專利名稱：食品和飲料質(zhì)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來講涉及食品和飲料質(zhì)量傳感器，更具體地講，涉及使用比色檢測材料、電勢檢測材料或電阻檢測材料來監(jiān)測食品或飲料質(zhì)量的方法和裝置。
背景技術(shù)：
易腐食品的質(zhì)量監(jiān)測，是貫穿整個食品生產(chǎn)、儲藏、銷售和消費鏈的關(guān)鍵性工作。許多食品會腐敗，這既可能是搬運不當?shù)慕Y(jié)果，也可能僅僅是因為陳化。當乳品或肉品等易腐產(chǎn)品在例如運輸過程中暴露于過高溫度時，就會陳化和過早腐敗，但最終腐敗是不可避免的。今天，食品銷售商通常對其產(chǎn)品使用保質(zhì)期，但是這些日期基本上代表的是估計值——也就是說，他們假定對應于已知陳化特征的平均(乃至最佳)“耐熱史”。除了抽查外，食品銷售商通常不會持續(xù)監(jiān)測其產(chǎn)品質(zhì)量。
腐敗食品不僅具有致病危險，而且對雜貨商來說會損失收入，對消費者來說會浪費工資。許多用于監(jiān)控食品質(zhì)量的裝置并不能提供快速、簡便、有效的診斷，因為它們使用有害物質(zhì)作為腐敗指示劑或者使用不能根據(jù)所檢測食品而進行“調(diào)節(jié)”的通用指示劑。例如，腐敗的化學指示劑在某些食品中天然存在；在某些食品中指示腐敗的水平可能在其它食品中卻正好是新鮮的。
因此，需要能提供快速反應并能根據(jù)各種不同食品和污染物而進行調(diào)節(jié)的腐敗檢測器。
發(fā)明概述一方面，本發(fā)明提供一種低成本高質(zhì)量的傳感器，該傳感器能可靠地報告食品和飲料中因腐敗或污染所致的化學品和/或細菌的存在與否。本文所用的術(shù)語“食品”包括食品和飲料。在一個實施方案中，可將傳感器檢測材料的靈敏度調(diào)節(jié)到指示污染閾濃度的性能變化的起始點。因此傳感器具有針對不同食品和污染物的特異性，因為可根據(jù)這些參數(shù)來調(diào)節(jié)靈敏度。
調(diào)節(jié)允許更快更可靠的檢測，因為檢查員不用花費較長時間來等待檢測材料顯示性能變化。如果沒有觀察到快速反應，則食品被視為具有合格的質(zhì)量。另外，調(diào)節(jié)也允許更快的檢測，使檢查員在更短時間內(nèi)檢查更多食品。檢測材料可以是天然和/或可食用的物質(zhì)，這就消除了有害化學品或染料污染未腐敗食品的可能性。
因此，一方面，本發(fā)明提供包括檢測材料的傳感器，該材料的性能在響應暴露于污染物時會發(fā)生變化。檢測材料對污染物具有固有靈敏度并且在響應暴露于污染物時性能會發(fā)生變化。傳感器也包括調(diào)節(jié)劑，其數(shù)量足以引起檢測材料表現(xiàn)出與固有靈敏度不同的改變的靈敏度。在一個實施方案中，改變的靈敏度大于固有靈敏度?；蛘?，改變的靈敏度可小于固有靈敏度。在不同實施方案中，污染物包括胺。在某些實施方案中，檢測材料包括甜菜提取物或甘藍提取物。調(diào)節(jié)劑可以是堿(例如氫氧化物、碳酸氫鹽、賴氨酸、精氨酸和組氨酸)。
在不同實施方案中，變化的性能是顏色或電性能(例如電勢差或電阻)。在某些實施方案中，檢測材料安置在基質(zhì)(例如濾紙)內(nèi)。檢測材料可包括取決于待篩選食品種類的檢測閾值；例如，調(diào)節(jié)劑的用量可取決于待檢食品和/或污染物的性質(zhì)。在一個實施方案中，改變的靈敏度符合用戶可選擇的檢測閾值。
在傳感器的一個實施方案中，檢測材料具有電阻性能，當檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應食品分解速率時會改變；傳感器也包括第二檢測材料，該材料在響應食品新鮮度時其電勢性能會改變。在一個替代實施方案中，檢測材料具有電阻性能，當檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應食品污染水平時會改變；傳感器也包括第二檢測材料，該材料在響應食品分解速率時其電勢性能會改變。在另一個實施方案中，本發(fā)明的檢測器包括一系列不同調(diào)節(jié)的染料，其各自具有不同的檢測閾值，以便指示新鮮程度，而不是指示食品新鮮或腐敗的二元指示。
另一方面，本發(fā)明提供檢測污染物的方法。該方法包括提供安置在介質(zhì)中的檢測材料。檢測材料對污染物具有固有靈敏度并且在響應污染物時其性能會依照其固有靈敏度而改變。將檢測材料用調(diào)節(jié)劑處理，以改變檢測材料的靈敏度。將這樣的檢測材料暴露于污染物，它在響應污染物水平時性能會改變，并對應于改變的檢測靈敏度。在一個實施方案中，調(diào)節(jié)劑通過使其接近暴露-誘導性能變化的起始點，從而提高檢測材料的靈敏度。在某些實施方案中，調(diào)節(jié)劑降低檢測材料的靈敏度，而在其它實施方案中，它卻提高靈敏度。
又一方面，本發(fā)明提供包括檢測材料的傳感器，該材料在響應暴露于污染物時其性能會改變。檢測材料對污染物具有固有靈敏度并且在響應污染物時其性能會改變。傳感器也包括顯示器，該顯示器根據(jù)檢測材料的響應而報告食品狀況，表明污染物水平和用戶可選擇的報告閾值。在不同實施方案中，用戶可選擇的報告閾值取決于待篩選食品類型、污染物或個體耐受水平。
再一方面，本發(fā)明提供檢測食品狀況的方法。該方法包括提供檢測材料，該材料對污染物具有固有靈敏度并且在響應污染物時其性能會依照其固有靈敏度而改變。使檢測材料暴露于污染物，致使在響應暴露于污染物時性能會改變，并且根據(jù)性能變化和用戶可選擇的報告閾值而報告食品狀況。
根據(jù)以下附圖、發(fā)明詳述和權(quán)利要求書，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)勢將會是顯而易見的；以下附圖、發(fā)明詳述和權(quán)利要求書僅以實例的方式用來說明本發(fā)明的原理。
附圖簡述參考以下發(fā)明詳述并結(jié)合附圖，可以更好地理解上述本發(fā)明的優(yōu)勢以及其它優(yōu)勢。在附圖中，相同的參考符號在不同圖中通常是指相同部件。附圖不一定按比例繪制，而是強調(diào)說明本發(fā)明的原理。


圖1是本發(fā)明傳感器的說明性實施方案的方框圖。
圖2顯示典型的比色檢測材料的滴定曲線。
圖3是包括本發(fā)明傳感器的檢測裝置的說明性實施方案的方框圖。
圖4A和圖4B分別表示包括本發(fā)明傳感器的檢測裝置的示例性實施方案的從下到上、從上到下的部件分解圖。
圖5是包裝成瓶蓋的圖4檢測裝置的透視剖面圖。
圖6顯示包括本發(fā)明傳感器的示例性便攜式檢測裝置。
圖7是包括本發(fā)明傳感器的比色指示器的透視剖面圖。
圖8是基于本發(fā)明檢測裝置的電子系統(tǒng)的示例性流程圖。
圖9顯示示例性的電阻橋(resistive bridge)。
發(fā)明詳述對于圖1，本發(fā)明的傳感器100包括對污染物108具有固有靈敏度的檢測材料104，也就是說，使檢測材料暴露于閾濃度的污染物108，引起檢測材料的性能變化。為了改變該固有靈敏度(也就是說，使檢測材料104對污染物108具有更高或更低的靈敏度)，將檢測材料104暴露于調(diào)節(jié)劑112。
例如，為了提高固有靈敏度，可以使檢測材料104暴露于足夠量的調(diào)節(jié)劑112(例如用后者來滴定)，從而使檢測材料接近性能變化的起始點。按此方式，即使是低濃度的污染物108也會引起檢測材料104發(fā)生性能改變，并因而指示污染物108的存在?；蛘撸{(diào)節(jié)劑可降低固有靈敏度，例如通過與檢測材料104競爭性結(jié)合而又不引起性能改變的方式，或者通過螯合或鈍化污染物108的某一部分?？梢圆捎孟率龇椒▉斫档挽`敏度，以優(yōu)化傳感器，這樣當食品未腐敗時，它就不變色。
傳感器可用來檢測乳品、飲用水、酒類、牛肉、禽品、海產(chǎn)品和糧食以及其它易腐食品等食品中的污染物。污染物可以是腐敗產(chǎn)物。另外，污染物也可以是胺，即帶有一個或多個NH2基團的化合物(例如胺、二胺、三胺、芳香胺、雜環(huán)胺或脂族胺)。例如，蛋白質(zhì)是由氨基酸生成的；當?shù)鞍踪|(zhì)被細菌分解時，它們便轉(zhuǎn)化成與這些氨基酸相關(guān)的胺類。精氨酸轉(zhuǎn)化成腐胺，賴氨酸轉(zhuǎn)化成尸胺，而組氨酸則轉(zhuǎn)化成組胺。腐胺、尸胺和組胺是肉和海產(chǎn)品等腐敗蛋白質(zhì)的臭味來源，這些胺類的水平反映出細菌分解程度。因此，對胺化合物靈敏的檢測器可用于檢測腐敗。
傳感器可安裝在奶瓶、瓶蓋、酒瓶塞、塑料包裝、聚苯乙烯泡沫塑料、塑料袋、紙袋、紙板或其它合適的食品包裝上。傳感器也可安裝到冷卻器或器具(例如便攜式廚具)上。在一個替代實施方案中，將包括傳感器的圓筒放在櫥柜、抽屜或冰箱內(nèi)。下面更詳細介紹傳感器的具體實施方案。
響應暴露于污染物而變化的性能可以是比色性能、電勢性能或電阻性能。檢測材料包括但不限于天然酸堿指示劑，例如甜菜、甘藍、紅酒、葡萄、茶、藍莓、草莓和蔓越橘(cranberry)中存在的指示劑?？捎米鳈z測材料的其它合適的酸堿指示劑包括但不限于結(jié)晶紫、甲酚紅、百里酚藍、溴酚藍、甲基橙、溴甲酚綠、甲基紅、羊毛鉻黑、溴甲酚紫、溴百里酚藍、酚紅、酚酞、麝香草酚酞和媒染橙。其它合適的檢測材料包括硬脂酸、胺離子載體(amine ionophore)、聚合指示劑和烴類，例如直鏈或支鏈C32H66。響應胺類的存在而顯示出比色變化的優(yōu)選檢測材料是甜菜提取物或甜菜汁。一般而言，檢測材料可以是甜菜素(betalain)或甜菜素衍生物。適于與本發(fā)明聯(lián)合使用的甜菜素是紅紫色的甜菜紅素(betacyanin)，有用的化合物包括甜菜苷配基、甜菜苷及其衍生物(例如甜菜苷酯)。
合適的酸堿調(diào)節(jié)劑包括但不限于碳酸氫鹽及其鹽、碳酸鹽及其鹽、氫氧化物(例如NaOH、KOH和LiOH)、氨水和銨鹽、生物胺及其鹽、胺及其鹽、氨基酸及其鹽、羧酸及其鹽、磷酸及其鹽、硫酸及其鹽、硼酸及其鹽。優(yōu)選的調(diào)節(jié)劑是堿(例如氫氧化物、碳酸氫鹽、賴氨酸、精氨酸、組氨酸和三乙醇胺)。優(yōu)選的堿是碳酸氫鹽。
通過使用輔色素、濃度、結(jié)合指示劑、表面積和照度，可以改變比色傳感器的靈敏度。對于電阻傳感器，可以通過改變導體與指示器的比率、電阻的起始值、表面積、大小、對導體的選擇和對指示器的選擇，而改變靈敏度。
在傳感器的一個實施方案中，將檢測材料安置或螯合在基質(zhì)(例如濾紙或聚合物基質(zhì)等物理基質(zhì))內(nèi)。調(diào)節(jié)劑也與檢測材料螯合在一起?；|(zhì)可以是疏水的。疏水基質(zhì)防止水分進入螯合在基質(zhì)內(nèi)的材料(例如檢測材料和/或調(diào)節(jié)劑)中，同時又允許污染物通過并與檢測材料相互作用。結(jié)果，疏水性質(zhì)維持了檢測材料的使用壽命。在不同實施方案中，檢測材料和調(diào)節(jié)劑組合用于布(例如奶酪布)、紙或塑料表面?；蛘?，檢測材料和調(diào)節(jié)劑組合可安置在凝膠或明膠內(nèi)。
在上述實施方案中，檢測材料可以先安置/應用于基質(zhì)、凝膠、布、紙或表面，然后再暴露于調(diào)節(jié)劑。在某些實施方案中，檢測材料和調(diào)節(jié)劑可以先混合，再安置或應用。
為了改變活性受pH影響的檢測材料靈敏度，先測定特定檢測材料的變色pH。然后用調(diào)節(jié)劑滴定新鮮溶液，生成檢測材料的調(diào)節(jié)溶液，其pH比發(fā)生顏色反應所需的pH稍低(例如對于堿性污染物)或高(例如對于酸性污染物)。再將基質(zhì)浸泡在調(diào)節(jié)溶液中，然后干燥。這樣，調(diào)節(jié)傳感器就會對少量污染物敏感，因而暴露就會引起顏色變化，其變色時間比用未調(diào)節(jié)傳感器的所需響應時間更短。對于基于胺的污染物和甜菜素檢測化學來說，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)碳酸氫鹽是合適的調(diào)節(jié)劑。
參考圖2所示滴定曲線，基于甜菜提取物(主要是甜菜苷)的示例性調(diào)節(jié)傳感器的起始pH約為6.5(如116所示)，這是從約pH4.6調(diào)節(jié)而來的(如120所示)。在圖2中，示例性的調(diào)節(jié)劑是1，5-二氨基戊烷溶液。因此，需要較少的污染物實現(xiàn)顏色變化，其發(fā)生在pH大于6.5時，并且可以用肉眼觀察，或者使用例如彩色光密度計或分光計。在圖2中，兩個pH值116、120之間的差異代表檢測材料的改變的靈敏度。也可采用大于6.5的起始pH，該pH更接近甜菜提取物變色的起始點。
為了制備其響應如圖2所示并固定在普通濾紙上的溶液，根據(jù)反應的化學計量求出導致變色所需的堿用量，用略小于計算量的調(diào)節(jié)劑制備調(diào)節(jié)劑水溶液。將濾紙先浸入到調(diào)節(jié)劑水溶液中，然后干燥。再將濾紙浸入到檢測材料的非水性溶液中。這樣就將濾紙調(diào)節(jié)到用于低水平胺的檢測。在一個替代實施方案中，第一溶液可以是非水性溶液，第二溶液是水溶液。
在另一個實施方案中，用同樣溶劑制備指示劑和調(diào)節(jié)劑溶液并調(diào)節(jié)pH，使之接近引起變色的pH值。然后將濾紙浸入到溶液中，用于檢測低水平污染物。
為了調(diào)節(jié)用于固定在濾紙上的溶液，滴定檢測材料溶液本身，使其略小于引起變色所需調(diào)節(jié)劑的用量。濾紙可以是得自Whatman，Inc.(Clifton，New Jersey)的Phase Separation(分相，PS)濾紙。將PS濾紙浸入到調(diào)節(jié)溶液中，然后干燥，用作生物胺的比色檢測劑。本發(fā)明的檢測劑可以是基于包括一系列區(qū)段的單一長度的濾紙，每區(qū)段對應于不同的調(diào)節(jié)染料，各自具有不同的檢測閾值。這可提供更嚴格的污染物水平的目測指示，因為反應和未反應染料區(qū)段之間的反差是明顯的。該方法也可用來指示新鮮程度，而不是食品新鮮或腐敗的二元指示。
例如，未調(diào)節(jié)的甜菜提取物pH約為4.6。將浸漬了甜菜提取物的濾紙暴露于飽和液上空間的1，5-二氨基戊烷(尸胺)，需要約4天時間才發(fā)生顏色變化。然而，通過將甜菜提取物的pH調(diào)節(jié)至約7.00-8.02，大約15秒即可觀察到快速顏色變化。用天然或可食用的物質(zhì)，例如甜菜提取物(或其組分，例如甜菜苷)，也可消除檢測材料破壞或污染食品的可能性。
通過適當選擇檢測材料和調(diào)節(jié)劑，可以得到具有改變的靈敏度的傳感器，其靈敏度符合取決于待篩選食品類型的檢測閾值。例如，可以根據(jù)預測待檢污染物和/或食品特性(例如在新鮮海產(chǎn)品中天然存在某些胺類)，選擇不同檢測材料或不同調(diào)節(jié)劑用量。這允許快速和有意義地檢測目標污染物。此外，可以選擇傳感器的改變的靈敏度，以符合用戶可選擇的檢測閾值，這允許用戶按照個體對特定污染物或食品新鮮狀況的耐受水平來調(diào)節(jié)靈敏度。
例如，按照FDA指南，認為大于50ppm組胺的魚是腐敗的。因此，按照個體耐受性，可以設置例如30ppm、40ppm或50ppm的檢測閾值。污染物的檢測在該閾值水平內(nèi)進行。相比之下，認為蝦在3ppm腐胺或尸胺濃度時就是腐敗的。因此，可以選擇不同檢測材料/調(diào)節(jié)劑組合，以測定這些污染物?？筛鶕?jù)污染物、食品或污染物耐受水平來選擇材料/試劑組合。
化學檢測材料的一個替代品是離子選擇電極，其可用于根據(jù)電勢性能來檢測污染物。可以使用以下文獻所述材料和技術(shù)，制作合適的離子選擇電極例如2003年3月13日申請的美國專利申請順序號10/388,198，該文獻同屬于本申請并且通過引用全部結(jié)合到本文中。簡而言之，設計一對電極，當目標污染物存在時就顯示電位。通過用半滲透離子載體進行涂敷，使陰極對該污染物具有特異性。用非離子特異性離子載體涂敷陽極或參考電極。
可以選擇本發(fā)明的離子選擇電極，測定pH(即H+)、Na+、K+、Li+、Ag+、Ca2+、Cd2+、Ba2+、Mg2+、Cu2+、Pb2+、Hg2+、Cu2+、Fe3+、銨離子(NH4+)、Cl-、Br-、I-、F-、CN-、OCl-、高氯酸根(ClO4-)、硫氰酸根(SCN-)、硫化物(S-)、硝酸根(NO3-)、亞硝酸根(NO2-)、硫酸根(SO3-)、碳酸根(CO2-)、碳酸氫根(HCO3-)和/或S2O32-。對于胺的檢測，優(yōu)選的離子載體例如得自Sigma-Aldrich Co.(St.Louis，Missouri)的Calix[6]芳烴-六乙酸六乙酯?？赏ㄟ^例如本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的電流、電勢、電量、電導和/或AC分析技術(shù)，用離子選擇電極來檢測離子。
另一個方法使用具有電阻性能的檢測材料的傳感器。例如，檢測材料可以是印跡聚合物(imprinted polymer)或包含導電材料的有機涂層。在一個實施方案中，使用炭黑聚合物電阻器或帶有炭黑印刷的聚合物。[參見Lonergran等，″Array-Based Vapor Sensing UsingChemically Sensitive，Carbon Black-Polymer Resistors，″Chemistry ofMaterials 82298-2312(1996)，其全部公開內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中。]或者，如上所述的碳和檢測材料的薄膜跨越連接在絕緣物上的兩根金屬線(metallic leads)而沉積，因而形成電阻器。合適的絕緣物包括但不限于陶瓷基質(zhì)和塑料基質(zhì)。因暴露于蒸氣致使檢測材料膨脹，使得電阻器的電阻增加，因為當檢測材料膨脹時，與導線連接的碳分離。因此，電阻的變化表明存在著誘導膨脹的蒸氣。
因此，選擇依照本發(fā)明制成的傳感器，以響應指示腐敗食品的污染物。在一個實施方案中，傳感器上印有包含天然酸堿指示劑和以上列舉的其它合適酸堿指示劑的檢測材料，其具有電阻性能。也可使用離子載體，例如上述離子載體。在一種形式的酸堿指示劑中，電阻傳感器的作用是作為劑量計。
在一個實施方案中，包含導體和檢測材料的溶液沉積在帶有電線的基質(zhì)上。例如，將25mg炭粉與75mg硬脂酸混合在一起，然后溶解和/或懸浮在20ml四氫呋喃(THF)中。將溶液噴霧(例如作為氣溶膠)到帶有電線的陶瓷基質(zhì)上?；蛘撸蓪⑷芤旱谷牖|(zhì)陣列或者大基質(zhì)上，然后分成各個基質(zhì)。蒸發(fā)除去THF，留下導體和檢測材料薄膜跨越電線。其它材料(包括金、銀和銅)也可用作導體。通常在暴露于污染物之前，薄膜的電阻約為100kΩ。
圖3描述了包括本發(fā)明傳感器100′的檢測裝置124。檢測裝置124也包括電源128、電子線路132和顯示器136。傳感器100′或其元件可以是一次性的或者是可重復使用的，而檢測裝置124本身也可以是一次性的。下面更詳細介紹示例性的檢測裝置124。
傳感器100′可包括具有電勢性能的檢測材料(例如胺離子載體)或具有電阻性能的檢測材料(例如炭黑以及如上所述的甜菜提取物)。在替代實施方案中，檢測裝置或傳感器包括多種檢測材料。例如，傳感器100′可包括具有電阻性能的第一檢測材料以及具有電勢性能的第二檢測材料。電阻傳感器對污染物的累積具有總體響應，使得輸出與食品分解速率成比例。電勢傳感器在給定時間點可響應污染物濃度，所以輸出與食品當前新鮮狀況成比例。在另一個實施方案中，檢測材料具有電阻性能，當檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應食品污染水平時會發(fā)生改變；而第二檢測材料具有電勢性能，該性能在響應食品分解速率時會發(fā)生改變。這樣重復的方法不僅降低了危險，而且可以讓檢查員預測食品是否/何時會腐敗，如果尚未腐敗的話。
在具有多種檢測材料的檢測裝置或傳感器的一個實施方案中，將來自各檢測材料的輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再進行處理。例如，如果50ppm胺是肉類腐敗或污染的閾值，而試驗結(jié)果為40ppm的話，則最初輸出顯示肉仍然是好的。如果將該信息與肉以10ppm/天的速率產(chǎn)生胺類的檢測信息綜合考慮的話，顯示器上也會輸出這樣的提示肉再過一天就腐敗了。
如上所述，檢測材料的靈敏度可通過滴定而改變，使其更好地響應目標污染物。也可控制檢測材料的靈敏度范圍。因為對于不同食品而言，指示腐敗的污染物的量是不同的，電阻率范圍是變化的，所以傳感器應根據(jù)食品和污染物而進行有效的標定。
電源128可以是電池(例如堿性電池、鋰離子電池、充電電池或印刷紙)。理想的電池是柔性電池，符合檢測器包裝的形狀。Power PaperLtd.(Tel Aviv，Israel)生產(chǎn)一種合適的印刷紙電池。Power Paper電池中使用的化學品是鋅和二氧化錳的組合?？梢圆捎媒z網(wǎng)印刷技術(shù)，將電池印刷在幾乎任何表面(包括紙或軟塑料)上。一平方英寸的印刷電池提供1.5V，15mAh，大約0.5mm厚，貨架期約為兩年半。
可以在線路板上構(gòu)成電子線路132，例如專用集成電路(ASIC)。電子線路132的作用包括信號放大，檢測裝置的標定并提供用于決策過程的邏輯系統(tǒng)。示例性的電子系統(tǒng)包括CMOS芯片，該芯片能夠在一系列靈敏度水平(改變或不改變)上閱讀一類傳感器(例如電阻傳感器或電勢傳感器)。在一個替代實施方案中，CMOS芯片可具有由檢查員來控制的可變的靈敏度。芯片也可與多個傳感器耦合。下面更詳細介紹示例性的電子線路。
使用CMOS技術(shù)，而不是使用獨立微制作工藝(即一種用于離子傳感器圓筒(cartridge)的技術(shù)和一種用于電路的技術(shù))，可以將傳感器100′微制作在同一微芯片上，作為電子線路132。這不僅降低了成本，而且也保留了芯片的“不動產(chǎn)(real estate)”，因為可以讓傳感器與電子線路之間的一些連接縮短或消除。
顯示器136給檢查員顯示電子線路132的決策，該決策是根據(jù)傳感器檢測材料的響應、從而報告食品狀況而顯示的。顯示器136可根據(jù)用戶可選擇報告閾值而報告食品狀況。例如，可根據(jù)待篩選食品類型、目標污染物或個體耐受水平，來確定閾值水平。檢測裝置124可包括讓用戶選擇閾值水平的開關(guān)(未顯示)，在該閾值水平上報告食品腐敗。
在不同實施方案中，將顯示器與讓用戶選擇的待報告食品信息類型的開關(guān)耦合。例如，食品新鮮狀況、食品腐敗速率、污染物水平和/或食品剩余貨架期的預測都是合適的選項。
顯示器136可以是簡單的，僅與檢測材料顏色變化有關(guān)，或者在其它實施方案中，顯示器136可提供可印刷的電致變色墨水(electrochromic ink)或數(shù)碼顯示器(例如液晶顯示器)。顯示器136可包括受上述電子線路136所驅(qū)動的多種指示器。指示器的動力要求最好是在電池容量范圍和控制電子線路132驅(qū)動力范圍內(nèi)。顯示器136優(yōu)選是柔性、持久、便宜的顯示器。
合適的電致變色墨水是NANOCHROMICS顯示器，得自NteraLtd.(Dublin，Ireland)。該顯示器在響應電勢時變色。電致變色墨水的粒徑約5nm至約20nm，因此可以采用常規(guī)噴墨打印機來打印。顯示器可在0.1秒改變狀態(tài)。墨水在處于斷開狀態(tài)(off-state)時是透明或白色的，一旦使用1.2V則變?yōu)樗{色、綠色或黑色，這些顏色取決于特定的墨水。顯示器保持其狀態(tài)，直到使用相反電位。因為這類墨水可打印在塑料或紙上，因此可將其制成柔性和適用的。為了改變狀態(tài)，每平方厘米顯示需要3mC電荷。顯示器可以在數(shù)字電子線路控制下進行，當確定腐敗時，該顯示器發(fā)出觸發(fā)信號，或者來自檢測器的模擬信號可以經(jīng)過處理(例如放大)，使得對應于腐敗的檢測器輸出引起電致變色變化，但是低于該水平的輸出則不引起電致變色變化。
對于圖4A和圖4B，檢測裝置124′的示例性實施方案包括透明或半透明包囊材料的底部140和頂部140′部分，這些包囊材料包裹傳感器100′、印刷電池電源128和電致變色墨水顯示器136。顯示器136包括顯示器136頂部表面的3個指示器部分144，該顯示器可顯示例如良好、邊緣和腐敗結(jié)果。顯示器136的指示器144優(yōu)選從包囊材料的頂部140′上可以看見。圖5描述將檢測裝置124′包裝成瓶蓋148(例如牛奶瓶蓋)的說明性實施方案。
圖6描述便攜式檢測裝置124″，其探頭152通過軟線160連接在機身156上。在探頭152內(nèi)包括采用檢測材料電勢或電阻性能的傳感器100′。電源128和電子線路132(未顯示)封裝在檢測裝置124″的機身156內(nèi)。檢測裝置124″也包括數(shù)字顯示器136′，其與開關(guān)162耦合。在一個實施方案中，開關(guān)162用來設定如上所述的用戶可選擇的報告閾值。檢測裝置124″也包括復位按鈕163，按下該按鈕即開始測量。
數(shù)字顯示器可以顯示例如污染物水平，例如量程從1到100。該讀數(shù)也可測量如上所述的食品新鮮度或腐敗。為了得到讀數(shù)，測定基線值并且在顯示器中顯示在括號內(nèi)。定期測定并顯示檢測材料的電阻或電位。如果電阻或電位超過預定檢測閾值(其對應于檢測材料的固有靈敏度或修改的靈敏度)，則顯示器指示食品腐敗或存在污染物。例如，顯示器可指示“YUM”(即食品未腐敗)和“YUCK”(即食品具有對應于腐敗的閾值污染物水平)，或者可簡單地采用數(shù)字讀數(shù)。在其它實施方案中，顯示器選項包括一系列LED或模擬計量。如上所述，檢測閾值不必固定，可取決于待檢測的污染物或待監(jiān)測的食品。例如，可以將傳感器調(diào)節(jié)到適于目標食品(即肉類產(chǎn)品、魚類產(chǎn)品、禽類產(chǎn)品、乳品等)，這導致閾值的改變。
圖7顯示包括本發(fā)明傳感器100″的比色指示器164的說明性實施方案。比色指示器即164指示器具有圓筒狀外觀，不需要電源、電子線路和顯示器，盡管也可以用上述元件構(gòu)成一個實施方案。指示器164是一次性的，可用于檢測櫥柜、抽屜、冰箱、袋子或其它容器中的污染物。
傳感器100″包括具有比色性能的檢測材料104?？梢匀缟纤龅赜谜{(diào)節(jié)劑112處理檢測材料104(未顯示)。另外，檢測材料104可以安置在基質(zhì)168(例如濾紙)內(nèi)。污染物通過半透膜172進入到檢測材料104中。指示器也包括放大裝置176(例如所示的Fresnel透鏡)，便于觀察檢測材料104，盡管沒有放大裝置也可制成指示器。指示器164的元件用包囊材料180組合在一起(例如固定環(huán))。傳感器100″可包括比色刻度尺(例如被其包圍)，其范圍從對應于理想新鮮度的檢測顏色到對應于明顯腐敗的顏色。
圖8描述了示例性的檢測裝置電子線路184的流程圖。對于使用電勢傳感器的實施方案來說，傳感器188是離子選擇電極，優(yōu)選用于胺，參考192傳感器是參考電極。對于使用電阻傳感器的實施方案來說，傳感器188是如上所述的電阻傳感器，電子線路可包括虛擬傳感器(dummy sensor)(參考192)。電阻傳感器和虛擬傳感器可構(gòu)成電阻橋(參見圖9)，使得電勢跨越電橋而與電阻值相關(guān)。來自傳感器和參考的信號通過低通濾波器196過濾，緩沖器200的緩沖和/或放大。
傳感器188和參考192的輸出可以在模擬顯示器上顯示?；蛘?，可使用模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器204，將傳感器188和參考192的輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在不同實施方案中，電阻傳感器實施方案或電勢傳感器實施方案的電子線路都可包括參考電壓。例如，傳感器188可使用Vref+208，參考192可使用VreF-212。參考電壓通過改變A/D轉(zhuǎn)換器204的步長而改進測量分辨率。例如，當Vref-和Vref+分別為約0V和約5V時，則10bit的A/D轉(zhuǎn)換器的步長約為4.88mV。將參考電壓變?yōu)榧s1V和3V時，將使A/D步長變?yōu)榧s1.95mV。參考電壓可經(jīng)196過濾并經(jīng)200緩沖。
在一個實施方案中，電子線路包括用于管理線路的處理器216。電子線路可包括斷開通向處理器的電源的復位按鈕220，因而在進行新的測量之前，可復位基線。電子線路可包括用于如上詳述的閾值選擇224的按鈕或開關(guān)。在不同實施方案中，采用顯示器228(例如LCD或其它類似顯示器)來輸出結(jié)果。
電阻橋232及其輸出信號的示意圖見圖9。電阻傳感器(R傳感器)與虛擬電阻器(R虛擬)配對，其中將電阻傳感器暴露于食品，而虛擬電阻器使其免受蒸氣的影響。方框236顯示當檢出污染物時所得到的典型信號，而方框240顯示與污染物隔離的虛擬傳感器的基線信號。從濾過信號248中減去濾過信號244，以消除環(huán)境影響(例如溫度或其它背景噪聲)。然后將微分信號252用于分析食品。方框256顯示復位后的信號。
盡管參考了具體的說明性實施方案來顯示和介紹本發(fā)明，但是應該理解，可以在不偏離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，作出不同的形式和細節(jié)上的改變。
權(quán)利要求
1.一種傳感器，所述傳感器包括檢測材料，所述材料在響應暴露于污染物時性能會發(fā)生變化，所述檢測材料對污染物具有固有靈敏度并且在響應暴露于污染物時性能會發(fā)生變化；和調(diào)節(jié)劑，其數(shù)量足以引起檢測材料表現(xiàn)出與固有靈敏度不同的改變的靈敏度。
2.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述改變的靈敏度大于固有靈敏度。
3.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述改變的靈敏度小于固有靈敏度。
4.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述污染物包括胺。
5.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述檢測材料包括甜菜提取物或甘藍提取物。
6.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述調(diào)節(jié)劑包括堿。
7.權(quán)利要求6的傳感器，其中所述堿包括由氫氧化物、碳酸氫鹽、賴氨酸、精氨酸和組氨酸組成的組中的至少一種。
8.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述性能包括顏色。
9.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述性能包括電性能。
10.權(quán)利要求9的傳感器，其中所述電性能包括電流、電量、電阻或電勢性能。
11.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述檢測材料安置在基質(zhì)內(nèi)。
12.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述改變的靈敏度符合檢測閾值，該閾值取決于待篩選食品類型。
13.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述改變的靈敏度符合用戶可選擇的檢測閾值。
14.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述調(diào)節(jié)劑的用量取決于待檢測污染物。
15.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述檢測材料具有電阻性能，當所述檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應食品分解速率時會改變；所述傳感器還包括第二檢測材料，所述材料在響應食品新鮮度時其電勢性能會改變。
16.權(quán)利要求1的傳感器，其中所述檢測材料具有電阻性能，當所述檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應食品污染水平時會改變；所述傳感器還包括第二檢測材料，所述材料在響應食品分解速率時其電勢性能會改變。
17.一種檢測污染物的方法，所述方法包括提供安置在介質(zhì)中的檢測材料，所述檢測材料對污染物具有固有靈敏度并且在響應污染物時其性能會依照其固有靈敏度而改變；將所述檢測材料用調(diào)節(jié)劑處理，以改變該檢測材料的靈敏度；和使所述檢測材料暴露于污染物，致使在響應暴露于污染物時其性能會依照其改變的檢測靈敏度而變化。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所述性能包括顏色。
19.權(quán)利要求17的方法，其中所述性能包括電性能。
20.權(quán)利要求19的方法，其中所述電性能包括電流、電量、電阻或電勢性能。
21.權(quán)利要求17的方法，其中所述調(diào)節(jié)劑通過使所述檢測材料接近暴露-誘導性能變化的起始點，從而提高檢測材料的靈敏度。
22.權(quán)利要求17的方法，其中所述調(diào)節(jié)劑降低所述檢測材料的靈敏度。
23.權(quán)利要求17的方法，其中所述污染物包括胺。
24.權(quán)利要求17的方法，其中所述檢測材料包括甜菜提取物或甘藍提取物。
25.權(quán)利要求17的方法，其中所述調(diào)節(jié)劑包括堿。
26.權(quán)利要求25的方法，其中所述堿包括由氫氧化物、碳酸氫鹽、賴氨酸、精氨酸和組氨酸組成的組中的至少一種。
27.權(quán)利要求17的方法，其中所述改變的靈敏度符合檢測閾值，該檢測閾值取決于待篩選的食品類型。
28.權(quán)利要求17的方法，其中所述改變的靈敏度符合用戶可選擇的檢測閾值。
29.權(quán)利要求17的方法，其中所述檢測材料具有電阻性能，當所述檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應食品分解速率時會發(fā)生改變；并且還包括提供具有電勢性能的第二檢測材料，該性能在響應食品新鮮狀況時會發(fā)生改變。
30.權(quán)利要求17的方法，其中所述檢測材料具有電阻性能，當所述檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應食品分解水平時會發(fā)生改變；并且還包括提供具有電勢性能的第二檢測材料，該性能在響應食品分解速率時會發(fā)生改變。
31.一種檢測裝置，所述裝置包括檢測材料，所述材料在響應暴露于污染物時性能會發(fā)生變化，所述檢測材料對污染物具有固有靈敏度并且在響應暴露于污染物時性能會發(fā)生變化；和顯示器，所述顯示器根據(jù)檢測材料的響應而報告食品狀況，表明污染物水平和用戶可選擇的報告閾值。
32.權(quán)利要求31的檢測裝置，其中所述用戶可選擇的報告閾值取決于待篩選食品類型。
33.權(quán)利要求31的檢測裝置，其中所述用戶可選擇的報告閾值取決于污染物。
34.權(quán)利要求31的檢測裝置，其中所述用戶可選擇的報告閾值取決于個體耐受水平。
35.權(quán)利要求31的檢測裝置，其中所述污染物包括胺。
36.權(quán)利要求31的檢測裝置，其中所述性能包括顏色。
37.權(quán)利要求31的檢測裝置，其中所述性能包括電性能。
38.權(quán)利要求37的檢測裝置，其中所述電性能包括電流、電量、電阻或電勢性能。
39.權(quán)利要求31的檢測裝置，其中所述檢測材料具有電阻性能，當所述檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應該食品分解速率時會發(fā)生改變；并且還包括具有電勢性能的第二檢測材料，該性能在響應食品新鮮狀況時會發(fā)生改變。
40.權(quán)利要求31的檢測裝置，其中所述檢測材料包括電阻性能，當所述檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應該食品分解水平時會發(fā)生改變；并且還包括具有電勢性能的第二檢測材料，該性能在響應食品分解速率時會發(fā)生改變。
41.一種檢測食品狀況的方法，所述方法包括提供檢測材料，所述檢測材料對污染物具有固有靈敏度并且在響應污染物時其性能會依照其固有靈敏度而改變；使所述檢測材料暴露于污染物，致使在響應暴露于污染物時會發(fā)生性能改變；和根據(jù)性能變化和用戶可選擇的報告閾值來報告食品狀況。
42.權(quán)利要求41的方法，其中所述用戶可選擇的報告閾值取決于待篩選食品類型。
43.權(quán)利要求41的方法，其中所述用戶可選擇的報告閾值取決于污染物。
44.權(quán)利要求41的方法，其中所述用戶可選擇的報告閾值取決于個體耐受水平。
45.權(quán)利要求41的方法，其中所述污染物包括胺。
46.權(quán)利要求41的方法，其中所述性能包括顏色。
47.權(quán)利要求41的方法，其中所述性能包括電性能。
48.權(quán)利要求47的方法，其中所述電性能包括電流、電量、電阻或電勢性能。
49.權(quán)利要求41的方法，其中所述檢測材料具有電阻性能，當所述檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應食品分解速率時會發(fā)生改變；并且還包括提供具有電勢性能的第二檢測材料，該性能在響應食品新鮮狀況時會發(fā)生改變。
50.權(quán)利要求41的方法，其中所述檢測材料具有電阻性能，當所述檢測材料暴露于食品時，其電阻性能在響應食品分解水平時會發(fā)生改變；并且還包括提供具有電勢性能的第二檢測材料，該性能在響應食品分解速率時會發(fā)生改變。
全文摘要
食品質(zhì)量的檢測方法和裝置，包括對污染物具有固有靈敏度并且在響應污染物時性能會發(fā)生變化的檢測材料。該檢測材料用調(diào)節(jié)劑處理，以改變該檢測材料的靈敏度，這樣當該檢測材料暴露于污染物時，導致響應水平的性能變化對應于改變的檢測靈敏度。
文檔編號G01N27/28GK1954210SQ200480042391
公開日2007年4月25日 申請日期2004年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月13日
發(fā)明者J·R·威廉斯, K·E·邁爾斯, M·M·歐文斯, R·J·普林斯 申請人:查爾斯·斯塔克·德雷珀實驗室公司