專利名稱：用于流體的化學(xué)分析的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測(cè)量存在于流體中的化學(xué)成份濃度的系統(tǒng)、裝置和方法，更具體而言涉及用于電化學(xué)測(cè)量分析物濃度的系統(tǒng)、裝置和方法。

背景技術(shù)：
流體中分析物的化學(xué)濃度可通過將分析物的存在轉(zhuǎn)換為可測(cè)量物理參數(shù)來測(cè)量。例如，分析物溶液的濃度可以經(jīng)由諸如光譜法、色譜法、量熱法或者光學(xué)熒光的技術(shù)來確定。
另外的濃度測(cè)量技術(shù)涉及探測(cè)分析物溶液的電學(xué)特性。一些這樣的技術(shù)涉及電量測(cè)定法。其它涉及電流、電壓和/或電勢(shì)滴定。許多這樣的技術(shù)能夠達(dá)成高準(zhǔn)確度、速度(例如吞吐量)以及效率。遺憾的是，實(shí)施這些技術(shù)所需的設(shè)備會(huì)趨于龐大且笨重。結(jié)果，這些設(shè)備的使用典型地限制在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，且尋求經(jīng)由測(cè)量電學(xué)特性來進(jìn)行濃度確定的本領(lǐng)域技術(shù)人員經(jīng)常面臨很少的有吸引力的選擇。
盡管迄今為止所做出了努力，仍然需要用于分析物濃度的電化學(xué)測(cè)量的有效方法和系統(tǒng)，特別是用于在便攜性和現(xiàn)場(chǎng)可用性方面進(jìn)行了額外投入的應(yīng)用。這些和其它需要是由此處公開的方法和系統(tǒng)來滿足的。


發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)此公開內(nèi)容，提供了用于流體的電化學(xué)分析的設(shè)備和方法。
在此公開內(nèi)容的實(shí)例性實(shí)施例中，提供了一種設(shè)備，該設(shè)備包括腔體，具有用于容納一定體積的受測(cè)試流體的深度維度；第一電極，布置在所述腔體內(nèi)且在所述腔體內(nèi)沿著所述深度維度延伸；第二電極，布置在所述腔體內(nèi)且在所述腔體內(nèi)沿著所述深度維度按與所述第一電極橫向分隔方式延伸；以及可溶性固體，布置在所述第一和第二電極之間的所述腔體內(nèi)，從而基本上完全占據(jù)第一和第二電極之間的橫向間隙至所述深度維度至少一部分的程度?？扇苄怨腆w在所述流體中的溶解速率至少部分地依賴于存在于所述流體中溶液內(nèi)的相應(yīng)分析物的化學(xué)濃度。
還提供了一種用于流體的電化學(xué)分析的方法。在此公開內(nèi)容的實(shí)例性實(shí)施例中，該方法包括將可溶性固體暴露到流體；測(cè)量可溶性固體在流體中的溶解速率；以及基于所測(cè)量的溶解速率，確定流體中溶液內(nèi)存在的相應(yīng)分析物的化學(xué)濃度。
所公開的用于流體電化學(xué)分析的設(shè)備和方法的附加有利特征、功能和應(yīng)用在特別當(dāng)結(jié)合附圖來閱讀時(shí)將根據(jù)后續(xù)描述而顯而易見。



參考附圖以輔助本領(lǐng)域技術(shù)人員制作和使用所公開的系統(tǒng)和方法，其中 圖1為依據(jù)此公開內(nèi)容的分析物濃度測(cè)量工具的實(shí)施例的示意圖； 圖2為依據(jù)此公開內(nèi)容的可用于制作圖1測(cè)量工具的CMOS管芯的向下透視圖； 圖3為依據(jù)此公開內(nèi)容的圖2CMOS管芯在經(jīng)由在其上緣形成金屬性接觸圖案的改進(jìn)之后的俯視平面圖； 圖4為沿圖3所示剖面線4--4截取的圖3改進(jìn)CMOS管芯的剖面圖； 圖5為圖3改進(jìn)的CMOS管芯的向下透視圖； 圖6為依據(jù)此公開內(nèi)容的圖3改進(jìn)的CMOS管芯，在經(jīng)由在其金屬性接觸圖案的頂上形成成對(duì)電極陣列的進(jìn)一步改進(jìn)之后的俯視平面圖； 圖7為沿圖6所示剖面線7--7截取的圖6改進(jìn)的CMOS管芯的剖面圖； 圖8為圖6改進(jìn)CMOS管芯的向下透視圖； 圖9為依據(jù)此公開內(nèi)容的圖6改進(jìn)的CMOS管芯在經(jīng)由在其成對(duì)電極陣列的頂上形成電介質(zhì)材料層的進(jìn)一步改進(jìn)之后的俯視平面圖； 圖10為沿圖9的剖面線10--10截取的圖9改進(jìn)的CMOS管芯的剖面圖； 圖11為圖9改進(jìn)CMOS管芯的向下透視圖； 圖12為依據(jù)此公開內(nèi)容的圖9改進(jìn)的CMOS管芯在用聚合物材料填充其圓柱形腔體以及關(guān)聯(lián)的退火以形成圖1分析物濃度測(cè)量工具的實(shí)施例之后的俯視平面圖； 圖13為圖12分析物濃度測(cè)量工具的剖面圖； 圖14為依據(jù)此公開內(nèi)容的圖12分析物濃度測(cè)量工具的流體-聚合物填充的圓柱體的剖面圖； 圖15為依據(jù)此公開內(nèi)容的圖12分析物濃度測(cè)量工具的流體填充的圓柱體的剖面圖； 圖16為對(duì)應(yīng)于圖14的流體-聚合物填充的圓柱體的實(shí)例性電學(xué)電路的示意圖；以及 圖17為對(duì)應(yīng)于圖15的流體填充圓柱體的實(shí)例性電學(xué)電路的示意圖。
圖18為實(shí)例性電學(xué)電路的示意圖。

具體實(shí)施例方式 提供了一種用于流體的電化學(xué)分析的設(shè)備，該設(shè)備可以適合于尺寸上緊湊，制造上經(jīng)濟(jì)且便于部署。用于流體電化學(xué)分析的設(shè)備的實(shí)例性實(shí)施例包括具有用于容納一定體積的受測(cè)試流體的深度維度的腔體，以及布置在該腔體內(nèi)且沿著腔體的深度維度按彼此橫向分隔方式延伸的一對(duì)電極。可溶性固體布置在電極之間的腔體內(nèi)，占據(jù)電極之間的橫向間隙至該腔體的深度維度至少一部分的程度。流體內(nèi)可溶性固體的溶解速率至少部分地依賴于存在于該流體中溶液內(nèi)的相應(yīng)分析物的化學(xué)濃度。直到可溶性固體溶解在流體內(nèi)的程度，流體填充由溶解的固體產(chǎn)生的孔洞。因?yàn)榭扇苄怨腆w與該流體相比是不良導(dǎo)體，可溶性固體的溶解引起電極之間電導(dǎo)的增大。電導(dǎo)變化速率進(jìn)一步依賴于溶解的固體屬性以及流體中溶液內(nèi)的實(shí)際分析物濃度。
適合于針對(duì)根據(jù)此公開內(nèi)容的可溶性固體而使用的材料包括這樣可購得的材料，該材料呈現(xiàn)依賴于感興趣化學(xué)成份或活性物質(zhì)的溶液內(nèi)濃度的相應(yīng)溶解度，感興趣化學(xué)成份或活性物質(zhì)為例如H+濃度(即pH)、蛋白質(zhì)、氨基酸、葡萄糖、酶和其它感興趣分析物。針對(duì)根據(jù)此公開內(nèi)容的可溶性固體而使用的實(shí)例性材料包括呈現(xiàn)依賴于pH的溶解速率的聚合物，諸如由Degussa GmbH制造的EUDRAGIT丙烯酸聚合物，以及呈現(xiàn)溶解速率依賴于結(jié)腸酶存在的聚合物，諸如由Alizyme plc(英國劍橋)使用的偶氮聚合物。
依據(jù)此公開內(nèi)容的用于流體電化學(xué)分析的設(shè)備和方法可用于測(cè)量受測(cè)試流體中存在的許多種化學(xué)成份的濃度。在此公開內(nèi)容的實(shí)施例中，此設(shè)備和方法依靠具有依賴于在流體中混合的化合物濃度的特定溶解度的聚合物，且包括基于復(fù)電導(dǎo)(complex conductance)測(cè)量而允許精確測(cè)量溶解度的電子裝置。依據(jù)此公開內(nèi)容的實(shí)施例，電子裝置的壽命是有限的，且由裝置的工藝參數(shù)控制。
依據(jù)此公開內(nèi)容的一些實(shí)施例，提供了一種小、簡(jiǎn)單、高能效的‘芯片上實(shí)驗(yàn)室’溶液，該溶液具有與許多通常限于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用的更大、更笨重的系統(tǒng)至少可比較(如果不更優(yōu))范圍內(nèi)的響應(yīng)時(shí)間。此設(shè)備可以通過使用與受限制微圓柱體陣列組合的集成電路(IC)電子裝置來實(shí)施，該受限制微圓柱體陣列是經(jīng)由MEMS工藝制作在與IC電子裝置相關(guān)聯(lián)的管芯表面處，且用相對(duì)于受測(cè)試流體中溶液內(nèi)活性物質(zhì)的化學(xué)濃度具有已知刻蝕速率的聚合物來填充。
出于說明目的，這里參考用于測(cè)量受測(cè)試流體中溶液內(nèi)分析物濃度的工具來更詳細(xì)描述所公開的設(shè)備和方法。然而，所公開的系統(tǒng)和方法具有寬范圍的應(yīng)用性，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所容易顯見的，包括涉及各種分析物的實(shí)施方式。因此，在此公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)例性實(shí)施例中，該設(shè)備包括形式為直到pH高于閾值時(shí)才溶解的聚合物的可溶性固體，結(jié)果為，除非受測(cè)試流體具有高于此閾值的pH，否則電極之間的電導(dǎo)不增大。如果受測(cè)試流體的pH高于可適用的閾值，電極之間的電導(dǎo)將有利地與受測(cè)試流體的實(shí)際pH值與可溶解聚合物的下閾值pH之間的差值成比例地增大。
此外，在此公開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)例性實(shí)施例中，該設(shè)備包括形式為當(dāng)受測(cè)試流體的pH低于閾值時(shí)才溶解的聚合物的可溶性固體，結(jié)果為，除非受測(cè)試流體具有低于此閾值的pH，否則電極之間的電導(dǎo)不增大。如果受測(cè)試流體的pH低于可適用的閾值，電極之間的電導(dǎo)將有利地與受測(cè)試流體的實(shí)際pH值與可溶解聚合物的上閾值pH之間的差值成比例地增大。因此，通過監(jiān)測(cè)可溶性固體布置于其間的電極之間的電導(dǎo)變化速率，可以導(dǎo)出pH極限值和實(shí)際pH值之一或二者。
當(dāng)使用用于基于濃度相關(guān)溶解度的這一原理來電化學(xué)分析流體的設(shè)備時(shí)，每對(duì)電極之間的電導(dǎo)可以作為時(shí)間的函數(shù)而被測(cè)量，且電導(dǎo)變化速率可用于導(dǎo)出受測(cè)試流體中溶液內(nèi)存在的分析物的濃度值。這種用于電化學(xué)分析流體的設(shè)備的唯一一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，該設(shè)備可以工作而無需進(jìn)行絕對(duì)校準(zhǔn)。制造工藝以及例如受測(cè)試流體整體電導(dǎo)率的環(huán)境條件的變化會(huì)導(dǎo)致電極之間絕對(duì)電導(dǎo)的變化。然而這些變化不妨礙受測(cè)試流體中溶液內(nèi)存在的分析物濃度值的導(dǎo)出，因?yàn)闈舛戎凳怯呻妼?dǎo)的變化速率確定，而不是由電導(dǎo)的絕對(duì)值確定。當(dāng)然，這種設(shè)備可以結(jié)合參考電極來使用以應(yīng)對(duì)電導(dǎo)率(rate of conductance)的環(huán)境變化。
依據(jù)此公開內(nèi)容實(shí)施例的用于測(cè)量受測(cè)試流體中溶液內(nèi)分析物濃度的設(shè)備100示于圖1。設(shè)備100可包括硅基集成電路(IC)102。IC102可含有輸入/輸出(IO)數(shù)據(jù)區(qū)塊104、數(shù)據(jù)處理器和控制單元(DPCU)106、振幅和頻率控制單元(AFCU)108、復(fù)導(dǎo)納測(cè)量單元(CAMU)110、以及電極選擇器(ES)112。設(shè)備100可進(jìn)一步包括電極陣列(EA)114。
IO 104可以是電路的相對(duì)于外部裝置的接口。EA 114為存在于IC 102的上緣或表面的電極矩陣。EA 114的每一個(gè)電極可以通過ES112區(qū)塊連接到CAMU 110的相應(yīng)測(cè)量端口。EA 114的所有其它電極可接地。ES 112可以是模擬開關(guān)陣列，此模擬開關(guān)陣列允許從EA 114選出單個(gè)電極。CAMU 110可以測(cè)量連接在來自EA 114的所選擇電極處的電路的復(fù)導(dǎo)納。測(cè)試信號(hào)的頻率和振幅可以由AFCU 108控制和/或施加。DPCU 106可接收由CAMU 110提供的模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。DPCU 106可進(jìn)一步存儲(chǔ)和/或處理此數(shù)字值，就來自AFCU 108的操作的頻率和振幅方面做出決定以及相應(yīng)地操作ES112。DPCU 106可進(jìn)一步被采用以將關(guān)于存在于受測(cè)試流體中溶液內(nèi)的一種或多種分析物濃度的測(cè)量結(jié)果傳遞到IO 104。
依據(jù)此公開內(nèi)容的實(shí)施例，圖2中示出的CMOS管芯200可以實(shí)施圖1的IC 102。例如，CMOS管芯200可包括上緣202，該上緣202的特征為沿外周布置的接觸204的陣列，該陣列與電路的輸入/輸出接口相關(guān)聯(lián)(例如，與圖1的IO 104相關(guān)聯(lián))。
MEMS工藝可被利用以改進(jìn)和/或轉(zhuǎn)換圖2的CMOS管芯200，以形成依據(jù)此公開內(nèi)容的圖1設(shè)備100的實(shí)施例。這樣工藝的示例在下面參考圖3至13予以示出和描述。
現(xiàn)在參考圖3、4和5，根據(jù)本發(fā)明，改進(jìn)的CMOS管芯300可這樣來形成，即通過傳統(tǒng)金屬沉積工藝和關(guān)聯(lián)的恰當(dāng)圖案化來改進(jìn)圖2的CMOS管芯102以在管芯300的上緣304上形成接觸圖案302，該接觸圖案可操作地允許IC(例如圖1的IC 102)和電極陣列(例如圖1的EA 114)之間的電氣互連。
現(xiàn)在參考圖6、7和8，改進(jìn)的CMOS管芯600可通過進(jìn)一步改進(jìn)圖3的改進(jìn)的CMOS管芯300來形成，通過恰當(dāng)?shù)匿X硅沉積和刻蝕工藝(例如，使用高選擇性的RIE)來改進(jìn)圖3的改進(jìn)CMOS管芯300以形成掩模602。掩模602可包括用于容納小體積的受測(cè)試液體的腔體604陣列，每個(gè)腔體可包括連接到地的圓柱體形狀的微桶606以及柱狀的中心電極608。中心電極608可布置在微桶606內(nèi)，且可進(jìn)一步與微桶606同軸和/或共延伸(例如，沿深度方向)。
現(xiàn)在參考圖9、10和11，改進(jìn)的CMOS管芯900可通過進(jìn)一步改進(jìn)圖6的改進(jìn)CMOS管芯600來形成，通過恰當(dāng)?shù)牟牧蠈映练e和刻蝕工藝來改進(jìn)圖6的改進(jìn)CMOS管芯600，例如以在圖6掩模602頂上形成電介質(zhì)材料層902。例如，電介質(zhì)材料層902可以是SiO2-Si3N4層。圖6的腔體604的一個(gè)或多個(gè)可在此步驟期間被掩蔽從而防止電介質(zhì)材料層902延伸到其中。例如，四個(gè)這樣的腔體(例如，沒有電介質(zhì)材料層902的腔體)可被置于管芯900的各個(gè)角904、906、908、910上，和/或可被用于測(cè)量空氣導(dǎo)納(例如，作為測(cè)量控制功能的一部分)。
現(xiàn)在參考圖12和13，分析物濃度測(cè)量工具1200予以示出。例如，工具1200可被實(shí)施成包含圖1的分析物濃度測(cè)量工具100。工具1200可通過進(jìn)一步改進(jìn)圖9的改進(jìn)CMOS管芯900來形成，即，通過用相似和/或不同聚合物填充一個(gè)或多個(gè)圖6的腔體604以及執(zhí)行恰當(dāng)?shù)耐嘶鸸に囘M(jìn)一步改進(jìn)圖9的改進(jìn)CMOS管芯900，以形成流體-聚合物填充的圓柱體或腔體1202(在下文中進(jìn)一步描述)，其中每種此聚合物的溶解速率可以是特定于受測(cè)試流體中溶液內(nèi)的一種或多種相同或不同化學(xué)化合物。出于測(cè)量空氣導(dǎo)納而作為部分測(cè)量控制功能的目的，圖9的布置在角的腔體904、906、908、910可不用聚合物填充。類似地，整行1204的腔體1206，此處也稱為流體填充的圓柱體或腔體1206可以出于測(cè)量受測(cè)試流體導(dǎo)納的目的而不用聚合物填充，如下文更全面描述的。
工具1200包括IC 1208，其可包含例如圖1的IC 102，以及MEMS區(qū)域1210，其可包含圖1的EA 114。MEMS區(qū)域1210可以配置成暴露于受測(cè)試流體，而IC 1208可配置為使得其布置在內(nèi)部的電學(xué)電路系統(tǒng)和/或功能免受來自受測(cè)試流體的損傷。
現(xiàn)在參考圖14，當(dāng)暴露于來自受測(cè)試流體的流體1400時(shí)，腔體1202內(nèi)的可溶性固體1402(例如，聚合物)被存在于受測(cè)試流體中溶液內(nèi)的分析物溶解。圖14給出在包含在流體-聚合物填充的圓柱體(FPC)1202中的可溶性固體1402被刻蝕到等于hfluid的刻蝕值之后，穿過FPC1202的垂直面剖面。圖15給出穿過流體填充的圓柱體(FC)1206的垂直面剖面。當(dāng)暴露于受測(cè)試流體時(shí)，不含有可溶性固體(例如，不含有聚合物)的流體填充的圓柱體1206被流體1500填充。圖12的工具1200在特定時(shí)間間隔測(cè)量MEMS區(qū)域1210的所有FPC 1202和FC 1206的復(fù)導(dǎo)納，并評(píng)估FPC 1202內(nèi)聚合物和FC 1206內(nèi)流體的電學(xué)屬性以及來自每一FPC 1202的每種聚合物的刻蝕速率?；谠摽涛g速率，可以確定受測(cè)試流體中活性化學(xué)物質(zhì)的濃度。進(jìn)行這些確定的能力可以持續(xù)，只要FPC 1202中的聚合物不被完全溶解在受測(cè)試流體中即可。
用于FPC 1202和FC 1206的實(shí)例性電學(xué)等效電路1600、1700分別在圖16和17中給出。
下述算法是由依據(jù)此公開內(nèi)容的處理器(例如，由圖1的DPCU106)可執(zhí)行的，以允許在時(shí)間tj處確定存在于受測(cè)試流體中溶液內(nèi)的物質(zhì)濃度，假設(shè)FPC 1202使用不同聚合物來填充，這些聚合物針對(duì)這些物質(zhì)的每一化學(xué)濃度具有特定的刻蝕速率。
Vprobe為電壓源


V0振幅；ω角頻率；

相位；t時(shí)間。(由電壓源電壓源Vprobe看到的)來自圖8的電路的復(fù)阻抗為 其中 且電阻器不具有頻率依賴性(電壓源頻率小于流體或聚合物內(nèi)的最小離子旋轉(zhuǎn)頻率)。
電容和電阻使用同軸模型來計(jì)算。作為提醒

在用電阻率為ρ材料填充的長度為l同軸電纜的半徑為Ri內(nèi)電極和半徑為Ro輸出電極之間測(cè)量的電阻為

在用相對(duì)介電常數(shù)為εdielectric材料填充的長度為l同軸電纜的半徑為Ri內(nèi)電極和半徑為Ro輸出電極之間測(cè)量的電容為 有趣的是，關(guān)聯(lián)到此同軸電纜的時(shí)間常數(shù)不依賴于該電纜的任何幾何參數(shù) τ＝R(l)C(l)＝εdieleciricε0ρ(5) 我們將使用下述表示法 helectrodes＝hconductor ε′dielectric＝2πεdielectricε0，ε′fluid＝2πεfluidε0，ε′polymer＝2πεpolymerε0 τpolymer＝ε0ρpolymerεpolymer＝ε′polymerρ′polymer，τfluid＝ε0ρfluidεfluid＝ε′fluidρ′fluid 由方程(2)所例示的用于電容的表達(dá)式為 所有電容為hfluid的線性函數(shù)。
由方程(2)所例示的用于電阻的表達(dá)式為 所有電導(dǎo)為hfluid的線性函數(shù)。
步驟1在空氣中的裝置 FPC僅用聚合物填充 FC用空氣填充 測(cè)試圓柱體用空氣填充。
測(cè)量測(cè)試圓柱體在空氣(εair＝1)中的導(dǎo)納

允許實(shí)驗(yàn)上確定FPC和FC內(nèi)電介質(zhì)的厚度
用空氣填充的FC的導(dǎo)納為(ρa(bǔ)ir≈∞，εair＝1)

在空氣中進(jìn)行的測(cè)量允許確定兩個(gè)關(guān)鍵值ε′dielectric和tdielectric讓我們測(cè)量在空氣中的FPC(hfluid＝0) 用hfluid＝0在方程(7)中給出的表達(dá)式來替代XCpe_i和XCpe_o的值



步驟2測(cè)量裝置沉浸在流體內(nèi)之后任何時(shí)間的流體和聚合物導(dǎo)納。
假設(shè)流體刻蝕聚合物，且轉(zhuǎn)到FPC的坐標(biāo)hfluid。
FC復(fù)導(dǎo)納得到
FPC復(fù)導(dǎo)納得到 以及 于是 采用這種復(fù)阻抗測(cè)量方法，F(xiàn)PC hfluid內(nèi)聚合物的刻蝕是基于FPC(在空氣中的FPC)的阻抗的初始值以及相鄰FPC測(cè)量來計(jì)算。這并不解決聚合物電學(xué)參數(shù)隨時(shí)間的變化問題。
讓我們考慮頻率掃描(frequency swipe)方法對(duì)于相同的hfluid，AMA測(cè)量的頻率在大于復(fù)導(dǎo)納的極點(diǎn)和零點(diǎn)的極限內(nèi)變化。
對(duì)于FC FC的阻抗的測(cè)量絕對(duì)值具有極點(diǎn)和零點(diǎn)，其置于 其中 從FC的復(fù)阻抗絕對(duì)值的伯德圖，可以提取τfluid+τdf和τfluid，這等效于求解ρfluid和εfluid。
我們將使用相同的流程用以提取FPC內(nèi)聚合物的參數(shù)

的極點(diǎn)和零點(diǎn)可以從

的伯德圖評(píng)估得到，因此可以提取在流體測(cè)量期間內(nèi)任何時(shí)間的ρpolymer和εpolymer。
確定化學(xué)活性物質(zhì)濃度 讓我們以下述特性考慮上述導(dǎo)納測(cè)量陣列(AMA)

限制Ncylinders×Ncylinders個(gè)圓柱體的方形(不是必須的)陣列。


AMA的4個(gè)圓柱體不覆蓋有Si3N4/SiO2電介質(zhì)且用于(在空氣中)測(cè)量覆蓋Al電極的電介質(zhì)的細(xì)節(jié)(εdielectric，tdielectric)。


Ncylinder＝NFC，cylinder個(gè)圓柱體(不同于上文的4個(gè))不用任何聚合物填充。


Npolymer＝Ncylinders×Ncylinders-NFC，cylinder-4個(gè)圓柱體用Npolymer種不同類型的聚合物填充。


每種聚合物對(duì)受測(cè)試流體中的特定化學(xué)物質(zhì)是化學(xué)敏感的。例如，假設(shè)受測(cè)試流體限制濃度為Cspecie的Nspecie種活性物質(zhì)。圓柱體

中的聚合物與流體中的活性物質(zhì)反應(yīng)。反應(yīng)的結(jié)果為，聚合物將變得在該溶液內(nèi)可溶。溶解速率通過以下述同構(gòu)的函數(shù)與聚合物刻蝕速率相關(guān)聯(lián) 其中 rks為與物質(zhì)s反應(yīng)的聚合物k的刻蝕速率， θ(Cs-Cks，threshold)為活性物質(zhì)濃度Cs和濃度閾值Cks，threshold之間差值的亥維賽函數(shù)(heaviside function)，聚合物k在高于該濃度閾值時(shí)與物質(zhì)s反應(yīng)， mks(Cs-Cks，threshold)為描述由濃度為Cs物質(zhì)s對(duì)聚合物k的刻蝕速率的單調(diào)遞增函數(shù)。


在與流體中所有物質(zhì)Nspecie反應(yīng)時(shí)聚合物k的總刻蝕速率為單位物質(zhì)該聚合物刻蝕速率之和 其中Mki(Ci-Cki，threshold)＝mks(Cs-Cks，threshold)θ(Cs-Cks，threshold). AMA結(jié)構(gòu)是在空氣中測(cè)量，且所有Npolymer的細(xì)節(jié)存儲(chǔ)為 AMA結(jié)構(gòu)沉浸在受測(cè)試溶液內(nèi)。我們將假設(shè)在任何時(shí)間在AMA表面處任何活性物質(zhì)不存在濃度梯度，因此所有圓柱體在相同時(shí)間“看到”任意物質(zhì)的相同值的濃度值。
導(dǎo)納測(cè)量電路以采樣速率S對(duì)每個(gè)圓柱體(流體聚合物填充的圓柱體(FPF)和流體填充的圓柱體(FC))測(cè)量所有的復(fù)導(dǎo)納并計(jì)算

對(duì)于每個(gè)


在時(shí)間tj，

的平均值

基于上面得到的值，并假設(shè)相鄰FC和PFC中的流體參數(shù)是相同的(在AMA表面處沒有濃度梯度)，對(duì)于每個(gè)FPC計(jì)算
我們可以將在時(shí)間tj的刻蝕速率近似為 因此對(duì)于任何時(shí)間tj，我們得到 我們可以用矩陣形式來表達(dá)上面的關(guān)系

在時(shí)間tj測(cè)量的刻蝕速率矩陣

在時(shí)間tj的濃度矩陣，待確定

與物質(zhì)i反應(yīng)的聚合物k的濃度閾值，已知(25)

與物質(zhì)i反應(yīng)的聚合物k的刻蝕速率函數(shù)矩陣，已知 歸一化濃度矩陣 來自(24)的方程組可以寫成 對(duì)于當(dāng)矩陣

具有逆矩陣即Npolymer＝Nspecies＝Ne時(shí)的情形，該方程寫成 以及在一些線性變換之后變?yōu)? 這代表具有Ne個(gè)未知數(shù)

的Ne個(gè)方程的方程組，只要矩陣

是可逆的，該方程組應(yīng)具有唯一解。
盡管參考具體實(shí)施例說明和描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不意圖限于所示細(xì)節(jié)。相反，可以在權(quán)利要求的等同特征的范疇和范圍內(nèi)且不背離本發(fā)明的情況下進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.用于流體的電化學(xué)分析的設(shè)備，包括
-腔體，具有用于容納一定體積的受測(cè)試流體的深度維度；
-第一電極，布置在所述腔體內(nèi)且在所述腔體內(nèi)沿著所述深度維度延伸；
-第二電極，布置在所述腔體內(nèi)且在所述腔體內(nèi)沿著所述深度維度按與所述第一電極橫向分隔方式延伸；以及
-可溶性固體，布置在所述第一和第二電極之間的所述腔體內(nèi)，從而基本上完全占據(jù)第一和第二電極之間的橫向間隙至所述深度維度至少一部分的程度；
其中所述可溶性固體在所述流體中的溶解速率至少部分地依賴于存在于所述流體中溶液內(nèi)的相應(yīng)分析物的化學(xué)濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述可溶性固體為經(jīng)退火的聚合物。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述可溶性固體基本上完全占據(jù)所述第一和第二電極之間的所述橫向間隙至所述腔體內(nèi)所述第一和第二電極之間基本上全部深度方向交迭的程度。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述可溶性固體從所述腔體的最高程度向下貫穿所述基本上全部所述深度方向交迭的程度，以基本上完全填充所述腔體。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述第一和第二電極的每一個(gè)電極至少部分地限定所述腔體的內(nèi)壁，所述內(nèi)壁在所述腔體內(nèi)向下延伸至所述腔體內(nèi)所述第一和第二電極之間深度方向交迭的程度。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述第一電極連接到地且限定基本上直的圓柱體形狀的壁，所述壁在所述腔體內(nèi)向下延伸到所述深度方向交迭的所述程度，所述第二電極連接到電源且限定基本上直的柱狀的側(cè)壁，所述側(cè)壁與所述圓柱形側(cè)壁基本上同軸地延伸，且在所述腔體內(nèi)向下延伸至所述深度方向交迭的所述程度。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括測(cè)量工具，所測(cè)量工具包括限定上緣的硅基集成電路裝置；以及所述腔體、所述第一和第二電極的分組實(shí)例的陣列，且所述可溶性固體沿著所述上緣布置以允許所述實(shí)例的所述可溶性固體的每一個(gè)直接暴露于所述受測(cè)試流體；所述集成電路裝置進(jìn)一步包括電極選擇單元，所述電極選擇單元用于允許所述集成電路裝置可選擇地單獨(dú)地施加預(yù)定測(cè)試信號(hào)到每個(gè)成對(duì)的所述第一和第二電極實(shí)例，以及響應(yīng)于所述預(yù)定測(cè)試信號(hào)而接收用于確定存在于所述流體中溶液內(nèi)的所述相應(yīng)分析物的所述化學(xué)濃度的模擬信號(hào)，所述模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)于所述腔體的相應(yīng)實(shí)例中的主要電學(xué)情況。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述主要電學(xué)情況是選自包括電導(dǎo)、復(fù)導(dǎo)納和復(fù)阻抗的群組。
9.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述集成電路裝置進(jìn)一步包括測(cè)量單元，所述測(cè)量單元用于基于所述模擬信號(hào)響應(yīng)來確定所述主要電學(xué)情況的相應(yīng)值。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述集成電路裝置進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)處理器單元，所述數(shù)據(jù)處理器單元用于控制所述電極選擇單元，接收來自所述測(cè)量單元的與所述主要電學(xué)情況的所述確定值對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，以及基于所述主要電學(xué)情況的所述確定值，確定存在于所述流體中溶液內(nèi)的所述相應(yīng)分析物的化學(xué)濃度。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備適合于確定存在于所述流體中溶液內(nèi)的所述相應(yīng)分析物的所述化學(xué)濃度，而不進(jìn)行絕對(duì)校準(zhǔn)。
12.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述集成電路裝置進(jìn)一步包括輸入/輸出數(shù)據(jù)模塊，所述輸入/輸出數(shù)據(jù)模塊用于將所述集成電路裝置與至少一個(gè)外部裝置接口，所述接口包括接收來自所述數(shù)據(jù)處理器單元的與所述化學(xué)濃度的值對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)以及將所述數(shù)字信號(hào)傳遞到所述至少一個(gè)外部裝置。
13.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述集成電路進(jìn)一步包括控制單元，所述控制單元用于針對(duì)頻率和振幅至少其一來控制所述測(cè)試信號(hào)。
14.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中針對(duì)所述分組實(shí)例的陣列，所述可溶性固體的所述實(shí)例呈現(xiàn)所述可溶性固體的多種變化，每一個(gè)所述變化與所述流體內(nèi)的溶解速率關(guān)聯(lián)，所述關(guān)聯(lián)至少部分地依賴于存在于所述流體中溶液內(nèi)的所述相應(yīng)分析物的各個(gè)不同的化學(xué)濃度。
15.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中針對(duì)所述分組實(shí)例的陣列，所述可溶性固體的所述實(shí)例呈現(xiàn)所述可溶性固體的多種變化，每一個(gè)所述變化與所述流體內(nèi)的溶解速率關(guān)聯(lián)，所述關(guān)聯(lián)至少部分地依賴于存在于所述流體中溶液內(nèi)的各種不同的相應(yīng)分析物的化學(xué)濃度。
16.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中在所述可溶性固體開始溶解到所述流體內(nèi)時(shí)，所述設(shè)備對(duì)于測(cè)量存在于所述流體中溶液內(nèi)的所述分析物的濃度的目的而言仍是可工作的，至少直到所述可溶性固體不再基本上完全占據(jù)所述第一和第二電極之間的所述橫向間隙。
17.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述集成電路裝置包括CMOS管芯，所述分組實(shí)例的陣列經(jīng)由關(guān)聯(lián)的恰當(dāng)MEMS工藝沿著所述上緣形成。
18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中所述MEMS工藝包括經(jīng)由至少一種實(shí)例的金屬性沉積和隨后關(guān)聯(lián)的恰當(dāng)刻蝕，沿著所述上緣形成金屬性接觸圖案，以及形成每個(gè)所述分組實(shí)例的所述成對(duì)的第一和第二電極，其中所述金屬性接觸圖案用于提供所述集成電路裝置和所述分組實(shí)例的陣列之間的連接性。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其中形成所述分組實(shí)例的每個(gè)實(shí)例的所述成對(duì)的第一和第二電極進(jìn)一步包括至少一種實(shí)例的沉積選自由SiO2和Si3N4組成的群組的材料層，隨后進(jìn)行關(guān)聯(lián)的恰當(dāng)刻蝕，其中所述分組實(shí)例的腔體的至少一個(gè)實(shí)例被合適地掩蔽以防止所述材料層的所述沉積，且進(jìn)一步保持基本上沒有任何所述可溶性固體，從而允許所述至少一種實(shí)例的腔體的所述腔體在關(guān)聯(lián)的分析物濃度測(cè)量期間被用于控制目的。
20.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述分組實(shí)例的腔體的至少一個(gè)實(shí)例保持基本上沒有任何所述可溶性固體，從而允許所述至少一種實(shí)例的腔體的每個(gè)腔體基本上用所述受測(cè)試流體完全地填充，由此用作參考腔體用于在關(guān)聯(lián)的分析物濃度測(cè)量期間監(jiān)測(cè)所述受測(cè)試流體中電學(xué)特性的變化。
21.用于流體的電化學(xué)分析的方法，包括
-將可溶性固體暴露到流體；
-測(cè)量所述可溶性固體在所述流體中的溶解速率；以及
-基于所測(cè)量的溶解速率，確定所述流體中溶液內(nèi)的相應(yīng)分析物的化學(xué)濃度。
22.計(jì)算機(jī)可讀取介質(zhì)，包括程序，所述程序當(dāng)由處理器執(zhí)行時(shí)執(zhí)行用于電化學(xué)分析流體的方法，該方法包括
-測(cè)量暴露于流體的可溶性固體的溶解速率；以及
-基于所述測(cè)量的溶解速率，確定所述流體中溶液內(nèi)的相應(yīng)分析物的化學(xué)濃度。
全文摘要
用于電化學(xué)流體分析的設(shè)備和方法包括腔體(1202)，具有用于容納一定體積的受測(cè)試流體的深度維度；第一和第二電極(A1)，布置在腔體內(nèi)且沿著深度維度按彼此分隔方式延伸；以及可溶性固體，諸如經(jīng)退火的聚合物例如EUDRAGIT，占據(jù)第一和第二電極之間的橫向間隙。由電化學(xué)阻抗譜(EIS)監(jiān)測(cè)的可溶性固體在流體內(nèi)的溶解速率依賴于存在于流體中溶液內(nèi)的相應(yīng)分析物的化學(xué)濃度。在一個(gè)實(shí)施例中，限定上緣的硅基集成電路裝置包括沿著所述上緣布置的電極陣列，以允許將電極陣列直接暴露于受測(cè)試流體。該裝置使用CMOS技術(shù)來構(gòu)建。
文檔編號(hào)G01N27/416GK101796402SQ200880106161
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月6日
發(fā)明者L·R·阿爾布, H·周, J·施米朱 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司