具有个别温度控制件的级联式气体色谱仪(cgc)及使用其的气体分析系统的制作方法

专利名称：具有个别温度控制件的级联式气体色谱仪(cgc)及使用其的气体分析系统的制作方法
技术领域：
本发明一般来说涉及级联式气体色谱仪(CGC)，且特定来说(但非排他性地)涉及包含具有个别温度控制的气体色谱仪的CGC及使用此些CGC的气体分析系统。
背景技术：
气体分析可为用于检测气体中的某些化学品的存在及浓度且确定所存在化学品的特定组合的意义的重要手段。举例来说，在卫生护理中，人类所呼出的呼气中的某些挥发性有机化合物(VOC)的存在与某些疾病相关，例如，肺炎、结核(TB)、哮喘、肺癌、肝脏疾病、 肾脏疾病等。所述相关性尤其可作为肺相关疾病的证据。在其它应用中，气体分析可用以确定与人类存在不兼容的危险物质(例如，矿井中的甲烷、一氧化碳或二氧化碳)的存在。当前气体分析系统仍主要依赖于大型且昂贵的实验室仪器，例如，气体色谱仪 (GC)及质谱仪(MQ。这些仪器中的大多数(特别是质谱仪)具有阻止其大小的显著减小的操作特性，此意味着当前气体分析系统为大型且昂贵的台式装置。除昂贵且笨重以外，当前气体分析装置大的大小还使得不可能广泛使用这些仪器。GC柱涂层通常针对特定温度及化学品来优化，使得任何单个GC都不能甚至通过改变其温度来分离大量化学品。由于现有GC为安置于实验室中的大型沉重单元，因此可需要将具有许多化学品的载体气体发送到多个位置以用于分离，此会实质上增加成本。

发明内容


参考以下各图描述本发明的非限定性及非穷尽性实施例，其中除非另有规定，否则在所有各个视图中相似参考编号指代相似部件。图IA是气体分析装置的实施例的侧视立面图。图IB是图1中所示的气体分析装置的实施例的平面图。图2A是可在图IA到IB中所示的气体分析装置的实施例中使用的MEMS预浓缩器的实施例的横截面立面图。图2B是可在图IA到IB中所示的气体分析装置的实施例中使用的MEMS预浓缩器的替代实施例的横截面立面图。图3A是可在图IA到IB中所示的气体分析装置的实施例中使用的MEMS气体色谱仪的实施例的平面绘图。图;3B是图3A中所示的MEMS气体色谱仪的实施例的沿截面线B-B所截取的横截
面立面图。图3C是图;3B中所示的MEMS气体色谱仪的替代实施例的横截面立面图。图3D是可在图IA到IB中所示的气体分析装置的实施例中使用的气体色谱仪的替代实施例的平面图。图3E是图3D中所示的气体色谱仪的实施例的横截面立面图。图4A是可在图IA到IB的气体分析装置的实施例中使用的检测器阵列的实施例的平面绘图。图4B是图4A中所示的检测器阵列的实施例的沿截面线B-B所截取的横截面立面图。图5是气体分析装置的替代实施例与使用所述气体分析装置的所述实施例的系统的实施例的示意图。图6是气体分析装置的另一替代实施例与使用所述气体分析装置的所述实施例的系统的实施例的示意图。图7是气体分析装置的额外替代实施例的平面示意图。图8是气体分析装置的额外替代实施例的平面示意图。图9是气体分析装置的额外替代实施例的平面示意图。图IOA是级联式气体色谱仪的实施例的平面示意图。图IOB是级联式气体色谱仪的替代实施例的平面示意图。图IOC是级联式气体色谱仪的另一替代实施例的平面示意图。图IOD是级联式气体色谱仪的另一替代实施例的平面示意图。图IOE是级联式气体色谱仪的另一替代实施例的平面示意图。图IOF是级联式气体色谱仪的另一替代实施例的平面示意图。
图IlA是级联式气体色谱仪的实施例的平面示意图。图IlB是级联式气体色谱仪的替代实施例的平面示意图。图IlC是级联式气体色谱仪的另一替代实施例的平面示意图。图12A到12C是使用常规气体色谱仪的级联式气体色谱仪的实施例的示意图。
具体实施例方式本文中描述用于定点护理医疗应用中的气体分析的设备、过程及系统的实施例。 在以下描述中，描述众多特定细节以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本发明可在不具有所述特定细节中的一者或一者以上的情况下或借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它情况下，众所周知的结构、材料或操作未详细展示或描述但仍涵盖在本发明的范围内。本说明书通篇所提及的“一个实施例”或“一实施例”意味着结合所述实施例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中短语 “在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指代同一实施例。此外，所述特定特征、结构或特性可以任何适合方式组合于一个或一个以上实施例中。
图IA及IB共同地图解说明小尺寸(例如，手持式)气体分析装置100的实施例。 装置100包含衬底102，所述衬底上安装有流体处置组合件101、耦合到流体处置组合件101 内的个别元件的控制器126以及耦合到检测器阵列110及控制器126的读取与分析电路 128。图中所示的实施例图解说明衬底102上的元件的一种可能布置，但在其它实施例中， 所述元件当然可以不同方式布置于所述衬底上。衬底102可以是为装置100的元件提供所需物理支撑及通信连接的任一类别的衬底。在一个实施例中，衬底102可为在其表面上具有导电迹线的单层种类的印刷电路板 (PCB)，但在其它实施例中，其可为在电路板的内部中具有导电迹线的多层种类的PCB。在其它实施例(举例来说，其中装置100是作为单片系统建造于单个裸片上的实施例)中，衬底102可为由硅或某一其它半导体制成的芯片或晶片。在又一些实施例中，衬底102还可为其中可形成光学波导以支持装置100的组件之间的光学通信的芯片或晶片。流体处置组合件101包含过滤器与阀组合件104、预浓缩器106、气体色谱仪108、 检测器阵列110及泵112。元件104到112以流体方式串联耦合过滤器与阀组合件104通过流体连接116以流体方式耦合到预浓缩器106，预浓缩器106通过流体连接118以流体方式耦合到气体色谱仪108，气体色谱仪108通过流体连接120以流体方式耦合到检测器阵列110，且检测器阵列110通过流体连接122耦合到泵112。如下文进一步描述，在装置100 的一个实施例中，元件104到112可为微机电(MEMS)元件或基于MEMS的元件(此意味着每一装置的一些部件可为MEMS且其它部件并非MEMS)。在装置100的其它实施例中，元件 104到112中的一些或所有元件不需要为MEMS或基于MEMS，而是可为某一非MEMS芯片尺寸装置。如图中的箭头所指示，元件104到112之间的流体连接允许流体(例如，一种或一种以上气体)经由入口 114进入过滤器与阀组合件104、流动穿过元件104到112且最后经由出口 IM排出泵112。流体处置组合件101还包含保护个别元件104到112的护罩或盖 112。在所图解说明的实施例中，形成于护罩112中的通道提供所述元件之间的流体连接， 但在其它实施例中，元件之间的流体连接可通过其它手段(例如，管道敷设)来提供。在又一些实施例中，可省略护罩112。过滤器与阀组合件104包含入口 114及耦合到流体连接116使得排出过滤器与阀组合件104的流体流动到预浓缩器106中的出口。过滤器与阀组合件104包含过滤器以从经由入口 114进入的流体移除微粒。在其中元件104到112中的一者或一者以上为MEMS 元件的装置100的实施例中，所述MEMS元件内的部件的小尺寸意味着经由入口 114进入的流体可需要经过滤以移除这些粒子使得所述粒子不进入所述MEMS元件且将所述粒子去除或使其变得无效。在不包含MEMS组件或其中进入入口 114的流体不含有粒子(例如，因为已在装置100外部将其预过滤)的装置100的实施例中，可省略过滤器与阀组合件104的过滤器部分。过滤器与阀组合件104还包含阀，使得一旦足够流体已经过所述装置，即可停止经由入口 114向流体处置组合件101中的进一步流动。停止经由入口 114的进一步流动防止在装置100的稍后操作期间稀释将从预浓缩器106流动出的流体(参见下文的操作描述)。在其它实施例中，过滤器与阀组合件104还可包含除湿器以从经由入口 114进入的流体移除水蒸气，因此改进装置100的准确度及灵敏度。
预浓缩器106包含耦合到流体连接116的入口及耦合到流体连接118的出口。预浓缩器106经由流体连接116从过滤器与阀组合件104接收流体且经由流体连接118将流体输出到气体色谱仪108。在流体流动穿过预浓缩器106时，所述预浓缩器从经过的流体吸收某些化学品，因此浓缩那些化学品以用于稍后分离与检测。在装置100的一个实施例中， 预浓缩器106可为MEMS预浓缩器，但在其它实施例中，预浓缩器106可为非MEMS芯片尺寸装置。下文结合图2描述MEMS预浓缩器的实施例的进一步细节。气体色谱仪108包含耦合到流体连接118的入口及耦合到流体连接120的出口。 气体色谱仪108经由流体连接118从预浓缩器106接收流体且经由流体连接120将流体输出到检测器阵列110。在从预浓缩器106接收的流体流动穿过气体色谱仪108时，在时域中将从所述预浓缩器接收的流体中的个别化学品彼此分离以用于稍后输入到检测器阵列110 中。在装置100的一个实施例中，气体色谱仪108可为MEMS气体色谱仪，但在其它实施例中，气体色谱仪108可为非MEMS芯片尺寸装置。下文结合图3A到3C描述MEMS气体色谱仪108的实施例的进一步细节。虽然在图式中展示为单个色谱仪，但在其它实施例中，气体色谱仪108可包含多个个别色谱仪，例如，以下图IOA中所示的级联式气体色谱仪中的任一者等。在其中气体色谱仪108包含多个色谱仪的实施例中，可能必需调整装置100中的下游及/或上游组件的数目以与所述气体色谱仪的输入或输出配置一致。例如，如果使用图 IOC中所示的级联式色谱仪1050作为装置100中的色谱仪108，那么可能必需调整检测器阵列110、泵112等等的数目以对应于色谱仪1050的输出的数目。检测器阵列110包含耦合到流体连接120的入口及耦合到流体连接122的出口。 检测器阵列110经由流体连接120从气体色谱仪108接收流体且经由流体连接122将流体输出到泵112。在流体流动穿过检测器阵列110时，由气体色谱仪108时域分离的化学品进入所述检测器阵列且由所述检测器阵列内的传感器感测其存在及/或浓度。在装置100 的一个实施例中，检测器阵列110可为MEMS检测器阵列，但在其它实施例中，检测器阵列 110可为非MEMS芯片尺寸装置。下文结合图4描述检测器阵列110的实施例的进一步细节。虽然在图中展示为单个检测器阵列，但在其它实施例中，检测器阵列110可实际上包含多个检测器阵列。举例来说，在其中气体色谱仪108是由数个个别色谱仪(例如，图IOC中所示的级联式色谱仪1050)构成的级联式配置的实施例中，可能必需调整检测器阵列的数目以匹配所述级联式色谱仪的输出配置。泵112包含耦合到流体连接122的入口以及耦合到排放口 124的出口，使得泵112 经由流体连接122从检测器阵列110汲取流体且经由排放口 IM将其返回到大气。泵112 可为满足装置100的大小及形状因数要求、提供所要的流率及流率控制且具有充足可靠性 (即，充足平均故障间隔时间(MTBF))的任一类别的泵。在一个实施例中，泵112可为MEMS 或基于MEMS的泵，但在其它实施例中，其可为另一类型的泵。可使用的泵的实例包含小轴向泵(例如，风扇)、活塞泵及电渗泵。虽然在图中展示为单个泵，但在其它实施例中，泵112 可实际上由多个泵构成。举例来说，在其中气体色谱仪108为由数个个别色谱仪(例如，图 IOC中所示的级联式色谱仪1050)构成的级联式配置的实施例中，可能必需调整泵的数目以匹配所述级联式色谱仪的输出配置。控制器1 以通信方式耦合到流体处置组合件101内的个别元件使得其可发送控制信号及/或从所述个别元件接收反馈信号。在一个实施例中，控制器1 可为针对任务专门设计的专用集成电路(ASIC)(举例来说，CMOS控制器)，其包含处理、易失性及/或非易失性存储、存储器及通信电路以及用以控制各种电路且与流体处置组合件101的元件外部通信的相关联逻辑。然而，在其它实施例中，控制器126可代替地为其中在软件中实施控制功能的通用微处理器。在所图解说明的实施例中，控制器1 通过衬底102的表面上或其内部中的导电迹线130电耦合到流体处置组合件101内的个别元件，但在其它实施例中， 控制器1 可通过其它手段(例如，光学)耦合到所述元件。读出与分析电路1 耦合到检测器阵列110的输出使得其可从检测器阵列110内的个别传感器接收数据信号且处理并分析这些数据信号。在一个实施例中，读出与分析电路1 可为针对任务专门设计的专用集成电路(ASIC)(例如，CMOS控制器)，其包含处理、 易失性及/或非易失性存储、存储器及通信电路以及用以控制各种电路且与外部通信的相关联逻辑。然而，在其它实施例中，读出与分析电路1 可代替地为其中在软件中实施控制功能的通用微处理器。在一些实施例中，读出与分析电路1 还可包含信号调节及处理元件(例如，放大器、滤波器、模/数转换器等)以用于预处理从检测器阵列110接收的数据信号及后处理由读出与分析电路1 从所接收数据产生或提取的数据两者。在所图解说明的实施例中，读出与分析电路1 通过定位于衬底102的表面上或其内部中的导电迹线132电耦合到检测器阵列110，但在其它实施例中，控制器1 可通过其它手段(例如，光学手段)耦合到所述元件。读出与分析电路1 还耦合到控制器126 且可将信号发送到控制器126及从控制器1 接收信号，使得所述两个元件可协调并优化装置100的操作。虽然所图解说明的实施例将控制器1 及读出与分析电路1 展示为物理上分离的单元，但在其它实施例中，所述控制器及所述读出与分析电路可组合于单个单元中。在装置100的操作中，首先给系统通电且将任何必需逻辑(即，软件指令)加载到控制器1 及读出与分析电路128中并将其初始化。在初始化之后，打开过滤器与阀单元 104中的阀且设定泵112以允许经由流体处置组合件的流动。接着，流体经由入口 114以某一流率及/或在某一时间量内输入到流体处置组合件101 ；所需要的时间量通常将由预浓缩器106产生正确定其存在及/或浓度的特定化学品的充足浓度所需要的时间来确定。 在流体经由入口 114输入到系统时，其由过滤器与阀组合件104过滤且借助流体处置组合件101内的元件104到112之间的流体连接而流动穿过这些元件。在流动穿过元件104到 112之后，所述流体经由排放口 IM排出所述流体处置组合件。在已经由入口 114输入所需要的流体量之后，关闭过滤器与阀组合件104中的阀以防止进一步输入流体。在关闭阀之后，预浓缩器106中的加热器激活以加热所述预浓缩器。热量释放由所述预浓缩器吸收且浓缩的化学品。在从预浓缩器106释放所述化学品时，激活泵112以经由气体色谱仪108及检测器阵列110汲取所释放的化学品且经由排放口 IM输出所述化学品。泵112的激活还防止经由流体处置组合件101的回流。在从预浓缩器106释放的化学品通过泵112经由气体色谱仪108汲取时，所述色谱仪在时域中将不同化学品彼此分离-即，在不同时间处从所述气体色谱仪输出不同化学品。在不同化学品在时间上分离地排出气体色谱仪108时，每一化学品进入MEMS检测阵列 110，其中所述检测阵列中的传感器检测每一化学品的存在及/或浓度。在气体色谱仪108 中执行的时域分离实质上增强MEMS检测阵列110的准确度及灵敏度，因为其防止众多化学品同时进入检测阵列且因此防止所述阵列内的传感器中的交叉污染及潜在干扰。在MEMS检测阵列110内的个别传感器与进入的时域分离的化学品交互作用时，所述检测阵列感测所述交互作用且将信号输出到读出与分析电路128，读出与分析电路128 可接着使用所述信号来确定所述化学品的存在及/或浓度。当读出与分析电路128已确定所有所关注化学品的存在及/或浓度时，其可使用各种分析技术(例如，相关性及型式匹配)从存在的化学品及其浓度的特定组合提取某一意义。图2A图解说明可用作装置100中的预浓缩器106的MEMS预浓缩器200的实施例。 预浓缩器200包含衬底202，衬底202具有接合到其且围绕所述衬底的周界密封以形成腔 206的盖板204。衬底202已在其中形成在一侧上的入口 208、在不同侧上的出口 210及其中具有吸收剂的凹窝212。在一个实施例中，衬底202为硅衬底，但在其它实施例中，衬底 202当然可由其它材料制成。在衬底202的与其中附接盖板204的侧相对的侧上形成加热器 216。在其中衬底202为硅的实施例中，可使用标准光刻图案化及蚀刻来形成入口 208、 出口 210及凹窝212。虽然所图解说明的实施例展示七个凹窝21 到212g，但所需要的凹窝的数目取决于待吸收及浓缩的不同化学品的数目及所使用的吸收剂的性质。在其中每一吸收剂仅吸收一种化学品的实施例中，凹窝212的数目可确切地对应于待吸收及浓缩的化学品的数目，但在其中每一吸收剂仅吸收一种化学品的其它实施例中，可使用较大数目个凹窝以增加吸收面积。在其中每一吸收剂可吸收一种以上化学品的又一些实施例中，可使用较少数目个凹窝。每一凹窝212在其内部中具有对应的吸收剂214-凹窝21 具有吸收剂214a、凹窝212b具有吸收剂214b，等等。虽然在所图解说明的实施例中展示为粒状吸收剂，但在其它实施例中，吸收剂214可为凹窝212的壁上的涂层或可为部分地或完全地填充每一凹窝 212的连续物质。其它实施例可包含粒状、壁涂层或连续填充吸收剂的组合。每一吸收剂可具有对一种或一种以上特定化学品的化学亲和力，此意味着所使用的确切吸收剂将取决于待吸收及浓缩的化学品的数目及性质。可使用的吸收剂的实例包含石墨化炭黑B、石墨化炭
志A寸0在装置100中的MEMS预浓缩器200的操作期间，来自过滤器与阀组合件104的流体经由入口 208进入、经过凹窝21 中的214a且进入腔206。盖板204帮助将进入腔206 的流体导引到不同凹窝212b到212g中且穿过吸收剂214b到214g直到减去由吸收剂21 到214g吸收的化学品的流体经由出口 210排出预浓缩器为止。一旦足够流体已流动穿过所述预浓缩器，即关闭过滤器与阀组合件104中的阀以防止经由入口 208的进一步流动。接着，激活加热器216。加热器216加热吸收剂21 至214f，从而促使彼等经由例如除气等过程释放所吸收的化学品。与激活加热器216同时地或此后不久，激活泵112，从而经由出口 210将所释放的化学品汲取到气体色谱仪108。图2B图解说明MEMS预浓缩器250的替代实施例。MEMS预浓缩器250在许多方面类似于MEMS预浓缩器200。所述两者之间的主要差异为在MEMS预浓缩器250中，盖板 252是直接接合到衬底202而未形成在盖板204中发现的腔206。在MEMS预浓缩器250的一个实施例中，通道/开口邪4可存在于衬底202中不同凹窝212之间以允许流体流动穿过邻近的凹窝。在MEMS预浓缩器250的操作中，流体经由入口 208进入、经由凹窝之间的通道/开口 2M经过不同的凹窝21 到212g，且最后经由出口 210排出所述预浓缩器。图3A到;3B图解说明可用作装置100中的气体色谱仪108的个别MEMS气体色谱仪300的实施例。MEMS气体色谱仪300包含衬底302，衬底302具有在一侧上的入口 306、 在不同侧上的出口 308及在其壁上具有固定相涂层的分离柱310。盖板304接合到衬底302 以密封柱310。在一个实施例中，衬底302为硅衬底，但在其它实施例中，衬底302当然可由其它材料制成。在其中衬底302为硅的实施例中，可使用标准光刻图案化及蚀刻(例如， 深反应性离子蚀刻(DRIE))来形成入口 306、出口 308及柱310。在衬底302的与其中附接盖板204的侧相对的侧上形成温度控制件314。在一个实施例中，温度控制件与色谱仪300 集成且可包含加热元件及/或冷却元件或者能够进行加热及冷却两者的元件(例如，珀耳帖(Peltier)装置)。温度控制件314还可包含一个或一个以上温度传感器316以允许对温度控制件314的监视及/或反馈控制。通道或柱310提供从入口 306到出口 308的连续流体路径，且柱310的壁中的一些或所有壁涂覆有可与正由色谱仪分离的化学品交互作用的固定相涂层，或换句话说，所述柱壁涂覆有针对所要的气体分析具有特定选择性/分离能力的特定材料。从流体分离化学品的彻底及快速程度取决于所述固定相涂层、柱310的总体路径长度及温度。对于给定固定相涂层，所述柱越长，化学品光谱分离就越佳，但长柱也延长分离时间。因此，对于给定应用，所需路径长度通常将由涂层、柱长度及温度之中的折衷来确定。所图解说明的实施例将柱310展示为螺旋柱，其中柱路径长度将取决于螺旋线圈的数目。然而，在其它实施例中， 柱310可以不同方式成形。在一个实施例中，柱310的长度可介于Im与IOm之间，但在其它实施例中，可在此范围之外。在所图解说明的MEMS GC中，柱310可通过微机加工或微机电系统(MEMS)工艺而形成于硅晶片、玻璃晶片、PCB板或任何类型的衬底上。在装置100中的MEMS气体色谱仪300的操作期间，来自预浓缩器106的流体经由入口 306进入且经过柱310。在流体经过柱310时，所述流体中的不同化学品以不同速率与固定相涂层312交互作用，此意味着所述化学品在行进穿过所述柱之后分离，其中首先分离与所述固定相强烈地交互作用的化学品且最后分离与所述固定相微弱地交互作用的化学品。换句话说，与所述固定相强烈地交互作用的化学品较长地保持在所述固定相中，而与所述固定相微弱地交互作用的化学品较少时间地保持在所述固定相中。在气体色谱仪 300的一些实施例中，此时域分离可根据分子重量而发生(例如，首先分离具有最低分子重量的化学品，随后是具有较高分子重量的化学品)，但在其它实施例中，其可根据其它化学特性或其它分离机制而发生。在化学品被时域分离时，泵112经由出口 308从MEMS气体色谱仪300汲取出所述化学品。一般来说，所述化学品经由出口 308以其分离的反转次序排出-也就是说，具有低保持时间的化学品首先排出，而具有较高保持时间的化学品稍后排出。在离开出口 308之后，所述化学品进入检测器阵列110。图3C图解说明个别气体色谱仪350的替代实施例。气体色谱仪350在大多数方面类似于图3B中所示的气体色谱仪300。气体色谱仪300与350之间的主要差异为温度控制件的配置。在气体色谱仪350中，温度控制件352未集成到所述色谱仪中，而是热耦合到所述色谱仪的外部组件(例如，加热或冷却板)。举例来说，可使用导热粘合剂或借助热界面材料来实现外部温度控制件352与所述色谱仪之间的热耦合。与温度控制件314 —样， 温度控制件352可包含一个或一个以上温度传感器354以监视所述温度控制件的温度及/或提供对所述温度控制件的反馈控制。由于所述GC较小(在一个实施例中为大约1英寸范围，但并不限于此范围)，因此可借助集成或外部温度控制件来实现较快速的加热及冷却控制。图3D及3E共同地图解说明个别气体色谱仪380的替代实施例。气体色谱仪380 与350之间的主要差异是在色谱仪380中形成常规色谱仪柱而非MEMS色谱仪柱。气体色谱仪380包含其中具有腔或开口 384的衬底382。定位于腔384内的是色谱仪柱386，在一个实施例中，所述色谱仪柱可使用常规色谱仪中使用的盘绕式状毛细管道来形成。温度控制件386接合到衬底382以关闭腔384，因此包封柱386。在一个实施例中，温度控制件386 可如图3C中所示为外部温度控制件且可包含一个或一个以上温度传感器388以监视所述温度控制件的温度及/或提供对所述温度控制件的反馈控制。GC 380可封装成小的大小以实现较快速的加热及冷却控制。气体色谱仪380的操作类似于图3C中所示的气体色谱仪350。气体色谱仪380与 350之间的主要差异是色谱仪柱的形成。代替使用MEMS制作的柱芯片，所述柱可由常规色谱仪中使用的盘绕式毛细管道形成。接着，如图3D中所示，所述柱由温度控制件381包封。 此GC可封装成小的大小以实现较快速的加热及冷却控制。图4A到4B图解说明可用作装置100中的检测器阵列110的检测器阵列400的实施例。检测器阵列400包含衬底402，衬底402具有形成于其上的传感器Sl到S9的阵列。 在所图解说明的实施例中，传感器Sl到S9形成规则形状的3X3传感器阵列，但在其它实施例中，所述传感器阵列可具有更大或更小数目个传感器，且所述传感器可布置成任何图案(规则或不规则)。盖404接合到衬底402的周界以形成其内定位传感器S 1到S9的腔410。盖404 还包含流体可经由其从气体色谱仪108进入的入口 406及流体可经由其排出到泵112的出口 408。在衬底402的与其中附接盖404的侧相对的侧上形成加热器412以在操作期间控制检测器阵列400及因此所述检测器阵列内的传感器的温度。虽然图中未展示，但检测器阵列400当然包含可通过其输出由传感器Sl到S9产生的信号以用于处理的输出。每一传感器Sl到S9均包含其上具有涂层的表面。所使用的每一涂层将具有对正检测的特定化学品中的一者或一者以上的亲和力，使得所述涂层吸收其对应化学品或与所述化学品进行化学交互作用。涂层与化学品之间的交互作用又改变传感器的物理性质(例如，共振频率、电容或电阻)，且可使用变换器或其它测量装置来测量所述传感器的所述所改变物理性质。针对传感器Sl到S9所挑选的特定涂层将取决于将使用传感器阵列110来检测的化学品。涂层的化学亲和力还随温度而强烈地变化，使得在选择涂层时应考虑操作温度范围。在其中将使用传感器阵列110来检测人类呼气中的挥发性有机化合物-例如， 苯、甲苯、正辛烷、乙基苯、间，对-二甲苯、α-菔烯、d-柠檬烯、壬醛及苯甲醛、2-甲基己烷、4-甲基辛烷等等的实施例中，可用于不同应用中的涂层包含2，2_双三氟甲基-4，5-二氟-1，3-间二氧杂环戊烯(PDD)及四氟乙烯(TFE)、PtC12(烯烃)、C8-MPN等的非晶共聚物。虽然所图解说明的实施例具有九个传感器，但所需要的传感器的数目取决于待检测的不同化学品的数目及所述传感器上使用的涂层的性质。在其中每一涂层吸收仅一种化学品或与仅一种化学品进行化学交互作用的实施例中，传感器的数目可确切地对应于待检测的化学品的数目，但在其它实施例中，可期望在一个以上传感器上具有给定涂层以用于冗余。然而，在大多数情况下，在化学品与涂层之间不存在一对一的相关性；换句话说，每一涂层与一种以上不同化学品反应且不同化学品与给定涂层之间的反应将在性质及强度上变化。因此，具有带有不同涂层的传感器的检测器阵列为有用的，因为所述检测器阵列的响应可针对不同气体而具有不同型式。在传感器阵列400的一个实施例中，传感器Sl到S9为定位于衬底402的表面上的 MEMS传感器，此意味着其为经表面微机加工的传感器。然而，在使用MEMS传感器的其它实施例中，传感器Sl到S9可为经块体微机加工的传感器，此意味着所述MEMS传感器中的至少一些MEMS传感器是形成于衬底402内而非表面上。使用MEMS传感器的传感器阵列110 的又一些实施例可包含经表面微机加工及经块体微机加工的传感器的组合。取决于应用及所需灵敏度，可使用不同类型的MEMS传感器。可使用的MEMS传感器的实例包含化敏电阻器、块体声波(BAW)传感器等。在检测器阵列400的其它实施例中，传感器Sl到S9中的一者或一者以上可为非MEMS传感器。可用于检测器阵列400中的非MEMS传感器的实例包含具有石英或砷化镓(GaAs)衬底的石英晶体微天平OiCM)或表面声波(SAW)传感器。在装置100中的MEMS检测器阵列400的操作期间，来自气体色谱仪108的流体经由入口 406进入且传递到腔410中。进入腔410的流体载送经时域分离的化学品。在每一化学品进入腔410时，所述化学品与其涂层具有对所述化学品的亲和力的一个或一个以上传感器交互作用。感测并测量所述化学品与传感器的交互作用，且可提取特定化学品的存在及浓度。在更多流体流动到腔410中时，经由出口 408从腔410中推出第一种化学品且具有下一种经时域分离的化学品的流体进入腔410、与传感器阵列交互作用且被测量。此过程继续直到来自气体色谱仪108的所有经时域分离的化学品均已流动穿过检测器阵列110 为止。在其中涂层对其化学品的亲和力并不强烈的一些实施例中，检测器阵列110可为可再使用的在已感测所有经时域分离的化学品之后，可激活加热器412以加热所述传感器且致使涂层释放所述涂层与其交互作用的相应化学品，从而使所述交互作用可逆。在其中每一涂层对其化学品的亲和力可为强烈的实施例中，所述传感器阵列的加热可帮助从涂层材料释放部分地吸收的气体。图5图解说明使用基于MEMS的气体分析装置502的替代实施例的系统500的实施例。装置502在大多数方面类似于装置100。装置502与装置100之间的主要差异是在装置502中存在无线收发器电路504及安装于衬底102上的天线506。无线收发器电路504 可既发射(Tx)数据又接收(Rx)数据且耦合到读取与分析电路1 及天线506。 在系统500的一个实施例中，可使用收发器504将原始数据从读取与分析电路128 以无线方式发射到路由器508及计算机510中的一者或两者。当发射到路由器508时，接着可将所述数据重发到另一目的地以用于分析。举例来说，在其中装置502用于卫生相关化学分析的应用中，可将发送到路由器508的数据重发到医生办公室、医院、政府卫生部门或其它某处中的一者或一者以上以用于分析及解释。在完成分析之后或在关于数据存在问题的情况下，医生办公室、医院或卫生部门可经由路由器508、天线506及收发器504将指令发送到装置502以用信号通知结果、设法固定或改进数据或者用信号通知必须再次执行测试ο 继续同一卫生护理实例，在系统500的同一或另一实施例中，无线收发器504可用以将原始数据发射到计算机510。计算机510可如路由器一样将原始数据转发到医生、医院等，或可借助其上所安装的软件来分析所述数据以提供从所述数据提取信息(例如，一个或一个以上可能的医疗诊断)且将所提取的信息提供到装置502的用户。当其提供分析及医疗诊断时，计算机510还可将所述诊断单独地或连同所述分析及原始数据一起转发到医生、医院等。与路由器一样，医生办公室、医院或卫生部门可经由计算机510、天线506及收发器504将指令发送到装置502以设法固定或改进所述数据、用信号通知必须再次执行测
4=Ρ·绝绝
7 -^f ^t O再次继续同一卫生护理实例，在系统500的又一实施例中，可处理所述原始数据且读取与分析电路1 从所述数据提取例如潜在诊断的信息。接着，由读取与分析电路128 确定的潜在诊断可被发送到计算机510以由用户审查及/或转发，或者可立即单独地或与支持的原始数据一起转发到医生办公室等。图6图解说明使用基于MEMS的气体分析装置602的替代实施例的系统600的实施例。装置602在大多数方面类似于装置502。装置502与装置602之间的主要差异是用耦合到读取与分析电路128的硬件数据接口 604来替换无线收发器电路504及天线506。 在一个实施例中，硬件数据接口 604可为网络接口卡，但在其它实施例中，硬件数据接口可为以太网卡、简单电缆插头等。外部装置可经由例如电缆等传统手段连接到装置602。虽然其具有不同的通信接口，但装置602及系统600具有与装置502及系统500相同的全部功能性。与系统500 —样，在系统600中，基于MEMS的气体分析装置602可将数据发射到计算机608及无线装置606(例如，蜂窝电话或个人数字助理(PDA))中的一者或两者并从所述一者或两者接收数据。当发射到无线装置606时，接着可将所述数据转发到医生办公室、 医院或政府卫生部门，且所述数据的接收方又可经由无线装置将数据或指令发送回到气体分析装置602。如同在系统500中，当将数据发射到计算机608时，其可由所述计算机转发或可由所述计算机分析，且为用户显示及/或转发结果，且可经由计算机608将指令发射到装置602。类似地，来自气体分析装置602的数据可由读取与分析电路1 分析。在由电路 1 分析之后，所提取的信息(例如，一个或一个以上诊断)及/或原始数据可经由硬件数据接口 604转发。图7图解说明基于MEMS的气体分析装置700的替代实施例。装置700在大多数方面类似于装置100。系统700与装置100之间的主要差异是装置700包含机载显示器702 以用于向用户传达由读取与分析电路128执行的分析的结果。所图解说明的实施例使用可向用户传达文本信息的机载文本显示器702(举例来说，IXD屏幕)。举例来说，在卫生护理实例中，可使用显示器702来以指示患者的情形的模拟数字来显示测试结果。显示器702可指示阳性或阴性诊断、可指示给定诊断的概率或可指示来自检测器阵列的原始数据。在另一卫生护理实施例中，可使用更简单的显示器，例如，具有指示阳性、阴性或不确定结果的三个灯的显示器，所述灯取决于所述结果而接通。图8图解说明基于MEMS的气体分析装置800的替代实施例。装置800在大多数方面类似于装置100。装置800与装置100之间的主要差异是在装置800中流体处置组合件 101的一个或一个以上元件为可替换的。在所图解说明的实施例中，使所述元件可通过使用插座将其安装到衬底102上来替换过滤器与阀组合件104通过插座804安装到衬底102、 预浓缩器通过插座806安装到衬底102、气体色谱仪108通过插座808安装到衬底102、检测器阵列110通过插座810安装到衬底102，且泵112通过插座812安装到衬底102。在一个实施例中，插座804到812为准许由用户容易地替换的插座(例如，零插力(ZIF)插座)， 但在其它实施例中，可使用其它类型的插座。虽然所图解说明的实施例展示流体处置组合件101的所有组件是可替换的，但在其它实施例中，可使所述组件中的仅一些组件(例如， 泵112及检测器阵列110)是可替换的。图9图解说明基于MEMS的气体分析装置900的替代实施例。气体分析装置900在大多数方面类似于装置100。装置900与装置100之间的主要差异是装置900包含用于外部预浓缩器902(即，不安装于衬底102上的预浓缩器)的措施。在所示的实施例中，阀904 放置于预浓缩器106与气体色谱仪108之间，且采取措施以将外部预浓缩器902附接到所述阀。代替或除机载预浓缩器106以外，阀904还允许用户使用外部预浓缩器902。在一个实施例中，外部预浓缩器902是呼气收集袋，但在其它实施例中，其可为不同的某物。在装置900的替代实施例(未展示)中，预浓缩器106可永久地移除且由外部预浓缩器902替换。在其中外部预浓缩器902替换预浓缩器106的另一实施例中，代替在预浓缩器106与气体色谱仪108之间插入阀，可在过滤器与阀组合件104的上游耦合外部预浓缩器902。图IOA到IOF图解说明可用作(举例来说)气体分析系统100中的气体色谱仪 108的级联式气体色谱仪(CGC)的实施例。如先前所解释，GC柱涂层通常针对特定温度及化学品而优化，使得任何单个GC都不能甚至通过改变其温度来分离大量化学品。级联具有个别温度控制件的多个GC可提供GC之间的互补气体分离，从而导致较佳的总体分离及较佳的更明确的化学品光谱。图IOA图解说明包含耦合到第二气体色谱仪(GC) 1008的第一 GC 1002的级联式气体色谱仪(CGC) 1000。在所图解说明的实施例中，GC 1002与1008串联耦合使得GC 1002 的出口 1006通过流体连接1014耦合到GC 1008的入口 1010。GC 1008的出口 1012通过流体连接1016耦合到检测器1018，但在其它实施例中，出口 1012可耦合到某一完全不同的组件。虽然图中所图解说明的实施例仅具有两个GC，但在其它实施例中，可添加一个或一个以上额外GC以及例如额外流体连接、分流器、三通阀检测器及切换阀等其它组件以形成更大GC级联。在一些实施例中，GC 1002与1008可具有相同特性，但在其它实施例中，GC 1002 与1008不需要具有相同特性且可具有不同柱长度、柱涂层、操作温度等。在一个实施例中， 举例来说，GC 1002可涂覆有可对极性或非极性化学品具特别选择性的材料A且可具有其分离特定化学品的最优温度控制曲线。同时，GC 1008可具有不同柱长度且可涂覆有可分离GC 1002无法解析(分离)的不同化学品的另一材料B ；换句话说，GC 1008与GC 1002 互补。由于所述配置中的每一 GC可具有其自身的温度控制件，因此GC 1008可经优化以分离未由GC 1002解析(分离)的所关注剩余气体。接着，所分离的气体可由GC 1008的输出处的检测器1018检测。在所图解说明的实施例中，GC 1002及1008为具有个别温度控制件的MEMS气体色谱仪(例如，图:3B或3C中所示的气体色谱仪)，但在其它实施例中，其可为具有个别且独立温度控制件的传统的GC(例如，图3D到3E及图12A到12C中所示的毛细管柱色谱仪)。 所述个别温度控制件允许独立于另一 GC地控制每一 GC的操作温度。在其它实施例中，GC 1002与1008不需要为相同类型一也就是说，CGC 1000可包含MEMS色谱仪及非MEMS色谱仪两者。在一些实施例中，两个色谱仪可具有相同类别的温度控制件，但在其它实施例中， 两个色谱仪不需要具有相同温度控制件；举例来说，在具有两个MEMS色谱仪的所图解说明实施例中，GC 1002可具有如图;3B中所示的集成温度控制件，而GC 1008具有如图3C到3E 中所示的外部温度控制件。在一个实施例中，检测器1018为如图4A到4B中所示的检测器阵列，但在其它实施例中，其可为不同类型的检测器。在CGC 1000的操作中，其中具有一种或一种以上化学品的载体流体经由入口 1004进入GC 1002且流动穿过所述GC的柱。使用所述GC的温度控制件将GC 1002的温度建立及/或维持在从所述流体对化学品的所要分离所需要的温度下。具有未由GC 1002 解析(分离)的任何化学品的载体流体经由出口 1006排出到流体连接1014中。流体连接1014将所述流体载送到GC 1008中，其中所述流体流动穿过所述GC的柱，且分离在GC 1002之后剩余的未经解析化学品中的一些或所有化学品。与GC 1002 —样，使用GC 1008 的温度控制件来建立及/或维持从所述流体对化学品的所要分离所需要的温度。GC 1008 的出口 1012耦合到检测器，接着所述检测器可用以检测由两个GC从载体流体分离的化学品。在GC 1000的操作的另一实施例中，不需要将每一个别GC的温度固定在某一温度下。 每一 GC可经控制以具有不同的动态温度斜变曲线以实现所要的化学品分离。图IOB图解说明CGC 1025的替代实施例。CGC 1025在大多数方面类似于 CGC1000.所述两者之间的主要差异是在CGC 1025中存在耦合到流体连接1014中的预浓缩器及/或捕集器(PC/T) 1027。在一个实施例中，PC/T 1027可为流体在从出口 1006到入口 1010的流体连接1014中行进时流动穿过的芯片或其它MEMS尺寸装置，但在其它实施例中，其可为非MEMS装置。CGC 1025类似于CGC 1000地操作，但在GC 1025中，可周期性地冷却及/或加热PC/T 1027以在具有较高浓度及短光谱的经分离化学品进入GC 1008之前对其进行捕集及释放。接着，如上文针对CGC 1000所描述，GC 1008可进一步分离所述化学品。在添加PC/T 1027的情况下，气体光谱可随气体浓度变高而变窄以用于检测器感测。图IOC图解说明具有多个流动路径的CGC 1050的替代实施例。CGC 1050类似于 CGC 1000，在于GC 1002与1008经耦合使得GC 1002的出口 1006通过流体连接1014耦合到GC 1008的入口 1010。GC 1008的出口 1012通过流体连接1016耦合到检测器1018，且检测器1018通过另一流体连接进一步耦合到切换阀1052。在CGC 1050中，额外流体连接 1056通过分流器或三通阀IOM耦合到流体连接1014。除耦合到流体连接1014以外，流体连接1056还耦合到检测器1058的入口且切换阀1060以流体方式耦合到检测器1058的出口。切换阀1052及1060可控制气体是否可流动到对应检测器以用于气体感测。检测器 1018及1058可不同且对不同气体具有特定灵敏性。虽然图中所图解说明的实施例仅具有两个GC，但在其它实施例中，可添加一个或一个以上额外GC以及例如额外流体连接、分流器、三通阀检测器及切换阀等其它组件以形成级联式GC阵列。CGC 1050具有不同操作模式，此取决于元件IOM是分流器还是三通阀。在其中元件IOM是分流器的实施例中，其中具有一种或一种以上化学品的载体流体经由入口 1004 进入GC 1002且流动穿过所述GC的柱。使用所述GC的温度控制件将GC 1002的温度建立及 /或维持在从所述流体对化学品的所要分离所需要的温度下。具有未由GC 1002解析(分离)的任何化学品的载体流体经由出口 1006排出到流体连接1014中。将流体的由流体连接1014载送的一部分引导到GC 1008中且将所述流体的一部分引导到流体连接1056中。进入GC 1008的所述部分流动穿过所述GC的柱且，分离在GC 1002之后剩余的未经解析化学品中的一些或所有化学品。与GC 1002 —样，使用GC 1008的温度控制件来建立及/或维持从所述流体对化学品的所要分离所需要的温度。GC 1008的出口 1012耦合到检测器， 接着所述检测器可用以检测由两个GC从载体流体分离的化学品。流体的引导到流体连接 1056中的部分流动到检测器1058。当打开切换阀1052及1060两者时，由GC 1002分离的部分气体可由检测器1058直接感测，同时将部分气体馈送到GC 1008中以用于进一步的分离且由检测器1018感测。在其中元件IOM是分流器的另一操作模式中，打开切换阀1052 及1060中的仅一者。在仅一个切换阀打开的情况下，全部气体可流动，可在检测器1018与检测器1058之间切换路径，而不损失部分气体(降低待感测的气体量)。在其中元件IOM 是三通阀的实施例中，所述三通阀可用以控制流动且可消除切换阀1052及1060。图IOD图解说明CGC 1051的替代实施例。CGC 1051在大多数方面类似于 CGC1050。所述两者之间的主要差异是从CGC 1051省略检测器1058。对于其中不需要从 GC 1002排出的一些化学气体的操作，可使用CGC 1051通过以下方式来移除不想要的化学品将排出GC 1002的化学品切换或引导到流体连接1056中并废弃所述化学品。图IOE图解说明CGC 1075的替代实施例。CGC 1075在大多数方面类似于 CGC1050。所述两者之间的主要差异是在CGC 1075中存在耦合到流体连接1014的预浓缩器及/或捕集器(PC/T) 1079及耦合到流体连接1056的预浓缩器及/或捕集器(PC/T) 1077。 在一个实施例中，PC/T 1077及1079可为流体在行进穿过流体连接1014及1056时流动穿过的预浓缩器及/或捕集器芯片或其它MEMS尺寸装置，但在其它实施例中，PC/T 1077及 1079不需要为MEMS尺寸装置。在又一些实施例中，PC/T 1077与1079可为不同类型的预浓缩器或捕集器。CGC 1075以类似于CGC 1050的方式操作，只不过PC/T 1077及1079用以周期性地捕集/释放窄的且较高浓度气体光谱以用于检测器感测。图IOF图解说明CGC 1090的替代实施例。CGC 1090在大多数方面类似于 CGC1075。CGC 1090与CGC 1075之间的主要差异是在CGC 1090中添加GC 1008的出口与 GC 1002的入口之间的流体连接1097。预浓缩器及/或捕集器(PC/T) 1181及切换阀1099 耦合于流体连接1097中。流体连接1097允许气体在两个或两个以上GC之间再循环以在不必在物理上加长GC柱或串连地添加额外GC的情况下增加有效GC柱长度。还将额外切换阀1187耦合到GC 1002的出口与GC 1008的入口之间的流体连接1010。在所图解说明的实施例中，已从流体连接10 移除PC/T 1077(参见图10E)，但在CGC 1090的其它实施例中，可将其再插入。虽然图中所图解说明的实施例仅具有两个GC，但在其它实施例中，可添加一个或一个以上额外GC或检测器以及例如额外流体连接、分流器、三通阀检测器及切换阀等其它组件以形成级联式GC阵列，如由点1091所指示。CGC 1090包含不同操作模式，此取决于如何将流体路由穿过所述CGC。流体路由通过切换阀1030、1034、1099、1183及1187控制。在一种模式中，切换阀1099及切换阀 1034(针对检测器1032关闭，气体在切换阀1030打开的情况下朝向检测器10 流动。流动配置在不使用PC/T时类似于图10A，或在使用PC/T时类似于图IOB中所示的配置。在CGC 1090的另一操作模式中，当微切换阀1099及切换阀1034打开而切换阀 1183及1187关闭时，流动穿过GC 1008的气体可再循环回到GC 1002入口且再次经过 GC1002以用于进一步的气体分离且接着由检测器1032感测。PC/T 1185可作为一选项包含于GC之间的流动路径中以产生较窄气体光谱。图IlA图解说明CGC 1100的另一替代实施例。CGC 1100包含GC 1102、GC 1108 及GC 1116。在所图解说明的实施例中，GC 1102与1108经耦合使得出口 1106通过流体连接1110耦合到入口 1112。GC 1008的出口 1114耦合到检测器11 的入口，而切换阀1130 耦合到检测器11 的出口。额外流体连接11 通过分流器或三通阀IlM耦合到流体连接1110。流体连接11 还耦合到GC 1116的入口 1118，而GC 1116的出口 1120耦合到检测器1132的入口。切换阀1130耦合到检测器1132的出口。虽然图中所图解说明的实施例仅具有三个GC，但在其它实施例中，可添加一个或一个以上额外GC以及例如额外流体连接、分流器、三通阀检测器及切换阀等其它组件以形成级联式GC阵列，如由点1136所指示。CGC 1100中的每一 GC的确切特性(例如，柱长度、柱涂层及操作温度)通常将取决于若干操作考虑因素，例如，CGC 1100的预期用途、所述CGC将用以分离何种化学品等等。在一些实施例中，GC 1102、GC 1108及GC 1116可具有相同特性，但在其它实施例中， GC 1102、1108及1116不需要具有相同特性且可具有不同柱长度、柱涂层、操作温度等。在一个实施例中，举例来说，GC 1002可涂覆有可为对极性或非极性化学品具特别选择性的材料A且可具有其分离特定化学品的最优温度控制曲线。同时，GCl 108及1116可具有不同柱长度且可涂覆有可分离GC 1002无法解析(分离)的化学品的其它材料B及C;换句话说， GC 1108及1116与GC 1002互补。由于每一 GC可具有其自身的温度控制件，因此GC 1108 及1116可经优化以分离未由GC 1002解析(分离)的所关注剩余化学品。接着，所分离的化学品可由GC 1108的输出处的检测器11 及GC 1116的出口处的检测器1132检测。在所图解说明的实施例中，GC 1102,1108及1116为具有个别温度控制件的MEMS 气体色谱仪(例如，图:3B或3C中所示的气体色谱仪)，但在其它实施例中，其可为具有个别温度控制件的传统GC，例如，图3D及图12A到12C中所示的毛细管柱色谱仪。所述个别温度控制件允许独立于另一 GC地控制每一 GC的温度。在其它实施例中，GC1102、1108及 1116不需要为相同类型-也就是说，CGC 1100可包含MEMS色谱仪及非MEMS色谱仪两者， 可包含具有不同柱涂层、不同温度响应、不同柱配置等等的若干GC。在一些实施例中，所有色谱仪可具有相同类别的温度控制件，但在其它实施例中，GC 1102、1108及1116不需要具有相同温度控制件；例如，在具有MEMS色谱仪的所图解说明实施例中，GC 1102与1108可具有如图:3B中所示的集成温度控制件，而GC 1116可具有如图3C中所示的外部温度控制件。CGC 1100包含不同操作模式，此取决于如何将流体路由穿过所述CGC。在其中元件IlM是分流器的实施例中，流体路由通过切换阀1130及1134的操作控制。其中具有一种或一种以上化学品的载体流体经由入口 1104进入GC 1102且流动穿过所述GC的柱。使用GC的温度控制件将GC 1102的温度建立及/或维持在从所述流体对化学品的所要分离所需要的温度下。具有未由GC 1102解析(分离)的任何化学品的载体流体经由出口 1106 排出到流体连接1110中。在排出GC 1102之后，将流体的由流体连接1110载送的一部分引导到GC 1108中且经由流体连接11 将所述流体的一部分引导到GC 1116中。进入GC 1108的所述部分流动穿过所述GC的柱，且分离在GC 1102之后剩余的未经解析化学品中的一些或所有化学品。与GC 1102—样，使用GC 1108的温度控制件来建立及/或维持从所述流体对化学品的所要分离所需要的温度。GC 1108的出口 1114耦合到检测器1128，接着所述检测器可用以检测由两个GC从载体流体分离的化学品。流体的进入GC 1116的所述部分流动穿过所述GC的柱，且分离在GC 1102之后剩余的未经解析化学品中的一些或所有化学品。与GC 1102 一样，可使用GC 1116的温度控制件来建立及/或维持从所述流体对化学品的所要分离所需要的温度。GC 1116的出口 1120耦合到检测器1132，接着所述检测器可用以检测由两个GC从载体流体分离的化学品。当切换阀1130及1134两者打开时，可将具有未由GC 1102分离的化学品的载体流体输入到GC 1108及1116以用于进一步的分离，此后，可由检测器11 及1132感测所分离的化学品。在其中元件IlM是分流器的替代操作模式中，可打开切换阀1130及1134 中的仅一者。在此情况下，可在GC 1108与1116之间切换流动路径，而不损失部分气体(降低待感测的气体量)。在其中元件IlM是三通阀的实施例中，所述三通阀可用以控制GC 1108与1116之间的流动，且可消除切换阀11 及1132。通过组合来自所有检测器的输出光谱，所得的级联式微GC连接阵列可产生多维气体光谱，其可显著促进气体选择性及此系统的分离能力。图IlB图解说明CGC 1150的替代实施例。CGC 1150在大多数方面类似于 CGC1100.所述两者之间的主要差异是在CGC 1150中存在流体连接1110及11 中的预浓缩器及/或捕集器(PC/T)以周期性地捕集/释放窄的且较高浓度气体光谱以用于检测器感测。CGC 1150以类似于CGC 1110的方式操作，只不过PC/T 1152及IlM用以周期性地捕集/释放窄的且较高浓度气体光谱以用于检测器感测。图IlC图解说明CGC 1175的替代实施例。CGC 1175在大多数方面类似于CGC 1100及1150。CGC 1175中的主要差异为GC 1108的出口 1114及GC 1116的出口 1120通过元件1178耦合到共用出口 1176。共用出口为由两个或两个以上其它个别出口共享的出口 ；换句话说，共用出口为至少两个个别其它出口可将其流引导到其中的出口。在一个实施例中，元件1178可为一个或一个以上阀，但在其它实施例中，其可为例如一个或一个以上偏流器的另一元件，或者在又一些实施例中可为一个或一个以上阀与一个或一个以上偏流器的某一组合。检测器1180及切换阀1182也可耦合到共用出口 1176。在CGC 1175的一些实施例中，可同时将来自个别出口的流引导到共用出口中，但在其它实施例中，从个别出口到共用出口中的流不需要为同时的。在其中元件1178为分流器的CGC 1175的实施例中，CGC 1175类似于CGC 1110及1150地操作，只不过来自两个GC 1108及1116的流被同时路由到检测器1180中。在其中元件1178包含一个或一个以上阀的CGC 1175的实施例中，所述阀可用以在GC 1108的出口与GC 1116的出口之间切换，使得在任何给定时间，检测器1180都从GC 1108及1116中的仅一者接收流。与CGC 1100及 1150 一样，在其它实施例中，可添加一个或一个以上额外GC以及例如额外流体连接、分流器、三通阀检测器及切换阀等其它组件以形成级联式GC阵列，如由点1136所指示。在此些实施例中，两个或两个以上GC的群组可耦合到一个或一个以上共用出口，使得检测器的数目与GC的数目之间不需要存在一对一的对应性。图12A到12C图解说明使用非MEMS色谱仪(例如，毛细管柱(或毛细管通道)色谱仪)的级联式气体色谱仪(CGC)的替代实施例。图12A图解说明包含耦合到第二气体色谱仪(GC) 1204的第一 GC 1202的级联式气体色谱仪(CGC) 1200。在所图解说明的实施例中，GC 1202与1204为串联耦合的毛细管柱气体色谱仪，使得GC 1202的出口通过流体连接1208耦合到GC 1204的入口。GC 1008的出口 1210可耦合到例如检测器的另一组件，举例来说，如图IOA中所示。在所图解说明的实施例中，GC 1202与1204保持于单独的温度区中，每一温度区具有其自身的个别温度控制件GC 1202在温度区1212中，而GC 1204在温度区1214中。 可独立于温度区1214地控制温度区1212，使得可独立地控制所述GC的温度。在一个实施例中，温度区1212及1214可为可个别控制的烘箱或高压釜，而在其它实施例中，温度区1212 及1214可为可个别控制的制冷单元。在另一实施例中，所述温度区可为如图3D中所示的个别热绝缘温度衬底或外壳。在其它实施例中，温度区1212与1214不需要为相同类型；例如，在一个实施例中，温度区1212可为烘箱而温度区1214可为制冷单元。在又一些实施例中，温度区1212及1214中的至少一者可能够进行加热及冷却两者。在CGC 1200的操作中，其中具有一种或一种以上化学品的载体流体经由入口 1206进入GC 1202且流动穿过所述GC的柱。温度区1212用以将GC 1202的温度建立及 /或维持在从所述流体对化学品的所要分离所需要的温度处。具有未由GC 1202解析(分离)的任何化学品的载体流体排出到流体连接1208中。流体连接1208将所述流体载送到 GC 1204中，其中所述流体流动穿过所述GC的柱，且分离在GC 1202之后剩余的未经解析化学品中的一些或所有化学品。与GC 1002 —样，使用温度区1214在GC 1204中建立及/ 或维持从所述流体对化学品的所要分离所需要的温度。GC 1204的出口 1210可耦合到检测器，接着所述检测器可用以检测由两个GC从载体流体分离的化学品。图12B图解说明CGC 1250的替代实施例。CGC 1250在大多数方面类似于 CGC1200。在CGC 1250中，GC 1202在温度区1252内而GC 1204在温度区12 内。CGC 1200与CGC 1250之间的主要差异是所述温度区的配置在所图解说明的实施例中，温度区 1252在温度区12M内。在一个实施例中，温度区12M可为烘箱或高压釜而温度区1252为温度区12M内的子烘箱，但与温度区12M热绝缘且可与温度区12M独立地控制。在另一实施例中，温度区12M可为制冷单元而温度区1252为温度区12M内的子单元，但与温度区12M热绝缘且可与温度区12M独立地控制。CGC 1250类似于GC 1200地操作。图12C图解说明CGC 1275的替代实施例。在所图解说明的实施例中，GC 1202、 1204及1280为经耦合使得GC 1202的出口通过流体连接1208耦合到GC 1204的入口的毛细管柱GC。额外流体连接1278通过分流器或三通阀1276耦合到流体连接1208。流体连接1278还耦合到GC 1280的入口。GC 1204的出口 1210与GC 1280的出口 1282可耦合到例如检测器的额外组件。在所图解说明的实施例中，GC 1202、1204及1280保持于单独的温度区中，每一温度区具有其自身的独立温度控制件GC 1202在温度区1252中、GC 1204在温度区12M中且GC 1280在温度区1284中。在一个实施例中，温度区1252、12M及1284可为可个别且独立控制的烘箱或高压釜，而在其它实施例中，温度区1252、12M及1284可为可独立控制的制冷单元。在其它实施例中，温度区1252、12M及1284不需要为相同类型；例如，在一个实施例中，温度区1252可为烘箱而温度区12M及1284可为制冷单元。在另一实施例中， 温度区12M可为烘箱，其中温度区1252及1284可为如图3D中所示的个别热隔离温度衬底或外壳。在又一些实施例中，温度区1212及1214中的至少一者可能够进行加热及冷却两者。虽然图中所图解说明的实施例仅具有三个GC，但在其它实施例中，可添加一个或一个以上额外GC及额外温度区以及例如额外流体连接、分流器、三通阀、检测器及切换阀等其它组件以形成级联式GC阵列。CGC 1275包含不同操作模式，此取决于如何将流体路由穿过所述CGC。在其中元件1276是分流器的实施例中，流体路由通过耦合到出口 1210及1282的切换阀的操作控制。当打开两个切换阀时，可将具有未由GC 1202分离的化学品的载体流体输入到GC 1204 及1280以用于进一步的分离，此后，可由耦合到所述出口的检测器感测所分离的化学品。 在其中元件1276是分流器的替代操作模式中，可打开切换阀中的仅一者。在此情况下，可在GC 1204与1280之间切换流动路径，而不损失部分气体(降低待感测的气体量)。在其中元件1276是三通阀的实施例中，所述三通阀可用以控制GC 1204与1280之间的流动，且可消除切换阀。装置应用关于人类呼气分析的临床前研究已发现，人类所呼出的呼气的某些挥发性有机化合物(VOC)与某些疾病相关，例如，肺炎、结核(TB)、哮喘、肺癌、肝脏疾病、肾脏疾病等。所述相关性尤其可作为肺相关疾病的证据。当前分析系统仍依赖于大型且昂贵的实验室仪器，例如，气体色谱仪(GC)及质谱仪(MQ。特定来说，质谱仪不可能小型化，从而使得不可能广泛地使用这些诊断仪器。上文所论述的基于MEMS的气体分析传感器的实施例提供此问题的解决方案，且特定来说可有利地用以诊断及监视各种疾病，例如，哮喘、肺癌、肺相关疾病及其它非肺疾病(例如，肾脏及肝脏疾病等)。哮喘是慢性病；因此，定期地监视患者的状态有助于医生追踪患者的康复进展。因此，手持式诊断装置的新理念将使得可在家或任何地方完成呼气分析。在当前诊断学中，基本测量是峰值流率且英国胸科协会(British Thoracic Society)使用以下诊断准则，但所述峰值流率是物理量测量。呼气分析可通过测量来自患者的呼气的VOC来提供支气管收缩的特定根本原因。基于MEMS的气体分析系统的实施例可用以监视药物的效力。此外，可经由通过使用此基于家的装置进行此有效监视来针对个别患者修整药物疗法。MM世界上当前人口的三分之一已感染了 TB。且75%的病例是肺TB。发展中国家中的感染率比发达国家高得多。因此，迫切需要研制发展中国家买得起的诊断装置。基于MEMS 的气体分析系统的实施例将提供具成本效益的解决方案。结核由分枝杆菌引起。当前诊断为耗时且困难的，因为培养缓慢生长的分枝杆菌花费大约6个周。因此，使用完整的医疗评估(包含胸部X射线、结核放射检查、结核菌素皮肤测试、微生物涂片及培养)来获得更准确的评定。因此，迅速诊断极具价值且呼气分析方法可实现此些需要。MM随着早期检测及治疗，肺癌的5年生存率明显地改进。当前的诊断方法(例如，胸部X射线及CT (计算断层摄影)扫描)难以检测早期肺癌。使用基于MEMS的气体分析系统的实施例的呼气分析可诊断早期肺癌。具有类似症状的肺相关疾病的分类
对呼出的VOC的呼气分析是用以识别患者的具有类似症状的肺相关疾病的可行方法。举例来说，基于MEMS的气体分析系统的实施例可向医生提供测试数据以分类患者将患的疾病是感冒、肺癌或肺炎之间的哪一种。在进行更冗长的诊断测量之前，呼气分析将因其简单性而为第一筛选测试。包含发明摘要中所描述内容的本发明所图解说明实施例的以上描述并非打算为穷尽性或将本发明限定为所揭示的精确形式。尽管出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但如相关领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内做出各种等效修改。可根据以上详细描述对本发明做出这些修改。以上权利要求书中使用的术语不应理解为将本发明限定于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，本发明的范围将完全由以上权利要求书来确定，所述权利要求书将根据权利要求解释的所确立原则来加以理解。
权利要求
1.一种设备，其包括第一气体色谱仪，其具有第一温度控制件；及第二气体色谱仪，其具有第二温度控制件，其中所述第一温度控制件独立于所述第二温度控制件，及流体连接，其耦合于所述第一气体色谱仪的出口与所述第二气体色谱仪的入口之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括耦合于所述第一气体色谱仪的入口与所述第二气体色谱仪的出口之间的流体连接。
3.根据权利要求2所述的设备，其进一步包括耦合于所述第一气体色谱仪的所述出口与所述第二气体色谱仪的所述入口之间的所述流体连接中的预浓缩器、捕集器或两者。
4.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括耦合于所述第一气体色谱仪的所述出口与所述第二气体色谱仪的所述入口之间的所述流体连接中的一个或多个阀、一个或多个分流器或者两者。
5.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括各自包含独立温度控制件的一个或一个以上额外气体色谱仪，其中所述一个或一个以上额外气体色谱仪以流体方式耦合到所述第一气体色谱仪的所述出口与所述第二气体色谱仪的所述入口之间的所述流体连接。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第二气体色谱仪的出口及所述一个或一个以上额外气体色谱仪中的至少一者的出口耦合到共用出口。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一及第二温度控制件中的至少一者与其相应气体色谱仪集成在一起。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一及第二温度控制件中的至少一者为外部温度控制件。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述外部温度控制件为热耦合到其相应气体色谱仪的加热与冷却板。
10.根据权利要求8所述的设备，其中所述外部温度控制件为所述相应气体色谱仪放置到其中的烘箱。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一及第二温度控制件中的至少一者包含温度传感器。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一及第二气体色谱仪为MEMS微气体色谱仪。
13.一种气体分析系统，其包括衬底；级联式气体色谱仪，其具有流体入口及一个或一个以上流体出口且被安装到所述衬底，所述级联式气体色谱仪包括第一气体色谱仪，其具有第一温度控制件，第二气体色谱仪，其具有第二温度控制件，其中所述第一温度控制件独立于所述第二温度控制件，及流体连接，其耦合于所述第一气体色谱仪的出口与所述第二气体色谱仪的入口之间；一个或一个以上检测器阵列，其具有流体入口及流体出口且被安装到所述衬底，其中所述一个或一个以上检测器阵列中的每一者的所述流体入口以流体方式耦合到所述级联式气体色谱仪的所述一个或一个以上流体出口中的对应一者；控制电路，其耦合到所述级联式气体色谱仪且耦合到所述检测器阵列，其中所述控制电路可与所述第一及第二气体色谱仪且与所述一个或一个以上检测器阵列通信；及读出电路，其耦合到所述一个或一个以上检测器阵列且耦合到所述控制电路，其中所述读出电路可与所述控制电路及所述一个或一个以上检测器阵列通信。
14.根据权利要求13所述的气体分析系统，其进一步包括耦合于所述第一气体色谱仪的入口与所述第二气体色谱仪的出口之间的流体连接。
15.根据权利要求13所述的气体分析系统，其进一步包括各自包含独立温度控制件的一个或一个以上额外气体色谱仪，其中所述一个或一个以上额外气体色谱仪以流体方式耦合到所述第一气体色谱仪与所述第二气体色谱仪之间的所述流体连接。
16.根据权利要求15所述的气体分析系统，其中所述第二气体色谱仪的出口及所述一个或一个以上额外气体色谱仪中的至少一者的出口耦合到共用出口。
17.根据权利要求13所述的气体分析系统，其进一步包括具有流体入口及流体出口的预浓缩器，其中所述预浓缩器安装于所述衬底上且耦合到所述控制电路，且其中所述预浓缩器的所述流体出口耦合到所述级联式气体色谱仪的所述流体入口。
18.根据权利要求13所述的气体分析系统，其进一步包括耦合于所述第一气体色谱仪的出口与所述第二气体色谱仪的入口之间的所述流体连接中的一个或一个以上阀、一个或一个以上分流器或者两者。
19.根据权利要求17所述的气体分析系统，其进一步包括具有流体入口及流体出口的过滤器与阀单元，其中所述过滤器与阀单元安装到所述衬底且耦合到所述控制电路，且其中所述过滤器与阀单元的所述流体出口耦合到所述预浓缩器的所述流体入口。
20.根据权利要求19所述的气体分析系统，其进一步包括具有流体入口及流体出口的一个或一个以上泵，其中每一泵安装于所述衬底上且耦合到所述控制电路，且其中每一泵的所述流体入口耦合到对应检测器阵列的所述流体出口。
21.根据权利要求20所述的气体分析系统，其进一步包括覆盖所述过滤器与阀单元、 所述预浓缩器、所述级联式气体色谱仪、所述一个或一个以上检测器阵列及所述泵的护罩。
22.根据权利要求17所述的气体分析系统，其中所述护罩提供所述过滤器与阀单元、 所述预浓缩器、所述级联式气体色谱仪、所述一个或一个以上检测器阵列及所述泵之中的所述流体连接。
23.根据权利要求13所述的气体分析系统，其中所述读出电路在其上包含分析电路及相关联逻辑以分析从所述一个或一个以上检测器阵列接收的输出信号。
24.根据权利要求23所述的气体分析系统，其进一步包括耦合到所述分析电路的输出的指示器以向用户指示所述分析的结果。
25.根据权利要求13所述的气体分析系统，其进一步包括耦合到所述读出电路以允许所述气体分析系统与外部装置通信的通信接口。
26.一种方法，其包括使用级联式气体色谱仪从流体时域分离多种化学品，所述级联式气体色谱仪包括第一气体色谱仪，其具有第一温度控制件，第二气体色谱仪，其具有第二温度控制件，其中所述第一温度控制件独立于所述第二温度控制件，及流体连接，其耦合于所述第一气体色谱仪的出口与所述第二气体色谱仪的入口之间； 使用耦合到所述级联式气体色谱仪的一个或一个以上检测器阵列中的一个或一个以上传感器来检测所述多种经时域分离的化学品中的每一者；处理来自所述一个或一个以上检测器阵列中的每一传感器的信号以确定每一化学品的存在及浓度。
27.根据权利要求沈所述的方法，其进一步包括在时域分离之前在预浓缩器中预浓缩所述多种化学品。
28.根据权利要求27所述的方法，其进一步包括在预浓缩所述化学品之前过滤所述流体。
29.根据权利要求沈所述的方法，其中处理来自一个或一个以上传感器阵列中的每一传感器的所述信号包括分析所述信号以确定每一化学品的所述存在及浓度。
30.根据权利要求四所述的方法，其中处理所述信号进一步包括分析每一化学品的所述存在及浓度以确定意义。
31.根据权利要求30所述的方法，其进一步包括传递所述意义。
32.根据权利要求四所述的方法，其进一步包括传递每一化学品的所述存在及浓度。
全文摘要
本发明描述一种级联式气体色谱仪，其包含具有第一温度控制件的第一气体色谱仪及耦合到所述第一气体色谱仪的第二气体色谱仪。所述第一及第二色谱仪具有可彼此独立地控制的个别温度控制件。本发明揭示并主张其它实施例。
文档编号G01N30/16GK102472730SQ201080031094
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月7日 优先权日2009年7月7日
发明者曾关·A·周, 王礼鹏, 黄建霖 申请人:创控生技股份有限公司