TWI758918B

TWI758918B - 氣體感測元件及檢測系統

Info

Publication number: TWI758918B
Application number: TW109137046A
Authority: TW
Inventors: 戴念華; 李紫原; 張敬; 林正傑; 彭殿王; 蕭逸函; 蘇剛正; 柯信國
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2022-03-21
Also published as: US20220128503A1; TW202217294A

Abstract

一種氣體感測元件，用於檢測氣體中的二氧化碳濃度，包含一基板、一導電單元，及一感測層。導電單元設置在基板上，並包括二電極，感測層包括聚乙烯亞胺及聚乙二醇，並設置在導電單元上且與電極電連接。透過聚乙二醇的添加以提升感測層對於二氧化碳測量的靈敏度。此外，本發明還提供一檢測系統，包含如前所述的氣體感測元件、一測試裝置，及一分析裝置，測試裝置包括一腔體、一用於導入氣體的進氣口，及一設置於腔體中且能對外電連接的連接座，氣體感測元件能經由連接座對外與分析裝置電連接，以提供非侵入式且方便的檢測方式。

Description

氣體感測元件及檢測系統

本發明是有關於一種氣體感測元件及檢測系統，特別是指一種用於檢測二氧化碳濃度的氣體感測元件及檢測系統。

慢性阻塞性肺病(Chronic Obstructive Pulmonary Disease，COPD)是常見的慢性疾病之一，大致是由於長期抽菸或是空氣汙染而使患者的呼吸道長期發炎，導致呼吸道阻塞而令患者無法暢通的吸氣與吐氣，另外患有COPD的病患在其呼氣中所含有的二氧化碳濃度與常人不同。

在臨床醫學上，已提出了一些用於檢測慢性阻塞性肺病的方法，常見的方法例如透過採集病患動脈血的橈動脈穿刺法，這種採檢方式相較於一般靜脈抽血會對患者造成較大的疼痛；另一種常見的檢測方式，是藉由二氧化碳生理監視器(Capnography)進行檢測，但此種檢測方式需要讓患者在插管的情況下才能進行，否則所測得的結果會受到大氣中二氧化碳的影響而造成誤差。前述的兩種檢測方式皆為侵入性，因此容易使患者產生疼痛及不舒服感。此外，檢測的過程皆須由專業的醫護人員來執行，所以檢測成本極高。

因此，如何開發一種非侵入性且更為便利的方法來檢測COPD患者呼氣中所含有的CO₂濃度，是相關領域的研究重點之一。

因此，本發明的目的，即在提供一種氣體感測元件，用於感測一待測氣體中的二氧化碳濃度。

於是，本發明氣體感測元件包含一基板、一導電單元，及一感測層。

該導電單元設置在該基板上，並包括二用以對外連接的電極。

該感測層用於吸附二氧化碳氣體，設置在該導電單元上且與該等電極電連接，該感測層包括聚乙烯亞胺及聚乙二醇。

此外，本發明的另一目的，即在提供一種具有如前所述之氣體感測元件的檢測系統。

於是，本發明檢測系統，適用於檢測一待測氣體中所含有的二氧化碳濃度，並包含一如前所述的氣體感測元件、一測試裝置，及一分析裝置。

該氣體感測元件通過該感測層吸附該待測氣體中的二氧化碳。

該測試裝置包括一罩殼、一形成於該罩殼內部並可供容設該氣體感測元件的腔體、一設置於該罩殼且與該腔體連通並用以導入該待測氣體至該腔體的進氣口，及一設置於該腔體中且對外電連接的電性連接座，該氣體感測元件能拆離地電連接在該電性連接座上，並通過該電性連接座對外電連接。

該分析裝置與該電性連接座電連接，用以檢測該氣體感測元件吸附二氧化碳後的電性狀態。

本發明的功效在於：該感測層選自聚乙烯亞胺及聚乙二醇的組合，利用聚乙二醇具有吸取來自該待測氣體中水氣的特性，以有效提升聚乙烯亞胺在吸附二氧化碳的反應速率，進而提升該感測層對於二氧化碳的感測靈敏度。此外，該檢測系統能提供使用者一種非侵入性的檢測方式，透過將該氣體感測元件能拆離地電連接在該電性連接座上，再將該待測氣體經由該進氣口導入該測試裝置中，即能自行檢測該待測氣體中的二氧化碳濃度，而可易於使用，且能避免在檢測過程中產生疼痛。

100:氣體感測元件

1:基板

2:導電單元

21:電極

22:傳導層

3:感測層

4:絕緣層

5:測試裝置

51:罩殼

52:腔體

521:底壁

522:圍繞壁

523:上蓋

53:進氣口

54:電性連接座

55:過濾進氣件

56:流量計

57:壓力計

58:排氣口

6:分析裝置

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一立體示意圖，說明本發明氣體感測元件的一實施例；圖2是沿圖1之直線II-II所取得的一剖視圖，說明該氣體感測元件的結構；圖3是一示意圖，說明本發明檢測系統的一實施例；圖4是一立體圖，說明該檢測系統的一測試裝置；圖5是沿圖4之直線V-V所取得的一剖視圖，說明該測試裝置的腔體及該氣體感測元件設置在一電性連接座上；及圖6是一電流對時間的關係圖，說明該檢測系統測量待測氣體中二氧化碳的濃度的實驗結果。

參閱圖1與圖2，本發明氣體感測元件100的一實施例，包含一基板1、一導電單元2、一感測層3，及一絕緣層4。

適用於本實施例的該基板1由絕緣材料構成，並可選自玻璃、矽晶圓，或塑膠基板，但不以此為限。

該導電單元2設置在該基板1上，並包括二用以對外連接的電極21，及一設置於該等電極21上並與該等電極21電連接的傳導層22。該等電極21可選自碳電極，並透過印刷的方式形成於該基板1上。

在本實施例中，該等電極21呈長條狀且平行地間隔設置在該基板1上，該絕緣層4透過貼覆或塗佈的方式設置在該等電極21上，用以提供防護以避免該等電極21在使用中自該基板1脫落，且令呈長條狀的該等電極21的相反兩端露出。

該傳導層22設置於該等電極21的同一側且露出的端部上，並與該等電極21形成一導電通路，且該等電極21相反於該傳導層22露出的另一端部則用於對外電連接。

該傳導層22選自導電材料，例如導電高分子、石墨稀、還原氧化石墨稀(reduced graphene oxide，rGO)或奈米碳管。在本實施例中，該傳導層22選自具有良好的比表面積的奈米碳管，且該傳導層22的製作方式主要是將奈米碳管均勻分散於作為溶劑的異丙醇後，再將溶液透過噴塗、滴塗(drop coating)或網印等方式而形成於該等電極21上。

該感測層3設置於該傳導層22上，且透過該傳導層22而與該等電極21電連接。該感測層3包括聚乙烯亞胺(Polyethyleneimine，PEI)，及聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)，其中，聚乙烯亞胺對聚乙二醇的重量比介於1：0.03至1：1。較佳地，聚乙烯亞胺對聚乙二醇的重量比為1：0.1，且聚乙烯亞胺選自分枝狀型結構的聚乙烯亞胺，是由於相較線性型結構的聚乙烯亞胺，分枝狀型結構的聚乙烯亞胺具有較多的胺基用以抓取二氧化碳。在本實施例中，是將在常溫下呈液態的分枝狀型結構的聚乙烯亞胺與聚乙二醇溶於異丙醇後，將溶液充分混合後透過噴塗的方式形成於該傳導層22上，再移除異丙醇後而得。此外，還可進一步對形成後的該感測層3進行熱處理製程，以移除該感測層3與該傳導層2間殘存的微小氣泡，而提升該感測層3的附著性，還能增加該感測層3與該傳導層2間的電流導通路徑，進而提高電流傳導效率。

在一些實施例中，該感測層3中還可以包括聚吡咯(Polypyrrole，PPy)，及聚苯胺(Polyaniline，PANI)的其中至少一種，聚吡咯及聚苯胺亦能利用自身的胺基捕捉氣體中的二氧化碳。

詳細的說，該感測層3的聚乙烯亞胺透過自身的胺基(Amine group)來吸附所接觸的氣體中的二氧化碳，同時，胺基亦會吸附來自空氣中的水氣，聚乙烯亞胺吸附二氧化碳與水氣的反應式為：R₂NH+CO₂+H₂O → R₂NH₂ ⁺+HCO₃ ^-。而該感測層3的聚乙二醇能通過自身的氫氧基捕捉更多來自待測氣體中的水氣，基於勒沙特列原理，當該感測層3所捕捉的水氣增加時，能提升聚乙烯亞胺的胺基吸附二氧化碳的反應速率，進而增加該感測層3檢測該待測氣體中二氧化碳的靈敏度。因此，本發明透過聚乙二醇的添加提高聚乙烯亞胺對二氧化碳的訊號感測強度，而得以提高該感測層3檢測二氧化碳的靈敏度。

參閱圖3至圖5，前述該氣體感測元件100的實施例可應用於一檢測一待測氣體中所含有的二氧化碳濃度的檢測系統。該檢測系統包含一測試裝置5、設置在該測試裝置5中的該氣體感測元件100、一與該測試裝置5連通且設置於該罩殼51內的抽氣裝置(圖未示)，及一與該氣體感測元件100連接的分析裝置6。

該測試裝置5包括一罩殼51、一腔體52、一進氣口53、一電性連接座54、一過濾進氣件55，及一排氣口58。

該罩殼51具有一底壁521、一自該底壁521向上延伸至該罩殼51上表面的圍繞壁522，及一能密合於該圍繞壁522遠離該底壁521一側的上蓋523，且該底壁521、該圍繞壁522及該上蓋523共同界定出用於容置該氣體感測元件100的該腔體52。

該進氣口53與該排氣口58設置於該罩殼51上，且分別連通至該腔體52。該進氣口53可供該待測氣體導入該腔體52中，且該腔體52中的氣體可通過該排氣口58導出該罩殼51外。

該電性連接座54設置於該腔體52的該底壁521上，且能對外電連接，並具有一個可供該氣體感測元件100可抽離地插設的插槽，令該氣體感測元件100能通過該電性連接座54對外電連接。

該過濾進氣件55設置於該罩殼51側邊，且與該腔體52連通，用於將外部的氣體過濾後導入該腔體52中。

在本實施例中，該測試裝置5還配置有一鄰近該進氣口 53的流量計56，及一壓力計57。該流量計56用以測量該待測氣體流經該進氣口53的氣體流量，該壓力計57用於測量該腔體52內部的壓力。然，實際實施時，可視需求選擇性地設置該流量計56與該壓力計57，或無須設置即可。

該分析裝置6與該電性連接座54電連接，並透過該電性連接座54連接該氣體感測元件100的該等電極21，用以檢測該氣體感測元件100吸附二氧化碳後的電性狀態。

該抽氣裝置設置於該罩殼51內且連通該腔體52，用以抽出該腔體52中的氣體。

使用前述該檢測系統進行該待測氣體的二氧化碳濃度檢測時，是先將該氣體感測元件100以露出在該絕緣層4外且遠離該感測層3的該等電極21的端部插設至該電性連接座54的插槽內，通過該電性連接座54對外電連接，並蓋上該上蓋523，使該腔體52內部呈封閉狀態。

接著，透過該抽氣裝置抽出該腔體52中的氣體，使該腔體52內部的氣壓降低到650mmHg至700mmHg；啟動該過濾進氣件55，令該罩殼51外的氣體因外部與該腔體52內的壓力差而通過該過濾進氣件55導入該腔體52中，且令該氣體在流經該過濾進氣件55的時候移除其中的固體微粒與水氣，此時，可利用該分析裝置6測量該氣體感測元件100的電性狀態，而得到一背景訊號。

最後，將該待測氣體經由該進氣口53導入該腔體52中，同時令該腔體52中的部分氣體自該排氣口58排出以穩定該腔體52內部的氣壓，此時，該氣體感測元件100透過該感測層3吸附該待測氣體中的二氧化碳而產生電阻變化，透過該分析裝置6則可藉由該電性連接座54接收該氣體感測元件100的電阻變化，而得到一檢測訊號。該分析裝置6以該背景訊號作為基準值，對該檢測訊號進行分析，以得到該待測氣體中的二氧化碳濃度。

詳細的說，該感測層3吸附/脫附該待測氣體中的二氧化碳的時候，會使該感測層3本身的電荷密度發生變化而使其電阻值改變。由奈米碳管構成的該傳導層22具有高比表面積的特性外且具有多數的導電路徑，因此，當該感測層3的電性狀態產生變化時，該傳導層22能有效率地將該檢測訊號傳遞至該分析裝置6。

參閱圖6，在本實施例中的具體實施中，該氣體感測元件100是以該感測層3由聚乙烯亞胺對聚乙二醇的重量比為1：0.1之組合為例，並經由本發明之檢測系統來測量具有不同二氧化碳濃度的待測氣體而得到如圖6的一電流量測圖，其是利用將該氣體感測元件100插設於該電性連接座54後，通過該電性連接座54自外部提供一固定電壓，接著自該進氣口53連續通入具有不同濃度之二氧化碳的待測氣體至該腔體52中，並通過該分析裝置6讀取該氣體感測元件100在感測含有不同二氧化碳濃的待測氣體時的電流值變化，而得到如圖6的實驗結果。透過量測含有不同二氧化碳濃度的待測氣體(本實施例以量測濃度範圍介於2%至15%為例作說明)，本發明該氣體感測元件100對二氧化碳具有良好的靈敏度，並且在不同的二氧化碳濃度下可以獲得明顯不同的信號強度，此外，該氣體感測元件100的穩定性也可以從此連續循環的測試中被證實。

綜上所述，本發明氣體感測元件100之該感測層3選自聚乙烯亞胺及聚乙二醇的組合，以提升在檢測該待測氣體時，對於測量二氧化碳的靈敏度，利用聚乙二醇的添加能有效率地捉取來自該待測氣體中的水氣，並以此提升聚乙烯亞胺吸附二氧化碳的反應速率，進而增強該感測層3所測得的二氧化碳的訊號強度。此外，透過該檢測系統能提供使用者一種非侵入性的檢測方式，只要將該待測氣體(例如：COPD患者呼出的氣體)通過該進氣口53導入該測試裝置5中，無須透過專業人員協助就能夠自行檢測該待測氣體中的二氧化碳濃度，檢測的方式簡易且方便，亦不會在過程中造成患者的疼痛，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。