CN101573612B - 用于测量样品浓度的方法、检测器和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于测量样品混合物中的样品的浓度的方法，所述方法包括：使样品混合物与有机半导体晶体管接触；向所述晶体管的电极施加测量信号，从而实现对通过所述晶体管的漏极电流的测量；向栅电极施加刷新信号，以抵消在所述测量信号期间对所述晶体管施加的影响；测量漏极电流；对所述信号中的至少一个进行调整，以使所述漏极电流稳定；以及基于所述调整确定所述浓度。

Description

用于测量样品浓度的方法、检测器和系统

技术领域

本发明涉及用于测量样品混合物中的样品的浓度的方法，所述方法包括使样品混合物与有机半导体晶体管接触，向所述晶体管的电极施加信号，测量通过所述晶体管的漏极电流，确定浓度以及使所述漏极电流稳定。

本发明还涉及用于测量样品的浓度的检测器和系统。

背景技术

美国专利申请2002/0116982描述了一种用于监测气味、蒸汽和气体的有机场效应晶体管(OFET)。所述美国专利申请通过将反馈电路耦合在有机晶体管的输出和有机晶体管的输入之间以产生反馈信号，而解决了OFET受作为时间函数的漂移和阈值漂移的影响的问题，其中所述反馈信号针对时间漂移使气味感测有机晶体管的输出信号保持稳定。当检测器处于非感测模式时，即，未向晶体管提供气体时，所述反馈电路使输出信号保持稳定。在所述检测器处于感测模式时，切断所述反馈电路。所述美国专利申请的检测器的问题在于无法在测量过程中避免漂移。

由Brown等人的Synth.Met.，88，37(1997)获知一种使晶体管恢复其初始特性的方法。Brown等人公开了通过施加刷新脉冲使晶体管恢复其初始特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种如在开头段落中所述的方法，其能够在测量过程中避免漂移。这一目的是通过提供一种用于测量样品混合物中的样品的浓度的方法来实现的，所述方法包括：使样品混合物与有机半导体晶体管接触；向所述晶体管的电极施加测量信号，从而实现对通过所述晶体管的漏极电流的测量；向栅电极施加刷新信号，以抵消在所述测量信号期间对所述晶体管施加的影响；测量漏极电流；对所述信号中的至少一个实施调整，从而使漏极电流稳定；以及基于所述调整确定所述浓度。

在所述测量信号期间测量漏极电流。在没有样品混合物与有机半导体接触时，漏极电流将因正在发生的漂移而缓慢变化。所述刷新信号的作用在于抵消在在先测量信号期间产生的漂移的影响。因此，漏极电流在测量与测量之间保持相对恒定。由此获得的平衡取决于所述晶体管的初始状态和所述两个信号的参数。在使样品混合物与所述有机半导体接触时，这将导致偏离平衡。通过调整所述信号中的至少一个，能够恢复所述平衡。所需的调整取决于气体混合物对所述平衡的影响，所述影响取决于样品的浓度。因而，可以由所需要的调整得出样品浓度。

所述调整可以包括调整测量信号和/或刷新信号的电平。所述调整还可以包括调整所述测量信号的持续时间和/或所述刷新信号的持续时间。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于执行根据本发明的方法的检测器。在实施例中，所述检测器是用于测量样品混合物的浓度的较大系统的一部分。所述系统包括：用于接收样品混合物的输入；具有用于与所述样品混合物的第一部分相互作用的根据本发明的第一检测器的第一区段；具有滤波器和根据本发明的第二检测器的第二区段，所述滤波器用于从所述样品混合物的第二部分中滤出样品以获得经过滤的样品混合物，所述第二检测器用于与所述经过滤的样品混合物相互作用；以及用于在对所述第一检测器的至少一个信号的调整和对所述第二检测器的至少一个信号的调整之间进行比较并基于所述比较确定并提供所述浓度的输出。

这一具有两个区段的系统使得即使在所述样品是非常复杂的样品混合物的一部分时也可以非常准确地测量样品浓度。在一个区段内，对完整的样品混合物进行分析，并记录所述完整的样品混合物对晶体管的影响。在另一区段中，将所述样品从所述样品混合物中过滤出来，对经过滤的样品混合物进行分析，并记录所述经过滤的样品混合物对所述晶体管的影响。两个检测器所需的调整的差异代表样品浓度。因而，针对样品混合物中的其他元素或者样品混合物的温度的影响对采用这一系统获得的样品浓度进行修正。

通过下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见，并参考这些实施例对本发明的这些和其他方面进行说明。

附图说明

在附图中：

图1a示出了本发明使用的具有有机半导体的晶体管构造，

图1b示出了具有俘获的电荷的有机半导体晶体管，

图2a示出了漏极电流随时间推移的典型进展，

图2b示出了在使样品混合物与晶体管接触时漏极电流随时间推移的典型进展，

图3a示出了在应用根据本发明的方法时漏极电流随时间推移的典型进展，

图3b示出了在使样品混合物与晶体管接触并应用根据本发明的方法时漏极电流随时间推移的典型进展，

图4示出了根据本发明的检测器，

图5到8示出了基于根据本发明的方法使栅极电压适应变化的样品浓度的不同可能性，以及

图9示出了具有两个根据本发明的检测器的系统。

具体实施方式

图1a示出了本发明使用的具有有机半导体13的晶体管构造10。有机半导体晶体管10包括栅电极11、源电极14和漏电极15。晶体管10还包括绝缘体层12和半导体主体13。可以向栅电极施加电压，以控制半导体主体13的导电率。漏极电流I_d的电平取决于源漏电压V_ds、栅极电压V_g和半导体主体13的化学成分。半导体主体13的化学成分取决于施加至晶体管10的样品混合物中的样品浓度。因而，漏极电流I_d是样品浓度的测度。

图1b示出了具有俘获的电荷16的有机半导体晶体管10。在晶体管10的使用过程中，电荷在栅极-绝缘体界面处受到俘获，这导致漏极电流的缓慢和连续的降低。

图2a示出了漏极电流21随时间推移的典型进展。在向晶体管10的栅极11施加恒定电压时，漏极电流21缓慢和连续地降低。不久，漏极电流电平21将不同于初始漏极电流22。在US 2002/0116982中，在检测器不作为气体传感器工作时，补偿电路针对时间漂移使输出信号保持稳定。根据本发明，提供了另一种处理漂移的方法。

图2b示出了在使样品混合物与晶体管10接触时漏极电流21随时间推移的典型进展。在图2b的整个时间跨度内，栅极电压Vg处于恒定电平上。在t＝0处，漏极电流21处于其初始值。随着时间的推进，漏极电流电平21开始漂移。在特定的时刻23处，使样品混合物与晶体管10接触。因此，半导体主体13的化学成分发生变化，这导致漏极电流电平21的变化。根据样品混合物的组分和半导体材料的类型，样品混合物的施加还可能导致漏极电流电平21的下降。在施加样品混合物之后不久，完成了半导体主体13的化学成分的改变，并且漏极电流电平21达到了其最大值。由于仍然继续漂移，而使漏极电流电平21在这之后又开始缓慢降低。

图3a示出了在应用根据本发明的方法时漏极电流21随时间推移的典型进展。图3还示出了在执行所述方法时施加至晶体管的栅极电压Vg。根据本发明的方法包括脉冲测量(pulsed measurement)。所述脉冲测量包括两个信号。测量信号32将强制性地向晶体管10上的源极、漏极和栅极电极施加必要的电压，以测量其电特性，例如漏极电流21。从图3a中可以看出，在测量信号32期间，漏极电流21略微表现出一点漂移。在测量之后，向晶体管施加刷新信号33。刷新信号33的电压电平和持续时间使得晶体管恢复到其初始特性。如果样品浓度保持恒定，那么在随后的测量信号期间的漏极电流电平21将基本上等于在前一测量信号32期间的漏极电流电平21，并且不需要对所施加的电压进行任何调整。

图3b示出了在使样品混合物与晶体管10接触并应用根据本发明的方法时漏极电流21随时间推移的典型进展。在前两个测量信号32期间，情况与图3a所示的相同。在特定的时刻23处，使样品混合物与晶体管10接触。因此，半导体主体13的化学成分发生了变化，这导致在随后的测量信号期间测得的漏极电流电平21的变化。在检测到漏极电流电平21的变化时，对所述信号中的至少一个的高度或持续时间进行调整，以使漏极电流电平返回至其初始值。在图3b中，实施对刷新信号的高度的调整34。更高的样品浓度使漏极电流发生更大的变化，并且需要更大的调整以使漏极电流保持稳定。因而，可以将该稳定所需要的调整用作样品浓度的测度。

图4示出了根据本发明的检测器40。例如，检测器40是用于检测NO的呼吸分析装置。可以采用类似的装置测量其他气体、液体或水中的其他元素。检测器40包括能够使用户向其内呼出空气的气体入口41。在分析之后，空气通过气体出口42离开检测器40。为了进行分析，沿晶体管10引导气体。通过电压源44将脉冲栅极电压Vg施加至晶体管的栅极11。电流检测器45测量通过漏极15和源极14的漏极电流I_d。补偿电路46接收所测得的漏极电流I_d，指示电压源44调整信号，并将调整指令的副本提供给处理单元47。处理单元47将调整指令转换成相应的NO浓度。

图5到8示出了基于根据本发明的方法使栅极电压V_g适应变化的样品浓度的不同可能性。在图5中，改变刷新信号的幅度。在该图中，调整34是刷新信号的幅度的提高(更朝向负向)。根据半导体材料、样品材料以及样品浓度是提高还是降低，来提高或降低所述幅度。在图6中，改变刷新信号的持续时间71，以使漏极电流保持稳定。在图7和图8中，调整分别包括测量信号的幅度降低71或者对测量信号的信号持续时间81的调整。应当指出，可以将图5到图8所示的四种可能的调整中的两种或更多种调整结合起来。或者，可以通过调整施加至晶体管的源极和漏极的信号来抵消样品对漏极电流的影响。

图9示出了具有两个如图4所示的检测器95、96的系统90。用户向系统90的气体入口91呼出空气。在系统90中，提供两条独立的路径。所述路径之一通向用于将NO从所述空气中滤出的NO过滤器94。经过滤的空气进入第一检测器95。另一条路径将所述空气直接引到至第二检测器96。在检测器95、96二者当中，所述空气将对漏极电流产生影响，并且补偿单元将对栅极电压进行调整。由于滤出了NO，因而所述空气对第一检测器95中的漏极电流的影响将不同于所述空气对第二检测器96中的漏极电流的影响。通过对测量和/或刷新脉冲的不同调整来补偿这些不同的影响。输出单元97从检测器95、96接收所述调整，基于两种调整的比较确定样品的浓度，并例如通过LCD显示器将所述浓度提供给用户。应当指出，在将图4所示的检测器40用于该系统时，不需要处理单元47，并且可以将其置于检测器95、96之外。

应当注意，上述实施例旨在对本发明进行举例说明，而不是限制本发明，并且本领域技术人员能够在不背离所附权利要求书的范围的情况下设计出很多可选实施例。在权利要求书中，不应将任何放置在括号内的附图标记视为对权利要求的限制。动词“包括”及其词性变化的使用不排除权利要求中所述的元件或步骤以外的元件或步骤的存在。元件前面的冠词“一”不排除存在多个这样的元件。可以利用包括若干分立元件的硬件，也可以利用适当编程的计算机来实现本发明。在列举了若干模块的权利要求中，可以通过同一个硬件实现这些模块中的几个。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施的事实并不表示不能有利地采用这些措施的组合。

Claims (10)

1.一种用于测量样品混合物中的样品的浓度的方法，所述方法包括：

-使所述样品混合物与有机半导体晶体管接触，

-向所述晶体管的电极施加测量信号，从而实现对通过所述晶体管的漏极电流的测量，

-向栅电极施加刷新信号，以抵消在所述测量信号期间对所述晶体管施加的影响，

-测量所述漏极电流，

-对所述信号中的至少一个进行调整，以使所述漏极电流稳定，以及

-基于所述调整确定所述浓度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述调整包括对所述测量信号中的至少一个的电平进行调整。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述调整包括对用于栅电极的测量信号的电平进行调整。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述调整包括对用于源电极的测量信号的电平进行调整。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述调整包括对用于漏电极的测量信号的电平进行调整。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述调整包括对所述刷新信号的电平进行调整。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述调整包括对所述测量信号的持续时间进行调整。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述调整包括对所述刷新信号的持续时间进行调整。

9.一种用于测量样品混合物中的样品的浓度的检测器(40)，所述检测器(40)包括：

-有机半导体晶体管(10)，

-用于实施下述操作的源：

-向所述晶体管(10)的电极(11，14，15)施加测量信号，所述测量信号用于实现对通过所述晶体管(10)的漏极电流的测量，以及

-向所述晶体管(10)的栅电极(11)施加刷新信号，所述刷新信号用于抵消在所述测量信号期间对所述晶体管(10)施加的影响，

-用于测量所述漏极电流的电流检测器(45)，

-用于对所述信号中的至少一个进行调整以使所述漏极电流稳定的补偿电路(46)，以及

-用于基于所述调整确定所述浓度的数据处理模块(47)。

10.一种用于测量样品混合物的浓度的系统(90)，所述系统(90)包括：

-用于接收所述样品混合物的输入(91)，

-具有用于与所述样品混合物的第一部分相互作用的第一检测器(96)的第一区段，其中所述第一检测器(96)为根据权利要求9所述的检测器，

-具有下述部件的第二区段：

-用于将所述样品从所述样品混合物的第二部分中滤出以获得经过滤的样品混合物的过滤器(94)，

-用于与所述经过滤的样品混合物相互作用的第二检测器(95)，其中所述第二检测器(95)也为根据权利要求9所述的检测器，以及

-用于进行下述操作的输出(97)：

-在对所述第一检测器(96)的所述至少一个信号的调整和对所述第二检测器(95)的所述至少一个信号的调整之间进行比较，以及

-基于所述比较确定并提供所述浓度。

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