JP5203357B2

JP5203357B2 - 容器中のパラメータを監視するシステム及び方法

Info

Publication number: JP5203357B2
Application number: JP2009513125A
Authority: JP
Inventors: ポティライロ，ラディスラフ・エイ; ピッジ，ビンセント・エフ; ワン，フォア
Original assignee: Amersham Biosciences Corp
Current assignee: Global Life Sciences Solutions USA LLC
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: US7775083B2; US8468871B2; WO2007139574A1; US20110166812A1; US20080012577A1; CN101449133A; CN101449133B; EP2021742A1; JP2009538433A

Description

本発明は容器中のパラメータを監視するシステムに関する。

溶液（例えば、ヒトに有毒又は有害となりかねない液体、ガス及び固体）からヒトを安全に保つには、それら溶液を試験して有害であるか否かを決定するために、様々なデバイスが用いられる。これらのデバイスには、抗体に識別マーカを取り付ける化学的又は生物学的センサが挙げられる。例えば、幾つかの化学的／生物学的センサは抗体に取り付けられたチップを含み、このチップはその特定の抗体を識別する蛍光マーカを含む。

米国特許第６３５９４４４号に示されているような特定の検体に選択的に反応する材料から形成された構造要素を含む化学的又は生物学的センサが知られている。他の既知の化学的又は生物学的センサは、米国特許第６０２５７２５号に示されているような外的条件によって変更され得るセンサ上の特定の位置に設けられる、電磁的に活性な材料を含む。幾つかの既知の化学的又は生物学的センサシステムは、米国特許第６５８６９４６号に示されているような２以上の電気的パラメータを測定する構成要素を含む。
米国特許第６３５９４４４号明細書米国特許第６０２５７２５号明細書米国特許第６５８６９４６号明細書米国特許第５５１４３３７号明細書米国特許第５５９７５３４号明細書米国特許第５８９２４５８号明細書米国特許第６０５３０３１号明細書米国特許第６２７８３７９号明細書米国特許第６６３９４０２号明細書米国特許第６７２４３１０号明細書米国特許第６８２４５２１号明細書米国特許第７０３８４７０号明細書米国特許第７０５００１７号明細書米国特許第６２０４７６４号明細書米国特許第６６７２５１２号明細書米国特許第５７８５１８１号明細書米国特許第５６４６５９２号明細書米国特許第５４９７１４０号明細書米国特許第７０１５８２６号明細書米国特許第７０２１１３２号明細書米国特許第６３６９７１２号明細書米国特許第６１４７６０６号明細書米国特許第６０５４９３５号明細書米国特許公開第２００１００４５８９９号明細書米国特許公開第２００３０１１７３２１号明細書米国特許公開第２００４０１１３７９０号明細書米国特許公開第２００５０１５６２０７号明細書米国特許公開第２００５０１９２４８８号明細書ＷＡＮＴ，Ｒ．，"ＥｎａｂｌｉｎｇＵｂｉｑｕｉｔｏｕｓＳｅｎｓｉｎｇｗｉｔｈＲＦＩＤ"，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，Ａｐｒｉｌ２００４，ｐａｇｅ８４−８６．ＲＵＳＫＯ，Ｍ．，ｅｔａｌ．，"ＰａｓｓｉｖｅＲｅｓｏｎａｔｏｒＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＴａｇｆｏｒＮａｒｒｏｗ−ｂａｎｄＷｉｒｅｌｅｓｓＴｅｌｅｍｅｔｒｙ"，ＩＥＥＥＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓＳｙｍｐｏｓｉｕｍ，１９９９，ｐａｇｅ３７７−３８０．ＪＵＲＳ，Ｐ．Ｃ．，ｅｔａｌ．，"ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒｔｈｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＳｅｎｓｏｒＡｒｒａｙＤａｔａｆｒｏｍＶｏｌａｔｉｌｅＡｎａｌｙｔｅｓ"，ＣｈｅｍｉｃａｌＲｅｖｉｅｗｓ，２０００，ｖｏｌｕｍｅ１００，ｐａｇｅ２６４９−２６７８．

上記センサは、溶液中の材料を試験して溶液中の化学物質又は生物学的物質が何であるかを決定する間、ヒトとセンサと溶液との間で滅菌障壁を維持する必要性に対処していない。滅菌障壁を維持することによって、その溶液と接触するヒトへの汚染リスクは低くなる。反対に、滅菌されている場合、その容器の中身には偶発的汚染のリスクがない。また、上記センサでは、必要に応じて溶液中の種々の化学的、物理的及び生物学的パラメータを試験することができない。したがって、使用者が物質を安全に測定することができる滅菌障壁内に溶液がある間に、使用者が溶液中の化学的及び／又は生物学的物質を非侵襲的に簡単に試験することができるシステムの必要性がある。

本発明は上記技術的背景を考慮して実現され、本発明の目的は生物学的容器中のパラメータを監視するシステム及び方法を提供することにある。

本発明の好適な実施形態では、容器中のパラメータを測定するシステムが開示される。複数のパラメータを測定するシステムが溶液を有する容器を含み、タグと連動する１以上のセンサが測定デバイスを構成するインピーダンスアナライザ及び読取器に近接する。１以上のセンサは溶液の１以上のパラメータを決定するように構成されている。タグはセンサに関してデジタルＩＤを付与するように構成され、容器は読取器及びインピーダンスアナライザに近接している。インピーダンスアナライザは、そのパラメータに基づいてセンサから所与の範囲の周波数を送受信し、その応答に基づいてパラメータ変化を算出する。

本発明の別の好適な実施形態では、容器中のパラメータを測定する装置が開示される。容器が溶液を有し、タグと連動する１以上のセンサが測定デバイスに近接している。１以上のセンサは溶液の１以上のパラメータを決定するように構成されている。測定デバイスは１以上のセンサから１以上のパラメータを読み取るように構成されている。

本発明のこれらその他の利点は、添付図面と併せて以下の説明が読まれるに従って、更に明白となろう。

本発明の現時点の好適な実施形態を図面を参照して記載するが、同様の構成要素は同じ番号で識別される。好適な実施形態の記載は例示であって、本発明の範囲を限定しようとするものではない。

図１は容器中の溶液のパラメータを監視するシステムのブロック図を示す。システム１００は、容器１０１、タグ１０２、タグ１０２上のセンサ１０３、アレイ１０３内の複数のセンサ、読取器１０５、インピーダンスアナライザ１０７、標準コンピュータ１０９及び測定デバイス１１１を備える。測定デバイス１１１は読取器１０５及びインピーダンスアナライザ１０７からなる。幾つかのセンサ１０３はタグ１０２上にアレイ形式で形成され得る。センサ１０３又はセンサアレイ１０３は容器１０１内に位置決めされ、この容器は無線接続又は電線接続によってインピーダンスアナライザ１０７及びコンピュータ１０９に接続されている。センサ１０３、タグ１０２又はセンサアレイ１０３は、無線接続又は電線によって測定デバイス１１１及びコンピュータ１０９に接続されている。インピーダンスアナライザ１０７は無線接続又は電線接続によってコンピュータ１０９に接続されている。容器１０１は、使い捨て型容器、ステンレス鋼容器、プラスチック容器、ポリマー材料容器、予め滅菌されたポリマー材料容器又は溶液１０１ａを保持することのできる当業者には周知の任意のタイプの容器とし得る。容器１０１の内側には溶液１０１ａがあり、溶液１０１ａは液体、流体若しくはガス、固体、ペースト又は液体と固体との組み合わせとし得る。例えば、溶液１０１ａは血液、水、生理的緩衝液又はガスとし得る。溶液１０１ａは毒性の工業原料、化学兵器、ガス、蒸気又は爆発物、呼気中の疾病マーカ、水中の生物病原体、ウイルス、細菌その他の病原体を含み得る。溶液１０１ａが血液である場合、この溶液は種々の物質、例えば、クレアチニン、尿素、乳酸脱水素酵素、アルカリ性リン酸塩、カリウム、総タンパク量、ナトリウム、尿酸、溶解ガス及び蒸気（例えば、ＣＯ₂、Ｏ₂、ＮＯｘ、エタノール、メタノール、ハロタン、ベンゼン、クロロホルム、トルエン、化学兵器、蒸気又は爆発物）などを含み得る。他方、溶液１０１ａがガス又は蒸気である場合、この溶液はＣＯ₂、Ｏ₂、ＮＯｘ、エタノール、メタノール、ハロタン、ベンゼン、クロロホルム、トルエン又は化学兵器とし得る。溶液１０１ａが血液中に吸入及び溶解され得る工業用毒物である場合、アンモニア、アセトン、アセトンシアノヒドリン、三塩化ヒ素、塩素、硫化カルボニルなどとし得る。溶液１０１ａが化学兵器である場合、この溶液はタブン、サリン、ソマン、Ｖｘガス、びらん剤、マスタードガス、窒息剤又は血液剤とし得る。溶液１０１ａが呼気中の疾病マーカである場合、この溶液はアセトアルデヒド、アセトン、一酸化炭素などとし得る。溶液１０１ａが生物病原体を含む場合、この溶液は炭疽菌、ブルセラ症、赤痢菌、野兎病などとし得る。また、容器中の溶液１０１ａはタンパク質を発現する原核細胞及び真核細胞、組換えタンパク質、ウイルス、プラスミド、ワクチン、細菌、ウイルス、生体組織などを含み得る。容器１０１は、種々のサイズ、例えば、単一生体細胞、マイクロ流体チャネル、マイクロタイタープレート、ペトリ皿、グローブボックス、フード、ウォークインフード、建物内の部屋、建物とし得る。したがって、容器は容器中の環境を測定するためにセンサ及びタグを位置決めすることのできる任意のサイズであってよい。センサ及びタグは容器内で静止していてもよいし、容器内部の幾つかのパーツに取り付けられてもよい。この場合パーツは時間の関数として動く。パーツの例には個々のウイルス、個々の細胞、家庭のペット、人などである。

アレイ１０３内の複数のセンサは溶液１０１ａに非常に近接しているか、溶液１０１ａ中にある。読取器１０５は容器１０１外部の測定デバイス１１１内に設置されている。タグ１０２のアンテナ３０１（図３）は、ポリマー無機物、複合材又は他のタイプのフィルムナノファイバメッシュ若しくはナノ構造コーティングによって被覆される場合、センサ１０３又はセンサアレイ１０３となる。アレイ１０３内の複数のセンサは当業者には周知の典型的なセンサ又は典型的なセンサアレイであってもよいし、あるアレイ内の複数のセンサは無線周波数識別（ＲＦＩＤ）センサアレイ１０３であってもよい。アレイ１０３内のＲＦＩＤセンサは、溶液１０１ａからのパラメータに基づいて有用な信号の生成を担うデバイスである。このパラメータには、導電率測定、ｐＨレベル、温度、血液に関連する測定、イオン測定、非イオン測定、非導電率、電磁放射レベル測定、圧力及び一般的な溶液から採取し得る他の種類の測定を含む。アレイ１０３内の複数のセンサは溶液１０１ａのパラメータをそれが取得することを可能にする典型的なセンサフィルムで被覆されるか、包まれる。各センサは同じ又は異なったセンシングフィルムに関連付けられる。典型的なセンサフィルムは、それが中に設けられた溶液１０１ａに基づいてその電気的特性を変えるポリマー、有機、無機、生物学的、複合材又はナノ複合材製のフィルムである。センサフィルムは、ヒドロゲル（例えば、（ポリ−（２−ヒドロキシエチル）メタクリレート））、スルホン化ポリマー（例えば、Ｎａｆｉｏｎ）、接着性ポリマー（例えば、シリコーン接着剤）、無機フィルム（例えば、ゾルゲルフィルム）、複合材フィルム（例えば、カーボンブラック−ポリイソブチレンフィルム）、ナノ複合材フィルム（例えば、カーボンナノチューブ−Ｎａｆｉｏｎフィルム）、金ナノ粒子ヒドロゲルフィルム、エレクトロスピニングしたポリマーファイバ、金属ナノ粒子水素フィルム、エレクトロスピニングした無機ナノファイバ、エレクトロスピニングした複合材ナノファイバ及び任意の他のセンサ材料とし得る。センサフィルム内の材料が容器１０１内に漏れないようにするために、センサ材料は標準的技法（例えば、共有結合、静電結合及び当業者には周知の他の標準的技法）を用いて複数のセンサアレイ１０３の表面に取り付けられている。アレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサの各々はパラメータを個々に測定し得るか又は各センサ１０３はパラメータ全部を測定し得る。例えば、ＲＦＩＤセンサアレイ１０３のセンサアレイは溶液１０１ａの温度だけを測定し得るか又は複数のＲＦＩＤセンサアレイ１０３のあるセンサアレイは溶液１０１ａの導電率、ｐＨ及び温度を測定し得る。また、アレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサは、信号を受信するための受信器及び信号を送信するための送信器を含んだトランスポンダである。センサ１０３は受動型、半能動型又は能動型の典型的なＲＦＩＤセンサとして機能し得る。

図３は無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグを示している。ＲＦＩＤタグ１０２は無線センサと呼ばれてもよい。ＲＦＩＤタグ１０２はチップ又は基板３０３を含み、この基板の上にアンテナ３０１及びキャパシタ３０５が配設されている。センサ構造を付着させるために、様々な市販のタグを貼り付けることができる。これらのタグは約１２５ｋＨｚ乃至約２．４ＧＨｚの範囲の異なる周波数で動作する。適したタグはＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、ＴａｇＳｙｓ、ＤｉｇｉＫｅｙ、Ａｍｔｅｌ、Ｈｉｔａｃｈｉなどなどの供給業者及び販売業者から入手可能である。適したタグは受動モード、半能動モード及び能動モードで作動可能である。受動型ＲＦＩＤタグは作動用電源を必要としないが、半能動型及び能動型ＲＦＩＤタグは、それらが作動するためのオンボード電源の使用に依拠する。ＲＦＩＤタグ１０２はデジタルＩＤを有し、ＲＦＩＤタグ１０２のアンテナ回路の周波数応答は、複素インピーダンスの実数部及び虚数部を用いて複素インピーダンスとして測定することができる。また、ＲＦＩＤタグ１０２は信号を異なる周波数で受信、増幅及び再送信する自動デバイスであるトランスポンダとし得る。更に、ＲＦＩＤタグ１０２は所定の受信信号に応答して所定のメッセージを送信する別のタイプのトランスポンダとし得る。このＲＦＩＤタグ１０２は、２００５年１０月２６日出願で、譲受された米国特許出願第１１／２５９７１０号である「ＭｏｄｉｆｉｅｄＲＦＴａｇｓａｎｄｔｈｅｉｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄＤｅｔｅｃｔｉｏｎ」及び２００５年１０月２６日出願で、譲受された米国特許出願第１１／２５９７１１号である「ＭｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅｓＭｅｔｈｏｄｓｏｆＣｈｅｍｉｃａｌａｎｄＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＤｅｔｅｃｔｉｏｎＵｓｉｎｇＲａｄｉｏ−ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＴａｇｓ」に開示された種々のＲＦＩＤタグに相当し、これら明細書を本願に援用する。

アンテナ３０１はセンサ１０３の一体部分である。複数のＲＦＩＤセンサ１３０は読取器１０５及びインピーダンスアナライザ１０７から約１乃至１００ｃｍの距離に設けられている。本発明の別の実施形態では、ＲＦＩＤアンテナ３０１はアンテナ特性を変調するためにアンテナ材料の一部として用いられる化学的又は生物学的感受性材料３０７を含む。これらの化学的及び生物学的材料は導電性感受性材料（例えば、無機、ポリマー、複合材のセンサ材料など）である。この複合材センサ材料は、導電性の可溶性又は不溶性添加剤とブレンドされたベース材料を含む。この添加剤は電気伝導度を提供する粒子、ファイバ、フレークその他の形態である。本発明の更に別の実施形態では、ＲＦＩＤアンテナ３０１は、アンテナの電気特性を変調するためにアンテナ材料の一部として使用される化学的又は生物学的感受性材料を含む。化学的又は生物学的感受性材料は、アレイ化、インクジェット印刷、スクリーン印刷、蒸着、噴霧、ドローコーティング及び当業者には周知の他の典型的な付着法によってＲＦＩＤアンテナ３０１上に付着される。本発明の更に別の実施形態では、溶液１０１ａ（図１）の温度が測定される場合、アンテナ３０１を被覆している化学的又は生物学的材料は、温度変化と同時に縮小又は膨らむように選択された材料とし得る。このタイプのセンサ材料は導電性である添加剤を含み得る。この添加剤はマイクロ粒子又はナノ粒子、例えば、カーボンブラック粉末又はカーボンナノチューブ、若しくは金属ナノ粒子の形態とし得る。センサフィルム３０７の温度が変化すると、添加剤のこれらの個々の粒子が変化し、センサフィルム３０７内の導電率全体に影響を及ぼす。

センシングフィルム３０７でセンサ１０３を被覆することに加えて、センシングフィルム３０７でセンサ１０３を被覆しなくても、幾つかの物理的パラメータ（例えば、溶液の温度、圧力、導電率など）が測定される。これらの測定は、特別なセンシングフィルムをセンサ１０３上に付着することなく、物理的パラメータの関数としてのアンテナ特性の変化に依存する。

無線センサ１０２の幾つかの実施形態が説明されているが、他の実施形態は本発明の範囲内にあることを認識されたい。例えば、無線センサ上に含まれた回路は、照明用ＲＦエネルギーからの電力を利用して高Ｑ共振回路（例えば、図２Ａに示した静電容量をベースにしたセンサ２０１内の回路２０３）を駆動し得る。高Ｑ共振回路２０３はセンサ２０１によって決定される発振周波数を有するか又はセンサ１０２は静電容量が感知された量に伴って変化するキャパシタを組み込む。照明用ＲＦエネルギーは周波数が変化され得、センサの反射されたエネルギーが観察される。その反射エネルギーを最大化すると、回路２０３の共振周波数が決定される。次いで、この共振周波数はセンサ２０１又は１０２の上記パラメータに変換され得る。

他の実施形態では、照明用ＲＦエネルギーは高Ｑ発振器の共振周波数に近いある繰り返し周波数でパルス化される。例えば、図２Ｂに示すように、このパルス化エネルギーは無線センサ２０５又は１０２（図１）において整流され、それが接続されているセンサ２０５によって決定される発振の共振周波数を有する高Ｑ共振回路２０７を駆動するのに用いられる。ある時間隔の後、パルス化ＲＦエネルギーは停止され、定常レベルの照明用ＲＦエネルギーが送信される。高Ｑ共振回路２０７に格納されたエネルギーを用いてアンテナ２０９のインピーダンスを変調するために、高Ｑ共振回路２０７が用いられる。反射されたＲＦ信号が受信され、サイドバンドが検証される。サイドバンドと照明用周波数との間の周波数差が、回路２０１の共振周波数である。図２Ｃは高Ｑ共振回路を駆動するのに用いられる無線センサの別の実施形態を示している。図２Ｄは共振アンテナ回路及びセンサ共振回路の両方を含み得る無線センサを示しており、これはＬＣタンク回路を含み得る。アンテナ回路の共振周波数はセンサ回路の共振周波数よりも高い周波数であり、例えば４乃至１０００倍も高い。センサ回路は何らかの感知された環境条件に伴って変動し得る共振周波数を有する。この２つの共振回路は、交流（ＡＣ）エネルギーがアンテナ共振回路によって受け取られるときに、アンテナ共振回路が直流エネルギーをセンサ共振回路に印加するように接続され得る。ＡＣエネルギーはダイオード及びキャパシタを用いて供給され得、ＡＣエネルギーはＬＣタンク回路のＬ内のタップ又はＬＣタンク回路のＣ内のタップのいずれかを通して、ＬＣタンク回路を通ってセンサ共振回路に伝送され得る。更に、この２つの共振回路は、センサ共振回路からの電圧がアンテナ共振回路のインピーダンスを変えるように接続され得る。アンテナ回路のインピーダンスの変調は、トランジスタ、例えばＦＥＴを用いて達成され得る。

或いは、照明用無線周波数（ＲＦ）エネルギーは、ある繰り返し周波数でパルス化される。このパルス化エネルギーは無線センサ（図２Ａ〜２Ｄ）において整流され、それが接続されているセンサによって決定される発振の共振周波数を有する高Ｑ共振回路を駆動するのに用いられる。ある時間隔の後、パルス化ＲＦエネルギーは停止され、の照明用ＲＦエネルギーが送信される。

高Ｑ共振回路に格納されたエネルギーを用いてアンテナのインピーダンスを変調するために、この共振回路が用いられる。反射されたＲＦ信号が受信され、サイドバンドが検証される。このプロセスは複数の異なるパルス繰り返し周波数について繰り返される。戻り信号のサイドバンドの増幅を最大化するパルス繰り返し周波数は、共振回路の共振周波数になるように決定される。次いで、共振周波数は共振回路上のパラメータ又は測定値に変換される。

図１を参照すると、ＲＦＩＤ読取器１０５及びインピーダンスアナライザ１０７（測定デバイス１１１）はＲＦＩＤタグ１０２の下方にあり、インピーダンスアナライザ１０７は、ＲＦＩＤアンテナ３０１からの情報を読み取ることに基づいて、ＲＦＩＤタグ１０２の実数インピーダンス及び複素インピーダンスの情報を提供する。また、読取器１０５はＲＦＩＤタグ１０２からデジタルＩＤを読み取る。読取器１０５は無線周波数識別（ＲＦＩＤ）読取器と呼ぶこともできる。ＲＦＩＤタグ１０２は、無線接続又は電線によってＲＦＩＤ読取器１０５及びインピーダンスアナライザ１０７に接続されている。ＲＦＩＤ読取器１０５及びインピーダンスアナライザ１０７（測定デバイス１１１）は、無線又は電線接続によって標準コンピュータ１０９に接続されている。このシステムは以下を含む３様式で動作し得る：１．ＲＦＩＤ読取器１０５の読取システムの場合、ＲＦＩＤ読取器１０５は複数のＲＦＩＤセンサアレイ１０３から情報を読み取って、化学的又は生物学的情報を取得し、ＲＦＩＤ読取器１０５はＲＦＩＤタグ１０２のデジタルＩＤを読み取る、２．ＲＦＩＤ読取器１０５はＲＦＩＤタグ１０２のデジタルＩＤを読み取り、インピーダンスアナライザ１０７はアンテナ３０１を読み取って複素インピーダンスを取得する及び３．複数のＲＦＩＤセンサ１０３がセンサフィルムを有する場合又は有さない場合、ＲＦＩＤ読取器１０５は複数のＲＦＩＤセンサアレイ１０３から情報を読み取り、化学的又は生物学的情報を取得し、ＲＦＩＤ１０５読取器はＲＦＩＤタグ１０２のデジタルＩＤを読み取り、ＲＦＩＤ読取器１０５はＲＦＩＤタグ１０２のデジタルＩＤを読み取り、インピーダンスアナライザ１０７はアンテナ３０１を読み取って複素インピーダンスを取得する。

測定デバイス１１１又はコンピュータ１０９は、パターン認識サブコンポーネント（図示せず）を含む。パターン認識技術がパターン認識サブコンポーネントに含まれる。センサ１０３又はアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサの各々から集められた信号に基づくこれらのパターン認識技術は、測定されたデータポイント間の類似性及び差を見付けるために利用されることもある。このアプローチは測定されたデータに異常が起きたことを警告する技術を提供する。これらの技術は大きなデータセットにおける相関パターンを明らかにすることができ、スクリーニングヒット間の構造関係を決定することができ、データベースにおいてより管理可能なものにするためにデータの次元を著しく低減することができる。パターン認識の方法には、主成分分析（ＰＣＡ）、階層的クラスタ分析（ＨＣＡ）、ｓｏｆｔｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｃｌａｓｓａｎａｌｏｇｉｅｓ（ＳＩＭＣＡ）、ニューラルネットワーク及び当業者には周知の他のパターン認識法が挙げられる。読取器１０５とアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサ又はセンサ１０３との距離は、一定に保たれるか又は変動可能である。インピーダンスアナライザ１０７又は測定デバイス１１１は、アレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサからの反射された無線周波数（ＲＦ）信号を周期的に測定する。同じセンサ１０３又はアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサからの周期的測定は、センサ信号の変化率に関する情報を提供する。この変化率はアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサを取り囲んでいる化学的／生物学的／物理学的環境の状態に関連するものである。この実施形態では、測定デバイス１１１はアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサからの信号を読み取り、定量化することができる。

インピーダンスアナライザ１０７はＲＦＩＤ読取器１０５の近傍にあり、これは電気ネットワークの周波数依存性の特性、特に電気信号の反射及び伝送に関連する特性を分析するために用いられる機器である。また、インピーダンスアナライザ１０７は、実験機器又は所与の範囲の周波数に亘って走査してＲＦＩＤタグ１０２の共振アンテナ３０１回路の複素インピーダンスの実数部及び虚数部の両方を測定する持ち運び可能な特別に作製されたデバイスとし得る。更に、このインピーダンスアナライザ１０７は、上記溶液１０１ａに関連する種々の材料についての周波数のデータベースを含む。また、このインピーダンスアナライザ１０７は、ネットワークアナライザ（例えば、ＨｅｗｌｅｔｔＰａｃｋａｒｄ８７５１Ａ又はＡｇｉｌｅｎｔＥ５０６２Ａ）又は高精度インピーダンスアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ４２４９Ａ）であってもよい。

コンピュータ１０９は典型的なコンピュータであり、プロセッサ、入力／出力（■／Ｏ
）コントローラ、大容量記憶装置、メモリ、ビデオアダプタ、接続インタフェース及びシステム構成要素をプロセッサに電気的又は無線で動作可能に結合するシステムバスを備える。また、このシステムバスは典型的なコンピュータシステム構成要素をプロセッサに電気的又は無線で動作可能に結合する。プロセッサは処理ユニット、中央処理ユニット（ＣＰＵ）、複数の処理ユニット又は並列処理ユニットと呼ばれることもある。システムバスは従来のコンピュータに関連する典型的なバスとし得る。メモリはリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含む。ＲＯＭは基本ルーチンを含む典型的な入力／出力システムを備え、このシステムは始動中にコンピュータの構成要素間で情報を転送するのを支援する。

大容量記憶装置はメモリの上方にあり、次のものを含む：１．ハードディスク及びハードディスクドライブインタフェースから読み取り、それらに書き込むハードディスクドライブ構成要素、２．磁気ディスクドライブ及びハードディスクドライブインタフェース、並びに３．リムーバブル光ディスク（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ又は他の光学媒体）及び光ディスクドライブインタフェース（図示せず）から読み取り、それらに書き込む光ディスクドライブ。上記ドライブ及びそれらに関連するコンピュータ可読媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール及びコンピュータ１０９用の他のデータを不揮発性ストレージに提供する。また、上記ドライブは溶液１０１ａについてのパラメータを取得するためのアルゴリズム、ソフトウェア又は方程式を含み得る。これらは図４、５及び６のフローチャートに記載され、コンピュータ１０９のプロセッサと共に働く。別の実施形態では、溶液１０１ａのパラメータを取得するアルゴリズム、ソフトウェア又は方程式は、当業者には周知のコンピュータ１０９のプロセッサ、メモリ又は他の任意のパーツに格納され得る。

図４は溶液中のパラメータを監視するシステムが如何に採用されるかを示すフローチャートである。このプロセスは容器１０１がセンサ１０３を有する図１から開始される。センサ１０３はコンピュータ１０９に接続されたインピーダンスアナライザ１０７を用いて読み取られる。上記のように、インピーダンスアナライザ１０７はブロック４０１においてアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサに無線又は電気的（有線）に接続され、インピーダンスアナライザ１０７は、所定の取得速度を用いて所定の周波数分解能で、選択された周波数範囲に亘る周波数の関数として、アレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサから複素インピーダンスＺを測定する。測定のためにプリセットすることのできる他の非限定的パラメータは、平均の数、平滑化などを含むことができる。インピーダンスアナライザ１０７はアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサを励起するピックアップアンテナ１０７ａ（図１）を含み、ピックアップアンテナはアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサから反射された無線周波数信号を収集する。アレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサは、ポリマー又はセンサフィルム３０７に基づいて、或いは溶液１０１ａ中のこれらのパラメータを検出するセンサフィルム３０７なしで、パラメータ（例えば、導電率、温度、ｐＨ及び上記に開示の他のパラメータ）を取得することができる。

ブロック４０３では、インピーダンスアナライザ１０７（図１）において、所定のパラメータ及び測定された複素インピーダンスｚのパラメータ変化がアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサから算出される。これらのパラメータの非限定的例には、複素インピーダンスＦ１の虚数部の最大の周波数及び周波数シフト、複素インピーダンスＦ２の虚数部の最小の周波数及び周波数シフト、複素インピーダンスＦｐの実数部の最大の周波数及び周波数シフトが挙げられ、複素インピーダンスの実数部の大きさは図７に示すようにＺｐである。共振回路（図２Ａ〜２Ｄ）の等価電気回路パラメータは、インピーダンスアナライザ１０７又はコンピュータ１０９によって算出される。図８及び９に示すように、図１の全構成要素の利用を説明するために実施された試験結果である。図８に関し、５０μｌの１ＭＮａＣＬを容器１０１の水１００ｍＬに加えると、ＲＦＩＤセンサ１０３信号は図示のように変化した。図９に関し、ＲＦＩＤセンサ１０３応答の反応速度論は、図示のようにＮａＣｌが水に拡散することによってもたらされた。

次に、ブロック４０５では、コンピュータ１０９又はインピーダンスアナライザ１０７がパターン認識サブコンポーネントと共に、単変量解析及び多変量解析をアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサから収集された情報又はデータに適用する。単変量解析は対象の単一パラメータを計算する能力を提供する。多変量解析法には、例えば、上記パターン認識技術（例えば、主成分分析（ＰＣＡ）、階層的クラスタ分析（ＨＣＡ）、ｓｏｆｔｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｃｌａｓｓａｎａｌｏｇｉｅｓ（ＳＩＭＣＡ）及びニューラルネットワーク）を含んでもよい。また、多変量解析はアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサ又はセンサ１０３の定量化能力、ロバストな識別のための異常値検出及び単一のセンサ１０３（温度、ｐＨ、導電率の非限定的な例を用いる）を用いた単一パラメータ又は多パラメータによる検体検出を改善する能力を提供し、対象のパラメータはブロック４０７で定量化される。この例では、物理学的又は化学的パラメータは温度及びｐＨによって表され、導電率は環境パラメータによって表される。センシングフィルム（Ｎａｆｉｏｎポリマー）３０７で被覆された単一のＲＦＩＤセンサ１０３を用いた多検体測定を実証するために、４検体を６種の濃度各々で試験した。これらの検体には、すべて飽和蒸気圧（Ｐ₀）の０〜０．２の範囲の濃度（分圧Ｐ）のエタノール（ＥｔＯＨ）、メタノール（ＭｅＯＨ）、アセトニトリル（ＡＣＮ）及び水（Ｈ₂Ｏ）の蒸気を含んだ。これを図９〜１２に示す。正確な濃度は０、０．０２、０．０４、０．０７、０．１０、０．１５及び０．２０Ｐ／Ｐ₀であった。同様に、異なる純粋な液体及び液体混合物並びに物理的パラメータの測定は当業者によって行うことができる。

図９は４種の検体（Ｈ₂Ｏ、ＥｔＯＨ、ＭｅＯＨ及びＡＣＮ）の６種の濃度各々について測定された応答Ｚｐを示している。図９に示すように、ＲＦＩＤセンサ１０３の単一パラメータの測定値、例えばＺｐは異なる検体間で区別することができない。例えば、信号Ｚｐが約８２０から約８０５Ωに変化するとき、この変化はＨ₂Ｏの０．１Ｐ／Ｐ₀又はＭｅＯＨの０．１５Ｐ／Ｐ₀又はＥｔＯＨの０．２Ｐ／Ｐ₀に起因する可能性がある。このため、ＲＦＩＤセンサ１０３の単一パラメータの測定は異なる検体及びそれらの濃度の間で区別することができない。

図１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ及び１０Ｄは、ＲＦＩＤセンサ１０３を４種の検体（Ｈ₂Ｏ、ＥｔＯＨ、ＭｅＯＨ及びＡＣＮ）に曝露したときの６種の濃度各々について測定された全パラメータＦ１、Ｆ２、Ｆｐ及びＺｐの動的変化をそれぞれ示している。複数のパラメータの測定により、単一のＲＦＩＤセンサ１０３を用いて２以上の検体を選択的に決定するための追加の手段が得られることは明白である。例えば図１０Ｂに関し、Ｈ₂Ｏに対するＦ２応答は、低い濃度のＨ₂Ｏに曝露されると、まず信号が低下するのが分かる。しかし、この応答はより高い濃度のＨ₂Ｏに曝露されると切り換わる。このような挙動はセンサフィルム（Ｎａｆｉｏｎ）の性質と測定された検体（Ｈ₂Ｏ）との複合的な影響によるものである。しかし、更に無極性の別の検体（例えばＡＣＮ）を測定すると、Ｆ２応答はＡＣＮへの曝露に伴って常に低下した。

図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ及び１１Ｄは、ＲＦＩＤセンサ１０３を４種の検体（Ｈ₂Ｏ、ＥｔＯＨ、ＭｅＯＨ及びＡＣＮ）に曝露したときの６種の濃度各々について測定された全パラメータＦ１、Ｆ２、Ｆｐ及びＺｐの較正曲線をそれぞれ示している。測定パラメータ及び検体に応じて、この応答は線形的又は非線形的になるか、低下又は上昇するか、或いはより複雑な挙動も有する。この情報の豊富さ、その複雑さ、多様性及びその非相関性のために、単一のＲＦＩＤセンサ１０３を用いて検体を選択的に決定する能力が得られる。Ｈ₂Ｏ、ＥｔＯＨ、ＭｅＯＨ及びＡＣＮの６種の濃度各々についての変化に対するＲＦＩＤセンサ１０３の多パラメータの多変量解析の結果を図１２に示す。これらの結果は、ＰＬＳＴｏｏｌｂｏｘソフトウェアを用いてＭａｔｌａｂを利用した主成分分析法を用い、測定パラメータＦ１、Ｆ２、Ｆｐ及びＺｐを解析することによって得られた。

図４を参照すると、ブロック４０７では、多変量解析から検出されたデータが測定デバイス１１１又はインピーダンスアナライザ１０７からコンピュータ１０９に送信され、そこでコンピュータ１０９が所与のセンサ又はアレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサのセンサからの対象のデータを表示する。このデータ表示は定量化した測定した対象の環境パラメータ（例えば、温度、ｐＨ、導電率及び上記他のパラメータ）の形式である。アンテナ３０１からのこの所与の範囲の周波数はインピーダンスアナライザからコンピュータ１０９に送信される。この表示は適したスクリーン又は電気信号の形式である。このポイントではユーザが、プロセスを終了すべきか、それともデータを適した制御デバイスに送信すべきかを決定することができる。ユーザがデータを制御デバイスに送らないことを選択する場合、このプロセスは終了する。ブロック４０９では、制御デバイスはインピーダンスアナライザ１０７からの定量化された信号の値の受信すると作用又は反作用して、例えば、アレイ１０３内の複数のＲＦＩＤセンサからの温度読取値を受信すると容器１０１を冷却するか又は温め、プロセスは終了する。制御デバイスは電動の流体スイッチ、弁、ポンプ、ヒータ、クーラなどであってもよい。

図５は溶液中のパラメータを監視するシステムが如何に採用されるかの別の様式を示すフローチャートを示している。このフローチャートは図４の構成要素をすべて含むので、これらの構成要素はここでは記載しない。追加で、この図５は、センサフィルム３０７がセンサ１０３になるアンテナを覆っているか又はセンサフィルム３０７がアンテナ３０１を覆っていないＲＦＩＤタグ１０２であるブロック４１３を含み、ＲＦＩＤ読取器１０５（測定デバイス１１１）はＲＦＩＤタグ１０２のチップ３０３からデジタルＩＤを要求し、アンテナ３０１がセンシングフィルム３０７で被覆されている場合には、検体データ又はパラメータデータを取得し得る。ブロック４１５では、ＲＦＩＤ読取器１０５（測定デバイス）が、センシングフィルム３０７を用いてアンテナ３０１から、ＲＦＩＤタグ１０２によってそれに送信されたデジタルＩＤ及び検体データ又はパラメータデータを取得する。ブロック４０９では、ＲＦＩＤ読取器１０５はデジタルＩＤ及び検体データ又はパラメータをコンピュータ１０９に送信し、次いで、このプロセスは図４と同様に働く。図４及び５について、センサ１０３は単一センサ又はセンサアレイであってよい。

適切な化学的又は生物学的認識のためにセンサコーティングが選択される。コーティングの応答の機構を対象の種と適合させるように、センサ変換原理が選択される。化学的又は生物学的感受性材料をＲＦＩＤセンサ１０３内に付着させるために、インクジェット印刷、スクリーン印刷、化学的及び物理学的蒸着、噴霧、ドローコーティング、溶媒によるウェットコーティング、ロールツーロールコーティング、（スロットダイ、グラビアコーティング、ロールコーティング、ディップコーティングなど）、熱ラミネーションその他の付着法が用いられる。センサコーティングの成分が容器の環境に浸出するのを防ぐために、イオンペアリング、共有結合などの周知の技法が適用される。場合によっては、生物付着を低減し、検出されるべき１以上の種を濃縮するために、追加の緻密な細孔性又はメソ多孔性のコーティング層（例えば、延伸ＰＴＦＥ（ｅ−ＰＴＦＥ）膜、ナノ濾過膜及び超濾過膜）を保護層又は選択透過層として用いることができる。

一実施形態では、生物学的容器１０１は、次の材料に限定するものではないが、単独で又は多層フィルムとして組み合わせて、当技術分野では周知であるエチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）、低密度又は超低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ又はＶＬＤＰＥ）、エチル−ビニル−アルコール（ＥＶＯＨ）、ポリプロピレン（ＰＰ）から製造されることが好ましい。ＲＦＩＤタグは典型的には、前部アンテナとプラスチック（例えば、ポリエステル、ポリイミドなど）の裏打ちのあるマイクロチップとを含む。

ＲＦＩＤセンサアレイ１０３を多層プラスチックフィルム／シートに結合するため、超音波ラミネーション、熱ラミネーション、ホットメルトラミネーションが採用される。超音波ラミネーションプロセスでは、ゴミ袋を製造するのに用いられる多層プラスチックフィルム／シートのウェブ（第１のシート）の一部に超音波を衝突させる。前部アンテナ側が適したセンシング材料で被覆されたＲＦＩＤタグ（第２のシート）の裏側を多層プラスチックフィルム／シートに結合する。場合によっては、このプラスチックフィルム／シートのコロナ、プラズマ及び火炎処理がラミネーションプロセスの前に行われる。別の実施形態では、接着剤（例えば、感圧接着剤、湿気硬化性接着剤及び放射線硬化性接着剤）を用いて、ＲＩＦＤタグ１０２を生物学的容器１０１に結合することができる。

本発明は容器中の溶液の種類、また対象の化学的、物理学的及び生物学的パラメータ濃度及びレベルをユーザが簡単に決定できるようにするシステムを提供する。この容器はセンサが溶液中の物質を効果的に決定することを可能にするセンサフィルムを有する無線周波数識別（ＲＦＩＤ）センサを含む。

上記の本発明の詳細な説明は限定するものではなく例示的なものとみなされるべきであり、本発明の範囲を定めることを意図するのは添付の特許請求の範囲であり、すべての均等物を含むことを理解されたい。

本発明の一実施形態に係る容器中のパラメータを監視するシステムを示すブロック図である。本発明に従って構成されたＲＦＩＤシステム用の回路を示す略図である。本発明に従って構成されたＲＦＩＤシステム用の回路を示す略図である。本発明に従って構成されたＲＦＩＤシステム用の回路を示す略図である。本発明に従って構成されたＲＦＩＤシステム用の回路を示す略図である。本発明に係る図１の無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグを示す展開図である。溶液中のパラメータを監視するシステムが本発明に従って如何に採用されるかを示すフローチャートである。溶液中のパラメータを監視するシステムが本発明に従って如何に採用されるかを示す別のフローチャートである。本発明に係る図１の溶液中のパラメータを監視するシステムの利用の例を示すグラフである。本発明に係る図１の溶液中のパラメータを監視するシステムの利用の例を示す別のグラフである。本発明に係る図１の溶液中のパラメータを監視するシステムの利用の例を示す更に別のグラフである。本発明に係る図４のＺｐ応答を示すグラフである。本発明に係る図４に関連する測定パラメータの変化の例を示すグラフである。本発明に係る図４に関連する測定パラメータの変化の例を示すグラフである。本発明に係る図４に関連する測定パラメータの変化の例を示すグラフである。本発明に係る図４に関連する測定パラメータの変化の例を示すグラフである。本発明に係る図４に関連する測定パラメータの較正曲線の例を示すグラフである。本発明に係る図４に関連する測定パラメータの較正曲線の例を示すグラフである。本発明に係る図４に関連する測定パラメータの較正曲線の例を示すグラフである。本発明に係る図４に関連する測定パラメータの較正曲線の例を示すグラフである。本発明に係る図４に関連する測定パラメータの多変量解析の例を示すグラフである。

符号の説明

１００システム
１０１ａ溶液
１０２タグ
１０３センサ
１０５読取器
１０７インピーダンスアナライザ
１０７ａピックアップアンテナ
１０９コンピュータ
１１１測定デバイス

Claims

複数のパラメータを測定するシステムであって、
溶液を有する容器と、測定デバイスを構成するインピーダンスアナライザ及び読取器に近接したタグと連動する１以上のセンサ共振回路とを備え、
１以上のセンサ共振回路が溶液の２以上のパラメータを決定するように構成されており、
タグが１以上のセンサ共振回路に関してデジタルＩＤを付与するように構成されており、容器が読取器及びインピーダンスアナライザに近接し、
インピーダンスアナライザが、前記２以上のパラメータに基づいて１以上のセンサ共振回路から所与の範囲の周波数を受信し、受信した周波数に基づいて、前記インピーダンスアナライザにより測定した複素インピーダンスの実数部と虚数部による多変量解析を使用して、前記２以上のパラメータの変化を算出し、
前記２以上のパラメータの変化は、複素インピーダンスの虚数部が最大の周波数の変化、複素インピーダンスの虚数部が最小の周波数の変化、複素インピーダンスの実数部が最大の周波数の変化、および複素インピーダンスの実数部の大きさの変化を含む、
システム。
前記容器がコンピュータに接続されている、請求項１記載のシステム。
前記測定デバイスが１以上のセンサ共振回路から前記２以上のパラメータを読み取るように構成された、請求項２記載のシステム。
前記コンピュータが１以上のセンサ共振回路から前記２以上のパラメータを表示するように構成された、請求項３記載のシステム。
前記容器が使い捨て型容器である、請求項１記載のシステム。
前記容器がプラスチック容器である、請求項１記載のシステム。
前記溶液が、流体及び血液からなる群から選択される、請求項１記載のシステム。
前記溶液が、次の物質、即ちクレアチニン、尿素、乳酸脱水素酵素及びアルカリ性カリウムを含む血液である、請求項７記載のシステム。
前記溶液がアンモニア、アセトンシアノヒドリンを含む工業用毒物を含む、請求項７記載のシステム。