(57)【要約】      （修正有）【課題】アンモニア、過酸化水素、シクロヘキサノン、及び水等の刺激を検出するセンサを有する、ポータブルかつ低コストのデバイスを提供する。【解決手段】刺激を検出する方法は、センサ１０２を含む無線周波数識別タグ１０１からの出力を検出する。スマートフォンベースのセンシング方式は、商用の近距離無線通信タグの回路内に統合された化学反応性ナノ材料を用いて、千分率及び百万分率濃度での気相化学物質の、非見通し式でポータブルかつ安価な検出及び判別を可能にする。【選択図】図１
2020060570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ部分を有する無線周波数識別タグからの出力を検出することを含む、刺激を検出
する方法であって、該センサ部分は、該無線周波数識別タグが該刺激に対し接触する、又
は相互作用を行う場合に抵抗率を変化させるように構成され、該抵抗率の変化が該無線周
波数識別タグの出力を変えることを特徴とする、前記方法。
【請求項２】
リーダーによって前記無線周波数識別の出力を検出することを更に含むことを特徴とす
る、請求項1記載の方法。
【請求項３】
前記リーダーは、携帯式のモバイルプラットホーム、又は固定リーダーを含むことを特
徴とする、請求項2記載の方法。
【請求項４】
前記リーダーはスマートフォンを含むことを特徴とする、請求項2記載の方法。
【請求項５】
前記刺激は分析物を含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項６】
前記刺激は蒸気を含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項７】
前記刺激はエチレンを含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項８】
前記刺激はアルケンを含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項９】
前記刺激はアルキンを含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項１０】
前記刺激はかびを含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項１１】
前記刺激は酸を含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項１２】
前記刺激はケトンを含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項１３】
前記刺激はエステル、アルデヒド、アルコール、エーテル、ニトロ基を有する分子を含
むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項１４】
前記刺激はチオールを含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項１５】
前記刺激はアミンを含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項１６】
前記刺激はアンモニア又はモノ窒素酸化物を含むことを特徴とする、請求項1記載の方
法。
【請求項１７】
前記刺激は熱エネルギーを含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項１８】
前記刺激は有害な電離放射線を含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項１９】
前記刺激が紫外線を含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項２０】
前記抵抗率の変化の結果として、リーダーで読み込み可能な信号を生成することを更に
含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項２１】
前記抵抗率の変化の結果として、リーダーで読み込み可能な信号をオフにすることを更
に含むことを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項２２】
前記出力が前記刺激の検出によってシフトされた後、該出力はリーダーによって検出可
能であることを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項２３】
前記出力が物理的物体を通過した後、該出力はリーダーによって検出可能であることを
特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項２４】
前記刺激は前記無線周波数識別タグの表面の一部に対し接触する又は相互作用を行うこ
とを特徴とする、請求項1記載の方法。
【請求項２５】
前記センサ部分は前記無線周波数識別タグの表面の一部に位置することを特徴とする、
請求項1記載の方法。
【請求項２６】
前記センサ部分はアンテナコイルによって囲まれることを特徴とする、請求項1記載の
方法。
【請求項２７】
前記センサ部分の表面積は前記無線周波数識別タグの表面積よりも小さいことを特徴と
する、請求項1記載の方法。
【請求項２８】
前記無線周波数識別タグは電源を必要としないことを特徴とする、請求項1記載の方法
。
【請求項２９】
前記無線周波数識別タグ内の電気的接続を変えることを更に含むことを特徴とする、請
求項1記載の方法。
【請求項３０】
前記無線周波数識別タグは1つ又は複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とす
る、請求項1記載の方法。
【請求項３１】
前記センサ部分は複数のセンシング位置を含むことを特徴とする、請求項1記載の方法
。
【請求項３２】
センサ部分を有する無線周波数識別タグを含む、刺激を検出するタグであって、該セン
サ部分は、該無線周波数識別タグが該刺激に対し接触する、又は相互作用を行う場合に抵
抗率を変化させるように構成され、該抵抗率の変化が該無線周波数識別タグの出力を変え
、該センサ部分は回路を含み、該センサ部分は、刺激に対し接触した、又は相互作用を行
った場合に、該回路を起動又は停止させるように構成されることを特徴とする、前記タグ
。
【請求項３３】
前記センサ部分は、金属、有機材料、誘電材料、半導体材料、高分子材料、生物学的材
料、ナノワイヤ、半導体ナノ粒子、カーボンナノチューブ、ナノファイバ、カーボンファ
イバ、カーボン粒子、カーボンペースト、若しくは導電性インク、又はこれらの組み合わ
せを含むセンシング材料を含むことを特徴とする、請求項31記載のタグ。
【請求項３４】
前記タグは、人が着用可能なバッジに組み込まれることを特徴とする、請求項31記載の
タグ。
【請求項３５】
センサ部分を有する無線周波数識別タグであって、該センサ部分が、該無線周波数識別
タグが該刺激に対し接触する、又は相互作用を行う場合に抵抗率を変化させるように構成
され、該抵抗率の変化が該無線周波数識別タグの出力を変える、前記無線周波数識別タグ
と、該無線周波数識別タグからの出力を検出する検出器と、を有することを特徴とする、
刺激を検出するシステム。
【請求項３６】
前記検出器はリーダーであることを特徴とする、請求項34記載のシステム。
【請求項３７】
前記リーダーは携帯式リーダーであることを特徴とする、請求項35記載のシステム。
【請求項３８】
携帯式リーダーはスマートフォンであることを特徴とする、請求項36記載のシステム。
【請求項３９】
前記タグは前記抵抗率の変化後に前記検出器により読み込み不可から読み込み可になるこ
とを特徴とする、請求項34記載のシステム。
【請求項４０】
前記タグは前記抵抗率の変化後に前記検出器により読み込み可から読み込み不可になる
ことを特徴とする、請求項34記載のシステム。
【請求項４１】
前記システムは線量計を含むことを特徴とする、請求項34記載のシステム。
【請求項４２】
前記線量計は、放射線量計、化学兵器剤線量計、揮発性有機化合物線量計、又は分析物
線量計であることを特徴とする、請求項40記載のシステム。
【請求項４３】
前記システムは、職業上の安全に関係する汚染物質又は化学物質をモニタすることを特
徴とする、請求項34記載のシステム。
【請求項４４】
前記システムは複数のタグを含むことを特徴とする、請求項34記載のシステム。
【請求項４５】
前記複数のタグは各々少なくとも１つの刺激を検出することができることを特徴とする
、請求項43記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権の主張）
本出願は、2013年10月30日出願の米国仮特許出願第61/897,613号の利益を主張する。上
記米国仮特許出願の内容は参照によってすべて本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、センサ及びセンシングの方法に関する。
【０００３】
（連邦政府資金による研究開発）
本発明は、米陸軍研究所によって授与された契約番号W911NF-07-D-0004の下に、政府支
援を受けてなされたものである。政府は本発明に対し一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
（背景）
化学及び物理センシングのための、ポータブルかつ低コストの技術の開発は重要である
。従来のソリューションには、高価である、かさばる、又は壊れやすい、或いは訓練を受
けた人材による操作を必要とするなどの制限がある。加えて、従来のセンシング方法の多
くでは、デバイスは、ワイヤ又は固体回路を介したセンシング素子／材料の物理的接触に
よって、データを取得する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
（概要）
一態様では、刺激を検出する方法は、センサ部分を有する無線周波数識別タグからの出
力を検出することを含むことができ、該センサ部分は、該無線周波数識別タグが該刺激に
対し接触する、又は相互作用を行うことができる場合に抵抗率を変化させるように構成さ
れ、該抵抗率の変化は該無線周波数識別タグの出力を変えることができる。センサ部分は
、刺激に対し接触した場合又は相互作用を行った場合に、回路を起動若しくは停止させる
、又は回路が検出可能な特性を変更するように構成することができる。
【０００６】
リーダーは、例えば、周波数、周波数シフト、信号強度、又は他の検出可能な情報など
の無線周波数領域における出力情報を解釈するデバイスにすることができる。
【０００７】
特定の実施態様では、方法は、リーダーによって無線周波数識別の出力を検出すること
を含むことができる。該リーダーは、携帯式のモバイルプラットホーム、又は固定リーダ
ーを含むことができ、これはスマートフォン、Wi-Fiアクセスポイント、又は同様のデバ
イスを含むことができる。
【０００８】
特定の実施態様では、刺激は分析物を含むことができる。刺激は蒸気を含むことができ
る。刺激はかびを含むことができる。刺激はエチレンを含むことができる。刺激はアルケ
ン、アルキン、酸、ケトン、エステル、アルデヒド、アルコール、エーテル、チオール、
アンモニア、モノ窒素酸化物、又はアミンを含むことができる。刺激は熱エネルギーを含
むことができる。刺激は有害な電離放射線を含むことができる。刺激は紫外線を含むこと
ができる。刺激がエネルギー（例えば、熱、放射線、又は光）である場合、該刺激はタグ
と相互作用を行う。
【０００９】
特定の実施態様では、方法は、抵抗率の変化の結果として、リーダーで読み込み可能な
信号を生成することを含むことができる。方法は、抵抗率の変更の結果として、リーダー
で読み込み可能な信号をオフにすることを含むことができる。
【００１０】
特定の実施態様では、周波数が刺激の検出によってシフトされた後、出力は携帯式リー
ダーによって検出可能である。出力が物理的物体を通過した後、該出力はリーダーによっ
て検出可能である。
【００１１】
特定の実施態様では、刺激は、無線周波数識別タグの表面の一部に対して接触する、又
は相互作用を行うことができる。センサ部分は、無線周波数識別タグの表面の一部に位置
することができる。センサ部分は、アンテナコイルによって囲むことができる。センサ部
分は、複数のセンシング位置を含むことができる。センサ部分は、無線周波数識別タグの
表面積よりも小さい表面積を有することができる。
【００１２】
特定の実施態様では、無線周波数識別タグは電源を必要としない。無線周波数識別タグ
は、1つ又は複数のカーボンナノチューブを含むことができる。方法は、無線周波数識別
タグ内の電気的接続を変えることを含むことができる。
【００１３】
別の態様では、刺激を検出するタグは、センサ部分を有する無線周波数識別タグを含む
ことができ、該センサ部分は、該無線周波数識別タグが該刺激に対し接触する、又は相互
作用を行うことができる場合に抵抗率を変化させるように構成され、該抵抗率の変化が該
無線周波数識別タグの出力を変え、該センサ部分は回路を含むことができ、該センサ部分
は、刺激に対し接触した、又は相互作用を行った場合に、該回路を閉じる又は開くように
構成することができる。
【００１４】
特定の実施態様では、センサ部分は、金属、有機材料、誘電材料、半導体材料、高分子
材料、生物学的材料、ナノワイヤ、ナノ粒子、半導体ナノ粒子、カーボンナノチューブ、
ナノファイバ、カーボンファイバ、カーボン粒子、カーボンペースト、若しくは導電性イ
ンク、又はこれらの組み合わせを含むセンシング材料を含むことができる。各例において
、センシング材料は複数の粒子を含むことができ、該粒子はそれぞれナノ構造材料にする
ことができる。
【００１５】
特定の実施態様では、タグを人が着用可能なバッジに組み込むことができる。
【００１６】
別の態様では、刺激を検出するシステムは、センサ部分を有する無線周波数識別タグで
あって、該センサ部分が、該無線周波数識別タグが該刺激に対し接触する、又は相互作用
を行うことができる場合に抵抗率を変化させるように構成され、該抵抗率の変化が該無線
周波数識別タグの出力を変えることができる該無線周波数識別タグと、該無線周波数識別
タグからの出力を検出する検出器とを有することができる。
【００１７】
特定の実施態様では、検出器は、リーダーとすることができる。リーダーは携帯式周波
数リーダーとすることができ、これはスマートフォンとすることができる。抵抗率の変化
後に、検出器を読み込み不可から読み込み可にすることができる。抵抗率の変化後に、検
出器を読み込み可から読み込み不可にすることができる。
【００１８】
特定の実施態様では、システムは線量計を含むことができる。該線量計は、放射線線量
計、化学兵器剤線量計、硫黄線量計、又はオゾン線量計にすることができる。システムは
、職業上の安全に関係する汚染物質又は化学物質をモニタすることができる。
【００１９】
特定の実施態様では、システムは複数のタグを含むことができる。複数のタグは各々少
なくとも1つの刺激を検出することができる。
【００２０】
他の態様、実施態様及び特徴は、以下の説明、図面及び請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
（図面の簡単な説明）
【図１】図１は、RFIDタグとスマートフォンの間の無線波の伝送を示す図である。
【図２】図２は、商業的に入手可能なRFIDタグを示す図である。
【図３】図３は、厚さ5cm分のPost-Itノートのスタックを介したRFIDタグの可読性をGoogle Nexus Sを用いて実証する図である。
【図４】図４Ａは、センシング方法1の原理を示す図である；図４Ｂは、センシング方法2の原理を示す図である。
【図５】図５は、センシング方法1の変形プロセスのグラフィック表現及び等価電子回路図を示す図である。
【図６】図６は、センシング方法2の変形プロセスの結果のグラフィック表現及び等価電子回路図を示す図である。
【図７】図７Ａは、可変抵抗器によるタグの2ステップの変形を示す図である。図７Ｂは、（a）未変形タグ、（b）切断タグ、（c）シクロヘキサノンへの曝露前の変形センサタグ、及び（c*）シクロヘキサノンへの曝露中の変形センサタグの周波数応答の平均化トレースと、（d）いずれのタグも存在しない場合の周波数応答の単一のトレースと、を示す図である。図７Ｃは、（a）、（b）、（c）及び（c*）の正規化された、周波数依存性のスマートフォンRF信号の減衰を示す図である。
【図８】図８Ａは、機能化タグの共振周波数の振る舞いの相関を、NFC対応スマートフォンによるこれらの可読性と比較して示す図である（青色＝Google Nexus Sで読み込み可；赤色＝Google Nexus Sで読み込み不可）。図８Ｂは、シクロヘキサノンへの曝露前（塗り潰しなし）及び曝露後（塗り潰しあり）における機能化タグの共振周波数の振る舞いの相関を、NFC対応スマートフォンによるこれらの可読性と比較して示す図である（青色＝Google Nexus Sで読み込み可；赤色＝Google Nexus Sで読み込み不可）。図８Ｃは、シクロヘキサノンへの曝露前（塗り潰しなし）及び曝露後（塗り潰しあり）におけるタグの共振周波数の振る舞いの相関を、NFC対応スマートフォンによるこれらの可読性と比較して示す図である（青色＝Google Nexus Sで読み込み可；赤色＝Google Nexus Sで読み込み不可）。図８Ｄは、10kΩ（淡青色）、50kΩ（赤色）、及び100kΩ（黒色）での共振周波数の正規化変化をタグの抵抗の正規化変化と比較した図である。
【図９】図９は、シクロヘキサノンへの曝露前（塗り潰しなし）、曝露中（塗り潰しあり）、及び曝露後（斜線）における、シクロヘキサノンセンサで機能化されたタグの共振周波数の振る舞いの相関を、NFC対応スマートフォンによるこれらの可読性と比較して示す図である（青色＝Google Nexus S及びSamsung Galaxy S4で読み込み可；紫色＝Google Nexus Sで読み込み可、及びSamsung Galaxy S4で読み込み不可；赤色＝Google Nexus Sで読み込み不可）。
【図１０】図１０は、プリスチン単層カーボンナノチューブセンサを備える商用RFIDタグの、硝酸蒸気への曝露時の可読性を示す図である。
【図１１】図１１は、シクロヘキサノンセンサを備える商用RFIDタグの、シクロヘキサノン及び空気（x3）に周期的に曝露された場合の可読性を示す図である。
【図１２】図１２は、（I）シクロヘキサノン及び（III）Windex蒸気への曝露に応じたターンオフセンシングと、（II）NOx及び（IV）Clorox蒸気への曝露に応じたターンオンセンシングとを示す図である。
【図１３】図１３は、熱への曝露（120℃で1分間）に応じたターンオンセンシングを示す図である。
【図１４】図１４は、4:1の重量%の2-(2-ヒドロキシ-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロピル)-1-ナフトール（HFIPN）及び単層カーボンナノチューブ（SWCNT）で機能化されたセンサタグの周囲条件に対する安定度を（a）時間及び（b）日にちで示す図である。
【図１５】図１５Ａは、スマートフォン信号（紫色のトレース）が未変形タグ（灰色のトレース）に接続して被変調信号（オレンジ色のトレース）になり、これを正規化により分析して、タグが読み込み可能であることを示す後方散乱信号変調トレース（青色のトレース）を構成することができることを実証する図である。図１５Ｂは、スマートフォン信号（紫色のトレース）が変形タグ（黒色のトレース）に接続して被変調信号（オレンジ色のトレース）になり、これを正規化により分析して、タグが読み込み不可であることを示す後方散乱信号変調トレース（赤色のトレース）を構成することができることを実証する図である。
【図１６】図１６は、（a）未変形タグ、（b）切断タグ、（c）シクロヘキサノンへの曝露前の変形センサタグ、及び（c*）シクロヘキサノンへの曝露中の変形センサタグの正規化後方散乱変調トレースを示す図である。
【図１７】図１７は、好適なタグ対タグ再現性を示す図である。
【図１８】図１８は、NFCタグのCARDへの変換がスマートフォンによる化学分析物の無線RF検出を有効にすることを示す図である。
【図１９】図１９は、分析物の存在がスマートフォンとCARDの間における電力移動に影響を与えることを示す図である。図１９Ａは、（1）ベースライン（タグが存在しない）、（2）未変形NFCタグ、（3）回路を切断したタグ、（4）CARD-2、（5）シクロヘキサノン（周囲温度及び圧力で平衡蒸気圧）の存在下に5秒間置かれたCARD-2、及び（6）同条件下に1分間置かれた場合のCARD-2の平均（n=5）反射係数（S11）を示す図である。図１９Ｂは、SGS4から1〜6に記載のCARDへの推定平均（n=5）電力移動（Pt）（13.53MHz〜13.58MHz）を示す図である。
【図２０】図２０は、濃度の異なる分析物を検出するようにプログラムされたCARDを示す図である。図２０Ａは、CARD-1Aを、NH3（35ppm）に対して20分間隔で4回、各5分間曝露させた場合の反応をSGS4（上部）及びマルチメータ（下部）でモニタしたものを示す図である。影付きの境界線は、図示のトレースに基づく推定Rtを示す。図２０Ｂは、CARD-1A（青色）及びCARD-1B（オレンジ色）を2つの異なる濃度（4ppm及び35ppm）のNH3に対して5分間、1回のみ曝露させた場合の反応をSGS4（上部）及びマルチメータ（最下）でモニタしたものを示す図である。影付きの境界線は、図示のトレースに基づく推定Rtを示す。
【図２１】図２１は、CARDのアレイが分析物の識別及び判別を有効にすることを示す図である。プログラムされた（n=3）（A）CARD-1A、（B）CARD-1C、（C）CARD-2、及び（D）CARD-3を、（1）NH3（35ppm）、（2）H2O2（225ppm）、（3）シクロヘキサノン（335ppm）及び（4）H2O（30,000ppm）に対して5分間、1回のみ曝露させた場合の反応をSGS4（上部）及びマルチメータ（下部）でモニタしたものを示す。影付きの境界線は、図示のトレースに基づく各CARDの推定Rtを示す。CARD-1A、-1C、-2及び-3のコンパイルされたバイナリSGS4反応（E）により、本研究でテストするガスの識別が分類化される。
【図２２】図２２は、CARD Rsの予測可能な変動を示す図である。（A）P1、（B）P2及び（C）P3を描画して作成されたCARD（n=5）は、初期Rs値の範囲で予測可能な変動特性を示す。図２２Ｄは（A）（正方形）、（B）（三角形）及び（C）（円）に対応するCARDの抵抗の正規化変化を時間の関数として示す図である。
【図２３】図２３は、CARDが所望のRs範囲で作成可能であることを示す図である。CARD-2のRsの変動はP2によって可能な限り（n=9）初期Rs=35kΩに近づけられている。初期平均はRs=35kΩ±4kΩである。最終平均はRs=21kΩ±1kΩである。エラーバーは、9つの異なるタグの平均に対する標準偏差を示す。
【図２４】図２４は、ベクトルネットワークアナライザに接続されたループプローブにより行われる無線周波数反射係数（S11）の測定を示す図である。図２４Ａは、空の瓶の瓶キャップに取り付けられたループプローブに接続して示されるベクトルネットワークアナライザを示す図である。図２４Ｂは、絶縁テープで瓶キャップの上部にテープ付けされた、本研究に用いる特注のループプローブの画像を示す図である。図２４Ｃは、両面テープを用いて瓶キャップの内側に配置されたCARDの画像を示す図である。
【図２５】図２５は、マルチメータによって測定したCARD Rsを示す図である。Rsは、マルチメータを用いて、上に図示した位置でCARDに接触して測定された。
【図２６】図２６は、SGS4からNFCタグ又はCARDへの電力移動を推定する手順を示す図である。図２６Ａは、SGS4により生成された信号（マジェンタ）の反射係数（S11）スペクトルと、SGS4により生成され、（1）ベースライン（タグが存在しない）、（2）未変形NFCタグ、（3）回路を切断したタグ、（4）CARD-2、（5）シクロヘキサノン（周囲温度及び圧力で平衡蒸気圧）の存在下に5秒間置かれたCARD-2、及び（6）同条件下に1分間置かれた場合のCARD-2のスペクトルに加えられた信号のスペクトルと、を示す図である。図２６Ｂ及び図２６Ｃは、それぞれ図２６Ａに図示されたシナリオに対応する、ネットワークアナライザによって受信された推定電力のオリジナル及び拡大したスペクトルを示す図である。
【図２７】図２７は、CARD-1AをNH3（35ppm）に対して複数回曝露させた場合のリバーシブルな挙動を示す図である。CARD-1A（n=3）を、NH3（35ppm）に対して20分間隔で4回、各5分間曝露させた場合の反応をSGS4（上部、線）及びマルチメータ（下部、白丸）でモニタしたものを示す図である。
【図２８】図２８は、CARD-1BはN2で4ppmのNH3には反応するが、純粋なN2には反応しないことを示す図である。図２８Ａは、3つの個別のCARD-1B（濃青色、オレンジ色及び赤色）を窒素に対して5分間、1回のみ曝露させた場合の反応をSGS4（上部、黒丸）及びマルチメータ（最下部、白丸）でモニタしたものを示す図である。3つの別個のCARD-1A（紫色、黄色、及び淡青色）とCARD-1B（濃青色、オレンジ色、及び赤色）とを4ppmのNH3（図２８Ｂ）及び35ppmのNH3（図２８Ｃ）に対し5分間、1回のみ曝露させた場合の反応をSGS4（上部、黒丸）及びマルチメータ（最下部、白丸）でモニタしたものを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（発明の詳細な説明）
化学及び物理センシングのための、ポータブルかつ低コストの技術を開発することは、
人間の健康、安全、及び生活の質にとって重要である。このようなシステムは、疾病のポ
イントオブケア診断、爆発物や化学兵器剤の検出、食品の腐敗防止や農業の高効率化、オ
イルやガスの分析、石油化学製品の漏出及び流出の検出、環境汚染のモニタリング、放射
線の検出、温度又は熱エネルギー曝露のモニタリングなどに用いることができる。従来の
この分野における改善とは、既存のプラットホームの変形又はリエンジニアリングによる
パフォーマンスの向上であった。このような方式は、構成要素を小型化して可搬性を向上
させること（例えば、ポータブルガスクロマトグラフ又は質量分光計）や、コストを抑え
ること（例えば、生産効率を向上させる）を含んでもよい。これらのソリューションは、
可搬性に関しては既存のプラットホームを改善することができる可能性がある一方で、高
価である、かさばる、又は壊れやすい、或いは訓練を受けた人材による操作を必要とする
などの制限がまだある。加えて、化学センシングの従来の方法の多くでは、デバイスは、
ワイヤ又は固体回路を介したセンシング素子／材料の物理的接触によって、データを取得
する必要がある。
【００２３】
（複数のセンサの例）
過酸化物系爆発物の使用が広まっている。過酸化物又は過酸化物前駆体を決定する方法
は、過酸化物反応性材料、発光材料、支持材料、又は支持材料前駆体を含み、任意に、触
媒を含む混合流体を形成して、過酸化物の存在下で発光する組成物を作成することを含む
ことができ、該組成物の沸点は少なくとも300℃又はこれ以上である。過酸化物を決定す
る方法は、過酸化物反応性材料を含む組成物を、過酸化物を含む可能性のある蒸気に対し
曝露させ、過酸化物が存在する場合に該組成物から検知可能な信号を生成し、該信号を検
知することを含むことができ、該組成物の沸点は少なくとも300℃又はこれ以上である。
【００２４】
サンプル内で炭素―炭素多重結合部分を含む分析物を検出する1つの方法は、押出可能
なグループを含み、炭素―炭素多重結合部分を含む分析物とのディールス・アルダー反応
が可能な複素芳香族化合物を備えた検出器の検出領域を、サンプルに対して曝露させ、サ
ンプル中の分析物の存在に基づいて、複素芳香族化合物を含む反応性混合物の変色を検出
することを含む。本方法は、アルケンとアルキンの検出、差別化、及び定量化を提供し、
これにより、低コストかつ使い易いというより基礎的な技術の良好な特徴を活かして、関
連のある情報を変換する（これ以前にはGC分析などの高度な方法を用いてしか得ることが
できなかった）ことに対する需要の高まりに対処する。この方法を用いることで、デバイ
スは、気相中の特定のクラスのアルケン又アルキンの存在を示すことができ、比色読み出
しに基づいて、当該アルケン又はアルキンにデバイスを完全に曝露させることを決定する
ことができる。このデバイスは特定のクラスのアルケン及びアルキンに対し選択性を有す
るため、特定のアルケン又はアルキンの機能性を包含する対象化合物の差別化を図ること
ができる。本方法は、不飽和炭素−炭素結合との反応時のs-テトラジン部分のピリミジン
部分への変換に伴う変色を利用することができる。ここで、例えば、国際特許出願PCT/US
2014/033037号を参照することができ、この文献の内容はすべて引用により本明細書に組
み込まれる。
【００２５】
刺激を検出する別の方法は、結晶が加熱された場合に、検出器の結晶から照射される光
量を測定することができる熱線量計などの線量計を用いることを含む。線量計は、Coulem
bierらの文献に記載のトリアゾールを用いることができる。例えば、O. Coulembierらの
文献「Macromolecules」(39, 5617-5628 (2006))を参照されたい。この文献の内容はすべ
て引用により本明細書に組み込まれる。
【００２６】
（デジタルリーダーを用いるセンサ）
シンプルかつ安価でありながらも、高感度で定量的であるという特徴を有するセンシン
グプラットホームを作成することができる。化学及び物理センシングの分野への1つのア
プローチは、モジュール式（すなわち、特定のアプリケーションへの変更が容易）であり
、無線による読み込みが可能であり、さらに事前の技術的な訓練を受けていない人間であ
っても容易に使用及び解釈することのできるという特徴を有するセンシング材料及びデバ
イスを開発することである。
【００２７】
Whitesides及び共同研究者らは、生物学的に関連のあるサンプル中の分析物を、スマー
トフォンを用いて化学的に検出することを実証した。例えば、Martinez, A. W.らの文献
「Anal. Chem.」(80, 3699-3707 (2008))を参照されたい。この文献の内容はすべて引用
により本明細書に組み込まれる。これらの方法では、電話に内蔵されたカメラを用いて比
色分析アッセイの画像を取り込むことを含み、これを分析して、染料の色の変化を生物学
的に関連のある分析物の存在と相関付ける。しかしながら、この方法では、画像取得時の
照明条件、位置角度、又は手の動きから生じる潜在的なアーチファクトなどから影響を受
ける可能性のある見通し測定が必要となる。
【００２８】
Potyrailloらの文献ではRFID技術を用いた化学分析物の電子無線による検出が実証され
ている。例えば、Potyrailo, R. A.らの文献「Anal. Chem.」(79, 45-51 (2006))を参照
されたい。この文献の内容はすべて引用により本明細書に組み込まれる。この技術は、比
色分析アッセイの限界の一部を克服する非見通し測定を行う機能を有する一方で、誘導結
合ネットワークアナライザやインピーダンス分光計などの高度な電子デバイスを用いる必
要があり、持ち運びが制限される。
【００２９】
特注及び市販のRFIDタグを活用してミルクの鮮度、魚の鮮度、及び細菌の増殖をモニタ
する研究が行われている。例えば、Tao, H.らの文献「Adv. Mater.」(24, 1067-72 (2012
))及びPotyrailo, R. Aらの文献「Battery-free Radio Frequency Identification (RFID
) Sensors for Food Quality and Safety」(2012)を参照されたい。これらの文献の内容
はすべて引用により本明細書に組み込まれる。これらの研究は、RFIDタグの誘電環境にお
ける変化（すなわちCの変化）をLCR回路の共振周波数又は共振インピーダンスの変化に相
関付けることに主に依存する。しかしながら、これらにも、化学分析物や物理的刺激に対
する選択性を有さないことや、化学的検出のためのインピーダンス及びネットワークアナ
ライザなどの高価な無線周波数分析装置が必要であることなどの制限がある。
【００３０】
近年RF技術が無線化学センシングに適用されてきたが、現行のアプローチには、選択さ
れた化学分析物に対する特異性の欠如、高価で、かさばり、壊れやすく、更に操作が複雑
なインピーダンス及びネットワークアナライザが必要であること、膨大なデータ処理及び
分析に依存する、など複数の制限がある。Potyrailo RA, Surman C, Nagraj N, Burns A
の文献「Materials and transducers toward selective wireless gas sensing」(Chem R
ev 111: 7315-7354 (2011))、Lee Hらの文献「 Carbon-nanotube loaded antenna-based 
ammonia gas sensor」(Microw Theory Tech IEEE Trans 59: 2665-2673 (2011))、Potyra
ilo RAらの文献「Development of radio-frequency identification sensors based on o
rganic electronic sensing materials for selective detection of toxic vapors」(J 
Appl Phys 106: 124902 (2009))、Fiddes LK, Yan Nの文献「RFID tags for wireless el
ectrochemical detection of volatile chemicals」(Sensors Actuators B Chem 186: 81
7-823 (2013)), Fiddes LK, Chang J, Yan Nの文献「Electrochemical detection of bio
genic amines during food spoilage using an integrated sensing RFID tag」(Sensors
Actuators B Chem 202: 1298-1304 (2014))、及びOcchiuzzi C, Rida a, Marrocco G, T
entzeris MMの文献「Passive ammonia sensor: RFID tag integrating carbon nanotubes
」(2011 IEEE Int Symp Antennas Propag: 1413-1416 (2011))を参照されたい。これらの
文献の内容はすべて引用により本明細書に組み込まれる。
【００３１】
安価な商用NFCタグを千分率及び百万分率の濃度で分析物を検出及び判別する化学セン
サに変換する方法及びシステムを、本明細書に開示する。この目的のために、選択的な化
学センシングのための導電性のナノ構造材料の合理的な設計を、ポータブルで広く普及し
たNFC技術と組み合わせることで、NFCタグのローカル環境についての化学情報を得る新し
い方法を提供する。
【００３２】
市販の技術である近距離無線通信（NFC）を無線による非見通し化学センシングに用い
ることができる。最新のスマートフォン及び類似のデバイス（タブレット型コンピュータ
、ビデオゲームコントローラ及びスマートフォンアクセサリー）の多くは、13.56MHzのピ
ーク周波数で動作するNFC Readerを搭載することができる。これらのリーダーは、例えば
高分子シートなどの基板の表面上で支持される誘導子（L）、コンデンサ（C）及び集積回
路（抵抗器（R））を含むシンプルな電子回路である、多くの種類の市販の無線「タグ」
と相互作用を行うように調整することができる。指定の周波数で電磁誘導を介してタグの
電源を入れ、そしてタグから反射された減衰信号を受信することで、電話は通信を行うこ
とができる。例えば、Curty, J.P.らの文献「Springer」(New York, pp. 49-73 (2007))
を参照されたい。この文献の内容はすべて引用により本明細書に組み込まれる。この技術
は、機器に対するアクセスを管理、イベントのチケッティング、窃盗の防止及びインベン
トリの管理などに用いることができる。化学抵抗性材料をタグの回路内に設けることによ
り、この技術を化学センシングに適用することができる。変形タグを化学蒸気に曝露させ
ることにより、センシング材料の抵抗、そして変形タグの共振周波数を変えることができ
るため、スマートフォンリーダーを用いて探ることで読み込み可又は読み込み不可になる
。本方法では、硝酸、水酸化アンモニウム、及びシクロヘキサノンの蒸気を検出すること
ができる。この技術は、物理センサに拡張することもでき、温度、熱エネルギー曝露、又
は放射線センシングのアプリケーションが含まれる。
【００３３】
市販のRFIDタグは、例えば家電スマートフォンの携帯式周波数リーダーなどのデジタル
リーダーと組み合わせることができ、結果として完全集積化学及び物理センシングプラッ
トホームが得られる。センシングプラットホームは、技術的背景のない者も含め誰でも利
用することができる。このプラットホームは、既存の化学及び物理センシングの方法に勝
る利点を有する。例えば、本センシング方法は非見通し式（高周波無線波）とすることが
でき、パッケージ、壁、木、及び他の非金属性の物質などの固体を介してセンサタグから
情報を受信することができる。センシングタグは到来無線波から電力を受けるため、電源
を必要としない。データ取得デバイスには、近距離無線通信（NFC）リーダー機能を搭載
した任意の市販のスマートフォンを用いることができ、これにはSamsung、LG、Google、B
lackberryなどのメーカーが含まれるが、限定されるものではない。本方法は、シンプル
である：測定を行うのに技術的な知識を必要としない。
【００３４】
過去の研究と本方法の相違点としては：
i）インピーダンス分光法の代わりにNFC技術を用いて化学検出を実現すること；
ii）検出器は、非常にかさばり、複雑な機器（例えば、ネットワークアナライザ）の代
わりに、スマートフォンなどの可搬性に優れたデバイスであることが含まれる。可搬性に
加え、スマートフォンは、化学センサから得た情報を、位置の自動識別及び情報通信のた
めにスマートフォン内の他のセンサ（例えば、GPS、電子メール）に接続することができ
るため、化学検出における付加的な有用性がある。
iii） 紙一枚分の距離ではなく、固体材料5cm分の距離を跨いでの無線化学センシング
の能力が実証された。
iv）本方法では、アンテナの上にセンシング材料を堆積させるのではなく、描画するこ
とで、化学抵抗器をタグの既存の回路に組み込む。
v）既存の方法は情報を解釈するために相当量のデータ処理を必要とすることが多い一
方で、本方法は信号処理のためのデータのワークアップを必要としない。
vi）本方法は、磁気メモリを読み込むための追加の機器を必要としない。
vii）既存の方法はキャパシタンスの非特異的変化に依存する一方で、本方法は化学セ
ンシングのための、選択性の化学抵抗性又は物理抵抗性材料の抵抗の変化に依存する。
viii）本方法における選択性は分子認識に依存するため、主成分分析などを必要としな
い。
【００３５】
図18は、最新のスマートフォンに埋め込まれた近距離無線通信（NFC）という発生期の
技術の、無線電子による、ポータブルで、非見通し式の、選択性の気相化学物質の検出に
対する適応を示す。誘導結合により交番磁界（f=13.56MHz）でNFCタグを給電するのと同
時に信号変調によりデータを移動させることにより、NFC対応スマートフォンは、NFCタグ
と通信を行う。NFCタグは、LCR回路を切断し（ステップ1）、固体センシング材料で描画
を行って刺激反応性の可変回路部品で回路を再構成する（ステップ2）ことにより、化学
駆動共振デバイス（CARD：Chemically Actuated Resonant Device）に変換される。
【００３６】
この概念は、（i）機械描画によってカーボンベースの化学反応性材料を商用NFCタグの
電子回路に組み込み、（ii）NFC対応スマートフォンを用いて、NFCタグを取り巻く化学的
環境（例えば、化学物質の有無）に関する情報をリレーすることで、実証できる。このよ
うに、アンモニア及びシクロヘキサノンの百万分率（ppm）濃度と、過酸化水素濃度の千
分率（ppth）濃度とを検出して差別化することができる。無線による化学情報の取得及び
変換は、既存のスマートフォンの機能（例えば（GPS））と連携させることができる。
【００３７】
NFCハードウェアが搭載された市販のスマートフォン及びモバイルデバイスの多くは、
プラスチック基板に誘導（L）、容量（C）及び抵抗（R）素子を有するシンプルな電気共
振回路（図18）であるNFC「タグ」により無線通信を行うように構成されている。本研究
で採用するSamsung Galaxy S4 (SGS4) などのスマートフォンは、誘導結合により13.56MH
zでその集積回路（IC）を給電することで、バッテリを持たないタグと通信を行う。Nitki
n P V., Rao KVS, Lazar Sの文献「An overview of near field UHF RFID」(2007 IEEE I
nt Conf RFID: 167-174 (2007))を参照されたい。この文献の内容はすべて引用により本
明細書に組み込まれる。スマートフォンからICに移動する電力は、他の変数中で、伝送周
波数（f）、共振周波数（f0）、品質係数（Q）、及び回路効率（η）の関数であり、一方
でこれらはスマートフォン及びNFC共振回路素子のL(H)、C(F)及びR(Ω)の関数である。Ji
ng HC, Wang YEの文献「Capacity performance of an inductively coupled near field 
communication system」(2008 IEEE Antennas Propag Soc Int Symp 2: 1-4 (2008))を参
照されたい。この文献の内容はすべて引用により本明細書に組み込まれる。商用NFCタグ
に化学反応性材料を統合することで、化学性の刺激が存在する又は存在しない場合にタグ
とスマートフォンの間の電力移動に影響を与える、刺激反応性の可変回路部品が作られる
。この結果生じるプログラマブル化学駆動共振デバイス（CARD）は、RF通信を切断する又
は有効にすることにより、スマートフォンによる非見通し化学センシングを有効にする。
【００３８】
一方法では、リーダーとの互換性を持つ市販の高周波（HF）無線IDタグを、化学及び物
理センサに変換することができる。リーダーはデジタルリーダーであってもよく、これは
携帯式周波数リーダーである。リーダーはポータブルであってもよい。リーダーはスマー
トフォンであってもよい。センシング機能と合わせて、スマートフォンリーダーは、他の
もの（例えば、GPS座標、加速度、光の強度、高度など）を読み込むことができる。1つの
ポータブルリーダー内でこれらの機能を連携させることにより、前例のない有用性を得る
ことができる。
【００３９】
この技術は、温度、熱エネルギー曝露、及び放射線センシングに拡張することもできる
。タグの変形には、描画又は鋳造によりタグ表面に化学抵抗センシング材料を統合するこ
ともできる。設計に応じて、化学物質の蒸気又は物理的刺激への曝露時に、タグを読み込
み可又は読み込み不可にすることができる。
【００４０】
刺激は、分析物を含むことができる。刺激は、蒸気、ガス、液体、固体、温度変化、熱
エネルギー曝露などを含むことができる。刺激は、エチレン、かび、酸、ケトン、チオー
ル、アミンなどを含むことができる。刺激はRFIDを用いて検出することができる；例えば
、硝酸及びシクロヘキサノンの蒸気を検出することができる；及びエチレン及びかびを検
出することができる；及び生物兵器剤を検出することができる。分析物の累積的な曝露は
、線量計で検出及び定量化することができる。
【００４１】
刺激は、物理的刺激を含むことができる。物理的刺激は、光、熱、又は放射線を含むこ
とができる。RFIDを用いて、刺激を検出することができ、例えば、タグの熱への曝露を検
出することができ；及び放射線及び光を検出することができる。物理的刺激の累積的な曝
露は、RFID線量計で検出及び定量化することができる。
【００４２】
センシング材料は、センシングデバイス周辺における化学的、生物学的又は物理的変化
時に、抵抗及び／又はキャパシタンスに検出可能な変化を生じさせることができる。環境
への曝露時に変化可能なセンシング材料の特性には、キャパシタンスの変化、抵抗の変化
、厚みの変化、粘弾性の変化、又はこれらの組み合わせが含まれるが、これに限定されな
い。
【００４３】
センシング材料は、金属、有機材料、誘電材料、半導体材料、高分子材料、生物学的材
料、ナノワイヤ、半導体ナノ粒子、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブネット
ワーク、ナノファイバ、カーボンファイバ、カーボン粒子、カーボンペースト、若しくは
導電性インク、又はこれらの組み合わせを含むことができる。
【００４４】
化学及び物理センシング物質を導入する異なるアプローチを用いてもよい。例えば、商
用RFIDタグ内の2つの異なる位置にセンシング材料を導入することができる。センシング
材料は、刺激に応じて抵抗が変わる可変抵抗器を含む。刺激は、化学的刺激、物理的刺激
、生物学的刺激などであってもよい。刺激の検出は、例えば化学蒸気や、温度又は熱エネ
ルギー曝露の変化などの刺激への曝露に応じて「読み込み可」と「読み込み不可」の状態
間でタグを切替えることにより実現することができる。
【００４５】
刺激がセンサに対し接触する又は相互作用を行う場合に、抵抗率は変化することができ
る。接触又は相互作用は、抵抗率の変化の結果、携帯式周波数リーダーで読み込み可能な
信号を生成することができる。或いは、接触又は相互作用は、抵抗率の変化の結果、携帯
式周波数リーダーで読み込み可能な信号をオフにすることができる。刺激の検出によって
出力がシフトされた後、当該出力を検出することができる。物理的物体を通過した後であ
っても、出力を検出することができる。刺激の検出は周波数出力に限定されず、周波数の
変化、q値の変化、帯域幅の変化、及びこれらの組み合わせを含むことができるが、これ
に限定されるものではない。これらの変化の結果、リーダーと無線周波数識別タグとの間
で移動させる電力を増減させることができる。リーダーと無線周波数識別タグとの間を移
動する電力を増減させる結果として、タグの読み出しを変化させることができる。例えば
、図19は電話とCARD間の推定電力移動を示し、これはこれらのCARDの可読性に関係がある
。図26は、この情報の取得及び処理方法を例示する。
【００４６】
1つのアプローチでは、例えばカットにより、RFIDタグ内の特定の電気接続を切断する
ことができ、この接続は、描画又は鋳造によって化学抵抗センシング材料を堆積させるこ
とで、再確立することができる。RFIDタグは、タグ識別を記憶する磁気メモリ材料を包含
する集積回路（IC）を含むことができる。センシング材料及び刺激に応じて、タグは読み
込み可能になり「ターンオンセンサ」として分類される、又は読み込み不可になり「ター
ンオフセンサ」として分類される。
【００４７】
1つの方法では、センサの抵抗が高すぎるために、刺激が存在しない場合にリーダーで
タグを読み込むことができない。センサの抵抗を変化させる刺激の存在下にタグが置かれ
た場合、抵抗値が閾値を超えるとタグは読み込み可能になる。これはターンオンセンシン
グ方法である。
【００４８】
別の方法では、センサの抵抗値は、集積回路内で電流の流れを可能にする十分な高さを
有するため、分析物が存在しない場合にタグをリーダーによって読み込むことができる。
センサの抵抗を変化させる刺激の存在下にタグが置かれた場合、抵抗値が所定の閾値を下
回るとタグは読み込み不可になる。これはターンオフセンシング方法である。
【００４９】
別の方法では、ターンオンセンシング又はターンオフセンシングの代わりに、刺激の定
量分析を提供することができる一連のデータを収集してもよい。
【００５０】
別の方法では、並列集積化を用いて、センシング材料を、描画又は鋳造によって、集積
回路を包含するタグの一部に統合してもよい。このアプローチでは、堆積センシング材料
の抵抗の要件を異ならせることができる（これは異なる分析物に対する化学センサのダイ
ナミックレンジ及び検出制限に影響を及ぼす可能性がある）ため、刺激の検出を「オン」
又は「オフ」にすることができ、第1のアプローチを補完することができる。
【００５１】
無線周波数識別タグは、電源を必要としない。RFIDタグは、受動型、能動型、又はバッ
テリアシスト受動型のいずれであってもよい。能動型タグは、オンボードバッテリを備え
、周期的にその信号を送信する。バッテリアシスト受動型は基板上に小型バッテリを備え
、RFIDリーダーの存在下で起動する。受動型タグはバッテリを持たない。
【００５２】
センサ部分を含む無線周波数識別タグからの出力を検出するなどして刺激を検出すると
、刺激はタグの表面全体と接触する又は相互作用を行う必要はない。センサ部分の表面積
は、無線周波数識別タグの表面積よりも小さい。センサ部分は、無線周波数識別タグの表
面の一部に位置することができ、刺激は、無線周波数識別タグの表面の一部と接触するこ
とができる。加えて、センサ部分は複数のセンシング位置を有し、単一のタグを用いて２
つ以上の刺激を検出することができる。
【００５３】
刺激を検出するシステムは、センサ部分を有することができる無線周波数識別タグを含
み、該センサ部分が、該無線周波数識別タグが該刺激に対し接触する、又は相互作用を行
う場合に抵抗率を変化させるように構成され、該抵抗率の変化が該無線周波数識別タグの
出力を変える該無線周波数識別タグと、該無線周波数識別タグからの出力を検出する検出
器と、を有する。検出器は、リーダーを含むことができる。リーダーは、携帯式周波数リ
ーダーを含むことができる。刺激を検出する方法は、センサ部分を有する無線周波数識別
タグからの出力を検出することを含むことができる。
【００５４】
システムは、リアルタイムセンサを含むことができる。システムは、放射線量計や化学
兵器剤線量計などの線量計、又は例えば、エチレン線量計、硫黄線量計若しくはオゾン線
量計などの分析物線量計を含むことができる。システムは、職業上の安全に関係する汚染
物質又は化学物質をモニタするのに用いることができる。汚染物質又は化学物質には、自
動車／設備の排気の臭気、製造、塗装、若しくはクリーニングからの揮発物、又は地下鉱
山の蒸気を含むことができる。
【００５５】
センサは、電子部品を含む電子回路を含むことができる。電子部品は、電流が流れるこ
とのできる導電性ワイヤ又はトレースによって接続され、抵抗器、トランジスタ、コンデ
ンサ、誘導子及びダイオードを含むことができる。無線周波数識別タグ内の電気的接続は
変えることができる。センサの抵抗率は、センサが刺激に曝露された場合に変化すること
ができる。刺激に対し接触する又は相互作用を行うことで、回路を閉じたり、回路を開い
たり、或いは回路の特性を変えることができる。
【００５６】
センサは、金属、有機材料、誘電材料、半導体材料、高分子材料、生物学的材料、ナノ
ワイヤ、半導体ナノ粒子、カーボンナノチューブ、ナノファイバ、カーボンファイバ、カ
ーボン粒子、カーボンペースト、若しくは導電性インク、又はこれらの組み合わせなどの
センシング材料を含むことができる。センシング材料は、有機電子材料、ドープされた共
役ポリマ、又は無機材料を含むことができる。センシング材料は、生体分子受容体、生細
胞、抗体、アプタマー、核酸、機能化生体分子などを含むことができる。
【００５７】
刺激を検出するタグは、センサ部分を有することができる無線周波数識別タグを含み、
該センサ部分は、該無線周波数識別タグが該刺激に対し接触する、又は相互作用を行う場
合に抵抗率を変化させるように構成され、該抵抗率の変化が該無線周波数識別タグの出力
を変え、該センサ部分は回路を含み、該センサ部分は、刺激に対し接触した、又は相互作
用を行った場合に、該回路を閉じる又は開くように構成される。タグは、危険な分析物や
放射線を検出する労働安全衛生担当者、軍人などのバッジとして着用することができる。
【００５８】
タグは、基板材料を含むことができる。基板は、紙、プラスチック、ポリマ、金属、金
属酸化物、誘電材料、木、葉、皮、組織などを含むことができる。基板は、金属酸化物材
料を含むことができる。基板はフレキシブルにすることができる；基板は平坦にすること
ができる。タグは、別の物質内（例えば、カプセルや壁の中）や、生態系内に埋め込む（
例えば、体内に植え込む）こともできる。
【００５９】
タグは、周波数リーダーとタグとの間のリンクを設け、信号の送受信を行い、データの
やり取りを行うコンジットとして機能するアンテナを含むことができる。アンテナはセン
サを囲むコイルを含むことができる；アンテナはダイポールアンテナを含むことができる
。タグは、複数のアンテナを含むアンテナグループ、又はアンテナアレイを含むことがで
きる。
【００６０】
オン／オフバイナリ検出方法を用いてベース信号上の分析物の存在を容易に検出するこ
とのできる能力が、今日の社会で注目を集めている。スマートフォンなどのポータブルリ
ーダーを用いたシステムにより、誰もが、どこでも、特定の分析物の状態を複雑な信号分
析を行うことなく決定することができる。分析物の量が変化した場合、携帯式周波数リー
ダーは信号をオン又はオフにして、分析物の有無の通知を送信することができる。スマー
トフォンを用いることの別の利点に、スマートフォンには、化学センシングと連携してよ
り高い有用性を実現することのできる付加的な機能が多く備わっているという点がある。
例えば、スマートフォンリーダーは、化学物質の漏出を判別し、GPSを用いて漏出個所を
判別する警報テキスト又は電子メールアラートを直ちに送信することができる。別の例と
して、化学物質の放散の濃度の空間時間的変化をモニタし、安全な閾値を上回った場合に
緊急アラートを送る無線ネットワークが挙げられる。このような機能を連携させることで
、日常生活において前例のない化学センサの有用性を得ることができる。
【００６１】
タグは、機能センサ材料によって予め定義された「1」又は「0」を示すバイナリ論理素
子として機能することができ、これは実現の容易さに関して利点を有し、エンドユーザに
対し一切の素養を求めない。バイナリ論理素子として見た場合、タグはその論理の更なる
エラボレーションにおいて用いることができる。例えば、複数のタグの読み出しの個別の
組み合わせを特定の意味に割り当てることができる。例えば、3つの個別のタグを、これ
らの作成に用いたセンサ材料に基づいて、3つの個別の分析物に対して「符号化」した場
合、2^3個の可能な組み合わせが存在し、それぞれが固有かつ重要な意味を持たせること
ができる。例えば、これらの分析物が食品に関するものである場合、タグ読み出しの組み
合わせに基づいて、所与の確率の範囲内で、センサがどのような種類の食品に対して用い
られているのかを判断することができる。別の例は、分析物の異なる濃度に反応するよう
に設計され、同一センサ材料で「符号化」された3つのタグである。タグ読み出しを組み
合わせることで、対象の分析物の濃度を若干の誤差の範囲内で判断することができる。
【００６２】
スマートフォンによるCARDのバイナリオン／オフ可読性は、アナログの物理的入力（所
定の閾値内での化学蒸気の有無）を、CARDのローカルな化学的環境に関する有意な情報を
伝えるデジタル化出力（それぞれ1と0）に変換する有力なアプローチである。バイナリ読
み出しの利点は、それが入力情報の最もシンプルな出力表現であり、異なるCARDの組み合
わせの複合モジュール化を可能にするという点である。これと合わせると、図21に示すデ
ータは、バイナリCARDの出力（「オン」／「オフ」）をマルチCARD論理（0と1のシーケン
ス）（図21E）に変換することにより、スマートフォンによる複数の分析物の判別及び識
別を実現できることを示す。この分析アプローチは、その実装に当たって実用的な制限が
ある；しかし、指定の閾値での特定の化学物質の有無に関する情報がきわめて重要となる
、リソースが逼迫したシナリオや、高スループットアプリケーションでは、特に有用であ
り得る。このようなアプリケーションは、動的かつ複雑な環境（例えば、公共の場におけ
る化学物質の放出）において価値のある、実行可能な情報を与える適用可能な閾値（例え
ば、化学物質の曝露の許容限度）の検出を含んでもよい。対象の化学物質が人間の鼻で十
分に検知可能な状況下であっても、スマートフォンベースのセンシング方式が、人間の嗅
覚による検知又は比色テストの目視による確認から差別化される特徴は、感知した情報を
効率的に情報技術基盤に伝えることのできる能力である。
【００６３】
市販のNFCタグを化学駆動デバイスに変換するための安価、シンプル、高速かつモジュ
ール式のアプローチによれば、無線波を介してスマートフォンと通信を行うことができる
。このアプローチは、千分率及び百万分率の濃度での、ガス及び蒸気の、電子無線による
非見通し検出及び判別を有効にする。この技術は、センサタグのローカルな環境内におけ
る、指定の濃度閾値（例えば、NIOSH STEL）での化学分析物の有無に関するバイナリ情報
（「オン」／「オフ」）情報を提供して、マルチタグ論理を用いて、1つ又は複数の分析
物の複数の濃度の差別化を図ることができる。NFCタグとスマートフォンの間の無線通信
を伴う一般的なセンシング方式はモジュール式であり、多くの種類の化学反応性材料を組
み込み、多様な化学変化の選択的検出を有効にするために一般化することができる。しか
しながら、無線センシングアプローチの潜在性を完全な形で実現する上で残る重大な課題
には：
（i）化学分析物に対する化学反応性材料の感度と選択性を向上させるための化学及び
材料科学におけるイノベーションを図ること；
（ii）最先端のナノ構造カーボン堆積技術を発展させることにより、デバイス対デバイ
スパフォーマンスの再現性を向上させること；及び
（iii）連続体測定CARD読み出し機能を有効にすること、が含まれる。化学センシング
と、スマートフォン内の別の機能（例えば、GPS）との組み合わせは、トラッキング及び
トレーシングを行うアプリケーションで更なる有用性を可能にすることができる。 スマ
ートフォンやモバイルデバイスのポータビリティとユビキタス性の高い使用の結果、この
プラットホームは、従来では化学又は物理情報の取得が不可能であった化学センシングに
おいて、個人向けの、広く普及するアプリケーションを可能にすることができる。
【実施例】
【００６４】
（実施例）
（タグ及び電話の選択）
Texas Instruments社製で、市販の「ドライ」HF-I Tag-It Plusトランスポンダインレ
イ（TIタグ）を用いて、市販のタグの化学物質センサへの変換を実証することができる。
これらのタグは、当該タグの化学的感度の低い基板バッキング、トランスポンダ回路への
アクセス、及び商業的入手性に基づいて選択された。未変形タグは、ポリエチレンテレフ
タレート基板（これはコンデンサの誘電層としても機能する）、誘導子（L）として機能
するアルミニウムアンテナ、平行平板アルミニウムコンデンサ（C）、及びシリコン集積
回路（IC）チップ（R）で構成され、これらは全て並列に接続され、LCR共振回路を形成す
る。
【００６５】
Google Nexus Sは、その広範囲における流通と、NFCハードウェア及びソフトウエアサ
ポートの両方に対応する最初のスマートフォンであったという事実により、本研究におけ
る主要NFC対応スマートフォンとして用いることができる。この電話は、NFC規格の範囲内
で動作するように開発されたRFIDリーダーを搭載する。RFIDリーダーは、信号送信RFIDコ
ントローラ及び信号受信トランスポンダを有する。未変形TIタグと共に用いる場合、紙、
木、及びプラスチックなどの固体で非金属性の物質を通したNexus Sの読み込みレンジは5
cmである。
【００６６】
図1では、高周波無線波が変形RFIDタグに送信され、固有のタグ識別についての情報を
含む無線波がスマートフォンに向けて反射される。アプリを用いることができる；アプリ
の例としては、Google PlayのNFC TagInfoや、Google PlayのNFC Readerなどが含まれる
。図1は、センシング反応をシリアル番号にリンク付けする能力を実証する。トランザク
ションはクラウドで処理可能である。センシングのメカニズムに応じて、変形RFIDタグは
、スマートフォンによって「読み込み可」又は「読み込み不可」である。固体材料及び非
金属材料を介してRFIDタグから情報を得ることができる。図2に市販のRFIDタグを示す。
図3は、5個のPost-Itノート（〜5cm）を介した場合のRFIDタグの可読性を実証する。セン
サは紙以外の他の材料を介して読み込みを行うこともできる。信号が透過可能な他の材料
の例には、紙、木、プラスチック、革、皮、プラスチック複合材、複合木材、粘板岩、非
金属性物質、樹皮、葉、果物の皮、衣類、布、織物、水、有機液体、ブライン、血漿、体
液、コンクリート、乾式壁、ガラスファイバ、非金属性複合材などが含まれる。
【００６７】
（機器分析）
ベクトルネットワークアナライザ（VNA）を用いて、変形TIタグのアナログ信号応答と
、スマートフォンによって生成された信号と、分析物が存在する場合及びしない場合に、
スマートフォンで生成された信号が変形タグに衝突して発生する変調信号と、をモニタし
た。Agilent社製E5061Bネットワークアナライザにより、特注のループアンテナを採用し
て、50Ωのシステムインピーダンスでの10MHz〜20MHzの周波数レンジにおける反射をモニ
タすることで、アナログ共振周波数データが得られた。
【００６８】
（市販のRFIDタグの化学センサへの変換）
化学抵抗器を、ICに対して直列、かつコンデンサ及びアンテナに対しても直列になるよ
うに挿入することによって、TIタグを能動的な無線周波数センサタグに変換することがで
きる。この変形は、2ステップのプロセスである。第1に、ICチップに繋がるいずれかの接
続を切断することによって、従来のスマートフォンでプローブした場合にTIタグを読み込
むことができなくなる。第2に、この接続は、コンデンサとICの間に化学抵抗器を描画す
ることで再確立される。
【００６９】
（センシングの例）
刺激を検出するためのシステムは、センサ部分102を含む無線周波数識別タグ101であっ
て、該センサ部分は、無線周波数識別タグが刺激103に対し接触又は相互作用を行う場合
に抵抗を変化させ、抵抗の変化が無線周波数識別タグの出力104を変える無線周波数識別
タグ101と、無線周数タグからの出力を検出する検出器104と、を有することができる（図
1）。
【００７０】
図4において、高周波RFIDタグは、コンデンサと集積回路の間の位置を切断することに
より変形された。そして、所望の抵抗（Rs）が得られるまで、タグを切断した位置の隣に
センシング材料を堆積させた。Rsはマルチメータを用いて決定した。初期抵抗は記録され
、これが周囲条件下で安定していることを確認するために、数回測定した。ターンオフセ
ンシング実験の場合には、スマートフォンによるタグの可読性が確認された。ターンオン
センシング実験の場合には、タグはスマートフォンによって読み込むことができなかった
。
【００７１】
そして、タグは対象の分析物に対して曝露された。Rsは複数の時点で測定された；各測
定において、スマートフォンによりタグから情報を得る試みがRs測定の直後になされ、値
と可読性とが記録された。センサ閾値を超えると、タグは読み込み不可（ターンオフセン
サ）又は読み込み可（ターンオンセンサ）になった。閾値を超えた後、Rsを測定してスマ
ートフォンによりタグから情報を得る実験手順が続けられた。リバーシブルセンサの場合
、上記の実験手順は所望の回数繰り返された。
【００７２】
本方法は、化学及び物理センシングの他の方法に勝る利点を有する。利点には、低い検
出制限でのシクロヘキサノンの検出、セル電話を用いたRFID化学センシング、大量生産の
NFCインレイへのセンシング材料の直接統合化、スマートフォンを用いた分析物の定量化
などが含まれる。
【００７３】
図4Aは、図2のチップ及びコンデンサの拡大図を示すと共に、センシング方法1の原理を
図示する。図4Bは図2のチップ及びコンデンサの拡大図を示すと共に、センシング方法2の
原理を図示する。
【００７４】
図5に、市販のRFIDタグ（Texas Instruments社、Tag-It HF-1）を用いたセンシング方
法1の変形プロセスのグラフィック表現及び等価電子回路図を示す。
【００７５】
高周波RFIDタグは、コンデンサと集積回路の間の位置を切断することにより変形するこ
とができる（図7A及びB）。そして、所望の抵抗Rsが得られるまで、タグを切断した位置
の隣にセンシング材料を堆積させた。RsはFluke 114 true RMSマルチメータを用いて決定
した。初期抵抗は記録され、これが周囲条件下で安定していることを確認するために、数
回測定した。ターンオフセンシング実験の場合には、スマートフォンによるタグの可読性
が確認された。ターンオンセンシング実験の場合には、タグはスマートフォンによって読
み込むことができないことが確認された。
【００７６】
そして、タグは対象の分析物に対して曝露された。Rsは複数の時点で測定された；各測
定において、スマートフォンによりタグから情報を得る試みがRs測定の直後になされ、値
と可読性とが記録された。センサ閾値を超えると、タグは読み込み不可（ターンオフセン
サ）又は読み込み可（ターンオンセンサ）になった。閾値を超えた後、Rsを測定してスマ
ートフォンによりタグから情報を得る実験手順が続けられた。リバーシブルセンサの場合
、上記の実験手順は所望の回数繰り返された。
【００７７】
（RFIDタグ内に化学抵抗センシング材料を統合することによるRFIDタグの共振周波数の変
化）
TIタグは、並列に接続された誘導子（L）、コンデンサ（C）、及び抵抗器（R）からな
るシンプルな電子回路として見ることができる。式1は、この種の回路（LCR回路）の共振
周波数f0(Hz)をL、C及びRの関数として示す。この回路におけるインダクタンスはアンテ
ナの形状の関数であり、キャパシタンスは導体の物理的形状と、これらの伝導板（すなわ
ち、支持ポリマー基板）間の材料の誘電率と、の関数であり、Rはタグ内のすべての回路
素子の実効抵抗である。
【数１】
2020060570.tif 000003
【００７８】
タグは、選択的な化学又は物理抵抗センサ素子をLCR回路に組み込むシンプルな2ステッ
プの変形手順を経て、化学的に敏感にすることができる（図7A）。本方法は、RFIDタグの
共振周波数は、LCR回路のRを変えることによりその化学的環境の影響を受けることができ
るという仮説を利用する。3つの異なるタグで測定された総抵抗Rは、マルチメータにより
センサ位置の両側でタグに接触して測定され、そして、これをタグから取り外し、タグか
ら独立してその抵抗を測定することにより、マルチメータ電極間に位置する材料の抵抗Rs
と比較した。未変形タグの場合、R=0.5Ω及びRs=0.5Ω（図7A(a)）であった。コンデンサ
とICの間に導電経路が存在しないタグの場合、R=22. 5MΩ及び
【化１】
2020060570.tif 000004
（図7B(b)）であった。センサによってコンデンサとICの間に導電経路を再確立した場合
、R=30kΩ及びRs=30kΩ（図7A(c)）であった。これらの実験はRcircuit=22.5MΩであるこ
とを示す；従って、Rの測定量はオームの法則に倣った振る舞いを示すものと理解できる
：
【数２】
2020060570.tif 000005
本研究で採用するセンサの場合、
【化２】
2020060570.tif 000006
であるため、
【化３】
2020060570.tif 000007
とみなすことができる。この延長として、
【化４】
2020060570.tif 000008
である（式1）。さらに、実験のエビデンスは、タグ基板、アンテナ、コンデンサプレー
ト、電極材料、及びICの、これらの化学的環境に対する依存度がごく僅かであり、したが
って
【化５】
2020060570.tif 000009
であることを示す（図8D）。
【００７９】
図7Bは、センシング方法1に従って変形されるタグの系列のf0とRsの関係を図示する。
市販のタグは、Rs=0.5Ω及びf0=13.65±0.01MHzである（曲線a）。コンデンサ及びIC間の
接続を切断した結果、Rsが25MΩに増加し、f0が14.30±0.01MHz（曲線b）に増加した。コ
ンデンサ及びICに架橋する化学抵抗性材料をRs=30kΩで描画によって設けたことで、f0が
14.10±0.01MHz（曲線c）に減少した。続いてシクロヘキサノンの飽和蒸気への曝露によ
り、Rsは、例えば30kΩから70kΩに増加し、これに伴い、f0が14.10±0.01MHzから14.20
±0.01MHzにシフトする（曲線d）。
【００８０】
図7Aは、可変抵抗器によるタグの2ステップの変形を示す。図7Bは、7個単位で収集した
周波数応答（半透明、幅狭トレース）の平均トレース（実線、太線）を示す：
a）未変形タグ、
【化６】
2020060570.tif 000010
b）切断タグ、
【化７】
2020060570.tif 000011
c）シクロヘキサノン（RTで平衡蒸気圧）
【化８】
2020060570.tif 000012
への曝露前の未変形タグ；
c*）シクロヘキサノン（RTで平衡蒸気圧）に1分間曝露した後の変形センサタグ、
【化９】
2020060570.tif 000013
d）いずれのタグも存在しない場合の周波数応答の単一のトレース。
図7Cは、（a）（b）、（c）及び（c*）を正規化したものであり、周波数依存性のスマ
ートフォンRF信号減衰（後方散乱変調）を示す。
【００８１】
図8A〜8Dは、3つの異なる化学抵抗性材料（9B鉛筆、SWCNT、並びに2-(2-ヒドロキシ-1,
1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロピル)-1-ナフトール（HFIPN）及びSWCNTを4:1（質量）で
ブレンドしたもの）について、f0の関数としてのGoogle Nexus Sスマートフォンによる化
学抵抗タグの可読性と、Rsとの相関を示す。図8Aは、9B鉛筆芯（三角形）、SWCNT（円形
）、及び4:1重量%の、Rs=1.5kΩ〜150kΩを有するHFIPN: SWCNT（正方形）センサで機能
化されたタグの共振周波数の振る舞いの、スマートフォンによるこれらの可読性に対する
相関を示す（赤色＝読み込み不可；青色＝読み込み可）。図8Bは、シクロヘキサノン（RT
で平衡蒸気圧）に対する1分間の曝露前（塗り潰しなし）及び後（塗り潰しあり）の機能
化タグの共振周波数の振る舞いの、スマートフォンによるこれらの可読性に対する相関を
示す。図8Cは、シクロヘキサノン（RTで平衡蒸気圧）に対する1分間の曝露前（塗り潰し
なし）及び後（塗り潰しあり）のタグの共振周波数の振る舞いの、スマートフォンによる
これらの可読性に対する相関を示す；矢印は個別のセンサのベクトル移動を示す。図8Dは
、10kΩ（淡青色）、50kΩ（赤色）及び100kΩ（黒色）での、共振周波数の正規化変化と
タグの抵抗の正規化変化との比較を示す。図8A〜8Dは、これらが全てほぼ同一の方向に移
動し、HFIPN/SWCNTが最も遠くに移動する（ベクトルの矢印が最長）ことを示す。
【００８２】
有限であるスマートフォンのダイナミック伝送周波数レンジを活用することで、センシ
ングスキームのこれらの特徴を利用することができる。タグの共振周波数とダイナミック
伝送周波数レンジとの重複が不十分である場合は、タグをスマートフォンによって読み込
むことができず、逆も同様である。未変形タグは13.65MHz±0.01MHzの共振周波数を有し
、切断タグは14.20MHz±0.01MHzの共振周波数を有する。化学抵抗器を適用する場合、f0
は低周波数にシフトする。より多くのセンシング材料を適用した場合、より多くの導電経
路が形成され、Rsが減少し、タグが共振する周波数がさらに低下する。そして、スマート
フォンによって読み込み可能なレンジ内ではあるが、当該レンジのエッジ付近でタグを共
振させるセンサを描画することにより、タグをターンオフセンサにすることができる。化
学抵抗器を分析物に対し曝露させると、Rsが増加し、これによりf0がスマートフォンのダ
イナミック伝送周波数レンジ外の値に増加し、実質的に「オフ」状態となる。分析物が取
り除かれると、センサがRsの初期値に回復し、f0がスマートフォンのダイナミック伝送周
波数レンジ内に戻り、実質的に「オン」状態に戻る。
【００８３】
図10は、センシング方法1に従って変形された、プリスチン単層カーボンナノチューブ
センサを備える商用RFIDタグ（Texas Instruments社、Tag-It HF-1）の可読性を、硝酸の
蒸気への1回の曝露前後のセンシング材料の抵抗に相関付けて図示する。
【００８４】
図11は、センシング方法1に従って変形された、シクロヘキサノンセンサを備える商用R
FIDタグ（Texas Instruments社、Tag-It HF-1）の可読性を、シクロヘキサノンの蒸気へ
の3回の曝露前後のセンシング材料の抵抗に相関付けて図示する。
【００８５】
図12は、RTで平衡蒸気圧でそれぞれの分析物に曝露されたタグのセンサ反応を示す。図
12は（I）シクロヘキサノン及び（III）Windexのターンオフを示す；図12（II）NOx及び
（IV）Cloroxのターンオンを示す。図14は、4:1重量%HFIPN:SWCNT機能化センサタグの、
周囲条件に対する安定度を時間領域で示す。
【００８６】
（CARDの作成及び特徴付け）
シンプルな2ステップの変形手順を用いて、商用NFCタグの化学的感度を向上させること
ができる（図18）。図18は、センシング方法3の原理を示す。第１に、ICをコンデンサに
接続する導電性アルミニウムの一部をホールパンチャで取り除くことにより、タグの電子
回路を切断し、タグを読み込み不可にした。そして、機械的摩耗によって堆積した導電性
ナノカーボンベースの化学反応性材料によって、LCR回路が再構成された（図18）。化学
反応性材料の確立された特性を利用することにより、センシングの化学的選択性が達成さ
れた。Mirica KA, Weis JG, Schnorr JM, Esser B, Swager TMの文献「Mechanical drawi
ng of gas sensors on paper」(Angew Chemie Int Ed 51: 10740-10745 (2012))、Mirica
KA, Azzarelli JM, Weis JG, Schnorr JM, Swager TMの文献「Rapid prototyping of ca
rbon-based chemiresistive gas sensors on paper」(Proc Natl Acad Sci U S A 110: E
3265-E3270 (2013))、及びMiyata Y, Maniwa Y, Kataura Hの文献「Selective oxidation
of semiconducting single-wall carbon nanotubes by hydrogen peroxide」(J Phys Ch
em B 110: 25-29 (2006))を参照されたい。これらの文献の内容はすべて引用により本明
細書に組み込まれる。
【００８７】
本研究は、既存の技術を用いて様々な面に簡便に描画することのできる2つの異なる固
体化学反応性材料であるPENCIL (Process-Enhanced Nanocarbon for Integrated Logic)
を採用した。Mirica KA, Azzarelli JM, Weis JG, Schnorr JM, Swager TMの文献「Rapid
prototyping of carbon-based chemiresistive gas sensors on paper」(Proc Natl Aca
d Sci U S A 110: E3265-E3270) (2013)を参照されたい。この文献の内容はすべて引用に
より本明細書に組み込まれる。即席の爆発物にも用いることのできる一般的な産業危険物
であるアンモニア（NH3）及び過酸化水素（H2O2）のセンシングについては、鉛筆の「芯
」の形に圧縮されたプリスチン単層カーボンナノチューブ（SWCNT）を選択した（P1）（M
irica KA, Weis JG, Schnorr JM, Esser B, Swager TMの文献「Mechanical drawing of g
as sensors on paper」(Angew Chemie Int Ed 51: 1074-10745 (2012))、及びMiyata Y, 
Maniwa Y, Kataura Hの文献「Selective oxidation of semiconducting single-wall car
bon nanotubes by hydrogen peroxide」(J Phys Chem B 110: 25-29 (2006))を参照され
たい。これらの文献の内容はすべて引用により本明細書に組み込まれる）；この材料は、
これらの分析物に対し、非常に特徴的で用量依存性の化学抵抗性の反応を示す。2-(2-ヒ
ドロキシ-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロピル)-1-ナフトール（HFIPN）とSWCNTとを4:1
(wt:wt)でブレンドして、ボールミル（P2）内で無溶剤機械的ミキシングにより生成され
た固体合成物が選択された。これは、この材料がシクロヘキサノン（C6H10O）の蒸気（プ
ラスチック爆弾の一般的な材料）に対する高い選択性及び感度を示すためである（Mirica
KA, Azzarelli JM, Weis JG, Schnorr JM, Swager TMの文献「Rapid prototyping of ca
rbon-based chemiresistive gas sensors on paper」(Proc Natl Acad Sci U S A 110: E
3265-E3270 (2013))、 Frazier KM, Swager TMの文献「Robust cyclohexanone selective
chemiresistors based on single-walled carbon nanotubes」(Anal Chem 85: 7154-715
8 (2013))、及びCox JR, Muller P, Swager TMの文献「Interrupted energy transfer: h
ighly selective detection of cyclic ketones in the vapor phase」(J Am Chem Soc 1
33: 12910-12913 (2011))を参照されたい。これらの文献の内容はすべて引用により本明
細書に組み込まれる）。HB鉛筆の「芯」（P3）は本研究において用いる分析物の濃度に対
する反応がごく僅かであるため、ネガティブコントロールに選ばれた。これらの材料は、
NFCタグの表面に堆積した際に、電気抵抗（Rs）が予測可能な変動及び一貫した安定度を
示す（図22及び23）。
【００８８】
変形の各段階において、ネットワークアナライザを用いて無線周波数反射係数S11を測
定してNFCタグのf0及びQを決定した（図19及び24）。Cole P, Ranasinghe D, Jamali B (
2004)の文献「Coupling relations in RFID systems II: practical performance measur
ements」(AUTO-ID-CENTRE, ADE-AUTOID-WH-003 (2003))を参照されたい。この文献の内容
はすべて引用により本明細書に組み込まれる。これと併せて、SGS4を採用してタグの可読
性（「オン」／「読み込み可」、及び「オフ」／「読み込み不可」）をテストし、マルチ
メーターを採用してNFCタグ内のコンデンサと集積回路の間の接続の電気抵抗（Rs）を推
定した。図19Ａは、6つの顕著な特性を表すプロットを示す。第1に、いずれのデバイスも
存在しない場合、S11のスペクトルは平坦なベースラインを呈する（図19A-1）。第2に、
未変形NFCタグ（Rs=0.3Ω±0.0Ω）は、SGS4で読み込み可（「オン」）であり、13.67MHz
±0.01MHzの共振周波数と、Q=35±1とを呈する（図19A-2）。第3に、集積回路とコンデン
サの間の電気的接続がホールパンチングによって切断されたタグ（Rs=23.3MΩ±0.8MΩ）
は、SGS4での読み込みが不可（「オフ」）であり、f0=14.29MHz±0.01MHz及びQ=85±2を
呈する（図19A-3）。第4に、P2を用いて電子回路を再構成した場合、結果として生じるCA
RD-2（Rs=16.5kΩ±1.0kΩ）はSGS4で読み込み可（「オン」）になり、f0=14.26MHz±0.0
2MHz及びQ=21±1（図19A-4）となる。第5に、このCARD-2をシクロヘキサノン（〜5000ppm
）の蒸気に対し曝露させた場合、f0とQの大幅な変化が観察される。5秒間の曝露の後、f0
は14.30MH±0.01MHzにシフトし、Qは32±1増加し（図19A-5）、タグはSGS4による読み込
みが不可（「オフ」）になる。1分後、f0は14.30±0.00MHzのままであり、Qは51±2に増
加し（図19Ａ-6）、タグはSGS4による読み込みが不可（「オフ」）のままである。
【００８９】
スマートフォンによるCARDの可読性は、スマートフォンからタグ又はCARDへ移動する入
射電力（Pt）のパーセントを推定することにより合理化することができる（図19Ｂ及び27
）。本研究の目的のため、CARDに対するスマートフォンの距離、及びCARDに対するスマー
トフォンの向きは一定に保たれた；しかしながら、研究室外のセッティングであれば、距
離及び向きを考慮に入れる必要があった。商用NFCタグ（図19Ｂ-2）は、スマートフォン
から送出されるRF信号の約77%を吸収する。しかし、切断回路が吸収するのは、電話から
のRF信号の14%のみである；この量は効率的なスマートフォン―タグ通信には不十分であ
り、SGS4でタグを読み込むことができない（図19b-3）。このタグ内にP2からの化学反応
性材料を組み込むことでCARD-2が作成され、この結果RF信号の吸収量が23%に増加し、こ
れはRF通信（「オン」）を有効にするのに十分な電力移動量である（図19B-4）。続くCAR
D-2のC6H10Oに対する曝露は、吸収されるRF信号を19%まで減少させ、この結果CARD-2をSG
S4で読み込むことがができなくなる（図19B-5）。分析物に対するCARD-2の曝露が1分間に
長引いた場合、電話からのRF信号の吸収が更に減少する（16%）（図19B-6）。このように
、スマートフォンとCARD間のPtは、Rsの増加と共に減少する。
【００９０】
（スマートフォン及びCARDによるアンモニアの半定量的検出）
Rs、Pt、及びスマートフォンによる可読性の相関を確立した後、CARDの、35ppmのNH3ガ
スへの化学曝露の繰り返しを検出し、無線通信を行う能力がテストされた。CARD（n=3）
をNH3用にプログラムするために、図18に記載の変形方法を用いて、P1を初期Rs=16.1kΩ
±0.6kΩでLCR回路内に統合し、この結果CARD-1Aが得られた。Rsが測定され、35ppmのNH3
ガスに連続で4回曝露させた場合のSGS4によるCARD-1Aの可読性がテストされた（図27）。
より具体的には、図20Ａは、NH3（35ppm）が抵抗に及ぼす影響、及び単一のCARD-1Aの電
話可読性を要約する。35ppmのNH3に対する曝露が1分に満たないうちに、CARD-1Aは、ΔRs
=5.3kΩ±0.7kΩを経て、電話でプローブした場合に読み込むことができなくなった（「
オフ」になった）。NH3の除去及び外気下での回復は、Rsを急速に回復させ、CARD-1Aの電
話可読性を取り戻すことにつながった。外気下での20分間の回復の後、CARD-1AのRsは17.
4kΩ±0.6kΩまで（曝露前のRsの値からΔRs=+1.2kΩ±0.3kΩに）回復した。
【００９１】
SGS4によるCARD-1Aの可読性とRsとを相関付けることにより、NH3への曝露時のP1の「オ
ン」／「オフ」閾値（Rt）が20.8kΩ±1.0kΩであると推定することができた。この臨界
値Rtよりも下では、CARD-1AはSGS4により読み込み可能であり、Rs＞Rtの場合には読み込
み不可である。スマートフォンとP1で作成されたCARDとの間の無線通信において明確に規
定されたRtの値は、NH3に対するSWCNTの確立した濃度依存性の反応と共に、半定量化を有
効にする。この概念を実証するため、2種類のCARDが3個単位で製造され、NH3の異なる閾
値濃度を超えるのに応じてオフになるように設計された：4ppm（人間が臭気に基づいて検
知可能なNH3の閾値の直下）（CARD-1B；初期Rs=19.2kΩ±0.2kΩ）、及び35ppm（NIOSH S
TEL）（CARD-1A；初期Rs=16.3kΩ±0.5kΩ）（図20B及び表1）。NH3への曝露の前には、
両方のCARDは電話で読み込み可能であった。4ppmのNH3への曝露はCARD-1Bのみを「オフ」
にするが、35ppmのNH3への曝露は両方のCARDを「オフ」にする。これは一般的な概念であ
る：対象の分析物の存在下では、化学反応性センシング素子の濃度依存性の反応について
の十分な情報があれば、CARDを、各種分析物の指定の閾値で「オン」又は「オフ」になる
ようにプログラムすることができる。
【００９２】
表１．本研究で採用したCARDの推定Rt
【表１】
2020060570.tif 000014
【００９３】
（CARDのアレイによる分析物の判別）
異なる化学反応性材料を包含するCARDのアレイの作成は、NFC通信を用いて複数の分析
物の検出及び判別を有効にすることもできる（図21）。NH3ガス（35ppm）との相互作用時
に異なるΔRsを生じる3つの異なるセンシング材料（P1-P3）として、シクロヘキサノン蒸
気（335ppm）、H2O2蒸気（〜225ppm）及びH2O蒸気（〜30,000ppm）が採用された。4種類
のCARD（それぞれ3個単位）のアレイが作成され、分析物の単回曝露を検出するのに用い
られた。NH3を検出するために、CARD-1A（初期Rs=16.3kΩ±0.6kΩ）が、35ppmのNH3への
曝露時に「オフ」になり、周囲条件下での回復時に「オン」に戻るように設計された（図
21A-1）。重要なのは、テスト対象の濃度で別の分析物が存在する場合でも、CARD-1Aは「
オフ」にならないということである（図21A-2、3、4）。
【００９４】
H2O2を検出するために、P1を機械的に研磨して初期Rs=23.4kΩ±0.9kΩ（CARD-1C）を
得ることにより、初期状態が「オフ」である「ターンオン」センサが作成された。CARD-1
Cは、H2O2の平衡蒸気（水中で35重量%）への曝露時に「オン」になり、SGS4での読み込み
が可能になり、外気下での回復時に「オフ」に戻る（図21B-2）。CARD-1Ｃを水、シクロ
ヘキサノン及びNH3に曝露させることは、低い又は中程度（水ではΔRs=+1.5kΩ±0.6kΩ
）のΔRsを得ることに繋がるが、これらの曝露がSGS4（図21B-1、3、4）による可読性の
変化を引き起こすことはなかった。
【００９５】
シクロヘキサノンを検出するために、タグ表面上で初期Rs=18.9kΩ±0.6kΩであり、初
期状態が「オン」である「ターンオフ」センサCARD-2が、P2を機械的に研磨することによ
り作成された。CARD-2は、335ppmのシクロヘキサノンへの曝露が1分に満たない内に「オ
フ」になった（図21C-3）。外気下での回復から1分以内に「オン」に戻ったため、SGS4に
よるCARD-2の可読性はリバーシブルであった。しかしながら、CARD-2のRsの値は、Rsの初
期値まで回復することなく、10分間の平衡化の後にRs=15.3kΩ±0.9kΩに収まった。Rsの
この不整合の原因としては、センシング材料の溶媒支援再編成が考えられる。重要なのは
、H2O、H2O2及びNH3へのCARD-2の曝露で生じたΔRs（図21C-1、2、4）は小さかったにも
関わらず、これらの曝露がスマートフォンによるセンサの可読性を変えなかったことであ
る。
【００９６】
ネガティブコントロールとして、P3に機械的研磨を施すことによって、Rs=18.0kΩ±0.
6kΩのCARD-3を作成した。このタグは、読み込み可能なままであり、この実施例で用いた
分析物に応じてその可読性を変えることはなかった（図21D-1-4）。このタグは、リーダ
ーとタグの間の通信プロトコルの統合を有効にし、コード化スキームにおける静的なハン
ドルを提供するものであったため、アレイベースのセンシングスキームの重要な要素であ
った。
【００９７】
（方法）
（商用NFCタグのプログラマブルCARD（Chemically Actuated Resonant Device）への変換
）
NFCタグの回路は、円形ホールパンチャ（Bead Landing（商標）、穴径=2mm）を用いて
、図18に示す位置で切断された。タグに穴が開けられ、集積回路をコンデンサに接続する
導電性アルミニウム膜の一部が（下部のポリマー基板と共に）実施的に取り除かれた。回
路は、適切なPENCILによる描線を用いた機械的研磨により、アルミニウムの2つの切断端
を架橋することで、再構成された。Mirica KA, Azzarelli JM, Weis JG, Schnorr JM, Sw
ager TMの文献「Rapid prototyping of carbon-based chemiresistive gas sensors on p
aper」(Proc Natl Acad Sci U S A 110: E3265-E3270 (2013))を参照されたい。この文献
の内容はすべて引用により本明細書に組み込まれる。PENCILによる機械的研磨に続いてマ
ルチメータ（Fluke 114 TRMSマルチメータ）でRsを測定する繰り返しプロセス（図25）が
、所望の初期Rs値が得られるまで繰り返された。P1〜P3が機械的摩耗によってNFCタグの
表面上に堆積すると、これらは予測可能な変動特性を示し、これにより、所定の仕様でタ
グを描画することが可能になった（図22及び23）。NFCタグのPENCILの研磨によって発生
する微粒子を吸入する可能性を防止するため、このプロセスはドラフトチャンバ内で行わ
れた。この結果作成されたデバイスは安定した読み込み（ΔRs＜0.2kΩ／10分）を行うこ
とができるまで（〜30分）静置された。すべての実験はCARDの作成から5時間以内に行わ
れた。
【００９８】
（CARDにより誘起されるスマートフォンの反応のプログラミング）
特定のタグに対する固有の応答は、CARDを作成する前にタグと電話の関係を事前にプロ
グラミングすることによって、タグと電話との間の通信（「オン」／「読み込み可」）を
確立することができたときに、引き起こすことができる。本研究では、電話とタグの関係
を確立するために、自由に入手可能なアプリ「トリガー」（Egomotion社、2014年8月28日
）を採用した。第1に、タグのUIDは、NFCを介してスキャンすることにより、スマートフ
ォンに登録される。第2に、タスク（又は複数のタスク）がこの特定のUIDに割り当てられ
る。例えば、「トリガー」を用いることで達成可能なタスクは、所定のメッセージが書き
込まれた、ノート取りアプリなどの別のアプリケーションを開くことである。他の呼び出
し可能なタスクには、予めメッセージが書き込まれた電子メールアプリを開くことや、ス
マートフォンの現在位置を表示する地図アプリを開くことなどが含まれる。「トリガー」
をプログラミングして各固有タグUIDについて固有のタスクを呼び出すことによってタグ
がCARDに変換されると、CARDの化学環境に関する有意な情報をユーザに伝えることができ
る。本研究の範囲外ではあるが、より小型のユーザインタフェース構造により、より洗練
されたスマートフォンの動作を可能にするようにカスタマイズされたアプリを作成するこ
とによって、この方式を改善することができる。
【００９９】
（反射係数とスマートフォンによるCARDの可読性を決定する方法）
反射係数スペクトル（S11）は、ネットワークアナライザ（Agilent社、E5061B）で収集
された。ループプローブは、絶縁テープを用いて、瓶のキャップ（VWR、250mL）の外側に
取り付けられ、タグ又はCARDは、両面テープを用いて、同瓶のキャップの内側に配置され
た（図24）。2つの瓶が実験に用いられた：空（すなわち、外気で充填された）のものと
、シクロヘキサノン（10mL）及び濾紙が入ったものとが用いられた。キャップが空の瓶の
上にあるときに一度、キャップをシクロヘキサノンの入った瓶の上に5秒間置いた後に一
度、そしてキャップをシクロヘキサノンの入った瓶の上に1分間置いた後に一度、反射係
数スペクトラムが測定され、記録された（図19A）。
【０１００】
タグを瓶のキャップから取り外し、連続気泡フォーム（厚み＝4.5cm）の一片に配置し
、「NFC Reader」アプリケーション（Adam Nyback; 5 July 2013）が起動した、Android
（商標）バージョン4.3で動作するSamsung Galaxy S（登録商標）4をその背面がセンサタ
グに平行になるように保持した状態でセンサタグに接近させることにより、タグ又はCARD
の可読性が決定された。スマートフォンをタグから2.5cmまでの距離だけ上方に保持して5
秒以内にUIDを取得できた場合、センサタグは「オン」／「読み込み可」であるとみなし
た。一方で、同一条件下でUIDを取得できなかった場合、タグは「オフ」／「読み込み不
可」とみなした。すべての測定は、CARDの平行板コンデンサが電話の長辺に対して垂直に
なるように電話を配向して行われた。電話はタグの位置する表面に平行になるように保持
された。
【０１０１】
（化学物質への曝露がRsに及ぼす影響とスマートフォンによるCARDの可読性の相関付け）
両面テープを用いて、プラスチックペトリ皿の一方の面にCARDが取り付けられた。マル
チメータ（Fluke社、114 TRMSマルチメータ）を用いて指定の位置でCARDに接触すること
により、Rsは決定された。SGS4によるCARDの可読性は上述したように決定された。反対に
、同一条件下でUIDを取得できなかった場合、CARDは「オフ」とみなされた。
【０１０２】
第1に、周囲条件下でのRs及び可読性を1分に1回モニタし、化学物質に対する10分間の
曝露前に、安定したベースラインを確立した。そして、a）飽和蒸気（H2O2／H2O又はH2O
）の瓶の上に蓋を置く、又はb）充填雰囲気の入ったジップロックバッグ内のいずれかに
よって、タグを化学分析物に曝露させた。化学物質への曝露の間、マルチメータを用いて
タグにアクセスしてモニタすることはできなかったが、スマートフォンを用いて1分間隔
で情報を取得することはできた。一度、曝露が完了すると、タグをコンテナから取り出し
、周囲雰囲気下で回復させた。この間、Rs及び可読性を1分間隔でモニタした。
【０１０３】
（CARDのアレイを用いて化学物質を判別するためのバイナリ論理）
図21Eは、電話によるタグ可読性のバイナリ出力（「オン」及び「オフ」）を、本研究
で用いた4つの化学蒸気の識別に相関付ける。「1」が蒸気が存在することを示し、「0」
が蒸気が存在しないことを示すバイナリの割り当て（0及び1）を採用することができる。
例えば、4つの固有のタグ（n=4）を採用し、それぞれを特定の分析物用、又はネガティブ
コントロールとしてプログラムすることができる。各タグは固有の識別番号を有するため
、特定の分析物に応じた各タグの可読性の変化は、本質的に、蒸気の識別、及び超えた閾
値に関連する。n個のセンサタグは、任意にシーケンスに配置し、固有のガス及び蒸気を
識別するのに用いられるn桁のコード（###...）を提供することができる。このコードス
キーム、4種類のタグ（CARD-1A、-1C、-2及び-3）、及び3種類の蒸気（NH3、H2O2、及び
シクロヘキサノン）を用いて、SGS4は、35ppmのNH3の存在を「1000」、35%の水に溶けたH
2O2の蒸気の存在を「0100」、及び335ppmのシクロヘキサノンの存在を「0010」として正
しく識別することができる。最も頻繁に遭遇する妨害物の1つであるH2O蒸気の存在に対し
ては、本研究「0000」）で採用したセンサタグは反応を示さなかった。深度4ビットの測
定を有効にするには、4個の独立したCARDを表面に置く必要がある。本研究で採用するCAR
Dは、それぞれ20.3cm2の面積をカバーする。このように、各々の上に積み重ねることがで
きない4個のCARDは、81.2cm2の面積をカバーする。
【０１０４】
（提案のセンシング方式についての実用的な考慮点及び制限）
9つの実用的な考慮点及び制限を、このセンシング方式の実施を試みる前に検討する必
要がある：
（i）すべての材料がRF透過性ではない。従って、本技術は、RF非透過性の、又はRF照
射を反射する材料の存在を折衷案とすることができる。
（ii）CARDは互いに積み重ねることができない（「CARDのアレイを用いて化学物質を判
別するためのバイナリ論理」におけるディスカッション参照）。
（iii）近距離無線通信は誘導結合に依存するため、本技術はその磁気環境の影響を受
ける。
（iv）この技術は、「反射係数とスマートフォンによるCARDの可読性を決定する方法」
のサブセクションに係る方法で説明したように、スマートフォンとカードの間の相対的な
向きや距離に敏感である。
（v）開示の所見に基づいて、「オン／オフ」の閾値は、スマートフォンとCARDの間の
電力移動の大きさにより決定される。従って、スマートフォンの製造とモデルが「オン／
オフ」の閾値に影響を与える可能性がある。
（vi）開示の所見に基づいて、「オン／オフ」の閾値は、PENCIL材料に依存する。
（vii）本研究に採用した化学反応性材料は研究室の雰囲気から保護されておらず、そ
の性能が時間とともに低下する可能性がある。
（viii）センシング素子が曝露されているため、接触又は切断された場合に、化学抵抗
器の振る舞いが急激に変化する可能性がある。
（ix）この技術は、研究室の管理されたセッティングにおいて実証された。研究室外の
セッティングでは、人間及び環境のナノ材料への曝露は、センシング素子にパッケージン
グを施して行う必要がある。
【０１０５】
（一般の材料及び方法）
SWCNT（SWCNTとして精製度≧95%）は、Nano-C社（Westwood, MA）から提供を受けた。2
-(2-ヒドロキシ-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロピル)-1-ナフトール（CAS 2092-87-7）
は、SynQuest社（Alachua, FL）から購入した。NH3（N2の1%）はAirgas社に特注で注文し
た。本研究で用いたNFCタグ（以下、まとめて「NFCタグ」と称す）は全てTexas Instrume
nts社、HF-I Tag-It 13.56MHz RFIDトランスポンダの正方形インレイ（MFG:RI-I11-114A-
01）であり、DigiKey社より購入した。
【０１０６】
（タグの選択）
この実施例では、市販のTexas Instruments社のHF-I Tag-It Plusトランスポンダイン
レイ（TIタグ）を用いて、市販のNFCタグを化学センサに変換するという概念を実証した
。これらのタグは、基板の化学的耐性が強いこと、回路に保護ポリマーコーティングがな
いこと、商業的に入手可能であること、及びコストが低いことなどに基づいて選択された
。未変形タグの電子回路は、ポリエチレンテレフタレート製の、薄く（47μm）フレキシ
ブルなシートの両側にポリウレタン接着剤により支持されており、これはコンデンサの誘
電層としても機能する。回路は、誘導子（L）として機能するアルミニウムアンテナと、
平行平板型アルミニウムコンデンサ（C）と、シリコンベースの集積回路（IC）チップ（R
）とを有し、これらは全て並列に接続され、LCR共振回路（図18）を形成する。
【０１０７】
（分析物の選択）
ターゲットとする化学分析物を選択的に検出することは、どのような機能性、超低コス
トの普及した化学センサであっても、必要な要件である。この要件は膨大なデータ解析ま
たは計算負荷の大きい解釈を採用しない方法で満たされ、これにより、化学反応性材料の
確立された特性を利用して分析物に対する選択性が得られる。Mirica KA, Weis JG, Schn
orr JM, Esser B, Swager TMの文献「Mechanical Drawing of Gas Sensors on Paper」(A
ngew Chemie Int Ed 51: 10740-10745 (2012))、及びMirica KA, Azzarelli JM, Weis JG
, Schnorr JM, Swager TMの文献「Rapid prototyping of carbon-based chemiresistive 
gas sensors on paper」(Proc Natl Acad Sci U S A 110: E3265-E3270 (2013))を参照さ
れたい。これらの文献の内容はすべて引用により本明細書に組み込まれる。産業、農業、
及び安全上の危険検出のモデル分析物として、アンモニア（NH3）ガス、並びにシクロヘ
キサノン（C6H10O）、過酸化水素（H2O2）及び水（H2O）の蒸気の検出をターゲットとし
た。
（i）NH3は一般的に産業及び農業のセッティングで放出され、比較的低いレベルで有毒
である（3）；
（ii）シクロヘキサノンは、RDX（4）など、爆発物の再結晶に一般的に用いられる揮発
性有機化合物（VOC）であり、これらの検出を補助することもできる（5）；
（iii）H2O2は、一般的に採用される産業用の試薬として即席の爆発性デバイス（IED）
に用いることができ、衛生化（病院）にも日常的に用いられる。
【０１０８】
（スマートフォンの選択）
市販品のスマートフォンを、無線化学センシングの機能を実証するのに利用した。この
タイプの検出器は、多くの人々がアクセス可能なセンサの高分散型ネットワークと互換性
を有する。このコンテキストでは、2つの要因に基づいて、Samsung Galaxy（商標）S4（S
GS4）を主要NFC対応スマートフォンとして選択した：
（i）Samsung社のGalaxyシリーズは、歴史上最も広く普及した「スマート」モバイルデ
バイスの一つである。
（ii）SGS4は、NFCアプリケーションに対応する、最も普及したオペレーティングシス
テムの1つであるAndroidで動作する。NFCを介して実証された無線化学センシングは、他
のNFC対応デバイスにも適用することができる（図3）。NFCチップは、NFCタグとの誘導結
合用のアンテナと、13.56MHzのキャリア信号生成及びタグ信号復調用のマイクロコントロ
ーラを備えた伝送モジュールと、を有すると共に、埋め込み式の外部セキュリティ素子（
加入者識別モジュール（SIM）カード）を有する。未変形TIタグと共に用いられた場合、S
GS4は、紙やプラスチックなどの固体の非金属性物質、及び液体を通して、約5cmまでのス
タンドオフ距離でタグを読み込むことができる（図3）。
【０１０９】
（スマートフォンアプリケーションの選択）
タグの読み込みには「NFC Reader」（Adam Nyback；2013年7月5日）及び「NFC TagInfo
」（NFC ResarchLab；2013年7月19日）のアプリケーションが用いられ、これらは本レポ
ートの時点でGoogle Play（商標） Storeから自由に入手可能であった。これらのアプリ
ケーションを選択したのは、これらのアプリケーションは、時間やエネルギー負荷の大き
い別の機能をスマートフォン内で呼び出すことなく、タグ固有の識別番号を表示するため
である。本研究の目的のため、スマートフォンをタグから2.5cmまでの距離だけ離して保
持して5秒以内に固有の識別番号を取得できた場合、タグは「オン」又は「読み込み可」
であるとみなす。一方で、同一条件下で固有の識別番号を取得できなければ、タグは「オ
フ」又は「読み込み不可」であるとみなす。
【０１１０】
（機器分析）
ポートインピーダンス50Ω及び入力電力0dBmでの反射係数（S11）を測定することによ
り、10〜20MHzの、変形TIタグ及びスマートフォンアンテナのRF信号応答、並びにスマー
トフォンで送信された無線周波数信号を、BNCケーブルを介してベクトルネットワークア
ナライザ（VNA）（Agilent社、E5061B）に接続された特注のループプローブを用いてモニ
タした（図24）。
【０１１１】
（ボールミリング）
単一のステンレス鋼球（直径7mm）を備えたステンレス鋼ミリング用バイアル（5mL）内で
、振動ミキサーミル（MM400, Retsch GmbH社、 Haan, Germany）を用いてSWCNTと2-(2-ヒ
ドロキシ-1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロピル)-1-ナフトール（HFIPN）の無溶剤ボール
ミリングを行うことにより、シクロヘキサノンセンシング材料が生成された。ミリングバ
イアルはHFIPN（96mg）及びSWCNT（24mg）で満たされ、混合物に対し、30Hzで5分間のボ
ールミリングを行った。
【０１１２】
（PENCILの製作）
PENCIL（Process Enhanced NanoCarbon for Integrated Logic）は、鋼ペレットプレス
（内径6mm）（Across International社、アイテム#SDS6）内に粉末状のセンシング材料を
ロードし、油圧プレス（Across International社、アイテム#MP24A）を用いて、10MPaで
一定の圧を1分間印加して粉を圧縮することにより、作成された。
【０１１３】
（ループプローブの作成）
熱収縮性ラップで覆われた中空銅管を正方形（5cm × 5cm）の形状に成形し、BNCアダ
プタにはんだ付けした。熱収縮性ラップを接続点上に置き、ドラフトチャンバ内でヒート
ガンを用いて縮ませた。
【０１１４】
（アンモニアの希釈）
濃度を制御したNH3の、ガスチャンバ内に置かれたセンシングデバイスへの吐出しは、
総流量0.50〜10.00L/分で、Smart-Trak Series 100（Sierra Instruments社、Monterey, 
CA）ガス混合システムを用いて行われた。NH3はN2で希釈された。
【０１１５】
（蒸気の希釈）
濃度が制御されたシクロヘキサノン蒸気の、ガスチャンバ内に置かれたセンシングデバ
イスへの吐出しは、高精度標準ガス生成装置モデル491M-B（Kin-Tek Laboratories社, La
Marque, TX）を用いて行われた。シクロヘキサノンは、0.25〜0.50L/分の総流量で、N2
で希釈された。
【０１１６】
（ガスチャンバ）
Ziploc（登録商標）バッグ（1L）の底角にプラスチックシリンジ（1mL、NORM-JECT（登
録商標））を2個（両側に1個ずつ）挿入し、絶縁テープで密封することで、特殊なガスチ
ャンバが作成された。
【０１１７】
（NH3の検出）
センサタグデータは、上述の方法に従って収集された。センサタグをドラフトチャンバ
のベンチトップ上に10分間維持し、続いてガスチャンバ内で、N2（35ppm）でNH3に5分間
曝露させ、続いて、10分の間、ドラフトチャンバのベンチトップ上に置いて、取り除いた
。この手順を更に3回繰り返した；4回目のサイクルの後、センサタグを、追加の10分間、
ドラフトチャンバのベンチトップ上に静置した。
【０１１８】
（N2（ネガティブコントロール）の単回曝露の検出）
センサタグデータRs及びSGS4による可読性は、上述の方法に従って決定された。センサ
タグをドラフトチャンバのベンチトップ上に10分間維持し、続いてガスチャンバ内で、N2
に5分間曝露させ、続いて、20分の間、ドラフトチャンバのベンチトップ上に置いて、取
り除いた。
【０１１９】
（NH3の単回曝露の検出）
センサタグデータは、上述の方法に従って収集された。センサタグをドラフトチャンバ
のベンチトップ上に10分間維持し、続いてガスチャンバ内で、N2（4ppm又は35ppm）でNH3
に5分間曝露させ、続いて、20分の間、ドラフトチャンバのベンチトップ上に置いて、取
り除いた。
【０１２０】
（C6H10Oの単回曝露の検出）
センサタグデータは、上述の方法に従って収集された。センサタグを換気シュノーケル
の下のベンチトップ上に10分間維持し、続いてガスチャンバ内で、N2（335ppm）でシクロ
ヘキサノン（C6H10O）に5分間曝露させ、続いて、20分の間、換気シュノーケルの下のベ
ンチトップ上に置いて、取り除いた。
【０１２１】
（H2O2の単回曝露の検出）
センサタグデータは、上述の方法に従って収集された。センサタグをドラフトチャンバ
のベンチトップ上に10分間維持し、続いてH2O2/H2O (35%)の瓶が開いた状態で入ったプラ
スチック製のZiploc（商標）バッグ内で、H2O2/H2O (Peq)に5分間曝露させ、続いて、20
分の間、ドラフトチャンバのベンチトップ上に置いて、取り除いた。
【０１２２】
（H2Oの単回曝露の検出）
センサタグデータは、上述の方法に従って収集された。センサタグをドラフトチャンバ
のベンチトップ上に10分間維持し、水の瓶が開いた状態で入ったプラスチック製のZiploc
（登録商標）バッグ内で、H2O（空気中で湿度100%）に5分間曝露させ、続いて、20分の間
、ドラフトチャンバのベンチトップ上に置いて、取り除いた。
【０１２３】
（NH3の半定量的検出）
4 ppmのNH3（CARD-1B）用のセンサタグは、Rs=19.2kΩ±0.2kΩで作成され、35ppmのNH
3（CARD-1A）用のセンサタグはRs=16.3kΩ±0.5kΩで作成された。NH3への曝露の前には
、両方のタイプのタグが「オン」であり、電話で読み込むことができた（図20B及び28）
。4 ppmのNH3への曝露時、CARDB-1Bはそのローカル環境の変化の発生から1分以内に「オ
フ」になり、一方で、CARD-1Aは「オン」のままであった。4ppmのNH3への5分間の曝露後
、CARD-1BはRs=21.9kΩ±0.4kΩ (ΔRs=2.8kΩ±0.4kΩ)になった；CARD-1AはRs=18.8kΩ
±0.3kΩ (ΔRs=2.6kΩ±0.1kΩ)を示した。各々3個単位で作成されたCARD-1A及びCARD-1
Bの新しいバッチを用いて、同実験を35ppmのNH3について繰り返した（図20B）。このよう
な条件下で、 CARDは「オフ」になり(ΔRs=6.0kΩ±0.5kΩ)：CARD-1BのRsは25.8kΩ±0.
6kΩ (ΔRs=6.3kΩ±0.1kΩ)に増加し、かつCARD-1AのRsは21.9 kΩ±0.8kΩ (ΔRs=5.4k
Ω±0.8kΩ)に増加し、両方可読性の閾値を超えた。
【０１２４】
（SGS4からCARDへの推定電力移動の決定）
作成の各ステージにおいてSGS4からCARD-2へ移動する電力は、7ステップの手順に従っ
て決定された。
（i）SGS4で生成される信号のS11スペクトル（n=5）（10MHz〜20MHz）を収集して、単
一のSGS4信号スペクトルに平均化した。
（ii）タグの変形の各段階におけるS11スペクトル（n=5）（10MHz〜20MHz）を収集する
ことで、CARD-2の形成に繋がる。加えて、CARD-2のS11スペクトル（n=5）（10MHz〜20MHz
）が、図19Aで説明したように、飽和シクロヘキサノン蒸気への曝露の前後で収集された
。
（iii）ステップ（ii）で収集したスペクトルを、タグ変形の各段階について、ガスへ
の曝露のシナリオに従って、単一のスペクトルに平均化した。
（iv）SGS4信号スペクトル及び（iii）の各スペクトルを、20MHzにおけるこれらの応答
に応じてゼロ化した。
（v）（iv）でゼロ化したSGS4信号スペクトルを、（iv）からの各ゼロ化タグ及びCARD-
2スペクトルに加え、SGS4とタグの合成スペクトル（図26A）を得た。
（vi）ネットワークアナライザに反射される電力Preは、式3に従って決定された：
【数３】
2020060570.tif 000015
ここで、入射電力（Pin）は0dBm (1μW)である（図26B及び26C）。
（vii）それぞれの場合において移動するパーセント電力（Pt）（図19B）は、式4（図2
6C）によって推定された：
【数４】
2020060570.tif 000016
ここで、xは主テキストの図19Aで説明したシナリオ1〜6に対応する。
【０１２５】
（Rtの決定）
「オン」／「オフ」の閾値Rtは、Rsが分析物への所与の曝露から回復する間に、読み込
み不可のCARDに相関づけられた「最後の」Rsと、読み込み可のCARDに相関づけられた「最
初の」Rsとの間で決定された中央値Rsの平均を算出することにより推定された（表1）。
【０１２６】
他の実施態様は、以下の請求項の範囲内である。
【図１】
2020060570.tif 000017
【図２】
2020060570.tif 000018
【図３】
2020060570.tif 000019
【図４】
2020060570.tif 000020
【図５】
2020060570.tif 000021
【図６】
2020060570.tif 000022
【図７】
2020060570.tif 000023
【図８Ａ】
2020060570.tif 000024
【図８Ｂ】
2020060570.tif 000025
【図８Ｃ】
2020060570.tif 000026
【図８Ｄ】
2020060570.tif 000027
【図９】
2020060570.tif 000028
【図１０】
2020060570.tif 000029
【図１１】
2020060570.tif 000030
【図１２】
2020060570.tif 000031
【図１３】
2020060570.tif 000032
【図１４】
2020060570.tif 000033
【図１５】
2020060570.tif 000034
【図１６】
2020060570.tif 000035
【図１７】
2020060570.tif 000036
【図１８】
2020060570.tif 000037
【図１９】
2020060570.tif 000038
【図２０】
2020060570.tif 000039
【図２１】
2020060570.tif 000040
【図２２】
2020060570.tif 000041
【図２３】
2020060570.tif 000042
【図２４】
2020060570.tif 000043
【図２５】
2020060570.tif 000044
【図２６】
2020060570.tif 000045
【図２７】
2020060570.tif 000046
【図２８】
2020060570.tif 000047
【手続補正書】
【提出日】令和1年12月11日(2019.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本願明細書に実質的に記載された、新規な物、方法及び製造方法。
【手続補正書】
【提出日】令和1年12月11日(2019.12.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２６】
本件出願は、以下の構成の発明を提供する。
（構成１）
センサ部分を有する無線周波数識別タグからの出力を検出することを含む、刺激を検出
する方法であって、該センサ部分は、該無線周波数識別タグが該刺激に対し接触する、又
は相互作用を行う場合に抵抗率を変化させるように構成され、該抵抗率の変化が該無線周
波数識別タグの出力を変えることを特徴とする、前記方法。
（構成２）
リーダーによって前記無線周波数識別の出力を検出することを更に含むことを特徴とす
る、構成1記載の方法。
（構成３）
前記リーダーは、携帯式のモバイルプラットホーム、又は固定リーダーを含むことを特
徴とする、構成2記載の方法。
（構成４）
前記リーダーはスマートフォンを含むことを特徴とする、構成2記載の方法。
（構成５）
前記刺激は分析物を含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成６）
前記刺激は蒸気を含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成７）
前記刺激はエチレンを含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成８）
前記刺激はアルケンを含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成９）
前記刺激はアルキンを含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成１０）
前記刺激はかびを含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成１１）
前記刺激は酸を含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成１２）
前記刺激はケトンを含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成１３）
前記刺激はエステル、アルデヒド、アルコール、エーテル、ニトロ基を有する分子を含
むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成１４）
前記刺激はチオールを含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成１５）
前記刺激はアミンを含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成１６）
前記刺激はアンモニア又はモノ窒素酸化物を含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成１７）
前記刺激は熱エネルギーを含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成１８）
前記刺激は有害な電離放射線を含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成１９）
前記刺激が紫外線を含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成２０）
前記抵抗率の変化の結果として、リーダーで読み込み可能な信号を生成することを更に
含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成２１）
前記抵抗率の変化の結果として、リーダーで読み込み可能な信号をオフにすることを更
に含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成２２）
前記出力が前記刺激の検出によってシフトされた後、該出力はリーダーによって検出可
能であることを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成２３）
前記出力が物理的物体を通過した後、該出力はリーダーによって検出可能であることを
特徴とする、構成1記載の方法。
（構成２４）
前記刺激は前記無線周波数識別タグの表面の一部に対し接触する又は相互作用を行うこ
とを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成２５）
前記センサ部分は前記無線周波数識別タグの表面の一部に位置することを特徴とする、
構成1記載の方法。
（構成２６）
前記センサ部分はアンテナコイルによって囲まれることを特徴とする、構成1記載の方
法。
（構成２７）
前記センサ部分の表面積は前記無線周波数識別タグの表面積よりも小さいことを特徴と
する、構成1記載の方法。
（構成２８）
前記無線周波数識別タグは電源を必要としないことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成２９）
前記無線周波数識別タグ内の電気的接続を変えることを更に含むことを特徴とする、構
成1記載の方法。
（構成３０）
前記無線周波数識別タグは1つ又は複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とす
る、構成1記載の方法。
（構成３１）
前記センサ部分は複数のセンシング位置を含むことを特徴とする、構成1記載の方法。
（構成３２）
センサ部分を有する無線周波数識別タグを含む、刺激を検出するタグであって、該セン
サ部分は、該無線周波数識別タグが該刺激に対し接触する、又は相互作用を行う場合に抵
抗率を変化させるように構成され、該抵抗率の変化が該無線周波数識別タグの出力を変え
、該センサ部分は回路を含み、該センサ部分は、刺激に対し接触した、又は相互作用を行
った場合に、該回路を起動又は停止させるように構成されることを特徴とする、前記タグ
。
（構成３３）
前記センサ部分は、金属、有機材料、誘電材料、半導体材料、高分子材料、生物学的材
料、ナノワイヤ、半導体ナノ粒子、カーボンナノチューブ、ナノファイバ、カーボンファ
イバ、カーボン粒子、カーボンペースト、若しくは導電性インク、又はこれらの組み合わ
せを含むセンシング材料を含むことを特徴とする、構成31記載のタグ。
（構成３４）
前記タグは、人が着用可能なバッジに組み込まれることを特徴とする、構成31記載のタ
グ。
（構成３５）
センサ部分を有する無線周波数識別タグであって、該センサ部分が、該無線周波数識別
タグが該刺激に対し接触する、又は相互作用を行う場合に抵抗率を変化させるように構成
され、該抵抗率の変化が該無線周波数識別タグの出力を変える、前記無線周波数識別タグ
と、該無線周波数識別タグからの出力を検出する検出器と、を有することを特徴とする、
刺激を検出するシステム。
（構成３６）
前記検出器はリーダーであることを特徴とする、構成34記載のシステム。
（構成３７）
前記リーダーは携帯式リーダーであることを特徴とする、構成35記載のシステム。
（構成３８）
携帯式リーダーはスマートフォンであることを特徴とする、構成36記載のシステム。
（構成３９）
前記タグは前記抵抗率の変化後に前記検出器により読み込み不可から読み込み可になるこ
とを特徴とする、構成34記載のシステム。
（構成４０）
前記タグは前記抵抗率の変化後に前記検出器により読み込み可から読み込み不可になる
ことを特徴とする、構成34記載のシステム。
（構成４１）
前記システムは線量計を含むことを特徴とする、構成34記載のシステム。
（構成４２）
前記線量計は、放射線量計、化学兵器剤線量計、揮発性有機化合物線量計、又は分析物
線量計であることを特徴とする、構成40記載のシステム。
（構成４３）
前記システムは、職業上の安全に関係する汚染物質又は化学物質をモニタすることを特
徴とする、構成34記載のシステム。
（構成４４）
前記システムは複数のタグを含むことを特徴とする、構成34記載のシステム。
（構成４５）
前記複数のタグは各々少なくとも１つの刺激を検出することができることを特徴とする
、構成43記載のシステム。
他の実施態様は、以下の請求項の範囲内である。
【外国語明細書】
2020060570000001.pdf