CN115835813A - 使用呼出气冷凝物的基于口罩的诊断系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种基于口罩的诊断设备，用于检测包含在测试对象呼出气中的生物标志物。呼出气冷凝物(EBC)收集器将从测试对象的肺和气道接收到的呼吸蒸汽转换为流体生物样本。EBC收集器包括蓄热体、冷凝物形成表面和设置在冷凝物形成表面上的流体导体。流体转移系统从EBC收集器接收流体生物样本。生物标志物测试单元从流体转移系统接收流体生物样本并测试流体生物样本的目标生物标志物。提供测试系统支架，用于支持EBC收集器、流体转移系统和生物标志物测试单元。测试系统支架被配置和尺寸设计为适合于口罩内部。提供口罩以形成呼出气蒸汽容纳体积以将呼出气蒸汽保持在EBC收集器附近，从而使由蓄热体冷却的冷凝物形成表面能够将呼出气蒸汽聚结到流体生物样本中。

Description

使用呼出气冷凝物的基于口罩的诊断系统

相关申请

本国际申请要求2021年3月2日提交的题为“Mask-Based Diagnostic Systemusing Exhaled Breath Condensate”的序列号为17189711的美国实用专利申请的优先权的权益，该申请是以下申请的部分继续申请并且涉及和要求以下申请的优先权：2020年10月7日提交的题为“Mask-Based Testing System for Detecting Biomarkers in ExhaledBreath Condensate,Aerosols and Gases”的序列号为17065488的共同未决美国实用专利申请；2020年5月23日提交的题为“Using Exhaled Breath Condensate,Aerosols andGases for Detecting Biomarkers”的序列号为16882447的共同未决美国实用专利申请；2020年5月17日提交的题为“Using Exhaled Breath Condensate for Testing for aBiomarker of COVID-19”的序列号为16876054的共同未决美国实用专利申请；2020年4月19日提交的题为“A Low Cost,Scalable,Accurate,and Easy-to-Use Testing Systemfor COVID-19”的序列号为63012247的美国临时申请；2020年5月3日提交的题为“UsingExhaled Breath Condensate for Testing for a Biomarker of COVID-19”的序列号为63019378的美国临时申请；2020年5月17日提交的题为“Using Exhaled BreathCondensate for Testing for a Biomarker of COVID-19”的序列号为63026052的美国临时申请；其公开的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的示例性和非限制性实施例总体上涉及诊断系统、方法、装置和计算机程序，更具体地，涉及用于检测诸如冠状病毒的生物试剂的生物标志物的数字诊断装置。

本发明还涉及用于检测用于治疗和监测人类和动物生理状况的生物特征参数的装置架构、特定用途应用和计算机算法。

背景技术

本部分旨在为如权利要求中所述的本发明的示例性实施例提供背景或上下文。这里的描述可以包括可以追求但不一定是先前已经构思、实施或描述的概念。

因此，除非本文另有说明，否则本部分中描述的内容不是本申请中的说明书和权利要求的现有技术，并且不通过包含在本部分中而被承认为现有技术。

世界各国政府已制定居家政策并封锁公民，以减缓COVID-19病毒的传播。目前，全球有数十亿人停止了他们通常的工作、娱乐和社交活动。测试表明COVID-19暴露、感染和恢复的生物标志物可用于更安全、更有效地重启经济活动，同时最大限度地减少病毒的传播。例如，活性病毒的蛋白质和RNA测试显示当前具有传染性的人群。抗体测试可用于发现已从病毒中恢复并且现在可能对再感染免疫的人群中的成员。随着越来越多的受保护个人和消费者劳动力的重新就业，这种知识可以实现精确的社会距离和更有效的接触者追踪。那些仍然处于感染和传播风险中的人可以被隔离，直到开发出疫苗或其他解决方案，例如高成功率的药物疗法。

发明内容

以下概述部分旨在仅是示例性的而非限制性的。通过使用本发明的示例性实施例，克服了前述和其他问题，并且实现了其他优点。

根据非限制性示例性实施例，提供了一种基于口罩的诊断设备，用于检测包含在测试对象呼出气中的生物标志物。呼出气冷凝物(EBC)收集器将从测试对象的肺和气道接收的呼吸蒸汽转换为流体生物样本。EBC收集器包括蓄热体、冷凝物形成表面和设置在冷凝物形成表面上的流体导体。流体转移系统从EBC收集器接收流体生物样本。生物标志物测试单元从流体转移系统接收流体生物样本并测试流体生物样本的目标生物标志物。提供测试系统支架，用于支持EBC收集器、流体转移系统和生物标志物测试单元。测试系统支架被配置和尺寸设计为适合口罩内部。提供口罩以形成呼出气蒸汽容纳体积以将呼出气蒸汽保持在EBC收集器附近，从而使由蓄热体冷却的冷凝物形成表面能够将呼出气蒸汽聚结到流体生物样本中。

根据一个非限制性示例性实施例，一种用于检测从测试对象的肺和气道接收的生物标志物的基于口罩的测试系统包括呼出气冷凝物(EBC)收集器，该EBC收集器集成到测试对象所佩戴的口罩的内部。EBC收集器将从测试对象的肺和气道接收到的呼吸蒸汽转换为流体生物样本。生物传感器固定在口罩的内部，用于接收来自EBC收集器的流体生物样本并测试流体生物样本中的目标分析物。生物传感器生成至少取决于流体生物样本中目标分析物的存在和不存在的测试信号。电子电路固定在口罩的外部，用于接收测试信号，根据检测到或未检测到目标分析物，从测试信号中确定测试结果信号，并将测试结果信号传输到远程接收器。

根据本发明的一个方面，一种用于检测生物标志物的设备包括颗粒捕获结构，用于从用户的气道粘膜接收和捕获呼出气气溶胶(EBA)颗粒，该颗粒捕获结构具有气溶胶颗粒测试系统，用于接收捕获的颗粒并检测第一生物标志物，其中气溶胶颗粒测试系统包括用于捕获EBA颗粒的可溶解EBA样本收集薄膜。可溶解EBA样本收集薄膜包括第一试剂，用于在用于检测第一生物标志物的检测反应中与捕获的颗粒的至少一种成分反应。检测反应生成取决于第一生物标志物的光信号和电信号的变化中的至少一种。第一试剂与第一纳米颗粒结合并保持在不可溶解测试区域的适当位置。EBA颗粒包括不可溶解颗粒和液滴颗粒，可溶解EBA收集薄膜包括用于粘附和捕获不可溶解颗粒的粘性表面和用于捕获液滴颗粒的水溶解块。

根据本发明的另一方面，一种设备包括至少一个处理器、至少一个包括计算机程序代码的存储器，所述至少一个存储器和计算机程序代码被配置为利用所述至少一个处理器使所述设备执行至少以下操作：使用用于接收和捕获来自用户气道粘膜的呼出气气溶胶(EBA)颗粒的颗粒捕获结构检测一个或多个生物特征参数，颗粒捕获结构具有用于接收捕获的颗粒并检测第一生物标志物的气溶胶颗粒测试系统，其中气溶胶颗粒测试系统包括用于捕获EBA颗粒的可溶解EBA样本收集薄膜，其中生物特征参数是取决于患者响应于诸如病毒感染的令人担忧的状况的至少一种生理变化的生物标志物；接收一个或多个生物特征参数并应用概率分析以根据对一个或多个生物特征参数的概率分析来确定是否已超过至少一个生理变化阈值；以及根据所确定的超过的所述至少一种生理变化来激活动作。可以使用用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本的液滴收集结构和具有用于接收流体样本并检测生物特征参数的生物标志物测试区域的测试系统进一步检测一个或多个生物特征参数；并且其中将概率分析应用于一个或多个生物特征参数以根据对从捕获的颗粒和流体样本两者中检测到的一个或多个生物特征参数的概率分析来确定是否已超过至少一个生理变化阈值。

根据本发明的一个方面，一种设备包括用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构和流体生物传感器，该流体生物传感器包括样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域和用于生成可读信号的换能器。

根据本发明的另一方面，一种用于检测生物标志物的设备，包括用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构和流体生物传感器，该流体生物传感器包括具有生物标志物分析物的样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域、以及用于根据生物受体响应于从样本源接收到生物标志物分析物的变化而生成可读信号的换能器。

根据本发明的另一方面，一种用于检测生物标志物的设备包括用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本的液滴收集结构和具有用于接收流体样本并检测生物标志物的生物标志物测试区域的测试系统。液滴收集结构可包括用于接收呼吸蒸汽并从接收的呼吸蒸汽形成流体液滴的疏水场和用于接收流体液滴并将流体液滴向测试系统引导的亲水通道中的至少之一。流体坝构件可以设置在液滴收集结构和生物标志物测试区域之间。

根据本发明的另一方面，一种用于检测生物标志物的设备包括用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构，和流体生物传感器，该流体生物传感器包括具有生物标志物分析物的样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域和用于根据生物受体响应于从样本源接收生物标志物分析物的变化而生成可读信号的换能器。

根据本发明的另一方面，一种形成生物标志物测试系统的方法包括形成呼出气冷凝物流体样本收集器。形成呼出气冷凝物流体样本收集器包括以下步骤：提供基板、在基板上涂布疏水场、以及在基板上涂布至少一个亲水通道。疏水场用于接收体液蒸汽并从接收的体液蒸汽形成流体液滴，亲水通道用于接收流体液滴并将流体液滴向测试系统引导。至少一个流体样本排放孔可以形成在亲水通道的一端，用于将流体液滴通过至少一个流体样本排放孔排放到测试系统的样本接收结构上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于从测试对象的呼吸中检测生物制剂的系统，该系统包括：呼出气冷凝物液滴收集器，用于将呼吸蒸汽聚结成液滴以形成流体生物样本；测试系统，用于接收来自呼吸液滴收集器的流体生物样本并测试目标分析物；以及无线通信电子电路，用于检测目标分析物的测试结果并将结果传送到无线接收器。可以提供一种呼出气气溶胶捕获系统，其包括具有用于接收呼出气气溶胶的表面的片状构件，所述呼出气气溶胶包含颗粒和液滴中的至少一种。该表面可以是不可溶解的压敏粘合剂或可溶解薄膜的暴露部分，该可溶解薄膜形成于、涂布、粘附到片状构件或与片状构件成一体。可溶解薄膜具有用于通过将颗粒和液滴中的至少一种嵌入或溶解至表面上或可溶解薄膜中的至少之一来有效接收和捕获颗粒和液滴中的至少一种的组合物。所述表面和所述可溶解薄膜中的至少之一包括用于与所述至少一种颗粒和液滴反应以检测在所述至少一种颗粒和液滴中目标分析物的存在的试剂。

根据本发明的一个方面，一种计算机程序产品，包括承载在其中实现的用于与计算机一起使用的计算机程序代码的计算机可读介质，所述计算机程序代码包括：用于进行以下操作的代码：检测一个或多个生物特征参数，其中生物特征参数取决于患者响应于诸如病毒感染的令人担忧的状况的至少一种生理变化；接收一个或多个生物特征参数并应用概率分析以根据对一个或多个生物特征参数的概率分析来确定是否已超过至少一个生理变化阈值；并且根据所确定的超过的所述至少一种生理变化来激活动作。

根据本发明的另一方面，一种设备包括：至少一个处理器；以及至少一个包括计算机程序代码的存储器，所述至少一个存储器和计算机程序代码被配置为利用所述至少一个处理器使所述设备至少执行以下操作：使用用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本的液滴收集结构和具有用于接收流体样本并检测生物特征参数的生物标志物测试区域的测试系统来检测一个或多个生物特征参数，其中生物特征参数是取决于患者响应于诸如病毒感染的令人担忧的状况的至少一种生理变化的生物标志物；接收一个或多个生物特征参数并应用概率分析以根据对一个或多个生物特征参数的概率分析来确定是否已超过至少一个生理变化阈值；并且根据所确定的超过的所述至少一种生理变化来激活动作。

根据本发明的一个方面，一种设备包括用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构，和流体生物传感器，该流体生物传感器包括样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域和用于生成可读信号的换能器。

根据本发明的另一方面，一种用于检测生物标志物的设备，包括用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构，和流体生物传感器，该流体生物传感器包括具有生物标志物分析物的样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域和用于根据生物受体响应于从样本源接收生物标志物分析物的变化而生成可读信号的换能器。

根据本发明的另一方面，一种用于检测生物标志物的设备包括用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本的液滴收集结构和具有用于接收流体样本并检测生物标志物的生物标志物测试区域的测试系统。液滴收集结构可包括用于接收呼吸蒸汽并从接收的呼吸蒸汽形成流体液滴的疏水场和用于接收流体液滴并将流体液滴向测试系统引导的亲水通道中的至少之一。流体坝构件可以设置在液滴收集结构和生物标志物测试区域之间。

根据本发明的另一方面，一种用于检测生物标志物的设备包括用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构和流体生物传感器，该流体生物传感器包括具有生物标志物分析物的样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域和用于根据生物受体响应于从样本源接收生物标志物分析物的变化而生成可读信号的换能器。

根据本发明的另一方面，一种形成生物标志物测试系统的方法包括形成呼出气冷凝物流体样本收集器。形成呼出气冷凝物流体样本收集器包括以下步骤：提供基板、在基板上涂布疏水场、以及在基板上涂布至少一个亲水通道。疏水场用于接收体液蒸汽并从接收的体液蒸汽形成流体液滴，亲水通道用于接收流体液滴并将流体液滴向测试系统引导。至少一个流体样本排放孔可以形成在亲水通道的一端，用于将流体液滴通过至少一个流体样本排放孔排放到测试系统的样本接收结构上。

根据本发明的一个方面，一种设备包括用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构和流体生物传感器，该流体生物传感器包括样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域和用于生成可读信号的换能器。根据本发明的另一方面，一种用于检测生物标志物的设备，包括用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构，和流体生物传感器，该流体生物传感器包括具有生物标志物分析物的样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域和用于根据生物受体响应于从样本源接收生物标志物分析物的变化而生成可读信号的换能器。

附图说明

当结合附图阅读时，本发明示例性实施例的前述和其他方面在以下详细描述中变得更加明显，其中：

图1显示了横向流动测定(LFA)测试系统，显示了添加到样本垫的生物标志物样本；

图2显示了LFA，其中在结合物释放垫处形成生物标志物标记的抗体复合物；

图3显示了生物标志物在测试线上的结合，表明生物标志物的存在；

图4显示了生物受体检测系统的机制；

图5是可穿戴电子呼吸化学传感器的侧视图；图6是可穿戴电子呼吸化学传感器的俯视图；

图7是呼出气冷凝物(EBC)液滴样本收集器的孤立视图；

图8是显示形成EBC液滴收集器的步骤的俯视图；

图9是显示形成EBC液滴样本收集器的另一个步骤的俯视图；图10是显示形成EBC液滴样本收集器的又一步骤的俯视图；图11是显示形成EBC液滴样本收集器的又一步骤的俯视图；图12示出了显示EBS液滴的EBC样本收集器；

图13示出了应用于LFA测试系统的EBC样本收集器；

图14是显示EBC样本收集器的丝网印刷亲水通道、丝网印刷疏水场和蓄热体基板的分解图；

图15是显示LFA的组成元件的分解图；

图16示出了包括光子发射器/检测器电子器件的LFA的实施例；

图17示出了应用于纳米级生物传感器测试系统的EBC样本收集器，并显示了用于将收集的液滴挡在样本垫上的拉片；

图18是显示应用于测试系统的EBC样本收集器的透视图；

图19是显示设置在样本垫和结合物释放垫之间的拉台的孤立视图；

图20是具有流体转移孔的丝网印刷EBC样本收集器的孤立视图；图21是显示从EBC样本收集器收集的流体样本在光子发射器/检测器对之间流动的横截面图；

图22显示了用于构建LFA测试系统的步骤的侧视图；图23显示了用于构建LFA测试系统的步骤的俯视图；

图24显示了作为一个批次形成的LFA测试系统的4x9成组的多张合并片；

图25显示了用于形成一卷底部粘合剂/背衬基板/顶部粘合剂的卷对卷制造工艺；

图26是示出底部粘合剂/背衬基板/顶部粘合剂叠层的透视图；图27显示了用于在一卷底部粘合剂/背衬基板/顶部粘合剂上形成LFA的组成元件的卷对卷制造工艺；

图28显示了通过从连续卷切割的卷对卷工艺形成的LFA测试系统，并显示了用于将LFA测试系统粘附到单独形成的ENC样本收集器的顶部粘合剂的一部分；

图29显示了通过从连续卷切割的卷对卷工艺形成的LFA测试系统，并显示了用于粘贴到诸如口罩的可穿戴服装上的底部粘合剂的一部分；

图30显示了在具有液滴收集孔的蓄热体基板上具有疏水场涂层的基板片；

图31显示了具有亲水通道的涂层的在具有液滴收集孔的蓄热体基板上具有疏水场涂层的基板片；

图32显示了EBC样本收集器和测试系统，其具有用于无线数据采集和传输的电子器件，以及独立的受信任的接收者和公共区块链数据路径和存储；

图33显示了热粘合口罩的制造过程；

图34显示了通过卷对卷层压工艺粘合或单独切割成坯料以形成预成型口罩叠层的织物、过滤器和其他层；

图35显示了预成型口罩叠层的诸如生物反应性银织物和热熔粘合剂的其他材料；

图36是口罩叠层的分解图；

图37显示了用于第一次和第二次热压操作的口罩叠层的折叠线；图38显示了折叠、压制和热粘合的口罩；

图39显示了EBC收集器和测试系统与折叠口罩的附接；

图40显示了将折叠口罩翻转过来以将EBC收集器和测试系统设置在口罩内部的步骤；

图41显示了将弹性带粘合到折叠口罩上的热压操作；

图42显示了具有EBC收集器和测试系统的口罩，EBC收集器和测试系统设置在口罩内部，处于呼出气的集中气氛中；

图43显示了一种传统的可弯曲金属鼻密封件，该金属鼻密封件设置在口罩的折叠部内，位于对应于测试对象鼻梁的位置；

图44显示了一个可更换的粘合剂鼻带，其设置在口罩的折叠部外部，位于对应于测试对象鼻梁的位置；

图45显示了磁性可移除鼻密封件的部件；

图46是测试系统的分解图，该测试系统包括可溶解流体坝，该流体坝将收集到的EBC阻挡在样本垫上，直到累积足够的EBC以释放到结合物释放垫上并使流体样本流过测试系统的部件；

图47是显示插入样本垫和结合物释放垫之间的可溶解流体坝的孤立视图；

图48是显示在可溶解流体坝已经被溶解掉以将累积的流体样本从样本垫释放到结合物释放垫之后的孤立视图；

图49是显示可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器的孤立视图；

图50是显示具有撞击在表面上的颗粒和液滴的可溶解液滴和颗粒收集器的截面的横截面侧视图；

图51是显示可溶解液滴和颗粒收集器的截面的横截面侧视图，其中颗粒嵌入到可溶解捕获薄膜中并且液滴溶解到可溶解捕获薄膜的检测试剂中并引起与检测试剂的检测反应；

图52是显示本发明测试系统的俯视图，该测试系统包括具有捕获的气溶胶液滴和气溶胶颗粒的可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器；

图53是显示具有捕获的气溶胶液滴和气溶胶颗粒的可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器的孤立透视图；

图54是显示包括可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器的本发明测试系统在捕获气溶胶液滴和气溶胶颗粒之前的俯视图；

图55是显示包括可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器的本发明测试系统在捕获气溶胶液滴和气溶胶颗粒之后的俯视图；

图56是显示与用于检测呼出气和/或环境大气的挥发性和气体成分的多个气体传感器一起安装在口罩基板上的包括可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器的本发明测试系统的俯视图；

图57是显示可溶解液滴和颗粒收集器的截面的横截面侧视图，其中颗粒和液滴撞击放置在溶解液体的烧杯中的表面上；

图58是显示可溶解液滴和颗粒收集器的截面的横截面侧视图，其中颗粒被释放到溶解液体的烧杯中并且液滴被溶解到烧杯中；

图59是其中可以实践示例性实施例的一种可能且非限制性的示例性系统的框图；

图60是用于确定COVID-19暴露的应用概率分析的逻辑流程图，并且示出了示例性方法的操作、在计算机可读存储器上实现的计算机程序指令的执行结果、由在硬件中实现的逻辑执行的功能、和/或用于根据示例性实施例执行功能的互连装置；

图61是用于受信任的接收者和接触者追踪用途的数据采集和传输的逻辑流程图，并且示出了示例性方法的操作、在计算机可读存储器上实现的计算机程序指令的执行结果、由在硬件中实现的逻辑执行的功能、和/或用于根据示例性实施例执行功能的互连装置；

图62是EBC/EBA收集系统的一个实施例的透视图；

图63是EBC/EBA收集系统的透视图，显示了移液器和移液器导引件；

图64是显示EBC/EBA收集系统的实施例的组成部分的分解图；

图65是EBC/EBA收集系统的组成部分的另一分解图；

图66是EBC/EBA收集系统的横截面图；

图67示出了使用EBC/EBA收集系统从测试对象的肺获取生物标志物样本；

图68是显示EBC/EBA收集系统的实施例的吹嘴、盖、基部、可溶解EBA样本收集器和内筒的孤立视图；

图69是显示具有捕获的EBA颗粒和液滴的可溶解EBA样本收集器和内筒的孤立视图；

图70显示了浸没在溶剂中的内筒，溶剂用于溶解可溶解EBA样本收集器，以获取捕获的EBA颗粒和液滴以进行生物标志物测试；

图71是形成气溶胶颗粒测试系统的可溶解EBA样本收集器的实施例的一部分的孤立视图，该系统具有捕获的EBA颗粒、不可溶解的测试区域和可溶解的捕获薄膜区域；

图72显示了捕获EBA液滴和/或颗粒的可溶解EBS样本收集器的实施例的一系列侧视图，显示了气溶胶颗粒测试系统，其中目标生物标志物被捕获并结合到不可溶解测试区域；

图73显示了保持在基板中的沟槽中的纳米颗粒，其中纳米颗粒包括捕获抗体或固定在其上的另一种试剂；

图74显示了从可溶解EBA样本收集器中冲洗掉的EBA颗粒和液滴，以形成包括颗粒或液滴中包含的任何生物标志物的流体样本；

图75示出了具有无线通信电子电路的EBA/EBC测试系统，该无线通信电子电路检测第一和第二生物标志物中的至少一种的测试结果并将结果传送到无线接收器；

图76显示了合并到呼吸器电路中的EBC/e-NSB测试系统；

图77显示了连续流实施例的元件，其中毛细管空间形成在传感器基板和毛细管盖之间的传感器测试区域处；

图78显示了具有EBC收集器、微流体和电子生物传感器的一次性口罩的内部；

图79显示了一次性口罩的外部，显示了从口罩内部的电子生物传感器到口罩外部的z轴导电带的电连接；

图80显示了自冷EBC收集器的组成部分；

图81显示了一个张开的口罩内部，具有用于收集和测试EBC和EBA的部件；

图82是用于测试EBC并将测试结果传输到智能手机和/或云服务器的基本部件的框图；

图83是显示一次性口罩内部的一次性部件和一次性口罩外部的可消毒部件的横截面侧视图；

图84是显示用于将电子器件保持和电连接到一次性口罩的磁性系统的横截面侧视图；

图85是显示将电子器件保持和电连接到一次性口罩的z轴导电带的横截面图；

图86显示了安装在格板上的可拉伸热熔粘合剂；

图87显示了在安装在格板上的可拉伸热熔粘合剂中形成的袋；

图88显示了设置在可拉伸热熔粘合剂中形成的袋中的吸热化合物；

图89显示了添加到保持吸热化合物的袋中的水袋；

图90显示了在可拉伸热熔粘合剂顶部的粘合片上的预层压铝箔；

图91显示了在压制层压形成EBC组合片的层之后的格板的底面；

图92显示了设置在可拉伸热熔粘合剂中的袋中的超吸收性聚合物；

图93显示了被水溶胀后的超吸收性聚合物；

图94显示了热压操作的EBC组合片的顶面；

图95显示了在疏水场上具有亲水通道的完整的EBC；

图96显示了用于自冷EBC的水袋和吸热化合物；

图97示出了用于形成Al箔和粘合片层压体的卷对卷工艺；

图98示出了用于形成EBC的卷对卷工艺；

图99是EBC的横截面图；

图100是用于形成EBC的卷对卷工艺的透视图；

图101是显示用于在用于形成EBC的可拉伸粘合剂中形成袋的格板的传送带的特写透视图；

图102显示了形成有袋的可拉伸的热熔粘合剂的一部分；图103显示了格板的传送带的一部分；

图104显示了可拉伸热熔粘合剂的一部分和格板的传送带的一部分；

图105显示了用于在固定到基板的电极之间形成对齐的纳米颗粒以形成电子生物传感器的卷对卷工艺；

图106显示了形成电子传感器的步骤；

图107显示了形成非功能化电子传感器的步骤，其中对齐的碳纳米管保持在基板上的电极之间的适当位置；

图108显示了功能化电子传感器的步骤，其中对齐的碳纳米管保持在基板上电极之间的适当位置；

图109显示了用于形成非功能化传感器的步骤，其中对齐的碳纳米管固定在粘合层上；

图110显示了用于形成非功能化传感器的连续过程，其中碳纳米管的湿电沉积/对齐锁定在平行导体之间；

图111显示了用于形成功能化传感器的连续过程，其中链接体/捕获分子在碳纳米管上的湿结合和培养锁定在平行导体之间；

图112显示组合在一起以施加电对齐力的印刷电极；

图113显示了在不同交流电压和频率下对齐的纳米管的示例；

图114显示了印刷电极图案；

图115显示了在印刷电极图案上形成的可选绝缘体；

图116显示了在基板上印刷电极图案的步骤；

图117显示了溶剂流体载体中未对齐的纳米管；

图118显示了流体载体中纳米管通过施加的交流电压的对齐；

图119显示了将未对齐的纳米管设置在流体载体中的步骤；

图120显示了施加交流电压以对齐纳米管的步骤；

图121显示了在溶剂流体载体蒸发后锁定对齐的对齐纳米管；

图122显示了添加链接体/适体分子以结合至对齐的纳米管；

图123显示了将对齐的纳米管锁定在电极之间的基板上的适当位置的步骤；

图124显示了添加在对齐纳米管顶部的非溶剂流体载体中的链接体/适体分子；

图125显示了结合纳米管上的链接体/适体的培养；图126显示了添加用于测试的流体生物样本；

图127显示了键合至对齐纳米管的链接体/适体；

图128显示了流体生物样本的添加，其中目标生物标志物被适体捕获；

图129显示了本领域已知的不同的电子和电化学生物传感器策略，其中至少一些可用于形成构造用于本文描述的用途和过程的传感器；

图130显示了平行导体的一部分，在导体对之间具有间隙，其可用于本文所述的一些用途和过程；

图131显示了平行导体的一部分，其具有在导体之间的间隙中对齐的纳米颗粒；

图132显示了从使用本文描述的过程形成的电子传感器的卷或片分离的电子传感器；

图133显示了一种替代的丝网印刷电极结构，包括用于形成本文所述的电子和电化学传感器的至少一些版本的参考电极；

图134显示了用于检测包含在测试对象呼出气中的生物标志物的基于口罩的诊断设备的实施例；

图135显示了呼出气冷凝物(EBC)收集器、蓄热体、流体转移系统和生物标志物测试单元，作为改装安装到由现有的口罩形成的呼出气蒸汽容纳体积中；

图136(a)显示了在EBC测试开始时测试对象佩戴的具有外部安装电子器件的口罩；

图136(b)显示了指示EBC测试结果的外部安装电子器件；

图137示出了具有电子生物传感器的基于呼吸的诊断设备的配置；

图138示出了基于呼吸的诊断设备的配置，其具有流体生物样本累积贮存器，用于将生物样本汇集在电子生物传感器上或用于将LFA的样本垫浸入累积的流体生物样本中；

图139显示了支持EBC收集器、流体转移系统和生物标志物测试单元的测试系统支架。

图140显示了设置在测试系统支架的背面的芯吸件；

图141示出了芯吸件的构造，包括粘附到微流体纸层的SAP层；

图142是示出具有SAP和微流体纸构造的芯吸件的横截面；

图143显示了用于将口罩内部的电子生物传感器与口罩外部的电子器件连接起来的连接销；

图144显示了基于呼吸的诊断设备的LFA配置，其具有由流体生物样本累积贮存器形成的汇集区域，该流体生物样本累积贮存器具有LFA条带，该LFA条带与样本垫一起设置在流体生物样本汇集区域中；

图145显示了LFA配置和准备好接收为特定目标生物标志物构建的LFA的汇集区域；

图146显示了LFA配置，其中测试系统改装到现有的口罩中；

图147显示了气密密封的LFA测试配置和口罩；

图148显示了改装到现有的口罩并由测试对象在测试开始时佩戴的LFA测试配置；

图149显示了在测试对象呼出气蒸汽转换为通过LFA转移的流体生物样本后的LFA测试配置，并显示了EBC测试结果的视觉指示；

图150显示了改装到现有的模制口罩中的电子生物传感器测试配置；

图151是显示了电子生物传感器测试配置的连接销刺穿现有的口罩的壁的特写；

图152显示了具有电子生物传感器测试配置的现有的模制口罩，其中电子电路设置在口罩的外部，通过连接销与电子生物传感器机械固定并电连接；

图153显示了设置在口罩外部的指示EBC测试结果的电子电路；

图154显示了在测试系统支架上支持的多生物标志物测试单元；

图155显示了用于将来自EBC收集器的流体生物样本提供给多生物标志物测试单元的每个电子生物传感器的流体转移系统；

图156显示了测试系统支架的背面，其具有用于使流体生物样本连续流过多生物标志物测试单元的芯吸件和用于改装到现有口罩中的粘合剂；

图157显示了用于将EBC输送到测试区域的具有亲水图案的流体导体；

图158显示了具有形成冷凝物形成表面的前表面的蓄热体；

图159显示了用于将EBC输送到生物标志物测试单元的测试区域的流体转移系统；

图160显示了生物标志物测试单元的电子生物传感器版本；

图161显示了用于支持EBC收集器、流体转移系统和生物标志物测试单元的测试系统支架，其被配置和尺寸设计为适合于现有的口罩内部；

图162显示了基于呼吸的诊断系统的组件；

图163显示了基于口罩的诊断系统的组成部分；

图164显示了流体导体的实施例的以英寸为单位的尺寸和几何形状；

图165显示了由口罩限定的呼出气蒸汽容纳体积，其中EBC收集器和基于呼吸的诊断系统的其他部分设置在容纳体积内；

图166显示了复合蓄热体；

图167显示了水/SAP凝胶蓄热体；

图168显示了具有水/SAP蓄热体和LFA生物标志物测试单元的基于呼吸的诊断系统的背面；

图169显示了具有冷凝物形成表面和流体导体通道的压花金属箔蓄热体；

图170显示了用于插入基于口罩的诊断系统的保持袋中的吸热蓄热体；

图171显示了一种滑石粉/粘合剂复合蓄热体；

图172显示了金属块蓄热体；

图173显示了由EBC收集器和设置在口罩内部的累积流体生物样本贮存器构成的口罩，其中LFA的样本垫位于贮存器中，并且至少LFA的视觉读出部分设置在口罩的外部；

图174显示了EBC收集器，其具有设置在口罩内部的呼出气蒸汽容纳体积中的蓄热体；

图175显示了具有包含可溶解粘合剂的流体坝的流体转移系统的构造；

图176示出了基于呼吸的诊断系统的分支版本的组件；

图177示出了基于呼吸的诊断系统的分支版本的组成部分的分解图；

图178显示了由压花金属箔冷凝物形成表面形成的分支版本，该表面具有形成流体转移通道的轮廓；

图179是基于呼吸的诊断系统的分支版本的横截面分解图；

图180是基于呼吸的诊断系统的分支版本的横截面组装图；

图181显示了具有基于呼吸的诊断系统的LFA版本的KN95现有口罩改装；

图182显示了设置在KN95口罩内部的改装测试系统，其中LFA设置在口罩内部；

图183显示了配置为场效应晶体管的电子生物传感器，其图表显示了目标分子与捕获分子结合开始时的输出信号；

图184显示了被配置为场效应晶体管的电子生物传感器，其中捕获了更多目标分子，并且图表显示了在目标分子开始与捕获分子结合之后的输出信号；以及

图185显示了被配置为场效应晶体管的电子生物传感器，其中捕获了更多目标分子，并且图表显示了在目标分子开始与捕获分子结合之后的输出信号。

具体实施方式

下面提供了对各种非限制性示例性实施例的进一步描述。本发明的示例性实施例，例如下面紧接着描述的那些，可以以任何组合(例如，任何合适、实际和/或可行的组合)来实施、实践或利用，并且不仅限于本文描述和/或包含在所附权利要求中的那些组合。

“示例性”一词在本文中用于表示“作为示例、实例或说明”。在本文中描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为比其他实施例更优选或有利。本详细说明中所描述的所有实施例都是为了使本领域的技术人员能够制造或使用本发明而提供的示例性实施例，而不是限制由权利要求限定的本发明的范围。

本文公开了许多配置、实施例、制造方法、算法、电子电路、微处理器、存储器和计算机软件产品组合、网络策略、数据库结构和使用以及其他方面，用于可穿戴电子数字治疗装置和系统，其具有多个医疗和非医疗用途。

尽管本文描述了用于检测SARS-CoV-2病毒的生物标志物的实施例，但所描述的系统、方法和设备不限于任何特定的病毒或疾病。在大多数情况下，使用术语病毒或COVID-19时，可以使用任何其他与健康或健身相关的生物标志物。因此，此处的描述以及附图和权利要求不旨在以任何方式限制病毒检测，所描述和要求保护的发明可用于许多疾病，包括肺癌、糖尿病、哮喘、肺结核、环境暴露、葡萄糖、乳酸、血液传播疾病和测试对象的其他疾病或健康迹象。此外，本文所述的电子生物传感器、测试系统、用途和制造方法不限于使用呼出气冷凝物。废水、饮用水、环境质量样本和任何体液都可以用作测试样本。特别地，适体的使用使本发明的传感器广泛有用，因为选择的适体的性质适用于特定的工程和选择以具有针对相应目标分析物定制的结合亲和力。因此，对创新的描述并不旨在限于特定的用例、捕获分子、生物标志物或分析物。

在免疫色谱法中，捕获分子，例如可以是适体、天然存在的抗体或工程抗体，被置于多孔膜的表面上，并且样本沿膜通过。如本文所述，术语抗体、适体、工程抗体或捕获分子可互换使用。在某些情况下，可以描述特定类型的捕获分子。样本中的生物标志物由与检测试剂偶联的捕获分子结合。当样本通过设置捕获分子的区域时，生物标志物检测试剂复合物被捕获，并且颜色与样本中存在的生物标志物的浓度或数量成比例。

在横向流动测定中，包含目标生物标志物的液体样本通过毛细作用流过多区域转移介质。这些区域通常由聚合物条带制成，使附着在条带上的分子能够与目标生物标志物相互作用。通常，重叠膜安装在背板上以提高稳定性和处理能力。包含目标生物标志物和其他成分的样本最终被接收在吸收样本垫处，该吸收样本垫促进流体样本通过多区域转移介质的芯吸。

流体样本首先被接收在样本垫处，该样本垫上可以设置或浸渍有缓冲盐和表面活性剂，以改善流体样本的流动和目标生物标志物与检测系统的各个部分的相互作用。这确保了目标生物标志物将在流体样本流过膜时与捕获试剂结合。处理过的样本通过结合物释放垫从样本垫迁移。结合物释放垫包含标记的抗体或其他捕获分子，这些分子对与目标生物标志物的结合具有特异性，并与有色或荧光指示剂颗粒结合。指示剂颗粒通常是胶体金或乳胶微球。

在结合物释放垫处，标记的抗体、指示剂颗粒和目标生物标志物结合以形成目标生物标志物标记的抗体复合物。如果存在生物标志物，则流体样本现在包含与标记的抗体结合并与目标生物标志物(即目标生物标志物标记的抗体复合物)结合的指示剂颗粒，以及与尚未结合至目标生物标志物的指示剂颗粒结合的单独的标记抗体。流体样本沿着条带迁移到检测区域。

检测区域通常是硝酸纤维素多孔膜并且具有设置在其上或浸渍在其中的形成测试线区域和对照线区域的特定生物成分(通常是抗体或抗原)。生物成分与目标生物标志物标记的抗体复合物发生反应。例如，目标生物标志物标记的抗体复合物将与通过竞争性结合设置在测试线上的特定选择的一抗结合。这导致有色或荧光指示剂颗粒在测试线区域积聚，形成可检测的测试线，指示目标生物标志物存在于流体样本中。

一抗不与单独的标记抗体结合，它们继续与流体样本一起流动。在对照线区域，二抗与结合到指示剂颗粒的单独标记抗体结合，从而指示适当的液体流过条带。

流体样本通过构成区域的材料的毛细力流过测试装置的多区域转移介质。为了保持这种运动，吸收垫附接作为多区域转移介质的末端区域。吸水垫的作用是吸走多余的试剂，防止液体样本倒流。

选择成分并将其布置在膜上，以便如果流体样本中不存在目标生物标志物，则不会存在流经测试线区域的目标生物标志物标记的抗体复合物。在这种情况下，不会有有色或荧光颗粒积聚，也不会形成可检测的测试线。即使没有生物标志物并因此没有检测线，仍然会形成一条对照线，因为二抗仍会与随流体样本一起流动的单独标记抗体结合。

取决于装置结构，测试和对照线可能会以不同的强度出现，并且可以通过眼睛或使用光学或其他电子阅读器来评估指示剂颗粒。可以在相同条件下同时测试多个生物标志物，其中特定于不同生物标志物的抗体的附加测试线区域以阵列形式设置在检测区域中。此外，加载相同抗体的多个测试线区域可用于目标生物标志物的定量检测。这通常被称为“阶梯棒”测定，基于每个连续线上的固定化抗体逐步捕获比色结合物-抗原复合物。条带上出现的线数与目标生物标志物的浓度成正比。

现在需要的是一种低成本、可扩展、准确且易于使用的测试系统，该系统可以通过邮件或快递部署到大众，供家庭使用。

研究人员已经能够检测到间质性肺病患者呼吸中的生物标志物(参见Hayton,C.,Terrington,D.,Wilson,A.M.等，Breath biomarkers in idiopathic pulmonaryfibrosis:a systematic review.Respir Res 20,7(2019).https://doi.org/10.1186/s12931-019-0971-8)。本发明测试系统的一个实施例检测存在于受感染、传染性或康复后个体的呼吸中的COVID-19特异性生物标志物。

本发明的COVID-19测试系统能够将呼出的蒸汽凝聚成液滴，然后使液滴样本通过流体生物传感器，例如横向流动测定(LFA)或电子纳米级生物传感器(e-NSB)，以实现非常低成本、可制造的大规模测试系统，可分发给大众进行居家分流测试。本发明的测试系统还可以用于除病毒检测之外的其他生物特征和环境测试应用。

LFA可用于检测呼吸中存在的各种生物标志物，包括细胞因子、蛋白质、半抗原(引发抗体的产生)、核酸和扩增子(RNA和DNA片段)(参见Corstjens PL,de Dood CJ,van derPloeg-van Schip JJ,等，Lateral flow assay for simultaneous detection ofcellular-and humoral immune responses.Clin Biochem.2011；44(14-15):1241-1246.doi:10.1016/j.clinbiochem.2011.06.983)。

用于高产量制造e-NSB的定向组装技术是已知的，其中该技术被证明可以选择性地将涂有特定抗体的纳米颗粒组装到单个微芯片表面上，以同时检测多个生物标志物。早期结果表明对远低于1ng/mL的浓度的敏感性——相对于市售的ELISA检测试剂盒而言，敏感性大大提高。该生物传感器非常小，直径约为25毫米，与传统的体外技术相比具有优势，因为它能够以极低的检测限检测疾病标志物，假阳性较少。这种能力对于在疾病监测中检测生物标志物浓度的微小变化非常有用(参见，Highly sensitive micro-scale in vivosensor enabled by electrophoretic assembly of nanoparticles for multiplebiomarker detection,Malima et al.,Lab Chip,2012,12,4748-4754)。

呼出气收集长期以来被认为是需要最少侵入性的方法，因此是环境和公共卫生研究的首选。与血液和尿液相比，呼吸采样不需要训练有素的医务人员或隐私，不会产生潜在的传染性废物，并且基本上可以在任何时间范围内的任何地方进行。尽管呼出气冷凝物(EBC)格式区分大多数非极性VOC，但它具有收集极性化合物和较重的生物标志物(包括半挥发性和非挥发性有机物、细胞因子、蛋白质、细胞碎片、DNA和细菌)的优势。呼出的气体还含有微小的气溶胶(包括液体和固体颗粒)，它们是由肺泡水平的表面膜破坏和上气道湍流产生的。这些气溶胶使原本归入肺内液体层的材料具有流动性，因此，它们是EBC中提供非挥发性生物标志物的部分。

从呼吸道获取临床标本的常用方法是鼻咽或口咽拭子、鼻咽抽吸物和洗鼻液、气管抽吸物、支气管肺泡灌洗液或收集痰液。这些技术中的每一种都有缺点：鼻咽和口咽拭子、抽吸物和清洗液会提供来自上呼吸道的粘液，这些粘液并不总是包含与下呼吸道相同的病毒载量或相同种类的病毒。收集患者在咳嗽和潮式呼吸期间产生的气溶胶颗粒可能为收集呼吸道病毒的诊断样本提供了一种非侵入性方法。在受感染患者的呼出气和咳嗽气溶胶中检测到呼吸道病毒，尤其是流感病毒。微生物气溶胶也可能更能代表病毒性疾病中的下呼吸道疾病，在这种疾病中，痰液的产生并不常见。

由于呼出气气溶胶采集是非侵入性的，重复样本采集应该比传统方法更能被患者接受。如果可以克服这些限制，呼出气气溶胶分析可能成为诊断呼吸道感染和监测病程和治疗反应的有用工具(参见Fennelly KP,Acuna-Villaorduna C,Jones-Lopez E,LindsleyWG,Milton DK.Microbial Aerosols:New Diagnostic Specimens for PulmonaryInfections.Chest.2020；157(3):540-546.doi:10.1016/j.chest.2019.10.012)。

EBC中识别了2000多种化合物(参见Montuschi P,Mores N,TrovéA,Mondino C,Barnes PJ,The electronic nose in respiratory medicine.Respiration.2013；85(1):72-84)并且它们中的许多被认为代表肺部疾病的敏感生物标志物(参见，Sapey E,editor.Bronchial Asthma:Emerging Therapeutic Strategies.Rijeka:InTech)。EBC中的生物标志物比整个身体系统更能描述肺部中发生的过程。

因此，呼出的生物标志物的特定概况可以揭示专门适用于肺部疾病诊断的信息。EBC是反映支气管肺泡细胞外肺液成分的生物基质。EBC作为基质的主要优点是其对呼吸道的特异性(液体不受身体其他部位发生的过程的影响)(参见Molecular Diagnostics ofPulmonary Diseases Based on Analysis of Exhaled Breath Condensate,Tereza

Petr

and Petr

Submitted:October 9th2016Reviewed:January 25th2018Published:September 5th 2018,DOI:10.5772/intechopen.7440)。

从肺到肺泡的所有部位的表面都涂有水性粘液层，可以雾化并携带各种非挥发性成分。EBC和EBA是用于评估人类健康和疾病状态的不同类型的呼吸基质。EBA代表总EBC的一部分，并针对较大的分子，例如脂肪酸和细胞因子，以及细胞部分、蛋白质、病毒和细菌，而不是气相。呼出气冷凝物(EBC)和呼出气气溶胶(EBA)中含有多种化合物，例如挥发性有机化合物(VOC)、NO、CO2、NH3、细胞因子和过氧化氢(H2O2)。位于脂肪组织中的VOC释放到血液中，然后通过肺泡和肺部气道交换到呼吸中。暴露后，一部分VOC也会滞留在呼吸道内。因此，VOC的呼吸浓度代表了血液浓度，但可以通过非侵入性方式获得样本，对个体几乎没有不适(参见Wallace MAG,Pleil JD.Evolution of clinical and environmental healthapplications of exhaled breath research:Review of methods and instrumentationfor gas-phase,condensate,and aerosols.Anal Chim Acta.2018；1024:18-38.doi:10.1016/j.aca.2018.01.069)。

EBC和EBA是用于生物标志物量化的有价值的非侵入性生物介质。EBC包含呼出的水蒸汽、可溶解气相(极性)有机化合物、离子物质，以及其他物质，包括溶解在共同收集的EBA中的半挥发性和非挥发性有机化合物、蛋白质、细胞碎片、DNA、溶解的无机化合物、离子和微生物群(细菌和病毒)(参见inters BR,Pleil JD,Angrish MM,Stiegel MA,Risby TH,Madden MC.Standardization of the collection of exhaled breath condensate andexhaled breath aerosol using a feedback regulated sampling device.J BreathRes.2017；11(4):047107.Published 2017Nov 1.doi:10.1088/1752-7163/aa8bbc)。

较早的参考报告在感染甲型流感病毒和乙型流感病毒的患者呼出气中检测到流感病毒RNA。尽管EBC样本中病毒RNA的浓度可能低于鼻拭子，但这些测试确实确定了呼出气中可检测到的流感病毒RNA。呼出气样本中的浓度范围为在阳性样本上每过滤器48至300个流感病毒RNA拷贝，对应于范围为每分钟3.2至20个流感病毒RNA拷贝的呼出气生成速率(参见Fabian P,McDevitt JJ,DeHaan WH等，Influenza virus in human exhaled breath:anobservational study.PLoS One.2008；3(7):e2691.Published 2008Jul16.doi:10.1371/journal.pone.0002691)。该参考文献表明，鼻拭子和咽拭子的RNA浓度通常可能高于EBC。然而，EBC中明显存在病毒RNA，具有足够灵敏度的EBC测试系统应该能有效检测病毒、细菌以及其他疾病和健康相关的生物标志物。

细菌和病毒的扫描电子显微镜(SEM)、聚合酶链反应(PCR)和比色法(VITEK2)表明，可以在1分钟内以100mL EBC的观察效率快速收集EBC中的细菌和病毒(参见Xu Z,ShenF,Li X,Wu Y,Chen Q,等(2012)Molecular and Microscopic Analysis of Bacteria andViruses in Exhaled Breath Collected Using a Simple Impaction and CondensingMethod.PLoS ONE 7(7):e41137.doi:10.1371/journal.pone.0041137)。

呼出的气体包含挥发性有机化合物(VOC)，它是数百个与多种生理和病理生理过程相关的小分子的集合。通过气相色谱和质谱(GC-MS)对呼出气的分析已在多项研究中准确诊断出ARDS。大多数识别的标志物与脂质过氧化有关。辛烷是少数被验证为ARDS标志物的标志物之一，并且在ARDS中可能病理生理地增加(参见Bos LDJ.Diagnosis of acuterespiratory distress syndrome by exhaled breath analysis.Ann Transl Med.2018；6(2):33.doi:10.21037/atm.2018.01.17)。

本发明的测试系统被设计为自我管理，没有什么比戴上口罩打开智能手机应用程序并启用数据传输和存储更复杂的了。可替代地，可以避免数据传输，无需存储数据，而是通过LED等机载指示器或通过智能手机应用程序私下提供结果指示。如果传输测试结果信号，则在进行任何无线传输之前，数据会在源(附接到口罩的电子器件)进行加密。隐私问题的处理达到或优于政府对电子病历的要求。本发明的测试系统可以包括无线通信能力，使测试数据能够与GPS位置信息一起使用，以协助向后和向前的接触者追踪，并且在流行病或大流行病的情况下，进一步加快人口增长部分安全复工和重启经济活动的能力，一旦接收到阳性检测结果，就可以通过实时接触者追踪确定可能接触过病毒的人。

生物特征数据的获取和使用是为了公共利益，但生物特征信息的收集带来了隐私问题的负担。可以考虑患者的生物特征数据有两种用途：用于预防和治疗的患者监测；以及人口研究以改善全球医疗保健。本发明的测试系统可以是为以下配置的软件和硬件：单独创建和维护的数据库，该数据库是仅与受信任的接收者共享的数据库(例如，通过安全的两步验证过程从患者那里访问数据的医疗保健提供者)；以及仅人口统计的数据，其存储匿名数据，这些数据将用于大数据分析，以发现与爆发相关的模式和趋势。为了最大限度地符合要求，可以允许测试对象选择数据报告级别：自我报告；仅与测试对象的注册HCP共享；或用于接触者追踪和电子病历的自动数据报告。获取的数据可以在源头匿名和加密(例如，通过与测试系统相关联的电子器件)。使用智能手机应用程序，测试对象始终可以控制他们的测试数据的报告方式，并且可以选择退出或加入数据共享级别。

图1显示了横向流动测定(LFA)测试系统，显示了添加到样本垫的生物标志物样本。图2显示了LFA，其中在结合物释放垫处形成生物标志物标记的抗体复合物。图3显示了生物标志物在测试线上的结合，表明生物标志物的存在。

可以与本发明的EBC收集系统一起使用的另一个测试系统使用电子纳米级生物传感器(e-NSB)。与LFA类似，e-NSB具有更高灵敏度的潜力，可用于提供直接到电的信号以实现例如简单的无线连接。本发明的具有e-NSB测试的EBC收集系统可轻松部署，作为对现有接触者追踪APP的补充。纳米尺寸意味着许多检测器是在单个晶片上一次制造的，或者如本文所述，通过大批量轧制制造工艺制造，以实现低成本、高产量制造。

图4显示了生物传感器检测系统的机制。简单地说，流体生物传感器的主要部件包括样本源(a)；用生物标志物特异性生物受体功能化的生物传感器区域(b)；以及用于生成可读信号的换能器(c)。生物受体与特定的目标生物标志物相匹配，用于锁和钥匙选择性筛选。具有一定浓度目标生物标志物(可能小至单个分子)的流体样本流入生物传感器场。一些生物传感器“锁”接收生物标志物“钥匙”。这会导致换能器的输出发生可检测的变化，换能器将生物传感器输出转换为可读信号，用于放大和数据处理。

例如，所需的生物标志物也可以是表明从Covid-19感染中恢复的抗体。流体样本可以作为汗液或呼吸液滴或其他体液接收，如果目标抗体存在于样本中，它会与生物标志物特异性生物受体相互作用。生物受体输出具有规定灵敏度的信号，换能器生成例如电导率等电特性的变化，表明流体样本中存在抗体生物标志物。

根据一个实施例，用于检测生物标志物的设备包括用于将蒸汽转换为具有生物标志物的流体样本源的液滴收集和通道结构、用生物标志物特异性生物受体功能化的生物传感器区域、以及用于响应于从样本源接收生物标志物根据生物受体的变化生成可读信号的换能器。

使用纳米级传感器技术可以检测极低浓度的目标生物标志物，例如病毒RNA、蛋白质和/或抗体，同时避免抽血的需要。根据本发明的测试系统的一个实施例，液滴收集和通道机构使用疏水场来收集流体并且使用亲水通道来使液滴移动到纳米传感器上。这种机构使本发明的系统可用于创建非常便宜、可扩展的可制造COVID-19测试，该测试不需要任何血液或由熟练的技术人员、护士或医疗保健提供者进行测试。

基于口罩的测试系统实施例使用具有独特的水滴收集和通道结构的纳米级流体生物传感器技术。这种结构解锁了纳米级传感器的使用，用于检测可能低至目标生物标志物的单个分子。这使得任何体液中存在的即使是非常低浓度的抗体、蛋白质和其他化学生物标志物也可以检测出来，而无需抽血。

一个非限制性实施例建立在由Daniels发明并于2020年4月10日公布的PCT/US19/45429、METHODS AND APPARATUS FOR A WEARABLE ELECTRONIC DIGITAL THERAPEUTICDEVICE中描述的汗液化学传感器技术的基础上，该专利通过引用整体并入本文。本文描述的本发明实施例包括COVID-19测试系统，该系统可以在大规模人口测试所需的数百万个单元的容易获得的大批量制造设备上大规模生产。测试系统的一个实施例使用具有独特的水滴收集和通道结构的纳米级流体生物传感器。

这种结构使纳米级传感器能够用于检测体液样本中的COVID-19生物标志物，例如呼吸冷凝物。该系统无需抽血、昂贵的设备或受过技术培训的人员即可检测抗体、蛋白质、RNA和其他化学COVID-19生物标志物的生物标志物。所提出的系统可以被配置为至少第一次通过/不通过测试，该测试可以确定谁应该通过传统测试方法更准确地测试。

需要一种低成本、准确、易于使用的COVID-19测试系统，理想情况下可以邮寄并在家中自行管理。例如，当前的测试方案要求使用鼻拭子进行RNA测试以显示活动性感染，或者从人身上采集血液样本，以测试是否具有足够的COVID-19病毒抗体以具有免疫力。这些测试通常需要打破隔离并前往技术人员、护士或其他医疗保健提供者进行测试的测试站点。我们提出了一种测试系统，可以用作第一次通过/不通过评估，以首先查看是否需要更精细和更昂贵的测试方法。例如，可以在家中完成的廉价、易于使用的测试系统发现呼吸或汗液中存在低浓度的COVID-19抗体，然后可以用作个人前往测试设施以更准确地确定该人对进一步感染COVID-19的免疫力的动力。

图5是可穿戴电子呼吸化学传感器的侧视图。图6是可穿戴电子呼吸化学传感器的俯视图。生物特征传感器被调整以检测至少一种与COVID-19抗原、RNA和/或抗体的存在相关联的生物特征指标。液滴收集器将EBC液滴吸入转移孔。传感器被液滴润湿，然后液滴通过芯吸吸入芯吸/蒸发材料。新鲜液滴的连续流过传感器。疏水场促使EBC成珠并迁移到亲水通道。锥形亲水通道利用表面张力将汗液吸入汗液转移孔。Cytonix和Wacker等公司可提供疏水性和亲水性丝网印刷油墨。

图7是呼出气冷凝物(EBC)液滴样本收集器的孤立视图。图8是显示形成EBC液滴收集器的步骤的俯视图。图9是显示形成EBC液滴样本收集器的另一个步骤的俯视图。图10是显示形成EBC液滴样本收集器的又一步骤的俯视图。图11是显示形成EBC液滴样本收集器的又一步骤的俯视图。图12示出了显示EBS液滴的EBC样本收集器。根据一个非限制性示例性实施例，一种居家分流的COVID-19测试系统使用呼出气冷凝物(EBC)作为生物标志物流体样本。呼吸是病毒抗原、抗体和RNA的特殊来源。EBC可以使用确定的方法进行分析，包括横向流动测定、纳米级生物受体和光子定量测定。EBC产生比鼻拭子更清洁的样本进行测试，是非侵入性的，比抽血更容易。然而，收集EBC通常需要一个大而昂贵的冷却器，并且总是在临床环境中完成。

全世界都在大力推动对COVID-19病毒进行充分测试。传统的PCR测试从鼻拭子或痰液中检测到死病毒。该测试确定一个人是否具有传染性。该测试成本高昂，需要经过培训的人员和机器，并且由于样本的收集、运输和处理，在获得测试结果方面存在延迟。PCR还需要大量的化学试剂并导致大量的假阴性。抗体测试检测人体对病毒的免疫反应。它通常需要血液样本。抗体测试可能相对较快，并且确实需要经过培训的人员。假阳性很常见，因为其他病毒可能会导致抗体。

EBC已用于快速检测微生物DNA和RNA以证明细菌和病毒肺部感染(参见Xu Z,ShenF,Li X,Wu Y,Chen Q,Jie X,et al.Molecular and microscopic analysis of bacteriaand viruses in exhaled breath collected using a simple impaction andcondensing method.PLoS One 2012；7:e41137.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22848436)。

鼻拭子样本通常包含许多背景生物材料，由于样本中存在其他分子，因此更难识别病毒的RNA。呼吸冷凝物自然富含病毒，而混杂分子的浓度要低得多(参见https://www.zimmerpeacocktech.com/products/electrochemical-sensors/covid-19-and-pcr-on-the-breath/)。

抗体存在于呼吸蒸汽中。IgA抗体存在于鼻子和呼吸道等身体部位。IgG抗体存在于所有体液中，是最常见的抗体(75％至80％)，在对抗细菌和病毒感染方面非常重要。IgE抗体存在于肺、皮肤和粘膜中(参见https://www.uofmhealth.org/health-library/hw41342)。

病毒抗原存在于气道粘膜液(ALF)中。EBC是一种对气道粘膜液(ALF)进行采样的非侵入性方法。ALF的成分是呼吸树衬液的代表。ALF是直接受呼吸细胞影响的生物标志物浓度的量度(参见Exhaled breath condensate:a comprehensive update,Ahmadzai等,Clinical Chemistry and Laboratory Medicine(CCLM)51,7；10.1515/cclm-2012-0593)。

尽管EBC可能是指示COVID-19病毒感染和恢复阶段以及其他医疗和健身用途的生物标志物的特殊来源，但用于获取EBC流体样本的传统设备又大又昂贵，并且仅用于临床上。传统设备需要冷却器，并且设计用于相对较大的样本收集。这使得传统的EBC采样设备不适合居家测试。

本发明的EBC样本收集器的一个实施例包括疏水场，该场使蒸汽形成珠状液滴。亲水通道聚结并转移液滴以形成可接近的EBC流体样本。疏水场和亲水通道可以被丝网印刷或以其他方式涂布在蓄热体铝片基板上，抛光铝片本身可以是疏水场而无需进一步处理。在使用测试系统之前可以冷却该基板以改善EBC收集。本发明的EBC样本收集器使低成本的横向流动测定、电子生物传感器和其他测试系统可用于居家分流测试。CDC表示，快速开发廉价的筛查测试至关重要。本发明的EBC样本收集器使这种筛查测试对于大规模部署到大部分人群是可行的。没有必要打破隔离。不需要熟练的技术人员、诊所或实验室设备。可以修改非常大批量的现有制造方法，以生产多张合并(一次多个)丝网印刷EBC样本收集器。低成本铝基板充当蓄热体，可以冷却以更快地收集液滴。批量制造可用于在片材上制造多张合并LFA模块，其格式可快速适应超高批量卷对卷制造。

图13示出了应用于LFA测试系统的EBC样本收集器。图14是显示EBC样本收集器的丝网印刷亲水通道、丝网印刷疏水场和蓄热体基板的分解图。第一发射器/检测器对用于确定测试线(T)处的新型冠状病毒N蛋白是否已被IgM-IgM复合物结合。第二发射器/检测器对用于确定游离抗人IgM抗体是否已在对照线(C)处与抗小鼠抗体结合，以确认流体样本已通过转移介质并且测试已正确执行。

根据一个实施例，一种形成生物标志物测试系统的方法包括形成呼出气冷凝物流体样本收集器。形成呼出气冷凝物流体样本收集器包括以下步骤：提供基板、在基板上涂布疏水场、以及在基板上涂布至少一个亲水通道。疏水场用于接收体液蒸汽并从接收到的体液蒸汽形成流体液滴，亲水通道用于接收液滴并将流体液滴引导至测试系统。至少一个流体样本排放孔可以形成在亲水通道的一端，用于将流体液滴通过至少一个流体样本排放孔排放到测试系统的样本接收结构上。

可以提供至少一个光电发射器和一个光电检测器，其中光电发射器向生物标志物测试区域发射辐射并且光电检测器接收来自生物标志物测试区域的辐射。图15是显示LFA的组成元件的分解图。图16示出了包括光子发射器/检测器电子器件的LFA的实施例。在免疫色谱法中，捕获抗体被放置在多孔膜的表面上，样本沿着膜通过。样本中的生物标志物与抗体结合，然后与检测试剂偶联。当样本通过设置捕获试剂的区域时，生物标志物检测试剂复合物被捕获，并且呈现与样本中存在的生物标志物成比例的颜色。光子发射器/检测器对能够实现生物标志物的成比例定量测量，其中如果流体样本由检测器处接收到的光子的强度或计数确定，则测量生物标志物浓度。

固相横向流动测试平台是广泛用于家庭妊娠测试的免疫色谱法的示例。横向流动测试受益于使用溶胶颗粒作为标记。无机(金属)胶体颗粒的使用通常用作免疫测定的标记，并且使用几种技术来测量结合的结合物的量。这些包括肉眼、比色法和原子吸收分光光度法。比色法应用Beer-Lambert定律，该定律指出溶质的浓度与吸光度成正比。在较高的抗原浓度下，免疫色谱法的结果可以用肉眼读取(例如，典型的家庭妊娠测试)。对于较低浓度，比色法的灵敏度比肉眼读数高30倍以上。

根据一个实施例，免疫色谱法用于检测COVID-19生物标志物的存在。通常，免疫色谱法是利用毛细力和抗体与其抗原的特异性和快速结合，通过介质分离混合物中的成分。干转移介质分别涂有新型冠状病毒N蛋白(“T”测试线)和抗小鼠抗体(“C”对照线)。游离胶体金标记的抗人IgM位于释放垫部分(S)。本发明的蒸汽聚结和液滴收集结构用于获得呼吸冷凝物的流体样本。该流体样本被施加到释放垫部分。抗人IgM抗体与至少一些IgM抗体(如果存在的话)结合，形成IgM-IgM复合物。流体样本和抗体通过毛细作用移动通过转移介质。如果液体样本中存在冠状病毒IgM抗体，则检测线(T)处的新型冠状病毒N蛋白将与IgM-IgM复合物结合并显色。如果样本中没有冠状病毒IgM抗体，则游离的抗人IgM不会与检测线(T)结合，不会显色。游离的抗人IgM抗体将与对照线(C)处的抗小鼠抗体结合，使对照线显色，确认液体样本已通过转移介质并且已正确执行测试。

图17示出了应用于纳米级生物传感器测试系统的EBC样本收集器，并显示了用于将收集的液滴挡在样本垫上的拉片。图18是显示应用于测试系统的EBC样本收集器的透视图。图19是显示设置在样本垫和结合物释放垫之间的拉台的孤立视图。EBC流体样本将在一段时间内被收集，通过亲水通道从疏水场收集，并流过流体样本排放孔以积聚在样本垫中。典型LFA使用添加到样本垫中的大约3滴缓冲样本。根据一个示例性实施例，缓冲材料和表面活性剂可以以干燥形式加入到样本垫中，使得主要是水的EBC样本将适合作为直接施加的流体样本而不需要添加流体缓冲剂。当一个人在休息时，每小时产生大约17.5毫升EBC(参见“How much water is lost during breathing？”,Zieliński et al.,PneumonolAlergol Pol2012；80(4):339-342)。每毫升有20滴。因此，休息时每小时有可能收集约350滴EBC。仅约3％的EBC样本收集器的收集效率应从休息的个体在约15分钟内为流体样本提供足够数量的EBC液滴。

根据一个实施例，一种用于检测生物标志物的设备包括用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本的液滴收集结构和具有用于接收流体样本和检测生物标志物的生物标志物测试区域的测试系统。液滴收集结构可包括用于接收呼吸蒸汽并从接收的呼吸蒸汽形成流体液滴的疏水场和用于接收流体液滴并将流体液滴引导至测试系统的亲水通道中的至少一个。流体坝构件可以设置在液滴收集结构和生物标志物测试区域之间。

测试系统可以包括流体横向流动测定，其包括用于接收可能含有生物标志物的流体样本的样本垫、结合物释放垫、流体膜和用于接收流体样本并使流体样本流动以检测来自样本源的潜在生物标志物的吸收垫。流体坝构件设置在样本垫和结合物释放垫之间，该流体坝包括拉片结构以使测试对象能够移除流体坝构件并允许流体样本从样本垫流向结合物释放垫。

为了通过测试系统冲洗EBC流体样本，提供了流体坝以在EBC累积时将其阻挡在样本垫上。例如，流体坝可以是一片涂有硅树脂(但不限于)的离型纸，形成设置在样本垫和结合物释放垫之间的拉片。拉片固定在顶部粘合剂上并允许EBC流体样本的累积。在经过足够长的时间以用足够的EBC流体样本浸透样本垫后，测试对象将拉片拉出，使EBC流体样本从样本垫流向结合物释放垫。这使得EBC流体样本能够通过毛细作用冲过测试系统的各种成分。允许EBC流体样本在样本垫上积聚，以便移除拉片一次性释放样本流，以确保足够的样本流并促进测试一致性。

图20是具有流体转移孔的丝网印刷液滴样本收集器的孤立视图。图21是显示从EBC样本收集器收集的流体样本在光子发射器/检测器对之间流动的横截面图。在该实施例中，另一种体液，例如汗液，可以与EBC样本收集器一起使用，该EBC样本收集器被配置为从皮肤收集汗液滴，而不是将呼吸蒸汽凝聚成呼出气冷凝物。应注意，本文所述的任何实施例和创新可用于其他医疗和健身用途，用于除了所述用于COVID-19测试的用途之外或替代所述用途的其他疾病或病毒测试或生物特征检测。

本发明的COVID-19测试系统的实施例的大多数部件的制造技术、设备和材料是容易获得的并且是众所周知的。例如，为了创建我们的流体收集和液滴通道结构，丝网印刷用于对来自Cytonix和Wacker等公司的吸水性和疏水性油墨进行图案化。针对数亿个测试单元的快速丝网印刷所需的制造能力并不短缺。流体生物传感器部件可以使用可从诸如Conductive Technologies,Inc.,York,PA,USA的公司获得的高产量设备制造，并且用于使生物传感器功能化的化学物质可从诸如RayBiotech,Peach Tree Corners,GA,USA的公司获得。其他必要的制造步骤，例如引线键合和印刷电路板制造，将使用于类似用于半导体和电路板电子器件的相同的通用机器。

图22显示了用于构建LFA测试系统的步骤的侧视图，不一定按顺序排列。图23显示了用于构建LFA测试系统的步骤的俯视图。图24显示了作为一个批次形成的LFA测试系统的4×9成组的多张合并片。图25显示了用于形成一卷底部粘合剂/背衬基板/顶部粘合剂的卷对卷制造工艺。

图26是示出底部粘合剂/背衬基板/顶部粘合剂叠层的透视图。图27显示了用于在一卷底部粘合剂/背衬基板/顶部粘合剂上形成LFA的组成元件的卷对卷制造工艺。图28显示了通过从连续卷切割的卷对卷工艺形成的LFA测试系统，并显示了用于将LFA测试系统粘附到单独形成的ENC样本收集器的顶部粘合剂的一部分。图29显示了通过从连续卷切割的卷对卷工艺形成的LFA测试系统，并显示了用于粘贴到诸如口罩的可穿戴服装上的底部粘合剂的一部分。图30显示了在具有液滴收集孔的蓄热体基板上具有疏水场涂层的基板片。图31显示了具有亲水通道的涂层的在具有液滴收集孔的蓄热体基板上具有疏水场涂层的基板片。

图32显示了EBC样本收集器和测试系统，其具有用于无线数据采集和传输的电子器件，以及独立的受信任的接收者和公共区块链数据路径和存储。Villanova University最近发布了一个利用区块链帮助医疗机构全球追踪冠状病毒病例的示例。私有区块链在世界各地的医疗机构之间共享，以在受信任的、不可变的分流账上发布医生之间的冠状病毒测试结果。物联网和人工智能用于调查可能发生高风险聚会的公共场所，并通过区块链触发警报。(参见https://www1.villanova.edu/university/experts/spotlight-detail.html？spotlight＝7180)。

根据示例性实施例，具有生物标志物检测的EBC收集系统可以利用自我报告或自动数据收集来与新的或现有的APP一起用于接触者追踪和电子病历。获取的数据可以在源头匿名和加密(例如，在与测试系统相关联的电子器件上)。第一数据流/数据库允许受信任的接收者访问患者识别数据，而第二数据流/数据库提供匿名数据，这些数据可以作为开源或其他数据传输、存储和利用机制提供，而无需识别是数据源来自谁。

本发明的测试系统具有成本非常低的潜力，可在传统信封中运输，以大规模分发到目标区域、州或国家的每个家庭。这使得更高比例的人口能够至少接受基线测试，表明他们是否应该跟进免下车访问、医院或诊所测试设施以进行更精细的测试。

本发明的COVID-19测试系统可以同时检测两种或更多种病毒生物标志物。例如，RNA或蛋白质测试可以与抗体测试相结合。通过测试这两种生物标志物，假阴性的可能性在统计学上显著降低，并且可能是一种更可取的方法。

提议的COVID-19测试系统可以合并到个人防护设备中，例如口罩，或作为贴在身体上的贴片提供，或作为独立测试单元提供，类似于家庭妊娠测试。该生物样本可以从唾液、血液、尿液、EBC、泪液、痰液、粪便或任何其他可能含有目标分析物的材料中获得。可以使用缓冲液和稀释剂，如果需要，可以使用培养和扩增技术，例如用于传统PCR测试的技术。

测试系统可以包括无线通信能力，例如RFID、近场通信、WiFi、蜂窝和蓝牙。例如，这将使测试数据与GPS位置信息一起使用，以协助接触者追踪，并进一步加快越来越多的人口重返工作岗位和重启经济活动的能力，并通过实时接触者追踪来确定可能接触过病毒的人。

作为对基本系统的增强，可以获取生物特征数据并将其用于公共利益。生物特征信息的收集带来了隐私问题的负担。可以考虑患者的生物特征数据有两种用途：用于预防和治疗的患者监测；以及人口研究以改善全球医疗保健。本发明的系统使用单独创建和维护的数据库。

还可以检测、记录和/或传输诸如本文关于实施例所描述的那些生物特征参数，从而能够获得患者疾病进展、治疗、治疗过程、测量的治疗结果等的详细历史，并且可以可用于改善对特定患者的护理，并与其他患者的数据一起提供重要数据，以协助新药发现、治疗修改以及由在药物治疗和/或其他治疗过程中直接从患者获取的生物特征数据的检测、传输、存储和分析。

图33显示了热粘合口罩的制造过程。图34显示了通过卷对卷层压工艺粘合或单独切割成坯料以形成预成型口罩叠层的织物、过滤器和其他层。图35显示了预成型口罩叠层的诸如生物反应性银织物和热熔粘合剂的其他材料。COVID-19的高度传染性和致命影响导致对个人防护口罩的需求增加。对于医疗保健提供者、警察和其他人来说，一次性口罩是一个很好的解决方案，因为他们的工作使他们经常与可能感染或未感染病毒的人接触。例如，在患者之间更换一次性口罩的能力可确保医生或护士拥有新鲜、干净、未受污染的口罩，以更好地保护自己并保护患者免受病毒传播。然而，一次性口罩对于普通人群来说并不是一个好的解决方案。与一次性口罩相关联的成本和浪费使其成为大多数人的糟糕解决方案。相反，需要一种低成本、易于制造并且理想地可以在传统的家用洗衣机和烘干机中消毒的口罩。

图36是口罩叠层的分解图。图37显示了用于第一次和第二次热压操作的口罩叠层的折叠线。图38显示了折叠、压制和热粘合的口罩。图39显示了EBC收集器和测试系统与折叠口罩的附接。图40显示了将折叠口罩翻转过来以将EBC收集器和测试系统设置在口罩内部的步骤。图41显示了将弹性带粘合到折叠口罩上的热压操作。

图42显示了具有EBC收集器和测试系统的口罩，EBC收集器和测试系统设置在口罩内部，处于呼出气的集中气氛中。根据一个非限制性实施例，提供了一种基于口罩的测试系统，用于检测从测试对象的肺和气道接收的生物标志物。呼出气冷凝物(EBC)收集器设置在测试对象佩戴的口罩的内部。EBC收集器将从测试对象的肺和气道接收到的呼吸蒸汽转换为流体生物样本。EBC收集器具有蓄热体和正面，该正面接收温度高于正面的表面温度的呼吸蒸汽并将呼吸蒸汽转换为比呼吸蒸汽的温度低的液体。EBC收集器包括位于正面的液滴收集结构，该结构包括用于接收呼吸蒸汽并从接收到的呼吸蒸汽形成液滴的场，以及用于接收来自场的液滴并将液滴引导在一起以形成收集的流体生物样本的通道。

生物传感器固定在口罩上，用于接收来自EBC收集器的流体生物样本并测试流体生物样本的目标生物标志物。生物传感器生成至少取决于流体生物样本中目标生物标志物的存在和不存在的测试信号。固定到口罩的电子电路接收测试信号，根据检测到或未检测到目标生物标志物从测试信号中确定测试结果信号，并将测试结果信号传输到远程接收器。

图43显示了一种传统的可弯曲金属鼻密封件，该金属鼻密封件设置在口罩的折叠部内，位于对应于测试对象鼻梁的位置。图44显示了一个可更换的粘合剂鼻带，其设置在口罩的折叠部外部，位于对应于测试对象鼻梁的位置，图45显示了磁性可移除鼻密封件的部件。

图46是测试系统的分解图，该测试系统包括可溶解流体坝，该流体坝将收集到的EBC阻挡在样本垫上，直到累积足够的EBC以释放到结合物释放垫上并使流体样本流过测试系统的部件。流体坝构件可以设置在液滴收集结构和生物标志物测试区域之间，其中流体坝构件包括可移除的防潮片构件和用于从液滴收集结构累积流体样本并释放累积的液体样本以流向生物标志物测试区域的可溶解薄膜中的至少一种。流体样本测试系统包括流体横向流动测定，包括用于接收流体样本的样本垫，该流体样本可能含有作为第二生物标志物的生物标志物、结合物释放垫、流体膜和用于接收和流动流体样本以检测来自样本源的潜在生物标志物的吸收垫。流体坝构件可以设置在样本垫和结合物释放垫之间，流体坝包括拉片结构以使测试对象能够移除流体坝构件并允许流体样本从样本垫流到结合物释放垫。可以提供至少一个光电发射器和一个光电检测器，其中光电发射器向生物标志物测试区域发射辐射并且光电检测器接收来自生物标志物测试区域的辐射。

图47是显示插入样本垫和结合物释放垫之间的可溶解流体坝的孤立视图。图48是显示在可溶解流体坝已经被溶解掉以将累积的流体样本从样本垫释放到结合物释放垫之后的孤立视图。本发明的居家测试系统可用于COVID-19、其他病毒、细菌、环境、癌症、哮喘、糖尿病、健身或其他医疗用例。基本前提是使用口罩收集呼出气冷凝物(EBC)和呼出气气溶胶(EBA)。

EBC通过疏水/亲水液滴收集结构收集并引导到测试系统(例如，横向流动测定或电子生物传感器)。为了有效地收集和累积EBC，可使用可溶解材料来调节毛细管填充时间。这允许阻止来自液滴收集结构的液体样本(EBC)的流动，直到累积足够的样本以通过毛细作用冲洗液体通过测试系统。为捕获EBA，可使用在可溶解薄膜的表面上或薄膜中的悬浮液滴和气溶胶颗粒，其中薄膜表面是粘性的，这样在呼吸或咳嗽时呼出的颗粒会粘在粘性表面上。如果薄膜也是水溶解的，呼吸液滴也会被吸收到薄膜中。此COVID-19测试系统可用于使用EBC进行筛查(即通过/不通过分流测试)，如果EBC测试表明目标生物标志物(例如COVID-19抗体或RNA)检测呈阳性，则将口罩运送到测试实验室，对捕获的EBA进行分析。

图49是显示可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器的孤立视图。图50是显示具有撞击在表面上的颗粒和液滴的可溶解液滴和颗粒收集器的截面的横截面侧视图。在所提议的测试系统的增强版本中，提供了气溶胶颗粒收集系统来捕获测试对象呼出或咳嗽的病毒生物标志物。从肺到肺泡的所有部位的表面都涂有一层水性粘液层，其可以雾化并携带各种非挥发性成分。EBC和EBA是用于评估人类健康和疾病状态的不同类型的呼吸基质。EBA代表总EBC的一小部分，并针对较大的分子，例如脂肪酸和细胞因子，以及细胞部分、蛋白质、病毒和细菌，而不是气相(参见Wallac e MAG,Pleil JD.Evolution of clinical andenvironmental health applicati ons of exhaled breath research:Review ofmethods and instrumentation for gas-phase,condensate,and aerosols.Anal ChimActa.2018；1024:18-38.doi:10.1016/j.aca.2018.01.069)。

图51是显示可溶解液滴和颗粒收集器的截面的横截面侧视图，其中颗粒嵌入到可溶解捕获薄膜中并且液滴溶解到可溶解捕获薄膜的检测试剂中并引起与检测试剂的检测反应。图52是显示本发明测试系统的俯视图，该测试系统包括具有捕获的气溶胶液滴和气溶胶颗粒的可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器。颗粒捕获机构可以是具有粘性表面的可溶解薄膜并且可以包括对一种或多种目标生物标志物的视觉检测反应。与视觉检测化学物质反应的可溶解生物标志物生成EBA中存在生物标志物的视觉指示。不可溶解颗粒被捕获在粘性表面上并嵌入捕获薄膜中，因此可以轻松地将其运送到实验室进行分析。可溶解的粘合剂可以例如从宾夕法尼亚州的Adhesives Research公司获得。例如，如果EBC测试系统用于居家筛查，EBC目标生物标志物的阳性测试结果可用于提示测试对象邮寄回测试系统，以便从EBA样本中捕获的颗粒可以使用更先进的实验室设备进行进一步分析。

用于从测试对象的呼吸中检测生物制剂的本发明系统包括用于将呼吸蒸汽凝聚成液滴以形成流体生物样本的呼出气冷凝物液滴收集器、用于从呼吸液滴收集器接收流体生物样本并测试目标生物标志物的测试系统、以及用于检测目标生物标志物的测试结果并将结果传送到无线接收器的无线通信电子电路。

可以提供一种呼出气气溶胶捕获系统，其包括具有用于接收呼出气气溶胶的表面的片状构件，所述呼出气气溶胶包含颗粒和液滴中的至少一种。该表面可以是不可溶解压敏粘合剂或可溶解薄膜的暴露部分，该可溶解薄膜形成于、涂布、粘附到片状构件上或与片状构件成一体。可溶解薄膜具有通过将颗粒和液滴中的至少一种嵌入或溶解到表面上或可溶解薄膜中的至少一种来有效接收和捕获颗粒和液滴中的至少一种的组合物。

表面和可溶解薄膜中的至少一种包括用于与至少一种颗粒和液滴反应的试剂，用于检测至少一种颗粒和液滴中目标生物标志物的存在。

图53是显示具有捕获的气溶胶液滴和气溶胶颗粒的可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器的孤立透视图。图54是显示包括可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器的本发明测试系统在捕获气溶胶液滴和气溶胶颗粒之前的俯视图。图55是显示包括可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器的本发明测试系统在捕获气溶胶液滴和气溶胶颗粒之后的俯视图。

在提议的COVID-19测试系统的进一步增强版本中，可以与EBC和/或EBA收集系统一起包括纳米传感器阵列，以测试VOC、一氧化氮和其他特定于病毒和/或伴随的身体因接触COVID-19而发生的变化的气体生物标志物。图56是显示与用于检测呼出气和/或环境大气的挥发性和气体成分的多个气体传感器一起安装在口罩基板上的包括可溶解EBC液滴和EBA颗粒收集器的本发明测试系统的俯视图。在实际感染流感的患者中，炎症反应的一个共同特征是肺泡和气道上皮细胞生成大量挥发性产物。这些产物包括许多挥发性有机化合物(VOC)和一氧化氮(NO)。这些可用作检测疾病的生物标志物。一个研究小组表明，基于便携式3传感器阵列微系统的工具可以检测流感感染生物标志物(例如，参见Gouma PI,Wang L,Simon SR,Stanacevic M.Novel Isoprene Sensor for a Flu Virus BreathMonitor.Sensors(Basel).2017；17(1):199.Published 2017Jan 20.doi:10.3390/s17010199)。气体传感器可以与本发明测试系统的其他生物特征检测能力所使用的相同电子器件和无线通信系统连接。

图57是显示可溶解液滴和颗粒收集器的截面的横截面侧视图，其中颗粒和液滴撞击放置在溶解液体的烧杯中的表面上。图58是显示可溶解液滴和颗粒收集器的截面的横截面侧视图，其中颗粒被释放到溶解液体的烧杯中并且液滴被溶解到烧杯中。在提议的用例中，本发明的测试系统可以通过国家、州或区域的邮件或快递系统大规模分发。本发明的测试系统可以结合到所示的口罩中，或者作为可以容易地改装到现有口罩中的独立系统提供。作为EBC液滴收集器的替代品，可以使用替代机构来收集EBC。例如，在医院环境中，可以从用于向患者提供氧气或其他气体的口罩中收集EBC。在家，EBC可以通过呼气到冷却管(未显示)或其他呼吸蒸汽冷凝系统中来收集。

可溶解的液滴和颗粒收集器可以邮寄到测试实验室，在那里对捕获的生物标志物进行分析。测试对象可以通过用力咳嗽、深气道呼气、打喷嚏或其他呼吸动作来排出颗粒和/或液滴。在分流或筛查过程中，可以将大量测试系统分配给整个人群或具有统计学意义的人群样本。如果EBC测试系统表明COVID-19当前或先前感染(或其他生物状况)的可能性，则可以将整个测试系统套件或仅可溶解液滴和颗粒收集器送到实验室进行更严格的分析。

实验室(或其他测试设施)用于测试目标生物标志物的溶解液体可以包括改变颜色、引起沉淀、放大或以其他方式帮助识别由可溶解液滴和颗粒收集器捕获的目标生物标志物的试剂。

根据一个非限制性示例性实施例，提供了一种用于从测试对象的呼吸中检测生物制剂的系统，该系统包括用于将呼吸蒸汽凝聚成液滴以形成流体生物样本的呼出气冷凝物液滴收集器、用于接收来自呼吸液滴收集器的流体生物样本并测试目标生物标志物的测试系统、以及用于检测目标生物标志物的测试结果并将结果传送至无线接收器的无线通信电子电路。可以提供一种呼出气气溶胶捕获系统，其包括具有用于接收呼出气气溶胶的表面的片状构件，所述呼出气气溶胶包含颗粒和液滴中的至少一种。该表面可以是不可溶解压敏粘合剂或可溶解薄膜的暴露部分，该可溶解薄膜形成于、涂布、粘附到片状构件上或与片状构件成一体。可溶解薄膜具有通过将颗粒和液滴中的至少一种嵌入或溶解到表面上或可溶解薄膜中的至少一种来有效接收和捕获颗粒和液滴中的至少一种的组合物。表面和可溶解薄膜中的至少一种包括用于与至少一种颗粒和液滴反应的试剂，用于检测至少一种颗粒和液滴中目标生物标志物的存在。

转向图59，该图显示了其中可以实践示例性实施例的一种可能且非限制性的示例性系统的框图。在图59中，COVID-19测试系统(C19TS)110与无线网络100进行无线通信。C19TS是可以访问无线网络的无线COVID-19测试系统。C19TS 110包括一个或多个处理器120、一个或多个存储器125和一个或多个收发器130，它们通过一个或多个总线127互连。一个或多个收发器130中的每一个包括接收器Rx 132和发射器Tx 133。一个或多个总线127可以是地址、数据或控制总线，并且可以包括任何互连机构，例如主板或集成电路上的一系列线路或其他光通信设备等。一个或多个收发器130连接到一个或多个天线128。一个或多个存储器125包括计算机程序代码123。C19TS 110包括目标生物标志物收集和分析(TBCA)模块140，包括本文描述的本发明的COVID-19测试系统。TBCA的实施例还包括无线通信能力，无线通信能力包括部件140-1和/或140-2之一或两者，其可以以多种方式实现。TBCA模块140可以在硬件中实现为TBCA模块140-1，例如实现为一个或多个处理器120的一部分。TBCA模块140-1也可以实现为集成电路或通过其他硬件(例如可编程门阵列)实现。在另一示例中，TBCA模块140可以被实现为TBCA模块140-2，其被实现为计算机程序代码123并且由一个或多个处理器120执行。例如，一个或多个存储器125和计算机程序代码123可以被配置为利用一个或多个处理器120使COVID-19测试系统110执行如本文所述的一个或多个操作。C19TS 110通过无线链路111与节点170通信。

节点170是基站(例如，5G、4G、LTE、长期演进或任何其他蜂窝、互联网和/或无线网络通信系统)，其提供诸如C19TS 110之类的无线装置对无线网络100的访问。节点170包括一个或多个处理器152、一个或多个存储器155、一个或多个网络接口(N/W I/F)161、以及一个或多个收发器160，它们通过一个或多个总线157互连。一个或多个收发器160中的每一个包括接收器Rx 162和发射器Tx 163。一个或多个收发器160连接到一个或多个天线158。一个或多个存储器155包括计算机程序代码153。节点170包括数据采集和存储(DAS)模块150，其包括可以以多种方式实现的部件150-1和/或150-2之一或两者。DAS模块150可以以硬件实现为DAS模块150-1，例如实现为一个或多个处理器152的一部分。DAS模块150-1也可以实现为集成电路或通过其他硬件(例如可编程门阵列)实现。在另一示例中，DAS模块150可以被实现为DAS模块150-2，DAS模块150-2被实现为计算机程序代码153并且由一个或多个处理器152执行。例如，一个或多个存储器155和计算机程序代码153被配置为利用一个或多个处理器152使节点170执行如本文所述的操作中的一个或多个。一个或多个网络接口161例如经由链路176和131通过网络进行通信。两个或更多个节点170使用例如链路176进行通信。链路176可以是有线的或无线的或两者，并且可以实现例如X2接口。

一个或多个总线157可以是地址、数据或控制总线，并且可以包括任何互连机构，例如主板或集成电路上的一系列线路、光纤或其他光通信设备、无线通道等。例如，一个或多个收发器160可实现为远程无线电头端(RRH)195，节点170的其他元件在物理上位于与RRH不同的位置，并且可将一个或多个总线157部分实现为光纤电缆以将节点170的其他元件连接到RRH 195。

无线网络100可以包括网络控制元件(NCE)190，其可以包括MME(移动管理实体)/SGW(服务网关)功能，并且提供与诸如电话网络和/或数据通信网络(例如，互联网)的进一步网络的连接性。节点170经由链路131耦合到NCE 190。链路131可以实现为例如S1接口。NCE 190包括一个或多个处理器175、一个或多个存储器171和一个或多个网络接口(N/W I/F)180，它们通过一个或多个总线185互连。一个或多个存储器171包括计算机程序代码173。一个或多个存储器171和计算机程序代码173被配置为利用一个或多个处理器175使NCE190执行一个或多个操作。

无线网络100可以实现网络虚拟化，这是将硬件和软件网络资源以及网络功能组合成单个、基于软件的管理实体、虚拟网络的过程。网络虚拟化涉及平台虚拟化，通常与资源虚拟化结合。网络虚拟化分为外部，将许多网络或网络的一部分组合成一个虚拟单元，或内部，为单个系统上的软件容器提供类似网络的功能。注意，由网络虚拟化产生的虚拟化实体在某种程度上仍然使用诸如处理器152或175以及存储器155和171之类的硬件来实现，并且这种虚拟化实体也产生了技术效果。

计算机可读存储器125、155和171可以是适合本地技术环境的任何类型并且可以使用任何合适的数据存储技术来实现，例如基于半导体的存储器装置、闪存、磁存储装置和系统、光存储器装置和系统、固定存储器和可移动存储器。计算机可读存储器125、155和171可以是用于执行存储功能的装置。处理器120、152和175可以是适合本地技术环境的任何类型，并且可以包括通用计算机、专用计算机、微处理器、数字信号处理器(DSP)和基于多核处理器架构的处理器中的一个或多个，作为非限制性示例。处理器120、152和175可以是用于执行功能的装置，例如控制C19TS 110、节点170和本文所述的其他功能。

通常，COVID-19测试系统110的各种实施例可以包括但不限于用于以下的无线通信部件：蓝牙、诸如智能手机的蜂窝电话、平板电脑、具有无线通信能力的个人数字助理(PDA)、具有无线通信能力的便携式计算机、具有无线通信能力的诸如数码相机之类的图像捕获装置、具有无线通信能力的游戏装置、具有无线通信能力的音乐存储和播放设备、允许无线互联网访问和浏览的互联网设备、具有无线通信能力的平板电脑、以及包含这些功能组合的便携式单元或终端。

图60是用于确定COVID-19暴露的应用概率分析的逻辑流程图。该图进一步示出了示例性方法的操作、在计算机可读存储器上实现的计算机程序指令的执行结果、由在硬件中实现的逻辑执行的功能、和/或用于根据示例性实施例执行功能的互连装置。例如，TBCA模块140可以包括多个用于实现图59中的块中所示功能的电路元件，其中每个包括的块是用于执行块中的功能的互连装置。假设图59中的至少一些块由C19TS 110执行，例如至少部分在TBCA模块140的控制下执行。

对于确定COVID-19暴露的应用概率分析，测试生物标志物1(步骤一)，测试生物标志物1(步骤四)和测试生物标志物N(步骤三)，其中N可以是使用本发明测试系统测试的多个生物标志物的任意数量。如果未检测到目标生物标志物(步骤三)，则生成阴性测试报告(步骤四)。如果检测到任何目标生物标志物(步骤三)，则可以简单地根据检测到的一种或多种检测到的生物标志物的存在(是/否)或定量分析(例如浓度)进行概率分析(步骤五)。如果概率分析不超过阈值(步骤六)(例如，特定目标生物标志物的低浓度，或仅存在一种表明可能感染的弱生物标志物)，则生成疑似测试报告(步骤七)。如果概率分析确实超过了阈值(步骤六)(例如，特定目标生物标志物的高浓度，或者存在两个或更多个指示可能感染的生物标志物)，则生成阳性测试报告(步骤八)。然后传输测试报告(步骤九)(例如，以本文所述的方式或其他合适的传输机制，包括口头、数字、书面或其他通信传输)。

图60的逻辑流程由设备的非限制性实施例实现，该设备包括：至少一个处理器；以及至少一个存储器，其包括计算机程序代码，所述至少一个存储器和计算机程序代码被配置为利用所述至少一个处理器使所述设备至少执行以下操作：使用用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本的液滴收集结构和具有用于接收流体样本并检测生物特征参数的生物标志物测试区域的测试系统来检测一个或多个生物特征参数，其中生物特征参数是取决于患者响应于诸如病毒感染的令人担忧的状况的至少一种生理变化的生物标志物；接收一个或多个生物特征参数并应用概率分析以根据对一个或多个生物特征参数的概率分析来确定是否已超过至少一个生理变化阈值；并且根据所确定的超过的所述至少一种生理变化来激活动作。

根据一个实施例，提供了一种数字测试装置，其包括具有一个或多个生物特征检测器的生物标志物测试装置，每个生物特征检测器用于将生物标志物检测为一个或多个生物特征参数。生物特征参数取决于患者或测试对象的至少一种生理变化，例如免疫反应化学物质的产生、体内存在活性或灭活病毒或病毒成分、抗体、抗原、病毒RNA或DNA，或其他诱导变化的生物标志物。微处理器接收一个或多个生物特征参数并根据一个或多个生物特征参数确定是否已超过至少一个生理变化阈值。激活电路根据确定的生理变化激活动作。该动作包括传输警报、修改治疗处理和传输取决于至少一种生理变化、一个或多个生物特征参数和治疗处理的数据中的至少一种。

所述至少一种生理变化也可以响应于引起患者状况变化的所应用的治疗处理，从而能够监测身体对所应用的治疗的反应。该动作可以包括传输警报、修改治疗处理以及传输取决于至少一种生理变化、一个或多个生物特征参数和治疗处理中的至少一种的数据。微处理器可以使用概率分析来分析一个或多个生物特征参数，该概率分析包括从一个或多个生物特征参数的数据集确定该数据集是否可被接受用于确定已超过至少一个生理变化阈值。概率分析还可以包括对一个或多个生物特征参数中的每一个应用统计加权，其中统计加权取决于在检测所述一个或多个生物特征参数中的每一个相对于所述一个或多个生物特征参数中的其他的至少一个生理变化中的每一个时的重要性排序的预定值。

图61是用于受信任的接收者和接触者追踪用途的数据采集和传输的逻辑流程图。该图进一步示出了示例性方法的操作、在计算机可读存储器上实现的计算机程序指令的执行结果、由在硬件中实现的逻辑执行的功能、和/或用于根据示例性实施例执行功能的互连装置。受信任的接收者和接触者追踪用途流程的数据采集和传输的性能可以在测试系统、节点、智能手机或通过最终测试对象或所获取数据的最终存储位置位于测试对象或与测试对象相关联的部件的组合处完成。所获取的数据可以包括患者或对象的识别信息，包括姓名、GPS位置、已知接触者列表、既往病史、人口统计等。受信任的接收者和接触者追踪用途的数据采集和传输可以在位于网络上的任何地方的安全服务器处进行。例如，DAS模块150可以包括多个用于实现图59中的块中所示的功能的电路元件，其中每个包括的块是用于执行块中的功能的互连装置。假设图59中的至少一些块由诸如节点170的基站执行，例如至少部分在DAS模块150的控制下。

数字测试系统架构、制造方法和应用可用于从测试对象或患者的呼出气中捕获生物特征数据。生物特征数据可以连续或在选定的时间被捕获和传输，数据访问直接提供给护理提供者，实现早期诊断和持续监测，并提供给研究人员以通过人工智能分析获得有价值的见解和帮助。这种数据检测直接来自呼出气，可以通过无线连接提供，用于区块链和人工智能数据库的收集、访问和分析。本发明的用于生物特征捕获的数字测试系统适合于作为具有嵌入式传感器和换能器的卷对卷制造的测试装置进行大规模生产。

接收测试报告(步骤一)(例如，从患者或测试对象的智能手机传输)。如果打算将报告发送给受信任的接收者(步骤二)，例如患者的医疗保健提供者或保险公司，则可以生成加密报告(步骤三)并将其传输到包含患者识别信息的受信任的接收者。如果报告不是用于受信任的接收者(步骤二)而是用于接触者追踪(步骤四)，那么只有接触者追踪所需的数据被传输到接触者追踪APP(步骤五)。例如，接触者追踪APP可以是一个系统，用于识别和通知在一个或多个目标生物标志物的测试呈阳性或者疑似之前或之后的给定时间内与测试对象或患者接触过人。如果报告不是用于受信任的接收者(步骤二)或用于接触者追踪(步骤四)，而是用于人口研究(步骤六)，那么只有符合隐私法规和/或协议的最少患者识别信息与接收到的测试报告一起传输和/或存储(步骤七)。如果报告不是用于受信任的接收者、接触者追踪或人口研究(步骤六)，则确定测试报告数据是否有任何合法使用，并采取相应动作或自动清除存储中的数据。

图62是EBC/EBA收集系统的一个实施例的透视图。图63是EBC/EBA收集系统的透视图，显示了移液器和移液器导引件。图64是显示EBC/EBA收集系统的实施例的组成部分的分解图。图65是显示EBC/EBA收集系统的组成部分的另一个分解图。图66是EBC/EBA收集系统的横截面图。图67示出了使用EBC/EBA收集系统从测试对象的肺获取生物标志物样本。

根据本发明的一个方面，一种用于检测生物标志物的设备包括颗粒捕获结构，用于接收和捕获来自测试对象的气道粘膜的呼出气气溶胶(EBA)颗粒，该颗粒捕获结构具有气溶胶颗粒测试系统，用于接收捕获的颗粒并检测第一生物标志物，其中气溶胶颗粒测试系统包括用于捕获EBA颗粒的可溶解EBA样本收集薄膜。第一试剂与第一纳米颗粒结合并保持在不可溶解测试区域的适当位置。EBA颗粒包括不可溶解颗粒和液滴颗粒，可溶解EBA收集薄膜包括用于粘附和捕获不可溶解颗粒的粘性表面和用于捕获液滴颗粒的水溶解块。

可以提供液滴收集结构，用于将来自测试对象的呼吸蒸汽转换为呼出气冷凝物(EBC)流体液滴以形成流体样本。测试对象通过吹嘴呼气，使呼出气撞击内筒的壁。内筒可以包括蓄热体(例如，由铝或其他合适的材料制成，或者包括可以用冷的蓄热体填充的内部空间)。内筒的壁接收呼吸蒸汽并从接收的呼吸蒸汽形成流体液滴。内筒的末端有一个尖点，以帮助将流体液滴引向倾斜的基部。倾斜的基部是外筒的末端，它从外筒的内壁和内筒的外壁收集流体样本。移液器穿过盖中的移液器孔，用于从倾斜的基部吸取累积的流体样本。使用移液器，测试对象将流体样本的液滴排出到流体样本测试系统上，该系统具有用于接收流体样本和检测第二生物标志物的生物标志物测试区域。盖还可以包括转向结构以帮助保持呼吸蒸汽与内筒的壁接触。系统的全部或部分可以由注塑模具整体形成，或者单独的部件组装成完整的系统。整个系统或仅内筒可以在使用前放置在冰箱中，以促进从与呼吸蒸汽接触的冷却壁收集液滴。

图68是显示EBC/EBA收集系统的实施例的吹嘴、盖、基部、可溶解EBA样本收集器和内筒的孤立视图。图69是显示具有捕获的EBA颗粒和液滴的可溶解EBA样本收集器和内筒的孤立视图。图70显示了浸没在溶剂中的内筒，溶剂用于溶解可溶解EBA样本收集器，以获取捕获的EBA颗粒和液滴以进行生物标志物测试。

图71是形成气溶胶颗粒测试系统的可溶解EBA样本收集器的实施例的一部分的孤立视图，该系统具有捕获的EBA颗粒、不可溶解的测试区域和可溶解的捕获薄膜区域。可溶解EBA样本收集薄膜包括第一试剂，用于在用于检测第一生物标志物的检测反应中与捕获的颗粒的至少一种成分反应。检测反应生成取决于第一生物标志物的光信号和电信号的变化中的至少一种。检测反应可以在原位，因此在可溶解和不可溶解的测试区域非常接近的情况下，EBA液滴溶解到可溶解薄膜中，其中液滴中的生物标志物例如被标记抗体拾取以形成生物标志物标记的抗体复合物，其结合至捕获抗体并保留在不可溶解测试区域以用于视觉或光子检测(类似于本文所述的横向流动测定的动作)。在这种情况下，图72显示了捕获EBA液滴和/或颗粒的可溶解EBS样本收集器的实施例的一系列侧视图，显示了气溶胶颗粒测试系统，其中目标生物标志物被捕获并结合到不可溶解测试区域。

可替代地，可以将捕获的EBA颗粒和液滴送至实验室进行分析，在实验室中，技术人员或自动化系统会冲洗可溶解的薄膜，以提供包含捕获的EBA生物标志物的流体样本。例如，内筒可以用溶剂的流冲洗或浸没在溶剂中以溶解可溶解EBA样本收集器，以获取捕获的EBA颗粒和液滴用于生物标志物测试。

图73显示了保持在基板中的沟槽中的纳米颗粒，其中纳米颗粒包括捕获抗体或固定在其上的另一种试剂。在这种情况下，流体样本测试系统可以包括流体生物传感器，用于接收流体样本，该流体样本可能含有作为第一或第二生物标志物的生物标志物，并且包括具有生物标志物的样本源、用生物标志物特异性生物受体功能化的生物受体区域、以及换能器，换能器用于根据生物受体响应于从样本源接收到生物标志物的变化而生成可读信号。生物标志物特异性生物标志物包括用于产生与生物标志物的检测反应的试剂，并且其中流体生物传感器生成取决于生物标志物的光信号和电信号中的变化中的至少一种。该试剂与纳米颗粒结合并保持在不可溶解测试区域的适当位置。

图74显示了从可溶解EBA样本收集器中冲洗掉的EBA颗粒和液滴，以形成包括颗粒或液滴中包含的任何生物标志物的流体样本。这可以由测试对象使用包括缓冲剂和表面活性剂(和其他材料，或者这些材料可以包含在可溶解薄膜中)的溶液来完成。这也可以由技术人员或自动化设备在实验室中完成。

图75示出了具有无线通信电子电路的EBA/EBC测试系统，该无线通信电子电路检测第一和第二生物标志物中的至少一种的测试结果并将结果传送到无线接收器。无线通信电子电路与气溶胶颗粒测试系统和流体样本测试系统中的至少一个通信，用于检测一个或多个生物特征参数，其中生物特征参数取决于患者响应于诸如病毒感染之类的令人担忧的状况的至少一种生理变化，其中接收到一个或多个生物特征参数并由微处理器应用概率分析来确定是否已超过至少一个生理变化阈值，这取决于对一个或多个生物特征参数的概率分析，并且其中电子电路根据确定的超过的所述至少一种生理变化来传输信号。

根据本发明的另一方面，一种设备包括至少一个处理器、至少一个包括计算机程序代码的存储器，所述至少一个存储器和计算机程序代码被配置为利用所述至少一个处理器使所述设备执行至少如下：使用颗粒捕获结构检测一个或多个生物特征参数，该颗粒捕获结构用于接收和捕获来自测试对象的气道粘膜的呼出气气溶胶(EBA)颗粒，该颗粒捕获结构具有用于接收捕获的颗粒和检测第一生物标志物的气溶胶颗粒测试系统，其中气溶胶颗粒测试系统包括用于捕获EBA颗粒的可溶解EBA样本收集薄膜，其中生物特征参数是生物标志物，该生物标志物取决于患者响应于诸如病毒感染的令人担忧的状况的至少一个生理变化；接收一个或多个生物特征参数并应用概率分析以确定是否已超过至少一个生理变化阈值，这取决于对一个或多个生物特征参数的概率分析；并且根据所确定的超过的所述至少一个生理变化来激活动作。可以使用用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本的液滴收集结构和具有用于接收流体样本并检测生物特征参数的生物标志物测试区域的测试系统进一步检测一个或多个生物特征参数；并且其中将概率分析应用于一个或多个生物特征参数以确定是否已超过至少一个生理变化阈值，这取决于从捕获的颗粒和流体样本两者中检测到的一个或多个生物特征参数的概率分析。

图76显示了合并到呼吸器电路中的EBC/e-NSB测试系统。在这个用例中，EBC是由佩戴呼吸器或呼吸机的患者从呼气中收集的。微流体和液体通道结构用于引起EBC在电子或电化学生物传感器上的连续流。EBC的连续流由排水或芯吸结构确保，该结构允许随着时间的推移追踪患者的目标生物标志物。随着EBC样本中存在更多的目标生物标志物，生物传感器的捕获分子将继续捕获并保持在生物标志物分子上，并且生物传感器的电子读数将继续与所捕获的生物标志物分子的数量成比例地改变。如果生物传感器的捕获分子被捕获的生物标志物饱和，则可以放入新的生物传感器，并再生成或处理饱和的生物传感器。

图77显示了连续流实施例的元件，其中毛细管空间形成在传感器基板和毛细管盖之间的传感器测试区域处。EBC收集器通过微流体材料将EBC馈送到毛细管空间，生物传感器的捕获分子将与目标生物标志物分子结合。测试区域下游的芯吸或排水结构将EBC从毛细管空间中抽出，以在测试区域上产生EBC的连续流。

图78显示了具有EBC收集器、微流体和电子生物传感器的一次性口罩的内部。一次性口罩具有内置的EBC收集器，可将呼出气蒸汽冷却到流体生物样本中。EBC收集器具有蓄热体，可将呼吸蒸汽冷却成液滴。蒸汽在EBC收集器的疏水场上冷却成液滴，然后液滴沿亲水通道转移到微流体系统。微流体系统将收集的液滴作为流体生物样本转移到电子生物传感器测试系统。测试系统确定流体生物样本中目标生物标志物的存在并生成测试结果信号。测试结果信号通过电子电路无线传输到远程接收器。

根据一个非限制性实施例，提供了一种基于口罩的测试系统，用于检测从测试对象的肺和气道接收的生物标志物。呼出气冷凝物(EBC)收集器设置在测试对象佩戴的口罩的内部。EBC收集器将从测试对象的肺和气道接收到的呼吸蒸汽转换为流体生物样本。EBC收集器具有蓄热体和正面，该正面接收温度高于正面的表面温度的呼吸蒸汽并将呼吸蒸汽转换为比呼吸蒸汽的温度低的液体。EBC收集器包括位于正面的液滴收集结构，该结构包括用于接收呼吸蒸汽并从接收到的呼吸蒸汽形成流体液滴的场，以及用于接收来自场的流体液滴并将流体液滴引导在一起以形成收集的流体生物样本的通道。

电子生物传感器固定在口罩上，用于接收来自EBC收集器的流体生物样本并测试流体生物样本的目标生物标志物。电子生物传感器生成电测试信号，该电测试信号至少取决于流体生物样本中目标生物标志物的存在和不存在。

电子电路固定在口罩上，用于接收电子测试信号，根据是否检测到目标生物标志物从电子测试信号中确定测试结果信号，并将测试结果信号传输到远程接收器。电子电路包括无线通信电路，用于将测试结果信号无线传输到智能手机、平板电脑、计算机、中继器、接入点和计算机网络中的至少一个。

根据该非限制性示例性实施例，用于检测从测试对象的肺和气道接收的生物标志物的基于口罩的测试系统包括呼出气冷凝物(EBC)收集器，该收集器集成到测试对象佩戴的口罩内部。EBC收集器将从测试对象的肺和气道接收到的呼吸蒸汽转换为流体生物样本。生物传感器固定在口罩的内部，用于接收来自EBC收集器的流体生物样本并测试流体生物样本中的目标分析物。生物传感器生成至少取决于流体生物样本中目标分析物的存在和不存在的测试信号。电子电路固定在口罩的外部，用于接收测试信号，根据检测到或未检测到目标分析物，从测试信号中确定测试结果信号，并将测试结果信号传输到远程接收器。

EBC收集器可以包括液滴收集结构，该液滴收集结构包括用于接收呼吸蒸汽并从接收的呼吸蒸汽形成流体液滴的疏水场。亲水通道接收来自疏水场的流体液滴并将流体液滴引导到一起以形成收集的流体生物样本。EBC收集器还可以包括蓄热体和与蓄热体热连通的正面。当测试对象佩戴口罩时，正面朝向测试对象的嘴和鼻子设置，并且疏水场和亲水通道设置为正面的一部分。

正面可以包括铝或其他金属箔，其可以被涂布或未涂布以充当疏水表面。亲水通道可以丝网印刷或以其他方式粘附到金属箔上。蓄热体包括超吸收性聚合物、水和吸热化合物中的至少一种。在EBC收集器的一个实施例中，水包含在密封结构中并与吸热化合物保持分离，直到激活步骤，其中，水从密封结构中释放出来与吸热化合物混合以冷却正面以产生一个相对较冷的表面，有利于从相对较热的呼出气蒸汽中形成流体液滴。

作为疏水/亲水结构的替代方案，呼出气冷凝物(EBC)收集器集成到测试对象佩戴的口罩内部，将从测试对象的肺和气道接收的呼吸蒸汽转换为流体生物样本。EBC收集器包括液滴收集结构，该液滴收集结构包括用于接收呼吸蒸汽并从接收到的呼吸蒸汽形成液滴的场(例如，金属箔、塑料、金属板)。用于接收来自该场的流体液滴并将流体液滴引导到一起以形成收集的流体生物样本的通道。通道可以是折痕、槽、凸起表面或其他类似结构，其收集收集的流体生物样本并将其引导至微流体或将生物样本带到生物传感器的测试区域的其他结构。

图79显示了一次性口罩的外部，显示了从口罩内部的电子生物传感器到口罩外部的z轴导电带的电连接。这种基于口罩的测试系统用于检测从测试对象的肺和气道接收的生物标志物。呼出气冷凝物(EBC)收集器集成到测试对象佩戴的口罩内部。EBC收集器将从测试对象的肺和气道接收到的呼吸蒸汽转换为流体生物样本。EBC收集器具有蓄热体和液滴收集结构，该液滴收集结构包括用于接收呼吸蒸汽并从接收的呼吸蒸汽形成流体液滴的疏水场。EBC收集器包括用于接收来自疏水场的流体液滴并将流体液滴引导到一起以形成收集的流体生物样本的亲水通道。固定在口罩内部的生物传感器接收流体生物样本并测试流体生物样本的目标生物标志物并生成测试信号。固定到口罩外部的电子电路接收测试信号，根据检测到或未检测到目标生物标志物从测试信号中确定测试结果信号，并将测试结果信号传输到远程接收器。通过这种构造，廉价的一次性口罩可以与口罩内所含呼出气和口罩内部件的任何污染一起被丢弃。更昂贵的电子器件和电池在使用过程中被放置在口罩的外部，在丢弃口罩时可以将其移除。可移除的电子器件可消毒，以便再次使用。

在一个实施例中，提供了一种电子纳米级生物传感器，用于使用利用适体捕获分子功能化的碳纳米管链的电转导给出直接电测试结果，其中生物样本是从基于口罩的呼出气冷凝物(EBC)收集器收集的EBC。EBC收集器集成到一次性口罩中，并包括蓄热体，以促进呼出气冷却成液体冷凝物。蓄热体可以是由水与高吸水性聚合物(SAP)混合制成的凝胶。为了在相对较冷的EBC收集器表面上加快将相对较热的呼吸蒸汽转换为液滴的速度，可以首先将口罩在冰箱或冰柜中冷却，或者可以使用带有干冰或制冷机的冷却器。可替代地，在大多数环境条件下，由于呼吸是温暖和潮湿的，EBC收集器将用于提供足够的EBC体积进行测试，而无需任何冷却。

图80显示了自冷EBC收集器的组成部分。提供了第一可拉伸热熔层，例如TPUBemis 3914。如下文更详细描述的，将蓄热体(例如，保持在超吸收性聚合物中的水)或吸热化学反应的部件设置在可拉伸热熔层中形成的袋中。在图80中，水袋和吸热化学品(例如硝酸铵、硝酸铵钙或尿素)设置在袋中。第二可拉伸热熔层密封可拉伸热熔体的层之间的蓄热体或吸热部件。诸如铝箔的疏水场材料被结合到第二可拉伸热熔层。亲水通道结构形成或设置在铝箔疏水场上。其他材料可用于形成EBC收集器，例如，可通过将疏水性油墨丝网印刷到箔或塑料基板上来形成疏水场，并且可通过在箔或塑料基板上丝网印刷亲水性油墨来形成亲水通道。EBC收集器可以组装到一次性口罩基板(例如N95口罩过滤片材料)上，也可以预先成型，然后通过热压、胶水、缝合或紧固步骤粘附到口罩上。可以使用现有的现成的市售口罩，将EBC和其他部件改装到口罩的内部和外部。

图81显示了一个张开的口罩内部，具有用于收集和测试EBC的部件。EBC/e-NSB测试系统可以改装到现有口罩中或集成到口罩的结构中。图81显示了一种简单、低成本的一次性口罩结构。口罩基部材料可以是N95口罩材料、过滤材料、布或纸、或具有允许空气交换的微孔的透气聚合物材料。具有疏水场和亲水通道的EBC收集器固定在口罩材料上。由EBC收集器收集的流体样本通过微流体转移材料转移到生物传感器，并且可以允许汇集在生物传感器区域或使用位于生物传感器区域下游的芯吸材料流过生物传感器区域。生物传感器测试区域很小，通常表面积为几平方毫米或更小，尽管可以提供更大的区域和多个测试区域或区。生物传感器装置具有带引线的电极，可与EBC/e-NSB测试系统的电子器件进行电气通信。优选地，电子器件和电池在使用时设置在口罩外部，EBC收集器、微流体转移材料、生物传感器和芯吸材料设置在口罩内部。使用后，可以将电子器件从口罩外部移除并进行消毒以备下次使用。一次性口罩和位于口罩内部(并暴露于最潜在的污染)的部件可以密封在合适的袋子中，并根据处理此类材料的协议丢弃。对于家庭使用，可以提供一个装有一定量酒精或其他病毒杀灭材料的袋子，以便在使用后丢弃口罩。为了捕获气溶胶液滴和颗粒，还可以在口罩的内表面上提供可溶解的粘合剂贴片。

图82是用于测试EBC并将测试结果传输到智能手机和/或云服务器的基本部件的框图。EBC收集器提供由生物特征或生物传感器接收的流体样本。可以提供电信号调节器，例如信号放大器、滤波器等，以在微处理器或分析电路确定测试结果信号之前调节来自生物传感器的原始测试信号。在处理调节信号之后，经由通信电路传输测试结果信号。通信可以是无线的，例如蓝牙、蜂窝或wifi。智能手机或接入点中继可用于接收无线测试结果信号并将其传输到云。

根据一个实施例，电子电路包括放大电路，用于从生物传感器接收测试信号并将测试信号放大为放大的电信号。比较器电路将放大的电信号与基于生物传感器的计算机模型导出的和经验导出的电信号校准中的至少之一的预定值进行比较。可以使用校准样本中的目标分析物的已知存在和已知浓度中的至少之一来确定校准。比较器电路基于放大的电信号与预定值进行比较来生成测试结果信号。

电子电路还可以包括分析物浓度电路，用于根据放大的电信号确定目标分析物的浓度值。在这种情况下，放大的电信号的值根据流体生物样本中目标分析物分子的数量而改变，而测试结果信号取决于确定的浓度值。

根据一个实施例，电子电路还包括无线通信电路，用于将测试结果信号无线传输到智能手机、平板电脑、计算机、中继、接入点和计算机网络中的至少一个。

图83是显示一次性口罩内部的一次性部件和一次性口罩外部的可消毒部件的横截面侧视图。设置在口罩内部的部件包括EBC收集器，该收集器被设计为低成本且可大批量制造。本发明的COVID-19或其他生物标志物测试系统具有独特的基于口罩的呼出气冷凝物收集器，能够将呼吸蒸汽凝聚成液滴，然后将液滴样本通过具有工程捕获分子的电子生物传感器，从而实现非常低成本的，可制造的大规模测试系统，可以分发给大众。居家测试系统采用电子纳米级生物传感器(e-NSB)，具有独特的水滴收集和通道结构。这种结构解锁了e-NSB用于检测呼出气冷凝物(EBC)中例如COVID-19或其他生物标志物的用途，而无需抽血、不适、昂贵的设备或受过技术培训的人员。可以使用特定功能化的生物传感器测试区域测试多个同时测试的生物标志物，并启用许多直接的传染病控制实用程序，包括接触者追踪、诊断、疾病进展监测和预测性机器学习人口数据分析。

根据一个非限制性实施例，提供了一种基于口罩的测试系统，用于检测从测试对象的肺和气道接收的生物标志物。呼出气冷凝物(EBC)收集器设置在测试对象佩戴的口罩的内部。口罩由口罩材料组成，口罩材料可以是布、织造或非织造材料、纸、纤维、塑料或其他合适的一次性或可重复使用的材料。固定在口罩内部的EBC收集器将从测试对象的肺和气道接收到的呼吸蒸汽转换为流体生物样本。

生物传感器也固定在口罩内部，用于接收来自EBC收集器的流体生物样本。作为替代方案，生物传感器可以设置在口罩的外部，具有用于将收集的流体生物样本带到生物传感器的适当的流体转移机构(例如，毛细作用、泵、管道等)。然而，如果生物传感器是能够传输电信号的电子生物传感器，则可能被污染的生物传感器和流体转移机构可以包含在口罩内，使其更安全地处理和处置。

生物传感器测试流体生物样本的目标生物标志物并生成至少取决于流体生物样本中目标生物标志物的存在和不存在的测试信号。

电子电路固定在口罩的外部并通过口罩材料与生物传感器电连通以接收测试信号。例如，电连接可以通过导线、印刷导体、磁体、导电带、导电粘合剂或允许在口罩内部生成的电信号转移到口罩外部的电子电路的其他机构来完成。电子电路根据检测到或未检测到目标生物标志物从测试信号中确定测试结果信号，并将测试结果信号传输到远程接收器。

图84是显示用于将电子器件保持和电连接到一次性口罩的磁性系统的横截面侧视图。可消毒测试电子器件通过磁体固定在一次性口罩上，磁体可以与电子器件外壳和一次性口罩上的磁体或磁性材料一起处理。磁性连接还可以在生物传感器导电引线和测试电子器件的输入之间提供电通信。

图85是显示将电子器件保持和电连接到一次性口罩的z轴导电带的横截面图。Z轴导电带允许在电子生物传感器的引线和电子电路的引线之间进行低成本的电气连接。

图86显示了安装在格板上的可拉伸热熔粘合剂。这种格板是一种激光切割的聚四氟乙烯板，可以使用热压机安装热熔粘合剂。图87显示了在安装在格板上的可拉伸热熔粘合剂中形成的袋。袋形成以用于接收蓄热体或吸热反应部件。图88显示了设置在可拉伸热熔粘合剂中形成的袋中的吸热化合物。吸热化合物可以是例如尿素。

图89显示了添加到保持吸热化合物的袋中的水袋。将水袋添加到与吸热化合物相同的袋中。当EBC收集器受到挤压并且水袋破裂时，尿素和水会发生反应并从EBC收集器表面吸收热量，从而有效地使EBC收集器自我冷却，从而更有效地将呼吸蒸汽转换为液体。

图90显示了在可拉伸热熔粘合剂顶部的粘合片上的预层压铝箔。铝箔和粘合剂可以在简单的卷对卷加热辊压层压步骤中预先层压在一起。图91显示了在压制层压形成EBC组合片的层之后的格板的底面。在照片左侧的袋中可以看到SAP中水的蓄热体，在照片左侧的一些袋中可以看到水袋和尿素自冷材料。

图92显示了设置在可拉伸热熔粘合剂中的袋中的超吸收性聚合物。图93显示了被水溶胀后的超吸收性聚合物。当水被添加到SAP中时，会形成凝胶蓄热体，即使在冰箱中冷却也能保持口罩的柔软和柔韧性。图94显示了热压操作的EBC组合片的顶面。图95显示了在疏水场上具有亲水通道的完整的EBC。图96显示了用于自冷EBC的水袋和吸热化合物。图97示出了用于形成Al箔和粘合片层压体的卷对卷工艺；在大批量制造EBC收集器的第一步中，EBC收集器的前表面由预先层压有可拉伸热熔粘合剂的铝箔面组成。该转换过程产生一卷铝箔/粘合剂/释放片层压体。在线打孔操作可用于在层压体上打配准孔。这些配准孔用于在EBC收集器的整个形成过程中保持进一步的加工步骤对齐。

图98示出了用于形成EBC的卷对卷工艺。图99是EBC的横截面图。铝箔面和粘合剂是预先层压的，例如，如参考图97所述。在参考图98描述的过程开始时，将蓄热体插入在另一个粘合剂层中创建的袋中。这种简单的结构适合于如本文所述的超大容量、高度自动化的制造方法。图100是用于形成EBC的卷对卷工艺的透视图。图100是显示用于在用于形成EBC的可拉伸粘合剂中形成袋的格板的传送带的特写透视图。

该工艺从一卷可拉伸粘合剂开始，该粘合剂卷在第一导辊和第一加热靴上。加热的粘合剂在两对压力辊的挤压作用下变得发粘并粘在传送带的格板上。粘附在传送带上的粘合剂离开第二对压力辊，并且释放片被移除并被卷取在释放片卷上。真空站将加热且柔韧的粘合剂吸入传送带格板，以创建粘合剂中的袋。图102显示了形成有袋的可拉伸的热熔粘合剂的一部分。图103显示了格板的传送带的一部分。图104显示了可拉伸热熔粘合剂的一部分和格板的传送带的一部分。冷却站冷却粘合剂，同时保持真空压力，使袋保持在粘合剂中，粘合剂粘在传送带的格板上。在蓄热体/吸热部件站，蓄热体材料，例如SAP/水凝胶，或水袋和吸热化合物，被插入到粘合剂中创建的袋中。SAP也可以与水袋和吸热化合物一起加入，使吸热反应的冷却作用持续更长时间。插入步骤可以使用自动沉积设备完成，也可以使用机器人或人工插入。如图86-96中的照片所示，这些步骤已在5x4组合EBC单元的片中进行了模拟。在创建的袋中具有蓄热体成分的粘合剂继续朝向第三对压力辊。释放片层压卷上的铝箔/粘合剂从释放片上剥离，该释放片被卷取在第二释放片卷上。铝/粘合剂层压体由导向辊在第二个加热靴上引导，粘合剂变得发粘。当铝/粘合剂与具有蓄热体成分的粘合剂在所创建的袋中接触时，形成多个EBC收集器的连续组合片，具有在可拉伸热熔粘合剂层之间密封的蓄热体成分和铝箔正面。ENC收集器的背面是可拉伸的热熔粘合剂，因此EBC收集器可以使用热压操作固定到口罩内部。多个EBC收集器的组合片可以收集在卷取卷上，成片成单独的组合EBC收集器片，或者直接进入单片台，例如钢尺模压机、分切机或激光切割机。

图105显示了用于在固定到基板的电极之间形成对齐的纳米颗粒以形成电子生物传感器的卷对卷工艺。提供一卷预先印刷或蚀刻的平行导体。图130显示了铜蚀刻平行导体片的示例。在印刷平行导体的情况下，可以使用例如旋转印刷方法在线完成印刷。卷的基板可以包括配准和/或牵引进给孔，以促进卷材料在其通过处理过程时的移动和对齐。电压施加级向平行导线施加交流(或直流)电压。该施加的电压用于在该过程的后期对齐导电纳米颗粒。由于平行的导线是连续的，所以可以在整个处理步骤中保持所施加的电压。在纳米管/溶剂载体基质沉积/印刷阶段，纳米管(或其他纳米颗粒)被分配到平行导体卷上。纳米管随机分散在溶剂流体载体基质中。溶剂流体载体允许纳米管响应于施加的电压而对齐，并且流体载体的溶剂方面也软化了基板(或印刷或设置在导电线之间的基板上的结合膜)。在电压保持为维持导电线之间纳米管的对齐的情况下，软化基板的延伸聚合物链部分地包封纳米管。在电压保持为保持纳米管对齐的情况下，溶剂被蒸发，并且对齐的纳米管被固定在适当的位置并且定向结合到重新硬化的基板或结合层。

图106显示了在导体之间形成具有对齐纳米管的电子传感器的步骤。注意：图纸不显示比例，仅显示元素的相对方向和位置。另外，请注意：电子生物传感器的这种配置可以有其他形式和材料。例如，可以在溶剂载体流体中使用石墨烯片、半导体碳纳米管、胶体金纳米颗粒和其他导电材料。附图显示了在两个导体之间对齐的单壁碳纳米管的使用。导体可以是平行线(例如，如上文参考图105所述)或例如图114和133所示的圆形电极。如图106所示，在步骤1中提供具有导电图案的基板。导电图案形成在基板上，限定一对电极之间的间隙。在步骤2中，将流体载体基质中未对齐的碳纳米管的混合物沉积在间隙中。流体载体基质可以是例如基板的溶剂，以软化间隙中的基板区域并允许未对齐的纳米管响应施加的电场或电压而迁移和定向。纳米管的层厚和对齐结构可以通过控制流体载体中纳米管的浓度来控制。

在步骤3，将电压施加到电极。施加的电压导致分散在流体载体基质中的未对齐的纳米管迁移并改变方向。对齐的碳纳米管被引导自组装成垂直于电极的对齐碳纳米管。当流体载体基质在步骤4中蒸发时，保持电压以保持对齐的碳纳米管在一对电极之间的间隙中对齐。步骤5显示了在流体载体基质蒸发之后电极之间的对齐的碳纳米管。如果流体载体基质已软化间隙中的基板区域，则对齐的碳纳米管与软化基板的延伸聚合物链接合，然后在流体载体基质蒸发并使得基板的软化表面重新硬化时锁定到位。作为替代或附加，压力和热(例如，高于基板的玻璃化转变温度或可能由于溶剂软化而降低)可用于将对齐的碳纳米管嵌入间隙中的基板表面上。在任何情况下，步骤5显示即使在从电极移除电压时，甚至在冲洗后对齐过程之后，对齐的碳纳米管也锁定在位置和方向上。在步骤6-8中示意性地显示了功能化过程，其中捕获分子适体用PBSE链接体修饰，然后通过非共价键吸收到对齐的碳纳米管的侧壁上。步骤9显示了适体捕获生物标志物的操作。步骤10显示了完成的功能化生物传感器，其中适体捕获分子通过非共价键吸收到对齐的碳纳米管上。

图107显示了形成非功能化电子传感器的步骤，其中对齐的碳纳米管保持在基板上的电极之间的适当位置。在步骤1中，电极之间的间隙具有暴露的基板表面。在步骤2中将一滴含有一定浓度的未对齐纳米管的溶剂载体流体置于间隙中，并且在步骤3中，溶剂作用于基板表面，使其软化并将基板的聚合物链从表面延伸到载体流体。同样，这些图不一定按比例显示。在步骤4中，当施加电压(AC或DC，取决于分散在流体载体中的纳米材料的特性)时，纳米管响应于施加的电压而迁移和定向。在步骤5中，当溶剂载体开始蒸发时，保持该电压以将纳米管保持对齐。在步骤6中，一旦溶剂载体完全蒸发，就可以去除电压，并且碳纳米管保持对齐嵌入基板表面。

图108显示了功能化电子传感器的步骤，其中对齐的碳纳米管保持在基板上电极之间的适当位置。在步骤1中，通过微沉积、丝网印刷或其他沉积工艺将一滴含有链接体分子的非溶剂载体流体分配到间隙中，该间隙现在包含电极之间的间隙中的固定在基板表面上的适当位置的对齐纳米管。配制非溶剂载体，使其不会通过软化基板表面或以其他方式破坏纳米管对齐来干扰固定的纳米管。选择链接体分子以使其与碳纳米管的外壁结合。例如，众所周知，PBSE(1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯)与单壁碳纳米管的侧壁形成π-π非共价键，并已成功用作形成电子生物传感器的链接体分子。

根据本文所述的功能化过程，链接体分子在一端与捕获分子(例如适体)预链接，所述捕获分子被选择为具有高亲和力并选择性地与特定目标生物标志物连接。适体是小分子，可以设计为几乎针对任何生物标志物。适体是能够以类似于抗体的方式结合目标分子的短单链核酸序列。本文描述的过程用这些捕获分子装饰碳纳米管的侧壁，这些捕获分子被设计成以非常高的特异性结合各种分子目标，例如小分子、蛋白质、核酸，甚至细胞和组织。因此，本发明的测试系统可用于针对病毒的核酸、蛋白质和其他识别生物标志物，例如SARS-CoV-2病毒。但是，由于适体可以被设计成具有与许多不同目标材料结合的亲和力和特异性，因此本文描述的传感器可以被功能化以用于测试许多疾病，例如肺癌或生物样本或环境样本中存在的其他分子。

如本文更详细描述的，对于基于双传感器口罩的Covid-19测试系统，可以选择适体来检测SARS-CoV-2病毒的N和S蛋白。未功能化的生物传感器可以以几种不同的方式进行功能化。例如，链接体分子PBSE的一端可以首先在第一个培养步骤中添加到碳纳米管的侧壁，然后在第二个培养步骤中，捕获分子可以附接到链接体的另一端。此外，可以在用捕获分子终止之前将间隔分子(例如PEG)添加到链接体分子中，以便与碳纳米管有更大的距离，以帮助避免空间位阻阻止小分子适体与相对较大的目标分子(例如，病毒蛋白甚至病毒颗粒或细胞)接触。

在步骤2中，具有对齐的碳纳米管的未功能化生物传感器用预链接的链接体/适体分子结构进行功能化。也就是说，适体在先前的化学反应中链接到PBSE链接体的一端，因此需要单个培养步骤以在PBSE链接体的另一端与碳纳米管侧壁之间形成π-π非共价键。这个单一的培养步骤在可扩展的湿培养制造过程中特别有用，例如图111中描述的。

在步骤3中，链接体/捕获分子结合在碳纳米管的侧壁上。取决于目标生物标志物，可以根据需要组合其他链接体分子和适体和间隔分子，或其他捕获分子，例如抗体。本文所述的传感器不限于生物传感器，还可以用于利用根据本文所述的结构和工艺用于可扩展生产的多种功能化传感器来检测VOC、气体、环境目标分子，如饮用水中的金属、细菌、抗体、激素、d-二聚体、蛋白质、葡萄糖、乳酸等。此外，可以执行后功能化步骤，例如冲洗和干燥，并添加额外的层，例如阻断剂，以进一步增强传感器的功能和稳定性。

步骤4显示了一个测试步骤，其中将一滴含有目标生物标志物的流体样本添加到功能化生物传感器的顶部。如步骤5所示，通过链接体与对齐的碳纳米管结合的捕获分子将捕获并保持在目标生物标志物上。当电极被探测时，由捕获目标生物标志物引起的电特性变化被确定以指示流体样本中目标生物标志物的存在。

图109显示了用于形成非功能化传感器的步骤，其中对齐的碳纳米管固定在印刷的粘合层上。在这种情况下，这些步骤基本上类似于针对图106和107描述的步骤，只是在步骤2中添加了一个印刷的粘合层。选择这种粘合层化学成分以与溶剂载体相容，并且因为它是在由基板和电极形成的间隙中的添加层，对于基板、电极、溶剂载体等的材料和化学成分的选择具有更大的灵活性。例如，粘合层可以更容易被溶剂软化和/或具有当溶剂蒸发时，对对齐的纳米管的保持力更强。其他化学机制，例如催化剂、两部分系统、热或冷活化/压制等，可以用作使纳米颗粒能够迁移和定向以及随后将对齐的纳米颗粒固定在两个电极之间的间隙中的机制。此外，在一些系统中，对齐可以通过与基板相对形成的反电极进行，并且可以提供另一个导电层，使得对齐可以在生物传感器完成时在与用于探测以测试生物标志物的电极垂直之外的方向上。此外，绝缘侧壁可以被图案化以提供非接触电场，其中对齐的纳米颗粒不与电极直接接触(即，图案化的侧壁防止对齐的纳米管和充当探测导体的电极之间的直接物理接触)。材料、对齐方向等的选择将取决于给定生物传感器的所需构造，然而，本文所述的一般步骤适用于广泛的材料和装置架构。

图110显示了用于形成非功能化传感器的连续过程，其中碳纳米管的湿电沉积/对齐锁定在平行导体之间。为了实现大容量湿沉积工艺，在卷对卷处理线的输入侧提供一卷预印刷或蚀刻的导体。导体可以是如本文所述的平行导体(例如，图133所示)或例如图112所示的圆形组合导体。电压在电压施加阶段施加，如上文参考图106、107和109所述，使得流体载体/纳米管浴中的纳米颗粒被电动势推动以在定向组装过程中定向和对齐。通电的导体和基板进入湿式沉积槽。如图右侧的放大图像所示，沉积槽在流体载体中具有一定浓度的未对齐纳米管。当基板和导体穿过包含纳米管的载体流体时，纳米管被吸引到电极之间的间隙中并在其中对齐。注意，如上所述，可以提供与导体卷平行的反电极，以便例如可以使用DC电压来创建纳米管的迁移和对齐力。在任何情况下，如图左侧的放大图像所示，当基板和导体靠近流体载体/纳米管浴的端部时，纳米管或纳米颗粒现在被吸引到电极之间的间隙中并在其中对齐。注意：在一些结构中，纳米颗粒的对齐和吸引可以垂直于电极或在电极顶部。本文显示的对齐方式是为了说明。在离开流体载体/纳米管浴后，一些流体载体和未对齐的纳米管通过表面张力和其他吸引力保持粘附在基板和导体上。导向辊可用于呈现滴水边缘，其中气刀或其他机构用于移除粘附材料并将流体载体和多余的纳米管重新捕获到流体载体/纳米管浴中。在对齐后固定步骤中，加热和加压、冲洗、干燥和其他处理步骤可用于在将锁定在电极之间的基板上的未功能化对齐纳米管卷入卷之前进行进一步调节。

可以调节诸如槽的长度和体积等变量，以便在给定的速度下对齐和电压、基板或粘合层的软化(如果如本文所述使用溶剂固定处理)、温度和对齐过程以可优化的方式进行。换句话说，本文描述的过程适用于测量、建模，然后通过以下来进行优化：调整组成元素的化学、电压、速度、长度等，材料的工艺步骤和应用特性，生物传感器结构的设备和工艺步骤，生产线和处理步骤等。

图111显示了用于形成功能化传感器的连续过程，其中链接体/捕获分子在碳纳米管上的湿结合和培养锁定在平行导体之间。该过程从锁定在电极之间的基板上的未功能化对齐纳米管的预成型卷开始。类似的湿过程用于培养链接体/适体并将其结合到对齐的碳纳米管的侧壁上。如本文其他地方所述，该过程可以是多步培养过程，其他纳米颗粒材料可以用于形成未功能化的生物传感器卷，并且可以改变各种过程和结构属性以优化过程和获得的功能化电子生物传感器的作用。

例如，本文描述的过程可用于形成获得直接电测试结果的传感器。也就是说，由适体或其他捕获分子捕获的目标生物标志物的存在改变了在探测电极处测量的电特性。在本文描述的用于测试EBC的实施例中，仅当EBC样本中存在生物标志物时才检测到电变化，并立即有机会收集从EBC获得的生物特征信息，以帮助保护个人并快速建立基于云的数据采集以促进快速接触者追踪。由于生物传感器是直接对电的，并且测试系统的一个实施例包括检测电子器件中的无线蓝牙发射器，无线测试结果可以通过适当的加密、隐私处理等传输到任何数据库。例如，在工作场所、礼拜场所、护理点、体育赛事等场所使用时，这些直接从测试系统获得的数字数据是一种将数据提供给雇主/管理员/医疗保健/安全专业人员以用于追踪和维护安全的环境的有效方式。

图112显示组合在一起以施加电对齐力的印刷电极。可以向所有电极施加交流或直流电压。对于三个或更多电极系统，可以丝网印刷绝缘层以使引线交叉。可以根据需要重复该图案以优化片尺寸或卷对卷制造工艺。

图113显示了来自Influence of AC Electric Field on Macroscopic Networkof Carbon Nanotubes in Polystyrene,Yang,et al.,Journal of Dispersion Scienceand Technology,28:8,1164—1168的在不同AC电压和频率下对齐的纳米管的示例，其全部内容通过引用并入本文。作为在聚苯乙烯中对齐单壁碳纳米管的电压和频率的示例，300V和450Hz的交流电场适合于在PS基质中对齐CNT。

图114显示了印刷电极图案。该印刷电极图案仅包括工作电极和反电极。其他配置是可能的，包括第三电极，例如参考电极。图115显示了在印刷电极图案上形成的可选绝缘体。可以提供绝缘体以帮助均匀电场效应以实现更均匀的对齐。

图116显示了在基板上印刷电极图案的步骤。基板在两个印刷电极之间设置有间隙。根据构造的传感器的类型，可以在间隙和/或电极表面上印刷导电层、半导体层、图案化的导电层、绝缘层和半导体层或其任何组合。

图117显示了溶剂流体载体中未对齐的纳米管。图118显示了流体载体中纳米管通过施加的交流电压的对齐。图119显示了将未对齐的纳米管设置在流体载体中的步骤。图120显示了施加交流电压以对齐纳米管的步骤。

图121显示了在溶剂流体载体蒸发后锁定对齐的对齐纳米管。图122显示了添加链接体/适体分子以结合至对齐的纳米管。图123显示了将对齐的纳米管锁定在电极之间的基板上的适当位置的步骤。图124显示了添加在对齐纳米管顶部的非溶剂流体载体中的链接体/适体分子。

图125显示了结合纳米管上的链接体/适体的培养。图126显示了添加用于测试的流体生物样本。图127显示了键合至对齐纳米管的链接体/适体。图128显示了流体生物样本的添加，其中目标生物标志物被适体捕获。图129显示了本领域已知的不同的电子和电化学生物传感器策略，其中至少一些可用于形成构造用于本文描述的用途和过程的传感器。

取决于期望的成本、构造、制造方法、传感器特性和目标分析物，生物传感器可以包括导电和半导体基部材料中的至少一种，其设置在形成于至少两个探测电极之间的基板上的间隙中。捕获分子通过基部材料与探测电极电连通。捕获分子可以通过来自π-π堆叠、胺偶联、硫醇-金键合、点击化学、静电相互作用、生物素-亲和素亲和力和互补DNA的杂交中的至少一种的共价或非共价键固定到基部材料上。基部材料可以包括石墨烯、碳纳米管、金、丝网印刷导电材料和带正电材料中的至少一种。捕获分子可以包括适体和抗体中的至少一种，或对目标分析物具有结合亲和力的其他合适的分子。

基部材料可以包括通过形成在基板的顶表面上的结合层锁定对齐的电场或磁场可对齐颗粒。结合层可以包括印刷在基板的顶表面上的结合层和顶表面中的至少之一。

图130显示了平行导体的一部分，在导体对之间具有间隙，其可用于本文所述的一些用途和过程。图131显示了平行导体的一部分，其具有在导体之间的间隙中对齐的纳米颗粒。图132显示了从使用本文描述的过程形成的电子传感器的卷或片分离的电子传感器。图133显示了一种替代的丝网印刷电极结构，包括用于形成本文所述的电子和电化学传感器的至少一些版本的参考电极。

根据一个实施例，生物传感器是用于测试多种目标分析物的构造器。例如，可以提供各自功能化以用于检测不同目标分析物的两个生物传感器，或者可以使用具有对不同分析物具有结合亲和力的捕获分子的一个生物传感器。在这种情况下，生物传感器测试流体生物样本的目标分析物并且测试流体生物样本的至少一种其他目标分析物，并且测试信号至少取决于流体生物样本中目标分析物和所述至少一种其他目标分析物的存在和不存在。

图134显示了用于检测包含在测试对象呼出气中的生物标志物的基于口罩的诊断设备的实施例。在这种情况下，现成的现有N95口罩将其转换为诊断工具，用于检测呼出气中包含的生物标志物。基于呼吸的诊断系统在口罩内部进行了改装，并与口罩外部的测试信号读取器和无线通信电子器件连接。

根据示例性实施例，提供了一种用于检测包含在测试对象呼出气中的生物标志物的基于口罩的诊断设备，包括呼出气冷凝物(EBC)收集器，用于将从测试对象的肺和气道接收的呼吸蒸汽转换成流体生物样本。EBC收集器包括蓄热体、冷凝物形成表面和设置在冷凝物形成表面上的流体导体。流体转移系统从EBC收集器接收流体生物样本。生物标志物测试单元从流体转移系统接收流体生物样本并测试流体生物样本的目标生物标志物。提供测试系统支架，用于支持EBC收集器、流体转移系统和生物标志物测试单元。测试系统支架的配置和尺寸适合于口罩内。提供口罩以形成呼出气蒸汽容纳体积以将呼出气蒸汽保持在EBC收集器附近，从而使由蓄热体冷却的冷凝物形成表面能够将呼出气蒸汽聚结到流体生物样本中。

图135显示了呼出气冷凝物(EBC)收集器、蓄热体、流体转移系统和生物标志物测试单元，作为改装安装到由现有的口罩形成的呼出气蒸汽容纳体积中。固定在口罩内部的测试组件的几何形状和尺寸，以及蓄热体和EBC收集器的低轮廓，能够有效地改装到现有口罩或在口罩制造过程中添加诊断系统。

图136(a)显示了在EBC测试开始时测试对象佩戴的具有外部安装电子器件的口罩。口罩具有预期的过滤和阻隔功能，测试对象只需在佩戴口罩时正常呼吸即可进行诊断测试。

图136(b)显示了指示EBC测试结果的外部安装电子器件。呼出气蒸汽被聚结成流体生物样本，该流体生物样本被收集并转移到生物标志物测试单元。在该实施例中，生物标志物测试单元输出信号，该信号由电子电路读取以确定测试结果并使LED以提供确定的测试结果的即时视觉指示的颜色点亮。

图137示出了具有电子生物传感器的基于呼吸的诊断设备的配置。微流体转移系统的材料和形状设计为，例如，微流体颈部区域可有效地将收集的EBC传输到电子生物传感器的测试区域。

图138示出了基于呼吸的诊断设备的配置，其具有流体生物样本累积贮存器，用于将生物样本汇集在电子生物传感器上或用于将LFA的样本垫浸入累积的流体生物样本中。EBC的汇集使样本垫能够浸泡在流体生物样本中，以确保足够的样本量用于LFA操作所需的毛细作用。在电子生物传感器的情况下，样本累积贮存器提供了将收集的EBC汇集在测试区域上的可能性，从而为目标分子与捕获分子的结合留出时间。

图139显示了支持EBC收集器、流体转移系统和生物标志物测试单元的测试系统支架。支架和其他组成部分设计为适合各种现有的口罩，使诊断测试系统能够方便且一致地改装到世界各地可用的大量一次性和可重复使用的口罩中。

图140显示了设置在测试系统支架的背面的芯吸件。图141示出了芯吸件的构造，包括粘附到微流体纸层的SAP层。图142是示出具有SAP和微流体纸构造的芯吸件的横截面。

图143显示了用于将口罩内部的电子生物传感器与口罩外部的电子器件连接起来的连接销。流体转移系统包括用于在生物标志物测试单元测试流体生物样本的流之后吸收流体生物样本的流的芯吸件。使流体生物样本随时间流过电子生物传感器，使得目标分子与流体生物样本一起流动，从而使捕获分子有机会捕获与流体生物样本一起在电子生物传感器上流动的目标分子。芯吸件可以包括用于接收和吸收流体生物样本的流的超吸收性聚合物(SAP)和流体转移层中的至少一种。

由滤纸、3M双面胶、SAP粉末和3M双面胶制成的层状结构，形成具有良好EBC保持能力的芯吸材料。3M双面胶放在两张纸或离型纸之间。首先在3M双面胶片上打孔，然后移除一张离型纸。一张滤纸粘在暴露的粘合剂上。移除另一张离型纸，将SAP粉末撒在新暴露的粘合剂上并摇晃以移除任何多余的SAP粉末。在用作芯吸件时，EBC通过毛细作用从测试区域吸入滤纸，这些孔为EBC从滤纸流向SAP粉末提供了通道。SAP粉末吸收EBC并膨胀。相对大量的EBC可以容纳在这种层状结构的芯吸件中，使其能够用于在测试区域上提供EBC的连续流。层状结构的芯吸件提供微流体排放，使EBC能够在测试区域上连续流动，以便目标分子可以随着时间的推移被捕获并被捕获分子累积。了解由微流体材料和几何形状设定的流速，以及EBC流在测试区域上的经过时间，可以进行病毒载量计算，该计算取决于生物传感器的电特性在经过时间上的变化。

图144显示了基于呼吸的诊断设备的LFA配置，其具有由流体生物样本累积贮存器形成的汇集区域，该流体生物样本累积贮存器具有LFA条带，该LFA条带与样本垫一起设置在流体生物样本汇集区域中。流体转移系统可以被配置和尺寸设计以在电子生物传感器上汇集流体生物样本的累积，流体生物样本在与电子生物传感器的捕获分子接触的一段时间内汇集，从而在流体生物样本累积的同时为捕获分子提供与目标分子结合的时间和机会。在这个实施例中，EBC的汇集允许结合时间和捕获分子在EBC汇集中的目标分子的累积，允许存在于给定EBC体积中的甚至更低浓度的生物标志物随着汇集中的EBC体积增加被检测。图145显示了LFA配置和准备好接收为特定目标生物标志物构建的LFA的汇集区域。图146显示了LFA配置，其中测试系统改装到现有的口罩中。类似地，诊断系统可以被配置成使得电子生物传感器可以随着时间被浸没在EBC的累积池中。

根据该实施例，流体转移系统包括用于汇集从EBC收集器接收的流体生物样本的生物样本汇集区域。生物标志物测试单元包括横向流动测定，其中流体生物样本通过毛细作用流过多区域转移介质。横向流动测定包括设置在汇集区域的用于接收流体生物样本的样本垫、在其上形成生物标志物标记的捕获分子复合物的结合物释放垫、检测区域和用于使流体样本流从样本垫通过释放垫到达检测区域以检测潜在的生物标志物的流体膜。在操作中，流体生物样本是通过将呼出气蒸汽冷凝成含有目标生物标志物的流体样本而生成的。流体生物样本通过毛细作用流过多区域转移介质。这些区域通常由聚合物条带制成，使附着在条带上的分子能够与目标生物标志物相互作用。通常，重叠膜安装在背板上以提高稳定性和处理能力。包含目标生物标志物和其他成分的样本最终被接收在吸收样本垫处，该吸收样本垫促进流体样本通过多区域转移介质的芯吸。这种结构特别适用于本文所述的基于呼吸的诊断系统，其中LFA条带可以方便地插入并与诊断系统的其余组成部分一起配置，以使得视觉指示(测试和对照线)在口罩外部可见，并且样本垫浸泡在口罩内部累积的EBC中。对于即时测试或居家测试，这些特征特别有用，并为测试对象提供了一种简单的方法来测试高传染性疾病，例如Covid-19。

根据另一个实施例，流体转移系统包括用于汇集从EBC收集器接收的流体生物样本的生物样本汇集区域。生物标志物测试单元包括横向流动测定，其中流体生物样本通过毛细作用流过多区域转移介质。横向流动测定包括设置在汇集区域的用于接收流体生物样本的结合物释放垫。结合物释放垫具有用于捕获目标生物标志物的目标分子并形成生物标志物标记的捕获分子复合物的捕获分子。横向流动测定还包括检测区域和用于使流体样本从结合物释放垫流到检测区域以检测潜在生物标志物的流体膜。流体转移系统还包括流体坝，流体坝设置在结合物释放垫和检测区域之间流体连通中。也就是说，流体生物样本可以从结合物释放垫流到检测区域(即流体连通)。在结合物释放垫处，一定量的流体生物样本在与捕获分子接触的一段时间内汇集以为捕获分子提供与目标分子结合的时间和机会，直到流体坝释放一定量的流体生物样本，随着时间形成生物标志物标记的捕获分子复合物。复合物与累积的生物样本一起从结合物释放垫流到检测区域。流体坝包括通过被流体生物样本溶解而移除的可溶解材料和通过拉片移除的不可渗透材料中的一种。流体坝的移除释放累积量的流体生物样本的至少一部分和随时间形成的生物标志物标记的捕获分子复合物以流到检测区域。

结合物释放垫包含与目标生物标志物具有结合亲和力的标记的捕获分子，并结合有色或荧光指示剂颗粒。通过在流体坝阻止流动的时间内将流体生物样本汇集在结合物释放垫上，在结合物释放垫处，标记的抗体、指示剂颗粒和目标生物标志物有时间和机会结合形成目标生物标志物标记的抗体复合物。释放流体坝后，流体样本沿条带迁移到检测区域。

图147显示了气密密封的LFA测试配置和口罩。密封袋可防止水分和污染物改变生物标志物测试单元的功效，并防止EBC收集器和流体转移部件冷凝环境水分。理想情况下，口罩储存在冰箱或冰柜中以冷却蓄热体。图148显示了改装到现有的口罩并由测试对象在测试开始时佩戴的LFA测试配置。图149显示了在测试对象呼出气蒸汽转换为通过LFA转移的流体生物样本后的LFA测试配置，并显示了EBC测试结果的视觉指示。冷却的蓄热体促进呼吸蒸汽冷凝成呼吸冷凝物。然而，在将口罩放置到测试对象上之前，当所有部件都处于室温时，所描述的诊断系统的原型已被证明在收集EBC方面是有效的。在家用冰箱冷却蓄热体的情况下，LFA版本的诊断系统被显示为收集足够的EBC，以便在大约三分半钟内完全流过LFA系统。对于室温诊断系统，LFA完整流程的EBC通常需要不到十分钟的时间。

图150显示了改装到现有的模制口罩中的电子生物传感器测试配置。图151是显示了电子生物传感器测试配置的连接销刺穿现有的口罩的壁的特写。图152显示了具有电子生物传感器测试配置的现有的模制口罩，其中电子电路设置在口罩的外部，通过连接销与电子生物传感器机械固定并电连接。基于呼吸的诊断系统适用于广泛的现有口罩。在原型构造中，约5mL体积的水/SAP凝胶在冷冻时是有效的蓄热体，用于在约5分钟内收集超过用于诊断系统的LFA和电子生物传感器版本的足够体积的EBC。在室温下，相同的蓄热体需要大约20分钟才能收集到足够的EBC。对材料、几何形状和微流体材料等的额外改进有望改善用于测试的有效量EBC的室温和冷却收集。例如，聚四氟乙烯表面可以提供作为冷凝物形成表面的增强，并且可以消除对流体导体的需要，特别是如果成形为包括用于将收集的EBC引导到测试区域的流体通道等。

图153显示了设置在口罩外部的指示EBC测试结果的电子电路。在所示的原型示例中，LED指示EBC的存在。如本文所述，在功能化装置中，对目标分子具有亲和力的捕获分子用于改变在两个或更多个电极处测量的电特性，这取决于测试生物样本中目标分子的存在或不存在。

图154显示了在测试系统支架上支持的多生物标志物测试单元。图155显示了用于将来自EBC收集器的流体生物样本提供给多生物标志物测试单元的每个电子生物传感器的流体转移系统。

图156显示了测试系统支架的背面，其具有用于使流体生物样本连续流过多生物标志物测试单元的芯吸件和用于改装到现有口罩中的粘合剂。在该实施例中，流体转移系统被配置和尺寸设计为在预定时间量期间使预定体积的流体生物样本流过电子生物传感器。例如，可以设计微流体材料的选择和微流体路径的几何形状，使得从汇集区域抽取的预定体积的EBC流过电子生物传感器的测试区域(即功能化电极)。目标分子的浓度可根据在预定时间量内流过电子生物传感器的预定体积的流体生物样本和电信号的变化来确定。电子生物传感器输出具有取决于捕获分子的电特性变化的电信号，该捕获分子改变取决于捕获的生物标志物的电信号。然后电子电路可以计算或在存储在存储器中的查找表中查找目标生物标志物在给定体积的收集的生物样本中的计算浓度。

图157显示了用于将EBC输送到测试区域的具有亲水图案的流体导体。图158显示了具有形成冷凝物形成表面的前表面的蓄热体。图159显示了用于将EBC输送到生物标志物测试单元的测试区域的流体转移系统。图160显示了生物标志物测试单元的电子生物传感器版本。

图161显示了用于支持EBC收集器、流体转移系统和生物标志物测试单元的测试系统支架，其被配置和尺寸设计为适合于现有的口罩内部。图162显示了组装好的诊断系统。

图163显示了基于口罩的诊断系统的组成部分。在该实施例中，诊断系统的EBC收集器和部分流体收集和输送元件使用低成本、大批量制造技术(包括热辊层压、压制、熔合或压敏粘合剂)施加到口罩基板。一次性口罩材料可以选择为仅在测试过程中执行包含呼出气蒸汽的功能，或者可以选择为还提供阻隔和吸收特征，例如允许口罩在测试过程之外的使用。可以在口罩中提供一体形成的蓄热体，或者，如图所示，可以从冰箱中取出蓄热体并放入内置于口罩中的保持器或袋中。

图164显示了流体导体的实施例的以英寸为单位的尺寸和几何形状。图165显示了由口罩限定的呼出气蒸汽容纳体积，其中EBC收集器和基于呼吸的诊断系统的其他部分设置在容纳体积内。

可以根据特定口罩、位置、一年中的时间、室内或室外使用等来选择各种组成部分的尺寸和几何形状以及其他物理特性，例如比热、流体流量等。

蓄热体可以包括金属箔、具有流体转移通道的轮廓形状、吸热化学反应、金属块和热增强用于从呼出气蒸汽中吸收热能的复合材料、水和SAP凝胶、通过辊层压工艺形成的复合层结构等中的至少一种。图166显示了复合蓄热体。图167显示了水/SAP凝胶蓄热体。图168显示了具有水/SAP蓄热体和LFA生物标志物测试单元的基于呼吸的诊断系统的背面。

图169显示了具有冷凝物形成表面和流体导体通道的压花金属箔蓄热体。图170显示了用于插入基于口罩的诊断系统的保持袋中的吸热蓄热体。图171显示了一种滑石粉/粘合剂复合蓄热体。图172显示了金属块蓄热体。

图173显示了由EBC收集器和设置在口罩内部的累积流体生物样本贮存器构成的口罩，其中LFA的样本垫位于贮存器中，并且至少LFA的视觉读出部分设置在口罩的外部。图174显示了EBC收集器，其具有设置在口罩内部的呼出气蒸汽容纳体积中的蓄热体。流体转移系统包括用于汇集从EBC收集器接收的流体生物样本的生物样本汇集区域。根据该实施例，生物标志物测试单元包括横向流动测定。

流体转移系统还可以包括流体坝，其设置在EBC收集器和汇集区域之间的流体连通中，用于累积一定量的流体生物样本，直到流体坝释放一定量的流体生物样本以使汇集区域充满累积的量的流体生物样本。累积量的流体生物样本像洪水一样提供给样本垫，而不是随着从呼出气蒸汽中收集EBC而更缓慢地提供，以促进LFA微流体流处理。流体坝可以是通过被流体生物样本溶解而移除的可溶解材料和/或通过拉片移除的非渗透性材料。流体坝的移除释放累积量的流体生物样本以注入汇集区域。

图175显示了具有包含可溶解粘合剂的流体坝的流体转移系统的构造。流体坝设置在EBC收集器和汇集区域之间的流体连通中，用于累积一定量的流体生物样本，直到流体坝释放一定量的流体生物样本以用累积量的流体生物样本注入汇集区域并将累积量的流体生物样本提供至样本垫。流体坝可以包括被流体生物样本溶解以释放累积量的流体生物样本的可溶解材料。在示例性实施例中，LFA条带的样本端设置在形成汇集区域的样本累积贮存器中。流体坝阻止EBC进入汇集区域，直到收集到适量的EBC。一旦流体坝被释放，FLA样本垫就会被灌注，以确保遍及LFA微流体的适当流。

图176示出了基于呼吸的诊断系统的分支版本的组件。图177示出了基于呼吸的诊断系统的分支版本的组成部分的分解图。根据非限制性实施例，流体导体包括用于吸收流体生物样本的转移体积。转移体积具有吸收饱和点，流体导体在达到吸收饱和点之前以慢速引导流体生物样本，在达到吸收饱和点之后以快速引导流体生物样本。在原型中，流体导体是使用粘附在压敏粘合剂上的滤纸构成的。压敏粘合剂不会明显填充滤纸的微毛细管通道，因此当液体样本接触滤纸的表面或暴露的边缘时，液体样本将沿着被吸收到滤纸中流动。将粘合剂/滤纸层状结构切割成所需的流体导体图案。粘合剂提供了用于将图案化粘合剂/滤纸层状流体导体粘附到例如冷凝物形成表面上的机制，使得聚结到表面上的流体液滴通过重力或摇晃的作用迁移到流体导体。如所述构造的具有粘合剂/滤纸层状结构的流体导体能够容纳一定体积的液体，就像装满水的海绵一样，一旦饱和，额外的水就会简单地从海绵中流出，而不是被吸收并保持在海绵。该体积受到流体导体粘附的表面(例如，冷凝物形成表面)的限制，并成为与饱和流体导体接触的任何额外流体的非常快速的传输通道。

冷凝物形成表面是蓄热体的前表面、具有疏水和亲水通道的印刷基板、印刷以形成边界以限定流体导体的涂层中的至少一种。流体导体是印刷以形成边界并限定冷凝物形成表面的涂层、轮廓形状的表面、具有亲水纹理的蓄热体前表面的限定区域、具有用于吸收流体生物样本的转移体积的微流体组件中的至少一种。作为形成亲水纹理的示例，可以使用激光消减或图案化化学蚀刻工艺来创建更疏水的表面区域(金属或塑料)和更亲水的其他区域。

在一个实施例中，提供可在流体导体中冷冻以促进达到吸收饱和点的流动起始流体，其中可冷冻溶液包括用于流体生物样本的缓冲剂和校准成分中的至少一种。校准成分允许电子电路根据起始流体确定校准值。在使用基于口罩的诊断设备之前，可冷冻溶液保持在冷冻状态，并且在使用基于口罩的诊断设备期间，可冷冻溶液解冻并润湿EBC收集器的表面，以促进EBC液体生物样本的流体转移。通过使用流动起始流体，在电子生物传感器的测试区域(功能化电极)接收的第一液体包含已知量的校准成分。校准成分可以是例如电解质、盐、表面活性剂或导致电子生物传感器的电极之间的电特性发生预期变化的其他化学物质。

图178显示了由压花金属箔冷凝物形成表面形成的分支版本，该表面具有形成流体转移通道的轮廓。图179是基于呼吸的诊断系统的分支版本的横截面分解图。图180是基于呼吸的诊断系统的分支版本的横截面组装图。

分支版本特别设计用于具有对称折叠线的口罩，例如典型的KN95口罩。图181显示了具有基于呼吸的诊断系统的LFA版本的KN95现有口罩改装。图182显示了设置在KN95口罩内部的改装测试系统，LFA设置在口罩内部。

生物标志物测试单元可以包括具有捕获分子的电子生物传感器，该捕获分子用于捕获流体生物样本中所含的目标分子并输出取决于由捕获分子捕获的目标分子的电信号。

图183显示了配置为场效应晶体管的电子生物传感器，其图表显示了目标分子与捕获分子结合开始时的输出信号。图184显示了被配置为场效应晶体管的电子生物传感器，其中捕获了更多目标分子，并且图表显示了在目标分子开始与捕获分子结合之后的输出信号。图185显示了被配置为场效应晶体管的电子生物传感器，其中捕获了更多目标分子，并且图表显示了在目标分子开始与捕获分子结合之后的输出信号。使流体生物样本随时间流过电子生物传感器，使得目标分子与流体生物样本一起流动，从而使捕获分子有机会捕获与流体生物样本一起在电子生物传感器上流动的目标分子。

在场效应晶体管生物传感器的情况下，电和化学绝缘层，例如二氧化硅，将流体生物样本与半导体场效应晶体管装置的元件分开。聚合物层，例如，(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)，用于将结合表面化学链接到捕获分子生物受体。例如，捕获分子可以是适体或抗体，其已被设计成对目标分子具有结合亲和力。在捕获分子与目标分子结合后，电解质-绝缘层结合表面的静电势发生变化，进而导致半导体装置的静电门控效应，以及源电极和漏电极之间的可测量的电流变化。

电子生物传感器可以包括场效应晶体管结构，该结构包括具有至少源电极和漏电极的电极层。结合表面设置在源电极和漏电极之间并用至少一种捕获分子功能化以捕获目标生物标志物。捕获目标生物标志物改变源电极和漏电极之间的至少一个电特性，该电特性被检测为测试结果信号。在多生物标志物配置中，每个捕获分子对于相应生物标志物具有亲和力。例如，在Covid-19测试系统的情况下，可以在生物标志物测试单元的不同电子生物传感器上提供捕获分子，这些电子生物传感器接收EBC样本并测试不同的目标分子。电子电路接收来自生物标志物测试单元的输出信号，根据亲和力确定测试信号值并计算每个不同捕获分子及其相应生物标志物的结果值。这使得能够检测多种生物标志物以提高测试系统的统计准确性，和/或测试Covid-19病毒(或其他疾病)的多种毒株或类型。所述电子生物传感器还包括基板，所述结合表面是结合块的顶面，并且所述结合块的底面扩散结合到所述基板。捕获分子可以包括适体、工程化抗体、抗体、蛋白质、抗原、基于核酸的配体和工程化以模拟单克隆抗体的小分子等中的至少一种。

当结合附图阅读时，鉴于前述描述，对本发明的前述示例性实施例的各种修改和改写对于相关领域的技术人员来说是显而易见的。然而，任何和所有修改仍将落入本发明的非限制性和示例性实施例的范围内。

本文描述的实施例旨在示例性和非限制性的，生物特征、环境或其他测量条件的选择不限于本文描述的特定度量或多个度量，而是取决于特定应用和处理、数据收集和/或检测到的度量的其他用途。此外，在本文描述的任何实施例中采用的处理不限于特定处理或动作，而是将取决于组合的检测度量和应用处理的预期用途和期望结果。

此外，本发明的各种非限制性和示例性实施例的一些特征可以在没有相应使用其他特征的情况下有利地使用。因此，上述描述应被认为仅是对本发明的原理、教导和示例性实施例的说明，而不是对其的限制。

当结合附图阅读时，鉴于前述描述，对本发明的前述示例性实施例的各种修改和改写对于相关领域的技术人员来说是显而易见的。然而，任何和所有修改仍将落入本发明的非限制性和示例性实施例的范围内。本文描述的实施例旨在示例性和非限制性的，生物特征、环境或其他测量条件的选择不限于本文描述的特定度量或多个度量，而是取决于特定应用和处理、数据收集和/或检测到的度量的其他用途。此外，在本文描述的任何实施例中采用的处理不限于特定处理或动作，而是将取决于组合的检测度量和应用处理的预期用途和期望结果。

此外，本发明的各种非限制性和示例性实施例的一些特征可以在没有相应使用其他特征的情况下有利地使用。因此，上述描述应被认为仅是对本发明的原理、教导和示例性实施例的说明，而不是对其的限制。

Claims (83)

1.一种设备，包括：

呼出气冷凝物(EBC)收集器，用于将从测试对象的肺和气道接收的呼吸蒸汽转换为流体生物样本；

生物标志物测试单元，用于接收所述流体生物样本并测试所述流体生物样本中包含在所述流体生物样本中的目标生物标志物；以及

用于支持所述EBC收集器的测试系统支架，其中所述测试系统支架被配置和尺寸设计为适合口罩内部，其中所述口罩形成呼出气蒸汽容纳体积，以将呼出气蒸汽保持在所述EBC收集器附近以使所述呼出气蒸汽聚结到所述流体生物样本中。

2.一种方法，包括：

提供基板；

在所述基板上提供第一导体和第二导体，并在所述第一导体和所述第二导体之间限定间隙；

在所述间隙中设置溶剂载体基质，所述溶剂载体基质为用于化学软化所述基板的溶剂，包括随机分散的纳米颗粒；

向所述第一导体和所述第二导体施加电压以对齐纳米颗粒；

蒸发所述溶剂载体基质以将对齐的纳米颗粒固定在所述基板上。

3.一种方法，包括：

提供设置在电极之间的基板上的未功能化的对齐纳米管的卷；将所述卷的第一部分置于流体浴中，所述流体浴含有随机分散在载体流体中的链接体/捕获分子；

用所述链接体/捕获分子功能化对齐纳米管；

将所述第一部分从具有设置在所述电极之间的基板上的功能化纳米管的流体浴中移除；以及

将所述卷的第二部分置于所述流体浴中。

4.一种用于检测包含在测试对象呼出气中的生物标志物的基于口罩的诊断设备，包括：

呼出气冷凝物(EBC)收集器，用于将从所述测试对象的肺和气道接收的呼吸蒸汽转换为流体生物样本，所述EBC收集器包括蓄热体、冷凝物形成表面和设置在所述冷凝物形成表面上的流体导体；

用于接收来自所述EBC收集器的流体生物样本的流体转移系统；

生物标志物测试单元，用于接收来自所述流体转移系统的流体生物样本并测试所述流体生物样本的包含在所述流体生物样本中的目标生物标志物；

用于支持所述EBC收集器、所述流体转移系统和所述生物标志物测试单元的测试系统支架，其中所述测试系统支架被配置和尺寸设计为适合口罩内部；以及

口罩，形成呼出气蒸汽容纳体积，以将呼出气蒸汽保持在所述EBC收集器附近，以使由所述蓄热体冷却的冷凝物形成表面能够将所述呼出气蒸汽聚结到所述流体生物样本中。

5.根据权利要求4所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述流体转移系统包括用于汇集从所述EBC收集器接收的流体生物样本的生物样本汇集区域；其中所述生物标志物测试单元包括横向流动测定，其中所述流体生物样本通过毛细作用流过多区域转移介质，所述横向流动测定包括设置在所述汇集区域的用于接收所述流体生物样本的样本垫、其上形成有生物标志物标记的捕获分子复合物的结合物释放垫、检测区域和用于使所述流体样本从所述样本垫通过所述释放垫流到所述检测区域以检测潜在的生物标志物的流体膜。

6.根据权利要求5所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述流体转移系统还包括流体坝，所述流体坝设置在所述EBC收集器和所述汇集区域之间的流体连通中，用于累积一定量的所述流体生物样本，直到所述流体坝释放所述一定量的流体生物样本来以累积量的流体生物样本注入所述汇集区域，并将所述累积量的流体生物样本提供给所述样本垫，其中所述流体坝包括通过被所述流体生物样本溶解而移除的可溶解材料和通过拉片移除的不可渗透材料中的一种，其中所述流体坝的移除释放所述累积量的流体生物样本以注入所述汇集区域。

7.根据权利要求4所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述流体转移系统包括用于汇集从所述EBC收集器接收的流体生物样本的生物样本汇集区域；其中所述生物标志物测试单元包括横向流动测定，其中所述流体生物样本通过毛细作用流过多区域转移介质，所述横向流动测定包括设置在所述汇集区域的用于接收所述流体生物样本的结合物释放垫，所述结合物释放垫具有用于捕获目标生物标志物的目标分子并且形成生物标志物标记的捕获分子复合物的捕获分子，所述横向流动测定还包括检测区域和用于使所述流体样本从所述结合物释放垫流到所述检测区域以检测所述目标生物标志物的流体膜，所述流体转移系统还包括设置在所述结合物释放垫和所述检测区域之间的流体连通中的流体坝，其中在所述结合物释放垫处，一定量的流体生物样本在与所述捕获分子接触的一段时间内汇集，从而为所述捕获分子提供与所述目标分子结合的时间和机会，直到所述流体坝释放一定量的流体生物样本，随着时间形成的生物标志物标记的捕获分子复合物与累积的生物样本一起从所述结合物释放垫流到所述检测区域，其中所述流体坝包括通过被所述流体生物样本溶解而移除的可溶解材料和通过拉片移除的不可渗透材料中的一种，其中所述流体坝的移除释放累积量的流体生物样本和随时间形成的生物标志物标记的捕获分子复合物的至少一部分以流到所述检测区域。

8.根据权利要求4所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述生物标志物测试单元包括电子生物传感器，其具有用于捕获包含在所述流体生物样本中的目标分子的捕获分子，并输出取决于由所述捕获分子捕获的目标分子的电信号。

9.根据权利要求8所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述流体转移系统包括用于在所述生物标志物测试单元测试所述流体生物样本的流之后吸收所述流体生物样本的流的芯吸件，由此使所述流体生物样本随着时间流过所述电子生物传感器，使得所述目标分子与所述流体生物样本一起流动，从而使所述捕获分子有机会捕获与所述流体生物样本一起在所述电子生物传感器上流动的目标分子。

10.根据权利要求9所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述芯吸件包括用于接收和吸收所述流体生物样本的流的超吸收性聚合物(SAP)和流体转移层中的至少一种；并且其中所述蓄热体包括金属箔、具有流体转移通道的轮廓形状、吸热化学反应、金属块和热增强用于从呼出气蒸汽中吸收热能的复合材料、水、水和SAP凝胶，复合层状结构中的至少一种；

其中所述冷凝物形成表面是所述蓄热体的前表面、具有疏水和亲水通道的印刷基板和印刷以形成边界以限定所述流体导体的涂层中的至少一种；

其中所述流体导体是印刷以形成边界并限定所述冷凝物形成表面的涂层、轮廓形状的表面、具有亲水纹理的蓄热体的前表面的限定区域、具有用于吸收所述流体生物样本的转移体积的微流体组件中的至少一种；以及

其中至少一种捕获分子包括适体、工程化抗体、抗体、蛋白质、抗原、基于核酸的配体和工程化以模拟单克隆抗体的小分子中的至少一种。

11.根据权利要求8所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述电子生物传感器包括具有至少源电极和漏电极的电极层；结合表面，设置在所述源电极和所述漏电极之间并用所述至少一种捕获分子功能化以捕获所述目标生物标志物，其中捕获所述目标生物标志物改变所述源电极和所述漏电极之间的至少一个电特性，其中每个捕获分子对于相应生物标志物具有亲和力，并且所述电子生物传感器还包括电子电路，用于接收来自所述生物标志物测试单元的输出信号，根据所述亲和力确定测试信号值，并计算所述至少一种捕获分子和所述相应生物标志物的结果值。

12.根据权利要求11所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述电子生物传感器还包括基板，并且所述结合表面是结合块的顶面，并且所述结合块的底面扩散结合到所述基板。

13.根据权利要求8所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述流体转移系统被配置和尺寸设计为在所述电子生物传感器上汇集所述流体生物样本的累积，所述流体生物样本在与所述电子生物传感器的所述捕获分子接触的一段时间内汇集，从而在所述流体生物样本累积的同时为所述捕获分子提供与所述目标分子结合的时间和机会。

14.根据权利要求13所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述流体转移系统被配置和尺寸设计为在预定时间量期间使预定体积的所述流体生物样本流过所述电子生物传感器，并且其中所述目标分子的浓度根据在所述预定时间量内流过所述电子生物传感器的流体生物样本的预定体积和电信号的变化来确定，其中所述电子生物传感器输出具有取决于所述捕获分子的电特性变化的电信号，所述捕获分子根据所捕获的生物标志物改变所述电信号。

15.根据权利要求14所述的基于口罩的诊断设备，其中，所述流体导体包括用于吸收所述流体生物样本的转移体积，其中所述转移体积具有吸收饱和点，其中所述流体导体在达到所述吸收饱和点之前以慢速引导所述流体生物样本，并且在达到所述吸收饱和点之后以快速引导所述流体生物样本，并且进一步包括在所述流体导体中可冷冻以在使用期间促进达到所述吸收饱和点的流动起始流体，其中可冷冻溶液包括用于所述测试单元的缓冲剂和校准成分中的至少一种，其中所述校准成分允许所述电子电路根据所述起始流体确定校准值，其中在使用所述基于口罩的诊断设备之前，所述可冷冻溶液保持在冷冻状态，并且在使用所述基于口罩的诊断设备期间，所述可冷冻溶液解冻并润湿所述EBC收集器的表面，以促进所述EBC液体生物样本的流体转移。

16.一种用于检测包含在测试对象呼出气中的生物标志物的基于呼吸的诊断设备，包括：

呼出气冷凝物(EBC)收集器，用于将从测试对象的肺和气道接收的呼吸蒸汽转换为流体生物样本，所述EBC收集器包括蓄热体、冷凝物形成表面和设置在所述冷凝物形成表面上的流体导体；

用于接收来自所述EBC收集器的流体生物样本的流体转移系统；

生物标志物测试单元，用于接收来自所述流体转移系统的流体生物样本并测试所述流体生物样本的包含在所述流体生物样本中的目标生物标志物。

17.根据权利要求16所述的基于呼吸的诊断设备，还包括用于支持所述EBC收集器、所述流体转移系统和所述生物标志物测试单元的测试系统支架，其中所述测试系统支架被配置和尺寸设计为适合现有的口罩内部，其中所述现有的口罩形成呼出气蒸汽容纳体积，以将呼出气蒸汽保持在所述EBC收集器附近，从而使由所述蓄热体冷却的冷凝物形成表面能够将所述呼出气蒸汽聚结到所述流体生物样本中。

18.根据权利要求16所述的基于呼吸的诊断设备，其中，所述流体转移系统包括用于汇集从所述EBC收集器接收的流体生物样本的生物样本汇集区域；其中所述生物标志物测试单元包括横向流动测定，其中所述流体生物样本通过毛细作用流过多区域转移介质，所述横向流动测定包括设置在所述汇集区域的用于接收所述流体生物样本的样本垫、其上形成有生物标志物标记的捕获分子复合物的结合物释放垫、检测区域和用于使所述流体样本从所述样本垫通过所述释放垫流到所述检测区域以检测潜在的生物标志物的流体膜。

19.根据权利要求18所述的基于呼吸的诊断设备，其中，所述流体转移系统还包括流体坝，所述流体坝设置在所述EBC收集器和所述汇集区域之间的流体连通中，用于累积一定量的所述流体生物样本，直到所述流体坝释放所述一定量的流体生物样本来以累积量的流体生物样本注入所述汇集区域，并将所述累积量的流体生物样本提供给所述样本垫，其中所述流体坝包括可溶解材料，所述可溶解材料被所述流体生物样本溶解以释放所述累积量的流体生物样本。

20.根据权利要求16所述的基于呼吸的诊断设备，其中，所述生物标志物测试单元包括具有用于捕获包含在所述流体生物样本中的目标分子的捕获分子的电子生物传感器，并且输出与由所述捕获分子捕获的目标分子成比例的电信号，其中所述流体转移系统包括用于在所述生物标志物测试单元测试所述流体生物样本的流之后吸收所述流体生物样本的流的芯吸件，由此使所述流体生物样本随着时间流过所述电子生物传感器，使得所述目标分子与所述流体生物样本一起流动，从而使所述捕获分子有机会捕获与所述流体生物样本一起在所述电子生物传感器上流动的目标分子，其中所述芯吸件包括用于接收和吸收所述流体生物样本的流的超吸收性聚合物(SAP)。

21.根据权利要求20所述的基于呼吸的诊断设备，其中，所述电子生物传感器包括具有至少源电极和漏电极的电极层；结合表面，设置在所述源电极和所述漏电极之间并用至少一种捕获分子功能化以捕获所述目标生物标志物，其中捕获所述目标生物标志物改变所述源电极和所述漏电极之间的至少一个电特性，其中每个捕获分子对于相应生物标志物具有亲和力，并且所述电子生物传感器还包括电子电路，用于接收来自所述生物标志物测试单元的输出信号，根据所述亲和力确定测试信号值，并计算所述至少一种捕获分子和所述相应生物标志物的结果值；其中所述电子生物传感器还包括基板，并且所述结合表面是结合块的顶面并且所述结合块的底面扩散结合到所述基板，并且其中所述至少一种捕获分子包括适体、工程化抗体、抗体、蛋白质、抗原、基于核酸的配体和工程化以模拟单克隆抗体的小分子中的至少一种。

22.根据权利要求16所述的基于呼吸的诊断设备，其中，所述流体转移系统被配置和尺寸设计为在预定时间量期间使预定体积的所述流体生物样本流过所述电子生物传感器，并且其中所述目标分子的浓度根据在预定时间量内流过所述电子生物传感器的流体生物样本的预定体积和电信号的变化来确定；并且其中所述电子生物传感器输出具有取决于所述捕获分子的电特性变化的电信号，所述捕获分子根据所捕获的生物标志物改变所述电信号。

23.根据权利要求16所述的基于呼吸的诊断设备，其中，所述流体导体包括用于吸收所述流体生物样本的转移体积，其中所述转移体积具有吸收饱和点，其中所述流体导体在达到所述吸收饱和点之前以慢速引导所述流体生物样本，并且在达到所述吸收饱和点之后以快速引导所述流体生物样本，并且进一步包括在所述流体导体中可冷冻以促进达到所述吸收饱和点的流动起始流体，其中可冷冻溶液包括用于所述测试单元的缓冲剂和校准成分中的至少一种，其中所述校准成分允许所述电子电路根据所述起始流体确定校准值，其中在使用所述基于口罩的诊断设备之前，所述可冷冻溶液保持在冷冻状态，并且在使用所述基于口罩的诊断设备期间，所述可冷冻溶液解冻并润湿所述EBC收集器的表面，以促进所述EBC液体生物样本的流体转移。

24.一种用于检测从测试对象的肺和气道接收的生物标志物的基于口罩的测试系统，包括：

呼出气冷凝物(EBC)收集器，集成到所述测试对象佩戴的口罩内部，所述EBC收集器用于将从所述测试对象的肺和气道接收的呼吸蒸汽转换为流体生物样本；

固定到所述口罩内部的生物传感器，用于接收来自所述EBC收集器的流体生物样本，并测试所述流体生物样本的目标生物标志物，并生成至少取决于所述流体生物样本中目标生物标志物的存在和不存在的测试信号；以及

固定在所述口罩外部的电子电路，用于接收所述测试信号，根据是否检测到所述目标生物标志物从所述测试信号中确定测试结果信号，并将所述测试结果信号传输到远程接收器。

25.根据权利要求24所述的基于口罩的测试系统，其中，所述EBC收集器包括液滴收集结构，所述液滴收集结构包括用于接收呼吸蒸汽并从接收到的呼吸蒸汽形成流体液滴的疏水场，以及用于接收来自所述疏水场的流体液滴并将所述流体液滴引导在一起以形成收集的流体生物样本的亲水通道。

26.根据权利要求25所述的基于口罩的测试系统，其中，所述EBC收集器还包括蓄热体和与所述蓄热体热连通的正面，当所述测试对象戴着所述口罩时，所述正面朝向所述测试对象的嘴和鼻子设置，并包括所述疏水场和所述亲水通道。

27.根据权利要求26所述的基于口罩的测试系统，其中，所述正面包括具有印刷亲水通道的金属箔疏水表面。

28.根据权利要求26所述的基于口罩的测试系统，其中，所述蓄热体包括超吸收性聚合物、水和吸热化合物中的至少一种。

29.根据权利要求28所述的基于口罩的测试系统，其中，所述水包含在密封结构中并且与所述吸热化合物保持分离直到水从所述密封结构释放以与所述吸热化合物混合以冷却所述正面的激活步骤。

30.根据权利要求24所述的基于口罩的测试系统，其中，所述生物传感器包括导电和半导体基部材料中的至少一种，所述基部材料设置在形成于至少两个探测电极之间的基板上的间隙中，并且所述捕获分子通过所述基部材料与所述探测电极电连通。

31.根据权利要求30所述的基于口罩的测试系统，其中，所述捕获分子通过π-π堆叠、胺偶联、硫醇-金键合、点击化学、静电相互作用、生物素-亲和素亲和力和互补DNA杂交中的至少一种固定到所述基部材料。

32.根据权利要求30所述的基于口罩的测试系统，其中，所述基部材料包括石墨烯、碳纳米管、金、丝网印刷导电材料和带正电材料中的至少一种。

33.根据权利要求30所述的基于口罩的测试系统，其中，所述捕获分子包括适体和抗体中的至少一种。

34.根据权利要求30所述的基于口罩的测试系统，其中，所述基部材料包括通过形成在所述基板的顶表面上的结合层锁定对齐的电场或磁场可对齐颗粒。

35.根据权利要求34所述的基于口罩的测试系统，其中，所述结合层包括印刷在所述基板的所述顶表面上的结合层和所述顶表面中的至少之一。

36.根据权利要求24所述的基于口罩的测试系统，其中，所述电子电路包括用于从所述生物传感器接收所述测试信号并将所述测试信号放大为放大的电信号的放大电路，以及用于比较所述放大的电信号和预定值的比较器电路，所述预定值基于使用校准样本中的目标生物标志物的已知存在和已知浓度中的至少之一的生物传感器的计算机模型导出的和经验导出的电信号校准中的至少之一，并且所述比较器电路基于所述放大的电信号与所述预定值进行比较来生成所述测试结果信号。

37.根据权利要求36所述的基于口罩的测试系统，其中，所述电子电路还包括生物标志物浓度电路，用于根据所述放大的电信号确定所述目标生物标志物的浓度值，其中所述放大的电信号的值根据所述流体生物样本中目标生物标志物分子的数量而改变，并且其中所述测试结果信号取决于确定的浓度值。

38.根据权利要求36所述的基于口罩的测试系统，其中，所述电子电路还包括无线通信电路，用于将所述测试结果信号无线传输到智能手机、平板电脑、计算机、中继、接入点和计算机网络中的至少一个。

39.根据权利要求24所述的基于口罩的测试系统，还包括颗粒捕获结构，用于从所述测试对象的气道粘膜接收和捕获呼出气气溶胶液滴和颗粒(EBA)，其中所述气溶胶颗粒测试系统包括用于捕获EBA液滴和颗粒的可溶解EBA样本收集薄膜。

40.根据权利要求24所述的基于口罩的测试系统，其中，所述EBA颗粒包括不可溶解颗粒和液滴颗粒，并且可溶解EBA收集薄膜包括用于粘附和捕获所述不可溶解颗粒的粘性表面和用于捕获所述液滴颗粒的水溶解块。

41.根据权利要求24所述的基于口罩的测试系统，其中，所述EBA颗粒包括不可溶解颗粒和液滴颗粒，并且可溶解EBA收集薄膜包括用于粘附和捕获所述不可溶解颗粒的粘性表面和用于捕获所述液滴颗粒的水溶解块。

42.根据权利要求24所述的基于口罩的测试系统，其中，所述生物传感器测试所述流体生物样本的目标生物标志物并且测试所述流体生物样本的至少一种其他目标生物标志物，并且所述测试信号至少取决于所述流体生物样本中所述目标生物标志物和所述至少一种其他目标生物标志物的存在和不存在。

43.一种用于检测生物标志物的设备，包括：颗粒捕获结构，用于接收和捕获来自用户气道粘膜的呼出气气溶胶(EBA)颗粒，所述颗粒捕获结构具有气溶胶颗粒测试系统，用于接收捕获的颗粒并检测第一生物标志物，其中所述气溶胶颗粒测试系统包括用于捕获EBA颗粒的可溶解EBA样本收集薄膜。

44.根据权利要求43所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述可溶解EBA样本收集薄膜包括第一试剂，用于在检测反应中与捕获的颗粒的至少一种成分反应，以检测所述第一生物标志物。

45.根据权利要求44所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述检测反应生成取决于所述第一生物标志物的光信号和电信号的变化中的至少一种。

46.根据权利要求45所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述第一试剂与第一纳米颗粒结合并保持在不可溶解测试区域的适当位置。

47.根据权利要求43所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述EBA颗粒包括不可溶解颗粒和液滴颗粒，可溶解EBA收集薄膜包括用于粘附和捕获所述不可溶解颗粒的粘性表面和用于捕获所述液滴颗粒的水溶解块。

48.根据权利要求47所述的用于检测生物标志物的设备，还包括液滴收集结构，用于将来自用户的呼吸蒸汽转换为呼出气冷凝物(EBC)流体液滴以形成流体样本。

49.根据权利要求48所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述液滴收集结构包括用于接收所述呼吸蒸汽并从接收到的呼吸蒸汽形成流体液滴的疏水场和用于接收所述流体液滴并将所述流体液滴向流体样本测试系统引导的亲水通道中的至少一种，所述流体样本测试系统具有用于接收所述流体样本并检测第二生物标志物的生物标志物测试区域。

50.根据权利要求49所述的用于检测生物标志物的设备，还包括设置在所述液滴收集结构和所述生物标志物测试区域之间的流体坝构件，其中所述流体坝构件包括可移除的防潮片构件和可溶解薄膜中的至少一种，用于累积来自所述液滴收集结构的流体样本并释放累积的流体样本以流向所述生物标志物测试区域。

51.根据权利要求49所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述流体样本测试系统包括流体横向流动测定，所述流体横向流动测定包括用于接收可能含有作为所述第二生物标志物的生物标志物分析物的流体样本的样本垫、结合物释放垫、流体膜以及用于接收所述流体样本并使所述流体样本流动以检测来自样本源的潜在生物标志物分析物的吸收垫。

52.根据权利要求51所述的设备，还包括设置在所述样本垫和所述结合物释放垫之间的流体坝构件，所述流体坝包括拉片结构以使用户能够移除所述流体坝构件并允许所述流体样本从所述样本垫到所述结合物释放垫的流动。

53.根据权利要求51所述的设备，还包括至少一个光电发射器和一个光电检测器，其中所述光电发射器向所述生物标志物测试区域发射辐射并且所述光电检测器接收来自所述生物标志物测试区域的辐射。

54.根据权利要求50所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述流体样本测试系统包括用于接收可能含有作为所述第二生物标志物的生物标志物分析物并且包括具有所述生物标志物分析物的样本源的流体样本的流体生物传感器、利用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域、以及用于根据生物受体响应于从所述样本源接收所述生物标志物分析物的变化而生成可读信号的换能器。

55.根据权利要求54所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述分析物特异性生物标志物包括用于创建与所述生物标志物分析物的检测反应的试剂，并且其中所述流体生物传感器生成取决于所述生物标志物的光信号和电信号的变化中的至少一种。

56.根据权利要求55所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述试剂与纳米颗粒结合并保持在不可溶解测试区域的适当位置。

57.根据权利要求56所述的设备，还包括无线通信电子电路，用于检测所述第一生物标志物和所述第二生物标志物中的至少一种的测试结果并将所述结果传送到无线接收器。

58.根据权利要求57所述的系统，其中，所述电子电路与所述气溶胶颗粒测试系统和所述流体样本测试系统中的至少一个通信以检测一个或多个生物特征参数，其中所述生物特征参数取决于患者响应于诸如病毒感染之类的令人担忧的状况的至少一种生理变化，其中接收到所述一个或多个生物特征参数并由微处理器应用概率分析以根据对所述一个或多个生物特征参数的概率分析来确定是否已超过至少一个生理变化阈值，以及其中所述电子电路根据所确定的超过的所述至少一种生理变化来传输信号。

59.一种设备，包括：

至少一个处理器；以及

至少一个存储器，包括计算机程序代码，

所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为利用所述至少一个处理器使所述设备至少执行以下操作：使用用于接收和捕获来自用户气道粘膜的呼出气气溶胶(EBA)颗粒的颗粒捕获结构检测一个或多个生物特征参数，所述颗粒捕获结构具有用于接收捕获的颗粒并检测第一生物标志物的气溶胶颗粒测试系统，其中所述气溶胶颗粒测试系统包括用于捕获EBA颗粒的可溶解EBA样本收集薄膜，其中所述生物特征参数是取决于患者响应于诸如病毒感染的令人担忧的状况的至少一种生理变化的生物标志物；接收所述一个或多个生物特征参数并应用概率分析以根据对所述一个或多个生物特征参数的概率分析来确定是否已超过至少一个生理变化阈值；以及根据所确定的超过的所述至少一种生理变化来激活动作。

60.根据权利要求59所述的设备，其中，所述一个或多个生物特征参数进一步使用用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本的液滴收集结构和具有用于接收所述流体样本并检测所述生物特征参数的生物标志物测试区域的测试系统来检测；以及其中将所述概率分析应用于所述一个或多个生物特征参数以根据对从捕获的颗粒和所述流体样本两者中检测到的所述一个或多个生物特征参数的概率分析来确定是否已超过所述至少一个生理变化阈值。

61.一种用于检测生物标志物的设备，包括：液滴收集结构，用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本；以及具有用于接收所述流体样本并检测生物标志物的生物标志物测试区域的测试系统。

62.根据权利要求61所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述液滴收集结构包括用于接收所述呼吸蒸汽并从接收的呼吸蒸汽形成所述流体液滴的疏水场和用于接收所述流体液滴并将所述流体液滴向所述测试系统引导的亲水通道中的至少之一。

63.根据权利要求61所述的用于检测生物标志物的设备，还包括设置在所述液滴收集结构和所述生物标志物测试区域之间的流体坝构件。

64.根据权利要求61所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述测试系统包括流体横向流动测定，所述流体横向流动测定包括用于接收可能含有生物标志物分析物的流体样本的样本垫、结合物释放垫、流体膜和用于接收所述流体样本并使所述流体样本流动以检测来自样本源的潜在生物标志物分析物的吸收垫。

65.根据权利要求64所述的设备，还包括设置在所述样本垫和所述结合物释放垫之间的流体坝构件，所述流体坝包括拉片结构以使用户能够移除所述流体坝构件并允许所述流体样本从所述样本垫到所述结合物释放垫的流动。

66.根据权利要求61所述的设备，还包括至少一个光电发射器和一个光电检测器，其中所述光电发射器向所述生物标志物测试区域发射辐射并且所述光电检测器接收来自所述生物标志物测试区域的辐射。

67.一种用于检测生物标志物的设备，包括：用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构；以及流体生物传感器，包括具有生物标志物分析物的样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域和用于根据生物受体响应于从所述样本源接收所述生物标志物分析物的变化而生成可读信号的换能器。

68.一种用于从测试对象的呼吸中检测生物制剂的系统，包括：呼出气冷凝物液滴收集器，用于将呼吸蒸汽聚结成液滴以形成流体生物样本；测试系统，用于接收来自呼吸液滴收集器的流体生物样本并测试目标分析物；以及无线通信电子电路，用于检测所述目标分析物的测试结果并将所述结果传送到无线接收器。

69.根据权利要求68所述的系统，还包括呼出气气溶胶捕获系统，所述呼出气气溶胶捕获系统包括片状构件，所述片状构件具有用于接收包括颗粒和液滴中的至少一种的呼出气气溶胶的表面。

70.根据权利要求69所述的系统，其中，所述表面是在所述片状构件上形成或与所述片状构件一体形成的可溶解薄膜的暴露部分，所述可溶解薄膜具有用于通过将颗粒和液滴中的至少一种嵌入或溶解至所述表面上或可所述溶解薄膜中的至少之一来有效接收和捕获颗粒和液滴中的至少一种的组合物。

71.根据权利要求70所述的系统，其中，所述表面和所述可溶解薄膜中的至少之一包括用于与所述至少一种颗粒和液滴反应以检测在所述至少一种颗粒和液滴中目标分析物的存在的试剂。

72.根据权利要求70所述的系统，所述电子电路与所述测试系统通信以用于检测一个或多个生物特征参数，其中所述生物特征参数取决于患者响应于诸如病毒感染的令人担忧的状况的至少一种生理变化；接收所述一个或多个生物特征参数并应用概率分析以根据对所述一个或多个生物特征参数的概率分析来确定是否已超过至少一个生理变化阈值；并且根据所确定的超过的所述至少一种生理变化来激活动作。

73.一种设备，包括：

至少一个处理器；以及

至少一个存储器，包括计算机程序代码，

所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为利用所述至少一个处理器使所述设备至少执行以下操作：使用用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本的液滴收集结构和具有用于接收所述流体样本并检测生物特征参数的生物标志物测试区域的测试系统来检测一个或多个生物特征参数，其中所述生物特征参数是取决于患者响应于诸如病毒感染的令人担忧的状况的至少一种生理变化的生物标志物；接收所述一个或多个生物特征参数并应用概率分析以根据对所述一个或多个生物特征参数的概率分析来确定是否已超过至少一个生理变化阈值；并且根据所确定的超过的所述至少一种生理变化来激活动作。

74.一种用于检测生物标志物的设备，包括：液滴收集结构，用于将呼吸蒸汽转换为流体液滴以形成流体样本；以及具有用于接收所述流体样本并检测生物标志物的生物标志物测试区域的测试系统。

75.根据权利要求74所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述液滴收集结构包括用于接收所述呼吸蒸汽并从接收到的呼吸蒸汽形成所述流体液滴的疏水场和用于接收所述流体液滴并将所述流体液滴向所述测试系统引导的亲水通道。

76.根据权利要求74所述的用于检测生物标志物的设备，还包括设置在所述液滴收集结构和所述生物标志物测试区域之间的流体坝构件。

77.根据权利要求74所述的用于检测生物标志物的设备，其中，所述测试系统包括流体横向流动测定，所述流体横向流动测定包括用于接收可能含有生物标志物分析物的流体样本的样本垫、结合物释放垫、流体膜和用于接收所述流体样本并使所述流体样本流动以检测来自样本源的潜在生物标志物分析物的吸收垫。

78.根据权利要求77所述的设备，还包括设置在所述样本垫和所述结合物释放垫之间的流体坝构件，所述流体坝包括拉片结构以使用户能够移除所述流体坝构件并允许所述流体样本从所述样本垫到所述结合物释放垫的流动。

79.根据权利要求74所述的设备，还包括至少一个光电发射器和一个光电检测器，其中所述光电发射器向所述生物标志物测试区域发射辐射并且所述光电检测器接收来自所述生物标志物测试区域的辐射。

80.一种用于检测生物标志物的设备，包括：用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构；以及流体生物传感器，包括具有生物标志物分析物的样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域和用于根据生物受体响应于从所述样本源接收所述生物标志物分析物的变化而生成可读信号的换能器。

81.一种形成生物标志物测试系统的方法，包括形成呼出气冷凝物流体样本收集器，包括以下步骤：提供基板；在所述基板上涂布疏水场；在所述基板上涂布至少一个亲水通道，其中所述疏水场用于接收体液蒸汽并从接收的体液蒸汽形成流体液滴，所述亲水通道用于接收所述流体液滴并将所述流体液滴向测试系统引导。

82.根据权利要求81所述的形成生物标志物测试系统的方法，还包括在所述亲水通道的一端形成至少一个流体样本排放孔以将所述流体液滴通过所述至少一个流体样本排放孔排放到所述测试系统的样本接收结构的步骤。

83.一种用于检测生物标志物的设备，包括：用于将蒸汽转换为流体液滴的液滴收集和通道结构；以及流体生物传感器，包括具有生物标志物分析物的样本源、用分析物特异性生物受体功能化的生物受体区域和用于根据生物受体响应于从所述样本源接收所述生物标志物分析物的变化而生成可读信号的换能器。

Images