CN112649597A - 传感器和应用该传感器的检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种传感器，包括：超声波元件，其包括相对间隔且相互电性绝缘设置的第一电极、第二电极、设置在所述第二电极上的绝缘层，以及设置在所述第一电极和所述绝缘层之间的振膜,所述绝缘层和所述振膜围合形成一密封的空腔，且所述第一电极承载在所述振膜上，当所述第一电极和所述第二电极之间形成电势差，所述振膜振动以形成预定频率范围的超声波；以及结合体，设置于所述第一电极远离所述第二电极的表面，用于与待测物中的目标检测物结合，当所述结合体与目标检测物结合时改变所述振膜的承载重量，从而使所述超声波的频率范围发生变化。本发明还提供应用上述传感器的检测装置。所述传感器的结构简单，能够快速判断是否有目标检测物与结合体结合。

Description

传感器和应用该传感器的检测装置
技术领域
本发明属于微流体检测技术领域，涉及一种传感器以及应用该传感器的检测装置。
背景技术
现有技术中通常通过给受体或吸附剂与待测物中的目标检测物创造结合条件，通过使二者结合来判断待测物中是否含有目标检测物。但单纯地创造结合条件是无法侦测到受体或者吸附剂是否有结合目标待测物的，还需要通过其它方式去对受体或者吸附剂是否有与目标待测物发生结合进行检测。例如，当受体或者吸附剂与目标待测物结合时发生生化反应时，可检测生化反应产生的副产物；或当受体或者吸附剂与目标待测物结合时PH值发生改变时，可通过PH值的成色进行判断；或当受体或者吸附剂与目标待测物结合时待测物局部发生了质量变化时，可通过侦测待测物的质量来判断是否有目标检测物与受体或者吸附剂产生了结合，以此来判断待测物中是否含有目标检测物。
发明内容
第一方面本发明提供了一种传感器，包括：超声波元件，其包括相对间隔且相互电性绝缘设置的第一电极、第二电极、设置在所述第二电极上的绝缘层，以及设置在所述第一电极和所述绝缘层之间的振膜,所述绝缘层和所述振膜围合形成一密封的空腔，且所述第一电极承载在所述振膜上，当所述第一电极和所述第二电极之间形成电势差，所述振膜振动以形成预定频率范围的超声波；以及结合体，设置于所述第一电极远离所述第二电极的表面，用于与待测物中的目标检测物结合，当所述结合体与目标检测物结合时改变所述振膜的承载重量，从而使所述超声波的频率范围发生变化。
第二方面本发明提供了一种检测装置，用于检测待测物中的目标检测物，包括：中空导管，中空导管两端开口，且中空导管的内壁设置有第一方面提供的传感器。
第三方面本发明提供了一种DNA检测装置，包括：进液口；出液口；筛选区，与所述进液口相连通，用于使从所述进液口进入的待检测的细胞液被溶解得到预测定DNA片段；以及检测区，设置在所述筛选区与所述出液口之间且与二者相连通，所述检测区设置有第一方面提供的传感器，用于检测在所述筛选区中被溶解的细胞液中的所述预测定DNA片段。
上述传感器的结构简单，可通过振膜的振动变化改变超声波的频率，从而快速判断是否有目标检测物与结合体结合。设置有上述传感器的检测装置结构简单，使用该检测装置来检测待测物时，检测过程的操作非常便捷，明显提升了检测效率，对检测微小的待测物有积极帮助。
附图说明
图1为本发明第一实施例中的传感器的平面示意图。
图2为第一实施例中的传感器的剖面示意图。
图3为本发明第一实施例中的传感器与目标待测物结合的剖面示意图。
图4为本发明第一实施例中的传感器与目标待测物结合前后的频率-电导曲线图。
图5为本发明第二实施例提供的气体检测装置的剖面结构示意图。
图6为本发明第三实施例提供的液体检测装置的剖面结构示意图。
图7为本发明第四实施例提供的DNA检测装置的剖面结构示意图。
主要元件符号说明
Figure BDA0002228001150000031
Figure BDA0002228001150000041
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
第一实施例
请参阅图1及图2，在本发明第一实施例中，传感器100包括超声波元件120和设置在超声波元件120上的结合体110。所述超声波元件120为电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT)，其包括：相对间隔且相互电性绝缘设置的第一电极121、第二电极122和设置在第二电极122上的绝缘层125，以及设置在第一电极121和绝缘层125之间的振膜123。所述第一电极121承载在所述振膜123上，所述绝缘层125和所述振膜123围合形成一密封的空腔124。
所述传感器100工作时，给所述第一电极121和所述第二电极122施加直流电压，则所述第一电极121和所述第二电极122之间就会形成强静电场；静电场中的电场力会把所述振膜123位于第一电极121一侧的部分拉向所述空腔124；之后在直流电压的基础之上再对所述第一电极121和所述第二电极122施加交流电压，在交流电压下产生的变化的电场使得所述振膜123上下震荡，通过所述振膜123的物理震荡，所述超声波元件120就会产生预定频率范围的超声波。所述结合体110设置在所述超声波元件120的第一电极121远离振膜123的一侧。
请参阅图3，所述结合体110用于与待测物中的目标检测物130进行结合，待测物可为液体、气体以及固体。当待测物中包含所述目标检测物130时，所述目标检测物130与所述第一电极121上的结合体110的结合会导致所述振膜123承载的重量发生变化，因此将会影响所述振膜123的物理震荡幅度，进而会影响所述超声波元件120的超声波的频率范围，使超声波的频率范围发生变化。
请参阅图4，图4为根据阻抗分析仪测出的所述超声波元件120的电导随超声波的频率的变化情况，其中曲线a表示结合体110与目标检测物130结合前的所述超声波元件120的频率-电导关系，曲线b表示所述结合体110与所述目标检测物130结合后的所述超声波元件120的频率-电导关系。从曲线a和曲线b可以看出，结合体110未与待测物中的所述目标检测物130结合时和与目标待检测物130结合时，超声波元件120发出的超声波频率范围明显不同。而且，从曲线a可以看出，当所述结合体110未与待测物中的所述目标检测物130结合时，在频率为12MHz时电导有极大值。从曲线b可以看出，当所述结合体110与待测物中的所述目标检测物130结合后，超声波的频率在11.999MHz至12MHz之间(大约在11.9995MHz)时电导有极大值。即当所述结合体110与所述目标检测物130结合后，所述超声波元件120的电导出现极大值时，对应的超声波的频率不同于所述结合体110未与所述目标检测物130结合时电导极大值对应的超声波的频率。本实施例中，当所述结合体110与所述目标检测物130结合后，所述超声波元件120的电导出现极大值时对应的频率相较于所述结合体110未与所述目标检测物130结合时有所减小。因此当所述超声波元件120的频率与其电导的关系发生一定程度的变化时，则可推断所述结合体110已与所述目标检测物130进行结合，进而判断出待测物中包含有所述目标检测物130。而这些变化可通过超声波频率检测仪器(例如为阻抗分析仪)来侦测。
所述结合体110可为化学吸附剂，例如包括有机聚合物(polymer)、多孔洞性材料、纳米粒子、金属薄膜等；也可以是生物受体，例如包括抗体(antibody)、触媒(catalyst)、蛋白质或DNA、RNA、CDNA等衍生物。换句话说，本实施例提供的所述传感器100可作为生物传感器或者化学传感器进行应用。
所述当结合体110(限于是固体的结合体110)可混合于液体时，可通过喷墨打印法(Ink-Jet Printing，IJP)将所述结合体110喷印在所述第一电极121背离所述振膜123的一侧表面。根据所述目标检测130物种类的不同采用能够与之产生反应的相应的所述结合体110，并将所述所述结合体110喷印于所述第一电极121的表面。
如下表所示：
Figure BDA0002228001150000071
当所述目标待测物130为硫化物、酮、酒精或烯烃时，所述结合体110可包括相应的可发生聚合的高分子聚合物，所述目标待测物130为抗原时，所述结合体110可包括相应的抗体，所述目标待测物130为DNA时，所述结合体110可包括限制酵素(限制酶)。根据所述目标待测物130和所述结合体110选取的品类不同，本实施例提供的所述传感器100可应用于人体挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOC)检测、环境VOC检测、农药检测、食品安全检测等应用领域。使用设置有该传感器100的检测装置来检测待测物时，检测过程的操作简单，对检测微小的待测物有积极帮助。
第二实施例
请参阅图5，本发明第二实施例提供一种可用于检测气体中是否含有目标待测物130的检测装置10。所述检测装置10包括所述传感器100，还包括一个中空导管11。所述中空导管11两端开口且其为耐腐蚀材料，例如玻璃。所述传感器100设置在所述中空导管11的内壁。
待检测气体从所述中空导管11的一端开口进入，所述气流流经所述中空导管11的管道内壁上的多个所述传感器120时，若气体待测物中包含有所述目标检测物130，则所述目标检测物130就会与所述传感器120上的所述结合体110发生结合，导致所述超声波元件120的频率发生改变。换句话说，若超声波的频率发生改变，则说明待测气体中包含有所述目标检侧物130。通过检测超声波频率的变化量，可推算出待测气体中的所述目标检测物130的含量。本实施例的所述检测装置10可应用于人体呼出的气体VOC检测，例如要检测呼出的气体中是否含有所述目标检测物130，只需从所述中空导管11的一端呼气，然后根据所述传感器100的变化就可以很快知道结果，检测过程省时高效。
第三实施例
请参阅图6，本发明第三实施例提供另一种可用于检测待测液体中是否含有目标检测物130的检测装置20。本实施例中的所述检测装置20与第二实施例的主要区别在于：本实施例中所述检测装置20包括如第二实施例的中空导管11和设置在所述中空导管11一端的吸球21。所述吸球21连通所述中空导管11的一端。所述吸球21可以是可挤压的橡胶材质。
通过挤压所述吸球21，使得待测液体从所述中空导管11的另一端吸入。待测液体流经所述中空导管11，若待测液体中包含有所述目标待测物130，则所述目标待测物130会与所述传感器100单元上的所述结合体110发生结合。之后通过侦测超声波的频率是否发生变化来判断待测液体中是否含有所述目标待测物130，最后待测液体就会流入所述吸球21内部。本实施例中，吸球21由橡胶制成，在其它实施例中，所述吸球21也可由其它有弹性的材料制成。本实施例的所述检测装置20可例如应用于饮用水或地表水中的VOC检测，检测过程极为方便，首先挤压所述吸球21，接着将所述中空导管11的一端与水或其他液体待测物接触，最后松开所述吸球21，根据所述传感器100的变化即可知道液体待测物中是否含有所述目标检测物130。检测过程简单方便，检测结果准确高效。
第四实施例
请参阅图7，本实施例提供一种DNA检测装置30，所述DNA检测装置30包括依次连通的进液口31、筛选区32、检测区33和出液口34，还包括设置在所述检测区33中的传感器100。
所述进液口31用于使待检测的细胞液流入所述筛选区32，所述出液口34用于使所述检测区33检测后的细胞液的流出。所述DNA检测装置30包括包括相互间隔且相对设置的第一层310、第二层320以及形成于第一层310和第二层320之间的供细胞液流通的通道340。所述第一层310包括依次层叠设置的疏水层330、第一电极层350、和第一外壳360，其中所述疏水层330最靠近所述通道340。所述第二层320包括依次层叠设置的疏水层330、薄膜晶体管阵列层370、第二外壳380，其中所述疏水层330最靠近所述通道340。所述通道340贯通所述进液口31和出液口34。
传感器100为实施例一中所描述的所述传感器100，其设置在检测区33的通道340的内壁上。本实施例中，所述传感器100设置在所述第一层310的所述疏水层330的表面。所述检测区33用于检测通过所述进液口31后，经过所述通道340流经所述筛选区32时被溶解的细胞。所述第一外壳360和所述第二外壳380均为绝缘的，其用以保护所述DNA检测装置30。
如图7所示，所述第一层310的疏水层330和所述第二层320的疏水层330构成所述通道340的内壁。所述薄膜晶体管阵列层370包括多个阵列排布的薄膜晶体管391。其中，每个薄膜晶体管391为本领域常规的低温多晶硅(LTPS)薄膜晶体管，其包括一个源极391a。在所述第一电极层350与所述薄膜晶体管391的所述源极391a上分别施加不同的电压以在所述通道340的内部形成电场，通过调节所述第一电极层350与所述薄膜晶体管阵列层370之间的电压，可调节细胞液在所述疏水层330上的润湿性能，从而控制所述细胞液在通道340内的流动速度。
进一步参阅图7，用本实施例的所述DNA检测装置30进行预测定DNA检测时，先将用于检测的细胞液通过离心机分离，并将分离后的细胞液从所述进液口31导入该DNA检测装置30中。该细胞液通过所述通道340流经所述筛选区32的目的在于得到用于检测的预测定DNA片段。因此在所述筛选区32中，在把细胞液导入所述通道340后，为使DNA从细胞膜中完全的分离出来，可以向所述通道340内加入溶膜剂，使得细胞膜溶解后释放包括DNA在内的细胞内部物质。由于DNA是负电性物质，在静电场的作用下溶液中的DNA能够吸附于所述第二层320的所述疏水层330上。同时在流经所述筛选区32的所述通道340内加入限制酵素(限制酶)溶液，当所述DNA中含有所述预测定DNA片段时，限制酵素可切取所需的预测定DNA片段(即目标待测物)，当所述DNA中不含有所述预测定DNA片段时，则所述限制酵素无法切取到所需的预测定DNA片段。之后，调节所述第一电极层350与所述薄膜晶体管391层之间的电压，使得含有所述限制酵素溶液的细胞液(可能含有或者不含有所述预测定DNA片段)往前流动，进入所述检测区33。
经过所述筛选区32后的含有所述限制酵素溶液的细胞液进而流经所述检测区33，所述检测区33就会对所述细胞液中是否包括所述预测定DNA片段进行检测。该检测区33设置有上述传感器100，所述传感器100的第一电极121设置有用于结合所述预测定DNA片段的结合体110。通过传感器100发出的超声波的频率范围判断所述传感器100上的所述结合体110是否有与所述预测定DNA片段发生结合，进而判断该细胞中是否含有所述预测定DNA片段。当所述DNA中含有所述预测定DNA片段时，该预测定DNA片段在所述含有所述限制酵素溶液的细胞液流经所述检测区33时，所述预测定DNA片段会与结合体110结合，传感器100发出的超声波的频率范围发生变化，从而判断细胞中含有预测定DNA片段；否则，判断细胞中不含有预测定DNA片段。之后，细胞溶液自所述出液口34排出所述DNA检测装置30，在保证结构准确的前提下，其检测过程简单方便。
检测装置30整体上可以为方形，也可以为圆管状。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术案的范围。

Claims (10)

1.一种传感器，其特征在于，包括：
超声波元件，其包括相对间隔且相互电性绝缘设置的第一电极、第二电极、设置在所述第二电极上的绝缘层，以及设置在所述第一电极和所述绝缘层之间的振膜,所述绝缘层和所述振膜围合形成一密封的空腔，且所述第一电极承载在所述振膜上，当所述第一电极和所述第二电极之间形成电势差，所述振膜振动以形成预定频率范围的超声波；以及
结合体，设置于所述第一电极远离所述第二电极的表面，用于与待测物中的目标检测物结合，当所述结合体与目标检测物结合时改变所述振膜的承载重量，从而使所述超声波的频率范围发生变化。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，当所述结合体与目标检测物结合后，所述超声波元件的电导出现极大值时对应的超声波的频率不同于所述结合体未与目标检测物结合时电导的极大值对应的超声波的频率。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述待测物为气体、液体或固体。
4.一种检测装置，用于检测待测物中的目标检测物，其特征在于，包括：
中空导管，中空导管两端开口，且中空导管的内壁设置有如权利要求1-3中任意一项所述的传感器。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述中空导管的一端开口连通有吸球，所述吸球用于被挤压操作时以将所述待检测物吸入中空导管中。
6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述吸球为橡胶材质。
7.一种DNA检测装置，其特征在于，包括：
进液口；
出液口；
筛选区，与所述进液口相连通，用于使从所述进液口进入的待检测的细胞液被溶解得到预测定DNA片段；以及
检测区，设置在所述筛选区与所述出液口之间且与二者相连通，所述检测区设置有如权利要求1-3中任意一项所述的传感器，用于检测在所述筛选区中被溶解的细胞液中的所述预测定DNA片段。
8.根据权利要求7所述的DNA检测装置，其特征在于，所述进液口用于使细胞液流入筛选区，所述出液口用于使所述检测区检测后的细胞液的流出。
9.根据权利要求7所述的DNA检测装置，其特征在于，所述DNA检测装置包括相互间隔且相对设置的第一层、第二层以及形成在所述第一层和所述第二层之间供细胞液流通的通道，所述第一层包括依次层叠设置的疏水层、第一电极层，所述第二层包括依次层叠设置的疏水层、薄膜晶体管阵列层，其中所述第一层的疏水层和所述第二层的疏水层构成所述通道的内壁。
10.根据权利要求9所述的DNA检测装置，其特征在于，所述薄膜晶体管阵列层包括多个阵列排布的薄膜晶体管，其中，每个薄膜晶体管包括源极，在所述第一电极层与所述薄膜晶体管的源极上分别施加不同的电压以在通道内部形成电场，通过调节所述第一电极层与所述薄膜晶体管阵列层之间的电压调节所述细胞液在所述疏水层上的润湿性能，从而控制所述细胞液在所述通道内的流动。
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