(57)【要約】  本明細書では、ｐ−ｎ金属酸化物半導体（ＭＯＳ）ヘテロ構造系センサ及びシステムが開示される。本明細書で説明されるセンサ及びシステムは、ｐ型ＭＯＳ材料（例えば、ＮｉＯ）を含む第１の領域、及びｎ型ＭＯＳ材料（例えば、Ｉｎ２Ｏ３）を含む第２の領域を含む、感知素子を含むことができる。これらのセンサ及びシステムは、１０００倍高く（ｐｐｍ）、広範囲に分布した（０〜２０ｐｐｍ）濃度のＣＯ、ＮＯ、又はこれらの組み合わせを識別しながら、ｐｐｂレベルのＮＨ３に対する感度及び選択性を示すことができる。これらのセンサ及びシステムを使用して、生体サンプル（例えば、呼気サンプル）、及び燃焼ガスを含むサンプル中のＮＨ３を検出及び／又は定量化することができる。
2018536168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスサンプル中のＮＨ３を感知するためのセンサデバイスであって、前記センサデバイスは、
ＮｉＯを含むｐ型金属酸化物半導体（ＭＯＳ）材料を含む第１の領域と、
Ｉｎ２Ｏ３を含むｎ型ＭＯＳ材料を含む第２の領域と、を含み、
前記第１の領域は、前記第２の領域に隣接しており、かつ接触している、感知素子を含む、センサデバイス。
【請求項２】
前記ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯからなる、請求項１に記載のセンサデバイス。
【請求項３】
前記ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３からなる、請求項１又は２に記載のセンサデバイス。
【請求項４】
前記センサデバイスが、
前記第１の領域内に設置された第１の電極と、
前記第２の領域内に設置された第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極を相互接続する配線と、を更に含み、
前記配線に沿って測定された抵抗は、前記感知素子と接触するガス中のＮＨ３の存在を示す、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
【請求項５】
前記感知素子と選択的に接触する電極リードアレイの一部として、前記第１の電極及び前記第２の電極を維持するプラットフォームアセンブリを更に含む、請求項４に記載のセンサデバイス。
【請求項６】
前記プラットフォームアセンブリは、前記第１の領域内の前記第１の電極の接触場所を選択的に変更し、前記第２の領域内の前記第２の電極の接触場所を選択的に変更するように構成されている、請求項５に記載のセンサデバイス。
【請求項７】
前記プラットフォームアセンブリは、前記第１の電極と前記第２の電極との間の距離を選択的に変更するように構成されている、請求項５又は６に記載のセンサデバイス。
【請求項８】
前記第１の領域に対する前記第１の電極の場所、及び前記第２の領域に対する前記第２の電極の場所は、前記測定された抵抗が、前記感知素子と接触するガスサンプル中のＣＯ、ＮＯ、又はこれらの組み合わせの存在によって影響を受けないように選択される、請求項４〜７のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
【請求項９】
前記感知素子は、第１の側面から対向する第２の側面までの長さを画定し、前記第１の側面は、前記第２の領域とは反対の前記第１の領域のエッジによって画定され、前記第２の側面は、前記第１の領域とは反対の前記第２の領域のエッジによって画定され、
前記第１の領域に対する前記第１の電極の場所、及び前記第２の領域に対する前記第２の電極の場所は、前記配線が、前記感知素子と接触するガスサンプル中のＮＨ３の存在を示す測定された抵抗を生成するために既定されている長さ方向において、前記ｐ型ＭＯＳ材料及び前記ｎ型ＭＯＳ材料の合計量を包含するように選択される、請求項４〜７のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
【請求項１０】
前記既定の合計量は、前記測定された抵抗が、前記感知素子と接触する前記ガスサンプル中のＣＯ、ＮＯ、又はこれらの組み合わせの存在によって影響を受けないように選択される、請求項９に記載のセンサデバイス。
【請求項１１】
前記第１の電極とは別の場所で前記第１の領域内に設置された第３の電極と、
前記第２の電極とは別の場所で前記第２の領域に設置された第４の電極と、
前記第３の電極及び前記第４の電極を相互接続する配線と、を更に含み、
前記第１及び第２の電極を相互接続する前記配線に沿って測定された抵抗と比較して、前記第３及び第４の電極を相互接続する前記配線に沿って測定された抵抗は、前記感知素子と接触するガス中のＮＨ３の濃度を示す、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
【請求項１２】
前記ｐ型ＭＯＳ材料は、前記第１の領域と前記第２の領域との間の界面に形成された拡散ｐ−ｎヘテロ接合にて、前記ｎ型ＭＯＳ材料と接触する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセンサデバイス。
【請求項１３】
ガスサンプル中のＮＨ３を感知するためのセンサシステムであって、前記システムは、
感知素子であって、
ＮｉＯを含むｐ型ＭＯＳ材料を含む第１の領域と、
Ｉｎ２Ｏ３を含むｎ型ＭＯＳ材料を含む第２の領域と、を含み、
前記第１の領域は、前記第２の領域に隣接しており、かつ接触している、感知素子と、
前記第１の領域内に設置された第１の電極と、
前記第２の領域内に設置された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の配線に沿って測定された抵抗を、前記感知素子と接触するガスサンプル中のＮＨ３の存在と相関させるデータベースと、を含む、センサデバイスを含む、センサシステム。
【請求項１４】
前記ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯからなる、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３からなる、請求項１３又は１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記データベースは、前記測定された抵抗に基づいて、前記ガスサンプル中のＮＨ３の濃度の推定値を更に相関させる、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１の領域に対する前記第１の電極の場所、及び前記第２の領域に対する前記第２の電極の場所は、前記測定された抵抗が、前記ガスサンプル中のＣＯ、ＮＯ、又はこれらの組み合わせの存在によって影響を受けないように選択される、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記データベースは、較正曲線を含む、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１９】
前記データベースを維持し、前記配線と電気的に関連付けられたコントローラを更に含む、請求項１３〜１８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記コントローラは、
前記データベースと、
前記ガスサンプルの存在下で前記センサデバイスによって生成された、複数の測定された抵抗値を受信するための命令と、
前記複数の測定された抵抗に基づき、前記ガスサンプル中のＮＨ３の濃度を推定するための命令と、を格納するメモリを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記複数の測定された抵抗のうち第１のものは、それぞれ前記第１及び第２の領域中の対応する電極間の第１の距離に対応し、前記複数の測定された抵抗のうち第２のものは、それぞれ前記第１及び第２の領域中の対応する電極間の第２の距離に対応し、前記第１の距離は、前記第２の距離とは異なる、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記システムは、ヒトの呼気中のＮＨ３の濃度を推定するように構成されている、請求項１３〜２１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記システムは、燃焼ガス中のＮＨ３の濃度を推定するように構成されている、請求項１３〜２１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２４】
ガスサンプル中のＮＨ３を感知する方法であって、前記方法は、
センサシステムを提供することであって、
感知素子であって、
ｐ型ＭＯＳ材料を含む第１の領域と、
ｎ型ＭＯＳ材料を含む第２の領域と、を含み、
前記第１の領域は、前記第２の領域に隣接しており、かつ接触している、感知素子と、
前記第１の領域内に設置された第１の電極と、
前記第２の領域内に設置された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の配線に沿って測定された抵抗を、前記感知素子と接触するガスサンプル中のＮＨ３の存在と相関させるデータベースと、を含む、センサシステムを提供することと、
前記センサシステムの前記センサ素子を前記ガスサンプルと接触させることと、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の配線に沿って抵抗を測定することと、
前記測定された抵抗に基づき、前記ガスサンプル中のＮＨ３を検出することと、を含む、方法。
【請求項２５】
前記ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯ、ＣｕＯ、Ｃｏ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、又はこれらの組み合わせを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯからなる、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含まない、請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
前記ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＺｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、又はこれらの組み合わせを含む、請求項２４〜２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３からなる、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含まない、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記ガスサンプル中のＮＨ３を検出することは、前記測定された抵抗に基づき、前記ガスサンプル中のＮＨ３の濃度を推定することを含む、請求項２４〜３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の領域に対する前記第１の電極の場所、及び前記第２の領域に対する前記第２の電極の場所は、前記測定された抵抗が、前記ガスサンプル中のＣＯ、ＮＯ、又はこれらの組み合わせの存在によって影響を受けないように選択される、請求項２４〜３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記データベースは、較正曲線を含む、請求項２４〜３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
更に、前記センサシステムが、前記データベースを維持し、前記配線と電気的に関連付けられたコントローラを更に含む、請求項２４〜３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
前記コントローラは、
前記データベースと、
前記ガスサンプルの存在下で前記センサデバイスによって生成された、複数の測定された抵抗値を受信するための命令と、
前記複数の測定された抵抗に基づき、前記ガスサンプル中のＮＨ３の濃度を推定するための命令と、を格納するメモリを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記複数の測定された抵抗のうち第１のものは、それぞれ前記第１及び第２の領域中の対応する電極間の第１の距離に対応し、並びに前記複数の測定された抵抗のうち第２のものは、それぞれ前記第１及び第２の領域中の対応する電極間の第２の距離に対応し、前記第１の距離は、前記第２の距離とは異なる、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記センサ素子を前記ガスサンプルと接触させることは、前記ｐ型ＭＯＳ材料の抵抗の減少及び前記ｎ型ＭＯＳ材料の抵抗の減少を生じさせるのに有効な期間、前記センサ素子を前記ガスサンプルに曝露することを含む、請求項２４〜３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
前記センサ素子を前記ガスサンプルと接触させることは、前記センサ素子を前記ガスサンプルに３０秒〜５分間曝露することを含む、請求項２４〜３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
前記センサ素子を前記ガスサンプルと接触させることは、前記センサ素子を前記ガスサンプルに１〜３分間曝露することを含む、請求項２４〜４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記センサ素子を２５０℃〜４５０℃の温度まで加熱することを更に含む、請求項２４〜４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記ガスサンプルは、ヒトの呼気サンプルを含む、請求項２４〜４２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４４】
前記ガスサンプルは、燃焼ガスサンプルを含む、請求項２４〜４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４５】
前記ガスサンプル中のＮＨ３の濃度は、５，０００ｐｐｂ以下である、請求項２４〜４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
前記ガスサンプル中のＮＨ３の濃度は、５０ｐｐｂ〜２，０００ｐｐｂである、請求項２４〜４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
患者から採取した呼気サンプル中のＮＨ３を感知するためのセンサシステムであって、前記システムは、
感知素子であって、
ｐ型ＭＯＳ材料を含む第１の領域と、
ｎ型ＭＯＳ材料を含む第２の領域と、を含み、
前記第１の領域は、前記第２の領域に隣接しており、かつ接触している、感知素子と、
前記第１の領域内に設置された第１の電極と、
前記第２の領域内に設置された第２の電極と、
前記患者からの前記呼気サンプルを採取し、前記呼気サンプルを送達し前記感知素子と接触させるように構成されたマウスピースと、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の配線に沿って測定された抵抗を、前記感知素子と接触するガスサンプル中のＮＨ３の存在と相関させるデータベースと、
前記データベースを維持し、前記配線と電気的に関連付けられたコントローラであって、前記コントローラは、
前記データベースと、
前記呼気サンプルの存在下で前記センサデバイスによって生成された、複数の測定された抵抗値を受信するための命令と、
前記複数の測定された抵抗に基づき、前記呼気サンプル中のＮＨ３の濃度を推定するための命令と、
前記呼気サンプル中のＮＨ３の前記推定された濃度に基づき、前記患者のヘリコバクター・ピロリ感染の進行のスコアを付与するための命令と、を格納するメモリを含む、コントローラと、を含む、センサデバイスを含む、センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１５年１２月２日に出願された米国特許仮出願番号第６２／２６２，０６７号の利益を主張し、その開示は、参考により本明細書に明示的に組み込まれている。
【背景技術】
【０００２】
大気中にｐｐｂレベルで存在するアンモニアガスは、例えば化石燃料の燃焼、肥料の使用及び代謝活動など、種々の人為起源の発生源から主に発生する。アンモニアに曝露されることが健康状態に影響を及ぼし得るため、環境中のアンモニアの検出が必要とされている。アンモニアは、ヒトの体内でも製造され、吐き出されたヒトの呼気中のアンモニアのモニタリングは、病気診断のためのいくつかの生理学的条件と相関し得る。呼気のアンモニアの正常な生理学的範囲は、５０〜２０００ｐｐｂの範囲である。各自のヒトの呼気には、１，０００以上の微量揮発性有機化合物類が含まれており、これにより呼気は非常に複雑な物質となっている。環境及びヒトの呼気中の低レベルのアンモニア用のセンサを開発することは、必要とされるｐｐｂ感度、及びより高い濃度で存在するその他のガスに対する識別が原因で、難しい課題である。
【発明の概要】
【０００３】
本明細書では、ｐ−ｎ金属酸化物半導体（metal oxide semiconductor、ＭＯＳ）ヘテロ構造系センサ及びシステムを提供する。このセンサ及びシステムは、呼気サンプル、環境サンプル、又は燃焼ガスのサンプルなどのガスサンプル中のアンモニアの検出及び／又は定量化に使用することができる。場合によっては、本明細書で説明されるセンサ及びシステムは、５０００ｐｐｂ以下の濃度（例えば、５０ｐｐｂ〜２，０００ｐｐｂの濃度、５０ｐｐｂ〜１，０００ｐｐｂの濃度、又は５０ｐｐｂ〜５００ｐｐｂの濃度）のアンモニアの検出及び／又は定量化に使用することができる。このセンサ及びシステムは、一酸化炭素及び一酸化窒素などの他のガスの存在下で、アンモニアの検出及び／又は定量化に使用することができる。
【０００４】
場合によっては、このセンサ及びシステムを使用して、芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在下で、アンモニアを検出及び／又は定量化することができる。特定の実施形態においては、このセンサ及びシステムを使用して、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）又はこれらの組み合わせ）などの１つ以上の炭化水素（例えば、５０ｐｐｂ〜５ｐｐｍの濃度の１つ以上の炭化水素）の存在下で、５０００ｐｐｂ以下の濃度（例えば、５０ｐｐｂ〜２，０００ｐｐｂの濃度、５０ｐｐｂ〜１，０００ｐｐｂの濃度、又は５０ｐｐｂ〜５００ｐｐｂの濃度）のアンモニアを検出及び／又は定量化することができる。
【０００５】
ガスサンプル中のアンモニアを感知するためのデバイスは、ｐ型金属酸化物半導体（ＭＯＳ）材料を含む第１の領域、及びｎ型ＭＯＳ材料を含む第２の領域を含む、感知素子を含むことができる。第１の領域は、第２の領域に隣接しており、かつ接触している（例えば、第１の領域と第２の領域との間の界面に形成された拡散ｐ−ｎヘテロ接合にて）。ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含むことができる。特定の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯからなることができる。ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含むことができる。特定の実施形態においては、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３からなることができる。
【０００６】
他の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、Ｃｏ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、又はこれらの組み合わせから選択することができ、ｎ型ＭＯＳ材料は、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、又はこれらの組み合わせから選択することができる。他の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含まず、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含まない。
【０００７】
センサデバイスは、第１の領域内に設置され、間隔をおいて配置された１つ以上の電極と、第２の領域内に設置され、間隔をおいて配置された１つ以上の電極と、を更に含むことができる。いくつかの実施形態においては、センサデバイスは、第１の領域内に設置された第１の電極と、第２の領域内に設置された第２の電極と、第１及び第２の電極を相互接続する配線と、を含むことができる。配線に沿って測定された抵抗は、感知素子と接触するガス中のＮＨ３の存在を示し得る。
【０００８】
いくつかの実施形態においては、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、測定された抵抗が、感知素子と接触するガスサンプルにも存在するアンモニア以外のガス（例えば、ＣＯ、ＮＯ、炭化水素、又はこれらの組み合わせなどの干渉ガス）の存在によって影響を受けないように選択される。
【０００９】
場合によっては、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、測定された抵抗が、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択される。特定の実施形態においては、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、測定された抵抗が、５０ｐｐｂ〜５ｐｐｍの、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択される。
【００１０】
いくつかの実施形態においては、感知素子は、第１の側面から対向する第２の側面までの長さを画定し、第１の側面は、第２の領域とは反対の第１の領域のエッジによって画定され、第２の側面は、第１の領域とは反対の第２の領域のエッジによって画定され、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、配線が、感知素子と接触するガスサンプル中のＮＨ３の存在を示す測定された抵抗を生成するために既定されている長さ方向において、ｐ型ＭＯＳ材料及びｎ型ＭＯＳ材料の合計量を包含するように選択される。既定の合計量は、測定された抵抗が、感知素子と接触するガスサンプルにも存在するアンモニア以外のガス（例えば、ＣＯ、ＮＯ、炭化水素、又はこれらの組み合わせなどの干渉ガス）の存在によって影響を受けないように選択され得る。場合によっては、既定の合計量は、測定された抵抗が、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択され得る。特定の実施形態においては、既定の合計量は、測定された抵抗が、５０ｐｐｂ〜５ｐｐｍの、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択され得る。
【００１１】
いくつかの実施形態においては、センサデバイスは、第１の領域内に設置された第３の電極と、第２の領域内に設置された第４の電極と、第３及び第４の電極を相互接続する配線と、を更に含むことができる。第１及び第２の電極を相互接続する配線に沿って測定された抵抗と比較して、第３及び第４の電極を相互接続する配線に沿って測定された抵抗は、感知素子と接触するガス中のＮＨ３の濃度を示す。
【００１２】
いくつかの実施形態においては、このデバイスは、感知素子と選択的に接触する電極リードアレイの一部として、第１及び第２の電極を維持するプラットフォームアセンブリを更に含むことができる。プラットフォームアセンブリは、第１の領域内の第１の電極の接触場所を選択的に変更し、第２の領域内の第２の電極の接触場所を選択的に変更するように構成することができる。プラットフォームアセンブリは、第１の電極と第２の電極との間の距離を選択的に変更するように構成することができる。
【００１３】
ガスサンプル中のアンモニアを感知するためのセンサシステムもまた提供する。センサシステムは、感知素子と、第１の領域内に設置された第１の電極と、第２の領域内に設置された第２の電極と、及びデータベースを含むセンサデバイスと、を含むことができる。感知素子は、ｐ型ＭＯＳ材料を含む第１の領域と、ｎ型ＭＯＳ材料を含む第２の領域と、を含むことができる。第１の領域は、第２の領域に隣接しており、かつ接触している（例えば、第１の領域と第２の領域との間の界面に形成された拡散ｐ−ｎヘテロ接合にて）。ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含むことができる。特定の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯからなることができる。ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含むことができる。特定の実施形態においては、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３からなることができる。他の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、Ｃｏ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、又はこれらの組み合わせから選択することができ、ｎ型ＭＯＳ材料は、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、又はこれらの組み合わせから選択することができる。他の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含まず、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含まない。
【００１４】
特定の実施形態においては、システムは、ヒトの呼気などの生体サンプル中におけるＮＨ３の濃度を推定するように構成することができる。例えば、システムは、ヒトの呼気のサンプル中における、５０００ｐｐｂ以下（例えば、５０ｐｐｂ〜２，０００ｐｐｂの濃度、５０ｐｐｂ〜１，０００ｐｐｂの濃度、又は５０ｐｐｂ〜５００ｐｐｂの濃度）の濃度のアンモニアを検出及び／又は定量化するように構成することができる。他の実施形態においては、システムは、燃焼ガスのＮＨ３の濃度を推定するように構成することができる。他の実施形態においては、システムは、環境サンプルのＮＨ３の濃度を推定するように構成することができる。
【００１５】
データベースは、第１の電極と第２の電極との間の配線に沿って測定された抵抗を、感知素子と接触するガスサンプル中のＮＨ３の存在と相関させることができる。いくつかの実施形態においては、データベースは、測定された抵抗に基づいて、ガスサンプル中のＮＨ３の濃度の推定値を更に相関させることができる。特定の実施形態においては、データベースは、ＮＨ３の較正曲線を含むことができる。
【００１６】
いくつかの実施形態においては、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、測定された抵抗が、感知素子と接触するガスサンプルにも存在するアンモニア以外のガス（例えば、ＣＯ、ＮＯ、炭化水素、又はこれらの組み合わせなどの干渉ガス）の存在によって影響を受けないように選択される。場合によっては、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、測定された抵抗が、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択される。特定の実施形態においては、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、測定された抵抗が、５０ｐｐｂ〜５ｐｐｍの、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択される。
【００１７】
いくつかの実施形態においては、感知素子は、第１の側面から対向する第２の側面までの長さを画定し、第１の側面は、第２の領域とは反対の第１の領域のエッジによって画定され、第２の側面は、第１の領域とは反対の第２の領域のエッジによって画定され、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、配線が、感知素子と接触するガスサンプル中のＮＨ３の存在を示す測定された抵抗を生成するために既定されている長さ方向において、ｐ型ＭＯＳ材料及びｎ型ＭＯＳ材料の合計量を包含するように選択される。既定の合計量は、測定された抵抗が、感知素子と接触するガスサンプルにも存在するアンモニア以外のガス（例えば、ＣＯ、ＮＯ、炭化水素、若しくはこれらの組み合わせなどの干渉ガス）、又はこれらの組み合わせの存在によって影響を受けないように選択され得る。場合によっては、既定の合計量は、測定された抵抗が、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択され得る。特定の実施形態においては、既定の合計量は、測定された抵抗が、５０ｐｐｂ〜５ｐｐｍの、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択され得る。
【００１８】
いくつかの実施形態においては、センサデバイスは、第１の領域内に設置された第３の電極と、第２の領域内に設置された第４の電極と、第３及び第４の電極を相互接続する配線と、を更に含むことができる。第１及び第２の電極を相互接続する配線に沿って測定された抵抗と比較して、第３及び第４の電極を相互接続する配線に沿って測定された抵抗は、感知素子と接触するガス中のＮＨ３の濃度を示す。
【００１９】
いくつかの実施形態においては、センサシステムは、データベースを維持し、配線と電気的に関連付けられたコントローラを更に含むことができる。コントローラは、データベースと、ガスサンプルの存在下でセンサデバイスによって生成された、複数の測定された抵抗値を受信するための命令と、複数の測定された抵抗に基づき、ガスサンプル中のＮＨ３の濃度を推定するための命令と、を格納するメモリを含むことができる。いくつかの実施形態においては、複数の測定された抵抗のうち第１のものは、それぞれ第１及び第２の領域中の対応する電極間の第１の距離に対応することができ、複数の測定された抵抗のうち第２のものは、それぞれ第１及び第２の領域中の対応する電極間の第２の距離に対応することができ、第１の距離は、第２の距離とは異なる。コントローラは、ガスサンプル中のＮＨ３の濃度を検出及び／又は定量化するために、適切な抵抗測定を行うための命令を格納するメモリを更に含むことができる。コントローラは、感知素子と接触するガスサンプルにも存在するアンモニア以外のガス（例えば、ＣＯ、ＮＯ、炭化水素、若しくはこれらの組み合わせなどの干渉ガス）、又はこれらの組み合わせの影響を排除する（例えば、減算する、又は他の方法で補正する）ための命令を格納するメモリを更に含むことができる。これには、例えば、ガスサンプル中のあり得る干渉物（例えば、ＣＯ、ＮＯ、及び／又は１つ以上の炭化水素）の較正曲線（複数可）を含むことができる。
【００２０】
所望により、ヒトの呼気などの生体サンプル中におけるＮＨ３の濃度を推定するように構成されたシステムの場合には、コントローラは、患者からの生体サンプル（例えば、患者の呼気サンプル）と関係したガスサンプル中のＮＨ３の推定された濃度に基づき、患者の疾患進行のスコアを付与するための命令を格納するメモリを含むことができる。例えば、コントローラは、患者の肝臓疾患、患者の腎臓疾患、患者のヘリコバクター・ピロリ感染、又は患者の口臭の進行のスコアを付与するための命令を格納するメモリを含むことができる。このスコアは、疾患の進行又は重篤さを評価する数値スコアであり得る。あるいは、このスコアは、疾患の二元指標であり得る（例えば、ヘリコバクター・ピロリ感染などの感染の存在を示す、「陽性」又は「陰性」指標）。所望により、ヒトの呼気などの生体サンプル中におけるＮＨ３の濃度を推定するように構成されたシステムの場合には、コントローラは、患者からの生体サンプル（例えば、患者の呼気サンプル）と関係したガスサンプル中のＮＨ３の推定された濃度に基づき、１つ以上の治療命令（例えば、１つ以上の治療オプション）を選択するための命令を格納するメモリを含むことができる。コントローラは、試験管理者（例えば、患者及び／又は臨床医）にこれらの結果を出力するための命令を格納するメモリを含むことができる。このようにして、センサは、患者の肝臓疾患、患者の腎臓疾患、患者のヘリコバクター・ピロリ感染、及び／又は患者の口臭の発生率及び／又は進行を評価する、臨床現場即時診断システム（point-of-care diagnostic system）として使用することが可能である。
【００２１】
ｐ−ｎＭＯＳヘテロ構造系センサ及びシステムを使用してアンモニアを感知する方法もまた提供する。方法は、ｐ−ｎＭＯＳヘテロ構造系センサ及びシステムを提供することと、センサシステムのセンサ素子をガスサンプルと接触させることと、第１の電極と第２の電極との間の配線に沿って抵抗を測定することと、測定された抵抗に基づき、ガスサンプル中のアンモニアを検出することと、を含むことができる。センサシステムは、感知素子と、第１の領域内に設置された第１の電極と、第２の領域内に設置された第２の電極と、及びデータベースを含むセンサデバイスと、を含むことができる。感知素子は、ｐ型ＭＯＳ材料を含む第１の領域と、ｎ型ＭＯＳ材料を含む第２の領域と、を含むことができる。第１の領域は、第２の領域に隣接しており、かつ接触している（例えば、第１の領域と第２の領域との間の界面に形成された拡散ｐ−ｎヘテロ接合にて）。ｐ型ＭＯＳ材料は、任意の好適なｐ型ＭＯＳ材料を含むことができる。場合によっては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯ、ＣｕＯ、Ｃｏ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、又はこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯ、Ｃｏ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、又はこれらの組み合わせから選択することができる。いくつかの実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、Ｃｏ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、又はこれらの組み合わせから選択することができる。いくつかの実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯ、ＣｕＯ、又はこれらの組み合わせから選択することができる。いくつかの実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含むことができる。特定の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯからなることができる。他の実施形態においては、ｐ型材料は、ＮｉＯを含まない。ｎ型ＭＯＳ材料は、任意の好適なｎ型ＭＯＳ材料を含むことができる。場合によっては、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２、ＷＯ３、ＺｎＯ、Ｆｅ２Ｏ３、又はこれらの組み合わせを含むことができる。場合によっては、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、又はこれらの組み合わせを含むことができる。場合によっては、ｎ型ＭＯＳ材料は、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、又はこれらの組み合わせを含むことができる。場合によっては、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ２、ＴｉＯ２、ＷＯ３、又はこれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態においては、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含むことができる。特定の実施形態においては、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３からなることができる。他の実施形態においては、ｎ型材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含まない。一実施形態では、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含まず、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含まない。
【００２２】
データベースは、第１の電極と第２の電極との間の配線に沿って測定された抵抗を、感知素子と接触するガスサンプル中のＮＨ３の存在と相関させることができる。いくつかの実施形態においては、データベースは、測定された抵抗に基づいて、ガスサンプル中のＮＨ３の濃度の推定値を更に相関させることができる。特定の実施形態においては、データベースは、較正曲線を含むことができる。
【００２３】
いくつかの実施形態においては、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、測定された抵抗が、感知素子と接触するガスサンプルにも存在するアンモニア以外のガス（例えば、ＣＯ、ＮＯ、炭化水素、又はこれらの組み合わせなどの干渉ガス）の存在によって影響を受けないように選択される。
【００２４】
いくつかの実施形態においては、感知素子は、第１の側面から対向する第２の側面までの長さを画定し、第１の側面は、第２の領域とは反対の第１の領域のエッジによって画定され、第２の側面は、第１の領域とは反対の第２の領域のエッジによって画定され、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、配線が、感知素子と接触するガスサンプル中のＮＨ３の存在を示す測定された抵抗を生成するために既定されている長さ方向において、ｐ型ＭＯＳ材料及びｎ型ＭＯＳ材料の合計量を包含するように選択される。既定の合計量は、測定された抵抗が、感知素子と接触するガスサンプルにも存在するアンモニア以外のガス（例えば、ＣＯ、ＮＯ、炭化水素、又はこれらの組み合わせなどの干渉ガス）の存在によって影響を受けないように選択され得る。
【００２５】
いくつかの実施形態においては、センサデバイスは、第１の領域内に設置された第３の電極と、第２の領域内に設置された第４の電極と、第３及び第４の電極を相互接続する配線と、を更に含むことができる。第１及び第２の電極を相互接続する配線に沿って測定された抵抗と比較して、第３及び第４の電極を相互接続する配線に沿って測定された抵抗は、感知素子と接触するガス中のＮＨ３の濃度を示す。
【００２６】
いくつかの実施形態においては、センサシステムは、データベースを維持し、配線と電気的に関連付けられたコントローラを更に含むことができる。コントローラは、データベースと、ガスサンプルの存在下でセンサデバイスによって生成された、複数の測定された抵抗値を受信するための命令と、複数の測定された抵抗に基づき、ガスサンプル中のＮＨ３の濃度を推定するための命令と、を格納するメモリを含むことができる。いくつかの実施形態においては、複数の測定された抵抗のうち第１のものは、それぞれ第１及び第２の領域中の対応する電極間の第１の距離に対応することができ、複数の測定された抵抗のうち第２のものは、それぞれ第１及び第２の領域中の対応する電極間の第２の距離に対応することができ、第１の距離は、第２の距離とは異なる。
【００２７】
センサ素子をガスサンプルと接触させることは、第１の電極と第２の電極との間の配線に沿って測定された抵抗に変化を生じさせるのに有効な期間、センサ素子をガスサンプルに曝露することを含むことができる。いくつかの実施形態においては、センサ素子をガスサンプルと接触させることは、ｐ型ＭＯＳ材料及びｎ型ＭＯＳ材料の両方の抵抗において同一方向に変化を生じさせるのに有効な期間、センサ素子をガスサンプルに曝露することを含む。特定の実施形態においては、センサ素子をガスサンプルと接触させることは、ｐ型ＭＯＳ材料の抵抗の減少及びｎ型ＭＯＳ材料の抵抗の減少を生じさせるのに有効な期間、センサ素子をガスサンプルに曝露することを含む。例えば、センサ素子をガスサンプルと接触させることは、センサ素子をガスサンプルに３０秒〜５分間（例えば、１〜３分）曝露することを含むことができる。
【００２８】
いくつかの実施形態においては、方法は、センサ素子を２５０℃〜４５０℃の温度まで加熱することを更に含むことができる。いくつかの実施形態においては、測定された抵抗に基づき、ガスサンプル中のアンモニアを検出することは、測定された抵抗に基づき、ガスサンプル中のＮＨ３の濃度を推定することを含む。
【００２９】
いくつかの実施形態においては、ガスサンプル中のＮＨ３の濃度は、５，０００ｐｐｂ以下（例えば、５０ｐｐｂ〜２，０００ｐｐｂ、５０ｐｐｂ〜１，０００ｐｐｂ、又は５０ｐｐｂ〜５００ｐｐｂ）であり得る。いくつかの実施形態においては、ガスサンプルは、ヒトの呼気サンプルなどの生体サンプルを含むことができる。いくつかの実施形態においては、ガスサンプルは、ディーゼルエンジンからの燃焼ガスサンプルなどの燃焼ガスのサンプルを含むことができる。いくつかの実施形態においては、ガスサンプルは、環境サンプルを含むことができる。いくつかの実施形態においては、ガスサンプルは、工業プロセスからのサンプルを含むことができる。
【００３０】
患者のヘリコバクター・ピロリ感染を診断するためのセンサシステム及び方法もまた提供する。センサシステムは、感知素子と、第１の領域内に設置された第１の電極と、第２の領域内に設置された第２の電極と、及びデータベースを含むセンサデバイスと、を含むことができる。感知素子は、ｐ型ＭＯＳ材料を含む第１の領域と、ｎ型ＭＯＳ材料を含む第２の領域と、を含むことができる。第１の領域は、第２の領域に隣接しており、かつ接触している（例えば、第１の領域と第２の領域との間の界面に形成された拡散ｐ−ｎヘテロ接合にて）。ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含むことができる。特定の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料はＮｉＯからなることができる。ｎ型ＭＯＳ材料はＩｎ２Ｏ３を含むことができる。特定の実施形態においては、ｎ型ＭＯＳ材料はＩｎ２Ｏ３からなることができる。他の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、Ｃｏ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、又はこれらの組み合わせから選択することができ、ｎ型ＭＯＳ材料は、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、又はこれらの組み合わせから選択することができる。他の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料はＮｉＯを含まず、ｎ型ＭＯＳ材料はＩｎ２Ｏ３を含まない。
【００３１】
特定の実施形態においては、システムは、患者から採取した呼気サンプル中のＮＨ３の濃度を推定するように構成することができる。例えば、システムは、呼気サンプル中における、５０００ｐｐｂ以下（例えば、５０ｐｐｂ〜２，０００ｐｐｂの濃度、５０ｐｐｂ〜１，０００ｐｐｂの濃度、又は５０ｐｐｂ〜５００ｐｐｂの濃度）の濃度のアンモニアを検出及び／又は定量化するように構成することができる。システムは、患者から吐き出された呼気サンプルを受け取り、このサンプルをセンサデバイスに送達するように構成されたマウスピースを更に含むことができる。
【００３２】
データベースは、第１の電極と第２の電極との間の配線に沿って測定された抵抗を、感知素子と接触するガスサンプル中のＮＨ３の存在と相関させることができる。いくつかの実施形態においては、データベースは、測定された抵抗に基づいて、ガスサンプル中のＮＨ３の濃度の推定値を更に相関させることができる。特定の実施形態においては、データベースは、ＮＨ３の較正曲線を含むことができる。
【００３３】
いくつかの実施形態においては、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、測定された抵抗が、感知素子と接触する呼気サンプルにも存在するアンモニア以外のガス（例えば、ＣＯ、ＮＯ、炭化水素、又はこれらの組み合わせなどの干渉ガス）の存在によって影響を受けないように選択される。場合によっては、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、測定された抵抗が、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択される。特定の実施形態においては、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、測定された抵抗が、５０ｐｐｂ〜５ｐｐｍの、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択される。
【００３４】
いくつかの実施形態においては、感知素子は、第１の側面から対向する第２の側面までの長さを画定し、第１の側面は、第２の領域とは反対の第１の領域のエッジによって画定され、第２の側面は、第１の領域とは反対の第２の領域のエッジによって画定され、第１の領域に対する第１の電極の場所、及び第２の領域に対する第２の電極の場所は、配線が、感知素子と接触する呼気サンプル中のＮＨ３の存在を示す測定された抵抗を生成するために既定されている長さ方向において、ｐ型ＭＯＳ材料及びｎ型ＭＯＳ材料の合計量を包含するように選択される。既定の合計量は、測定された抵抗が、感知素子と接触するガスサンプルにも存在するアンモニア以外のガス（例えば、ＣＯ、ＮＯ、炭化水素、若しくはこれらの組み合わせなどの干渉ガス）、又はこれらの組み合わせの存在によって影響を受けないように選択され得る。場合によっては、既定の合計量は、測定された抵抗が、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択され得る。特定の実施形態においては、既定の合計量は、測定された抵抗が、５０ｐｐｂ〜５ｐｐｍの、１つ以上の芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、１つ以上の官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在によって影響を受けないように選択され得る。
【００３５】
いくつかの実施形態においては、センサデバイスは、第１の領域内に設置された第３の電極と、第２の領域内に設置された第４の電極と、第３及び第４の電極を相互接続する配線と、を更に含むことができる。第１及び第２の電極を相互接続する配線に沿って測定された抵抗と比較して、第３及び第４の電極を相互接続する配線に沿って測定された抵抗は、感知素子と接触する呼気サンプル中のＮＨ３の濃度を示す。
【００３６】
いくつかの実施形態においては、センサシステムは、データベースを維持し、配線と電気的に関連付けられたコントローラを更に含むことができる。コントローラは、データベースと、呼気サンプルの存在下でセンサデバイスによって生成された、複数の測定された抵抗値を受信するための命令と、及び複数の測定された抵抗に基づき、呼気サンプル中のＮＨ３の濃度を推定するための命令と、を格納するメモリを含むことができる。いくつかの実施形態においては、複数の測定された抵抗のうち第１のものは、それぞれ第１及び第２の領域中の対応する電極間の第１の距離に対応することができ、複数の測定された抵抗のうち第２のものは、それぞれ第１及び第２の領域中の対応する電極間の第２の距離に対応することができ、第１の距離は、第２の距離とは異なる。コントローラは、呼気サンプル中のＮＨ３を検出及び／又は定量化するために、適切な抵抗測定を行うための命令を格納するメモリを更に含むことができる。
【００３７】
システムは、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の進行のスコアを付与するための命令を格納するメモリを含むコントローラを更に含むことができる。このスコアは、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の進行又は重篤さを評価する数値スコアであり得る。あるいは、このスコアは、ヘリコバクター・ピロリ感染の二元指標であり得る（例えば、ヘリコバクター・ピロリ感染の存在を示す、「陽性」又は「陰性」指標）。一実施形態では、ヘリコバクター・ピロリ感染の進行のスコアを付与するための命令は、呼気サンプル中のＮＨ３の推定された濃度が５０ｐｐｂ〜４００ｐｐｂである場合、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の存在を示す「陽性」指標を提供し、呼気サンプル中のＮＨ３の推定された濃度が５００ｐｐｂ〜６００ｐｐｂである場合、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の不存在を示す「陰性」指標を提供する命令を含むことができる。
【００３８】
システムは、比較呼気サンプル中のＮＨ３を検出及び／又は定量化するために、適切な抵抗測定を行うための命令と、比較呼気サンプルの存在下でセンサデバイスによって生成された、複数の測定された抵抗値を受信するための命令と、並びに複数の測定された抵抗に基づき、比較呼気サンプル中のＮＨ３の濃度を推定するための命令と、を格納するメモリを含むコントローラを更に含むことができる。システムは、呼気サンプル中のＮＨ３の推定された濃度から比較呼気サンプル中のＮＨ３の推定された濃度を減算するための命令を格納するメモリを含むコントローラを更に含むことができる。これは、尿素の投与時の患者の呼気サンプル中のＮＨ３の濃度における正味の変化を測定するのに使用可能である。
【００３９】
場合によっては、システムは、尿素の投与時の患者の呼気サンプル中のＮＨ３の濃度における正味の変化に基づき、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の進行のスコアを付与するための命令を格納するメモリを含むコントローラを更に含むことができる。このスコアは、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の進行又は重篤さを評価する数値スコアであり得る。あるいは、このスコアは、ヘリコバクター・ピロリ感染の二元指標であり得る（例えば、ヘリコバクター・ピロリ感染の存在を示す、「陽性」又は「陰性」指標）。一実施形態では、ヘリコバクター・ピロリ感染の進行のスコアを付与するための命令は、尿素の投与時の患者の呼気サンプル中のＮＨ３の濃度における正味の変化が５０ｐｐｂ〜４００ｐｐｂである場合、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の存在を示す「陽性」指標を提供し、尿素の投与時の患者の呼気サンプル中のＮＨ３の濃度における正味の変化が５００ｐｐｂ〜６００ｐｐｂである場合、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の不存在を示す「陰性」指標を提供する命令を含むことができる。
【００４０】
所望により、コントローラは、呼気サンプル中のＮＨ３の推定された濃度、及び／又は尿素の投与時の患者の呼気サンプル中のＮＨ３の濃度における正味の変化に基づき、１つ以上の治療命令（例えば、１つ以上の治療オプション）を選択するための命令を格納するメモリを更に含むことができる。コントローラは、患者のヘリコバクター・ピロリ感染を診断するシステムを利用する人（例えば、患者及び／又は臨床医）にこれらの結果を出力するための命令を格納するメモリを含むことができる。このようにして、システムは、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の発生率及び／又は進行を評価する、臨床現場即時診断システム（point-of-care diagnostic system）として使用することが可能である。
【００４１】
患者のヘリコバクター・ピロリ感染の診断方法は、患者に尿素（例えば、非標識尿素）を投与することと、患者から呼気サンプルを採取することと、及び本明細書で説明されるセンサ及びシステムを使用して、呼気サンプル中のＮＨ３の濃度を測定することと、を含むことができる。一実施例では、呼気サンプル中のＮＨ３の濃度は、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の発生率及び／又は進行の評価専用に構成された、本明細書で説明されるシステムを使用して測定することができる。方法は、患者に尿素（例えば、非標識尿素）を投与するのに先立って、患者から比較呼気サンプルを採取することと、及び本明細書で説明されるセンサ及びシステムを使用して、比較呼気サンプル中のＮＨ３の濃度を測定することと、を更に含むことができる。これらの場合、この方法は、尿素の投与時の患者の呼気サンプル中のＮＨ３の濃度における正味の変化を測定するために、呼気サンプル中のＮＨ３の推定された濃度から比較呼気サンプル中のＮＨ３の推定された濃度を減算することを伴い得る。尿素の投与時の患者の呼気サンプル中のＮＨ３の濃度における正味の変化を使用して、患者のヘリコバクター・ピロリ感染の発生率及び／又は進行を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】３２０℃にてアニールされたＮｉＯ粉末のＸ線回折パターンのプロットである。
【図１Ｂ】センサ上のＮｉＯフィルムのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図１Ｃ】３２０℃にてアニールされたＮｉＯ粉末のＮｉ  ２ｐ（上）及びＯ  １ｓ（下）領域のＸＰＳスペクトルのプロットである。
【図２Ａ】３２０℃にてアニールされたＩｎ２Ｏ３粉末のＸ線回折パターンのプロットである。
【図２Ｂ】センサ上のＩｎ２Ｏ３フィルムのＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図２Ｃ】３２０℃にてアニールされたＩｎ２Ｏ３粉末のＮｉ  ２ｐ（上）及びＯ  １ｓ（下）領域のＸＰＳスペクトルのプロットである。
【図３】本明細書で説明されるセンサの作製に使用される多段階方法の略図である。
【図４Ａ】本明細書で説明されるセンサの概略図である。
【図４Ｂ】４本の金線（左）を備えた裸のセンサ基材、並びにＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３に隣接したセンサの写真である。
【図４Ｃ】センサのＳＥＭ画像の側面図である。
【図４Ｄ】３００℃、スキャン速度＝０．１Ｖ／秒での、２０％のＯ２／Ｎ２におけるＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３の界面を超えるＩ−Ｖ特性のプロットである。
【図５Ａ】ＮｉＯ（上）とＩｎ２Ｏ３（下）との間の界面のＳＥＭ画像である。
【図５Ｂ】ＮｉＯ側のラマンスペクトルである。
【図５Ｃ】Ｉｎ２Ｏ３側のラマンスペクトルである。
【図５Ｄ】Ｉｎ２Ｏ３側からＮｉＯ側へのマッピングによる積分ラマン強度のプロットである（Ｉｎ２Ｏ３：四角形マーカー付きの直線、ＮｉＯ：円形マーカー付きの破線）。
【図６Ａ】１ｐｐｍのＮＨ３に３００℃にて１０分の曝露時間で曝露した際（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）の、ＮｉＯのガス感知特性のプロットである。
【図６Ｂ】１ｐｐｍのＮＨ３に３００℃にて２分の曝露時間で曝露した際（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）の、ＮｉＯのガス感知特性のプロットである。
【図６Ｃ】１ｐｐｍのＮＨ３に５００℃にて１０分の曝露時間で曝露した際（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）の、ＮｉＯのガス感知特性のプロットである。
【図６Ｄ】１０ｐｐｍのＮＨ３に３００℃にて１０分の曝露時間で曝露した際（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）の、ＮｉＯのガス感知特性のプロットである。
【図７Ａ】１ｐｐｍのＮＨ３に曝露された３００℃でのＮｉＯのその場での赤外線スペクトルである。
【図７Ｂ】１０ｐｐｍのＮＨ３に曝露された３００℃でのＮｉＯのその場での赤外線スペクトルである。
【図７Ｃ】時間関数（分）としての、１ｐｐｍ（直線）及び１０ｐｐｍ（破線）のＮＨ３に対する１２６７ｃｍ−１バンドの相対的ピーク高さのプロットである。
【図８Ａ】３００℃での様々な濃度のＣＯの（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル１（ＣＨ１、Ｉｎ２Ｏ３）のガス感知特性を示すプロットである。
【図８Ｂ】３００℃での様々な濃度のＣＯの（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル２（ＣＨ２、ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図８Ｃ】３００℃での様々な濃度のＣＯの（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル３（ＣＨ３、Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図９Ａ】３００℃での様々な濃度のＮＯの（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル１（ＣＨ１、Ｉｎ２Ｏ３）のガス感知特性を示すプロットである。
【図９Ｂ】３００℃での様々な濃度のＮＯの（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル２（ＣＨ２、ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図９Ｃ】３００℃での様々な濃度のＮＯの（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル３（ＣＨ３、Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１０Ａ】３００℃での様々な濃度のＮＨ３の（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル１（ＣＨ１、Ｉｎ２Ｏ３）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１０Ｂ】３００℃での様々な濃度のＮＨ３の（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル２（ＣＨ２、ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１０Ｃ】３００℃での様々な濃度のＮＨ３の（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル３（ＣＨ３、Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１１Ａ】３００℃での様々な濃度のＮＨ３／ＣＯ混合物の（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル１（ＣＨ１、Ｉｎ２Ｏ３）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１１Ｂ】３００℃での様々な濃度のＮＨ３／ＣＯ混合物の（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル２（ＣＨ２、ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１１Ｃ】３００℃での様々な濃度のＮＨ３／ＣＯ混合物の（バックグラウンドとして２０％のＯ２／Ｎ２）、感知チャネル３（ＣＨ３、Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１２Ａ】３７℃の蒸気浴を利用した模擬の呼気システムを示す概略図である。
【図１２Ｂ】バックグラウンドとして呼気を用いたモイスチャートラップを利用した模擬の呼気システムを示す概略図である。
【図１２Ｃ】バックグラウンドとして空気を用いたモイスチャートラップを利用した模擬の呼気システムを示す概略図である。
【図１３Ａ】３７℃の蒸気浴を装備した模擬の呼気システムを使用して得た、３００℃での様々な濃度のＮＨ３を含む呼気サンプルの感知チャネル３（ＣＨ３、Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１３Ｂ】氷浴を装備した模擬の呼気システムを使用して得た、３００℃での様々な濃度のＮＨ３を含む呼気サンプルの感知チャネル３（ＣＨ３、Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１３Ｃ】ドライアイス／アセトニトリルモイスチャートラップを装備した模擬の呼気システムを使用して得た、３００℃での様々な濃度のＮＨ３を含む呼気サンプルの感知チャネル３（ＣＨ３、Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１３Ｄ】呼気サンプル（バックグラウンドとして使用されるスパイクＮＨ３無しの呼気サンプル）に加えた様々な濃度のＮＨ３の、感知チャネル３（ＣＨ３、Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ）の相対抵抗変化（Ｒ０／Ｒ）の較正曲線である。
【図１４Ａ】ドライアイス／アセトニトリルモイスチャートラップを装備した模擬の呼気システムを使用して得た、最初に、及び次いで、３００℃での様々な濃度のＮＨ３（１０〜１０００ｐｐｂ）でスパイクさせた呼気サンプルＢの感知チャネル３（ＣＨ３、Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ）のガス感知特性を示すプロットである。
【図１４Ｂ】呼気サンプルＢ（バックグラウンドとして空気）中の様々な濃度のＮＨ３の、感知チャネル３（ＣＨ３、Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ）の相対抵抗変化（Ｒ０／Ｒ）の較正曲線である。
【図１５】３７℃の蒸気浴を用いた３００℃での様々な濃度のＮＨ３を含む呼気サンプルの、全感知チャネル（ＣＨ１（Ｉｎ２Ｏ３）、ＣＨ２（ＮｉＯ）、ＣＨ３（Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ））のガス感知特性を示すプロットである。
【図１６】氷浴モイスチャートラップを用いた３００℃での様々な濃度のＮＨ３を含む呼気サンプルの、全感知チャネル（ＣＨ１（Ｉｎ２Ｏ３）、ＣＨ２（ＮｉＯ）、ＣＨ３（Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ））のガス感知特性を示すプロットである。
【図１７】ドライアイス／アセトニトリルモイスチャートラップを用いた３００℃での様々な濃度のＮＨ３を含む呼気サンプルの、全感知チャネル（ＣＨ１（Ｉｎ２Ｏ３）、ＣＨ２（ＮｉＯ）、ＣＨ３（Ｉｎ２Ｏ３−ＮｉＯ））のガス感知特性を示すプロットである。
【図１８Ａ】酸素バックグラウンドにおいて３００℃にてＮＨ３に曝露し、次いで室温まで冷却した、ＮｉＯの赤外線スペクトルのプロットである。
【図１８Ｂ】Ｎ２バックグラウンドにおいて３００℃にてＮＨ３に曝露し、次いで室温まで冷却した、ＮｉＯの赤外線スペクトルのプロットである。
【図１９】センサデバイス及びセンサシステムの概略図である。
【図２０】電極を含むセンサデバイス及びセンサシステムの概略図である。
【図２１】ＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３を含むセンサデバイス及びセンサシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
本明細書では、ｐ−ｎ半導電性酸化物ヘテロ接合を用いる、センサデバイス及び対応するセンサシステムを提供する。本明細書で説明されるデバイス及びシステムを使用して、ガスサンプル中のＮＨ３の量を検出及び／又は定量化することができる。場合によっては、本明細書で説明されるデバイス及びシステムを使用して、ＣＯ、ＮＯ、又はこれらの組み合わせなどの他のガスの存在下で、ガスサンプル中のＮＨ３の量を検出及び／又は定量化することができる。本明細書で説明されるセンサは、センサデバイスの感知素子を形成する、互いに隣接するよう配置されたｐ型材料及びｎ型材料を含む。この関連で、そのように構成されたセンサデバイスからデータを得るための技術は、ガス混合物からＮＨ３を識別するのを手助けすることができ、ＣＯ、ＮＯ、又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の干渉ガスの存在下で、ＮＨ３の検出及び／又は定量化することができるようにする。
【００４４】
場合によっては、このセンサ及びシステムを使用して、芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）又はこれらの組み合わせなどの１つ以上の炭化水素の存在下で、アンモニアを検出及び／又は定量化することができる。特定の実施形態においては、このセンサ及びシステムを使用して、芳香族炭化水素（例えば、トルエン、ｏ−キシレン、若しくはこれらの組み合わせ）、脂肪族炭化水素（例えば、ヘキサン、ペンタン、イソプレン、３−メチルペンタン、若しくはこれらの組み合わせ）、官能性有機化合物（例えば、アセトン、アセトニトリル、エチルアセテート、メチルビニルケトン、エタノール、２−メチルフラン、ヘキサナール、メタクロレイン、１−プロパノール、２−プロパノール、若しくはこれらの組み合わせ）、又はこれらの組み合わせ）などの１つ以上の炭化水素の存在下で、５０００ｐｐｂ以下の濃度の（例えば、５０ｐｐｂ〜２，０００ｐｐｂの濃度、５０ｐｐｂ〜１，０００ｐｐｂの濃度、又は５０ｐｐｂ〜５００ｐｐｂの濃度）アンモニアを検出及び／又は定量化することができる。
【００４５】
例示的なセンサデバイス（１０）を、図１９に概略的に図示する。センサデバイス（１０）は、ＭＯＳ感知素子に類似しているが、少なくとも２つの別々のＭＯＳ材料により形成された感知素子（１１）を含むことができる。すなわち、感知素子（１１）は、第１のｎ型ＭＯＳ材料領域（１２）、及び第２のｐ型ＭＯＳ材料領域（１４）を含む。ｎ型領域（１２）とｐ型領域（１４）との間に拡散ｐ−ｎ接合（１６）を設置することができる。ｎ型及びｐ型領域（１２、１４）は、互いに直接隣接するように形成され、ｐ−ｎ接合（１６）にて互いに接触することができる。電極又は他の電気的リード型ボディ（概して１７で識別される）は、選択的に又は恒久的に、領域１２、１４のそれぞれ内で、ノードに設置される、又は設置され得る（例えば、金マイクロスプリングアレイを備えた金電極（図示せず））。電気的接続（例えば、配線）は、選択された一対のそのように設置された電極又はノード（１７）の間に設置され得、図１９は、測定された抵抗ＲＰ、ＲＮ、及びＲＰＮとして、３つのあり得る接続を示す。ＲＰは、ｐ型領域（１２）内のみの２つのノード（１７）間の測定された抵抗を表す。ＲＮは、ｎ型領域（１４）内のみの２つのノード（１７）間の測定された抵抗を表す。ＲＰＮは、ｐ及びｎ型領域１２、１４の両方に及ぶ測定された抵抗を表す（例えば、図１９の電極１７ａ及び１７ｂ）。一実施形態では、プラットフォーム（図示せず）は、センサ要素（１１）を支持し、分析のために最適化された温度にて維持され得る。
【００４６】
センサデバイス（１０）は、本明細書で説明されるとおりセンサシステム（１８）の一部として提供され得る。センサシステム（１８）は、ガス又は他の対象物質が感知素子１１を横切るよう導くためのハウジング（図示せず）、所望の接続（例えば、ＲＰ、ＲＮ、ＲＰＮ）での導電性を確立及び測定するための電子回路、並びに測定された導電性シグナルを受信及び／又は解釈するためのコントローラ１９（例えば、コンピュータ、若しくは他の論理デバイス）などの、通常ＭＯＳ型ガスセンサシステムに用いられる構成要素を含むことができる。いくつかの実施形態においては、測定デバイス（例えば、マルチメータ）は、選択された接続（複数化）での抵抗を測定するコントローラ１９と別に設けることができ、後述のように解釈のためにコントローラ１９へと測定された抵抗値（複数可）を信号で知らせる。いくつかの実施形態においては、センサシステム１８は、それを通じてガスサンプルを導入する入口ポートを提供する手持ち式デバイスなどの単一ユニットとして提供され得る。それにもかかわらず、コントローラ１９は、測定された導電性シグナルに基づき、１つ以上の対象の検体（例えば、アンモニア）の存在及び量（例えば、ｐｐｍ又はｐｐｂにて）を測定するように更にプログラムすることができる。特定の実施形態においては、コントローラ１９は、センサデバイス１０を操作し、それによって生成されたデータを分析し、ヒトの呼気サンプル及び燃焼ガスサンプルを含む、種々のサンプルタイプ中のアンモニアの存在を検出し、かつ濃度を推定するようプログラムすることができる。他の実施形態においては、測定された抵抗の解釈の一部又は全部は、手動で行うことができ、それによって、コントローラ１９を任意であることができる。
【００４７】
ｐ型材料領域１２は、多数電荷キャリアである正孔により導電するｐ型ＭＯＳ材料を含む。一般に、酸化ガスの存在下で、ｐ型ＭＯＳ材料は、導電性の増加（又は、抵抗性の減少）を示す。還元ガスの存在下では、ｐ型ＭＯＳ材料により、反対の効果が一般に示される。しかし、ＮｉＯの場合には、低レベルのＮＨ３への曝露時に、抵抗の一時的な減少が、観測され得る。この効果は、本明細書で説明されるセンサのアンモニアに対する応答を増幅させるために利用することができる。ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含むことができる。特定の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ｐ型ＭＯＳ材料の総重量を基準として、少なくとも７５重量％のＮｉＯ（例えば、少なくとも８０重量％のＮｉＯ、少なくとも８５重量％のＮｉＯ、少なくとも９０重量％のＮｉＯ、少なくとも９５重量％のＮｉＯ、少なくとも９６重量％のＮｉＯ、少なくとも９７重量％のＮｉＯ、少なくとも９８重量％のＮｉＯ、又は少なくとも９９重量％のＮｉＯ）を含むことができる。特定の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯからなることができる。
【００４８】
ｎ型材料領域（１４）は、多数電荷キャリアが電子である、ｎ型ＭＯＳ材料を含む。一般に、酸化ガスとの相互作用により、ｎ型ＭＯＳ材料は、導電性の減少（又は、抵抗性の増加）を示す。還元ガスの存在下では、ｎ型ＭＯＳ材料により、反対の効果が示される。ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含むことができる。特定の実施形態においては、ｎ型ＭＯＳ材料は、ｎ型ＭＯＳ材料の総重量を基準として、少なくとも７５重量％のＩｎ２Ｏ３（例えば、少なくとも８０重量％のＩｎ２Ｏ３、少なくとも８５重量％のＩｎ２Ｏ３、少なくとも９０重量％のＩｎ２Ｏ３、少なくとも９５重量％のＩｎ２Ｏ３、少なくとも９６重量％のＩｎ２Ｏ３、少なくとも９７重量％のＩｎ２Ｏ３、少なくとも９８重量％のＩｎ２Ｏ３、又は少なくとも９９重量％のＩｎ２Ｏ３）を含むことができる。特定の実施形態においては、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３からなることができる。
【００４９】
他の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯ、Ｃｏ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、又はこれらの組み合わせから選択することができ、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、又はこれらの組み合わせから選択することができる。特定の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、Ｃｏ３Ｏ４、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ３Ｏ４、又はこれらの組み合わせから選択することができ、ｎ型ＭＯＳ材料は、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、又はこれらの組み合わせから選択することができる。特定の実施形態においては、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含まない。特定の実施形態においては、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含まない。一実施形態では、ｐ型ＭＯＳ材料は、ＮｉＯを含まず、ｎ型ＭＯＳ材料は、Ｉｎ２Ｏ３を含まない。
【００５０】
ｐ型領域ＲＰ、ｎ型領域ＲＮ、及びｐ−ｎ接合ＲＰＮにおいて測定された導電性は、ＮＨ３などのガスへの曝露時に、導電性の様々な変化が、これらの領域のそれぞれに予期されるので、アンモニアなどの特定のガスの存在及び量を測定するために評価され得る。シグナル分析は、種々の形態であることができ、ｐ型領域及びｎ型領域内の様々なノードにて多数のｐ−ｎ接合測定値を得ることを含み得る。例えば、図２０は、センサデバイス１０に沿った、リード又はノード（及び対応する電気的接続又は配線）の代替的配置を示し、キャンセルの概念に基づいて、検体識別の基本を更に説明する手助けをする。ｐ型領域１２内のｐ型材料、及びｎ型領域１４内のｎ型材料の適切な組合せにより、ｐ型領域１２内のＲＰ１（２６）、ＲＰ２（３０）、ＲＰ３（３２）、ＲＰｎ（３４）での電極又はノードからのリード線の１つ、及びｎ型領域１４内のＲＮ１（３６）、ＲＮ２（４０）、ＲＮ３（４２）、ＲＮｎ（４４）での電極又はノードからの他のリード線を使用し、検体シグナルは、完全に減少し得、特定の検体についての空白応答（null response）として扱われ得る。したがって、異なるタイプの検体分子は、特有の空白応答間隔を有する。例えば、第１の検体は、ＲＰ１（２６）及びＲＮ１（３６）間の空白応答間隔を有し得、第２の（異なる）検体は、ＲＰ２（３０）及びＲＮ２（４０）間の空白応答間隔を有し得るなどである。
【００５１】
上記を念頭に置いて、空白応答データは、特定の検体に特有のものである「フィンガープリント」署名として使用することが可能であるという点に留意すべきである。したがって、盲検試験において、センサ及びシステムは、「フィンガープリント」署名技術を使用して、検体の同一性を明らかにすることができる。例えば、コントローラ１９（図１９）は、種々の検体及びこれらの対応する以前に測定された空白応答データのデータベースを含むようプログラムすることができ、コントローラ１９は、データベースを用いて試験される未知の検体の導電性情報（例えば、空白間隔データ）を比較することができ、この未知の検体を識別する。
【００５２】
これらの原理を念頭に置いて、ＮｉＯをｐ型材料として、及びＩｎ２Ｏ３をｎ型材料として組み込んだ例示的なアンモニアセンサを、図２１に概略的に図示する。センサデバイス５０は、ＮｉＯのｐ型材料５２及びＩｎ２Ｏ３のｎ型材料５４を含むものとして概略的に図示され、驚くべきことに、非常に高いＮＨ３感度、並びにＣＯ及びＮＯに対する識別性を有することが分かる。電極配線は、ｐ型材料５２内の電極又はノード５６及び５８から伸長するものとして、並びにｎ型材料５４内の電極又はノード６０及び６２から伸長するものとして、図示される。チャネル１、２、及び３（「ＣＨ１」〜「ＣＨ３」）６４、６６、６８が、それぞれ、電極６０の配線と電極６２の配線との間、電極５６の配線と電極５８の配線との間、及び電極５６の配線と電極６２の配線との間に、図示される。
【００５３】
チャネル６４〜６８それぞれにて測定された抵抗は、ＮＨ３、ＮＯ、又はＣＯの存在下で異なり、ＮＨ３、ＮＯ、又はＣＯ濃度の関数として変化する。例としては、図８Ａは、２０％のＯ２／Ｎ２と種々の濃度のＣＯ（１、３、及び１０ｐｐｍのＣＯ）との組合せに応答してチャネル１  ６４から得られた、測定された抵抗のプロットである。１、３、及び１０ｐｐｍのＣＯ濃度で、抵抗の減少が観測され、より高い濃度では、シグナルの漸進的な減少を示した。図８Ｂは、２０％のＯ２／Ｎ２と種々の濃度のＣＯ（１、３、及び１０ｐｐｍのＣＯ）との組合せに応答してチャネル２  ６６から得られた、測定された抵抗のプロットである。１、３、及び１０ｐｐｍのＮＯ濃度で、抵抗の増加が観測され、より高い濃度では、シグナルの漸進的な増加を示した。図８Ａ及び図８Ｂは、２０％のＯ２／Ｎ２と種々の濃度のＣＯ（１、３、及び１０ｐｐｍのＣＯ）との組合せに応答してチャネル３  ６８から得られた、測定された抵抗のプロットを示す図８Ｃと対比することができる。１及び３ｐｐｍでのＣＯシグナルは、完全に空白であり、１０ｐｐｍのＣＯでは非常に小さいシグナルが観測される。ＮＯでも同様の結果が得られた（図９Ａ〜図９Ｃ参照）。
【００５４】
ＮＨ３の場合には（図１０Ａ〜図１０Ｃ参照）、短いパルスのサンプルガス（例えば、２分の長さ）を使用した場合、１ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、及び０．１ｐｐｍのＮＨ３濃度で３つのチャネル全てから抵抗の減少が観測され、より高い濃度では、シグナルの漸進的な減少を示した。重要なことに、非常に低濃度（例えば、１００ｐｐｂ）のＮＨ３であっても、応答は、チャネル３  ６８に対して有意なままである。ＮＨ３に曝露したときの応答は、実施例１により詳細に記載されているように、センサを比較的短い時間、ＮＨ３に曝露することにより高まった。例えば、センサは、３０秒〜５分の間（例えば、１〜３分、又は約２分間）、ＮＨ３に曝露することができる。センサをＮＨ３に短時間曝露することにより、ＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３の両方（チャネル１及び２）は、抵抗の減少を示すため、両酸化物を組み合わせる感知データ（チャネル３）は、ＮＨ３からの応答を増幅する相加効果を示し（図１０Ａ〜図１０Ｃ）、一方ＣＯ及びＮＯでは、反対の応答により、シグナルのキャンセルをもたらす（図８Ａ〜図８Ｃ、図９Ａ〜図９Ｃ）。この方策により、図１１Ａ〜図１１Ｃに示すように、ＣＯ（及び／又はＮＯ、及び／又は炭化水素）の存在下で、＜１０００ｐｐｂの濃度（例えば、５０ｐｐｂ〜１０００ｐｐｂ）のＮＨ３の検出及び／又は定量化が可能となる。
【００５５】
上記の説明を念頭に置いて、センサデバイス（及び対応するセンサシステム）を使用して、上記のように、ＣＯ及び／又はＮＯ及び／又は炭化水素の存在を識別することを含めて、ＮＨ３の存在及び濃度を効果的に感知することができる。
【００５６】
後述のように、本開示の特定の実施形態に従うＮＨ３センサデバイスの非限定的例が構築され、ヒトの呼気中のＮＨ３を感知することを含む、ＮＨ３の感知における実行可能性を確認するために試験が行われた。
【実施例】
【００５７】
実施例１：ｐ−ｎ半導電性酸化物ヘテロ構造を使用した、十億分の一濃度のアンモニアの選択的検出
低レベルのアンモニアの検出は、環境、燃焼、及び健康関連の用途に関連する。抵抗性半導電性金属酸化物感知プラットフォームは、アンモニア及び他のガス検出に使用することができる。ガス感知の２つの重要な態様は、感度及び選択性を高めることである。３０μｍの界面を共有する、並んで配置されたｎ型Ｉｎ２Ｏ３及びｐ型ＮｉＯを備えたセンサプラットフォームを調査した。これらの金属酸化物が配置された基材は、Ｉｎ２Ｏ３、ＮｉＯ、又は両酸化物の任意の組み合わせにわたる抵抗の変化を測定することを可能にする。低濃度のＮＨ３（＜１００ｐｐｂ）では、ＮｉＯによる抵抗の変化は、３００℃では異常であり、抵抗は減少し、続いて、再度減少しベースラインに届く前に、徐々に数十分以上かけて上昇する。その場での拡散反射赤外分光法は、１２６７ｃｍ−１にバンドを示し、これは、Ｏ２−に割り当てられており、このバンドの経時的な強度変化は、１ｐｐｍのＮＨ３の３００℃での抵抗の一時的な変化を反映しており、ＮＨ３の化学吸着がＯ２−種と相関していることを示している。ＮＨ３によるＮｉＯの一時的な抵抗の減少を利用し、かつＩｎ２Ｏ３及びＮｉＯを組み合わせることにより、１００ｐｐｂという低濃度のＮＨ３に対する選択性を高めることが可能になった。ＣＯ、ＮＯｘ、及び湿度への干渉が研究された。両酸化物の好適な組み合わせを選択することにより、＜１０ｐｐｍのＣＯへの応答を打ち消すことができた。同様に、＜１０ｐｐｂのＮＯでは、極小のセンサ応答があった。センサは、１０〜１０００ｐｐｂの濃度にてヒトの呼気と混合したＮＨ３を分析するために使用された。水は、ＮＨ３化学吸着化学作用に干渉したため、水は、モイスチャートラップを介して呼気から完全に除去されなければならなかった。呼気分析におけるこのセンサプラットフォームの潜在用途について、議論する。
【００５８】
本明細書では、呼気分析に適用可能なｐｐｂ感度を備えたアンモニアセンサを調査した。
【００５９】
導入
アンモニア（ＮＨ３）の測定方法は、環境、燃焼、及び健康関連の産業に関連する。大気中のアンモニアは、農業（窒素固定、アンモニア化成）、並びに冷却及び肥料の開発に伴う化学工業からの排出を含む人為起源の発生源から主に発生する。アンモニアは、催涙性ガスであり、高濃度（〜１０００ｐｐｍ）のアンモニアを吸入すると、喉頭けいれんを引き起こし、気管支拡張症の原因となる場合がある。したがって、環境アンモニアモニタが必要とされている。輸送業界も、排気物質、客室の空気品質管理、及び排気ガス後処理に窒素酸化物とアンモニアとの反応を含む、新世代の希薄燃焼エンジンからアンモニアを測定することに興味を持っている。アンモニアは、ヒトの体内でも製造され、吐き出されたヒトの呼気中のアンモニアのモニタリングは、（例えば、病気診断のため）健康管理セットにおける潜在用途を有する。一例として、呼気アンモニア測定を使用して、肝臓及び腎臓の機能不全、ヘリコバクター・ピロリ感染、並びに口臭を含む、いくつかの疾患を調査することができる。アンモニア検出がこれらの用途に関連する濃度範囲は、０．１ｐｐｍ（健康）〜数百ｐｐｍ（環境）の範囲である。
【００６０】
光学分光法、電気化学、及び湿式化学法を含む、様々な測定原理が、アンモニアの検出に適用されている。特に難しい用途は、ヒトの呼気中のアンモニアの検出である。調整可能ダイオードレーザ吸収分光法は、呼気中のアンモニアの検出に使用されており、検出限界が１ｐｐｍである。量子カスケードレーザダイオードは、４ｐｐｂという低濃度のアンモニアを測定することができた。他の方策には、水晶振動子マイクロバランス、及び液膜導電性センサの使用を含む。導電性ポリマー接合に基づいたセンサは、ヒトの呼気中のｐｐｂアンモニアを検出することができ、ｐ−ｎヘテロ接合ポリアニリン−ＴｉＯ２センサは、ｐｐｔ感度を有すると報告されている。質量分析法も、ｐｐｂレベル以上のアンモニアを測定することができる。アンモニアを測定するための機器は、多くの場合、かさばり、微小化したセンサを得るためのドライブがある。
【００６１】
固体状電気化学センサが、アンモニアをモニタリングするために開発されてきた。この技術は、高感度、選択性、及び高速な応答時間が可能であるため、魅力的である。加えて、これらのデバイスは、低消費電力、軽量、低管理費用、過酷な環境許容性、及び携帯性の利点を有する。アンモニア用の抵抗性半導電性金属酸化物センサに関する論文は、数多くある。これらのデバイスの動作原理は、電荷移動を生じさせる酸化物の表面上のガス分子の吸着と関連しており、結果として、酸化物の抵抗が変化する。ｎ型ＷＯ３、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＭｏＯ３、及びｐ型Ｃｒ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＣｕＯなどの半導電性金属酸化物が、ＮＨ３を検出するための感知材料として研究されてきた。感度及び選択性を促進するため、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｕ、及びＡｇのような貴金属が金属酸化物に導入されてきた。これらのうち、ＭｏＯ３系センサは、ヒトの呼気中のアンモニアを測定するために開発されてきた。
【００６２】
しかし、環境中、最適化燃焼プロセス中、及びヒトの呼気中の低濃度のアンモニアを測定することができる、電気化学センサプラットフォームを開発することは、依然として難しい。ｐｐｂ感度、より高い濃度で存在する他のガスに対する識別性、並びに燃焼の場合には、過酷な環境を許容する能力、及び他の排気ガスに無感応である必要性がある。
【００６３】
ｐ−及びｎ−半導電性酸化物の混合物は、センサ性能を向上することができる。例としては、Ｃｏ検出のためのアナターゼ／ルチル、ＮＨ３検出のためのＺｎＯ／ＮｉＯ、エタノール検出のためのＩｎ２Ｏ３／ＮｉＯ、及びＨ２Ｓ検出のためのＣｕＯ／ＳｎＯ２が挙げられる。これらの設計は、ｐ−及びｎ−粉末の混合物、又はｎ型粉末上で成長したｐ型材料であり、逆もまた同様である。加えて、ＷＯ３及びＺｎＯなどの粉末を混合することにより調製したアイソタイプヘテロ接合も、選択的ガス感知性を示す。
【００６４】
本明細書では、金マイクロスプリングアレイ上に堆積した、ｐ型ＮｉＯ及びｎ型Ｉｎ２Ｏ３の隣接する配列を含む、センサデバイスを提供する。この半導体ヘテロ接合構造は、ｐｐｂレベルの一酸化窒素、及び著しく高いｐｐｍ濃度の一酸化炭素を識別しながら、ｐｐｂレベルのアンモニアの検出に使用することができる。ヒトの呼気サンプル中のアンモニアの検出の潜在用途も実証され、将来の呼気モニタリングデバイス中へのこのセンサプラットフォームの適用を示唆している。
【００６５】
実験
化学物質及び材料
インジウム（ＩＩ）酸化物（９９．９９％、金属含有率、約３２５メッシュ粉末）、ニッケル（ＩＩ）酸化物（９９．９９８％、金属含有率）、アルファ−テルピネオール（９６％）、金線（０．１２７ｍｍ線径、９９．９９％）を、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ（米国、ワードヒル）から購入した。金マイクロスプリングアレイを備えたプラスチック基材を、ＦｏｒｍＦａｃｔｏｒ，Ｉｎｃ．（米国）から入手した。くし形電極を、ケース・ウェスタン・リザーブ大学から入手した。窒素、酸素、アンモニア、及び一酸化炭素を含む全ての試験ガスは、Ｐｒａｘａｉｒ（米国、ダンベリー）により供給された。
【００６６】
センサ製造
センサ製造の手順を、図３Ａ〜図３Ｄ及び図４Ａ〜図４Ｄに示す。プラスチック基材を、エタノール及び蒸留水で洗浄した。金線を、基材上の金マイクロスプリングと接続した。市販の粉末を、使用前に完全に粉砕した。１ｇのＮｉＯ粉末を、０．４ｍＬのテルピネオール中に分散させ、濃厚スラリーにブレンドした。８０ｍｇの得られたＮｉＯスラリーを、基材の左側に均一に塗布した。次いで、１ｇのＩｎ２Ｏ３粉末を０．４ｍＬテルピネオールと共に混合し、２０ｍｇのスラリーを共通の界面を備えて基材の右側に塗布した。４つの金マイクロスプリングの縦線によって分けられた領域によれば、そのように作製された２つの半導体の面積比は、基材表面（１７．５ｍｍ×４．５ｍｍ）上で１４：４となった。基材は、異なる距離でいくつかのリードを有するように設計されたので、異なる長さの酸化物にわたる抵抗が測定され得る。試験前に、センサを空気中で３２０℃にて２時間焼成し、Ｎ２中に２０％のＯ２が流れる３００℃の環状炉内で一晩保持した。ポリマー基材を３５０℃にて分解したので、０．２５ｍｍ間隔のくし形金線を備えた１０×１０ｍｍのアルミナ基材を、高温測定に使用した。３２０℃にて空気中で２時間焼成した後、半導体層は、通常約２００μｍ厚であった（後述）。
【００６７】
特性決定
金属酸化物の相及び結晶化度は、Ｂｒｕｋｅｒ  Ｄ８  ＡｄｖａｎｃｅＸ線回折計により分析した。センサの表面形態は、Ｑｕａｎｔａ  ２００走査型電子顕微鏡により調査した。金属酸化物の化学状態は、モノＡｌ源を備えたＫｒａｔｏｓＸ線光電子分光計により検査した。電流電圧測定は、ＣＨＩ７６０Ｄ電気化学ワークステーション上で行った。ガス−固体相互作用は、拡散反射アクセサリと一体となったＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ４００  ＦＴＩＲ分光計により研究した。界面のラマンマッピングは、Ｒｅｎｉｓｈａｗ−Ｓｍｉｔｈｓラマンマイクロプローブ上で行った。
【００６８】
ガス感知測定
全てのガス感知実験は、較正されたマスフローコントローラ（Ｓｉｅｒｒａ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＩＮＣ．）を備えたＰＣ制御ガスデリバリーシステムを用いて、３００℃にて環状炉（Ｌｉｎｄｂｅｒｇ／Ｂｌｕｅ）の中に設置された石英管の中で行った。２０体積％の一定酸素含有量の、異なる濃度のＮＨ３を含有する試験ガス混合物は、ＮＨ３をＯ２及びＮ２で希釈することにより調製した。合計流速は、２００ｃｍ３／分で維持した。センサの抵抗は、Ａｇｉｌｅｎｔ  ３４９７２Ａ  ＬＸＩデータ収集／スイッチユニット、又はＨＰ３４９７０Ａにより、０．１Ｈｚのスキャン速度で記録した。
【００６９】
ヒト呼気感知測定
微量のアンモニアガスを含むヒトの呼気をシミュレートするシステムが開発された。このシステムは、吐き出されたヒトの呼気サンプルを含有するマイラバッグと、アンモニアガスシリンダと、を含む。生理学的に関連する濃度の微量アンモニアガスは、マイラバッグからの呼気サンプル、及びアンモニア供給のそれぞれの流速を制御することによって決定した。合計流速は、２００ｃｍ３／分で維持した。３つのセットアップが設計された。第１のセットアップは、ＮＨ３と呼気サンプルとの混合物中の湿度を一定に保つために、３７℃の水蒸気浴を使用した。第２のセットアップは、呼気とＮＨ３との混合物中の湿気を完全に除去するために、−２０〜−２５℃に維持したドライアイス／アセトニトリル浴を使用し、また湿気を除去するために、氷浴を使用した。これらのセットアップの両方では、呼気サンプルをバックグラウンドとして使用し、ＮＨ３は、増加濃度でサンプル中に急激に増大させた。第３のセットアップでは、空気をバックグラウンドとして使用し、呼気サンプルを測定し、次いで、ますます多くの量のＮＨ３を−２０〜−２５℃にてモイスチャートラップを通る全てのガスに添加した。
【００７０】
結果
特性決定
この研究の対象である２つの半導電性酸化物ＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３は、民間の供給元から入手した。詳細な特性決定は、それぞれ３２０℃にてアニールされたＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３について図１Ａ〜図１Ｃ及び図２Ａ〜図２Ｃに提示された。
【００７１】
ＮｉＯ：Ｘ線回折（X-ray diffraction、ＸＲＤ）パターン（図１Ａ）は、ＮｉＯの等軸晶系構造に特有である（ＪＣＰＤＳ  Ｎｏ．０４−０８３５）。走査型電子顕微鏡（図１Ｂ）は、約２００〜３００ｎｍの粒子直径を示唆する。Ｏ  １ｓ領域（図１Ｃ）のＸ線光電子分光（X-ray photoelectron spectroscopy、ＸＰＳ）は、格子酸素（Ｏ２−、結合エネルギ５２９．４ｅＶ）、ヒドロキシル基（結合エネルギ５３１ｅＶ）、及び強く化学吸着された酸素（５３３ｅＶ）の存在を示唆する。ニッケル２ｐ３／２領域では、８５３．７でのピークは、ＮｉＯ６バルククラスターに対応し、８５５．８ｅＶでのピークは、酸素でスクリーニングされた表面ＮｉＯ５、及びＮｉＯ６とＮｉＯ５の非局所的第２の隣接スクリーニングに対応する。サテライト領域は、８６１．０ｅＶ及び８６４．５ｅＶでの２つのピークに適合した。
【００７２】
Ｉｎ２Ｏ３：図２Ａに示すＩｎ２Ｏ３のＸＲＤパターンは、等軸晶系結晶構造を示す（ＪＣＰＤＳ  Ｎｏ．０６−０４１６）。ＳＥＭ顕微鏡写真（図２Ｂ）からの粒子寸法は、＜１００ｎｍである。ＸＰＳ（図２Ｃ）は、Ｉｎ３＋に典型的な、Ｉｎの３ｄ５／２及び３ｄ３／２状態に対応する、４４４．７及び４５２．２ｅＶの２つのピークを示す。Ｏ  １ｓスペクトルは、５３０．２及び５３２．０ｅＶの２つのピークが非対称であり、前者は酸素格子状態に対応し、５３２．０ｅＶでの広いエンベロープは、酸素欠乏−領域（空位）の酸素イオンに対応する。
【００７３】
センサ特性
設計：図３は、センサ設計に含まれるステップの概略を示し、図４Ａ〜図４Ｄは、センサの特性を示す。２つの酸化物は、プラスチック基材上に互いに隣接して配置され、共通の界面を共有する。基材設計は、様々な長さの金属酸化物にわたって抵抗を測定することを可能にする（ＣＨ１はＩｎ２Ｏ３、ＣＨ２はＮｉＯ、及びＣＨ３は両酸化物の組み合わせと定義され、この組み合わせの選択は、同一サンプル上で容易に変更される）。図４Ｂは、酸化物コーティングが有り及び無しの、センサの写真を示す。金線を抵抗測定に使用する。図４Ｃは、酸化物フィルムが約２００μｍ厚であることを示す、センサの側面図を示す。これらのデバイスは、３００℃にて測定を行う前に、３２０℃にて空気中で２時間加熱される。図４Ｄは、３００℃での電流電圧（Ｉ−Ｖ）プロットであり、粉末の拡散混合について予想されるとおり、整流作用がないことを示す直線関係を示す。
【００７４】
微小構造：図５Ａは、ＮｉＯ／Ｉｎ２Ｏ３界面の上面図ＳＥＭを示す。センサのＮｉＯ側は、５００、７４０、９００、及び１０９０ｃｍ−１のラマンバンドを特徴とし（図５Ｂ）、５００及び１０９０ｃｍ−１の最強のバンドが、それぞれ、第１及び第２のオーダーの縦方向の光学的モードに対応する。Ｉｎ２Ｏ３側では、３０７、３６６、４９４、及び６２７ｃｍ−１にて観測されるバンド（図５Ｃ）は、先行する文献と一致する。ラマンスペクトルを、界面を横切り１８０μｍの長さに沿って記録し、ＮｉＯ（５００ｃｍ−１）及びＩｎ２Ｏ３（３０７ｃｍ−１）のラマンバンドの強度を、図５Ｄにプロットした。約３０μｍの距離にわたり、界面上に、２つの酸化物が混在している。
【００７５】
電気特性
図６Ａは、３００℃にて１ｐｐｍのＮＨ３に曝露した後のＮｉＯの抵抗変化のプロットである。ガスパルスをオンにすると、抵抗が減少し、続いてゆっくりと増加する。１０分後にガスパルスをオフにした後、抵抗は、１０分間増加し続け（ベースラインを横切る）、続いて、２５分にわたり、ゆっくりとベースラインまで減少する。図６Ｂは、ＮＨ３ガスパルスが、３００℃にて２分間のみオンになる場合、抵抗の減少のみが観測され、応答及びベースラインへの回復の両方は、比較的迅速に（数分）発生することを示す。特に指示がない限り、後述の全ての感知試験では、２分間の曝露が使用された。５００℃の温度では、１ｐｐｍのＮＨ３は、抵抗増加を記録する（図６Ｃ）。図６Ｄは、３００℃にて１０ｐｐｍのＮＨ３に対する抵抗の増加を示す。
【００７６】
赤外分光法
ＮｉＯ表面の赤外分光法は、３００℃でＮＨ３に曝露して検査した。図７Ａは、１〜１０ｐｐｍのＮＨ３による変化が観測された、１２２０〜１３２０ｃｍ−１スペクトル領域に注目する。高濃度のＮＨ３（１００ｐｐｍ）では、酸素の存在下で、３２２０ｃｍ−１のバンドが観測された（図１８Ａ〜図１８Ｂ）。ＮｉＯサンプル上を通過するＮ２では、１２００〜１３００ｃｍ−１領域にはバンドがないが（図７Ａ）、バックグラウンドガス中に２０％の酸素があると、１２６７ｃｍ−１のバンドが現れる。１ｐｐｍのＮＨ３では、このバンド中で初期の増加があり（１０分）、続いて、徐々に減少し（３０分）、これは２０％のＯ２でＮＨ３を除去すると逆転する。図７Ｂは、１０ｐｐｍのＮＨ３によるスペクトル変化を示し、経時的に１２６７ｃｍ−１のバンドの強度が減少する。図７Ｃは、１及び１０ｐｐｍのＮＨ３での１２６７ｃｍ−１バンドの積分強度対時間のプロットである。１２６７ｃｍ−１の強度の増加は、１ｐｐｍのＮＨ３で明白であるが、１０ｐｐｍでは、強度増加はそれほど明確ではないが、このバンドの経時的な強度の減少はよりはっきりとしている。抵抗変化（図６Ａ）及び１２６７ｃｍ−１ピークの強度（図７Ａ）における同様の傾向について、以下でより詳細に述べる。
【００７７】
感知特性
一酸化炭素：全ての感知試験は、検体ガスの２分パルスを用いて行われた。図８Ａ〜図８Ｃは、ＣＯ（１０、３、１ｐｐｍ）のパルスに対する統合ＮｉＯ−Ｉｎ２Ｏ３センサ（図４Ａ〜図４Ｂ）の挙動を示す。Ｉｎ２Ｏ３（ＣＨ１、図８Ａ）、ＮｉＯ（ＣＨ２、図８Ｂ）、及びＩｎ２Ｏ３−ＮｉＯ組み合わせ（ＣＨ３、図８Ｃ）を含む３つのチャネルにわたる抵抗を示す。ＣＯの場合、Ｉｎ２Ｏ３は、抵抗の減少（ｎ型挙動）を、ＮｉＯは、抵抗の増加（ｐ型挙動）を示す。両酸化物の適切な封入により、ＣＯの存在下での抵抗の変化は、著しく低減される。
【００７８】
一酸化窒素：図９Ａ〜図９Ｃは、５及び１０ｐｐｂのＮＯを用いたデータを示す。ＣＯの応答と同様に、ＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３は、反対の応答を示す（図９Ａ〜図９Ｂ）が、しかしＮＯは電子受容体であるため、ＣＯと比較して、抵抗変化の方向は逆転する。それにもかかわらず、２つの金属酸化物が組み合わされた場合（ＣＨ３）、ＮＯの応答は最小になる（図９Ｃ）。
【００７９】
アンモニア：図１０Ａ〜図１０Ｃに示すような、２分パルスに対して、ＮＨ３（１ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ）をオンすると、Ｉｎ２Ｏ３及びＮｉＯの両方は、抵抗の減少を示し、両酸化物が含まれる場合、１００ｐｐｂでのシグナルでさえも有意に残る。
【００８０】
ガス混合物：これらの実験は、ガスの２分パルスを用いて、ガス流中でＮＨ３及びＣＯの両方で繰り返された。図１１Ａ〜図１１Ｃは、その結果を示す。Ｉｎ２Ｏ３の場合、ＮＨ３（０．１、０．５、１ｐｐｍ）は、抵抗の減少を引き起こす（ＣＨ１、図１１Ａ）。ＣＯ（１、３、１０ｐｐｍ）がＮＨ３に含まれている場合、ＮＨ３シグナルは、圧倒される（ＣＨ２、図１１Ｂ）。ＣＯがガスパルスに含まれている場合に抵抗の増加が観測されることを除いて、ＮｉＯでも同様の状況が存在する。しかし、ＮｉＯ−Ｉｎ２Ｏ３チャネルの組み合わせからのシグナル（ＣＨ３、図１１Ｃ）は、ＮＨ３のシグナルのみを示し、ＣＯの効果は、濃度がＮＨ３より１００倍高い場合であっても、無効になる。
【００８１】
ヒトの呼気サンプル
３組の実験が、ヒトの呼気サンプルを用いて行われ、図１２Ａ〜図１２Ｃにて概略的に表される。
【００８２】
バックグラウンドとして呼気を使用：マイラバッグに呼気サンプルを収集した。これらのサンプルを、マスフローコントローラにより、１０、５０、１００、５００、１０００ｐｐｂのＮＨ３とそれぞれ独立して混合し、これらのサンプルを、組み合わせたＮｉＯ−Ｉｎ２Ｏ３センサを使用して分析した（ＣＨ３）。これらの実験では、バックグラウンドシグナルは、呼気のシグナルのみであり、続いて、ガス混合物中のＮＨ３を導入した。第１の実験では、９３％の測定された相対湿度で、３７℃の水蒸気で呼気を平衡化することを含み（図１２Ａ）、続いて、感知測定を行った。第２の実験では、呼気を氷浴に通すことにより、湿度を３０％にすることを含んだ（図１２Ｂの装置を使用）。第３の実験では、呼気を−２０〜２５℃にてモイスチャートラップに通すことにより、湿度を０％にすることを含んだ（図１２Ｂ）。結果として得られた、ＣＨ３を使用した感知データを、図１３Ａ〜図１３Ｄに示す（図１５〜図１７は、全チャネルのデータを示す）。両湿潤サンプル（図１３Ａ〜図１３Ｂ）では、ＮＨ３に対する応答がよくなかった。水の存在は、ＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３の両方において、特に前者の（図１５）、ＮＨ３の感知シグナルに影響し、ＮＨ３によって抵抗の増加を示すＮｉＯでは、乾燥ガスを用いた観測結果とは反対になる（図１０Ａ〜図１０Ｃ）。ＮＨ３（ｂｐｔは３３．７℃）と混合した呼気サンプルを−２０℃のトラップに通して、スパイクしたＮＨ３の予想されるシグナルが実現された（図１３Ｃ）。呼気サンプルの較正曲線を図１３Ｄに示し、濃度増加に伴う飽和を示す。
【００８３】
バックグラウンドとして空気を使用：別の組の実験では、空気をバックグラウンドとして使用し（図１２Ｃ）、呼気サンプルをＣＨ３を使用して測定した（全サンプルは、−２０〜−２５℃にてドライアイストラップに通す）。図１４Ａは、呼気単独で、シグナルを提供するが、このシグナルを引き起こす種は確認することができないことを示す。しかし、図１４Ａに示すように、呼気をＮＨ３と混合すると、シグナルの増加があった。このような標準添加実験は、このセンサがＮＨ３を検出していることを明確に示す。バックグラウンド呼気シグナルを、１のＲｏ／Ｒへと正規化し、スパイクしたＮＨ３により増加したシグナル（Ｒｏ／Ｒとして測定）を、図１４Ｂに示す。
【００８４】
考察
この明細書で説明されるセンサの実用的な用途を実証するために、ヒトの呼気サンプルを原理証明サンプルとして利用した。ヒトの呼気における、ほぼｐｐｂレベルのＮＨ３の検出は、種々の病気の診断に有用であり得る。ヒトの呼気におけるＣＯ及びＮＯの典型的なレベルは、それぞれｐｐｍ及びｐｐｂレベルである。この研究の成果は、ｐｐｍレベルのＣＯ及びｐｐｂレベルのＮＯに対する選択性を有し、低濃度（＜１０００ｐｐｂ）のＮＨ３を検出することができるセンサである。
【００８５】
センサ設計では、ｐ及びｎ型半導電性酸化物の混合物だが、共通の界面で物理的に分離されている混合物を用いる（図３、及び図４Ａ〜図４Ｄ）。分離したｐ及びｎ酸化物により、粉末の物理的混合物よりも容易に、それぞれの酸化物の抵抗への寄与率を変更することが可能になる。
【００８６】
ここで検査した２つの酸化物は、ｎ型Ｉｎ２Ｏ３及びｐ型ＮｉＯである。ｎ型及びｐ型の両方の金属酸化物ガスセンサの伝導モデルを調査した。ｎ及びｐ型酸化物の両方では、酸素イオン吸着が、感知パラダイムにおいて重要な役割を果たす。ｎ型の場合には、このような化学吸着が、粒子の表面で多数キャリア電子の減少を引き起こすのに対し、ｐ型酸化物では、酸素イオン吸着が、正孔の表面蓄積を引き起こす。ｎ型酸化物では、伝導は、酸化物のバルクを通るのに対し、ｐ型では、伝導は、表面に沿っている。ある種の条件下では、ｎからｐ型への、及び逆方向への抵抗の変化が観測された。この現象は、Ｆｅ２Ｏ３、ＭｏＯ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＴｅＯ２、及びＴｉＯ２上で観測され、表面吸着による表面反転層の形成、異なるタイプの表面反応、多形体及び形態の影響、並びにイオンドーパント／不純物の影響を含む、いくつかの説明が提案されてきた。
【００８７】
ＣＯ及びＮＯに曝露したときに、ＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３における抵抗の変化が観測された（図８Ａ〜図８Ｂ、及び図９Ａ〜図９Ｂ）。ＮｉＯは、ｐ型半導体として振る舞い、主な寄与として正孔の伝導をする。ＣＯは、酸化物表面上で化学吸着された酸素と反応して電子を放出し、これはｐ型ＮｉＯの抵抗を上昇させ、ｎ型Ｉｎ２Ｏ３の抵抗を低下させる。両酸化物からの適切な寄与により、ＣＯへの抵抗変化は無効化され得る（図８Ｃ）。ＮＯでも同様の観測結果が得られる（図９Ｃ）。
【００８８】
ＮＨ３が化学吸着された酸素と反応することができる条件下では、ＮＨ３は通常、以下のような予定された反応で、還元ガスとして振る舞う。
２ＮＨ３＋３Ｏ−→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ＋３ｅ    （１）
２ＮＨ３＋５Ｏ−→２ＮＯ＋３Ｈ２Ｏ＋５ｅ  （２）
【００８９】
これらの反応は、高温がより好ましい。ＮＨ３と金属酸化物との相互作用による抵抗変化は、異常であり得る。Ｉｎ２Ｏ３及びＷＯ３などのｎ型酸化物では、より低温（＜３００℃）では、抵抗が減少する。しかし、より高温では、初期の抵抗減少に続いて、抵抗が増加する。ｎ型半導体では、化学吸着時のＮＨ３の酸化の生成物であるＮＯは、抵抗の増加を引き起こす。このＮＨ３酸化とＮＯ化学吸着との間の競合は、異常な感知挙動を説明するために使用される。ＮＯｘによる異常な感知挙動を避けるため、低温動作、又は触媒の使用が薦められる。六方晶系ＷＯ３におけるような、異常挙動の他の説明は、反転層の形成だとされている。
【００９０】
３００℃でのＩｎ２Ｏ３のデータは、ＮＨ３は、還元ガスとして振る舞い（図１０Ａ）、抵抗が減少することを示す。ｐ型ＮｉＯ上のＮＨ３による抵抗変化は、より複雑である。５００℃で１ｐｐｍのＮＨ３（図６Ｃ）を用いて、及び３００℃で１０ｐｐｍのＮＨ３（図６Ｄ）を用いて観測された抵抗増加は、反応（１）及び（２）によって説明することができ、これはＮＨ３酸化時に作製された電子が、多数キャリア正孔と結合し、抵抗の増加をもたらし、ＮｉＯで２０〜５０ｐｐｍのＮＨ３を用いた以前の研究と一致する。１ｐｐｍのＮＨ３を用いた３００℃での挙動は、予想とおりではなく、異なる解釈が必要である。図６Ａに示すように、最初の数分間は、初期の抵抗減少があり、続いて、徐々に増加する。検体濃度の関数としての抵抗変化の方向の違いが知られている。低温（８０℃）でのｐ型ＴｅＯ２では、エタノール（＜３００ｐｐｍ）による抵抗減少は、異常な挙動であるのに対し、高濃度のエタノールでは、ｐ型材料上の還元ガスについて予想されるとおり、抵抗は増加した。酸化ガスとして濃度が＜５ｐｐｍのＮＯ２を用いたｐ型ＣｕＯナノ線では、抵抗は増加した（異常な挙動）のに対し、３０〜１００ｐｐｍのＮＯ２を用いると、酸化ガス及びｐ型材料について予想されるとおり、抵抗は減少した。
【００９１】
図７Ａ〜図７Ｃに示すその場のＩＲスペクトルは、いくつかの手がかりを提供する。ガスが３００℃にてＮ２から２０％のＯ２へと切り替えられるのに伴い、ＮｉＯ上の１２６７ｃｍ−１のバンド形成が観測される（図７Ａ〜図７Ｃ）。このバンドは、Ｏ２がＮ２と置換されると消失するため、このバンドに化学吸着された酸素種を割り当てる。１ｐｐｍのＮＨ３を導入すると、このバンドの強度が増加し、続いて、減少する。１ｐｐｍのＮＨ３の存在下での、図７Ｃ中の１２６７ｃｍ−１バンドの強度変化は、図６Ａに示すように、ＮｉＯを１ｐｐｍのＮＨ３に曝露したときの導電性の変化を反映している（ＩＲを粉末サンプルで行うため、タイミングは、完全にオーバーラップしない）。
【００９２】
いくつかの以前の研究では、金属酸化物上の酸素化学吸着時の１２００〜１３００ｃｍ−１領域のバンドが知られている。Ｆｅ２Ｏ３では、１２５０〜１３５０ｃｍ−１間のバンドは、摂動したＯ２−種に割り当てられ、特に、１２７０ｃｍ−１のバンドは顕著で、最大３００℃まで安定である。ＮｉＯ上での酸素吸着の赤外線研究はほとんどなく、１０７０及び１１４０ｃｍ−１のバンドは、７７Ｋにて観測され、Ｏ２−に割り当てられる。Ｆｅ２Ｏ３では、９００〜１１００ｃｍ−１内のバンドは、Ｏ２２−種に割り当てられた。ＮｉＯ上でのＯ−の形成が提案されてきたが、明確な赤外線バンドは同定されていない。ＮｉＯ上での酸素吸着時に、ペルオキソ種（Ｏ２２−）が提案されてきた。ＣｕＣｌ及びＣｕＢｒでは、約１２７０ｃｍ−１のバンドが、Ｃｕ＋に配位されたＯ２に割り当てられ、この赤外線バンドの強度も、ＮＨ３に曝露したときに減少する。これらの研究に基づいて、ＮｉＯ上の１２６７ｃｍ−１のバンド（図７Ａ、図７Ｂ）は、Ｏ２−に割り当てられ得る。
【００９３】
金属酸化物表面上のＮＨ３の反応性は、酸素の存在下で高められる。Ｍｇ（０００１）表面上で、ＮＨ３は、酸素の存在下のみで表面と反応性であった。Ｎｉ（１１０）及びＮｉ（１００）上の化学吸着された酸素は、Ｈ抽出及びＮＨｘ種の形成により、ＮＨ３と反応性である。表面分光研究は、Ｎｉ（１１１）上の吸着された酸素とＮＨ３との高い反応性を示す。
【００９４】
Ｏ２−は、Ｏ−と平衡状態であると提案されている。
【００９５】
【化１】
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【００９６】
より低温でのＮＨ３化学吸着は、Ｏ−との反応を介してＮＨ２及びＯＨ−をもたらすことができる。
Ｍｘ＋．．．．．ＮＨ３＋Ｏ−→Ｍｘ＋．．．．ＮＨ２＋ＯＨ−  （４）
【００９７】
アルミナ表面（酸／塩基部位）上のアンモニア吸着は、吸着される全ＮＨ３分子の約１０％のＮＨ２及びＯＨ形成をもたらすことができる。ＮＨ２によるバンドは、３３８６及び３３５５ｃｍ−１に報告された。酸素官能性によって駆動される、ＮＨ３からＮＨ２及びＯＨへの解離化学吸着は、３２０８、３２７０ｃｍ−１（ＮＨ２）、及び３４００ｃｍ−１（ＯＨ）として割り当てられた振動バンドを用いて、還元されたグラフェン酸化物中のエポキシド基上に示される。ＮｉＯ上の１ｐｐｍのＮＨ３では、ＮＨ２によるバンドが観測されたが、ＮｉＯ上の３００℃での１００ｐｐｍのＮＨ３を、その後室温まで冷却すると、Ｏ２の存在下で３２２０ｃｍ−１にバンドが現れるが、Ｎ２のみの存在下ではバンドは現れない（これらのスペクトルは、図１８Ａ〜図１８Ｂに示す）。３２２０ｃｍ−１バンドは、Ｎ−Ｈストレッチングに割り当てることができる。
【００９８】
これらの観測に基づいて、図６Ａで観測された１ｐｐｍのＮＨ３の異常な挙動を説明することができる。反応（３）及び（４）が、ＮｉＯ表面上で起こり（Ｏ２−種のＩＲエビデンスを有する）、（４）が発生すると、Ｏ−が反応（４）で使用されるのにつれて、Ｏ２−としてのＯ２化学吸着が増加することが予期されるという仮説を立てる。ＩＲは、ＮＨ３に曝露した際の一時的なＯ２−バンドの増加を示す（図７Ａ）。Ｏ２−としてのＯ２化学吸着が増加することにより、抵抗の減少が起こる。後に観測される抵抗の増加は、ＮＨ３の酸化による後続反応（１）及び（２）により発生する。より高温で、又はより高濃度のＮＨ３では、反応（１）及び（２）が促進されるため、抵抗の一時的な減少は観測されない（図６Ｃ、６Ｄ）。
【００９９】
ＮｉＯ上での低レベルＮＨ３の曝露時の抵抗の一時的な減少を利用して、センサシグナルを増幅させた。これは、ＮｉＯをＮＨ３に２分間だけ曝露することにより行い、これにより化学吸着効果が生じるための時間を与えた（反応３及び４、図６Ｂ）が、化学反応が生じるための時間はなかった（反応１及び２）。センサベースラインに到達する前に、化学反応の生成物を形成し、取り除かれる必要があり、３００℃にて４０分かかる、１０分の曝露と比較して、ＮｉＯの抵抗は、減少し、次いで、非常に急速に回復する。２分間ＮＨ３に曝露することにより、ＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３の両方は、抵抗の減少を示すため、両酸化物を組み合わせる感知データ（ＣＨ３）は、ＮＨ３からの応答を増幅する相加効果をもたらし（図１０Ａ〜図１０Ｃ）、一方ＣＯ及びＮＯでは、反対の応答により、シグナルのキャンセルをもたらす（図８Ａ〜図８Ｃ、図９Ａ〜図９Ｃ）。この方策により、図１１Ａ〜図１１Ｃに示すように、ＣＯの存在下で、＜１０００ｐｐｂの濃度範囲内のＮＨ３の濃度範囲内のＮＨ３の存在を感知することが可能になる。
【０１００】
ヒトの呼気中のＮＨ３の検出に対する必要性は、数百ｐｐｂ程度であるため、呼気サンプルは、このセンサで使用する可能性があるサンプルとして調査された。呼気中の湿度が高いと、有意な干渉を引き起こし（図１３Ａ、１３Ｂ）、コールドトラップ（−２０℃）による呼気からの水の除去時にのみ、ＮＨ３によるシグナルが読出すことができた（図１３Ｃ）。ＮＨ３及びＨ２Ｏの両方が、ルイス塩基として作用することができるため、湿気がＮＨ３と干渉を引き起こすことは驚くことではない。湿気との干渉は、ＮＨ３だけでなく、ＣＯなどの他のガス、並びにｎ及びｐ型材料の両方にも存在する。水の化学吸着は、反応（４）と同じように進むことができ、Ｍｘ＋−ＯＨ結合形成によりヒドロキシル基の形成をもたらす。水の存在下では、ＮＨ３に対してＮｉＯの抵抗が増加するという観測結果（図１５）は、水の吸着が、場合により、これらの部位で吸着することにより、Ｏ２−としての酸素化学吸着を妨害することを示している。したがって、ｐ−ｎ酸化物配置は、ＣＯなどの他のガスからの干渉を最小化することができるが、酸化物との顕著な水の相互作用により、一般に、湿気はＮＨ３に強く干渉する。
【０１０１】
湿気を除去することにより、センサは、呼気中に混合されたＮＨ３を検出することができる。我々は、呼気＋ＮＨ３の実験を２つの方法で行った。呼気をバックグラウンドサンプルとして使用すると、呼気中のＮＨ３の増加を測定することができる（図１３Ｃ〜図１３Ｄ）。又は、空気をバックグラウンドサンプルとして使用して呼気を測定することができ、呼気のみがシグナルを発し、次いで、増加したシグナルからＮＨ３の増加を測定することができる（図１４Ａ〜図１４Ｂ）。このセンサの生物医学的応用は、呼気中のＮＨ３の増加を測定することである。ヘリコバクター・ピロリ感染診断では、現在の標準の測定には、患者に１３Ｃ又は１４Ｃ標識尿素のサンプルを与えることを含む。胃の中のウレアーゼ（細菌による）は、尿素を１３ＣＯ２又は１４ＣＯ２及びＮＨ３に分解する。次いで、呼気中の放射性１４ＣＯ２を測定する。１３ＣＯ２については、質量分析計が、測定を行うために必要である。本明細書で説明されるセンサは、ＮＨ３をｐｐｂレベルで測定することができるため、ヘリコバクター・ピロリ感染診断は、場合により、患者に標準的な（非標識の）尿素を与え、放出されたＮＨ３を測定することを含む合理化が行われ得る。水を除去するための湿気トラップは、依然として必要である。トラップは、呼気中の他の有機揮発物を除去し得るが、このセンサに提案している用途では問題にはならない。（ＮＨ３と共に）ＣＯ及びＮＯなどのガスは、依然としてトラップを通過し、この明細書内で概説されているｐ−ｎ方策により、これらの干渉の影響を最小限に抑え、一方でＮＨ３のシグナルを高める。
【０１０２】
結論
本実施例は、センサプラットフォームとして共通の界面を有する、基材上に並んで配置されたｐ型のＮｉＯ、及びｎ型のＩｎ２Ｏ３を使用して実証する。酸化物の隣接した配置により、検体ガスの存在下で、抵抗測定を行うために含まれる酸化物の量の変動を容易にすることが可能になる。この方策では、Ｉｎ２Ｏ３及びＮｉＯがＣＯと反対の応答をするため、３〜１０ｐｐｍのＣＯによる抵抗の変化は、ほとんどなかった。アンモニアも還元ガスであるが、３００℃で低濃度（＜１ｐｐｍ）のＮＨ３では、Ｉｎ２Ｏ３による応答は抵抗を減少させるが、ＮｉＯでは抵抗変化は異常であった。ＮＨ３への１０分間の曝露の最初の８分間では、抵抗が減少し、続いて２０分にわたり徐々に抵抗が増加し、続いてベースライン抵抗まで１０分間減少した。その場での赤外分光法の助けにより、この挙動は、ＮＨ３化学吸着、及びＯ２−種の関与と相関していた。ＮｉＯ上のＮＨ３により一時的に減少するという利点を使って、ガスパルスを２分間の持続時間に制御することによって、ＮｉＯ及びＩｎ２Ｏ３の両方に対して抵抗の減少を示すセンサを設計した。この方策では、ＮＨ３のシグナルを高める２つの酸化物を組み合わせることで、１００ｐｐｂ濃度での検出が可能になった。これらのセンサは、ヒトの呼気と混合したＮＨ３の検出に使用された。湿気が呼気サンプルから完全に除去される限り、１０〜１０００ｐｐｂの添加されたアンモニアは検出することができる。水の干渉は、Ｏ２−との競争反応から発生し、ＮｉＯ上のＮＨ３による抵抗の一時的な減少は、もはや観測されないので、増幅は除去される。このようなセンサの潜在用途は、ヘリコバクター・ピロリ診断である。
【０１０３】
添付の特許請求の範囲のデバイス、システム、及び方法は、特許請求の範囲のいくつかの態様の具体例として意図される、本明細書で説明される特定のデバイス、システム、及び方法によってその範囲を限定されない。機能的に均等である任意のデバイス、システム、及び方法が、特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。本明細書に示され、説明されるものに加えて、デバイス、システム、及び方法の様々な修正が、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。更に、本明細書で開示されるある代表的なデバイス、システム、及び方法工程だけが具体的に説明されているが、デバイス、システム、及び方法工程の他の組み合わせも、具体的に列挙されていなくても、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。したがって、工程、要素、構成要素、又は構成成分の組み合わせは、本明細書で明示的に、又はあまり明示的でなく言及され得るが、工程、要素、構成要素、及び構成成分の他の組み合わせも、明示的に述べられていない場合であっても、本発明に含まれる。
【０１０４】
本明細書で使用するときに、用語「備える（comprising）」及びその変形は、用語「含む（including）」及びその変形と同義的に使用され、開放型の非限定的な用語である。用語「備える（comprising）」及び「含む（including）」は、様々な実施形態を説明するために本明細書で使用されているが、本発明のより具体的な実施形態を提供するために、用語「から本質的になる（consisting essentially of）」及び「からなる（consiting of）」を「備える（comprising）」及び「含む（including）」の代わりに使用することができ、また、開示される。特に注記されない限り、明細書及び特許請求の範囲に使用される幾何学的形状、寸法などを表す全ての数は、最低限理解されるものであり、特許請求の範囲の範囲に対する均等の原則の適用を制限するようには企図されず、有効数字の数及び通常の四捨五入の手法を考慮して解釈されるものである。
【０１０５】
特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、開示される発明に属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に引用される刊行物及びそれらが引用される資料は、参照により具体的に組み込まれる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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