em um recipiente.

Em um modo de realização preferido da invenção, há um sistema para medir parâmetros múltiplos. Um recipiente contém uma solução. Uma camada protetora é depositada sobre pelo menos um sensor e pelo menos uma parede do recipiente, onde a camada protetora é acoplada à parede do recipiente para formar uma vedação entre o recipiente e o pelo menos um sensor. O pelo menos um sensor é configurado para ter um campo eletromagnético baseado em uma espessura do recipiente e a camada protetora. O pelo menos um sensor, em conjunto com uma etiqueta de identificação digital fica na proximidade de um analisador e leitor de impedância que constituem um dispositivo de medição. O pelo menos um sensor é configurado para determinar pelo menos um parâmetro da solução. A etiqueta é configurada para prover uma ID digital associada ao pelo menos um sensor, onde o recipiente fica na proximidade do leitor e de um analisador de impedância. O analisador de impedância é configurado para receber certa faixa de freqüências do pelo menos um sensor, com base no parâmetro, e calcular mudanças de parâmetro com base na impedância complexa medida sobre certa faixa de freqüências.

Em outro modo de realização da invenção, um método para 10 montar um sistema para medir parâmetros é revelado. Pelo menos um sensor é provido, no qual o pelo menos um sensor é colocado entre uma primeira camada de película e uma segunda camada de película. A primeira camada de película e a segunda camada de película são providas com certa espessura, onde o pelo menos um sensor é configurado para ter um campo eletromagnético operável. A segunda camada é formada sobre o pelo menos um sensor na primeira camada, onde a segunda camada é formada sobre o pelo menos um sensor na primeira camada para embutir o pelo menos um sensor na primeira camada. Uma terceira camada de película é provida, onde a terceira camada de película é formada na primeira camada de película que é configurada para formar um recipiente com a terceira camada de película. Uma solução é provida no interior do recipiente, onde a primeira camada de película e o pelo menos um sensor são configurados para medir pelo menos um parâmetro da solução.

Descrição resumida dos desenhos

Estas e outras vantagens da presente invenção se tomarão mais aparentes pela leitura da descrição em conjunto com os desenhos anexos, nos quais:

a fig. 1 ilustra um bloco-diagrama de um sistema para montar e utilizar sensores em um recipiente de acordo com um modo de realização da invenção;

as figs. 2A e 2B ilustram o sensor embutido no recipiente de acordo com um modo de realização da invenção;

a fig. 3 ilustra uma vista explodida da etiqueta de identificação 5 de freqüência de rádio (RFID) da fig. 1, de acordo com um modo de realização da invenção;

as figs. 4A, 4B, 4C e 4D são diagramas esquemáticos de circuitos para sistemas RFID feitos de acordo com um modo de realização da invenção;

a fig. 5 ilustra um fluxograma de como os sensores são incorporados no recipiente pelo emprego de soldagem por ultrassom de acordo com um modo de realização da invenção;

a fig. 6 ilustra um fluxograma de como os sensores são incorporados no recipiente pelo emprego de soldagem por radiofrequência de acordo com um modo de realização da invenção;

a fig. 7 ilustra um fluxograma de como os sensores são incorporados no recipiente pelo emprego de laminação a quente de acordo com um modo de realização da invenção;

a fig. 8 ilustra um fluxograma de como os sensores são incorporados no recipiente pelo emprego de soldagem por chapa quente de acordo com um modo de realização da invenção;

a fig. 9 ilustra um fluxograma de como os sensores são incorporados no recipiente pelo emprego de termoplástico moldado por injeção de acordo com um modo de realização da invenção;

as figs. 10A e 10B ilustram um sensor em tubo de silício de acordo com um modo de realização da invenção;

a fig. 11 mostra um exemplo de sensores de acordo com um modo de realização da invenção;

a fig. 12 ilustra um exemplo de medir o sensor de acordo com um modo de realização da invenção;

a fig. 13 é uma representação gráfica de uma resposta dinâmica e magnitude de resposta da fig. 12 de acordo com um modo de realização da invenção; e a fig. 14 é uma ilustração gráfica de uma curva de calibração da fig. 12 de acordo com um modo de realização da invenção.

Descrição detalhada da invenção

Os modos de realização presentemente preferi idos da invenção são descritos com referência aos desenhos, nos quais componentes idênticos são identificados pelos mesmos números. A descrição dos modos de realização preferidos são exemplificativas e não pretendem limitar o escopo da invenção.

A fig. 1 ilustra um bloco-diagrama de um sistema para medir parâmetros em um recipiente. O sistema 100 inclui um recipiente 101, uma etiqueta 102 e um sensor 103 sobre a etiqueta 102, um leitor 106, um analisador de impedância 108, um computador normal 109 e um dispositivo de medição 111. O dispositivo de medição 111 inclui o leitor 106 e o analisador de impedância 108. O analisador de impedância 108 inclui uma antena de captação 108a, que excita a pluralidade de sensores de RFID no arranjo 103 e a antena de captação 108a coleta um sinal de freqüência de rádio refletido da pluralidade de sensores de RFID nos arranjos 103. A etiqueta 102 e o sensor 103 são incorporados ou integrados no recipiente 101. Diversos sensores 103 ou uma pluralidade de sensores 103 podem ser formados sobre a etiqueta 102 em um formato de arranjo. O sensor 103 ou arranjo de sensores 103 é incorporado no recipiente 101, que é conectado por uma conexão sem fio ou uma conexão por fio elétrico ao analisador de impedância 108 e o comutador 109. O sensor 103 ou arranjo de sensores 103, a etiqueta 102 são conectados por uma conexão sem fio ou um fio elétrico ao dispositivo de medição 111 e o computador 109. O analisador de impedância

108 é conectado por uma conexão sem fio ou uma conexão por fio elétrico ao computador 109.

Com referência às figs. 2A e 2B, o recipiente 101 pode ser um recipiente de bio-processamento descartável, um recipiente de aço inox, um recipiente de plástico, um recipiente de material polimérico, um dispositivo de cromatografia, um dispositivo de filtração, um dispositivo de cromatografia com qualquer conduto de transferência associado, dispositivo centrifugador com qualquer conduto de transferência, um recipiente de material polimérico pré-esterilizado ou qualquer tipo de recipiente conhecido por alguém experiente na técnica. Em um modo de realização, o recipiente biológico 101 é, de preferência, feito, mas não de modo limitativo, dos seguintes materiais, isoladamente ou em qualquer combinação como película em multicamadas: etileno vinil acetato (EVA), polietileno de baixa ou muito baixa densidade (LDPE ou VLDPE), etil-vinil-álcool (EVOH), polipropileno (PP), polietileno, polietileno de baixa densidade, polietileno de ultrabaixa densidade, poliéster, poliamida, policarbonato, materiais elastoméricos, todos os quais são bemconhecidos na técnica. Etiqueta de RFID compreendem, tipicamente, antenas frontais e microchip com um forro de plástico (por exemplo, poliéster, poliimida etc.).

Além disso, o recipiente 101 pode ser feito de uma película de bio-processamento em multicamada, feita por um fabricante. Por exemplo, o fabricante pode ser Hyclone, localizado em Logan, Utah, por exemplo, película HyQ® CX5-14 e película HYQ® CX3-9. A película CX5-14 é uma película de 5 camadas fundidas de 0,35mm. A camada externa desta película é feita de um elastômero de poliéster co-extrudado com uma camada de barreira de EVOH e uma camada de contato de produto de polietileno de ultrabaixa densidade. A película CX3-9 é uma película de 3 camadas fundidas com 9 mil. A camada externa desta película é um elastômero de poliéster coextrudado com uma camada de contato de produto de polietileno de ultrabaixa densidade. As películas acima mencionadas podem ser ainda convertidas em componentes de bio-processamento descartáveis em uma variedade de geometrias e configurações, todas as quais podem conter uma solução 101a. Em ainda outro modo de realização da invenção, o recipiente 101 pode ser um material de polímero incorporado em um dispositivo de filtração. Além disso, o recipiente 101 pode incluir ou conter uma matriz cromatográfica.

Dependendo do material do recipiente, o sensor 103 ou arranjo de sensores 103 e a etiqueta 102 são conectados por uma conexão sem fio ou uma conexão por fio elétrico ao dispositivo de medição 111 e ao computador

109. O recipiente 101 pode ser também um vaso contendo um fluido, como um líquido ou gás, onde o vaso pode ter uma entrada e uma saída. Além disso, o recipiente 101 pode ter um fluxo de líquido ou nenhum fluxo de líquido. Além disso, o recipiente 101 pode ser uma bolsa oú tubo, ou tubulação, ou mangueira.

A solução 101 também pode ser referida como um fluido de bio-processamento. No interior do recipiente 101, há a solução 101a. A solução 101a no recipiente 101 pode ser armazenada ou para transferência. A solução 101a pode ser um líquido, fluido ou gás, um sólido, uma pasta ou uma combinação de líquido e sólido. Por exemplo, a solução 101a pode ser sangue, água, um tampão biológico ou gás. A solução 101a pode conter material industrial tóxico, agente de guerra química, gás, vapores ou explosivos marcadores de doença no ar exalado, biopatógeno em água, vírus, bactérias e outros patógenos. Se a solução 101a for sangue, poderá conter vários materiais, como creatinina, uréia, lactato desidrogenase, fosfato alcalino, potássio, proteína total, sódio, ácido úrico, gases e vapores dissolvidos, como CO₂, O₂, NO_X, etanol, metanol, halotano, benzeno, clorofórmio, tolueno, agentes de guerra química, vapor, tecido vivo, fracionado de um fluido biológico, vacina ou explosivos etc. Por outro lado, se a solução 101a for um gás ou vapor, poderá ser CO₂, O₂, NO_X, etanol, metanol, halotano, benzeno, clorofórmio, tolueno ou agentes de guerra química. Se a solução 101a for um agente industrial tóxico que pode ser inalado e dissolvido no sangue, então poderá ser amônia, hidrina, tricloreto arsênico, cloro, carbonilsulfeto etc. No caso em que a solução 101a for um agente de guerra química, poderá ser Tabun, Sarin, Soman, Vx, agentes de blister, gás de mostarda, agente de choque ou um agente sanguíneo. Se a solução 101a for um marcador de doença em ar exalado, poderá ser acetaldeído, acetona, monóxido de carbono etc. Se a solução 101a incluir um biopatógeno, então, poderá ser antrax, brucelose, shigella, tularemia etc. Além disso, a solução 11a no recipiente pode incluir células procarióticas e eucarióticas para expressar proteínas, proteínas recombinadas, vírus, plasmídeos, vacinas, bactérias, vírus, tecido vivo etc. O recipiente 101 pode ter muitas estrutura s, por exemplo, uma única célula biológica, um microcanal fluídico, uma microplaca, um capuz, um capuz deslizável, um cômodo em um prédio ou um prédio. Desse modo, o recipiente 101 pode ter qualquer tamanho, no qual o sensor 103 e uma etiqueta 102 são incorporados em um recipiente 101 onde eles são posicionados para medir o ambiente no recipiente 101 ou a solução 101a no recipiente 101.

Bem próximo à solução 101a na solução 101a há a pluralidade de sensores no arranjo 103. O arranjo de sensores 103 é embutido, integrado ou incorporado a uma parede 101b do recipiente 101 por qualquer dos vários processos descritos nas figs. 5-9, como soldagem por ultrassom, soldagem dielétrica (também conhecida como soldagem por alta freqüência (HF) ou soldagem por freqüência de rádio (RF)), soldagem a laser, soldagem por chapa a quente, soldagem por faca a quente, indução/impulso, moldagem de inserto, decoração no molde e os outros tipos normais de soldagem de material e métodos de união conhecidos por alguém experiente na técnica.

Os processos acima mencionados também são utilizados para depositar uma camada protetora 105 sobre o sensor 103, conforme mostrado nas figs. 2A e 2B. A camada protetora 105 pode ser uma camada de barreira, uma camada semi-permeável, ou uma camada permo-seletiva. Esta camada protetora 105 é usada para impedir que os componentes do sensor 103 e revestimento opcional de sensor 107, localizados entre a camada protetora

105 e o sensor 103 (fig. 2B) sejam descarregados para o ambiente do recipiente 101 e impeça a solução 101a de corroer o sensor 103, o que permite o reconhecimento apropriado químico ou biológico do sensor embutido 103. Além disso, a camada protetora 105 impede que o fluido de bioprocessamento (solução 101a) seja contaminado por qualquer lixiviável ou extraível presente no sensor de RFID 103. O revestimento de sensor 107 é selecionado para apropriado reconhecimento químico ou biológico. O típico revestimento de sensor ou película 107 é uma película polimérica, orgânica, inorgânica, biológica, compósita ou nanocompósita que muda sua propriedade elétrica com base na solução 101a que é colocada no mesmo. A película de sensor (ou revestimento de sensoreamento) 107 pode ser um hidrogel, como (poli-(2-hidroxietil) metacrilato, um polímero sulfonado, como Nafion®, que é uma marca registrada de Dupont localizada em Wilmington, DE, um polímero adesivo, como adesivo de silicone, uma película inorgânica, como película de sol-gel, uma película compósita, como película de negro de carbono-poli-isobutileno, uma película nanocompósita, como películas de carbono nanotubo-Nafíon®, película de nanopartícula de ouro-hidrogel, nanofíbras de polímero eletrofíadas, nanofíbras inorgânicas eletrofiadas de película de nanopartícula de hidrogênio, nanofíbras de compósito eletrofiadas e qualquer outro material de sensor. Esses materiais acima mencionados para a película de sensor 107 podem ser depositados sobre o sensor 103 por impressão a jato de tinta, impressão de tela, deposição química, deposição de vapor, borrifamento, revestimento de estiramento, revestimento de solvente úmido, revestimento por rolagem, punção de abertura, revestimento de gravura, revestimento por laminação, revestimento por mergulho etc. Para impedir que o material na película de sensor 107 seja descarregada para o recipiente 101, os materiais de sensor são acoplados à superfície da pluralidade de arranjos de sensores 103 usando técnicas normais, como par de íons, união co-valente, união eletrostática e outras técnicas normais conhecidas por alguém experiente na técnica. A espessura da camada protetora 105 fica na faixa de 1 nanômetro a 300 mm. A espessura da parede 101b fica na faixa de 5 nanômetros a 50 cm. De preferência, a parede 101b tem uma espessura de 10 cm. Mais preferivelmente, a parede 101b tem uma espessura de 5 cm ou ainda mais preferivelmente, de 10 cm. Mais preferivelmente, a parede 101b tem uma espessura de 5 cm ou, ainda mais preferivelmente, a parede 101b tem uma espessura de 1 cm. Entretanto, se decoração no molde/moldagem por injeção for usada para fazer recipiente 3D com sensor embutido, a espessura de parede poderia ser significativamente mais alta, por exemplo, de até 10 cm.

A espessura da camada protetora 105 e a parede 101b é necessária para o campo eletromagnético circundando o sensor 103 para ser operável e retido enquanto estiver no interior do recipiente 101. Uma integração sem fio do sensor 103 com um analisador de impedância 108 ocorre quando um campo eletromagnético é gerado ao redor do sensor 103 quando o analisador de impedância 108 está na proximidade do sensor 103. Especificamente, o campo eletromagnético se estende para fora do plano de sensor 103, na direção da parede 101b e camada protetora 105. A antena de captação 108a excita o sensor de RFID 103. Em um modo de realização, a antena de captação 108a é arranjada sobre o lado oposto 101b do sensor 103.

Em outro modo de realização, a antena de captação 108a na proximidade do sensor 103 é arranjada sobre o lado oposto da camada protetora 105 do sensor 103.

Para que a antena de captação 108a receba um sinal de sensor

103, a espessura e propriedades dielétricas do material da camada protetora

105, parede 101b e o revestimento de sensoreamento opcional 107 entre a antena de captação 108a e sensor 103 tem que ser adequada. Em outros modos de realização da invenção, a antena de captação 108a pode ser acoplada ou conectada ao recipiente 101 por diversos modos: 1-a antena de captação é acoplada mecanicamente ao recipiente 101, 2- a antena de captação é acoplada quimicamente ao recipiente por qualquer meio químico típico, como um adesivo, 3- a antena de captação 108a é acoplada ao recipiente 101 por gravidade. Em outro modo de realização da invenção, a antena de captação 108a é acoplada ao recipiente 101 sem contato elétrico com o sensor 103. O sinal do sensor 103 será atenuado quando de um aumento da distância entre o sensor 103 e a antena de captação 108a.

O sinal do sensor 103 será mudado, em geral atenuado quando de um aumento da condutividade de material que é posicionado entre o sensor 103 e a antena de captação 108a. Desse modo, em geral, sob uma propriedade dielétrica realística constante da parede 101b ou camada protetora 105, quanto maior a espessura da parede 101b ou camada protetora 105, maior o sinal do sensor 103.

Para prover um modo conveniente de posicionar a antena de captação 108a na proximidade do sensor 103, a antena de captação é acoplada ao recipiente 101. Em um modo de realização, porções da superfície externa do recipiente 101 são modificadas na região onde o sensor de RFID 103 é embutido, de modo que a antena de captação 108a para o sensor 103 tenha um melhor controle de estabilidade (posição, inclinação etc.). Em outro modo de realização, porções da superfície externa do recipiente 101 são modificadas na região onde o sensor de RFID 103 é embutido, de modo que a antena de captação 108a para o sensor 103 tenha um melhor controle de estabilidade pelo uso de conexões mecânicas (niples de plástico, grampos etc.) nos cantos, lados etc., onde a antena de captação 108a se encaixa por estalo ou é conectada de outro modo em sua posição apropriada.

Em outro modo de realização ainda, porções da superfície externa do recipiente 101 são modificadas na região onde o sensor de RFID é embutido, de modo que a antena de captação 108a para o sensor 103 tenha um melhor controle de estabilidade pelo uso de um material adesivo para que a antena de captação 108a se conecte em sua posição apropriada sobre o recipiente 101. Em outro modo de realização, porções da superfície externa do recipiente 101 são modificadas na região onde o sensor de RFID 103 é embutido, de modo que a antena de captação 108a para o sensor 103 tenha um melhor controle de estabilidade pelo uso da força de gravidade da antena de captação 108a para sua melhor conexão em sua posição apropriada sobre o recipiente 101. Outros métodos de conexão que não usam uma conexão galvânica ou direta de fios entre a antena de captação 108a e sensor 103 podem ser usados por alguém experiente na técnica.

O sensor 103 é coberto pela camada protetora 105 e o revestimento de sensor 107. Se as espessuras acima mencionadas da camada protetora 105 e da parede 101b não forem aderidas entre si, o campo eletromagnético circundando o sensor 103 decairá e o sensor 103 não será capaz de medir parâmetros da solução 101.

As bordas da camada protetora 105 são permanentemente acopladas, por exemplo, por soldagem ou laminação à parede 101b do recipiente 101 para formar uma forte vedação. O recipiente 101, também conhecido por sistema de bio-processamento descartável, com o sensor ou grupo de sensores embutido, satisfaz os requisitos de biocompatibilidade, esterilidade, resistência mecânica, elasticidade e baixa lixiviabilidade. Esta camada protetora pode incluir também películas de plástico denso, membranas, camadas microporosas, camadas mesoporosas, como politetrafluoroetileno expandido PTFE (e-PTFE), membranas de ultrafiltração e nanofiltração, também podem ser usadas como camada protetora ou camada permo-seletiva para reduzir biodegradação, concentram as espécies a serem detectadas e provêem resistência à corrosão para os componentes de sensor 103. Em outro modo de realização da invenção, a camada protetora 105 é uma película de polímero condutor. Em outro modo de realização ainda da invenção, a camada protetora 105 pode ser uma película de compósito que pode incluir um polímero carregado, mistura e liga de polímeros. Esta película de compósito tem as desejadas constante elétrica, condutividade elétrica, condutividade termal, permeabilidade de gases dissolvidos, como oxigênio e CO₂.

O leitor 106 é localizado no dispositivo de medição 111 fora 10 do recipiente 101. Uma antena 301 (fig. 3) de etiqueta 102 quando coberta por um polímero inorgânico, compósito ou outro tipo de película de malha de nano fibra ou revestimento nanoestruturado é o sensor 103 ou arranjo de sensores 103. A pluralidade de sensores em um arranjo 103 pode ser um sensor típico ou arranjo de sensores típico conhecidos por alguém experiente na técnica, ou a pluralidade de sensores em um arranjo pode ser arranjo de sensores de identificação de freqüência de rádio (RFID) 103. Sensores de RFID no arranjo 103 são dispositivos responsáveis por criar um sinal útil baseado em um parâmetro da solução 101a. Os parâmetros incluem medição de condutividade, nível de pH, temperatura, medição relevante de sangue, medição de pressão, medição iônica, medição não-iônica, não-condutividade, deposição de material, deposição de célula, deposição de vírus, deposição inorgânica, como deposição de cálcio, medição de nível de radiação eletromagnética, pressão e outros tipos de medições que podem ser feitas em uma solução típica. Além disso, os parâmetros incluem medições de propriedades físicas, químicas e biológicas de soluções em função do tempo que são importantes para uma variedade de aplicações. Estas medições provêem a informação útil sobre cinética de reação, cinética de junção, efeitos de lixiviação, efeitos de envelhecimento, efeitos extraíveis, efeitos de difusão, efeitos de recuperação, e outros efeitos cinéticos. A pluralidade de sensores no arranjo 103 é coberta ou enrolada em uma típica película de sensor 107 explicada acima que possibilita que ela obtenha parâmetros da solução 101a. Cada um da pluralidade de sensores de RFID no arranjo 103 pode medir o parâmetro individualmente ou cada sensor 103 pode medir todos os parâmetros na solução 101a. Por exemplo, um arranjo de sensor de RFIID 103 pode medir apenas a temperatura da solução 101a ou o arranjo de sensores da pluralidade de arranjo de sensores de RFID 103 pode medir a condutividade, o pH e a temperatura da solução 101a. Adicionalmente a pluralidade de sensores de RFID no arranjo 103 são transponders que incluem um receptor para receber sinais e um transmissor para transmitir sinais. O sensor 103 pode atuar como um típico sensor de RFID que é passivo, semi-ativo ou ativo. Em outro modo de realização da invenção, o sensor 103 pode ser gama - irradiado pelo processo normal de radiação gama.

A fig. 3 ilustra uma etiqueta de identificação por frequência de rádio (RFID). A etiqueta de RFID 102 pode ser referida também como sensor sem fio. A etiqueta de RFID 102 inclui um substrato 303 sobre o qual são dispostos uma antena 301 e um chip de identificação 305. Uma ampla variedade de etiquetas comercialmente disponíveis pode ser aplicada para deposição de estruturas de sensor. Estas etiquetas operam a diferentes freqüência s, variando de cerca de 125 kHz a cerca de 2,4 GHz. Etiquetas adequadas são disponíveis por diferentes fornecedores e distribuidores, como Texas Instruments, TagSys, Digi Key, Amtel, Hitachi e outros. Além disso, a etiqueta pode ser uma da seguinte classe de tecnologia de sensor: Sensor de freqüência de rádio de parâmetro único (SSP¹*¹⁷) e Sensor de freqüência de rádio de multiparâmetro (SMP¹*¹⁷). Etiquetas adequadas podem operar em modos passivo, semi-passivo e ativo. A etiqueta de RFID passiva não precisa de uma fonte de alimentação para operação, enquanto as etiquetas semipassiva e ativa se baseiam no uso de energia a bordo para sua operação. A etiqueta de RFID 102 tem uma ID digital armazenada em um chip 305 e a resposta de freqüência do circuito de antena da etiqueta de RFID 102 pode ser medida como a impedância complexa com partes reais e imaginárias da impedância complexa. Além disso, a etiqueta de |RFID 102 pode ser um transponder, que é um dispositivo automático que recebe, amplifica e retransmite um sinal sobre uma freqüência diferente. Além disso, a etiqueta de RFID 102 pode ser outro tipo de transponder que transmite uma mensagem predeterminada em resposta a um sinal recebido predefinido. Esta etiqueta de RFID 102 é equivalente à variedade de etiquetas de RFID reveladas em “Chemical and Biological Sensors, Systems and Methods Based on Radio

Frequency”, depositada em 26 de outubro de 2005, sob o número US 11/259.710 e “Systems and Method for Monitoring Parameters in Containers”, depositada em 28 de setembro de 2006, sob o número PCT/US 2006/38.198 e US 11/536.030, ambas reivindicando US 60/803.265, depositado em 26 de maio de 2006, cujas revelações são aqui incorporadas pela referência.

A antena 301 é uma parte integrada do sensor 103. A pluralidade de sensores de RFID 103 é localizada, aproximadamente, a uma distância de 0,1-100 cm do leitor 105 e analisador de impedância 107. Em outro modo de realização da invenção, a antena de RFID 301 inclui materiais sensíveis químicos ou biológicos 307 usados como parte do material de antena para modular propriedades de antena. Estes materiais químicos e biológicos são materiais sensíveis condutores, como materiais de sensor inorgânico, polimérico, compósito etc. Os materiais de sensor de compósito incluem um material básico que é misturado com aditivo solúvel ou insolúvel condutor. Este aditivo tem a forma de partículas, fibras, flocos e outras formas que provejam condutância elétrica. Em outro modo de realização ainda da invenção, a antena de RFID 301 inclui materiais sensíveis químicos ou biológicos usados como parte do material da antena para modular propriedades elétricas da antena. Os materiais sensíveis químicos ou biológicos são depositados sobre a antena de RFID 301 por arranjo, impressão por jato de tinta, impressão em tela, deposição de vapor, borrifamento, revestimento por estiramento, e outras deposições típicas conhecidas por alguém experiente na técnica. Em outro modo de realização da invenção ainda, onde a temperatura da solução 101a (fig. 1) está sendo medida, o material químico ou biológico de cobertura de antena pode ser um material selecionado para encolher ou inchar sob mudanças de temperatura. Este tipo de material de sensor pode conter um aditivo que é eletricamente condutor. O aditivo pode ser em forma de micro-partículas ou nanopartículas, por exemplo, pó de negro de carbono, ou nanotubos de carbono ou nanopartículas de metal. Quando a temperatura da película do sensor 307 muda, estas partículas individuais de aditivo muda, o que afeta a condutividade elétrica global na película de sensor 307.

Em adição a revestir o sensor 103 com a película de sensoreamento 307 ou película de sensoreamento 107, alguns parâmetros físicos como temperatura, pressão, condutividade da solução e outros são medidos sem revestir o sensor 103 com a película de sensoreamento 307. Estas medições se baseiam nas mudanças da propriedades da antena em função do parâmetro físico sem ter a película de sensoreamento aplicada sobre o sensor 103. Embora vários modos de realização de sensores sem fio sejam, ilustrados, deve ser apreciado que outros modos de realização dos sensores 103 estão dentro do escopo da invenção. Por exemplo, circuitos contidos no sensor sem fio podem utilizar energia da energia de RE iluminante para acionar um circuito ressonante de alto Q, como o circuito 403 dentro do sensor baseado em capacitância 401 ilustrado na fig. 4A. O circuito ressonante de alto Q 403 tem uma freqüência de oscilação determinada pelo sensor 401 ou sensor 103 incorpora um capacitor cuja capacitância varia com a quantidade sensoriada. A energia de RF iluminante pode ser variada em freqüência, e a energia refletida do sensor ser observada. Ao maximizar a energia refletida, uma freqüência ressonante do circuito 403 é determinada. A freqüência ressonante pode, então, ser convertida em um parâmetro, explicado acima, do sensor 401 ou 103.

Em outros modos de realização, a energia de RF iluminante é 5 pulsada a certa freqüência repetitiva próximo à freqüência ressonante de um oscilador de alto Q. Por exemplo, como ilustrado na fig. 4B, a energia pulsada é retificada em um sensor sem fio 401 ou 103 (fig. 1) e é usada para acionar um circuito ressonante de alto Q 407 tendo uma freqüência ressonante de oscilação determinada pelo sensor 405 ao qual está conectada. Após um período de tempo, a energia de RF pulsada é interrompida e um nível firme de energia de RF iluminante é transmitido. O circuito ressonante de alto Q 407 é usado para modular a impedância da antena 409 pelo uso da energia armazenada no circuito ressonante de alto Q 407. Um sinal de RF refletido é recebido e examinado para bandas laterais. A diferença de freqüência entre as bandas laterais e a freqüência iluminante é a freqüência ressonante do circuito

401. A fig. 4C ilustra outro modo de realização de sensores sem fio usado para acionar circuitos ressonantes de alto Q. A fig. 4D ilustra um sensor sem fio que pode incluir tanto um circuito de antena ressonante como um circuito ressonante de sensor, que pode incluir um circuito de tanque LC. A freqüência ressonante do circuito de antena tem uma freqüência maior do que a freqüência ressonante do circuito de sensor, por exemplo, tanto quanto 4 a 1000 vezes maior. O circuito de sensor tem uma freqüência ressonante que pode variar com alguma condição ambiental sensoriada. Os dois circuitos ressonantes podem ser conectados de modo a que, quando energia de corrente alternada (CA) for recebido pelo circuito ressonante de antena, energia de corrente contínua seja aplicada ao circuito ressonante de sensor. A energia de CA pode ser suprida pelo uso de um diodo e um capacitor, e a energia de CA pode ser transmitida ao circuito ressonante de sensor através do circuito de tanque LC, através de uma derivação dentro de L ou o circuito de tanque LC, ou uma derivação dentro de C do circuito de tanque LC. Além disso, os dois circuitos ressonantes podem ser conectados de modo que a voltagem do circuito ressonante de sensor possa mudar a impedância do circuito ressonante de antena. A modulação da impedância do circuito de antena pode ser realizada pelo uso de um transistor, por exemplo, um FET (transistor de efeito de campo).

Altemativamente, energia de freqüência de radio (RF) iluminante é pulsada a certa freqüência repetitiva. A energia pulsada é retificada em um sensor sem fio (figs. 4A-4D) e é usada para acionar um circuito ressonante de alto Q tendo uma freqüência ressoante de oscilação determinada pelo sensor ao qual está conectada. Após um período de tempo, a energia de RF pulsada é interrompida e um nível firme de energia de RF iluminante é transmitido.

O circuito ressonante é usado para modular a impedância da antena pelo uso de energia armazenada no circuito ressonante de alto Q. Um sinal de RT refletido é recebido e examinado para bandas laterais. O processo é repetido para múltiplas freqüências de repetição de pulso diferentes. A freqüência de repetição de pulso que maximiza a amplitude das bandas laterais do sinal retomado é determinada como sendo a freqüência ressoante do circuito ressonante. A freqüência ressonante é, então convertida em um parâmetro ou medição do circuito ressonante.

Com referência à fig. 1, abaixo da etiqueta de RFID 102 há um leitor 106 e analisador de impedância 108 (dispositivo de medição 111) que provê informação sobre impedância complexa e real da etiqueta de RFID 102 com base na leitura da informação da antena de RFID 301. O leitor de RFID 106 pode ser um Modelo M-l, Skyetek, CO, que é operado sob o controle de computador usando o software LabVIEW. Além disso, o leitor 106 lê a ID digital da etiqueta de RFID 102. O leitor 106 pode também ser referido como leitor de identificação de freqüência de radio (RFID). A etiqueta de RFID 102 é conectada por uma conexão sem fio ou um fio elétrico ao leitor de RFID 106 e ao analisador de impedância 108. O leitor de RFID 106 e o analisador de impedância 108 (dispositivo de medição 111) são conectados por uma conexão sem fio ou por fio elétrico ao computador norma 109. Este sistema pode operar de 3 modos, incluindo; 1- o sistema de leitura do leitor de RFID 106, onde o leitor de RFID 106 lerá informação da pluralidade de arranjos de sensores de RFID 103 para obter informação química ou biológica e o leitor de RFID 106 que lê a ID digital da etiqueta de RFID 102; 2- o leitor de RFID 106 lê a ID digita da etiqueta de RFID 102 e o analisador de impedância 108 lê a antena 301 para obter a impedância complexa, e 3- se houver uma pluralidade de sensores de RFID 103 com e sem películas de sensor onde o leitor de RFID 106 lerá informação da pluralidade de arranjos de sensores de RFID 103 para obter informação química ou biológica e o leitor de RFID 106 lê a ID digital da etiqueta de RFID 102 e o analisador de impedância 108 lê a antena 301 para obter a impedância complexa.

O dispositivo de medição 111 ou computador 109 inclui uma subcomponente de reconhecimento de padrão (não mostrado). Técnicas de reconhecimento de padrão são incluídas no subcomponente de reconhecimento de padrão. Estas técnicas de reconhecimento de padrão sobre sinais coletados de cada um dos sensores 103 ou da pluralidade de sensores de RFID no arranjo 103 podem ser utilizadas para encontrar similaridades e diferenças entre pontos de dados medidos. Esta abordagem provê uma técnica para avisar da ocorrência de anormalidades nos dados medidos. Estas técnicas podem revelar padrões correlatos em grandes conjuntos de dados, podem determinar a relação estrutural entre impactos de tela, e podem reduzir significativamente dimensionalidade de dados para tomá-los mais administrável no banco de dados. Métodos de reconhecimento de padrão incluem análise de componente principal (PCA), análise dede grupo hierárquico (HCA), pré-modelagem independente de analogias de classe (SIMCA), redes neurais e outros métodos de reconhecimento de padrão conhecidos por alguém experiente na técnica. A distância entre o leitor 106 e a pluralidade de sensores de RFID no arranjo 103 ou sensor 103 é mantida constante ou pode ser variável. O analisador de impedância 108 ou o dispositivo de medição 111 mede periodicamente o sinal de freqüência de radio refletido (RF) da pluralidade de sensores de RFID no arranjo 103. Medições periódicas do mesmo sensor 103 ou da pluralidade de sensores de RFID no arranjo 103 provêem informação sobre a taxa de mudança de um sinal de sensor, que está relacionada ao status do ambiente químico/biológico/físico circundando a pluralidade de sensores de RFID no arranjo 103. Neste modo de realização, o dispositivo de medição 111 é capaz de ler e quantificar a intensidade do sinal da pluralidade de sensores de RFID no arranjo 103.

Na proximidade do leitor de RFID 106 há o analisador de impedância 108, que é um instrumento usado para analisar as propriedades dependentes de freqüência de redes elétricas, especialmente aquelas propriedades associadas à reflexão e transmissão de sinais elétricos. Além disso, o analisador de impedância 108 pode ser um equipamento de laboratório ou um dispositivo portátil especialmente feito que escaneia através de uma dada faixa de freqüências para medir ambas as partes real e imaginária da impedância complexa do circuito de antena ressonante 301 da etiqueta de RFID 102. Em adição, este analisador de impedância 108 inclui banco de dados de freqüências para vários materiais associados à solução 101a descrita acima. Além disso, este analisador de impedância 108 pode ser um analisador de rede (por exemplo, Hewlett Packard 8751A ou Agilent E5062A) ou um analisador de impedância de precisão (Agilent 4249A).

O computador 109 é um computador típico que inclui: um processador, um controlador de entrada/saída (I/O), um armazenamento de massa, uma memória, um adaptador de vídeo, uma interface de conexão e um bus de sistema que operacional, eletricamente ou de modo sem fio acopla os componentes de sistemas acima mencionados ao processador. Além disso, o bus de sistema, eletricamente ou de modo sem fio, acopla operacionalmente componentes típicos de sistema de computador ao processador. O processador pode ser referido como uma unidade de processamento, uma unidade de processamento central (CPU), uma pluralidade de unidades de processamento ou uma unidade de processamento paralelo. O bus de sistema pode ser um bus típico associado a um computador convencional. A memória inclui uma memória só de leitura (ROM) e uma memória de acesso aleatório (RAM).

ROM inclui um típico sistema de I/O incluindo rotinas básicas, que assiste na transferência de informação entre componentes do computador durante a partida.

Acima da memória há o armazenamento de massa, que inclui:

1- um componente de drive de disco rígido para ler/escrever em um disco rígido e uma interface de drive de disco rígido, 2- um drive de disco magnético e uma interface de drive de disco rígido, e 3- um drive de disco ótico para ler/escrever em um disco ótico removível, como CD-ROM ou outro meio ótico e uma interface de drive de disco ótico (não mostrada). Os drives acima mencionados e suas mídias legíveis por computador associado provêem armazenamento não-volátil de instruções legíveis por computador, estruturas de dados, módulos de programa e outros dados para o computador 109. Além disso, os drives acima mencionados podem incluir o algoritmo, software ou equação que tem a inovação técnica de obtenção de parâmetros para a solução 101a, que será descrita nos fluxogramas das figs. 5-9 que trabalha com o processador de computador 109. O computador 109 inclui também um software LabVIEW que coleta dados da resposta de impedância complexa da etiqueta 102. Além disso, o computador 109 inclui um software KaliedaGraph de Synergy Software, de Reading PA e software PLSToolbox de Eigenvector Research Inc, em Manson, WA operado com software Matlab de

Mathworks Inc, Natick, MA para analisar os dados recebidos. Em outro modo de realização, os parâmetros obtidos do algoritmo, software ou equação da solução 101a podem ser armazenados no processador, memória ou qualquer outra parte do computador 109 conhecidos por alguém experiente na técnica.

A fig. 5 é um fluxograma que ilustra como os sensores são incorporados no recipiente pelo emprego de um método de soldagem por ultrassom. No bloco 501, uma camada ou película do recipiente 101 (fig. 1) é cortada em uma dimensão desejada. A camada, película ou parede 101b (f. 2) do recipiente 101 como descrito acima pode ter multicamadas e ser feita de vários tipos de materiais. A parede 101b também pode ser referida como uma primeira camada de película 101b. A película 101b de recipiente 101 pode ser cortada por qualquer tipo de dispositivo cortante, como faca, par de tesouras ou qualquer dispositivo cortante normal ou dispositivo cortante automatizado conhecido por alguém experiente na técnica. O recipiente 101 pode ter muitas e diversas estruturas, como mencionado acima, como uma lâmina de Petri ou uma microplaca de titulação, ou qualquer outro tipo de seção transversal. Para este exemplo, as dimensões desta película cortada 101b de recipiente pode ter um comprimento e largura em uma faixa de lxlmm a 15x15 cm ou mais, dependendo das aplicações finais e tamanho do sensor 103 (f. 1). O tamanho da dimensão desta película cortada 101b é, aproximadamente, de um tamanho de parede do recipiente 101. Em seguida, no bloco 503, a película de camada protetora 105 (fig. 2) é cortada pelo dispositivo cortante típico acima mencionado. A película de camada protetora 105, como descrita acima, pode ser feita de diferentes tipos de materiais, como PTFE. A película de camada protetora 105 é cortada em dimensões menores do que a película cortada do recipiente 101, e, de preferência, maior do que o sensor 103. Por exemplo, as dimensões da película de camada protetora 105 pode ter uma faixa de 0,08x0,08 mm a 7,6x7,6 cm ou mais, dependendo do tamanho do sensor 103 ou a parede 101b. A película de camada protetora 105 pode ser referida como uma segunda camada ou película 105.

No bloco 505, o sensor 103 é colocado ou empilhado entre a parede 101b e a película de camada protetora 105. De preferência, o sensor 103 é colocado entre a porção média de parede 101b e a película de camada protetora 105. Em outro modo de realização da invenção, um revestimento de sensor de opcional 107 é pré-depositado sobre o sensor ou cortado pelos métodos de corte acima mencionados, onde as dimensões são menores do que a película de camada protetora 105. Depois, o revestimento de sensor opcional 107 é colocado entre o sensor 103 e a película de camada protetora

105. O revestimento de sensor opcional 107 pode ser considerado uma quarta camada de película. Em outro modo de realização da invenção, a película de camada protetora 105 ou o revestimento de sensor 107 pode ser a única película de camada depositada sobre o sensor 103.

Em seguida, no bloco 507, um processo de soldagem por uitrassom é utilizado para comprimir a camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107 sobre o sensor 103 na parede 101b. O processo de soldagem por uitrassom típico utiliza um componente típico de titânio ou alumínio chamado de uma cometa ou sonotrodo que é levado para contato com a camada protetora 105. Uma pressão controlada da cometa típica é aplicada à camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sobre o sensor 103 e a parede 101b. grampeando estes componentes entre si. A cometa vibra verticalmente a uma taxa de 20 kElz a 40 kHz por segundo, a distância medidas em micra, por um predeterminado período de tempo tipicamente chamado de tempo de solda. As vibrações mecânicas são transmitidas através da camada protetora 105 para as superfícies de junta entre a camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103 e parede 101b para criar um calor de atrito. Quando a temperatura nas interfaces de junta alcança o ponto de fusão no plástico da camada protetora 105 e parede 101b, a vibração é, então, interrompida, o que permite que o plástico fundido destes componentes comece a resfriar. A força de grampeamento da cometa típica é mantida por um período de tempo predeterminado, por exemplo, 30 segundos a 3 horas para permitir que as partes se fundam à medida que o plástico fundido da camada protetora 105 e parede 101b resfria e solidifica, o que pé conhecido como tempo de espera. Em outro modo de realização da invenção, uma força maior de pressão pode ser aplicada durante este tempo de espera para manter ainda os componentes juntos. Após o tempo de espera, a cometa típica é retraída da camada protetora combinada 105, revestimento de sensoreamento 107, sensor 103 e parede 101b.

Em seguida, no bloco 509, outra parede 101c ou uma película multicamada ou uma terceira camada de película é soldada por ultrassom pelo processo de cometa formando o recipiente 101, como mencionado acima, sobre a camada protetora de combinação 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103 e parede 101b. De preferência, esta parede 101c tem as mesmas dimensões que a parede 101b, de modo que as bordas periféricas de parede 101c sejam hermeticamente vedadas sobre as bordas periféricas da parede 101b. Um tubo ou uma pluralidade de tubos são inseridos entre as paredes 101b e 101c, e soldadas ultrassonicamente pelo uso do processo de cometa típico descrito acima para unir a pluralidade de tubos na parede 101b e 101c e, depois, este processo termina. Estes tubos representam um meio de uma solução 101a ser inserida e removida do recipiente 101. A soldagem das bordas periféricas e a pluralidade de tubos poderia ocorrer em etapas separadas ou na mesma etapa de processo.

A fig. 6 é um fluxograma que ilustra como os sensores são incorporados no recipiente pelo emprego de um método de soldagem por radiofrequência (RF). Os processos nos blocos 601, 603 e 605 são os mesmos dos respectivos blocos 501, 503 e 55, de modo que uma descrição destes processos não será feita aqui. No bloco 607, um soldador de plástico típico é utilizado para fundir a camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107 e sensor 103 sobre a parede 101b (fig. 2). O soldador de plástico típico inclui um gerador de radiofreqüência (que cria a corrente de radiofrequência), uma prensa pneumática, um eletrodo que transfere a corrente de radiofrequência para a camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103 e parede 101b que está sendo soldada e um banco de soldagem que mantém os componentes acima mencionados no lugar. Há também diversos tipos de soldadores de plástico que podem ser usados para soldagem por radiofreqüência, como máquinas de encerado, máquinas de vestimentas e máquinas automatizadas. A sintonia das máquinas acima mencionadas pode ser regulada para ajustar sua intensidade de campo ao material sendo moldado.

No bloco 609, outra parede 101c ou película multicamada é soldada por radiofrequência formando recipiente 101, como no bloco 607, sobre a camada protetora de combinação 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103 e parede 101b. De preferência, esta parede 101c tem as mesmas dimensões da parede 101b, de modo que as bordas periféricas de parede 101c sejam hermeticamente vedadas sobre as bordas periféricas de parede 101b. Um tubo ou uma pluralidade de tubos é inserido entre as paredes

101b e 101c, e soldadas por radiofrequência para unir a pluralidade de tubos na parede 101b e 101c e, depois, este processo termina. Estes tubos representam um meio para uma solução 101a ser inserida e removida do recipiente 101. A soldagem das bordas periféricas e a pluralidade de tubos poderia ocorrer em etapas separadas ou na mesma etapa de processo.

A fig. 7 é um fluxograma que ilustra como os sensores são incorporados no recipiente por um método de laminação a quente. Os processos nos blocos 701, 703 e 705 são os mesmos nos respectivos blocos 501, 503 e 505, de modo que uma descrição destes processos não será feita aqui. No bloco 707, um usuário utiliza um dispositivo de laminação típica, como uma prensa de laminação Carver, fabricada por K-Sun, em Scottsdale, AZ, ou uma máquina de estaqueamento a quente provida por PSA, em Benthany, CT, para fundir a camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107 e sensor 103 sobre a parede 101b (fíg. 2). Por exemplo, a etiqueta de RFID 102 com uma freqüência nominal de 13,5MHz de sensor 103 é laminada ao interior da parede multicamada 101b do recipiente 101, como camada de película de ULDPE de 5-L Labtainer™ Bioprocess Container HyQ® CX5-14 feita por HyClone, adquirida de Aldrich. Esta película CX5-14 é uma película de 5 camadas fundidas de

0,35mm. A camada externa da parede 101b inclui um elastômero de poliéster co-extrudado com uma camada barreira de EVOH e uma camada de polietileno de ultrabaixa densidade. A camada protetora 105 é uma película monocamada de polietileno de densidade ultrabaixa, marrom, de 0,1 Omm (película HyQ®BMl, feita por HyClone, adquirida de Aldrich).

O presente processo de laminação ou embutimento ocorre pela laminação da camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107 e a parede 101b, com o sensor de RFID 103 entremeado à película de parede de recipiente 101b e película protetora 105 em uma típica prensa de laminação Carver. A prensa Carver utiliza uma armação ligeiramente maior do que o sensor 103 para impedir que a prensa Carver proveja pressão direta sobre o sensor 103. A armação pode ter qualquer forma, mas, para este exemplo, ela tem uma forma retangular de qualquer dimensão, por exemplo, uma dimensão de 50x70 mm com um interior vazado da dimensão de 40x50 mm e uma espessura de 0,7 mm. Durante este processo de laminação, a prensa Carver manteve uma temperatura estável de 140 graus Celsius. A estrutura entremeada com a armação foi, então, movida para dentro da prensa Carver com pressão mínima e mantida por 1 minuto e, depois, mantida a 8,89 kN por 30 segundos. A estrutura laminada da camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107 e a parede 101b são transferidos

I

I para uma prensa a frio.

No bloco 709, outra parede 101c ou película multicamada é laminada e prensada a frio, formando o recipiente 101, como no bloco 707, sobre a camada protetora de combinação 105, revestimento de sensoreamento

107, sensor 103 e parede 101b. Desse modo, esta parede 101c tem as mesmas dimensões que a parede 101b, de modo que as bordas periféricas de parede 101c sejam hermeticamente vedadas sobre as bordas periféricas de parede 101b. Pelo menos um tubo de plástico ou uma pluralidade de tubos de plástico é laminada às paredes lOlbe 101c pela utilização do dispositivo de laminação acima mencionado como no bloco 707. Estes tubos de plástico servem de insertos para inserir a solução 101a em um recipiente 101 e saídas para liberar solução 101a do recipiente 101. A fig. 11 ilustra um exemplo de três sensores de RFID laminados e um sensor de RFID sem laminação. Os três sensores de RFID 111, 1113, e 1115 são equivalentes ao sensor 101, de modo que a descrição desses sensores não será feita aqui. Os sensores de RFID 111, 1113 e 1115 são laminados a uma parede 101b feita de polipropileno do recipiente 101. Um sensor de RFID 1117 não é laminado em um recipiente 101.

A fig. 8 é um fluxograma que ilustra como os sensores são incorporados no recipiente pelo emprego de um método de soldagem por placa quente. Os processos nos blocos 801, 803 e 805 são os mesmos que nos respectivos blocos 501, 503 e 505, de modo que a sua descrição não será feita aqui. No bloco 807, um usuário utiliza um dispositivo de soldagem por placa quente típico que tem uma mesa de prensa aquecida para fundir as superfícies ^de união da camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional

107, sensor 103, sobre a parede 101b (fig. 2). As partes da camada protetora

105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103 e a parede 101b são levadas para contato com uma mesa de prensa precisamente aquecida por um período predeterminado, por exemplo, 3 segundos a 1 hora, dependendo da espessura dos materiais da camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103 e parede 101b. Após as interfaces de plástico da camada protetora 105, revestimento de sensoreamento 107, sensor 103, e a parede 101b terem sido fundidas, estas partes são levadas para junto para formar uma união molecular, permanente e freqüentemente hermética.

Uma junta projetada apropriadamente, soldada sob controle de processo preciso, freqüentemente iguala ou excede a resistência de qualquer outra área parcial.

No bloco 809, outra parede 101c ou película multicamada é soldada por placa quente, formando o recipiente 101, como no bomba de combustível 807, sobre a camada protetora em combinação 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103 e parede 101b. De preferência, esta parede 101c tem as mesmas dimensões da parede 101b, de modo que as bordas periféricas da parede 101c sejam hermeticamente vedadas sobre as bordas periféricas da parede 101b. Pelo menos um tubo de plástico ou uma pluralidade de tubos de plástico são inseridos entre as paredes lOlbelOlce são soldadas por placa quente às paredes lOlbe 101c pela utilização da mesa de prensa aquecida acima mencionada como no bloco 807 e, depois, este processo termina. Estes tubos de plástico servem como insertos para inserir solução 101a no recipiente 101 e saídas para liberação de solução 101a do recipiente 101.

A fig. 9 é um fluxograma que ilustra como os sensores são incorporados no recipiente pelo emprego de um método de decoração no molde por moldagem por injeção. Os processos nos blocos 901 e 903 são os mesmo que nos respectivos blocos 503 e 505, de modo que a descrição desses processos não será feita aqui. Entretanto, no bloco 903, a camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103 são empilhados no interior de um molde típico ao invés de serem apenas empilhados. No bloco 905, um usuário utiliza uma típica técnica de fabricação e moldagem por injeção para combinar a camada protetora 105 com o revestimento de sensoreamento opcional 107 e a parede 101b. Tipicamente, a moldagem por injeção é uma técnica de fabricação para fazer partes de materiais termoplásticos. Os materiais de parede 101b são injetados a alta pressão em um molde, que tem a inversa da forma desejada. O molde é feito, tipicamente, por um fabricante de molde ou um ferramenteiro a partir de metal, normalmente aço ou alumínio, e usinado com precisão para formar as características da parte desejada. Após solidificação, a montagem da camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103, e uma parede moldada por injeção relativamente espessa 101b são feitas.

No bloco 907, outra parede 101c e uma pluralidade de tubos que atua como entrada e saídas para a solução 101a, como descrito acima, são colocadas acima da camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103, e parede 101b, onde calor é aplicado para fundir a pluralidade de tubos e a parede 101c sobre a parede 101b formando o recipiente 101. De preferência, a parede 101c se funde sobre as bordas periféricas da parede 101b para prover uma vedação hermética formando o recipiente 101 ou biorrecipiente 101 e, depois, este processo termina. Em outro modo da invenção, um método de aquecimento indutivo norma, conhecido por alguém experiente na técnica, pode ser usado no lugar de aquecimento condutor para fundir a pluralidade de tubos sobre a camada protetora 105, revestimento de sensoreamento opcional 107, sensor 103 e parede 101b. O processo ilustrado na fig. 9 é útil para fazer recipientes de bioprocessamento tridimensional com paredes relativamente espessas.

Em outros modos de realização, várias permutações dos processos ilustrados na fig. 5 a 9 são usadas na feitura do recipiente com sensor embutido. Mais de uma soldagem de material e métodos de união podem ser usados em vários estágios de um processo de fabricação de recipiente. Por exemplo, em outro modo de realização de um processo de fabricar recipiente com sensores embutidos, o acoplamento de sensor ao recipiente é realizado por vedação a quente do sensor, enquanto a vedação do material do recipiente e tubos é realizada por soldagem por radiofreqüência. Adicionalmente várias permutações das etapas de processo de fabricação de recipiente ilustradas nas figs. 5 a 9 poderiam ser usadas. Por exemplo, em outro modo de realização ainda do processo de fabricar recipiente com sensores embutidos, redes largamente contínuas podem ser usadas na fabricação de recipiente com sensor embutido primeiro, e o corte para separar o recipiente como feito é efetuado ao final das etapas do processo.

A fig. 10a ilustra uma tubulação de silicone 1000 com 10 diferentes diâmetros que produzem pressão diferencial quando o fluido escoa através do mesmo. A fig. 10b mostra uma vista explodida da tubulação de silicone da fig. 10a embutidos com sensores de pressão de RFID 1001 e 103. Sensores de pressão de RFID 1001 e 103 operam na mesma capacidade do sensor de RFID 103, descrito acima, de modo que uma descrição de sensores

1001 e 103 não será feita. Entretanto, sensores de pressão de RFID 1001 e

1003 provêem o analisador de impedância de rede 108 (fig. 1) localizado próximo aos sensores de pressão de RFID 1001 e 1003 com informação relativa à pressão, por exemplo, Pa indica um nível de pressão de 68,95 kPa, e PB indica um nível de pressão de 55,15 kPa. Desse modo, Pa-Pb = 13,80 kPa ou mudança de pressão. Com base no princípio de Bemoulli normal e utilizando os sensores de pressão de RFID 1001 e 1003, a taxa de fluxo de massa do líquido escoando através da tubulação de silicone 1000 pode ser calculada.

Um fluido passando através de construções de variação suave da tubulação de silicone 1000 experimenta mudanças na velocidade e pressão. Estas mudanças podem ser usadas para medir a vazão do fluido. Enquanto a velocidade do fluido for suficientemente subsônica (V<Mach 0,3), a equação de Bemoulli de incompressível descreve o fluxo pela aplicação desta equação a um curso de fluido seguindo o eixo do tubo horizontal provê as seguintes equações:

a é o primeiro ponto ao longo do tubo b é o segundo ponto ao longo do tubo P e a pressão estática em N/m p é a densidade em kg/m³v é a velocidade em m/s g é aceleração gravitacional em m/s h é a altura em metros (Equação 1)

Pa - PB = ΔΡ = l/2pV_b ² - l/2pV_a ²

Em continuação, a velocidade de gargalo V_b pode ser substituída da equação acima para dar:

(Equação 2)

ΔΡ = l/2pV_a ² [(A_a/A_b)² - 1]

Resolvendo a velocidade a montante V_a e multiplicando pela área de seção transversal A_a, temos a vazão volumétrica Q.

Equação (3)

P

Λ

Idealmente, em fluidos viscosos, a equação acima seria obedecida. As pequenas quantidades de energia convertida em calor dentro das camadas de limite de viscosidade tendem a diminuir um pouco a velocidade real de fluidos reais. Um coeficiente de descarga C é,tipicamente, introduzido para levar em conta a viscosidade dos fluidos

Equação (4)

C depende do número e Reynolds do fluxo e, normalmente, fica entre 0,90 e

0,98 para venturis de afundamento suave

A taxa de fluxo de massa pode ser determinada pela multiplicação de Q pela densidade do fluido.

(Equação 5)

Qmassa = PQ

Por exemplo, os diâmetros do tubo de silicone 1001 da tubulação de montante Da e seção a jusante dB são 20 cm e 4 cm, respectivamente. A densidade do fluido do fluxo de fluido no interior da tubulação é 1 kg/m₃. Além disso, o diâmetro da porção de montante da tubulação de silicone 1000 ou Da = 20 cm, o diâmetro do gargalo da tubulação de silicone 1000 ou dB = 4 cm, a densidade de fluido ou p = 1 kg/m³. Coeficiente de descarga C = 0,98, e a velocidade A ou V é 2,35m/s. Pa indica um nível de pressão de 68,95kPa e PB indica um nível de pressão de 55,15kPa. Desse modo, Dp, Pa-Pb = 13,80kPa ou mudança na pressão. Com base no princípio de Bemoulli normal e utilizando os sensores de pressão de

RFID 1001 e 1003, a taxa de fluxo volumétrica e a taxa de fluxo de massa do líquido escoando através da tubulação de silicone 1000 calculada a partir das equações 4 e 5 são 0,07m³/s e 0,07 kg/s, respectivamente.

A fig. 12 mostra um exemplo de medições de condutividade tomadas do sensor. Um sensor de RFID 103 é mostrado acoplado a uma superfície 1201 que contém uma câmara de teste fluídica, enquanto a superfície é mantida por um pedestal direito 1205. O pedestal esquerdo 1203 suporta uma antena de captação para coletar sinal do sensor de RFID. Duas tubulações 1207 e 1209 são usadas para levar água ou solução para/de a câmara de teste. A antena de captação é conectada ao analisador de impedância 107a ou um dispositivo de medição 111 (fig. 1).

A fig. 13 é uma representação gráfica para o sensor de RFID

103 mostrado na fig. 12, onde a impedância complexa é medida em relação ao tempo. Este gráfico mostra a reprodutibilidade de resposta dinâmica e magnitude de resposta do sensor de RFID 103 laminado na célula de fluxo sobre exposições replicadas para amostras de água de diferente condutividade. Cinco amostras diferentes de água têm um nível de condutividade de 0,49, 7,78, 14,34, 20,28, 44,06 m²/ cm, onde estas amostras de água são, respectivamente, rotuladas como 1-5. A resposta de sensor (um exemplo é a resposta Zp na fig. 12) foi muito reproduzível entre as exposições replicadas. A fig. 14 é uma representação gráfica da resposta de sensor de RFID mostrada na fig. 12, onde a impedância complexa é medida em relação ao tempo (fig. 13). Além disso, esta figura ilustra uma curva de calibração como uma resposta de condutividade elaborada a partir das respostas do sensor de RFID 103 para diferentes amostras de água com condutividades de 0,49, 7,78, 14,34, 20,28, 44,06m²/ cm. A fig. 14 mostra a resposta de sensor em função da condutividade da água. Outro modo de realização para incorporação dos sensores de RFID utiliza uma camada adesiva que acopla sensores à superfície onde a medição física, química ou biológica deverá ser feita.

Em outro modo de realização, um recipiente (um descartável ou reutilizável) 101 pode ser uma micro placa de titulação. Poços individuais da microplaca de titulação ou microplaca de poço de titulação têm sensores de RFID. Estes sensores são incorporados à microplaca de titulação por qualquer dos métodos explicados acima. Sensores de RFID também podem ser arranjados em poços individuais por dispensa. Freqüentemente, é crítico observar, detectar, e sensoriar efeitos de perturbações da amostra com uma perturbação química, física ou biológica. Exemplos não-limitativos incluem adição e reagente, adição de solvente, adição de componente, aquecimento, agitação, resfriamento, exposição a radiação eletromagnética e outros mais. Estas observações são monitoradas em tempo real com um arranjo de sensores de RFID 103 dispostos em uma microplaca de titulação.

Esta invenção provê um sistema para montar um sistema de bio-processamento descartável, onde o usuário pode empregar o sistema de bio-processamento para medir separadamente parâmetros em uma solução, depois o usuário pode descartar o sistema de bio-processamento descartável.

Pretende-se que a descrição detalhada acima da invenção seja considerada como ilustrativa ao invés de limitativa e que seja entendido que são as reivindicações a seguir, incluindo todos os equivalentes, que tem a intenção de definir o escopo da invenção.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema (100) para medir parâmetros múltiplos, caracterizado pelo fato de compreender:

um recipiente (101) e um dispositivo de medição, em que: o recipiente compreende um fluido de bioprocessamento (101a), e uma camada protetora (105) é depositada sobre pelo menos um sensor (103) e pelo menos uma parede do recipiente, a camada protetora sendo acoplada à parede do recipiente para formar uma vedação entre o recipiente e o pelo menos um sensor, em que o pelo menos um sensor é configurado, integrado ou incorporado a uma parede (101b) do recipiente, e o pelo menos um sensor é configurado para ter um campo eletromagnético operável adequado para a espessura do recipiente e a camada protetora, isto é, a espessura e propriedades dielétricas do material da camada protetora (105) e a parede (101b) do recipiente (101) precisam ser adequadas para uma antena de captação (108a) receber um sinal receber um sinal do sensor (103);

o pelo menos um sensor é em conjunto com uma etiqueta (102) em proximidade com um analisador de impedância (108) e um leitor (106) que constituem o dispositivo de medição (111), pelo qual o analisador de impedância (108) inclui a antena de captação (108a), a qual excita o pelo menos um sensor (103) e a antena de captação (108a) coleta um sinal de frequência de rádio refletido do pelo menos um sensor (103);

o pelo menos um sensor é configurado para determinar pelo menos um parâmetro do líquido de bioprocessamento;

a etiqueta é configurada para prover uma ID digital associada ao pelo menos um sensor, em que o recipiente fica na proximidade do leitor e do analisador de impedância (108); e em que o analisador de impedância é configurado para receber uma certa faixa de frequências do pelo menos um sensor, com base no parâmetro, e calcular mudanças de parâmetro com base na impedância de 30/11/2018, pág. 9/118 complexa medida sobre certa faixa de frequências.
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um sensor é uma pluralidade de sensores em um arranjo.

5
3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caraterizado pelo fato de que o pelo menos um parâmetro ser constituído de medição de condutividade, nível de pH, temperatura, e medição de pressão.
4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o revestimento de sensor (107) é

10 disposto sobre o pelo menos um sensor (103) entre o pelo menos um sensor e a camada protetora (105), em que o revestimento de sensor permite o sensor a obter pelo menos um parâmetro do fluido de bioprocessamento.
5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o revestimento de sensor (107) é

15 proveniente de um grupo compreendendo película de polímero, película orgânica, película inorgânica, película de compósito biológico ou película nanocompósita.
6. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o fluido de bioprocessamento

20 inclui um material biológico proveniente do grupo compreendendo bactéria, proteína recombinante, vírus, vacina, tecido vivo ou fracionado de um fluido biológico.
7. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o recipiente (101) é uma microplaca de titulação onde poços

25 individuais da microplaca de titulação contém uma pluralidade de sensores RFID em um arranjo.
8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que:

o recipiente é uma microplaca de poço de titulação;

Petição 870180157368, de 30/11/2018, pág. 10/118 pelo menos um sensor é um sensor RFID em poço(s) individual(is) do recipiente da microplaca de poço de titulação.
9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que um revestimento sensor é depositado sobre pelo menos um sensor

5 RFID em poços individuais do recipiente da microplaca de poço de titulação.
10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o(s) sensor(es) é(são) capaz(es) de medir parâmetros biológicos, químicos ou físicos.