TW201700972A

TW201700972A - 具有個別溫度控制之級聯式氣相色譜以及使用該級聯式氣相色譜之氣相分析系統、設備及方法

Info

Publication number: TW201700972A
Application number: TW105129538A
Authority: TW
Inventors: 王禮鵬; 黃建霖; 周宗冠
Original assignee: 創控生技股份有限公司
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2017-01-01
Also published as: US20150212053A1; US8999245B2; CN102472730B; TWI570405B; EP2452186B1; US9683974B2; CN105806987A; EP2452186A4; EP2452186A2; TW201132977A; CN102472730A; US20110005300A1; TWI592658B; WO2011005882A3; WO2011005882A2

Abstract

本發明闡述一種級聯式氣相色譜，其包含具有一第一溫度控制之一第一氣相色譜及耦合至該第一氣相色譜之一第二氣相色譜。該第一色譜及該第二色譜具有可彼此獨立地控制之個別溫度控制。本發明亦揭示並主張其他實施例。

Description

具有個別溫度控制之級聯式氣相色譜以及使用該級聯式氣相色譜之氣相分析系統、設備及方法

一般而言，本發明係關於級聯式氣相色譜(CGC)，且特定而言(但非排他地)，係關於包含具有個別溫度控制之氣相色譜之CGC及使用此等CGC之氣相分析系統。

本申請案根據35 U.S.C.§ 119(e)主張2009年7月7日提出申請且仍未決之美國臨時專利申請案第61/223,678號之優先權。

氣相分析可係用於偵測氣體中之某些化學品之存在及濃度且確定所存在化學品之特定組合之意義之一重要手段。舉例而言，在衛生護理中，人所呼出之呼氣中之某些揮發性有機化合物(VOC)之存在與某些疾病相關，諸如，肺炎、肺結核(TB)、哮喘、肺癌、肝病、腎病等。該等相關性尤其可作為與肺相關之疾病之證據。在其他應用中，氣相分析可用以確定與人存在不相容之危險物質(諸如，一礦井中之甲烷、一氧化碳或二氧化碳)之存在。

當前氣相分析系統仍主要依賴於大且貴之實驗室儀器，諸如，氣相色譜儀(GC)及質譜儀(MS)。大多數此等儀器(特別係質譜儀)具有妨礙顯著減少其等之大小之運作特性，意指當前氣相分析系統係大且貴之工作臺裝置。除貴且笨重以外，當前氣相分析裝置之大的大小亦使得不可廣泛使用此等儀器。

GC柱塗層通常針對具體溫度及化學品來最佳化，以使得無單個GC可甚至藉由改變其溫度來分離大量化學品。由於現存GC較大，重型器材安置於實驗室中，因此可需要將具有諸多化學品之一載體氣體發送至多個位置以用於分離，其大大地增加成本。

100‧‧‧氣相分析裝置

101‧‧‧流體處置總成

102‧‧‧基板

104‧‧‧過濾器及閥總成(單元)

106‧‧‧預濃縮器

108‧‧‧氣相色譜

110‧‧‧偵測器陣列

112‧‧‧幫浦/罩/蓋

114‧‧‧入口

116‧‧‧流體連接

118‧‧‧流體連接

120‧‧‧流體連接

122‧‧‧流體連接

124‧‧‧出口/排放口

126‧‧‧控制器

128‧‧‧讀取(讀出)及分析電路

130‧‧‧導電跡線

132‧‧‧導電跡線

200‧‧‧MEMS預濃縮器

202‧‧‧基板

204‧‧‧蓋板

206‧‧‧腔

208‧‧‧入口

210‧‧‧出口

212a‧‧‧袋狀物

212b‧‧‧袋狀物

212c‧‧‧袋狀物

212d‧‧‧袋狀物

212e‧‧‧袋狀物

212f‧‧‧袋狀物

212g‧‧‧袋狀物

214a‧‧‧吸收劑

214f‧‧‧吸收劑

216‧‧‧加熱器

250‧‧‧MEMS預濃縮器

252‧‧‧蓋板

300‧‧‧MEMS氣相色譜

302‧‧‧基板

304‧‧‧蓋板

306‧‧‧入口

308‧‧‧出口

310‧‧‧分離柱

312‧‧‧固定相塗層

314‧‧‧溫度控制

316‧‧‧溫度感測器

350‧‧‧氣相色譜

352‧‧‧溫度控制

354‧‧‧溫度感測器

380‧‧‧氣相色譜

382‧‧‧基板

384‧‧‧腔或開口

386‧‧‧色譜柱/溫度控制

388‧‧‧溫度感測器

400‧‧‧MEMS偵測器陣列

402‧‧‧基板

404‧‧‧蓋

406‧‧‧入口

408‧‧‧出口

410‧‧‧腔

412‧‧‧加熱器

500‧‧‧系統

502‧‧‧基於MEMS之氣相分析裝置

504‧‧‧無線收發器電路

506‧‧‧天線

508‧‧‧路由器

510‧‧‧電腦

600‧‧‧系統

602‧‧‧基於MEMS之氣相分析裝置

604‧‧‧硬體資料介面

606‧‧‧無線裝置

608‧‧‧電腦

700‧‧‧基於MEMS之氣相分析裝置

702‧‧‧機載(文字)顯示器

800‧‧‧基於MEMS之氣相分析裝置

804‧‧‧插座

806‧‧‧插座

808‧‧‧插座

810‧‧‧插座

812‧‧‧插座

900‧‧‧基於MEMS之氣相分析裝置

902‧‧‧外部預濃縮器

904‧‧‧閥

1000‧‧‧級聯式氣相色譜(CGC)

1002‧‧‧第一氣相色譜(GC)

1004‧‧‧入口

1006‧‧‧出口

1008‧‧‧第二GC

1010‧‧‧入口/流體連接

1012‧‧‧出口

1014‧‧‧流體連接

1016‧‧‧流體連接

1018‧‧‧偵測器

1025‧‧‧級聯式氣相色譜(CGC)

1026‧‧‧流體連接

1027‧‧‧預濃縮器及/或捕集器(PC/T)

1028‧‧‧偵測器

1030‧‧‧切換閥

1032‧‧‧偵測器

1034‧‧‧切換閥

1050‧‧‧級聯式色譜/CGC

1051‧‧‧CGC

1052‧‧‧切換閥

1054‧‧‧三通閥

1056‧‧‧額外流體連接

1058‧‧‧偵測器

1060‧‧‧切換閥

1075‧‧‧CGC

1077‧‧‧預濃縮器及/或捕集器(PC/T)

1079‧‧‧預濃縮器及/或捕集器(PC/T)

1181‧‧‧預濃縮器及/或捕集器(PC/T)

1183‧‧‧切換閥

1185‧‧‧PC/T

1187‧‧‧切換閥

1090‧‧‧CGC

1091‧‧‧點

1097‧‧‧流體連接

1099‧‧‧切換閥

1100‧‧‧CGC

1102‧‧‧GC

1104‧‧‧入口

1106‧‧‧出口

1108‧‧‧GC

1110‧‧‧流體連接

1112‧‧‧入口

1114‧‧‧出口

1116‧‧‧GC

1118‧‧‧入口

1120‧‧‧出口

1124‧‧‧分流器或三通閥

1126‧‧‧流體連接

1128‧‧‧偵測器

1130‧‧‧切換閥

1132‧‧‧偵測器

1134‧‧‧切換閥

1136‧‧‧點

1150‧‧‧CGC

1152‧‧‧PC/T

1154‧‧‧PC/T

1200‧‧‧級聯式氣相色譜(CGC)

1202‧‧‧第一氣相色譜(GC)

1204‧‧‧第二GC

1206‧‧‧入口

1208‧‧‧流體連接

1210‧‧‧出口

1212‧‧‧溫度區

1214‧‧‧溫度區

1250‧‧‧CGC

1252‧‧‧溫度區

1254‧‧‧溫度區

1275‧‧‧CGC

1276‧‧‧分流器或三通閥

1278‧‧‧額外流體連接

1280‧‧‧GC

1282‧‧‧出口

1284‧‧‧溫度區

圖1A係一氣相分析裝置之一實施例之一側視繪圖；圖1B係一氣相分析裝置之圖1中所示之實施例之一平面圖；圖2A係可在一氣相分析裝置之圖1A至1B中所示實施例中使用之一MEMS預濃縮器之一實施例之一剖視繪圖；圖2B係可在一氣相分析裝置之圖1A至1B中所示實施例中使用之一MEMS預濃縮器之一替代實施例之一剖視繪圖；圖3A係可在一氣相分析裝置之圖1A至1B中所示實施例中使用之一MEMS氣相色譜之一實施例之一平面繪圖；圖3B係一MEMS氣相色譜之圖3A中所示實施例之沿截面線B-B所截取之一剖視繪圖；圖3C係圖3B中所示之MEMS氣相色譜之一替代實施例之一剖視繪圖；圖3D係可在一氣相分析裝置之圖1A至1B中所示實施例中使用之一氣相色譜之一替代實施例之一平面圖；圖3E係一氣相色譜之圖3D中所示實施例之一剖視繪圖；圖4A係可在一氣相分析裝置之圖1A至1B之實施例中使用之一偵測器陣列之一實施例之一平面繪圖；圖4B係一偵測器陣列之圖4A中所示實施例之沿截面線B-B所截取之一剖視繪圖；圖5係一氣相分析裝置之一替代實施例與使用該氣相分析裝置之該實施例之一系統之一實施例之一示意圖；圖6係一氣相分析裝置之另一替代實施例與使用該氣相分析裝置之該實施例之一系統之一實施例之一示意圖；圖7係一氣相分析裝置之一額外替代實施例之一平面示意圖；圖8係一氣相分析裝置之一額外替代實施例之一平面示意圖；圖9係一氣相分析裝置之一額外替代實施例之一平面示意圖；圖10A係一級聯式氣相色譜之一實施例之一平面示意圖；圖10B係一級聯式氣相色譜之一替代實施例之一平面示意圖；圖10C係一級聯式氣相色譜之另一替代實施例之一平面示意圖；圖10D係一級聯式氣相色譜之另一替代實施例之一平面示意圖；圖10E係一級聯式氣相色譜之另一替代實施例之一平面示意圖；圖10F係一級聯式氣相色譜之另一替代實施例之一平面示意圖；圖11A係一級聯式氣相色譜之一實施例之一平面示意圖；圖11B係一級聯式氣相色譜之一替代實施例之一平面示意圖；及圖12A至12C係使用習用氣相色譜之級聯式氣相色譜之實施例之示意性繪圖。

參考以下圖闡述本發明之非限定性及非窮舉性實施例，其中除非另有說明，否則各個視圖中之相似參考編號係指相似部件。

本文中闡述用於定點護理醫療應用中之氣相分析之一設備、過程及系統之實施例。在以下之說明中，闡述眾多具體細節以提供對本發明之實施例之一透徹理解。然而，一熟習此項技術者將辨識，本發明可在不具有該等具體細節中之一者或多者之情況下或藉助其他方法、組件、材料等來實踐。在其他例項中，眾所周知之結構、材料或作業未詳細顯示或闡述但仍涵蓋於本發明之範疇內。

本說明書通篇所提及之「一個實施例」或「一實施例」意指結合該實施例所述之一特定特徵、結構或特性包含於本發明之至少一個實施例中。因此，本說明書中之片語「在一個實施例中」或「在一實施例中」之出現未必全部係指同一實施例。此外，該等特定特徵、結構或特性可以任一適合之方式組合於一個或多個實施例中。

圖1A及1B共同圖解說明一小規模(例如，手持式)氣相分析裝置100之一實施例。裝置100包含一基板102，其上安裝一流體處置總成101、耦合至流體處置總成101內之個別元件之一控制器126及耦合至偵測器陣列110及控制器126之一讀取及分析電路128。圖中所示之實施例圖解說明基板102上之該等元件之一個可能配置，但在其他實施例中，該等元件當然可不同地配置於該基板上。

基板102可係為裝置100之元件提供所需實體支撐及通信連接之任一類別之基板。在一個實施例中，基板102可係在其表面上具有導電跡線之單層種類之一印刷電路板(PCB)，但在其他實施例中，其可係在電路板之內部中具有導電跡線之多層種類之一PCB。在其他實施例(舉例而言，其中裝置100係作為一單片系統建造於一單個晶粒上之一實施例)中，基板102可係由矽或某一其他半導體製成之晶片或晶圓。在仍其他實施例中，基板102亦可係其中可形成光學波導以支援裝置100之組件之間的光學通信之一晶片或晶圓。

流體處置總成101包含一過濾器及閥總成104、一預濃縮器106、一氣相色譜108、一偵測器陣列110及一幫浦112。元件104至112係流體地串列耦合：過濾器及閥總成104藉由流體連接116來流體地耦合至預濃縮器106，預濃縮器106藉由流體連接118來流體地耦合至氣相色譜108，氣相色譜108藉由流體連接120來流體地耦合至偵測器陣列110，且偵測器陣列110藉由流體連接122來耦合至幫浦112。如下文進一步闡述，在裝置100之一個實施例中，元件104至112可係微機電 (MEMS)元件或基於MEMS之元件，意指每一裝置之某些部件可係MEMS且其他部件非係MEMS。在裝置100之其他實施例中，元件104至112中之某些或所有元件無需係MEMS或基於MEMS，但可替代地係某一非MEMS晶片級裝置。

如圖中之箭頭所指示，元件104至112之間的流體連接允許一流體(例如，一種或多種氣體)透過入口114進入過濾器及閥總成104、流動穿過元件104至112且最後透過出口124排出幫浦112。流體處置總成101亦包含保護個別元件104至112之一罩或蓋112。在所圖解說明之實施例中，形成於罩112中之通道提供該等元件之間的流體連接，但在其他實施例中，元件之間的流體連接可藉由其他手段(諸如，敷設管道)來提供。在仍其他實施例中，可省略罩112。

過濾器及閥總成104包含一入口114及耦合至流體連接116以使得排出過濾器及閥總成104之流體流動至預濃縮器106中之一出口。過濾器及閥總成104包含一過濾器以自透過入口114進入之流體移除微粒。在其中元件104至112中之一者或多者係一MEMS元件之裝置100之實施例中，該等MEMS元件內之部件之小規模意指透過入口114進入之流體可需經過濾以移除此等顆粒以使得該等顆粒不進入該等MEMS元件且將該等顆粒移除或致使其等不起作用。在不包含MEMS組件或其中進入入口114之流體不含有顆粒(例如，此乃因已在裝置100外部對其預過濾)之裝置100之實施例中，可省略過濾器及閥總成104之該過濾器部分。

過濾器及閥總成104亦包含一閥，以使得一旦足夠流體已行進穿過該裝置，即可停止進一步流動穿過入口114至流體處置總成101中。停止進一步流動穿過入口114防止在裝置100之稍後作業期間稀釋將自預濃縮器106流動出之流體(參見下文之作業說明)。在其他實施例中，過濾器及閥總成104亦可包含一除濕器以自透過入口114進入之該流體移除水蒸氣，因此改良裝置100之準確度及靈敏度。

預濃縮器106包含耦合至流體連接116之一入口及耦合至流體連接118之一出口。預濃縮器106透過流體連接116自過濾器及閥總成104接收流體且透過流體連接118將流體輸出至氣相色譜108。當流體流動穿過預濃縮器106時，該預濃縮器自經過之流體吸收某些化學品，因此濃縮彼等化學品以供稍後分離及偵測。在裝置100之一個實施例中，預濃縮器106可係一MEMS預濃縮器，但在其他實施例中，預濃縮器106可係一非MEMS晶片級裝置。下文結合圖2闡述一MEMS預濃縮器之一實施例之進一步之細節。

氣相色譜108包含耦合至流體連接118之一入口及耦合至流體連接120之一出口。氣相色譜108透過流體連接118自預濃縮器106接收流體且透過流體連接120將流體輸出至偵測器陣列110。當自預濃縮器106接收之流體流動穿過氣相色譜108時，自該預濃縮器接收之該流體中之個別化學品按時域彼此分離以用於稍後輸入至偵測器陣列110中。在裝置100之一個實施例中，氣相色譜108可係一MEMS氣相色譜，但在其他實施例中，氣相色譜108可係一非MEMS晶片級裝置。下文結合圖3A至3C闡述一MEMS氣相色譜108之一實施例之進一步之細節。雖然在圖式中顯示為一單個色譜，但在其他實施例中，氣相色譜108可包含多個個別色譜，諸如，圖10A中所示之級聯式氣相色譜中之任一者等。在其中氣相色譜108包含多個色譜之一實施例中，可能必需調整裝置100中之下游及/或上游組件之數目以與該氣相色譜之輸入或輸出組態一致。例如，若將圖10C中所示之級聯式色譜1050用作裝置100中色譜108，則可能必需調整偵測器陣列110、幫浦112等等之數目以對應於色譜1050之輸出之數目。

偵測器陣列110包含耦合至流體連接120之一入口及耦合至流體連接122之一出口。偵測器陣列110透過流體連接120自氣相色譜108接收流體且透過流體連接122將流體輸出至幫浦112。當流體流動穿過偵測器陣列110時，由氣相色譜108時域分離之化學品進入該偵測器陣列且由該偵測器陣列內之感測器感測其等之存在及/或濃度。在裝置100之一個實施例中，偵測器陣列110可係一MEMS偵測器陣列，但在其他實施例中，偵測器陣列110可係一非MEMS晶片級裝置。下文結合圖4闡述一偵測器陣列110之一實施例之進一步之細節。雖然在圖中顯示為一單個偵測器陣列，但在其他實施例中，偵測器陣列110可實際上包含多個偵測器陣列。舉例而言，在其中氣相色譜108係由數個個別色譜(諸如，圖10C中所示之級聯式色譜1050)組成之一級聯式組態之一實施例中，可能必需調整偵測器陣列之數目以匹配該等級聯式色譜之輸出組態。

幫浦112包含耦合至流體連接122之一入口以及耦合至一排放口124之一出口，以使得幫浦112透過流體連接122自偵測器陣列110汲取流體且透過排放口124將其返回至空氣。幫浦112可係滿足裝置100之大小及形狀因素要求、提供所期望之流率及流率控制且具有充分可靠性(亦即，充分平均故障間隔時間(MTBF))之任一類別之幫浦。在一個實施例中，幫浦112可係一MEMS或基於MEMS之幫浦，但在其他實施例中，其可係另一類型之幫浦。可使用之幫浦之實例包含小軸向幫浦(例如，風扇)、活塞幫浦及電滲幫浦。雖然在圖中顯示為一單個幫浦，但在其他實施例中，幫浦112可實際上係由多個幫浦組成。舉例而言，在其中氣相色譜108係由數個個別色譜(諸如，圖10C中所示之級聯式色譜1050)組成之一級聯式組態之一實施例中，可能必需調整幫浦之數目以匹配該等級聯式色譜之輸出組態。

控制器126以通信方式耦合至流體處置總成101內之個別元件以使得其可發送控制信號及/或自該等個別元件接收回饋信號。在一個實施例中，控制器126可係經指定而專門用於該工作之一專用積體電路 (ASIC)(舉例而言，一CMOS控制器)，其包含處理、揮發性及/或非揮發性儲存、記憶體及通信電路以及用以控制各種電路且與流體處置總成101之該等元件外部通信之相關聯之邏輯。然而，在其他實施例中，控制器126可替代地係其中在軟體中實施該等控制功能之一通用微處理器。在所圖解說明之實施例中，控制器126藉由基板102之表面上或其內部中之導電跡線130電耦合至流體處置總成101內之該等個別元件，但在其他實施例中，控制器126可藉由其他手段(諸如，光學)耦合至該等元件。

讀出及分析電路128耦合至偵測器陣列110之一輸出端以使得其可自偵測器陣列110內之個別感測器接收資料信號且處理並分析此等資料信號。在一個實施例中，讀出及分析電路128可係經指定而專門用於該工作之一專用積體電路(ASIC)(諸如，一CMOS控制器)，其包含處理、揮發性及/或非揮發性儲存、記憶體及通信電路以及用以控制各種電路且與外部通信之相關聯之邏輯。然而，在其他實施例中，讀出及分析電路128可替代地係其中在軟體中實施該等控制功能之一通用微處理器。在某些實施例中，讀出及分析電路128亦可包含信號調節及處理元件(諸如，放大器、過濾器、類比至數位轉換器等)以用於由讀出及分析電路128預處理自偵測器陣列110接收之資料信號及後處理自所接收資料產生或萃取之資料兩者。

在所圖解說明之實施例中，讀出及分析電路128藉由定位於基板102之表面上或其內部中之導電跡線132電耦合至偵測器陣列110，但在其他實施例中，控制器126可藉由其他手段(諸如，光學手段)耦合至該等元件。讀出及分析電路128亦耦合至控制器126且可將信號發送至控制器126且自其接收信號以使得該等兩個元件可協調且最佳化裝置100之作業。雖然所圖解說明之實施例將控制器126與讀出及分析電路128顯示為實體單獨之單元，但在其他實施例中，該控制器與該讀出及分析電路可組合於一單個單元中。

在裝置100之作業中，首先給該系統通電且將任一所需邏輯(亦即，軟體指令)載入至控制器126與讀出及分析電路128中且將其初始化。在初始化之後，打開過濾器及閥單元104中之閥且設定幫浦112以允許流動穿過該流體處置總成。然後，流體透過入口114以某一流動速率及/或達某一時間量地輸入至流體處置總成101；所需之時間量通常將由預濃縮器106用以產生正確定其存在及/或濃度之特定化學品之適當濃度所需之時間來確定。當流體透過入口114輸入至該系統時，其由過濾器及閥總成104過濾且藉助流體處置總成101內之元件104至112之間的流體連接來流動穿過此等元件。在流動穿過元件104至112之後，該流體透過排放口124排出該流體處置總成。

在已透過入口114輸入所需量之流體之後，關閉過濾器及閥總成104中之閥以防止進一步輸入流體。在關閉閥之後，預濃縮器106中之一加熱器啟動以加熱該預濃縮器。該加熱釋放由該預濃縮器吸收且濃縮之該等化學品。當自預濃縮器106釋放該等化學品時，啟動幫浦112以透過氣相色譜108及偵測器陣列110汲取所釋放之化學品且透過排放口124輸出該等化學品。幫浦112之啟動亦防止回流穿過流體處置總成101。

當自預濃縮器106釋放之該等化學品由幫浦112透過氣相色譜108汲取時，該色譜按時域將不同化學品彼此分離-亦即，在不同時間處自該氣相色譜輸出不同化學品。當該等不同化學品按時間分離地排出氣相色譜108時，每一化學品皆進入MEMS偵測陣列110，其中該偵測陣列中之感測器偵測每一化學品之存在及/或濃度。氣相色譜108中執行之時域分離大大地增強MEMS偵測陣列110之準確度及靈敏度，此乃因其防止眾多化學品同時進入該偵測陣列且因此防止該陣列內之該等感測器中之交叉污染及潛在干擾。

當MEMS偵測陣列110內之個別感測器與進入之時域分離之化學品相互作用時，該偵測陣列感測該相互作用且將一信號輸出至讀出及分析電路128，然後，其可使用該信號來確定該等化學品之存在及/或濃度。當讀出及分析電路128已確定所關心之所有化學品之存在及/或濃度時，其可使用各種分析技術(諸如，相關性及型樣匹配)自存在之化學品及其等之濃度之特定組合萃取某一意義。

圖2A圖解說明可用作裝置100中之預濃縮器106之一MEMS預濃縮器200之一實施例。預濃縮器200包含一基板202，其具有接合至其且圍繞該基板之週邊密封以形成一腔206之一蓋板204。基板202已在其中形成在一個側上之一入口208、在一不同側上之一出口210及其中具有吸收劑之袋狀物212。在一個實施例中，基板202係一矽基板，但在其他實施例中，基板202當然可由其他材料製成。在基板202之與其中附接蓋板204之側相對之側上形成加熱器216。

在其中基板202係矽之一實施例中，可使用標準光微影圖案化及蝕刻來形成入口208、出口210及袋狀物212。雖然所圖解說明之實施例顯示七個袋狀物212a至212g，但所需袋狀物之數目取決於欲吸收且濃縮之不同化學品之數目及所用吸收劑之性質。在其中每一吸收劑僅吸收一種化學品之一實施例中，袋狀物212之數目可確切地對應於欲吸收且濃縮之化學品之數目，但在其中每一吸收劑僅吸收一種化學品之其他實施例中，可使用較大數目個袋狀物以增加吸收面積。在其中每一吸收劑可吸收多於一種化學品之仍其他實施例中，可使用較少數目個袋狀物。

每一袋狀物212在其內部具有一對應的吸收劑214-袋狀物212a具有吸收劑214a、袋狀物212b具有吸收劑214b等等。雖然在所圖解說明之實施例中顯示為一粒狀吸收劑，但在其他實施例中，吸收劑214可係塗佈於袋狀物212之壁上或可係部分地或完全地填充每一袋狀物212 之一連續物質。其他實施例可包含粒狀、壁塗層或連續填充吸收劑之組合。每一吸收劑可針對一種或多種特定化學品具有一化學親和力，意指所用之確切吸收劑將取決於欲吸收且濃縮之化學品之數目及性質。可使用之吸收劑之實例包含石墨化炭黑B、石墨化炭黑X等。

在裝置100中之MEMS預濃縮器200之作業期間，來自過濾器及閥總成104之流體透過入口208進入、行進穿過袋狀物212a中之214a且進入腔206。蓋板204幫助將進入腔206之流體導引至不同袋狀物212b至212g中且穿過吸收劑214b至214g直至該流體減去由吸收劑214a至214g吸收之該等化學品、透過出口210排出該預濃縮器為止。一旦足夠流體已流動穿過該預濃縮器，則關閉過濾器及閥總成104中之閥以防止進一步流動穿過入口208。然後，啟動加熱器216。加熱器216加熱吸收劑214a至214f，從而促使彼等透過諸如除氣等過程釋放所吸收之化學品。與啟動加熱器216同時地或此後不久，啟動幫浦112，從而透過出口210將所釋放之化學品取出至氣相色譜108。

圖2B圖解說明一MEMS預濃縮器250之一替代實施例。MEMS預濃縮器250在諸多方面類似於MEMS預濃縮器200。該兩者之主要差異係：在MEMS預濃縮器250中，蓋板252係在未形成在蓋板204中所發現之腔206之情況下直接接合至基板202。在MEMS預濃縮器250之一個實施例中，通道/開口252可在不同袋狀物212之間存在於基板202中以允許該流體流動穿過毗鄰之袋狀物。在MEMS預濃縮器250之作業中，流體透過入口208進入、經由袋狀物之間的通道/開口252行進穿過不同之袋狀物212a至212g且最後透過出口210排出該預濃縮器。

圖3A至3B圖解說明可用作裝置100中之氣相色譜108之一個別MEMS氣相色譜300之實施例。MEMS氣相色譜300包含一基板302，其具有在一個側上之一入口306、在一不同側上之一出口308及在其壁上具有一固定相塗層之一分離柱310。將一蓋板304接合至基板302以密封柱310。在一個實施例中，基板302係一矽基板，但在其他實施例中，基板302當然可由其他材料製成。在其中基板302係矽之一實施例中，可使用標準的光微影圖案化及蝕刻(諸如，深反應性離子蝕刻(DRIE))來形成入口306、出口308及柱310。在基板302之與其中附接蓋板204之側相對之側上形成溫度控制314。在一個實施例中，溫度控制與色譜300整合且可包含加熱元件及/或冷卻元件或能夠進行加熱及冷卻兩者之元件(諸如，一帕耳帖(Peltier)裝置)。溫度控制314亦可包含一個或多個溫度感測器316以允許對溫度控制314之監視及/或回饋控制。

通道或柱310提供自入口306至出口308之一連續流體路徑，且柱310之壁中之某些或所有壁塗佈有可與由該色譜分離之該等化學品相互作用之一固定相塗層，或換言之，該等柱壁塗佈有具有具體選擇性/分離能力之具體材料以用於所期望之氣相分析。多徹底及多快地自該流體分離化學品取決於該固定相塗層、柱310之總路徑長度及溫度。對於一既定固定相塗層而言，該柱越長，該化學品光譜分離地越佳，但一長柱亦延長分離時間。因此，對於一既定應用而言，所需路徑長度通常將由塗層、柱長度及溫度中間的一折衷來確定。所圖解說明之實施例將柱310顯示為一螺旋柱，其中該柱路徑長度將取決於螺旋線圈之數目。然而，在其他實施例中，柱310可不同地成形。在一個實施例中，柱310之長度可在1m與10m之間，但在其他實施例中，可超出此範圍。在所圖解說明之MEMS GC中，柱310可藉由微機械加工或微機電系統(MEMS)過程來形成於矽晶圓、玻璃晶圓、PCB板或任一類型之基板上。

在裝置100中之MEMS氣相色譜300之作業期間，來自預濃縮器106之流體透過入口306進入且行進穿過柱310。當流體行進穿過柱310時，該流體中之不同化學品以不同速率與固定相塗層312相互作用，意指該等化學品在前進穿過該柱之後分離，其中首先分離與該固定相強烈地相互作用之化學品且稍後分離與該固定相微弱地相互作用之化學品。換言之，與該固定相強烈地相互作用之化學品在該固定相中保存地較長，而與該固定相微弱地相互作用之化學品在該固定相中保存較少時間。在氣相色譜300之某些實施例中，此時域分離可根據分子量發生(例如，首先分離具有最低分子量之化學品，隨後係具有較高分子量之化學品)，但在其他實施例中，其可根據其他化學特性或其他分離機制發生。當時域分離該等化學品時，幫浦112透過出口308自MEMS氣相色譜300汲取出該等化學品。一般而言，該等化學品透過出口308以與其等之分離相反之次序排出-亦即，具有低保留時間之化學品首先排出，而具有較高保留時間之化學品稍後排出。在離開出口308之後，該等化學品進入偵測器陣列110。

圖3C圖解說明一個別氣相色譜350之一替代實施例。氣相色譜350在大多數方面類似於圖3B中所示之氣相色譜300。氣相色譜300與氣相色譜350之間的主要差異係該溫度控制之組態。在氣相色譜350中，溫度控制352未整合至該色譜中，而替代地係熱耦合至該色譜之一外部組件(諸如，一加熱或冷卻板)。舉例而言，可使用導熱黏合劑或藉助熱介面材料來達成外部溫度控制352與該色譜之間的熱耦合。如同溫度控制314，溫度控制352可包含一個或多個溫度感測器354以監視溫度及/或提供對該溫度控制之回饋控制。由於該GC較小(在一個實施例中係大約1英吋範圍，但並不限於此範圍)，因此可藉助整合或外部溫度控制來達成較快之加熱及冷卻控制。

圖3D及3E共同圖解說明一個別氣相色譜380之一替代實施例。氣相色譜380與氣相色譜350之間的主要差異係在色譜380中形成一習用色譜柱而非一MEMS色譜柱。氣相色譜380包含其中具有一腔或開口384之一基板382。將一色譜柱386定位於腔384內，在一個實施例中，該色譜柱可使用習用色譜中使用之線圈狀毛細管道來形成。將一溫度控制386接合至基板382以關閉腔384，因此包圍柱386。在一個實施例中，如圖3C中所示，溫度控制386可係一外部溫度控制且可包含一個或多個溫度感測器388以監視溫度及/或提供對該溫度控制之回饋控制。GC 380可以一較小之大小封裝以達成較快之加熱及冷卻控制。

氣相色譜380之作業類似於圖3C中所示之氣相色譜350。氣相色譜380與氣相色譜350之間的主要差異係色譜柱之形成。替代使用MEMS製作之柱晶片，該柱可由習用色譜中使用之線圈狀毛細管道形成。然後，如圖3D中所示，該柱由一溫度控制381包圍。此GC可以一小的大小封裝以達成較快之加熱及冷卻控制。

圖4A至4B圖解說明可用作裝置100中之偵測器陣列110之一偵測器陣列400之一實施例。偵測器陣列400包含一基板402，其具有形成於其上之感測器S1至S9之一陣列。在所圖解說明之實施例中，感測器S1至S9形成一規則形狀之3×3感測器陣列，但在其他實施例中，該感測器陣列可具有較大或較少數目個感測器，且該等感測器可配置成任一型樣(規則或不規則)。

將一蓋404接合至基板402之週邊以形成使感測器S1至S9位於其內之一腔410。蓋404亦包含流體可透過其自氣相色譜108進入之一入口406及流體可透過其排出至幫浦112之一出口408。在基板402之與其中附接蓋404以在作業期間控制偵測器陣列400之溫度之側相對之側上形成一加熱器412，且藉此該等感測器在該偵測器陣列內。雖然圖中未顯示，但偵測器陣列400當然包含可藉由其輸出由感測器S1至S9產生之信號以用於處理之輸出端。

每一感測器S1至S9皆包含其上具有一塗層之一表面。所用之每一塗層將針對正偵測之特定化學品中之一種或多種具有一親和力，以使得該塗層吸收其對應化學品(一種或多種)或與其化學地相互作用。塗層與化學品之間的相互作用依次改變該感測器之一物理性質(諸如，共振頻率、電容或電阻)，且可使用一變換器或其他量測裝置來量測該感測器之彼所改變物理性質。針對感測器S1至S9所挑選之特定塗層將取決於將使用感測器陣列110來偵測之該等化學品。塗層之化學親和力亦隨溫度而強烈地變化，以使得應在選擇塗層時考量該運作溫度範圍。在其中將使用感測器陣列110來偵測人呼氣中之揮發性有機化合物-諸如，苯、甲苯、正-辛烷、乙基苯、間,對-二甲苯、α-蒎烯、d-檸檬烯、壬醛及苯甲醛、2-甲基己烷、4-甲基辛烷等之一實施例中，可用於不同應用中之塗層包含2,2-雙三氟甲基-4,5-二氟-1,3-間二氧雜環戊烯(PDD)及四氟乙烯(TFE)、PtCl2(烯烴)、C8-MPN等之非晶共聚物。

雖然所圖解說明之實施例具有九個感測器，但所需感測器之數目取決於欲偵測之不同化學品之數目及該等感測器上使用之塗層之性質。在其中每一塗層僅吸收一種化學品或僅與一種化學品化學地相互作用之一實施例中，感測器之數目可確切地對應於欲偵測之化學品之數目，但在其他實施例中，可期望在多於一個感測器上具有一既定塗層以用於冗餘。然而，在大多數情形下，在化學品與塗層之間不存在一對一之相關性；換言之，每一塗層與多於一種不同化學品反應且不同化學品與一既定塗層之間的反應將在性質及強度上變化。因此，具有帶有不同塗層之感測器之一偵測器陣列係有用，此乃因該偵測器陣列之回應可針對不同氣體而具有不同型樣。

在感測器陣列400之一個實施例中，感測器S1至S9係定位於基板402之表面上之MEMS感測器，意指其等係表面微機械加工之感測器。然而，在使用MEMS感測器之其他實施例中，感測器S1至S9可係體微機械加工之感測器，意指該等MEMS感測器中之至少某些感測器係形成於基板402內而非該表面上。使用MEMS感測器之感測器陣列 110之仍其他實施例可包含表面微機械加工及體微機械加工之感測器之組合。端視應用及所需靈敏度，可使用不同類型之MEMS感測器。可使用之MEMS感測器之實例包含化敏電阻器、體聲波(BAW)感測器等。在偵測器陣列400之其他實施例中，感測器S1至S9中之一者或多者可係一非MEMS感測器。可用於偵測器陣列400中之非MEMS感測器之實例包含具有石英或砷化鎵(GaAs)基板之石英晶體微天平(QCM)或表面聲波(SAW)感測器。

在裝置100中之MEMS偵測器陣列400之作業中，來自氣相色譜108之流體透過入口406進入且行進至腔410中。進入腔410之流體攜載經時域分離之化學品。當每一化學品進入腔410時，該化學品與其塗層針對彼化學品具有一親和力之一個或多個感測器相互作用。感測且量測該化學品與該感測器之相互作用，且可萃取特定化學品之存在及濃度。當更多流體流動至腔410中時，透過出口408自腔410推出第一種化學品且具有下一種經時域分離之化學品之流體進入腔410、與該感測器陣列相互作用且得以量測。此過程繼續直至來自氣相色譜108之所有經時域分離之化學品皆已流動穿過偵測器陣列110為止。在其中該等塗層針對其等之化學品之親和力係非強烈之某些實施例中，偵測器陣列110可係可再使用：在已感測所用經時域分離之化學品之後，可啟動加熱器412以加熱該等感測器且促使該等塗層釋放該等塗層與其相互作用之各別化學品，從而使該相互作用可逆。在其中每一塗層針對其化學品之親和力可係強烈之實施例中，該感測器陣列之加熱可幫助自該等塗層材料釋放部分地吸收之氣體。

圖5圖解說明使用一基於MEMS之氣相分析裝置502之一替代實施例之一系統500之一實施例。裝置502在大多數方面類似於裝置100。裝置502與裝置100之間的主要差異係裝置502中存在一無線收發器電路504及安裝於基板102上之一天線506。無線收發器電路504可既發射 (Tx)資料又接收(Rx)資料且耦合至讀取及分析電路128及天線506。

在系統500之一個實施例中，可使用收發器504來將原始資料自讀取及分析電路128無線發射至一路由器508及一電腦510中之一者或兩者。當發射至路由器508時，然後可將該資料再發射至另一目的地以用於分析。舉例而言，在其中裝置502用於與衛生相關之化學分析之一應用中，可將發送至路由器508之資料再發射至一醫生辦公室、一醫院、一政府衛生部或其他某一場所中之一者或多者以用於分析及解釋。在完成分析之後或當對於資料存在一問題時，醫生辦公室、醫院或衛生部可透過路由器508、天線506及收發器504將指令發送至裝置502以發訊該結果、嘗試改正或改良該資料或者發訊必須再次執行該測試。

藉助同一衛生護理實例繼續，在系統500之同一或另一實施例中，無線收發器504可用以將原始資料發射至電腦510。電腦510可如該路由器一樣將該原始資料轉發至一醫生、醫院等，或可藉助其上所裝設之軟體來分析該資料以提供自該資料萃取資訊(諸如，一個或多個可能之醫療診斷)且將所萃取之資訊提供至裝置502之使用者。當其提供分析及醫療診斷時，電腦510亦可將該診斷單獨地或與該分析及原始資料一起轉發至醫生、醫院等。如同該路由器，醫生辦公室、醫院或衛生部可透過電腦510、天線506及收發器504將指令發送至裝置502以嘗試改正或改良該資料、發訊必須再次執行該測試等。

再次藉助同一衛生護理實例繼續，在系統500之仍另一實施例中，可處理該原始資料且讀取及分析電路128自該資料萃取諸如潛在診斷之資訊。然後，由讀取及分析電路128確定之該等潛在診斷可被發送至欲由使用者閱讀之電腦510及/或轉發，或者可立即單獨地或與支援之原始資料一起轉發至醫生辦公室等。

圖6圖解說明使用一基於MEMS之氣相分析裝置602之一替代實施例之一系統600之一實施例。裝置602在大多數方面類似於裝置502。裝置502與裝置602之間的主要差異係無線收發器電路504及天線506藉助耦合至讀取及分析電路128之一硬體資料介面604來替換。在一個實施例中，硬體資料介面604可係一網路介面卡，但在其他實施例中，硬體資料介面可係一乙太網路卡、一簡單電纜插頭等。外部裝置可透過諸如電纜等傳統手段連接至裝置602。雖然其具有一不同之通信介面，但裝置602及系統600具有與裝置502及系統500相同之全部功能性。如同系統500，在系統600中，基於MEMS之氣相分析裝置602可將資料發射至一電腦608及一無線裝置606(諸如，一蜂巢式電話或個人數位助理(PDA))中之一者或兩者且自其接收資料。當發射至無線裝置606時，然後可將該資料轉發至一醫生辦公室、醫院或政府衛生部，且該資料之接收方可依次透過該無線裝置將資料或指令發送回至氣相分析裝置602。如在系統500中，當將資料發射至電腦608時，其可由該電腦轉發或可由該電腦分析，且針對使用者顯示及/或轉發之結果及指令可透過電腦608發射至裝置602。類似地，來自氣相分析裝置602之資料可由讀取及分析電路128分析。在由電路128分析之後，所萃取之資訊(例如，一個或多個診斷)及/或原始資料可經由硬體資料介面604轉發。

圖7圖解說明一基於MEMS之氣相分析裝置700之一替代實施例。裝置700在大多數方面類似於裝置100。系統700與裝置100之間的主要差異係裝置700包含一機載顯示器702以用於將由讀取及分析電路128所執行之分析之結果輸送至一使用者。

所圖解說明之實施例使用可將文字資訊輸送至一使用者之一機載文字顯示器702(舉例而言，一LCD螢幕)。舉例而言，在一衛生護理實例中，可使用顯示器702來以指示患者之情形之類比數字來顯示測試結果。顯示器702可指示一陽性或陰性診斷、可指示一既定診斷之可能性或可指示來自該偵測器陣列之原始資料。在另一衛生護理實施例中，可使用更簡單之顯示器，諸如，具有指示一陽性、陰性或不確定結果之三個燈之一顯示器，端視該結果而接通燈。

圖8圖解說明一基於MEMS之氣相分析裝置800之一替代實施例。裝置800在大多數方面類似於裝置100。裝置800與裝置100之間的主要差異係在裝置800中流體處置總成101之一個或多個元件係可替換。在所圖解說明之實施例中，使該等元件可藉由使用以下插座將其等安裝至基板102上來替換：過濾器及閥總成104藉由插座804安裝至基板102、預濃縮器藉由插座804安裝至基板102、氣相色譜108藉由插座808安裝至基板102、偵測器陣列110藉由插座810安裝至基板102且幫浦112藉由插座812安裝至基板102。在一個實施例中，插座804至812係准許由一使用者容易地替換之插座(諸如，零插力(ZIF)插座)，但在其他實施例中，可使用其他類型之插座。雖然所圖解說明之實施例顯示流體處置總成101之所有組件係可替換，但在其他實施例中，可僅使該等組件中之某些組件(諸如，幫浦112及偵測器陣列110)係可替換。

圖9圖解說明一基於MEMS之氣相分析裝置900之一替代實施例。氣相分析裝置900在大多數方面類似於裝置100。裝置900與裝置100之間的主要差異係裝置900包含提供一外部預濃縮器902(亦即，安裝於基板102上之一預濃縮器)。在所示之實施例中，將一閥904放置於預濃縮器106與氣相色譜108之間，且採取措施以將外部預濃縮器902附接至該閥。閥904允許使用者使用外部預濃縮器902而非或以及機載預濃縮器106。在一個實施例中，外部預濃縮器902係一呼氣收集袋，但在其他實施例中，其可係不同之某物。在裝置900之一替代實施例(未顯示)中，預濃縮器106可永久地移除且由外部預濃縮器902替換。在其中外部預濃縮器902替換預濃縮器106之另一實施例中，可將外部預濃縮器902耦合於過濾器及閥總成104之上游替代在預濃縮器106與氣相色譜108之間插入一閥。

圖10A至10F圖解說明可用作(舉例而言)氣相分析系統100中之氣相色譜108之級聯式氣相色譜(CGC)之實施例。如先前所闡明，GC柱塗層通常針對具體溫度及化學品係最佳化，以使得無單個GC可甚至藉由改變其溫度來分離大量化學品。級聯具有個別溫度控制之多個GC可提供GC之間的互補氣相分離，從而導致較佳總分離及一較佳、更明確之化學品光譜。

圖10A圖解說明包含耦合至一第二GC 1008之一第一氣相色譜(GC)1002之一級聯式氣相色譜(CGC)1000。在所圖解說明之實施例中，將GC 1002與GC 1008串列地耦合以使得GC 1002之出口1006藉由一流體連接1014耦合至GC 1008之入口1010。GC 1008之出口1012藉由一流體連接1016耦合至一偵測器1018，但是在其他實施例中，出口1012可耦合至某一完全不同組件。雖然圖中所圖解說明之實施例僅具有兩個GC，但在其他實施例中，可添加一個或多個額外GC以及諸如額外流體連接、分流器、三通閥偵測器及切換閥等其他組件以形成一較大GC級聯。

在某些實施例中，GC 1002與GC 1008可具有相同特性，但在其他實施例中，GC 1002與GC 1008無需具有相同特性且可具有不同柱長度、柱塗層、運作溫度等。在一個實施例中，舉例而言，GC 1002可塗佈有可對極性或非極性化學品具特別選擇性之材料A且可具有其分離特定化學品之最佳溫度控制曲線。同時，GC 1008可具有一不同柱長度且可塗佈有可分離GC 1002不可解析(分離)之不同化學品之另一材料B；換言之，GC 1008與GC 1002係互補。由於該組態中之每一GC可具有其自身之溫度控制，因此GC 1008可經最佳化以分離所關心之未由GC 1002解析(分離)之剩餘氣體。然後，所分離之氣體可由GC 1008之輸出端處之偵測器1018偵測。

在所圖解說明之實施例中，GC 1002及GC 1008係具有個別溫度控制之MEMS氣相色譜(諸如，圖3B或3C中所示之彼等)，但在其他實施例中，其等可係具有個別且獨立溫度控制之傳統的GC(諸如，圖3D至3E及圖12A至12C中所示之毛細管柱色譜)。該等個別溫度控制允許獨立於另一者地控制每一GC之運作溫度。在其他實施例中，GC 1002與GC 1008無需具有相同類型-亦即，CGC 1000可包含MEMS色譜及非MEMS色譜兩者。在某些實施例中，兩個色譜可具有相同類別之溫度控制，但在其他實施例中，兩個色譜無需具有相同溫度控制；舉例而言，在具有兩個MEMS色譜之所圖解說明之實施例中，如圖3B中所示，GC 1002可具有一整合溫度控制，而如圖3C至3E中所示，GC 1008具有一外部溫度控制。在一個實施例中，如圖4A至4B中所示，偵測器1018係一偵測器陣列，但在其他實施例中，其可係一不同類型之偵測器。

在CGC 1000之作業中，其中具有一種或多種化學品之一載體流體透過入口1004進入GC 1002且流動穿過該GC之柱。該GC之溫度控制用以將GC 1002之溫度建立及/或維持在期望分離來自該流體之該等化學品所需之溫度處。具有未由GC 2002解析(分離)之任何化學品之該載體流體透過出口1006排出至流體連接1014中。流體連接1014將該流體攜載至GC 1008中，其中該流體流動穿過該GC之柱且分離在GC 1002之後剩餘之未經解析化學品中之某些或所有化學品。如同GC 1002，GC 1008之溫度控制用以建立及/或維持期望分離來自該流體之該等化學品所需之溫度。將GC 1008之出口1012耦合至一偵測器，然後該偵測器可用以偵測由兩個GC自該載體流體分離之該等化學品。在GC 1000之作業之另一實施例中，無需將每一個別GC之溫度固定在某一溫度處。每一GC可經控制以具有不同之動態溫度漸變分佈以達成期望之化學品分離。

圖10B圖解說明一CGC 1025之一替代實施例。CGC 1025在大多數方面類似於CGC 1000。該兩者之間的主要差異係在CGC 1025中存在耦合至流體連接1014中之一預濃縮器及/或捕集器(PC/T)1027。在一個實施例中，PC/T 1027可係流體在自出口1006至入口1010之流體連接1014中前進時流動穿過之一晶片或其他MEMS規模裝置，但在其他實施例中，其可係一非MEMS裝置。CGC 1025類似於CGC 1000地運作，但在GC1025中，可週期性地冷卻及/或加熱PC/T 1027以捕集與釋放具有較高濃度及較短光譜之經分離化學品(在其等進入GC 1008之前)。然後，如以上針對CGC 1000所述，GC 1008可進一步分離該等化學品。在添加PC/T 1027之情況下，氣相光譜可隨氣體濃度變高而變窄以用於偵測器感測。

圖10C圖解說明具有多個流動路徑之一CGC 1050之一替代實施例。CGC 1050類似於CGC 1000，此乃因將GC 1002與GC 1008耦合以使得GC 1002之出口1006藉由一流體連接1014耦合至GC 1008之入口1010。GC 1008之出口1012藉由一流體連接1016耦合至一偵測器1018且偵測器1018藉由另一流體連接進一步耦合至一切換閥1052。在CGC 1050中，一額外流體連接1056藉由一分流器或三通閥1054耦合至流體連接1014。除耦合至流體連接1014以外，流體連接1056耦合至偵測器1058之入口且一切換閥1060流體地耦合至偵測器1058之出口。切換閥1018及1058可控制氣體是否可流動至用於氣體感測之對應偵測器。偵測器1018及1058可係不同且對不同氣體具有具體靈敏性。雖然圖中所圖解說明之實施例僅具有兩個GC，但在其他實施例中，可添加一個或多個額外GC以及諸如額外流體連接、分流器、三通閥偵測器及切換閥等其他組件以形成一級聯式GC陣列。

CGC 1050具有不同作業模式，其取決於元件1054是一分流器還是一三通閥。在元件1054係一分流器之一實施例中，其中具有一種或多種化學品之一載體流體透過入口1004進入GC 1002且流動穿過該GC之柱。該GC之溫度控制用以將GC 1002之溫度建立及/或維持在期望分離來自該流體之該等化學品所需之溫度處。具有未由GC 1002解析(分離)之任何化學品之該載體流體透過出口1006進入至流體連接1014中。將由流體連接1014攜載之該流體之一部分引導至GC 1008中且將該流體之一部分引導至流體連接1056中。進入GC 1008之該部分流動穿過該GC之柱且分離在GC 1002之後剩餘之未經解析化學品中之某些或所有化學品。如同GC 1002，GC 1008之溫度控制用以建立及/或維持期望分離來自該流體之該等化學品所需之溫度。將GC 1008之出口1012耦合至偵測器，然後該偵測器可用以偵測由兩個GC自該載體流體分離之該等化學品。流體之引導至流體連接1056中之部分流動至偵測器1058。當打開切換閥1052及1060兩者時，由GC 1002分離之部分氣體可直接由偵測器1058感測，而將部分氣體饋送至GC 1008中以用於進一步之分離且由偵測器1018感測。在其中元件1054係一分流器之另一作業模式中，僅打開切換閥1052及1060中之一者。在僅打開一個切換閥之情況下，全部氣體可流動可在不損失部分氣體(降低欲感測之氣體量)之情況下在偵測器1018與偵測器1058之間切換之路徑。在其中元件1054係一三通閥之一實施例中，該三通閥可用以控制該流動且可消除切換閥1052及1060。

圖10D圖解說明一CGC 1051之一替代實施例。CGC 1051在大多數方面類似於CGC 1050。該兩者之間的主要差異係自CGC 1051省略偵測器1058。對於其中不需要自GC 1002進入之某些化學氣體之作業，CGC 1051可用以藉由將進入GC 1002之不需要之化學品切換或引導至流體連接1056中且摒棄彼等化學品來移除該等化學品。

圖10E圖解說明一CGC 1075之一替代實施例。CGC 1075在大多數方面類似於CGC 1050。該兩者之間的主要差異係在CGC 1075中存在耦合至流體連接1014之預濃縮器及/或捕集器(PC/T)1079及耦合至流體連接1056之預濃縮器及/或捕集器(PC/T)1077。在一個實施例中，PC/T 1077及PC/T 1079可係流體在前進穿過流體連接1014及1056時流動穿過之預濃縮器及/或捕集器晶片或其他MEMS規模裝置，但在其他實施例中，PC/T 1077及PC/T 1079無需係MEMS規模裝置。在仍其他實施例中，PC/T 1077與PC/T 1079可係不同類型之預濃縮器或捕集器。CGC 1075以類似於CGC 1050之一方式運作，只是PC/T 1077及PC/T 1079用以週期性地捕集/釋放較窄且較高濃度氣相光譜以用於偵測器感測。

圖10F圖解說明一CGC 1090之一替代實施例。CGC 1090在大多數方面類似於CGC 1075。CGC 1090與CGC 1075之間的主要差異係在CGC 1090中將一流體連接1097添加於GC 1008之出口與GC 1002之入口之間。將一預濃縮器及/或捕集器(PC/T)1181及切換閥1099耦合於流體連接1097中。流體連接1097允許氣體在兩個或更多個GC之間再循環以在必須實體地加長該GC柱或串列地添加額外GC之情況下增加有效GC柱長度。亦將一額外切換閥1187耦合至GC 1002之出口與GC 1008之入口之間的流體連接1010。在所圖解說明之實施例中，PC/T 1077(參見圖10E)已自流體連接1026移除，但在CGC 1090之其他實施例中，可將其再插入。雖然圖中所圖解說明之實施例僅具有兩個GC，但在其他實施例中，如由點1091所指示，可添加一個或多個額外GC或偵測器以及諸如額外流體連接、分流器、三通閥偵測器及切換閥等其他組件以形成一級聯式GC陣列。

CGC 1090包含不同作業模式，其取決於如何將流體選路穿過該CGC。該流體選路由切換閥1030、1034、1099、1183及1187控制。在一個模式中，切換閥1099及切換閥1034(針對偵測器1032)係關閉，氣體在打開切換閥1030之情況下朝向偵測器1028流動。該流動組態在不存在使用之PC/T時類似於圖10A，或在使用一PC/T時類似於圖10B中所示之組態。

在CGC 1090之另一運作模式中，當微切換閥1099及切換閥1034係打開而切換閥1183及1187係關閉時，流動穿過GC 1008之氣體可再循環回至GC 1002入口且再次行進穿過GC 1002以用於進一步之氣體分離且然後由偵測器1032感測。PC/T 1185可作為一選項包含於若干個GC之間的流動路徑中以產生較窄氣相光譜。

圖11A圖解說明一CGC 1100之另一替代實施例。CGC 1100包含GC 1102、GC 1108及GC 1116。在所圖解說明之實施例中，將GC 1102與GC 1108耦合以使得出口1106藉由一流體連接1110耦合至入口1112。GC 1008之出口1114耦合至偵測器1128之一入口，而一切換閥1130耦合至偵測器1128之出口。一額外流體連接1126藉由一分流器或三通閥1124耦合至流體連接1110。流體連接1126亦耦合至GC 1116之入口1118，而GC 1118之出口1120耦合至偵測器1132之一入口。一切換閥1130耦合至偵測器1132之出口。雖然圖中所圖解說明之實施例僅具有三個GC，但在其他實施例中，如由點1136所指示，可添加一個或多個額外GC以及諸如額外流體連接、分流器、三通閥偵測器及切換閥等其他組件以形成一級聯式GC陣列。

CGC 1100中之每一GC之確切特性(諸如，柱長度、柱塗層及運作溫度)通常將取決於運作考慮事項，諸如，預期使用CGC 1100、該CGC將用以分離何種化學品等。在某些實施例中，GC 1102、GC 1108及GC 1116可具有相同特性，但在其他實施例中，GC 1102、GC 1108及GC 1116無需具有相同特性且可具有不同柱長度、柱塗層、運作溫度等。在一個實施例中，舉例而言，GC 1002可塗佈有可係針對極性或非極性化學品特別選擇之材料A且可具有用以分離具體化學品之其最佳溫度控制分佈。同時，GC 1108及GC 1116可具有不同柱長度且可塗佈有可分離GC 1002不可解析(分離)之化學品之其他材料B及C；換言之，GC 1108及GC 1116與GC 1002係互補。由於每一GC可具有其自身之溫度控制，因此GC 1108及GC 1116可經最佳化以分離所關心之未由GC 1002解析(分離)之剩餘化學品。然後，所分離之化學品可由GC 1108之輸出端處之偵測器1128及GC 1116之出口處之偵測器1132偵測。

在所圖解說明之實施例中，GC 1102、GC 1108及GC 1116係具有個別溫度控制之MEMS氣相色譜(諸如，圖3B或3C中所示之彼等)，但在其他實施例中，其等可係具有個別溫度控制之傳統的GC(諸如，圖3D及圖12A至12C中所示之毛細管柱色譜)。該等個別溫度控制允許獨立於另一者地控制每一GC之溫度。在其他實施例中，GC 1102、GC 1108及GC 1116無需具有相同類型-亦即，CGC 1100可包含MEMS色譜及非MEMS色譜兩者，可包含具有不同柱塗層、不同溫度回應、不同柱組態等之若干個GC。在某些實施例中，所有色譜可具有相同類別之溫度控制，但在其他實施例中，GC 1102、GC 1108及GC 1116無需具有相同溫度控制；例如，在具有MEMS色譜之所圖解說明之實施例中，如圖3B中所示，GC 1102與GC 1108可具有一整合溫度控制，而如圖3C中所示，GC 1116可具有一外部溫度控制。

CGC 1100包含不同作業模式，其取決於如何將流體選路穿過該CGC。在其中元件1124係一分流器之一實施例中，該流體選路由切換閥1130及1134之作業控制。其中具有一種或多種化學品之一載體流體透過入口1104進入GC 1102且流動穿過該GC之柱。該GC之溫度控制用以將GC 1102之溫度建立及/或維持在期望分離來自該流體之該等化學品所需之溫度處。具有未由GC 1102解析(分離)之任何化學品之該載體流體透過出口1106排出至流體連接1110中。

在排出GC 1102之後，將由流體連接1110攜載之該流體之一部分引導至GC 1108中且透過流體連接1126將該流體之一部分引導至GC 1116中。進入GC 1108之該部分流動穿過該GC之柱且分離在GC 1102之後剩餘之未經解析化學品中之某些或所有化學品。如同GC 1102，GC 1108之溫度控制用以建立及/或維持期望分離來自該流體之該等化學品所需之溫度。將GC 1108之出口1114耦合至一偵測器1128，然後該偵測器可用以偵測由兩個GC自該載體流體分離之該等化學品。流體之進入GC 1116之該部分流動穿過該GC之柱且分離在GC 1102之後剩餘之未經解析化學品中之某些或所有化學品。如同GC 1102，GC 1116之溫度控制可用以建立及/或維持期望分離來自該流體之該等化學品所需之溫度。將GC 1116之出口1120耦合至偵測器1132，然後該偵測器可用以偵測由兩個GC自該載體流體分離之該等化學品。

當打開切換閥1130及1134時，可將具有未由GC 1102分離之化學品之載體流體輸入至GC 1108及GC 1116以用於進一步之分離，在此之後，可由偵測器1128及1132感測所分離之化學品。在其中元件1124係一分流器之一替代作業模式中，僅打開切換閥1130及1134中之一者。在此一情形下，該流動路徑可在不損失部分氣體(降低欲感測之氣體量)之情況下在GC 1108與GC 1116之間切換。在其中元件1124係一三通閥之一實施例中，該三通閥可用以控制GC 1108與GC 1116之間的流動且可消除切換閥1128及1132。藉由組合來自所有偵測器之輸出光譜，所得之級聯式微GC連接陣列可產生一多維氣相光譜，其可顯著地促進氣相選擇性及此系統之分離能力。

圖11B圖解說明一CGC 1150之一替代實施例。CGC 1150在大多數方面類似於CGC 1100。該兩者之間的主要差異係在CGC 1150中在流體連接1110及1126中存在一預濃縮器及/或捕集器(PC/T)以週期性地捕集/釋放較窄且較高濃度氣相光譜以用於偵測器感測。CGC 1150以類似於CGC 1110之一方式運作，只是PC/T 1152及PC/T 1154用以週期性地捕集/釋放較窄且較高濃度氣相光譜以用於偵測器感測。

圖12A至12C圖解說明使用非MEMS色譜(諸如，毛細管柱(或毛細管通道)色譜)之級聯式氣相色譜(CGC)之替代實施例。圖12A圖解說明包含耦合至一第二GC 1204之一第一氣相色譜(GC)1202之一級聯式氣相色譜(CGC)1200。在所圖解說明之實施例中，GC 1202與GC 1204係串列地耦合之毛細管柱氣相色譜，以使得GC 1202之出口藉由一流體連接1208耦合至GC 1204之一入口。舉例而言，如圖10A中所示，GC 1008之出口1210可耦合至另一組件(諸如，一偵測器)。

在所圖解說明之實施例中，GC 1202與GC 1204保持於單獨之溫度區中，每一者具有其自身之個別溫度控制：GC 1202係在溫度區1212中，而GC 1204係在溫度區1214中。可獨立於溫度區1214地控制溫度區1212，以使得可獨立地控制該等GC之溫度。在一個實施例中，溫度區1212及1214可係可個別地控制之烘箱或高壓釜，而在其他實施例中，溫度區1212及1214可係可個別地控制之製冷單元。在另一實施例中，如圖3D中所示，該等溫度區可係個別熱絕緣之溫度基板或外殼。在其他實施例中，溫度區1212與溫度區1214無需係相同類型；例如，在一個實施例中，溫度區1212可係一烘箱而溫度區1214可係一製冷單元。在仍其他實施例中，溫度區1212及1214中之至少一者可係能夠進行加熱及冷卻兩者。

在CGC 1200之作業中，其中具有一種或多種化學品之一載體流體透過入口1206進入GC 1202且流動穿過該GC之柱。溫度區1212用以將GC 1202之溫度建立及/或維持在期望分離來自該流體之該等化學品所需之溫度處。具有未由GC 1202解析(分離)之任何化學品之該載體流體排出至流體連接1208中。流體連接1208將該流體攜載至GC 1204中，其中該流體流動穿過該GC之柱且分離在GC 1202之後剩餘之未經解析化學品中之某些或所有化學品。如同GC 1002，使用溫度區1214來建立及/或維持期望在GC 1204中分離來自該流體之化學品所需之溫度。可將GC 1204之出口1210耦合至一偵測器，然後該偵測器可用以偵測由兩個GC自該載體流體分離之該等化學品。

圖12B圖解說明一CGC 1250之一替代實施例。CGC 1250在大多數方面類似於CGC 1200。在CGC 1250中，GC 1202係在溫度區1252內而GC 1204係在溫度區1254內。CGC 1200與CGC 1250之間的主要差異係該等溫度區之組態：在所圖解說明之實施例中，溫度區1252係在溫度區1254內。在一個實施例中，溫度區1254可係一烘箱或高壓釜而溫度區1252係溫度區1254內之一子烘箱、但與溫度區1254熱絕緣且可與溫度區1254獨立地控制。在另一實施例中，溫度區1254可係一製冷單元而溫度區1252係溫度區1254內之一子單元、但與溫度區1254熱絕緣且可與溫度區1254獨立地控制。CGC 1250類似於GC 1200地運作。

圖12C圖解說明一CGC 1275之一替代實施例。在所圖解說明之實施例中，GC 1202、GC 1204及GC 1280係耦合之毛細管柱GC以使得GC 1202之出口藉由一流體連接1208耦合至GC 1204之入口。一額外流體連接1278藉由一分流器或三通閥1276耦合至流體連接1208。流體連接1278亦耦合至GC 1280之入口。GC 1204之出口1210與GC 1280之出口1282可耦合至額外組件(諸如，偵測器)。

在所圖解說明之實施例中，GC 1202、GC 1204及GC 1280保持於單獨之溫度區中，每一者具有其自身之獨立溫度控制：GC 1202係在溫度區1252中、GC 1204係在溫度區1254中且GC 1280係在溫度區1284中。在一個實施例中，溫度區1252、1254及1284可係可個別地且獨立地控制之烘箱或高壓釜，而在其他實施例中，溫度區1252、1254及1284可係可獨立地控制之製冷單元。在其他實施例中，溫度區 1252、1254及1284無需係相同類型；例如，在一個實施例中，溫度區1252可係一烘箱而溫度區1254及1284可係製冷單元。在另一實施例中，溫度區1254可係一烘箱，其中溫度區1252及1284可係個別熱隔離之溫度基板或外殼，如圖3D中所示。在仍其他實施例中，溫度區1212及1214中之至少一者可係能夠進行加熱及冷卻兩者。雖然圖中所圖解說明之實施例僅具有三個GC，但在其他實施例中，可添加一個或多個額外GC及額外溫度區以及諸如額外流體連接、分流器、三通閥、偵測器及切換閥等其他組件，以形成一級聯式GC陣列。

CGC 1275包含不同作業模式，其取決於如何將流體選路穿過該CGC。在其中元件1276係一分流器之一實施例中，該流體選路由耦合至出口1210及1282之切換閥之作業控制。當打開兩個切換閥時，可將具有未由GC 1202分離之化學品之載體流體輸入至GC 1204及GC 1280以用於進一步之分離，在此之後，可由耦合至該等出口之偵測器感測所分離之化學品。在其中元件1276係一分離器之一替代作業模式中，可僅打開該等切換閥中之一者。在此一情形下，該流動路徑可在不損失部分氣體(降低欲感測之氣體量)之情況下在GC 1204與GC 1280之間切換。在其中元件1276係一三通閥之一實施例中，該三通閥可用以控制GC 1204與GC 1280之間的流動且可消除切換閥。

裝置應用

關於人呼氣分析之臨床前試驗已發現，人所呼出之呼氣之某些揮發性有機化合物(VOC)與某些疾病相關，諸如，肺炎、肺結核(TB)、哮喘、肺癌、肝病、腎病等。該等相關性尤其可作為與肺相關之疾病之證據。當前分析系統仍主要依賴於大且貴之實驗室儀器，諸如，氣相色譜儀(GC)及質譜儀(MS)。特定而言，質譜儀不可小型化，從而使不可廣泛地使用此等診斷儀器。

上文所論述之基於MEMS之氣相分析感測器之實施例提供對此問題之一解決方案，且特定而言可有利地用以診斷及監視各種疾病，諸如，哮喘、肺癌、與肺相關之疾病及其他非肺疾病(諸如，腎病及肝病等)。

哮喘

哮喘係一慢性病；因此，規則地監視患者之狀態在醫生追蹤患者之康復進展時係有用。因此，手持式診斷裝置之新理念將使得可在家或任何地方完成呼氣分析。在當前診斷裝置中，基本量測係峰值流率且英國胸科協會(British Thoracic Society)使用以下診斷準則，但該峰值流率係一物理量量測。呼氣分析可藉由量測來自患者之呼氣之VOC來提供支氣管收縮之具體根本原因。基於MEMS之氣相分析系統之實施例可用以監視藥物之效力。此外，可透過藉由使用此基於家之裝置進行此有效監視來針對個別患者調整藥物療法。

結核

世界上現有人口之三分之一已感染了TB。且75%之病例係肺TB。發展中國家中之感染率遠遠高於發達國家。因此，迫切需要研製發展中國家買得起之診斷裝置。基於MEMS之氣相分析系統之實施例將提供一具成本效益之解決方案。結核係由分枝桿菌所引起。當前診斷消耗時間且較困難，此乃因培養慢生長之分枝桿菌花費大約6周。因此，使用一完整的醫療評估(包含胸部X光、結核放射檢查、結核菌素皮膚測試、微生物塗片及培養)來獲得更準確之評定。因此，迅速診斷係極有價值且呼氣分析方法可達成此需要。

肺癌

隨著早偵測及早治療，肺癌之5年生存率明顯地改良。當前之診斷方法(諸如，胸部X光及CT(電腦斷層)掃描)難以偵測早期肺癌。使用基於MEMS之氣相分析系統之實施例之呼氣分析可診斷早期肺癌。

具有類似症狀之與肺相關之疾病之分類

對呼出之VOC之呼氣分析係用以識別患者之具有類似症狀之與肺相關之疾病之可行方法。舉例而言，基於MEMS之氣相分析系統之實施例可向醫生提供測試資料以分類患者將患的疾病係感冒、肺癌或肺炎之間的哪一種。在進行更冗長之診斷量測之前，呼氣分析將因其簡單性而係第一篩選測試。

包含發明摘要中所述內容之本發明之所圖解說明實施例之以上說明並非意欲窮舉或將本發明限定為所揭示之具體形式。雖然出於圖解說明性目的而在本文中闡述本發明之具體實施例及實例，但如彼等熟習此項技術者將辨識，可在本發明之範疇內做出各種等效修改。可根據以上詳細說明對本發明做出此等修改。

以下申請專利範圍中使用之術語不應理解為將本發明限定於說明書及申請專利範圍中所揭示之具體實施例。相反，本發明之範疇將完全由以下申請專利範圍來確定，該等申請專利範圍將根據請求項解釋之所建立原則來加以理解。