KR20120000102A

KR20120000102A - 분석물의 검출을 위한 광전자 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20120000102A
Application number: KR1020117025293A
Authority: KR
Inventors: 존 씨 훌틴; 키란 에스 카누커르티; 닐 에이 라코우; 안제이 에프 리바차; 리차드 엘 라이랜더; 아서 셰플러; 젤리코 주팡
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-20
Publication date: 2012-01-03
Anticipated expiration: 2030-03-20
Also published as: US8576400B2; US20100277740A1; CN102439422B; US8817265B2; JP2012522249A; JP5889182B2; RU2487337C2; KR101720364B1; WO2010117599A3; CN102439422A; AU2010235022B2; BRPI1006738A8; EP2414816A2; RU2011139508A; EP2414816A4; WO2010117599A2; AU2010235022A1; US20140036270A1; BRPI1006738A2

Abstract

분석물의 존재를 검출하기 위한 광전자 방법 및 장치가 본 명세서에 개시된다. 그러한 방법 및 장치는 관심 분석물의 존재에 반응하고 적어도 하나의 광원 및 적어도 하나의 광검출기의 사용에 의해 광학적으로 조사될 수 있는 적어도 하나의 감지 요소를 포함할 수 있다.

Description

분석물의 검출을 위한 광전자 방법 및 장치{Optoelectronic Methods and Devices for Detection of Analytes}

화학적 분석물(analyte), 특히 유기 화학적 분석물을 검출하는 능력은 환경 감시 등을 비롯한 많은 응용에서 중요하다. 분석물의 그러한 검출 및/또는 감시는, 예를 들어 (예컨대, 개인에 의해 착용되거나 휴대될 수 있는) 개인용 모니터 및/또는 (예컨대, 원하는 환경에 배치될 수 있는) 구역 모니터(area monitor)에서 특별한 용도를 발견할 수 있다.

화학적 분석물의 검출을 위한 많은 방법들, 예를 들어 광학적, 중량측정식(gravimetric), 미세전기기계적(microelectromechanical), 및 비색(colorimetric) 방법이 개발되어 왔다. 비색 장치가 현재 소정 범위의 분석물에 대해 존재하지만, 대부분은 검출을 위해 염료 또는 착색된 화학적 지시약(chemical indicator)을 채용하는 것에 기초한다. 그러한 화합물들은 전형적으로 선택적이며, 이는 다수의 센서가 다양한 부류의 화합물들을 검출하기 위해 필요할 수 있음을 의미한다. 또한, 이들 시스템 중 다수는 광 탈색(photo-bleaching) 또는 바람직하지 않은 부반응(side reaction)으로 인해 수명 제한의 문제를 갖는다. 많은 그러한 시스템은 또한 광학 조사(optical interrogation)를 수행하기 위하여 복잡하거나 부피가 큰 광전자 구성요소에 의존한다.

분석물의 존재를 검출하기 위한 광전자 방법 및 장치가 본 명세서에 개시된다. 그러한 방법 및 장치는 관심 분석물의 존재에 반응하고 본 명세서에 기재된 바와 같이 광학적으로 조사될 수 있는 적어도 하나의 감지 요소를 포함할 수 있다.

일 태양에서, 대기 중의 분석물을 감시하는 방법이 본 명세서에 개시되는데, 이 방법은 적어도 하나의 감지 요소를 분석물을 잠재적으로 포함하는 대기에 일정 시간 동안 노출시키는 단계; 제1 파장 범위의 광을 적어도 하나의 감지 요소 상으로 지향시키고, 적어도 하나의 감지 요소로부터 반사된 제1 파장 범위의 광의 양을 나타내는 제1 신호를 얻는 단계; 제2 파장 범위의 광을 적어도 하나의 감지 요소 상으로 지향시키고, 적어도 하나의 감지 요소로부터 반사된 제2 파장 범위의 광의 양을 나타내는 제2 신호를 얻는 단계; 제1 신호와 제2 신호를 비교하여 비교 신호를 제공하는 단계; 및 비교 신호를 소정의 응답 곡선과 상관시키고, 그럼으로써 감시된 대기 중의 분석물의 농도와 관련된 농도값을 얻는 단계를 포함한다.

다른 태양에서, 대기 중의 분석물을 감시하기 위한 광전자 장치가 본 명세서에 개시되는데, 이 장치는 내부 공간을 적어도 부분적으로 형성하고 개구를 포함하는 하우징; 내부 공간 또는 하우징의 개구에 위치된 적어도 하나의 일회용 감지 요소; 내부 공간 내에 존재하며, 광을 감지 요소 상으로 지향시키도록 배열된 적어도 하나의 광원 및 감지 요소에 의해 반사된 광의 양을 측정하도록 배열된 적어도 하나의 광검출기를 포함하며, 여기서 적어도 하나의 광원 및 적어도 하나의 광검출기는 장치의 내부 공간 내에 수용된 공통 인쇄 회로 기판 상에 나란히 동일 평면 구성으로 배열된다.

다른 태양에서, 대기 중의 분석물을 감시하기 위한 광전자 장치가 본 명세서에 개시되는데, 이 장치는 내부 공간을 적어도 부분적으로 형성하고 개구를 포함하는 하우징; 하우징의 개구에 고정된 적어도 하나의 감지 요소; 및 내부 공간 내에 존재하며, 광을 감지 요소 상으로 지향시키도록 배열된 적어도 하나의 광원 및 감지 요소에 의해 반사된 광의 양을 측정하도록 배열된 적어도 하나의 광검출기를 포함하며, 여기서 감지 요소가 하우징의 개구에 고정될 때, 개구는 장치의 내부 공간이 밀봉된 내부 공간을 포함하도록 폐색된다.

본 발명의 이들 태양 및 다른 태양들이 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도 상기 개요는 청구된 요지에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 되며, 그 요지는 절차의 수행 동안 보정될 수 있는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

<도 1>
도 1은 예시적인 광전자 장치의 사시도.
<도 2>
도 2는 예시적인 감지 요소의 일부의 측단면도.
<도 3>
도 3은 예시적인 감지 요소의 일부의 측단면도.
<도 4>
도 4는 예시적인 광전자 장치의 개략 측단면도.
<도 5>
도 5는 예시적인 광전자 장치의 개략 측단면도.
<도 6>
도 6은 예시적인 광전자 장치의 개략 측단면도.
<도 7>
도 7은 예시적인 광전자 장치의 개략 측단면도.
<도 8>
도 8은 예시적인 감지 요소를 포함하는 예시적인 광전자 장치의 일부의 부분 분해 측단면도.
<도 9>
도 9는 예시적인 감지 요소 및 예시적인 보호 층을 포함하는 예시적인 광전자 장치의 일부의 부분 분해 측단면도.
<도 10>
도 10은 예시적인 광전자 장치의 기능을 설명하는 블록선도.
<도 11>
도 11은 예시적인 감지 요소의 반사 스펙트럼의 일반적 표현 도표.
<도 12>
도 12는 예시적인 광전자 장치에 의해 얻어진, 분석물에 따른 광학적 반사율 데이터의 도표.
<도 13>
도 13은 도 12의 데이터로부터의 비율화된(ratioed) 광학적 반사율 데이터.
다양한 도면들에서의 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 나타낸다. 달리 지시되지 않는 한, 본 명세서의 모든 도면은 축척대로 도시된 것이 아니며 본 발명의 상이한 실시 형태들을 예시하는 목적을 위해 선택된다. 특히, 다양한 구성요소들의 치수는 단지 예시의 관점에서 도시되며, 다양한 구성요소들의 치수들 사이의 관계는 그렇게 지시되지 않는 한 도면으로부터 추론되어서는 안 된다. "상단", "바닥", "상부", "하부", "아래", "위", "전방", "후방", "외향", "내향", "상방" 및 "하방", 및 "제1" 및 "제2"와 같은 용어들이 본 명세서에 사용될 수 있지만, 이들 용어는 달리 언급되지 않는다면 그들의 상대적인 의미로만 사용됨을 이해하여야 한다.

적어도 하나의 광학적으로 조사가능한 감지 소자(2)를 포함하는 예시적인 광전자 장치(1)가 도 1의 사시도에 도시되어 있다. 장치(1)는 기체 환경, 전형적으로 공기 대기의 감시에 사용될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 장치(1)는, 예를 들어 장치(1)가 개인 모니터로서 기능하는 것이라면, 개인의 신체 및/또는 의류의 일부에 접하거나 인접하여 착용될 수 있다. 그러한 경우에, 장치(1)는 (예컨대, 도 1에 도시되어 있지 않지만 클립, 루프(loop), 스트랩(strap), 슬리브(sleeve), 랜야드(lanyard), 포켓 프로텍터(pocket protector) 등에 의해) 개인의 의류에 부착되거나 또는 달리 예컨대 배지(badge)로서 착용 또는 휴대될 수 있다. 장치(1)는 또한 예를 들어 분석물의 존재를 감시하는 것이 요구되는 실내 또는 실외일 수 있는 환경(예컨대, 방, 차량 등)에 배치됨으로써 구역 감시를 위해 사용될 수 있다. 장치(1)는 임의의 적합한 형상, 크기 또는 형태를 포함할 수 있는 하우징(100)을 포함할 수 있다. 하우징(100)은, 예를 들어 착용자의 신체 또는 벽으로부터 대체로 멀어지는 쪽으로 대면하는 적어도 제1 주 표면(103) 및 착용자의 신체 또는 벽 쪽으로 대체로 대면하는 제2 주 표면(104)을 포함할 수 있다.

일부 실시 형태에서, 본 명세서에 개시된 방법 및/또는 장치는 호흡 보호 장치(예컨대, 대기로부터 소정 물질을 제거하기 위한, 필터 요소, 흡착 매질 등을 포함할 수 있는 것과 같은 호흡기)와 관련하여 사용되어 필터 요소, 흡착 매질의 베드의 잔존 흡착 용량을 감시할 수 있는 소위 수명 종료 표시기(end of service life indicator, ESLI)를 제공할 수 있다.

감지 요소(2)는 분석물의 존재에 반응하며, 본 명세서에서 나중에 논의되는 바와 같이 광학적으로 조사될 수 있다. 감지 요소(2)는 상이한 파장에서 하나 이상의 피크(peak) 및 밸리(valley)를 포함하고, 분석물의 존재시 또는 분석물 농도의 변화시 변할 수 있는 반사 스펙트럼을 나타낸다. 일 실시 형태에서, 감지 요소(2)로부터 반사된 광은 경면 반사된다. 다른 실시 형태에서, 감지 요소(2)로부터 반사된 광은 확산 반사된다. 감지 요소(2)는 광학적 특성(예컨대, 광학적 두께)이 분석물의 존재에 반응하는 적어도 하나의 분석물-반응성 층을 포함한다. 감지 요소(2)는 반사성인 적어도 하나의 층 및/또는 반반사성인 적어도 하나의 층을 추가로 포함할 수 있다(본 명세서에서 나중에 상세히 설명되는 바와 같음). 일부 실시 형태에서, 감지 요소(2)는 반사 층(240)과 반반사 층(220) 사이에 분석물-반응성 층(230)을 포함할 수 있는데, 이들 층은 조합되어, 분석물의 존재시 또는 분석물의 농도의 변화시 변할 수 있는 반사 스펙트럼을 나타내는 이른바 간섭 필터를 구성한다.

예시적인 감지 요소(2)가 도 2에 도시되어 있다. 이러한 설계를 포함하는 실시 형태에서, 감지 요소(2)는 순서대로 반반사 층(220), 분석물-반응성 층(230), 반사 층(240) 및 기재(substrate)(210)를 포함한다. 감지 요소(2)의 조사시, (예컨대, 본 명세서에서 나중에 설명되는 광원(31)으로부터의) 광선(40)은 반반사 층(220)에 충돌한다. 광선(40) 중 일부분은 반반사 층(220)으로부터 광선(41)으로서 반사될 수 있다. 광선(40) 중 일부분은 반반사 층(220)을 통과하고 분석물-반응성 층(230)을 통과하며 반사 층(240)으로부터 반사하여, 감지 요소(2)로부터 광선(42)으로서 나올 수 있다. 광선(41, 42)들은 조합되어, 분석물의 존재 하에서 또는 분석물의 농도의 변화시 변할 수 있는 반사 스펙트럼을 집합적으로 형성할 수 있다.

도 2의 예시적인 설계에서, 분석물은 반반사 층(220)을 통해 투과하여 분석물-반응성 층(230)에 들어갈 수 있다. 이는 층(230)의 광학적 특성(예컨대, 광학적 두께)을 변화시킬 수 있어, 감지 요소(2)로부터 반사된 광의 반사 스펙트럼이 분석물의 존재 및/또는 농도가 검출되거나 감시되게 하기에 충분히 변할 수 있게 한다.

도 2에 도시된 설계를 포함하는 실시 형태에서, 반반사 층(220)은 분석물-투과성(이 특성은 본 명세서에서 나중에 논의되는 바와 같이 제공될 수 있음)이며, 분석물-반응성 층(230)과 유체 연통하여 분석물이 층(220)을 통해 층(230)에 들어갈 수 있게 한다. 도 2의 설계에서, 반사 층(240)은 분석물-투과성일 수 있거나 분석물-투과성이 아닐 수 있다. 도 2의 설계에서, 감지 요소(2)의 광학적 조사 동안에 광이 기재(210)를 통과하거나 기재와 상호 작용할 필요가 없을 수 있으며, 따라서 기재(210)는 임의의 특별한 광학적 특성(예컨대, 투명도)이 필요하지 않을 수 있다.

다른 예시적인 감지 요소(2)가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 설계를 포함하는 실시 형태에서, 감지 요소(2)는 순서대로 (선택적인) 기재(210), 반반사 층(220), 분석물-반응성 층(230) 및 반사 층(240)을 포함한다. 광선(40)은 기재(210)에 충돌하여 그를 통과한다. 광선(40) 중 일부분은 반반사 층(220)으로부터 반사하여 감지 요소(2)로부터 광선(41)으로서 나올 수 있다. 광선(40) 중 일부분은 반반사 층(220)을 통과하고 분석물-반응성 층(230)을 통과하며 반사 층(240)으로부터 반사하여, 감지 요소(2)로부터 광선(42)으로서 나올 수 있다. 광선(41, 42)들은 조합되어, 분석물의 존재 하에서 또는 분석물의 농도의 변화시 변할 수 있는 반사 스펙트럼을 집합적으로 형성할 수 있다.

도 3의 예시적인 설계에서, 분석물은 반사 층(240)을 통해 투과하여 분석물-반응성 층(230)에 들어갈 수 있다. 이는 층(230)의 광학적 특성(예컨대, 광학적 두께)을 변화시킬 수 있어, 감지 요소(2)로부터 반사된 광의 반사 스펙트럼이 분석물의 존재 및/또는 농도가 검출되거나 감시되게 하기에 충분히 변할 수 있게 한다. 도 3에 도시된 설계를 포함하는 실시 형태에서, 반사 층(240)은 분석물-투과성 (이 특성은 본 명세서에서 나중에 논의되는 방법을 통해 제공될 수 있음)이며, 분석물 반응성 층(230)과 유체 연통한다. 도 3의 설계에서, 반반사 층(220)은 분석물-투과성일 수 있거나 또는 분석물-투과성이 아닐 수 있다. 도 3의 예시적인 설계에서, 광은 기재(210)를 통과할 수 있으며, 따라서 기재(210)는 관심 파장에서 광학적으로 투명해야 한다.

도 2에 도시된 설계를 포함하는 실시 형태에서, 반반사 층(220)은 분석물에 대해 투과성일 수 있으며, 따라서 분석물은 감지 요소(2)가 광학적으로 조사되는 측과 동일한 측 상에서 감지 요소(2)에 들어갈 수 있다. 그러한 경우에, 감지 요소(2)는 장치(1)의 하우징(100)의 내부 공간(125) 내에 (도 4의 예시적인 설계에 도시된 바와 같이) 편리하게 위치될 수 있으며 (예컨대, 하나 이상의 지지 브래킷(177)에 의해 유지될 수 있으며), 이때 감지 요소(2)는 적어도 하나의 광원(31) 및 적어도 하나의 광검출기(32)에 광학적으로 연결된다. '광학적으로 연결된'이란, 직접(예컨대, 도 4의 예시적인 실시 형태에서와 같이, 이들 구성요소가 서로 직접 대면하는 경우) 또는 하나 이상의 거울에 의해, 감지 요소(2)가 광원(31)으로부터의 광을 수광할 수 있고, 광검출기(32)가 감지 요소(2)로부터 반사된 광을 수광할 수 있음을 의미한다. 그러한 실시 형태에서, 분석물이 하우징(100)의 내부 공간(125)에 들어가서 감지 요소(2)의 분석물-투과성 층(220)에 도달할 수 있도록 하나 이상의 비폐색된 개구(101)가 하우징(100)에 제공될 수 있다. 도 4에는 감지 요소(2)가 하우징(100)의 전방 주 표면(103)에 있는 비폐색된 개구(101)에 인접하여 위치되어, 하우징(100)의 제2 주 표면(104)에 나란히 인접하여 위치된 광원(31) 및 광검출기(32)를 대면하는 것으로서 도시되어 있지만, 많은 다른 구성이 가능하다. 예를 들어, 광원(31)과 광검출기(32)는 이격될 수 있으며; 감지 요소(2)를 광원(31) 및/또는 광검출기(32)와 광학적으로 연결시키기 위하여 거울이 사용될 수 있으며; 감지 요소(2)는 개구(101)에 인접하여 위치되지 않을 수 있으며, 등등이다.

도 3에 도시된 설계를 포함하는 실시 형태에서, 반사 층(240)은 분석물에 대해 투과성일 수 있으며, 따라서 분석물은 감지 요소(2)가 광학적으로 조사되는 측과 반대되는 측으로부터 감지 요소(2)에 들어갈 수 있다. 그러한 실시 형태에서, 감지 요소(2)는 장치(1)의 하우징(100)에 있는 폐색된 개구(102) 내에 또는 그와 인접하여 (도 5의 예시적인 설계에 도시된 바와 같이) 편리하게 위치될 수 있는데, 이때 감지 요소(2)의 분석물-투과성 반사 층(240)은 외향으로 (즉, 내부 공간(125)으로부터 멀어지게) 대면하고, 감지 요소(2)의 광학적으로 조사가능한 측은 감지 요소(2)가 적어도 하나의 광원(31) 및 적어도 하나의 광검출기(32)에 광학적으로 연결되도록 내부 공간(125)으로 대면한다. 그러한 실시 형태에서, 감지 요소(2) 및/또는 감지 요소(2)와 함께 제공되는 다른 층들은 내부 공간(125)이 밀봉된 내구 공간(126)을 포함하도록, 개구(102)를 폐색(밀봉)하도록 작용할 수 있다. 그러한 실시 형태에서, 감지 요소(2)는 감지 요소(2)의 분석물-반응성 층(230)과 밀봉된 내부 공간(126) 사이에 위치된 적어도 하나의 광학적으로 투명한 분석물-불투과성 기재(210)(본 명세서에서 나중에 상세히 설명됨)를 포함할 수 있다.

분석물-반응성 층(230)과, 만약 존재한다면, 기재(210), 반반사 층(220), 및/또는 반사 층(240)의 특성, 제조 방법 등이 이제 더 상세하게 논의될 것이다. 그러한 특성은 특정 실시 형태에 적용가능한 것으로 명시되는 경우를 제외하고는, 일반적인 반사성 감지 요소의 제조, 그리고 특히 도 2 및 도 3을 참조하여 위에서 개시된 예시적인 실시 형태들 중 어느 것에나 적용가능한 것으로 이해된다. 동일한 도면 부호가 전술된 층들을 지시하기 위해 사용될지라도, 당업자는 그와 같이 지시된 층들이 동일하거나 상이한 형상 및/또는 조성을 가질 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 감지 요소(2)의 기능을 허용할 수 없을 정도로 방해하지 않는 한, 예를 들어 타이 층(tie layer), 점착 촉진 층, 보호 층, 커버 층 등을 비롯한 다양한 다른 층들이 필요에 따라 감지 요소(2)에 포함될 수 있다. 추가로, 본 명세서에 논의되는 장치(1)의 모든 설계, 형상 및 특징은 달리 기재되지 않으면 이상의 실시 형태들 중 어느 것에나 적용가능한 것으로 이해된다.

분석물-반응성 층(230)은, 본 명세서에 설명된 바와 같은 감지 요소(2)의 원하는 기능을 허용하기 위해, 관심 분석물에 대해 충분히 투과성이며 분석물에의 노출시 광학적 두께가 충분히 변하는 임의의 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 분석물-반응성 층은 다공성 재료를 포함한다. 이러한 정황에서, "다공성"은 재료가 적어도 부분적으로 상호 연결되는 내부 세공(pore)들을 포함하는 것을 의미한다. 예를 들어, 재료는 (예컨대 등온 흡착 과정(sorption isotherm procedure)에 의해 특징지워지는) 평균(중위) 세공 크기가 약 100 ㎚ 미만인 것이 선택될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 재료는 평균 세공 크기가 20 ㎚ 미만, 약 10 ㎚ 미만, 또는 약 2 ㎚ 미만인 것이 선택될 수 있다. 층(230)은 균질 또는 비균질일 수 있으며, 예를 들어 하나 이상의 무기 성분, 하나 이상의 유기 성분, 또는 무기 성분과 유기 성분의 혼합물로 제조될 수 있다. 층(230)에 사용될 수 있는 대표적인 무기 재료에는 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 산질화물, 및 적합한 광학적 응답을 생성하기에 적절한 두께의 투명한 (그리고 원한다면 다공성인) 층으로 형성될 수 있는 다른 무기 재료가 포함된다. 예를 들어, 층(230)은 산화규소, 질화규소, 산질화규소, 산화알루미늄, 산화티타늄, 질화티타늄, 산질화티타늄, 산화주석, 산화지르코늄, 제올라이트 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

다공성 실리카는 특히 바람직한 무기 분석물-반응성 층 재료일 수 있다. 다공성 실리카는 예를 들어 졸-젤 처리 루트(route)를 사용하여 제조될 수 있으며, 유기 템플릿과 함께 또는 유기 템플릿이 없이 제조될 수 있다. 예시적인 유기 템플릿에는 계면 활성제, 예를 들어 알킬트라이메틸암모늄염, 폴리(에틸렌옥사이드-코-프로필렌 옥사이드) 블록 공중합체와 같은 음이온성 또는 비이온성 계면활성제 및 다른 계면 활성제 또는 중합체가 포함된다. 졸-젤 혼합물은 규산염으로 변환될 수 있으며, 유기 템플릿은 제거되어 실리카 내에 세공들의 네트워크(network)를 남길 수 있다. 다양한 유기 분자가 또한 유기 템플릿으로서 채용될 수 있다. 예를 들어, 포도당 및 만노스와 같은 당이 다공성 규산염을 생성하기 위한 유기 템플릿으로서 사용될 수 있다. 유기 치환 실록산 또는 유기 비스-실록산이 졸-젤 조성물 내에 포함되어, 미세 세공(micropore)을 더 소수성으로 만들고 수증기의 흡착을 제한할 수 있다. 플라즈마 화학 증착이 또한 다공성 무기 분석물-반응성 재료를 생성하기 위해 채용될 수 있다. 이러한 방법은 대체로 기체 전구체로부터 플라즈마를 형성하는 단계, 플라즈마를 기재 상에 침착시켜 비정질 랜덤 공유 네트워크 층을 형성하는 단계, 이어서 비정질 공유 네트워크 층을 가열하여 다공성 비정질 랜덤 공유 네트워크 층을 형성하는 단계를 포함한다. 그러한 방법 및 재료는 발명의 명칭이 플라즈마-침착된 미공성 층을 포함하는 유기 화학적 센서, 및 이를 제조 및 사용하는 방법(ORGANIC CHEMICAL SENSOR COMPRISING PLASMA-DEPOSITED MICROPOROUS LAYER, AND METHOD OF MAKING AND USING)인 국제 (PCT) 특허 출원 US 2008/078281호에 더 상세하게 기재되어 있으며, 이는 이 목적을 위해 본 명세서에 참고로 포함된다.

일부 실시 형태에서, 분석물-반응성 층(230)은 본 명세서에서 일부 유기-작용기 R을 갖는 공유 결합된 3차원 실리카 네트워크(-Si-O-Si-)를 포함하는 하이브리드인 조성물로서 정의되는 유기-실리케이트 재료로 적어도 일부 구성되며, 여기서 R은 적어도 하나의 Si-C 결합에 의해 실리카 네트워크에 결합되는 탄화수소 또는 헤테로원자 치환된 탄화수소 기이다. 그러한 재료들 및 그들의 제조 방법은 발명의 명칭이 미공성 유기 규산염 재료를 갖는 유기 화학적 센서(Organic Chemical Sensor with Microporous Organosilicate Material)인 미국 가특허 출원 제61/140180호에 더 상세하게 기재되어 있으며, 이 문헌은 이러한 목적을 위해 본 명세서에 참고로 포함된다.

층(230)을 형성하기 위해 사용될 수 있는 대표적인 유기 재료는 소수성 아크릴레이트 및 메타크릴레이트, 2작용성 단량체, 비닐 단량체, 탄화수소 단량체 (올레핀), 실란 단량체, 플루오르화 단량체, 하이드록실화 단량체, 아크릴아미드, 무수물, 알데히드-작용기 단량체, 아민- 또는 아민염-작용기 단량체, 산-작용기 단량체, 에폭사이드-작용기 단량체 및 이들의 혼합물 또는 조합을 포함하는 단량체의 부류로부터 제조되거나 제조가능한 중합체, (블록 공중합체를 포함하는) 공중합체 및 이들의 혼합물을 포함한다.

일부 실시 형태에서, 분석물-반응성 층(230)은 소위 "고유의 미공성을 갖는 중합체(polymer of intrinsic microporosity)"(이하, PIM으로 불림)를 포함하는 재료의 부류로부터 선택된 성분으로 적어도 부분적으로 제조된다. 이러한 부류 내의 중합체는 예를 들어 문헌["Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs): Robust, Solution-Processable, Organic Microporous Materials," Budd et al., Chem. Commun., 2004, pp. 230-231]; 문헌["Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs)," McKeown et al., Chem. Eur. J., 2005, 11, No. 9, 2610-2620]; 맥커운(McKeown) 등의 미국 특허 출원 공개 제2006/0246273호; 및 맥커운 등의 국제 특허 출원 공개 WO 2005/012397A2호에 설명되고 그 특성이 기술되어 있으며, 이들 문헌들 모두는 이러한 목적을 위해 본 명세서에 참고로 포함된다.

PIM은 뒤틀린 구조를 유도하기에 충분한 구조적 특징부가 내부에 있는 매우 강성인 중합체로 이어지는 단량체들의 임의의 조합의 사용을 통해 제형화될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, PIM은 강성 링커에 의해 연결된 대체로 평면형인 화학종들로 이루어진 유기 거대분자를 포함할 수 있고, 상기 강성 링커는 링커에 의해 연결된 2개의 인접한 평면형 화학종들이 비-동일 평면상 배향으로 유지되도록 하는 뒤틀림 점을 갖는다. 추가의 실시 형태에서, 그러한 재료는 대체로 평면형인 제1 화학종들로 이루어진 유기 거대분자를 포함할 수 있고, 상기 제1 화학종들은 강성 링커에 의해 최대 2개의 다른 상기 제1 화학종에 우세하게 연결되며, 상기 강성 링커는 링커에 의해 연결된 2개의 인접한 평면형 제1 화학종들이 비-동일 평면상 배향으로 유지되도록 하는 뒤틀림 점을 갖는다. 다양한 실시 형태에서, 그러한 뒤틀림 점은 제한된 회전이 있는 스피로 기(spiro group), 가교된 고리 부분(bridged ring moiety) 또는 입체구조적으로 밀집된(sterically congested) 단일 공유 결합을 포함할 수 있다.

그러한 강성의 뒤틀린 구조를 갖는 중합체에서, 중합체 사슬들은 효율적으로 함께 패킹될 수 없어서, 중합체는 고유의 미공성을 보유한다. 따라서, PIM은 이 물질의 열적 이력에 상당히 의존적이지 않은 미공성을 보유하는 이점을 갖는다. 따라서, PIM은 대량으로 재현가능하게 제조될 수 있다는 면에서, 그리고 에이징(aging), 저장 수명(shelf life) 등의 동안에 변화하는 특성을 나타내지 않는다는 면에서 이점을 제공할 수 있다.

많은 응용의 경우, 분석물-반응성 층(230)은 소수성일 수 있다. 이는 수증기(또는 액체 물)가 층(230)의 반응에 변화를 일으켜 분석물의 검출, 예를 들어 유기 용매 증기의 검출을 방해할 가능성을 감소시킬 수 있다.

분석물 반응성 층(230)에 유용한 적합한 재료의 추가의 상세 사항 및 속성, 및 그러한 재료로부터 층(230)을 제조하는 방법이 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2008/0063874호에 기술되어 있으며, 이 문헌은 이러한 목적을 위해 본 명세서에 참고로 포함된다.

감지 요소(2)는 반사 층(240)을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 반사 층(240)은 미리 형성된 분석물-반응성 층(230)의 표면 상에 (예를 들어, 본 명세서에 설명된 다양한 방법에 의해) 침착될 수 있거나, 아니면 반사 층(240)이 기재(210) 상에 침착되고 이어서 분석물-반응성 층(230)이 반사 층(240) 상에 침착될 수 있다.

반사 층(240)은 충분한 반사율을 제공할 수 있는 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 반사 층에 적합한 재료는 금속 또는 반금속, 예를 들어 알루미늄, 크롬, 금, 니켈, 규소 및 은을 포함할 수 있다. 반사 층 내에 포함될 수 있는 다른 적합한 재료에는 금속 산화물이 포함될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 반사 층은 약 500 ㎚의 파장에서 약 90% 이상 반사성(즉, 약 10% 이하의 투과성)이며, 일부 실시 형태에서 약 99% 반사성(즉, 약 1% 투과성)일 수 있다.

(예를 들어, 도 3의 설계를 포함하는) 일부 실시 형태에서, 반사 층(240)은 유리하게는 관심 분석물에 대해 투과성일 수 있다. 이는 예를 들어 포탄(cannonball) 또는 구슬(marble)들의 스택에 가까운 형태로 배열되는 금속 나노입자들로 된 반사 층(240)을 형성함으로써 제공될 수 있으며, 이 반사 층을 통해 분석물이 투과하여 분석물-반응성 층(230)에 도달하여 들어갈 수 있다.

다양한 금속 나노입자가 채용될 수 있다. 대표적인 금속에는 은, 니켈, 금, 백금 및 팔라듐과 상기한 것들 중 임의의 것을 함유하는 합금이 포함된다. 나노입자 형태일 때 산화하기 쉬운 금속(예를 들어, 알루미늄)을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 공기 민감성이 더 적은 금속을 위하여 피하게 된다. 금속 나노입자는 전체에 걸쳐 모놀리식(monolithic)일 수 있거나 또는 층 구조(예를 들어, Ag/Pd 구조와 같은 코어-쉘(core-shell) 구조)를 가질 수 있다. 나노입자는, 예를 들어 평균 입자 직경이 약 1 내지 약 100, 약 3 내지 약 50, 또는 약 5 내지 약 30 ㎚일 수 있다. 금속 나노입자 층의 전체 두께는, 예를 들어 약 200 ㎚ 미만 또는 약 100 ㎚ 미만일 수 있고, 최소 층 두께는, 예를 들어 약 5 ㎚ 이상, 약 10 ㎚ 이상 또는 약 20 ㎚ 이상일 수 있다. 큰 직경의 미세입자가 도포되어 단일 층을 형성할 수 있기는 하지만, 나노입자 층은 전형적으로 수 개의 나노입자 두께, 예를 들어 적어도 2개 이상, 3개 이상, 4개 이상 또는 5개 이상의 나노입자일 것이고, 최대 5개, 최대 10개, 최대 20개 또는 최대 50개 나노입자 총 두께를 가질 것이다. 금속 나노입자 반사 층은, 예를 들어 반사율이 500 ㎚에서 약 40% 이상, 약 50% 이상 또는 약 60% 이상일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 금속 나노입자 반사 층은 반사율이 약 500 ㎚의 파장에서 약 80% 이상, 약 90% 이상 또는 약 99%일 수 있다.

(카보트 프린터블 일렉트로닉스 앤드 디스플레이즈(Cabot Printable Electronics and Displays)로부터의) 잉크젯 실버 컨덕터(Inkjet Silver Conductor) 잉크, AG-IJ-G-100-S1; (어드밴스트 나노 프로덕츠(Advanced Nano Products)로부터의) 실버젯(SILVERJET).TM. DGH 50 및 DGP 50 잉크; 니폰 페인트 (아메리카)(Nippon Paint (America))로부터의 SVW001, SVW102, SVE001, SVE102, NP1001, NP1020, NP1021, NP1050 및 NP1051 잉크; 노바센트릭스 코포레이션(Novacentrix Corp.)으로부터의 메탈론(METALON).TM. FS-066 및 JS-011 잉크; 및 하리마 케미칼스, 인크.(Harima Chemicals, Inc.)로부터의 NP 시리즈 나노입자 페이스트를 포함하는 적합한 금속 나노입자의 용액 또는 현탁액이 몇몇 공급자로부터 입수가능하다. 금속 나노입자는 물 및 유기 용매를 포함하는 다양한 캐리어에 담지될 수 있다. 금속 나노입자는 또한 중합가능한 단량체 결합제에 담지될 수 있으나, 바람직하게는 투과성 나노입자 층을 제공하도록 그러한 결합제는 (예를 들어, 용매 추출 또는 소결을 이용하여) 도포된 코팅으로부터 제거된다.

층(240)은 금속 나노입자의 희석 코팅 용액 또는 현탁액을 분석물-반응성 층(230)에 도포하고 이 용액 또는 현탁액이 건조되게 하여 투과성 반사 층(240)을 형성함으로써 형성될 수 있다. 희석 수준은, 예를 들어 적합하게 액체 또는 증기 투과성인 금속 나노입자 층을 제공할 코팅 용액 또는 현탁액을 제공하는 것과 같이, 예를 들어 고형분 수준이 30 중량% 미만, 20 중량% 미만, 10 중량% 미만, 5 중량% 미만 또는 4 중량% 미만일 수 있다. 입수한 그대로의 상업적인 금속 나노입자 제품을 추가 용매로 희석하고 희석 용액 또는 현탁액을 도포 및 건조함으로써, 상당히 얇은 액체 또는 증기 투과성 층을 얻을 수 있다. 스와빙(swabbing), 딥 코팅, 롤 코팅, 스핀-코팅, 분무 코팅, 다이 코팅, 잉크젯 코팅, 스크린 인쇄(예를 들어, 회전 스크린 인쇄), 그라비어 인쇄, 플렉소그래픽 인쇄 및 당업자에게 잘 알려져 있을 다른 기술들을 포함하는 다양한 코팅 기술이 채용되어 금속 나노입자 용액 또는 현탁액을 도포할 수 있다. 스핀-코팅은 다른 방법을 사용하여 얻어지는 것보다 더 얇고 더 투과성인 코팅을 제공할 수 있다. 따라서, 낮은 고형분 수준으로 입수가능한 몇몇 은 나노입자 현탁액(예를 들어, 니폰 페인트로부터의 5 중량% SVW001 은, 또는 어드밴스트 나노 프로덕츠로부터의 10 중량% 실버젯 DGH-50 또는 DGP-50)은, 적절하게 높은 속도 및 온도로 적합한 기재 상에 스핀-코팅하는 경우, 추가적인 희석 없이 입수된 그대로의 형태로 사용할 수 있다. 소결이 적절한 투과성의 손실을 야기하지 않는 한, 금속 나노입자 층은 그것이 도포된 후에 (예를 들어, 약 섭씨 125도 내지 약 섭씨 250도에서 약 10분 내지 약 1시간 동안 가열함으로써) 소결될 수 있다. 생성된 반사 층은 쉽게 확인가능한 나노입자를 더 이상 포함하지 않을 수 있으나, 그것이 제조된 방법을 확인하면 나노입자 반사 층이라고 말할 수 있음이 이해될 것이다.

반사 층(240)에 유용한 적합한 분석물-투과성 재료, 특히 금속 나노입자 재료의 추가 상세 사항 및 속성이 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2008/0063874호에 기술되어 있으며, 이 문헌은 이러한 목적을 위해 본 명세서에 참고로 포함된다.

감지 요소(2)는 반반사 층(220)을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 반반사 층(220)은 미리 형성된 분석물-반응성 층(230)의 표면 상에 (예를 들어, 본 명세서에 설명된 다양한 방법에 의해) 침착될 수 있거나, 아니면 반반사 층(220)이 기재(210) 상에 침착되고 이어서 분석물-반응성 층(230)이 반반사 층(220) 상에 침착될 수 있다.

반반사 층(220)은 정의상, 반사 층(240)이 포함하는 반사율보다 낮은 반사율을 포함할 것이다. 반반사 층(220)은 (예를 들어, 적절한 두께일 때) 적절한 반반사율을 제공할 수 있는 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 적합한 재료는 금속 또는 반금속, 예를 들어 알루미늄, 크롬, 금, 니켈, 규소 및 은을 포함할 수 있다. 다른 적합한 재료에는 금속 산화물이 포함될 수 있다.

다양한 실시 형태에서, 반반사 층(220)은 약 500 ㎚의 파장에서 약 30 내지 약 70% 반사성, 또는 약 40 내지 약 60% 반사성일 수 있다.

(예를 들어, 도 2의 설계를 포함하는 유형의) 일부 실시 형태에서, 반반사 층(220)은 유리하게는 관심 분석물에 대해 투과성일 수 있다. 따라서, 이러한 경우에, 분석물이 반반사 층(220)을 통해 투과하여 분석물-반응성 층(230)에 도달하여 들어가는 것을 허용하면서 적절한 반사율을 제공하기 위해 적절한 두께로 반반사 층(220)을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 경우에, (예를 들어 반반사 층(220)이 증착에 의해 침착되어 금속 층을 형성하는 경우) 5 ㎚의 일반적인 범위의 두께가 요구될 수 있다. 원하는 구체적인 두께는 층을 형성하는 데 사용되는 재료, 검출될 분석물에 좌우될 것이며, 필요한 대로 구성될 수 있다.

반반사 층(220) 및 반사 층(240)은 유사한 또는 동일한 재료로 제조(예를 들어, 원하는 반사율 차이를 부여하기 위해 상이한 두께 또는 코팅 중량으로 침착)될 수 있다. 반반사 층(220) 및 반사 층(240)은 특정 응용을 위해 요구되는 반사율 및 투과성의 특성이 제공되는 한 연속적이거나 불연속적일 수 있다. 적합한 반반사 층 및 반사 층, 그들의 특성 및 제조 방법의 추가 상세 사항은 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제2008/0063874호에 기술되어 있으며, 이 문헌은 이러한 목적을 위해 본 명세서에 참고로 포함된다.

존재한다면, 기재(210)는 감지 요소에 대한 지지를 제공할 수 있는 임의의 적합한 재료(예컨대, 유리, 플라스틱 등)로 구성될 수 있다. 감지 요소(2)가 조사되게 하기 위하여 광이 기재(210)를 통과하는 실시 형태에서, 기재(210)는 광학적으로 투명해야 하고(즉, 관심 파장에서 충분한 투명도를 포함하여야 하고), 광학적 신호에 허용할 수 없을 정도로 영향을 미치게 될 다른 특성(예컨대, 형광)을 가져서는 안 된다. 일부 실시 형태에서, 기재(210)는 분석물 및/또는 다른 물질(예컨대, 기체, 증기, 또는 고체)에 대해 불투과성인 장벽 재료를 포함한다. 소정의 중합체 기재(예컨대, 반결정질 중합체 등)는 특히 향상된 장벽 특성을 가질 수 있다. 다른 중합체 기재(예컨대, 폴리카르보네이트, 폴리스티렌 등과 같은 유리질 중합체)가, 장벽 특성이 예를 들어 폴리에스테르와 동일하지는 않지만, 본 출원에 사용될 수 있을 정도로 여전히 충분히 불투과성일 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 장치(1)는 광을 적어도 하나의 감지 요소(2) 상으로 지향시키기 위한 적어도 하나의 광원(31)을 포함한다. 광원(31)은 전구(예컨대, 백열 전구) 등을 비롯한 다양한 광원들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광원(31)은 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 광원(31)은 상대적으로 광대역인 광(예컨대, 백색광)을 방출하는 광원을 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 광원(31)은 특정(예컨대, 상대적으로 좁은) 파장 범위의 광을 방출하는 협대역 광원(예컨대, LED)을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 그러한 협대역 광원은 약 50 ㎚ 이하, 약 40 ㎚ 이하, 또는 약 25 ㎚ 이하의 반-전력 대역폭(half-power bandwidth)을 포함하는 광을 방출할 수 있다. 사용될 수 있는 예시적인 LED에는 미국 텍사스주 캐롤턴 소재의 옵텍(Optek)으로부터 상표명 OVLBx4C7로 입수가능한 것들이 포함된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 장치(1)는 적어도 하나의 감지 요소(2)로부터 반사된 광을 측정하기 위한 적어도 하나의 빛 검출기(광검출기)(32)를 포함한다. 광검출기(32)는 예를 들어 광전자 증배관(photomultiplier tube), 광전지(photovoltaic cell), 전하 결합 소자(charge coupled device) 등을 비롯한, 입사 광자의 개수를 측정할 수 있는 다양한 장치들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 광검출기(32)는, 검출된 광자의 개수(예컨대, 감지 요소(2)로부터 수광되는 반사된 광의 세기 또는 강도)에 관련되고 본 명세서에서 나중에 설명되는 바와 같이 추가로 처리될 수 있는 신호(예컨대, 전압, 전류 등)를 제공하도록 하는 역할을 할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광검출기(32)는 포토다이오드를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광검출기(32)는 특정(예를 들어, 상대적으로 좁은) 파장 범위의 광을 검출할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 광검출기(32)는 상대적으로 넓은 파장에 걸쳐 광을 검출할 수 있는 광대역 검출기를 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 그러한 광대역 광검출기는 적어도 약 150 ㎚ 폭, 250 ㎚ 폭, 또는 500 ㎚ 폭의 파장 범위에 걸쳐 광을 검출할 수 있다. 사용될 수 있는 예시적인 광검출기에는 독일 레겐스부르크 소재의 오스람(OSRAM)으로부터 상표명 SFH 2430으로 입수가능한 포토다이오드가 포함된다.

따라서, 장치(1)는 적어도 하나의 감지 요소(2)를 광학적으로 조사할 수 있도록 구성된 적어도 하나의 광검출기(32) 및 적어도 하나의 광원(31)을 포함한다. 광원(31)은 광원(31)의 광 출력의 적어도 일부가 감지 요소(2)를 비추도록 위치될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광원(31)은 감지 요소(2) 부근에 위치되어 광원(31)으로부터 방출된 광이 감지 요소(2)에 직접 충돌하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 광원(31)은 감지 요소(2)로부터 약 30, 20, 또는 10 ㎜ 이내에 위치될 수 있다. 마찬가지로, 광검출기(32)도 감지 요소(2) 부근에 위치되어 감지 요소(2)에 의해 반사된 광의 적어도 일부가 광검출기(32)에 의해 직접 수광되도록 구성될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 광검출기(32)는 감지 요소(2)로부터 약 30, 20, 또는 10 ㎜ 이내에 위치될 수 있다.

일부 실시 형태에서, 장치(1)는 광원(31)과 감지 요소(2) 사이의 광로에 하나 이상의 거울(어떠한 도면에도 도시되지 않음)을 사용하여, 광원(31)에 의해 방출된 광이 감지 요소(2)에 의해 간접적으로 수광되도록 구성될 수 있다. 유사하게, 일부 실시 형태에서, 장치(1)는 감지 요소(2)와 광검출기(32) 사이의 광로에 하나 이상의 거울(도시되지 않음)을 사용하여, 감지 요소(2)로부터 반사된 광이 광검출기(32)에 의해 간접적으로 수광되도록 구성될 수 있다.

다양한 실시 형태에서, 광원(31) 및 광검출기(32)는 광원(31)으로부터의 적어도 일부의 광을 감지 요소(2) 상으로 지향시키고, 그로부터 반사된 적어도 일부의 광을, 광검출기(32) 상으로 입사하는 주위 광(또는 감지 요소(2)로부터 직접 반사되는 광 이외의 임의의 광)을 최소화하면서 광검출기(32)에 의해 수집하도록 구성될 수 있다. 소정 실시 형태에서, 도 4 및 도 5의 예시적인 설계에 도시된 바와 같이, 광원(31)에 인접하여 (그 부근에) 광검출기(32)를 위치시키는 것이 유용할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 광검출기(32)는 (예컨대, 중심 대 중심 거리로 측정될 때) 광원(31)으로부터 약 5 ㎜, 10 ㎜, 또는 15 ㎜ 이하에 위치될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광원(31) 및 광검출기(32)는 도 4 및 도 5의 예시적인 설계에 도시된 바와 같이, 공통 인쇄 회로 기판(38) 상에 장착될 수 있다. 그러한 경우에, 광원(31) 및 광검출기(32)는 본 명세서에서 광원(31)의 적어도 일부 및 광검출기(32)의 적어도 일부가 인쇄 회로 기판의 평면에 대해 평행한 평면 내에 있는 구성으로서 정의된 동일 평면 구성일 수 있다 (그렇다고 하더라도, 이하에 상세히 설명되는 바와 같이, 광원(31) 및 광검출기(32) 중 하나 또는 둘 모두는 서로에 대해 기울어질 수 있다).

일부 실시 형태에서, 광원(31), 감지 요소(2), 및/또는 광검출기(32)는 광원(31)으로부터 감지 요소(2) 상으로 지향되는 광의 양, 및 광검출기(32)에 의해 수광되는 감지 요소(2)로부터 반사되는 광의 양을 향상시키도록 하기 위하여 서로에 대해 정의된 각도로 위치될 수 있다.

예를 들어, 도 7에 예시된 유형의 설계에서, 광검출기(32)는 감지 요소(2)의 법선("z")축과 인쇄 회로 기판(38)의 교차점에 위치되며(이는 광검출기(32)의 감광성 영역의 적어도 일부가 감지 요소(2)의 중심으로부터 유래하는 감지 요소(2)의 법선축과 인쇄 회로 기판(38)의 교차점에 위치됨을 의미함), 광원(들)(31)은 광검출기(32)에 인접하여 (그 옆에 횡방향으로) (예컨대, 감지 요소(2)의 법선축에 대해 약간 축을 벗어나서) 위치된다. 그러한 구성에서, 광원(31)은 감지 요소(2)에 의해 수광되는 광원(31)에 의해 방출되는 광의 양을 향상시키도록 기울어질 수 있다. 이어서, 광검출기(32)가 감지 요소(2)에 의해 반사된 광을 수광하도록 위치된다. 다양한 다른 실시 형태에서, 광검출기(32)는 (광원(31)에 더하여, 또는 그 대신에) 감지 요소(2)의 법선축에 대해 약간 축을 벗어나서 위치될 수 있다. 감지 요소(2)의 광학적 조사를 수행하기에 충분한 능력이 제공되는 한, 광원(31)과 감지 요소(2)와 광검출기(32) 사이의 임의의 적합한 관계가 허용될 수 있다. 예를 들어, (도 4, 도 5, 및 도 6에 도시된 바와 같이) 하우징(100)의 주 표면(103)에 인접하여, 그리고 그에 대해 상대적으로 평행하게 위치되기보다는, 광원(31) 및 광검출기(32)에 대한 감지 요소(2)의 적절한 관계가 제공되는 한, 감지 요소(2)는 주 표면으로부터 일정 거리에 그리고/또는 주 표면에 대해 일정 각도로 위치될 수 있다.

특정 실시 형태에서, 광원(31)과 감지 요소(2) 사이에 원하는 각도를 확립하도록 하기 위하여, (도 6에 도시된 바와 같이) 광원(31)은 인쇄 회로 기판(38)에 대해 일정 각도로 인쇄 회로 기판(38) 상에 장착(예컨대, 그에 부착)될 수 있다. 예를 들어, 광원(31)이 발광 다이오드이면, 광원은 임의의 잘 알려진 장착 방법을 통해 인쇄 회로 기판(38)에 전기적으로 연결될 수 있다. 관통 구멍 방법이 원하는 각도를 보다 잘 확립할 수 있지만, 필요하다면, 표면 장착 방법이 사용될 수 있다. 필요하다면, 광원(31)을 원하는 각도로 인쇄 회로 기판(38) 상에 위치시키기 위하여 하나 이상의 위치설정 장치(예컨대, 홀더, 칼라(collar) 등)가 사용될 수 있다. (도 6에 도시되지 않은) 다양한 추가의 실시 형태에서, 광검출기(32)는 광원(31)에 대해 행해진 것과 유사한 방식으로, 인쇄 회로 기판(38)에 대해 일정 각도로 인쇄 회로 기판(38) 상에 장착(예컨대, 그에 부착)될 수 있다.

장치(1)는 광검출기(32)에 의해 수광되는 다른 광원으로부터의 광을 최소화하면서, 감지 요소(2)로부터 직접 반사되는 광검출기(32)에 의해 수광되는 광의 양을 향상시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 장치(1)의 소정 설계는 내부 공간(125)에 들어오는 주위 광의 양을 최소화할 수 있고, 광원(31)으로부터 광검출기(32)로 직접 전달될 수 있는 광의 양을 최소화할 수 있다.

따라서, 일부 실시 형태에서, 하우징(100)의 일부, 대부분 또는 전부는 불투명한 재료로 제조될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 하우징(100)의 내부 표면(127)(예컨대, 내부 공간(125)을 대면하는 표면)의 일부, 대부분, 또는 전부는 비반사성(예컨대, 광-흡수성, 불투명성, 흑색 등)일 수 있다. 이는 예를 들어 하우징(100)의 내부 표면 상의 반사방지성인 불투명한 등등의 코팅의 사용 등에 의해 착색된(예컨대, 불투명한) 재료의 하우징(100)을 성형함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광원(31)은 상대적으로 좁은 빔 각도로 광을 방출하는 광원(예컨대, LED)을 포함할 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 광원(31)은 광의 90% 초과가 빔의 중심으로부터 +/- 30도의 각도 이내로, 또는 빔의 중심으로부터 +/- 20도의 각도 이내로 방출되도록 하는 빔 각도를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 하나 이상의 광학 장벽(optical barrier)이 광을 차단하도록 위치될 수 있는데, 광은 그렇지 않으면 광원(31)으로부터 광검출기(32)로 직접 이동할 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 6의 예시적인 설계에는 적어도 일부의 광이 광검출기(32)에 도달하는 것을 차단하도록 위치된 광학 장벽(128)이 도시되어 있다. 광학 장벽(128)은 광의 원하는 차단을 달성하는 한, 임의의 적합한 재료(예컨대, 불투명한 재료)로 구성될 수 있으며, 임의의 적합한 크기 또는 형상일 수 있고 임의의 적합한 위치에 놓일 수 있다. 광학 장벽(128)은 광원(31) 부근에 위치될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광학 장벽(128)은 광원(31)을 인쇄 회로 기판(38)에 대하여 원하는 구성(예컨대, 각도)으로 유지시키도록 돕는 홀더(예컨대, 칼라)를 포함할 수 있다. 이러한 배열에 더하여, 또는 그 대신에, 광학 장벽이 유사한 목적을 위하여 광검출기(32) 부근에 마찬가지로 위치될 수 있다.

다른 실시 형태에서, 다중 광원(31) 및/또는 다중 광검출기(32)가 장치(1)에 사용될 수 있다. 이러한 접근법에 대해 많은 변형이 가능하다. 예를 들어, 2개, 3개, 4개, 또는 그 이상의 광원(31)이 사용될 수 있다. 특정 실시 형태에서, 각각이 다른 광원들에 의해 방출되는 것과 상이한 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 상이한 광원들(31a, 31b 등)(예를 들어, 상이한 발광 파장 범위를 갖는 LED들)이 사용될 수 있다. 그러한 설계에서, 상이한 광원들은 공통 광검출기에 인접하여 장착될 수 있다(2개의 광원(31a 및 31b)을 포함하는 예시적인 설계가 도 7에 도시되어 있다). 각각의 개별 광원은 광원(31)에 대해 앞서 기재된 바와 같이(예컨대, 도 7에 예시적으로 도시된 바와 같이), 감지 요소(2)에 대해 축을 벗어나서 위치될 수 있고/있거나, 인쇄 회로 기판(38)에 대해 기울어질 수 있다. 하나 이상의 광학 장벽(128)이 존재할 수 있다.

추가의 실시 형태에서, 다중 광검출기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 피크 파장을 갖는 광을 방출하는 각각의 광원(31)이 그 특정 파장 범위의 광을 검출하도록 설계된 광검출기와 조합하여 사용될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 다중(예컨대, 협대역) 광검출기는 단일 광대역 광원(31)과 조합하여 사용될 수 있다.

다른 실시 형태에서, 단일 광검출기(32)(예컨대, 별개의 개별 협대역 광원(31)의 각각에 의해 방출되는 파장 범위의 광을 검출할 수 있는 광대역 검출기(32))가 (예컨대, 도 7에 도시된 바와 같이) 다중 협대역 광원(31)과 조합하여 사용될 수 있다. 그러한 설계에서, 광원(31)은 공통 광검출기(32)가 광원(31a)으로부터 방출되는 광에 상응하는 신호를 검출할 수 있고, 이어서 광원(31b)으로부터 방출되는 광에 상응하는 신호를 별도로 검출할 수 있고, 등등을 할 수 있도록, 각각의 광원(31)의 작동 개시 사이에 충분한 시간 지연(예컨대, 1 밀리초 이상)을 갖고서 순차적으로 작동될 수 있다. 그러한 설계는 단지 하나의 광검출기만을 필요로 한다는 이점을 가질 수 있다.

다중 광원(31) 및/또는 다중 광검출기(32)의 사용은 장치(1)의 향상된 작동을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 그러한 설계는 광범위한 검출가능한 분석물의 검출을 가능하게 할 수 있고, 분석물의 보다 넓은 농도 범위가 검출되게 할 수 있고, 분석물의 농도의 보다 정확한 정량화를 가능하게 할 수 있고, 신규 또는 교체 감지 요소(2)가 설치될 때마다 장치(1)를 교정해야 할 필요성을 없앨 수 있고, 등등이다. 따라서, 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 설명된 방법의 성능은 감지 요소가, 분석물을 잠재적으로 포함하는 대기의 감시 전에, 기지의 영(0)이 아닌 농도의 분석물을 포함하는 교정 가스(calibration gas)에 노출될 것을 필요로 하지 않는다.

본 명세서에 개시된 장치 및 방법은 또한 최소한의 공간 사용 및 최소한의 비용으로, 광 반사율을 통해 감지 요소(2)의 조사를 향상시킬 수 있는데, 그 이유는 이들이 광섬유 케이블, 렌즈 어레이, 필터 휠 등과 같은 구성요소의 사용을 최소화하기 때문이다. 특히, 본 명세서에 개시된 장치 및 방법은 경량이며 휴대가능하며 필요하다면 외부 전원 없이 기능할 수 있는 장치(1)의 제조를 허용한다. 다양한 실시 형태에서, 장치(1)의 내부 공간(125/126)은 약100 ㎤ 미만, 약 60 ㎤ 미만, 또는 약 30 ㎤미만일 수 있다.

일부 실시 형태에서, 본 명세서에 기재된 방법은 감지 요소(2)가 호흡 보호 장치와 관련하여 수명 종료 표시기(ESLI)로서 기능할 수 있게 할 수 있다. 다양한 예시적인 호흡 보호 장치가 발명의 명칭이 박막 표시기를 갖는 유기 증기 흡착 보호 장치(ORGANIC VAPOR SORBENT PROTECTIVE DEVICE WITH THIN-FILM INDICATOR)인 미국 공개 특허 출원 제2008/0063575호에 기재되어 있으며, 이는 이 목적을 위하여 본 명세서에 참고로 포함된다. 그러한 실시 형태에서, 장치(1)가 배지 또는 구역 감시기로서 사용될 때 용도를 발견할 수 있는 소정의 구성요소들(예컨대, 캡(140), 보호 층(300))이 존재할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.

일부 실시 형태에서, 감지 요소(2)는 장치(1)의 영구적으로 설치된 구성요소로서 제공될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 감지 요소(2)는 일회용 (예컨대, 제거가능한 그리고/또는 교체가능한) 구성요소일 수 있다. 감지 요소(2)를 장치(1)에 제자리에 단단히 위치시키는 (예컨대, 부착시키는) 것이 (그리고 선택적으로, 그렇게 할 때에는 개구(102)를 폐색하는 것이) 유리할 수 있는데, 이때 감지 요소(2)의 기능을 방해할 수도 있는 소분자를 함유할 수 있는 접착제(예를 들어, 감압 접착제, 액상 접착제, 열경화성 접착제, 방사선 경화성 접착제를 포함함)를 최소한으로 사용하거나 또는 사용하지 않는다. 따라서, 감지 요소(2)를 하나 이상의 기계적 부착 수단(예컨대, 클립, 클램프, 캡 등)을 통해 제자리에 유지시키는 것이 유리할 수 있다. 또한, 감지 요소(2)가 편향되거나, 휘어지거나, 또는 변형되지 않게 하는 방법으로 감지 요소를 제자리에 유지시키는 것이 유리할 수 있다. 도 8에 예시적으로 도시된 유형의 실시 형태에서, 감지 요소(2)는 캡(140)의 사용으로 제자리에 유지된다(그리고 개구(102)를 폐색하게 된다). 그러한 실시 형태에서, 하우징(100)은, 감지 요소(2)의 주변 에지부(215)(예컨대, 감지 요소(2)의 기재(210)의 일부)가 위에 안착될 수 있는 플랜지(105)와, 감지 요소(2)가 개구(102)에 대해 횡방향으로 움직이는 것을 제한하는 벽(106)을 포함할 수 있다. 캡(140)은 장치(1)의 하우징(100)에 부착가능하며, 부착될 때에는 개구(102)를 폐색하도록 감지 요소(2)를 제자리에 단단히 유지시킨다. 캡(140)은 임의의 적합한 부착 기구(어떠한 도면에도 도시되지 않음)에 의해 장치(1)의 하우징(100)에 부착가능하다. 따라서, 캡(140)은 나사 고정 연결 기구, 총검식 연결 기구를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 클립, 클램프 등을 통해 부착시킬 수 있으며, 기계식 패스너 예컨대 훅 및 루프 패스너, 고무 밴드의 사용으로 부착시킬 수 있는 등등이다. 캡(140)은 감지 요소(2)의 주변 에지부(215)를 제자리에 (예컨대, 하우징(100)의 플랜지(105)에 대해) 단단히 유지시키도록 설계되는 부분(141)을 포함할 수 있다. 개구(102)의 폐색을 달성하는 것을 돕기 위하여, 하나 이상의 밀봉 개스킷(예컨대, O-링)이 (예컨대, 감지 요소(2)의 에지부(215)와 캡(140)의 부분(141) 또는 하우징(100)의 플랜지(105) 사이에) 사용될 수 있다. 캡(140)은 또한 분석물-투과성 부분(142)을 포함할 수 있다. 부분(142)은 (예컨대, 도 8의 예시적인 실시 형태에서와 같이) 개방 공간을 포함할 수 있다. 또는, 그것은 공간을 사이에 두고서 하나 이상의 부재(예컨대, 루버, 레일)를 포함할 수 있고/있거나, (예컨대, 도 9의 예시적인 실시 형태에서와 같이) 천공된 시트, 메시 등을 포함할 수 있는데, 이는 감지 요소(2)에 기계적 보호를 제공하면서 여전히 분석물이 감지 요소(2)에 도달하는 것을 허용하도록 하기 위해서이다. 도 8 및 도 9에 도시된 유형의 실시 형태에서는 감지 요소(2)가 내향으로 (장치(1)의 내부 공간(126) 쪽으로) 가압됨으로써 제자리에 유지되지만, 다른 실시 형태에서는 감지 요소(2)가 외향으로 가압됨으로써, 예컨대 플랜지 또는 하우징(100)의 어떤 다른 부분에 대해 가압됨으로써 제자리에 유지될 수 있다.

달성된다 하더라도, 감지 요소(2)가 제자리에 단단히 유지될 때, 개구(102)는 내부 공간(125)이 밀봉된 내부 공간(126)이 되도록 폐색될 수 있다. '밀봉된'이란 증기 또는 고체(예컨대, 먼지)가 장치(1)의 내부 공간(126) 내로 침투할 수 없음을 의미한다. 개구(102)의 폐색은 감지 요소(2)에 의해(예컨대, 분석물 및/또는 임의의 다른 기체, 액체, 증기 등에 대해 불투과성일 수 있는 감지 요소(2)의 광학적으로 투명한 기재(210)에 의해) 제공될 수 있거나; 또는, 개구(102)의 폐색은 하나 이상의 제2 장벽 층에 의해 제공될 수 있다. 그러한 제2 장벽 층은 감지 요소(2)와 결합될 (예컨대, 감지 요소(2)에 부착될, 키트 내에 감지 요소(2)와 함께 제공될, 등등일) 수 있거나, 또는 장치(1)의 하우징(100)의 영구적으로 설치된 구성요소(예컨대, 투명 창)일 수 있다.

이러한 유형의 설계에서, 감지 요소(2)의 분석물-투과성 반사 층(240)은 외향으로 (내부 공간(126)으로부터 멀어지게) 대면할 수 있고, 감지 요소(2)의 광학적으로 투명한 기재(210)는 감지 요소(2)가 광학적으로 투명한 기재(210)를 통과하는 광선(40) 및 광선(41, 42)에 의해 광학적으로 조사될 수 있도록 내향으로 대면할 수 있다. 그러한 설계에서, 장치(1)는 분석물(또는 임의의 다른 고체, 액체 또는 기체 물질)이 밀봉된 내부 공간(126)에 들어감이 없이 분석물을 검출할 수 있다. 내부 공간(125)은 분석물 및/또는 다른 물질에 의해 유해한 영향을 받을 수 있는 다양한 광전자 구성요소를 포함하기 때문에, 내부 공간(125)을 밀봉된 내부 공간(126)으로서 제공하는 것이 이점을 가질 수 있다. 내부 공간(126) 내의 광전자 구성요소를 장치(1) 외부에 있는 물질로부터 보호하는 것에 더하여, 불투과성 기재(210)(및/또는 존재하는 임의의 제2 장벽 층)는 감지 요소(2)가 내부 공간(126) 내에 존재할 수 있는 물질(예컨대, 광전자 구성요소의 조립시에 사용되었을 수 있는 접착제 또는 그 안의 물질)에 의해 악영향을 받는 것으로부터 보호할 수 있다.

캡(140)은 또한 도 4에 도시된 유형의 실시 형태에 또한 사용되어 내부 공간(125) 내의 다양한 구성요소에 대한 물리적 손상을 방지하면서 여전히 내부 공간(125) 내로의 분석물의 접근을 제공하는 방식으로 비폐색된 개구(101)를 덮을 수 있다.

다른 층, 구성요소 등이 또한 다양한 목적을 위하여 장치(1)에 제공될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 추가의 층(예컨대, 광학적으로 투명한 필름)이 감지 요소(2)와, 광원(들), 광검출기(들)(32), 및/또는 장치(1)의 다양한 다른 광전자 구성요소 사이에 제공될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광원(들)(31), 광검출기(들)(32) 및/또는 다양한 다른 광전자 구성요소는 그러한 구성요소들을 (예컨대, 먼지, 때, 오염 등으로부터) 보호하면서 여전히 광이 감지 요소(2)의 조사를 위하여 광학적으로 투명한 층을 통과할 수 있게 하는 하나 이상의 광학적으로 투명한 층 뒤에 장치(1)의 내부 공간(125)에 존재할 수 있다.

일부 실시 형태에서, 증기상 또는 기체상 내의 분석물에 대해서는 투과성지만, 장치(1)의 작동을 방해할 수 있는 액체 분석물, 또는 임의의 액체 또는 고체 물질이 장치(1)의 내부 공간(125) 내로 지나가는 것으로부터의 보호를 제공하는 하나 이상의 층을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 장치(1)의 개구(101/102)와 내부 공간(125/126) 사이에 위치된 보호 층(300)을 제공하는 것이 유용할 수 있다. 보호 층(300)은 바람직하지 않은 액체상 물질의 통과를 실질적으로 또는 완전히 방지하면서 기체상 및/또는 증기상 분석물의 충분한 통과를 허용하여 감지 요소(2)의 적절한 반응을 보장하기 위해 충분히 (기체 및/또는 증기)-투과성인 임의의 재료를 포함할 수 있다. 따라서, 보호 층(300)은 액체의 통과를 실질적으로 방지하면서 기체 및/또는 증기의 통과를 허용하는 임의의 적합한 다공성 재료를 포함할 수 있다. (이러한 정황에서, 액체의 통과를 실질적으로 방지한다는 것은 예컨대 펌핑에 의해 달성될 수 있을 만큼 충분히 높은 압력을 가할 때 보호 층은 액체가 상기 재료를 통해 투과하게 할 수 있게 하면서, 우발적인 접촉, 흘림(pouring), 튐(splashing) 등과 같은 경우에는 액체가 그 층을 통해 투과하지 않을 것임을 의미한다.) 그러한 재료는 예를 들어 다공성 및/또는 미공성(microporous) 멤브레인, 부직포 웨브, 직포 천 등을 포함할 수 있다. 그러한 재료들은 원하는 경우 그들의 습윤성 및/또는 액체의 통과를 방지하는 능력을 변경시키기 위해 처리될 수 있다. 보호 층(300)에 사용될 수 있는 예시적인 재료에는 예를 들어 미국 뉴욕주 이스트 힐즈 소재의 폴 코포레이션(Pall Corporation)으로부터 상표명 버사포어(Versapore) R로 입수가능한 재료가 포함된다.

보호 층(300)은 개구(101/102) 내에 또는 부근에 배치될 수 있고, 도 9에 도시된 예시적인 구성으로 묘사되는 바와 같이, 예를 들어 캡(140)에 의해 제자리에 유지될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 보호 층(300)은, 캡(140)이 장치(1)의 하우징(100)에 부착될 때 감지 요소(2)를 제자리에 유지시키도록 돕는 압축가능한 다공성 재료를 포함할 수 있다.

보호 층(300)은 원하는 보호를 필요로 하는 한, 감지 요소(2)와 (예컨대, 감지 요소(2)의 분석물-투과성 반사 층(240)과) 직접 접촉될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 보호 층(300)은 캡(140) 내의 리세스(recess) 내에, 예컨대 캡(140)의 분석물-투과성 부분(142)에 인접하여 위치될 수 있는데, 분석물-투과성 부분은 보호 층(300) 위에 위치하여 보호 층을 제자리에 유지시키고 기계적 보호를 제공하면서 여전히 분석물이 감지 요소(2)에 도달하게 할 수 있다. 보호 층(300) 및/또는 캡(140)은 필요하다면 교체가능할 수 있다.

본 명세서에 개시된 방법 및 장치를 사용하여 감지 요소(2)의 조사시, (예컨대, 감시된 대기 중의) 관심 분석물의 존재 및/또는 농도와 관련된 신호가 얻어질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 장치(1)의 적어도 하나의 광검출기(32)에 의해 생성된 신호는, 예를 들어 (예컨대, 광검출기(32)에 입사하는 광에 응답하여 광검출기(32)에 의해 생성되는) 전압 또는 전류 형태의 전기 신호이다. 즉, 광검출기(32)는 감지 요소(2)로부터의 광 신호(예컨대, 광 세기)를 전압과 같은 신호로 변환시킬 수 있으며, 이 신호는 이어서 조작, 처리 등이 될 수 있다. 장치(1)는 마이크로컨트롤러에 의한 처리의 용이성을 위해 신호를 디지털 형태로 제공할 수 있는 하나 이상의 아날로그-디지털 변환기를 추가로 포함할 수 있다. 다수의 광검출기(32)의 경우에, 개별 신호가 각각의 광검출기(32)에 의해 제공될 수 있다.

하나 이상의 광검출기(32)로부터 수신된 신호는 (예컨대, 소프트웨어 또는 펌웨어 내에 로딩된) 장치(1)의 회로에 상주하는 알고리즘에 따라 원하는 바대로 수학적으로 (개별적으로 또는 조합되어) 조작될 수 있다. 따라서, 장치(1)는 그러한 원하는 신호 처리를 수행하는 데 필요한, 그리고 또한 광원(31) 및/또는 광검출기(32)를 제어하는 데 필요한, 그리고 기타 등등에 필요한 그러한 구성요소, 회로 등을 포함할 수 있다. 도 10의 블록선도를 참조하면, 장치(1)는, 광원(들)(31)을 작동시키고 광검출기(들)(32)를 작동시킬 수 있으며 (그리고 광검출기(들)로부터 신호를 수신할 수 있으며), 광검출기(들)(32)로부터 수신된 신호를 처리, 조작 등을 할 수 있으며, 다양한 데이터 및 파라미터를 메모리 내에 보유할 수 있으며, 디스플레이(36)를 작동시키고 사용자 인터페이스(39)와 통신할 수 있으며, (내부 또는 외부) 전원(34)으로부터 전력 공급 장치(35)를 통해 전력을 받을 수 있으며, 필요한 다른 기능을 수행할 수 있는 마이크로컨트롤러(37)를 포함할 수 있다. 특정 실시 형태에서, 장치(1)는, 본 명세서에 기재된 용도에 특히 적합할 수 있는 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)로부터 상표명 MSP430F437IPN으로 입수가능한 제품에 의해 예시된 마이크로컨트롤러의 유형을 포함할 수 있다. 장치(1)는 장치(1)의 기능을 수행하기 위해 필요한 다른 전자 및/또는 광학 구성요소를 포함할 수 있다. 그러한 구성요소에는 하나 이상의 저항기, 커패시터, 인덕터, 집적 회로, 드라이버, 트랜스시버, 안테나 등이 포함될 수 있지만 이로 한정되지 않는다. 장치(1)의 다양한 구성요소는 하나 이상의 인쇄 회로 기판에 연결되고/되거나 그에 물리적으로 장착될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 장치(1)의 다양한 구성요소는 단일의 공통 회로 기판(38) 상에 장착된다.

요약하면, 장치(1)는, 본 명세서에 기재된 바와 같이 수신 및/또는 처리된 신호로부터, 감시된 대기 중의 관심 분석물의 농도값과 관련된, 예컨대 그것을 나타내는 통지 신호(notification signal)를 생성한다. 통지 신호는 장치(1)의 사용자에게 (예를 들어, 시각, 청각, 또는 촉각 신호로) 전달될 수 있다. 일 실시 형태에서, 통지 신호는 감시된 대기 중의 분석물 농도의 실제의 수치값일 수 있다. 이에 더하여, 그리고/또는 이에 대신하여, 수치값은 아니지만 그러한 수치값과 관련된 통지 신호가 제공될 수 있다. 예를 들어, 장치(1)는 분석물의 검출시 및/또는 분석물의 소정량의 검출시, 청각 신호(예컨대, 비프(beep), 처프(chirp), 알람 신호), 시각 신호, 및/또는 진동 신호를 제공할 수 있다.

일부 실시 형태에서, 장치(1)는 (예를 들어, 관심 분석물이 예컨대 소정 농도를 초과하여 존재하는지의 여부를 표시하는) 비정량적 표시를 제공할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 장치(1)는 반정량적 및/또는 정량적 정보(예컨대, 감시되고 있는 공기 중의 분석물의 농도의 추정 또는 표시)를 제공할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 장치(1)는 누적 표시(즉, 최대 수 시간의 범위에 이를 수 있는 기간에 걸쳐 감시된 공기 중의 분석물의 농도로부터 발생되는 적분된 표시)를 제공할 수 있다. 일부 다른 실시 형태에서, 장치(1)는 공기 중의 분석물의 순간적인(예컨대, 수 분 이하의 기간에 걸친) 농도로부터 발생되는 "실시간" 판독치를 제공할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 장치(1)는 실시간 또는 주기적으로 (예컨대, 데이터로깅된 정보의 전송에 의해) 그러한 정보를 수신국으로 전달할 수 있다. 예를 들어, 장치(1)는 그러한 정보를 컴퓨터, 워크스테이션, 중앙 처리 설비 등으로 (예컨대, 무선 또는 적외선 전송에 의해) 전달할 수 있다.

장치(1)는 하나 이상의 관심 분석물을 검출 및/또는 감시하는 데 사용될 수 있다. 그러한 분석물은 감시되는 것이 요구되는 환경(흔히, 공기 대기)에 존재할 수 있는 증기 또는 기체를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 분석물은 유기 증기(예컨대, 휘발성 유기 화합물)이다. 대표적인 유기 분석물은 알칸, 사이클로알칸, 방향족 화합물, 알코올, 에테르, 에스테르, 케톤, 할로카본, 아민, 유기산, 시안산염, 질산염, 및 니트릴, 예를 들어 n-옥탄, 사이클로헥산, 메틸 에틸 케톤, 아세톤, 에틸 아세테이트, 이황화탄소, 사염화탄소, 벤젠, 톨루엔, 스티렌, 자일렌, 메틸 클로로포름, 테트라하이드로푸란, 메탄올, 에탄올, 아이소프로필 알코올, n-부틸 알코올, t-부틸 알코올, 2-에톡시에탄올, 아세트산, 2-아미노피리딘, 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 톨루엔-2,4-다이아이소시아네이트, 니트로메탄, 아세토니트릴 등을 포함하는 치환 또는 비치환 탄소 화합물을 포함할 수 있다.

장치(1)는 적어도 하나의 광원(31)으로부터 광을 방출하고, 방출된 광의 적어도 일부를 적어도 하나의 감지 요소(2) 상으로 지향시키고, 적어도 하나의 광검출기(32)의 사용을 통해 감지 요소(2)로부터 반사된 광의 양을 검출함으로써 감지 요소(2)를 광학적으로 조사할 수 있다. 감지 요소(2)로부터 반사된 광의 특성은 다양한 층들(예컨대, 반사 층 및/또는 반반사 층) 및/또는 감지 요소(2)의 계면으로부터 반사되는 광의 간섭으로부터 기인할 것이다. 그러한 반사된 광은 도 11에 일반적 표현 도표에 도시된 일반적 유형의 반사 스펙트럼을 가질 수 있는데, 이 반사 스펙트럼은 주어진 파장 범위에 걸쳐 하나 이상의 피크(peak)(예컨대, 181, 182, 및/또는 183 등) 및 밸리(valley)를 갖는다. 피크의 크기 및/위치는 분석물의 존재에 따라 변할 수 있다.

복잡한 기기를 사용하여 행해질 수 있을 전체 반사 스펙트럼의 조사를 시도하기보다는, 하나 이상의 특정 파장 범위에서 감지 요소(2)를 선택적으로 조사하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 일부 실시 형태에서, 장치(1)는 소정의 상대적으로 좁은 파장 범위 A의 광을 방출하도록 설계된 하나의 광원(31)을 포함한다(도 11 참조). 파장 범위 A의 경계는 사용되는 특정 광원 및/또는 검출기의 특성에 따라 날카롭거나 절대적인 컷오프(cutoff)일 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. (분석물의 농도의 변화로 인해) 피크(182)의 위치 또는 크기의 이동시, 광검출기(32)에 의해 검출되는 반사된 광의 양 또는 세기는 변할 수 있다.

일부 실시 형태에서, 파장 범위 A는, 감지 요소(2)의 주어진 설계에 있어서 파장 범위 A가 분석물의 부재시 감지 요소(2)의 반사 스펙트럼에서 피크(182)(예컨대, 주 피크 또는 1차 피크)의 최대치(184) 또는 그 부근에 오게 되도록 선택될 수 있다. 그러한 구성에서, 감지 요소(2) 상으로의 파장 범위 A의 광의 지향은 분석물의 양의 변화에 따라 피크(182)의 크기 또는 위치의 이동시, 감지 요소(2)에 의해 반사되고 광검출기(32)에 의해 검출된 광의 상대적으로 큰 변화를 가져올 수 있다. 따라서, 그러한 방법은 분석물의 존재 및/또는 농도에 대한 장치(1)의 반응성을 향상시킬 수 있다. 선택된 특정 파장 범위는 사용되는 특정 감지 요소(2), 감시되는 것이 요구되는 특정 분석물(들) 등의 특성에 좌우될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 파장 범위의 중심은 약 10 ㎚, 20 ㎚, 또는 40 ㎚의 피크 최대치 이내일 수 있다. 특정 실시 형태에서, 대략 520 ㎚를 중심으로 한 파장 범위, 또는 대략 640 ㎚를 중심으로 한 파장 범위에서 감지 요소(2)를 조사하는 것이 바람직할 수 있다.

상기에 기재된 소정 실시 형태에서, 주어진 소정의 파장 범위에서의 조사는 협대역 광원(31)의 사용에 의해 달성된다. 그러한 경우에, 광검출기(32)는 필요에 따라 협대역 또는 광대역일 수 있다. 대안적으로, 협대역 광검출기(32)가 사용될 수 있는데, 이 경우에는 광원(31)이 필요에 따라 협대역 또는 광대역일 수 있다.

일부 실시 형태에서, 감지 요소(2)로부터 반사된 광은 적어도, 2개의 상이한 파장 범위 A 및 B에서 감시된다(도 11 참조). 이는 예를 들어 추가의 광원(31) 및/또는 광검출기(32)의 사용으로 달성될 수 있다. 특정 실시 형태에서, 이는 도 7의 예시적인 설계에 도시된 바와 같이, 둘 이상의 별개의 협대역 광원(31a, 31b)의 사용으로 행해질 수 있다. 그러한 경우에, 도 7에 또한 도시된 바와 같이, 단일(예컨대, 광대역) 광검출기가 사용될 수 있는데, 광원(31a, 31b)에 의해 방출된 광을 시간적으로 간격을 두어(즉, 시차를 두어), 그로부터 생성되는 반사된 광이 광검출기(32)에 의해 별개로 검출될 수 있도록 함으로써 상이한 파장 범위에서의 신호가 얻어진다. 다른 접근법이 또한 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 광대역 광원(31)이 파장 범위 A의 광을 파장 범위 B의 광과 구별할 수 있는 협대역 광검출기와 조합하여 사용될 수 있다.

달성된다 하더라도, 다수의 파장 범위의 감지 요소(2)로부터 반사된 광의 감시는 상당한 이점을 제공할 수 있다. 특정 실시 형태에서, 파장 범위 A는 상기에 기재된 바와 같이 분석물의 부재시 감지 요소(2)의 반사 스펙트럼에서 피크(182)의 최대치(184)에 또는 그 부근에 있도록 선택될 수 있다. 파장 범위 B는 파장 범위 A로부터 적어도 다소 제거될 수 있으며, 일부 실시 형태에서는 분석물의 부재시 감지 요소(2)의 반사 스펙트럼에서 밸리의 최소치(185)에 또는 그 부근에 있을 수 있다. 특정 실시 형태에서, 파장 B는 (도 11에 도시된 바와 같이) 파장 A가 감시되는 피크(182)에 바로 인접한 밸리의 최소치(185)에 또는 그 부근에 오게 된다.

그러한 구성에서, 파장 범위 A에서 검출되는 광의 양을 나타내는 광검출기(32)로부터의 신호는 파장 범위 B에서 검출되는 광의 양을 나타내는 광검출기(32)기로부터의 신호와 비교(예컨대, 장치(1)의 마이크로프로세서(37)에 의해 비율화)될 수 있다. 그러한 비교/비율화는 상당한 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 그것은 신규 또는 교체 감지 요소(2)가 작동 조건에 있다는(예컨대, 분석물에 조기에 노출되지 않았다는, 손상되지 않았다는 등의) 확인을 허용할 수 있다. 따라서 일부 실시 형태에서, 본 명세서에 개시된 방법은 감지 요소를 분석물이 없는(예컨대, 1 ppm 미만의 분석물을 함유하는) 대기에 노출시켜 초기 비교 신호를 얻고 초기 비교 신호가 허용가능한 범위 내에 있는지를 결정하는 단계를 포함한다. 그러한 비교된(예컨대, 비율화된) 신호의 사용은 또한 장치(1)의 동적 범위를 향상시킬 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법과 관련하여, 제1 신호와 제2 신호(예컨대, 제1 파장 범위와 제2 파장 범위에서 검출되는 광의 양을 나타내는 신호)의 비교는 평균된 신호의 비교(예컨대, 다수의 제1 신호를 얻고 그것들을 평균하고, 다수의 제2 신호를 얻고 그것들을 평균하고, 평균된 제1 신호를 평균된 제2 신호와 비교)뿐만 아니라, 개별 제1 신호와 개별 제2 신호의 비교를 포함할 수 있다.

선택되는 특정 파장 범위는 사용되는 특정 감지 요소(2), 감시되는 것이 요구되는 특정 분석물(들) 등의 특성에 좌우될 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 파장 범위 A와 파장 범위 B는 그들의 중심점이 20 나노미터 이상, 40 나노미터 이상, 또는 60 나노미터 이상으로 떨어지도록 선택된다. 추가의 특정 실시 형태에서, 파장 범위 A와 파장 범위 B는 그들의 중점이 140 ㎚ 이하, 120 ㎚ 이하, 또는 100 ㎚ 이하로 떨어지도록 선택된다. 다양한 실시 형태에서, 제1 파장 범위의 중심은 약 10 ㎚, 20 ㎚, 또는 40 ㎚의 피크의 최대치 이내에 있을 수 있고, 제2 파장 범위의 중심은 약 10 ㎚, 20 ㎚, 또는 40 ㎚의 밸리의 최소치 이내에 있을 수 있다. 추가의 특정 실시 형태에서, 파장 범위 A가 대략 520 ㎚를 중심으로 하고, 파장 범위 B가 대략 640 ㎚를 중심으로 하는 광학적 조사가 수행된다. 언급된 바와 같이, 파장 범위 A 및 파장 범위 B에서의 조사는 예를 들어 협대역 광원 예컨대 LED 등의 사용으로 달성될 수 있다. 상이한 광원에 의해 방출되는 광의 파장에 있어서 약간의 중첩이 있을 수 있지만, 이는 감지 요소로부터 얻어지는 신호들의 충분한 차이가 이용가능한 한 감지 요소(2)의 성공적인 조사를 손상시키지 못할 것이다.

필요하다면, 추가의 광학적 조사가 다른 파장 범위에서, 예컨대 도 11에서 C 및 D로 표시된 범위에서 수행될 수 있다. 그러한 추가의 범위는 (범위 C에서와 같이) 범위 A와 범위 B 사이에, 또는 (범위 D에서와 같이) 범위 A와 범위 B 외부에 있을 수 있다. 그러한 추가의 광학적 조사 범위(이는 예컨대 추가의 광원(31) 및/또는 광검출기(32)의 사용에 의해 제공될 수 있음)는 향상된 분해능, 동적 범위, 정밀도 등을 제공할 수 있다. 이들 파장 범위에서 얻어진 신호는 상기에 기재된 바와 같이 다른 파장 범위에서의 신호와 비교될 (예컨대, 비율화될) 수 있다.

(예컨대, 마이크로프로세서(37)에 의해 수행되는) 장치(1)의 신호 처리 능력의 혁신적 이용은 추가의 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 광검출기(32)로부터 수집된 신호는 (예컨대, 마이크로프로세서(37)의) 메모리에 상주한 채로 유지되어 신호의 시간-의존적 이력에 접근할 수 있고 그를 고려할 수 있다. 이것은 예를 들어 (예컨대, 소정량의 분석물의 존재시) 제2 피크(예컨대, 피크(181))가, 분석물의 부재시 제1 피크(예컨대, 피크(182))로부터 초기에 수신된 신호와 유사한 피크(181)로부터 생성되는 신호가 A 파장 범위에서 수신될 정도로, A 파장 범위에 충분히 가깝게 이동하는 경우에 유용할 수 있다. 광검출기(32)로부터 수신된 신호(예컨대, 하강한 후, 초기값 쪽으로 다시 상승하는 파장 범위 A에서의 신호)의 시간-의존적 이력을 추적함으로써, 장치(1)는 (예컨대, 아마도 매우 대량의 분석물에 의해 야기될) 그러한 상태를, (예컨대, 피크(182)로부터 생성되는) 상대적으로 일정한 반사광 신호가 잠재적인 분석물 노출의 기간에 걸쳐 수신된 상태와 구별할 수 있을 것이다. 비교된 (예컨대, 비율화된) 신호를 사용할 때 유사한 신호 처리가 수행될 수 있다.

장치(1)의 향상된 성능은 감지 요소(2)가 분석물에 대한 감지 요소(2)의 반사 특성의 반응의 예상 속도보다 충분히 더 빠른 샘플링 속도로 조사될 것을 필요로 할 수 있다. 그러나, 예를 들어 전력 소비의 목적상 감지 요소(2)를 연속해서 감시하는 것이 유리하지 않을 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 감지 요소(2)는 분당 6회 이상의 조사, 분당 60회 이상의 조사, 분당 120회 이상의 조사, 또는 분당 240회 이상의 조사의 빈도로 조사된다.

장치(1)의 향상된 기능을 제공하기 위하여 다른 정보가 마이크로프로세서(37)의 메모리에 상주한 채로 유지될 수 있다. 예를 들어, 신호(예컨대, 파장 범위 A에서의 광의 세기), 또는 비교 신호(예컨대, 파장 범위 A에서의 광의 세기 대 파장 범위 B에서의 광의 세기의 비) 등을 감시된 대기 중의 분석물의 농도와 관련시키는 정보(예컨대, 감지 요소를 기지의 분석물 농도에 노출시킴으로써 실험적으로 얻어진 소정의 응답 곡선)가 제공될 수 있다. 따라서, 장치(1)는 비교 신호를 소정의 응답 곡선과 상관시켜 감시되는 대기 중의 분석물의 농도와 관련되거나 또는 그것을 나타내는 농도값을 얻도록 함으로써 기능할 수 있다. 단일 응답 곡선이 장치(1)의 메모리 내로 (예컨대, 영구적으로) 프리로드(preload)될 수 있거나, 또는 감지 요소(2), 특정 분석물 등의 특정 설계와 함께 사용하기 위하여 응답 곡선이 장치(1)의 메모리 내로 주기적으로 업로드(upload)될 수 있다. 다수의 응답 곡선이 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법과 관련하여, 비교 신호와 응답 곡선의 그러한 상관은 (예컨대, 다수의 비교 신호를 얻고 그들로부터 평균하여 생성되는) 평균된 비교 신호의 상관뿐만 아니라, 개별 비교 신호의 상관도 포함한다.

실시예

미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터의 쓰리엠 모델 110 일산화탄소 모니터(Carbon Monoxide Monitor)를 분해하고, 거기에서 액정 디스플레이를 제외하고서 전자 구성요소를 제거하였다. 110 모니터의 하우징에 들어맞고 지브라 스트립 연결부(zebra strip connection)를 통해 LCD 디스플레이와 인터페이스하기 위하여, 적절한 크기를 갖고 적합한 연결부를 갖는 인쇄 회로 기판을 설계하였다. 이하에 논의되는 다양한 구성요소들을 수용하고, 지지하고, 전기적으로 연결하기 위하여 인쇄 회로 기판을 주문 설계하였다.

인쇄 회로 기판 상에 포토다이오드(SFH 2430, 독일 레겐스부르크 소재의 오스람)를 장착하였다. 인쇄 회로 기판 및 포토다이오드의 위치는, 인쇄 회로 기판을 110 하우징에 고정시키고, 감지 요소를 110 하우징의 개구에 배치시키고, 하우징의 2개의 반부를 정합시켰을 때, (도 7에 도시된 설계와 유사한 방식으로) 포토다이오드가 감지 요소를 대면하고 있고 감지 요소의 법선축과 정렬되어 위치하도록 선택하였다.

인쇄 회로 기판 상에 2개의 LED를 장착하였다. 제1 LED는 방출되는 광의 피크 파장이 대략 520 ㎚에 중심이 있는 녹색 LED(OVLBG4C7, 미국 텍사스주 캐롤턴 소재의 옵텍)였으며, 제2 LED는 방출되는 광의 피크 파장이 대략 640 ㎚에 중심이 있는 적색 LED(OVLBR4C7, 옵텍)였다. LED를 (도 7에 도시된 것과 유사한 방식으로) 포토다이오드의 측면 위치에 제자리에 장착하였는데, 이때 각각의 LED는 (중심 대 중심으로 측정했을 때) 포토다이오드로부터 약 7 ㎜ 이격되었다. LED는 관통 구멍 연결부를 통해 인쇄 회로 기판에 장착하였는데, 이때 연결 와이어는 도 7에 도시된 것과 유사한 방식으로 각각의 LED가 포토다이오드 쪽으로 약간 경사지도록 약간 굽혀져 있었다. 경사 각도는 감지 요소를 110 하우징의 개구 내에 배치하고 하우징의 2개의 반부를 정합시켰을 때, 각각의 LED가 감지 요소의 중심 영역 쪽으로 광을 방출하게 되도록 계산하였다. (스크류를 통해 인쇄 회로 기판에 부착된) LED 칼라-스타일 홀더를 사용하여 각각의 LED를 적절한 위치 및 각도로 유지시키도록 도왔다. LED 홀더는 불투명한 (흑색) 플라스틱으로 만들어졌으며, 각각의 개별 LED와 포토다이오드 사이에 있는 칼라의 부분은 그 LED로부터 포토다이오드로 직접 이동할 수 있는 광의 양을 최소화하는 역할을 하였다.

SPI 버스 시리얼 FRAM(FM25H20-DG, 람트론(Ramtron)), 저노이즈 CMOS(AD8603AUJZ, 아날로그 디바이시스(Analog Devices)), 600 mA 스텝-업(Step-Up) DC/DC (LTC3429ES6, 리니어 테크놀로지(Linear Technology)), 50 mA 초저전력 LDO(TPS79730DCKR, 텍사스 인스트루먼츠), 16비트 플래시/RAM A/D/120 seg LCD(MSP430F437IPN, 텍사스 인스트루먼츠), 단일 칩 2.4 Hz 트랜스시버(nRF24LO1+, 노르딕 세미컨덕터(Nordic Semiconductor)), 및 2.4 HGz 칩 안테나(RFD58005, RFD)를 비롯한 다른 구성요소를 인쇄 회로 기판에 장착하였다. 당업계에 잘 알려진 다양한 저항기, 커패시터, 인덕터 등을 포함하는, 회로 및 그의 다양한 구성요소를 작동시키는 데 필요한 다른 아이템을 또한 인쇄 회로 기판 상에 제공하고/하거나 그것에 장착하였다. 3.6 V 리튬 전지를 인쇄 회로 기판에 고정배선(hardwire)하였다.

이어서, 모니터 하우징을 인쇄 회로 기판 및 상기에 기재된 구성요소들을 포함시켜 재조립하였다. 장치를 작동시키고, LED를 구동시키고, 포토다이오드로부터 수신된 신호를 처리하고 등을 하는 데 필요한 다양한 정보 및 알고리듬을 장치의 펌웨어 및/또는 소프트웨어 메모리 내로 업로드하였다. 구체적으로, 알고리듬을 업로드하였으며, 이에 따라 장치가 적색 LED 및 녹색 LED를 순차적으로 작동시키고, 각각의 LED의 작동에 상응하는 반사된 광 신호를 감시할 수 있었다. 알고리듬은 각각의 LED가 하기와 같은 시간 패턴을 갖고서 대략 초당 1회의 주기로 작동 개시되도록 구성되었다: 적색 LED 온(on) - 2 mS (밀리초); 생성된 반사된 광 신호를 측정 및 처리 - 2 mS; 중단 - 990 mS; 녹색 LED 온 - 2 mS, 생성된 반사된 광 신호를 측정 및 처리함 - 2 mS; 중단 2 mS. 추가의 알고리듬을 업로드하여, 장치가 적색 LED 및 녹색 LED의 각각의 작동 개시 및 포토다이오드에 의한 반사된 광의 결과적인 수광에 대하여, 녹색 LED로부터 방출된 광에 응답하여 감지 요소로부터 반사된 광 대 적색 LED로부터 방출된 광에 응답하여 감지 요소로부터 반사된 광의 비를 계산할 수 있게 하였다. 또한, 감시된 대기 중의 분석물의 양을 다양한 파장에서 반사된 광의 비와 관련시킨 응답 곡선(이는 이 경우에는 설명하기 위한 목적으로, 감지 요소를 기지의 분석물 농도에 노출하여 얻어진 것이라기보다는 임의의 곡선임)을 업로드하였다.

그 결과는 광을 방출하도록 하기 위해 LED를 구동시킬 수 있고, 광 신호를 수신하기 위해 포토다이오드를 작동시킬 수 있고, 상기에 기재된 바와 같은 정보를 업로드하도록 하기 위해 사용자와 인터페이스할 수 있고, 제공된 응답 곡선과 조합하여 상이한 파장에서의 광 신호들의 비에 기초하여 감시된 대기 중의 분석물의 농도를 계산할 수 있고, 감시된 대기 중의 분석물의 농도를 나타내는 통지 신호(예컨대, ppm 단위의 판독치)를 장치의 LCD 디스플레이 스크린에 표시할 수 있는 작동 회로를 포함하는 기능적인 광전자 장치였다.

(110 장치의 내부로의 개구를 덮는) 루버형(louvered) 전면 커버를 제거하였다. (하우징의 개구에 맞도록 설계되고 환상 플랜지를 포함하는) 환상 하우징을 스테레오리소그래피(stereolithography, SLA)를 통해 제조하고 하우징의 개구에 부착하였다.

감지 요소가 유리 기재보다는 투명한 중합체 기재(폴리에스테르)를 포함한 것을 제외하고는 미국 공개 특허 출원 제2008/0063874호에 기재된 유형과 유사한 감지 요소를 그 특허 출원의 실시예 1 내지 실시예 6에 기재된 것과 유사한 방법을 통해 제조하였다. 감지 요소는 직경이 대략 16 ㎜였다. 감지 요소를 상기에 기재된 광전자 시스템을 포함하는 모니터의 하우징의 개구 내에 배치하였으며, 그로 인해 감지 요소의 주변 에지부가 SLA 하우징의 환상 플랜지에 대해 놓였다. 감지 요소의 분석물-투과성 반사 표면은 외향으로 대면하였으며, 감지 요소의 광학적으로 투명한 기재는 모니터의 내부 공간 쪽으로 내향으로 대면하였다. (총검식 연결부를 통해 SLA 하우징에 부착되도록 설계되고, 루버형 중심부를 포함하는) 중합체 캡을 110 모니터의 SLA 하우징에 부착하여 감지 요소를 제자리에 단단히 유지시켰다.

액체 분석물이 투입될 수 있는 2차 챔버에 2개의 도관에 의해 연결된 1차 챔버를 포함하는 분석물 노출 시스템을 구성하였다. 2차 챔버는 액체 분석물을 휘발시키기 위하여 가열 요소를 포함하였다. 상대적으로 일정한 수준의 분석물이 1차 챔버 내에서 설치되고 유지될 수 있도록, 공기를 1차/2차 챔버 폐쇄 루프 시스템을 통해 순환시키기 위하여 팬을 제공하였다. 임의의 주어진 시간에 시스템에 존재하는 공중 부유 분석물의 근사량을 감시하도록 광이온화 검출기를 제공하였다. 분석물 수준은, 액체 분석물을 2차 챔버 노출에 부가함으로써 증가시킬 수 있고 그 시스템 내로 공기를 블리딩함으로써 감소시킬 수 있다.

광전자 장치에 전원을 가하고, 광전자 장치를 분석물 노출 시스템의 1차 챔버 내에 삽입하고, 재순환하는 아세톤-무함유 공기 환경에서 안정되게 하였다. 이어서, 재순환하는 대기 중의 아세톤의 농도가 (광이온화 검출기에 의해 측정했을 때) 대략 100 ppm이 되게 하기에 충분한 액체 아세톤을 2차 챔버에 첨가하였다. 일정 시간 후, 추가의 아세톤을 첨가하여 아세톤의 농도가 대략 275 ppm이 되게 하였다. 일정 시간 후, 추가의 아세톤을 첨가하여 아세톤의 농도가 대략 500 ppm이 되게 하였다. 일정 기간 후, 블리드 공기를 도입하여 아세톤의 농도를 무시할 만한 수준으로 감소시켰다.

이들 실험으로부터의 데이터가 도 12 및 도 13에 도시되어 있다. 도 12에서, 적색으로 표시된 데이터는 적색 LED에 의한 조명에 응답하여 감지 요소로부터 반사된 광을 (즉, 마이크로컨트롤러에 의해 A/D 변환되고 폴링(polling)된 포토다이오드로부터의 전압 신호로서) 나타낸다. 녹색으로 표시된 데이터는 녹색 LED에 의한 조명에 응답하여 감지 요소로부터 반사된 광을 나타낸다. (도 12에서의 작은 스파이크는 미광의 시험 챔버 내로의 순간적인 도입으로부터 생성되는 인공물(artifact)이다). 도 13에서, 비(Ratio)로 표시된 데이터는 적색 신호를 녹색 신호에 대해 비율화(이 조작은 마이크로컨트롤러에 의해 수행되었음)함으로써 얻어진 것을 나타내는 신호이다.

전술한 시험 및 시험 결과들은 예언적이라기보다는 단지 예시하고자 한 것이며, 시험 절차에서의 변화는 상이한 결과를 발생시키는 것으로 예상될 수 있다. 전술한 상세한 설명 및 실시예들은 단지 명확한 이해를 위하여 제공된 것이다. 이로부터의 제한은 불필요하다는 것을 이해하여야 한다.

본 명세서에 개시된 예시적인 특정 구조, 특징, 상세 사항, 구성 등이 다수의 실시 형태에서 변형 및/또는 조합될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 그러한 모든 변형 및 조합은 본 발명자에 의해 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 따라서, 본 발명의 범주는 본 명세서에 기재된 예시적인 특정 구성으로 제한되어서는 안 되며, 오히려 특허청구범위의 언어에 의해 기재된 구성 및 이들 구성의 등가물에 의해 제한되어야 한다. 본 명세서와 본 명세서에 참고로 포함되는 임의의 문헌의 개시 내용 간에 상충 또는 모순이 있는 경우에는, 본 명세서가 우선할 것이다.

Claims

a) 적어도 하나의 감지 요소를 분석물을 잠재적으로 포함하는 대기에 일정 시간 동안 노출시키는 단계;
b) 제1 파장 범위의 광을 적어도 하나의 감지 요소 상으로 지향시키고, 적어도 하나의 감지 요소로부터 반사된 제1 파장 범위의 광의 양을 나타내는 제1 신호를 얻는 단계;
c) 제2 파장 범위의 광을 적어도 하나의 감지 요소 상으로 지향시키고, 적어도 하나의 감지 요소로부터 반사된 제2 파장 범위의 광의 양을 나타내는 제2 신호를 얻는 단계;
d) 제1 신호와 제2 신호를 비교하여 비교 신호를 제공하는 단계; 및
e) 비교 신호를 소정의 응답 곡선과 상관시키고, 그럼으로써 감시된 대기 중의 분석물의 농도와 관련된 농도값을 얻는 단계를 포함하는, 대기 중의 분석물을 감시하는 방법.
제1항에 있어서, 분석물을 잠재적으로 포함하는 대기에 감지 요소를 노출시키는 기간 중 적어도 일부에 걸쳐 단계 b), 단계 c), 단계 d) 및 단계 e)를 반복하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 비교 신호는 제1 신호 및 제2 신호 중 하나를 제1 신호 및 제2 신호 중 나머지 다른 하나로 나눔으로써 얻어진 비율화된(ratioed) 신호인 방법.
제1항에 있어서, 감지 요소는, 분석물을 잠재적으로 포함하는 대기의 감시 전에, 기지 농도의 분석물을 포함하는 교정 가스(calibration gas)에 노출되지 않는 방법.
제1항에 있어서, 감지 요소는 광 세기 대 파장의 하나 이상의 피크(peak) 및 밸리(valley)를 포함하는 반사 스펙트럼을 포함하며, 제1 파장 범위는 상기 스펙트럼의 피크 또는 그 부근에 있고 제2 파장 범위는 상기 스펙트럼의 밸리 또는 그 부근에 있는 방법.
제1항에 있어서, 감지 요소를 분석물이 없는 대기에 노출시켜 초기 비교 신호를 얻고 초기 비교 신호가 허용가능한 범위 내에 있는지를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 단계 b) 및 단계 c)는 그들 사이에 적어도 1 밀리초의 시간 지연을 갖고서 수행되는 순차적 단계인 방법.
제1항에 있어서, 제1 파장 범위의 광은 제1 협대역 광원으로부터 지향되고 제2 파장 범위의 광은 제2 협대역 광원으로부터 지향되는 방법.
제8항에 있어서, 적어도 하나의 감지 요소로부터 반사된 제1 파장 범위의 광의 양을 나타내는 제1 신호 및 적어도 하나의 감지 요소로부터 반사된 제2 파장 범위의 광의 양을 나타내는 제2 신호는 둘 모두 감지 요소로부터 반사된 광을 측정하는 단일 광대역 광검출기로부터 얻어지는 방법.
제1항에 있어서, 농도값을 나타내는 통지 신호(notification signal)를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제10항에 있어서, 통지 신호는 메모리에 기록되는 방법.
제11항에 있어서, 제1 신호, 제2 신호 및 비교 신호는 또한 메모리에 저장되는 방법.
제10항에 있어서, 통지 신호는 수신국으로 전달되는 방법.
제1항에 있어서, 제3 파장 범위의 광을 적어도 하나의 감지 요소 상으로 지향시키는 단계와 적어도 하나의 감지 요소로부터 반사된 제3 파장 범위의 광의 양을 나타내는 제3 신호를 얻는 단계와 제3 신호를 제1 신호 및 제2 신호 중 적어도 하나와 비교하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
내부 공간을 적어도 부분적으로 형성하고 개구를 포함하는 하우징;
내부 공간 또는 하우징의 개구에 위치된 적어도 하나의 일회용 감지 요소;
내부 공간 내에 존재하며, 광을 감지 요소 상으로 지향시키도록 배열된 적어도 하나의 광원 및 감지 요소에 의해 반사된 광의 양을 측정하도록 배열된 적어도 하나의 광검출기를 포함하며,
여기서 적어도 하나의 광원 및 적어도 하나의 광검출기는 장치의 내부 공간 내에 수용된 공통 인쇄 회로 기판 상에 나란히 동일 평면 구성으로 배열되는, 대기 중의 분석물을 감시하기 위한 광전자 장치.
제15항에 있어서, 감지 요소는 법선축을 포함하며, 광검출기는 감지 요소의 법선축과 인쇄 회로 기판의 교차점에 위치하고; 광원은 감지 요소의 법선축과 인쇄 회로 기판의 교차점으로부터 떨어진 거리에 위치하고; 광원은 인쇄 회로 기판에 대하여 광원으로부터 방출되는 광이 감지 요소 쪽으로 지향되도록 하는 각도로 위치하는 장치.
제15항에 있어서, 적어도 하나의 광원과 적어도 하나의 광검출기 사이에, 광이 광원으로부터 광검출기로 직접 지나가는 것을 적어도 부분적으로 차단하는 적어도 하나의 광학 장벽(optical barrier)을 추가로 포함하는 장치.
제17항에 있어서, 광학 장벽은 광원을 인쇄 회로 기판 상에서 제자리에 유지시키도록 돕는 홀더를 포함하는 장치.
제15항에 있어서, 적어도 하나의 광원 및 적어도 하나의 검출기는 중심 대 중심으로 측정했을 때 서로 15 ㎜ 이내에 위치하는 장치.
제15항에 있어서, 중첩되지 않는 파장 범위의 광을 방출하는 제1 및 제2 협대역 LED 광원, 및 단일 광대역 광검출기를 포함하는 장치.
제20항에 있어서, 제1 광원 및 제2 광원은 사이에 적어도 1 밀리초의 시간 지연을 갖고서 별개의 시간에, 대략 분당 6회 내지 분당 240회의 빈도로 플래시하는 간헐적인 광원인 방법.
제15항에 있어서, 광검출기에 의해 측정되는 광은 감지 요소로부터 경면 반사되는 장치.
제15항에 있어서, 감지 요소는 장치의 내부 공간 내에 위치하고, 개구는 분석물이 내부 공간으로 들어가서 감지 요소에 도달하게 하는 장치.
제15항에 있어서, 3개 이상의 협대역 광원을 포함하는 장치.
제15항에 있어서, 감시된 대기는 공기 대기이고, 감지 요소 상으로 지향된 광 및 그로부터 반사된 광은 장치의 내부 공간 내의 공기를 통하여 전달되는 장치.
내부 공간을 적어도 부분적으로 형성하고 개구를 포함하는 하우징;
하우징의 개구에 고정된 적어도 하나의 감지 요소; 및
내부 공간 내에 존재하며, 광을 감지 요소 상으로 지향시키도록 배열된 적어도 하나의 광원 및 감지 요소에 의해 반사된 광의 양을 측정하도록 배열된 적어도 하나의 광검출기를 포함하며,
여기서 감지 요소가 하우징의 개구에 고정될 때, 개구는 장치의 내부 공간이 밀봉된 내부 공간을 포함하도록 폐색되는, 대기 중의 분석물을 감시하기 위한 광전자 장치.
제26항에 있어서, 감지 요소는 분석물-반응성 층을 포함하고 분석물-반응성 층과 광검출기 사이에 분석물-투과성 반반사성 층을 추가로 포함하는 일회용 감지 요소인 장치.
제27항에 있어서, 감지 요소는 순서대로 분석물-투과성 반사성 층, 분석물-반응성 층, 반반사성 층, 및 광학적으로 투명한 분석물-불투과성 층을 포함하며, 광학적으로 투명한 분석물-불투과성 층은 장치의 내부 공간 쪽으로 대면하는 장치.
제26항에 있어서, 장치의 내부 공간으로부터 감지 요소의 반대측 상에 감지 요소에 인접하여 위치한 분석물-투과성 보호 층을 포함하는 장치.
제26항에 있어서, 감지 요소는 기계적 부착 수단에 의해 개구에 고정되는 장치.
제26항에 있어서, 광원 및 광검출기를 작동시키고, 광검출기로부터의 신호를 처리하고, 사용자에게 그러한 신호 처리로부터 얻어진 결과를 통지하도록 구성된 적어도 하나의 마이크로컨트롤러를 추가로 포함하는 장치.
제31항에 있어서, 메모리에 저장되며, 감시된 대기 중의 분석물의 농도를 나타내는 농도값을 얻도록 하기 위하여 마이크로컨트롤러에 의해 처리된 신호가 상관될 수 있는 응답 곡선을 추가로 포함하는 장치.
제32항에 있어서, 광검출기로부터의 임의의 또는 모든 신호, 그로부터 유도된 처리 신호, 및 농도값이 저장될 수 있는 메모리 저장 장치를 추가로 포함하는 장치.
제31항에 있어서, 임의의 또는 모든 신호가 외부 수신국으로 전달될 수 있는 송신기를 추가로 포함하는 장치.