該申請請求于2014年3月7日提交的序號為61/949,858的美國臨時專利申請以及于2015年1月30日提交的序號為62/110,141的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，該兩個申請中的每個申請的內(nèi)容通過引用合并到本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請大體上涉及檢測裝置領(lǐng)域。更特別地，本申請涉及利用三電極恒電勢器以并發(fā)方式來檢測生物分子和其它目標(biāo)分析物的設(shè)備和方法。

背景技術(shù)：

設(shè)計便宜的、一次性使用的且可生物降解的診斷和分析平臺的能力對于衛(wèi)生保健和環(huán)境而言是很有價值的。已經(jīng)確定的是生物分子的基于大小的限制對于實現(xiàn)提高的診斷敏感性是關(guān)鍵性的。通常，通過如用于互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)的復(fù)雜的制造工藝來實現(xiàn)基于大小的限值，然而復(fù)雜的制造工藝增加了單位成本并且增加了技術(shù)的實際成本。低成本技術(shù)使用印刷電路板，然而印刷電路板難于處理并且由于差的生物降解性而增加了環(huán)境成本。已經(jīng)開發(fā)了通常使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)的紙基微流體；然而，關(guān)于實現(xiàn)表面上的受控流體流動，問題仍然存在。

類似地，當(dāng)前可購得的市場恒電勢器在聚焦于適用于大范圍的電/電化學(xué)技術(shù)的情況下進行設(shè)計。這導(dǎo)致過大的形狀因數(shù)和用于它們的構(gòu)造中的昂貴的部件。此外，它們被設(shè)計以用于電化學(xué)應(yīng)用。關(guān)于這樣的市場恒電勢器的具體問題包括以下實際情況：它們具有大的裝置形狀因數(shù)，使得其難以用于即時檢測(point-of-care)設(shè)置中；在低電流和低電壓設(shè)置處具有高的噪聲；具有昂貴和重復(fù)的軟件和固件成本；具有模擬串行輸入/輸出接口；以及在全球應(yīng)用中具有低的魯棒性并且具有非普適性。在另一極端，手持便攜式恒電勢器在定制性和適用性方面非常局限于一系列應(yīng)用。便攜式恒電勢器對于生物應(yīng)用而言并非噪聲有效的，并且因此缺乏魯棒性。關(guān)于手持恒電勢器的具體問題包括：在低電流和低電壓設(shè)置處的高的噪聲；對于生物感測應(yīng)用而言的低的魯棒性；以及對于電化學(xué)應(yīng)用的最少的操作選擇。

當(dāng)前可購得的市場恒電勢器可獲得為兩電極系統(tǒng)和三電極系統(tǒng)。當(dāng)前可購得的兩電極恒電勢器和三電極恒電勢器兩者均在兩個電極之間施加單個輸入電壓。該施加的單個輸入電壓在檢測目標(biāo)分析物時遭受有限的特異性。

因此，仍需要在檢測目標(biāo)分析物時具有增加的特異性的、可負(fù)擔(dān)的、高效的、可生物降解的診斷平臺。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

請求保護的本發(fā)明的示例性實施方式包括用于以手持電勢計來執(zhí)行阻抗譜的設(shè)備和方法。

示例性實施方式包括一種使用手持測量裝置和共形分析物傳感器電路來檢測或量化樣本中的多種目標(biāo)分析物的方法，該方法包括以下步驟：(a)將包含多種目標(biāo)分析物的樣本置于具有傳感器電路的共形襯底上，其中傳感器電路包括第一電極、第二電極和第三電極；(b)以第一相位角在第一電極與第二電極之間施加第一交流輸入電壓；(c)以第二相位角在第三電極與第二電極之間施加第二交流輸入電壓，其中，第一相位角和第二相位角相隔恒定的相位角增量；(d)在不同頻率處測量輸出電流并且針對不同分析物來改變相位角；(e)使用可編程增益放大器來放大從第一電極和第三電流流出并且流過第二電極的輸出電流；(f)將雙電層劃分成多個平面，其中，雙電層接近于第一電極的表面、第二電極的表面和第三電極的表面；(g)改變第一輸入電壓的第一相位角和第二輸入電壓的第二相位角；(h)識別發(fā)生最大阻抗變化處的第一相位角和第二相位角；(i)測量在第一相位角和第二相位角處識別的阻抗；以及(j)使用在不同頻率下測量的阻抗和相關(guān)聯(lián)的相位角、通過利用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線來檢測多種目標(biāo)分析物或計算目標(biāo)分析物的濃度。

特定實施方式包括分析物傳感器電路，該分析物傳感器電路包括：襯底，該襯底具有表面，該表面包括在電路設(shè)計中位于該表面上的導(dǎo)電材料(具有或沒有織構(gòu)式多孔結(jié)構(gòu))，從而產(chǎn)生包括第一電極、第二電極和第三電極的電路；可編程增益放大器，其能夠操作地耦接至第一電極、第二電極和第三電極；以及可編程微控制器，其能夠操作地耦接至可編程增益放大器、第一電極、第二電極和第三電極，其中，可編程微控制器被配置成：(a)在共形分析物傳感器電路的第一電極與第二電極之間施加第一交流輸入電壓；(b)以第二相位角在第三電極與第二電極之間施加第二交流輸入電壓，其中，第一相位角和第二相位角相隔恒定的相位角增量；(c)使用可編程增益放大器來放大從第一電極和第三電極流出并且流過第二電極的輸出電流；(d)將雙電層在三維空間中劃分成多個平面，其中，雙電層接近于第一電極的表面、第二電極的表面和第三電極的表面；(e)改變第一輸入電壓的第一相位角和第二輸入電壓的第二相位角；(f)識別發(fā)生最大阻抗變化處的第一相位角和第二相位角；(g)測量在第一相位角和第二相位角處識別的阻抗；以及(i)使用所測量的阻抗、通過利用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線來檢測目標(biāo)分析物或計算目標(biāo)分析物的濃度。

在某些實施方式中，裝置包括另外的電路并且每個電路包括第一電極、第二電極和第三電極，所述第一電極、第二電極和第三電極中的每一個能夠操作地耦接至可編程增益放大器。在特定實施方式中，可編程微控制器被配置成針對另外的電路中的每一個來執(zhí)行步驟(a)至步驟(i)。

示例性實施方式包括被配置成檢測和量化分析物的裝置，該裝置包括：共形傳感器電路；耦接至共形傳感器電路的手持讀取器，其中，裝置被配置成同時檢測和量化來自單個樣本的多種目標(biāo)分析物。

在某些實施方式中，共形傳感器電路包括：襯底，該襯底具有表面，該表面包括在電路設(shè)計中位于該表面上的導(dǎo)電材料，從而產(chǎn)生包括第一電極、第二電極和第三電極的電路；可編程增益放大器，其能夠操作地耦接至第一電極、第二電極和第三電極；以及可編程微控制器，其能夠操作地耦接至可編程增益放大器、第一電極、第二電極和第三電極，其中，可編程微控制器被配置成：(a)在共形分析物傳感器電路的第一電極與第二電極之間施加第一交流輸入電壓；(b)以第二相位角在第三電極與第二電極之間施加第二交流輸入電壓，其中，第一相位角和第二相位角相隔恒定的相位角增量；(c)使用可編程增益放大器來放大從第一電極和第三電極流出并且流過第二電極的輸出電流；(d)將雙電層在三維空間中劃分成多個平面，其中，雙電層接近于第一電極的表面、第二電極的表面和第三電極的表面；(e)改變第一輸入電壓的第一相位角和第二輸入電壓的第二相位角；(f)識別發(fā)生最大阻抗變化處的第一相位角和第二相位角；(g)測量在第一相位角和第二相位角處識別的阻抗；以及(i)使用所測量的阻抗、通過利用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線來檢測目標(biāo)分析物或計算目標(biāo)分析物的濃度。

示例性實施方式包括一種使用手持測量裝置和共形分析物傳感器電路來檢測或量化樣本中的目標(biāo)分析物的方法，該方法包括以下步驟：(a)將包含多種目標(biāo)分析物的樣本置于具有傳感器電路的共形襯底上，其中傳感器電路包括第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、第五電極和第六電極；(b)以第一相位角在第一電極與第二電極之間施加第一交流輸入電壓；(c)以第二相位角在第三電極與第二電極之間施加第二交流輸入電壓，其中，第一相位角和第二相位角相隔第一恒定相位角增量；(d)在第一頻率范圍內(nèi)的不同頻率處測量第一輸出電流并且使相位角在第一相位角范圍內(nèi)變化；(e)使用可編程增益放大器來放大從第一電極和第三電極流出并且流過第二電極的第一輸出電流；(f)將第一雙電層在三維空間中劃分成多個平面，其中，第一雙電層接近于第一電極的表面、第二電極的表面和第三電極的表面；(g)使第一輸入電壓的第一相位角和第二輸入電壓的第二相位角在第一相位角范圍內(nèi)變化；(h)識別發(fā)生第一最大阻抗變化處的第一相位角和第二相位角；(i)測量在第一相位角和第二相位角處識別的阻抗；(j)使用在不同頻率處測量的阻抗、通過利用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線來檢測第一目標(biāo)分析物或計算第一目標(biāo)分析物的濃度；(k)以第三相位角在第四電極與第五電極之間施加第三交流輸入電壓；(l)以第四相位角在第六電極與第五電極之間施加第四交流輸入電壓，其中，第三相位角和第四相位角相差第二恒定相位角增量；(m)在第二頻率范圍內(nèi)的不同高頻率處測量第二輸出電流并且使相位角在第二相位角范圍內(nèi)變化；(n)使用可編程增益放大器來放大從第四電極和第六電極流出并且流過第五電極的第二輸出電流；(o)將第二雙電層劃分成多個平面，其中，第二雙電層接近于第四電極的表面、第五電極的表面和第六電極的表面；(p)使第三輸入電壓的第三相位角和第四輸入電壓的第四相位角在第二相位角范圍內(nèi)變化；(q)識別發(fā)生第二最大阻抗變化處的第三相位角和第四相位角；(r)測量在第三相位角和第四相位角處識別的阻抗；以及(s)使用在不同頻率下測量的阻抗和相位角、通過利用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線來檢測第二目標(biāo)分析物或計算第二目標(biāo)分析物的濃度。在特定實施方式中，同時執(zhí)行步驟(a)至步驟(j)與步驟(k)至步驟(s)。

在某些實施方式中，第一頻率范圍和第二頻率范圍不同。在特定實施方式中，第一相位角范圍和第二相位角范圍不同。在一些實施方式中，第一頻率范圍和第二頻率范圍相同。在特定實施方式中，第一相位角范圍和第二相位角范圍相同。

示例性實施方式包括一種使用手持測量裝置和共形分析物傳感器電路來檢測或量化樣本中的目標(biāo)分析物的方法，該方法包括以下步驟：(a)在共形分析物傳感器電路的第一電極與第二電極之間施加第一輸入電壓；(b)在共形分析物傳感器電路的第三電極與第二電極之間施加第二輸入電壓；(c)使用可編程增益放大器來放大從第一電極和第三電極流出并且流過第二電極的輸出電流；(d)使用可編程微控制器通過將第一輸入電壓和第二輸入電壓與輸出電流進行比較來計算阻抗；以及(e)使用可編程微控制器根據(jù)所計算的阻抗來檢測目標(biāo)分析物或計算目標(biāo)分析物濃度。

示例實施方式包括一種使用手持測量裝置和共形分析物傳感器電路來檢測或量化樣本中的多種目標(biāo)分析物的方法，該方法包括以下步驟：(a)在共形分析物傳感器電路的第一電極與第二電極之間施加第一輸入電壓；(b)在共形分析物傳感器電路的第三電極與第二電極之間施加第二輸入電壓；(c)改變第二輸入電壓的電場的角定向；(d)使用可編程增益放大器來放大流過第一電極的輸出電流；(e)通過將電場的角定向與輸出電流進行比較來檢測一種或更多種目標(biāo)分析物的存在?？梢詼y量的分析物的類型包括液體分析物或混入液體中的氣體分析物。

在示例性實施方式中，第一輸入電壓和第二輸入電壓具有在50Hz與5000Hz之間的頻率。在某些實施方式中，第一輸入電壓和第二輸入電壓為正弦曲線的和/或鋸齒波和/或方波。在特定實施方式中，第一輸入電壓和第二輸入電壓在100mV與500mV之間，或者更特別地在50mV與200mV之間，或者更加特別地在5mV與20mV之間。

在特定實施方式中，輸出電流在10pA與10mA之間，或者更特別地在10pA與100nA之間，或者更特別地在100nA與10mA之間。在某些實施方式中，輸出電流通過1與200之間的因子被放大。特定實施方式還包括通過施加快速傅里葉變換來計算作為頻率的函數(shù)的阻抗以及/或者使用拉普拉斯變換來計算作為頻率的函數(shù)的阻抗。某些實施方式還包括使用多層分割和信號分析來計算作為頻率的函數(shù)的阻抗。在特定實施方式中，角定向在0度與360度之間變動。特定實施方式還包括顯示所計算的目標(biāo)分析物濃度。某些實施方式還包括顯示所計算的阻抗。特定實施方式還包括在LCD顯示器上顯示輸出。特定實施方式還包括在智能電話上顯示輸出。某些實施方式還包括使用小型操縱桿來提供輸入。特定實施方式還包括使用智能電話來提供輸入。在特定實施方式中，測量的阻抗是非法拉第的。

在某些實施方式中，共形分析物傳感器電路包括：具有上表面的固體襯底，其中，襯底包括多孔納米織構(gòu)襯底；以及導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料在電路設(shè)計中位于固體襯底的上表面上，從而產(chǎn)生包括第一電極、第二電極和第三電極的電路。在特定實施方式中，多孔納米織構(gòu)襯底具有10×10⁷至10×10¹⁸孔隙/mm²的孔隙率，或者更特別地10×10¹⁰至10×10¹³孔隙/mm²的孔隙率。在特定實施方式中，多孔納米織構(gòu)襯底為絕緣襯底。在某些實施方式中，多孔納米織構(gòu)襯底為紙或硝化纖維。在特定實施方式中，導(dǎo)電材料為導(dǎo)電墨或半導(dǎo)電墨。在特定實施方式中，半導(dǎo)電墨包括碳墨和添加物，以及在某些實施方式中，導(dǎo)電墨為加入了碳、銀或者金屬或金屬氧化物納米顆粒的碳墨。

在特定實施方式中，加入了金屬或金屬氧化物納米顆粒的碳墨加入了按體積計的1％的金、鉑、鉭、銀、銅、錫、銦錫氧化物、石墨烯、石墨烯氧化物、氧化鋅、氧化鈦、氧化鐵或氧化鉬。在特定實施方式中，電路是非線性電路，并且在某些實施方式中，電路為非歐姆電路。某些實施方式包括基電極表面，以及在特定實施方式中，基電極表面還耦接至源電路。在特定實施方式中，源電路包括恒電勢器和/或電壓源，以及/或者電流源。

在某些實施方式中，電路不包含捕獲配體或標(biāo)記分子。在特定實施方式中，共形分析物傳感器還包括氧化還原材料。

在示例性實施方式中，分析物傳感器電路通過以下方法進行裝配，該方法包括：(a)提供固體多孔納米織構(gòu)襯底；以及(b)使用導(dǎo)電材料將分析物傳感器電路設(shè)計轉(zhuǎn)移到多孔納米織構(gòu)襯底的上表面上。在某些實施方式中，轉(zhuǎn)移電路設(shè)計包括浸漬涂覆。在特定實施方式中，電路的特征分辨率達(dá)到100納米/0.1微米。在特定實施方式中，轉(zhuǎn)移電路設(shè)計包括凸印。在某些實施方式中，電路的特征分辨率達(dá)到100納米/0.1微米。在特定實施方式中，轉(zhuǎn)移電路設(shè)計包括在3D打印機上設(shè)計電路并且將電路凸印到襯底上。在特定實施方式中，電路的特征分辨率達(dá)到100納米/0.1微米。在某些實施方式中，電路設(shè)計包括掩膜和光刻。在特定實施方式中，電路的特征分辨率為1至10微米。

示例性實施方式包括一種用于測量目標(biāo)分析物的手持裝置，該手持裝置包括：(a)可編程增益放大器，其被配置成能夠操作地耦接至第一電極、第二電極和第三電極；(b)可編程微控制器，其能夠操作地耦接至可編程增益放大器、第一電極、第二電極和第三電極；其中，可編程微控制器能夠操作成在第一電極與第二電極之間施加第一交流輸入電壓；可編程微控制器能夠操作成在第三電極與第二電極之間施加第二交流輸入電壓；可編程增益放大器能夠操作成放大從第一電極和第三電極流出并且流過第二電極的交流輸出電流；可編程微控制器能夠操作成通過將第一輸入電壓和第二輸入電壓與測量的輸出電流進行比較來計算阻抗；以及可編程微控制器能夠操作成根據(jù)計算的阻抗來計算目標(biāo)分析物濃度。

示例性實施方式包括一種用于測量目標(biāo)分析物的手持裝置，該手持裝置包括：(a)可編程增益放大器，其被配置成能夠操作地耦接至第一電極、第二電極和第三電極；(b)可編程微控制器，其能夠操作地耦接至可編程增益放大器、第一電極、第二電極和第三電極；其中，可編程微控制器能夠操作成在第一電極與第二電極之間施加第一交流輸入電壓；可編程微控制器能夠操作成在第三電極與第二電極之間施加第二交流輸入電壓；可編程增益放大器能夠操作成改變第二交流輸入電壓的電場的角定向；可編程增益放大器能夠操作成放大流過第三電極的交流輸出電流；可編程微控制器能夠操作成計算交流輸出電流的幅度；以及可編程微控制器能夠操作成通過將角定向與交流輸出電流的幅度進行比較來檢測一種或更多種目標(biāo)分析物的存在。

在手持測量裝置的某些實施方式中，可編程微控制器能夠操作成施加具有在50Hz與1000Hz之間的頻率的第一交流輸入電壓和第二交流輸入電壓。在特定實施方式中，可編程微控制器能夠操作成施加為正弦曲線的第一交流輸入電壓和第二交流輸入電壓。在特定實施方式中，可編程微控制器能夠操作成施加為鋸齒波的第一交流輸入電壓和第二交流輸入電壓。在某些實施方式中，可編程微控制器能夠操作成施加為方波的第一交流輸入電壓和第二交流輸入電壓。在特定實施方式中，可編程增益放大器具有在1與200之間的可變增益。在特定實施方式中，微控制器能夠操作成施加在5mV與500mV之間的第一交流輸入電壓和第二交流輸入電壓。在某些實施方式中，手持測量裝置能夠操作成檢測10pA或更大的輸出電流。在特定實施方式中，可編程微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在特定實施方式中，可編程微控制器能夠操作成對輸入電壓和輸出電流施加快速傅里葉變換以計算作為頻率的函數(shù)的阻抗。在某些實施方式中，可編程微控制器能夠操作成對輸入電壓和輸出電流施加拉普拉斯變換以計算作為頻率的函數(shù)的阻抗。在特定實施方式中，可編程微控制器能夠操作成使用多層分割和信號分析來確定阻抗變化最大或最小處的頻率。在特定實施方式中，可編程微控制器能夠操作成將角定向從0度改變至360度。

某些實施方式還包括：液晶顯示器，其能夠操作地耦接至可編程微控制器；小型操縱桿，其能夠操作地耦接至可編程微控制器；其中，小型操縱桿能夠操作成允許用戶提供輸入；以及液晶顯示器能夠顯示輸出數(shù)據(jù)。特定實施方式還包括能夠操作地耦接至可編程微控制器的智能電話；其中，智能電話能夠操作成允許用戶提供輸入；以及，智能電話能夠顯示輸出數(shù)據(jù)。在特定實施方式中，輸出數(shù)據(jù)包括目標(biāo)分析物濃度。在某些實施方式中，輸出數(shù)據(jù)包括阻抗。在特定實施方式中，手持測量裝置不包含氧化還原探針。

示例性實施方式包括一種通過測試具有已知目標(biāo)分析物濃度的多個溶液來校準(zhǔn)手持測量裝置的方法，該方法包括：(a)對于多個溶液中的每一個在第一電極與第二電極之間施加第一輸入電壓；(b)針對多個溶液中的每一個在第三電極與第二電極之間施加第二輸入電壓；(c)使用可編程增益放大器來放大從第一電極和第三電極流出并且流過第二電極的輸出電流；(d)使用可編程微控制器針對多個溶液中的每一個通過將第一輸入電壓和第二輸入電壓與輸出電流進行比較來計算阻抗；(e)計算等式z_i＝b₁x²+b₂x+c的系數(shù)，其中，z_i為阻抗，x為已知目標(biāo)分析物濃度，以及b₁、b₂和c為系數(shù)。

示例性實施方式包括成套裝置，該成套裝置包括本文所述的共形電路和手持測量裝置。

在一些實施方式中，手持電勢計包括LCD屏幕、小型操縱桿、第一電極端口、第二電極端口、第三電極端口、可編程微控制器和可編程增益放大器。在其它實施方式中，手持電勢計包括智能電話、電纜、恒電勢器適配器、第一電極端口、第二電極端口、第三電極端口、可編程微控制器和可編程增益放大器。在一些實施方式中，手持電勢計包括可編程微處理器，而不是可編程微控制器。

在一些實施方式中，一種用于測量目標(biāo)分析物的手持裝置，包括：(a)可編程增益放大器，其被配置成能夠操作地耦接至第一電極、第二電極和第三電極；(b)可編程微控制器，其能夠操作地耦接至可編程增益放大器、第一電極、第二電極和第三電極，其中，可編程微控制器能夠操作成在第一電極與第二電極之間施加交流輸入電壓并且在第三電極與第二電極之間施加交流輸入電壓；可編程增益放大器能夠操作成放大從第一電極流出并且流過第二電極的交流輸出電流以及放大從第三電極流出并且流過第二電極的交流輸出電流；可編程微控制器可能操作成通過將輸入電壓與測量的輸出電流進行比較來計算阻抗；以及可編程微控制器能夠操作成根據(jù)計算的阻抗來計算目標(biāo)分析物濃度。

在一些實施方式中，一種用于測量目標(biāo)分析物的手持裝置，包括：(a)可編程增益放大器，其被配置成能夠操作地耦接至第一電極、第二電極和第三電極；(b)可編程微控制器，其能夠操作地耦接至可編程增益放大器、第一電極、第二電極和第三電極，其中，可編程微控制器能夠操作成在第一電極與第二電極之間施加交流輸入電壓并且在第三電極與第二電極之間施加交流輸入電壓；可編程微控制器能夠操作成改變第三電極與參考電極之間的電場的定向；可編程增益放大器能夠操作成確定第三電極處的電流響應(yīng)；以及可編程微控制器能夠操作成基于與定向角度相比的電流響應(yīng)來確定多種目標(biāo)分析物的存在。

在一些實施方式中，第三-第二電極電場具有與第一-參考電極電場相同的定向。在一些實施方式中，第三-第二電極電場垂直于第一-第二電極電場的定向。在一些實施方式中，第三-第二電極電場的定向相對于第一-第二電極電場從0度變化至360度。在一些實施方式中，第三電極平行于第一電極和第二電極。在其它實施方式中，第三電極垂直于第一電極和第二電極。在一些實施方式中，可編程微控制器能夠操作成在第一電極與第二電極之間以及在第三電極與第二電極之間施加具有50Hz與1000Hz之間的頻率的輸入電壓。在一些實施方式中，可編程微控制器能夠操作成施加為正弦曲線的輸入電壓。在一些實施方式中，可編程微控制器能夠操作成施加為鋸齒波的輸入電壓。在一些實施方式中，可編程微控制器能夠操作成施加為方波的輸入電壓。在一些實施方式中，可編程增益放大器具有在1與200之間的可變增益。在一些實施方式中，微控制器能夠操作成施加在10mV與2V之間的輸入電壓。在一些實施方式中，手持測量裝置能夠操作成檢測10pA或更大的輸出電流。在一些實施方式中，可編程微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在一些實施方式中，可編程微控制器能夠測量輸入電壓與輸出電流的相位差。在一些實施方式中，可編程微控制器能夠操作成對輸入電壓和輸出電流施加快速傅里葉變換以計算作為頻率的函數(shù)的阻抗。在一些實施方式中，可編程微控制器能夠操作成對輸入電壓和輸出電流施加拉普拉斯變換以計算作為頻率的函數(shù)的阻抗。在一些實施方式中，可編程微控制器能夠操作成使用多層分割和信號分析來確定阻抗變化最大或最小處的頻率。在一些實施方式中，裝置還包括：液晶顯示器，其能夠操作地耦接至可編程微控制器；小型操縱桿，其能夠操作地耦接至可編程微控制器；其中，小型操縱桿能夠操作成允許用戶提供輸入；以及液晶顯示器能夠顯示輸出數(shù)據(jù)。在一些實施方式中，裝置還包括能夠操作地耦接至可編程微控制器的智能電話；其中，智能電話能夠操作成允許用戶提供輸入；以及，智能電話能夠顯示輸出數(shù)據(jù)。在一些實施方式中，輸出數(shù)據(jù)包括(一個或多個)目標(biāo)分析物濃度。在一些實施方式中，手持測量裝置不包含氧化還原探針。

共形分析物傳感器電路包括多孔納米織構(gòu)襯底和在電路設(shè)計中位于固體襯底的上表面上的導(dǎo)電材料，從而產(chǎn)生包括第一電極、第二電極和第三電極的電路。根據(jù)要測量的目標(biāo)分析物來確定納米織構(gòu)襯底的孔隙率。在一些實施方式中，多孔納米織構(gòu)襯底具有在10×10⁷和10×10¹⁸孔隙/mm²處或者在10×10⁷和10×10¹⁸孔隙/mm²之間的孔隙率。在一些實施方式中，多孔納米織構(gòu)襯底具有在10×10¹⁰和10×10¹³孔隙/mm²處或者在10×10¹⁰和10×10¹³孔隙/mm²之間的孔隙率。在一些實施方式中，多孔納米織構(gòu)襯底為絕緣襯底。在一些實施方式中，多孔納米織構(gòu)襯底為紙或硝化纖維。

導(dǎo)電材料可以是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言已知的任何合適的材料。在一些實施方式中，導(dǎo)電材料為導(dǎo)電墨或半導(dǎo)電墨。在一些實施方式中，半導(dǎo)電墨包括碳墨和添加物。在一些實施方式中，導(dǎo)電墨為加入了碳、銀或者金屬或金屬氧化物納米顆粒的碳墨。在一些實施方式中，加入了金屬或金屬氧化物納米顆粒的碳墨加入了按體積計的1％的金、鉑、鉭、銀、銅、錫、銦錫氧化物、石墨烯、石墨烯氧化物、氧化鋅、氧化鈦、氧化鐵或氧化鉬。

電路可以是非線性電路或非歐姆電路。在一些實施方式中，電路還被限定為基電極表面。在一些實施方式中，基電極表面還連接至源電流。在一些實施方式中，源電流為恒電勢器。在一些實施方式中，源電路為電壓源。在一些實施方式中，源電路為電流源。在一些實施方式中，電路不包含捕獲配體或標(biāo)記分子。在一些實施方式中，共形分析物傳感器還包括氧化還原材料。

在一些實施方式中，本文所公開的共形分析物傳感器電路中的任何電路通過以下方法進行裝配，該方法包括：(a)提供固體多孔納米織構(gòu)襯底；以及(b)使用導(dǎo)電材料將分析物傳感器電路設(shè)計轉(zhuǎn)移到多孔納米織構(gòu)襯底的上表面上。在一些實施方式中，轉(zhuǎn)移電路設(shè)計包括浸漬涂覆。在這樣的實施方式中，電路的特征分辨率達(dá)到100納米/0.1微米。在一些實施方式中，轉(zhuǎn)移電路設(shè)計包括凸印。在這樣的實施方式中，電路的特征分辨率達(dá)到100納米/0.1微米。在一些實施方式中，轉(zhuǎn)移電路設(shè)計包括在3D打印機上設(shè)計電路并且將電路凸印到襯底上。在這樣的實施方式中，電路的特征分辨率達(dá)到100納米/0.1微米。在一些實施方式中，轉(zhuǎn)移電路設(shè)計包括掩膜和光刻。在這樣的實施方式中，電路的特征分辨率為1至10微米。

在一些實施方式中，公開了一種成套裝置，該成套裝置包括本文所公開的共形分析物傳感器電路中的任何共形分析物傳感器電路和本文所公開的手持測量裝置中的任何手持測量裝置。

本文所公開的手持恒電勢器和多孔納米織構(gòu)共形電路可以分開使用或者聯(lián)合使用以檢測和/或量化目標(biāo)分析物。在一些實施方式中，公開了一種檢測目標(biāo)分析物的方法，該方法包括：將樣本滴在所公開的共形分析物傳感器電路上，其中，樣本通過毛細(xì)作用穿過多孔納米織構(gòu)襯底和電路設(shè)計；將共形分析物傳感器電路附接至源電路；以及使用源電路來檢測樣本中的目標(biāo)分析物。在一些實施方式中，源電路為恒電勢器。在一些實施方式中，源電路為電壓源。在一些實施方式中，源電路為電流源。在一些實施方式中，樣本包含1至10μl的流體。在一些實施方式中，目標(biāo)分析物為蛋白質(zhì)、DNA、RNA、SNP、小分子、病原體重金屬離子或生理離子。在一些實施方式中，樣本未被標(biāo)記。在一些實施方式中，檢測目標(biāo)分析物包括檢測電變化。

在一些實施方式中，公開了一種使用手持測量裝置來檢測或量化樣本中的目標(biāo)分析物的方法，該方法包括以下步驟：(a)在第一電極與第二電極以及在第三電極與第二電極之間施加輸入電壓；(b)使用可編程增益放大器來放大從第一電極流出并且流過第二電極以及從第三電極流出并且流過第二電極的輸出電流；(c)使用可編程微控制器通過將輸入電壓與輸出電流進行比較來計算阻抗；以及(d)使用可編程微控制器根據(jù)所計算的阻抗來計算目標(biāo)分析物濃度。

在一些實施方式中，公開了一種使用手持測量裝置來檢測或量化樣本中的目標(biāo)分析物的方法，該方法包括以下步驟：(a)在第一電極與第二電極之間以及在第三電極與第二電極之間施加輸入電壓；(b)使用可編程增益放大器來放大從第一電極流出并且流過第二電極以及從第三電極流出并且流過第二電極的輸出電流；(c)改變第三電極與第二電極之間的電場的定向；(d)使用可編程微控制器來測量第三電極處的電流響應(yīng)；以及(d)使用可編程微控制器通過將電流響應(yīng)與定向進行比較來確定目標(biāo)分析物的身份。

在一些實施方式中，第三電極平行于第一電極和第二電極。在一些實施方式中，第三電極垂直于第一電極和第二電極。在一些實施方式中，第三-第二電極的電場被定向為與第一-第二電極的電場成九十度。在一些實施方式中，第三-參考電極電場具有與第一-參考電極電場相同的定向。在一些實施方式中，第三-第二電極電場的定向相對于第一-第二電極電場從0度變化至360度。在一些實施方式中，輸入電壓具有在50Hz與1000Hz之間的頻率。在一些實施方式中，輸入電壓是正弦曲線的。在一些實施方式中，輸入電壓為鋸齒波。在一些實施方式中，輸入電壓為方波。在一些實施方式中，輸入電壓在100mV與500mV之間。在一些實施方式中，輸入電壓在50mV與200mV之間。在一些實施方式中，輸入電壓在5mV與20mV之間。在一些實施方式中，輸出電流在10pA與10mA之間。在一些實施方式中，輸出電流在10pA與100nA之間。在一些實施方式中，輸出電流在100nA與10mA之間。在一些實施方式中，輸出電流通過1與200之間的因子被放大。在一些實施方式中，方法還包括通過應(yīng)用快速傅里葉變化和/或拉普拉斯變換來計算作為頻率的函數(shù)的阻抗。在一些實施方式中，方法還包括使用多層分割和信號分析來計算作為頻率的函數(shù)的阻抗。在一些實施方式中，方法還包括顯示所計算的目標(biāo)分析物濃度。在一些實施方式中，方法還包括在LCD顯示器上顯示輸出。在一些實施方式中，方法還包括在智能電話上顯示輸出。在一些實施方式中，方法還包括使用小型操縱桿來提供輸入。在一些實施方式中，方法還包括使用智能電話來提供輸入。在一些實施方式中，所測量的阻抗是非法拉第的。

在一些實施方式中，公開了一種使用手持測量裝置來檢測或量化目標(biāo)分析物的方法，該方法包括以下步驟：(a)在第一電極與第二電極之間以及在第三電極與第二電極之間施加輸入電壓；(b)使用可編程增益放大器來放大從第一電極流出并且流過第二電極以及從第三電極流出并且流過第二電極的輸出電流；(c)使用可編程微控制器來計算輸出電流的相位與第一輸入電壓的相位和第二輸入電壓的相位的差；以及(d)使用可編程微控制器通過確定輸出電流的相位的最大差來檢測一種或更多種目標(biāo)分析物的存在。在一些實施方式中，輸入電壓具有在50Hz與1000Hz之間的頻率。在一些實施方式中，輸入電壓為正弦曲線的。在一些實施方式中，輸入電壓為鋸齒波。在一些實施方式中，輸入電壓為方波。在一些實施方式中，輸入電壓在100mV與500mV之間。在一些實施方式中，輸入電壓在50mV與200mV之間。在一些實施方式中，輸入電壓在5mV與20mV之間。在一些實施方式中，輸出電流在10pA與10mA之間。在一些實施方式中，輸出電流在10pA與100nA之間。在一些實施方式中，輸出電流在100nA與10mA之間。在一些實施方式中，輸出電流通過在1與200之間的因子被放大。在一些實施方式中，方法還包括顯示所計算的目標(biāo)分析物濃度。在一些實施方式中，方法還包括在LCD顯示器上顯示輸出。在一些實施方式中，方法還包括在智能電話上顯示輸出。在一些實施方式中，方法還包括使用小型操縱桿來提供輸入。在一些實施方式中，方法還包括使用智能電話來提供輸入。

手持電勢計通過在第一電極與第二電極之間以及在第三電極與第二電極之間施加交流電壓來檢測目標(biāo)分析物的濃度。在第一電極與第二電極之間施加的交流電壓在相位上和在第三電極與第二電極之間施加的電壓相差90度。施加的交流電壓引起從第一電極流出并且流過第二電極的電流以及從第三電極流出并且流過第二電極的電流。最終的電流被可編程放大器進行放大并且傳遞至可編程微控制器。可編程微控制器將施加的電壓與最終的電流進行比較以計算測試樣本的阻抗。阻抗被用于計算測試樣本中的目標(biāo)分析物的濃度。在一些實施方式中，為了使用手持電勢計來執(zhí)行對目標(biāo)分析物的測試，首先通過測試并且計算包含已知量的目標(biāo)分析物的樣本的阻抗來校準(zhǔn)手持電勢計。在一些實施方式中，系統(tǒng)施加不同頻率的電壓，并且針對特定測試分析物確定發(fā)生最大阻抗變化處的頻率。

請求保護的系統(tǒng)可以在不使用氧化還原電極的情況下通過測試樣本來執(zhí)行非法拉第電化學(xué)阻抗譜(EIS)。

在一些實施方式中，本文公開了一種通過測試具有已知目標(biāo)分析物濃度的多個溶液來校準(zhǔn)手持測量裝置的方法，該方法包括：(a)針對多個溶液中的每一個在第一電極與第二電極之間以及在第三電極與第二電極之間施加輸入電壓；(b)使用可編程微控制器針對多個溶液中的每一個通過將輸入電壓與輸出電流進行比較來計算阻抗；以及(c)計算等式z_i＝b₁x²+b₂x+c的系數(shù)，其中，z_i是阻抗，z是已知的目標(biāo)分析物濃度，以及b₁、b₂和c是系數(shù)。

示例性實施方式可以連同下面提供的樣本一起使用。

A.樣本

樣本可以來自各種源。在一個方面，樣本來源于生物體，包括植物、動物(獸醫(yī)使用)或人類。這樣的樣本可以涉及固體材料例如糞便或組織(包括活組織檢查)、組織提取物或者流體，包括體液如唾液、痰、眼淚、血液、血清、血漿、尿、分泌液、滲出液、脊髓液、精液或鼻涕?？梢愿鶕?jù)需要將這樣的樣本溶解或稀釋以執(zhí)行本發(fā)明的試驗。用于溶解或稀釋樣本的溶劑包括水、丙酮、甲醇、甲苯、酒精或其它。

其它樣本是制成的、工業(yè)的或環(huán)境的，并且可以包含或不包含活細(xì)胞或生物體。這樣的樣本可以包括土壤、水、食物、酒精飲料、建筑制品、散裝化學(xué)品或試劑，包括藥物。此外，可以根據(jù)需要將這樣的樣本溶解或稀釋以執(zhí)行本發(fā)明的試驗。

B.目標(biāo)

自身免疫抗原或其抗體。一般將自身免疫病分類為抗體介導(dǎo)的、T細(xì)胞介導(dǎo)的或者抗體介導(dǎo)的或T細(xì)胞介導(dǎo)的組合。因而，可以利用與各種內(nèi)源性抗原的特異性來識別抗體或T細(xì)胞受體。這樣的自身抗體(例如抗核抗體)可以與各種疾病有關(guān)，各種疾病包括胰島素依賴性(I型)糖尿病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、多發(fā)性硬化、全身性紅斑狼瘡(SLE)和炎癥性腸病(即克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎)。其它自身免疫疾病包括但不限于：斑禿、獲得性血友病、強直性脊柱炎、抗磷脂綜合征、自身免疫性肝炎、自身免疫性溶血性貧血、心肌癥、口炎性腹瀉皮炎、慢性疲勞癥候群(CFIDS)、慢性炎癥性脫髓鞘性多發(fā)性神經(jīng)病、變應(yīng)性肉芽腫性血管炎、瘢痕性類天皰瘡、CREST綜合征、冷凝集素病、盤狀狼瘡、原發(fā)性混合型冷球蛋白血癥、纖維肌痛、纖維肌炎、古蘭-巴雷綜合征、特發(fā)性肺纖維化、特發(fā)性血小板減少性紫癜、IgA腎病、幼年型關(guān)節(jié)炎、扁平苔蘚、重癥肌無力、結(jié)節(jié)性多動脈炎、多軟骨炎、多腺性綜合征、皮肌炎、原發(fā)性無丙種球蛋白血癥、原發(fā)性膽汁性肝硬化、牛皮癬、雷諾現(xiàn)象、賴特爾綜合癥、肉狀瘤病、僵人綜合征、高安氏關(guān)節(jié)炎、顳動脈炎/巨細(xì)胞動脈炎、葡萄膜炎、血管炎和白癜風(fēng)。

在特定自身免疫病中，經(jīng)常觀察到針對自體抗原的抗體。例如，對于全身性紅斑狼瘡，已經(jīng)描述了自身抗體為單鏈和雙鏈DNA或RNA(Vallin等人，1999；Hoet等人，1999；ven Venrooij，1990)。在自身免疫患者的血清中發(fā)現(xiàn)的自身抗體的水平通常被發(fā)現(xiàn)與疾病嚴(yán)重度關(guān)聯(lián)。在例如人SLE中出現(xiàn)的自身抗體的模式表明：完整的高分子粒子例如含RNA或DNA的復(fù)合物其自身可以是產(chǎn)生免疫的，并且因此可出現(xiàn)抗核酸抗體(Lotz等人，1992；Mohan等人，1993)。存在于自身免疫患者的血清中的從例如凋亡細(xì)胞或者從含有DNA或RNA的微生物釋放的這樣的DNA或RNA對促成自身免疫疾病的炎癥負(fù)責(zé)(Fatenejad，1994；Malmegrim等人，2002；Newkirk等人，2001)。實際上，可以從SLE血清中識別出含CpG的序列，該含CpG的序列引起由IFN-α的分泌主導(dǎo)的有效免疫反應(yīng)，其中，IFN-α的分泌被認(rèn)為促成自身免疫病的發(fā)展(Magnusson等人，2001；Ronnblom等人，2001)。另外，可以識別抗RNA抗體的表位并且該表位由富含G、U的序列構(gòu)成(Tsai等人，1992；Tsai等人，1993)。富含G、U的序列呈現(xiàn)為TLR7和TLR8的天然配體，并且因此可以介導(dǎo)(mediate)在原則上會促進自身免疫病或促進自身免疫病的發(fā)展的免疫刺激反應(yīng)(PCT/US03/10406)。

產(chǎn)生自身抗體的特異性抗原包括β2-糖蛋白、心磷脂、CCP、CENP、GBM、醇溶蛋白、Jo-1、LKM1、La、MPO、壁細(xì)胞抗原、PR3、Ro、SS-B/La、SS-A/Ro、Scl-70、Sm、精液轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶、TPO和U1RNP。

致病原。傳染病指的是存在有活性的細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外微生物在對象中的異常聚集或種群的任何病情。各種類型的微生物可以引起感染，包括作為細(xì)菌的微生物、作為病毒的微生物、作為真菌的微生物和作為寄生蟲的微生物。根據(jù)本發(fā)明來考慮對與這些微生物相關(guān)聯(lián)的抗原或核酸或其抗體的檢測。

細(xì)菌包括：83或更多種不同血清型的肺炎雙球菌、鏈球菌例如S.pyogenes、S.agalactiae、S.equi、S.canis、S.bovis、S.equinus、S.anginosus、S.sanguis、S.salivarius、S.mitis、S.mutans、其它綠色鏈球菌、消化鏈球菌屬、其它相關(guān)種類鏈球菌、腸球菌例如糞腸球菌、屎腸球菌、葡萄狀球菌例如表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌、流感嗜血桿菌、假單胞菌屬例如綠膿桿菌、偽鼻疽假單胞菌、鼻疽假單胞菌、布魯氏菌例如羊布魯氏桿菌、豬布魯氏桿菌、牛布魯氏桿菌、百日咳桿菌、疏螺旋體屬(Borellia species)例如博氏疏螺旋體(Borellia burgedorferi)、腦膜炎雙球菌、淋球菌、卡他莫拉菌、白喉桿菌、潰瘍棒狀桿菌、假結(jié)核桿菌、假白喉棒桿菌、解脲棒桿菌、馬棒狀桿菌等，李斯特菌、星形諾卡菌(Nocordia asteroides)、擬桿菌屬、放線菌屬、梅毒螺旋體、鉤端螺旋體屬(Leptospirosa species)、嗜血桿菌、螺桿菌包括幽門螺桿菌、米螺旋體屬和相關(guān)生物體。本發(fā)明還可以對于革蘭氏陰性細(xì)菌是有用的，革蘭氏陰性細(xì)菌例如肺炎桿菌、大腸桿菌、變形桿菌、沙雷氏菌屬、不動桿菌屬、鼠疫桿菌、土拉熱桿菌、腸桿菌、擬桿菌(Bacteriodes)和軍團菌、志賀氏菌屬、分歧桿菌屬(例如結(jié)核桿菌、牛結(jié)核分歧桿菌或其它分歧桿菌感染)、鳥型分支桿菌(MAC)、海魚分枝桿菌、偶發(fā)分枝桿菌、堪薩斯分支桿菌(Mycobacterium kansaii)、耶爾森菌感染(例如鼠疫耶爾森菌、小腸結(jié)腸炎耶爾森菌或假結(jié)核耶爾森氏菌)等。

另外，本發(fā)明考慮了對寄生生物的檢測，其中寄生生物例如隱孢子蟲、內(nèi)變形蟲、瘧原蟲例如惡性瘧原蟲、三日瘧原蟲、卵形瘧原蟲以及間日瘧原蟲和剛地弓形蟲、賈第蟲屬、利什曼蟲、錐體蟲屬、毛滴蟲屬、納氏蟲屬、貝氏等孢子球蟲、陰道毛滴蟲、吳策線蟲、蛔蟲、裂體吸蟲屬、環(huán)孢子蟲屬以及沙眼衣原體和其它衣原體感染例如鸚鵡熱衣原體或肺炎衣原體。當(dāng)然，要理解的是本發(fā)明可以用于可以產(chǎn)生有效抗體的任何病原體。

真菌和其它霉菌病原體(其中一些在人類真菌病(Human Mycoses)(1979)、人和其它動物的伺機性真菌病(Opportunistic Mycoses of Man and Other Animals)(1989)以及紙片的抗真菌報告(Scrip’s Antifngal Report)(1992)進行了描述)同樣被考慮為診斷的目標(biāo)。在本發(fā)明的語境中考慮的真菌病包括但不限于:曲霉病、黑色發(fā)結(jié)節(jié)病、念珠菌病、產(chǎn)色霉菌病、隱球菌病、甲真菌病、或外耳炎(耳霉菌病)、暗色絲孢霉病、藻菌病、花斑癬、癬菌病、顏面癬、頭癬、體癬、股癬、黃癬、疊瓦癬、手癬、黑癬(掌肌)、腳癬、甲癬、球擬酵母病、黃菌毛癥、白色毛結(jié)節(jié)菌病以及他們的同物異名，嚴(yán)重的全身或機會性感染例如但不限于放射菌病、曲霉病、念珠菌病、產(chǎn)色霉菌病、球孢子菌病、隱球菌病、蟲霉病、地絲菌病、組織胞漿菌病、毛霉菌病、足分支菌病、諾卡氏菌病、北美芽生菌病、南美芽生菌病、皮膚暗絲孢霉菌、藻菌病、肺囊蟲性肺炎、腐皮病、孢子絲菌病和球擬酵母病以及他們的同名異物，他們中的一些是致命的。已知的真菌和霉菌病原體包括但不限于:犁頭霉屬、馬杜拉放線菌、放線菌屬、波伊德氏霉桿真菌、鏈格孢屬、三角肌花霉屬(Anthopsis deltoidea)、雅致鱗質(zhì)霉、甘氏藤桿蛇阿尼菌屬(Arnium leoporinum)、曲霉屬、出芽短梗霉、蛙糞霉、離蠕孢屬、皮炎芽生菌、念珠菌屬、頭孢霉屬、毛殼孢子屬、毛殼菌屬、牙枝霉屬、粗球孢子菌、耳霉屬、微小棒狀桿菌、隱球菌屬、灰色小克銀漢霉、彎孢屬、指霉屬、表皮癬菌屬、絮狀表皮鮮菌、突臍蠕孢屬、外瓶霉屬、著色真菌屬、鐮刀菌屬、地絲菌屬、長蠕孢屬、組織胞漿菌屬、燒瓶狀霉屬、馬杜拉分支菌屬、糠秕馬拉色菌、小孢子菌屬、毛霉屬、槭菌刺孢、諾卡氏菌屬、巴西副球孢子菌、青霉菌屬、Phaeosclera dematioides、Phaeoannellomyces屬、倒卵單胞瓶霉、瓶霉屬、莖點霉屬、霍塔氏毛孢子菌、卡氏肺孢子、腐霉屬insidiosum、播水喙枝孢霉、微小根毛霉、根霉菌屬、瓶霉(Saksenaea vasiformis)、暗色磚樣八疊菌、申克孢子絲菌、總狀共頭霉、Taeniolella boppii、球擬酵母病屬、毛癬菌屬、毛孢子菌屬、紙齦枝孢、皮炎瓶霉菌、木絲霉屬、Zygomyetes屬以及他們的同名異物。具有致病潛力的其它真菌包括但不限于Thermomucor indicae-seudaticae、Radiomyces屬以及其它種類的病原屬。

已經(jīng)在人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的病毒的示例包括但不限于：逆轉(zhuǎn)錄病毒科(例如，人體免疫缺陷病毒例如HIV-1(又被稱為HTLV-III、LAV或HTLV-III/LAV，或者HIV-III；或者其它分離菌例如HIV-LP)；小核糖核酸病毒科(例如脊髓灰質(zhì)炎病毒、甲肝病毒；腸道病毒、人類柯薩奇病毒、鼻病毒、伊科病毒)；杯狀病毒科(例如引起腸胃炎的菌株)；披膜病毒科(例如馬腦脊髓炎病毒、風(fēng)疹病毒)；黃病毒科(例如登革病毒、腦炎病毒、黃熱病毒)；冠狀病毒科(例如冠狀病毒)；彈狀病毒科(例如，水泡性口炎病毒、狂犬病病毒)；絲狀病毒科(例如伊波拉病毒)；副粘液病毒科(例如副流感病毒、腮腺炎病毒、麻疹病毒、呼吸道合胞體病毒)；正黏病毒科(例如流感病毒)；布尼亞病毒科(例如漢坦病毒、邦加病毒、白蛉病毒和內(nèi)羅病毒(Nairo viruse))；砂粒病毒科(出血熱病毒)；呼腸病毒科(例如呼吸道腸道病毒、環(huán)狀病毒(orbiviurses)和輪狀病毒)；博納病毒科；嗜肝病毒科(乙型肝炎病毒)；細(xì)小病毒科(細(xì)小病毒)；乳多空病毒科(乳頭狀瘤病毒、多瘤病毒)；腺病毒科(多數(shù)腺病毒)；皰疹病毒科(單純性皰疹病毒(HSV)1和2、水痘帶狀皰疹病毒、巨細(xì)胞病毒(CMV)、皰疹病毒)；痘病毒科(天花病毒、牛痘病毒、痘病毒)；以及虹彩病毒科(例如非洲豬瘟病毒)；未分類的病毒(例如丁型肝炎病毒(被認(rèn)為是乙型肝炎病毒的缺陷性隨體)、丙型肝炎；諾瓦克病毒和相關(guān)病毒，以及星狀病毒)；以及呼吸道合胞體病毒(RSV)。

已經(jīng)在文獻(xiàn)例如參見醫(yī)學(xué)微生物學(xué)(1983)中廣泛地描述了其它的醫(yī)學(xué)上相關(guān)的微生物，其中，所述文獻(xiàn)的全部內(nèi)容由此通過引用合并到本文中。

癌抗原。許多人類癌癥表達(dá)特定于癌細(xì)胞的細(xì)胞表面分子，即他們不會被正常的人體細(xì)胞表達(dá)或者以極少量表達(dá)。對這些抗原在癌發(fā)生和癌演進中的作用知之甚少，然而，獨立于他們的生物功能這些抗原對于診斷應(yīng)用而言是吸引人的抗體目標(biāo)。這樣的腫瘤標(biāo)記物包括甲胎蛋白、β2-微球蛋白、膀胱腫瘤抗原、CA 15-3、CA 19-9、CA 72-4、CA-125、降血鈣素、癌胚抗原、表皮生長因子受體、雌激素受體、人絨毛膜促性腺激素、Her-2/neu、神經(jīng)特異性烯醇、NPM22、孕激素受體、前列腺特異性抗原、前列腺特異性膜抗原、前列腺酸性磷酸酶、S-100、TA-90和甲狀腺球蛋白。

毒素、金屬和化學(xué)品。特定類型的化學(xué)或生物劑為毒素。毒素可以是生物性的，即由有機體產(chǎn)生的。這些包括可以在生物戰(zhàn)或恐怖行動中使用的毒素，包括蓖麻毒素、炭疽毒素和肉毒毒素。其它毒素為農(nóng)藥(殺蟲劑、除草劑；例如有機磷酸酯類)、工業(yè)污染物(重金屬，例如鎘、鉈、銅、鋅、硒、銻、鎳、鉻、砷、汞或鉛；復(fù)雜的碳?xì)浠衔?，包括PCB和石油副產(chǎn)品；石棉)以及化學(xué)戰(zhàn)試劑(沙林、梭曼、環(huán)沙林、VX、VG、GV、光氣肟、氮芥、硫芥子氣和氯化氰)。下面的表1示出有毒工業(yè)化學(xué)品(TIC)的另外的列表。12種禁止的持久性有機污染物的列表包括PCB、DDT、二惡英、氯丹、呋喃、六氯苯、艾氏劑、滅蟻靈、狄氏劑、毒殺芬、異狄氏劑和七氯。

植物產(chǎn)品。在某些實施方式中，本發(fā)明將允許評估植物物料的成分。例如，可以通過測量植物的葉子的養(yǎng)分含量來測量植物的健康狀況。還可以通過評估水果或蔬菜組織的成分來決定是否收獲農(nóng)作物。例如，在葡萄酒釀造中，葡萄的糖含量是確定收獲時間的重要因素。此外，在選擇用于育種的農(nóng)作物時，識別具有各種期望特性(養(yǎng)分含量、內(nèi)生產(chǎn)物或轉(zhuǎn)基因的表達(dá))的植物是關(guān)鍵的。

藥物。在本發(fā)明的另一方面，試驗可以用于檢測或測量樣本中的藥物。藥物可以是治療劑，并且試驗可以設(shè)計成出于優(yōu)化劑量的目的來評估對象的藥物含量?？商孢x地，可以檢測違禁藥物，并且違禁藥物包括酒精、安非他命、甲基苯丙胺、MDMA、巴比妥類藥物、苯巴比妥、苯二氮、印度大麻、可卡因、可待因、嗎啡、可鐵寧、海洛因、LSD、美沙酮、PCP、或出于特殊目的(例如體育賽事)而禁止的合法藥物，包括合成類固醇、激素(EPO、hGH、IGF-1、hCG、胰島素、促腎上腺皮質(zhì)激素)、β2激動劑、抗雌激素類、利尿劑、興奮劑和糖皮質(zhì)激素。

脂類。脂類是本發(fā)明的試驗的生物相關(guān)目標(biāo)。例如，對血液中的脂類進行檢測和定量的能力可以有助于評估動脈粥樣硬化病的風(fēng)險，以及監(jiān)視為此的治療的效果。因此，LDL、HDL和甘油三酸酯測量是有用的。

糖類。雖然評估糖水平可能是一般的醫(yī)療興趣，但是糖與糖尿病管理和治療特別相關(guān)。其它關(guān)聯(lián)的糖包括在生物膜形成中由細(xì)菌和真菌產(chǎn)生的那些糖，以及在食物或飲料生產(chǎn)期間產(chǎn)生的那些糖。

核酸。核酸是用于確定對象的健康狀態(tài)的重要生物靶標(biāo)。所關(guān)注的核酸包括基因(基因組序列)、mRNA(轉(zhuǎn)錄子)、miRNA或其片段。核酸可以是對象內(nèi)生的例如在疾病狀態(tài)下可以升高或降低的那些分子，或者是外生的例如存在于(上面討論的)對象中的病原體(病毒、細(xì)菌、寄生蟲)的那些核酸。

如本文說明書中所使用的，“一”或“一個”可以指一個或更多個。如在(一個或多個)權(quán)利要求中所使用的，當(dāng)與詞語“包括”一起使用時，詞語“一”或“一個”可以指一個或多于一個。

雖然本公開內(nèi)容支持指的是僅二中擇一以及“和/或”的定義，但是除非清楚地表明指的是僅二中擇一或者替代選擇是互相排斥的，否則在權(quán)利要求中術(shù)語“或”的使用是用于指“和/或”。如本文中所使用的，“另一個”可以指至少第二個或更多個。

貫穿本申請，術(shù)語“關(guān)于”是用于表明：值包括裝置、被采用以確定值的方法或者存在于研究對象中的變量的誤差的固有變量。

根據(jù)下文的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點將變得明顯。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，雖然表明了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是詳細(xì)描述和特定示例僅作為說明而給出，這是因為根據(jù)該詳細(xì)描述在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的各種變化和修改對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將變得明顯。

附圖說明

下面的附圖形成本說明書的一部分并且被包括以進一步展示本發(fā)明的某些方面?？梢詤⒖歼@些附圖中的一個或更多個并且結(jié)合對本文所呈現(xiàn)的特定實施方式的詳細(xì)描述來更好地理解本發(fā)明。

圖1為高分辨率光學(xué)顯微圖，其展示了表面多孔性以及孔隙與電極表面之間的相互作用，其包括示出了電極與周圍基質(zhì)(matrix)之間的共形特征生成的掃描電子顯微圖，并且具有測量實體與周圍基質(zhì)之間的相互作用的示意性繪制。

圖2為具有與第一電極和第二電極平行的第三電極的電極配置的示意性表示。

圖3為具有與第一電極和第二電極垂直的第三電極的電極配置的示意性表示。

圖4為雙電層和電極表面的示意性表示。

圖5為被配置作為襯底表面上的分析物傳感器的電極的示意性表示。

圖6為典型三電極手持恒電勢器的示意性表示。

圖7為手持恒電勢器裝置。

圖8為手持恒電勢器的智能電話實施方式。

圖9為示出針對不同蛋白質(zhì)的阻抗相對頻率的波特圖。

圖10為示出針對不同蛋白質(zhì)的阻抗相對頻率的波特圖。

圖11為示出針對不同蛋白質(zhì)的電流響應(yīng)相對旋轉(zhuǎn)角的繪圖。

圖12為示出恒電勢器的操作的流程圖。

圖13為列出各種目標(biāo)分析物系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)配置的表。

圖14為相對于脂多糖的濃度的阻抗變化的曲線圖。

圖15為相對于原降鈣素的濃度的阻抗變化的曲線圖。

圖16為相對于脂磷壁酸的濃度的阻抗變化的曲線圖。

圖17為關(guān)于在各種溫度和時間下以特定捕獲探針(P2)對miRNA序列(P4)進行檢測而測得的阻抗的曲線圖。

圖18為關(guān)于在各種溫度和時間下非特異性miRNA序列與捕獲探針(P2)的相互作用所估計的阻抗的曲線圖。

圖19為關(guān)于在各種溫度和時間下鮭魚精DNA與捕獲探針(P2)的相互作用所估計的阻抗的曲線圖。

具體實施方式

本文所公開的共形電路利用在納米尺度上存在于紙上的表面粗糙度和用于設(shè)計共形電路的其它納米多孔襯底。當(dāng)由于通過單步免疫測定格式檢測到生物分子而使得電路元件被調(diào)制時，電路參數(shù)例如電流和阻抗被調(diào)制。可以應(yīng)用該技術(shù)來檢測和量化各種目標(biāo)分析物，其中目標(biāo)分析物包括但不限于蛋白質(zhì)、DNA、RNA、SNP和各種各樣的生物分子。

在一些實施方式中，本文公開了包括具有上表面的固體襯底的共形電路，其中，襯底包括多孔納米織構(gòu)襯底以及在電路設(shè)計中位于固體襯底的上表面上的導(dǎo)電材料，從而產(chǎn)生電路。還公開了制作上述共形電路的方法，以及使用共形電路來檢測和/或量化各種目標(biāo)分析物的方法。圖1描繪了這樣的共形電路的示例設(shè)計。

這些共形電路使用用于創(chuàng)建非線性和非歐姆電路的徑跡蝕刻和導(dǎo)電墨沉積的組合來進行開發(fā)。生成三種類型的電路：(a)基于阻抗的阻容(RC)耦合電路；(b)基于二極管的電路；以及(c)基于晶體管的電路。RC電路根據(jù)電化學(xué)阻抗譜的原理進行工作，以及二極管和晶體管電路通過AC電壓源被偏置，導(dǎo)致電流特性作為檢測到的所關(guān)注的種類的函數(shù)而變化。

本文所公開的共形電路可以具有導(dǎo)電、半導(dǎo)電或半絕緣的電極。導(dǎo)電率的增加適合于實現(xiàn)阻抗測量格式中的增加的敏感性。在二極管和晶體管格式中，使用半導(dǎo)電/半絕緣材料來獲得適當(dāng)?shù)膭輭疽垣@得合適的閾值選通/柵電流特性。對于二極管性能，使用材料組合來獲得勢壘，從而模仿達(dá)到0.7V的硅。對于晶體管性能，生成在0.2與0.7之間的勢壘。

本文所公開的共形電路生成與電化學(xué)變化相對的電變化。特別地，本文所公開的共形電路在不使用還原-氧化探針變化的情況下生成與通過氧化還原電極促成的電化學(xué)變化相對的電/電化學(xué)變化。將氧化還原探針用于電化學(xué)檢測會對生物分子產(chǎn)生不可逆的變化，導(dǎo)致不代表生物分子的間接的和經(jīng)修改的檢測。因此，在不使用氧化還原探針的情況下生成電/電化學(xué)變化的能力通過對導(dǎo)電材料在納米多孔襯底上的沉積進行修改來實現(xiàn)。另外，特別考慮無源感測和有源感測二者。

可以將本文所公開的共形電路和檢測裝置設(shè)計成定量地進行檢測(例如EIS電子讀取器)。另外，可以將系統(tǒng)設(shè)計成使用單個電路來檢測單個分析物或者使用相應(yīng)的電路來檢測多個分析物，其中，取決于正在檢測和/或分析的分析物的種類，所述相應(yīng)的電路可以相同或者不同。

A.檢測裝置

可以將各種電部件附接至導(dǎo)電材料路徑以檢測和量化目標(biāo)分析物。電子部件的非限制性示例包括集成電路、電阻器、電容器、晶體管、二極管、機械開關(guān)、電池和外部電源，電池的非限制性示例包括紐扣電池，外部電源的非限制性示例包括AC電壓源。可以使用例如已知的粘合劑來附接電部件。在一些實施方式中，出于檢測生物分子的目的，可以將上文詳細(xì)討論的共形電路耦接至源電路。在特定實施方式中，可以將共形電路耦接至恒電勢器、電壓源、電流源或用于進行大范圍的簡單和復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算加、減、積分和微分的運算放大器電路。

阻抗譜是廣泛使用的用于研究電極上的材料結(jié)合效率的三電極電化學(xué)技術(shù)。近來，對于經(jīng)典電化學(xué)阻抗譜的創(chuàng)新性改變已經(jīng)使得其適合于應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究。這些修改要求施加非常低的電壓以及在非常小的電流下進行檢測，此二者均落在現(xiàn)有裝置的噪聲閾值內(nèi)。另外，多數(shù)當(dāng)前可購得的市場恒電勢器需要另外的裝備(例如計算機)以及詳盡的用戶輸入，這使得實現(xiàn)即時檢測是困難的。此外，當(dāng)前可購得的市場恒電勢器在電極之間施加單輸入電壓，從而提供了關(guān)于檢測的目標(biāo)分析物的減小的特異性。

本文公開了使用三電極配置在固定和可變頻率下執(zhí)行電化學(xué)阻抗譜的可定制手持恒電勢器裝置。在所公開的裝置中使用的新技術(shù)減小了噪聲影響并且實現(xiàn)了靈敏檢測，并且部件是可編程的并且對于期望的應(yīng)用是高度可定制的。因此，這通過對裝置進行編程以使其對于特定期望任務(wù)在期望的操作范圍中最佳地運行來實現(xiàn)裝置的最大性能效益。另外，公開的裝置施加兩個正交的輸入電壓，從而提高了被檢測的目標(biāo)分析物的特異性。

在本文所公開的裝置中，使用阻抗譜來檢測和量化電極表面上的結(jié)合活性。生物分子結(jié)合至電極表面會引起電流變化，這可以用于識別和量化結(jié)合的生物分子。裝置的檢測閾值近似在毫微微摩爾/mL或毫微微克/mL濃度范圍中，但是其對于一些生物分子可以在微微微克/ml范圍中。

本文所公開的示例性實施方式包括第一電極108、第二電極106和第三電極110。在某些實施方式中，第一電極108、第二電極106和第三電極110共面。在示例性實施方式中，將第一電極108和第二電極106布置成在X-Y平面中彼此平行。在一些實施方式中，如圖2所示，第三電極110平行于第一電極108和第二電極106。在其它實施方式中，如圖3所示，將第三電極110布置成與第一電極108和第二電極106垂直。在示例性實施方式中，將第一電極108、第二電極106和第三電極110布置在圖1所示的多孔納米織構(gòu)襯底上以形成共形電路。

在操作期間，可以在用于第一電極108、第二電極106和第三電極110的端子158、端子156和端子160處分別施加AC電壓。AC電壓可以是正弦、鋸齒或方波信號。然后，可以測量從第一電極流出并且流過第二電極端子以及從第三電極流出并且流過第二電極端子的最終的電流。現(xiàn)在參照圖4，當(dāng)電極表面處存在導(dǎo)電溶液并且向電極施加電壓時，在溶液中、在電極表面110附近(例如在電極表面與擴散層119之間)形成電容性雙電層115。當(dāng)施加的一個或多個電壓的性質(zhì)(例如相位角、頻率或幅度)變化時，雙電層115與電極表面111之間的距離同樣變化。可以控制施加的(一個或多個)電壓的性質(zhì)，并且可以經(jīng)由亥姆霍茲探測來測量來自雙電層115的輸出響應(yīng)(例如電流)以確定導(dǎo)電溶液的性質(zhì)(例如溶液中分析物的識別或濃度)。

在特定實施方式中，可以向第一電極106和第二電極108施加第一電場，同時向第二電極108和第三電極110施加第二電場。在特定實施方式中，可以識別雙電層115中的測量的電荷發(fā)生最大變化(以電容格式)的區(qū)域。該區(qū)域然后可以用于說明所查詢的分子的類型?？梢允褂脪呙枘Ｊ?、通過改變施加的電壓的性質(zhì)使得在施加的電壓與雙電層115中的高度之間存在亞納米分辨率上的關(guān)聯(lián)，來實現(xiàn)對雙電層115的虛擬分層(具有亞納米分辨率掃描步驟)。

在某些實施方式中，在掃描機構(gòu)將電流測量與先前在之前的頻率或相位階躍處測量的阻抗相比時，掃描機構(gòu)是自適應(yīng)的。在特定實施方式中，根據(jù)該比較來應(yīng)用算法以說明測量的信號是否存在變化或改變，其中，所述變化或改變?yōu)榫嚯x先前測量的兩個標(biāo)準(zhǔn)偏差。在示例性實施方式中，如果測量的信號的變化在兩個標(biāo)準(zhǔn)偏差閾值內(nèi)，則可以首先線性地改變步長；然后，頻率或相位的掃描可以對數(shù)式地進行至下一個十進位，在該情況下掃描然后可以線性地重新開始。

現(xiàn)在參照圖5，第一電極108、第二電極106和第三電極110被配置為襯底表面180上的多個傳感器181、182和183。為了清楚起見，未標(biāo)注表面180上的所有傳感器，并且在傳感器中未標(biāo)注各個電極。應(yīng)理解的是，每個傳感器的電極配置可以包括本公開內(nèi)容中設(shè)置的配置之一。如圖5所示，雙功能鏈接器191、192、193(包括例如二硫雙琥珀酰亞胺基丙酸酯(dithiobis succinimidyl propriante)鏈接器)可以耦接至傳感器181、182和183。目標(biāo)特定的抗體171、172和173可以耦接至被配置成捕獲生物分子161、162和163的雙功能鏈接器191、192和193。每個傳感器可以包括被配置成檢測不同生物分子的雙功能鏈接器和目標(biāo)特定的抗體，使得可以通過表面180上的多個傳感器來檢測多種獨特的生物分子。

在操作期間，以第一相位角將第一電場(由平面113表示)施加于用于傳感器181、182和183中的一個或更多個傳感器的第一電極108和第二電極106。另外，以第二相位角將第二電場(由平面117表示)施加于第二電極106和第三電極110。在示例性實施方式中，可以對電場113和電場117的相位角進行調(diào)制。在將兩個電場113和117施加于第二電極106的情況下，電場113和電場117之間的相位角是恒定的(例如場在相位方面固定并且相隔恒定的相位角增量)。在所示實施方式中，施加平行于襯底表面180的電場113。在示例性實施方式中，可以對電場113的參數(shù)(例如頻率)進行調(diào)制以改變表面180與電場113之間的距離，進而檢測生物分子185與表面180之間的離子相互作用。相應(yīng)地，可以對施加的電場進行調(diào)制以通過改變頻率來探測Z方向(垂直于表面180)上的離子相互作用以及通過改變相位角來探測X-Y方向(平行于表面180)的離子相互作用。

可以利用參數(shù)的變化來分析測量的電場113的阻抗的模數(shù)分量和虛數(shù)分量?？梢曰跍y量的阻抗的模數(shù)分量和虛數(shù)分量的變化來識別生物分子185的區(qū)別標(biāo)記。如下文進一步說明的，例如，可以向表面180施加已知的生物分子，并且利用施加的輸入?yún)?shù)調(diào)制來測量模數(shù)分量和虛數(shù)分量以建立具有針對不同生物分子的不同校準(zhǔn)響應(yīng)輪廓的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線。另外，可以改變施加的電場113和電場117的相位角，并且分析旋轉(zhuǎn)角和相位電流響應(yīng)以確定生物分子的區(qū)別標(biāo)記。此外，可以向表面180施加已知生物分子，并且利用相位角調(diào)制來測量相位電流響應(yīng)以建立具有針對不同生物分子的不同響應(yīng)輪廓的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線。

可以以各種方式來準(zhǔn)備校準(zhǔn)響應(yīng)輪廓的建立。在一個實施方式中，在襯底上沉積鏈接器，并且襯底充滿了特定于目標(biāo)分析物(例如目標(biāo)特定抗體)的部分(moiety)，將阻斷緩沖液施加于充滿了受體部分的共形電路表面以使其它競爭分子在傳感器表面上的非特定性結(jié)合或吸收最小化，執(zhí)行緩沖液清洗，并且將目標(biāo)分析物例如抗原施加于電路上。在設(shè)計目標(biāo)分子(例如抗原)的校準(zhǔn)曲線時，將漸增劑量的抗原施加到共形電路上并且獲得阻抗測量結(jié)果，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止。期望的是測量的阻抗的變化隨著目標(biāo)分子例如抗原的劑量的增大而增大。當(dāng)已經(jīng)設(shè)計了校準(zhǔn)曲線時，可以在充滿了抗體/受體部分的傳感器表面上測試未知劑量的測試目標(biāo)分子例如抗原，并且然后對照校準(zhǔn)曲線來估計阻抗變化以確定測試目標(biāo)分子的劑量。

在示例性實施方式中，首先執(zhí)行至自然或無偏表面的分配，其中，緩沖液幫助識別系統(tǒng)的有效阻抗。該阻抗可以幫助確定試驗的信號閾值，并且該數(shù)目可以根據(jù)緩沖液和電極的接觸阻抗而變化?？梢詧?zhí)行該測量的基線與恒電勢器的基線之間的阻抗匹配，并且共形電極可以幫助使雙電層115延長以使得能夠進行自適應(yīng)探測。捕獲探針的固有表面電荷、高度、等電位特性、柔性(例如，空間排列的/構(gòu)象的)可以使能夠分配基線測量。

圖7處得到描繪手持恒電勢器的一個配置的示例的圖。手持恒電勢器200包括LCD顯示器104。LCD顯示器104提供顯示輸入和輸出數(shù)據(jù)的用戶接口。例如，LCD顯示器可以顯示輸入電壓、輸入頻率、波型、目標(biāo)分析物名稱、分子濃度、阻抗和相位角。手持恒電勢器200還可以包括小型操縱桿124，其使得用戶能夠向手持恒電勢器200提供輸入。例如，小型操縱桿124可以用于操縱LCD顯示器104上的菜單，并且增大或減小輸入電壓和頻率值。在一些實施方式中，手持恒電勢器200可以包括除了或代替小型操縱桿124的按鈕或按鍵。手持恒電勢器還包括第一電極端口202、第二電極端口204和第三電極端口206。電極端口202、204和206可以用于將引線連接至第一電極、第二電極和第三電極。

在圖6處得到表示一個可能的恒電勢器/電極配置的框圖。在可編程微控制器/微處理器100中執(zhí)行恒電勢器的操作的核心。微控制器的第一操作是通過LCD顯示器104來提供用戶接口支持。串行外圍接口SP12用于將微控制器100中處理的信息傳送至LCD顯示器104。微控制器100使用VCC和DC偏移來向LCD顯示器104提供電力。

針對LCD顯示器104上顯示的選項的用戶輸入/響應(yīng)通過小型操縱桿124與微控制器100之間的模擬-模擬通信、作為模擬信號被接收。借助于小型操縱桿124，用戶可以選擇要應(yīng)用于第一電極108、第二電極106和第三電極110的電信號參數(shù)，例如電壓、頻率、波型。替選地，可以使用小型操縱桿124來選擇要檢測的分子的類型。在測試結(jié)束之后，LCD顯示器104可以顯示所檢測的分析物的名稱、測試樣本中的分子的數(shù)值濃度、阻抗和定向角。

接著，對微控制器100進行編程以對附接的電化學(xué)傳感器執(zhí)行阻抗譜特性描述?；谟脩暨x擇的電信號參數(shù)或分子，可編程微控制器100在線DAC1+和DAC-上生成被分別施加于第一電極108和第二電極106的第一AC電壓，并且在線DAC2+和DAC-上生成被分別施加于第三電極110和第二電極106的第二AC電壓。AC電壓可以由放大器112、114和116進行放大。在一些實施方式中，第一電極108和第三電極110的最終電壓可以在信號線上被反饋至微控制器100。最終電壓可以由于測試溶液中的化學(xué)反應(yīng)而不同于施加的電壓。微控制器100將第二電極106的電壓值數(shù)字化，并且經(jīng)數(shù)字化的電壓被微控制器100用于調(diào)節(jié)在線DAC1+、DAC2+和DAC-上施加的AC電壓電平。在一些實施方式中，第一電極108和第三電極110的電壓可以在Signal+線上被反饋至可編程增益放大器102?？删幊淘鲆娣糯笃骺梢詫⒌诙姌O106的電壓值數(shù)字化，并且通過線SPI1將數(shù)字化的電壓發(fā)送至微控制器100，并且數(shù)字化的電壓可以被微控制器100用于調(diào)節(jié)線DAC+和DAC-上的AC電壓電平。

在施加兩個AC電壓并且導(dǎo)電溶液的樣本接觸傳感器之后，AC電流從第一電極108流出并且流過第二電極106，以及從第三電極110流出并且流過第二電極106。流過第二電極106的電流的量取決于施加于第二電極106、第一電極108、第三電極100的電壓、分子在電極上的結(jié)合以及所使用的溶液?？删幊淘鲆娣糯笃?02測量流過第二電極106的電流。具體地，跨導(dǎo)放大器118在線1A上向可編程增益放大器饋送電流。該電流可以由帶通濾波器122進行濾波。帶通濾波器122被自動調(diào)節(jié)以允許在所應(yīng)用的頻率處的信號并且同時抑制在其它頻率處的噪聲。然后，可編程增益放大器102根據(jù)在線ADC上被饋送到可編程微控制器中的電流來生成放大的電壓。因為微控制器操作閾值遠(yuǎn)大于在該阻抗譜應(yīng)用中生成的小電壓和電流，所以放大是必要的。在一些實施方式中，線ADC上的放大電壓的范圍在20mV與6V之間。如果線ADC上的放大電壓過高或過低，則微控制器100通過線SPI1向可編程增益放大器102發(fā)送信號以增大或減小增益。在一些實施方式中，可以將可編程增益放大器102的二進制增益在1與128之間進行調(diào)節(jié)。在一些實施方式中，可以將可編程增益放大器102的增益范圍(scope gain)在1與200之間進行調(diào)節(jié)。Signal+線向可編程增益放大器102提供用于計算增益的參考電壓。Signal+電壓可以由放大器120放大，并且由帶通濾波器122進行過濾。

微控制器100將模擬放大電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。微控制器100然后將數(shù)字化的放大電壓與施加于第一電極108和第二電極106的電壓以及施加于第三電極110和第二電極106的電壓進行比較以確定正在測試的溶液的阻抗，其中，所述數(shù)字化的放大電壓表示從第一電極和第三電極110流出并且流過第二電極106的電流的量。微控制器100執(zhí)行算數(shù)運算以計算放大電壓相對于施加電壓的作為頻率的函數(shù)的相位和幅度變化。使用下式來計算阻抗：

其中，V_m表示施加的電壓的幅度，I_m表示在電極之間流動的最終電流的幅度，ω為施加的電壓和最終電流的角頻率，而是施加的電壓與最終的電流之間的相位差。相位差使用下式進行計算：

其為輸入電壓的相位分量與輸入電流的相位分量的比率。在一些實施方式中，微控制器100使用快速傅里葉變換來確定作為頻率的函數(shù)的相位和幅度變化。在一些實施方式中，微控制器100使用拉普拉斯變換來確定作為頻率的函數(shù)的相位和幅度變化。在一些實施方式中，微控制器100執(zhí)行多層分割和信號分析以確定在哪些頻率處阻抗變化最大。該估計幫助表征在電極表面上發(fā)生的生物電化學(xué)反應(yīng)。微控制器100使用幅度和相位變化來計算樣本中分子的濃度。

所公開的恒電勢器還可以改變第二-第三電極的電場的相對于第一-第二電極的電場的定向的角定向。默認(rèn)情況下，如果將第三電極布置為平行于第一電極和第二電極，則第二-第三電極的電場被定向為垂直于第一-第二電極的電場。另一方面，如果將第三電極布置為垂直于第一電極和第二電極，則第二-第三電極的電場被定向為平行于第一-第二電極的電場。在測試期間，恒電勢器改變第二-第三電極的電場的定向并且測量第三電極處的電流響應(yīng)。在該處理中使用的電場由下式給出：

其中，Em為電場的量值，ω是角頻率，t是時間，Φ是相位，X表示矢量的叉積，Ψ_Φ是電場的角定向。Ψ_Φ是用于第一-第二電極的電場的單位常數(shù)。當(dāng)?shù)谝浑姌O、第二電極、第三電極均共面，對于第三-第二電場Ψ_Φ為90度+θ，其中θ是使電場從0度旋轉(zhuǎn)至360度的變量。當(dāng)?shù)谌姌O垂直于第一電極和第二電極時，對于第二-第三電場Ψ_Φ為0度+θ，其中θ為使電場從0度旋轉(zhuǎn)至360度的變量。在θ變化的同時，系統(tǒng)測量第三電極處的電流響應(yīng)。對于每一目標(biāo)分析物電場相對于電流響應(yīng)的角定向是唯一的，并且被系統(tǒng)用于檢測目標(biāo)分析物的存在。

在被用于測量未知量的目標(biāo)分析物之前，可以對手持恒電勢器校準(zhǔn)。通過測量包括已知量的目標(biāo)分析物的溶液的阻抗來執(zhí)行校準(zhǔn)。具體地，用戶可以優(yōu)選地對包含四種不同濃度的目標(biāo)分析物的四種不同溶液執(zhí)行阻抗測量。對于每次校準(zhǔn)測試，用戶使用小型操縱桿將目標(biāo)分析物濃度輸入手持恒電勢器中。手持恒電勢器記錄每次測試的阻抗。在測試完成后，系統(tǒng)通過確定下式中的系數(shù)來完成校準(zhǔn)，

z_i＝b_nxⁿ+b_n-1x^n-l+...+b₁x+c

其中，z_i為測量的阻抗，x為目標(biāo)分析物的已知濃度，以及b_n、b_n-1、b₁和c為系數(shù)。多項式的階數(shù)n可以在2與5之間，優(yōu)選2。手持恒電勢器使用線性回歸和最小二乘分析來確定系數(shù)的未知值。

在一些實施方式中，微控制器100為微控制器。在其它實施方式中，微控制器100為微處理器。在其它實施方式中，微控制器100為ARM Cotex^TM-M微控制器。在其它實施方式中，微控制器100為ARM Cortex^TM-M微處理器。

在特定實施方式中，微控制器100將5mV與500mV之間的AC電壓施加于第一電極108和第二電極106并且施加于第三電極110和第二電極106。微控制器將頻率范圍在50Hz與1000Hz之間的AC電壓施加于電極。當(dāng)施加變化的電壓時，在溶液中形成電容性雙層。在施加的電壓的頻率增加時，電容性層距電極的距離增加。在一些實施方式中，用戶選擇最小頻率和最大頻率，并且微控制器施加具有范圍在所選最小頻率與最大頻率之間的頻率的電壓。

在一些實施方式中，本文所公開的恒電勢器對生物感測平臺執(zhí)行阻抗譜分析。因為蛋白質(zhì)和生物分子是敏感的，所以對于這些恒電勢器的使用而言非常低的電壓是必要的以便適用于生物感測。在一些實施方式中，合適的電壓的范圍可以為50mV至500mV，但是合適電壓將取決于應(yīng)用。在基于蛋白進行感測的應(yīng)用中，電壓將在5mV至20mV的范圍中。在關(guān)于細(xì)胞和DNA的應(yīng)用中，電壓范圍將在100mV至2V之間。類似地，由于應(yīng)用了非常小的電壓，所以電流響應(yīng)在類似的范圍中或者非常低——因為存在由于本體溶液介質(zhì)而引起的損耗。在一些實施方式中，合適電流的范圍為10pA至10mA，并且與電壓一樣，合適電流響應(yīng)將取決于應(yīng)用。在基于蛋白進行感測的應(yīng)用中，電流響應(yīng)將在10pA至100nA的范圍中。在關(guān)于細(xì)胞和DAN的應(yīng)用中，電流響應(yīng)將在100nA至10mA之間。

所公開的恒電勢器可以在固定頻率或可變頻率下進行使用?；趹?yīng)用，固定頻率和可變頻率范圍將發(fā)生變化。對于多數(shù)生物感測應(yīng)用而言，所使用的頻率范圍在50Hz與100kHz之間。在對與所關(guān)注的蛋白質(zhì)相對應(yīng)的電德拜長度變化進行優(yōu)化時，可以估計固定頻率。在相應(yīng)頻率處的檢測可以提高檢測速度并且減小非特異性信號。

除了執(zhí)行阻抗譜以外，本文所公開的手持恒電勢器還可以用作源表(source meter)，并且通過LCD顯示器上的容易選擇的選項又可以用作伏安法工具。

本文所公開的手持恒電勢器容易攜帶并且具有手部友好的形狀因數(shù)。其可以為大約或至少1、2、3、4、5、6、7、8、9或10英寸乘以大約或至少1、2、3、4、5、6、7、8、9或10英寸。特別考慮的是，其可以為約5英寸乘以約3英寸。此外特別考慮的是，包括在圖上顯示的可編程增益放大器、可編程微控制器和用于輸出的LCD顯示器的整個裝置在這些尺寸內(nèi)。

在圖8處得到描繪手持恒電勢器的智能電話實施方式的圖。手持恒電勢器包括智能電話300和恒電勢器適配器306。借助于電纜304(優(yōu)選微型USB或?qū)Ｓ眠B接器)，智能電話可操作地耦接至恒電勢器適配器306。電纜304提供智能電話300與恒電勢器適配器306之間的雙向通信。恒電勢器適配器包括第一電極端口202、第二電極端口204、第三電極端口206、微控制器100和可編程增益放大器102。用戶在提供用戶輸入和輸出以及微控制器通信功能的智能電話300上安裝定制的恒電勢器軟件應(yīng)用。用戶可以使用觸摸屏302向智能電話300提供輸入，包括輸入電壓、輸入頻率和波型。在其它實施方式中，用戶使用按鍵向智能電話提供輸入。智能電話300在智能電話的觸摸屏302上顯示輸出，例如目標(biāo)分析物的濃度。

本文所公開的恒電勢器還在噪聲閾值較低的情況下在對于生物感測而言的期望的操作范圍中進行執(zhí)行。當(dāng)前，在考慮電化學(xué)應(yīng)用的情況下來設(shè)計恒電勢器。用于這些應(yīng)用的集成電路具有合理的噪聲閾值。在應(yīng)用于生物感測時，可獲得的裝置的測量信號在許多情況下在噪聲閾值內(nèi)，因而致使可獲得的恒電勢器中的大多數(shù)是不合適的。

本文所公開的恒電勢器還是可編程的，以使用快速傅里葉變化和拉普拉斯變換來執(zhí)行三電極阻抗譜?，F(xiàn)有的恒電勢器使用利薩如曲線方法來估計測量的電流響應(yīng)的相位變化。雖然這對于涉及高電壓和電流的應(yīng)用而言已經(jīng)是完美的，但是其對于生物感測所必需的電壓響應(yīng)和電流響應(yīng)的分析而言不是最優(yōu)化的。更適合于這些應(yīng)用的基于快速傅里葉變換和基于拉普拉斯變換的估計由于實現(xiàn)的復(fù)雜性(因為其要求高的處理器速度)而尚未被廣泛使用。通過減小噪聲并且保存信號完整性，使用快速傅里葉變換和拉普拉斯變換有助于數(shù)字信號分析，其中，減小噪聲和保存信號完整性二者對于生物感測是重要的

下面來描述恒電勢器的使用快速傅里葉變換進行的計算。微控制器應(yīng)用V(t)＝v sin(ωt)形式的正弦電壓，其中，v是信號的幅度，而ω是角頻率。在優(yōu)選實施方式中，微控制器在變化的頻率處應(yīng)用正弦信號。微控制器測量最終的電流信號，該最終的電流信號具有的形式，其中，i為信號的幅度以及是信號的相移。微控制器通過應(yīng)用快速傅里葉變換來將施加的電壓信號從時域變換到頻域，同樣地，微控制器在步驟506中通過應(yīng)用快速傅里葉變換來將最終的電流信號從時域變換到頻域，以施加的電壓信號來檢驗最終的電流頻率信號并且過濾其它頻率處出現(xiàn)的噪聲。微控制器使用多層分割來確定發(fā)生最大阻抗變化處的頻率，其中，所施加的頻譜被切成各個離散的頻率點。然后，微控制器將發(fā)生最大阻抗變化處的頻率與存儲器中存儲的用于正在測試的特定分析物的參考頻率點進行比較。微控制器通過應(yīng)用與校準(zhǔn)中使用的等式相同的等式z_i＝b_nxⁿ+b_n-1x^n-1+...+b₁x+c來估計所測試的分析物的濃度，其中，z_i為發(fā)生最大阻抗變化處的頻率下的阻抗，以及b_n、b_n-1、b₁和c為校準(zhǔn)期間計算的系數(shù)，以及x為正在計算的目標(biāo)分析物濃度。在優(yōu)選實施方式中，等式為二次的。

圖12為示出恒電勢器的一個實施方式的操作的流程圖。在步驟800處，在第一電極與第二電極之間施加正弦電壓。在步驟802處，系統(tǒng)測量在第一電極與第二電極之間流動的最終電流。在步驟804與步驟806處，使用快速傅里葉變換將電壓和電流變換到頻域中。在步驟808中，使用拉普拉斯變換將電壓和電流變換到s域中。在步驟810中，以不同頻率來施加被施加于第一電極和第二電極的正弦電壓，這導(dǎo)致在距離電極的不同距離處形成電容性雙層。在步驟812中，在所施加的信號頻率變化的情況下分析阻抗的模數(shù)部分和虛數(shù)部分。在步驟814處，基于在不同頻率處測量的電抗來識別溶液中的區(qū)別標(biāo)記。在步驟816處，系統(tǒng)在第三電極與第二電極之間施加正弦電壓。在步驟818處，系統(tǒng)測量在第三電極與第二電極之間流動的最終電流。在步驟820和步驟822處，系統(tǒng)應(yīng)用快速傅里葉變換來將所施加的電壓和最終的電流信號變換到頻域中。在步驟824中，使用拉普拉斯變換將信號變換到s域中。在步驟826中，以正交于第一-第二電極的變化的角來施加合成電場。在步驟828處，對旋轉(zhuǎn)角和電流響應(yīng)進行分析。在步驟830處，系統(tǒng)基于在不同角度的電場下顯示的電流響應(yīng)來確定溶液中一種或更多種分析物的存在。

本文所公開的恒電勢器還包含有節(jié)省成本的部件，制造涉及非常簡單的表面安裝裝置裝配，并且所公開的裝置由于使用了現(xiàn)代電流放大器和可編程門陣列而具有低的熱噪聲。

最終，本文所公開的恒電勢器具有作為源表、伏安法工具和針對標(biāo)準(zhǔn)電力測量的適用性?？梢葬槍Σ煌膽?yīng)用通過對運行操作并且產(chǎn)生結(jié)果的程序進行修改來定制恒電勢器?？删幊淘鲆娣糯笃骶哂袑挼牟僮鞣秶?mV-V/pA-mA)并且因此可以用于不同的伏安法生物感測應(yīng)用以及一般應(yīng)用。微處理器/微控制器提供廣泛的編程自由并且因此恒電勢器的針對不同操作的應(yīng)用將僅需要軟件變化而不需要硬件變化。

本文所公開的恒電勢器是高適應(yīng)性的并且迅速地生成結(jié)果。對于單通道試驗，當(dāng)使用單通道EIM檢測方案和32位微控制器(40-10kHz)時，其產(chǎn)生小于40秒的讀取時間。

B.襯底和導(dǎo)電材料

所考慮的襯底包括多孔納米織構(gòu)襯底。在一些實施方式中，考慮了紙、硝化纖維、織物、葉子、樹皮或殼；然而，可以將通過毛細(xì)管作用來輸送流體的任何多孔親水襯底用作本文所描述的方法和裝置中的襯底。非限制性示例包括纖維素和醋酸纖維素、紙(例如濾紙和色層分析紙)、布或織物、多孔聚合物膜、多孔塑料或葉子。在一些實施方式中，襯底是可生物降解的。優(yōu)選地，襯底為紙。

可以利用襯底的多孔性以及導(dǎo)電墨絲網(wǎng)印刷來使共形電路圖案化?？梢允褂萌魏未笮『秃穸鹊囊r底。襯底的尺寸不是電路功能的關(guān)鍵。影響電路性能的關(guān)鍵參數(shù)是襯底的孔隙率。孔隙率可以從10×10⁷到10×10¹⁸個孔隙/mm²變化，并且基于目標(biāo)分析物的大小來選擇襯底及其孔隙率。孔隙率可以使用各種技術(shù)例如涂覆或處理進行調(diào)節(jié)或調(diào)整。可能的處理和涂覆的示例包括：濕處理，例如酸性蝕刻或堿性蝕刻；使用自組裝單層的逐層沉積；以及干處理，例如反應(yīng)離子蝕刻和等離子蝕刻。

襯底可以達(dá)到100微米厚，并且不存在對于橫向尺寸的限制因素。在一些實施方式中，襯底可以為1、2、3、4、5、6、7、8、9或10cm乘1、2、3、4、5、6、7、8、9或10cm，或者在其間的任何尺寸。在特定實施方式中，襯底為1cm乘1cm。

考慮的是可以使用任何合適的導(dǎo)電材料，并且考慮一系列導(dǎo)電墨。導(dǎo)電墨通常包含導(dǎo)電材料例如粉末狀或薄片狀銀和碳類材料。在一些實施方式中，導(dǎo)電墨為碳、銀或者加入了金屬或金屬氧化物納米顆粒的碳墨。在一些實施方式中，加入了金屬或金屬氧化物納米顆粒的碳墨加入了按體積計的1％的貴金屬或金屬氧化物。在某些示例中，碳墨被加入了金、鉑、鉭、銀、銅、錫、銦錫氧化物、石墨烯、石墨烯氧化物、氧化鋅、氧化鈦、氧化鐵或氧化鉬。對碳墨使用添加物例如金屬或金屬氧化物納米顆粒將導(dǎo)電碳墨變成半導(dǎo)電墨。在一些實施方式中，該半導(dǎo)電墨圖案可以用于設(shè)計二極管和晶體管行為。在一些實施方式中，可以使用天然導(dǎo)電墨來獲得阻抗變化。墨襯底(即墨和襯底的組合)為基電極表面，在該基電極表面上實現(xiàn)了生物分子化學(xué)過程以實現(xiàn)分子診斷。

墨的性質(zhì)取決于所期望的分析和感測的類型。在一些實施方式中，當(dāng)使用電讀取器進行的無源感測有必要時，墨僅是導(dǎo)電的。更特別地，對于無源裝置，可以使導(dǎo)電/半導(dǎo)電納米顆粒分散在基質(zhì)中，或者墨可以包含金屬納米顆粒、金屬氧化物納米顆粒或電活性聚合物基質(zhì)。在有源感測例如使用萬用表進行的有源感測有用的情況下，墨可以是導(dǎo)電的或半導(dǎo)電的，或者是導(dǎo)電堆(conducting stack)。在光學(xué)感測是合適的情況下，墨可以是光催化劑。在比色感測是有用的情況下，墨將包含在感測期間凝聚的納米顆粒。材料的混合堆疊還可以賦予墨另外的性質(zhì)。

在一些實施方式中，共形電路可以包括氧化還原材料，例如鉀、鎂、銣和銅的衍生物。這些材料與固定到共形電路上的分析物的受體相結(jié)合。在分析物結(jié)合到具有氧化還原材料的受體上期間，由于氧化還原材料的還原或氧化，所以存在通過共形電路傳送的電荷數(shù)目的放大。該過程與使用氧化還原電極不同，在使用氧化還原電極的情況下氧化還原材料被固定到氧化還原電極其本身上。在向氧化還原電極上的氧化還原材料施加偏置電勢或電流期間，該材料經(jīng)歷還原或者氧化，因而結(jié)合至該狀態(tài)下的目標(biāo)分析物并且修改正被測試/評估的分析物。

C.圖案化的方法

通過對標(biāo)準(zhǔn)紙制品執(zhí)行工程來裝配共形電路。為了實現(xiàn)控制電路形成的目的來利用紙的多孔性。用任何合適的方式將電路設(shè)計的模板轉(zhuǎn)移到襯底表面上。根據(jù)要檢測的分子來確定期望的圖案的參數(shù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮所期望的圖案的情況下會認(rèn)識到合適的轉(zhuǎn)移方法。例如，較小的圖案或較小的特征大小需要更先進的印刷技術(shù)，例如掩膜和光刻。這些處理在下面進行更詳細(xì)地討論。

模板包含洞或孔的圖案，導(dǎo)電材料通過洞或孔沉積到親水襯底上。替選地，在蝕刻處理中，模板包含洞或孔的圖案，導(dǎo)電材料通過洞或孔被蝕刻從而在親水襯底上形成金屬圖案。模板可以由各種材料制成，例如金屬、塑料或干膜抗蝕劑的圖案層。用于制造模板的金屬的非限制性示例包括不銹鋼和鋁。用于制造模板的塑料的非限制性示例包括聚酯薄膜。替選地，可以將干膜抗蝕劑的圖案層用作模板。在一個或更多個實施方式中，將金屬或塑料用于制造模板，并且可以使用布局編輯程序(例如Clewin,WieWeb Inc.)在計算機上設(shè)計金屬路徑的圖案，以及可以從任意供應(yīng)商(例如Stencils Unlimited LLC(俄勒岡州，奧斯威戈湖))來獲得基于設(shè)計的模板。在某些實施方式中，可以在沉積之后將模板從紙移除。在某些其它實施方式中，可以向模板的一側(cè)噴涂一層噴膠(例如3M Photomount,3M Inc.)以將模板臨時固定至紙襯底。在沉積之后，可以將模板從紙剝除。模板可以重復(fù)使用多次，例如多于10次。在其它實施方式中，可以將干膜抗蝕劑的圖案層用作模板。干膜抗蝕劑在通過透明掩膜暴露于紫外光并且在稀釋的氫氧化鈉溶液里顯影時可以被圖案化?？梢酝ㄟ^將抗蝕劑側(cè)(resist-side)按壓至親水襯底的表面，并且使多片結(jié)構(gòu)通過便攜式層壓機(例如Micro-Mark,Inc)中的加熱滾筒來使圖案化的干膜抗蝕劑附接至塑料的涂層片或直接固定至親水襯底。然后可以將塑料的涂層片剝除，產(chǎn)生具有一側(cè)被圖案化的干膜抗蝕劑的紙片。

可以使用各種沉積方法來將導(dǎo)電材料沉積到微流體裝置的親水襯底上。沉積方法的非限制性示例包括：使用模板來沉積導(dǎo)電材料；通過繪制導(dǎo)電路徑來沉積導(dǎo)電材料；通過噴墨或激光打印來沉積導(dǎo)電材料；通過將商業(yè)上可購得的或自制的導(dǎo)電材料帶附接于親水襯底上來沉積導(dǎo)電材料；通過繪制導(dǎo)電路徑來沉積導(dǎo)電材料；或者通過在微流體裝置的親水通道或親水襯底上引入導(dǎo)電流體來沉積導(dǎo)電材料。替選地，可以將導(dǎo)電材料嵌入用于制造親水襯底的漿或纖維中以使得能夠制造包含導(dǎo)電材料的親水襯底。

特別考慮的是，可以通過(a)浸漬涂覆、(b)凸印或(c)掩膜和光刻將電路設(shè)計轉(zhuǎn)移到襯底表面上。浸漬涂覆和凸印提供數(shù)百微米的特征分辨率，而掩膜和光刻提供在1至10微米范圍中的特征分辨率。這些技術(shù)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。參見Reighard和Barendt,2000。在特定實施方式中，可以在3D打印機上設(shè)計電路并且可以通過使電路浮凸于襯底上來將設(shè)計轉(zhuǎn)移到襯底上。

利用襯底的橫向多孔性來生成本文所公開的共形電路。垂直多孔性不適宜，因此大約100nm厚度的金屬屏障實現(xiàn)該目標(biāo)。沉積的材料的厚度還對應(yīng)于一些區(qū)域中襯底的厚度以改變襯底的電行為。

在特定實施方式中，整個紙面經(jīng)浸漬涂覆。僅與導(dǎo)電墨表面相互作用的生物分子對于測量信號負(fù)責(zé)。不存在要考慮的對于流的考慮。因此，生物分子相互作用主要是擴散和被毛細(xì)管作用驅(qū)動的，因此孔隙越大，相互作用越快。在適當(dāng)?shù)那闆r下，采用了多層浸漬涂覆。當(dāng)目的是設(shè)計需要合并到傳感器平臺上的多層分子的免疫測定時，該技術(shù)是最相關(guān)的。

D.生物分子的檢測

這些共形電路可以適用于廣泛的分子診斷和分析，并且因此可以用在被懷疑包含所關(guān)注的分子的任何樣本(例如食物、水、土壤、空氣、體液如血清、清潔劑、離子緩沖液等)上。在一些實施方式中，樣本為可以溶解或分散于液體中的任何液體樣本或固體。在其它實施方式中，電路可以用于檢測空氣樣本中的毒素或其它分子。例如，電路可以用于檢測一氧化碳、溫室氣體(例如NO_x、SO_x、NH₄、O₃)以及其它環(huán)境毒素。電路可以用于設(shè)計簡單的基于親和力的試驗以映射酶和生理離子的存在。這些可以用于發(fā)展試驗以研究抗體抗原相互作用以及確定在超敏感濃度下表達(dá)的大范圍的蛋白質(zhì)生物標(biāo)記的存在或不存在。還可以使用這些電路來發(fā)展基因組試驗。

可以結(jié)合共形電路來使用單步免疫測定。在一些實施方式中，使用電化學(xué)傳感器的免標(biāo)記免疫測定是合適的(Vertergaard等人，2007)。在蛋白質(zhì)診斷的特定實施方式中，使用無標(biāo)簽的單個初級抗體，并且在蛋白質(zhì)檢測期間基于基礎(chǔ)電路來實現(xiàn)對于電路參數(shù)的受控的和映射的調(diào)制。系統(tǒng)可以被設(shè)計成進行定量檢測(例如電化學(xué)阻抗譜電子讀取器)。

本文所公開的共形電路可以以任何合適的方式進行設(shè)置以用于免疫測定。在一個實施方式中，將鏈接器沉積在襯底上，使襯底充滿特定于目標(biāo)分析物(例如目標(biāo)特定抗體)的部分，將阻斷緩沖液施加于充滿了受體部分的共形電路表面以使其它競爭分子在傳感器表面上的非特定性結(jié)合或吸收最小化，執(zhí)行緩沖液清洗，以及將目標(biāo)分析物(例如抗原)施加到電路上。在設(shè)計目標(biāo)分子例如抗原的校準(zhǔn)曲線時，將漸增劑量的抗原施加到共形電路上并且獲得阻抗測量結(jié)果，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)為止。預(yù)期測量的阻抗的變化隨著目標(biāo)分子例如抗原的劑量的增加而增加。當(dāng)已經(jīng)設(shè)計了校準(zhǔn)曲線時，在充滿抗體/受體部分的傳感器表面上測試未知劑量的測試目標(biāo)分子例如抗原，并且然后根據(jù)校準(zhǔn)曲線來評估阻抗變化以確定測試目標(biāo)分子的劑量。

在襯底的納米級紋理內(nèi)實現(xiàn)分析物限制，并且使用導(dǎo)電墨在襯底上實現(xiàn)目標(biāo)分析物的基于大小的限制。在單步免疫測定格式中與導(dǎo)電墨相互作用的分析物干擾了(a)雙電層、(b)二極管中的耗盡層中的電荷以及(c)晶體管的柵電流特性，從而導(dǎo)致檢測到所關(guān)注的生物分子。因為需要在1至10微升范圍中的超低體積，所以受控流的問題并不存在。主要將流體滴在襯底表面上足以實現(xiàn)用于生物分子檢測的相關(guān)聯(lián)的相互作用。

本文所公開的共形電路和檢測裝置可以設(shè)計成定量地(例如EIS電子讀取器)或者定性地(例如顏色變化)進行檢測。另外，可以將系統(tǒng)設(shè)計成檢測單重(一種分析物)、多重(同一類型的多種分析物)或多樣(不同類型的多種分析物)。

本文所公開的共形電路是高度通用的。對于單通道試驗，需要小于125μL的樣本體積，其具有1pg/mL至10μg/mL的動態(tài)檢測范圍，并且其對于在1nm和100nm處的或者在1nm與100nm之間的分子是有用的。對于多通道檢測，需要小于75μL的樣本體積，其具有1pg/mL至10μg/mL的動態(tài)檢測范圍，可以存在最少2個通道和最多8個通道，并且其對于在1nm和100nm處或者在1nm與100nm之間的分子是有用的。對于多樣檢測，需要小于50μL的樣本體積，其具有1pg/mL至10μg/mL的動態(tài)檢測范圍，存在最小2個通道和最多16個通道，并且其對于在1nm和100nm處或者在1nm與100nm之間的分子是有用的。

本文所公開的恒電勢器是高適應(yīng)性的并且迅速生成結(jié)果。對于單通道試驗，當(dāng)使用單通道EIM檢測方案和32位微控制器(40-10kHz)時，其產(chǎn)生小于40秒的讀取時間。對于多通道檢測，當(dāng)在最少2個通道并且最多8個通道的情況下使用串行多通道EIM和16位/32位微控制器(40-10kHz)時，每個通道在小于40秒內(nèi)生成結(jié)果。對于多樣檢測，當(dāng)在最小2個通道并且最多16個通道的情況下使用并行多通道EIM和32位/64位微控制器(40-10kHz)時，每個通道在小于30秒內(nèi)生成結(jié)果。

E.成套裝置

在一些實施方式中，考慮的是包括共形電路和恒電勢器的成套裝置。在一些實施方式中，這些成套裝置被設(shè)計成容納有特定目標(biāo)分析物，例如所關(guān)注的特定蛋白質(zhì)。在一個實施方式中，成套裝置將包括共形電路，其包括適合于目標(biāo)分析物的納米織構(gòu)多孔襯底，襯底將具有被轉(zhuǎn)移至其的合適的圖案，其中圖案由合適的墨構(gòu)成。另外，成套裝置將進一步包括恒電勢器，該恒電勢器被針對特定目標(biāo)分析物進行校準(zhǔn)以向用戶生成所關(guān)注的數(shù)據(jù)。

例如，被設(shè)計成檢測C反應(yīng)蛋白的共形電路將具有納米多孔材料襯底例如紙，該納米多孔材料襯底具有200nm的孔隙的10¹³至10¹⁵個孔隙/cm²的孔隙率，其中，電路由互相交叉的圖案或者由無邊的互相交叉的圖案制成，或者電路由使用加入了金屬或金屬氧化物納米顆粒的碳墨(碳墨加入了金/鉑/銀/銅/鎳/銦錫氧化物/氧化鐵)制成的同心環(huán)制成。將輸入到恒電勢器中的所關(guān)注的參數(shù)包括施加的10mV電壓和施加的20至20kHz的范圍和頻率。最終，對于分析而言所關(guān)注的參數(shù)包括分析頻率、施加的電壓、測量的電流、計算的阻抗、估計的濃度和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線。

7.示例

以下示例被包括以展示本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，以下示例中公開的技術(shù)表示由發(fā)明人發(fā)現(xiàn)的在本發(fā)明的實踐中較好地工作的技術(shù)，因此可以被視為構(gòu)成針對其實踐的優(yōu)選模式。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本公開內(nèi)容應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以在已公開的具體實施方式中作出許多修改并且仍獲得同樣或類似的結(jié)果。

圖9是表示阻抗模數(shù)相對于施加于包含脂多糖、脂磷壁酸和肌鈣蛋白-T的溶液的信號的頻率的波特圖。圖9示出觀察到電容主導(dǎo)和電阻主導(dǎo)的頻率。波特圖展示了溶液中獨特的蛋白質(zhì)生物標(biāo)記的存在，但是不能量化蛋白質(zhì)生物標(biāo)記或他們的結(jié)合特異性。

圖10為表示阻抗的相位變化相對于施加于包含脂多糖、脂磷壁酸和肌鈣蛋白-T的溶液的信號的頻率的另一波特圖。蛋白質(zhì)生物標(biāo)記顯示了獨特的阻抗相位輪廓，該阻抗相位輪廓展示了基于光譜分析來區(qū)分溶液中的多個生物標(biāo)記的能力。該波特圖不能量化蛋白質(zhì)生物標(biāo)記或他們的結(jié)合特異性。

圖11為對于包含脂多糖、脂磷壁酸和肌鈣蛋白-T的溶液第二-第三電極的角定向相對于在第三電極處測量的輸出電流的繪圖。在電極-溶液界面處檢測的蛋白質(zhì)生物標(biāo)記在交叉電場的影響下展示了獨特的相位響應(yīng)性質(zhì)。所測試的三個生物標(biāo)記在施加的電場的變化的定向角下展示了獨特的電流響應(yīng)。

圖13為列出了各種目標(biāo)分析物系統(tǒng)和相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)配置的表。

G.實驗數(shù)據(jù)

圖14為由本公開內(nèi)容的示例性實施方式檢測的阻抗變化(以歐姆為單位進行量度)相對于脂多糖的濃度(以fg/mL為單位進行量度)的曲線圖。

圖15為由本公開內(nèi)容的示例性實施方式檢測的阻抗變化(以歐姆為單位進行量度)相對于原降鈣素的濃度(以fg/mL為單位進行量度)的曲線圖。

圖16為由本公開內(nèi)容的示例性實施方式檢測的阻抗變化(以歐姆為單位進行量度)相對于脂磷壁酸的濃度(以fg/mL為單位進行量度)的曲線圖。脂多糖、原降鈣素和脂磷壁酸的檢測操作的線性范圍為1fg/mL至1μg/mL。

關(guān)于miRNA 21的檢測來收集另外的數(shù)據(jù)。用于研究對目標(biāo)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)的對小RNA分子的檢測具有示出的值。例如，miRNA是癌癥調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵參與者。在一個測試中，檢測出了細(xì)胞溶解物溶液中的miRNA 21的拷貝的數(shù)目。測試樣本包括富集了miRNA 21的細(xì)胞。紙藥卷上的20個堿基對寡核苷酸以miRNA 21作為目標(biāo)，并且對照物是野生型細(xì)胞。miRNA 21的高相對濃度(例如大于200拷貝/細(xì)胞)被檢測到。

關(guān)于使用特定捕獲探針(P2)對miRNA序列(P4)的檢測來收集另外的數(shù)據(jù)。圖17表示在各種溫度和時間下測量的阻抗(以歐姆為單位)。捕獲探針處的阻抗為32.452千歐姆。

圖18示出對于非特異性miRNA序列與捕獲探針(P2)的相互作用的信號的估計。

圖19示出對于鮭魚精DNA與捕獲探針(P2)的相互作用的信號的估計。

參考文獻(xiàn)

下面的參考文獻(xiàn)就其對本文陳述的那些提供示例性的程序上的或其它細(xì)節(jié)補充而言通過引用被特別地合并到本文中。

Reighard&Barendt，“Conformal Coating Process Controls:The Manufacturing Engineer’s Aid.”，APEX，加利福尼亞州，長灘，2000年三月。

Vestergaard等人，Sensors，7(12):3442-58,2007。