TWI712785B

TWI712785B - 化學感測器

Info

Publication number: TWI712785B
Application number: TW108141583A
Authority: TW
Inventors: 許景棟; 林照傑; 黃原新; 施純偉; 李家宏; 蔡群賢; 蔡群榮
Original assignee: 台灣奈米碳素股份有限公司
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2020-12-11
Also published as: US20210148897A1; TW202120912A; US11598766B2; JP2021081429A; CN112816405A; JP7090682B2

Abstract

一種化學感測器，包含一基板、一暴露且設置於該基板的一第一容置空間的第一比色傳感器陣列與一設置於該基板的一第二容置空間的第二比色傳感器陣列，該第二容置空間覆蓋有一隔離液態分子但允許氣體分子通過的隔離層，該第一比色傳感器陣列根據一待分析物的一揮發部分以及一非揮發部分而從一第一初始顏色改變為一第一指示顏色，而該第二比色傳感器陣列根據該待分析物的該揮發部分而從一第二初始顏色改變為一第二指示顏色，據此可同時得到該待分析物的揮發部分的資訊與非揮發部分的資訊。

Description

化學感測器

本發明關於化學感測器，尤指一種具有比色傳感器陣列的化學感測器。

比色傳感器(Colorimetric)乃化學感測器的一種，利用化學反應所誘發的顏色轉換，來取得待偵測物的化學資訊，目前已廣泛地應用在環境監測、食品監測以及其他化學監測等領域。

傳統的比色傳感器可見於美國發明專利公開第US20040184948A1號，揭示一種用來測量被分析物的存在和濃度中的一種或兩種的比色感測器，包括：基本上連續的反射層；覆蓋在所述反射層上的檢測層，所述檢測層包括至少一種聚合物組分，在暴露在所述被分析物中時所述檢測層的光學厚度能發生變化；以及，覆蓋在所述檢測層上的基本上連續的反射層的折射率與所述檢測層的折射率不同。

以上習知技術提供較佳的顯色效果，但仍有待改進之空間。

本發明的主要目的在於解決習知比色傳感器有待改進之處。

為達上述目的，本發明揭露一種化學感測器，包含一基板、一第一比色傳感器陣列與一第二比色傳感器陣列，其中該基板具有一第一容置空間以及一第二容置空間；而該第一比色傳感器陣列暴露且設置於該基板的該第一容置空間。該第二比色傳感器陣列設置於該基板的該第二容置空間，並該第二容置空間覆蓋有一隔離層，該隔離層隔離液態分子但允許氣體分子通過。該第一比色傳感器陣列包括有至少一第一感測材料，該第二比色傳感器陣列包括有至少一第二感測材料；當把該基板置入一待分析物時，該第一比色傳感器陣列根據一待分析物的一揮發部分以及一非揮發部分而從一第一初始顏色改變為一第一指示顏色，該第二比色傳感器陣列根據該待分析物的該揮發部分而從一第二初始顏色改變為一第二指示顏色。

據此，本發明的該第一比色傳感器陣列，可量測該待分析物的揮發部分以及非揮發部分並得知該第一指示顏色，而該第二比色傳感器陣列，則可量測該待分析物的揮發部分並得知該第二指示顏色，據此透過比對及分析該第一指示顏色及該第二指示顏色，即可同時得到該待分析物的揮發部分的資訊與非揮發部分的資訊。

有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：

請參閱『圖1』與『圖2』，本發明揭露一種化學感測器，其包含一基板10、一第一比色傳感器陣列20與一第二比色傳感器陣列30，其中該基板10具有一第一容置空間11以及一第二容置空間12；而該第一比色傳感器陣列20暴露且設置於該基板10的該第一容置空間11。該第二比色傳感器陣列30設置於該基板10的該第二容置空間12，並該第二容置空間12覆蓋有一隔離層40，該隔離層40隔離一待分析物中的液態分子但允許氣體分子通過，該隔離層40的材料為選自多孔性聚胺酯膜、多孔性聚乙烯膜、多孔性聚四氟乙烯膜、纖維狀高密度聚乙烯透氣膜等的阻水透氣材質，且該基板10可以為透明聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。

而該第一比色傳感器陣列20包括有至少一第一感測材料，該第二比色傳感器陣列30包括有至少一第二感測材料；該第一感測材料與該第二感測材料各自獨立地包括一呈色試劑，該呈色試劑為選自甲基紅、剛果紅、溴酚藍、溴甲酚紫、溴甲酚綠、甲酚紅、苯酚紅、百里酚酞、刃天青、對硝基酚、溴瑞香草藍、百里酚藍、中性紅、結晶紫、4-(4-硝基苄基)吡啶、苯二酚紫、氯酚紅、硝嗪黃、溴酚紅、間甲酚紫、鉻黑T(Eriochrome black T)、番紅、螢光素、伊紅Y(Eosin yellow)、亮綠(Brilliant green)、達旦黃、維多利亞藍B、胭脂紅、石蕊、薑黃素、花青素、茜素紅S、茜素黃R、靛藍胭脂紅、尼羅藍A、橙黃G、曙紅B、3,3',5,5',-四碘苯酚砜基酚酞、溴二甲苯酚藍、酚藍、分散橙25、阿啶橙、分散橙3、分散紅1、溴焦酚红、二胺二苯硫楓、氨基熒光素、紅紫尿素銨、2,6-二氯靛酚、苯二酚紫與以上化合物之鈉鹽或混和物等所組成的群組。

又，該第一感測材料與該第二感測材料亦可各自獨立地包括一分子阻障材料，該分子阻障材料為選自十八醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇縮甲醛、聚醋酸乙烯樹脂、酚醛樹酯、環氧樹酯、聚丁烯樹酯、聚乙二醇、碳黑、奈米碳管、石墨烯、纖維素奈米纖維(Cellulose Nanofiber，CNF)與矽氧化合物等等，該分子阻障材料可影響該第一感測材料及該第二感測材料與目標偵測分子的反應速度，透過選用不同的該分子阻障材料，可調控反應速度，滿足使用上的需求。

請再配合參閱『圖3A』，該第一比色傳感器陣列20根據一待分析物50的一揮發部分51以及一非揮發部分52而從一第一初始顏色改變為一第一指示顏色，該第二比色傳感器陣列30根據該待分析物50的該揮發部分51而從一第二初始顏色改變為一第二指示顏色。當把該基板10置入該待分析物50時，該第一比色傳感器陣列20及該第二比色傳感器陣列30即可產生該第一指示顏色與該第二指示顏色。

請再配合參閱『圖3B』，且本發明更包含一硬體裝置60，該硬體裝置60具有一影像擷取器61，該影像擷取器61取得該第一指示顏色和該第二指示顏色之一影像，該硬體裝置60依據該影像和一預設資料庫70的比對結果而提供一關聯於該待分析物50的成分資訊。亦即於該待分析物50中取出該基板10後，讓該影像擷取器61對準該基板10，即可取得該第一指示顏色與該第二指示顏色，並藉以得知該待分析物50的成分資訊。

以下以『圖4A』至『圖5C』舉例說明本發明之化學感測器的實際應用，將1顆來自於21ST Century HealthCare, Inc.的維他命(Mega Multi for Men)溶於200克的去離子水中，再過濾不溶物，取過濾後的溶液作為該待分析物50。『圖4A』為該第一比色傳感器陣列20置入該待分析物50的感測示意圖，『圖4B』為該第一比色傳感器陣列20未置入該待分析物50內的初始狀態的照片，而『圖4C』為該第一比色傳感器陣列20置入該待分析物50內經過8分鐘後的照片。當該第一比色傳感器陣列20置入該待分析物50後，該待分析物50的該揮發部分51與該非揮發部分52會被該第一比色傳感器陣列20吸收，進而依據該第一感測材料所採用的呈色試劑、分子阻障材料的不同，該第一比色傳感器陣列20由不同的該第一初始顏色改變成不同的該第一指示顏色。『圖5A』為該第二比色傳感器陣列30置入該待分析物50的感測示意圖，『圖5B』為該第二比色傳感器陣列30未置入該待分析物50內的初始狀態的照片，而『圖5C』為該第二比色傳感器陣列30置入該待分析物50內經過19小時後的照片。當該第二比色傳感器陣列30置入該待分析物50後，由於該隔離層40會隔絕該待分析物50，僅允許氣體分子通過，因此，僅有該待分析物50的該揮發部分51才能通過該隔離層40，被該第二比色傳感器陣列30吸收，再依據該第二感測材料所採用的呈色試劑、分子阻障材料的不同，該第二比色傳感器陣列30由不同的該第二初始顏色改變成不同的該第二指示顏色。

請再參閱『圖6A』、『圖6B』與『圖6C』所示，如『圖6A』所示，該第一比色傳感器陣列20(亦可使用該第二比色傳感器陣列30)放置在鄰近該待分析物50的的一感測位置，『圖6B』為該第一比色傳感器陣列20未置於該感測位置的初始狀態的照片，而『圖6C』為擺放於該感測位置48小時後該第一比色傳感器陣列20的照片。由於該第一比色傳感器陣列20放置於該感測位置，並未接觸該待分析物50，因此，僅有該待分析物50的該揮發部分51通過氣流被該第一比色傳感器陣列20吸收，再依據該第一感測材料所採用的呈色試劑、分子阻障材料的不同，該第一比色傳感器陣列20由不同的該第一初始顏色改變成不同的該第一指示顏色。

請再參閱『圖7A』、『圖7B』與『圖7C』所示，於另一實施例，該基板10具有一第一板體101與一第二板體102，該第一板體101供設置該第一容置空間11，而該第二板體102供設置該第二容置空間12，且該第一板體101與該第二板體102相呈一角度θ，該角度θ可以趨近於180度(如『圖7A』)，如此，可方便擷取畫面；或者，該角度θ可以約呈40度至80度之間(如『圖7B』)，而該角度θ為呈40度至80度時，可直接將該第一板體101置入該待分析物50中，亦即該第二板體102不會置入該待分析物50中；由於該第一比色傳感器陣列20設置於該第一容置空間11且位於該第一板體101上，而另一第一比色傳感器陣列20A設置於該第二容置空間12且位於該第二板體102上，故可讓該第一比色傳感器陣列20量測該待分析物50的揮發部分以及非揮發部分並得知該第一指示顏色，而另一第一比色傳感器陣列20A則可量測該待分析物50的揮發部分並得知該第二指示顏色，於此實施例，該隔離層40並非必要，但仍然可以選擇設置於該第二容置空間12上。

據上，本發明特點至少包含：

1.由於該第一比色傳感器陣列暴露並接觸於該待分析物，而該第二比色傳感器陣列則接觸於該待分析物的氣體分子，但未接觸該待分析物的液態分子，故該第一比色傳感器陣列可類比於人類的味覺系統(即舌頭)，該第二比色傳感器陣列可類比於人類的嗅覺系統(即鼻子)。因此，利用本發明的化學感測器該第一比色傳感器陣列以及該第二比色傳感器陣列的設置，，而可模擬人體的嗅覺與味覺系統。

2.該第一板體與該第二板體的角度可以改變，同時滿足感測與擷取畫面的使用需求。

θ:角度 10:基板 101:第一板體 102:第二板體 11:第一容置空間 12:第二容置空間 20、20A:第一比色傳感器陣列 30:第二比色傳感器陣列 40:隔離層 50:待分析物 51:揮發部分 52:非揮發部分 60:硬體裝置 61:影像擷取器 70:預設資料庫

『圖1』，為本發明一實施例的結構俯視示意圖。『圖2』，為本發明一實施例的結構剖視示意圖。『圖3A』，為本發明一實施例的使用示意圖一。『圖3B』，為本發明一實施例的使用示意圖二。『圖4A』，為本發明第一實施例的感測示意圖。『圖4B』，為本發明第一實施例的初始照片。『圖4C』，為本發明第一實施例的反應後照片。『圖5A』，為本發明第二實施例的感測示意圖。『圖5B』，為本發明第二實施例的初始照片。『圖5C』，為本發明第二實施例的反應後照片。『圖6A』，為本發明第三實施例的感測示意圖。『圖6B』，為本發明第三實施例的初始照片。『圖6C』，為本發明第三實施例的反應後照片。『圖7A』，為本發明一實施例的板體展開示意圖。『圖7B』，為本發明一實施例的板體彎折示意圖。『圖7C』，為本發明一實施例的感測示意圖。

10:基板

11:第一容置空間

12:第二容置空間

20:第一比色傳感器陣列

30:第二比色傳感器陣列

40:隔離層

Claims

一種化學感測器，包含：一基板，具有一第一容置空間以及一第二容置空間；一第一比色傳感器陣列，暴露且設置於該基板的該第一容置空間，該第一比色傳感器陣列包括有至少一第一感測材料；以及一第二比色傳感器陣列，設置於該基板的該第二容置空間，並該第二容置空間覆蓋有一隔離液態分子但允許氣體分子通過的隔離層，該第二比色傳感器陣列包括有至少一第二感測材料；其中，當把該基板置入一待分析物時，該第一比色傳感器陣列根據該待分析物的一揮發部分以及一非揮發部分而從一第一初始顏色改變為一第一指示顏色，該第二比色傳感器陣列根據該待分析物的該揮發部分而從一第二初始顏色改變為一第二指示顏色，且該第一感測材料與該第二感測材料各自獨立地包括一呈色試劑，該呈色試劑為選自甲基紅、剛果紅、溴酚藍、溴甲酚紫、溴甲酚綠、甲酚紅、苯酚紅、百里酚酞、刃天青、對硝基酚、溴瑞香草藍、百里酚藍、中性紅、結晶紫、4-(4-硝基苄基)吡啶、苯二酚紫、氯酚紅、硝嗪黃、溴酚紅、間甲酚紫、鉻黑T(Eriochrome black T)、番紅、螢光素、伊紅Y(Eosin yellow)、亮綠(Brilliant green)、達旦黃、維多利亞藍B、胭脂紅、石蕊、薑黃素、花青素、茜素紅S、茜素黃R、靛藍胭脂紅、尼羅藍A、橙黃G、曙紅B、3,3',5,5',-四碘苯酚砜基酚酞、溴二甲苯酚藍、酚藍、分散橙25、阿啶橙、分散橙3、分散紅1、溴焦酚紅、二胺二苯硫楓、氨基熒光素、紅紫尿素銨、2,6-二氯靛酚、苯二酚紫與以上化合物之鈉鹽或混和物等所組成的群組。
如請求項1所述的化學感測器，其中更包含一硬體裝置，該硬體裝置具有一取得該第一指示顏色和該第二指示顏色之一影像的影像擷取器，該硬體裝置依據該影像和一預設資料庫的比對結果而提供一關聯於該待分析物的成分資訊。
如請求項1所述的化學感測器，其中該基板具有一設置該第一容置空間的第一板體與一相對該第一板體呈一角度且設置該第二容置空間的該第二板體。
如請求項1所述的化學感測器，其中該基板為透明聚對苯二甲酸乙二酯。
如請求項1所述的化學感測器，其中該第一感測材料與該第二感測材料各自獨立地包括一分子阻障材料，該分子阻障材料為選自十八醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇縮甲醛、聚醋酸乙烯樹脂、酚醛樹酯、環氧樹酯、聚丁烯樹酯、聚乙二醇、碳黑、奈米碳管、石墨烯、纖維素奈米纖維與矽氧化合物所組成的群組。
如請求項1所述的化學感測器，其中該隔離層的材料為選自多孔性聚胺酯膜、多孔性聚乙烯膜、多孔性聚四氟乙烯膜與纖維狀高密度聚乙烯透氣膜所組成的群組。