CN211122654U - 用于检测离子的设备和便携式微流体重金属离子检测器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于检测离子的设备和便携式微流体重金属离子检测器。描述一种用于检测来自气体样品的液体和颗粒物质中的重金属离子的微流体离子检测器。微流体离子检测器包括：样品提取结构，用于从样品液体中提取样品离子或从气体样品的颗粒物质中提取样品离子；用于分离一次提取的不同类型的样品离子的分离结构；以及用于检测样品离子的检测结构。微流体离子检测器还包括提供参考离子的参考池，针对所述参考离子可以基于分离结构的操作校准样品。可以通过在单个基板上包括所描述的部件来实现便携式自校准离子检测器。

Description

用于检测离子的设备和便携式微流体重金属离子检测器

相关申请的交叉引用

本申请是要求2016年12月19日提交的、代理人案卷号 G0766.70127US00并且名称为“自校准重金属探测器”的美国专利申请序列号15/383,415的权益的继续申请，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及微流体离子检测器。

背景技术

重金属会对健康构成威胁。已知暴露于铅、铜、镉和其他重金属离子会引起各种负面的健康后果。重金属可能来自水中、空气中的颗粒物质小于2.5微米。因此，重金属离子可以通过饮用污水或在含有颗粒物质的空气中呼吸而被身体吸收。

用于检测离子的仪器通常设计用于实验室环境，并且既大又昂贵。迄今为止，还没有用于检测重金属的消费品。

实用新型内容

在某些实施方案中，描述一种用于检测来自气体样品的液体和颗粒物质中的重金属离子的微流体离子检测器。微流体离子检测器包括：样品提取结构，用于从样品液体中提取样品离子或从气体样品的颗粒物质中提取样品离子；用于分离一次提取的不同类型的样品离子的分离结构；以及用于检测样品离子的检测结构。微流体离子检测器还包括提供参考离子的参考池，针对所述参考离子可以基于分离结构的操作校准样品。可以通过在单个基板上包括所描述的部件来实现便携式自校准离子检测器。

在一些实施方案中，提供用于从气体样品中的颗粒物质检测离子的设备，包括：收集颗粒物质并释放离子的第一样品源；第二电膜提取源；连接第一和第二电膜提取源的流体通道，和电极，被配置为沿着所述流体通道施加电场。

在一些实施方案中，提供一种检测液体或气体样品中的离子的方法，包括：使用电膜提取从所述液体或气体样品中提取目标离子；使用电膜提取从液体中提取目标离子或释放、以及从气体样品中的颗粒物质中提取目标离子；使用电膜提取从参考源提取参考离子；和在所述目标离子和所述参考离子上进行毛细管电泳，以使所述目标离子和所述参考离子沿公共通道移动到检测区域。

在一些实施方案中，提供便携式微流体重金属离子检测器，包括：基板；第一和第二电膜提取源，集成在所述基板上并连接到共同的微流体通道；缓冲池，连接到所述共同的微流体通道；集成在所述基板上的探测器；和驱动电极，被配置为沿着所述共同的微流体道从所述缓冲池驱动缓冲器到所述检测器。

根据本公开的一个方面，提供用于检测离子的设备，包括：第一电膜提取源；第二电膜提取源；流体通道，将所述第一和第二电膜提取源连接到检测区域；和电极，被配置为沿着所述流体通道施加电场。

优选地，所述设备还包括位于所述检测区域的电容耦合的无接触电导检测器。

优选地，其中所述第一和第二电膜提取源、所述流体通道和所述电极集成在共同基板上。

优选地，其中所述电容耦合的无接触电导检测器集成在所述共同基板上。

优选地，所述设备还包括耦合到所述流体通道的第三源，其中所述电极被配置为将所述电场从所述第三源施加到所述检测区域。

优选地，其中所述第一电膜提取源包括入口，该入口被配置为允许所述第一电膜提取源的填充。

优选地，其中所述流体通道是第一流体通道，其中所述设备还包括：第二流体通道，将所述第一电膜提取源耦合到所述第一流体通道；和第三流体通道，将所述第二电膜提取源耦合到所述第一流体通道，其中所述第二和第三流体通道在共同点处与所述第一流体通道相交。

根据本公开的另一个方面，提供便携式微流体重金属离子检测器，包括：基板；第一和第二电膜提取源，集成在所述基板上并连接到共同的微流体通道；缓冲池，连接到所述共同的微流体通道；集成在所述基板上的探测器；和驱动电极，被配置为沿着所述共同的微流体道从所述缓冲池驱动缓冲器到所述检测器。

优选地，其中所述第一电膜提取源是可填充的并且包括入口，所述第一电膜提取源被配置为通过该入口被填充。

优选地，其中所述共同的微流体通道具有蛇形的形状。

优选地，其中所述检测器是电容耦合的无接触电导检测器。

优选地，所述便携式微流体重金属离子检测器还包括集成在所述基板上并配置为向所述第一和第二电膜提取源和所述检测器提供控制信号的电路。

优选地，其中所述第一电膜提取源包括集成在所述基板上的池和膜、以及位于所述膜的相对侧的一对微电极。

优选地，所述便携式微流体重金属离子检测器还包括存储识别不同离子类型的数据的控制电路。

附图说明

将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施方案。应该理解的是，附图不一定按比例绘制。

图1是说明根据本申请的非限制性实施方案的具有互连电膜提取 (EME)、毛细管电泳和检测结构的微流体离子检测器的框图。

图2是根据本申请的非限制性实施方案的图1中所示类型的微流体离子检测器的详细图示。

图3A是根据本申请的非限制性实施方案的图1和2的电膜提取结构的示例性实施方式的剖视图。

图3B示出了本文所述的电膜提取结构的操作原理。

图4A是根据本申请的非限制性实施方案的图1和2的毛细管电泳结构的示例性实施方式的俯视图。

图4B是图4A的结构的剖视图。

图4C说明了本文所述的毛细管电泳结构的操作原理。

图5A是根据本申请的非限制性实施方案的图1和图2的检测结构的示例实施方式的俯视图。

图5B是图5A的结构的剖视图。

图5C示出了图5A和5B的检测结构的操作原理。

图6是根据本申请的实施方案的操作离子检测器的方法的流程图。

图7示出了根据本申请的非限制性实施方案的操作离子检测器的方法的时序图。

具体实施方式

本申请的方面提供了用于检测离子(例如重金属离子)的微流体检测器。微流体离子检测器使用电膜提取从液体或气体样品中提取离子。然后通过施加合适的电场将这些样品离子沿微流体通道驱动到检测区域。检测区域的检测器检测样品离子的存在。在某些情况下，检测器是电容检测器，使得阻抗的变化出现并且在样品离子通过检测区域时被检测到。因此，本申请的方面提供了一种微流体检测器，其使用电膜提取从样品中提取样品离子、使用毛细管电泳将样品离子分离成不同类型、以及使用电容检测来检测样品离子。

在一些实施方案中，微流体检测器使用参考离子来提供自校准。参考离子可以是相对于可能的样品离子具有已知电泳迁移率的类型，这意味着样品和参考离子沿微流体通道向下行进到检测区域的相对速度可以是已知的。因此，参考和样本离子可以由检测器基于它们在检测器处的到达时间来区分。

在一些实施方案中，微流体检测器包括集成在共同(相同)基板上的微制造组件。也就是说，可以提供单个基板微流体离子检测器，包括电膜提取、毛细管电泳和电容检测结构。这种配置在本文中可称为提供“片上”电膜提取、毛细管电泳和电容离子检测。如上所述使用参考离子可以允许单基板离子检测器进行自校准。而且，离子检测器的尺寸可以设计成便携式的。

图1是说明根据本申请的非限制性实施方案的具有互连电膜提取、毛细管电泳和检测结构的微流体离子检测器的框图。离子检测器100包括基板101、样品电膜提取源102、参考电膜提取源104、毛细管电泳结构106、检测器108和控制电路110。

基板101可以是半导体基板，离子检测器100的其他组件可以集成在半导体基板上。例如，基板101可以是其中可以形成微流体通道、电极和 /或样品池的材料。在一些实施方案中，基板101可以是硅基板，但是替代材料是可能的。在一些实施方案中，离子检测器100可以是便携式的，尺寸设计成允许这种便携性。例如，离子检测器可以采用消费者产品的形式，用户可以容易地随身携带。在一些实施方案中，基材可具有2cm²至50cm²的面积，包括该范围内的任何值。其他值也是可能的，因为并非本申请的所有实施方案都限于便携式离子检测器。

样品电膜提取源102可以是适于保持(或包含)液体或将气体样品转化(或溶解)到液相中的结构，并且用于使用电膜提取技术从样品中提取样品离子。在一些实施方案中，样品电膜提取源102包括膜和配置成跨膜施加电场的电极。一个例子在图2中示出并在下面进一步描述。样品电膜提取源102可包括配置成保持样品的池。可以提供样品电膜提取源102的入口以允许其填充样品，例如由最终用户填充。在一些实施方案中，样品电膜提取源102可以在基板101上微制造。

离子检测器100可选地包括耦合到样品电膜提取源102的风扇120。当样品是气体(例如空气样品)时，可以包括风扇120。风扇120可以将包含颗粒物质的气体样品提供给EME结构，用于收集气体样品的颗粒物质。EME源可以将离子溶解并释放到液相中用于提取。风扇是引入气体样品的方式的一个示例，但是应当理解，用于引入气体样品的其他结构可以用在替代实施方案中。

参考电膜提取源104可以是适于保持(或包含)具有已知类型离子的液体的结构，并且用于使用电膜提取技术从液体中提取已知类型的离子。在一些实施方案中，参考电膜提取源104可以是与样品电膜提取源102基本相同类型的结构，不同之处在于由两者保持的液体。因此，例如，参考电膜提取源104可以包括膜和配置成在膜上施加电场的电极。一个例子在图2中示出并在下面进一步描述。参考电膜提取源104可包括配置成保持参考液体的池。在一些实施方案中，可以提供参考电膜提取源104的入口以允许其被填充。然而，并非所有实施方案都在这方面受到限制，因为参考电膜提取源104旨在保持参考液体。在一些实施方案中，参考电膜提取源104可以在离子检测器100的制造期间被填充，并且因此可以可选地避免提供用于稍后填充参考电膜提取源104的入口。在操作中，用户(例如，消费者)可以仅用样品填充样品电膜提取源102，参考电膜提取源104在制造期间已经被填充。然而，填充两个源102和104的替代方式是可能的。在一些实施方案中，参考电膜提取源104可以在基板101上微制造。

从前面的讨论应该理解，在至少一些实施方案中，从结构观点来看，样品和参考电膜提取源102和104可以基本相同。两者之间的差异可能在于它们所持有的液体以及它们所处的液体。因此，在一些实施方案中，提供了具有两个或更多个电膜提取源的离子检测器，在一些实施方案中，所述电膜提取源可以在共同的基板上微制造。

毛细管电泳结构106可包括微流体通道、缓冲溶液源(本文中简称为“缓冲液”)，和配置成施加电场(在本文中也称为“毛细管电泳电场”)以将缓冲溶液中的离子从源驱动到检测器108的电极。通道可以连接到样品电膜提取源102和参考电膜提取源104并由其共享。因此，由样品电膜提取源102提供的样品离子和由参考电膜提取源104提供的参考离子可以提供给微流体通道的共同点或入口。在一些实施方案中，在样品电膜提取源102 和毛细管电泳结构106之间提供另外的微通道，以允许提取的样品离子进入毛细管电泳结构106的通道，同样在参考电膜提取源104和毛细管电泳结构106之间提供额外的微通道以允许提取的参考离子进入毛细管电泳结构106的通道。作为非限制性实例，毛细管电泳结构106的通道长度可以在0.5cm至50cm之间或其间的任何值。如上所述，毛细管电泳结构106 可另外包括缓冲液源。源可以是井、池或其他合适的结构。毛细管电泳结构106的电极可以配置成沿着毛细管电泳结构的微通道将来自源的缓冲液中的离子驱动到检测器108。

如前所述，本申请的方面提供片上电膜提取(EME)和毛细管电泳(CE) 结构。因此，在一些实施方案中，毛细管电泳结构106可以在基板101上微制造。因此，这种结构可以具有微制造的尺寸。例如，可以使用微通道、微电极和微贮存器。

检测器108可以包括通道和电容感测检测器，例如电容耦合的无接触电导检测器(C4D)，但是可以使用其他感测检测器。检测器108可以具有在通道外部的两个电极，其通过通道发送和接收信号。毛细管电泳结构106 可以连接到检测器108，以允许样品离子和参考离子进入检测区域。

控制电路110可以包括适合于控制样品电膜提取源102、参考电膜提取源104、毛细管电泳结构106和/或检测器108的操作的电路。例如，控制电路110可以提供控制信号112a、112b、112c和/或112d控制组件的操作(例如，控制从那些组件的电极产生合适的电场)，如图所示。另外或替代地，控制电路110可以包括适合于处理由检测器108产生和从检测器108接收的检测信号114的电路。控制电路可以包括但不限于信号发生器、时钟电路、滤波器、放大器和比较器。在一些实施方案中，控制电路110 是集成电路，例如是专用集成电路(ASIC)。在一些实施方案中，控制电路110可以在基板101的外部。

现在描述离子检测器100的操作的非限制性示例。可以从样品电膜提取源102的样品池中提取样品离子。可以通过使控制电路110提供控制信号112a以在样品电膜提取源102的膜上感应电场来实现该提取，其允许样品离子穿过。响应于控制电路110提供控制信号112b，可以以相同的方式实现从参考电膜提取源104提取参考离子。

然后可以通过毛细管电泳将提取的样品离子和参考离子驱动到检测器108。例如，控制电路110可以施加控制信号112c以引发毛细管电场，该毛细管电场将提取的样品离子和参考离子推离电膜提取膜并进入将样品和参考离子携带到毛细管电泳结构106中的通道中，毛细管电泳结构106 可以填充高电泳迁移率的缓冲液。毛细管电场可以具有极性，使得毛细管微电泳结构106中的样品离子、参考离子和缓冲剂朝向检测器108移动。在一些实施方案中，缓冲液含有离子，并且在一些这样的实施方案中，那些离子可以具有比参考离子更高的电泳迁移率，其可以具有比样品离子更高的电泳迁移率。但是，并非所有实施方案都在这方面受到限制。当施加毛细管电场时，电泳迁移率的差异可能导致样品离子和参考离子的分离。因此，在一些实施方案中，样品离子可能滞后于参考离子，其可能滞后于缓冲离子。毛细管电泳结构106的微通道的长度越大，不同离子类型之间可实现的分离越大。同样，毛细管电泳结构施加的电场强度越大，不同类型的离子之间的分离距离越大。

缓冲离子可首先进入检测器108，因为它们具有最高的电泳迁移率。在一些实施方案中，缓冲离子可以建立背景(或基础水平)信号，可以检测参考和样品离子。例如，当缓冲离子通过具有检测器的周围电极的通道时，检测器108可以记录阻抗(或感兴趣的电压，电流或特性)，并且记录的阻抗可以用作参考水平。然而，这是可选的，因为并非所有实施方案都使用缓冲器来建立用于检测的基线信号。接下来，参考离子可以进入检测器108。当参考离子通过具有周围电极的通道时，检测器108可以记录相关联的阻抗(例如，如果缓冲离子用于建立基线阻抗水平，则记录第二阻抗水平)。该记录的阻抗变化可用于指示具有已知电泳迁移率的参考离子的到达。当样本离子进入检测器108时，可以检测到第三阻抗。如果样品中存在多于一种样品离子类型，则可能发生另外的检测事件(例如，阻抗、电压、电流或其他特性的变化)。

检测事件的定时可以提供已检测到的内容的指示。例如，参考离子可以选择为已知具有比预期样品离子更高的电泳迁移率的类型。因此，当检测器108最初检测到阻抗(或电压、电流或其他信号特征)的变化时，该检测事件可以与参考离子相关联，因为预期它们在任何样本离子之前到达。随后的检测事件(例如，检测信号中的尖峰、峰值或其他特征)可以与样品离子相关联。检测参考离子和样品离子之间的时间滞后可以允许确定样品离子的类型。现在描述一个例子。

假设参考离子是锌离子。锌离子在某些缓冲溶液中具有已知的电泳迁移率。假设样品离子是铅离子，这在检测之前是未知的。铅在某些缓冲溶液中具有已知的电泳迁移率。已知锌(本实施方案中的参考)和铅(本实施方案中的样品)的相对电泳迁移率允许确定何时应检测这些类型的离子之间的时间差，因为微流体通道长度也是已知的。可以通过同时在毛细管电泳通道的起始处开始样品和参考离子来促进测定。因此，如果在检测到参考离子之后-在该示例中假设通过它们到达检测器来识别它们首先-另一检测事件(例如，检测信号中的尖峰、峰值或其他特征)发生在与预期到达铅离子的时间相对应的时间，然后该后续检测事件可被解释为指示铅离子在样品中。然而，如果在检测到参考离子之后发生的检测事件发生在预期铬离子到达的时间，则这种检测事件可以被解释为样品中存在铬。

相同的概念可以扩展到更多数量的样品离子。也就是说，在检测到参考离子之后可能发生多个检测事件。这些检测事件的定时可以允许确定多种类型的样品离子。因此，本申请的实施方案提供了一种微流体离子检测器，其配置成从单个样品中检测多种类型的样品离子。

此外，所述参考离子在样品离子之前到达的操作是非限制性实例。该操作方案可以在确定检测到的离子方面提供简单的益处，但是可以有替代方案，只要可以确定参考离子和潜在样品离子的相对到达时间即可。

在一些实施方案中，控制电路110可以包括指示潜在样品离子相对于参考离子的预期到达时间的数据。以这种方式，控制电路110可以根据给定的检测事件确定哪种离子类型对事件负责。控制电路可以包括存储器、寄存器、查找表或用于存储这种数据的其他合适的结构。

应当理解，在上述方法中使用参考离子用作检测样品离子的校准。因为参考可以存储在离子检测器100自身上，所以离子检测器100可以是自校准的。离子检测器100可以在各种温度下使用，并且在制造之后的不同时间使用，并且尽管温度波动和老化也能提供准确的检测。在一些实施方案中，离子检测器100包括一个或多个温度传感器118，其向控制电路110 提供感测温度以帮助识别检测到的离子，因为离子的电泳迁移率和到达时间可取决于温度。当包括时，温度传感器118可以是任何合适的类型，包括集成在基板101上的微制造温度传感器。

除了识别样品中的离子类型之外，离子检测器100可以可选地确定并提供检测到的离子浓度的指示。例如，参考离子可具有已知浓度。因此，参考离子的检测可以提供基线信号(例如，电压或电流信号)，可以与该基线信号比较与样品离子的检测相关联的信号。如果检测到的样品离子的信号响应更大，则可能表明样品离子浓度高于参考离子的已知浓度。如果检测到的样品离子的信号响应较小，则可能表明样品离子浓度低于参考离子的已知浓度。可以基于信号响应的比较来精确确定浓度。

图2是微流体离子检测器的详细图示，其表示图1的离子检测器100 的实施方案。离子检测器200包括具有样品电压源212和214的样品电膜提取源216、样品电极236和238、样品膜222和样品微通道244。还有参考电膜提取源204、其具有参考电压源218和220、参考电极240和242、参考膜256和参考微通道246。离子检测器200还包括缓冲池226和缓冲微通道247，缓冲液微通道247利用微流体通道205连接到毛细管电泳结构206。微流体通道205终止于具有电容检测器208的检测区域，该电容检测器208示出了信号发生器228、发射电极252和接收电极250。检测器208连接到排出池232，排出池232具有毛细管电压源234和电极254。缓冲池226和排出池232在一些实施方案中可以被认为是毛细管电泳结构 206的一部分。图示的离子检测器200还包括控制电路210。为了便于说明，控制电路210被示为连接到检测器208，但是可以连接到任何所示的组件，如上面结合图1的控制电路110所描述的。

在一些实施方案中，气体样本可以与离子检测器200一起使用，离子检测器200可以可选地包括风扇258以迫使气体通过通道260并且通过膜 262。膜262可以透过小于目标直径的颗粒物质，例如直径2.5微米，或任何其他选择的粒径。在通过膜262过滤之后，颗粒物质可以通过通道264 并进入样品电膜提取源216。在一个实施方案中，颗粒物质可以溶解在样品电膜提取源216中的酸性环境中。

无论样品是液体样品还是气体样品，样品电膜提取源216可包含样品膜222和连接到样品电压源212和214的样品电极236和238。可任选地提供入口225用于填充池，例如从池的顶部。样品电膜提取源216可以在池中包含未过滤的材料。作为非限制性实例，池的体积可以在0.1μL至10μL 之间。池可以包含来自环境的液体或溶解气体中的微粒的溶液。例如，样品可以是水样(例如自来水)、饮料样品、溶解空气样品中的颗粒的酸性溶液，或其他样品。样品可包括一种或多种感兴趣的离子，例如一种或多种重金属离子(例如，铜、镉、铬或铅)。样品电极214和212可以被极化，使得仅选择的或目标极性的离子穿过膜222并进入样品微通道244。

参考电膜提取源204可以包含参考膜256和参考电极240和242，它们分别连接到参考电压源218和220。参考电膜提取源204可包括池，其可包含液体。液体可含有已知的具有已知电泳迁移率的离子。作为示例，液体可以是包含已知离子(例如，锌)的制备溶液，并且可以在离子检测器200的制造期间填充在参考电膜提取源204的池中。参考电压源218和220可具有极性，使得参考离子穿过参考膜256并进入参考微通道246。

缓冲池226、微流体通道205和排出池232可包含缓冲液。在一些实施方案中，缓冲离子具有高电泳迁移率。缓冲电极248可以与毛细管电极 254配对，毛细管电极254将在下面描述。缓冲微通道247将缓冲池226 连接到毛细管电泳结构206，特别是连接到微流体通道205。

毛细管电泳结构206包括微流体通道205。通过缓冲电极248和毛细管电极254在微流体通道205内建立电场，缓冲电极248和毛细管电极254 分别连接到缓冲电压源224和毛细管电压源234。缓冲电极248和毛细管电极254之间的电压差可以使得电压差通过通道205驱动离子缓冲液、样品离子和参考离子。在一些实施方案中，通道205可以是弯曲的，例如具有图示的蛇形形状。在其他实施方案中，通道205可以是直的。可以选择微流体通道205的总长度以确保样品和参考离子在穿过微流体通道时的足够空间分离，以允许检测器208的准确检测。在一些实施方案中，微流体通道205的总长度在0.5厘米至50厘米之间，在20厘米至40厘米之间，或在这些范围内的任何数值或范围的值。替代长度也是可能的。

检测器208可以位于微流体通道205的检测区域230中，并且可以包括发射电极252、接收电极250、信号发生器228和控制电路210。信号发生器228可以是交流电源或适合于产生信号以驱动检测器208的任何其他类型的电源。信号发生器228连接到发射电极252，其位于微流体通道205 的外部。接收电极250与发射电极252相对并且也在微流体通道205外部。控制电路210连接到接收电极250，并且可以包括上面结合图1的控制电路110描述的任何类型的组件，或任何其他合适的电路组件。在一些实施方案中，控制电路210包括适合于控制检测器208和/或处理来自检测器208的检测信号的电路。

排出池232位于毛细管电泳结构的末端，位于检测器208的下游。由缓冲电压源224和毛细管电压源234产生的电场梯度可以确保样品离子和参考离子行进并保持在排出池232，以防止微流体通道205中的回流。可选地，流体单向阀可以包括在排出池232的入口处，以进一步防止回流，特别是当设备断电时。

现在提供离子检测器200的操作的非限制性示例。将样品(例如未过滤的液体样品)填充在样品电膜提取源216的池中。选择样品电压源212 和214的极性，使得样品中的离子被驱动穿过膜222并进入样品微通道 244。类似地，通过从电压源218和220向电极240和242施加适当的电压，从参考电膜提取源204提取参考离子并将其驱动到参考微通道246中。

缓冲电压源224和毛细管电压源234分别激励电极248和254，使得感兴趣的离子从缓冲池226扫到微流体通道205的入口233，朝向排出池 232。缓冲池226在一些实施方案中可含有预先表征的具有高电泳迁移率的已知缓冲离子。在从各自的源提取样品和参考离子后，它们被缓冲液携带到毛细管电泳微流体通道205中。由缓冲电压源224和毛细管源234产生的电场基于电泳迁移率诱导颗粒的分离。缓冲液可以具有最高的电泳迁移率，然后是参考离子，并且样品离子可以具有最低的电泳迁移率。较长的毛细管电泳通道205或较大的电场可以引起样品离子和参考离子的更大空间分离。

缓冲器可首先进入检测区域230。当缓冲器通过由发射电极252和接收电极250围绕的检测器208时，控制电路210可以测量缓冲离子的电导率。然后，缓冲器由于缓冲电压源224和毛细管源234引起的电场而进入排出池232。

在一些实施方案中可能具有次高电泳迁移率的参考离子在通过检测区域230方面经历与缓冲离子相同的过程并且由检测器208检测。控制电路210测量参考离子的电导率，然后，参考离子进入排出池232。样品中可能存在多于一种类型并且可能具有最低电泳迁移率的样品离子经历相同的测量过程并且控制电路210记录样品离子在缓冲器中的电导率。样品离子也可以进入排出池232。基于用于参考的预定校准数据，样品离子到达检测器所花费的时间将识别它们是什么金属离子。阻抗的变化也可用于确定样品离子中目标离子的总浓度测量值，使得阻抗的较大变化将对应于较大的浓度。在一个实施方案中，检测范围可以是十亿分之100和十亿分之一，或其间的任何值。

图3A是图1和2的电膜提取结构的示例性实施方式的剖视图。电膜提取源可包括阴极303、阳极305、膜307、供体相309和受体相311。阴极303和阳极305可以产生电场，该电场使离子穿过膜307从未过滤的供体相309(具有样品的池)移动到受体相311。受体相311可以包括在膜 307之后立即提取离子的缓冲溶液。在一些实施方案中，膜307之后的通道预填充有缓冲溶液，例如在离子检测器的制造期间。膜可以允许靶离子交叉，但保持样品溶液与提取的溶液分离。在一个实施方案中，膜307可包括中空纤维膜。然而，可以使用其他类型的多孔载体。电膜提取结构可以导致微通道312，其代表样品微通道244和参考微通道246的示例。所示的电膜提取结构可以形成在基板301上，基板301可以是硅基板或其他合适的材料。因此，微加工技术可用于形成所示的电膜提取结构。

图3B是说明可以由本文所述的电膜提取结构采用的电膜提取过程的详细图。该方法包括供体相309、受体相311、膜307、阴极303、阳极305、带负电的离子315、带正电的离子317和电势梯度313。供体相309可代表未过滤的样品并且受体相311可包括溶剂。膜307可以分离相并防止混合。阴极303可以放置在供体相309的一侧，阳极305可以放置在受体相 311的一侧。在供体相309中存在带负电的离子315和带正电的离子317。电势梯度313可以由阴极303和阳极305形成。带负电的离子315可以被吸引到阴极303，而带正电的离子317可以被吸引到阳极305。膜307可以选择性地将带正电荷的离子317提取到受体相311并防止供体相溶液通过。提取的带正电离子317可以保留在受体相311中。以这种方式，可以从样品(例如水样)中提取目标离子，例如目标重金属离子。

图4A显示了可以根据本申请的方面实施的毛细管电泳结构的图。毛细管电泳结构400包括阴极401、阳极403、微流体通道407和基板411。离子缓冲剂405可以设置在通道407内。毛细管电泳可以通过使用阴极401 和阳极403来发生，以在通道407上或沿着通道407产生电势。离子缓冲器405可以具有朝向阳极403移动的已知正离子。具有较高电泳迁移率的离子将比具有较低电泳迁移率的离子更快地到达阳极403，因此将离子从阴极驱动至阳极将导致具有不同迁移率的不同类型离子的空间分离。在所示的示例中，离子可以行进经过阳极403并继续到检测器(未示出)。在一些实施方案中，检测器可以位于阴极401和阳极403之间，类似于图2 中所示的配置。毛细管电泳结构可以制造在单个基板411上。

图4B显示毛细管电泳结构的一个实施方案的横截面图，表示沿线 4B-4B截取的图4A结构的横截面。该结构包括基板411和微流体通道407。在一个实施方案中，基板411可以是硅。微流体通道407可以通过适当的硅蚀刻形成，并且在一些实施方案中衬有二氧化硅作为亲水和电绝缘层。在一些实施方案中，微流体通道的高度H(平行于基板411的厚度)在10μm 和100μm之间(例如，大约30μm、大约50μm、大约80μm或大约90μm)，包括该范围内的任何值，但可以使用其他高度。离子缓冲液405可以填充微流体通道407。

图4C显示了根据本申请的非限制性实施方案的毛细管电泳方法的详细图，所述毛细管电泳方法可以由本文所述的毛细管电泳结构使用。该方法包括阴极401、阳极403、离子缓冲剂405、具有负离子411和正离子的样品，以及电势差415。在该实例中，示出了三种类型的正离子413a、413b 和413c。阴极401和阳极403产生电势差415，其可以将正离子吸引到阳极并且将负离子吸引到阴极。电泳迁移率将决定正离子移动到阳极的速度。在所示的示例中，离子413c可以具有比离子413b更大的电泳迁移率，离子413b可以具有比离子413a更大的电泳迁移率。因此，这三种类型的离子可以在不同时间到达阳极403。

图5A示出了图1和图2的检测结构的示例实施方式的俯视图。所示检测器500是电容耦合的无接触电导检测器(C4D)，并且包括基板501、微流体通道503、第一电极505、第二电极507和排放口532。在一个实施方案中，第一电极505和第二电极507可以放置在通道503的外部，彼此面对。通道503的内容物可以穿过与第一电极505和第二电极507相邻或被第一电极505和第二电极507包围的部分以进行检测。在检测之后，通道503的内容物可以进入排放口532。在一些实施方案中，部件可以在基板501上微制造，其可以是本文所述的任何类型的基板。

图5B示出了沿图5A的线5B-5B截取的检测器500的截面图。检测器500包括基板501、微流体通道503、第一电极505和第二电极507、第二电极507与第一电极隔开长度L。在微通道中的缓冲器515和第一电极 505之间形成第一电容509。在第二电极507和缓冲器515之间形成第二电容511。微流体通道503中的缓冲器515用作电阻器513。

微流体通道503可以在硅基板中蚀刻，并且可以具有高度H，该高度 H具有上面结合图4B描述的任何值。在一些实施方案中，通道503衬有二氧化硅或形成二氧化硅。然而，本文描述的各个方面不限于用于形成通道的特定材料。

第一电极505和第二电极507可以分开任何合适的距离L。在一些实施方案中，L小于50微米、小于30微米、小于20微米、小于10微米、或在这些范围内的任何值。

在操作中，第一电极505可以产生通过电容器509电容耦合到通道503 中的缓冲器(或其他液体或气体)的信号。该信号通过电容器511电容耦合到第二电极507。通过穿过电极的通道，可以改变阻抗，并且可以检测来自第二电极507的信号的最终变化。

图5C示出了图5A和5B的检测结构的操作原理。如图所示，离子413a、 413b和413c被驱动到通道503下面。它们由于它们不同的电泳迁移率而在空间上分离。在所示的示例中，离子413c首先通过检测器，然后是离子 413b，并且通过离子413a。可以施加电压信号V(ω)并且通过电流计(安培计)521检测电流I(t)。当离子在电极405和507之间通过时，电流信号被改变。可以检测到变化，提供离子存在的指示。

图6是根据本申请的实施方案的操作离子检测器的方法的流程图。检测器过程600包括参考离子电膜提取阶段602、样品离子电膜提取阶段 604、毛细管电泳阶段606和电容检测阶段608。

在参考离子电膜提取阶段602中，可以使用电膜提取从液体参考源提取参考离子。施加的电场可以使参考离子穿过膜从供体相到受体相。

样品离子电膜提取阶段604可以以与阶段602基本相同的方式进行。即，可以通过在膜上施加电场从液体或溶解的气体样品中提取样品离子。

在一个实施方案中，参考电膜提取阶段602和样品电膜提取阶段604 可以使用单独的电膜提取系统基本上同时发生。该过程可以基本上同时进行，以基本上同时将参考离子和样品离子提供给毛细管电泳结构的入口。

在毛细管电泳阶段606中，提取的参考离子和样品离子进入填充有离子缓冲液的通道。可以跨通道或沿着通道施加电场，该电场将离子驱向通道的末端。离子的速度由它们的电泳迁移率决定，因此较慢的离子可以与较快的离子分离。在一个实施方案中，参考离子可具有比样品离子更高的电泳迁移率。因此，参考离子将在样品离子之前到达通道的末端。但是，替代方案是可能的。而且，样品离子可以是多于一种类型，使得在毛细管电泳阶段期间可以实现不同类型的样品离子的分离。

在毛细管电泳阶段期间使用的电场可以以任何合适的方式应用。在一些实施方案中，可以连续施加电场。在替代实施方案中，电场可以是脉冲的。在一些实施方案中，可以在毛细管电泳阶段开始时施加电场，并随后关闭。尽管如此，由于来自初始施加场的力，离子可以通过通道进行。减少施加电场的持续时间可以减少离子检测器消耗的功率，当离子检测器在具有相对小尺寸的单个芯片上实现时，这可能是特别有益的。在一些实施方案中，毛细管电泳阶段可能需要数秒至数分钟。持续时间可取决于多个因素，包括通道尺寸、电场强度和时序以及缓冲器特性。

在电检测级608中，使用阻抗检测技术检测参考和样品离子。例如，可以使用电容耦合的无接触电导率检测，如先前在一些实施方案中所述。

在一些实施方案中，可以检测三种类型的离子，包括来自缓冲液的离子、参考离子和样品离子。另外，可能存在多种类型的样品离子。检测可以涉及分析由离子通过检测器时导致的阻抗变化引起的检测信号中的峰、谷或其他特征。信号改变的顺序或定时(例如，峰值、谷值或其他特征) 可以提供引起检测信号变化的离子是缓冲离子、参考离子还是样品离子的指示。而且，定时可以用于确定样品离子的类型，因为可以知道各种离子类型的电泳迁移率。

过程600的阶段可以使用各种结构来实现，例如本文描述的类型的结构。在一些实施方案中，过程600的所有阶段都在同一基板上实现。因此，在一些实施方案中，可以提供片上微流体离子检测器，其根据过程600操作。

图7示出了根据本申请的非限制性实施方案的操作离子检测器的方法的时序图。以重叠方式示出了两种类型的项目。首先，示出电压信号，对应于由电膜提取结构和毛细管电泳结构施加的电压。这些包括对应于由参考电膜提取结构施加的电压信号的信号702a，对应于由样品微提取结构施加的电压信号的信号702b，以及对应于由毛细管电泳结构施加的电压的信号702c。这些信号显示为电压随时间的变化，时间向右增加。所示的第二类物品是离子包(在此也称为“离子簇”)。这些包括参考离子707和样品离子709。这些项目通过浓度(沿y轴增加)作为距离的函数(沿x轴增加) 示出。此外，该图显示了两种类型的操作，包括“标准”操作和“替代”操作。

首先考虑“标准”操作，可以施加电压脉冲701和703。那些脉冲可以分别导致从参考电膜提取源和样品电膜提取源提取参考离子707和样品离子709。可以看出，脉冲701和703可以基本上同时施加。以这种方式，参考离子和样品离子可以基本上同时提供给毛细管电泳结构的入口。

随后，可以施加毛细管电泳信号702c的电压脉冲705。该脉冲可以使参考离子707和样品离子709沿毛细管电泳结构的微通道向下行进。在该实例中，假设参考离子具有比样品离子更大的电泳迁移率，因此在样品离子前面进行。

虽然示出了脉冲701和703可以基本上同时施加，但是这种操作方式是可选的。电泳过程的启动可以由电压脉冲705控制，因此可以在不同的时间提供脉冲701和703，同时仍然在电压脉冲705发生之前将参考和样品离子提供给毛细管电泳结构的入口。换句话说，可以通过施加电压脉冲 705来对准参考和样品离子。

“替代”操作示出了参考电膜提取信号702a和样品电膜提取信号702b 分别具有比“标准”操作方案下更小的电压脉冲715和717的情况。而且，脉冲715和717可以具有彼此基本相同的幅度并且基本上同时施加。可以看出，所得到的提取的参考离子721和样品离子723具有比参考离子707 和样品离子709更小的浓度。在该操作方案下，毛细管电泳信号702c可以用脉冲719脉冲持续更长的持续时间，而不是用于脉冲705。尽管浓度小于标准操作情况下的浓度，但是这个更长的持续时间可以在参考离子721 和样品离子723之间产生足够的空间间隔以允许它们的单独检测。

因此，从图7中应当理解，可以改变用于电膜提取和毛细管电泳的施加电压和持续时间，以提供离子检测器的所需操作。在一些实施方案中，可以选择操作方案以提供较低功率操作。

如从前面的描述应该理解的，本申请的方面提供了微流体离子检测器。离子检测器可以是自校准的并且是坚固的，能够在各种环境条件下操作并且在不同的不使用时间之后操作。在一些实施方案中，离子检测器可以是完全微制造的，提供片上电膜提取、毛细管电泳和电容检测功能。通过使用参考离子实现的自校准可以有助于将该装置用作消费产品，例如用于测试家庭、企业或其他位置中的空气和水样本。而且，离子检测器的尺寸可以设计成便于携带。可以提供低功率操作，进一步促进作为消费产品的成本有效使用。

本公开的实施方式至少还包括以下：

1.一种检测液体或气体样品中的目标离子的方法，该方法包括：使用电膜提取从所述液体或气体样品中提取目标离子；使用电膜提取从参考源提取参考离子；和在所述目标离子和所述参考离子上进行毛细管电泳，以使所述目标离子和所述参考离子沿公共通道移动到检测区域。

2.根据1所述的方法，还包括使用位于所述检测区域的无接触电导检测器来检测所述参考离子和所述目标离子。

3.根据1所述的方法，其中提取目标离子、提取参考离子、进行毛细管电泳、以及检测参考离子和目标离子在共同的装置基板上进行。

4.根据1所述的方法，其中提取目标离子、提取参考离子和进行毛细管电泳在共同的装置基板上进行。

5.根据1所述的方法，其中进行毛细管电泳包括通过使用与所述通道相同的基板上的微电极沿着所述通道施加电场来沿着所述公共通道驱动缓冲器。

6.根据1所述的方法，其中提取目标离子和参考离子包括在重叠时间将所述目标离子和所述参考离子提供到所述公共通道的入口。

术语“大约”和“大概”在一些实施方案中可以用于表示在目标值的±20％内，在一些实施方案中表示在目标值的±10％内，在一些实施方案中表示在目标值的±5％内，并且在一些实施方案中表示在目标值的±2％范围内。术语“大约”和“大概”可以包括目标值。

Claims (14)

1.一种用于检测离子的设备，其特征在于，包括：

第一电膜提取源；

第二电膜提取源；

流体通道，将所述第一电膜提取源和第二电膜提取源连接到检测区域；和

电极，被配置为沿着所述流体通道施加电场。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括位于所述检测区域的电容耦合的无接触电导检测器。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，其中所述第一电膜提取源和第二电膜提取源、所述流体通道和所述电极集成在共同基板上。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，其中所述电容耦合的无接触电导检测器集成在所述共同基板上。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括耦合到所述流体通道的第三源，其中所述电极被配置为将所述电场从所述第三源施加到所述检测区域。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述第一电膜提取源包括入口，该入口被配置为允许所述第一电膜提取源的填充。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述流体通道是第一流体通道，其中所述设备还包括：

第二流体通道，将所述第一电膜提取源耦合到所述第一流体通道；和

第三流体通道，将所述第二电膜提取源耦合到所述第一流体通道，其中所述第二流体通道和第三流体通道在共同点处与所述第一流体通道相交。

8.一种便携式微流体重金属离子检测器，其特征在于，包括：

基板；

第一电膜提取源和第二电膜提取源，集成在所述基板上并连接到共同的微流体通道；

缓冲池，连接到所述共同的微流体通道；

集成在所述基板上的检测器；和

驱动电极，被配置为沿着所述共同的微流体道从所述缓冲池驱动缓冲液到所述检测器。

9.根据权利要求8所述的便携式微流体重金属离子检测器，其特征在于，其中所述第一电膜提取源是可填充的并且包括入口，所述第一电膜提取源被配置为通过该入口被填充。

10.根据权利要求8所述的便携式微流体重金属离子检测器，其特征在于，其中所述共同的微流体通道具有蛇形的形状。

11.根据权利要求8所述的便携式微流体重金属离子检测器，其特征在于，其中所述检测器是电容耦合的无接触电导检测器。

12.根据权利要求8所述的便携式微流体重金属离子检测器，其特征在于，还包括集成在所述基板上并配置为向所述第一电膜提取源和第二电膜提取源以及所述检测器提供控制信号的电路。

13.根据权利要求8所述的便携式微流体重金属离子检测器，其特征在于，其中所述第一电膜提取源包括集成在所述基板上的池和膜，以及位于所述膜的相对侧的一对微电极。

14.根据权利要求8所述的便携式微流体重金属离子检测器，其特征在于，还包括存储识别不同离子类型的数据的控制电路。

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