Многослойные матрицы колориметрических датчиков

Многослойные матрицы колориметрических датчиков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

Обнаружение определяемых при анализе веществ (аналитов), например, органических химических веществ, является важным компонентом во многих приложениях, например, при мониторинге состояния окружающей среды и ему подобных. Обнаружение и/или мониторинг аналитов может проводиться, например, приборами индивидуального пользования (переносными или носимыми на теле или одежде), и/или зональными приборами (которые, например, могут быть установлены в исследуемом окружении).

Разработано множество способов обнаружения химических аналитов, включая оптические, гравиметрические, микроэлектромеханические и колориметрические способы. И хотя в настоящее время разработаны колориметрические приборы для широкого спектра аналитов, большинство из них основано на использовании красителей или окрашенных химических веществ-индикаторов. Такие вещества, как правило, являются высоко специфичными, что означает, что для обнаружения различных классов соединений необходимо иметь большой набор датчиков. Более того, большинство таких систем имеет ограниченный срок эксплуатации из-за эффекта фотоотбеливания или побочных химических реакций. Большинство таких систем требует также использования сложного и громоздкого оптико-электронного оборудования для считывания оптических показаний таких датчиков.

Сущность изобретения

В настоящем изобретении предлагаются способы и устройства для обнаружения присутствия определяемого вещества (аналита). Такие способы и устройства могут содержать матрицу, содержащую по меньшей мере два чувствительных элемента, по-разному реагирующих на присутствие исследуемого аналита. Каждый из упомянутых чувствительных элементов содержит по меньшей мере один оптически реагирующий слой, содержащий по меньшей мере один высоко чувствительный к данному аналиту подслой. По меньшей мере один чувствительный элемент матрицы дополнительно содержит минимально чувствительный к данному аналиту подслой, составляющий часть толщины оптически реагирующего слоя.

В одном из воплощений изобретения предлагается матрица для оптического обнаружения аналита, содержащая по меньшей мере два отдельно считываемых чувствительных элемента, причем каждый из упомянутых чувствительных элементов содержит оптически реагирующий слой, расположенный между двумя отражающими слоями, причем оптически реагирующий слой каждого из чувствительных элементов содержит по меньшей мере высоко чувствительный к аналиту первый подслой, и причем оптически реагирующий слой по меньшей мере одного из чувствительных элементов дополнительно содержит минимально чувствительный к аналиту второй подслой, причем первый подслой и второй подслой каждого из чувствительных элементов имеют толщину, и причем толщина первого подслоя и второго подслоя одного чувствительного элемента значительного отличаются от толщины соответственно первого и второго подслоя другого чувствительного элемента.

Во втором воплощении изобретения предлагается оптический способ обнаружения аналита в исследуемой атмосфере, содержащий этапы: обеспечения матрицы, содержащей по меньшей мере первый чувствительный элемент, изменяющий внешний вид от первого внешнего вида на второй внешний вид при первой, низкой концентрации аналита в исследуемой атмосфере, и изменяющий внешний вид от второго внешнего вида обратно на первый внешний вид при второй, высокой концентрации аналита; и по меньшей мере второй чувствительный элемент, который при первой, низкой концентрации аналита не меняет внешнего вида с первого внешнего вида на второй внешний вид, при третьей, промежуточной концентрации (большей первой концентрации и меньшей второй концентрации) меняет внешний вид с первого внешнего вида на второй внешний вид; а при второй, высокой концентрации не меняет внешнего вида со второго внешнего вида обратно на первый внешний вид; и воздействия на матрицу из чувствительных элементов атмосферы, потенциально содержащей данный аналит.

Данные, а также прочие воплощения изобретения будут более ясны из приведенного ниже подробного описания изобретения. Кроме того, приведенные выше краткие описания воплощений изобретения ни в коей мере не следует рассматривать как ограничения предмета изобретения, так как предмет изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения, которая может быть скорректирована в процессе рассмотрения заявки.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Сечение фрагмента одного из возможных воплощений чувствительного элемента.

Фиг.2. Примерный вид спектра отражения чувствительного элемента в соответствии с воплощениями настоящего изобретения.

Фиг.3. Сечение фрагмента чувствительного элемента в соответствии с еще одним воплощением изобретения.

Фиг.4a, 4b и 4c. Сечение фрагмента чувствительного элемента в соответствии с различными воплощениями изобретения.

Фиг.5. Схематическое отображение реакции матрицы из двух чувствительных элементов на различные концентрации аналита в исследуемой атмосфере.

Фиг.6. Аксонометрический вид респиратора со сменными картриджами с сорбентом, содержащего матрицу из чувствительных элементов.

Фиг.7. Сечение сменного картриджа, используемого в респираторе, изображенном на фиг.6.

Фиг.8. График полученной на основании экспериментальных данных зависимости наблюдаемого оптического сдвига различных чувствительных элементов, находящихся под воздействием различных концентраций исследуемого аналита.

Аналогичные номера позиций на чертежах обозначают аналогичные элементы. Если явно не указано иное, все чертежи в настоящей заявке не обязательно выполнены в масштабе, и приводятся с целью иллюстрации различных воплощений изобретения. В частности, размеры различных компонентов на чертежах являются только лишь иллюстративными, и никаких выводов о пропорциях размеров различных компонентов из данных чертежей делать не следует. Несмотря на то, что в настоящей заявке могут использоваться такие термины, как «верх», «низ», «верхний», «нижний», «вверх», «вниз», «под», «над», «передний», «задний», «наружу», «вовнутрь», «первый» и «второй», следует понимать, что данные термины используются только в их относительном смысле, если явно не указано иное. В частности, такие характеристики, как «низкий», «средний» и «высокий», употребляемые в отношении определенных параметров (например, концентрации), следует понимать как относительные (сравнительные) в рамках данного контекста (так, например, «средней» считается концентрация между «низкой» и «высокой» в рамках одного и того же контекста).

Подробное описание изобретения

В соответствии с одним из воплощений изобретения предлагается матрица 1, содержащая по меньшей мере первый чувствительный элемент 2' и второй чувствительный элемент 2'' (смотри, например, фиг.5 и 6). Каждый из чувствительных элементов содержит оптически реагирующий слой 230, который будет подробно описан ниже. Слой 230 во втором чувствительном элементе 2'' отличается от слоя 230 в первом чувствительном элементе 2' тем, что второй чувствительный элемент 2'' иным образом реагирует по меньшей мере на некоторую концентрацию исследуемого аналита. (В контексте настоящей заявки описания данное, а также прочие упоминания концентрации относятся к концентрации аналита в атмосфере, воздействию которой подвержены чувствительные элементы.)

В частности, второй чувствительный элемент 2'' оптически не реагирует (например, в виде сдвига спектра отражения по меньшей мере на 15 нм, или в форме визуально заметного изменения; оба данных типа реагирования будут подробно описаны ниже) на определенную, низкую концентрацию аналита, на которую оптически реагирует первый чувствительный элемент 2', и в то же время второй чувствительный элемент 2'' оптически реагирует на иную, более высокую концентрацию аналита. За счет того, что первый чувствительный элемент 2' является чувствительным к низкой концентрации аналита, а второй чувствительный элемент 2'' является чувствительным к высокой концентрации аналита, матрица, содержащая по меньшей мере два таких чувствительных элемента, может оптически реагировать на более широкий диапазон концентраций аналита, чем это может делать единичный чувствительный элемент. В некоторых воплощениях матрица 1 содержит множество чувствительных элементов (например, три, четыре, пять, шесть или более), которые могут обеспечивать реагирование матрицы на еще более широкий диапазон концентраций аналита. Использование матриц в соответствии с настоящим изобретением может также обеспечивать и прочие дополнительные преимущества, которые будут более подробно описаны ниже.

На фиг.1 изображен чувствительный элемент 2 (данного типа общее упоминание чувствительного элемента здесь и далее включает элементы 2', 2'' и прочие им подобные, упоминаемые в настоящем описании), в соответствии с одним из воплощений настоящего изобретения. Чувствительный элемент 2 представляет собой многослойную структуру, содержащую по меньшей мере оптически реагирующий слой 230, расположенный между отражающим слоем 240 и полу-отражающим слоем 220, так что упомянутые слои в сочетании образуют так называемый интерференционный фильтр, характеризующийся спектром отражения, который может меняться в присутствии аналита. Чувствительный слой 2 имеет спектр отражения, примерный вид которого изображен на фиг.2. Данный спектр содержит один или более пиков (например, пики 181, 183 и 184) и впадин (например, 185), соответствующие различным длинам волны отраженного света и которые могут меняться в присутствии аналита. Так, например, присутствие достаточного количества аналита может вызывать сдвиг пиков и впадин спектра отражения, изображенного на фиг.2, в сторону большей длины волны. Спектр отражения чувствительного элемента 2 может быть определен визуально, то есть по его внешнему виду (например, по относительно преобладающему цвету или оттенку), который может меняться в присутствии достаточного количества аналита. То есть, при воздействии на него достаточной концентрации аналита внешний вид чувствительного элемента 2 может меняться от первого (исходного внешнего вида) ко второму внешнему виду, визуально отличимому от первого внешнего вида.

Чувствительный элемент 2 может быть оптически считан при воздействии на него лучей 40 падающего света (как показано на фиг.1) и наблюдении за светом, отраженным от чувствительного элемента 2. Для обеспечения лучей 40 не требуется специального внешнего источника света (хотя при необходимости могут использоваться один или более специальных источников света). Лучи 40 света могут исходить из единственного дискретного источника света; или же в качестве источника лучей 40 света может использоваться внешнее освещение (которое в свою очередь может исходить от нескольких дискретных источников света, представлять собой сочетание света, исходящего непосредственно от источников света, и отраженного света, может быть солнечным светом и прочими видами освещения).

В воплощениях, содержащих конструкцию, изображенную на фиг.1, чувствительный элемент 2 содержит (по порядку): основу 210 (дополнительно возможную), полу-отражающий слой 220, оптически реагирующий слой 230 и отражающий слой 240. Лучи 40 света падают на основу 210 и проходят через нее. Некоторая часть лучей 40 света может отражаться от полу-отражающего слоя 220 и выходить из чувствительного элемента 2 в виде лучей 41 света. Еще одна часть лучей 40 света может проходить через полу-отражающий слой 220 и далее через оптически реагирующий слой 230 к отражающему слою 240. По меньшей мере часть данных лучей может отразиться от отражающего слоя 240 и выйдет из чувствительного элемента 2 в виде лучей 42 света. Лучи 41 и 42 могут взаимодействовать (интерферировать конструктивно и/или деструктивно), в совокупности формируя спектр отражения чувствительного элемента, который может меняться в присутствии аналита или при изменении концентрации аналита.

В конструкции, изображенной на фиг.1, аналит может проникать через отражающий слой 240 и попадать в оптически реагирующий слой 230. Это может приводить к изменению оптических свойств (например, оптической толщины по меньшей мере части слоя 230 (например, подслоя 230, как будет более подробно описано ниже), в результате чего спектральный состав света, отраженного от чувствительного элемента 2, может значительно меняться, что может позволить зафиксировать присутствие аналита и/или изменение его концентрации. В воплощениях, в которых используется конструкция, изображенная на фиг.1, отражающий слой 240 является проницаемым для аналита, и связан с оптически реагирующий слоем 230 по исследуемой среде. В конструкции, изображенной на фиг.1, полу-отражающий слой 220 может быть проницаемым или непроницаемым для аналита. В конструкции, изображенной на фиг.1, свет может беспрепятственно проходить через основу 210, то есть основа 210 может быть оптически прозрачной в соответствующем диапазоне длины волны.

Возможны и прочие варианты конструкции. Так, например, проницаемым для аналита может быть полуотражающий слой 220, а не отражающий слой 240. Свойства оптически реагирующего слоя 230, основы 210 (если таковая имеется), полуотражающего слоя 22 и/или отражающего слоя 240, как будет более подробно описано ниже, подразумеваются как таковые, что из них в целом может быть изготовлен отражающий чувствительный элемент (работающий по принципу интерференции света). Сведущим в данной области техники будет понятно, что хотя на чертежах в различных чувствительных элементах матрицы могут использоваться одни и те же номера позиций для обозначения вышеупомянутых слоев, слои, обозначенные такими номерами позиций, могут иметь одинаковые или различные конфигурации и/или состав.

Оптически реагирующий слой 230 определяется как слой, имеющий оптическую толщину (физическая толщина, умноженная на коэффициент преломления), по меньшей мере часть которой может меняться в присутствии аналита, в результате чего спектр отражения, определяемый сочетанием оптически реагирующего слоя 230, отражающего слоя 240 и полуотражающего слоя 220, может значительно сдвигаться (где под термином «значительно» понимается, что в обычных условиях эксплуатации чувствительного элемента 2 может быть зафиксировано изменение внешнего вида чувствительного элемента 2) при воздействии на чувствительный элемент 2 определенной концентрации аналита. В частности, оптически реагирующий слой 230, будучи расположен между подходящими отражающим слоем 240 и полу-отражающим слоем 220, может характеризоваться сдвигом спектра отражения по меньшей мере на 15 нм при воздействии на чувствительный элемент 2 атмосферы, содержащей 1000 ppm стирола как достаточно представительного типа исследуемого органического аналита. Здесь и далее все упоминания о сдвиге спектра относятся к результатам измерений в соответствии с процедурой измерений, описанной в разделе «Реакция образцов на тестовый аналит» ниже. Термин «оптически реагирующий», употребляемый в отношении слоя 230 дополнительно означает, что суммарная (физическая) толщина слоя 230, считая все его подслои в целом, по порядку величины равна длине волны видимого света или близка к ней (то есть составляет от примерно 100 нм до примерно 2000 нм). В различных воплощениях суммарная физическая толщина слоя 230 может составлять от примерно 200 нм до примерно 1500 нм, о примерно 400 нм до примерно 1000 нм, или от примерно 500 нм до примерно 800 нм (все вышеупомянутые значения толщины относятся к физической толщине, а не к оптической толщине, если явно не указано иное.)

Оптически реагирующий слой 230 может содержать по меньшей мере два подслоя 232 и 236, как показано на фиг.3. Подслой 232 является высокочувствительным к аналиту подслоем (в контексте настоящего описания), а подслой 236 является подслоем, минимально чувствительным к аналиту подслоем (также в контексте настоящего описания). В различных воплощениях толщина высокочувствительного к аналиту подслоя 232 может составлять от примерно 100 нм до примерно 800 нм. Толщина минимально чувствительного к аналиту подслоя 236 в различных воплощениях может составлять от примерно 700 нм до примерно 0 нм (последнее означает, что в одном или более чувствительных элементах 2 матрицы 1 может вовсе отсутствовать минимально чувствительный к аналиту подслой 236). В различных воплощениях суммарная толщина подслоев 232 и 236 может составлять от примерно 200 нм до примерно 1500 нм. В некоторых воплощениях суммарная толщина подслоев 232 и 236 может составлять от примерно 400 нм до примерно 1000 нм, или от примерно 500 нм до примерно 800 нм.

Итак, матрица 1 в соответствии с настоящим изобретением содержит по меньшей мере два чувствительных элемента 2, по меньшей мере два из которых: 2' и 2'' - содержат подслои 232, значительно различающиеся по толщине, и/или подслои 236, значительно различающиеся по толщине. В контексте настоящего описания разность толщины высокочувствительных к аналиту подслоев 232 первого и второго чувствительных элементов считается значительной, если она составляет по меньшей мере 20 нм. Так, например, для двух чувствительных элементов, в одном из которых подслой 232 имеет толщину 600 нм, а в другом из которых подслой 232 имеет толщину 580 нм, разность толщины подслоев считается значительной. Подобным образом, разность между толщиной минимально чувствительных к аналиту подслоев 236 двух чувствительных элементов считается значительной, если она также превышает 20 нм. Так, например, для двух чувствительных элементов, в одном из которых подслой 236 имеет толщину 130 нм, а в другом из которых подслой 236 имеет толщину 150 нм, разность толщины подслоев считается значительной. В различных воплощениях разность толщины соответствующих подслоев 236 двух чувствительных элементов 2 может составлять по меньшей мере примерно 50 нм, или по меньшей мере 100 нм.

На фиг.4 представлены поперечные сечения трех возможных типов чувствительных элементов 2', 2'' и 2''', сочетание из двух или более из которых может использоваться в матрице 1. Каждый из чувствительных элементов содержит оптически реагирующий слой 230 примерно одинаковой физической толщины (в контексте настоящего описания одинаковой считается толщина в пределах ±15%), и примерно одинаковой оптической толщины в отсутствии аналита, так что каждый из данных элементов в отсутствии аналита имеет примерно одинаковый внешний вид. Оптически реагирующий слой 230 чувствительного элемента 2', изображенного на фиг.4a, содержит высоко чувствительный к аналиту подслой 232 и не содержит минимально чувствительного слоя 236. Оптически реагирующий слой воплощения чувствительного элемента 2'', изображенного на фиг.4b., содержит подслои 232 и 236 примерно одинаковой толщины. Оптически реагирующий слой воплощения чувствительного элемента 2''', изображенного на фиг.4c, содержит подслои 232 и 236, причем толщина подслоя 236 примерно вдвое больше толщины подслоя 232.

Подслой 232 является высокочувствительным по отношению к исследуемому аналиту, что достигается за счет выбора подходящих материалов, которые содержит подслой 232. В данном контексте «высоко чувствительный к аналиту» означает, что подслой 232 является достаточно проницаемым для аналита, и что присутствие аналита в слое 232 приводит к изменению оптической толщины подслоя 232, а следовательно, и оптической толщины всего слоя 230, достаточному для того, чтобы произошел заметный сдвиг спектра отражения чувствительного элемента 2. В частности, термин «высоко чувствительный к аналиту» означает, что подслой 232 изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полу-отражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, имеет спектр отражения, который сдвинется по меньшей мере примерно на 15 нм под воздействием атмосферы, содержащей примерно 50 ppm стирола. (Как было указано выше, здесь, до этого и далее стирол упоминается как полезный представительный органический аналит, то есть как аналит, удобный для описания характеристик чувствительности материалов, используемых в настоящем изобретении. Упоминание в данном контексте стирола ни коим образом не следует рассматривать как ограничение настоящего изобретения приложениями, связанными с наблюдением за концентрацией стирола). В различных воплощениях высоко чувствительный к аналиту подслой 232 может быть изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полу-отражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, имеет спектр отражения, который под воздействием атмосферы, содержащей примерно 50 ppm стирола, сдвинется по меньшей мере примерно на 25 нм, по меньшей мере примерно на 35 мм или по меньшей мере примерно на 45 нм.

Подслой 236 является минимально чувствительным к исследуемому аналиту, что достигается за счет выбора материалов, которые содержит подслой 236. В данном контексте «минимально чувствительный к аналиту» означает или что подслой 236 является достаточно непроницаемым по отношению к аналиту, и/или что присутствие аналита в слое 236 не приводит к изменению оптической толщины подслоя 236, которая проявилась бы в изменении оптических свойств слоя 230 в виде заметного сдвига спектра отражения чувствительного элемента 2. В частности, термин «минимально чувствительный к аналиту» означает, что подслой 236 изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полуотражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, имеет спектр отражения, который под воздействием атмосферы, содержащей примерно 20 ppm стирола, сдвинется не более чем примерно на 10 нм. В различных воплощениях минимально чувствительный к аналиту подслой 236 изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полу-отражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, имеет спектр отражения, который под воздействием атмосферы, содержащей примерно 20 ppm стирола, сдвинется не более чем примерно на 5 нм, не более чем примерно на 3 нм, не более чем примерно на 1 нм.

За счет использования в оптически реагирующем слое 230 подслоя 230, содержащего высоко чувствительный к аналиту материал, и подслоя 236, содержащего минимально чувствительный к аналиту материал, общей чувствительностью слоя 230 (а следовательно, и всего чувствительного элемента 2) к данному уровню концентрации аналита можно управлять, меняя вклад в слой 230 от каждого из подслоев. Так, например, чувствительный элемент, содержащий оптически реагирующий слой 230, содержащий минимально чувствительный к аналиту подслой 236, может требовать присутствия аналита в более высокой концентрации, чтобы произошел сдвиг спектра отражения, сравнимый со сдвигом спектра отражения элемента, содержащего оптически реагирующий слой 230 примерно такой же толщины, но не содержащего подслоя 236.

Так, например, в одном из воплощений изобретения чувствительный элемент 2 может содержать оптически реагирующий слой 230, содержащий высоко чувствительный к аналиту подслой 232 и минимально чувствительный к аналиту подслой 236 в такой конфигурации, что (даже несмотря на то, что высоко чувствительный к аналиту подслой 232 может быть изготовлен из материала, который, будучи помещен между подходящим отражающим слоем и полу-отражающим слоем в виде слоя толщиной 400-800 нм, имеет спектр отражения, сдвигающийся, например, на 100 мм под воздействием атмосферы, содержащей 200 ppm стирола) сдвиг спектра отражения чувствительного элемента 2 под воздействием атмосферы, содержащей 200 ppm стирола, составит не более чем примерно 40 нм. В различных воплощениях чувствительный элемент 2 может содержать высоко чувствительный к аналиту слой 232 и минимально чувствительный к аналиту подслой 236 в такой конфигурации, что сдвиг спектра отражения чувствительного элемента 2 под воздействием атмосферы, содержащей 200 ppm стирола, составит не более чем примерно 30 нм, или не более чем примерно 20 нм.

Матрица, содержащая множество отдельных чувствительных элементов 2, каждый из которых характеризуется различной толщиной подслоя 232 и/или подслоя 236, может таким образом быть «динамически» чувствительной к широкому диапазону концентраций аналита, что дает преимущества, которые будут подробно описаны ниже.

Кроме того, путем выбора подходящей толщины минимально чувствительного к аналиту подслоя 236 в сочетании с подходящей толщиной высоко чувствительного к аналиту подслоя 232, что обеспечивает определенную суммарную толщину оптически реагирующего слоя 230, может быть получен исходный спектр отражения чувствительного элемента 2 (то есть его спектр отражения в отсутствии аналита или в присутствии аналита в необнаружимой концентрации), который может, например, придавать чувствительному элементу 2 определенный внешний вид при визуальном осмотре (например, определенный цвет). За счет такой конфигурации может быть изготовлен чувствительный элемент 2, содержащий подслои 232 и 236 и имеющий такой же внешний вид, который имел бы чувствительный элемент 2, содержащий только высоко чувствительный к аналиту материал (и не содержащий подслоя 236), и в то же время чувствительный к другой (более высокой) концентрации аналита, чем чувствительный элемент 2, содержащий только высоко чувствительный к аналиту материал. Таким образом, в матрице, содержащей множество отдельных чувствительных элементов 2, некоторые или все из упомянутых чувствительных элементов могут иметь практический одинаковый внешний вид, и тем не менее быть чувствительными к различным уровням концентрации аналита, что может обеспечивать преимущества, которые будут обсуждаться ниже.

Итак, использование оптически реагирующего слоя 230, содержащего подслои 232 и 236, позволяет получить чувствительный элемент 2, чувствительный к требуемому диапазону концентраций аналита, а также имеющий требуемый цвет или другой внешний признак.

Такое сочетание высоко чувствительного к аналиту подслоя 232 и минимально чувствительного к аналиту подслоя 236 может обеспечивать преимущества, важные по меньшей мере для некоторых приложений. В частности, сведущим в данной области техники известно, что отражательные датчики общего типа, используемые в настоящее время, могут быть подвержены явлению, именуемому «циклический переход». Циклический переход означает, что под воздействием достаточно высокой концентрации аналита спектр отражения датчика может меняться настолько, что датчик примет внешний вид, близкий к его исходному внешнему виду, который он имел в отсутствие аналита. (При воздействии еще более высоких концентраций аналита возможны и дальнейшие превращения внешнего вида датчика). К своему удивлению изобретатели обнаружили, что использование оптически реагирующего слоя 230, содержащего высоко чувствительный к аналиту подслой 232 в сочетании с минимально чувствительным к аналиту подслоем 236 позволяет получить чувствительный элемент 2, менее подверженный эффекту циклического перехода. В различных воплощениях свойства и толщина подслоев 232 и 236 могут быть подобраны таким образом, что чувствительный элемент 2 может не быть подверженным эффекту циклического перехода даже при чрезвычайно высоких концентрациях аналита. Так, например, различные воплощения чувствительного элемента 2 могут не иметь эффекта циклического перехода даже при концентрациях органического аналита, например, стирола, вплоть до 200, 400 или даже 1000 ppm.

В различных воплощениях изобретения такая способность не испытывать циклического перехода может быть обеспечена для чувствительных элементов, характеризующихся сдвигом спектра отражения, составляющим менее чем примерно 100 нм, менее чем примерно 80 нм или менее чем примерно 60 нм под воздействием атмосферы, содержащей 200 ppm органического аналита, например, стирола. В некоторых воплощениях изобретения такая способность не испытывать циклического перехода может быть обеспечена для чувствительных элементов, характеризующихся сдвигом спектра отражения, составляющим менее чем примерно 100 нм, менее чем примерно 80 нм или менее чем примерно 60 нм под воздействием атмосферы, содержащей 400 ppm органического аналита, например, стирола. В некоторых воплощениях изобретения такая способность не испытывать циклического перехода может быть обеспечена для чувствительных элементов, характеризующихся сдвигом спектра отражения, составляющим менее чем примерно 100 нм, менее чем примерно 80 нм или менее чем примерно 60 нм под воздействием атмосферы, содержащей 1000 ppm органического аналита, например, стирола. Таким образом может быть изготовлена матрица, в которой один или более чувствительных элементов 2 не будут подвержены эффекту циклического перехода даже в присутствии максимальных ожидаемых концентраций органического аналита. Такие устройства могут обеспечивать преимущества, которые будут описаны ниже.

Высокочувствительный к аналиту подслой 232 может содержать любой материал, обладающий достаточно высокой чувствительностью к аналиту, по сравнению с минимально чувствительным к аналиту подслоем 236, в сочетании с которым он используется. Как было указано выше, подслой 232 является достаточно проницаемым по отношению к исследуемому аналиту и имеет оптическую толщину, которая под воздействием требуемой концентрации аналита может меняться в достаточной степени для функционирования чувствительного элемента 2 в смысле, описанном выше. И хотя теоретически это не обязательно, оптическая толщина подслоя 232 может меняться при его реакции на аналит, проникающий, например, за счет заполнения пор в материале, по меньшей мере частью которого является подслой 232, что может приводить к увеличению оптической толщины по меньшей мере за счет увеличения коэффициента преломления. Оптическая толщина подслоя 232 может также меняться при проникновении аналита в подслой и его набухании, то есть в данном случае оптическая толщина может увеличиваться по меньшей мере за счет увеличения физической толщины слоя. В некоторых материалах реакция на аналит может быть смешанной, то есть представлять собой сочетание упомянутых выше способов реакции на аналит. В некоторых материалах при некоторых концентрациях аналита может преобладать один из упомянутых выше типов реакции, а при других концентрациях - второй из упомянутых типов реакции; и так далее.

В некоторых воплощениях подслой 232 содержит пористый материал. В данном контексте «пористый» означает, что материал содержит внутренние поры, которые по меньшей мере частично сообщаются между собой. Могут быть, например, выбраны материалы со средним размером пор (определяемым, например, методом изотермической сорбции) менее чем примерно 100 нм. В некоторых воплощениях могут быть, например, выбраны материалы со средним размером пор менее чем примерно 20 нм, менее чем примерно 10 нм или менее чем примерно 2 нм. Подслой 232 может быть гомогенным или гетерогенным и может быть, например, изготовлен из одного или более неорганических компонентов, одного или более органических компонентов, или из смеси органических и неорганических компонентов. Типичные неорганические материалы, которые могут быть использованы для изготовления подслоя 232, включают оксиды металлов, нитриды металлов, оксинитриды металлов и прочие неорганические материалы, из которых могут быть сформированы прозрачные (и при необходимости пористые слои) подходящей толщины, имеющие подходящую оптическую чувствительность.

Особенно подходящим неорганическим материалом, чувствительным к аналиту, может быть пористый кремнезем. Пористые кремнеземы могут быть, например, изготовлены путем обработки золево-гельных смесей с преобразованием их в силикат, содержащий сеть из пор в толще кремнезема. Для получения неорганических пористых материалов, чувствительных к аналиту, может также использоваться плазменно-химическое осаждение паров. Данный способ в целом основан на формировании плазмы из газообразных предшественников, нанесении слоя плазмы на основу с образованием аморфного слоя с неупорядоченной сетью ковалентных связей и последующем нагревании аморфного слоя с неупорядоченной сетью ковалентных связей с образованием пористого аморфного слоя с неупорядоченной сетью ковалентных связей. Такие способы и материалы более подробно описаны в патентной заявке США 2008/078281 («Датчики для обнаружения органических химических веществ, содержащие микропористый слой, полученный способом плазменного осаждения, способы их изготовления и использования»), упоминаемой в настоящей заявке для ссылки.

В некоторых воплощениях оптически реагирующий слой 230 содержит, по меньшей мере частично, кремний-органические материалы, под которым в контексте настоящей заявки понимаются гибридные соединения, содержащие ковалентно связанную трехмерную сетку из атомов кислорода и кремния (-Si-O-Si-) и некоторое количество органических функциональных групп R (где R обозначает углеводородную группу, возможно, содержащую гетероатомы), связанных с кремний-кислородной сеткой по меньшей мере одной связью Si-C. Такие материалы и способы их изготовления более подробно описаны в предварительной патентной заявке США 61/140131 («Аморфные микропористые кремний-органические соединения»).

В некоторых воплощениях высоко чувствительный к аналиту подслой 232 по меньшей мере частично изготовлен из компонентов, выбранных из семейства материалов, содержащих так называемые «полимеры с присущей микропористостью» (PIM). Описание и характеристики полимеров данного семейства приводятся, например, в публикациях "Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs): Robust, Solution-Processable, Organic Microporous Materials," Budd et al., Chem. Commun., 2004, pp.230-231; "Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs)," McKeown et al., Chem. Eur. J., 2005, 11, No.9, 2610-2620; в опубликованной патентной заявке США 2006/0246273 (McKeown с соавторами); а также в международной патентной публикации WO 2005/012397А2 (McKeown с соавторами); все упомянутые выше публикации упоминаются в настоящей заявке для ссылки.

Полимеры с присущей микропористостью могут быть получены из любых сочетаний мономеров, которые приводят к образованию очень жесткого полимера, в котором имеются достаточные структурные черты, придающему ему сильно закрученную структуру. В некоторых воплощениях полимеры с присущей микропористостью могут содержать органические макромолекулы, содержащие в целом плоские группы, связанные жесткими связующими группами, содержащими точку скручивания, в результате чего две смежные группы, связанные такой связующей группой, не будут находиться в одной плоскости. В некоторых воплощениях такие материалы могут содержать органические макромолекулы, содержащие первые в целом плоские группы, связанные жесткими связующими группами максимум с двумя другими упомянутыми первыми группами, причем упомянутые связующие группы имеют точку скручивания, в результате чего две смежные первые плоские группы не будут находиться в одной плоскости. В некоторых воплощениях такая точка скручивания может содержать вращающую группу, кольцо с мостиком или стерически стесненную одиночную ковалентную связь, вращение вокруг которой ограничено.

Полимерные цепи такого полимера, имеющего жесткую и скрученную структуру, не могут упаковаться друг с другом достаточно плотно, в результате чего и возникает присущая такому полимеру микропористость. Преимуществом полимеров с присущей микропористостью является то, что их микропористость не зависит существенно от тепловой предыстории материала. Прочими преимуществами полимеров с присущей микропористостью могут быть, например, воспроизводимость в больших количествах и отсутствие свойств, меняющихся со временем (например, в течение времени выдержки или в течение срока хранения изделия), и прочие.

В некоторых воплощениях оптически реагирующий слой 230 содержит, по меньшей мере частично, пористый полимерный материал с большим количеством поперечных связей. Примерами таких материалов являются стирольные смолы со сверхвысоким количеством поперечных связей типа «стиросорб» (описаны, например, в публикациях V.A. Davankov and P. Tsyurupa, Pure and Appl. Chem., vol. 61, pp.1881-89 (1989); L.D. Belyakova, T.I. Schevchenko, V.A. Davankov and M.P. Tsyurupa, Adv. in Colloid and Interface Sci. vol.25, pp.249-66, (1986)), включая материалы производства Purolite (Бала-Цинвид, штат Пенсильвания, США), предлагаемые под торговым наименованием Styrosorb.

Во многих приложениях может быть предпочтительно, чтобы подслой 232 был гидрофобным. Это может, например, уменьшать вероятность влияния воды (в жидком состоянии)