用於檢測在流體中的分析物的傳感器儀器系統及方法
2023-06-23 20:20:41
專利名稱：用於檢測在流體中的分析物的傳感器儀器系統及方法
技術領域：
本發明涉及傳感器儀器領域，特別是有關於檢測在流體中的分析物的傳感器儀器系統及
其方法。
背景技術：
傳感器儀器廣泛地被用於檢測流體中的分析物。以下是與本發明技術有關的參考文獻。
1、 美國專利第4， 887， 455號在1989年12月9日授予佩納(Payne)等人的題為"氣 體傳感器"(以下為佩納的455專利)；
2、 美國專利第5， 571， 401號在1996年11月5日授予劉易斯(Lewis)等人的題為"用 於檢測在流體中的分析物的傳感器組"(以下為劉易斯的571專利)；
3、 美國專利第6， 314， 724號在2001年11月20號授予劉易斯等人的題為"應用人工 嗅覺儀器對微量分析物的檢測"(以下為劉易斯的724專利)；
4、 佩納等人的文獻題為"用交流電高頻率對導電高分子材料的頻率測量 一種檢測揮發 性化學物品的新技術"，檢測科學技術，第六巻(Meas. Sci. Technol. ， 6 ), 1955年，第 1500到1507頁(以下為佩納的文獻)；
5、 納格爾(Nagle)等人的文獻題為"怎樣的和為什麼的電子鼻"，國際電氣電子工程領 域(IEEE Spectrum), 1998年9月，第22到34頁(以下為納格爾的文獻)；
6、 貝爾特斯(Baiters)等人的文獻題為"超小型電子鼻"，國際電氣電子工程領域(IEEE Spectrum), 1998年9月，第35到38頁(以下為貝爾特斯的文獻)；
7、 美國專利第6， 631， 333號在2003年10月7號授予劉易斯等人的題為"用於遙測氣 味的方法"(以下為劉易斯的333專利，另外又有美國專利第7， 359， 802號在2008年4月 15日授予同樣的發明人，該發明專利是劉易斯的333專利的分案)；和
8、 美國專利第7， 465， 425號在2008年12月16日授予孫的題為"用於檢測在流體中 的分析物的傳感器及方法"(以下為孫的425專利)。
佩納的455專利公開了一氣體傳感器。該傳感器的外層有裸露與被測氣體的具有半導體 性質的一高分子薄膜。應用一交流電流分析儀器對該傳感器施加具有特殊共振頻率的交流電 信號後來檢測傳感器改變了的電阻抗特徵，然後用計算機將該特徵與儲存在計算機裡的參照 特徵相比較。鑑於所得到的不同的電阻抗圖譜，該發明能檢測接觸了傳感器的氣體。該專利 也公開了其最佳的測試交流頻率在100兆周到500兆周之間，因為在此區間，會發生電頻率 共振的現象。
劉易斯的401專利公開了用來檢測在流體中分析物的傳感器組，包括了應用高分子材料 與碳黑顆粒組成的對化合物敏感的電阻傳感器。傳感器有被化學敏感電阻所隔離、但又連接 在電阻兩端的兩導電電極。這樣該電阻在兩電極之間提供了電流流通的途徑。該電阻有眾多 的相間排列、並與電流流通的途徑同向排列的由不導電高分子材料組成的不導電區域和由導 電材料組成的導電區域。該電阻在接觸流體之中具有第一種濃度的一分析物時，和接觸該分 析物具有第二種橋度時分別具有不岡的電限值。這枰由革少二個以上此類有化學熟感電阻的傳感器所組成的傳感器組，對不同的分析物提供了由不同電阻值所表現的不相似性。改變傳 感器的化學靈敏度可由定量或定性地改變導電和不導電區域的材料組成而達到。這樣利用一 電測量裝置來連接這種傳感器組的每一個傳感器的導電電極就可以組成檢測在流體中的分析 物的一電子鼻儀器。
劉易斯的724專利公開了利用人工嗅覺儀來檢測多類分析物。該多類分析物可被用來診 斷眾多的醫學狀況，包括口臭、牙周炎、和其他疾病的狀況。
佩納的的文獻公開了一種傳感器。當其接觸揮發性化學物品時，該傳感器的比喊高分子 材料薄膜的交流電阻抗會產生電頻率共振的現象。
納格爾的文獻是一個專題報告。其匯集了到上一世紀九十年代末為止的對電子鼻儀器所 作的研究和取得的發展。該報告詳細介紹了各種用來製作電子鼻儀器的傳感器，包括了金屬 氧化物薄膜傳感器、導電高分子材料薄膜傳感器、由高分子薄膜塗在晶體表面的重量感應傳 感器、由高分子材料薄膜塗在晶體表面的表面聲波傳感器、由柵極表面塗有金屬氧化物薄膜 的矽場效應電晶體傳感器、由應用多聲波的光纖傳感器、由根據氣相色譜、光譜和質譜原理 而組成的相對應的傳感器。該報告還總結了各種傳感器的優缺點。其中對溼度的高靈敏性是 所有具有高分子材料薄膜的傳感器的一個共同的缺點。
貝爾特斯的文獻報告了研發的用作電子鼻的微型晶片。該電子鼻的工作原理是利用塗有 高分子材料薄膜的CMOS集成電路晶片在接觸揮發性有機物時，會有可檢測到的重量的改變和 電容量的改變。
劉易斯的333專利公開了用於遠距離監視化學危害物、空氣品質和病員狀況的傳感器結 構、系統和方法。比如用機器人系統來搜索和發現爆炸物、地雷和化學危害物品。該專利除 了匯集在納格爾文獻中提及的種種傳感器之外，還匯集了滲色的組塊傳感器組和顯微機械加 工的溝梁狀的傳感器組。同時該專利還公開了發明的導電性的傳感器，其有在兩電極之間的 交體排列的由導電材料組成的區域和由不同於導電材料的材料組成的區域。這樣該傳感器就 在兩電極之間提供了一供電流流經不同材料區域的途徑。
從以上引用的文獻和專利中可以看到在過去的對傳感器儀器系統的研究中己投入了極大 的努力，而該研究是以研究傳感器的結構為中心的。這是因為傳感器的結構根本上決定了儀 器對於流體中分析物檢測和鑑別的效用。現有的傳感器儀器在應用了以上所述的傳感器技術 以及結合了電子工程中的包括大規模集成電路在內的技術、計算機軟體技術、和數據遠距離 輸送技術後，極大地便利了對分析物的檢測和鑑別。
眾所周知、從研究哺乳類動物的嗅覺系統可知，對一氣味物體的鑑別不僅依賴於那些對 該氣味物體有特別針對性的嗅覺接收元，而且也依賴那些對該氣體不是特別有針對性的接收
元。用另一句話來說，對氣味物體的鑑別是確認一個表現該物體的特徵類型信息的圖譜。根 據這一原理，傳統的有關於傳感器結構的技術按照以下兩種技術方案而發展應用多傳感器 結構的方案和應用單一傳感器的結構方案。
在應用多傳感器的結構方案上，如同在劉易斯的333專利所敘述的那樣，發展了眾多的 不同的傳感器技術。包括有金屬氧化物薄膜傳感器、導電高分子材料薄膜傳感器、由高分子 薄膜塗在晶體表面的重量感應傳感器、由高分子材料薄膜塗在晶體表面的表面聲波傳感器、 由金屬氧化物薄膜塗在柵極表面的矽場效應電晶體傳感器。儘管在沿著這個方案的傳感器研 究在過去己取得長足的進步，但其還存在著因沿襲了使用多傳感器方案所帶來的缺點。這些 缺點包括需要大量數目的傳感器來產生分析物的有類型差別的信息圖譜；傳感器的複雜結 構進而導致在傳感器生產中的不一致性；在對化學分析物測試時因應用高分子材料薄膜而受 到的溼度的幹擾；遲鈍的靈敏度；所必需的昂貴的儀器和深受限制的操作條件。
在應用這種結構方案時，多種厚度約為幾個微米的高分子薄膜已被廣泛地用來改進傳感 器的靈敏度和檢測極限。這主要是因為高分子薄膜會因其對化合物的特殊的化學選擇性來攔 載包括吸附和吸收作為分析物的化合物。其結果是在被傳感器檢測之前分析物會被富集在高分子薄膜的表面或者體內。
經典的高分子材料薄膜存在著多種缺點。第一、薄膜對伴隨著分析物的溼度具有高靈敏 的吸附性。因而溼度是影響具有高分子材料薄膜傳感器功效的主要因素。第二、高分子薄膜 材料具有老化效應，從而影響到傳感器長期使用的穩定性。第三、在生產上取得安置在傳感 器上的高分子材料薄膜的重複性也是一個難題。特別是為採用多傳感器結構方案，因而必須 使用大量數目的傳感器時重複性的問題尤為顯著。
在採用單一傳感器結構方案上，如同納格爾文獻所敘述的，根據色譜、光譜、和質譜原 理的多種儀器已被研發。 一般來講，這些儀器都很昂貴。而且他們的體積都很龐大，這樣就 使得這些儀器根本不可能小型化。所以這些儀器在市場上缺乏吸引力，這是因為在當今的市 場上，儀器所具有的無線通訊能力和攜帶使用性日顯重要。
例如，在醫療診斷領域裡正盛行著一種在病人床邊診斷病情的潮流。在這種方案下，病 員的健康維護包括醫療診斷是直接在病員家中及在病員的床邊展開。這樣，如果醫療儀器是 可隨身攜帶使用的話就具有在市場上的競爭力。另外如又具有無線和遠端信息聯繫功能的話, 該醫療儀器就會極具競爭力。這是因為病員的健康信息可即時發送到一醫療中心，從而可以 為病員提供包括正確無誤診斷在內的更好的健康維護。事實上，儀器所具有的可攜帶性和無 線信息傳遞功能除了在醫療領域外，在其他許多諸如安全、保衛、軍事、和工業領域內也是 極具有市場的。
作為應用單一傳感器的例子，佩納的專利和文獻發展了在特定的頻率範圍內，從檢測應 用導電高分子材料薄膜電極的電阻抗及其與相位有關的電學性質來檢測存在氣態分析物的技 術。該技術在特定頻率下由於分析物和導電性高分子材料薄膜的相互作用而產生可被測量的 電共振信號。然而佩納的裝置的電共振現象必須在100兆周到500兆周區間的頻率中才有可 能發生。這種高頻率的限制對儀器的製作和使用都帶來極大的困難。同時佩納的裝置仍然繼 承了使用高分子材料所帶來的缺點。
針對佩納的專利的不足和為發明應用頻率掃描的新結構的單一傳感器，孫的425專利公 開了用來檢測和鑑別在流體中的分析物的作為檢測傳感器的單一傳感器。該傳感器由一對電 極組成。當分析物具有足夠濃度時在電極間不必充填附加的表面吸附材料來吸附分析物。反 之則充填吸附材料。傳感器被施加了由一交流電流儀器提供的變化頻率的交流激勵信號之後， 可檢測到當在流體中的分析物處在或者流過電極之間時在每一頻率上的傳感器的交流電學性 質。諸如電阻抗和其分量電阻和電抗、以及相位，這樣就建立起相對於頻率的分析物電學 性質的二個譜圖。再用一類型鑑別的程序來區分該電學性質的類型，並與已知物的電學性質 的類型相比較，這樣該發明就可以檢測和鑑別在流體中的分析物。該發明又包括了一用作為 參照傳感器的單一傳感器。在結合了檢測和參照傳感器的電學性質之後，該發明就可以去除 溼度的幹擾、高分子材料的老化效應、和由溫度變化引起的傳感器的電學性質的變化。
劉易斯的333專利所發展的傳感器儀器系統對包括由高分子材料和炭黑組成的傳感器組 添加了遠距離信息處理的功能。這樣對於傳感器儀器系統的功效來說有明顯的正面效應。
然而在多種場合，包括在檢測空氣中含有臭氧在內的汙染物時，對傳感器系統會有一個 額外的要求，即該儀器能提供空氣汙染物的即時的隨地理位置變化而變化的信息。這樣就可 以繪製一個地區的即時空氣汙染的分佈圖，從而可得到對該區域空氣汙染的較好理解以及較 為完善的控制。具有這種功能的儀器系統也有利於研究許多另外的課題。
從而這就促成了本發明的意願設計和發展一種新的傳感器儀器系統及方法來克服傳統 的傳感器裝置的缺點。該新的儀器具有在傳感器製造和使用上的良好的重複性、較少的負面 幹擾因素、高的靈敏度、較少的在使用上的限制性、和便利的攜帶性。除此之外，該傳感器 系統還具有無線通訊的能力來處理數據，和確定與分析物相對應的地理位置的能力。
發明內容
本發明著眼於創立一傳感器儀器系統及其方法來檢測和鑑別在流體中的分析物。該系統 包含有一傳感器儀器和與其遠距離相隔的一中央信息站。傳感器儀器的組成包括了與一單一 傳感器相連接的一檢測模塊，其被用來取得眾多分析物的電學性質； 一全球地理位置定位接 收模塊，其被用來取得分析物所在的地理位置；和一傳輸數據模塊，其被用來無線傳輸數據。 單一傳感器有兩電挺，在被具有頻率掃描的周期性的包括正弦波的交流電流的激勵信號作用 下被用來檢測在流體中的分析物。中央信息站在收到傳感器儀器無線傳出的信息之後可處理 和儲存分析物的信息。而這些信息包含了被檢測分析物的電學性質和其所在地理位置的數據。
本發明傳感器儀器系統及方法的一個目的是提供一用於檢測和鑑別在流體中的分析物的 新穎和獨特的傳感器結構。該結構使用了具有兩個電極的和應用交流電流頻率掃描和矢量分 析工作原理的單一傳感器。在測量中可使用眾多不同的掃描頻率，其中包括了優選的10千周 到一兆周區間內的頻率。通過一次對傳感器的頻率掃描的測量，就能得到兩組包含有分析物 內在特徵的、有類型規律的交流電學性質，包括在每一掃描頻率上能得到兩種不同的正交的 電學性質。這些性質是由包括介電常數、極性或者偶極距在內的分析物內在的特徵所決定的。
本發明傳感器儀器系統的又一個目的是提供一新穎和獨特的傳感器儀器。該儀器包含了
具有兩個電極的和應用了交流頻率掃描的單一傳感器，可被用來檢測和鑑別在流體中的分析
物。鑑別分析物是根據分析測量到的分析物的交流電學性質的類型，再與那些已知化合物的
電學性質的類型相比較後來判斷的。
本發明傳感器儀器系統及方法的另外一個目的是提供一新穎和獨特的傳感器儀器。其含 有一具有兩個電極的和應用了交流電頻率掃描的檢測傳感器來檢測和鑑別在流體中的分析
物。該儀器還包含有一去除背景噪聲的機理。即在應用了檢測傳感器之後，還應用了一與檢 測傳感器結構相同的參照傳感器。參照傳感器被用來降低背景噪聲對檢測分析物電學性質的 影響和增進對分析物的電學性質類型的鑑別。背景噪聲包括了溼度的影響、高分子薄膜的老 化效應、和由安置在電極之間的分析物的溫度變化而引起的檢測到的電學性質的變化。
本發明傳感器儀器系統的更加的一個目的是提供一新穎和獨特的傳感器儀器。其含有一 具有兩個電極的和應用了交流電頻率掃描的單一傳感器來檢測和鑑別在流體中的分析物。該 儀器採用了包括固定的和可變的溫度控制的程序來控制包括有傳感器和分析物在內的傳感器 倉的溫度，進而來改進對分析物的檢測和鑑別。
本發明傳感器儀器系統的還有的目的是提供一新穎和獨特的傳感器儀器。其含有一具有
兩個電極的和應用了交流電頻率掃描的單一傳感器來檢測和鑑別在流體中的分析物。該儀器
具有可在傳感器兩電極中放置所有種類的有機、無機和金屬吸附材料的功能，從而通過選擇
性的吸附、吸收相應的分析物來達到改進對分析物檢測和鑑別的目的。
本發明傳感器儀器系統的還有的另外一個目的是提供一新穎和獨特的傳感器儀器。其含 有一具有兩個電極的和應用了交流電頻率掃描的單一傳感器來檢測和鑑別在流體中的分析
物。該儀器的特點有緊湊的體積、便利的掌上攜帶性、容易使用、不受背景噪聲影響、低 製作成本、和低的電能消耗來控制包括傳感器和分析物在內的傳感器倉的溫度。
本發明傳感器儀器系統的一個目的是提供一新穎和獨特的傳感器儀器。該儀器應用了至 少一個用作為檢測傳感器的本發明的傳感器來檢測和鑑別在流體中的分析物。該傳感器具有 兩個電極、和使用交流電流頻率掃描和矢量分析的工作原理。在至少一個檢測傳感器中的每 個檢測傳感器的電極中是充填了不同的材料來選擇性的吸附、吸收相應的分析物。而該每個 檢測傳感器是被電磁屏閉的，從而來消除由施加的交流信號所可能引起的磁場輻射的交叉感 應幹擾。
本發明傳感器儀器系統的一個目的是提供一新穎和獨特的傳感器儀器。該儀器應用了至 少一個用作為檢測傳感器的本發明的傳感器來檢測和鑑別在流體中的分析物。該傳感器具有 兩個電極、和使用交流電流頻率掃描和矢量分析的工作原理。在每個至少一個檢測傳感器的電極中是充填了不同的材料來選擇性的吸附、吸收相應的分析物。而該至少一個檢測傳感器 中的每個檢測傳感器是被電磁屏閉的、又被有序地、分別地施加了交流電頻率的激勵信號， 從而來消除由施加的交流信號所可能引起的磁場輻射的交叉感應幹擾。
本發明傳感器儀器系統的另一目的是提供一用於檢測和鑑別在流體中的分析物的新穎和 獨特的傳感器儀器。該儀器包含有至少一個傳感器。其中的一個傳感器是本發明的具有兩個 電極的、使用交流電頻率掃描和矢量分析的工作原理的傳感器。其餘的傳感器是從現有的傳 感器技術中選出。
本發明傳感器儀器系統的還有的一個目的是提供眾多相同的、上述的新穎和獨特的傳感 器儀器。他們與中央信息站遠距離相隔。而每個傳感器儀器可移動地處在一區域的一相應的 地區，被用來檢測該地區的在流體中的分析物。傳感器儀器的組成包括 一檢測模塊連接了 一有交流電頻率掃描和矢量分析工作原理的單一傳感器，其被用來取得分析物的眾多電學性 質； 一全球地理位置定位接收模塊，其被用來取得分析物所在的地理位置；和一傳輸數據模 塊，其被用來無線傳輸數據。傳輸的數據包括了檢測到的分析物的電學性質和分析物在該地 區的地理位置。
中央信息站包含了一中央計算機。其是通過現有的信息網絡來連接眾多相同的當地信息 接收站。每個接收站包含有與天線連接的接收和發送兩用電子單元。眾多的接收站是處在一 區域內眾多的相應的地區，與眾多的移動地處置在該相應地區的傳感器儀器一一對應。這樣 從各傳感器儀器發出的各分析物的信息通過相應的在各地區的接收站就可以被中央信息站所 接收。中央信息站的計算機儲存了含有全^^地理位置的定位地圖在內的應用軟體和包括有鑑
別數據類型分析法在內的分析法的應用軟體。這樣在各地區獲得的分析物的電學性質信息可 被中央信息站來分析，從而可鑑別處在各相應地理位置的各分析物。被鑑別的分析物和分析 物的地理位置的信息被儲存在中央信息站後可有種種應用，包括繪製在該區域內眾多不同地 區裡分析物的瞬時分佈圖。
本發明傳感器儀器系統提供了新穎和獨特的傳感器儀器及其方法來鑑別在流體中的分析 物。鑑別分析物的可能性是基於檢測在流體中分析物的被分析物內在的物理化學性質所主導 的有類型規則的各種交流電性質，諸如電流、電壓和電阻抗及其矢量組成電阻和電抗，以及 由電阻和電抗所決定的相位。本發明應用了一成對的金屬導電體作為空間電極，或者將其處 置在陶瓷基板上作為厚膜電極，或者將其處置在矽基質上作為薄膜電極來測量分析物的交流 電學性質。在測量時這些分析物可停留在或流經兩電極之間，從而可得到在眾多掃描頻率包 括在優選的頻率區間為10千周到一兆周的頻率作用下的分析物的交流電學性質。
應用頻率掃描的測量可以得到對眾多分析物中的每一個分析物的兩組具有類型規律的交 流電學性質。再在應用了一鑑別類型的程序之後，就可以分辨各分析物的電學性質所對應的 類型。這樣再經過比較檢測到的類型特徵和已知化合物的電學性質的類型特徵，就可以鑑別 各分析物。
如上所述，本發明的對在流體中分析物的鑑別是依賴於建立從檢測分析物所得到的相應 的眾多有類型規律的電學性質。這些性質對相應的分析物來講是特殊的，而且是集成在不同 的量綱上。這樣本發明就聚焦在尋找與這些分析物的自然特質有關的有類型特徵的不同的電 學性質，而這些電學性質可以由應用一種技術來同時被測量到。
例如介電常數是作為檢測對象分析物的化合物的本身自然特質之一。介電常數是化合物 的可被用來描述該化合物的眾多量綱中的一個，這樣介電常數可以被用來鑑別分析物。在交 流電學領域裡，介電常數可以用測量分析物的電容性電抗即容抗來獲得。對短的傳感器電極 來說，容抗是電抗的主要組份，所以電抗是容抗的一個好的近似值。在矢量範疇內電抗可以 從測量到的電阻抗中得到。這樣電抗是分析物所具有的特殊電學性質中的一種，也是在一種 量綱上能被本發明應用來檢測和鑑別化合物(在標量範疇內，電容與介電常數成正比，和已 被用來檢測化合物。見貝爾特斯的學術報告)。當一分析物是氣態化合物的混合物時，該氣態混合物的介電常數可以根據若干種方法來 估計。例如天然混合的可燃氣體的介電常數可被計算成是溫度、氣體密度、和氣體組成的函 數哈維(Harvey， A， H);雷蒙(Le咖on， E， W);"估算天然混合可燃氣體的介電常數"， 熱物理世界期刊(Internationa] Journal of Thermophysics)，第26巻，第一期，31頁到 46頁，2005年1月。該文作者宣稱，他們的方法是優於傳統的混合法則。當分析物是一混合 的液體時，混合液體的介電常數可以根據凱勒休斯-莫蘇帝(Calausius Mosotti)理論，或 者奧賽格(0nsager)理論來計算塞(Sen, A. D.):安尼西克(Anicich, V. D.);艾 亞凱雷姆(Ayakeliam, T.):"液態矽烷類和碳氫化合物的混合物的介電常數"，應用物理 期刊，物理D (J.Phys. D; App. Phys.)，第25巻，516頁到521頁。
從以上所例舉的研究結果可知，對於氣態和液態的化學混合物來說，介電常數仍然是一 種用來描述他們的特徵的量綱。這樣本發明可以應用電抗來檢測和鑑別作為分析物的氣態或 液態的化學混合物。
除了介電常數以外，作為分析物的化合物具有它獨特的化學元素的組成。而每個化學元 素有其相應的電負性，這樣就形成了每個化合物所特有的分子偶極距或者極性。其是化合物 的另一種自然特質。在電學領域裡，可應用電阻測量來反映這種特徵。例如已有的實驗結果 顯示，揮發性有機化合物包括那些富有氫和氧元素的化合物會改變金屬氧化物薄膜傳感器的 電導率(電阻率)(見納格爾和貝爾特斯的報告)。而氫和氧具有相應的較大的電負性值。
在交流電學領域裡，與測量到的分析物的電抗相比，作為分析物電阻抗的另一組份電阻 也可以同時被測量得到。然而與電阻值的幅度相比，電抗在電阻抗中佔有主導的地位。這是 因為在純的化合物情況下(包括其氣體，指在無水狀態下)作為分析物的化合物是不導電的。 然而，雖然電阻值比較小，但它反映了分析物的電阻性的特質。換句話說，電阻是從化合物 的另一個固有性質的量綱上來反映該化合物。而且電阻的量綱同電抗的量綱相正交。這樣電 阻的信息對鑑別分析物來說也是十分重要的。
在應用了改變頻率，包括頻率掃描的方法，本發明可以得到每個分析物的諸如電阻和電 抗的兩組有特徵類型的交流電性質，從而可以達到對相應的分析物的檢測和鑑別的目的。
電阻抗是綜合了電阻和電抗。在交流電學裡可以應用歐姆定律來得到
Z = V / I [1]
其中Z是電阻抗矢量，V是電壓矢量，I是電流矢量。從以上的公式，可以理解到在應用 一恆電流技術時，在傳感器上的所加的電壓正比於傳感器的電阻抗。在應用一恆電壓技術時， 通過傳感器的電流值是反比於傳感器的電阻抗。這樣作為一種替代方案、可採用電壓或者電 流(來取代電阻抗)的測量以達到檢測和鑑別分析物的目的。
本發明傳感器儀器系統及其方法，在分析物具有足夠濃度時，不需要在傳感器電極中放 置附加的材料來吸附分析物。當分析物的原始濃度不足夠而低於額定的傳感器信噪比時，本 發明可應用吸附或吸收材料。從而為改進傳感器的靈敏度和檢測的極限，來選擇性地吸附或 吸收分析物。
顯然在傳感器電極充填了吸附材料之後所得到的相關於分析物的電學性質的量綱，包括 電阻和電抗，不同於在傳感器電極之間不充填吸附材料時所得到的電學性質的量綱。這是因 為在充填了吸附材料之後，該單一傳感器會專門記錄在分析物中的一種或一類特殊的相似的 化合物的電學性質。而該種或該類化合物是由於其和吸附材料之間的特殊相互作用而被吸附 到該材料上。
從而可以理解到，從本發明尋找與分析物的內在特徵相關的電學量綱的精神和目的出發， 甚至在分析物有足夠濃度時，本發明也可在傳感器電極之間充填吸附材料來檢測和鑑別在流 體中的分析物。
分析物在吸附材料表面上被吸附的過程可以伴隨著吸收的過程，或者吸附和吸收的過程 可以同時發生。然而有關於發生何種過程的實際情況會根據具體因素而決定。該因素包括了材料的種類、加在電極之間的材料的數量包括材料層的厚度、允許產生吸附現象的時間、和 被檢測的分析物的濃度。所以在本文中討論的吸附現象也可能包括了吸收現象。
本發明的可移動地被安置在一地區的傳感器儀器是一完整的裝置。從結構上來說，由八 個模塊所組成。其中包括收集測試樣品模塊、傳感器倉模塊、用於傳感器倉溫控的加熱模塊、 檢測模塊、微型計算機模塊、傳輸數據模塊、應用全球定位系統的全球地理位置定位接收模
塊、和電源模塊。
檢測模塊包含了一模似電子線路單元，其被用作為一檢測器。模似電子線路單元連接了 一連接器，比如像是從模似數值轉化到數字數值的轉換器(ADC)。然後再由轉換器連接到微 型計算機模塊。該微型計算機模塊包含有一微縮的個人用計算機結構。其他所有的模塊，如 需要的話通過他們相應的連接器與微型計算機模塊相連接。除此之外，在微型計算機模塊中 還安置了眾多的應用軟體，包括有 一應用軟體包括了全球地理位置的定位地圖；和一應用 軟體包含了包括識別類型的分析法在內的眾多分析法。這樣傳感器儀器可在其所在地來即時 分析檢測到的分析物的電學性質，從而來鑑別在流體中的分析物。然後該鑑別的結果可以被 傳輸到中央信息站。
與處在當地的傳感器儀器相配合，本發明包括了中央信息站。其包含有與一伺服計算機相 連接的中央計算機。而伺服計算機的功能之一是儲存數據。中央站及中央計 算機與現有的信 息傳遞網絡相連接。網絡同時也連接了眾多的分佈在一區域內不同地區的各當地信息接收站。 網絡包括了易舍網絡(Ethernet)、在一組織內部的網絡、在一區域內的網絡、和連接全世界 地區的英特網絡(thelnternet)。該網絡包含用光纖、電纜、金屬導線、或包括電磁波的無 線連接在內的任何方式。
每個當地信息接收站包含了與天線相連接的一信息接收和發送電子單元。該單元連接了 一具有中央處理器(CPU)的收集數字數據單元。這樣安置在一地區的一傳感器儀器發出的信 息就能被安置在相同地區的當地接收站接收到。這是因為當地接收站和傳感器儀器都遵循同 樣的傳輸信息的技術標準。然後在網絡的作用下，分析物的信息和其所在的地理位置的信息 能被傳輸到遠處的中央信息站。
中央信息站也安裝了相同的應用軟體，包括有含有全球地理位置定位地圖在內的應用軟 件和有類型識別分析法在內的眾多分析法的軟體。這樣分析物的原始電學性質的信息可以被 處在當地的一傳感器儀器來處理，也可以由處在遠處的中央信息站在接收到信息後來處理。
在本文中提及的"計算機"，包含了微型計算機模塊、中央計算機、和伺服計算機。根據 在電機工程領域內的共同認可的概念，"計算機"具有其所有的基本元件，所以是包括了有存 儲功能在內的所有操作性能。本文所用的詞"連接"，包含了電的連接，這是指包括代碼、數 據、指令、和程序為形式的數字電信號能在一裝置內流通。該裝置包括了傳感器儀器、當地 信息接收站、網絡、和與網絡連接的中央信息站。
本發明的傳感器儀器及方法對檢測和鑑別在流體中的分析物來說具有許多新穎和獨特的 性能和優點。其可概括如下本發明的核心技術單一傳感器應用了有多個頻率的交流頻率掃 描和矢量分析的工作原理。這樣在一次測量中，就可以得到兩組分析物的有類型特徵的電學 性質，其中包括了可在每個被掃描的頻率上得到兩個不同的電學性質，如電阻和電抗。他們 在交流電學中是屬於互相正交的兩維量綱。
電阻和電抗又是掃描頻率(掃描時間)的函數。其描述了分析物不同的內在特質。相比 於應用在一維時間量綱上得到的性質來檢測分析物的已有的多傳感器方法，本發明應用在兩 維正交的量綱上得到的性質來檢測分析物具有顯著的優點本發明應用優選的在1兆周以下 的頻率掃描方便了傳感器儀器的製作和使用；因為應用頻率掃描本發明在傳感器設計上不受 必須使用導電的分析物吸附材料包括導電高分子薄膜或高分子複合材料的限制，因此可應用 所有種類的表面吸附包括吸收材料而具有廣泛的適應性。
^友明的傳感器儀器又應用了參照傳感器來消除背景噪聲的影響。此外，還應用了包括可變和恆定的溫度控制程序來控制包括有傳感器和分析物在內的傳感器倉的溫度，從而可良 好地控制分析物的吸附和解吸的過程，來改進對分析物的檢測和鑑別。另外，本發明的儀器 具有較低的製作成本、緊湊的體積、便利的掌上攜帶性、和容易使用的特點。
以上所述的本發明儀器的優點，特別是有利於研發用直流電池為電源的掌上攜帶型傳感 器儀器。這是因為單一傳感器顯著的小的體積而造成相對應的小的傳感器倉對溫度控制所需 的低的電能消耗。
可以理解到，本發明的主要優點之一是應用了具有頻率掃描和矢量分析工作原理的單一 傳感器，因而對分析物的一次測量可同時產生兩個不同的有類型特徵的交流電性質的圖譜。 這樣在製作本發明傳感器儀器要應用少許幾個傳感器時，可容易地達到製作傳感器的重複性。 另外，因為單一傳感器具有顯著的小的體積，而造成了對控制小體積傳感器倉所需的低電能 消耗。這樣又導致了在實際上有可能應用雙傳感器的結構，即除了檢測傳感器之外，還可應 用具有相同結構的參照傳感器。
在應用了雙傳感器之後，當樣品即在流體中的分析物帶有背景噪聲時，比如是有溼度背 景噪聲時，樣品可由檢測傳感器來檢測，而由參照傳感器來檢測帶有背景噪聲的流體。再通 過比較檢測和參照傳感器的輸出，就可以去除背景噪聲和流體的影響。同樣地、可以消除另 外的背景噪聲，比如象是用在傳感器中的高分子薄膜的老化效應，和因溫度波動而造成檢測 的電學性質的波動。
應用雙傳感器結構還可以帶來快速測試的優點。這是因為對檢測傳感器和參照傳感器的 測試，即對樣品和對帶有噪聲的流體的測試是在同一時刻完成的。
再者，在結合了現有無線數據傳輸技術，通過應用全球地理位置定位系統後可確定地理 位置的技術，和在對分析物的研究中使用了眾多的分佈在不同地區的相應的傳感器儀器之後， 本發明傳感器儀器系統及其方法可以提供分析物在一區域內不同地區的瞬時分佈的信息。
必須理解的是，目前除了在美國已經建立的全球地理位置定位系統之外，在世界範圍內， 其他的若干的全球定位系統正在建設之中。這樣根據本發明的精神和目的之一即要確定分 析物的地理位置，本發明也可應用任何的全球地理位置定位系統，只要是在該系統可供民用 的前提之下。
在以後章節的詳細敘述，討論和對權利要求的請求並參照了附圖之後能對本發明創造性 的結構和目的有更清楚地認識。
特別要指出的以下公開的結構圖僅是為了說明而不是對本發明的限制。現敘述如下-
圖1顯示了應用主成分分析法來區分五種分析物的分析物按主成分分佈的分佈圖。分析 中應用了在7個頻率的每個頻率上同時得到的分析物的電阻和電抗數值。而該頻率被任意地 取自於IO千周到500千周區間的被掃描過的頻率。
圖2顯示了應用主成分分析法來區分五種分析物的分析物按主成分分佈的分佈圖。分析 中應用了在11個頻率的每個頻率上同時得到的分析物的電阻和電抗數值。而該頻率被任意地 取自於500千周到1兆周區間的被掃描過的頻率。
圖3是單一傳感器的示意圖，其包含有用金屬線材製作的一對電極或用兩片金屬片製作 的一電容器。
圖4A顯示了應用兩個相同傳感器1的雙傳感器結構。其中一個傳感器被用來作為檢測 傳感器2 (簡略標示為A)。另一個被用來作為參照傳感器3 (R)。圖中顯示的雙傳感器結構 不具有一體化的形式。
圖4B顯示了應用兩個相同傳感器1的一體化雙傳感器結構。
圖5是一單一傳感器1和一交流電流分析儀9電連接的示意圖。
圖6顯示了任何一種表面吸附材料8被充填到兩電極或一電容器之間。圖7A用來說明用不同結構4來組成單一傳感器示意圖。其中一電極被用作為單一傳感 器的第一電極。另一導電的結構比如一物體的器壁被用作為第二電極。
圖7B顯示了在同交流電流分析儀9連接時，單一傳感器4中的作為第二電極的器壁與地
零電位連接。
圖8是本發明傳感器儀器系統結構的示意圖，包括了傳感器儀器和通過網絡與當地信息 接收站相連接的中央信息站。該圖還顯示了傳感器儀器無線傳輸信息到處在遠處的中央信息 站。信息中包含了儀器所在的地理位置，該地理位置是在與全球地理位置定位系統作用之後 得到的。
圖9是收集測試樣品模塊和傳感器倉模塊相連接的正視示意圖。圖中傳感器倉中間結構 的頂部被移去，所以可以看見分別安置在兩傳感器次倉中的兩個傳感器。 圖10顯示了在圖9中的傳感器倉中間結構的橫向剖面圖。
圖11除了顯示在圖9中的同樣的結構外，還顯示了表面吸附材料8是被處置在一傳感器 次倉的前端位置。表面吸附材料被用來吸附在流體中的分析物。這樣只有流體可以通過處置 在該傳感器次倉中的傳感器電極。
圖12是本發明傳感器儀器系統另一實施方案的示意圖。圖中中央信息站通過網絡與眾 多處在不同地區的當地信息接收站相連接。這樣眾多的處在不同的當地地區的傳感器儀器可 與處在遠處的中央信息站無線信息通訊。
圖13顯示了應用主成分分析法來區分三種分析物的分析物按主成分分佈的分佈圖。分析 中應用了在7個頻率的每個頻率上同時得到的分析物的電阻和電抗數值。而該頻率被任意地 取自於10千周到500千周區間的被掃描過的頻率。
具體實施方法
雖然本發明的具體的實施經參考附圖後會在以下敘述，但是必須明確的是這些具體實施 僅代表本發明精神和目的的許多種具體表現中的少數例子而已。眾多的對這具體實施的變形 和改良對於具有在同一知識領域的人來說是顯而易見的。這些變形和改良都與本發明有聯繫， 因而這些變形和改良都被確認為是包含在本發明申請的權利要求所表達的精神目的和設想之 中。
本發明傳感器儀器系統及方法適用於檢測和鑑別在一區域裡各地區內的在流體中的分析 物。本發明有三個目的。由圖3和圖5所示，第一個目的是遵循了用單一傳感器的發明理念 來設計一具有兩個電極的單一傳感器1。該種傳感器可被用來有效地鑑別在流體中的眾多分 析物。而該種鑑別是通過檢測這些分析物的多種電學性質來達到的，這是因為這些電學性質 與分析物的獨特的物理、化學的特徵，比如介電常數、電負性、極性、或者偶極距有關。
本發明的第一個目的是通過應用交流電頻率對含有分析物的單一傳感器的掃描後再應用 電矢量分析的方法來實現的。實施電頻率的掃描可由用一交流電流的分析儀9連接了含有分 析物的單一傳感器1來完成。這樣本發明就可以在一次測量中得到分析物的相對於眾多掃描
頻率的兩組有關於分析物內在特徵的電學性質，而且能在每一個掃描的頻率上得到這兩種不 同的電學性質。用這樣的結構來測量多種分析物後，再應用一鑑別類型的程序來分析所獲得 的這些分析物的電學性質的數據。這就能識別各分析物電學性質的特殊的類型，其對應了相 應的分析物的特殊類型。然後將每一個分析物的已鑑別的類型，與己知物的類型相比較，從 而可鑑別各分析物。可知，第一個目的體現了本發明的核心技術。
本發明的第二個目的是提供了一種傳感器的結構及傳感的方法。其可被用來消除傳感器 的背景噪聲，包括測試樣品中溼度的影響、應用在單一傳感器中的高分子材料的老化效應、 和由溫度波動所造成的被測分析物的電學性質的波動。 '
由圖4A和4B所示，第二個目的是應用了雙傳感器的結構來達到的。該結構包含有兩個 相同的傳感器l， 一個用作為檢測傳感器2，另一個用作為參照傳感器3。這種雙傳感器的製作可遵循兩種方案，其一是一體化結構的方案13，其二是兩個分離的獨立結構的方案12。本 發明的雙傳感器方案也可用來檢測當分析物是一化學混合物時所得到的一種化合物或多種類 似化合物的電學性質，從而達到鑑別該分析物的目的。這種雙傳感器的方案可特別用來在醫 學診斷時檢測一生物樣品中的一個或多個與器官疾病相關的標誌化合物即生化標誌物。
必須明確的是，應用這種雙傳感器結構的現實性源於本發明的特殊優點具有小體積的 單一傳感器和其能在一次測試中得到兩個系列的分析物的有類型規律的信息。
本發明的第三個目的是在本發明的核心技術中接合了現時已有的無線通訊技術和全球物 理位置定位技術來組成一傳感器儀器系統。該系統是由一中央信息站和與其遠離的分佈在一 區域不同地區的眾多相同的傳感器儀器所組成。每個相同的傳感器儀器包含有一檢測模塊、 一全球地理位置定位接收模塊、和一傳輸數據模塊。該中央信息站與全球信息網絡相連接。 而該網絡也連接了眾多相同的當地信息接收站。該眾多接收站是分佈在與眾多儀器所分佈的 相對應的地區。這樣處在一個地區的傳感器儀器可以將檢測到的分析物的信息及該分析物所 在的地理位置的信息無線傳輸到一對應的地區信息接收站。然後分析物的電學性質的信息協 同分析物的地理位置的信息可以被中央信息站接收後再被鑑別。應用本發明的系統可同時檢 測和鑑別所有處在同一區域裡不同地區的分析物，因而可以得到在該區域內的分析物的瞬時 分佈圖。
本發明的公開包含了兩個部分。第一部分公開了本發明的核心技術即單一傳感器及其 具有的交流頻率掃描和矢量分析方法的工作原理。第二部分公開結合了該核心技術的現有的 無線信息傳輸和全球地理位置定位接收技術後組成的本發明的傳感器儀器系統。
在本發明的傳感器儀器系統及其所包含的方法中，分析物被定義為具有眾多相同分子的 一化合物。該分析物也可被定義為由不同化合物組成的一種特殊的化學混合物。在該種混合 物中，各化合物都具有眾多相同的分子，例如咖啡氣味所代表的那一種混合物。分析物可以 不具有氣味，為象氫氣。又如象工業製成的用作為煤氣的可燃氣體的混合物，而且在該種混 合物中不被添加有氣味的氣體。分析物也可有氣味。如象化合物醋酸，或者象是含有氣味的 汙水。 一分析物群是指所分析的眾多的不同的化合物，或眾多的不同的化學混合物。該分析 物或分析物群可以是氣態的或者是液態的。
大致上與本發明研究感興趣的分析物群可以來源於下述的種種含有違禁物的材料(包 含有例如大麻)，與環境保護有關的(包含有例如監視空氣、水、和土壤的汙染物，象是在地 表空氣中含有的臭氧)，與醫護包括醫療診斷有關的(比如包含有口腔氣味在內的生物樣品)， 與科學研究包括太空研究興趣有關的(比如象研究宇宙飛船中空氣的品質)，與各工業的興趣
有關的，包括食品工業(如包含有對肉類、魚類新鮮程度的檢測)，飲料工業(比如包含有對 檸檬飲料的氣味檢測)，農業工業(比如包含有對水果的成熟度的檢測)，化學工業(比如包 含有對氯化氫氣體生產的監控)，石油工業(比如包含有對可燃氣體洩漏的檢測)，塑料工業 (比如包含有對生產過程和產品質量的控制)，建築工業(比如包含有對新建住宅內的空氣品 質的監控)，醫藥工業(比如包含有新醫藥的研發)，汽車工業(比如包含有對潤滑油和各種 液體的監視)，生化工業(比如包含有通過酶催化反應的生化物品的合成)，和運輸工業(比 如包含有對排放的廢氣的監控)，與日常生活有關的，比如包括有香水、化妝品、酒、和香料， 為安全所考量的(比如包含有爆炸物、縱火、以及洩露在路面上的液體的調査)，和與軍事有 關的(比如用作為武器的化學物品)。
在本文中的流體是指氣態的或者液態的背景化合物，其不是研究的興趣所在。流體是用 來寄宿分析物或分析物群。在一純的狀態下分析物本身可作為流體。當分析物和流體混合成 一體的狀態時，流體可以是一種化合物，或是一種化學混合物。例如，在研究空氣汙染物時， 本身是化學混合物的空氣是作為流體來寄宿多種氣態汙染物。又如在氣相色譜中，作為運載 氣體的氫氣、或氦氣、或者氮氣是作為流體來運送被分離了的在氣相色譜柱中的多種化合物。 ^多種化合物組成了最初的被注入色譜柱中的作為分析物的一化學混合物。流體群是指眾多不同的化合物，或者眾多不同的化學混合物。例如在研究眾多病員的由 牙齒疾病所引起的口臭時，硫化氫作為一種生化標誌物是研究興趣所在的分析物。其對眾多 病員的口臭來說是共同的。顯然除了硫化氫標誌氣體外，病員的口腔氣體內還有其他的不是 研究興趣的氣體。該些氣體即為流體。然而該種流體的組成因不同的病員而異。例如在流體 中有由病員呼吸造成的二氧化碳氣體和未消耗的氧氣。他們所對應的百分比是與其對應的病 員的健康情況包括肺的功能和血液系統的功能有關。這樣所有病員的檢測到的口腔氣體的樣 本，有相同的標誌氣體和不同樣的流體。在這種情況下，就引成了本公開的一種樣品組，可 稱之為在流體群中的一種分析物。
按照上述的例子類推，在研究眾多病員的患有眾多不同器官疾病如肺炎、腎炎、和腸炎 的口腔氣體樣本時，這種樣本包含有在眾多不同流體中的不同的與研究有關的標誌氣體。這 種情形稱之為在流體群中的分析物群。 '
與上述的情形相反，有另一種樣本組為在一流體中的分析物群。例如一相同的運載氣 體(或液體)作為連續的流體來容納不同的化合物。這些化合物是在氣相(或液相)色譜的 分離過程中由一最初的分析物，即一化學混合物分離而成。必須理解的是，在色譜過程中產 生的在一流體中的分析物群的樣本是一個特殊的案例。正是由於色譜的分離過程分離了在該 混合物中的眾多不同的化合物，使得這些化合物序列性地、相間地容納在色譜柱中的一相同 的流體中。另一樣本是從一區域的空氣汙染案例而來。在這個案例中，在整個區域裡的同樣 的空氣中容納了對應於在區域裡不同地區內的不同的汙染物。
然而必須理解，作為總體來說，有在流體群中的分析物群、在單一流體中的分析物群、 和在流體群中的單一分析物的樣品組的區分，但是不管是何種樣品組，在檢測過程的序列性 的步驟中，每一樣品必須是單獨地被傳感器儀器所檢測。所以，在一測試的瞬間，總是存在 一種流體中的一個分析物的情形。
眾所周知，化合物具有與其相對應的特徵的介電常數。各化合物又包含有多種化學元素。 而各種元素具有對應的特徵的電負性。另外，在分子水平上每個化合物具有獨特的分子結構、 大小、重量、包括對稱性在內的形狀、和偶極距。這些要素決定了作為分析物的每個化合物 的物理和化學的特徵。同時也就影響了每個化合物或化學混合物在與傳感器電極相作用時的 吸附和解吸的過程。
當這些分析物在被由有一個頻率的一交流電信號所激發時，他們的物理和化學的特徵可 以用一些交流電學性質來描述比如電流、電壓、電阻抗Z和其包括的相敏元素電抗X、
電阻R、和相位e (這裡粗休表示為矢量)。這個交流激發信號是指一具有正弦波形的交流電 壓或電流。
由圖5可知、這些交流電學性質可由應用一電阻抗分析儀器或者其他已知交流電流的分 析儀9連接單一傳感器1來得到。該單一傳感器具有最簡單的形式，即是一對金屬導體作為 一對空間電極，或者一對金屬板作為一空間電容。該對電極也可被放置在陶瓷基板上或矽基 質上形成相應的厚膜電極或薄膜電極。當一流體中的一分析物是放置在、或者通過單一傳感 器的兩電極間，或電容的兩電極板間時，就可檢測到分析物的交流電學性質。
在複數體系裡，電阻抗可以被描述為
Z = R + X [2]
相位e可以由電阻R和電抗x的數值來計算得到。
本發明傳感器的電抗X結合了容抗Xc和感抗XL。他們可分別被描述為
Xc= j (-1/2 it f C) [3] XL = j (2nf L) [4] 其中C是電容，其正比於處在兩電極間一介質的介電常數。L是電極的電感。對於應用 在本發明中的短的電極來說，電容的數值是遠大於電感。所以電抗基本上呈現容抗性。這樣、 3抗是容抗的一個好的近似表示。如果在電極間有在一流體中的一分析物時，電抗為X(2)。如果在電極間只有該流體時， 電抗為X (1)，則他們的差值AX為
△X = X (2) - X (1 ) [5] 其是電抗的改變，是緣於處置在電極之間的分析物的貢獻。
因為分析物在電極間的電容是由其介電常數所決定，和容抗是電抗的主要貢獻者的緣故， 所以電抗可以被用來檢測和鑑別該分析物。這意味著電抗提供了每一化合物或化合混合物的 指紋式的信息。在一次測量中，如應用了改變交流信號的頻率的方法，本發明就能構築一電 抗譜圖來記錄在每一個頻率上該分析物的內在的化學特徵。這樣該電抗譜圖就包含了一系列 該分析物的有類型規律的交流電學性質。
眾所周知、分析物可通過化學吸附和物理吸附的機理被吸附在測試器件的表面。這種機 理導致了複雜的分析物的擴散過程和分析物在器件表面上的動力學。或者由分析物影響了的 器件的表面電阻，所以該電阻是結合了分析物的顯著的分子特徵。例如將金屬氧化物薄膜傳 感器暴露在揮發性的有機化合物中時，包括那些富有氫和氧元素的化合物顯著地改變了該傳 感器的電導率(見納格爾和貝爾特斯文章)。
因為分析物的每一個化學元素，諸如氧、氫、氮、和碳元素，都有它所確定的電負性的 數值，因爾促成了該分析物的極性或者偶極距。這樣電導率(電阻率)改變的實驗事實提示 了電阻可以被用來記錄這種如極性或偶極距的分析物內在的化學特質。
在上述的應用本發明的一次測量中，除了得到的一系列的分析物的電抗信息外，另外的 一系列的分析物的電阻的信息也是同時可以得到的。這樣、相比於電抗改變的形式，在每一 頻率上電阻的改變AR可以確認為
△R = R (2) - R (1) [6] 其中R (1)是流體中不含有任何分析物時的傳感器的電阻。R (2)是流體中含有分析物時的 傳感器電阻。可知電阻的改變是緣於分析物的貢獻。
比較一分析物的電阻和電抗對電阻抗貢獻的大小，可知電抗在電阻抗中佔主導的地位。 這是因為在無水狀態下，流體中的分析物是不導電的，因而電阻抗矢量偏向電抗的量綱軸。 其次，相位角e可以由電阻R和電抗X計算而得到，也就可得到相位的改變和電阻抗的改變。 這樣結合了在每一頻率上電阻改變AR和電抗改變厶X的信息，或者它們之一與相位改變A 6 的信息，或者電阻抗的改變，就可以構建成一曲線圖。其中包含了相對於掃描過的眾多頻率 的電阻的改變、電抗的改變、相位的改變、或者電阻抗的改變所對應的曲線。該每一曲線顯 示了分析物的獨特的內在的化學的特質。
在一通常的分析該曲線的研究中，可先研究該記錄了分析物特質的曲線，包括與在數據 庫裡已有的已知分析物的曲線相比較。這樣、分析物電學性質與已知樣品的相似性、或不相 似性、或類型大概可以通過這種直接分析曲線特徵的途經而被鑑別。
沿用上述的程序眾多的分析物可被一一檢測。這樣就得到了眾多的對應每一分析物的有 類型規律的交流電學性質的曲線圖。
除了上述的繪製的曲線，其作為對分析物有類型規律的電學性質的一種連續型表達的方 式外，也有對該性質的離散型表達的方式。如用構建該分析物特徵電學性質的矩陣來表達的 方式。
這種矩陣有偶數的豎欄。相鄰的每兩個豎欄被用來填入在同一頻率上得到的分析物的相 應的電學性質，比如電阻和電抗。在這種結構下，該矩陣最多的豎欄數是兩倍於掃描的頻率 的數目(査分析儀器有關於記錄的掃描頻率數目的技術規定)；或者這種豎欄的數目可以由從 掃描過的頻率中隨機取出的頻率的數目來決定；或者可由選取的特定的頻率的數目來決定。 該矩陣的一橫欄是用來填入相對於在所選擇的頻率上每一分析物被檢測到的電學性質。顯然、 同一分析物在一次實驗中可以被多次重複地測量。這樣在矩陣中就有對應該分析物多次被測 量的多個橫欄。根據上述的步驟，可以建立一個包括了眾多分析物電學性質的矩陣。如假設每個分析物 僅被測量一次的話，該矩陣的每一個橫欄代表了每一個分析物相對於所選擇頻率的電學性質。
因為分析物的交流電學性質的改變與掃描頻率的關係呈非線性，所以登錄在上述矩陣中 的被測分析物的特徵的電學性質改變的差異，可以應用眾多的分析法包括了多變量元素分析 法(Multivariate)來分析，該類多變量元素分析法包含了類型鑑別的分析法。應用了上述 的包括類型鑑別在內的分析法來對列有眾多分析物電學性質的矩陣來分析的話，各種分析物 的特徵包括他們的類型可以容易地被鑑別出來。這種容易性是相比與上述的企圖通過直觀比 較各種分析物所對應曲線而得出他們所對應的類型的困難性而言。
這樣，再將得到的一分析物的電學性質的類型與在已建成資料庫中的眾多已知物的電學 性質的類型相比較，該分析物就可以被鑑別出來。
可以理解的是，雖然本發明優選的掃描頻率的區間在10千周和1兆周之間，但是按照本 發明的精神和目的，其他的不同於該優選頻率的頻率也可以被應用。然而應用該優選的頻率， 不但能鑑別分析物而且還增加了在儀器設計和實際應用時的便利性。
在本發明傳感器的設計中，不需要規定應用導電高分子薄膜或其他導電吸附材料來檢測 或鑑別含有足夠濃度的眾多分析物。這是因為交流電的激勵信號能在真空內傳播，所以其能 跨越兩電極間不存在導電物質的空域。本發明的這種結構十分適合於被用來作為包括氣相色 譜和液相色譜的檢測器和檢測方法。這是因為在混^tl裡的各個化合物是在色譜的分離作用 下，在色譜柱裡逐漸被一一分離和濃縮，因而就創造了各個化合物可以被各自地檢測出來的 基本因素。這樣本發明新的檢測器和方法不僅在應用單一頻率之後可以提供分析物的數量多 少的信息，而且在應用了多個掃描頻率之後可以提供鑑別是何種分析物的信息。另外，應用 這種檢測器和檢測方法在檢測樣品時不會損壞樣品，這是本發明的又一優點。
由圖6可知，因為交流電信號可以在真空中傳播，所以本發明可以使用任何一種導電的 或不導電的吸附或吸收材料8。通過濃縮或選擇性地濃縮在流體中含量稀少的分析物的步驟 之後再來檢測該分析物。因為這種特質，使得本發明可以利用眾多的現有的、和發展完善的 技術來濃縮和有選擇性地濃縮在分析物中的化學標誌物或標誌物群，從而來達到傳感器的高 靈敏度和選擇性。
這一類技術通常涉及應用高分子材料薄膜、高分子材料和無機材料的複合材料、含有鉑 金屬類金屬顆粒的複合材料、應用在氣相吸附色譜中作為固定相部分的固體無機材料、和應 用在氣相分配式色譜中用來製作填充式色譜柱和毛細管式的色譜柱中的固定相部分的高分子 材料。
例如氫氣是應用在眾多工業中的一種重要的氣體。為了完全使用氫氣起見，檢測和鑑別 氫氣尤為關鍵。為此本發明可以應用含有鈀金屬微粒和由有機、或無機填充材料組成的複合 材料來有選擇性地濃縮氫氣後，再來對其測量的方法。這個設計利用了氫在金屬鈀中有極大 的溶解度的特徵，如金屬鈀可以吸收容納高達九百倍於自身體積的氫氣(化學和物理手冊 Hand Book of Chemistry and Physics, CPC出版社，第24版，第4-12頁，1993年到1994 年版)。因為這緣故，鈀金屬通常被稱之為"氫的陷阱"。又因為對分析物的檢測不會受到吸 附材料是否導電的限制，所以本發明有極大的靈活性，即可根據在流體中氫氣的不同濃度來 決定在複合吸附材料中含有鈀顆粒的比例，包括了顆粒的形狀。通過攔截了在流體中的氫氣 之後來檢測在流體中的氫氣。
此外，金屬鈀是鉑金屬組中的金屬之一。鉬金屬組由釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑組成。他 們具有相類似的包括對氫氣的溶解度在內的物理和化學的性質(化學和物理手冊，第24版，
4-15頁到4-12頁)。這樣，在鉑金屬組中的每一種金屬都是適宜的和可被應用到本發明之中。 氣相吸附色譜應用固體顆粒作為固定相材料來選擇性地吸附各種氣體。固體顆粒包括了 眾多的不同的固體無機材料。其中最為普遍的是分子篩、矽膠、氧化鋁、玻璃、多孔狀的碳 狡、和碳酸鈣。另外，氟化的碳顆粒也是合適的，諸如四氟化乙烯高分子材料顆粒(闡述此類材料的上述應用隨處可見，包括波爾和波爾Poole， C.F. andPoole， S. K.;今日色譜-Chromatography Today， 199頁到209頁，艾爾塞維爾科學出版社Elsevier Scientific Publisher, 1991年和其中引用的文獻)。
例如分子篩是一種含有精確尺寸和均勻分布微孔的材料。在分子篩製作過程中可控制生 成該種微孔。分子篩已被廣為認知並應用於吸附氣體和液體。分子篩與被吸附物之間有強的 物理作用。其可根據分析物分子的大小、構形、極性、和不飽和性來分離分析物。例如分子 篩易於吸附一氧化碳而勝過於吸附氦氣，和能擇優吸附包含有氧、硫、氯、和氮元素的極性 分子或者不對稱的分子。分子篩可有效地吸附及保留水和二氧化碳，並捕獲諸如乙烯和丙烯 的不飽和烴類化合物。
在氣相解析色譜的分離過程中， 一混和物中的各化合物的分離是根據各化合物的蒸氣壓 和其與用作為色譜柱中的固定相的高分子材料之間的選擇性的作用來進行的。在填充式色譜
柱中，該固定相材料被覆蓋在固體充填顆粒的表面。在毛細管式的色譜柱中，該固定相材料 是塗在中空毛細管柱的內表面。
如要在分子作用的程度上來理解上述的選擇性作用的話，該種作用是建築在作為分析物 的各化合物與固定相材料之間的分子間的作用之上，比如色散力、誘導力、取向力和在施主 和受主之間的作用力。為了幫助理解上述的作用過程， 一 "相象而相溶"的比喻大約是有助 於來理解這種分子間作用的結果。選擇性是這種相互作用的結果之一，其源於某類化合物和 色譜柱固定相材料的相似性而造成。例如極性對於化合物來講是一個特徵的性質。其可被用 來描述這種相象性極性的化合物傾向於極性的用於色譜柱的固定相材料；而非極性的化合 物趨向於非極性的固定相材料。
根據上述的用比喻來表示的原則，可以使用一種固定相材料而達到有選擇性地分溶某類 化合物的目的。該固定相的極性是接近或者匹配對應的化合物的極性。比如聚合矽氧烷是一 種非極性高分子材料。其被最廣泛地用作為色譜柱固定相的基質材料。這是因為它的化學結 構易於被衍生反應而改變，例如被甲基、乙烯基、苯基、雙苯基、3， 3， 3 -三氟化丙基、 二一氰乙基、或者一氰丙基所改變。從而導之改變聚合矽氧烷的極性從非極性到極性。該 種衍生反應是眾所周知的(波爾和波爾，今日色譜，第二章，和其中所引用的參考文獻；西 佛Hyver，編緝;，桑爵Sandra,應邀作者；高解析度氣相色譜儀High Resolution Chromatography, '2-1頁到2-16頁，第三稿，西來特-潘卡特公司Hewlett-Packard, 1989 年，和其中引用的參考文獻)。這樣就極性的相似性來說，經由特定的衍生反應而改變了極性 的聚合矽氧烷高分子可適用於相應的許多類型的化合物。
以下是眾所周知的矽氧垸聚合物的種種衍生物，其常被應用來選擇性地分溶在流體中的 各類化合物。
1、 含有lO(m雙甲基聚合矽氧垸，用於眾多分析物，包括溶劑、石化製品燃料、油類、 碳氫化合物、藥物、調味物、香料、含硫化合物、和氯化的雙苯基聚合物。
2、 含有5%雙苯基和95%甲基、或者含有35%雙苯基和65%甲基、或者含有14%氰丙基和 86%甲基的的聚合矽氧垸，用於分析分析物包括農藥類、芳香烴的碳氫化合物、多重氯化的聯 苯、飽和氧化合物、胺類化合物、芳香類油、醫藥類化合物、對環境有影響的化合物、和含 氮元素的包括除草劑在內的化合物。
3、 含有20%雙苯基和80%雙甲基的聚合矽氧烷，用於檢測分析物包括有調味功效的芳香
類化合物和含酒精的飲料類化合物。
4、 含有50%苯基和50%甲基或者三氟化丙基甲基的聚合矽氧垸，用於檢測分析物包括對 環境有影響的化合物、溶劑、酮類化合物、毒品類化合物、類固醇、和含滷素的化合物。
5、 含有65%的雙苯基和35%的雙甲基的聚合矽氧垸，用於檢測分析物包括有苯酚類化合
物和脂肪酸類化合物。
6、 含有50%氰基丙基甲基和50%苯基甲基的聚合矽氧垸，用於檢測分析物包括碳水化合物和天然類固醇類化合物。
必須指出的是，以上闡述的衍生的矽氧烷高分子聚合物可以選擇性地與多種包括胺類化 合物在內的目標化合物相作用。而胺類包括衍生的胺類化合物在眾多研究者的為診斷多種疾 病的研究報告中是作為在病員的病理樣品包括口腔氣味樣品中所公認的生化標誌物。上述的 部分的研究結果己被列舉在劉易斯的333專利中。為縮短本發明公開的篇幅，現將該些列舉 的研究結果全部合併在本發明的公開中。
除了上述的矽氧烷高分子聚合物以及其衍生物，間位聯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類的聚合乙醇、和液態有機鹽都是在氣相色譜裡常用的聚 合物。其被用來與其極性相仿的化合物相作用。例如聚合甘醇是極性的固定相，其可被用來 分析酸、酒精、乙醛、丙烯酸鹽、酮化物、芳香性油料、二醇、和溶劑類化合物。液態有機 鹽也是極性的，通常由有機銨或者有機磷正離子與親質子的負離子配對組成。該種離子比如 是硫酸鹽根，或者是無機鹽的負離子，象是滷素離子和硝酸鹽根離子。液態有機鹽的例子有 如四丁基硫酸銨和四丁基硝酸磷(波爾和波爾，今日色譜，114頁到118頁，和其中引用的 文獻；西佛和桑爵，高解析度氣相色譜儀，2-9頁)。
包括上述的高分子材料在內的高分子聚合物被應用在填充式色譜柱時是被塗在固體支持 顆粒的外表面，或被應用在空心毛細管色譜柱時是被塗在空心管柱的內表面。然而、在實施 塗層步驟之前，對固體支持顆粒表面或對空心色譜柱內表面的去極性是一個通常的眾所周知 的步驟。實施該步驟是為了保持或者加強被塗物體表面對高分子材料的浸潤性，從而可取的 均勻的表面塗層。
一般而言，去極性是將固體表面的矽醇經化學反應轉化成矽醚。這種化學反應應用了雙 甲基雙氯化矽烷(DMCS)、 [二甲基-(三甲基甲矽烷基氨基)甲矽烷基]甲垸 (hexamethyldisilazane)、三甲基氯化矽烷(TMCS)、或者由上述的化學試劑組合而成、或 者還可使用十八環雙甲基氯化矽烷(octadecyldimethylchlorosilane)、(玻爾和波爾，今日 色譜)。
在氣相色譜柱的製作中，對固體支持顆粒表面和空心毛細管柱內表面的改性而形成與高 分子材料化學鍵的連接也是常用的手段。 一種方案是涉及單官能團或多官能團的烷基或環狀 矽垸試劑與單質矽或者硅藻土的支持顆粒的表面，或者熔融石英製成的空心色譜柱內表面的 化學反應。在反應中高分子聚合物的連接可能通過同時形成矽烷鍵和高分子聚合反應的化學 鍵來產生高分子聚合物與固體支持顆粒的表面或色譜柱內表面的牢固的化學鍵的連接。
另一種方案是對己被塗有高分子材料的支持顆粒的表面或色譜柱的內表面應用了由過氧 化物或臭氧誘發的自由基產生的交聯聚合反應而形成固定的矽氧烷聚合物。例如製作中等極 性的矽氧烷聚合物是應用了含有不同數量的乙烯基、甲苯基、辛基的矽氧烷而增進形成了交 聯的聚合物(波爾和波爾，今日色譜，122頁到127頁，132頁到152頁)。
這樣本發明可以應用上述的成功的現有技術來處理由陶瓷基板或者矽基質組成的相應的 單一傳感器的厚膜或薄膜電極板表面，或者用在空間電極上的固體支持顆粒的表面，來取得 一致的高分子薄膜的塗層。
應用單一傳感器和交流電頻率掃描的技術，本發明不但能夠得到分析物的具有類型特徵
的電學性質，而且能在傳感器設計中取得包括小尺寸的傳感器和傳感器倉在內的與眾不同的 優點。而這種小尺寸的傳感器和傳感器倉使得本發明實際上在傳感器生產中，特別是在製造 由電池電能驅動的掌上型電子鼻儀器時，能應用雙傳感器的結構。
在雙傳感器結構方案中，本發明應用了兩個相同的傳感器，其中一個用作為檢測傳感器, 另一個用作為參照傳感器。當背景噪聲，比如象溼度之類影響到檢測傳感器的工作性能時， 帶有背景噪聲的處在流體中的一分析物由檢測傳感器來檢測，而帶有背景噪聲的流體由參照 傳感器來檢測。然後再通過由檢測傳感器得到的電學性質減去由參照傳感器得到電學性質的 處理，背景噪聲包括溼度的影響就能被排除。這樣就保證了不會得到含有背景噪聲的錯誤的雙傳感器的應用之一特別有利於對病人的即時式的醫療診斷，比如象是對病人的耳中和 口腔疾病的診斷。在該類診斷中，由引起疾病的細菌所產生的特徵氣體混合物，即是電子鼻 儀器的分析物，被口腔呼吸氣體樣本中的溼度所掩蓋，這是因為造成溼度的水分的濃度通常 是顯著地大於分析物的濃度。應用了本發明的雙傳感器結構就能在檢測口腔氣體樣本時去除 溼度對分析物的影響。
在檢測病員口腔氣體樣本中應用包含有消除溼度效應的雙傳感器結構，本發明還可以通 過有選擇性地檢測與眾多疾病有對應關係的作為相應的生化目標物的氣態化合物，或化合物 群即生化目標物群來快速有效地診斷疾病。應用這種醫療診斷的戰略是在於建立生化目標物 (群)與相關疾病的對應關係。在這種研究中，分析物通常是一化學混合物。在該混合物的 眾多化合物中，包含有一個和多個生化目標物即生化目標物群。應用雙傳感器策略在檢測生 化目標物(群)時，可用檢測傳感器去檢測帶有背景噪聲的在流體中的一分析物的樣本。另 外用參照傳感器去檢測帶有同樣背景噪聲的被包含在流體中的分析物，但此時分析物中不含 有該生化目標物(群)。這是在參照傳感器前利用了合適的吸附材料來有選擇地欄截了該生化 目標物(群)而造成的(見圖IO)。這種欄截是在參照傳感器檢測之前完成的。然後將檢測 傳感器得到的電學性質減去在參照傳感器上得到電學性質，就可以得到該生化目標物(群) 的電學性質。
以下列舉了用於醫學診斷的與已知器宮疾病相對應的生化目標物-
(1) 對應於腎和肝疾病的甲基胺。見2008年2月25日"生化藥物"BioMed的新聞報 道的美國國家標準和技術研究所和在美國波特市(Boulder)的科羅拉多大學的研究人員的研 究結果。"生化藥物"是一家在網際網路上的在線機構。
(2) 與腎臟敗壞有關的銨和三甲基胺。其被分別報導在"生化藥物"，和"化學和工程新 聞"Chemical & Engineering News有關於2004年在美國匹茨堡舉行的匹茨堡世界分析和 光譜化學年會的專題介紹的期刊上。
(3) 與糖尿病有關的丙酮。被分別報導在"生化醫藥"，和在2008年1月出版的"現代 科學"Current Science,第94巻，第2號。
(4) 與呼吸系統疾病包括哮喘和肺病有關的一氧化氮。被報導在"生化醫藥"，和周易 Choi等人報導在"為護理的生物研究"Biological Research for Nursing,第七巻，第4 號，241頁到255頁，2006年，和佛瑪尼克Formanek等人報導在"呼吸系統"Respiratory Journal, 2002年，19期，487頁到491頁。
(5) 與血尿氮疾病有關的銨。由那拉西姆哈Narasimhan等人發表在美國國家科學院學 報PNAS上，2001年4月10日，第98巻，第8號，4917頁到4921頁。
(6) 與腸炎有關的戊烷。由科哈撒卡Kohoszka等人發表在"腸疾病"Diseases of the Colon & Rectum,第36巻，第6號，597頁到602頁，1993年6月。
(7) 與肺氣泡纖維化cystirfibrosis有關的硫化羰。由加州大學歐訪分校UC， Irvine 的新聞室報刊報導，2005年10月17日。該研究結果也被報導在美國國家科學院的網上簡報 中，2005年]0月。
(8) 與膽固醇疾病有關的異戊二稀。由傑可畢Jacoby在"化學和工程新聞"上對2004 年匹茨堡年會的報導。
(9) 與肺癌有關的六碳烷、甲基五碳垸、和包括對位甲苯胺在內的苯胺。由歐尼爾-
0, Neil等人報導在"醫療診所化學":Clinical Chemistry, 34期，1988年，第1613頁。 同時，已有報導對一些生化目標物的生理學的基礎。例如乙醛是乙醇代謝的產物；乙醯 乙酸鹽的脫羧反應產生了丙酮；蛋白質的代謝導致了氨的產生；由血紅素氧酶催化的反應產> 生了一氧化碳；硫化羰、硫化二羰、乙醇、氫氣、和甲烷是腸內細菌的產物；類脂物的過氧 化反應產生了乙烷和戊烷；類脂化合物的代謝產物為碳氫化合物；異戊二稀來源於膽固醇的生物合成；甲硫醇是甲硫醇代謝的產物；水果的代謝產生了甲醇；甲胺來源於蛋白質的代謝; 和一氧化氮來源於由一氧化氮生物合成所催化的生成反應(李斯比Risby， T.H.;蘇爾格 Solga， S.F.;應用物理B: Appl. Phys. B，第85巻，421頁到426頁，2006年)。
另外多種生化目標物己經用於醫療診所的化驗。例如乙酸酯、糖基醯脲用來檢測歐陸塞 卡爾效應orocecal的轉變時間；氨基芘、咖啡因、紅黴素、N-乙醯甲氧基苯胺、和半乳 糖等用來測試肝功能；葡萄糖用來檢測阻礙產生胰島素的程度；酮異乙酸和甲硫氨酸作為檢 測肝線粒體的功能；二油酸甘油酯作為檢測脂肪的吸收障礙；尿嘧啶用來測試二氫嘧啶脫氧 氫酶的活性；和尿素作為捕如裡H. Pylori炎症的測試(李斯比和蘇爾格)。
必須明確的是，生化目標物同時存在在病患的尿液、糞便、血清、血液、和唾液樣品中。 這樣本發明包括雙傳感器的策略也可以被用來檢測這些樣品所散發出來的氣體而達到醫療診 斷的目的。
口腔氣體樣品最近有報導被用來診斷乳房癌(艾爾佛拉茲Alvarez,美國福克斯新聞 Fox News, 2008年2月28日報導的密執安大學的研究結果；杜撲遜Dobson，英國的"在 線郵件"Mail Online網際網路企業，2008年6月5日報導的倫敦帝國學院的結果)。
除了被用於醫療診斷以外，口腔呼吸氣體樣品也被用來監控在手術中病員體內的麻醉劑 含量。這是鑑於曾經發現在口腔氣體樣品中存有麻醉劑丙泊酚Propofol和與其有關的兩個 代謝物(哈裡森等人Harrison, G. R.;英國麻醉學會期刊British Journal of Anaesthesia, 2003年第91巻，第6號，797頁到799頁)。
在醫療診斷領域內，如何利用人類的體味也是一個備受關注的課題。例如從個別人的一 種特殊的表皮的味道經檢測後發現存有化合物塞切族佛瑞尼亞Schizophrenia(史密斯等人 Smith, K.;科學Science, 969， 166期，398頁)。所以目前由應用電子鼻儀器對皮膚氣 味的研究已包括了對該化合物的檢測(地那特兒等人Di Natale， C.;傳感器和傳動結構 B: Sensors and Actuators B， 2000年，第65號，216頁)。
此外，收集氣態樣品的方法和裝置也早己被認知(嘎特耐等人Gardiner,童孩時期的 疾病Archives of Disease in Childhood, 1981年，56， 125頁到127頁)。這樣本發明也 就可以被用來研究人體體味。在研究中可使用隨機檢測到的，或者檢測已經被收集到的病員 身體氣味的樣本。包括那些從人體的腳部、腋下、和大腿根部收集到的體味的樣本，這是因 為細菌最有可能在那些部位集結而導致疾病的產生。
在應用雙傳感器的結構來校正背景噪聲的影響中，除了溼度之外，本發明還可以用來補 償其他的背景噪聲。諸如高分子薄膜的老化效應和由溫度波動而造成的電學性質波動。這樣 就保證了檢測分析物的電學性質的準確性和精確性。
分析物的吸附和解吸過程會受到溫度的影響。在氣相色譜中，經常採用溫度控制的程序， 包括溫度梯度的控制程序來有效地分離一化學混合物中的各種化合物。因為本發明的單一傳 感器和其所對應的傳感器倉所具有的小的體積，這就導致了所需少的電能消耗來控制對包括 傳感器和分析物在內的傳感器倉的溫度。這樣本發明也就實際上可以應用溫度控制的程序， 包括溫度梯度的控制程序來控制分析物與傳感器電極作用過程中的吸附和解吸過程。這種溫 度控制特別有利於由應用本發明而製作的、由電池供電的掌上攜帶式的電子鼻儀器。在使用 了上述的溫度控制的程序之後，本發明有可能來充分地展示分析物的內在的化學特質而達到 對分析物的高品質的檢測和鑑別。
由於有上述的種種特點，本發明可以設計和發展成具有體積小、成本低、和便利的攜帶 性的傳感器。作為一個例子，在設計電子鼻儀器時，由於特別是因為低的傳感器製作成本的 原因，所以本發明的單一傳感器是十分適合於用來製作一次性使用的傳感器。
實例
以下公開的是有關於本發明的的核心技術即應用交流電頻率掃描和矢量分析的工作原理 的單一傳感器的例子和實驗情況。提供該實例僅僅是用作為對本發明的闡述，而不作為對本發明的限制和約束。
作為最簡單傳感器的一對電極是用純金的園型線材來製作的。該電極長12毫米，電極間 距約為1毫米。用標準的同軸電纜來連接該電極和一交流電流分析儀器，比如艾杰倫4294電 阻抗儀Agilent 4294A (艾杰倫公司Agilent ;美國加州保羅奧爾多市Palo Alto)。在 測試樣品前，先對該電極進行電學標定。在測試電阻抗時應用了交流電頻率掃描和矢量分析 的方法，從而在每一個被掃描的頻率上，可以同時得到電阻抗和相位、或電抗和電阻等不同 組合的兩種電學性質。
在第一個實驗中應用了 10千周到500千周區間的頻率掃描。在第二個實驗中使用了 500 千周到l兆周區間的頻率掃描。五種不同的化合物被用來作為相應的分析物，包括丙酮、醋 酸、正六碳烷、甲苯和水，而室內的空氣是作為他們的載體即本文所指的流體。在第一個實 驗中，每一種化合物是交體地被測試了六次。在實施上述的測試中，每一種化合物被封裝到 六個小的玻璃樣品瓶中，直至該瓶被一半充滿時為至。除了用在測試之時，該樣品是處在密 封的狀態。
在測試每一樣品之前，首先測試室內的空氣即流體，並記錄它的電阻抗、電抗和電阻等 電學性質。並用他們作為參照數值。在測試樣品時，打開一容納該樣品的試樣瓶，然後把該 電極伸進瓶中直至電極前端接近該化學樣品的液面為止。此時並用一棉花球來塞住電纜和瓶 口相交集的空間，來防止在瓶中的該化合物氣體濃度的波動。在測試樣品氣體的電學性質前， 又用十秒鐘作為等待的時間。樣品被測試完畢後，立即將該樣品瓶從電極移開，並被重新封 蓋上瓶蓋。該被測試過的樣品在實驗中不再被重複使用。
在下一次樣品測試之前，該傳感器電極被暴露在室內空氣中大約十分鐘。測試這些化合 物的順序為甲苯、丙酮、正六碳烷、水、和醋酸。用這樣的順序為第二個以及後續回合的測 試，直至完成全部六個回合的測試。
在數據分析時，該傳感器電極對每一被測試分析物的一種電學性質的改變可由以下的公 式給出。其代表了該被測化合物的在該電頻率下的電學性質。
電學性質的改變=樣品的電學性質-空氣的電學性質 [7]
收集相應的化合物在不同頻率下所得到的電學性質改變的數據，並由此來構築一原始數 據的矩陣。而這些收集的頻率是任意地取自於所有的被掃描過的頻率。
在矩陣中每兩個相鄰的豎欄的數據代表了在一個選出頻率上的一化合物電阻的改變和電 抗的改變(或可用電阻抗的改變和相位的改變)。在矩陣中的每一橫行的數據代表該被測化合 物經一次測試後在所有被選出頻率上的相應的電學性質的改變。而所有的橫行代表了在實驗 中所有的被重複測試的樣品的電學性質數據。再由應用主成分分析法來分析在這矩陣中的數 據，該分析是應用儲存在一個人用計算機中的應用軟體來實現的。
圖1顯示了應用主成分分析法的結果。其是對上述五種的化合物醋酸、丙酮、正六碳 烷、甲苯、和水在任意取出的七個掃描過的頻率IO、 20、 50、 100、 200、 300和500千周的 每一頻率上得到的所對應的電阻和電抗分析的結果。在應用了主成分分析法之後，眾化合物 的電學性質的類型是被區分了，並按照計算得到的兩主成分Fl和F2的正交的數軸而排列。 必須指出的是在應用主成分分析法來分析在矩陣中的電抗和電阻數據前，該些數據先經過了 歸一化處理。
從圖1可以清楚地看到，對同一種化合物重複測試六次得到的電學性質分析的結果是集 結在主成分Fl和F2所決定的平面上的一特定區域，而五種不同的化合物是相間地被處置在 F1和F2所決定平面上的相應的不同區域。或者說，在主成分分析法的分析之下，五種化合 物體現了他們分佈在第一和第二主成分決定平面上的一種類型特徵。由第一和第二主成分來 描述的結果顯示了眾化合物可以被用與他們相關的電學性質來被識別。該種電學性質包括了 掃描頻率區間在10千周到500千周之間的、在每一個頻率上得到的包括諸如象電阻抗和其相 位敏感的組成電抗和電阻。圖2顯示了第二個實驗的運用了主成分分析法而得到區分眾化合物的結果。其是對上述 相同的化合物在被頻率掃描過後，在被任意取出的頻率502、 550、 600、 651、 700、 750、 801、 850、 901、 949和1000千周的每一個頻率上得到的對應的電阻和電抗分析的結果。第二個實 驗重複了在第一個實驗中所述的步驟，不同的僅是每個化合物只被交替地重複測試三次。在 應用主成分分析法的數據處理時，在矩陣中化合物的電阻和電抗的原始數據是經歸一化處理 後再被作類型區別的分析。實驗結果顯示了電阻抗及其相敏感組份可以被用來識別相應的化 合物。這是根據五種不同化合物有特徵地被分佈在由第一和第二主成分所決定平面上的不同 的區域的一種類型來判斷的。
第三個實驗檢測了三種分析物丙酮、甲苯、和一種酒精含量約為44%的白酒。該實驗 的情況同上述實驗的基本相符。所不同的在於(1)兩電極長約為13毫米和電極間距約為 0. 5毫米。該兩電極由剪切一電阻器兩端的接線製作而成的。接線是鍍有錫膜的銅質線材；(2) 每一分析物是儲藏在一小的玻璃樣品瓶中，並被在實驗中多次使用；(3)每一種分析物被交 替重複測試5次；和(4)應用7個頻率10、 20、 50、 100、 200、 300、和500千周的每一頻 率上得到的所對應的電阻和電抗。這些頻率是任意地被取自於掃描頻率區間10千周到500千 周中所有的被掃描過的頻率。
由圖13所示，實驗的結果顯示電阻抗及其相敏感組份可以被用來區分化合物，這個判斷 是根據三種不同的分析物可區別地分佈在由第一和第二主成分所決定的平面上的事實。另外 分析物白酒是屬於一種化學混合物,其含有水、以乙醇為主要成份的酒精、和其他許多易氣化 的有機化合物。這樣在白酒液面上部的氣體中也同樣包含了這些混合的化合物。這個實驗的 結果證明了電學性質可以被用來區分屬於化學混和物的分析物，因為其在Fl和F2面上的分 佈的區域不同於屬於單純化合物丙酮和甲苯所分佈的對應的區域。
必須明確的是，應用上述的頻率只是為了說明本發明原理和目的的有效性。而不是企圖 去限制其他頻率在本發明中的應用，其他頻率是指與在本發明中已公開的頻率而不同的頻。
再可以明確的是，根據眾所周知的用來確認由應用主成分分析法所得到的結果的步驟就 可以建立對一個已規定的實驗的一個模型。該實驗涵蓋了眾多因素，包括諸如本公開的第一 個實驗的步驟，數據分析的步驟以及所包括的展示數據的歩驟。然後可以建立一資料庫。該 資料庫包括了對應於眾多已知分析物的眾多的原始數據和模型。
一旦建立了上述的資料庫，識別一未知分析物，可以通過將該未知分析物的按照模型規 定而得到的主成分分析的結果與在資料庫中的已知分析物的結果相比較而達到。這樣的比較 可以根據眾所周知的步驟，其中也包括了主成分分析法特徵之一的直觀的圖示比較在內。
另外還可以明確的是為了建立模型來識別未知物，本發明並不限制於只是使用上述的主 成分分析法的類型鑑別來分析在流體中分析物的電學性質和確認分析的結果。本發明可以應 用任何已知的分析法，包括多變量元素分析法及其包含的類型鑑別的分析法來分類和識別在 流體中的分析物。因為對這些分析法有經驗的分析者們可以在比較各種分析法不同的著重點 之後，來選擇一分析法，其是最恰當地針對了某一特定的研究興趣的課題。
那些眾所周知的其他分析法包括有:有條件地單獨模似類別的相似性分析法:SIMCA(Sof t Independent Modeling of Class Analogy);最鄰近因子分析法..酬(K Nearest Neighbor); 體系的群的分析法HCA (Hierarchical Cluster Analysis);典型判別的分析法CDA
(Canonical Discriminant Analysis);經典最小二乘法CLS (Classical Least Squares)s 主成份回歸- PCR (Principal Component Regression);偏最小二乘法- PLS (Partial Least Squares Regression);有指導的和無指導的認識性的中樞網絡技術Supervised and Unsupervised Learning Neural Network;和模糊中樞網絡技術Fuzzy Neural Network (皮 畢Beebe， K. R.;潘爾Pell, R. J.;希斯霍爾茲Seasholtz， M. B.;化學計量學實際 的指導Chemometrics: A Practical Guide,威利出版公司Wiley，紐約，1988年；化 學計量學期刊J. of Chemometrics,約翰威利和其後輩出版公司John Wiley & Son, Ltd.)。從上述的實驗結果可知，除了應用頻率掃描的檢測來鑑別在流體中的分析物之外，本發 明還可以應用一個頻率來檢測是否存在所感興趣的分析物。例如在氣相色譜的分析中， 一化 學混合物是作為最初的分析物。而該混合物中的眾多的化合物在色譜柱中被分離，並由一氣 態的載體(通常是氫氣或氦氣或氮氣)間隔地被帶出色譜柱。這樣本發明就能檢測出每一個 化合物的存在。這是緣於氣態的載體和被檢測的化合物在該被檢測頻率上有不同的如象電阻 抗的交流電學性質。
上述的化學分離過程同樣也發生在液相色譜中。其由一種溶劑或者有若干種溶劑的混合 物作為載體來運載作為最初的分析物的混合物中的每一化合物。這樣可應用在一個頻率上的 檢測到的上述的電學性質中的一種來證實存在那些被分離了的化合物。
在應用本發明單一傳感器來設計一氣相色譜的檢測器時， 一個優選的結構是，單一傳感 器的一個空間電極可以象是一個中空的園柱形的軸套。該中空的園柱形電極是安置在一中空 的噴氣管口的一端，該噴氣管口的另一端是連接在色譜柱的尾端。而且該園柱形的電極和噴 氣管是與色譜柱的尾端同軸相連接。本發明的單一傳感器的另一個空間電極可以是一直的細 小的線狀結構。其被安置成與該園柱形電極的旋轉軸取向一致，並可以被安置在園柱形電極 之內，或在園柱形電極之外。與現有的火焰離子化檢測器(FID)，熱電導率檢測器(TCD)和 電子捕獲檢測器(ECD)相比，本發明的色譜檢測器有眾多的優點。這些優點包括其對分析物 的檢測是非損壞性的，是普遍適用的，由其結構簡單而帶來容易製作，和低成本的特點。
另外、對上述的使用在色譜中用電阻抗或電壓或電流來檢測化合物是否存在的檢測器， 可應用周期性的交流電壓或電流的激勵信號加在本發明的氣相色譜的檢測器上。該激勵信號 包括方波、三角波、和鋸齒形波。應用該類波型可以簡化用於檢測器的電子線路。
作為應用單一頻率測試的另一個例子，為了礦井生產的安全，檢測井內易燃氣體，比如 象是瓦斯之類是非常重要的。檢測此類氣體同樣可以應用本發明的單一傳感器。所加的單一 頻率的激勵信號可以有包括方波、三角波、和鋸齒波的形式來檢測該氣體的一種電學性質。
產生單一頻率的交流激勵信號可以應用眾所周知的振蕩器，包括有阻容相移振蕩器，維 恩橋式振蕩器Wien-Bridge Oscillator,庫爾劈次振蕩器Colpitts Oscillator,哈特雷 振蕩器Hartley Oscillator和方波振蕩器(阿明尼亞Aminian， A.;凱瑟米克塞卡 Kazimierczuk， M.; 電子器件，從設計開始Electronic Devices, a design approach; 彼亞遜，潘特斯屋印刷公司Pearson, Prentice Hall， 2004年)。例如在市場上有應用維 恩橋式振蕩器的集成塊AB-112 (模似器件公司Analog Devices,美國麻薩諸塞州 Massachusetts, USA)。這樣單一傳感器的電阻抗可以作為該集成塊的輸出負載電壓分壓器 的一部份而可被檢測到。電阻抗的相敏組份也是可以得到的。另外一種體代的方法是在應用 掃描頻率的儀器時，設定開始和終止頻率為同一頻率，也能得到單一頻率的激勵信號。
圖7A和7B公開了本發明的單一傳感器，其電極可以有多種形式的組合。例如該傳感器 的第一電極是放置成接近一容器的器壁，或者其他的結構。該器壁或結構是由導電材料做成 並與地零電位連接。這樣容器的器壁或其他結構可用作為該傳感器的第二電極。在檢測時， 被檢測的在流體中的分析物可被引導而通過由第一電極和該容器器壁或其他結構的間隙。
本發明的單一傳感器應用了具有頻率掃描性能的周期性包括正弦波在內的電激勵信號和 矢量分析的方法，因而有眾多的優點。其可在一次測量中就得到了記錄分析物的有類型規律 特徵的交流電性質的兩種圖譜。傳感器所具有的小的體積只需要小體積的傳感器倉和對小傳 感器倉溫度控制所需的低的電能消耗。這些特徵使得在實際上可採用雙傳感器的結構，即在 應用一檢測傳感器的同時加上應用與其結構一致的一參照傳感器。應用雙傳感器結構，可消 除背景噪聲的影響，包括不同程度的溼度的影響、高分子薄膜老化效應、和因溫度變化而引 起的在測試中的包括傳感器的電學響應在內的變化。
本發明的單一傳感器和方法的工作原理應用了頻率掃描，包括在優選的低頻率區間從10
千周到1兆周的頻率掃描。應用頻率掃描的方法能使用小體積尺寸的單一傳感器來得到分析物的有類型規律的電學性質。這種小尺寸的傳感器只需要小尺寸的傳感器倉。這就決定了只 需要低的電能消耗來控制傳感器倉的溫度，以及在倉內傳感器電極之間的在流體中的分析物 的溫度。這樣本發明的掌上攜帶型傳感器儀器進爾可實際應用包括固定的和有梯度的溫度控 製程序來優化對在流體中分析物的檢測和鑑別。
另外，應用周期性的包括有正弦波形的交流電激勵信號，本發明就具備了應用所有種類 的表面吸附和吸收材料的能力，所述的材料包括有機的、無機的、和金屬的材料。結合了上 述的種種優點，使得本發明傳感器具有低的製造成本、緊湊的體積、靈活的攜帶性、和便利 使用的特點。
以上的公開介紹了本發明的核心技術即單一傳感器及其使用周期性的包括正弦波型在 內的頻率掃描的交流電激勵信號和矢量分析的方法。以下公開本發明的傳感器儀器系統。
該傳感器儀器系統包括了一攜帶式的傳感器儀器和一中央信息站，他們彼此遠距離相隔。 傳感器儀器具有的功能包括了檢測和鑑別在流體中的分析物；確定分析物的地理位置；和無 線傳輸信息。中央信息站通過一網絡連接了一當地信息接收站。該接收站包含了無線傳輸信 息的結構，能與傳感器儀器互相接收和發送信息。這樣該系統就具有無線通訊分析物信息的 能力和確定有關分析物地理位置的能力。在這種框架上，本發明儀器系統能提供在最大程度 上的可移動地、遠距離地檢測和鑑別在流體中的分析物。該種性能同時協同了能確定有關分 析物的地理位置的性能。另外，如果應用了眾多相同的攜帶式的傳感器儀器，其分佈在一區 域內相應的眾多的不同地區裡，本發明系統可以建立對該區域內分析物的瞬時分佈圖。
傳感器儀器的組成結合了本發明的核心技術、目前已知的包括用於無線傳輸數據的電子 元件在內的所謂的硬體技術、和包括計算程序在內的所謂的軟體技術、和應用全球定位系統 後能得到地理定位信息的技術。
可以感到欣惠的是含有微型計算機的分析儀器的結構很早以前就被人們所熟知了，例如 可以從書名為"化學儀器系列性地闡述"Chemical Instrumentation": A Systematic Approach,第三版，第五章，斯卻貝爾Strobel， H.A.;海納盟Heineman， W. K.;約翰威 利和其後輩出版公司John Wiley & Sons, Inc., 1989年來認知這一專題。廣義地講，分 析儀器是由一為分析檢測器所用的模似電路部份，連接了包括有一模似量到數字量轉換器的 連接部份。該連接部份再與一含有一內建的微型計算機的數字電路部份相連接。具體地講， 該模1以電路部份是通過轉換器與微型計算機的輸入和輸出數字數據轉移通道相連接。
有了具有內建的微型計算機的分析儀器的結構之外，設計該儀器所必要的元件包括模
似量到數字量轉換器、邏輯線路、多路傳輸器、濾波器、放大器、數據地址元件、包括有計 算、邏輯單元和寄存器的中央微處理器、記憶元件專用的數字數據轉移通道、數字量至模似 量轉換器、直接存儲器、電氣工程師協會法規的488數值並聯連接結構、數值輸入和輸出接 口、附加的周邊設備包括象鍵盤或接觸屏幕式的輸入結構、隨機存儲器、只讀出存儲器、 計算器、集成電路、二進位數據串聯連接結構(RS232)、獲得數字數據模塊、代碼、指令、 數據、程序、作業系統、低級和高級語言、應用軟體、和顯示元件。為了簡化本發明的公開, 所有上述的已知元件都綜合到本發明的公開之中。
圖l， 2和13顯示了檢測和鑑別在流體中分析物的結果。取得該結果是應用了單一傳感 器連接了諸如象艾杰倫4294電阻抗分析儀的交流電流分析裝置和使用了個人用計算機後取 得的。在計算機內儲存了用來分析得到的電學性質數據的含有主成分分析法的應用軟體。這 樣，如果用數字傳輸的串聯結構或並聯結構來連接儀器艾杰倫4294和個人用計算機就引成了 一組合的儀器。而這種組合就體現了本發明傳感器儀器的基本結構。在組合儀器中該交流電 流分析儀作為組合儀器的分析檢測器，被用於測量在流體中分析物的樣本來獲得樣本電學性 質的數據。該個人用計算機內配備和儲存了合適的為數據傳輸之用的硬體和軟體，包括用於 連接之用的驅動軟體來作為組合儀器的的數字電路部份。其被用來分析數據和鑑別分析物。
另外，在納格爾發表的文章中也有敘述的電子鼻儀器的其本結構。其組成有三個單元
29一樣品存儲器、 一氣體傳感器組、和一信號處理系統。該三個單元串聯連接後被用來檢測有 氣味的氣體樣品。
這樣由圖8和圖9所示，本發明的傳感器儀器系統16由下述部件組成 一整體化的傳感 器儀器18、 一具有中央計算機和伺服計算機92的中央信息站90、 一當地信息接收站96、和 一網絡130。該中心站通過連接網絡與當地接收站相連接。
整體化的傳感器儀器18是由八個連接的模塊所組成。其中包括一收集測試樣品模塊20， 其包含有一樣品驅動單元24、 一傳感器倉模塊28，其外殼上貼加了一加熱模塊80的外部加 熱器82、 一檢測模塊40、 一微型計算機模塊50、 一傳輸數據模塊68、 一全球地理位置定位 接收模塊72、和一電源模塊76。
微型計算機模塊50包含有一內置的顯示屏52和一整套按鍵54。其等效為一小型的個人 用計算機。該模塊的主要功能包括有為鑑別分析物而所作的電學性質數位化處理和給予在儀 器18內的其他各個模塊的工作指令。比如應用數據的預處理算法來得到象是在上述公式 [5， 6， 7]中所討論的相對於各分析物的在每一頻率上的電學性質的改變，和並用其來建立 為鑑別各分析物的後續數據分析之用的一原始數據矩陣。除了應用上述的公式，其他公佈的 算法也可以用來作為信號的預處理。此外，該模塊50同時具有為其他模塊作數位化數據處理 的功能。
模塊50具有為自身操作所需的必要元件，包括一中央微處理器、記憶元件信息轉移通道、 包括數據、指令、和數字地址在內的記憶元件、和數字數據輸入輸出的通道。該模塊50也包 括一計算機作業系統。在優選的情況下，該系統是一視窗式的商品化的計算機作業系統。
微型計算機模塊50還內置了一用於檢測的應用軟體、 一包括有主成分分析法在內的眾多 分析法的軟體、 一當需要數字以保密形式輸出時用來加密的軟體、和包括有用來確定地理位 置的應用全球定位系統的定位地圖在內的軟體。因為模塊50具有包括為數據和指令輸入之用 的按鍵單元54，儀器的使用者可通過操作相應的按鍵來鍵入為儀器工作的數據或指令，從而 來選擇所需的傳感器儀器的工作功能。例如，顯示該檢測用的應用軟體。除了用按鍵以外， 模塊的顯示屏幕52本身也具有輸入信息的功能。這樣使用者可以通過指壓在屏幕上的有關區 域而輸入例如指令。除此之外，模塊50可顯示出測量得到的數據，包括了根據掃描過的時間 或者掃描過的頻率來顯示一瞬時得到的分析物的電學性質。模塊50也具有通用的順序接口 (USB)、串聯(RS-232)、和並聯(IEEE488)傳輸接口來滿足包括數據有線傳輸在內的需要。
在一種優選的情況下，該檢測用的應用軟體是視窗式的，其包括了眾多的程序。這些程 序是用來指導分析儀器18的各工作'狀態，包括檢測分析物、收集和儲存數據、以及連接上述 的其他應用軟體。例如其有操作收集測試樣品模塊20和操作檢測模塊40的指令來檢測在流 體中的分析物並記載數據；指示定位接收模塊72工作來核准地理位置數據的指令；和指示傳 輸數據模塊68來無線傳輸數據的指令。該軟體可包括以下所公開的基本部份。
第一部份是用來登記眾分析物的身份，包括分析物的類型和名稱。如果一分析物是屬於 從患者得來的生物樣品，則該樣品的身份包括了加密的患者姓名、性別、族性和年齡。如果 分析物不與患者有關，則登入該真實的樣本類型。為了確保真實性，分析物測試的日期和時 間則按儀器內置時鐘的的數據而登入。
第二部份是用來登入為測試所使用的交流電的數值，例如包括激勵信號的幅度、和施加 頻率的類型。頻率的類型包括了應用特殊頻率的單一頻率類型和具有開始和終止頻率的掃描 頻率的類型。在掃描頻率的類型中，又包括了如何根據頻率來採集分析物電學性質的多種選 擇。其中有任意採集在掃描過頻率中的一些頻率，或者有任意選擇在掃描過頻率中的一些特
殊頻率，或者在掃描頻率區間中收集實際上被掃描過的所有數目的頻率。第二部份中，還包 括可選擇的"是"與"否"來確定是否啟動全球地理位置定位接收模塊72，也包括為確定操 作收集測試樣品模塊20中的驅動樣品單元24的工作參數。
第三部份是用來選擇處理測試到的分析物電學性質數據的方案。即當測試完畢之後，得到的電學性質數據是由傳感器儀器來處理，還是由中央信息站來處理。這兩種不同的方案決 定了相應的兩種實施方案來輸出由傳感器儀器18得到的數據。
一種實施方案是將分析結果的數據傳輸到一當地信息接收站。該數據包括了檢測到的分 析物的原始電學性質的數據、已鑑別了的分析物結果的數據、和顯示分析物所處在的地理位 置的數據。在這一實施方案中，如圖8所示，由傳感器儀器18在當地將如上所述的數據無線 傳輸到一當地信息接收站96，然後再通過網絡130傳輸到在遠處的中央信息站90。該中央站 配備了包括有儲存功能的伺服計算機在內的中央計算機92。在該計算機中也儲存了相同的包 括有全球地理位置定位地圖在內的軟體。這樣被鑑別的分析物和他們所對應的地理位置的結 果可以被儲存和顯示在中央計算機92上。
在另一種實施方案中，根據掃描頻率所得到的在流體中分析物的原始電學性質和分析物 地理位置的信息數據可無線傳輸到中央信息站的中央計算機92。因為該計算機中儲存了相同 的包括全球定位地圖在內的確定地理位置用的應用軟體和包括有主成分分析法在內的眾多分 析法的應用軟體，這樣被接收的電學性質可以在中央信息站中得到處理。以及儲存和顯示被 檢測和鑑別出的分析物的結果，包括他們所處的地理位置。
如果選擇第一種實施方案，即由傳感器儀器在檢測地點來分析檢測到的分析物的電學性 質，這樣在檢測完畢之後，該檢測工作軟體會自動地顯示包括有主成分分析法在內的眾多分 析法的應用軟體來鑑別各分析物。
第四部份是選擇如何輸送包括鑑別的分析物的結果在內的檢測到的信息的方案。其包括 了當相應的所選擇的實施方案完成之後自動將結果輸出的方案，和根據儀器使用者鍵入允許 輸出的指令後再輸出的人工控制的輸出方案。
啟動該檢測用的應用軟體是在被安置在軟體最後的一標記"運行"被點擊之後，這樣也 就同時啟動了傳感器儀器18而使其處在工作狀態。
必須明確地是，以上公開的用於檢測的應用軟體的組成部份，僅包括了使該儀器工作一 次的非常基本的指令和需輸入的工作參數。制定一套完整的指令和工作參數，對於在這領域 裡具有經驗的人來說是顯而易見的，特別是他們在參考了本發明的公開敘述，和眾多已知儀
器的工作應用軟體包括在氣相色譜中應用的那一種軟體而得到的啟發之後。
由圖9和圖10所示，收集測試樣品模塊20是機械結構性地連接了傳感器倉模塊28中的 中空的傳感器倉30。
收集測試樣品模塊20的作用為收集然後輸送在流體中的分析物的樣品10。其由一處在 中間位置的驅動樣品單元24和同時連接在它兩端的樣品導入和導出部件22和26所組成。在 一種優選的結構下，該樣品驅動單元24是一由電能驅動的小型或微型的泵。當然它也可被機 械能或者被使用者手動的能量所驅動。該樣品導入和導出部件22和26可以由相應的管道所 組成，或者由多通道結構中的一個，或者任何一種具有內部通道來用於控制在流體中分析物 流動的結構所組成。在一種優選的結構下，樣品導入和導出部件是由柔性的管子所組成。然 而當樣品通過收集測試樣品模塊的內部通道時，該導入和導出部件22和26和驅動單元24都 必須具備有不強烈吸附樣品包括分析物的性能。
收集測試樣品模塊的導出結構26是機械結構性地連接了中空的傳感器倉30的前部結構
32。傳感器倉30是由金屬材料比如象是銅或者金屬合金做成，其並與地零電位相連接來為傳 感器屏蔽電磁場的輻射幹擾。
中空的傳感器倉30有限制的厚度，由一前部結構32機械結構性連接(包括了電連接) 了一中間結構34。該中間結構又機械和電連接了一尾部結構36。尾部結構再機械結構性連接 了一比如象是排放管道的排放的結構38。在這種結構下，處在靠近樣品導入部件22附近的 一外部的在流體中的分析物的樣品10在泵24的驅動下，進入到樣品導入部件22，流過泵24 和導出部件26而進入到傳感器倉30，最後通過排放結構38而流出。
如圖9所示，傳感器倉的前部結構32具有一等腰三角形的形狀。前部結構32的尖端與導出結構26機械結構性地相連接，而前部結構32的寬大的橫向尾部與扁平長方體的中間結 構34的前端相連接。這樣根據流體力學的原理，當樣品10進入到前部結構32後，同相比於 導出結構26的窄小的內縱切面，該樣品10會因前部結構32的逐漸增大的橫向縱切面而降低 了流速。在這種情形下，加上傳感器倉30的有限厚度的作用，樣品IO會以一層流的形式流 過傳感器倉30。而該倉的園形或弧形尾部36降低了形成樣品的喘流流動，也就促成了樣品 IO在傳感器倉內的層流流動。而樣品的層流流動主導了樣品IO對倉內眾多傳感器電極的均 勻分佈。
由圖9和圖IO所示，傳感器倉中間結構34的內部被一向上的牆33均勻分割。該牆處置 的方向平行於樣品10流動的方向。這樣在倉內就形成了相同的第一和第二傳感器次倉34a和 34b。在每一個次倉內，安置著一相同的具有兩電極的傳感器l。該電極排列的取向與樣品流 動的方向一致。然而可以明確的是，具有兩電極的每個傳感器l可被安置成與樣品流動方向 成包括90度在內的任何角度。又由圖8所示，圖中的線條4和5代表了兩個相同的傳感器1 被各自電連接到檢測器模塊40。
如前所述、傳感器的兩電極可以被放置在空間而形成空間電極，或者可以被放置在陶瓷 和矽質基板86和88上而形成相應的厚膜和薄膜電極。由圖9和圖10所示，當應用厚膜或薄 膜電極時，相應的陶瓷基板86或矽質基板88是貼在傳感器倉的中間結構的底板34C的內表 面31上。在這種結構下，因為陶瓷、矽、和金屬都是熱的良導體，如果加熱模塊80的一外 部加熱器82附著在傳感器倉底板34C的外表面上，而加熱器82是由加熱模塊80的電子線路 按加熱程序的控制來加熱的話，就可以並容易控制傳感器倉模塊28的溫度，包括傳感器倉 30及倉內放置的具有多種類型電極的傳感器1的溫度，以及在電極間的具有在流體中分析物 的樣品10的溫度。
再者因為傳感器小的體積尺寸，從而只需要小尺寸的傳感器次倉，進而決定了對傳感器 倉溫度控制所需的低的電能消耗。
由上所述，當金屬的傳感器倉30接地之後，屏閉了當第一個傳感器l被加上交流掃描頻 率所引起的電磁場輻射。同樣的理由，由第二個傳感器l所造成的電磁場輻射也可被屏閉。 這樣在應用了傳感器倉之後，可以防止可能的由第一和第二傳感器的電磁場輻射效應所造成 的交叉幹擾。
然而必須明確的是，通過以上含有兩個可屏閉電磁場幹擾的傳感器與檢測模塊相連接的 例子，本公開敘述了本發明的一個實施結構應用至少一個傳感器來檢測和鑑別在流體中的 分析物。履行該實施結構是按照了本發明的精神和目的發現描述在流體中分析物特徵的量 綱。
在這個實施結構中，如圖6所示，將吸附材料8放置在至少一個傳感器中的一傳感器的 成對電極之中。在應用至少一個傳感器來檢測流體中的分析物時，在完成吸附過程之後該充 填了吸附材料的傳感器會記錄被吸附的一種化合物或者幾種相類似化合物即化合物群的包括 電阻和電抗在內的交流電學性質，作為被檢測到的信息。
顯見、在每一種分析物是一化學混合物時，從充填了吸附材料的傳感器電極得到的相關 的包括了電阻和電抗在內的電學性質反映了在混合物中的被吸附的那種化合物或者化合物群 的特徵，而被吸附的化合物(群)是代表了作為分析物的該化學混合物。可知這種得到的電 學性質是不同於從不充填吸附材料的傳感器上所得到的包括電阻和電抗在內的電學性質。他 們代表了分析物中所有的化合物的一個整體的特徵，即他們包含了不同的內涵，從不同的量 綱上來描述該分析物。
在另一種情況下，如果每一種分析物都是一單純的化合物時，與從不充填吸附材料的傳 感器電極中得到的電學性質相比，從充填了吸附材料的傳感器電極所得到的電學性質具有高 的信噪比。該種高信噪比的電學性質始終是有利於被用來檢測和鑑別分析物。這樣按照本發 明的精神和目的尋找分析物的特徵的可被測量的量綱，本發明在需要時可以應用至少一個傳感器的結構來更好地檢測和鑑別在流體中的分析物。
由上述而類推，本發明的另一可實施的結構是在至少一個傳感器中的每個傳感器的電極 之間填充了不同的吸附材料。
仍然從增加用來敘述在流體中分析物的不同量綱的精神和目的出發，本發明的還有一個 可實施的傳感器結構是可以選擇一個或多個在納格爾文章和劉易斯的333專利中所總結的已 知傳感器來作為在該結構中的一個或多個傳感器，然後多個或一個本發明的傳感器可以充當 在該結構中的其餘的傳感器。這是因為與本發明的傳感器的核心技術相比，那些已知的傳感 器技術是在不同的量綱上檢測分析物的可檢測信息。
圖11闡述了應用雙傳感器的另一種結構。其中被安置在傳感器次倉34b中的一個傳感器 被用作為所述的檢測傳感器2，被安置在傳感器次倉34a中的另一個傳感器被用作為所述的 參照傳感器3。他們可以是由充填了或者不充填了吸附材料8的空間電極、或厚膜電極、或 薄膜電極所組成。然而相同的吸附材料8卻是被安置在傳感器次倉34a的前端用來吸附在通 常是化學混和物的一分析物中的、是研究興趣的一化合物(群)。這樣只有那些不是研究興趣 的化合物(群)才能通過吸附材料8之後可以繼續從作為參照傳感器3的兩電極之間通過。
從前述中可知，在結合了檢測和參照傳感器2和3中得到的相應的電學性質之後，可僅 得到那些包括作為生化目標物或目標物群在內的為研究所感興趣的化合物或化合物群的相應 的電學性質。這樣本發明可以有效地被用來檢測包括已知生化目標物或目標物群在內的已知 化合物或化合物群，而檢測已知化合物(群)或生化目標物(群)是為了鑑別含有已知物(群) 的未知分析物。其中該方法檢測已知生化目標物(群)是為醫療診斷疾病之用。
除了在圖11中所示的該種整合的雙傳感器結構的實施方案，也可應用如圖4A所述的傳 感器各自單獨的方案。在該方案下，檢測傳感器2和參照傳感器3會具有各自專用的收集測 試樣品模塊。
如前所述、緣於其小的尺寸、簡單的結構、和低的成本，本發明的傳感器在實際上可以 採用可替換的、 一次性使用的含有或不含有充填物的電極結構。在設計該種可替換電極時， 如該電極是安置在相應的傳感器次倉34a和34b中時，該傳感器倉的前端結構32可以設計成 可拆卸式的。這樣前端結構32可以以一種插入的方式來連接(包括電連接)傳感器倉的中間 結構34。該可拆卸式的電極包括空間的、厚膜的、和薄膜的電極也可以以插入的方式來連接 相對應的金屬接插件，而接插件外面包裹有合適的電絕緣材料。這些被安置在傳感器次倉34a 和34b中的相應的接插件與檢測模塊40相連接。
按照這樣的結構理念，對於那些在傳感器領域內有經驗的人來說，設計這種傳感器的詳 細結構是顯而易見的事。這樣本發明可以應用可替換的、 一次性使用的的傳感器。這也是本 發明的獨特之處。
檢測模塊40的作用像是前述的交流電分析儀9。其包含有一組件，該組件的電子線路能 產生具有掃描頻率的交流激勵信號。該信號能被加到包含有在一流體中分析物樣品的單一傳 感器，從而獲得該樣品的電學性質。然後該電學性質能被檢測器模塊40的另一組件檢測到。
該檢測器模塊可以按眾多眾所周知的電子線路結構而製作。比如應用電子集成塊AD5933 (模似器件公司，美國麻薩諸塞州)。集成塊有一內置的交流振蕩器，通過一直接數字合成核 心單元(DDS)和一數字量到模似量轉換器就形成一有可掃描頻率的交流激勵電壓，當該電壓 加在傳感器上後產生的交流信號經一模似量到數字量轉換器後連接到一離散型傅立葉轉換單 元。複數形式的傅立葉系列可以從模似量到數字量轉換器和直接數字合成核心單元得到。由 傅立葉轉換單元得到的實部分量電阻和虛部分量電抗分別儲存在不同的寄存器中後可被讀 出。該集成塊可由計算程序來控制掃描的起始頻率、頻率增量、和在掃描中的頻率數目。
如按照艾杰倫4294結構的話，則具有數位化的控制器、信號源、換能器、和矢量比例檢 測器。其中信號源提供了施加在傳感器上的具有所有掃描頻率和可調幅度的交流激勵信號。 換能器將測量到的電阻抗轉換成兩種交流電信號電壓。矢量比例檢測器再將兩種交流電信號電壓轉化成數字數據。而數位化的e制器包含處理數字數據來輸出樣品的測試結果。
該檢測模塊40也可以從根據摸似量的鎖定原理的電子線路來設計，並經包括有摸似量到 數字量轉換器在內的連接結構連接到收集數據的數位化部份(普林斯頓應用研究公司 Princeton Applied Research,美國田納西州歐克裡奇市OakRidge， Tennessee, USA)。另 外也可以應用數位化的相似於上述的摸似量鎖定原理，即數位化的關聯作用原理(蘇勒強公 司Solartron，英國哈普郡法杜拉夫市；Fardoroagh， Hampshire, UK)。
上述的技術應用了單一的正弦波的交流電激勵信號的原理。除此之外多正弦波激勵信號 的原理也可被應用來製作檢測器模塊40，並更可應用傅立葉頻率轉換技術(査納-艾爾卻克 傑姆布和庫克奇公司Zahner-Elektrik Gmbh & CokG，德國咯羅納克Kronach， Germany〉。
這樣可以確定該檢測模塊40的結構。其包含的為檢測的部份可以由以上所述的檢測原理 中的一個所構成，其與合適的連接結構比如像是模似量到數字量轉換器相連接後，再連接了 一含有主要中央微處理器的收集數字數據的數位化單元。在傳感器儀器18的結構裡，檢測模 塊連接了傳感器1和微型計算機模塊50。含有上述結構的檢測模塊40的優點在於快速的數 據分析。這是因為該檢測模塊40附加地承擔了為鑑別分析物而必需的處理包括分析檢測到的 信息的任務。而這種信息處理恰是微型計算機模塊50所承受的任務之一。
在這種實施結構之下，微型計算機模塊50中的中央徼處理器可以主要用來指令在儀器中 的其他模塊的工作。這樣該傳感器儀器可以取得快速數據分析在內的良好功能。
作為另一種選擇，在利用微型計算機模塊50的收集數字數據功能之後，檢測模塊40可 以只包括按照上述的眾多檢測原理之一的用作為檢測的模似電子線路，然後與包括模似量到 數字量轉換器在內的連接器相連接。
另外如前所述，如果只應用一種頻率來檢測的話，對於檢測模塊來說，使用周期性的激 勵信號已是足以勝任的了。該信號包括了方波、三角波、和鋸齒波的波型。
如圖8所示，傳輸數據模塊68包含有一天線或等效天線結構70去連接一接收和發送器。 該接發器再與一含有小型中央微處理器的數位化單元相連接。傳輸數據模塊68與微型計算機 模塊50相連結，這樣模塊68可以通過天線結構70傳輸加載在一高頻率電磁波上的被編碼的 分析物的信息和其所在地理位置信息的數字數據。應用這種結構，可以取得雙向的信息通訊。
這樣安置在一當地地區102的可移動的傳感器儀器18，不但能發送數據而且能接收在遠 距離位置94的中央信息站90發出的指令。這種通訊形式是在當地信息接收站96的協同之下 完成的。儀器18和當地接收站96的通訊是利用了一通訊的媒介120，即是由傳輸數據模塊 68 (或者該當地接收站96)傳輸的高頻率電磁波信號所產生的電磁場。這樣相應的當地接收 站96 (或者傳輸數據模塊68)就可以接收到發出的信號。另外，該當地接收站96是與連接 了中央信息站90的網絡結構130相連接。而當地信息接收站96是處置在與儀器18所處置的 同一地區102。
由圖8所示，全球地理位置定位接收模塊72包含有一天線或天線結構74。其天線連接 了一主要的全球地理位置定位接收器和包含有一中央微處理器和一附加的時鐘在內的其他必 要的數位化電子線路。而該電子線路與微型計算機模塊50相連接。該模塊74通過與含有眾 多衛星的全球地理位置定位系統110相作用而接收到有關於在一流體中分析物的地理位置 112 (即傳感器儀器18的位置)。因為用來確定地理位置的應用全球定位系統的定位地圖在內 的應用軟體也儲存在微型計算機模塊中，這樣被檢測到的儀器所在地的位置112可以被顯示 在儀器屏幕52上。或者該位置112的數據可以由傳輸數據模塊68傳輸到中央站的中央計算 機92中，再被顯示在該計算機的顯示屏上。
加熱模塊80包括有外部加熱器82和包括數字電路部分在內的電子線路。所以加熱模塊 可以由這些存在的商品化的元件來製作。在儀器的連接中，加熱模塊中的數字電路部份連接 了微型計算機模塊。
電源模塊76由一開關78、對儀器18中各模塊提供電能的可重複充電的直流電池、用於對市交流電79整流而輸出直流電的電子線路、和其他的電子線路所組成。其他的電子線路的 作用是在計算機模塊50的指令下，來控制用於包括加熱模塊80和收集測試樣品模塊20在內 的其他模塊的直流電壓。例如，其可控制由電力驅動的泵24和加熱器82的工作。電源開關 78控制了傳感器儀器的"有電源供給"和"無電源供給"的狀態。 一旦儀器處在"有電源供 給"的狀態之後，微型計算機模塊50就主導了對電加熱器82和泵24的節能型的電源供給。 這對於用電池電能驅動的傳感器儀器的電能消耗來說是十分重要的。
必須明確的是，在以上的公開中，用於各模塊連接微型計算機模塊的各合適的連接結構 是十分重要的，其保證了各模塊的正常丁.作。
如上所述，金屬的傳感器倉30可以屏蔽電磁場來防止其對有至少一個傳感器的傳感器儀 器功效的幹擾。除此之外，還可以應用附加的電子線路結構來消除電磁場的影響。由圖8所 示，比如可應用一電子開關56介於在至少一個傳感器1和檢測模塊40之間的連接，而電子 開關56的工作狀態是由計算機模塊50所控制。這樣在微型計算機模塊50的指令下，從檢測 模塊40產生的具有掃描頻率的交流激勵信號可以有序地和周期性地加到至少一個傳感器的 每個傳感器上，從而形成了在一時刻只有一個傳感器被激發而工作。在這種狀況下，就可以 徹底消除電磁場的交叉幹擾。這樣的線路結構在實際上是可行的。這是因為電頻率掃描的速 度很快，所以在一檢測的時間裡可以完成對至少一個傳感器中的每個傳感器所規定的頻率掃 描。
由圖8所示，當地信息接收站96包括有一天線或天線結構100來連接了一發送和接收器 98，該接發器98再與一具有中央微處理器的數位化模塊相連接。這樣被接收站96接收到的 加碼的載有分析物和其地理位置的數字式信息的高頻訊號可以被解碼成數字數據。這是因為 當地接收站96和儀器的數據傳輸模塊68遵循同樣的傳輸信息的技術規定。這樣該數字數據 可以傳輸到中央站90的中央計算機92。在這種數據由網絡130的傳送中， 一種優選的實施 方案是，當網絡是英特網的形式時，該數位化信息可以以一文件或者電子郵件的形式通過英 特網的服務包括文件互享或者電子郵件郵遞而被傳遞。
此外，圖12顯示了本發明的另一實施方案，其有眾多相同的當地信息接收站96a、96b、、 96n。各接收站配備有相應的天線或天線結構100a、 100b、、 100n。他們被安置在一具有 眾多的當地地區142a、 142b、…、142n的一地域140。這些眾多的當地接收站與網絡130相 連接。在該實施方案中， 一包含有天線或天線結構70a和全球地理位置定位接收器天線或天 線結構74a的傳感器儀器18a是可移動地被安置在一當地地區142a。這樣該儀器18a可以與 接收站96a無線通訊。因為該本地接收站96a是處置在與該儀器18a所處置的相同的當地地 區142a，而該地區是同屬於一當地無線通訊的媒介120a。
此外該儀器18a也可與全球衛星定位系統結構IIO相聯繫而檢測到儀器的地理位置U2a。 這是因為定位系統結構110覆蓋了整個地域140。在這樣的結構下，該地理位置112a和檢測 到的電學性質可以傳輸到該本地接收站96a後，繼續傳輸到中央站90。按照這一邏輯，該儀 器18a可以被安置在該地域的任何一當地地區142a、 142b、、 142n來與中央站相連接。
圖12又顯示了另一系統的實施方案。眾多的相同的、含有無線通訊天線或天線結構70a、 70b、…，70n和全球地理位置定位接收器的的天線和天線結構74a、 74b、…、74n的儀器18a、 18b、…、18n被移動地安置在該地域140中的眾多的當地地區142a、 142b、…、142n可以 有序地與中央站恥通訊。
而這種通訊是通過相應的當地無線通訊的媒介(電磁場)120a、 120b、…、120n來與相 應的本地接收站96a、 96b、、 96n連繫。再由圖12所示，眾多儀器的相應的地理位置112a、 112b、…、112n可以被檢測出來。這樣包括位置112a、 112b、…、112n在內的相應的在各 地區檢測到的分析物的電學性質可以被中央站90接收。因而可以構築瞬時的、在該地域的分 析物的分佈圖。
必須明確的是，以上敘述的無線數據傳播不受到在一個星球上的區域的限制。事實上，此類傳播可以在星際之間發生。只要是傳播媒介即電磁場120 (120a、 120b、…、120n)能 涉及兩個星球之間的空間，比如在地球和火星之間的空間。這樣假如該傳感器儀器18是以一 種機器人的方式而被安置在火星上的話，就可以按照上述的兩種數據傳輸的實施方案來檢測 和鑑別火星大氣層中的氣態分析物。在這實施方案中，連接本地接收站96 (96a、 96b、…、 %n)的中央站90是安置在地球上。
當然雖有以上的公開，但本發明無意被任何特殊形式或安排或任何特殊的具體化或任何 特殊的應用所限制。因為在不偏離以上敘述的本發明的精神和目的下，他們可以被改換成多 種特製的形式和關係。而以上敘述的裝置和方法，僅是為了敘述和公開一種或若干種可操作 的具體化並沒有展示本發明可以展示和操作的所有的眾多形式的改變。
權利要求
1、一用於檢測和鑑別在流體中的分析物的傳感器儀器系統，其特徵是包括一傳感器儀器，其特徵是包括a)至少一個傳感器，其特徵包括在該至少一個傳感器中的每一個傳感器包含有在一種流體中的一個分析物的樣品，所述的每個傳感器提供該傳感器包含有該樣品時的可測量的信息；其特徵還包括該至少一個傳感器包含有一個傳感器，其被用作為檢測傳感器，該檢測傳感器含有被一空間所隔離的兩個電極；b)一檢測模塊，其與在至少一個傳感器中的每一個傳感器相連接之後來測量所述的可測量的信息；c)一全球地理位置定位接收模塊，其被用來取得該傳感器儀器或者該分析物所在的地理位置的信息；和d)一傳輸數據模塊，其與該全球地理位置定位接收模塊聯繫之後被用來傳輸包括測量到的可測量的信息和取得的地理位置的信息；
2、 一用於檢測和鑑別在流體中的分析物的傳感器儀器系統，其特徵是包括 一傳感器儀器，其特徵是包括a) 至少一個傳感器，其特徵包括在該至少一個傳感器中的每一個傳感器包含有在一種 流體中的一個分析物的樣品，所述的每個傳感器提供該傳感器包含有該樣品時的可測 量的信息其特徵還包括該至少一個傳感器包含有一個傳感器，其被用作為檢測傳 感器，該檢測傳感器含有被一空間所隔離的兩個電極，在該兩個電極間是充填了用來 吸附或者吸收該分析物的材料；b) —檢測模塊，其與在至少一個傳感器中的每一個傳感器相連接之後來測量所述的可測 量的信息；C) 一全球地理位置定位接收模塊，其被用來取得該傳感器儀器或者該分析物所在的地理 位置的信息；和d) —傳輸數據模塊，其與該全球地理位置定位接收模塊聯繫之後被用來傳輸包括測量到 的可測量的信息和取得的地理位置的信息。
3、 一用於檢測和鑑別在流體中的分析物的傳感器儀器系統，其特徵是包括一處在當地的傳 感器儀器和一處在遠端的中央信息站；該傳感器儀器，其特徵是包括a) 至少一個傳感器，其特徵包括在該至少一個傳感器中的每一個傳感器包含有在一種 流體中的一個分析物的樣品，所述的每個傳感器提供該傳感器包含有該樣品時的可測 量的信息；其特徵還包括該至少一個傳感器包含有一個傳感器，其被用作為檢測傳 感器，該檢測傳感器含有被一空間所隔離的兩個電極；b) —檢測模塊，其與在至少一個傳感器中的每一個傳感器相連接之後來測量所述的可測 量的信息；c) 一全球地理位置定位接收模塊，其被用來取得該傳感器儀器或者該分析物所在的地理 位置的信息；和d) —傳輸數據模塊，其與該全球地理位置定位接收模塊聯繫之後被用來傳輸包括測量到 的可測量的信息和取得的地理位置的信息。
4、 根據權利要求1和3所述的傳感器儀器系統，其特徵是所述的檢測傳感器還包括在該兩 個電極間是充填了用來吸附或者吸收該分析物的材料。
5、 根據權利要求2和4所述的傳感器儀器系統，其特徵是所述的檢測傳感器還包括a)所述的兩個電極是對在電極間包含有固體支持顆粒的空間電極，或者是被放置在陶瓷基板上或矽基質上而形成的相應的厚膜電極或者薄膜電極，該固體支持顆粒表面或 者厚膜電極的陶瓷基板表面或者薄膜電極的矽基質表面是去極性的，去極性是應用了 化學物品包含有雙甲基雙氯化矽烷、或者是[二甲基(三甲基甲矽烷基氨基)甲矽烷基] 甲烷、或者是三甲基氯化矽垸、或者是由上述的化學試劑組合而成、或者是十八環雙 甲基氯化矽烷；b) 所述的在樣品中的一個分析物包括是一化合物或者是一化學混合物；所述的分析物還 包含有已知化合物或者化合物群；所述的分析物是氣態的；所述的分析物包括是不具 有氣味的，或者是具有氣味的；所述的分析物是含有違禁物的，或者是與環境保護有 關的，或者是與醫護包括醫療診斷有關的，或者是與科學研究包括太空研究興趣有關 的，或者是與日常生活有關的，或者是為安全所考量的，或者是與各工業的興趣有關 的包括食品工業、飲料工業、農業工業、化學工業、石油工業、塑料工業、建築工 業、醫藥工業、汽車工業、生化工業、和運輸工業；所述的與醫護包括醫療診斷有關 的分析物還包括含有與器官疾病有關的生化目標物或者生化目標物群的分析物；所述 的生化目標物或者生化目標物群包括存在在生物體的尿液或者糞便或者血清或者血液 或者唾液或者體味或者口腔氣體的樣品中；所述的口腔氣體樣品中包含有麻醉劑；所 述的體味樣品包括從人體的腳部或者腋下或者大腿根部收集到的樣品，所述的體味樣 品是隨機檢測到的，或者是己經被收集到的；所述的分析物還包括是受到固定的和可 變的溫度控制的分析物；所述的在流體中的分析物樣品以一層流的形式流過檢測傳感 器；所述的樣品含有身份信息； .c) 所述的材料包含所有種類的有機、無機和金屬吸附材料；所述的材料包含任何一種導 電的或不導電的吸附或吸收材料；所述的材料包含高分子材料、或者高分子材料和無 機材料的複合材料、或者含有鉑金屬組中的金屬的複合材料含有有機或無機的填充材 料、或者固體無機材料其包括分子篩、矽膠、氧化鋁、玻璃、多孔狀的炭粒、和碳 酸鈣、或者氟化碳顆粒包括四氟化乙烯高分子材料顆粒、或者液態有機鹽、或者表面 覆蓋有高分子材料的固體無機材料顆粒，包括覆蓋有高分子材料的氧化鋁顆粒、覆蓋 有高分子材料的矽膠顆粒、覆蓋有高分子材料的氟化碳高分子材料顆粒、和覆蓋有高 分子材料的玻璃顆粒；所述的鉑金屬組金屬包括有釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑；所述的 液態有機鹽包括由有機銨或者有機磷正離子與親質子的負離子配對組成，其包括四丁 基硫酸銨和四丁基硝酸磷d) 所述的檢測傳感器在被具有眾多頻率的交流電激勵信號作用下來測量該在流體中的分 析物；所述的交流電激勵信號包括頻率掃描的交流激勵信號；所述的檢測傳感器是一 次性使用的；e) 所述的檢測傳感器還包括至少一個檢測傳感器；所述的至少一個檢測傳感器中的每個 檢測傳感器是被電磁屏閉的、又被有序地、分別地施加了有眾多頻率的交流電激勵信 號；所述的檢測傳感器是受到包括固定的和可變的溫度控制的；所述的至少一個檢測 傳感器中的每個檢測傳感器的電極中是充填了不同的吸附材料；和O有一個含有現有的傳感器和所述的檢測傳感器組合的結構；在該結構中，含有一個或 多個現有的傳感器，和含有相應的多個或一個所述的檢測傳感器來充當在該結構中的 其餘的傳感器；所述的現有的傳感器包括金屬氧化物薄膜傳感器、導電高分子材料 薄膜傳感器、由高分子薄膜塗在晶體表面的重量感應傳感器、由高分子材料薄膜塗在 晶體表面的表面聲波傳感器、由柵極表面塗有金屬氧化物薄膜的矽場效應電晶體傳感 器、由應用多聲波的光纖傳感器、由根據氣相色譜、光譜和質譜原理而組成的相對應 的傳感器。
6、根據權利要求1和2和3所述的傳感器儀器系統，其特徵是所述的傳感器儀器還包括該至少一個傳感器包含有一個傳感器用作為參照傳感器，所述的參照傳感器還包括其有 與該檢測傳感器相同的結構，其是被電磁屏閉的、和被施加了有眾多頻率的交流電激勵信 號；所述的樣品以一層流的形式流過參照傳感器；參照傳感器在結合了檢測傳感器中得到 的的可測量的信息之後被用來降低背景噪聲，該背景噪聲包括了溼度的影響、高分子薄膜 的老化效應、和由安置在檢測傳感器電極之間的分析物的溫度變化而引起的檢測到的信息 的變化；參照傳感器在結合了檢測傳感器中得到的可測量的信息之後還被用來檢測和鑑別 在流體中的興趣所在物即分析物，或者檢測在分析物中的興趣所在物即包括已知的生化目 標物或目標物群在內的已知的化合物或化合物群；在所述的檢測和鑑別中參照傳感器檢測 不含有興趣所在物的樣品，所述的樣品是由吸附材料被安置在參照傳感器的前端來吸附在 樣品中的所述的興趣所在物之後所得到的；所述的參照傳感器是一次性使用'的；所述的參 照傳感器是受到包括固定的和可變的溫度控制的； 其特徵是還包括所述的檢測模塊a) 包含有眾多頻率的交流電激勵信號，其特徵是還包括有單一正弦波的多頻率的交流 電激勵信號或者有多正弦波的多頻率的激勵信號；所述的單一正弦波的多頻率的交流 電激勵信號包括用頻率掃描得到的，該頻率掃描的交流電激勵信號包含有開始頻率和 終止頻率的掃描頻率，和激勵信號的幅度；所述的眾多頻率的交流電激勵信號施加到 該檢測傳感器上，檢測到對應於所施加的眾多頻率的交流電激勵信號的眾多交流電學 性質，包括在每一頻率上得到的兩種不同的電學性貭，應用在多頻率上得到的電學性 質來鑑別在流體中的分析物，該電學性質包括電壓、電流、電阻抗、電阻、電抗、和 相位；b) 包含有單一頻率的方波或者三角波或者鋸齒波或者非正弦波形式的交流激勵信號；所 述的單一頻率的交流電激勵信號施加到該檢測傳感器上，檢測到對應於所施加的頻率的交流電激勵信號的一交流電學性質，該電學性質包括電壓、電流、電阻抗、電阻、電抗、 相位，應用得到的電學性質來檢測在流體中的分析物； C)包含有單一頻率的正弦波形式的交流激勵信號；所述的單一頻率的交流電激勵信號施 加到該檢測傳感器上，檢測到對應於所施加的頻率的交流電激勵信號的一交流電學性 質，包括在該頻率上得到的兩種不同的電學性質，該電學性質包括電壓、電流、電阻抗、 電阻、電抗、相位，應用得到的電學性質來檢測在流體中的分析物；d) 包含有模似量到數字量轉換器；e) 包含有一主要中央微處理器； 其特徵是還包括所述的傳感器儀器包括-f) 為檢測到的可測量的信息的預處理的算法；g) 將檢測到的分析物的信息與已知分析物的信息相比較來鑑別分析物；將檢測到的分析 物信息的類型與已知分析物信息的類型相比較來鑑別分析物，該分析物信息的類型是 在應用了主成分分析法的分析後而得到的；該分析物信息的類型是在應用了類型鑑別 的分析法的分析後而得到的；可應用的分析法包含了多變量元素分析法；可應用的分 析法包含有主成份分析法，有條件地單獨模似類別的相似性分析法，最鄰近因子分析 法，體系的群的分析法，典型判別的分析法，經典最小二乘法，主成分回歸，偏最小 二乘法，有指導的和無指導的認識性的中樞網絡技術，和模糊中樞網絡技術；h) 還包含有一驅動樣品單元、 一傳感器倉模塊，有一外部加熱器的一加熱模塊、 一微型 計算機模塊、和一電源模塊；該微型計算機模塊包含有通用的順序接口、串聯接口、和並聯接口來有線傳輸包括數 據，包含有為數據和指令輸入之用的按鍵單元，包含有具有輸入信息的功能的和能顯 示出測量得到的數據包括了根據掃描過的時間或者掃描過的頻率來顯示一瞬時得到的 分析物的信息的顯示屏幕，包含有一用於檢測的應用軟體、 一當數字以保密形式ti出時用來加密的軟體、有全球地理位置的定位地圖在內的應用軟體和包括類型鑑別的分 析法在內的分析法軟體，所述的分析法包含了多變量元素分析法，所述的分析法包含 有主成分分析法，有條件地單獨模似類別的相似性分析法，最鄰近因子分析法，體系 的群的分析法，典型判別的分析法，經典最小二乘法，主成分回歸，偏最小二乘法， 有指導的和無指導的認識性的中樞網絡技術，和模糊中樞網絡技術； i)包含有一資料庫，在該資料庫裡包含己知分析物的信息，巳知分析物信息的類型和已 知分析物信息的模型。
7、 根據權利要求1和2所述的傳感器儀器系統，其特徵是還包括 一中央信息站。
8、 根據權利要求3和7所述的傳感器儀器系統，其特徵是還包括所述的中央信息站a) 通過網絡連接了眾多處在該地域不同地區的能無線收發信息的當地信息站；b) 中央信息站包含有與一伺服計算機相連接的中央計算機，該中央計算機包含有全球地理位置的定位地圖在內的應用軟體和為檢測到的可測量的信息的預處理的算法和包括 類型鑑別的分析法在內的分析法的軟體，所述的分析法包含了多變量元素分析法，所 述的分析法包含有主成分分析法、有條件地單獨模似類別的相似性分析法、最鄰近因 子分析法、體系的群的分析法、典型判別的分析法、經典最小二乘法、主成分回歸、偏最小二乘法、有指導的和無指導的認識性的中樞網絡技術、和模糊中樞網絡技術； C)該中央計算機包含有一資料庫，在該資料庫裡包含己知分析物的信息；已知分析物信 息的類型和巳知分析物信息的模型；d) 中央計算機將檢測到的分析物的信息與已知分析物的信息相比較來鑑別分析物；將檢 測到的分析物信息的類型與己知分析物信息的類型相比較來鑑別分析物，該分析物信 息的類型是在應用了類型鑑別的分析法的分析後而得到的；該分析物信息的類型是在 應用了主成分分析法的分析後而得到的；e) 該網絡包含了易舍網絡，在一組織內部的網絡，在一區域內的網絡，和連接全世界地 區的英特網絡，所述的網絡包含用光纖、電纜、金屬電線、或包括電磁波的無線連接 在內的任何方式。
9、 一用於檢測和鑑別在流體中的分析物的傳感器儀器系統的方法，其特徵是-提供一傳感器儀器，其特徵是包括a) 提供至少一個傳感器，其特徵包括提供在該至少一個傳感器中的每一個傳感器包含 有在一種流體中的一個分析物的樣品，所述的每個傳感器提供該傳感器包含有該樣品 時的可測量的信息；其特徵還包括該至少一個傳感器提供包含有一個傳感器，其被 用作為檢測傳感器，該檢測傳感器含有被一空間所隔離的兩個電極；b) 提供一檢測模塊，其與在至少一個傳感器中的每一個傳感器相連接之後來測量所述的 可測量的信息；c) 提供一全球地理位置定位接收模塊，其被用來取得該傳感器儀器或者該分析物所在的 地理位置的信息；和d) 提供一傳輸數據模塊，其與該全球地理位置定位接收模塊聯繫之後被用來傳輸包括測 量到的可測量的信息和取得的地理位置的信息；還包括，其特徵還包括所述的色譜 柱的尾端連接了該噴氣管的另一端同軸相接。
10、 一用於檢測和鑑別在流體中的分析物的傳感器儀器系統的方法，其特徵是包括 提供一傳感器儀器，其特徵是包括a)提供至少一個傳感器，其特徵包括提供在該至少一個傳感器中的每一個傳感器包含 有在一種流體中的一個分析物的樣品，所述的每個傳感器提供該傳感器包含有該樣品 時的可測量的信息；其特徵還包括該至少一個傳感器提供包含有一個傳感器，其被 用作為檢測傳感器，該檢測傳感器含有被一空間所隔離的兩個電極，在該兩個電極間 是充填了用來吸附或者吸收該分析物的材料；b) 提供一檢測模塊，其與在至少一個傳感器中的每一個傳感器相連接之後來測量所述的 可測量的信息；c) 提供一全球地理位置定位接收模塊，其被用來取得該傳感器儀器或者該分析物所在的 地理位置的信息；和d) 提供一傳輸數據模塊，其與該全球地理位置定位接收模塊聯繫之後被用來傳輸包括測 量到的可測量的信息和取得的地理位置的信息。
11、 一用於檢測和鑑別在流體中的分析物的傳感器儀器系統的方法，其特徵是提供一處在 當地的傳感器儀器和一處在遠端的中央信息站；該傳感器儀器，其特徵是包括a) 提供至少一個傳感器，其特徵包括提供在該至少一個傳感器中的每一個傳感器包含 有在一種流體中的一個分析物的樣品，所述的每個傳感器提供該傳感器包含有該樣品 時的可測量的信息；其特徵還包括該至少一個傳感器提供包含有一個傳感器，其被 用作為檢測傳感器，該檢測傳感器含有被一空間所隔離的兩個電極；b) 提供一檢測模塊，其與在至少一個傳感器中的每一個傳感器相連接之後來測量所述的 可測量的信息；c) 提供一全球地理位置定位接收模塊，其被用來取得該傳感器儀器或者該分析物所在的 地理位置的信息；和d) 提供一傳輸數據模塊，其與該全球地理位置定位接收模塊聯繫之後被用來傳輸包括測 量到的可測量的信息和取得的地理位置的信息。
12、 根據權利要求9和11所述的傳感器儀器系統的方法，其特徵是所述的檢測傳感器還包括: 在該兩個電極間是充填了用來吸附或者吸收該分析物的材料。
13、 根據權利要求10和12所述的傳感器儀器系統的方法，其特徵是所述的檢測傳感器還 包括a) 所述的兩個電極是一對在電極間包含有固體支持顆粒的空間電極，或者是被放置在陶 瓷基板上或矽基質上而形成的相應的厚膜電極或者薄膜電極，該固體支持顆粒表面或 者厚膜電極的陶瓷基板表面或者薄膜電極的矽基質表面是去極性的，去極性是應用了 化學物品包含有雙甲基雙氯化矽烷、或者是[二甲基(三甲基甲矽烷基氨基)甲矽垸基] 甲烷、或者是三甲基氯化矽烷、或者是由上述的化學試劑組合而成、或者是十八環雙 甲基氯化矽垸；b) 所述的在樣品中的一個分析物包括是一化合物或者是一化學混合物；所述的分析物還 包含有已知化合物或者化合物群；所述的分析物是氣態的；所述的分析物包括是不具 有氣味的，或者是具有氣味的；所述的分析物是含有違禁物的，或者是與環境保護有 關的，或者是與醫護包括醫療診斷有關的，或者是與科學研究包括太空研究興趣有關 的，或者是與日常生活有關的，或者是為安全所考量的，或者是與各工業的興趣有關 的包括食品工業、飲料工業、農業工業、化學工業、石油工業、塑料工業、建築工 業、醫藥工業、汽車工業、生化工業、和運輸工業；所述的與醫護包括醫療診斷有關 的分析物還包括含有與器官疾病有關的生化目標物或者生化目標物群的分析物；所述 的生化目標物或者生化目標物群包括存在在生物體的尿液或者糞便或者血清或者血液 或者唾液或者體味或者口腔氣體的樣品中；所述的口腔氣體樣品中包含有麻醉劑；所 述的體味樣品包括從人體的腳部或者腋下或者大腿根部收集到的樣品，所述的體味樣 品是隨機檢測到的，或者是已經被收集到的；所述的分析物還包括是受到固定的和可 變的溫度控制的分析物；所述的在流體中的分析物樣品以一層流的形式流過檢測傳感 器；所述的樣品含有身份信息；c) 所述的材料包含所有種類的有機、無機和金屬吸附材料；所述的材料包含任何一種導 電的或不導電的吸附或吸收材料；所述的材料包含高分子材料、或者高分子材料和無機材料的複合材料、或者含有鉑金屬組中的金屬的複合材料含有有機或無機的填充材 料、或者固體無機材料其包括分子篩、矽膠、氧化鋁、玻璃、多孔狀的炭粒、和碳 酸鈣、或者氟化碳顆粒包括四氟化乙烯高分子材料顆粒、或者液態有機鹽、或者表面 覆蓋有高分子材料的固體無機材料顆粒，包括覆蓋有高分子材料的氧化鋁顆粒、覆蓋 有高分子材料的矽膠顆粒、覆蓋有高分子材料的氟化碳高分子材料顆粒、和覆蓋有高 分子材料的玻璃顆粒；所述的鉑金屬組金屬包括有釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑；所述的 液態有機鹽包括由有機銨或者有機磷正離子與親質子的負離子配對組成，其包括四丁 基硫酸銨和四丁基硝酸磷d) 所述的檢測傳感器在被具有眾多頻率的交流電激勵信號作用下來測量該在流體中的分 析物；所述的交流電激勵信號包括頻率掃描的交流激勵信號；所述的檢測傳感器是一 次性使用的；e) 所述的檢測傳感器還包括至少一個檢測傳感器；f) 所述的至少一個檢測傳感器中的每個檢測傳感器是被電磁屏閉的、又被有序地、分別 地施加了有眾多頻率的交流電激勵信號；所述的檢測傳感器是受到包括固定的和可變 的溫度控制的；g) 所述的至少一個檢測傳感器中的每個檢測傳感器的電極中是充填了不同的吸附材料； 和h) 有一個含有現有的傳感器和所述的檢測傳感器組合的結構；在該結構中，含有一個或 多個現有的傳感器，和含有相應的多個或一個所述的檢測傳感器來充當在該結構中的 其餘的傳感器；所述的現有的傳感器包括金屬氧化物薄膜傳感器、導電高分子材料 薄膜傳感器、由高分子薄膜塗在晶體表面的重量感應傳感器、由高分子材料薄膜塗在 晶體表面的表面聲波傳感器、由柵極表面塗有金屬氧化物薄膜的矽場效應電晶體傳感 器、由應用多聲波的光纖傳感器、由根據氣相色譜、光譜和質譜原理而組成的相對應 的傳感器。
14、根據權利要求9和10和11所述的傳感器儀器系統的方法，其特徵是所述的傳感器儀 器還包括.該至少一個傳感器包含有一個傳感器用作為參照傳感器，所述的參照傳感器還包括其有 與該檢測傳感器相同的結構，其是被電磁屏閉的、和被施加了有眾多頻率的交流電激勵信 號；所述的樣品以一層流的形式流過參照傳感器；參照傳感器在結合了檢測傳感器中得到 的的可測量的信息之後被用來降低背景噪聲，該背景噪聲包括了溼度的影響、高分子薄膜 的老化效應、和由安置在檢測傳感器電極之間的分析物的溫度變化而引起的檢測到的信息 的變化；參照傳感器在結合了檢測傳感器中得到的可測量的信息之後還被用來檢測和鑑別 在流體中的興趣所在物即分析物，或者檢測在分析物中的興趣所在物即包括已知的生化目 標物或目標物群在內的已知的化合物或化合物群；在所述的檢測和鑑別中參照傳感器檢測 不含有興趣所在物的樣品，所述的樣品是由吸附材料被安置在參照傳感器的前端來吸附在 樣品中的所述的興趣所在物之後所得到的；所述的參照傳感器是一次性使用的；所述的參 照傳感器是受到包括固定的和可變的溫度控制的； 其特徵是還包括所述的檢測模塊a)包含有眾多頻率的交流電激勵信號，其特徵是還包括有單一正弦波的多頻率的交流 電激勵信號或者有多正弦波的多頻率的激勵信號；所述的單一正弦波的多頻率的交流 電激勵信號包括用頻率掃描得到的，該頻率掃描的交流電激勵信號包含有開始頻率和 終止頻率的掃描頻率，和激勵信號的幅度；所述的眾多頻率的交流電激勵信號施加到 該檢測傳感器上，檢測到對應於所施加的眾多頻率的交流電激勵信號的眾多交流電學 性質，包括在每一頻率上得到的兩種不同的電學性質，應用在多頻率上得到的電學性 質來鑑別在流體中的分析物，該電學性質包括電壓、電流、電阻抗、電阻、電抗、和相位；b)包含有單一頻率的方波或者三角波或者鋸齒波或者非正弦波形式的交流激勵信號；所 述的單一頻率的交流電激勵信號施加到該檢測傳感器上，檢測到對應於所施加的頻率的交流電激勵信號的一交流電學性質，該電學性質包括電壓、電流、電阻抗、電阻、電抗、 相位，應用得到的電學性質來檢測在流體中的分析物； C)包含有單一頻率的正弦波形式的交流激勵信號；所述的單一頻率的交流電激勵信號施 加到該檢測傳感器上，檢測到對應於所施加的頻率的交流電激勵信號的一交流電學性 質，包括在該頻率上得到的兩種不同的電學性質，該電學性質包括電壓、電流、電阻抗、 電阻、電抗、相位，應用得到的電學性質來檢測在流體中的分析物；d) 包含有模似量到數字量轉換器；e) 包含有一主要中央微處理器； 其特徵是還包括所述的傳感器儀器包括-f) 為檢測到的可測量的信息的預處理的算法；g) 將檢測到的分析物的信息與已知分析物的信息相比較來鑑別分析物；將檢測到的分析 物信息的類型與已知分析物信息的類型相比較來鑑別分析物，該分析物信息的類型是 在應用了主成分分析法的分析後而得到的；該分析物信息的類型是在應用了類型鑑別 的分析法的分析後而得到的；可應用的分析法包含了多變量元素分析法；可應用的分 析法包含有主成份分析法，有條件地單獨模似類別的相似性分析法，最鄰近因子分析 法，體系的群的分析法，典型判別的分析法，經典最小二乘法，主成分回歸，偏最小 二乘法，有指導的和無指導的認識性的中樞網絡技術，和模糊中樞網絡技術；h) 還包含有一驅動樣品單元、 一傳感器倉模塊，有一外部加熱器的一加熱模塊、 一微型 計算機模塊、和一電源模塊；該微型計算機模塊包含有通用的順序接口、串聯接口、和並聯接口來有線傳輸包括數 據，包含有為數據和指令輸入之用的按鍵單元，包含有具有輸入信息的功能的和能顯 示出測量得到的數據包括了根據掃描過的時間或者掃描過的頻率來顯示一瞬時得到的 分析物的信息的顯示屏幕，包含有一用於檢測的應用軟體、 一當數字以保密形式輸出 時用來加密的軟體、有全球地理位置的定位地圖在內的應用軟體和包括類型鑑別的分 析法在內的分析法軟體，所述的分析法包含了多變量元素分析法，所述的分析法包含 有主成分分析法，有條件地單獨模似類別的相似性分析法，最鄰近因子分析法，體系 的群的分析法，典型判別的分析法，經典最小二乘法，主成分回歸，偏最小二乘法， 有指導的和無指導的認識性的中樞網絡技術，和模糊中樞網絡技術；i) 包含有一資料庫，在該資料庫裡包含己知分析物的信息，已知分析物信息的類型和已 知分析物信息的模型。
全文摘要
一傳感器儀器系統及方法包含有一處在當地的傳感器儀器即電子鼻儀器和一處在遠端的中央信息站，被用來檢測和鑑別分怖在一地域眾多地區裡的流體中的分析物。傳感器儀器包含了核心技術應用交流電頻率掃描和矢量分析的具有兩電極的單一傳感器，因而能在一次測量中得到兩組具有分析物指紋的電學性質。該儀器還具有一傳輸數據模塊和一全球地理位置定位接收模塊。中央站通過網絡連接了眾多處在該地域不同地區的能無線收發信息的當地信息站。這樣由傳感器儀器傳輸的信息可以通過當地站被中央站所接收。該核心技術還包含了參照傳感器用來消除背景噪聲的影響和為醫療診斷而檢測與器官疾病有關的生化目標物、用來優化分析物吸附和解吸的溫度控制、和應用所有種類的具有化學選擇性包括氫選擇性在內的吸附材料來強化檢測和鑑別分析物。
文檔編號G01N27/00GK101581685SQ200910152400
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月28日 優先權日2008年7月2日
發明者孫一忠 申請人:孫一慧;孫一忠