DE60026309T2

DE60026309T2 - Verwendung eines räumlich-zeitlichen reaktionsverhaltens in sensor-arrays zur detektion von analyten in fluiden

Info

Publication number: DE60026309T2
Application number: DE60026309T
Authority: DE
Inventors: S. Nathan La Canada LEWIS; S. Michael Altadena FREUND; M. Shawn Pasadena BRIGLIN
Original assignee: California Institute of Technology CalTech
Current assignee: California Institute of Technology CalTech
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: US20060088445A1; EP1192454A1; AU6046700A; US7189353B2; DE60026309D1; EP1192454A4; US6455319B1; EP1192454B1; US6962675B2; WO2000068675A1; ATE319080T1; US20020192117A1

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft Sensoren und Sensorsysteme zur Detektion von Analyten in Fluiden.
Es besteht ein erhebliches Interesse an der Entwicklung von Sensoren, die als Äquivalente des Geruchssystems von Säugetieren wirken (Lundstrom et al. (1991) Nature 352: 47–50; Shurmer and Gardner (1992) Sens. Act. B 8: 1–11; Shurmer and Gardner (1993) Sens. Act. B 15: 32). In der Praxis sind die meisten chemischen Sensoren durch störende Beeinflussung beeinträchtigt, indem sie auf chemische Spezies reagieren, die strukturell oder chemisch dem gewünschten Analyt ähnlich sind. Diese Beeinflussung ist eine unausweichliche Konsequenz der Tatsache, dass viele fehlerhafte "Schlüssel" in ein "Schloß" passen. Solche Beeinflussungen begrenzen den Nutzen solcher Sensoren in sehr spezifischen Situationen.
Arrays aus weitgehend kreuzreaktiven Sensoren sind bisher dazu benutzt worden, um Reaktionsmuster zu erzeugen, die verwendet werden können, um Analyte in Fluiden zu identifizieren, zu klassifizieren und in bestimmten Fällen zu quantifizieren. Solche Arrays sind bisher mit Sensoren hergestellt worden mit erwärmten Metalloxid-Dünnfilmwiderständen (Gardner et al. (1991) Sens. Act. B 4: 117–121; Gardner et al. (1992) Sens. Act. B 6: 71–75), Polymersorptionsschichten auf den Oberflächen der akustischen Resonatoren (Grate und Abraham (1991) Sens. Act. B 3: 85–111; Grate et al. (1993) Anal. Chem. 65: 1868–1881), Arrays aus elektrochemischen Sensoren (Stetter et al. (1986) Anal. Chem. 58: 860–866; Stetter et al. (1990) Sens. Act. B 1: 43–47; Stetter et al. (1993) Anal. Chem. Acta 284: 1–11), leitenden Polymeren oder Verbundmaterialien, die aus Bereichen von Leitern und Bereichen von isolierenden orga nischen Materialien bestehen (Pearce et al. (1993) Analyst 118: 371.377; Shurmer et al. (1991) Sens. Act. B 4: 29–33; Doleman et al. (1998) Anal. Chem. 70: 2560–2654; Lonergan et al. Chem. Mater. 1996, 8: 2298). Arrays aus Metalloxid-Dünnfilmwiderständen, die normalerweise auf Zinnoxid-(SnO₂-)Filmen beruhen, die mit verschiedenen Katalysatoren beschichtet worden sind, zeigen deutlich unterschiedliche diagnostische Reaktionen bei verschiedenen Dämpfen (Corcoran et al. (1993) Sens. Act. B 15: 32–37). Oberflächenwellenresonatoren sind für Masse- und Schallimpedanzänderungen der Beschichtungen in Array-Elementen extrem empfindlich. Es sind bisher auch Versuche durchgeführt worden, Arrays aus Sensoren mit leitenden organischen Polymerelementen aufzubauen, die unter Verwendung von nominal identischen Polymerfilmen und -beschichtungen elektrochemisch gezüchtet worden sind. Außerdem beschreiben Pearce et al., (1993) Analyst 118: 371–377 und Gardner et al., (1994) Sensors and Actuators B 18–19: 240–243 polypyrol-basierte Sensorarrays zur Überwachung von Biergeschmack. Shurmer (1990) US-Patent 4 907 441 beschreibt allgemeine Sensorarrays mit einer besonderen elektrischen Schaltungsanordnung. US-Patent 4 674 320 beschreibt einen einzigen chemisch beständigen Sensor mit einem halbleitenden Material, das aus der Gruppe gewählt ist, die aus Phthalocyanin, halogeniertem Phthalocyanin und sulfoniertem Phthalocyanin besteht und die verwendet wurde, um einen Gasschadstoff zu detektieren. Weitere Gassensoren sind beschrieben worden von Dogan et al., Synth. Met. 60, 27–30 (1993) und Kukla, et al. Films. Sens. Act. B., Chemical 37, 135–140 (1996).
Sensorarrays, die aus einer Vielzahl von Verbundmaterialien bestehen und die aus Bereichen eines Leiters und aus Bereichen eines isolierenden organischen Materials, normalerweise ein organisches Polymer, bestehen, wie im US-Patent 5 571 401 beschrieben, haben Ansprechempfindlichkeiten, die in erster Linie von der schwellungs-induzierten Sorption eines Dampfes im Verbundmaterial bestimmt werden, und Analyte, die in einem ähnlichen Maß sorbieren, erzeugen ähnliche Schwellungen und erzeugen dadurch ähnliche detektierte Signale (Dole man, et al., (1998) Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A, 95, 5442–5447).
US 5 571 401 betrifft chemische Sensoren zur Detektion von Analyten in Fluiden, die erste und zweite leitende Elemente (z.B. elektrische Leitungen) aufweisen, die mit einem chemisch empfindlichen Widerstand, der einen elektrischen Weg zwischen den leitenden Elementen bereitstellt, gekoppelt sind und durch diesen getrennt werden. Arrays aus solchen Sensoren bestehen aus mindestens zwei Sensoren mit verschiedenen chemisch empfindlichen Widerständen, die solche ungleichen Widerstandsdifferenzen bieten.
Bei diesen Systemen werden die verschiedenen Reaktionen aus einer Analyteinwirkung auf das Sensorarray genutzt, um den Analyt zu identifizieren. Andere Eigenschaften der Vorrichtungen sind so beschaffen, dass sichergestellt ist, dass andernfalls alle Sensoren nominal äquivalent sind, so dass das Fluid, das den Analyt enthält, an alle Sensoren gleichmäßig effektiv abgegeben wird – beispielsweise mit der gleichen Temperatur – so dass nur die Differenzen der Reaktionseigenschaften der Sensoren gemessen werden.
WO 99/08105 betrifft Sensorarrays und Techniken zur Detektion von Analyten. Ein Analyt wird von Sensoren erfasst, die als Reaktion auf den Analyt elektrische Signale ausgeben. Die elektrischen Signale können durch Filterung und Verstärkung verarbeitet werden. In einer Ausführungsform ist eine Vielzahl von Sensoren auf einer einzigen integrierten Schaltung ausgebildet. Die Sensoren haben verschiedene Zusammensetzungen.
Obwohl diese Sensorsysteme einen bestimmten Nutzen haben, besteht dennoch weiterhin ein Bedarf an hochselektiven Sensorarrays zur Detektion von Analyten und zur Zerlegung der Komponenten von komplexen Gemischen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegenden künstlichen Geruchssysteme (oder elektronischen Nasen) verwenden Arrays aus vielen Rezeptoren, um einen Geruch zu erkennen. In einer solchen Konfiguration wird die Bürde der Erkennung nicht von hochspezifischen Rezep toren getragen, wie bei der traditionellen molekularen Erkennungsmethode nach dem "Schloß-Schlüssel"-Prinzip der chemischen Erfassung, sondern ruht statt dessen auf der verteilten Musterverarbeitung des Bulbus olfactorius und des Gehirns. Das System nutzt die räumlich-zeitlichen Reaktionsdifferenzen zwischen nominal identischen Sensoren, die sich an verschiedenen Positionen in einem Fluidströmungsmuster befinden.
Im allgemeinen stellt die Erfindung unter einem Aspekt ein Verfahren zur Detektion eines Analyts in einem Fluid bereit. Das Verfahren weist auf: Bereitstellen eines Sensorarrays mit mindestens einem ersten Sensor und einem zweiten Sensor in einer Anordnung mit einem definierten Fluidströmungsweg, Einwirken eines Fluids, einschließlich eines Analyts, auf das Sensorarray durch Einleiten des Fluids entlang des Fluidströmungswegs, Messen einer Reaktion für den ersten Sensor und den zweiten Sensor; und Detektieren des Vorhandenseins des Analyts im Fluid auf der Grundlage einer räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor.
Besondere Implementierungen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Die Detektion des Vorhandenseins eines Analyts kann aufweisen: Erzeugen eines räumlich-zeitlichen Reaktionsprofils, das das Vorhandensein des Analyts anzeigt, auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor. Das räumlich-zeitliche Reaktionsprofil kann aus Zeitinformation abgeleitet werden, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Zeit anzeigt. Der erste Sensor kann vor dem zweiten Sensor einem Fluid ausgesetzt werden, so dass die Reaktion des zweiten Sensors in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors verzögert wird. Der erste Sensor kann dem Fluid vor dem zweiten Sensor ausgesetzt werden, so dass die Reaktion des zweiten Sensors ihre Amplitude in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors ändert. Der erste Sensor kann ein Sensormaterial aufweisen; und die Reaktion des ersten Sensors kann größer sein als die Reaktion des zweiten Sensors für einen Analyt mit einer hohen Affinität für das Sensormaterial. Der erste und zweite Sensor können ausgewählt und angeordnet sein, um eine erste Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines ersten Analyts, auf das Sensorarray und eine zweite Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines zweiten Analyts, auf das Sensorarray zu bewirken. Das Messen der Reaktion kann aufweisen: Messen der Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors, und die räumlich-zeitliche Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor kann aus der Verzögerung abgeleitet werden. Das Verfahren kann aufweisen: Charakterisieren des Analyts auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen. Das Einwirken des Fluids auf das Sensorarray kann aufweisen: Einleiten des Fluids mit einer sich ändernden Durchflussrate. Das Erzeugen des räumlich-zeitlichen Reaktionsprofils kann aufweisen: Erzeugen einer Durchflussinformation, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Durchflussrate anzeigt. Das Sensorarray kann eine Vielzahl von kreuzreaktiven Sensoren aufweisen. Das Sensorarray kann eine Vielzahl von Sensoren aufweisen, die aus der Gruppe gewählt sind, die aufweist: Oberflächenwellensensoren, Quarzkristallresonatoren, Metalloxidsensoren, farbbeschichtete faseroptische Sensoren, farbstoffimprägnierte Perlenarrays, mikrobearbeitete Auslegerarrays, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von isolierendem organischem Material, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von leitendem oder halbleitendem organischem Material, chemisch empfindliche Widerstands- oder Kondensatorfilme, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und organische leitende Massepolymersensoren. Der erste und zweite Sensor können Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines isolierenden organischen Materials aufweisen. Der erste und zweite Sensor können Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines leitenden organischen Materials aufweisen. Das Verfahren kann aufweisen: Erzeugen einer digitalen Darstellung eines Analyts auf der Grundlage mindestens teilweise der Reak tionen des ersten und des zweiten Sensors. Das Verfahren kann aufweisen: Übermitteln der digitalen Darstellung des Analyts an einen entfernten Ort zur Analyse.
Im allgemeinen stellt die Erfindung unter einem weiteren Aspekt ein System zur Detektion eines Analyts in einem Fluid bereit. Das System weist auf: ein Sensorarray, einschließlich mindestens eines ersten und eines zweiten Sensors, in einer Anordnung mit einem definierten Fluidströmungsweg; eine Messvorrichtung, die mit dem Sensorarray gekoppelt ist; wobei die Messvorrichtung dafür konfiguriert ist, eine Reaktion vom ersten Sensor und vom zweiten Sensor nach Einwirkung eines Fluids auf das Sensorarray zu detektieren; und einen Computer, der dafür konfiguriert ist, Daten, die das Vorhandensein des Analyts im Fluid anzeigen, auf der Grundlage einer räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor zu erzeugen.
Besondere Implementierungen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Die Daten, die das Vorhandensein des Analyts im Fluid anzeigen, können ein räumlich-zeitliches Reaktionsprofil aufweisen, das von der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor abgeleitet ist. Das räumlich-zeitliche Reaktionsprofil wird aus Zeitinformation abgeleitet, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Zeit anzeigt. Der erste Sensor kann eine erste Position in der Anordnung einnehmen, und der zweite Sensor kann eine zweite Position in der Anordnung einnehmen, so dass die Reaktion des zweiten Sensors in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors bei Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray zeitlich verzögert wird. Der erste Sensor kann eine erste Position in der Anordnung einnehmen, und der zweite Sensor kann eine zweite Position in der Anordnung einnehmen, so dass die Reaktion des zweiten Sensors ihre Amplitude in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray ändert. Der erste Sensor kann ein Sensormaterial aufweisen, und die Reaktion des ersten Sensors kann stärker sein als die Reaktion des zweiten Sensors für einen Analyt mit einer hohen Affinität für das Sensormaterial. Der erste und zweite Sensor können ausgewählt und angeordnet sein, um eine erste Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines ersten Analyts, auf den zweiten Sensor zu bewirken, und eine zweite Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines zweiten Analyts, auf das Sensorarray zu bewirken. Die Messvorrichtung kann dafür konfiguriert sein, die Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors zu messen; und die räumlich-zeitliche Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor kann aus der Verzögerung abgeleitet werden. Der Computer kann dafür konfiguriert sein, den Analyt auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen zu charakterisieren. Das System kann einen Durchflussregler aufweisen, um das Fluid in das Sensorarray mit einer sich ändernder Durchflussrate einzuleiten. Der Computer kann dafür konfiguriert sein, eine Durchflussinformation zu erzeugen, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Durchflussrate anzeigt. Das Sensorarray kann eine Vielzahl von kreuzreaktiven Sensoren aufweisen. Das Sensorarray kann eine Vielzahl von Sensoren aufweisen, die aus der Gruppe gewählt sind, die aufweist: Oberflächenwellensensoren, Quarzkristallresonatoren, Metalloxidsensoren, farbbeschichtete faseroptische Sensoren, farbstoffimprägnierte Perlenarrays, mikrobearbeitete Auslegerarrays, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von isolierendem organischem Material, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von leitendem oder halbleitendem organischem Material, chemisch empfindliche Widerstands- oder Kondensatorfilme, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und organische leitende Massepolymersensoren. Der erste und zweite Sensor können Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines isolierenden organischen Materials aufweisen. Der erste und zweite Sensor können Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines leitenden organischen Materials aufweisen. Der Computer kann dafür konfiguriert sein, eine digitale Darstel lung des Analyts auf der Grundlage mindestens teilweise der Reaktionen des ersten und des zweiten Sensors zu erzeugen. Das System kann einen Kommunikationsanschluss aufweisen, der mit dem Computer zur Übermittlung der digitalen Darstellung des Analyts an einen entfernten Ort zu Analysezwecken gekoppelt ist.
Im allgemeinen stellt die Erfindung unter einem weiteren Aspekt ein System zur Detektion eines Analyts in einem Fluid bereit. Das System weist ein Sensorarray mit einem ersten Sensor und einem zweiten Sensor, einen Fluideinlass nahe dem Sensorarray und eine mit dem Sensorarray verbundenen Messvorrichtung auf. Der Fluideinlass bildet ein Fluidströmungsmuster zur Einleitung eines Fluids zum Sensorarray, so dass sich der erste und zweite Sensor an verschiedenen Orten im Sensorarray relativ zum Fluidströmungsmuster befinden. Die Messvorrichtung ist dafür konfiguriert, eine Reaktion vom ersten und zweiten Sensor nach Einwirkung eines Fluids auf das Sensorarray zu detektieren. Die Reaktionen definieren eine räumlich-zeitliche Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor auf der Grundlage der Orte der Sensoren relativ zum Fluidströmungsmuster.
Bestimmte Implementierungen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Die räumlich-zeitliche Differenz kann aus Zeitinformation abgeleitet werden, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Zeit anzeigt. Der erste Sensor kann eine erste Position relativ zum Fluidströmungsmuster einnehmen, und der zweite Sensor kann eine zweite Position relativ zum Fluidströmungsmuster einnehmen, so dass die Reaktion des zweiten Sensors in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray verzögert wird. Der erste Sensor kann eine erste Position relativ zum Fluidströmungsmuster einnehmen, und der zweite Sensor kann eine zweite Position relativ zum Fluidströmungsmuster einnehmen, so dass die Reaktion des zweiten Sensors ihre Amplitude in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray ändert. Der erste Sensor kann ein Sensormaterial aufweisen, und die Reaktion des ersten Sensors kann stärker sein als die Reaktion des zweiten Sensors für einen Analyt mit einer hohen Affinität für das Sensormaterial. Der erste und zweite Sensor können ausgewählt und angeordnet sein, um eine erste Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines ersten Analyts, auf das Sensorarray zu bewirken und eine zweite Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines zweiten Analyts, auf das Sensorarray zu bewirken. Die Messvorrichtung kann dafür konfiguriert sein, die Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors zu messen, und die räumlich-zeitliche Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor kann aus der Verzögerung abgeleitet werden. Das System kann einen Computer aufweisen, der dafür konfiguriert ist, den Analyt auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen zu charakterisieren. Das System kann einen Durchflussregler aufweisen, um das Fluid zum Sensorarray mit einer sich ändernden Durchflussrate einzuleiten. Die Messvorrichtung kann dafür konfiguriert sein, die Durchflussinformation zu messen, die die Abhängigkeit des Sensors von der Durchflussrate anzeigt. Das Sensorarray kann eine Vielzahl von kreuzreaktiven Sensoren aufweisen. Das Systemsensorarray kann eine Vielzahl von Sensoren aufweisen, die aus der Gruppe gewählt sind, die aufweist: Oberflächenwellensensoren, Quarzkristallresonatoren, Metalloxidsensoren, farbbeschichtete faseroptische Sensoren, farbstoffimprägnierte Perlenarrays, mikrobearbeitete Auslegerarrays, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von isolierendem organischem Material, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von leitendem oder halbleitendem organischem Material, chemisch empfindliche Widerstands- oder Kondensatorfilme, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und organische leitende Massepolymersensoren. Der erste und zweite Sensor können Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines isolierenden organischen Materials aufweisen. Der erste und zweite Sensor können Verbundmaterialien mit Bereichen ei nes leitenden Materials und Bereichen eines leitenden organischen Materials aufweisen. Der Computer kann dafür konfiguriert sein, eine digitale Darstellung des Analyts auf der Grundlage mindestens teilweise der Reaktionen des ersten und zweiten Sensors zu erzeugen.
Im allgemeinen stellt die Erfindung unter noch einem weiteren Aspekt ein System zur Detektion eines Analyts in einem Fluid bereit. Das System weist auf: ein Sensorarray mit einem ersten Sensor und einem zweiten Sensor; einen Fluidstrom, der den ersten und zweiten Sensor einem Fluid aussetzt, so dass der erste und zweite Sensor verschiedene Orte im Sensorarray relativ zum Fluidstrom einnehmen; und eine Messvorrichtung, die mit dem Sensorarray verbunden ist. Die Messvorrichtung ist dafür konfiguriert, eine Reaktion vom ersten und zweiten Sensor auf die Einwirkung des Fluidstroms auf das Sensorarray zu detektieren. Die Reaktionen definieren eine räumlich-zeitliche Differenz auf der Grundlage der Orte der Sensoren im Sensorarray relativ zum Fluidstrom.
Bestimmte Implementierungen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Die räumlich-zeitliche Differenz kann aus Zeitinformation abgeleitet werden, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Zeit anzeigt. Der erste Sensor kann eine erste Position relativ zum Fluidstrom einnehmen, und der zweite Sensor kann eine zweite Position relativ zum Fluidstrom einnehmen, so dass die Reaktion des zweiten Sensors in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray verzögert wird. Der erste Sensor kann eine erste Position relativ zum Fluidstrom einnehmen, und der zweite Sensor kann eine zweite Position relativ zum Fluidstrom einnehmen, so dass die Reaktion des zweiten Sensors ihre Amplitude in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray ändert. Der erste Sensor kann ein Sensormaterial aufweisen, und die Reaktion des ersten Sensors kann stärker sein als die Reaktion des zweiten Sensors für einen Analyt mit einer hohen Affinität für das Sensormaterial. Der erste und zweite Sensor können ausgewählt und angeordnet sein, um eine erste Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines ersten Analyts, auf das Sensorarray zu bewirken, und eine zweite Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines zweiten Analyts, auf das Sensorarray zu bewirken. Die Messvorrichtung kann dafür konfiguriert sein, die Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion des zweiten Sensors zu messen, und die räumlich-zeitliche Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor kann aus der Verzögerung abgeleitet werden. Das System kann einen Computer aufweisen, der dafür konfiguriert ist, den Analyt auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen zu charakterisieren. Das System kann einen Durchflussregler aufweisen, um die Fluiddurchflussrate zu ändern. Die Messvorrichtung kann dafür konfiguriert sein, Durchflussinformation zu messen, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Durchflussrate anzeigt. Das Sensorarray kann eine Vielzahl von kreuzreaktiven Sensoren aufweisen. Das Sensorarray kann eine Vielzahl von Sensoren aufweisen, die aus der Gruppe gewählt werden, die aufweist: Oberflächenwellensensoren, Quarzkristallresonatoren, Metalloxidsensoren, farbbeschichtete faseroptische Sensoren, farbstoffimprägnierte Perlenarrays, mikrobearbeitete Auslegerarrays, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von isolierendem organischem Material, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von leitendem oder halbleitendem organischem Material, chemisch empfindliche Widerstands- oder Kondensatorfilme, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und organische leitende Massepolymersensoren. Der erste und zweite Sensor können Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines isolierenden organischen Materials aufweisen. Der erste und zweite Sensor können Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines leitenden organischen Materials aufweisen. Der Computer kann dafür konfiguriert sein, eine digitale Darstellung des Analyts auf der Grundlage mindestens teilweise der Reaktionen des ersten und zweiten Sensors zu erzeugen.
Im allgemeinen stellt die Erfindung unter noch einem weiteren Aspekt ein Sensorarray zur Detektion eines Analyts in einem Fluid bereit. Das Sensorarray weist auf: ein Substrat; einen ersten Sensor, der mit dem Substrat an einer ersten Stelle gekoppelt ist; und einen zweiten Sensor, der mit dem Substrat an einer zweiten Stelle gekoppelt ist, so dass der erste und zweite Sensor verschiedene Orte im Sensorarray relativ zum Fluidströmungsweg einnehmen.
Bestimmte Implementierungen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen. Der erste Sensor kann eine erste Position relativ zum Fluidströmungsweg einnehmen, und der zweite Sensor kann eine zweite Position relativ zum Fluidstrom einnehmen, wobei der erste Sensor dafür konfiguriert ist, eine erste Reaktion nach Einwirkung eines Fluids auf das Sensorarray zu bewirken, und der zweite Sensor dafür konfiguriert ist, eine zweite Reaktion nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray zu bewirken, so dass die zweite Reaktion in bezug auf die erste Reaktion nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray verzögert wird. Der erste Sensor kann eine erste zeitabhängige Reaktion nach Einwirkung eines Fluids auf das Sensorarray bewirken, und der zweite Sensor kann eine zweite zeitabhängige Reaktion nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray bewirken. Der erste Sensor kann eine erste Position relativ zum Fluidströmungsweg einnehmen, und der zweite Sensor kann eine zweite Position relativ zum Fluidstrom einnehmen, so dass die zweite zeitabhängige Reaktion ihre Amplitude in bezug auf die erste zeitabhängige Reaktion nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray ändert. Der erste Sensor kann ein Sensormaterial aufweisen, und die Reaktion des ersten Sensors kann stärker sein als die Reaktion des zweiten Sensors für einen Analyt mit einer hohen Affinität für das Sensormaterial. Der erste und zweite Sensor können ausgewählt und angeordnet sein, um eine erste Verzögerung zwischen einer Reaktion des ersten Sensors und einer Reaktion des zweiten Sensors nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines ersten Analyts, auf das Sensorarray zu bewirken und eine zweite Verzögerung zwischen einer Reaktion des ersten Sensors und einer Reaktion des zweiten Sensors nach Einwirkung eines Flu ids, einschließlich eines zweiten Analyts, auf das Sensorarray zu bewirken. Das Sensorarray kann eine Vielzahl von kreuzreaktiven Sensoren aufweisen. Das Sensorarray kann eine Vielzahl von Sensoren aufweisen, die aus der Gruppe gewählt sind, die aufweist: Oberflächenwellensensoren, Quarzkristallresonatoren, Metalloxidsensoren, farbbeschichtete faseroptische Sensoren, farbstoffimprägnierte Perlenarrays, mikrobearbeitete Auslegerarrays, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von isolierendem organischem Material, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von leitendem oder halbleitendem organischem Material, chemisch empfindliche Widerstands- oder Kondensatorfilme, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und organische leitende Massepolymersensoren. Der erste und zweite Sensor können Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines isolierenden organischen Materials aufweisen. Der erste und zweite Sensor können Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines leitenden organischen Materials aufweisen.
Vorteile, die bei Implementierungen der Erfindung erkennbar sind, sind u.a. einer oder mehrere der folgenden. Durch Nutzung einer räumlich-zeitlichen Eigenschaft eines Sensorarrays kann sich sehr nützliche Information über die Analytidentifikation und die Detektion relativ zu Arrays ergeben, bei denen keine räumlich-zeitliche Information verfügbar ist, da alle Sensoren nominal in identischen Positionen in bezug auf die Fluidstromcharakteristik sind und dem Analyt zu nominal identischen Zeiten während eines Fluidprobenahmeexperiments ausgesetzt sind. Die Elektronik kann implementiert werden, um die Zeitverzögerung zwischen Sensorreaktionen aufzuzeichnen und diese Information zu nutzen, um den Analyt von Interesse im Fluid zu charakterisieren. Dieser Modus kann auch vorteilhaft sein, da er eine automatische Nullung einer Sensordrift, Umgebungsschwankungen (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit usw.) und dgl. erlauben kann. Außerdem kann ein komplexes Geruchsgemisch auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Charakteristik der Array-Reaktion lediglich relativ zu den Differenzen der Fingerprints (genetischer Fingerabdruck) an den verschiedenen Sensortypen im Array besser in seine Komponenten zerlegt werden. Daneben können diese Techniken in Verbindung mit Differenzmessungen verwendet werden, um nur bestimmte Klassen oder Typen von Analyten selektiv zu detektieren, da die Detektion so gesteuert werden kann, dass sie sich nur auf Signale konzentriert, die eine gewünschte Korrelationszeit zwischen ihren Reaktionen auf die Sensoren aufweisen, die verschiedene Einwirkungszeiten relativ zu der Sensorreaktion auf den ersten Sensor haben, der einen Analyt detektiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden nachstehend ausführlich mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die folgendes zeigen:
1 ist ein Blockschaltbild, das ein System zur Detektion eines Analyts in einem Fluid darstellt.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Detektion eines Analyts in einem Fluid darstellt.
3 stellt eine Implementierung eines erfindungsgemäßen Systems zur Detektion eines Analyts in einem Fluid dar.
4a–b sind Diagramme der Sensorreaktion als Funktion der Zeit für das in 3 gezeigte Sensorarray.
5a–b sind Diagramme der Reaktion als Funktion der Durchflussrate bzw. der linearen Durchflussrate für einen Sensor in dem in 3 gezeigten Array.
6 ist eine schematische Darstellung, die eine alternative Implementierung des erfindungsgemäßen Systems zur Detektion eines Analyts in einem Fluid darstellt.
7 ist ein Diagramm, das eine Sensorreaktion als Funktion einer Sensorposition in einem Experiment mit dem in 6 gezeigten Array darstellt.
8 ist ein Diagramm, das ein Widerstands-Zeit-Profil darstellt, das für ein Sensorarray mit acht nominal identischen Poly(methyloctadecylsiloxan-)Rußschwarz-Verbundmaterialsensoren berechnet ist.
9 ist ein Diagramm, das eine Sensorausgabe-Zeit-Kurve für das Sensorarray in 8 darstellt.
10a–b sind Diagramme, die das Widerstands-(Delta-ppm-)Verhalten und das Sensorausgangssignal als Funktion der Zeit bei einer einzigen Einwirkung mit dem größten Sensorausgangssignal für das Experiment in 8 und 9 darstellen.
11a–b sind Diagramme, die das Widerstands-(Delta-ppm-)Verhalten und das Sensorausgangssignal als Funktion der Zeit bei einer einzigen Einwirkung mit einem mittleren Sensorausgangssignal für das Experiment in 8 und 9 darstellen.
12a–b sind Diagramme, die das Widerstands-(Delta-ppm-)Verhalten und das Sensorausgangssignal als Funktion der Zeit bei einer einzigen Einwirkung mit dem kleinsten Sensorausgangssignal für das Experiment in 8 und 9 darstellen.
13a–b sind Diagramme, die das Widerstands-(Delta-ppm-)Verhalten und das Sensorausgangssignal als Funktion der Zeit für zwei "erfolgsnahe" Hintergrundfenster für das Experiment in 8 und 9 darstellen.
14a–b sind Diagramme, die Widerstandstransienten und Widerstandsänderung als Funktion der Zeit darstellen, was die Abhängigkeit des Signals aus einem ventilierten Sensorarray von der Durchflussrate zeigt.
15a–c sind Diagramme, die Reaktionstransienten bei sich ändernden Durchflussraten; die Reaktionssteilheit als Funktion der Durchflussrate des Sensors; bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis nach 5 s Einwirkung als Funktion der Durchflussrate für ein Experiment mit dem ventilierten Sensorarray in 14a–b darstellen.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 stellt ein System 100 zur Detektion eines Analyts in einem Fluid dar. Das System 100 weist ein Sensorarray 110 auf, in dem eine Anordnung einer Vielzahl von Sensoren 120 einen Fluidkanal 130 bildet. Als Wahlmöglichkeit ist das Sensorarray 110 dafür konfiguriert, einen oder mehrere Fluidkanäle 140 zusätzlich zum Fluidkanal 130 aufzuweisen, wobei jeder Fluidkanal 140 eine zusätzliche Vielzahl von Sensoren 150 aufweist. Ein zu analysierendes Fluid, das gasförmig oder flüssig sein kann, wird dem Sensorarray 110 durch einen Fluideinlass 160 zugeführt, beispielsweise aus einem Fluidreservoir 170. Reaktionssignale von den Sensoren 120, 150 im Sensorarray 110, die auf die Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray zurückzuführen sind, werden in einem Detektor 180 empfangen und verarbeitet, der z.B. eine Signalverarbeitungselektronik, ein programmierbares digitales Allzweckcomputersystem herkömmlicher Bauart oder dgl. aufweist.
Ein Verfahren 200 zur Verwendung des Systems 100 zur Detektion des Vorhandenseins eines Analyts in einem Fluid ist in 2 dargestellt. Ein Fluid mit einem Analyt wird in ein Sensorarray 110 eingeleitet (Schritt 210). Entsprechend einem Strömungsmuster, das durch die Konfiguration des Arrays 110 oder durch das Einleiten des Fluids definiert ist, reagiert das Fluid zu einer Zeit t mit einem ersten Sensor oder mit ersten Sensoren (Schritt 220). Der Detektor 180 detektiert Reaktionssignale von dem/den ersten Sensor(en) und zeichnet diese auf (Schritt 230). Das Fluid reagiert dann mit einem zweiten Sensor oder mit zweiten Sensoren zu einer Zeit t + δ (Schritt 240), und der Detektor 180 detektiert Reaktionssignale von dem/den zweiten Sensor(en) und zeichnet diese auf (Schritt 250). Die Schritte 230 und 240 werden wiederholt, während das Fluid durch das Array 110 strömt, bis jeder Sensor im Array dem Fluid ausgesetzt und das entsprechende Reaktionssignal vom Detektor 180 aufgezeichnet worden ist (Nein-Zweig im Schritt 260). Die aufgezeichneten Reaktionssignale werden dann verarbeitet, um einen Analyt oder eine Kombination von Analyten im Fluid zu detektieren oder zu charakterisieren (Schritt 270).
Die Sensoren 120, 150 können einen beliebigen aus einer Vielzahl verschiedener bekannter Sensoren aufweisen, einschließlich beispielsweise Oberflächenwellensensoren, Quarzkristallresonatoren, Metalloxidsensoren, farbbeschichtete faseroptische Sensoren, farbstoffimprägnierte Perlenarrays, mikrobearbeitete Auslegerarrays, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von isolierendem organischem Material, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von leitendem oder halbleitendem organischem Material, chemisch empfindliche Widerstands- oder Kondensatorfilme, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und organische leitende Massepolymersensoren und andere be kannte Sensortypen. Techniken zum Aufbau von Arrays solcher Sensoren sind bekannt, wie offenbart in Harsanyi, G., Polymer Films in Sensor Applications (Technomic Publishing Co., Basel, Schweiz, 1995), und US-Patent 6 017 440, 6 013 229 und 5 911 872 und gleichzeitig anhängige US-Patentanmeldung 09/409 644, angemeldet am 1. Oktober 1999. Techniken zur Herstellung bestimmter Sensortypen sind offenbart in Ballantine, D. S.; Rose, S. L.; Grate, J. W.; Wohltjen, H. Anal. Chem. 1986, 58, 3058; Grate, J. W.; Abraham, M. H. Sens. Actuators B 1991, 3, 85; Grate, J. W.; Rosepehrsson, S. L.; Venezky, D. L.; Klusty, M.; Wohltjen, H. Anal. Chem. 1993, 65, 1868; Nakamoto, T.; Fukuda, A.; Moriizumi, T. Sens. Actuators B 1993, 10, 85 (oberflächenakustische Wellen(SAW-)Bauelemente), Gardner, J. W.; Shurmer, H. V.; Corcoran, P. Sens. Actuators B 1991, 4, 117; Gardner, J. W.; Shurmer, H. V.; Tan, T. T. Sens. Actuators B 1992, 6, 71; Corcoran, P.; Shurmer, H. V.; Gardner, J. W. Sens. Actuators B 1993, 15, 32 (Zinnoxidsensoren), Shurmer, H. V.; Corcoran, P.; Gardner, J. W. Sens. Actuators B 1991, 4, 29; Pearce, T. C.; Gardner, J. W.; Friel, S.; Bartlett, P. N.; Blair, N. Analyst 1993, 118, 371 (leitende organische Polymere), Freund, M. S.; Lewis, N. S. Proc. Natl. Acad. Sci 1995, 92, 2652 (Materialien mit Bereichen von Leitern und Bereichen von isolierendem organischem Material), White, J.; Kauer, J. S.; Dickinson, T. A.; Walt, D. R. Anal. Chem. 1996, 68, 2191 (farbstoffimprägnierte Polymerfilme auf faseroptischen Sensoren), Butler, M. A.; Ricco, A. J.; Buss, R. J. Electrochem. Soc. 1990, 137, 1325; Hughes, R. C.; Ricco, A. J.; Butler, M. A.; Pfeifer, K. B. J. Biochem. and Biotechnol. 1993, 41, 77 (polymerbeschichtete Mikrospiegel), Slater, J. M.; Paynter, J. Analyst 1994, 119, 191; Slater, J. M.; Watt, E. J. Analyst 1991, 116, 1125 (Quarzkristallmikroausgleichseinrichtungen (QCMs)), Keyvani, D.; Maclay, J.; Lee, S.; Stetter, J.; Cao, Z. Sens. Actuators B 1991, 5, 199 (elektrochemische Gassensoren), Zubkans, J.; Spetz, A. L.; Sundgren, H.; Winquist, F.; Kleperis, J.; Lusis, A.; Lundstrom, I. Thin Solid Films 1995, 268, 140 (chemisch empfindliche Feldeffekttransistoren) und Lonergan, M. C.; Severin, E. J.; Doleman, B. J.; Beaber, S. A.; Grubbs, R. H.; Lewis, N. S. Chem. Mater. 1996, 8, 2298 Rußschwarz- Polymerverbundstoff-Chemiewiderstände). Weitere Sensorarray-Herstellungstechniken sind offenbart in Albert, K. J., Lewis, N. S., et al.., Cross-Reactive Chemical Sensor Arrays, Chemical Reviews, 2000, 100 (im Druck) und den hier zitierten Quellen.
In einer Implementierung weist das Sensorarray 110 mehrere Erfassungsmodalitäten auf, z.B. eine räumliche Anordnung von kreuzreaktiven Sensoren 120, 150, die aus bekannten Sensortypen gewählt sind, beispielsweise die oben aufgeführten, so dass ein gegebener Analyt eine Reaktion von mehreren Sensoren im Array hervorruft und jeder Sensor auf viele Analyte reagiert. Vorzugsweise sind die Sensoren im Array 110 weitgehend kreuzreaktiv, was bedeutet, dass jeder Sensor im Array auf mehrere Analyte reagiert und andererseits jeder Analyt eine Reaktion von mehreren Sensoren hervorruft.
Sensorarrays haben einen breitgefächerten Nutzen, da das Signal für einen fehlerhaften bzw. unvollkommenen "Schlüssel" in einem Kanal mittels Information erkannt werden kann, die in einem anderen, chemisch oder physikalisch verschiedenen Kanal im Array gesammelt wird. Ein deutlich unterscheidbares Muster von Reaktionen, die von der Sammlung von Sensoren im Array hervorgebracht werden, kann einen Fingerprint bereitstellen, der eine Klassifikation und Identifikation des Analyts ermöglicht, wobei solche Information nicht hätte erlangt werden können, wenn man sich auf die Signale verlassen hätte, die lediglich von einem einzelnen Sensor oder Sensormaterial stammen. Wenn man einen empirischen Katalog von Information über chemisch unterschiedliche Sensoren – beispielsweise hergestellt mit sich ändernden Anteilen von halbleitenden, leitenden und isolierenden Komponenten und durch Änderung der Herstellungswege – entwickelt, können Sensoren gewählt werden, die für die Analyte, die in einer bestimmten Anwendung erwartet werden, ihre Konzentrationen und ihre gewünschten Reaktionszeiten geeignet sind. Eine weitere Optimierung kann dann iterativ durchgeführt werden, wenn eine Rückkopplung auf der Grundlage des Verhaltens des Arrays unter bestimmten Bedingungen verfügbar wird.
Die Sensorarrays des Systems 100 haben noch weitere Vorteile durch Einbeziehung einer räumlich-zeitlichen Reakti onsinformation, die von dem Detektor 180 genutzt wird, um die Analytdetektion und -identifikation zu unterstützen. Durch Ausnutzung einer räumlich-zeitlichen Eigenschaft eines Sensorarrays kann nützliche Information über Analytdetektion und -identifikation in bezug auf die Arrays gewonnen werden, wo keine räumlich-zeitliche Information verfügbar ist, da alle Sensoren nominell in identischen Positionen in bezug auf die Fluidströmungscharakteristik sind und während des Fluidprobenahmeexperiments dem Analyt zu nominal identischen Zeiten ausgesetzt sind. Die Elektronik kann im Detektor 180 implementiert werden, um eine Zeitverzögerung zwischen den Sensorreaktionen aufzuzeichnen und diese Information zu verwenden, um den Analyt von Interesse im Fluid zu charakterisieren. Dieser Modus kann auch vorteilhaft sein, da er eine automatische Nullung einer Sensordrift, Umgebungsschwankungen (beispielsweise Temperaturfeuchtigkeit usw.) und dgl. ermöglichen kann. Außerdem kann ein komplexes Analytgemisch auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Charakteristik der Array-Reaktion lediglich relativ zu den Differenzen der Fingerprints an den verschiedenen Sensortypen im Array besser in seine Komponenten zerlegt werden. Zusätzlich kann das Verfahren in Verbindung mit verschiedenen Typen von Differenzmessungen verwendet werden, um nur bestimmte Klassen oder Typen von Analyten zu detektieren, da die Detektion so gesteuert werden kann, dass man sich nur auf Signale konzentriert, die eine gewünschte Korrelationszeit zwischen ihren Reaktionen auf die Sensoren aufweisen, die verschiedene Einwirkzeiten relativ zur Sensorreaktion auf dem ersten Sensor haben, der einen Analyt detektiert.
Sensorarrays 110 können also beispielsweise so konfiguriert sein, dass Analyte mit niedrigem Dampfdruck in der Gasphase eine hohe Affinität zu Sensoren haben und diese stark sorbieren. Diese starke Sorption erzeugt eine starke Reaktion bei dem ersten nachgelagerten Sensor, auf den der Analyt trifft, eine schwächere Reaktion beim zweiten nachgelagerten Sensor und eine noch schwächere Reaktion bei weiteren nachgelagerten Sensoren. Verschiedene Analyte erzeugen eine detektierbare und nützliche Zeitverzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors und der Reaktion der anderen nachgelagerten Sensoren. Infolgedessen kann der Detektor 180 die Differenzen der Reaktionszeit und Amplitude verwenden, um Analyte in einem Trägerfluid analog zur Verwendung der Gaschromatographie-Retentionszeiten, die in der Gaschromatographieliteratur und in der Fachwelt bekannt sind, zu detektieren und zu charakterisieren.
Räumlich-zeitliche Information kann aus einem Array von zwei oder mehr Sensoren durch Änderung der Einwirkung des Fluids, das den Analyt enthält, auf die Sensoren im gesamten Array (z.B. durch Erzeugung eines räumlichen und/oder zeitlichen Gradienten über das Array) gewonnen werden, wobei es möglich ist, dass Reaktionen gleichzeitig mit verschiedenen Einwirkungsstufen und bei verschiedenen unterschiedlichen Sensorzusammensetzungen gemessen werden. Beispielsweise kann ein Array 110 von Sensoren 120, 150 dafür konfiguriert sein, die Zusammensetzung der Sensoren in der horizontalen Richtung über das Array zu ändern, so dass die Sensorzusammensetzung in der vertikalen Richtung über das Array konstant bleibt. Man kann dann einen räumlich-zeitlichen Gradienten in der vertikalen Richtung über das Array erzeugen – beispielsweise durch Einleitung des Fluids von oben zum Array und durch Bereitstellung des Fluidstroms vertikal entlang des Arrays, so dass eine gleichzeitige Analyse chemischer Analyte bei verschiedenen Sensorzusammensetzungen und verschiedenen Einwirkungsstufen möglich ist. Ebenso kann in einem Array 110 mit einer Vielzahl von verschiedenen Sensoren 120, 150 (z.B. einem Array, bei dem jeder Sensor ein anderer Typ ist oder eine andere Zusammensetzung hat) eine räumlich-zeitliche Änderung durch systematische Änderung der Durchflussrate, mit der das analythaltige Fluid den Sensoren im Array ausgesetzt wird, bewirkt werden. Wie bereits erwähnt, ist in dieser Implementierung durch Messung der Reaktion jedes der Sensoren 120, 150 bei vielen verschiedenen Durchflussraten die gleichzeitige Analyse der Analyte bei verschiedenen Sensorzusammensetzungen und verschiedenen Einwirkstufen möglich.
Die Sensoren 120, 150, die je einen Fluidkanal 130, 140 bilden, sind also in einer Implementierung nominal identisch – d.h., die Sensoren 120, 150 innerhalb eines gegebenen Fluid kanals 130, 140 sind identisch. Im Gegensatz dazu weist das Sensorarray 110 eine vorbestimmte sensorbezogene Variation der chemischen Eigenschaften, der Struktur oder Zusammensetzung der Sensoren 120, 150 zwischen den Fluidkanälen 130, 140 auf. Die Variation kann quantitativ und/oder qualitativ sein. Beispielsweise können verschiedene Kanäle 130, 140 so aufgebaut sein, dass sie Sensoren verschiedener Typen einschließen, z.B. eine Vielzahl nominal identischer Metalloxid-Gassensoren in einem Fluidkanal 130, eine Vielzahl leitender Polymersensoren in einem angrenzenden Fluidkanal 140 usw. über das Array 110 hinweg. Als Alternative kann die Variation der Zusammensetzung durch Änderung der Konzentration eines leitenden oder halbleitenden organischen Materials in einem Verbundmaterialsensor über die Fluidkanäle hinweg bewirkt werden. In noch einer weiteren Variation kann eine Vielzahl verschiedener organischer Materialien in Sensoren in verschiedenen Kanälen verwendet werden. Ähnliche Muster zur Aufnahme von Variationen der Zusammensetzung in Sensorarrays 110 sind ohne weiteres für den Fachmann erkennbar.
Obwohl 1 Fluidkanäle 130, 140 als lineare Kanäle darstellt, die sich nur in einer Richtung erstrecken, können Sensorarrays dafür konfiguriert sein, gleiche Fluidkanäle mit verschiedenen Geometrien bereitzustellen – beispielsweise Arrays mit Sensoren, die in zwei oder mehr Richtungen relativ zum Fluidstrom angeordnet sind, z.B. ein kreisförmiges Array mit einer radialen Anordnung von Sensoren um einen Fluideinleitungspunkt herum. Und obwohl das Sensorarray 110 bisher mit einem oder mehreren Fluidkanälen mit jeweils einer Vielzahl von nominal identischen Sensoren beschrieben wurde, wird der Fachmann anerkennen, dass die hier beschriebenen Techniken verwendet werden können, um nützliche räumlich-zeitliche Information aus Arrays mit einer Vielzahl von Sensoren zu erzeugen, die alle verschiedene chemische Eigenschaften, Struktur oder Zusammensetzung haben, wobei der Fluidweg durch die Einleitung des Fluids zum Array gebildet wird. In dieser Implementierung können räumlich-zeitliche Reaktionsdaten durch Einleiten des Fluids zum Array mit sich ändernden Durchflussraten, beispielsweise unter Verwendung eines Durchflussreglers mit bekanntem Aufbau, erzeugt werden, um die Rate, mit der das Fluid über die Zeit eingeleitet wird, systematisch zu ändern. Als Alternative können Variationen der Durchflussraten dadurch bewirkt werden, dass das Array einfach einem sich auf natürliche Weise ändernden Fluidstrom ausgesetzt wird, beispielsweise einem Luftstrom.
Ein System 100 wird hergestellt, indem die Sensorleitungen eines Arrays unterschiedlich reagierender Sensoren mit einer elektrischen Messvorrichtung 180 elektrisch gekoppelt werden. Die Vorrichtung mißt Änderungen des Signals in jedem Sensor des Arrays, vorzugsweise gleichzeitig und vorzugsweise über die Zeit. Das Signal ist ein elektrischer Widerstand, eine Impedanz oder eine andere physikalische Eigenschaft des Materials als Reaktion auf das Vorhandensein des Analyts in dem Fluid. Häufig weist die Vorrichtung 180 eine Signalverarbeitungseinrichtung auf und wird in Verbindung mit einem Computer und einer Datenstruktur zum Vergleichen eines gegebenen Reaktionsprofils mit einer Strukturreaktionsprofildatenbasis zur qualitativen und quantitativen Analyse verwendet. Normalerweise weist ein Array 110 zur Verwendung in einem System 100 gemeinhin mindestens zehn, häufig mindestens 100 und mitunter mindestens 1000 verschiedene Sensoren auf, wobei die Arrays jedoch mit hierin beschriebenen oder aber dem Fachmann bekannten Fabrikationstechniken zur Massenbeschichtung in einer Größenordnung von mindestens einer Million Sensoren ohne weiteres hergestellt werden können.
In einem Betriebsmodus mit einem Array von Sensoren stellt jeder Sensor zwischen seinen leitenden Zuleitungen ein erstes elektrisches Signal bereit, wenn der Sensor mit einem ersten Fluid mit einem ersten chemischen Analyt in Kontakt kommt, und ein zweites elektrisches Signal bereit, wenn der Sensor mit einem zweiten Fluid mit einem zweiten anderen chemischen Analyt in Kontakt kommt. Die Fluide können in einem flüssigen oder gasförmigen Zustand sein. Das erste und zweite Fluid können Proben aus zwei verschiedenen Umgebungen, eine Änderung der Konzentration eines Analyts in einem zu zwei Zeitpunkten entnommenen Fluid, eine Probe und eine Negativkontrolle usw. reflektieren. Das Sensorarray weist notwendiger weise Sensoren auf, die unterschiedlich auf eine Änderung einer Analytkonzentration oder auf Gleichheit reagieren, d.h. die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Signal eines Sensors unterscheidet sich von der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Signal eines anderen Sensors.
In einer Ausführungsform wird die zeitliche Reaktion jedes Sensors (z.B. ein Signal als Funktion der Zeit) aufgezeichnet. Die zeitliche Reaktion jedes Sensors kann auf eine maximale prozentuale Verstärkung und prozentuale Verringerung des Signals normiert werden, das ein der Einwirkung des Analyts zugeordnetes Reaktionsmuster erzeugt. Durch iterative Profilierung bekannter Analyte wird eine Struktur-Funktions-Datenbasis erzeugt, die Analyte und Reaktionsprofile korreliert. Unbekannte Analyte werden dann unter Verwendung eines Reaktionsmustervergleichs und mittels Reaktionsalgorithmen charakterisiert oder identifiziert. Demzufolge werden Analytdetektionssysteme mit Sensorarrays, einer elektrischen Messvorrichtung zur Detektion eines Signals in jedem Sensor, einem Computer, einer Datenstruktur von Sensorarray-Reaktionsprofilen und einem Vergleichsalgorithmus bereitgestellt. In einer weiteren Ausführungsform ist die elektrische Messvorrichtung eine integrierte Schaltung mit neuronaler netzwerkbasierter Hardware und einem Digital-Analog-Umsetzer (DAC), der mit jedem Sensor im Multiplexbetrieb verbunden ist, oder einer Vielzahl von DACs, wobei jeder mit (einem) anderen Sensor(en) verbunden ist.
Wenn die erwünschten Signale als elektrische Gleichstromwiderstände für die verschiedenen Sensorelemente in einem Array überwacht werden, können sie gelesen werden, indem einfach eine Konstantstromquelle an die Widerstände angelegt wird und die Spannung über jeden Widerstand unter Verwendung eines handelsüblichen multiplexierungsfähigen 20-Bit-Analog-Digital-Wandlers überwacht wird. Solche Signale werden ohne weiteres in einem Computer gespeichert, der einen residenten Algorithmus zur Datenanalyse und Archivierung enthält. Signale können auch in digitaler oder analoger Form vorverarbeitet werden; das letztere könnte eine Widerstandsnetzkonfiguration verwen den, beispielsweise um eine lokale Verstärkungsregelung zu erreichen. Außerdem kann eine Langzeitadaptionselektronik hinzugefügt werden, oder Daten können digital verarbeitet werden, nachdem sie von den Sensoren selbst zusammengetragen worden sind. Diese Verarbeitung könnte auf dem gleichen Chip erfolgen, auf dem sich die Sensoren befinden, könnte aber auch auf einem physisch getrennten Chip oder Computer erfolgen.
Datenanalyse kann durchgeführt werden unter Verwendung chemometrischer Standardverfahren, z.B. Hauptkomponentenanalyse und SIMCA, die in handelsüblichen Softwarepaketen vertrieben werden und die auf einem PC laufen oder die ohne weiteres in einen Computer, auf dem ein residenter Algorithmus läuft, oder auf einen Signalanalyse-Chip, der entweder in die Sensormesselektronik integriert ist oder in Verbindung mit dieser arbeitet, übernommen werden können. Die lineare Fisher-Diskriminante ist ein bevorzugter Algorithmus zur Analyse von Daten, wie nachstehend beschrieben wird. Zusätzlich können kompliziertere Algorithmen und ein überwachtes oder nicht überwachtes neuronales Netzwerk auf der Grundlage von Lern/Trainingsmethoden ebenfalls angewendet werden (Duda, R. O.; Hart, P. E. Pattern Classification and Scene Analysis; John Wiley & Sons; New York, 1973, S. 482).
Die Signale können auch bei der Ausbildung einer digital übertragbaren Darstellung eines Analyts in einem Fluid geeignet sein. Solche Signale könnten über das Internet in verschlüsselter oder öffentlich zugänglicher Form übertragen werden oder von einer zentralen Verarbeitungseinheit an einem entfernten Ort analysiert werden und/oder zwecks Kompilierung einer Datenmenge archiviert werden, die gewonnen werden könnte, um beispielsweise später Änderungen in bezug auf historische mittlere "normale" Werte der Atemluft in geschlossenen Räumen, menschlicher Atemprofile oder einer Vielzahl verschiedener anderer Langzeitüberwachungssituationen zu bestimmen, in denen die Detektion von Analyten in Fluiden eine wichtige werterhöhende Komponente der Daten ist.
Ein Array von 20 bis 30 verschiedenen Sensoren ist für viele Analytklassifikationsaufgaben ausreichend, aber größere Arraygrößen können ebenfalls implementiert werden. Temperatur und Feuchtigkeit können gesteuert werden, aber da ein bevorzugter Modus darin besteht, Änderungen relativ zu den Ausgangsumgebungsbedingungen aufzuzeichnen, und da die Muster für den bestimmten Typ und die Konzentration eines Geruchs im allgemeinen von diesen Ausgangsbedingungen unabhängig sind, ist es nicht kritisch, diese Variablen in bestimmten Implementierungen der Technologie aktiv zu steuern. Eine solche Steuerung könnte entweder in einer Konfiguration mit geschlossenem oder offenem Regelkreis erreicht werden.
Die hierin offenbarten Sensorarrays könnten mit oder ohne Vorkonzentration des Analyts je nach Leistungspegel und anderen Systembedingungen, die vom Anwender gefordert werden, verwendet werden. Ungeachtet des Probenahmemodus können die charakteristischen Muster (sowohl anhand von Amplituden- als auch Zeitmerkmalen je nach dem robustesten Klassifikationsalgorithmus für den Zweck), die bestimmten Krankheitszuständen zugeordnet werden, und andere flüchtige Analytsignaturen unter Verwendung von hierin offenbarten Sensoren identifiziert werden. Diese Muster werden dann in einer Bibliothek gespeichert und mit den Signaturen verglichen, die von der Probe stammen, um die Wahrscheinlichkeit eines bestimmten Geruchs, der in die betreffende Kategorie fällt (Krankheit oder keine Krankheit, toxische oder nichttoxische Chemikalie, gute oder schlechte Polymerproben, frischer oder alter Fisch, frische oder verschmutzte Luft usw.) zu bestimmen.
Analytprobenahmen treten unterschiedlich in verschiedenen Anwendungsszenarien auf. Für bestimmte Anwendungen können unter Verwendung entweder einer einzelnen Atemluft- oder Urinprobe im Falle einer Atemprobenahme eines Patienten zum Zwecke der Differenzierung zwischen Gesundheits- oder Krankheitszustands oder zur Klassifikation direkte Kopfraumproben genommen werden. Außerdem können bei Bedarf verlängerte Atemproben, die über Tenax-, Carbopack-, Poropak-, Carbosieve- oder andere sorbierende Vorkonzentratormaterialien geführt werden, gewonnen werden, um robuste Intensitätssignale zu gewinnen. Das absorbierende Material des Fluidkonzentrators kann ein nanoporöses Material, ein mikroporöses Material, ein chemisch reaktives Material, ein nichtporöses Material und Kombi nationen daraus sein, ist jedoch nicht darauf beschränkt. In bestimmten Fällen kann das absorbierende Material den Analyt um einen Faktor konzentrieren, der einen Faktor von etwa 10⁵ überschreitet oder um einen Faktor von etwa 10² bis etwa 10⁴. In einer weiteren Ausführungsform wird die Entfernung von Hintergrundwasserdampf in Verbindung mit der Konzentration des Analyts durchgeführt, z.B. zeitgleich mit dieser. Wenn der Analyt konzentriert ist, kann er unter Verwendung vieler verschiedener Techniken, z.B. durch Erwärmung, Spülung, Austreiben, Druckbeaufschlagung oder eine Kombination daraus, desorbiert werden.
Atemproben können durch einen Strohhalm oder eine geeignete Röhre im Mund eines Patienten, die mit der Probenahmekammer (oder einer Vorkonzentratorkammer) verbunden ist, genommen werden, wobei ein Analytauslass zur Erfassung verfügbar ist, um eine nachfolgende Gaschromatographie/Massenspektroskopie oder andere ausgewählte Laboranalysen der Probe zu ermöglichen. In weiteren Anwendungen können Kopfraumproben von Geruchsmustern analysiert und/oder Trägegase verwendet werden, um den betreffenden Analyt an die Sensoren zu übertragen, um die gewünschte Reaktion zu erzeugen. In noch anderen Fällen kann der Analyt in einer Flüssigphase sein, und die Flüssigphase wirkt direkt auf den Sensor; in weiteren Fällen wird der Analyt anfänglich einer bestimmten Trennung unterzogen und in noch weiteren Fällen wird nur der Kopfraum des Analyts den Sensoren ausgesetzt.
Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Analyt von einem Anfangsprobevolumen von etwa 10 l konzentriert werden und dann zu einem konzentrierten Volumen von etwa 10 ml oder weniger desorbiert werden, bevor er dem Sensorarray zugeführt wird.
Geeignete handelsübliche adsorbierende Materialien sind u.a. Tenax TA, Tenax GR, Carbotrap, Carbopack B und C, Carbotrap C, Carboxen, Carbosieve SIII, Porapak, Spherocarb und Kombinationen daraus, ohne darauf beschränkt zu sein. Bevorzugte adsorbierende Kombinationen sind u.a. Tenax GR und Carbopack B; Carbopack B und Carbosieve SIII; und Carbopack C und Carbopack B und Carbosieve SIII oder Carboxen 1000, ohne dar auf beschränkt zu sein. Der Fachmann wird weitere geeignete absorbierende Materialien kennen.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Entfernung von Hintergrundwasserdampf in Verbindung mit der Konzentration des Analyts durchgeführt, z.B. zeitgleich mit dieser. Wenn der Analyt konzentriert ist, kann er unter Verwendung vieler verschiedener Techniken desorbiert werden, z.B. durch Erwärmung, Spülung, Austreibung, Druckbeaufschlagung oder Kombinationen daraus. In diesen Ausführungsformen wird der Probenkonzentrator mit einem Draht umwickelt, durch den Strom zugeführt werden kann, um den konzentrierten Analyt zu erwärmen und somit zu desorbieren. Der Analyt wird danach dem Sensorarray zugeführt.
In bestimmten Fällen liefert das Array nur dann eine deutlich unterscheidbare Signatur jedes einzelnen Analyts in einem Bereich, wenn ein spezifischer Typ eines Analyts die chemische Zusammensetzung einer Probe dominiert. Statt dessen wird ein Muster gewonnen, das ein Verbundmaterial ist, mit bestimmten charakteristischen zeitlichen Merkmalen der Sensorreaktionen, die bei der Formulierung einer eindeutigen Beziehung zwischen dem detektierten Analytinhalt und der resultierenden Array-Reaktion beitragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Signalverarbeitung, sucht die lineare Fisher-Diskriminante einen Projektionsvektor w im Detektorraum, der den paarweisen Auflösungsfaktor, d.h. RF, für jede Gruppe von Analyten maximiert und den Wert von RF zusammen mit diesem optimalen linearen Diskriminantenvektor meldet. Der RF-Wert ist eine spezifische Eigenschaft der Datenmenge und hängt nicht davon ab, ob der Hauptkomponentenraum oder ursprüngliche Detektorraum verwendet wird, um die Reaktionsdaten zu analysieren. Dieser Auflösungsfaktor ist grundsätzlich ein mehrdimensionale Entsprechung der Trennungsfaktoren, die verwendet werden, um das Trennvermögen einer Säule in der Gaschromatographie zu quantifizieren, und somit dient der RF-Wert als quantitative Anzeige dafür, wie deutlich voneinander unterscheidbar zwei Muster sind, wenn man sowohl die Signale als auch die Verteilung der Reaktionen bei Einwirkung des Analyts, der das betreffende Lösemittelpaar aufweist, berücksichtigt. Wenn wir z.B. eine Gaußsche Verteilung relativ zum Mittelwert der Datenpunkte annehmen, die aus den Reaktionen des Arrays eines beliebigen Analyts gewonnen werden, sind die Wahrscheinlichkeiten, mit denen ein Analyts aus einer einzigen Darstellung als a oder b identifiziert wird, wenn a oder b durch die Auflösungsfaktoren 1,0, 2,0 oder 3,0 getrennt sind, annähernd 76%, 92% bzw. 98%.
Um den RF anhand einer Standardvektoranalyse zu berechnen, ist der mittlere Reaktionsvektor x_a eines n-Sensor-Arrays zu einem Analyt a gegeben als n-dimensionaler Vektor, der die mittlere autoskalierte Reaktion jedes Sensors A_aj zum a-ten Analyt als Komponenten enthält, so dass xa = (Aa1, Aa2 ... Aan)
Die mittlere Trennung |d| zwischen zwei Analyten a und b in einem Euklidischen Sensorreaktionsraum ist dann gleich der Größe der Differenz zwischen x_a und x_b. Das Rauschen der Sensorreaktionen ist auch wichtig bei der Quantifizierung des Trennvermögens des Sensorarrays. Somit werden die Standardabweichungen s_a,d und s_b,d, die aus allen einzelnen Array-Reaktionen sowohl auf a als auch auf b entlang des Vektors d ermittelt werden, verwendet, um die mittlere Trennung zu beschreiben und letztlich den paarweisen Auflösungsfaktor wie folgt zu definieren:
Auch wenn die Dimensionalität des Geruchsraums ziemlich klein ist, sagen wir in der Größenordnung von 10¹, besteht dennoch Interesse daran, das biologische Geruchssystem in seinem Aufbau aus Arrays, die aus einer großen Anzahl von Rezeptororten bestehen, modellieren zu können. Auch wenn ferner eine relativ kleine Anzahl (< 10) von idealen Sensoren einen Geruchsraum tatsächlich überspannen könnte, ist es nicht wahrscheinlich, dass solche ideale Sensoren identifiziert werden könnten. In der Praxis erfordern Korrelationen zwischen den Elementen eines Sensorarrays eine viel größere Anzahl von Sen soren, um Moleküle erfolgreich zu unterscheiden. Ferner können Fragen des Betriebsverhaltens, z.B. Reaktionszeit, Signalwertmittlung oder Kalibrierbereiche, mehrere Sensoren erfordern, die auf je einem Material beruhen. Die Analyse von Bereichen fügt zusätzliche Freiheitsgrade hinzu, wenn die Komponenten des Bereichs einzeln identifiziert werden sollen, und erfordern große Anzahlen von Sensoren. Die Herstellung von großen Anzahlen von Sensoren ermöglicht auch die Verwendung von sehr leistungsstarken kohärenten Signaldetektionsalgorithmen, um ein bekanntes Signal mit einer kleinen Amplitude aus einem Rauschhintergrund herauszuziehen. Wegen all dieser Probleme kann sich die Anzahl der Sensoren, die erforderlich sind, um einen Geruchsraum in einer praktischen Vorrichtung erfolgreich zu überspannen, schnell vom Minimalwert, der durch die Dimensionalität des Geruchsraums definiert ist, vervielfachen.
Die hierin offenbarten Sensorarrays wirken wie "elektronische Nasen", die eine einfache Anwendung, Geschwindigkeit und Identifikation von Analyten und/oder Analytbereichen, und zwar alles in einer übertragbaren, relativ billigen Implementierung anbieten. Eine große Vielfalt von Analyten und Fluiden kann mittels der offenbarten Arrays analysiert werden, solange der betreffende Analyt in der Lage ist, verschiedene Reaktionen über eine Vielzahl von Sensoren des Arrays hervorzurufen. Analytanwendungen weisen große Bereiche von chemischen Klassen auf, z.B. organische Stoffe, beispielsweise einschließlich Alkane, Alkene, Alkine, Diene, alizyklische Kohlenwasserstoffe, Arene, Alkohole, Äther, Ketone, Aldehyde, Carbonyle, Carbanione, biogene Amine, Thiole, polynukleare Aromaten und Derivate solcher organischen Stoffe, z.B. Halidderivate usw., Biomoleküle, z.B. Zucker, Isoprene und Isoprenoide, Fettsäuren und Derivate usw.
Handelsübliche Anwendungen von Arrays sind u.a. Umwelttoxikologie und Umweltschädenbeseitigung, Materialqualitätskontrolle, Nahrungsmittel- und landwirtschaftliche Produktüberwachung, Fruchtreifungssteuerung, Fermentierungsprozeßüberwachungs- und -kontrollanwendungen, Geschmackszusammensetzungen und -identifikation, kosmetische/Parfüm/Duftformu lierungen, Anästhesie-Detektion, Qualitätsüberwachung der Umgebungsluft, Emissionsüberwachung und -kontrolle, Leckdetektion und -identifikation, H₂S-Überwachung, Kraftfahrzeugöl- und Radiatorflüssigkeitsüberwachung, Identifikation der Freisetzung gefährlicher Materialien, Identifikation flüchtiger Emissionen, medizinische Diagnostik, Detektion und Klassifikation von Bakterien und Mikroorganismen sowohl in vitro als auch in vivo für biomedizinische Verwendungen und medizinische Diagnoseanwendungen, Erkennung von infektiösen Krankheiten, Körperfluidanalyse, Nachweis von Medikamenten, Telechirurgie, Atemalkoholanalysegeräte, Erkennung und Identifikation illegaler Substanzen, Brandursachenforschung, Rauch- und Brandentdeckung, Erkennung brennbarer Gase, Erkennung und Identifikation von Explosivstoffen und chemischen Waffen, Überwachung geschlossener Räume, Personenidentifikation, automatische Belüftungsregelungsanwendungen (Kochen, Rauchen usw.) und Atemüberwachung und dgl.
Die folgenden Beispiele haben darstellenden und keinen einschränkenden Charakter.
Beispiele
In den nachfolgenden Beispielen wurden umfassend reagierende Sensorarrays auf der Grundlage von Rußschwarz-Verbundmaterialien für verschiedene Dampfdetektionsaufgaben aufgebaut. Einzelne Sensorelemente wurden aus Filmen hergestellt, die aus Rußschwarzpartikeln bestanden, die in isolierenden organischen Polymeren dispergiert waren. Das Rußschwarz verleiht den Filmen elektrische Leitfähigkeit, während die verschiedenen organischen Polymere die Quelle für chemische Unterschiedlichkeit zwischen Elementen im Sensorarray sind. Das Schwellen des Polymers bei Einwirkung eines Dampfes erhöht den Widerstand des Films, womit eine außerordentlich einfache Einrichtung zur Überwachung des Vorhandenseins eines Dampfes bereitgestellt wird. Da in jedem Sensorelement verschiedene Polymerzusammensetzungen vorhanden sind, reagiert ein Array von Elementen auf eine große Vielfalt von Dämpfen (oder komplexen Gemischen von Dämpfen) auf unterschiedlich identifizierbare Weise. Die elektrischen Widerstandssignale, die vom Array ausgegeben werden, können ohne weiteres in software- oder hardwarebasierte Entscheidungssysteme integriert werden, was eine Integration der Erfassungs- und Analysefunktionen zu einem kompakten, stromsparenden, einfachen Dampfsensor ermöglicht.
Herstellung von Sensorarrays
Im allgemeinen wurden Arrays von nominal identischen Polymer-Rußschwarz-Verbundmaterialsensoren hergestellt durch Sprühbeschichtung eines keramischen Substrats mit Paaren von Zuleitungen, die 1,0 mm beabstandet sind. Jeder Sensor wurde aus einer Rußschwarz-Suspension in einem Lösemittel aufgesprüht, das das Polymer löste, und die Komponenten hatten einen Gewichtsanteil von 20% Rußschwarz am gelösten Polymer. Die Zuleitungen waren 3,5 mm lang und 0,1 mm breit und waren von ineinandergreifender Struktur, so dass die Gesamtbreite, die einen gegebenen Sensorfilm berührte, 3,0 mm betrug. Der Ausgang jedes Paares von Zuleitungen von jedem Sensor war mit einer gedruckten Leiterplatte verbunden, die mit Elektronik ausgerüstet war, die die Widerstandssignale alle 0,5 s bis zu einer Genauigkeit von < 5 ppm auf der gesamten Sensorbank las.
Beispiel 1
Mit Bezug auf 3 wurde ein Array 300 von acht nominal identischen Poly(methyloctadecylsiloxan)-Rußschwarz-Verbundmaterialsensoren 301–308 hergestellt, wie oben beschrieben. Ein 2,4-Dinitrotoluen-(DNT-)Luftstrom 310 wurde mit 5% DNT-Dampfdruck auf die Oberfläche gerichtet, so dass der Strom auf einen Sensor 304 gerichtet war und sich dann radial in beide Richtungen über das Array bewegte.
5% des DNT-Dampfdrucks bei 20°C wurde als DNT-Verdünnung gewählt, die weniger als 10 ppb der Verbindung an die Sensoren abgeben würde. Die DNT-Quelle war eine Röhre, die annähernd 1 m lang war und die etwa 180 g locker gepacktes granuliertes DNT enthielt. Der Luftstrom durch die Röhre war 9,5 l·min^–1. Der Luftstrom wurde mit Luftstrom von 0,5 l·min^–1 (von der gleichen Quelle), der nicht durch die DNT-Röhre strömte, gemischt und dabei verdünnt. Bei dieser Verdünnung ist die Obergrenze der DNT-Konzentration 7 ppb, da der DNT- Dampfdruck bei Raumtemperatur annähernd 140 ppb entspricht. Wenn eine Sättigung der durch die DNT-Röhre strömenden Hintergrundluft auftrat und wenn nach dem Mischen mit reinem Hintergrundanalytstrom kein DNT an den Wänden der Röhre haftete, entstand durch diese Verdünnung eine Konzentration von 7 ppb DNT. Analysen, die durchgeführt worden sind, indem der Analytstrom für eine Periode von 10 min auf Tenax sorbiert wurde (um genug DNT zu gewinnen, mit dem die Analyse durchgeführt werden kann) und die desorbierten Produkte dann mit einem GCECD-System analysiert wurde, ergaben jedoch, dass die tatsächliche DNT-Konzentration, die aus der Röhre austrat und für die Detektion verfügbar war, annähernd 0,2 bis 0,4 ppb betrug.
Die Durchflussmengen wurden mittels Durchflussregler in einem computergesteuerten System geregelt, das ausführlich in Severin, E. J., Doleman, B. J., Lewis, N. S., Anal. Chem., 2000, 72, 658 beschrieben worden ist. Ein T-Stück wurde verwendet, um das Hintergrundgas und das analythaltige Gas zu vermischen, und eine kurze Teflon-Röhre wurde mit dem Ausgang der des T-Stücks verbunden, um das Gas in Richtung der Sensorenbank zu dirigieren. Das Array-Substrat war so angeordnet, dass die Sensoren senkrecht zum Ausgang des DNT-Stroms waren und annähernd 0,5 cm vom Ende der Röhre entfernt waren.
Der DNT-Strom wurde in vier Durchflussraten abgegeben: 0,5 l/min, 1,0 l/min, 3,0 l/min und 6,0 l/min. Die Ergebnisse, die die Sensorreaktion als Funktion der Zeit für die acht Sensoren meldeten, sind in 4a–b dargestellt. Der Sensor 304, in der Mitte des Arrays und direkt unter dem Strom, reagiert schneller und in einem größeren Maß bei jeder der geprüften Durchflussraten. Die Durchflussratenabhängigkeit der Reaktion dieses Sensors ist in 5a–b dargestellt, die den Anstieg der Reaktion für den Sensor 304 als Funktion der Durchflussrate darstellen.
Beispiel 2
Mit Bezug auf 6 wurde ein Array 600 von acht nominal identischen Poly(ethylen-covinylacetat-)Rußschwarz-Verbundmaterialsensoren 601 bis 608 in einer Reihe auf einem einzelnen Keramiksubstrat hergestellt, wie oben beschrieben. Eine Aluminiumplatte 610 war auf dem Substrat angeordnet, das um schmale Teflonabstandselemente von der Substratoberfläche getrennt war, um einen kleinen Kanal von annähernd 5 mm Breite und 70 μm Höhe über der Reihe von Sensoren zu erzeugen, mit Öffnungen 615, 620 an beiden Enden. Die Substratanordnung war in einer Teflon-Kammer 630 mit Abmessungen von annähernd 5 cm mal 5 cm mal 10 cm angeordnet. Ein Luftstrom wurde durch die Teflon-Kammer geleitet. Die Ströme wurden gesteuert, wie in Severin, E. J., Doleman, B. J., Lewis, N. S., Anal. Chem., 2000, 72, 658 beschrieben. Während der Einwirkzeiten enthielt dieser Strom auch einen der vier Analyte mit 5% seines Dampfdrucks. Vier Analyte, die einen Bereich von Dampfdrücken umfassten, wurden verwendet, um die Reaktionscharakteristik zu studieren: n-Dodecan, n-Nonan, Methanol und n-Hexan. Der in die Kammer führende Gesamtstrom wurde zu allen Zeiten konstant gehalten.
Die ΔR/R-Reaktion wurde unter Verwendung von Daten berechnet, die über Perioden von 5 s gemittelt wurden. Der Ausgangswiderstand R wurde einer Periode unmittelbar vor dem Start der Dampfaufbietung entnommen, und der Wert ΔR/R wurde als Differenz zwischen dem Widerstand nach 300 s Dampfzuführung und dem Ausgangswiderstand genommen. Diese Reaktion wurde für jeden der acht Sensorpositionen berechnet.
Die räumliche Abhängigkeit der Sensorreaktionen auf diese Analyte in jedem der acht Sensoren ist in 7 gezeigt. Die Analyte mit hohem Dampfdruck erzeugten Gleichgewichtsreaktionen ähnlicher Größe bei allen Sensoren. Dagegen erzeugten die Analyte mit niedrigerem Dampfdruck (n-Nonan und n-Dodecan) höhere Reaktionen bei den Sensoren nahe den Öffnungen als bei den Sensoren in der Mitte des Kanals.
Beispiel 3
Ein Array 300 von acht nominal identischen Poly(methyloctadecylsiloxan)-Rußschwarz-Verbundmaterialsensoren 301 bis 308 wurden, wie oben beschrieben, hergestellt und konfiguriert, wie in Beispiel 1 beschrieben.
Das Experimentprotokoll bestand lediglich aus 1 h Lufteinwirkzeit, gefolgt von 10 Kontrolleinwirkungen von 5 s DNT-Impulsen, beabstandet um je 605 s, gefolgt von einer randomi sierten Sequenz von 20 Einwirkungen/Nichteinwirkungen des DNT, beabstandet jeweils um 605 s. Die Daten wurden dann unabhängig ohne Kenntnis der tatsächlichen Reihenfolge der randomisierten Einwirkungs/Nichteinwirkungssequenz analysiert.
Ein Durchlauf wurde auch durchgeführt, um zu ermitteln, ob Reaktionen infolge kleiner Änderungen der Durchflussrate des Gases zu den Sensoren auftraten. Für dieses Experiment wurden die bestehenden Leitungen an den Auslässen der Massestromregler (derjenige, der den DNT-Generator speist, und derjenige, der Verdünnungsluft zuführt) abgekoppelt. Die Leitungen wurden dann durch Leitungen und ein T-Stück ersetzt, das niemals DNT oder Lösemitteln ausgesetzt worden ist. Die Längen der Strömungswege mit neuen Leitungen an deren Stelle näherten sich denen im DNT-Verdünnungssystem. Ein Durchlauf von 4 Einwirkungen von 60 s, jeweils im Abstand von 10 min, wurde durchgeführt. Bei diesem Durchlauf strömten 5% der Luft während jeder Einwirkung über den Massestromregler, der normalerweise verwendet wurde, um den DNT-Generator zu speisen. Die Gesamtdurchflussrate war zu allen Zeiten 10 l·min^–1.
8 zeigt das Widerstands-Zeit-Profil (Widerstand in Einheiten von 10 kΩ), das durch Mittlung über die Bank von acht nominal identischen Poly(methyloctadecylsiloxan)-Rußschwarz-Sensoren berechnet wurde, die senkrecht zum Auslass des DNT-Stroms angeordnet waren. Die vertikalen Linien zeigen wahren Bodenzustand, wenn DNT-Wolken eingebracht wurden. Die ersten zehn Linien stellen die Kontrollgruppe dar. Man beachte, dass die Zeitachse 6 h (22 000 s) überspannt. Die Serie von "Höckern", die auf der langen Zeitskalenkurve sichtbar sind, haben nichts mit DNT-Impulsen zu tun und stellen in Wirklichkeit umgebungsinduzierte Schwankungen des Ausgangswiderstands des Sensors dar. Das DNT-induzierte Verhalten tritt in einem Zeitmaßstab von 5 s auf, der in dieser Darstellung nicht erkennbar ist.
9 stellt das Sensorausgangssignal gegen die Zeit von mehr als 6 h des Experiments dar. Die vertikalen Linien zeigen den wahren Bodenzustand, wenn DNT-Wolken eingebracht wurden. Die Einheiten auf der Y-Achse sind Standardabweichungen des Signals relativ zum lokalen Hintergrund des Sensors. Wie in 9 gezeigt, wurden unter Verwendung eines im wesentlichen angepassten Filteralgorithmus mit adaptiver Hintergrundsubtraktion alle DNT-Einwirkungen und -Nichteinwirkungen in der randomisierten Sequenz richtig identifiziert. Die schwarzen Kreise sind lokale Maxima des Sensorausgangssignals, die einen gegebenen Schwellwert überschritten. Auf der Grundlage dieses Wahlkriteriums wurden alle DNT-Einwirkungen ohne falsche Alarme detektiert. In der Tat wurde ein viel stärkeres Ergebnis erreicht: die Trennbarkeit am Sensorausgang war so gut, dass alle DNT-Einwirkungen (in der Kontrollgruppe und in der randomisierten Gruppe) mit null falschen Alarmen über die gesamte Dauer von > 6 h des Experiments richtig identifiziert wurden.
Der höchste Sensorausgangssignalwert (15,3) trat bei der sechsten Kontrollprobe auf. Das Widerstands-Zeit-Profil für diese Probe ist ausführlich in 10a dargestellt. Das Sensorausgangssignal gegen Zeit ist in 10b dargestellt. Ein mittelmäßiger Fall (etwa der Zentralwert der Sensorausgangssignalgenauigkeit) trat in der vierten Kontrollprobe auf. Das Widerstands-Zeit-Profil für diese Probe ist ausführlich in 11a gezeigt. Das Sensorausgangssignal gegen Zeit ist in 11b gezeigt. Der niedrigste Sensorausgangssignalwert (7,35) trat in der siebenten Kontrollprobe auf. Das Widerstands-Zeit-Profil für diese Probe ist ausführlich in 12a gezeigt. Das Sensorausgangssignal gegen Zeit ist in 12b gezeigt.
Obwohl alle DNT-Einwirkungen vollkommen vom Hintergrund mit null falschen Alarmen getrennt waren, ist es interessant, sich die "Gerade-noch-gut-Fälle" oder "Beinahe-Falschalarme" anzuschauen. In 9 sind vier Stellen, wo das Sensorausgangssignal auf dem Hintergrund einen Schwellwert von 5 überschreitet und dennoch unter dem minimalen Sollwert von 7,35 liegt. Die ausführlichen Widerstands-Zeit-Profile für zwei dieser vier "Beinahe-Falschalarme" sind in 13a–b gezeigt.
Beispiel 4
Eine gesonderte Gruppe von Experimenten wurde durchgeführt, um die Abhängigkeit der DNT-Detektion von der Durch flussrate des DNT zu den Sensoren zu bewerten. Bei diesem Durchlauf wurde ein Poly(methyloctadecylsiloxan)-Rußschwarz-Gemisch auf die Ränder von Glasträgern gesprüht. Vor dem Aufbringen des Sensorfilms waren leitende Beschichtungen auf beiden Oberflächen der Glasträger aufgebracht worden. Abstandselemente wurden dann zwischen diesen randbeschichteten Glasträgern angeordnet. Das Ergebnis war ein Sensor mit einer Breite von ca. 6 mm, der Schlitze von 0,13 bis 0,25 mm Breite hatte, die die Länge des Sensors überspannten. Diese ventilierte Sensoranordnung wurde dann in ein Ende eines Abschnitts eines Vakuumschlauchs zementiert. Das andere Ende des Schlauchs wurde mit einer Vakuumpumpe verbunden. Ein Durchflussmesser wurde in der Leitung angeordnet, um die Durchflussrate durch die Schlitze im Sensor zu überwachen. Die rechteckige Sensorfläche wurde in eine gleich große Apertur in einem Teflonblock eingesetzt, wobei die Befestigung lose genug war, dass der Gasstrom auf den Sensor um die Kanten herum entweichen konnte. Die Ausgangsröhre des Gasmischers wurde an einem zweiten Teflonblock angebracht, der mit dem Block verschraubt war, der die Sensoranordnung hielt, wobei eine kleine Kammer mit einem Volumen von etwa 0,3 cm³ entstand. Die resultierende Strecke zwischen dem Gasgemischauslass und dem Sensor war 5 mm. Der Widerstand des Sensors wurde durch Verbinden der Leitungen mit einem Kanal auf einer Datenerfassungskarte gemessen, die die Widerstands-Zeit-Daten aufzeichnete. Die Daten wurden dann auf einen Laptop-Computer übertragen.
Vier Versuche wurden durchgeführt, wobei jeder Versuch Dampf verwendete, der aus der DNT-haltigen Analytröhre austrat, die mit Hintergrundluft auf 5 Vol.-% verdünnt wurde. Im Experiment 1 erfolgten 10 Einwirkungen, gefolgt von einer Luftspülung von 20 min mit 10 l·min^–1. Jede DNT-Einwirkung dauerte 10 s. Die Gesamtdurchflussraten in die Sensorkammer wurden progressiv verändert, beginnend mit 1 l·min^–1 für die erste Einwirkung und endend mit einer Einwirkung von 10 l·min^–1. Jeder Einwirkung folgte eine Spülung mit 10 l·min^–1 Hintergrundluft. Vor jeder Einwirkung wurde die Strömung durch die Vakuumleitung, die Gas durch den Sensor zog, so eingestellt, dass eine Durchflussrate erreicht wurde, die 1 l·min^–1 kleiner war als die Durchflussrate, die auf die Sensorkammer auftraf. Diese positive Durchflussdifferenzanordnung wurde verwendet, um zu vermeiden, dass Umgebungsluft durch den verbleibenden Spalt zwischen dem Sensor und den Wänden der Kammer eingezogen wurde.
Im Experiment 2 wurden zehn Einwirkungen unter Verwendung der gleichen aufsteigenden Serie von Gesamtdurchflussraten zur Kammer (d.h. 1–10 l·min^–1) durchgeführt, aber während keiner der Einwirkungen wurde ein Vakuum angelegt.
Im Experiment 3 wurde die gleiche aufsteigende Serie von Durchflussraten zur Kammer verwendet, und die gleiche aufsteigende Serie von vakuuminduzierten Durchflussraten durch den Sensor wie im Experiment 1 wurde verwendet, aber es war kein Analyt (DNT) vorhanden.
Im Experiment 4 wurde die DNT-Durchflussrate (mit 5% seines Dampfdrucks bei 20°C) zur Kammer nicht verändert, wobei sie bei allen 10 Einwirkungen bei 10 l·min^–1 gehalten wurde. Vakuuminduzierte Durchflussraten durch den Sensor wurden jedoch auf die gleiche Weise verändert wie in den Experimenten 1 und 3, beginnend ohne Durchfluss bei der ersten Einwirkung und endend mit 9 l·min^–1 während der zehnten und letzten Einwirkung.
14a–b stellen die Abhängigkeit des Signals des ventilierten Sensors von der Durchflussrate dar, wobei die Durchflussrate von 1 bis 10 l/min variiert. 14a zeigt Widerstandstransienten für eine DNT-Einwirkung von 1 min mit 5% seines Dampfdrucks (oben: Vakuum ein; unten: Vakuum aus). 14b zeigt die Änderung des Widerstands als Funktion der Zeit, was die Größe des Anstiegs während der Einwirkung anzeigt. Wie diese Figuren darstellen, führte das Ziehen von Analyt durch den Sensor mit einer Rate von etwa 1 l·min^–1 weniger als die Durchflussrate des Gases zur Kammer im allgemeinen zu einem Anstieg der Sensorreaktion um einen Faktor 2. Dies war besonders bemerkenswert bei höheren Durchflussraten. Wenn der Durchfluss zur Sensorkammer auf einer konstanten hohen Rate (10 l·min^–1) gehalten wurde, erhöhte sich die Sensorreaktion, wahrscheinlich infolge des erhöhten Durchflusses durch die Sensorschlitze.
Die ventilierten Sensorreaktionscharakteristiken für Einwirkungen von 5 s bis zu Gesamtdurchflussraten von 10 l·min^–1 bei 5% DNT als Funktion der Durchflussrate durch den Sensor sind in 15a–c dargestellt. 15a zeigt Reaktionstransienten, die von keinem Durchfluss durch den Sensor (zweite von unten) bis zu 9 l·min^–1 durch den Sensor (oben) reichen. 15b zeigt die Reaktionsneigung als Funktion der Durchflussrate durch den Sensor. 15c zeigt das Signal-Rausch-Verhältnis nach 5 s Einwirkung als Funktion der Durchflussrate.
Obwohl nur wenige Ausführungsformen bisher ausführlich oben beschrieben worden sind, wird der Fachmann sicherlich verstehen, dass viele Modifikationen in der bevorzugten Ausführungsform möglich sind, ohne von Lehren der Erfindung abzuweichen. Alle diese Modifikationen sind in die beigefügten Ansprüche eingeschlossen.

Claims

Verfahren zur Detektion eines Analyts in einem Fluid mit den Schritten: Bereitstellen eines Sensorarrays (110) mit mindestens einem ersten Sensor (120) und einem zweiten Sensor (150) in einer Anordnung mit einem definierten Fluidweg; Einwirken eines Fluids, einschließlich eines Analyts, auf das Sensorarray (110) durch Einleiten des Fluids entlang des Fluidwegs; Messen einer Reaktion für den ersten Sensor (120) und den zweiten Sensor (150); und Detektieren des Vorhandenseins des Analyts im Fluid auf der Grundlage einer räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor (120, 150); wobei der erste Sensor (120) dem Fluid vor dem zweiten Sensor (150) ausgesetzt wird, so dass die Reaktion des zweiten Sensors (150) in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors (120) verzögert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Detektieren des Vorhandenseins eines Analyts aufweist: Erzeugen eines räumlich-zeitlichen Reaktionsprofils, das das Vorhandensein des Analyts anzeigt, auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor (120, 150).
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: das räumlich-zeitliche Reaktionsprofil aus Zeitinformation abgeleitet wird, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Zeit anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei: der erste Sensor (120) dem Fluid vor dem zweiten Sensor (150) ausgesetzt wird, so dass die Reaktion des zweiten Sen sors (150) ihre Amplitude in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors (120) ändert.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei: der erste Sensor (120) ein Sensormaterial aufweist; und die Reaktion des ersten Sensors (120) größer ist als die Reaktion des zweiten Sensors (150) für einen Analyt mit einer hohen Affinität für das Sensormaterial.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der erste und zweite Sensor (120, 150) ausgewählt und angeordnet sind, um eine erste Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors (120) und der Reaktion des zweiten Sensors (150) nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines ersten Analyts, auf das Sensorarray (110) zu bewirken und eine zweite Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors (120) und der Reaktion des zweiten Sensors (150) nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines zweiten Analyts, auf das Sensorarray (110) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei: das Messen der Reaktion aufweist: Messen einer Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors (120) und der Reaktion des zweiten Sensors (150); und die räumlich-zeitliche Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor (120, 150) aus der Verzögerung abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit dem Schritt: Charakterisieren des Analyts auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: das Einwirken des Fluids auf das Sensorarray (110) aufweist: Einleiten des Fluids mit einer sich ändernden Durchflussrate.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: das Erzeugen des räumlich-zeitlichen Reaktionsprofils aufweist: Erzeugen einer Durchflussinformation, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Durchflussrate anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei: das Sensorarray (110) eine Vielzahl von kreuzreaktiven Sensoren aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Sensorarray (110) eine Vielzahl von Sensoren aufweist, die aus der Gruppe gewählt sind, die aufweist: Oberflächenwellensensoren, Quarzkristallresonatoren, Metalloxidsensoren, farbbeschichtete faseroptische Sensoren, farbstoffimprägnierte Perlenarrays, mikrobearbeitete Auslegerarrays, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von isolierendem organischem Material, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von leitendem oder halbleitendem organischem Material, chemisch empfindliche Widerstands- oder Kondensatorfilme, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und organische leitende Massepolymersensoren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: der erste und zweite Sensor (120, 150) Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines isolierenden oder leitenden organischen Materials aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Erzeugen einer digitalen Darstellung des Analyts auf der Grundlage mindestens teilweise der Reaktionen des ersten und zweiten Sensors (120, 150).
Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit dem Schritt: Übermitteln der digitalen Darstellung des Analyts an einen entfernten Ort zur Analyse.
System zur Detektion eines Analyts in einem Fluid mit: einem Sensorarray (110) mit einem ersten Sensor (120) und einem zweiten Sensor (150), die so positioniert sind, dass, wenn ein Fluid auf den ersten und zweiten Sensor (120, 150) einwirkt, der erste und zweite Sensor (120, 150) verschiedene Orte im Sensorarray (110) relativ zum Fluid einnehmen; und einer Messvorrichtung (180), die mit dem Sensorarray (110) verbunden ist, wobei die Messvorrichtung (180) dafür konfiguriert ist, eine Reaktion vom ersten und zweiten Sensor (120, 150) nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray (110) zu detektieren, wobei die Reaktionen eine räumlich- zeitliche Differenz auf der Grundlage der Orte der Sensoren im Sensorarray (110) relativ zum Fluid definieren; wobei der erste Sensor (120) dem Fluid vor dem zweiten Sensor (150) ausgesetzt wird, so dass die Reaktion des zweiten Sensors (150) in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors (120) verzögert wird.
System nach Anspruch 16, ferner mit einem Computer, der dafür konfiguriert ist, Daten, die das Vorhandensein des Analyts im Fluid anzeigen, auf der Grundlage einer räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor (120, 150) zu erzeugen.
System nach Anspruch 17, wobei: die Daten, die das Vorhandensein des Analyts im Fluid anzeigen, ein räumlich-zeitliches Reaktionsprofil aufweisen, das von der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor (120, 150) abgeleitet ist.
System nach Anspruch 18, wobei: das räumlich-zeitliche Reaktionsprofil aus Zeitinformation abgeleitet ist, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Zeit anzeigt.
System nach Anspruch 17, wobei: der erste Sensor (120) eine erste Position in der Anordnung und der zweite Sensor (150) eine zweite Position in der Anordnung einnimmt, so dass die Reaktion des zweiten Sensors (150) ihre Amplitude in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors (120) nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray (110) ändert.
System nach Anspruch 17, wobei: der erste Sensor (120) ein Sensormaterial aufweist; und die Reaktion des ersten Sensors (120) größer ist als die Reaktion des zweiten Sensors (150) für einen Analyt mit einer hohen Affinität für das Sensormaterial.
System nach Anspruch 17, wobei: der erste und zweite Sensor (120, 150) ausgewählt und angeordnet sind, um eine erste Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors (120) und der Reaktion des zweiten Sensors (150) nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich ei nes ersten Analyts, auf das Sensorarray (110) zu bewirken und eine zweite Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors (120) und der Reaktion des zweiten Sensors (150) nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines zweiten Analyts, auf das Sensorarray (110) zu bewirken.
System nach Anspruch 22, wobei: die Messvorrichtung (180) dafür konfiguriert ist, eine Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors (120) und der Reaktion des zweiten Sensors (150) zu messen; und die räumlich-zeitliche Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor (120, 150) aus der Verzögerung abgeleitet wird.
System nach Anspruch 23, wobei: der Computer dafür konfiguriert ist, den Analyt auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen zu charakterisieren.
System nach Anspruch 17, ferner mit: einem Durchflussregler, um das Fluid in das Sensorarray (110) mit einer sich ändernden Durchflussrate einzuleiten.
System nach Anspruch 25, wobei: der Computer dafür konfiguriert ist, Durchflussinformation zu erzeugen, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Durchflussrate anzeigt.
System nach Anspruch 17, wobei: das Sensorarray (110) eine Vielzahl von kreuzreaktiven Sensoren aufweist.
System nach Anspruch 17, wobei: das Sensorarray (110) eine Vielzahl von Sensoren aufweist, die aus der Gruppe gewählt sind, die aufweist: Oberflächenwellensensoren, Quarzkristallresonatoren, Metalloxidsensoren, farbbeschichtete faseroptische Sensoren, farbstoffimprägnierte Perlenarrays, mikrobearbeitete Auslegerarrays, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von isolierendem organischem Material, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von leitendem oder halbleitendem organischem Material, chemisch empfindliche Widerstands- oder Kondensatorfilme, Metalloxid-Halbleiter- Feldeffekttransistoren und organische leitende Massepolymersensoren.
System nach Anspruch 17, wobei: der erste und zweite Sensor (120, 150) Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines isolierenden oder leitenden organischen Materials aufweisen.
System nach Anspruch 17, wobei: der Computer dafür konfiguriert ist, eine digitale Darstellung des Analyts auf der Grundlage mindestens teilweise der Reaktionen des ersten und zweiten Sensors (120, 150) zu erzeugen.
System nach Anspruch 30, ferner mit: einem Kommunikationsanschluss, der mit dem Computer zur Übermittlung der digitalen Darstellung des Analyts an einen entfernten Ort zur Analyse gekoppelt ist.
System nach Anspruch 16, ferner mit: einem Fluideinlass nahe dem Sensorarray (110), wobei der Fluideinlass ein Fluidmuster zur Einleitung eines Fluids zum Sensorarray (110) bildet.
System nach Anspruch 32, wobei: die räumlich-zeitliche Differenz aus Zeitinformation abgeleitet wird, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Zeit anzeigt.
System nach Anspruch 32, wobei: der erste Sensor (120) eine erste Position relativ zum Fluidmuster einnimmt und der zweite Sensor (150) eine zweite Position relativ zum Fluidmuster einnimmt, so dass die Reaktion des zweiten Sensors (150) ihre Amplitude in bezug auf die Reaktion des ersten Sensors (120) nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray (110) ändert.
System nach Anspruch 32, wobei: der erste Sensor (120) ein Sensormaterial aufweist; und die Reaktion des ersten Sensors (120) größer ist als die Reaktion des zweiten Sensors (150) für einen Analyt mit einer hohen Affinität für das Sensormaterial.
System nach Anspruch 32, wobei: der erste und zweite Sensor (120, 150) ausgewählt und angeordnet sind, um eine erste Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors (120) und der Reaktion des zweiten Sensors (150) nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines ersten Analyts, auf das Sensorarray (110) zu bewirken und eine zweite Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors (120) und der Reaktion des zweiten Sensors (150) nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines zweiten Analyts, auf das Sensorarray (110) zu bewirken.
System nach Anspruch 32, wobei: die Messvorrichtung (180) dafür konfiguriert ist, die Verzögerung zwischen der Reaktion des ersten Sensors (120) und der Reaktion des zweiten Sensors (150) zu messen; und die räumlich-zeitliche Differenz zwischen den Reaktionen für den ersten und zweiten Sensor (120, 150) aus der Verzögerung abgeleitet wird.
System nach Anspruch 32, ferner mit: einem Computer, der dafür konfiguriert ist, den Analyt auf der Grundlage der räumlich-zeitlichen Differenz zwischen den Reaktionen zu charakterisieren.
System nach Anspruch 32, ferner mit: einem Durchflussregler zur Einleitung des Fluids zum Sensorarray (110) mit einer sich ändernden Durchflussrate.
System nach Anspruch 39, wobei: die Messvorrichtung (180) dafür konfiguriert ist, Durchflussinformation zu messen, die die Abhängigkeit der Sensorreaktion von der Durchflussrate anzeigt.
System nach Anspruch 32, wobei: das Sensorarray (110) eine Vielzahl von kreuzreaktiven Sensoren aufweist.
System nach Anspruch 32, wobei: das Sensorarray (110) eine Vielzahl von Sensoren aufweist, die aus der Gruppe gewählt sind, die aufweist: Oberflächenwellensensoren, Quarzkristallresonatoren, Metalloxidsensoren, farbbeschichtete faseroptische Sensoren, farbstoffimprägnierte Perlenarrays, mikrobearbeitete Auslegerarrays, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von isolierendem organischem Material, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von leitendem oder halbleitendem organischem Material, chemisch empfindliche Widerstands- oder Kondensatorfilme, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und organische leitende Massepolymersensoren.
System nach Anspruch 32, wobei: der erste und zweite Sensor (120, 150) Verbundstoffe mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines isolierenden oder leitenden organischen Materials aufweisen.
System nach Anspruch 38, wobei: der Computer dafür konfiguriert ist, eine digitale Darstellung eines Analyts auf der Grundlage mindestens teilweise der Reaktionen des ersten und zweiten Sensors (120, 150) zu erzeugen.
Sensorarray (110) zur Detektion eines Analyts in einem Fluid mit: einem Substrat; einem ersten Sensor (120), der mit dem Substrat an einem ersten Ort gekoppelt ist; und einem zweiten Sensor (150), der mit dem Substrat an einem zweiten Ort gekoppelt ist, so dass der erste und zweite Sensor (120, 150) verschiedene Orte im Sensorarray (110) relativ zu einem Fluidweg einnehmen; wobei der erste Sensor (120) eine erste Position relativ zum Fluidweg einnimmt und der zweite Sensor (150) eine zweite Position relativ zum Fluidweg einnimmt, wobei der erste Sensor (120) dafür konfiguriert ist, eine erste Reaktion auf die Einwirkung eines Fluids auf das Sensorarray (110) zu bewirken, und der zweite Sensor (150) dafür konfiguriert ist, eine zweite Reaktion auf die Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray (110) zu bewirken, so dass die zweite Reaktion in bezug auf die erste Reaktion nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray (110) verzögert wird.
Array nach Anspruch 45, wobei: der erste Sensor (120) eine erste zeitabhängige Reaktion nach Einwirkung eines Fluids auf das Sensorarray (110) bewirkt; und der zweite Sensor (150) eine zweite zeitabhängige Reaktion auf die Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray (110) bewirkt.
Array nach Anspruch 45, wobei: die zweite zeitabhängige Reaktion ihre Amplitude in bezug auf die erste zeitabhängige Reaktion nach Einwirkung des Fluids auf das Sensorarray (110) ändert.
Array nach Anspruch 45, wobei: der erste Sensor (120) ein Sensormaterial aufweist; und die Reaktion des ersten Sensors (120) größer ist als die Reaktion des zweiten Sensors (150) für einen Analyt mit einer hohen Affinität für das Sensormaterial.
Array nach Anspruch 45, wobei: der erste und zweite Sensor (120, 150) ausgewählt und angeordnet sind, um eine erste Verzögerung zwischen einer Reaktion des ersten Sensors (120) und einer Reaktion des zweiten Sensors (150) nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines ersten Analyts, auf das Sensorarray (110) zu bewirken und eine zweite Verzögerung zwischen einer Reaktion des ersten Sensors (120) und einer Reaktion des zweiten Sensors (150) nach Einwirkung eines Fluids, einschließlich eines zweiten Analyts, auf das Sensorarray (110) zu bewirken.
Array nach Anspruch 45, ferner mit: einer Vielzahl von kreuzreaktiven Sensoren.
Array nach Anspruch 45, ferner mit: einer Vielzahl von Sensoren, die aus der Gruppe gewählt sind, die aufweist: Oberflächenwellensensoren, Quarzkristallresonatoren, Metalloxidsensoren, farbbeschichtete faseroptische Sensoren, farbstoffimprägnierte Perlenarrays, mikrobearbeitete Auslegerarrays, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von isolierendem organischem Material, Verbundmaterialien mit Bereichen von leitendem Material und Bereichen von leitendem oder halbleitendem organischem Material, chemisch empfindliche Widerstands- oder Kondensatorfilme, Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und organische leitende Massepolymersensoren.
Array nach Anspruch 45, wobei: der erste und der zweite Sensor (120, 150) Verbundmaterialien mit Bereichen eines leitenden Materials und Bereichen eines isolierenden oder leitenden organischen Materials aufweisen.