JP5632529B2 - 化学化合物用の検出器 - Google Patents

Description

自然水は、有毒な最終生成物を含有する工業廃棄物で汚染される可能性がある。さらに、作物を保護するために使用される殺虫剤もまた、洗い流されて上水道に入り、上水道を汚染する可能性がある。これらの有毒な化学物質は、健康被害を生成し、また同様に、種々の生態系に損傷を与え／破壊することがわかっている。

上水道において発見される可能性がある細菌のクラスは大腸菌群を含む。実際には、大腸菌群は、食品および水の衛生的品質についての一般的に使用される指標である。大腸菌群の存在は、糞便起源の他の病理学的有機体が存在する可能性があることを示すために使用されることができる。これは、温血動物または人間からの糞便が、大腸菌群および他の病理学的有機体による水の汚染をもたらすことが多いからである。

大腸菌群は、大腸菌、サルモネラ菌、クレブシラ、およびエルウィニアを含む。これらの病理学的有機体は、腸内感染、赤痢、肝炎、腸チフス、コレラなどをもたらす可能性がある。さらに、大腸菌群および他の化学的汚染物質は、汚染された池／湖の住人に有害な影響を及ぼし、住人の成長および人口増加を制限する可能性がある。

本発明の特徴は、同様な参照数字が同様な要素を指定する図面において示される。

ある実施形態による装置の略図である。 ある実施形態による試料ホルダの略図である。 ある実施形態による濁度測定の略図である。 ある実施形態による弁システムの略図である。 ある実施形態によるＬＥＤ回路の略図である。 ある実施形態によるシステムの略図である。 ある実施形態による方法のフローチャートである。

池の水の中の毒素のレベルの監視は、一般に骨が折れかつコストがかかる。ある実施形態は、遠隔で制御されうる、水汚染を監視するための低コストの自動光学または電子装置を含む。ある実施形態では、装置は、遠隔でスイッチオンされ、データ収集されうる。いくつかの実施形態では、池または湖などの水塊の広範囲の汚染物質プロファイルが得られうる。プロファイルは、濁度測定、細菌数測定、ならびに溶解した有機および無機化学物質の測定を含むことができる。

複数の実施形態は、池／湖の水を分析するための光学装置および方法を含む。ある実施形態では、装置は、池／湖の水についての広範囲の一般に知られている汚染物質の測定を可能にしうる。測定されることができる汚染物質は、溶質、有毒な有機化合物、重金属イオン、およびシアン化物に似た有毒イオンを含む。機器の実施形態は、単純な流体システムの使用、および、試薬の添加のための空気圧制御式弁システムの使用を含む。ある実施形態では、装置は、いくつかの汚染物質の同時の検出を可能にし、人的資源の使用を低減しうる。ある実施形態では、装置は、発光ダイオード、ダイオード検出器、単純な流体システム、および弁システムを含みうる。

ある実施形態は、試料内の汚染物質を検出するように構成された複数のステージを備える装置に関し、複数のステージは、複数の汚染物質を実質的に同時に検出するように構成される。一態様では、複数のステージの１つのステージは、試料の濁度を測定するように構成される。別の態様では、複数のステージの少なくとも１つのステージは、試料内の生物学的有機体の存在を測定するように構成される。別の態様では、複数のステージの少なくとも１つのステージは、試料内の重金属イオンの存在を測定するように構成される。別の態様では、複数のステージの少なくとも１つのステージは、試料内の有機化合物の存在を測定するように構成される。

別の態様では、化合物は、ポリ塩化ビフェニル、ダイオキシン、フラン誘導体、アルドリン、ディルドリン、ＤＤＴ、エンドリン、クロルデン、ヘキサクロロベンゼン、ミレックス、トキサフェン、およびヘプタクロルからなる群から選択される。別の態様では、装置は、複数の異なる有機化合物を検出するように構成される複数のステージを備える。別の態様では、試料は水溶液である。別の態様では、装置は、少なくとも１つのろ過ユニットをさらに備える。別の態様では、ステージは、試料ホルダ、光源、および光検出器を備える。別の態様では、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える。別の態様では、光検出器はダイオードを備える。別の態様では、装置は、遠隔で作動されるように構成される。

ある実施形態は、試料を得ること、および、生物学的有機体、重金属イオン、または有機化合物の存在について試料を分析することを含む方法に関し、分析することは、生物学的有機体、重金属イオン、および／または有機化合物の存在を実質的に同時に検出するように構成された複数の異なるセンサを有する装置において行われる。ある態様では、方法は、試料の濁度を測定することをさらに含む。別の態様では、方法は、試料に溶解試薬を添加することをさらに含む。別の態様では、方法は、試料に量子ドットを添加することをさらに含む。別の態様では、方法は、試料に着色剤を添加することをさらに含む。別の態様では、方法は、試料を混合することをさらに含む。別の態様では、方法は、試料をろ過することをさらに含む。別の態様では、装置は、遠隔で作動されるように構成される。

図１は、ある実施形態による装置１００の略図である。この実施形態の装置１００は、一連のステージを接続するパイプ／チューブ１０１を含む。示すように、この実施形態は、４つの測定ステージ、すなわち、濁度ステージ１０８、生物学的測定ステージ１１０、有機分子ステージ１１２、およびイオン測定ステージ１１４を含む。他の実施形態は、より多くのまたはより少ないステージを含むことができる。パイプ／チューブ１０１の一端には、オプションのホース１０４が取付けられることができる入口１０２が存在する。オプションのホース１０４は、池または湖（または、試験される他の水供給源）の中に延ばされることができる。パイプ／チューブ１０１の他端はポンプ１０６である。ポンプ１０６は、シリンジポンプ、または、水供給源から入口１０２へ水を吸引するのに適した任意の他の種類のポンプとすることができる。

いくつかの実施形態では、ステージは、ろ過ユニット１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃによって分離されることができる。図１に示す実施形態では、濁度ステージ１０８、生物学的測定ステージ１１０、有機分子ステージ１１２、およびイオン測定ステージ１１４は、ろ過ユニット１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃによってそれぞれ分離される。しかし、他の実施形態は、より多くのまたはより少ないろ過ユニットを含むことができる。すなわち、ステージ間に２つ以上のろ過ユニットが存在することができる、または、ステージ間にろ過ユニットを全く持たないステージが存在することができる。一態様では、ろ過ユニット１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃは、多用途フィルタを備える。多用途フィルタは、２回以上使用されうるため、各実験セットの前に交換される必要がない。別の態様では、ろ過ユニット１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃは、１回使用の使い捨てフィルタを備える。フィルタ材料の選択は重要でない。すなわち、指定された細孔サイズを有する任意のフィルタ媒体が使用されうる。さらに、ろ過ユニット１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃは、一般に、ろ過ユニット１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃを通過した汚染物質のサイズが降順になるように設けられる。すなわち、ろ過ユニット１１６ａ、１１６ｂ、および１１６ｃは、より小さい径を有する粒子の通過を可能にしながら、より大きな径を有する粒子の通過を制限するように構成される。たとえば、ろ過ユニット１１６ａは、約２ミクロン以上の細孔サイズを有するフィルタを含むことができる。フィルタは、たとえば、２．７ミクロン間隙を有するガラスマイクロファイバグレードＤフィルタとすることができる。浮遊粒子のサイズが２ミクロン未満である場合、１．５ミクロンのガラスマイクロファイバフィルタグレード９３４−ＡＨが使用されることができる。ろ過ユニット１１６ｂは、１ミクロン未満の細孔サイズを有するフィルタを含むことができる。フィルタは、たとえば、混合セルロースを含むシリンジフィルタ（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ ＷＭＣＦ１３４５０１、細孔サイズ０．４５ミクロン）とすることができる。ろ過ユニット１１６ｃは、０．１ミクロンと０．３ミクロンとの間の細孔サイズを有するフィルタを含むことができる。フィルタは、たとえば、ＰＴＦＥ（テフロン（登録商標））を含むシリンジフィルタ（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ ＷＰＴＦ１３４５０１、細孔サイズ０．２２ミクロン）とすることができる。適したフィルタは、たとえば、Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから得ることができる。

図２は、ある実施形態による試料ホルダ１１８（たとえば、キュベット）を示す。試料ホルダ１１８は、既知の径でかつ既知の体積とすることができる。例示的な実施形態では、光学測定技法が使用される。この場合、試料ホルダ１１８は、測定のために使用される光に対して少なくとも部分的に透明であるとすることができる。図３は、濁度を測定するための光学測定技法の例を示す。水試料が取得され、光源１２６（たとえばＬＥＤ）からの光が、試料を通過するのが示される。透過光は、光検出器１２８で検出され、電圧信号に変換される。電圧信号は、時間の関数として監視される。水中の粒子状物質が沈降するにつれて、より多くの光が試料を通過し、電圧の増加をもたらす。濁度は、その後、以下でより詳細に論じるように確定されうる。透明な（部分的に透明な）試料ホルダ１１８を用いて、光源１２６および光検出器１２８は、試料ホルダ１１８の外側に配置されることができる。検出器１２８および光源１２６は、試料ホルダ１１８の外側にあり、したがって、実験試料に接触していないため、通常汚れないことになる。光源１２６は、白熱電球、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、または任意の他の適した光源などの任意のタイプとすることができる。光検出器は、ダイオード検出器を含むことができるが、それに限定されない。適した光源は、Ｍａｘｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．などの会社から得られうる。適した光検出器は、Ａｒｃｏｐｔｉｘ Ｓ．Ａ．およびＦｕｔｕｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．などの会社から得られうる。

任意選択で、撹拌器１２２が、試料ホルダ１１８に含まれ、試料を均質化するために使用されうる。撹拌器１２２はまた、以下でより詳細に論じるように試料に添加される試薬を撹拌するために使用されることができる。試料ホルダ１１８はまた、下側シャッター１２４を含むことができる。下側シャッター１２４は、試料ホルダ１１８を空にするため、および／または、洗浄を容易にするように試料ホルダ１１８の内部へのアクセスを可能にするために、測定が終了した後に開口されることができる。下側シャッター１２４はまた、ロータに接続された回転可能バーを備える撹拌器１２２を含むことができる。撹拌器１２２は、均質な溶液を作るために使用されることができる。あるいは、磁気撹拌器が使用されうる。

図４を参照して、試料ホルダ１１８は、試料ホルダ１１８が空になったときに開口するフロート弁１を含む。試料ホルダ１１８が所望レベルまで充填されると、フロート弁１が閉鎖する。こうして、各試料ホルダ１１８は、試験される水試料を充填されることができる（図２）。一実施形態では、別個の試料ホルダ１１８が、各汚染物質が測定されるために設けられる。こうして、汚染物質が全て、同時に個々に測定されうる。代替の実施形態では、複数の汚染物質が、所与の試料ホルダ１１８内で確定されうる。すなわち、試料ホルダ１１８の数は、測定される汚染物質の数より少ない場合がある。この実施形態では、汚染物質の測定は、一般に、同時にではなく順次実施される。

ある実施形態では、試料中に特定の毒素が存在するかどうかを検出するため、および／または、その毒素の濃度を測定するために、光源１２６（たとえば、発光ダイオード）および光検出器１２８（たとえば、ダイオード検出器）が、ステージの一部または全てにおいて構成されうる（図３、図５）。すなわち、１つまたは複数のステージは、１つまたは複数の光源１２６が試料ホルダ１１８の一方の側に配置され、１つまたは複数の光検出器１２８が試料ホルダ１１８の反対側に配置された状態で構成されうる。汚染物質の濃度は、既知の波長における光の吸収を測定し、その吸収を、汚染物質についての既知の吸収標準と比較することによって確定されることができる。

図４は、装置１００と共に使用されることができる試薬送出システム１２０の実施形態を示す。示すように、試薬送出システム１２０は、４つの弁、すなわち、フロート弁１、空気取込み弁２、試薬リザーバ弁３、および試薬供給弁４を含む。示す試薬送出システム１２０はまた、試薬リザーバ１２１、試薬送出ピストン６、および試薬送出ピストン６を試薬リザーバ１２１に作動可能に接続する圧力チューブ５を含む。この実施形態では、試薬送出ピストン６は、（試料ホルダ１１８の内部の水の流れを制御する）フロート弁１に取付けられる。試料ホルダ１１８に水試料を充填すると、フロート弁１が上昇するため、送出ピストン６は、圧力チューブ５内の圧力を高める。その圧力は、試薬リザーバ弁３および試薬送出弁４を開口させ、試料ホルダ１１８に試薬の一定分量を送出する。その後、実験が終了し、試料が試料ホルダ１１８から排出された後、試薬送出ピストン６が、下に引張られ、空気弁２が開口されることができる。空気弁２が開口すると、空気が、圧力チューブ５に引き込まれ、次の実験のために試薬送出システム１２０の準備がされる。

図５は、装置１００の実施形態による４つの光源１２６および４つの光検出器１２８の構成を示す回路図である。この実施形態は、４つのＬＥＤ１２６および４つのダイオード検出器１２８を含む。この実施形態では、ダイオード検出器１２８の出力は、デジタル採取モジュール１３０に送られる。示すように、デジタル採取モジュール１３０は、データ記憶に適したメモリ１３２および装置１００の作動を制御しうるマイクロプロセッサ１３４を含む。任意選択で、メモリ１３２および／またはマイクロプロセッサ１３４はまた、データの分析を可能にする命令を含むことができる。代替の実施形態では、メモリ１３２および／またはマイクロプロセッサ１３４は、デジタル採取モジュール１３０から離れている。すなわち、メモリ１３２および／またはマイクロプロセッサ１３４は、デジタル採取モジュール１３０と別個のハウジング内に配置される。例示的な実施形態では、デジタル採取モジュール１３０は、たとえばリモートコンピュータ２１４（図６）との無線通信を可能にする無線通信回路要素１３６を含む。代替の実施形態では、無線通信回路要素１３６は、別個のモジュールに含まれることができる。

図６は、ある実施形態による化学化合物の光学的検出のためのシステム２０２を示す。この実施形態では、装置１００は、コンテナまたはボックス２０２の内部に閉囲される。コンテナ２０２は、試料ホルダ１１８を迅速に乾燥させるための高速ファン２０８を含むことができる。任意選択で、加熱システム２１０もまた、試料ホルダ１１８を乾燥させるために、ファン２０８と共にまたはファン２０８の代わりに使用されうる。空気流（ファン２０８）と加熱（加熱システム２１０）の組合せが、通常、エアレーションまたは加熱だけに比べてうまく働く。任意選択で、装置１００の微生物汚染を減じるために、ＵＶ光源（たとえば、ＵＶ ＬＥＤ）２１２が、コンテナ２０２の角のうちの１つまたは複数の角に設置されることができる。ある実施形態では、ＵＶ光源２１２は、コンテナ２０２の８つ全ての角に設置される。ＵＶ光源２１２は、通常、微生物汚染を消滅（ｋｉｌｌ）させるのに十分な時間にわたって照射される。たとえば、ＵＶ光源２１２は、実験が終わった後、１時間にわたって装置１００を照射することができる。

先に論じたように、装置１００は、無線通信回路要素１３６を含む。含まれる無線通信回路要素１３６によって、装置１００は、命令を受信し、データをリモートコンピュータ２１４に送信できる。システム２００のリモートコンピュータ２１４は、ワークステーション、ラップトップ、および携帯情報端末（ＰＤＡ）またはさらに最新の携帯電話などのより小型のコンピューティングデバイスを含むことができる。実際には、リモートコンピュータ２１４は、無線で、命令を送信し、データを受信することが可能な任意のデバイスを含む。無線通信回路要素１３６によって、システム２００は遠隔で制御されうる。すなわち、装置１００は、装置１００に物理的に直接接触していないユーザによって作動されることができる。

再び図６を参照して、ある実施形態では、太陽電池２０４が、装置１００に電力供給するために使用されうる。実際には、いくつかの実施形態では、装置１００の機械的および電気的コンポーネントは全て、太陽電池２０４によって電力供給されることができる。代替の実施形態では、装置１００は、電池２０６を含み、電池駆動式とすることができる。なお他の実施形態では、装置１００は、太陽電池２０４および太陽電池２０４によって充電される充電式電池２０６を含むことができる。こうした実施形態は、太陽電池２０４によって電力を受取りうるが、最小の光を有する条件下で依然として作動することができる。

代替の実施形態では、検出および測定は、非光学的技法によって実施されることができる。すなわち、光源１２６および光検出器１２８は、電気的技法および他の技法で置換されることができる。たとえば、有機分子は、質量分光（ＭＳ）または核磁気共鳴（ＮＭＲ）によって検出されることができる。イオンは、原子吸光によって検出されることができる。

上記実施形態では、従来のデバイスと対照的に、濁度、生物学的物質（biologicals）、有機体、および／またはイオン汚染物質は、単一デバイスによって確定されることができる。さらに、装置１００は、ステージ１０８、１１０、１１２、１１４の一部または全てが実質的に同時に作動するように作動されることができる。こうして、濁度、生物学的物質、有機体、および／またはイオン汚染物質は、迅速かつ効率的に確定されることができる。

装置１００を使用する方法の例示的な実施形態は、ここで述べられる（図７）。方法の実施形態の第１のステップ３００にて、水が、ポンプ１０６によって装置１００内に圧送される。一態様では、ポンプ１０６はシリンジタイプポンプである。シリンジのピストンが引っ込められると、吸引が生じ、池／湖からの水の取出しがもたらされる。代替の態様では、ポンプ１０６は蠕動ポンプとすることができる。他のポンプもまた使用されることができる。先に論じたように、試料ホルダ１１８は、着脱可能底部分、下側シャッター１２４を含むことができる。ピストンが吸引中、下側シャッター１２４は閉鎖する。測定が終了すると、下側シャッター１２４が開口し、試料ホルダ１１８からの廃液の除去が容易になりうる。

ある実施形態では、第１の試料ホルダ１１８は、濁度の測定のために使用される。すなわち、第１のステージは濁度ステージ１０８である。濁度ステージにおいて、測定ユニットは、約６６０ｎｍの放出を有する高輝度発光ダイオードを含みうる。他の波長が使用されることができる。しかし、６６０ｎｍは、最も一般的な汚染物質の吸収領域から離れており、したがって、６６０ｎｍは、大きな粒子による非特定の散乱の測定に適する。

濁度は、沈殿速度を特徴とすることができる。沈殿速度は、一般に、粒子の質量および体積に依存する。したがって、光強度の増加の傾斜は、沈殿速度の尺度を提供する。沈殿速度から、溶解した粒子のサイズが計算されうる。計算は、次の通りに行われうる。自由沈降の場合、粒子に加えられる力の総量は、４つの力、すなわち、加速度による力＝重力−浮力−抗力に分解されうる。（重力の関数としての）浮力および（加速度の関数としての）抗力は、以下の方程式１および２によって計算されうる。

これらの方程式は、結合され、粒子の流体力学的サイズ（Ｖ_Ｐ／Ａｐ）の関数として沈降速度Ｖ_ｓについて解かれる。

したがって、沈降速度を測定することによって、粒子の流体力学的サイズが計算されうる。

さらに、試料の不透明度が、粒子の濃度の尺度を提供するために使用されることができる。不透明度は、一般に、大きな粒子の光吸収および散乱によってもたらされる。ある実施形態では、吸光度は６６０ｎｍで測定される。この波長では、粒子の光吸収による光の損失は本質的に存在しない。すなわち、試料の光吸収は、本質的に粒子からの散乱による。

試料溶液に送られる単色放射ビームは、入射放射パワーＰ_０を有する。吸収が起こると、試料を去る放射ビームは、Ｐの放射パワーを有する。したがって、材料の吸光度は、試料を透過した光の放射パワーを、試料に入射した光の放射パワーで割った値によって規定されうる。この関係は、以下の方程式４で規定される。
Ａ＝ｌｏｇ_１０Ｐ_０／Ｐ ４
式中、Ａは吸光度であり、Ｐ_０は入射光の放射パワーであり、Ｐは透過光の放射パワーである。濃度確定の場合、Ｐ_０は、最初に、標準的なリン酸緩衝生理食塩水を用いたブランクを使用し、検出器における出力電圧を測定することによって実験的に確定される。試料の出力電圧が、その後取得され、吸光度が、方程式４によって計算されうる。

試料中の粒子の濃度は、次の通りに確定されうる。吸光度はまた、ベール−ランベルトの法則を使用して試料中の粒子の濃度によって規定されることができる。
Ａ＝ｅｂｃ ５
式中、Ａは吸光度であり、ｅは、Ｌモル^−１ｃｍ^−１の単位を有するモル吸光係数であり、ｂは、試料の経路長、すなわち試料が含まれるキュベットの経路長（センチメートル単位）であり、ｃは、モルＬ^−１で表される溶液内の化合物の濃度である。

同じタイプの粒子の場合、経路長が一定に維持される場合、濃度の関数としての吸光度の較正曲線が確定されうる。モル吸光係数は、その後、較正曲線の傾斜から確定されうる。モル吸光係数は、通常、同じ供給源から集められる溶液について一定である。モル吸光係数および既知の幅のキュベットを使用して、濃度が方程式５によって計算されうる。

図２および図７を参照して、ある実施形態では、水の一部分は、ろ過ユニット１１６ａによってろ過され（３０４）、生物学的測定ステージ１１０の試料チャンバ１１８に引き込まれる。生物学的物質の分析（３０８）が、その後実施されることができる。このステップでは、大腸菌群などの生物学的汚染物質を検出するのに適する光源１２６および光検出器１２８が設けられる。例示的な実施形態では、ろ過ユニット１１６ａは、２ミクロンより大きい細孔サイズを有する。ろ過ユニット１１６は、大きな粒子状物質をろ過するが、生物学的測定ステージ１１０への生物学的汚染物質の通過を可能にするのに十分なサイズの孔を有する。

生物学的測定ステージ１１０では、生物学的物質は、分析の前に溶解薬によって処理されることができる（３０６）。小さな体積の細胞溶解混合物が、水試料に添加されることができる（３０６）。溶解混合物は、一般に、緩衝液（たとえば、リン酸ナトリウム緩衝液０．５Ｍ、ｐＨ−７．２）内に洗剤（たとえば、トリトンＸまたはＳＤＳ）を含む。他の溶解混合物が使用されることができる。試料は、機械撹拌器１２２によって完全に混合されることができる。インキュベーション期間後に、吸光度が、適した波長、たとえば２８０ｎｍで放出するＵＶ ＬＥＤによる２８０ｎｍの光、および、ダイオード検出器によって測定されることができる（３０８）。２６０ｎｍなどの代替の波長がまた使用されることができる。実際には、たんぱく質またはＤＮＡがそれについて検出されうる任意の波長の光が使用されることができる。生物学的汚染物質のおよその数を確定するために、正味たんぱく質含量または正味ＤＮＡ含量が測定されることができる。正味たんぱく質含量または正味ＤＮＡ含量は共に、細胞の数に比例する。２８０ｎｍの波長は、たんぱく質を検出するために使用されることができ、一方、２６０ｎｍの波長は、ＤＮＡを検出するために使用されることができる。

生物学的測定ステージ１１０と有機分子ステージ１１２との間で第２のろ過が実施されることができる（３１０）。一態様では、第２のろ過ユニット１１６ｂは、細孔サイズ＜１ミクロンを有することができる。この細孔サイズは、大きな粒子および大きな細胞をなくすが、一般的な非生物学的有機汚染物質が通過することを可能にする。一般に「汚れた１２（ｄｉｒｔｙ ｄｏｚｅｎ）」として知られる、最も有毒な有機化合物の一部は、こうしたフィルタを使用することによって監視されることができる。これらの１２の化学物質は、ポリ塩化ビフェニル、ダイオキシン、フラン誘導体、アルドリン、ディルドリン、ＤＤＴ、エンドリン、クロルデン、ヘキサクロロベンゼン、ミレックス、トキサフェン、およびヘプタクロルである。

これらの有機化合物は、ＵＶ、ＶＩＳ、またはＩＲ領域の特定の波長の光吸収を有する。したがって、化合物がその吸収を有する領域に放出波長を有する発光ダイオードが選択されることができる。７つの化合物およびその光吸収が、以下の表１に挙げられる。表１の情報は一般に知られている。

Ｍｉｄ−ＩＲ検出器は、検知、セキュリティ、特にＮＩＲ分光測定において広い範囲の用途がある。４〜１７．５μｍで作動するリン化インジウム（ＩｎＰ）ベース量子カスケード検出器（ＱＣＤ）が、現在入手可能である。図１に示す実施形態と同様の実施形態では、装置１００は、有機分析について７つの試料ホルダ１１８（表１の７つの化学物質リストのそれぞれについて１つの試料ホルダ１１８）のセットを含む。しかし、試料ホルダ１１８の数は、制限されない。装置１００は、「汚れた１２」の有機化合物のそれぞれ用の試料ホルダ１１８を含むことができる。実際には、装置１００は、他の化合物用の試料ホルダ１１８を含むこともできる。複数の実施形態はまた、より少ない試料ホルダ１１８を含むこともできる。さらに、試料ホルダ１１８の１つまたは複数は、試薬リザーバ１２１を装備することができる。試薬リザーバ１２１は、たとえば着色剤を含むことができる。着色剤は、汚染物質に結合する化合物であり、光源によって励起されると、結合するときに既知の波長の光放出を提供する。着色剤を添加する（３１２）ことによって、普通なら検出することが難しい汚染物質が、検出され、その濃度が測定されることができる（３１４）。たとえば、ＤＤＴの検出の場合、着色剤ナイルレッドを含有する試薬リザーバ１２１が設けられることができる。ナイルレッドは、ＤＤＴを検出するために、有機分子ステージ１１２において水試料に添加されることができる（３１２）。任意選択で、混合物は撹拌されることができる（３１３）。もちろん、他の有機汚染物質の検出に有用な他の着色剤が、所望に応じて使用されることができる。

いくつかの実施形態では、装置１００は、イオン測定ステージ１１４、および、水のさらなるろ過３１６のための、イオン測定ステージ１１４と有機分子ステージ１１２との間に設けられるろ過ユニット１１６ｃを含むことができる。ろ過ユニット１１６ｃは、約０．２２ミクロンの孔を有することができる。この細孔サイズは、より大きな分子および化合物をなくすが、イオンを通すのを可能にするのに適する。

イオンは、たとえば、シアン化物、銅（第ＩＩ族）、鉄（第ＩＩ族）／鉄（第ＩＩＩ族）などのような特定のイオンの結合に特有の表面修飾量子ドットの消光に基づく方法によって定量化されることができる（３２０）。代替の実施形態では、化学分析方法が、イオン検出および測定のために使用されることができる。化学分析方法は、さらなる化学物質およびさらなる反応の実施を含むことができる。量子ドットおよび／またはさらなる化学試薬は、生物学的測定１１０および有機分子ステージ１１２と同様に試薬リザーバ１２１によって添加されることができる。任意選択で、量子ドットと水試料の混合物は、撹拌されることができる（３１９）。

表面改質量子ドットは、励起されると、特定の波長で蛍光を発する。さらに、改質した量子ドットは、特定のイオンに結合する特異性を持つように改質されることができる。ある実施形態では、改質した量子ドットに対するイオンの結合は、イオンの濃度に比例する蛍光放出を消光する。イオンの正確な濃度は、適した較正曲線によって確定されることができる。一態様では、蛍光は、量子ドットの励起波長の光を放出するＬＥＤ光源１２６を使用し、量子ドットの放出波長範囲について構成されたダイオード検出器１２８によって放出を検出することによって測定されうる。

実験が終了した後、ポンプ１０６は、ろ過統合された（ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔｅｄ）水を送り出す。任意選択で、下側シャッター１２４は、試料ホルダ１１８の洗浄を可能にするために取外されることができる。試料ホルダ１１８は、ポンプ１０６によって圧送されるろ過統合された水で洗われることができる。

図７は、濁度測定を実施するステップ３０２と、生物学的測定を実施するステップ３０８と、有機分子測定を実施するステップ３１４と、イオン測定を実施するステップ３２０を含む例示的な実施形態を示す。他の実施形態では、これらの測定の１つまたは複数は実施されない。さらに、他の実施形態では、ろ過ステップ３０４、３１０、および３１６は、試薬の添付ステップ３０６、３１２、および３１８ならびに撹拌ステップ３０７、３１３、および３１９がそうであるように省略されることができる。

本開示は、種々の態様の例証として意図される、本出願に記載される特定の実施形態によって制限されない。当業者に明らかであるように、多くの変更および変形が、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく行われることができる。本開示の範囲内の機能的に等価な方法および装置は、本明細書で挙げられる方法および装置に加えて、先の説明から当業者に明らかになる。こうした変更および変形は、添付特許請求項の範囲内に入ることが意図される。本開示は、特許請求項がそれに対して権利を有する等価物の全範囲と共に、添付特許請求の範囲によってだけ制限される。本開示は、特定の方法、試薬、化合物、組成物、または生物学的システムに限定されず、それらは、もちろん変動しうることが理解される。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を述べるためだけのものであり、制限的であることを意図されないことも理解される。

本明細書における実質的にすべての複数形および／または単数形の用語の使用に対して、当業者は、状況および／または用途に適切なように、複数形から単数形に、および／または単数形から複数形に変換することができる。さまざまな単数形／複数形の置き換えは、理解しやすいように、本明細書で明確に説明することができる。

通常、本明細書において、特に添付の特許請求の範囲（たとえば、添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、全体を通じて「オープンな（ｏｐｅｎ）」用語として意図されていることが、当業者には理解されよう（たとえば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、「少なくとも有する（ｈａｖｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ）」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｕｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきである、など）。導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は、当該請求項において明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者にはさらに理解されよう。たとえば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、導入句「少なくとも１つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」および「１つまたは複数の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」を使用して請求項の記載を導くことを含む場合がある。しかし、そのような句の使用は、同一の請求項が、導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入される請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、単に１つのそのような記載を含む実施形態に限定する、ということを示唆していると解釈されるべきではない（たとえば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するのに使用される定冠詞の使用にも当てはまる。また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることが、当業者には理解されよう（たとえば、他の修飾語なしでの「２つの記載（ｔｗｏ ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」の単なる記載は、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。さらに、「Ａ、ＢおよびＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。２つ以上の代替用語を提示する事実上いかなる離接する語および／または句も、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、当該用語の一方（ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、当該用語のいずれか（ｅｉｔｈｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、または両方の用語（ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｓ）を含む可能性を企図すると理解されるべきであることが、当業者にはさらに理解されよう。たとえば、句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」あるいは「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されよう。

さらに、本開示の特徴または態様が、マーカッシュグループによって述べられる場合、本開示はまた、マーカッシュグループの任意の個々のメンバーまたはメンバーのサブグループによって述べられることを当業者は認識するであろう。

当業者によって理解されるように、文言による記述を提供することなどによる、任意のまた全ての目的のために、本明細書で開示される全ての範囲はまた、その範囲の任意のまた全ての考えられる部分範囲および部分範囲の組合せを包含する。挙げられる任意の範囲は、少なくとも等しい１／２、１／３、１／４、１／５、１／１０などに分解されている同じ範囲を十分に記述し使用可能にするものとして容易に認識されうる。非制限的な例として、本明細書で論じる各範囲は、下側の１／３、中間の１／３、および上側の１／３などに容易に分割されうる。当業者によって同様に理解されるように、「まで（ｕｐ ｔｏ）」、「少なくとも（ａｔ ｌｅａｓｔ）」、「より大きい（ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ）」、「より小さい（ｌｅｓｓ ｔｈａｎ）」、および同様なものなどの全ての言語は、述べられる数を含み、先に論じたように、その後、部分範囲に分解されうる範囲を指す。最後に、当業者によって理解されるように、ある範囲は、それぞれの個々のメンバーを含む。したがって、たとえば、１〜３のセルを有するグループは、１個、２個、または３個のセルを有するグループを指す。同様に、１〜５のセルを有するグループは、１個、２個、３個、４個、または５個のセルを有するグループを指すなどである。

種々の態様および実施形態が本明細書で開示されたが、他の態様および実施形態が、当業者に明らかである。本明細書で開示される種々の態様および実施形態は、例証のためのものであり、制限的であることを意図されず、真の範囲および趣旨は、添付特許請求の範囲によって示される。

Claims (18)

1. 水溶液の試料内の汚染物質を検出するように構成され、直列に接続された、複数のステージであって、前記試料内の第一の汚染物質を検出するように構成された第一のステージと、前記試料内の第二の汚染物質を検出するように構成された第二のステージとを少なくとも備える、複数のステージと、
   前記第一のステージの出力と前記第二のステージの入力に接続する第一の濾過ユニットであって、前記試料から粒子を濾過するように構成された、第一の濾過ユニットと、
   を備える装置。
2. 前記複数のステージは、前記試料内の第三の汚染物質を検出するように構成された第三のステージを更に備え、前記装置は、前記第二のステージの出力と前記第三のステージの入力に接続する第二の濾過ユニットであって、前記第一の濾過ユニットよりも小さな粒子を前記試料から濾過するように構成された、第二の濾過ユニットを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記複数のステージの１つのステージは、前記試料の濁度を測定するように構成される請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記複数のステージの少なくとも１つのステージは、前記試料内の生物学的有機体の存在を測定するように構成される請求項１又は請求項２に記載の装置。
5. 前記複数のステージの少なくとも１つのステージは、前記試料内の重金属イオンの存在を測定するように構成される請求項１又は請求項２に記載の装置。
6. 前記複数のステージの少なくとも１つのステージは、前記試料内の有機化合物の存在を測定するように構成される請求項１又は請求項２に記載の装置。
7. 前記化合物は、ポリ塩化ビフェニル、ダイオキシン、フラン誘導体、アルドリン、ディルドリン、ＤＤＴ、エンドリン、クロルデン、ヘキサクロロベンゼン、ミレックス、トキサフェン、およびヘプタクロルからなる群から選択される請求項６に記載の装置。
8. 複数の異なる有機化合物を検出するように構成される複数のステージを備える請求項６に記載の装置。
9. ステージは、試料ホルダ、光源、および光検出器を備える請求項１乃至請求項８のうちの何れか１項に記載の装置。
10. 前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える請求項９に記載の装置。
11. 前記光検出器はダイオードを備える請求項９に記載の装置。
12. 遠隔で作動されるように構成される請求項１に記載の装置。
13. 方法であって、
    水溶液の試料を得ること、および、
    生物学的有機体、重金属イオン、または有機化合物の存在について前記試料を分析することを含み、
    分析することは、
    直列に接続された複数のステージであって、それぞれのステージが、生物学的有機体、重金属イオン、又は有機化合物のうちの異なるものの存在を検出するように構成された、複数のステージと、
    前記複数のステージの中の隣り合う二つのステージに接続された濾過ユニットであって、前記試料から粒子を濾過する濾過ユニットと、
    を備える装置において行われる方法。
14. 前記試料の濁度を測定することをさらに含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記試料に溶解試薬を添加することをさらに含む請求項１３に記載の方法。
16. 前記試料に量子ドットを添加することをさらに含む請求項１３に記載の方法。
17. 前記試料に着色剤を添加することをさらに含む請求項１３に記載の方法。
18. 前記装置は、遠隔で作動されるように構成される請求項１３に記載の方法。

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