生物医学研究和医学诊断常常涉及细胞培养物的生长，其中监测培养物中的细胞和它们的状态。可以通过分析细胞产生的挥发性有机化合物(细胞的代谢指纹图谱)进行这样的监测。
附图简述
图1是一种示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
图2是一种示例性挥发性有机化合物传感方法的流程图。
图3是另一示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
图4是另一示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
图5是另一示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
图6A是另一示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
图6B是图6A的示例性挥发性有机化合物传感系统的示例性电极对的图。
图7是另一示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
图8是另一示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
图9是另一示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
图10是另一示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
图11是另一示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
图12是另一示例性挥发性有机化合物传感系统的示意图。
实例的详述
生物医学研究和医学诊断常常涉及细胞培养物的生长，其中监测培养物中的细胞和它们的状态。可以通过分析细胞产生的挥发性有机化合物(细胞的代谢指纹图谱)进行这样的监测。遗憾地，由于挥发性有机化合物缓慢传送至传感装置和与传感装置相关的灵敏度问题，挥发性有机化合物的感测通常困难。
图1示意性图示说明一种示例性挥发性有机化合物传感系统20。如下所述，挥发性有机化合物传感系统20通过加速挥发性有机化合物传送至传感器而促进细胞的鉴定和它们的状态的监测。系统20包括下室22、上室28、传感器32和传送加速器40。
下室22包括要容纳释放挥发性有机化合物44的培养物42的容积。培养物42包含在生长培养基中的各种细胞。生长培养基促进细胞生长，其中该细胞释放挥发性有机化合物44。生长培养基可包含固体如凝胶或液体。培养物42的实例包括但不限于大肠杆菌、绿脓杆菌、肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌的培养物。
上室28包括垂直位于下室22上方的容积。上室28与下室44通过结构29隔开，所述结构29包括一个或多个开口或被穿孔以允许挥发性有机化合物从下室22传送到上室28和传送到上室28中。在一个实施方案中，结构29包括优选挡板或框架。在另一实施方案中，结构29包括渗透膜。上室28接收培养物42释放的挥发性有机化合物44。上室28包括传感器32。
传感器32包括感测传送到上室28和传送到传感器32上或附近的挥发性有机化合物44的一个特征或多个不同特征的装置。在一个实施方案中，传感器32包括表面增强发光(SEL)传感器。在一个实施方案中，传感器32包括表面增强拉曼光谱(SER)传感器。例如，在一个实施方案中，传感器32可包括金属表面或结构，其中被分析物和金属表面之间的相互作用造成拉曼散射辐射的强度提高。这样的金属表面可包括粗糙化金属表面，如周期光栅。在另一实施方案中，这样的金属表面可包含组装的纳米粒子。在一些实施方案中，这样的金属表面可包含金属岛(islands)。在一个实施方案中，这样的金属岛包含柔性柱状支撑物，如柱、针、指状物(fingers)、粒子或线。在一些实施方案中，柔性柱状结构可包括金属盖或头，可将被分析物沉积在其上。在一些实施方案中，这样的柱状结构的形成材料和/或尺寸能够响应施加的电场朝向和远离彼此弯曲或挠曲。在一些实施方案中，SERS结构可移动和自启动(self-actuating)，其中这样的柱状结构响应微毛细管力朝彼此弯曲或挠曲以自组织，其中这样的弯曲促进结构之间的紧密间距以实现更大的散射辐射强度。在另一些实施方案中，传感器32可包括其它形式的传感器，如气相色谱传感器、质谱传感器和离子-分子反应质谱传感器和/或比色传感器。
传送加速器40包括用于将培养物42释放的挥发性有机化合物44以加速速率从下室22向上室28和传感器32驱动的装置。由于加速挥发性有机化合物44传送至上室28和传感器32，可以更快速鉴定挥发性有机化合物44的特征。增强的挥发性有机化合物向传感器32的传送进一步增强传感器20的效率和生产率。在利用系统20鉴定挥发性有机化合物44中的病原体的应用中，20有利于更快检测或鉴定病原体从而可以更快开始靶向抗生素治疗以增强治疗。
传送加速器40可具有各种构造。如下所述，在一个实施方案中，传送加速器40可产生加速挥发性有机化合物44传送至上室28和传感器32的电场。在一个实施方案中，该电场直接将挥发性有机化合物44离子化(如通过电晕放电)并经由气相电泳将挥发性有机化合物44传送至上室28和传感器32的表面。在另一实施方案中，该电场利用电喷雾现象生成含有细胞代谢物的溶液的液滴，其中将该代谢物带向传感器表面。
在另一实施方案中，附加地或替代地，传送加速器40通过在下室和上室之间形成热梯度加速挥发性有机化合物44传送至上室28和传感器32。例如，在一个实施方案中，传送加速器40可在培养物42与传感器32和上室28附近的区域之间形成热梯度。通过加热培养物42和使传感器32或上室28的部分保持在更冷更低的温度，传送加速器40在培养物42上方生成从培养物42向上室28和传感器32的浮力气流。该温度梯度还可能由于扩散系数随温度的变化而引发由温度梯度中的粒子或分子的运动造成的热泳。这样的热泳也可将挥发性有机化合物44带向传感器32以加速挥发性有机化合物44和被分析物向传感器32传送以加快系统20的运行，加快诊断时间。
如图1中的虚线所示，在一些实施方案中，系统20可另外包括控制器50。控制器50包括处理单元以控制传送加速器40的运行。在一些实施方案中，控制器50接收电能并向传送加速器40选择性供应电荷。对本申请而言，术语“处理单元”应该是指目前开发或未来开发的执行存储器中所含的指令序列的处理单元。指令序列的执行使该处理单元实施如生成控制信号之类的步骤。指令可以从只读存储器(ROM)、大容量存储器或一些其它永久存储加载在随机存取存储器(RAM)中以供处理单元执行。在另一些实施方案中，可以代替软件指令或与软件指令组合使用硬连线电路以执行所述功能。例如，控制器50可以具体体现为一个或多个专用集成电路(ASIC)的一部分。除非另行明确指明，该控制器不限于硬件电路和软件的任何特定组合，也不限于通过处理单元执行的指令的任何特定来源。
在系统20配有控制器50的实施方案中，控制器50可接收指示挥发性有机化合物44的一个或多个特征的来自传感器32的信号。基于这样的特征，控制器50可生成调节传送加速器40的运行的控制信号以调节挥发性有机化合物44传送至上室28和传感器32的速率。例如，控制器50可通过调节电场的强度和/或热梯度的幅度调节挥发性有机化合物44传送至上室28的速率。在一个这样的实施方案中，控制器50可利用这样的闭环反馈确定最有效增强有机化合物44向上室28和传感器32的加速的传送加速器40的那些运行参数。
图2是用于感测细胞培养物，如细胞培养物42的一个或多个特征的示例性方法100的流程图。如方框104所示，在下室中提供培养物，如培养物42。培养物42释放挥发性有机化合物，如挥发性有机化合物44。
如方框108所示，加速挥发性有机化合物44传送至位于下室22上方的上室中的传感器，如传感器32。在一个实施方案中，通过传送加速器，如上述传送加速器40提供这样的加速。如上所示，可以使用朝传感器32驱动挥发性有机化合物44的电场或热梯度实现挥发性有机化合物的传送或运动的加速。
如方框112所示，上室28内的传感器感测挥发性有机化合物的特征。在一个实施方案中，该传感器包括表面增强发光(SEL)传感器。在一个实施方案中，该传感器包括表面增强拉曼光谱(SER)传感器。在另一些实施方案中，该传感器包括其它形式的传感器，如气相色谱传感器、质谱传感器和离子-分子反应质谱传感器和/或比色传感器。
图3是挥发性有机物传感系统220——另一示例性挥发性有机物传感系统20的示意图。系统220类似于系统20，除了系统220包括多个传感器232A、232B、232C和232D(统称为传感器232)代替传感器32并包括传送选择器240代替传送加速器40。将与系统20的组件或元件对应的系统220的那些其余组件或元件类似地标号。
传感器232各自类似于上述传感器32。如同传感器32，各传感器232检测挥发性有机化合物的一个或多个特征。传感器232位于上室28内的间隔位置。在一个实施方案中，传感器232彼此不同之处在于各传感器232检测挥发性有机化合物的不同类型的特征。在另一些实施方案中，传感器232类似，但具有不同的感测分辨率。尽管图示说明为上室28内的一维阵列，但传感器232也可以排列为传感器232的二维阵列或网状排列。
传送选择器240包括控制将哪些挥发性有机化合物44传送至各传感器232的装置。在一个实施方案中，传送选择器240控制将哪些挥发性有机化合物244传送至室28和传感器232并阻挡或阻止哪些挥发性有机化合物244的传送以使所述挥发性有机化合物不到达任何传感器232或与其它目标挥发性有机化合物相比显著延迟。在一个实施方案中，选择器240阻挡挥发性有机化合物244的物理总量的一部分以防止或阻止挥发性有机化合物的物理总量传送至室28和传感器232。换言之，选择器240控制传送至各不同传感器232的挥发性有机化合物的量以使即使传感器232可接收相同类型的挥发性有机化合物，各传感器232也可接收不同量的挥发性有机化合物或以不同速率接收相同的挥发性有机化合物。在一个实施方案中，选择器240阻挡所选类型的挥发性有机化合物，同时促进或允许其他所选类型的挥发性有机化合物流动或传送至上室28和传感器232。在一个实施方案中，传送选择器240将不同的挥发性有机化合物44(不同体积的挥发性有机化合物或不同类型的挥发性有机化合物)指引或引导至不同的所选传感器232。在图示说明的实例中，传送选择器240可将第一部分挥发性有机化合物44引导至传感器232A，将第二部分挥发性有机化合物44引导至传感器232B，将第三部分挥发性有机化合物44引导至传感器232C和将第四部分挥发性有机化合物44引导至传感器232D。在一个实施方案中，各不同部分包含不同量或体积的相同挥发性有机化合物。在另一实施方案中，各不同部分包含不同类型的挥发性有机化合物或由其构成。培养物42释放的各不同部分的挥发性有机化合物44偏向于所选的传感器232之一。因此，传送选择器240可将这些挥发性有机化合物引导至最适合检测此类挥发性有机化合物的所选或预定特定特征的特定的那个传感器232。
例如，在培养物成熟或生长的不同阶段期间，可能释放不同的挥发性有机化合物44。在各个这样的不同阶段，传送差异器(transport differential)240可能将存在的挥发性有机化合物引导至最适合检测在特定阶段释放的特定类型的挥发性有机化合物的特定的那个传感器232。在另一些实施方案中，可能同时排出或释放不同的挥发性有机化合物。传送选择器240运行以使不同的挥发性有机化合物44偏向于最适合检测各不同挥发性有机化合物44的特征的不同传感器232。
传送选择器240可具有各种构造。如下所述，在一个实施方案中，传送选择器240可包括在上室28内在各传感器232之间延伸并分隔各传感器232的分隔壁或隔板以抑制水平或横向的挥发性有机化合物。在这样的实施方案中，培养物42可含有释放不同挥发性有机化合物的不同细胞，其中不同细胞与不同分隔区对齐以使第一组细胞产生的挥发性有机化合物自然上升或自然传送至该分隔区内的相应的那个传感器232。例如，传感器232B下方的细胞释放的那些挥发性有机化合物可被分隔壁围住以将传感器232B下方的细胞产生的大多数(如果不是全部)挥发性有机化合物引导至传感器232B，而传感器232D下方的细胞产生的那些挥发性有机化合物可被分隔壁围住以将传感器232D下方的细胞释放的大多数(如果不是全部)挥发性有机化合物引导至传感器232D。相同的引导作用(channeling)适用于其余传感器232。
在另一实施方案中，传送选择器240可垂直阻挡所选挥发性有机化合物的传送以仅允许所选挥发性有机化合物通往上室28和传感器232。例如，在一个实施方案中，传送选择器240可包含选择性允许某些所选挥发性有机化合物通过、同时阻挡或阻止其它非目标挥发性有机化合物的流动或传送的渗透膜。在一个实施方案中，可以在不同传感器232下方使用不同膜以使不同传感器232接收不同的挥发性有机化合物。在一个实施方案中，可使用上述分隔壁和多个不同膜以区分将哪些挥发性有机化合物传送至各个不同传感器232。
在另一些实施方案中，传送选择器240也可用作传送加速器，其中将不同挥发性有机化合物以不同速率(如果有的话)加速至不同传感器232。例如，在一个实施方案中，传送选择器240可产生在时间上不同或在位置上不同的不同电场，其中不同电场不同地加速不同挥发性有机化合物44传送至不同传感器232。在另一实施方案中，传送选择器240A产生在时间上不同或在位置上不同的不同热梯度，其中不同热梯度不同地加速不同挥发性有机化合物44传送至不同传感器232。
如图3中的虚线所示，在一些实施方案中，系统220可另外包括控制器250。控制器250包括处理单元和含有指导处理单元的运行的指令的相关非暂时性存储器。在这样的实施方案中，控制器250可接收指示挥发性有机化合物44的一个或多个特征的来自各传感器232的信号。基于这样的特征，控制器250可生成调节传送选择器240的运行的控制信号以调节挥发性有机化合物44传送至上室28和传感器32的速率和/或方向。
例如，控制器250可通过调节与其它传感器232相比对传感器232之一施加的电场的强度和/或热梯度的幅度调节与另一传感器232相比挥发性有机化合物44传送至一个特定传感器232的速率。例如，响应在特定的一个传感器232处感测慢的挥发性有机化合物接收速率，为了增加具有较慢接收速率的传感器232处的挥发性有机化合物接收，控制器250可以输出使传送选择器240在与具有较慢挥发性有机化合物接收速率的传感器232对应的区域中提高热梯度或提高电场的控制信号。
图4是图示说明挥发性有机化合物传感系统320——系统20的一个示例性实施方案的示意图。系统320类似于系统20，除了系统320特别图示说明为包括传送加速器340——传送加速器40的一个特定实施方案。将与系统20的组件或元件对应的系统320的其余组件或元件类似地标号。
传送加速器340通过施加电场加速培养物42产生的挥发性有机化合物传送至上室28和传感器32。在一个实施方案中，电场直接将挥发性有机化合物44离子化(如通过电晕放电)并经由气相电泳将挥发性有机化合物44传送至上室28和传感器32的表面。传送加速器340包括电极342、344和控制器350。
电极342包括位于下室22内以延伸到培养物42上方的导电板、杆或其它导电结构。在一个实施方案中，342沿下室22的侧壁放置。电极344包括位于上室28内的导电板、杆或其它导电结构。在一个实施方案中，电极344包括沿上室28的顶部或顶板的导电板。在另一些实施方案中，电极344可沿上室28的侧壁、围绕传感器32放置或作为传感器32的一部分集成。电极342、344协作以形成加速挥发性有机化合物44的传送运动和从培养物42上方到上室28的向上方向的电场。
控制器350包括处理单元和含有指导处理单元的运行的指令的相关非暂时性存储器。控制器350向电极342、344之一或两者选择性施加电荷以在电极342和344之间形成电场。在一个实施方案中，在电极342和344之间形成的电场包括104V/m至106V/m，和通常105V/m的电场。
如虚线所示，在一个实施方案中，控制器350也类似于上述控制器50工作。在这样的实施方案中，控制器350接收指示感测的挥发性有机化合物的特征或参数和/或传感器32感测或接收挥发性有机化合物的速率的来自传感器32的信号。基于这样的反馈，控制器350可调节电极342、344之间的电场的定时和/或强度以调节，提高或降低挥发性有机化合物44向传感器32加速的速率。例如，响应感测VOC传送至传感器32的慢速率，控制器350可提高电场的强度、持续时间和/或频率以提高挥发性有机化合物传送至传感器32的速率。或者，在细胞本身的VOC释放速率低的预定时刻，控制器350可降低电场的强度、持续时间和/或频率，延迟加速传送直至存在足量的挥发性有机化合物以供传送和感测。
图5示意性图示说明挥发性有机化合物传感系统420——系统20的另一实例。系统420类似于上述系统320，除了系统420包括传送选择器440代替传送加速器340。如同系统320，系统420包括通过结构29隔开的下室22和上室28、传感器32和电极344(各自显示在图4中)。系统420的那些组件或元件显示在图5中并且将与系统320的组件或元件对应的组件或元件标号。
如同传送加速器340，传送选择器440加速挥发性有机化合物44从下室22传送至上室28和传感器32。传送选择器440不同地将不同挥发性有机化合物44以不同速率传送至上室28和传感器32。在图示说明的实例中，传送选择器440包括电极442A、442B、442C...442N(统称为电极442)、开关446A、446B、446C...446N(统称为开关446)和控制器450的系列或一维阵列。
电极442包括在紧邻培养物42但在培养物42上方的位置沿下室22垂直间隔的导电板、杆或其它导电结构。在一些实施方案中，一些电极442可在培养物42的表面下方延伸，在此不使用这样的电极，但在培养物42的表面更低的其它情况下可以使用这样的电极。
在一个实施方案中，最靠近培养物42的表面的电极，电极442A，与培养物42的表面43间隔小于或等于1毫米和通常小于或等于5厘米的距离。电极442在箭头429所示的方向上彼此垂直间隔小于或等于3厘米的距离D。在一个实施方案中，电极442具有均匀的垂直间距。在另一实施方案中，这些电极442具有不等或不均匀的间距。例如，在一个实施方案中，更靠近培养物42的表面43的电极442与离表面43更远的那些电极442相比可具有更近的彼此间距。
开关446包括可用于选择性启动、切断或触发电极442的装置。在一个实施方案中，开关446响应来自控制器450的控制信号将各个电极442选择性连向电源或电荷源。在一个实施方案中，各开关446包括晶体管。
控制器450包括处理单元和含有指导处理单元的运行的指令的相关非暂时性存储器。控制器450输出控制信号以选择性触发开关4462将个别电极442或电极442的所选亚组或一部分选择性充电以不同地将不同挥发性有机化合物44传送至上室28中的传感器32。例如，在一些实施方案中，培养物42释放的挥发性有机化合物44可能具有不同扩散度以致挥发性有机化合物以不同速率从培养物42上升至培养物42的表面43上方的不同高度。控制器450可将个别电极442选择性充电以靶向在培养物42的表面43上方的特定高度的特定类型的挥发性有机化合物以加速传送至传感器32。
例如，培养物42产生的并且作为目标的特定类型的挥发性有机化合物可在特定时间或阶段扩散至电极442C附近的高度，而培养物42同时产生的非目标挥发性有机化合物可扩散至电极442A附近的高度。通过选择性使用电极442C和将其充电，而不是电极442A或电极442B，控制器450可加速目标挥发性有机化合物传送至传感器32，而没有加速挥发性有机化合物自然传送至传感器442A附近，因此留在下室44内或没有及时传送到传感器32以供感测。
图6A和6B示意性图示说明挥发性有机化合物传感系统520——传感系统20的另一示例性实施方案。系统520类似于系统20，除了系统520特别图示说明为包括传送加速器540——传送加速器40的另一实施方案。将与系统20的组件或元件对应的系统520的其余组件或元件类似地标号。
传送加速器540通过施加电场加速培养物42产生的挥发性有机化合物传送至上室28和传感器32。在图示说明的实例中，传送加速器540与对电极组合使用置于培养物42的表面上的毛细管形式的电极以通过电喷雾现象生成含有被分析物或挥发性有机化合物的溶液的液滴，以促进此类挥发性有机化合物被带至上室28和传感器32。传送加速器540包括电极542、544和控制器550。
在这样的电极之间建立电场时，电极542、544使培养物42的表面根据电喷雾现象分解成带电液滴。图6B图示说明一对示例性的电极542、544和电喷雾现象。如图6B所示，电极542包括位于下室22内的毛细管或管(如图6A中所示)，其穿过培养物42的表面43、在培养物42的表面43下方或在培养物42的表面43处。电极544包括垂直位于电极542上方并具有孔546的板或其它结构。电极542和544协作以形成电场，其向上吸引培养物42的溶液以形成朝上室28和传感器32加速的带电液滴548。
在一个实施方案中，电极544位于上室28内。在一个实施方案中，电极544位于传感器32上方。在另一些实施方案中，电极544可位于下室28内，垂直位于电极542上方。
控制器550包括处理单元和含有指导处理单元的运行的指令的相关非暂时性存储器。控制器550向电极542、544之一或两者选择性施加电荷以在电极542和544之间形成电场。在一个实施方案中，在电极542和544之间形成的电场包括105V/m至107V/m，和通常106V/m的电场。
如虚线所示，在一个实施方案中，控制器550也类似于上述控制器50工作。在这样的实施方案中，控制器550接收指示感测的挥发性有机化合物的特征或参数和/或传感器32感测或接收挥发性有机化合物的速率的来自传感器32的信号。基于这样的反馈，控制器550可调节电极542、544之间的电场的定时和/或强度以调节，提高或降低挥发性有机化合物44向传感器32加速的速率。在系统520包括多个电极542和/或多个电极544的实施方案中，控制器550可调节被充电以建立电场的电极542、544的数量，由此调节在挥发性有机化合物或被分析物传送至上室28和传感器32的速率下产生的带电液滴548的量。
例如，响应感测VOC传送至传感器32的慢速率，控制器550可提高电场的强度、持续时间、频率和/或数量以提高挥发性有机化合物传送至传感器32的速率。或者，在细胞本身的VOC释放速率低的预定时刻，控制器550可降低电场的强度、持续时间和/或频率，延迟加速传送直至存在足量的挥发性有机化合物以供传送和感测。
图7示意性图示说明挥发性有机化合物传感系统620——系统20以及系统220的一个示例性实施方案。传感系统620类似于传感系统20和220，除了系统620特别图示说明为包括传送选择器640——传送选择器240的一个特定实施方案。传送选择器640也充当传送加速器，类似于传送加速器40。将与系统20和220的组件或元件对应的系统620的那些组件或元件类似地标号。
如图7所示，系统620包括下室22和上室28，下室22包含培养物42。系统620另外包括多个传感器632A、632B和632C(统称为传感器632)。各632类似于上述传感器32。如同传感器32，各传感器632检测挥发性有机化合物的一个或多个特征。传感器632位于上室28内的间隔位置。在一个实施方案中，传感器632彼此不同之处在于各传感器632检测挥发性有机化合物的不同类型的特征。在另一些实施方案中，传感器632类似，但具有不同的感测分辨率。尽管图示说明为上室28内的一维阵列，但传感器632也可以排列为传感器632的二维阵列或网状排列。
传送选择器640包括控制将哪些挥发性有机化合物44传送至各传感器632的装置。传送选择器640通过在下室和上室之间形成热梯度而加速挥发性有机化合物44传送至上室28和传感器32。在图示说明的实例中，传送选择器640包括邻近培养物42和传感器32的温度控制元件。在图示说明的实例中，传送选择器包括加热器642和冷却装置644A、644B、644C(统称为冷却装置644)。
加热器642包括在下室22内或邻近下室22的加热装置以生成热和向培养物42或向下室22内的在培养物42上方的空间施加热。在图示说明的实例中，加热器642位于培养物42下方。在另一些实施方案中，加热器642可沿室22的侧边位于培养物42的表面43下方或上方。在一个实施方案中，加热器642包括电阻加热器。
冷却装置644包括取出热或冷却周围区域的装置。此类冷却装置644的一个实例是Peltier冷却器。在另一实施方案中，可以分配传送冷却流体以从该区域取出热，由此冷却该区域。在图示说明的实例中，各传感器632具有相关冷却装置644，以促进各传感器632周围的区域的选择性冷却。在一个实施方案中，各冷却装置644包括围绕或包围相关传感器632的环或其它结构。
控制器650包括处理单元和含有指导处理单元的运行的指令的相关非暂时性存储器。控制器650选择性控制加热器642和冷却装置644以在加热器642和冷却装置644之间建立热梯度。在一个实施方案中，在加热器642和启动的冷却装置644之间形成的热梯度为10至1000K/m，通常为100K/m。在一个实施方案中，将培养物42加热至37℃的温度，同时将启动的传感器632的区域或周围冷却至32℃的温度。该热梯度在培养物42上方生成从培养物42向上室28和传感器632的浮力气流。这样的浮力流将有机化合物带向传感器632以加速它们的传送。在传感器32的表面本身的实施方案中，挥发性有机化合物44可能冷凝到传感器表面本身上，这又促进挥发性有机化合物物理吸附和化学吸附到传感器表面。该温度梯度进一步引发热泳——由于扩散系数随温度的变化，粒子或分子的运动。这样的热泳也将挥发性有机化合物带向传感器表面。这样的加速机制增强被分析物或挥发性有机化合物传送至传感器632以加快系统620的运行。
控制器650可进一步改变(bias)或影响不同传感器632接收挥发性有机化合物或被分析物的速率。在一个实施方案中，控制器650独立地控制各冷却装置644以在各个不同的传感器632和加热器642之间形成不同的热梯度。在一个实施方案中，控制器650可启动冷却装置644之一，而其余冷却装置保持关闭或启动(an active)。由此控制器650可加速挥发性有机化合物传送至邻近启动的冷却装置644的特定传感器632，以提高邻近启动的冷却装置644的传感器与其它传感器632相比接收被分析物或挥发性有机化合物的速率。在另一些实施方案中，控制器650可以两种不同的冷却状态启动不同的冷却装置644以在加热器642和不同的冷却装置644之间形成不同的热梯度以相对于不同的传感器632建立不同的VOC传送速率或加速速率。
在一个实施方案中，控制器650可生成控制信号以使传感器632随时间经过相继感测挥发性有机化合物。可以相继启动冷却装置644以将挥发性有机化合物随时间经过相继加速至不同传感器632。例如，传感器632可以彼此不同在于不同传感器专门配置成感测不同挥发性有机化合物或配置成提供不同感测分辨率或灵敏度。在这样的实施方案中，控制器650可以在培养物生长的早期阶段期间首先启动冷却装置644A，以将早期生成的VOC以更大比例传送至更好地配置或装配成感测此类早期生成的VOC的传感器632A。在培养物生长的后期阶段期间，控制器650可以停止冷却装置644A和启动冷却装置644B以将后期生成的VOC以更大比例或百分比传送至更好地配置或装配成感测后期生成的VOC的传感器632B。
图8示意性图示说明挥发性有机化合物传感系统720——系统220的一个示例性实施方案。系统720包括下室22、上室28、传感器32和透气膜729。透气膜729在下室22和上室28之间延伸。透气膜729选择性允许某些目标挥发性有机化合物44传送至上室28和传感器32，同时阻挡其它非目标挥发性有机化合物44’。膜729促进VOC的复杂混合物的使用以使各个传感器可检测和量化该混合物中的仅那些目标被分析物。渗透膜729进一步延迟某些挥发性有机化合物到达传感器32以利于读取挥发性有机化合物释放的时间历程。通过阻止或阻挡某些挥发性有机化合物44’，膜729促使单一被分析物的情况(text)是更简单的谱。因此，通过减少个体光谱从该混合物的卷积谱(convolved spectrum)中去卷积(deconvolving)而简化原始混合物中的挥发性有机化合物44的分数的量化。用于渗透膜729的材料的实例包括但不限于聚四氟乙烯、聚碳酸酯、尼龙、聚乙酸酯、乙酸纤维素、聚酯、聚丙烯、聚醚砜、聚丙烯腈、聚偏二氟乙烯、玻璃纤维和混合纤维素酯。
图9示意性图示说明挥发性有机化合物传感系统820——上述系统220的另一实施方案。系统820类似于系统720，除了系统820另外包括由渗透膜729承载或浸渍在渗透膜729内的反应性元素830。将与系统720的元件或组件对应的系统820的那些其余组件或元件类似地标号。
反应性元素830包括将经过膜729的挥发性有机物44转化成不同化学状态或不同化合物的催化剂或反应性化学物质。在一个实施方案中，反应性元素830将培养物42的细胞产生的挥发性有机化合物44转化成比它们的前体更好地被传感器32检测的被分析物或其它挥发性有机化合物。在一些实施方案中，反应性元素830用于从挥发性有机化合物混合物中除去非目标或干扰性物质以更好地促进该混合物中的相关被分析物或目标被分析物的检测。此类反应性元素830可提高系统820的灵敏度和选择性。可浸渍到膜729中或由膜729负载的反应性元素的实例包括但不限于钯(例如用于一般氢化)、铂(例如用于胺氢化)、铱(例如用于完全取代的烯烃氢化)。例如，这些可包括这些化合物的粒子、纳米粒子或螯合原子。
图10示意性图示说明挥发性有机化合物传感系统920——上述系统220的另一示例性实施方案。系统920类似于系统220，除了系统920特别图示说明为包括传送选择器940——传送选择器240的一个特定实施方案。传送选择器940包括横跨下室22和上室28并在下室22和上室28之间的半渗透膜929。在图示说明的实例中，膜929另外包含上述反应性元素830。在另一些实施方案中，可以省略反应性元素830。
膜929横跨下室22具有可变厚度。在图示说明的实例中，膜929在传感器232下方、横跨下室22和培养物42的厚度的逐渐变化——斜坡或倾斜变化。在另一些实施方案中，膜929在传感器232下方和横跨下室22和培养物42可具有厚度的阶梯形变化。膜929的可变厚度导致挥发性有机化合物44向上穿过膜929的传送改变。因此，不同传感器232随时间经过以不同速率接收挥发性有机化合物44。横跨传感器232阵列的厚度梯度可能导致邻近膜929的较薄区域的传感器(该实例中的232A)比邻近膜929的较厚区域的那些传感器(该实例中的传感器232D)早得多接收挥发性有机化合物。因此，可以使用来自系统920的传感器232的信号追踪随时间经过的挥发性有机化合物产生或释放的历程。
图11示意性图示说明挥发性有机化合物传感系统1020——系统220的另一示例性实施方案。系统1020类似于系统220，除了系统1020特别图示说明为包括传送选择器1040——传送选择器240的一个特定实施方案。将与系统220的组件或元件对应的系统1020的那些组件或元件类似地标号。
传送选择器1040包括隔板1028和透气膜1029A、1029B、1029C和1029C(统称为膜1029)。隔板1028包括在上室28内在连续传感器232之间延伸的分隔壁。隔板1028将上室28分别划分成子室或隔室1031A、1031B、1031C和1031D以分别容纳传感器232A、232B、232C和232D。在一个实施方案中，隔板1028不透气以抑制隔室1031之一内的VOC流向不同隔室1031。在一些实施方案中，隔板1028可包含气体选择性渗透膜，以允许某些气体穿过这样的隔板1028。隔板1028形成此类隔室1031，以促进多重诊断检测，降低每次检测的诊断成本。
膜1029各自类似于上述膜729。各膜1029与相关隔室1031或隔室1031的相关的亚组或组对齐。在图示说明的实例中，各隔室1031具有相关的不同膜1029。在另一些实施方案中，一个亚组的隔室可共用相同的膜1029。
膜1029促进不同VOC和/或促进VOC以不同速率传送或通往它们各自的相关传感器232。在图示说明的实例中，膜1029S和膜1029B具有不同厚度。在一个实施方案中，膜1029A和1029B由具有不同透气率(气体通过特征)的不同材料形成。在图示说明的实例中，膜1029A和1029B没有浸渍或承载反应性元素830，而膜1029C和1029D承载或浸渍反应性元素。在图示说明的实例中，膜1029C浸渍或承载第一反应性元素830C，而膜1029D浸渍或承载不同于第一反应性元素830D的第二反应性元素830D。因此，各传感器232以不同速率接收VOC或接收通过不同反应性元素830不同地改变的VOC。
如上文对系统220所述，在一个实施方案中，传感器232可以彼此不同。在这样的实施方案中，可以定制不同传感器232以与其它传感器232相比感测特定类型的被分析物或挥发性有机化合物。尽管各隔室1031被图示说明为包含单个传感器232，在另一些实施方案中，各隔室1031可含有多个传感器或在一些实施方案中含有传感器的网格或阵列，与含有多个传感器32的单个隔室相关联或在其下方的膜可具有与上文对系统920所述类似的可变厚度。
图12示意性图示说明挥发性有机化合物传感系统1120——系统20和220的另一示例性实施方案。将与任何上述挥发性有机化合物传感系统的组件对应的挥发性有机化合物传感系统1120的那些组件类似地标号。如图12所示，系统1120包括将许多上述传感特征组合在单个传感系统中的系统。
系统1120包括下室22、上室24、传感器232A、232B、232C、232D、电极342A、342B、342C、342D(统称为电极342)、电极344A、344B、344C、344D(统称为电极344)、电极542A、542B、542C、542D(统称为电极542)、电极544A、544B、544C、544D(统称为电极544)、加热器642、冷却装置644A、644B、644C、644D、隔板1028、膜1029A、1029B、1029C和1029D、气体源1152、1154、1156、泵1158、培养基来源1162、1164、1166、泵1168和控制器1250。各电极342类似于上述电极342，各344类似于上文对系统320所述的电极344，除了由隔板1028形成的各隔室1031A、1031B、1031C和1031D含有一对电极，其包含电极342之一和电极344之一。因此，控制器1250可选择性输出控制信号以选择性地和独立地启动各电极对以选择性形成用于加速挥发性有机化合物传送至一个特定的传感器232，特别是隔室1031之一的电场。在一个实施方案中，各电极342包括如上文对系统420中的电极442所述在培养物42的表面43上方的不同高度延伸的一系列独立电极元件。在这样的实施方案中，控制器1250选择性地将电极元件之一充电以基于不同扩散率或表面43上方的高度加速不同挥发性有机化合物的传送。
电极542和544类似于上文对系统520所述的电极542和544，除了电极542和544归入可独立地控制或启动的亚组或对。该亚组或对可独立于其它亚组或对启动。因此，控制器1250可选择性地和独立地启动电极对以选择性加速挥发性有机化合物传送至包含在特定隔室1031内的单个传感器232。例如，控制器1250可选择性启动电极542A和544A以加速挥发性有机化合物传送至传感器232A，而其余电极542和544不充电。在另一实施方案中，控制器1250可施加不同的let电荷以在不同的电极对542、544中建立不同强度的电场以改变电喷雾液滴的形成速率和特别是被分析物或挥发性有机化合物传送至各隔室1031中的各传感器232的速率。
通过控制器1250以如上文对系统620所述类似的方式控制加热器642和冷却装置644。同样地，膜1029选择性地将挥发性有机化合物传送至各隔室1031和/或通过使用如上文对系统1020所述的反应性元素830C和830D改变传送的挥发性有机化合物的化学性质。在一个实施方案中，系统1120为用户提供选择系统1120可运行的多种可用模式之一的选项。例如，用户可选择使用一种或多种差异化和加速机制，如(A)电极342、344、(B)电极542、544和/或(C)加热器642、冷却装置644来加速和差异化挥发性有机化合物或被分析物传送至不同传感器。
气体源1152、1154、1156包含培养物42上方的气氛的各种来源。各气体源1152、1154、1156包括在控制器1250的控制下的阀。泵1158包括将所选一种或多种气体从来源1152、1154、1156泵送至培养物42上方的体积或空间的装置，无论其在上室28中还是在下室22内的培养物42上方的空间。控制器1250输出控制信号以输出所选气体混合物。控制器1250输出控制信号以控制泵1158以控制将此类气体或气体混合物供往培养物42的表面43上方的空间的速率。
控制器50可控制气体的混合物和供应速率以建立促进或抑制某些细胞类型的生长的气氛，以降低气氛压力以提高挥发性有机化合物的质量分数和/或引入与培养物42释放的挥发性有机化合物反应的反应物(如其它VOC)以产生可更好地被传感器232检测的被分析物。在一个实施方案中，控制器1250控制提供至系统1120的气体以通过控制培养物42的细胞在其中生长的气氛中的二氧化碳和氧气的分数促进或抑制某些细胞类型的生长。控制器1250可调节该气氛的内容物以提高某些细胞生长和产生有机化合物并减少另一些细胞生长和产生有机化合物。在一个实施方案中，控制器50可使用细胞的挥发性有机化合物标识物(signature)随其气氛内容物的变化作为鉴定细胞的量度。在一些实施方案中，控制器1250可降低气氛压力以使挥发性有机化合物处于更大有效浓度，以提高挥发性有机化合物至传感器232的机构(services)的结合速率，以提高灵敏度。通过控制器1250将反应性化合物引入气体混合物用于产生在传感器232上产生更强信号的其它化合物以提高灵敏度。
培养基来源1162、1164、1166包括用于不同培养基内容物或溶液的不同来源。各来源1162、1164、1166包括在控制器1250的控制下的阀。泵1168包括将所选液体或固体培养基从来源1162、1164、1166泵送至培养物42的装置。控制器1250输出控制信号以输出所选培养基混合物。控制器1250输出控制信号以控制泵1168以控制将此类培养基供往培养物42的速率。
控制器1250输出控制信号以控制培养基的混合物和通过泵1168向培养物42供应该混合物的速率以精确控制细胞在其中生长和由其产生挥发性有机化合物的培养物42。在一个实施方案中，控制器1250精确控制(在时间和/或浓度方面)培养物42以促进自动和高度可再现的细胞培养。在一些实施方案中，控制器1250引入药品以改变培养物42中的细胞的代谢和挥发性有机化合物生成。在一些实施方案中，控制器1250可利用随培养基内容物变化的细胞VOC标识物作为鉴定细胞的另一量度。在另一些实施方案中，控制器1250可引入(从来源1162、1164、1166之一)与细胞产生的代谢物反应以提高代谢物的挥发性和/或提高传感器响应的物质。
在一个实施方案中，控制器1250利用来自各传感器232的信号作为反馈以可调节地控制通过1120的挥发性有机化合物的加速和差异化运行参数。例如，基于来自传感器232的信号或反馈，控制器1250输出调节不同电极对——电极对342、344和电极对542、544提供的电场的控制信号。基于这样的反馈，控制器1250可以输出调节加热器642的操作设置和/或各冷却装置644的操作设置的控制信号。基于来自传感器32的反馈，控制器1250可以通过选择性打开和关闭来源1152、1154、1156的阀和/或泵1158的运行速率而调节培养物42上方的气氛。同样地，基于来自传感器32的反馈，控制器1250可以通过选择性打开和关闭来源1162、1164、1166的阀和/或泵1168的运行速率而调节培养物42的培养基。
尽管已参照示例性实施方案描述了本公开，但本领域技术人员会认识到，可以对形式和细节作出改变而不背离所要求保护的主题的精神和范围。例如，尽管不同的示例性实施方案已被描述为包括提供一种或多种益处的一个或多个特征，但所述特征被认为可在所述示例性实施方案中或在其它替代性实施方案中彼此互换或彼此组合。由于本公开的技术相对复杂，该技术中并非所有变化都可预见。参考示例性实施方案描述并在下列权利要求书中陈述的本公开显然意在尽可能宽泛。例如，除非明确地另行指明，列举单一特定要素的权利要求也包含多个这样的特定要素。权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅区分不同要素，并且除非另行指明，不应与本公开中的要素的特定顺序或特定编号具体相关联。