JP5312974B2 - 液体中の汚染物質の手持ち型検出装置システムおよび手持ち検出方法 - Google Patents
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Description
本教示は、液体中の汚染物質を検出するおよび定量化するためのシステムおよび方法に関する。
本セクションにおける叙述は、本開示に関する背景情報を提示するにすぎず、先行技術を構成しない場合がある。
水溶液中のトレース（例えば１体積％未満）レベルおよびマイクロトレース（例えば１．０×１０−４体積％未満）レベルの化学汚染物質の検出は、非常に多数の用途の条件監視にとって重要である。例えば、超純水（すなわちマイクロトレース濃度のイオン種を有する水）は、半導体産業、製薬産業、農業、化学工業、エネルギー産業および食品加工業を含むがそれらに限定されない多数の産業プロセスにおいて望ましいものである。１つの具体例では、原子炉が、冷却のために超純水を使用することが可能である。超純水が汚染物質を含み、これが原子炉の冷却剤システムおよび減速材システムにおいて腐食および他の問題を引き起こす可能性がある。
化学汚染物質の検出は、過去数十年間で著しく進歩した。水溶液中のトレースレベルのイオン種の検出および定量化のために現在利用可能である技術がいくつかある。これらの技術には、イオンクロマトグラフィ（ＩＣ）、誘導結合プラズマ原子発光分析（ＩＣＰ）、質量分析（ＭＳ）、誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ‐ＭＳ）、およびキャピラリー電気泳動（ＣＥ）が含まれる。さらに、電気化学センサ、工学センサおよびハイブリッド化学センサ（例えばアノーディックストリッピングボルタンメトリと表面プラズモン共鳴などの種々の技術の組合せ）が、水中のイオン種のトレース分析に適用されてきた。
残念ながら、これらの方法は、大量のサンプルの準備を要し、あるいは選択性の低さ、検出限界の不十分さ、干渉効果、ベースラインドリフトおよび、サンプリング中または処理中の汚染により制約を受ける。
本開示の一態様によれば、液体中の汚染物質を検出するための方法が提供された。いくつかの実施形態においては、この方法は、サンプル容器内室の少なくとも一部分に液体サンプルを充填するステップと、液体サンプル中に手持ち可搬式感知デバイスのセンサプローブを浸漬するステップとを含むことが可能である。さらに、この方法は、少なくとも１つの導電率センサを使用して、液体サンプルの導電率を感知するステップと、感知された導電率にもとづいて、複数の汚染物質濃度検出（ＣＣＤ）アルゴリズムの中からある特定の１つを自動的に選択するステップとを含むことが可能である。さらに、この方法は、選択されたＣＣＤアルゴリズムに固有の感知レベルに少なくとも１つのイオン種センサの感度を設定するステップと、少なくとも１つのイオン種センサを使用して、液体サンプル中の望ましくない汚染物質を感知するステップとを含むことが可能である。次いで、液体サンプル中の望ましくない汚染物質の濃度が、選択されたＣＣＤアルゴリズムにより決定された。
本開示の別の態様によれば、液体中の汚染物質の検出のための手持ち可搬式システムが提供された。いくつかの実施形態においては、このシステムは、液体サンプルを保持するためのサンプル容器と、液体サンプル中に少なくとも部分的に浸漬可能であり、液体サンプル中の望ましくない汚染物質の濃度を検出するために作動可能である手持ち可搬式感知デバイスとを含むことが可能である。いくつかの実装形態においては、手持ち可搬式感知システムは、液体サンプルの導電率を感知するための少なくとも１つの導電率センサと、液体サンプル中の望ましくない汚染物質を感知するための少なくとも１つのイオン種センサと、少なくとも１つの導電率センサおよび少なくとも１つのイオン種センサに電気的に接続されたコントローラとを含むことが可能である。いくつかの実施形態においては、コントローラは、プロセッサと、汚染物質濃度検出（ＣＣＤ）アルゴリズム選択ルーチンを記憶しているコンピュータ可読メモリとを含むことが可能である。ＣＣＤアルゴリズム選択ルーチンは、液体サンプルの導電率値を決定し、決定された導電率値にもとづいてメモリデバイスに記憶された複数のＣＣＤアルゴリズムの中からある特定の１つを実行するようにプロセッサに命令するために、プロセッサによって実行された。それぞれのＣＣＤアルゴリズムは、少なくとも１つのイオン種センサについてそれぞれ異なる感度設定を使用して、液体サンプル中の望ましくない汚染物質の濃度を決定するように構成された。
本教示の他の適用可能範囲が、本明細書において与えられる説明より明らかになろう。説明および特定の例は、例示のためのみに意図され、本教示の範囲を限定するようには意図されないことを理解すべきである。
本明細書において述べられる図面は、単なる例示のためのものであり、本教示の範囲を限定することは決して意図されない。
以下の説明は、完全に単なる例示のものにすぎず、本教示、用途または使用を限定するように意図されたものでは決してない。この明細書全体を通じて、同様の参照番号は、同様のエレメントを指すために使用された。
図１は、非常に純度の高い、すなわち汚染物質濃度の非常に低い液体サンプル中の１つまたは複数の特定の望ましくない汚染物質の検出、および液体サンプル中の望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）の濃度の算出のための、手持ち可搬式汚染物質検出システム１０の例示の図である。いくつかの実施形態によれば、汚染物質検出システム１０は、非常に純度の高い液体サンプル中の望ましくない汚染物質の濃度を決定するように作動可能な手持ち可搬式感知デバイス（ＨＨＰＳＤ）１４と、液体サンプルを保持するための手持ち可搬式液体サンプル容器１８とを含む。いくつかの実装形態においては、ＨＨＰＳＤ１４は、ＨＨＰＳＤ１４のセンサプローブ３０に装着されたまたはそこから延在する、１つまたは複数の導電率センサ２２および１つまたは複数のイオン種センサ２６を含む。ＨＨＰＳＤ１４の使用および作動の際には、以下に説明されたように、例えば導電率センサ（または複数の導電率センサ）２２およびイオン種センサ（または複数のイオン種センサ）２６が装着されたまたは延在している遠位端部などの、センサプローブ３０の少なくとも一部分が、サンプル容器１８の内室３２内に保持された液体サンプル中に浸漬された。
ＨＨＰＳＤ１４は、導電率センサ２２およびイオン種センサ２６のそれぞれを１つまたは複数含むことが可能であるが、本明細書においては明瞭化および簡略化のため、特に開示しない限り、ＨＨＰＳＤ１４は、単一の導電率センサ２２および単一のイオン種センサ２６を含むものとして説明された。
導電率センサ２２およびイオン種センサ２６のそれぞれは、ＨＨＰＳＤ１４のヘッド３８内に収容されたコントローラ３４に電気的に接続され、ＨＨＰＳＤ１４のヘッド３８からセンサプローブ３０が延在する。コントローラ３４は、本明細書で説明されたＨＨＰＳＤ１４の全動作、全機能および全フィーチャを制御するように作動可能である。例えば、センサプローブ３０が、液体サンプル中に浸漬されたと、イオンセンサ２６は、液体サンプル中の例えばイオン種などの１つまたは複数の望ましくない汚染物質を感知し、コントローラ３４に感知した読取値を送り、コントローラ３４は、この読取値を使用して液体サンプル中の望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）の濃度を決定する。一般的には、コントローラ３４は、コントローラ３４のプロセッサ４６がアクセスし、実行し、使用しおよび／または実施する様々なプログラム、データ、コード、情報およびアルゴリズムを記憶しているコンピュータ可読電子メモリデバイス４２を含む。代替としては、電子メモリデバイス４２は、コントローラ３４に電気的に接続された独立したコンポーネントであることが可能である。あるいは、他の実施形態においては、電子メモリデバイスは、例えばサムドライブまたはメモリスティックなどのリムーバブル電子メモリデバイス４２をコントローラ３４に電気的に接続するための、コントローラ３４に電気的に接続された、例えばＵＳＢポートなどの接続ポート、ファイアワイヤポートまたはメモリスティックスロットを備えることが可能である。いくつかの実施形態においては、ＨＨＰＳＤ１４は、本明細書において説明されたＨＨＰＳＤ１４によって感知された、算出されたおよび／または生成された、様々な数字、数値、読取値、範囲などを表示するための、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などのディスプレイ５０をさらに含むことが可能である。別の実施形態においては、コントローラは、例えばＵＳＢポートなどの接続ポート、ファイアワイヤポート、ＢＮＣコネクタによって、無線周波によって、または光信号もしくは赤外線信号によって、追加的な分析を可能にするための外部追加プロセッサに連結することが可能である。
いくつかの実施形態においては、ＨＨＰＳＤ１４は、コントローラ３４、プロセッサ４６、メモリデバイス４２、ディスプレイ５０、導電率センサ２２、イオン種センサ２６、ならびに本明細書において説明されたＨＨＰＳＤ１４の全ての他のセンサ、デバイスおよびコンポーネントに例えばＤＣ電流およびＤＣ電圧などの電気エネルギーを供給するための蓄電デバイス５４をさらに含む。蓄電デバイス５４は、本明細書において説明されたＨＨＰＳＤ１４の作動に必要なエネルギーを供給するのに適した任意の蓄電デバイスであることが可能である。例えば、いくつかの実施形態においては、蓄電デバイス５４は、１つまたは複数の交換式バッテリ、リチャージ式バッテリまたはコンデンサであることが可能である。
いくつかの実装形態においては、ＨＨＰＳＤ１４は、液体サンプルの温度を感知するための、コントローラ３４に電気的に接続された温度センサ５８、および／または、例えばサンプル中の有機炭素の総量などの、液体サンプル中の有機炭素の量を感知するための、コントローラに電気的に接続された有機炭素センサ６２をさらに含むことが可能である。
一般的には、イオンセンサ２６は、フィルム６６に接触した状態で配設されたトランスデューサ６４を備える。トランスデューサ６４に接触した状態にある面の反対側のフィルム６６の面は、液体サンプル中にセンサプローブ３０が浸漬された際には、液体サンプルに流体連通した状態で配設され、またこの液体サンプルは、例えば少量の、トレースレベルの汚染物質を含む（図示せず）。トランスデューサ６４は、コントローラ３４に電気的に接続されて、それらの間の電気通信を可能にする。上述のように、使用の際には、イオンセンサ２６は、液体サンプル中の１つまたは複数の望ましくない汚染物質の濃度を決定するために使用された情報を、コントローラ３４に提供する。
より具体的には、フィルム２６は、ＨＨＰＳＤ１４で測定すべき例えばイオンの汚染物質（または複数の汚染物質）などの１つまたは複数の望ましくない汚染物質のみの通過を可能にするように、ならびに液体サンプル中の測定されない例えば添加された汚染物質などの全ての他の汚染物質がフィルム６６を通過するのを抑制するまたは防止するように、構成されたまたは製造された。トランスデューサ６４は、フィルム６６を通過する望ましくないイオン種を感知し、フィルム６６を通過する望ましくないイオンの総量または分量を表す電気的情報あるいは読取値を、コントローラ３４に送る。次いで、検査されたサンプル液体の体積にもとづいて、コントローラは、液体サンプル中の望ましくないイオン種、すなわち望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）の濃度を決定する。
いくつかの実施形態においては、容器１８の内室３２内に保持され、ＨＨＰＳＤ１４で使用するのに必要な液体サンプルの体積は、１０，０００マイクロリットル未満である。例えば、いくつかの実装形態においては、容器１８内に保持され、ＨＨＰＳＤ１４で使用するのに必要な液体サンプルの体積は、約０．００１〜１０，０００マイクロリットルの間である。他の例示の実施形態においては、容器１８の内室３２内に保持され、ＨＨＰＳＤ１４で使用するのに必要な液体サンプルの体積は、約０．０１〜５，０００マイクロリットルの間であることが可能である。一方、さらに他の例示の実施形態においては、容器１８内に保持され、ＨＨＰＳＤ１４で使用するのに必要な液体サンプルの体積は、約０．１〜１，０００マイクロリットルの間であることが可能である。
いくつかの実施形態においては、フィルム６６は、フィルム６６に特定の汚染物質を通過させることを可能にする能力にもとづいて選択されたポリマー材料を含むことが可能である。より具体的には、フィルム６６に使用された例示のポリマー材料は、センサが作動する温度よりも低いガラス転移温度を有することが可能であり、それによって、半粘性状態が実現され、この半粘性状態は、フィルム６６への特定の汚染物質の拡散を可能にする。フィルム６６中でのイオン種の拡散を調整するために、フィルム６６に使用されたポリマー材料に添加物を含ませることが可能である。また、ポリマーマトリクスは、正電荷または負電荷を有するイオン交換材料でドープすることが可能である。したがって、イオンセンサ２６は、フィルム６６の通過を防止されたべき液体サンプル中の汚染物質の電荷にもとづき、特定のイオン交換材料を有するフィルム６６を含むように選択することが可能である。例えば、負電荷を有するイオン交換材料を使用して、正帯電した汚染物質がフィルム６６を通過するのを防止することが可能であり、正帯電したイオン交換材料を使用して、負帯電した汚染物質がフィルム６６を通過するのを防止することが可能である。さらには、中性帯電されたフィルム６６を、中性電荷を有する汚染物質について使用することが可能である。
さらに、いくつかの実施形態においては、フィルム６６の組成は、イオノフォアを利用した対象イオンの選択的な結合プロセスを実現するように作成することが可能である。イオノフォアは、フィルム６６の選択性を高め、感知すべき望ましくない汚染物質のフィルムによる輸送をさらに容易にするように、ポリマー材料に添加された。さらに、フィルム６６の厚さが、フィルム６６によるイオン輸送に影響を及ぼすことが可能である。したがって、ＨＨＰＳＤ１４で感知することが望まれるそれぞれの異なるイオン種について、感知すべき望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）の通過のみを可能にするように構成されたまたは製造されたフィルム６６を有する種々のイオン種センサ２６を使用しなければならない。
そのため、いくつかの実施形態においては、イオン種センサ２６は、ＨＨＰＳＤプローブ３０に着脱自在に連結された。したがって、様々な種々の望ましくない汚染物質の中からある特定の１つを感知するように構成されたある特定のイオン種センサ２６を設置するだけで、単一のＨＨＰＳＤ１４を使用して多数の種々の望ましくない汚染物質について検査することが可能となる。いくつかの他の実施形態においては、イオンセンサ２６および例えば導電率センサ２２などの他のセンサ、ならびに温度センサ５８および有機炭素センサ６２は、センサの交換およびＨＨＰＳＤプローブ３０の交換を可能にするように、ねじ式連結、摩擦嵌めなどによってＨＨＰＳＤプローブ３０から着脱自在に連結することが可能な着脱式センサモジュールのコンポーネントであることが可能である。
代替としては、いくつかの実施形態においては、イオン種センサ２６は、ＨＨＰＳＤ１４に固定的に設置することが可能であるが、これにより、種々の１つまたは複数の望ましくない汚染物質のそれぞれについての検査のために、異なるＨＨＰＳＤ１４を使用しなければならなくなる。トランスデューサ６４は、液体サンプル中の汚染物質の濃度を決定するために使用することが可能なコントローラ３４に情報を提供するのに適した任意の電気化学トランスデューサであることが可能である。例えば、トランスデューサ６４は、コントローラ３４により測定された電気特性が、フィルム６６を通過しトランスデューサ６４に接触するイオンの量と共に強まる、という原理にもとづいて作動する任意のトランスデューサであることが可能である。測定された電気特性は、多重周波数での複素インピーダンス、電気化学式変調インピーダンス、電流および電位、またはそれらの任意の組合せであることが可能である。電気化学トランスデューサを含む適切なトランスデューサの非限定的な例は、電位測定式電界効果トランジスタ、電流測定式電界効果トランジスタ、インピドメトリック電界効果トランジスタなどである。
いくつかの実施形態においては、イオンセンサ２６は、トランスデューサ６４およびフィルム６６が中に配設されたマニホルド７０を含むことが可能である。マニホルド７０は、トランスデューサ６４およびフィルム６６を固定するために使用された。しかし、マニホルド７０は、フィルム６６がトランスデューサ６４に接合された用途においては不要であることは明らかである。
次に、手持ち可搬式汚染物質検出システム１０の作動が説明された。例えば沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）において使用された超純水などの大量の液体中の１つまたは複数の特定の望ましくない汚染物質の濃度を決定するために、液体のサンプルが、その大量の液体から汲み出され、液体サンプル容器１８の内室３２内に保持された。次いで、導電率センサ２２およびイオンセンサ２６が装着されたまたは延在する遠位端ＨＨＰＳＤセンサプローブ３０が、液体サンプル中に浸漬された。センサプローブ３０、導電率センサ２２およびイオンセンサ２６が液体サンプル中に浸漬されたと、コントローラ３４がイネーブルになるまたは作動することが可能となり、すなわちＨＨＰＳＤ１４がオンになり、液体サンプルの分析とその中の望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）の濃度の算出とを開始する。
いくつかの実施形態によれば、コンピュータ可読電子メモリデバイス４２は、汚染物質濃度検出（ＣＣＤ）アルゴリズム選択ルーチンおよび複数のＣＣＤアルゴリズムを記憶している。ＣＣＤアルゴリズム選択ルーチンは、導電率センサ２２からの導電率読取値を使用して液体サンプルの導電率値を決定し、決定された導電率値にもとづいて複数のＣＣＤアルゴリズムの中から特定の１つを実行するようにプロセッサに命令するように構成された。ＣＣＤアルゴリズムのそれぞれは、イオン種センサ２６についてそれぞれ異なる感度設定を使用して液体サンプル中の望ましくない汚染物質の濃度を決定するように構成された。
本明細書で使用された場合に、電子メモリデバイス４２に記憶されたアルゴリズムおよびルーチン（例えばＣＣＤアルゴリズムおよびＣＣＤアルゴリズム選択ルーチンなど）を参照して使用する際の「決定するように構成された」という表現は、プロセッサ４６によるアルゴリズムまたはルーチンのそれぞれの実行によって、コントローラ３４が、この説明された「構成された」というアクションを提供する、算出するまたは生成することを意味するものとして理解すべきである。例えば、「ＣＣＤアルゴリズムのそれぞれは、イオン種センサ２６についてそれぞれ異なる感度設定を使用して液体サンプル中の望ましくない汚染物質の濃度を決定するように構成された」という表現は、プロセッサ４６によるＣＣＤアルゴリズムのそれぞれの実行によって、イオン種センサ２６についてそれぞれ異なる感度設定を使用して、コントローラ３４が液体サンプル中の望ましくない汚染物質の濃度を決定することを意味するものとして理解すべきである。
導電率センサ２２およびイオン種センサが液体サンプル中に浸漬され、コントローラ３４がイネーブルにされたと、コントローラは、ＣＣＤアルゴリズム選択ルーチンを実施する。すなわち、プロセッサ４６が、ＣＣＤアルゴリズム選択ルーチンを実行する。ＣＣＤアルゴリズム選択ルーチンの実施の際に、コントローラ３４は、液体サンプルの導電率を表す１つまたは複数の導電率読取値を導電率センサ２２から取得する。一般的には、液体サンプルの導電率は、液体サンプル中の不純物の濃度にもとづく。不純物濃度がより高いほど、導電率もより高い。ところが、ＢＷＲにおいて使用された非常に純度の高い水などの非常に純度の高い液体においては、不純物の濃度が非常に低いために、一般的に導電率は非常に低い。さらに、非常に純度の高いサンプル液体中の不純物の濃度が非常に低いため、濃度レベルのわずかな変動が、この液体を使用するあらゆるものに対して大きな影響を及ぼす可能性がある。例えば、ＢＷＲにおいて使用された水の中の不純物濃度レベルにおける非常にわずかな変動が、ＢＷＲの寿命およびメンテナンスコストに著しくマイナスの影響を与えるおそれがある。したがって、１つまたは複数の望ましくない汚染物質の濃度を正確に感知するおよび決定するために、イオン種センサ２６の感度および感度限界は、非常に低いトレースレベルの特定の望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）を感知するように適切に設定されなければならない。
上述のように、各ＣＣＤアルゴリズムは、イオン種センサ２６についてそれぞれ異なる感度設定を使用して液体サンプル中の望ましくない汚染物質の濃度を決定するように構成された、すなわち構築されたまたは記述された。より具体的には、各ＣＣＤアルゴリズムは、イオン種センサ２６の感度をそれぞれの特定のレベルに設定するまたは調節するように構成された。すなわち、それぞれのＣＣＤアルゴリズムの実行によって、イオン種センサ２６の感度は、実施されたすなわち実行されたそれぞれのＣＣＤアルゴリズムに固有の特定のレベルに設定されたまたは調節された。例えば、イオン種センサ２６が０ｐｐｂから５０ｐｐｂ（ｐｐｂは１００億分率）の不純物または汚染物質濃度を感知するように設定するように、第１のＣＣＤアルゴリズムを構成することが可能であり、イオン種センサ２６が５０ｐｐｂから５００ｐｐｂの不純物または汚染物質濃度を感知するように設定するように、第２のＣＣＤアルゴリズムを構成することが可能であり、さらにイオン種センサ２６が５００ｐｐｂから５，０００ｐｐｂの不純物または汚染物質濃度を感知するように設定するように、第３のＣＣＤアルゴリズムを構成することが可能である等々である。
したがって、導電率センサ２２およびイオン種センサが液体サンプル中に浸漬されたと、コントローラが、液体サンプルの導電率レベルを決定するためにＣＣＤアルゴリズム選択ルーチンを実施する。その後、液体サンプルの決定された導電率にもとづいて、ＣＣＤ選択ルーチンは、イオン種センサ２６の感度を液体サンプルの決定された導電率に対応するように設定する適切なＣＣＤアルゴリズムを自動的に選択する。例えば、液体サンプルの導電率が約０であると決定された場合には、ＣＣＤ選択ルーチンは、０ｐｐｂから５０ｐｐｂの濃度を有する汚染物質を検査するようにイオン種センサ２６の感度レベルを設定するＣＣＤアルゴリズムを実行するようにコントローラ３４に自動的に命令することが可能である。しかし、例えば、液体サンプルの導電率が約２００ｐｐｂであると決定された場合には、ＣＣＤ選択ルーチンは、５０ｐｐｂから５００ｐｐｂの濃度を有する汚染物質を検査するようにイオン種センサ２６の感度レベルを設定するＣＣＤアルゴリズムを実行するようにコントローラ３４に自動的に命令することが可能である。
したがって、ＣＣＤアルゴリズム選択ルーチンの実行により、液体サンプルの導電率レベルが感知され決定された。次いで、決定された導電率にもとづいて、ＣＣＤアルゴリズム選択ルーチンは、ＣＣＤアルゴリズムの中から特定の１つを実施するようにコントローラ３４に自動的に命令する。その後、選択されたＣＣＤアルゴリズムにより、イオン種センサ２６は、対応する適切な感度レベルに設定され、この感度設定を利用して望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）の濃度が決定された。上述のように、感知され、濃度が算出された特定の望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）は、対象である特定の望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）、すなわち感知すべき特定の汚染物質（または複数の汚染物質）のみが通過可能になるように製造された適切なフィルム６６を有する特定の選択されたイオン種センサ２６を選択することによって決定された。
一般的には、選択されたＣＣＤアルゴリズムが、イオン種センサ２６の感度を各設定に調節すると、選択されたＣＣＤアルゴリズムの実行は、イオン種センサ２６からの読取値を使用して、特定の望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）の濃度を算出する。いくつかの実施形態においては、ＣＣＤアルゴリズムのそれぞれは、イオン種センサ２６からの読取値に加えて、温度センサ５８からの温度読取値を使用して、特定の望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）の濃度に対する温度にもとづく影響を決定する。さらに、いくつかの他の実施形態においては、ＣＣＤアルゴリズムのそれぞれは、イオン種センサ２６および温度センサ５８からの読取値に加えて、有機炭素センサ６２からの有機炭素読取値を使用して、特定の望ましくない汚染物質（または複数の汚染物質）の濃度を決定する。
図２および図３を参照すると、上述のように、液体サンプルが、例えば原子炉の炉心からの水などの大量の液体から汲み出され、液体サンプル容器１８の内室３２内に保持された。より具体的には、液体サンプル中の特定の汚染物質の濃度を正確に決定するためには、汲み出された液体サンプルの体積が把握されていなければならない。したがって、例えば１．０ミリリットルまたは１００マイクロリットルなどの特定の体積の液体が、液体サンプルを用意するために汲み出された。いくつかの実施形態においては、汲み出された液体サンプルは、図２において例示的に示されたものなどのビーカタイプの液体サンプル容器１８の内室３２内に配置し保持することが可能である。本明細書において使用された場合に、「ビーカ」という語は、例えばマイクロウェル、フラスコ、ナノウェルなどの、望ましい容積を有する任意の容器を含む。次いで、イオン種センサ２６、導電率センサ２２、ならびに例えば温度センサ５８および／または有機炭素センサ６２などの本明細書において説明された全ての他のセンサが、液体サンプル中にＨＨＰＳＤプローブ３０を配置することによって、液体サンプル中に浸漬された。
代替としては、図３に例示的に図示されたように、いくつかの他の実施形態においては、イオン種センサ２６、導電率センサ２２および本明細書において説明された全ての他のセンサを容器１８内に含むように、サンプル容器１８をＨＨＰＳＤプローブ３０に連結することが可能である。次いで、液体サンプルを、ピペットなどの適切なデバイスを使用して大量の液体から汲み出し、サンプル容器１８の内室３２中に配置して、例えばイオン種センサ２６、導電率センサ２２などのセンサを浸漬させることが可能となる。
次に図４を参照すると、いくつかの実装形態においては、液体サンプルの一貫性を保つために、例えば浮遊ガス（例えばＣＯ２など）および微粒子状物質などの周囲不純物に汲み出されたサンプルをさらすのを防止することが望ましい可能性がある。したがって、いくつかの実施形態においては、サンプル容器１８は、サンプル容器１８Ａの内室３２内に導電率センサ２２、イオン種センサ２６および本明細書において説明された任意の他の適用可能なセンサを配置する気密の様式で、ＨＨＰＳＤプローブ３０に第１の端部７４で装着させることが可能な気密容器１８Ａを含むことが可能である。いくつかの実施形態においては、ＨＨＰＳＤ１４は、プローブ３０が気密の様式で第１の端部７４に予め連結された単一のユニットとして、気密容器１８Ａを含むように構成することが可能である。代替として、他の実施形態においては、ＨＨＰＳＤ１４および気密容器１８Ａは、別個のコンポーネントであることが可能であり、プローブ３０は、気密の様式で第１の端部７４に結合された、例えばねじ込まれる、摩擦嵌めされた等々となる。
サンプル容器１８Ａは、反対側の第２の端部９０にチューブラーステム８２および気密シール８６をさらに含む。さらに、サンプル容器１８Ａは、内室３２が真空状態に置かれるように製造された。液体サンプルを汲み出し、イオン種センサ２６、導電率センサ２２および、例えば温度センサ５８および／または有機炭素センサ６２などの本明細書において説明された全ての他のセンサを浸漬させるために、チューブラーステム８２が大量の液体にさらされ、シール８６が破られる。したがって、シール８６が破られると、内室３２内の真空は内室３２内に液体サンプルを汲み出し、これによって、液体サンプルが周囲不純物にさらされたことから防がれ、液体サンプルの一貫性が保たれる。特定の体積の液体が内室３２内に汲み出されたように、気密容器１８Ａ、より具体的には内室３２が寸法設定され、真空が生成された。
次に図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、いくつかの実施形態においては、液体サンプルの一貫性を保つために例えば浮遊ガス（例えばＣＯ２など）および微粒子状物質などの周囲不純物に汲み出されたサンプルをさらすのを防止するために、サンプル容器１８が、シリンダ９６を備え、ＨＨＰＳＤプローブ３０が、気密の様式でシリンダ９６内に配置された導電率センサ２２、イオン種センサ２６および本明細書において説明された任意の他の適用可能なセンサを有することが可能である。さらに、ピストンとしての追加的な機能を果たすプローブ３０を引くことによって、シリンダ９６に充填することが可能である。ピストン／プローブ３０を引くことによって、シリンダ９６内に真空が生じ、シリンダ９６の側面上の目盛、シリンダ９６内のハードストップによって、またはピストン／プローブ３０のストロークの電子測定によって設定された指定の体積で、センサの付近の小開口または弁９８を介してサンプルが汲み出された。シリンダ９６は、シリンダ９６のベースの方にピストン／プローブ３０を押すことによって、空にすることが可能である。
次に図３、図４、図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、いくつかの例においては、ある時間間隔にわたってイオン種センサ２６を介して汚染物質読取値、すなわちイオン種読取値を取得することが望ましい場合がある。例えば、導電率読取値が非常に低い場合には、ある特定の時間間隔にわたっていくつかのイオン種読取値を取得することが必要かつ望ましい場合がある。したがって、ＣＣＤアルゴリズムは、ある特定の時間間隔にわたっていくつかのイオン種読取値を取得するように構成され、複数のイオン種読取値を使用して汚染物質濃度を算出することが可能である。
さらに、これらのような例においては、正確な汚染物質濃度算出のために、複数の読取値を取得する特定の期間の間に実質的に一定の温度に液体サンプルを保つまたは安定させることが望ましい、より具体的には必要である場合がある。したがって、いくつかの実施形態においては、ＨＨＰＳＤ１４は、液体サンプルを加熱するおよび冷却するためにコントローラ３４に電気的に接続された熱電式加熱および冷却デバイス９４をさらに含むことが可能である。したがって、実質的に一定の温度に液体サンプルを保つことが望ましいおよび／または必要である例においては、ＣＣＤアルゴリズムのそれぞれは、特定の時間間隔にわたって実質的に一定の温度に液体サンプルを保つために、熱電式加熱および冷却デバイス９４と温度センサ５８との作動を制御するように構成された。次いで、それぞれのＣＣＤアルゴリズムは、複数のイオン種読取値を使用して汚染物質濃度を正確に算出するために、その期間にわたって複数のイオン種読取値を取得することが可能となる。
さらに他の例においては、正確な汚染物質濃度算出をもたらすために、ある特定の時間間隔にわたって２つ以上の温度の間で液体サンプルの温度を循環させることが望ましいおよび／または必要である場合がある。したがって、いくつかの実施形態においては、ＣＣＤアルゴリズムのそれぞれは、特定の時間間隔にわたって２つ以上の温度の間で液体サンプルの温度を循環させるために、熱電式加熱および冷却デバイス９４と温度センサ５８との作動を制御するように構成された。次いで、それぞれのＣＣＤアルゴリズムは、複数のイオン種読取値を使用して汚染物質濃度を正確に算出するために、その期間にわたってそれらのそれぞれの温度で複数のイオン種読取値を取得することが可能となる。
次に図１、図２、図３、図４、図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、上述のように、いくつかの実施形態においては、ＨＨＰＳＤ１４は、ＨＨＰＳＤ１４により感知された、算出されたおよび／または生成された種々の数字、数値、読取値、範囲などを表示するための、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などのディスプレイを含むことが可能である。例えば、ＣＣＤアルゴリズムのそれぞれは、液体サンプルの感知された導電率、液体サンプルの温度、液体サンプル中の有機炭素量、ある特定の感知期間またはその増分の経過時間あるいは残余時間、および最終汚染物質濃度算出値の中から任意の１つまたは複数を、ディスプレイ５０を介して表示するように構成することが可能である。追加的に上述されたように、いくつかの実施形態においては、ＨＨＰＳＤ１４は、コントローラ３４、プロセッサ４６、メモリデバイス４２、ディスプレイ５０、導電率センサ２２、イオン種センサ２６、温度センサ５８、有機炭素センサ６２、熱電式加熱および冷却デバイス９４、ならびにＨＨＰＳＤ１４の任意の他のセンサ、デバイスおよびコンポーネントの中から任意の１つまたは複数に例えばＤＣ電流およびＤＣ電圧などの電気エネルギーを供給するように作動可能な蓄電デバイス５４を含むことが可能である。
蓄電デバイス５４の使用エネルギーを温存するために、いくつかの実施形態においては、ＣＣＤアルゴリズムのそれぞれは、手持ち可搬式感知デバイスを使用する際の、コントローラ３４と、導電率センサ２２、イオン種センサ２６、温度センサ５８、有機炭素センサ６２、熱電式加熱および冷却デバイス９４、およびディスプレイ５０の中の任意の１つまたは複数とによる電力消費を抑制するための節電サブルーチンを含むことが可能である。例えば、ＣＣＤアルゴリズムは、一定期間の間読取値および数値を表示し、液体サンプルを加熱または冷却する必要がない場合には熱電式加熱および冷却デバイス９４の電源を切り、必要がない時には温度センサ５８の電源を切り、必要がない時には有機炭素センサの電源を切る等々を行うように構成することが可能である。
次に図２および図３を参照すると、いくつかの実施形態においては、ＨＨＰＳＤ１４は、センサプローブ３０に装着されたイオン種センサ２６のアレイを形成する複数のイオン種センサ２６を含むことが可能である。簡略化のため、図２および図３は、イオン種センサアレイを形成する第１のイオン種センサ２６Ａおよび第２のイオン種センサ２６Ｂのみを例示的に図示する。しかし、いくつかの実施形態においては、ＨＨＰＳＤ１４は、アレイを形成する３つ以上のイオン種センサ２６、すなわち２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃなどを含むことが可能であることを理解すべきである。いくつかの実装形態において、各イオン種センサ２６は、液体サンプル中の望ましくない汚染物質のそれぞれ別個の数値を個別に感知し、ＣＣＤアルゴリズムによって液体サンプル中の汚染物質濃度を算出するためにコントローラ３４にこの別個の数値を通信する。
例えば、センサアレイ５０を使用して、液体サンプル中の平均汚染物質濃度を決定することが可能である。すなわち、このアレイの各イオン種センサ２６は、コントローラ３４に電気的情報を個別に送ることが可能であり、それによって、それぞれのＣＣＤアルゴリズムは、イオン種センサ２６Ａ、２６Ｂなどのそれぞれからのイオン種読取値を使用して、平均汚染物質濃度を算出する。このような実施形態においては、イオン種センサ２６は、例えば同一のフィルム６６を有するなど、相互に同様に構成することが可能である。
代替の実施形態においては、センサアレイは、フィルム６６を通過する望ましくない汚染物質の経時的移動にもとづいて、コントローラ３４に電気的情報を提供することが可能となる可能性がある。より具体的には、望ましくないイオンがフィルム６６を通過するのに要する所要時間は、液体サンプル中の他の汚染物質の存在および／または濃度により影響を受ける可能性がある。したがって、イオン種センサ２６Ａ、２６Ｂなどは、厚さの異なる同一材料（または同一の複数材料）からなるフィルム６６を含むことが可能である。このような構成においては、各イオン種センサ２６により提供された電気的情報がプラトーに達する、または特定のレベルに達するのに必要な所要時間は、対象である望ましくない汚染物質などのイオン輸送に対して他の汚染物質が影響を及ぼすかどうかを決定するために、それぞれのＣＣＤアルゴリズムが査定するおよび利用することが可能である。
さらに他の実施形態においては、センサアレイは、それぞれ異なるフィルム６６を有する複数のイオン種センサ２６を使用することが可能であり、したがってこれらのフィルム６６は、各イオン種センサ２６によりコントローラ３４に供給された電気的情報を変更する。例えば、液体サンプル中の特定の望ましくない汚染物質の測定の精度を高めるために、それぞれ異なるイオン種センサ２６を使用して、液体サンプル中の感知すべき特定の望ましくない汚染物質以外の汚染物質の存在により引き起こされた干渉を低減させることが可能である。
より具体的には、第１のイオン種センサ２６Ａを使用して、第１の汚染物質にもとづいてコントローラ３４に電気的情報を提供することが可能であり、またこの第１の汚染物質は、測定すべき対象である望ましくない汚染物質である。しかし、第２および第３の汚染物質が液体サンプル中の第１の汚染物質濃度の精度を損なうことが認識されている場合には、第２のイオン種センサ２６Ｂが第２の汚染物質を感知するように構成され、第３のイオン種センサ２６Ｃ（図示せず）が第３の汚染物質を感知するように構成されたように、センサアレイを構成することが可能である。これらのような実装形態においては、３つのイオン種センサ２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃにより提供された電気的情報を、それぞれのＣＣＤアルゴリズムの実行を介してコントローラ３４が利用するおよび分析することが可能である。第２のイオン種センサ２６Ｂが第２の汚染物質を検出しなかった、および第３のイオン種センサ２６Ｃが第３の汚染物質を検出しなかったとコントローラ３４が判定する場合には、第１のイオン種センサ２６Ａから受信する情報は、第２または第３の汚染物質の存在により正確なものであり曖昧なものではないと決定された。しかし、第２の汚染物質または第３の汚染物質のいずれかが存在すると判定された場合には、コントローラ３４は、液体サンプル中の第１の汚染物質の正確な濃度を決定するために、これらの汚染物質の濃度を明らかにすることが可能である。
いくつかの実施形態においては、選択されたＣＣＤアルゴリズムにより液体サンプル中の望ましくない汚染物質の濃度を決定するために、ＣＣＤアルゴリズムは、多変数分析を実施することが可能である。より具体的には、選択されたＣＣＤアルゴリズムは、アレイの中のイオン種センサ２６のそれぞれからの電気的情報を利用して液体サンプル中の望ましくない汚染物質の濃度を決定するために、多変数分析ツールを使用することが可能である。選択されたＣＣＤアルゴリズムは、正準相関分析、回帰分析、主成分分析、判別関数分析、多次元尺度構成法、線形判別分析、ロジスティック回帰および／またはニューラルネットワーク分析などの、任意の適切な多変数分析ツールを使用することが可能である。
本開示のエレメントまたはフィーチャあるいはそれらの実施形態を説明する際において、「１つの」「この」「前記の」など語句は、１つまたは複数のエレメントまたはフィーチャが存在することを意味するように意図された。「備える」「含む」「有する」などの語句は、包括的なものであり、具体的に説明されたもの以外の他のエレメントまたはフィーチャが存在し得ることを意味するように意図された。
本明細書における説明は、完全に単なる例示のものであり、したがって、説明されたものの主旨から逸脱しない変形形態は、この教示の範囲内となるように意図された。そのような変形形態は、この教示の精神および範囲から逸脱するものとして見なされたべきではない。
さらに、本明細書において説明されたプロセスまたはステップは、説明されたまたは図示された特定の順序におけるそれらの実施を必然的に要するものとして解釈されたべきではないことを理解すべきである。また、追加的なまたは代替的なプロセスまたはステップを使用し得ることを理解すべきである。
１０ 手持ち可搬式汚染物質検出システム
１４ 手持ち可搬式感知デバイス（ＨＨＰＳＤ）
１８ 液体サンプル容器
２２ 導電率センサ
２６ イオン種センサ
３０ ＨＨＰＳＤのセンサプローブ
３２ 容器内室
３４ コントローラ
３８ ＨＨＰＳＤのヘッド
４２ 電子メモリデバイス
４６ プロセッサ
５０ ディスプレイ
５４ 蓄電デバイス
５８ 温度センサ
６２ 有機炭素センサ
６４ イオン種センサトランスデューサ
６６ イオン種センサフィルム
７０ イオン種センサマニホルド
７４ 気密サンプル容器の第１の端部
８２ 気密サンプル容器チューブラーステム
８６ 気密サンプル容器シール
９０ 気密サンプル容器の第２の端部
９４ 熱電式加熱および冷却デバイス
９６ シリンダ
１４ 手持ち可搬式感知デバイス（ＨＨＰＳＤ）
１８ 液体サンプル容器
２２ 導電率センサ
２６ イオン種センサ
３０ ＨＨＰＳＤのセンサプローブ
３２ 容器内室
３４ コントローラ
３８ ＨＨＰＳＤのヘッド
４２ 電子メモリデバイス
４６ プロセッサ
５０ ディスプレイ
５４ 蓄電デバイス
５８ 温度センサ
６２ 有機炭素センサ
６４ イオン種センサトランスデューサ
６６ イオン種センサフィルム
７０ イオン種センサマニホルド
７４ 気密サンプル容器の第１の端部
８２ 気密サンプル容器チューブラーステム
８６ 気密サンプル容器シール
９０ 気密サンプル容器の第２の端部
９４ 熱電式加熱および冷却デバイス
９６ シリンダ
Claims (7)
- サンプル容器内室（３２）の少なくとも一部分に液体サンプルを充填するステップと、
液体サンプル中に手持ち可搬式感知デバイスのセンサプローブ（３０）を浸漬するステップと、
前記浸漬された手持ち可搬式感知デバイスのセンサプローブ（３０）に装着されていると共に前記手持ち可搬式感知デバイス（１４）のコントローラ（３４）に電気的に接続された少なくとも１つの導電率センサ（２２）を用いて、前記液体サンプルの導電率を感知するステップと、
前記手持ち可搬式感知デバイス（１４）のメモリデバイス（４２）に記憶された複数の汚染物質濃度検出（ＣＣＤ）アルゴリズムの中から、前記感知された導電率にもとづいて、特定の１つＣＣＤアルゴリズムを選択するステップと、
前記の各ＣＣＤアルゴリズムは、それぞれのＣＣＤアルゴリズムに関連付けられた特定の感度設定を有するように構成されており、前記浸漬された前記手持ち可搬式感知デバイスのセンサプローブ（３０）に装着され且つ前記手持ち可搬式感知デバイス（１４）の前記コントローラ（３４）に電気的に接続された少なくとも１つのイオン種センサ（２６）の感度を、前記選択されたＣＣＤアルゴリズムに固有の感知レベルに設定するステップと、
前記特定の感度レベルに設定された前記少なくとも１つのイオン種センサ（２６）を使用して、前記液体サンプル中の望ましくない汚染物質を感知するステップと、
前記選択されたＣＣＤアルゴリズムにより前記液体サンプル中の前記望ましくない汚染物質の濃度を決定するステップ、
とを含み、
前記選択されたＣＣＤアルゴリズムにより前記液体サンプル中の前記望ましくない汚染物質の濃度を決定する前記ステップは、
前記手持ち可搬式感知デバイスの前記センサプローブ（３０）に装着され、前記コントローラ（３４）に電気的に接続された温度センサ（５８）を使用して、前記液体サンプルの温度を感知するステップと、
前記手持ち可搬式感知デバイスの前記センサプローブ（３０）に装着され、前記コントローラ（３４）に電気的に接続された、前記温度センサ（５８）および熱電式加熱および冷却デバイス（９４）を使用して、ある期間にわたって２つ以上の温度の間で前記液体サンプルの温度を循環させるステップと、
前記少なくとも１つのイオン種センサ（２６）を使用して、前記期間にわたって複数の望ましくない汚染物質読取値を取得するステップと、
複数の汚染物質読取値を使用して、前記望ましくない汚染物質の前記濃度を決定するステップと、
を含むこと
を特徴とする液体中汚染物質の検出方法。 - 前記選択されたＣＣＤアルゴリズムにより前記液体サンプル中の前記望ましくない汚染物質の濃度を決定する前記ステップは、
前記手持ち可搬式感知デバイスの前記センサプローブ（３０）に装着され、前記コントローラ（３４）に電気的に接続された有機炭素センサ（６２）を使用して、前記液体サンプル中の有機炭素の量を感知するステップと、
前記液体サンプル中の感知された有機炭素の前記量を使用して、前記望ましくない汚染物質の前記濃度を決定するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記手持ち可搬式感知デバイス（１４）のヘッド中に含まれる蓄電デバイス（５４）を使用して電力を、
前記コントローラ（３４）と、
前記少なくとも１つの導電率センサ（２２）と、
前記少なくとも１つのイオン種センサ（２６）と、
前記手持ち可搬式感知デバイス（１４）の前記センサプローブに装着され、前記コントローラ（３４）に電気的に接続された温度センサ（５８）と；前記手持ち可搬式感知デバイス（１４）のヘッド中に含まれ、前記コントローラ（３４）に電気的に接続されたディスプレイと；前記コントローラ（３４）に電気的に接続された前記手持ち可搬式感知デバイス（１４）の前記センサプローブに装着された熱電式加熱および冷却デバイス（９４）との中の少なくとも１つと、
に電力を供給するステップと、
前記手持ち可搬式感知デバイス（１４）を使用する際に、前記コントローラ（３４）、前記少なくとも１つの導電率センサ（２２）、前記少なくとも１つのイオン種センサ（２６）、前記温度センサ（５８）、前記熱電式加熱および冷却デバイス（９４）および前記ディスプレイによる前記蓄電デバイス（５４）からの電力の消費を抑制するために、前記選択されたＣＣＤアルゴリズムの節電サブルーチンを実行するステップ、
をさらに含むこと、
を特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記少なくとも１つのイオン種センサ（２６）は、前記手持ち可搬式感知デバイスの前記センサプローブ（３０）に装着され、前記コントローラ（３４）に電気的に接続されたイオン種センサのアレイを形成する複数のイオン種センサ（２６）を含み、各イオン種センサ（２６）は、前記液体サンプル中の前記望ましくない汚染物質のそれぞれ別個の数値を個別に感知し、
前記選択されたＣＣＤアルゴリズムにより前記液体サンプル中の前記望ましくない汚染物質の濃度を決定する前記ステップは、前記望ましくない汚染物質の前記濃度を決定するために多変数分析を実行するステップを含むこと
を特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記サンプル容器は、真空状態にある前記内室を有する気密容器を含み、
前記サンプル容器内室の少なくとも一部分に液体サンプルを充填する前記ステップは、
前記容器の前記内室（３２）内に配置された前記少なくとも１つの導電率センサ（２２）および前記少なくとも１つのイオン種センサ（２６）を有する前記気密容器の第１の端部（７４）に、気密の様式で、前記手持ち可搬式感知デバイス（１４）を結合するステップと、
前記気密容器の反対側の第２の端部のチューブラーステム（８２）を、サンプリングすべき液体にさらすステップと、
前記液体サンプルが前記容器の前記内室（３２）内に汲み出されて、それによって周囲不純物に前記液体サンプルをさらすことを防止し、前記液体サンプルの一貫性を保つように、前記チューブラーステム（８２）の内方に気密シールを破るステップと、
を含むこと
を特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記サンプル容器は、気密ピストンおよびシリンダを含み、
前記サンプル容器内室（３２）の少なくとも一部分に液体サンプルを充填する前記ステップは、
前記少なくとも１つの導電率センサ（２２）および前記少なくとも１つのイオン種センサ（２６）を含む前記手持ち可搬式感知デバイス（１４）を、前記シリンダ内に位置する前記ピストンのベースに結合するステップと、
前記気密容器の反対側の端部のチューブラーステム（８２）を、サンプリングすべき前記液体にさらすステップと、
前記センサが前記液体サンプルに接触し、それによって周囲不純物への前記液体サンプルの露出の防止、前記液体サンプルの前記一貫性の保存、および正確な体積の確実化が達成されたように、前記液体サンプルが、前記チューブラーステム（８２）を介して前記シリンダ内に汲み出されたように、前記シリンダ内に真空を生成するために、所望の位置に前記ピストンを引くステップと、
を含むこと
を特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記容器は、マイクロウェルの底に前記少なくとも１つの導電率センサ（２２）および少なくとも１つのイオン種センサ（２６）を有する前記マイクロウェルを含み、
サンプル容器内室（３２）の少なくとも一部分に液体サンプルを充填する前記ステップは、液体サンプル中に手持ち可搬式感知デバイスのセンサプローブ（３０）を浸漬する前記ステップと実質的に同時に実施されたこと
を特徴とする請求項１に記載の方法。
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