可被制造成一次性的。當(dāng)傳感器被構(gòu)造成可 再次使用時(shí)，傳感器還可以包括紫外線光源，其可以在使用傳感器后被激活以便在功能化 納米管上照射紫外線。紫外線可導(dǎo)致結(jié)合到金屬離子的目標(biāo)化合物釋放，以使得可以再次 使用傳感器?；蛘撸瑐鞲衅骺删哂型该鳉んw，并且可以使用外部紫外線光源。當(dāng)被構(gòu)造成一 次性的時(shí)，傳感器可由低成本的材料（包括一些或全部材料為可生物降解的）制成。
[0053] 在另一個(gè)實(shí)施例中，提供了檢測(cè)目標(biāo)化合物的方法。該方法包括以下步驟：在整個(gè) 功能化納米管陣列（諸如上文所述的）上施加電壓，測(cè)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(dòng)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。上述傳感器和納米管可用于本文所述的檢測(cè)方法。在一個(gè)實(shí)施例中，該檢測(cè)方法還 包括基于生物標(biāo)志物的鑒定來診斷具有生理狀況或疾病的人類受試者的步驟。在另一個(gè)實(shí) 施例中，該檢測(cè)方法還可以包括利用可再次使用的傳感器。因此，在這些實(shí)施例中，該方法 還可以包括將功能化納米管暴露于紫外線。將功能化納米管暴露于紫外線可導(dǎo)致結(jié)合到金 屬離子的任何目標(biāo)化合物釋放。
[0054]
[0055] 實(shí)例1-傳感器系統(tǒng)
[0056] 用于檢測(cè)結(jié)核病的揮發(fā)性生物標(biāo)志物的方法已經(jīng)存在（氣相色譜法、質(zhì)譜法），但 這些方法不適于在POC的資源匱乏的環(huán)境。存在明確的可通過使用本發(fā)明所公開的傳感器 和方法來填補(bǔ)的技術(shù)差距。在該實(shí)例中，傳感器是便攜式呼氣分析儀裝置（例如，長(zhǎng)和寬為 約8至10cm或更小的裝置），其包括用不同元素功能化的Ti0 2的陣列以檢測(cè)由駐留在肺中 的分支桿菌釋放出的不同類型的揮發(fā)性生物標(biāo)志物。該裝置的電子響應(yīng)為每次檢測(cè)幾分鐘 級(jí)。該快速響應(yīng)時(shí)間比任何目前正在使用的檢測(cè)高出多個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，這里所述的納米 管感測(cè)元素可以再生和再次使用，這進(jìn)一步降低每次檢測(cè)的成本并降低增加裝置總體成本 的廢棄物處置成本。
[0057] 在該具體實(shí)施例中，Ti02納米管可用鈷（II)離子功能化。這種類型的用于結(jié)核生 物標(biāo)志物的傳感器與現(xiàn)有技術(shù)相比具有多種優(yōu)點(diǎn)。例如，可立刻地基于VOB (揮發(fā)性生物標(biāo) 志物）的存在而檢測(cè)TB ;不到幾分鐘的快速檢測(cè)時(shí)間；便攜且操作簡(jiǎn)單；以及可用于資源 有限的環(huán)境并用于快速篩查社區(qū)內(nèi)大量的受試者。
[0058] 此外，本發(fā)明所公開的傳感器和系統(tǒng)可適于檢測(cè)表現(xiàn)出具有揮發(fā)性有機(jī)生物標(biāo)志 物的其他醫(yī)療狀況，諸如心臟移植排斥、肺癌、缺血性心臟病、妊娠子癇前期、糖尿病和乳腺 癌。與此類狀況相關(guān)的揮發(fā)性生物標(biāo)志物可包括但不限于丙酮、烷烴、烷烴衍生物、烯烴、 氨、硫醇、脂肪酸等。
[0059] 實(shí)例2-初步研究
[0060] 使用循環(huán)伏安法的初步研宄鑒定了鈷（II)為用于結(jié)合煙酸甲酯和對(duì)甲氧基苯甲 酸甲酯的首要候選物。這些方法表明了煙酸甲酯和對(duì)甲氧基苯甲酸甲酯的合適偏壓分別 為-0. 2V和-0. 8V。這些電壓在檢測(cè)期間產(chǎn)生了最大的信號(hào)并可用于改變?cè)诖嬖诙喾N揮發(fā) 性有機(jī)標(biāo)志物的情況下傳感器的選擇性。然后使用電化學(xué)陽極化合成了 Ti02納米管，再使 用之前所述的金屬離子交換法用鈷（II)功能化。
[0061] 簡(jiǎn)而言之，將氯化鈷（II)溶于乙醇，然后將Ti02納米管陣列在該溶液中溫育幾小 時(shí)，再在真空爐中干燥。這在納米管的表面上產(chǎn)生鈷（II)。鈷（II)是強(qiáng)氧化劑并與煙酸甲 酯和對(duì)甲氧基苯甲酸甲酯反應(yīng)。圖3A和圖3B示出鈷（II)功能化Ti0 2納米管的初步結(jié)果。 在這些初步實(shí)驗(yàn)中，將生物標(biāo)志物溶于水，然后通過將氮?dú)夤娜肴芤褐卸f送到傳感器。通 過將氮?dú)庖韵嗤姆绞焦呐莸娜爰兯鴮鞲衅鞅┞队跐窨諝狻D3A示出當(dāng)將兩個(gè)相 同的傳感器暴露于濕空氣和煙酸甲酯時(shí)電流與時(shí)間的關(guān)系。如在圖中所見，暴露于煙酸甲 酯的傳感器表現(xiàn)出具有約-20 yA的電流變化，而暴露于濕空氣的傳感器保持幾乎恒定。圖 3B示出得自按順序暴露于濕空氣然后是對(duì)甲氧基苯甲酸甲酯的單個(gè)傳感器的結(jié)果。圖3B 示出檢測(cè)對(duì)甲氧基苯甲酸甲酯的響應(yīng)時(shí)間比煙酸甲酯更慢。這可能是由于實(shí)驗(yàn)之間的檢測(cè) 條件不同。然而，圖3B示出對(duì)甲氧基苯甲酸甲酯的響應(yīng)遠(yuǎn)高于濕空氣的響應(yīng)。圖3C示出 在與圖3B中所示的試驗(yàn)相同的條件下的第二次試驗(yàn)運(yùn)行。變化量級(jí)可與濃度的差異相關(guān)。 結(jié)果表明，在將衍生自化學(xué)模擬物的生物標(biāo)志物溶于水并通過將氮?dú)夤娜肴芤褐卸f送到 傳感器時(shí)，鈷（II)功能化Ti0 2納米管能夠在生物標(biāo)志物達(dá)到傳感器的時(shí)候?qū)ζ溥M(jìn)行檢測(cè)。 結(jié)果還表明傳感器對(duì)濕度的響應(yīng)與相同檢測(cè)條件下的生物標(biāo)志物相比甚微。
[0062] 實(shí)例3-特異件
[0063] 如之前所述，人類呼氣是氣體與所存在的若干VOC的復(fù)雜混合物。進(jìn)行了初步測(cè) 試以確定傳感器在暴露于存在于呼氣中的VOC(包括乙醇、甲醇、丙酮、苯和酚）時(shí)的特異 性。通常，這些化合物以ppb范圍存在于人類呼氣中。然而，對(duì)于初步測(cè)試而言，在四個(gè)單 獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中，使用了這些化合物中每一種的濃縮源（20ppm)并遞送到Ti0 2傳感器（傳感器 一次僅暴露于一種VOC而不是處于復(fù)雜混合物中）。圖4A示出所測(cè)試的化合物中的每一種 的傳感器響應(yīng)。
[0064] 響應(yīng)定義為：（Id_Ib)/I b，其中Id是在將傳感器暴露于揮發(fā)性化合物時(shí)測(cè)得的電 流，而Ib是檢測(cè)前的基線電流。示出通常存在于呼氣中的濃縮VOC(指定為"A組"）和與 TB相關(guān)的VOB(指定為"B組"）的結(jié)果。傳感器對(duì)乙醇、甲醇、丙酮、苯和酚的響應(yīng)在從0.6 到1. 38的范圍內(nèi)，從而表明這些化合物在傳感器以TB揮發(fā)性生物標(biāo)志物的特定條件（20°C 和130SCCM流量）操作時(shí)對(duì)傳感器的影響很小。然而，當(dāng)將傳感器暴露于煙酸甲酯（10mM 和lOOmM)時(shí)，分別觀察到了 103和10 5的響應(yīng)變化。此外，對(duì)甲氧基苯甲酸酯示出10 6的響 應(yīng)變化。這表明，傳感器為TB生物標(biāo)志物特異性的并具有在存在通常存在于人類呼氣中的 其他V0C的情況下檢測(cè)這些分子的潛能。
[0065] 圖4B示出暴露于20ppm的苯和煙酸甲酯的1102傳感器的電流與時(shí)間的曲線圖。如 從該圖中可以看出，傳感器能夠清楚地區(qū)分煙酸酯和苯并表現(xiàn)出基本上對(duì)苯暴露無響應(yīng)。
[0066] 實(shí)例4-伸用計(jì)筧機(jī)計(jì)筧來鑒宙和表征與候詵揮發(fā)件牛物標(biāo)志物相互作用的元素
[0067] 使用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)，該實(shí)驗(yàn)研宄了金屬與VOB的相互作用以鑒定對(duì)生物標(biāo)志物 具有高親和力的金屬。初步結(jié)果表明鈷（II)是煙酸甲酯和對(duì)甲氧基苯甲酸甲酯的合適的 金屬候選物?？蓪⒀绣秤糜诤Y選和選擇與具體生物標(biāo)志物一起使用的具體金屬離子。最后， 可通過確定通常存在于人類呼氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC)諸如異丙醇、丙酮和甲醇的 相對(duì)結(jié)合強(qiáng)度來解決傳感器的選擇性問題。
[0068] 傳感器裝置基于金屬離子功能化二氧化鈦納米管，其中金屬離子的性質(zhì)決定是否 進(jìn)行VOB檢測(cè)。金屬-生物標(biāo)志物相互作用促進(jìn)感測(cè)材料的電阻變化，從而允許傳感器基 于通過感測(cè)材料的電流的變化而檢測(cè)生物標(biāo)志物?？蓪?duì)基于硬軟酸堿原理而選擇的下述一 組金屬離子進(jìn)行評(píng)價(jià)和鑒定{單價(jià)：Li 1+，二價(jià)：Fe2+、Ni2+、Cu2+、Co2+、Pb 2+，三價(jià)：Fe3+、Co3+、 03+^11 3+、附3+、5(33+、5133+，四價(jià)：附 4+^114+、114+384+、513 4+、？以+)?；谠撛?，硬酸（小原子 /離子半徑、高氧化態(tài)、低極化）更強(qiáng)地結(jié)合硬堿。由于氧被視為硬堿，因此可以選擇硬酸以 有效結(jié)合。
[0069] 可在氣相（不存在溶劑）以及液相（在存在溶劑分子的情況下，因?yàn)樗P(guān)注的VOB 來自處于濕空氣中的肺）中進(jìn)行研宄。在氣相中確定的結(jié)構(gòu)和能量方面構(gòu)成了在液相中計(jì) 算的基礎(chǔ)。在氣相中，金屬-生物標(biāo)志物相互作用可經(jīng)由氧的孤對(duì)電子發(fā)生。然而，在液體 溶劑中，假定生物標(biāo)志物在溶液中解離，結(jié)合可經(jīng)由生物標(biāo)志物的陰離子氧而發(fā)生。
[0070] 對(duì)于溶劑效應(yīng)的建模，可以使用以下三種建模方案的改型：1)極化連續(xù)介質(zhì)模型 (PCM)，其中考慮長(zhǎng)程靜電溶劑化效應(yīng)。2)圍繞金屬-生物標(biāo)志物系統(tǒng)包括明確的水分子 (與傳感器的預(yù)期操作條件最相似）很好地解釋短程溶劑效應(yīng)。然而，包括大量的溶劑分子 可能復(fù)雜且在計(jì)算上吃力。3)可同時(shí)考慮到短程和長(zhǎng)程溶劑效應(yīng)的包括以上兩種方法的建 模方案。該方法可與第二種方案相比用更少數(shù)量的明確的溶劑分子建模，但長(zhǎng)程溶劑效應(yīng) 可由PCM考慮到。
[0071] 使用對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)的平移、振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電子能、零點(diǎn)能（ZPE)和熵術(shù)語來計(jì) 算氣相中的結(jié)合自由能。分別使用圖5中的方程式1和方程式2計(jì)算氣相和液相結(jié)合自由 能AG\(氣相）和AG #B(液相），其中：