用于检测病毒或其他抗原的基于SAW的水凝胶测试的制作方法

用于检测病毒或其他抗原的基于saw的水凝胶测试
技术领域
1.本公开一般涉及感测设备。更具体地，本公开涉及用于检测病毒或其他抗原的基于表面声波(saw)的水凝胶测试。


背景技术：

2.sars-cov-2(covid-19)病毒或其他疾病通过呼吸道飞沫传染对社会构成重大挑战。减少呼吸道疾病的传播需要能够以快速且无创的方式快速检测这些疾病的存在。然而，目前对sars-cov-2病毒的检测通常依赖于直接从患者身上采集体液(诸如鼻咽抽吸物或唾液)并将这些样本送到实验室，然后在实验室对样本进行处理并最终进行测试。不幸的是，这可能是一个极其缓慢的过程，而且这些测试通常是在有症状的个体身上进行的，而错过了通过无症状或出现症状前的个体传播的疾病病例。结果，这给公共卫生基础设施造成了沉重负担，并且在减少呼吸系统疾病的传播方面非常不足。


技术实现要素：

3.本公开提供了用于检测病毒或其他抗原的基于表面声波(saw)的水凝胶测试。
4.在第一实施例中，一种装置包括saw传感器。saw传感器包括压电基板。saw传感器还包括在压电基板上方的第一叉指型晶体管和第二叉指型晶体管。第一叉指型晶体管被配置为将输入电信号转换为声波。第二叉指型晶体管被配置为将声波转换为输出电信号。压电基板被配置为传输声波。saw传感器还包括在压电基板上方并且至少部分地被定位在第一叉指型晶体管和第二叉指型晶体管之间的检测层。检测层包括(i)被配置为与一种或多种生物分析物结合的抗体和(ii)在抗体上方的水凝胶层。
5.在第二实施例中，一种系统包括多个saw传感器。每个saw传感器包括压电基板。每个saw传感器还包括在压电基板上方的第一叉指型晶体管和第二叉指型晶体管。第一叉指型晶体管被配置为将输入电信号转换为声波。第二叉指型晶体管被配置为将声波转换为输出电信号。压电基板被配置为传输声波。每个saw传感器还包括在压电基板上方并且至少部分地被定位在第一叉指型晶体管和第二叉指型晶体管之间的检测层。检测层包括(i)抗体和(ii)在抗体上方的水凝胶层。saw传感器中的至少一个的抗体被配置为与一种或多种生物分析物结合。
6.在第三实施例中，一种方法，包括：向一个或多个saw传感器提供空气流，并使用一个或多个saw传感器检测空气流中的一种或多种生物分析物。saw传感器中的至少一个包括：压电基板、在压电基板上方的第一叉指型晶体管和第二叉指型晶体管、以及在压电基板上方并且至少部分地被定位在第一叉指型晶体管和第二叉指型晶体管之间的检测层。第一叉指型晶体管被配置为将输入电信号转换为声波。第二叉指型晶体管被配置为将声波转换为输出电信号。压电基板被配置为传输声波。检测层包括(i)被配置为与一种或多种生物分析物结合的抗体和(ii)在抗体上方的水凝胶层。
7.根据以下附图、描述和权利要求，其他技术特征对于本领域技术人员而言可能是
显而易见的。
附图说明
8.为了更完整地理解本公开，结合附图对以下描述进行参考，其中：
9.图1至图3图示了根据本公开的用于在检测病毒或其他抗原时使用的示例性基于表面声波(saw)的水凝胶传感器；
10.图4图示了根据本公开的具有用于在检测病毒或其他抗原时使用的多个基于saw的水凝胶传感器的示例设备；和
11.图5和图6图示了根据本公开的具有用于在检测病毒或其他抗原时使用的一个或多个基于saw的水凝胶传感器的具体示例设备。
具体实施方式
12.下面描述的图1至图6以及用于描述本公开的原理的各种实施例仅作为说明，并且不应以任何方式被解释为限制本公开的范围。本领域的技术人员将理解，可以在任何类型的适当布置的设备或系统中实现本公开的原理。
13.如上面所指出，sars-cov-2(covid-19)病毒或其他疾病通过呼吸道飞沫传染对社会构成重大挑战。减少呼吸道疾病的传播需要能够以快速且无创的方式快速检测这些疾病的存在。然而，目前对sars-cov-2病毒的检测通常依赖于直接从患者身上采集体液(诸如鼻咽抽吸物或唾液)并将这些样本送到实验室，然后在实验室对样本进行处理并最终进行测试。不幸的是，这可能是一个极其缓慢的过程，而且这些测试通常是在有症状的个体身上进行的，而错过了通过无症状或出现症状前的个体传播的疾病病例。结果，这给公共卫生基础设施造成了沉重负担，并且在减少呼吸系统疾病的传播方面非常不足。
14.本公开提供了支持免疫传感器设计的平台，该设计被配置为快速检测一种或多种气溶胶病毒或其他抗原的存在。每个平台都使用至少一个基于表面声波(saw)的传感器，该传感器利用一种或多种抗原的特异性抗体来进行官能化，抗原诸如是sars-cov-2抗原(如其病毒刺突蛋白)。水凝胶支架支持在非水环境中使用的抗体。当气溶胶颗粒(诸如呼吸液滴)与水凝胶接触时，颗粒的内容物扩散通过抗体并与抗体相互作用。由于抗体的高度特异性，只有特定抗原会与对应的抗体相互作用，并且这种相互作用在抗原与抗体相遇后立即发生。这种相互作用还改变了基于saw的传感器的振荡频率，这使得能够检测振荡频率变化并因此检测特定抗原。
15.以这种方式，这些平台可以以非接触的方式快速检测是否存在散发病毒(如sars-cov-2或其他抗原)的个体，包括无症状和出现症状前的个体。这有助于减少或消除依赖缓慢的基于接触的测试以及来自医疗保健提供者的滞后或不一致报告的需要。此外，这种方法可以被用来创建高度特异性的传感器，这些传感器能够在与用户的有限直接交互或没有直接交互的情况下检测特定疾病。此外，这种方法可以提供快速结果(诸如在几秒钟内)，并且可以与任何合适的病毒收集技术(诸如从呼气分析仪面罩到广域环境采样)兼容。此外，这种方法不依赖于复杂的计算或建模，并且这种方法支持可扩展平台的使用，该平台只需要一种新抗体以便支持对额外生物威胁的检测。
16.图1至图3图示了根据本公开的用于在检测病毒或其他抗原时使用的示例性基于
saw的水凝胶传感器100。如图1中所示，传感器100包括压电基板102，其通常表示传感器100的其他组件被承载在其中或被承载在其上的结构。压电基板102可以由任何合适的(多个)压电材料形成，压电材料诸如为石英。作为具体示例，压电基板102可以使用y旋转x传播(st-x)石英形成。压电基板102也可以以任何合适的方式来形成，诸如通过对压电材料进行切割和抛光。压电基板102可以具有任何合适的尺寸、形状和维度。
17.两个叉指型晶体管(idt)104a-104b被定位在压电基板102上方。每个叉指型晶体管104a-104b包括两个基部106和两组导电指108。基部106被彼此相对放置，并且每个导电指108电耦合到基部106中的一个并向基部106中的另一个延伸。导电指108还交错或交叉以使得导电指108以交替的方式电耦合到基部106。每个叉指型晶体管104a-104b可以由任何合适的(多个)材料形成，该材料诸如为一种或多种金属，如铝。每个叉指型晶体管104a-104b也可以以任何合适的方式来形成，诸如通过沉积和蚀刻金属或(多个)其他材料。叉指型晶体管104a-104b的每个基部106和每个导电指108可以具有任何合适的尺寸、形状和维度。每个叉指型晶体管104a-104b可以包括任何合适数量的导电指108以及在其导电指108之间的任何合适的间距。
18.输入端口110耦合到叉指型晶体管104a，并且输出端口112耦合到叉指型晶体管104b。在操作期间，可以将射频(rf)信号或其他电信号施加到输入端口110，并且叉指型晶体管104a将电信号转换为声波。声波穿过基板102行进到叉指型晶体管104b，叉指型晶体管104b将声波转换为rf信号或经由输出端口112提供的其他电信号。
19.两组反射器114a-114b被定位在压电基板102上方，以使得叉指型晶体管104a-104b位于反射器114a-114b之间。反射器114a-114b操作以将朝向基板102的边缘引导的部分声波反射回基板102的内部，从而形成谐振声腔。当输入信号被施加到输入端口110时，叉指型晶体管104a-104b和反射器114a-114b协作以在谐振声腔内生成声驻波。每个反射器114a-114b可以由任何合适的(多个)材料形成，诸如一种或多种金属。每个反射器114a-114b也可以以任何合适的方式来形成，诸如通过沉积和蚀刻金属或(多个)其他材料。每个反射器114a-114b可以具有任何合适的尺寸、形状和维度。每组反射器114a-114b可以包括任何合适数量的反射器以及在其反射器之间的任何合适的间距。
20.为了支持对一种或多种病毒或其他抗原的感测，传感器100包括检测层116，其被定位在压电基板102上方并且在叉指型晶体管104a-104b之内和之间。检测层116被配置为检测一种或多种病毒或其他抗原的存在，如下所述。注意，检测层116在图1中被示出为延伸跨过叉指型晶体管104a-104b的导电指108的集合。这有助于减少或最小化传感器100的空腔区域中的裸基板材料的量。这还有助于实现生物分子在saw谐振器最敏感区域中的更均匀分布。
21.如图2中所示，输入端口110和输出端口112耦合到振荡器电路202，其在这里一般被示为放大器。注意，为了便于说明，在这里省略了反射器114a-114b并且在这里以简化形式示出叉指型晶体管104a-104b。振荡器电路202通常表示使传感器100产生声波的自激振荡器，并且叉指型晶体管104b将其输出反馈回到振荡器电路202中。结果是，声波具有特定频率，并且随着病毒或其他抗原结合到检测层116，频率然后可以变得更低。振荡器电路202的输出204表示基于saw的传感器100的输出并且可以被提供给控制器206以用于处理。振荡器电路202包括被配置为使基于saw的传感器100以指定频率生成输出的任何合适的结构。
例如，振荡器电路202可以包括从输出端口112串联耦合到输入端口110的第一匹配电路、移相器、放大器、衰减器和第二匹配电路。然而请注意，本公开不限于振荡器电路202的任何特定实现。
22.在基于saw的传感器100中使用检测层116允许将生物检测事件立即变换为电信号。也就是说，检测层116包括针对待检测的至少一种病毒或其他抗原的抗体。在没有任何抗原存在的情况下，基于saw的传感器100的输出204可以具有特定频率。随着检测层116中的抗体与抗原结合，在基于saw的传感器100中产生的声波的频率降低，这降低了振荡器频率并改变了基于saw的传感器100的输出204。当至少一种特定病毒或其他抗原以合适的量与检测层116的抗体结合以将输出204的频率改变至少某个阈值量时，这可以由控制器206感测到并被用作指示至少一种特定病毒或其他抗原存在的指示符。
23.控制器206处理基于saw的传感器100的输出，以便检测何时有足够数量的病毒或其他抗原与检测层116的抗体结合，从而改变了传感器100的振荡频率。例如，控制器206可以确定基于saw的传感器100的输出频率是否下降了至少指定阈值量。注意，在这里使用的特定阈值可以基于各种因素而变化，诸如与检测层116结合的病毒或其他抗原的期望量。在一些情况下，例如，为了将传感器100的频率改变大约3赫兹(hz)，可能需要大约一千个病毒颗粒与检测层116结合。由于一个人在他/她的呼吸中可能含有更多的病毒颗粒或其他抗原，因此可以使用更大的频率变化作为病毒或其他抗原存在的指示符。另请注意，每种病毒或其他抗原实际上可能能够与检测层116中的多个抗体结合，诸如当sars-cov-2病毒的刺突蛋白的不同实例可以与检测层116中的抗体的不同实例结合时。这可以允许基于更少的抗原来检测基于saw的传感器100的频率的更大变化。在检测到特定抗原的存在后，控制器206可以采取任何合适的(多个)动作，诸如触发听觉或视觉警报。控制器206还可以提供识别传感器100的频率随时间的变化的图形或其他输出。
24.控制器206包括被配置为接收和使用基于saw的传感器100的输出的任何合适的结构。例如，控制器206可以包括被配置为感测由基于saw的传感器100输出的频率何时改变至少一个阈值量或下降到低于阈值的处理或其他电路。在一些实施例中，基于saw的传感器100可以被放置在第一电路板上，而控制器206可以被放置在第二电路板上，该第二电路板可以经由通用串行总线(usb)连接器或其他连接器而耦合到第一电路板。注意，控制器206可以与一个基于saw的传感器100或与多个基于saw的传感器100一起使用。
25.已经提出了一些基于saw的设计来检测小分子，诸如可卡因的痕量分子或像三硝基甲苯(tnt)的炸药。这些分子可以具有80道尔顿(da)至50千道尔顿(kda)的分子量。然而，病毒和其他抗原通常具有大得多的分子量，诸如当病毒颗粒可以达到兆道尔顿(mda)范围时。作为一个具体示例，sars-cov-2病毒可以具有约为1，000mda的质量和约为100纳米(nm)的直径。此外，基于saw的传感器100可以被部署为通过接收空气流而不是液体流来进行操作。结果，检测层116可以允许具有大分子量的颗粒的快速扩散，同时仍然充分地支撑并水合被用来检测抗原的抗体。
26.如图3中所示，检测层116包括一层抗体302。每个抗体302可以被用来与特定抗原结合。传感器100中使用的特异性抗体302可以根据需要或期望而变化。例如，在一些实施例中，可以使用单一类型的抗体302来在每个传感器100中感测单一类型的抗原，并且可以使用多个传感器100来感测相同的抗原或不同的抗原。可以在传感器100中使用任何合适的抗
体302来识别任何期望的(多个)抗原。作为具体示例，抗体302可以被用来检测sars-cov(其与严重急性呼吸系统综合症冠状病毒相关联)、sars-cov-2(其与covid-19相关联)、mers-cov(其与中东呼吸综合征相关联)或血凝素或神经氨酸酶(其与流感相关联)。
27.使用一层交联剂304将抗体302固定在压电基板102上。交联剂304有助于将抗体302保持在压电基板102的表面上。在这里可以使用任何合适的交联剂304，并且所使用的特定交联剂304可以取决于形成基板102的(多个)材料和待固定的抗体302而变化。在一些实施例中，例如，交联剂304表示一层“蛋白a”，其是最初在细菌金黄色葡萄球菌(通常在上呼吸道和皮肤上发现)的细胞壁中发现的蛋白。
28.薄水凝胶层306(也被称为水凝胶支架)被放置在抗体302上方。水凝胶层306支持抗体302在非水环境中的使用。水凝胶层306包括以三维网络连接的聚合物链的集合。聚合物的亲水性性质允许水凝胶层306包含高浓度的水而不溶解或散开，并且在延长时间段内保持水。这种高浓度的水支撑并水合抗体302，使它们能够维持对感兴趣的抗原的特异性。在这里，一种或多种感兴趣的抗原可以扩散通过水凝胶层306以便与抗体相互作用并结合。水凝胶层306可以在任何合适的时间长度内支持抗体302的使用。在一些实施例中，例如，水凝胶层306可以在40％相对湿度(rh)下持续长达一周或更长时间。
29.在一些实施例中，可以如下确定用于与特定类型抗体一起使用的水凝胶层306的配方。然而请注意，以下细节仅是示例，并且水凝胶配方可以以任何其他合适的方式来确定。为了确定合适的水凝胶配方和特定颗粒尺寸范围内的浓度，市售的直径从10nm至10微米(μm)的生物素标记微球可以利用链霉亲和素缀合的荧光团(诸如荧光素或罗丹明6g(r6g))进行官能化。基于saw的传感器100的表面可以使用蛋白a利用对荧光团具有特异性的抗体进行官能化。在官能化之后，基于saw的传感器100的表面可以被覆盖在水凝胶的薄层306中，其中可以如下所述产生不同配方的水凝胶。可以通过使用已知浓度的官能化微球的液体注射和/或通过雾化已知浓度的微球来进行测试，诸如通过在平静的气室中使用科里森(collison)雾化器。然后可以确定水凝胶的哪种(哪些)配方与微球充分结合。在这里，测试可以被用来识别水凝胶层306的可行配方。
30.一些配方可以涉及浓度范围为0.2％琼脂糖至5％琼脂糖重量体积比的琼脂糖水凝胶的使用。水凝胶可以通过将适量的粉末状琼脂糖溶解在超纯水(ph7)或磷酸盐缓冲盐水(pbs,ph7.4)中，将溶液煮沸，并允许其冷却至略高于胶凝点，然后移至基于saw的传感器100的表面上来进行制备。
31.其他配方可以涉及使用浓度范围为1％至15％聚丙烯酰胺的聚丙烯酰胺水凝胶。可以配制和测试双-三和三-甘氨酸丙烯酰胺溶液(bis-tris和tris-glycine acrylamide solutions)。水凝胶可以通过将商业30％储备溶液稀释到三羟甲基氨基甲烷缓冲液(tris buffer)中以达到最终ph为7来配制。其他常见的缓冲液，诸如3-(n-吗啉代)丙磺酸(mops)、4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸(hepes)和2-(n-吗啉代)乙磺酸(mes)也可以在中性ph条件下被配制和测试。将聚丙烯酰胺稀释成期望溶液并脱气之后，可以使用四甲基乙二胺(temed)和过硫酸铵(aps)来交联凝胶。在交联完成之前，可以使用凝胶薄层来涂覆基于saw的传感器100的表面。
32.其他配方可以涉及使用浓度范围为0.2％瓜尔胶至10％瓜尔胶重量体积比的瓜尔胶水凝胶。可以将期望量的瓜尔胶溶解在1％戊二醛中，并在完全胶凝之前将其用来涂覆基
于saw的传感器100的表面。
33.虽然图1至图3图示了用于在检测病毒或其他抗原时使用的基于saw的水凝胶传感器100的一个示例，但是可以对图1至图3进行各种改变。例如，传感器100及其各种组件的尺寸、形状和维度可以根据需要或期望而变化。此外，组件的布局和布置可以根据需要或期望而变化。
34.图4图示了根据本公开的具有用于在检测病毒或其他抗原时使用的多个基于saw的水凝胶传感器100的示例设备400。特别地，图4图示了示例设备400，其中四个传感器100被安装在诸如印刷电路板之类的公共载体402上。如上面所讨论的，诸如经由usb或其他连接器，这些传感器100可以被耦合到控制器206。当然，控制器206也可以被安装在载体402本身上。
35.使多个传感器100被定位成彼此非常靠近的能力使得不同的传感器100能够以不同的方式被使用。例如，不同的传感器100可以利用不同的抗体302来进行官能化，以便检测不同的病毒或其他抗原。作为另一个示例，不同的传感器100可以利用不同的抗体302来进行官能化，以便检测同一病毒的不同突变。在一些情况下，传感器100之一可以被用作参考并包括灭活抗体302。该参考传感器100可以被用作对照，从而确定何时由于其水凝胶层306的水分损失而需要更换所有传感器100。
36.虽然图4图示了具有用于在检测病毒或其他抗原时使用的多个基于saw的水凝胶传感器的设备400的一个示例，但是可以对图4进行各种改变。例如，设备400可以包括少于四个或多于四个传感器100。此外，传感器100可以任何合适的方式而被布置在设备400中并且可以或可以不横向或并排被放置在公共载体402上。
37.图5和图6图示了根据本公开的具有用于在检测病毒或其他抗原时使用的一个或多个基于saw的水凝胶传感器100的特定示例设备。特别地，图5和图6图示了其中可以使用一个或多个基于saw的传感器100的特定示例类型的设备。然而，请注意，基于saw的传感器100可以被用于任何其他合适类型的设备中。
38.在图5中，一个或多个基于saw的传感器100可以被定位在手持式呼气分析仪500或类似类型的设备内。呼气分析仪500包括一个人可以向其中吹气的输入管。呼气分析仪500内的一个或多个基于saw的传感器100然后可以感测人的呼吸是否包括足够的病毒或其他抗原以改变(多个)基于saw的传感器100的频率，如上所述。这种类型的设备可能在各种场景中都很有用，诸如当需要严格控制对设施的访问并防止可能生病的人员进入设施时。
39.在图6中，一个或多个基于saw的传感器100可以被定位在广域监视器600或类似类型的设备内。监视器600可以在可能被大量人占据的空间内接收空气。监视器600内的一个或多个基于saw的传感器100然后可以感测空气是否包括足够的病毒或其他抗原以改变(多个)基于saw的传感器100的频率，如上所述。这种类型的设备可能在各种场景中都很有用，诸如确定某些位置是否是人们可能被暴露给病毒或其他抗原的污染热点。注意，虽然这个实施例可能不像呼气分析仪500那样快速地检测受感染的个体(因为没有从个体直接进入到监视器600中的气流)，但是监视器600能够对更大的区域和更多数量的人进行集体监测。
40.虽然图5和图6图示了具有用于在检测病毒或其他抗原时使用的一个或多个基于saw的水凝胶传感器100的设备的具体示例，但是可以对图5和图6进行各种改变。例如，在这里示出的设备的形状因数仅用于说明。
41.注意，虽然上文经常描述为被用于检测病毒或其他抗原，但是上文所描述的方法可以被用于感测可以与抗体结合的任何生物分析物。还要注意，虽然上文经常描述为被用于检测感染人类的病毒或其他抗原，但是上文所描述的方法可以被用于感测任何病毒、其他抗原或其他感兴趣的生物分析物。因此，例如，传感器100可以被用于检测可能会感染家畜或其他动物的病毒或其他抗原。传感器100的一个特定示例用途可以是检测猪流感或感染动物的其他疾病。
42.对整个本专利文件中使用的某些词和短语的定义进行阐述可能是有利的。术语“包括”和“包含”及其派生词意指包括但不限于。术语“或”具有包容性，意指和/或。短语“与
……
相关联”及其派生词可以意指包括、被包括在
……
内、与
……
互连、包含、包含在
……
内、连接到或与
……
连接、耦合到或与
……
耦合、与
……
可通信、与
……
合作、交错、并列、与
……
接近、结合到或与
……
结合、具有、具有
……
属性、与...有关系等等。当与项目列表一起使用时，短语“中的至少一个”意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“a、b、c中的至少一个”包括以下任意组合：a、b、c、a和b、a和c、b和c、以及a和b和c。
43.本技术中的描述不应被解读为暗示任何特定元素、步骤或功能是必须被包括在权利要求范围内的必要或关键元素。专利主题的范围仅由允许的权利要求来限定。此外，除非在特定权利要求中明确使用了确切的词语“装置，用于
……”
或“步骤，用于
……”
，后跟用于识别功能的分词短语，否则这些权利要求关于任何附加的权利要求或权利要求元素均未援引美国法典第35章第112(f)条。在权利要求中对诸如(但不限于)“机制”、“模块”、“设备”、“单元”、“组件”、“元素”、“构件”、“装置”、“机器”、“系统”、“处理器”或“控制器”等术语的使用应被理解为并旨在指代相关领域技术人员已知的结构，如通过权利要求本身的特征进一步修改或增强的，而不旨在援引美国法典第35章第112(f)条。
44.虽然本公开已经描述了某些实施例和通常相关联的方法，但是这些实施例和方法的改变和排列对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，示例实施例的以上描述不限定或约束本公开。在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，其他改变、替换和变更也是可能的。