用于生理气体样品中的分析物感测的系统和方法与流程

本发明的实施例涉及用于生理气体样品中的分析物感测的系统和装置。更具体地，本文中的实施例涉及用于对在石墨烯变容二极管上的分析物存在进行测量的系统和装置。

背景技术：

在提供医疗保健的过程中，临床医生常常执行体格检查并进行检测以收集关于患者的数据。在收集数据并对其他方面(如指定患者的健康史)进行分析之后，临床医生常常形成诊断结果然后选择对所诊断疾病进行治疗的疗法。

对各种化学分析物(如挥发性有机化合物)的存在和或浓度的了解对于用于形成诊断结果而言会是非常有用的。然而，以临床上实用的方式对这种化学分析物进行测量，在技术上仍然具有挑战性。

技术实现要素：

本发明的实施例涉及用于生理气体样品中的分析物感测的系统和装置及方法。

本发明涉及一种通过对在一系列直流偏置电压下的电容进行评估而对在石墨烯变容二极管上的分析物存在进行测量的系统，包括：电容-数字转换器(cdc)；一个或多个石墨烯变容二极管；和控制器电路，所述控制器电路构造成接收反映在多个直流偏置电压下所述一个或多个石墨烯变容二极管的电容的电信号；其中所述cdc与所述一个或多个石墨烯变容二极管电性连接，并且构造成对所述石墨烯变容二极管的响应于所述一系列直流偏置电压下的激励信号的电容进行测量，其中在所述一系列直流偏置电压下的测得电容构成指定样品的模式的一部分；并且其中计算装置构造成对在所述一系列直流偏置电压下的测得电容值进行记录。

本发明还涉及一种用于感测气态分析物例如挥发性有机化合物的气体采样装置，例如手持式呼气采样装置或供导管和/或内窥镜检查系统使用气体采样装置，其包括根据前述权利要求中任一项所述的系统或这被包含于根据前述权利要求中任一项所述的系统中。

本发明还涉及一种通过对在一系列直流偏置电压下的电容进行评估而对在石墨烯变容二极管上的分析物存在进行测量的方法，包括：利用电容数字转换器(cdc)对响应于在一系列的直流偏置电压下的激励信号的所述石墨烯变容二极管的电容进行测量；对在一系列直流偏置电压下的测得电容值进行评估，以确认与一个或多个分析物的存在、不存在或量相关的模式。

本发明的又一方面是一种用于对在石墨烯变容二极管上的分析物存在进行测量的系统，所述系统包括：电容-数字转换器(cdc)；石墨烯变容二极管；所述cdc与所述石墨烯变容二极管电性连接，并且构造成对所述石墨烯变容二极管的响应于在多个直流偏置电压下的激励信号的电容进行测量。

根据一具体实施方案的系统，还包括构造成选择性地提供在所述cdc与多个石墨烯变容二极管之间的电性连接的多路复用器。

根据一具体实施方案的系统，其中将激励信号经过所述多路复用器提供给所选择的石墨烯变容二极管。

根据一具体实施方案的系统，所述激励信号包括交流电压。

根据一具体实施方案的系统，其中所述激励信号的幅度是由所述cdc而设定。

根据一具体实施方案的系统，还包括构造成接收反映所述石墨烯变容二极管的电容的电信号的控制器电路。

根据一具体实施方案的系统，还包括与所述控制器电路和所述cdc电性连接的电子元件，所述电子元件是选自由i2c或spi所组成的组群。

根据一具体实施方案的系统，其中所述石墨烯变容二极管包括功能化石墨烯变容二极管。

根据一具体实施方案的系统，其中所述控制器电路构造成计算所述石墨烯变容二极管的至少一个参数，所述一个参数是选自由下列所组成的组群：电容-电压曲线的最大斜率；在基线值上电容-电压曲线的最大斜率的变化；

电容-电压曲线的最小斜率；在基线值上电容-电压曲线的最小斜率的变化；最小电容；在基线值上最小电容的变化；在最小电容处的电压；在最小电容处电压的变化；最大电容；最大电容的变化；最大电容与最小电容的比率；响应时间常数；和在所述石墨烯变容二极管与第二石墨烯变容二极管之间任何前述参数的比率。

根据一具体实施方案的系统，其中所述多个石墨烯变容二极管与所述cdc的独立激励输出电性连接。

根据一具体实施方案的系统，还包括与所述多个石墨烯传感器串联的一个或多个可编程数模转换器(dac)。

根据一具体实施方案的系统，还包括开关，所述cdc与所述开关电性连接并且控制所述开关从而选择性地提供与两个可编程数模转换器(dac)的输出电压的连接，在所述数模转换器之间的编程电压差决定了所述激励幅度，并且在所述数模转换器的编程平均电压与在所述cdc输入处的偏置电压之间的电压差决定了所述直流偏置电压。

本发明的再一方面是一种用于对在石墨烯变容二极管上的分析物存在进行测量的方法，包括：对在一系列直流偏置电压下所述石墨烯变容二极管的电容进行测量；对在一个或多个直流偏置电压处的测得电容与一个或多个相应的基线电容值进行比较；和基于所述比较判定分析物的存在或不存在。

根据一具体实施方案的方法，还包括确定选自由下列所组成的组群的一个或多个方面：电容-电压曲线的最大斜率；在基线值上电容-电压曲线的最大斜率的变化；电容-电压曲线的最小斜率；在基线值上电容-电压曲线的最小斜率的变化；最小电容；在基线值上最小电容的变化；在最小电容处的电压；在最小电容处电压的变化；最大电容；最大电容的变化；最大电容与最小电容的比率；响应时间常数；和在两个不同石墨烯传感器之间任何前述参数的比率。

根据一具体实施方案的方法，还包括基于在所述一系列直流偏置电压下所述石墨烯变容二极管的测得电容，而形成电容-电压曲线。

本发明的又一方面是一种用于对在石墨烯变容二极管上的分析物存在进行测量的系统，所述系统包括：电容-数字转换器(cdc)；石墨烯变容二极管；所述cdc与所述石墨烯变容二极管电性连接，并且构造成对所述石墨烯变容二极管的响应于在多个直流偏置电压下的激励信号的电容进行测量。

根据一具体实施方案的系统，还包括构造成选择性地提供所述cdc与多个石墨烯变容二极管之间的电性连接的多路复用器。

根据一具体实施方案的系统，其中将激励信号经过所述多路复用器提供给所选择的石墨烯变容二极管。

根据一具体实施方案的系统，所述激励信号包括交流电压。

根据一具体实施方案的系统，其中所述激励信号的幅度是由所述cdc而设定。

根据一具体实施方案的系统，还包括控制器电路构造成接收反映所述石墨烯变容二极管的电容的电信号。

根据一具体实施方案的系统，所述控制器电路包括微控制器。

根据一具体实施方案的系统，还包括与所述制器电路和所述cdc电性连接的电子元件，所述电子元件是选自由i2c或spi所组成的组群。

根据一具体实施方案的系统，所述石墨烯变容二极管包括功能化石墨烯变容二极管。

根据一具体实施方案的系统，其中所述控制器电路构造成计算所述石墨烯变容二极管的至少一个参数，所述一个参数是选自由下列所组成的组群：电容-电压曲线的最大斜率；在基线值上电容-电压曲线的最大斜率的变化；电容-电压曲线的最小斜率；在基线值上电容-电压曲线的最小斜率的变化；最小电容；在基线值上最小电容的变化；在最小电容处的电压；在最小电容处电压的变化；最大电容；最大电容的变化；最大电容与最小电容的比率；响应时间常数；和在所述石墨烯变容二极管与第二石墨烯变容二极管之间任何前述参数的比率。

根据一具体实施方案的系统，其中将所述多个石墨烯变容二极管接地。

根据一具体实施方案的系统，其中所述多个石墨烯变容二极管与所述cdc的独立激励输出电性连接。

根据一具体实施方案的系统，还包括与所述多个石墨烯传感器串联的一个或多个可编程数模转换器(dac)。

根据一具体实施方案的系统，还包括开关，所述cdc与所述开关电性连接并且控制所述开关从而选择性地提供与两个可编程数模转换器(dac)的输出电压的连接，在所述数模转换器之间的编程电压差决定了所述激励幅度，并且在所述数模转换器的编程平均电压与在所述cdc输入处的偏置电压之间的电压差决定了所述直流偏置电压。

本发明的另一方面是一种用于对在石墨烯变容二极管上的分析物存在进行测量的方法，所述方法包括：对在一系列直流偏置电压下所述石墨烯变容二极管的电容进行测量；对在一个或多个直流偏置电压处的测得电容与一个或多个相应的基线电容值进行比较；和基于所述比较而判定分析物的存在或不存在。

根据一具体实施方案的方法，还包括确定选自由下列所组成的组群的一个或多个方面：电容-电压曲线的最大斜率；在基线值上电容-电压曲线的最大斜率的变化；电容-电压曲线的最小斜率；在基线值上电容-电压曲线的最小斜率的变化；最小电容；在基线值上最小电容的变化；在最小电容处的电压；在最小电容处电压的变化；最大电容；最大电容的变化；最大电容与最小电容的比率；响应时间常数；和在两个不同石墨烯传感器之间任何前述参数的比率。

根据一具体实施方案的方法，还包括基于在所述一系列直流偏置电压下所述石墨烯变容二极管的测得电容而形成电容-电压曲线。

根据一具体实施方案的方法，还包括对所形成的电容-电压曲线与基线电容-电压曲线进行比较。

根据一具体实施方案的方法，还包括在与所述石墨烯变容二极管结合的不同分析物之间进行辨别。

根据一具体实施方案的方法，其中所述直流偏置电压的范围是从-3v到3v。

该发明内容是对本申请的部分教示的概述，而并非意图是对本发明主题的排他的或详尽无遗的描述。进一步的细节可参见详细说明和所附权利要求。当阅读和理解以下的详细说明并且观看构成本发明的一部分的附图时，其他方面对于所属领域的技术人员而言将是显而易见的，各个附图不应被看作是限制性的。本发明的范围是由所附权利要求及它们的法律等同物所限定。

附图说明

结合以下附图可更全面地理解本发明的各方面，在附图中：

图1是根据本发明各种实施例的系统的各种构件的示意图。

图2是根据本发明各种实施例的石墨烯变容二极管的示意性分解视图。

图3是根据本发明各种实施例的石墨烯变容二极管的示意性剖视图。

图4是根据本文中所公开技术的气体感测装置的各元件的示意性剖视图。

图5是根据本发明各种实施例的、用以对多个石墨烯传感器的电容进行测量的电路的示意图。

图6是根据本发明各种其他实施例的、用以对多个石墨烯传感器的电容进行测量的电路的示意图。

图7是根据本发明各种其他实施例的、用以对多个石墨烯传感器的电容进行测量的电路的示意图。

图8是显示根据本发明各种实施例的石墨烯变容二极管的电容与直流偏置电压的关系的线图。

图9是显示根据本发明各种实施例的石墨烯变容二极管的电容与直流偏置电压的关系的线图。

图10是显示根据本发明各种实施例的响应于丙酮结合的功能化石墨烯变容二极管的电容与直流偏置电压的关系的线图。

图11是显示根据本发明各种实施例的响应于辛烷结合的功能化石墨烯变容二极管的电容与直流偏置电压的关系的线图。

图12是显示根据本发明各种实施例的响应于辛醇结合的功能化石墨烯变容二极管的电容与直流偏置电压的关系的线图。

虽然各实施例存在各种修改和替代形式，但通过举例和附图而揭示了其细节并且将详细地进行描述。然而，应当理解的是，本发明的范围并不局限于所描述的具体实施例。相反，意图是涵盖落在本发明精神和范围内的修改、等同物、和替代物。

具体实施方式

挥发性有机化合物(如在呼气样品或其他气体样品中被感测的)可以提供关于患者健康状态的有价值信息。尤其是在患者的呼气或气体样品中的挥发性有机化合物的模式(包括多种不同挥发性有机化合物的存在、不存在、和/或浓度)可以与各种疾病状态和/或特定的健康状态相关。疾病状态可以包括但不限于：肺癌、结肠癌、肺病(例如，哮喘、慢性阻塞性肺病)、心血管疾病(例如心力衰竭)、感染性疾病、消化和炎症疾病(例如炎性肠病，如克罗恩病、结肠炎等)、或糖尿病。

石墨烯变容二极管是可以用于对挥发性有机化合物进行测量的一种类型的装置。石墨烯变容二极管的各种特性(如电容)可以响应于在其上的挥发性有机化合物的存在而变化。然而，对石墨烯变容二极管的特性(如电容)的测量在技术上仍然具有挑战性。

然而，本文中的实施例可以用于快速且精确地测量多个石墨烯变容二极管的电容。

现在参照图1，图中示出了根据本发明各种实施例的系统100的可能部件的示意图。根据本发明的各种实施例，系统100可以包括用于感测气态分析物(或挥发性有机化合物)的呼气感测装置160。在本实施例中，该系统是采用手持形式。然而，应当理解的是，本发明涵盖该系统的许多其他形式。

呼气感测装置160可以包括壳体178。呼气感测装置160可以包括被评价的受试者可以将呼气样品吹入其中的接口管162。呼气感测装置160也可以包括显示屏174和用户输入装置176(如键盘)。呼气感测装置160也可以包括气体流出口172。呼气感测系统和装置的各方面描述于美国专利申请公开第2016/0109440号中，该专利申请的内容以参考的方式并入本文中。虽然图1示出了呼气感测装置，但应当理解的是本发明中也可以使用其他类型的气体采样系统。例如，也可以使用供导管和内窥镜检查系统所使用的气体采样装置。在导管或内窥镜检查装置背景中的一个示例性气体采样装置描述于美国专利申请第62/350,345号中，该专利申请的内容以参考的方式并入本文中。

在一些实施例，系统100可以包括本地计算装置182，该本地计算装置可以包括微处理器、输入和输出电路、输入装置、视觉显示器、用户界面，等。在一些实施例中，呼气感测装置160可以与本地计算装置182进行通信，以便在呼气感测装置160与本地计算装置182之间交换数据。本地计算装置182可以构造成利用从呼气感测装置160所接收的数据而执行各种处理步骤(包括但不限于计算本文中所描述的各种参数)。然而，应当理解的是，在一些实施例中可以将与计算装置182相关的特征合并入呼气感测装置160中。在一些实施例中，本地计算装置182可以是膝上型计算机、台式计算机、服务器(真实的或虚拟的)、专用计算机装置、或便携式计算装置(包括但不限于：移动电话、平板电脑、可穿戴装置，等)。

本地计算装置182和/或呼气感测装置160可以经由数据网络184与在远程位置的计算装置进行通信，如互联网或用于数据交换的另一个网络(如分组网络、帧网络，等)。

在一些实施例中，系统100也可以包括计算装置，如服务器186(真实的或虚拟的)。在一些实施例中，服务器186可以位于远离呼气感测装置160的位置。服务器186可以与数据库188进行数据通信。

数据库188可以用于存储各种患者信息，如在本文中所描述的。在一些实施例中，该数据库可以具体地包括电子医学据库，包含关于患者健康状态的数据、与各种疾病相关的数据模式(如由对大的患者数据集的机器学习分析所生成的)、人口统计数据，等。

石墨烯变容二极管可以用各种方法而制备，并且具有各种几何形状。现在参照图2，图中示出了石墨烯变容二极管200的分解视图。石墨烯变容二极管200可以包括绝缘层202、栅极204、介电层206、石墨烯层208、和接触电极210。

图3示出了石墨烯变容二极管200的剖视图。如图中所示，可以使栅极204凹进绝缘层202中。栅极204可以通过如下方式而形成：将凹陷蚀刻入绝缘层202然后使导电材料沉积于该凹部中以形成栅极204。绝缘层202可以包含各种材料。在一些实施例中，绝缘层202可以是形成于硅衬底(晶片)上的二氧化硅。可以使介电层206形成于绝缘层202和栅极204的表面上。在一些实例中，介电层206可以由以下材料构成，例如二氧化硅、氧化铝、氧化铪、二氧化锆、硅酸铪或硅酸锆。可以将石墨烯层208布置在介电层206上。在一些方面，石墨烯层208可以是石墨烯单层。也可以将接触电极210布置在石墨烯层208的表面(或其一部分)上。示例性石墨烯变容二极管的各方面可以参见美国专利申请第2014/0145735号，该专利申请的内容以参考的方式并入本文中。气体和/或呼气采样系统的其它方面描述于美国专利申请公开第2016/0109440号中，该申请公开的内容以参考的方式并入本文中。

在各种实施例中，可以使石墨烯层功能化，从而制作对特定分析物或特定类型分析物具有特异性的石墨烯传感器。当分析物与石墨烯层结合时，传感器的电容发生变化。此外，如下面在图8-图9中所示，电容基于激励电流的电压而不同地变化。

本发明的系统也可以包括呼气和/或气体感测装置或系统。具体地，本发明的系统可以采集关于各种气态分析物(包括但不限于挥发性有机化合物)的存在、不存在、和/或量的数据。图4是根据本文中所公开技术的示例性系统400的示意性剖视图。应当理解的是，已将该示意图简化以便于说明，并且本发明的系统和装置的各实施例可以包括图4中未示出的各种特征。另外，本发明的系统和装置的一些实施例可以没有图4中所示的各种特征。系统400通常构造成收集气体样品并且传送与该气体样品相关的数据。系统400具有气体采样装置410和对接站430。

气体采样装置410可以构造成收集气体样品并且促成气体样品的测试以便生成数据。在一些实施例中，气体采样装置410可以构造为手持装置。在这种情况下，该气体采样装置可以构造成在其使用的某些步骤期间被握在医护人员、患者或两者的手中，同时也构造成在其使用的某些步骤期间连同对接站430被保持或定位。

在一些实施例中，气体采样装置410构造成接收气体样品(如来自患者的呼出的呼气)并且将该气体样品引导至测试位置。气体采样装置410通常具有：限定气流孔422的壳体420、气体测试室426、传感器插孔428、气流通道424、和对接结构421。

当接收气体样品时，气体(如来自患者的呼气)可以经过气流孔422进入气体采样装置410、经过气流通道424进入气体测试室426并且与一次性传感器测试条440的一个或多个测量区442接触，然后经过传感器插孔428或经过单独的排气口(在此视图中未示出)而流出气体测试室426的端部。虽然该视图描绘了在传感器插孔428与一次性传感器测试条440之间的一些区域中的接触，但应当理解的是，可以存在其中传感器插孔428与一次性传感器测试条440不接触或不形成密封接触因此允许有气体经过传感器插孔428流出的通道的部分或区域。

虽然图4示出了气流通道424具有与壳体420的内部空间大致相同的尺寸，但应当理解的是这仅仅是便于说明以及在许多情况下气流通道424的尺寸可以比壳体420的整个内部尺寸小得多，从而允许有用于在壳体420内部的其他部件(如本文中所描述的其他部件，包括但不限于：传感器、电源、处理装置、通信硬件、调节元件等)的空间。

壳体420可以由多种材料及各材料的组合所制成。壳体420可以是单个结合结构，或者可以由被联接而形成壳体420的多个部件所组成。作为一个说明性例子，限定气流通道424的壳体420的一部分可以联接到限定气流孔422的壳体420的部分。限定气流通道424的壳体420的部分可以包括具有各种不同的截面尺寸和形状的管道或管。该管道或管可以由各种材料构成，包括但不限于聚合物、金属、陶瓷、玻璃、复合材料等。在一些实施例中，可以用材料涂覆给气流通道424做衬里的表面，以提供各种期望的功能特性。

气流孔422通常构造成在壳体420处提供气体样品的输入。在一些实施例中，气流孔422构造成与患者的嘴流体连通，尽管在一些其他实施例中可以利用保护衬垫提供在患者的嘴与壳体之间的屏障，下面将更详细地对该屏障进行描述。

气流通道424通常构造成在气流孔422处将气体引导至气体测试室426。因此，气流通道424通常从气流孔422延伸至气体测试室426。沿气流通道的长度，气流通道424可以具有大致相同的横截面积或者该横截面积可以变化。在一些实施例中，气体测试室426可以具有与通到该测试室的气流通道不同的内部尺寸(例如，高度、宽度等)。

气体测试室426限定气体样品的测试位置。在各种实施例中，气体测试室426构造成接纳一次性传感器测试条440的测量区442。因此，由壳体420所限定的传感器插孔428通常构造成将一次性传感器测试条440可移除地保持在气体测试室426内部。在各种实施例中，传感器插孔428构造成可滑动地接纳由用户手动插入的一次性传感器测试条440。在一些实施例中，一次性传感器测试条440可以在其长(或主)轴平行于壳体420的长(或主)轴的情况下被插入。然而，在其他实施例中，一次性传感器测试条440可以在其长(或主)轴相对于壳体420的长(或主)轴不同地定位(如垂直)的情况下被插入。下面将更详细地对示例性传感器检测条进行描述。

虽然图4描绘了检测条大致位于气体采样装置410的中部(从附图的视角从顶部到底部看)，但应当理解的是可以将检测条定位在朝向顶部或底部偏移的位置，从而更加靠近壳体420或气体采样装置410的外表面。在一些实施例中，可以将一次性使用传感器条定位在与壳体420的外表面(或外壁)相距小于5cm、4cm、3cm、2cm、1cm、0.5cm、0.2cm或更小的位置。

对接站(扩展坞)430通常构造成收集从测试气体样品中生成的数据。对接站430具有读取装置432，该读取装置可以包括对多个石墨烯传感器的电容进行测量的电路。下面更详细地描述对石墨烯传感器的电容进行测量的电路的各方面。然而，应当理解的是在一些实施例中，可以将这种电路全部布置在气体采样装置410中，可以全部布置在对接站430中，或者可以与一些部件一同分布于气体采样装置410中并且与一些部件一同分布于对接站430中。实际上，在一些情况下可以不存在单独的对接站，并且本文中归属该对接站的功能可以简单地合并入气体采样装置中。

在各种实施例中，读取装置432也可以构造成从一次性使用传感器检测条440中读取基线数据和样品数据两者，其中术语“基线数据”被定义为在使一次性传感器测试条440暴露于患者或检测受试者的气体样品之前所收集的数据，并且其中术语“样品数据”是指对于患者或检测受试者的气体样品为特异性的数据。在一些情况下，基线数据可以反映在获得患者气体样品之前恰好在测试室中的任何气体的状态。然而，在其他实施例中，可以有目的地把环境空气推出测试室，并且/或者为了生成基线数据的目的可以将已知组成的特定参比气体样品置于测试室中。

对接站430通常构造成用于气体采样装置410的对接位置。对接站430通常构造成物理地接纳气体采样装置410。对接站430可以通过本领域技术人员将理解的多种结构和构造接纳气体采样装置410。在各种实施例中，对接站430和气体采样装置410的对接结构421具有配对构造，对接站430利用该配对构造来接纳气体采样装置410的对接结构421。在一些这种实施例中，对接站430和对接结构421限定过盈配合。然而，在其他实施例中，对接站430可以简单地搁在对接结构421上或者其中。在一些实施例中，对接站430和对接结构421构造成将一次性传感器测试条440和读取装置432定位在非常接近的位置，以便适应在读取装置432与一次性传感器测试条440之间的数据传输。在一些实施例中，对接站和对接结构构造成将一次性传感器测试条440和读取装置432定位在彼此相距6cm、5cm、4cm、3cm、或2cm内或者甚至彼此相距1cm内的位置。

对接站430可以具有各种额外的部件。在一些实施例中，对接站430具有处理器436和储存器435。处理器436和存储器435可以构造成处理并存储从测试气体样品中获得的数据。例如，存储器435可以在本地存储基线数据，并且处理器436可以构造成除去从检测气体数据中所收集的基线数据以获得经调整数据。这种经调整数据可以消除周围环境对测试气体数据的一些影响。在另一个实例中，处理器可以构造成对经调整数据(或者在一些实施例中测试气体数据)与指示一种或多种疾病的已知的数据进行比较。这种比较可以用于利用比较算法来确认特定疾病的存在。在又一个实例中，对接站430的处理器可以构造成确认在一次性传感器测试条440中的缺陷。示例性的缺陷可以包括制造缺陷和/或对环境气体的过早暴露。对接站430可以构造成收集、保留、和可能地传输这种缺陷的记录。

在各种实施例中，对接站430具有网络硬件434。网络硬件434可以构造成将数据经由网络传输至远程系统，包括基于云的系统。在一些实施例中，远程系统可以是医院、诊所、实验室、或其他位置。在一些实施例中，网络硬件434构造成传输从测试气体样品中生成的数据。在一些实施例中，网络硬件434构造成传输基线数据。在一些实施例中，网络化硬件构造成传输经调整数据。在一些实施例中，远程系统对其所接收的数据进行分析。例如，在一些实施例中，远程系统构造成对经调整数据与指示多种疾病的已知数据进行比较。该比较可以确认特定疾病的存在。

在一些实施例中，对接站430具有用户界面438。该用户界面438可以构造成将信息传送给用户。例如，用户界面438可以构造成传送主动数据传输，例如在对接站430与气体采样装置410之间和/或在对接站430与网络之间的数据传输。在一些实施例中，用户界面438可以构造成传送关于测试过程的当前阶段、测试过程的进展、或者下一个是哪个步骤或需采取什么措施的信息。例如，在一些情况下，用户界面438可以构造成告知气体采样装置410准备接收气体样品或者对接站430已完成从气体采样装置410中读取数据。用户界面438也可以构造成告知传感器检测条中的缺陷。用户界面438可以构造成利用视觉通知、音频通知等而告知。作为一个具体实例，可以利用闪烁灯来表示对接站430正在传输数据。用户界面438可以包括光源，如led或类似的发光装置。

现在将对使用图4中所描绘系统的一个示例性方法进行描述。将一次性传感器测试条440插入气体采样装置410中，使得它被由气体采样装置的壳体所限定的气体测试室426所接纳。使具有一次性传感器测试条440的气体采样装置410对接到对接站430，并且对接站430的读取装置432经过气体采样装置410的壳体420从一次性传感器测试条440中读取基线数据。在读取基线数据之后使气体采样装置410与对接站430分离，并且气体测试室接收气体样品使得气体样品与一次性传感器测试条440接触。例如，气体采样装置410可完全地由医护人员抓住，然后从对接站430中移出并且完全地递给患者或检测受试者，该患者或检测受试者然后会吹气到气体采样装置410中以提供要被分析的气体样品。在其他情况下，气体采样装置410可由医护人员握住而不是由患者或检测受试者握住。然后，可以在接收气体样品之后使气体采样装置410对接到对接站430，并且利用读取装置432从一次性传感器测试条440中读取来自被检测气体的数据，其中经过气体采样装置410的壳体420读取经调整数据。在各种实施例中，一次性传感器测试条440构造成是单次使用的。因此，在从一次性传感器测试条440中收集样品气体数据之后，可以对一次性传感器测试条440进行处理。也可想到使用图4中所示系统的各种其他方法。

测量区442可以包括多个分离的结合检测器，这些检测器可以包含与其结合的一个或多个分析物结合受体。在一些实施例中，在特定的分离的结合检测器内部的全部分析物结合受体在它们的分析物结合特性方面可以是相同的。在其他实施例中，在一个特定区域内部的至少部分的分析物结合受体在它们的分析物结合特性方面可以是相互不同的。在一些实施例中，各分离的结合检测器可以是独特的。在一些实施例中，是各不相同的分离的结合检测器可以是交叉反应的，因为它们结合到相同化合物的不同部分或不同结构。

多个石墨烯变容二极管可以包括对于不同挥发性有机化合物均具有特异性的二极管。在一些实施例中，多个石墨烯变容二极管可以对至少5、10、15、20、30、40或更多种不同挥发性有机化合物的存在进行检测。在一些实施例中，由石墨烯变容二极管所检测的不同挥发性有机化合物的数量可以在一范围内，其中任意的前述数字可以用作范围的上限或下限，只要上限大于下限。

如上所述，通过以特定的电压和/或在一系列的电压传输激励电流，可以对石墨烯的传感器电容进行测量。电容的测量提供反映分析物与石墨烯传感器的结合状态的数据。各种测量电路可以用于对石墨烯传感器电容的测量。

现在参照图5，图中示出了用以对多个石墨烯传感器的电容进行测量的电路的示意图。该电路可以包括与多路复用器504电性连接的电容-数字转换器(cdc)502。该多路复用器504可以提供与多个石墨烯变容二极管506的选择性电性连接。石墨烯变容二极管506的另一侧可以与地线508电性连接。

在一些实施例中，电容-数字转换器502可以与总线装置510电性连接。总线装置510可以包括各种特定的部件，但在一些实施例中这些特定部件可以是选自由i²c或spi所组成的组群。总线装置510继而可以与控制器或处理器电性连接。例如，总线装置510可以与微控制器512电性连接。微控制器512继而可以与该装置或系统的其他部件进行通信。应当理解的是，并非图5中所示的全部部件可相互分离。相反，可以将各种部件(包括但不限于多路复用器504、电容-数字转换器502、和总线装置510)合并到一起。

在操作中，将激励信号(交流电压)经过多路复用器施加给所选择的电容器，并且对使石墨烯变容二极管带电和放电所需的电荷进行测量以确定电容。激励信号的幅度是由电容-数字转换器502所设定。测量电容时的偏置电压等于激励信号的平均电压。用于此类型的构造的一个示例性电容-数字转换器包括texasinstruments的型号fdc1004。该fdc1004具有集成的多路复用器和i²c。应当理解的是，也可以使用许多其他类型的电容-数字转换器。

在一些实施例中，石墨烯变容二极管可以不接地。石墨烯变容二极管的另一侧可以连接到另一个装置。例如，在一些实施例中，石墨烯变容二极管的另一侧可以连接到电容-数字转换器或另一个部件的独立激励输出。在这种情况下，将激励信号(再次，交流电压)施加给传感器阵列中的全部电容器，并且利用多路复用器对使所选择石墨烯变容二极管带电和放电所需的电荷进行测量以确定电容。激励信号的幅度是由电容-数字转换器所设定。测量电容时的偏置电压等于在电容-数字转换器输入处的偏置电压(利用多路复用器，通常等于vcc/2，其中vcc是供电电压)与激励信号的平均电压之间的电压差。因为此类型电容-数字转换器的激励电压通常是以大约vcc/2为中心，所以偏置电压是通常被固定在零伏。

现在参照图6，图中示出了根据本发明另一个实施例的对多个石墨烯传感器的电容进行测量的电路的示意图。该电路可以包括与多路复用器504电性连接的电容-数字转换器(cdc)502。多路复用器504可以提供与多个石墨烯变容二极管506的选择性电性连接。在本实施例中，石墨烯变容二极管506的其他侧可以与电容-数字转换器的独立激励输出电性连接。

基于分析物结合的石墨烯变容二极管电容的变化取决于用于对电容进行测量的激励电压。因此，通过在一系列电压内改变激励信号的电压，可以采集更大量的信息。可以利用各种技术来实现此目的。然而，在一些实施例中，具有不同输出电压的一对可编程数模转换器可以结合开关而使用，从而实现激励信号电压的变化。

现在参照图7，图中示出了根据本发明另一个实施例的对多个石墨烯传感器的电容进行测量的电路的示意图。该电路可以包括与多路复用器504电性连接的电容-数字转换器(cdc)502。多路复用器504可以提供与多个石墨烯变容二极管506的选择性电性连接。与石墨烯变容二极管506另一侧的连接可以是由开关702所控制(例如由cdc所控制)，并且可以提供与第一数模转换器(dac)704和第二数模转换器(dac)706的选择性电性连接。dac704、706的另一侧可以连接到总线装置510，或者在一些情况下连接到cdc502。

在这种情况下，来自cdc的激励信号控制在两个可编程数模转换器(dac)的输出电压之间的切换。在所述dac之间的经编程电压差决定了激励幅度，从而给测量提供额外的可编程比例因子，并且允许测量比由cdc所规定范围更宽范围的电容。测量电容时的偏置电压等于在cdc输入处的偏置电压(利用多路复用器，通常等于vcc/2，其中vcc是供电电压)与可编程的激励信号的平均电压之间的电压差。在一些实施例中，在dac输出处可以使用缓冲放大器和/或旁路电容来维持在切换期间的稳定电压。可以采用许多不同范围的直流偏置电压。在一些实施例中，直流偏置电压的范围可以是-3v至3v、或-1v至1v、或-0.5v至0.5v。

可以基于电容数据对许多不同方面进行计算。例如，可以计算的方面包括：电容-电压曲线的最大斜率、在基线值上电容-电压曲线的最大斜率的变化、电容-电压曲线的最小斜率、在基线值上电容-电压曲线的最小斜率的变化、最小电容、在基线值上最小电容的变化、在最小电容(狄拉克点)处的电压、在最小电容处电压的变化、最大电容、最大电容的变化、最大电容与最小电容的比率、响应时间常数、和在不同石墨烯传感器之间尤其是在具有针对不同分析物的特异性的不同石墨烯传感器之间的任何前述参数的比率。

以上计算的各方面可以用于各种诊断目的。在一些情况下，以上计算的各方面可以指示气体样品中具体挥发性有机成分的特征和/或浓度。因此，以上的每个计算值可以用作独有的数据段，其构成用于指定患者和/或指定气体样品的模式的一部分。如也在本文中的别处所描述，然后可以使该模式与预先存在的模式或者利用如机器学习的技术或其他技术从大存储数据集中得到的实时确定的模式相匹配，其中这种模式被确定是各种疾病或疾病状态的特征。以上的计算方面也可以用于其他目的、诊断等。

在一些情况下，如上面所描述的，可以由控制器电路而执行计算。该控制器电路可以构造成接收反映石墨烯变容二极管的电容的电信号。在一些实施例中，控制器电路可以包括用以执行这些计算的微控制器。在一些情况下，控制器电路可以包括与测量电路电性连接的微处理器。微处理器系统可以包括例如地址总线、数据总线、控制总线、时钟、cpu、处理装置、地址译码器、ram、rom等的部件。在一些情况下，控制器电路可以包括与测量电路电性连接的计算电路(如专用集成电路asic)。

另外，在一些情况下该系统可以包括其中存储有用于特定传感器的灵敏度校准信息的非易失性存储器。作为举例，可以在生产设施中对传感器进行检测，其中可以确定其针对各种分析物(如voc)的灵敏度然后存储于eprom或类似的部件中。另外或可替代地，可以将灵敏度校准信息存储于中央数据库中，并且当把患者数据发送至中央位置进行分析和诊断时，用传感器序列号对其标记。这些部件可以包括在本文中所描述的任何硬件中。

在本发明的一些实施例中，各部件可以构造成在网络(如互联网或类似的网络)上进行通信。在各种实施例中，可以包括中央存储与数据处理设备。在一些实施例中，可以将在患者(本地)存在下从传感器中所采集的数据经由互联网或类似的网络发送至中央处理设备(远程)，并且可以对来自正在进行评价的特定患者的模式与几千或几百万个其他患者的模式进行比较，许多的这些患者以前已被诊断患有各种疾病并且其中已存储有这种疾病数据。模式匹配算法可以用于发现当前患者模式与之最类似的其他患者或类别的患者(例如疾病或病症特异性类别)。各类别的患者可以包括具有指定疾病或疾病状态的预定可能性。这样，在模式匹配之后，可以将具有指定疾病或疾病状态的可能性经由数据网络反向提供至其中患者目前所在的设施。

方法

本发明的实施例可以包括各种方法。示例性的方法可以包括本文中所描述的任意方法和/或操作。在一个实施例中，提供一种对在石墨烯变容二极管上的分析物存在进行测量的方法。该方法可以包括：在一系列直流偏置电压内对石墨烯变容二极管的电容进行测量；对在一个或多个直流偏置电压下的测得电容与一个或多个相应的基线电容值进行比较；和，基于该比较来判定分析物的存在或不存在。

在一些实施例中，该方法还可以包括确定下列中的一个或多个方面，包括但不限于：电容-电压曲线的最大斜率、在基线值上电容-电压曲线的最大斜率的变化、电容-电压曲线的最小斜率、在基线值上电容-电压曲线的最小斜率的变化、最小电容、在基线值上最小电容的变化、在最小电容(狄拉克点，diracpoint)处的电压、在最小电容处电压的变化、最大电容、最大电容的变化、最大电容与最小电容的比率、响应时间常数、和在不同石墨烯传感器之间尤其在具有针对不同分析物的特异性的不同石墨烯传感器之间任何前述参数的比率。

在一些实施例中，该方法可以包括基于在一系列直流偏置电压时的石墨烯变容二极管的测得电容而形成电容-电压曲线。在一些实施例中，该方法可以包括对所形成的电容-电压曲线与基线电容-电压曲线进行比较。在一些实施例中，该方法可以包括在与石墨烯变容二极管结合的不同分析物之间进行辨别。在一些实施例中，该方法还可以包括对在一系列直流偏置电压时的石墨烯变容二极管的电容进行测量。在一些实施例中，直流偏置电压的范围可以是从-3v到3v。

在一些实施例中，可以提示患者进行呼气或气体检测(其中可以在非临床环境(如他们的家)或者其中这种提示可以导致他们到临床环境进行检测的场所执行该检测)。

在一些实施例中，可以对包括例如睡眠模式(例如可穿戴、植入或非接触式家用传感器)、生理数据(自主神经张力测量autonomictonemeasures)、体重(如在房间内利用垫子自动测量的体重)、活动水平(例如移动装置、可穿戴、植入或非接触式家用传感器)的模式等进行评估(例如利用算法)，并且如果这些因素的结果有如此提示，那么系统可以告知用户他们应当实施或进入呼气或气体测试以检测心力衰竭失代偿的早期体征。如果阳性结果或数据趋势超过个体患者的正常范围，那么该系统可以告知患者寻求医疗护理以获得早期干预。

在一些实施例中，包括例如睡眠类型、自主神经张力、呼吸频率、呼吸音、活动水平等的模式可以用于建议用户他们应当实施呼气检测(或者到诊所接收呼气检测)，以检测慢性阻塞性肺病加重或反复加重的早期体征。如果个体患者的阳性结果或数据趋势超过正常范围，那么该系统可以告知患者寻求医疗服务和/或使用处方药(例如支气管扩张药、皮质甾类等)以获得早期干预。

另外，心力衰竭失代偿和慢性阻塞性肺病(copd)，这种模式和提示患者接受呼气检测也可以用于糖尿病管理和炎性肠病(也包括关于在该模式中的饮食摄入量、自主神经张力等的数据)以便检测急性发作的早期体征。

实例

实例1：在一系列电压下石墨烯变容二极管的电容

根据美国专利申请公开第2014/0145735号中所描述的方法而制造石墨烯变容二极管。

使用lcr测试仪通过测量在一系列激励电压下的电容而建立基线电容-电压曲线，同时用氮气吹扫传感器。该直流偏置电压是在-0.5伏至0.5伏的范围内。也使用相同的lcr测试仪对在相同偏置电压范围内的电容值进行了测量，同时用氮气与辛醇蒸气的混合物吹扫传感器。在各实验中总流量为0.5升每分钟，辛醇浓度为在氮气中的大约3.6ppm，在测量前使传感器暴露于氮气与辛醇蒸气的混合物达大约5分钟以实现平衡，交流激励信号具有50mv的幅度和500khz的频率。

如在图8中所示，可以看出辛醇的结合导致电容-电压曲线保持相同的总体形状，但向右侧位移(例如，dirac点最小电容出现在较高直流偏置电压处)。

实例2：在一系列电压下石墨烯变容二极管的电容

以实例1中所描述的方法制备石墨烯变容二极管。通过如在上面实例1中所描述的方法，使用lcr测试仪对在一系列激励电压下的电容进行测量，由此建立基线电容-电压曲线。直流偏置电压是在-1伏至1伏的范围内。也使用相同的lcr测试仪对在相同偏置电压范围内的电容值进行了测量，同时用氮气与丙酮蒸气的混合物吹扫传感器。除了丙酮浓度为大约25,000ppm外，其他细节与在上面实例1中所描述的是相同的。

如在图9中所示，可以看出丙酮的结合导致电容-电压曲线改变形状，其中该曲线的顶部向右侧位移，但该曲线的底部向左侧位移。

实例3：在一系列电压下功能化石墨烯变容二极管的电容

以在实例1中所描述的方法制备石墨烯变容二极管。然后，通过将该变容二极管在芘乙酸溶解于乙醇的1mm溶液中浸泡达14小时，而用芘乙酸使石墨烯功能化。

以上面实例1中所描述的方法使用lcr测试仪对在一系列激励电压下的电容进行测量，由此建立基线电容-电压曲线。直流偏置电压是在-1伏至1伏的范围内。也使用相同的lcr测试仪对在相同偏置电压范围内的电容值进行了测量，同时用(1)氮气与气态丙酮的混合物、(2)氮气与气态辛烷的混合物、和(3)氮气与气态辛醇的混合物吹扫传感器。

如在图10中所示，可以看出丙酮的结合导致电容-电压曲线明显地向右侧位移，并且狄拉克点增大了大约0.1伏。如在图11中所示，可以看出辛烷的结合导致电容-电压曲线变化相对较小，但向右侧的位移使得该结合是可检测的。如在图12中所示，可以看出辛醇的结合导致电容-电压曲线中有相对较小的变化，但向右侧的位移使得该结合是可检测的。

应当指出的是，在本说明书和所附权利要求中所使用的单独形式“一个”、“一种”和“该”包括复数所指对象，除非上下文中另有明确规定。因此，例如对含有“一个化合物”的组合物的引述包括两种以上化合物的混合物。还应当指出的是，术语“或”通常是以包括“和/或”的其含义而使用，除非上下文中另有明确规定。

还应当指出的是，在本说明书和所附权利要求中所使用的短语“构造成”描述被建造或构造成执行一个特定任务或采用一个特定构造的系统、装置、或其他结构。短语“构造成”可以与其他类似短语(如被布置或构造、被建造和布置成、被建造成、被制造和布置成等)互换地使用。“电路”可以包括用于执行特定操作的硬布线电路、以及被编程执行指令以提供相同功能的处理器两者。

在本说明书中的所有出版物和专利申请是本说明书所属领域技术人员的水平的指示。所有出版物和专利申请以参考的方式并入本文中，正如各单独出版物或专利申请通过参考的方式被特定地和单独地指示。

上面已参考各种具体和优选实施例及技术描述了本发明的各方面。然而，应当理解的是，在不背离本发明精神和范围内的前提下可作出许多变化和修改。因此，本文中所描述的各实施例并非意图是详尽无遗的、或者限制本文中所公开具体实施方式的的范围。相反，对各实施例进行选择和描述，以便本领域技术人员可以理解并了解本发明的原理和实施。