TW202115394A

TW202115394A - 感測器和應用該感測器的檢測裝置

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Publication number: TW202115394A
Application number: TW108136778A
Authority: TW
Inventors: 林欣樺; 張煒熾; 施博理; 楊沼俊; 陸一民
Original assignee: 鴻海精密工業股份有限公司
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2021-04-16
Also published as: TWI706132B

Abstract

一種感測器，包括：超聲波元件，其包括相對間隔且相互電性絕緣設置的第一電極、第二電極、設置在所述第二電極上的絕緣層，以及設置在所述第一電極和所述絕緣層之間的振膜,所述絕緣層和所述振膜圍合形成一密封的空腔，且所述第一電極承載在所述振膜上，當所述第一電極和所述第二電極之間形成電勢差，所述振膜振動以形成預定頻率範圍的超聲波；以及結合體，設置於所述第一電極遠離所述第二電極的表面，用於與待測物中的目標檢測物結合，當所述結合體與目標檢測物結合時改變所述振膜的承載重量，從而使所述超聲波的頻率範圍發生變化。本發明還提供應用上述感測器的檢測裝置。所述感測器的結構簡單，能夠快速判斷是否有目標檢測物與結合體結合。

Description

感測器和應用該感測器的檢測裝置

本發明屬於微流體檢測技術領域，涉及一種感測器以及應用該感測器的檢測裝置。

習知技術中通常通過給受體或吸附劑與待測物中的目標檢測物創造結合條件，通過使二者結合來判斷待測物中是否含有目標檢測物。但單純地創造結合條件是無法偵測到受體或者吸附劑是否有結合目標待測物的，還需要通過其它方式去對受體或者吸附劑是否有與目標待測物發生結合進行檢測。

本發明的第一方面本發明提供了一種感測器，包括：超聲波元件，其包括相對間隔且相互電性絕緣設置的第一電極、第二電極、設置在所述第二電極上的絕緣層，以及設置在所述第一電極和所述絕緣層之間的振膜,所述絕緣層和所述振膜圍合形成一密封的空腔，且所述第一電極承載在所述振膜上，當所述第一電極和所述第二電極之間形成電勢差，所述振膜振動以形成預定頻率範圍的超聲波；以及結合體，設置於所述第一電極遠離所述第二電極的表面，用於與待測物中的目標檢測物結合，當所述結合體與目標檢測物結合時改變所述振膜的承載重量，從而使所述超聲波的頻率範圍發生變化。第二方面本發明提供了一種檢測裝置，用於檢測待測物中的目標檢測物，包括：中空導管，中空導管兩端開口，且中空導管的內壁設置有第一方面提供的感測器。第三方面本發明提供了一種DNA檢測裝置，包括：進液口；出液口；篩選區，與所述進液口相連通，用於使從所述進液口進入的待檢測的細胞液被溶解得到預測定DNA片段；以及檢測區，設置在所述篩選區與所述出液口之間且與二者相連通，所述檢測區設置有第一方面提供的感測器，用於檢測在所述篩選區中被溶解的細胞液中的所述預測定DNA片段。

上述感測器的結構簡單，可通過振膜的振動變化改變超聲波的頻率，從而快速判斷是否有目標檢測物與結合體結合。設置有上述感測器的檢測裝置結構簡單，使用該檢測裝置來檢測待測物時，檢測過程的操作非常便捷，明顯提升了檢測效率，對檢測微小的待測物有積極幫助。

當受體或者吸附劑與目標待測物結合時發生生化反應時，可檢測生化反應產生的副產物；或當受體或者吸附劑與目標待測物結合時PH值發生改變時，可通過PH值的成色進行判斷；或當受體或者吸附劑與目標待測物結合時待測物局部發生了品質變化時，可通過偵測待測物的品質來判斷是否有目標檢測物與受體或者吸附劑產生了結合，以此來判斷待測物中是否含有目標檢測物。

為了能夠更清楚地理解本發明的上述目的、特徵和優點，下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。需要說明的是，在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬於本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在於限制本發明。

請參閱圖1及圖2，在本發明第一實施例中，感測器100包括超聲波元件120和設置在超聲波元件120上的結合體110。所述超聲波元件120為電容式微機械超聲換能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT），其包括：相對間隔且相互電性絕緣設置的第一電極121、第二電極122和設置在第二電極122上的絕緣層125，以及設置在第一電極121和絕緣層125之間的振膜123。所述第一電極121承載在所述振膜123上，所述絕緣層125和所述振膜123圍合形成一密封的空腔124。

所述感測器100工作時，給所述第一電極121和所述第二電極122施加直流電壓，則所述第一電極121和所述第二電極122之間就會形成強靜電場；靜電場中的電場力會把所述振膜123位於第一電極121一側的部分拉向所述空腔124；之後在直流電壓的基礎之上再對所述第一電極121和所述第二電極122施加交流電壓，在交流電壓下產生的變化的電場使得所述振膜123上下震盪，通過所述振膜123的物理震盪，所述超聲波元件120就會產生預定頻率範圍的超聲波。所述結合體110設置在所述超聲波元件120的第一電極121遠離振膜123的一側。

請參閱圖3，所述結合體110用於與待測物中的目標檢測物130進行結合，待測物可為液體、氣體以及固體。當待測物中包含所述目標檢測物130時，所述目標檢測物130與所述第一電極121上的結合體110的結合會導致所述振膜123承載的重量發生變化，因此將會影響所述振膜123的物理震盪幅度，進而會影響所述超聲波元件120的超聲波的頻率範圍，使超聲波的頻率範圍發生變化。

請參閱圖4，圖4為根據阻抗分析儀測出的所述超聲波元件120的電導隨超聲波的頻率的變化情況，其中曲線a表示結合體110與目標檢測物130結合前的所述超聲波元件120的頻率-電導關係，曲線b表示所述結合體110與所述目標檢測物130結合後的所述超聲波元件120的頻率-電導關係。從曲線a和曲線b可以看出，結合體110未與待測物中的所述目標檢測物130結合時和與目標待檢測物130結合時，超聲波元件120發出的超聲波頻率範圍明顯不同。而且，從曲線a可以看出，當所述結合體110未與待測物中的所述目標檢測物130結合時，在頻率為12MHz時電導有極大值。從曲線b可以看出，當所述結合體110與待測物中的所述目標檢測物130結合後，超聲波的頻率在11.999MHz至12MHz之間（大約在11.9995MHz）時電導有極大值。即當所述結合體110與所述目標檢測物130結合後，所述超聲波元件120的電匯出現極大值時，對應的超聲波的頻率不同於所述結合體110未與所述目標檢測物130結合時電導極大值對應的超聲波的頻率。本實施例中，當所述結合體110與所述目標檢測物130結合後，所述超聲波元件120的電匯出現極大值時對應的頻率相較於所述結合體110未與所述目標檢測物130結合時有所減小。因此當所述超聲波元件120的頻率與其電導的關係發生一定程度的變化時，則可推斷所述結合體110已與所述目標檢測物130進行結合，進而判斷出待測物中包含有所述目標檢測物130。而這些變化可通過超聲波頻率檢測儀器（例如為阻抗分析儀）來偵測。

所述結合體110可為化學吸附劑，例如包括有機聚合物(polymer)、多孔洞性材料、納米粒子、金屬薄膜等；也可以是生物受體，例如包括抗體(antibody)、觸媒(catalyst)、蛋白質或DNA、RNA、CDNA等衍生物。換句話說，本實施例提供的所述感測器100可作為生物感測器或者化學感測器進行應用。

所述當結合體110（限於是固體的結合體110）可混合于液體時，可通過噴墨列印法（Ink-Jet Printing，IJP）將所述結合體110噴印在所述第一電極121背離所述振膜123的一側表面。根據所述目標檢測130物種類的不同採用能夠與之產生反應的相應的所述結合體110，並將所述所述結合體110噴印於所述第一電極121的表面。如下表所示：

目標待測物	結合體
硫化物	聚（4-乙烯基苯酚）、聚（N-乙烯基吡咯烷酮）、聚（苯乙烯）
酮	聚苯胺、聚吡咯、聚（N-甲基丙烯酸甲酯）、聚（9-乙烯基哢唑）
醇	聚（N-乙烯基吡咯烷酮）、聚（甲基丙烯酸甲酯）、聚苯胺
烯烴	聚（4-乙烯基苯酚）、聚（醋酸乙烯酯）、聚（苯乙烯）
前列腺特異性膜抗原（PSA）	單克隆抗體
DNA	限制酶

當所述目標待測物130為硫化物、酮、酒精或烯烴時，所述結合體110可包括相應的可發生聚合的高分子聚合物，所述目標待測物130為抗原時，所述結合體110可包括相應的抗體，所述目標待測物130為DNA時，所述結合體110可包括限制酵素（限制酶）。根據所述目標待測物130和所述結合體110選取的品類不同，本實施例提供的所述感測器100可應用於人體揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）檢測、環境VOC檢測、農藥檢測、食品安全檢測等應用領域。使用設置有該感測器100的檢測裝置來檢測待測物時，檢測過程的操作簡單，對檢測微小的待測物有積極幫助。第二實施例

請參閱圖5，本發明第二實施例提供一種可用於檢測氣體中是否含有目標待測物130的檢測裝置10。所述檢測裝置10包括所述感測器100，還包括一個中空導管11。所述中空導管11兩端開口且其為耐腐蝕材料，例如玻璃。所述感測器100設置在所述中空導管11的內壁。

待檢測氣體從所述中空導管11的一端開口進入，所述氣流流經所述中空導管11的管道內壁上的複數所述感測器120時，若氣體待測物中包含有所述目標檢測物130，則所述目標檢測物130就會與所述感測器120上的所述結合體110發生結合，導致所述超聲波元件120的頻率發生改變。換句話說，若超聲波的頻率發生改變，則說明待測氣體中包含有所述目標檢側物130。通過檢測超聲波頻率的變化量，可推算出待測氣體中的所述目標檢測物130的含量。本實施例的所述檢測裝置10可應用于人體呼出的氣體VOC檢測，例如要檢測呼出的氣體中是否含有所述目標檢測物130，只需從所述中空導管11的一端呼氣，然後根據所述感測器100的變化就可以很快知道結果，檢測過程省時高效。第三實施例

請參閱圖6，本發明第三實施例提供另一種可用於檢測待測液體中是否含有目標檢測物130的檢測裝置20。本實施例中的所述檢測裝置20與第二實施例的主要區別在於：本實施例中所述檢測裝置20包括如第二實施例的中空導管11和設置在所述中空導管11一端的吸球21。所述吸球21連通所述中空導管11的一端。所述吸球21可以是可擠壓的橡膠材質。

通過擠壓所述吸球21，使得待測液體從所述中空導管11的另一端吸入。待測液體流經所述中空導管11，若待測液體中包含有所述目標待測物130，則所述目標待測物130會與所述感測器100單元上的所述結合體110發生結合。之後通過偵測超聲波的頻率是否發生變化來判斷待測液體中是否含有所述目標待測物130，最後待測液體就會流入所述吸球21內部。本實施例中，吸球21由橡膠製成，在其它實施例中，所述吸球21也可由其它有彈性的材料製成。本實施例的所述檢測裝置20可例如應用於飲用水或地表水中的VOC檢測，檢測過程極為方便，首先擠壓所述吸球21，接著將所述中空導管11的一端與水或其他液體待測物接觸，最後鬆開所述吸球21，根據所述感測器100的變化即可知道液體待測物中是否含有所述目標檢測物130。檢測過程簡單方便，檢測結果準確高效。第四實施例

請參閱圖7，本實施例提供一種DNA檢測裝置30，所述DNA檢測裝置30包括依次連通的進液口31、篩選區32、檢測區33和出液口34，還包括設置在所述檢測區33中的感測器100。

所述進液口31用於使待檢測的細胞液流入所述篩選區32，所述出液口34用於使所述檢測區33檢測後的細胞液的流出。所述DNA檢測裝置30包括包括相互間隔且相對設置的第一層310、第二層320以及形成於第一層310和第二層320之間的供細胞液流通的通道340。所述第一層310包括依次層疊設置的疏水層330、第一電極層350、和第一外殼360，其中所述疏水層330最靠近所述通道340。所述第二層320包括依次層疊設置的疏水層330、薄膜電晶體陣列層370、第二外殼380，其中所述疏水層330最靠近所述通道340。所述通道340貫通所述進液口31和出液口34。

感測器100為實施例一中所描述的所述感測器100，其設置在檢測區33的通道340的內壁上。本實施例中，所述感測器100設置在所述第一層310的所述疏水層330的表面。所述檢測區33用於檢測通過所述進液口31後，經過所述通道340流經所述篩選區32時被溶解的細胞。所述第一外殼360和所述第二外殼380均為絕緣的，其用以保護所述DNA檢測裝置30。

如圖7所示，所述第一層310的疏水層330和所述第二層320的疏水層330構成所述通道340的內壁。所述薄膜電晶體陣列層370包括多個陣列排布的薄膜電晶體391。其中，每個薄膜電晶體391為本領域常規的低溫多晶矽（LTPS）薄膜電晶體，其包括一個源極391a。在所述第一電極層350與所述薄膜電晶體391的所述源極391a上分別施加不同的電壓以在所述通道340的內部形成電場，通過調節所述第一電極層350與所述薄膜電晶體陣列層370之間的電壓，可調節細胞液在所述疏水層330上的潤濕性能，從而控制所述細胞液在通道340內的流動速度。

進一步參閱圖7，用本實施例的所述DNA檢測裝置30進行預測定DNA檢測時，先將用於檢測的細胞液通過離心機分離，並將分離後的細胞液從所述進液口31導入該DNA檢測裝置30中。該細胞液通過所述通道340流經所述篩選區32的目的在於得到用於檢測的預測定DNA片段。因此在所述篩選區32中，在把細胞液導入所述通道340後，為使DNA從細胞膜中完全的分離出來，可以向所述通道340內加入溶膜劑，使得細胞膜溶解後釋放包括DNA在內的細胞內部物質。由於DNA是負電性物質，在靜電場的作用下溶液中的DNA能夠吸附於所述第二層320的所述疏水層330上。同時在流經所述篩選區32的所述通道340內加入限制酵素（限制酶）溶液，當所述DNA中含有所述預測定DNA片段時，限制酵素可切取所需的預測定DNA片段（即目標待測物），當所述DNA中不含有所述預測定DNA片段時，則所述限制酵素無法切取到所需的預測定DNA片段。之後，調節所述第一電極層350與所述薄膜電晶體391層之間的電壓，使得含有所述限制酵素溶液的細胞液（可能含有或者不含有所述預測定DNA片段）往前流動，進入所述檢測區33。

經過所述篩選區32後的含有所述限制酵素溶液的細胞液進而流經所述檢測區33，所述檢測區33就會對所述細胞液中是否包括所述預測定DNA片段進行檢測。該檢測區33設置有上述感測器100，所述感測器100的第一電極121設置有用於結合所述預測定DNA片段的結合體110。通過感測器100發出的超聲波的頻率範圍判斷所述感測器100上的所述結合體110是否有與所述預測定DNA片段發生結合，進而判斷該細胞中是否含有所述預測定DNA片段。當所述DNA中含有所述預測定DNA片段時，該預測定DNA片段在所述含有所述限制酵素溶液的細胞液流經所述檢測區33時，所述預測定DNA片段會與結合體110結合，感測器100發出的超聲波的頻率範圍發生變化，從而判斷細胞中含有預測定DNA片段；否則，判斷細胞中不含有預測定DNA片段。之後，細胞溶液自所述出液口34排出所述DNA檢測裝置30，在保證結構準確的前提下，其檢測過程簡單方便。

檢測裝置30整體上可以為方形，也可以為圓管狀。

對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。最後應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術案的範圍。

10、20、30:檢測裝置 11:導管 100:感測器 110:結合體 130:目標檢測物 120:超聲波元件 121:第一電極 125:絕緣層 123:振膜 122:第二電極 124:空腔 21:吸球 31:進液口 34:出液口 32:篩選區 310:第一層 320:第二層 330:疏水層 340:通道 350:第一電極層 360:第一外殼 380:第二外殼 370:薄膜電晶體陣列層 391:薄膜電晶體 391a:源極 33:檢測區 a:結合體與目標檢測物結合前的頻率-電導圖 b:結合體與目標檢測物結合後的頻率-電導圖

圖1是本發明第一實施例中的感測器的平面示意圖。

圖2是第一實施例中的感測器的剖面示意圖。

圖3是本發明第一實施例中的感測器與目標待測物結合的剖面示意圖。

圖4是本發明第一實施例中的感測器與目標待測物結合前後的頻率-電導曲線圖。

圖5是本發明第二實施例提供的氣體檢測裝置的剖面結構示意圖。

圖6是本發明第三實施例提供的液體檢測裝置的剖面結構示意圖。

圖7是本發明第四實施例提供的DNA檢測裝置的剖面結構示意圖。

120:超聲波元件

121:第一電極

122:第二電極

125:絕緣層

123:振膜

124:空腔

110:結合體

130:目標檢測物

Claims

一種感測器，其改良在於，包括：超聲波元件，其包括相對間隔且相互電性絕緣設置的第一電極、第二電極、設置在所述第二電極上的絕緣層，以及設置在所述第一電極和所述絕緣層之間的振膜,所述絕緣層和所述振膜圍合形成一密封的空腔，且所述第一電極承載在所述振膜上，當所述第一電極和所述第二電極之間形成電勢差，所述振膜振動以形成預定頻率範圍的超聲波；以及結合體，設置於所述第一電極遠離所述第二電極的表面，用於與待測物中的目標檢測物結合，當所述結合體與目標檢測物結合時改變所述振膜的承載重量，從而使所述超聲波的頻率範圍發生變化。
如請求項1所述的感測器，其中：當所述結合體與目標檢測物結合後，所述超聲波元件的電匯出現極大值時對應的超聲波的頻率不同於所述結合體未與目標檢測物結合時電導的極大值對應的超聲波的頻率。
如請求項1所述的感測器，其中：所述待測物為氣體、液體或固體。
一種檢測裝置，用於檢測待測物中的目標檢測物，其改良在於，包括：中空導管，中空導管兩端開口，且中空導管的內壁設置有請求項1-3中任意一項所述的感測器。
如請求項4所述的檢測裝置，其中：所述中空導管的一端開口連通有吸球，所述吸球用於被擠壓操作時以將所述待檢測物吸入中空導管中。
如請求項5所述的檢測裝置，其中：所述吸球為橡膠材質。
一種DNA檢測裝置，其改良在於，包括：進液口；出液口；篩選區，與所述進液口相連通，用於使從所述進液口進入的待檢測的細胞液被溶解得到預測定DNA片段；以及檢測區，設置在所述篩選區與所述出液口之間且與二者相連通，所述檢測區設置有請求項1-3中任意一項所述的感測器，用於檢測在所述篩選區中被溶解的細胞液中的所述預測定DNA片段。
如請求項7所述的DNA檢測裝置，其中：所述進液口用於使細胞液流入篩選區，所述出液口用於使所述檢測區檢測後的細胞液的流出。
如請求項7所述的DNA檢測裝置，其中：所述DNA檢測裝置包括相互間隔且相對設置的第一層、第二層以及形成在所述第一層和所述第二層之間供細胞液流通的通道，所述第一層包括依次層疊設置的疏水層、第一電極層，所述第二層包括依次層疊設置的疏水層、薄膜電晶體陣列層，其中所述第一層的疏水層和所述第二層的疏水層構成所述通道的內壁。
如請求項9所述的DNA檢測裝置，其中：所述薄膜電晶體陣列層包括多個陣列排布的薄膜電晶體，其中，每個薄膜電晶體包括源極，在所述第一電極層與所述薄膜電晶體的源極上分別施加不同的電壓以在通道內部形成電場，通過調節所述第一電極層與所述薄膜電晶體陣列層之間的電壓調節所述細胞液在所述疏水層上的潤濕性能，從而控制所述細胞液在所述通道內的流動。