CN102066927B - 用于就地医疗应用的手持式气体分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种气体分析系统、以及使用该气体分析系统的方法及其相关应用。气体分析装置包括基板、预浓缩器、气相层析仪、检测器阵列、控制器及读出电路。其中预浓缩器具有入口及出口且安装于基板上；气相层析仪具有入口及出口且安装于基板上；检测器阵列，具有入口及出口且安装于基板上，检测器阵列的入口流体地连接于气相层析仪的出口；控制器，耦接于气相层析仪及检测器阵列，以使控制器可与气相层析仪及检测器阵列进行通信；以及读出电路，耦接于检测器阵列及控制器，以使读出电路可与检测器阵列及控制器进行通信。

Description

用于就地医疗应用的手持式气体分析系统
要求优先权
本申请基于专利合作条约(PCT)第8款要求2008年6月17日提交的美国专利申请序列号No.12/140,822的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及一种气体分析系统，尤其而非排他性地涉及一种可用于就地(point-of-care)医疗应用的手持式气体分析系统。
背景技术
气体分析技术除了是一种可用于检测气体中特定化合物存在或浓度的重要方法之外，亦可用来确定特定化合物组成的存在。以疾病的治疗与管理方面为例，人类在呼气时所吐出的某些特定挥发性有机化合物(Volatileorganic compounds,VOC)则与某些特定疾病有关，例如肺炎、肺结核(TB)、气喘、肺癌、肝脏疾病及肾脏疾病等。其中又以肺部疾病最为相关。在其他应用中，气体分析技术可用于检测某些对人体有害的气体，例如坑道中的甲烷、一氧化碳或二氧化碳等。
然而，目前的气体分析系统，例如气相层析仪(GC)及质谱仪(MS)大部份(特别是质谱仪)具有操作上及本身仪器发展上的限制，遂无法显着地缩小其尺寸，使得现有的气体分析系统多为昂贵且为庞大笨重的固定式桌上型仪器。再者，由于这些仪器具有上述所述的昂贵且庞大笨重等缺点，使得气体分析系统无法广泛地被使用。
发明内容
现今的气体分析系统具有体积庞大、笨重与昂贵的缺点，且多为固定式的桌上型仪器，使得气体分析系统无法广泛地被使用。
因此，本发明的一个目的是提供一种气体分析装置，以时域分离并判定各个化合物的存在及其浓度。
本发明的另一目的是提供一种气体分析系统，该气体分析系统利用气体分析装置进行气体分析，并经由气体分析装置的通信接口将气体分析后的分析结果进行传输。
本发明的另一目的是提供一种气体分析方法，利用气相层析仪自流体中时域分离数个化合物，并判定各个化合物的存在及其浓度。
本发明为解决公知技术的问题所采用的技术手段为一种气体分析装置，该气体分析装置包括基板；气相层析仪，具有入口以及出口，且该气相层析仪安装于所述基板上；检测器阵列，具有入口以及出口，且该检测器阵列安装于所述基板上，其中该检测器阵列的入口流体地耦合于该气相层析仪的出口；控制器，耦接于所述气相层析仪及所述检测器阵列，且该控制器可与所述气相层析仪及所述检测器阵列进行通信；以及读出电路，耦接于所述检测器阵列及所述控制器，其中所述控制器可与所述检测器阵列及所述控制器进行通信。
一种气体分析系统，主要利用上述的气体分析装置，该气体分析装置除了包括前述的所有相同组成元件外，更包括有耦接于读出电路的通信接口，可利用该通信接口进行数据传输。
一种气体分析方法，包括利用气相层析仪自流体中时域分离数个化合物；利用检测器阵列中的检测器来检测该数个经时域分离的化合物；以及对该检测器阵列中的各检测器所送出的信号进行信号处理，以判定该各个化合物的存在及其浓度。
经由本发明所采用的技术，可利用此气体分析系统应用于医疗诊断、检查及管理各种不同疾病，例如气喘、肺癌、肺脏疾病，及其他非肺脏疾病，例如肾脏疾病及肝脏疾病等。此外，此发明还包括对气喘患者的监测与管理，并进行药物用量的调整修正的治疗；还可简化结核病的检测流程并缩短检测的时间、达到快速诊断的效果；再者，并能借助本发明诊断出早期的肺癌，及时进行治疗；并能筛选及区分相同症状的肺部疾病分类。
本发明所采用的具体实施方式，将藉由以下的实施方式及附图作进一步的说明。
附图说明
本发明的实施方式将结合以下附图进行说明，除非另有指定，各图中的标号用于对应于各图中所指定的元件。
图1A为气体分析装置的一种实施方式的侧视图；
图1B为图1A所示的气体分析装置的实施方式的平面图；
图2为MEMS预浓缩器的一种实施方式的剖视图，其可应用于图1A、图1B中的气体分析装置；
图3A为MEMS气相层析仪的一种实施方式的平面图，器可应用于图1A、图1B中的气体分析装置；
图3B为沿着图3A中的MEMS气相层析仪的B-B断面的剖视图；
图4A为检测器阵列的一种实施方式的平面图，器可应用于图1A、图1B中的气体分析装置；
图4B为沿着图4A中检测器阵列的B-B断面的剖视图；
图5显示了气体分析装置的另一实施方式，以及使用该气体分析装置的系统的示意图；
图6显示了气体分析装置的另一实施方式，以及使用该气体分析装置的系统的示意图；
图7为气体分析装置的另一实施方式的平面图；
图8为气体分析装置的另一实施方式的平面图；
图9为气体分析装置的另一实施方式的平面图。
具体实施方式
在此公开一种可应用于就地(Point-of-Care)医疗应用的气体分析设备、方法及系统的实施方式。在下列叙述中，将公开本发明的细节，以明了如何达成发明的技术手段。然而，该技术的实践并不需要一或多种明确的细节，只要有其他方法、元件及材料等即可实现本发明。另一方面，众所周知的结构、材料或操作方式并未详细揭露，但仍包含在本发明的范围中。
本说明书中引用的“一种实施方式”、“实施方式”指结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，出现在说明书中“在一个实施方式中”或“在实施方式中”，并不需要完全参照相同的实施方式。更进一步，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式组合在一个或多个实施方式中。
图1A及图1B一起显示了小尺寸(例如手持式)的气体分析装置100的实施方式。气体分析装置100包括基板102，在该基板102上安装有流体控制组件101。控制器126，耦合到流体控制组件101中的各个组成单元。读出分析电路128耦接于检测器阵列110及控制器126。本实施方式的附图显示出在基板102上元件排列的其中一种可能方式，但在其它实施方式中，基板102上的元件亦可以其它方式进行排列。
基板102可以是任何种类的基板，只要能够提供所需要的实质上的支撑及气体分析系统100的各元件间的连接即可。在一实施方式中，基板102可以是一种可在表面提供各种单层导线电路布线的印刷电路板(PCB)，但在其它实施方式中亦可是一种可在内部提供各种多层导线电路布线的印刷电路板。例如，在其它实施方式中，气体分析系统100以单片电路系统的方式建置于单晶片上，基板102可以是由硅制成的晶片(chip)、晶圆(wafer)或其他的半导体。在其它实施方式中，基板102可以是晶片或晶圆，可在其上形成光波导(optical wave guid)，以在气体分析系统100的各元件间进行光通信。
流体控制组件101包括过滤器与控制阀门元件104、预浓缩器106、气相层析仪108、检测器阵列110以及泵浦112。组成元件104-112经由流体连接(fluidly coupled)串联成一序列：过滤器与控制阀门元件104经由通道116流体地连接于预浓缩器106，预浓缩器106经由通道118流体地连接于气相层析仪108，而气相层析仪108经由通道120流体地连接于检测器阵列110，而检测器阵列110经由通道122流体地连接于泵浦112。如下进一步的叙述，在一实施方式中的气体分析系统100中，其组成元件104-112可以是微机电(MEMS)元件或以微机电原理所制作的元件，换句话说，即部分元件可为微机电元件而其他部分元件亦可以不是微机电元件。在其它实施方式中，气体分析装置100中的组成元件104-112可以部分或全部都不是微机电元件或以微机电原理制作的元件，但也可取代部分非微机电晶片级的装置。
如图中的箭头所指，在组成元件104-112间的通道可使流体(例如一种或多种气体)经由入口114进入过滤器与控制阀门元件104，通过组成元件104-112间，最终由泵浦112经过出口124排出。流体控制组件101包括罩体113，用以保护组成元件104-112。在本实施方式中，罩体113所形成的通道可提供各组件之间的流体连接。但在其它实施方式中，各组件之间的流体连接可藉由其它方式，例如利用管路来连接。而在其它实施方式中，罩体113亦可被省略。
过滤器与控制阀门元件104包括入口114及连接至通道116的出口，以使流体从过滤阀门元件104流出后可进入预浓缩器106。过滤器与控制阀门元件104包括有过滤器，该过滤器可将流进入口114流体中的微粒子及水分除去。在本实施方式中的气体分析装置100中，组成元件104-112其中的一个或多个元件为微机电元件，在预浓缩器的微机电元件部分意指，流体流进入口114后将被过滤以除去微粒子及水分，使微粒子及水分不会进入微机电系统装置并造成损害。在非微机电元件的气体分析装置100或流进入口114的流体中不含微粒子的实施方式中，由于微粒子已在外部预先过滤，故过滤器与控制阀门元件104所包括的过滤器部分则可被省略。
过滤器与控制阀门元件104亦包括有控制阀门，当由入口114进入流体控制组件101的流体量充足时，便可停止流体继续进入。停止流体由入口114继续进入可防止在气体分析系统100的后续操作时，由预浓缩器106流出的流体被稀释(参阅下列操作说明)。在其它实施方式中，过滤器与控制阀门元件104可同时包括除湿器，以除去由入口114进入的流体所产生的水蒸气，因此可改善气体分析系统100的准确率及敏感度。
预浓缩器106包括连接于通道116的入口以及连接于通道118的出口。预浓缩器106经由通道116接收由过滤器与控制阀门元件104输出的流体，并将流体经由通道118输出至气相层析仪108。当流体流经预浓缩器106时，预浓缩器106可由通过的流体中吸收特定化合物，并浓缩该些化合物以进行后续的分离及侦测。在一实施方式中，气体分析装置100的预浓缩器106可以是微机电预浓缩器，但在某些实施方式中，预浓缩器106也可以是非微机电晶片级装置。应用微机电预浓缩器的实施方式的进一步细节叙述如下并可参阅如图2所示。
气相层析仪108包括连接于通道118的入口以及连接于通道120的出口。气相层析仪108经由通道118接收由预浓缩器106输出的流体，并将流体经由通道120输出至检测器阵列110。当流体接收自预浓缩器106并流经气相层析仪108时，由预浓缩器106接收的流体中的各化合物可经由气相层析仪108在时域(time domain)中进行分离，并输出至检测器阵列110。在一实施方式中，气体分析装置100的气相层析仪108可以是微机电气相层析仪，但在某些实施方式中，气相层析仪108也可以是非微机电晶圆级装置。应用微机电气相层析仪的实施方式叙述如下并可参阅如图3A-图3B所示。
检测器阵列110包括连接于通道120的入口以及连接于通道122的出口。检测器阵列110经由通道120接收由气相层析仪108输出的流体，并将流体经由通道122输出至泵浦112。当流体流经检测器阵列110时，经由气相层析仪108时域分离的化合物将进入检测器阵列110，这些化合物的存在和/或其浓度可经由检测器阵列110的传感器进行感测。在一实施方式中，气体分析装置100的检测器阵列110可以是微机电检测器阵列，但在某些实施方式中，检测器阵列110也可以是非微机电晶片级装置。应用微机电检测器阵列110的实施方式叙述如下并可参阅如图3A-图3B所示。
泵浦112包括连接于通道122的入口以及连接于通道的出口124，可使泵浦112接收自检测器阵列110经由通道122输出的流体，并经由出口124排出至大气中。泵浦112可以是符合气体分析系统100尺寸大小及型式需求的任何一种泵浦，可提供需要的流速及流速控制，并具有良好的可靠性(例如良好的平均故障间隔(mean time between failures,MTBF))。在一实施方式中，气体分析系统100的泵浦112可以是微机电或非微机电型泵浦，但在某些实施方式中，泵浦112也可以是其他种类的泵浦。可应用的种类例如有：小型轴泵(例如风扇)、活塞泵及电渗泵。
控制器126分别耦接于流体控制组件101的各个元件，以送出控制信号和/或自各个元件接收其回馈信号。在一实施方式中，控制器126可以是一种专用集成电路(Application-Specific Integrated Circuit，ASIC)，被设计用以执行专用功能，例如为一种CMOS控制器，包括信号处理、挥发性和/或非挥发性储存、存储器和通讯电路，同时包括关联逻辑以控制流体控制组件101的各个元件。在其他实施方式中，控制器126可替代地为通用微处理器，以利用软体执行控制功能。在图示的实施方式中，控制器126利用基板102表面或内部的电路布线130来电耦接于流体控制组件101的各个元件，但在其他实施方式中，控制器126与各元件间亦可用其它方式耦合，例如光学耦合。
读出分析电路128耦接于检测器阵列110的输出端，以接收自检测器阵列110的各传感器输出的数据信号，并处理和分析这些数据信号。在一实施方式中，读出分析电路128可以是一种专用集成电路(ASIC)，被设计用以执行专用功能，例如为一种CMOS控制器，包括信号处理、挥发性和/或非挥发性储存、存储器和通讯电路，同时包括可控制外部各种电路和通信的相关逻辑。在其他实施方式中，读出分析电路128可替代地为通用微处理器，以利用软体执行控制功能。在某些实施方式中，读出分析电路128可同时包括信号调节及处理元件，例如放大器、滤波器、模数转换器等，同时用于对接收自检测器阵列110的数据信号进行预处理，以及对接收自读出分析电路128的数据进行后处理。
在图示的实施方式中，读出分析电路128利用基板102表面或内部的电路布线132来电耦接于检测器阵列110的各个元件，但在其他实施方式中，读出分析电路128与各元件间亦可用其它方式耦合，例如光学耦合。读出分析电路128耦接于控制器126，并可送出信号至控制器126，或接收控制器126的信号，以使气体分析系统100的操作达到协调或最佳化。虽然图示读出分析电路128与控制器126为独立的元件，但在其他实施方式中读出分析电路128与控制器126可整合在单一元件中。
在气体分析系统100的操作方面，首先开启系统，将任何必要的逻辑(例如软件指令)载入控制器126和读出分析电路128以完成初始化。在初始化后，过滤器与控制阀门元件104的阀门打开，且设定泵浦112允许流体经过流体控制组件101。流体经由入口114被以特定流速和/或特定的时间输入至流体控制组件101；所需时间通常由预浓缩器106可产生足够浓度的化合物以判断化合物的存在及浓度所确定。当流体经由入口114输入至系统中，将经由过滤器与控制阀门元件104过滤，并通过各通道流经流体控制组件101的各组成元件104-112。在通过各组成元件104-112后，流体经由出口124排出流体控制组件101外。
在所需要量的流体经由入口114输入后，过滤器与控制阀门元件104的阀门便关闭，以防止多于流体进入。阀门关闭后，预浓缩器106的加热器便启动使预浓缩器106加热。产生的热会将预浓缩器106吸收和浓缩的化合物释出。当化合物自预浓缩器106释出后，泵浦112便启动并驱使释出的化合物通过气相层析仪108和检测器阵列110，并将化合物由出口124排出。且泵浦112的启动也可防止流体回流至流体控制组件101。
当化合物自预浓缩器106释出，并经由泵浦112吸入至气相层析仪108，气相层析仪108将各不同的化合物成分进行时域分离，也就是不同的化合物成分将在不同时间点由气相层析仪108输出。由于不同的化合物成分在不同时间点由气相层析仪108输出，各化合物进入微机电检测器阵列110，检测器阵列110中的传感器将检测出各化合物的存在和/或浓度。气相层析仪108所进行的时域分离主要可增强微机电检测器阵列110的正确性及敏感度，由于可防止各化合物在同一时间进入阵列中的传感器，因此可避免各化合物间的交叉污染及可能的干扰。
当微机电检测器阵列110的各传感器与各时域分离的化合物作用时，检测器阵列110感测到其交互作用并输出信号至读出分析电路128，以利用该信号判别该化合物的存在和/或其浓度。当读出分析电路128侦测到欲分析的所有化合物的存在和/或浓度，可利用各种不同的分析技术，例如关联性及比对，以从特定组合的化合物存在及其浓度中得到某些分析意义。
图2显示了微机电预浓缩器200的实施方式，可以作为气体分析系统100的预浓缩器106。微机电预浓缩器200包括基板202，该基板202具有安装于其上的盖板204，该盖板204密封于基板202的周边以形成内部空间206。基板202的一侧形成有入口208，而在另一侧形成有出口210，以及具有吸附剂的凹孔212a-212g。在一实施方式中，基板202为硅基板，但在其他实施方式中，基板202可为其他材料所制成。加热器216形成于基板202相对于盖板204安装处的一侧。
在一实施方式中，基板202由硅制成，其入口208、出口210以及凹孔212a-212g可利用标准的光可成形及蚀刻所形成。虽然图示的实施方式显示有七个凹孔212a-212g，但凹孔的数目仍须视实际所需吸附和浓缩的不同化合物数目以及使用的吸附剂而定。在一实施方式中，各吸附剂只能各别吸收一种化合物，凹孔212a-212g的数目可正确对应于所要吸收和浓缩的不同化合物数目。但在其他实施方式中，吸附剂只能吸收一种化合物时，利用大量的凹孔可增加吸收面积。在其他实施方式中，吸附剂可吸收超过一种化合物，则可使用较少数目的凹孔。
各凹孔212a-212g中具有对应的吸附剂214，凹孔212a具有吸附剂214a、凹孔212b具有吸附剂214b，依此类推。虽然图中所示为粒状吸附剂，但在其他实施方式中，吸附剂214可以是涂布于凹孔212a-212g的壁面或是部分或完全填满于凹孔212a-212g的连续材质。在其他实施方式中，可包括组合有粒状、壁面涂布或完全填满的连续材质。吸附剂可对一或多种不同的化合物具有化学亲和力，意思是视所要吸附和浓缩的不同化合物而使用正确的吸附剂。可使用的吸附剂例如有Cabopack B,Cabopack X等。
在操作气体分析系统100的微机电预浓缩器200时，流体经过过滤器与控制阀门元件104后由入口208进入，经过凹孔212a的吸附剂214a，再进入内部空间206。盖板204可帮助内部空间206的流体进入不同的凹孔212b-212g并经过吸附剂214b-214g，直到不含化合物的流体由出口210离开预浓缩器。一旦足够的流体流过预浓缩器，过滤器与控制阀门元件104的阀门将关闭以防止流体再进入入口208。接着加热器216便启动以加热吸附剂214a-214f，使吸附的化合物经由除气作用而释出。同步地启动加热器216，或在短时间后，使泵浦112启动后，从而使释出的化合物经由出口210进入气相层析仪108。
图3A-图3B显示微机电气相层析仪300的实施方式，以作为气体分析系统100的气相层析仪108。微机电气相层析仪300包括基板302，其中一侧具有入口306，在另一侧具有出口308，具有静相的管柱310布设于其壁面上。盖板304安装于基板302上以密封管柱310。在一实施方式中，基板302为硅基板，但在其他实施方式中，基板302亦可由其他材质制成。在一实施方式中，基板302由硅制成，其入口306、出口308以及管柱310可利用光刻成形及蚀刻所形成，例如深反应离子刻蚀技术(deep reactive ionetching,DRIE)。加热器314形成于基板302相对于盖板304安装处的一侧。
管柱310提供由入口306至出口308的连续流体路径，且在管柱310的部分或全部壁面有静相层涂布，以与正被分离的化合物进行交互作用。化合物能够多完全地或多快速地从流体中被分离，需视涂布静相层、管柱310的总路径长度及温度而定。对已知的涂布静相层来说，管柱越长可得到越好的分离效果，但较长的管柱也会使分离所需时间增加。就已知的应用来说，所需的路径长度由涂布静相层、管柱长度及温度而定。在图中的实施方式显示，管柱310为环绕状，其管柱路径长度将视环绕数目而定。在其他实施方式中，管柱310可以为其他不同形状。
在操作气体分析系统100的微机电气相层析仪300时，流经预浓缩器106的流体由入口306进入并通过管柱310。当流体通过管柱310时，流体中不同的化合物将与涂布静相层312以不同速率发生反应，故不同的化合物将在管柱中被分离，与静相层312发生较强烈反应的化合物将先被分离出来，而与静相层312发生较弱反应的化合物将较慢被分离出来。换言之，与静相层312发生较强烈反应的化合物将停留在静相层312较长的时间，而与静相层312发生较弱反应的化合物将停留在静相层312较短的时间。在某些实施方式中的微机电气相层析仪300，其时域分离可依据其分子量而发生(例如较小分子量的化合物将先从微机电气相层析仪300被分离出来，而较大分子量的化合物则将较晚被分离出来)，但在其他实施方式中可因其他化学特性或其他分离机制而定。当化合物被时域分离时，泵浦112将化合物由微机电气相层析仪300透过出口308吸出。一般而言，化合物将以与分离先后的相反顺序由出口308排出，也就是说，留滞时间较短的化合物将先排出，留滞时间较长的化合物将较慢排出。化合物由出口308排出后，将进入检测器阵列110。
图4A-图4B显示检测器阵列400的实施方式，以作为气体分析系统100的检测器阵列110。检测器阵列400包括基板402，基板402上形成有传感器S1-S9。在实施方式中，传感器S1-S9形成3x3规则形状的传感器阵列，但在其他实施方式中，传感器阵列的传感器数目可以大于或小于此数目，并且所述传感器以任意规则或不规则的样式安排。
盖板404安装于基板402的周边，以在其内部形成可设置传感器S1-S9的内部空间410。盖板404同时包括入口406以供流体由气相层析仪108进入内部空间410，以及包括出口408以供流体输出至泵浦112。加热器412形成于基板402相对于盖板404安装处的一侧，以控制检测器阵列400的温度，因此各传感器位于检测器阵列400的内部。虽然未显示于图中，但检测器阵列400的传感器S1-S9必然具有可输出信号的输出端以进行后续的信号处理。
各传感器S1-S9的表面具有涂层。各使用的涂层对于一或多种欲检测的特定化合物具有亲和力，以使该涂层可吸附该特定化合物或与其产生化学反应。涂层与化合物间的反应依序改变了传感器的物理性质例如共振频率、电容或电阻，这些改变的物理性质可利用换能器(transducer)或其他量测装置检出。各传感器S1-S9使用的涂层将视传感器阵列110所检测的化合物而定。各涂层的化学亲和力亦会随着温度而大幅改变，因此操作时的温度范围也应在选择涂层时一并考虑。在一实施方式中，传感器阵列110用于检测人类呼吸所产生的挥发性有机化合物，例如苯、甲苯、n-辛烷、乙苯、m,p-二甲苯、α-蒎烯、d-苎烯、壬醛、苯甲醛、2-甲基己烷以及4-乙基辛烷等，这些涂层可做为不同应用，例如2,2-间三氟甲基-4,5-二氟-1,3-二氧杂环、四氟乙烯(TFE)、二氯化铂(烯烃)、C8-MPN的非结晶共聚物等。
虽然图中的实施方式具有9个传感器，但传感器的数目依据所欲检测的化合物以及传感器所使用的涂层特性而定。在一实施方式中，各涂层所吸附或产生化学反应的化合物仅有一种，故传感器数目恰对应于所欲检测的化合物种类数目，但在其他实施方式中，也可利用一种可与多种化合物产生反应的涂层，以避免过多的传感器造成累赘。然而，在多数情况下，化合物与涂层并没有一个一对一对应的关系。也就是说，无论在特性上或反应强度上，一涂层可对应多种化合物。因为检测器阵列可对不同气体产生不同的图示型态反应，因此具有不同涂层的传感器的检测器阵列较为有用。
在一实施方式中，传感器阵列400的传感器S1-S9为微机电传感器，并配置于基板402的表面，亦即表面型微机械传感器(surface micromachinedsensors)。然而，在其他使用微机电传感器的实施方式中，传感器S1-S9可以是大型微机械传感器(bulk-micromachined sensors)，也就是至少部分的微机电传感器形成于基板402的内部而非形成于表面。而在其他使用微机电传感器的实施方式中，传感器阵列110可同时包括表面型微机械传感器和大型微机械传感器的组合。不同类型的微机电传感器的使用，主要依据所需敏感度而定。微机电传感器的种类可包括阻抗型化学检测器、体声波(BAW)传感器等。在其他实施方式中，一个以上的传感器S1-S9可以是非微机电传感器，包括利用石英或砷化镓(GaAs)作为基质的表面声波(SAW)传感器。
在操作气体分析系统100的微机电检测器阵列400时，流体自气相层析仪108经过入口406进入并通过内部空间410。流体在进入内部空间410时，同时携带经时域分离的化合物。当各化合物进入内部空间410后，便与一个或多个传感器反应，各传感器具有可与化合物反应的亲和力的涂层。而化合物与各传感器产生的反应将可被感测并量测，以判别特定化合物的存在及其浓度。当更多流体流进内部空间410时，第一个进入的化合物将被推出内部空间410经由出口408排出，且带有下一个时域分离的化合物的流体进入内部空间410，与检测器阵列产生反应并量测。此过程将持续到所有经时域分离的化合物都从气相层析仪108流经检测器阵列110为止。在某些实施方式中，涂层对于化合物的亲和力并不强，检测器阵列110可被再使用。在所有时域分离的化合物都进行检测后，加热器412则启动以加热各传感器并使涂层释出反应的化合物，使此反应为可逆性的。在某些实施方式中，涂层与化合物的反应是较强烈的，故加热传感器阵列有助于释出涂层中被部分吸收的化合物。
图5的实施方式显示一种利用微机电元件的气体分析系统500。气体分析系统502在许多方面类似于气体分析系统100，其主要差异在于气体分析系统502具有无线收发器504以及安装于基板102上的天线506。无线收发器504可接收(Rx)及发射(Tx)数据信号，并耦接于读出分析电路128和天线506。
在一实施方式中的系统500，其无线收发器504可用于无线发射读出分析电路128的原始数据至路径器(Router)508和电脑510。当送出至路径器508时，这些数据可经由路径器508再转送至另一标的装置进行分析。举例来说，当气体分析系统502应用于健康相关化学分析时，传送到路径器508的数据可再转送至一个或多个医生的办公室、医院、保健单位或其他地方进行分析及解读。在分析完成后，或数据有问题时，医生办公室、医院、保健单位可经由路径器508、天线506和无线收发器504传送指示至气体分析系统502，以修正或改进数据，或指示测试必须再次进行。
同样与健康照顾有关的例子中，就相同或另一实施方式的系统500而言，无线收发器504可用于传送原始数据至电脑510。如同路径器一样，电脑510可将数据转送给医生、医院等，或可以利用安装其中的软件分析这些数据以提供分析后的结果，例如一种或多种可能的医疗诊断，及提供分析后的结果给气体分析系统502的使用者。当提供分析后的结果及医疗诊断时，电脑510可将诊断结果单独，或是连同分析结果及原始数据一并提供给医生、医院等。如同路径器一样，医生办公室、医院或保健单位可通过电脑510、天线506及无线收发器504传送指示至气体分析系统502，以修正或改进数据，或指示测试必须再次进行等。
同样地与健康照顾有关的例子中，就另一实施方式的系统500而言，经由读出分析电路128，原始数据可进行处理，得到分析后的可能诊断。经由读出分析电路128得到的可能诊断结果，可被传送至电脑510供使用者检视和/或转送，或可立即将诊断结果单独或是连同原始数据一起传送给医生的办公室等。
图6显示应用微机电元件的气体分析装置602的系统600的另一实施方式。气体分析装置602在许多方面相似于气体分析系统502。其主要差异在于无线收发器504及天线506被替换为耦接于读出分析电路128的硬件数据接口604。在一实施方式中，硬件数据接口604可以是网络接口卡，但在其他实施方式中，硬件数据接口604可以是以太网卡、有线插头等。外部装置可通过传统连接方式例如传输线，连接于气体分析装置602。虽然有不同的通信接口，但气体分析装置602及系统600与气体分析系统502及系统500有完全相同的功能。如同系统500，系统600的应用微机电元件的气体分析装置602可传送或接收数据至电脑608和无线装置606(例如手机或个人数字助理(PDA))中的一者或两者。当传送数据至无线装置606时，这些数据可被转送至医生办公室、医院、保健单位，且接收数据者可依序通过无线装置传送数据或指示至气体分析装置602。如同系统500，当数据被传送至电脑608时，亦可经由电脑转送或进行分析，且将结果显示和/或转送给使用者，而可将指示通过电脑608传送至气体分析装置602。相似地，气体分析装置602的数据可通过读出分析电路128进行分析。在读出分析电路128进行分析后，所得分析结果(例如一个或多个诊断结果)和/或原始数据通过硬件数据接口604转送。
图7显示另一应用微机电元件的气体分析装置700的实施方式。气体分析装置700在许多方面相似于气体分析系统100。其主要差异在于气体分析装置700具有设置于电路板上的显示器702，以将读出分析电路128所得分析结果予以显示来供使用者参考。
在图示的实施方式中，使用的是一种设置文字的显示器702，例如利用LCD屏幕显示文字信息供使用者参考。举例来说，在健康照护有关的例子中，可利用显示器702显示出患者的情形。显示器702可显示阳性或阴性的诊断结果，也可显示出诊断结果的可能性大小，或显示出检测器阵列所得的原始数据。在另一健康照护有关的例子中，也可使用简单的显示器，例如以三个灯号的开启分别显示阳性、阴性或未确定的诊断结果。
图8显示应用微机电元件的气体分析装置800的另一实施方式。气体分析装置800在许多方面相似于气体分析系统100。其主要差异在于气体分析装置800的流体控制组件101的一个或多个元件为可替换的。在图示的实施方式中，各元件可利用安装于基板102的插接座进行替换，过滤器与控制阀门元件104通过插接座804安装于基板102上，预浓缩器106通过插接座806安装于基板102上，气相层析仪108通过插接座808安装于基板102上，检测器阵列110通过插接座810安装于基板102上，以及泵浦112通过插接座812安装于基板102上。在一实施方式中，插接座804-812为可让使用者方便置换的不费力式(Zero insertion force,ZIF)的插接座，但在其他实施方式中亦可使用其他种类的插接座。虽然在图示的实施方式中显示流体控制组件101的所有元件都是可替换的，但在其他实施方式中只有部分元件，例如泵浦112及检测器阵列110是可替换的。
图9显示应用微机电元件的气体分析装置900的另一实施方式。气体分析装置900在许多方面相似于气体分析系统100。其主要差异在于气体分析装置900包括可提供外部预浓缩器902(即一种非安装于基板102上的预浓缩器)。如实施方式所示，位在预浓缩器106及气相层析仪108之间的控制阀门904，可使得外部预浓缩器902附加于控制阀门上。利用控制阀门904可使得使用者可单独使用外部预浓缩器902或同时使用外部预浓缩器902及设置于基板上的预浓缩器106。在一实施方式中，外部预浓缩器902为呼吸采样袋，但在其他实施方式中亦可为其他不同的物件。在气体分析装置900的另一实施方式中(图未示)，预浓缩器106可永久移除并替换为外部预浓缩器902。在另一实施方式中，以外部预浓缩器902取代预浓缩器106，而非在预浓缩器106及气相层析仪108之间嵌入控制阀门。此外，外部预浓缩器902亦可以安装在过滤器与控制阀门元件104的上游位置。
气体分析装置的应用
人类呼吸分析的预临床研究发现，人类在呼吸时吐出的特定挥发性有机化合物(VOCs)与特定疾病具有关联性，例如肺炎、肺结核(TB)、气喘、肺癌、肝脏疾病及肾脏疾病等。其中又以肺脏疾病最为相关。现今的气体分析系统主要仍依赖庞大且花费昂贵的实验室仪器，例如气相层析仪(GC)及质谱仪(MS)。大多数的仪器(特别是质谱仪)由于无法缩小其尺寸，使得这些疾病诊断的设备无法广泛地被使用。
如前所述的应用微机电的气体分析传感器的实施方式，则为此问题提供了一个解决方案，特别是有利地可进一步用来作为各种不同疾病的诊断及监测，例如气喘、肺癌、肺脏疾病，及其他非肺脏疾病例如肾脏疾病及肝脏疾病等。
气喘
气喘为一种慢性疾病，因此定时监测患者康复进展对于医生追踪患者情形具有相当大的帮助。因此，一种手持式诊断的创新想法或技术，使得在家或任何地方皆可随时进行呼吸的分析。在现今诊断上，英国胸腔协会(BritishThoracic Society)所进行的基本量测包括有肺部的最高流速(Peak Flow Rate)等其他诊断项目，但最高流速是一种物理量检测。呼吸分析则可提供藉由量测患者呼气吐出的有机化合物(VOCs)，找出支气管收缩的专一性根本原因。应用微机电元件的气体分析系统可用于监测服用药物后的功效。再者，藉由这种家用装置进行主动性的监测，可针对个别病人的药物治疗进行量身定做。
结核病
现今世界上有三分的一的人曾受到结核杆菌的感染。而75％的案例为肺部性结核病。在发展中国家的感染率比发达国家更高。因此，对于发展中国家来说，亟待开发一种经济上较可负担得起的诊断装置。本发明应用微机电元件的气体分析系统的实施方式将可提供一种花费成本较低的解决方案。结核病是由结核杆菌所引起的。而现今的诊断方式由于需培养生长缓慢的结核杆菌大约需6周，故不但费时且难度较高。所以为了得到更正确的评估，一个完整的医疗评估须包括胸部X光检验、结核病放射线读片、结核病表皮测试、微生物涂片及培养。因此，可快速诊断的方法是相当具有价值的，且此种呼吸分析诊断的方式是可达到上述的需求。
肺癌
经由早期检测及治疗，肺癌的5年存活率可大幅改善。现今的诊断方法，例如胸部X光检验及电脑断层扫描(CT)，都不易检查出早期肺癌。而本发明的应用微机电元件的气体分析系统所进行的呼吸分析则可诊断出早期肺癌。
相同症状的肺部疾病的分类
藉由吐出挥发性的有机化合物(VOC)进行呼吸的分析为一种可鉴定出具有相似症状的肺部相关疾病的可行方法。举例来说，本发明应用微机电元件的气体分析系统的实施方式可提供检测数据给医生，以分辨出患者究竟罹患感冒、肺癌或是肺炎。由于具有不需进行繁杂诊断检验的简单性，呼吸分析可作为第一筛选检测的方案。
本发明前述的实施方式，包括摘要中所叙述的内容，并非意图限定本发明所公开的范围。本领域技术人员可轻易地据此做出多种改变或修饰，但这些改变将不脱离本发明范围所界定的范畴。
下列专利范围中所使用的名称并非用以限定本发明的说明书及权利要求所揭露的实施方式。本发明所要求保护的范围，由下列权利要求的教示所决定。

Claims (26)

1.一种装置，该装置包括：
基板，包括安装在其上的一个或多个插接座；
流体控制组件，包括耦合在所述基板上的数个流体控制元件，其中所述流体控制元件中的至少一者经由所述一个或多个插接座可替换地安装于所述基板，所述数个流体控制元件包括：
气相层析仪，该气相层析仪具有流体入口和流体出口，且该气相层析仪安装于所述基板上；以及
检测器阵列，该检测器阵列具有流体入口和流体出口，且该检测器阵列安装于所述基板上，其中该检测器阵列的流体入口流体地耦合到所述气相层析仪的流体出口；
罩体，覆盖所述数个流体控制元件中的每一个流体控制元件；
控制器，该控制器耦合于所述气相层析仪及所述检测器阵列，其中所述控制器能与所述气相层析仪及所述检测器阵列进行通信；以及
读出分析电路，该读出分析电路耦合于所述检测器阵列及所述控制器，其中所述读出分析电路能与所述检测器阵列及所述控制器进行通信。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述数个流体控制元件还包括预浓缩器，该预浓缩器具有流体入口及流体出口，其中该预浓缩器安装于所述基板上且耦合于所述控制器，且其中该预浓缩器的流体出口耦合于所述气相层析仪的流体入口。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述数个流体控制元件还包括过滤器与控制阀门元件，该过滤器与控制阀门元件具有流体入口及流体出口，其中该过滤器与控制阀门元件安装于所述基板上且耦合于所述控制器上，且其中该过滤器与控制阀门元件的流体出口耦合于所述预浓缩器的流体入口。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述数个流体控制元件还包括泵浦，该泵浦具有流体入口及流体出口，其中该泵浦安装于所述基板上且耦合于所述控制器上，且其中该泵浦的流体入口耦合于所述检测器阵列的流体出口。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述罩体覆盖所述过滤器与控制阀门元件、所述预浓缩器、所述气相层析仪、所述检测器阵列以及所述泵浦。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述罩体提供在所述过滤器与控制阀门元件、所述预浓缩器、所述气相层析仪、所述检测器阵列以及所述泵浦之间的流体连接。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述读出分析电路包括分析电路及关联逻辑，用于分析接收自所述检测器阵列的输出信号。
8.根据权利要求7所述的装置，该装置还包括耦合于所述分析电路的输出端的指示器，以将分析结果指示给使用者。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述基板为印刷电路板。
10.一种系统，该系统包括：
气体分析装置，包括：
基板，包括安装在其上的一个或多个插接座；
流体控制组件，包括耦合在所述基板上的数个流体控制元件，其中所述流体控制元件中的至少一者经由所述一个或多个插接座可替换地安装于所述基板，所述数个流体控制元件包括：
气相层析仪，该气相层析仪具有流体入口以及流体出口，且该气相层析仪安装于所述基板上；以及
检测器阵列，该检测器阵列具有流体入口以及流体出口，且该检测器阵列安装于所述基板上，其中该检测器阵列的流体入口流体地耦合于该气相层析仪的流体出口；
罩体，覆盖所述数个流体控制元件中的每一个流体控制元件；
控制器，该控制器耦合于所述气相层析仪及所述检测器阵列，且该控制器能与所述气相层析仪及所述检测器阵列进行通信；
读出分析电路，该读出分析电路耦合于所述检测器阵列及所述控制器，其中该读出分析电路能与所述检测器阵列及所述控制器进行通信传输；以及
通信接口，该通信接口耦合于所述读出分析电路。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述数个流体控制元件还包括预浓缩器，该预浓缩器具有流体入口及流体出口，其中该预浓缩器安装于所述基板上且耦合于所述控制器，且其中该预浓缩器的流体出口耦合于所述气相层析仪的流体入口。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述数个流体控制元件还包括过滤器与控制阀门元件，该过滤器与控制阀门元件具有流体入口及流体出口，其中该过滤器与控制阀门元件安装于所述基板上且耦合于所述控制器，且其中该过滤器与控制阀门元件的流体出口耦合于所述预浓缩器的流体入口。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述数个流体控制元件还包括泵浦，该泵浦具有流体入口及流体出口，其中该泵浦安装于所述基板上且耦合于所述控制器，且其中该泵浦的流体入口耦合于所述检测器阵列的流体出口。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述通信接口包括安装于所述基板上的无线收发器，以及安装于所述基板上且耦合于所述无线收发器的天线。
15.根据权利要求14所述的系统，该系统还包括路径器及电脑中的一者或两者，以使所述气体分析装置能经由所述无线收发器及所述天线进行通信。
16.根据权利要求10所述的系统，其中所述通信接口包括硬件数据接口。
17.根据权利要求16所述的系统，该系统还包括无线装置及电脑中的一者或两者，以使所述气体分析装置能经由所述硬件数据接口进行通信。
18.根据权利要求10所述的系统，其中所述读出分析电路包括分析电路及关联逻辑，以分析接收自所述检测器阵列的输出信号。
19.根据权利要求18所述的系统，该系统还包括通信地耦合于所述气体分析装置的无线装置、路径器及电脑中的一者或多者。
20.一种方法，该方法包括：
使用手持式检测器确定数个化合物中每一个化合物的存在和浓度，所述手持式检测器包括：
基板，数个流体控制元件中的至少一者通过插接座可替换地安装在所述基板上，所述数个流体控制元件包括气相层析仪和检测器阵列，以及
罩体，覆盖所述数个流体控制元件中的每一个流体控制元件；其中确定数个化合物中每一个化合物的存在和浓度包括：
利用所述气相层析仪自流体中时域分离数个化合物；
利用所述检测器阵列中的一个或多个传感器来检测数个经时域分离的化合物中的每一者；以及
处理来自所述检测器阵列中的每个传感器的信号，以确定每个化合物的存在及其浓度。
21.根据权利要求20所述的方法，该方法还包括在进行时域分离之前在预浓缩器中对所述数个化合物进行预浓缩。
22.根据权利要求21所述的方法，该方法还包括在对化合物进行预浓缩之前对所述流体进行过滤。
23.根据权利要求20所述的方法，其中处理来自所述检测器阵列中的每个传感器的信号包括：分析所述信号以确定每个化合物的存在及其浓度。
24.根据权利要求23所述的方法，其中处理所述信号还包括分析每个化合物的存在及其浓度以得到分析意义。
25.根据权利要求23所述的方法，该方法还包括传递每个化合物的存在及其浓度。
26.根据权利要求24所述的方法，该方法还包括传递所述分析意义。
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