Фильтрующая система, включающая структурированные оптические датчики аналитов и оптические считывающие устройства

Фильтрующая система, включающая структурированные оптические датчики аналитов и оптические считывающие устройства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения

Настоящее изобретение относится к фильтрующим системам, которые включают фильтрующую среду, структурированный оптический датчик аналитов, связанный по текучей среде с фильтрующей средой, и оптическое считывающее устройство, сконфигурированное и расположенное таким образом, что оно может считывать сигналы структурированного оптического датчика аналитов.

Уровень техники

Фильтрующие системы обычно используются в среде, в которой присутствуют пары и прочие опасные переносимые воздухом вещества. Примеры фильтрующих систем включают системы коллективной защиты, персональные респираторы одноразового пользования, персональные респираторы многоразового пользования, респираторы для очистки воздуха с электроприводом, костюмы для работы в опасной атмосфере и прочие устройства защиты.

Предложены различные химические, оптические и электронные индикаторы для предупреждения пользователей средств защиты о присутствии во вдыхаемом воздухе нежелательных веществ. Так, например, индикатор окончания срока службы может предупреждать о том, что фильтрующий элемент такого устройства близок к насыщению или неэффективен по отношению к определенному веществу.

Обнаружение определяемых при анализе веществ (аналитов), особенно органических химических веществ, является важным компонентом во многих приложениях, например, при мониторинге состояния окружающей среды и в подобных приложениях. Для обнаружения химических аналитов разработаны различные устройства, в том числе оптические, гравиметрические, микроэлектронные, механические и колориметрические.

Сущность изобретения

В одном из воплощений настоящего изобретения предлагается фильтрующая система, включающая корпус, фильтрующую среду, расположенную внутри корпуса, оптический датчик аналитов и оптическое считывающее устройство. Оптический датчик аналитов имеет первую область, проявляющую первую реакцию на наблюдаемый аналит, и вторую область, проявляющую вторую реакцию на наблюдаемый аналит, отличную от первой реакции. Оптический датчик аналитов включает детектирующую среду и расположен внутри корпуса таким образом, что детектирующая среда связана по текучей среде с фильтрующей средой. Оптическое считывающее устройство включает по меньшей мере один источник света и по меньшей мере один детектор.

В некоторых воплощениях оптическое считывающее устройство включает первый узел и второй узел, каждый из которых включает по меньшей мере один источник света и по меньшей мере один детектор. Оптическое считывающее устройство может быть прикреплено к корпусу таким образом, что по меньшей мере часть света, испущенного упомянутым по меньшей мере одним источником света первого узла, отражается от первой области оптического датчика аналита и принимается упомянутым по меньшей мере одним детектором первого узла, и по меньшей мере часть света, испущенного упомянутым по меньшей мере одним источником света второго узла, отражается от второй области оптического датчика аналитов и принимается упомянутым по меньшей мере одним детектором второго узла. По меньшей мере один из узлов: первый узел и/или второй узел может включать первый блок, содержащий первый источник света и первый детектор, и второй блок, содержащий второй источник света и второй детектор.

В других воплощениях по меньшей мере часть света, испущенного по меньшей мере одним источником света, отражается от первой области оптического датчика аналитов и фиксируется по меньшей мере одним детектором. Кроме того, по меньшей мере часть света, испущенного по меньшей мере одним источником света, отражается от второй области оптического датчика аналитов и фиксируется по меньшей мере одним детектором.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет более понятным из приведенного ниже подробного описания различных его воплощений, сопровождаемого прилагаемыми чертежами.

Фиг.1. Фильтрующая система в соответствии с одним из воплощений настоящего изобретения.

Фиг.2. Фильтрующий картридж, который может использоваться в фильтрующих системах в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3А и 3В. Схематичное изображение оптических датчиков аналитов, подходящих для использования в некоторых воплощениях настоящего изобретения.

Фиг.4. Оптическое считывающее устройство в соответствии с одним из воплощений настоящего изобретения.

Фиг.5А. Спектральная характеристика источников света оптического считывающего устройства, а также спектр оптического датчика аналитов в отсутствие аналита, в соответствии с одним из воплощений настоящего изобретения.

Фиг.5В. Кривая зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны падающего света.

Фиг.6. Схематичное изображение еще одного воплощения оптического считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.7А. Воплощение оптического считывающего устройства, в котором используется два или более широкополосных источников света.

Фиг.7В. Схематичное изображение фильтра, имеющего области с различными спектральными характеристиками прохождения света.

Фиг.8А и 8В. Виды противоположных сторон воплощения оптического считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.9А. Воплощение оптического считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое может производить считывание сигналов структурированного оптического датчика аналитов.

Фиг.9В. Еще одно воплощение оптического считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое может производить считывание сигналов структурированного оптического датчика аналитов.

Фиг.10. Схема работы оптических считывающих устройств в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.11А-11D. Воплощение еще одной фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением и некоторых компонентов такой системы.

Фиг.12. Воплощение съемной части корпуса в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.13А и 13В. Различные воплощения механизмов крепления.

Фиг.14А-14С. Различные типы элементов совмещения.

Фиг.15. Еще одно воплощение фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.16. Картридж респиратора, подходящий для использования в воплощениях настоящего изобретения.

Фиг.17А и 17В. Еще одно воплощение фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.18 А и 18В. Различные воплощения механизмов крепления, которые могут использоваться в фильтрующих системах в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.19. Еще одно воплощение фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением.

Аналогичные номера позиций на чертежах обозначают аналогичные элементы. Если явно не указано иное, все чертежи в настоящей заявке необязательно 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.

Подробное описание изобретения

В приведенном ниже описании делаются ссылки на прилагаемые чертежи, которые составляют часть данного описания и которые приведены для иллюстрации отдельных его воплощений. Подразумевается, что возможны и другие воплощения, выполненные без отхода от идеи и масштабов настоящего изобретения. Поэтому приведенное ниже описание не следует рассматривать в ограничивающем смысле.

Все научные и технические термины, используемые в настоящем описании, имеют значения, которые являются общепринятыми в данной области техники, если явно не указано иное. Приводимые определения даны для облегчения понимания тех или иных часто используемых терминов и не подразумевается ограничить ими масштаб настоящего изобретения.

Если не указано иное, все численные значения, выражающие размер, количество и физические свойства элементов изобретения, приведены в смысле, который во всех случаях подразумевает их использование совместно с термином «примерно». Соответственно, если не указано противоположное, все численные значения параметров, приведенные в настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приближенными, и фактические значения тех же параметров при реализации идей настоящего изобретения сведущими в данной области техники могут отличаться от приведенных в зависимости от требуемые свойств соответствующих элементов.

В контексте настоящего описания и прилагаемой формулы элементы, упоминаемые в единственном числе, включают все такие элементы, которые в соответствующих элементах могут иметься во множественном количестве, если явно не указано иное. В контексте настоящего описания и прилагаемой формулы термин «или», как правило, используется в своем собственном значении, а также в значении «и/или», если из контекста явно не следует иное.

Настоящее изобретение относится к системам и устройствам, которые могут использоваться для индикации окончания срока службы, или давать пользователю информацию, связанную с окончанием срока службы фильтрующей среды, например фильтра или картриджа респиратора, используемого в опасной атмосфере для защиты органов дыхания пользователя от летучих органических соединений. Предвидится, что некоторые воплощения могут использоваться как принадлежности для картриджей и фильтров респираторов, в то время как другие воплощения могут представлять собой целые респираторы или картриджи. Настоящее изобретение может быть применено в отношении различных фильтрующих систем, таких как респираторы для индивидуального пользования, включая респираторы для очистки воздуха с электрическим приводом, индивидуальные респираторы многоразового пользования, индивидуальные респираторы одноразового пользования, защитные костюмы, фильтры для очистки воздуха коллективного пользования, и в прочих приложениях, известных сведущим в данной области техники.

Воплощения настоящего изобретения могут использоваться для обнаружения одного или более аналитов и/или для наблюдения за их содержанием в воздухе. Аналит может содержать газ или пар, присутствующий в окружающей среде (как правило, в воздушной среде), за содержанием которого в данной среде требуется наблюдать. В некоторых воплощениях аналитом является органический пар (например, летучее органическое соединение). Типичные аналиты могут включать, не ограничиваясь ими, замещенные или незамещенные углеводородные соединения, включающие алканы, циклоалканы, ароматические соединения, спирты, эфиры, кетоны, галогенуглеродные соединения, амины, органические кислоты, цианаты, нитраты и нитрилы, например, n-октан, циклогексан, метил-этил-кетон, ацетон, этилацетат, дисульфид углерода, тетрахлорид углерода, бензол, толуол, стирол, ксилолы, метил хлороформ, тетрагидрофуран, метанол, этанол, изопропиловый спирт, n-бутиловый спирт, t-бутиловый спирт, 2-этоксиэтанол, уксусную кислоту, 2-аминопиридин, этиленгликоль-монометиловый эфир, толуол-2,4-диизоцианат, нитрометан, ацетонитрил и им подобные. Несмотря на то, что в настоящем описании в качестве одного из конкретных возможных типов оптических датчиков аналитов упоминаются датчики органических паров, возможны и прочие воплощения, в которых могут быть реализованы и прочие типы оптических датчиков аналитов, например, реагирующие на химически активные газы, такие как, например, кислые газы (например, SO₂, Cl₂, HCl, ClO₂, HCN, HF, H₂S и оксиды азота) и основные газы (например, аммиак и метиламин), и прочие газы, такие как хлорциан и формальдегид.

Одно из воплощений фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением показано на фиг.1, и оно представляет собой воздухоочистительный респиратор 1 с электрическим приводом. Респиратор 1 с электрическим приводом включает наголовник (колпак) 12, турбоблок 14, дыхательную трубку 13 и пояс 15. Колпак 12 предназначен для его ношения поверх головы пользователя 11 и по меньшей мере частично закрывает голову пользователя, образуя зону 17 дыхания, то есть область вокруг рта и носа пользователя, в которую направляется профильтрованный воздух. И хотя в данном воплощении, изображенном на фиг.1, используется колпак 12, в других воплощениях вместо него может использоваться любой другой подходящий наголовный элемент, например маска, шлем или полный защитный костюм, при условии, что он создает закрытую среду вокруг по меньшей мере ротоносовой части лица пользователя, то есть зону 17 дыхания, в которую может подаваться профильтрованный воздух. К поясу 15 может быть прикреплен турбоблок 14, который с помощью пояса пользователь может расположить на пояснице.

В турбоблоке 14 заключена дутьевая система (не показана), обеспечивающая подачу воздуха через фильтрующую систему и включающая вентилятор с двигателем (не показаны). Турбоблок может также включать источник питания, такой как батарея 10. Турбоблок 14 подает воздух в колпак 12 через дыхательную трубку 13, связанную с выходным патрубком 18 турбоблока 14 и входным патрубком 19 колпака 12. Турбоблок 14 включает фильтрующий картридж (показан на фиг.2), расположенный таким образом, что содержащаяся в нем фильтрующая среда находится на пути прохождения воздуха, предпочтительно перед входным патрубком дутьевого вентилятора (относительно хода воздуха). В типичных воплощениях настоящего изобретения фильтрующий картридж выполнен с возможностью его снятия с турбоблока для замены. Назначение фильтрующего картриджа заключается в удалении определенной части загрязнителей, таких как частицы и/или газы, и/или пары из внешнего воздуха перед подачей воздуха пользователю 11.

Воплощения настоящего изобретения могут содержать одну или более фильтрующих сред. Одним из подходящих типов фильтрующих сред являются абсорбирующие среды. Сорбирующая среда может поглощать требуемые типы паров, которые предположительно могут присутствовать в тех или иных условиях использования респиратора. Сорбирующая среда предпочтительно должна быть достаточно пористой, чтобы через нее достаточно свободно могли проходить воздух и прочие газы, и может быть в форме измельченных твердых тел (например, в виде порошка, бусинок, хлопьев, гранул или агломератов), или в форме пористого твердого тела (например, в виде пены с открытыми ячейками). Предпочтительные типы сорбирующих материалов включают активированный уголь, цеолиты, глинозем и оксиды прочих металлов, которые могут удалять из воздуха требуемый органический пар за счет их поглощения, глину и прочие минералы, обработанные кислыми растворами, такие как уксусная кислота, или растворами щелочей, такими, как водный раствор гидроксида натрия; молекулярные сита и прочие цеолиты; прочие неорганические сорбенты, такие как кремнезем; и органические сорбенты, такие, как стирольные полимеры с большим количеством поперечных связей, известные как полимеры «стиросорб» (описаны, например, в публикациях V. A. Davankov, Р. Tsyurupa, Pure and Appl. Chem., т. 61, с.1881-89 (1989) и L. D. Belyakova, Т. I. Schevchenko, V. A. Davankov и M. P. Tsyurupa, Adv. in Colloid and Interface Sci., том 25, стр.249-66(1986)).

Активированные угли, цеолиты и глинозем являются примерами предпочтительных сорбирующих сред. Могут также использоваться смеси или слои фильтрующих сред, например, для поглощения смесей паров или прочих аналитов. Если используется сорбирующая среда в мелкораздробленной форме, размер ее частиц может быть различным, и обычно выбирается, по меньшей мере отчасти, в соответствии с условиями эксплуатации изделия. Как правило, размер частиц мелко раздробленной сорбирующей среды может иметь размер, соответствующий среднему диаметру от примерно 4 мкм до примерно 3000 мкм, например, средний диаметр может составлять от примерно 30 мкм до примерно 1500 мкм. Могут также использоваться смеси частиц сорбирующей среды с размерами, находящимися в разных диапазонах (например, бимодальные смеси частиц сорбирующей среды, или многослойные конструкции, в которых по ходу фильтруемого воздуха сначала расположены более крупные частицы, а затем более мелкие частицы). Может также использоваться сорбирующая среда в сочетании с подходящим связующим (например, скрепленный уголь), или закрепленная в подходящей опорной структуре (или на подходящей опорной структуре), как описано в патенте США 3 971 373 (Braun с соавторами), 4 208 194 (автор Nelson) и 4 948 639 (Brooker с соавторами) и в патентной заявке США 2006/0096911 А1 (Brey с соавторами).

На фиг.2 показан фильтрующий картридж 100, который может использоваться в турбоблоках воздухоочистительных респираторов с электроприводом, таких как турбоблок 14 в воплощении, изображенном на фиг.1. Фильтрующий картридж 100 включает корпус 120 и фильтрующую среду 122, которой может быть сорбирующий материал, например активированный уголь, расположенный внутри корпуса 120. Оптический датчик 128 аналитов (который будет более подробно описан ниже), также расположен внутри корпуса 120 и связан по текучей среде с фильтрующей средой 122, как будет более подробно объяснено ниже. Корпус 120, изображенный на фиг.2, включает заднюю крышку 124а, имеющую множество отверстий 125, и переднюю крышку 124b, также имеющую множество отверстий (не показаны). Отверстия в передней крышке 124b и задней крышке 124а могут служить входами и выходами газовой среды соответственно, обеспечивая прохождение воздуха из внешней среды в картридж 100, затем через фильтрующую среду 122 и затем во входной патрубок дутьевого вентилятора турбоблока, часть которого составляет фильтрующий картридж. При необходимости отверстия в крышках 124а и 124b могут быть запечатаны до использования изделия, например, с помощью защитной пленки (не показана), удаляемой непосредственно перед использованием картриджа.

Стенка 126 корпуса 120 может включать смотровое окно, например прозрачную часть 127 (прозрачную для определенной части спектра, на которую настроены источник (источники) света и детектор (детекторы), через которую могут считываться сигналы с оптического датчика 128 аналитов (как будет дополнительно объяснено ниже). При необходимости для защиты прозрачной части 127 от брызг краски, пены, пыли и прочих загрязнителей может дополнительно использоваться съемный или заменяемый экран или другой покровный элемент (не показан). В качестве альтернативы, смотровое окно может включать проем в корпусе 120. В некоторых воплощениях вся стенка 126 корпуса или весь корпус 120 могут быть выполнены прозрачными. Оптический датчик 128 аналитов является оптически реагирующим на аналит, что может выражаться, например, в изменении по меньшей мере одного из его оптических свойств (например, в колориметрическом изменении, изменении цвета, яркости, интенсивности отраженного света или в прочих изменениях) при насыщении фильтрующей среды 122 аналитом в условиях работы респиратора.

Свет, входящий через прозрачную часть 127 и попадающий на оптический датчик 128 аналитов, отражается от датчика и выходит обратно через прозрачную часть 127. Картридж 100 может быть снят и заменен на новый, когда ощутимое изменение по меньшей мере одного из оптических свойств оптического датчика 128 аналитов (например, изменение спектра отражения, например, с зеленого на красный, или появление или исчезновение цвета, например, изменение его вида с белого или черного на цветной, или с цветного на белый или черный, или с белого на черный, или с черного на белый) укажет на то, фильтрующая среда 122, находящаяся под оптическим датчиком 128 аналитов, достигла насыщения парами аналита при данных условиях эксплуатации изделия. Оптический датчик 128 аналитов может быть настроен таким образом, что изменение его оптических характеристик будет давать информацию об остающемся сроке службы картриджа 100, или будет указывать на окончание его срока службы. В одном из воплощений оптический датчик 128 аналитов может быть размещен в определенном месте пути прохождения воздуха, так что он будет давать предупредительный сигнал только при определенном остаточном сроке службы картриджа (в процентах от полного срока службы).

На фиг.3А схематически показан оптический датчик аналитов, который может использоваться в некоторых воплощениях настоящего изобретения. Показанный многослойный оптический датчик 32 аналита расположен между прозрачной основой 33 (которая является прозрачной для света определенного спектрального диапазона, на который настроены источник (источники) света и детектор (детекторы)) и фильтрующей средой 38. Показанный многослойный оптический датчик 32 аналита включает частично отражающий слой 34, детектирующую среду 35 и проницаемый для аналита отражающий слой 36. После наступления равновесия между концентрациями аналита в по меньшей мере части среды 38 и воздухе аналит может проходить через проницаемый для аналита отражающий слой 36, например через поры 3,7 в детектирующую среду 35. Детектирующая среда 35 может быть выполнена в виде слоя из подходящего материала или иметь подходящую структуру, так что при воздействии на нее исследуемого аналита будет меняться по меньшей мере одна из ее оптических характеристик (например, оптическая толщина слоя). Данное изменение может быть обнаружено пользователем снаружи, например, может быть видно через основу 33.

Часть попадающего снаружи света, обозначенного лучом 39а, проходит через основу 33, отражается от частично отражающего слоя 34 в виде луча света 39b, проходит обратно через основу 33 и затем выходит наружу из основы 33. Еще одна часть попадающего снаружи света 39а проходит через основу 33, частично отражающий слой 34 и детектирующую среду 35 и отражается от отражающего слоя 36, как луч света 39с. Луч света 39 с проходит обратно через детектирующий слой 35, частично отражающий слой 34 и основу 33, и затем выходит из основы 33. При соответствующем подборе толщины детектирующего слоя 35 и при условии, что слои 34 и 36 являются в сущности плоскими, будет иметь место взаимно усиливающая или взаимно гасящая интерференция лучей типа 39b и 39с, и через частично отражающий слой 34 может быть зафиксировано заметное изменение одной или более оптических характеристик оптического датчика 32 аналита.

Оптические датчики аналитов в соответствии с настоящим изобретением могут быть прикреплены к корпусу фильтра или другой опорной структуре с использованием различных способов, включая тонкопленочные или объемные адгезивы, механические вставки, термическое крепление, ультразвуковую сварку и их сочетания. Наличие основы не является обязательным, но если она присутствует, она может быть изготовлена из различных материалов, которые могут обеспечивать подходящую прозрачную опорную структуру для тонкопленочного индикатора. Основа может быть жесткой (например, стеклянной), или гибкой (например пластмассовой пленкой, допускающей обработку в виде одной или нескольких операций обработки рулонных материалов). Если она изготовлена из гибкого материала, такого как достаточно прозрачная пластмасса, то основа предпочтительно должна обладать достаточно низкой паропроницаемостью, так чтобы обнаруживаемый пар (пары) не проходил бы к детектирующей среде и не выходил бы из детектирующей среды через частично отражающий слой. При отсутствии основы частично отражающий слой должен быть достаточно непроницаемым, уменьшая или полностью предотвращая прохождение таких паров. При необходимости между проницаемым отражающим слоем и сорбирующей средой может быть помещена пористая основа. Такая проницаемая основа может позволять обнаруживаемым парам проникать из сорбирующей среды через нее и отражающий слой и попадать на детектирующую среду.

Частично отражающий и отражающий слои могут быть выполнены из различных материалов, обеспечивающих рассеянное, а предпочтительно, зеркальное отражение света, и которые, будучи пространственно разнесены друг от друга, могут взаимодействовать друг с другом и обеспечивать быстро и четко заметное изменение внешнего вида индикатора. Подходящие материалы для изготовления частично отражающего и отражающего слоев включают металлы, такие как алюминий, хром, золото, никель, серебро, кремний, палладий, платина, титан и сплавы, содержащие перечисленные металлы, оксиды металлов, такие как оксид хрома, оксид титана и оксид алюминия; а также многослойные оптические пленки (включая двупреломляющие многослойные оптические пленки), описанные в патентах США 5 699 188 (Gilbert с соавторами), 5 882 774 (Jonza с соавторами) и 6 049 419 (Wheatley с соавторами), и публикации WO 97/01778 (Ouderkirk с соавторами). Частично отражающий и отражающий слои могут быть одинаковыми или различными. Для формирования отражающего слоя могут использоваться покрытия из наночастиц металлов (например, чернила, содержащие наночастицы металлов), как описано в патентной заявке США 2008/0063874А1 (Rakow с соавторами).

Частично отражающий слой, как правило, имеет меньший коэффициент отражения, чем отражающий слой, и пропускает часть падающего на него света. Частично отражающий слой может, например, иметь физическую толщину от примерно 2 нм до 50 нм, светопропускание на длине волны 500 нм от примерно 20% до примерно 80%, и отражающую способность на длине волны 500 нм от примерно 80% до примерно 20%, или любые значения между указанными. Частично отражающий слой сам по себе может быть непроницаемым для пара (и в этом случает он предпочтительно является сплошным), и может быть нанесен в виде покрытия на подходящую основу, или иным образом расположен в непосредственной близости к подходящей основе. Частично отражающий слой может быть также проницаемым для пара (и в этом случает он может являться прерывистым или полусплошным), и может быть нанесен в виде покрытия на подходящую паронепроницаемую основу или иным образом расположен в непосредственной близости к такой основе. Поверхность частично отражающего слоя, расположенная в непосредственной близости к детектирующему слою, предпочтительно является плоской и гладкой с шероховатостью в пределах примерно ±10 нм.

Отражающий слой может иметь физическую толщину от примерно 1 нм до примерно 500 нм, светопропускание на длине волны 500 нм от примерно 0% до примерно 80%, и отражающую способность на длине волны 500 нм от примерно 100% до примерно 20%. Отражающий слой предпочтительно является пористым, структурированным, прерывистым, полунепрерывным или иным образом достаточно проницаемым, чтобы пары от сорбирующей среды могли проникать через отражающий слой к детектирующей среде. Подходящие поры или места нарушения непрерывности могут быть получены за счет использования подходящих способов нанесения покрытий или подходящих способов обработки после нанесения покрытий, таких как, например, селективное травление, травление активными ионами или структурированное лазерное удаление. Отражающий слой может быть также сформирован путем отложения паропроницаемого слоя металлических наночастиц, описанного в упомянутой выше патентной публикации 2008/0063874А1. Данная технология позволяет получить паропроницаемый слой плотно упакованных наночастиц, поры в котором обеспечены за счет наличия промежутков между наночастицами.

Детектирующая среда может быть изготовлена из гомогенной или гетерогенной смеси неорганических компонентов, органических компонентов или смеси как органических, так и неорганических компонентов. Детектирующие среды, изготовленные из смеси компонентов различного типа, могут обеспечивать лучшее обнаружение групп аналитов. Детектирующая среда, как правило, имеет размеры пор и площадь поверхности, обеспечивающие характеристики поглощения паров, сходные с характеристиками поглощения сорбирующей среды. Подходящие характеристики пористости могут быть получены за счет использования подходящих пористых материалов, таких как пены, изготовленные из эмульсий с высоким содержанием внутренней газообразующей фазы, примеры которых описаны в патенте США 6 573 305 B1 (Thunhorst с соавторами). Пористость может быть также достигнута посредством пенообразования с помощью диоксида углерода, в результате чего получаются микропористые материалы (смотри "Macromolecules", 2001, том 34, стр.8792-8801), или нанофазным разделением полимерных смесей (смотри "Science", 1999, том 283, стр.520). В целом диаметр пор должен быть меньше, чем пик длины волны света, соответствующий требуемому цвету индикатора. Предпочтительными являются нанопоры, например поры со средним размером от примерно 0,5 нм до примерно 20 нм, от примерно 0,5 нм до примерно 10 нм, или от примерно 0,5 нм до примерно 5 нм.

Примеры неорганических материалов для изготовления детектирующей среды включают пористый кремнезем, оксиды металлов, нитриды металлов, оксинитриды металлов и прочие неорганические материалы, из которых могут быть сформированы прозрачные и пористые слои подходящей толщины для того, чтобы он имели цвет или показывали изменение цвета за счет оптической интерференции. Неорганическими материалами для детектирующей среды могут быть оксиды кремния, нитриды кремния, оксинитриды кремния, оксиды алюминия, оксиды титана, нитрид титана, окиснитрид титана, оксиды олова, оксиды циркония, цеолиты и их сочетания. Пористый кремнезем является особо предпочтительным материалом для изготовления детектирующей среды благодаря его достаточно большой устойчивости к механическим воздействиям и возможности обработки влажным травлением.

Пористые кремнеземы могут быть приготовлены с использованием золь-гелевой технологии обработки, с органической матрицей или без нее. Примеры органических матриц включают поверхностно-активные вещества, например, анионные или неионные поверхностно-активные вещества, такие как соли алкилтриметил аммония, блок-сополимеры типа поли(этиленоксид-со-пропиленоксид) и прочие поверхностно-активные вещества или полимеры, очевидные сведущим в данной области техники. Золь-гельная смесь может быть превращена в силикат и из нее может быть удалена органическая матрица, которая оставит в кремнеземе сеть микропор. Примеры пористых материалов на основе кремнезема описаны в публикациях Ogawa с соавторами, Chem.Commun. стр.1149-1150 (1996), Kresge с соавторами, Nature, том 359, стр.710-712 (1992), Jia с соавторами, Chemistry Letters, том 33(2), стр.202-203 (2004) и в патенте США 5 858 457 (Brinker с соавторами). В качестве органической матрицы могут использоваться разнообразные органические молекулы. Так, например, в качестве органических матриц для формирования пористых силикатов могут использоваться сахара, такие как глюкоза и манноза, как описано в публикации Wei с соавторами, Adv. Mater. 1998, Vol. 10, с.313 (1998). В золь-гельную композицию могут быть включены органозамещенные силоксаны, делающие поры более гидрофобными и уменьшающие поглощение водяного пара. Для формирования пористых органических детектирующих материалов может использоваться плазменное химическое осаждение паров. Данная технология в целом включает формирование слоя, детектирующего аналит, путем формирования плазмы из газообразных прекурсоров, осаждение плазмы на основу с формированием слоя с аморфной произвольной ковалентной сетью, и последующего нагревания слоя с аморфной произвольной ковалентной сетью для формирования из него микропористого слоя с аморфной произвольной ковалентной сетью. Примеры таких материалов описаны в патенте США 6 312 793 (Grill с соавторами) и в патентной публикации США 2007/0141580А1 (Moses с соавторами).

Представительные органические материалы для изготовления детектирующей среды включают полимеры, сополимеры (включая блок-сополимеры) и их смеси, которые изготовлены или могут быть изготовлены из мономеров, включающих такие классы соединений, как гидрофобные акрилаты и метакрилаты, двухфункциональные мономеры, виниловые мономеры, углеводородные мономеры (олефины), силановые мономеры, фторированные мономеры, гидроксилированные мономеры, акриламиды, ангидриды, ангидридфункционализированные мономеры, амино- или аминно-солевые функционализированные мономеры, кислотно-функционализированные мономеры, эпоксидфункционализированные мономеры и их сочетания. В упомянутой выше патентной заявке США 2004/0184948 А1 приводится обширный список таких мономеров, на которую мы и ссылаемся для получения дополнительных подробностей. Упомянутые выше полимеры, обладающие присущей внутренней микропористостью (PIM), обеспечивают особенно подходящие материалы для детектирующих сред. Такие полимеры, как правило, представляют собой твердые микропористые вещества, не имеющие молекулярной структуры в виде правильной сети или решетки. Из-за того, что молекулы таких полимеров чрезвычайно жесткие и сильно искривленные, они не могут эффективно заполнить пространство, и тем самым образуют вещества, имеющие микропористую структуру. Подходящие полимеры с присущей микропористостью включают, но не ограничиваются ими, полимеры, описанные в публикации "Polymers of intrinsic microporosity (PIMs): robust, solution-processable, organic microporous materials", Budd с соавторами, Chem. Commun., 2004, с.230-231. Дополнительные примеры полимеров с присущей микропористостью описаны в публикациях Budd с соавторами, J. Mater. Chem., 2005, 15, с.1977-1986; McKeown с соавторами, Chem. Eur. J. 2005, 11, No. 9, с.2610-2620, а также в публикации WO 2005/012397 А2 (McKeown с соавторами).

Один или более полимеров в составе органической детектирующей среды могут быть по меньшей мере частично «прошитыми» поперечными связями. Образование поперечных связей в полимерах может быть желательным в некоторых воплощениях, так как это повышает их механическую прочность и чувствительность к определенным аналитам. Образование поперечных связей в полимере может быть достигнуто путем встраивания в детектирующую среду одного или более многофункциональных мономеров, обработки детектирующей среды электронным пучком или гамма-лучами, добавлением в детектирующую среду или формированием в ней координационных соединений или ионных соединений. В одном из воплощений формирование поперечных связей выполняется в присутствии порообразователя, который впоследствии может быть извлечен из структуры с поперечными связями, и таким образом может быть получена пористая детектирующая среда. Подходящие порообразователи включают, но не ограничиваются ими, инертные органические молекулы, такие как обычные алканы (например, декан) или ароматические соединения (например, бензол или толуол). Прочие подходящие полимеры с поперечными связями включают упомянутые выше стирольные полимеры с большим количеством поперечных связей.

При необходимости материал детектирующей среды может быть подвергнут дополнительной обработке для изменения свойств его поверхности или поглощающих характеристик. Для этого могут использоваться различные способы обработки, например обработка микропор неорганической детектирующей среды подходящим органосилановым соединением. В дополнение к этому или вместо этого детектирующая среда может быть обработана подходящим материалом, усиливающим адгезию (например, на ней может быть сформирован связующий слой из титана или другого подходящего металла) для усиления адгезии между частично отражающим или отражающим слоем и детектирующей средой. Такие способы обработки могут быть также применены к частично отражающему или отражающему слоям для усиления их адгезии к детектирующей среде.

Для многих приложений желательно, чтобы детектирующая среда была гидрофобной. Это способствует уменьшению вероятности того, что водяной пар (или жидкая вода) вызовут изменение оптической плотности детектирующей среды и будут создавать помехи обнаружению аналита, например, обнаружению паров органических растворителей. Детектирующая среда может быть изготовлена в виде одного слоя или может содержать два или более подслоев. Подслои могут иметь различные конфигурации. Так, например, они могут быть уложены друг на друга стопкой или расположены рядом друг с другом. Подслои могут быть также изготовлены из разных материалов для поглощения различных паров, за которыми ведется наблюдение.

Еще одно воплощение оптического датчика аналитов, которое может использоваться в воплощениях настоящего изобретения, показано на ф