功能化納米管傳感器及相關(guān)方法
【專利說明】功能化納米管傳感器及相關(guān)方法
[0001] 相關(guān)專利申請
[0002] 本專利申請要求于2012年10月29日提交的美國臨時專利申請No. 61/795,850 以及于2013年8月1日提交的美國臨時專利申請No. 61/861，107的優(yōu)先權(quán)，這兩份專利申 請各自以引用方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0003] 用于檢測人體的發(fā)病狀況的非侵入式技術(shù)在醫(yī)護(hù)點（P0C)處對疾病的快速生物 感測和診斷方面是一個越來越感興趣的領(lǐng)域。這些技術(shù)對于P0C診斷是優(yōu)選的，因為傳統(tǒng) 樣品諸如血液的處理需要特殊的技能并使醫(yī)護(hù)人員暴露于可能的血源性病原體。理想的 是，非侵入式診斷方法降低該風(fēng)險。為了實現(xiàn)這一點，研宄人員已專注于篩選外部生物樣品 (例如，唾液、尿液、毛發(fā)、汗液和痰液）中指示病況諸如糖尿病、脫水和其他疾病的生物標(biāo) 志物。生物標(biāo)志物的典型例子是需要液體分析環(huán)境的抗原、抗體或蛋白質(zhì)。因此，疾病的診 斷最經(jīng)常需要液體生物樣品，諸如上文所述的那些。然而，已知與某些疾病相關(guān)且已發(fā)現(xiàn)作 為診斷工具的有限用途的一類生物標(biāo)志物是揮發(fā)性有機生物標(biāo)志物（VOB)。V0B已與不同 的慢性和傳染性疾病包括結(jié)核（TB)有關(guān)。
[0004] 作為具體例子，結(jié)核（TB)檢測的常規(guī)方法通常在實驗室或醫(yī)院中進(jìn)行。例如，TB 診斷的最常見方法是臨床材料的抗酸染色，然后是痰涂片的顯微鏡檢測。然而，痰涂片檢測 的缺點是其靈敏度不佳，據(jù)估計其靈敏度為70%。另外，已表明，在場設(shè)置中的痰涂片光譜 法的靈敏度低得多（例如，35%)，特別是在具有高TB和HIV合并感染率的人群中。此外， 分支桿菌的藥物敏感性分析無法從顯微鏡檢測中確定。該評估可用于確定適當(dāng)?shù)幕颊忒?程。對于這種類型的分析，通常使用培養(yǎng)技術(shù)。
[0005] 對痰樣中分支桿菌的培養(yǎng)是更靈敏的技術(shù)。采集痰樣并在固體培養(yǎng)基或液體培養(yǎng) 基中培養(yǎng)，從而尋找分支桿菌的存在?？墒褂迷摷夹g(shù)確定耐藥菌株。然而，該方法耗時（對 于固體培養(yǎng)為3-4周，而對于液體培養(yǎng)為10-14天），這使得難以用于通常遠(yuǎn)離檢測機構(gòu)的 資源匱乏的環(huán)境。近來，已開發(fā)了其他技術(shù)，包括用于涂片檢測的熒光顯微鏡法（比光學(xué)顯 微鏡法的靈敏度高10% )，可用于現(xiàn)場而無需暗室的低成本成像設(shè)備的LED熒光顯微鏡法， 以及縮短培養(yǎng)時間的快速培養(yǎng)技術(shù)。盡管在TB診斷中已實現(xiàn)了改進(jìn)，但目前仍無簡單、低 成本的P0C檢測法。因此，將繼續(xù)對檢測TB的快速、準(zhǔn)確和低成本方式進(jìn)行研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供檢測空氣環(huán)境中的揮發(fā)性有機化合物、揮發(fā)性有機生物標(biāo)志物和其他 目標(biāo)化合物以及液體環(huán)境中的生物標(biāo)志物的功能化納米管陣列、傳感器及相關(guān)方法。在一 個實施例中，提供了功能化納米管陣列。該功能化納米管陣列可包括多個金屬氧化物納米 管。該金屬氧化物納米管可由金屬氧化物形成并可具有通過至少一種金屬離子功能化的內(nèi) 表面或外表面。
[0007] 在另一個實施例中，提供了用于檢測目標(biāo)化合物諸如揮發(fā)性有機化合物的傳感 器。該傳感器可包括納米管陣列，該納米管陣列包括多個功能化金屬氧化物納米管。該金 屬氧化物納米管可由金屬氧化物形成并可具有通過至少一種金屬離子功能化的并能夠與 目標(biāo)化合物結(jié)合的內(nèi)表面或外表面。該傳感器還包括被構(gòu)造成向納米管陣列施加電壓的電 源以及被構(gòu)造成監(jiān)控和檢測響應(yīng)電流的變化的電流傳感器（例如，穩(wěn)壓器），在與目標(biāo)化合 物結(jié)合時該響應(yīng)電流發(fā)生改變。
[0008] 在另一個實施例中，提供了檢測目標(biāo)化合物的方法。該方法包括以下步驟：在整個 功能化納米管陣列（諸如上述那些）上施加電壓，測量在功能化納米管陣列上方經(jīng)過的電 流，使氣體在功能化納米管陣列上方流動以使得目標(biāo)化合物可與金屬氧化物納米管的至少 一種金屬離子結(jié)合，監(jiān)控電流的變化，以及基于電流的變化鑒定存在于氣體中的目標(biāo)化合 物。
【附圖說明】
[0009] 與附圖相結(jié)合，通過以下說明和所附權(quán)利要求書，本發(fā)明將變得更加顯而易見。應(yīng) 當(dāng)理解，這些附圖僅僅示出本發(fā)明的示例性實施例，因此不應(yīng)視為對其范圍的限制。將易于 認(rèn)識到，如本文圖中大體描述和示出的本發(fā)明的組件可以按多種不同的構(gòu)型布置、制定大 小和設(shè)計。但是，將通過使用以下附圖更具體和詳細(xì)地描述并解釋本發(fā)明：
[0010] 圖1A是具有金屬離子和與之相關(guān)的生物標(biāo)志物的功能化納米管的截面的示意性 剖面圖。
[0011] 圖1B示出用于快速TB診斷的快速電子TB檢測裝置的廣義概念的示意圖，該裝置 具有結(jié)合空氣中的揮發(fā)性生物標(biāo)志物的功能化Ti0 2納米管陣列?；颊呦蜓b置中吹氣，而呼 氣中的生物標(biāo)志物與處于偏壓下的功能化納米管反應(yīng)。生物標(biāo)志物與功能化納米管之間的 結(jié)合事件導(dǎo)致指示陽性結(jié)果的電流變化。
[0012] 圖2A示出傳感器讀出，其基于在暴露于生物標(biāo)志物期間的電流下降而指示陽性 檢測結(jié)果。
[0013] 圖2B是用于揮發(fā)性生物標(biāo)志物感測的自有序Ti02納米管陣列（使用陽極化方法 制造）的SEM圖像。
[0014] 圖3A-3C示出檢測TB揮發(fā)性生物標(biāo)志物煙酸甲酯和對甲氧基苯甲酸甲酯的初步 結(jié)果。圖3A示出當(dāng)暴露于涉及煙酸甲酯（10mM溶于去離子水，通過將氮氣鼓入溶液而將氮 氣用于把生物標(biāo)志物攜帶到傳感器）的濕空氣（通過將氮氣鼓入水中并將其遞送到傳感器 而制備）時鈷功能化Ti0 2傳感器的響應(yīng)曲線圖。結(jié)果示出從基線的數(shù)量級變化以及初步 結(jié)果表明傳感器對濕度的響應(yīng)與煙酸甲酯相比時甚微。
[0015] 圖3B是在以單次運行暴露于N2、然后是濕空氣再是對甲氧基苯甲酸甲酯（2. 5mM 溶于去離子水，經(jīng)由氮氣載氣遞送）時Co功能化Ti02的響應(yīng)曲線圖。再一次觀察到了電 流的數(shù)量級變化。
[0016] 圖3C是使用如圖3B所示的相同條件進(jìn)行的第二次試驗的曲線圖，其中將傳感器 暴露于N 2、然后是濕空氣再是對甲氧基苯甲酸甲酯（2. 5mM溶于去離子水，經(jīng)由N2載氣遞 送）。
[0017] 圖4A示出當(dāng)暴露于濃縮水平（20ppm)的存在于呼氣中的普通V0C和與TB相關(guān)的 揮發(fā)性生物標(biāo)志物時鈷功能化110 2納米管傳感器的實施例的響應(yīng)曲線圖。傳感器在暴露于 普通VOC時示出很小的響應(yīng)。然而，當(dāng)暴露于煙酸甲酯和對甲氧基苯甲酸酯時，示出在3至 6個數(shù)量級差異范圍內(nèi)的響應(yīng)。這些結(jié)果示出傳感器是目標(biāo)揮發(fā)性生物標(biāo)志物特異性的。
[0018] 圖4B示出暴露于苯和煙酸甲酯的普通1102傳感器的電流與時間的曲線圖。煙酸 醋以5ppm暴露，而苯以20ppm暴露。
[0019] 圖5示出金屬-生物標(biāo)志物結(jié)合中涉及的反應(yīng)和術(shù)語的示意圖。
[0020] 圖6示出用于篩選添加有和未添加煙酸甲酯的Co (II)溶液的循環(huán)伏安法（CV)的 初步結(jié)果：添加有〇mM、〇. ImM和ImM煙酸甲酯的Co(II)的CV。結(jié)果表明Co在-0. 2V的電 壓下結(jié)合煙酸酯。該方法可用于篩選苯乙酸甲酯和2-甲氧基聯(lián)苯的其他可能的結(jié)合元素 以及鑒定用于檢測具體生物標(biāo)志物的操作電壓。
[0021] 圖7是銅功能化氧化鈦納米管的GSH和GSSG的CV測量的圖表。
[0022] 圖8是Cu-Ti02納米管的電流強度與GSH濃度的曲線圖。
[0023] 現(xiàn)在將參考所示的示例性實施例，并且本文將使用具體語言來描述這些示例性實 施例。然而應(yīng)當(dāng)理解，并不旨在對本發(fā)明的范圍進(jìn)行任何限制。
【具體實施方式】
[0024] 現(xiàn)在將參考在附圖中示出的示例性實施例，并且本文將使用具體語言來描述這些 示例性實施例。然而應(yīng)當(dāng)理解，并不旨在對本發(fā)明的范圍進(jìn)行任何限制。相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù) 人員和本發(fā)明產(chǎn)權(quán)的擁有者可能想到的本文所示的本發(fā)明特征的改變和進(jìn)一步修改形式， 以及如本文所示的本發(fā)明原理的另外應(yīng)用，應(yīng)被視為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
[0025] 必須注意的是，除非上下文明確規(guī)定，否則如本說明書和所附權(quán)利要求書中所用， 單數(shù)形式"一個/ 一種"和"該/所述"包括多個指代物。因此，例如，提及"一種金屬離子" 包括一種或多種金屬離子，提及"一個陣列"包括提及一個或多個這樣的陣列，而提及"一個 測量步驟"包括提及一個或多個這樣的步驟。
[0026] 定義
[0027] 在描述本發(fā)明和主張其權(quán)利要求時，將根據(jù)下文所述定義使用以下術(shù)語。
[0028] 在本公開中，"包括"、"包含"、"含有"和"具有"等可以具有在美國專利法中所賦 予它們的含義，并且可以表示"包括有"、"包含有"等，并且一般被解釋為開放式術(shù)語。術(shù)語 "由…組成"是一種封閉式術(shù)語，并且僅包括具體所列的并符合美國專利法的裝置、方法、組 合物、組件/組分、結(jié)構(gòu)