KR20160130459A - 3극 장치 및 분자 분석을 위한 방법 - Google Patents

3극 장치 및 분자 분석을 위한 방법 Download PDF

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샤리니 프라사드
안잔 파니르 셀밤
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보드 오브 리전츠, 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템
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Abstract

청구된 발명은 핸드헬드 측정 장치를 사용하여 임피던스 분광을 수행하기 위한 장치 및 방법이다. 다공성 나노텍스처드 기판 및 회로 설계시 솔리드형 기판의 상부 표면 상에 위치된 전도성 재료를 포함하는 컨포멀 목표 분석물 센서 회로는 홀로 또는 핸드헬드 포첸시오미터와 함께 사용될 수 있다. 또한, 핸드헬드 측정 장치를 사용하여 샘플 내의 목표 분석물을 검출하고 및/또는 정량화하는 방법이 개시된다.

Description

3극 장치 및 분자 분석을 위한 방법 {TRI-ELECTRODE APPARATUS AND METHODS FOR MOLECULAR ANALYSIS}
관련 출원에 대한 교차 -참조
본 출원은 2014년 3월 7일에 출원된 미국 가 특허 출원 제 61/949,858호 및 2015년 1월 30일에 출원된 미국 가 특허 출원 제 62/110,141호를 우선권으로 청구하며, 이러한 미국 가 특허 출원들의 각각의 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은 일반적으로 검출 장치 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 생체 분자 및 다른 목표 분석물을 동시에 검출하기 위한 3극 포텐시오스탯(potentiostat)을 이용하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
저렴하고 1회용이고 또한 생분해성인 진단 및 분석 플랫폼을 설계하기 위한 성능은 건강 관리 및 환경에 대해 커다란 가치가 있다. 생체 분자의 크기 기반 제한이 진단시 향상된 감도를 달성하기에 중요한 것으로 설정되어 왔다. 전형적으로, 크기 기반 제한은 유닛 당 비용을 증가시키고 기술의 유효 비용을 증가시키는, 상보형 금속-산화물 반도체(CMOS) 기술에 대해 사용된 복잡한 제조 공정을 통하여 달성된다. 저 비용 기술은 저급한 생분해성에 의해 폐기하기 어렵고 환경에 대한 비용을 추가하는 인쇄 회로 기판을 사용한다. 전형적으로 스크린 프린팅 기술을 사용하는 페이퍼 기반 미세 유체 공학(microfludics)이 개별되었지만 표면 상부 상의 제어된 유체 유동 (fluid flow)을 달성하는 것에 대해 문제가 남아 있다.
유사하게, 현재 입수가능한 시장의 포텐시오스탯은 넓은 범위의 전기/전기 화학적 기술에 대한 적용성에 촛점을 맞추어 설계된다. 이는 대형 형태 인자 및 이들의 구성에서 사용된 고가의 컴포넌트를 초래한다. 더욱이, 포텐시오스탯은 전기 화학적 적용을 위해 사용되는 것으로 설계된다. 이 같은 시장의 포텐시오스탯을 갖는 특정 문제점은 포텐시오스탯이 대형 장치 형태 인자를 가져서 현장 진료 설정에서 사용하기 어렵고 저 전류 및 저 전압 설정에서 노이즈가 크고, 고가이고 반복적인 소프트웨어 및 펌웨어 비용을 가지며 아날로그 시리얼 입력/출력 인터페이스를 가지며, 낮은 견고성 및 세계적인 적용시 비-보편성을 갖는 것을 포함한다. 극단적으로, 핸드헬드의 휴대용 포텐시오스탯은 맞춤성 및 적용성에서 적용의 범위로 상당히 제한된다. 휴대용 포텐시오스탯은 생물학적 적용에 노이즈 효율적이 아니고 따라서 견고성이 부족하다. 핸드헬드 포텐시오스탯을 갖는 특정 문제점은 저 전류 및 저 전압 설정에서 높은 노이즈, 바이오센싱으로의 적용에 대해 낮은 견고성, 및 전기 화학적 적용에 대해 최소 작동 선택을 포함한다.
현재 입수 가능한 시장의 포텐시오스탯은 2극 및 3극 시스템으로서 입수 가능하다. 현재 입수 가능한 2극 및 3극 포텐시오스탯 둘다 두 개의 전극들 사이에 단일 입력 전압을 인가한다. 이러한 단일의 인가된 입력 전압은 감지하는 목표 분석물에서의 제한된 특이성을 겪는다.
따라서, 목표 분석물을 검출하는데 있어서 강화된 특이성을 갖는 저렴하고, 효율적인 생분해성 진단 플랫폼에 대한 요구가 있다.
청구된 발명의 예시적인 실시예들은 핸드헬드 포텐시오미터(handheld potentiometer)를 이용하여 임피던스 분광을 수행하기 위한 장치 및 방법을 포함한다.
예시적인 실시예는 핸드헬드 측정 장치 및 컨포멀 분석물 센서 회로(conformal analyte sensor circuit)를 사용하여 샘플 내 다수의 목표 분석물을 검출하거나 정량화하는 방법을 포함하며, 이 방법은 (a) 다수의 목표 분석물을 포함하는 샘플을 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극을 포함하는 센서 회로를 가지는 컨포멀 기판 상에 배치하는 단계; (b) 제 1 위상각에서의 제 1 교류 입력 전압을 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (c) 제 2 위상각에서의 제 2 교류 입력 전압을 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계로서, 상기 제 1 위상각 및 제 2 위상각은 일정한 델타 위상각에 의해 분리되는, 단계; (d) 다수의 주파수들에서 출력 전류를 측정하고 다수의 분석물들에 대해 위상각을 변화시키는 단계; (e) 프로그램 가능한 게인 증폭기 (programmable gain amlifier)를 사용하여 제 2 전극을 통하여 상기 제 1 전극으로부터 그리고 제 3 전극으로부터 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계; (f) 전기 이중 층을 복수의 평면으로 섹션화하는 단계로서, 상기 전기 이중 층이 제 1 전극의 표면, 제 2 전극의 표면, 및 제 3 전극의 표면에 인접한, 단계; (g) 상기 제 1 입력 전압의 제 1 위상각 및 상기 제 2 입력 전압의 제 2 위상각을 변화시키는 단계; (h) 최대 임피던스 변화가 발생하는 제 1 위상각 및 제 2 위상각을 식별하는 단계; (i) 상기 제 1 위상각 및 상기 제 2 위상각에서의 식별된 임피던스를 측정하는 단계; 및 (j) 다수의 목표 분석물을 검출하거나 표준 교정 곡선의 사용에 의해 목표 분석물의 농도를 계산하도록 다수의 주파수들에서 측정 임피던스 및 관련된 위상각을 사용하는 단계를 포함한다.
특별한 실시예는 분석물 센서 회로를 포함하고 이는 회로 설계시 표면 상에 배치되는 전도성 재료(텍스처드 다공도(textured porosity)를 갖거나 갖지 않음)를 포함하고 이에 의해 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극을 포함하는 회로를 생성하는 표면을 갖는 기판; 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 게인 증폭기; 및 프로그램 가능한 게인 증폭기, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극에 작동가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 포함한다. 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 (a) 제 1 교류 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하도록 구성되며; (b) 제 2 위상각에서의 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하도록 구성되되(여기서 제 1 위상각 및 제 2 위상각이 일정한 델타 위상각에 의해 분리되도록 구성되며); (c) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 상기 제 1 전극으로부터 그리고 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하도록 구성되며; (d) 제 1 전극의 표면, 제 2 전극의 표면, 및 제 3 전극의 표면에 인접한 전기 이중 층을 3차원 공간에서 복수의 평면으로 섹션화하도록 구성되며; (e) 제 1 입력 전압의 제 1 위상각 및 제 2 입력 전압의 제 2 위상각을 변화시키도록 구성되며; (f) 최대 임피던스 변화가 발생하는 제 1 위상각 및 제 2 위상각을 식별하도록 구성되며; (g) 상기 제 1 위상각 및 상기 제 2 위상각에서의 식별된 임피던스를 측정하도록 구성되며; 그리고 (i) 목표 분석물을 검출하거나 표준 교정 곡선의 사용에 의해 목표 분석물의 농도를 계산하도록 측정된 임피던스를 사용하도록 구성된다.
소정의 실시예에서, 상기 장치는 부가 회로를 포함하고, 각각의 회로는 각각 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기에 작동 가능하게 커플링되는 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극을 포함한다. 특정 실시예에서, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 부가 회로 각각에 대해 단계 (a) 내지 (i)를 수행하도록 구성된다.
예시적인 실시예들은 분석물을 검출 및 정량화하도록 구성된 장치를 포함하며, 상기 장치는 컨포멀 센서 회로, 및 상기 컨포멀 센서 회로에 커플링되는 핸드헬드 리더(handheld reader)를 포함하며, 상기 장치는 단일 샘플로부터 다수의 목표 분석물을 동시에 검출하고 정량화하도록 구성된다.
소정의 실시예에서, 컨포멀 센서 회로는 회로 설계시 표면 상에 배치되는 전도성 재료를 포함하고 이에 의해 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극을 포함하는 회로를 생성하는 표면을 갖는 기판; 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 게인 증폭기; 및 프로그램 가능한 게인 증폭기, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극에 작동가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 포함한다. 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 (a) 제 1 교류 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하도록 구성되며; (b) 제 2 위상각에서의 제 2 교류 입력 전압을 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하도록 구성되되(여기서, 제 1 위상각 및 제 2 위상각이 일정한 델타 위상각에 의해 분리되도록 구성되며); (c) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 상기 제 1 전극으로부터 그리고 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하도록 구성되며; (d) 제 1 전극의 표면, 제 2 전극의 표면, 및 제 3 전극의 표면에 인접한 전기 이중 층을 3차원 공간에서 복수의 평면으로 섹션화하도록 구성되며; (e) 상기 제 1 입력 전압의 제 1 위상각 및 상기 제 2 입력 전압의 제 2 위상각을 변화시키도록 구성되며; (f) 최대 임피던스 변화가 발생하는 제 1 위상각 및 제 2 위상각을 식별하도록 구성되며; (g) 상기 제 1 위상각 및 상기 제 2 위상각에서의 식별된 임피던스를 측정하도록 구성되며; 그리고 (i) 목표 분석물을 검출하거나 표준 교정 곡선의 사용에 의해 목표 분석물의 농도를 계산하도록 측정된 임피던스를 사용하도록 구성된다.
예시적인 실시예는 핸드헬드 측정 장치 및 컨포멀 분석물 센서 회로를 사용하여 샘플 내 목표 분석물을 검출하거나 정량화하는 방법을 포함하며, 이 방법은 (a) 다수의 목표 분석물을 포함하는 샘플을 제 1 전극, 제 2 전극, 제 3 전극, 제 4 전극, 제 5 전극, 및 제 6 전극을 포함하는 센서 회로를 가지는 컨포멀 기판 상에 배치하는 단계; (b) 제 1 위상각에서의 제 1 교류 입력 전압을 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (c) 제 2 위상각에서의 제 2 교류 입력 전압을 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계로서, 상기 제 1 위상각 및 제 2 위상각은 제 1의 일정한 델타 위상각에 의해 분리되는, 단계; (d) 제 1 주파수 범위에 걸쳐 다수의 주파수들로 제 1 출력 전류를 측정하고 제 1 위상각 범위에 걸쳐 위상각을 변화시키는 단계; (e) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 상기 제 1 전극으로부터 그리고 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 제 1 출력 전류를 증폭하는 단계; (f) 제 1 전기 이중 층을 3차원 공간에서 복수의 평면으로 섹션화하는 단계로서, 상기 제 1 전기 이중 층이 제 1 전극의 표면, 제 2 전극의 표면, 및 제 3 전극의 표면에 인접한 단계; (g) 상기 제 1 위상각의 범위에 걸쳐 상기 제 1 입력 전압의 제 1 위상각 및 상기 제 2 입력 전압의 제 2 위상각을 변화시키는 단계; (h) 제 1 최대 임피던스 변화가 발생하는 제 1 위상각 및 제 2 위상각을 식별하는 단계; (i) 상기 제 1 위상각 및 상기 제 2 위상각에서의 식별된 임피던스를 측정하는 단계; (j) 표준 교정 곡선의 사용에 의해, 제 1 목표 분석물을 검출하거나 제 1 목표 분석물의 농도를 계산하도록 다수의 주파수들에서 측정 임피던스를 사용하는 단계; (k) 제 3 위상각에서의 제 3 교류 입력 전압을 제 4 전극과 제 5 전극 사이에 인가하는 단계; (l) 제 4 위상각에서의 제 4 교류 입력 전압을 제 6 전극과 제 5 전극 사이에 인가하는 단계로서, 상기 제 3 위상각 및 제 4 위상각은 제 2의 일정한 델타 위상각에 의해 분리되는, 단계; (m) 제 2 주파수 범위에 걸쳐 다수의 주파수들로 제 2 출력 전류를 측정하고 제 2 위상각 범위에 걸쳐 위상각을 변화시키는 단계; (n) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 제 5 전극을 통하여 상기 제 4 전극으로부터 그리고 제 6 전극으로부터 흐르는 제 2 출력 전류를 증폭하는 단계; (o) 제 2 전기 이중 층을 복수의 평면으로 섹션화하는 단계로서, 상기 제 2 전기 이중 층이 제 4 전극의 표면, 제 5 전극의 표면, 및 제 6 전극의 표면에 인접한, 단계; (p) 상기 제 2 위상각 범위에 걸쳐 상기 제 3 입력 전압의 제 3 위상각 및 상기 제 4 입력 전압의 제 4 위상각을 변화시키는 단계; (q) 제 2 최대 임피던스 변화가 발생하는 제 3 위상각 및 제 4 위상각을 식별하는 단계; (r) 상기 제 3 위상각 및 상기 제 4 위상각에서의 식별된 임피던스를 측정하는 단계; 및 (s) 표준 교정 곡선의 사용에 의해, 제 2 목표 분석물을 검출하거나 제 2 목표 분석물의 농도를 계산하도록 다수의 주파수들에서 측정된 임피던스 및 위상 변화를 사용하는 단계를 포함한다. 특별한 실시예에서, 상기 단계 (a) 내지 (j)가 단계 (k) 내지 (s)와 동시에 수행된다.
소정의 실시예에서, 제 1 주파수 범위 및 제 2 주파수 범위가 상이하다 (different). 특별한 실시예에서, 제 1 위상각 범위 및 제 2 위상각 범위가 상이하다. 일부 실시예에서, 제 1 주파수 범위 및 제 2 주파수 범위가 동일하다. 특정 실시예에서, 제 1 위상각 범위 및 제 2 위상각 범위가 동일하다.
예시적인 실시예는 핸드헬드 측정 장치 및 컨포멀 분석물 센서 회로를 사용하여 샘플 내 목표 분석물을 검출하거나 정량화하는 방법을 포함하며, 이 방법은 (a) 제 1 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (b) 제 2 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (c) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 상기 제 1 전극으로부터 그리고 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계; (d) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압을 출력 전류에 비교함으로써 임피던스를 계산하는 단계; 및 (e) 목표 분석물을 검출하거나 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 계산된 임피던스로부터 목표 분석물 농도를 계산하는 단계를 포함한다.
예시적인 실시예는 핸드헬드 측정 장치 및 컨포멀 분석물 센서 회로를 사용하여 샘플 내 다수의 목표 분석물을 검출하거나 정량화하는 방법을 포함하며, 이 방법은 (a) 제 1 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (b) 제 2 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (c) 상기 제 2 입력 전압의 전기장의 각도 배향 (angular orientation)을 변화시키는 단계; (d) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 상기 제 1 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계; 및 (e) 상기 전기장의 각도 배향을 상기 출력 전류에 비교함으로써 하나 또는 둘 이상의 목표 분석물의 존재를 검출하는 단계를 포함한다. 측정될 수 있는 분석물의 타입은 액체 내에 분석물 또는 액체 내에 포함된 기상 분석물을 포함한다.
예시적인 실시예에서, 상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압은 50 Hz 내지 5,000 Hz의 주파수를 갖는다. 소정의 실시예에서, 상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압은 정현파, 및/또는 톱니파 및/또는 방형파이다. 특별한 실시예에서, 제 1 입력 진기 전압 및 제 2 입력 전압은 100 mV 내지 500 mV이거나 더 바람직하게는 50 mV 내지 200 mV이거나, 더욱 더 바람직하게는 5 mV 내지 20 mV이다.
특정 실시예에서, 출력 전류는 10 pA 내지 10 mA이거나, 더 바람직하게는 10 pA 내지 100 nA이거나, 더 바람직하게는 100 nA 내지 10 mA이다. 소정의 실시예에서, 출력 전류는 1 내지 200 배만큼 증폭된다. 특별한 실시예는 급속 푸리에 변환을 적용함으로써 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하는 단계 및/또는 라플라스 변환을 사용하여 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하는 단계를 더 포함한다. 소정의 실시예는 멀티-슬라이스 스플릿팅 및 신호 분석을 사용하여 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하는 단계를 더 포함한다. 특별한 실시예에서, 상기 각도 배향은 0 내지 360도에서 변화된다. 특정 실시예는 계산된 목표 분석물 농도를 디스플레이하는 단계를 더 포함한다. 소정 실시예는 계산된 임피던스를 디스플레이하는 단계를 더 포함한다. 특별한 실시예는 LCD 디스플레이 상에 출력을 디스플레이하는 단계를 더 포함한다. 특정 실시예는 스마트 폰 상에 출력을 디스플레이하는 단계를 더 포함한다. 소정의 실시예는 미니-조이스틱을 사용하여 입력을 제공하는 단계를 더 포함한다. 특별한 실시예는 스마트폰을 사용하여 입력을 제공하는 단계를 더 포함한다. 특정 실시예에서, 측정된 임피던스는 비-패러데이 (non-faradaic) 임피던스이다.
소정의 실시예에서, 컨포멀 분석물 회로는 상부면을 가지며 다공성 나노텍스처드 (nanotextured) 기판을 포함하는 솔리드형 (solid) 기판; 및 회로 설계시 솔리드형 기판의 상부 표면 상에 배치되는 전도성 재료를 포함하여 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극을 포함하는 회로를 생성한다. 특별한 실시예에서, 다공성 나노텍스처드 기판은 10 x 107 내지 10 x 1018 pores/mm2의 다공도, 또는 더욱 바람직하게는 10 x 1010 내지 10 x 1013 pores/mm2의 다공도를 갖는다. 특정 실시예에서, 다공성 나노텍스처드 기판은 절연 기판이다. 소정의 실시예에서, 다공성 나노텍스처드 기판은 페이퍼 또는 니트로셀룰로오스이다. 특별한 실시예에서, 상기 전도성 재료는 전도성 잉크 또는 반-전도성 잉크이다. 특정 실시예에서, 반-전도성 잉크는 탄소 잉크 및 첨가제를 포함하고, 소정 실시예에서, 전도성 잉크는 탄소, 은, 또는 금속 또는 금속 산화물 나노입자-주입 탄소 잉크이다.
특별한 실시예에서, 상기 금속 또는 금속 산화물 나노입자-주입 탄소 잉크는 금, 백금, 탄탈, 은, 구리, 주석, 인듐-주석 산화물, 그래핌(grapheme), 그래핌 산화물, 아연 산화물, 티타늄 산화물, 철 산화물, 또는 몰리브덴 산화물로 주입된 1 용적%이다. 특정 실시예에서, 회로는 비선형 회로이고 소정의 실시예에서, 회로는 비-저항 회로이다. 특정 실시예는 베이스 전극 표면을 포함하고, 특별한 실시예에서, 베이스 전극 표면은 소스 회로에 추가로 커플링된다. 특정 실시예에서, 소스 회로는 포텐시오스탯, 및/또는 전압 소스, 및/또는 전류 소스을 포함한다.
특정 실시예에서, 회로는 캡처 리간드(capture ligand) 또는 표지-분자를 포함하지 않는다. 특별한 실시예에서, 컨포멀 분석물 센서는 레독스 물질 (redox material)을 더 포함한다.
예시적인 실시예에서, 분석물 센서 회로는 아래의 방법에 의해 조립되며, 상기 방법은 (a) 솔리드형 다공성 나노텍스처드 기판을 제공하는 단계; 및 (b) 전도성 재료를 사용하여 다공성 나노텍스처드 기판의 상부 표면 상으로 분석물 센서 회로 설계를 전사하는 단계를 포함한다. 소정 실시예에서, 회로 설계를 전사하는 단계는 딥 코팅(dip coating)을 포함한다. 특별한 실시예에서, 회로의 피처 해상도(feature resolution)는 최고 100 nanometers/0.1 micron이다. 특정 실시예에서, 회로 설계를 전사하는 단계는 엠보싱(embossing)을 포함한다. 소정의 실시예에서, 상기 회로의 피처 해상도(feature resolution)는 최고 100 nanometers/0.1 micron이다. 특별한 실시예에서, 상기 회로 설계를 전사하는 단계는 3D 프린터 상에 회로를 설계하고 기판 상에 회로를 엠보싱하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서, 회로의 피처 해상도(feature resolution)는 최고 100 nanometers/0.1 micron이다. 소정 실시예에서, 상기 회로 설계는 마스킹(masking) 및 리소그래피를 포함한다. 특별한 실시예에서, 상기 회로의 피처 해상도(feature resolution)는 1 내지 10 microns이다.
예시적인 실시예는 목표 분석물을 측정하기 위한 핸드헬드 장치를 포함하며, 이 장치는 (a) 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되도록 구성된 프로그램 가능한 게인 증폭기; (b) 프로그램 가능한 게인 증폭기, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 포함하며, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 제 1 교류 입력 전압을 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 제 2 교류 입력 전압을 상기 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 제 1 전극으로부터 그리고 상기 제 3 전극으로부터 상기 제 2 전극을 통하여 흐르는 교류 출력 전류를 증폭하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압을 상기 측정된 출력 전류에 비교함으로써 임피던스를 계산하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 계산된 임피던스로부터 목표 분석물 농도를 계산하도록 작동된다.
예시적인 실시예는 목표 분석물을 측정하기 위한 핸드헬드 장치를 포함하며, (a) 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되도록 구성된 프로그램 가능한 게인 증폭기; (b) 프로그램 가능한 게인 증폭기, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 포함하며, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 제 1 교류 입력 전압을 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 제 2 교류 입력 전압을 상기 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 상기 제 2 교류 입력 전압의 전기장의 각도 배향을 변화시키도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 상기 제 3 전극을 통하여 흐르는 교류 출력 전류를 증폭하도록 작동되며, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 교류 출력 전류의 진폭을 계산하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 각도 배향을 상기 교류 출력 전류의 진폭에 비교함으로써 하나 또는 둘 이상의 목표 분석물의 존재를 검출하도록 작동된다.
핸드헬드 측정 장치의 소정의 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 50 Hz 내지 1,000 Hz의 주파수를 갖는 상기 제 1 교류 입력 전압 및 상기 제 2 교류 입력 전압을 인가하도록 작동된다. 특별한 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 정현파인 상기 제 1 교류 입력 전압 및 상기 제 2 교류 입력 전압을 인가하도록 작동된다. 특정 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 톱니파인 상기 제 1 교류 입력 전압 및 상기 제 2 교류 입력 전압을 인가하도록 작동된다. 소정의 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 방형파인 상기 제 1 교류 입력 전압 및 상기 제 2 교류 입력 전압을 인가하도록 작동된다. 특별한 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 1 내지 200의 가변 게인을 갖는다. 특정 실시예에서, 상기 마이크로컨트롤러는 5 mV 내지 500 mV의 상기 제 1 교류 입력 전압 및 상기 제 2 교류 입력 전압을 인가하도록 작동된다. 소정의 실시예에서, 상기 핸드헬드 측정 장치는 10 pA 또는 그 초과의 출력 전류를 검출하도록 작동된다. 특별한 실시예에서, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 아날로그 대 디지털 변환기 (analog to digital converter) 및 디지털 대 아날로그 변환기 (digital to analog converter)를 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하도록 상기 입력 전압 및 출력 전압에 고속 푸리에 변환을 적용하도록 작동된다. 소정의 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하도록 상기 입력 전압 및 출력 전류에 라플라스 변환을 적용하도록 작동된다. 특별한 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 임피던스 변화가 최대 또는 최소인 주파수를 결정하도록 멀티-슬라이스 스플릿팅 및 신호 분석을 사용하도록 작동된다. 특정 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 0도로부터 360도의 각도 배향을 이동시키도록 작동된다.
소정의 실시예는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러에 작동되게 커플링되는 액정 디스플레이; 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러에 작동되게 커플링되는 미니-조이스틱을 더 포함하며, 상기 미니-조이스틱은 사용자가 입력을 제공하는 것을 허용하도록 작동되고 상기 액정 디스플레이는 출력 데이터를 디스플레이할 수 있다. 특별한 실시예는 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러에 작동되게 커플링되는 스마트폰을 더 포함하며, 상기 스마트폰은 사용자가 입력을 제공하는 것을 허용하도록 작동되고 출력 데이터를 디스플레이할 수 있다. 특정 실시예에서, 출력 데이터는 목표 분석물 농도를 포함한다. 소정의 실시예에서, 출력 데이터는 임피던스를 포함한다. 특정 실시예에서, 핸드헬드 측정 장치는 레독스 프로브를 함유하지 않는다.
예시적인 실시예는 공지된 목표 분석물 농도를 가지는 복수의 용액을 테스트함으로써 핸드헬드 측정 장치를 교정하는 방법을 포함하고, 이 방법은 (a) 제 1 입력 전압을 복수의 용액의 각각에 대한 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (b) 제 2 입력 전압을 복수의 용액의 각각에 대한 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (c) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 상기 제 1 전극으로부터 그리고 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계; (d) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압을 출력 전류에 비교함으로써 복수의 용액의 각각에 대한 임피던스를 계산하는 단계; 및 (e) 방정식 zi= b1x2+b2x+c의 계수를 계산하는 단계로서, zi는 임피던스이고, x는 공지된 목표 분석물 농도이고, b1, b2, 및 c는 계수인, 단계를 포함한다.
예시적인 실시예는 전술된 컨포멀 회로 및 핸드헬드 측정 장치를 포함하는 키트를 포함한다.
일부 실시예에서, 핸드헬드 포텐시오미터는 LCD 스크린, 미니-조이스틱, 제 1 전극 포트, 제 2 전극 포트, 제 3 전극 포트, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러, 및 프로그램 가능한 게인 증폭기를 포함한다. 다른 실시예에서, 핸드헬드 포텐시오미터는 스마트폰, 케이블, 포텐시오스탯 어댑터, 제 1 전극 포트, 제 2 전극 포트, 제 3 전극 포트, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러, 및 프로그램 가능한 게인 증폭기를 포함한다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 포텐시오미터는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러 대신 프로그램 가능한 마이크로프로세서를 포함한다.
일부 실시예에서, 목표 분석물을 측정하기 위한 핸드헬드 장치는 (a) 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되도록 구성된 프로그램 가능한 게인 증폭기; (b) 프로그램 가능한 게인 증폭기, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 포함하며, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 교류 입력 전압을 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 그리고 교류 입력 전압을 상기 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 제 1 전극으로부터 상기 제 2 전극을 통하여 흐르는 교류 출력 전류를 증폭하도록 그리고 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 교류 출력 전류를 증폭하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 입력 전압을 측정된 출력 전류에 비교함으로써 임피던스를 계산하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 계산된 임피던스로부터 목표 분석물 농도를 계산하도록 작동된다.
일부 실시예에서, 목표 분석물을 측정하기 위한 핸드헬드 장치는 (a) 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되도록 구성된 프로그램 가능한 게인 증폭기; (b) 프로그램 가능한 게인 증폭기, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 포함하며, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 교류 입력 전압을 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 그리고 제 2 교류 입력 전압을 상기 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 제 3 전극과 기준 전극 사이의 전기장의 배향을 변화시키도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 제 3 전극에서 전류 응답을 결정하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 배향의 각도에 대한 전류 응답을 기초로 하는 복수의 목표 분석물의 존재를 결정하도록 작동된다.
일부 실시예에서, 제 3-제 2 전극 전기장은 제 1-기준 전극 전기장과 동일한 배향을 갖는다. 일부 실시예에서, 제 3-제 2 전극 전기장은 제 1-제 2 전극 전기장의 배향에 수직하다. 일부 실시예에서, 제 3-제 2 전극 전기장은 제 1-제 2 전극 전기장과 관련하여 0 내지 360도로 변화된다. 일부 실시예에서, 제 3 전극은 제 1 및 제 2 전극에 평행하다. 다른 실시예에서, 제 3 전극은 제 1 전극 및 제 2 전극에 수직하다. 일부 실시예에서, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 50 Hz 내지 1,000 Hz의 주파수를 갖는, 제 1 전극과 제 2 전극 사이 그리고 제 3 전극과 제 2 전극 사이의 입력 전압을 인가하도록 작동된다. 일부 실시예에서, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 정현파인 입력 전압을 인가하도록 작동된다. 일부 실시예에서, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 톱니파인 입력 전압을 인가하도록 작동된다. 일부 실시예에서, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 방형파인 입력 전압을 인가하도록 작동된다. 일부 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 1 내지 200의 가변 게인을 갖는다. 일부 실시예에서, 마이크로컨트롤러는 10 mV 내지 2 V의 입력 전압을 인가하도록 작동된다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 측정 장치는 10 pA 또는 그 초과의 출력 전류를 검출하도록 작동된다. 일부 실시예에서, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 아날로그 대 디지털 변환기 및 디지털 대 아날로그 변환기를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 입력 전압과 출력 전류 사이의 위상 차를 측정할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하도록 상기 입력 전압 및 출력 전류에 고속 푸리에 변환을 적용하도록 작동된다. 일부 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하도록 상기 입력 전압 및 출력 전압에 라플라스 변환을 적용하도록 작동된다. 일부 실시예에서, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 임피던스 변화가 최대 또는 최소인 주파수를 결정하도록 멀티-슬라이스 스플릿팅 및 신호 분석을 사용하도록 작동된다. 일부 실시예에서, 상기 장치는 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러에 작동되게 커플링되는 액정 디스플레이, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러에 작동되게 커플링되는 미니-조이스틱을 더 포함하며, 상기 미니-조이스틱은 사용자가 입력을 제공하는 것을 허용하도록 작동되고 상기 액정 디스플레이는 출력 데이터를 디스플레이할 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 장치는 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러에 작동되게 커플링되는 스마트폰을 더 포함하며, 상기 스마트폰은 사용자가 입력을 제공하는 것을 허용하도록 작동되고 출력 데이터를 디스플레이할 수 있다. 일부 실시예에서, 출력 데이터는 목표 분석물 농도(들)을 포함한다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 측정 장치는 레독스 프로브를 함유하지 않는다.
컨포멀 분석물 센서 회로는 다공성 나노텍스처드 기판, 및 회로 설계시 솔리드형 기판의 상부 표면 상에 배치되는 전도성 재료를 포함하여 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극을 포함하는 회로를 생성한다. 나노텍스처드 기판의 다공도는 측정될 목표 분석물에 의해 결정된다. 일부 실시예에서, 상기 다공성 나노텍스처드 기판은 10 x 107 내지 10 x 1018 pores/mm2의 다공도를 갖는다. 일부 실시예에서, 상기 다공성 나노텍스처드 기판은 10 x 1010 내지 10 x 1013 pores/mm2의 다공도를 갖는다. 일부 실시예에서, 다공성 나노텍스처드 기판은 절연 기판이다. 일부 실시예에서, 다공성 나노텍스처드 기판은 페이퍼 또는 니트로셀룰로오스이다.
전도성 재료는 당업자에게 공지된 임의의 적절한 재료일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 전도성 재료는 전도성 잉크 또는 반-전도성 잉크이다. 일부 실시예에서, 반-전도성 잉크는 탄소 잉크 및 첨가제를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 전도성 잉크는 탄소, 은, 또는 금속 또는 금속 산화물 나노입자-주입 탄소 잉크이다. 일부 실시예에서, 상기 금속 또는 금속 산화물 나노입자-주입 탄소 잉크는 1 용적%이 금, 백금, 탄탈, 은, 구리, 주석, 인듐-주석 산화물, 그래핌, 그래핌 산화물, 아연 산화물, 티타늄 산화물, 철 산화물, 또는 몰리브덴 산화물로 주입된다.
상기 회로는 비선형 회로 또는 비-저항성 회로일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 회로는 베이스 전극 표면으로서 추가로 형성된다. 일부 실시예에서, 상기 베이스 전극 표면은 소스 전류에 추가로 연결된다. 일부 실시예에서, 소스 전류는 포텐시오스탯이다. 일부 실시예에서, 소스 전류는 전압 소스이다. 일부 실시예에서, 소스 전류는 전류 소스이다. 일부 실시예에서, 회로는 캡처 리간드 또는 표지-분자를 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 컨포멀 분석물 센서는 레독스 물질을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 여기서 개시된 임의의 컨포멀 분석물 센서 회로는 다음 방법에 의해 조립되며, 상기 방법은 (a) 솔리드형 다공성 나노텍스처드 기판을 제공하는 단계, 및 (b) 전도성 재료를 사용하여 다공성 나노텍스처드 기판의 상부 표면 상으로 분석물 센서 회로 설계를 전사하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 회로 설계를 전사하는 단계는 딥 코팅을 포함한다. 이 같은 실시예에서, 상기 회로의 피처 해상도는 최고 100 nanometers/0.1 micron이다. 일부 실시예에서, 상기 회로 설계를 전사하는 단계는 엠보싱을 포함한다. 이 같은 실시예에서, 상기 회로의 피처 해상도는 최고 100 nanometers/0.1 micron이다. 일부 실시예에서, 상기 회로 설계를 전사하는 단계는 3D 프린터 상에 상기 회로를 설계하고 상기 기판 상에 상기 회로를 엠보싱하는 단계를 포함한다. 이 같은 실시예에서, 상기 회로의 피처 해상도는 최고 100 nanometers/0.1 micron이다. 일부 실시예에서, 상기 회로 설계를 전사하는 단계는 마스킹 및 리소그래피를 포함한다. 이 같은 실시예에서, 상기 회로의 피처 해상도는 1 내지 10 microns이다.
일부 실시예에서, 여기서 개시된 컨포멀 분석물 센서 회로들 중 일부 및 여기서 개시된 핸드헬드 측정 장치들 중 일부를 포함하는 키트가 개시된다.
여기서 개시된 핸드헬드 포텐시오스탯 및 다공성 나노텍스처드 컨포멀 회로는 목표 분석물을 검출하고 및/또는 목표 분석물을 정량화하는 것과 개별적으로 또는 이와 조합하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 목표 분석물을 검출하는 방법이 개시되며, 이 방법은 개시된 컨포멀 분석물 센서 회로 상에 샘플을 스폿팅(spotting)하는 단계로서, 상기 샘플이 다공성 나노텍스처드 기판 및 회로 설계를 통하여 전달되는 (wick through), 단계, 컨포멀 목표 분석물 센서 회로에 소스 회로를 부착하는 단계, 및 소스 회로로 샘플 내에 목표 분석물을 검출하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 소스 회로는 포텐시오스탯이다. 일부 실시예에서, 소스 전류는 전압 소스이다. 일부 실시예에서, 소스 전류는 전류 소스이다. 일부 실시예에서, 샘플은 1 내지 10 ㎕의 유체를 함유한다. 일부 실시예에서, 목표 분석물은 단백질, DNA, RNA, SNP, 소분자, 병원균 중금속 이온, 또는 생리 이온이다. 일부 실시예에서, 샘플은 표시되지 않는다. 일부 실시예에서, 목표 분석물을 검출하는 단계는 전기적 변화를 검출하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 핸드헬드 측정 장치를 사용하여 샘플 내 목표 분석물을 검출하거나 정량화하는 방법이 개시되며, 이 방법은 (a) 입력 전압을 제 1 전극과 제 2 전극 사이 및 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (b) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 상기 제 1 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르고 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계; (c) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 입력 전압들을 출력 전류들에 비교함으로써 임피던스를 계산하는 단계; 및 (d) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 계산된 임피던스로부터 목표 분석물 농도를 계산하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 핸드헬드 측정 장치를 사용하여 샘플 내 목표 분석물을 검출하거나 정량화하는 방법이 개시되며, 상기 방법은 (a) 입력 전압을 제 1 전극과 제 2 전극 사이 및 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (b) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 상기 제 1 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르고 상기 제 2 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계; (c) 상기 제 3 전극과 제 2 전극 사이의 전기장의 배향을 변화시키는 단계; (d) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 제 3 전극에서 전류 응답을 측정하는 단계, 및 (e) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 전류 응답을 배향에 비교함으로써 목표 분석물의 아이덴티티(identity)를 결정하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 제 3 전극은 제 1 전극 및 제 2 전극에 평행하다. 일부 실시예에서, 제 3 전극은 제 1 전극 및 제 2 전극에 수직하다. 일부 실시예에서, 제 3-제 2 전극의 전기장은 상기 제 1-제 2 전극의 전기장으로부터 90도 배향된다. 일부 실시예에서, 제 3-기준 전극 전기장은 제 1-제 2 전극 전기장과 동일한 배향을 갖는다. 일부 실시예에서, 제 3-기준 전극 전기장은 제 1-제 2 전극 전기장과 동일한 배향을 갖는다. 일부 실시예에서, 제 3-제 2 전극 전기장의 배향은 제 1-제 2 전극 전기장과 관련하여 0 내지 360도로 변화된다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 50 Hz 내지 1,000 Hz의 주파수를 갖는다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 정현파이다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 톱니파이다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 방형파이다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 100 mV 내지 500 mV이다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 50 mV 내지 200 mV이다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 5 mV 내지 20 mV이다. 일부 실시예에서, 출력 전류는 10 pA 내지 10 mA이다. 일부 실시예에서, 출력 전류는 10 pA 내지 100 nA이다. 일부 실시예에서, 출력 전류는 100 nA 내지 10 mA이다. 일부 실시예에서, 상기 출력 전류는 1 내지 200 배만큼 증폭된다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 고속 푸리에 변환 및/또는 라플라스 변환을 적용함으로써 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 멀티-슬라이스 스플릿팅 및 신호 분석을 사용하여 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 계산된 목표 분석물 농도를 디스플레이하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 LCD 디스플레이 상에 출력을 디스플레이하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 스마트폰 상에 출력을 디스플레이하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 미니-조이스틱을 사용하여 입력을 제공하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 스마트폰을 사용하여 입력을 제공하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 측정된 임피던스는 비-패러데이 임피던스이다.
일부 실시예에서, 핸드헬드 측정 장치를 사용하여 샘플 내 목표 분석물을 검출하거나 정량화하는 방법이 개시되며, 이 방법은 (a) 입력 전압을 제 1 전극과 제 2 전극 사이 및 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (b) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 상기 제 1 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르고 그리고 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계; (c) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 상기 제 1 입력 전압의 위상 및 상기 제 2 입력 전압의 위상에 대한 출력 전류의 위상차를 계산하는 단계; 및 (d) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 출력 전류의 최대 위상차를 결정함으로써 하나 또는 둘 이상의 목표 분석물의 존재를 검출하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 50 Hz 내지 1,000 Hz의 주파수를 갖는다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 정현파이다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 톱니파이다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 방형파이다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 100 mV 내지 500 mV이다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 50 mV 내지 200 mV이다. 일부 실시예에서, 입력 전압은 5 mV 내지 20 mV이다. 일부 실시예에서, 출력 전류는 10 pA 내지 10 mA이다. 일부 실시예에서, 출력 전류는 10 pA 내지 100 nA이다. 일부 실시예에서, 출력 전류는 100 nA 내지 10 mA이다. 소정의 실시예에서, 상기 출력 전류는 1 내지 200 배만큼 증폭된다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 계산된 목표 분석물 농도를 디스플레이하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 LCD 디스플레이 상에 출력을 디스플레이하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 스마트폰 상에 출력을 디스플레이하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 미니-조이스틱을 사용하여 입력을 제공하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 스마트폰을 사용하여 입력을 제공하는 단계를 더 포함한다.
핸드헬드 포텐시오미터는 제 1 전극과 제 2 전극 사이와 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 교류 전압을 인가함으로써 목표 분석물의 농도를 검출한다. 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가된 교류 전압은 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가된 전압으로부터 90도 만큼 위상이 상이하다. 인가된 교류 전압은 제 1 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 전류 및 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 전류를 초래한다. 결과적인 전류는 프로그램 가능한 증폭기에 의해 증폭되고 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러 상으로 통과된다. 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 인가된 전압을 결과적인 전류에 비교하여 테스트된 샘플의 임피던스를 계산한다. 임피던스는 테스트된 샘플 내 목표 분석물의 농도를 계산하기 위해 사용된다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 포텐시오미터를 사용하여 목표 분석물의 테스팅을 수행하기 위하여, 핸드헬드 포텐시오미터는 먼저 테스팅 및 목표 분석물의 공지된 양을 포함하는 샘플의 임피던스를 계산함으로써 교정된다. 일부 실시예에서, 상기 시스템은 변화하는 주파수의 전압을 인가하고 최대 임피던스 변화가 특히 테스트된 분석물에 대해 발생하는 주파수를 결정한다.
청구된 시스템은 레독스 전극을 사용하지 않으면서 샘플을 테스팅함으로써 비-패러데이 전기 화학적 임피던스 분광(EIS)을 수행할 수 있다.
일부 실시예에서, 공지된 목표 분석물 농도를 가지는 복수의 용액을 테스트함으로써 핸드헬드 측정 장치를 교정하는 방법이 여기서 개시되며, 상기 방법은 (a) 각각의 복수의 용액에 대해 입력 전압을 제 1 전극과 제 2 전극 사이 및 제 3 전극가 제 2 전극 사이에 인가하는 단계; (b) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 입력 전압을 출력 전류에 비교함으로써 복수의 용액 각각에 대한 임피던스를 계산하는 단계; 및 (c) 방정식 zi= b1x2+ b2x+c의 계수를 계산하는 단계로서, 상기 zi는 임피던스이고, x는 공지된 목표 분석물 농도이고, 그리고 b1, b2, 및, c는 계수인, 단계를 포함한다.
예시적인 실시예는 아래에서 제공된 바와 같이 샘플과 관련하여 사용될 수 있다.
A. 샘플
샘플은 매우 다양한 출처에서 비롯될 수 있다. 일 양태에서, 샘플은 식물, 동물 (수의학 용) 또는 인간을 비롯한 생물에서 유래된다. 이러한 샘플은 배설물 또는 조직 (생검 포함)과 같은 고체 물질, 조직 추출물, 또는 타액, 가래, 눈물, 혈액, 혈청, 혈장, 오줌, 삼출물, 누출액, 척수액, 정액 또는 콧물과 같은 체액을 비롯한 유체를 포함할 수 있다. 이러한 샘플은 필요에 따라 용해되거나 희석되어 본 발명의 분석을 수행할 수 있다. 샘플을 용해시키거나 희석시키는데 사용되는 용매는 물, 아세톤, 메탄올, 톨루엔, 또는 에탄올 등을 포함한다.
다른 샘플들은 제조된 것이거나 산업적인 것이거나 환경적인 것이며, 살아있는 세포 또는 유기체를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 이러한 샘플은 흙, 물, 식료품, 알코올성 음료, 건축 생산물, 약물을 비롯한 벌크 화학품 (bulk chemical) 또는 시약을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 샘플은 필요에 따라 용해되거나 희석되어 본 발명의 분석을 수행할 수 있다.
B. 표적
자가면역 항원 또는 이의 항체. 자가면역 질환은 일반적으로 항체-매개된 것, T-세포 매개된 것, 또는 항체-매개된 것 및 T-세포 매개된 것의 조합으로 분류될 수 있다. 따라서, 항체 또는 T-세포 수용체는 다양한 내인성 항원에 대한 특이성을 이용하여 동정될 수 있다. 이러한 자가-항체 (예: 항-핵 항체)는 인슐린-의존성 (제1 형) 당뇨병, 류마티스 관절염, 다발경화증, 전신홍반루푸스 (SLE), 및 염증성 장질환 (즉; 크론병 및 궤양대장염)을 비롯한 다양한 질환에 연루될 수 있다. 다른 자가면역 질환으로는, 제한 없이, 원형탈모, 후천적 혈우병, 강직성 척추염, 항인지질 증후군, 자가면역성 간염, 자가면역성 용혈성 빈혈, 심근병증, 복강 스프루 피부염 (celiac sprue dermatitis), 만성 피로 면역 기능장애 증후군 (Chronic fatigue immune dysfunction syndrome: CFIDS), 만성 염증성 탈수초성 다발성 신경병증 (Chronic inflammatory demyelinating polyneuropathy), 척-스트라우스 증후군, 반흔성 유천포창, 크레스트 증후군, 저온응집병, 원판성 루푸스, 본태성 혼합 한랭글로불린혈증, 섬유근육통, 섬유근육염, 귈랑-바레 증후군 (Guillain-Barr syndrome), 특발성 폐섬유증, 특발성 혈소판 감소성 자반증, IgA 신장병, 연소성 관절염, 편평태선, 중증 근무력증, 결절성 다발성 동맥염, 다발연골염, 다분비선 증후군, 피부근염, 원발성 무감마글로불린혈증, 원발성 쓸개관 간경화, 건선, 레이노 현상, 라이터증후군, 사르코이드증, 강직증후군, 다카야스 관절염, 관자 동맥염/거대세포 동맥염, 포도막염, 혈관염, 및 백반증을 포함한다.
특히 자가면역 질환에서, 자가 항원 (self antigen)에 대한 항체가 종종 발견된다. 예를 들어, 전신홍반루푸스의 경우, 단일-가닥 및 이중-가닥 DNA 또는 RNA에 관한 자가항체가 기재된다 [참조: Vallin et al., 1999; Hoet et al., 1999; ven Venrooij, 1990]. 자가면역 환자의 혈청에서 발견된 자가항체의 수준은 매우 자주 질병의 중증도와 상관관계를 나타낸다. 예를 들어, 인간 SLE에서 발생하는 자가항체의 양상은, RNA- 또는 DNA-함유 복합체와 같은 온전한 거대분자 입자 그 자체가 면역원성이고 이에 따라 항-핵산 항체가 발생할 수 있다는 것을 시사한다 [참조: Lotz et al., 1992; Mohan et al., 1993]. 예를 들어, 자가면역 환자의 혈청에 존재하는 아폽토시스 세포 또는 DNA- 또는 RNA-함유 미생물에서 방출된 이러한 DNA 또는 RNA는 자가면역 질환의 원인이 되는 염증을 초래할 수 있다 [참조: Fatenejad, 1994; Malmegrim et al., 2002; Newkirk et al., 2001]. 실제로, 자가면역 질환 발병의 원인으로 생각되는 IFN-α 분비가 지배적인 효과적인 면역 반응을 유도하는 SLE 혈청으로부터 CpG-함유 서열이 동정될 수 있다 [참조: Magnusson et al., 2001; Ronnblom et al., 2001]. 또한, 항-RNA 항체에 관한 에피토프가 동정될 수 있고, 이는 G,U-풍부 서열로 구성된다 [참조: Tsai et al., 1992; Tsai et al., 1993]. G,U-풍부 서열은 TLR7 및 TLR8에 관한 천연 리간드로 보이며, 따라서 대체로 자가면역 질환 또는 자가면역질환의 발병 원인일 수 있는 면역 자극 반응을 매개할 수 있다 [참조: PCT/US03/10406].
자가-항체가 생산되는 특정 항원은 β2-당단백질, 카르디올리핀, CCP, CENP, GBM, 글리아딘, Jo-1, LKM1, La, MPO, 벽세포 항원, PR3, Ro, SS-B/La, SS-A/Ro, Scl-70, Sm, 정자 트랜스글루타미나제, TPO 및 U1RNP를 포함한다.
감염원. 감염은, 대상체 내에 생존가능한 세포내 또는 세포외 미생물의 이상 집적 또는 집단이 존재하는 임의의 병태를 지칭한다. 세균, 바이러스, 진균 및 기생충인 미생물들을 비롯한 다양한 종류의 미생물은 감염을 일으킬 수 있다. 이들 미생물과 관련된 항원 또는 핵산, 또는 이의 항체의 검출이 본 발명에 따라 고려된다.
세균은 뉴모코커스의 83개 이상의 상이한 혈청형, 에스 . 피오게네스 (S. pyogenes ), 에스. 아갈락티에 (S. agalactiae ), 에스 . 에쿠이 (S. equi ), 에스 . 카니스 (S. canis ), 에스 . 보비스 (S. bovis ), 에스 . 에쿠이너스 (S. equinus ), 에스 . 안지노수스 (S. anginosus ), 에스 . 상구이스 (S. sanguis ), 에스 . 살리바리우스 (S. salivarius ), 에스 . 미티스 (S. mitis ), 에스 . 무탄스(S. mutans)와 같은 스트렙토코커스, 다른 비리단스 스트렙토코커스, 펩토스트렙토코커스, 스트렙토코커스의 다른 관련 종, 엔테로코커스 페칼리스 ( Enterococcus faecalis ), 엔테로코커스 페시움(Enterococcus faecium)과 같은 엔테로코커스, 스타필로코커스 에피더미디스 (Staphylococcus epidermidis ), 스타필로코커스 아우레우스 ( Staphylocofccus aureus ), 헤모필러스 인플루엔자에( Hemophilus influenzae )와 같은 스타필로코커스, 슈도모나스 에루지노사 (Pseudomonas aeruginosa ), 슈도모나스 슈도말레이 ( Pseudomonas pseudomallei ), 슈도모나스 말레이( Pseudomonas mallei )와 같은 슈도모나스 종, 브루셀라 멜리텐시스 ( Brucella melitensis), 브루셀라 수이스 ( Brucella suis ), 브루셀라 아보르투스 ( Brucella abortus ), 보르데텔라 페르투시스 ( Bordetella pertussis )와 같은 브루셀라, 보르렐리아 부르그도르페리 (Borrellia burgedorferi ), 나이세리아 메닌지티디스 ( Neisseria meningitidis ), 나이세리아 고노르호에아에 (Neisseria gonorrhoeae ), 모락셀라 카타랄리스 ( Moraxella catarrhalis ), 코리네박테리움 디프테리아에( Corynebacterium diphtheriae ), 코리네박테리움 울세란스 (Corynebacterium ulcerans ), 코리네박테리움 슈도투베르쿨로시스 ( Corynebacterium pseudotuberculosis), 코리네박테리움 슈도디프테리티쿰 ( Corynebacterium pseudodiphtheriticum), 코리네박테리움 우레알리티쿰 ( Corynebacterium urealyticum ), 코리네박테리움 헤몰리티쿰 ( Corynebacterium hemolyticum ), 코리네박테리움 에쿠이 (Corynebacterium equi ), 리스테리아 모노사이토진즈 ( Listeria monocytogenes ), 노코르디아 아스테로이데스(Nocordia asteroides )와 같은 보르렐리아 ( Borrellia ) 종, 박테로이데스 (Bacteroides) 종, 악티노마이세테스 ( Actinomycetes ) 종, 트레포네마 팔리듐 ( Treponema pallidum), 렙토스피로사 ( Leptospirosa ) 종, 해모필루스 ( Haemophilus ) 종, 헬리코박테르 파일로리(Helicobacter pylori)를 비롯한 헬리코박테르 ( Helicobacter ) 종, 트레포네마( Treponema ) 종 및 관련 유기체를 포함한다. 본 발명은 또한 클레브시엘라 슈모니아에 ( Klebsiella pneumoniae), 에스케리키아 콜라이 ( Escherichia coli ), 프로테우스( Proteus ), 세라시아 (Serratia) 종, 아시네토박테르 ( Acinetobacter ), 예르시니아 페스티스 ( Yersinia pestis ), 프란시셀라 툴라렌시스 ( Francisella tularensis ), 엔테로박테르 ( Enterobacter ) 종, 박테로이데스 (Bacteriodes) 및 레지오넬라( Legionella ) 종, 시겔라 ( Shigella ) 종, 마이코박테리움(Mycobacterium) 종 [예:　마이코박테리움 투베르쿨로시스 (Mycobacterium tuberculosis), 마이코박테리움 보비스 (Mycobacterium bovis ) 또는 다른 마이코박테리아 감염], 마이코박테리움 아비움 (Mycobacterium avium ) 컴플렉스 (MAC), 마이코박테리움 마리아늄 (Mycobacterium marianum ), 마이코박테리움 포르투이툼 (Mycobacterium fortuitum ), 마이코박테리움 칸사이 (Mycobacterium kansaii ), 예르시니아 ( Yersinia ) 감염 [예:　예르시니아 페스티스 (Yersinia pestis ), 예르시니아 엔테로콜리티카 ( Yersinia enterocolitica ) 또는 예르시니아 슈도투베르쿨로시스 ( Yersinia pseudotuberculosis)]등과 같은 그람 음성 세균에 대하여 유용할 수 있다.
또한, 본 발명은 크립토스포리디움 ( Cryptosporidium ), 엔타모에바 ( Entamoeba ), 플라스모디움 팔시파룸 (Plasmodium falciparum ), 플라스모디움 말라리아에(Plasmodium malariae), 플라스모디움 오발(Plasmodium ovale ), 및 플라스모디움 비박스(Plasmodium vivax)와 같은 플라시모디움 (Plasmodium) 종 및 톡소플라스마 곤디이 ( Toxoplasma gondii ), 지알디아(Giardia), 레슈마니아 ( Leishmania ), 트리파노소마 ( Trypanosoma ), 트리코모나스(Trichomonas), 네글레리아 ( Naegleria ), 아이소스포라 벨리 ( Isospora belli ), 트리코모나스 바지날리스(Trichomonas vaginalis ), 반케레리아 ( Wunchereria ), 아스카리스 ( Ascaris ), 쉬스토소마 (Schistosoma) 종, 시클로스포라 ( Cyclospora ) 종, 예를 들어, 클라미디아 트라코마티스 (Chlamydia trachomatis ) 및 예를 들어, 클라미디아 시타시 ( Chlamydia psittaci ), 또는 클라미디아 슈모니아에(Chlamydia pneumoniae)와 같은 다른 클라미디아( Chlamydia ) 감염과 같은 기생 유기체의 검출을 고려한다. 당연히, 본 발명은 효과적인 항체가 만들어질 수 있는 임의의 병원체에 대해 사용될 수 있는 것으로 생각된다.
곰팡이 및 다른 진균성 병원체 [참조: Human Mycoses (1979; Opportunistic Mycoses of Man and Other Animals (1989); 및 Scrip's Antifungal Report (1992)에 일부 기재됨] 또한 진단의 표적으로서 고려된다. 본 발명의 맥락에서 고려되는 곰팡이성 질환은, 제한 없이, 아스페르길루스증, 흑색 사모증, 칸디다증, 색소진균증, 크립토코쿠스증, 손발톱진균증, 또는 외이도염(귀곰팡이증), 갈색사상균증, 털진균증, 어루러기, 버짐, 수염백선증, 머리백선증, 몸백선증, 샅백선증, 황선, 와상백선증, 손피부백선증(Tinea manuum), 흑색백선증(손바닥의), 발백선증, 손발톱백선증, 토룰롭시스증, 겨드랑이털진균증, 백색사모, 및 심각한 전신적 또는 기회적 감염에 이르는 이의 동의어, 예를 들어, 제한 없이, 방선균증, 아스페르길루스증, 칸디다증, 색소진균증, 콕시디오이데스진균증, 크립토코쿠스증, 엔토모프토라진균증(Entomophthoramycosis), 지오트리쿰증, 히스토플라스마증, 털곰팡이증, 균종, 노카르디아증, 북미분아균증, 파라콕시디오이데스진균증, 갈색사상균증, 털진균증, 폐포낭충(pneumocystic pneumonia), 피티오시스(Pythiosis), 스포로트릭스증, 및 토룰롭시스증, 및 이의 동의어를 포함하며, 이 중 일부는 치사적일 수 있다. 공지된 곰팡이 및 진균성 병원체로는, 제한 없이, 압시디아 ( Absidia ) 종, 악티노마두라 마두라에 ( Actinomadura madurae ), 악티노마이세스 ( Actinomyces ) 종, 알레쉐리아 보이디이 ( Allescheria boydii ), 알터나리아 ( Alternaria ) 종, 안토프시스 델토이데아 (Anthopsis deltoidea ), 아포피소마이세스 엘레간스 ( Apophysomyces elegans), 아르니움 레오포리늄 ( Arnium leoporinum ), 아스페르길루스( Aspergillus ) 종, 아우레오바시디움 풀룰란스 ( Aureobasidium pullulans ), 바시디오볼루스 라나룸 (Basidiobolus ranarum ), 비폴라리스 ( Bipolaris ) 종, 블라스토마이세스 데르마티티디스 (Blastomyces dermatitidis ), 칸디다( Candida ) 종, 세팔로스포리움 (Cephalosporium) 종, 카에토코니디움 ( Chaetoconidium ) 종, 카에토미움 (Chaetomium) 종, 클라도스포리움 ( Cladosporium ) 종, 콕시디오이데스 이미티스 (Coccidioides immitis ), 코니디오볼루스 ( Conidiobolus ) 종, 코리네박테리움 테누이스 (Corynebacterium tenuis ), 크립토코커스 ( Cryptococcus ) 종, 컨닝하멜라 베르톨레티아에 (Cunninghamella bertholletiae ), 쿠르불라리아 ( Curvularia ) 종, 닥틸라리아 (Dactylaria) 종, 에피더모피톤 ( Epidermophyton ) 종, 에피더모피톤 플로코숨 (Epidermophyton floccosum ), 엑세로필룸 ( Exserophilum ) 종, 엑소피알라 (Exophiala) 종, 폰세카에아 ( Fonsecaea ) 종, 푸사리움 ( Fusarium ) 종, 지오트리쿰 (Geotrichum) 종, 헬민토스포리움 ( Helminthosporium ) 종, 히스토플라스마 (Histoplasma) 종, 레시토포라 ( Lecythophora ) 종, 마두렐라 ( Madurella ) 종, 말라세지아 푸르푸르 ( Malassezia furfur ), 미크로스포룸 ( Microsporum ) 종, 뮤코르 (Mucor) 종, 마이코센트로스포라 아세리나 ( Mycocentrospora acerina ), 노카르디아 (Nocardia) 종, 파라콕시디오이데스 브라질리엔시스 ( Paracoccidioides brasiliensis), 페니실리움 ( Penicillium ) 종, 파에오스클레라 데마티오이데스 (Phaeosclera dematioides ), 파에오아넬로마이세스 ( Phaeoannellomyces ) 종, 피알레모니움 오보바툼 ( Phialemonium obovatum ), 피알로포라 ( Phialophora ) 종, 포마 (Phoma) 종, 피에드라이아 호르타이 ( Piedraia hortai ), 뉴모시스티스카니이 (Pneumocystis carinii ), 피티움 인시디오숨 ( Pythium insidiosum ), 리노클라디엘라 아쿠아스페르사 ( Rhinocladiella aquaspersa ), 리조무코르 푸실루스 ( Rhizomucor pusillus), 리조푸스 ( Rhizopus ) 종, 사크세나에아 바시포르미스 ( Saksenaea vasiformis), 사르시노마이세스 파에오무리포르미스 ( Sarcinomyces phaeomuriformis), 스포로트릭스 쉔키이 ( Sporothrix schenckii ), 신세팔라스트룸 라세모숨(Syncephalastrum racemosum ), 타에니오렐라 보피이 ( Taeniolella boppii ), 토룰롭소시스(Torulopsosis) 종, 트리코피톤 ( Trichophyton ) 종, 트리코스포론 (Trichosporon) 종, 울로클라디움 카르타룸 ( Ulocladium chartarum ), 반지넬라 데르마티티디스 (Wangiella dermatitidis ), 자일로하이파 ( Xylohypha ) 종, 자이고마이세테스 (Zygomycetes) 종 및 이의 동의어를 포함한다. 병원성 잠재력을 갖는 다른 곰팡이로는, 제한 없이, 테르모무코르 인디카에- 수다티카에 ( Thermomucor indicae -seudaticae), 라디오마이세스 ( Radiomyces ) 종, 및 공지된 병원성 속의 다른 종을 포함한다.
인간에서 발견된 바이러스의 예로는, 제한 없이, 레트로비리대 [예: HIV-1 (또한 HTLV-III, LAV 또는 HTLV-III/LAV, 또는 HIV-III로도 지칭됨)와 같은 인간면역결핍 바이러스; 및 HIV-LP와 같은 다른 분리주]; 피코르나비리대 (예: 폴리오 바이러스, A형 간염 바이러스; 엔테로바이러스, 인간 콕사키 바이러스, 리노바이러스, 에코바이러스); 칼시비리대 ( Calciviridae ) (예: 위장염을 유발하는 균주); 토가비리대 (Togaviridae) (예: 말 뇌염 바이러스, 풍진 바이러스); 플라비비리대laviviridae ) (예: 뎅기 바이러스, 뇌염 바이러스, 황열병 바이러스); 코로나비리대 (Coronaviridae) (예: 코로나바이러스); 랍도비리대 ( Rhabdoviridae ) (예: 수포성 구내염 바이러스, 광견병 바이러스); 필로비리대 ( Filoviridae ) (예: 에볼라 바이러스); 파라믹소비리대 ( Paramyxoviridae ) (예: 파라인플루엔자 바이러스, 볼거리 바이러스, 홍역 바이러스, 호흡기 세포융합 바이러스); 오르토믹소비리대 (Orthomyxoviridae) (예: 인플루엔자 바이러스); 부니아비리대 ( Bunyaviridae ) (예: 한탄 바이러스, 붕가 바이러스, 플레보바이러스 및 나이로 바이러스); 아레나비리대 (Arenaviridae) (출혈 열 바이러스); 레오비리대 ( Reoviridae ) (예: 레오바이러스, 오르비바이러스 및 로타바이러스); 보르나비리대 ( Bornaviridae ); 헤파드나비리대 (Hepadnaviridae) (B형 간염 바이러스); 파르보비리대 ( Parvoviridae ) (파르보바이러스); 파포바비리대 ( Papovaviridae ) (유두종 바이러스, 폴리오마 바이러스); 아데노비리대(Adenoviridae) (대부분의 아데노바이러스); 헤르페스비리대 (Herpesviridae) [단순 헤르페스 바이러스 (HSV) 1 및 2], 수두 대상포진 바이러스, 시토메갈로바이러스 (CMV), 헤르페스 바이러스; 폭스비리대 ( Poxviridae ) (천연두 바이러스, 우두 바이러스, 수두 바이러스); 및 이리도비리대 ( Iridoviridae ) (예: 아프리카 돼지 열 바이러스); 미분류된 바이러스 [예: 델타 간염의 작용제 (B형 간염의 결손 부수체로 생각됨), C형 간염; 노워크(Norwalk) 및 관련 바이러스, 및 아스트로바이러스); 및 호흡기 세포융합 바이러스 (RSV)를 포함한다.
다른 의학적으로 관련된 미생물은 문헌 [예를 들어, 참조: Medical Microbiology (1983)]에 광범위하게 기재되었으며, 이의 내용 전체가 본원에 참조로서 원용된다.
암 항원. 수많은 인간 암은 암 세포에 특이적인 세포 표면 분자를 발현한다; 즉, 정상 인간 체세포는 이들을 발현하지 않거나 크게 감소된 양으로 발현한다. 발암 및 암의 진행에서 이들 항원의 역할은 보통 잘 이해되지 않으나, 이들의 생물학적 기능과는 별개로, 이들 항원은 진단적 적용을 위한 매력적인 항체 표적이다. 이들 종양 마커는 알파-페토 단백질, 베타-2-마이크로글로불린, 방광 종양 항원, CA 15-3, CA 19-9, CA 72-4, CA-125, 칼시토닌, 암배아 항원, 표피 성장인자 수용체, 에스트로겐 수용체, 인간 융모성 성선자극호르몬, Her-2/neu, 뉴런-특이 에놀라제, NPM22, 프로게스테론 수용체, 전립선 특이 항원, 전립선-특이 막 항원, 전립선산 포스파타제, S-100, TA-90 및 티로글로불린을 포함한다.
독소, 금속 및 화학물질. 특정 유형의 화학적 또는 생물학적 작용제는 독소이다. 독소는 생물학적일 수 있고, 즉, 유기체에 의해 생성될 수 있다. 이들은, 리신(ricin), 탄저균 독소, 및 보툴리눔 독소를 비롯한 생물학적 전쟁 또는 테러에 사용될 수 있는 독소를 포함한다. 다른 독소로는 농약 (살충제, 제초제; 예: 유기인산화합물), 산업적 오염물질 (카드뮴, 탈륨, 구리, 아연, 셀레늄, 안티모니, 니켈, 크로뮴, 비소, 수은 또는 납과 같은 중금속; PCB를 포함하는 복합적 탄화수소, 및 석유 부산물; 석면), 및 화학 전쟁 시약 (사린, 소만, 시클로사린, VX, VG, GV, 포스진 옥심, 질소 머스터드, 황 머스터드 및 염화시안)이 있다. 하기의 표 1은 독성 산업용 화학물질 (TIC)의 추가의 목록을 나타낸다. 특정 목록의 12개 금지된 잔류성 유기 오염물질로는 PCB, DDT, 디옥신, 클로르단, 퓨란, 헥소클로로벤젠, 알드린, 미렉스, 디엘드린, 톡사펜, 엔드린 및 헵타클로르를 포함한다.

표 1 - 독성지수로 나열된 TIC
　
높음
　 		중간 낮음
암모니아 (CAS# 7664-41-7) 아세톤 시아노히드린
(CAS# 75-86-5)		 알릴 이소티오시아네이트
(CAS# 57-06-7)
아르신 (CAS# 7784-42-1) 아크롤레인(CAS# 107-02-8) 삼염화 비소(CAS# 7784-34-1)
삼염화 붕소(CAS#10294-34-5) 아크릴로니트릴
(CAS# 107-13-l)		 브롬 (CAS# 7726-95-6)
삼플루오르화 붕소
(CAS#7637-07-2)		 알릴 알코올(CAS# 107-18-6) 염화브롬 (CAS# 13863-41-7)
이황화 탄소(CAS# 75-15-0) 알릴아민(CAS# 107-11-9) 오불화브롬
(CAS#　 7789-30-2)
염소 (CAS# 7782-50-5) 알릴 클로로카보네이트
(CAS# 2937-50-0)		 삼플루오르화브롬
(CAS# 7787-71-5)
디보란 (CAS# 19287-45-7) 삼브롬화 붕소
(CAS# 10294-33-4)		 카보닐 플루오라이드
(CAS# 353-50-4)
에틸렌 옥사이드
(CAS# 75-21-8)		 일산화탄소(CAS# 630-08-0) 오불화염소
(CAS# 13637-63-3)
불소 (CAS# 7782-41-4) 카보닐 설파이드
(CAS# 463-58-1)		 삼플루오르화염소
(CAS#　 7790-91-2)
포름알데히드(CAS# 50-00-0) 클로로아세톤
(CAS#　 78-95-5)		 클로로아세트알데히드
(CAS# 107-20-0)
브롬화수소
(CAS# 10035-10-6)		 클로로아세토니트릴
(CAS#　7790-94-5)		 클로로아세틸 클로라이드
(CAS# 79-04-9)
염화수소
(CAS# 7647-01-0)		 클로로설폰산
(CAS#　7790-94-5)		 크로톤알데히드(CAS# 123-73-9)
시안화수소
(CAS#74-90-8)		 디케텐 (CAS# 674-82-8) 염화시안(CAS# 506-77-4)
플루오르화수소
(CAS# 7664-39-3)		 1,2-디메틸히드라진
(CAS#　 540-73-8)		 디메틸 설페이트(CAS# 77-78-1)
황화수소
(CAS# 7783-0604)		 에틸렌 디브로마이드
(CAS# 106-93-4) 		디페닐메탄-4.4'- 디이소시아네이트 (CAS# 101-68-8)
발연 질산
(CAS# 7697-37-2)		 셀렌화수소(CAS# 7783-07-5) 에틸 클로로포르메이트
(CAS# 541-41-3)
포스진(CAS# 75-44-5) 메탄설포닐 클로라이드 (CAS#　 124-63-0) 에틸 클로로티오포르메이트
(CAS# 2941-64-2)
삼염화인 (CAS# 7719-12-2) 메틸 브로마이드
(CAS# 74-83-9)		 에틸 포스포노티오익 디클로라이드(CAS# 993-43-1)
이산화황(CAS# 7446-09-5) 메틸 클로로포르메이트
(CAS# 79-22-1)		 에틸 포스포닉 디클로라이드 (CAS# 1066-50-8)
황산(CAS# 7664-93-9) 메틸 클로로실란
(CAS# 993-00-0)		 에틸렌이민(CAS#　151-56-4)
육플루오르화텅스텐
(CAS# 7783-82-6)		 메틸 히드라진
(CAS# 60-34-4)		 헥사클로로사이클로펜타디엔 (CAS# 77-47-4)
　 메틸 이소시아네이트
(CAS# 624-83-9)		 요오드화수소(CAS# 10034-85-2)
　 메틸 머캅탄 (CAS# 74-93-1) 철 펜타카보닐
(CAS# 13463-40-6)
　 이산화질소(CAS# 10102-44-0) 이소부틸 클로로포르메이트 (CAS# 543-27-1)
　 포스핀(CAS# 7803-51-2)
　		 이소프로필 클로로포르메이트
(CAS#　 108-23-6)
　 옥시염화인
(CAS# 10025-87-3)		 이소프로필 이소시아네이트
(CAS# 1795-48-8)
　 오플루오르화인
(CAS# 7647-19-0)		 n-부틸 클로로포르메이트
(CAS# 592-34-7)
　 육플루오르화셀렌
(CAS# 7783-79-1)		 n-부틸 이소시아네이트
(CAS# 111-36-4)
　 사불화규소
(CAS# 7783-61-1)		 일산화질소(CAS# 10102-43-9)
　 스티빈 (CAS# 7803-52-3) n-프로필 클로로포르메이트
(CAS# 109-61-5)
　 삼산화황
(CAS# 7446-11-9)		 파라티온(CAS#: 56-38-2)
　 플루오르화설푸릴
(CAS# 2699-79-8)		 퍼클로로메틸 머캅탄
(CAS# 594-42-3)
　 육플루오르화텔루르
(CAS# 7783-80-4)		 sec-부틸 클로로포르메이트
(CAS# 17462-58-7)
　 n- 옥틸 머캅탄
(CAS# 111-88-6)		 tert -부틸 이소시아네이트
(CAS# 1609-86-5)
　 사염화티탄
(CAS# 7550-45-0)		 테트라에틸납(CAS# 78-00-2)
　 트리클로로아세틸 클로라이드
(CAS# 76-02-8)		 테트라에틸 피로포스페이트 (CAS# 107-49-3)
　 트리플루오루아세틸 클로라이드(CAS# 354-32-5) 테트라메틸납(CAS# 75-74-1)
　 　 톨루엔 2.4- 디이소시아네이트 (CAS# 584-84-9)
　 　 톨루엔 2.6- 디이소시아네이트
(CAS# 91-08-7)
식물 생산물. 특정 실시형태에서, 본 발명은 식물재료의 함량을 평가하는 것이 가능할 것이다. 예를 들어, 식물 잎의 영양분 함량을 측정함으로써 식물의 상태를 측정할 수 있다. 또한, 과일 또는 야채 조직의 함량을 평가함으로써 작물의 수확에 관해 결정을 내릴 수 있다. 예를 들어, 와인 제조시, 포도의 당도는 수확 시기를 결정하는데 중요한 요소이다. 또한, 품종 개량을 위하여 작물을 선택할 때에도, 다양한 목적하는 특징(영양분 함량, 내인성 생성물 또는 전이유전자의 발현)에 따라 식물을 규명하는 것이 중요하다.
약물. 본 발명의 또 다른 양태에서, 분석을 사용하여 샘플 중의 약물을 검출하거나 측정할 수 있다. 약물은 치료제일 수 있으며, 분석은 투여량(dosage)을 최적화하는 것을 목표로, 대상체 내의 약물 수준을 평가하기 위하여 설계된다. 대안적으로, 불법 약물이 검출될 수 있으며, 불법 약물로는 알코올, 암페타민, 메타암페타민, MDMA, 바르비투르산염, 페노바비탈, 벤조디아제핀, 대마초, 코카인, 코데인, 모르핀, 코티닌, 헤로인, LSD, 메타돈, PCP, 또는 단백동화 스테로이드, 호르몬 (EPO, hGH, IGF-1, hCG, 인슐린, 코르티코트로핀), β2 효능제, 항에스트로겐제, 이뇨제, 흥분제, 및 글루코코르티코스테로이드를 비롯한, 특정 목적 (예: 스포츠 경기)에 대하여 금지된 합법적 약물을 포함한다.
지질. 지질은 본 발명의 분석을 위한 생물학적으로 적절한 표적이다. 예를 들어, 혈중 지질을 검출하고 정량하는 능력은 아테롬성 동맥경화증의 위험을 평가할뿐만 아니라 이의 치료 효능을 모니터링하는 역할을 할 수 있다. 따라서, LDL, HDL 및 트리글리세리드 측정은 유용하다.
당. 당 수준을 평가하는 것은 보편적인 의학적 관심사일 수 있으며, 당은 특히 당뇨병의 관리 및 치료와 연관된다. 관련된 다른 당으로는 바이오필름 형성 시 세균 또는 진균에 의해 생성되는 것, 및 음식품 또는 음료 제품 제조 동안 생성되는 것을 포함한다.
핵산. 핵산은 대상체의 건강 상태를 측정하기 위한 중요한 생물학적 표적이다. 관심있는 핵산으로는 유전자 (게놈 서열), mRNA (전사물), miRNA, 또는 이의 단편을 포함한다. 핵산은 질병 상태에서 증가되거나 감소될 수 있는 핵산 분자와 같이 대상체에 대해 내인성일 수 있으며, 대상체 (상기 기재)에 존재하는 병원체 (바이러스, 세균, 기생충)의 핵산과 같은 외인성은 아닐 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 부정 관사("a" 또는 "an")는 하나 또는 둘 이상을 의미할 수 있다. 청구범위에서 사용된 바와 같이, "포함하는"이라는 단어와 관련하여 사용될 때, 단어 "부정관사"는 하나 또는 하나 초과를 의미할 수 있다.
청구항들에서 용어 "또는"의 사용은 단지 선택물을 지칭하는 것으로 명확히 표시하지 않는 경우 또는 선택물들이 상호 배타적이지 않은 경우, 개시가 단지 선택물 및 "및/또는"을 지칭하는 정의를 지지하더라도 "및/또는"을 의미하기 위해 사용된다. 여기서 사용된 바와 같이, "또 다른(another)"은 적어도 제 2 또는 그 초과를 의미할 수 있다.
본 명세서를 통하여, 용어 "약"은 값이 장치에 대한 에러의 내재하는 변화를 포함하는 것을 표시하기 위해 사용되며, 이 방법은 값, 또는 연구 주제들 중에서 존재하는 변화를 결정하기 위해 이용된다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 아래의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내지만, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 되기 때문에, 상세한 설명 및 특정 예가 단지 예로서 주어진다는 것이 이해되어야 한다.
아래의 도면들은 본 상세한 설명의 일 부분을 형성하고 본 발명의 특정 양태들을 추가로 설명하기 위해 포함된다. 본 발명은 여기서 제시된 특정 실시예의 상세한 설명과 관련하여 이러한 도면들 중 하나 또는 둘 이상을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 측정 엔티티와 주변 매트릭스 사이의 상호 작용을 개략적으로 나타내는 전극과 주변 매트릭스 사이의 컨포멀 피쳐 발생을 보여주는 스캐닝 전자 현미경 사진을 포함하는 표면 다공도 및 구멍과 전극 표면 사이의 상호 관계를 나타내는 고 해상도 광학 현미경 사진이다.
도 2는 제 1 전극 및 제 2 전극에 평행한 제 3 전극을 갖는 전극 구성의 개략도이다.
도 3은 제 1 전극 및 제 2 전극에 수직한 제 3 전극을 갖는 전극 구성의 개략도이다.
도 4는 전기 이중 층 및 전극 표면의 개략도이다.
도 5는 기판 표면 상의 분석물 센서로서 구성된 전극의 개략도이다.
도 6은 대표적인 3극 핸드헬드 포텐시오스탯의 개략도이다.
도 7은 핸드헬드 포텐시오스탯 장치이다.
도 8은 핸드헬드 포텐시오스탯의 스마트폰 실시예이다.
도 9는 다수의 단백질에 대한 임피던스 대 주파수를 예시하는 보드 선도 (Bode plot)이다.
도 10은 다수의 단백질에 대한 임피던스 대 주파수를 예시하는 보드 선도이다.
도 11은 다수의 단백질에 대한 전류 응답 대 회전 각도를 예시하는 플롯이다.
도 12는 포텐시오스탯의 작동을 예시하는 흐름도이다.
도 13은 다양한 종의 목표 분석물 시스템 및 관련된 시스템 구성을 열거하는 표이다.
도 14는 지질 다당류의 임피던스 대 농도에서의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 15는 프로칼시토닌의 임피던스 대 농도에서의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 16은 리포타이코산의 임피던스 대 농도에서의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은 다양한 온도 및 시간에서 특정 캡쳐 프로브(P2)에 의한 miRNA 시퀀스(P4)의 검출에 관하여 측정된 임피던스의 그래프이다.
도 18은 다양한 온도 및 시간에서 캡쳐 프로브(P2)에 의한 비특정 miRNA 시퀀스의 상호 작용에 관한 추정된 임피던스의 그래프이다.
도 19는 다양한 온도 및 시간에서 캡쳐 프로브(P2)에 의한 연어 정자 DNA의 상호 작용에 관한 추정된 임피던스의 그래프이다.
여기서 개시된 컨포멀 회로는 페이퍼 및 컨포멀 전기 회로를 설계하기 위한 다른 나노 기공성 기판 상에 나노스케일로 존재하는 표면 거칠기에 영향을 미친다. 회로 요소가 단일 단계 면역 포맷을 통한 생체 분자의 검출에 의해 변조될 때 전류 및 임피던스와 같은 회로 매개변수가 변조된다. 이러한 기술은 단백질, DNA, RNA, SNP, 및 다양한 범위의 생체 분자를 포함하는(그러나, 이에 제한되지 않음) 다양한 목표 분석물을 검출하고 정량하하는 것에 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, 여기서 개시된 것은 상부 표면을 갖는 솔리드형 기판을 포함하는 컨포멀 회로이며, 여기서 기판은 다공성 나노텍스처드 기판 및 회로 설계시 솔리드형 기판의 상부 표면 상에 배치되는 전도성 재료를 포함하여 회로를 생성한다. 이를 제조하는 방법뿐만 아니라 이를 사용하여 다양한 목표 분석물을 검출하고 및/또는 정량화하는 방법이 또한 개시된다. 도 1은 이 같은 컨포멀 회로의 예시적인 설계를 도시한다.
이러한 컨포멀 회로는 비선형 및 비저항성 회로를 생성하기 위해 트랙 에칭 및 전도성 에칭 증착의 조합을 사용하여 개발되었다. 3개의 타입의 회로가 발생된다: (a) 임피던스-기반 저항 용량(RC) 커플링 회로, (b) 다이오드-기반 회로, 및 (c) 트랜지스터-기반 회로. RC 회로는 전기화학적 임피던스 분광의 원리로 작동하고, 다이오드 및 트랜지스터 회로는 AC 전압 소스에 의해 바이어싱되어 해당 종의 검출의 기능으로서 전류 특성에 대한 변화를 초래한다.
여기서 개시된 컨포멀 회로는 전도성, 반-전도성, 또는 반-절연성인 전극을 가질 수 있다. 전도도에서의 증가는 임피던스 측정 포맷에서의 증가된 감도를 달성하기에 적절하다. 다이오드 및 트랜지스터 포맷에서, 반-전도성/반-절연성 재료는 적절한 한계 게이팅/게이트 전류 특성을 얻도록 적합한 장벽 전위를 얻기 위해 사용된다. 다이오드 성능을 위해, 재료 조합이 최고 0.7 V의 실리콘 모사 장벽 전위를 얻기 위해 사용된다. 트랜지스터 성능을 위해, 0.2 내지 0.7의 장벽 전위가 발생된다.
여기서 개시된 컨포멀 회로는 전기 화학적 변화와 대조적으로, 전기적 변화를 발생한다. 특히, 여기서 개시된 컨포멀 회로는 레독스 전극을 통하여 매개되는 전기 화학적 변화와 대조적으로, 산화-환원 프로브 변화를 사용하지 않으면서 전기/전기화학적 변화를 발생시킨다. 전기 화학적 검출에 대한 레독스 프로브의 사용은 생체 분자에 대한 비가역적인 변화를 발생시켜 전형적인 생체 분자가 아닌 간접적이고 변형된 검출을 초래한다. 이에 따라, 이러한 성능은 나노 기공성 기판 상에 전도성 재료의 증착을 적용함으로써 달성된다. 또한, 수동 및 능동 감지가 특별히 고려된다.
여기서 개시된 컨포멀 회로 및 검출 장치는 정량적으로 검출하도록 설계될 수 있다(예를 들면, EIS 전자 리더). 게다가, 상기 시스템은 단일 회로를 사용하여 단일 분석물 또는 별개의 회로를 사용하여 다수의 분석물을 검출하도록 설계될 수 있으며, 상기 다수의 분석물은 검출되고 및/또는 분석되는 다양한 분석물에 따라, 동일하거나 상이할 수 있다.
A. 검출 장치
다양한 전기 컴포넌트는 목표 분석물을 검출하고 정량화하도록 전기 전도성 재료 경로에 부착될 수 있다. 전자 컴포넌트의 비 제한적인 예는 집적 회로, 레지스터, 커패시터, 트랜지스터, 다이오드, 기계적 스위치, 배터리, 및 외부 전원을 포함하고, 배터리의 비제한적인 예는 버튼 셀 배터리를 포함하고, 외부 전원의 비제한적인 예는 AC 전압 소스을 포함한다. 전기 컴포넌트는 예를 들면 공지된 접착제를 사용하여 부착될 수 있다. 일부 실시예에서, 위에서 상세하게 설명된 컨포멀 회로는 생체 분자를 검출하기 위한 소스 회로에 커플링될 수 있다. 특별한 실시예에서, 컨포멀 회로는 포텐시오스탯, 전압 소스, 전류 소스, 또는 넓은 범위의 간단하고 복잡한 수학적 연산, 덧셈, 뺄셈, 적분 및 미분을 하기 위한 연산 증폭기 회로에 커플링될 수 있다.
임피던스 분광은 전극 상의 재료 바인딩 효율을 연구하기 위해 널리 사용된 3극 전자화학적 기술이다. 최근에는, 전통적인 전기 화학적 임피던스 분광에 대한 혁신적인 변화는 이를 생체 의학적 연구에 대한 적용에 적합하게 만들었다. 이러한 변형은 매우 낮은 전압의 인가 및 매우 낮은 전류의 검출을 요구하며, 이것들 모두 존재하는 장치의 노이즈 한계 내에 있다. 또한, 가장 최근에 입수 가능한 시장의 포텐시오스탯은 컴퓨터, 및 상세한 사용자 입력과 같은 부가 장비를 요구하여 현장 진료 구현을 어렵게 한다. 또한, 현재 입수가능한 시장의 포텐시오스탯은 전극들 사이에 단일 입력 전압을 인가하여 검출된 목표 분석물의 감소된 특이성을 제공한다.
고정 및 가변 주파수에서 3극 구성을 사용하여 전자 화학적 임피던스 분광을 수행하기 위한 맞춤형 핸드헬드 포텐시오스탯 장치가 개시된다. 상기 개시된 장치에서 사용된 신규 기술은 노이즈 영향을 감소시키고 세심한 검출을 달성하고 사용된 컴포넌트는 프로그램 가능하고 원하는 적용에 대해 상당히 맞춤가능하다. 결론적으로, 이는 장치를 특히 원하는 작업을 위한 원하는 범위의 작동에서 최상으로 기능하도록 프로그래밍함으로써 상기 장치로부터 최대 성능 효율을 달성한다. 또한, 개시된 장치는 두 개의 직교 입력 전압을 인가하여 검출된 목표 분석물의 특성을 개선한다.
여기서 개시된 장치에서, 임피던스 분광은 전극 표면 상의 바인딩 활성을 검출하고 정량화하기 위해 사용된다. 전극 표면으로의 생체 분자의 바인딩은 전류 유동에서의 변화를 유발하며 이는 바인딩되는 생체 분자를 식별하고 정량화하기 위해 사용될 수 있다. 상기 장치에 대한 검출 한계는 대략 펨토몰(femtomolar) 또는 femtogram/mL 농도 범위이지만 몇몇 생체 분자에 대해 attogram/㎖ 범위에 있을 수 있다.
여기서 개시된 예시적인 실시예는 제 1 전극(108), 제 2 전극(106) 및 제 3 전극(110)을 포함한다. 소정의 실시예에서, 제 1 전극(108), 제 2 전극(106) 및 제 3 전극(110)은 평면형이다. 예시적인 실시예에서, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(106)은 X-Y 평면에서 서로에 대해 평행하게 배치된다. 일부 실시예에서, 제 3 전극(110)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(106)에 대해 평행하다. 다른 실시예에서, 제 3 전극(110)은 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(106)에 대해 수직하다. 예시적인 실시예에서, 제 1 전극(108), 제 2 전극(106) 및 제 3 전극(110)은 컨포멀 회로를 형성하기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 다공성 나노텍스처드 기판 상에 배치될 수 있다.
작동 동안, AC 전압이 제 1 전극(108), 제 2 전극(106) 및 제 3 전극(110)용 단자(158, 156, 및 160) 각각에 인가될 수 있다. AC 전압은 정현파, 톱니파, 또는 방형파 신호일 수 있다. 제 1 전극으로부터 제 2 전극 단자를 통하여 그리고 제 3 전극으로부터 제 2 전극 단자를 통하여 흐르는 결과적인 전류가 이때 측정될 수 있다. 지금부터 도 4를 참조하면, 전도성 용액이 전극 표면에 존재하고 전압이 전극에 인가되고, 용량성 전기 이중 층(115)은 전극(111) 표면 근처, 예를 들면 전극 표면과 확산 층(119) 사이의 용액에 형성된다. 인가된 전압 또는 전압들의 특성(예를 들면, 위상각, 주파수 또는 진폭)이 변화할 때, 전기 이중 층(115)과 전극 표면(111) 사이의 거리가 또한 변화한다. 인가된 전압(들)의 특성은 조종될 수 있으며, 전기 이중 층(115)으로부터의 출력 응답(예를 들면, 전류)은 전도성 용액의 특성(예를 들면 용액 내의 분석물의 식별 또는 농도)을 결정하도록 헬름홀츠 프로빙(Helmholtz probing)을 통해 측정될 수 있다.
특별한 실시예들에서, 제 1 전기장은 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(106)에 인가될 수 있는 반면, 제 2 전기장은 제 2 전극(106) 및 제 3 전극(110)에 인가된다. 특별한 실시예들에서, 측정된 전하에 대한 최대 변화가 발생하는 (용량 형식에서) 전기 이중 층(115) 내의 구역이 식별될 수 있다. 이러한 영역은 이어서 신호를 보내는 분자의 타입을 해석하기 위해 사용될 수 있다. 전기 이중 층(115)의 가상 슬라이싱(서브-나노미터 해상도 스캐닝 단계)는 인가된 전압의 특성을 변화시킴으로써 스캐닝 양상을 사용하여 달성될 수 있어 전기 이중 층(115) 내의 높이와 인가된 전압 사이의 서브-나노미터 해상도에서 상관 관계가 있다.
소정의 실시예에서, 스캐닝 메커니즘이 이전 주파수 또는 위상각에서의 전류 측정치와 이전에 측정된 임피던스를 비교할 때 스캐닝 메커니즘은 적응할 수 있다. 특별한 실시예들에서, 이러한 비교로부터 알고리즘은 이전의 측정으로부터 두 개의 표준 편차인 측정 신호에 대한 변화 또는 변경이 있는 경우로 해석되도록 적용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 측정 신호에 대한 변화가 두 개의 표준 편차 한계 내에 있는 경우 스텝 크기는 먼저 선형으로 변화될 수 있으며, 이어서 주파수 또는 위상의 스캐닝이 스캐닝이 이어서 선형적으로 다시 시작하는 다음 십년간에 대수적으로 발생할 수있다.
지금부터 도 5를 참조하면, 제 1 전극(108), 제 2 전극(106) 및 제 3 전극(110)은 기판 표면(180) 상에 다수의 센서(181, 182 및 183)로서 구성될 수 있다. 명료성을 위해, 표면 센서(180) 상의 모든 센서가 표시된 것은 아니고 개별 전극들이 센서에 표시되지 않는다. 각각의 센서에 대한 전극 구성은 이러한 개시에 제공되는 구성들 중 하나를 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 이중-기능 링커(191, 192 및 193)(예를 들면 디티오비스 숙신이미딜 프로피오네이트 링커를 포함함)는 도 5에 도시된 바와 같이 센서(181, 182 및 183)에 커플링될 수 있다. 목표-특정 항체(171, 172, 및 173)는 생체 분자(161, 162 및 163)를 포획하도록 구성된 이중-기능 링커(191, 192 및 193)에 커플링될 수 있다. 특정 실시예에서, 각각의 센서는 이중 기능 링커 및 다수의 생체 분자를 검출하도록 구성된 목표-특정 항체를 포함할 수 있어 다수의 유일한 생체 분자가 표면(180) 상의 복수의 센서에 의해 검출될 수 있다.
작동 동안, 제 1 전기장(평면(113)으로 표시됨)은 센서(181, 182 및 183)들 중 하나 또는 둘 이상에 대해 제 1 및 제 2 전극(108 및 106)들에 제 1 위상각로 인가된다. 게다가, 제 2 전기장(평면(117)으로 표시됨)은 제 2 및 제 3 전극(106 및 110)에 대해 제 2 위상각로 인가된다. 예시적인 실시예에서, 전기장(113 및 117)의 위상각은 조절될 수 있다. 제 2 전극(106)에 인가되는 양 전기장(113 및 117)에 의해, 전기장(113 및 117)들 사이의 위상각은 일정하다(예를 들면, 전기장들이 위상 장금되고 일정한 델타 위상각에 의해 분리된다). 도시된 실시예에서, 전기장(113)은 기판 표면(180)에 평행하게 인가된다. 예시적인 실시예에서, 전기장(113)의 매개변수(예를 들어, 주파수)는 생체 분자(185)와 표면(180) 사이의 이온 상호 작용을 검출하도록 표면(180)과 전기장(113) 사이의 거리를 변경하도록 조절될 수 있다. 따라서, 인가된 전기장은 주파수를 변경함으로써 Z-방향(표면(180)에 수직함)으로 뿐만 아니라 위상각을 변경함으로써 X-Y 방향(표면(180)에 평행함)으로 이온 상호 작용을 탐지하도록 변조될 수 있다.
전기장(113)의 측정된 임피던스의 계수 및 허수 성분이 매개변수의 변화에 의해 분석될 수 있다. 생체 분자(185)의 특유의 마커는 측정된 임피던스의 계수 및 허수 성분에서의 변화를 기초로 하여 식별될 수 있다. 예를 들면 아래에서 추가로 설명된 바와 같이, 공지된 생체 분자는 표면(180)에 인가될 수 있고 계수 및 허수 성분은 다수의 생체 분자에 대해 다수의 교정 응답 프로파일을 갖는 표준 교정 곡선을 설정하도록 인가된 입력 매개변수 조절로 측정될 수 있다. 또한, 인가된 전기장(113 및 117)의 위상각은 변화될 수 있고, 회전 각도 및 위상 전류 응답은 생체 분자의 특유의 마커를 결정하도록 분석될 수 있다. 다시, 공지된 생체 분자는 표면(180)에 인가될 수 있고 회수 및 위상 전류 응답은 다수의 생체 분자에 대해 다수의 교정 응답 프로파일을 갖는 표준 교정 곡선을 설정하도록 위상각 조절로 측정될 수 있다.
교정 응답 프로파일의 설정은 다양한 방식으로 준비될 수 있다. 일 실시예에서, 링커는 기판 상에 증착되고 상기 기판은 목표 분석물, 예를 들면, 목표 특정 항체에 대해 측정된 모이어티로 포화되고, 차단 버퍼는 센서 표면 상으로 다른 경쟁 분자의 비특정 바인딩 또는 흡수를 최소화하도록 수용체 모이어티 포화 컨포멀 회로 표면에 인가되고, 버퍼 세척이 수행되고, 목표 분석물, 예를 들면 항원이 회로 상으로 투여된다. 항원과 같은 목표 분자에 대한 교정 곡선을 설계하는데 있어서, 항원의 증가하는 투여량은 컨포멀 회로 상으로 인가되고 임피던스 측정은 정상 상태에 도달할 때까지 얻어진다. 측정된 임피던스에 대한 증가하는 변화는 항원과 같은 목표 분자의 증가하는 투여가 예상된다. 교정 곡선이 설계되면, 항원과 같은 테스트 목표 분자의 공지되지 않은 투여는 항체/수용체 모이어티 포화 센서 표면 상으로 테스트될 수 있고, 임피던스에 있어서의 변화는 이어서 테스트 목표 분자의 투여를 결정하도록 교정 곡선에 대해 평가된다.
예시적인 실시예에서, 기본 표면 또는 바이어싱되지 않은 표면에 대한 할당이 먼저 수행되어 여기서 버퍼가 시스템의 유효 임피던스를 식별하는 것을 돕는다. 이러한 임피던스는 분석의 신호 임계값을 결정하는 것을 도울 수 있고 이러한 숫자는 전극의 접촉 임피던스 및 버퍼의 함수로서 변경할 수 있다. 이러한 측정된 기준선과 포텐시오스탯의 기준선 사이의 임피던스 정합이 수행될 수 있고 컨포멀 전극은 적응형 프로빙이 가능하도록 전기 이중 층(115)를 세장형 (enlongate)으로 만들 것을 도울 수 있다. 캡처 프로브의 고유의 표면 전하, 높이, 등전점 거동, 유연성 (예를 들어, 입체/형태)은 기준선 측정의 할당을 가능하게 할 수 있다.
핸드헬드 포텐시오스탯의 하나의 구성의 일 예를 도시하는 도면은 도 7에서 찾아볼 수 있다. 핸드헬드 포텐시오스탯(200)은 LCD 디스플레이(104)를 포함한다. LCD 디스플레이(104)는 입력 및 출력 데이터를 디스플레이하는 사용자 인터페이스를 제공한다. 예를 들면, LCD 디스플레이는 입력 전압, 입력 주파수, 파형 타입, 목표 분석물 명칭, 분자 농도, 임피던스, 및 위상각을 보여줄 수 있다. 핸드헬드 포텐시오스탯(200)은 또한 사용자가 입력을 핸드헬드 포텐시오스탯(200)에 제공하는 것을 가능하게 하는 미니-조이스틱(124)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 미니-조이스틱(124)은 LCD 디스플레이(104) 상의 메뉴를 찾기 위해 사용될 수 있고 입력 전압 및 주파수 값을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 포텐시오 스탯(200)은 미니-조이스틱(124)에 부가하여 또는 이 대신 버튼 또는 키이 패드를 포함할 수 있다. 핸드헬드 포텐시오스탯은 제 1 전극 포트(202), 제 2 전극 포트(204) 및 제 3 전극 포트(206)를 포함한다. 전극 포트(202, 204, 및 206)은 와이어 리드를 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극에 연결하기 위해 사용된다.
하나의 가능한 포텐시오스탯/전극 구성을 나타내는 블록 다이어그램은 도 6에서 찾아볼 수 있다. 포텐시오스탯용 작동의 중심은 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러/마이크로프로세서(100)에서 수행된다. 마이크로컨트롤러의 제 1 작동은 LCD 디스플레이(104)를 통한 사용자 인터페이스 지원을 제공하는 것이다. 직렬 주변기기 인터페이스(SP12)는 LCD 디스플레이(104)에 마이크로컨트롤러(100)에서 프로세싱된 정보를 통신하기 위해 사용된다. 마이크로컨트롤러(100)는 전력을 LCD 디스플레이(104)에 공급하기 위해 VCC 및 DC 오프셋을 사용한다.
LCD 디스플레이(104) 상에 디스플레이된 옵션에 대한 사용자 입력/응답은 미니-조이스틱(124)과 마이크로컨트롤러(100) 사이의 아날로그-아날로그 통신을 통한 아날로그 신호로서 수신된다. 상기 미니-조이스틱(124)을 사용하여, 사용자는 제 1 전극(108), 제 2 전극(106) 및 제 3 전극(110)에 인가될 전기 신호 매개변수, 예를 들면 전압, 주파수, 파형 타입을 선택할 수 있다. 대안적으로, 미니-조이스틱(124)은 검출될 분자의 타입을 선택하기 위해 사용된다. 테스트가 종료된 후, LCD 디스플레이(104)는 검출된 분석물의 명칭, 테스트된 샘플 내의 분자(들)의 수치 농도, 임피던스, 및 배향 각도를 디스플레이할 수 있다.
다음으로, 마이크로컨트롤러(100)는 부착된 전자화학적 센서 상의 임피던스 분광 특성을 수행하도록 프로그래밍된다. 사용자에 의해 선택된 전기 신호 매개변수 또는 분자를 기초로 하여, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러(100)는 각각 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(106)에 인가되는 라인(DAC1+ 및 DAC-) 상에 제 1 AC 전압 그리고 각각 제 3 전극(110) 및 제 2 전극(106)에 인가되는 라인(DAC2+ 및 DAC-) 상에 제 2 AC 전압을 발생시킨다. AC 전압은 증폭기(112, 114, 및 116)에 의해 증폭될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 전극(108) 및 제 3 전극(110)의 결과적인 전압은 신호 라인 상의 마이크로컨트롤러(100)로 다시 공급될 수 있다. 결과적인 전압은 테스트된 용액에서의 화학적 반응에 의해 인가된 전압과 상이할 수 있다. 마이크로컨트롤러(100)는 제 2 전극(106)의 전압 값을 디지털화하고, 상기 디지털화된 전압은 라인(DAC1+, DAC2+, 및 DAC-) 상의 인가된 AC 전압 수준을 조정하기 위해 마이크로컨트롤러(100)에 의해 사용된다. 일부 실시예에서, 제 1 전극(108) 및 제 3 전극(110)의 전압은 Signal+ 라인 상의 프로그램 가능한 게인 증폭기(102)로 다시 공급될 수 있다. 프로그램 가능한 게인 증폭기는 제 2 전극(106)의 전압 값을 디지털화할 수 있고 디지털화된 전압을 라인(SPI1)을 거쳐 마이크로컨트롤러(100)에 송신할 수 있고, 디지털화된 전압은 라인(DAC+ 및 DAC-) 상의 AC 전압 수준을 조정하도록 마이크로컨트롤러(100)에 의해 사용된다.
두 개의 AC 전압이 인가되고 전기 전도성 용액의 샘플이 센서와 접촉한 후, AC 전류는 제 1 전극(108)으로부터 제 2 전극(106)을 통하여 그리고 제 3 전극(110)으로부터 제 2 전극(106)을 통하여 흐른다. 제 2 전극(106)을 통하여 흐르는 전류의 양은 제 2 전극(106), 제 1 전극(108), 제 3 전극(100), 전극들 상의 분자의 바인딩, 및 사용된 용액에 종속한다. 프로그램 가능한 게인 증폭기(102)는 제 2 전극(106)을 통하여 흐르는 전류를 측정한다. 구체적으로, 트랜스컨덕턴스 증폭기(118)는 전류를 라인(1A) 상의 프로그램 가능한 게인 증폭기에 공급한다. 전류는 밴드패스 필터(122)에 의해 필터링될 수 있다. 밴드패스 필터(122)는 다른 주파수에서 노이즈를 리젝트하는 동안 인가된 주파수에서 신호를 허용하도록 자동적으로 조정된다. 프로그램 가능한 게인 증폭기(102)는 이어서 라인(ADC) 상의 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러 내로 공급되는 전류로부터 증폭된 전압을 발생시킨다. 상기 증폭은 마이크로컨트롤러 작동 한계가 이러한 임피던스 분광 적용시 발생되는 작은 전압 및 전류보다 상당히 더 클 때 필요하다. 일부 실시예에서, 라인(ADC) 상의 증폭된 전압은 20 mV 내지 6 V의 범위에 있다. 라인(ADC) 상의 증폭된 전압이 매우 높거나 매우 낮은 경우, 마이크로컨트롤러(100)는 게인을 증가시키거나 감소시키기 위해 라인(SPI1)을 거쳐 프로그램 가능한 게인 증폭기(102)에 신호를 송신한다. 일부 실시예에서, 프로그램 가능한 게인 증폭기(102)의 이진 게인은 1 내지 128로 조정될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로그램 가능한 게인 증폭기(102)의 범위 게인은 1 내지 200으로 조정될 수 있다. Signal+ 라인은 게인을 계산하도록 프로그램 가능한 게인 증폭기(102)에 기준 전압을 제공한다. Signal+ 전압은 증폭기(120)에 의해 증폭될 수 있고 밴드패스 필터(122)에 의해 필터링될 수 있다.
마이크로컨트롤러(100)는 아날로그 증폭 전압을 디지털 신호로 변환한다. 마이크로컨트롤러(100)는 이어서 제 2 전극(106)을 통하여 제 1 전극(108) 및 제 3 전극(110)으로부터 흐르는 전류의 양을 나타내는 디지덜화된 증폭 전압을 테스트된 용액의 임피던스를 결정하도록 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(106)에 그리고 제 3 전극(110) 및 제 2 전극(106)에 인가된 전압에 비교한다. 마이크로컨트롤러(100)는 주파수의 함수로서 인가된 전압에 대해 증폭된 전압에서의 위상 및 진폭 변화를 계산하도록 산술 연산을 수행한다. 임피던스는 수학식:
Figure pct00001
을 사용하여 계산된다. 여기서, Vm은 인가된 전압의 진폭을 나타내고, Im은 전극들 사이로 흐르는 결과적인 전류의 증폭을 나타내고, ω는 인가된 전류 및 결과적인 전류의 각도 주파수이고, φ는 인가된 전압과 결과적인 전류 사이의 위상차이다. 위상 변화는 수학식:
Figure pct00002
을 사용하여 계산된다: 여기서 출력 전류의 위상 성분에 대한 입력 전압의 위상 성분의 비율이다. 일부 실시예에서, 마이크로컨트롤러(100)는 고속 푸리에 변환을 사용하여 주파수의 함수로서 위상 및 진폭 변화를 결정한다. 일부 실시예에서, 마이크로컨트롤러(100)는 라플라스 변환을 사용하여 주파수의 함수로서 위상 및 진폭 변화를 결정한다. 일부 실시예에서, 마이크로컨트롤러(100)는 멀티-슬라이스 스플릿팅 및 신호 분석을 수행하여 어느 주파수에서 임피던스의 변화가 가장 큰지를 결정한다. 이러한 추정은 전극들 표면 상에서 발생하는 바이오-전자 화학적 반응을 특징으로 한다. 마이크로컨트롤러(100)는 샘플 내 분자의 농도를 계산하기 위하여 진폭 및 위상에서의 변화를 사용한다.
개시된 포텐시오스탯은 또한 제 1-제 2 전극의 전기장의 배향에 대해 제 2-제 3 전극의 전기장의 각도 배향을 변화시킬 수 있다. 디폴트에 의해, 제 3 전극이 제 1 및 제 2 전극에 평행하게 배치되는 경우, 제 2-제 3 전극의 전기장은 제 1-제 2 전극의 전기장에 대해 수직하게 배향된다. 한편, 제 3 전극이 제 1 및 제 2 전극에 대해 수직하게 배치되는 경우, 제 2-제 3 전극의 전기장은 제 1-제 2 전극의 전기장에 대해 수직하게 배향된다. 테스팅 동안, 포텐시오스탯은 제 2-제 3 전극의 전기장의 배향을 변화시키고 제 3 전극에서의 전류 응답을 측정한다. 이러한 공정에서 사용된 전기장은 방정식:
Figure pct00003
에 의해 주어진다: 여기서 Em은 전기장의 크기이고, ω는 각도 주파수이고, t는 시간이고, Φ는 위상이고, X는 벡터의 외적을 나타내고, ΨΦ는 전기장의 각도 배향이다. ΨΦ는 제 1-제 2 전극의 전기장에 대한 통합 상수이다. 제 1, 제 2, 제 3 전극이 모두 평면형일 때, ΨΦ는 제 3-제 2 전기장에 대해 90도 + θ이고, 여기서 θ는 전기장을 0 내지 360도로 전기장을 회전시키는 변수이다. 제 3 전극이 제 1, 제 2 전극에 대해 수직할 때, ΨΦ는 제 2-제 3 전기장에 대해 0도 + θ이고, 여기서 θ는 전기장을 0 내지 360도로 전기장을 회전시키는 변수이다. θ가 변화하는 동안, 상기 시스템은 제 3 전극에서 전류 응답을 측정한다. 전기장의 각도 배향 대 전류 응답은 각각의 목표 분석물에 대해 특유한 것이며 목표 분석물의 존재를 검출하기 위해 시스템에 의해 사용된다.
목표 분석물의 공지되지 않은 양을 측정하기 위해 사용되기 전에, 핸드헬드 포덴시오스탯이 교정되어야 한다. 교정은 목표 분석물의 공지된 양을 포함하는 용액의 임피던스를 측정함으로써 수행된다. 구체적으로, 사용자는 목표 분석물의 4개의 다수의 농도를 포함하는 바람직하게는 4개의 다수의 용액의 임피던스 측정을 수행할 수 있다. 각각의 교정 테스트에 대해, 사용자는 목표 분석물 농도를 미니-조이스틱을 사용하여 핸드헬드 포텐시오스탯 내로 입력한다. 핸드헬드 포텐시오 스탯은 각각의 테스트에 대해 임피던스를 기록한다. 테스트가 완료된 후, 상기 시스템은 방정식,
Figure pct00004
에서 계수를 결정함으로써 교정을 완료한다. 여기서, zi는 측정 임피던스이고, x는 목표 분석물의 공지된 농도이고, bn, bn -1, b1, 및 c는 계수이다. 다항식의 차수(n)는 2 내지 5일 수 있고, 바람직하게는 2이다. 핸드헬드 포텐시오스탯은 선형 회귀 및 적어도 스퀘어 분석(square analysis)을 사용하여 계수의 공지되지 않은 값을 결정한다.
일부 실시예에서, 마이크로컨트롤러(100)는 Intel? 마이크로컨트롤러이다. 다른 실시예에서, 마이크로컨트롤러(100)는 Intel? 마이크로프로세서이다. 다른 실시예에서, 마이크로컨트롤러(100)는 ARM CortexTM-M 마이크로컨트롤러이다. 다른 실시예에서, 마이크로컨트롤러(100)는 ARM CortexTM 마이크로프로세서이다.
특별한 실시예에서, 마이크로컨트롤러(100)는 5 mV 내지 500 mV의 AC 전압을 제 1 전극(108) 및 제 2 전극(106) 그리고 제 3 전극(110) 및 제 2 전극(106)으로 인가한다. 마이크로컨트롤러는 그 주파수가 50 Hz 내지 1,000 Hz인 AC 전압을 전극들로 인가한다. 변화하는 전압이 인가될 때, 용량 이중 층이 용액 내에 형성된다. 인가된 전압의 주파수가 증가함에 따라, 전극으로부터 용량 층의 거리가 증가한다. 일부 실시예에서, 사용자는 최소 및 최대 주파수를 선택하며, 마이크로컨트롤러(100)는 선택된 최소 및 최대 주파수들 사이의 주파수 범위를 갖는 전압을 인가한다.
일부 실시예에서, 여기서 개시된 핸드헬드 포텐시오스탯은 바이오 센싱 플랫폼에서 임피던스 분광 분석을 수행한다. 매우 낮은 전압은 단백질 및 생체 분자가 민감할 때, 바이오센싱에 적용가능하도록 이러한 포텐시오스탯의 사용에 필요하다. 일부 실시예에서, 적절한 전압의 범위는 50 mV 내지 500 mV일 수 있지만, 적절한 전압은 적용에 종속될 것이다. 센싱을 기초로 하여 단백질에 대한 적용에서, 전압은 5 mV 내지 20 mV의 범위 내에 있을 것이다. 세포 및 DNA에 대한 적용에서, 전압 범위는 100 mV 내지 2 V일 것이다. 유사하게, 매우 작은 전압의 적용에 의해, 대량 용액 매체에 의한 손실이 있기 때문에 전류 응답은 유사한 범위이거나 매우 낮다. 일부 실시예에서, 적절한 전류의 범위는 10 pA 내지 10 mA이고, 전압과 같이, 적절한 전류 응답이 적용에 종속할 것이다. 센싱을 기초로 하여 단백질에 대한 적용에서, 전류 응답은 10 pA 내지 100 nA의 범위 내에 있을 것이다. 세포 및 DNA에 대한 적용에서, 전류 응답은 100 nA 내지 10 mA일 것이다.
개시된 포텐시오스탯은 고정 또는 가변 주파수에서 사용될 수 있다. 적용에 따라, 고정 및 가변 주파수 범위는 변화할 것이다. 대부분의 바이오센싱 적용에 대해, 사용된 주파수의 범위는 50 Hz 내지 100 kHz이다. 해당 단백질에 대응하는 전기 디바이 (electrical debye) 길이 변화의 최적화시, 고정 주파수가 평가될 수 있다. 각각의 주파수에서의 검출은 검출 속도를 개선할 수 있고 비-특정 신호를 감소시킬 수 있다.
임피던스 분광 수행에 부가하여, 여기서 개시된 핸드헬드 포텐시오스탯은 소스 미터로서 그리고 또한 LCD 디스플레이 상의 용이한 선택 옵션을 통하여 전압 전류 도구로서 사용될 수 있다.
여기서 개시된 핸드헬드 포텐시오스탯은 용이하게 휴대가능하고 손에 익숙한 형태 인자를 갖는다. 약 또는 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 인치 x 약 또는 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 인치일 수 있다. 약 5 인치 x 약 3 인치 일 수 있는 것이 특별히 고려된다. 또한 도면 상에 표시되는 프로그램 가능한 게인 증폭기, 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러, 및 출력용 LCD 디스플레이를 포함하는 전체 장치가 이러한 크기 내에 있다는 것이 특별히 고려된다.
핸드헬드 포텐시오스탯의 스마트폰 실시예를 도시하는 도면은 도 8에서 찾아볼 수 있다. 핸드헬드 포텐시오스탯은 스마트폰(300) 및 포텐시오스탯 어댑터(306)를 포함한다. 스마트폰은 케이블(304), 바람직하게는 마이크로 USB 또는 전용 커넥터를 사용하여 포텐시오스탯 어댑터(306)에 작동 가능하게 커플링된다. 케이블(304)은 스마트폰(300)과 포텐시오스탯 어댑터(306) 사이에 양 방향 통신을 제공한다. 포텐시오스탯 어댑터는 제 1 전극 포트(202), 제 2 전극 포트(204), 제 3 전극 포트(206), 마이크로컨트롤러(100), 및 프로그램 가능한 게인 증폭기(102)를 포함한다. 사용자는 사용자 입력 및 출력 및 마이크로컨트롤러 통신 기능성을 제공하는 스마트폰(300) 상으로 사용자 포텐시오스탯 소프트웨어 어플리케이션을 설치한다. 사용자는 터치 스크린(302)을 사용하여 입력 전압, 입력 주파수, 및 파형을 포함하는 입력을 스마트폰(300)에 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 사용자는 키패드를 사용하여 스마트폰으로 입력을 제공한다. 스마트폰(300)은 스마트폰의 터치스크린(302) 상의 목표 분석물의 농도와 같은 출력을 디스플레이한다.
여기서 개시된 포텐시오스탯은 또한 바이오센싱을 위한 작동의 원하는 범위에서 낮은 노이즈 한계값으로 수행한다. 현재, 포텐시오스탯은 전기화학적 적용에 염두를 두고 설계된다. 이러한 적용을 위해 사용된 집적 회로는 합리적인 노이즈 임계값을 갖는다. 바이오센싱에 적용할 때, 입수 가능한 장치의 측정된 신호는 다수의 경우에 노이즈 한계값 내에 있어서, 입수 가능한 포텐시오스탯의 대부분을 부적절하게 한다.
여기서 개시된 포텐시오스탯은 또한 급속 푸리에 변환 및 라플라스 변환을 사용하여 3극 임피던스 분광을 수행하도록 프로그램 가능하다. 존재하는 포텐시오스탯은 측정된 전류 응답에서의 위상 변화를 추정하는 리사주 곡선 방법을 사용한다. 이는 높은 전압 및 전류를 포함하는 적용에 대해 완벽하지만, 바이오센싱을 위해 필요한 전압 및 전류의 분석에 대해 최적이지 않다. 이러한 적용들에 대해 더 적절한 급속 푸리에 변한 기반 및 라플라스 기반 추정은 높은 프로세서 속도를 요구하기 때문에 실행에 있어서의 복잡함 때문에 널리 사용되지 않았다. 급속 푸리에 및 라플라스 변환을 사용하는 것은 노이즈를 감소하고 신호 무결성을 유지함으로써(둘다 바이오센싱에 중요함) 디지털 신호 분석을 보조한다.
급속 푸리에 변환을 사용하는 포텐시오스탯의 계산이 아래 설명된다. 마이크로컨트롤러는 형태 V(t)=vsin(ωt)의 정현파 전압을 인가하고 여기서 v는 신호의 진폭이고 ω는 각도 주파수이다. 바람직한 실시예에서, 마이크로컨트롤러는 변화하는 주파수로 정현파 전압을 인가한다. 마이크로컨트롤러는 형태 I(t)=isin(ωt+φ)인 결과적인 전류 신호를 측정하고, 여기서 i는 신호의 진폭이고 φ는 신호의 위상 변화이다. 마이크로컨트롤러는 고속 푸리에 변환,
Figure pct00005
을 적용함으로써 인가된 전압 신호를 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 변환한다. 또한, 마이크로컨트롤러는 고속 푸리에 변환,
Figure pct00006
을 적용함으로써 단계(506)에서 결과적인 전류 신호를 시간 도메인으로부터 주파수 도메인으로 변환한다. 결과적인 전류 주파수 신호는 인가된 전압 신호로 식별되고 다른 주파수에서 발생하는 노이즈는 여과된다. 마이크로컨트롤러는 최대 임피던스 변화가 멀티-슬라이스 스플릿팅을 사용하여 발생하는 주파수를 결정하며, 여기서 인가된 주파수 스펙트럼은 각각의 이산 주파수 지점으로 슬라이스된다. 마이크로컨트롤러는 이어서 최대 임피던스 변화가 발생되는 주파수를 테스트되는 특정 분석물에 대해 메모리에 저장된 기준 주파수 지점에 비교한다. 마이크로컨트롤러는 교정시 사용된 동일한 방정식
Figure pct00007
을 적용함으로써 테스트된 분석물질의 농도를 추정하며, 여기서 zi는 최대 임피던스 변화가 발생하는 주파수에서의 임피던스이고 bn, bn -1, b1, 및 c는 교정 동안 계산된 계수이며, x는 계산된 목표 분석물 농도이다. 바람직한 실시예에서, 방정식은 이차 방정식이다.
도 12는 포텐시오스탯의 일 실시예의 작동을 예시하는 흐름도이다. 단계(800)에서, 정현파 전압은 제 1 및 제 2 전극 사이에 인가된다. 단계(802)에서, 상기 시스템은 제 1 및 제 2 전극 사이에서 흐르는 결과적인 전류를 측정한다. 단계(804 및 806)에서, 전압 및 전류는 급속 푸리에 변환을 사용하여 주파수 도메인 신호로 변환한다. 단계(808)에서, 전압 및 전류는 라플라스 변환을 사용하여 도메인 신호로 변환한다. 단계(810)에서, 제 1 및 제 2 전극에 인가된 정현파 전압은 다수의 주파수들로 인가되고 이는 전극으로부터 상이한 거리에 형성되는 용량 이중 층을 초래한다. 단계(812)에서, 임피던스의 계수 및 허수 부분은 인가된 신호 주파수에서의 변화로 분석된다. 단계(814)에서, 용액 내의 특유의 마커는 다수의 주파수들에서 측정된 리액턴스를 기초로 하여 식별된다. 단계(816)에서, 상기 시스템은 제 3 및 제 2 전극 사이에 정현파 전압을 인가한다. 단계(818)에서, 상기 시스템은 제 3 및 제 2 전극 사이에서 흐르는 결과적인 전류를 측정한다. 단계(820 및 822)에서, 상기 시스템은 인가된 전압 및 결과적인 전류 신호를 주파수 도메인으로 변환하도록 급속 푸리에 변환을 인가한다. 단계(824)에서, 신호는 라플라스 변환을 사용하는 도메인으로 변환된다. 단계(826)에서, 결과적인 전기장은 제 1-제 2 전극에 대해 직교하는 가변 각도로 인가된다. 단계(828)에서, 회전 각도 및 전류 응답이 분석된다. 단계(830)에서, 상기 시스템은 다수의 각도 전기장에서 보여주는 전류 응답을 기초로 하여 용액 내의 하나 또는 둘 이상의 분석물의 존재를 결정한다.
여기서 개시된 포텐시오스탯은 비용 효율적인 컴포넌트를 포함하며, 제조는 매우 간단한 표면 장착 장치 조립을 포함하며, 개시된 장치는 현대의 전류 증폭기 및 프로그램 가능한 게이트 어레이의 사용에 의해 저열 노이즈를 갖는다.
마지막으로, 여기서 개시된 포텐시오스탯은 소스 미터, 전압 전류 도구로서 그리고 표준 전류 측정을 위한 적용성을 갖는다. 포텐시오스탯은 작동시키고 결과를 생성하는 프로그램에 대해 변형시킴으로써 다수의 적용에 대해 맞춰질 수 있다. 프로그램 가능한 게인 증폭기는 넓은 작동 범위(mV-V/pA-mA)를 가지며 이에 따라 바이오센싱에 대해 다수의 전압 전류 적용뿐만 아니라 일반적인 적용에 대해 사용될 수 있다. 마이크로프로세서/마이크로컨트롤러는 광범위한 프로그램 자유도를 제공하고 이에 따른 다수의 작동에 대한 포텐시오스탯의 적용이 하드웨어가 아닌 단지 소프트웨어 변화를 요구할 것이다.
여기서 개시된 포텐시오스탯은 상당히 적용가능하고 신속한 결과를 발생한다. 단일 채널 분석에 대해, 단일 채널 EIM 검출 스킴 및 32-비트 마이크로컨트롤러(40 내지 10 kHz)가 사용될 때, 40초 미만의 판독 시간을 초래한다.
B. 기판 및 전도성 재료
고려된 기판은 다공성 나노텍스처드 기판을 포함한다. 일부 실시예에서, 페이퍼, 니트로셀룰로오스, 패브릭, 잎, 나무껍질, 또는 껍데기가 고려되지만, 모세관 작용에 의해 유체를 운반하는 임의의 다공성 친수성 기판은 여기서 설명된 방법 및 장치에서의 기판으로서 사용될 수 있다. 비제한적인 예는 셀룰로오스 및 셀룰로오스 아세테이트, 페이퍼(예를 들면, 필터 페이퍼 및 크로마토그래피 페이퍼), 옷 또는 직물, 다공성 폴리머 필름, 다공성 플라스틱, 또는 잎을 포함한다. 일부 실시예에서, 기판은 생분해성이다. 바람직하게는, 기판은 페이퍼이다.
전도성 잉크 스크린 프린팅과 관련하는 기판의 다공도는 컨포멀 회로를 패턴화하기 위해 활용될 수 있다. 기판의 임의의 크기 및 두께가 사용될 수 있다. 기판의 크기는 회로의 기능성에 중요하지 않다. 회로의 성능에 영향을 미치는 중요 매개변수는 기판의 다공도이다. 다공도는 10x107 내지 10x1018 pores/mm2 로 변화할 수 있고, 이의 다공도를 포함하는 기판은 목표 분석물의 크기를 기초로 하여 선택된다. 이러한 다공도는 다양한 기술, 예를 들면 코팅 또는 트리트먼트(treatment)를 사용하여 조정되거나 튜닝(tuning)될 수 있다. 가능한 트리트먼트 및 코팅의 예는 산성 또는 알칼리성 에칭, 자체 조립된 단층의 층 증착에 의한 층의 사용과 같은 습식 트리트먼트, 및 반응 이온 에칭 및 플라즈마 에칭과 같은 건식 트리트먼트를 포함한다.
기판은 100 미크론까지의 두께를 가질 수 있고, 측면 크기에 대한 제한 인자가 없다. 일부 실시예에서, 기판은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 cm x 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 또는 10 cm, 또는 그 사이의 임의의 크기일 수 있다. 특별한 실시예에서, 기판은 1 cm x 1 cm이다.
임의의 적절한 전도성 재료가 사용될 수 있다는 것이 고려되고 전도성 잉크의 범위가 고려된다. 전도성 잉크는 보통 분말형 또는 박편형 은 및 탄소 유사 재료와 같은 전도성 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 전도성 잉크는 탄소, 은, 또는 금속 또는 금속 산화물 나노입자-주입 탄소 잉크이다. 일부 실시예에서, 금속 또는 금속-산화물 나노입자-주입 탄소 잉크는 1 용적%이 희금속 또는 금속 산화물이 주입된다. 특정 예에서, 탄소 잉크는 금, 백금, 탄탈, 은, 구리, 주석, 인듐-주석 산화물, 그래핌, 그래핌 산화물, 아연 산화물, 티타늄 산화물, 철 산화물, 또는 몰리브덴 산화물로 주입된다. 탄소 잉크로의 금속 또는 금속 산화물 나노입자와 같은 첨가제의 사용은 전도성 탄소를 반-전도성 잉크로 변화한다. 일부 실시예에서, 이러한 반-전도성 잉크 패턴은 다이오드 및 트랜지스터 거동을 설계하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 원래의 전도성 잉크는 임피던스 변경을 얻기 위해 사용될 수 있다. 잉크 기판(즉, 잉크 및 기판의 조합)은 베이스 전극 표면이며, 이 베이스 전극 표면 상에 생체 분자 화학 반응이 분자 진단을 달성하기 위해 실시된다.
잉크의 특성은 감지의 타입 및 원하는 분석에 종속한다. 일부 실시예에서, 전기 리더에 의한 수동 감지가 필요할 때, 잉크는 단지 전도성이다. 더욱 상세하게는, 수동 장치에 대해, 전도성/반-전도성 나노입자는 매트릭스로 분산될 수 있거나 잉크는 금속 나노입자, 금속 산화물 나노입자, 또는 전자 활성 폴리머 매트릭스를 함유할 수 있다. 멀티미터에 의한 것과 같이 능동 감지가 유용한 상황에서, 잉크는 전도성 및 반전도성 또는 전도성 스택일 수 있다. 광학 센서가 적절한 경우, 잉크는 광촉매일 수 있다. 비색 감지가 유용한 상황에서, 잉크는 감지 동안 덩어리화되는 나노입자를 함유할 것이다. 재료의 혼합 스택킹은 또한 잉크에 대한 부가 특성을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 컨포멀 회로는 구리, 칼륨, 마그네슘, 및, 루비듐의 유도체와 같은, 레독스 물질을 포함할 수 있다. 이러한 재료는 컨포멀 회로상에 고정화된 분석물의 수용체와 바인딩한다. 레독스 물질과의 수용체 상으로의 분석물의 바인딩 동안, 레독스 물질의 환원 또는 산화에 의한 컨포멀 회로를 통하여 보내지는 전하의 개수에서의 증폭이 있다. 이러한 공정은 레독스 물질이 레독스 전극 자체 상으로 고정화되는 레독스 전극의 사용과 구별된다. 레독스 전극 상의 레독스 물질로의 바이어스 전위 또는 전류의 인가 동안, 이러한 재료는 환원 또는 산화를 겪으며 이에 따라 이러한 상태에서 목표 분석물을 바인딩하고 테스트되고/평가되는 분석물을 변형한다.
C. 패턴화 방법
컨포멀 회로는 표준 페이퍼 제품에 대한 엔지니어링을 수행함으로써 조립된다. 페이퍼 내의 구멍은 회로 형성에서 제어를 달성하는데 활용한다. 회로 설계의 스텐실은 임의의 적절한 방식으로 기판 표면 상으로 전사된다. 원하는 패턴의 매개변수는 검출될 분자에 의해 결정된다. 당업자는 원하는 패턴의 관점에서 적절한 전사 방법을 인정한다. 예를 들면, 더 작은 패턴 또는 더 작은 피처 크기는 더 진보된 인쇄 기술, 예를 들면 마스킹 및 리소그래피를 요구한다. 이러한 공정은 아래에서 더 상세하게 논의된다.
스텐실은 구멍 또는 통공의 패턴을 포함하고 이 구멍 또는 통공을 통하여 전도성 재료가 친수성 기판 상에 증착될 수 있다. 대안적으로, 에칭 공정에서, 스텐실은 구멍 또는 통공의 패턴을 함유하고 이 구멍 또는 통공을 통하여 전도성 재료가 친수성 기판 상에 금속 패턴을 형성하도록 에칭될 수 있다. 스텐실은 건조-필름 레지스트의 금속, 플라스틱, 또는 패턴화된 층과 같은 다양한 재료로 제조될 수 있다. 스텐실을 제조하기 위한 금속의 비-제한적인 예는 스테인리스 강 및 알루미늄을 포함한다. 스텐실을 제조하기 위한 플라스틱의 비-제한적인 예는 마일라(mylar)를 포함한다. 대안적으로, 건조-필름 레지스트의 패턴화된 층은 스텐실로서 사용될 수 있다. 하나 또는 둘 이상의 실시예에서, 금속 또는 플라스틱은 스텐실을 제조하기 위해 사용되고 금속 경로의 패턴은 레이아웃 에디터(예를 들면, WieWeb Inc.의 Clewin)을 사용하여 컴퓨터 상에 설계될 수 있고, 설계를 기초로 한 스텐실은 임의의 공급자(예를 들면, Stencils Unlimited LLC(오리건 주의 레이크 오스위고 소재)로부터 얻을 수 있다. 소정의 실시예에서, 스텐실은 증착 후 페이퍼로부터 제거될 수 있다. 소정의 다른 실시예에서, 스텐실의 일 측은 스텐실을 페이퍼 기판에 임시적으로 부착하도록 스프레이-접착제(예를 들면, 3M Inc.의 3M 포토마운트)의 층으로 스프레이된다. 증착 후, 스텐실은 페이퍼로부터 벗겨질 수 있다. 스텐실은 여러번, 예를 들면 10번 이상 재사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 건조-필름 레지스트의 패턴화된 층은 스텐실로서 사용될 수 있다. 건조 필름 레지스트는 투명한 마스크를 통하여 UV 광에 노출되고 묽은 수산화 나트륨 용액에서 전개될 수 있을 때 패턴화될 수 있다. 패턴화된 건조-필름 레지스트는 플라스틱의 코팅 시트에 부착될 수 있거나 레지스트-측을 친수성 기판의 표면에 가압하고 휴대용 라미네이터(Micro-Mark, Inc.)에서 가열된 롤러를 통하여 다수의 시트 구조물을 통과시킴으로써 친수성 기판에 직접 부착될 수 있다. 플라스틱 코팅 시트는 이어서 벗겨질 수 있어, 일 측 상에 패턴화된 건조 필름 레지스트를 구비한 페이퍼 시트를 초래한다.
다양한 증착 방법은 전도성 재료를 미세 유체 장치의 친수성 기판 상에 전기적으로 증착하기 위해 사용될 수 있다. 증착 방법의 비 제한적인 예는 스텐실을 사용하여 전도성 재료를 증착하는 단계, 전도성 경로를 형성함으로써 전도성 재료를 증착하는 단계, 상업적으로 입수가능하거나 가정에서 제조된 전도성 재료 테이프를 친수성 기판 상에 부착함으로써 전도성 재료를 증착하는 단계, 전도성 경로를 형성함으로써 전도성 재료를 증착하는 단계, 또는 미세 유체 장치의 친수성 채널 또는 친수성 기판 상에 전도성 유체를 도입함으로써 전도성 재료를 증착하는 단계를 포함한다. 대안적으로, 전도성 재료는 전도성 재료를 포함하는 친수성 기판의 제조를 허용하기 위해 친수성 기판을 제조하기 위한 펄프 또는 섬유 내에 매립될 수 있다.
회로 설계가 (a) 딥 코팅 및 (b) 엠보싱 또는 (c) 마스킹 및 리소그래피 중 어느 하나를 통하여 기판 표면 상으로 전사될 수 있다는 것이 특히 고려된다. 딥 코팅 및 엠보싱은 수백 미크론, 더 바람직하게는 최고 100 나노미터/0.1 미크론의 피처 해상도를 허용하고 마스킹 및 리소그래피는 1 내지 10 미크론 레짐(regime)의 피처 해상도를 허용한다. 이러한 기술은 당업자에게 주지되어 있다. Reighard 및 Barendt, 2000 참조. 특별한 실시예에서, 회로는 3D 프린터 상에 설계될 수 있고 설계는 회로를 기판 상에 엠보싱함으로써 기판에 전사될 수 있다.
기판의 측면 다공도는 여기서 개시된 컨포멀 회로를 생성하기 위해 활용된다. 수직 방향 다공도는 적절하지 않고 따라서 약 수백 nm의 두께의 금속 방벽이 이 목적을 달성한다. 증착된 재료의 두께는 또한 기판의 전기적 거동을 변경하도록 일부 영역에서 기판의 두께에 대응한다.
특별한 실시예에서, 전체 페이퍼 표면은 팁 코팅된다. 전도성 잉크 표면과 홀로 상호 작용하는 생체 분자는 측정 신호를 담당한다. 고려되어야 할 유동 고려 사항(flow consideration)이 없다. 따라서, 생체 분자 상호 작용은 주로 확산 및 구동되는 모세관 작용이며 따라서 구멍이 클수록 상호 작용이 더 빨라진다. 딥 코팅의 다수의 층이 적절한 경우 적용된다. 이러한 기술은 의도가 센서 플랫폼 상으로 통합된 다수 층의 분자를 요구하는 면역 분석을 설계할 때, 가장 관련된다.
D. 생체 분자의 검출
이러한 컨포멀 회로는 넓은 범위의 분자 진단 및 분석에 적용될 수 있고 따라서 음식, 물, 토양, 공기, 혈청과 같은 체액, 세제, 이온성 완충액, 등과 같은 해당 분자를 포함하는 것으로 의심되는 임의의 샘플 상에 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 샘플은 액체 내에서 용해되거나 분산될 수 있는 임의의 액체 샘플 또는 솔리드형이다. 다른 실시예에서, 회로는 공기 샘플 내에서 독소 또는 다른 분자를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 회로는 일산화 탄소, NOx, SOx, NH4, O3와 같은 온실 가스 및 다른 환경적 독소를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 상기 회로는 효소 및 생리 이온의 존재를 맵핑하기 위한 간단한 친밀도 기반 분석법을 설계하는데 사용될 수 있다. 이들은 항체-항원 상호 작용을 연구하고 초고감도 농도에서 표현되는 넓은 범위의 단백질 바이오마커의 존재 또는 부재를 결정하기 위한 분석법을 개발하기 위해 사용될 수 있다. 게놈 분석은 또한 이러한 회로를 사용하여 개발될 수 있다.
단일 단계 면역 분석은 컨포멀 회로와 관련하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 화학적 센서를 사용하는 표지 없는 면역 분석이 적절하다(Vertergaard, 등, 2007년). 단백질 진단의 특별한 실시예에서, 태그 없는 단일 주 항체가 사용되고, 기본 회로를 기초로 하여, 전기 회로 매개변수에 대한 제어 및 맵핑 변조가 단백질의 검출 동안 달성된다. 상기 시스템은 정량적으로 검출하도록 설계될 수 있다(예를 들면 전자화학적 임피던스 분광 전자 리더).
여기서 개시된 컨포멀 회로는 임의의 적절한 방식으로 면역 분석을 위해 준비될 수 있다. 일 실시예에서, 링커는 기판 상에 증착되고 상기 기판은 목표 분석물, 예를 들면, 목표 측정 항체에 대해 특정된 모이어티로 포화되고, 차단 버퍼는 센서 표면 상으로 다른 경쟁 분자의 비 특정 바인딩 또는 흡수를 최소화하도록 수용체 모이어티 포화 컨포멀 회로 표면에 인가되고, 버퍼 세척이 수행되고, 목표 분석물, 예를 들면 항원이 회로상으로 투여된다. 항원과 같은 목표 분자에 대한 교정 곡선을 설계하는데 있어서, 항원의 증가하는 투여량은 컨포멀 회로 상으로 인가되고 임피던스 측정은 정상 상태에 도달할 때까지 얻어진다. 측정된 임피던스의 증가하는 변화는 항원과 같은 목표 분자의 증가하는 투여가 예상된다. 교정 곡선이 설계되면, 항원과 같은 테스트 목표 분자의 공지되지 않은 투여는 항체/수용체 모이어티 포화 센서 표면 상으로 테스트되고, 임피던스에 있어서의 변화는 이어서 테스트 목표 분자의 투여를 결정하도록 교정 곡선에 대해 평가된다.
분석물 제한이 기판의 나노스케일 텍스처 내에서 달성되고 기판 상에의 목표 분석물의 크기 기반 제한이 전도성 잉크를 사용하여 달성된다. 단일 단계 면역 분석 포맷에서 전도성 잉크와 상호 작용하는 분석물은 (a) 전기 이중 층, (b) 다이오드에서 공핍 층 내의 전하, 및 (c) 해당 생체 분자의 검출을 초래하는 트랜지스터의 게이트 전류 특성을 교란시킨다. 1 내지 10 마이크로 리터의 범위의 매우 작은 용적이 요구되기 때문에, 제어된 유동의 문제가 존재하지 않는다. 주로 기판 표면 상의 유체의 스폿팅은 생체 분자 검출을 위한 관련된 상호 작용을 달성하기에 충분하다.
여기서 개시된 컨포멀 회로 및 검출 장치는 정량적으로 (예를 들면, EIS 전자 리더) 또는 정성적으로(예를 들면 색상 변화) 검출하도록 설계될 수 있다. 또한, 상기 시스템은 단일체(하나의 분석물), 멀티플렉스(동일한 타입의 다수의 분석물), 또는 멀티플렉서티(multiplexicity)(여러 타입의 다수의 분석물)을 검출하도록 설계될 수 있다.
여기서 개시된 컨포멀 회로는 매우 다양하다. 단일 채널 분석을 위해, 125 μL 미만의 샘플 용적이 요구되고, 1 pg/mL 내지 10 μg/mL의 동적 검출 범위를 가지며, 1 및 100 nm 또는 1 내지 100 nm에서의 분자에 대해 유용할 수 있다. 다수 채널 검출에 대해, 75 μL 미만의 샘플 용적이 요구되고, 1 pg/mL 내지 10 μg/mL의 동적 검출 범위를 가지며, 최소 2채널 및 최대 8 채널이 있을 수 있으며 1 및 100 nm 또는 1 내지 100 nm에서의 분자에 대해 유용할 수 있다. 멀티플렉서티 검출에 대해, 50 μL 미만의 샘플 용적이 요구되고, 1 pg/mL 내지 10 μg/mL의 동적 검출 범위를 가지며, 최소 2채널 및 최대 16 채널이 있을 수 있으며 1 및 100 nm 또는 1 내지 100 nm에서의 분자에 대해 유용할 수 있다.
여기서 개시된 포텐시오스탯은 상당히 적용가능하고 신속한 결과를 발생시킨다. 단일 채널 분석에 대해, 단일 채널 EIM 검출 스킴 및 32-비트 마이크로컨트롤러(40 내지 10 kHz)가 사용될 때, 40초 미만의 판독 시간을 초래한다. 멀티-채널 검출에 대해, 직렬 멀티 채널 EIM 및 16-비트/32-비트 마이크로컨트롤러(40 내지 10 kHz)가 최소 2 채널 및 최대 8 채널로 이용될 때, 채널 당 40초 미만에 결과가 발생된다. 멀티플렉시티 검출에 대해, 병렬 멀티 채널 EIM 및 32-비트/64-비트 마이크로컨트롤러(40 내지 10 kHz)가 최소 2 채널 및 최대 16 채널로 이용될 때, 채널당 30초 미만에 결과가 발생된다.
E. 키트
일부 실시예에서, 컨포멀 회로 및 포텐시오스탯을 포함하는 키트가 고려된다. 일부 실시예에서, 이러한 키트는 특별한 목표 분석물, 예를 들면 해당하는 특별한 단백질을 수용하기 위해 설계된다. 일 실시예에서, 키트는 목표 분석물에 적절하고 목표 분석물에 전사되는 적절한 패턴을 가지며 여기서 상기 패턴은 적절한 잉크로 구성되는 나노텍스처드 다공성 기판을 포함하는 컨포멀 회로를 포함한다. 또한, 키트는 특별한 목표 분석물을 위해 사용자에게 해당 데이터를 생성하기 위해 교정되는 포텐시오스탯을 더 포함할 것이다.
예를 들면, C-반응성 단백질을 검출하기 위해 설계된 컨포멀 회로는 나노다공성 재료의 기판, 예를 들면 200 nm 구멍의 1013 내지 1015 pores/cm2 의 다공도를 가지는 페이퍼를 가지며 여기서 상기 회로는 서로 맞물린 또는 엣지가 없는 서로 맞물린 패턴, 또는 금/백금/은/구리/니켈/인듐 주석 산화물/철 산화물로 주입된 금속 또는 금속 산화물 나노입자-주입 탄소 잉크를 사용하여 제조된 동심 링 패턴으로 제조된다. 포텐시오스탯 내로 입력되는 해당 매개변수는 10 mV의 인가 전압 및 20 내지 10 KHz의 범위의 인가 주파수를 포함한다. 최종적으로, 분석을 위한 해당 매개변수는 분석 주파수, 인가된 전압, 측정된 전류, 계산된 임피던스, 추정된 농도 및 표준 교정 곡선을 포함한다.
F. 예들
아래의 예들은 본 발명의 바람직한 실시예를 증명하기 위해 포함된다. 본 발명의 실시시 잘 기능하도록 후술하는 예에서 개시된 기술이 발명자에 의해 발견된 기술을 나타내고 이에 따라 본 발명의 실시를 위해 바람직한 모드를 구성하도록 고려될 수 있다는 것이 당업자에 의해 인정되어야 한다. 그러나, 당업자는 본 개시의 견지에서 다수의 변화가 개시되고 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 동일하거나 유사한 결과를 얻는 특정 실시예에서 이루어질 수 있다는 것을 인정하여야 한다.
도 9는 리포폴리사카라이드, 리포타이코산 및 트로포닌-T를 포함하는 용액에 대한 인가된 신호의 주파수 대 임피던스 탄성률을 나타내는 보드 선도이다. 도 9는 용량 및 저항 우세가 관측되는 주파수를 예시한다. 플롯은 용액 내의 구별되는 단백질 바이오마커의 존재를 증명하지만 결합시 단백질 바이오마커 또는 이들의 특이성을 정량화하지 않는다.
도 10은 리포폴리사카라이드, 리포타이코산 및 트로포닌-T를 포함하는 용액에 대한 인가된 신호의 주파수 대 임피던스에서의 위상 변화를 나타내는 보드 선도이다. 단백질 바이오마커는 분광 분석을 기초로 하여 용액 내의 다수의 바이오마커를 구별하기 위한 능력을 증명하는 유일한 임피던스 위상 프로파일을 나타낸다. 플롯은 바인딩시 단백질 바이오마커 또는 이들의 특이성을 정량화하지 않는다.
도 11은 리포폴리사카라이드, 리포타이코산 및 트로포닌-T를 포함하는 용액에 대한 제 3 전극에서 측정된 출력 전류 대 제 2-제 3 전극 전기장의 각도 배향의 플롯이다. 전극-용액 인터페이스에서 검출된 단백질 바이오마커는 직교 방향으로 교차하는 전기장의 영향하에서 유일한 위상 응답 특성을 증명한다. 테스트된 3개의 단백질 바이오마커는 인가된 전기장의 변화되는 배향 각도에서의 유일한 전류 응답을 증명한다.
도 13은 다양한 종의 목표 분석물 시스템 및 관련된 시스템 구성을 열거하는 표이다.
G. 실험 데이터
도 14는 본 개시의 예시적인 실시예에 의해 검출된 바와 같이 임피던스(ohm 단위로 측정됨) 대 리포폴리사카라이드(fg/mL 단위로 측정됨)의 농도에서의 변화의 그래프이다.
도 15는 본 개시의 예시적인 실시예에 의해 검출된 바와 같이 임피던스(ohm 단위로 측정됨) 대 프로칼시토닌(fg/mL 단위로 측정됨)의 농도에서의 변화의 그래프이다.
도 16은 본 개시의 예시적인 실시예에 의해 검출된 바와 같이 임피던스(ohm 단위로 측정됨) 대 리포테이코산(fg/mL 단위로 측정됨)의 농도에서의 변화의 그래프이다. 리포폴리사카라이드, 프로칼시토닌, 및 리포테이코산의 검출을 위한 작동의 선형 범위는 1 fg/mL 내지 1 μg/mL이었다.
부가 데이터는 miRAN 21의 검출에 관해 수집되었다. 목표 유전자 발현의 조절을 연구하기 위한 작은 RNA 분자의 검출은 도시된 값을 갖는다. 예를 들면, miRNA들은 암 조절에 중요한 역할자이다. 하나의 테스트에서, 세포 용해 용액에서 miRNA 21의 카피의 개수가 검출되었다. 테스트 샘플은 miRNA 21 농축된 세포가 포함되었다. 페이퍼 카트리지 목표화된 miRNA 21 상의 20 bp 올리고 뉴클레오티드 및 컨트롤은 와일드-타입 세포(wild-type cell)이다. miRNA 21의 높은 상대 농도(예를 들면, 200 카피/셀)가 검출되었다.
부가 데이터는 특정 캡쳐 프로브(P2)를 이용한 miRNA 시컨스(P4)의 검출에 관해 수집되었다. 도 17은 다양한 온도 및 시간에서 측정된 임피던스(ohm 단위)를 나타낸다. 캡처 프로브에서의 임피던스는 32.452 kohm이었다.
캡처 프로브(P2)와 비-특정 miRNA 시컨스의 상호 작용에 대한 신호의 추정이 도 18에 도시된다.
도 19는 연어 정자 DNA와 캡처 프로브(P2)의 상호 작용에 대한 신호의 추정을 예시한다.
참조 문헌
여기에 명시된 내용에 따른 예시적인 절차 또는 기타 세부 사항 보충을 제공하는 정도로 아래의 참조 문헌이 인용에 의해 본원에 구체적으로 포함된다.
Reighard 및 Barendt, "컨포멀 코팅 공정 제어:제조 엔지니어의 보조". APEX. 캘리포니아, 롱 비치 2000년 3월
Vestergaard, 등., 센서.7(12):3442-58, 2007.

Claims (83)

  1. 핸드헬드 측정 장치 및 컨포멀 분석물 센서 회로를 사용하여 샘플 내 여러 타입의 목표 분석물들을 검출하거나 정량화하는 방법으로서,
    (a) 다수의 목표 분석물들을 포함하는 샘플을 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극을 포함하는 센서 회로를 가지는 컨포멀 기판 상에 배치하는 단계;
    (b) 제 1 위상각에서의 제 1 교류 입력 전압을 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계;
    (c) 제 2 위상각에서의 제 2 교류 입력 전압을 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계로서, 상기 제 1 위상각 및 상기 제 2 위상각은 일정한 델타 위상각에 의해 분리되는, 단계;
    (d) 다수의 주파수들에서 출력 전류를 측정하고 다수의 분석물들에 대해 위상각을 변화시키는 단계;
    (e) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여, 상기 제 1 전극으로부터 그리고 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계;
    (f) 전기 이중 층을 복수의 평면으로 섹션화하는 단계로서, 상기 전기 이중 층이 제 1 전극의 표면, 제 2 전극의 표면, 및 제 3 전극의 표면에 인접한, 단계;
    (g) 상기 제 1 입력 전압의 제 1 위상각 및 상기 제 2 입력 전압의 제 2 위상각을 변화시키는 단계;
    (h) 최대 임피던스 변화가 발생하는 제 1 위상각 및 제 2 위상각을 식별하는 단계;
    (i) 상기 제 1 위상각 및 상기 제 2 위상각에서 식별된 임피던스를 측정하는 단계; 및
    (j) 다수의 주파수들에서의 상기 측정된 임피던스 및 관련된 위상각을 사용하여, 표준 교정 곡선의 사용에 의해 다수의 목표 분석물들을 검출하거나 목표 분석물들의 농도를 계산하는 단계를 포함하는,
    방법.
  2. 분석물 센서 회로로서,
    회로 설계시 전도성 재료가 그 위에 배치되는 표면을 가지는 기판으로서, 제 1 전극, 제 2 전극, 및 제 3 전극을 포함하는 회로를 생성하는, 기판;
    상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 게인 증폭기; 및
    상기 프로그램 가능한 게인 증폭기, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 포함하며,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는:
    (a) 제 1 교류 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 구성되며,
    (b) 제 2 위상각에서의 제 2 교류 입력 전압을 상기 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 구성되되, 상기 제 1 위상각 및 제 2 위상각이 일정한 델타 위상각에 의해 분리되도록, 구성되며,
    (c) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여, 상기 제 1 전극으로부터 그리고 상기 제 3 전극으로부터 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하도록 구성되며;
    (d) 전기 이중 층을 3차원 공간에서 복수의 평면으로 섹션화하도록 구성되되, 상기 전기 이중 층이 제 1 전극의 표면, 제 2 전극의 표면, 및 제 3 전극의 표면에 인접하도록, 구성되며;
    (e) 상기 제 1 입력 전압의 제 1 위상각 및 상기 제 2 입력 전압의 제 2 위상각을 변화시키도록 구성되며;
    (f) 최대 임피던스 변화가 발생하는 제 1 위상각 및 제 2 위상각을 식별하도록 구성되며;
    (g) 상기 제 1 위상각 및 상기 제 2 위상각에서 식별된 임피던스를 측정하도록 구성되며, 그리고
    (i) 표준 교정 곡선의 사용에 의해 상기 목표 분석물들을 검출하거나 상기 목표 분석물들의 농도를 계산하기 위해, 상기 측정 임피던스를 사용하도록 구성되는,
    분석물 센서 회로.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 장치는 부가 회로들을 포함하고, 각각의 회로는 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기에 각각 작동 가능하게 커플링되는 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극을 포함하고,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 밀리초 정밀도로 실시간으로 상기 임피던스 및 위상에 대한 변화를 포착하도록 상기 부가 회로 각각에 대해 (a) 내지 (i) 단계들을 수행하도록 구성되는,
    분석물 센서 회로.
  4. 분석물을 검출하고 정량화하도록 구성된 장치로서,
    컨포멀 센서 회로; 및
    상기 컨포멀 센서 회로에 커플링된 핸드헬드 리더를 포함하며,
    상기 장치는 단일 샘플로부터 다수의 목표 분석물들을 동시에 검출하고 정량화하도록 구성되는,
    장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 컨포멀 센서 회로는:
    회로 설계시 전도성 재료가 그 위에 배치되는 표면을 가지는 기판으로서, 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극을 포함하는 회로를 생성하는, 기판;
    상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 게인 증폭기; 및
    상기 프로그램 가능한 게인 증폭기, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 포함하며,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는:
    (a) 제 1 교류 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하도록 구성되며,
    (b) 제 2 위상각에서의 제 2 교류 입력 전압을 상기 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 구성되되, 상기 제 1 위상각 및 제 2 위상각은 일정한 델타 위상각에 의해 분리되도록, 구성되며,
    (c) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여 상기 제 1 전극으로부터 그리고 상기 제 3 전극으로부터 상기 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하도록 구성되며;
    (d) 전기 이중 층을 3차원 공간에서 복수의 평면으로 섹션화하도록 구성되되, 상기 전기 이중 층이 제 1 전극의 표면, 제 2 전극의 표면, 및 제 3 전극의 표면에 인접하도록 구성되며;
    (e) 상기 제 1 입력 전압의 제 1 위상각 및 상기 제 2 입력 전압의 제 2 위상각을 변화시키도록 구성되며;
    (f) 최대 임피던스 변화가 발생하는 제 1 위상각 및 제 2 위상각을 식별하도록 구성되며;
    (g) 상기 제 1 위상각 및 상기 제 2 위상각에서 식별된 임피던스를 측정하도록 구성되며, 그리고
    (i) 표준 교정 곡선의 사용에 의해 상기 목표 분석물을 검출하거나 상기 목표 분석물의 농도를 계산하기 위해, 상기 측정된 임피던스를 사용하도록 구성되는,
    장치.
  6. 핸드헬드 측정 장치 및 컨포멀 분석물 센서 회로를 사용하여 샘플 내 목표 분석물을 검출하거나 정량화하는 방법으로서,
    (a) 다수의 목표 분석물을 포함하는 샘플을 1 전극, 제 2 전극, 제 3 전극, 제 4 전극, 제 5 전극, 및 제 6 전극을 포함하는 센서 회로를 가지는 컨포멀 기판 상에 배치하는 단계;
    (b) 제 1 위상각에서의 제 1 교류 입력 전압을 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하는 단계;
    (c) 제 2 위상각에서의 제 2 교류 입력 전압을 상기 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하는 단계로서, 상기 제 1 위상각 및 제 2 위상각은 제 1의 일정한 델타 위상각에 의해 분리되는, 단계;
    (d) 제 1 주파수 범위에 걸쳐 다수의 주파수에서 제 1 출력 전류를 측정하고, 제 1 위상각 범위에 걸쳐 위상각을 변화시키는 단계;
    (e) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여, 상기 제 1 전극으로부터 그리고 상기 제 3 전극으로부터 상기 제 2 전극을 통하여 흐르는 제 1 출력 전류를 증폭하는 단계;
    (f) 제 1 전기 이중 층을 3차원 공간에서 복수의 평면으로 섹션화하하는 단계로서, 상기 제 1 전기 이중 층이 제 1 전극의 표면, 제 2 전극의 표면, 및 제 3 전극의 표면에 인접하는, 단계;
    (g) 상기 제 1 위상각 범위에 걸쳐 상기 제 1 입력 전압의 제 1 위상각 및 상기 제 2 입력 전압의 제 2 위상각을 변화시키는 단계;
    (h) 제 1 최대 임피던스 변화가 발생하는 제 1 위상각 및 제 2 위상각을 식별하는 단계;
    (i) 상기 제 1 위상각 및 상기 제 2 위상각에서 식별된 임피던스를 측정하는 단계;
    (j) 표준 교정 곡선의 사용에 의해 제 1 목표 분석물을 검출하거나 상기 제 1 목표 분석물의 농도를 계산하도록, 다수의 주파수에서 측정된 상기 임피던스를 사용하는 단계;
    (k) 제 3 위상각에서의 제 3 교류 입력 전압을 제 4 전극과 제 5 전극 사이에 인가하는 단계;
    (l) 제 4 위상각에서의 제 4 교류 입력 전압을 제 6 전극과 제 5 전극 사이에 인가하는 단계로서, 상기 제 3 위상각 및 제 4 위상각은 제 2의 일정한 델타 위상각에 의해 분리되는, 단계;
    (m) 제 2 주파수 범위에 걸쳐 다수의 주파수에서 제 2 출력 전류를 측정하고 제 2 위상각 범위에 걸쳐 위상각을 변화시키는 단계;
    (n) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여, 상기 제 4 전극으로부터 그리고 상기 제 6 전극으로부터 상기 제 5 전극을 통하여 흐르는 제 2 출력 전류를 증폭하는 단계;
    (o) 제 2 전기 이중 층을 복수의 평면으로 섹션화하는 단계로서, 상기 제 2 전기 이중 층이 제 4 전극의 표면, 제 5 전극의 표면, 및 제 6 전극의 표면에 인접한, 단계;
    (p) 상기 제 2 범위의 위상각에 걸쳐 상기 제 3 입력 전압의 제 3 위상각 및 상기 제 4 입력 전압의 제 4 위상각을 변화시키는 단계;
    (q) 제 2 최대 임피던스 변화가 발생하는 제 3 위상각 및 제 4 위상각을 식별하는 단계;
    (r) 상기 제 3 위상각 및 상기 제 4 위상각에서 식별된 임피던스를 측정하는 단계; 및
    (s) 표준 교정 곡선의 사용에 의해 제 2 목표 분석물을 검출하거나 제 2 목표 분석물의 농도를 계산하도록, 다수의 주파수에서의 상기 측정된 임피던스 및 위상 변화를 사용하는 단계를 포함하는,
    방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수 범위와 상기 제 2 주파수 범위가 상이한,
    방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 위상각 범위와 상기 제 2 위상각 범위가 상이한,
    방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수 범위와 상기 제 2 주파수 범위가 동일한,
    방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 위상각 범위와 상기 제 2 위상각 범위가 동일한,
    방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 (a) 내지 (j) 단계들이 상기 (k) 내지 (s) 단계들과 동시에 수행되는,
    방법.
  12. 핸드헬드 측정 장치 및 컨포멀 분석물 센서 회로를 사용하여 샘플 내 목표 분석물을 검출하거나 정량화하는 방법으로서,
    (a) 제 1 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계;
    (b) 제 2 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하는 단계;
    (c) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여, 상기 제 1 전극으로부터 그리고 상기 제 3 전극으로부터 상기 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계;
    (d) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여 상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압을 출력 전류에 비교함으로써 임피던스를 계산하는 단계; 및
    (e) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여, 상기 계산된 임피던스로부터 목표 분석물을 검출하거나 목표 분석물 농도를 계산하는 단계를 포함하는,
    방법.
  13. 핸드헬드 측정 장치 및 컨포멀 분석물 센서 회로를 사용하여 샘플에서 다수의 목표 분석물을 검출하거나 정량화하는 방법으로서,
    (a) 제 1 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계;
    (b) 제 2 입력 전압을 컨포멀 분석물 센서 회로의 제 3 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계;
    (c) 상기 제 2 입력 전압의 전기장의 각도 배향(angular orientation)을 변화시키는 단계;
    (d) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여, 상기 제 1 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계; 및
    (e) 상기 전기장의 각도 배향을 상기 출력 전류에 비교함으로써 하나 또는 둘 이상의 목표 분석물의 존재를 검출하는 단계를 포함하는,
    방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압은 50 Hz 내지 5,000 Hz의 주파수를 갖는,
    방법.
  15. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압은 정현파인,
    방법.
  16. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압은 톱니파인,
    방법.
  17. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압은 방형파인,
    방법.
  18. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압은 100 mV 내지 500 mV인,
    방법.
  19. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압은 50 mV 내지 200 mV인,
    방법.
  20. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압은 5 mV 내지 20 mV 인,
    방법.
  21. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 출력 전류는 10 pA 내지 10 mA인,
    방법.
  22. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 출력 전류는 10 pA 내지 100 nA인,
    방법.
  23. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 출력 전류는 100 nA 내지 10 mA인,
    방법.
  24. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 출력 전류는 1 내지 200 배만큼 증폭되는,
    방법.
  25. 제 12 항에 있어서,
    고속 푸리에 변환을 적용함으로써 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  26. 제 12 항에 있어서,
    라플라스 변환을 사용하여 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  27. 제 12 항에 있어서,
    멀티-슬라이스 스플릿팅 및 신호 분석을 사용하여 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  28. 제 13 항에 있어서,
    상기 각도 배향은 0 내지 360도에서 변화되는,
    방법.
  29. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 계산된 목표 분석물 농도를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  30. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 계산된 임피던스를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  31. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    LCD 디스플레이 상에 출력을 디스플레이하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  32. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    스마트폰 상에 출력을 디스플레이하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  33. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    미니-조이스틱을 사용하여 입력을 제공하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  34. 제 12 항에 있어서,
    스마트폰을 사용하여 입력을 제공하는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  35. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 측정된 임피던스는 비-패러데이(non-faradaic) 임피던스인,
    방법.
  36. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 컨포멀 분석물 센서 회로는:
    상부 표면을 갖는 솔리드형 기판으로서, 상기 기판은 다공성 나노텍스처드(nanotextured) 기판을 포함하는, 솔리드형 기판, 및
    회로 설계시 상기 솔리드형 기판의 상부 표면 상에 배치되어 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 제 3 전극을 포함하는 회로를 생성하는, 전도성 재료를 포함하는,
    방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 다공성 나노텍스처드 기판은 10 x 107 내지 10 x 1018 pores/mm2의 다공도를 갖는,
    방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 다공성 나노텍스처드 기판은 10 x 1010 내지 10 x 1013 pores/mm2의 다공도를 갖는,
    방법.
  39. 제 36 항 내지 제 38 항에 있어서,
    상기 다공성 나노텍스처드 기판은 절연 기판인,
    방법.
  40. 제 36 항에 있어서,
    상기 다공성 나노텍스처드 기판은 페이퍼 또는 니트로셀룰로오스인,
    방법.
  41. 제 36 항에 있어서,
    상기 전도성 재료는 전도성 잉크 또는 반-전도성 잉크인,
    방법.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 반-전도성 잉크는 탄소 잉크 및 첨가물을 포함하는,
    방법.
  43. 제 41 항에 있어서,
    상기 전도성 잉크는 탄소, 은, 또는 금속 또는 금속 산화물 나노입자-주입 탄소 잉크인,
    방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 금속 또는 금속 산화물 나노입자-주입 탄소 잉크는 1% 용적이 금, 백금, 탄탈, 은, 구리, 주석, 인듐-주석 산화물, 그래핌, 그래핌 산화물, 아연 산화물, 티타늄 산화물, 철 산화물, 또는 몰리브덴 산화물로 주입된,
    방법.
  45. 제 36 항에 있어서,
    상기 회로는 비선형 회로인,
    방법.
  46. 제 36 항에 있어서,
    상기 회로는 비저항성 회로인,
    방법.
  47. 제 36 항에 있어서,
    베이스 전극 표면으로서 추가로 규정되는,
    방법.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 베이스 전극 표면은 소스 전류에 추가로 연결되는,
    방법.
  49. 제 48 항에 있어서,
    상기 소스 전류는 포텐시오스탯(potentiostat)인,
    방법.
  50. 제 48 항에 있어서,
    상기 소스 회로는 전압 소스인,
    방법.
  51. 제 48 항에 있어서,
    상기 회로는 전류 소스인,
    방법.
  52. 제 36 항 내지 제 51 항 중 어느 항에 있어서,
    상기 전류는 캡처 리간드(capture ligand) 또는 표지-분자를 함유하지 않는,
    방법.
  53. 제 36 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨포멀 분석물 센서는 레독스 물질(redox material)을 더 포함하는,
    방법.
  54. 제 36 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분석물 센서 회로는:
    (a) 솔리드형(solid) 다공성 나노텍스처드 기판을 제공하는 단계; 및
    (b) 전도성 재료를 사용하여 상기 다공성 나노텍스처드 기판의 상부 표면 상으로 상기 분석물 회로 설계를 전사하는 단계를 포함하는 방법에 의해 조립되는,
    방법.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 회로 설계를 전사하는 단계는 딥 코팅을 포함하는,
    방법.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 회로의 피처 해상도(feature resolution)는 최고 100 nanometers/0.1 micron인,
    방법.
  57. 제 54 항에 있어서,
    상기 회로 설계를 전사하는 단계는 엠보싱(embossing)을 포함하는,
    방법.
  58. 제 57 항에 있어서,
    상기 회로의 피처 해상도는 최고 100 nanometers/0.1 micron인,
    방법.
  59. 제 57 항에 있어서,
    상기 회로 설계를 전사하는 단계는 3D 프린터 상에 상기 회로를 설계하고 상기 기판 상에 상기 회로를 엠보싱하는 단계를 포함하는,
    방법.
  60. 제 59 항에 있어서,
    상기 회로의 피처 해상도는 최고 100 nanometers/0.1 micron인,
    방법.
  61. 제 54 항에 있어서,
    상기 회로 설계를 전사하는 단계는 마스킹 및 리소그래피를 포함하는,
    방법.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 회로의 피처 해상도(feature resolution)는 1 내지 10 microns인,
    방법.
  63. 목표 분석물을 측정하기 위한 핸드헬드 장치로서,
    (a) 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되도록 구성된 프로그램 가능한 게인 증폭기; 및
    (b) 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 포함하며,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 제 1 교류 입력 전압을 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 구성되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 제 2 교류 입력 전압을 상기 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 구성되고, 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 상기 제 1 전극으로부터 그리고 상기 제 3 전극으로부터 상기 제 2 전극을 통하여 흐르는 교류 출력 전류를 증폭하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압을 상기 측정된 출력 전류에 비교함으로써 임피던스를 계산하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 계산된 임피던스로부터 목표 분석물 농도를 계산하도록 작동되는,
    핸드헬드 장치.
  64. 목표 분석물을 측정하기 위한 핸드헬드 장치로서,
    (a) 제 1 전극, 제 2 전극 및 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되도록 구성된 프로그램 가능한 게인 증폭기;
    (b) 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기, 상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극, 및 상기 제 3 전극에 작동 가능하게 커플링되는 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 포함하며,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 제 1 교류 입력 전압을 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 제 2 교류 입력 전압을 상기 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 상기 제 2 교류 입력 전압의 전기장의 각도 배향을 변화시키도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 상기 제 3 전극을 통하여 흐르는 교류 출력 전류를 증폭하도록 작동되며, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 교류 출력 회로의 진폭을 계산하도록 작동되고, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 각도 배향을 상기 교류 출력 전류의 진폭에 비교함으로써 하나 또는 둘 이상의 목표 분석물의 존재를 검출하도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  65. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 50 Hz 내지 1,000 Hz의 주파수를 갖는 상기 제 1 교류 입력 전압 및 상기 제 2 교류 입력 전압을 인가하도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  66. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 정현파인 상기 제 1 교류 입력 전압 및 상기 제 2 교류 입력 전압을 인가하도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  67. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 톱니파인 상기 제 1 교류 입력 전압 및 상기 제 2 교류 입력 전압을 인가하도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  68. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 방형파인 상기 제 1 교류 입력 전압 및 상기 제 2 교류 입력 전압을 인가하도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  69. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 게인 증폭기는 1 내지 200의 가변 게인을 갖는,
    핸드헬드 측정 장치.
  70. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러는 5 mV 내지 500 mV의 제 1 교류 입력 전압 및 제 2 교류 입력 전압을 인가하도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  71. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 핸드헬드 측정 장치는 10 pA 또는 그 초과의 출력 전류를 검출하도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  72. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 아날로그 대 디지털 변환기(analog to digital converter) 및 디지털 대 아날로그 변환기(digital to analog converter)를 포함하는,
    핸드헬드 측정 장치.
  73. 제 63 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하도록 상기 입력 전압 및 출력 전류에 고속 푸리에 변환을 적용하도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  74. 제 63 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 주파수의 함수로서 임피던스를 계산하도록 상기 입력 전압 및 출력 전류에 라플라스 변환을 적용하도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  75. 제 63 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 상기 임피던스 변화가 최대 또는 최소인 주파수를 결정하도록 멀티-슬라이스 스플릿팅 및 신호 분석을 사용하도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  76. 제 64 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러는 0도에서 360도까지 상기 각도 배향을 변화시키도록 작동되는,
    핸드헬드 측정 장치.
  77. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러에 작동되게 커플링되는 액정 디스플레이, 상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러에 작동되게 커플링되는 미니-조이스틱을 더 포함하며, 상기 미니-조이스틱은 사용자가 입력을 제공하는 것을 허용하도록 작동되고 상기 액정 디스플레이는 출력 데이터를 디스플레이할 수 있는,
    핸드헬드 측정 장치.
  78. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러에 작동되게 커플링되는 스마트폰을 더 포함하며, 상기 스마트폰은 사용자가 입력을 제공하는 것을 허용하도록 작동되고 출력 데이터를 디스플레이할 수 있는,
    핸드헬드 측정 장치.
  79. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 출력 데이터는 상기 목표 분석물 농도를 포함하는,
    핸드헬드 측정 장치.
  80. 제 63 항에 있어서,
    상기 출력 데이터는 임피던스를 포함하는,
    핸드헬드 측정 장치.
  81. 제 63 항 또는 제 64 항에 있어서,
    상기 핸드헬드 측정 장치는 레독스 프로브를 포함하지 않는,
    핸드헬드 측정 장치.
  82. 공지된 목표 분석물 농도를 가지는 복수의 용액을 테스트함으로써 핸드헬드 측정 장치를 교정하는 방법으로서,
    (a) 각각의 복수의 용액에 대해 제 1 입력 전압을 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 인가하는 단계;
    (b) 각각의 복수의 용액에 대해 제 2 입력 전압을 제 3 전극과 상기 제 2 전극 사이에 인가하는 단계;
    (c) 프로그램 가능한 게인 증폭기를 사용하여, 상기 제 1 전극으로부터 그리고 상기 제 3 전극으로부터 상기 제 2 전극을 통하여 흐르는 출력 전류를 증폭하는 단계;
    (d) 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러를 사용하여, 상기 제 1 입력 전압 및 상기 제 2 입력 전압을 출력 전류에 비교함으로써 복수의 용액 각각에 대한 임피던스를 계산하는 단계; 및
    (e) 방정식 zi= b1x2 + b2x + c의 계수를 계산하는 단계로서, 상기 zi는 임피던스이고, x는 공지된 목표 분석물 농도이고, 그리고 b1, b2, 및, c는 계수인, 단계를 포함하는,
    방법.
  83. (a) 제 36 항 내지 제 61 항 중 어느 한 항의 컨포멀 회로; 및
    (b) 제 71 항 내지 제 82 항 중 어느 한 항의 핸드헬드 측정 장치를 포함하는,
    키트.
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