TWI546529B - 具有前端及後端預濃縮器之氣體收集及分析系統、可棄除濕過濾器及方法 - Google Patents

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Description

具有前端及後端預濃縮器之氣體收集及分析系統、可棄除濕過濾器及方法
本發明一般而言係關於氣相分析系統，且特定而言(但非排他地)，係關於包含前端預濃縮器、後端預濃縮器及除濕之手持式氣相分析系統。
本申請案根據35 U.S.C. § 119(e)主張2009年7月31提出申請之美國臨時專利申請案第61/230,647號及2010年4月21日提出申請之美國臨時專利申請案第61/326,433號之優先權，兩個臨時申請案仍未決且以全文引用之方式併入本文中。
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操作特性，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。
由於習用GC/MS係大小龐大且貴，因此該裝備通常位於實驗室中且呼氣樣本必須在實驗室中或藉由他現場手段來收集。已將兩個方法用於現場呼氣收集。罐呼氣收集係最常用之方法：呼氣被吸入且收集至一預清潔並預抽空之瓶中，且然後將該瓶送至一實驗室以供分析。此等罐極貴且亦需要一極貴清潔系統以再用該罐。因此，呼氣測試成本因裝備及系統設置之極高成本而不可降低。在另一方法中，替代使用一罐，使用一捕集器作為一替代現場呼氣收集：該捕集器位於一呼氣收集系統中，該呼氣收集系統在收集期間監視呼氣之量及條件。然後，將該捕集器移除且送至實驗室以供使用針對罐方法之類似氣相分析設備來分析。雖然該捕集器方法消除對貴清潔工具之需要，但該捕集器收集系統本身可比罐貴。兩個呼氣收集及分析方法皆需要現場呼氣收集且然後將樣本送回至實驗室以供分析，其係耗時且極貴的。
所呼出之呼氣含有>90%之濕度。當濕氣係與來自呼氣之氣體/揮發性有機化合物(VOC)收集在一起且然後直接被注入至一氣相分析系統中時，任何顯著量之濕氣將大大地降低對所關心之化學品/VOC之分析器靈敏度。因此，系統之偵測限制變得比當不存在或存在低濕氣時之情形差得多。針對呼氣分析之當前除濕方法係自用以儲存來自受驗者之呼氣之容器萃取所收集之呼氣樣本。然後，萃取該樣本且將其注入至一前端除濕裝備中。該裝備將一捕集器或導管中之所收集之呼氣(包含濕氣)冷卻(凝結)至零下攝氏溫度(藉由液態氮或乾冰)且然後加熱該捕集器以因不同沸點溫度而將濕氣與其他氣體分離。可存在多個超低溫冷卻階段及加熱步驟以在將氣體/VOC轉移至一氣相色譜/質譜儀(GC/MS)系統中以供分析之前移除濕氣。此前端裝備係大小巨大且非常貴(>$20,000)。
現有方法需要較貴之裝備設置且係大小龐大，如上所述。呼氣分析係以多個階段來執行。首先將呼氣收集於罐、捕集器或其他容器中。然後，將樣本轉移至使除濕系統(前端系統)及氣體/VOC分析系統(例如，GC/MS)位於其中之實驗室。然後，在將氣體/VOC饋送至分析器(GC/MS)中之前，將該等氣體/VOC及濕氣自樣本萃取至前端系統以用於除濕。該裝備係貴且不可攜的。同時，此呼氣收集及除濕程序不可用於原位呼氣分析。
參考圖式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認識到，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、材料或操作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110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，裝置預濃縮器之該等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之稍後操作期間稀釋將自預濃縮器106流動出之流體(參見下文之操作說明)。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3B闡述一MEMS氣相色譜108之一實施例之進一步之細節。
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。
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將其返回至大氣。幫浦112可係滿足裝置100之大小及形狀因數要求、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。
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之操作。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之操作中，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之操作期間，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中之吸收劑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之操作中，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MEMS氣相色譜300之一實施例。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加熱器314。
柱或通道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之操作期間，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以在操作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又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操作溫度範圍。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、-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)、PtC12(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之操作中，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又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符號來顯示測試結果。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10圖解說明包含耦合至一氣相分析子系統1004之一前端預濃縮器模組1002之一氣相分析系統1000之一實施例。系統1000之實施例可用於代替諸如圖1A至1B及圖5至9中所示之氣相分析系統等之氣相分析系統中之過濾器/閥104、預濃縮器106、氣相色譜(GC)108及偵測器110，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置。類似地，前端預濃縮器模組1002可用於代替過濾器/閥105及預濃縮器106，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置，而氣相分析子系統1004可用於代替GC 108及DA 110，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置。
前端預濃縮器模組1002包含一過濾器1006，其藉由一切換閥SV1耦合至流體連接1008。流體連接1008亦耦合至三通閥TV1之第一埠。三通閥TV1之第二埠藉由流體連接1010耦合至一捕集器1011之入口，且捕集器1011之出口耦合至一流體連接1012。三通閥TV1之第三埠藉由流體連接1014耦合至一預濃縮器(PC)1015之入口，且PC 1015之出口藉由流體連接1016耦合至一第二三通閥TV2之第一埠。三通閥TV2之第二埠藉由流體連接1018耦合至一第二切換閥SV2，且SV2又藉由流體連接1020耦合至幫浦P1之一入口。幫浦P1之一出口耦合至流體連接1022。三通閥TV2之第三埠藉由流體連接1024耦合至氣相分析子系統1004。
在前端預濃縮器模組1002之一個實施例中，流體連接1008係一受溫控管，其可被加熱至一所期望溫度以使得來自呼氣之濕氣及化學品/VOC在到達PC 1015之前不凝結，但在其他實施例中其不需要受溫度控制。在一個實施例中，該等組件之間的所有流體連接皆係使用無揮發性有機化合物(VOC)材料(其不吸收或散發VOC或任何污染物)而製成。鐵氟龍(Teflon)係此一材料之一個實例，但在其他實施例中，其他材料係可能。
在預濃縮器模組1002之一個實施例中，所有該等組件皆係小規模組件(諸如，微規模或微機電系統(MEMS)組件)，但在其他實施例中，個別組件或個別組件之任一組合無需係小規模。藉此，雖然使用前綴「微(micro)」來闡述各種實施例或其等之組件，但該前綴之使用不應視為任一類別之大小限制。
氣相分析子系統1004包含一氣相色譜(GC)1026，其入口藉由流體連接1024耦合至前端預濃縮器模組1002之出口。GC 1026之出口藉由流體連接1028耦合至一偵測器1030之入口。偵測器1030之出口藉由流體連接1032耦合至一第三切換閥SV3，且切換閥SV3可藉由流體連接1034耦合至其他組件。舉例而言，在其中在針對圖1A至1B及圖5至9所顯示及闡述之氣相分析系統中使用系統1000或其中在此系統中使用氣相分析子系統1004之一實施例中，流體連接1034可將切換閥SV3耦合至一幫浦且切換閥SV3可用以控制穿過氣相分析子系統1004之流動。在操作中，當以釋放模式(參見下文)操作前端預濃縮器模組1002時，PC 1015中所收集之化學品/VOC因熱解吸收而被釋放且由清潔空氣攜載穿過流體連接1024至氣相分析子系統1004。一旦在氣相分析子系統1004中，該等化學品即由GC 1026分離且引導至其中感測該等化學品之偵測器1030中。
前端預濃縮器模組1002具有不同操作模式，其取決於如何組態該等三通閥及切換閥。此等模式中之四個模式係：呼氣收集模式、乾式吹掃模式、釋放模式及清潔/乾燥空氣供應模式。呼氣收集模式使用由虛線所示之流動路徑。如圖中所示，三通閥TV1及TV2經切換以將含有化學品/VOC之氣體自過濾器1006引導穿過1008及1014及閥TV1至PC 1015中以使得可濃縮該等化學品/VOC。未由PC 1015收集之空氣或濕氣被直接排放出流體連接1016至1022、閥TV2及SV2以及幫浦P1。為獲得穿過前端PC之此快速流率，幫浦P1可係一快速取樣幫浦，其用以促進氣體流動以使得達成至該前端系統中之正常呼氣。可在該系統中放置一個或多個流動控制切換閥，其在呼氣收集期間始終監視並調整流率。在一替代實施例中，替代使用流動控制閥，可調整該幫浦以維持所期望流率。
乾式吹掃模式使用由虛線所示之流動路徑。在呼氣收集之後，可切換三通閥TV1以連接前端PC 1015與捕集器1011。取樣幫浦P1可用以透過捕集器1011汲取周圍空氣，該捕集器過濾來自該周圍空氣之所有不期望之化學品/VOC及濕氣且導致將清潔乾燥空氣遞送至PC 1015。該乾燥空氣用以吹掃PC 1015以移除由該PC捕集之濕氣且透過流體連接106至1022、閥TV2及SV2以及幫浦P排放回至周圍。在其中濕氣對系統感測不關鍵之情形下，可不需要該乾式吹掃過程。
釋放模式用以將PC 1015中所收集之化學品釋放至氣相分析子系統1004且使用由虛線所示之流動路徑。在呼氣收集及可選乾式吹掃之後，切換三通閥TV2以透過流體連接1024連接PC 1015與氣相分析子系統1004。然後，以其最佳漸變速率將PC 1015加熱至所期望溫度以使得由PC 1015所濃縮之化學品/VOC因熱解吸收而被釋放並攜載穿過流體連接1024至氣相分析子系統1004。
清潔/乾式空氣供應模式使用由標記為之虛線所示之流動路徑。除直接呼氣收集之外，前端預濃縮器模組1002亦可用以恰好在自一受驗者之呼氣收集之前產生清潔乾式空氣以供吸入。為提供一乾燥空氣供應，切換三通閥TV1以在捕集器與過濾器1006之間形成流動路徑。如由流動路徑所示，周圍空氣由捕集器1011過濾，該捕集器自周圍空氣移除所有不期望之化學品/VOC。空氣中之任何顆粒亦可由過濾器1006過濾。然後，所得清潔經過濾之空氣可由測試受驗者吸入以使得來自環境之背景化學品/VOC不影響或干擾受驗者之所呼出之呼氣。
圖11圖解說明可用作前端預濃縮器模組1002中之過濾器1006之一過濾器總成1100之一實施例。過濾器總成1100包含一入口1102、一出口1104及定位於該入口與該出口之間以過濾透過入口1102進入之原始空氣且透過出口1104排放經過濾之空氣之一過濾器1006。在一個實施例中，入口1102可係一可替換吹嘴，其可係在每一呼氣測試之後去掉以消除疾病傳染之風險。在其他實施例中，入口1102可係一永久性吹嘴但整個過濾器總成1100可係可棄的。過濾器1006係可避免呼氣顆粒、細菌、病毒進入系統之一過濾器。在一個實施例中，過濾器1006係一高效微粒捕捉器(HEPA)過濾器，但在其他實施例中，其可係另一類型之過濾器。在仍其他實施例中，過濾器1006可係多於一個類型之過濾器之一組合。
圖12A至12B圖解說明可用作前端預濃縮器模組1002或一後端預濃縮器模組(參見圖13至14)中之PC 1015之預濃縮器之實施例。在一個實施例中，PC 1015係大小較小(例如，<=3 cm)以用於快速加熱而亦經設計以允許一正常呼氣穿過流率以使得可達成一合適呼氣收集協定(例如，來自呼氣之50 cc/sec)。為實現穿過PC 1015之此快速流率，幫浦P1可係一快速取樣幫浦，其促進氣體流動以使得可達成至前端預濃縮器模組1002中之正常呼氣流率。
圖12A圖解說明經設計以收集來自一人之呼氣或其他氣流之所關心之所有化學品/VOC之一PC 1200之一實施例。PC 1200具有一入口1202、一出口1026及一個或多個袋狀物1204，流體流動穿過該一個或多個袋狀物且透過該一個或多個袋狀物被濃縮。在一個實施例中，PC 1200可具有針對圖2A所顯示及闡述之構造，但在其他實施例中，其可具有針對圖2B所顯示及闡述之構造或完全某一其他構造。
圖12B圖解說明一PC 1250之一替代實施例。PC 1250包含一入口1252、一出口1254及自該入口延伸至該出口之數個並列微PC 1256a至1256d。在一個實施例中，每一微PC 1256a至1256d包含一個或多個袋狀物1258且可具有如同針對圖2A至2B所顯示及闡述之彼等構造之一構造，但在其他實施例中，可具有一不同構造。在一個實施例中，所有並列微PC 1256a至1256d具有相同構造，但在其他實施例中，無需全部具有相同構造。此外，每一微PC可經構造以濃縮與PC 1250中之其他微PC不同之化學品/VOC。PC 1250之所圖解說明實施例具有四個並列微PC，但PC 1250之其他實施例可具有更大或更小數目個微PC。在PC 1250之操作中，在收集期間，含有化學品之一載體氣體透過入口1252進入PC 1250、同時流動穿過並列微PC 1256a至1256d中之每一者中之其中濃縮化學品/VOC以供稍後釋放之袋狀物。在釋放期間，清潔空氣流動穿過PC 1250同時可一次一個地或同時地加熱微PC 1256a至1256d，以釋放濃縮於每一並列微PC之袋狀物中之化學品。
圖13A圖解說明一氣相分析系統1300之一替代實施例。系統1300之實施例可用於代替諸如圖1A至1B及圖5至9中所示之氣相分析系統等氣相分析系統中之過濾器/閥104、預濃縮器106、氣相色譜(GC)108及偵測器110，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置。類似地，前端預濃縮器模組1302及/或後端預濃縮器1306可用於代替過濾器/閥105及預濃縮器106，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置，而氣相分析子系統1304可用於代替GC 108及DA 110，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置。
系統1300包含一前端預濃縮器模組1302，其耦合至一氣相分析子系統1304且亦耦合至一後端預濃縮器模組1306。系統1300可用於低流動經濃縮氣相分析。與需要罐或捕集器中之一現場呼氣樣本收集及然後在所指定實驗室中執行之分析之現有呼氣分析協定不同，該系統之前端呼氣收集模組可保存所收集樣本且然後將所收集化學品/VOC直接釋放至其後端氣相分析模組。小型化前端預濃縮器模組1302或後端模組1306可單獨與其他化學品/VOC分析系統組合地使用。
流體連接1024將前端預濃縮器模組1302耦合至流體連接1308及流體連接1310。流體連接1024及1308提供預濃縮器模組1302與氣相分析子系統1304之間的耦合，而流體連接1024及1310提供預濃縮器模組1302與後端預濃縮器1306之間的耦合。流體連接1024、1308及1310亦提供氣相分析子系統1304與後端預濃縮器1306之間的耦合。
前端預濃縮器模組1302具有類似於前端預濃縮器模組1002之一構造且具有類似於前端預濃縮器模組1002之彼等操作模式之四個操作模式：呼氣收集模式，由流動路徑顯示；乾式吹掃模式，由流動路徑顯示；釋放模式，由流動路徑顯示；及乾燥空氣供應模式，由流體顯示。在預濃縮器模組1302內，釋放模式流動路徑與其在預濃縮器模組1002內相同，但在系統1300中，流動路徑在離開預濃縮器模組1302之後因後端預濃縮器1306之存在而不同。
氣相分析子系統1304具有類似於氣相分析子系統1004之一構造，主要差異係：在氣相分析子系統1304中，GC 1026之入口現亦經由流體連接1308及1310耦合至後端預濃縮器1312內之微PC 1312。
後端預濃縮器1306包含耦合至流體連接1310及1314之一微PC 1312。流體連接1314亦耦合至一第四三通閥TV4之第一埠，而三通閥TV4之第二埠藉由流體連接1316耦合至一捕集器1318，且捕集器1318藉由流體連接1320進一步耦合至大氣。三通閥TV4之第三埠藉由流體連接1322耦合至幫浦P2之入口，且幫浦P2之出口藉由流體連接1324耦合至第三三通閥TV3之第三埠。三通閥TV3之第二埠排氣至大氣，而三通閥TV3之第一埠藉由流體連接1326耦合至流體連接1314。
捕集器1318係經設計以過濾來自周圍空氣之所有化學品/VOC及濕氣以防止其等污染濃縮於微PC 1318中之化學品/VOC或以其他方式影響氣相分析子系統1304之功能之一捕集器。在一個實施例中，捕集器1318可係一吸附劑捕集器；吸附劑捕集器係用以產生不具有濕氣或化學品/VOC之清潔空氣之一常見方法。然而，在其他實施例中，可使用其他類型之捕集器。
微PC 1312係在某些實施例中可具有圖12A或12B中所示之構造，但在其他實施例中其可具有不同構造之一預濃縮器。在一個實施例中，微PC 1312具有一極小之大小(體積上僅約10微升)以使得其可在一極短加熱時間內達到一所期望溫度以用於解吸收及分析且使得其可達成最高化學品/VOC濃度以用於偵測。在一個實施例中，一小後端微PC 1312具有在每分鐘幾十毫升(例如，30 ml/min)之範圍中之一最大流率，其不允許將微PC 1312用於直接呼氣收集，此乃因其將需要過多時間來取樣呼氣收集所需之大體積(~1000 ml)；在30 ml/min之一流率之情況下，使用微PC 1312來直接收集呼氣可花費30分鐘或更多時間。在經確定大小以在體積上具有幾毫升之前端PC 1015之一實施例中，可在約20秒內以約50 ml/sec之流率對呼氣進行取樣。然後，所收集之化學品/VOC以一相對較慢流率(例如，30 ml/min)由前端PC 1015釋放至微PC 1312。由於前端PC1015在體積上具有僅幾毫升，因此後端PC 1312收集來自該後端PC之所有VOC僅需要少於10秒。對於所揭示之實施例，可在約30秒而非30分鐘內達成將呼氣化學品/VOC濃縮至後端PC之總取樣時間。
後端預濃縮器1306具有兩個操作模式：一收集模式及一釋放模式。預濃縮器1306之收集模式與預濃縮器模組1302之釋放模式一起操作，藉此其流動路徑係由流動路徑所示，其亦對應於預濃縮器模組1302之釋放模式之流動路徑。在前端預濃縮器模組1302在釋放模式中之情況下，含有化學品/VOC之氣體排出PC 1015、可由幫浦P2抽動穿過流體連接1016、三通閥TV2以及流體連接1024及1310至微PC 1312中，其中進一步濃縮化學品/VOC。離開微PC 1312之氣體由幫浦P2抽動穿過三通閥TV4及流體連接1322，且由幫浦P2排放至流體連接1324及三通閥TV3。然後，閥TV3將該等氣體排氣至大氣。
後端預濃縮器1306之釋放模式跟隨收集模式之完成。在收集模式之完成之後，微PC 1312以其最佳漸變速率在幾秒內加熱至一所期望溫度以釋放所收集化學品且三通閥TV2、TV3及TV4經切換以允許由流動路徑所示之空氣流。幫浦P2透過捕集器1318及三通閥TV4汲取清潔空氣且透過流體連接1324、三通閥TV3及流體連接1326及1314將該清潔空氣輸出至微PC 1312中。藉由加熱微PC 1312釋放之化學品及VOC由該清潔空氣透過流體連接1310及1308自微PC 1312攜載至GC 1026之入口。然後，GC 1026分離該等化學品且將其等輸出至偵測器1030以用於由偵測器1030偵測。
圖13B圖解說明一氣相分析系統1350之另一替代實施例。系統1350包含一前端預濃縮器模組1352，其耦合至一氣相分析子系統1354且亦耦合至一後端預濃縮器模組1356。如同系統1300，系統1350用於低流動經濃縮氣相分析，且小型化前端預濃縮器模組1302或後端模組1306可單獨與其他化學品/VOC分析系統組合地使用。系統1350之實施例可用於代替諸如圖1A至1B及圖5至9中所示之氣相分析系統等氣相分析系統中之過濾器/閥104、預濃縮器106、氣相色譜(GC)108及偵測器110，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置。類似地，前端預濃縮器模組1352及/或後端預濃縮器模組1356可用於代替過濾器/閥105及預濃縮器106，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置，而氣相分析子系統1354可用於代替GC 108及DA 110，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置。
前端預濃縮器模組1352包含一過濾器1006，其耦合一第一三通閥TV1之第一埠。如同預濃縮器模組1302，該過濾器可藉由一溫控管耦合至三通閥TV1。三通閥TV1之第二埠藉由流體連接1364耦合至一第一Y-分流器Y1，且三通閥TV1之第三埠藉由流體連接1358耦合至預濃縮器(PC)1015之入口。除耦合至三通閥TV1以外，Y-分流器Y1還藉由流體連接1366耦合至捕集器1011且藉由流體連接1368耦合至一第一切換閥SV1。PC 1015之出口藉由流體連接1360耦合至一第二三通閥TV2之第一埠。三通閥TV2之第二埠藉由流體連接1372進一步耦合至第二Y-分流器Y2，且其第三埠藉由流體連接1361耦合至第三Y-分流器Y3。第三Y-分流器Y3進一步藉由流體連接1362耦合至GC 1026之入口且藉由流體連接1384耦合至微PC 1312。第二Y-分流器Y2藉由流體連接1370耦合至切換閥SV1，亦藉由流體連接1374耦合至第三三通閥TV3之一第一埠。三通閥TV3之第二埠藉由流體連接1386耦合至後端預濃縮器1356內之一第五三通閥TV5，而三通閥TV3之第三埠藉由流體連接1376耦合至幫浦P之一入口。幫浦P之出口藉由流體連接1378耦合至後端預濃縮器1356中之一第四三通閥TV4之第一埠。
前端預濃縮器模組1352具有四個操作模式：呼氣收集模式，由流動路徑顯示；前端釋放模式，由流動路徑顯示；後端釋放模式，由流動路徑顯示；及乾燥空氣供應模式，由流體顯示。如同本文中所述之其他實施例，流動路徑至可由該等切換閥、三通閥及Y-分流器之適當組態形成。
氣相分析子系統1354具有類似於氣相分析子系統1304之一構造，主要差異係：在氣相分析子系統1354中，GC 1026之入口現經由Y-分流器Y3以及流體連接1361及1362耦合至前端預濃縮器1352，且經由Y-分流器Y3以及流體連接1362及1384耦合至後端預濃縮器1356。
後端預濃縮器1356包含一微PC 1312，其藉由流體連接1384耦合至Y-分流器Y3且藉由流體連接1382耦合至第四三通閥TV5之第三埠。微PC 1312類似於針對圖13A所述之微PC 1312且經歷相同變化形式。三通閥TV5之第一埠藉由流體連接1380耦合至第三三通閥TV4之第三埠，而三通閥TV5之第二埠藉由流體連接1386耦合至該前端預濃縮器內之三通閥TV3。三通閥TV4之第二埠排氣至大氣，而三通閥TV4之第一埠藉由流體連接1378耦合至幫浦P之出口。
後端預濃縮器1306具有兩個操作模式：一收集模式，其與前端預濃縮器1352之前端釋放模式一起操作；及一釋放模式，其與前端預濃縮器1352之後端釋放模式一起操作。藉此，後端預濃縮器1352之收集模式在圖中由流動路徑顯示，其對應於該前端預濃縮器之前端釋放模式，且後端預濃縮器1352之釋放模式由流動路徑顯示，其對應於該前端預濃縮器之後端釋放模式。如同本文中所述之其他實施例，流動路徑至可由該等切換閥、三通閥及Y-分流器之適當組態形成。
在前端預濃縮器模組1352在其前端釋放模式中之情況下，含有化學品/VOC之氣體排出PC 1015、可由幫浦P抽動穿過沿流動路徑之該等流體連接及組件且至微PC 1312中，其中進一步濃縮化學品/VOC。離開微PC 1312之氣體跟隨流動路徑之剩餘部分直至其到達閥TV4，該閥使該等氣體排氣至大氣。在前端預濃縮器1352在其後端釋放模式中之情況下，微PC 1312以其最佳漸變速率在幾秒內加熱至一所期望溫度以釋放所收集之化學品。藉由加熱微PC 1312釋放之化學品及VOC由清潔空氣(其藉由幫浦P移動穿過流體連接及組件)透過流體連接1384及1362沿流動路徑攜載至GC 1026之入口。然後，GC 1026分離該等化學品且將其等輸出至偵測器1030以用於由偵測器1030偵測。
圖13C圖解說明一氣相分析系統1390之另一替代實施例。系統1390之實施例可用於代替諸如圖1A至1B及圖5至9中所示之氣相分析系統等氣相分析系統中之過濾器/閥104、預濃縮器106、氣相色譜(GC)108及偵測器110，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置。類似地，前端預濃縮器模組1392及/或後端預濃縮器1356可用於代替過濾器/閥105及預濃縮器106，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置，而氣相分析子系統1354可用於代替GC 108及DA 110，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置。
系統1390在大多數方面類似於圖13B中所示之系統1350。主要差異係在前端預濃縮器1392中。預濃縮器模組1392不同於預濃縮器模組1352，此乃因預濃縮器1392省略Y-分流器Y1及Y2、切換閥SV1以及流體連接1368及1370。因此，流體連接將三通閥TV2耦合至三通閥TV3且流體連接1364將三通閥TV1耦合至捕集器1011。如同前端預濃縮器模組1352，前端預濃縮器模組1392具有四個操作模式：呼氣收集模式，由流動路徑顯示；前端釋放模式，由流動路徑顯示；後端釋放模式，由流動路徑顯示；及乾燥空氣供應模式，由流體顯示。如同本文中所述之其他實施例，流動路徑至可由該等切換閥、三通閥及Y-分流器之適當組態形成。然而，在預濃縮器1392內，流動路徑經修改以使得其流動穿過閥TV1、PC 1015及閥TV2(如所示)而非流動穿過所移除之Y-分流器及其等之間的流體連接及組件。在預濃縮器1392外部，流動路徑與其在預濃縮器1352中大致相同。
圖14圖解說明可在其中濕氣係後端氣體分析系統中所不期望或允許之情形中使用之一氣體分析系統1400之一替代實施例。當乾式吹掃不可完全地消除前端PC中之濕氣時，或當完全除濕減少由前端PC所收集之化學品/VOC之量時，可使用在不影響所收集VOC之量之情況下自前端PC之一額外濕氣萃取。系統1400之實施例可用於代替諸如圖1A至1B及圖5至9中所示之氣相分析系統等氣相分析系統中之過濾器/閥104、預濃縮器106、氣相色譜(GC)108及偵測器110，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置。類似地，前端預濃縮器模組1402可用於代替過濾器/閥105及預濃縮器預濃縮器106，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置，而氣相分析子系統1404可用於代替GC 108及DA 110，或其組件中之一者或多者可用以補充該等裝置。
系統1400包含一前端預濃縮器模組1402，其耦合至一氣相分析子系統1404且亦耦合至一後端預濃縮器1406。氣相分析子系統1404類似於氣相分析子系統1004及1304且後端預濃縮器1406類似於後端預濃縮器1306。前端預濃縮器模組1402係類似於預濃縮器模組1002及1302地組態，預濃縮器模組1402中之主要差異係一氣相色譜(GC)1408之添加及第二切換閥SV2與一第五三通閥TV5之替換。三通閥TV5使其第一埠耦合至第二三通閥TV2之第二埠且藉由流體連接1020使其第三埠耦合至幫浦P1。GC 1408使其入口耦合至流體連接1024且藉由流體連接1410及1412使其出口耦合至三通閥TV5之第二埠。流體連接1410亦將預濃縮器模組1402耦合至氣相分析子系統1404及後端預濃縮器1406。流體連接1410及1308提供額外GC 1408與GC 1026之間的耦合，而流體連接1410及1310提供額外GC 1408與後端預濃縮器1306之間的耦合。流體連接1410、1308及1310亦提供GC 1026與後端預濃縮器1406之間的一耦合。
預濃縮器模組1402具有五個操作模式。此等模式中之三個模式類似於前端預濃縮器模組1002及1302之彼等模式：呼氣收集模式，由流動路徑顯示；乾式吹掃模式，由流動路徑顯示；及乾燥空氣供應模式，由流動路徑顯示。預濃縮器模組1402之釋放模式(由流動路徑所示)類似於預濃縮器模組1002及1302之釋放流動路徑，主要差異係：在預濃縮器模組1402中，流動路徑自流體連接1024前進至GC 1408中且透過流體連接1410排出GC1408。在離開GC 1408之後，流動路徑以類似於針對後端預濃縮器1306所示之彼方式之一方式將該流動攜載至後端預濃縮器1406中且穿過後端預濃縮器1406。
預濃縮器1402亦包含由流動路徑所示之一輔助乾式吹掃模式，其可用以在由流動路徑所示之乾式吹掃在萃取足夠濕氣中不成功時減少PC 1015中之濕氣。由於該輔助乾式吹掃使用GC 1408，因此其可用以在不丟失PC 1015中所收集之任何化學品/VOC之情況下自PC 1015移除濕氣。在某些情形下，可不需要該輔助乾式吹掃且可直接應用一直接濕氣分離過程。
在輔助乾式吹掃模式期間，三通閥TV1及TV5經切換以產生穿過捕集器1011、前端PC 1015、GC 1408且然後排放至周圍之流動路徑。PC 1015經加熱以釋放化學品/VOC並且將濕氣保留在該PC內。當釋放之VOC及濕氣進入GC 1408時，首先如圖9中所示，濕氣將行進穿過該GC且排放至周圍。然後，立刻切換三通閥TV3、TV4及TV5以使得剩餘之化學品/VOC沿流動路徑而行且經通道輸送並由後端微PC收集。因此，沒有濕氣進入微PC 1312或由微PC 1312收集。一旦微PC 1312中收集化學品/VOC，則可切換三通閥TV3及TV4以使得後端預濃縮器1406進入其自身釋放模式(由流動路徑顯示)。系統1400中之流動路徑類似於系統1300中之流動路徑，此乃因其將化學品/VOC自後端預濃縮器1406攜載至氣相分析子系統1404。
在一個實施例中，可與切換該等三通閥同步地將前端PC 1015週期性地脈衝加熱至不同溫度及持續時間以有條件地釋放不同化學品/VOC或濕氣以控制所期望之化學品/VOC至後端微PC 1312(流動路徑)或不期望之化學品/VOC或濕氣至周圍排放口(流動路徑)之流動。然後，釋放由後端微PC 1312收集之化學品/VOC且由氣相分析子系統1404對其進行分析(流動路徑)。
圖15圖解說明一過濾器總成1500之一實施例。過濾器總成1500可耦合至一呼氣/氣體/化學品儲存容器或外部預濃縮器，諸如，圖9中所示之預濃縮器/呼氣收集袋902。另一選擇係，組合之乾式過濾器總成與除濕隔室可直接耦合至一氣相分析系統。舉例而言，在圖1A至1B及圖5至9中所示之氣相分析系統中，組合之乾式過濾器總成與除濕隔室可係過濾器/閥104之部分或在圖10、13或14之氣相分析系統中，可係過濾器/閥104之部分之組合之乾式過濾器總成與除濕隔室可替換或補充過濾器1006。
過濾器總成1500包含耦合至一除濕模組1504之一乾式過濾器總成1502。在此實施例中，該除濕模組可係橋接於乾式過濾器總成1502與呼氣收集容器或氣相分析系統(過濾器總成1500耦合至其)之間的一小的獨立配接器隔室。當首先由乾式過濾器總成1502針對微粒、細桿菌及/或病毒過濾所呼出之呼氣時，空氣仍含有高濕度(>90%)。當空氣繼續行進穿過該除濕隔室時，由該隔室中所含有之鹽化合物進一步過濾水蒸氣。然後，最後乾式呼出之空氣由該容器收集或由該系統直接分析。
乾式過濾器總成1502包含一入口1506、一出口1508及定位於該入口與該出口之間的一乾式過濾器1510。在一個實施例中，乾式過濾器1510可係一HEPA過濾器，但在其他實施例中，乾式過濾器1510可係另一類型之過濾器或不同類型之過濾器之一組合。在一個實施例中，入口1506可係可棄式吹嘴，一患者可透過該吹嘴呼氣至該過濾器總成中，而在其他實施例中，整個乾式過濾器總成1502可係可棄的。在仍其他實施例中，整個過濾器1500(包含乾式過濾器總成1502及除濕隔室1504)可係可棄的。
除濕模組1504包含一入口1512、一除濕隔室1514及一出口1516。在一個實施例中，除濕隔室1514填裝有針對分子水具有一高親和性之化合物，諸如，可吸收大量水且可用以直接自所呼出之呼氣有效地吸收濕氣之少量鹽化合物。可使用之鹽化合物之實例包含氯化鋰(LiCl)、溴化鋰(LiBr)、碘化鋰(LiI)及溴化鈉(NaBr)。在其他實施例中，可使用其他化合物，諸如非離子鹽化合物。在一個實施例中，該化合物可係呈粉狀形式，但在其他實施例中，其可係呈粒狀形式、呈多孔固體形式或呈某一其他形式。在仍其他實施例中，可將該化合物塗佈於一多孔基板上，且然後，將所塗佈之多孔基板填裝至除濕隔室中。在一個實施例中，該多孔基板可係一透氣媒體/膜(諸如，玻璃絨)，但在其他實施例中，可使用其他類型之多孔基板。欲使用之化合物之量取決於在其需要替換或更新之前的取樣空氣之量及反覆之數目；在某些實施例中，針對1L之空氣取樣僅需要幾克。當潮濕空氣流動穿過該隔室時，該鹽化合物將因其強親水性而強烈地吸引水蒸氣。因此，行進穿過所揭示之除濕隔室之空氣將在其輸出端處產生一無濕氣或低濕氣樣本。
圖16圖解說明一過濾器總成之一對替代實施例1600及1650。過濾器總成1600及1650大致包含與過濾器總成1500相同之組件，但在過濾器總成1600中，除濕隔室1514整合至乾式過濾器總成1502之出口1508中。在過濾器總成1650中，除濕隔室1514替代地整合至乾式過濾器總成1502之入口1506中。
圖17A至17B圖解說明將乾式過濾器與除濕隔室整合於同一總成中之過濾器1700及1750之另外實施例。在過濾器總成1700中，除濕隔室1514整合至乾式過濾器1502之主體中，以使得其係在乾式過濾器1510之下游。在其他實施例中，除濕隔室1514可置於乾式過濾器1510之上游。在過濾器1750中，乾式過濾及除濕係組合於可置於入口1506與出口1508之間的一過濾器總成中之一單個過濾器1752中。過濾器1752可係藉由塗佈吸水化合物(其可係上文針對除濕隔室1514所提及之化合物中之至少任一者)直接形成於一多孔基板上。在一個實施例中，該多孔基板可係玻璃絨，但在其他實施例中，其可係向空氣流提供所塗佈化合物之一大表面面積之某一其他類型之多孔過濾器或透氣膜。其可有效地防止濕氣行進穿過經處理之過濾器，因此在一單個過濾器中達成乾式過濾及除濕。
圖18圖解說明可耦合至一氣相分析系統或整合於一氣相分析系統內或用作一外部設備之一可再用除濕總成1800之一實施例。舉例而言，在圖1A至1B及圖5至9中所示之氣相分析系統之實施例中，該除濕總成可係過濾器/閥104之部分或可置於過濾器/閥104之上游或下游。在圖10、13或14之氣相分析系統中，除濕總成1800可替換或補充過濾器1006。此小型化除濕總成之可再用性尤其有益於用於環境監視之一可攜式氣相分析系統，其中在不使用可棄式部件之情況下，可能需要潮濕氣體取樣之諸多反覆。
總成1800包含三通閥TV1，其使一潮濕空氣入口1802耦合至其第一埠、使一乾燥空氣入口1804耦合至其第二埠且使一流體連接1806耦合於其第三埠與除濕隔室1809之一入口之間。除濕隔室1809類似於隔室1514且經歷相同變化形式。一流體連接1810耦合至除濕隔室1809之出口。鹽化合物對水之吸收及解吸收通常係可逆的。可藉由熱處理自鹽化合物驅離分子水，類似於由鹽水形成氯化鈉。藉此，一加熱器1808耦合至除濕隔室1809。在一個實施例中，加熱器1808可係一單獨加熱器單元，但在其他實施例中，加熱器1808可係與除濕隔室1809整合地形成。在仍其他實施例中，可以某一其他方式將熱量施加至除濕隔室1809。
在操作中，除濕總成1800具有兩個模式：移除模式及丟棄模式。在移除模式期間，三通閥TV1經設定以允許流體流動穿過潮濕空氣入口1802、流體連接1806、除濕隔室1809及出口流體連接1810，如由圖中之流動路徑之所示。在丟棄模式期間，三通閥TV1經設定以允許流體流動穿過乾燥空氣入口1804、流體連接1806、除濕隔室1809及出口1810，如由圖中之流動路徑所示。當乾燥空氣流動穿過該系統時，啟動加熱器1808以加熱除濕隔室1809以使得該隔室中所捕獲之水被釋放且透過出口1810攜載走。
圖19圖解說明可整合於一氣相分析系統內或用作一外部設備之一可再用除濕總成1900之一替代實施例。總成1900包含一第一三通閥TV1，其使一潮濕空氣入口1902耦合至其第一埠、使一乾燥空氣入口1904與一捕集器1906耦合至其第二埠且使一流體連接1908耦合於其第三埠與除濕隔室1909之一入口之間。捕集器1902可係用以在透過入口1804進入之乾燥空氣係直接來自環境時過濾來自周圍空氣之所有化學品/VOC及濕氣之一吸附劑捕集器。一吸附劑捕集器係用以產生清潔空氣之一常見方法，但其不可在亦如同使用鹽化合物之所揭示實施例一樣阻擋VOC之情況下選擇性地移除濕氣。除濕隔室1909類似於隔室1514且經歷相同變化形式。
一加熱器1910耦合至除濕隔室1909。在一個實施例中，加熱器1910可係一單獨加熱器單元，但在其他實施例中，加熱器1910可係與除濕隔室1909整合地形成。在仍其他實施例中，可以某一其他方式將熱量施加至除濕隔室1909。一流體連接1912自除濕隔室1909之出口耦合至一第二三通閥TV2之第一埠。三通閥TV2之第二埠藉由流體連接1914耦合至幫浦P之一入口，且幫浦P之出口耦合至一流體連接1916。三通閥TV2之第三埠耦合至一流體連接1918，然後其可耦合至一起使用之任何裝置總成1900。
在操作中，除濕總成1900具有兩個操作模式：移除模式及丟棄模式。在取樣模式期間，三通閥TV1及TV2經設定以允許流體流動穿過潮濕空氣入口1902、流體連接1908、除濕隔室1909、流體連接1912、三通閥TV2及流體連接1918，如由圖中之流動路徑所示。在丟棄模式中，三通閥TV1及TV2經設定以允許流體流動穿過乾燥空氣入口1904、捕集器1906、流體連接1908、除濕隔室1909、出口1912、三通閥TV2及出口1914，如由圖中之流動路徑所示。幫浦P可用以產生用於清洗該系統之一流體流。當乾燥空氣流動穿過該系統時，啟動加熱器1910以加熱除濕隔室1909以使得該隔室中所捕集之水被釋放且透過出口1916攜載走。在更新該除濕隔室之後，然後可再次以取樣模式使用該設備直至該隔室係水飽和，此時使該總成實行另一丟棄循環。
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的。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週。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)來得到更準確之評定。因此，迅速診斷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認識到，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創建原則來加以理解。
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．．．加熱器
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．．．氣相分析系統
1002．．．前端預濃縮器模組
1004．．．氣相分析子系統
1006．．．過濾器
1008．．．流體連接
1010．．．流體連接
1011．．．捕集器
1012．．．流體連接
1014．．．流體連接
1015．．．預濃縮器(PC)
1016．．．流體連接
1018．．．流體連接
1020．．．流體連接
1022．．．流體連接
1024．．．流體連接
1026．．．氣相色譜(GC)
1028．．．流體連接
1030．．．偵測器
1032．．．流體連接
1034．．．流體連接
1100．．．過濾器總成
1102．．．入口
1104．．．出口
1200．．．PC
1202．．．入口
1204．．．袋狀物
1250．．．PC
1252．．．入口
1254．．．出口
1256a．．．微PC
1256b．．．微PC
1256c．．．微PC
1256d．．．微PC
1258．．．袋狀物
1300．．．氣相分析系統
1302．．．前端預濃縮器模組
1304．．．氣相分析子系統
1306．．．後端預濃縮器
1308．．．流體連接
1310．．．流體連接
1312．．．微PC
1314．．．流體連接
1316．．．流體連接
1318．．．捕集器
1320．．．流體連接
1322．．．流體連接
1324．．．流體連接
1326．．．流體連接
1350．．．氣相分析系統
1352．．．前端預濃縮器模組
1354．．．氣相分析子系統
1356．．．後端預濃縮器模組
1358．．．流體連接
1360．．．流體連接
1361．．．流體連接
1362．．．流體連接
1364．．．流體連接
1366．．．流體連接
1368．．．流體連接
1370．．．流體連接
1372．．．流體連接
1374．．．流體連接
1376．．．流體連接
1378．．．流體連接
1380．．．流體連接
1382．．．流體連接
1384．．．流體連接
1386．．．流體連接
1390．．．氣相分析系統
1392．．．前端預濃縮器模組
1400．．．氣相分析系統
1402．．．前端預濃縮器模組
1404．．．氣相分析子系統
1406．．．後端預濃縮器
1408．．．氣相色譜(GC)
1410．．．流體連接
1412．．．流體連接
1500．．．過濾器總成
1502．．．乾式過濾器總成
1504．．．除濕模組
1506．．．入口
1508．．．出口
1510．．．乾式過濾器
1512．．．入口
1514．．．除濕隔室
1516．．．出口
1600．．．過濾器總成
1650．．．過濾器總成
1700．．．過濾器總成
1750．．．過濾器
1752．．．過濾器
1800．．．可再用除濕總成
1802．．．潮濕空氣入口
1804．．．乾燥空氣入口
1806．．．流體連接
1808．．．加熱器
1809．．．除濕隔室
1810．．．流體連接
1900．．．可再用除濕總成
1902．．．潮濕空氣入口
1904．．．乾燥空氣入口
1906．．．捕集器
1908．．．流體連接
1909．．．除濕隔室
1910．．．加熱器
1912．．．流體連接
1914．．．流體連接
1916．．．流體連接/出口
1918．．．流體連接
P．．．幫浦
P1．．．幫浦
P2．．．幫浦
SV1．．．第一切換閥
SV2．．．第二切換閥
SV3．．．第三切換閥
TV1．．．第一三通閥
TV2．．．第二三通閥
TV3．．．第三三通閥
TV4．．．第四三通閥
TV5．．．第五三通閥
Y1．．．第一Y-分流器
Y2．．．第二Y-分流器
Y3．．．第三Y-分流器
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10係包含一前端預濃縮器模組之一氣相分析裝置之一實施例之一示意圖；
圖11係可與一氣相分析裝置一起使用之一過濾器總成之一實施例之一繪圖；
圖12A係可與一氣相分析系統之一實施例一起使用之一預濃縮器之一實施例之一繪圖；
圖12B係可與一氣相分析系統之一實施例一起使用之一預濃縮器之一替代實施例之一繪圖；
圖13A係包含前端及後端預濃縮器模組之一氣相分析裝置之一實施例之一示意圖；
圖13B係包含前端及後端預濃縮器模組之一氣相分析裝置之一替代實施例之一示意圖；
圖13C係包含前端及後端預濃縮器模組之一氣相分析裝置之另一替代實施例之一示意圖；
圖14係包含前端及後端預濃縮器模組之一氣相分析裝置之又一替代實施例之一示意圖；
圖15係可棄式過濾器總成之一實施例之一示意圖；
圖16係一過濾器總成之一對替代實施例之一示意圖；
圖17A至17B係可棄式過濾器總成之額外替代實施例之示意圖；
圖18係一可再用除濕總成之一實施例之一示意圖；及
圖19係一可再用除濕總成之一替代實施例之一示意圖。
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

Claims (58)

  1. 一種用於氣體收集及分析之可攜式設備，其包括：一預濃縮器模組，其包括：一第一三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該第一埠耦合至一過濾器之出口，一捕集器，其耦合至該第一三通閥之該第二埠，一預濃縮器，其具有耦合至該第一三通閥之該第三埠之一入口，一第二三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該第一埠耦合至該預濃縮器之一出口，一切換閥，其耦合至該第二三通閥之該第二埠，及一幫浦，其耦合至該切換閥。
  2. 如請求項1之設備，其進一步包括具有一入口及一出口之一過濾器，該過濾器之該出口係耦合至該第一三通閥之該第一埠。
  3. 如請求項2之設備，其中該過濾器之該出口與該第一三通閥之該第一埠係藉由一溫控管而耦合。
  4. 如請求項2之設備，其進一步包括耦合於該過濾器與該第一三通閥之該第一埠之間的一切換閥。
  5. 如請求項1之設備，其進一步包括耦合至該預濃縮器模組之一氣相分析模組，該氣相分析模組包括具有一入口及一出口之一氣相色譜，該氣相色譜之該入口係耦合至該第二三通閥之該第三埠。
  6. 如請求項5之設備，其中該氣相分析模組進一步包括耦 合至該氣相色譜之該出口之一偵測器及耦合至該偵測器之一出口之一切換閥。
  7. 如請求項5之設備，其進一步包括耦合至該第二三通閥之該第三埠且耦合至該氣相色譜之該入口之一後端預濃縮器總成。
  8. 如請求項7之設備，其中該後端預濃縮器總成包括：一預濃縮器，其具有一入口及一出口，該入口係耦合至該第二三通閥之該第二埠且耦合至該氣相色譜之該入口；一第四三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該第一埠係耦合至該預濃縮器之該出口；一捕集器，其耦合至該第四三通閥之該第二埠；一第二幫浦，其具有耦合至該第四三通閥之該第三埠之一入口；一第三三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該第三埠耦合至該第二幫浦之一出口且該第一埠耦合至該預濃縮器之該出口與該第四三通閥之間的一流體連接。
  9. 如請求項1之設備，其中該預濃縮器模組進一步包括：一第五三通閥，其用以替換該切換閥，該第五三通閥具有第一、第二及第三埠，該第一埠係耦合至該第二三通閥之該第二埠且該第三埠係耦合至幫浦；及一額外氣相色譜，其具有耦合至該第二三通閥之該第三埠之一入口及耦合至該氣相色譜之該入口、耦合至該後端預濃縮器之該入口且耦合至該第五三通閥之該第二 埠之一出口。
  10. 如請求項1之設備，其進一步包括一氣相分析模組，其包含：一氣相色譜；一偵測器，其耦合至該氣相色譜之該出口；一控制電路，其耦合至該氣相色譜且耦合至該偵測器，其中該控制電路可與該氣相色譜通信且通信至該偵測器；一讀出電路，其耦合至該偵測器且耦合至該控制電路，其中該讀出電路可與該控制電路及該偵測器通信；及一通信介面，其耦合至該讀出電路。
  11. 如請求項10之系統，其中該讀出電路包含用以分析自偵測器陣列接收之輸出信號之一分析電路及相關聯邏輯。
  12. 一種用於氣體收集及分析之方法，其包括：提供一預濃縮器模組，該預濃縮器模組包含：一第一三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該第一埠耦合至過濾器之出口，一捕集器，其耦合至該第一三通閥之該第二埠，一預濃縮器，其具有耦合至該第一三通閥之該第三埠之一入口，一第二三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該第一埠耦合至該預濃縮器之一出口，一切換閥，其耦合至該第二三通閥之該第二埠，及一幫浦，其耦合至該切換閥；及 組態該第一及第二三通閥以形成一流動路徑以透過該第一三通閥之該第一埠接收一氣體樣本且在該預濃縮器中濃縮由該氣體攜載之化學品或揮發性有機化合物。
  13. 如請求項12之方法，其進一步包括組態該第一及第二三通閥以形成一流動路徑，該幫浦可透過該流動路徑汲取穿過該捕集器、該預濃縮器及該切換閥之空氣且排放該空氣。
  14. 如請求項12之方法，其進一步包括組態該第一三通閥以形成一流動路徑，空氣可透過該流動路徑而穿過該捕集器且排出自該第一三通閥之該第一埠。
  15. 如請求項12之方法，其進一步包括：加熱該預濃縮器以釋放其中所捕集之化學品或揮發性有機化合物(VOC)；及組態該第二三通閥以形成一流動路徑，該等化學品或VOC可透過該流動路徑自該預濃縮器流動至該第二三通閥之該第三埠。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包括將該等化學品或VOC自第二三通閥之該第三埠引導至一後端預濃縮器模組。
  17. 如請求項16之方法，其進一步包括將由該後端預濃縮器模組濃縮之化學品或VOC引導至一氣相分析子系統。
  18. 一種可棄式過濾器，其包括：一過濾器總成，其具有一入口及一出口且包括：一乾式過濾器，及一濕氣過濾器，其耦合至該乾式過濾器，該濕氣過 濾器包含一隔室，該隔室中具有對水具有高親和性的鹽化合物。
  19. 如請求項18之可棄式過濾器，其中該鹽化合物包含氯化鋰(LiCl)、溴化鋰(LiBr)、碘化鋰(LiI)、溴化鈉(NaBr)及其他離子鹽化合物中之一種或多種。
  20. 如請求項18之可棄式過濾器，其中該鹽化合物包含一非離子鹽化合物。
  21. 如請求項18之可棄式過濾器，其中該鹽化合物係填裝至該隔室中。
  22. 如請求項21之可棄式過濾器，其中該鹽化合物係呈粉狀形式、粒狀形式或多孔固體形式中之至少一者。
  23. 如請求項21之可棄式過濾器，其中該鹽化合物係塗佈於一多孔基板上且該多孔基板係填裝至該濕氣過濾器中。
  24. 如請求項23之可棄式過濾器，其中該多孔基板係一透氣膜。
  25. 如請求項18之可棄式過濾器，其進一步包括耦合至該入口之一吹嘴。
  26. 如請求項18之可棄式過濾器，其中該乾式過濾器可捕集微粒、病毒及細菌中之至少一者。
  27. 如請求項18之可棄式過濾器，其中該濕氣過濾器係整合於該乾式過濾器之該入口中或整合於該乾式過濾器之該出口中。
  28. 如請求項18之可棄式過濾器，其中該濕氣過濾器及該乾式過濾器係整合於一單個過濾器中。
  29. 如請求項28之可棄式過濾器，其中該單個過濾器包括塗佈有鹽化合物之多孔材料。
  30. 如請求項18之可棄式過濾器，其進一步包括耦合至該出口之一氣體儲存容器。
  31. 如請求項18之可棄式過濾器設備，其進一步包括耦合至該出口之一氣相分析系統。
  32. 一種用於氣體收集及分析之可攜式設備，其包括：一濕氣過濾器，其具有一入口及一出口，該濕氣過濾器包含一隔室，該隔室中具有對水具有高親和性之鹽化合物；一第一三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該第三埠係耦合至該濕氣過濾器之該入口；一潮濕氣體入口，其耦合至該三通閥之該第一埠；及一乾燥空氣入口，其耦合至該三通閥之該第二埠。
  33. 如請求項32之設備，其進一步包括耦合至該潮濕空氣入口之可棄式吹嘴。
  34. 如請求項32之設備，其中該鹽化合物包含氯化鋰(LiCl)、溴化鋰(LiBr)、碘化鋰(LiI)、溴化鈉(NaBr)及其他離子鹽化合物中之一種或多種。
  35. 如請求項32之設備，其中該鹽化合物包含一非離子鹽化合物。
  36. 如請求項32之設備，其中該鹽化合物係裝填至該濕氣過濾器中。
  37. 如請求項36之設備，其中該鹽化合物係呈粉狀形式、粒 狀形式或多孔固體形式中之至少一者。
  38. 如請求項36之設備，其中該鹽化合物係塗佈於一多孔基板上且該多孔基板係裝填至該濕氣過濾器中。
  39. 如請求項38之設備，其中該多孔基板係一透氣膜。
  40. 如請求項32之設備，其進一步包括耦合至該濕氣過濾器之一加熱器。
  41. 如請求項32之設備，其進一步包括：一第二三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該濕氣過濾器之該出口耦合至該第一埠；及一幫浦，其耦合至該第二三通閥之該第二埠。
  42. 如請求項41之設備，其進一步包括耦合至該第二三通閥之該第三埠之一氣相分析系統。
  43. 一種用於氣體收集及分析之方法，其包括：提供一除濕模組，該除濕模組包括：一濕氣過濾器，其具有一入口及一出口，該濕氣過濾器包含一隔室，該隔室中具有對水具有高親和性之鹽化合物，一第一三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該第三埠係耦合至該濕氣過濾器之該入口，一潮濕氣體入口，其耦合至該三通閥之該第一埠，及一乾燥空氣入口，其耦合至該三通閥之該第二埠；及組態該第一三通閥以形成一流動路徑，潮濕氣體透過該流動路徑經由該潮濕空氣入口而進入、使水在該隔室中去除且排出至一氣相分析系統。
  44. 如請求項43之方法，其進一步包括：加熱該濕氣過濾器以釋放所捕集之水；及組態該第一三通閥以形成一流動路徑，乾燥空氣透過該流動路徑經由該乾燥空氣入口而進入、流動穿過該濕氣過濾器以將該所釋放之水攜載走且排出至大氣。
  45. 如請求項43之方法，其中該除濕模組進一步包括：一第二三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該濕氣過濾器之該出口係耦合至該第一埠；一捕集器，其耦合至該乾燥空氣入口；及一幫浦，其耦合至該第二三通閥之該第二埠。
  46. 如請求項45之方法，其進一步包括組態該第二三通閥以將排出該濕氣過濾器之空氣引導至該氣相分析系統中。
  47. 如請求項45之方法，其進一步包括：加熱該濕氣過濾器以釋放所捕集之水；及組態該第一及第二三通閥以形成一流動路徑，乾燥空氣透過該流動路徑經由該乾燥空氣入口而進入、流動穿過該捕集器、流動穿過該濕氣過濾器以將該所釋放之水攜載走、流動穿過該幫浦且排出至大氣。
  48. 一種用於氣體收集及分析之可攜式設備，其包括：一預濃縮器模組，其包括：一第一三通閥，其具有第一、第二及第三埠，該第一埠耦合至一過濾器之出口，一捕集器，其耦合至該第一三通閥之該第二埠，一預濃縮器，其具有耦合至該第一三通閥之該第三 埠之一入口，一第二三通閥，其耦合至該預濃縮器之出口，及一第三Y-分流器，其耦合至該第二三通閥，一第三三通閥，其耦合至該第二三通閥，及一幫浦，其耦合至該第三三通閥。
  49. 如請求項48之設備，其進一步包括一過濾器，該過濾器包括一入口及一出口，該過濾器之該出口係耦合至該第一三通閥之該第一埠。
  50. 如請求項48之設備，其中該過濾器之該出口與該第一三通閥之該第一埠係藉由一溫控管而耦合。
  51. 如請求項48之設備，其進一步包括耦合於第一Y-分流器與該第三Y-分流器之間的一切換閥。
  52. 如請求項48之設備，其進一步包括耦合至該預濃縮器模組之一氣相分析模組，該氣相分析模組包括具有一入口及一出口之一氣相色譜，該氣相色譜之該入口係耦合至第四Y-分流器。
  53. 如請求項52之設備，其中該氣相分析模組進一步包括耦合至該氣相色譜之該出口之一偵測器及耦合至該偵測器之一出口之一切換閥。
  54. 如請求項52之設備，其進一步包括耦合至該第二三通閥之該第三埠且耦合至該氣相色譜之該入口之一後端預濃縮器總成。
  55. 如請求項54之設備，其中該後端預濃縮器總成包括：一預濃縮器，其耦合至該第四Y-分流器； 一第四三通閥，其耦合至該預濃縮器及該第二三通閥；一第三三通閥，其耦合至該幫浦及該第四三通閥且排氣至大氣。
  56. 如請求項48之設備，其中該預濃縮器模組進一步包括：一第一Y-分流器，其耦合於該第一三通閥與該捕集器間；一第二Y-分流器，其耦合於該第二三通閥與該第三三通閥之間；及一流體連接，其在該第一Y-分流器與該第二Y-分流器之間。
  57. 如請求項56之設備，其進一步包括耦合於在該第一Y-分流器與該第二Y-分流器之間的該流體連接之一切換閥。
  58. 一種用於氣體收集及分析之可攜式系統，其包括：一前端預濃縮器模組；一氣相分析子系統，其耦合至該前端預濃縮器模組；及一後端預濃縮器模組，其耦合至該前端預濃縮器模組及該氣相分析子系統。
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