DE69319752T2

DE69319752T2 - Verfahren zur identifizierung von analyten

Info

Publication number: DE69319752T2
Application number: DE69319752T
Authority: DE
Inventors: Neville John Buckinghamshire Mk18 3Qf Freeman; Iain Peter Harrow Middlesex Ha2 9Se May; Donald James Ch-6331 Hunenberg Weir
Original assignee: EEV Ltd
Current assignee: Teledyne UK Ltd
Priority date: 1993-09-21
Filing date: 1993-09-21
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2013-09-22
Also published as: JPH09503859A; EP0738387A1; EP0738387B1; JP3390928B2; US5885844A; DE69319752D1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Identifizieren von Fluidmaterialien, d. h. Analyten, und ist insbesondere, aber nicht ausschließlich mit gasförmigen Analyten befaßt.
Es ist bekannt, daß einige Materialien mit bestimmten gasförmigen Analyten selektiv in Wechselwirkung treten, und daß diese Wechselwirkung aus einer Änderung der physikalischen Eigenschaften des Sensormaterials, beispielsweise der Masse, der Steifigkeit, oder, wenn sich das Sensormaterial wie eine Flüssigkeit verhält, der Viskosität, detektiert werden kann. Ein Verfahren zum Detektieren einer derartigen Änderung besteht darin, eine piezoelektrische Komponente mit dem Sensormaterial zu beschichten, die Komponente zum Schwingen anzutreiben und jegliche Änderung der Schwingungsfrequenz zu messen. Vorrichtungen, die ein derartiges Ansprechen aufweisen, wie beispielsweise Piezokristalloszillatoren und Oberflächenwellenvorrichtungen, sind hier generell als chemische Sensoren bezeichnet. Die Änderung der Eigenschaften der beschichteten Vorrichtung, die aus einer Wechselwirkung mit dem gasförmigen Analyten resultiert, bewirkt Verstärkungs- und Phasenänderungen in dem Ansprechen der piezoelektrischen Vorrichtung auf eine angelegte Spannung. Diese Änderung kann dadurch überwacht werden, daß die Vorrichtung in eine Oszillatorschaltung eingefügt und die Frequenz überwacht wird.
Der Wechselwirkungseffekt hängt von der Beschaffenheit des Sensormaterials, d. h. der Beschichtung, und des gasförmigen Analyten ab. Jedes Sensormaterial weist ein unterschiedliches Ansprechen auf unterschiedliche Analyten gemäß dem Grad auf, bis zu dem das Sensormaterial den Analyten absorbiert, adsorbiert oder anderweitig mit diesem in Wechselwirkung tritt.
Ein wichtiger Faktor bei diesem Verfahren zum Identifizieren von gasförmigen Analyten ist der Grad, bis zu dem der Wechselwirkungseffekt umkehrbar ist. Es ist bei vielen Anwendungen wichtig, daß, wenn der Sensor von einem Testmaterial zurückgezogen wird, welches ein Meßansprechen bewirkt hat, die Messung auf ihren Originalwert zurückkehrt. Anstatt des Zurückziehens des Sensors kann die Analytenkonzentration durch einen Spülprozeß verringert werden, der das den Analyten mitführende Gas durch ein Trägergas (z. B. Stickstoff) ersetzt. Es ist bekannt, daß sich als eine allgemeine Regel der Grad an Umkehrbarkeit invers mit der Selektivität des bestimmten Sensormaterials ändert. Somit ist es, wenn ein bestimmtes Sensormaterial auf nur einen einzelnen Analyten anspricht, unwahrscheinlich, daß die Wechselwirkung umkehrbar ist. Ein solcher Sensor würde eine starke chemische Wechselwirkung mit dem Analyten auf weisen.
Die Schwäche und Stärke von Wechselwirkungen hängt von thermodynamischen und kinetischen Faktoren ab. Der thermodynamische Faktor dient dem Effekt, daß eine niedrige Reaktionswärme im allgemeinen eine schwache Wechselwirkungs-"Stärke" und eine hohe Reaktionswärme eine große Wechselwirkungs-"Stärke" anzeigt. Bei bestimmten Fällen kann sich der kinetische Faktor jedoch trotz einer leicht umkehrbaren thermodynamischen Reaktion ungünstig auf eine Umkehrbarkeit auswirken.
Eine starke Wechselwirkung, die aus einer hohen Reaktionswärme resultiert, kann selbstverständlich nicht durch ungünstige kinetische Faktoren abgeschwächt werden.
Mit einigen Ausnahmen kann eine chemische Selektivität für einen bestimmten Analyten in chemischen Sensoren dann nur auf Kosten einer begrenzten Umkehrbarkeit erreicht werden.
Dieser Kompromiß zwischen der chemischen Selektivität und der Umkehrbarkeit kann durch die Kombination einer Anzahl von chemischen Sensoren (einer Anordnung) und einer Mustererkennung bewältigt werden. Jeder Sensor in der Anordnung kann derart ein Sensormaterial verwenden, daß eine schwache chemische Wechselwirkung mit interessierenden Analyten und daher ein umkehrbares Ansprechen geschaffen wird, und eine Selektivität erhalten wird, die verschieden, wenn auch nur leicht verschieden, von der von anderen Elementen der Anordnung ist. Wenn er einem bestimmten Analyten ausgesetzt wird, spiegelt das Ansprechmuster über die Anordnung die Beschaffenheit des Analyten auf eine spezifische Weise wider. Insbesondere sind piezoelektrische chemische Sensoren für diese Methode geeignet, da sie kostengünstig, leicht mit verschiedenen chemischen Selektivitäten herzustellen sind und das Potential zum Integrieren einer Anzahl von Sensoren auf einem einzelnen Substrat besitzen. Es besteht dennoch der Nachteil, daß eine relativ komplexe Anordnung anstatt eines einzelnen Sensors verwendet werden muß.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, für sowohl einzelne Sensoren als auch Anordnungen einen erhöhten Grad an Selektivität ohne Verlust an Umkehrbarkeit zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zum Identifizieren eines Analyten unter Verwendung eines chemischen Sensors, der derart ausgebildet ist, daß er ein schwingendes Ausgangssignal erzeugt, und der auf verschiedene Analyten durch eine charakteristische Änderung der Frequenz des Ausgangssignals selektiv anspricht, der Sensor schrittweisen Änderungen der Konzentration des Testanalyten entsprechend einem Konzentrationsanstieg des Testanalyten und einer Konzentrationsabnahme des Analyten ausgesetzt, die Sensorausgangsfrequenz (F) über eine Zeitperiode gemessen, die den jeweiligen schrittweisen Änderungen folgt, um Frequenz-Zeit-Kennlinien zu schaffen und werden Ausdrücke für die Kennlinien abgeleitet, die eine Kombination von Exponentialfunktionen umfassen, wobei die Parameter der Funktionen zusammen auf die Identität des Analyten hinweisen. Es wird angemerkt, daß mit der Verwendung des Begriffes "schrittweise Änderung" (der Analytenkonzentration) angenommen wird, daß als Folge der endlichen Ausbreitungszeit des Analyten eine kleine Zeitverzögerung besteht, bevor der Sensor dem neuen Konzentrationsniveau vollständig ausgesetzt ist. Die schrittweise Änderung wird deshalb nicht augenblicklich stattfinden.
Das Sensormaterial weist vorzugsweise eine schwache Wechselwirkung mit interessierenden Analyten auf, wobei die Wechselwirkung entsprechend umkehrbar ist. Ein wichtiger Vorteil der Umkehrbarkeit dieses Verfahrens der Analytendetektion besteht darin, daß der Umkehrprozeß, d. h. das Spülen des Analytengases von seinem Trägergas, selbst einen anderen Satz an Parametern erzeugt, der die Basis für eine Analyse schafft.
Die Parameter können durch ein iteratives Verfahren bestimmt werden, das den Levenburg-Marquadht-Algorithmus anwenden kann.
Anfängliche Schätzungen der Parameter können dadurch erhalten werden, daß angenommen wird, daß für jede Änderung der Konzentration des Analyten eine erste Exponentialfunktion ausschließlich für den frühen Teil der Kennlinie dient, wenn sich das Ansprechen, d. h. das Frequenzansprechen, schnell ändert, und eine zweite Exponentialfunktion ausschließlich für den späteren Teil der Kennlinie dient, wenn sich das Ansprechen langsamer ändert, und daß Schätzungen der ersten und zweiten Exponentialfunktionen aus Punktmessungen innerhalb der jeweiligen Teile bestimmt werden.
Eine weitere Selektivität kann dadurch erhalten werden, daß eine Vielzahl von Sensoren verwendet wird, die verschiedene Ansprechkennlinien für den gleichen Analyten aufweisen, wobei die von der Vielzahl an Sensoren abgeleiteten Parameter zusammen auf die Identität des Analyten hinweisen.
Die schrittweise Änderung der Konzentration des Testanalyten kann ein Anstieg oder eine Abnahme sein.
Eine Verstärkung der Analytenidentifikation wird dadurch erreicht, daß beide Prozesse verwendet werden, wobei auf den Konzentrationsanstieg nach einer Zeitperiode, um ein stabiles Ansprechen zu erhalten, eine Abnahme der Analytenkonzentration durch beispielsweise Spülen folgt.
Es wird nun ein Verfahren zum Identifizieren von gasförmigen Analyten in Übereinstimmung mit der Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, die eine Frequenzantwort-Kennlinie für eine bestimmte Kombination eines Sensormaterials und Analyten zeigt.
Die begleitende Zeichnung zeigt die Frequenzantwort eines piezoelektrischen oder eines auf SAW basierenden chemischen Sensors, der einer "schrittweisen" Änderung der Umgebungskonzentration eines bestimmten Analyten unterzogen wird. Die Kennlinie wird in zwei Teilen betrachtet, dem frühen Teil Cf und dem späteren Teil Cs, wie erklärt werden wird. Bei Abwesenheit eines Analyten beträgt der Wert der Frequenz f&sub1;. Zur Zeit t&sub0; wird eine schrittweise Änderung der Konzentration eines Testanalyten aufgebracht. Die Frequenz fällt dann asymptotisch in Richtung eines niedrigeren Wertes f&sub2;.
Es ist angemerkt worden, daß die veränderliche Komponente dieser Frequenz-Zeit-Kennlinie durch die Summe von zwei Exponentialfunktionen definiert werden kann. Jede von diesen kann so gestaltet sein, daß sie zwei Parameter ergibt, so daß vier Parameter von einem einzelnen Sensor sogar bei schwacher Sensor-/Analyten-Wechselwirkung erhalten werden können.
Die Kennlinie ist definiert als:
F(t) = A&sub1; - A&sub2;(1 - exp A&sub3;t) - A&sub4;(1 - exp A&sub5;t)
womit F(t) eine nichtlineare Funktion der Zeit t ist.
Dieser Ausdruck umfaßt einen Parameter A&sub1;, der dem Sensor selbst zugeordnet ist und der für verschiedene Beschichtungs-/Analyten-Kombinationen konstant ist, und zwei Exponentialfunktionen. Von der ersten
A&sub2;(1 - exp A&sub3;t)
wird angenommen, daß sie eine kurze Zeitkonstante aufweist und somit die "schnelle" Exponentialgröße 'F' darstellt. Von der zweiten
A&sub4;(1 - exp A&sub5;t)
wird angenommen, daß sie eine lange Zeitkonstante aufweist und somit die langsame Exponentialgröße 'S' darstellt. In den meisten Fällen sind die Zeitkonstanten der Exponentialgrößen nicht ausreichend verschieden, damit diese Annahmen zutreffen, aber der Prozeß führt nichtsdestotrotz zu vernünftigen Anfangswerten für den nachfolgenden iterativen Prozeß.
Die beiden Exponentialgrößenkomponenten F und S sind Kennlinien der Beschichtungs-/Analyten-Kombination. Die Parameter A&sub2; A&sub3; A&sub4; und A&sub5; sind deshalb auch Kennlinien der Kombination und aufgrund der zusätzlichen Information, die aus den vier Parametern erhältlich ist, ist die Selektivität, d. h. die Fähigkeit, den Testanalyten aus anderen ähnlichen Analyten zu identifizieren, verglichen mit dem grundlegenden Verfahren des Vergleichs der gesamten charakteristischen Stabilzustandsänderung f&sub1; - f&sub2; stark verbessert.
Die Bestimmung der Parameter A&sub2; - A&sub5; wird durch eine iterative Methode bewirkt, bei der die Steigung von F() als eine Funktion von jedem der Parameter berechnet wird, um zu bestimmen, wie die Parameter geändert werden können, um bei der nächsten Iteration besser zu passen. Ein Beispiel eines Algorithmus, der für diesen Zweck verwendet werden kann, ist der Levenburg-Marquadht-Algorithmus.
Es besteht offensichtlich ein mögliches Problem, da die Kennlinienfunktion aus zwei Teilen mit der gleichen Form und daher möglicherweise ähnlichen Steigungen zusammengesetzt ist. Dieses Problem kann dadurch bewältigt werden, daß dem iterativen Prozeß gute Anfangswerte für die vier Parameter zugeführt werden. Diese können dadurch erhalten werden, daß angenommen wird, daß die beiden Exponentialgrößen sehr verschiedene Zeitkonstanten aufweisen, wie in der Zeichnung gezeigt ist, in der A&sub2;(1-exp A&sub3;t) durch die schnelle Kurve F dargestellt ist und A&sub4;(1-exp A&sub5;t) durch die langsame Kurve 5 dargestellt ist, und daß eine erste von Frequenzablesungen in den ersten Teil der Kennlinie eingesetzt wird, bei dem sich die Frequenz schnell ändert, und die zweite von Frequenzablesungen in den späteren Teil eingesetzt wird, bei dem sich die Frequenz langsam ändert.
Es ist anzumerken, daß in dem frühen Teil der beiden Komponentenkennlinien, d. h. vor der (Übergangs-) Zeit tt die Steigung der schnellen Exponentialgröße (F) im Durchschnitt beträchtlich größer als die der langsamen Exponentialgröße (S) ist. Folglich kann, wenn Frequenzablesungen in dem frühen Teil des Frequenzübergangs genommen werden, d. h. vor tt, die Steigung, d. h. die Änderungsrate der Frequenz, größtenteils der schnellen Exponentialgröße zugeordnet werden. Ähnlicherweise wird in dem späteren Teil der Kennlinie die Steigung größtenteils zu der langsamen Exponentialgröße S zuordnungsbar, die noch nicht "flach geworden" ist.
Der gesamte Frequenzabfall f&sub1; bis f&sub2; ist aus der Frequenz-Zeit-Messung bekannt und die Übergangsfrequenz ft kann innerhalb dieses Bereiches aus Versuch und Fehler und Erfahrung gewählt werden. Bei dem gezeigten Beispiel tritt der Übergang von der Vorherrschaft der schnellen Exponentialgröße zu der Vorherrschaft der langsamen Exponentialgröße wünschenswerterweise bei ungefähr neun Zehnteln des Frequenzabfalls auf.
Dann wird eine Anzahl von Frequenzablesungen vor dem gewählten Übergang (d. h. bei Frequenzen über ft) genommen. Die Frequenz kann auf verschiedenen Wegen gemessen werden, aber es ist günstig, die Zyklen für feststehende Perioden von beispielsweise 1 Sekunde zu zählen.
Es wird der natürliche Logarithmus der Frequenzwerte angewendet, um die Werte in eine lineare Abweichung umzuwandeln. Die am besten passende gerade Linie wird von den linearen Werten abgeleitet, womit sich die Steigung der schnellen Exponentialgröße in ihrem frühen Abschnitt für eine erste Annäherung ergibt.
Der gleiche Prozeß wird auf Frequenzmessungen nach der Übergangszeit tt angewendet und es wird die Steigung der langsamen Exponentialgröße in ihrem späteren Abschnitt wiederum für eine erste Annäherung abgeleitet.
Die beiden Steigungen schaffen die Basen ihrer jeweiligen vollständigen Exponentialgrößen und insbesondere Schätzungen der Parameter A&sub2; A&sub3; A&sub4; und A&sub5;, und bei Anwendung des iterativen Prozesses werden die verfeinerten Versionen erzeugt. Die Parameter A&sub2; und A&sub3; ergeben sich durch die resultierende schnelle Exponentialgröße, und die Parameter A&sub4; und A&sub5; durch die langsame Exponentialgröße.
Wenn tatsächlich ein größerer Grad an Selektivität erforderlich wäre, weil sogar diese vier Parameter die Kombination (und daher den Analyten - da das Sensormaterial bekannt ist) nicht ausreichend definieren würden, dann kann eine Anordnung von Sensoren, zwei oder vorzugsweise mehr, verwendet werden. Diese Sensoren werden mit verschiedenen Sensormaterialbeschichtungen ausgestattet, die alle eine gewisse Affinität für den fraglichen Analyten aufweisen. Von jedem Sensor wird ein Satz von vier Parametern in dem Übergang zur erhöhten Analytenkonzentration erhalten und somit kann eine Identifikation mit einem hohen Grad an Vertrauen geschaffen werden.
Wie oben erwähnt wurde, kann ein ähnlicher Analytenidentifikationsprozeß auf der Basis der Spülung des Analyten von dem Testgas in Fällen einer schwachen Wechselwirkung durchgeführt werden, wobei die Frequenz asymptotisch von f&sub2; zu f&sub1; ansteigt. Diese weitere Analyse ergibt andere vier Parameter A&sub6; bis A&sub9; und somit eine unabhängige Analytendetektion. Während eine derartige Analyse auf der Basis der Spülung des Analyten verwendet werden kann, um die ursprüngliche (erhöhte Analyten)- Analyse zu verstärken, kann sie auch alleine verwendet werden.
Während der größte Vorteil dieser Erfindung durch die Anwendung von schwachen Beschichtungs-/Analyten-Wechselwirkungen entsteht, ist anzumerken, daß der gleiche analytische Prozeß mit starken Wechselwir kungen, wobei lediglich die Gewißheit davon erhöht wird, was bereits erhalten worden ist, ziemlich positiv verwendet werden kann.
Das beschriebene Beispiel verwendete einen gasförmigen Analyten in einer gasförmigen Testmischung. Es ist auch möglich, einen flüssigen Analyten in einer Testflüssigkeit zu verwenden, wenn der Sensor durch chemische oder physikalische Wechselwirkung auf die Anwesenheit des Analyten anspricht.

Claims

1. Verfahren zum Identifizieren eines Analyten unter Verwendung eines chemischen Sensors, der derart ausgebildet ist, daß er ein schwingendes Ausgangssignal erzeugt, und der auf verschiedene Analyten durch eine charakteristische Änderung der Frequenz des Ausgangssignals selektiv anspricht, wobei bei diesem Verfahren der Sensor schrittweisen Änderungen der Konzentration des Testanalyten entsprechend einem Konzentrationsanstieg des Testanalyten und einer Konzentrationsabnahme des Analyten ausgesetzt wird, die Sensorausgangsfrequenz (F) über eine Zeitperiode gemessen wird, die den jeweiligen schrittweisen Änderungen folgt, um Frequenz- Zeit-Kennlinien zu schaffen und Ausdrücke für die Kennlinien abgeleitet werden, die eine Kombination von Exponentialfunktionen umfassen, wobei die Parameter der Funktionen zusammen auf die Identität des Analyten hinweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Sensormaterial eine schwache Reaktion mit interessierenden Analyten zeigt, wobei die Reaktion entsprechend umkehrbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Parameter durch ein iteratives Verfahren bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das iterative Verfahren den Levenburg-Marquadht-Algorithmus anwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei für jede schrittweise Konzentrationsänderung des Analyten anfängliche Schätzungen der Parameter dadurch erhalten werden, daß angenommen wird, daß die Steigung des frühen Anteils der Kennlinie vorwiegend auf eine erste Exponentialfunktion zurückführbar ist, und die Steigung des späteren Anteils der Kennlinie vorwiegend auf eine zweite Exponentialfunktion zurückführbar ist, und daß Schätzungen der ersten und zweiten Exponentialfunktionen aus Punktfrequenzmessungen innerhalb der jeweiligen Anteile bestimmt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der chemische Sensor ein piezoelektrisches Element ist, das mit einem Sensormaterial beschichtet ist, das mit Analyten selektiv in Wechselwirkung tritt.

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder nach einem der Ansprüche 3, 4, 5 und 6, die auf Anspruch 2 zurückbezogen sind, wobei eine weitere Selektivität dadurch erhalten wird, daß eine Vielzahl an chemischen Sensoren verwendet wird, die verschiedene Frequenz-Zeit- Kennlinien für den gleichen Analyten aufweisen, wobei die von der Vielzahl an Sensoren abgeleiteten Parameter zusammen auf die Identität des Analyten hinweisen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Konzentrationsabnahme des Analyten dadurch bewirkt wird, das ein Gas, das einen Analyten mitführt, durch ein Gas, das keinen Analyten mitführt, ersetzt wird.