用于诊断的平面共形电路的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年7月31日提交的美国临时申请第61/860,434号、2013年7月31日 提交的美国临时申请第61 /860，460号以及2013年12月31日提交的美国临时申请第61 /922， 336号的权益。所引用的申请的全部内容通过引用被合并到本文中。
技术领域
[0003] 本发明总体上涉及检测装置的领域。更具体地，本发明关系到使用纸微流体 (paper microfluidics)和手持恒电位器(handheld potentiostat)来检测生物分子和其 它目标分析物。
【背景技术】
[0004] 设计便宜和一次性使用的还可生物降解的诊断和分析平台的能力对于卫生保健 和环境而言是很有价值的。已经确定的是生物分子的基于大小的限制对于在诊断中实现提 高的敏感性是重要的。通常，通过用于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的复杂的制造工 艺来实现基于大小的限制，这增加了单位成本并且增大了技术的实际成本。低成本技术使 用印制电路板，印制电路板由于差的生物降解性而难以处理并且增加了环境成本。基于纸 的微流体已经得到发展，其通常使用丝网印刷技术;然而，关于实现在表面上的受控的流体 流动，问题依旧。
[0005] 类似地，当前可购得的上市恒电位器被设计为聚焦于适用大范围的电/电化学技 术。这导致庞大的规格(form factor)和用在它们的构造中的昂贵部件。而且，它们被设计 成用于电化学应用。关于这样的上市恒电位器的具体问题包括以下事实:它们具有大的装 置规格，使得其难以用在即时检测(point-of-care)设置中；在低电流和低电压设置处具有 高的噪声;具有昂贵和重复的软件和固件成本;具有模拟串行输入/输出接口；以及在全球 应用中具有低的鲁棒性和非普适性。在另一极端，手持便携式恒电位器在可定制性和适用 性方面非常局限于一系列应用。便携式恒电位器对于生物应用而言不是噪声有效的，并且 因此缺乏鲁棒性。关于手持恒电位器的具体问题包括:在低电流和低电压设置处的高的噪 声;对于生物感测而言低的应用鲁棒性；以及对于电化学应用的最少的操作选择。
[0006] 因此，依然存在对于可负担的、高效的、可生物降解的诊断平台的需要。
【发明内容】
[0007] 要求保护的本发明是一种用于以手持恒电位器来执行阻抗谱（impedance spectroscopy)的装置和方法。
[0008] 在一些方面，本文所公开的是共形分析物传感器电路，其包括：多孔纳米织构衬 底；以及导电材料，该导电材料在电路设计中位于固体衬底的上表面上，从而创建包括工作 电极和参考电极的电路。纳米织构衬底的孔隙率由要测量的目标分析物确定。在一些实施 方式中，多孔纳米织构衬底具有10 X 1〇5和10 X 1〇2()个孔隙/cm2的孔隙率或者10 X105与10 X 102()个孔隙/cm2之间的孔隙率。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底具有10 X107和10 X 1〇16个孔隙/cm2的孔隙率或者10 Χ107与10 Χ1016个孔隙/cm2之间的孔隙率。在一些实施方 式中，多孔纳米织构衬底为绝缘衬底。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底为纸或硝化纤 维。
[0009] 在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括疏水涂层。在一些实施方式中，疏水涂 层包括聚对二甲苯、聚酰胺、聚乙二醇（PEG)、聚阳离子溶液和聚二甲硅氧烷 (polydimethlysiloxane)。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括表面涂层。在一些实 施方式中，表面涂层包括预制的喷雾和气溶胶，其在传感器衬底的特定区域上可以引起疏 水性。在一些实施方式中，表面涂层包括乙醇、聚二甲硅氧烷、硫酸乙酯、三甲基氯硅烷、硅 氧烧和娃的混合物以及预制的嵌段共聚物混合物(block co-polymer mixtue)。在一些实 施方式中，多孔纳米织构衬底包括径迹蚀刻膜。在一些实施方式中，径迹蚀刻膜包括 nucleopore规格和cyclopore规格。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括酸蚀刻膜。 在一些实施方式中，酸蚀刻膜包括硅和氧化铝支架(scaffold)。在一些实施方式中，多孔纳 米织构衬底包括聚合物膜。在一些实施方式中，聚合物膜包括尼龙、聚酰胺、硝化纤维和聚 四氟乙烯(PTFE)。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括电沉积膜。在一些实施方式 中，电沉积膜包括图案化的金属和水凝胶基质。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括 阳极化处理的膜。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括陶瓷膜。在一些实施方式中， 在陶瓷膜被制备为氧化铝和硅石的混合物时，陶瓷膜可以被制成共形的或柔性的，该氧化 铝和硅石按比率式混合来组合并且通过化学蒸气或酸蚀刻而被沉积和氧化。
[0010] 导电材料可以是对于本领域技术人员而言已知的任意合适的材料。在一些实施方 式中，导电材料为导电墨或半导电墨。在一些实施方式中，半导电墨包括碳墨(carbon ink) 及添加剂。在一些实施方式中，导电墨是注入了碳、银或金属纳米颗粒的碳墨。在一些实施 方式中，注入了金属纳米颗粒的碳墨被注入金、铂、钽、银、铜、锡或字素(grapheme)。在一些 实施方式中，碳墨被注入按体积计的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、 0.8%、0.9%、1%、2%、3%、4%、5%或更多的金属纳米颗粒。在一些实施方式中，碳墨的厚 度范围从0. lnm至Ιμπι。在一些实施方式中，可以通过沉积方法来控制碳墨的厚度。
[0011] 电路可以是非线性电路或非欧姆电路。在一些实施方式中，电路被进一步限定为 基电极表面。在一些实施方式中，基电极表面还连接至源电路。在一些实施方式中，源电路 为恒电位器。在一些实施方式中，源电路为电压源。在一些实施方式中，源电路为电流源。在 一些实施方式中，电路不包含捕获配体或标记分子。在一些实施方式中，共形分析物传感器 还包括氧化还原材料。
[0012] 在一些实施方式中，本文所公开的共形分析物传感器电路中的任意共形分析物传 感器电路通过包括以下步骤的方法进行装配：（a)提供固体多孔纳米织构衬底；以及(b)使 用导电材料将分析物传感器电路设计转移到多孔纳米织构衬底的上表面上。在一些实施方 式中，转移电路设计包括浸渍涂敷(dip coating)。在这样的实施方式中，电路的特征分辨 率达到100纳米/0.1微米。在一些实施方式中，转移电路设计包括凸印（embossing)。在这样 的实施方式中，电路的特征分辨率达到100纳米/0.1微米。在一些实施方式中，转移电路设 计包括:在3D打印机上设计电路并且将电路凸印到衬底上。在这样的实施方式中，电路的特 征分辨率达到100纳米/0.1微米。在一些实施方式中，转移电路设计包括掩模(masking)和 光刻（1 i thography)。在这样的实施方式中，电路的特征分辨率为1至10微米。
[0013] 在一些实施方式中，手持电位计包括IXD屏幕、小型操纵杆、工作电极端口、参考电 极端口、可编程微控制器和可编程增益放大器。在其它实施方式中，手持电位计包括智能电 话、电缆、恒电位器适配器、工作电极端口、参考电极端口、可编程微控制器和可编程增益放 大器。在一些实施方式中，手持电位计包括代替可编程微控制器的可编程微处理器。
[0014] 在一些实施方式中，用于测量目标分析物的手持装置包括：（a)可编程增益放大 器，其被配置成能够工作耦接至工作电极和参考电极；（b)可编程微控制器，其能够工作耦 接至可编程增益放大器、工作电极和参考电极，其中，可编程微控制器能够进行操作以在工 作电极与参考电极之间施加交流输入电压，可编程增益放大器能够进行操作以放大在工作 电极与参考电极之间流动的交流输出电流，可编程微控制器能够进行操作以通过将输入电 压和所测量的输出电流进行比较来计算阻抗，以及可编程微控制器能够进行操作以根据所 计算的阻抗来计算目标分析物浓度。
[0015] 在一些实施方式中，可编程微控制器能够进行操作以在工作电极与参考电极之间 施加输入电压，所施加的输入电压具有在2Hz与15kHz之间的频率。在一些实施方式中，可编 程微控制器能够进行操作以当在工作电极与参考电极之间施加输入电压时在50Hz与15kHz 之间改变频率。在一些实施方式中，可编程微控制器按照2Hz间隔来改变频率。在一些实施 方式中，可编程微控制器能够进行操作以在工作电极与参考电极之间施加输入电压，该输 入电压为正弦曲线的。在一些实施方式中，可编程微控制器能够进行操作以在工作电极与 参考电极之间施加输入电压，该输入电压为锯齿波。在一些实施方式中，可编程微控制器能 够进行操作以在工作电极与参考电极之间施加输入电压，该输入电压为方波。在一些实施 方式中，可编程微控制器能够进行操作以在工作电极与参考电极之间施加输入电压，该输 入电压为三角波。在一些实施方式中，可编程增益放大器具有在1与200之间的可变增益。在 一些实施方式中，微控制器能够进行操作以施加 lmV与10V之间的输入电压。在一些实施方 式中，手持测量装置能够进行操作以检测10pA或更大的输出电流。在一些实施方式中，可编 程微控制器包括模数转换器和数模转换器。在一些实施方式中，可编程微控制器能够测量 输入电压与输出电流之间的相位差。在一些实施方式中，可编程微控制器能够进行操作以 对输入电压和输出电流应用傅里叶变换，以计算作为频率的函数的阻抗。在一些实施方式 中，可编程微控制器能够进行操作以使用利萨如曲线将输入电压和输出电流进行比较以计 算阻抗。在一些实施方式中，可编程微控制器能够进行操作以使用多片分割(multi-slice splitting)和信号分析来确定阻抗变化最大或最小处的频率。在一些实施方式中，装置还 包括:液晶显示器，其能够工作耦接至可编程微控制器;小型操纵杆，其能够工作耦接至可 编程微控制器，其中，小型操纵杆能够进行操作以允许用户提供输入，以及液晶显示器能够 显示输出数据。在一些实施方式中，装置还包括智能电话，该智能电话能够工作耦接至可编 程微控制器;其中，智能电话能够进行操作以允许用户提供输入，以及智能电话能够显示输 出数据。在一些实施方式中，输出数据包括目标分析物浓度。在一些实施方式中，手持测量 装置不包含氧化还原探针。
[0016] 在一些实施方式中，所公开的是一种成套设备，该成套设备包括本文所公开的共 形分析物传感器电路中的任意共形分析物传感器电路以及本文所公开的手持测量装置中 的任意手持测量装置。
[0017] 本文所公开的手持恒电位器和多孔纳米织构共形电路可以被单独地使用或结合 起来使用，以检测和/或量化目标分析物。在一些实施方式中，所公开的是一种检测目标分 析物的方法，该方法包括:将样本滴在所公开的共形分析物传感器电路上，其中，样本通过 毛细作用穿过多孔纳米织构衬底和电路设计;将共形分析物传感器电路附接至源电路；以 及用源电路来检测样本中的目标分析物。在一些实施方式中，源电路为恒电位器。在一些实 施方式中，源电路为电压源。在一些实施方式中，源电路为电流源。在一些实施方式中，样本 包含1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或更多微升化1^)的流体，或者这之间的任意 量。样本可以是例如血、尿、汗、唾液、裂解缓冲液、试验缓冲液、人血清、血浆、河水、溪水和 去离子水。在一些实施方式中，目标分析物为蛋白质、0嫩、1?嫩、5即、小分子、病原体、重金属 离子或生理离子。在一些实施方式中，样本未被标记。在一些实施方式中，样本被标记。在一 些实施方式中，检测目标分析物包括检测有关电的变化。
[0018] 在一些实施方式中，公开了一种使用手持测量装置来检测或量化样本中的目标分 析物的方法，该方法包括以下步骤：（a)在参考电极与工作电极之间施加输入电压；（b)使用 可编程增益放大器来放大在参考电极与工作电极之间流动的输出电流；（c)使用可编程微 控制器通过将输入电压与输出电流进行比较来计算阻抗；以及(d)使用可编程微控制器根 据所计算的阻抗来计算目标分析物浓度。在一些实施方式中，输入电压具有在2Hz与15kHz 之间的频率。在一些实施方式中，输入电压具有在50Hz与15kHz之间的频率。在一些实施方 式中，输入电压为正弦曲线的。在一些实施方式中，输入电压为锯齿波。在一些实施方式中， 输入电压为方波。在一些实施方式中，输入电压为三角波。在一些实施方式中，输入电压在 lmV与10V之间。在一些实施方式中，输入电压在lmV与100mV之间。在一些实施方式中，输入 电压在100mV与10V之间。在一些实施方式中，输出电流在10pA与10mA之间。在一些实施方式 中，输出电流在10pA与100nA之间。在一些实施方式中，输出电流在100nA与10mA之间。在一 些实施方式中，输出电流被按照1与200之间的因子进行放大。在一些实施方式中，方法还包 括:计算输入电压与输出电流之间的相位差。在一些实施方式中，方法还包括:通过应用傅 里叶变换来计算作为频率的函数的阻抗。在一些实施方式中，方法还包括:使用利萨如曲线 来计算阻抗。在一些实施方式中，方法还包括:使用多片分割和信号分析来计算作为频率的 函数的阻抗。在一些实施方式中，方法还包括:显示所计算的目标分析物浓度。在一些实施 方式中，方法还包括:在LCD显示器上显示输出。在一些实施方式中，方法还包括:在智能电 话上显示输出。在一些实施方式中，方法还包括:使用小型操纵杆来提供输入。在一些实施 方式中，方法还包括:使用智能电话来提供输入。在一些实施方式中，所测量的阻抗为非法 拉第的。
[0019] 手持电位计通过在工作电极与参考电极之间施加交流电压来检测目标分析物的 浓度。所施加的交流电压导致电流在工作电极与参考电极之间流动。所得到的电流由可编 程放大器进行放大并且被传递到可编程微控制器。可编程微控制器将所施加的电压与所得 到的电流进行比较以计算测试样本的阻抗。将阻抗用于计算测试样本中的目标分析物的浓 度