CN115917318A - 用于检测生物样品中的血红蛋白的石墨烯基传感器 - Google Patents

用于检测生物样品中的血红蛋白的石墨烯基传感器 Download PDF

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Abstract

在一个方面，公开了一种用于检测样品中的血红蛋白(例如，人类血红蛋白)的传感器，该传感器包括：石墨烯层；多个结合剂，耦接到石墨烯层以生成官能化石墨烯层，其中，结合剂表现出与血红蛋白(例如，人类血红蛋白)的特异性结合；以及多个电导体，电耦接到官能化石墨烯层以测量官能化石墨烯层的电性质(例如，DC电阻)。尽管在一些实施例中，该结合剂是单克隆抗体，但是在其它实施例中，它们可以是多克隆抗体。

Description

用于检测生物样品中的血红蛋白的石墨烯基传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年2月6日提交的第62/970,919号美国临时申请的优先权，该申请通过引用以其整体并入本文中。
技术领域
本公开总体上涉及用于检测样品中的血红蛋白的传感器和使用该传感器的方法，并且更特别地，用于检测生物样品(诸如人类粪便)中的血红蛋白的传感器和使用该传感器的方法。
背景技术
结直肠癌(CRC)在男性和女性中分别占所有癌症的10.0％和9.2％。CRC的存活率根据诊断阶段差异很大。例如，在局部阶段检测到的CRC的五年存活率从90％不等，对于在区域阶段检测到的CRC为70％，以及在有远处转移的人中下降到10％。因此，非常需要用于CRC的早期检测的诊断方法。
结肠镜检查仍然是CRC诊断的黄金标准。粪便潜血测试(FOBT)作为有价值的筛选工具也被用作检测粪便样品中的血红蛋白的手段。
仍然需要改进用于检测粪便样品中的血红蛋白的传感器，特别地需要能够快速检测粪便样品中的血红蛋白的低成本即时传感器。
发明内容
在一个方面，公开了一种用于检测样品中的血红蛋白的传感器，该传感器包括：石墨烯层；多个抗血红蛋白抗体和/或适体，该多个抗血红蛋白抗体和/或适体耦接到石墨烯层以生成官能化石墨烯层；以及多个电导体，该多个电导体电耦接到官能化石墨烯层以测量官能化石墨烯层的至少一种电性质。
抗血红蛋白抗体和/或适体包括表现出与血红蛋白的特异性结合的抗体和/或适体。在一些实施例中，抗体包括抗人类血红蛋白抗体。在一些实施例中，使用多个连接子将抗体耦接到下面的石墨烯层。在一些这样的实施例中，每个连接子在其一端处附接到石墨烯层(例如，通过π-π键)，并且在另一端处附接到至少一种血红蛋白(例如，通过共价键)。作为示例，在一些实施例中，连接子可以是1-芘基丁酸琥珀酰亚胺酯。
在一些实施例中，传感器还可以包括参考电极，用于在数据采集期间向官能化石墨烯层施加参考AC电压和/或电流(本文中也称为“AC信号”)，并且在一些实施例中施加DC偏移电压(例如，DC斜坡电压)。作为示例，参考AC信号可以具有在约1kHz到约1MHz范围内的频率，例如在约10kHz到约100kHz范围内、或者在约50kHz到约200kHz范围内、或者在约200kHz到约300kHz范围内、或者在约400kHz到约700kHz范围内的频率，并且所施加的AC电压的幅值(例如，峰峰幅值)可以例如在约100毫伏到约3伏的范围内，例如，在约1伏到约2伏的范围内。
如上所述，在一些实施例中，在数据采集期间，DC斜坡电压与AC电压一起被施加到AC电极。DC斜坡电压可以例如从约-10伏到约+10伏变化，例如在约-5伏到约+5伏的范围内、或者在约-3伏到约+3伏的范围内、或者在约-1伏到约+1伏的范围内变化。
尽管在一些实施例中，参考电极可以被定位在官能化石墨烯层上方，但是在其它实施例中，参考电极可以被定位在其上设置有石墨烯层的基底上。在一些这样的实施例中，参考电极可以至少部分围绕官能化石墨烯层。
在多个实施例中，样品包括生物样品，诸如粪便(例如，人类粪便)、尿液或血液。
在一些实施例中，传感器被配置为具有用于检测人类粪便中的血红蛋白的至少10μg·Hb/g·粪便的检测灵敏度(检测极限(LOD))。
在一些实施例中，根据本教导的传感器可以包括至少一个微流体通道，用于将样品从入口端口引导至出口端口，该出口端口与根据本教导的石墨烯基感测元件连通。在一些实施例中，微流体通道可以具有用于混合样品的被动和/或主动混合元件。
在相关方面，公开了一种检测生物样品中的血红蛋白的方法，该方法包括：将样品施加到利用多种抗血红蛋白抗体(例如，抗人类血红蛋白抗体)和/或适体官能化的石墨烯层，测量官能化石墨烯层的至少一种电性质，并使用所测量的电性质来确定样品中是否存在血红蛋白。在一些实施例中，所测量的石墨烯层的电性质可以是例如电子迁移率、电阻抗(例如，DC或AC电阻或两者)和电容。
在一些实施例中，生物样品可以是例如人类粪便、尿液或血液。
在相关方面，公开了一种制造用于检测生物样品中血红蛋白的传感器的方法，该方法包括：将多个连接子附接到沉积在下面的基底上的石墨烯层，并将表现出与血红蛋白的特异性结合的多个抗体和/或适体(例如，抗人类血红蛋白)共价耦接到连接子。
在相关方面，公开了一种用于检测生物样品(例如人类粪便)中的血红蛋白的可丢弃盒，其包括具有用于接收样品的入口端口和出口端口的微流体部件。传感器与微流体部件流体耦接，以从出口端口接收样品的至少一部分。该传感器可以包括石墨烯层和多个抗血红蛋白抗体和/或适体，该多个抗血红蛋白抗体和/或适体与石墨烯层耦接以生成抗体和/或适体官能化石墨烯层。多个电导体电耦接到官能化石墨烯层，用于响应于抗体和/或适体官能化石墨烯层暴露于样品来测量官能化石墨烯层的电性质。
在一些实施例中，微流体部件由聚合材料(诸如PDMS或PMMA)形成。
在一些实施例中，根据本教导的传感器可以用于检测人类粪便中的血红蛋白，并且结果可以单独使用或与基因检测结合使用，用于检测结直肠癌和/或癌前结直肠肿瘤。
在相关的方面，公开了一种筛选结直肠癌和癌前结直肠肿瘤的方法，其包括从受试者收集粪便样品；将所收集的粪便样品溶解在一种或多种试剂(例如，缓冲溶液)中以形成测试样品；将测试样品引入到包含利用表现出与血红蛋白的特异性结合的多个抗体和/或适体官能化的石墨烯层的感测元件上；响应于抗体和/或适体官能化石墨烯层暴露于测试样品，测量抗体和/或适体官能化石墨烯层的至少一种电性质；并确定在测试样品中是否存在高于对应于感测元件的检测极限(LOD)的阈值的血红蛋白。在一些实施例中，除了将粪便样品溶解在一种或多种试剂中之外，还可以对样品进行混合。
可选地，该方法还可以包括量化测试样品中的血红蛋白的浓度。然后，血红蛋白的量化的浓度可以与结直肠癌或癌前结直肠肿瘤的存在或不存在相关联。
在一些实施例中，用于形成测试样品的一种或多种试剂不含(或基本不含)稳定剂。
在一些实施例中，将至少一种基因筛查方法与血红蛋白的检测结合使用，以确定结直肠癌或癌前结直肠肿瘤的存在或不存在。在其它实施例中，只有血红蛋白用作用于检测结直肠癌或癌前结直肠肿瘤的生物标记。
在一些实施例中，根据本教导的传感器可以包括至少两个感测单元，其中，感测单元中的一个被配置用于检测生物样品(例如，粪便)中的血红蛋白，而另一感测单元被配置用于检测与结直肠癌和/或癌前结直肠肿瘤相关的一种或多种遗传生物标记。在一些这样的实施例中，血红蛋白检测感测单元可以具有诸如本文公开的那些结构，并且生物标记感测单元可以具有利用具有sgRNA的催化失活CRISPR复合物官能化的石墨烯层，该sgRNA具有与感兴趣的DNA序列互补的寡核苷酸序列。如果DNA序列(例如，具有靶突变的DNA序列，例如，KRAS基因中与结直肠癌相关的突变)存在于样品(例如，粪便样品)中，则该DNA序列与sgRNA的结合可以引起官能化石墨烯层的至少一种电性质的变化，其可以如下所讨论的那样进行测量和分析以识别基因组中的突变的存在。在一些这样的实施例中，高于所选择的阈值的血红蛋白的识别以及一种或多种靶突变和/或特定序列可以指示结直肠癌或癌前结直肠肿瘤的存在。
多种公知的基因筛查方法(包括本文公开的那些)可用于本教导的实践中。如下文更详细讨论的，一些这样的基因筛查方法可以依赖于KRAS突变和/或异常甲基化的检测。
参考结合相关附图进行的以下详细描述，可以获得对本教导的各个方面的进一步理解，在下文中简要描述附图。
附图说明
图1A示意性地描绘了根据实施例的用于检测样本中的血红蛋白的可丢弃盒，
图1B示意性地描绘了在图1A中描绘的盒中采用的石墨烯基传感器，
图2是根据实施例的石墨烯基传感器的示意图，该传感器包括用于响应于与被研究样本的相互作用来测量其电性质的多个金属垫，
图3A描绘了电压测量设备的示例的电路图，该电压测量设备可以用于响应于向其施加电流测量在抗体官能化石墨烯层上感应的电压，
图3B示意性地描绘了与图3A中示出的电压测量设备通信的、用于接收由电压测量设备测量的电压以及施加到抗体官能化石墨烯层的电流的分析器，
图3C描绘了图3A中示出的分析器的实施方式的示例，
图4A示意性地描绘了根据实施例的传感器，该传感器包括AC参考电极，
图4B示意性地描绘了根据实施例的传感器，该传感器包括基底上的AC参考电极，
图4C示意性地描绘了根据本教导的实施例的施加到传感器的参考电极的斜坡电压和AC电压的组合，
图5示意性地描绘了根据实施例的石墨烯基传感器的阵列，
图6A示意性地描绘了羟基官能化石墨烯层，
图6B示意性地描绘了抗体附接到其上的羟基官能化石墨烯层，
图7A示意性地描绘了蛇形微流体通道，其可以在根据本教导的传感器的一些实施例中使用，以引起通过其中的样品的被动混合，
图7B示意性地描绘了螺旋微流体通道，其可以在根据本教导的传感器的一些实施例中使用，以引起通过其中的样品的被动混合，
图7C示意性地描绘了根据实施例的传感器，其中结合有主动混合元件的微流体通道将样品从入口端口引导至根据本教导的石墨烯基感测元件，
图8A、图8B和图8C示意性地描绘了根据本教导的实施例的用于收集粪便样品并针对其中血红蛋白的存在测试样品的系统，
图9示意性地描绘了在一些实施例中，图8A、图8B和图8C中示出的系统的盖可以包括用于经由各种无线协议与本地和远程设备通信的通信模块，
图10A、图10B、图10C和图10D示意性地描绘了根据本教导的实施例的样品收集和处理系统，
图11和图12示意性地示出了根据本教导的石墨烯基传感器的实施例，
图13示意性地描绘了图11和图12中描述的实施例的测量方案的实施方式，
图14示意性地描绘了图11和图12中描述的实施例的测量方案的另一实施方式，
图15示意性地示出了根据本教导的石墨烯基传感器的感测单元的另一实施例，
图16示出了当暴露于含血红蛋白的样品时，比较利用血红蛋白抗体和同型对照抗体官能化的石墨烯层的电子迁移率的实验结果。
具体实施方式
本公开总体上涉及一种石墨烯基传感器，该石墨烯基传感器可以用于检测样品(诸如人类粪便)中的血红蛋白。本文根据其在本领域中的普通含义使用各种术语。如本文所用，术语“约”表示数值周围至多5％、10％、15％或20％的变化。如本文所用，术语“检测极限”是指可以使用根据本教导的传感器进行阳性检测的分析物(例如在本实施例中为血红蛋白)的最小浓度。
在一个方面，本公开提供了检测被研究样本中的血红蛋白的教导，该检测通过血红蛋白与耦接到石墨烯层以生成官能化石墨烯层的结合剂的结合并测量官能化石墨烯层的至少一种电性质的变化来实现。这种结合剂一些示例包括但不限于适体、抗体、抗体片段等。在下面的描述中，为了便于解释，术语“抗体”旨在表示任何合适的结合剂，即任何表现出与血红蛋白的特异性结合的结合剂。
如本文所用，术语“抗体”可以指表现出特异性结合亲和性的、包含至少一个官能性免疫球蛋白可变域序列的多肽(例如免疫球蛋白链或其片段)。抗体包括全长抗体和抗体片段。在一些实施例中，抗体包含全长抗体的抗原结合或官能化片段、或全长免疫球蛋白链。例如，全长抗体是天然存在的或通过正常免疫球蛋白基因片段重组过程形成的免疫球蛋白(Ig)分子(例如，IgG抗体)。在实施例中，抗体是指免疫球蛋白分子的免疫活性抗原结合部分，诸如抗体片段。抗体片段(例如官能化片段)包含抗体的一部分，例如Fab、Fab’、F(ab’)2、F(ab)2、可变片段(Fv)、域抗体(dAb)或单链可变片段(scFv)。官能性抗体片段与由完整(例如，全长)抗体识别的相同抗原结合。
术语“抗体”还涵括域或信号域、抗体的完整或抗原结合片段，其也可称为“sdAb”或“VHH”。域抗体包含可以充当独立抗体片段的VH或VL。此外，域抗体包括仅重链抗体(HCAbs)。抗体分子可以是单特异性的(例如，单价或二价)、双特异性的(例如，二价、三价、四价、五价或六价)、三特异性的(例如，三价、四价、五价、六价)、或者具有更高阶的特异性(例如，四特异性)和/或超过六价的更高阶的价。抗体分子可以包含轻链可变区的官能化片段和重链可变区的官能化片段，或者重链和轻链可以融合在一起成为单个多肽。
如本文所用，术语“适体”是指表现出与靶分子的特异性结合的寡核苷酸或肽分子。适体通常通过从较大的随机寡核苷酸或肽序列库中选择它们来产生，但是也存在天然的适体。
如本文所用，术语“寡核苷酸结合元素”指的是表现出与靶寡核苷酸(诸如RNA或单链DNA片段)的特异性结合的蛋白质、肽和/或寡核苷酸中的任何一个。
如本文所用，术语“电性质”可以包括电子迁移率、电阻抗(例如，DC或AC电阻或两者)、和/或电容。
图1A示意性地描绘了根据实施例的可以用于检测样本(例如人类粪便)中的血红蛋白的盒100(本文中也称为试剂盒)。在多个实施例中，盒100是一次性可丢弃的盒。
盒100包括微流体递送部件200，用于将被研究样本递送到传感器400。在该实施例中，微流体递送部件200包括至少一个流体通道201，该至少一个流体通道从入口端口202延伸到出口端口203，样本可以通过该入口端口被引入到微流体部件中，样本可以通过出口端口203被递送到传感器400。在一些实施例中，微流体通道可以基于毛细作用起作用。在一些实施例中，微流体递送部件200可以由聚合材料形成，诸如PDMS(聚二甲基硅氧烷)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，并且微流体通道可以通过蚀刻或本领域中其它公知技术形成。
如在图1B中示意性示出的，在该实施例中，传感器400包括设置在下面的基底12上的石墨烯层14。尽管在一些实施例中，基底可以是半导体，但是在其它实施例中，它可以是聚合物基底。作为示例，在一些实施例中，基底可以是硅基底，而在其它实施例中，它可以是塑料基底。例如，下面的基底可以由PDMS形成。然而，在其它实施例中，下面的基底可以是金属基底，诸如铜基底。在一些实施例中，SiO2层将石墨烯层与下面的硅基底分离。
在该实施例中，石墨烯层利用表现出与血红蛋白(例如，人类血红蛋白)的特异性结合的多个结合剂(例如，抗体和/或适体)16官能化。血红蛋白由四条蛋白链(两条α链和两条β链，各自具有含有铁原子的环状血红素基团)构成。氧与这些铁原子可逆地结合，并通过血液运输。作为示例，抗人类血红蛋白抗体可以从Sigma Aldrich获得，产品代码为H4890-2ML。
如下面更详细讨论的，结合剂16可以是单克隆或多克隆抗体。如在图1B中示意性示出的，可以采用多种连接子分子18用于将抗血红蛋白抗体与下面的石墨烯层耦接。作为示例，在一些实施例中，1-芘基丁酸琥珀酰亚胺酯被用作连接子，以促进抗血红蛋白抗体与下面的石墨烯层的耦接。在该实施例中，多个抗血红蛋白抗体可以覆盖石墨烯层的表面的一部分或全部。在各种实施例中，该部分可以是石墨烯层的表面的至少约60％、至少约70％、至少约80％或100％。石墨烯层的表面的剩余部分(即没有利用抗血红蛋白抗体官能化的表面区域)可以通过钝化层20钝化。作为示例，钝化层可以通过使用Tween20、BLOTTO、BSA(牛血清白蛋白)、明胶或3mM APA(氨基-PEGS-醇)来形成，尽管也可以使用其它试剂。钝化层可以抑制，并且优选地防止，引入到石墨烯层上的感兴趣的样本与石墨烯层的未利用抗血红蛋白抗体官能化的区域相互作用。这又可以降低由于感兴趣的分析物与抗体分子的相互作用而生成电信号中的噪声。
作为示例，在一些实施例中，在下面的基底(例如，塑料、半导体(诸如硅)、或金属基底(诸如铜膜))上形成的石墨烯层可以与连接子分子(例如，5mM的1-芘基丁酸琥珀酰亚胺酯溶液)在室温下温育几个小时(例如，2小时)。
然后，可以在所选择的温度下和所选择的持续时间内(例如，在4℃下7至10小时)在缓冲溶液(例如，NaCO3-NaHCO3缓冲溶液(pH 9))中将连接子修饰的石墨烯层与感兴趣的抗体一起温育，随后利用去离子(DI)水和磷酸盐缓冲溶液(PBS)冲洗。为了淬灭未反应的琥珀酰亚胺酯基团，可以将修饰的石墨烯层与乙醇胺一起温育(例如，在pH为9的0.1M溶液持续1小时)。
随后，非官能化石墨烯区域可以通过钝化层钝化，诸如图1B中示意性示出的钝化层20。作为示例，石墨烯层的非官能化部分的钝化可以通过例如与0.1％的Tween 20一起温育来实现。
图2示出了根据一些实施例的传感器200，该传感器包括导电垫22a、22b、24a和24b，这些导电垫允许响应于样品中存在的血红蛋白与耦接到石墨烯层14的抗血红蛋白抗体的相互作用，对官能化石墨烯层14的电性质的变化进行四点测量。特别地，在该实施例中，导电垫22a/22b设置在基底11上并电耦接到官能化石墨烯层14的一端，并且导电垫24a/24b设置在基底11上并电耦接到官能化石墨烯层14的相对端，以允许测量由被研究样品中的血红蛋白与耦接到石墨烯层14的抗血红蛋白抗体的相互作用引起的下面的石墨烯层14的电性质的变化。作为示例，在该实施例中，可以监控下面的石墨烯层14的DC电阻的变化，以确定被研究样品中血红蛋白的存在。在其它实施例中，可以监控石墨烯层14的电阻抗的变化，以确定在被研究样品中是否存在血红蛋白，该电阻抗由石墨烯/抗体系统的DC电阻和电容的组合表征。导电垫可以使用多种金属形成，诸如铜和铜合金等。
作为示例，图3A示意性地描绘了可以在本教导的一些实施例中使用的电压测量电路系统301。该图将传感器302示出为对应于抗体官能化石墨烯层的等效电路。在缓冲运算放大器303的输出端处生成固定电压V(例如1.2V)。该电压被施加到下游运算放大器304的一个输入端(A)，运算放大器的另一输入端B经由电阻器R1耦接到VR1地。运算放大器304的输出端(Vout1)耦接到传感器302的一端，并且电阻器R1的未连接到VR1地的端部耦接到传感器302的另一端(在该示意图中，电阻器R2表示等效传感器302一端处的两个电极垫之间的电阻，电阻器R3表示在传感器的两个内部电极之间延伸的石墨烯层的电阻，以及电阻器R4表示传感器的另一端部处的两个电极垫之间的电阻)。由于运算放大器将没有连接到VR1地的电阻器R1的端部的电压保持在施加到其输入端(A)的固定电压，例如1.2V，因此生产恒流源，该恒流源提供通过传感器302并经由电阻器R1和VR1返回到地的恒定电流。
通过传感器的两个内部电极测量抗体官能化石墨烯层上生成的电压。具体而言，一对内部电极垫耦接到缓冲运算放大器306，而另一对耦接到另一缓冲运算放大器308。缓冲运算放大器的输出施加到差分放大器310的输入端口，该差分放大器的输出端口提供抗体官能化石墨烯层上的电压差。然后，该电压差(Vout1-GLO)可以用于测量由抗体官能化石墨烯层表现出的电阻。强制通过R3的电流由I＝(Vref-VR1)/R1设置，其中VR1的值是数字控制的。对于电流I的每个值，相应的电压(Vout1_GLO)被测量并存储。抗体官能化石墨烯层的电阻可以被计算为电压Vout1_GLO相对于电流I的导数，即R＝dV/dl。
如在图3B中示意性示出的，在一些实施例中，分析器600可以与电压测量电路系统301通信，以接收所施加的电流和所测量的电压值，并使用这些值来计算抗体官能化石墨烯层的电阻。然后，分析器600可以使用所计算的电阻，例如，响应于抗体官能化石墨烯层暴露于被研究样本的电阻的变化，根据本教导确定样本是否包含血红蛋白。
作为示例，如在图3C中示意性示出的，在该实施例中，分析器600可以包括处理器602、分析模块604、随机存取存储器(RAM)606、永久存储器608、数据库610、通信模块612和图形用户界面(GUI)614。分析器600可以采用通信模块612与电压测量电路系统301通信，以接收所施加的电流和所测量的电压的值。通信模块612可以是有线或无线通信模块。分析器600还包括允许用户与分析器600交互的图形用户界面(GUI)614。
分析模块604可以采用施加到抗体官能化石墨烯层的电流以及在石墨烯层上感应的电压的值来计算抗体官能化石墨烯层响应于其暴露于被研究样本的电阻的变化(例如，使用欧姆定律)。用于该计算的指令可以存储在永久存储器608中，并且可以在运行时通过处理器602传送到RAM 606，以便由分析模块604使用。GUI 614可以允许用户与分析器600交互。
在一些实施例中，分析器600可以包括AC(交流)电流源，该AC电流源可以向石墨烯层施加具有已知幅值和频率的AC电流。特别地，各种实施例可以有利地使用具有在约1kHz至约1MHz范围内(例如，在约10kHz至约500kHz范围内、或在约20kHz至约400kHz范围内、或在约30kHz至约300kHz范围内、或在约40kHz至约200kHz范围内)的频率的AC电压。作为示例，施加到参考电极的AC电压的幅值可以在约1毫伏到约3伏的范围内，例如，在约100毫伏到约2伏的范围内、或在约200毫伏到约1伏的范围内、或在约300毫伏到约1伏的范围内，例如，在约0.5伏到1伏的范围内。
分析器600还可以包括AC电压表电路系统，用于测量响应于施加到石墨烯层的AC电流而在石墨烯层上感应的AC电压。通过测量感应AC电压的幅值和/或相移，石墨烯层的电阻抗可以以本领域公知的方式确定。在其它实施例中，具有固定频率和幅值的AC电压可以施加到官能化石墨烯层上，并且可以监控电流以检测血红蛋白与耦接到石墨烯层上的抗体的特异性结合。
关于可以在本教导的一些实施例的实践中使用的合适的分析器的另外的细节可以在例如题为“Device and Method for Chemical Analysis”的9,664,674号美国专利中找到，该专利通过引用以其整体并入本文中。
图4A和图4B描绘了根据本教导的传感器700的另一实施例。传感器700可以包括石墨烯层701，该石墨烯层设置在下面的基底702(例如半导体基底)上，并且利用感兴趣的抗体703官能化，该感兴趣的抗体可以表现出对血红蛋白(例如人类血红蛋白)的特异性结合。源电极(S)和漏电极(D)电耦接到石墨烯层，以允许响应于官能化石墨烯层与样品的相互作用而测量官能化石墨烯层的一个或多个电参数的变化。参考图4B，对于官能化石墨烯层701的电性质的变化的四点测量，传感器700可以包括导电垫722a、722b、724a和724b，类似于图2中示出的实施例。传感器700还包括参考电极(G)705，该参考电极设置在其上设置有石墨烯层701的相同的基底702上(换言之，参考电极705处于与石墨烯层701基本相同的平面中)。在一些实施例中，参考电极705可以基本上围绕石墨烯层701。参考电极705可以电连接到附加导电垫726和728，以允许例如以上面讨论的方式向参考电极705施加AC电压和DC斜坡电压。
在使用中，在一些实施例中，可以响应于官能化石墨烯层与样品(例如，人类粪便)的相互作用来测量官能化石墨烯层的电阻的变化，以确定样品中是否存在血红蛋白抗体。例如，当样品包含高于特定浓度阈值(例如，10μg·Hb/g粪便)的血红蛋白时，血红蛋白与耦接至石墨烯层的抗体的相互作用可以导致石墨烯层的电性质(例如，DC电阻)的变化，并且因此提供指示样品中的血红蛋白的存在的信号。
在一些实施例中，经由AC电压源704向石墨烯层施加AC(交流)参考电压可以有助于检测官能化石墨烯的一种或多种电性质，例如，其响应于抗体与表现出与抗体的特异性结合的分析物的相互作用的电阻的变化。特别地，在一些实施例中，施加具有在约1kHz至1MHz范围内，例如在约10kHz至约500kHz范围内或在约20kHz至约100kHz范围内的频率的AC电压在这方面可能是特别有利的。作为示例，施加到参考电极的AC电压的幅值可以在约1毫伏到约3伏的范围内，例如0.5伏到1伏的范围内。此外，在一些情况下，施加到参考电极的电压可以具有AC分量和DC偏移，其中DC偏移可以在约-40伏特到约+40伏特，例如-1伏特到约+1伏特，的范围内。
作为说明，图4C示意性地描绘了施加到参考电极的AC电压3010和DC偏移电压3012的组合，其产生电压3014。作为示例，DC偏移电压可以从约-10V扩展到约10V(例如，从-1V到约1V)，并且所施加的AC电压可以具有上面公开的频率和幅值。
不受任何特定理论的限制，在一些实施例中，预期将这样的电压3014施加到参考电极705可以最小化，并且优选地消除，与样本(诸如，液体样本)相关的有效电容，在样本被测试时，官能化石墨烯层与该样本接触，从而有助于检测下面的石墨烯层响应于抗体703与相应抗原的相互作用的电阻的变化。在一些情况下，样品的有效电容可归因于样品中存在的离子和/或在官能化石墨烯层上形成液体双层。
本教导的传感器和方法可以用于检测各种样品(诸如尿液、血液或粪便)中血红蛋白的存在。在一些实施例中，当样品中存在高于允许基于传感器的检测极限(LOD)进行阳性标识的阈值的血红蛋白时，指示检测到血红蛋白。作为示例，在一些实施例中，检测血红蛋白的阈值可以是约10μg·Hb/g·粪便。
在一些实施例中，根据本教导的传感器可以包括感测元件的阵列，这些感测元件的信号可以被平均化以生成指示样本(例如，人类粪便)中血红蛋白的存在(例如，高于预定阈值)或不存在的合成信号。
作为示例，图5示意性地描绘了这种传感器50，其具有多个感测元件52a、52b、52c和52d(本文中统称为感测元件52)和感测元件54a、54b、54c和54d(本文中统称为感测元件54)。感测元件52和54中的每个包括利用抗血红蛋白抗体官能化的石墨烯层，并且具有类似于上面结合传感器400讨论的结构。在一些实施例中，不同的感测元件可以利用不同类型的抗血红蛋白抗体来官能化。在一些实施例中，由感测元件52生成的信号可以被平均化以生成合成信号。此外，在一些实施例中，感测元件52中的至少一个可以被配置为校准感测元件，以允许对样本中存在的血红蛋白进行量化。作为示例，校准可以通过利用经校准的样本并响应于暴露于校准样本检测官能化石墨烯层的至少一种电性质的变化来实现。
在使用中，粪便样品可以与合适的液体试剂混合，并且该混合物可以被引入到根据本教导的传感器中。作为示例，液体试剂可以是用于溶解粪便样品的水性缓冲液。作为示例，在一些实施例中，可以使用磷酸盐缓冲液(例如，1g粪便/25ml的磷酸盐缓冲液)。可以监控和分析抗体官能化石墨烯层的电阻，以确定粪便样品中是否存在浓度高于预定阈值的血红蛋白。例如，抗体官能化石墨烯层的DC电阻的变化在预定阈值以上可以与检测到粪便样品中的血红蛋白相关联。
参考图6A和图6B，在一些实施例中，传感器可以包括羟基官能化的石墨烯层1000，该石墨烯层通过含有醛部分的分子利用抗人类血红蛋白抗体进一步官能化。
更具体地，参考图6B，在该实施例中，羟基官能化的石墨烯层可以在95％乙醇中与2％3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)一起温育1小时，以允许表面的水性硅烷化。然后，石墨烯层可以在2.5％的戊二醛的超纯水中温育几个小时(例如2小时)。这种温育可以产生醛基基团(-COH)，这些醛基基团可以例如通过共价键与抗体的胺基(-NH2)反应，从而将抗体耦接到羟基官能化石墨烯层上。
类似于前述实施例，在该实施例中，石墨烯层可以最初沉积在下面的基底1002上。下面的基底1002可以是例如半导体(诸如硅)、或聚合物基底(例如塑料)。
尽管图6B中未示出，但与上述传感器700类似，传感器1000包括金属垫，这些金属垫可以允许将电信号(例如，电流或电压)施加到抗体官能化石墨烯层，并监控抗体官能化石墨烯层的至少一种电性质，例如其DC电阻。
尽管结肠镜检查仍然是结直肠癌的早期检测的黄金标准，但是对粪便样品中血红蛋白的检测是一种有价值的筛查工具，其可以单独使用或与基因筛查结合使用，用于结直肠癌和癌前结直肠肿瘤的检测。
在一些实施例中，根据本教导的用于检测粪便样品中的血红蛋白的石墨烯基传感器的高灵敏度(例如由优于10μg·Hb/g·粪便的LOD表征)可以允许仅使用血红蛋白作为生物标记来检测结直肠癌和癌前结直肠肿瘤。
根据本教导的石墨烯基传感器的另一优点在于，它可以在样品收集点使用。因此，它消除了将样品与稳定试剂混合的需要，其可能潜在干扰测试结果。
此外，在一些情况下，使用根据本教导的传感器检测粪便样品中的血红蛋白可以与基因筛查相结合用于检测结直肠癌和癌前结直肠肿瘤。
作为示例，这种基因筛查测试可以依赖于检测KRAS突变，已经在高达35％的结直肠癌和癌前结直肠肿瘤中检测到该突变。
一些已知的基因筛查方式采用多靶方法来检测DNA标记，并且血红蛋白可以用于检测结直肠癌和癌前结直肠肿瘤。例如，在一些已知的基因筛查方法中，监控三个独立种类的生物标记。一个此类别的生物标记包括与DNA甲基化相关的基因的异常启动子区域中的表观遗传DNA变化。甲基化基因靶的示例包括N-Myc下游调节基因4。另一类别生物标记包括v-Ki-ras2 Kirsten大鼠肉瘤病毒癌基因同源物(KRAS)基因中的DNA点突变，其编码小的GTPase，它作为对NDRG4和骨形态发生蛋白3(BMP3)的响应而被瞬时激活。在一种已知的方法中，DNA序列中非甲基化胞嘧啶残基向尿嘧啶的亚硫酸氢盐转化被用于灵敏检测与结直肠癌和癌前结直肠肿瘤相关的超甲基化。
用于检测结直肠癌和癌前结直肠肿瘤的另一生物标记是血红蛋白，其可能与慢性出血相关。来自使用根据本教导的传感器进行的血红蛋白测试的结果以及异常甲基化和突变可以共同提供结直肠癌和癌前结直肠肿瘤的阳性或阴性指示。
以下方案用于测试从个体的粪便中提取的DNA样品，以确定与结直肠癌和癌前结直肠肿瘤相关的生物标记的存在。在一种方法中，收集粪便样品，并采用定量等位基因特异性实时靶向和信号扩增(QuARTSTM)技术来扩增和检测甲基化靶DNA(NDRG4、BMP3)、KRAS点突变和ACTM(可以用于定量估计样品中的人类DNA的总量的参考基因)。可以使用实时循环仪处理多重QuARTS反应，其中通过独立的荧光检测通道分别监控每个生物标记(NDRG4、BMP3、KRAS和ACTB)。关于提取和检测与结直肠癌相关的生物标记的另外的细节可以在第10,301,680号美国专利中找到，该专利通过引用以其整体并入本文中。
根据本教导的传感器可以用于检测粪便样品中的血红蛋白。对照样品可以用于确保测试结果的可靠性。
如上所述，在一些实施例中，根据本教导的传感器可以包括微流体通道，用于将样本(例如，粪便样本)从接收样本的入口端口引导至出口端口，样本通过该出口端口被递送至根据本教导的石墨烯基感测元件。在一些这样的实施例中，这样的微流体通道可以包括被动和/或主动混合元件，用于在样本通过微流体通道时混合样本。
作为示例，图7A示意性地描绘了这种微流体通道900，其具有从入口端口901延伸到出口端口902的蛇纹形状，其中在样本通过通道时，该微流体通道的蛇纹形状提供了样本的被动混合。图7B示出了另一微流体通道920，其具有从入口端口921延伸到出口端口922的螺旋形状，其中通道的蛇纹形状提供了通过它的样本的被动混合。诸如人字形的其它形状也可以用于能够提供样本(例如，粪便样本)的混合的微流体通道。此外，在一些实施例中，代替或除了配置通道的形状之外，可以在微流体通道中提供障碍物，以在样本通过通道时提供样本的混合。
然而，在其它实施例中，根据本教导的传感器可以包括主动混合元件、微流体泵，用于混合样本(例如，粪便样本)。作为示例，如在图7C中示意性示出的，在一些其它实施例中，一个或多个压电元件940可以设置在微流体通道941中，该微流体通道从入口端口943延伸到出口端口944，并将样本递送到根据本教导的石墨烯基感测元件945。在样本通过微流体通道941时，压电元件940可以被致动以引起样本的混合。
多种设备可以用于收集和处理样品，诸如粪便样品。例如，参考图8A、图8B和图8C，根据本教导的实施例的用于收集粪便样品并针对样品中血红蛋白的存在测试样品的系统960包括马桶座适配器961和粪便样品收集管962。样品收集管962可以可移除且可替换地与马桶座适配器961接合，使得它们各自的开口基本对齐，从而允许将粪便样品收集在样品收集管962中。
系统960还包括自锁盖963，该自锁盖可以可移除且可替换地与收集管962耦接。在该实施例中，盖963包括袋964，在该袋中可以存储一种或多种试剂，用于处理粪便样品，如下面将更详细地讨论的那样。此外，盖963可以包括混合元件965，在该实施例中，该混合元件呈叶片的形式，其可以以本文讨论的方式被激活以研磨样品。在该实施例中，除了袋964和混合元件965之外，根据本教导的石墨烯基感测元件、以及用于测量感测元件响应于暴露于样品的电性质的电子器件、以及用于分析石墨烯基感测元件所测量的电性质的分析模块包含在盖内(本文统称为元件966)。石墨烯基感测元件以及用于测量感测元件的电性质的电子器件和分析模块可以以上面讨论的方式实施。在其它实施例中，盖仅包括包含用于处理样品的一种或多种试剂的袋以及混合元件，而感测元件、电子器件和分析模块被单独提供。
在使用中，粪便样品可以被引入到收集管962中，并且盖963可以附接到收集管962。随后，如图8C所示，收集管962可以被倒置并耦接到基座970，其中设置致动器971，例如马达。致动器971可以致动混合元件965(即，叶片)，该混合元件在驱动下刺穿袋964，从而将袋964中包含的(多种)试剂(例如，缓冲液)释放到收集管962中。粪便样品与(多种)试剂的混合以及混合元件的混合动作对样品进行处理，以便引入到感测元件966上。
参照图8C，在该实施例中，多个芯吸元件972可以将经处理的样品吸入到感测元件966中。
如图9所示，在一些实施例中，盖963内的电子器件可以包括通信模块3000(例如，Wi-Fi)，该通信模块可以通过网络3002(例如，互联网)将分析结果通信到一个或多个远程设备3004，诸如医生的计算机或移动电话3004a和/或电子健康记录(EHR)系统3004b。此外，在一些实施例中，通信模块可以允许使用任何合适的通信协议(诸如蓝牙)将结果通信到本地设备，例如移动电话3005。
作为另外的说明，参考图10A、图10B、图10C和图10D，根据实施例的系统4000包括粪便样品收集容器4002和盖4004，一旦粪便样品被放置在容器4002中，该盖可以可移除地以及可替换地与样品收集容器接合以密封容器。
在该实施例中，盖4004包括混合元件(例如，叶轮或磁体)4003，一旦收集到样品，该混合元件可以用于混合样品。盖4004中提供有袋4011，用于存储处理样品的一种或多种处理试剂。一旦被致动，混合元件4003刺穿袋4011，以将其内容物释放到容器4002中，用于与包含在容器4002中的样品混合。
在该实施例中，盖4004包括设置在其外表面上的连接器4007，该连接器可以与设置在基座4005中的对接连接器4009(例如，用于接收连接器4007的接受器)接合，在该基座中设置有用于激活混合元件4003的致动器。连接器的配合允许向混合元件4003施加能量(例如，电能)，以激活混合元件4003。混合元件4003的激活导致混合(例如，在混合元件4003呈叶片形式的一些实施例中，研磨样品)。尽管容器4002和相关联的盖4004是可丢弃品，但是基座4005可以被制成可重复使用。
在该实施例中，提供有显示器4010，该显示器可以向用户呈现测试结果。系统的各种组件(诸如容器4002、盖4004和显示器4010)可以是可丢弃的(例如，用于家庭使用)，而基座4005可以是可重复使用的。在其它实施例中，基座4005也可以是可丢弃的。
在其中感测元件没有结合在盖中的其它实施例中，盖可以被移除，并且经处理的样品的至少一部分可以从管中提取，例如通过注射器或其它合适的设备，并且引入到根据本教导的传感器中。
在一些实施例中，可以采用等温DNA扩增来扩增DNA，并且因此有助于对与结直肠癌或癌前瘤相关的生物标记进行基因筛查。用于执行等温扩增的各种方法在现有技术中是公知的。例如，一些这样的方法依赖于使用DNA聚合酶在引物起始后分离双链DNA(dsDNA)的链。各种其它方法也是公知的。例如，一种这样的方法采用来自噬菌体T4的单链DNA结合蛋白gp32和链置换DNA聚合酶。关于DNA(以及RNA)的等温扩增的这种方法的更多细节可以在Scientific Reports(7:8497,2017)中找到，其通过引用以其整体并入本文中。
根据本教导的传感器提供了快速、经济且易于使用的工具，该工具可以用于检测生物样品(例如粪便样品)中的血红蛋白。
参考图11和图12，在一些实施例中，根据本教导的传感器1200可以包括至少两个感测单元1210和1220，其中感测单元1210被配置为根据本教导的石墨烯基传感器，以检测样品(诸如粪便样品)中血红蛋白的存在。感测单元1220是被配置成检测被研究样品中存在的(多个)通用材料中的一个或多个突变(例如，删除或添加)的石墨烯基传感器。如下面更详细讨论的，在一些实施例中，以本文中公开的方式处理的样品(例如粪便样品)的一部分可以被引入到感测单元1210中，而样品的另一部分可以被引入到感测单元1220中。如上面所讨论的，超过特定阈值的血红蛋白的存在以及基因组中一个或多个突变的识别可以指示检测到结直肠癌或癌前结直肠肿瘤。
参考图12，类似于上面讨论的石墨烯基感测单元，石墨烯基感测单元1220包括设置在SiO2层上的石墨烯层1201，该石墨烯层设置在下面的硅层1202上。在该实施例中，石墨烯层1201利用催化失活的Cas9(dCas9)CRISPR复合物1203(例如，Cas9(dCas9)CRISPR复合物)官能化。如下面所讨论的，靶DNA序列(例如，包含感兴趣的突变的靶DNA序列)可以选择性地与CRISPR复合物杂交，并且靶DNA序列(样品DNA的一条链的一部分)的这种杂交使官能化石墨烯层1201的至少一种电性质发生变化，这可以指示突变(例如，与结直肠瘤相关联的突变)的存在。
在该实施例中，石墨烯层1201可以利用分子连接子1204(例如，1-芘丁酸)通过与下面的石墨烯层1201的π-π芳香族堆积作用来官能化，例如以上面讨论的方式。然后，dCas9复合物1203可以锚定到分子连接子1204，例如通过碳二亚胺交联化学。然后，石墨烯层1201的未被官能化的部分可以被钝化，例如，通过利用诸如上面讨论的那些阻挡试剂(例如，氨基-PEG5-醇和/或乙醇胺盐酸盐)阻挡该部分，以防止非靶分子与石墨烯层1201的未被官能化的部分的非特异性结合。然后，dCas9复合物1203可以耦接到单链向导RNA(sgRNA)上，该单链向导RNA包括与感兴趣的靶DNA序列互补的核苷酸序列。
多个导电电极1205沉积在石墨烯层上，以允许响应于样品与官能化石墨烯层1201的相互作用来测量官能化石墨烯层1201的至少一种电性质(例如，其阻抗)。在一些这样的实施例中，一个电极可以用作源电极，并且相对的电极可以用作漏电极。
此外，类似于前面的实施例，传感器1200可以包括栅(参考)电极1206，DC电压或与DC斜坡电压结合的AC电压可以施加到该栅(参考)电极(例如，以上面讨论的方式(例如，参见图4A和图4B))。
例如，如图12所示，电流源可以向石墨烯层1201施加预定的恒定电流，而AC/DC电压源向栅电极1206施加AC电压和DC斜坡电压。类似于上述实施例，传感器1200包括流体歧管1230，该流体歧管允许通过其入口1231接收被研究样品。流体歧管1230包括多个内部通道，该多个内部通道允许将所接收的样品的一部分分配到感测单元1210，并将所接收的样品的另一部分分配到感测单元1220。
在图13中示出的实施例中，两个测量电路1240a和1240b允许监控感测单元1210和1220的官能化石墨烯层上的电压。如图14所示，在一些实施例中，相比于为每个感测单元提供专用测量电路，可以设置单个测量电路1240，其经由多路复用器1250耦接到感测单元，用于在不同的时间间隔(例如，在连续的时间间隔期间)监控感测单元1210/1220上的电压。
再次参考图13和图14，与测量电路1240通信的分析器1260可以接收由感测单元1210/1220生成的信号(例如，官能化石墨烯层上的电压测量值)并处理这些信号，以确定在被研究样品中是否存在高于感测单元1210的检测极限(LOD)的血红蛋白以及由感测单元1220生成的信号是否指示样品中的DNA存在靶突变。
在一些实施例中，在将样品引入到传感器中之前，可以(例如以上面讨论的方式)采用DNA扩增技术(诸如上面讨论的)来扩增样品内的DNA。
图15示意性地描绘了感测单元的另一实施例，该感测单元可以与用于检测样品(例如粪便样品)中的血红蛋白的血红蛋白感测单元1210(诸如本文中公开的那些)以及被配置为检测样品中存在的DNA和/或RNA中的突变(包括单碱基突变)的感测单元1220一起被包括在传感器1200中。与前面的实施例不同，在感测单元1220’的这个实施例中，寡核苷酸结合元件而非CRISPR复合物可以耦接到石墨烯层1201，作为用于检测靶寡核苷酸(例如，DNA或RNA)片段(例如，DNA序列的单链的一部分)的寡核苷酸探针(例如，DNA或RNA探针)元件。例如，在这个实施例中，石墨烯层1201可以利用多个寡核苷酸1203’官能化，该多个寡核苷酸具有与靶核苷酸序列(例如具有突变(例如与探针寡核苷酸的核苷酸的单个碱基错配)的DNA或RNA序列)互补的核苷酸序列。
在该实施例中，寡核苷酸1203’可以使用连接子1204(诸如以上讨论的1-芘丁酸琥珀酰亚胺基)与石墨烯层1201耦接。该连接子可以通过其芘基团1204-1到石墨烯表面上的π堆积与石墨烯层1201耦接，而连接子1204的琥珀酰亚胺部分1204-2可以共价结合到寡核苷酸1203’的胺部分。在使用中，靶寡核苷酸序列(例如，靶单链DNA片段)与耦接到石墨烯层1201的探针寡核苷酸1203’的杂交可以引起石墨烯层1201的至少一种电性质(例如，其电阻抗，诸如其DC电阻)的变化，其可以以本文公开的方式检测。
在其它实施例中，可以采用其它类型的寡核苷酸结合元件。这种寡核苷酸结合元件的一些示例包括但不限于锌指和TALEN的DNA结合结构域(转录激活因子样效应物核酸酶)等。
示例
如上所述制造根据本教导的原型传感器，并使用具有各种浓度的血红蛋白抗原的样品进行测试。传感器的石墨烯层利用由Abeam以产品代码Ab77125销售的小鼠单克隆抗血红蛋白抗体(7E1F)官能化。此外，使用聚乙二醇(PEG)和乙醇胺钝化石墨烯层的未官能化部分。还制造了对照传感器，其中石墨烯层利用同型对照抗体官能化。两个传感器装载有包含浓度为0μg/mL、1μg/mL和10μg/mL的血红蛋白抗原的样品，并测量电子迁移率。如表1和图16所示，响应于与血红蛋白的相互作用，原型传感器表现出的电子迁移率的变化(即，不含抗原的缓冲液和含血红蛋白抗原的样品之间的电导率或电子迁移率的变化百分比)在统计学上高于对照传感器表现出的变化。
表1
不同血红蛋白(抗原)浓度的电子迁移率
Figure BDA0003865081950000181
本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种改变。
结论和通用术语
在各种实施例中，所公开的模块中的一个或多个通过用于执行相应模块的功能的一个或多个计算机程序来实施，或者通过执行那些程序的计算机处理器来实施。在一些实施例中，所公开的模块中的一个或多个通过执行用于执行相应模块的功能的固件的一个或多个硬件模块实施。在各种实施例中，所公开的模块中的一个或多个包括用于存储由模块使用的数据的存储介质，或者由模块执行的软件或固件程序。在各种实施例中，所公开的模块或所公开的存储介质中的一个或多个在所公开的系统的内部或外部。在一些实施例中，所公开的模块或存储介质中的一个或多个通过计算“云”来实施，所公开的系统通过网络连接与该计算“云”相连，并相应地使用外部模块或存储介质。在一些实施例中，所公开的用于存储信息的存储介质包括非暂时性计算机可读介质，诸如CD-ROM、计算机存储器，例如硬盘或闪存。此外，在各种实施例中，存储介质中的一个或多个是非暂时性计算机可读介质，其存储由各种模块执行的数据或计算机程序、或者实施本文公开的各种技术或流程图。
以上详细描述参考了附图。在附图或说明书中可能使用了相同或相似的附图标记来指代相同或相似的部件。此外，除非另有说明，否则类似命名的元件可以执行类似的功能，并且可以类似地设计。阐述细节是为了提供对示例性实施例的理解。实施例，例如替代性实施例，可以在没有这些细节的情况下实践。在其它情况下，没有详细描述公知的技术、程序和部件，以避免模糊所述实施例。
实施例的前述描述的呈现仅仅是出于说明目的。它不是详尽的，并且不将实施例限制为所公开的精确形式。尽管描述了多个示例性实施例和特征，但是在不脱离实施例的精神和范围的情况下，可以进行修改、调整以及实施其它实施方式。因此，除非另外明确说明，否则描述涉及一个或多个实施例，并且不应被解释为从整体上限制实施例。无论本公开是否陈述特征与“一”、“该”、“一个”、“一个或多个”、“一些”或“各种”实施例相关，其均为如此。如本文所用，除非上下文清楚地另外指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”可以包括复数形式。此外，术语“耦接”不排除在所耦接的项之间有中间元件存在。并且，特征可能存在的陈述指示该特征可能存在于一个或多个实施例中。
在本公开中，当在集合或系统之后使用时，术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”表示开放性的包括，并且不排除向集合或系统添加其它未列举的成分。另外，除非另有说明或从上下文中另外推断，否则连词“或”(如果使用的话)并不是排他的，而是包括性地意指“和/或”。并且，如果使用这些术语，集合的子集可以包括该集合的一个或多于一个成分或者包括所有成分。
所公开的系统、方法和装置不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和装置也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。任何操作理论是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和装置不限于这些操作理论。
根据上述教导，修改和变化是可能的，或者可以根据实践实施例获得。例如，所描述的步骤不需要以所讨论的相同顺序或以相同的分离程度来执行。同样地，根据需要，可以省略、重复、组合或并行执行各步骤，以实现相同或相似的目标。类似地，所描述的系统不必包括实施例中描述的所有部分，并且还可以包括实施例中未描述的其它部分。因此，实施例不限于上述细节，而是由所附权利要求根据其等同物的全部范围来限定。此外，本公开针对公开的各种实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面(单独地以及彼此的各种组合和子组合)。
尽管已经结合具体实施例详细描述了本公开，但是根据前面的描述，许多替换性方案、修改和变化将是显而易见的。因此，预期所附权利要求将包括落入本公开的真实精神和范围内的任何这样的替代性方案、修改和变化。

Claims (31)

1.一种用于检测样品中的血红蛋白的传感器，包括：
石墨烯层；
多个结合剂，所述多个结合剂耦接到所述石墨烯层以生成官能化石墨烯层，其中，所述结合剂结合到血红蛋白；以及
多个电导体，所述多个电导体与所述官能化石墨烯层电耦接，用于测量所述官能化石墨烯层的至少一种电性质。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述结合剂包括表现出与所述血红蛋白特异性结合的抗体。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述结合剂包括表现出与所述血红蛋白特异性结合的适体。
4.根据权利要求1所述的传感器，还包括：用于向所述官能化石墨烯层施加参考AC信号的参考电极。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述参考AC信号具有1kHz至1MHz的频率。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述样品包括生物样品。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述生物样品包括人类粪便。
8.根据权利要求7所述的传感器，其中，所述传感器对于检测人类粪便中的血红蛋白具有10μg·Hb/g·粪便的检测极限。
9.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述结合剂包括抗人类血红蛋白抗体。
10.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述结合剂通过多个连接子耦接至所述石墨烯层。
11.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述连接子中的每个在其一端处共价附接到所述石墨烯层，并且在另一端处共价附接到至少一种血红蛋白。
12.根据权利要求10所述的传感器，其中，所述连接子包括1-芘基丁酸琥珀酰亚胺酯。
13.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述石墨烯层利用多个羟基基团官能化。
14.根据权利要求13所述的传感器，其中，所述结合剂经由多个醛部分耦接到所述多个羟基中的一个或多个。
15.一种检测生物样品中的血红蛋白的方法，包括：
将所述生物样品施加到利用与血红蛋白结合的多个结合剂官能化的石墨烯层；
测量所述官能化石墨烯层的至少一种电性质；以及
使用所述测量的电性质来确定所述样品中是否存在血红蛋白。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述生物样品包括人类粪便。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述生物样品包括尿液。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述官能化石墨烯层的所述至少一种电性质包括其DC电阻。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述使用测量的电性质的步骤包括响应于所述样品与所述官能化石墨烯层的相互作用监控所述电性质的变化。
20.根据权利要求15所述的方法，还包括：利用基因筛查结合检测所述生物样品中的所述血红蛋白来检测结直肠癌。
21.一种制造用于检测生物样品中的血红蛋白的传感器的方法，包括：
将多个连接子共价附接到沉积在下面的基底上的石墨烯层；以及
将表现出与血红蛋白的特异性结合的多个结合剂共价耦接到所述连接子。
22.一种用于检测样品中的血红蛋白的可丢弃盒，包括：
微流体部件，所述微流体部件具有用于接收样品的入口端口和出口端口；以及
传感器，所述传感器与所述微流体部件流体耦接，用于从所述出口端口接收所述样品的至少一部分，
其中，所述传感器包括：
石墨烯层；
多个结合剂，所述多个结合剂耦接到所述石墨烯层以生成官能化石墨烯层，其中，所述结合剂结合到血红蛋白；以及
多个电导体，所述多个电导体与所述官能化石墨烯层电耦接，用于测量所述官能化石墨烯层的至少一种电性质。
23.根据权利要求22所述的可丢弃盒，其中，所述微流体部件包括聚合材料。
24.根据权利要求23所述的可丢弃盒，其中，所述聚合材料包括PDMS和PMMA中的任何一种。
25.一种筛查结直肠癌和癌前结直肠肿瘤中的任何一个的方法，包括：
从受试者收集粪便样品；
将收集的粪便样品溶解在缓冲溶液中以形成测试样品；
将所述测试样品引入到感测元件上，所述感测元件包括利用表现出与血红蛋白的特异性结合的多个结合剂官能化的石墨烯层；
响应于所述官能化石墨烯层暴露于所述测试样品，测量所述官能化石墨烯层的至少一种电性质；以及
确定在所述测试样品中是否存在高于与所述感测元件的灵敏度相关的阈值的血红蛋白。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括：量化所述测试样品中的所述血红蛋白的浓度。
27.根据权利要求25所述的方法，将所述量化的浓度与结直肠癌或癌前结直肠肿瘤的存在或不存在相关联。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，所述测试样品缺少稳定剂。
29.根据权利要求25所述的方法，还包括：利用至少一种基因筛查方法与所述血红蛋白的检测相结合。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述基因筛查方法包括检测一个或多个KRAS突变。
31.一种用于测试粪便样品的系统，包括：
收集管，所述收集管用于通过其开口接收粪便样品；
盖，所述盖用于可移除地以及可替换地耦接到所述收集管的所述开口，所述盖具有存储用于处理所述样品的一种或多种试剂的袋和混合元件，所述混合元件在驱动下刺穿所述袋以释放所述一种或多种试剂；以及
传感器，所述传感器用于检测所述样品中的血红蛋白，其中，所述传感器包括：
石墨烯层；
多个结合剂，所述多个结合剂耦接到所述石墨烯层以生成官能化石墨烯层，其中，所述结合剂结合到血红蛋白；以及
多个电导体，所述多个电导体与所述官能化石墨烯层电耦接，用于测量所述官能化石墨烯层的至少一种电性质。
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