監測容器中參數的系統和方法

2023-05-19 02:11:01

專利名稱：監測容器中參數的系統和方法
技術領域：
本發明涉及用於監測容器內參數的系統。
背景技術：
為了保持人們安全地遠離可能對其有毒或有害的溶液，比如液體、 氣體和固體，採用不同的設備來對這些溶液進行測試以確定它們是否有 害。這些設備包括將識別標記物和抗體連接的化學或生物傳感器。例如， 一些化學/生物傳感器包括連接到抗體上的晶片，其中所述晶片包括用於 識別所述特定抗體的螢光標記物。
如下的化學或生物傳感器是已知的它們包括由對特定分析物選擇 性響應的材料形成的結構元件，比如美國專利No.6359444所示。其它 已知的化學或生物傳感器包括位於傳感器上特定位置中的電磁活性材 料，其可以通過外部條件而改變，比如美國專利No.6025725所述。一 些已知的化學或生物傳感器系統包括用於測量多於一種電參數的部件， 如美國專利No.6586946所示。
上述傳感器並不解決如下需求在人、傳感器和溶液之間保持無菌 阻擋，同時溶液中的材料被測試以確定哪種化學或生物材料位於所述溶 液中。通過保持無菌阻擋，對和所述溶液接觸的人而言汙染風險較小。 相反，容器的內含物如果無菌，則沒有外來汙染的風險。另外，上述傳 感器不允許人們如需對溶液中的各種化學、物理和生物參數進行測試。 所以，需要如下系統它使得用戶可以簡單地、非侵入性地測試溶液中 的化學和/或生物物質，同時溶液處於無菌阻擋中，由此用戶可以安全獲 得對所述材料的測量。

發明內容
本發明已經根據上述技術背景得以完成，本發明的目標是提供用於監測生物容器中參數的系統和方法。
在本發明的優選實施方案中，公開了用於測量容器中參數的系統。
用於測量多個參數的系統包括具有溶液的容器，和標記(tag)連接的至
少一個傳感器和構成測量設備的阻抗分析器和讀取器相鄰。所述至少一 個傳感器經構造以確定溶液的至少一個參數。所述標記經構造以提供和
所述傳感器相關的數字ID,其中所述容器和所述讀取器和阻抗分析器相
圍的頻率，並基於所述響i來:十算參數改變。 ；二,、
在本發明的另一優選實施方案中，公開了用於測量容器中參數的裝 置。有和測量設備相鄰的具有溶液、至少一個傳感器以及標記的容器。 所述至少一個傳感器經構造以確定溶液的至少一個參數。所述測量設備 經構造以從所述至少一個傳感器讀取所述至少一個參數。


當結合附圖閱讀下列描述時，本發明的這些和其它優點將變得更加 明顯，其中
圖1示出了根據本發明實施方案用於監測容器中參數的系統的方框圖。
圖2A、 2B、 2C和2D是根據本發明構造的用於RFID系統線路的 示意圖。
圖3示出了根據本發明的圖1的射頻識別(RFID)標記的展開圖。
圖4是根據本發明如何採用監測溶液中參數的系統的流程圖。
圖5是根據本發明如何採用用於監測溶液中參數的系統的另 一流程圖。
圖6是根據本發明採用圖1的用於監測溶液中參數的系統的示例的 圖示。
圖7是根據本發明採用圖1的用於監測溶液中參數的系統的示例的 圖示。
圖8仍然是根據本發明採用圖1的用於監測溶液中參數的系統的示 例的圖示。
圖9是根據本發明的圖4的Zp響應的示例的圖示。
圖IOA、 IOB、 IOC和IOD是根據本發明和圖4相關的已測量參數的變化的示例圖示。
圖IIA、 IIB、 IIC和IID是根據本發明和圖4相關的已測量參數
的校正曲線的示例圖示。
圖12是根據本發明和圖4相關的測量參數的多變量分析的示例圖示。
具體實施例方式
將參考附圖描述本發明的目前優選的實施方案，其中相同的部件用 相同的附圖標記表示。所述優選實施方案的描述是示例性的，並不旨在 限制本發明的範圍。
圖1示出了用於監測容器中溶液參數的系統的方框圖。系統100包 括容器101、標記102和標記102上的傳感器103、陣列103形式的多 個傳感器、讀取器105、阻抗分析器107、標準計算機109和測量設備 111。測量設備lll由讀取器105和阻抗分析器107製成。多個傳感器 103可以以陣列形式形成在標記102上。傳感器103或傳感器陣列103 位於容器101中，其通過無線連接或電線連接而連接到阻抗分析器107 和計算機109上。傳感器103、標記102或傳感器陣列103通過無線連 接或電線連接而連接到測量設備111和計算機109上。阻抗分析器107 通過無線連接或電線連接而連接到計算機109上。容器101可以是一次 性容器、不鏽鋼容器、塑料容器、聚合物材料容器、預先消毒的聚合物 材料容器或本領域普通技術人員公知的可以容納溶液101a的任何類型 容器。溶液101a位於所述容器101內，溶液101a可以是液體、流體或 氣體、固體、膏、或者液體和固體的組合。例如，溶液101a可以是血 液、水、生物緩沖液或氣體。溶液101a可以包含毒性工業物質、化學 戰用試劑、氣體、蒸氣、或者在呼氣中的爆發式疾病標記物、水中的生 物病原體、病毒、細菌和其它病原體。如果溶液101a是血液，那麼它 可以包含各種物質，比如肌酸酐、脲、乳酸脫氫酶、鹼式磷酸鹽、鉀、 全蛋白、鈉、尿酸、溶解的氣體和蒸氣比如C02、 02、 NOx、乙醇、曱 醇、卣烷、苯、氯仿、曱苯、化學戰用試劑、蒸氣或爆發性物質等。另 一方面，如果溶液101a是氣體或蒸氣，那麼它可以是。02、 02、 NOx、 乙醇、甲醇、卣烷、苯、氯仿、曱苯或者化學戰用試劑。如果溶液101a 是可以呼入並溶解在血液中的毒性工業試劑，那麼它可以是氨、丙酮羥腈、三氯化砷、氯、或硫化羰等。在溶液101a是化學戰用試劑的情況 下，它可以是Tabun、 Sarin、 Saman、 Vx、發泡劑、芥子氣、窒息劑或 血液試劑。如果溶液101a是呼氣中的疾病標記物，那麼它可以是乙醛、 丙酮、 一氧化碳等。如果溶液101a包括生物病原體，那麼它可以是炭 疽、布魯菌病、志賀氏桿菌、或者兔熱病等。另外，容器中的溶液101a 可以包括原核細胞和真核細胞以表達蛋白質、重組蛋白、病毒、質體、 疫苗、細菌、病毒、和活組織等。容器101可以具有不同尺寸，例如， 單生物細胞(a single biological cell)、微流體通道、微滴定板、皮氏培 養皿、手套箱、罩子、人可以進入的罩子、建築物中的房間、建築物。 因此，容器可以是任何尺寸，傳感器和標記置於其中以測量容器中的環 境。傳感器和標記可以在容器中固定不同或者連接到容器內的一些部件 上，其中所述部件隨著時間的變化而移動。部件的示例是單個病毒、單 個細胞、寵物、人等。
陣列103形式的多個傳感器和溶液101a緊密相鄰或位於溶液101a 中。讀取器105位於容器101之外的測量設備111中。標記102的天線 301 (圖3)當被聚合物、無機材料、複合物或其它類型的膜、納米纖維 網格或納米結構塗層覆蓋時，是傳感器103或傳感器陣列103。陣列103 中的多個傳感器可以是本領域普通技術人員公知的典型傳感器或典型 傳感器陣列，或者陣列中的所述多個傳感器可以是射頻識別(RFID)傳 感器陣列103。陣列103中的RFID傳感器是有責任基於來自溶液101a 的參數產生有用信號的設備。參數包括電導率測量值、pH水平、溫度、 血液相關測量、離子性測量、非離子性測量、非導電性、電磁輻射水平 測量、壓力和可以從典型溶液獲取的其它類型的測量值。陣列103中的 所述多個傳感器覆蓋有或者包覆在典型的傳感器膜中，所述傳感器膜使 得其能夠獲得溶液101a的參數。每個傳感器和相同或不同的傳感膜相 關。典型的傳感器膜是聚合物、無機的、有機、生物的、複合的、或者 納米複合膜，其基於它位於其中的溶液101a而改變電性質。傳感器膜 可以是水凝膠，比如(聚曱基丙烯酸(2-羥乙基)酯)、磺化的聚合物 比如Nafion、粘合性聚合物比如矽酮粘合劑、無機膜比如溶膠-凝膠膜、 複合膜比如碳黑-聚異丁烯膜、納米複合膜比如碳納米管-Nafion膜、金 納米顆粒-水凝膠膜、電紡絲聚合物納米纖維、金屬納米顆粒氫膜電紡絲 無機納米纖維、電紡絲複合納米纖維、和任何其它傳感器材料。為了防200680054725.2
止傳感器膜中的材料洩漏到容器101中，將傳感器材料使用標準技術連 接到所述多個傳感器陣列103的表面上，所述標準技術比如共價鍵合、 靜電結合和其它本領域普通技術人員公知的標準技術。陣列103中的所
述多個RFID傳感器的每一個可以單個地測量參數，或者每個傳感器103 可以測量所有參數。例如，RFID傳感器陣列103的傳感器陣列可以僅 僅測量溶液101a的溫度，或者所述多個RFID傳感器陣列103的傳感器 陣列可以測量溶液101a的電導率、pH和溫度。另外，陣列103中的所 述多個RFID傳感器是轉發器，其包括用於接收信號的接收器和用於發 送信號的發送器。傳感器103可以用作被動式、半主動式或者主動式的 典型RFID傳感器。
圖3示出了射頻識別(RFID)標記。RFID標記102也可以稱作無 線傳感器。RFID標記102包括在其上設置有天線301和電容器305的 晶片或襯底303。各種市售標記可以用於沉積傳感器結構。這些標記在 從大約125kHZ到大約2.4GHz的不同頻率操作。合適的標記可以獲自不 同的供應商和分銷商，比如Texas Instruments, TagSys、 Digi Key、 Amtel、 Hitachi和其它。合適的標記可以以:故動、半^皮動和主動才莫式運行。；故動 式RFID標記無需電源來操作，而半被動式和主動式RFID標記依賴於 使用機載電源來運行。RFID標記102具有數字ID, RFID標記102的天 線線路的頻率響應可以測量為具有復阻抗實部和虛部的復阻抗。另外， RFID標記102可以是轉發器，其是接收、放大和以不同頻率重新發送 信號的自動設備。另外，RFID標記102可以是另一類型的轉發器，其 響應預定的接收到的信號發送預定的消息。該RFID標記102等同於在 2005年10月26日提交並分配有美國專利申請號11/259710的"Modified RF Tags and their Applications for Multiplexed Detection"中和2005年10 月26日提交並分配有美國專利申請號11/259711的"Multivariates Methods of Chemical and Biological Detection Using Radio-Frequency Identification Tags"公開的各種RFID標記，其公開在此通過引用全文結 合進來。
天線301是傳感器103的一體式部分。多個RFID傳感器130位於 距離讀取器105和阻抗分析器107大約1 - 100cm的距離。在本發明的 另一實施方案中，RFID天線301包括用作天線材料的一部分以調製天 性性能的化學或生物敏感性材料307。這些化學和生物材料是傳導性的、敏感性材料，比如無機的、聚合物的、複合的傳感器材料等。複合傳感 器材料包括和傳導性可溶或不溶性添加劑混合的基礎材料。該添加劑是 提供電導的顆粒、纖維、片和其它形式。在本發明的另一實施方案中，
RFID天線301包括用作天線材料的一部分以調製天線電性能的化學或
生物敏感性材料。該化學或生物敏感性材料通過陣列化、噴墨列印、絲 網印刷、氣相沉積、噴霧、拖曳塗覆和本領域普通技術人員公知的其它
典型沉積方法來沉積在RFID天線301上。在本發明的另一實施方案中 (其中測量溶液101a (圖1 )的溫度)，覆蓋天線301的化學或生物材 料可以是經選擇以在溫度變化時收縮或膨脹的材料。這種類型的傳感器 材料可以包含導電性的添加劑。添加劑可以是微米顆粒或納米顆粒形 式，例如，碳黑粉末或碳納米管或者金屬納米顆粒。當傳感器膜307的 溫度改變時，添加劑的這些單個顆粒改變，這樣影響傳感器膜307的整 個電導率。
除了用傳感膜307塗覆傳感器103以外， 一些物理參數比如溫度、 壓力、溶液傳導率和其它參數的測量是在未用傳感膜307塗覆傳感器 103的情況下進行的。這些測量依賴於天線性質隨著物理參數的變化而 發生的變化，沒有在傳感器103上施加特定的傳感膜。
儘管示出了無線傳感器102的數種實施方案，但是應該認識到其它 實施方案落在本發明的範圍內。例如，在無線傳感器中包括的電路可以 來用來自照明RF能量的電力來驅動高Q諧振線路，比如在圖2A中所 述的基於電容的傳感器201中的線路203。高Q諧振線路203具有通過 傳感器201或傳感器102確定的振蕩頻率，結合了電容隨著所述感知的 量而變化的電容器。照明RF能量的頻率可以變化，觀察到了該傳感器 的反射能量。 一旦最大化所述反射能量後，確定線路203的諧振頻率。 該諧振頻率隨後可以轉變成傳感器201或102的如上所述的參數。
在其它實施方案中，照明RF能量以接近高Q振蕩器的諧振頻率的 一定重複頻率脈衝化。例如，如圖2B中所示，該脈衝化能量在無線傳 感器205或102 (圖1 )中整流，並用於驅動高Q諧振線路207,所述 高Q諧振線路207具有通過和其連接的傳感器205確定的振蕩諧振頻 率。在一段時間之後，所述脈沖RF能量停止，發射穩定水平的照明RF 能量。高Q諧振線路207用於採用存儲在該高Q諧振線路207中的能量 來調節天線209的阻抗。接收反射的RF信號，並檢測邊帶。邊帶和照線路201的諧振頻率。圖2C示出了用於驅動高 Q諧振線路的無線傳感器的另一實施方案。圖2D示出了無線傳感器， 它可以包括諧振天線線路和傳感器諧振線路，後者可以包括LC儲能線 路。天線線路的諧振頻率是比傳感器線路的諧振頻率高的頻率，例如， 4 - 1000倍高。傳感器線路具有可以隨著某一感知的環境條件而改變的 諧振頻率。這兩個諧振線路可以連接起來，連接方式使得當通過天線諧 振線路接收交流(AC )能量時，它將直流能量施加到傳感器諧振線路上。 AC能量可以通過使用二極體和電容器施加，AC能量可以通過LC儲能 線路通過或者該LC儲能線路的L中的分支或者LC儲能線路的C中的 分支被發送給傳感器諧振線路。另外，這兩個諧振線路可以經連接以使 來自傳感器諧振線路的電壓可以改變天性諧振線路的阻抗。天線線路的 阻抗的調節可以通過使用電晶體例如FET來完成。
或者，照明射頻(RF)能量以一定的重複頻率脈衝化。該脈沖化的 能量在無線傳感器(圖2A-2D)中整流，用於驅動具有由和其連接的傳 感器確定的振蕩諧振頻率的高Q諧振線路。在一段時間之後，所述脈衝 化的RF能量停止，發送穩定水平的照明RF能量。
諧振線路用於採用在高Q諧振線路中存儲的能量來調節天線阻抗。 接收反射的RF信號並檢測邊帶。對於多個不同的脈沖重複頻率重複該 過程。使返回的信號的邊帶幅值最大化的脈沖重複頻率被確定為諧振線 路的諧振頻率。隨後，該諧振頻率轉變成在該諧振線路上的參數或測量 值。
參見圖1, RFID讀取器105和阻抗分析器107 (測量設備111)位 於RFID標記102下方，所述阻抗分析器基於從RFID天線301讀取信息 來提供有關RFID標記102的實部阻抗和復阻抗的信息。另外，讀取器 105讀取來自RFID標記102的數字ID。讀取器105也可以稱作射頻識 別(RFID )讀取器。RFID標記102通過無線連4妻或者電線連接到RFID 讀取器105和阻抗分析器107上。RFID讀取器105和阻抗分析器107 (測量設備lll)通過無線或電線連接連接到標準計算機109上。該系 統可以以三種方式運行，包括1、 RFID讀取器105的讀取系統，其中， RFID讀取器105從多個RFID傳感器陣列103讀取信息以獲得化學或生 物信息，RFID讀取器105讀取RFID標記102的數字ID; 2、 RFID讀取 器105讀取RFID標記102的數字ID,阻抗分析器107讀取天線301以獲取復阻抗；和3、如果有多個具有或不具有傳感器膜的RFID傳感器 103,其中RFID讀取器105從所述多個RFID傳感器陣列103讀取信息 以獲取化學或生物信息，RFID讀取器105讀取RFID標記102的數字ID, RFID讀取器105讀取RFID標記102的數字ID，阻抗分析器107讀取天 線301以獲得復阻抗。
測量設備111或計算機109包括模式識別子部件(未示出)。模式 識別技術包括在模式識別子部件中。針對從傳感器103或陣列103中的 多個RFID傳感器的每一個上收集的信號的這些模式識別技術，可以用 於找出測量的數據點之間的相似和不同。這種方法提供了用於報警在測 量的數據中出現反常情況的技術。這些技術可以揭示大型數據系列中的 相關性模式，可以確定篩選成功(screeninghit)之間的結構相關性，並 可以明顯減少數據維度以使其更能夠在資料庫中進行管理。模式識別的 方法包括主成分分析(PCA)、分層族分析(HCA)、軟獨立建^t分類 法(soft independent modeling of class analogies, SIMCA)、神經網絡和 本領域普通技術人員熟知的其它模式識別方法。讀取器105和陣列103 中的多個RFID傳感器或傳感器103之間的距離保持不變或者可以改變。 阻抗分析器107或測量設備111周期性地測量從陣列103中的所述多個 RFID傳感器反射的射頻(RF)信號。從同一傳感器103或陣列103中 的該多個RFID傳感器的周期性測量提供了有關傳感器信號變化速度的 信息，其與陣列103中的該多個RFID傳感器周圍的化學/生物/物理環境 的狀態相關。在該實施方案中，測量設備lll能夠從陣列103中的該多 個RFID傳感器讀取和量化信號的強度。
阻抗分析器107靠近RFID讀取器105,前者是用於分析電網絡的 依賴於頻率的性質，尤其是和電信號的反射和透射相關的那些性質，的 儀器。而且，阻抗分析器107可以是實驗室裝備或可攜式特製設備，其 掃面給定範圍的頻率以測量RFID標記102的諧振天線301線路的復阻 抗的實部和虛部。另外，該阻抗分析器107包括針對和上述溶液101a 相關的各種材料的頻率資料庫。進而，該阻抗分析器107可以是網絡分 析器(例如，Hewlett Packard 8751A或者Agilent E5062A )或者精確阻 抗分析器(Agilent 4249A )。
計算機109是包括下列的典型計算機處理器、輸入/輸出(I/O) 控制器、大容量存儲器、存儲器、視頻適配器、連接接口、和將上述系統部件有效地通過電方式或無線方式連接到處理器的系統總線。另外， 系統總線通過電的或無線方式將典型的計算機系統部件有效地連接到 處理器。處理器可以稱作處理單元、中央處理單元(CPU)、多個處理 單元或者並行處理單元。系統總線可以是和常規計算機相關的典型總
線。存儲器包括只讀存儲器(ROM)和隨機訪問存儲器(RAM) 。 ROM 包括典型的輸入/輸出系統，其包括基本的常規程序，幫助在起動過程中 在計算機的部件之間傳遞信息。
在存儲器上方是大容量存儲器，其包括1、用於從硬碟讀取和寫 入的硬碟驅動部件和硬碟驅動接口 ， 2、萬茲盤驅動和硬碟驅動接口 ，和3、 用於從可移動光碟比如CD-ROM或其它光學介質讀取或寫入的光碟驅 動器和光碟驅動接口 (未示出)。上述驅動器和它們相關的計算機可讀 介質提供了對計算機可讀指令、數據結構、程序模塊和其它用於計算機 109的數據的固守存儲。而且，上述驅動可以包括用於獲取溶液101a的 參數的算法、軟體或等式，其將在和計算機109的處理器一起工作的圖 4、 5和6的流程圖中進行描述。在另一實施方案中，獲取溶液101a參 數的算法、軟體或公式可以存儲在處理器、存儲器或者本領域技術人員 公知的計算機109的任何其它部件中。
圖4是顯示如何採用檢測溶液中參數的系統的流程圖。該過程開始 於圖1,其中容器101具有傳感器103。傳感器103用連接到計算機109 的阻抗分析器107讀取。如上所述，在方框401處，阻抗分析器107以 無線或電方式連接(接線到)到陣列103的該多個RFID傳感器上，阻 抗分析器107以預定獲取速度、預定頻率解析度從陣列103中的多個 RFID傳感器讀取作為選定頻率範圍內的頻率函數的復阻抗Z。可以針對 測量預先設置的其它非限制性參數可以包括平均數、平滑化等。阻抗分 析器107包括接收天線107a (圖1 ),其激發陣列103中的多個RFID 傳感器，該接收天線收集來自陣列103中的多個RFID傳感器的反射的 射頻信號。陣列103中的多個RFID傳感器能夠獲取參數，比如傳導率、 溫度、pH、和上面基於檢測溶液101a中的這些參數的聚合物或傳感器 膜307或沒有傳感器膜307所公開的其它參數。
在方框403處，在阻抗分析器107 (圖1 )處，復阻抗Z測量值的 預定參數和參數變化以陣列103中的多個RFID傳感器進行計算。這些 參數的非限制性示例包括復阻抗虛部的最大值Fl的頻率和頻移、復阻抗的虛部的最小值F2的頻率和頻移、復阻抗實部的最大值Fp的頻率和 頻移，復阻抗實部的大小是Zp,如圖7所示。諧振線路的等價電線路參 數(圖2A-2D)通過阻抗分析器107或計算機109計算。如圖8和9所 示，有執行來舉例說明圖1中所用部件的使用的實驗結果。對圖8而言， 當將50微升的1M NaCl加入到容器101的100mL水中時，RFID傳感 器103信號如同所示那樣變化。對於圖9而言，RFID傳感器103響應 的動力學通過NaCl擴散到水中提供，如圖所示。
接下來，在方框405處，具有模式識別子部件的計算機109或阻抗 分析器107將單變量和多變量分析應用到從陣列103中的多個RFID傳 感器收集的信息或數據上。單變量分析提供計算目標單參數的能力。多 變量分析方法可以包括例如上述模式識別技術，比如主成分分析 (PCA)、分層族分析(HCA)、軟獨立建衝莫分類法(soft independent modelingof class analogies, SIMCA)和神經網絡。另外，多變量分析提 供改善下列情況的能力陣列103中的多個RFID傳感器或傳感器103 的量化能力，用於強功能識別的外部檢測，和利用單一傳感器103進行 的單參數或多參數分析物檢測(非限制性示例為溫度、pH、傳導率)， 其中目標參數在方框407處量化。在這種情況下，物理或化學參數通過 溫度和pH表示，而傳導率通過環境參數表示。為了驗證利用塗有傳感 膜(Nafion聚合物)307的單一RFID傳感器103進行的多分析物測量， 測試了四種分析物，每種測量6個濃度。這些分析物包括乙醇(EtOH)、 曱醇(MeOH)、乙腈(ACN)和水(H20)蒸氣，所有的濃度(分壓P) 範圍是飽和蒸汽壓(P。)的0-0.2,在圖9-12中描述。精確濃度是0、 0.02、 0.04、 0.07、 0.10、 0.15和0.20P/P。。相似地，不同純液體或液體 混合物以及物理參數的測量可以通過本領域技術人員進行。
圖9驗證了四種分析物(H20、 EtOH、 MeOH和ACN )各自6種濃 度下測量到的Zp響應。如圖9所示，RFID傳感器103的單一參數(比 如Zp)的測量不能在不同分析物之間區分開。例如，如果信號Zp從大 約820變到大約8050hm,那麼這種改變可能是由於水的0.1P/P。或 MeOH的0.15P/P。或EtOH的0.2P/P。。因此，RFID傳感器103的單參數 測量值不能在不同分析物和它們的濃度之間區分開。
圖IOA、 IOB、 IOC和IOD分別證實了在RFID傳感器103暴露於四 種分析物(H20、 EtOH、 MeOH和ACN)時所有測得參數F1、 F2、 Fp和Zp的動態變化，每種分析物6種濃度。顯然，多參數測量為用單一
RFID傳感器103選擇性確定多於一種分析物提供了另外工具。例如， 對於圖10B而言，對1120的F2響應初始顯示了當暴露於H20的小濃度 時信號降低。但是，當暴露於較大濃度H20時，響應變化。這種行為是 由於傳感器膜(Nafion)的本質和被測分析物(H20 )的組合效應。但 是，當測量另一更加非極性的分析物(比如ACN)時，F2響應通常隨 著暴露到ACN中而減少。
圖IIA、 IIB、 IIC和IID分別驗證了將RFID傳感器103暴露於四 種分析物(H20、 EtOH、 MeOH和ACN)時所有測量參數F1、 F2、 Fp 和Zp的校正曲線，每種分析物6個濃度。取決於測量的參數和分析物， 響應是線性的或非線性的，下降的或增加的，或者甚至具有更複雜的行 為。信息的這種豐富性、其複雜性、多樣性和其非相關性本質，提供了 用單一 RFID傳感器103選擇性確定分析物的能力。圖12給出了 RFID 傳感器103對H20、 EtOH、 MeOH和ACN (每種分析物6個濃度)的 變化的多參數響應的多變量分析結果。這些結果是通過採用主成分分析 方法學採用具有PLS Toolbox軟體的Matlab分析測量的參數Fl、 F2、 Fp和Zp獲得的。
參見圖4,在方框407處，來自多變量分析的檢測數據從測量設備 111或阻抗分析器107傳送到計算機109,其中計算機109顯示來自陣 列103中的多個RFID傳感器的給定一個或多個傳感器的目標數據。數 據顯示是目標環境參數的量化測量值形式，比如溫度、pH、傳導率和上 述其它參數。來自天線301的給定頻率範圍從阻抗分析器傳送到計算機 109。顯示為在合適的屏幕上或電信號的形式。在此點，用於可以決定 是否該過程應該結束，或者是否該數據應該傳送到合適的控制設備。如 果用戶選擇不發送數據到控制設備，那麼該過程結束。在方框409處， 控制設備對從例如阻抗分析器107接收量化的信號值起作用或做出反 應，來一旦接收到來自陣列103中多個RFID傳感器的溫度讀書就使容 器101冷卻或加熱，然後該過程結束。控制設備可以是電驅動流體開關、 閥門、泵、癒合器(healer)、或冷卻器等。
圖5的流程圖顯示了如何採用用於監測溶液中參數的系統的另 一方 式。該流程圖包括圖4的所有部件，因此這些部件在此不描述。另外， 該圖5包括方框413,在天線上具有傳感器膜307而使之成為傳感器103的RFID標記102或者天線301上沒有傳感器膜307的RFID標記102, 其中RFID讀取器105 (測量設備111)請求來自RFID標記102的晶片 303的數字id,並且如果天線301覆蓋有傳感器膜307則可以獲得分析 物數據或參數數據。在方框415處，RFID讀取器105 (測量設備)獲取 由RFID標記102傳給它的數字ID和來自具有傳感器膜307的天線301 的分析物數據或參數數據。在方框409處，RFID讀取器105將該數字 ID和分析物數據或參數發送給計算機109,然後該過程按照和圖4相同 的方式運行。對於圖4和5而言，傳感器103可以是單一傳感器或傳感 器陣列。
針對合適的化學或生物識別選擇傳感器塗層。傳感器轉導原理經選 擇以與塗層對目標物種的響應機制相匹配。為了在RFID傳感器103中 沉積化學或生物敏感材料，採用噴墨印刷、絲網印刷、化學和物理氣相 沉積、噴霧、拖曳塗覆、溼溶劑塗覆、輥對輥塗覆(狹縫一莫頭塗覆、凹 版印刷塗覆、輥塗、浸塗等)、熱疊層和其它沉積方法。為了防止傳感 器塗層的組分洩漏到容器環境中，應用已知的技術比如離子配對、共價 鍵合等。任選的，可以使用另外緻密的、微孔或中孔的塗層，比如膨脹 PTFE ( e-PTFE )、納米滲透和超滲透膜作為保護層或選擇滲透層，來減 少生物汙染，並將待檢測的物種(一種或多種)濃縮。
在一個實施方案中，生物容器101優選但不限於由下列材料單獨或 以多層膜形式的任何組合製備乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、低或極低密 度聚乙烯(LDPE或VLDPE)、乙基乙烯基醇(EVOH)、聚丙烯(PP)， 所有這些都是本領域公知的。RFID標記典型地包括前天線和具有塑料 背襯(例如，聚酯、聚醯亞胺等)的微晶片。
為了將RFID傳感器陣列103和該多層塑料膜/片結合起來，採用超 聲疊層、熱疊層、熱熔融疊層。在超聲疊層方法中，用於製備一次性袋 子的多層塑料膜/片網幅(第一片)的至少一部分用超聲波沖擊；在前天 線側塗有合適傳感材料的RFID標記(第二片)的背面被粘合到該多層 塑料膜/片上。任選的，在該疊層過程之前，進行該塑料膜/片的電暈處 理、等離子體處理和火焰處理。在另一實施方案中，可以使用粘合劑比 如壓敏粘合劑、水分固化粘合劑和輻射固化粘合劑來將RIFD標記102 粘合到生物容器101上。
本發明提供允許用戶簡單地確定容器中的是哪一種溶液以及目標
16化學、物理和生物參數的濃度和水平的系統。該容器包括射頻識別
(RFID )傳感器，該傳感器具有能夠使該傳感器有效確定溶液中材料的
傳感器膜。
上面對本發明的詳細描述旨在被認為是示例性的而不是限制性的， 並且應該理解是下列權利要求(包括所有等價物)旨在限定本發明的範圍。
權利要求
1. 用於測量多個參數的系統，包括具有溶液、至少一個傳感器和標記的容器，和構成測量設備的阻抗分析器和讀取器相鄰；其中所述至少一個傳感器經構造以確定所述溶液的至少一個參數；所述標記經構造以提供和所述至少一個傳感器相關的數字ID，其中所述容器和所述讀取器和阻抗分析器相鄰；和其中所述阻抗分析器經構造以基於所述參數從所述至少一個傳感器接收給定範圍的頻率，並基於所述頻率計算參數變化。
2. 權利要求l的系統，其中所述容器和計算機連接。
3. 權利要求2的系統，其中所述測量設備經構造以從所述至少一個 傳感器讀取所述至少一個參數。
4. 權利要求3的系統，其中所述計算機經構造以顯示來自所述至少 一個傳感器的所述參數。
5. 權利要求l的系統，其中所述容器是一次性容器。
6. 權利要求l的系統，其中所述容器是塑料容器。
7. 權利要求l的系統，其中所述溶液選自流體、血液和氣體。
8. 權利要求7的系統，其中所述溶液是包含下列物質的血液肌酸 酐、脲、乳酸脫氫酶和鹼性鉀。
9. 權利要求7的系統，其中所述溶液是氣體或溶解的氣體，所述氣 體或溶解的氣體包括C02、 02、 NOx。
10. 權利要求7的系統，其中所述溶液包括毒性工業試劑，所述毒 性工業試劑包括氨、丙酮羥腈。
11. 權利要求1的系統，其中所述讀取器是射頻識別(RFID)讀取器。
12. 權利要求l的系統，其中所述至少一個傳感器是陣列中的多個 傳感器。
13. 權利要求l的系統，其中所述陣列中的所述多個傳感器是陣列 中的多個RFID傳感器。
14. 權利要求1的系統，其中所述至少一個參數包括傳導率測量值、 pH水平、溫度、血液相關測量值、生物測量值、離子測量值、非離子 測量值、和非傳導率測量值。
15. 權利要求1的系統，其中所述至少一個傳感器覆蓋有傳感器膜，其中所述傳感器膜確定所述溶液的所述至少一個參數。
16. 權利要求15的系統，其中所述傳感器膜選自聚合物膜、有機膜、 無機膜、生物複合膜和納米複合膜。
17. 權利要求15的系統，其中所述傳感器膜選自水凝膠膜、溶膠凝 膠膜、碳黑-聚合物膜、碳納米管-聚合物膜、金屬納米顆粒-聚合物膜、 和電紡絲納米纖維、膜。
18. 權利要求7的系統，其中所述溶液包含原核細胞。
19. 權利要求7的系統，其中所述溶液包含真核細胞。
20. 權利要求7的系統，其中所述溶液是包含C02和02的氣體。
21. 權利要求7的系統，其中所述溶液是包含C02和02的溶解的氣體。
22. 權利要求l的系統，其中所述容器由聚合物材料製備。
23. 權利要求22的系統，其中所述容器由預先消毒的聚合物材料製備。
24. 權利要求l的系統，其中所述溶液包括選自細菌、重組蛋白質、 病毒、疫苗或活體組織的生物材料。
25. 用於測量容器中參數的裝置，包括具有溶液、至少一個傳感器和標記的容器，其和測量設備相鄰； 其中所述至少一個傳感器經構造以確定所述溶液的至少一個參數；和所述測量設備經構造以從所述至少一個傳感器讀取所述至少一個參數。
26. 用於測量多個參數的系統，包括 具有溶液和至少 一個傳感器的容器；和所述至少 一 個傳感器通訊的測量設備；其中所述至少一個傳感器經構造以確定所述溶液的至少一個參數； 所述測量設備經構造以從所述至少一個傳感器接收所述參數； 其中所述容器和所述測量設備相鄰；和所述測量設備經構造以基於所述參數從所述至少一個傳感器接收 給定範圍的頻率以測量阻抗，並且基於所述阻抗來計算參數變化。
27. 權利要求26的系統，其中所述阻抗是復阻抗。
28. 用於測量多個參數的系統，包括具有溶液和至少一個具有數字ID標記的傳感器的容器；和具有所述標記的所述傳感器相通訊的測量設備；其中所述至少一個傳感器經構造以確定所述溶液的至少一個參數； 所述測量設備經構造以從所述至少一個傳感器接收所述參數，和從 所述標記接收數字ID;其中所述容器和測量設備相鄰；和所述測量設備經構造以基於所述參數從所述至少一個傳感器接收 給定範圍的頻率以觀'J量阻抗，和基於所述阻抗計算參數變化。
29、 權利要求28的系統，其中所述至少一個傳感器是被動式的。
30、 權利要求28的系統，其中所述至少一個傳感器是半主動式的。
31、 權利要求28的系統，其中所述至少一個傳感器是主動式的。
32、 用於測量多個參數的系統，包括 具有溶液和至少一個傳感器的容器； 和所述至少一個傳感器相通訊的測量i殳備；其中所述至少一個傳感器經構造以確定所述溶液的至少一個參數； 所述測量設備經構造以從所述至少一個傳感器接收所述參數； 其中所述容器和所述測量設備相鄰；和所述測量設備經構造以基於所述參數從所述至少一個傳感器接收 給定範圍的頻率以測量阻抗，和基於所述阻抗計算參數變化；和 所述測量設備發送預定信號到控制設備。
全文摘要
公開了用於測量容器中參數的系統。用於測量多個參數的系統包括具有溶液、至少一個傳感器和標記的容器，其和構成測量設備的阻抗分析器和讀取器相鄰。所述至少一個傳感器經構造以確定溶液的至少一個參數。所述標記經構造以提供和所述傳感器相關的數字ID，其中所述容器和所述讀取器和阻抗分析器相鄰。所述阻抗分析器經構造以基於所述參數從所述傳感器發送和接收給定範圍的頻率，並基於所述響應計算參數變化。
文檔編號G01D9/00GK101449133SQ200680054725
公開日2009年6月3日 申請日期2006年9月28日 優先權日2006年5月26日
發明者R·A·波蒂雷洛, V·F·皮茲, 華 王 申請人:通用電氣醫療集團生物科學公司