专利名称：用于测定分析物浓度的指示系统的利记博彩app
技术领域：
本发明一般涉及感测分析物浓度变化或分析物接触史(exposure history)的设备和方法，所述分析物参与在食品饮料质量、药物酸败 (spoilage)、个人防护和环境整体性(integrity)领域中影响质量控制的化 学反应。
背景技术：
存在已经整合进电子装置中的若干气体检测技术，它们通常利用与 发光、荧光、反射技术结合的有色指示剂。这些装置要求熟练技术人员 的手动操作、校准和判读。包含这些装置的专利实例包括可用于检测食 品和血中来自细菌的酸败产物的GB2102947、US5094955、 WO0077242、 W09627796、 US6卯8746，以及可描述为气体检测器的US2890177、 US3068073、 US3111610、 US3754867。
目测读数用于在由Draeger⑧制造的样品管中判读数值，技术人员 将其与抽气泵一起用于提取气体样品并使置于样品管中的有色指示剂 接触靶分子，以通过移动的有色条带获得目测结果。US 5,653,941中乂> 开了类似的技术，其中对食品容器中提取的酸败气体手动取样，并按照 通过/失败(PASS/FAIL)测试来净艮告是否达到预定阈值。
如果这样的技术能够整合成被动式指示系统，即不需要人介入、在 专业设计下运行以测量接触并报告可由非专业读者(而不仅是技术人 员)判读的数值的系统，则会是很有用的技术贡献。这样的被动指示设 备可以有若千工业应用，例如用于食品质量(微生物酸败)、作为新鲜 度指示剂用于水果表面、包装完整性(包括破损验证(tamper evidencing)),人与有毒气体的接触、防毒面罩中过滤筒的剩余寿一、 来自患者肺的呼气、蒸发-凝结指示剂、血和尿中尿素的样品试剂盒。
其他指示剂用类似的系统模拟真实环境。其中经典的是报告与反应 物热接触的时间-温度指示器，所述反应物与被热建模的系统共有相似的活化能和速率常数，并且得出的相关性提供对真实体系条件的推论
(Riva， M， 1997)。
其他指示剂用类似的系统模拟真实环境。其中经典的是报告与反应物的热接触的时间-温度指示器，所述反应物与被热建模的系统共有相似的活化能和速率常数，并且得出的相关性提供对真实体系条件的推论。已经开发了更新的指示剂，其计量与分析物的接触，所述接触是造成环境变化的直接原因。然而，该计量仅限于达到阈值，因此信息(communication)仅限于开/关(ON / OF)或通过/失败的读数。这样的指示剂由Food Quality International商品化，用于监测肉和鱼的品质，并由Ripesense商品化用于监测水果的新鲜度。这些设备的局限性在于依赖观察者可见颜色谱的改变，参考比色表来确定终点。就判读而言，用这些设备无法获得数值尺度，留待观察者判断颜色谱来决定，其分辨率和准确度是有问题的。
然而，目前还没有发明要求保护包含下述测量设备的应用，所述设备通过工程结构，使用提取作用使导致品质改变的化学反应中的靶分子或者与环境完整性改变相关的标记物主动扩散，所述工程结构的方向使得所述移动前缘与所研究环境中的品质改变同步。本发明使用这种移动的反应前缘在装置中创建传感器，所述装置测量并报告靶分子(分析物)的当前水平或接触史。
本发明新设备提供的读数沿着连续数字标尺(没有上限)产生点，因此满足了当今医疗业在质量保证中对硬数据(hard data)的要求。
尽管分析物的当前水平提供了关于环境中分析物浓度可接受性的信息，但是报道的累计接触旨在来自设备部署期间各时间点与分析物所发生反应的加成累积。
本文公开的这样的装置可用于含有靶分子的真实环境的任何封闭的或部分限制的或稳态条件的区域中，或用于流入或流出这种环境的气体或液体样品流中，靶分子通过所述样品流。本发明的典型目的环境包括食品或生物制品中的生物酸败反应物或产物、环境污染物，或用于对空气或水进行卫生处理(sanitisation )的处理产物或杀虫剂以及包装中气体密封的完整性。发明概述
因此，本发明的一个总体目的是通过报告与环境相关的靶分子的接触或释放来提供封闭或部分封闭的真实环境的化学品接触史。
因此，在一个方面中，本发明涉及通过报告与环境相关的靶分子的接触或释放来监测封闭的真实环境的化学品接触史的方法，其包括以下
步骤
将监测设备置于封闭真实环境的区域内，或置于乾分子经过的流入或流出所述环境的样品流中，其中所述监测设备具有可通透的基质，并通过测量靶分子通过该基质的扩散来记录与这些靶分子的接触；然后
在接触期内和/或接触期结束时，定期记录乾分子通过这些基质的分子扩散程度；
从而提供该环境与靶分子的接触和/或释放相关的接触史。
靶分子可以是质量管理的目的分子，并可包括生物酸败反应物或产物、污染物、或处理空气或处理水以改善品质的卫生处理化学品。所述目的靶分子可与食品酸败、生物制品酸败、微生物和化学降解、个人防护设施、环境保护和其他环境监测应用相关。
适当时，所述监测设备的可通透基质具有一种或多种置于其中的化学指示剂，所述指示剂指示靶分子向基质中的扩散。
适当时，靶分子在基质中诱导化学转化，从而指示基质中靶分子的存在。所述化学转化可以是氧化还原反应，或可以是例如由pH改变诱导的电离反应。因此化学指示剂可以是pH指示剂。
可以改变可通透基质的化学物理特性(如密度和孔隙度，和/或基质入口的孔径)，以提高或降低靶分子通过基质的扩散速率。
适当时，通过靶分子与化学指示剂的反应来计量靼分子扩散通过基质的程度。
在一些实施方案中，扩散程度在移动的线性有色条带或移动的有色环的连续标尺中报告靶分子的浓度。适当时，所述监测设备包含腔室，其中養质置于该腔室中，所述腔 室设置成通过确保迁移前缘处的反应时间与基质中靶分子的扩散同步 来确保颜色相对于连续标尺中距离的改变率。
所述监测设备可报告靶分子的当前水平或对靶分子的累积接触，或 作为集成的设备时其可报告当前水平和接触史二者。
所述监测设备可包含反应前缘，所述反应前缘与指示设备的基质中 靶分子的扩散程度相称。
所述指示设备可通过将指示介质置于狭窄且伸长的管中而将指示 剂反应前缘限制成沿着连续标尺前进，以将沿着指示器进行的扩散限制 成对观察者而言沿平面进行。
监测设备可通过将二维形式的基质设置为具有不可通透的上部和 下部表面的薄层盘或具有可变厚度的盘而将指示剂反应前缘限制成沿 着连续标尺前进，以将扩散限制成对观察者而言从外部边缘到内部中心 进行，或者从中心到外部边缘进行。
适当时，基质被设置为二维形式，如三角形，或者设置成三维形式， 如楔、圆锥或锥体形式，或其他逐渐变细的形式或可变厚度的其他形式。
所述监测设备可通过如下方式制造为沿着递增的非线性标尺进一
步扩散沿线性条带(例如本发明的温度计形式)的长度改变包含指示 剂的基质厚度，从而产生楔；或者沿着存在于本发明盘状形式(例如本 发明的盘状形式)中环的弧度来提高厚度，从而产生半球形或半卵形 (hemiovular)形状。通过将入口端制成逐渐变细的末端，前进的扩散随 着迁移距离的增加变得更加非线性。或者，可以通过从设备的厚端向薄 端扩散使得扩散更加线性。
所述监测设备可以离散标尺中报告靶分子的浓度，这是通过在移动的 有色条带上的位置中设置掩蔽的有色印迹，从而通过位置的颜色改变观察 到条带到达该位置；或者条带本身的颜色掩蔽了下面印迹的显现，有色条 带的前进迁移通过之前的掩蔽条带失去颜色并显现下面的信息来提醒观 察者达到了新的接触水平。
所述监测设备可通#基质中使用产生半稳定反应产物(在50至80。C产物(仅在烤箱温度下可逆)的^^应物来才艮 告与耙分子(如二氧化碳)的累积接触。
适当时，所述监测设备通过基质中所使用的反应物(包括緩冲剂)来 报告靶分子的当前水平，所述反应物在环境温度下产生不稳定的反应产 物，使得反应是即时可逆的，从而产生对分析物当前水平的报告。
所述监测设备可以通过目测的颜色在空间中的移动或分离，以可读的
标度(可能是作为仪器视野中反射光的数量或作为色谱或色度(colour intensity)来测量)或是借助于装置(以波长或频率、反射、发光或荧光或 其他辐射技术(如超市的条码扫描器)测量显色)来报告当前水平或累积 接触。
所述监测设备可通过电信号的改变来报告当前水平或累积接触，所述 电信号显示在数字显示器上，或通过辐射技术转发至协调中心，并可能通 过因特网或卫星通信向国际转播。
所述监测设备包含含有指示剂基质的着色剂，或其可使用有色的掩蔽 层或背景层来改变观察者所看到的或用电子扫描装置获得的读数所看到 的基质颜色或清晰度。
就监测设备而言，针对不同受众的交流模式可以改变成仅可由所针对 的受体A^判读的编码交流系统，以传达该设备与靼分子接触的信息。
可如下校准监测设备选择用于指示具体靶分子存在的适当化学试剂、 试剂的浓度；或者通过改变基质的通透性来改变进入指示介质中的扩M 率。
监测设备的可通透基质可在管中排列成线性构型的微球，从而建立 一定程度的曲折度并藉此建立緩慢的扩散，以确保前缘的反应时间以一 定扩散速率前进，并校准迁移速率。
所述监测设备可通过将指示试剂与提取试剂混合来测量累积接触。
在一些实施方案中，所述监测设备可装配有粘性标签或标记，所述 标签或标记与含有食品或生物制品的包装或容器热接触。
适当时，所述监测设备可设置成用于插入包装内的独立装置、用于 设置在包装内壁上的粘性标签或印迹、用防溶剂材料保护的层板或者设
10置在可渗透包装的外壁上。
防护性滤层可置于监测设备上或与其毗邻，从而从被测量环境中提 取非靶分子，并在测量中提供对靶分子的选择性，并使得监测设备是防 溶剂的。
优选地，所述监测设备用于食品检测和环境质量应用，以及监测微 生物培养物生长的应用。
现在将以图中所示的非限制性实施例为基础描述本发明
图1:展示了指示剂，其中指示剂凝胶线性放置并被屏障层覆盖， 以确保一维扩散；
图2:展示了线性指示剂设备的剖面；
图3:展示了用于浸入液体中的浸量尺(dip-stick)装置形式的指示设
备；
图4:展示了从膜边缘朝向中心的二维平面扩散；
图5:展示了在操作中应用平面迁移的盘式指示剂的俯视图6展示了逐渐变细形式的指示设备，如楔、锥体、圆锥或其他逐 渐变细的形状，从而颜色改变会随着逐渐增加的接触而从细尖部向粗底 部前进；
图7展示了从左向右迁移的移动有色条带；
图8展示了应用于水果的监测设备；
图9展示了插入土壤的监测设备；和
图IO展示了装入机动车辆尾气中的监测设备。
发明详述
在本发明中可能进行两种类型的测量当前水平和累积接触。前者测量在测量时记录的分析物水平，而后者计量以累加方式累积的接触单 位并报告接触史。在两种接触情况下，均可按照由反应前缘移动条带的 连续标尺或离散标尺和有刻度标尺进行计量和报告。读数可以是观测的 或电子式的。观察可作为目测读数供非技术人员使用，或者作为使用无 线电波或通过其他电磁手段转发的电子读数供熟练使用装置的技术人 员使用，并报告给遥控中心。
食品和生物制剂在分销期间在其接触热一段时间和在其被酸败生 物污染时丧失品质。可用来自破坏食品的细菌和真菌代谢产物来测量品 质丧失和残余的品质。示例性分析物包括二氧化碳、硫化氢、二氧化硫、 氢气和氨气、乙酸和乳酸、酮和醛。可通过降解蛋白质形成的胺来测量 食品如肉和鱼在冷冻储存下的化学降解。可类似地计量降解的橙汁中苦 味产物柠檬碱的形成。包装食品中品质的丧失也可通过制成食品中的氧 流入和消耗来测量，以及通过包装产品中由保存在高于食品包装的设计
限度的温度下的呼吸的植物组织所引起的厌氧性(anaerobis)而导致的 氧浓度降低来测量。
呼吸作用、酸败活动和化学降解的分解产物通常是酸、碱或氧化还 原产物，而反应物一般包括氧。监测分解产物的形成或反应产物的利用 可以指示生物化学和化学加工的进程。
可使用pH或氧化/还原指示剂来监测包装范围内的酸败或者经历环 境改变的分散的气体或液体流中活性位点下游或上游的酸败。这样的指 示剂可置于包装环境中、其他受限的空间中或接近生产位点的样品流 内，以监测接触水平。
指示剂可与酸或碱的演化产物(evolution product)反应，并在有 或无pH緩冲剂时使用pH指示剂通过缀合酸/碱的形成以动态接触来计 量滴定反应的进展。类似地，使用氧化还原反应，指示剂可用于计量对 浓度变化的分析物(如氧)随时间的接触进展。可类似地使用浓缩和蒸 发指示剂作为进入食品包装中水分的度量。
许多食品(例如乳)在低细菌种群时是安全的。消费公众关心的是 品质，个体消费者之间可接受的限度可能是不同的。累积的热接触会允 许酸败生物的种群发展。乳和类似的产品直到某一点之前仍是可销售的，仅报告细菌存在或不存在几乎没有价值。在这些情况下，通过测量 累积的二氧化碳演化或其他酸败产物(如酸败酸)来计量种群及其代谢 是有价值的。现有技术(指示膜改变颜色)的问题是仅报告达到了 一定
阔值，或依赖于色度的装置读数。本发明的改进是报告横向扩散(lateral spread)的读数，随着接触逐渐增加而扩大，像常规的色带温度计那样。
生鲜产品如禽卵、水果、蔬菜和花随温度以Arrhenius率呼吸，其 呼吸作用可被多种氧和二氧化碳的气氛改变。由水果贴纸(fruit-sticker) 或包装壁上的内部贴纸在表皮细胞表面测量的氧和二氧化碳当前水平 反映了温度和大气的当前环境条件，无论该条件对产物的收获后寿命是 有利还是不利的。类似地，可将贴纸置于禽卵壳的外表面上，以计量卵 呼吸、壳内细菌酸败产物中的一种或两种。
对生鲜产品而言，可使用一定量细胞的累积呼吸来计量新鲜度，作 为多种已分离的植物器官的"呼吸寿命(respiration-life)" (Brash等 1995， Bower, J.H.2001)。
当前的和累积的乙烯水平可预示呼吸高峰期水果(dimacteric fruit) 中成熟的开始，或指示成熟的阶段(此时水果如梨、酪梨和猕猴桃是最 适于食用)，而不需要使用手指进行按压检验和损坏水果。
产品器官的表皮中存在可通透的覆盖层。植物中的氧、二氧化碳、 乙烯和醇穿透这些表面，提供了用本发明测量平衡水平的可能性。
从产品的细胞中析出并通过扩散透过表皮细胞层进入表面的二氧 化碳、乙烯和其他气体(如乙醇)可被本发明的指示设备提取进装在产 品自身上的覆盖贴纸中，或穿过用于贸易产品使用的可通透包装的壁进 入装在包装外的贴纸中。或者，该设备可作为包装材料内的一层整合进 来，或配置成包装内的防水和防漏的独立设备，或位于带有连接管的不 透明包装外侧。
对于其他不通透容器(如透明玻璃瓶)中食品、保健产品和其他易 腐产品或医学样品的情况，在内壁贴上防溶剂标签使得可以实现计量和 报告功能。当使用不透明的容器时，可向例如聚乙烯或其他聚合物的管 中刺出针孔，然后可以用修复自行车胎中穿孔相同的方式将标签i殳备作为密封贴片使用。
或者，可使用卡口来安置计量设备，所述卡口通过在包装壁中刺出 的针孔安装，并与装入计量袋的管相连。这些方法使得能够在不透明的 管和容器中进行监测。
"包装"的定义可扩展至若干个较小包装的外包装，并可包括大容 器，包括运输容器。可获得的度量包括当前的呼吸和成熟状态，或产品 的呼吸或成熟史。
为了在分销期间进行有效的品质管理，在寻求销售的透明度和责任
的现代审计追踪(audit trail)中，期望报告产品从收获或食品加工直到最 终消耗点的逐渐变质。因此，期望计量系统显示该产品寿命在运输和储 存的各方手中时的过期程度(degree of expiry)。
生鲜产品的品质随着分销期间处理的延迟和亚最适温度 (sub-optimal temperature)管理而变质，丧失新鲜度。贸易中的新鲜度 在水果被采摘时或开始成熟时最高。尽管通过冷冻、装罐或加工食品和 饮料的其他食品防腐方法提供保藏，但是酸败生物的污染和化学降解最 终会限制储存期和保质期。监测新鲜度状态是本发明要解决的问题。
食品的品质随着分销期间的热接触而变质，因为污染^:生物生长和 繁殖。微生物的代谢是食品降解的主要因素，并由包括温度、氧气和二 氧化碳浓度、生长介质、水活度(water activity),生长抑制剂和防腐剂 在内的因素调节。因此，温度-时间指示剂不反映调节微生物生长的总 体环境因素(尤其是对于混合食品的制剂而言)，因此，监测真实系统 中的改变比模拟系统中的预测对于品质控制而言更为精确。
分销链通常包括多方合作、热接触以及收获或食品加工与家庭消费 之间的延迟。当制造好的食品被包装时新鲜度最高。现代分销体系涉及 从分销链中的一个环节传递至下一个环节，通常包括对于加工食品而言 的制造商存货以及对于生鲜产品而言的收获-冷却和在食品加工厂 (packing-house)中的包装-储存。然后分销通常包括公路、铁路、海运和 空运，接着是批发存货-零售存货-零售展示-消费者购买-消费者保存。
在整个市场链的分销中，多方均对产品和食品的品质很关注，这应
14当有利地由信息设备(communication device)在个体水果或食品包装的 表面报告。该信息可提供销售情报(marketing intelligence),并且一方(例 如零售商)出于品质管理的目的可能希望在该信息被传递给消费者-顾 客之前就获得针对食品品质的早期警告。这会使得零售商可以介入和将 产品撤出销售，或为了快速销售而打折处理。
为了保护他们在市场上在高品质产品方面的声誉，零售商偏好于限 制顾客所能获得的关于食品品质的信息，而是在幕后用内部管理体系确 保其食品的安全性，不引起顾客对想象或感受的风险的担忧。类似地， 当不适于购买时他们可以选择拒绝批发商发货。为了使品质状态的信号 传递给针对多种受众，期望使用编码的信号。
本发明通过指示剂中的颜色改变速率与有色条带迁移的距离相关 联而满足了这种需要。藉此在报告腐败生物种群及其在产品细胞中的活 性和代谢方面实现了更高的可靠性。本发明提供了使关于品质状态的信 息针对分销链的各方，所述信息与酸败产物的变质和解离水平和/或反 应物的消耗相匹配。这些根据了解需要进行的报告与销售和分销的现实 相容。
这样的编码信息传递的一个实例是首先使用对与早期品质丧失匹 配的指示剂改变进行电子检测，这通过例如存货管理员或核对操作人员 在出售时(point-of-sale)的条码扫描来完成。在更先进的阶段，视觉信息 传递可以与条码结合，并且如果在顾客操作期间品质进一步变质的话扩 展至出售后的顾客。在家庭作为产品顾客的情况下，食品可在从商店回 家路上炎热的车中和由于冰箱和厨房中储存时较差的温度控制而变质 到更高的水平。当变质严重到必须丟弃食品时，对分销中这最后一方(终 端使用者)关于食品品质的警告以视觉形式(如警告符号和文字)可以 更好地交流，这样可被广泛地判读和被所有人看见。
现有技术中存在指示系统，其推断冻融等事件中热接触的条件或程 度。时间-温度设备被置于与食品和生物制品(如袋装血)热接触，并 在产品被分销时共有相同受热史。这些设备中生物化学加工的酶过程或 物理扩散过程涉及与模拟的真实系统不同的过程，并根据相关关系用真 实系统建模和校准。现有技术中存在这样的设备，所述设备用生长培养基负载呼吸微生 物，从而响应于热接触而从呼吸中产生酸产物，所述微生物例如在冷冻 食品融化时生长的酵母。然而，现有技术未使用在真实系统中研究的特 定培养物种类。在乳和鱼酸败的情况下，最近几年已经知道，特殊的细 菌物种—在冷冻温度下生长的嗜冷生物主要导致了现代食品分销体 系中的食品酸败。
本发明会更接近和准确地模拟真实的酸败过程。可用已知导致酸败 的特定酸败微生物的培养物接种独立的设备，如食品容器外壁上的粘性 条片。微生物可在腔室(其具有开向传感器的开口 )中与生长介质混合， 所述生长介质包含与真实食品接近的制剂小样(例如以冻干或真空包装 的形式)，带有反映真实体系的微生物污染水平，它可能是脱水的，并 在食品分销开始时通过水合、从真空包装的状态通气、或从冷藏温度转 移至分销时的室温而开始工作，以使微生物能够生长和繁殖。
根据该方法，乳酸败可由移动的彩色条带指示报告，所述彩色条带 指示来自于干燥乳中再水合的嗜冷细菌培养物小样，其代表了正常加工 中的通常污染水平，其中样品通过管道与粘性条片连接，且设备装配在 乳容器外侧，并在分销和居家储存期间与食品乳内容物热接触。
本发明的一种类似应用是监测真空包装食品中包装密封的丧失，因 为如果密封丧失则氧会流入，并引发非活性微生物(已知是需氧的并被 分类为无害的)的生长，指示剂度量中颜色会响应于微生物的生长和代 谢而改变。在该情况下，设备可置于密封的包装中。
存在用于报告食品品质的氧指示器，其通过在包装被打开使用时使 该指示器接触食品包装周围的空气而作为接触计时器来报告接触空气
(21%氧)后经过的时间。因此，包装打开后的时间可以与预计接触漂 浮在空气中的微生物相关，因为包装密封的排除作用丧失。另外，当消 费者将包装在空气中打开时，可以针对食品的预期氧化进行粗略的关 联。
然而，食品在分销至消费者时品质变差，食品制造商和分销商期望 测量与不同数量氧分子的接触，所述氧分子穿透设计成真空级或无法进 行气体交换的包装材料，在储存、运输和销售期间由于包装密封破坏造成的孔洞而渗入。这会提供对分销期间食品自身氧化程度的更精确的度 量。另外，测量对呼吸产品(如最小限度加工的蔬菜)通透的特殊包装
内部的氧浓度对于报告厌氧性(anaerobis)的发展而言是有价值的，厌氧 性不仅引起植物组织的快速衰老，而且促进威胁人类健康的危险厌氧菌 生长。
使用可通透包装壁上的粘性标签、透明包装壁组合物和包装插入物 实现这样的测量是本发明的一个目的，所述插入物例如置于食品包装内 的标记物，其测量和报告穿过屏障膜(如插入固定在盒中袋包装酒"桶" 内的塑料酒袋中)或穿过瓶密封的氧通透。
包装完整性对于食品品质和安全性是重要的，细菌细胞和真菌孢子 可通过包装壁上的缺口进入。食品包装被损坏时丧失其密封。制造缺陷 也可能未能产生有效的密封。许多包装被设计成防止空气中细菌细胞进 入的密封，但是不是气密性的，例如一些塑料乳容器。在这些情况下， 酸败指示器的效力是有限的，除非其可在酸败产物产生时提取逃逸的气 体或液体酸败产物。这些气体或液体(无论在反应中是酸或碱还是氧化 /还原反应产物)应当与指示剂在半稳定的反应中反应，否则报告技术 没有真实可信度。现有技术仅报告达到了酸/碱或氧化/还原产物的阈值， 然而这种改进提取并计量了具有轻度泄漏或设计孔隙的包装内放出的 反应产物，在其他情况下所述产物可从包装中泄漏而检测不到。
一种类似的应用是报告包装产品的破损。优选在销售之前用扫描设 备以电子方式检测到食品、药物产品等等包装的破损，并且仅在扫描系 统未检测到近期破损时才报告给消费者。现有技术中公开了用于才艮告包 装环境完整性丧失的若干指示剂，其中一些涉及氧和二氧化碳指示剂。 食品供货商特别是零售商希望在包装完整性出现问题的情况下实现早 期干预，但是如果他们的内部控制系统失败，则有义务警告乂>众这种健 康风险。
对于改进的工业应用而言，早期检测最好用早期警告系统(如条码 消失)报告给零售商，而来自与指示剂更高反应水平的高级检测则用印 刷的信息或符号报告给消费者。早期检测可以在通过本发明的计量体系 建立的离散标尺的较低端实现，而高级警告被设置在更高的接触水平； 尽管信号代码不同，但是它们反映了离散尺度的不同水平。对空气和水中靶分子(包括污染物)的环境监测是另一种应用，其 中本发明可作为被动监测设备而用于监测与靶分子的接触。
环境中的当前水平是有意义的(尤其是在足够引起警告的浓度下，如
一氧化碳排放污染机动车辆的客抢时)，因为这可能有急性中毒的风险； 累积接触可引起慢性中毒的更低的隐蔽水平也是有意义的，例如在学校中 使用无烟道燃烧的室内加热器的情况，或者废水中的重金属离子。
对于汽车排放的情况，对置于尾气流中取样设备的累积接触能够报告 污染的汽车，或者出于许可目的而计量排放，从而仅允许合适的车辆或处
于许可污染量(license-to-pollute quota)以内的车辆ii^污染城市的内部区 域。
在监测化学过程输出(如从通风口或管道排出的污染)时，水平可随 时间变化，如果随时间的浓度是可变和偶然的，则依赖于离散时间点取样 的可信度可导致不准确。重复测量当前水平以获得接触史是费力和昂贵 的。连续接触可能是环境中化学产物作用的更可靠的度量。接触指示剂的 本发明在提供这一需要中是创新性的。在样品流(如烟囱排气管、废水管 道或大气，如使用测量气球获得的陆地上方的臭氧层)中i^巨离使用的分 离的传感器使得多个监测站能够在自动化的系统中昼夜不停地监测，与数 据记^目似。在监测期结束时，技术人员能够获得累积接触的目测读数或 无线电信息，并按照提供的标度进行判读。电子数据记录器较低的制造成 本使得能够用更多的监测站来实现更大的取样效果，并且如果廉价的设备 由于一些灾难而丢失，则对研究预算的影响较小。
熏蒸和卫生处理应用也会受益于大^a告分析物水平的监测技术。 水处理(例如饮用水、游泳池的氯化或氧化处理)、嬰儿尿布的灭菌以及 房间、产品包装、土壤的熏蒸也需要关于接触的信息。剂量通常通过将分 析物浓度乘以时间来计算。应使用本发明，通过在环境中代表性取样点使 用感测指示设备来有益地报告当前接触水平和接触史。
建立试管环境的问题已在上文在包装环境中、建筑中房间的范围内、 测量样品流、透过可通透或多孔塑料食品袋的壁或者在污染通气孔或管中 使用的情况进行了讨论。带有^植物导管中的管道的附件可避免需要建 立取样腔室，例如可以将管道与可^分析物发生器(如排气管)的设备 连接，例如可以在保护性但是可通透的密封舱(capsule)中放置用于使液体经过管道流动。该设备可与输液管和其他装置一^^使用，所述其他装置通 常在科学仪器中使用，以获得与靶分子的接触和获得取样流。
本发明的被动监测设备可用于监测易腐产品(如包装食品)中的微生 物酸败和化学降解。
该设备可制造成通过如下方式选择性地计量与微生物(所述微生物在
包装食品上生长并威胁人类健康)的接触将指示剂与食品或生物制品直 M触，或在独立的腔室中与食品或生物产品样品接触，所述腔室与食品 或生物产品的真实环境热接触；并使针对靶疾病生物的已知抗体与指示剂 结合，或使用已知选择性应答于酸败细菌的特定酶的某些指示剂或制造具 有抗原敏感性分子的组合物的指示剂，或使用针选择性抗生素、杀真菌剂 或其他生长抑制剂，其对不是监测目标的微生物物种具有特定作用但是对 AJ^测目标的物种无害。
该设备可用于报告迁移进食品包装的氧和水分，它们引起食品品质的 变质。该设备可用作包装壁内的层板，用作用于插入包装内含物的防溶剂 且不浸润的设备，或用作针对这类包装可通透壁的粘性标签。
该设备可用于监测产品(水果、蔬菜、插花和叶饰)的新鲜度。该设 备可才艮告二氧化碳、氧、乙烯和其他目的气体内稳态的当前水平和植物组 织的衰老，以及接触史。使用该信息可推断出内稳态、衰老、新鲜度的当 前状态或成熟状态以及储存、运输和销售的产品的剩余寿命。也可以监测 大气中氧和二氧化碳的环境条件。该设备可用作产品包装壁内的层板，作 为用于插入包装内含物的防溶剂且不浸润并ib^食后是安全的设备(由于 组合物的材料选择)，或用作针对这类包装可通透壁的粘性标签。
通过与i^A相关的水、养分或植物食品和酶导管的注射装置相结合； 或通过将所述设备作为粘性贴片置于被监测的植物组织表皮上以提取逸 出气体，该设备可用于在完整植物中监测植物健康和内稳态。
该设备可在食品加工和制造、酿酒以及有机废料和盆栽土壤(potting mixes)的堆肥中用于监测发酵过程。类似地，其可用于监测土壤中的生物 活性。
该设备可用于监测包装食品(如葡萄)的气氛中或熏蒸室内或置于土 壤或木材上的熏g下熏蒸剂的当前水平以及接触史。
该设备可在用卫生处理剂处理水时用作确保有效剂量的监测设备，僻如对游泳池中的水和来自可疑来源的饮用水进行氯化和氧化的情况。
该i殳备可用于监测空气中污染物如二氧化碳的当前水平和接触史，二氧化碳通常用作来自建筑物(如家庭和学校房间)中木材和矿物燃料的污染气体范围的指示气体。可以报告不想要的气体在相对有限的空间(如机动车车厢)中的累积，所述不想要的气体如引起困倦的二氧化碳。该设备产生的信息可支持需要对有人的车厢和建筑物进行通风的决定。
该设备可用于监测水中污染物(例如来自通过管道^7jC路的废水管道排出物)的当前水平和接触史，并可装有绳子和漂浮物或重物，从而将其置于所需的取样深度。
对于在有毒气体中工作的人，如急诊室人员、杀虫剂使用者、挖煤工人和喷雾油漆工，该设备可用于监测有限空间中的当前水平和接触史，并可置于工作场所的更大房间中，或置于工人作为个人防护i殳备佩戴的呼吸罩的过滤筒中。
该设备可用于通过推理来监测含有已知浓度分子的气流或水流，目
的在于产生接触史的指示，如空气中的环境氧(21%)或二氧化碳(0.04%)。具有可变的浓度、流量和时间的接触模型可适于以校准传感器，从而作为流量计来及时计量经过取样点的气体或液体体积。
该方法的 一种应用是使用上文公开的推测模型来监测和替换空气或水流中的过滤设备，例如在灰尘环境中工作的内燃机(如农用拖4M^)或在国内清洁工业中使用的真空吸尘器和空调的空气滤器。目前的工业实践是在许多个小时的使用期后更换或清洁滤器，这假设风扇转速是恒定的。该计量传感器可用于针对工作中的引擎监测由于可变风扇转速和与偶发的引擎转动相关的空气IIL^所导致的接触。 一种相关的应用是篮测计量以及在一定体积的水经过水流取样点时预告需要清洁游泳池滤器。对引擎寿命的改进模拟可作为优于目前的引擎工作时间(engine-hours)或车辆行驶里程表读lt变量的改进度量来使用。累积的氧摄入或累积的排气(如二氧化碳)可更准确地代表寿命并从而代表引擎的剩余寿命，并用于引发维修需求和引擎更换的需要。
该设备可用于监测水、空气、药物、兽医样品和植物汁液中特定离子(包括氢(H")的当前水平和接触史。
可通过由已知7jc分吸收剂和凝结指示剂组成指示剂，将该设备用作水分迁移i^包装和期望M保持干燥的其他空间的指示剂。
监测设备通常包含惰性栽体介质，所述惰性载体介质可由惰性7jC溶性含碳聚合物如聚乙烯醇组成。为了确保水性化学反应，碳聚合物可以是聚乙烯醇、聚乙烯吡咯酮或一些其他水溶性聚合物，或食品和生物制品分销中使用的其他透明或半透明包装材料。
建立通过载体介质的所需通透率的增塑剂可包括丙二醇、四亚甲基二醇、五亚甲基二醇或任何二醇或聚羟基材料。
用于通过颜色改变来报告酸性蒸汽存在或不存在的示例性pH指示剂可以是酚酞、通用指示剂或在pH 8.0-10.0范围附近改变颜色的其他指示剂，或4壬何其他pH指示剂，或拓宽颜色可能性的不同指示剂组合，或拓宽颜色可能性的不同指示剂组合；并可以首先溶于醇或适当的聚合物溶液中。
碱性提取材料可以是碳酸钾、碳酸钠、碳酸钩或强有机或无机阳离子的其他碳酸盐，或其他强有机或无机阳离子的水溶性氢氧化物或氧化物；或任何碱性材料。实例包括碳酸盐、氢氧化物，或者碱金属氧化物或强有机碱，其在酸性蒸汽中发生中和。
酸性提取材料可以是乙酸、酒石酸、杼檬酸和其他弱有机酸。
pH緩冲剂可以是基于碳酸盐或磷酸盐的緩沖剂，发生g-Jl&反应的Jl^酸，或抗pH改变的任何緩沖剂。
指示乙烯存在的试剂包括高锰酸钾(颜色从紫色变成无色或棕色)和四參衧生物(颜色从紫色变成无色)。
指示氧存在的试剂包括^皮认为是提取和指示的经典实例的无色亚甲蓝(leucomethylene blue),以及许多其他无色染料。与leucoMB[无色石克堇染料最为相似的染料一般是无色的，并在存在氧时氧化成蓝色、绿色或紫色。另一种指示剂染料是鲜红色的红荧烯(nibrene)，其在存在光和氧时变为无色。
阻碍气体迁移进入下面指示剂的屏障膜可以由薄的可通透塑料膜如聚烯烃或聚氯乙烯组成。
防7K材料和防止试剂从指示设备迁移至食品同时允许气体(如二氧化碳)快速通透的材料实例包括硅烷(如硅酮)。
21靶分子(如二氧化碳)的选择性通透可通过用涂层材料(如硅酮或 聚乙烯)涂覆指示剂的载体介质来实现。
合适的指示剂、聚合物和其他适当的反应性化学品的实例在
WO9209870中公开，其公开内容摘录如下。
"大量反应与颜色改变相关。在每种类型的颜色改变反应中都存在几 类化合物，且每一类都具有颜色发生改变的若干化合物。下面是可在本发 明的设备中被用作指示剂和激活剂的一些反应类型和一些化合物种类。
颜色改变反应和指示剂被用于检测和监测有机、无机和有机金属化 合物。这类颜色改变哀JL和化合物在大量书籍、综述和出版物中罗列，包 括以下参考文献中所列的反应和化合物Justus G Kirchner, "Detection of colourless compounds", Thin Layer Chromatography, John Wiley & Sons, New York, 1976; E， Jungreis和L Ben. Dor" "Organic Spot Test Analysis", Comprehensive Analytical Chemistry,第10巻,1980; B.S. Furniss, A.J, Hannaford, V, Rogers, P.W. Smith和A.R， Tatchell, Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry, Longman London and New York, 1063-1087 页,1986; Nicholas D. Cheronis， Techniques of Organic Chemistry, Micro and Semimicrn Methods, Interscience Publishers, Inc. New York, 1954，第 6巻，447-478页；Henry Freiser， Treatise on Analytical Chemistry, John Wiley and Sons, New York誦Chinchester國Brisbane-Toronto- Singapore, 1983， 笫3巻,397-568页；Indicators, E. Bishop (Ed.)， Pergamon Press, Oxford, U.K., 1972。这些反应和化合物可在监测设备中用于记录接触史。
氧化剂可将还原的染料氧化并引入颜色改变。类似地，还原剂可将 氧化的染料还原并引入颜色改变。例如，过硫酸铵能够将无色的隐色结晶 紫(leucocrystalviolet)氧化成紫色的结晶紫。还原剂(如亚硫酸钠)能够将 结晶紫还原成隐色结晶紫。因此氧化剂和还原剂可用作指示试剂。代表性 的常见氧化剂(氧化性试剂)包括过硫酸铵、高锰酸钾、重铬酸钾、氯 酸钾、溴酸钾、碘酸钾、次氯酸钠、硝酸、氯、溴、碘、硫酸铈(IV)、氯 化铁(III)、过氧化氢、二氧化锰、铋酸钠、过氧化钠和氧。代表性的常见 还原剂包括亚硫酸钠、砷酸钠、硫代硫酸钠、亚硫酸、硫代硫酸钠、硫 化氢、碘化氢、氯化亚锡、某些金属(例如锌)、氩、硫酸亚铁(II)或任何 亚铁(II)盐、硫酸钬(II)、氯化锡(II)和草酸。酸-g应是无色的，但是可以用pH敏感性染料来监测。例如，溴酚蓝与碱(如氢氧化钠)接触时变为蓝色。当蓝色的溴酚蓝与酸如乙酸接触时，它会发生一系列的颜色改变，如蓝色到绿色到黄绿色到绿色。因此，酸和碱可与pH依赖性染料结合用作指示系统。以下是可用于检测碱的染料的代表性实例酸性蓝92;酸性红l、酸性红88、酸性红151、茜素黄R、茜素红％、酸性紫7、天蓝A、亮黄、亮绿、亮蓝G、溴甲酚紫、溴百里酚蓝、甲酚红、间曱酚紫、邻甲酚酞氨叛络合物、邻甲酚酞、姜黄、结晶紫、1,5-二苯卡巴畔、乙基红、乙基紫、快黑K盐(Fast Black K-salt)、欷胭脂(lniligocarmine)、碱性孔雀绿、孔雀蓝盐酸化物、孔雀绿草酸盐、甲基绿、曱基紫(碱)、甲基百里酚蓝、紫脲酸铵、萘酚酞、中性红、尼罗蓝、双a-萘酚基-苯甲醇(alpha-Naphthol画benzein)、邻苯二酚紫、4-苯基偶氮苯酚(4-Phenylaz叩heno1)、 1(2吡^^-偶氮)-2-萘酚、4(2-吡>!^基偶氮)间^i酚钠盐、醌茜(auinizarin)、奮那啶红(QuhmMdineRed)、百里酚蓝、四溴酚蓝、硫素和二曱酚橙。
以下是可用于检测酸的染料的代表性实例吖咬橙、溴甲酚绿钠盐、溴曱酚紫钠盐、溴酚蓝钠盐、刚果红、甲酚红、直接冻黄(Chrysophenine)、氯酴红、2,6-二氯靛酚钠盐、曙红、赤藓红B、孔雀^t^、孔雀绿盐酸化物、甲基紫碱、紫脲酸铵、间苯胺黄、甲基橙、甲基紫碱、紫脲酸铵、间苯胺黄、甲基橙、曱基红钠盐、萘铬绿(Naphtho-chrome green)、萘酚绿碱、苯酚红、4-苯偶氮基-苯胺、玫瑰红、刃天青(Resazurin)和2，2'4，4'，4"-五甲g三苯基曱醇。
有机化学品可通过其官能团的存在来检测。有机官能团检测是公知的，并已开发用于检测大部分有机官能团，并可用作指示剂-激活剂组合的基础。例如，硝酸铈与具有脂肪醇(-OH)作为官能团的有机化合物反应时发生黄色到红色的颜色改变。具有一个或多个以下的代表性官能团的有机化合物可在设备中用作激活剂醇、醛、烯丙基化合物、酰胺、酰胺M酸(aminesl amino acids)、酸酐、偶氮化合物、1^化合物、羧酸、酯、乙氧基、肼、氧肟酸(hydroxamic acid)二酰亚胺、酮、硝酸盐、硝基化合物、肟、酚、酚酯、亚磺酸、磺胺、砜、磺酸和硫醇。在上文所列每种官能团种类下存在数千种化合物。例如，以下是可在设备中用作激活剂的氨基酸的代表性列表丙氨酸、精氨酸、天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、甘氨酸、组氨酸、羟基赖氨酸、赖氨酸、甲疏氨酸、苯丙氨酸、丝氨酸、色氨酸、酪氨酸、a-氨基己二酸、a，，二氨基丁酸、鸟氨酸和肌氨酸。所有的a-氨基酸与茚三酮反应时都无色变成紫色-蓝紫色。另外，以下是一些特异性氨基酸测试l)重氮盐与酪氨酸和组氨酸残基的芳环偶联产生有色的化合物。2)二甲基氨基苯甲醛与色氨酸的吲哚环在酸性条件下缩合形成有色化合物。3)a-萘酚和次氯酸盐与胍官能团(精氨酸》反应得到红色产物。以下是能够用作固体胺的a-氨基酸的代表性列表赖氨酸、羟基赖氨酸、a，"二氨基丁酸和鸟氨酸。以下是一些其他的在官能团测试试剂存在下发生颜色变化的有机化合物的选定实例伯、仲和叔脂肪及芳香氨基可用2,4-二硝基氯笨险测。观察到的颜色改变是从无色到黄棕色。脂肪族胺、芳香伯
base)。多种三苯基甲烷染料与亚疏^^应产生无色的leucosulfonic acid衍生物。当使该衍生物与脂肪醛或芳香搭反应时，获得有色的产物。品红与脂肪醛和芳香醛接触时被亚硫酸盐脱色，形成蓝紫色(violetblue)。孔雀绿与脂肪醛和芳香膝接触时脱色，形成绿色。
大量反应伴随着荧光改变，而不是可见光区中的颜色改变。若干荧光才旨示齐ll是已知的(Vogel's Textbook of Quantitative Inorganic Analysis,第四版，Longman, 776页)。
该设备及其改变不限于化学指示剂的组合，所述组合与产生颜色改变的化学反应有关。还包括下述任何两种或更多化合物，所述化合物可发生显著或可测量的物理改变，所述改变可通过适当的分析仪器来监测。这样的改变包括颗粒大小、透明度、电导率、磁性和溶解度。例如，可通过静电计监测电导率的改变。"(WO9209870)
有可能使用本发明被动感受指示剂得到的度量和信息组合的范围在表l中表述。
表l-量程或计量可能性
监测的度量采取的测量目测信息电子信息
24分析物的当 前浓度 或 累积接触 (接触史)作为一维扩 散的接触，其 包含沿着线 性条片移动 的有色条带得自显示 移动的颜 色改变的 传感器的 目测读数传感器比色法的仪器读数，其 作为由移动条带中分析物的提 取和反应导致的波长、频率、 反射、发光、荧光或视野中空 间反射的光量子，并通过电流、 电位差或电阻传递给观察者； 有可能通过无线电信号从远距 离位点传输至协调中心并通过 电信进一步传播。
印制电路中由传感器电特性改 变造成的改变的电导、电阻或 电位差的仪器读数，所述传感 器提取移动反应前缘中改变的 靶分子水平并与其反应，所述 读数有可能通过无线电信号从 远距离位点传递至协调中心并 通过电信进一步传播。
作为平面扩 散的接触，包 括扩展或收 缩的同心彩 色环得自显示 移动的颜 色改变的 传感器的 目测读数
作为成为三 维形状(如 楔)的递增的 非线性度量 的接触得自显示 移动的颜 色改变的 传感器的 目测读数
使用颜色的出现或消失(例如可通过指示剂中的酚酞组合物获得)是一种优选的方法，因为反应进行时没有波长改变，而是发生吸光度改变，而吸光度改变在目测检测和在计量进展的判读中提供更高的准确
25度。
在表l中可以看出，可以使用本发明的自动化和被动装置来监测和报告分析物的当前水平或与分析物的累积接触。还有可能将两种应用组合进一种设备中，从而同时报告当前水平和累积水平。
在本发明中，以六种方式计量酸碱或氧化还原反应物或产物的当前浓度和累积接触。
在第一种方式中，将色度与感测-指示剂中形成的反应产物的浓度相关，根据比尔定律使用色度的饱和度来计量水平。这可利用肉眼区分随着分析物作为迁移前缘逐渐扩散进感测-指示剂中色度显影并随之发生反应的能力。得到的色度与当前分子的浓度成正比，或在累积接触的情况下与反应产物量成正比，因此与接触史成正比。
本发明的这种形式最好在与反应前缘扩散进更深层试剂的同 一平面上察看，并可包括能够由比色、反射、发光或荧光来测量信号强度或波长或频率的装置。
在第二种方式中，将分析物的水平与沿着反应前缘的彩色移动速率和/或彩色移动距离相关，根据菲克定律使用反应速率来计量水平，所述反应前缘由感测-指示设备中将扩散限制在线路或平面中的特定结构来确定。本发明的这种形式最好在与反应前缘迁移垂直的平面中察看。
为了说明第二种形式，如果检测膜基质的上部和下部表面被屏障膜密封，暴露其边缘，则活性试剂的进入可被限制在层板的边缘。彩色条紋从暴露的边缘或区域开始移动，根据菲克定律，色彩迁移的距离与时间的平方成正比。因此在接触恒定浓度的靶分子时，如果在一天中显
示lmm的彩色迁移，则在两天中会显示1.4mm。相同的指示膜只需要针对具体的应用进行校准即可。
或者可将上述感测-指示剂薄盘的所有边缘密封，但是密封边缘然后在其中心穿孔，使得色彩改变从中心向边缘迁移，从而获得第二种形式的感测-指示剂。可以通过将伸长的线性条片密封并使一段接触分析物来创建线性色彩迁移的类似效果。本发明的这第二种形式可由人沿着连续标尺计量进行目测读数，所述人未经精细仪器的复杂培训，例如在 储存、运输、分销、销售和消费期间监测易腐食品的操作者。
在本发明的第三种形式中，可检测本发明传感器的电导、电位差 或电阻改变的指示。当用分离的电源如电池或太阳能电池供电时，可通 过无线电频率鉴定设备来传送电子读数，所述设备目前可作为食品包装 上的印制电路。该信号可通过无线电信号应答器传输至远距离中心。业 内存在可用于这类传输的技术。其中包括用于分销期间包装上的无线电
频率鉴定(RFID)标记物，以及基于-GSM的通用分组无线业务(GPRS); Morris等.(2003)提供了容器传感器的描述，所述传感器读取温度并将 其报告给船上的基站单元，通过卫星连接传播以供感兴趣的团体在因特 网上察看。尽管这些通常报告由热敏电阻传感器测量的温度，但是本发 明的迁移的反应前缘传感器可类似地与这类电路结合。
空间如食品包装、流动的气流或水流、室内空气、用于处理的水 体积或产品纸箱中的熏蒸剂被限制在一定程度并在这些环境中确立某 些靶分子浓度。本发明用于报告当前状态的应用 一般涉及报告这类受限 制的空间内上升或下降的靶分子浓度。
在专利EP0627363中用大量个体传感器在离散标尺上报告新鲜产 品包装内的二氧化碳水平。相反，本发明的目的是使一个传感器产生多 个读数。
可通过使用可逆反应(例如将緩沖剂与指示剂和指示介质中的校 准试剂混合)来生产报告环境中靶分子当前水平的仪表。
在本发明移动反应前缘的制造中，通过确保设备中靶分子沿着柱 或平面向前或向后扩散的高度通透性和感受培养基内动态平衡的化学 反应来获得对环境改变的快速响应，所述柱或平面是反应物被输入或产 物从中释放的柱或平面。这样，响应外界环境中靶分子浓度微小变化的 快速调节达到了新的水平，并及时报告。可以通过使用毛细管状环境和 用材料有限填充管以产生曲折度来获得该效果。
可这样实现指示介质中的高通透性通过选择对指示组合物而言 可通透的材料和通过在伸长管的范围内应用高体积质量比的多孔孩史球作为指示介质；或使用结晶、增塑作用、穿孔、聚合物扩^ll或聚合物制 造业中已知生产增强的通透性或孔隙度的其他手段制造指示介质。
增强设备检测在微小pH改变时对分析物灵敏度的第一种方法中， 可使用pH緩沖剂。緩冲剂可理想地具有与被测量的典型环境pK范围 接近的pK值，并响应于分析物的极^N、改变而产生显著颜色改变。为 了用二氧化碳计量来显示，可通过使用氨基酸或硼酸盐作为緩冲剂来实 现增强的灵敏度。可用氨基酸反应物如赖氨酸或甘氨酸(使用或不使用 硼酸盐)的组合调节碳氨基(carboamino)反应。理想的是，pH緩冲剂 应具有与被测量的典型环境pK范围接近的pK值，并响应于氢浓度的 极小改变而产生显著的颜色改变。可用例如测氧计或其他目的气体或液 体，使用类似的方法测量氧化状态的^N、改变。
第二种方法使用指示剂的提取作用来增强计量设备的灵敏度。在 测量低当前水平的目的化学离子时，基于可逆反应的传感器应答可能较 弱，因为该低水平处于装置的灵敏度范围以外。通过将低水平的靶分子 提取进传感器中，可以在颜色改变的趋势中显示可检测的读数，所述提 取以累加的方式累积分子。
报告累积接触的本发明形式可以用在正常的操作温度下相对半稳 定或稳定的试剂来生产。如果选择在约0-6(TC的操作温度范围内会形成 半稳定反应产物但是在约60-80。C的温度范围内会逆转的试剂，则设备 可获得再负荷(recharge)的能力，所述试剂可置于设备上，通过温和加 热使反应逆转，将其再负荷回零值。满足该要求的一种这样的试剂为碳 酸钾，它是可用于测量与酸蒸汽接触的试剂。
一种相关的应用可应对用于在制造和储存期间测量与酸性分析物 接触的碱性提取试剂所带来的问题，因为所述碱性提取试剂可与大气中 存在的二氧化碳反应并可被触发而过早工作。在聚合物包装膜的制造期 间，期望排出在储存和温和加热(例如将膜通过烤箱环境)处理期间吸 收的二氧化碳。报告设备可在包装产品前通过温和加热至约60-80'C而 开始工作，从而将报告的测量结果恢复至零或接近零。
根据本发明的原理，可以通过加热酸性提取试剂(如乙酸和酒石 酸)来实现计量碱接触时的可逆性，尽管实现逆转的温度范围可有所不
28在应用中，在可再负荷装置的制造中可利用再负荷能力来测量与 靶分子的接触。可通过将装置加热来使其再负荷，加热温度高于室温， 但是低于会对试剂化学的组成产生有害影响的温度或该装置的制造中 所使用材料的熔点。
在品质管理中，消费者希望获得最新鲜的存货供应，而分销商希 望销售品质上具有消费者可接受程度的变质的存货。因此，在消费者和 供应商关于变质食品或其他生物制品新鲜度的利益之间存在一些冲突。
在本发明中，计量可通过使信息针对不同受众的配置来实现，其 中在早期警报(此时接触水平低)时对一些目的方面示警，而另一类受 众中的其他各方在反应进行至晚期时接收信息，此时接触水平较高。
这可组合以下章节中公开的颜色可能性的多种计量模式。编码的 信息可由贸易中的食品供应人员或品质控制人员使用特定的装置(如条 码扫描仪)获取，且所述信息使用出现或消失的指示剂而采取缺少或添 加条码的形式。也可以通过装置进行测量，如在给定空间上扫描的色度
或色量(quantum of colour)。
针对具体受众类别(如存货管理员)编码的电子信息形式可包括 通过反射获得的条码读数。
可将指示剂混合以提供可以选择的扩展的颜色改变谱，例如从酸 性到中性和到碱性环境的改变在使用通用指示剂的化学技术中广泛报 道。得到的颜色改变可以与接触水平的改变相关，以获得标尺。
将单个颜色指示剂转化为另 一种(例如在下述应用中从粉红到黑 色，所述应用中在易腐的、包装好的剁碎和切碎的蔬菜到零售商店的分 销中需要电子条码扫描)的一种本发明方法是将其针对置于上方的绿色 透明层或下方的绿色背景材料进行对比。接触后，如果指示剂中的颜色 改变是从粉红到无色，则绿色对照层的作用是将该颜色变化变成黑色至 绿色的改变。
或者，指示剂可与不参与接触反应的着色剂混合，这会将颜色变
29化转化成就信息目的而言更理想的变化。
导致指示剂改变颜色的许多化学反应依赖于水的存在来发生颜色
改变；这种依赖性可涉及靶分子迁移进入指示介质、增溶作用和电离的 过程。因此，对这样的应用而言，针对与水的亲和力来选择有效的指示 材料，并可将致湿剂与感受指示剂混合。在潮湿的操作条件下存在一个 问题，因为水分摄入可引起反应前缘消散，失去度量。可以通过以下方 法控制这种作用调节致湿剂的浓度或建立靶分子通过包围材料(如硅 酮或聚乙烯，其会限制进入感受指示剂的水分迁移)的选择性通透，或 针对指示剂组合物选择防止过度水分摄取的增塑剂(plasticiser)，或与指 示剂一起使用已知在特定范围内调节湿度的多种盐，或这些方法的组 合。
本发明有可能用于测量酸性或碱性分析物，或氧化或还原分析物。
包装食品是对离子紊乱很敏感的材料，应避免离子泄漏和经由包 装壁迁移至感受材料中，否则品质和安全性可受损。非离子型分子的选 择性传递会是有利的，并且这可通过选择性传递的分离层来实现，所述 分离层例如可由仅传递不带电分子(如二氧化碳)的硅烷(如硅酮)组 成。
另一种方法是选择含微球的聚合物层作为敏感的储存产品和传感 器之间的膜，所述微球具有足够窄的直径，从而允许较小的把分子扩散， 而同时排除较大的非靶分子。
另 一种方法是使用滤层或洗涤器(scrubber)从生产来源和指示设 备之间的样品流中去除混淆分子。 一个实例是存在与pH或氧化状态的 粗测混淆、冲突的化学品种类。 一个实例是当鱼包装内存在在降解鱼 中存在的挥发碱，通过将碱与指示剂混合来测量由腐败细菌排出的二氧 化碳。滤层或洗涤器的使用应从食品包装中去除降解的蛋白质和胺的混 淆分子。或者可洗涤由细菌代谢排出的二氧化碳(一种酸蒸汽)，从而 能够更准确地测量反应中碱形成的胺。
为了将读数与当前浓度或累积接触联系起来，校准指示剂对接触 的响应是重要的。在一些工业应用中，短时间低浓度接触会需要高灵敏度，例如当使用指示剂通过接触空气中的氧或二氧化碳来报告密封包装 中完整性的丧失时。相反，对于车辆排放的长期监测而言，相对较高的 接触史会更有意义。
检测低当前水平的一种方法是在指示剂和目标水平之间设置微小
的差别，并使用科学界已知仅抵抗pH微小变化的緩冲剂，以使化学平 衡中的小改变会在传感器中引发应答。
在高接触和低接触之间校准的 一种方法(作为比微调更粗放的方 法)是计量由化学过程产生的一部分分子，而不是所有分子。这可通过 限制对感受指示剂的进入来实现，所述限制通过在生产靶分子的来源和感 受指示设备之间的孔中缩小接入孔隙或创建扭曲的接入途径来实现。
感受指示剂材料的可变通透性和/或包围材料(如屏障膜)的可变通 透性或^i殳备上孔的可变通透性可类似地用于校准对接触的应答，改变 通透性的其他可能方法是在制造中选择材料、改变增塑组合物或结晶程 度。也可以使用穿孔来提高与靶分子接触的相对于指示剂体积的表面积， 以强化指示剂某些区域中的颜色改变，从而达成接触水平的精细判读。摄 入设备上单个孔的大小也可以用于校准扩歉逸率。
在累积接触的形式中，可如下制备广泛应用的膜制造厚度足以提 取广泛数量(从少量到大量)分子的指示剂，从而各应用的判读图表能提 供适合给定应用的判读。这通过扩散速率对浓度梯度的独立性来实现。
另一种校准方法是用緩冲液改变反应速率，同时另一种备选方案是 使用不同的与靶分子反应的试剂和指示剂的量，和改变试剂/指示剂比例， 直至达到期望的平衡并发生颜色改变。
还有另一种校准方法是改变指示剂的厚度从而改变反应在指示器中
的影响，这作为可见的颜色由肉BIU见察，或作为电子设备测量的颜色。随 着指示剂材料(无论是置于管中或膜中)厚度的增加，靶分子通过连续层 的进行性迁移均导致反应前缘朝向未反应的有色试剂迁移。当垂直于膜指 示器观察时，增加的厚度会增强接触指示计作为更高接触的有用工具的灵 敏度，因为随着接触逐渐增加，色度会以更低的速率丧失。当在与迁移前 缘同一平面上观察时，在设备的管状位置中提供了作为条带读数样的判 读，像常规温度计提供的那样，管或条带或膜越长，所提供的计量接触的 尺度越大。反应前缘迁移的速率(速度)可作为校准方法用于时间尺度应用的
判读目的。色度随着前缘移动(从90。角度的观察位置移动i^更深的指 示器层中)而显现或丧失的，逸率可用作校准方法。或者，校准可得自 以下线性迁移的速率有色条带在与线性有色条带设备的观察位置相同的 平面中的线性迁移，或在有色环设备情况下的辐射迁移。
反应前缘的迁移范围(距离的度量)也可以用于计量接触并获得针
对接触7JC平的校准。
对于电子测量提取感受器中改变的情况，由于反应前缘的迁移造成 电特性(如电流或电阻)的及时获得或丧失可用周围环境中的改变来校准。
这些校准方法可单独或组合使用，以计量与靶分子的接触。
如上所述，存在能够测量累积接触指示剂的两种标度类型离散型 和连续型。
一种形式是连续标度中靶分子进行性接触并与试剂反应形成产物， 以指示变质的程度，同样，设备的校准也是重要的。
可通过限制反应在一维扩散来以连续标;^映计量，并可按照本发
明公开的方法通过调节反应前缘的速度来根据接触对所述计量校准。 一种 这样的方法将一维扩散限制在伸长的管(一段是可通透的多孔)中，如图 1中所示。参考图l可以看出一条印刷的指示剂或指示剂膜或含有指示剂 凝胶的充满液体的圆筒被线性M置(1)并用屏障层(2)覆盖，以确保在一维 中扩散。 一维前进通过视觉、反射、发光、荧光或通过其他辐射技术来反 映所计量的接触。通过去除(例如^f吏用剪刀，或从屏障膜上剥除，或用穿 刺动作，或释放鼓泡，或通过封装工业中去除密封的任何已知手段)封口 层(3)使该设备开始工作，沿着颜色(4)中线性前进印刷的线性或非线性标度 提供读数并便于判读。该图显示，接触导致有色改变线性前进到标尺上4 个水平中的笫2水平。
图2显示剖面图，其展示如何用带有包围材料(在该形式下为两 个层板)的窄膜在空间上线性地限制扩散，这可类似地使用填充了凝胶 指示剂的管来实现。
该设备可以被制成用于浸入液体的浸量尺装置形式，可能用浮动 环将其垂直定向，以测量来自溶液中分析物浓度的接触，如图3中所示。参考图3可以看出，被选择用于选择性通透分析物的防溶剂防护尖端(l) 允许分析物扩散进入测量管中，然后与扩散的试剂和指示剂的进行性反 应使有色前缘响应于接触而沿着管迁移，使用印制的读数标尺(2)判读， 同时管的另一端保留不通透的密封(3)。 >
第二种方法使用在二维中从膜边缘朝向中心的平面扩散，如图4 中所示。参考图4可以看出，指示剂印迹或膜的盘(1)被屏障层(2)像三 明治一样覆盖，从而将扩散限制在平面中从边缘朝向中心迁移，且前进 通过视觉、发光或荧光来反映所计量的接触。
在图5中展示了在操作中应用平面迁移的盘形式。参考图5可以 看出，线性或非线性的标尺印制成同心圆，颜色沿半径进展至上部密封 层上。这种形式中颜色从边缘朝向中心迁移，因为边缘密封被破坏，接 触向中心驱动反应。根据针对具体工业应用校准的判读标尺，各同心圆 处的颜色改变代表递增的接触水平。在图6中可以看出，从边缘朝向中 心，颜色随着递增的接触从彩色改变至无色。可以看出，在印迹的标尺 上，对靶分子的接触已将颜色改变从外部边缘朝向中心移动了 一个水 平。或者可将该设备密封并在其中心刺一个洞，所颜色改变的迁移从中 心位置辐射。
图6显示第三种形式，其将指示器塑形为逐渐变细的楔、锥体、 圆锥或其他三维形状，从而颜色改变会随着递增的接触从细端向粗底部 前进。参考图6可以看出，接触已将颜色改变的前缘从楔的细端朝向粗 底部移动至判读标尺上的水平2。
上述实施方案中有色条带迁移的进展可制成视觉、发光或荧光地 反映计量的接触。
在有色条带在其路径中从:^聂入位置向末端迁移时实现加速或减速 的一种方法是，除了提供摄入孔外，在沿线的位置处对分析物提供另一 个输入口。在沿颜色迁移线路的位置处，这可通过降低线路剖面处的屏 障膜厚度、或减少屏障膜的层、或降低屏障膜的通透性(包括穿过屏障 膜制造的穿孔或切口 )来实现。另一方法是将多个分离的指示剂线路合 为一个连续的指示剂线路，各剖面的组合物可关于通透性、试剂计量、 緩冲剂的选择或緩沖水平而变化。在一些工业应用中，可能需要连续和离散标尺中读数的组合。使 用针对不同群体的编码信息的一个实例是食品分销链中用于指示食品 品质中由于变质逐渐增加所导致的接触程度。这可通过对移动的有色条 带设备进行特殊改变以将连续标尺改变成刻度标尺来实现。
可通过在移动条带线路的剖面上使用掩蔽或在指示剂条带下印制 字母数字的文字或符号，将移动的有色条带改变产生有刻度的标尺。目 的是沿着颜色扩散的路线逐渐地掩蔽或显示颜色改变。
举例而言，移动有色条带的连续标尺被制造为产生有刻度的标尺，
并向食品分销中的各方反映新鲜水平。在图7中显示了如何实现该目的， 在该图解中，移动的有色条带从左向右迁移。该i殳备在下面的紫色条带 上的剖面中使用紫色掩蔽层。如果用地铁列车^t类比，则随着有色条带 沿着线路迁移时，它像沿着地铁位置上的列车一样是可见的。
在另一种情况中，如果紫色指示剂条带作为顶层颜色覆盖在下面 的紫色印迹上并且颜色改变线性迁移，则下面的紫色印迹会被经过的变 为无色的反应前缘揭露，下面的印迹对观察者而言成为可见的。
这种应用改变移动有色条带的连续标尺以产生有刻度的标尺，并 被编码为向食品分销中的各方报告食品酸败水平。在图7中可以看出， 移动的有色条带从左向右迁移。该设备使用掩蔽层，在一些应用中，移 动色彩色条带上存在层，在其他应用中指示剂条带覆盖在下面的有色印 迹上。显示了彩色条带前进中的阶段A到E。
区域l是对观察者掩蔽颜色改变前缘的前进，颜色改变在覆盖下 面指示剂的这些面板下发生。
在阶段A中-在生产存货时，反应前缘的迁移不引起可分辨的产 品变质。
在阶段B中-在将产品从制造商运输至批发商时，反应前缘的迁 移消耗了可容忍的指示剂改变，引起区域2从粉红到透明的颜色改变。
在阶段C中-在产品的批发中，反应前缘的迁移消耗了可容忍的 指示剂改变，引起区域3从粉红到透明的颜色改变。在阶段D中-在产品的零售中，反应前缘的迁移消耗了可容忍的指示剂改变，引起4个条码之一 (区域4)从粉红到透明的颜色改变，反映了仅可由零售员工判读的编码信息，同时消费者不知道该状况。
在阶段E中 一区域5是覆盖在用墨水印制的信息上的指示剂掩蔽层，所述墨水与指示剂颜色相同。当反应前缘迕移时，指示剂的颜色从粉红变为无色，掩蔽层消失，显出以粉红色印制并且先前被覆盖在彩色条带(该条带先前是粉红且现在是透明)下的通用信息，用文字或符号建议消费者该产品不适于购买。
图8显示置于发生成熟/衰老的一个水果外表面上的本发明贴纸形式。在这种情况下，设备在中心穿孔并具有积累的呼吸以及与呼吸放出的二氧化碳或来自成熟过程的乙烯的累积接触，该计量设备从随着反应前缘扩大而扩展的彩色环显示从水平1到3的前进度量。该设备可类似地置于可通透食品包装的内表面上，或不通透食品包装(例如包装好的食品如肉和鱼)的内表面上，或作为乳容器螺旋盖中的垫圏。
图9显示图3中所示的本发明形式，其构建成用作监测土壤中气体水平的设备，所述气体例如来自土壤生物代谢的二氧化碳。在图9的阶段A中使用该设备，而在阶段B中，从土壤中提取的累积二氧化碳已经在给定的时间中将彩色条带沿着土壤表面移动至与土壤微生物活性种群相匹配的水平。在图9中，密封盖1是防水的但是对二氧化碳通透，与探针部分成90度角的标记为2的管状物是有刻度的，以建立标尺，土壤剖面3以切面表示。
图10显示构建成置于机动车辆尾气中的本发明形式。在图10中，尾气管l从汽车后部观察，像政府管理者从在污染车辆后行驶的车辆上观察一样。在阶段A中显示新使用的接触设备，在阶段B中彩色条带2为一半标尺。如果许可的污染限度是图10中彩色条带的长度，则车主和政府执行者可得出结论已经排放了 50%的许可排放量，并推断目前的许可剩余50%。
参考文献
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Riva, M. (1997) Time-temperature indicators, a review by MarcoRiva， Universita degli Studi di Milano, Italy 199权利要求
1. 用于定量感测的方法，该方法使用基于反应前缘在空间和时间上扩散的指示系统来测定和报告食品、饮料和药物中分析物的当前浓度或接触史，以监测品质状态、指示水果的成熟、监测环境中卫生处理剂、污染物和养分的浓度、监测滤器的剩余寿命以及监测流量；该方法和设备包括a. 惰性载体介质，其承载化学反应并提供受控的分析物扩散，b. 具有几何构造且不通透的屏障材料，以将分析物进入指示系统的扩散限制和导向为沿着可通透或多孔的载体介质的可测量连续区进行，所述连续区通过改变密度、孔隙度、通透性、结晶或放置微球柱来建立，c. 负载在载体介质中的试剂，其将分析物提取进该设备并与分析物反应，从而在化学上稳定、半稳定或不稳定的反应中提供测定，d. 指示系统，其对实现对扩散分析物与试剂相互作用的反应前缘处发展终点的测定进行报告，e. 用于衡量接触的定量尺度，该尺度作为沿着度量连续区显示的刻度用于视觉读数，或作为改变的电化学或电磁特性强度的信号，f. 用于视觉监测迁移的反应前缘前进的窗口，所述迁移的反应前缘由分析物沿着可测量的连续区扩散产生，g. 将分析物摄入和吸收进该监测设备的孔，h. 附着手段，用于将设备相对于样品流放置，或将设备放置在生产来源上部腔室的半界限内，所述样品流从生产分析物的来源流出，i. 用于判读反应前缘移动的参考尺度，该尺度为标尺中的数字刻度(定量的)或由科学家或专业品质判定者制作的等级评定(定性的)，其中，分析物在空间和时间上沿着度量连续区的可测量主动扩散以数学方式与周围环境中针对被测量分析物的改变相关联，这是通过将实现所述移动有色前缘的移动的检测时间或该移动有色前缘的程度与包含所产生分析物的浓度或分子数的关联表进行比较，从而确立被测量的环境中分析物品质改变的严重性尺度，由此报告医学材料或装置的相应状态来实现的。
2.权利要求l的方法，其中所述关联表涉及氧或二氧化碳通过包装密封中的破口进入无菌包装的医学包装内，以通过移动的有色前缘报 告包装完整性的丧失。
3. 权利要求l的方法，其中所述关联表涉及贴敷的伤口敷料下二 氧化碳随着伤口愈合的进展，以通过移动的有色前缘报告创伤状态。
4. 权利要求l的方法，其中关联表涉及通过移动的有色前缘测量 药物皮肤贴片或皮肤植入物中化学残留物的浓度。
5. 权利要求l的方法，其中所述载体介质由水溶性含碳聚合物或 任何具有为反应前缘的迁移定标的化学物理特性的任何聚合物组成，所 述特性例如密度和孔隙度、结晶、增塑作用、穿孔和聚合物扩展。
6. 权利要求l的方法，其中所述载体介质和周围的屏障材料以多 种几何形状对反应前缘的迁移进行定标，其作为一列微球，或具有潜在 可变厚度的膜条带或盘，或进入和扩散途径中的曲折度，或进口处的单 个孔径，或进口数量，或这些方法的组合。
7. 权利要求l的方法，其中负载在载体介质中、将分析物提取进 入设备并与分析物反应而提供测定结果的试剂包括通常用于实现化学 测定的滴定试剂和氧化还原试剂；或者在用作免疫应答指示剂时，指示 剂由反应所需的试剂组成，包括稀释剂、缀合物和基质，且所述指示设 备被抗原或抗体包裹。
8. 权利要求l的方法，其中所述指示系统通过观察点观察到的移 动的有色条带指示来报告实现了对反应前缘处前进终点的测定。
9. 权利要求l的方法，其中指示系统通过由将该设备整合进电路 而产生的改变的电特征来^L告实现了对反应前缘处前进终点的测定。
10. 权利要求l的方法，其中通过以下手段实现用于测量接触的定 量尺度通过沿计量连续区分布的用于目测读数的刻度、通过沿迁移的 有色前缘放置字母数字表用于目测读数，或通过产生电路中接受站的电 化学或电磁特性改变的强度信号。
11. 权利要求l的方法，其中用于目测监测迁移的反应前缘前进的 窗口通过在移动的有色前缘上使用透明或半透明的材料来实现。
12. 权利要求l的方法，其中用于使分析物进入和吸收进所述监测 装置的孔通过用选择性可通透材料覆盖接触的进入点来提供，所述材料 在通过例如揭除、切除、撕开、水泡爆裂或其他手段去除密封后可暴露在该指示装置对分析物分子的提取作用中；或通过将监测设备置于要测 试其密封完整性的设计环境中来提供，其中该设备在医学内含物的外包 装进行包装和密封时开始运行。
13. 权利要求l的方法，其中用于将设备相对于由产生分析物的来 源流出的分析物分子样品流放置或者放置在生产来源上部腔室的半界 限内的附着手段包括覆盖所述监测设备，使其可作为独立装置用于插 入包装内；在一侧放置粘合剂，使其可作为标签或印迹来固定，用于包 装的内壁上；将其作为粘性皮肤贴片或伤口敷料和/或置于可通透包装 或粘性皮肤贴片或伤口敷料的外壁上；或用防溶剂材料保护后将该监测 设备作为包装材料、皮肤贴片或粘性伤口敷料中的一层。
14. 权利要求l的方法，其中用于判读该装置上或装置附近读数的 参考标度是用于沿着连续标度进行定量读数的字母数字或符号，从而对 空间位移的测定可以是可测量的距离。
15. 权利要求l的方法，其中用于判读该装置上或装置附近读数的 参考标度被制成有刻度的标尺，在线或切线的某些位置在有色前缘上的 某些区段使用掩蔽物，从而在路径的一些区段中隐藏，而在另一些区段 显露所述移动的有色前缘，从而对空间位移的测定可以是可测量的距 离。
16. 权利要求12的方法，其中使用存在于透明覆盖层中的掩蔽色或 移动色带下方的背景色在与所述指示剂的移动颜色产生反差时在该位 置/刻度处产生交通信号灯颜色改变。
17. 权利要求l的方法，其中用于判读装置上或装置附近读数的参 考标度以下述方式排列，所述方式使得有色前缘从分析物被首次吸收的 指示介质表面处开始在空间上移动超过100微米时获得第一个读数。
18. 权利要求l的方法，其中可从一个传感器得出多个视觉读数， 将分析物浓度或分析物产生的分子数与反应前缘的空间位移相关联，并 从该x-y曲线产生回归关系，以评价传感器环境的改变。
19. 权利要求13的方法，其中由电子手段进行读数，其可包括但不 仅限于感测所述指示器发出的光、将其转发至信息装置以及将产生的数 据传送至远处的协调中心。
20. 权利要求l的方法，其中同时安置一个或多个设备来测量接触， 作为达成粗调和细调的手段。
21.本发明还涉及在该说明书中指出的特征的任何备选组合，这些特 征的所有等同方案均认为包括在内。
全文摘要
使用指示系统的定量感测方法，所述指示系统基于反应前缘在空间和时间上的扩散，所述方法用于测定和报告食品、饮料和药物中分析物的当前浓度或接触史，以监测品质状态，指示水果的成熟，监测环境中卫生处理剂、污染物和养分的浓度，监测滤器的剩余寿命和监测流量。
文档编号G01N33/558GK101490556SQ200780026411
公开日2009年7月22日 申请日期2007年7月11日 优先权日2006年7月11日
发明者保罗·奈杰尔·布罗克韦尔, 罗伯特·文森特·霍兰 申请人:保罗·奈杰尔·布罗克韦尔;罗伯特·文森特·霍兰