专利名称：用于监测空调和致冷过程的生物传感器的制作方法
发明的背景本发明一般涉及生物传感器，且特别是涉及用于监测气温控制过程，如加热，通风，空调和致冷过程的生物传感器。
生物传感器是包括三种基本元件的化学传感器活性生物组份元件，基本传感器元件和布置在中间的界面元件。生物组份包括生物制剂，如生物活性种类或仿生种类，其经过选择以与要监测的特定被分析物起特殊反应。生物制剂通常通过生化过程发生作用，以便与被分析物结合或将其转化成可测量的组份。在常规的传感器中使用的生物组分包括各种生物种类，如酶，抗原，抗体，受体，组织，整个细胞，细胞器官，细菌和核酸。传感器元件包括可操作以产生可测量的输出的物理部件，输出通常为电或光的信号，指示被分析物的存在，在某些情况下是被分析物的实际数量。在常规传感器中使用的传感器元件，例如包括电化学装置，光学装置，声学装置和量热装置。界面元件包括将传感器与生物组份分离的隔膜或涂层，且用作两者之间的连接。在常规的生物传感器中使用的界面的实例包括聚合物薄膜，电聚合涂层和自组合的单体。
例如，常规的生物传感器包括微悬臂生物传感器，生物发光的生物指示传感器，光纤探测生物传感器，多孔硅光干涉生物传感器，和仿生传感器。微悬臂生物传感器包括MEMS传感器芯片，它可操作地与电子读出芯片相连。这种类型的生物传感器已经应用于通过抗体-抗原互相作用的生物监测。另外，已经应用这样的微悬臂生物传感器测量甲苯、丙酮、甲醇和甲醛的浓度。一般应用在这种类型生物传感器中的微悬臂包括硅或四氮化三硅。
生物发光的生物指示传感器包括直接与集成电路接界的生物指示有机组织。可以遗传操纵的生物指示有机组织当检测到被分析物和IC检测到光信号时会发光。目前正在考虑可用于在IC的光传感部分或其附近捕集细胞的各种材料，包括琼脂/琼脂糖，藻酸盐，角叉胶，聚氨基甲酸乙酯和聚丙烯酰胺。捕集对于维持种群的生命力，提供营养，与IC接界，和提供保护以免受环境条件的影响是必需的。已经成功地应用生物发光的生物指示集成电路传感器来检测萘，苯，甲苯，乙苯，二甲苯，多氯联苯(PCB)。也已经设计出生物发光的生物指示器来用于检测异丙基苯，监测热震荡的基因表达式，监测氧化应力，检测汞和检测在生物薄膜中的藻酸盐的生产。
已经开发出光纤探测生物传感器装置来用于远距检测悬浮烟雾状细菌。一个这样的生物传感器装置包括与自动射流单元成一整体的光纤生物传感器探测器，旋风式空气取样器，小型遥控飞机上的无线电接受器和电池。该生物传感器在光纤的损耗波区域内可以同时运行多个免疫测定。当探测器与含有被分析物的样品接触时，固定的抗体会与来自大量溶液中的被分析物特殊地结合。在损耗区还会结合任何荧光团。在损耗区内通过光线(使用激光荧光计)激励荧光团产生可检测的信号。已经使用光纤探测器来分析临床样品是否有致病菌，分析食品是否有毒素，分析地下水样品是否有污染物，以及分析环境样品是否有生物战争的试剂。一种远程生物传感器使用生物素-抗生物素蛋白系统以用于连接光纤探测器的锥形远端上的抗体。通过改变结合在光纤探测器上的抗体这种系统可以很容易地适合多种被分析物的检测。使用抗生物素蛋白-生物素交叉连接方法增加灵敏度并通过钝化对非特定抗体的玻璃表面减小非特定的相互作用。
多孔硅基的光干涉生物传感器改变颜色以给出各种分子存在的信号。这种技术的基础是观察光干涉图案中的变化。将化学识别的分子如DNA或抗体的串接种到多孔硅芯片的表面上。介质的有效光学厚度可与光谱干涉图中峰值的顺序和波长关联。因此，可以用强度能量关系的傅里叶变换来计算出干涉层的有效光学厚度。由生物结合所引起的有效光学厚度(折射率与厚度的乘积)的变化将依据所包含的修改折射率的机理把干涉的图案转换成或长或短的波长，结果发射出不同的颜色且可以用作生物检测的非常灵敏的方法。多孔硅的光致发光是由于存在毫微/量子尺寸大小的硅晶体。已经应用这种技术开发出便携式手提生物传感器来检测范围广泛的化合物。可以用这种装置检测DNA，抗体，和生物素/抗生物素蛋白系统。
仿生传感器本身并不使用生物元件来检测被分析物，而是使用化学反应模仿生物过程。仿生传感器一般包括能传送光的多孔固态基质，如硅胶，多孔的二氧化硅和多孔的浸取硼硅玻璃；发光二极管和用于检测发射光的光电晶体管；以及注入到基质中的自我再生的化学检测试剂。在一个设计用于检测一氧化碳的这种仿生传感器中，化学检测试剂是超分子的有机金属化学复合体，它模仿血红蛋白的功能，在固态基质的表面上自我组合。用于CO检测的化学检测试剂是可溶钯盐，钼和/或钨盐，铜盐，如α-环糊精的分子密封剂的混合物。一旦该固态传感器暴露在CO环境下，化学试剂就经受它的光强度的变化。在没有CO的空气中化学检测元件可以通过自我再生过程以与环境中CO减小的速度成比例的速率逆转它们的光谱变化。传感器的响应特征(灵敏度和响应时间)可以设计成通过控制化学检测试剂的配制过程去满足特定的标准或应用。美国专利5,063,164号公开了为检测乙烯而开发的仿生传感器。
在一个公开的实施例中，提供生物传感器以用于检测在居住或商业建筑物的空调系统中的细菌，真菌，代谢物，易挥发的有机化合物或特殊的过敏原。
在另一个公开的实施例中，提供生物传感器以用于检测在居住或商业系统中是否存在从蒸发器盘管泄漏的致冷剂。由于潜在的对大气环境的有害影响和几种可替换的致冷剂的毒性，对致冷剂泄漏的检测是极其重要的。
在再一个公开的实施例中，提供生物传感器以用于检测在空调或致冷系统中的细菌或真菌的生长；例如检测在商业建筑物空调系统，热水器或冷却塔中是否存在Legionella细菌；或者检测在冷藏食品储存容器中是否存在Ecoli细菌。
在又一个公开的实施例中，提供生物传感器以用于检测在冷藏食品储存容器中是否存在某些指示水果或蔬菜成熟或食物腐败的代谢物，例如乙烯，和/或测量该代谢物的浓度。
在又一个公开的实施例中，提供生物传感器以用于检测在冷藏运输容器中是否存在二氧化碳，和/或测量二氧化碳的浓度，该冷藏运输容器用于将易腐败的产品保持在氧气减少的环境中。也可以用这样的生物传感器监测房间中的二氧化碳的浓度，以便提供用于控制进入到房间中的新鲜空气的通风的控制信号。
在又一个公开的实施例中，提供生物传感器以用于检测是否存在一化学品，该化学品为金属部件的腐蚀产生的副产物。
在又一个公开的实施例中，提供生物传感器以用于检测在吸收冷却装置中，例如在商业建筑物空调系统的吸收冷却装置中是否存在氢气。冷却装置中的氢气的浓度是冷却装置内腐蚀量的指示。
优选实施例的描述现在参考
图1，图1说明适合用于实时监测加热、通风、空调或致冷过程或其他气温控制过程的选定方面的生物传感器10。生物传感器10包括带有生物制剂22的生物组份元件20，该元件可操作地检测作为要监测的气温控制过程选定方面的指示的一个或多个被分析物。如图1中说明的那样，生物组份元件20是以悬臂的形式支持在基本传感器元件30上，该基本传感器元件还可操作地从输入信号产生可测量的输出信号。界面层40在至少部分基本传感器元件30上布置在生物组份元件20和基本传感器元件30中间并与两者都接触。虽然在图1中被描述为微悬臂生物传感器，但应该理解生物传感器10可以用其他的物理结构形成而不会背离本发明的宗旨和范畴。
每种被分析物包括由微生物产生的作为其代谢过程的副产物的特定易挥发的有机化合物，该有机化合物存在于与气温控制过程相关联的气体或空气中。通过使用本发明的生物传感器去监测存在特定被分析物的气温控制过程，可以控制该过程以减小被分析物的水平或减轻被分析物的影响。现在参考图2，图中说明按照本发明的用于监测气温控制过程的过程。使封闭室50内受控气温环境中的空气或气体或者连续地或者按照要求地通过回管60和供应管70经处理单元80循环，处理单元80包括气温控制单元82，例如加热单元、过滤单元、空调单元、通风单元、致冷单元或类似的单元。处理单元80也可以有利地包括去除污染装置84，如洗涤器、吸收器、反应器或类似装置，用于从通过处理单元80的空气或气体流中分离出至少部分不需要的被分析物。
为了监测来自受控气温环境中的空气或气体是否存在一种或多种被分析物，将空气或气体流75的相对小的部分95从回管70中转向，通过旁通管90再回到回管70的下游点。布置生物传感器10与旁通管90可操作地连接以检测在旁通流95中是否存在被分析物。在操作中，生物传感器10的生物组份元件20与被分析物互相作用并对生物传感器10的基本传感器元件30发出输入信号。基本传感器元件30发出输出信号3，它是在旁通流95中至少存在预先选定的被分析物水平或被分析物实际数量的指示。
控制器100接受和处理来自传感器元件30的输出信号3，例如是连续的电压信号，并且适当地或者对信号的绝对值或者对信号的变化速率响应。例如，如果控制器100确定由输出信号3指示的被分析物的浓度不合乎需要，例如超过预先选定的给定值，那么控制器100产生且输出控制信号以便开始适当的系统响应。例如，控制器100可以发送控制信号5去起动警报器110。控制器还可以发送控制信号7去起动去除污染装置84或者发送控制信号9到执行机构120去打开与供应管60相连的通风门122以便将通过那里的部分空气或气体排到外面。
在本发明的一个实施例中，生物传感器具有适合检测是否存在特殊的污染物或有关的污染物，如微生物，例如真菌，或易挥发的有机化合物或特殊的过敏原的活性的生物组份，其定位成与HVAC系统的或者供应管或者回管可操作地相连，该系统与气温控制的人员围蔽场所相连，例如居住或商业建筑物、汽车、游览车、公共汽车、飞机、火车或船舱。在通向或离开围蔽场所的空气流中，传感器的生物组份元件产生指示要检测的被分析物存在的输出，且传感器元件产生可测量的信号，该信号可以用图象识别系统进行处理从而估计出所选定的被分析物，例如真菌数，易挥发的有机化合物的浓度或过敏原的浓度。已经鉴别出通常已知为微生物VOC或mVOC的某些易挥发有机化合物是在建筑物空调系统中产生臭味的原因。例如Geosmin，1-辛烯-3-醇。在这个应用中特别有利的是具有涂覆用于检测特殊被分析物的特定吸附剂的每个微悬臂的各种微悬臂传感器和设有遗传操纵的特定生物指示器以用于检测特殊的被分析物的生物发光生物指示传感器。在这个应用中，例如，生物传感器10可以包括具有利用抗原—抗体组合互相作用的生物制剂的微悬臂传感器，直接在微芯片上成一整体以用于检测光输出的生物发光传感器，或者具有与免疫测定技术整合的光纤探测器的生物传感器。
也可以有利地应用以微悬臂为基础的传感器来检测空调系统中泄漏的致冷剂。几种微悬臂传感器可以安装在蒸发器盘管附近的空调管内，每种微悬臂传感器都是用吸收致冷剂的不同塑料化合物涂覆。这样选择塑料化合物以使不同的致冷剂在各个选定的塑料中将有不同的溶解度。在给定的塑料中的致冷剂的溶解度在很大程度上取决于致冷剂的偶极矩和蒸汽压力。在一组涂覆的悬臂中致冷剂溶解度的比值对每个相应的致冷剂将产生唯一的图形。由于吸收的致冷剂的总重量与它的环境压力有关。所以也可以测量出致冷剂的浓度。也可以应用与厌氧的环境反应的生物传感器来发生信号，指示致冷剂的存在。这样的传感器可以结合一旦与致冷剂反应就会产生酸或其他副产物的产甲烷培养物或者活性酶。通过颜色变化或由发荧光的分子产生的光可以记录下对该酸或其他副产物的检测。
应用微悬臂为基础的传感器来检测例如通常用于大型商业建筑物空调系统中的水冷却装置这样的吸收冷却装置中是否存在泄漏也是有利的。一般来说，如果存在泄漏，空气中泄漏进入到冷却装置内的氧气将加速腐蚀。因为在吸收冷却装置内腐蚀的结果是产生氢气，所以氢气的产生将加速并且生物传感器可操作为实时的腐蚀检测器。应用常规的技术，极难监测操作中的吸收冷却装置内部的腐蚀，而且需要大量的手工劳动和使操作停顿。按照本发明的这个方面，检测冷却装置内部的泄漏和腐蚀的存在，是通过定位在冷却装置外部的生物传感器以非侵入的方式进行。
在本发明的另一方面，提供生物传感器以用于检测是否存在细菌。已知如果不维持合适的温度，则Ecoli细菌将在食品室中生长。致病的Legionella细菌在一定条件下可以存在于冷却塔的水中，而在某些情况下被带入到建筑物空调系统里的空调空气中。如各自的应用所要求的那样，可以使用具有以Ecoli或Legionella特殊抗体涂覆、浸渍或其他方式处理的生物组份元件的生物传感器，对食品储藏容器或展示容具中的Ecoli细菌和对冷却塔水中的Legionella细菌在线检测。具有用选定的特殊抗体涂覆的悬臂元件的微悬臂生物传感器，具有用选定的特殊抗体涂覆的光纤探测器的尖端的光纤探测生物传感器，以及具有用选定的特殊抗体涂覆的多孔硅表面的多孔硅传感器在这种应用中使用都是特别有利的。这些传感器也可以与芯片上的电子线路成一整体。例如，使用表面细胞质基因组共振(SPR)技术，通过将抗体，抗原，或酶结合到薄膜的表面，可以检测E-Coli。E-Coli的结合改变了该膜的光学特性并转变了共振光的波长，从而指示细菌的存在。还有，也可以应用测量电流或发射荧光反应来检测任一种细菌与特殊抗体的结合。可将商业上有售的对Legionella或E-Coli细菌的特殊的抗体涂覆在如磁珠这样的传感器元件上，该传感器元件可以用来捕获空气中的细菌。使用夹心式的测定机构，可以用合适标记的抗体使所捕获的细菌着色。
在易腐烂产品冷藏的各种应用中，如冷藏储藏室、冷藏运输容器、卡车和拖车以及冷藏的展示容具中，本发明的生物传感器也适合于监测水果的成熟程度和易腐烂产品的质量保持期。在这种应用中本发明的生物传感器具有用特定生物制剂涂覆、浸渍或其他方式处理的生物组份元件，该生物制剂可操作地检测一定的化学物种类或者代谢物，它们可以用作水果、蔬菜、肉和其他食品的质量或新鲜度的指示。这里传感器可以放到冷藏食品的存储单元中，包括运输的容器、拖车和卡车，以及超市的展示容具、冰箱和冷藏机，但不限于这些。例如，可以提供生物传感器以用于监测在冷藏食品储存单元中存在的乙烯的水平来作为水果成熟程度的指示，从而提供用于有效反馈的装置以便改进通风，排除乙烯，或降低温度。除了食品储存应用中的乙烯之外，可以提供生物传感器以用于监测在食品储存单元中存在的二氧化碳的水平。而且可以用生物传感器提供有效的反馈以便控制食品储存的条件。具有用于乙烯或二氧化碳的遗传操纵的生物指示生物体的生物发光生物指示传感器和以用于乙烯或二氧化碳的吸收剂涂覆、浸渍或其他方式处理的微悬臂生物传感器在这些应用中使用都是特别有利的。
再参考图2，在冷藏水果运输容器的例子中，生物传感器10布置在旁通管90中，该旁通管具有在来自容器50的空气吸入管70处开口的入口，和在该入口的下游和冷藏单元82的上游开口回到空气吸入管70的出口。少量的空气通过旁通管90放给生物传感器10，该传感器最好具有连续监测的能力且响应时间在10分钟之内。生物传感器10可以有利地包括与基本传感器元件30可操作地连接的生物组份元件20，例如钯和钼基的复合体这样的该生物组份元件当暴露在乙烯环境中时改变它的光强度，例如光电晶体管这样的基本传感器元件测量通过生物组份元件20的光的强度并产生作为被测的光强度的指示的电压信号。在操作中预先选定强度的光束从光源(未表示)射向生物组份元件20并且由传感器元件30测量通过生物组份元件20的光强度。控制器100接受来自传感器元件30的电压信号，将该信号与指示通过生物组份元件20的100％光传输的给定点电压比较，并根据给定点电压和接受到的电压信号之差确定来自容器50的空气中存在的乙烯浓度。
控制器100将被测量的乙烯浓度与代表可接受的乙烯水平的已操作的特定的给定点浓度比较。如果被测量的浓度超过给定点浓度，控制器100产生和发出控制信号到通风执行机构去打开通风门。通过回管60回到容器20的一部分空气将通过由打开的通风门提供的开口放掉，以被来自冷藏单元82的补充空气代替。因为传感器10连续监测乙烯的浓度，控制器100将知道什么时候乙烯浓度已经恢复到可接受的水平，于是发送信号到通风执行机构去关闭通风门。也可以装备控制器100以使其监测生物传感器10的功能性，而且万一生物传感器10发生故障或操作时间已经超过特定的小时数就产生和发出警报信号。某些生物传感器可能需要周期地再充电或替换生物制剂，例如随时间或生物传感器的电压水平输出而变化。因此，控制器100可以结合有计时器，以便记录该生物传感器已经操作多长时间，或者结合有检测器以便检测指示需要替换或再充电的功能性的变化，以及发出警报提醒使用者。
还有，控制器100可以连接到附加的传感器上，或者是生物传感器或者是常规的传感器，去监测在循环的空气中温度、湿度、二氧化碳、氧气和氮气的水平并将这些信息送到数据记录器130。生物传感器10和控制器100的输出也可以由数据记录器130记录，以便提供时间-浓度的历史记录，表示在运输/存储操作期间容器内存在多少乙烯。特别是，可以使用“智能卡”或“接受件”，它们将记录乙烯的浓度，如果需要，还可以记录温度、湿度、二氧化碳、氧气和氮气。
也可以提供生物传感器以用于检测在金属的腐蚀过程中所产生的化学物种类，作为检测金属部件开始腐蚀的装置。例如，在加热、通风和空调系统中越来越重视因微生物引起的结构部件的腐蚀。由于微生物引起的腐蚀产生的种类包括，例如有机酸。另外，甲酸的存在可以是蚁巢腐蚀的指示。通过检测这些种类是否存在，可以连续或周期地以及远程地监测结构或特殊部件的正常状态。用在腐蚀过程中产生的有机盐或甲酸的特定吸收剂涂覆、浸渍或其他方式处理的微悬臂基础的传感器对这种应用是特别有利的。生物发光生物指示传感器和多孔硅生物传感器在这种应用中也是有用的。
权利要求
1.一种用于实时检测加热、通风、空调或致冷过程所选定方面的生物传感器设备，其包括从一输入信号可操作地产生一可测量的输出信号的传感器元件；以及一与传感器元件可操作地相联的生物组份元件，该生物组份元件包括一生物制剂，它可操作地检测作为被监测过程的该方面的指示的一被分析物。
2.用于对通过气温受控环境循环的气态流体加热、通风、冷却或致冷的过程的选定方面进行控制的一种设备，其包括一具有生物组份元件和传感器元件的生物传感器，该生物组份元件包括可操作地检测存在于气态流体中的特定被分析物的生物制剂，该传感器元件与生物组份元件可操作地相联以用于产生指示在气态流体中存在被分析物的可测量的输出信号；以及一响应于从生物传感器接受的输出信号可操作地产生一警报信号的控制器。
3.用于对通过气温受控环境循环的气态流体加热、通风、冷却或致冷的过程的选定方面进行控制的一种设备，其包括一具有生物组份元件和传感器元件的生物传感器，该生物组份元件包括可操作地检测存在于气态流体中的特定被分析物的生物制剂，该传感器元件与生物组份元件可操作地相联以用于产生指示在气态流体中被分析物的浓度的可测量的输出信号；以及一响应于从生物传感器接受的输出信号可操作地产生控制信号的控制器，只要控制器确定从生物传感器接受的输出信号指示被分析物的浓度超过预先选定的浓度，所述控制信号就可操作地起动与该控制器相联的被控装置。
4.如权利要求1，2或3所述的设备，其中生物组份元件包括可操作地检测在居住或商业建筑物的加热、通风或冷却系统的空气流中的真菌、易挥发的有机化合物或过敏原的生物活性制剂。
5.如权利要求1，2或3所述的设备，其中生物组份元件包括可操作地检测从居住或商业的空调系统的蒸发器中泄漏出的致冷剂的生物制剂。
6.如权利要求1，2或3所述的设备，其中生物组份元件包括可操作地检测在居住或商业建筑物的加热、通风或冷却系统中的细菌的生物制剂。
7.如权利要求1，2或3所述的设备，其中生物组份元件包括可操作地检测在冷藏食品储存容器内的气态流体中的乙烯的生物制剂。
8.如权利要求1，2或3所述的设备，其中生物组份元件包括可操作地检测在冷藏食品储存容器内的气态流体中的二氧化碳的生物制剂。
9.如权利要求1，2或3所述的设备，其中生物组份元件包括可操作地检测在吸收冷却装置的过程气体中的氢气的生物制剂。
10.如权利要求1，2或3所述的设备，其中生物组份元件包括可操作地检测金属部件的腐蚀的化学副产物的生物制剂。
全文摘要
生物传感器(10)保证对空调或致冷过程和系统的选定方面的实时监测。生物传感器(10)包括带有生物制剂(22)的生物组份元件(20),生物制剂可操作地检测指示要监测的气温控制过程的选定方面的一种或多种被分析物。
文档编号F25D17/04GK1359462SQ00809710
公开日2002年7月17日 申请日期2000年6月26日 优先权日1999年6月29日
发明者S·查特吉, S·萨雅帕尔, H·米彻尔斯, R·迈因策尔, J·B·赫茨伯格 申请人:卡利尔公司