TWI806366B - 用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置及檢測方法 - Google Patents
用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置及檢測方法 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI806366B TWI806366B TW111101914A TW111101914A TWI806366B TW I806366 B TWI806366 B TW I806366B TW 111101914 A TW111101914 A TW 111101914A TW 111101914 A TW111101914 A TW 111101914A TW I806366 B TWI806366 B TW I806366B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- detection
- signal
- line
- ground line
- detection area
- Prior art date
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 182
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 64
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 title claims abstract description 42
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 36
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims abstract description 35
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 35
- 230000003075 superhydrophobic effect Effects 0.000 claims abstract description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 43
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 8
- 239000002094 self assembled monolayer Substances 0.000 claims description 8
- 239000013545 self-assembled monolayer Substances 0.000 claims description 8
- PYJJCSYBSYXGQQ-UHFFFAOYSA-N trichloro(octadecyl)silane Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC[Si](Cl)(Cl)Cl PYJJCSYBSYXGQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000012085 test solution Substances 0.000 claims 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 3
- 101100489713 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) GND1 gene Proteins 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 101100489717 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) GND2 gene Proteins 0.000 description 12
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 11
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 9
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 8
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 7
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 241000711573 Coronaviridae Species 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 238000003753 real-time PCR Methods 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 241000711467 Human coronavirus 229E Species 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N fluoromethane Chemical group FC NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 241001678559 COVID-19 virus Species 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 210000000234 capsid Anatomy 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000008363 phosphate buffer Substances 0.000 description 1
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 1
- 125000002467 phosphate group Chemical group [H]OP(=O)(O[H])O[*] 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/01—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials specially adapted for biological cells, e.g. blood cells
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
- G01N15/075—Investigating concentration of particle suspensions by optical means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
- G01N2015/0687—Investigating concentration of particle suspensions in solutions, e.g. non volatile residue
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
- Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
本發明公開一種用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置及檢測方法。檢測裝置包括檢測晶片、訊號源及處理裝置。檢測晶片包括基板、共面波導傳輸線及超疏水薄膜遮罩。具有待測粒子的待測水溶液被提供於檢測晶片上時，檢測晶片的超疏水薄膜遮罩可將待測水溶液限制在檢測區中，處理裝置控制訊號源以不同的檢測頻率提供檢測微波訊號，同時量測不同的檢測頻率下的第一輸出訊號及第二輸出訊號以產生待測吸收頻譜，並將待測吸收頻譜與歷史吸收頻譜進行比對，以判斷待測粒子的種類。
Description
本發明涉及一種檢測裝置及檢測方法，特別是涉及一種用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置及檢測方法。
已知微波共振吸收(microwave resonant absorption,MRA)現象會針對不同成分的物質而有不同程度的表現。
對於由病毒組成的懸浮粒子，由於大部分病毒的核心因為基因體內含有磷酸基團的關係，本身即帶有負電荷。相對來說，存在病毒的衣殼或封套裡的氨基酸則在病毒表面上造成複雜的電荷分佈。像這樣核殼之間的電荷分離促成了電磁波與局限聲波震盪之間的偶極耦合作用，當局限聲波震盪移動電荷並改變它們的偶極距時，MRA現象就會在病毒上發生。
一般而言，為了判斷由病毒組成的懸浮粒子(例如，冠狀病毒)，通常會使用快篩試劑或是即時定量聚合酶連鎖反應(Real-time Quantitative Polymerase Chain Reaction,qPCR)技術來對樣本進行檢測。然而，qPCR技術費時費工，而快篩試劑準確度低，且容易發生偽陽性與偽陰性等問題，且上述兩者均有無法反覆使用導致成本上升的問題。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置及檢測方法。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置，其包括檢測晶片、訊號源及處理裝置。檢測晶片包括基板、共面波導傳輸線及超疏水薄膜遮罩。基板具有一檢測區及圍繞該檢測區設置的一非檢測區。共面波導傳輸線設置在該基板上且跨越該檢測區及該非檢測區，其包括第一接地線、第二接地線及訊號線。第一接地線沿著第一方向延伸設置。第二接地線沿著該第一方向延伸設置且與該第一接地線平行。訊號線沿著該第一方向延伸設置，且沿著垂直於該第一方向的一第二方向設置在該第一接地線及該第二接地線之間，且具有一第一端及一第二端，其中，該訊號線、該第一接地線及該第二接地線共平面設置，且該訊號線與該第一接地線之間具有一第一間隙，該訊號線與該第二接地線之間具有一第二間隙。超疏水薄膜遮罩設置在該共面波導傳輸線及該基板上以覆蓋該非檢測區，而未覆蓋該檢測區。訊號源電性連接於該訊號線的第一端，且用於向該訊號線提供具有一檢測頻率的一檢測微波訊號。處理裝置電性連接該第一端、該第二端及該訊號源，經配置以控制該訊號源提供該檢測微波訊號，同時接收該第一端的一第一輸出訊號及該第二端的一第二輸出訊號。其中，響應於具有待測粒子的一待測水溶液被提供於該檢測晶片上時，該超疏水薄膜遮罩用於將該待測水溶液限制在該檢測區中，且該處理裝置經配置以控制該訊號源以不同的該檢測頻率提供該檢測微波訊號，同時量測不同的該檢測頻率下的該第一輸出訊號及該第二輸出訊號以產生一待測吸收頻譜。其中，響應於該處理裝置產生該微波吸收頻譜，該處理裝置更經配置以將該待測吸收頻譜與一記憶體儲存的多個歷史吸收頻譜進行比對，以判斷該待測粒子的種類。
在一些實施例中，該檢測區為一矩形，其在該第一方向上具有一第一長度，在該第二方向上具有一第一寬度。
在一些實施例中，響應於該訊號源提供該檢測微波訊號至該第一端，該訊號線與該第一接地線之間形成一第一電場，該訊號線與該第二接地線之間形成一第二電場，且該第一寬度相關於該第一電場或該第二電場的最大電場強度。
在一些實施例中，該超疏水薄膜遮罩具有一第一厚度，該第一厚度係在5nm至15nm的範圍內。
在一些實施例中，該超疏水薄膜遮罩為非導電的且具有一第一介電常數，該第一介電常數係在以空氣介電常數為基準的一預定範圍內。
在一些實施例中，該第一介電常數係小於1.4。
在一些實施例中，該超疏水薄膜遮罩為疏水性自組裝單層膜遮罩。
在一些實施例中，該疏水性自組裝單層膜遮罩係由十八烷基三氯矽烷(octadecyltrichlorosilane,OTS)製成。
在一些實施例中，該疏水性自組裝單層膜遮罩係由碳氟長鏈(Fluorocarbon)製成。
在一些實施例中，該訊號線為一微帶線，且在該第二方向上具有一第二寬度，係在1.8至2.4mm的範圍內。
在一些實施例中，該第一間隙與該第二間隙相等，且分別具有一第三寬度，該第三寬度係在0.45mm至0.65mm的範圍內。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是提供一種用於辨別水溶液中粒子種類的檢測方法，其包括：將具有待測粒子的一待測水溶液提供於一檢測晶片上，其中，檢測晶片包括基板、共面波導
傳輸線及超疏水薄膜遮罩。基板具有一檢測區及圍繞該檢測區設置的一非檢測區。共面波導傳輸線設置在該基板上且跨越該檢測區及該非檢測區，其包括第一接地線、第二接地線及訊號線。第一接地線沿著第一方向延伸設置。第二接地線沿著該第一方向延伸設置且與該第一接地線平行。訊號線沿著該第一方向延伸設置，且沿著垂直於該第一方向的一第二方向設置在該第一接地線及該第二接地線之間，且具有一第一端及一第二端，其中，該訊號線、該第一接地線及該第二接地線共平面設置，且該訊號線與該第一接地線之間具有一第一間隙，該訊號線與該第二接地線之間具有一第二間隙。超疏水薄膜遮罩設置在該共面波導傳輸線及該基板上以覆蓋該非檢測區，而未覆蓋該檢測區。檢測方法還包括：以該超疏水薄膜遮罩將該待測水溶液限制在該檢測區中；配置一處理裝置控制一訊號源向該訊號線提供具有一檢測頻率的一檢測微波訊號；配置該處理裝置以控制該訊號源以不同的該檢測頻率提供該檢測微波訊號，同時接收該第一端的一第一輸出訊號及該第二端的一第二輸出訊號；配置該處理裝置量測不同的該檢測頻率下的該第一輸出訊號及該第二輸出訊號以產生一待測吸收頻譜；以及配置該處理裝置將該待測吸收頻譜與一記憶體儲存的多個歷史吸收頻譜進行比對，以判斷該待測粒子的種類。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的，利用具有共面波導的檢測晶片，使外延之微波電力線與待測水溶液中的待測粒子發生顯著的能量耦合轉移，從而可直接量測微波吸收頻譜。
此外，在檢測晶片上的自組裝超疏水性薄膜遮罩則可以有效地將待測水溶液限制於特定範圍內，因此除了粒子產生的微波吸收，不會造成控制組與實驗組額外的量測差異，此外，由於自組裝超疏水薄膜遮罩的折射率與空氣相近且非導體，並且其厚度遠小於微波波長，因此不會對此檢測晶片的頻寬與阻抗造成影響。
再者，溶液中的粒子微波吸收頻譜可以在其被滴上本發明之晶片後的可忽略時間(<1sec)內得到。由於不同結構的粒子與微波交互作用後的吸收譜線特徵皆不相同，且此晶片對於待測粒子的濃度與分布敏感，因此可以用以判定粒子並定量分析其濃度，可量測的粒子不具專一性，並且可以重複使用。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
1:檢測裝置
10:檢測晶片
12:訊號源
14:處理裝置
100:共面波導傳輸線
140:訊號接收器
142:處理器
144:記憶體
A-A、B-B:剖面
D1:第一方向
D2:第二方向
Dp:液滴
E1:第一電場
E2:第二電場
GND1:第一接地線
GND2:第二接地線
GP1:第一間隙
GP2:第二間隙
H:第一長度
HFM:超疏水薄膜遮罩
IA:檢測區
NIA:非檢測區
OUT1:第一端
OUT2:第二端
S1:訊號線
Sdm:微波訊號
Sout1:第一輸出訊號
Sout2:第二輸出訊號
SUB:基板
W:第一寬度
W2:第二寬度
W3:第三寬度
x、y、z:座標軸
圖1為根據本發明實施例的檢測裝置繪示的功能方塊圖。
圖2為根據本發明實施例的檢測晶片繪示的俯視示意圖。
圖3為圖2的A-A剖面的剖面示意圖。
圖4為圖2的B-B剖面的剖面示意圖。
圖5為根據本發明實施例繪示的共面波導傳輸線產生外延電場示意圖。
圖6及圖7分別為本發明實施例的共面波導傳輸線的模擬電場強度的俯視分佈圖及截面分佈圖。
圖8及圖9分別為本發明實施例的採用寬間隙的共面波導傳輸線的模擬電場強度的俯視分佈圖及截面分佈圖。
圖10顯示使用寬間隙及窄間隙的共面波導傳輸線來分別檢測冠狀病毒的微波吸收頻譜。
圖11為根據本發明實施例繪示的用於辨別水溶液中粒子種類的檢測方法的流程圖。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置及檢測方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
本發明提供了一種通過粒子的微波耦合特性來物理性判別粒子是否存在的檢測裝置及檢測方法，其中採用了具有新穎構造的檢測晶片。本發明的總體目的在於提供一種以粒子的微波吸收特性為基礎的快速檢測系統。
圖1為根據本發明實施例的檢測裝置繪示的功能方塊圖，圖2為根據本發明實施例的檢測晶片繪示的俯視示意圖，圖3為圖2的A-A剖面的剖面示意圖，圖4為圖2的B-B剖面的剖面示意圖。
參閱圖1至圖4所示，本發明實施例提供一種用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置1，其包括檢測晶片10、訊號源12及處理裝置14。
訊號源12可為微波訊號源，且可經控制以提供具有不同頻率的微波訊號。例如，訊號源12可提供具有GHz等級頻率的微波訊號。
另一方面，為了進行MRA的頻譜測量，處理裝置14可包括訊號接收器140、處理器142及記憶體144，並且，訊號源12及處理裝置14可例如以
標準的(40MHz至65GHz)網路分析儀140來實現。處理裝置14除了用於控制訊號源12以外，還用於記錄檢測晶片10中，共面波導傳輸線100的反射參數S11及穿透參數S21。
進一步，處理裝置14可通過下式(1)來估計插入損耗：A(f)=|S 11|2+|S 21|2=1-IL...式(1)；其中，A(f)為微波衰減頻譜(microwave attenuation spectra)，S11及S21分別為共面波導傳輸線100的反射參數及穿透參數，IL為插入損耗。
接著，可藉由比較含待測粒子及不含待測粒子的水溶液樣本的微波插入損耗頻譜，便可計算得到其相對應的微波吸收頻譜，如下式(2)所示：歸一化的
；其中，A v+b (f)為含待測粒子的水溶液樣本的微波衰減頻譜，A b (f)為不含待測粒子的水溶液樣本的微波衰減頻譜，而歸一化的插入損耗IL即可代表含有待測粒子的水溶液樣本的微波吸收頻譜。而待測粒子可例如為SARS-CoV-2病毒或HCoV-229E病毒組成的懸浮粒子。
處理裝置14可例如是桌上型電腦、筆記型電腦、智慧型手機、平板電腦等裝置，記憶體144可用以儲存影像、程式碼、軟體模組等等資料，其可以例如是任意型式的固定式或可移動式隨機存取記憶體(random access memory，RAM)、唯讀記憶體(read-only memory，ROM)、快閃記憶體(flash memory)、硬碟或其他類似裝置、積體電路及其組合。
處理器142例如是中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)、圖形處
理器(Graphics Processing Unit，GPU或其他類似裝置或這些裝置的組合。處理器142可執行記錄於記憶體144中的程式碼、軟體模組、指令等等，以實現本發明實施例提供的檢測裝置及檢測方法。
以下先說明檢測晶片10。如圖2至圖4所示，檢測晶片10包括基板SUB、共面波導傳輸線100及超疏水薄膜遮罩HFM。
基板SUB可例如為PCB基板，其包括玻璃纖維不織物料以及環氧樹脂，且具有3.6到4.5之間的的介電常數。如俯視示意圖所示，基板SUB可具有檢測區IA及圍繞檢測區IA設置的非檢測區NIA。
共面波導傳輸線100設置在基板SUB上且跨越檢測區IA及非檢測區NIA。共面波導傳輸線100包括第一接地線GND1、第二接地線GND2及訊號線S1。舉例而言，第一接地線GND1、第二接地線GND2及訊號線S1均為銅製導體，且例如具有約100μm的厚度。
第一接地線GND1沿著第一方向D1延伸設置，第二接地線GND2同樣沿著第一方向D1延伸設置，且實質上與第一接地線GND1平行。訊號線同樣沿著第一方向D1延伸設置，且沿著垂直於第一方向D1的第二方向D2設置在第一接地線GND1及第二接地線GND2之間，且具有第一端OUT1及第二端OUT2。特別是，第一接地線GND1、第二接地線GND2及訊號線S1共平面設置，以形成共面波導。
訊號源12可電性連接於訊號線S1的第一端OUT1，且用於向訊號線S1提供具有檢測頻率的檢測微波訊號Sdm。處理裝置14電性連接第一端OUT1、第二端OUT2及訊號源12，用以控制訊號源12提供檢測微波訊號Sdm，以及接收第一端OUT1的第一輸出訊號Sout1及第二端OUT2的第二輸出訊號Sout2。
在此架構下，為了量測上文中提到的插入損耗，從第一端OUT1
送出檢測微波訊號Sdm後，會需要量測兩個訊號，其一是反射回到訊號發出端的反射訊號(即是，第一輸出訊號Sout1)，其二是穿透檢測晶片10的穿透訊號(即是，第二輸出訊號Sout2)。而由於插入損耗的量測是一個雙埠且雙向的過程，亦可從第二端OUT2輸入檢測微波訊號Sdm，並將第二輸出訊號Sout2作為反射訊號，而第一輸出訊號Sout1作為穿透訊號。在本發明的實施例中，由於檢測晶片10的架構是對稱的，因此實際量測時，只需從第一端OUT1及第二端OUT2中任選一端輸入檢測微波訊號Sdm，並量測兩端的響應訊號即可。
如圖2所示，第一端OUT1及第二端OUT2分別電性連接於兩個A版本迷你型(SubMiniature version A,SMA)連接器，以與訊號源12及處理裝置14連接，且第一接地線GND1及第二接地線GND2亦可通過該等SMA連接器接地，上述僅為舉例，本發明不限於此。此外，訊號線S1與第一接地線GND1之間具有第一間隙GP1，訊號線S1與第二接地線GND2之間具有第二間隙GP2。
可進一步參考圖3及圖4，超疏水薄膜遮罩HFM設置在共面波導傳輸線100及基板SUB上以覆蓋非檢測區NIA，而未覆蓋檢測區IA。
超疏水薄膜遮罩HFM具有第一厚度T1，係在5nm至15nm的範圍內。需要說明的，超疏水薄膜遮罩HFM為非導電的且具有第一介電常數，第一介電常數係在以空氣介電常數為基準的一預定範圍內。例如，第一介電常數可小於1.4。
舉例而言，可使用疏水性自組裝單層膜遮罩作為超疏水薄膜遮罩HFM，可例如由十八烷基三氯矽烷(octadecyltrichlorosilane,OTS)製成。使用上述材料的好處在於製程簡易，且所選用的材料由於介電常數接近空氣，因此對於微波訊號而言，其折射率與空氣相近且非導體，且其厚度遠小於微波波長，因此不會對檢測晶片10的頻寬與阻抗造成影響。
在製程上，可使用旋塗法製作自組裝疏水納米級單層膜。首先
使用橡膠立方體覆蓋共面波導傳輸線100的檢測區IA。因此，可簡單的在橡膠立方體外部的區域上合成出自組裝疏水奈米級單層膜，以建立疏水性較小的矩形區域，藉此定義出高疏水性的非檢測區NIA，以及低疏水性的檢測區IA。
可進一步參考圖5，其為根據本發明實施例繪示的共面波導傳輸線產生外延電場示意圖。如圖所示，當訊號源12提供檢測微波訊號Sdm至第一端OUT1時，訊號線S1與第一接地線GND1之間形成第一電場E1，而訊號線S1與第二接地線GND2之間形成第二電場E2。檢測區IA可例如為一矩形，但不限於此。為了與第一電場E1以及第二電場E2相匹配，檢測區IA可在第二方向D2上具有對稱性，例如可為圓形或其他多邊形。當檢測區IA為矩形，其在第一方向上D1具有第一長度H，在該第二方向D2上具有第一寬度W。
另一方面，當待測水溶液滴在檢測晶片10表面時，能夠將其液滴Dp限制在低疏水性的檢測區IA中，同時良好的控制液滴Dp的邊界。而為了確保待測水溶液被完整且一致性的檢測，需要精確設計第一寬度W，而依據相關模擬結果，第一寬度W將與第一電場E1或第二電場E2的最大電場強度產生關聯性。
可進一步參考圖6及圖7，分別為本發明實施例的共面波導傳輸線的模擬電場強度的俯視分佈圖及截面分佈圖。為了設計檢測區IA的大小，首先使用有限時域差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)法模擬共面波導傳輸線100的電場分佈，如圖6及圖7所示，可見到外延電場在訊號線S1與第一接地線GND1(或第二接地線GND2)之間的平面外彎曲。因此，可以將第一寬度W設計在電場強度下降到最大電場強度的5%處，可確保足夠強的電場均能夠通過待測水溶液的液滴，藉此完整且一致性的檢測待測水溶液中的待測粒子。此外，由電場分佈圖可知，利用具有共面波導傳輸線100的檢測晶片10，使外延之微波電力線與待測水溶液中的待測粒子發生顯著的能量耦合轉移，
從而可直接量測微波吸收頻譜。
在一些實施例中，檢測區IA可為正方形，而第一寬度W可設置與第一長度H相同，並且檢測區IA的位置可例如位於共面波導傳輸線100的中間，但此實施方式僅為舉例，本發明不限於此。需要說明的是，座標軸x對應於第一方向D1，座標軸y對應於第二方向D2(但方向相反)，而座標軸z則與座標軸x、y垂直，如圖6、7所示。
在決定檢測區IA的尺寸後，需進一步設計共面波導傳輸線100的尺寸。在本實施例中，訊號線S1為一微帶線，且在第二方向D2上具有第二寬度W2，係在1.8至2.4mm的範圍內。
以上述第二寬度W2為基準，進一步設計第一間隙GP1與第二間隙GP2的寬度。在對稱結構下，第一間隙GP1與第二間隙GP2具有相同寬度，例如，第三寬度W3。舉例而言，在圖6、7中，採用較窄的第三寬度W3，其約為0.05mm。
詳細而言，共面波導本身是微波應用中眾所周知的波導，且已知有多種軟件可用於設計共面波導。對於給定的頻率帶寬，本發明提供的優化結構並非是唯一的。但是，對於相同的輸入功率，在共面波導上，電場的彎曲幅度及輪廓取決於訊號線S1與第一接地線GND1(或第二接地線GND2)之間的間隙距離。應當理解，有效檢測區域越小，將導致靈敏度越低，因此，需要進一步針對第一間隙GP1與第二間隙GP2的寬度進行優化。
可進一步參考圖8及圖9，分別為本發明實施例的採用寬間隙的共面波導傳輸線的模擬電場強度的俯視分佈圖及截面分佈圖。對於較窄的間隙(約為0.05mm)，與較寬的間隙(約在0.45mm至0.65mm的範圍內)相比，明顯見到電場相對較狹窄，可能導致電場空間覆蓋範圍不足，造成量測的微波訊號強度小於系統本身的雜訊。然而，當採用寬間隙時，可明顯見到其外延電
場的空間覆蓋範圍較大，因此具有足夠的電場外延範圍，可確保電場與待測水溶液的液滴交互作用效率高，使得訊號強度大於雜訊。
在此情形下，可進一步參考圖10，其顯示使用寬間隙及窄間隙的共面波導傳輸線來分別檢測冠狀病毒的微波吸收頻譜。其中，圖10使用冠狀病毒229E作為粒子樣本，並且，使用的最低病毒滴度/濃度及病毒樣品體積為105PFU/mL和40uL，在單一測試中，可以計算出保證的粒子數量為4000。
如圖所示，使用寬間隙的共面波導傳輸線100時，在不同頻率下均有明顯的吸收峰值，然而，若使用窄間隙的共面波導傳輸線100時，則難以觀察到吸收峰值。因此，在本發明的較佳實施例中，第三寬度W3係在0.45mm至0.65mm的範圍內。
另外說明的是，為了進行MRA的頻譜測量，這些病毒被培養，分離，純化，然後被保存在磷酸鹽緩衝生理鹽水(Phosphate Buffer Saline,PBS)緩衝液裡。在每一次的測量中，使用微量吸管取出例如40微升的病毒溶液，然後滴在檢測區IA上，待測水溶液的液滴將會由具有高疏水性的非檢測區NIA限制在檢測區IA中，於此同時，被引導的微波便可入射進含有病毒的待測水溶液的液滴中。在本發明的實施例中，所測量的微波吸收頻譜是由所有參與粒子的平均值得出的。由於不同的粒子表現出不同的頻譜，因此可以使用反捲積方法來分離參與粒子。
可進一步參考圖11，其為根據本發明實施例繪示的用於辨別水溶液中粒子種類的檢測方法的流程圖。此檢測方法適用於上述的檢測裝置，但不限於此。檢測方法包括下列步驟：
步驟S100：將具有待測粒子的待測水溶液提供於檢測晶片上。
步驟S101：以超疏水薄膜遮罩將待測水溶液限制在該檢測區中。
步驟S102：配置處理裝置控制訊號源向訊號線提供具有檢測頻
率的檢測微波訊號。
步驟S103：配置處理裝置以控制訊號源以不同的檢測頻率提供檢測微波訊號，同時接收第一端的第一輸出訊號及第二端的第二輸出訊號。
步驟S104：配置處理裝置量測不同的檢測頻率下的第一輸出訊號及第二輸出訊號以產生待測吸收頻譜。詳細而言，在此步驟中，可將具有待測粒子的待測水溶液作為實驗組，並將不具有待測粒子的水溶液作為控制組，分別量測實驗組及控制組的插入損耗，並比較兩者以得出MRA頻譜以作為待測吸收頻譜。舉例而言，檢測頻率的範圍可從0.1GHz至9GHz。
步驟S105：配置處理裝置將待測吸收頻譜與記憶體儲存的多個歷史吸收頻譜進行比對，以判斷待測粒子的種類。詳細而言，歷史吸收頻譜可由預先利用本發明提供的檢測裝置預先測量已知樣本水溶液的吸收頻譜來產生，且使用者可選擇各種樣本水溶液來建立對應各種粒子的多個歷史吸收頻譜。
待測粒子的微波吸收頻譜可以在其被滴上本發明的檢測晶片後的可忽略時間(<1sec)內得到。由於不同結構的粒子與微波交互作用後的吸收譜線特徵皆不相同，且此晶片對於待測粒子的濃度與分布敏感，因此可以用以判定粒子並定量分析其濃度，可量測的粒子不具專一性，並且可以重複使用。
[實施例的有益效果]
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的，利用具有共面波導的檢測晶片，使外延之微波電力線與待測水溶液中的待測粒子發生顯著的能量耦合轉移，從而可直接量測微波吸收頻譜。
此外，在檢測晶片上的自組裝超疏水性薄膜遮罩則可以有效地將待測水溶液限制於特定範圍內，不會造成控制組與實驗組的量測差異，此
外，由於自組裝超疏水薄膜遮罩的折射率與空氣相近且非導體，因此不會對此檢測晶片的頻寬與阻抗造成影響。
再者，溶液中的粒子微波吸收頻譜可以在其被滴上本發明之晶片後的可忽略時間(<1sec)內得到。由於不同結構的粒子與微波交互作用後的吸收譜線特徵皆不相同，且此晶片對於待測粒子的濃度與分布敏感，因此可以用以判定粒子並定量分析其濃度，可量測的粒子不具專一性，並且可以重複使用。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
100:共面波導傳輸線
D1:第一方向
D2:第二方向
GND1:第一接地線
GND2:第二接地線
H:第一長度
IA:檢測區
NIA:非檢測區
OUT1:第一端
OUT2:第二端
S1:訊號線
W:第一寬度
Claims (16)
- 一種用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置，其包括：一檢測晶片，包括：一基板，具有一檢測區及圍繞該檢測區設置的一非檢測區；一共面波導傳輸線，設置在該基板上且跨越該檢測區及該非檢測區，其包括：一第一接地線，沿著一第一方向延伸設置；一第二接地線，沿著該第一方向延伸設置且與該第一接地線平行；及一訊號線，沿著該第一方向延伸設置，且沿著垂直於該第一方向的一第二方向設置在該第一接地線及該第二接地線之間，且具有一第一端及一第二端，其中，該訊號線、該第一接地線及該第二接地線共平面設置，且該訊號線與該第一接地線之間具有一第一間隙，該訊號線與該第二接地線之間具有一第二間隙；一超疏水薄膜遮罩，設置在該共面波導傳輸線及該基板上以覆蓋該非檢測區，而未覆蓋該檢測區；一訊號源，電性連接於該訊號線的第一端，且用於向該訊號線提供具有一檢測頻率的一檢測微波訊號；一處理裝置，電性連接該第一端、該第二端及該訊號源，經配置以控制該訊號源提供該檢測微波訊號，以及接收該第一端的一第一輸出訊號及該第二端的一第二輸出訊號，其中，響應於具有待測粒子的一待測水溶液被提供於該檢測晶片上時，該超疏水薄膜遮罩用於將該待測水溶液限制在該檢測區中，且該處理裝置經配置以控制該訊號源以不同的該檢測頻率提供該檢測微波訊號，同時量測不同的該檢 測頻率下的該第一輸出訊號及該第二輸出訊號以產生一待測吸收頻譜，其中，響應於該處理裝置產生該待測吸收頻譜，該處理裝置更經配置以將該待測吸收頻譜與一記憶體儲存的多個歷史吸收頻譜進行比對，以判斷該待測粒子的種類，其中，該檢測區為一矩形，其在該第一方向上具有一第一長度，在該第二方向上具有一第一寬度，並且，響應於該訊號源提供該檢測微波訊號至該第一端，該訊號線與該第一接地線之間形成一第一電場，該訊號線與該第二接地線之間形成一第二電場，且該第一寬度相關於該第一電場或該第二電場的最大電場強度。
- 如請求項1所述的檢測裝置，其中，該超疏水薄膜遮罩具有一第一厚度，該第一厚度係在5nm至15nm的範圍內。
- 如請求項1所述的檢測裝置，其中，該超疏水薄膜遮罩為非導電的且具有一第一介電常數，該第一介電常數係在以空氣介電常數為基準的一預定範圍內。
- 如請求項3所述的檢測裝置，其中該第一介電常數係小於1.4。
- 如請求項3所述的檢測裝置，其中，該超疏水薄膜遮罩係為一疏水性自組裝單層膜遮罩。
- 如請求項5所述的檢測裝置，其中，該疏水性自組裝單層膜遮罩係由十八烷基三氯矽烷(octadecyltrichlorosilane,OTS)製成。
- 如請求項1所述的檢測裝置，其中該訊號線為一微帶線，且在該第二方向上具有一第二寬度，係在1.8至2.4mm的範圍內。
- 如請求項1所述的檢測裝置，其中該第一間隙與該第二間隙 相等，且分別具有一第三寬度，該第三寬度係在0.45mm至0.65mm的範圍內。
- 一種用於辨別水溶液中粒子種類的檢測方法，其包括：將具有待測粒子的一待測水溶液提供於一檢測晶片上，其中，該檢測晶片包括：一基板，具有一檢測區及圍繞該檢測區設置的一非檢測區；一共面波導傳輸線，設置在該基板上且跨越該檢測區及該非檢測區，其包括：一第一接地線，沿著一第一方向延伸設置；一第二接地線，沿著該第一方向延伸設置且與該第一接地線平行；及一訊號線，沿著該第一方向延伸設置，且沿著垂直於該第一方向的一第二方向設置在該第一接地線及該第二接地線之間，且具有一第一端及一第二端，其中，該訊號線、該第一接地線及該第二接地線共平面設置，且該訊號線與該第一接地線之間具有一第一間隙，該訊號線與該第二接地線之間具有一第二間隙；一超疏水薄膜遮罩，設置在該共面波導傳輸線及該基板上以覆蓋該非檢測區，而未覆蓋該檢測區；以該超疏水薄膜遮罩將該待測水溶液限制在該檢測區中；配置一處理裝置控制一訊號源向該訊號線提供具有一檢測頻率的一檢測微波訊號；配置該處理裝置以控制該訊號源以不同的該檢測頻率提供該檢測微波訊號，同時接收該第一端的一第一輸出訊號及該第二端的一第二輸出訊號；配置該處理裝置量測不同的該檢測頻率下的該第一輸出訊號 及該第二輸出訊號以產生一待測吸收頻譜；以及配置該處理裝置將該待測吸收頻譜與一記憶體儲存的多個歷史吸收頻譜進行比對，以判斷該待測粒子的種類，其中，該檢測區為一矩形，其在該第一方向上具有一第一長度，在該第二方向上具有一第一寬度，並且，響應於該訊號源提供該檢測微波訊號至該第一端，該訊號線與該第一接地線之間形成一第一電場，該訊號線與該第二接地線之間形成一第二電場，且該第一寬度相關於該第一電場或該第二電場的最大電場強度。
- 如請求項9所述的檢測方法，其中，該超疏水薄膜遮罩具有一第一厚度，該第一厚度係在5nm至15nm的範圍內。
- 如請求項9所述的檢測方法，其中，該超疏水薄膜遮罩為非導電的且具有一第一介電常數，該第一介電常數係在以空氣介電常數為基準的一預定範圍內。
- 如請求項11所述的檢測方法，其中該第一介電常數係小於1.4。
- 如請求項11所述的檢測方法，其中，該超疏水薄膜遮罩係為一疏水性自組裝單層膜遮罩。
- 如請求項13所述的檢測方法，其中，該疏水性自組裝單層膜遮罩係由十八烷基三氯矽烷(octadecyltrichlorosilane,OTS)製成。
- 如請求項9所述的檢測方法，其中該訊號線為一微帶線，且在該第二方向上具有一第二寬度，係在1.8至2.4mm的範圍內。
- 如請求項9所述的檢測方法，其中該第一間隙與該第二間隙相等，且分別具有一第三寬度，該第三寬度係在0.45mm至0.65mm的範圍內。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW111101914A TWI806366B (zh) | 2022-01-18 | 2022-01-18 | 用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置及檢測方法 |
| US17/830,294 US20230228666A1 (en) | 2022-01-18 | 2022-06-01 | Detection device and detection method for distinguishing types of particles in aqueous solution |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW111101914A TWI806366B (zh) | 2022-01-18 | 2022-01-18 | 用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置及檢測方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI806366B true TWI806366B (zh) | 2023-06-21 |
| TW202331256A TW202331256A (zh) | 2023-08-01 |
Family
ID=87161676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW111101914A TWI806366B (zh) | 2022-01-18 | 2022-01-18 | 用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置及檢測方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230228666A1 (zh) |
| TW (1) | TWI806366B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117451798B (zh) * | 2023-12-22 | 2024-04-12 | 云南农业大学 | 基于介电法的红黏土界限含水率评价方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030194709A1 (en) * | 2002-04-10 | 2003-10-16 | Xing Yang | Hydrophobic zone device |
| TW200938627A (en) * | 2008-03-18 | 2009-09-16 | Univ Nat Taiwan | Detect and identify virus by the microwave absorption spectroscopy |
| US9939418B2 (en) * | 2014-02-14 | 2018-04-10 | Fmc Kongsberg Subsea As | System and method for multiphase flow measurements |
| CN108088858A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-05-29 | 河南师范大学 | 一种双频宽带微波传感器 |
| CN109959668A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-07-02 | 康特卫普技术有限公司 | 一种微波传感器、微波信号处理系统及检测方法 |
-
2022
- 2022-01-18 TW TW111101914A patent/TWI806366B/zh active
- 2022-06-01 US US17/830,294 patent/US20230228666A1/en active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030194709A1 (en) * | 2002-04-10 | 2003-10-16 | Xing Yang | Hydrophobic zone device |
| TW200938627A (en) * | 2008-03-18 | 2009-09-16 | Univ Nat Taiwan | Detect and identify virus by the microwave absorption spectroscopy |
| US9939418B2 (en) * | 2014-02-14 | 2018-04-10 | Fmc Kongsberg Subsea As | System and method for multiphase flow measurements |
| CN108088858A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-05-29 | 河南师范大学 | 一种双频宽带微波传感器 |
| CN109959668A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-07-02 | 康特卫普技术有限公司 | 一种微波传感器、微波信号处理系统及检测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202331256A (zh) | 2023-08-01 |
| US20230228666A1 (en) | 2023-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI806366B (zh) | 用於辨別水溶液中粒子種類的檢測裝置及檢測方法 | |
| CN103308778B (zh) | 介电常数测量装置 | |
| CN109596638A (zh) | 有图形晶圆及掩模版的缺陷检测方法及装置 | |
| US20120153159A1 (en) | Method of Measuring Characteristics of Specimen and Flat-Plate Periodic Structure | |
| CN108088858B (zh) | 一种双频宽带微波传感器 | |
| WO2007029757A2 (en) | Terahertz waveguide device and detection method using the same | |
| CN207908584U (zh) | 基于共面波导传输线的微流体介电特性检测装置 | |
| US9523669B2 (en) | Apparatus and method for virus detection | |
| CN107709974A (zh) | 测定用芯片、测定装置及测定方法 | |
| CN103792435B (zh) | 用于测量散射参数的耦合组件、数据测定装置及方法 | |
| Xu et al. | Numerical multimode calibration technique for extraction of complex propagation constants of substrate integrated waveguide | |
| JP2008196943A (ja) | 生物学的特異的反応物質の測定チップ、測定システムおよび測定方法 | |
| CN105929247B (zh) | 一种介电常数四端口测量装置 | |
| CN103091340A (zh) | 一种微带表面回音壁模传感器 | |
| CN108267642B (zh) | 一种微流体电特性微波检测装置 | |
| Dalmay et al. | Development of high frequency microfluidic biosensors for intracellular analysis | |
| Han et al. | A single-cell impedance micro-cytometer featuring 3D electro-fluidic structures monolithically integrated within silver PDMS | |
| Yuan et al. | Dirichlet-to-Neumann map method with boundary cells for photonic crystals devices | |
| CN108226651B (zh) | 测量区域电场增强型介电常数测量装置 | |
| CN207662825U (zh) | 一种宽带高灵敏度微波传感器 | |
| JP2007263955A (ja) | センサ素子用構造体、センサ素子用アレイ、センサ素子用アレイの製造方法及びセンシング装置 | |
| CN216117319U (zh) | 基于太赫兹脉冲射线的硅橡胶老化与损伤检测系统 | |
| CN113484615B (zh) | 材料介电常数宽频带测试结构及其测试方法 | |
| JP5728419B2 (ja) | センサチップ、測定装置、および測定方法 | |
| CN207908525U (zh) | 一种犬腺病毒快速检测试剂盒 |