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    重庆时时彩中奖结果: 检测流体中分析物的有集成电极的传感器及方法.pdf

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    检测 流体 分析 集成 电极 传感器 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201110074236.6

    申请日:

    2011.03.18

    公开号:

    CN102253086A

    公开日:

    2011.11.23

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01N 27/00申请日:20110318|||公开
    IPC分类号: G01N27/00; G01N27/02; G01N27/12 主分类号: G01N27/00
    申请人: 孙一慧; 孙一忠
    发明人: 孙一忠
    地址: 201101 上海市闵行区七莘路2885弄2号1101室
    优先权: 2010.03.24 US 12/661,794
    专利代理机构: 代理人:
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201110074236.6

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.12.19|||2012.03.21|||2011.11.23

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明的属于单一传感器方案的传感器具有集成电极的结构特征。其在有同一幅度的多频率的交流电流、包括周期性电流的电激励信号的作用下被用来检测流体中分析物。该传感器有奇数数目个的相同的导电体作为相应的电极,他们按等距离地、顺序地、互相对齐和平行地排列。在这些电极中具有奇数序数的电极被一用作为第一引出极的第一电连接装置平行地连接而引成了第一组的集成电极,具有偶数序数的电极被一用作为第二引出极的第二电连接装置平行地连接而形成了第二组的集成电极。第一组的集成电极在电学上屏蔽了第二组的集成电极。本发明的传感器具有高输出幅度,减小的尺寸和改进了的电学特征。

    权利要求书

    1.一种传感器,其特征是:包括:
    a)一个检测传感器,其特征包括:第一、第二和第三个相同的导电体作为相应的电极,
    他们等距离地、按顺序地、以相互对齐和平行地排列,第一和第三个电极为外部电
    极,被一用作为第一引出极的第一电连接装置平行连接而形成了第一组的集成电极,
    第二个电极为在中间位置的内部电极,被一用作为第二引出极的第二电连接装置连
    接;
    b)一包含有一个分析物的第一流体即第一样品接触了该检测传感器;
    c)一检测装置连接了该传感器的第一和第二引出极,并对传感器施加了有同一幅度的
    多频率的电激励信号,从而来得到接触了该第一样品的检测传感器的众多的交流电
    学性质,并在该施加的多频率的电激励信号的每一个频率上得到了该传感器的两个
    交流电学性质;
    d)在该施加的多频率的电激励信号的一部分频率上得到的该传感器的交流电学性质被
    用来鉴别该分析物。
    2.一种传感器,其特征是:包括:
    a)一个检测传感器,其特征包括:第一、第二和第三个相同的导电体作为相应的电极,
    他们等距离地、按顺序地、以相互对齐和平行地排列,第一和第三个电极为外部电
    极,被一用作为第一引出极的第一电连接装置平行连接而形成了第一组的集成电极,
    第二个电极为在中间位置的内部电极,被一用作为第二引出极的第二电连接装置连
    接;
    b)一包含有一个分析物的第一流体即第一样品接触了该检测传感器;
    c)一检测装置连接了该传感器的第一和第二引出极,并对传感器施加了有一个频率的
    电激励信号,从而来得到接触了该第一样品的检测传感器的交流电学性质;
    d)在该施加的电激励信号上得到的该传感器的一个交流电学性质被用来检测该分析物。
    3.一种传感器,其特征是:包括:
    a)一个检测传感器,其特征包括:第一、第二和第三个相同的导电体作为相应的电极,
    他们等距离地、按顺序地、以相互对齐和平行地排列,第一和第三个电极为外部电
    极,被一用作为第一引出极的第一电连接装置平行连接而形成了第一组的集成电极,
    第二个电极为在中间位置的内部电极,被一用作为第二引出极的第二电连接装置连
    接,一包含有一个分析物的第一流体即第一样品接触了该检测传感器;
    b)一个参照传感器,其特征包括:该参照传感器与该检测传感器有相同的结构,一不
    包含任何分析物的第二流体即第二样品接触了该参照传感器,该第二流体与该第一
    流体相同;
    c)一检测装置连接了该检测传感器和该参照传感器,并对该检测传感器和该参照传感
    器施加了有同一幅度的多频率的电激励信号,从而来得到接触了该第一样品的检测
    传感器的众多的交流电学性质和来得到接触了该第二样品的参照传感器的众多的交
    流电学性质,并在该施加的多频率的电激励信号的每一个频率上得到了该检测传感
    器的两个交流电学性质和该参照传感器的两个交流电学性质;
    d)结合在一部分频率上得到的该检测传感器和该参照传感器的交流电学性质来得到在
    该部份频率上的结合了的交流电学性质;
    e)该得到的结合了的交流电学性质被用来鉴别该分析物。
    4.一种传感器,其特征是:包括:
    a)一个检测传感器,其特征包括:第一、第二和第三个相同的导电体作为相应的电极,
    他们等距离地、按顺序地、以相互对齐和平行地排列,第一和第三个电极为外部电
    极,被一用作为第一引出极的第一电连接装置平行连接而形成了第一组的集成电极,
    第二个电极为在中间位置的内部电极,被一用作为第二引出极的第二电连接装置连
    接,该检测传感器的两相邻电极之间被充填了吸附或吸收该分析物的材料;
    b)一包含有一个分析物的第一流体即第一样品接触了该检测传感器;
    c)一检测装置连接了该传感器的第一和第二引出极,并对该传感器施加了有同一幅度
    的多频率的电激励信号,从而来得到接触了该第一样品的检测传感器的众多的交流
    电学性质,并在该施加的多频率的电激励信号的每一个频率上得到了该传感器的两
    个交流电学性质;
    d)在该施加的多频率的电激励信号的一部分频率上得到的该传感器的交流电学性质被
    用来鉴别该分析物。
    5.根据权利要求1,2,3或4所述的传感器,其特征是还包括:
    a)所述的传感器有奇数数目个的相同的导电体作为相应的电极。他们按等距离地、顺
    序地、互相对齐和平行地排列。在这些电极中具有奇数序数的电极被一用作为第一
    引出极的第一电连接装置平行地连接而引成了第一组的集成电极,具有偶数序数的
    电极被一用作为第二引出极的第二电连接装置平行地连接而形成了第二组的集成电
    极;
    b)在两个相邻电极之间充填了用来吸附或者吸收该分析物的材料;所述的材料包含所
    有种类的有机、无机和金属材料的吸附或吸收;所述的材料包含任何一种导电的或
    不导电的吸附或吸收材料;所述的材料包含高分子材料,或者高分子材料和无机材
    料的复合材料,或者含有铂金属组中的金属和含有有机或无机填充物的复合材料,
    或者固体无机材料:包括分子筛、硅胶、氧化铝、玻璃、多孔状的炭粒、和碳酸钙,
    或者氟化碳颗粒包括四氟化乙烯高分子材料颗粒,或者液态有机盐,或者表面覆盖
    有高分子材料的固体无机材料颗粒,包括覆盖有高分子材料的氧化铝颗粒、覆盖有
    高分子材料的硅胶颗粒、覆盖有高分子材料的氟化碳高分子材料颗粒、和覆盖有高
    分子材料的玻璃颗粒;所述的铂金属组金属包括有钌、銠、钯、锇、铱和铂,所述
    的含有铂金属组中的金属的复合材料被用来检测该分析物即氢气;所述的液态有机
    盐包括由有机铵或者有机磷正离子与亲质子的负离子配对组成,其包括四丁基硫酸
    铵和四丁基硝酸磷;
    c)所述的电极是空间电极和所述的电连接装置是导线,该空间电极间包含有固体支持
    颗粒;或者所述的电极是被放置在陶瓷包括氧化铝基板上而形成的厚膜电极和所述
    的电连接装置是被印制在陶瓷基板上的导电体;或者所述的电极是被放置在硅基质
    包括硅晶体上而形成的薄膜电极和所述的电连接装置是被印制在硅质基板上的导电
    体;该固体支持颗粒表面或者厚膜电极的陶瓷基板表面或者薄膜电极的硅基质表面
    是去极性的,去极性是应用了化学物品包含有双甲基双氯化硅烷、或者是[二甲基(三
    甲基甲硅烷基氨基)甲硅烷基]甲烷、或者是三甲基氯化硅烷、或者是由上述的化学
    试剂组合而成、或者是十八环双甲基氯化硅烷;
    d)所述的分析物包括是一化合物或者是一化学混合物;所述的分析物还包含有已知化
    合物或者化合物群;所述的分析物是气态的;所述的分析物包括是不具有气味的,
    或者是具有气味的;所述的分析物是含有违禁物的,或者是与环境?;び泄氐?,或
    者是与医护包括医疗诊断有关的,或者是与科学研究包括太空研究兴趣有关的,或
    者是与日常生活有关的,或者是为安全所考量的,或者是与各工业的兴趣有关的:
    包括食品工业、饮料工业、农业工业、化学工业、石油工业、塑料工业、建筑工业、
    医药工业、汽车工业、生化工业、和运输工业;所述的与医护包括医疗诊断有关的
    分析物还包括含有与器官疾病有关的生化目标物或者生化目标物群的分析物;所述
    的生化目标物或者生化目标物群包括存在在生物体的尿液或者粪便或者血清或者血
    液或者唾液或者体味或者口腔气体的样品中;所述的口腔气体样品中包含有麻醉剂;
    所述的体味样品包括从人体的脚部或者腋下或者大腿根部收集到的样品,所述的体
    味样品是随机检测到的,或者是已经被收集到的;所述的分析物还包括是受到固定
    的和可变的温度控制的分析物;所述的样品以一层流的形式流过所述的传感器;
    e)所述的检测传感器或参照传感器是一次性使用的;
    f)所述的检测传感器或参照传感器是受到包括固定的和可变的温度控制的;
    g)所述的电学性质包括电压、电流、电阻抗、电阻、电抗、相位;和
    h)所述的检测传感器还包括数个检测传感器;所述的数个检测传感器中的每个检测传
    感器是被电磁屏闭的、又被有序地、分别地施加了有众多频率的交流电激励信号;
    所述的每个检测传感器是受到包括固定的和可变的温度控制的;所述的每个检测传
    感器的两相邻电极之间被充填了不同的吸附材料。
    6.根据权利要求1,2,或4所述的传感器,其特征是:还包括:
    a)一个传感器用作为参照传感器,所述的参照传感器还包括:其有与该检测传感器相
    同的结构,一不包含任何分析物的第二流体即第二样品接触了该参照传感器,该第
    二流体与该第一流体相同;所述的样品以一层流的形式流过参照传感器;该检测装
    置连接了该参照传感器,并对该参照传感器施加了与施加在该检测传感器上的相同
    的电激励信号来得到接触了该第二样品的该参照传感器的交流电学性质;结合得到
    的一部分的该检测传感器的交流电学性质和得到的一部分的该参照传感器的交流电
    学性质来得到结合了的交流电学性质;该结合了的交流电学性质被用来鉴别或检测
    该分析物;和
    b)一不包含任何分析物的第二流体即第二样品接触了该检测传感器,该第二流体与该
    第一流体相同;所述的样品以一层流的形式流过该检测传感器;该检测装置连接了
    该检测传感器,并对该检测传感器施加了相同的该电激励信号来得到该检测传感器
    的交流电学性质;结合该检测传感器接触了该第一样品得到的一部分的交流电学性
    质和该检测传感器接触了该第二样品得到的一部分的交流电学性质来得到结合了的
    交流电学性质;该结合了的交流电学性质被用来鉴别或检测该分析物。
    7.根据权利要求2所述的传感器,其特征是:还包括:
    a)在一次测量中检测包含了至少一个分析物的一流动流体即第三样品,该第三样品是
    安置在一色谱仪器的一色谱柱中,在该测量过程中该流动的流体是连续不断地接触了
    该三个电极,而在流体中的至少一个分析物中的每一个流动的分析物以有序的和间隔
    的方式只是一次接触了该三个电极;该检测传感器在该测量过程中是始终被加有一个
    频率的电激励信号;当所述的每一个分析物接触到该三个电极时,根据所述的施加的
    一个频率的电激励信号来检测到一个交流电学的性质,所述的交流电学是用来检测在
    该流动流体中的至少一个分析物中的所述的每一个分析物;当只有流体接触到该三个
    电极时,检测到该流体的一个交流电的性质,当所述的至少一个分析物中的每一个分
    析物接触到所述的该三个电极时,检测到相应的每个分析物的一个电学性质,用所述
    的检测到的该流体的交流电的性质与所述的检测到的相应的每个分析物的电学性质
    相结合来得到相应的每个分析物的结合了的电学性质,所述的得到的相应的每个分析
    物的结合了的电学性质是用来检测在该流动流体中的至少一个分析物中的所述的每
    个分析物,所述的电激励信号包含有单一频率的方波或者三角波或者锯齿波或者非正
    弦波形式时,该电学性质包括电压、电流、或电阻抗,应用得到的该电学性质来检测
    在流体中的分析物,所述的电激励信号包含有单一频率的正弦波形式时,所述的电学
    性质包括电压、电流、电阻抗、电阻、电抗、或相位;
    b)在一次测量中众多频率的正弦波形式的交流电激励信号重复地加到该检测传感器上;
    当只有该流体接触到该三个电极时,根据所述的施加的众多频率的交流电信号来得到
    检测到的流体的众多交流电性质,包括在每一个频率上得到两种不同的交流电性质,
    当在至少一个分析物中的每个分析物接触到该三个电极时,根据所述的施加的众多频
    率的交流电信号来得到检测到的每个分析物的众多的交流电性质,包括在每一个频率
    上得到两种不同的交流电性质,用在该施加的众多频率的激励信号的一部分频率上得
    到的所述的流体的众多交流电性质与所述的相应的每个分析物的众多电学性质相结
    合来得到相应的每个分析物的众多的结合了的电学性质,应用根据每个分析物的所述
    的许多结合了的电学性质来鉴别相应的在至少一个分析物中的每个分析物,所述的多
    频率的电激励信号,其特征是还包括:有单一正弦波的多频率的交流电激励信号或者
    有多正弦波的多频率的激励信号;所述的单一正弦波的多频率的交流电激励信号包括
    频率扫描的激励信号,该电学性质包括电压、电流、电阻抗、电阻、电抗、或相位;
    将检测到的该被检测的每个分析物的结合了的交流电学性质的类型与已知分析物对
    应的交流电学性质的类型相比较来鉴别该被检测的每个分析物,该被检测的每个分析
    物的类型是在应用了主成分分析法的分析后而得到的;该被检测的每个分析物的类型
    是在应用了类型鉴别的分析法的分析后而得到的;可应用的分析法包含了多变量元素
    分析法;可应用的分析法包含有主成份分析法,有条件地单独模似类别的相似性分析
    法,最邻近因子分析法,体系的群的分析法,典型判别的分析法,经典最小二乘法,
    主成分回归,偏最小二乘法,有指导的和无指导的认识性的中枢网络技术,和模糊中
    枢网络技术。
    8.根据权利要求3或6所述的传感器,其特征是:还包括:
    a)该结合了的交流电学性质被用来降低背景噪声对鉴别或检测该分析物的影响,该背
    景噪声包括了伴随该分析物的湿度、高分子薄膜的老化效应、和由安置在检测传感器
    电极之间的分析物的温度变化而引起的检测到的交流电学性质的变化;该结合了的交
    流电学性质还被用来鉴别或检测在该第一样品中的分析物或分析物中的兴趣所在物,
    分析物中的该兴趣所在物包括已知的生化目标物或目标物群在内的已知的化合物或
    化合物群;所述的第二样品是由吸附材料被安置在参照传感器的前端来吸附在第一样
    品中的所述的分析物或分析物中的兴趣所在物之后所得到的;所述的参照传感器是一
    次性使用的;所述的参照传感器是受到了与该检测传感器受到的相同的包括固定的和
    可变的温度的控制;
    b)所述的检测传感器和相应的参照传感器是一体化的,该一体化的检测传感器和参照
    传感器是安置在一个传感器仓的相应的两个传感器次仓中,该传感器仓是由金属材料
    或者金属合金做成的,并与地零电位相连接,该传感器仓有限制的厚度,该传感器仓
    的前部结构具有一等腰三角形的形状,而该前部结构的宽大的横向尾部与传感器仓的
    扁平长方体的中间结构的前端相连接;
    c)所述的检测传感器和相应的参照传感器是各自单独的,该检测传感器和参照传感器
    具有各自专用的传感器仓;
    d)所述的传感器仓有相应的数个成对的传感器次仓,所述的参照传感器还包括数个参
    照传感器;所述的数个参照传感器中的每个参照传感器与所述的数个检测传感器中的
    相应的每个检测传感器是安置在相应的成对的传感器次仓中,所述的安置在相应的成
    对的传感器次仓中的每个参照传感器和检测传感器是被电磁屏闭的、又被有序地、分
    别地施加了有众多频率的交流电激励信号;所述的成对的每个参照传感器和检测传感
    器是受到包括固定的和可变的温度控制的;所述的成对的每个参照传感器和检测传感
    器的相应的两相邻电极之间被充填了相同的吸附材料,并在该参照传感器的前端安置
    了该吸附材料;
    e)为检测到的电学性质作预处理的算法。
    9.根据权利要求3或6所述的传感器,其特征是还包括:
    a)将检测到的该被检测的分析物的交流电学性质与已知分析物的交流电学性质相比较
    来鉴别分析物;
    b)将检测到的该被检测的分析物的结合了的交流电学性质的类型与已知分析物对应的
    交流电学性质的类型相比较来鉴别该被检测的分析物,该被检测的分析物的类型是在
    应用了主成分分析法的分析后而得到的;该被检测的分析物的类型是在应用了类型鉴
    别的分析法的分析后而得到的;可应用的分析法包含了多变量元素分析法;可应用的
    分析法包含有主成份分析法,有条件地单独模似类别的相似性分析法,最邻近因子分
    析法,体系的群的分析法,典型判别的分析法,经典最小二乘法,主成分回归,偏最
    小二乘法,有指导的和无指导的认识性的中枢网络技术,和模糊中枢网络技术。
    10.根据权利要求1、3或4所述的传感器,其特征是:还包括:所述的多频率的电激励信
    号,其特征是还包括:有单一正弦波的多频率的交流电激励信号或者有多正弦波的多频
    率的激励信号;所述的单一正弦波的多频率的交流电激励信号包括频率扫描的激励信
    号,该电学性质包括电压、电流、电阻抗、电阻、电抗、或相位。

    说明书

    检测流体中分析物的有集成电极的传感器及方法

    本发明涉及传感器领域,特别是有关于检测在流体中的分析物的有集成电极的传感
    器及其方法。

    背景技术

    传感器广泛地被用于检测流体中的分析物。以下是与本发明技术有关的参考文献。

    1、美国专利第4,887,455号在1989年12月9日授予佩纳(Payne)等人的题为
    “气体传感器”(以下为佩纳的455专利);

    2、美国专利第5,571,401号在1996年11月5日授予刘易斯(Lewis)等人的题
    为“用于检测在流体中的分析物的传感器组”(以下为刘易斯的571专利);

    3、美国专利第6,314,724号在2001年11月20号授予刘易斯等人的题为“应用
    人工嗅觉仪器对微量分析物的检测”(以下为刘易斯的724专利);

    4、佩纳等人的文献题为“用交流电高频率对导电高分子材料的频率测量:一种检测
    挥发性化学物品的新技术”,检测科学技术,第六卷(Meas.Sci.Technol.,6),1955
    年,第1500到1507页(以下为佩纳的文献);

    5、纳格尔(Nagle)等人的文献题为“怎样的和为什么的电子鼻”,国际电气电子工
    程领域(IEEE?Spectrum),1998年9月,第22到34页(以下为纳格尔的文献);

    6、贝尔特斯(Balters)等人的文献题为“超小型电子鼻”,国际电气电子工程领域
    (IEEE?Spectrum),1998年9月,第35到38页(以下为贝尔特斯的文献);

    7、美国专利第6,631,333号在2003年10月7号授予刘易斯等人的题为“用于遥
    测气味的方法”(以下为刘易斯的333专利,另外又有美国专利第7,359,802号在2008
    年4月15日授予同样的发明人,该发明专利是刘易斯的333专利的分案);

    8、美国专利第7,465,425号在2008年12月16日授予孙(Sun)的题为“用于检
    测在流体中的分析物的传感器及方法”(以下为孙的425专利);

    9、美国专利第7,696,763号在2010年4月13日授予孙的题为“用于检测在流体
    中的分析物的传感器及方法”(以下为孙的763专利);和

    10、美国专利第7,812,622号在2010年10月12日授予孙的题为“用于检测在流
    体中的分析物的传感器及方法”(以下为孙的622专利);

    佩纳的455专利公开了一气体传感器。该传感器的外层有裸露与被测气体的具有半
    导体性质的一高分子薄膜。应用一交流电流分析仪器对该传感器施加具有特殊共振频率的
    交流电信号后来检测传感器改变了的电阻抗特征,然后用计算机将该特征与储存在计算机
    里的参照特征相比较。鉴于所得到的不同的电阻抗图谱,该发明能检测接触了传感器的气
    体。该专利也公开了其最佳的测试交流频率在100兆周到500兆周之间,因为在此区间,
    会发生电频率共振的现象。

    刘易斯的401专利公开了用来检测在流体中分析物的传感器组,包括了应用高分子
    材料与碳黑颗粒组成的对化合物敏感的电阻传感器。传感器有被化学敏感电阻所隔离、但
    又连接在电阻两端的两导电电极。这样该电阻在两电极之间提供了电流流通的途径。该电
    阻有众多的相间排列、并与电流流通的途径同向排列的由不导电高分子材料组成的不导电
    区域和由导电材料组成的导电区域。该电阻在接触流体之中具有第一种浓度的一分析物
    时,和接触该分析物具有第二种浓度时分别具有不同的电阻值。这样由至少二个以上此类
    有化学敏感电阻的传感器所组成的传感器组,对不同的分析物提供了由不同电阻值所表现
    的不相似性。改变传感器的化学灵敏度可由定量或定性地改变导电和不导电区域的材料组
    成而达到。这样利用一电测量装置来连接这种传感器组的每一个传感器的导电电极就可以
    组成检测在流体中的分析物的一电子鼻仪器。

    刘易斯的724专利公开了利用人工嗅觉仪来检测多类分析物。该多类分析物可被用
    来诊断众多的医学状况,包括口臭、牙周炎、和其他疾病的状况。

    佩纳的的文献公开了一种传感器。当其接触挥发性化学物品时,该传感器的比啶高
    分子材料薄膜的交流电阻抗会产生电频率共振的现象。

    纳格尔的文献是一个专题报告。其汇集了到上一世纪九十年代末为止的对电子鼻仪
    器所作的研究和取得的发展。该报告详细介绍了各种用来制作电子鼻仪器的传感器,包括
    了金属氧化物薄膜传感器、导电高分子材料薄膜传感器、由高分子薄膜涂在晶体表面的重
    量感应传感器、由高分子材料薄膜涂在晶体表面的表面声波传感器、由栅极表面涂有金属
    氧化物薄膜的硅场效应晶体管传感器、由应用多声波的光纤传感器、由根据气相色谱、光
    谱和质谱原理而组成的相对应的传感器。该报告还总结了各种传感器的优缺点。其中对湿
    度的高灵敏性是所有具有高分子材料薄膜的传感器的一个共同的缺点。

    贝尔特斯的文献报告了研发的用作电子鼻的微型晶片。该电子鼻的工作原理是利用
    涂有高分子材料薄膜的CMOS集成电路晶片在接触挥发性有机物时,会有可检测到的重量
    的改变和电容量的改变。

    刘易斯的333专利公开了用于远距离监视化学危害物、空气质量和病员状况的传感
    器结构、系统和方法。比如用机器人系统来搜索和发现爆炸物、地雷和化学危害物品。该
    专利除了汇集在纳格尔文献中提及的种种传感器之外,还汇集了渗色的组块传感器组和显
    微机械加工的沟梁状的传感器组。同时该专利还公开了发明的导电性的传感器,其有在两
    电极之间的交体排列的由导电材料组成的区域和由不同于导电材料的材料组成的区域。这
    样该传感器就在两电极之间提供了一供电流流经不同材料区域的途径。

    从以上引用的文献和专利中可以看到在过去的对传感器仪器系统的研究中已投入了
    极大的努力,而该研究是以研究传感器的结构为中心的,这是因为传感器的结构根本上决
    定了仪器对于流体中分析物检测和鉴别的效用。特别地、检测在流体中的分析物的得以实
    现是依赖于传感器,因其模仿了哺乳动物的嗅觉机理、即应用了大量的嗅觉接收元来记录
    一种气体。现有的传感器仪器在应用了以上所述的传感器技术以及结合了电子工程中的包
    括大规模集成电路在内的技术、计算机软件技术、和数据远距离输送技术后,极大地便利
    了对分析物的检测和鉴别。

    众所周知、从研究哺乳类动物的嗅觉系统可知,对一气味物体的鉴别不仅依赖于那
    些对该气味物体有特别针对性的嗅觉接收元,而且也依赖那些对该气体不是特别有针对性
    的接收元。用另一句话来说,对气味物体的鉴别是确认一个表现该物体的特征类型信息的
    图谱。根据这一原理,传统的有关于传感器结构的技术按照以下两种技术方案而发展:应
    用多传感器结构的方案和应用单一传感器的结构方案。

    在应用多传感器的结构方案上,如同在刘易斯的333专利所叙述的那样,发展了众
    多的不同的传感器技术。包括有金属氧化物薄膜传感器、导电高分子材料薄膜传感器、由
    高分子薄膜涂在晶体表面的重量感应传感器、由高分子材料薄膜涂在晶体表面的表面声波
    传感器、由金属氧化物薄膜涂在栅极表面的硅场效应晶体管传感器。尽管在沿着这个方案
    的传感器研究在过去已取得长足的进步,但其还存在着因沿袭了使用多传感器方案所带来
    的缺点。这些缺点包括:需要大量数目的传感器来产生分析物的有类型差别的信息图谱;
    传感器的复杂结构进而导致在传感器生产中的不一致性;在对化学分析物测试时因应用高
    分子材料薄膜而受到的湿度的干扰;迟钝的灵敏度;所必需的昂贵的仪器和深受限制的操
    作条件。

    在应用这种结构方案时,多种厚度约为几个微米的高分子薄膜已被广泛地用来改进
    传感器的灵敏度和检测极限。这主要是因为高分子薄膜会因其对化合物的特殊的化学选择
    性来拦截包括吸附和吸收作为分析物的化合物。其结果是在被传感器检测之前分析物会被
    富集在高分子薄膜的表面或者体内。

    经典的高分子材料薄膜存在着多种缺点。第一、薄膜对伴随着分析物的湿度具有高
    灵敏的吸附性,因而湿度是影响具有高分子材料薄膜传感器功效的主要因素。第二、高分
    子薄膜材料具有老化效应,从而影响到传感器长期使用的稳定性。第三、在生产上取得安
    置在传感器上的高分子材料薄膜的重复性也是一个难题。特别是为采用多传感器结构方
    案,因而在必须使用大量数目的传感器时重复性的问题尤为显著。

    在采用单一传感器结构方案上,如同纳格尔文献所叙述的,根据色谱、光谱、和质
    谱原理的多种仪器已被研发。一般来讲,这些仪器都很昂贵,而且他们的体积都很庞大,
    这样就使得这些仪器根本不可能小型化。所以这些仪器在市场上缺乏吸引力,这是因为在
    当今的市场上,仪器所具有的无线通讯能力和携带使用性日显重要。

    例如,在医疗诊断领域里正盛行着一种在病人床边诊断病情的潮流。在这种方案下,
    病员的健康维护包括医疗诊断是直接在病员家中及在病员的床边展开。这样,如果医疗仪
    器是可随身携带使用的话就具有在市场上的竞争力。另外如又具有无线和远端信息联系功
    能的话,该医疗仪器就会极具竞争力。这是因为病员的健康信息可即时发送到一医疗中心,
    从而可以为病员提供包括正确无误诊断在内的更好的健康维护。事实上,仪器所具有的可
    携带性和无线信息传递功能除了在医疗领域外,在其他许多诸如安全、保卫、军事、和工
    业领域内也是极具有市场的。

    作为应用单一传感器的例子,佩纳的专利和文献发展了从应用了导电高分子材料薄
    膜的电极的与相位有关的电学性质包括电阻抗来检测存在的气态分析物的技术。该技术在
    特定的频率范围内来检测由于分析物和导电性高分子材料薄膜的相互作用而产生可被测
    量的电共振信号。然而佩纳的装置的电共振现象必须在100兆周到500兆周区间的频率中
    才有可能发生,这种高频率的限制性对仪器的制作和使用都带来极大的困难。同时佩纳的
    装置仍然继承了使用高分子材料所带来的缺点。

    针对佩纳的专利的不足和为发明应用频率扫描的新结构的单一传感器,孙的425专
    利公开了用来检测和鉴别在流体中的分析物的作为检测传感器的单一传感器。该传感器由
    一对电极组成。当分析物具有足够浓度时在电极间不必充填附加的表面吸附材料来吸附分
    析物,反之则充填吸附材料。传感器被施加了由一交流电流分析仪器提供的变化频率的交
    流电激励信号之后,可检测到当在流体中的分析物处在或者流过电极之间时在每一频率上
    的传感器的交流电学性质。诸如电阻抗和其分量:电阻和电抗、以及相位,这样就建立起
    相对于频率的分析物电学性质的二个谱图。再用一类型鉴别的程序来区分该电学性质的类
    型,并与已知物的电学性质的类型相比较,这样就可以检测和鉴别在流体中的分析物。该
    发明又包括了一用作为参照传感器的单一传感器。在结合了检测和参照传感器的电学性质
    之后,该发明就可以去除湿度的干扰、高分子材料的老化效应、和由温度变化引起的传感
    器的电学性质的变化。

    孙的763专利根据425专利公开了多种方法来检查在流体中的分析物,包括了检测
    在色谱分析中的分析物,和检测氢气。

    孙的622专利根据425专利公开了对多种单一传感器的权利要求,包括用于检测和
    鉴别在流体在分析物的传感器,用于色谱仪的检测器,和用于检测氢气的检测器。

    可以理解到,虽然孙的专利成功地发明了从属于单一传感器结构方案的有两相距电极
    的传感器,但仍然有空间来改进该种传感器,特别是在有关于它的电学特征和作为检测技
    术关键的电信号的输出幅度上。这是因为该传感器的输出幅度是受限于包括在两电极间的
    空间。至于该传感器的电学特征,可知、两电极的电学极性随被施加了的交流电激励信号
    的交替变化而变化,因而该传感器具有一交替变化的电场。当该传感器的交替变化的电场
    被暴露在包围它的一个环境电磁场中时,如果该传感器不具有电学屏蔽的话,就很有可能
    产生在传感器的电场和环境电磁场之间的交叉干扰。

    从而这就促成了本发明的意愿:设计和发展一种新的传感器及方法来克服传统的双
    电极的传感器的缺点。该新的传感器具有在传感器制造和使用上的良好的重复性、较少的
    负面干扰因素、高的灵敏度、较少的在使用上的限制性、便利的携带性、高输出幅度和改
    进了的电学特征。

    发明内容

    本发明着眼于创立一传感器及其方法来检测和鉴别在流体中的分析物。本发明的从属
    于单一传感器方案的传感器具有集成电极的结构特征。其在有同一幅度的多频率的交流电
    流、包括周期性电流的电激励信号的作用下被用来检查在流体中的分析物。按照一广义的
    实施方案,该传感器有奇数数目个的相同的导电体作为相应的电极。他们按等距离地、顺
    序地、互相对齐和平行地排列。在这些电极中具有奇数序数的电极被一用作为第一引出极
    的第一电连接装置平行地连接而引成了第一组的集成电极,具有偶数序数的电极被一用作
    为第二引出极的第二电连接装置平行地连接而形成了第二组的集成电极。第一组的集成电
    极在电学上屏蔽了第二组的集成电极。该传感器具有高输出幅度,减小的尺寸和改进了的
    电学特征。

    在该传感器有最简单结构的优先选择的实施方案中,传感器具有第一、第二和第三个
    相同的导电体作为相应的电极,他们等距离地、按顺序地、以相互对齐和平行地排列。第
    一和第三个电极为外部电极,被一用作为第一引出极的第一电连接装置平行连接而形成了
    第一组的集成电极。第二个电极为在中间位置的内部电极,被一用作为第二引出极的第二
    电连接装置连接。在其的操作中,一交流电流分析装置连接了该传感器的第一和第二引出
    极。

    本发明传感器应用交流电流频率扫描和矢量分析工作原理。在测量中可使用众多不
    同的扫描频率,其中包括了优选的10千周到一兆周区间内的频率。通过对传感器的一次
    频率扫描的测量,就能得到两组包含有分析物内在特征的、有类型规律的交流电学性质,
    包括在每一个扫描频率上能得到两种不同的正交的电学性质。这些性质是由包括介电常
    数、极性或者偶极距在内的分析物内在的特征所决定的,并可被用来检测和鉴别在流体中
    的分析物。鉴别分析物是根据分析测量到的分析物的交流电学性质的类型,再与那些已知
    化合物的电学性质的类型相比较后来判断的。

    本发明传感器和方法还提供了一双传感器原理的结构方案,包括了两个相同的单一
    传感器,一个用作为检测传感器,另一个用作为参照传感器。他们在有相同幅度的多频率
    的交流电激励信号作用下被用来检测相应的具有在一流体中一分析物的样品,和仅有该种
    相同的流体但不具有任何分析物的样品。当把两传感器的输出相结合之后,有双传感器原
    理的本发明传感器可降低背景噪声对检测分析物电学性质的影响和增进对分析物的电学
    性质类型的鉴别。背景噪声包括了湿度的影响、高分子薄膜的老化效应、和由停留在或流
    经两相邻电极之间的分析物的温度变化而引起的检测到的电学性质的变化。本发明还可以
    通过有选择性地检测与众多疾病有对应关系的作为相应的生化目标物的气态化合物,或化
    合物群即生化目标物群来快速有效地诊断疾病。

    本发明传感器和方法采用了包括固定的和可变的温度控制的程序来控制包括有传感
    器和分析物在内的传感器仓的温度,进而来改进对分析物的检测和鉴别。

    本发明传感器和方法有在传感器的两相邻电极之间可放置所有种类的有机、无机和
    金属吸附材料的功能,从而通过选择性的吸附、吸收相应的分析物来达到改进对分析物检
    测和鉴别的目的。

    本发明传感器和方法的特点有:紧凑的体积、便利的携带性、容易使用、不受背景
    噪声影响、低制作成本、低的电能消耗来控制包括传感器和分析物在内的传感器仓的温度、
    高输出幅度和改进了的电学特征。

    本发明传感器和方法还包括应用至少两个检测传感器。在至少两个检测传感器中的
    每个传感器使用交流电流频率扫描和矢量分析的工作原理来检测和鉴别在流体中的分析
    物。在至少两个检测传感器中的每个检测传感器的两相邻电极之间是充填了不同的材料来
    选择性的吸附、吸收相应的分析物。而该至少两个检测传感器中的每个检测传感器是被电
    磁屏闭的、又被有序地、分别地施加了交流电频率的激励信号,从而来消除由施加的交流
    信号所可能引起的磁场辐射的交叉感应干扰。

    本发明提供了新颖和独特的传感器及其方法来鉴别在流体中的分析物。鉴别分析物
    的可能性是基于检测在流体中分析物的被分析物内在的物理化学性质所主导的有类型规
    则的各种交流电性质,诸如电流、电压和电阻抗及其矢量组成电阻和电抗,以及由电阻和
    电抗所决定的相位。本发明传感器的三个电极可以是空间电极,或者是处置在陶瓷包括氧
    化铝基板上而作为的厚膜电极,或者是处置在硅基质包括硅晶体上而作为的薄膜电极来测
    量分析物的交流电学性质。在测量时这些分析物可停留在或流经电极之间,从而可得到在
    众多扫描频率包括在优选的频率区间为10千周到一兆周的频率作用下的分析物的交流电
    学性质。

    应用多描频率的测量可以得到对众多分析物中的每个分析物的两组具有类型规律的
    交流电学性质。再在应用了一鉴别类型的程序之后,就可以分辨出各分析物的电学性质所
    对应的类型。这样再经过比较检测到的类型特征和已知化合物的电学性质的类型特征,就
    可以鉴别各分析物。

    如上所述,本发明的对在流体中分析物的鉴别是依赖于建立从检测分析物所得到的
    相应的众多有类型规律的电学性质。这些性质对相应的分析物来讲是特殊的,而且是集成
    在不同的量纲上。这样本发明就聚焦在寻找与这些分析物的自然特质有关的、有类型特征
    的不同的电学性质,而这些电学性质可以由应用一种技术来同时被测量到。

    例如介电常数是作为检测对象分析物的化合物的本身自然特质之一。介电常数是化
    合物的可被用来描述该化合物的众多量纲中的一个,这样介电常数可以被用来鉴别分析
    物。在交流电学领域里,介电常数可以用测量分析物的电容性电抗即容抗来获得。对短的
    传感器电极来说,容抗是电抗的主要组份,所以电抗是容抗的一个好的近似值。在矢量范
    畴内电抗可以从测量到的电阻抗中得到。这样电抗是分析物所具有的特殊电学性质中的一
    种,也是在一种量纲上能被本发明应用来检测和鉴别化合物(在标量范畴内,电容与介电
    常数成正比,和已被用来检测化合物。见贝尔特斯的学术报告)。这样作为检测对象分析
    物的化合物可以应用它的电抗来被检测和鉴别。

    当一分析物是气态化合物的混合物时,该气态混合物的介电常数可以根据若干种方
    法来估计。例如天然混合的可燃气体的介电常数可被计算成是温度、气体密度、和气体组
    成的函数:哈维(Harvey,A,H);雷蒙(Lemmon,E,W);“估算天然混合可燃气体的介
    电常数”,热物理世界期刊(International?Journal?of?Thermophysics),第26卷,第
    一期,31页到46页,2005年1月。该文作者宣称,他们的方法是优于传统的混合法则。
    当分析物是一混合的液体时,混合液体的介电常数可以根据凯勒休斯-莫苏帝(Calausius?
    Mosotti)理论,或者奥赛格(Onsager)理论来计算:塞(Sen,A.D.);安尼西克(Anicich,
    V.D.);艾亚凯雷姆(Ayakeliam,T.);“液态硅烷类和碳氢化合物的混合物的介电
    常数”,应用物理期刊,物理D(J.Phys.D;App.Phys.),第25卷,516页到521页。

    从以上所例举的研究结果可知,对于气态和液态的化学混合物来说,介电常数仍然
    是一种用来描述他们的特征的量纲。这样本发明可以应用电抗来检测和鉴别作为分析物的
    气态或液态的化学混合物。

    除了介电常数以外,作为分析物的化合物具有它独特的化学元素的组成。而每个化
    学元素有其相应的电负性,这样就形成了每个化合物所特有的分子偶极距或者极性。其是
    化合物的另一种自然特质。在电学领域里,可应用电阻测量来反映这种特征。例如已有的
    实验结果显示,挥发性有机化合物包括那些富有氢和氧元素的化合物会改变金属氧化物薄
    膜传感器的电导率(电阻率)(见纳格尔和贝尔特斯的报告)。而氢和氧具有相应的较大的
    电负性值。

    在交流电学领域里,与测量到的分析物的电抗相比,作为分析物电阻抗的另一组份
    电阻也可以同时被测量得到。然而与电阻值的幅度相比,电抗在电阻抗中占有主导的地位。
    这是因为在纯的化合物情况下(包括气体,指在无水状态下)作为分析物的化合物是不导
    电的。然而、虽然电阻值比较小,但它反映了分析物的电阻性的特质?;痪浠八?,电阻是
    从化合物的另一个固有性质的量纲上来反映该化合物。而且电阻的量纲同电抗的量纲相正
    交,这样电阻的信息对鉴别分析物来说也是十分重要的。

    在应用了改变频率、包括频率扫描的方法,本发明可以得到每个分析物的诸如电阻
    和电抗的两组有特征类型的交流电性质,从而可以达到对相应的分析物的检测和鉴别的目
    的。

    电阻抗是综合了电阻和电抗。在交流电学里可以应用欧姆定律来得到:

    Z = V / I - - - [ 1 ] ]]>

    其中是电阻抗矢量,是电压矢量,是电流矢量。从以上的公式,可以理解到在应用
    一恒电流技术时,在传感器上的所加的电压正比于传感器的电阻抗。在应用一恒电压技术
    时,通过传感器的电流是反比于传感器的电阻抗。这样作为一种替代方案、可采用电压或
    者电流(来取代电阻抗)的测量以达到检测和鉴别分析物的目的。

    本发明传感器及方法,在分析物具有足够浓度时,不需要在传感器电极间放置附加
    的材料来吸附分析物。当分析物的原始浓度不足够而低于额定的传感器信噪比时,本发明
    可应用吸附或吸收材料。从而为改进传感器的灵敏度和检测的极限,来选择性地吸附或吸
    收分析物。

    显然在传感器电极充填了吸附材料之后所得到的相关于分析物的电学性质的量纲,
    包括电阻和电抗,不同于在传感器电极之间不充填吸附材料时所得到的电学性质的量纲。
    这是因为在充填了吸附材料之后,该单一传感器会专门记录在分析物中的一种或一类特殊
    的相似的化合物的电学性质。而该种或该类化合物是由于其和吸附材料之间的特殊相互作
    用而被吸附到该材料上。

    从而可以理解到,从本发明导找与分析物的内在特征相关的电学量纲的精神和目的
    出发,甚至在分析物有足够浓度时,本发明也可在传感器电极之间充填吸附材料来检测和
    鉴别在流体中的分析物。

    分析物在吸附材料表面上被吸附的过程可以伴随着吸收的过程,或者吸附和吸收的
    过程可以同时发生。然而有关于发生何种过程的实际情况会根据具体因素而决定。该因素
    包括了材料的种类、加在电极之间的材料的数量包括材料层的厚度、允许产生吸附现象的
    时间、和被检测的分析物的浓度。所以在本文中讨论的吸附现象也可能包括了吸收现象。

    本发明的传感器与交流电流分析装置相连接来提供当分析物停留在或流经传感器电
    极之间时它的可检测信息。该分析装置可以根据不同的电子结构来组装。

    本发明的传感器及方法对检测和鉴别在流体中的分析物来说具有许多新颖和独特的
    性能和优点。本发明可概括如下:本发明的核心技术应用了有第一组和第二组的集成电极
    的传感器,集成电极被第一和第二电连接装置连接而有相应的第一和第二引出极。本发明
    的传感器具有高输出幅度,减小的尺寸和改进了的电学特征。

    传感器在有同一幅度的众多不同的频率包括扫描频率的电激励信号的作用下来检测
    在流体中的分析物。这样在一次测量中,就可以得到两组分析物的有类型特征的电学性质,
    其中包括了可在每个被扫描的频率上得到两个不同的电学性质,如电阻和电抗。他们在交
    流电学中是属于互相正交的两维量纲,又是扫描频率(扫描时间)的函数来描述了分析物
    的不同的内在特质。相比于应用在一维时间量纲上得到的性质来检测分析物的已有的多传
    感器方法,本发明应用在两维正交的量纲上得到的性质来检测分析物具有显著的优点:本
    发明应用优选的在1兆周以下的频率扫描方便了传感器仪器的制作和使用;因为应用频率
    扫描本发明在传感器设计上不受必须使用导电的分析物吸附材料包括导电高分子薄膜或
    高分子复合材料的限制,因此可应用所有种类的表面吸附包括吸收材料而具有广泛的适应
    性。

    本发明的传感器又应用了参照传感器来消除背景噪声的影响,和有选择性地检测与
    众多疾病有对应关系的作为相应的生化目标物的气态化合物,或化合物群即生化目标物
    群。此外,还应用了包括可变和恒定的温度控制程序来控制包括有传感器和分析物在内的
    传感器仓的温度,从而可良好地控制分析物的吸附和解吸的过程,来改进对分析物的检测
    和鉴别。

    另外,本发明的具有较低的制作成本的小体积的传感器为制造有紧凑的体积、便利
    的携带性、和容易使用的传感器仪器建立了基础。

    以上所述的传感器的优点,特别是有利于研发用电池为电源的掌上携带型传感器仪
    器。这是因为传感器显著小的体积而造成相对应的对它的温度控制所需的低的电能消耗。

    可以理解到,本发明的主要优点之一是应用了具有频率扫描和矢量分析工作原理的
    有集成电极的单一传感器,因而对分析物的一次测量可同时产生两个不同的有类型特征的
    交流电性质的图谱。这样在制作本发明传感器仪器要应用少许几个、即数个传感器时,可
    容易地达到制作传感器的重复性。另外,因为单一传感器具有显著的小的体积,而造成了
    对控制小体积传感器仓所需的低电能消耗。这样又导致了在实际上有可能应用双传感器的
    结构、即除了检测传感器之外,还可应用具有相同结构的参照传感器。

    在应用了双传感器之后,当样品即在流体中的分析物带有背景噪声时,比如是有湿
    度背景噪声时,样品可由检测传感器来检测,而由参照传感器来检测带有背景噪声的流体。
    再通过比较检测和参照传感器的输出,就可以去除背景噪声和流体的影响。同样地、可以
    消除另外的背景噪声,比如象是用在传感器中的高分子薄膜的老化效应,和因温度波动而
    造成检测的电学性质的波动。应用双传感器结构还可以带来快速测试的优点。这是因为对
    检测传感器和参照传感器的测试、即对样品和对带有噪声的流体的测试是在同一时刻完成
    的。

    在以后章节的详细叙述,讨论和对权利要求的请求并参照了附图之后能对本发明创
    造性的结构和目的有更清楚地认识。

    附图说明

    特别要指出的以下公开的结构图仅是为了说明而不是对本发明的限制。现叙述如下:

    图1显示了应用主成分分析法来区分五种分析物的分析物按主成分分布的分布图。
    分析中应用了在7个频率的每个频率上同时得到的分析物的电阻和电抗数值。而该些频率
    被任意地取自于10千周到500千周区间的被扫描过的二百零一个频率。

    图2显示了应用主成分分析法来区分五种分析物的分析物按主成分分布的分布图。
    分析中应用了在11个频率的每个频率上同时得到的分析物的电阻和电抗数值。而该些频
    率被任意地取自于500千周到1兆周区间的被扫描过的二百零一个频率。

    图3显示了应用主成分分析法来区分三种分析物的分析物按主成分分布的分布图。
    分析中应用了在7个频率的每个频率上同时得到的分析物的电阻和电抗数值。而该些频率
    被任意地取自于10千周到500千周区间的被扫描过的二百零一个频率。

    图4是单一传感器1的示意图,其包含有用金属线材制作的一对电极或用两片金属
    片制作的一电容器。

    图4A显示了应用两个相同的单一传感器1的双传感器结构,其中一个传感器被用来
    作为检测传感器2(简略标示为:A),另一个被用来作为参照传感器3(R)。图中显示的
    双传感器结构12不具有一体化的形式。

    图4B显示了应用两个相同的单一传感器1的一体化双传感器结构13,其中一个传感
    器被用来作为检测传感器2(A),另一个被用来作为参照传感器3(R)。

    图5是单一传感器1和交流电流分析仪14电连接的示意图。

    图6显示了任何一种表面吸附材料11被充填到两电极或一电容器之间。

    图7A用来说明用不同结构4来组成单一传感器示意图。其中一电极被用作为单一传
    感器的第一电极,另一导电的结构比如一物体的器壁被用作为第二电极。

    图7B显示了在同交流电流分析仪14连接时,单一传感器4中的作为第二电极的器
    壁与地零电位连接。

    图8是具有集成电极的单一传感器1’的示意图,其包含有三个相同的导电体作为相
    应的电极。第一和第三个电极为外部电极,被一用作为第一引出极的第一电连接装置平行
    连接。第二个电极为在中间位置的内部电极,被一用作为第二引出极的第二电连接装置连
    接。

    图8A显示了应用两个相同的单一传感器1’的双传感器结构,其中一个传感器被用
    来作为检测传感器2’(简略标示为:A),另一个被用来作为参照传感器3’(R)。图中显
    示的双传感器结构12’不具有一体化的形式。

    图8B显示了应用两个相同的单一传感器1’的一体化双传感器结构13’,其中一个
    传感器被用来作为检测传感器2’(A),另一个被用来作为参照传感器3’(R)。

    图9是单一传感器1’和交流电流分析仪14电连接的示意图。

    图10显示了任何一种表面吸附材料11被充填到传感器1’的两相邻电极之间。

    图11是传感器仓的正视示意图。图中传感器仓中间结构的顶部被移去,所以可以看
    见分别安置在两传感器次仓中的两个传感器1’。

    图12除了显示在图11中的同样的结构外,还显示了表面吸附材料11是被处置在一
    传感器次仓的前端位置。表面吸附材料被用来吸附在流体中的分析物,这样只有流体可以
    通过处置在该传感器次仓中的传感器的电极之间的空间。

    图13显示了在图11中的传感器仓中间结构的横向剖面图。

    具体实施方法

    本发明的具体的实施经参考附图后会在以下叙述,但是必须明确的是这些实施仅代
    表本发明精神和目的的许多种具体表现中的少数例子而已。众多的对这具体实施的变形和
    改良对于具有在同一知识领域的人来说是显而易见的。这些变形和改良都与本发明有联
    系,因而这些变形和改良都被确认为是包含在本发明申请的权利要求所表达的精神目的和
    设想之中。

    本发明的公开包括了两部分,第一部分有关于从属于单一传感器结构方案的一优选
    的传感器,其与孙的425专利所公开的相一致。第二部分有关于在上述公开的传感器基础
    上发展成的一改进的传感器。

    本发明传感器及方法适用于检测和鉴别在流体中的分析物。本发明有两个目的。由
    图4和图5所示,本发明的第一个目的是遵循了用单一传感器的理念来发明一具有两个电
    极的单一传感器1。该种传感器在有相同幅度的多频率的包括扫描频率的一交流电流或电
    压的作用下,可被用来有效地鉴别在流体中的众多分析物。从而通过检测这些分析物的多
    种电学性质来鉴别分析物,这是因为这些电学性质与分析物的独特的物理、化学的特征,
    比如介电常数、极性、或者偶极距有关。

    本发明的第一个目的是通过应用交流电频率对含有分析物的单一传感器的扫描后再
    应用电矢量分析的方法来实现的。实施电频率的扫描可由用一检测装置包括交流电流分析
    仪14连接了含有分析物的单一传感器1来完成。这样本发明就可以在一次测量中得到分
    析物的相对于众多扫描频率的两组有关于分析物内在特征的电学性质,而且能在每一个扫
    描的频率上得到这两种不同的电学性质。用这样的结构来测量多种分析物后,再应用一鉴
    别类型的程序来分析所获得的这些分析物的电学性质的数据。这就能识别各分析物电学性
    质的特殊的类型,其对应了相应的分析物的特殊类型。然后将每一个分析物的已鉴别的类
    型,与已知物的类型相比较,从而可鉴别各分析物??芍?,第一个目的体现了本发明的核
    心技术。

    本发明的第二个目的是提供了一种传感器的结构及传感的方法。其可被用来消除传
    感器的背景噪声,包括测试样品中湿度的影响、应用在单一传感器中的高分子材料的老化
    效应、和由温度波动所造成的被测分析物的电学性质的波动。

    由图4A和4B所示,第二个目的是应用了双传感器的结构来达到的。该结构包含有
    两个相同的传感器1,一个用作为检测传感器2,另一个用作为参照传感器3。这种双传
    感器的制作可遵循两种方案,其一是一体化结构的方案13,其二是两个分离的独立结构
    的方案12。本发明的双传感器方案也可用来检测当分析物是一化学混合物时所得到的混
    合物中的一种化合物或多种相类似的化合物的电学性质,从而达到鉴别该分析物的目的。
    这种双传感器的方案可特别用来在医学诊断时检测生物样品中的一个或多个与器官疾病
    相关的生化标志化合物。

    必须明确的是,应用这种双传感器结构的现实性源于本发明的特殊优点:具有小体
    积的单一传感器和其能在一次测试中得到两个系列的分析物的有类型规律的信息。

    在本发明的传感器及方法中,分析物被定义为具有众多相同分子的一化合物。该分
    析物也可被定义为由不同化合物组成的一种特殊的化学混合物。在该种混合物中,各化合
    物都具有众多相同的分子,例如咖啡气味所代表的那一种混合物。分析物可以不具有气味,
    如象氢气。又如象工业制成的用作为煤气的可燃气体的混合物,而且在该种混合物中不被
    添加有气味的气体。分析物也可有气味。如象化合物醋酸,或者象是含有气味的污水。一
    分析物群是指所分析的众多的不同的化合物,或众多的不同的化学混合物。该分析物或分
    析物群可以是气态的或者是液态的。

    大致上与本发明研究感兴趣的分析物群可以来源于下述的种种:含有违禁物的材料
    (包含有例如大麻),与环境?;び泄氐?包含有例如监视空气、水、和土壤的污染物,
    象是在地表空气中含有的臭氧),与医护包括医疗诊断有关的(比如包含有口腔气味在内
    的生物样品),与科学研究包括太空研究兴趣有关的(比如象研究宇宙飞船中空气的品质),
    与各工业的兴趣有关的,包括食品工业(如包含有对肉类、鱼类新鲜程度的检测),饮料
    工业(比如包含有对柠檬饮料的气味检测),农业工业(比如包含有对水果的成熟度的检
    测),化学工业(比如包含有对氯化氢气体生产的监控),石油工业(比如包含有对可燃气
    体泄漏的检测),塑料工业(比如包含有对生产过程和产品质量的控制),建筑工业(比如
    包含有对新建住宅内的空气品质的监控),医药工业(比如包含有新医药的研发),汽车工
    业(比如包含有对润滑油和各种液体的监视),生化工业(比如包含有通过酶催化反应的
    生化物品的合成),和运输工业(比如包含有对排放的废气的监控),与日常生活有关的,
    比如包括有香水、化妆品、酒、和香料,为安全所考量的(比如包含有爆炸物、纵火、以
    及泄露在路面上的液体的调查),和与军事有关的(比如用作为武器的化学物品)。

    在本文中的流体是指气态的或者液态的背景化合物,其不是研究的兴趣所在。流体
    是用来寄宿分析物或分析物群。在一纯的状态下分析物本身可作为流体。当分析物和流体
    混合成一体的状态时,流体可以是一种化合物,或是一种化学混合物。例如,在研究空气
    中的污染物时,本身是化学混合物的空气作为流体来寄宿多种气态污染物。又如在气相色
    谱中,作为运载气体的氢气、或氦气、或者氮气是作为流体来运送被分离了的在气相色谱
    柱中的多种化合物。该多种化合物组成了最初的被注入色谱柱中的作为分析物的一化学混
    合物。

    流体群是指众多不同的化合物,或者众多不同的化学混合物。例如在研究众多病员
    的由牙齿疾病所引起的口臭时,硫化氢作为一种生化标志物是研究兴趣所在的分析物,其
    对众多病员的口臭来说是共同的。显然除了硫化氢标志气体外,病员的口腔气体内还有其
    他的不是研究兴趣的气体,该些气体即为流体。然而该种流体的组成因不同的病员而异,
    例如在流体中有由病员呼吸造成的二氧化碳气体和未消耗的氧气,他们所对应的百分比是
    与其对应的病员的健康情况包括肺的功能和血液系统的功能有关。这样所有病员的检测到
    的口腔气体的样本,有相同的标志气体和不同样的流体。在这种情况下,就形成了本公开
    的一种样品组,可称之为:在流体群中的一种分析物。

    按照上述的例子类推,在研究众多病员的患有众多不同器官疾病如肺炎、肾炎、和
    肠炎的口腔气体样本时,这种样本包含有在众多不同流体中的不同的与研究有关的标志气
    体。这种情形称之为:在流体群中的分析物群。

    与上述的情形相反,有另一种样本组为:在一流体中的分析物群。例如一相同的运
    载气体(或液体)作为连续的流体来容纳不同的化合物。这些化合物是在气相(或液相)
    色谱的分离过程中由一最初的分析物,即一化学混合物分离而成。必须理解的是,在色谱
    过程中产生的在一流体中的分析物群的样本是一个特殊的案例。正是由于色谱的分离过程
    分离了在该混合物中的众多不同的化合物,使得这些化合物序列性地、相间地容纳在色谱
    柱中的一相同的流体中。另一样本是从一区域的空气污染案例而来。在这个案例中,在整
    个区域里的同样的空气中容纳了对应于在区域里不同地区内的不同的污染物。

    然而必须理解作为总体来说,有在流体群中的分析物群、在单一流体中的分析物群、
    和在流体群中的单一分析物的样品组的区分,但是不管是何种样品组,在检测过程的序列
    性的步骤中,每一样品必须是单独地被传感器仪器所检测。所以,在一测试的瞬间,总是
    存在一种流体中的一个分析物的情形。

    众所周知,化合物具有与其相对应的特征的介电常数。各化合物又包含有多种化学
    元素。而各种元素具有对应的特征的电负性。另外,在分子水平上每个化合物具有独特的
    分子结构、大小、重量、包括对称性在内的形状、和偶极距。这些要素决定了作为分析物
    的每个化合物的物理和化学的特征。同时也就影响了每个化合物或化学混合物在与传感器
    电极相作用时的吸附和解吸的过程。

    当这些分析物在被由有一个频率的一交流电信号所激励时,他们的物理和化学的特
    征可以用一些交流电学性质来描述:比如电流、电压、电阻抗和其包括的相敏元素:电
    抗、电阻R、和相位(这里粗体表示为矢量)。这个交流电激励信号是指一具有正弦
    波形的交流电压或电流。

    由图5可知、这些交流电学性质可由应用一检测装置14包括电阻抗分析仪或者其他
    已知交流电流分析仪连接单一传感器1来得到。最简单的该单一传感器即是一对金属导体
    作为一对空间电极,或者一对金属板作为一空间电容。该对电极也可被放置在陶瓷包括氧
    化铝基板上或硅基质包括硅晶体上形成相应的厚膜或薄膜电极。当一流体中的一分析物是
    放置在、或者通过单一传感器的两电极间,或电容的两电极板间时,就可检测到分析物的
    交流电学性质。

    在复数体系里,电阻抗可以被描述为:

    Z = R + X - - - [ 2 ] ]]>

    相位可以由电阻R和电抗的数值来计算得到。

    本发明传感器的电抗结合了容抗和感抗。他们可分别被描述为:

    X C = j ( - 1 / 2 πf C ) - - - [ 3 ] ]]>

    X L = j ( 2 πf L ) - - - [ 4 ] ]]>

    其中C是电容,其正比于处在两电极间一介质的介电常数。L是电极的电感。对于应用在
    本发明中的短的电极来说,电容的数值是远大于电感。所以电抗基本上呈现容抗性,这样、
    电抗是容抗的一个好的近似表示。

    如果在电极间有在一流体中的一分析物时,电抗为。如果在电极间只有该流体
    时,电抗为,则他们的差值为:

    ΔX = X ( 2 ) - X ( 1 ) - - - [ 5 ] ]]>

    其是电抗的改变,是缘于处置在电极之间的分析物的贡献。

    因为分析物在电极间的电容是由其介电常数所决定,和容抗是电抗的主要贡献者的
    缘故,所以电抗可以被用来检测和鉴别该分析物。这意味着电抗提供了每一化合物或化学
    混合物的指纹式的信息。在一次测量中,如应用了改变交流电信号的频率的方法,本发明
    就能构筑一电抗谱图来记录在每一个频率上该分析物的内在的化学特征。这样该电抗谱图
    就包含了一系列该分析物的有类型规律的交流电学性质。

    众所周知、分析物可通过化学吸附和物理吸附的机理被吸附在测试器件的表面。这
    种机理导致了复杂的分析物的扩散过程和分析物在器件表面上的动力学?;蛘哂煞治鑫镉?br />响了的器件的表面电阻,所以该电阻是结合了分析物的显著的分子特征。例如将金属氧化
    物薄膜传感器暴露在挥发性的有机化合物中时,包括那些富有氢和氧元素的化合物显著地
    改变了该传感器的电导率(见纳格尔和贝尔特斯文章)。

    因为分析物的每一个化学元素,诸如氧、氢、氮、和碳元素,都有它所确定的电负
    性的数值,因而促成了该分析物的极性或者偶极距。这样电导率(电阻率)改变的实验事
    实提示了电阻可以被用来记录这种如极性或偶极距的分析物内在的化学特质。

    在上述的应用本发明的一次测量中,除了得到的一系列的分析物的电抗信息外,另
    外的一系列的分析物的电阻的信息也是同时可以得到的。这样、相比于电抗改变的形式,
    在每一频率上电阻的改变ΔR可以确认为:

    ΔR=R(2)-R(1)????????????????????????????[6]

    其中R(1)是流体中不含有任何分析物时的传感器的电阻,R(2)是流体中含有分析物
    时的传感器电阻??芍缱璧母谋涫窃涤诜治鑫锏墓毕?。

    比较一分析物的电阻和电抗对电阻抗贡献的大小,可知电抗在电阻抗中占主导的地
    位。这是因为在无水状态下,流体中的分析物是不导电的,因而电阻抗矢量偏向电抗的量
    纲轴。其次,相位角可以由电阻R和电抗计算而得到,也就可得到相位的改变和电
    阻抗的改变。这样结合了在每一频率上的电阻改变ΔR和电抗改变ΔX的信息,或者它们
    之一与相位改变的信息,或者电阻抗改变的信息,就可以构建成一曲线图。其中包
    含了相对于扫描过的众多频率上的电阻的改变、电抗的改变、相位的改变、或者电阻抗的
    改变所对应的曲线。该每一曲线显示了分析物的独特的内在的化学的特质。

    在一通常的分析该曲线的研究中,可先研究该记录了分析物特质的曲线,包括与在
    数据库里已有的已知分析物的曲线相比较。这样、分析物电学性质与已知样品的相似性、
    或不相似性、或类型大概可以通过这种直接分析曲线特征的途经而被鉴别。

    沿用上述的程序众多的分析物可被一一检测。这样就得到了众多的对应每一分析物
    的有类型规律的交流电学性质的曲线图。

    除了上述的绘制的曲线,其作为对分析物有类型规律的电学性质的一种连续型表达
    的方式外,也有对该性质的离散型表达的方式,如用构建该分析物特征电学性质的矩阵来
    表达的方式。这种矩阵有偶数的竖栏,相邻的每两个竖栏被用来填入在同一频率上得到的
    分析物的相应的电学性质,比如电阻和电抗。在这种结构下,该矩阵最多的竖栏数是两倍
    于扫描的频率的数目(查分析仪器的有关于记录的扫描频率数目的技术规定);或者这种
    竖栏的数目可以由从扫描过的频率中随机取出的频率的数目来决定;或者可由选取的特定
    的频率的数目来决定。该矩阵的一横栏是用来填入相对于在所选择的频率上每一分析物被
    检测到的电学性质。显然、同一分析物在一次实验中可以被多次重复地测量,这样在矩阵
    中就有对应该分析物多次被测量的多个横栏。

    根据上述的步骤,可以建立一个包括了众多分析物电学性质的矩阵。如假设每个分
    析物仅被测量一次的话,该矩阵的每一个横栏代表了每一个分析物相对于所选择频率的电
    学性质。

    因为分析物的交流电学性质的改变与扫描频率的关系呈非线性,所以登录在上述矩
    阵中的被测分析物的特征的电学性质改变的差异,可以应用众多的分析法包括了多变量元
    素分析法(Multivariate)来分析,该类多变量元素分析法包含了类型鉴别的分析法。应
    用了上述的包括类型鉴别在内的分析法来对列有众多分析物电学性质的矩阵来分析的话,
    各种分析物的特征包括他们的类型可以容易地被鉴别出来。这种容易性是相比与上述的企
    图通过直观比较各种分析物所对应曲线而得出他们所对应的类型的困难性而言。

    这样、再将得到的一分析物的电学性质的类型与在已建成数据库中的众多已知物的
    电学性质的类型相比较,该分析物就可以被鉴别出来。

    可以理解的是、虽然本发明优选的扫描频率的区间在10千周和1兆周之间,但是按
    照本发明的精神和目的,其他的不同于该优选频率的频率也可以被应用。然而应用该优选
    的频率,不但能鉴别分析物而且还增加了在仪器设计和实际应用时的便利性。

    在本发明传感器的设计中,不需要规定应用导电高分子薄膜或其他导电吸附材料来
    检测或鉴别含有足够浓度的众多分析物。这是因为交流电的激励信号能在真空内传播,所
    以其能跨越两电极间不存在导电物质的空域。本发明的这种结构十分适合于被用来作为包
    括气相色谱和液相色谱的检测器和检测方法。这是因为在混合物里的各个化合物是在色谱
    的分离作用下,在色谱柱里逐渐被一一分离和浓缩,因而就创造了各个化合物可以被各自
    地检测出来的基本因素。这样本发明新的检测器和方法不仅在应用单一频率之后可以提供
    分析物的数量多少的信息,而且在应用了多个扫描频率之后可以提供鉴别是何种分析物的
    信息。另外、应用这种检测器和检测方法在检测样品时不会损坏样品,这是本发明的又一
    优点。

    由图6可知,因为交流电信号可以在真空中传播,所以本发明可以使用任何一种导
    电的或不导电的吸附或吸收材料11。通过浓缩或选择性地浓缩在流体中含量稀少的分析
    物的步骤之后再来检测该分析物。因为这种特质,使得本发明可以利用众多的现有的、和
    发展完善的技术来浓缩和有选择性地浓缩在分析物中的化学标志物或标志物群,从而来达
    到传感器的高灵敏度和选择性。这一类技术通常涉及应用高分子材料薄膜、高分子材料和
    无机材料的复合材料、含有铂金属类金属颗粒的复合材料、应用在气相吸附色谱中作为固
    定相部分的固体无机材料、和应用在气相分配式色谱中用来制作填充式色谱柱和毛细管式
    的色谱柱中的固定相部分的高分子材料。

    例如氢气是应用在众多工业中的一种重要的气体。为了完全使用氢气起见,检测和
    鉴别氢气尤为关键。为此本发明可以应用含有钯金属微粒和由有机、或无机填充材料组成
    的复合材料来有选择性地浓缩氢气后,再来对其测量的方法。这个设计利用了氢在金属钯
    中有极大的溶解度的特征,如金属钯可以吸收容纳高达九百倍于自身体积的氢气(化学和
    物理手册:Hand?Book?of?Chemistry?and?Physics,CPC出版社,第24版,第4-12页,
    1993年到1994年版)。因为这缘故,钯金属通常被称之为“氢的陷阱”。又因为对分析物
    的检测不会受到吸附材料是否导电的限制,所以本发明有极大的灵活性,即可根据在流体
    中氢气的不同浓度来决定在复合吸附材料中含有钯颗粒的比例,包括了颗粒的形状。通过
    拦截了在流体中的氢气之后来检测在流体中的氢气。

    此外,金属钯是铂金属组中的金属之一。铂金属组由钌、銠、钯、锇、铱和铂组成,
    他们具有相类似的包括对氢气的溶解度在内的物理和化学的性质(化学和物理手册,第
    24版,4-15页到4-12页)。这样,在铂金属组中的每一种金属都是适宜的和可被应用到
    本发明之中。

    气相吸附色谱应用固体颗粒作为固定相材料来选择性地吸附各种气体。固体颗粒包
    括了众多的不同的固体无机材料。其中最为普遍的是分子筛、硅胶、氧化铝、玻璃、多孔
    状的碳粒、和碳酸钙。另外,氟化的碳颗粒也是合适的,诸如四氟化乙烯高分子材料颗粒
    (阐述此类材料的上述应用随处可见,包括波尔和波尔:Poole,C.F.and?Poole,S.K.;
    今日色谱:Chromatography?Today,199页到209页,艾尔塞维尔科学出版社:Elsevier?
    Scientific?Publisher,1991年和其中引用的文献)。

    例如分子筛是一种含有精确尺寸和均匀分布微孔的材料。在分子筛制作过程中可控
    制生成该种微孔。分子筛已被广为认知并应用于吸附气体和液体,分子筛与被吸附物之间
    有强的物理作用。其可根据分析物分子的大小、构形、极性、和不饱和性来分离分析物。
    例如分子筛易于吸附一氧化碳而胜过于吸附氦气,和能择优吸附包含有氧、硫、氯、和氮
    元素的极性分子或者不对称的分子。分子筛可有效地吸附及保留水和二氧化碳,并捕获诸
    如乙烯和丙烯的不饱和烃类化合物。

    在气相解析色谱的分离过程中,一混和物中的各化合物的分离是根据各化合物的蒸
    气压,和其与用作为色谱柱中的固定相的高分子材料之间的选择性的作用来进行的。在填
    充式色谱柱中,该固定相材料被覆盖在固体充填颗粒的表面。在毛细管式的色谱柱中,该
    固定相材料是涂在中空毛细管柱的内表面。

    如要在分子作用的程度上来理解上述的选择性作用的话,该种作用是建筑在作为分
    析物的各化合物与固定相材料之间的分子间的作用之上,比如色散力、诱导力、取向力和
    在施主和受主之间的作用力。为了帮助理解上述的作用过程,一“相象而相溶”的比喻大
    约是有助于来理解这种分子间作用的结果。选择性是这种相互作用的结果之一,其源于某
    类化合物和色谱柱固定相材料的相似性而造成。例如极性对于化合物来讲是一个特征的性
    质。其可被用来描述这种相象性:极性的化合物倾向于极性的用于色谱柱的固定相材料;
    而非极性的化合物趋向于非极性的固定相材料。

    根据上述的用比喻来表示的原则,可以使用一种固定相材料而达到有选择性地分溶
    某类化合物的目的。该固定相的极性是接近或者匹配对应的化合物的极性。比如聚合硅氧
    烷是一种非极性高分子材料,其被最广泛地用作为色谱柱固定相的基质材料。这是因为它
    的化学结构易于被衍生反应而改变,例如被甲基、乙烯基、苯基、双苯基、3,3,3-三
    氟化丙基、二一氰乙基、或者一氰丙基所改变。从而导之改变聚合硅氧烷的极性:从非极
    性到极性。该种衍生反应是众所周知的(波尔和波尔,今日色谱,第二章,和其中所引用
    的参考文献;西佛:Hyver,编缉;桑爵:Sandra,应邀作者;高分辨率气相色谱仪:High
    Resolution?Chromatography,2-1页到2-16页,第三稿,西来特-潘卡特公司:
    Hewlett-Packard,1989年,和其中引用的参考文献)。这样就极性的相似性来说,经由
    特定的衍生反应而改变了极性的聚合硅氧烷高分子可适用于相应的许多类型的化合物。

    以下是众所周知的硅氧烷聚合物的种种衍生物,其常被应用来选择性地分溶在流体
    中的各类化合物。

    1、含有100%双甲基聚合硅氧烷,用于众多分析物,包括:溶剂、石化制品燃料、油
    类、碳氢化合物、药物、调味物、香料、含硫化合物、和氯化的双苯基聚合物。

    2、含有5%双苯基和95%甲基、或者含有35%双苯基和65%甲基、或者含有14%氰丙基
    和86%甲基的的聚合硅氧烷,用于分析分析物包括农药类、芳香烃的碳氢化合物、多重氯
    化的联苯、饱和氧化合物、胺类化合物、芳香类油、医药类化合物、对环境有影响的化合
    物、和含氮元素的包括除草剂在内的化合物。

    3、含有20%双苯基和80%双甲基的聚合硅氧烷,用于检测分析物包括有调味功效的
    芳香类化合物和含酒精的饮料类化合物。

    4、含有50%苯基和50%甲基或者三氟化丙基甲基的聚合硅氧烷,用于检测分析物包
    括对环境有影响的化合物、溶剂、酮类化合物、毒品类化合物、类固醇、和含卤素的化合
    物。

    5、含有65%的双苯基和35%的双甲基的聚合硅氧烷,用于检测分析物包括有苯酚类
    化合物和脂肪酸类化合物。

    6、含有50%氰基丙基甲基和50%苯基甲基的聚合硅氧烷,用于检测分析物包括碳水
    化合物和天然类固醇类化合物。

    必须指出的是、以上阐述的衍生的硅氧烷高分子聚合物可以选择性地与多种包括胺
    类化合物在内的目标化合物相作用,而胺类包括衍生的胺类化合物在众多研究者的为诊断
    多种疾病的研究报告中是作为在病员的病理样品包括口腔气味样品中所公认的生化标志
    物。上述的部分的研究结果已被列举在刘易斯的333专利中。为缩短本发明公开的篇幅,
    现将该些列举的研究结果全部合并在本发明的公开中。

    除了上述的硅氧烷高分子聚合物以及其衍生物,间位联接的苯基乙醇聚合物、苯二
    酸酯、酯的聚合物,比如像是聚合甘醇之类的聚合乙醇、和液态有机盐都是在气相色谱里
    常用的聚合物。其被用来与其极性相仿的化合物相作用。例如聚合甘醇是极性的固定相,
    其可被用来分析酸、酒精、乙醛、丙烯酸盐、酮化物、芳香性油料、二醇、和溶剂类化合
    物。液态有机盐也是极性的,通常由有机铵或者有机磷正离子与亲质子的负离子配对组成。
    该种离子比如是硫酸盐根,或者是无机盐的负离子,象是卤素离子和硝酸盐根离子。液态
    有机盐的例子有如四丁基硫酸铵和四丁基硝酸磷(波尔和波尔,今日色谱,114页到118
    页,和其中引用的文献;西佛和桑爵,高分辨率气相色谱仪,2-9页)。

    包括上述的高分子材料在内的高分子聚合物被应用在填充式色谱柱时是被涂在固体
    支持颗粒的外表面,或被应用在空心毛细管色谱柱时是被涂在空心管柱的内表面。然而、
    在实施涂层步骤之前,对固体支持颗粒表面或对空心色谱柱内表面的去极性是一个通常的
    众所周知的步骤。实施该步骤是为了保持或者加强被涂物体表面对高分子材料的浸润性,
    从而可取的均匀的表面涂层。

    一般而言,去极性是将固体表面的硅醇经化学反应转化成硅醚。这种化学反应应用
    了双甲基双氯化硅烷(DMCS)、[二甲基-(三甲基甲硅烷基氨基)甲硅烷基]甲烷
    (hexamethyldisilazane)、三甲基氯化硅烷(TMCS)、或者由上述的化学试剂组合而成、
    或者还可使用十八环双甲基氯化硅烷(octadecyldimethylchlorosilane)、(玻尔和波尔,
    今日色谱)。

    在气相色谱柱的制作中,对固体支持颗粒表面和空心毛细管柱内表面的改性而形成
    与高分子材料化学键的连接也是常用的手段。一种方案是涉及单官能团或多官能团的烷基
    或环状硅烷试剂与单质硅或者硅藻土的支持颗粒的表面,或者熔融石英制成的空心色谱柱
    内表面的化学反应。在反应中高分子聚合物的连接可能通过同时形成硅烷键和高分子聚合
    反应的化学键来产生高分子聚合物与固体支持颗粒的表面或色谱柱内表面的牢固的化学
    键的连接。

    另一种方案是对已被涂有高分子材料的支持颗粒的表面或色谱柱的内表面应用了由
    过氧化物或臭氧诱发的自由基产生的交联聚合反应而形成固定的硅氧烷聚合物。例如制作
    中等极性的硅氧烷聚合物是应用了含有不同数量的乙烯基、甲苯基、辛基的硅氧烷而增进
    形成了交联的聚合物(波尔和波尔,今日色谱,122页到127页,132页到152页)。

    这样本发明可以应用上述的成功的现有技术来处理由陶瓷基板或者硅基质组成的相
    应的单一传感器的厚膜或薄膜电极板表面,或者用在空间电极上的固体支持颗粒的表面,
    来取得一致的高分子薄膜的涂层。

    应用单一传感器和交流电频率扫描的技术,本发明不但能够得到分析物的具有类型
    特征的电学性质,而且能在传感器设计中取得包括小尺寸的传感器和传感器仓在内的与众
    不同的优点。而这种小尺寸的传感器和传感器仓使得本发明实际上在传感器生产中,特别
    是在制造由电池电能驱动的掌上型电子鼻仪器时,能应用双传感器的结构。

    在双传感器结构方案中,本发明应用了两个相同的传感器,其中一个用作为检测传
    感器,另一个用作为参照传感器。当背景噪声、比如象湿度之类影响到检测传感器的工作
    性能时,带有背景噪声的处在流体中的一分析物由检测传感器来检测,而带有背景噪声的
    流体由参照传感器来检测。然后再通过由检测传感器得到的电学性质减去由参照传感器得
    到电学性质的处理,背景噪声包括湿度的影响就能被排除。这样就保证了不会得到含有背
    景噪声的错误的分析物的信息。

    双传感器的应用之一特别有利于对病人的即时式的医疗诊断,比如象是对病人的耳
    中和口腔疾病的诊断。在该类诊断中,由引起疾病的细菌所产生的特征气体混合物,即是
    电子鼻仪器的分析物,被口腔呼吸气体样本中的湿度所掩盖,这是因为造成湿度的水分的
    浓度通常是显著地大于分析物的浓度。应用了本发明的双传感器结构就能在检测口腔气体
    样本时去除湿度对分析物的影响。

    在检测病员口腔气体样本中应用包含有消除湿度效应的双传感器结构,本发明还可
    以通过有选择性地检测与众多疾病有对应关系的作为相应的生化目标物的气态化合物,或
    化合物群即生化目标物群来快速有效地诊断疾病。应用这种医疗诊断的策略是在于建立生
    化目标物(群)与相关疾病的对应关系。在这种研究中,分析物通常是一化学混合物。在
    该混合物的众多化合物中,包含有一个生化目标物,或多个生化目标物即生化目标物群。

    应用双传感器策略在检测生化目标物(群)时,可用检测传感器去检测带有背景噪
    声的在流体中的一分析物的样本。另外用参照传感器去检测带有同样背景噪声的被包含在
    流体中的分析物,但此时分析物中不含有该生化目标物(群)。这是在参照传感器前利用
    了合适的吸附材料来有选择地栏截了该生化目标物(群)而造成的(见图12),而这种栏
    截是在参照传感器检测之前完成的。然后将检测传感器得到的电学性质减去在参照传感器
    上得到电学性质,就可以得到该生化目标物(群)的电学性质。

    以下列举了用于医学诊断的与已知器官疾病相对应的生化目标物:

    (1)对应于肾和肝疾病的甲基胺。见2008年2月25日“生化药物”:BioMed的新闻
    报道的美国国家标准和技术研究所和在美国波特市(Boulder)的科罗拉多大学的研究人
    员的研究结果?!吧┪铩笔且患以诨チ系脑谙呋?。

    (2)与肾脏败坏有关的铵和三甲基胺。其被分别报道在“生化药物”,和“化学和工
    程新闻”:Chemical?&?Engineering?News有关于2004年在美国匹茨堡举行的匹茨堡世界
    分析和光谱化学年会的专题介绍的期刊上。

    (3)与糖尿病有关的丙酮。被分别报道在“生化医药”,和在2008年1月出版的“现
    代科学”:Current?Science,第94卷,第2号。

    (4)与呼吸系统疾病包括哮喘和肺病有关的一氧化氮。被报道在“生化医药”,和周
    易:Choi等人报道在“为护理的生物研究”:Biological?Research?for?Nursing,第七
    卷,第4号,241页到255页,2006年,和佛玛尼克:Formanek等人报道在“呼吸系统”:
    Respiratory?Journal,2002年,19期,487页到491页。

    (5)与血尿氮疾病有关的铵。由那拉西姆哈:Narasimhan等人发表在美国国家科学
    院学报:PNAS上,2001年4月10日,第98卷,第8号,4917页到4921页。

    (6)与肠炎有关的戊烷。由科哈撒卡:Kohoszka等人发表在“肠疾病”:Diseases?of?
    the?Colon?&?Rectum,第36卷,第6号,597页到602页,1993年6月。

    (7)与肺气泡纤维化:cysticfibrosis有关的硫化羰。由加州大学欧访分校:UC,
    Irvine的新闻室报刊报道,2005年10月17日。该研究结果也被报道在美国国家科学院
    的网上简报中,2005年10月。

    (8)与胆固醇疾病有关的异戊二稀。由杰可毕:Jacoby在“化学和工程新闻”上对
    2004年匹茨堡年会的报道。

    (9)与肺癌有关的六碳烷、甲基五碳烷、和包括对位甲苯胺在内的苯胺。由欧尼尔:
    O’Neil等人报道在“医疗诊所化学”:Clinical?Chemistry,34期,1988年,第1613
    页。

    同时,已有报道对一些生化目标物的生理学的基础。例如乙醛是乙醇代谢的产物;
    乙酰乙酸盐的脱羧反应产生了丙酮;蛋白质的代谢导致了氨的产生;由血红素氧酶催化的
    反应产生了一氧化碳;硫化羰、硫化二羰、乙醇、氢气、和甲烷是肠内细菌的产物;类脂
    物的过氧化反应产生了乙烷和戊烷;类脂化合物的代谢产物为碳氢化合物;异戊二稀来源
    于胆固醇的生物合成;甲硫醇是甲硫醇代谢的产物;水果的代谢产生了甲醇;甲胺来源于
    蛋白质的代谢;和一氧化氮来源于由一氧化氮生物合成所催化的生成反应(李斯比:Risby,
    T.H.;苏尔格:Solga,S.F.;应用物理B:Appl.Phys.B,第85卷,421页到426页,
    2006年)。

    另外多种生化目标物已经用于医疗诊所的化验。例如乙酸酯、糖基酰脲用来检测欧
    陆塞卡尔效应:orocecal的转变时间;氨基芘、咖啡因、红霉素、N-乙酰甲氧基苯胺、
    和半乳糖等用来测试肝功能;葡萄糖用来检测阻碍产生胰岛素的程度;酮异乙酸和甲硫氨
    酸作为检测肝线粒体的功能;三油酸甘油酯作为检测脂肪的吸收障碍;尿嘧啶用来测试二
    氢嘧啶脱氧氢酶的活性;和尿素作为捕如里:H.Pylori炎症的测试(李斯比和苏尔格)。

    必须明确的是,生化目标物同时存在在病患的尿液、粪便、血清、血液、和唾液样
    品中。这样本发明包括双传感器的策略也可以被用来检测这些样品所散发出来的气体而达
    到医疗诊断的目的。

    口腔气体样品最近有报道被用来诊断乳房癌(艾尔佛拉兹:Alvarez,美国??怂剐?br />闻:Fox?News,2008年2月28日报道的密执安大学的研究结果;杜扑逊:Dobson,英国
    的“在线邮件”:Mail?Online互联网企业,2008年6月5日报道的伦敦帝国学院的结果)。

    除了被用于医疗诊断以外,口腔呼吸气体样品也被用来监控在手术中病员体内的麻
    醉剂含量。这是鉴于曾经发现在口腔气体样品中存有麻醉剂丙泊酚:Propofol和与其有
    关的两个代谢物(哈里森等人:Harrison,G.R.;英国麻醉学会期刊:British?Journal?
    of?Anaesthesia,2003年第91卷,第6号,797页到799页)。

    在医疗诊断领域内,如何利用人类的体味也是一个备受关注的课题,例如从个别人
    的一种特殊的表皮的味道经检测后发现存有化合物塞切族佛瑞尼亚:Schizophrenia(史
    密斯等人:Smith,K.;科学:Science,969,166期,398页)。所以目前由应用电子鼻
    仪器对皮肤气味的研究已包括了对该化合物的检测(地那特儿等人:Di?Natale,C.;传
    感器和传动结构B:Sensors?and?Actuators?B,2000年,第65号,216页)。此外,收
    集气态样品的方法和装置也早已被认知(嘎特耐等人:Gardiner,童孩时期的疾?。?br />Archives?of?Disease?in?Childhood,1981年,56,125页到127页)。这样本发明也就
    可以被用来研究人体体味。在研究中可使用随机检测到的,或者检测已经被收集到的病员
    身体气味的样本。包括那些从人体的脚部、腋下、和大腿根部收集到的体味的样本,这是
    因为细菌最有可能在那些部位集结而导致疾病的产生。

    在应用双传感器的结构来校正背景噪声的影响中,除了湿度之外,本发明还可以用
    来补偿其他的背景噪声,诸如高分子薄膜的老化效应和由温度波动而造成的电学性质的波
    动。这样就保证了检测分析物的电学性质的准确性和精确性。

    分析物的吸附和解吸过程会受到温度的影响。在气相色谱中,经常采用温度控制的
    程序,包括温度梯度的控制程序来有效地分离一化学混合物中的各种化合物。因为本发明
    的单一传感器和其所对应的传感器仓所具有的小的体积,这就导致了所需少的电能消耗来
    控制对包括传感器和分析物在内的传感器仓的温度。这样本发明也就实际上可以应用温度
    控制的程序,包括温度梯度的控制程序来控制分析物与传感器电极作用过程中的吸附和解
    吸过程。这种温度控制特别有利于由应用本发明而制作的、由电池供电的掌上携带式的电
    子鼻仪器。在使用了上述的温度控制的程序之后,本发明有可能来充分地展示分析物的内
    在的化学特质而达到对分析物的高品质的检测和鉴别。

    由于有上述的种种特点,本发明可以设计和发展成具有体积小、成本低、和便利的
    携带性的传感器。作为一个例子,在设计电子鼻仪器时,由于特别是因为低的传感器制作
    成本的原因,所以本发明的单一传感器是十分适合于用来制作是一次性使用的传感器。

    实例I

    以下公开的是有关于本发明的的核心技术即应用交流电频率扫描和矢量分析的工作
    原理的单一传感器的例子和实验情况。提供该实例仅仅是用作为对本发明的阐述,而不作
    为对本发明的限制和约束。

    作为最简单传感器的一对电极是用纯金的园型线材来制作的。该电极长12毫米,电
    极间距约为1毫米。用标准的同轴电缆来连接该电极和一交流电流分析仪器,比如艾杰伦
    4294电阻抗仪:Agilent?4294A(艾杰伦公司:Agilent;美国加州保罗奥尔多市:Palo?
    Alto)。在测试样品前,先对该电极进行电学标定。在测试电阻抗时应用了交流电频率扫
    描和矢量分析的方法,从而在每一个被扫描的频率上,可以同时得到电阻抗和相位、或电
    抗和电阻等不同组合的两种电学性质。在第一个实验中应用了10千周到500千周区间的
    频率扫描。在第二个实验中使用了500千周到1兆周区间的频率扫描。

    五种不同的化合物被用来作为相应的分析物,包括丙酮、醋酸、正六碳烷、甲苯和
    水,而室内的空气是作为他们的载体即本文所指的流体。在第一个实验中,每一种化合物
    是交体地被测试了六次。在实施上述的测试中,每一种化合物被封装到六个小的玻璃样品
    瓶中,直至该瓶被一半充满时为至。除了用在测试之时,该样品是处在密封的状态。

    在测试每一样品之前,首先用该电极来测试室内的空气,记录它的电阻抗、电抗和
    电阻等电学性质,并用他们作为参照数值。在测试样品时,打开一容纳该样品的试样瓶,
    然后把该电极伸进瓶中直至电极前端接近该化学样品的液面为止。此时并用一棉花球来塞
    住电缆和瓶口相交集的空间,来防止在瓶中的该化合物气体浓度的波动。在测试样品气体
    的电学性质前,又用十秒钟作为等待的时间。样品被测试完毕后,立即将该样品瓶从电极
    移开,并被重新封盖上瓶盖。该被测试过的样品在实验中不再被重复使用。

    在下一次样品测试之前,该传感器电极先被暴露在室内空气中大约十分钟。测试这
    些化合物的顺序为甲苯、丙酮、正六碳烷、水、和醋酸。用这样的顺序为第二个以及后续
    回合的测试,直至完成全部六个回合的测试。

    在数据分析时,该传感器电极对每一被测试分析物的一种电学性质的改变可由以下
    的公式给出。其代表了该被测化合物的在该电频率下的电学性质。

    电学性质的改变=样品的电学性质-空气的电学性质????[7]

    收集相应的化合物在不同频率下所得到的电学性质改变的数据,并由此来构筑一原始数据
    的矩阵。而这些收集的频率是任意地取自于所有的被扫描过的频率。在矩阵中每两个相邻
    的竖栏的数据代表了在一个选出频率上的一化合物电阻的改变和电抗的改变(或可用电阻
    抗的改变和相位的改变)。在矩阵中的每一横行的数据代表该被测化合物经一次测试后在
    所有被选出频率上的相应的电学性质的改变。而所有的横行代表了在实验中所有的被重复
    测试的样品的电学性质数据。再由应用主成分分析法来分析在这矩阵中的数据,该分析是
    应用储存在一个人用计算机中的应用软件来实现的。

    图1显示了应用主成分分析法的结果。其是对上述五种的化合物:醋酸、丙酮、正
    六碳烷、甲苯、和水在所有的被扫描过的二百零一个频率中任意取出的七个扫描过的频率
    10、20、50、100、200、300和500千周的每一频率上得到的所对应的电阻和电抗分析的
    结果。在应用了主成分分析法之后,众化合物的电学性质的类型是被区分了,并按照计算
    得到的两主成分F1和F2的正交的数轴而排列。必须指出的是在应用主成分分析法来分析
    在矩阵中的电抗和电阻数据前,该些数据先经过了归一化处理。

    从图1可以清楚地看到,对同一种化合物重复测试六次得到的电学性质分析的结果
    是集结在主成分F1和F2所决定的平面上的一特定区域,而五种不同的化合物是相间地被
    处置在F1和F2所决定平面上的相应的不同区域?;蛘咚?,在主成分分析法的分析之下,
    五种化合物体现了他们分布在第一和第二主成分决定平面上的一种类型特征。由第一和第
    二主成分来描述的结果显示了众化合物可以被用与他们相关的电学性质来被识别。该种电
    学性质包括了扫描频率区间在10千周到500千周之间的、在每一个频率上得到的包括诸
    如象电阻抗和其相位敏感的组成电抗和电阻。

    图2显示了第二个实验的运用了主成分分析法而得到区分众化合物的结果。其是对
    上述相同的化合物在被频率扫描过后,在所有的被扫描过的二百零一个频率中被任意取出
    的频率502、550、600、651、700、750、801、850、901、949和1000千周的每一个频率
    上得到的对应的电阻和电抗分析的结果。第二个实验重复了在第一个实验中所述的步骤,
    不同的仅是每个化合物只被交替地重复测试三次。在应用主成分分析法的数据处理时,在
    矩阵中化合物的电阻和电抗的原始数据是经归一化处理后再被作类型区别的分析。实验结
    果显示了电阻抗及其相敏感组份可以被用来识别相应的化合物。这是根据五种不同化合物
    有特征地被分布在由第一和第二主成分所决定平面上的不同的区域的一种类型来判断的。

    第三个实验检测了三种分析物:丙酮、甲苯、和一种酒精含量约为44%的白酒。该实
    验的情况同上述实验的基本相符。所不同的在于:(1)两电极长约为13毫米和电极间距
    约为0.5毫米。该两电极由剪切一电阻器两端的接线制作而成的。接线是镀有锡膜的铜质
    线材;(2)每一分析物是储藏在一小的玻璃样品瓶中,并被在实验中多次使用;(3)每一
    种分析物被交替重复测试5次;和(4)应用七个频率10、20、50、100、200、300、和
    500千周的每一频率上得到的所对应的电阻和电抗。这些频率是任意地被取自于扫描频率
    区间10千周到500千周中所有的被扫描过的二百零一个频率。

    由图3所示,实验的结果显示电阻抗及其相敏感组份可以被用来区分化合物,这个
    判断是根据三种不同的分析物可区别地分怖在由第一和第二主成分所决定的平面上的事
    实。另外分析物白酒是属于一种化学混合物,其含有水、以乙醇为主要成份的酒精、和其
    他许多易气化的有机化合物。这样在白酒液面上部的气体中也同样包含了这些混合的化合
    物。这个实验的结果证明了电学性质可以被用来区分属于化学混和物的分析物,因为其在
    F1和F2面上的分怖的区域不同于属于单纯化合物丙酮和甲苯所分怖的对应的区域。

    必须明确的是、应用上述的频率只是为了说明本发明原理和目的的有效性,而不是
    企图去限制其他频率在本发明中的应用,其他频率是指与在本发明中已公开的频率而不同
    的频率。

    再可以明确的是,根据众所周知的用来确认由应用主成分分析法所得到的结果的步
    骤就可以建立对一个已规定的实验的一个模型。该实验涵盖了众多因素,包括诸如本公开
    的第一个实验的步骤,数据分析的步骤以及所包括的展示数据的步骤。然后可以建立一数
    据库。该数据库包括了对应于众多已知分析物的众多的原始数据和模型。一旦建立了上述
    的数据库,识别一未知分析物,可以通过将该未知分析物的按照模型规定而得到的主成分
    分析的结果与在数据库中的已知分析物的结果相比较而达到。这样的比较可以根据众所周
    知的步骤,其中也包括了主成分分析法特征之一的直观的图示比较在内。

    另外还可以明确的是为了建立模型来识别未知物,本发明并不限制于只是使用上述
    的主成分分析法的类型鉴别来分析在流体中分析物的电学性质和确认分析的结果。本发明
    可以应用任何已知的分析法,包括多变量元素分析法及其包含的类型鉴别的分析法来分类
    和识别在流体中的分析物。因为对这些分析法有经验的分析者们可以在比较各种分析法不
    同的着重点之后来选择一分析法,其是最恰当地针对了某一特定的研究兴趣的课题。

    那些众所周知的其他分析法包括有:有条件地单独模似类别的相似性分析法:SIMCA
    (Soft?Independent?Modeling?of?Class?Analogy);最邻近因子分析法:KNN(K?Nearest?
    Neighbor);体系的群的分析法:HCA(Hierarchical?Cluster?Analysis);典型判别的分
    析法:CDA(Canonical?Discriminant?Analysis);经典最小二乘法:CLS(Classical?Least?
    Squares);主成份回归:PCR(Principal?Component?Regression);偏最小二乘法:PLS
    (Partial?Least?Squares?Regression);有指导的和无指导的认识性的中枢网络技术:
    Supervised?and?Unsupervised?Learning?Neural?Network;和模糊中枢网络技术:Fuzzy?
    Neural?Network(皮毕:Beebe,K.R.;潘尔:Pell,R.J.;希斯霍尔兹:Seasholtz,M.B.;
    化学计量学:实际的指导:Chemometrics:A?Practical?Guide,威利出版公司:Wiley,
    纽约,1988年;化学计量学期刊:J.of?Chemometrics,约翰威利和其后辈出版公司:
    John?Wiley?&?Son,Ltd.)。

    上述的实验应用了对检测到的电信号的前置处理的算法,其是由公式[5-7]表达的在
    每一频率上的相应的分析物的电学性质的改变。这样就可以展开包括构建一矩阵的后续分
    析来鉴别分析物。然而可以理解到、除了由上述公开的算法以外,其他已公开的前置处理
    的算法也可以被用来处理检测到的电信号。

    从上述的实验结果可知,除了应用频率扫描的检测来鉴别在流体中的分析物之外,
    本发明还可以应用一个频率来检测是否存在所感兴趣的分析物。例如在气相色谱的分析
    中,一化学混合物是作为最初的分析物。而该混合物中的众多的化合物在色谱柱中被分离,
    并由一气态的载体(通常是氢气或氦气或氮气)间隔地被带出色谱柱。这样本发明就能检
    测出每一个化合物的存在,这是缘于气态的载体和被检测的化合物在该被检测频率上有不
    同的如象电阻抗的交流电学性质。上述的化学分离过程同样也发生在液相色谱中。其由一
    种溶剂或者有若干种溶剂的混合物作为载体来运载作为最初的分析物的混合物中的每一
    化合物。这样可应用在一个频率上的检测到的上述的电学性质中的一种来证实存在那些被
    分离了的化合物。

    在应用本发明单一传感器来设计一气相色谱仪的检测器时,一个优选的结构是,单
    一传感器的一个空间电极可以象是一个中空的园柱形的轴套。该中空的园柱形电极是安置
    在一中空的喷气管口的一端,该喷气管口的另一端是连接在色谱柱的尾端。而且该园柱形
    的电极和喷气管是与色谱柱的尾端同轴相连接。本发明的单一传感器的另一个空间电极可
    以是一直的细小的线状结构。其被安置成与该园柱形电极的旋转轴取向一致,并可以被安
    置在园柱形电极之内,或在园柱形电极之外。与现有的火焰离子化检测器(FID),热电导
    率检测器(TCD)和电子捕获检测器(ECD)相比,本发明的色谱检测器有众多的优点。这
    些优点包括其对分析物的检测是非损坏性的,是普遍适用的,由其结构简单而带来容易制
    作,和低成本的特点。

    另外、对上述的使用在色谱中用电阻抗或电压或电流来检测化合物是否存在的检测
    器,可应用周期性的电压或电流的激励信号加在本发明的气相色谱的检测器上。该激励信
    号包括有单一频率的方波、三角波、和锯齿形波的非正弦形波。

    类同于上述的电极也适用于来构建液相色谱仪的一种新的检测器。只不过是相比于
    上述的气相检测器的喷气管,其必须使用由不导电的材料制成的喷液管。

    作为应用单一频率测试的另一个例子,为了矿井生产的安全,检测井内易燃气体,
    比如象是瓦斯之类是非常重要的。检测此类气体同样可以应用本发明的单一传感器。所加
    的单一频率的激励信号可以有包括方波、三角波、和锯齿波的形式来检测该气体的一种电
    学性质。

    图7A和7B公开了本发明的单一传感器,其电极可以有多种形式的组合。例如该传
    感器的第一电极是放置成接近一容器的器壁,或者其他的结构。该器壁或结构是由导电材
    料做成并与地零电位连接。这样容器的器壁或其他结构可用作为该传感器的第二电极。在
    检测时,被检测的在流体中的分析物可被引导而通过由第一电极和该容器器壁或其他结构
    的间隙。

    本发明的单一传感器应用了具有频率扫描性能的周期性包括正弦波在内的电激励信
    号和矢量分析的方法,因而有众多的优点。其可在一次测量中就得到了记录分析物的有类
    型规律特征的交流电性质的两种图谱。传感器所具有的小的体积导致了只需要小体积的传
    感器仓,和对小传感器仓温度控制所需的低的电能消耗。这些特征使得在实际上可采用双
    传感器的结构,即在应用一检测传感器的同时加上应用与其结构一致的一参照传感器。应
    用双传感器结构可消除背景噪声的影响,包括不同程度的湿度的影响、高分子薄膜老化效
    应、和因温度变化而引起的在测试中的包括传感器的电学响应在内的变化。

    本发明的单一传感器和方法的工作原理应用了频率扫描,包括在优选的低频率区间
    从10千周到1兆周的频率扫描。应用频率扫描的方法能使用小体积尺寸的单一传感器来
    得到分析物的有类型规律的电学性质。这种小尺寸的传感器只需要小尺寸的传感器仓,进
    而就决定了只需要低的电能消耗来控制传感器仓的温度,以及在仓内传感器电极之间的在
    流体中的分析物的温度。这样本发明的传感器进而可实际应用包括固定的,和有梯度的温
    度控制程序来优化对在流体中分析物的检测和鉴别。另外,应用周期性的包括有正弦波形
    的交流电激励信号,本发明就具备了应用所有种类的表面吸附和吸收材料的能力,所述的
    材料包括有机的、无机的、和金属的材料。结合了上述的种种优点,使得本发明传感器具
    有低的制造成本、紧凑的体积、灵活的携带性、和便利使用的特点。

    以上的公开介绍了本发明的核心技术:即有两个电极的单一传感器在周期性的包括
    正弦波型在内的有相同幅度多频率的包括扫描频率的一交流电激励信号的作用下来有效
    地鉴别在流体中的众多分析物。然而、如同在本公开的“背景技术”中所叙述的,在针对
    检查技术的关键、即在提高传感器输出幅度,减少传感器体积和改进传感器电学性质上还
    存在着对上述公开的传感器作进一步改进的可能。

    图8所示的是本发明优选的第一实施方案的具有集成电极的单一传感器1’、即是对
    上述的单一传感器1改进的结果。由图所述、传感器具有第一、第二和第三个相同的导电
    体作为相应的电极5,6和7。他们等距离地、按顺序地、以相互对齐和平行地排列。第
    一和第三个电极5和7为外部电极,被一用作为第一引出极8的第一电连接装置包括导线
    平行连接而形成了第一组的集成电极。第二个电极6为在中间位置的内部电极,被一用作
    为第二引出极9的第二电连接装置包括导线连接。该传感器1’的电极可被处置在基质10
    包括空气、氧化铝陶瓷、或者硅晶体上而形成相应的空间电极、厚膜电极、或者薄膜电极。
    除此之外,上述的用于电连接的装置可以包括导线、或被印制在相应的陶瓷或硅质基板上
    的导电体。

    可以理解到、如果平行的两电极5和6与传感器1的两平行的电极相同的话,传感
    器1’的电学性质是相等于一对并联连接的传感器1的电学性质。所以传感器1’具有与
    两并联连接的传感器1相同的电信号输出的幅度。然而与两传感器1的四个电极相比,本
    发明改进的传感器1’只有三个电极,使得传感器1’相比于两传感器1有较小的体积。
    这样来与两个传感器1相比,本发明改进的传感器1’具有对一被检测的样品的相同的原
    始电信号的输出幅度,但因少了一个电极而具有较小的体积的优点。这一优点使得本发明
    改进的传感器在传感器的小型化上有显著的先进性,而传感器的小型化是检测技术的关键
    之一。

    再由图9所示,传感器的第一和第二引出极8和9与测量装置包括交流电流分析装
    置14相连接,因而电激励信号包括交流电压可施加在传感器上??梢岳斫獾?,当交流电
    压的正电位是施加在第一引出极8上而负电位是施加在第二引出极9上时,传感器的外部
    电极5和7是正极化了,而中间内部电极6是负极化了。这样两外部的正极化的电极屏蔽
    了在内部中间的负极化的电极,即传感器1’的电场相对于中间电极是对称的。

    相同的状态也发生在当正电位是施加在内部的中间电极6上,和负电位在外部的电
    极5和7之上。这就使得传感器1’具有独特的电学性质,包括了中间的电极总是被外部
    的两电极屏蔽和传感器的电场对于围绕其的环境电磁场来说有对称性。这些性质对于应用
    交流电学的本发明来说是十分重要的。

    由图8A和8B所示的是本发明的双传感器的结构。该结构包含有两个相同的传感器
    1’,一个用作为检测传感器2’,另一个用作为参照传感器3’。这种双传感器的制作可遵
    循两种方案,其一是一体化结构13’的方案,其二是两个分离的独立结构12’的方案。

    可以理解到、相比于按照本发明的精神和目的的集成电极所允许的电极数目,上述
    的传感器1’的实施方案仅用了最少数目的集成电极。广义地讲、按照普遍的实施方案,
    传感器可有奇数数目个的相同的电极,他们按等距离地、顺序地、互相对齐和平行地排列。
    在这些电极中具有奇数序数的电极被一用作为第一引出极的第一电连接装置包括导线平
    行地连接而引成了第一组的集成电极,在该组中的两个最外面的和一个在中间的电极作为
    传感器的最外面的和中间的电极。具有偶数序数的电极被一用作为第二引出极的第二电连
    接装置包括导线平行地连接而形成了第二组的集成电极??芍诘缪?,第一组的集成电
    极屏蔽了第二组的集成电极。

    由图10所述,一种用于富集分析物的材料11是处置在电极5和6,和电极6和7之
    间??梢岳斫獾?、应用该材料的所有的情况是与前述的该材料被应用在传感器1中的情况
    相同,该情况包括了应用该材料的目的,和应用该材料的步骤。其中包括了针对陶瓷和硅
    质基板的表面处理,和被处置在两相邻电极之间的空间的固体支持物的表面处理。然而为
    了缩短本公开的篇幅,这些相同的情况不会重复叙述。

    图11到图13叙述了应用一中空的传感器仓20来安置两个相同的传感器1’。传感器
    仓20是由金属材料比如象是铜或者金属合金做成,其并与地零电位相连接来为传感器屏
    蔽电磁场的辐射干扰。

    中空的传感器仓20有限制的厚度,由一有一入口21的前部结构22机械结构性和电
    连接了一中间结构24。该中间结构又机械和电连接了一尾部结构26,尾部结构再连接了
    一比如象是管道的出口28。在这种结构下,处在靠近传感器仓20附近的在外部的流体中
    的分析物的样品18在被驱动下,进入到入口21中,最后通过出口28而流出传感器仓20。

    传感器仓的前部结构22具有一等腰三角形的形状,而前部结构32的宽大的横向尾
    部与扁平长方体的中间结构34的前端相连接。这样根据流体力学的原理,当样品18进入
    到前部结构22后,同相比于入口21的窄小的内纵切面,该样品18会因前部结构22的逐
    渐增大的横向纵切面而降低了流速。在这种情形下,加上传感器仓20的有限厚度的作用,
    样品18会以一层流的形式流过传感器仓20。而该仓的园形或弧形尾部26降低了形成样
    品的喘流流动,也就促成了样品18在传感器仓内的层流流动。而样品的层流流动主导了
    样品18对仓内众多传感器电极的均匀分布。

    由图11到图13所示,传感器仓中间结构24的内部被一向上的墙23均匀分割,该
    墙处置的方向平行于样品18流动的方向。这样在仓内就形成了相同的第一和第二传感器
    次仓24a和24b。在每一个次仓内,安置着一相同的具有集成电极的传感器1’,该电极排
    列的取向与样品流动的方向一致。然而可以明确的是,每个传感器1’的集成电极可被安
    置成与样品流动方向成包括90度在内的任何角度。又由图8所示,两个相同的传感器1’
    的相应的第一和第二引出极被各自电连接到交流电流分析仪14。

    如前所述、传感器1’的电极可以被放置在空间而形成空间电极,或者可以被放置在
    陶瓷和硅质基板86和88上而形成相应的厚膜和薄膜电极。由图11和图13所示,当应用
    厚膜或薄膜电极时,相应的陶瓷基板10或硅质基板10是贴在传感器仓的中间结构24的
    底板24C的内表面25上。在这种结构下,因为陶瓷、硅、和金属都是热的良导体,如果
    一外部加热元件附着在传感器仓底板24C的外表面上,而加热元件是由一加热??榈牡缱?br />线路按加热程序的控制来加热的话,就可以并容易控制传感器仓20的温度,包括仓内放
    置的具有集成电极的传感器1’的温度,以及在电极间的具有在流体中分析物的样品18
    的温度。再者因为传感器小的体积尺寸,从而只需要小尺寸的传感器次仓,进而决定了对
    传感器仓温度控制所需的低的电能消耗。

    由上所述、当金属的传感器仓20接地之后,屏闭了当第一个传感器1’被加上交流
    扫描频率所引起的电磁场辐射。同样的理由,由第二个传感器1’所造成的电磁场辐射也
    可被屏闭。这样在应用了传感器仓之后,可以防止可能的由第一和第二传感器1’的电磁
    场辐射效应所造成的交叉干扰。两个传感器又可被有序地、分别地施加了交流电频率的激
    励信号,从而来消除可能引起的电磁场辐射的交叉感应的干扰。

    然而必须明确的是、通过以上有两个传感器与分析仪14相连接的例子,本公开叙述
    了本发明的一个实施结构:应用至少两个传感器来检测和鉴别在流体中的分析物。履行该
    实施结构是按照了本发明的精神和目的:发现描述在流体中分析物特征的量纲。

    在这个实施结构中,如图11所示,将吸附材料11放置在至少两个传感器中的一个
    传感器的两相邻电极之间。在应用该传感器来检测流体中的分析物时,在完成吸附过程之
    后该充填了吸附材料的传感器会记录被吸附的一种化合物或者几种相类似化合物即化合
    物群的包括电阻和电抗在内的交流电学性质,作为被检测到的信息。

    显见、在每一种分析物是一化学混合物时,从充填了吸附材料的传感器电极得到的
    相关的包括了电阻和电抗在内的电学性质反映了在混合物中的被吸附的那种化合物或者
    化合物群的特征,而被吸附的化合物(群)是代表了作为分析物的该化学混合物??芍?br />种得到的电学性质是不同于从不充填吸附材料的传感器上所得到的包括电阻和电抗在内
    的电学性质。该包括电阻和电抗在内的电学性质代表了分析物中所有的化合物的一个整体
    的特征,即他们包含了不同的内涵,从不同的量纲上来描述该分析物。

    在另一种情况下,如果每一种分析物都是一单纯的化合物时,与从不充填吸附材料
    的传感器电极中得到的电学性质相比,从充填了吸附材料的传感器电极所得到的电学性质
    具有高的信噪比。该种高信噪比的电学性质始终是有利于被用来检测和鉴别分析物。这样
    按照本发明的精神和目的:寻找分析物的特征的可被测量的量纲,本发明在需要时可以应
    用至少两个传感器的结构来更好地检测和鉴别在流体中的分析物。

    由上述而类推,本发明的另一可实施的结构是在至少两个传感器中的每个传感器的
    电极之间填充了不同的吸附材料。

    图12阐述了应用双传感器的另一种结构。其中被安置在传感器次仓24b中的一个传
    感器被用作为所述的检测传感器2’,被安置在传感器次仓24a中的另一个传感器被用作
    为所述的参照传感器3’。他们可以是由充填了或者不充填了吸附材料11的空间电极、或
    厚膜电极、或薄膜电极所组成。然而相同的吸附材料11却是被安置在传感器次仓24a的
    前端用来吸附在通常是化学混和物的一分析物中的、是研究兴趣的一化合物(群)。这样
    只有那些不是研究兴趣的化合物(群)包括流体才能通过吸附材料11之后可以继续从作
    为参照传感器3’的电极之间通过。

    从前述中可知,在结合了检测和参照传感器2’和3’中得到的相应的电学性质之后,
    可仅得到那些包括作为生化目标物或目标物群在内的为研究所感兴趣的化合物或化合物
    群的相应的电学性质。这样本发明可以有效地被用来检测包括已知生化目标物或目标物群
    在内的已知化合物或化合物群,而检测已知化合物(群)或生化目标物(群)是为了鉴别
    含有已知物(群)的未知分析物。其中该方法检测已知生化目标物(群)是为医疗诊断疾
    病之用。

    除了在图11到图13中所示的该种整合的双传感器结构的实施方案,也可应用如图
    8A所述的传感器各自单独的方案。在该方案下,检测传感器2’和参照传感器3’会具有
    各自专用的传感器仓。

    如前所述、缘于其小的尺寸、简单的结构、和低的成本,本发明的传感器在实际上
    可以采用可替换的、一次性使用的含有或不含有充填物的电极结构。在设计该种可替换电
    极时,如该电极是安置在相应的传感器次仓24a和24b中时,该传感器仓的前端结构22
    可以设计成可拆卸式的。这样前端结构22可以以一种插入的方式来连接包括电连接传感
    器仓的中间结构24。该可拆卸式的电极包括空间的、厚膜的、和薄膜的电极也可以以插
    入的方式来连接相对应的金属接插件,而接插件外面包裹有合适的电绝缘材料。这些被安
    置在传感器次仓24a和24b中的相应的接插件与分析仪14相连接。按照这样的结构理念,
    对于那些在传感器领域内有经验的人来说,设计这种传感器的详细结构是显而易见的事。
    这样本发明可以应用可替换的、一次性使用的的传感器。这也是本发明的独特之处。

    测量装置14包括一能够产生交流电激励信号的电子元件。激励信号有相同幅度的、
    包括正弦波形在内的周期性的、和包括扫描频率在内的多种频率。施加该激励信号于传感
    器来获取含有在一种流体中的一个分析物的样品的电学性质,这依赖于测量装置的另一个
    元件。

    该测量装置包括交流电流分析装置可以按众多众所周知的电子线路结构而制作。如
    按照艾杰伦4294结构的话,则具有数字化的控制器、信号源、换能器、和矢量比例检测
    器。其中信号源提供了施加在传感器上的具有所有的扫描频率和可调幅度的交流激励信
    号?;荒芷鹘饬康降牡缱杩棺怀闪街纸涣鞯缧藕诺缪?。矢量比例检测器再将两种交流
    电信号电压转化成数字数据。而数字化的控制器包含处理数字数据来输出样品的测试结
    果。

    该测量装置也可以从根据摸似量的锁定原理的电子线路来设计,并经包括有摸似量
    到数字量转换器在内的连接结构连接到收集数据的数字化部份(普林斯顿应用研究公司:
    Princeton?Applied?Research,美国田纳西州欧克里奇市:Oak?Ridge,Tennessee,USA)。
    另外也可以应用数字化的相似于上述的摸似量的锁定原理、即数字化的关联作用原理(苏
    勒强公司:Solartron,英国哈普郡法杜拉夫市:Fardoroagh,Hampshire,UK)。

    上述的技术应用了单一的正弦波的交流电激励信号的原理。除此之外也可以应用多
    正弦波激励信号的原理,并更可应用傅里叶频率转换技术(查纳-艾尔却克杰姆布和库克
    奇公司:Zahner-Elektrik?Gmbh?&?CokG,德国咯罗纳克:Kronach,Germany)。

    除了上述的商品化的仪器之外,也可以应用包括电子集成晶片AD5933(模似器件公
    司:Analog?Devices,美国马萨诸塞州:Massachusetts,USA)来制作测量装置。该晶片
    的操作是根据了离散型傅里叶的原理来产生在每一频率上的电阻抗的实部和虚部的数据。

    可以理解到如果在测量中只需要应用单一频率的话,可以应用包括正弦波、方波、
    三角波、和锯齿波形式的电激励信号。产生单一频率的激励信号的测量装置可以应用众所
    周知的振荡器,包括有阻容相移振荡器,维恩桥式振荡器:Wien-Bridge?Oscillator,库
    尔劈次振荡器:Colpitts?Oscillator,哈特雷振荡器:Hartley?Oscillator和方波振荡
    器(阿明尼亚:Aminian,A.;凯瑟米克塞卡:Kazimierczuk,M.;电子器件,从设计
    开始:Electronic?Devices,a?design?approach;彼亚逊,潘特斯屋印刷公司:Pearson,
    Prentice?Hall,2004年)。

    实例II

    以下公开的是本发明用于实验的、有关于应用有集成电极的传感器在单一频率的交流
    电压激励下来检测润滑油的样品的一个实例和实验的情况。提供该实例和实验仅仅是对本
    发明的阐述,而不是对本发明的限制和约束。

    一个用于检测用的电容性传感器是应用了三片铜合金的板片来作为相应的电极。每一
    个金属板片的厚度约为1毫米,其具有类似于乒乓球拍的形状。该板片包括了在板片上部
    的一具有顶端的长条形的部分连接了在板片下部的一个长方形的部分,而且长条形的部分
    是与长方形部分的长对称轴对齐。长条形部分的顶端用作为该板片的顶端。明显地、长方
    形的部分提供了传感器电极的有效面积,而长条形的部分用作为导电和机械连接下部的长
    方形部分??梢岳斫獾?,板片的下部部分不仅仅限制是长方形的形状,实际上任何合理的
    形状都是符合本发明的精神和目的。

    长方形部分长30毫米宽15毫米,在其长对称轴线上靠近其横向底边处有一底部的孔
    洞。长条形部分长20毫米,并在距其顶端15毫米处有一顶部的孔洞。同时在长条形部分
    上接近其与下部的长方形部分连接处有一标记。

    该三片板片向上、平行、并互相对齐地排列而成为右边的,中间的和左边的板片,两
    个尼龙材料的填圈安置在左边的和中间的板片之间,并分别与两板片的在顶部和底部的孔
    洞对齐。同样的两个尼龙填圈安置在右边的和中间的板片之间,并分别与顶部和底部的孔
    洞对齐。每个尼龙填圈厚约为1.5毫米,被用作为板片之间的间隔确定装置。另外在顶部
    和底部的尼龙材料的螺丝分别穿过相应的尼龙填圈和顶部和底部的孔洞后,被相应的两个
    尼龙螺丝帽固定。这样该电容性传感器有大约为1毫米半的空气间隙,而该间隙是用来保
    证润滑油的流动。尼龙的螺丝和螺丝帽是用来保证当传感器浸没在油中受到内燃机运转的
    震动时、每两片板片之间的间隙不会改变,所以该螺丝和螺丝帽被用作为固定装置。左边
    的和右边的板片的顶端被一导线平行地连接而作为传感器的第一引出极,中间的板片被另
    一导线连接而作为传感器的第二引出极。

    一个自制的交流电激励信号装置是用了包括有维恩桥式振荡器的集成晶片AB-112(模
    似器件公司,美国马萨诸塞州)的元件来装配的。在调整了电学参数后,该集成晶片输出
    了有频率为7.25仟赫兹的交流电压,其的均方根电压值是5.40伏。该电压是用无线电侠
    客牌号的数字式多功能仪表(RadiShack,型号22-168A)来测量的,并又经过了用一示波
    器的验证。

    在实验中测试了两种油的样品、即分析物。第一种样品是新油即未使用过的油,第二
    种样品是使用过的油。以下是制作该油样品的步骤。首先购买了多瓶同一牌号的商品润滑
    油,然后把他们混合起来成为一均匀混合的原始油样。采取少量的原始油样来用作为新油
    的样品,即不含有污染物的油样。再取约为四又二分之一升的原始油样注入到一小客车的
    润滑油系统里,等到小客车行驶了五仟英里之后,收集该使用过了的油。然后从收集的油
    中取出少量的油作为使用过的油的油样,这样该油样中含有污染物。

    再组成一测试的电路、即是一个电压分压器,包括用该传感器连接了作为参照电阻抗
    的一个有10兆欧姆的电阻元件。在该测试电路中,传感器的第一引出极是与集成晶片的输
    出级相连接,传感器的第二引出极连接了电阻元件的一端。而电阻元件的另一端与地连接。

    在测量中,用数字式多功能仪表来测量在传感器上的电压的均方根值和参照电阻抗上
    的电压的均方根值,这样传感器的电阻抗就可以根据测量到的电压的均方根值来计算得到。

    实验测量的顺序为先测量空白的传感器、即充填了空气的传感器,然后测量充填了未
    使用过的油样的传感器,最后测量充填了使用过的油样的传感器。在测量充填了相应的油
    样的传感器时,传感器的长方形的下部分浸没在相应的油样中,而相应的油样的顶面接触
    到在传感器的长条形部分上的标记。另外在测量充填了使用过的油的传感器前,先用使用
    过的油的油样多次洗涤了先前测量过未使用过油的油样的传感器。采用上述的两个步骤是
    为了减少实验的误差。

    实验的结果显示了充填充了空气、即流体的传感器的电阻抗是31.0兆欧姆,充填了新
    油的传感器的电阻抗是24.8兆欧姆,和充填了使用过的油的电阻抗是23.9兆欧姆。实验
    的结果与理论推导的结论相一致、即若充填在电极之间的介质的介电常数越高,则相应的
    传感器的电阻抗越低。同时可以理解到、如果比较被测的三种介质的介电常数,空气的为
    最高,未使用过的油的为中间,而使用过的油的为最低、即因为在使用中产生的污染物的
    缘故。

    这样可以理解到、上述的实验事实证明了本发明的传感器1’在有单一频率交流电流
    的电压的作用下,可以用来检测不同的分析物?;箍梢岳斫獾?、本发明的传感器1’在有
    多频率的交流电流的电压作用下可以用来鉴别在流体中的分析物。推导这个结论是依据了
    在实例I和实例II中的实验结果,并也根据了前述的论述、即与传统的有两电极的传感器
    的性质相比,本发明的改进的具有集成电极的传感器1’具有包括高输出幅度和改进了的
    电学特征的优点。

    当然虽有以上的公开,但本发明无意被任何特殊形式或安排或任何特殊的具体化或
    任何特殊的应用所限制。因为在不偏离以上叙述的本发明的精神和目的下,他们可以被改
    换成多种特制的形式和关系。而以上叙述的装置和方法,仅是为了叙述和公开一种或若干
    种可操作的具体化并没有展示本发明可以展示和操作的所有的众多形式的改变。

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