本发明专利技术一般地涉及化学和生物传感器领域，以及特别涉及用于测量流体粘度和检测流体中的微量化学物和生物制剂的微机电系统（MEMS）传感器。本发明专利技术的目标是提供将利用远程感测在可置换套筒中工作的传感器，所述远程感测可以测量功能化悬臂在液体环境和气体环境中的动态改变。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般地涉及化学和生物传感器领域，以及特别地涉及用于测量流体粘度和检测流体中的微量化学物和生物制剂的微机电系统（MEMS）传感器。
技术介绍
检测液体中的少量化学物和物质在化学和生物方面具有许多应用。在医药方面，例如，人们可以通过检测化学物（钠、氮化物、钙、钾、心脏标记物等）和它们在体液（诸如血液、尿液、唾液等）中的浓度来诊断许多疾病。在体液中以及在环境中检测病原体（肺结核病毒、肝炎病毒、HIV病毒等）也是活跃的研究和开发领域。类似地，测量流体粘度也在工业应用和医药方面产生很大兴趣。收集关于粘度的数据的能力给予制造商关于如何设计流体系统的重要信息。特别在微流体系统中粘度确定了流体的可泵性和跨越通道的压降。例如，墨水粘度对喷墨打印系统是非常关键的。在汽车工业中，对于润滑剂制造商来说有必要了解他们的被研发用于汽车发动机和液压系统的不同零件的润滑油的粘度。在医药方面，血液粘度和凝固时间测量结果被用于若干疾病（诸如心血管失调、类风湿性关节炎和某些自身免疫疾病）的诊断。使用血液稀释剂（bloodthinner）的患者需要连续地监控他们的血液粘度和凝固时间。对于上述感测领域的传感器要求可以通过振动机械结构来解决。特别是微悬臂基于诸如由于小型化引起的较低检测极限、悬臂形状优化的能力、选择性地在这些悬臂（同样可互换地称为“微悬臂”）上放置功能化区域的能力以及在可以与光学器件和电子器件相集成的大型阵列上工作的可能性之类的优点而发现各种应用。当这些悬臂被放置在液体中时，振动的动态特性（相位和幅值）受到液体粘度和悬臂上的质量累积的影响。通过测量振动相位和/或幅值，人们可以检测液体粘度和可能存在于液体中的微量的化学物和物质。此外，悬臂可以被设置成使用反馈电路来振荡。在这种情况下，频率测量结果可以被用来监控悬臂振动的动态改变。为了解决对于粘度和质量的测量需要，已经提出了各种方法。这些当前已知类型的传感器的缺点中的一些是：它们需要电连接（也称为电导体）来把传感器耦合到检测器、受限的光学检测选项、气相检测的限制、使用脆弱的读出部件的传感器（例如多普勒振动计（vibrometry））、由于对偏转的监控而可能被折射率变化所影响的读出结果、对环境噪声没有免疫力的传感器以及在感测期间没有加热悬臂/样本的能力。进一步地，所认为的是，对并行感测的当前替代方式限于仅实验室使用。因此期望具有一种有现场能力的（fieldable）、免标记的示范物，其由于缺乏各种部件而将消失，所述各种部件包括可以在阵列设置中利用的合适的读出机构、将在保存期限期间保护功能化表面的封装（其通常需要处理液体），以及将允许弃置某些部件的集成途径，然而其他部分为下次使用而保留（例如，包含MEMS传感器阵列的可置换套筒）。本专利技术的一个目标是使MEMS传感器阵列能够具有小型化、高选择性、高灵敏度、并行、免标记和/或便携式的传感器阵列。这样的传感器阵列将提供有价值的工具以用于定点照护（point-of-care）诊断和具有其单分析物或多分析物筛查和数据处理的能力的化学感测。此外这样的传感器可以测量体液的动态属性（诸如液体的粘度、流体阻尼和化学改变）。这些传感器阵列的进一步目标是提高灵敏度和特异性来尽可能地提高早期诊断的可能性以及治疗辅助（诸如剂量建议）的适宜性。所设想的是，这可以导致医患交互和个性化指导的增强的有效性。所认为的是，现今并不存在满足并行、免标记和高选择性感测的要求的这样的系统，这是由于微系统技术和读出方法因为各种原因而不能满足预期，这些原因包括：与功能表面相关联的鲁棒性问题和缺乏真正集成的、阵列兼容的读出技术。替代地，所认为的是，微阵列技术可以提供并行和选择性检测，但是没有现场能力，因为它们需要专门技术来运行和维护并且由于复杂的标记和感测方法而需要昂贵的基础设施。当许多有现场能力的应用（诸如妊娠试剂盒或葡萄糖传感器）存在时，这些应用受限于一种物种并且缺乏并行检测能力。传感器阵列平台是高度创新和通用的并且受到新颖用途的启发。例如，对于定点照护诊断应用，所设想的是，基于微系统的传感器或并行传感器阵列（2至64通道以及更多）可以用于各种物种，以便将悬臂阵列的共振频率中的偏移作为质量累积的指示进行监控。在这个示例中，将通过新颖的集成光电子芯片来执行频率偏移的检测。目标是具有好于25%的可再现性的在0.1到1000ng/ml范围内的灵敏度。除共振频率之外，人们可以测量驱动信号和微悬臂运动之间的相位差。悬臂可以用各种化学物来功能化并且可以被放置在不同通道中。相同的流体可以被应用到通道，在那里通过监控激励信号和阵列中的悬臂的机械振动波形之间的相位差来测量化学物对流体粘度的影响。使用悬臂可能达到0.001cps的典型灵敏度。此外，本专利技术可能的用途包括对来自体液（例如血液、血清、尿液或唾液）的疾病的液相检测，和用以检测可能存在于环境水供给中的病原体的检测器。此外，所认为的是，在水性介质中，本专利技术将在没有对标记的任何需求的情况下允许并行、快速、实时监控大量分析物（例如蛋白质、病原体和DNA链），以及因此对于药物发现过程中的目标物筛选是理想的，或者作为对当前的DNA和蛋白质微阵列芯片的有前途的替代方式。使用这样的免标记设备可以减少准备阶段的数量以及缩短诊断时间。所提出的是，人们可以调查DNA序列，成功的结果将是以并行方式的人类DNA中各种突变（例如，镰状细胞性贫血—地中海贫血）的阳性检测。本专利技术示范了对悬臂阵列的动态特性中的改变的高度并行的检测。所提出的传感器可以通过使用多学科（包括集成光子学、VLSI和微纳系统）技术来开发具有突破性性能的通用传感器阵列而被用于在鲁棒的、小型化的封装中的（生物/化学）制剂的免标记检测和液体粘度测量。每个传感器典型地位于MEMS传感器阵列上，通过监控振动的机械结构（也称为悬臂或微悬臂）的共振频率、幅值和/或相位来操作该MEMS传感器阵列。传感器的输出是对由于特定接合事件或液体粘度中的改变而在悬臂上累积的质量做出响应的共振频率、幅值和/或相位中的改变。可以通过致动装置（例如电磁力装置、压电力装置、电力装置、静电力装置和它们的组合）来致动悬臂阵列。最优选的致动装置是单个电子线圈，其携带叠加的驱动电流波形。优选地，从机构到与每个传感器耦合的感测灯的光学反馈被用于检测特定接合事件并且还用于共振下的悬臂的闭环控制。更优选地，可以通过允许甚至在液体介质中尖锐的共振峰值（高Q）的闭环控制电子器件来调整阻尼。在优选实施例中，频率分辨率与其他读出技术（诸如压阻方法或电容方法）相比是固有地更高的。优选地，MEMS芯片包含磁结构层（例如镍）上的功能化层。更优选地，功能化层的悬臂上的位置可以被选择为按照添加的单位质量或相位偏移使共振频率偏移最大化。在优选实施例中，悬臂的新颖结构包括以简单的狭缝和/或加热元件的形式的衍射光栅。从衍射光栅反射的光可以由光纤所收集。在另一种布置中，衍射光栅可以被省略以及悬臂的平坦表面可以被用来反射光。在这种情况下，可以仍然使用光纤来收集光，其中悬臂振动确定了耦合到光纤的光量，以及因此光纤所耦合的光检测器输本文档来自技高网...
【技术保护点】
根据权利要求1所述的设备，进一步包括至少一个加热元件，其与每个振动机械结构相耦合。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】.一种适合于感测质量增长和粘度的设备，包括：
可置换套管，其具有多个流体通道；
至少一个振动机械结构，其被放置在至少一个流体通道中；
至少一个光源，其被耦合到所述至少一个振动机械结构中的每个；
至少一个致动装置
其中所述致动装置在单一致动频率下被激励；其中控制电子器件测量振动机械结构关于激励信号的相位；
至少一个集光器，其被耦合到所述至少一个振动机械结构和所述至少一个光源；
其中所述至少一个集光器被耦合到至少一个光检测器；以及
控制电子器件，其被耦合到至少一个致动装置。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制电子器件可以被可拆卸地耦合所述到至少一个光检测器。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个光源是单个光源，所述单个光源从包括如下各项的组中选择：激光源、VCSEL、LED和它们的组合。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述光源被耦合到扇出衍射光栅和透镜。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述振动机械结构是悬挂的悬臂。
.根据权利要求5所述的悬臂，其中所述悬臂的尖端包含衍射光栅。
.根据权利要求1所述的设备，其中所述振动机...
【专利技术属性】
技术研发人员：H尤里，G亚拉里奥格鲁，
申请(专利权)人：KOC大学，
类型：发明
国别省市：土耳其;TR
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