(57)【要約】【課題】液体中の汚染物質の濃度を判断する装置および方法、ならびにそれらを使用するシステムを提供する。【解決手段】センサ（４）を液体と接触させる段階と、液体中の汚染物質の濃度に基づいて電気的情報を生成する段階と、電気的情報をコントローラ（６）に送信する段階と、液体中の汚染物質の濃度を判断する段階とを含む検査方法。センサ（４）は、膜（１２）、パージチャンバ（４２）、およびトランスデューサ（１０）を含み、それらは、膜（１２）の第１の表面が液体と流体連通し、パージチャンバ（４２）が膜（１２）の第１の表面と反対側の第２の表面と流体連通し、トランスデューサ（１０）がパージチャンバ（４２）と流体連通するように構成される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ（４）を液体と接触させる段階と、
前記液体中の汚染物質の濃度に基づいて電気的情報を生成する段階と、
前記電気的情報をコントローラ（６）に送信する段階と、
前記液体中の汚染物質の前記濃度を判断する段階とを含み、
前記センサ（４）が、膜（１２）、パージチャンバ（４２）、およびトランスデューサ（１０）を含み、それらが、前記膜（１２）の第１の表面が前記液体と流体連通し、前記パージチャンバ（４２）が前記膜（１２）の前記第１の表面と反対側の第２の表面と流体連通し、前記トランスデューサ（１０）が前記パージチャンバ（４２）と流体連通するように構成された、液体中の汚染物質の検出方法。
【請求項２】
センサアレイ（５０）を、水である液体と接触させる段階と、
前記センサアレイ（５０）内のセンサ（４）からの電気的情報を生成する段階と、
前記電気的情報に基づいて汚染物質の濃度を判断する段階とを含み、
前記アレイ内のセンサ（４）がそれぞれ、トランスデューサ（１０）に隣接して配置された膜（１２）を含み、前記膜（１２）によって特定の汚染物質の拡散を可能にする、原子炉の水の中の汚染物質を検出する装置の操作方法。
【請求項３】
前記液体と接触させる前記段階の前に、前記液体を予備調整する段階をさらに含み、前記予備調整する段階が、温度調整、加圧、攪拌、化学物質との混合、および前述の少なくとも１つを含む組み合わせから成る群から選択されたプロセスをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項記載の方法。
【請求項４】
導電率プローブを前記液体と接触させる段階と、前記液体の導電率を判断する段階と、前記導電率に基づいて前記液体の濃度を補正する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記濃度を補正する前記段階に単変量補正を使用することを含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記膜（１２）のバルク効果を補正する段階をさらに含み、前記バルク効果が、前記膜（１２）の構成成分の浸出、前記膜（１２）の構成成分の性能の低下、および前述の少なくとも１つを含む組み合わせから成る群から選択されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記膜（１２）の表面効果を補正する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記濃度を補正する前記段階が、インピーダンス測定、または電位差測定とインピーダンス測定の組み合わせを含むことを特徴とする請求項６乃至７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記センサ（４）が、作用電極と参照電極を含む電位差センサ（４）であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記センサアレイ（５０）内の第２のセンサ（５４）からの第２の電気的情報を生成する段階と、
前記第２の電気的情報に基づいて第２の汚染物質の濃度を判断する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項２乃至９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において、液体中の汚染物質を検出し定量化する装置および方法、ならびにそれらを使用するシステムが開示される。
【背景技術】
【０００２】
水溶液中の微量（例えば、１容量％未満）および極微量（例えば、１．０×１０−６容量％未満）レベルの汚染化学物質の検出は、多数の用途の状態を監視するために重要である。例えば、超純水（すなわち、極微量濃度のイオン種を有する水）は、半導体、製薬、農業、化学、エネルギー、および食品加工の業界が挙げられるがそれらに限定されない多くの工業的プロセスにおいて望ましい。１つの特定の例では、原子炉は、冷却目的で超純水を用いる場合がある。超純水は汚染物質を含む場合があり、それが、原子炉の流体処理システムにおいて腐食および他の問題を引き起こす。したがって、これらの汚染物質を検出し定量化するシステムおよび方法が非常に望ましい。
【０００３】
汚染化学物質の検出は、最近の数十年間の間に著しく発展してきた。水溶液中の微量レベルのイオン種を検出し定量化する、現在利用可能ないくつかの技術がある。これらの技術としては、イオンクロマトグラフィー（ＩＣ）、誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ）、質量分析（ＭＳ）、ＩＣＰ−ＭＳ、およびキャピラリー電気泳動（ＣＥ）が挙げられる。それに加えて、電気化学センサ、光学センサ、および複合化学センサ（例えば、表面プラズモン共鳴とアノーディック・ストリッピング・ボルタンメトリーなど、異なる技術の組み合わせ）が、水中のイオン種の微量分析に適用されてきた。残念なことに、これらの方法は、大量のサンプル調製を必要とする場合があり、または、低い選択性、不適当な検出限界、干渉の影響、ベースラインの変動、およびサンプリング中または処理中の汚染による制限がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＩＣは、水溶液中のイオン種を検出する主な手段である。例えば、原子力発電所は、イオン種を定期的に監視するため、インライン・イオンクロマトグラフィーを主に使用してきた。ＩＣ法は、本来、カラムイオン交換クロマトグラフィーを含んでおり、大量のサンプルと、収集した画分の湿式化学分析を必要とし、実行するのに時間を要するものであった。より最近では、必要とするサンプル量が大幅に少なく、コンピュータの制御下で事実上無人で作動し、かつほんの数分で実施することができるＩＣ法が開発されている。しかし、現行のＩＣ法には、依然として、費用、複雑性、および保守など、多くの状況においてその使用が非実用的になっているという不利な点がある。さらに、現在、ＩＣの分析時間は約１０分に達しているが、これは多くの用途において依然として長過ぎる。
【０００５】
ＩＣＰおよびＩＣＰ−ＭＳもイオン種の検出に使用されている。誘導結合プラズマ同位体希釈質量分析（ＩＣＰ−ＩＤＭＳ）は、微量元素および元素のスペシエーションを分析する通常の方法として適しているが、種に限定した同位体希釈用の市販の同位体標識スパイク化合物がないこと、また、種を限定しないＩＣＰ−ＩＤＭＳ分析に必要なシステム設定が複雑であることによって制限されている。したがって、より適切な検出方法を開発することが強く求められている。
【０００６】
ＣＥは、ＩＣに比べて用いる溶出液の量が１０〜１００分の１であり、かつ測定時間がより迅速（一般的に３分未満）である、イオン種を検出する別の一般的手段である。ＣＥもまた、印加できる電圧量が限られ、毛管が短いという実用上の制限がある。さらに、サンプルは、幅が限定された帯域内に導入されなければならず、信頼性の高い検出には限定された量が必要とされる。それに加えて、非常に高い電圧勾配が原因で、管内の電解質を加熱することによって、ゾーンの望ましくない広がりや、さらには電解質の沸騰、および電気泳動プロセスの完全な機能停止などの問題が引き起こされる。そのような制限により、キャピラリーゾーン電気泳動の使用は多くの用途にとって非実用的になっている。
【０００７】
水溶液中の種の検出および定量化に用いられる現行の技術に関連した欠点を踏まえて、上述の制限がなく、かつ著しい干渉の影響、ベースラインの変動、および処理による意図しない水質汚染などの制限がない、検出方法および検出システムが現在必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書において、液体中の汚染物質の濃度を判断する装置および方法、ならびにそれらを使用するシステムが開示される。
【０００９】
一実施形態では、液体中の汚染物質の検出方法は、センサを液体と接触させる段階と、液体中の汚染物質の濃度に基づいて電気的情報を生成する段階と、電気的情報をコントローラに送信する段階と、液体中の汚染物質の濃度を判断する段階とを含む。センサは、膜、パージチャンバ、およびトランスデューサを含むことができ、それらは、膜の第１の表面が液体と流体連通し、パージチャンバが膜の第１の表面と反対側の第２の表面と流体連通し、トランスデューサがパージチャンバと流体連通するように構成される。
【００１０】
別の実施形態では、液体中の汚染物質の検出方法は、センサを液体と接触させる段階と、液体中の汚染物質の濃度に基づいて電気的情報を生成する段階と、サンプルの導電率を判断する段階と、電気的情報および導電率をコントローラに送信する段階と、汚染物質の濃度を判断する段階と、導電率に基づいて汚染物質の濃度を補正する段階とを含む。
【００１１】
さらに別の実施形態では、原子炉の水の中の汚染物質を検出する装置の操作方法は、センサアレイを水のサンプルと接触させる段階と、センサアレイ内のセンサからの電気的情報を生成する段階と、電気的情報に基づいて汚染物質の濃度を判断する段階とを含む。アレイ内のセンサはそれぞれ、トランスデューサ上に配置された膜を含み、膜によって特定の汚染物質の拡散を可能にする。
【００１２】
上述の特徴および他の特徴は、以下の図面および詳細な説明によって例証される。
【００１３】
以下に、代表的な実施形態である図面を参照するが、図面中、同様の要素には同様の符号が付けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本明細書において、液体中（例えば、水溶液中）の汚染物質を検出し定量化する装置および方法が開示される。汚染物質検出システム（以下、ＣＤＳと称する）と称される検出用の装置は、水溶液中に配置されたセンサと動作的に連通して接続されたコントローラを備える。センサは、マニホルドと一体化された、１つまたは複数のトランスデューサと１つまたは複数の化学反応性の膜（以下、膜と称する）とを備える。検出方法は、水溶液の汚染物質を分析する段階と、測定された信号を検出する段階と、溶液中の不純物の濃度を判断する段階とを含む。
【００１５】
次に図１を参照すると、コントローラ６がセンサ４に動作可能に接続された、代表的な汚染物質検出システム（ＣＤＳ）２が示される。センサ４は、導管１８を通って流れることができる液体８と流体連通して配置される。センサ４は、液体８中の汚染物質（例えば、イオン種）の濃度を判断するために利用することができる情報を、コントローラ６に提供することができる。
【００１６】
次に図２を参照すると、膜１２と接触して配置されたトランスデューサ１０を含み、膜１２およびトランスデューサ１０の両方がマニホルド１６内に配置された、代表的なセンサ４が示される。トランスデューサ１０と接触している膜１２の表面と反対側の表面は、微量の汚染物質（図示なし）を含む液体８と流体連通して配置される。ワイヤ１４は、トランスデューサ１０およびコントローラ６（図示なし）と電気的に連通して接続されて、それらの間に電気通信を提供する。この実施形態はワイヤ１４を用いるが、代替実施形態では、無線通信（例えば、ＲＦＩＤトランスデューサを使用する無線周波通信）を使用するなど、ワイヤ１４を使用せずにトランスデューサ１０とコントローラ６の間の通信を達成できることが明白であろう。さらに、本明細書に記載されるどの実施形態の通信でも、任意の新規なまたは既知の通信規格（例えば、ブルートゥース（ＩＥＥＥ８０２．１５．１としても知られる無線パーソナルエリアネットワーク（ＰＡＮ）の工業規格）、ＤＥＣＴ（デジタル式ヨーロッパコードレス電話方式）、ＤＳＲＣ（狭域通信）、ＨＩＰＥＲＬＡＮ（高性能無線ローカルエリアネットワーク（一連のローカルエリアネットワーク通信規格））、ＨＩＰＥＲＭＡＮ（高性能無線メトロポリタンエリアネットワーク）、ＩＥＥＥ（電気電子学会）、ＩＲＤＡ（赤外線通信協会規格）、ＲＦＩＤ（無線識別）、ＷｉＦｉ（ワイヤレスフィデリティ）、ＷｉＭＡＸ（ＩＥＥＥ規格８０２．１６に一般に与えられる名称）、ｘＭＡＸ（無線周波（ＲＦ）変調および符号化技術）、ＺｉｇＢｅｅ（ＩＥＥＥ規格８０２．１５．４に準拠した無線ネットワーク）など、ならびに前述の少なくとも１つを含む組み合わせ）を利用して、トランスデューサ１０とコントローラ６の間の通信を行うことができる。
【００１７】
使用中、センサ４は、液体８中の汚染物質の濃度を判断するために利用できる情報を、コントローラ６に提供することができる。一般に、これは、トランスデューサ１０を用いて、膜１２を通過するイオンの量に基づいて変化する電気的情報をコントローラ６に提供することによって達成される。コントローラが、液体８中の特定の汚染物質の濃度を判断できるようにするため、膜１２は、所望の汚染物質（例えば、評価されている汚染物質のイオン）を通過させ、所望以外の汚染物質（例えば、評価しない余分の汚染物質）が膜１２を通過するのを部分的または完全に制限することができるように構成される。
【００１８】
膜１２は、一般に、特定の汚染物質を通過させることができる能力に基づいて選択された高分子材料を含む。より具体的には、膜１２に用いられる代表的な高分子材料は、センサが動作する温度よりも低いガラス転移温度を有することができ、それによって、特定の汚染物質がそれを通って拡散するのを可能にする半粘稠状態を提供する。膜１２内での種の拡散を調整するため、膜１２に用いられる高分子材料中に添加物を組み込むことができる。膜１２が望ましいガラス転移温度および／または拡散速度を呈すると、次に、高分子マトリックスを、プラス電荷またはマイナス電荷を有するイオン交換材料でドープすることができる。特定のイオン交換材料は、分析される液体中の汚染物質の電荷に基づく。例えば、マイナス電荷を有するイオン交換材料はプラスに帯電した汚染物質に使用され、プラスに帯電したイオン交換材料はマイナスに帯電した汚染物質に使用される。さらに、電荷が中性の膜を、電荷が中性の汚染物質に使用することができることも理解されたい。水中のイオンを検出する場合、膜組成物は、イオン透過担体を使用して目的のイオンの選択的結合プロセスを提供するように選択される。イオン透過担体は、膜１２の選択性を増加させ、かつ膜を通して汚染物質を輸送するのをさらに容易にするため、高分子材料に添加される。同様に、イオン透過担体および／またはイオン交換材料は、所望以外の汚染物質（例えば、干渉物質）が膜１２を通って拡散するのを制限するため、高分子材料に添加することもできる。スルフェート検出のためのイオン透過担体の例は、亜鉛フタロシアニン、および１，３−［ビス（３−フェニルチオウレ−イドメチル）］ベンゼンである。クロリド検出のためのイオン透過担体の例としては、４，５−ビス−［Ｎ’（ブチル）チオウレイド］−２，７−ジ−ｔ−ブチル−９，９−ジメチルキサンテン、およびメソ−テトラフェニルポルフィリンマンガン（ＩＩＩ）が挙げられる。亜鉛検出のためのイオン透過担体の例としては、３−［（２−フリルメチレン）アミノ］−２−チオキソ−１，３−チアゾリジン−４−オン、および１−（２−ピリジルアゾ）−２−ナフトールが挙げられる。センサ膜内におけるイオン輸送を容易にするため、親油相として、可塑剤を高分子センサ膜配合物に添加することができる（例えば、ビス（２−エチルヘキシル）セバケート（ＤＯＳ）、２−ニトロフェニルオクチルエーテル（ＮＰＯＥ）、アセトフェノン（ＡＰ）、ジブチルフタレート（ＤＢＰ）、ニトロベンゼン（ＮＢ））。他の構成成分、例えば、イオン交換体（例えば、トリドデシルメチルアンモニウムクロリド）をセンサ膜組成物に添加することもできる。
【００１９】
高分子膜は、それらの化学的組成に起因する固有の選択透過性を呈することができ、多種多様な化学的性質で利用可能であり、長期間にわたって安定であり、他の構成成分（可塑剤、イオン交換体、イオン透過担体など）を添加することによって物理的・化学的性質および選択性を変更することができるため、イオンセンサのためのマトリックス材料として使用することができる。イオンが、それらの水和エンタルピーに基づいて、様々な程度の親水性または親油性を呈するため、望ましい特性である選択透過性が生じる。
【００２０】
膜１２に用いることができる代表的な高分子は、ポリスルホン、ポリアニリン、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリ塩化ビニル、ポリウレタン、アクリレートコポリマー、および前述の高分子の少なくとも１つを含む組み合わせである。それに加えて、シリコンアルコキシド（例えば、テトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）またはテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ））のゾルゲル反応によって生成された高分子は、周囲温度での加水分解および縮合反応によってシリカを調製する有効な手段を提供する。水対アルコキシシランの比、ｐＨ、温度、および用いられる特定の溶剤などの処理条件を選択することにより、膜１２の物理的性質（例えば、孔径、表面積、および孔隙率）の制御が可能になる。一般式（Ｒ（４−ｘ）Ｓｉ（ＯＲ’）ｘ、式中、ＲおよびＲ’は所望の試薬および／または官能基、Ｘは１〜３）を有するオルガノシラン前駆体を、シリコンアルコキシド（すなわち、ＴＭＯＳまたはＴＥＯＳ）を用いて、または用いずに加水分解し縮合して、結果として得られる材料の特定の物理的性質（例えば、機械的柔軟性、孔径、孔隙率、および疎水性）をもたらす共有結合された目標の官能基Ｒを含有する、シリカを生成することができる。
【００２１】
ゾルゲル反応の緩やかな条件により、イオンセンシング試薬をゾル・ゲルマトリックスに封入することが可能になる。これらの薬剤はまた、アルコキシシラン前駆体に結合することにより、マトリックスに共有結合させることができる。これらの試薬は、物理的な封入または化学結合によってマトリックスに統合されると、目標の汚染物質に暴露することでそれとの複合体を形成し、トランスデューサを介して信号を提供する。ゾルゲル材料の多孔性により、複合体を形成するために細孔の内部で移動または再配向する高い自由度が、センシング試薬に提供される。柔軟性は、オルガノシラン前駆体のＲを、フェニル基、エチル基、またはベンジル基などの嵩高い基に置換することによって、またはアルコキシ基の数を例えば２つに低減することによってさらに提供することができる。オルガノ官能基との架橋密度を低減することも、マトリックス中での汚染物質の可動性を増加させ、応答時間を低減することに寄与する。
【００２２】
前駆体シラン上のオルガノ官能基のいくつかは、シリカネットワークの疎水性を増加させ、水性環境内での膨張を防ぎ、それは目標以外の汚染物質を区別するのに有益である。
【００２３】
具体的な一実施形態では、ベンジルトリエトキシシランをテトラエトキシシランと組み合わせて使用して、架橋密度を低減し、かつ疎水性を増加させることができる。別の実施形態では、テトラエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、ベンジルトリエトキシシラン、および以下の少なくとも１つを含む組み合わせを、前駆体として用いることができる。
【００２４】
膜１２にやはり用いることができる代表的な材料は、ポリスルホン、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）、ポリアニリン、ポリアルキレン（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアルキレンテレフタレート（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなど））、ポリカーボネート、アクリル、スチレン（例えば、衝撃変性ポリスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン、スチレンアクリロニトリル）、ポリ（メタ）クリレート（例えば、ポリブチルアクリレート、ポリメチルメタクリレート）、ポリアミン、ポリアミド、ポリエーテル（例えば、ポリエーテルエステルおよびポリエーテルアミド）、ポリエステル、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンエーテル、ポリシロキサン、多糖、ポリスルフェート、ポリスルフィド、ポリウレタン、ポリビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニルなど、ならびに前述の少なくとも１つを含む組み合わせを含む。
【００２５】
膜１２の厚さは、それを通るイオンの輸送に影響を及ぼす。したがって、膜の特定の寸法は、時間や拡散速度などの所望のイオン輸送性に基づいて判断される。１つの実施例では、厚さ約０．１〜約２００μｍの膜１２を用いることができる。１つの特定の実施例では、厚さ約１０μｍのポリスルホン膜１２を用いることができる。別の特定の実施例では、厚さ約１００μｍのゾルゲル膜１２を用いることができる。
【００２６】
トランスデューサ１０は、液体８中の汚染物質の濃度を判断するのに利用することができるコントローラ６に、情報を提供することができる任意の電気化学的トランスデューサであることができる。代表的な１つのトランスデューサ１０が図３に示され、代表的なトランスデューサ１０は、インターデジタル形フィンガー３４と電気的に連通して個々に接続された第１の電極３０および第２の電極３２を含む（これらを組み合わせて全体を電極と称することができる）。電極は基部３６上に配置される。図３に示されるトランスデューサ１０は、本明細書に記載される実施形態のいずれかに用いることができ、限定されない。いくつかの実施形態は、ワイヤ１４を有するトランスデューサ１０を示すが、無線トランスデューサをそれと置き換えることができることを理解されたい。
【００２７】
第１の電極３０、第２の電極３２、およびインターデジタル形フィンガー３４は、導電性金属（例えば、金、プラチナ、または銅）、合金（例えば、ニッケル銅合金）あるいはトランスデューサ１０の機能を可能にする他の導電性金属を含む。基部３６は、ポリイミドなどの高分子膜、または、酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの材料を含むことができる。
【００２８】
図３に示される代表的なトランスデューサ１０は、インターデジタル形フィンガーの間でコントローラ６によって測定される電気的特性が、膜１２を通過しトランスデューサ１０に接触するイオン（例えば、インターデジタル形フィンガーの間で動作的に連通して配置されたイオン）の量とともに増加するという原理に基づいて動作する。測定される電気的特性は、複数の周波数における複素インピーダンス、電気化学的に変調されたインピーダンス、電流、および電位、ならびに前述の少なくとも１つを含む組み合わせであることができる。
【００２９】
代表的な１つの方法である線形応答方法を用いて、インピーダンスを測定することができる。より具体的には、線形応答方法では、システムは、振幅が小さい正弦波電流または電位によって振動を生じ、それによって、テイラー展開された非線形の電流電圧曲線の一次項のみを含む応答が発生する。一般に、この方法の動作の２つの「モード」を区別することができる。第１のモードは、直流電位バイアスに重ね合わされた小さな振幅の正弦波電位振動の周波数に応じて変わる、インピーダンスの測定である。インピーダンススペクトルは、様々な値の直流電位で測定される。この方法は、電気化学インピーダンス分光法またはインピーダンスボルタンメトリーと称される。第２のモードは、走査されるか階段状にされた直流電位に対する単一周波数正弦波電位の重ね合わせ、および直流電位に応じて変わる応答側正弦波電流の測定である。この技術は、交流ポーラログラフィーまたは交流ボルタンメトリーと称される。この場合、本質的に、アドミタンスと呼ばれるインピーダンスの逆数が得られる。
【００３０】
イオン選択性の導電率測定マイクロセンサは、個別の参照電極を必要とし、その際、イオン錯化剤を含有する薄いイオン選択性膜１２の体積導電率を測定することによってイオン検出が達成される。信号の大きさ（導電率）は、分析された水の中の一次イオンの含量に関係している場合がある。膜１２の導電率を監視するため、膜１２は、一対のインターデジタル形薄膜電極の上に配置される。センサの動作は、特定の可逆的なイオンを、液体から特定のイオン透過担体を含むセンシング膜に共同抽出することに基づく。イオンの共同抽出によって体積導電率が変わる。膜内のイオン透過担体は、カチオンを膜へ特異的に可溶化するのを助け、これは、電気的中性の条件を満たすため、同時にアニオンを共同抽出することを伴う。このアニオンの干渉を最小限にするため、液体を、高濃度の親油性アニオンで緩衝することができる。
【００３１】
電位差センサの場合、分析情報は、イオン選択性のセンシング膜１２で覆われた作用電極の電位と液体中の汚染物質濃度との関係から得られる。単一電極の電位を測定することはできないため、参照電極が作用電極と組み合わせて使用される。電位差センサのセンシング（または作用）電極は、センシングメンブランとしても知られているセンシング膜１２で覆われる。そのような膜１２は、配合されたゾルゲル、ガラス、または無機結晶、あるいは配合された高分子膜１２であることができる。膜１２の組成は、膜・電解質間のインターフェースにおける選択的な結合プロセスを介して、主に目的のイオン（例えば、特定の汚染物質）に関連付けられた電位を付与するように選択される。膜１２の表面電位の大きさは、液体（例えば、水溶液）中の目的の一次イオンの活性または数に直接関係している。目的のイオンに対する電位差センサの選択的応答を説明するメカニズムおよびモデルとしては、化学吸着と界面電位が挙げられる。
【００３２】
別のトランスデューサを同様に用いることができることが明白であろう。例えば、４電極トランスデューサを用いることができる。さらにまた、無線識別（ＲＦＩＤ）を用いることができ、その際、ＲＦＩＤタグはセンシング膜で覆われて、トランスデューサ１０として、またはトランスデューサ１０と組み合わせて用いることができるＲＦＩＤセンサを形成する。この実施形態では、ＲＦＩＤセンサは、適切なデバイスに情報を送信することができる。さらにまた、ＲＦＩＤセンサを導管１８内に配置し、それを通して情報を送信することができ、その際、導管１８は、ガラスまたはプラスチックなどの１つまたは複数の非導電性材料で形成された壁を含む。これらのＲＦＩＤセンサは、センサおよびその位置に関する情報（例えば、その正しいアセンブリ、製造日および使用期限、センサ校正、補正計数など）を自動的に提供する、同時デジタルＩＤ機能性を備えた個々のセンサを用いて、多重パラメータモニタリングを提供する。無線周波トランスデューサは、８０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ、５ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ、または９ＭＨｚ〜１６ＭＨｚの周波数で電気的情報を送信することができる。
【００３３】
液体８は、導管１８（例えば、パイプ、チューブなど）、容器（例えば、図示されないが、コンテナ、試験管、フラスコ、ボトルなど）を通して多量に、または少量ずつ（例えば、ピペットで供給されるなど）センサ４に送達することができる。供給の方法または量に関わらず、液体８は、センサ４に接触する前に、液体８の性質が変更および／または標準化されるように予備調整することができる。例えば、液体８（例えば、水溶液）に、温度調節（例えば、加熱または冷却）、フィルタリング、加圧、攪拌、１つまたは複数の化学物質（例えば、変性剤）との混合など、ならびに前述の少なくとも１つを含む組み合わせを施すことができる。液体８の予備調整は、センサ４（例えば、トランスデューサ１０および／または膜１２）が、液体８の特性による影響を受けるシステムにおいて有益であり得る。そのようなシステムでは、予備調整は、センサ４の再現性および／または感度を改善するか、あるいはセンサ応答を増加させることなどができる。例えば、イオン拡散性、導電率、インピーダンスなどの性質、ならびに他の性質は、液体８の温度に影響される場合があり、それがセンサ４の応答に影響を及ぼす場合がある。さらに液体８を予備調整する能力は液体８が様々な条件（例えば温度および／または圧力）の下の液体８を分析する能力を提供する。例えば、液体８が複数の温度で試験される試験を行うことができ、それにより、目的の汚染物質のイオン輸送に関する追加の情報を提供することができ、または、センサ２、４０によって供給される電気的情報に影響を及ぼし得る所望以外の汚染物質の存在に関する情報を提供することなども可能である。
【００３４】
マニホルド１６は、トランスデューサ１０および膜１２を固定するために用いられる。ただし、マニホルドは、膜１２がトランスデューサ１０に接合される用途において必須ではないことは明白であろう。マニホルドは、トランスデューサ１０および膜１２を固定することができ、かつ液体８に対する長期の暴露（例えば、約６か月以上、またはより具体的には約１年以上）に耐性を示す任意の材料を含むことができる。
【００３５】
図４には、パージチャンバ４２がトランスデューサ１０と膜１２の間に配置された、代替構成を含む典型的なセンサ４０の断面図が示される。より具体的には、センサ４０は、導管１８内を流れる液体８と流体連通して配置された膜１２を含む。膜１２の、液体に接する側と反対側の表面は、パージ媒体４４がその中を流れることができるパージチャンバ４２に流体接続されている。パージチャンバ４２はまた、パージチャンバ４２内を流れるパージ媒体４４と流体接触して配置されたトランスデューサ１０によって画定される。パージチャンバ４２と接触している側と反対側のトランスデューサ１０の側面上に、トランスデューサ１０およびコントローラ６（図示なし）と電気的に連通してワイヤ１４が接続される。パージチャンバ４２は、トランスデューサ１０、ワイヤ１４、および膜１２を固定するマニホルド２４によってさらに画定される。マニホルド２４にはさらに、パージ媒体４４がそれらを通って流れることができる入口４６および出口４８が取り付けられる。適宜、追加のプローブをセンサ内に用いることができる。例えば、１つまたは複数の導電率プローブ（図示なし）を、液体８と接触させて、例えばチャンバ４２の中および／または外側に置くことができる。同様に、温度を判断できるようにするため、１つまたは複数の温度プローブ（すなわち、温度センサ）を、液体と熱的に連通させて置くことができる。ただし、無線トランスデューサを、図示されたトランスデューサ１０の代わりに、またはそれに加えて用いることができることを理解されたい。
【００３６】
使用中、センサ４０は、液体８中の汚染物質の濃度を判断するために利用することができる情報を、コントローラ６に提供することができる。一般に、センサ４０は、センシングモードおよびパージモードで操作される。センシングモードでは、パージ媒体４４の流れは停止され、液体８からのイオンが膜１２を通って移動し、パージチャンバ４２内のパージ媒体４４に拡散する。トランスデューサ１０は、パージ媒体４４内に拡散されたイオンの量に基づいて、コントローラ６（図示なし）に電気的情報を提供する。パージモードでは、パージ媒体４４の流れが開始される。パージ媒体４４がパージチャンバ４２を流れる際、膜１２を通過できるようにされたイオンの大部分または全てがパージチャンバ４２からパージされる（例えば、洗い流される）。
【００３７】
センサ４０からイオンをパージする能力には顕著な利点がある。第１に、パージする能力により、センサが、測定の間に校正済みの状態に戻るか、または自己校正することが可能になる。例えば、パージ媒体４４が存在する状態でセンサが校正された場合、センサ４０は校正済みの条件に戻る。さらに、各センシングモードの前にセンサ４０を校正することによって利点が提示されると判断された場合（例えば、改善された測定精度）、パージモード中にセンサ４０を校正することができる。センサ４０をパージする能力によって実現される第２の顕著な利点は、干渉の影響の低減である。より具体的には、センサ４０の精度は、所望以外の汚染物質（例えば、評価されない汚染物質）がセンサ内に蓄積することによって影響を受ける場合がある。これは、トランスデューサ１０によって測定される電気的情報が、所望以外の汚染物質の蓄積によって影響されるという事実による。したがって、測定の間にこれらの所望以外の汚染物質をパージする能力は、それらの蓄積がセンサ精度に影響しないことが確保される。さらにまた、パージチャンバからイオンをパージするため、パージ媒体４４を、加熱するか、加圧するか、かつ／または化学試薬で希釈することもできる。
【００３８】
用いられるパージ媒体４４は、パージチャンバ４２から膜１２を通過するイオンの全てまたは大部分をパージすることができる。さらに、パージ媒体４４は液体８の精製された形態になる。例えば、水が液体８であるシステムでは、精製水がパージ媒体４４として用いられる。
【００３９】
液体８の濃度およびパージチャンバ４２内の汚染物質の濃度が釣り合っているとき、センサ４０は、液体８中の汚染物質の濃度の正確な測定を提供する。したがって、パージチャンバの容積を最小限にすることが望ましい。そのため、パージチャンバ４２と入口管４６の間の流体連通を選択的に妨害するバルブまたは他の手段を用いることができる。
【００４０】
次に図５を参照すると、代表的なセンサアレイ５０の断面図が示され、センサアレイ５０は、導管１８内を流れる液体８と流体連通して配置された、第１のセンサ５２、第２のセンサ５４、および第３のセンサ５６（センサと総称される）を含む。センサアレイ５０は、ワイヤ１４を介して、各センサ４０からコントローラ６に電気的情報を提供することができる。センサ４０はそれぞれ、パージ媒体４４を供給して各センサ４０内のパージチャンバ４２をパージすることができる、入口管４６および出口管４８に流体接続される。
【００４１】
センサアレイ５０を用いて、液体８中の平均汚染物質濃度を判断することができる。例えば、センサアレイ５０は、３組の電気的情報（例えば、各センサ５２、５４および５６に対して１組の電気的情報）をコントローラ６に提供することができる。次に、情報を分析することができ、平均汚染物質濃度を判断することができる。この実施形態では、センサは互いに類似して構成される（例えば、同じ膜１２を有する）。
【００４２】
代替実施形態では、センサアレイ５０は、膜１２を通る所望の汚染物質の時間依存的な移動に基づいて、コントローラ６に電気的情報を供給することが可能であり得る。より具体的には、所望のイオンが膜１２を通過するのに必要な継続時間は、液体８中の１つまたは複数の所望以外の汚染物質の存在および／または濃度によって影響される。したがって、センサは、厚さが異なる１つまたは複数の同じ材料（例えば、ポリスルホン）の膜１２を含むことができる。この構成では、各センサによって供給される電気的情報が平坦域に達するか、または特定のレベルに達するのに必要な持続時間を、コントローラ６によって評価し利用して、所望以外の汚染物質が所望の汚染物質のイオン輸送に影響しているかなどを判断することができる。
【００４３】
代替実施形態では、センサアレイ５０は、異なる膜１２を有するセンサ４０を用いることができ、したがって、各センサ４０によってコントローラ６に供給される電気的情報を変更することができる。例えば、液体８中の所望の汚染物質の測定精度を増加させる目的で、異なるセンサ４０を含むセンサアレイ５０を用いて、液体８中の所望以外の汚染物質の存在によって引き起こされる干渉を低減することができる。より具体的には、第１のセンサを用いて、測定されるべき所望の汚染物質である第１の汚染物質に基づいた電気的情報を、コントローラ６に提供することができる。しかし、２つの追加の汚染物質、すなわち第２の汚染物質および第３の汚染物質が、液体８中の第１の汚染物質濃度の精度を不明瞭にすることが知られている。したがって、センサアレイ５０は、第２の汚染物質がそれを通過できるように構成された膜１２を含む第２のセンサと、第３の汚染物質がそれを通過できるように構成された膜１２を含む第３のセンサとともに構成することができる。この構成では、３つのセンサによって供給される電気的情報を、コントローラ６によって分析することができる。コントローラ６が、第２のセンサが第２の汚染物質を検出せず、かつ第３のセンサが第３の汚染物質を検出しなかったと判断した場合、第１のセンサから受信した情報（第１の汚染物質が存在すると仮定して）は正確であり、かつ第２または第３の汚染物質の存在によって不明瞭にならないと判断される。
【００４４】
さらに、代替実施形態では、第２の汚染物質または第３の汚染物質のいずれかが存在すると判断された場合、コントローラ６は、これらの汚染物質の濃度を明らかにして、液体８中の第１の汚染物質の正確な濃度を判断することが可能であり得る。
【００４５】
図６には、センサが積層構成を含む、代表的なセンサアレイ６０の断面図が示される。より具体的には、センサアレイ６０は、上面６４、左側面６６、右側面６８、後面７０、前面７２、および底面７４を含むマニホルド６２を含む（以下、上、左、右、後、前、または底という用語が使用される場合、これらの意味に関して使用される）。マニホルド６２の底面７４は、液体８がそこを流れる導管１８と接触して配置される。マニホルド６２は、液体８が第１の膜８０と流体連通するようにして、マニホルドの底面７４を介して配置された試験用窓７６を含み、第１の膜８０は、液体８が第１の膜８０の縁部の周りを流れることができないようにして、マニホルド６２によってすべての縁部８２（例えば、後縁部、左縁部、右縁部、および前縁部）で固定される。
【００４６】
第１の膜８０は、液体８と接触している底面と反対側の上面を有する。上面は第１のパージチャンバ８２と流体連通して配置され、第１のパージチャンバ８２は第１のトランスデューサ８４の底面と流体連通している。第１のトランスデューサの上面８４は第２のパージチャンバ８６と流体連通し、第２のパージチャンバ８６は第２の膜８８の底面と流体連通している。第２の膜８８の上面は第３のパージチャンバ９０と流体連通し、第３のパージチャンバ９０は第２のトランスデューサ９２の底面と流体連通している。第２のトランスデューサ９２の上面は第４のパージチャンバ９４と流体連通している。以下、第１のパージチャンバ８２、第２のパージチャンバ８６、第３のパージチャンバ９０、および第４のパージチャンバ９４は、パージチャンバと総称される場合がある。同様に、第１のトランスデューサ８４および第２のトランスデューサ９２はトランスデューサと称される場合があり、第１の膜８０および第２の膜８８は膜と称される場合がある。トランスデューサ１０は、ワイヤ１４によってコントローラ６（図示なし）と電気的に連通されて接続され、または、代替実施形態ではトランスデューサは無線式であることができる。
【００４７】
第１のトランスデューサ８４および第２のトランスデューサ９２は、左縁部および右縁部でマニホルド６２によって固定され、前縁部および後縁部はマニホルド６２によって固定されない。この構成では、第１のパージチャンバ８２および第２のパージチャンバ８６は、互いに、かつ入口管４６および出口管４８に流体接続される。同様に、第３のパージチャンバ９０および第４のパージチャンバ９４は、互いに、かつ第２の入口管９８および第２の出口管１００に流体接続される。
【００４８】
動作中、センサアレイ６０を用いて、液体８中の平均汚染物質濃度を判断することができる。例えば、センサアレイ６０は、２組の電気的情報をコントローラ６（図示なし）に提供することができる。次に、情報を分析することができ、平均汚染物質濃度を判断することができる。より具体的には、第１の膜８０は、液体８中の様々な汚染物質がそれを通って移動し、かつ第１のパージチャンバ８２および第２のパージチャンバ８６内に分布することができるように構成することができる。その中に入ると、汚染物質は、第１のトランスデューサ８４によってコントローラ６に提供される電気的情報に影響する。同様に、第２の膜８８は、第１のパージチャンバ８２および第２のパージチャンバ８６内の様々な汚染物質がそれを通って移動し、かつ第３のパージチャンバ９０内に分布することができるように構成することができる。その中に入ると、汚染物質は、第２のトランスデューサ９２によってコントローラ６に提供される電気的情報に影響する。
【００４９】
第２の膜８８は、各膜（第１の膜８０および第２の膜８８）を通ることができる特定の汚染物質を変更するため、第１の膜８０と同じ膜材料または異なる膜材料を含むことができる。
【００５０】
一実施形態では、コントローラ６は、所望の汚染物質が膜１２を通って移動する時間に基づいて、センサアレイ６０によって供給される電気的情報を評価することができる。例えば、第１の膜および第２の膜８８が同じ材料を含んでいた場合、第１のトランスデューサ８４によって電気的情報が供給される前の経過時間は、第２のトランスデューサ９２によって電気的情報が供給される前の経過時間と同様であり、コントローラによって比較することができる。
【００５１】
別の実施形態では、第１の膜８０および第２の膜８８は同じ膜材料を含むことができるが、厚さが異なる。この構成では、同様に、各センサによって供給される電気的情報が平坦域に達するか、または特定のレベルに達するのに必要な継続時間を、コントローラ６によって評価し利用して、所望以外の汚染物質が所望の汚染物質のイオン輸送に影響しているかなどを判断することができる。
【００５２】
代替実施形態では、第１の膜８０および第２の膜８８は、異なる材料を用いて、所望以外の汚染物質の存在によって引き起こされる干渉を低減することができる。より具体的には、第１の膜８０を、所望の汚染物質のイオン輸送を可能にするが、それを通る所望以外の汚染物質の移動も同様に可能にするように構成することができる。第２の膜８８は、所望以外の汚染物質のイオン輸送を可能にする（ただし、所望の汚染物質の輸送は可能にしない）ように構成することができる。この構成では、コントローラ６は、第１のトランスデューサ８４および第２のトランスデューサ９２によって供給される電気的情報を評価し、所望以外の汚染物質が存在するか、かつ／または第１の膜８０を通過した所望以外の汚染物質がどの程度の濃度であるかを判断することができる。その後、コントローラ６は、第１のトランスデューサ８４からの電気的情報が液体８中の所望の汚染物質の濃度を正確に表しているかを判断することができる。さらに、第２の汚染物質が存在すると判断された場合、コントローラ６は、その濃度を明らかにし、所望の汚染物質の正確な濃度を判断する（以下にさらに考察される）ことが可能であり得る。
【００５３】
さらに別の実施形態では、第１の膜８０および第２の膜８８は異なる材料を用いることができ、また、第１の膜８０は、所望の汚染物質のイオン輸送を可能にするが、所望以外の汚染物質の移動も同様に可能にすることができる。しかし、第２の膜８８は、所望以外の汚染物質のイオン輸送を可能にせず、所望の汚染物質の輸送を可能にするように構成することができる。この構成では、コントローラ６は、第１のトランスデューサ８４および第２のトランスデューサ９２によって供給される電気的情報を評価し、所望以外の汚染物質が存在するか、かつ／または第１の膜８０を通過した所望以外の汚染物質がどの程度の濃度であるかを判断することができる。その後、コントローラ６は、第１のトランスデューサ８４からの電気的情報が液体８中の所望の汚染物質の濃度を正確に表しているかを判断することができる。さらに、所望以外の汚染物質が存在すると判断された場合、コントローラ６は、その濃度を明らかにし、所望の汚染物質の正確な濃度を判断する（以下にさらに考察される）ことが可能であり得る。
【００５４】
コントローラ６は、センサ４、４０および／またはセンサアレイ５０、６０からの情報を受信し、情報を解釈し、液体８中の汚染物質の濃度を判断することができる、任意の装置であることができる。より具体的には、センサ（４、４０）および／またはセンサアレイ（５０、６０）に動作可能に接続されたデータ取得システムを含むコンピュータ（すなわち、電子情報を解釈することができる任意の電子デバイス）を用いることができる。さらにより具体的には、コンピュータは、データおよび命令を受け、命令を実行してデータを処理し、結果を表示することができる適切な電子デバイスである。したがって、コンピュータは、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ミニコンピュータ、光コンピュータ、ボードコンピュータ、複雑命令セットコンピュータ、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、縮小命令セットコンピュータ、アナログコンピュータ、デジタルコンピュータ、分子コンピュータ、量子コンピュータ、セルコンピュータ、超伝導コンピュータ、スーパーコンピュータ、ソリッドステートコンピュータ、シングルボードコンピュータ、バッファ付きコンピュータ、コンピュータネットワーク、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、科学計算機、科学用計算器、または前述のいずれかの複合型であることができる。より具体的には、コントローラ６は、ＲＯＭ（読み出し専用メモリ）に連結されたマイクロプロセッサである。
【００５５】
コントローラ６によって受信される情報は信号などの電子情報であり、またはより具体的には、共振複素インピーダンス、複素インピーダンス、電気化学的に変調された複素インピーダンス、電流、および／または、液体８中の汚染物質の濃度を判断する能力をコントローラ６に提供するのに十分な他の電気的情報である。一般に、情報はアナログ形式で受信される。その場合、サンプリング周波数は、約０．０００１ヘルツ（Ｈｚ）より大きく、より具体的には約１．０Ｈｚよりも大きく、さらにより具体的には約１００．０Ｈｚよりも大きくあるべきである。１つの実施例では、コントローラは約４００Ｈｚで情報を受信することができる。情報は、デジタル形式で受信するか、かつ／またはコントローラによってデジタル形式に変換する（例えば、アナログ・デジタル変換器を利用して）こともできる。
【００５６】
液体８中の汚染物質の濃度を判断するため、コントローラ６は、センサ／センサアレイから受信した情報をメモリ（例えば、参照テーブル、データアレイ、校正曲線など）と比較することができる。コントローラ６によってアクセスされるメモリは、望ましくは、実験的試験結果に基づいてメーカーによってプログラムされるが、コントローラ６またはユーザ（例えば、ＣＤＳを操作する任意の者）が経験的に判断することができる。メモリは、コントローラ６に動作的に連通して接続されるか、またはそれと一体であることができる。
【００５７】
コントローラ６によって用いられる操作は、コンピュータ実装型のプロセスおよび／またはプロセスを実行する他の装置の形態で具体化することができる。これらの操作は、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードドライブ、または他の任意のコンピュータ可読記憶媒体などの、実体的な媒体の形で具体化された命令を含む、コンピュータプログラムコードの形態で具体化することもでき、その際、コンピュータプログラムコードがコンピュータまたはコントローラにロードされ実行されると、コンピュータは方法を実行するための装置となる。方法は、また、例えば、記憶媒体に格納されるか、コンピュータもしくはコントローラにロードされ、かつ／またはそれによって実行されるか、電気配線もしくはケーブル布線、光ファイバー、または電磁放射などの何らかの送信媒体を通して送信されるか、コンピュータプログラムコードまたは信号の形態で具体化されてもよく、その際、コンピュータプログラムコードがコンピュータにロードされ実行されると、コンピュータは方法を実行するための装置となる。汎用マイクロプロセッサ上で実現された場合、コンピュータプログラムコードセグメントは、マイクロプロセッサを構成して特定の論理回路を作る。
【００５８】
最も具体的には、コントローラ６の作用の技術的効果は、センサおよび／またはセンサアレイから獲得した電気的情報を評価し、液体８中の汚染物質濃度を判断することである。これらの能力が、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの何らかの組み合わせの形で具体化される場合、実施形態は、個別の商品であるか、またはコンピュータシステムの一部として含まれるか、あるいは別個に販売されることができる。
【００５９】
汚染物質検出システム（ＣＤＳ）２は、図７に示される代表的な方法によって操作することができ、この方法は、液体を分析する段階と、情報をメモリと比較する段階と、液体中の汚染物質濃度を判断する段階とを含む。液体８は、液体８と流体連通して配置された、センサ４、４０、またはセンサアレイ５０、６０によって分析することができる。例えば、原子炉（例えば、原子力発電所）では、センサアレイ６０は、冷却水（液体８）を含むパイプに直接配置することができ、それによって、任意の追加の操作なしに冷却水を直接分析することができる。ただし、代替実施形態では、液体８は、ピペットまたは他のサンプリング手段を使用してサンプリングし、センサ４、４０および／またはセンサアレイ５０、６０と流体接触させて配置することができる。任意の数のセンサを用いることができ、センサは、任意の多数の構成で配置し、異なるタイプの情報（例えば、温度、圧力、流量など）を提供することができることも留意されたい。
【００６０】
液体８の分析中、コントローラ６は、１つもしくは複数のセンサ４、４０、および／または１つもしくは複数のセンサアレイ５０、６０から、電気的情報（例えば、共振複素インピーダンス、複素インピーダンス、電気化学的に変調された複素インピーダンス、および／または電流）を受信する。例えば、次に図８を参照すると、複素インピーダンスグラフの代表的な図が示される。Ｘ軸上にはＺ’がＭΩ単位で示されており、ここでＺ’は複素インピーダンスの実部である。Ｙ軸上にはＺ’’がＭΩ単位で示されており、ここでＺ’’は複素インピーダンスの虚部である。グラフから分かるように、５つのデータプロットが示される。サンプル１と名付けられた第１のプロットは、０重量十億分率（ｐｐｂ）のクロリドイオンを有する水を含んでいた。サンプル２と名付けられた第２のプロットは、５ｐｐｂのクロリドイオンを有する水を含んでいた。サンプル３と名付けられた第３のプロットは、２５ｐｐｂのクロリドイオンを有する水を含んでいた。サンプル４と名付けられた第４のプロットは、５０ｐｐｂのクロリドイオンを有する水を含み、サンプル５と名付けられた第５のプロットは、１００ｐｐｂのクロリドイオンを有する水を含んでいた。データから分かるように、様々なプロットはインピーダンス応答の著しい違いを呈していたので、サンプル中の汚染物質の濃度を定量化するために利用することができる。
【００６１】
次に図９を参照すると、複素インピーダンスグラフの別の代表的な図が示される。Ｘ軸上には、Ｚ’がＭΩ単位で示されており、ここでＺ’は複素インピーダンスの実部である。Ｙ軸上には、Ｚ’’がＭΩ単位で示されており、ここでＺ’’は複素インピーダンスの虚部である。グラフから分かるように、５つのデータプロットが示される。サンプル１と名付けられた第１のプロットは、０ｐｐｂのスルフェートイオンを有する水を含んでいた。サンプル２と名付けられた第２のプロットは、５ｐｐｂのスルフェートイオンを有する水を含んでいた。サンプル３と名付けられた第３のプロットは、２５ｐｐｂのスルフェートイオンを有する水を含んでいた。サンプル４と名付けられた第４のプロットは、５０ｐｐｂのスルフェートイオンを有する水を含み、サンプル５と名付けられた第５のプロットは、１００ｐｐｂのスルフェートイオンを有する水を含んでいた。やはり、様々なプロットはインピーダンス応答の著しい違いを呈しているので、グラフを、サンプル中の汚染物質の濃度を定量化するために用いることが可能になる。
【００６２】
次に図１０を参照すると、複素インピーダンスグラフの別の代表的な図が示される。Ｘ軸上には、Ｚ’がＭΩ単位で示されており、ここでＺ’は複素インピーダンスの虚部である。Ｙ軸上には、Ｚ’’がＭΩ単位で示されており、ここでＺ’’は複素インピーダンスの実部である。グラフから分かるように、５つのデータプロットが示される。サンプル１と名付けられた第１のプロットは、０ｐｐｂの亜鉛イオンを有する水を含んでいた。サンプル２と名付けられた第２のプロットは、５ｐｐｂの亜鉛イオンを有する水を含んでいた。サンプル３と名付けられた第３のプロットは、２５ｐｐｂの亜鉛イオンを有する水を含んでいた。サンプル４と名付けられた第４のプロットは、５０ｐｐｂの亜鉛イオンを有する水を含み、サンプル５と名付けられた第５のプロットは、１００ｐｐｂの亜鉛イオンを有する水を含んでいた。やはりグラフから分かるように、様々なプロットはインピーダンス応答の著しい違いを呈していた。したがって、応答を、サンプル中の汚染物質の濃度を定量化するために利用することができる。
【００６３】
情報を受信する際、フィルタ（例えば、帯域幅フィルタ、電圧フィルタ、およびサンプリングフィルタ）、コンバータ（例えばアナログ・デジタル変換器）、プロセッサ信号（例えば、フーリエ波形プロセッサ、ウェーブレット変換プロセッサなど）、バッファなどを利用して調整することができる。調整に関わらず、情報は、方法の次の段階で既知の情報と比較するためにメモリ（例えば、ランダムアクセスメモリ）に格納することができる。
【００６４】
コントローラ６が、１つもしくは複数のセンサ４、４０、および／または１つもしくは複数のセンサアレイ５０、６０から情報を受信すると、コントローラ６は、情報をメモリに格納された既知の情報（例えば、参照テーブル、データアレイ、校正曲線など）と比較する第２の段階に進む。比較の間、受信した情報の態様は既知の情報と比較されて、次に、液体８中の特定の汚染物質の濃度を判断するために必要な任意の追加の情報がコントローラ６に提供される。情報の態様は、ピーク振幅、周波数、位相などの特定の特性であることができる。１つの実施例では、コントローラは、センサ４０からインピーダンス情報と、センサ４０のパージチャンバ４２と流体連通して配置された熱電対から温度情報とを受信するが、ここで、インピーダンスは５５ＫΩ、温度は２７℃である。この情報から、コントローラ６は、図１１に示されるような参照テーブルを参照することができ、また、アルゴリズム（代表的な実施形態におけるインピーダンス応答は温度の対数関数である）に対して、温度プロットが２０℃のプロットと３０℃のプロットの間に内挿されて、対応する濃度をそこから判断することが可能な２７℃のプロットが提供されると判断することができる。この時点で、コントローラ６は、汚染物質の濃度を判断する第３の段階に進むことができる。
【００６５】
方法の第３の段階では、コントローラ６は、メモリからアクセスされる任意の情報を利用して、液体８中の汚染物質濃度を判断する。濃度は、アルゴリズム、内挿、外挿、計算、および任意の他の技術を利用して計算することができ、ならびに、コントローラ６によって集められたもしくは知られている情報に基づいて相関させることができる。例えば、上述の実施例を続けると、２０℃と３０℃のプロットから２７℃のプロットが内挿されるべきであるとコントローラ６が判断すると、２７℃のプロットが内挿され利用されて、図１１に示されるように、２７℃および５５ＫΩでの対応する濃度は２４０十億分率（ｐｐｂ）であると判断される。
【００６６】
それに加えて、代表的な方法の任意の段階において、コントローラ６は、受信した情報が、液体８中の目的の汚染物質の濃度を判断するのに利用するための許容範囲内にあるかを判断することができる。例えば、受信した情報をメモリと比較する方法の第２の段階の間、コントローラ６は、センサアレイ５０の追加センサ４０またはセンサ６０の第２のトランスデューサ９２などからの追加の情報を受信することができ、その際、追加の情報を利用して、高濃度の所望以外の汚染物質が情報に悪影響を及ぼしているかを判断することができ、または、それを用いて所望以外の汚染物質の特定の濃度を明らかにすることができる。
【００６７】
代替実施形態では、コントローラ６は、正準相関分析、回帰分析、主成分分析、判別関数分析、多次元尺度構成法、線形判別分析、論理回帰、および／またはニューラルネットワーク分析などの、電気的情報から濃度を定量化する多変量解析ツールを用いることができるかもしれない。
【００６８】
コントローラ６によって受信される電気的情報の量は大量になる場合があるので、センサアレイ５０、６０が用いられる多変量解析ツールは特に適切である。その目的のため、多変量解析ツールには単変量校正方法を超えるいくつかの利点がある。第１に、１つを超える測定チャネルが分析に用いられるので、信号加算平均が達成される。また、複数の種が校正液体中に存在する場合、それらの濃度が測定されてもよい。校正モデルは、校正標準溶液からの応答を使用することによって構築される。校正モデル中において明らかになっていない種が液体中にある場合、未知の液体の分析は困難になるであろう。このことは、液体が校正セットからのアウトライアーであるか否かを検出する能力によって多少緩和される。多変量校正の手法により、異なる種からの重なり合った応答が単変量解析を使用する妨げになるとき、複数の種（例えば、汚染物質）を有する液体（例えば、水）中の目的の複数の種を選択的に定量化し、センシング膜１２を備えたセンサ４などの低分解能の機器を使用して干渉することが可能になる。
【００６９】
一実施形態では、主成分分析（ＰＣＡ）が、動的データから所望の記述子を抽出するために使用された。ＰＣＡは、共直線性が除去された次元数の低い部分空間上にデータセットを投影する多変量データ解析ツールである。ＰＣＡは、顕著な情報の損失がない元の変数の重み付けされた合計の観点から、データ行列Ｘの分散について説明することによってこの目的を達成する。元の変数のこれらの重み付けされた合計は、主成分（ＰＣ）と呼ばれる。ＰＣＡを適用する際、データ行列Ｘは、主成分の方向に沿った直交ベクトルの一次結合として表される。
【００７０】
Ｘ＝ｔ１ｐＴ１＋ｔ２ｐＴ２＋…＋ｔＡｐＴＫ＋Ｅ  （式１）
式中、
ｔは得点、
ｐは負荷ベクトル、
Ｋは主成分の数、
Ｅはランダム誤差を表す残りの行列、
Ｔは行列の転置である。
ＰＣＡの前に、自動スケーリングなどによってデータは適切に前処理された。
【００７１】
多変量解析の適用性を実証するため、１３．５６メガヘルツ（ＭＨｚ）の公称周波数を有する受動ＲＦＩＤセンサを、純水に浸漬させた。可変濃度のＮａＣｌを作成し、ＲＦＩＤセンサを、約６００および１，０００ｐｐｂのＮａＣｌと接触させて設置した。複数回反復して暴露を行った。ネットワークアナライザを使用して測定を行い、図１３、１４、１５にそれぞれ示されるように、周波数偏移、ピーク幅、およびピーク強度を含む、無線センサからの３つのパラメータを測定した。多変量解析の結果は図１２に示され、動的データの３つの主成分の得点プロットは、１つのＲＦＩＤセンサからの測定信号間の複雑な関係を示している。収集されたデータにおける関係は、ＰＣＡモデルの関連する主成分（例えば、ＰＣ１、ＰＣ２、およびＰＣ３）の互いに対する得点をプロットし、式１を使用して図１３〜１５に示されるデータを処理することによって説明された。
【００７２】
さらにより具体的には、データは、実部と虚部を含む複素インピーダンスを測定した無線ＲＦＩＤトランスデューサを使用してコントローラ６に伝達された。これらの測定されたパラメータの非限定例としては、複素インピーダンスの実部の最大値のシフト、複素インピーダンスのピーク幅、および複素インピーダンスの実部の大きさ（ピーク強度）が挙げられる。多変量解析により、センサの応答に影響し、応答と干渉に関係する主な要因を識別することが可能になる。例えば、次に図１６を参照すると、代表的なグラフは、約６００ｐｐｂのＮａＣｌに対する２回反復した露出および約１，０００ｐｐｂのＮａＣｌに対する３回反復した露出による結果を描く、実験時間に応じて変わる第２の主成分（ＰＣ）のプロットを示すＰＣＡ結果を示す。しかし、単一のＰＣの応答に基づいて、センサに対する影響を判断することは困難である。したがって、無線センサのいくつかの応答の組み合わせが分析される。例えば、次に図１７を参照すると、代表的なグラフは、約６００ｐｐｂのＮａＣｌに対する２回反復した露出および約１，０００ｐｐｂのＮａＣｌに対する３回反復した露出による結果を描く、実験時間に応じて変わる第１および第２のＰＣのＰＣＡ結果を示す。明らかに、単一のセンサからの１つを超える応答を分析することにより、雑音の寄与と有用な信号との所望の区別が提供される。
【００７３】
ＰＣＡなどの多変量ツールを使用して分析される無線センサデータの質を保証するため、いくつかの統計ツールが適用されてもよい。これらのツールは、多変量管理図および多変量寄与プロットである。多変量管理図は、組み合わせのサンプルまたは時間の関数としてプロットされた、ホテリングＴ２およびＱ値などの、ＰＣＡモデルの２つの統計指標を使用する。ＰＣＡモデルの顕著な主成分はＴ２チャートを展開するために使用され、残りのＰＣはＱチャートに寄与する。正規化された二乗得点の合計、すなわちＴ２統計により、ＰＣＡモデル内における変化の基準が得られ、統計的に異常なサンプルが判断される。
【００７４】
Ｔ２ｉ＝ｔｉλ−１ｔｉＴ＝ｘｉＰλ−１ＰＴｘｉＴ  （式２）
式中、
ｔｉはＴｋのｉ番目の行であり、
ｋの行列はＰＣＡモデルからのベクトルを採点し、
λ−１は、モデル中で保持されたＫ固有ベクトル（主成分）に関連付けられた固有値の逆数を含む対角行列、
ｘｉはＸ中のｉ番目のサンプル、
Ｐは、ＰＣＡモデル中で保持されたＫ負荷ベクトルの行列（ここで各ベクトルはＰの列）である。
Ｑ残差は二乗された予測誤差であり、ＰＣＡモデルがどの程度良好に各サンプルに適合するかを説明する。それは、モデル中で保持されたＫ主成分によって捕捉されない各サンプル中の変化量の基準である。
【００７５】
Ｑｉ＝ｅｉｅｉＴ＝ｘｉ（Ｉ−ＰｋＰｋＴ）ｘｉＴ  （式３）
式中、
ｅｉはＥのｉ番目の行、
Ｉは適切なサイズ（ｎ×ｎ）の恒等行列である。
【００７６】
図１８および１９を参照すると、無線センサからの動的データに対する代表的な多変量のＱおよびＴ２の統計管理図がそれぞれ示される。これらの管理図は、いくつかのデータ点がＰＣＡモデルによって説明されるＴ２およびＱ統計の９５％信頼限界を超えることを示す。これらの統計パラメータの寄与プロットを使用して、これらの警告の最大の誘因の原点を追跡することができる。
【００７７】
時間とともに、化学センサ応答が変動し、誤った結果に結び付く場合がある。したがって、変動に対する補償は、センサの長期的な性能を強化することができ、正確な結果を可能にする。したがって、化学センサを使用する一実施形態は、センサに液体を導入する段階と、化学プローブ（すなわち、化学センサ）および導電率プローブ（すなわち、導電率センサ）を接触させて、液体中の特定の種の濃度ならびにその時点におけるその液体の導電率（例えば、１センチメートル当たりのマイクロジーメンス）を判断する段階とを含む。次に、任意の種を溶液に添加することによって溶液の導電率は非選択的に変わるので、導電率の測定値によって化学濃度の測定値を補正（例えば、調節）して、変動を補償することができる。導電率プローブ（導電率センサ）が、時間に伴う液体の導電率の変化（例えば、センサの感度および雑音に依存する）を測定するのに十分な感度を有する限り、この補正は任意のタイプの液体において可能である。したがって、センサは、１つまたは複数の化学プローブ（すなわち、１つまたは複数の化学センサ、例えばセンサアレイ）、１つまたは複数の導電率プローブ（すなわち、１つまたは複数の導電率センサ）および、適宜１つまたは複数の温度プローブ（すなわち、１つまたは複数の温度センサ）を含むことができ、その際、化学プローブと同様に、導電率プローブは液体と流体連通して、導電率の判断を可能にする。例えば、第１の導電率プローブを液体８中に置くことができ（例えば、液体８中の導電率を測定するため）、かつ／または、第２の導電率プローブをチャンバ４２内に置いて、チャンバ４２内の液体の導電率を測定することができる。
【００７８】
導電率プローブは、ＤＣモードで得られる導電率の測定を提供することができる。導電率センサは、複素インピーダンスの実部および虚部を得るために複素インピーダンス測定が行われる、複数の周波数において導電率の測定を提供する。
【００７９】
導電率および／または温度プローブの応答からの補正は、多変量補正によって行うことができる。導電率が異なる周波数において測定され、かつＺ’値およびＺ’’値（上述）がこれらの異なる周波数で得られる場合に、導電率の変化に対する多変量補正が行われる。測定される周波数範囲は、０．００００１Ｈｚ〜１００，０００，０００Ｈｚ（すなわち、１００ＭＨｚ）、より具体的には０．０００１Ｈｚ〜１０ＭＨｚ、さらにより具体的には０．００１Ｈｚ〜５ＭＨｚであることができる。これらの多周波数導電率応答は、導電率プローブからのデータ行列と化学センサからのデータ行列とを組み合わせ、上述の多変量解析ツールを使用して結果として得られる組み合わされた行列に対する多変量解析を行うことによって、多変量解析ツールを使用して、化学センサまたはセンサアレイの応答とさらに組み合わされる。適宜、導電率センサからの補正は単変量補正によって行うことができる。単変量補正の非限定例は、化学センサからの応答が導電率センサの応答によって正規化される場合である。
【００８０】
一実施形態では、化学センサ変動の補正は相対的な補正によって行われる。プリセットされた導電率閾値を超える導電率応答に化学的に誘発された変化が測定されたとき、化学センサ測定が行われる。化学センサ測定値は、導電率センサ応答の閾値が変化する前の化学センサ応答と、導電率センサ応答の閾値が変化した後の化学センサ応答との差である。閾値導電率応答は、ベースライン導電率が既知のとき、指定された検出限界に対して様々な温度で計算または指定することができる任意の値である。例えば、２５℃の超純水は、０．０５５μＳ／ｃｍの導電率を有する。化学センサ測定を行う閾値は、例えば、０．１μＳ／ｃｍであるように選択することができる（水中に存在する不純物によって導電率が０．１μＳ／ｃｍを超えたとき、化学センサ測定が行われる）。微分化学センサ測定は短期間の間に行われるので、変動の影響は最小限にされるべきである。導電率がそれに対応して変化しない変動は無視される。
【００８１】
温度プローブは、温度測定を得ることが可能になるように、液体と熱的に連通して配置することができる。導電率プローブおよび化学センサの応答は温度に依存するので、温度補正を読取り値に対して行うこともでき、温度補正は線形または非線形である。導電率データ行列に加えて、温度データも、データ解析および温度の影響に対する補正のために加えることができる。
【００８２】
膜の表面効果およびバルク効果に対して補正を行うことができることに、さらに留意されたい。センサ膜における表面効果およびバルク効果を補正するため、同一のセンサ膜組成物が、作動中の化学センサ内および制御センサ上に堆積される。作動中の化学センサは上述したような信号を測定する。制御化学センサは、図８〜１０に示されるものに類似の、ただしトランスデューサが制御センシング膜で覆われているときに得られる複素インピーダンス信号を測定する。膜構成成分の浸出、膜の他の不可逆的変化（化学物質に暴露された際の膜からの種の不完全な拡散など）、およびセンサ膜の厚さに関係している膜のバルク誘電特性は、比較的高い周波数応答から判断され、表面効果（例えば、膜の表面汚染および膜の侵食など）は、比較的低い周波数応答から判断される。
【００８３】
以下の実施例は例示に過ぎず、センサおよびその使用をさらに説明するために提供されるものであって、限定的なものではない。
【実施例】
【００８４】
実験１
第１の実験では、センサ２を、トランスデューサ１０（１３．５６ＭＨｚの公称周波数で動作する）およびポリスルホン膜１２としての無線識別タグを使用して構築した。ＲＦＩＤトランスデューサは、４８１−１０６７−１−ＮＤの品番でＤｉｇｉ−Ｋｅｙから購入した。
【００８５】
センサは、ポリスルホンをジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｉｎｃ．から購入）に３７℃で２４時間溶解して、約１０体積％〜１５体積％の固体を有する溶液を作成することによって組み立てた。次に、コーティングをＲＦＩＤトランスデューサに塗布し、３７℃で２４時間乾燥させた。コーティングが乾燥した後、結果として得られた膜１２は約５０μｍの平均厚さを有していた。
【００８６】
ポリスルホンでコーティングされたセンサ２を、試験装置の導管内に配置した。比較のため、コーティングなしのトランスデューサ１０も導管内に配置した。センサ２およびコーティングなしのトランスデューサ１０が様々な濃度で様々な汚染化学物質を含む様々な溶液に触れると、Ｚｍａｘを記録することができるようにして、データ取得システム（ＬａｂＶＩＥＷ、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．）を、センサ２およびコーティングなしのトランスデューサ１０に動作可能に接続した。
【００８７】
約１００ｐｐｂのＮａＳＯ４を含む第１の水溶液が導管を通過したときに、ポリスルホンでコーティングされたセンサ２およびコーティングなしのトランスデューサ１０の、複素インピーダンス（ピーク強度）の実部のＺｍａｘおよび大きさを測定した。Ｚｍａｘ値が平坦になって見えたとき、水が導管を通過してイオンが膜１２からパージされた。この手順を、約１００ｐｐｂのＨＣｌを含む第２の水溶液、約１００ｐｐｂのＮａＣｌを含む第３の水溶液、および約１００ｐｐｂのＫＨ２ＰＯ４を含む第４の水溶液を使用して繰り返した。
【００８８】
図２０には、実験１の間に生成された代表的なグラフが示される。図から分かるように、コーティングなしのＲＦＩＤトランスデューサおよびポリスルホンでコーティングされたＲＦＩＤトランスデューサ１０のＺｍａｘ応答を、ＮａＣｌに対するそれぞれの応答によって正規化した。この信号の正規化は、トランスデューサがコーティングされていないとき、ならびにセンシング膜１２（ポリスルホン）でコーティングされているときの、４つの異なるイオン溶液に対するセンサの応答の多様性を評価するために行った。図に示されるように、コーティングなしとコーティングありのトランスデューサを用いて得られた４つの溶液に対する応答パターンは、異なるイオン溶液間の差分に対してこの手法を適用するため、所望のように異なる。
【００８９】
実験２
第２の実験では、センサ２を、トランスデューサ１０（１３．５６ＭＨｚの公称周波数で動作する）およびポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）膜１２としての無線識別タグを使用して構築した。センサは、ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）（Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．）を１−メトキシ−２−プロパノール（Ａｌｄｒｉｃｈ）に２０℃で２４時間溶解して、約１０体積％〜１５体積％の固体を有する溶液を作成することによって組み立てた。次に、コーティングをＲＦＩＤトランスデューサに塗布し、２０℃で２４時間乾燥させた。結果として得られた膜１２は約１０〜５０μｍの平均厚さを有していた。
【００９０】
ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）でコーティングされたセンサを、実験１に利用したものと類似の試験装置内に配置したが、コーティングなしのトランスデューサは用いなかった。装置は、時間に対するポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）でコーティングされたセンサ２のＺｍａｘを測定することができた。
【００９１】
ポリ（ヒドロキシエチルメタクリレート）でコーティングされたセンサを、４０ｐｐｂのＮａＣｌを含む第１の水溶液に触れさせた。Ｚｍａｘ値が平坦になって見えたとき、水が導入されてイオンが膜１２からパージされた。その後、８ｐｐｂのＮａＣｌを含む第２の水溶液を導管に通過させた。Ｚｍａｘ値が平坦になって見えたとき、水が導入されてイオンが膜１２からパージされた。その後、１４ｐｐｂのＨＣｌを含む第３の水溶液を導管に通過させた。Ｚｍａｘ値が平坦になって見えたとき、水が導入されたイオンが膜１２からパージされた。その後、７２ｐｐｂのＨＣｌを含む第４の水溶液を導管に通過させた。Ｚｍａｘ値が平坦になって見えたとき、水が導入されてイオンが膜１２からパージされた。
【００９２】
図２１には、実験２の結果を示す代表的なグラフが示され、グラフはＺｍａｘ値が水のＺｍａｘ値で始まることを示す。図に示されるように、第１の溶液が導入されたとき、約２００秒において、イオンが膜１２に入る結果としてＺｍａｘは減少し始める。約３００秒において、Ｚｍａｘは平坦域に達し、そのとき、水が導管に導入されてＮａＣｌイオン形態が膜１２から洗い流された。明らかなように、Ｚｍａｘは再び水のＺｍａｘ付近まで戻った。約４２５秒において、第２の溶液が添加され、Ｚｍａｘは減少し始め、約６００秒において平坦域に達した。第２の溶液の平坦域は第１の溶液のＺｍａｘ値を呈さず、したがって、センサ２は、濃度に依存したＺｍａｘを提供することができることに留意されたい。これは、第３の溶液のＺｍａｘを第４の溶液のＺｍａｘと比較したときにも見られる。それに加えて、ＮａＣｌは、一般に、ＨＣｌよりも大きなＺｍａｘ値を呈する（８ｐｐｂのＮａＣｌと１４ｐｐｂのＨＣｌ、および４０ｐｐｂのＮａＣｌと７２ｐｐｂのＨＣｌを比較して）ので、膜１２内に移動するＮａＣｌイオンの量は、通ることができるＨＣｌイオンの量よりも多い。さらに、サンプリングの間に水をパージさせることで、測定されたＺｍａｘはベースライン付近に戻ることに留意されたい。
【００９３】
実験３
第３の実験では、センサ２を、２電極の金製のインターデジタル形トランスデューサ１０（図３を参照）およびポリアニリン（ＰＡＮＩ）膜１２を使用して構築した。アニリンモノマーは、２４２２８４の品番でＡｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ  Ｉｎｃ．から購入した。
【００９４】
高分子膜１２は、５０ｍＶ／秒の速度で銀／酸化銀参照に対する−０．３Ｖ〜１．１Ｖの電位を繰り返し印加しながら、１ＭのＨ２ＳＯ４中に０．１Ｍのアニリンの濃度で、アニリンモノマーをトランスデューサの表面上に電気重合することによって堆積させた。結果として得られたポリアニリン膜１２は、約１〜１００μｍの平均厚さを有していた。
【００９５】
ポリアニリンでコーティングされたセンサ４を、ＬａｂＶＩＥＷ（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を使用して動作するデータ取得システムに接続し、４０ｐｐｂのＺｎＣｌを含む水溶液に触れさせた。インピーダンスが平坦になって見えたとき、水が導入されてイオンが膜１２からパージされた。その後、１９０ｐｐｂのＺｎＣｌを含む第２の水溶液を導管に通過させた。インピーダンスが平坦になって見えたとき、水が導入されてイオンが膜１２からパージされた。その後、１５１ｐｐｂのＺｎＣｌを含む第３の水溶液を導管に通過させた。インピーダンスが平坦になって見えたとき、水が導入されてイオンが膜１２からパージされた。
【００９６】
図２２では、代表的なグラフは実験３の結果を示し、グラフは時間に対するΩ単位の実インピーダンスを示す。プロットは、水中のセンサのインピーダンス信号（例えば、１．１２７×１０６Ω）から始まる。約５００秒において、第１の溶液が導入され、約６００秒において、インピーダンスは約１．１７５×１０６Ωまで減少し、そのとき、導管が水でパージされて、インピーダンスが水のインピーダンスまで戻った。約１５００秒において、第２の溶液が試験装置に導入され、それによって約１８００秒においてインピーダンスは約８．７５×１０５Ωまで低下し、次に洗い流された。約２６００秒において、第３の溶液が導入され、それによって約２，９００秒においてインピーダンスは約１．００×１０６Ωまで低下した。
【００９７】
実験４
第４の実験では、幅約１０μｍの電極と電極間に１０μｍの間隔とを有する、２電極の金製のインターデジタル形電極（ＩＤＥ）を用いた（図３を参照）。このＩＤＥを、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．から得られるアニリンモノマーを使用して、アニリン高分子膜１２でコーティングした。アニリンモノマーは、最初に、１ＭのＨ２ＳＯ４中に０．１Ｍのアニリンを有する溶液に触れさせ、銀／酸化銀（Ａｇ／ＡｇＣｌ）参照に対する−０．３Ｖ〜１．１Ｖの電位を繰り返し印加する（５０ｍＶ／秒の走査速度）ことによって、ＩＤＥの表面上に電気重合した。
【００９８】
ポリアニリン（ＰＡＮＩ）でコーティングされたＩＤＥを、超純水中にクロリドとスルフェートの汚染物質を含むサンプルに暴露した。より具体的には、サンプルは、４０ｐｐｂ、１９０ｐｐｂ、および１５１ｐｐｂのＺｎＣｌ２と、４０ｐｐｂ、１９０ｐｐｂ、および２９０ｐｐｂのＺｎＳＯ４とを水中に有する溶液を含んでいた。情報は、２０Ｈｚ〜１ＭＨｚの複素インピーダンスの実データ成分および虚データ成分を測定しそのログを取るように構成された、データ取得システムを介してＩＤＥから受信した。
【００９９】
ＰＡＮＩでコーティングされたＩＤＥトランスデューサによって提供される応答の選択性および感度を、主成分分析プロットとして図２３に示す。プロット図では、２つの主成分（ＰＣ１およびＰＣ２）がプロットされる。プロット図から分かるように、ＰＡＮＩでコーティングされたＩＤＥは、ＺｎＣｌ２溶液およびＺｎＳＯ４溶液の分析において高い選択性と感度を呈する。
【０１００】
実験５
この実験では、自動センサ変動補正の方法が示される。３１．８重量％のポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ）、６４．５重量％の可塑剤（ビス（２−エチルヘキシル）セバケート（ＤＯＳ）など）、１．３重量％の中性塩（テトラドデシルアンモニウムテトラキス（４−クロロフェニル）ボラート（ＴＤＤＡＴＣＰＢ））、１．１重量％のイオン交換剤（テトラドデシルアンモニウムクロリド（ＴＤＤＭＡＣｌ）など）、および１．３重量％のスルフェートイオン透過担体（１，３−［ビス（３−フェニルチオウレ−イドメチル）］ベンゼンなど）の配合高分子組成物を利用した、スルフェートセンサ膜を成長させた。
【０１０１】
センサ膜溶液を、電極の先端上に滴下塗布し、次に室温でＸ時間溶剤蒸発させた。スルフェート検出は、結果として得られたセンサを用いて、超高純度の脱イオン水中の５、２５、５０、および１００ｐｐｂのスルフェートイオンにセンサを暴露することによって行った。水の導電率も、スルフェート検出と平行して監視した。図２４は、１センチメートル当たりのマイクロジーメンス（μＳ／ｃｍまたはｍｉｃｒｏＳ／ｃｍ）単位で提供される導電率、電位（Ｖ対Ａｇ／ＡｇＣｌ）、および時間（ｈ）単位の時間を用いて、スルフェートセンサを異なるスルフェート濃度に繰り返し暴露した結果と、それと同時の導電率測定の結果とを示す。
【０１０２】
図２４は、６０時間の試験全体にわたる、スルフェートセンサの応答のわずかであるが顕著な変動を示す。したがって、このセンサ変動を補償する方法が開発されている。方法は、化学イオンセンサ応答の変動を補正するため、導電率プローブの応答を利用する。補正は、導電率プローブの応答によって化学イオンセンサの応答を正規化することによって行われる。この補正は、原子炉の水を模倣する試験された水が超高純度であったことによって可能になった（例えば、導電率センサは、この特定のサンプルの導電率の変化を検出するのに十分に高感度である。原子炉の水の導電率は、一般的に０．０５〜０．１５ｍｉｃｒｏＳ／ｃｍであり、異なるイオンが存在することによって増加する）。イオンのバックグラウンド濃度が非常に高い水（飲料水、水道水、環境水など）では、水の導電率を使用するそのような補正は最も良くても問題があり、本質的に不可能である。望ましくは、液体（例えば、水）は１ｍｉｃｒｏＳ／ｃｍ未満のバックグラウンド導電率（すなわち、目的のイオンなしで）を有する。
【０１０３】
この方法の実験の実証を図２５に示す。図２５の上側のグラフは、０、５、２５、５０、および１００ｐｐｂのスルフェートイオンに４回繰り返して暴露した際の、スルフェートセンサの元の応答を示す（例えば、図２４に示される結果を図２５に再度図示した）。明らかに、センサ応答の変動が原因で、これらの４つの応答曲線は互いからずれた。線１は、図２４に示される第１の組の応答に対するもの（例えば、１５時間以下）、線２は、第２の組の応答に対するもの（例えば、１５時間〜３０時間）、線３は、第３の組の応答に対するもの（例えば、３０時間〜４５時間）、線４は、第４の組の応答に対するもの（例えば、４５時間〜６０時間）である。しかし、液体（例えば、水）の導電率値の変化によって、化学イオンセンサの応答を補正（例えば、正規化）する際、図２５の下側のグラフに示されるように、繰り返し応答曲線はさらに再現可能である。換言すると、導電率の変化を使用して、センサの変動に対する補償が成功裡に得られた。
【０１０４】
開示される検出方法および汚染物質検出システムには、いくつかの顕著な利点がある。第１に、汚染物質検出システムは、センサの膜およびその上に構築することができるトランスデューサからイオンを除去するためにパージすることができる、センサおよびセンサアレイを組み込む。この能力によって、センシングモードの間にセンサを校正することが可能になり、それにより、イオンの蓄積によって生じる干渉を低減および／または排除し、かつベースライン変動を低減することができる。さらに、本明細書に開示されるセンサおよびセンサアレイは、それを通るイオンの輸送を選択的に可能にする膜を用いることができる。これにより、液体内の所望以外の汚染物質イオンによって引き起こされる干渉が最小限になる。さらにまた、センサおよびセンサアレイは異なるメンブランの複数の膜を含むことができ、それにより、システムが、干渉イオン形態の所望以外の汚染物質が存在することを判断し、それらの干渉イオンの濃度を評価することができるようにして、その結果、これらのイオンの濃度を明らかにして、液体中の目的の汚染物質の濃度を判断する精度を改善することができる、汚染物質検出システムを操作する方法が可能になる。さらにまた、センサおよびセンサアレイは、少量の液体（例えば、水）を用いることでサンプリング時間を減少させ、また、センサの構成要素を必要に応じて交換できるように、モジュラー設計で校正することができる。
【０１０５】
本明細書に開示される範囲は、包括的かつ結合可能である（例えば、「約２５重量％以下、またはより具体的には約５重量％〜約２０重量％」が、「約５重量％〜約２５重量％」の範囲の両端とすべての中間値を包含するなど）。「組み合わせ」は、ブレンド、混合物、合金、反応生成物などを包含する。さらに、「第１の」、「第２の」などの用語は、本明細書では、あらゆる順序、量、または重要性を意味するものではなく、１つの要素を別の要素と区別するために使用され、「１つの（「ａ」および「ａｎ」）」の用語は、量の限定を意味するものではなく、言及された品目が少なくとも１つ存在することを意味する。量に関して使用される「約」の修飾句は、状態値を包含し、文脈によって決定される意味を有する（例えば、特定の量の測定に関連付けられたある程度の誤差を含む）。本明細書で使用される「１つまたは複数の」の語句は、用語の単数と複数の両方を含み、それにより、その用語の１つ以上を含む（例えば、１つまたは複数の着色剤とは１つ以上の着色剤を含む）。明細書全体を通して、「一実施形態」、「別の実施形態」、「実施形態」などに対する言及は、実施形態に関して記載される特定の要素（例えば、特徴、機構、および／または特性）が、本明細書に記載される少なくとも１つの実施形態に含まれ、他の実施形態には存在してもしなくてもよいことを意味する。それに加えて、記載される要素は、様々な実施形態において任意の適切な形で組み合わされてもよいことを理解されたい。センサおよびプローブという用語は、本明細書では交換可能に使用される。
【０１０６】
引用された特許、特許出願、および他の引用文献はすべて、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。ただし、本出願における用語が組み込まれた引用文献の用語と相反または矛盾する場合、本出願からの用語が、引用文献から組み込まれた矛盾する用語に優先する。
【０１０７】
本発明を代表的な実施形態を参照して記載してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更が行われてもよく、またそれらの要素が等価物と置き換えられてもよいことが、当業者には理解されるであろう。それに加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正が行われてもよい。したがって、本発明は、本明細書を実施するために想到される最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の請求項の範囲内にあるすべての実施形態を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】代表的な汚染物質検出システム（ＣＤＳ）の図である。
【図２】代表的なセンサの断面図である。
【図３】代表的なトランスデューサの図である。
【図４】代表的なセンサの断面図である。
【図５】代表的なセンサアレイの断面図である。
【図６】代表的なセンサアレイの断面図である。
【図７】汚染物質検出システム（ＣＤＳ）を操作する代表的な方法の図である。
【図８】代表的な複素インピーダンスグラフの図である。
【図９】代表的な複素インピーダンスグラフの図である。
【図１０】代表的な複素インピーダンスグラフの図である。
【図１１】代表的なグラフ形式の参照テーブルの図である。
【図１２】主成分分析（ＰＣＡ）グラフの代表的な図である。
【図１３】周波数偏移グラフの代表的な図である。
【図１４】虚信号成分グラフのピーク幅の代表的な図である。
【図１５】実信号成分グラフのピーク強度の代表的な図である。
【図１６】実験時間に応じて変わる第２の主成分の代表的なグラフである。
【図１７】実験時間に応じて変わる第１および第２の主成分の代表的なグラフである。
【図１８】多変量Ｑ残差統計管理図グラフの代表的な図である。
【図１９】多変量ホテリングＴ２統計管理図グラフの代表的な図である。
【図２０】実験１の間に生成されたトランスデューサに対する応答の選択性および感度を示す代表的なグラフである。
【図２１】実験２の間に生成されたトランスデューサに対する応答の選択性および感度を示す代表的なグラフである。
【図２２】実験３の間に生成されたトランスデューサに対する応答の選択性および感度を示す代表的なグラフである。
【図２３】実験４の間に生成されたトランスデューサに対する応答の選択性および感度を示す代表的なグラフである。
【図２４】実験５におけるスルフェートセンサの導電率および電位の代表的なグラフである。
【図２５Ａ】実験５の間に生成されたスルフェートセンサに対する元の応答および補正された応答の代表的なグラフである。
【図２５Ｂ】実験５の間に生成されたスルフェートセンサに対する元の応答および補正された応答の代表的なグラフである。
【符号の説明】
【０１０９】
２  汚染物質検出システム
４  センサ
６  コントローラ
８  検体
１０  トランスデューサ
１２  膜
１４  ワイヤ
１６  マニホルド
１８  導管
２０  トランスデューサ
２２  膜
２４  マニホルド
３０  第１の電極
３２  第２の電極
３４  インターデジタル形フィンガー
３６  基部
４０  センサ
４２  パージチャンバ
４４  パージ媒体
４６  入口管
４８  出口管
５０  センサアレイ
５２  第１のセンサ
５４  第２のセンサ
５６  第３のセンサ
６０  センサアレイ
６２  マニホルド
６４  上面
６６  左側面
６８  右側面
７０  後面
７２  前面
７４  底面
７６  試験用窓
８０  第１の膜
８２  第１のパージチャンバ
８４  第１のトランスデューサ
８６  第２のパージチャンバ
８８  第２の膜
９０  第３のパージチャンバ
９２  第２のトランスデューサ
９４  第４のパージチャンバ
９６  縁部
９８  第２の入口管
１００  第２の出口管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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