CN110542753A - 功能化纳米管传感器及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明的名称是功能化纳米管传感器及相关方法。本发明提供了检测目标化合物的功能化纳米管阵列、传感器和相关方法。功能化纳米管阵列(235)可包括多个金属氧化物纳米管(240)。所述金属氧化物纳米管(240)可由金属氧化物形成并可具有任选地通过至少一种金属离子功能化的内表面或外表面。这些金属纳米管(240)可用在传感器(200)中以检测流体环境中的目标化合物，诸如挥发性有机化合物和生物标志物。所述传感器(200)还可以包括电源(245)和电流传感器(250)，所述电源(245)被构造成向所述纳米管阵列(235)施加电压，所述电流传感器(250)被构造成监控和检测响应电流的变化，在与所述目标化合物结合时所述响应电流发生改变。

Description

功能化纳米管传感器及相关方法

本申请为分案申请，原申请的申请日是2013年10月29日，申请号是201380065068.1(PCT/US2013/067319)，发明名称为“功能化纳米管传感器及相关方法”。

相关专利申请

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

用于检测人体的发病状况的非侵入式技术在医护点(POC)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POC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，研究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)。VOB已与不同的慢性和传染性疾病包括结核(TB)有关。

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。

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POC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究。

发明内容

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。

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。

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

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：

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。

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TiO₂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。

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。

图2B是用于挥发性生物标志物感测的自有序TiO₂纳米管阵列(使用阳极化方法制造)的SEM图像。

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TiO₂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。

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TiO₂的响应曲线图。再一次观察到了电流的数量级变化。

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N₂载气递送)。

图4A示出当暴露于浓缩水平(20ppm)的存在于呼气中的普通VOC和与TB相关的挥发性生物标志物时钴功能化TiO₂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。

图4B示出暴露于苯和烟酸甲酯的普通TiO₂传感器的电流与时间的曲线图。烟酸酯以5ppm暴露，而苯以20ppm暴露。

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。

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0mM、0.1mM和1mM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。

图7是铜功能化氧化钛纳米管的GSH和GSSG的CV测量的图表。

图8是Cu-TiO₂纳米管的电流强度与GSH浓度的曲线图。

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

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。

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。

定义

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。

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、步骤等。“基本上由…组成”或“基本上包含”等当应用于本公开所涵盖的装置、方法、组合物、组件/组分、结构、步骤等时，是指像本文所公开的那些要素，但是可以包含额外的结构组、组合物组分、方法步骤等。然而，这样的额外装置、方法、组合物、组件/组分、结构、步骤等，与本文所公开的那些相应的装置、组合物、方法等相比，不对那些装置、组合物、方法等的基本和新颖特性造成实质性影响。更详细地，“基本上由…组成”或“基本上包含”等当应用于本公开所涵盖的装置、方法、组合物、组件/组分、结构、步骤等时，具有美国专利法中所赋予的含义，并且该术语是开放式的，从而允许超出其所列举的内容，只要其列举的基本或新颖特性不因超出其所列举的内容而改变即可，但不包括现有技术实施例。当使用开放式术语比如“包含”或“包括”时，应当理解，也应给予“基本上由…组成”的语言以及“由…组成”的语言以直接支持，就好像是明确说明一样。

如本文所用的术语“约”当涉及数值或数字范围时，允许该值或范围有一定程度的波动，例如，在所述值或所述范围限值的10％以内，或在一个方面，在其5％以内。

如本文所用，为方便起见，多个物品、结构元件、组成元件和/或材料可以在相同列表中表示。然而，这些列表应理解为列表的每个构件独立地识别为单独且唯一的构件。因此，在没有相反指示的情况下，不应单独地基于它们在相同组中的表现，将此类列表的任何单个构件理解为相同列表的任何其他构件的实际等同物。

若本公开的特征或方面以列表或马库什组的方式进行描述，则本领域的技术人员将会认识到本公开也因此将以马库什组中的任何各个成员或成员亚组的方式进行描述。例如，如果将X描述为选自溴、氯和碘，则如同单独列出一样，也充分描述X为溴的权利要求和X为溴和氯的权利要求。例如，若本公开的特征或方面以这样的列表的方式进行描述，则本领域的技术人员将会认识到本公开也因此将以列表或马库什组中的各个成员或成员亚组的任何组合的方式进行描述。因此，如果将X描述为选自溴、氯和碘，并将Y描述为选自甲基、乙基和丙基，则也充分地描述并支持X为溴并且Y为甲基的权利要求。

应该注意的是，比率、浓度、量和其他数字数据在本文中可以范围形式来表示。应当理解的是，这样的范围形式是为了方便和简洁起见而使用，因此，应该以灵活的方式解释为不仅包括明确列举为范围限值的数值，而且还包括在该范围内所涵盖的所有各个数值或子范围，如同每个数值和子范围包括“约‘x’至约‘y’”一样。为了进行说明，“约0.l％至约5％”的浓度范围应当解释为不仅包括明确列举的约0.l重量％至约5重量％的浓度，而且还包括该指定范围内的各个浓度(例如，1％、2％、3％和4％)和子范围(例如，0.5％、1.1％、2.2％、3.3％和4.4％)。在一个实施例中，术语“约”可根据数值的有效数字包括传统的舍入。此外，短语“约‘x’至‘y’”还包括“约‘x’至约‘y’”。

如本文所用，除非另有说明，否则所有的百分比组成均以重量百分比给出。当涉及组分的溶液时，除非另外指明，否则百分比是指包含溶剂(例如，水)的组合物的重量百分比。在阅读本公开后，对本领域的技术人员将显而易见的是，本文所述和所示的各个实施例的每一个具有分立的组件和特征，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，这些分立的组件和特征可容易地与任何其他若干实施例的特征分离或结合。任何所列举的方法可以按所列举的事件的顺序来实施或以逻辑上可行的任何其他顺序来实施。

在本公开中，应注意的是，当描述传感器、系统或方法时，各个或单独的描述被认为可适用于彼此，不论是否在特定例子或实施例的上下文中明确描述。例如，在讨论特定的传感器或系统本身时，在这样的讨论中也内在地包括了方法实施例，反之亦然。

功能化纳米管传感器

为了开发用于快速且准确地检测挥发性有机化合物(诸如与TB相关的那些)的成功的挥发性生物标志物传感器，已克服了与技术障碍和实施相关的若干挑战。具体地讲，鉴定用于结合某些挥发性生物标志物的适当元素可能是一项挑战。挥发性生物标志物的检测基于鉴定生物标志物的具有高亲和力的适当结合元素。这还涉及对生物标志物与结合剂之间的反应的基本的了解。使用电化学技术诸如循环伏安法，已鉴定了用于结合烟酸甲酯和对甲氧基苯甲酸甲酯的钴。灵敏度和选择性也可能是挑战。例如，人类呼气含有大量处于不同浓度的挥发性有机化合物(VOC)(即，丙酮、甲醇、乙醇、酚和其他)。本文所述的传感器可在存在这些其他化合物的情况下起作用，在传感器的使用过程中可能存在所述化合物。此外，呼气样品中的VOC的浓度通常为十亿分之一(ppb)级，因此传感器也具有ppb范围内的低检测限值。在液体环境中，目标生物标志物也可在这样的范围内或更高，并可展示出相同的低检测限值。传感器在多种环境条件下的操作过程中也是可靠的。

所述传感器提供检测存在于流体环境中的挥发性有机化合物和生物标志物(包括气体、蒸气和液体环境检测)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。

参见图1A，示出金属氧化物纳米管105的截面。该金属氧化物纳米管可由金属氧化物形成并可具有任选地通过至少一种金属离子115功能化的内表面110和/或外表面。可对金属离子进行选择，以与具体的挥发性生物标志物120选择性结合。在一些实施例中，金属氧化物纳米管的天然非功能化表面可与某些目标化合物结合。一般来讲，使用金属氧化物纳米管的传感器和方法可通过检测在整个纳米管上的电流的变化而操作。当纳米管表面上的金属离子与目标化合物诸如挥发性生物标志物结合时，纳米管阵列的电阻可发生变化。当向纳米管阵列施加偏压时，可作为电流的变化来检测电阻的变化。

运用这些原理的传感器的示意图在图1B中示出。传感器200包括壳体205，其可提供平台和对组件的物理保护。壳体包括引入口210和出口215的开口。引入口将样品流体引入传感器的内部空间220中，而出口则允许采样后且多余的流体退出壳体。可使各种额外的组件在壳体的内部空间220内取向。例如，可使过滤器225取向以在样品流体进入引入口后从样品流体中除去颗粒。可将任选的浓缩器230用于浓缩气体和/或蒸气并增大采样信号。另外，可沿着进入壳体的样品流体的路径使金属离子官能化金属氧化物纳米管240的阵列235取向。虽然具体的尺寸可变化较大，但壳体的长度通常可为约8cm至约10cm。纳米管的阵列235可连接到电源245和电流传感器250。如上所解释，电源和电流传感器可整合到传感器中，在此情况下，电源和电流传感器位于壳体内。或者，电源和电流传感器之一或两者可在外部并可通过任何合适的连接包括有线或无线电力和通信而连接到传感器。

可使用电源245在整个纳米管的阵列235上施加偏压。例如，可使一套电极基板取向以在彼此的远程位置接触纳米管的阵列。然后可将此类基板用电线连接到电源。电极基板在一些情况下可部分地阻挡纳米管开口，使得与目标化合物的接触主要发生在纳米管的外表面上。然而，沿着纳米管末端与电极基板的接触可以是不规则的并允许一部分纳米管末端暴露出来，而剩余的部分则可能完全接触并被阻挡。当目标化合物与纳米管240表面上的金属离子结合时，纳米管的电阻发生变化。通常，电阻增大而电流减小，但对于一些金属离子和目标化合物组合而言，电阻可以减小。例如，对于钴金属离子和基于醇的目标化合物，电阻可以减小。图2A示出当暴露于作为生物标志物的目标化合物时得自传感器的阳性检测结果的概念上的传感器读出。当将生物标志物引入纳米管阵列中时，电流开始下降然后保持在较低的电流电平，直到将生物标志物移除或将阵列用氮气、湿空气或置换生物标志物的其他合适流体冲洗时。在置换后，阵列的电阻回到初始水平。

本文所公开的纳米管可由一种金属氧化物或若干种金属氧化物的组合制成。在一个方面，金属氧化物可以是过渡金属氧化物。在另一个任选的方面，金属氧化物可以是选自第13或14族的并具有13或更大的原子序数的金属或半金属(即，铝、硅、镓、锗、铟、锡、铊和铅)。可用于形成纳米管的金属氧化物的非限制性例子包括二氧化钛、氧化铁、氧化铱、氧化钽、氧化锌、氧化铝、氧化铜、氧化镍、氧化铬、氧化钒、氧化锰、氧化锆、氧化钯、氧化铂、氧化钴、氧化铅、氧化银、氧化锡、氧化镁以及它们的组合。在一个实施例中，金属氧化物可以为TiO₂。在另一方面，金属氧化物纳米管可由单种金属氧化物形成。

通常，金属氧化物纳米管由阳极化金属形成。例如，TiO₂纳米管可在一些实施例中通过超声辅助阳极化而制备。在一个实施例中，可将钛箔阳极和铂阴极用于形成钛纳米管。使用该方法制备的TiO₂纳米管的图像在图2B中示出。改变阳极化电位可控制管的直径，而改变阳极化时间可改变管的长度。虽然尺寸可因不同的材料和方法条件而变化，但是纳米管的直径通常可在从约20nm至约500nm的范围内，长度通常可在从约0.5μm至约50μm的范围内，而壁厚可在从约5nm至约200nm的范围内。纳米管可形成通常对齐并取向的纳米管的有序阵列。在一个方面，可布置纳米管的阵列，其中相邻的纳米管基本上彼此平行且彼此接触而堆叠。在阳极化方法期间的超声处理还可以导致堆叠的纳米管改善的排序。

可将金属氧化物纳米管在氧气中退火以提高纳米管的电阻。例如，在一个实施例中，可将处于阳极化状态的TiO₂纳米管在氧气中在500℃退火6小时以提高电阻，但根据材料也可以使用其他温度和时间。一般说来，可以使用从约200℃至600℃的退火温度，而退火时间为从约1小时至10小时。提高纳米管的电阻可增强电流变化，该变化能够在向纳米管施加充分的偏压并当在功能化纳米管与目标化合物诸如挥发性生物标志物之间发生结合事件时进行检测。

纳米管可用至少一种能够结合目标挥发性有机化合物的金属离子功能化。可用于功能化本发明所公开的纳米管的金属离子的非限制性例子包括Cu¹⁺、Li¹⁺、Fe²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Fe³⁺、Co³⁺、Cr³⁺、Mn³⁺、Ni³⁺、Sc³⁺、Sb³⁺、Ni⁴⁺、Mn⁴⁺、Ti⁴⁺、As⁴⁺、Sb⁴⁺、Pt⁴⁺、Au¹⁺、Zn²⁺、Pd^{2 +}、Pd⁴⁺、Ag¹⁺以及它们的组合。在一种替代形式中，金属离子可以为单价：Li¹⁺，二价：Fe²⁺、Ni^{2 +}、Cu²⁺、Co²⁺、Pb²⁺，三价：Fe³⁺、Co³⁺、Cr³⁺、Mn³⁺、Ni³⁺、Sc³⁺、Sb³⁺或四价：Ni⁴⁺、Mn⁴⁺、Ti⁴⁺、As⁴⁺、Sb^{4 +}、Pt⁴。在一个实施例中，金属离子可包括Co²⁺。在另一个方面，金属离子可包括钴、铬、铜、锌、铁、镍、钯、金或它们的组合。虽然可以使用离子的混合物，但在一个方面，金属离子可以一致地为单种金属离子。可基于与目标化合物的结合能力来选择金属离子。可将计算机建模用于预测各种金属离子与各种生物标志物的亲和力。也可以使用循环伏安法诸如在下文实例中解释的方法以实验的方式测试金属离子。具体的金属离子和目标化合物对的非限制性例子包括铬和烟酸甲酯、铜和谷胱甘肽、钴和谷胱甘肽、镍和乳酸、钴和乳酸等。

金属氧化物纳米管可用一种或多种金属离子通过本领域已知的金属离子交换方法功能化。将金属离子(Co、Zn、Cr等)交换到TiO₂纳米管表面上因在表面处存在大量羟基(Ti-OH)基团而成为可能。这些羟基基团是用于结合金属离子的可交换位点。表面羟基质子与金属离子交换，从而将金属离子结合到纳米管表面上。一般来讲，离子交换可通过将纳米管浸入含有金属离子的溶液中而进行。在一个实施例中，TiO₂纳米管可用钴(II)离子通过以下步骤功能化：首先将纳米管加热到100℃以使纳米管脱水，然后将纳米管浸入0.5重量％的氯化钴(II)的乙醇溶液中30分钟，再对纳米管进行冲洗并在真空炉中在100℃进行干燥。将纳米管浸入金属离子溶液的时期可从约30分钟至约5小时变化。

任选地，金属氧化物纳米管可以不功能化以使得纳米管的天然表面与目标化合物结合。因此，内表面和外表面中的至少一个经由天然表面或在这些表面上功能化的金属离子与目标化合物结合。例如，使用非功能化金属氧化物纳米管，特别是氧化钛纳米管，可容易地检测氨和硝酸盐。其他目标化合物也可使用金属氧化物纳米管以类似的方式检测。

在另一个实施例中，提供了用于检测目标化合物的传感器。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任选地通过金属离子功能化的内表面或外表面。纳米管表面或金属离子能够与目标化合物结合。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，在与目标化合物结合时该响应电流发生改变。电流传感器可以是能够测量电流的任何仪器，诸如稳压器等。

可先于本文所公开的纳米管或传感器装置的制造而确定目标化合物。对用于功能化纳米管的金属离子的选择可基于被选择进行检测的一种或多种目标化合物。本文所公开的纳米管和传感器可用于检测多种多样的目标化合物，诸如挥发性有机化合物和/或非挥发性化合物。因此，该传感器可用于检测流体(包括气体和液体环境)内的目标化合物。可以检测的化合物的类别的非限制性例子可包括与爆炸品相关的化合物，诸如与IED型装置相关的那些，诸如过氧化物、硝酸盐等；与饮用水污染相关的化合物，诸如三氯乙烯或砷；以及为生理状况或疾病的生物标志物的化合物。可通过检测受试者呼气中的相关挥发性有机化合物而诊断的生理状况或疾病的非限制性例子包括结核病、乳腺癌、肺癌、心脏病、糖尿病、子痫前期、氧化应激以及它们的组合。当挥发性有机化合物为生理状况或疾病的生物标志物时，该生物标志物可以存在于受试者的呼气中。因此，对生物标志物的检测可通过使受试者排出的呼气在传感器中的纳米管上方经过而实现。具体的生物标志物的非限制性例子可包括苯乙酸甲酯、对甲氧基苯甲酸甲酯、烟酸甲酯、2-甲氧基联苯、乳酸、还原型或氧化型谷胱甘肽、尿酸、尿素酶以及它们的组合。苯乙酸甲酯、对甲氧基苯甲酸甲酯、烟酸甲酯、2-甲氧基联苯是TB的已知生物标志物。谷胱甘肽的还原和氧化形式是受试者中氧化应激的已知生物标志物。可以测试的其他目标化合物包括三氯乙烷、砷、硒等。

本文所公开的传感器可具有被造成施加约-5V至约10V，在一些情况下最高5V，以及在一些情况下-0.2V至约-0.8V的电压(例如，偏压)的电源。施加的电压可根据目标是通过传感器进行检测的目标挥发性有机化合物而选择。电源可以是直流或交流电源。在一个实施例中，电源是电池。在一些实施例中，传感器可以是包括内置的可充电、一次性或可更换电池的整装装置。在其他实施例中，电源可以在外部并通过电线连接到传感器。电流传感器也可以是一体化的或在外部。在一个实施例中，用于检测目标化合物的传感器可连接到外部电源和电流传感器。该传感器因此可以更加便宜地制造并且可以在一次或多次使用后处置，而不用处置电源或电流传感器。在一些实施例中，电源和电流传感器可以是插入传感器中的单个装置。这样的装置可包括一体化控件或该装置可被构造成通过个人计算机、笔记本电脑、智能手机等控制。这样的装置也可以按若干方式显示来自传感器的结果。例如，该装置显示来自传感器的电流信号的图形表示。或者，该装置可以只是通过LED、听觉蜂鸣器等表明是否存在目标化合物的“是”或“否”。

在一个实施例中，本文所公开的传感器可包括被构造成在传感器的纳米管阵列上方引导样品气体(或流体)流的样品引入口。该引入口可被构造成接纳样品环境空气或可被构造成接纳来自受试者的呼气。在这样的实施例中，空气引入口可包括粒子过滤器以移除可堵塞或以其他方式限制传感器的功能和/或使用寿命的小颗粒物(PM10和/或PM2.5)。该入口还可以包括被构造成浓缩进气以便提高传感器灵敏度的浓缩器。浓缩器的非限制性例子包括使用固相萃取纤维，所述纤维结合到挥发性有机化合物，所述化合物随后被释放。也可以使用分子过滤器、填充色谱柱等。

传感器可包括壳体以容纳传感器的各种组件。可使过滤器、浓缩器和纳米管阵列在壳体的内部空间中取向。壳体可容纳气体样品，以使得样品可以横穿并与功能化纳米管反应。壳体还可以具有供气体样品从壳体中流出的出口。在一个方面，可将引入口和出口设置在纳米管阵列的相对侧上以使得样品气体流过纳米管阵列。在样品为来自受试者的呼出气的实施例中，受试者可向引入口中呼气。引入口可包括在大小和形状上被构造成舒适地配合到受试者口中以允许受试者向传感器中呼气的吹嘴。在一些实施例中，引入口还可以包括单向阀以防止气体通过引入口回流出来。吹嘴可任选地为一次性的或可更换的并被构造成与引入口接合。出口还可以包括在受试者吹气时允许空气流过但在检测期间防止空气从壳体逸出的阀。这样，可防止呼出气和其中的目标生物标志物在检测过程中流出或扩散出壳体。在其他实施例中，可使样品气体在整个纳米管上再循环，以使得目标化合物将具有额外的机会与金属离子结合。

本文所公开的传感器可以再次使用或可被制造成一次性的。当传感器被构造成可再次使用时，传感器还可以包括紫外线光源，其可以在使用传感器后被激活以便在功能化纳米管上照射紫外线。紫外线可导致结合到金属离子的目标化合物释放，以使得可以再次使用传感器。或者，传感器可具有透明壳体，并且可以使用外部紫外线光源。当被构造成一次性的时，传感器可由低成本的材料(包括一些或全部材料为可生物降解的)制成。

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(诸如上文所述的)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。上述传感器和纳米管可用于本文所述的检测方法。在一个实施例中，该检测方法还包括基于生物标志物的鉴定来诊断具有生理状况或疾病的人类受试者的步骤。在另一个实施例中，该检测方法还可以包括利用可再次使用的传感器。因此，在这些实施例中，该方法还可以包括将功能化纳米管暴露于紫外线。将功能化纳米管暴露于紫外线可导致结合到金属离子的任何目标化合物释放。

实例

实例1-传感器系统

用于检测结核病的挥发性生物标志物的方法已经存在(气相色谱法、质谱法)，但这些方法不适于在POC的资源匮乏的环境。存在明确的可通过使用本发明所公开的传感器和方法来填补的技术差距。在该实例中，传感器是便携式呼气分析仪装置(例如，长和宽为约8至10cm或更小的装置)，其包括用不同元素功能化的TiO₂的阵列以检测由驻留在肺中的分支杆菌释放出的不同类型的挥发性生物标志物。该装置的电子响应为每次检测几分钟级。该快速响应时间比任何目前正在使用的检测高出多个数量级。此外，这里所述的纳米管感测元素可以再生和再次使用，这进一步降低每次检测的成本并降低增加装置总体成本的废弃物处置成本。

在该具体实施例中，TiO₂纳米管可用钴(II)离子功能化。这种类型的用于结核生物标志物的传感器与现有技术相比具有多种优点。例如，可立刻地基于VOB(挥发性生物标志物)的存在而检测TB；不到几分钟的快速检测时间；便携且操作简单；以及可用于资源有限的环境并用于快速筛查社区内大量的受试者。

此外，本发明所公开的传感器和系统可适于检测表现出具有挥发性有机生物标志物的其他医疗状况，诸如心脏移植排斥、肺癌、缺血性心脏病、妊娠子痫前期、糖尿病和乳腺癌。与此类状况相关的挥发性生物标志物可包括但不限于丙酮、烷烃、烷烃衍生物、烯烃、氨、硫醇、脂肪酸等。

实例2-初步研究

使用循环伏安法的初步研究鉴定了钴(II)为用于结合烟酸甲酯和对甲氧基苯甲酸甲酯的首要候选物。这些方法表明了烟酸甲酯和对甲氧基苯甲酸甲酯的合适偏压分别为-0.2V和-0.8V。这些电压在检测期间产生了最大的信号并可用于改变在存在多种挥发性有机标志物的情况下传感器的选择性。然后使用电化学阳极化合成了TiO₂纳米管，再使用之前所述的金属离子交换法用钴(II)功能化。

简而言之，将氯化钴(II)溶于乙醇，然后将TiO₂纳米管阵列在该溶液中温育几小时，再在真空炉中干燥。这在纳米管的表面上产生钴(II)。钴(II)是强氧化剂并与烟酸甲酯和对甲氧基苯甲酸甲酯反应。图3A和图3B示出钴(II)功能化TiO₂纳米管的初步结果。在这些初步实验中，将生物标志物溶于水，然后通过将氮气鼓入溶液中而递送到传感器。通过将氮气以相同的方式鼓泡但鼓入纯水而将传感器暴露于湿空气。图3A示出当将两个相同的传感器暴露于湿空气和烟酸甲酯时电流与时间的关系。如在图中所见，暴露于烟酸甲酯的传感器表现出具有约-20μA的电流变化，而暴露于湿空气的传感器保持几乎恒定。图3B示出得自按顺序暴露于湿空气然后是对甲氧基苯甲酸甲酯的单个传感器的结果。图3B示出检测对甲氧基苯甲酸甲酯的响应时间比烟酸甲酯更慢。这可能是由于实验之间的检测条件不同。然而，图3B示出对甲氧基苯甲酸甲酯的响应远高于湿空气的响应。图3C示出在与图3B中所示的试验相同的条件下的第二次试验运行。变化量级可与浓度的差异相关。结果表明，在将衍生自化学模拟物的生物标志物溶于水并通过将氮气鼓入溶液中而递送到传感器时，钴(II)功能化TiO₂纳米管能够在生物标志物达到传感器的时候对其进行检测。结果还表明传感器对湿度的响应与相同检测条件下的生物标志物相比甚微。

实例3-特异性

如之前所述，人类呼气是气体与所存在的若干VOC的复杂混合物。进行了初步测试以确定传感器在暴露于存在于呼气中的VOC(包括乙醇、甲醇、丙酮、苯和酚)时的特异性。通常，这些化合物以ppb范围存在于人类呼气中。然而，对于初步测试而言，在四个单独的实验中，使用了这些化合物中每一种的浓缩源(20ppm)并递送到TiO₂传感器(传感器一次仅暴露于一种VOC而不是处于复杂混合物中)。图4A示出所测试的化合物中的每一种的传感器响应。

响应定义为：(I_d-I_b)/I_b，其中I_d是在将传感器暴露于挥发性化合物时测得的电流，而I_b是检测前的基线电流。示出通常存在于呼气中的浓缩VOC(指定为“A组”)和与TB相关的VOB(指定为“B组”)的结果。传感器对乙醇、甲醇、丙酮、苯和酚的响应在从0.6到1.38的范围内，从而表明这些化合物在传感器以TB挥发性生物标志物的特定条件(20℃和130SCCM流量)操作时对传感器的影响很小。然而，当将传感器暴露于烟酸甲酯(10mM和100mM)时，分别观察到了10³和10⁵的响应变化。此外，对甲氧基苯甲酸酯示出10⁶的响应变化。这表明，传感器为TB生物标志物特异性的并具有在存在通常存在于人类呼气中的其他VOC的情况下检测这些分子的潜能。

图4B示出暴露于20ppm的苯和烟酸甲酯的TiO₂传感器的电流与时间的曲线图。如从该图中可以看出，传感器能够清楚地区分烟酸酯和苯并表现出基本上对苯暴露无响应。

实例4-使用计算机计算来鉴定和表征与候选挥发性生物标志物相互作用的元素

使用计算机建模技术，该实验研究了金属与VOB的相互作用以鉴定对生物标志物具有高亲和力的金属。初步结果表明钴(II)是烟酸甲酯和对甲氧基苯甲酸甲酯的合适的金属候选物。可将研究用于筛选和选择与具体生物标志物一起使用的具体金属离子。最后，可通过确定通常存在于人类呼气中的挥发性有机化合物(VOC)诸如异丙醇、丙酮和甲醇的相对结合强度来解决传感器的选择性问题。

传感器装置基于金属离子功能化二氧化钛纳米管，其中金属离子的性质决定是否进行VOB检测。金属-生物标志物相互作用促进感测材料的电阻变化，从而允许传感器基于通过感测材料的电流的变化而检测生物标志物。可对基于硬软酸碱原理而选择的下述一组金属离子进行评价和鉴定{单价：Li¹⁺，二价：Fe²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Pb²⁺，三价：Fe³⁺、Co³⁺、Cr³⁺、Mn³⁺、Ni³⁺、Sc³⁺、Sb³⁺，四价：Ni⁴⁺、Mn⁴⁺、Ti⁴⁺、As⁴⁺、Sb⁴⁺、Pt⁴⁺)。基于该原理，硬酸(小原子/离子半径、高氧化态、低极化)更强地结合硬碱。由于氧被视为硬碱，因此可以选择硬酸以有效结合。

可在气相(不存在溶剂)以及液相(在存在溶剂分子的情况下，因为所关注的VOB来自处于湿空气中的肺)中进行研究。在气相中确定的结构和能量方面构成了在液相中计算的基础。在气相中，金属-生物标志物相互作用可经由氧的孤对电子发生。然而，在液体溶剂中，假定生物标志物在溶液中解离，结合可经由生物标志物的阴离子氧而发生。

对于溶剂效应的建模，可以使用以下三种建模方案的改型：1)极化连续介质模型(PCM)，其中考虑长程静电溶剂化效应。2)围绕金属-生物标志物系统包括明确的水分子(与传感器的预期操作条件最相似)很好地解释短程溶剂效应。然而，包括大量的溶剂分子可能复杂且在计算上吃力。3)可同时考虑到短程和长程溶剂效应的包括以上两种方法的建模方案。该方法可与第二种方案相比用更少数量的明确的溶剂分子建模，但长程溶剂效应可由PCM考虑到。

使用对应于系统的平移、振动和旋转运动的电子能、零点能(ZPE)和熵术语来计算气相中的结合自由能。分别使用图5中的方程式1和方程式2计算气相和液相结合自由能ΔG^* _B(气相)和ΔG^* _B(液相)，其中：

X＝烟酸甲酯、对甲氧基苯甲酸甲酯、苯乙酸甲酯、2-甲氧基联苯

M＝Cu¹⁺、Fe²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Pt²⁺、Fe³⁺、Co³⁺、Cr³⁺、Mn³⁺、Ni³⁺、Sc³⁺、Sb³⁺、Ni⁴⁺、Mn⁴⁺、Ti⁴⁺、As⁴⁺、Sb⁴⁺、Pt⁴⁺

ΔG^* _B(气相)＝气相(无溶剂)中的结合自由能，*表示标准态

ΔG^* _B(液相)＝液相(具有溶剂)中的结合自由能

ΔG^* _溶剂化(金属)＝金属离子的溶剂化自由能，

ΔG^* _溶剂化(X)＝生物标志物的溶剂化自由能

ΔG^* _溶剂化(金属-X)＝金属-生物标志物的溶剂化自由能

溶剂化自由能基本上为使一摩尔溶质(在这种情况下，为生物标志物和金属-生物标志物复合物)在水溶液中溶剂化时释放的能量。溶剂化涉及各种类型的分子间相互作用：氢键、离子-偶极和偶极-偶极吸引或范德华力。在图5的方程式1中所涉及的物质的溶剂化自由能可用于如下所示确定液相中的结合自由能(方程式3)：

ΔG^* _B(液相)＝ΔG^* _B(气相)+[ΔG^* _溶剂化(金属-X)–(ΔG^* _溶剂化(金属)+ΔG^* _溶剂化(X))

(3)

该方法可适于上列所有金属离子，并且可对不同金属-生物标志物复合物的相对相互作用强度进行详细比较。对结合现象的理解可通过系统中的结构分析和电荷分布来定量表征并经由在结合位点发生的轨道相互作用来定性表征。得自以上方法的结合自由能可有助于确定因金属氧化态变化而生成的氧化电位。以上图5的方程式2的反应的氧化电位可用以下能斯脱方程计算：

其中E₀＝氧化电位，n＝反应中所涉及的电子的数量，F＝法拉第常数

因而得到的结果可与针对相同过程而进行的循环伏安法研究进行比较并验证。通过该研究确定的最好的三种金属可进一步用于传感器装置。

以下计算机建模可用如在Gaussian程序包中实施的密度泛函理论(DFT)和AbInitio(MP2)来实现。为了进行DFT计算，可以实施不同的交换关联泛函，诸如PBE、BP和B3LYP。此外，可以使用合适的赝势，诸如用于过渡金属的LanL2DZ和用于小原子的6-31G+**基组。可计算用于确定结合自由能的方程式1和方程式2的ZPE。可通过如在Gaussian09中实施的基于PCM的溶剂化模型UNIVERSAL来进行溶液建模。可迭代几何优化，直到力小于10^-5au且能量收敛为10^-6哈特里。可以按优化的几何计算振动频率，以验证稳定的结构。可通过Mulliken电荷和自然键键序分析来执行电荷分析。可经由分子轨道理论方法定性以及定量地分析分子轨道相互作用。

实例5-使用电化学方法确认和表征与TB挥发性生物标志物相互作用的建模金属

金属离子功能化金属氧化物纳米管可以是稳定的，并具有长储存寿命(诸如6个月)，因此运往世界各地的传感器可长时间储存。为了实现这一点，可研究通过实例4中所完成的建模而鉴定的无机元素的纳米管功能化，因为它们是稳定的并已知以不同的亲和力结合有机分子。用于检测TB挥发性生物标志物而尤其关注的是Co、Cr、Ni和Zn。另外，可对传感器进行真空密封直至使用，以减少与杂散化合物无意结合或灵敏度降低的机会。

电化学研究

可将循环伏安法用于确认金属对苯乙酸甲酯和2-甲氧基联苯的结合能力。能以高置信度检测TB的所关注的生物标志物基本上是有机酯。应该指出的是，可使用循环伏安法以电化学方式检测酯。取决于酯的类型和分子结构，可使一些酯电氧化。可使用由支持盐(例如，高氯酸盐)与pH调节剂组成的适当的电解质体系来氧化生物标志物。在电氧化期间，各生物标志物可产生明显的阳极波，其中峰出现在不同的电位处。从积分的阳极电流与时间的关系中，可以计算出释放的电荷。假设所有的电荷均归因于生物标志物的氧化，使用法拉第定律通过阳极电荷计算，可确定生物标志物的浓度。执行微分循环伏安法可减少因循环伏安法期间的双层带电而产生的误差。这些电化学技术可用于在实验室中检测生物标志物。然而，对于POC装置，从呼气样品制备包含生物标志物的电解质会比较困难。因此，涉及以气态形式直接分析呼气样品的技术会更有用。为了实现这一点，考虑了生物标志物与金属阳离子的复合。据报道，在金属阳离子上吸附有机分子导致有机物质氧化。例如，据观察，Fe(III)、Cu(II)和VO²⁺阳离子导致吸附在表面上的苯甲醚氧化。还熟知的是，与金属离子形成复合物的能力以及复合物的稳定性与金属离子是多强的氧化剂有关。因此，金属阳离子可有效用于与挥发性生物标志物形成复合物。

TiO₂纳米管的有序阵列因其高表面积是与生物标志物结合的金属离子的优异载体。当金属离子参与生物标志物的氧化时，发生从生物标志物到金属离子的电子转移，这可通过TiO₂纳米管收集。纳米管结构具有增强的电荷传输性质并且可以最少的损失传导电子。

为了确认为结合不同的生物标志物而鉴定的候选金属阳离子，可在由具有不同浓度的不同金属阳离子组成的电解质中进行循环伏安法研究。例如，该方法之前已在Co(II)、Zn(II)和Cr(III)溶液中进行以检测烟酸甲酯和对甲氧基苯甲酸甲酯。据观察，Co(II)在感测烟酸甲酯方面示出比其他金属阳离子更好的结果。图6示出在添加有和未添加不同浓度的烟酸甲酯的不同浓度的Co(II)中进行的初步循环伏安法结果。纯Co(II)溶液的还原和氧化波大于含有烟酸甲酯的溶液。这些结果表明当烟酸酯与Co(II)形成复合物时，更少的钴离子参与还原反应，这也降低了氧化曲线。当钴离子浓度为10mM时，注意到两个氧化峰。处于较低正电位的第一个峰可能归因于以下反应：

Co→Co²⁺+2e- E^O＝-0.227+0.0295log[Co2+]V(SHE) (5)

处于更高正电位的第二个阳极峰可能归因于以下反应：

Co+H₂O→⁺CoO+2H⁺2e- E^O＝0.095-0.059pHV(SHE) (6)

在极低的Co(II)浓度下，反应(5)因几乎完全形成复合物而不明显。循环伏安法的阴极和阳极波的电流密度的降低可与烟酸酯的密度相关。基于实例4中的建模和使用循环伏安法的确认，可选择金属阳离子的类型及其浓度以结合不同的生物标志物。

实例6-自有序TiO₂纳米管的制备

3维TiO₂纳米管阵列形式在小空间内形成具有极高表面积的传感器。管状形态允许可能更多的面积被可结合挥发性生物标志物的元素功能化，从而提高灵敏度。此外，TiO₂纳米管在退火后还具有优异的电荷传输性质，这使得它们适于检测在纳米管表面上发生的结合事件。图1示出使用自有序TiO2纳米管制造的阵列的图像。

在用于制备纳米管模板的各种可用方法之中，电化学阳极化被视为简单、低成本的且易于扩展到大面积合成。已经开发了使用超声辅助阳极化方法制造自有序和垂直取向的TiO₂纳米管模板的成熟方法。超声处理导致更好的纳米管排序。

TiO₂纳米管氧化物阵列的模板可通过以下方式形成：在由乙二醇中0.5重量％的NH₄F+5体积％的H₂O组成的电解溶液中在超声搅拌条件下用超声浴(100W，42KHZ，Branson2510R-MT)进行Ti箔(0.1mm厚)的阳极化。可将双电极构造用于阳极化。旗帜形状的铂(Pt)电极可充当阴极。可通过使用整流器(安捷伦公司(Agilent)，E3640A)从20至60V改变施加的电位而进行阳极化。改变阳极化电位可控制管的直径，而改变阳极化时间可改变管的长度。可将处于阳极化状态的TiO₂模板在氧中在500℃退火6h以提高其电阻。TiO₂纳米管可具有极高的电阻，以使得当向纳米管适当地施加偏压并在功能化纳米管与挥发性生物标志物之间发生结合事件时，检测到电流变化。纳米管可形成垂直取向的且自立式的TiO₂氧化物纳米管的有序阵列。尺寸可如之前所讨论而变化，但在该实例中通常表现出具有100-200nm范围内的直径，1-3μm范围内的长度，和5-10nm范围内的壁厚。

实例7-TiO₂纳米管的功能化

纳米管的功能化可用于所提出的TB诊断方法。所应用的功能化技术可增强传感器的稳定性(6个月的储存寿命)。在一些情况下，功能化纳米管阵列可包含最低3重量％的嵌入纳米管阵列中的金属离子。

纳米管阵列的功能化可用本领域已知的金属离子交换法进行。将金属离子(Co、Zn、Cr等)交换到TiO₂纳米管表面上的步骤因在表面处存在大量羟基(Ti-OH)基团而成为可能，这已通过XPS分析得到了确认。之前的结果表明，几乎40％的表面被羟基基团覆盖，这些基团是布朗斯台德酸位点并已知为可交换位点。表面羟基质子与候选金属离子的交换过程在以下方程式中示出(M＝Zn、Co、Cr和其他候选离子)：

2Ti-OH+M²⁺＝2Ti-O-M+2H⁺ (7)

例如，当用Co使TiO₂纳米管功能化时，使用以下方法：

1)通过在100℃加热而使TiO₂-NT脱水。

2)将纳米管浸入氯化钴(II)的溶液(0.5重量％的氯化钴(II)(CoCl₂，99.7％，美国阿法埃莎公司(Alfa Aesar,USA))溶于100ml乙醇)，并在超声浴中反应30分钟。

3)冲洗样品并在真空炉中在100℃干燥。

该方法导致金属在TiO₂纳米管上功能化，并已使用Zn和Co得到成功的证实。该方法可与被鉴定为TB挥发性生物标志物的结合剂的其他金属一起使用。为了确认存在无机元素，可进行EDS和XPS分析，这可得到样品的元素组成和所存在的量。

用于制备通过钴(II)离子功能化的TiO₂纳米管阵列的示例性方法包括阳极化、退火和功能化步骤。首先，向97％乙二醇和0.5重量％NH₄F的水溶液中的钛阳极和铂阴极施加60分钟的30V电位。然后，通过将纳米管加热到500℃并保持在该温度下2小时而将纳米管在氧下退火。最后，通过将纳米管浸入将0.5重量％CoCl₂溶于EtOH得到的超声浴而将纳米管用钴功能化。

实例8-功能化纳米管阵列用于检测候选气态挥发性生物标志物的性能的研究

为了实现候选TB生物标志物的快速检测，可对传感器的操作条件进行优化以便实现快速清楚的检测。在最佳条件下，传感器响应可为几秒钟级。

为了确定用于检测挥发性生物标志物的适当的偏压条件，可针对挥发性标志物中的每一种对用不同元素功能化的每个基板进行表征，以确定传感器最灵敏的点。为了实现这一点，可在与挥发性生物标志物相关的每个传感器上进行-5V到5V的电压扫描(使用Gamry稳压器)，以了解当将挥发性生物标志物引向纳米管传感器阵列时发生最大电流变化的点。一旦实现这一点后，就可测试传感器以对其在不同挥发性生物标志物浓度下的性能进行定量。这些浓度可从100ppm低至1ppb。目标是对传感器进行优化以检测1pbb或更低的水平，这应当不仅足以检测由分支杆菌释放的低水平的生物标志物，还足以检测在TB潜伏期的生物标志物，因为只需要少量的分支杆菌释放生物标志物。

实例9-表征传感器对处于气体复杂混合物(即，存在其他挥发物)中的TB挥发性生 物标志物的选择性和灵敏度

为了表征传感器性能，存在通常存在于人类呼气中的其他VOC。可对选择性和灵敏度进行表征和优化以处理现实世界的样品。

人类呼气含有已得到表征的许多VOC。健康个体呼气中的主要VOC为异戊二烯(12-580ppb)、丙酮(1.2-1,880ppb)、乙醇(13-1,000ppb)和甲醇(160-2000ppb)。微量组分为乙醛(3-7ppb)和己醛(9-13ppb)。可在存在这些VOC和TB挥发性生物标志物的情况下测试传感器，以确定其选择性。

可将具有对温度、压力、湿度和气体流量的精确控制的环境室(真空气氛公司(Vacuum Atmosphere Corporation))用于形成其中常见VOC与目标挥发性生物标志物一起存在的环境。可使用之前所述的水平将“背景VOC”的混合物设置到ppb范围内的浓度。每种挥发性生物标志物的浓度可从1ppb开始并将浓度增大到1000ppb而单独地变化(意味着每次测试仅可存在1种挥发性生物标志物)。然后，可检查传感器响应。接着可针对含有所有四种挥发性生物标志物的样品的混合物重复实验。可使用作为测试标准的质谱法对结果进行确认。这可用于确定传感器的灵敏度和选择性。可将传感器的结果与质谱法的结果进行比较，并可将假阳性、假阴性、真阳性和真阴性用于确定灵敏度和选择性。

可对低水平的挥发性生物标志物进行浓缩。一种方式是围绕传感器使空气再循环以允许更多的分子结合到传感器。另一种方法可以是是使用固相萃取纤维以收集气体然后通过使用热而从传感器附近的纤维洗脱气体。这些类型的方法的任一种均可整合到微通道平台中。此外，如果在传感器上的结合元素之间存在交叉反应性，则可对修改传感器的偏置电压进行研究以“调节”传感器响应，使得传感器检测所需的挥发性生物标志物。还可以将对呼气进行加工以除去不想要的VOC的过滤机构用于增强传感器性能。

实例10-表征传感器对环境因素诸如气体流量、温度和湿度的响应

为了实现能够在全世界的环境中起效的可靠传感器，可对其进行测试和表征以确定传感器运行和失效所处的条件。

初步结果表明：当与来自烟酸甲酯和对甲氧基苯甲酸甲酯的信号相比时，水分的作用甚微。然而，需要定量数据以理解湿度、温度和气体流量的作用。可以使用具有对这些参数的精确控制的环境室。可将传感器置于室中并单独地暴露于每种挥发性生物标志物。在每个实验过程中，可将温度从-10℃增量改变至50℃(刚好超过预计传感器的操作将会处在的温度范围)。可针对以5％的增量从0增至100％的湿度进行类似的实验。传感器上方的气体流量可能具有不利影响(导致信号噪声)，而这可以通过以10CFM(17立方米每小时)的增量从1立方英尺/分钟(CFM)(1.7立方米每小时)到200CFM(340立方米每小时)改变体积流量而进行测试。这些参数的定量可允许对传感器进行优化并定义用于实施传感器的包装方案。

实例11-开发将传感器包装成用于在空气样品被递送到传感器时对其进行加工的 微通道平台的原型

可将TiO₂传感器包装成便携式微通道网络，其对传入的呼气进行处理/加工并将其递送到传感器。传感器包装并整合到仪器中是本项目的一个方面。传感器的包装可能需要得自以上实例的知识以帮助设计将整合到通道网络中以用于加工空气的组件，诸如过滤器、气体浓缩器和与相关仪器接合的电极极板。用于传感器部件的包装也可以为一次性的。然而，可将传感器设计为可循环利用的，这不仅降低后续传感器的成本，还减少存在于资源匮乏的国家/地区的医疗垃圾的堆积和处置不当。

传感器的设计及整合到微通道中可使用软光刻和3D打印快速原型技术进行以开发各种原型设计。可设计具有一体化电极的包装以与可通过上网本、智能手机或其他移动装置运行的便携式稳压器接合，以在现场进行检测。

实例12-用于检测谷胱甘肽的铜功能化TiO₂纳米管

切割10mm×10mm见方的钛箔，抛光，然后在异丙醇中于超声浴中漂洗5分钟。将0.5重量/体积％的氟化铵(NH₄F，美国阿法埃莎公司(Alfa Aesar,USA))溶于3％去离子水的乙二醇(EG，C₂H₆O₂，美国阿法埃莎公司)中，制得用于阳极化的电解质。在EG溶液中，铂箔充当阴极而钛箔充当阳极，施加30V的直流(DC)1h。将纳米管制造的钛样品在去离子水中于超声浴中漂洗5秒，然后在110℃的室内干燥至少1天。将样品在500℃下在富氧气氛中退火2h，以从无定形TiO₂中结晶锐钛矿。

对于金属功能化，将锐钛矿纳米管样品浸入三种不同的铜盐溶液，这些溶液用0.24g CuSO₄、0.28g Cu(NO₃)₂和0.2g CuCl₂溶于50ml乙醇而制备。将溶液中的这些样品在超声浴中温育30分钟。将样品在去离子水中通过3秒的超声处理而漂洗，然后在110℃的室内干燥至少1天。

在图7中，比较了在-300mV的CV下的电流密度值。对于非功能化TiO₂纳米管，GSH和GSSG的电流密度为-17μA/cm²和-31.3μA/cm²，而对于Cu功能化TiO₂纳米管，GSH和GSSG的电流密度为-29.1μA/cm²和-100μA/cm²。得自非功能化TiO₂纳米管的GSSG/GSH的电流密度测量值的比率为1.87。Cu功能化TiO₂纳米管示出比非功能化纳米管更高的信号，其中GSSG/GSH比率为3.43，其为非功能化TiO₂纳米管的1.83倍。这表明铜对谷胱甘肽的选择性。

已知的是，GSH的γ-谷氨酸残基处的羧基基团是铜的结合位点，并因此预计GSSG/GSH的比率为约2。换句话说，对于溶液中的铜，GSSG应当示出为约GSH的2倍的电流信号。另外，示出GSSG/GSH的比率为2的其他出版物已通过处于溶液状态的溶解金属和溶解GSH测试了结合亲和力。然而，我们将固定化的铜金属用于溶解的谷胱甘肽溶液。该差异可能出人意料地导致GSSG/GSH比率为3，而不是2。

在-0.3V的CV测试下的电流与GSH的对数浓度成比例。在充分搅拌的GSH溶液中对GSH与Cu-TiO₂纳米管的结合进行了30秒的测试，并将每个GSH浓度的信号强度绘制在GSH浓度的对数标度(X轴)上，如图8所示。0-10mM GSH范围的曲线图的趋势线示出-1.34E-05的斜率，其中R²为0.967。其表示电位的强度是结合的原因，并且信号在10mM前呈良好线性，该浓度是谷胱甘肽分子在体液中的正常浓度范围。

应当理解，上文提及的布置仅仅是本发明原理的应用的示例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以设计许多修改形式和替代布置。虽然已经在附图中示出了本发明，并在上文结合当前被视为本发明的最实际和最优选的实施例具体且详细地全面描述了本发明，但是对本领域的普通技术人员将显而易见的是，在不脱离如本文所示的本发明的原理和概念的情况下，可以进行许多修改。

Claims (10)

1.一种用于检测挥发性有机化合物的传感器，包括：

纳米管阵列，所述纳米管阵列包括多个功能化金属氧化物纳米管，所述金属氧化物纳米管由金属氧化物形成并具有能够与所述挥发性有机化合物结合的内表面和外表面中的至少一个，所述表面任选地通过至少一种金属离子功能化；

电源，所述电源被构造成向所述纳米管阵列施加电压；以及

电流传感器，所述电流传感器被构造成监控和检测响应电流的变化，在与所述挥发性有机化合物结合时所述响应电流发生改变。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述金属氧化物纳米管的所述金属氧化物选自二氧化钛、氧化铁、氧化铱、氧化钽、氧化锌、氧化铝以及它们的组合。

3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述至少一种金属离子选自Cu¹⁺、Li¹⁺、Fe²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Fe³⁺、Co³⁺、Cr³⁺、Mn³⁺、Ni³⁺、Sc³⁺、Sb³⁺、Ni⁴⁺、Mn⁴⁺、Ti⁴⁺、As⁴⁺、Sb⁴⁺、Pt⁴⁺、Au¹⁺、Zn^{2 +}、Pd²⁺、Pd⁴⁺、Ag¹⁺以及它们的组合。

4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述至少一种金属离子为Co²⁺。

5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述电源被构造成施加约-0.2V至约-0.8V的电压。

6.根据权利要求1所述的传感器，还包括样品引入口，所述样品引入口被构造成在所述纳米管阵列上方引导样品气体流。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述样品气体是来自人类受试者的排出的呼气。

8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述挥发性有机化合物是生理状况或疾病的生物标志物。

9.根据权利要求8所述的传感器，其中所述生物标志物选自苯乙酸甲酯、对甲氧基苯甲酸甲酯、烟酸甲酯、2-甲氧基联苯、乳酸、还原型或氧化型谷胱甘肽、尿酸、尿素酶以及它们的组合。

10.根据权利要求8所述的传感器，其中所述生理状况或疾病选自结核病、乳腺癌、肺癌、心脏病、糖尿病、子痫前期、氧化应激以及它们的组合。