JP2007516509A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

化学検知システムが、質問信号を無線送信しかつ応答を無線受信するように動作可能な質問ユニット（１０）と、化学検体を保持するための、環境に対して密閉された容器（２２）と、容器内に配置された検体と流体連通しているセンサアレイユニット（２４）であって、化学的刺激が存在する状態で応答を生成するように動作可能なセンサアレイユニットと、センサアレイユニットと接続された受動応答ユニット（２６）であって、質問信号から電力を供給され、また質問信号を無線受信するようにかつ質問信号に対する応答を質問ユニットに無線送信するように動作可能な応答ユニットと、を有する。

Description

本発明は、一般に、検体検出用のセンサ装置および技術に関する。特に、本発明は、嗅覚タイプの検出／分析用電子技術および装置に関するが、ここで、センサ装置は、センサ装置の出力を処理する処理装置に無線接続されるので、処理装置によって、センサ装置を密閉してプロセッサから分離しかつ／またはプロセッサから遠隔に配置することが可能になる。

蒸気、ガスおよび液体などの流体における種々様々な検体を検出するための技術および装置が知られている。「電子鼻(electronic nose)」は、蒸気か、またはガス、溶液および固体における化学検体を検出するために用いられる機器である。ある一定の例において、電子鼻は哺乳類の嗅覚システムをシミュレートするために用いられる。一般に、電子鼻は、パターン認識アルゴリズムと共に用いられるセンサのアレイを有するシステムである。認識アルゴリズムは、蒸気またはガスの指紋を生成する化学センサの組み合わせを用いて、関心のある検体を識別かつ／または定量化することができる。したがって、電子鼻は、未知の化学検体、匂いおよび蒸気を認識することができる。

実際には、電子鼻に匂いまたは蒸気などの物質が提示され、センサが、その物質の投入を、電気応答などの応答に変換する。次に、応答は、予め格納された周知の応答と比較される。未知の物質の一意な化学的シグネチャ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を、周知の物質の「シグネチャ」と比較することによって、未知の検体を決定することができる。様々な種類のガスおよび匂いに応答する電子鼻において、様々なセンサを用いることができる。

限定するわけではないが、環境毒物学および治療、微生物分類または検出などの生体臨床医学、材料品質管理、食物および農産物監視、重工業製造業、周囲空気監視、労働者保護、排出抑制、ならびに製品品質試験を始めとする種々様々の商用アプリケーションが、電子鼻に利用可能である。これらのアプリケーションの多くは、携帯装置を必要する。なぜなら、それらは、現場に設置されるからか、またはより大規模な研究所モデルに関しては入手しにくいからである。

手持ち式の電子鼻装置は市販されているが、それらは、一般に、検体のごく近くに存在することが必要である。検体が潜在的に危険な化合物である一定の状況で、近接することが必要だと、このような装置のオペレータをことによっては危険な状態に曝す可能性がある。検知アレイサブユニットを処理サブユニットから分割することが望ましい場合もあるが、このような選択は、実施するのが困難である。それは、主としてセンサアレイユニットの電力要求だけでなく、センサアレイと検知デバイスの残りとの間の直接的な電気接続を維持する必要性のためである。

一方では、産業の非関連分野では、いわゆる「受動」と呼ばれる遠隔識別が盛んに行なわれてきた。受動識別技術の実施には、無線周波数タグが含まれる。無線周波数（「ＲＦ」）タグは、何年も産業で使用されてきた。普通の使用には、鉄道車両、自動車、牛管理およびコロンビア川で産卵するために戻るサケの識別だけでなく、行方不明の犬または猫を識別するためにペットの皮膚の下に小さなタグを埋め込むことが含まれる。多くの人々は、店員が高価な衣料品から窃盗防止用装置を取り外すときに、ＲＦタグと出くわす。

普通はＲＦＩＤまたは無線周波数識別と呼ばれるＲＦおよび他の受動タグによって、遠くから品物を識別する方法が可能になった。ＲＩＦＤシステムには、一般に、２つの構成要素、すなわちラベル付けされる品物に取り付けられるトランスポンダおよびトランスポンダのアイデンティティを読み取るためのリーダが含まれる。場合によっては、トランスポンダは、自身のアイデンティティを示すデータをブロードキャストするようにプログラムしてもよく、他の場合には、小売店で万引き防止のために普通に使用される電子物品監視システムで用いられるようなＯＮ／ＯＦＦ状態であってもよい。ＲＦＩＤシステムは、タグが取り付けられている物体についての情報を含む小さなタグを用いる。その最も単純な形状では、無線周波数タグは、小さな電子回路基板である。それには、適切なアンテナおよび／またはコイルが含まれる。タグは、品物に関連する識別番号などのデータを格納する。タグは受動装置なので、バッテリを必要としない。質問器またはリーダと呼ばれる装置が、タグを読み取るために用いられる。質問器には、典型的にはタグより大きくて、アンテナおよびトランシーバを含む別の電子回路が含まれる。アンテナが電波を放射し、この電波がＲＦタグによって受信され、それによってタグがエネルギを与えられる。タグは、格納され符号化されたデータを質問器に返信し、質問器でデータが復号化される。

ＲＦＩＤ技術および電子物品監視は多くの進歩を見せてきたが、タグ技術は、一般に、質問ユニットによって送信された質問信号に応答して、予め格納されたデータを単に送出するかなり単純化された装置に、制限されてきた。

したがって、検知素子とデータ処理装置との間の配線接続を必要とせずに、無線／遠隔問い合わせを介して種々様々な試験サンプル／環境における検体に関する情報（たとえば存在、濃度等）を得るために、汎用性があって堅牢な化学検知システムなどのより知的な装置を含むようにＲＦＩＤ技術を拡張する必要性がある。

本発明は、これらの２つの非関連技術分野を用いて、検知ユニットが処理ユニットに対して無線式で／遠隔に位置し、かつ検知ユニットがそれ自身の内蔵電源を必要としない受動化学センサシステムを提供する。

特に、本発明の第１の態様は、質問信号(interrogation signal)を無線送信しかつ応答を無線受信するように動作可能な質問ユニット(interrogation unit)と、環境に対して密閉され、かつ化学検体を保持するように構成された容器と、容器内に配置された検体と流体連通しているセンサユニットであって、検体に応答するように構成されたセンサユニットと、センサユニットと接続された応答ユニットであって、応答ユニットおよびセンサユニットが、それぞれ、質問信号によって電力を供給され、応答ユニットが、検体に対するセンサユニットの応答を示す信号を質問ユニットに無線送信するように動作可能な応答ユニットと、を含むセンサ装置に存在する。

上記の構成において、応答ユニットにはアンテナが含まれるが、このアンテナは、応答ユニットおよびセンサユニットを作動させる電気信号を生成する質問信号に応答するように構成されている。したがって、応答ユニットは受動装置である。応答ユニットには、集積回路を含むことができる。センサアレイユニットおよび受動応答ユニットは、単一の集積回路に組み合わせてもよい。

好ましくは、センサユニットによって生成される応答は、電圧などの測定可能な電気特性であるか、または電磁信号の形態を取ることができる。ときどき言及するが、質問ユニットまたは質問器(interrogator)はトランシーバを含み、手持ち式装置にできるのが好ましい。

上述のセンサユニットには、センサアレイであって、センサアレイにおける各センサが、バルク導電性ポリマーフィルム、半導電性ポリマーセンサ、表面弾性波デバイス(a surface acoustic wave device)、光ファイバマイクロミラー(a fiber optic micromirror)、水晶結晶板微量天秤(a quartz crystal microbalance)、導電性／非導電性領域センサ(a conducting/nonconducting regions sensor)、光ファイバ上の染料含浸ポリマーコーティング、またはそれらの組み合わせからなる群から選択される部材であるセンサアレイ、を形成する複数のセンサが含まれる。好ましくは、応答ユニットには、送信機およびトランシーバのうちの１つがさらに含まれ、質問ユニットには、検体を識別するために、質問ユニットによって受信される応答を処理する処理回路をさらに含むことができる。

好ましくは、質問ユニットには、オペレータからの入力を受信するための装置およびオペレータに出力を供給するための装置を含むことができる。所与の実施形態において、質問ユニットおよびセンサアレイユニットは、誘導的に結合される。代替として、質問ユニットおよびセンサアレイユニットは、容量的に結合してもよい。

本発明のさらなる態様は、検体を含むサンプルを容器に配置することと、容器を閉じて、その中にセンサアレイを密閉することと、センサアレイをサンプルに曝すことと、質問ユニットを用いて、センサアレイと動作可能に接続された応答ユニットに質問信号を無線送信することと、質問信号を用いて、応答ユニットおよびセンサアレイユニットに電力を供給することと、センサアレイによって検知された検体を示す応答を生成することと、応答ユニットを用いて、質問ユニットに応答を無線送信することと、を含む検知方法に存在する。代わりに、サンプルは、検体またはその閾値量を含む疑いがある場合がある。

本方法において、センサアレイを検体に曝すことによって、センサアレイのセンサ素子は検体に反応することが可能になる。さらに、センサアレイを容器に配置するステップは、センサアレイが、容器におけるガス状媒体に曝されるようにすることである。

好ましくは、上述の方法には、検体を識別するために、応答ユニットから無線送信された応答を処理することが含まれる。この場合、応答を生成するステップには、測定可能な電気特性の生成を含むことができる。

本発明のさらなる態様は、サンプルを受け取り、かつサンプルを自身の内に保持するために閉じられるように構成された容器と、容器内に配置されたセンサ装置であって、容器へ導入されたサンプルと所定の関係を有する検体を含む、容器内のガス状媒体に曝されるように構成されたセンサ装置と、容器内に配置されたアンテナおよび送信装置であって、アンテナが、容器の外部で生成された電磁信号に応答して、センサアレイおよびセンサアレイに結合された送信機を作動させるのに十分な電気エネルギを発生させ、かつセンサアレイによって検知された、ガス状媒体における検体を示す信号の放射を誘起するように構成されたアンテナおよび送信装置と、を含むセンサ装置に存在する。

好ましくは、上記の構成には、センサ装置と無線通信し、かつ無線でセンサ装置を励起して検体を示す信号を放射させるように構成された質問器がさらに含まれる。質問器は、携帯式でも手持ち式であってもよい。

上述の質問器は、携帯式であることに加えて、検体を示す放射信号を格納するように構成し、かつ検体の性質を、それが決定され次第、表示するように構成することができる。質問器は、検体を示す放射信号に含まれているデータを、遠隔ホスト装置に無線中継するように構成してもよい。さらに、質問器はまた、容器の外面を細かく調べ、かつ容器および／またはその中身に関連する情報を得るように構成することができる。

本発明のさらに別の態様は、ガス状媒体における検体に曝されるように構成されたセンサデバイスと、センサデバイスと動作可能に接続されたアンテナおよび送信装置であって、アンテナが、無線送信された質問信号に応答して、センサデバイスおよびセンサ装置に結合された送信機を作動させるのに十分な電気エネルギを発生させ、かつセンサアレイによって検知された検体を示す信号の放射を誘起するように構成されたアンテナおよび送信装置と、を含むセンサ装置に存在する。

本発明のこの態様に従って、少なくともセンサ装置は、容器に配置されるように構成され、容器は、ガス状媒体が集まる容器における隙間にセンサが曝されるような方法で、サンプルを保持するように構成される。隙間における蒸気には、検体を含むガス状媒体が含まれる。

さらに、質問信号は、センサアレイによって検知された検体を示す信号を受信し解読するように構成された質問装置によって生成される。質問装置は、センサアレイによって検知された検体を示す信号に含まれるデータを、ホスト装置に中継するように構成することができる。質問器とホストとの間の通信は、無線通信である。

本発明の例示的な実施形態についてのより完全な理解は、添付の図面に関連して記載された以下の詳細な説明から得られるであろう。

一般に、本発明の実施形態は、関連するピックアップ部／レシーバに無線接続された検知デバイスと、化学検体の検知および監視のために用いられる処理装置と、を用いる化学検知システムに関する。

特に、本発明は、単数または複数の検体に応答する検知素子を有する新規な無線接続された装置に関する。

この新規な検知構造体は、医学試験サンプル内のバイオメディカル用途（生体内でも生体外でも）、食物品質／検査（密閉包装内でも包装外でも水分を測定すること）、水（自然な水路、運河または管を流れる地下水、処理水または廃水）で検出される重金属の監視、および固体またはガスの製造廃棄物の監視などの多くの環境で、化学元素および化合物（液体、ガスまたはプラズマ状態において、有用かまたは望ましくない／汚染している）、ｐＨレベル、微生物（バクテリア、ウイルス等）、酵素、抗体等の存在、濃度または不在を検知するために用いてもよい。この新しく汎用性のある検知装置および方法は、無線周波数ベースの識別技術を、人工嗅覚検査に用いられる技術などの化学センサアレイ技術と結びつける。

図１は、本発明の実施形態による受動無線化学センサシステムを概略的に示す。本開示において、用語「受動」は、自身への質問信号の無線送信を介して、「休止」または作動していない状態から作動される必要のある装置を指すために用いられることが、理解されるであろう。本システムには、質問ユニット１０およびサンプリングユニット２０が含まれる。本実施形態において、サンプリングユニット２０には、化学センサによって識別されることになる未知の検体を含むサンプルを保持するために用いられる密閉可能容器２２が含まれる。センサまたはセンサアレイ２４が、容器２２の内部空間と流体連通している。この連通は、通常は一定した連通であるが、それには限定されず、必要に応じて、この連通を選択的に遮断できるように構成することは、本発明の少なくとも一実施形態の範囲内である。

センサアレイユニットの各センサには、導電性ポリマーフィルム、半導電性ポリマーセンサ、表面弾性波デバイス、光ファイバマイクロミラー、水晶結晶板微量天秤、導電性または非導電性領域センサ、光ファイバ上の染料含浸ポリマーコーティング、および／またはそれらの組み合わせを含んでもよい。

例示的な実施形態において、センサアレイは、同時に／順次、検体に曝されるように構成された、いわゆる「ケミレジスタ」と呼ばれる複数の個別薄膜カーボンブラック／ポリマー複合物からなる。センサアレイ２４は、検体に曝されたときに出力（ケミレジスタのそれぞれからの複数の信号を含む）を生成するように用いられる。この出力が、データ解析アルゴリズムを用いる技術などのデータ解析技術を用いて検体を識別するために利用される。

これらのケミレジスタには、非導電性ポリマーとくまなく均質に混合された導電性カーボンブラックの複合材料が含まれる。検出材料は、アルミナ基板に薄膜として配置され、それぞれ、２つの電気リードを提供されて、導電性ケミレジスタを生じる。

複合材料が蒸気相の検体に曝されると、ポリマーマトリックスは、スポンジのように働き、検体を吸収している間に「膨張する」。体積の増加は、抵抗の増加を伴う。なぜなら、材料を通過する導電性カーボンブラックの経路が壊れるからである。検体が放出される場合には、ポリマー「スポンジ」はガスを排出し、「乾燥する」。これによってフィルムが縮み、導電性経路が再確立される。装置のベースライン抵抗（Ｒベースライン）は、代表的なバックグランド蒸気がアレイに当てられている間に測定される。検体に曝露中のケミレジスタからの応答が、バルク相対抵抗変化（Ｒｍａｘ／Ｒベースライン）として測定される。検体が、異なるポリマーマトリックスに、異なる程度で吸収されるので、応答パターンがアレイ全体に渡って観察される。

検体の蒸気が、検体の分配係数によって決定される程度でフィルムに吸収されるので、ポリマーマトリックスは「膨張する」。分配係数によって、特定の温度における蒸気相と凝縮相との間の検体の平衡分布が定義される。これは次のように表わされる。すなわち、
Ｋ＝Ｃｓ／Ｃｖ
ここで、Ｃｖは、蒸気相における検体の濃度であり、Ｃｓは、凝縮相における検体の濃度であって、平衡分布はまた、検出器の応答に比例する。したがって、検体の分配係数が大きければ大きいほど、検体はそれだけ多くポリマーフィルムに吸収され、検出器の応答はより大きくなる。

各個別検出素子は、応答がベースラインノイズを超えて目立つようにするためには、検体の最小吸収量（Ｃｓ，ｍｉｎ）を必要とする。しかしながら、Ｃｓ，ｍｉｎをもたらすために必要とされる最小蒸気濃度（Ｃｖ，ｍｉｎ）は、各検体によって異なる。なぜなら、分配係数が各検体によって異なるからである。さらに、個別検出器の応答の大きさは、検体のアイデンティティに関係なく、検出器に当てられる部分蒸気圧によって一次予測できることを、標準熱力学の議論を用いて示すことができる。したがって、収着装置の一般的な検出限界は、濃度値ではなく平衡蒸気圧の最小の割合として最もよく表現される。

この振る舞いが次のことを説明している。すなわち、なぜ、収着装置が、メタン（周囲温度ではガスである）およびジエチルエーテルのような高蒸気圧検体に対して、濃度の点でかなり不感受性であるが、揮発性脂肪酸など、低濃度で曝される低蒸気圧化合物に対しては、濃度の点で良好な感度を示すかということである。たとえば、検出限界が検体の蒸気圧の０．１％である場合には、これは、２４℃で、エタノールに対しては７４ｐｐｍの検出限界を示すが、ノナナール（包装材料における通常の汚染）に対しては、わずか０．５ｐｐｍの検出限界を示すことになるであろう。全ての検体は、部分蒸気圧として表されたとき、ほぼ同じ検出限界を有する。

所与の検体に曝されたときの検出器応答（一意の応答パターンを供給することよって、その検体を一意に識別することが要求される）間の差異は、検体と検出器フィルムとの間の化学的相互作用における差異のためである。したがって、同じ部分蒸気圧に曝された２つの検体間の弁別限界は、アレイ全体に亘るそれらの相対的で集合的な化学的差異によって決定される。一般に、化学的多様性は、汎用電子鼻用のアレイ検出器を含むポリマーにおいて、非常に高くすべきである。さらに、明確な用途のためには、検出器アレイで用いられるポリマーを、目標検体間の化学的差異を最大限にするように選択して、より小さなアレイの弁別力を高めるようにすることができる。

本発明の実施形態によって実施されるような複合センサ技術は、検体を識別するのに非常に有効である。なぜなら、それらは、どんな特定のポリマータイプにも依存せず、特定のポリマーセットにも限定されないからである。さらに、信号変換の単純性（単に抵抗値を読み取ることだけ）および検出器（カーボンブラックおよび一般的なポリマーで作製された複合物）の安い材料費によって、この技術は、廉価で手持ち式の電子鼻用の理想的な技術になる。

センサアレイ２４は、トランシーバ２６と結合されている。センサアレイ２４およびトランシーバ２６は、次の点でトランスポンダに似た方法で機能する。すなわち、センサアレイは、トランシーバ２６が、質問ユニット１０によって送信される質問信号を受信するまで、通常オフであるという点である。サンプリングユニット２０は、質問ユニット１０に結合され、それによって、センサ２４からのセンサ出力データは質問ユニット１０に供給される。以下に説明するように、データはサンプリング（または検知）ユニット２０から質問ユニット１０に送信される。質問ユニット１０は、検知ユニット２０からセンサ出力データを受信し、データを自身で処理して、後でダウンロードするためにそれをローカルに格納するか、またはさらなる処理のために別のユニットにデータを送信する。

サンプリングまたは検知ユニット２０は、トランシーバ２６を介し、無線周波数信号などの無線データ送信技術を用いることによって、質問ユニット１０と通信することができる。このアプローチを用いて、化学センサアレイ２４の、無線で非接触型の読み取りが達成される。このような通信によって、本発明の本実施形態における１つの重要な利点が提供される。なぜなら、化学センサアレイの読み取りが、オペレータと検体との間の接触を最小限にする／除くことにより達成されるからである。

たとえば、ひとたびセンサアレイ応答が質問ユニットに送信されると、検体を保持している密閉容器は、安全に処分するか、またはさらなる参照のために保管することができる。

図１に示す構成において、質問ユニット１０には、単に例として、処理サブユニット１６に結合されたトランシーバ１８が含まれる。処理ユニット１６は、センサ出力信号を受信し、それを処理して、検体のアイデンティティを決定する。質問ユニット１０にはまた、質問ユニットのユーザに情報を通信するために用いられる入出力サブユニット１４が含まれる。一実施形態において、質問ユニット１０は手持ち式装置である。

検知ユニットには、質問ユニット１０によって送出された質問信号によって電力を供給してもよい。したがって、検知ユニット２０は、バッテリまたは他の形状の内蔵電源を必要としない。バッテリを必要としないので、検知ユニット２０は、メンテナンスをほとんどまたは全く必要とせずに保管および使用可能である。

センサアレイのさらなる詳細として、その製造方法だけでなく、処理ユニットによるセンサアレイ出力の処理が、「アナライト検出のための技術およびシステム」と題された米国特許第６，４９５，８９２号明細書、「アナライト検出のための電子技術」と題された米国特許出願公開第２００２／００９８１１９Ａ１号明細書、および「知覚データを検出しコンピュータネットワークで送信する装置、システム、および方法」と題された米国特許第６，４２２，０６１号明細書に提供されており、これらの開示を、あらゆる目的のために、その全体において、ここに参照により本明細書に組み込んでいる。

動作において、質問ユニット１０は、検知ユニット２０に信号を無線送信する。信号はアンテナによって受信され、このアンテナがこの信号を電気信号に変換する。この電気信号を用いてトランシーバを始動させ、かつセンサアレイを含む抵抗素子（ケミレジスタ）のそれぞれに小電流を通過させる。トランシーバにはマイクロチップを含むことができるが、このマイクロチップは、センサアレイのセンサ素子によって出力された電圧信号を記憶し、質問ユニット１０への送信に備えてそれらを格納する。

ひとたび質問ユニット１０が検知ユニット２０からデータ送信を受信すると、質問ユニットは、全ての必要な処理をローカルで行なうか、または今度は、さらなる処理のために、ホストコンピュータなどのさらに別の装置へ、センサ出力データを送信してもよい。ひとたび質問信号がセンサユニット２０のアンテナによって受信されなくなると、検知ユニットは、その通常のオフまたは電源遮断状態に戻る。

ある一定の実施形態において、検知ユニット２０には電源システムが含まれるが、この電源システムには、質問信号の受信によって生成された電力を蓄積するための、したがって、質問信号がない状態であっても、検知ユニットが引き続き機能できるようにするための蓄積装置が含まれる。

サンプリングまたは検知ユニット２０、および質問ユニット１０は、誘導的または容量的に共に結合してもよい。誘導結合が用いられると、検知ユニットは、質問ユニットにより生成される電磁界によって電力を供給される。検知ユニットのアンテナは、電磁エネルギを受信して質問ユニットと通信する。検知ユニットは、センサアレイデータを生成し、それを質問器ユニットへ返信するために電磁界を変調する。データは、質問ユニットによって処理されるか、またはさらなる処理のために別の装置またはホストコンピュータへ送信される。誘導結合されたユニットにおいて、銅またはアルミニウム線で作製された金属コイルが、円形パターンに巻かれ、トランシーバ２６と接続される。コイルはまた、検知ユニットのアンテナの役割をする。

容量結合されたユニットは、金属コイルをなくすことによってシステムのコストを削減することができ、また誘導結合されたユニットと同じ機能を実行するために小量のシリコンを用いる。容量結合されたユニットでは、金属コイルの代わりに導電性インクを用いることによって、コスト削減が実現される。容量結合されたユニットはまた、質問ユニットにより生成される電磁界によって電力を供給される。

質問および検知ユニットはまた、様々に異なる産業的に利用可能な標準を用いて結合してもよい。これらには、音響磁気、電磁気、中間ＲＦおよびマイクロ波が含まれる。音響磁気結合は、次の原理に基づいている。すなわち、機械的にもまた応力をかけられた非晶質磁性材料の細片を、低周波磁界を用いて励起すると、細片は、走査または質問信号の高調波を放射してその高調波を検出できるようにし、したがって検出および検知システムを提供するという原則である。電磁結合において、検知ユニットには、エネルギパルスを照射される磁性材料が含まれ、活性フィールドの減衰が質問ユニットによって監視される。中間ＲＦ結合において、検知ユニットには、典型的には６ＭＨｚと１０ＭＨｚとの間の走査システム周波数に同調される同調回路が含まれる。質問器ユニットの送受信アンテナは、プラスチックフィルムの両側に導電性回路をプリントし、その２つの表面を相互接続することによって作製される。検知ユニットの回路は、質問器の前で、質問周波数に共振する。マイクロ波結合を用いると、質問器および検知ユニットは、マイクロ波放射を介して結合される。

中間ＲＦ結合に加えて、他のＲＦ結合手段がまた、質問器および検知ユニットを結合するのに適している。これらのＲＦ結合技術には、低周波および高周波結合が含まれる。低周波を用いるときには、センサユニットおよび質問器は、ｋＨｚ範囲（たとえば１２５ｋＨｚ、１３４．２ｋＨｚ等）における周波数を用いて互いに通信する。低周波技術を用いる利点は、それがより安価なシステムに帰着するということであるが、しかしながら、システムは、有効範囲がより短くなる傾向がある。高周波を用いるときには、センサユニットおよび質問器は、ＭＨｚ〜ＧＨｚ範囲（たとえば１３．５６ＭＨｚ、４００ＭＨｚ、２．５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ等）における周波数を用いて互いに通信する。高周波設計を用いる利点は、システムの範囲がより長くなるということであるが、より高価になる傾向がある。さらに代替として、質問ユニットおよびセンサユニットは、低周波数およびＵＨＦ周波数（たとえば１３４．２ｋＨｚ〜９０３ＭＨｚ等）の組み合わせを介して通信することができる。

様々な実施形態は、ＲＦ結合が質問器および検知システムのトランシーバコイルまたはアンテナ設計に関連しているように、ＲＦ結合を用いて質問器および検知システムを連結する。図１において、検知ユニット２０は、質問器１０と通信する状態で示されている。質問器１０には、トランシーバ１８と、検知ユニット２０に質問フィールドを提供するために用いられる電磁波を放射するアンテナ回路１９と、が含まれる。アンテナ回路１９には、図示された構成では、インダクタ１９１、コンデンサ１９２および抵抗器１９３が含まれる。抵抗器１９３には、可変抵抗器をさらに含んでもよい。

検知ユニット１０には、インダクタ２０１およびコンデンサ２０２を具備するアンテナ回路２９がさらに含まれる。質問器１０によって提供される質問フィールドは、インダクタ２０１に電流を誘導し、この電流が、検知ユニット２０に電力を供給するために用いられるコンデンサ２０２を充電する。始動されると、検知ユニットのセンサアレイは、検体への曝露に応答して出力を生成し、アンテナ回路２９を介して質問器１０へ、センサアレイデータを送信する。センサユニット２０および質問器ユニットは両方とも、センサアレイ出力を用いて得られた情報を格納するためのメモリ回路を含んでもよい。

図１に示す構成において、アンテナ装置は兼用アンテナであって、同じアンテナを用いて、質問信号を送信しかつセンサ出力を受信する。兼用アンテナの利点は、コストがより低くなる傾向があり、よりコンパクトな全体寸法が可能になることである。兼用アンテナの欠点は、有効範囲がより短くなり、かつインピーダンス整合に限界を有する傾向があるということである。

したがって、代替実施形態において、トランシーバは、異なる受信および送信アンテナが用いられるデュアルアンテナを用いる。デュアルアンテナの実施形態によって、より長い有効範囲が可能になるが、より高価で多少大きくなる傾向がある。送信／受信アンテナに適した形状には、導電性コイル、スパイラル、細長いワイヤおよびケーブル等が含まれる。質問ユニットのフィールドを生成するアンテナは、検知ユニットまたは少なくとも検知ユニットのアンテナを囲む環境において所望の周波数および振幅の交番電磁界を確立する。所定の信号レベル（センサ振幅応答）を生成するのに必要なフィールドの振幅は、コイルサイズ、共振回路の電気特性、ならびに質問および検知ユニットにおける受信電子機器の感度などのシステムパラメータに依存して変化する。

さらに、センサユニットの任意の１つまたはいくつかからの放射を検出するために用いられる特定のタイプのアンテナは、受信される放射のタイプ、放射が伝わる距離、および受信アンテナの物理設計に（とりわけ）依存する。たとえば、低周波範囲（約２０ＭＨｚまで）にあると考えられる電磁放射の検出のために設計された検知装置は、検知構造体から１キロメートルまでに位置する適切な電磁ピックアップコイルとペアにならなければならない。ところが、放射がはるかに長い距離（数キロメートル−−サテライトからの距離など）を伝わらなければならない場合には、好ましくは、設備は、より高い周波数（約２０ＭＨｚを超えて８０ＧＨｚまでの範囲）で動作できなければならない。使用に適し、かつ８０ＧＨｚまで動作できる電磁送信／ピックアップアンテナを設計するためのアンテナ技術は、容易に利用可能である。

図２は、本発明の一実施形態に従って検体を検知する方法を示すブロック図３００である。最初に、未知の検体を含むサンプルが、容器に配置される（ステップ３０２）。次に、容器は、たとえば容器にキャップをすることによって密閉される（ステップ３０４）。容器のキャップには、上記の図１で説明した検知ユニット１０の残りが含まれる。ひとたび容器が密閉されると、センサアレイは、拡散、対流によって、および／または密閉された容器の動きによって、検体に曝される（ステップ３０６）。次に、質問器を用いて、検知ユニットに信号を無線送信する（ステップ３０８）。次に、信号が、検知ユニットのアンテナによって受信される。受信信号は、（１）検知ユニットを始動させ、（２）センサアレイに、検体に対応する出力信号を生成させ、（３）検知ユニットのトランシーバに対して、センサアレイ出力信号を質問ユニットへ無線で返信させる。センサアレイ出力信号は、質問ユニットによって受信され（ステップ３１０）、次に質問ユニットは、センサ信号を処理して、検体を識別する（ステップ３１２）。

上記の実施形態に加えて、質問ユニットが検知システムのセンサ素子／アレイ／ユニットと無線通信する他の実施形態によって、次のような特徴が提供される。

（ａ）検知ユニットは、一度だけの（たとえば処置可能な）作業または周期的な作業のために、用いてもよい。

（ｂ）本システムは、医学試験サンプル内のバイオメディカル用途（生体内でも生体外でも）、食物品質／検査（密閉包装内または外）、水（自然な水路、運河または管を流れる地下水、処理水または廃水）における汚染物質の監視、およびガス／エアゾールの監視などの広範囲な試験環境内における作業のために、用いてもよい。検知構造体は、質問器における遠隔コイルを用いて生成される電磁界（単複）により検知構造体に電流を誘導することによって、駆動することができる。

（ｃ）いくつかの検知ユニットをアレイに組み込んで、検体構成、および検体（単複）が検出される検体の構成成分／要素の濃度など、検体についての情報を検知するパッケージを提供してもよい。

（ｄ）質問フィールドを生成する能力だけでなく、いくつかの検知構造体からの放射信号であって、放射信号のそれぞれが、それぞれを他から区別できるようにする独特の動作範囲または周波数を有する放射信号、を受信する能力もまた有するユニットを用いてもよい。この広範囲な能力には、もちろん、スパイラルアンテナなどの広帯域アンテナかまたは多数の狭帯域送信および受信アンテナの使用を必要とする。この技術は、アンテナ理論および設計技術分野の当業者には周知であるので、さらなる説明は、不必要であると思われる。

図３は本発明の別の実施形態に示すが、ここで、センサユニット５０１（たとえばセンサアレイ、アンテナおよび送信機／トランシーバ）は、試料カップなどの容器５０４の蓋５０２に配置され、また質問器５０８には、密閉容器（試料カップ／蓋）の近くに運べる手持ち式装置が含まれる。センサユニット５０１を蓋５０２の下側に配置することによって、容器５０４の「頭隙」５０４Ｈ内にセンサを支持し、したがって、容器５０４内に密閉されたサンプル５０９と所定の関係を有する蒸気（検体）にセンサを曝すことが可能になる。サンプルが液体として示されていることが、注目されるであろう。しかしながら、サンプルは、そのように限定されるわけではなく、固体、半固体（たとえばゲル／ペースト）またはガス（たとえば汚染空気のサンプル、人の呼吸のサンプル等）であっても可能である。

この構成によって、蓋５０２におけるセンサユニット５０１を、検体に曝しかつ質問器５０８から無線送信される質問信号５０８Ｓを介して作動させ、またセンサユニット５０１によって続いて生成される信号５０１Ｓが質問器５０８によって受信されるようにすることができる。

質問器５０８をセンサユニット５０１の比較的すぐ近くに保持できるようにすることによって、ペースメーカーおよび／または同様なタイプの高精度の電子機器が影響される可能性がある病院などの環境において、および／または質問信号の検出が望ましくない状況において、質問信号５０８Ｓの電力を低減して、ノイズを低下させることができる。

また、所与の実施形態において、それぞれ容器に配置された多数のサンプルがあり、かつ容器が一緒に集められている場合に、質問信号５０８Ｓの方向を制限して、近くの容器からのクロストークなしに容器のそれぞれに個別に質問できるようにしてもよい。この構成によって、センサユニットの一部を形成する送信装置を同一にすることができ、したがって、複雑さおよびコストの両方が低減される。

例として、この種の構成は、薬物使用に関して競技会で競技選手を検査することに用途がある。各容器は、尿サンプルを含む試料カップの形状を取ることができる。試料カップの蓋に配置されたセンサユニット５０１のそれぞれの出力を選択的に読み取りできることによって、短期間に複数の試料を検査することが可能になる。これは、たとえば、薬物乱用に関して従業員を検査するために有用であろう。同様の手順は、糖尿病（たとえば）用検査が行なわれている病院で実行することができる。

図４に示すように、容器／カップ内のセンサユニット５０１の出力を、患者データおよび／または匿名を可能とするように設計されたデータなどの他のデータとまた照合できることも本発明の範囲内である。このように質問器５０８を多機能にすることによって、容器内に隔離されたサンプルに関係するデータについてセンサユニット５０１に無線で質問するだけでなく、このような手段、および可視／不可視バーコード５１０を容器に備えてバーコード読み取り装置等を質問器５０８に含めることを通して、データを収集し照合することが、本発明の実施形態にとって可能になる。

容器のサイズは、カップ等に限定されず、たとえば航空機用貨物コンテナ、コンテナ船／鉄道による配送のための輸送容器または部屋でさえ、検体を含む蒸気が集まる密閉された頭隙を提供するものを含めて考えるべきだと、理解されたい。たとえば、センサユニットを用いて、爆発物または同様なタイプの武器／禁制品によって放出される検体を検出することができる。このようなセンサまたは一連のこのようなセンサを、事業用航空機で用いられるような貨物ポッドに配置することによって、他の検査形態によって検出されない危険な物質の存在を検知できるようにして、しかるべき行動を取ることが可能になる。

図５は、質問器５０８が、図３および４のどちらかに示す方法でデータを収集し、かつサンプルおよびセンサユニット（単数または複数）５０１よりも質問器５０８から遠位とすることができるホスト装置５１２にこのデータを中継するように構成されている状況を示す。各質問器５０８は、収集データを分析することができる一方で、その大きさによって電源を保持することができるようになり、この電源によって、比較的長い距離にわたる送信が可能になり、かくして、戦術的な指令センタにあるものなどのホストに収集データを伝える能力を提供されるであろう。もちろん、これによって、それぞれが自身の質問器を有している調査チームが、同時かつ別々に働いて、多数のデータセットの集約された高速な照合および分析を可能にするような方法で、サンプリングデータを無線で返報できるだろう。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を説明してきたが、受動化学センサユニットを用いる改善された化学検知システムに関連する本発明は、その本質的な特性から逸脱せずに、他の特定の形態において具体化可能であることが、当業者には理解されるであろう。

たとえば、質問ユニットおよび検知ユニットは、任意の適切な１以上のアンテナ設計を用い、任意の適切な周波数範囲を介して通信してもよい。さらに、容器は、サンプルを保持するのに適した任意の材料で作製した任意のサイズであっても、または１以上の容器を、上記の化学検知システムと共に用いてもよい。さらに、質問器ユニット／装置は、携帯／手持ち式である必要はなく、密閉容器（単複）を搬送するコンベヤ（たとえば）に設けられる固定ユニットの形状を取ってもよい。

したがって、前述の開示は、特許請求の範囲において述べる本発明の範囲の例証となるように意図されているのであって、限定するものではない。

本発明の実施形態による無線受動化学センサシステムを概略的に示すブロック図である。 本発明の別の実施形態による、検体の検知方法のブロック図である。 サンプルが配置された容器に密閉され、かつ容器内でサンプルから放出される蒸気に曝されたセンサ装置から情報を抽出する手持ち式質問器の概略図である。 図３に示す図と類似しているが、しかしセンサ装置から質問器に送信されたデータが、その後、メインフレーム、またはセンサから少しずつ収集されたデータを解釈／照合できる同様のタイプの装置などのホスト装置に中継される図である。 オプションとしての光学読み取り装置の使用を介した、バーコードなどからのデータであって、容器内のセンサ装置から得られたデータと照合可能なデータを収集する質問器を示す図である。

符号の説明

１４ Ｉ／Ｏ
１６ 処理
１８ トランシーバ
２２ 容器
２４ センサアレイ
２６ トランシーバ

Claims (26)

1. 質問信号を無線送信し、かつ応答を無線受信するように動作可能な質問ユニットと、
   環境に対して密閉され、かつ化学検体を保持するように構成された容器と、
   前記容器内に配置された前記検体と流体連通しているセンサアレイユニットであって、前記検体に応答するように構成されたセンサアレイユニットと、
   前記センサアレイユニットと接続された応答ユニットであって、前記質問信号によって電力を供給されるように構成され、前記検体に対する前記センサアレイユニットの応答を示す信号を、前記質問ユニットに無線送信するように動作可能な応答ユニットと、
   を含むセンサ装置。
2. 前記応答ユニットが、前記質問信号に応答して前記応答ユニットおよび前記センサアレイユニットを作動させる電気信号を生成するように構成されたアンテナを含む、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記応答ユニットが受動応答ユニットであり、かつ集積回路を含む、請求項２に記載の装置。
4. 前記センサアレイユニットによって生成される前記応答が、測定可能な電気特性である、請求項１に記載の装置。
5. 前記センサアレイユニットおよび前記応答ユニットが、単一の集積回路に組み合わされる、請求項１に記載のシステム。
6. 前記質問ユニットがトランシーバをさらに含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記質問ユニットが手持ち式装置である、請求項１に記載の装置。
8. 前記センサアレイにおける各センサが、バルク導電性ポリマーフィルム、半導電性ポリマーセンサ、表面弾性波デバイス、光ファイバマイクロミラー、水晶結晶板微量天秤、導電性／非導電性領域センサ、光ファイバ上の染料含浸ポリマーコーティング、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される部材である、請求項１に記載の装置。
9. 前記応答ユニットが、送信機およびトランシーバのうちの１つをさらに含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記質問ユニットが、前記検体を識別するために、前記質問ユニットによって受信された前記応答を処理する処理回路をさらに含む、請求項１に記載の装置。
11. 前記質問ユニットが、オペレータから入力を受信するための装置と、オペレータに出力を供給するための装置とをさらに含む手持ち式ユニットであり、前記質問ユニットが、前記化学検体の出所に関するさらなる情報を受信するために、前記容器上に提供されたバーコードを走査するためのバーコード走査手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
12. 前記センサアレイユニットがインダクタおよびコンデンサを含み、前記質問ユニットが、前記センサアレイユニットの前記コンデンサを充電させる電流を前記センサアレイユニットの前記インダクタに誘導するように、前記センサアレイユニットに質問する、請求項１に記載の装置。
13. 前記質問ユニットおよび前記センサアレイユニットが容量的に結合されている、請求項１２に記載の装置。
14. サンプルを容器に配置することと、
    前記容器を閉じてその中のセンサアレイを密閉し、前記センサアレイが前記サンプルに曝されるようにすることと、
    質問ユニットを用いて、前記センサアレイと動作可能に接続された応答ユニットに質問信号を無線送信することであって、前記質問信号が前記応答ユニットに電力を供給することと、
    前記センサアレイによって検知された前記サンプルを示す応答を生成することと、
    前記応答ユニットを用いて、前記質問ユニットに前記応答を無線送信することと、
    を含む検知方法。
15. 前記サンプルが、医学または獣医学体液、食品、都市水流、機械装置からの流体、または工業プロセス流から得られる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記サンプルが尿を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記サンプルがエンジンまたはトランスミッションのオイルを含む、請求項１５に記載の方法。
18. 前記検体を識別するために、前記応答ユニットからの前記無線送信された応答を処理することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
19. 前記応答を生成することが、測定可能な電気特性を生成することを含む、請求項１４に記載の方法。
20. 前記質問信号を無線送信することが、電磁信号を送信することを含む、請求項１４に記載の方法。
21. 前記センサアレイがインダクタおよびコンデンサを含み、前記応答ユニットへの前記質問信号の前記無線送信が、前記センサアレイユニットの前記コンデンサを充電させる電流を前記センサアレイユニットのインダクタに誘導する、請求項１４に記載の方法。
22. 前記応答ユニットへの前記質問信号の前記無線送信が、前記応答ユニットおよび前記質問ユニットを容量的に結合することを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記センサアレイユニットを用いて応答を生成するステップが、前記質問信号を用いて実行される、請求項１４に記載の方法。
24. 前記受動応答ユニットを用いて、前記質問ユニットに前記応答を無線送信するステップが、前記質問信号を用いて生成される電力を用いて実行される、請求項１４に記載の方法。
25. 流体形状の化学検体を保持するための、蓋を含む容器と、
    前記容器の前記蓋内に配置されたセンサアレイユニットであって、前記検体から発して前記容器の前記蓋に衝突するガスに応答するように構成されたセンサアレイユニットと、
    前記センサユニットと接続された応答ユニットであって、質問ユニットからの無線質問信号によって電力を供給されるように構成され、前記検体に対する前記センサユニットの応答を示す信号を、前記質問ユニットに無線送信するように動作可能な応答ユニットと、
    を含むセンサ装置。
26. ガス状媒体における検体に曝されるように構成されたセンサアレイユニットと、
    前記センサアレイと動作可能に接続されたアンテナおよび送信装置であって、前記アンテナが、無線送信された質問信号に応答し、（ａ）前記センサアレイユニットおよび前記センサアレイユニットに結合された前記送信機を作動させるために、および（ｂ）前記センサアレイユニットによって検知された検体を示す信号の放射を誘導するために、十分な電気エネルギを発生させるように構成されているアンテナおよび送信装置と、
    を含むセンサ装置であって、
    前記センサデバイスが、コンデンサおよびインダクタであって、前記質問信号が前記インダクタに電流を流し、今度は前記インダクタが前記コンデンサを充電させるコンデンサおよびインダクタを含むセンサ装置。

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