JP2007516515A - 化学および生物剤センサアレイ検出器 - Google Patents

化学および生物剤センサアレイ検出器 Download PDF

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Abstract

化学および生物検出器システム、装置ならびに器具。そのような装置は、検体特異性というよりは検体汎用性であり、既知および未知の空中浮遊化学および生物危険物について人員に通知し、それらから防護する最適な方法を提供する、可搬型および装用型、たとえばバッジである。本発明の装置は、好都合に低コストであり、低消費電力要件を有し、装用型であり、一般的な化学的および生物的脅威を検出し、警報するように設計されている。１つの実施形態において、本発明のセンサ装置は、２またはそれ以上のセンサ装置と、センサ装置それぞれに接続され、２またはそれ以上のセンサ装置のそれぞれから受信した信号を処理して、環境状態を判定するように設定された処理モジュールと；環境状態に関する情報をユーザに伝達する通信モジュールとを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００２年７月１９日に提出された米国仮出願第６０／３９７，１３５号（出願人側整理番号０１８５６４−００７８００ＵＳ）の本出願であり、その仮出願の利益を請求する２００３年７月２１日に提出された米国特許出願第１０／６２４，１９４号（出願人側整理番号０１８５６４−００７８１０ＵＳ）の一部継続出願であり、どちらも「Ｎｏｎ−Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ Ａｒｒａｙ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｂａｄｇｅｓ」という名称であり、あらゆる目的でその全体が参照により本明細書に組み入れられている。本出願は、あらゆる目的でその全体が参照により本明細書に組み入れられている、２００２年１０月２９日に出願された、「Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌ−Ｂａｓｅｄ Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ａｒｒａｙｓ」という名称の米国仮出願第６０／４２２，３０１号（出願人側整理番号０１８５６４−００７９００ＵＳ）の利益も請求する。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の下でなされた発明に対する権利の記載
適用なし
本発明は、化学および生物検出のための検出器システムに関するものである。本発明は、スモール・フォーム・ファクタの可搬型携帯型および装用型検出器システムおよび特に生物および化学検体検出のために設定されたセンサアレイを含む、可搬型携帯型および装用型検出器システムにも関し、それらは各種の環境条件を検出および分析するためにソフトウェアモジュールを用いて設定可能であり、低い動作電力要件および長い耐用年限を有する。
民間人および軍人、沿岸警備および税関、州および連邦緊急要員、ならびに産業労働者は防護機器、たとえば化学防護機器（chemical protective equipment, CPE）を除去する、あるいは装用するときに、環境条件の変化、たとえば危険な空中浮遊化学物質または生物剤の放出を同定するために、個人早期警報システムから多大な恩恵を受けるだろう。
たとえば毒性工業用化学物質（toxic industrial chemicals, TIC）の放出は、通常運転中に燃料補給、過熱または冷却システムにおける予見できない漏出から偶発的に、あるいは故意の敵対行為から発生する。加えて化学兵器（chemical warfare agents, CWA）および生物兵器（biological warfare agents, BWA）が、戦闘中に、または他の潜在的な敵対状況において、たとえばテロ活動中に放出されることがある。これらの状況はそれぞれ、通例は先験的に同定できない無類の、潜在的に広範囲に渡る化学および生物脅威を示している。脅威を制圧する適切な処置を講じるために、敵意が暴露される前にＴＩＣ、ＣＷＡ、ＢＷＡおよび他の環境条件を検出して、特徴づける必要性がある。ＴＩＣ、ＣＷＡまたはＢＷＡ放出の後に、適切な防御および除染措置が講じられるように、化学または生物剤クラスを同定する同様の必要性が存在する。
高い特異性および精度を持つ実験用器械が利用できる場合、それらは物理的堅牢性が不足しており、高度に訓練されたオペレータを必要とし、通例、サイズ、重量、高い消費電力要件、および化学試薬（気体、液体）要件のために運搬不可能であるため、一般に現地使用には適していない。加えて、１種類の脅威（たとえばＣＷＡ）に特化した可搬型器械は、興味のある他の種類の脅威（たとえば爆発物、火災、ＢＷＡまたはＴＩＣ）には、または急造装置には役立たない。
危険条件、たとえばＴＩＣ、ＢＷＡおよびＣＷＡのための携帯型はもちろんのこと、装用型の受動検出器は、危険にさらされている環境で作業する人員の安全性を大幅に改善するであろう。有用な既知の可搬型検出器は、点検出器およびスタンドオフ検出器を含む。化学点検出器の１つ、複合化学剤検出器（Joint Chemical Agent Detector, JCAD）は携帯型で運搬可能であるが、１回の充電での稼働寿命が制限されており、頻繁な再充電を必要とする。加えてＪＣＡＤは、他の装置の同時使用を妨げて使用しなければならない。スタンドオフ検出器、たとえば複合サービス軽量スタンドオフ化学剤検出器（Joint Services Lightweight Standoff Chemical Agent Detector, JSLSCAD）は人員をＣＷＡから連続的に防護できるが、（１）空間分解能が不足しており、（２）健康および生命にただちに危険な（Dangerous to Health and Life, IDLH）レベルよりも大きい検出限界を有する。現在のバッジまたは装用型検出器（たとえばＳａｆｅＡｉｒ、ＴｏｘｉＲＡＥ）の一般的な制限は：１）検体特異性：これらは化学的危険物の詳細な先験的知識、または広いスペクトル範囲のための複数のバッジを必要とし、新たなまたは未知の危険物を検出できない；２）単回使用：使い捨て検出器および線量計は、連続防護のために補給が必要である；３）解釈エラー：比色インジケータは、ユーザの主観を被りやすい目視比較（カラーカード）を必要とする；４）アラームモードまたは通信機能なし：これらは迅速なハンズフリー警報またはステータス送信を提供しない；５）環境性能：極端な温度（たとえば＜０°または＞４０℃）および湿度（たとえば＜１０％または＞９０％相対湿度（ＲＨ））は、一部のセンサ（たとえば電気化学、導電性ポリマー）を含む。そのような検出器は通例、データロギング能力（たとえば遭遇した環境の詳細な履歴情報／記録の格納）も含まず、または暴露の時間平均履歴のみ提供できる。さらに現在の検出器は通例、高い運用電力要件、したがって通例、短い運用耐用年限も有する。たとえばＪＣＡＤは、２０時間またはそれ以下おきに充填または電源の交換を必要とする。
一部のセンサ装置、たとえばＴｏｘｉＲａｅ Ｐｌｕｓは、可聴および振動アラームを生成し、解釈エラーを除去して、データロギング能力を有するが、これらの装用型センサは、なお検体特異性である。加えてこれらのセンサは、そのサイズおよび重量のためにポケットまたはベルトクリップを必要とするため、バッジ検出器として有用ではない。
検体汎用能力を備えた装用型センサ装置は、たとえばＥＩＣ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，Ｉｎｃ．およびＰｈｙｓｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｉｎｃ．によって開発されてきたが、これらの装置は、バッジ検出器の現地使用中にセンサの堅牢性および安定性に影響を及ぼしがちな、湿度に関する重大な性能上の課題を有する。
化学および生物検出の分野で改良は行われているが、潜在的な標的化合物および多数の検出方法の多様な集合は、発展が制限されている。最新の低コストセンサは、１個または１クラスの化合物を検出するために最適化された単一検出手法に基づいている。
生物的な側面では、最近のかなりの研究が、ゲノムおよびプロテオミクス用途の蛍光ベースアレイを対象としている（Kristensen et al., Biotechniques, 30(2):318(2001);Harrinton, et al., Curr. Opin. Microbiol, 3(3):285(2000); Katsuma et al., Expert Rev. Mol. Diagn., 1(4):377(2001); Templin et al., Trends Biotechnol, 20(4):160(2002); Schweitzer et al., Curr. Opin. Biotechnol, 13(1):14(2002); Gabig et al., Acta Biochim.Pol., 48(3):615(2001); Weinstein et al., Cytometry, 47(1):46(2002)）。これらのアレイはすべて、単一検出手法に焦点を合せており、ほとんどの場合、蛍光プローブの結合に関連している。これらのアレイの読取りおよび解釈の複雑な性質のために、それらは常に実験室ベースの分析器械に結び付けられ、広く分散した検出ネットワークとは適合しない。
Kristensen et al., Biotechniques, 30(2):318(2001) Harrinton, et al., Curr. Opin. Microbiol, 3(3):285(2000) Katsuma et al., Expert Rev. Mol. Diagn., 1(4):377(2001) Templin et al., Trends Biotechnol, 20(4):160(2002) Schweitzer et al., Curr. Opin. Biotechnol, 13(1):14(2002) Gabig et al., Acta Biochim.Pol., 48(3):615(2001) Weinstein et al., Cytometry, 47(1):46(2002)
高密度センサアレイは近年、生物検出のために開発されてきたが、これらのセンサは検出前に著しい量の湿潤化学物質を必要とし、比較的複雑で高価な読出し電子機器、たとえば光学リーダーに基づいている。さらにこれらのアレイは特異結合のみに依存するため、これらのアレイは有効な化学センサではなく、各センサ素子の大量のカスタマイズを必要とする。
したがって、生物および化学検出用の改良されたセンサおよび検出器システムへの要求がある。現在の検出器の制限を克服し、潜在的に危険な環境で人員に連続的で信頼できる防護を供給する、個人用検出器システム（たとえば可搬型装用型検出器）への要求もある。本発明は、これらおよび他の要求を満たすものである。
本発明は、改良された生物および化学検体検出システムおよび装置を提供する。本発明は、可搬型装用型検出器システムおよび装置、たとえばバッジも提供する。ある態様において、そのようなシステムおよび装置は検体特異性というよりは検体汎用性であり、したがって装置を操作することなく、既知および未知の環境条件およびイベント、たとえば空中浮遊化学および生物危険物について人員に通知し、それらから防護する最適な方法を提供する。本発明の態様によるそのような装置は、好都合に低コストであり、低消費電力要件を有し、装用型であり、一般的な環境上の脅威を検出し、警報するように設計されている。
本発明の１つの態様による装置は、各種の環境条件、たとえばＴＩＣ、ＢＷＡおよびＣＷＡの放出の検出および同定を提供するためにセンサ信号を解析するように設定されたソフトウェアモジュールを含む。したがってそのような装置は好都合に、低コストで、単一化学検出に限定された高価な点検出器、スタンドオフエリアモニタ、または既存の検出器バッジに比べて特化した訓練を必要とせずに、人員をさらに防護することができる。別の態様により、本発明の装置は、通信モジュールを含み、ネットワーク、たとえばセンサ装置の分散ネットワークに実装される。
本明細書で使用するように、環境上のイベント、条件または状態はたとえば、環境パラメータ、たとえば温度、湿度または圧力、放射レベル、または他の物理的刺激、大気構成要素、たとえば空中浮遊化学物質または蒸気の存在またはレベル、液体または流体構成要素、たとえば化学物質、生物剤または物質、治療剤の存在またはレベル、およびその他を含む。環境状態または条件の変化は、環境パラメータのレベルまたは存在の上昇または下降を含む。
ある態様において、本発明の検出器装置は、以下の特徴または属性の１またはそれ以上を含む：
・１つまたは複数の環境条件、たとえばＩＤＬＨレベルでのＴＩＣおよびＣＷＡを検出するために、非特異性センサアレイを使用、
・水分の存在下で安定なポリマーコンポジットセンサを使用、
・相対湿度および周囲温度を測定、
・広範囲の動作条件（相対湿度：０〜９９％結露なし；温度：−１５℃〜４０℃またはそれ以上）で使用できる
・受動性であり、現地使用中にユーザの介入またはユーザの注意を必要としない、
・履歴データ記録を維持するためにダウンロード可能なフラッシュメモリを含む、
・ＴＩＣ、ＢＷＡまたはＣＷＡが検出されたときに、可聴アラームおよび非可聴アラームを提供する、
・通常動作中の可聴および非可聴周期信号を含む、
・クレジットカードより小さく、数オンスの重さである、
・連続現地使用の間に少なくとも２週間またはそれ以上（たとえば数年）のバッテリ寿命を有する、
・少なくとも２年間の保存期限を有する、
・大量製造の要件を満足する、
・大容量に対して、低コストの製品およびサービス（たとえば概略値約３０ドル）を有する、
・有効な市場規模を拡大するために、既存製品（たとえば工業化学物質漏出および公共施設でのＣＷＡ放出を検出するための無線センサネットワーク）に直接組み込むことができる。
本発明のある態様により、ポリマーコンポジットセンサ技術は、各種の用途、たとえば環境条件およびその変化、たとえばＴＩＣ、ＢＷＡおよびＣＷＡの存在を検出および解析するための可搬型または装用可能な検出器装置に有用な２またはそれ以上のセンサのアレイを構成するのに使用される。ＰＣＳセンサを含むそのような装置は、小型、軽量、装用型、堅牢、安定性、低コスト、低消費電力、および検体汎用性であるように設定できるため、特に好都合である。ポリマーコンポジットセンサは、導電性ポリマーセンサと同じ湿度性能制限を持っているわけではない。ポリマーコンポジットセンサは、電力不要センサ（たとえば現在の市販（current off-the-shelf, COTS）バッジ検出器）ではなく、低消費電力センサであるため、本発明のある態様による検出器装置は、解釈エラーなしでアラームを生成し、データロギング能力を与えることができる。センサアレイを検出および同定の技法と組合せることによって、本発明のある態様による検出器装置は、好都合に検体非特異性であり、現在のＣＯＴＳ検出器およびその他の別の制限に対処する。
本発明の態様により、生物剤検出器具が提供される。器具は通例、基材と、基材上に配置された２またはそれ以上のセンサのアレイとを含み、そこでセンサのうちは少なくとも第１のセンサが生物剤を検出するように設定された検出素子を含む。器具は通例、センサそれぞれに直接接続され、出力信号を生成するために２またはそれ以上のセンサから受信した信号を処理するように設定された処理モジュールも含む。
本発明の別の態様により、センサシステムが提供される。システムは通例、複数の検出装置を含み、各装置は、基材上に配置された２またはそれ以上のセンサのアレイと、遠隔通信用の無線通信モジュールとを含む。システムは通例、前記検出装置から離れて位置し、処理モジュールおよび通信モジュールを含む中央処理ノードも含み、前記ノードは、複数の検出装置からの信号を受信および処理するように設定されている。
図面および請求項を含む明細書の残りの部分を参照すると、本発明の他の特徴および利点が認識されるであろう。本発明のさらなる特徴および利点は、本発明の各種の実施形態の構造および動作と同様に、添付図面に関して以下で詳細に述べられている。図面では、同じ参照番号は、同一の、または機能的に同様の要素を指す。
本発明は、シリコンチップ上の一体型抵抗ベース化学および生物検出システムに関する。本発明によるそのようなチップは、空気または他のキャリア媒体中の多種多様な化学および／または生物種を検出、分類、定量および追跡可能な、好都合に低コストで、低消費電力の、小型で迅速に反応する装置である。そのような装置は、これらの種を現在の低コストセンサ技術よりも３桁まで小さい濃度で検出できる。これらのチップは、化学および生物検出が温度および圧力検出と同じように遍在性とするために、好都合に分散ネットワーク、たとえば低コスト（ノード当たり＜５ドル）、自己構成型無線ネットワークとも好都合に整合している。そのような装置は、安全性の向上、製造の改善、およびより清浄な環境をもたらす。
本発明は、ＶＬＳＩ適合性であり、大半のこれまで利用されてきたシステムと比較して多数の優れた化学検出性能特性を有する、多数の化学および生物検出技術を利用する。検出材料は、ナノ粒子コンポジットセンサ、たとえばポリマーコンポジットセンサ、ナノチューブをベースとするセンサ、およびゾル−ゲルベース生物センサ（バイオゲル）を含む。加えて、本来導電性のセンサも使用される。本発明は、この複合コンポジット材料のナノリットルサイズの液滴を蒸着させるための製造技法も提供する。本発明は、ナノサイズ型の安定分散物である検出材料の多数の溶液または懸濁物も提供する。
本発明は、広範囲の用途で利用可能であり、したがって量を増加させて、きわめて低コストの検出をもたらす、幅広く有用な化学および／または生物センサを提供する。化学および生物検出は一般に、非常に高性能の器械を使用する実験室に、または携帯型装置を使用する点測定に委ねられる。（実験室環境に配置できるpHメータまたはガスクロマトグラフのような）幅広い用途へ容易に展開できる、広範囲に渡る低コストの検出技術は存在しない。潜在的用途はそれぞれ量が限定されているため、はるかに広範に採用されている一酸化炭素センサを除いて、きわめて低コストの装置は存在しない。
この低コストの解決策の用途は非常に多く、これに限定されるわけではないが、防火、漏出検出、フィルタ床鉗子および医用診断を含む。これらの用途はそれぞれ、広範囲の潜在的な標的化合物を特徴としている。２、３の例を以下に示すが、全体の経済的影響は、列挙したものをはるかに超えている。
本発明による検出器装置は好ましくは、ポリマーコンポジットセンサのアレイ（すなわち少なくとも２個の）を含む。ポリマーコンポジットセンサ（PCS）は通例、導電媒体、ポリマー相、および２個の電極を含む。電圧を電極に印加すると、主に導電媒体より成る通路を介して電子がセンサを移動して、センサ抵抗が測定される。センサ抵抗は、センサの状態の最も簡単な測定値の１つであり、センサに吸収された分子の数に関連している−センサ抵抗の変化は、吸収された分子の量の変化に比例する。ある態様において、ＰＣＳセンサ、またはセンサアレイ内の他のセンサは、化学および／または生物検体検出を最適化するために、本明細書で述べるように改良される。たとえば１つの態様において、特異的生物検出用途で、特異的レセプタを導電性粒子の表面にグラフト、またはそうでなければ結合させる。別の例として、１つの態様において、従来の電極を微細加工垂直カーボンナノチューブ電極と置き換える。ナノスケールサイズが、小さい時間定数および低い抵抗降下を生じさせ、それによって検出器感度を向上させる。
ＰＣＳセンサにおいて、センサと接触している化学気相に変化がある場合、センサ抵抗の変化などの付随反応がある。気相の変化は、その成分の化学ポテンシャルの変化と、続いてのセンサと気相との間の化学ポテンシャル差を引き起こす。化学ポテンシャルのこの差は、蒸気またはセンサがその成分に対してより大きな化学ポテンシャルを有するかどうかによって、センサ内への、またはセンサからの分子の正味の輸送を引き起こす。センサに吸収された分子の数が変化して、すべての成分の化学ポテンシャルが蒸気およびセンサにおいて同じになるまで正味の輸送が続くため、この分子の正味の輸送は、抵抗の変化を引き起こす。図１Ａは、検体濃度の段階的変化に対する代表的なセンサ反応を示す。センサが空気およびセンサ抵抗に暴露される期間では、刺激も一定であるため、Ｒbaselineは一定である。次にセンサは、基線の間に存在しなかった空気および検体を含有する蒸気（「蒸気オン」）に暴露され、気相の化学ポテンシャルの上昇を引き起こす。検体の分子は気相からセンサ内に移動して、センサに吸収される分子数の増加およびセンサ抵抗、Ｒの上昇を引き起こす。センサがもはや検体に暴露されておらず（「蒸気オフ」）、再度空気のみに暴露されるとき、検体分子がセンサから脱離して、センサ抵抗は基線抵抗まで低下する。センサ反応は：

ΔＲ＝（Ｒ−Ｒbaseline）／Ｒbaseline ［１］

によって計算される。
蒸気がポリマーコンポジットセンサのアレイに与えられると、アレイ内のすべてではないが、大半のセンサが好ましくは異なる反応を生成するため、アレイは図１Ｂに示すようなパターンを生成する。蒸気成分の化学ポテンシャルは、飽和蒸気圧パーセントに比例する（飽和蒸気圧パーセントは、含水量の相対湿度に等しい）。センサ内の蒸気成分の化学ポテンシャルは、吸収された分子の数に比例し、吸収された分子とセンサ材料との平均相互作用エネルギーに反比例する。センサ抵抗の変化は、吸収された分子の量の変化と比例する。平衡時に気相およびセンサにおける各成分の化学ポテンシャルが等しくなると、センサ反応は、スケーリング引数に従う：

（ΔＲ／Ｒ）j〜εijΔ［Ｐi／Ｐsat,i（Ｔsensor）］i [２]

式中、（ΔＲ／Ｒ）jは、アレイ内のｊ番目のセンサのセンサ反応であり、εijは、蒸気中のｉ番目の成分とアレイ内のｊ番目のセンサとの相互作用エネルギーであり、Ｐiは、蒸気中のｉ番目の成分の部分圧であり、Ｐsat,iは、センサ温度Ｔsensorでの気相中のｉ番目の成分の飽和蒸気圧である。相互作用エネルギーεijは、各検体−センサ対で異なり、アレイ内の各センサの反応は、同じ蒸気で異なるであろう。相互作用エネルギーεijは、所与の検体に対するセンサ感度の尺度であり、ある態様では、各種の検体−センサ対でほぼ２桁の範囲に渡る値を有する。ＰＣＳセンサが好ましいが、本発明によるセンサ装置は、ＰＣＳセンサに加えて、またはＰＣＳセンサの代わりに他のセンサタイプも含むことが理解される。
あらゆる目的でその全体が参照により本明細書にそれぞれ組み入れられている、米国特許第５，５７１，４０１号および第５，７８８，８３３号は、流体中（たとえば液体、ガス）で検体を検出するのに有用な化学センサはもちろんのこと、ポリマーコンポジットセンサシステムおよび装置のために有用なポリマーコンポジット材料も開示している。あらゆる目的でその全体が参照により本明細書に組み入れられている、米国特許第６，５３７，４９８号は、本発明のセンサ装置で有用なコロイド粒子および他の材料を示している。
１つの態様において、本発明は、炭素表面に直接結合された分子またはポリマーによって安定化されたナノメートルサイズのカーボンブラック粒子から作製された、高度技術センサを提供する。これらの表面改質カーボンブラック（Surface-modified carbon black, SMCB）センサ材料は、溶媒中に分散させることができ、ナノメートルスケールの粒子を維持する懸濁物を生じさせて、代表的なカーボンブラック／ポリマー分散物は、ミクロンサイズ体制で凝集する。これらの材料は、本発明の低容量噴射工程に非常に適している。加えて、これらの材料の感度は、表面改質手法を利用しない同様のコンポジットセンサと等しいか、それ以上である。この証明された能力を一連の化学的に異なる検出材料に拡張することは、好都合である。
他の複数の抵抗をベースとする検出技術も、本発明のセンサ蒸着技法と適合する。１つの具体的な検出技術は、真性導電性ポリマーである。真性導電性センサはしばらくの間既知であるが、これらの材料は歴史的に水分の影響を受けやすく、信頼性の低いセンサ性能をもたらしてきた。近年、水分に対してはるかに大きい安定性を示す新しい材料が、表示目的で製造されている。従来、これらの真性導電性材料は、塩素−、アンモニア−、および硫黄−含有ガスを含むある高蒸気圧化合物に対して高い感度を有する。
本発明での使用に適した材料の別のクラスは、カーボンナノチューブである。これらの材料の化学検出能力は、近年報告されている（Kong, et al., Science, 287(5453):622(2000)）。これらの報告では、これらの材料を手動操作して、平行電極の間に置く。さらに、単一のナノチューブの製造変動性は非常に高い。多数のナノチューブで挙動を平均することによって、単一のチューブの変動性を低減または除去できる。このことは、以前に示されたよりも信頼性が高く経済的な製造パスをもたらすであろう。ある態様において、本発明は、完全に蒸発する溶媒からナノチューブを直接蒸着させる方法を提供する。この手法は、１個または複数のナノチューブを単一のセンサ内で使用することに焦点を合せる。
１つの態様で使用される材料の別のセットは、カーボンブラック以外の表面改質コロイド状金属粒子センサである。これらは、上述の表面改質カーボンブラックと似た表面改質金ナノ粒子を化学センサとして含む。バイオポリマーベースのセンサとしての、これらの材料の使用が説明されている（Frey et al., Langmuir, 17(8):2408(2001) Ostuni et al., Langmuir, 17(9):2828(2001); Engelkamp, Science, 284(5415):785(1999)）。金属表面上に単層を形成する表面改質剤としてアルカンチオールがよく使用されるため、これらの材料は、自己組織化単層（self-assembling monolayer, SAM）センサと呼ばれることが多い。本発明では、伝統的なポリマー改質金ナノ粒子とバイオポリマー改質金ナノ粒子の両方が抵抗ベースの化学および生物センサとして使用できる。抵抗読取りは、現在、これらの装置を実験室での使用に限定している、光源、表面、および検出器の配列を必要とする光学検出と比較して、エラーにより強い測定値を提供する。第２の利点は、これらの材料が本発明の検出および蒸着方法と適合することである。これらの材料は、有効なセンサとして示されてきた。これらのセンサの製造は一般に、カーボンブラックベースのシステムの製造と同様である。
上述の表面改質バイオポリマーセンサに加えて、本発明で有用な第２の新たなバイオ検出技術がある。ＨＲＬ（以前はＨｕｇｈｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）で開発された該技術は、ゾル−ゲルカプセル化酵素ベースセンサを包含する。これらのバイオセンサは、ゾル−ゲルマトリクス（バイオゲル）内にカプセル化されたバイオインジケータ分子（たとえば酵素）と結合された導電性ポリマートランスデューサに基づいている。これらのセンサ素子は、水中および空気（エアゾールを含む）中の検体を検出し、土壌中の検体も同様に検出する。検出は、導電性ポリマーの抵抗の変化を監視することによって実施される。消費電力がきわめて低いため（およそマイクロワット）、バッテリ寿命が長い。このセンサ手法は、１０００生物レベルでのエアゾールから胞子形成細菌を検出するために利用されている。このバイオセンサの主な利点は、消耗品なしで動作可能であり、空気中で直接検出できることである。
ある好ましい態様において、複数の、たとえば３２個のセンサのアレイは、本発明の装置に実装されるが、アレイは、特定の用途に望ましい、より少ないセンサまたはなお多いセンサから構成できる。ある特定の用途では、センサが適切に選択されるならば、通例、４個または５個のみのセンサのアレイで十分である。好ましい態様において、センサのアレイは、１個のＰＣＳセンサまたは複数のＰＣＳセンサを含む。またアレイは、他のセンサタイプを含まないか、あるいは１またはそれ以上の他のセンサタイプを含む。
あらゆる目的でその全体が参照により本明細書に組み入れられている米国特許第6,085,576号は、広範囲の用途に使用するための携帯型装置に包含された比較的多数のセンサを含む、携帯型センサシステムの例の態様について議論している。そのようなセンサの１つ、Ｃｙｒａｎｏｓｅ（商標）３２０（Ｃ３２０）は、１つの態様において：（１）所与の蒸気に対して符号パターンを返す、ポリマーコンポジットセンサ（PCS）アレイ、（２）その蒸気をセンサアレイに与える空気圧システム、および（３）アレイパターンに基づいて蒸気を同定するための、パターン認識アルゴリズムの実施を含む、ＣＯＴＳ携帯型蒸気同定システムである。Ｃ３２０は、ＴＩＣ（たとえばヒドラジン、アンモニア、ホルムアルデヒド、エチレンオキシド、殺虫剤）はもちろんのこと、ＣＷＡ（たとえばＧＡ，ＧＢ，ＨＮ−３，ＶＸ）の点検出器として、うまく試験が行われてきた。
図３ａは、本発明の実施形態による可搬型検出器装置１０を示す。ハウジング構造は小さいことが好ましい。装置１０は、１またはそれ以上のセンサ、好ましくは本明細書で述べた１またはそれ以上のポリマーコンポジットセンサ（PCS）のアレイ１５を含む。デジタル信号プロセッサ（Digital signal processing, DSP）ユニット２０は、センサアレイ１５からの信号を受信および処理して、データをメモリ４０に格納する。センサアレイ１５への蒸気の供給を補助するために、空気圧ポンプシステム３５が場合により供給される。ある態様において、アラーム条件が判定されているときに、たとえばプログラム可能なまたはプリセット閾条件または値を超えたときに、アクティブアラームを提供するためにアラームモジュール２５が含まれている。アラーム２５は、ＬＥＤなどのライト、振動モジュールおよびたとえばスピーカーを含む音声放出モジュールを含むことができる。外部情報とインタフェースするための１またはそれ以上の通信モジュール３０、たとえば中央アラームシステムが装備される。１つの態様において、通信モジュール３０は、インタフェース装置、たとえばＲＦ信号をコマンドシステムまたはリレーノードなどの外部装置に送信するためのＲＦトランスミッタ（またはトランシーバ）を含む。通信モジュール３０は、コマンドおよびデータを受信するための受信装置、たとえばＲＦアンテナ（またはトランシーバ）も含むことができる。他の有用なインタフェースタイプは、ＩＲトランスミッタ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＲＳ−２３２、ＵＳＢおよびＦｉｒｅｗｉｒｅインタフェース、ならびに外部情報装置およびシステム、たとえばコンピュータシステムとインタフェースするための他の無線および物理コネクタインタフェース（および関連プロトコル）を含む。あらゆる目的でその全体が参照により本明細書に組み入れられている、米国特許第６，４２２，０６１号は、たとえば分散ネットワークと無線でインタフェースするように設定された携帯型センサシステムを開示している。
装置１０のすべての部品は好ましくは、１またはそれ以上のバスを介して接続されるが、それらは特定の用途に適するように個別に直接接続することができる。装用型バッジ装置の実施形態では、特定の用途で便利または必要であるように、ポケット、シャツ襟、ベルト、首の周りなどに取付けるための取付け器具４５、たとえばクリップ、ストラップ、またはピンが提供される。バッテリおよびバッテリ状態モニタ（たとえばＬＥＤライト）も好ましくは含まれる（しかし図示せず）。
図３ｂは、本発明の別の実施形態による可搬型検出器装置１００を示す。好ましい態様において、装置１００は可搬型装用型であり、低い電力要件を有し、自己校正式である。図示するように、装置１００は、センサアレイ（図示せず）から信号を受信して、信号をプロセッサモジュール１２０（たとえばDSP）に供給するように設定された、センサインタフェース回路モジュール１１５を含む。プロセッサモジュール１２０は、受信信号を本明細書に述べるように処理して、各種の環境イベントおよび条件を検出および同定する。プロセッサモジュール１２０は、メモリ１４０を使用して、イベントの検出および同定に関連する各種のデータ、パラメータおよびアルゴリズムを格納する。ＲＦトランシーバモジュール１６０は、外部情報源、たとえばリモートコンピュータシステム、センサの分散ネットワーク内の基地局またはノード、リモートアラームシステムなどへ情報を送信して、そこから情報を受信するように設定されている。アラームモジュール１２５は、視覚インジケータ、たとえばＬＥＤ、可聴インジケータ、たとえばブザーまたはスピーカーおよび振動インジケータの１またはそれ以上を含む。プロセッサ１２０は、アラームイベントの検出および／または同定への反応時にアラームモジュール１２５を作動させる。イベント検出および同定処理に関連する情報をユーザに参照させるために、オプションディスプレイ１３５が供給される。外部情報への通信パスを提供するために、直接接続された（たとえばＵＳＢ、Ｆｉｒｅｗｉｒｅ、ＲＳ−２３２）またはリモート接続された（たとえばワイヤレス）通信モジュール１３０が含まれる。モジュール１６０および１３０の一方または両方が検出器装置１００に実装できることが認識されるであろう。
装置１０の各種の動作モードを制御するために、電源回路モジュール１５５が装備される。以下でさらに詳細に述べるように、たとえば電源制御回路はある態様において、装置１００をスリープモード、または低消費電力モードにするように、そして装置１００を起動させて、フル消費電力モードにするように設定される。バッテリ１４５は電源として供給される。バッテリ１４５は、従来のバッテリ、太陽電池または他の電源を含む。バッテリ１４５の代わりに、またはバッテリ１４５に加えて、一部の実施形態では、以下でさらに詳細に述べるように、装置１００にリモートで電源供給を行うために、ＲＦ Ｔａｇモジュール１５０が供給される。装用型装置の実施形態には、取付け器具（図示せず）も含まれる。
装置１０および１００は、ある態様において、ハウジング構造、たとえばカード形状またはバッジ形状プラスチック構造、あるいは使用時に運搬、装用性、ユーザへの取付けなどを可能にする他の小型構造内に、またはその上に好ましくは実装される。本発明のセンサ装置のさらなる態様、たとえば可搬型および装用型、低消費電力、自己校正、およびイベント検出および同定を含むセンサ装置１０および１００について、ポリマーコンポジットセンサ（PCS）素子を含む装備に特に注意して、ここで説明する。しかしながら、ＰＣＳ素子以外のセンサ素子が、さらにまたは代わりに使用されることが理解されるであろう。
センサインタフェース
ポリマーコンポジットセンサアレイを参照すると、負荷とは無関係に低いレベルの直流電流を送達するための定電流源が装備されている。研究は、１００μＡ未満のバイアス電流で、センサノイズの著しい低下を示している。センサは、わずか５〜１０μＡで動作することが示されている。また定電流は、高度の線形性のために、センサ反応を検出するためのより正確な手段を提供する。
低消費電力
代表的なポリマーコンポジットセンサ素子は、約２キロオーム〜約１００キロオーム、公称約１０キロオームのベース抵抗を示す。ピーク消費電力（センサ素子当たり）は、（１０μA定電流駆動スキームを使用して）以下のように容易に計算できる：
Ｐｐｋ＝（１０Ｅ−６）*（１０Ｅ−６，）*（１０Ｅ３）＝１０ｎＷ
センサを絶えず作動させる必要がない場合には、さらにこの数を減少させることができる。
それは平均電力である：
Ｐａｖｇ＝Ｐｐｋ*ＤＦ
式中、ＤＦは、変換時間／反応時間のパーセンテージを示す負荷時間率である。変換時間は、センサ反応を取り込んで、情報を処理するのにかかる全時間を表す。変換時間は通例、おおよそミリ秒である。
１つの態様において、本発明の装置の動作は好都合に約１ミリワット未満の電力を必要とし、ＰＣＳセンサのみを含む、ある装置の実施形態では、なお少ない。１ミリワットで動作する装置の代表的な寿命は、おおよそ約数週間から数年またはそれ以上である。さらに、電源管理能力が電力要件を低下させるのはもちろんのこと、電源の寿命を延長させる。
装用型バッジ装置の１つの目的は、最適な電源管理である。本発明の電源管理の１つの実施形態を図２２に示す。１つの態様において、装置を必要な反応時間に応じて、かなりの時間量、たとえば時間の７０％、または８０％または９０％超に渡ってスリープまたは超低消費電力モード２００に入れる。プロセッサは、たとえば電源回路１５５からの起動信号に反応して定期的に起動し２１０、センサアレイを走査２２０して、イベントが発生した、または発生している２３０かどうかを判定する。発生していない場合、プロセッサはスリープ２００に戻る。イベントが検出された場合、プロセッサはパターン認識技法２４０を実施して、イベントを同定する。イベントがいったん同定されると、たとえば表示されるか、出力信号が作動されるか、可聴アラームが作動されるかなどによって、あるいは上のすべてによって、通知２５０される。追加のコア平均処理電力は、おおよそμＡである。
電源
装置には、オンボードバッテリまたは太陽電池１４５を含む各種の手段によって電源供給できる。コイン型バッテリ、たとえば標準３Ｖバッテリは特に有用であり、５〜１０年またはそれ以上持ちこたえる。装置は、ＲＦまたはＩＲタグ素子またはモジュール１５０を用いても設定でき、それによって最適な放射または電磁エネルギー（活性化エネルギー信号）が装置に遠隔送達される。ＲＦまたはＩＲタグの実施形態において、装置は、活性化エネルギー信号から十分なエネルギーを瞬間的に格納して、情報を処理して、この情報を再度電源に中継する。有用なＲＦおよびＩＲタグ回路の態様は、その内容が参照により本明細書に組み入れられている、「Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐａｓｓｉｖｅ Ｓｅｎｓｏｒ」という名称の、２００３年６月１０日に提出された米国特許出願第６０／４７７，６２４号（出願人側整理番号０１８５６４−００７５００ＵＳ）に見出される。
自己校正
ある態様において、システムは、物理チャネルすべてを定期的に監視して、センサ入力が電気動作範囲内であるかどうかを判定するように設定されている。そうでない場合、システムはそれに従って各センサに自動的にバイアスをかけて、その基線読取り値を調整する。
イベント検出
イベント検出は、全体の消費電力をさらに低減するために実施される。１つの態様において、イベントが最初に検出され、次にパターン認識方法を使用してイベントを同定する。１つの態様では、イベント検出は閾値ベースである。たとえば１つの態様において、イベントがいったん検出されると、オンボードプロセッサが起動（中断）され、１またはそれ以上のパターン認識工程が実行されてイベントを同定する。
図２３は、１つの実施形態による検出工程３００および代表的な反応曲線を示す一般的なブロック図である。工程３００の態様の以下の説明において、工程パラメータ、たとえば遅延時間、平均反応および閾値は、実験結果に基づいて選択されており、単に例示的であり、決して限定するものではない。
データは、各センサから最初に収集３１０され、たとえばセンサ反応信号が収集される。各センサ反応信号は、ＰＣＳセンサの場合の抵抗測定値を表す。抵抗は、センサが暴露されるイベントの種類によって変化する。各センサ素子は好ましくは、異なる方法で反応する。１つの態様において、工程３００は、移動ベース抵抗を可能にする；反応は、過去の移動ベース抵抗に対する最新の測定値からの変化パーセントである。１つの態様において、循環バッファされた後向き移動平均工程がコード化され、オンボードプロセッサに実装される。バッファされたデータは時間パラメータを表し、各チャネルの基線抵抗、たとえばアレイ内のセンサ数を格納する。
すべてのセンサの基線抵抗が計算される３１５。周囲条件、たとえば湿度および温度のゆっくりとした変化、およびセンサドリフトを明らかにするために、最新の履歴に基づいて基線抵抗Ｒ0を絶えず更新される。調整可能である少なくとも２個のパラメータ−−−遅延時間および平均時間がある。１回の解析のデータは短期間で取り込まれたため、遅延時間（またはバッファ）は２００点（〜２分）に設定され、遅延時間は５点に設定された。
すべてのセンサの反応が計算される３２０。１つの態様において、反応ΔＲ／Ｒ0は、すべてのセンサについて抵抗の部分変化として計算され、

ΔＲ／Ｒ0＝Ｒ（ｔ）−Ｒ0／Ｒ0

式中、Ｒ（ｔ）は、現在の時間の時間平均抵抗であり、Ｒ0は、２分前に収集された基線抵抗である。個々のセンサの反応は、イベントを同定するための、たとえば妨害が迷惑行為または火災であるかを判定するためのパターン認識に使用される。
センサ平均反応が計算される３３０。１つの態様において、妨害の存在または非存在のエラーに強い測定値を提供するために、センサ平均反応（ΔＲ／Ｒ0）avgが計算される。
センサ平均反応は、閾値３４０と比較される。１つの態様において、たとえば、｜（ΔＲ／Ｒ0）avg｜＞０．００１（または他の閾値、たとえば０．０１）ならば、センサ平均反応の規模があまりに大きく、イベントが検出されたこと、たとえば通常動作による妨害が検出されたことを示す。閾値はプリセットされ、調整できる。センサ反応が環境状態の変化によって、あるいは環境条件、たとえば火災の存在下で増加または減少するため、妨害の規模を評価することが必要である。妨害が検出されない場合、通常動作が継続される。
パターン認識
イベントが検出されると３５０、プロセッサがスリープから起動する（たとえば図２２を参照）。すべてのチャネルからの反応がメモリ、たとえばRAMに一時的に格納されて、既知の化学パターンと比較される。用途に応じて、単純から非常に複雑なパターン認識技法が実施される。そのような技法は、Ｋ近傍法（K-nearest neighbor, KNN）、正準判別分析（Canonical Discriminate Analysis, CDA）、Soft Independent Modeling of Class Analogy（SIMCA）、確率的ニューラルネットワーク（probabilistic neural network, PNN）、人工ニューラルネットワーク（artificial neural network, ANN）、サポートベクターマシン（SVM）、フィッシャー線形判別法（Fisher Linear Discriminate, FLD）およびその他を含む。
装用型バッジ実施形態において、検出器バッジは利用者によって装用され、たとえば襟またはシャツまたはズボンのポケットに一体化クリップまたはピンを用いて取付けられるか、あるいは首の周りに装用され、電源を投入したときに装用者に正常検出器ステータス（たとえば緑色ＬＥＤ、アラームなし）およびバッテリステータス（たとえば緑色／赤色ＬＥＤ）を通知する。ステータス点検の後、検出器バッジは環境を連続的に監視して、検出した危険イベントをたとえば可聴、視覚（たとえば赤色ＬＥＤ）および／または振動アラームを介して通知する。検出器バッジは、データを記録して、情報、たとえばバッジＩＤ、ステータス情報およびアラーム状態情報を中央監視ステーションに無線送信するモジュールも含む。定期的にまたは使用前に適正な動作を検証するための、提供された規格を使用する検出器標準化およびバッテリ交換または充電は通例、必要とされるユーザ保守作業である。
空気圧システム３５のない無線可搬型検出器は、サイズ、コスト、電力要件および堅牢性へ厳しい要件を有する用途へ使用することができる。そのようなスケールダウン検出器は、ＴＩＣ、ＢＷＡおよびＣＷＡのバッジ検出器として有用である。さらに通信モジュール３０は、パーソナルアラームが唯一の必要なフィードバックであるバッジ装置では除去することができる。
ある態様において、モジュラー検出器装置が提供される。たとえば検出器装置またはセンサモジュールは、通信モジュールに接続できる。たとえば１つの態様において、バッジ装置は、検出器装置を分散ネットワークに包含させる、薄型の通信プラットフォームへプラグ接続されるように設定される。プラットフォームは、無線または有線ネットワーク接続を含むことができる。センサモジュールは、追加のいずれのモジュール、たとえば空気圧、通信、校正、電力充電および他のモジュールとも接続できる。別の例として、検出器装置は、たとえば以下でさらに詳細に述べるように装置をレスピレータカートリッジに挿入することによって、残存寿命インジケータとして使用できる。
イベント検出および分析
好ましい態様において、検出器装置に組込まれたデジタル信号処理（DSP）ユニット２０は、センサ反応を実用的な応答に変換する。用途の要件に応じて、少なくとも３つの異なる技法のクラスが使用される。これらのクラスを複雑度が上昇する順番に示す：
・単純検出：アレイ全体の反応に対する閾値が個々のセンサに、または全体的に使用される。閾値論理が満足されると、アラーム状態が検出される。たとえば、アレイ内のセンサ４個のいずれかが閾値を超えるとアラームが作動し、たとえばアラーム２５が作動される。
・パターン認識：アレイからの反応パターンが、トレーニングセットまたはライブラリに格納されたパターンと比較される。一致が見つかると、蒸気の識別情報が返される。有用なパターン認識技法は、ＫＮＮ、ＣＤＡ、ＳＩＭＣＡ、ＰＮＮ、ＡＮＮ、ＳＶＭ、ＦＬＤおよび他を含む。
・定量化：ある態様ではアレイからの反応パターンを使用して、気相中の検体の濃度を計算する。
ある態様において、これらの技法は個別に、または混合・組合せて使用できる。たとえば、単純検出はイベントが発生していることを検出するために使用でき、パターン認識は、イベントの性質および原因を同定するためにイベント検出後に使用できる。そのようなＤＳＰ方法は、受動センサアレイで、たとえばＵＬおよびＢＳＩ実験室試験での火災検出器でうまく使用されてきた。
化学イベントでは、ＩＤＬＨレベルがＴＩＣおよびＣＷＡを一貫して検出するための要件として確認されているため、検出器装置の最低検出可能レベルが重要である。ある態様において、単一のセンサの最低検出可能レベル（minimum detectable level,MDL）は、その検出限界によって測定される。検出限界は、検体特異性センサの性能を説明するために有用な概念であり、通例、閾値と等しい信号対雑音比（たとえば３）を持つセンサ反応を生じる濃度として定義される。検出限界は、他の２、３の化学物質が同じ反応レベルを生じうるので、検体特異性センサに適している。検出限界が検体汎用アレイ内の単一のセンサに利用される場合、センサが特異性を持たないため、いずれの化学物質も反応を引き起こすことができる。識別限界および同定限界は、検体汎用センサアレイの性能を説明するときに、さらに有用な概念である。識別限界は、キャリアガス中の検体をキャリアガス単独から識別するためにパターン認識方法が使用できる検体濃度として定義される。同定限界は、検体の存在を一貫して同定するためにパターン認識方法が使用できる検体濃度として定義される。ある態様において、同定限界は好ましくは、ＭＤＬ性能の測定値として使用される。
式（２）は個々のポリマーコンポジットセンサに有効であるため、この式を化学種の実験データと共に使用して、他のいずれの化学物質についてもセンサアレイのＭＤＬを見積もることができる。図２は、ＣＷＡおよびＴＩＣの濃度対蒸気圧のプロットでのＩＤＬＨ濃度を示す。図２では、センサアレイは、「Ｃ３２０でのセンサの最低検出レベル（見積り）」と示された領域より上の記号を持ついずれの検体も同定する高い確率を有する。この領域は、最低検出可能レベルの領域（region for minimum detectable level, RMDL）と呼ばれるであろう。センサアレイは、ＲＭＤＬの内側またはＲＭＤＬより下の記号をそれぞれ持つ検体を同定する、中程度の、または低い確率を有する。ＲＭＤＬからさらに下になると、蒸気を同定する確率は低下する。
領域は好ましくは、以下の理由で単一の線ではなく、MDLに使用される：
・環境条件の可変性：より可変性の環境を有する用途は、最低検出可能レベルのより高い値を有する傾向にある。該用途は、ラインＡに近い最低検出可能限界を有する傾向にある。
・サンプル可変性：著しい可変性を備えた検体を有する用途も、最低検出可能レベルのより高い値を有する。これらの用途は通例、天然製品を含み、ラインＡにより近い最低検出可能限界を有する傾向にある。
・用途特異性センサアレイ：特異性用途が同定されるとき、特異性センサを使用して（またはセンサ反応をソフトウェアで除去できる）重要でない情報を除去することが可能であり、センサ性能が向上する。用途特異性センサアレイは、ラインＢに近い最低検出可能レベルのより低い値を有する傾向にある。
バッジ検出器装置では、ＭＤＬは一般に図２のラインＢに近い。可変性の２つの効果はほぼ等しく、反対の効果を有する。バッジ検出器は現地使用装置であるため、環境可変性はＭＤＬを上昇させる傾向にあるが、化学物質は明確に定義されているためサンプル可変性は小さく、ＭＤＬの低下を引き起こす。用途がＣＷＡおよび一部のＴＩＣに焦点を合せる傾向にあるため、ＭＤＬは、用途に最も適切なセンサアレイを使用することによって改善できる。
Ｃ３２０の試験は、図２の見積り値をさらに確認する。独立した研究所（Midwest Research InstituteおよびBattelle Memorial Institute）によるＣＷＡの対照試験の間、Ｃ３２０内のセンサアレイは、Ｔａｂｕｎ（ＧＡ）、Ｓａｍ（ＧＢ）、Ｓｏｍａｎ（ＧＤ）、ＶＸ、硫黄マスタード（ＨＤ）および窒素マスタード（ＨＮ３）を９ｐｐｂｖ閾限界にて、または９ｐｐｂｖ閾限界以下で検出した。Ｕ．Ｓ． Ａｒｍｙ Ｅｄｇｅｗｏｏｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒによる追加試験は、Ｃ３２０がＧＢ、ＧＤ、ＶＸ、ＨＤ、マラチオンおよびＤＭＭＰを正しく識別することを示した。
本発明による検出器装置は、麻薬、爆発物（たとえばＴＮＴ、Ｃ４、ＲＤＸ、ＡＮＦＯおよびその他）および危険物質を同定および識別することもできる。
本発明の検体汎用化学アラート装置は好都合に、広範囲の化学および生物クラスから発生する生物および化学危険イベントを検出可能であり、わずか２、３のＴＩＣの規定された短いリストに限定されない。ある態様において、干渉および交差反応の影響は、上述したようにイベント検出、識別および干渉拒絶技法を使用して、センサ材料と検出器の動作設計（アルゴリズムおよびハードウェア）の組合せによって最小限される。１）イベント検出：温度、湿度、または化学的背景による環境の変化（偽陽性）は、数分から数時間に渡って徐々に発生し、危険イベントとして認識されない。第２に、ポリマーコンポジットセンサ（PCS）は線量計でない；数時間／数日に渡る累積低レベル暴露は、アラームを作動させないであろう（比色インジケータとは異なる）。第３に、ポリマーコンポジット（PCS）センサは安定であり、他のセンサ（たとえば導電性ポリマー）より水分に対して反応性が低い。ＰＣＳセンサとイベント検出との組合せは、偽陽性リスクを最小限にするのに役立つ。２）識別：リアルタイムパターン認識技法は好ましくは、化学物質クラスを同定するために使用される。未認識化学物質はクラスアラーム（偽陰性）を示さないが、２段階手法は、化学イベント検出の利用と、続いての識別によって、偽陰性のリスクを最小限に抑える。この場合、新たな未知の脅威である化学物質ですら、閾より上の危険のイベントアラームを示す。３）干渉拒絶：加えて、リアルタイムパターン認識は好ましくは、そうでなければ化学イベントとして、たとえば波しぶき、流出および洗浄操作による水分含有量の突然の増加を示す、既知の干渉をスクリーニングおよび拒絶するために使用される。
装用型バッジ検出器実施形態では、ポリマーコンポジットセンサアレイは、好ましくは１）各種の環境で堅牢および安定である；２）小型、軽量および装用型；３）安価に生産される；および4）低消費電力システムであるため、特に好都合である。そのような利点に関するさらなる詳細事項は以下の通りである：
・堅牢および安定：ポリマーコンポジットセンサは水分の存在下で安定であり、センサアレイを広範囲の湿度（０〜９９％、結露なし）に渡って動作させる。ＰＣＳセンサアレイは、連続約５，０００時間に渡って水溶液中で試験され、センサ安定性に影響はなかった。アレイは広範囲の温度でも動作する。−１５℃〜４０℃の温度範囲に渡って、センサへの影響なしに完了した。最後にアレイは、長い保管寿命を有する。センサアレイは実験室の管理されていない環境に最高３年間保管されており、アレイは使用前に特別の前処理を必要としなかった。
・小型、軽量および装用型：寸法ほぼ１．２５”ｘ１．２５”ｘ ０．２５”、質量２、３オンスを用いて実装できる。ある実施形態の好ましい態様において、チップ、それゆえ装置は、約４平方インチ（たとえば２”ｘ２”）未満の、さらに好ましくは約１平方インチ（たとえば（１”ｘ１”）未満の専有面積を有する。チップは、プロセッサ、バッテリ、およびセンサを含む。必要ならば、さらなる小型化が実現できる。
・安価：ポリマーコンポジットセンサアレイは、センサが少量のカーボンブラックおよびＣＯＴＳポリマーより成るため、安価である。センサ材料の直接コストは非常に安く、たとえば注目に値すべきことには０．０１ドル未満である。
・低消費電力：ポリマーコンポジットセンサは、通常動作中にμＷの電力のみ必要とする。チップは、代表的なバッテリを使用して少なくとも６ヶ月間またはそれ以上動作可能である。
１つの実施形態において、可変湿度環境で動作する４チャネル検出器が、未知の組成の一過性化学イベント（悪臭）を検出して、プログラム可能な閾値を超えたときにＲＦリンクを介してアラーム／反応を作動させる。１つの態様において、センサからデータは送信されず、アラーム状態のみである。そのような装置での一過性のイベントの代表的な反応曲線を図４に示し、そのような装置の例を図５に示す；裏側は、バッテリおよびアンテナを含有する。好ましいバッジ実施形態において、空気圧システムはなく、検出器は連続的に環境に暴露される。
火災の検出および防止
ある態様において、本発明による装置は、火災の検出および防止活動で特に有用である。そのような実施形態において、本発明の装置は好ましくは、ＰＣＳアレイおよび１またはそれ以上の追加のセンサモジュール、たとえば光検出器、イオン化検出器および熱検出器を含む。あらゆる目的で参照により本明細書に組み入れられている、ＰＣＴ国際公報第ＷＯ００／７９２４３号は、火災の検出および防止用途にはもちろんのこと、本明細書で述べられているように他の検出用途にも有用である複数のセンサタイプを含むセンサシステムを開示している。ＰＣＳアレイおよび他の含まれたセンサからの信号は、イベントおよび迷惑行為を検出して、火災源と迷惑行為源を高い信頼度で識別し、偽陽性の発生を低下させるように設定されたアルゴリズムによって、監視および処理される。図６は、本発明の実施形態による検出装置を含む、火災検出システムの例を示す。
多くの最新の化学センサアレイは、火災が長期間に渡って活発であった後に、異なるタイプの火災を識別できる。しかしながらこの使用モデルは、時間が最も重要であるため、火災検出には十分ではない。本発明により、アルゴリズムはイベントを可能な限り早期に検出して、イベントを迷惑行為または火災として直ちに同定する。以下の節で火災および迷惑行為データの例を開示する：

火災および迷惑行為データ
Figure 2007516515
Figure 2007516515
１つの実施形態において、イベントが発生していることを検出するために単純検出を使用して、次にイベントの性質を同定するためにパターン認識を使用する。イベントを検出および同定するための、この２段階アルゴリズム手法は、ポリマーコンポジットセンサアレイにはうまく作用する。第１のアルゴリズムは単に、イベントが発生したことを検出する。すべての火災が検出される必要があり、理想的には迷惑行為は検出されない。しかしイベントが火災または迷惑行為であるかは、第２のアルゴリズムを使用してこれらの２つのイベント群を区別するため、この時点では重要ではない。
検出アルゴリズムには、好ましくはすべての火災が検出され、最小限の数の迷惑行為が検出されるように最適化された複数のパラメータがある。これらのパラメータは：
・平均に使用するセンサのタイプおよび数；
・時間平均に使用する点の数；
・バッファ内の点の数（遅延時間）；
・閾外の連続点の数；
・検出閾の値；
を含む。
３２個のセンサすべてを使用して、バッファ内の点の数がパラメータであるときの、３２ＰＣＳセンサのアレイを使用した代表的な反応を図７に示す。パラメータは、検出時間にほとんど影響を及ぼさなかったが、バッファ点の数は全体の反応の大きさに劇的に影響した。
イベントが検出されると、アルゴリズムの第２の部分がイベントの性質を火災または迷惑行為として同定する。図８は、ソフト・インディペンデント・モデリング・オブ・クラス・アナロジー（Soft Independent Modeling of Class Analogy（SIMCA））を使用するモデルを示す。
さらなる有用なアルゴリズムは、あらゆる目的で参照により本明細書に組み入れられている２００２年３月２９日に出願の米国特許出願第１０／１１２，１５１号（出願人側整理番号０１８５６４−００７６００ＵＳ）に開示されている。
防護吸収ベースフィルタ
ある態様において、本発明の装置は、防護吸収ベースフィルタシステムで有用である。防護吸収ベースフィルタの実際の耐用年数は、吸収性材料の量、吸収剤−吸収種相互作用、ならびに暴露の濃度および期間の関数である。このデータはたいていの場合未知であるため、メーカーの勧告ならびに民間および軍隊仕様は、２、３のマーカー化学物質および試験シナリオに基づいており、フィルタの交換および再生するときに関して大雑把な指針しか与えていない。さらに大半の場合、エンドユーザは、暴露が開始または終了する時点と、環境中にどのような化学物質の生物剤および濃度レベルが存在しているかを知らない。フィルタまたは空気経路に包含された本発明のセンサ装置はユーザへ適時に、フィルタの吸収能力が規定レベルに達したという警告を与えることができる。これは、ユーザに危険エリアから退出させて、媒体を交換または再生させ、これらの人員への潜在的な危険を低減させる。したがって、１つの態様において、本発明は、揮発性有機化学物質（Volatile Organic Chemicals, VOCs）、生物剤および他の危険物質の人員防護空気濾過システムのための低コストで低消費電力、軽量、堅牢、安定性で正確な残存寿命インジケータを提供するために、防護空気濾過システム内のポリマーコンポジットセンサアレイを提供する。そのようなシステムは、たとえばフィルタ突破システム、屋内空気品質用途、客室空気システム、人員防護機器および自動車において有用である。
１つの実施形態において、（ＩＤＬＨにおける）突破イベントレベルの連続センサ検出および続いてのアラーム出力が吸収能力の消費に等しくなるように、それゆえ残存寿命を示すように、複数の小型センサ装置がフィルタ床の各種深さに配置される。最終センサは好ましくは、フィルタカートリッジを過度に消耗させることなく、危険エリアからの多少の退出時間を許容するように適切に配置される。
図１１は、本発明の実施形態による残存寿命インジケータ装置の概略図を示す。図示するように、検出器は、検出器をガス流路内のフィルタ材料に埋め込むことによって、フィルタ床内に連続配置される。入口および適切な段階式検体濃度は、ガスクロマトグラフィーによって半連続的に、センサ出力によって連続的に監視される。上流センサ（１）は、第１のフィルタ床が突破を経験したときに検体の存在に反応するが、これに対してなお防護されている下流センサ（２）および（３）は反応しない。フィルタシステム能力の１／３の消費に類似している（寿命の２／３が残存）。流れが継続するにつれ、第２のフィルタ床が突破を経験すると、下流センサ（２）が反応する；これはフィルタシステム能力の２／３の消費に相当する（寿命の１／３が残存）。最終フィルタ床は、ガス洗浄器としても作用する。フィルタ床中の適切な段階式濃度は好ましくは、ガスクロマトグラフィーはもちろんのこと、ポリマーコンポジットセンサシステムによっても監視される。
図９は、１またはそれ以上のＰＣＳセンサを含む耐用年数終了インジケータ（end-of-service-life indicator, ESLI）（ESLI）モジュールが有用である化学フィルタシステムの例を示す。
図１０は、本発明による無線センサ装置の分散ネットワークを含むシステムを示す。図示したセンサは、空気濾過または検出システム内で、あるいは要望通り配置されたスタンドアロン装置として使用できる。１つの態様において、一群の検出装置を無作為にまたは既知の位置に分散させて、ネットワークを作製できる。そのような各装置は、好ましくは情報信号をベース情報ノード、たとえば中央処理ノード、中央演算装置またはコンピュータおよび処理ノードの分散ネットワークへ伝達するための、トランシーバまたは他の無線通信モジュールを含む。ベース情報ノードは、各種の検出ノードから受信した信号を受信および処理して、そこからの貴重な情報をオペレータに供給するか、または閾条件が満足された場合にアラームを自動的に作動させる。一部の態様において、検出装置は装置の位置を決定するための、ＧＰＳ（全地球測位システム）位置モジュールまたは他の位置決定モジュールを含む。位置決定モジュールは、検出装置が無作為に分散されている、たとえば飛行機または別の方法で無作為に投下されて、地理的に分散されている場合に特に有用であり、精密な（以前に未知の）位置を検出されたイベント、作用物質または環境パラメータと関連付けることが望ましい。たとえば非対称の攻撃の増加するリスクが、現在の解決策に対する優れた偽陽性率と共に、分散生物検出器への必要性を上昇させる。本発明の低コスト、低消費電力、および高感度の化学および生物検出器は、生物兵器（ＢＷＡ）の連続分散監視が可能であり、生物的脅威の改善された監視を好都合に提供するであろう。
１つの態様において、ノード機能の低レベルおよび高レベル制御の両者のための、単一ノードでのセンサデータの集計および解釈のための、製造時点での現場での装置の校正のための、ソフトウェア工程が提供される。別の態様において、パターンマッチング手法は、ライブラリから化合物を検出および同定するために使用される。このライブラリは、装置、またはリモート位置のどちらかに常駐する。この手法は、新たな脅威が重要になると、器械の迅速なアップグレードを可能にする。
中央位置に通報する自律性センサのネットワークは、ネットワークレベルで展開されたソフトウェア工程を通じて、さらに偽アラームを低減させ、アラーム予測を改良する可能性を提供する。したがって１つの態様において、センサデータ融合の工程が提供される。このシステムの１つのモジュールは、別個のデータ（たとえばアラーム、設定）を読取り、２つの異なる数学的手法を利用して異常を同定する、象徴的なデータモデルである。第１の場合では、一連の規則をこのデータに利用して、誘導された状態および異常を生成する。該数学的解析は一般的であるため、ＳＤＭが「知識ベース」コンポーネントとして最も良く説明されるように、所与の用途のために一連のセットを決定する必要がある。たとえばこの部分は、アラームＡが鳴る場合、アラームＢが鳴らなければ、何もしないという規則に基づいて動作すべきである。この規則に基づいたモジュールに加えて、一部の態様では、さらに高度な数学ツールを使用して異常を同定する第２のモジュールが提供される。このモジュールは１つの態様において、隠れマルコフモデル（Hidden Markov Models, HMM）を利用して、第１の状態から第２の状態に移る確率に基づいて異常を同定する。ＨＭＭは各種のアルゴリズム、たとえばビタビアルゴリズム、フォワード−バックワードアルゴリズム、またはＢａｕｍ−Ｗｅｌｓｈアルゴリズムを使用して、これらの確率を定義する。これらの方法はすべて、データ内の隠れたパターンを発見するように設計されている。出力は、多数の異なる別個の状態変数に基づく異常の予測である。
ネットワーク化システムでは、各種のネットワークプロトコル、たとえばポイント・ツー・ポイント、ポイント・ツー・マルチポイント、およびその他が使用できる。装置およびノードは個別にアドレスであり、異なるネットワークは、疑似乱数ホッピングシーケンスを使用する。異なるネットワークからの干渉衝突を防止するために、モジュールは異なる周波数へジャンプするように設定される。
図１２は、本発明の実施形態による検出器モジュールを含む、マスクベースフィルタインタフェースシステムを示す。フィルタインタフェースシステムは、フィルタベース検出器と通信して、ステータス／アラーム出力をフィルタステータスに基づいてユーザに供給する。フィルタインタフェースモジュールは、好ましくはフェースマスクに取付けられ、バッテリ、信号処理回路および／またはソフトウェアならびにフィルタのステータスを示す視覚および可聴アラームを含有するように設定されている。そのような配置は、耐久性電子機器をマスク内に配置して、再使用されるようにして、それによりシステムの運用コスト（フィルタ）を最小限にする。バッテリ電力使用が最小限にされ、それと同時に視覚および可聴キューの両方が提供されて、騒々しい工業環境でのユーザ通知の確実性を向上させる。本発明の検出器装置を使用すると、ユーザの不快さを増すことなく、機能強化された防護システムの使用を阻止することなく、サイズおよび重量が好都合に最小限に抑えられる。
１つの実施形態において、本発明は、生物剤の検出のための自動実験室システムを提供する。１つの態様において、既存ＢｉｏＷａｔｃｈネットワークとインタフェースするための自動接種および培養システムが提供され、関連情報を中央位置へ再伝達する無線インフラストラクチャが提供される。別の態様において、収集したサンプルの接種および培養を自動化して、アレイベースセンサを用いてこれらのサンプルを測定し、微生物の存在および識別情報を高い精度で独自に通知する実験室システムが提供される。
バイオテロ剤の実験室同定は通例、視覚および化学的手段による確認を必要とする。標準手順は、２４〜４８時間に渡る生細胞の培養と、それに続く発現したコロニーの特定の形態的（サイズ、形状）および化学的特徴（グラム＋／−菌株、抗生物質感受性）に関する検査を必要とする。この技法は時間がかかるが、生物剤の陽性確認の「判断基準」である。
増殖微生物が、その増殖生物の特徴を示す代謝産物を生成することは周知である。その培養代謝産物からの微生物のこのような同定は、ガスクロマトグラフィー（GC）および／または質量分析法（MS）を使用して伝統的に実施されてきた。近年、Ｃｙｒａｎｏは、携帯型アレイベースの検出器を使用した細胞増殖の揮発性代謝産物の測定が、Midwest Research Instituteが標準培地（TSA）で実施した試験で、B.anthracis（炭疽菌、BA）の識別にも使用できることを証明した。試験結果は、標準培地を使用したわずか３時間の検出が実現可能であることを示している。他の細菌種（大腸菌、E.coli）および負の対照からの識別も、明確に証明された。図２４ａを参照。新しい培地3ATが迅速な培養およびBAの単離のために、Air Force Research Laboratory（WPAFB, オハイオ州）によって開発された。培地３ＡＴは、ＢＡ増殖速度の５倍の上昇を生じ、わずか５〜６時間で２４ｈｉｓ増殖をもたらした。以前のＣｙｒａｎｏの結果と組合せると、胞子からのＢＡの検出は１時間未満で可能である。なお高速な結果および他の胞子形成細菌および非細菌性微生物を除く、Ｂａｃｉｌｌｕｓ種の特異的増殖を生じるために、培地のさらなる改良が可能である。該技法は、他の微生物にも容易に拡張できる。
生物サンプルは、Ｂｉｏ Ｗａｔｃｈプログラムの一貫としてすでに収集されている。このシステムは、ＣＤＣの研究所反応ネットワーク（Laboratory Response Network,LRN）の研究所で解析されるフィルタの日常手動検索を必要とする。広範囲の生物兵器（BWA）の存在を確認する標準解析は、微生物学である。これらのプロトコルは、公に入手できる。１つの態様において、この微生物学的アッセイは、リアルタイムに近いシステムで基礎を成す検出手段として使用される。ＢｉｏＷａｔｃｈシステムから収集されたサンプルは、ＢＷＡの増殖を迅速に促進し、同時に伝統的な微生物の増殖を抑制するように設計された、高度に最適化された培地で培養される。代謝産物は、接種後に規定間隔で培地上のヘッドスペースから測定する。１つの態様において、接種３０分後に試験が開始し、最長２４時間継続する。このようにして、非常に短い時間枠で生成できる初期反応が、同じサンプルで自動的に確認できる。連続培養は一般に標的細菌のより多くの個体群をもたらすため、いずれの初期アラームも追跡および検証できる。さらに該技法は、標準微生物培養を測定基準として使用するため、疑わしい陽性結果の実験室での確認は、疑わしい微生物の培養または増幅のために追加の時間を必要としないであろう。またサンプルは同じ培地に最長５日間、容易に保存可能であり、該生物はなお生存するであろう。
１つの態様において、現在の最新の培地を使用して、作用物質、たとえばCDCのカテゴリＡおよびＢの作用物質リストからの２０種類の作用物質の、可能な最も早い検出を決定する。各作用物質のために、培地および培養条件を最適化して、代謝産物の化学的性質をＧＣまたはＧＣ／ＭＳによって決定する。分析評価と同時に、ヘッドスペース代謝産物の測定も、ナノコンポジットアレイベースセンサを使用して実施される。次にＧＣ／ＭＳデータを利用して、アレイ上のセンサをさらに最適化し、アレイの最適測定時間を決定する。これらの測定は、時間、培地、初期接種サイズ、および培養条件の関数として実施できる。生きた病原体および刺激物に関する結果を、環境サンプリングから得たサンプルと比較することが可能であり、受信器動作特性（receiver operator characterization,ROC）曲線が作成され、偽陽性および偽陰性率が計算できる。
１つの態様において、自動接種、保管、および測定のための機械式システムが測定される。１つの態様において、測定に必要なヘッドスペースの量は非常に少なく（＜３ｃｃｓ）することが可能であり、システムは、培養ウェルのようなタイタープレート様構造を使用する。このようにして、高スケール実験室試験のために開発された標準採取および配置器具類がシステムの一部として利用され、機械タスクの新たな開発が最小限に抑えられるであろう。各サンプルには好気性および嫌気性培養の両方が必要であるため、システムは、迅速で信頼性の高い細菌培養を行うために必要な培養条件すべてを提供する準備を行う。
１つの態様において、収集されたサンプルを取り、タイタープレートの培地内にそれらを導入して、タイタープレートを培養チャンバに自動的に送達して、微生物培養の性質および識別情報を判定する、統合実験室システムが提供される。生物０〜１０，０００個を含むサンプルが生成され、複数のＢＷＡ、たとえば少なくとも１０個のＢＷＡまたはＢＷＡ刺激物の陽性予測までの時間が決定できる。受信器動作特性（ROC）曲線を生成できる。
センサアレイ
ある態様において、複数のセンサタイプを高密度プラットフォーム、好ましくはシリコンチップ、または周知の通り、他の基材に組込むことができる。好ましい態様において、センサは１個のチップ上に組込まれる。ポリマーコンポジットおよび導電性ポリマーに加えて、有用なセンサ材料は、たとえばナノスケールポリマーコンポジット、カーボンナノチューブコンポジット、ナノゴールドコンポジット、真性導電性ポリマー、真性導電性ポリマーをベースとするゾル−ゲルバイオセンサ（たとえばゾル−ゲルカプセル化酵素ベースセンサ）、バイオポリマー、たとえば自己組織化単層（SAM）材料およびその他を含む。
そのような高密度アレイの利点は、大きく変化するセンサ特性を備えたシステムを構築する能力、および高度の冗長性を含む能力（ヒトシステムの両方の機能）を含む。冗長性の１つの著しい恩恵は、ルートｎノイズリダクションであり、ここでｎは同一センサ素子の数である。たとえば６４個の同一センサの包含は、単一センサのほぼ８倍の信号対雑音比を生成する（図１３を参照）。それゆえ以前に生産されたセンサアレイよりも少なくとも１桁高感度であるセンサアレイが、高度の冗長性の包含によって実現できる。そのような冗長性は、システムの長期安定性および全体的な堅牢性に関してもさらなる恩恵を有する。
１つの具体的な実施形態により、アレイは９００個のセンサ素子（たとえば３０Ｘ３０）を含むが、より少ない（たとえば１個または複数個）、あるいはより多い（たとえば約１０，０００個のセンサ素子（たとえば１００Ｘ１００））またはそれ以上を備えたアレイが実装できることを理解すべきである。１つの態様において、５０μｍセンサ間間隔を持つ５０μｍ2のセンサ素子が使用される。これは、ほぼ３０ｍｍ2である、９００個のセンサ装置用のセンサダイ（１０，０００個のセンサ装置に対して、ほぼ１ｃｍ2）を生じる。アレイを備えた装置は、好ましくは単純な行−列アドレス指定スキームで動作し、データはＡ／Ｄ変換およびさらなる処理のためにチップ外に多重送信されるが、他のアドレス指定スキームも使用できる。アドレス指定の例を図１３に示す。１つの態様において、センサは１度に１つずつ連続的に読取られる。アレイサイズが増大するにつれ、通例、センサ読取り間の待ち時間を最小限に抑えるために、さらなるチップ外帯域幅が必要である。次にセンサは並行して、たとえば１回に行全体を読取ることができる。他にセンサを読み出すためのさらに高度なスキーム、たとえば「アドレスイベント」コード化が使用できる。この方法では、「重要な」センサ（すなわち作動されたセンサ）が最初に、他の作動されていないセンサよりも頻繁に読み出される。
図１５は、１つの実施形態による試験ユニットセンサセルを示す。図示したセルは、好ましくは２ミクロンＣＭＯＳ工程を使用して製造される。センサセルは、スイッチトランジスタおよび復号化論理を含む。１つの態様において、各センサセルのトランジスタは、主としてＩＣ工程内のわずか２枚の金属層によって復号化を実施する。回路Ｍ１〜Ｍ４は、アレイ周囲のシフトレジスタによって生成されたＸおよびＹ選択信号を復号する。選択信号は、抵抗センサ素子を通じて電流（ｕｎ）を切り替えるスイッチ（Ｍ７）を制御する。本設計の１つの態様において、１度に１個のセンサのみが通電されて、消費電力を低減する。ノイズおよびスイッチ抵抗を低下させるために、トランジスタＭ７はセンサエリアの大半を占有している。復号回路は、センサ電圧列出力バスに渡す伝達ゲート（たとえばＭ５、Ｍ６、Ｍ８、Ｍ９）も選択する。この信号は、好ましくは処理のためにチップ外で増幅および伝達されるが、チップ上処理も実施できる。
図１６および１７は、図１５に示すようなセルの代表的なＩ−Ｖ反応、およびオクタノール暴露に対するセルの反応を示す。
１つの実施形態において、センサにおけるゲイン、基線トラッキング、およびレシオメトリック検出を提供するためのアナログ回路が含まれている。レシオメトリック検出は、キーメトリックΔＲ／Ｒ、すなわち基線抵抗で割った化学または生物剤相互作用による抵抗の変化の直接読出しを可能にし、これをマイクロプロセッサ内で計算する必要はない。図１８は、本発明の１つの実施形態による適応バイアス回路２００を示す。回路２００は、基線トラッキング、レシオメトリック出力および交流結合を１個の単純なアナログ回路内に供給する。
アルミニウムを導電性トレースおよびリードに使用できるが、経時的なアルミニウムの酸化のため、無電解金手順を使用してトレースおよびリードを作製することが好ましい。他の導電性材料が使用できる。
１つの態様において、本発明は、たとえばインク噴射手法を使用して、最大数千個の独自のセンサを狭いエリアに効率的に蒸着するための蒸着技法を提供する。したがって以下は、有用で噴射可能な調合物、たとえばインク噴射用の表面改質カーボンブラックセンサ、真性導電性センサ、表面改質ナノ粒子金属センサ、およびナノチューブベースセンサの調合物に焦点を当てている。調合物が存在すると、基材への物理蒸着が実施される。１つの態様において、既知のインクジェットヘッドを使用するインク噴射は、好ましくは蒸着に使用される。ミクロンレベルまでのインクジェットヘッドのｘ、ｙおよびｚ制御を供給する位置決めシステムの使用が好ましい。１つのそのようなシステムは、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（前のＬｉｔｒｅｘ）によって提供される。このシステムは、インクジェットヘッドのカスタマイズと１ミクロン以内での液滴の位置決めを可能にする。このシステムは、バイオゲルで必要であるような構造を構築するために、液滴の積層化も提供する。制御パラメータは、調合物の物理的特徴、たとえば初期抵抗によって決定される蒸着密度での、液滴体積、乾燥速度（基材温度および溶媒組成によって制御されるような）、および固体含有量の関係によって決定される。
ある態様において、多数の表面改質カーボンブラック（SMCB）材料は化学および生物検出のために最適化される。これらの材料は、あらゆる目的で参照により本明細書に組み入れられている、米国特許第６，３３６，９３６号およびＰＣＴ国際公報第ＷＯ０１／５０１１７号に開示された工程を使用して作製できる。この工程は、カーボンブラック粒子表面への分子またはポリマーの直接化学結合を生成する。この工程は、ナノメートルサイズ体制（たとえば１００ｎｍが通例である）で高度に分散性の粒子をもたらし、結合した有機断片に化学的な区別を組み込む。これらの材料は、化学的に同様の２相（ポリマー中に分散されたカーボンブラック）センサと比較して、優れた検出特性を有することが証明されている。１つの態様において、この工程は向上した分散品質を備えた表面改質カーボンナノチューブを作製するために使用される。
１つの態様において、化学的に異なる溶媒に分散される４つのＳＭＣＢ材料が使用される。これらを、図１９に示す表に挙げる。これらの材料は、ナノメートルサイズ体制で安定であることが証明され、優れたインク噴射候補である。他の有用なインクジェット材料および噴射用調合物は、表面改質金ナノ粒子調合物およびナノチューブ調合物を含む。そのような調合物は、好ましくは約０．１〜５％固体の範囲の固体対溶媒比を有するが、調合物、所望のインク噴射品質および分散安定性特徴によって、より大きいまたはより小さい比を使用できる。
真性導電性ポリマーの溶液および分散物も蒸着できる。そのような材料は、好ましくは上述のセンサの検出特徴を補完する。好ましい導電性ポリマーは、ポリアニリンおよびポリチオフェンを含み、その構造を図２０（ａ）および（ｂ）に示す。これらのポリマーのその導電性状態への変換の間に、アニオン（または対イオン）は、ポリアニリンのプロトン化の後に共役酸として、またはポリチオフェンの場合には、酸化剤のアニオンとして形成される。これらの対イオンの構造および化学量論が各種のＶＯＣに対する導電性ポリマーの選択性および感度において重要な役割を果たすことが証明されている。
他のセンサ材料は、酵素ベースバイオゲルセンサを含む。文献報告は、ゾル−ゲル合成方法を包含するカプセル化工程によって、安定な多孔性シリカガラスマトリクスへの酵素および他のタンパク質の固定化の実現可能性を確認している。たとえば、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている米国特許第５，２００，３３４号において、生体分子がその特徴的な反応性および分光特性を維持するような穏やかな条件を使用して、銅−亜鉛スーパーオキシドジスムターゼ、シトクロムｃおよびミオグロビンを固定化できる。ここではバイオゲルと呼ばれるこの新しいタイプの材料の合成での１つの主要な特徴は、ゾル−ゲル工程の順応性のある溶液化学である。この分野の研究は、世界中で迅速に出現して、広範囲の生体分子がゾル−ゲル由来マトリクスの孔内に閉じ込められたときに、その特徴的な反応性および化学機能を維持することが今や十分に確認されている（Avnir et al., Chem. Mater., 6:1605(1994); Dave et al., Anal. Chem., 66:1120A(1994)）。そのようなカプセル化工程を図２１に図式的に示す。
ゾル−ゲルカプセル化工程を多数の他の酵素および他のタンパク質に拡張することに加えて、研究者らは、抗体（J. Livage, et al, J. Sol-Gel Sci. Technol. 7, 45(1996)）、細胞（E.J.A. Pope, et al, J. Sol-Gel Sci.Technol. 8, 635(1997)）、さらに光システム（B. C. Dave, et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 435,565 (1996)）を含めるために生体分子ドーパントのタイプを拡張してきた。重要なのは、生体分子が無機マトリクスに物理的に固定され、共有結合されていないことと、したがってゲル中に生体分子を包含する能力は、合成条件がタンパク質凝集または変性を引き起こさないことのみを必要とすることを強調することである（J. M. Miller, et al., J. Non-Crystalline Solids 202, 279 (1996)）。一般にこれは、ゾルが最小限のアルコール含有量および７付近のｐＨを有するべきであることを意味する。
開始ゾルへの生体分子の包含は、無機ネットワークがドーパント分子周囲に成長する「テンプレート」効果をもたらす。この理由で、より大きい生体分子はマトリクスに固定化され、これに対してより小さい分子およびイオンは多孔性ネットワークを自由に貫流する。それゆえ大きなタンパク質巨大分子がマトリクスに固定化され、これに対して検体が多孔性ネットワークを通じて自由に進入および拡散するように、ゾル−ゲルガラスの微細構造が調整される。化学的修飾を伴わない物理的取り込みは、タンパク質構造および機能を失わず、タンパク質のアンフォールディング（変性）を防止する。ゾル−ゲル固定化の独自の利点は、（１）化学修飾が不要であるため、容易で単純な、より汎用的な方法、（２）これらの材料は生体分子への損傷なしに取り扱いできるため、耐久性および堅牢性の向上、（３）生物活性材料がバルクモノリスとして、または薄膜として作製できるため、センサ設計におけるさらなる順応性、および（４）生体分子が物理的、化学的、および微生物的にガラスマトリクスによって保護されるため、安定性の向上を含み、多孔性シリカガラスへのカプセル化によるこのような安定性の向上は、ゾル−ゲル手法の最も重要な恩恵である。シリカカプセル化サンプルでは熱変性が９５℃まで起こらなかったのに対して、水性緩衝液中では変性は６５℃付近で変性したため、熱安定性も向上した。酵素の安定性の実質的な改善も観察されている。ブチリルコリンエステラーゼを用いた試験では、ゾル−ゲルカプセル化サンプル中で、保存剤の非存在下での４０日後に酵素活性の８０％超が維持された。これに対して、水性緩衝液中では約２０日後に、同じ条件下で酵素活性がほぼ完全に消失した。酵素安定性の顕著な向上はChenら（Q. Chen, et al., J. Am.Chem. Soc. 120, 4582(1998)）によって報告されており、そこではゾル−ゲルシリカマトリクス中、６３℃でのグルコースオキシダーゼの半減期は、水性緩衝液中よりも２００倍長かった。これらの結果は、報告された他の固定化技法に勝る、カプセル化バイオインジケータ分子の安定性の著しい向上が実現可能であり、装置の耐用年限延長をもたらすことを示している。この技法のさらなる利点は、液体栄養分がバイオインジケータ分子と共に同時カプセル化されるので、後者がその生命力を保持可能であるが、最終組成が真に固体デバイスであり、指触乾燥状態であり、カプセル化材料がマトリクスから浸出しないことである。孔径を制御および変更する方法が報告されているので、比較的大きい検体がマトリクスを貫流して、固定化バイオインジケータ分子と相互作用できる。
以前の報告は、物理的に固定化された生体分子を含有するゾル−ゲル材料が、光学検出用途での活性素子またはトランスデューサとして機能できることを示している。たとえばD. Avnir, et al., Chem. Mater.6, 1605 (1994); E.H. Lan, et al., Mat. Res. Soc.Symp. Proc. 330, 289(1994);K. E. Chung, et al., Anal. Chem., 67, 1505(1995);S. A. Yamanaka, et al., Chem. Mater. 4, 495(1992);S. A. Yamanaka, et al.,J Sol-Gel Sci. Technol. 7, 117(1996);およびS.A. Yamanaka, et al., J. Am. Chem. Soc. 117,9095(1995)を参照。１つの態様において、本発明の装置は、導電性ポリマートランスデューサと結合した酵素によってドーピングされたゾル−ゲルガラスをベースとする、化学センサを含む。これらの新規材料は、生体分子機能に固有な分子認識工程を利用して、それゆえ並外れた選択性および感度を提供する、新世代の装置のための化学トランスデューサとして作用する。最近、HRLの研究者は、これらのセンサが化学処理または化学増幅を必要とせずに、エアゾール化された胞子形成細菌に直接反応することを証明した。
用途
上述のセンサ装置用途に加えて、ある態様において、本発明による装置は、これに限定されるわけではないが、
・工業、たとえば公益事業および発電、石油／ガス石油化学、化学／プラスチック、自動換気制御（調理、喫煙など）、重工業製造、環境毒物検査およびレメディエーション、生体臨床医学、化粧品／香料、製薬、運輸、緊急対応および法的処置での用途；
・可燃性ガス、天然ガス、Ｈ2Ｓ、周囲空気、排出規制、空気取り入れ、煤煙、有害漏出、有害流出、逸散排出、有害流出の検出、同定、および／または監視；
・飲料、食品、および農産物の監視および管理、たとえば鮮度検出、果物熟成管理、発酵工程、および風味組成および同定；
・不法物質、爆発物、変圧器故障、冷媒および燻蒸剤、ホルムアルデヒド、ディーゼル／ガソリン／飛行機燃料、病院／医療用麻酔および滅菌ガスの検出および同定；
・遠隔手術、体液分析、薬物発見、感染性疾患検出および呼吸用途、作業者保護、放火調査、個人識別、周辺監視、香料調合；
・溶媒回収有効性、燃料補給操作、出荷コンテナ検査、密閉空間調査、製品品質試験、材料品質管理、製品識別および品質試験；
を含む多種多様の商用または非商用用途での、イベントおよび条件を検出および解析するのに使用できる。
たとえば最近の懸念の１つは、テロ活動の一環としての化学または生物材料の意図的な放出である。意図的放出と過失放出との間で検出属性の多くは同様であるが、いくつかの主要な相違がある。第１に、意図的放出での漏出レベルは非常に大きくなりやすいが、しかしながら漏出の位置が不明でありがちである。第２に、２つのシナリオでの物質のタイプが異なりがちである（意図的放出の場合は、特別に設計された化学または生物剤）。テロリストのシナリオでは、非常に多数の非常に低コストの装置を高露出度の標的エリア（たとえば公共エリア、たとえばスタジアム、地下鉄など）に、比較的高密度で展開する必要がある。本発明によるセンサ装置は、この用途に非常に適しており、自国の保安に多大な恩恵をもたらすであろう。
本発明のセンサ装置およびアレイは、非侵襲的疾患診断において、たとえば呼気または他の体液（たとえば血液および尿）中の化学マーカーの評価によっても有効である。生化学代謝産物を疾患に相関させる代謝学の分野全体が、重要性を増している。１つの用途は、長期（＞４８時間）に渡る人工呼吸を受けている多くの個体にもたらされる疾患である、人工呼吸器関連肺炎（Ventilator Associated Pneumonia, VAP）の診断である。この疾患の死亡率は、一部には不十分な早期診断のために、高い（＞２５％）。低密度（たとえばｎ＝３２）化学センサアレイは、呼気ベース診断と伝統的な診断措置（温度、培養、Ｘ線写真、ＷＢＣ、ＲＢＣの組合せ）との間の高い相関度を示した（図２４を参照）。本発明の高密度アレイは、この診断能力をさらに改良して、他者に提供する。Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ Ｃｌｉｎｉｃ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎによって、喘息、嚢胞性線維症、ARDS（急性呼吸窮迫症候群、acute respiratory distress syndrome）、COPD（慢性閉塞性肺疾患、chronic obstructive pulmonary disease）、および肺癌を含む各種の肺疾患状態に対する臨床試験が実施されている。ＣＯＰＤは、米国で最も一般的な死因の１つであり、他のすべての最も一般的な死因とは異なり、ＣＯＰＤで死亡する個体のパーセンテージは実際には増加している（これに対して、癌および心臓関連死は減少している）。
追加のセンサタイプ
ある態様において、本発明の装置は、ＰＣＳまたは他の化学センサに加えて、またはその代わりに多くの異なるセンサタイプを含むことができる。そのような追加のセンサタイプはたとえば、放射線検出（たとえばガイガー、シンチレーション、および固体）、化学、核、爆発物、生物（たとえばＤＮＡ、オリゴヌクレオチド、抗体−抗原、酵素反応など）、火災検出、および他のセンサタイプを含む。本発明のシステムおよび装置に適切なセンサは、これに限定されるわけではないが、導電性／非導電性領域センサ、ＳＡＷセンサ、石英微量天秤センサ、導電性コンポジットセンサ、ケミレジスタ、金属酸化物ガスセンサ、有機ガスセンサ、ＭＯＳＦＥＴ、圧電装置、赤外センサ、焼結金属酸化物センサ、ＰｄゲートＭＯＳＦＥＴ、金属ＦＥＴ構造、電気化学セル、導電性ポリマーセンサ、触媒ガスセンサ、有機半導体ガスセンサ、固体電解質ガスセンサ、および圧電石英結晶センサの１またはそれ以上を含むこともできる。本発明の装置が上述のセンサおよびセンサタイプの１またはそれ以上の組合せを包含可能であることが、当業者に明らかとなるであろう。
ある実施形態において、追加のセンサは、物理刺激の存在下で第２の反応を生成可能な単一のセンサまたはセンサのアレイを含むことができる。物理検出センサは、物理刺激を検出する。適切な物理刺激は、これに限定されるわけではないが、熱刺激、放射線刺激、機械刺激、圧力、視覚、磁気刺激、および電気刺激を含む。
熱センサは、これに限定されるわけではないが、温度、熱、熱流、エントロピー、熱容量などを含む刺激を検出できる。放射線センサは、これに限定されるわけではないが、ガンマ線、Ｘ線、紫外線、可視、赤外、マイクロ波および電波を含む刺激を検出できる。機械センサは、これに限定されるわけではないが、変位、速度、加速度、力、トルク、圧力、質量、フロー、音響波長、および振幅を含む刺激を検出できる。磁気センサは、これに限定されるわけではないが、磁場、磁束、磁気モーメント、磁化、および透磁率を含む刺激を検出できる。電気センサは、これに限定されるわけではないが、電荷、電流、電圧、抵抗、コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、分極および周波数を含む刺激を検出できる。
ある実施形態において、熱センサは本発明での使用に適している。そのような熱センサは、これに限定されるわけではないが、熱電対、たとえば半導体熱電対、雑音温度測定、サーモスイッチ、サーミスタ、金属サーモレジスタ、半導体サーモレジスタ、サーモダイオード、サーモトランジスタ、熱量計、温度計、インジケータ、および光ファイバーを含む。
他の実施形態において、各種の放射線センサが本発明での使用に適している。そのような放射線センサは、これに限定されるわけではないが、核放射線マイクロセンサ、たとえばシンチレーションカウンタおよび固体検出器、紫外、可視および近赤外放射線マイクロセンサ、たとえば光伝導セル、光ダイオード、光トランジスタ、赤外放射マイクロセンサ、たとえば光伝導ＪＲセンサおよび焦電センサを含む。光学センサは、可視、近赤外および赤外波も検出する。ある他の実施形態において、各種の機械センサが本発明での使用に適しており、これに限定されるわけではないが、変位マイクロセンサ、容量および誘導変位センサ、光学変位センサ、超音波変位センサ、焦電、速度およびフローマイクロセンサ、トランジスタフローマイクロセンサ、加速度マイクロセンサ、圧電抵抗マイクロ加速度計、力、圧力およびひずみマイクロセンサ、ならびに圧電結晶センサを含む。
ある他の実施形態において、各種の化学または生化学センサが本発明での使用に適切であり、これに限定されるわけではないが、金属酸化物ガスセンサ、酸化スズガスセンサ、有機ガスセンサ、化学キャパシタ、化学ダイオード、たとえば無機Ｓｃｈｏｔｔｋｙ装置、金属酸化物電界効果トランジスタ（metal oxide field effect transistor, MOSFET）、圧電装置、ｐＨセンサ用イオン選択性ＦＥＴ、ポリマー湿度センサ、電気化学セルセンサ、ペリスターズ（pellistors）ガスセンサ、圧電または表面音響波センサ、赤外センサ、表面プラスモンセンサ、および光ファイバーセンサを含む。
本発明での使用に適した多様な他のセンサは、これに限定されるわけではないが、焼結金属酸化物センサ、フタロシアニンセンサ、膜、ＰｄゲートＭＯＳＦＥＴ、電気化学セル、導電性ポリマーセンサ、脂質コーティングセンサおよび金属ＦＥＴ構造を含む。ある好ましい実施形態において、センサは、これに限定されるわけではないが、金属酸化物センサ、たとえばＴｕｇｕｃｈｉガスセンサ、触媒ガスセンサ、有機半導体ガスセンサ、固体電解質ガスセンサ、圧電石英結晶センサ、光ファイバープローブ、マイクロ電気機械システム装置、マイクロ光電気化学システム装置およびＬａｎｇｍｕｉｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ膜を含む。
別の実施形態において、本発明は、１９９８年９月２９日にＷａｌｔらに発行され、参照によりその全体が本明細書に組み入れられている、米国特許第５，８１４，５２４号に開示されているようなセンサを使用する検出を含む。そこでは、光センサ、光検出器具ならびに興味のある１またはそれ以上の検体を単独で、または混合物で検出および評価する方法を含む光学検出および同定システムが開示されている。システムは、支持部材と、検出レセプタユニットとして機能し、スペクトル認識パターンを使用して各種の異なる検体を検出できる不均質半選択性ポリマーフィルムより形成されるアレイとを含む。このシステムを使用すると、目視および化学検出を、撮像ファイバー化学センサと組合せることが可能である。
あるセンサネットワーク実施形態において、本発明の装置は、同じまたは異なるタイプの１またはそれ以上のセンサを含むことができる。またノードのネットワーク内の個々のノード、たとえば個々の物理装置位置はそれぞれ、１つまたは複数のセンサタイプを含むことができる。たとえばネットワークは、単一のセンサタイプを含む（無線）装置を装用している人物と、同じまたは異なるタイプの複数のセンサを含む（無線）装置を装用している第２の人物と、同じまたは異なるタイプの１またはそれ以上のセンサを含む固定装置（無線または直接接続）と、ネットワークモニタステーションとを含む。
本発明を一例として、具体的に実施形態に関して説明したが、本発明が開示された実施形態に限定されないことが理解されるはずである。これに対して、当業者に明らかであるように、各種の変更形態および同様の機構を対象とするものである。たとえば、本発明による装置は、適切なセンサ構成および分析アルゴリズムを使用して、疾患を診断するために使用される。したがって添付請求項の範囲は、そのような変更形態および同様の機構すべてを含むように、最も広い解釈を与えるべきである。
検体暴露の間に反応する複合検出器材料の表示、および本発明の態様それぞれにより、データが反応パターンに変化される方法の表示を示す。 検体暴露の間に反応する複合検出器材料の表示、および本発明の態様それぞれにより、データが反応パターンに変化される方法の表示を示す。 各種の作用物質のＩＤＬＨレベルを示す。 本発明の実施形態による可搬型検出装置を示す。 本発明の実施形態による可搬型検出装置を示す。 一過性のイベントに対する代表的な反応曲線を示す。 本発明の実施形態による検出器装置の例を示す。 本発明の実施形態による検出装置を含む火災検出システムの例を示す。 ３２個のセンサを使用する装置の代表的な反応を示す。 Soft Independent Modeling of Class Analogy（SIMCA）を使用するモデルを示す。 １またはそれ以上のＰＣＳセンサを含む耐用年数終了インジケータ（end-of-service-life indicator, ESLI）モジュールが有用である、化学フィルタシステムの例を示す。 本発明の実施形態による、無線センサ装置の分散ネットワークを含むシステムを示す。 本発明の実施形態による、残余寿命インジケータ装置（Residual Life Indicator Fixture）の概略図を示す。 本発明の実施形態による検出器装置モジュールを含む、マスクベースフィルタインタフェースシステムを示す。 複数のセンサの信号対雑音比測定値を示す。 １つの実施形態によるセンサアレイの処理を示す。 １つの実施形態によるセンサセルを示す。 図１５のセルのＩ−Ｖ反応を示す。 図１５のセルのオクタノールに対する反応を示す。 １つの実施形態による適応バイアス回路を示す。 ４つのＳＭＣＢ材料の表を示す。 ポリアニリンおよびポリチオフェンの化学構造をそれぞれ示す。 ポリアニリンおよびポリチオフェンの化学構造をそれぞれ示す。 ゾル−ゲルカプセル化工程を示す。 １つの実施形態による電力管理方法を示す。 １つの実施形態による検出工程および代表的な反応曲線を示す。 従来の診断と呼気ベース診断との相関を示す。 １つの態様による細菌の識別を示す。

Claims (33)

  1. 基材と；
    基材上に配置された２またはそれ以上のセンサのアレイであって、センサのうち少なくとも第１のセンサが生物剤を検知するように設定された検出素子を含むアレイと；
    各センサに直接接続され、出力信号を生成するために２またはそれ以上のセンサから受信した信号を処理するように設定された処理モジュールと；
    を含む、生物剤検出器具。
  2. プロセッサが、環境条件の変化を検出する第１の工程と、環境条件の変化の原因を同定する第２の工程とを実行するように設定されている、請求項１に記載の器具。
  3. 第２の工程がパターン認識アルゴリズムを含む、請求項２に記載の器具。
  4. 出力信号を外部情報装置に供給するように設定されている通信モジュールをさらに含む、請求項１に記載の器具。
  5. 通信モジュールが外部情報装置と通信するために無線インタフェースおよび物理バスインタフェースの一方を含む、請求項４に記載の器具。
  6. 検出器具に電力を供給するための電源モジュールと；
    ピックアップアンテナとをさらに含み、アンテナによって受信された外部RF場によって電力が供給される、請求項４に記載の器具。
  7. 値を有する出力信号に反応して、または閾値より上でユーザに情報を供給するように設定されている通信モジュールをさらに含む、請求項１に記載の器具。
  8. 通信モジュールがＬＥＤ、スピーカー、ブザー、および振動機構のうちの１つを含む、請求項７に記載の器具。
  9. 無線インタフェース装置がＲＦトランスミッタ、ＲＦトランシーバ、ＩＲトランスミッタおよびＩＲトランシーバのうちの１つを含む、請求項５に記載の器具。
  10. 物理バスインタフェースがＲＳ−２３２ポート、ＵＳＢポートおよびファイヤーワイヤー（Firewire）ポートのうちの１つを含む、請求項５に記載の器具。
  11. センサの少なくとも２個がポリマーコンポジットセンサである、請求項１に記載の器具。
  12. センサのうち少なくとも第２のセンサが化学センサである、請求項１に記載の器具。
  13. 第１のセンサの検出素子が、ポリマーコンポジットセンサ、表面改質カーボンブラックセンサ、ゾル−ゲルカプセル化酵素、バイオポリマー、自己組織化単層、真性導電性ポリマー、カーボンナノチューブコンポジット、ナノ金コンポジットおよびナノスケールポリマーコンポジットから成る群より選択される、請求項１に記載の器具。
  14. 器具が約４平方インチ未満の寸法を有する、請求項１に記載の器具。
  15. 器具が約１平方インチ未満の寸法を有する、請求項１に記載の器具。
  16. センサおよび処理モジュールが基材上へ一体化される、請求項１に記載の器具。
  17. ユーザが器具を装用できるように取付け機構をさらに含む、請求項１に記載の器具。
  18. 取付け機構がクリップおよびピンの一方を含む、請求項１７に記載の器具。
  19. 第１のセンサの検出素子がポリアニリンおよびポリチオフェンから成る群より選択される真性導電性ポリマーである、請求項１に記載の器具。
  20. 器具が、大気または体液のサンプリングに基づいて疾患を診断する、または生物剤を決定するために使用される、請求項１に記載の器具。
  21. センサのうち第２のセンサが、第１のセンサによって検出できる生物剤とは異なる生物要素を検出するように設定された検出素子を含む、請求項１に記載の器具。
  22. 外部プロセッサと通信するように設定された通信モジュールをさらに含む、請求項２１に記載の装置。
  23. 通信モジュールが無線トランスミッタ装置を含む、請求項２２に記載の装置。
  24. 無線トランスミッタ装置がＲＦトランスミッタおよびＩＲトランスミッタの一方を含む、請求項２３に記載の装置。
  25. 複数の検出装置であって、それぞれが基材上に配置された２またはそれ以上のセンサのアレイと、遠隔通信用の無線通信モジュールとを含む検出装置と；
    前記検出装置から離れて配置され、処理モジュールおよび通信モジュールを含む中央処理ノードであって、前記複数の検出装置からの信号を受信および処理するように設定されている中央処理ノードと；
    を含む、センサシステム。
  26. 前記検出装置の少なくとも第１の装置がポリマーコンポジットセンサを含む、請求項２５に記載のシステム。
  27. 前記検出装置のそれぞれが、ポリマーコンポジットセンサを含む、請求項２５に記載のシステム。
  28. 前記検出装置の少なくとも第１の装置が、生物剤を検出するように設定されたセンサを含む、請求項２５に記載のシステム。
  29. 前記検出装置の少なくとも第１の装置が、化学剤を検出するように設定されたセンサを含む、請求項２５に記載のシステム。
  30. 各検出装置が、バッテリー、ソーラーセル、ＲＦタグモジュールおよびＩＲタグモジュールから成る群より選択される電源を含む、請求項２５に記載のシステム。
  31. 少なくとも１つの検出装置がＲＦタグモジュールおよびＩＲタグモジュールの一方から選択される電源を含み、中央処理ノードの通信モジュールが対応するＲＦまたはＩＲ作動信号を少なくとも１つの検出装置に送信するために、そして少なくとも１つの検出装置から情報信号を受信するために、対応するＲＦまたはＩＲトランシーバの一方を含む、請求項２５に記載の器具。
  32. 少なくとも第１の検出装置が、ポリマーコンポジットセンサ、表面改質カーボンブラックセンサ、ゾル−ゲルカプセル化酵素、バイオポリマー、自己組織化単層、真性導電性ポリマー、カーボンナノチューブコンポジット、ナノ金コンポジットおよびナノスケールポリマーコンポジットから成る群より選択される、請求項２５に記載のシステム。
  33. 少なくとも第１の検出装置が、ポリアニリンおよびポリチオフェンから成る群より選択される真性導電性ポリマーを含む、請求項２５に記載のシステム。

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