用于分子分析的三電極設備和方法技術

本請求保護的發明專利技術是用于以手持測量裝置來執行阻抗譜的設備和方法。共形分析物傳感器電路包括多孔納米織構襯底和在電路設計中位于固體襯底的上表面上的導電材料，該共形分析物傳感器電路可以單獨使用或者與手持電勢計聯合使用。還公開了使用手持測量裝置來檢測和/或量化樣本中的目標分析物的方法。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】相關申請的交叉應用該申請請求于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先權，該兩個申請中的每個申請的內容通過引用合并到本文中。
本申請大體上涉及檢測裝置領域。更特別地，本申請涉及利用三電極恒電勢器以并發方式來檢測生物分子和其它目標分析物的設備和方法。
技術介紹
設計便宜的、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生保健和環境而言是很有價值的。已經確定的是生物分子的基于大小的限制對于實現提高的診斷敏感性是關鍵性的。通常，通過如用于互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術的復雜的制造工藝來實現基于大小的限值，然而復雜的制造工藝增加了單位成本并且增加了技術的實際成本。低成本技術使用印刷電路板，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境成本。已經開發了通常使用絲網印刷技術的紙基微流體；然而，關于實現表面上的受控流體流動，問題仍然存在。類似地，當前可購得的市場恒電勢器在聚焦于適用于大范圍的電/電化學技術的情況下進行設計。這導致過大的形狀因數和用于它們的構造中的昂貴的部件。此外，它們被設計以用于電化學應用。關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，使得其難以用于即時檢測(point-of-care)設置中；在低電流和低電壓設置處具有高的噪聲；具有昂貴和重復的軟件和固件成本；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用。便攜式恒電勢器對于生物應用而言并非噪聲有效的，并且因此缺乏魯棒性。關于手持恒電勢器的具體問題包括：在低電流和低電壓設置處的高的噪聲；對于生物感測應用而言的低的魯棒性；以及對于電化學應用的最少的操作選擇。當前可購得的市場恒電勢器可獲得為兩電極系統和三電極系統。當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分析物時遭受有限的特異性。因此，仍需要在檢測目標分析物時具有增加的特異性的、可負擔的、高效的、可生物降解的診斷平臺。
技術實現思路
請求保護的本專利技術的示例性實施方式包括用于以手持電勢計來執行阻抗譜的設備和方法。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分析物的方法，該方法包括以下步驟：(a)將包含多種目標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聯的相位角、通過利用標準校準曲線來檢測多種目標分析物或計算目標分析物的濃度。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計中位于該表面上的導電材料(具有或沒有織構式多孔結構)，從而產生包括第一電極、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、通過利用標準校準曲線來檢測目標分析物或計算目標分析物的濃度。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計中位于該表面上的導電材料，從而產生包括第一電極、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、通過利用標準校準曲線來檢測目標分析物或計算目標分析物的濃度。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分析物的方法，該方法包括以下步驟：(a)將包含多種目標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，第一雙電層接近于本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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類型的目標分析物的方法，所述方法包括以下步驟：(a)將包含多種目標分析物的樣本置于具有傳感器電路的共形襯底上，所述傳感器電路包括第一電極、第二電極和第三電極；(b)以第一相位角在所述第一電極與所述第二電極之間施加第一交流輸入電壓；(c)以第二相位角在所述第三電極與所述第二電極之間施加第二交流輸入電壓，其中，所述第一相位角和所述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所述第一電極和所述第三電極流出并且流過所述第二電極的輸出電流；(f)將雙電層劃分成多個平面，其中，所述雙電層接近于所述第一電極的表面、所述第二電極的表面和所述第三電極的表面；(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)識別發生最大阻抗變化處的第一相位角和第二相位角；(i)測量在所述第一相位角和所述第二相位角處識別的阻抗；以及(j)使用不同頻率下測量的阻抗和相關聯的相位角、通過利用標準校準曲線來檢測多種目標分析物或計算目標分析物的濃度。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.03.07 US 61/949,858;2015.01.30 US 62/110,1411.一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類型的目標分析物的方法，所述方法包括以下步驟：(a)將包含多種目標分析物的樣本置于具有傳感器電路的共形襯底上，所述傳感器電路包括第一電極、第二電極和第三電極；(b)以第一相位角在所述第一電極與所述第二電極之間施加第一交流輸入電壓；(c)以第二相位角在所述第三電極與所述第二電極之間施加第二交流輸入電壓，其中，所述第一相位角和所述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所述第一電極和所述第三電極流出并且流過所述第二電極的輸出電流；(f)將雙電層劃分成多個平面，其中，所述雙電層接近于所述第一電極的表面、所述第二電極的表面和所述第三電極的表面；(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)識別發生最大阻抗變化處的第一相位角和第二相位角；(i)測量在所述第一相位角和所述第二相位角處識別的阻抗；以及(j)使用不同頻率下測量的阻抗和相關聯的相位角、通過利用標準校準曲線來檢測多種目標分析物或計算目標分析物的濃度。2.一種分析物傳感器電路，包括：襯底，其具有表面，所述表面包括在電路設計中位于所述表面上的導電材料，從而產生包括第一電極、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所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極；以及可編程微控制器，其能夠操作地耦接至所述可編程增益放大器、所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極，其中，所述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)以第二相位角在所述第三電極與所述第二電極之間施加第二交流輸入電壓，其中，第一相位角和所述第二相位角相隔恒定的相位角增量；(c)使用所述可編程增益放大器來放大從所述第一電極和所述第三電極流出并且流過所述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，所述雙電層接近于所述第一電極的表面、所述第二電極的表面和所述第三電極的表面；(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)識別發生最大阻抗變化處的第一相位角和第二相位角；(g)測量在所述第一相位角和所述第二相位角處識別的阻抗；以及(i)使用所測量的阻抗、通過利用標準校準曲線來檢測目標分析物或計算所述目標分析物的濃度。3.根據權利要求2所述的裝置，其中：所述裝置包括另外的電路并且其中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、所述第二電極和所述第三電極中每一個能夠操作地耦接至所述可編程增益放大器；以及所述可編程微控制器被配置成對所述另外的電路中的每一個執行步驟(a)至步驟(i)來以毫秒精度實時捕獲阻抗和相位的變化。4.一種被配置成檢測和量化分析物的裝置，所述裝置包括：共形傳感器電路；以及手持讀取器，其耦接至所述共形傳感器電路，其中，所述裝置被配置成同時檢測和量化來自單個樣本的多種目標分析物。5.根據權利要求4所述的裝置，其中，所述共形傳感器電路包括：襯底，其具有表面，所述表面包括在電路設計中位于所述表面上的導電材料，從而產生包括第一電極、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所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極；以及可編程微控制器，其能夠操作地耦接至所述可編程增益放大器、所述第一電極、所述第二電極和所述第三電極，其中，所述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)以第二相位角在所述第三電極與所述第二電極之間施加第二交流輸入電壓，其中，第一相位角和所述第二相位角相隔恒定的相位角增量；(c)使用所述可編程增益放大器來放大從所述第一電極和所述第三電極流出并且流過所述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，所述雙電層接近于所述第一電極的表面、所述第二電極的表面和所述第三電極的表面；(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)識別發生最大阻抗變化處的第一相位角和第二相位角；(g)測量在所述第一相位角和所述第二相位角處識別的阻抗；以及(i)使用所測量的阻抗、通過利用標準校準曲線來檢測所述目標分析物或計算所述目標分析物的濃度。6.一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分析物的方法，所述方法包括以下步驟：(a)將包含多種目標分析物的樣本置于具有傳感器電路的共形襯底上，所述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)以第一相位角在所述第一電極與所述第二電極之間施加第一交流輸入電壓；(c)以第二相位角在所述第三電極與所述第二電極之間施加第二交流輸入電壓，其中，所述第一相位角和所述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變化；(e)使用可編程增益放大器來放大從所述第一電極和所述第三電極流出并且流過所述第二電極的所述第一輸出電流；(f)將第一雙電層在三維空間中劃分成多個平面，其中，所述第一雙電層接近于所述第一電極的表面、所述第二電極的表面和所述第三電極的表面；(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所述第一相位角范圍內變化；(h)識別發生第一最大阻抗變化處的第一相位角和第二相位角；(i)測量在所述第一相位角和所述第二相位角處識別的阻抗；(j)使用不同頻率下測量的阻抗、通過利用標準校準曲線來檢測第一目標分析物或者計算所述第一目標分析物的濃度；(k)以第三相位角在所述第四電極與所述第五電極之間施加第三交流輸入電壓；(l)以第四相位角在所述第六電極與所述第五電極之間施加第四交流輸入電壓，其中，所述第三相位角和所述第四相位角相隔第二恒定相位角增量；(m)在第二頻率范圍內的不同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變化；(n)使用所述可編程增益放大器來放大從所述第四電極和所述第六電極流出并且流過所述第五電極的所述第二輸出電流；(o)將第二雙電層劃分成多個平面，其中，所述第二雙電層接近于所述第四電極的表面、所述第五電極的表面和所述第六電極的表面；(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所述第二相位角范圍內變化；(q)識別發生第二最大阻抗變化處的第三相位角和第四相位角；(r)測量在所述第三相位角和所述第四相位角處識別的阻抗；以及(s)使用不同頻率下測量的阻抗和相位變化、通過利用標準校準曲線來檢測第二目標分析物或計算所述第二目標分析物的濃度。7.根據權利要求6所述的方法，其中，所述第一頻率范圍和所述第二頻率范圍不同。8.根據權利要求6所述的方法，其中，所述第一相位角范圍和所述第二相位角范圍不同。9.根據權利要求6所述的方法，其中，所述第一頻率范圍和所述第二頻率范圍相同。10.根據權利要求6所述的方法，其中，所述第一相位角范圍和所述第二相位角范圍相同。11.根據權利要求6所述的方法，其中，步驟(a)至步驟(j)與步驟(k)至步驟(s)同時被執行。12.一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分析物的方法，所述方法包括以下步驟：(a)在所述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)在所述共形分析物傳感器電路的第三電極與所述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所述第一電極和所述第三電極流出并且流過所述第二電極的輸出電流；(d)使用可編程微控制器通過將所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓與所述輸出電流進行比較來計算阻抗；以及(e)使用所述可編程微控制器根據所計算的阻抗來檢測目標分析物或計算目標分析物的濃度。13.一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分析物的方法，所述方法包括以下步驟：(a)在所述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)在所述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)改變所述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所述第一電極的輸出電流；(e)通過將所述電場的角定向與所述輸出電流進行比較來檢測一種或更多種目標分析物的存在。14.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓具有在50Hz與5000Hz之間的頻率。15.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓是正弦波。16.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓為鋸齒波。17.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓為方波。18.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓在100mV與500mV之間。19.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓在50mV與200mV之間。20.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述第一輸入電壓和所述第二輸入電壓在5mV與20mV之間。21.根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述輸出電流在10pA與10mA之間。22.根據權利要求12或13所述的方...

【專利技術屬性】
技術研發人員：沙利尼·普拉薩德，安詹·帕尼爾·塞爾萬，
申請(專利權)人：得克薩斯州大學系統董事會，
類型：發明
國別省市：美國;US