CN102460157B

CN102460157B - 多层比色传感器阵列

Info

Publication number: CN102460157B
Application number: CN201080032488.6A
Authority: CN
Inventors: 尼尔·A·拉科; 迈克尔·S·文德兰
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2030-05-19
Also published as: KR20170001728A; JP2012527625A; JP5572210B2; US8537358B2; WO2010135417A2; EP2433122A4; EP2433122A2; BRPI1009628A2; AU2010249636A1; AU2010249636B2; KR20120016286A; RU2011148028A; WO2010135417A3; KR101777078B1; US20120062893A1; CN102460157A; RU2490615C2

Abstract

本文公开了用来检测被分析物存在的方法和装置。此类方法和装置可包括阵列，所述阵列包括至少两个对所关注的被分析物响应不同的感测元件。所述感测元件各自包括至少光学响应层，所述光学响应层包括至少对被分析物高度响应的子层。所述阵列的至少一个感测元件还包含对被分析物响应最小的子层，所述子层构成所述光学响应层的厚度的一部分。本文还公开了制备和使用此类感测元件阵列的方法。

Description

多层比色传感器阵列

背景技术

能够检测化学被分析物例如有机化学被分析物的能力在包括环境监测等在内的多种应用中是重要的。对被分析物的此类检测和/或监测可尤其用于例如个人监测器（如可由个人佩戴或携带的监测器）和/或区域监测器（如可置于所需环境中的监测器）中。

已经开发出了许多用于检测化学被分析物的方法，例如光学法、重量分析法、微电子机械法和比色法。虽然比色设备目前可用于一系列被分析物，但大多是基于使用染料或有色化学指示剂来检测。此类化合物通常具有选择性，这意味着可能会需要多个传感器，以便检测各类化合物。此外，这些系统中的许多由于光漂白或不良副反应而具有寿命局限性的问题。许多此类系统还依靠复杂或笨重的光电元件进行光学询问。

发明内容

本文公开了用于检测被分析物存在的方法和装置。此类方法和装置可包括阵列，所述阵列包括至少两个对所关注的被分析物具有不同响应的感测元件。这些感测元件各自包括至少光学响应层，该光学响应层包括至少对被分析物高度响应的子层。阵列的至少一个感测元件还包含对被分析物响应最小的子层，该子层构成光学响应层的厚度的一部分。

因此在一个方面，本文公开了一种用于光学检测被分析物的阵列，该阵列包括至少两个能够单独光学询问的感测元件，其中每一感测元件包括位于两个反射层之间的光学响应层，其中每一感测元件的光学响应层包括至少对被分析物高度响应的第一子层，并且其中至少一个感测元件的光学响应层还包括对被分析物响应最小的第二子层，其中各感测元件的第一子层和第二子层各自具有一定厚度，并且其中一个感测元件的第一子层和第二子层的厚度分别显著不同于另一个感测元件的第一子层和第二子层的厚度。

优选地，所述感测元件中的至少一个感测元件包括光学响应层，对被分析物高度响应的第一子层的厚度与对被分析物响应最小的第二子层的厚度的比率为1:8至8:1或1:4至4:1。

优选地，足够引起所述阵列的至少一个感测元件的光学响应的被分析物浓度为足够引起所述阵列的至少一个其他感测元件的光学响应的被分析物浓度的至少两倍。

优选地，所述阵列的至少一个感测元件在存在足够引起所述阵列的至少一个其他感测元件的光学响应的所述被分析物浓度的至少五倍的被分析物浓度的情况下不显示光学响应。

因此在另一方面，本文公开了一种检测被监测气氛中的被分析物的光学方法，包括：提供包括至少第一感测元件和至少第二感测元件的阵列，所述第一感测元件在被监测气氛存在第一较低被分析物浓度的情况下从第一外观改变为第二外观，并且在存在第二较高被分析物浓度的情况下从第二外观改变回第一外观；所述第二感测元件在存在第一较低被分析物浓度的情况下并不从第一外观改变为第二外观；在存在介于较低和较高浓度之间的第三中等被分析物浓度的情况下从第一外观改变为第二外观；并且在存在第二较高被分析物浓度的情况下并不从第二外观改变回第一外观；以及将感测元件的阵列暴露于潜在包含被分析物的气氛中。

本发明的这些方面以及其他方面在下面的具体实施方式中将显而易见。然而，在任何情况下都不应将上述发明内容理解为是对要求保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求书的限定，并且在审查期间可以进行修改。

附图说明

图1为示例性感测元件的一部分的侧剖视图。

图2为示例性感测元件呈现的反射光谱的通用图。

图3为示例性感测元件的一部分的侧剖视图。

图4a、4b和4c为示例性感测元件的部分的侧剖视图。

图5为两个感测元件的示例性阵列对被监测气氛中的不同被分析物浓度的响应的代表性绘图。

图6为呼吸器的透视图，其中可置换的吸附剂滤筒包括感测元件的阵列。

图7为用于图6所示呼吸器中的可置换滤筒的侧剖视图。

图8为示出对于不同感测元件在暴露于不同浓度的测试被分析物之后所观察到的波长偏移的实验数据图。

在上述多张图中，相同的参考符号表示相同的元件。除非另外指明，否则本文件中的所有附图均未按比例绘制，并且选择这些附图是为了示出本发明的不同实施例。具体地讲，除非另外指明，否则各种组件的尺寸仅以例示方式描述，并且不应从附图推断所述各种组件的尺寸之间的关系。尽管在本公开中可能使用了例如“顶部”、“底部”、“上面”、“下面”、“下方”、“上方”、“前部”、“背部”、“向外”、“向内”、“向上”、“向下”、“第一”和“第二”等术语，但应当理解，除非另外指明，否则这些术语仅以其相对含义进行使用。特别是，在给定上下文中表征某些参数（如浓度）为“较低”、“中等”和/或“较高”应当理解为在该给定上下文中以相对（比较）含义进行解释（例如，“中等”浓度介于所述上下文中所提及的“较低”浓度和“较高”浓度之间）。

具体实施方式

本文公开了阵列1，其包括至少第一感测元件2'和第二感测元件2″（如以示例性方式示于图5和图6中）。每个感测元件包括光学响应层230，本文随后将对光学响应层230进行详细地描述。第二感测元件2″中的层230不同于第一感测元件2'中的层230，使得第二感测元件2″和第一感测元件2'对至少所关注的被分析物的特定浓度的响应不同（此处和文中的其他涉及浓度下均指感测元件暴露气氛中的被分析物浓度）。

具体地讲，第二感测元件2″不对第一感测元件2'所光学响应的特定较低被分析物浓度进行光学响应（例如，通过反射光谱偏移至少15nm和/或通过可目视观察的改变来进行响应，两者均如下详细所述），而对不同的、较高被分析物浓度进行光学响应。第一感测元件2'因而对较低被分析物浓度响应，而第二感测元件2″因而对较高被分析物浓度响应，由至少所述两个感测元件构成的阵列可能能够在比任一单个感测元件可光学响应的（被分析物浓度的）动态范围更宽的动态范围内进行光学响应。在一些实施例中，阵列1包括多个感测元件（例如，三个、四个、五个、六个或更多个），其可提供进一步增大的动态范围。使用如本文所述的此类阵列还可提供其他有益效果，如将详细所述。

感测元件2（一般指并且包括本文所提及的构造2'、2″等）在图1的示例性实施例中示出。感测元件2为至少包含位于反射层240和半反射层220之间的光学响应层230的多层结构，这些层合并从而构成呈现反射光谱的所谓干涉滤波器，所述反射光谱可在存在被分析物的情况下改变。感测元件2表现出图2中的通用图所示出的通用型反射光谱，该反射光谱在不同的波长下具有一个或多个峰（如181、183和184）和谷（如185），并且在存在被分析物时或在被分析物浓度变化时可能改变。例如，存在足够的被分析物可以引起图2中的峰和谷偏移至更高（更长）的波长。感测元件2呈现出的反射光谱在视觉观察时可被显示为可在暴露于足够的被分析物时发生变化的外观（例如，相对主要的颜色、色调或色度）。因此，当暴露于足够的被分析物浓度时，感测元件2的外观可从第一（初始）外观改变为可在视觉上区别于第一外观的第二外观。

可通过将感测元件2暴露于入射光线40（如图1所示）中并观察从感测元件2反射的光来对感测元件2进行光学询问。无需专用（外部）光源来提供光线40（尽管根据需要也可使用一个或多个专用光源）。光线40可源自单个的分立光；或者，可使用环境光（其可源自若干分立光源、直接光源的光与反射光的组合、太阳光等）作为光线40的光源。

在采用图1所示设计的实施例中，感测元件2按顺序包括（可选的）基底210、半反射层220、光学响应层230和反射层240。光线40投射到基底210上并从中穿过。光线40的某一部分可从半反射层220上反射，从而作为光线41从感测元件2射出。光线40的另一部分可穿过半反射层220并穿过光学响应层230而遇到反射层240。这些光线的至少一部分可从反射层240反射，从而作为光线42从感测元件2射出。光线41和42可结合（如通过相长干扰和/或相消干扰）以共同提供可在存在被分析物或被分析物浓度变化的情况下发生变化的反射光谱。

在图1的示例性设计中，被分析物可透过反射层240进入光学响应层230。这可改变层230的至少一部分（如本文稍后详细揭露的层230的子层）的光学性质（如光学厚度），以使从感测元件2反射的光的反射光谱可充分改变，从而能探测到或监测到被分析物的存在和/或其浓度。在采用图1所示设计的实施例中，反射层240是可由被分析物穿透的，并且与光学响应层230流体连通。在图1的设计中，半反射层220可以是或不是可由被分析物穿透的层。在图1的示例性设计中，光可穿过基底210，因此基底210应在所关注的波长处为光学透明的。

其他的设计也是可以的。例如，半反射层220可为被分析物可透过的，而不是或代替反射层240。光学响应层230和（如果存在的话）基底210、半反射层220、和/或反射层240的性质，如现在进一步详细所述，通常应理解为适用于制备反射性（如基于干涉的）感测元件。本领域的普通技术人员将容易认识到，尽管相同的参考标号可用来标示位于阵列的不同感测元件中的上述所提及的层，但如此标示的层可具有相同或不同的构造和/或组成。

光学响应层230定义为具有光学厚度（物理厚度乘以折射率）的层，该层的至少一部分可响应于被分析物而改变，使得在感测元件2暴露于所关注含量的所关注被分析物时，由光学响应层230与合适的反射层240及半反射层220结合而建立的反射光谱可充分偏移（例如，可在欲使用感测元件2的普通条件下观察到感测元件2的可视外观上的变化）。具体地讲，当光学响应层230位于合适的反射层240和半反射层220之间时，其会呈现出反射光谱，该反射光谱在暴露于含有1000ppm的苯乙烯（其为合适的具代表性的所关注有机被分析物）的气氛时将偏移至少约15nm。本文中这种和所有其他对反射光谱偏移的提及都是参照根据本公开的“样品对测试被分析物的响应”部分中所列出的程序而进行的测量。对于层230的光学响应还意味着层230的总（物理）厚度（算入其所有子层）一般大约为或近似为可见光波长（即，为从约100nm到约2000nm）。在各种具体的实施例中，层230的总物理厚度可为从约200nm到约1500nm，从约400nm到约1000nm，或从约500nm到约800nm。（除非指明为光学厚度，本文中给出的所有厚度都指物理厚度而不是光学厚度。）

如图3所示，光学响应层230可包括至少两个子层232和236。子层232为如本文中所定义的对被分析物高度响应的子层，而子层236为如本文中所定义的对被分析物响应最小的层。在不同实施例中，对被分析物高度响应的子层232的厚度可为从约100nm到约800nm。在不同实施例中，对被分析物响应最小的子层236的厚度可为从约700nm到约0nm（也就是说，在阵列1的一个或多个感测元件2中，可不存在对被分析物响应最小的子层236）。在不同实施例中，子层232和236的结合厚度可为从约200nm到约1500nm。在具体实施例中，子层232和236的结合厚度可为从约400nm到约1000nm，或从约500nm到约800nm。

如本文所公开的阵列1因而包括至少两个感测元件2，其中至少两个感测元件2'和2″的子层232的厚度和/或子层236的厚度在这两个感测元件中显著不同。如果两个感测元件的相应第一和第二对被分析物高度响应的子层232的厚度差为至少约20nm，则将该厚度差定义为显著的。例如，对于两个感测元件，一个具有厚度为600nm的子层232并且一个具有厚度为580nm的子层232，则差值为显著的。同样，如果两个感测元件的相应第一和第二对被分析物响应最小的子层236的厚度差为至少约20nm，则将该厚度差定义为显著的。例如，对于两个感测元件，一个具有厚度为130nm的子层236并且一个具有厚度为150nm的子层236，则差值为显著的。在不同实施例中，两个感测元件中相应子层236的厚度差为至少约50nm，或至少约100nm。

以侧剖视图示于图4中的是三个示例性感测元件2'、2″和2″′，这些感测元件中的两个或更多个可以组合用于阵列1中。每个感测元件包括具有相似（在该上下文中，在约15%范围内）物理厚度的光学响应层230（即，使得所述三个感测元件各自包括在不存在被分析物的情况下具有相似光学厚度的光学响应层230，例如从而在不存在被分析物的情况下呈现相似的外观）。图4a的示例性感测元件2'的光学响应层230是由对被分析物高度响应的子层232构成，其中不存在响应最小的子层236。图4b的示例性感测元件2″的光学响应层230是由具有大约相等厚度的子层232和236构成。图4c的示例性感测元件2″′的光学响应层230是由子层232和236构成，其中子层236的厚度大约是子层232厚度的两倍。

子层232对所关注的被分析物高度响应，该性能通过选择构成子层232的材料来获得。在该上下文中，对被分析物高度响应意指子层232对该被分析物充分可透过，并且在子层232中存在被分析物导致子层232的光学厚度进而层230的光学厚度充分改变，产生感测元件2所呈现的反射光谱的可察觉偏移。具体地讲，术语“对被分析物高度响应”意指子层232是由如下材料制成，当由位于适当的反射层和半反射层之间且厚度为400-800nm的层组成时，该材料呈现出在暴露于包含50ppm苯乙烯的气氛时将偏移至少约15nm的反射光谱。（如上面提及，苯乙烯可在此处及本文中的其他地方用作有用的具代表性的有机被分析物，即用作方便的被分析物以表征可用于本发明的材料的响应性。以这种方式使用苯乙烯不应被解释为将本发明局限于苯乙烯的监测。）在不同的实施例中，对被分析物高度响应的子层232是由如下材料制成，当由位于适当的反射层和半反射层之间且厚度为400-800nm的层组成时，该材料呈现出的反射光谱当暴露于包含50ppm苯乙烯的气氛时将偏移至少约25nm、至少约35nm或至少约45nm。

子层236对所关注的被分析物是响应最小的，该性能通过选择构成子层236的材料来获得。在该上下文中，对被分析物响应性最小是指子层236对被分析物不可透过达到足够程度，和/或在子层236内的被分析物的存在不能导致子层236光学厚度的变化，该光学厚度的变化表示为会引起感测元件2所呈现出的反射光谱的可察觉偏移的层230光学性质的变化。具体地讲，术语“对被分析物响应最小”意指子层236是由如下材料制成，当由位于适当的反射层和半反射层之间且厚度为400-800nm的层组成时，该材料呈现出当暴露于包含20ppm苯乙烯的气氛时将偏移不超过约10nm的反射光谱。在不同的实施例中，对被分析物响应最小的子层236是由如下材料制成，当由位于适当的反射层和半反射层之间且厚度为400-800nm的层组成时，该材料呈现出当暴露于包含20ppm苯乙烯的气氛时将偏移不超过约5nm、约3nm或约1nm的反射光谱。

通过采用包括具有对被分析物高度响应的材料的子层232和具有对被分析物响应最小的材料的子层236的光学响应层230，层230（从而感测元件2）对一定量的被分析物的响应可由所述两个子层的作用控制。例如，包括具有对被分析物响应最小的子层236的光学响应层230的感测元件相比包括具有类似厚度但不具有子层236的光学响应层230的感测元件可能需要存在更高的被分析物浓度以引起反射光谱的类似偏移。

例如，在一个实施例中，感测元件2可包括具有对被分析物高度响应的子层232和响应最小的子层236的光学响应层230，光学响应层230被构造成使得（即使对被分析物高度响应的子层232可由如下材料制成，当由位于适当的反射层和半反射层之间且厚度为400-800nm的层组成时，该材料呈现出当暴露于包含200ppm苯乙烯的气氛时将偏移如约100nm的反射光谱）感测元件2当暴露于包含200ppm苯乙烯的气氛时呈现出反射光谱偏移不大于约40nm。在其他实施例中，此一感测元件可包括子层232和子层236，其被构造成感测元件2呈现出当暴露于包含200ppm苯乙烯的气氛时反射光谱偏移不大于约30nm或不大于约20nm。

包括多个单独感测元件2（每个具有不同厚度的子层232和/或子层236）的阵列因此可涵盖所关注被分析物的宽动态浓度范围，这具有如下文所述的有益效果。

另外，通过采用选定厚度的对被分析物响应最小的子层236（该厚度被选择与子层232的选用厚度一起提供光学响应层230的选用总厚度），可建立感测元件2的初始反射光谱（如，在不存在被分析物或存在不可检测含量的被分析物的情况下）（例如，为了视觉检查时赋予感测元件2特定外观（如颜色））。即，采用子层232和子层236的感测元件2可被制成具有类似于仅采用对被分析物高度响应材料（如不具有子层236）的感测元件2时所呈现的初始外观，并且相比仅采用对被分析物高度响应的材料的感测元件2时能对不同的（如较高的）被分析物浓度进行响应。因此，在包括多个单独感测元件2的阵列中，所述单独感测元件中的一些或全部可具有类似的初始外观而可对给定量的被分析物响应不同，这可具有如下文所述的有益效果。

概括地说，采用包括子层232和子层236的光学响应层230可允许对感测元件2可响应的被分析物的浓度范围进行选择，也可允许对感测元件2的初始颜色、外观等进行选择。这种结合可提供显著的有益效果。

将对被分析物高度响应的子层232和对被分析物响应最小的子层236结合使用至少在一些实施例中可提供另外的有益效果。特别地，本文中描述的通用型反射传感器已为本领域的技术人员所知可能用来呈现一种术语为“卷绕”(wraparound)的现象。在卷绕（在暴露于足够高浓度的被分析物时）中，反射光谱偏移至使得感测元件将外观变回与在不存在被分析物时感测元件所呈现的初始外观类似的外观。（在暴露于更高浓度的被分析物时，可发生外观的进一步改变。）发明人惊奇地发现采用包括对被分析物高度响应的子层232和对被分析物响应最小的子层236的光学响应层230可提供一种不易于卷绕的感测元件2。在具体的实施例中，子层232和236的性质和厚度可选择成使得感测元件2即使在存在特别高的含量的被分析物的情况下也不呈现出卷绕。例如，在不同的实施例中，感测元件2即使当暴露于200ppm、400ppm或甚至1000ppm的有机被分析物如苯乙烯的情况下也不呈现出卷绕。

在不同的具体实施例中，这种不呈现卷绕的能力可对应于感测元件当暴露于200ppm的有机被分析物如苯乙烯时呈现出的反射光谱偏移小于约100nm，小于约80nm或小于约60nm。在进一步的具体实施例中，这种不呈现卷绕的能力可对应于感测元件当暴露于400ppm的有机被分析物如苯乙烯时呈现出的反射光谱偏移小于约100nm，小于约80nm或小于约60nm。在其他的具体实施例中，这种不呈现卷绕的能力可对应于感测元件当暴露于1000ppm的有机被分析物如苯乙烯时呈现出的反射光谱偏移小于约100nm，小于约80nm或小于约60nm。因此，可提供阵列，其中一个或多个感测元件2即使在存在最高预期含量的有机被分析物的情况下也不呈现出卷绕。这种构造可提供有益效果，如下文所述。

对被分析物高度响应的子层232可包含例如相比联合使用的具体的对被反应物响应最小的子层236对被分析物呈现出足够高的响应的任何材料。因此，子层232对于所关注的被分析物充分可透过，并具有当暴露于选定浓度的被分析物时可充分改变的光学厚度以获得如本文所述的感测元件2的所需功能。虽然不希望被任何理论或机理限制或约束，然而子层232的光学厚度可例如通过孔填充（如至少部分地构成子层232的多孔材料的孔填充）响应于被分析物而改变，所述孔填充可至少通过提高折射率来提高光学厚度。子层232的光学厚度也可通过溶胀响应于被分析物而改变，溶胀至少可通过增加该层的物理厚度来增加光学厚度。一些材料可表现出两种响应的混合，可在某些被分析物浓度下主要表现出一种响应，而在其他被分析物浓度下主要表现出另一种响应等等。

在一些实施例中，子层232包括多孔材料。在此语境中，“多孔”是指材料具有至少部分地互连的内部孔。可选择例如平均孔径（例如通过吸附等温线工序表征的）小于约100nm的材料。在不同实施例中，可选择平均孔径小于20nm、小于约10nm或小于约2nm的材料。子层232可为同质或异质，并可以，例如，由一种或多种无机组分、一种或多种有机组分或有机组分和无机组分的混合物制备。可用于子层232的代表性的无机材料包括金属氧化物、金属氮化物、金属氧氮化物和可形成为合适厚度的透明（和多孔，如果需要的话）层以产生合适光学响应的其他无机材料。

多孔二氧化硅可作为特别理想的无机的对被分析物响应的层材料。例如，可使用溶胶-凝胶处理来制备多孔二氧化硅，在溶胶-凝胶处理中溶胶-凝胶混合物可转变成在二氧化硅内具有孔网的硅酸盐。也可采用等离子体化学气相沉积法，以生成多孔无机的对被分析物响应的材料。此方法通常涉及由气态前体形成等离子体，在基底上沉积该等离子体以形成非晶态无规共价网层，然后加热该非晶态共价网层以形成多孔非晶态无规共价网层。这些方法和材料更详细地描述于名称为“ORGANIC CHEMICALSENSOR COMPRISING PLASMA-DEPOSITED MICROPOROUS LAYER,AND METHOD OF MAKING AND USING（包括等离子体沉积的微孔层的有机化学传感器以及制造及使用方法）”的国际(PCT)公布的专利申请号US2008/078281中，该专利申请为此目的以引用方式并入本文中。

在一些实施例中，光学响应层230至少部分地由在本文中被定义为组合物的多孔有机硅酸盐材料构成，所述组合物为包含具有一些有机官能团R的共价连接的三维二氧化硅网(-Si-O-Si-)的混合物，其中R为通过至少一个Si-C键连接至该二氧化硅网的烃或杂原子取代的烃基。这些材料和它们的制备方法更详细地描述于名称为“AMORPHOUS MICROPOROUSORGANOSILICATE COMPOSITIONS（非晶态微孔有机硅酸盐组合物）”的美国临时专利申请序列号61/140131中。

在一些实施例中，对被分析物高度响应的层232至少部分地由选自包含所谓的“固有微孔性聚合物”（在下文中称为PIM）的材料族的组分制成。该族中的聚合物在例如以下文件中进行了描述和表征：“Polymers ofIntrinsic Microporosity(PIMs):Robust,Solution-Processable,OrganicMicroporous Materials（固有微孔性聚合物(PIM)：稳定、可溶液加工的有机微孔材料）”（Budd等人），Chem.Commun.,2004，第230-231页；“Polymers of Intrinsic Microporosity(PIMs)（固有微孔性聚合物(PIM)）”（McKeown等人），Chem.Eur.J.,2005,11，第9期，第2610-2620页；授予McKeown等人的美国公布的专利申请号2006/0246273；和授予McKeown等人的国际(PCT)公布的专利申请号WO2005/012397A2，所有这些均为此目的以引用方式并入本文中。

PIM可通过使用以下单体的任何组合来配制：这些单体可产生刚性非常强的聚合物，在该聚合物中存在足够的结构特征，以引起扭曲的结构。在不同实施例中，PIM可含有由刚性连接基连接的大致平面的物种构成的有机高分子，所述刚性连接基具有扭曲点，使得由该连接基连接的两个相邻的平面物种保持在非共面取向中。在其他实施例中，此类材料可含有由第一大致平面的物种构成的有机高分子，所述第一大致平面的物种主要由刚性连接基连接到最多两个其他所述第一物种，所述刚性连接基具有扭曲点，使得由所述连接基连接的两个相邻的第一平面物种保持在非共面取向中。在不同实施例中，此一扭曲点可以包含螺基、桥环部分或空间位阻的单个共价键，在该单个共价键周围存在受限的旋转。

在具有此一刚性扭曲结构的聚合物中，聚合物链无法有效包络在一起，因而该聚合物具有固有的微孔性。因此，PIM具有的优点为拥有并非显著取决于材料热过程的微孔性。因而PIM可以在以可复制的方式大量制造方面和在不表现出随老化、储存寿命等而变化的性质方面提供优点。

在一些实施例中，光学响应层230至少部分地由多孔、高度交联的聚合物材料构成，例如被称为“Styrosorbs”的高度交联苯乙烯树脂（例如描述于V.A.Davankov和P.Tsyurupa,Pure and Appl.Chem.，第61卷，第1881-89页(1989)和L.D.Belyakova,T.I.Schevchenko,V.A.Davankov和M.P.Tsyurupa,Adv.in Colloid and Interface Sci.第25卷，第249-66页，(1986)中），并包括那些以商品名Styrosorb得自Purolite(Bala Cynwyd,PA)的材料。

对于多种应用，子层232具有疏水性可能是有益的。在这些实施例中，这可以减少水蒸气（或液态水）引起子层232响应的变化并干扰被分析物的检测，如有机溶剂蒸气的检测的可能性。在一些实施例中，对被分析物高度响应的子层232係由如下材料制成，该材料在作为位于适当的反射层和适当的半反射层之间且厚度为400-800nm的层提供时呈现出的反射光谱当暴露于含有90%湿度的气氛时将偏移不大于15nm。

适用于子层232的适宜材料的其他细节和属性及由这些材料制备子层232的方法描述于例如美国公布的专利申请号2008/0063874中，该专利申请为此目的以引用方式并入本文中。

对被分析物响应最小的子层236可由如下所述的任何材料构成：首先，相比一起使用的特定的对被分析物高度响应的子层232表现出对被分析物（和对任何其他可能干扰所关注的被分析物的感测的物质）足够低（包括不存在和/或不可测量的）的光学响应；其次，与用于制备子层232的加工方法（如下所述）相容；再次，与子层232光学相容。光学相容意指子层236是由对光充分透明且具有与子层232充分相似的折射率的材料构成，以使感测元件2发挥作用。即，子层232和236的折射率的差别不应大到以至于导致从子层232和236之间的界面发出的反射光足够干扰感测元件2发挥作用（例如，不可接受地阻止一定量的光线到达对被分析物高度响应的子层232，如在光线须透过子层236才能到达子层232的构造中）。关于子层236的光学相容还指子层236不包含充分反射、吸收和/或散射光线以至于不可接受地干扰感测元件2的反射光谱的任何界面、颗粒、填料、孔洞等。

由于子层236对所关注的被分析物相对不可透过，使得不足的被分析物渗透入子层236中引起响应，因而子层236可对被分析物响应最小。因此，在不同的实施例中，子层236可由具有增强阻隔性能的材料构成（在这种情况下，子层236可优选位于对被分析物高度响应的子层232的相对侧上，从此处被分析物渗透入感测元件2中以使被分析物可到达子层232）。子层236因此可至少部分地由半结晶性聚合物材料（如具有高熔点(T_m)）、和/或玻璃态材料（如具有高的玻璃化转变温度(T_g)）、无机网络材料（无相互连接的孔）等等构成。在一些实施例中，子层236对被分析物可至少在一定程度上为可透过的，但可具有使被分析物的存在（至少达到一定含量）不引起光学响应（如子层236光学厚度的改变）的性能。因此，可选用已进行适当交联从而表现出例如在一些材料（如水、有机蒸气等）存在的情形下溶胀倾向小的材料。

在一些实施例中，子层236包括无孔材料。在其他实施例中，子层236包括有孔材料，但其中的此类孔隙度不能阻止材料表现出对被分析物响应最小。例如，此类材料可具有非常低的孔隙度水平和/或可包含不互连的孔（从而使被分析物渗透入材料的能力低），或所包含的孔可具有如此大的尺寸以至于在感测元件所处于的被分析物的浓度高于所关注的浓度范围之后所关注的被分析物才在孔内凝结。

在不同的实施例中，子层236由疏水材料构成（这可使水干扰某些被分析物检测的可能性最小）。在一些实施例中，当对被分析物响应最小的子层236由如下材料制成，当由位于适当的反射层和半反射层之间且厚度为400-800nm的层组成时，该材料呈现出在暴露于包含90%湿度的气氛时将偏移不大于15nm的反射光谱。

特别是在其中对被分析物高度响应的层232通过溶液涂布（如下述）沉积到对被分析物响应最小的子层236上的实施例中，使子层236的材料能抵抗被用于沉积子层232的溶剂溶解、降解或以其他方式破坏可为有利的。在层232包括前述固有微孔性聚合物(PIM)的情形下，使子层236对此类常用于溶解PIM的溶剂（如氯苯、氯仿、四氢吡喃、四氢呋喃和/或其混合物）具有抗性可为有利的。

在一些实施例中，子层236包括非交联的有机聚合物材料。在这种情形下，聚合物材料可被选为对吸收所关注的被分析物（如有机蒸气等）和/或对因吸收所关注的被分析物而溶胀具有抗性。可用的示例性材料包括聚异丁烯腈和其共聚物和共混物。采用这种类型的某些材料的感测元件的实例见于对样品1-5的讨论中。其他适用的备选聚合物材料（如由于其具有相对高的T_m和/或T_g并相对疏水）可包括例如：聚(氰甲基丙烯酸酯)、聚(3,5-二甲基金刚烷基巴豆酸酯)、聚(1-金刚烷基丙烯酸酯）、聚(金刚烷基巴豆酸酯)、聚(五溴苄基丙烯酸酯)、聚(丙烯酸五氯苯酯)、聚(金刚烷基甲基丙烯酸酯)、聚(4-氰基苯基甲基丙烯酸酯)、聚(3,5-二金刚烷基甲基丙烯酸酯)、聚(3-四环十二烷基甲基丙烯酸酯)、聚(2,6-二甲苯基甲基丙烯酸酯)、聚β-氯丙烯酸甲酯、聚[4-(4-联苯基)苯乙烯]、聚[3-(4-联苯基)苯乙烯]、聚(2-乙烯基苯甲酸)、聚(2,4-二异丙基苯乙烯)、聚(2,5-二异丙基苯乙烯）、聚[4-(1-羟基-1-甲基乙基)苯乙烯]、聚[4-(1-羟基-1-甲基丙基)苯乙烯]、聚(2-羟甲基苯乙烯)、聚(4-羟甲基苯乙烯)、聚(4-碘代苯乙烯)、聚α-甲基苯乙烯、聚全氟苯乙烯和聚(4-苯基苯乙烯)。

在一些实施例中，子层236包括交联有机聚合物材料。这些交联可为材料提供对吸收所关注的被分析物和/或对因吸收所关注的被分析物而溶胀具有增强的抗性，从而可使范围广大的各种材料可用于子层236。例如，子层236可包括交联聚苯乙烯材料。采用这种材料的感测元件的实例见于对样品7的讨论。然而，可使用本领域熟知的具有任何所需组分或结构并可选地包括添加剂等的任何适宜可交联的有机聚合物材料。

在一些实施例中，子层236包括通过聚合反应和/或多功能单体（如熟知的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯单体）反应而获得的交联有机聚合物网络。这些单体的混合物可例如被沉积（以液态，或通过如美国专利号5877895中公开的蒸气凝结方法）和反应（如辐射固化）来形成交联层。可用于此类用途的合适的单体、低聚物等在例如美国专利7,449,146中被公开，该专利为此目的以引用方式并入本文中。正如所提及，这种层应在此类条件下制备以获得使其适于用作子层236的性能（如高程度的交联）。其他蒸气涂布的有机聚合物材料可用于子层236，包括例如熟知的以商品名聚对二甲苯(Parylene)得自不同供应商的涂料。不论交联或非交联，如前所述，使子层236具有疏水性可为理想的。

子层236也可包括无机材料，例如不具有多孔性的无机材料。如上所讨论，无机材料的折射率应与子层232的折射率充分相似以使感测元件2正常发挥作用。例如，子层236可包含氧化硅（例如，通过蒸气涂布法沉积）。此一无机材料可构成子层236的整个厚度。或者，子层236可包括邻靠子层232的由无机材料制成的阻隔子层，其中背衬子层（如由有机聚合物材料制成）位于无机阻隔子层后面并用以提供子层236的所需总厚度。（采用此一方法的感测元件的实例见于对样品6的讨论）。如果无机材料对被分析物充分地不可透过，背衬层可由任何合适的材料构成（例如不特别考虑需要对被分析物不可透过），因为在这种构造中，背衬层可仅仅作为空间填料，因此其阻隔性能和/或对被分析物的响应可不作为一个因素来考虑。

在不同的实施例中，子层236可包括上述所列材料的组合（例如混合物、共混物、复合结构等等）和/或由这些材料制成的多个层。

感测元件2可包括反射层240。在一些实施例中，反射层240可沉积（如通过各种已知的方法）在先形成的光学响应层230的表面上；或者反射层240可沉积到基底210上，然后感测元件2的其他层和/或子层沉积到其上。

反射层240可包含任何可提供足够反射率的合适材料。用于反射层的合适材料可包括金属或半金属，如铝、铬、金、镍、硅、钛、铂、钯和银。可以包含在反射层中的其他合适的材料可以包括金属氧化物。在一些实施例中，反射层在约500nm的波长处的反射率可为至少约90%（即，透射率为至多约10%），在一些实施例中反射率为约99%（即，透射率为约1%）。

在一些（如采用图2所示设计的）实施例中，反射层240有利地可为所关注的被分析物可透过的层。这可通过，例如，形成布置为近似大理石叠堆形状并且可由被分析物透过而到达和进入光学响应层230的金属纳米粒子的反射层240来提供。可通过将金属纳米粒子的稀释的涂布溶液或悬浮液施用到光学响应层230并使所述溶液或悬浮液干燥来形成可透过的反射层240。金属纳米粒子可承载于各种载体中，包括水和有机溶剂（例如甲醇、庚烷、癸烷等）。金属纳米粒子还可承载于可聚合的单体粘结剂中，但有利地是该粘结剂从涂覆的涂层中移除（使用如溶剂萃取或烧结）以提供可渗透的纳米粒子层。

可用于反射层240的合适的可由被分析物穿透的材料，特别是金属纳米粒子材料的其他细节和属性在例如美国公布的专利申请号2008/0063874中有所描述，该专利申请为此目的以引用方式并入本文中。

感测元件2可以包括半反射层220。在不同的实施例中，半反射层220可沉积（如通过各种已知的方法）到先形成的光学响应层230的表面上；或者半反射层220可沉积到基底210上，而感测元件2的其他层和/或子层随后沉积到半反射层220上。

半反射层220可具有类似于或低于反射层240的反射率。半反射层220可包含任何可提供适当半反射性（如当厚度适当时）的合适材料。合适的材料可包括金属或半金属，如铝、铬、金、镍、硅、钯、铂、钛和银。其他合适的材料可包括金属氧化物。

在不同实施例中，半反射层220在约500nm的波长处的反射率可为约30%至约70%、或约40%至约60%。

在一些实施例中，半反射层220可有利地为所关注被分析物可透过的。因此，在这种情形下，以合适的厚度提供半反射层220可能是优选的，以在允许被分析物透过半反射层220到达和进入光学响应层230的同时提供合适的反射率。在一些情形中，在5-10nm通常范围内的厚度可能是期望的（例如，如果通过气相沉积法来沉积半反射层220以形成金属层）。具体的期望厚度将取决于用于形成该层的材料、待检测的被分析物，并可根据需要进行构造。

合适的半反射层和反射层的其他细节、它们的性质和制造方法描述于例如美国公布的专利申请号2008/0063874中，该专利申请为此目的以引用方式并入本文中。

如果存在的话，基底210可由任何能够为感测元件提供支撑的合适材料（如玻璃、塑料等）构成。在光穿过基底210以便对感测元件2进行询问的实施例中，基底210应是光学透明的（即，应在所关注的波长处具有足够的透射率），并且不应具有会对光学信号产生无法接受的影响的其他性质（如荧光）。用于基底210的合适材料可包括例如熟知的聚合物的聚酯家族（如聚对苯二甲酸乙二酯和聚萘二甲酸乙二醇酯）。

在使用前，如本文所公开的感测元件可保持（如包装）在基本上不含所关注被分析物的环境中。在此一环境中，和/或当暴露于足以引起响应的被分析物浓度的气氛之前，所述感测元件可显示第一外观（如颜色）。当暴露于包含足够高的所关注被分析物浓度的气氛时，感测元件呈现出的反射光谱可能改变（如偏移多个纳米，通常偏移至一更长的波长），使得感测元件经历从第一外观至与第一外观不同的第二外观的视觉可察觉的变化。

感测元件呈现出的光学响应通常在可见光范围内可察觉到并作为外观上的变化可被人眼检测到。外观上的此一变化可包括，例如，从第一颜色变为第二颜色、所感知的感测元件亮度的变化（如，当大体保持在同一颜色范围内时）、从相对无色外观变为更鲜艳的外观、从大体均匀外观变为更不均匀（如斑驳的）外观等等。虽然在一些实施例中，可能有利的是阵列1由均具有类似的第一外观和类似的第二外观的感测元件2构成，但在其他实施例中，阵列1的不同感测元件可具有与阵列1的其他感测元件不同的第一外观或第二外观。虽然在一些实施例中可通过视觉察觉（如通过人）进行光学询问，但在一些实施例中也可以采用其他询问方法，包括例如外部询问装置如分光光度计、光检测器、电藕装置、光电二极管、数字照相机等。采用这种光电方法进行感测元件2询问在美国专利申请序列号61/164496中进行了讨论，该专利申请为此目的以引用方式并入本文中。

一些类型的感测元件2的部件和构造的其他细节描述于与本申请同一日期提交的、名称为“MULTILAYER COLORIMETRIC SENSORS（多层比色传感器）”的共同待审的美国临时专利申请序列号xx/xxxxxx（代理人案卷号65358US002）中，该专利申请以引用方式并入本文中。

如本文所公开的包括多个感测元件的阵列相比于单个感测元件可用于在更宽的浓度范围内检测和/或监测一种或多种所关注被分析物。此一被分析物可以包括可存在于期望被监测的环境（通常为空气气氛）中的蒸气或气体。在一些实施例中，被分析物为有机蒸气（如挥发性有机化合物）。在具体的实施例中，被分析物为高沸点有机化合物，在本文中被界定为沸点为100℃或更高的有机化合物。代表性的有机被分析物可包括取代或未取代的碳化合物包括烷烃、环烷、芳族化合物、醇、醛、醚、酯、酮、卤烃、胺、有机酸、氰酸酯、硫醇、硝酸根和腈,如正辛烷、环己烷、甲基乙基酮、丙酮、乙酸乙酯、二硫化碳、四氯化碳、苯、甲苯、苯乙烯、二甲苯、氯仿、四氢呋喃、甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇、2-乙氧基乙醇、乙酸、2-氨基吡啶、乙二醇单甲醚、甲苯-2,4-二异氰酸酯、硝基甲烷、乙腈等等。(这些中，如本文所讨论，苯乙烯可用作代表性的有机被分析物以用于表征感测元件2、光学响应层230、对被分析物高度响应的子层232和/或对被分析物响应最小的子层236的响应。其他物质也可用作被分析物)。

在一些情形中，阵列1可用于检测水（如作为湿度传感器）。在其他实施例中，阵列1的一些或全部感测元件2可被设计（例如通过选择子层232和/或236的疏水性材料）成对水的存在具有最小的响应。

如上文所述，如本文所述的阵列可以对给定所关注被分析物的浓度（处于被监测气氛中）提供增大的动态响应范围。也就是说，可提供若干感测元件，其中每一个对所关注被分析物的不同浓度范围进行光学响应。（单独感测元件的动态范围可至少部分地重叠，如本文所述）。因此，例如，第一感测元件可对20ppm的所关注被分析物进行光学响应，第二感测元件可对40ppm的所关注被分析物进行响应，第三感测元件可对80ppm的所关注被分析物进行响应，第四感测元件可对100ppm的所关注被分析物进行响应，依此类推。另外如前面所提及的，阵列可包括多个感测元件，每个感测元件呈现类似的初始颜色或外观（在不存在被分析物或存在无法被该感测元件检测到的被分析物浓度的情况下）。

在一些实施例中，阵列1包括至少一个感测元件2，该感测元件2在存在该阵列预期暴露的最高预期被分析物浓度的情况下可不发生上述卷绕现象。存在至少一个这种抗卷绕的感测元件因而可确保即使在暴露于非常高的被分析物浓度（例如在特定应用中预期会遇到的最高浓度）的情况下增大的动态范围阵列也可使得能成功检测被分析物。

在其他实施例中，感测元件可被设计成使得在至少两个所述元件的动态范围之间存在重叠。也就是说，可提供至少两个感测元件，第一元件被设计成在较低的被分析物浓度下进行光学响应，第二元件被设计成在较高的被分析物浓度下进行光学响应，并且其中第一元件在特定的被分析物浓度下呈现出卷绕。第二感测元件可被设计成使得其在比会触发第一感测元件卷绕的特定被分析物浓度低的被分析物浓度下呈现外观改变（例如，从第一颜色改变为第二颜色），使得第二感测元件的动态范围与第一感测元件的动态范围重叠。（第二感测元件可为即使在预期被分析物含量最高时也不呈现卷绕的元件；或其可为在一定的被分析物含量下仍可呈现卷绕的“中等灵敏度”感测元件）。

本文所述的方法因此可在使用反射（如基于干涉的）感测元件的领域中提供根本改进。使用感测元件的阵列（其中每个感测元件可对不同被分析物含量进行响应）使得能够制备具有非常宽的动态范围（由于其中的感测元件的总响应）的设备。此外，存在至少一个在预期被分析物含量最高时可不呈现卷绕的感测元件，以及还存在上述在至少一些感测元件对的动态范围之间的重叠，因而允许非常有利的感测模式。

例如，可提供其中各感测元件在不存在可检测含量的被分析物的情况下均具有类似的第一（初始）外观（如颜色）的阵列。当暴露于“较低”含量的所关注被分析物时，至少第一感测元件（如能够对最低被分析物含量进行响应的感测元件）可改变为第二外观。当暴露于中等含量的被分析物时，第二感测元件可在第一感测元件呈现卷绕并从而改变回第一外观之前改变为第二外观。当暴露于较高含量的被分析物时，第三感测元件可在第二感测元件呈现卷绕并从而改变回第一外观之前改变为第二外观。当阵列暴露于最高预期含量的被分析物时，至少一个已被设计成在暴露于此类含量的被分析物时不呈现卷绕的感测元件可保持在第二外观。因此，可提供其中在存在任何可检测含量的被分析物的情况下其中至少一个感测元件将呈现第二外观的阵列。此一阵列的使用者因而可认识到由该阵列的至少一个感测元件呈现第二外观（无论阵列的任何其他感测元件的外观如何），和/或该阵列的任何两个感测元件之间存在外观差异，可以指示某一可检测含量的被分析物的存在。此一阵列还可以用来提供存在于被监测气氛中的所关注被分析物浓度的半定量或定量指示。

这些不同感测元件发生这种外观改变的被分析物的具体含量可通过各感测元件的具体设计来改变，取决于具体所关注的被分析物、具体被分析物的工作场所要求等等。可提供多个感测元件，其中在若干不同感测元件之间存在上述重叠。

图5一般性地例示包括第一示例性感测元件2'和第二示例性感测元件2″（其并非必须对应于参照图4a和4b所述的示例性感测元件2'和2″和/或为其精确设计）的示例性阵列1的光学响应。参照图5，在不存在可检测含量的被分析物的情况下两个感测元件均可保持在第一状态（如外观）。当暴露于第一较低含量的被分析物时，第一感测元件2'可改变为第二状态，而第二感测元件2″保持在第一状态。当暴露于中等含量的被分析物（其高于第一较低含量）时，第二感测元件2″可改变为第二状态，而第一感测元件2'保持在第二状态（该阵列因而呈现上述在动态范围内的重叠）。当暴露于较高含量的被分析物（其高于中等含量）时，第一感测元件2'可呈现卷绕并回到第一状态；然而，第二感测元件2″可不呈现卷绕并因而保持在第二状态。这两个感测元件中的任一者的第二状态的存在因而指示存在可检测含量的被分析物。

这个简单的实例因而示出可由本发明的方法提供的动态范围、可靠性和/或精度的改善。使用附加感测元件（超过两个）、感测元件的具体设计等可提供进一步的改善。虽然在本文中给出的实例中，第一和第二状态对应于第一和第二外观（如果目视监测）或第一和第二波长光谱（两者间存在偏移）（如果通过光电方法监测），但这些通用方法可以广泛适用于（例如）通过其他手段测量的状态。

在这些方法的进一步延伸中，可提供其他特征。例如，可以提供一个或多个参考元件（如不改变外观的元件）以帮助使用者辨别颜色变化。此一参考元件（例如）可包含着色的或涂漆的材料或区域或可包括被设计成使得不对特定（如低的）浓度的被分析物呈现光学响应的感测元件（如本文所述的通用型的感测元件）。还应该指出的是，本文所述的使用包含具有类似初始外观的多个感测元件的阵列可有用地提供该阵列的“自参考”特征，使得可不需要单独提供的参考元件。无论如何实现，在一些实施例中，阵列1可布置为使得在存在可检测含量的被分析物的情况下，使用者可感知在阵列1的至少任何两个单独感测元件之间的外观差异（如代替或除此之外，感知到单独感测元件的外观现在不同于其之前的外观）。

本文所述的阵列和使用方法，可与个人呼吸防护装置结合（例如呼吸器，如可能包含用于从空气移除某些物质的过滤元件、吸附剂介质等的呼吸器）用作例如使用到期指示器(ESLI)，该指示器可监测包含已至少部分地通过存在于呼吸防护装置中的过滤元件、吸附剂介质等的气流的空气，并且可指示（例如）过滤元件、吸附剂介质等可能正耗尽其从气流中移除被分析物的能力。在此类用途中，可能有利的是检测（例如）处于所谓的职业暴露限值(OEL)浓度的所关注被分析物（如在已穿过或正在穿过过滤元件或吸附剂床的气流中的被分析物）。然而，这种个人呼吸装置在一些情况下可用于包含含量高达所述OEL的10倍或甚至50倍的被分析物的气氛中。因而，使用可检测低含量的被分析物但在暴露于较高含量的被分析物的情况下（例如在吸附剂介质饱和或耗尽时被分析物突破的情况下）可呈现卷绕的单个感测元件可能不如使用包括多个感测元件的阵列有利。也就是说，保留检测低含量的被分析物的能力，并且还使之具有检测高含量的被分析物的能力。

参见图6，在一些实施例中，其中可使用阵列1的个人呼吸器101包括面罩102，在面罩102上安装了一对可置换的空气净化呼吸器滤筒103。滤筒103各自充当在图6中未示出的吸附剂材料（例如活性炭）的封装件。各滤筒103的前盖104包括多个开口105，开口105充当气体入口，允许环境空气从外部环境流入滤筒103中，通过吸附剂材料并由此通过充当滤筒103的气体出口和进入面罩102的入口的通道（在图6中未标记出）。呼出的空气通过呼气阀109排出呼吸器101。指示器可以用于多种呼吸防护装置。例如，也可以将指示器部署于单个滤筒呼吸器或电动空气净化呼吸器中。在各滤筒103中的侧壁106可包括一个或多个透明的观察口107，通过观察口107可以看到阵列1的感测元件2。或者，侧壁106整体或滤筒103的整体可为透明的（如由光学透明的塑性材料构成）。

图7为呼吸器滤筒103的侧剖视图。如果需要，可在未使用前用例如可移除的盖（图6和图7中未示出）将开口105密封，该可移除的盖将在使用前被移除。吸附性材料床121吸收或吸附从开口105到出口123的一种或多种所关注被分析物（如有机蒸气）的至少一部分。安装在柱127上的单向吸气阀125防止呼出的空气进入滤筒103。可用一个或多个螺纹式或优选的卡口式连接器129将滤筒103可拆卸地连接到面罩102。侧壁106可包括一个或多个透明的观察口107，如上所述。观察口107可包括侧壁106的光学透明部分；或者，观察口107可包括侧壁106中的开口，一个或多个感测元件2以封闭观察口107（如以感测元件2的基底210充当闭合屏障）的方式固定在该开口中。观察口107允许光（如环境光）照到感测元件2并且允许从感测元件2反射的光退出滤筒103。如果需要，可根据需要使用可移除的或可替换的防护罩或者其他覆盖物（图7中未示出）来保护观察口107免受油漆或泡沫喷涂物、灰尘或其他模糊物的侵入。在一些应用中，当至少一个感测元件2的外观的视觉可识别的变化（如外观改变）指示一定含量的被分析物存在于气流（吸附性材料121的下游气流）中，这指示需要替换滤筒103（如吸附性材料121在暴露的条件下已被被分析物平衡）时，应将滤筒103移除并用新鲜滤筒103代替。感测元件2可在滤筒103内以及相对于吸附性材料121以任何合适的构造设置，前提条件是感测元件被设置成充分记录在正通过或已通过吸附性材料121的气流中的被分析物的浓度。在一些实施例中，图1所示的通用型的感测元件2可为优选的（如使用被分析物可透过的反射层240）。在这种情况下，感测元件2可以这样设置：被分析物可透过的反射层240面向内朝向滤筒103的内部（使得在滤筒103内的气流中的被分析物可以容易地穿透感测元件2），并且（光学透明的）基底210面向外（如设置为与构成透明观察口107的光学透明材料相邻或接触）使得可对感测元件2进行光学询问。在一些实施例中，感测元件2可以这样取向：它们的平面大致平行于穿过滤筒103的空气流动路径并且任选地它们的长度延伸空气流动路径的全长，使得在感测元件2中“前部”可视的外观变化（如颜色变化）可随着被分析物流动穿过吸附性材料21而向前推进。可以采用其他构造。例如，感测元件2可以朝向流动路径的末端（如在吸附性材料121的下游）设置。

阵列1的感测元件2可通过任何合适的方法或装置固定在滤筒103上（如在滤筒103的内部）的适当位置。例如，每个单独的感测元件2可通过由吸附性材料121施加的压力固定在适当位置（如抵靠侧壁106的透明观察口107的内表面）。或者，感测元件2可通过一个或多个机械附连装置（例如螺钉、钉子、夹具、夹子、托架、钩环连接器等）附接（至侧壁106，或至滤筒103的某一其他部分）。或者传感器99可通过溶剂焊接、超声焊接、液体粘合剂（如辐射固化粘合剂、氰基丙烯酸酯、环氧树脂等）来附接。可在滤筒103内提供模制狭槽、壳体、或其他支承结构来固定感测元件2。

在一些实施例中，感测元件2可通过光学透明的双面压敏粘合剂固定在适当位置。在具体的实施例中，此一粘合剂可以作为感测元件2的至少一部分（如与光学透明的基底210接触的部分）和透明观察口107的至少一部分之间的层来提供。在这种情况下，感测元件2的光学询问可通过透射穿过透明观察口107、光学透明的粘合剂、和光学透明的基底210的光来进行。在一些实施例中，一个或多个所述感测元件可以设置在（如层合至）光学透明的载体（如玻璃块、透明塑料块等）上，所述载体可明显厚于光学透明的基底210并且可设置为与透明观察口107的一部分相邻和/或附接。

阵列1的感测元件2可以彼此靠近布置或可分开（如在滤筒103的不同侧壁106上，通过不同的观察口107进行观察）。感测元件2可根据需要以直线形式、网格形式等布置。如果需要，感测元件2可被布置用于提高使用者感知感测元件间的外观差异的能力。（例如，感测元件可以紧挨并置、一个感测元件可围绕另一个感测元件设置等）。

可用于将本文所公开的感测元件和/或阵列加入呼吸器滤筒中的方法和装置的其他细节论述于以下文件中：共同待审的美国专利申请序列号No.xx/xxxxxx（代理人案卷号65372US002）（名称为“FILTER CARTRIDGEHAVING COVER FOR MASKING SERVICE LIFE INDICATOR（具有用于遮盖使用期限指示器的覆盖件的滤筒）”）；序列号xx/xxxxxx（代理人案卷号65373US002）（名称为“FILTER CARTRIDGE HAVING LOCATION-REGISTERED VIEW WINDOW FOR END-OF-SERVICE-LIFE INDICATOR（具有使用到期指示器的位置对准视窗的滤筒）”）；以及序列号xx/xxxxxx（代理人案卷号65374US002）（名称为“FILTER CARTRIDGEHAVING CONE OF VISIBILITY FOR END-OF-SERVICE-LIFE-INDICATOR(ESLI)（具有使用到期指示器(ESLI)的能见锥区的滤筒）”）；这些专利申请全部与本申请同一日期提交，并且这些专利申请全部以引用方式并入本文中。

在其他实施例中，其中可使用阵列1的个人呼吸器101包括一次性面罩（如示于例如美国专利6,234,171中的通用型的面罩），该面罩被改进以包括含有感测元件2的阵列1。在这些实施例中，面罩可具有包含吸附性材料层的大致杯形的外壳或呼吸器主体。该面罩可包括透明观察口，通过该透明观察口，可以观察到感测元件2（其在吸附性材料的下游）。本领域的技术人员将熟知有关此一呼吸器构造的其他细节。

包括感测元件2的阵列1还可用于个人监测器和/或区域监测器，例如在美国临时专利申请序列号61/148228中所述的那些，该专利申请为此目的以引用方式并入本文中。

实例

除非另外指明，用于这些实例的所有试剂和材料都得自Sigma-Aldrich(St.Louis,MO)。

TFTN-PIM1的制备：

在2.0L三颈圆底烧瓶中，将33.4357g3,3,3′,3’-四甲基-1,1'-螺双[1H-茚]-5,5',6,6'-四醇(tetrol)和19.8016g四氟对苯二甲腈(TFTN)溶解于900mL无水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。将溶液用机械搅拌器搅拌，并将氮气以气泡形式通过所述溶液1小时。在溶液中加入81.4491g碳酸钾(EMDChemicals(Gibbstown,NJ))。将烧瓶放入68℃的油浴中。将混合物在该高温下于氮气气氛中搅拌65小时。将聚合混合物倒入9.0L水中。通过真空过滤分离形成的沉淀并用600mL甲醇(VWR(West Chester,PA))冲洗。将分离的材料在盘中铺开并让其风干过夜。将固体置于广口瓶中并且在68℃下真空干燥4小时。将获得的黄色粉末溶解在450mL四氢呋喃(THF(EMD))中。将溶液缓缓倒入9.0L甲醇中。通过真空过滤分离形成的沉淀。将分离的材料在盘中铺开并让其风干过夜。将固体置于广口瓶中并且在68℃下真空干燥4小时。将甲醇中的沉淀再操作一次。所获得的干燥亮黄色聚合物重量为42.80g。通过采用光散射检测的凝胶渗透色谱(GPC)所进行的聚合物分析显示材料具有大约为30,900的M_n值。

TFTN-PIM2的制备：

在2.0L三颈圆底烧瓶中，将33.4365g四醇(tetrol)和19.8011g四氟对苯二甲腈(TFTN)溶解于900mL无水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。将溶液用机械搅拌器搅拌，并将氮气以气泡形式通过所述溶液1小时。在溶液中加入81.4480g碳酸钾。将烧瓶放入68℃的油浴中。将混合物在该高温下于氮气气氛中搅拌67.5小时。将聚合混合物倒入9.0L水中。通过真空过滤分离形成的沉淀并用600mL甲醇冲洗。将分离的材料在盘中铺开并让其风干过夜。将固体置于广口瓶中并且在68℃下真空干燥4小时。将获得的黄色粉末溶解在450mL的THF中。将溶液缓缓倒入9.0L甲醇中。通过真空过滤分离形成的沉淀。将分离的材料在盘中铺开并让其风干过夜。将固体置于广口瓶中并且在68℃下真空干燥4小时。将甲醇中的沉淀再操作一次。所获得的干燥亮黄色聚合物重量为43.22g。通过采用光散射检测的凝胶渗透色谱(GPC)所进行的聚合物分析显示材料具有大约为35,800的M_n值。

TFTN-PIM3的制备：

在2.0L三颈圆底烧瓶中，将33.4366g3,3,3′,3’-四甲基-1,1'-螺双[1H-茚]-5,5',6,6'-四醇(tetrol)和19.8008g四氟对苯二甲腈(TFTN)溶解于900mL无水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。将溶液用机械搅拌器搅拌，并将氮气以气泡形式通过所述溶液1小时。在溶液中加入81.4480g碳酸钾(EMDChemicals(Gibbstown,NJ))。将烧瓶放入68℃的油浴中。将混合物在该高温下于氮气气氛中搅拌67.5小时。将聚合混合物倒入9.0L水中。通过真空过滤分离形成的沉淀并用600mL甲醇(VWR(West Chester,PA))冲洗。将分离的材料在盘中铺开并让其风干过夜。将固体置于广口瓶中并且在68℃下真空干燥4小时。将获得的黄色粉末溶解在450mL四氢呋喃(THF(EMD))中。将溶液缓缓倒入9.0L甲醇中。通过真空过滤分离形成的沉淀。将分离的材料在盘中铺开并让其风干过夜。将固体置于广口瓶中并且在68℃下真空干燥4小时。将甲醇中的沉淀再操作一次。所获得的干燥亮黄色聚合物重量为42.90g。通过采用光散射检测的凝胶渗透色谱(GPC)所进行的聚合物分析显示材料具有大约为40,000的M_n值。

样品1的制备：

通过将10nm厚的Ni金属层蒸发沉积至Melinex ST505透光聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(Dupont Teijin)上来制备金属化PET基底。制备TFTN-PIM1在氯苯(Alfa Aesar(Ward Hill,MA))中的4重量%的溶液并通过狭缝模具式涂布将该溶液沉积到Ni涂布的PET上，厚度大约为600nm。通过狭缝模具式涂布，使用被150g的1-甲氧基-2-丙醇(Dow Chemical(Midland,MI))稀释的100g的储备纳米银悬浮液（得自Advanced Nanoproducts(Korea)的DGP-40LT-15C，40重量%银）将银纳米粒子层沉积到TFTN-PIM层上。沉积后，将整个传感器构造在150℃下加热1小时来烧结所述银纳米粒子。

样品2的制备：

如样品1的制备中所述制备Ni涂布的PET基底。制备6重量%的聚甲基丙烯腈(PMAN)（Scientific Polymer Products公司(Ontario,NY)，M_w为大约20,000）硝基甲烷(EMD)溶液，采用Laurell Technologies公司(NorthWales,PA.)制造的WS-400B-8NPP-Lite单晶圆旋转涂布机以2100rpm的转速旋涂2分钟而将该溶液涂布到Ni-PET基底上。制备2重量%的TFTN-PIM2氯苯溶液并以1500rpm的转速旋涂涂布到PMAN层的上面。将0.5g的在样品1的制备中所述的可商购的银纳米粒子悬浮液用1mL甲醇稀释。将这种银纳米粒子悬浮液以1000rpm的转速旋涂涂布到TFTN-PIM层的上面。待沉积后，将整个传感器构造在150℃下加热1小时以烧结银纳米粒子。PMAN/TFTN-PIM的总厚度为大约600nm，TFTN-PIM层为大约100nm厚。

样品3的制备：

如样品1的制备中所述制备Ni涂布的PET基底。制备6重量%的PMAN环己酮(EMD)溶液并将溶液以1100rpm的转速旋涂涂布到Ni-PET基底上。制备3重量%的TFTN-PIM2氯苯溶液并以1500rpm的转速旋涂涂布到PMAN层的上面。将0.5g的在样品1的制备中所述的可商购的银纳米粒子悬浮液用1mL甲醇稀释。将这种银纳米粒子悬浮液以1000rpm的转速旋涂涂布到TFTN-PIM层的上面。待沉积后，将整个传感器构造在150℃下加热1小时以烧结银纳米粒子。PMAN/TFTN-PIM的总厚度为约600nm，TFTN-PIM层为约200nm厚。

样品4的制备：

如样品1的制备中所述制备Ni涂布的PET基底。制备6重量%的PMAN环己酮溶液并将溶液以1500rpm的转速旋涂涂布到Ni-PET基底上。制备4重量%的TFTN-PIM2氯苯溶液并以3000rpm的转速旋涂涂布到PMAN层的上面。将0.5g的在样品1的制备中所述的可商购的银纳米粒子悬浮液用1mL甲醇稀释。将这种银纳米粒子悬浮液以1000rpm的转速旋涂涂布到TFTN-PIM层的上面。待沉积后，将整个传感器构造在150℃下加热1小时以烧结银纳米粒子。PMAN/TFTN-PIM的总厚度为大约600nm，TFTN-PIM层为大约250nm厚。

样品5的制备：

如样品1的制备中所述制备Ni涂布的PET基底。制备6重量%的PMAN环己酮溶液并以1900rpm的转速涂布到Ni-PET基底上。制备4重量%的TFTN-PIM2氯苯溶液并以2000rpm的转速旋涂涂布到PMAN层的上面。将0.5g的在样品1的制备中所述的可商购的银纳米粒子悬浮液用1mL甲醇稀释。将这种银纳米粒子悬浮液以1000rpm的转速旋涂涂布到TFTN-PIM层的上面。待沉积后，将整个传感器构造在150℃下加热1小时以烧结银纳米粒子。PMAN/TFTN-PIM的总厚度为大约600nm，TFTN-PIM层为大约300nm厚。

样品6的制备：

如样品1的制备中所述制备Ni涂布的PET基底。制备10重量%的甲基丙烯酸甲酯与偏二氯乙烯和丙烯腈的聚合物(poly(vinylidene chloride-co-acrylonitrile-co-methyl methacrylate))（Sigma-Aldrich；M_w为约13,000，M_n为约84,000）(PVnCl)环己酮溶液，将该溶液以1500rpm的转速旋涂涂布到Ni-PET基底上。将500埃SiO_x层蒸发沉积到PVnCl层的上面。制备4重量%的TFTN-PIM2氯苯溶液并以3000rpm的转速旋涂涂布到SiO_x层的上面。将0.5g的在样品1的制备中所述的可商购的银纳米粒子悬浮液用1mL甲醇稀释。将这种银纳米粒子悬浮液以1000rpm的转速旋涂涂布到TFTN-PIM层的上面。待沉积后，将整个传感器构造在150℃下加热1小时以烧结银纳米粒子。PVnCl/SiO_x/TFTN-PIM的总厚度为大约600nm，TFTN-PIM层为大约250nm厚。

样品7的制备：

如样品1的制备中所述制备Ni涂布的PET基底。制备7重量%聚苯乙烯（Sigma-Aldrich，M_w为大约280,000）(PSt)甲苯溶液并将溶液以2500rpm的转速旋涂涂布到Ni-PET基底上。将样品放在杀菌灯下照射18小时。制备4重量%的TFTN-PIM2氯苯溶液并以3000rpm的转速旋涂涂布到交联PSt层的上面。将0.5g的在样品1的制备中所述的可商购的银纳米粒子悬浮液用1mL甲醇稀释。将这种银纳米粒子悬浮液以1000rpm的转速旋涂涂布到TFTN-PIM层的上面。待沉积后，将整个传感器构造在150℃下加热1小时以烧结银纳米粒子。PSt/TFTN-PIM的总厚度为大约600nm，TFTN-PIM层为大约250nm厚。

样品8的制备：

如针对样品1所述制备Ni涂布的PET基底。将TFTN-PIM-3聚合物以4%的浓度溶解于氯苯中，然后按照针对样品1所述沉积到金属化PET上。然后按照针对样品1所述将银纳米粒子层沉积到TFTN-PIM-3层上。

样品9的制备：

按照上述“样品4的制备”来制备样品。

样品1-7对测试被分析物的响应

采用定做的简单流通递送系统来递送已知浓度的测试被分析物（苯乙烯）到感测元件以用于测量。递送系统整体采用特氟隆管子。液态苯乙烯（Alfa Aesar，99%，产品号#A18481）通过Harvard Apparatus注射器泵以规定流量被递送至一受热台板。台板置于500mL圆底烧瓶中，通过该烧瓶保持20L/min的干空气（相对湿度小于约5%）流量。气流中的苯乙烯浓度通过采用红外光度计（以商品名Miran Sapphire得自ThermoElectron(Waltham,MA)）进行校准。将苯乙烯气流引入包含感测元件样品的样品室（保持在室温下）中。

以这种方式将各种感测元件样品按顺序暴露于含有浓度范围为50ppm到1300ppm苯乙烯的气流中。每个样品暴露于特定浓度苯乙烯的时间通常为大约50-60分钟。在暴露期间，样品通过光度计（以商品名USB2000得自Ocean Optics）进行光学询问，同时使用作为光源的LS-1钨卤素灯和光纤反射探针，并且记录波长光谱（例如，类似于一般性地示出于图3中的那种）。对于每一个暴露量，记录波长偏移（相对于无被分析物存在时的初始峰位置）（以峰的纳米偏移量进行测定（通常在约570nm波长时峰具有最大值））。样品1-7的这种测试结果示于图5中。

当各个样品1-7暴露于测试被分析物之前从相似的视角观察时，样品1-7都呈现出类似的初始外观（颜色为绿色）。通常对于这些样品，波长偏移（如上述测定）约25nm就会引起感光元件外观从绿色到红色的可视觉观察的变化。因此，可期望当样品1暴露于包含约20ppm苯乙烯、样品5暴露于包含约50ppm苯乙烯、样品4暴露于包含约80ppm苯乙烯、样品3暴露于包含约300ppm苯乙烯和样品2暴露于包含约800ppm苯乙烯的气氛时，从绿色变成红色。

一般地，对于总厚度（光学响应层230的总厚度）为约400nm到约800nm的这种类型的示例性感测元件，发明人发现波长偏移约80nm与卷绕有关（即感测元件从红色变回与不存在被分析物时样品所初始呈现的色彩同样的绿色）。因此，可预期样品1（其中光学响应层仅由大约600nm厚的对被分析物高度响应(PIM)的层构成，不存在对被分析物响应最小的层）在暴露于含有大约100ppm苯乙烯的气氛时表现出卷绕。要注意的是，即使当暴露于相对高含量的苯乙烯中时，均包含厚度不超过大约300nm的PIMS层并且各包含如此厚度的对被分析物响应最小的层以使所述光学响应层的总厚度为大约600nm的样品2-7也不呈现出80nm的波长偏移（可预期引起卷绕）。例如，即使暴露于1300ppm苯乙烯中的样品4也未达到80nm的临界值。

样品8-9对测试被分析物的响应

使用3M8172（透光的）光学粘合剂将样品8和9粘合至滤筒的内侧壁，所述滤筒为图6中所示的通用型滤筒并由透光的塑料制成。（被分析物可透过的）银纳米粒子层面朝滤筒内部。然后用45.8g活性炭（以商品名GG12×20得自Kuraray）吸附剂填充滤筒。将样品在吸附剂材料床的边缘处取向为：它们的长度平行于通过吸附剂材料的空气流的方向。然后将滤筒密封并在干燥房间空气（相对湿度小于约5%）中用1000PPM苯乙烯（其为美国政府工业卫生学者会议确立的苯乙烯的阈限值(TLV)(20PPM)的五倍）进行测试，流量为32升/分钟。在环境光照下，使用Zarbeco照相机(MiScope-MP)透过滤筒的透光塑料侧壁和透过透光粘合剂来监测感测元件。在负载蒸气的空气流过之前，两个感测元件均具有绿色外观。在暴露153分钟之后，样品8呈现红色和绿色的混合颜色（在样品的上游（相对于气流而言）部分主要为绿色），而样品9的上游部分主要为红色并且样品9的下游部分主要为绿色。因此看上去，样品9正呈现对被分析物“前部”的响应，并通过滤筒向前推进（在吸附剂材料逐渐被被分析物饱和时），而样品8可能已经历至少一些（即局部的）卷绕。在暴露228分钟之后，样品8已返回到一致的绿色外观（即已经历完全的卷绕）而样品9此时呈现一致的红色外观（即未经历卷绕）。

上述测试和测试结果仅用于示例性目的，而不用于预测性目的，并且可预期测试工序的改变会产生不同的结果。实例部分中所有定量值均应理解为根据所使用工序中所涉及的通常所知公差的近似值。给出上述详细描述和实例仅为了清楚地理解本发明。不应根据这些描述和实例理解作出不必要的限制。

对于本领域的技术人员将显而易见的是，本文所公开的具体示例性结构、特征、细节、构造等在许多实施例中可修改和/或组合。本发明人所构思的所有此类变型和组合均在所构思的发明的范围内。因此，本发明的范围不应受本文所述的具体示例性结构限制，而是受权利要求书的文字所描述的结构或这些结构的等同形式限制。如果在本说明书与以引用方式并入本文中的任何文献中的公开内容之间存在冲突或差异，则以本说明书为准。

Claims

1.一种用于光学检测被分析物的阵列，所述阵列包括至少两个能够单独光学询问的感测元件，

其中每一感测元件包括位于两个反射层之间的光学响应层，

其中每一感测元件的所述光学响应层包括至少对被分析物高度响应的第一子层，并且其中所述感测元件中的至少一个感测元件的所述光学响应层还包括对被分析物响应最小的第二子层，

其中每一感测元件的所述第一子层和所述第二子层各自具有厚度，并且其中一个感测元件的所述第一子层与另一个感测元件的所述第一子层的厚度差以及一个感测元件的所述第二子层与另一个感测元件的所述第二子层的厚度差二者均为至少20nm，

其中，对被分析物高度响应的第一子层意指被分析物可充分透过第一子层，从而第一子层中被分析物的存在会导致感测元件所呈现的反射光谱产生可观测偏移，以及

其中，对被分析物响应最小的第二子层意指被分析物不能充分透过第二子层，从而第二子层中被分析物的存在不会导致感测元件所呈现的反射光谱产生可观测偏移。

2.根据权利要求1所述的阵列，其中至少一个感测元件的所述光学响应层与至少一个其他感测元件的所述光学响应层的厚度差在15%的范围内。

3.根据权利要求1所述的阵列，其中所述感测元件中的至少一个其他感测元件不包含对被分析物响应最小的第二子层。

4.根据权利要求1所述的阵列，其中所述感测元件中的至少一个感测元件包括光学响应层，其中对被分析物高度响应的第一子层的厚度与对被分析物响应最小的第二子层的厚度的比率为1:8至8:1。

5.根据权利要求1所述的阵列，其中所述感测元件中的至少一个感测元件包括光学响应层，其中对被分析物高度响应的第一子层的厚度与对被分析物响应最小的第二子层的厚度的比率为1:4至4:1。

6.根据权利要求1所述的阵列，其中所述阵列包括至少三个能够单独光学询问的感测元件，并且其中每一感测元件的所述第一子层和所述第二子层的所述厚度分别显著不同于其他感测元件中的每一感测元件的所述第一子层和所述第二子层的厚度。

7.根据权利要求1所述的阵列，其中所述感测元件中的每一感测元件的光学响应包括从在不存在引起所述光学响应的足够被分析物的情况下的第一外观改变为在被监测气氛中存在足够引起所述光学响应的被分析物浓度的情况下的第二外观。

8.根据权利要求7所述的阵列，其中足够引起所述阵列的至少一个感测元件的光学响应的被分析物浓度为足够引起所述阵列的至少一个其他感测元件的光学响应的被分析物浓度的至少两倍。

9.根据权利要求7所述的阵列，其中所述阵列的至少一个感测元件在存在足够引起所述阵列的至少一个其他感测元件的光学响应的所述被分析物浓度的至少五倍的被分析物浓度的情况下不显示光学响应。

10.根据权利要求7所述的阵列，其中足够引起所述阵列的至少一个感测元件从所述第二外观改变回所述第一外观的被分析物浓度大于足够引起所述阵列的至少一个其他感测元件从所述第一外观改变为所述第二外观的所述被分析物浓度。

11.根据权利要求7所述的阵列，其中所述阵列的每一感测元件的所述第一外观和所述第二外观分别与所述阵列的其他感测元件中的每一感测元件的所述第一外观和所述第二外观视觉上不可区分。

12.根据权利要求1所述的阵列，其中所述被分析物包括有机被分析物。

13.根据权利要求1所述的阵列，其中所述感测元件中的至少一个感测元件的所述对被分析物高度响应的子层包括含有固有微孔性聚合物的材料。

14.根据权利要求1所述的阵列，其中所述阵列与个人呼吸防护装置联合使用。

15.根据权利要求14所述的阵列，其中所述阵列的所述感测元件设置在封装件内，所述封装件含有可吸收所述被分析物的吸附剂材料。

16.根据权利要求15所述的阵列，其中所述阵列的所述感测元件设置在个人呼吸防护装置的空气净化滤筒内。

17.根据权利要求16所述的阵列，其中所述阵列的所述感测元件被设置为与所述空气净化滤筒的透明观察口相邻以便能够从所述滤筒的外部进行光学询问。

18.一种检测被监测气氛中的被分析物的光学方法，包括：

提供阵列，所述阵列包括：

至少第一感测元件，所述第一感测元件在所述被监测气氛中存在第一较低被分析物浓度的情况下从第一外观改变为第二外观，并且在存在第二较高被分析物浓度的情况下从所述第二外观改变回所述第一外观；和

至少第二感测元件，所述第二感测元件在存在所述第一较低被分析物浓度的情况下不从第一外观改变为第二外观；在存在介于所述较低浓度和所述较高浓度之间的第三中等被分析物浓度的情况下从第一外观改变为第二外观；并且在存在所述第二较高被分析物浓度的情况下不从所述第二外观改变回所述第一外观；

以及，

将所述感测元件阵列暴露于潜在含有所述被分析物的气氛中。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述阵列包括至少一个在存在某一被分析物浓度的情况下从第一外观改变为第二外观但在存在任何被分析物浓度的情况下均不从所述第二外观改变回所述第一外观的感测元件。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所有所述感测元件的所述第一外观彼此视觉上不可区分，并且其中所有所述感测元件的所述第二外观彼此视觉上不可区分。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述感测元件阵列被构造成涵盖没有间隔的连续被分析物浓度范围，使得所述阵列的至少一个感测元件在所述被监测气氛的任何可检测被分析物浓度下均显示所述第二外观。

22.根据权利要求18所述的方法，其中每一感测元件包括位于两个反射层之间的光学响应层，

其中每一感测元件的所述光学响应层包括至少对被分析物高度响应的第一子层，并且其中至少所述第二感测元件的所述光学响应层还包括对被分析物响应最小的第二子层，

其中每一感测元件的所述第一子层和所述第二子层各自具有某一厚度，并且其中一个感测元件的所述第一子层和所述第二子层的厚度分别显著不同于另一个感测元件的所述第一子层和所述第二子层的厚度。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述感测元件中的至少一个感测元件的所述对被分析物高度响应的子层包括含有固有微孔性聚合物的材料。

24.根据权利要求18所述的方法，其中所述阵列与个人呼吸防护装置联合使用。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述阵列的所述感测元件设置在封装件内，所述封装件含有可吸收所述被分析物的吸附剂材料。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述阵列的所述感测元件设置在个人呼吸防护装置的空气净化滤筒内。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述阵列的所述感测元件被设置为与所述空气净化滤筒的透明观察口相邻以便能够从所述滤筒的外部进行光学询问。