TWI668441B - 自我校正之重金屬檢測器 - Google Patents

Abstract

一種微流體離子檢測器，用以檢測液體中重金屬離子以及來自氣體樣本之懸浮微粒。該微流體離子檢測器包括一樣本萃取結構，用以自一樣本液體萃取樣本離子或自一氣體樣本之懸浮微粒萃取樣本離子；一分離結構，用以分離經萃取之不同類型之樣本離子；以及一檢測結構，用以檢測該等樣本離子。該微流體離子檢測器亦包括提供一參考離子之一參考儲存器，其可根據該分離結構之操作校正該樣本。一可攜式、自我校正離子檢測器係可透過於一單基板上包含上述元件來實現。

Description

自我校正之重金屬檢測器

本發明係涉及微流體離子檢測器。

重金屬係有危害健康之風險。已知暴露於鉛、銅、鎘與其他重金屬離子會對健康造成許多負面影響。重金屬可能來自於水以及空氣中小於2.5微米之懸浮微粒。因此重金屬粒子會透過飲用受汙染之水或於含有懸浮微粒之空氣中呼吸而經由人體所吸收。

檢測離子之儀器通常係設計使用於實驗室環境，其體積較大且昂貴。至今，尚未有用於檢測重金屬之消費性產品。

於某些實施例中係描述一微流體離子檢測器，用以檢測液體中重金屬離子以及來自氣體樣本之懸浮微粒。該微流體離子檢測器包括一樣本提取結構，用於自一樣本液體提取樣本離子或自一氣體樣本之懸浮微粒釋放並提取樣本離子；一分離結構，用以分離經提取之不同類型之樣本離子；以及一檢測結構，用以檢測該等樣本離子。該微流體離子檢測器亦包括提供一參考離子之一參考儲存器，其可根據該分離結構之操作校正該樣本。一可攜式並可自我校正之離子檢測器可透過於一單基板上包含上述元件來實現。

於某些實施例中係提供一裝置，用以檢測來自空氣樣本中之懸浮微粒之離子，其包含用以收集懸浮微粒並釋放離子之一第一樣本源；一第二電膜萃取源；一流體通道，其連接該第一與第二電膜萃取源，以及設置以沿該流體通道施加一電場之電極。

於某些實施例中係提供一方法，用以檢測液體或空氣樣本中之離子，包含利用電膜萃取(electro membrane extraction)自液體中萃取一目標離子，或自空氣樣本中之懸浮微粒釋放與萃取一目標離子；利用電膜萃取自一參考源萃取一參考離子；以及對該目標離子與該參考離子執行毛細管電泳(capillary electrophoresis)，以使該目標離子與該參考離子沿一共同通道移動至一檢測區域。

於某些實施例中係提供一可攜式微流體重金屬離子檢測器，其包含一基板；一第一與第二電膜萃取源，其等整合於該基板上並連接至一共同微流體通道；一緩衝液儲存器，其連接至該共同微流體通道；一檢測器，其係整合於該基板上；以及驅動電極，其等係設置以驅動一緩衝液自該緩衝液儲存器沿該共同微流體通道移動至該檢測器。

101‧‧‧基板

102‧‧‧樣本電膜萃取源

104‧‧‧參考電膜萃取源

106‧‧‧毛細管電泳結構

108‧‧‧檢測器

110‧‧‧控制電路系統

112a‧‧‧控制訊號

112b‧‧‧控制訊號

112c‧‧‧控制訊號

112d‧‧‧控制訊號

114‧‧‧檢測訊號

118‧‧‧溫度感測器

120‧‧‧風扇

200‧‧‧離子檢測器

204‧‧‧參考電膜萃取源

205‧‧‧微流體通道

206‧‧‧毛細管電泳結構

208‧‧‧電容式檢測器

210‧‧‧控制電路系統

212‧‧‧樣本電壓源

214‧‧‧樣本電壓源/樣本電壓極

216‧‧‧樣本電膜萃取源

218‧‧‧參考電壓源

220‧‧‧參考電壓源

222‧‧‧樣本薄膜

224‧‧‧緩衝液電壓源

225‧‧‧入口

226‧‧‧緩衝液儲存器

228‧‧‧訊號產生器

230‧‧‧檢測區域

232‧‧‧排氣儲存器

233‧‧‧入口

234‧‧‧毛細管電壓源

236‧‧‧樣本電極

238‧‧‧樣本電極

240‧‧‧參考電極

242‧‧‧參考電極

244‧‧‧樣本微通道

246‧‧‧參考微通道

247‧‧‧緩衝液微通道

248‧‧‧緩衝液電極

250‧‧‧接收電極

252‧‧‧發射電極

254‧‧‧毛細管電極/電極

256‧‧‧參考薄膜

258‧‧‧風扇

260‧‧‧通道

262‧‧‧薄膜

264‧‧‧通道

301‧‧‧基板

303‧‧‧陰極

305‧‧‧陽極

307‧‧‧薄膜

309‧‧‧供給相

311‧‧‧接受相

312‧‧‧微通道

313‧‧‧電位梯度

315‧‧‧帶負電離子

317‧‧‧帶正電離子

400‧‧‧毛細管電泳結構

401‧‧‧陰極

403‧‧‧陽極

405‧‧‧離子緩衝液

407‧‧‧微流體通道/通道

411‧‧‧基板/負離子

413a‧‧‧正離子

413b‧‧‧正離子

413c‧‧‧正離子

415‧‧‧電位差

500‧‧‧檢測器

501‧‧‧基板

503‧‧‧微流體通道/通道

505‧‧‧第一電極

507‧‧‧第二電極

509‧‧‧第一電容/電容器

511‧‧‧第二電容/電容器

513‧‧‧電阻

515‧‧‧緩衝液

521‧‧‧電流計

532‧‧‧排氣口

600‧‧‧檢測器程序

602‧‧‧參考離子電膜萃取階段

604‧‧‧樣本離子電膜萃取階段

606‧‧‧毛細管電泳階段

608‧‧‧電容檢測階段/電檢測階段

701‧‧‧脈衝

702a‧‧‧參考電膜萃取訊號

702b‧‧‧樣本電膜萃取訊號

702c‧‧‧毛細管電泳訊號

703‧‧‧脈衝

705‧‧‧電壓脈衝

707‧‧‧參考離子

709‧‧‧樣本離子

715‧‧‧脈衝

717‧‧‧脈衝

719‧‧‧脈衝

721‧‧‧參考離子

723‧‧‧樣本離子

參酌以下圖式描述本發明之各種層面與實施例。其應當理解該等圖式未必以實際比例所繪製。

圖1為一方塊圖，根據本發明一非限制性實施例描繪之一微流體離子檢測器，其具有互連電膜萃取(EME)、毛細管電泳與檢測結構。

圖2為根據本發明一非限制性實施例對圖1中所示之一微流體離子檢測器類型之一詳細描繪。

圖3A為根據本發明一非限制性實施例，圖1與圖2之電膜萃取結構之一範例實施方式之一剖面圖。

圖3B描繪在此所述之電膜萃取結構之操作原則。

圖4A為根據本發明一非限制性實施例，圖1與圖2之毛細管電泳結構之一範例實施方式之一俯視圖。

圖4B為圖4A結構之一剖面圖

圖4C描繪在此所述毛細管電泳結構之操作原則。

圖5A為根據本發明一非限制性實施例，如圖1與圖2所顯示檢測結構之一範例實施方式俯視圖。

圖5B為圖5A結構之一剖面圖。

圖5C描繪圖5A與圖5B之檢測結構之操作原則。

圖6為根據本發明實施例操作一離子檢測器之方法之一流程圖。

圖7為根據本發明一非限制性實施例描繪操作一離子檢測器之方法之時序圖。

本發明之層面提供一種用以檢測離子，例如重金屬離子之微流體檢測器。該微流體離子檢測器利用電膜萃取(electro membrane extraction)自一液體或氣體樣本萃取離子。該等樣本離子透過施加一適當電場由一微流體通道向下驅動至一檢測區域。位於檢測區域之一檢測器對現存之樣本離子進行檢 測。該檢測器於某些情況下為一電容式檢測器，使阻抗產生變化，並於當該樣本離子通過該檢測區域時可受檢測。因此，本發明之層面提供一微流體檢測器，其利用電膜萃取自一樣本萃取樣本離子；一毛細管電泳，其係用於將該等樣本離子分離成不同類型；與一電容式檢測，用以檢測該樣本離子。

於某些實施例中，該微流體檢測器利用一參考離子以提供自我校正。該參考離子可為具有相對可能樣本離子之已知電泳遷移率之類型，意即當該樣本與參考離子由一微流體通道向下移動至該檢測區域之相對速度可為已知。因此，該參考與樣本離子可根據其等到達該檢測器之時間由該檢測器所區別。

於某些實施例中，該微流體檢測器包括整合於一共同(相同)基板之微製造元件。即，可設有一單基板微流體離子檢測器，包括電膜萃取、毛細管電泳與電容式檢測結構。此配置在此係可指提供「晶載」電膜萃取、毛細管電泳與電容式離子檢測。上述一參考離子之用途係可使該單基板離子檢測器為可自我校正。此外，該離子檢測器之尺寸係可經調整為可攜式。

圖1為一方塊圖，根據本發明一非限制性實施例描繪一微流體離子檢測器，其具有互連之電膜萃取、毛細管電泳與檢測結構。該離子檢測器100包含一基板101、一樣本電膜萃取源102、一參考電膜萃取源104、一毛細管電泳結構106、一檢測器108與控制電路系統110。

該基板101可為一半導體基板，該離子檢測器100之其他元件係整合於其上。例如，該基板101可為一材料，微流體通道、電極以及/或樣本儲存器係形成於其中。於某些實施例中，該基板101可為一矽基板，然而仍可能有替代 材料。於某些實施例中，該離子檢測器100係可為可攜式，並按尺寸設計以實現其可攜性。例如，該離子檢測器係可為使用者便於攜帶之一消費性產品形式。於某些實施例中，該基板可具有介於2cm²與50cm²間之面積，其包括在此範圍內之任何數值。仍可能實施於其他數值，原因在於並非本發明所有實施例皆僅限於可攜式之離子檢測器。

該樣本電膜萃取源102可為一結構，其適用於保持(或容納)液體或用於將一氣體樣本轉化(或溶解)為一液相，並用於利用電膜萃取技術自樣本中萃取樣本離子。於某些實施例中，該樣本電膜萃取源102包括一薄膜與設置以施加跨越該薄膜一電場之電極。於圖2中係顯示一範例並於以下進一步描述。該樣本電膜萃取源102可包括設置以保持該樣本之一儲存器。可設置通往該樣本電膜萃取源102之一入口以允許透過例如一用戶以該樣品進行填充。於某些實施例中，該樣本電膜萃取源102可經微製造於該基板101上。

該離子檢測器100選擇性包括一風扇120，其係耦合至該樣本電膜萃取源102。當該樣本為一氣體，例如一空氣樣本時，係可包括該風扇120。該風扇120可將包含懸浮微粒之氣體樣本提供至電膜萃取結構以收集該氣體樣本之懸浮微粒。該電膜萃取源可進行溶解並將該離子以液相釋放以用於萃取。風扇為導入氣體樣本方式之一範例，但其應當理解用於導入一氣體樣本之其他結構可用於其他替代實施例中。

該參考電膜萃取源104可為一結構，其適用於保持(或容納)具有一已知類型之離子之液體，以及用於利用電膜萃取技術自該液體中萃取該已知類型之離子。於某些實施例中，該參考電膜萃取源104可實質上與該樣本電膜 萃取源102為相同結構類型，其差異處在於兩者所保持之液體。因此，舉例而言，該參考電膜萃取源104可包括一薄膜與設置以施加跨越該薄膜一電場之電極。於圖2中係顯示一範例，並於以下進一步描述。該參考電膜萃取源104可包括設置以保持該參考液體之一儲存器。於某些實施例中，可設置一通往該參考電膜萃取源104之一出口，以允許其受到填充。然而，因該參考電膜萃取源104係用以保持一參考液體，因此並非所有實施例皆僅限於此方面。於某些實施例中，該參考電膜萃取源104可於該離子檢測器100之製造期間進行填充，且因此可選擇性避免提供用於後續填充該參考電膜萃取源104之一入口。於操作中，一使用者(例如，一消費者)可僅以一樣本填充該樣本電膜萃取源102，該參考電膜萃取源104於製造過程中係已經過充填。然而，仍可能有填充該兩源102與104之替代性方式。於某些實施例中，該參考電膜萃取源104可經微製造於該基板101上。

由前述討論中應當理解，於至少某些實施例中，由一結構觀點所關之，該樣本與參考電膜萃取源102與104實質上可為相同。兩者間之差異在於其等所保持之液體與其等所操作之液體。因此，於某些實施例中，係設有具至少二電膜萃取源之一離子檢測器，於某些實施例中其可經微製造於一共同基板上。

該毛細管電泳結構106可包括一微流體通道，一緩衝溶液之一來源(在此簡稱一「緩衝液」)，以及經設置以施加一電場(在此處亦稱為「一毛細管電泳電場」)以將該緩衝溶液中之離子自來源驅動至該檢測器108的電極。該通道可連接至該樣本電膜萃取源102與該參考電膜萃取源104，並由其等所共用。因此，由該樣本電膜萃取源102所提供之樣本離子與該參考電膜萃取源 104所提供之參考離子可經提供至該微流體通道之一共同點或入口。於某些實施例中，該樣本電膜萃取源102與該毛細管電泳結構106間係設有一附加微通道，以允許所萃取之樣本離子進入該毛細管電泳結構106之通道中，且同樣地，該參考電膜萃取源104與該毛細管電泳結構106間係設有一附加微通道，以允許所萃取之參考離子進入該毛細管電泳結構106之通道中。作為一非限制性範例，該毛細管電泳結構106之通道長度可介於0.5公分至50公分之間，或其間之任何數值。如前所述，該毛細管電泳結構106可額外包括一緩衝液之一來源。該來源可為一井(well)、儲存器或其他適當結構。該毛細管電泳結構106之電極可經設置以驅動該緩衝液中之離子自該來源沿該毛細管電泳結構之微通道移動至該檢測器108。

如前所述，本發明之層面提供晶載電膜萃取(EME)與毛細管電泳(CE)結構。因此，於某些實施例中，該毛細管電泳結構106可經微製造於該基板101上。因此，該結構可具有微製造規格。例如，可使用微通道、微電極與微儲存器。

該檢測器108可包括一通道與一電容式感測檢測器，例如一電容耦合非接觸電導檢測器(capacitively coupled contactless conductivity detector，C4D)，然而仍可使用其他感測檢測器。該檢測器108於該通道外可具有兩電極，其等係經由該通道發射與接收一訊號。該毛細管電泳結構106可連接至該檢測器108以允許該樣本離子與參考離子進入該檢測區域。

該控制電路系統110可包括適用於控制該樣本電膜萃取源102、該參考電膜萃取源104、該毛細管電泳結構106與/或該檢測器108之操作之電路系 統。例如，該控制電路系統110可提供控制訊號112a、112b、112c以及/或112d以控制該等元件之操作(例如，控制該等元件之電極產生合適之電場)，如在此所描繪。額外地或可選擇地，該控制電路系統110可包括適用於處理由該檢測器108所產生與所接收之檢測訊號114。該控制電路系統可包括但不限於訊號產生器、時脈電路、濾波器、放大器與比較器。於某些實施例中，該控制電路系統110為積體電路系統，例如為一特殊應用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)。於某些實施例中，該控制電路系統110可位於該基板101之外部。

在此所述為該離子檢測器100之操作之一非限制性範例。可自該樣本電膜萃取源102之一樣本儲存器萃取樣本離子。該萃取可透過使該控制電路系統110提供控制訊號112a以引起跨該樣本電膜萃取源102之一薄膜之一電場所達成，該電場係允許樣本離子穿越。響應於該控制電路110提供控制訊號112b，可以相同方式達成自該參考電膜萃取源104萃取參考離子。

該經萃取之樣本離子與參考離子可經由毛細管電泳驅動至該檢測器108。例如，該控制電路系統110可應用一控制訊號112c以引起一毛細管電場，其係將該所萃取之樣本離子與參考離子推離該電膜萃取薄膜，並使其等進入將該樣本與參考離子攜帶進入該毛細管電泳結構106之通道中。該毛細管電場可具有一極性，使該樣本離子、該參考離子以及該毛細管微電泳結構106中之緩衝液朝該檢測器108移動。於某些實施例中，該緩衝液包含離子，且於某些此等實施例中，該等離子可具有比該參考離子更高之電泳遷移率(electrophoretic mobility)，該參考離子可具有比樣本離子更高之電泳遷移率。然而，並非所有實施例皆僅限在此方面。當施加毛細管電場時，電泳遷移率之差異可能使該樣 本離子與該參考離子分離。因此，於某些實施例中，該樣本離子可能落後於該參考離子，其可能落後於該緩衝液離子。該毛細管電泳結構106之微通道長度愈長，則於不同離子類型間可達成愈大之分離。同樣地，該毛細管電泳結構所施加之電場規模愈大，則不同類型離子間之間距愈大。

因緩衝液離子具有最高電泳遷移率，因此其可先進入該檢測器108。於某些實施例中，該緩衝液離子可建立一背景(或基本位準)訊號，使該參考與樣本離子可受檢測。例如，當該緩衝液離子通過周圍具有該檢測器之電極之通道時，該檢測器108可記錄阻抗(或電壓、電流或相關特性)，該所記錄之阻抗可作為一參考位準。然而，此為選擇性的，因為並非所有實施例皆使用該緩衝液建立用於檢測之基線訊號。接著，該參考離子可進入該檢測器108。當該參考離子通過周圍具有電極之通道時，該檢測器108可記錄一相關聯之阻抗(例如，若該緩衝液離子係經使用以建立一基線阻抗位準，則為一第二阻抗位準)。該所記錄之阻抗變化可用以指示具有已知電泳遷移率之參考離子之到達。當該樣本離子進入該檢測器108時，一第三阻抗可受檢測。若於該樣本中存在多於一種樣本離子類型，則可能發生額外之檢測事件(例如，阻抗、電壓、電流或其他特性之變化)。

檢測事件之時序可提供已檢測之物之一指示。例如，該參考離子可經選擇為已知具有比預期樣本離子更高電泳遷移率之類型。因此，當阻抗(或電壓，電流或其他訊號特性)之變化由該檢測器108初始檢測時，該檢測事件係與參考離子有關，因其係預期早於任何樣本離子到達。後續檢測事件(例如，該檢測訊號中之尖峰、峰值或其他特徵)係與樣本離子有關。該參考離子與該 樣本離子之檢測間之時間延遲可允許確定該樣本離子之類型。在此係描述一範例。

假設該參考離子為鋅離子。鋅離子於某些緩衝溶液中具有已知電泳遷移率。假設該樣本離子為鉛離子，其等於檢測前係非為已知。鉛於某些緩衝溶液中具有已知電泳遷移率。因微流體通道之長度亦為已知，因此得知鋅(於該實施例中係為參考)與鉛(於本實施例中係為樣品)之相對電泳遷移率係允許確定何時應檢測該些離子類型間之時間差。可透過於毛細管電泳通道之起始同時啟動該樣本與參考離子以促使該決定。因此，若於該參考離子之檢測後，假設在此範例係透過其等先到達該檢測器所識別，另一檢測事件(例如，該檢測訊號中之一尖峰、峰值或其他特徵)係發生於對應鉛離子預計到達之時間，則後續檢測事件可經解釋為鉛離子係存在於該樣本中。然而，若發生於該參考離子檢測後之檢測事件發生於鉻離子之預計到達時間之後，則該檢測事件可解釋為於該樣本中係存在有鉻。

相同概念可延伸至更大量之樣本離子。即，多重檢測事件可發生於該參考離子之檢測之後。該些檢測事件之時序可允許多種樣本離子類型之測定。因此，本發明之實施例提供一微流體離子檢測器，其係設置以檢測來自一單一樣本之多種樣本離子類型。

此外，該參考離子早於該樣本離子到達之所述操作為一非限制性範例。該操作架構可於該經檢測離子之測定方面提供簡易性之益處，但只要能確定該參考離子與潛在樣品離子之相對到達時間，則仍可能有替代方式。

於某些實施例中，該控制電路系統110可包括潛在樣本離子相對該參考離子預期到達時間之資料指示。在此方式中，該控制電路系統110可自一給定檢測事件中決定造成該事件之離子類型為何。該控制電路系統可包括記憶體、暫存器、一查找表或其他用於儲存該資料之適當結構。

應當理解於上述方法中使用該參考離子可作為用於該樣本離子檢測之校正。因該參考可經儲存於該離子檢測器100本身，該離子檢測器100係可自我校正。該離子檢測器100可於各種溫度中以及製造後之各種時間後使用，且縱有具有溫度波動與老化，仍可提供準確檢測。於某些實施例中，因離子之電泳遷移率與到達時間係取決於溫度，該離子檢測器100包括至少一溫度感測器118，其將一感測溫度提供至該控制電路系統110以輔助該經檢測離子之判定。當經包括時，該溫度感測器118可為任何適當類型，包括整合於該基板101上之一微製造溫度感測器。

除識別該樣本中之離子類型外，該離子檢測器100可選擇性測定並提供該經檢測離子濃度之一指示。例如，該參考離子可具有一已知濃度。因此，該參考離子之檢測可提供一基線訊號(例如，電壓或電流訊號)使與樣本離子之檢測相關之訊號可經比較。若該經檢測訊號響應係大於該樣本離子，則可指示大於該參考離子已知濃度之樣本離子濃度。若該經檢測訊號響應係小於該樣本離子，則可指示低於該參考離子已知濃度之樣本離子濃度。可根據訊號響應之比較進行精確之濃度判定。

圖2為一微流體離子檢測器之一詳細描繪，表示圖1之離子檢測器100之一實施方式之一範例。該離子檢測器200包括一樣本電膜萃取源216，其具 有樣本電壓源212與214，樣本電極236與238，一樣本薄膜222與一樣本微通道244。在此亦有一參考電膜萃取源204，其具有參考電壓源218與220，參考電極240與242，一參考薄膜256與一參考微通道246。該離子檢測器200進一步包含一緩衝液儲存器226與一緩衝液微通道247，其係連接至具有一微流體通道205之一毛細管電泳結構206。該微流體通道205終止於具有一電容式檢測器208之一檢測區域中，所示該電容式檢測器208係具有一訊號產生器228、發射電極252與接收電極250。該檢測器208係連接至一排氣儲存器232，其具有一毛細管電壓源234與一電極254。該緩衝液儲存器226與排氣儲存器232於某些實施例中係視為該毛細管電泳結構206之部分。該所示離子檢測器200亦包括控制電路系統210。為便於說明，該控制電路系統210係顯示為連接至該檢測器208，但可連接至上述與圖1之控制電路系統110連接之任何所示元件。

於某些實施例中，一氣體樣本可連同該離子檢測器200所使用，該離子檢測器200可選擇性包括一風扇258，以驅使氣體通過一通道260並通過一薄膜262。該薄膜262對於小於一目標直徑，例如直徑為2.5微米或任何其他選擇之粒徑之懸浮微粒係為可通透。於穿過該薄膜262經過濾後，懸浮微粒可通過該通道264並進入該樣本電膜萃取源216。於一實施例中，懸浮微粒可溶解於該樣本電膜萃取源216中之酸性環境中。

無論該樣本為一液體樣本或一氣體樣本，該樣本電膜萃取源216可包含一樣本薄膜222以及連接至該樣本電壓源212與214之樣本電極236與238。可選擇性設有一入口225用於填充該儲存器，例如自該儲存器之一頂側。該樣本電膜萃取源216可包含一儲存器中未經過濾之材料。作為一非限制性範 例，該儲存器之體積可介於0.1μL至10μL。該儲存器可包含來自環境之液體或溶解來自氣體之微粒之一溶液。例如，該樣本可為一水樣本(例如，自來水)、飲料樣本、溶解來自一空氣樣本之微粒之一酸性溶液或其他樣本。該樣本可包括至少一目標離子，例如至少一重金屬離子(例如，銅、鎘、鉻或鉛)。該樣本電極214與212可經極化，使只有一選定或目標極性之離子可穿透該薄膜222並進入該樣本微通道244。

該參考電膜萃取源204可包含一參考薄膜256與參考電極240與242，其等係分別連接至參考電壓源218與220。該參考電膜萃取源204可包括一儲存器，其可包含液體。該液體可包含具有已知電泳遷移率之離子。於一範例中，該液體可為包含一已知離子(例如，鋅)之一配製溶液，並可於該離子檢測器200之製造期間填充至該參考電膜萃取源204之儲存器中。該參考電壓源218與220可具有極性，使該參考離子移動跨越該參考薄膜256並進入該參考微通道246。

該緩衝液儲存器226、該微流體通道205與該排氣儲存器232可包含一緩衝液。於某些實施例中，該緩衝液離子具有高電泳遷移率。該緩衝液電極係與一毛細管電極254配對，其係於以下所描述。該緩衝液微通道247將該緩衝液儲存器226與該毛細管電泳結構206相連接，更具體係連接至該微流體通道205。

該毛細管電泳結構206包含一微流體通道205。透過該緩衝液電極248與該毛細管電極254於該微流體通道205內建立一電場，該緩衝液電極248與該毛細管電極254係分別連接至該緩衝液電壓源224與該毛細管電壓源234。該緩 衝液電極248與該毛細管電極254間之電壓差使透過該電壓差驅使該離子緩衝液、樣本離子與參考離子通過該通道205。於某些實施例中，該通道205可為彎曲形，例如具有所示蜿蜒形狀。於其他實施例中，該通道可為筆直的。該微流體通道205之總長度可經選擇以確保該樣本與參考離子於穿過該微流體通道時有充足之空間間隔，以允許該檢測器208進行精確檢測。於某些實施例中，該微流體通道205具有介於0.5公分至50公分、介於20公分至40公分或該等範圍內之任何數值或數值範圍之總長度。仍可能有其他替代長度。

該檢測器208可置於該微流體通道205之一檢測區域230內，並可包含一發射電極252、一接收電極250、一訊號產生器228與控制電路系統210。該訊號產生器228可為一交流電源或適用於產生用以驅動該檢測器208之一訊號之其他電源類型。該訊號產生器228係連接至該發射電極252，其係位於該微流體通道205外部。該接收電極250係相反於該發射電極252，並亦位於該微流體通道205之外部。該控制電路系統210係連接至該接收電極250，並可包含上述與圖1之該控制電路系統110連接之任何元件類型，或任何其他適當電路元件。於某些實施例中，該控制電路系統210包括適用於控制該檢測器208與/或處理來自該檢測器208之一檢測訊號之電路系統。

該排氣儲存器232係位於該毛細管電泳結構之末端，係位於該檢測器208之下游。由該緩衝液電壓源224與該毛細管電壓源234所產生之電場梯度可確保該樣本離子與參考離子往該排氣儲存器232移動並保存於其中，以防止該微流體通道205中之回流。可選擇地，一流體單向閥體可經包括於該排氣儲存器232之入口處，以進一步避免回流發生，特別於當該裝置斷電後。

在此係提供該離子檢測器200之操作之一非限制性範例。一樣本，例如一未經過濾之液體樣本係填充於該樣本電膜萃取源216之一儲存器中。該樣本電壓源212與214之極性係經選擇使該樣本中之離子可受驅動以跨越該薄膜222並進入該樣本微通道244中。相似地，透過由該電壓源218與220至對該等電極240與242施加適當電壓，該參考離子可自該參考電膜萃取源204所萃取並經驅動進入該參考微通道246中。

該緩衝液電壓源224與該毛細管電壓源234分別對該等電極248與254供給能量，因此相關之離子由該緩衝液儲存器226朝該排氣儲存器232經掃向該微流體通道205之入口233。於某些實施例中，該緩衝液儲存器226可包含預先表徵具有高電泳遷移率之已知緩衝液離子。於該樣品與參考離子已由各自之來源萃取後，其等係透過緩衝液攜帶至該毛細管電泳微流體通道205中。由該緩衝液電壓源224與該毛細管電壓源234所產生之電場係根據電泳遷移率導致微粒之分離。該緩衝液具有最高電泳遷移率，其次為該參考離子，而該樣品離子具有最低之電泳遷移率。愈長之毛細管電泳通道205或愈大之電場可使該樣本離子與參考離子之空間間隔愈大。

該緩衝液首先進入該檢測區域230。當該緩衝液通過由該發射電極252與接收電極250所圍繞之該檢測器208時，該控制電路系統210可測量該緩衝液離子之導電性。於由該緩衝電壓源224與該毛細管電壓源234所引起之電場，該緩衝液可進入該排氣儲存器232。

於些實施例中具有次高電泳遷移率之參考離子，於通過該檢測區域230並由該檢測器208所檢測情況下，其係經歷與該緩衝液離子相同之程序。 該控制電路系統210測量該參考離子之導電性，接著該參考離子進入該排氣儲存器232中。該樣本離子，其於該樣本中為至少一類型，並具有最低電泳遷移率係經歷相同之測量過程，且該控制電路系統210記錄該緩衝液中該樣品離子之導電性。該樣本離子亦可進入該排氣儲存器232。根據該參考之預定校正資料，該樣本離子到達該檢測器所花費之時間將可確定其為何種金屬離子。阻抗之變化亦可用以確定該樣本離子中目標離子之總濃度測量，使較大阻抗變化對應於較大濃度。於一實施例中，該檢測範圍可介於100ppb(parts per billion)與1ppb之間，或其間之任何數值。

圖3A為圖1與圖2之電膜萃取結構之一範例實施方式之一剖面圖。該電膜萃取源可包括一陰極303、一陽極305、一薄膜307、一供給相309與一接受相311。該陰極303與該陽極305可產生一電場使離子跨該薄膜307由一未經過濾之供給相309(具有樣本之一儲存器)移動至該接受相311。該接受相311可包括緊接於該薄膜307後之經萃取之離子之一緩衝溶液。於某些實施例中，例如於該離子檢測器之製造期間，該薄膜307後之通道係以一緩衝溶液預填充。該薄膜可允許目標離子穿過，但維持該樣本溶液與所萃取之溶液相互分離。於一實施例中，該薄膜307可包含一中空纖維薄膜。然而，可使用其他類型之多孔支撐體。該電膜萃取結構可通向表示該樣本微通道244與該參考微通道246之一範例之一微通道3l2。該所示之電膜萃取結構可形成於該基板301上，其可為一矽基板或其他合適材料。因此，微製造技術可用以形成所示之電膜萃取結構。

圖3B描繪可由在此所述之電膜萃取結構所使用之電膜萃取程序之一詳細圖式。該程序包含一供給相309、一接受相311、一薄膜307、一陰極303、 一陽極305、帶負電離子315、帶正電離子317與一電位梯度313。該供給相309可代表該未經過濾之樣本，而該接受相311可包括一溶劑。該薄膜可分離該等相位並避免混合發生。該陰極303可置於該供給相309之一側上，而該陽極305可置於該接受相311之一側上。該帶負電離子315與該帶正電離子317係存在於該供給相309中。該電位梯度313可由該陰極303與該陽極305所形成。該帶負電離子315可經吸引至該陰極303，而帶正電離子317可經吸引至該陽極305。該薄膜307可選擇性將該帶正電離子317萃取至該接受相311，並防止供給相溶液通過。該經萃取之帶正電離子317可存於該接受相311中。以此方式，目標離子，例如目標重金屬離子，可自一樣本例如一水樣本所萃取。

圖4A根據本發明之層面顯示可經實施之一毛細管電泳結構之示意圖。該毛細管電泳結構400包含一陰極401、一陽極403、一微流體通道407與一基板411。一離子緩衝液405可設置於該通道407內。毛細管電泳可透過利用該陰極401與該陽極403所發生以產生跨越或沿該通道407之一電位。該離子緩衝液405可具有朝該陽極403移動之已知正離子。具有較高電泳遷移率之離子比具較低電泳遷移率之離子可更快到達該陽極403，使該等離子由該陰極經驅動至該陽極將導致具有不同遷移率之不同離子類型其空間上之間隔。於該所示範例中，該等離子可經過該陽極403並繼續移動至一檢測器(未標於圖中)。於某些實施例中，相似於圖2所示之配置，該檢測器可設置於該陰極401與該陽極403之間。該毛細管電泳結構可製造於一單基板411上。

圖4B顯示一毛細管電泳結構之一實施例之一剖面示圖，其沿線段4B-4B表示圖4A之結構之一剖面。該結構包含一基板411與一微流體通道407。於 一實施例中，該基板411係可為矽。該微流體通道407可透過適當蝕刻該矽所形成，且於某些實施例中係與作為一親水性與電絕緣層之二氧化矽對齊。於某些實施例中，該微流體通道具有一高度H其係介於10微米至100微米之間(例如，約莫為30微米、50微米、80微米或90微米)，包括該範圍內之任何數值，但仍可使用其他高度。該離子緩衝液405可填充該微流體通道407。

圖4C根據本發明一非限制性實施例顯示可由在此所述之毛細管電泳結構所實施之一毛細管電泳程序之一詳細示意圖。該程序包含一陰極401、一陽極403、一離子緩衝液405、具有負離子411與正離子之一樣本與一電位差415。在此範例中，係顯示三種正離子413a、413b與413c之類型。該陰極401與該陽極403產生一電位差415，其可將正離子吸引至該陽極，將負離子吸引至該陰極。電泳遷移率將決定正離子移動至該陽極之快速程度。於該所示範例中，該離子413c具有大於該離子413b之電泳遷移率，該離子413b則具有大於該離子413a之電泳遷移率。因此，該等三種不同類型之離子係於不同時間到達該陽極403。

圖5A顯示圖1與圖2之檢測結構範例實施方式之一俯視圖。該所示檢測器500為一電容耦合非接觸電導檢測器(C4D)，並包含一基板501、一微流體通道503、一第一電極505、一第二電極507與一排氣口532。於一實施例中，該第一電極505與該第二電極507可置於該通道503之外部，並彼此面對。該通道503之內容物可通過相鄰或由該第一電極505與第二電極507所圍繞之區域以用於檢測。於檢測後，該通道503之內容物可前往該排氣口532。於某些實施例中，該等元件可經微製造於該基板501上，其可為在此所述之任何類型基板。

圖5B顯示該檢測器500沿圖5A中線段5B-5B所取之一剖面圖。該檢測器500包含一基板501、一微流體通道503、一第一電極505、以及與該第一電極505間隔一長度L之一第二電極507。一第一電容509係形成於微通道中之緩衝液515與該第一電極505之間。一第二電容511係形成於該第二電極507與該緩衝液515之間。該微流體通道503中之該緩衝液515係作為一電阻513。

該微流體通道503可經蝕刻於該矽基板中並具有一高度H，其結合如上圖4B所述之任何數值。於某些實施例中，該通道503係係排列有二氧化矽或形成於其中。然而，在此所述之數個層面並不限於用以形成該通道之特定材料。

該第一電極505與該第二電極507可由任何適當距離L所分隔。於某些實施例中，L係少於50微米、少於30微米、少於20微米、少於10微米或該範圍內之任何數值。

於操作中，該第一電極505可產生一訊號，其係經由該電容器509電容耦合至該通道503中之緩衝液(或其他液體或氣體)。此訊號係透過該電容器511電容耦合至該第二電極507。

圖5C描繪圖5A與圖5B之檢測結構之操作原則。如所示，該等離子413a、413b與413c係朝該通道503向下驅動。因其等具有不同電泳遷移率，因此彼此於空間上係相互分離。於所示範例中，該離子413c首先通過該檢測器，其次為該離子413b，接著為該離子413a。可應用一電壓訊號V(ω)並透過一電流計(安培計)521檢測該電流I(t)。當離子通過該等電極405與507之間時，該電流訊後係經改變。該變化可經檢測，提供一離子存在之一指示。

圖6為根據本發明一實施例操作一離子檢測器之方法之流程圖。該檢測器程序600包含一參考離子電膜萃取階段602、一樣本離子電膜萃取階段604、一毛細管電泳階段606與一電容檢測階段608。

於該參考離子電膜萃取階段602中，可使用電膜萃取自一液體參考源中萃取該參考離子。一所施加之電場可驅使該參考離子由一供給相跨越一薄膜移動至一接受相。

該樣本離子電膜萃取階段604可以實質上相同於該階段602所處理。意即，可透過跨一薄膜所施加之一電場自一液體或溶解氣體樣本中萃取樣本離子。

於一實施例中，利用分離電膜萃取系統，該參考離子電膜萃取階段602與該樣本離子電膜萃取階段604可實質上同時發生。可實質上同時進行該程序以於實質上相同時間將該參考離子與該樣本離子提供至一毛細管電泳結構之一入口。

於該毛細管電泳階段606中，該經萃取之參考離子與樣本離子係進入經充填一離子緩衝液之一通道。離子之移動速度係由其電泳遷移率所決定，因此移動較慢之離子會與移動較快之離子分離。於一實施例中，該參考離子具有高於該樣本離子之電泳遷移率。因此該參考離子將早於該樣本離子到達該通道之末端。然而，仍可能有替代方案。此外，該樣本離子可為超過一種類型以上，使於該毛細管電泳階段期間可達到不同樣本離子類型之分離。

於該毛細管電泳階段所使用之電場可以任何適當方式所施加。於某些實施例中，可連續施加該電場。於替代實施例中，該電場可經脈衝。於某 些實施例中，可於該毛細管電泳階段起始時施加該電場，並隨後關閉。然而，由於來自初始施加之電場，該離子仍可通過該通道。減少施加該電場之持續時間可減少由該離子檢測器所消耗之功率，其於當該離子檢測器經實施於具有相對較小尺寸之一單晶片上時係特別有益。於某些實施例中，該毛細管電泳階段可能需數秒至數分鐘。持續時間係取決於多種因素，包括通道尺寸、電場強度與時序以及緩衝液之特性。

於該電檢測階段608，該參考與樣本離子係利用一阻抗檢測技術所檢測。於前述某些實施例中，可使用電容耦合非接觸電導檢測器。

於某些實施例中，可對三種離子類型進行檢測，包括來自該緩衝液之離子、參考離子與樣本離子。此外，參考離子之類型可為一種以上。該檢測可包含分析當該離子通過該檢測器所造成之阻抗變化所引起之一檢測訊號中之峰值、谷值或其他特徵。該訊號改變(例如，峰值、谷值或其他特徵)之順序或時序可提供引起檢測訊號中之變化之離子為一緩衝離子、參考離子或樣本離子中之何者之一指示。此外，因數種離子類型之電泳遷移率可為已知，因此該時序可用以確定樣品離子之類型。

該程序600之階段可利用數種結構所實施，例如在此所述之結構類型。於某些實施例中，該程序600之所有階段可實施於相同基板上。因此，於某些實施例中，可設有一晶載微流體離子檢測器，其根據該程序600進行操作。

圖7係根據本發明一非限制性實施例描繪操作一離子檢測器之一方法之時序圖。兩種類型項目係以重疊方式顯示。首先，顯示電壓訊號，其對應由電膜萃取結構與一毛細管電泳結構所施加之電壓。該些包括對應由一參考 電膜萃取結構所施加之一電壓訊號之訊號702a，由一樣本微萃取結構所施加之一電壓訊號之訊號702b與由一毛細管電泳結構所施加之一電壓之訊號702c。該些訊號係顯示為電壓對時間之函數，其係隨時間向右增加。所示之第二種類型項目為離子包(在此亦稱為「離子團」)。該些包括參考離子707與樣本離子709。該些項目透過濃度(沿y軸增加)對距離(沿x軸增加)之函數所顯示。此外，該圖式顯示兩種操作類型，包括「標準操作」與「替代操作」。

首先就「標準」操作而論，可施加電壓脈衝701與703。該些脈衝可能導致分別由一參考電膜萃取源與一樣本電膜萃取源萃取參考離子707與樣本離子709。可觀察出該等脈衝701與703係於實質上相同時間所施加。以此方式，該參考離子與樣本離子可於實質上相同時間提供至一毛細管電泳結構之入口。

接著，可施加該毛細管電泳訊號702c之電壓脈衝705。該脈衝可使該參考離子707與樣本離子709沿該毛細管電泳結構之一微通道前進。在此範例中，係假設該參考離子之電泳遷移率係大於該樣本離子，因此其係於該樣本離子前行進。

雖然顯示出該等脈衝701與703可實施於實質上相同時間，但此操作方式係為選擇性。電泳程序之起始可由該電壓脈衝705所控制，並因此可於不同於每個時間的時間提供脈衝701和703，同時仍然在將參考和样本離子提供到毛細管電泳結構的入口之前電壓脈衝705發生。換言之，該參考與樣本離子可透過施加該電壓脈衝705所對齊。

該「替代」操作描繪，相較於該「標準」操作，該參考電膜萃取訊號702a與樣本電膜萃取訊號702b分別具有較小電壓脈衝715與717之情形。然而，該等脈衝715與717彼此可為實質上相同強度，並實施於實質上相同時間。如所見，該所得經萃取之參考離子721與樣本離子723其等濃度係小於該參考離子707與樣本離子709。在此操作架構下，可利用比用於該脈衝705具有更長持續時間之脈衝719使該毛細管電泳訊號702c產生脈衝。雖然該濃度係比於該標準操作情況下要小，但此較長持續時間可於該參考離子721與該樣本離子723間產生充裕空間間隔以允許其等單獨檢測。

因此，由圖7應當理解，用於電膜萃取與毛細管電泳所施加之電壓與持續時間可經改變以提供該離子檢測器之期望操作。於某些實施例中，該操作架構可經選擇以提供較低功率之操作。

由前述應當理解，本發明之層面提供微流體離子檢測器。該離子檢測器係為可自我校正且穩固者，能於各種環境條件下進行操作並能於不同非使用期間後進行操作。該離子檢測器於某些實施例中可完全為微製造，提供晶載電膜萃取、毛細管電泳與電容式檢測功能。透過使用一參考離子所達成之自我校正有助於該裝置之使用可作為一消費性產品，例如，用於測試住宅、商辦或其他地點之空氣與水樣本。此外，該離子檢測器可依尺寸製造以助於攜帶性。可提供較低功率之操作，進一步促進作為一消費性產品之成本效益使用。

該等用語「大約」與「約莫」於某些實施例中可用以指一目標數值其±20%內，於某些實施例中指一目標數值其±10%內，於某些實施例中指一目 標數值±5%內，並於某些實施例中指一目標數值±2%內。該等用語「大約」與「約莫」可包括該目標數值。

Claims (20)

1. 一種用於檢測離子之裝置，包含：一第一電膜萃取源；一第二電膜萃取源；一流體通道，其將該第一與該第二電膜萃取源連接至一檢測區域；以及設置以沿該流體通道施加一電場之電極。
2. 如請求項1所述之用於檢測離子之裝置，進一步包含一電容耦合非接觸電導檢測器，其係設置於該檢測區域。
3. 如請求項1所述之用於檢測離子之裝置，其中，該第一與該第二電膜萃取源、流體通道與電極係整合於一共同基板上。
4. 如請求項3所述之用於檢測離子之裝置，其中，進一步包含一電容耦合非接觸電導檢測器，且該電容耦合非接觸電導檢測器係整合於該共同基板上。
5. 如請求項1所述之用於檢測離子之裝置，進一步包含一第三來源，其耦合至該流體通道，其中，該電極係設置以將來自該第三來源之電場實施至該檢測區域。
6. 如請求項1所述之用於檢測離子之裝置，其中，該第一電膜萃取源包含一入口，其係設置以允許填充該第一電膜萃取源。
7. 如請求項1所述之用於檢測離子之裝置，其中該流體通道為一第一流體通道，其中該裝置進一步包含：一第二流體通道，其將該第一電膜萃取源耦合至該第一流體通道；以及 一第三流體通道，其將該第二電膜萃取源耦合至該第一流體通道，其中該第二以及該第三流體通道係與該第一流體通道交會於一共同點。
8. 一種檢測一液體或氣體樣本中目標離子之方法，該方法包含：利用電膜萃取自液體或氣體樣本萃取一目標離子；利用電膜萃取自一參考源萃取一參考離子；以及對該目標離子與該參考離子執行毛細管電泳以使該目標離子與該參考離子沿一共同通道移動至一檢測區域。
9. 如請求項8所述之檢測一液體或氣體樣本中目標離子之方法，進一步包含利用設置於該檢測區域之一非接觸電導檢測器檢測該參考離子與該目標離子。
10. 如請求項8所述之檢測一液體或氣體樣本中目標離子之方法，萃取該目標離子、萃取該參考離子、進行毛細管電泳以及檢測該參考離子與該目標離子係於一共同裝置基板上所執行。
11. 如請求項8所述之檢測一液體或氣體樣本中目標離子之方法，其中，萃取該目標離子、萃取該參考離子以及進行毛細管電泳係於一共同裝置基板上所執行。
12. 如請求項8所述之檢測一液體或氣體樣本中目標離子之方法，其中，進行毛細管電泳包含透過利用與該共同通道一相同基板上之微電極沿該共同通道施加一電場驅使一緩衝液沿該共同通道移動。
13. 如請求項8所述之檢測一液體或氣體樣本中目標離子之方法，其中，萃取該目標離子與該參考離子包含，於一重疊時間將該目標離子與該參考離子提供至該共同通道之一入口。
14. 一種可攜式微流體重金屬離子檢測器，包含：一基板；第一與第二電膜萃取源，其等係整合於該基板上並連接至一共同微流體通道；一緩衝液儲存器，其係連接至該共同微流體通道；一檢測器，其係整合於該基板上；以及驅動電極，其係設置以驅動一緩衝液由該緩衝液儲存器沿該共同微流體通道移動至該檢測器。
15. 如請求項14所述之可攜式微流體重金屬離子檢測器，其中，該第一電膜萃取源係為可充填並包含一入口，該第一電膜萃取源係設置以經由該入口所填充。
16. 如請求項14所述之可攜式微流體重金屬離子檢測器，其中該共同微流體通道具有一蜿蜒形狀。
17. 如請求項14所述之可攜式微流體重金屬離子檢測器，其中該檢測器為一電容耦合非接觸電導檢測器。
18. 如請求項14所述之可攜式微流體重金屬離子檢測器，進一步包含電路系統，其係整合於該基板上並設置以提供控制訊號至該第一與第二電膜萃取源以及該檢測器。
19. 如請求項14所述之可攜式微流體重金屬離子檢測器，其中，該第一電膜萃取源包含一儲存器與整合於該基板上之一薄膜，以及設置於該薄膜之相反側上之一對微電極。
20. 如請求項14所述之可攜式微流體重金屬離子檢測器，進一步包含控制電路系統，其儲存識別不同離子類型之資料。