JP2024508338A - 自己消毒センサ及び操作方法 - Google Patents

Abstract

生命体センサと、生命体を検出し、且つセンサを消毒する方法とが提供される。センサは、針状粒子と、導電性小板と、スペーサ材料とを含む複合材料から作られたマトリックス部材を含む。一対の電極は、マトリックスの対向する端部に電気的に結合される。加熱装置は、マトリックス部材と熱伝達するように配置される。コントローラは、検知装置と、加熱装置と、電極とに動作可能に結合され、コントローラは、一対の電極から信号を受信し、マトリックス部材を分極させ、試料容器内にサンプルを配置することに応じて加熱装置を所定の温度範囲に作動させて、対象生命体の検出とマトリックス部材の消毒とを同時に行うように構成されている。

Description

本発明は、センサに関し、具体的には、対象生命体の存在の検出及び自己消毒を同時に行うことができる対象生命体検出センサに関する。

バイオハザード（ｂｉｏｈａｚａｒｄ）という用語は、健康に脅威をもたらすあらゆる生物学的物質(微生物、植物、動物、又はそれらの副産物)を指す。除染手順のサブセットにおいて、滅菌は、消毒と同義ではなく、物品の表面上又は流体中の全ての微生物（本明細書では、微生物種は、細菌、及び／又は真菌、及び／又はウイルスを含む集合体として定義される）を破壊し、そのアイテムの使用に関連する病気の伝染を防ぐためのプロセスとして理解される。アメリカ疾病管理センターによると、医療施設で使用されるほとんどの医療機器及び外科機器は、主に加熱蒸気滅菌処理を受けている。しかし、１９５０年以降、異なる消毒手段が必要な材料(電子機器、プラスチックなど)で作られた医療機器や器具が増加している。したがって、本明細書で言う消毒要求とは、その処理がそのアイテムの使用に関連する感染又は病気の伝播を防ぐのに十分であるであるものと理解されたい。

様々な形態の材料、特に銀は、古くから抗菌用途が知られている。しかしながら、現在の新型コロナウイルス感染症パンデミック、及び似たような性質の将来の脅威の見通しにより、特に感染性物質の取り扱い又は潜在的な汚染からの保護が必要な用途では、一般的で比較的安価な材料の特性を利用して抗菌保護を強化することが望ましいとされている。

炭素は、地球上で最も一般的で耐久性のある元素の１つである。カーボンインクは、文書や図面において、数千年にわたって保存されるほどの望ましい耐久性レベルを示している。炭素のグラフェン元素形態(グラファイト、又はナノグラファイト、グラフェン、又は様々なカーボンナノチューブ)は、通常、微生物種に対して大きく害することがない。グラフェン誘導体の抗菌活性は、化学修飾又は金属及び金属酸化物複合ナノ構造によって付与される。単独のグラフェン又はグラファイトでは、微生物種（本明細書では、細菌、及び／又は真菌、及び／又はウイルスを含む集合体として定義される）に対してむしろ良性的（ｂｅｎｉｇｎ）である。

直接接触による微生物細胞に対するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の作用機構の中には、細胞壁及び細胞質膜の破壊、膜流動性の変化、酸化ストレス、酵素阻害、並びにいくつかの重要な遺伝子の転写の減少が生じるものがある。ＣＮＴの抗菌効果は、ＣＮＴの直径、長さ、凝集度、濃度、表面官能化、精製度、特に接触時間に強く依存することが示される。カーボンナノチューブなどの針状物体は、周囲条件下で抗菌活性を示すが、部分的な効果が現れるまでには数時間以上の時間を要する。これらの様々な材料の通常の準備方法には多くのステップが含まれ、作業が困難であり、高価である。

ユーザ及びセンサデバイスの使用を支援する人は、テスト中の検体から生じ得る有害な汚染から保護されることが望ましいことを理解されたい。テスト中の検体が代謝活動などの生命活動をまだ行うことができる場合、そのような検体及び検体と接触する物体は、バイオハザードとして扱われると仮定される。

現在使用されている典型的なバイオセンシング装置が再使用される前に、通常、従来の消毒方法が適用される。しかしながら、これらの従来の装置及び処理方法は、ｉｎ－ｓｉｔｕ汚染除去には一般に効果的ではない。ここで開示されている材料、熱、及び電流の特定の組み合わせは、例えば、細胞生命体やウイルスの検出及び不活性化させる所定のデバイスにおいて、特に部材のｉｎ－ｓｉｔｕ滅菌、不活性化、除染、又は消毒のために効果的である。他の方法は、デバイスに損傷を与えるか、又はデバイスが高価で製造が困難であり複雑な構成を含むこととなる。

したがって、既存の生命体センサはその意図された目的には適しているが、改善の必要性、特に、本明細書で説明する特徴を有するセンサを提供する必要性は依然として残っている。

本開示の一態様によれば、生命体センサが提供される。当該センサは、針状粒子、導電性小板、及びスペーサ材料を含む複合材料から作られたマトリックス部材を備える。一対の電極は、マトリックスの対向する端部に電気的に結合される。加熱装置は、マトリックス部材と熱伝達するように配置される。コントローラは、検知装置、加熱装置、及び電極に動作可能に結合され、コントローラは、一対の電極から信号を受信し、マトリックス部材を分極させ、加熱装置を所定の温度範囲に作動させて、試料容器内にサンプルを配置することに応じて対象生命体の検出とマトリックス部材の消毒とを同時に行うように構成されている。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、導電性の針状粒子を含むことができる。本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、カーボンナノチューブである針状粒子を含むことができる。本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、６から１２層のカーボンナノチューブである多層カーボンナノチューブを含むことができる。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、針状粒子と一対の電極との間に浸透経路を提供するように構成された導電性小板を含むことができる。本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、ナノグラファイト状小板と、単体（ｐｌａｉｎ）又は複合半導体材料のナノグラファイト状小板と、金属化ガラスと、小板状の形状因子を有する金属化高分子材料とを含む一群から選択される導電性小板を含むことができる。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、５５℃から７５℃の間の所定の温度範囲を含むことができる。本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、５８℃から６８℃の間の所定の温度範囲を含むことができる。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、マトリックス部材の分極により、１Ｖから５Ｖの電位差が生じることを含むことができる。本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、マトリックス部材の分極により、２Ｖから３Ｖの電位降下が生じることを含むことができる。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、マトリックス部材の側面に結合された支持層を含むことができる。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、スペーサ材料が最大約３０ミクロンの多孔性を有することを含むことができる。本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、センサの更なる実施形態は、スペーサ材料は、紙、織布、編布、不織布、及び開孔スポンジを含む一群から選択される材料から作られることを含むことができる。

本開示の別の態様によれば、センサにおける対象生命体を検出し、消毒する方法が提供される。当該方法は、サンプル材料を試料容器内に配置するステップを含み、試料容器は、針状粒子、導電性小板、及びスペーサ材料を含む複合材料から作られたマトリックス部材を含む。サンプル材料の少なくとも一部の細胞膜が穿孔される。サンプル材料は所定の温度範囲に加熱される。サンプル材料は分極される。所定の対象生命体の存在は、サンプル材料の加熱及び分極に応じて判定される。マトリックス部材は、サンプル材料の加熱及び分極に少なくとも部分的に基づいて消毒される。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、方法の更なる実施形態は、マトリックス部材を分極する前に、サンプル材料を所定の温度設定値まで加熱することを含むことができる。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、方法の更なる実施形態は、試料容器内でサンプル材料を純水と混合することを含むことができる。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、方法の更なる実施形態は、導電性小板は、針状粒子と一対の電極との間に浸透経路を提供することを含むことができる。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、方法の更なる実施形態は、５５℃から７５℃の間の所定の温度範囲を含むことができる。本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、方法の更なる実施形態は、５８℃から６８℃の間の所定の温度範囲を含むことができる。

本明細書に記載される特徴の１つ以上に加え、又は代替として、方法の更なる実施形態は、マトリックス部材の分極が、１Ｖから５Ｖの電位差を適用することを含むことができる。

これら並びに他の利点及び特徴は、図面と併せて以下の説明により更に明らかになるであろう。

開示される発明主題は、明細書の最後にある特許請求の範囲において特に提示され、明確に請求される。本開示の前述した特徴及びその他の特徴、並びに利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明により明らかとなる。

一実施形態による、対象生命体を検出するための自己消毒センサの概略図 一実施形態による、図１又は図２のセンサのマトリックスに用いられるカーボンナノチューブの電子顕微鏡画像 一実施形態による、細胞、針状粒子、及び小板の間の相互作用を示す概略図 一実施形態による、対象生命体を検出するための自己消毒センサシステムの概略図 一実施形態による、対象生命体を検出するための自己消毒センサシステムの上面図 一実施形態による、図４のセンサシステム用の同心電極アレイの概略図 一実施形態による別のセンサデバイスの概略図 一実施形態によるセンサアレイを有する別のセンサデバイスの概略図 一実施形態による検体の検知及び消毒をするための温度対時間のプロット 一実施形態による検体の検知及び消毒をするための電圧対時間のプロット 一実施形態によるセンサデバイスを製造するためのフローダイアグラム 一実施形態によるセンサアセンブリの組み立てを示す図 一実施形態によるセンサアセンブリの組み立てを示す図 一実施形態によるセンサアセンブリの組み立てを示す図 一実施形態によるセンサアセンブリの組み立てを示す図 一実施形態によるサンプル材料の調製及びテストを示す図 一実施形態によるサンプル材料の調製及びテストを示す図 一実施形態によるサンプル材料の調製及びテストを示す図 一実施形態によるサンプル材料の調製及びテストを示す図 図１２Ｄの自己消毒センサシステムの操作方法のフローダイアグラム

詳細な説明では、図面を参照して、例として、本開示の実施形態について、利点及び特徴とともに説明する。

本開示の実施形態は、自己消毒機能も提供するセンサデバイスを提供する。

一般に、汚染除去は、物体を加熱することとは独立して実現することができる。しかしながら、加熱することにより、対象となる生命体の検出が妨げられたり、センサデバイスが損傷したりする可能性もある。例えば、最小限の消毒熱処理では、水中で１５分以上煮沸する。一般的な滅菌条件では、オートクレーブ及び蒸気を３０分以上使用し、約摂氏１００度以上の温度に達する。

各検知スポットに温度設定値を提供しながら、電気分極と検知材料の検知スポットの加熱とを組み合わせることによって、対象物質の検出と、検体及び検知材料の汚染除去を同時に行うことができることが判明した。

一実施形態では、消毒プロセスの継続時間は、検知プロセスの継続時間によって制限される。検知プロセスには通常２０分未満かかり、他の実施形態では１時間未満かかる。一実施形態では、検知／検出動作を実行する間の加熱時間は約１０分である。更に別の実施形態では、検体は加熱された分極センサと接触する。

酵母サンプルの場合、対象生命体の不活性化は５分未満で実行される。一実施形態では、検知材料を、所定の制限以下の温度まで、そして、検知プロセスの制約によって定められた所定の制限内で電気分極させることによって、この制限内で汚染除去を実現することができる。一実施形態では、温度制限は５５℃から７５℃の間である。検知プロセスの時間及び化学的制約内で対象生命体を検出するための条件を提供するように用いられる検知材料のみ、分極のみ、又は温度のみでは、消毒するには十分ではない。これら３つのファクタの組み合わせによって消毒効果が引き起こされることが判明した。核酸配列の例示的な検知プロセスは、検知プロセス中に形成されるハイブリッドの融点よりも低い温度の適用を利用する。この条件は、図１に示すセンサデバイスの汚染除去に使用できる温度の上限を決める。

一実施形態では、２つの電極は、細胞膜を貫通することができる針状又は細い管状の導電性部材を含む検知変換層（ｔｒａｎｓｄｕｃｉｎｇ ｌａｙｅｒ）に接触するとともに、電位と熱とを組み合わせて加えるように構成される。針状部材はマトリックスに埋め込まれている。マトリックスも導電性材料であって、針状部材と類似する物理的及び化学的特性を示すが、主に、検知機能においては、変換層の針状材料及び導電体のキャリア及び支持体として機能する。

一実施形態では、検知変換層（すなわち、マトリックス）材料の組み合わせは、針状導電性部材と、埋め込まれた導電性マトリックス部材（導電性小板）と、を含み、０．５から５Ｖの範囲の電位が適用され、サンプルは周囲温度から摂氏７６度までの温度に加熱される。一実施形態では、サンプルは摂氏５５度から摂氏７５度の間の温度に加熱することができる。これにより、細胞膜とウイルスのコーティングが十分に速い速度で開くことが可能になり、対象生命体を検出し、放出された核酸、ＤＮＡ、及び／又はＲＮＡの中からターゲット種を検出して、体液、特に唾液などの臨床サンプル中の対象微生物を検出するのに十分なデータを取得するために使用される時間の間に検体の汚染除去が可能となる。

更に、一実施形態では、検知プロセス後の消毒プロセスは、次のように強化できると考えられる。すなわち、検知部材を５ボルトに分極し、５から１０分の間に配置温度を７５℃に設定する。これによっても、２０分以内に対象生命体の検出と消毒が可能となる。一部のハイブリッドは７５℃などの高温で分解又は「溶ける」可能性があり、その結果、ハイブリダイゼーション（ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ）平衡に好ましくない変化が生じ、検知が妨げられる場合があることを理解されたい。これに対応するために、検知を妨げる温度(例えば、７５℃)で動作させるのではなく、より低い温度で検知を実行し、検知プロセスが終了した後に、消毒機能を強化して消毒プロセスを完了させることができる。

一実施形態では、消毒変換材料（ｔｒａｎｄｕｃｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）は、５重量％から９５重量％のグラファイト粒子と５重量％から９５重量％のカーボンナノチューブとの組み合わせを含む。素材のバランスは、他の適切な導電性又は半導体材料によって満たすことができる。一実施形態では、センサ自体が導電性を維持する限り、導電性ではない結合剤又は多孔性調整剤などの添加剤を修正することによって、材料のバランスを満たすことができる。一実施形態では、変換材料は支持層によって支持されてもよい。支持層は、これらに限定されないが、例えば、ポリマー、セラミック、エアロゲル発泡体、織物、紙、及びガラス状材料などの材料から作製することができる。

消毒に係る別の実施形態では、変換材料（すなわち、マトリックス）は、４０重量％から８５重量％のグラファイト粒子と６０重量％から１５重量％のカーボンナノチューブの組み合わせを含み、他の材料のバランスは、他のグラフェン形態の炭素粒子、例えば、カーボンナノチューブ、又はフラーレン、又はグラフェン、又はグラファイトの部分酸化、水和、若しくは水素化生成物で構成され、或いは、窒素、酸素、又は硫黄、又はいくつかのゼロ価金属、例えば、銅、鉄、マンガン、亜鉛、又はその他の金属、又は、炭素若しくは有機材料の格子に埋め込まれた銀よりも電気化学ポテンシャルが低いゼロ価金属ナノ粒子、これに限定されないが、例えば、クラウンエーテル、ポルフィリン、又はフタロシアニン、又はペンタセン、又は、例えば、カルボニル若しくはシアン化物等の環状配位子等を含む形態で構成される。

ある種の真菌、例えば酵母などが口腔感染症などを引き起こすことが知られている。酵母の不活性化について実験的テストを行った。当該実験的テストにおいて、真菌性病原体はパン酵母菌株で代表された。パン酵母菌株は、比較的無害なものであって、別名サッカロミセス・セレビサエとしても知られ、ベーカリー製品の製造に使用される真菌であるが、その異常増殖により胃腸の不快感を引き起こすことがある。図１のセンサを用いてショ糖溶液中の酵母を不活性化させた。不活性化は、設定温度６０℃で１から３ボルトの電位で、一般的には、検出期間の２０分以内に生じる。消毒条件の対象となる検知スポットあたり最大１００，０００個の細胞の検体、酵母サンプルを消毒した後、ショ糖を補充した培養物中では、処理後最大８日間、代謝的活性又は増殖活性を示していなかった。検知スポットごとに１００万個以上の対象生命体の負荷量（ｌｏａｄｉｎｇ）を汚染除去できると考えられている。検知材料のみとの接触を受けた対照サンプルは、このような培養物では最大３日間不活性でしたが、３日後の培養物では、一部のサンプルは二酸化炭素の生成によって明らかな代謝的活性を示した。陽性対照サンプルは全て、全観察期間にわたって代謝的活性であった。酵母を接種しなかった陰性対照サンプルは、観察期間を通じて代謝的不活性であった。６０℃の加熱のみでは、導入された細胞の全てが不活性化されることはない。熱と電位との一定の組み合わせのみによって、酵母検体、周囲の液体、及び浸漬された装置の部材が消毒されることが観察された。検出器のキャリブレーションにより、対象微生物の数濃度を確認し、確実に消毒できる個体数を超えることを防ぐことができる。検体の過負荷は検出可能であり、追加の消毒方法をユーザに指示することができる。

追加の例としては、細菌の検出及び不活性化が挙げられる。図１のセンサを用いて、これらのような時間、熱、及び電位の条件において、例えば、大腸菌、サルモネラ菌、ボレリア・ブルグドルフェリ（Ｂｏｒｒｅｌｉａ Ｂｕｒｇｄｏｒｆｅｒｉ）などの細菌の検出又は不活性化が可能であり、同様に、ＣＯＶＩＤ１９やＰＲＲＳなどのコロナウイルス、養豚場で子豚の処理中に得られる唾液、血清、プロセス液中の豚呼吸器・生殖症候群ウイルスなどのウイルスの検出又は不活性化も可能である。

更なる例としては、例えば、レタスやほうれん草などの緑葉植物やイチゴなどのベリー類などの農産物に含まれる大腸菌が含まれる。

細菌及びウイルスは、上記の条件下で、核酸、ＲＮＡ、ＤＮＡ、及びそれらの組み合わせ、例えば、相補的なＤＮＡとＲＮＡとの組み合わせ、ＲＮＡとＲＮＡとの組み合わせ、ＤＮＡとＤＮＡとの組み合わせの分子遺伝学的検査の際の他の供給源からの他の液体において、例えば、熱と電気分極との組み合わせを利用することによって、不活性化できると考えられている。不活性化温度の設定値は、サンプル種の最適な代謝的活性又は増殖の温度よりも高い。熱処理と電気処理とを組み合わせることで、細孔が開き、包囲体から核酸が輸送され、代謝機能や増殖機能が可能となる。

本明細書に開示されるセンサの利点には以下が含まれるが、これらに限定されない。すなわち、核酸、又はタンパク質、又は独立的な、若しくは別の生命体と共生又は寄生関係にある生命の可能性を示すその他の兆候を含む検体を不活性化及び消毒をすることができる。

別の実施形態では、変換材料は、ガス透過性の開孔構造を含む。このような配置の利点の１つは、拡張性と適応性があり、任意の形式及び形状に構成できるため、新たな応用が可能となることにある。新たな応用として、例えば、ガスフィルター、機能性繊維等として、温和な条件下で電気的に分極して加熱することができ、更にバイオハザードの除染が可能であるため、バイオハザードのモニタリング、水や空気などの流体の浄化、及び（排気又は排水）汚染の制御にも役に立つ。

センサの検知部材の消毒のための実験的テストにおいて、センサを酵母、サッカロミセス・セレビサエ（Ｓａｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓａｅ）に晒し、そして、前述した増加を行わずに、唾液からＣＯＶＩＤ１９の検出に共通するセンシング条件を適用した。酵母は１０から３０℃の懸濁液中で培養され、バイオセンサ変換層は１０％から４０％の多層カーボンナノチューブと６０％から９０％のナノグラファイト小板で構成された。多孔質支持体上のサブミクロンから数十マイクロメートルの範囲の長さの粒子に、１０，０００細胞／マイクロリットル以上、すなわち、電極（グラファイト、又は金、銅などの金属、ただし銀ではない（銀それ自体に抗菌性があるため、変換層の検知機能を妨げる））を備えた変換スポットあたり５０，０００個の細胞を接種した。電気抵抗が０．５キロオームから３．５キロオームの範囲の検知スポットに、機器の動作限界内の電圧(ここでは、電子機器の－５Ｖから＋５Ｖの機能範囲)を適用した。１から５ボルトの範囲の電圧の提供、及び周囲温度よりも高い温度を検出温度設定値とすることで、多くの細菌又はウイルス種の検出が可能となる。これは、ハイブリダイゼーション反応のターゲットに対する検出の特異性の必要性によって定められた制限内であって、２４回の反復テストにおいて５７℃から６０℃で、各対照実験は８回の反復で行った。対照実験では、水、５から１０％のショ糖溶液、同じレベルで酵母を接種された形質導入材料を用いたが、電気分極や高温は適用されなかった。

生存テストの前に、全ての材料を２４時間培養した。テストの結果、５０，０００個以上の酵母細胞に晒され、上記の電圧及び温度条件を適用された検知部材の２４のサンプルの全てが、テスト直後、２４時間培養後、又は３日間培養後のいずれにおいても生存の兆候を示さなかった。また、本実験では水又は普通のショ糖を使用したサンプルも同様の結果を示した。対応するショ糖中で培養された酵母のサンプルの全てが生存可能であり、代謝的活性であった。ショ糖培養中の酵母を接種した部材を含む検知材料から構成された陰性対照サンプルの７５％は生存していた。そして、検知条件が適用されず、検知材料に晒された後１日後に、代謝的活性になった。これらのサンプルは、セットアップした後、３日目と７日目にも代謝活動が続いていた。

センサデバイスは、２つの電極と１つの検知スポットだけを含む実施形態に限定されず、多重化した電極及び検知スポットを含んでもよいことに更に留意されたい。電極の電気化学的配置は、検出と消毒との両方の機能を維持しながら、マクロからナノスケールまで可能であることを理解されたい。更に、電極は、検知信号の非接触送信を可能にする無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグとして形成されてもよい。更に別の実施形態は、無線周波数（ＲＦ）信号の減衰又は周波数変化の特異性が検出方法として含まれる。

一実施形態では、図５に示すセンサデバイスは、検知材料のチューブの形状を有し、管状の外部電極と円筒状の内部電極とが、同様に同軸ケーブルに配置されている。電極を分離する材料は検知材料であり、外部電極には穴が開けられ、これによって、試薬及び検体を検知材料の表面に入れることができる。このような非限定的な配置によって、検出方法を直流検出から高周波検出（ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）に変更可能であって、検出可能な対象生命体及びウイルスの更なる多重化が可能であり、また、浸漬構成（ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）での検出も可能となる。

更に、センサデバイスの全体は、平坦、二次元、平面及び／又は湾曲状であり得ることに留意されたい。換言すれば、本明細書に提供される実施形態によるセンサデバイスは、本明細書に提供される教示から逸脱することなく、任意の望ましい形状に容易に適合させることができる。

一実施形態では、センサデバイスは実質的に二次元であり、平坦で変形可能である。これによって、電極配置の全体の形状を、取り付け又は治療される部分の輪郭に適合させることができる。このような配置により、例えば、着用可能な電子機器及び検知用途の形状の使用が可能となる。

別の実施形態では、検知及び消毒装置は、装置を覆うカバーを更に備える。カバーはターゲット種を収容し、熱損失を制限するように適合することができ、それによって汚染除去に必要な時間を短縮することができる。更に、カバーは、汚染除去された物質を濾過するように適合することができる。更に、例えば、偶発的な電磁干渉を遮蔽することで、検知のよりよい制御を行うようにカバーを適合させることも可能である。最後に、カバーは、装置が減圧又は加圧下で動作できるように適合することができる。

更に、本明細書で提供される実施形態は、単一の構成要素としてのセンサに限定されないことに留意されたい。

本発明の別の実施形態では、センサデバイスは、汚染物質、特に細菌、ウイルス、又は胞子から空気を浄化するように適合される。一実施形態では、センサデバイスはガス透過性であり、汚染ガスがセンサデバイスを通過する間に、対象汚染物質が検出され、センサ区画内に滞留する間に不活性化される。

この実施形態の別の変形例では、センサデバイスは管状であり、汚染された空気が軸方向に装置を通過し、汚染された空気が装置を通過する間に、装置が汚染物質から空気を浄化することができる。

更に、センサデバイスは携帯型又は手持ち式であってもよいことに留意されたい。更に、いくつかの実施形態では、センサデバイスは、センサデバイスに電力を供給するための一体化された電気バッテリを含む。

一例として、消毒に対する新規なアプローチは、真菌症の治療にも使用することができる。

一実施形態では、センサデバイスは、流体フィルタ、特にエアフィルタであってもよく、検知スポットのメッシュと、装置の濾過面をカバーするための、本明細書で説明した対応する電極パターンとを備える。非限定的な実施形態では、検知材料と電極パターンとをフィルタ内に統合することによって、ハイブリダイゼーションセンシング（ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｎｇ）による制限を受けることなく、指定された材料、電気分極及び温度を含む組み合わせ処理が可能となる。

次に，図１を参照すると、一実施形態に係るセンサデバイス１００が示されている。センサデバイス１００はマトリックス１０２を含み、マトリックス１０２は、複数の針状粒子１０４と、導電性小板と、スペーサ材料とによって構成された複合材料から作られる。当該複合材料の一部は、図２Ａの電子顕微鏡画像に示されている。針状粒子１０４の少なくとも一部は鋭い端１０６を有する。例示的な実施形態では、針状粒子１０４はカーボンナノチューブである。一実施形態では、カーボンナノチューブは多層カーボンナノチューブである。更に別の実施形態では、カーボンナノチューブは６から１２層を含む。他の実施形態では、針状粒子は硬いフィブリル（ｓｔｉｆｆ ｆｉｂｒｉｌｌｓ）又はナノワイヤ（ｎａｎｏｗｉｒｅｓ）のいずれかである。

導電性小板は、針状粒子から電極１０８、１１０への浸透経路を提供する。一実施形態では、導電性小板は、ナノグラファイト小板、他の導電性小板、金属化ガラス、又はポリマー材料であってもよい。スペーサ材料はマトリックスに多孔性を与える。一実施形態では、小板は、ナノグラファイトプレートレット（ｎａｎ－ｇｒａｐｈｉｔｅ ｐｌａｔｅｌｅｔｓ）とＭＷＣＮＴとを所定の割合で含有するサーモメトリック炭素複合物（ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を含むことができる。これにより、検知マトリックスに次の利点を持たせることができる。（１）マトリックスの熱伝導率を調整する(動的、温度依存特性)。そして（２）一定の半導体特性を示すことで、センサの製造における品質管理を可能となる。一実施形態では、多孔性は約１０ミクロンである。多孔性は、遺伝物質の担体、検出対象（対象生命体）、及び検知される検体中に存在する可能性のある病原体の寸法と適合するように選択することができる。一実施形態では、マトリックス１０２の厚さは５から１００ミクロンである。

図２Ｂを参照する。図２Ｂは、針状粒子１０４と、導電性小板１０５と、細胞、例えばＳ．Ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅとの間の相互作用を示している。本明細書で提供されるいくつかの実施形態では、センサは、電気分極を可能に、且つ、検知マトリックスの自然伝導による信号と、ターゲットｃ－ＤＮＡマトリックスでプライミングされた信号と、ｃ－ＤＮＡとターゲット核酸とが反応して生じた信号とにより分類された電気信号の識別を可能にする。ターゲット核酸は、対象遺伝物質を包含する膜が破壊され、遺伝物質がビリオン（ｖｉｒｉｏｎ）又は細胞内のその区画から放出された後にのみ現れる。

マトリックス１０２は、マトリックス１０２の担体として機能する支持層１１２に付着（又は堆積）する。一実施形態では、支持層は、紙又は布などの多孔質材料から作られる。材料は、編物、織物、不織布、開孔スポンジ、又はそれらの組み合わせであってもよい。支持層１１２は、対象生命体の細胞寸法／サイズのオーダーの多孔性を提供するように選択される。他の実施形態では、支持層１１２は剛性であってもよく、スペーサ材料は所望のレベルの多孔性を提供する。

マトリックス１０２は、当該技術分野で知られているように、対象生命体のｓｓＤＮＡでプライミングされ得る。

マトリックス１０２には、一対の電極１０８、１１０が取り付けられている。一実施形態では、電極１０８、１１０は、図１に示すように、マトリックス１０２の対向する端部に取り付けられている。他の実施形態では、電極１０８、１１０は、図５に示すように配置されてもよい。図５では、第１の電極が第２の電極の周囲に同心円状に配置され、その間にマトリックス材料が配置されている。これらの電極／マトリックスの構成は例示を目的としたものであり、特許請求の範囲はそのように限定されるものではないことを理解されたい。

電極１０８、１１０には電源１１４が取り付けられている。電源１１４により、電極１０８、１１０、そしてマトリックス１０２に電位が印加される。本明細書で説明するように、電源１１４はまた、マトリックス１０２の分極を可能にし、センサデバイス１００の消毒を容易にする。

センサデバイス１００は、マトリックス１０２と熱伝達する熱源１１６を更に含む。熱源１１６からマトリックス１０２への熱エネルギーＱの流れは、伝導、対流、放射、又はそれらの組み合わせを介して行われてもよいことを理解されたい。

図１に示す実施形態は、テストされるサンプル１１８がピペット又はシリンジ１２０によって投与されている様子を示している。しかしながら、これは例示を目的としたものであり、特許請求の範囲はこれに限定されるべきではない。他の実施形態では、検知装置は、例えばカップなどの試料容器内に配置されてもよい（図４）。更に別の実施形態では、検知装置１０２は、流体、例えば、マトリックス１０２を通って流れる空気等を受け取るように構成されてもよい。

図３を参照すると、センサシステム３００の一実施形態が示されている。この実施形態では、試料容器３０２が提供され、当該試料容器３０２は、例えば、図４に示すような試料カップ３０２の形態であってもよい。システム３００は更に、テストされるサンプルを受け取るように配置された検知スポット３０４を含む。検知スポット３０４のそれぞれは、例えば、マトリックス１０２などのマトリックスを含む。一実施形態では、センサシステム３００は、アレイ３０６内に配置された複数の検知スポット３０４を含む（図４、図５）。検知スポット３０４のアレイを提供することにより、冗長性の利点を有し、テストされるサンプルにおける複数の対象生命体の検出が可能となることが理解されるべきである。

検知スポット３０４に電気的に接続されている電極３０８は電源３１０に電気的に接続されている。一実施形態では、検知スポット３０４（すなわち、マトリックス）と、電極３０８と、電源３１０とのそれぞれは、センサデバイス１００と同じ方法で構成される。熱源３１２は、検知スポット３０４に熱エネルギーを供給して、テスト中のサンプルを加熱する。一実施形態では、断熱層３１４が熱源３１２に隣接して配置される。

１つ以上のプロセッサ３１８と、ユーザ＆データインターフェース３２０とを有するコントローラ３１６が提供される。１つ以上のプロセッサ３１８は、センサシステム３００を動作させるための操作方法、例えば、本明細書に記載される方法などを実行するための実行可能なコンピュータ命令に応答する。当技術分野で知られているように、コントローラ３１６は更なる構成要素（例えば、揮発性メモリ及び不揮発性メモリ）、及び回路（例えば、通信回路）を有してもよいことを理解されたい。

操作中、ユーザは、テストされるサンプルを試料容器内に置き、検知スポット３０４（例えば、マトリックス）と接触するようにサンプルを配置する。ユーザは、例えば、ユーザ＆データインターフェース３２０などを通じて操作を開始し、電源３１０がコントローラ３１６によって起動される。電源３１０は、ヒータ３１２に電力を供給し、それによって、テストされるサンプルの温度が所定の温度範囲まで上昇する。更に、電源は電極３０８に電力を供給して、検知スポット３０４を所望のレベルに分極させる。電極３０８は、１つ以上のプロセッサ３１８に信号を送り返して、対象生命体の存在を決定する。システム３００は所定の時間を動作し、対象生命体の検出と同時に、試料容器３０２と、検知スポット３０４と、電極３０８との消毒をすることができる。

次に、図４を参照すると、試料容器３０２がカップ又はお皿の形態であるシステム３００の実施形態が示されている。試料容器３０２内には、検知スポット３０４のアレイ３０６が配置される。一実施形態では、検知スポット３０４の各々は、図１に示すように、マトリックス及び一対の電極を含む。一実施形態では、円３２２内の領域を満たすのに十分な量のテストされるサンプルが提供される。

本明細書で説明するように、検知スポット３２４は、中心電極３２８の周囲に配置された同心電極３２６の形態であってもよい。図５に示す実施の形態では、検知スポット３２６がアレイ３０６に配置され、１９の検知スポットと５つの異なる対象生命体の３重的検出を可能にする。

図６は、マトリックス６０２を含むセンサシステム６００を示す。マトリックス６０２は、吸い取り紙から作られた支持層によって支持されている。マトリックス６０２は、本明細書で説明されたマトリックス１０２と同じであってもよい。一対の電極６０８、６１０は、マトリックス６０２の対向する端部に電気的に接続されている。この実施形態では、マトリックス６０２と電極６０８、６１０とは、電極を電気接点６１３、６１５で接続するプリント回路基板６１１上に配置されている。接点６１３、６１６により、プリント回路基板６１１を、コントローラ、例えばコントローラ３１６に接続することができる。

図７は、アレイ７０６に配置された複数のセンサデバイス７０１を有する別のセンサシステム７００を示す。センサデバイス７０１のそれぞれは、マトリックス及び一対の電極、例えば、マトリックス１０２及び電極１０８、１１０を含む。一実施形態では、センサデバイス７０１は壁７０５内に配置される。壁７０５は、テストされるサンプルを、センサデバイス７０１が配置されている領域に収容する。各センサデバイス７０１は、一対の導体７０５に接続されて、電極を、コントローラ、例えば、コントローラ３１６に接続するピンフィードスルー（ｐｉｎ ｆｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓ）に電気的接続する。

図８を参照すると、対象生命体の検出、並びにテストされるサンプル及びセンサデバイスの消毒中に使用できる例示的な温度プロファイルのプロットの例が示されている。

図９は、対象生命体、細菌、ウイルス、真菌、又は他の生命体の検出、及びセンサデバイスの消毒中の電圧プロファイルの別のプロットの例を示す。

図１０を参照すると、センサデバイスを製造する方法１０００の実施形態が示されている。この方法は一例であり、センサデバイスは他の方法、そして異なる構成で製造されてもよいことを理解されたい。方法１０００は、ブロック１００２で始まり、接着フィルムの層を濾紙に適用することで支持層を準備する。次に、方法１０００はブロック１００４に進み、そこでマトリックス材料を濾紙上にコーティングする。マトリックス材料は、マトリックス１０２について説明したものと同じである。一実施形態では、マトリックス材料はドクターブレードを使用して塗布される。次に、マトリックス材料を、８６°Ｆ（３０℃）、湿度１８％で少なくとも１５時間乾燥させる。

次に、方法はブロック１００６に進み、マトリックスを所望のサイズ及び形状に切断する。例えば、マトリックスは、図１に示すようなセンサデバイスで使用するために長方形であってもよい（例えば、８ｍｍ×６ｍｍ）。次に、方法１０００はブロック１００８に進み、マトリックスは、少なくとも１対の導電性パッドを有するセンサボードに結合される。一実施形態では、接着フィルムは、マトリックスをセンサボードに結合させるために使用される。マトリックスはセンサボードに結合されて、一対の導電性パッドの間に配置される。次いで、ブロック１０１０において、各マトリックス部材の導電性パッドに導電性インクが塗布される。一実施形態では、導電性インクを、室温及び湿度２０％で少なくとも１５時間乾燥させることができる。湿度レベル及び乾燥時間は、センサの自己消毒機能に影響を与えることなく変更できることを理解されたい。最後に、ブロック１０１２において、各マトリックス部材をプライマー濃度でプライミング（ｐｒｉｍｅｄ）し、マトリックス部材に吸収させる。

図１１Ａから図１１Ｄを参照すると、センサボードをセンサシステムで使用されるセンサアセンブリに組み立てるための一連の組み立てステップが示されている。センサアセンブリ１１００は図１１Ａから始まる。このとき、ハウジング１１０１は、複数のねじ付きインサート１１０２、及び複数の開口部１１０４を有する。Ｏリング１１０５又は他の適切なシールが開口部１１０４の周りに配置される。次いで、センサ基板１１０６がハウジング１１０１上に配置され、マトリックス部材１１０８が開口部１１０４の上に、開口部１１０４に対して配置される。一実施形態では、ねじ付きインサート１１０２は、センサボード１１０６の穴を介してセンサボード１１０６をハウジングに位置合わせする。次いで、ねじ１１１０などの締結具を使用して、ねじ付きインサート１１０２を介してセンサボード１１０６をハウジング１１０１に結合することができる。図示の実施形態では、マトリックス部材１１０８の各々は、導電性パッド及び導電性トレースを介して端子１１１１に電気的に結合される。

マトリックス部材１１０８は、Ｏリング１１０５によって開口部１１０４に対してシールされることを理解されたい。開口部は、ハウジング１１０１を通って反対側まで延びる（図１１Ｄ）。一実施形態では、Ｏリング１１１２が開口部１１０４の周囲に配置されて、センサアセンブリ１１００を試料容器１１１６のカバー１１１４に密閉する（図１２Ａ、図１２Ｂ）。カバー１１１４は中央開口部を有する。これにより、カバー１１１４が試料容器１１１６に取り付けられたときに、開口部１１０４が試料容器１１１６の内部に露出することができる。

センサシステム１１２０（図１２Ｄ）を使用するには、ユーザはまず試料容器１１１６の内部にサンプル材料を挿入又は配置する。一実施形態では、１から３ミリリットルの唾液などのサンプルがテストには十分である。次に、オペレータは、約３０ミリリットルの純水を試料容器１１１６に加えて、サンプルと水との混合物１１２２を形成する。カバー１１１４は試料容器１１１６に結合されて混合物１１２２を封入し（図１２Ｂ）、混合物１１１２を所定の回数（例えば、５から７回）を旋回させて、内容物の混合が完了する。

次に、試料容器１１１６を裏返し（図１２Ｃ）、センサシステム１１２０上に置く（図１２Ｄ）。センサシステム１１２０は、センサシステム３００と同様に構成され、コントローラ１１２４、ユーザ＆データインターフェース１１２６、電源１１２８、及びヒータ１１３０を含む。センサアセンブリ１１０１は、端子１１１１を介してシステム１１２０に接続する。試料容器１１１６が逆さまになると、混合物１１２２が重力の影響を受けてカバー１１１４内に流入することを理解されたい。これにより、混合物１１２２の一部が開口部１１０４を通って流れ、マトリックス部材１１０８と接触することができる。

次に、図１３を参照すると、センサシステム１１２０を動作させるための方法１３００の実施形態が示されている。方法１３００は、ブロック１３０２で始まり、このとき、本明細書で上述したように、サンプル１１２２が試料容器１１１６内で調製され、次いで、センサシステム１１２０に配置される。ヒータ１１３０を作動し、サンプル１１２２の温度を所定の温度、例えば５９℃まで上昇させる。温度が所望の設定値に達すると、電源１１２８が端子１１１１を介してセンサアセンブリ１１０１に電力を供給することでテストが始まる。これにより、センサデバイスが分極され、対象生命体の検出が可能になる。次に、方法はブロック１３０８に進み、ここで、対象生命体を検知するための条件が提供される。

問合わせブロック１３１０は、対象生命体が検出されたときに肯定を返し、信号がセンサデバイスからコントローラ１１２４に送信される。次に、方法１３００はブロック１３１４に進み、ここで、温度と分極との組み合わせにより、センサデバイス（すなわち、マトリックス部材１１０８）が消毒される。試料容器１１１６は、ブロック１３１６でセンサシステム１１２０から取り外される。

「約」という用語は、出願時に利用可能な装置に基づく特定の量の測定に関連する誤差の程度を含むことを意図している。例えば、「約」には、所定の値の±８％、又は±５％、又は±２％の範囲を含むことができる。

更に、「例示的な」という用語は、本明細書では、「例、実例、又は例証として用いられる」ことを意味するために使用される。本明細書で「例示的」として説明される実施形態又は設計は、必ずしも他の実施形態又は設計よりも好ましい又は有利であると解釈されるべきではない。「少なくとも１つ」及び「１つ以上」という用語は、１以上の任意の整数、すなわち、１、２、３、４などを含むものと理解される。「複数」という用語は、２以上の任意の整数、すなわち、２、３、４、５などを含むものと理解される。「接続」という用語には、間接的な「接続」及び直接的な「接続」が含まれ得る。また、「第１」、「第２」、「第３」、「上部」、「下部」などの用語は、本明細書では様々な要素を修飾するために使用され得ることにも留意されたい。これらの修飾子は、特に指定されていない限り、修飾された要素に対する空間的、連続的、又は階層的な順序を意味するものではない。

広義の記述語「生命体」（複数の「生命体」）には、生物体、及び／又はその部分、並びに対象生命体及びそれらの組み合わせの意図的又は非意図的操作から自発的又は人為的に生じた野生、天然、又は突然変異した遺伝物質が制限なく含まれる。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としたもので、本開示を限定することを意図したものではない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上明らかに別段の指示がない限り、複数形も含むものとする。更に、本明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び／又は「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、記載された特徴、インテジャ（ｉｎｔｅｇｅｒ）、ステップ、操作、要素、及び／又は部材の存在を指定することも理解され、ただし、１つ以上の他の特徴、インテジャ（ｉｎｔｅｇｅｒ）、ステップ、操作、要素、部材、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除するものではない。

本開示は、限られた数の実施形態のみに関連して詳細に提供されるが、本開示がそのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるべきである。むしろ、本開示は、これまで説明されていないが、本開示の精神及び範囲に見合った任意の数の変形、変更、置換、又は同等の構成を組み込むように修正することができる。更に、本開示の様々な実施形態を説明してきたが、例示的な実施形態は、説明した例示的な態様の一部のみを含み得ることを理解されたい。したがって、本開示は、前述の説明によって限定されるものとみなされるべきではなく、添付の特許請求の範囲のみによって限定されるものである。

Claims (20)

1. 生命体センサであって、
   針状粒子と、導電性小板と、スペーサ材料とを含む複合材料から作られたマトリックス部材と、
   前記マトリックス部材の対向する端部に電気的に結合された一対の電極と、
   前記マトリックス部材と熱伝達する加熱装置と、
   前記検知装置と、前記加熱装置と、前記電極とに動作可能に結合されたコントローラであって、前記コントローラは、一対の前記電極から信号を受信し、前記マトリックス部材を分極させ、試料容器内にサンプルを配置することに応じて前記加熱装置を所定の温度範囲に作動させて、対象生命体の検出と前記マトリックス部材の消毒とを同時に行うように構成されている、前記コントローラと、
   を備える、
   生命体センサ。
2. 前記針状粒子は導電性を有する、
   請求項１に記載の生命体センサ。
3. 前記針状粒子はカーボンナノチューブである、
   請求項２に記載の生命体センサ。
4. 多層カーボンナノチューブは、６から１２層のカーボンナノチューブである、
   請求項３に記載の生命体センサ。
5. 前記導電性小板は、前記針状粒子と一対の前記電極との間に浸透経路を提供するように構成される、
   請求項１に記載の生命体センサ。
6. 前記導電性小板は、ナノグラファイト小板と、単体又は複合半導体材料のナノグラファイト状小板と、金属化ガラスと、小板状の形状因子を有する金属化高分子材料とを含む一群から選択される、
   請求項５に記載の生命体センサ。
7. 前記所定の温度範囲は、５５℃から７５℃の範囲である、
   請求項１に記載の生命体センサ。
8. 前記所定の温度範囲は、５８℃から６８℃の範囲である、
   請求項７に記載の生命体センサ。
9. 前記マトリックス部材を分極させることは、１Ｖから５Ｖの電位差を適用することを含む、
   請求項１に記載の生命体センサ。
10. 前記マトリックス部材を分極させることは、２Ｖから３Ｖの電位降下を適用することを含む、
    請求項９に記載の生命体センサ。
11. 前記マトリックス部材の側面に結合された支持層を更に備える、
    請求項１に記載の生命体センサ。
12. 前記スペーサ材料は、最大約３０ミクロンの多孔性を有する、
    請求項１に記載の生命体センサ。
13. 前記スペーサ材料は、紙と、織布と、編布と、不織布と、開孔スポンジとを含む一群から選択された材料から作られる、
    請求項１２に記載の生命体センサ。
14. 対象生命体をセンサ上で検出し、且つ消毒する方法であって、
    サンプル材料を、針状粒子と、導電性小板と、スペーサ材料とを含む複合材料から作られたマトリックス部材を含む試料容器内に配置するステップと、
    前記サンプル材料の少なくとも一部の細胞膜に穴を開けるステップと、
    前記サンプル材料を所定の温度範囲に加熱するステップと、
    前記サンプル材料を分極させるステップと、
    前記サンプル材料の加熱及び分極に応じて、所定の対象生命体の存在を判定するステップと、
    前記サンプル材料の加熱及び分極に少なくとも部分的に基づいて前記マトリックス部材を消毒するステップと、
    を含む、
    方法。
15. 前記マトリックス部材を分極させる前に、前記サンプル材料を所定の温度設定値まで加熱することを含む、
    請求項１４に記載の方法。
16. 前記試料容器内でサンプル材料を純水と混合するステップを更に含む、
    請求項１４に記載の方法。
17. 前記導電性小板は、前記針状粒子と一対の電極との間に浸透経路を提供する、
    請求項１４に記載の方法。
18. 前記所定の温度範囲は、５５℃から７５℃の範囲である、
    請求項１４に記載の方法。
19. 前記所定の温度範囲は、５８℃から６８℃の範囲である、
    請求項１８に記載の方法。
20. 前記マトリックス部材を分極させることは、１Ｖから５Ｖの電位差を適用することを含む、
    請求項１４に記載の方法。

Images