具有前端及后端预浓缩器与除湿的气体收集及分析系统

摘要

本发明揭示前端预浓缩器模块、后端预浓缩器模块及气体分析子系统的实施例以及使用所述前端预浓缩器模块、所述后端预浓缩器模块及所述气体分析子系统的组合的气体分析系统。揭示供单独使用或与气体分析系统组合使用的可弃及可再用除湿过滤器的实施例。

说明书

相关申请案交叉参考

本申请案根据专利合作条约(PCT)的第8条请求对以下专利申请案的优先权：在 2010年7月30日提出申请的第12/847,593号美国专利申请案；在2009年7月31日提 出申请的第61/230,647号美国临时专利申请案；及在2010年4月21日提出申请的第 61/326,433号美国临时专利申请案。

技术领域

本发明一般来说涉及气体分析系统，且明确地说(但非排他地)，涉及包含前端预 浓缩器、后端预浓缩器及除湿的手持式气体分析系统。

背景技术

气体分析可为用于检测气体中的某些化学品的存在及浓度且确定所存在化学品的 特定组合的意义的重要手段。举例来说，在卫生护理中，人所呼出的呼气中的某些挥发 性有机化合物(VOC)的存在与某些疾病相关，例如，肺炎、肺结核(TB)、哮喘、肺 癌、肝病、肾病等。所述相关性尤其可证明与肺相关的疾病。在其它应用中，气体分析 可用以确定与人存在不相容的危险物质(例如，矿井中的甲烷、一氧化碳或二氧化碳) 的存在。

当前气体分析系统仍主要依赖于大且昂贵的实验室仪器，例如，气体色谱仪(GC) 及质谱仪(MS)。这些仪器(特别是质谱仪)中的大多数仪器具有妨碍其大小的显著 减小的操作特性，意指当前气体分析系统为大且昂贵的工作台装置。除昂贵且笨重以外， 当前气体分析装置的大小较大也使得不可广泛地使用这些仪器。

由于常规GC/MS大小庞大且昂贵，因此所述装备通常位于实验室中且呼气样本必 须在实验室中或通过其它现场手段来收集。已将两个方法用于现场呼气收集。罐呼气收 集为最常用的方法：呼气被吸入且收集到预清洁并预抽空的瓶中，且接着将所述瓶送到 实验室以供分析。此些罐非常昂贵且还需要非常昂贵的清洁系统以便再用所述罐。因此， 呼气测试成本因装备及系统设置的非常高的成本而无法降低。在另一方法中，替代使用 罐，使用捕集器作为替代现场呼气收集：所述捕集器位于呼气收集系统中，所述呼气收 集系统在收集期间监视呼气的量及条件。接着，将所述捕集器移除且送到实验室以供使 用针对罐方法的类似气体分析设备来分析。虽然所述捕集器方法消除对昂贵的清洁工具 的需要，但所述捕集器收集系统本身可比罐贵。呼气收集及分析方法两者均需要现场呼 气收集且接着将样本送回到实验室以供分析，此耗时且非常昂贵。

所呼出的呼气含有＞90％的湿度。当湿气与来自呼气的气体/挥发性有机化合物 (VOC)收集在一起且接着直接被注入到气体分析系统中时，任何显著量的湿气将大大 地降低分析器对所关心化学品/VOC的灵敏性。因此，系统的检测限制变得比不存在或 存在低湿气的情形差得多。针对呼气分析的当前除湿方法从用以储存来自受验者的呼气 的容器提取所收集的呼气样本。接着，提取所述样本且将其注入到前端除湿装备中。所 述装备将捕集器或导管中的所收集的呼气(包含湿气)冷却(凝结)到零下摄氏温度(通 过液态氮或干冰)且接着加热所述捕集器以因不同沸点温度而将湿气与其它气体分离。 可存在多个超低温冷却阶段及加热步骤以在将气体/VOC传送到气体色谱仪/质谱仪 (GC/MS)系统中以供分析之前移除湿气。此前端装备大小巨大且非常昂贵(＞$20,000)。

现有方法需要昂贵的装备设置且大小庞大，如上所述。呼气分析以多个阶段来执行。 首先将呼气收集于罐、捕集器或其它容器中。接着，将样本传送到除湿系统(前端系统) 及气体/VOC分析系统(例如，GC/MS)所位于的实验室。接着，在将气体/VOC馈送到 分析器(GC/MS)中之前，将所述气体/VOC及湿气从样本提取到前端系统以用于除湿。 所述装备昂贵且不是便携式的。同时，此呼气收集及除湿程序无法用于原位呼气分析。

发明内容

附图说明

参考以下图描述本发明的非限定性及非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则各 个视图中的相似参考编号指相似部件。

图1A是气体分析装置的实施例的侧立面图。

图1B是气体分析装置的图1中所示的实施例的平面视图。

图2A是可在气体分析装置的图1A到1B中所示实施例中使用的MEMS预浓缩器 的实施例的横截立面图。

图2B是可在气体分析装置的图1A到1B中所示实施例中使用的MEMS预浓缩器 的替代实施例的横截立面图。

图3A是可在气体分析装置的图1A到1B中所示实施例中使用的MEMS气体色谱 仪的实施例的平面视图。

图3B是MEMS气体色谱仪的图3A中所示实施例的实质上沿截面线B-B所截取的 横截立面图。

图4A是可在气体分析装置的图1A到1B的实施例中使用的检测器阵列的实施例的 平面视图。

图4B是检测器阵列的图4A中所示实施例的实质上沿截面线B-B所截取的横截立 面图。

图5是气体分析装置的替代实施例与使用所述气体分析装置的所述实施例的系统的 实施例的示意图。

图6是气体分析装置的另一替代实施例与使用所述气体分析装置的所述实施例的系 统的实施例的示意图。

图7是气体分析装置的额外替代实施例的平面示意图。

图8是气体分析装置的额外替代实施例的平面示意图。

图9是气体分析装置的额外替代实施例的平面示意图。

图10是包含前端预浓缩器模块的气体分析装置的实施例的示意图。

图11是可与气体分析装置一起使用的过滤器组合件的实施例的图式。

图12A是可与气体分析系统的实施例一起使用的预浓缩器的实施例的图式。

图12B是可与气体分析系统的实施例一起使用的预浓缩器的替代实施例的图式。

图13A是包含前端及后端预浓缩器模块的气体分析装置的实施例的示意图。

图13B是包含前端及后端预浓缩器模块的气体分析装置的替代实施例的示意图。

图13C是包含前端及后端预浓缩器模块的气体分析装置的另一替代实施例的示意 图。

图14是包含前端及后端预浓缩器模块的气体分析装置的又一替代实施例的示意图。

图15是可弃式过滤器组合件的实施例的示意图。

图16是过滤器组合件的一对替代实施例的示意图。

图17A到17B是可弃式过滤器组合件的额外替代实施例的示意图。

图18是可再用除湿组合件的实施例的示意图。

图19是可再用除湿组合件的替代实施例的示意图。

具体实施方式

本文中描述用于定点护理医疗应用中的气体分析的设备、过程及系统的实施例。在 以下的说明中，描述众多特定细节以提供对本发明的实施例的透彻理解。然而，所属领 域的技术人员将认识到，本发明可在不具有所述特定细节中的一者或一者以上的情况下 或借助其它方法、组件、材料等来实践。在其它实例中，众所周知的结构、材料或操作 未详细展示或描述但仍涵盖于本发明的范围内。

本说明书通篇所提及的“一个实施例”或“一实施例”意指结合所述实施例所述 的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书中的片语 “在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现未必全部指同一实施例。此外，所述特 定特征、结构或特性可以任一适合的方式组合于一个或一个以上实施例中。

图1A及1B共同图解说明小尺度(例如，手持式)气体分析装置100的实施例。装 置100包含衬底102，其上安装流体处置组合件101、耦合到流体处置组合件101内的 个别元件的控制器126及耦合到检测器阵列110及控制器126的读取与分析电路128。 图中所示的实施例图解说明衬底102上的元件的一个可能布置，但在其它实施例中，元 件当然可不同地布置于衬底上。

衬底102可以是为装置100的元件提供所需物理支撑及通信连接的任一类别的衬 底。在一个实施例中，衬底102可为在其表面上具有导电迹线的单层种类的印刷电路板 (PCB)，但在其它实施例中，其可为在电路板的内部中具有导电迹线的多层种类的PCB。 在其它实施例(举例来说，其中装置100作为单体系统建造于单个裸片上的实施例)中， 衬底102可为由硅或某一其它半导体制成的芯片或晶片。在另外其它实施例中，衬底102 还可为其中可形成光学波导以支持装置100的组件之间的光学通信的芯片或晶片。

流体处置组合件101包含过滤器及阀组合件104、预浓缩器106、气体色谱仪108、 检测器阵列110及泵112。元件104到112串联地流体耦合：过滤器及阀组合件104通 过流体连接116流体耦合到预浓缩器106，预浓缩器106通过流体连接118流体耦合到 气体色谱仪108，气体色谱仪108通过流体连接120来流体耦合到检测器阵列110，且 检测器阵列110通过流体连接122耦合到泵112。如下文进一步描述，在装置100的一 个实施例中，元件104到112可为微机电(MEMS)元件或基于MEMS的元件，意指每 一装置中的一些部件可为MEMS且其它部件可以不是MEMS。在装置100的其它实施 例中，元件104到112中的一些或所有元件无需是MEMS或基于MEMS的，但可替代 地是某一非MEMS芯片级装置。

如图中的箭头所指示，元件104到112之间的流体连接允许流体(例如，一种或一 种以上气体)通过入口114进入过滤器及阀组合件104、流动穿过元件104到112且最 后通过出口124排出泵112。流体处置组合件101还包含保护个别元件104到112的罩 或盖112。在所图解说明的实施例中，形成于罩112中的通道提供元件之间的流体连接， 但在其它实施例中，元件之间的流体连接可通过其它手段(例如，敷设管道)来提供。 在另外其它实施例中，可省略罩112。

过滤器及阀组合件104包含入口114及耦合到流体连接116以使得排出过滤器及阀 组合件104的流体流动到预浓缩器110中的出口。过滤器及阀组合件104包含过滤器以 从通过入口114进入的流体移除微粒。在其中元件104到112中的一者或一者以上为 MEMS元件的装置100的实施例中，装置预浓缩器的MEMS元件内的部件的小尺度意 指通过入口114进入的流体可经过滤以移除这些颗粒以使得颗粒不进入MEMS装置且 不损坏MEMS装置或使其不操作。在不包含MEMS组件或其中进入入口114的流体不 含有颗粒(例如，因为已在装置100外部对其预过滤)的装置100的实施例中，可省略 过滤器及阀组合件104的过滤器部分。

过滤器及阀组合件104还包含阀，以使得一旦足够流体已行进穿过装置，即可停止 进一步流动穿过入口114到流体处置组合件101中。停止进一步流动穿过入口114防止 在装置100的稍后操作期间稀释将从预浓缩器106流动出的流体(参见下文的操作说 明)。在其它实施例中，过滤器及阀组合件104还可包含除湿器以从通过入口114进入 的流体移除水蒸气，因此改善装置100的准确性及灵敏性。

预浓缩器106包含耦合到流体连接116的入口及耦合到流体连接118的出口。预浓 缩器106通过流体连接116从过滤器及阀组合件104接收流体且通过流体连接118将流 体输出到气体色谱仪108。当流体流动穿过预浓缩器106时，预浓缩器106从经过的流 体吸收某些化学品，因此浓缩那些化学品以供稍后分离及检测。在装置100的一个实施 例中，预浓缩器106可为MEMS预浓缩器，但在其它实施例中，预浓缩器106可为非 MEMS芯片级装置。下文结合图2描述MEMS预浓缩器的实施例的进一步细节。

气体色谱仪108包含耦合到流体连接118的入口及耦合到流体连接120的出口。气 体色谱仪108通过流体连接118从预浓缩器106接收流体且通过流体连接120将流体输 出到检测器阵列110。当从预浓缩器106接收的流体流动穿过气体色谱仪108时，从预 浓缩器106接收的流体中的个别化学品在时域上彼此分离以用于稍后输入到检测器阵列 110中。在装置100的一个实施例中，气体色谱仪108可为MEMS气体色谱仪，但在其 它实施例中，气体色谱仪108可为非MEMS芯片级装置。下文结合图3A到3B描述 MEMS气体色谱仪108的实施例的进一步细节。

检测器阵列110包含耦合到流体连接120的入口及耦合到流体连接122的出口。检 测器阵列110通过流体连接120从气体色谱仪108接收流体且通过流体连接122将流体 输出到泵112。当流体流动穿过检测器阵列110时，由气体色谱仪108时域分离的化学 品进入检测器阵列且由检测器阵列内的传感器感测其存在及/或浓度。在装置100的一个 实施例中，检测器阵列110可为MEMS检测器阵列，但在其它实施例中，检测器阵列 110可为非MEMS芯片级装置。下文结合图4描述检测器阵列110的实施例的进一步细 节。

泵112包含耦合到流体连接122的入口以及耦合到排放口124的出口，以使得泵112 通过流体连接122从检测器阵列110汲取流体且通过排放口124将其返回到大气。泵112 可为满足装置100的大小及形状因数要求、提供所要流动速率及流动速率控制且具有充 分可靠性(即，充分平均故障间隔时间(MTBF))的任一类别的泵。在一个实施例中， 泵112可为MEMS或基于MEMS的泵，但在其它实施例中，其可为另一类型的泵。可 使用的泵的实例包含小轴流泵(例如，风扇)、活塞泵及电渗泵。

控制器126以通信方式耦合到流体处置组合件101内的个别元件以使得其可发送控 制信号及/或从个别元件接收反馈信号。在一个实施例中，控制器126可为经设计而特别 用于所述工作的专用集成电路(ASIC)(举例来说，CMOS控制器)，其包含处理、易 失性及/或非易失性存储装置、存储器及通信电路以及用以控制各种电路且与流体处置组 合件101的元件外部通信的相关联逻辑。然而，在其它实施例中，控制器126可替代地 为其中以软件实施控制功能的通用微处理器。在所图解说明的实施例中，控制器126通 过衬底102的表面上或其内部中的导电迹线130电耦合到流体处置组合件101内的个别 元件，但在其它实施例中，控制器126可通过其它手段(例如，光学)耦合到所述元件。

读出与分析电路128耦合到检测器阵列110的输出以使得其可从检测器阵列110内 的个别传感器接收数据信号且处理并分析这些数据信号。在一个实施例中，读出与分析 电路128可为经设计而特别用于所述工作的专用集成电路(ASIC)(例如，CMOS控制 器)，其包含处理、易失性及/或非易失性存储装置、存储器及通信电路以及用以控制各 种电路且与外部通信的相关联逻辑。然而，在其它实施例中，读出与分析电路128可替 代地为其中以软件实施控制功能的通用微处理器。在一些实施例中，读出与分析电路128 还可包含信号调节及处理元件(例如，放大器、滤波器、模/数转换器等)以用于由读出 与分析电路128预处理从检测器阵列110接收的数据信号及后处理从所接收数据产生或 提取的数据两者。

在所图解说明的实施例中，读出与分析电路128通过位于衬底102的表面上或其内 部中的导电迹线132电耦合到检测器阵列110，但在其它实施例中，控制器126可通过 其它手段(例如，光学手段)耦合到所述元件。读出与分析电路128还耦合到控制器126 且可将信号发送到控制器126且从其接收信号以使得两个元件可协调且优化装置100的 操作。虽然所图解说明的实施例将控制器126及读出与分析电路128展示为物理分离的 单元，但在其它实施例中，控制器及读出与分析电路可组合于单个单元中。

在装置100的操作中，首先给系统通电且将任一所需逻辑(即，软件指令)加载到 控制器126及读出与分析电路128中且将其初始化。在初始化之后，打开过滤器及阀单 元104中的阀且设定泵112以允许流动穿过流体处置组合件。接着，流体通过入口114 以某一流动速率输入到流体处置组合件101及/或输入达某一时间量；所需的时间量通常 将由预浓缩器106产生正确定其存在及/或浓度的特定化学品的适当浓度所需的时间决 定。当流体通过入口114输入到系统时，其由过滤器及阀组合件104过滤且借助流体处 置组合件101内的元件104到112之间的流体连接而流动穿过这些元件。在流动穿过元 件104到112之后，流体通过排放口124排出流体处置组合件。

在已通过入口114输入所需量的流体之后，关闭过滤器及阀组合件104中的阀以防 止进一步输入流体。在关闭阀之后，预浓缩器106中的加热器激活以加热预浓缩器。所 述加热释放由预浓缩器吸收且浓缩的化学品。当从预浓缩器106释放化学品时，激活泵 112以通过气体色谱仪108及检测器阵列110汲取所释放的化学品且通过排放口124输 出化学品。泵112的激活还防止回流穿过流体处置组合件101。

当从预浓缩器106释放的化学品由泵112通过气体色谱仪108汲取时，色谱仪在时 域上将不同化学品彼此分离-即，在不同时间从气体色谱仪输出不同化学品。当不同化 学品在时间上分离地排出气体色谱仪108时，每一化学品进入MEMS检测阵列110，其 中检测阵列中的传感器检测每一化学品的存在及/或浓度。在气体色谱仪108中执行的时 域分离实质上增强MEMS检测阵列110的准确性及灵敏性，因为其防止众多化学品同 时进入检测阵列且因此防止阵列内的传感器中的交叉污染及可能干扰。

当MEMS检测阵列110内的个别传感器与进入的时域分离的化学品相互作用时， 检测阵列感测所述相互作用且将信号输出到读出与分析电路128，接着，其可使用信号 来确定化学品的存在及/或浓度。当读出与分析电路128已确定所关心的所有化学品的存 在及/或浓度时，其可使用各种分析技术(例如，相关性及型式匹配)从存在的化学品及 其浓度的特定组合提取某一意义。

图2A图解说明可用作装置100中的预浓缩器106的MEMS预浓缩器200的实施例。 预浓缩器200包含衬底202，其具有接合到其且围绕衬底的周界密封以形成腔206的盖 板204。衬底202已在其中形成在一侧上的入口208、在不同侧上的出口210及其中具 有吸收剂的袋状物212。在一个实施例中，衬底202为硅衬底，但在其它实施例中，衬 底202当然可由其它材料制成。在衬底202的与附接有盖板204的侧相对的侧上形成加 热器216。

在其中衬底202为硅的实施例中，可使用标准光刻图案化及蚀刻来形成入口208、 出口210及袋状物212。虽然所图解说明的实施例展示七个袋状物212a到212g，但所 需袋状物的数目取决于待吸收且浓缩的不同化学品的数目及所用吸收剂的性质。在其中 每一吸收剂仅吸收一种化学品的实施例中，袋状物212的数目可确切地对应于待吸收且 浓缩的化学品的数目，但在其中每一吸收剂仅吸收一种化学品的其它实施例中，可使用 较大数目个袋状物以增加吸收面积。在其中每一吸收剂可吸收一种以上化学品的另外其 它实施例中，可使用较少数目个袋状物。

每一袋状物212在其内部具有对应的吸收剂214-袋状物212a具有吸收剂214a、袋 状物212b具有吸收剂214b，等等。虽然在所图解说明的实施例中展示为粒状吸收剂， 但在其它实施例中，吸收剂214可为涂覆于袋状物212的壁上或可为部分地或完全地填 充每一袋状物212的连续物质。其它实施例可包含粒状、壁涂层或连续填充吸收剂的组 合。每一吸收剂可对一种或一种以上特定化学品具有化学亲和性，意指所用的确切吸收 剂将取决于待吸收且浓缩的化学品的数目及性质。可使用的吸收剂的实例包含石墨化炭 黑B、石墨化炭黑X等。

在装置100中的MEMS预浓缩器200的操作期间，来自过滤器及阀组合件104的 流体通过入口208进入、行进穿过袋状物212a中的吸收剂214a且进入腔206。盖板204 帮助将进入腔206的流体导引到不同袋状物212b到212g中且穿过吸收剂214b到214g 直到流体减去由吸收剂214a到214g吸收的化学品、通过出口210排出预浓缩器为止。 一旦足够流体已流动穿过预浓缩器，则关闭过滤器及阀组合件104中的阀以防止进一步 流动穿过入口208。接着，激活加热器216。加热器216加热吸收剂214a到214f，从而 致使其通过例如除气等过程释放所吸收的化学品。与激活加热器216同时或此后不久， 激活泵112，从而通过出口210将所释放的化学品汲取到气体色谱仪108。

图2B图解说明MEMS预浓缩器250的替代实施例。MEMS预浓缩器250在许多方 面类似于MEMS预浓缩器200。两者的主要差异是：在MEMS预浓缩器250中，盖板 252在未形成存在于盖板204中的腔206的情况下直接接合到衬底202。在MEMS预浓 缩器250的一个实施例中，通道/开口252可在不同袋状物212之间存在于衬底202中以 允许流体流动穿过邻近袋状物。在MEMS预浓缩器250的操作中，流体通过入口208 进入、经由袋状物之间的通道/开口252行进穿过不同的袋状物212a到212g且最后通过 出口210排出预浓缩器。

图3A到3B图解说明可用作装置100中的气体色谱仪108的MEMS气体色谱仪300 的实施例。MEMS气体色谱仪300包含衬底302，其具有在一侧上的入口306、在不同 侧上的出口308及在其壁上具有固定相涂层的分离柱310。将盖板304接合到衬底302 以密封柱310。在一个实施例中，衬底302为硅衬底，但在其它实施例中，衬底302当 然可由其它材料制成。在其中衬底302为硅的实施例中，可使用标准的光刻图案化及蚀 刻(例如，深反应性离子蚀刻(DRIE))来形成入口306、出口308及柱310。在衬底 302的与附接有盖板204的侧相对的侧上形成加热器314。

柱或通道310提供从入口306到出口308的连续流体路径，且柱310的壁中的一些 或所有壁涂覆有可与由色谱仪分离的化学品相互作用的固定相涂层，或换句话说，柱壁 涂覆有具有特定选择性/分离能力的特定材料以用于所要气体分析。多彻底及多快地从流 体分离化学品取决于固定相涂层、柱310的总路径长度及温度。对于给定固定相涂层来 说，柱越长，化学品光谱分离地越好，但长柱还延长分离时间。因此，对于给定应用来 说，所需路径长度通常将由涂层、柱长度及温度之间的折衷决定。所图解说明的实施例 将柱310展示为螺旋柱，其中柱路径长度将取决于螺旋线圈的数目。然而，在其它实施 例中，柱310可不同地成形。在一个实施例中，柱310的长度可在1m与10m之间， 但在其它实施例中，可超出此范围。在所图解说明的MEMS GC中，柱310可通过微机 械加工或微机电系统(MEMS)过程形成于硅晶片、玻璃晶片、PCB板或任一类型的衬 底上。

在装置100中的MEMS气体色谱仪300的操作期间，来自预浓缩器106的流体通 过入口306进入且行进穿过柱310。当流体行进穿过柱310时，流体中的不同化学品以 不同速率与固定相涂层312相互作用，意指化学品在前进穿过柱之后分离，其中首先分 离与固定相强烈地相互作用的化学品且最后分离与固定相微弱地相互作用的化学品。换 句话说，与固定相强烈地相互作用的化学品在固定相中保存地较长，而与固定相微弱地 相互作用的化学品在固定相中保存较少时间。在气体色谱仪300的一些实施例中，此时 域分离可根据分子量发生(例如，首先分离具有最低分子量的化学品，随后是具有较高 分子量的化学品)，但在其它实施例中，其可根据其它化学特性或其它分离机制发生。 当时域分离化学品时，泵112通过出口308从MEMS气体色谱仪300汲取出化学品。 一般来说，化学品通过出口308以与其分离相反的次序排出-即，具有低保留时间的化 学品首先排出，而具有较高保留时间的化学品稍后排出。在离开出口308之后，化学品 进入检测器阵列110。

图4A到4B图解说明可用作装置100中的检测器阵列110的检测器阵列400的实施 例。检测器阵列400包含衬底402，其具有形成于其上的传感器S1到S9的阵列。在所 图解说明的实施例中，传感器S1到S9形成规则形状的3×3传感器阵列，但在其它实 施例中，传感器阵列可具有较大或较少数目个传感器，且传感器可布置成任一型式(规 则或不规则)。

将盖404接合到衬底402的周界以形成传感器S1到S9位于其内的腔410。盖404 还包含流体可通过其从气体色谱仪108进入的入口406及流体可通过其排出到泵112的 出口408。在衬底402的一侧上形成加热器412，所述侧与附接有盖404以在操作期间 控制检测器阵列400且因此检测器阵列内的传感器的温度的侧相对。虽然图中未展示， 但检测器阵列400当然包含可通过其输出由传感器S1到S9产生的信号以用于处理的输 出。

每一传感器S1到S9包含其上具有涂层的表面。所用的每一涂层将对正检测的特定 化学品中的一种或一种以上具有亲和性，以使得涂层吸收其对应化学品(一种或一种以 上)或与其化学地相互作用。涂层与化学品之间的相互作用又改变传感器的物理性质(例 如，共振频率、电容或电阻)，且可使用变换器或其它测量装置来测量传感器的所改变 物理性质。针对传感器S1到S9所挑选的特定涂层将取决于将使用传感器阵列110来检 测的化学品。涂层的化学亲和性还随温度强烈地变化，以使得应在选择涂层时考虑操作 温度范围。在其中将使用传感器阵列110来检测人呼气中的挥发性有机化合物-例如， 苯、甲苯、正-辛烷、乙基苯、间、对-二甲苯、α-蒎烯、d-柠檬烯、壬醛及苯甲醛、2- 甲基己烷、4-甲基辛烷等的实施例中，可用于不同应用中的涂层包含2，2-双三氟甲基-4，5- 二氟-1，3-间二氧杂环戊烯(PDD)及四氟乙烯(TFE)、PtCl2(烯烃)、C8-MPN等的 非晶共聚物。

虽然所图解说明的实施例具有九个传感器，但所需传感器的数目取决于待检测的不 同化学品的数目及传感器上使用的涂层的性质。在其中每一涂层仅吸收一种化学品或仅 与一种化学品化学地相互作用的实施例中，传感器的数目可确切地对应于待检测的化学 品的数目，但在其它实施例中，可需要在一个以上传感器上具有给定涂层以用于冗余。 然而，在大多数情形下，在化学品与涂层之间不存在一对一的相关性；换句话说，每一 涂层与一种以上不同化学品反应且不同化学品与给定涂层之间的反应将在性质及强度 上变化。因此，具有带有不同涂层的传感器的检测器阵列是有用的，因为检测器阵列的 响应可针对不同气体而具有不同型式。

在传感器阵列400的一个实施例中，传感器S1到S9为位于衬底402的表面上的 MEMS传感器，意指其为表面微机械加工的传感器。然而，在使用MEMS传感器的其 它实施例中，传感器S1到S9可为块体微机械加工的传感器，意指MEMS传感器中的 至少一些传感器形成于衬底402内而非表面上。使用MEMS传感器的传感器阵列110 的另外其它实施例可包含表面微机械加工及块体微机械加工的传感器的组合。取决于应 用及所需灵敏性，可使用不同类型的MEMS传感器。可使用的MEMS传感器的实例包 含化敏电阻器、块体声波(BAW)传感器等。在检测器阵列400的其它实施例中，传感 器S1到S9中的一者或一者以上可为非MEMS传感器。可用于检测器阵列400中的非 MEMS传感器的实例包含具有石英或砷化镓(GaAs)衬底的石英晶体微天平(QCM) 或表面声波(SAW)传感器。

在装置100中的MEMS检测器阵列400的操作期间，来自气体色谱仪108的流体 通过入口406进入且行进到腔410中。进入腔410的流体载运经时域分离的化学品。当 每一化学品进入腔410时，化学品与其涂层对化学品具有亲和性的一个或一个以上传感 器相互作用。感测且测量化学品与传感器的相互作用，且可提取特定化学品的存在及浓 度。当更多流体流动到腔410中时，通过出口408从腔410推出第一种化学品且具有下 一种经时域分离的化学品的流体进入腔410、与传感器阵列相互作用且得以测量。此过 程继续直到来自气体色谱仪108的所有经时域分离的化学品已流动穿过检测器阵列110 为止。在其中涂层对其化学品的亲和性不强烈的一些实施例中，检测器阵列110可为可 再用的：在已感测所用经时域分离的化学品之后，可激活加热器412以加热传感器且致 使涂层释放涂层与其相互作用的相应化学品，从而使相互作用可逆。在其中每一涂层对 其化学品的亲和性可为强烈的实施例中，传感器阵列的加热可帮助从涂层材料释放部分 吸收的气体。

图5图解说明使用基于MEMS的气体分析装置502的替代实施例的系统500的实 施例。装置502在大多数方面类似于装置100。装置502与装置100之间的主要差异是 装置502中存在无线收发器电路504及安装于衬底102上的天线506。无线收发器电路 504可既发射(Tx)数据又接收(Rx)数据且耦合到读取与分析电路128及天线506。

在系统500的一个实施例中，可使用收发器504将原始数据从读取与分析电路128 无线发射到路由器508及计算机510中的一者或两者。当发射到路由器508时，接着可 将数据再发射到另一目的地以用于分析。举例来说，在其中装置502用于与卫生相关的 化学分析的应用中，可将发送到路由器508的数据再发射到医生办公室、医院、政府卫 生部或其它某处中的一者或一者以上以用于分析及解释。在完成分析之后或在数据存在 问题的情况下，医生办公室、医院或卫生部可通过路由器508、天线506及收发器504 将指令发送到装置502以用信号通知结果、尝试改正或改善数据或者用信号通知必须再 次执行测试。

继续同一卫生护理实例，在系统500的同一或另一实施例中，无线收发器504可用 以将原始数据发射到计算机510。计算机510可如路由器一样将原始数据转发到医生、 医院等，或可借助其上安装的软件来分析数据以提供从数据提取信息(例如，一个或一 个以上可能的医疗诊断)且将所提取的信息提供到装置502的用户。当其提供分析及医 疗诊断时，计算机510还可将诊断单独地或与分析及原始数据一起转发到医生、医院等。 如同路由器，医生办公室、医院或卫生部可通过计算机510、天线506及收发器504将 指令发送到装置502以尝试改正或改善数据、用信号通知必须再次执行测试等。

同样，继续同一卫生护理实例，在系统500的又一实施例中，读取与分析电路128 可处理原始数据且从数据提取例如可能诊断等信息。接着，由读取与分析电路128确定 的可能诊断可被发送到计算机510以由用户阅读及/或转发，或者可立即单独地或与支持 的原始数据一起转发到医生办公室等。

图6图解说明使用基于MEMS的气体分析装置602的替代实施例的系统600的实 施例。装置602在大多数方面类似于装置502。装置502与装置602之间的主要差异是 无线收发器电路504及天线506由耦合到读取与分析电路128的硬件数据接口604替换。 在一个实施例中，硬件数据接口604可为网络接口卡，但在其它实施例中，硬件数据接 口可为以太网卡、简单电缆插头等。外部装置可通过例如电缆等传统手段连接到装置 602。虽然其具有不同的通信接口，但装置602及系统600具有与装置502及系统500 相同的全部功能性。如同系统500，在系统600中，基于MEMS的气体分析装置602可 将数据发射到计算机608及无线装置606(例如，蜂窝式电话或个人数字助理(PDA)) 中的一者或两者且从其接收数据。当发射到无线装置606时，接着可将数据转发到医生 办公室、医院或政府卫生部，且数据的接收方又可通过无线装置将数据或指令发送回到 气体分析装置602。如在系统500中，当将数据发射到计算机608时，其可由计算机转 发或可由计算机分析，且针对用户显示及/或转发的结果及指令可通过计算机608发射到 装置602。类似地，来自气体分析装置602的数据可由读取与分析电路128分析。在由 电路128分析之后，所提取的信息(例如，一个或一个以上诊断)及/或原始数据可经由 硬件数据接口604转发。

图7图解说明基于MEMS的气体分析装置700的替代实施例。装置700在大多数 方面类似于装置100。系统700与装置100之间的主要差异是装置700包含机载显示器 702以用于将由读取与分析电路128所执行的分析的结果输送到用户。

所图解说明的实施例使用可将文本信息输送到用户的机载文本显示器702(举例来 说，LCD屏幕)。举例来说，在卫生护理实例中，可使用显示器702来以指示患者的情 形的模拟数来显示测试结果。显示器702可指示阳性或阴性诊断、可指示给定诊断的可 能性或可指示来自检测器阵列的原始数据。在另一卫生护理实施例中，可使用更简单的 显示器，例如，具有依据哪一灯被接通而指示阳性、阴性或不确定结果的三个灯的显示 器。

图8图解说明基于MEMS的气体分析装置800的替代实施例。装置800在大多数 方面类似于装置100。装置800与装置100之间的主要差异是在装置800中流体处置组 合件101的一个或一个以上元件是可替换的。在所图解说明的实施例中，可通过使用插 座将元件安装到衬底102上而使所述元件为可替换的：过滤器及阀组合件104通过插座 804安装到衬底102、预浓缩器通过插座804安装到衬底102、气体色谱仪108通过插座 808安装到衬底102、检测器阵列110通过插座810安装到衬底102且泵112通过插座 812安装到衬底102。在一个实施例中，插座804到812为准许由用户容易地替换的插 座(例如，零插力(ZIF)插座)，但在其它实施例中，可使用其它类型的插座。虽然 所图解说明的实施例展示流体处置组合件101的所有组件为可替换的，但在其它实施例 中，可仅使组件中的一些组件(例如，泵112及检测器阵列110)为可替换的。

图9图解说明基于MEMS的气体分析装置900的替代实施例。气体分析装置900 在大多数方面类似于装置100。装置900与装置100之间的主要差异是装置900包含提 供外部预浓缩器902(即，安装于衬底102上的预浓缩器)。在所示的实施例中，将阀 904放置于预浓缩器106与气体色谱仪108之间，且采取措施以将外部预浓缩器902附 接到阀。替代机载预浓缩器106或除机载预浓缩器106以外，阀904允许用户使用外部 预浓缩器902。在一个实施例中，外部预浓缩器902为呼气收集袋，但在其它实施例中， 其可为不同的某物。在装置900的替代实施例(未展示)中，预浓缩器106可永久地移 除且由外部预浓缩器902替换。在其中外部预浓缩器902替换预浓缩器106的另一实施 例中，可将外部预浓缩器902耦合于过滤器及阀组合件104的上游替代在预浓缩器106 与气体色谱仪108之间插入阀。

图10图解说明包含耦合到气体分析子系统1004的前端预浓缩器模块1002的气体 分析系统1000的实施例。系统1000的实施例可用于取代例如图1A到1B及图5到9 中所示的气体分析系统等气体分析系统中的过滤器/阀104、预浓缩器106、气体色谱仪 (GC)108及检测器110，或其组件中的一者或一者以上可用以补充所述装置。类似地， 前端预浓缩器模块1002可用于取代过滤器/阀105及预浓缩器106，或其组件中的一者 或一者以上可用以补充所述装置，而气体分析子系统1004可用于取代GC 108及DA 110，或其组件中的一者或一者以上可用以补充所述装置。

前端预浓缩器模块1002包含过滤器1006，其通过切换阀SV1耦合到流体连接1008。 流体连接1008还耦合到三通阀TV1的第一端口。三通阀TV1的第二端口通过流体连接 1010耦合到捕集器1011的入口，且捕集器1011的出口耦合到流体连接1012。三通阀 TV1的第三端口通过流体连接1014耦合到预浓缩器(PC)1015的入口，且PC 1015的 出口通过流体连接1016耦合到第二三通阀TV2的第一端口。三通阀TV2的第二端口通 过流体连接1018耦合到第二切换阀SV2，且SV2又通过流体连接1020耦合到泵P1的 入口。泵P1的出口耦合到流体连接1022。三通阀TV2的第三端口通过流体连接1024 耦合到气体分析子系统1004。

在前端预浓缩器模块1002的一个实施例中，流体连接1008为温控管，其可被加热 到所要温度以使得来自呼气的湿气及化学品/VOC在到达PC 1015之前不凝结，但在其 它实施例中其无需为温控的。在一个实施例中，组件之间的所有流体连接是使用无挥发 性有机化合物(VOC)的材料(其不吸收或散发VOC或任何污染物)进行的。特氟龙 (Teflon)为此种材料的一个实例，但在其它实施例中，其它材料是可能的。

在预浓缩器模块1002的一个实施例中，所有组件均为小尺度组件(例如，微尺度 或微机电系统(MEMS)组件)，但在其它实施例中，个别组件或个别组件的任一组合 无需为小尺度的。因此，虽然使用前缀“微(micro)”来描述各种实施例或其组件，但 所述前缀的使用不应视为任一类别的大小限制。

气体分析子系统1004包含气体色谱仪(GC)1026，其入口通过流体连接1024耦合 到前端预浓缩器模块1002的出口。GC 1026的出口通过流体连接1028耦合到检测器1030 的入口。检测器1030的出口通过流体连接1032耦合到第三切换阀SV3，且切换阀SV3 可通过流体连接1034耦合到其它组件。举例来说，在其中在针对图1A到1B及图5到 9所展示及描述的气体分析系统中使用系统1000或其中在此系统中使用气体分析子系统 1004的实施例中，流体连接1034可将切换阀SV3耦合到泵且切换阀SV3可用以控制穿 过气体分析子系统1004的流动。在操作中，当以释放模式(参见下文)操作前端预浓 缩器模块1002时，PC 1015中所收集的化学品/VOC因热解吸收而被释放且由清洁空气 载运穿过流体连接1024到达气体分析子系统1004。一旦在气体分析子系统1004中，化 学品即由GC 1026分离且引导到对其进行感测的检测器1030中。

前端预浓缩器模块1002具有不同操作模式，其取决于如何配置三通阀及切换阀。 这些模式中的四个模式为：呼气收集模式、干式吹扫模式、释放模式及清洁/干燥空气供 应模式。呼气收集模式使用由虚线①所示的流动路径。如图中所示，三通阀TV1及TV2 经切换以将含有化学品/VOC的气体从过滤器1006引导穿过1008及1014及阀TV1进 入到PC 1015中以使得可浓缩化学品/VOC。未由PC 1015收集的空气或湿气被直接排放 出流体连接1016到1022、阀TV2及SV2以及泵P1。为获得穿过前端PC的此快速流动 速率，泵P1可为快速取样泵，其用以辅助气体流动以便实现进入到前端系统中的正常 呼气。可在系统中放置一个或一个以上流动控制切换阀，其在呼气收集期间始终监视并 调整流动速率。在替代实施例中，替代使用流动控制阀，可调整泵以维持所要流动速率。

干式吹扫模式使用由虚线②所示的流动路径。在呼气收集之后，可切换三通阀TV1 以连接前端PC 1015与捕集器1011。取样泵P1可用以通过捕集器1011汲取周围空气， 捕集器1011过滤来自周围空气的所有不需要的化学品/VOC及湿气且致使将清洁干燥的 空气递送到PC 1015。干燥空气用以吹扫PC 1015以移除由PC捕集的湿气且通过流体 连接106到1022、阀TV2及SV2以及泵P排放回到周围。在其中湿气对系统感测不关 键的情形下，可不需要干式吹扫过程。

释放模式用以将PC 1015中所收集的化学品释放到气体分析子系统1004且使用由 虚线③所示的流动路径。在呼气收集及任选干式吹扫之后，切换三通阀TV2以通过流体 连接1024将PC 1015与气体分析子系统1004连接。接着，以其最佳斜升速率将PC 1015 加热到所要温度，以使得由PC 1015所浓缩的化学品/VOC因热解吸收而被释放并载运 穿过流体连接1024到达气体分析子系统1004。

清洁/干燥空气供应模式使用由标记为④的虚线所示的流动路径。除直接呼气收集之 外，前端预浓缩器模块1002还可用以恰好在从受验者收集呼气之前产生清洁干燥的空 气以供吸入。为提供干燥空气供应，切换三通阀TV1以在捕集器与过滤器1006之间形 成流动路径。如由流动路径④所示，周围空气由捕集器1011过滤，捕集器1011从周围 空气移除所有不需要的化学品/VOC。空气中的任何颗粒还可由过滤器1006过滤。接着， 所得清洁经过滤空气可由测试受验者吸入以使得来自环境的背景化学品/VOC不影响或 干扰受验者的所呼出的呼气。

图11图解说明可用作前端预浓缩器模块1002中的过滤器1006的过滤器组合件1100 的实施例。过滤器组合件1100包含入口1102、出口1104及位于入口与出口之间以过滤 通过入口1102进入的原始空气且通过出口1104排放经过滤的空气的过滤器1006。在一 个实施例中，入口1102可为可替换吹嘴，其可在每一呼气测试之后被丢弃以消除疾病 传染的风险。在其它实施例中，入口1102可为永久性吹嘴但整个过滤器组合件1100可 为可弃的。过滤器1006为可避免呼气颗粒、细菌、病毒进入系统的过滤器。在一个实 施例中，过滤器1006为高效微粒捕捉器(HEPA)过滤器，但在其它实施例中，其可为 另一类型的过滤器。在另外其它实施例中，过滤器1006可为一个以上类型的过滤器的 组合。

图12A到12B图解说明可用作前端预浓缩器模块1002或后端预浓缩器模块(参见 图13到14)中的PC 1015的预浓缩器的实施例。在一个实施例中，PC 1015大小较小 (例如，＜＝3cm)以用于快速加热而还经设计以允许在流动速率下的正常呼气，以便可 实现正确的呼气收集协议(例如，来自呼气的50cc/sec)。为实现穿过PC 1015的此快 速流动速率，泵P1可为快速取样泵，其辅助气体流动以使得可实现进入到前端预浓缩 器模块1002中的正常呼气流动速率。

图12A图解说明经设计以收集来自人的呼气或其它气流的所关心的所有化学品 /VOC的PC 1200的实施例。PC 1200具有入口1202、出口1026及一个或一个以上袋状 物1204，流体流动穿过所述一个或一个以上袋状物且通过所述一个或一个以上袋状物被 浓缩。在一个实施例中，PC 1200可具有针对图2A所展示及描述的构造，但在其它实 施例中，其可具有针对图2B所展示及描述的构造或完全某一其它构造。

图12B图解说明PC 1250的替代实施例。PC 1250包含入口1252、出口1254及从 入口延伸到出口的数个并行微PC 1256a到1256d。在一个实施例中，每一微PC 1256a 到1256d包含一个或一个以上袋状物1258且可具有如同针对图2A到2B所展示及描述 的那些构造的构造，但在其它实施例中，可具有不同构造。在一个实施例中，所有并行 微PC 1256a到1256d具有相同构造，但在其它实施例中，无需全部具有相同构造。此 外，每一微PC可经构造以浓缩与PC 1250中的其它微PC不同的化学品/VOC。PC 1250 的所图解说明实施例具有四个并行微PC，但PC 1250的其它实施例可具有更大或更小 数目个微PC。在PC 1250的操作中，在收集期间，含有化学品的载体气体通过入口1252 进入PC 1250、同时流动穿过并行微PC 1256a到1256d中的每一者中的其中浓缩化学品 /VOC以供稍后释放的袋状物。在释放期间，清洁空气流动穿过PC 1250，同时可一次一 个地或同时地加热微PC 1256a到1256d，以释放浓缩于每一并行微PC的袋状物中的化 学品。

图13A图解说明气体分析系统1300的替代实施例。系统1300的实施例可用于取代 例如图1A到1B及图5到9中所示的气体分析系统等气体分析系统中的过滤器/阀104、 预浓缩器106、气体色谱仪(GC)108及检测器110，或其组件中的一者或一者以上可 用以补充所述装置。类似地，前端预浓缩器模块1302及/或后端预浓缩器1306可用于取 代过滤器/阀105及预浓缩器106，或其组件中的一者或一者以上可用以补充所述装置， 而气体分析子系统1304可用于取代GC 108及DA 110，或其组件中的一者或一者以上 可用以补充所述装置。

系统1300包含前端预浓缩器模块1302，其耦合到气体分析子系统1304且还耦合到 后端预浓缩器模块1306。系统1300对于低流动经浓缩气体分析有用。与需要罐或捕集 器中的现场呼气样本收集及接着在指定实验室中执行分析的现有呼气分析协议不同，系 统的前端呼气收集模块可保存所收集样本且接着将所收集化学品/VOC直接释放到其后 端气体分析模块。小型化的前端预浓缩器模块1302或后端模块1306可单独与其它化学 品/VOC分析系统组合地使用。

流体连接1024将前端预浓缩器模块1302耦合到流体连接1308及流体连接1310。 流体连接1024及1308提供预浓缩器模块1302与气体分析子系统1304之间的耦合，而 流体连接1024及1310提供预浓缩器模块1302与后端预浓缩器1306之间的耦合。流体 连接1024、1308及1310还提供气体分析子系统1304与后端预浓缩器1306之间的耦合。

前端预浓缩器模块1302具有类似于前端预浓缩器模块1002的构造且具有类似于前 端预浓缩器模块1002的那些操作模式的四个操作模式：呼气收集模式，由流动路径① 展示；干式吹扫模式，由流动路径②展示；释放模式，由流动路径③展示；及干燥空气 供应模式，由流体④展示。在预浓缩器模块1302内，释放模式流动路径③与其在预浓缩 器模块1002内相同，但在系统1300中，流动路径③在离开预浓缩器模块1302之后因后 端预浓缩器1306的存在而不同。

气体分析子系统1304具有类似于气体分析子系统1004的构造，主要差异是：在气 体分析子系统1304中，GC 1026的入口现还经由流体连接1308及1310耦合到后端预浓 缩器1312内的微PC 1312。

后端预浓缩器1306包含耦合到流体连接1310及1314的微PC 1312。流体连接1314 还耦合到第四三通阀TV4的第一端口，而三通阀TV4的第二端口通过流体连接1316耦 合到捕集器1318，且捕集器1318通过流体连接1320进一步耦合到大气。三通阀TV4 的第三端口通过流体连接1322耦合到泵P2的入口，且泵P2的出口通过流体连接1324 耦合到第三三通阀TV3的第三端口。三通阀TV3的第二端口排气到大气，而三通阀TV3 的第一端口通过流体连接1326耦合到流体连接1314。

捕集器1318为经设计以过滤来自周围空气的所有化学品/VOC及湿气以防止其污染 浓缩于微PC 1318中的化学品/VOC或以其它方式影响气体分析子系统1304的功能的捕 集器。在一个实施例中，捕集器1318可为吸附剂捕集器；吸附剂捕集器为用以产生不 具有湿气或化学品/VOC的清洁空气的常见方法。然而，在其它实施例中，可使用其它 类型的捕集器。

微PC 1312为在一些实施例中可具有图12A或12B中所示的构造，但在其它实施例 中其可具有不同构造的预浓缩器。在一个实施例中，微PC 1312具有非常小的大小(体 积上仅约10微升)以使得其可在非常短的加热时间内达到所要温度以用于解吸收及分 析且使得其可实现最高化学品/VOC浓度以用于检测。在一个实施例中，小后端微PC 1312具有在几十毫升/分钟(例如，30ml/min)的范围中的最大流动速率，其不允许将 微PC 1312用于直接呼气收集，因为将需要过多时间来取样呼气收集所需的大体积 (～1000ml)；在30ml/min的流动速率的情况下，使用微PC 1312来直接收集呼气可 花费30分钟或更多时间。在经确定大小以具有几毫升的体积的前端PC 1015的实施例 中，可在约20秒内以约50ml/sec的流动速率对呼气进行取样。接着，所收集的化学品 /VOC以相对较慢的流动速率(例如，30ml/min)由前端PC 1015释放到微PC 1312。 由于前端PC 1015具有仅几毫升的体积，因此后端PC 1312收集来自前端PC的所有VOC 仅需要不到10秒。对于所揭示的实施例，可在约30秒而非30分钟内实现将呼气化学 品/VOC浓缩到后端PC的总取样时间。

后端预浓缩器1306具有两个操作模式：收集模式及释放模式。预浓缩器1306的收 集模式与预浓缩器模块1302的释放模式一起操作，因此其流动路径由流动路径③展示， 流动路径③还对应于预浓缩器模块1302的释放模式的流动路径。在前端预浓缩器模块 1302处于释放模式的情况下，含有化学品/VOC的气体排出PC 1015、可由泵P2拉动穿 过流体连接1016、三通阀TV2以及流体连接1024及1310进入到微PC 1312中，在PC 1312处化学品/VOC被进一步浓缩。离开微PC 1312的气体由泵P2拉动穿过三通阀TV4 及流体连接1322，且由泵P2排放到流体连接1324及三通阀TV3中。接着，阀TV3将 气体排气到大气。

后端预浓缩器1306的释放模式遵循收集模式的完成。在收集模式的完成之后，微 PC 1312以其最佳斜升速率在几秒内加热到所要温度以释放所收集化学品且三通阀 TV2、TV3及TV4经切换以允许由流动路径⑤所示的空气流。泵P2通过捕集器1318及 三通阀TV4汲取清洁空气且通过流体连接1324、三通阀TV3及流体连接1326及1314 将清洁空气输出到微PC 1312中。通过加热微PC 1312释放的化学品及VOC由清洁空 气通过流体连接1310及1308从微PC 1312载运到GC 1026的入口。接着，GC1026分 离化学品且将其输出到检测器1030以用于由检测器1030检测。

图13B图解说明气体分析系统1350的另一替代实施例。系统1350包含前端预浓缩 器模块1352，前端预浓缩器模块1352耦合到气体分析子系统1354且还耦合到后端预浓 缩器模块1356。如同系统1300，系统1350对于低流动经浓缩气体分析有用，且小型化 的前端预浓缩器模块1302或后端模块1306可单独与其它化学品/VOC分析系统组合地 使用。系统1350的实施例可用于取代例如图1A到1B及图5到9中所示的气体分析系 统等气体分析系统中的过滤器/阀104、预浓缩器106、气体色谱仪(GC)108及检测器 110，或其组件中的一者或一者以上可用以补充所述装置。类似地，前端预浓缩器模块 1352及/或后端预浓缩器模块1356可用于取代过滤器/阀105及预浓缩器106，或其组件 中的一者或一者以上可用以补充所述装置，而气体分析子系统1354可用于取代GC 108 及DA 110，或其组件中的一者或一者以上可用以补充所述装置。

前端预浓缩器模块1352包含耦合第一三通阀TV1的第一端口的过滤器1006。如同 预浓缩器模块1302，所述过滤器可通过温控管耦合到三通阀TV1。三通阀TV1的第二 端口通过流体连接1364耦合到第一Y分流器Y1，且三通阀TV1的第三端口通过流体 连接1358耦合到预浓缩器(PC)1015的入口。除耦合到三通阀TV1以外，Y分流器 Y1还通过流体连接1366耦合到捕集器1011且通过流体连接1368耦合到第一切换阀 SV1。PC 1015的出口通过流体连接1360耦合到第二三通阀TV2的第一端口。三通阀 TV2的第二端口通过流体连接1372进一步耦合到第二Y分流器Y2，且其第三端口通过 `流体连接1361耦合到第三Y分流器Y3。第三Y分流器Y3进一步通过流体连接1362 耦合到GC 1026的入口且通过流体连接1384耦合到微PC 1312。第二Y分流器Y2通过 流体连接1370耦合到切换阀SV1，还通过流体连接1374耦合到第三三通阀TV3的第一 端口。三通阀TV3的第二端口通过流体连接1386耦合到后端预浓缩器1356内的第五三 通阀TV5，而三通阀TV3的第三端口通过流体连接1376耦合到泵P的入口。泵P的出 口通过流体连接1378耦合到后端预浓缩器1356中的第四三通阀TV4的第一端口。

前端预浓缩器模块1352具有四个操作模式：呼气收集模式，由流动路径①展示；前 端释放模式，由流动路径②展示；后端释放模式，由流动路径③展示；及干燥空气供应 模式，由流体④展示。如同本文中所述的其它实施例，流动路径①到④可由切换阀、三 通阀及Y分流器的适当配置形成。

气体分析子系统1354具有类似于气体分析子系统1304的构造，主要差异是：在气 体分析子系统1354中，GC 1026的入口现经由Y分流器Y3以及流体连接1361及1362 耦合到前端预浓缩器1352，且经由Y分流器Y3以及流体连接1362及1384耦合到后端 预浓缩器1356。

后端预浓缩器1356包含微PC 1312，其通过流体连接1384耦合到Y分流器Y3且 通过流体连接1382耦合到第四三通阀TV5的第三端口。微PC 1312类似于针对图13A 所述的微PC 1312且存在相同变化形式。三通阀TV5的第一端口通过流体连接1380耦 合到第三三通阀TV4的第三端口，而三通阀TV5的第二端口通过流体连接1386耦合到 前端预浓缩器内的三通阀TV3。三通阀TV4的第二端口排气到大气，而三通阀TV4的 第一端口通过流体连接1378耦合到泵P的出口。

后端预浓缩器1306具有两个操作模式：收集模式，其与前端预浓缩器1352的前端 释放模式一起操作；及释放模式，其与前端预浓缩器1352的后端释放模式一起操作。 因此，后端预浓缩器1352的收集模式在图中由流动路径②展示，流动路径②对应于前端 预浓缩器的前端释放模式，且后端预浓缩器1352的释放模式由流动路径③展示，流动路 径③对应于前端预浓缩器的后端释放模式。如同本文中所述的其它实施例，流动路径② 到③可由切换阀、三通阀及Y分流器的适当配置形成。

在前端预浓缩器模块1352处于其前端释放模式的情况下，含有化学品/VOC的气体 排出PC 1015、可由泵P拉动穿过沿流动路径②的流体连接及组件且进入到微PC 1312 中，在微PC 1312处化学品/VOC被进一步浓缩。离开微PC 1312的气体遵循流动路径 ②的剩余部分直到其到达阀TV4，阀TV4将气体排气到大气。在前端预浓缩器1352处 于其后端释放模式的情况下，微PC 1312以其最佳斜升速率在几秒内加热到所要温度以 释放所收集的化学品。通过加热微PC 1312释放的化学品及VOC由清洁空气(其通过 泵P移动穿过流体连接及组件)通过流体连接1384及1362沿流动路径③载运到GC 1026 的入口。接着，GC1026分离化学品且将其输出到检测器1030以用于由检测器1030检 测。

图13C图解说明气体分析系统1390的另一替代实施例。系统1390的实施例可用于 取代例如图1A到1B及图5到9中所示的气体分析系统等气体分析系统中的过滤器/阀 104、预浓缩器106、气体色谱仪(GC)108及检测器110，或其组件中的一者或一者以 上可用以补充所述装置。类似地，前端预浓缩器模块1392及/或后端预浓缩器1356可用 于取代过滤器/阀105及预浓缩器106，或其组件中的一者或一者以上可用以补充所述装 置，而气体分析子系统1354可用于取代GC 108及DA 110，或其组件中的一者或一者 以上可用以补充所述装置。

系统1390在大多数方面类似于图13B中所示的系统1350。主要差异是在前端预浓 缩器1392中。预浓缩器模块1392不同于预浓缩器模块1352，因为预浓缩器1392省略 Y分流器Y1及Y2、切换阀SV1以及流体连接1368及1370。因此，流体连接将三通阀 TV2耦合到三通阀TV3且流体连接1364将三通阀TV1耦合到捕集器1011。如同前端 预浓缩器模块1352，前端预浓缩器模块1392具有四个操作模式：呼气收集模式，由流 动路径①展示；前端释放模式，由流动路径②展示；后端释放模式，由流动路径③展示； 及干燥空气供应模式，由流体④展示。如同本文中所述的其它实施例，流动路径①到④ 可由切换阀、三通阀及Y分流器的适当配置形成。然而，在预浓缩器1392内，流动路 径③经修改以使得其流动穿过阀TV1、PC 1015及阀TV2(如所示)而非流动穿过被移 除的Y分流器及其之间的流体连接及组件。在预浓缩器1392外部，流动路径③与其在 预浓缩器1352中实质上相同。

图14图解说明可用于其中在后端气体分析系统中不需要或不允许湿气的情形中的 气体分析系统1400的替代实施例。当干式吹扫无法完全地消除前端PC中的湿气时，或 当完全除湿减少由前端PC所收集的化学品/VOC的量时，可使用在不影响所收集VOC 的量的情况下从前端PC的额外湿气提取。系统1400的实施例可用于取代例如图1A到 1B及图5到9中所示的气体分析系统等气体分析系统中的过滤器/阀104、预浓缩器106、 气体色谱仪(GC)108及检测器110，或其组件中的一者或一者以上可用以补充所述装 置。类似地，前端预浓缩器模块1402可用于取代过滤器/阀105及预浓缩器预浓缩器106， 或其组件中的一者或一者以上可用以补充所述装置，而气体分析子系统1404可用于取 代GC 108及DA 110，或其组件中的一者或一者以上可用以补充所述装置。

系统1400包含前端预浓缩器模块1402，前端预浓缩器模块1402耦合到气体分析子 系统1404且还耦合到后端预浓缩器1406。气体分析子系统1404类似于气体分析子系统 1004及1304且后端预浓缩器1406类似于后端预浓缩器1306。前端预浓缩器模块1402 类似于预浓缩器模块1002及1302而配置，预浓缩器模块1402中的主要差异是添加了 气体色谱仪(GC)1408及用第五三通阀TV5替换了第二切换阀SV2。三通阀TV5使其 第一端口耦合到第二三通阀TV2的第二端口且使其第三端口通过流体连接1020耦合到 泵P1。GC 1408使其入口耦合到流体连接1024且使其出口通过流体连接1410及1412 耦合到三通阀TV5的第二端口。流体连接1410还将预浓缩器模块1402耦合到气体分析 子系统1404及后端预浓缩器1406。流体连接1410及1308提供额外GC 1408与GC 1026 之间的耦合，而流体连接1410及1310提供额外GC 1408与后端预浓缩器1306之间的 耦合。流体连接1410、1308及1310还提供GC 1026与后端预浓缩器1406之间的耦合。

预浓缩器模块1402具有五个操作模式。这些模式中的三个模式类似于前端预浓缩 器模块1002及1302的那些模式：呼气收集模式，由流动路径①展示；干式吹扫模式， 由流动路径②展示；及干燥空气供应模式，由流动路径④展示。预浓缩器模块1402的释 放模式(由流动路径③所示)类似于预浓缩器模块1002及1302的释放流动路径③，主 要差异是：在预浓缩器模块1402中，流动路径③从流体连接1024前进到GC 1408中且 通过流体连接1410排出GC1408。在离开GC 1408之后，流动路径③以类似于针对后端 预浓缩器1306所示的方式的方式将流动载运到后端预浓缩器1406中且穿过后端预浓缩 器1406。

预浓缩器1402还包含由流动路径⑤所示的辅助干式吹扫模式，其可用以在由流动路 径②所示的干式吹扫在提取足够湿气不成功时减少PC 1015中的湿气。由于辅助干式吹 扫使用GC 1408，因此其可用以在不丢失PC 1015中所收集的任何化学品/VOC的情况 下从PC 1015移除湿气。在一些情形下，可不需要辅助干式吹扫且可直接应用直接湿气 分离过程。

在辅助干式吹扫模式期间，三通阀TV1及TV5经切换以产生穿过捕集器1011、前 端PC 1015、GC 1408且接着排放到周围的流动路径。PC 1015经加热以释放化学品/VOC 并且将湿气保留在PC内。当释放的VOC及湿气进入GC 1408时，湿气将首先如图9 中所示行进穿过GC且排放到周围。接着，立刻切换三通阀TV3、TV4及TV5以使得剩 余化学品/VOC遵循流动路径③且由后端微PC通道输送并收集。因此，没有湿气进入微 PC 1312或由微PC 1312收集。一旦微PC 1312中收集有化学品/VOC，则可切换三通阀 TV3及TV4以使得后端预浓缩器1406进入其自身的释放模式，由流动路径⑥展示。系 统1400中的流动路径⑥类似于系统1300中的流动路径⑤，因为其将化学品/VOC从后端 预浓缩器1406载运到气体分析子系统1404。

在一个实施例中，可与切换三通阀同步地将前端PC 1015周期性地脉冲加热到不同 温度及持续时间，以有条件地释放不同化学品/VOC或湿气以控制所要化学品/VOC到后 端微PC 1312(流动路径③)或不需要的化学品/VOC或湿气到周围排放口(流动路径⑤) 的流动。接着，释放由后端微PC 1312收集的化学品/VOC且由气体分析子系统1404对 其进行分析(流动路径⑥)。

图15图解说明过滤器组合件1500的实施例。过滤器组合件1500可耦合到呼气/气 体/化学品储存容器或外部预浓缩器，例如，图9中所示的预浓缩器/呼气收集袋902。或 者，组合的干式过滤器组合件与除湿隔室可直接耦合到气体分析系统。举例来说，在图 1A到1B及图5到9中所示的气体分析系统中，组合的干式过滤器组合件与除湿隔室可 为过滤器/阀104的部分或在图10、13或14的气体分析系统中，可为过滤器/阀104的 部分的组合的干式过滤器组合件与除湿隔室可替换或补充过滤器1006。

过滤器组合件1500包含耦合到除湿模块1504的干式过滤器组合件1502。在此实施 例中，除湿模块可为桥接于干式过滤器组合件1502与呼气收集容器或气体分析系统(过 滤器组合件1500耦合到其)之间的小的独立配接器隔室。当首先由干式过滤器组合件 1502针对微粒、微杆菌(microbacteria)及/或病毒过滤所呼出的呼气时，空气仍含有高 湿度(＞90％)。当空气继续行进穿过除湿隔室时，由隔室中所含有的盐化合物进一步过 滤水蒸气。接着，最后的干燥的所呼出空气由容器收集或由系统直接分析。

干式过滤器组合件1502包含入口1506、出口1508及位于入口与出口之间的干式过 滤器1510。在一个实施例中，干式过滤器1510可为HEPA过滤器，但在其它实施例中， 干式过滤器1510可为另一类型的过滤器或不同类型的过滤器的组合。在一个实施例中， 入口1506可为可弃式吹嘴，患者可通过吹嘴呼气到过滤器组合件中，而在其它实施例 中，整个干式过滤器组合件1502可为可弃的。在另外其它实施例中，整个过滤器1500 (包含干式过滤器组合件1502及除湿隔室1504)可为可弃的。

除湿模块1504包含入口1512、除湿隔室1514及出口1516。在一个实施例中，除 湿隔室1514装填有对分子水具有高亲和性的化合物，例如，可吸收大量水且可用以直 接从所呼出的呼气有效地吸收湿气的少量盐化合物。可使用的盐化合物的实例包含氯化 锂(LiCl)、溴化锂(LiBr)、碘化锂(LiI)及溴化钠(NaBr)。在其它实施例中，可 使用其它化合物，例如非离子盐化合物。在一个实施例中，化合物可呈粉末形式，但在 其它实施例中，其可呈粒状形式、呈多孔固体形式或呈某一其它形式。在另外其它实施 例中，可将化合物涂覆于多孔衬底上，且接着，将所涂覆的多孔衬底装填到除湿隔室中。 在一个实施例中，多孔衬底可为透气媒体/膜(例如，玻璃绒)，但在其它实施例中，可 使用其它类型的多孔衬底。将使用的化合物的量取决于在其需要替换或更新之前的取样 空气的量及迭代的数目；在一些实施例中，针对1L的空气取样仅需要几克。当潮湿空 气流动穿过隔室时，盐化合物将因其强亲水性而强烈地吸引水蒸气。因此，行进穿过所 揭示的除湿隔室的空气将在其输出处产生无湿气或低湿气样本。

图16图解说明过滤器组合件的一对替代实施例1600及1650。过滤器组合件1600 及1650包含与过滤器组合件1500实质上相同的组件，但在过滤器组合件1600中，除 湿隔室1514集成到干式过滤器组合件1502的出口1508中。在过滤器组合件1650中， 除湿隔室1514替代地集成到干式过滤器组合件1502的入口1506中。

图17A到17B图解说明将干式过滤器与除湿隔室集成于同一组合件中的过滤器 1700及1750的另外实施例。在过滤器组合件1700中，除湿隔室1514集成到干式过滤 器1502的主体中，以使得其在干式过滤器1510的下游。在其它实施例中，除湿隔室1514 可位于干式过滤器1510的上游。在过滤器1750中，干式过滤与除湿组合于可位于入口 1506与出口1508之间的过滤器组合件中的单个过滤器1752中。过滤器1752可通过涂 覆吸水化合物(其可为上文针对除湿隔室1514所提及的化合物中的至少任一者)直接 形成于多孔衬底上。在一个实施例中，多孔衬底可为玻璃绒，但在其它实施例中，其可 为向空气流提供所涂覆化合物的大表面面积的某一其它类型的多孔过滤器或透气膜。其 可有效地防止湿气行进穿过经处理的过滤器，因此在单个过滤器中实现干式过滤及除 湿。

图18图解说明可耦合到气体分析系统或集成于气体分析系统内或者用作外部设备 的可再用除湿组合件1800的实施例。举例来说，在图1A到1B及图5到9中所示的气 体分析系统的实施例中，除湿组合件可为过滤器/阀104的部分或可位于过滤器/阀104 的上游或下游。在图10、13或14的气体分析系统中，除湿组合件1800可替换或补充 过滤器1006。此小型化的除湿组合件的可再用性尤其有益于用于环境监视的便携式气体 分析系统，在环境监视中在不使用可弃式部件的情况下，可需要潮湿气体取样的多次迭 代。

组合件1800包含三通阀TV1，其使潮湿空气入口1802耦合到其第一端口、使干燥 空气入口1804耦合到其第二端口且使流体连接1806耦合于其第三端口与除湿隔室1809 的入口之间。除湿隔室1809类似于隔室1514且存在相同变化形式。流体连接1810耦 合到除湿隔室1809的出口。盐化合物对水的吸收及解吸收通常为可逆的。可通过热处 理从盐化合物驱离分子水，类似于由盐水形成氯化钠。因此，加热器1808耦合到除湿 隔室1809。在一个实施例中，加热器1808可为单独的加热器单元，但在其它实施例中， 加热器1808可与除湿隔室1809整体地形成。在另外其它实施例中，可以某一其它方式 将热量施加到除湿隔室1809。

在操作中，除湿组合件1800具有两个模式：移除模式及弃置模式。在移除模式期 间，三通阀TV1经设定以允许流体流动穿过潮湿空气入口1802、流体连接1806、除湿 隔室1809及出口流体连接1810，如由图中的流动路径①所示。在弃置模式期间，三通 阀TV1经设定以允许流体流动穿过干燥空气入口1804、流体连接1806、除湿隔室1809 及出口1810，如由图中的流动路径②所示。当干燥空气流动穿过系统时，激活加热器1808 以加热除湿隔室1809以使得隔室中所捕获的水被释放且通过出口1810载运走。

图19图解说明可集成于气体分析系统内或用作外部设备的可再用除湿组合件1900 的替代实施例。组合件1900包含第一三通阀TV1，其使潮湿空气入口1902耦合到其第 一端口、使干燥空气入口1904与捕集器1906耦合到其第二端口且使流体连接1908耦 合于其第三端口与除湿隔室1909的入口之间。捕集器1902可为用以在通过入口1804 进入的干燥空气直接来自环境的情况下过滤来自周围空气的所有化学品/VOC及湿气的 吸附剂捕集器。吸附剂捕集器为用以产生清洁空气的常见方法，但其也无法在不如同使 用盐化合物的所揭示实施例一样阻挡VOC的情况下选择性地移除湿气。除湿隔室1909 类似于隔室1514且存在相同变化形式。

加热器1910耦合到除湿隔室1909。在一个实施例中，加热器1910可为单独的加热 器单元，但在其它实施例中，加热器1910可与除湿隔室1909整体地形成。在另外其它 实施例中，可以某一其它方式将热量施加到除湿隔室1909。流体连接1912从除湿隔室 1909的出口耦合到第二三通阀TV2的第一端口。三通阀TV2的第二端口通过流体连接 1914耦合到泵P的入口，且泵P的出口耦合到流体连接1916。三通阀TV2的第三端口 耦合到流体连接1918，流体连接1918接着可耦合到装置组合件1900将与其一起使用的 任何装置。

在操作中，除湿组合件1900具有两个操作模式：移除模式及弃置模式。在取样模 式期间，三通阀TV1及TV2经设定以允许流体流动穿过潮湿空气入口1902、流体连接 1908、除湿隔室1909、流体连接1912、三通阀TV2及流体连接1918，如由图中的流动 路径①所示。在弃置模式期间，三通阀TV1及TV2经设定以允许流体流动穿过干燥空 气入口1904、捕集器1906、流体连接1908、除湿隔室1909、出口1912、三通阀TV2 及出口1914，如由图中的流动路径②所示。泵P可用以产生用于清洗系统的流体流。当 干燥空气流动穿过系统时，激活加热器1910以加热除湿隔室1909，以使得隔室中所捕 获的水被释放且通过出口1916载运走。在更新除湿隔室之后，接着可再次以取样模式 使用设备直到隔室水饱和，此时使所述组合件经历另一弃置循环。

装置应用

关于人呼气分析的临床前研究已发现，人所呼出的呼气的某些挥发性有机化合物 (VOC)与某些疾病相关，例如，肺炎、肺结核(TB)、哮喘、肺癌、肝病、肾病等。 所述相关性尤其可证明与肺相关的疾病。当前分析系统仍依赖于大且昂贵的实验室仪 器，例如，气体色谱仪(GC)及质谱仪(MS)。明确地说，质谱仪不可小型化，从而 使不可广泛地使用这些诊断仪器。

上文所论述的基于MEMS的气体分析传感器的实施例提供对此问题的解决方案， 且明确地说可有利地用以诊断及监视各种疾病，例如，哮喘、肺癌、与肺相关的疾病及 其它非肺疾病(例如，肾病及肝病等)。

哮喘

哮喘为慢性疾病；因此，规则地监视患者的状态有助于医生追踪患者的康复进展。 因此，手持式诊断装置的新想法将使得可在家或任何地方进行呼气分析。在当前诊断装 置中，基本测量是峰值流动速率且英国胸科协会(British Thoracic Society)使用以下诊 断准则，但峰值流动速率为物理量测量。呼气分析可通过测量来自患者的呼气的VOC 来提供支气管收缩的特定根本原因。基于MEMS的气体分析系统的实施例可用以监视 药物的效力。此外，可借助通过使用此基于家的装置的此积极监视而针对个别患者定制 药物疗法。

结核

世界上现有人口的三分之一已感染了TB。且75％的病例为肺TB。发展中国家的感 染率远远高于发达国家。因此，迫切需要开发发展中国家买得起的诊断装置。基于MEMS 的气体分析系统的实施例将提供成本高效的解决方案。结核由分枝杆菌引起。当前诊断 耗时且困难，因为培养生长慢的分枝杆菌花费大约6周。因此，使用完整的医疗评估(包 含胸部X光、结核放射检查、结核菌素皮肤测试、微生物涂片及培养)以得到更准确的 评估。因此，迅速诊断非常有价值且呼气分析方法可实现此些需要。

肺癌

通过早检测早治疗，肺癌的5年生存率明显地改善。当前的诊断方法(例如，胸部 X光及CT(计算断层照相法)扫描)难以检测早期肺癌。使用基于MEMS的气体分析 系统的实施例的呼气分析可诊断早期肺癌。

具有类似症状的与肺相关的疾病的分类

对呼出的VOC的呼气分析为用以识别患者的与肺相关的疾病(其具有类似症状) 的可行方法。举例来说，基于MEMS的气体分析系统的实施例可向医生提供测试数据 以分类患者将患的疾病为感冒、肺癌或肺炎当中的哪一种。在进行更繁重的诊断测量之 前，呼气分析因其简单性而将为第一筛选测试。

包含发明摘要中所述内容的本发明的所图解说明实施例的以上说明并非打算作为 穷尽性或将本发明限定为所揭示的精确形式。虽然出于图解说明性目的而在本文中描述 本发明的特定实施例及实例，但如所属领域的技术人员将认识到，可在本发明的范围内 做出各种等效修改。可根据以上详细说明对本发明做出这些修改。

以上权利要求书中使用的术语不应理解为将本发明限定于说明书及权利要求书中 所揭示的特定实施例。相反，本发明的范围将完全由以上权利要求书来确定，所述权利 要求书应根据所确立的权利要求书解释原则来理解。