TWI497072B - 化學感測器 - Google Patents

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Description

化學感測器
本發明係關於一種檢測氣體中的氣體成分或病毒、過敏原等被測定物質之化學感測器。
自以往以來，吾人所知的是一種電化學的生化感測器試片，其檢測以血液等體液或發酵物或者是天然物做為試樣，並使該試樣與試藥進行酵素反應而產生之電荷(參照專利文獻1)。
該電化學的生化感測器試片，具有利用毛細管作用使試樣導入之毛細管空間，藉此即使只有少量的試樣亦可正確地進行與試藥的酵素反應及電荷的測定。
[習知技術文獻]
[專利文獻1]日本特表2002-541453號公報
在上述電化學的生化感測器試片中，由於反應上的制約，試樣必須為液體。從而，無法檢測氣體中的氣體成分或病毒、過敏原等被測定物質。
為了檢測氣體中的氣體成分或病毒、過敏原等被測定物質，必須進行使被測定物質溶解於液體中之前處理。該前處理，係使用大型裝置來進行，或是親手操作來進行等繁雜之處理。
本發明係鑑於上述問題點所製成，其目的在於提供一種以簡便的方法使氣體中的被測定物質溶解於液體中之化學感測器。
依本發明的特徵之化學感測器，具有：感測器固持部；氣體注入孔，注入含有被測定物質之氣體；試樣採取部，採取從氣體注入孔注入的氣體所含有之被測定物質；試樣運送部，將由試樣採取部所採取之被測定物質運送至試樣反應部；試樣反應部，具有與由試樣運送部所運送之被測定物質產生既定反應之反應物質；以及檢測部，檢測在試樣反應部中與反應物質產生反應之被測定物質。試樣採取部，具有將由氣體注入孔注入的氣體所含有之水蒸氣液化之帕耳帖元件。
根據本發明的特徵，藉由帕耳帖元件的帕耳帖冷卻效應，將由氣體注入孔注入的氣體所含有之水蒸氣液化，藉此可製成含有被測定物質的溶液。從而，試樣採取部，可從由氣體注入孔注入的氣體，採取含有被測定物質的溶液。
在本發明的特徵中，該氣體注入孔、該試樣採取部、該試樣運送部、該試樣反應部及該檢測部，宜於該感測器固持部形成為一體，藉此可達成小型輕量化之外，更能以低成本進行檢測。
在本發明的特徵中，試樣運送部具有毛細管構造，該毛細管構造的一端亦可靠近帕耳帖元件。藉此，無須使用特別的構造，即可藉由毛細管構造的毛細管現象將因帕耳帖元件所液化之溶液運送至試樣反應部。
又，試樣反應部，亦可具有與由試樣運送部所運送之被測定物質產生特殊反應之抗體、酵素、受體及蛋白質中的至少任一種。藉此，可藉由與被測定物質的抗原抗體反應，以特殊方式檢測被測定物質。
又，試樣反應部亦可具有：加溫部，將由試樣運送部所運送的被測定物質加溫；以及溫度測定部，測定被測定物質之溫度。可實施藉由對被測定物質產生特定的溫度循環，使被測定物質的DNA放大之PCR法，因此可高感度地檢測被測定物質。
又，檢測部具有：抗體，與和反應物質產生反應之被測定物質結合；以及電極；載持該抗體；而該電極亦可具有多孔構造。藉此，可使抗體的固定化面積增大，故可提升檢測感度。
又，化學感測器，係由在1個感測器固持部形成為一體之複數個單位感測器所構成，各單位感測器，亦可由氣體注入孔、試樣採取部、試樣運送部、試樣反應部以及檢測部構成。複數個單位感測器，在1個感測器固持部形成為一體，藉此可抑制感測器用過即丟之情形。
如以上所述，根據本發明的化學感測器，可藉由帕耳帖元件的帕耳帖冷卻效應，以簡便的方法使氣體中的被測定物質溶解於液體中。
參照以下圖式來說明本發明的實施形態。在圖式的內容中於同樣部分附上同樣符號。
(第1實施形態)
參照圖1(a)來說明依本發明的第1實施形態之化學感測器的全體構成。依第1實施形態之化學感測器，具有：感測器固持部11，具有支持化學感測器全體之功能；氣體注入孔12，注入含有被測定物質之氣體；試樣採取部13，採取從氣體注入孔12注入的氣體所含有之被測定物質；試樣運送部14，將由試樣採取部13所採取之被測定物質運送至試樣反應部15；試樣反應部15，具有與由試樣運送部14所運送之被測定物質產生既定反應之反應物質；以及檢測部16，檢測在試樣反應部15中與反應物質產生反應之被測定物質。
感測器固持部11，係實際上平坦的基板，例如，由易於微細加工的半導體(Si、SiC等)基板或玻璃基板等所構成。感測器固持部11及後述之保護構件，係可藉由微細加工來製造。於感測器固持部11的一方的主表面上，依序並列配置有：試樣採取部13、試樣運送部14、試樣反應部15及檢測部16。而以覆蓋隱藏試樣採取部13、試樣運送部14、試樣反應部15及檢測部16之方式，將保護構件配置於感測器11的主表面之上方，於保護構件的至少2處係開設有孔洞。該至少2處的孔洞，係用來將被測定物質所含之氣體導入排出；為求能藉由該2處的孔洞有效地進行氣體的導入排出，保護構件與感測器固持部11宜藉由可氣密性地固持之方式加以接合。該至少2處其中之一，例如設置於試樣採取部13的更前方，氣體從該至少1個孔洞導入保護構件的內部，從另一個孔洞導出。氣體導入至內部側的一方之孔洞係稱為氣體注入孔12。如此，在藉由以設有氣體注入孔12的保護構件覆蓋感測器固持部11之上所形成之檢測空間，在溶液中採取氣體中所含有的被測定物質之試樣採取部13、試樣運送部14、試樣反應部15及檢測部16係形成為一體。
試樣採取部13，係配置成靠近氣體注入孔12；使其容易採取從氣體注入孔12注入的氣體所含有之被測定物質。在此，「氣體所含有之被測定物質」，可例舉出氣體中的氣體成分或病毒、過敏原等。
另外，在圖1(a)中，雖顯示了將氣體注入孔12設置於較試樣採取部13更上游的前方之例，但如上所述，在本發明中，試樣採取部13只要是配置成靠近氣體注入孔12即可，例如亦可將氣體注入孔12設置於試樣採取部13之上。
又，試樣採取部13，如圖1(b)所示，具有將由氣體注入孔12注入的氣體所含有之水蒸氣液化之帕耳帖元件131。藉由將電流流經構成帕耳帖元件131的2種金屬之接合部，帕耳帖元件131其中一方的金屬，自周圍氣體吸收熱。該圖1(b)，係由上觀察圖1(a)所示之試樣採取部13之平面圖；圖1(b)的下側係在圖1(a)中的氣體注入孔12側；圖1(b)的上側係在圖1(a)中的試樣運送部14側。該圖1(b)，係顯示有低溫側(吸熱側)的金屬，於對向設置的尖端部份形成有由氣體液化的溶液Lqd，而滴入於正下方的感測器固持部11所設置之凹部。對於構成該試樣採取部13的帕耳帖元件131，例如以不妨礙冷卻功能之方式利用感測器固持部11支持著其兩端，且例如介由形成於其支持構造體的配線以電流注入到2種金屬的接合部。
帕耳帖元件，若為例如氧化銅或多晶矽薄膜等，自小型化的觀點來看係較佳的。如此在本發明中，藉由帕耳帖元件所致之帕耳帖冷卻效應，可將由氣體注入孔注入的氣體所含有之水蒸氣液化。於已液化的水蒸氣則溶解有被測定物質，因此可製成含有被測定物質之溶液Lqd。從而，試樣採取部13，可從由氣體注入孔12注入的氣體中，自動採取含有被測定物質之溶液Lqd。
試樣運送部14，具有寬度及深度為100μm左右之毛細管構造，毛細管構造的一端係靠近試樣採取部13之帕耳帖元件。並可使含有從帕耳帖元件所採取的被測定物質之溶液Lqd導入毛細管構造。導入至毛細管構造之溶液Lqd，係藉由毛細管現象而被運送至試樣反應部15。如此，試樣運送部14，無須使用特別的構造，即可藉由毛細管構造的毛細管現象將因帕耳帖元件所液化之溶液運送至試樣反應部15。另外，寬度為100μm左右之毛細管構造，可藉由微細加工製造之。
毛細管表面，宜施以親水化處理，俾使溶液Lqd易於移動。例如，若是於表面形成氧化矽膜之方法，或藉由聚乙二醇等水溶性高分子覆蓋表面之方法，則容易製作。
參照圖2(a)及圖2(b)，說明圖1(a)的試樣反應部15及檢測部16之具體構成例。
試樣反應部15，係具有抗體、酵素、受體及蛋白質中的至少任一種，以做為與由試樣運送部14所運送的被測定物質產生特殊反應之反應物質。在第1實施形態中，針對以下情形進行說明：具有例如酵素固定化抗體，以做為與病毒或過敏原等被測定物質產生特殊反應之抗體。酵素固定化抗體與病毒或過敏原係以特殊方式結合而形成複合體。該複合體被運送至檢測部16。酵素固體化抗體，含有例如抗HA抗體(anti-hepatitis-A antibody，抗A型肝炎病毒抗體)、ALP(alkaline phosphatase，鹼性磷酸酶)酵素。
檢測部16，具有金、白金等金屬薄膜所構成之電極，例如於捕捉部位，載持有基質固定化抗體，以做為與上述複合體結合的抗體。基質固定化抗體，例如有抗HA抗體；基質，例如有與ALP酵素產生特殊反應之基質即對胺苯基磷酸脂(pAPP，p-aminophenyl phosphate)。基質固定化抗體，可捕捉與酵素固定化抗體結合的病毒或過敏原。藉此，在捕捉部位，藉由基質固定化抗體的基質與酵素固定化抗體的酵素相靠近，在此產生酵素基質反應。在酵素係ALP酵素，基質係pAPP之情形，藉由反應生成對胺基酚(pAP，p-aminophenol)。生成的pAP，可在電極上與對醌亞胺(pQI，p-quin one imine進行氧化。藉由電極測定因該氧化反應而移動的電子，藉此檢測部16可檢測出被測定物質。該pAP與pQI的氧化還原反應，係為可逆者，因此形成為與電極對向的梳齒型，一方面將pAP氧化；另一方面將pQI還原，藉此可形成氧化還原循環，可使所得之電流值放大。從而，可進行高感度之檢測。
參照圖3(a)及圖3(b)，說明圖1(a)的檢測部16之具體構成例。檢測部16，具有：抗體163(基質固定化抗體)，與和反應物質(酵素固定化抗體)產生反應之被測定物質(病毒或過敏原)結合；電極162，載持抗體163；以及陽極氧化矽161。
於陽極氧化矽161的主表面形成有複數個凹部。電極162，係由沿著該陽極氧化矽161的主表面之凹凸形狀，以一樣厚度成膜的金(Au)薄膜所構成。如此，電極162係具有多孔構造。於電極162的表面，載持有抗體163。於凹部之中亦載持有抗體163，因此，檢測部16，可載持多數個抗體163。因電極162係具有多孔構造，藉此可使抗體163的固定化面積增大，故可提升檢測感度。抗體163的固定化方法，例如可使用介由硫醇基與金表面結合之自組性單分子層(SAM，Self-assembled monolayer)等方法。
如以上所述，根據本發明的第1實施形態，可得到以下的作用效果。
如圖1所示，藉由帕耳帖元件的帕耳帖冷卻效應，將由氣體注入孔12注入的氣體所含有之水蒸氣液化，藉此可製成含有被測定物質(病毒或過敏原)之溶液。從而，試樣採取部13，可從由氣體注入孔12注入的氣體中，採取被測定物質。
又，依本發明之化學感測器，在以保護構件覆蓋感測器11之上所形成的狹小檢測空間，包含試樣採取部13在內、集聚試樣運送部14、試樣反應部15及檢測部16而形成為一體，因此可達成小型輕量化，除此之外，能以少量抗體或酵素等反應物質檢測少量取樣，因此能減少高價的反應物質之使用量，能以低成本進行檢測。
試樣運送部14具有毛細管構造，毛細管構造的一端靠近帕耳帖元件。藉此無須使用特別的構造，即可藉由毛細管構造的毛細管現象，將因帕耳帖元件而液化的溶液運送至試樣反應部15。
如圖2(b)所示，試樣反應部15，具有與由試樣運送部14所運送的被測定物質產生特殊反應之抗體163(酵素固定化抗體)。藉由酵素固定化抗體與被測定物質之抗原抗體反應，能以特殊方式檢測被測定物質。
如圖3(b)所示，檢測部16具有：抗體163(基質固定化抗體)，與和反應物質(酵素固定化抗體)產生反應之被測定物質(病毒或過敏原)結合；以及電極162，載持抗體163；電極162具有多孔構造。電極162具有多孔構造，藉此可增大抗體163的固化面積，因此可提升檢測感度。
(第2實施形態)
參照圖4(a)及圖4(b)，說明依第2實施形態的試樣反應部15之具體構成例。依第2實施形態之化學感測器，除了試樣反應部15以外，其他構成與第1實施形態相同，因此省略圖示及說明。
圖4(b)係試樣反應部15及檢測部16的立體分解圖。試樣反應部15，具有：加溫部(例如加熱器151)，將含有由試樣運送部14所運送的病毒之溶液加溫；以及溫度測定部(例如溫度感測器152)，測定含有病毒的溶液之溫度。在本實施例中，示例如下：加熱器151與溫度感測器152，形成於構成保護構件的上部基板之下面，設置於與感測器固持部之間的檢測空間內(試樣反應部15)。再者，雖省略圖示，但試樣反應部15具有控制部，其根據溫度感測器152所測定的溶液之溫度，來控制流至加熱器151的電流值等。加熱器151與溫度感測器152，分別備有複數個，分別分散配置在試樣反應部15內。而於上部基板的下面，形成有構成檢測部的一部分之電極16a。
又，於試樣反應部15，使引子、DNA聚合酶、DNA合成的材料(基質)即去氧核糖核苷三磷酸(dNTP，Deoxyribonucleotide triphosphate)、以及緩衝溶液乾燥而配置之。
控制部，控制加熱器151，以實施PCR(polymerase chain reaction，聚合酶連鎖反應)法。在此，顯示其中一例。將運送至試樣反應部15之含有病毒的溶液，在試樣反應部中保持在例如90℃~98℃左右的高溫，藉此抽出病毒中的DNA。接著對所抽出的DNA，反覆施以90~98℃左右的高溫，與50~65℃左右的低溫約20~50次左右。藉此，可在試樣反應部15中，使被測定物質的DNA放大。含有已放大的DNA之溶液，被運送至檢測部，藉由在電極的氧化還原反應，可測定在初期溶液的病毒之有無。藉由該PCR法，可放大微量的被測定物質，高感度地檢測被測定物質。
本次的檢測方法，雖顯示了使用電極之方法，但即使是已放大的DNA所發出的螢光所致之測定方法，亦可進行同樣的檢測。
如圖4(b)所示，試樣反應部15，具有：加溫部(例如加熱器151)，將由試樣運送部14所運送的被測定物質加溫；以及溫度測定部(例如溫度感測器152)，測定被測定物質之溫度。可實施藉由使用加熱器151而產生特定的溫度循環，使被測定物質的DNA放大之PCR法，因此可高感度地檢測被測定物質。
(第3實施形態)
參照圖5，說明依本發明的第3實施形態之化學感測器的全體構成。依第2實施形態的化學感測器，由配置成陣列狀的複數個單位感測器CS1~CS4...所構成。該單位感測器CS的每一個，係由圖1(a)所示之氣體注入孔12、試樣採取部13、試樣運送部14、試樣反應部15以及檢測部16所構成。複數個單位感測器CS，係在1個感測器固持部11形成為一體。
將複數個單位感測器CS呈陣列狀排列在1個感測器固持部11上，藉此可於必要時僅使用必要的晶片(單位感測器CS)，可減少感測器的更換次數，或是抑制晶片用過即丟之情形。
如上所述，本發明雖藉由3個實施形態所記述，但不應設想成構成此揭示內容的一部分之論述以及圖式係限定於本發明。顯而易見的是，熟知本技藝者，可由此揭示內容進行各式各樣的替代實施形態、實施例以及運用技術。
依本發明的實施形態之化學感測器的用途之例，可舉出附有上述化學感測器的功能之空氣清淨機或空調等家電用品、或將上述化學感測器以使用者可隨身攜帶的大小形成之攜帶型病毒感測器、附有上述化學感測器的功能之行動電話等行動裝置等。
11．．．感測器固持部
12．．．氣體注入孔
13．．．試樣採取部
14．．．試樣運送部
15．．．試樣反應部
16．．．檢測部
131．．．帕耳帖元件
151．．．加熱器(加溫部)
152．．．溫度感測器(溫度測定部)
16a‧‧‧電極
161‧‧‧陽極氧化矽
162‧‧‧電極
163‧‧‧抗體
CS‧‧‧單位感測器
Lqd‧‧‧溶液
圖1(a)係顯示依本發明的第1實施形態之化學感測器的全體構成之剖面圖；圖1(b)係顯示圖1(a)的試樣採取部13所具有的帕耳帖元件之示意圖。
圖2(a)及圖2(b)係顯示圖1(a)的試樣反應部15及檢測部16的具體構成例之示意圖。
圖3(a)及圖3(b)係顯示圖1(a)的檢測部16的具體構成例之示意圖。
圖4(a)及圖4(b)係顯示依本發明的第2實施形態之試樣反應部15的具體構成例之示意圖。
圖5係顯示依本發明的第3實施形態之化學感測器的全體構成之概念圖。
11．．．感測器固持部
12．．．氣體注入孔
13．．．試樣採取部
14．．．試樣運送部
15．．．試樣反應部
16．．．檢測部
131．．．帕耳帖元件
Lqd．．．溶液

Claims (6)

  1. 一種化學感測器，其特徵為具有：感測器固持部；氣體注入孔，注入含有被測定物質之氣體；試樣採取部，採取從該氣體注入孔注入的氣體所含有之被測定物質；試樣運送部，將由該試樣採取部所採取之被測定物質運送至試樣反應部；試樣反應部，具有與由該試樣運送部所運送之被測定物質產生既定的反應之反應物質；以及檢測部，檢測在該試樣反應部中與該反應物質產生反應之被測定物質；而該試樣採取部具有帕耳帖元件，該帕耳帖元件將由氣體注入孔注入的氣體所含有之水蒸氣液化；且該氣體注入孔、該試樣採取部、該試樣運送部、該試樣反應部及該檢測部係一體形成於該感測器固持部。
  2. 如申請專利範圍第1項之化學感測器，其中，該試樣運送部，具有毛細管構造，該毛細管構造的一端係靠近該帕耳帖元件。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之化學感測器，其中，該試樣反應部，係具有與由該試樣運送部所運送之被測定物質產生特殊反應之抗體、酵素、受體及蛋白質中的至少任一種。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之化學感測器，其中，該試樣反應部具有：加溫部，將由該試樣運送部所運送的該被測定物質加溫；以及溫度測定部，測定該被測定物質之溫度。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之化學感測器，其中，該檢測部具有：抗體，與和該反應物質產生反應之被測定物質結合；以及電極，載持該抗體；而該電極具有多孔構造。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之化學感測器，其中，該氣體注入孔、該試樣採取部、該試樣運送部、該試樣反應部以及該檢測部構成1個單位感測器；複數個該單位感測器，在1個該感測器固持部形成為一體。
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