功能化纳米管传感器及相关方法
【专利说明】功能化纳米管传感器及相关方法
[0001] 相关专利申请
[0002] 本专利申请要求于2012年10月29日提交的美国临时专利申请No. 61/795,850 以及于2013年8月1日提交的美国临时专利申请No. 61/861，107的优先权，这两份专利申 请各自以引用方式并入本文。
【背景技术】
[0003] 用于检测人体的发病状况的非侵入式技术在医护点（P0C)处对疾病的快速生物 感测和诊断方面是一个越来越感兴趣的领域。这些技术对于P0C诊断是优选的，因为传统 样品诸如血液的处理需要特殊的技能并使医护人员暴露于可能的血源性病原体。理想的 是，非侵入式诊断方法降低该风险。为了实现这一点，研宄人员已专注于筛选外部生物样品 (例如，唾液、尿液、毛发、汗液和痰液）中指示病况诸如糖尿病、脱水和其他疾病的生物标 志物。生物标志物的典型例子是需要液体分析环境的抗原、抗体或蛋白质。因此，疾病的诊 断最经常需要液体生物样品，诸如上文所述的那些。然而，已知与某些疾病相关且已发现作 为诊断工具的有限用途的一类生物标志物是挥发性有机生物标志物（VOB)。V0B已与不同 的慢性和传染性疾病包括结核（TB)有关。
[0004] 作为具体例子，结核（TB)检测的常规方法通常在实验室或医院中进行。例如，TB 诊断的最常见方法是临床材料的抗酸染色，然后是痰涂片的显微镜检测。然而，痰涂片检测 的缺点是其灵敏度不佳，据估计其灵敏度为70%。另外，已表明，在场设置中的痰涂片光谱 法的灵敏度低得多（例如，35%)，特别是在具有高TB和HIV合并感染率的人群中。此外， 分支杆菌的药物敏感性分析无法从显微镜检测中确定。该评估可用于确定适当的患者疗 程。对于这种类型的分析，通常使用培养技术。
[0005] 对痰样中分支杆菌的培养是更灵敏的技术。采集痰样并在固体培养基或液体培养 基中培养，从而寻找分支杆菌的存在。可使用该技术确定耐药菌株。然而，该方法耗时（对 于固体培养为3-4周，而对于液体培养为10-14天），这使得难以用于通常远离检测机构的 资源匮乏的环境。近来，已开发了其他技术，包括用于涂片检测的荧光显微镜法（比光学显 微镜法的灵敏度高10% )，可用于现场而无需暗室的低成本成像设备的LED荧光显微镜法， 以及缩短培养时间的快速培养技术。尽管在TB诊断中已实现了改进，但目前仍无简单、低 成本的P0C检测法。因此，将继续对检测TB的快速、准确和低成本方式进行研宄。
【发明内容】
[0006] 本发明提供检测空气环境中的挥发性有机化合物、挥发性有机生物标志物和其他 目标化合物以及液体环境中的生物标志物的功能化纳米管阵列、传感器及相关方法。在一 个实施例中，提供了功能化纳米管阵列。该功能化纳米管阵列可包括多个金属氧化物纳米 管。该金属氧化物纳米管可由金属氧化物形成并可具有通过至少一种金属离子功能化的内 表面或外表面。
[0007] 在另一个实施例中，提供了用于检测目标化合物诸如挥发性有机化合物的传感 器。该传感器可包括纳米管阵列，该纳米管阵列包括多个功能化金属氧化物纳米管。该金 属氧化物纳米管可由金属氧化物形成并可具有通过至少一种金属离子功能化的并能够与 目标化合物结合的内表面或外表面。该传感器还包括被构造成向纳米管阵列施加电压的电 源以及被构造成监控和检测响应电流的变化的电流传感器（例如，稳压器），在与目标化合 物结合时该响应电流发生改变。
[0008] 在另一个实施例中，提供了检测目标化合物的方法。该方法包括以下步骤：在整个 功能化纳米管阵列（诸如上述那些）上施加电压，测量在功能化纳米管阵列上方经过的电 流，使气体在功能化纳米管阵列上方流动以使得目标化合物可与金属氧化物纳米管的至少 一种金属离子结合，监控电流的变化，以及基于电流的变化鉴定存在于气体中的目标化合 物。
【附图说明】
[0009] 与附图相结合，通过以下说明和所附权利要求书，本发明将变得更加显而易见。应 当理解，这些附图仅仅示出本发明的示例性实施例，因此不应视为对其范围的限制。将易于 认识到，如本文图中大体描述和示出的本发明的组件可以按多种不同的构型布置、制定大 小和设计。但是，将通过使用以下附图更具体和详细地描述并解释本发明：
[0010] 图1A是具有金属离子和与之相关的生物标志物的功能化纳米管的截面的示意性 剖面图。
[0011] 图1B示出用于快速TB诊断的快速电子TB检测装置的广义概念的示意图，该装置 具有结合空气中的挥发性生物标志物的功能化Ti0 2纳米管阵列。患者向装置中吹气，而呼 气中的生物标志物与处于偏压下的功能化纳米管反应。生物标志物与功能化纳米管之间的 结合事件导致指示阳性结果的电流变化。
[0012] 图2A示出传感器读出，其基于在暴露于生物标志物期间的电流下降而指示阳性 检测结果。
[0013] 图2B是用于挥发性生物标志物感测的自有序Ti02纳米管阵列（使用阳极化方法 制造）的SEM图像。
[0014] 图3A-3C示出检测TB挥发性生物标志物烟酸甲酯和对甲氧基苯甲酸甲酯的初步 结果。图3A示出当暴露于涉及烟酸甲酯（10mM溶于去离子水，通过将氮气鼓入溶液而将氮 气用于把生物标志物携带到传感器）的湿空气（通过将氮气鼓入水中并将其递送到传感器 而制备）时钴功能化Ti0 2传感器的响应曲线图。结果示出从基线的数量级变化以及初步 结果表明传感器对湿度的响应与烟酸甲酯相比时甚微。
[0015] 图3B是在以单次运行暴露于N2、然后是湿空气再是对甲氧基苯甲酸甲酯（2. 5mM 溶于去离子水，经由氮气载气递送）时Co功能化Ti02的响应曲线图。再一次观察到了电 流的数量级变化。
[0016] 图3C是使用如图3B所示的相同条件进行的第二次试验的曲线图，其中将传感器 暴露于N 2、然后是湿空气再是对甲氧基苯甲酸甲酯（2. 5mM溶于去离子水，经由N2载气递 送）。
[0017] 图4A示出当暴露于浓缩水平（20ppm)的存在于呼气中的普通V0C和与TB相关的 挥发性生物标志物时钴功能化110 2纳米管传感器的实施例的响应曲线图。传感器在暴露于 普通VOC时示出很小的响应。然而，当暴露于烟酸甲酯和对甲氧基苯甲酸酯时，示出在3至 6个数量级差异范围内的响应。这些结果示出传感器是目标挥发性生物标志物特异性的。
[0018] 图4B示出暴露于苯和烟酸甲酯的普通1102传感器的电流与时间的曲线图。烟酸 醋以5ppm暴露，而苯以20ppm暴露。
[0019] 图5示出金属-生物标志物结合中涉及的反应和术语的示意图。
[0020] 图6示出用于筛选添加有和未添加烟酸甲酯的Co (II)溶液的循环伏安法（CV)的 初步结果：添加有〇mM、〇. ImM和ImM烟酸甲酯的Co(II)的CV。结果表明Co在-0. 2V的电 压下结合烟酸酯。该方法可用于筛选苯乙酸甲酯和2-甲氧基联苯的其他可能的结合元素 以及鉴定用于检测具体生物标志物的操作电压。
[0021] 图7是铜功能化氧化钛纳米管的GSH和GSSG的CV测量的图表。
[0022] 图8是Cu-Ti02纳米管的电流强度与GSH浓度的曲线图。
[0023] 现在将参考所示的示例性实施例，并且本文将使用具体语言来描述这些示例性实 施例。然而应当理解，并不旨在对本发明的范围进行任何限制。
【具体实施方式】
[0024] 现在将参考在附图中示出的示例性实施例，并且本文将使用具体语言来描述这些 示例性实施例。然而应当理解，并不旨在对本发明的范围进行任何限制。相关领域的技术 人员和本发明产权的拥有者可能想到的本文所示的本发明特征的改变和进一步修改形式， 以及如本文所示的本发明原理的另外应用，应被视为在本发明的范围之内。
[0025] 必须注意的是，除非上下文明确规定，否则如本说明书和所附权利要求书中所用， 单数形式"一个/ 一种"和"该/所述"包括多个指代物。因此，例如，提及"一种金属离子" 包括一种或多种金属离子，提及"一个阵列"包括提及一个或多个这样的阵列，而提及"一个 测量步骤"包括提及一个或多个这样的步骤。
[0026] 定义
[0027] 在描述本发明和主张其权利要求时，将根据下文所述定义使用以下术语。
[0028] 在本公开中，"包括"、"包含"、"含有"和"具有"等可以具有在美国专利法中所赋 予它们的含义，并且可以表示"包括有"、"包含有"等，并且一般被解释为开放式术语。术语 "由…组成"是一种封闭式术语，并且仅包括具体所列的并符合美国专利法的装置、方法、组 合物、组件/组分、结构