KR20230076827A - 병원체 검출을 위한 시스템, 장치 및 방법 - Google Patents

병원체 검출을 위한 시스템, 장치 및 방법 Download PDF

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로야 코스라비-파
레자 몰라가바바
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이노테크 프리시젼 메디슨, 아이엔씨
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Abstract

시편에서 표적 병원체(예를 들어, 바이러스 또는 박테리아)를 검출하기 위한 센서가 개시되며, 상기 센서는 적어도 2개의 감지 유닛을 포함하며, 그 중 하나는 표적 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질(예: 구조 단백질)을 검출하도록 구성되고, 표적 병원체 및 다른 하나는 그 병원체(예를 들어, 그 병원체에 고유한 RNA 세그먼트)와 관련된 적어도 하나의 유전체 구성요소(예를 들어, RNA 또는 DNA 세그먼트)를 검출하도록 구성된다.

Description

병원체 검출을 위한 시스템, 장치 및 방법
본 출원은 2021년 1월 29일자에 출원된 미국 가특허 출원 제63/143,690호 및 2020년 9월 24일에 출원된 미국 가특허 출원 제63/082,694호를 우선권 주장한다. 이들 출원의 전체 교시는 본원에 참조로 인용된다.
생물학적 및 환경 샘플에 적용된 샘플(예를 들어, RT-PCR 테스트)에서 병원체를 검출하기 위한 기존의 진단 테스트가 다양한 단점을 겪는다. 예를 들어, 많은 기존 테스트는 시간이 많이 걸리고, 임상 실험실에서 사용하기 위해 값비싼 장비가 필요할 수 있으며, 테스트를 수행하기 위해 훈련된 직원이 필요할 수 있고, 비용이 많이 들 수 있으며, 공급망 붕괴 및 부족의 영향을 받을 수 있다. 또한 기존의 혈청 테스트와 같은 많은 기존 테스트는 원하는 감도가 부족할 수 있으며 이로 인해 많은 수의 위양성이 발생할 수 있다.
샘플에서 하나 이상의 표적 병원체를 검출하기 위한 시스템 및 해당 방법이 개시된다. 개시된 시스템 및 대응하는 방법은 병원체의 하나 이상의 단백질 및 하나 이상의 유전체 구성요소(예를 들어, 리보핵산(RNA) 및 데옥시리보핵산(DNA))를 검출함으로써 샘플에서 표적 병원체의 존재를 식별할 수 있다. 여기에 개시된 시스템 및 방법은 병원체 검출을 종합적이고 견고하며 정확하고 신속한 테스트를 제공함으로써 기존의 기존 테스트의 단점을 극복한다.
일부 양태에서, 시편/샘플에서 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질 및 적어도 하나의 유전체 구성요소를 검출하기 위한 일회용 카트리지가 개시된다.
일회용 카트리지는 시편/샘플을 수용하기 위한 샘플 입구 포트, 병원체와 관련된 표적 단백질을 검출하도록 구성된 제1 센서, 병원체와 관련된 표적 유전체 구성요소를 검출하도록 구성된 제2 센서, 표적 단백질의 검출용 샘플을 준비하기 위한 단백질 완충액을 저장하는 제1 리저버, 유전체 구성요소의 검출용 샘플을 준비하기 위한 유전체 완충액을 저장하는 제2 리저버 - 단백질 완충액 및 유전자 완충액 중 하나의 적어도 하나의 시약은 다른 완충액에 없음 - 및 제1 리저버 및 제2 리저버에 결합되어 제1 리저버에 있는 액체의 적어도 일부를 배출하여 제1 센서 및 제2 센서로의 전달을 위해 제2 리저버 내의 액체의 적어도 일부를 배출하기 위한 적어도 하나의 배출 메커니즘을 포함하는 카트리지 프레임을 포함한다.
본 교시에 따른 카트리지는 POC(point-of-care) 진단 시스템, 감시 및/또는 모니터링 및/또는 진단 목적을 위한 고처리량 시스템과 같은 다양한 검출 시스템에서 사용될 수 있다.
다음 논의에서 생물학적 시편의 분석을 위해 본 교시에 따른 카트리지가 설명되지만, 본 교시에 따른 카트리지는 다양한 상이한 유형의 시편의 분석을 위해 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 카트리지는 공기 샘플 및 폐수 샘플과 같은 환경 샘플뿐만 아니라 액체 생검 시편 및 호흡 샘플과 같은 생물학적 시편/샘플의 분석을 위해 사용될 수 있다.
카트리지는 생물학적 시편의 적어도 제1 부분을 제1 리저버로 전달하기 위해 샘플 입구 포트로부터 제1 리저버의 입구 포트로 연장되는 제1 샘플-전달 유체 채널을 추가로 포함하고, 단백질 완충액과 생물학적 시편의 제1 부분의 상호작용은 제1 처리된 샘플을 생성한다. 카트리지는 또한 생물학적 시편의 적어도 제2 부분을 제2 리저버의 입구 포트로 전달하도록 구성된 제2 샘플 이송 유체 채널을 추가로 포함하며, 유전체 완충액과 생물학적 시편의 제2 부분의 상호 작용은 제2 처리된 샘플을 생성한다. 카트리지는 제1 처리된 샘플을 제1 센서로 전달하기 위한 제1 샘플 전달 유체 채널을 추가로 포함한다. 카트리지는 제2 리저버로부터 방출된 제2 처리된 샘플을 수용하기 위해 제2 리저버와 유체 연통하는 증폭 웰을 추가로 포함하고, 증폭 웰은 증폭된 샘플을 생성하기 위해 표적 유전체 구성요소의 증폭에 필요한 하나 이상의 시약을 포함한다.
카트리지는 증폭된 샘플을 제2 센서로 전달하기 위한 제2 샘플 전달 유체 채널을 추가로 포함한다. 또한 카트리지는 증폭 웰에 열적으로 결합된 가열 및 가열 및 냉각 장치 중 적어도 하나를 추가로 포함한다. 본 발명에 따르면 다양한 센서가 카트리지에 사용될 수 있다. 이러한 센서의 일부 예에는 전기화학 센서, 광학 센서, 비색 센서 등이 포함되나 이에 제한되지 않는다.
제1 및 제2 센서 각각은 전기화학 센서일 수 있다. 제1 센서는 표적 단백질에 대한 특이적 결합을 나타내는 제1 친화성 결합 요소로 기능화된 작동 전극을 포함하고, 제2 센서는 표적 유전체 구성요소에 대한 특이적 결합을 나타내는 제2 친화성 결합 요소로 기능화된 작동 전극을 포함할 수 있다.
제1 친화성 결합 요소는 하나 또는 일치하는 항체 쌍, 하나 또는 일치하는 모노바디 쌍, 하나 또는 일치하는 나노바디 쌍, 압타머, SOMAmer, 랍토머 및 메가스타 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 제2 친화성 결합 요소는 표적 유전자 구성요소에 대해 상보적인 올리고뉴클레오티드 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드를 포함할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 표적 유전자 구성요소는 DNA 및/또는 RNA 세그먼트 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 또한 생물학적 시편은 생검 액체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 생물학적 시편은 타액 및/또는 혈액 시편일 수 있다. 생물학적 시편은 또한 호흡 수집 장치를 사용하여 수집 및 응축될 수 있는 호흡 샘플일 수 있다. 본 교시에 따른 카트리지는 바이러스 및 박테리아와 같은 다양한 병원체의 검출에 사용될 수 있다. 예를 들어, 바이러스는 SARS-CoV-2일 수 있다. 또한, 본 교시에 따른 카트리지는 센서에 의해 생성된 신호를 분석 모듈로 전달하기 위해 시스템의 분석 모듈과 통신하도록 구성될 수 있다. 분석 모듈은 수신된 신호에 대해 작동하여 분석 중인 샘플에 표적 병원체가 있는지 여부를 결정하도록 구성할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 센서는 제1 복수의 감지 유닛 각각이 복수의 상이한 표적 단백질 중 상이한 하나를 검출하도록 구성되도록 적어도 하나의 병원체와 관련된 복수의 상이한 표적 단백질을 검출하기 위한 제1 복수의 감지 유닛을 포함한다. 제2 센서는 제2 복수의 감지 유닛 각각이 복수의 유전체 구성요소 중 상이한 하나를 검출하도록 구성되도록 적어도 하나의 병원체와 연계된 복수의 상이한 표적 유전체 구성요소를 검출하기 위한 제2 복수의 감지 유닛을 포함한다. 제1 복수의 감지 유닛은 각각의 친화성 결합 요소가 상이한 표적 단백질 중 하나에 대한 특이적 결합을 나타내도록 상이한 친화성 결합 요소로 각각 기능화된 복수의 전기화학 센서를 포함한다. 또한, 제2 복수의 감지 유닛은 각각의 친화성 결합 요소가 상이한 표적 유전자 구성요소 중 하나에 대한 특이적 결합을 나타내도록 상이한 친화성 결합 요소로 각각 기능화된 복수의 전기화학 센서를 포함할 수 있다. 적합한 친화성 결합 요소의 일부 예는 임의의 항체, 압타머, SOMAmer, 나노바디, 모노바디, 메가스타 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 표적 병원체의 유전체 구성요소의 검출에 적합한 친화성 결합 요소의 다른 예는 관심 응급 병원체에 대해 상보적인 뉴클레오티드 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
일부 예에서, 본 교시에 따른 카트리지는 카트리지 내에 통합된 하나 이상의 웰 및/또는 센서에 대한 광학적 접근을 허용하는 적어도 하나의 광학적으로 투명한 창을 포함할 수 있다. 예를 들어, 카트리지에 통합된 센서가 비색 센서인 일부 실시예에서, 이러한 투명 창은 해당 센서의 육안 검사를 허용할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 카트리지 프레임은 상기 다양한 리저버 및 센서가 통합된 중합체 층을 포함할 수 있다. 예로서, 일부 실시예에서, 중합체 층은 PDMS 또는 폴리우레탄으로 형성될 수 있지만, 임의의 다른 적합한 중합체가 또한 사용될 수 있다.
관련 양태에서, 생물학적 시편에서 병원체와 연계된 적어도 하나의 단백질 및 적어도 하나의 유전체 구성요소를 검출하기 위해 사용하기 위한 일회용 카트리지로서, 상기 일회용 카트리지는
카트리지 프레임을 포함하고, 상기 카트리지 프레임은
생물학적 시편을 수용하는 샘플 수용 웰,
표적 단백질의 검출을 위한 샘플을 준비하기 위한 단백질 완충액을 저장하는 제1 리저버,
유전체 구성요소의 검출을 위해 샘플을 준비하기 위한 유전체 완충제를 저장하기 위한 제2 리저버 - 단백질 및 유전체 완충액 중 하나 중 적어도 하나의 시약은 다른 완충제에 존재하지 않음 - ,
샘플 수용 웰 및 샘플의 제1 부분 및 단백질 완충제의 적어도 일부를 수용하기 위한 제1 리저버와 유체 연통하는 제1 샘플 처리 웰 - 샘플 및 단백질 완충액의 상호작용은 제1 처리된 샘플을 형성함 - ,
샘플의 제2 부분 및 유전자 완충액의 적어도 일부를 수용하기 위해 샘플 수용 웰 및 제2 리저버와 유체 연통하는 제2 샘플 처리 웰 - 샘플의 제2 부분과 유전자 완충액의 상호작용은 제2 처리된 샘플을 형성함 - ,
병원체와 연계된 표적 단백질을 검출하기 위해 제1 처리된 샘플을 수용하기 위해 제1 샘플 처리 웰과 유체 연통하는 제1 센서,
병원체와 연계된 표적 유전자 구성요소를 검출하기 위해 제2 처리된 샘플을 수용하기 위해 제2 샘플 처리 웰과 유체 연통하는 제2 센서를 포함한다.
전술한 바와 같이, 카트리지는 현장 진료(POC) 진단 시스템, 감시 및/또는 모니터링 및/또는 진단 목적을 위한 고처리량 시스템과 같은 다양한 검출 시스템에서 사용될 수 있다.
다음 논의에서 생물학적 시편의 분석을 위해 본 교시에 따른 카트리지가 설명되지만, 본 교시에 따른 카트리지는 다양한 상이한 유형의 시편의 분석을 위해 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 카트리지는 공기 샘플 및 폐수 샘플과 같은 환경 샘플뿐만 아니라 액체 생검 샘플 및 호흡 샘플과 같은 생물학적 샘플/샘플의 분석을 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 프로브는 압타머, SOMAmer, 항체 및/또는 랩토머, 나노바디, 모노바디, 메가스타 또는 이들의 조합 중 임의의 것일 수 있다.
다른 양태에서, 호흡기 샘플과 같은 생물학적 시편에서 표적 병원체(예를 들어, 바이러스 또는 박테리아)를 검출하기 위한 센서가 개시되며, 이는 적어도 2개의 감지 유닛을 포함하고, 그 중 하나는 적어도 표적 병원체와 관련된 하나 이상의 단백질(예컨대, 구조 단백질)을 검출하도록 구성된 적어도 2개의 감지 유닛을 포함하고, 또 다른 하나는 병원체와 관련된 적어도 하나의 RNA 및/또는 DNA 세그먼트(예: 해당 병원체에 고유한 RNA 및/또는 DNA 세그먼트)를 검출하도록 구성된다. 센서는 시편을 수용하기 위한 입구를 갖는 챔버를 포함할 수 있다. 시편은 테스트 중인 개인이 내쉬는 하나 이상의 호흡 샘플일 수 있다. 시편은 타액, 가래, 카트리지에 부착되거나 분리된 샘플 수집 튜브에 수집된 비강 분비물(비강 또는 비인두)일 수 있다.
챔버에 위치한 리저버는 샘플을 처리하기 위한 하나 이상의 샘플 처리 시약을 포함할 수 있다. 리저버는 파괴가능 멤브레인과 밸브 사이에 형성될 수 있으며, 밸브는 처리된 샘플을 감지 유닛으로 전달하도록 작동될 수 있다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 샘플 전달 장치는 샘플을 리저버로 전달하기 위해 파괴가능 멤브레인을 천공하는데 사용될 수 있다.
아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 일부 실시예에서 리저버는 파티션에 의해 서로 분리된 2개의 챔버를 포함할 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 표적 단백질의 검출을 위해 샘플을 처리하기 위한 하나 이상의 샘플 처리 시약이 하나의 챔버에 저장되고(여기서 이러한 샘플 처리 시약은 "단백질 처리 완충액"라고도 함) 적어도 하나의 표적 RNA 및/또는 DNA 세그먼트의 검출을 위해 샘플을 처리하기 위한 하나 이상의 샘플 처리 시약은 다른 챔버(여기서는 이러한 샘플 처리 시약을 일반적으로 "RNA/DNA 처리 완충액 또는 "유전자 처리 완충액"라고 함)에 저장된다. 다시 챔버를 덮고 있는 파괴가능 멤브레인이 천공되어 샘플(들)을 2개의 챔버에 도입할 수 있다(예를 들어, 호흡 샘플).
각 챔버는 하나 이상의 유체 채널을 통해 각각의 감지 유닛에 유체 연결되는 출구를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 단백질 처리 완충액이 저장되는 챔버는 유체 라인을 통해 본원에서 논의된 방식으로 구성된 하나 이상의 감지 유닛에 결합되어 표적 병원체와 연계된 적어도 하나의 단백질을 검출하고, RNA/DNA-처리 완충액이 저장되는 챔버는 표적 병원체의 하나 이상의 RNA 및/또는 DNA 서열을 검출하기 위해(전형적으로 병원체 고유의 이들 세그먼트) 본원에 논의된 방식으로 구성되는 적어도 하나의 감지 유닛에 또 다른 유체 라인을 통하여 결합된다. 분석기는 감지 유닛에서 생성된 신호를 수신하여 샘플에 표적 병원체가 있는지 여부를 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 분석기는 단백질 감지 및 RNA/DNA 감지 감지 장치가 모두 양성 신호(즉, 단백질 및 RNA/DNA 세그먼트의 존재를 나타내는 신호)를 제공할 때 샘플에 있는 표적 병원체의 존재를 나타낼 수 있다. 감지 유닛은 이하에서 상세히 설명되는 다양한 실시예에 따른 전기화학적 분석 셀의 형태일 수 있다.
위의 센서는 사용자로부터 하나 이상의 호흡 샘플을 수용하기 위해 사용자의 기도와 결합하기 위한 입-코 부분 및 호흡 샘플(들)을 수용하기 위해 입-코 부분과 유체 연통하는 튜브를 포함하는 호흡 수집 장치에 결합될 수 있고, 튜브는 하나 이상의 호흡 샘플을 센서에 전달하기 위해 센서와 맞물리도록 구성된다. 튜브의 원위 단부가 센서의 챔버에 삽입되면 원위 단부는 리저버를 덮고 있는 중합체 밀봉부를 천공할 수 있으므로 수집된 호흡 샘플이 리저버에 도입될 수 있다.
관련 양태에서, 제1 부분 및 제2 부분을 갖는 하우징 및 이들 부분 사이의 유체 흐름을 제어하기 위해 이들 부분 사이에 위치되는 제어 밸브를 포함하는 센서가 개시된다. 제1 부분은 개인이 내쉬는 하나 이상의 호흡 샘플을 챔버로 전달하기 위한 호흡 수집 장치의 튜브를 수용하기 위한 개구를 갖는 챔버를 제공한다. 챔버에 위치한 리저버는 하나 이상의 시편 처리 시약을 저장할 수 있다. 리저버는 튜브를 챔버에 삽입하여 천공되도록 구성되어 호흡 샘플(들)이 리저버에 저장된 시약과 혼합되도록 구성된 파괴가능 멤브레인을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 전기화학적 분석 셀이 하우징의 제2 부분에 위치된다. 제어 밸브에 결합된 액추에이터는 호흡 샘플(들)과 샘플 처리 시약(들)의 혼합물이 전기화학 분석 셀로 전달되도록 하기 위해 밸브를 제어할 수 있으며, 여기서 전기화학 셀은 적어도 하나의 표적 병원체가 호흡 샘플(들)에 존재할 때 검출 신호를 생성하도록 구성된다.
전기화학적 분석 셀은 작동 전극(이하 감지 전극이라고도 함), 상대 전극 및 기준 전극을 포함할 수 있다. 작동 전극은 여기에서 논의된 방식으로 기능화되어 표적 병원체와 연계된 하나 이상의 단백질 또는 하나 이상의 RNA 및/또는 DNA 세그먼트의 검출을 위해 전기화학적 분석 셀을 구성할 수 있다.
보다 구체적으로, 적어도 하나의 압타머 또는 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드는 작동 전극에 결합될 수 있으며, 여기서 적어도 하나의 압타머는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성되고 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드는 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함한다.
일부 예에서, 복수의 탄소 나노튜브가 작동 전극 상에 배치되고, 여기서 복수의 탄소 나노튜브는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성된 적어도 하나의 압타머로 기능화되거나 또는 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 갖는다.
일부 예시에서, 서열 특이적 올리고뉴클레오티드 또는 단백질 특이적 압타머는 올리고뉴클레오티드 DNA 앵커를 통해 SWCNT에 고정될 것이다. 예를 들어, 8-15 AT(아데닌, 티민) 반복은 병원체의 게놈에서 특정 서열을 인식하기 위한 올리고뉴클레오티드의 부착을 위한 DNA 앵커 또는 SWCNT에 대하여 병원체의 특정 단백질을 인식하기 위한 압타머로 사용될 수 있다. 일부 예에서, HEG 스페이서(헥사에틸렌 글리콜)로도 알려진 스페이서 18과 같은 핵산 스페이서 또는 링커는 SWCNT에 결합하기 위해 올리고뉴클레오티드 또는 압타머의 5' 또는 3'에 배치될 수 있다. 단일 HEG 스페이서에 더하여, HEG 스페이서의 다중 반복, 예를 들어 3 또는 5는 이들의 표적 서열 또는 표적 단백질의 인식 및 포획을 위한 올리고뉴클레오티드 또는 압타머의 최적 위치 및 최적 제시의 구성을 위해 사용될 수 있다.
상기 전기화학 셀은 샘플에 존재할 때 상기 병원체와 관련된 적어도 단백질 또는 적어도 RNA 또는 DNA 세그먼트가 각각 상기 압타머 또는 상기 올리고뉴클레오티드 중 적어도 하나에 결합할 때 검출 신호를 생성한다. 일부 실시예에서, 작동 전극은 자기 조립 단층(SAM)으로 기능화될 수 있다. 예를 들어, 비오틴-SAM은 금 또는 탄소 전극의 표면 아래에서 생성될 수 있다.
일부 예에서, 복수의 상이한 유형의 압타머가 작동 전극에 결합될 수 있으며, 여기서 압타머는 표적 단백질의 상이한 에피토프에 결합하도록 구성된다. 또한, 일부 실시예에서, 복수의 상이한 유형의 올리고뉴클레오티드가 작동 전극에 결합될 수 있으며, 여기서 상이한 유형의 올리고뉴클레오티드는 구조 호흡기의 상이한 RNA 또는 DNA 세그먼트에 대해 상보적인 서열을 갖는다.
본 교시에 따른 시스템 및 방법은 바이러스 및 박테리아와 같은 다양한 병원체를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 시스템 및 방법은 샘플에서 코로나바이러스(예: SARA-CoV-2 바이러스) 및 인플루엔자 바이러스를 검출하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 리저버는 파괴가능 멤브레인과 제어 밸브 사이에 형성된다. 파괴가능 멤브레인은 예를 들어 셀로판 또는 폴리우레탄과 같은 중합체 재료로 형성될 수 있다. 파괴가능 멤브레인의 두께는 적절한 힘을 가하여 멤브레인을 천공하는 동안 리저버의 적절한 밀봉이 달성될 수 있도록 선택할 수 있다. 예를 들어, 파괴가능 멤브레인은 약 0.5mm 내지 약 1mm 범위의 두께를 가질 수 있다.
하우징은 또한 중합체 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어 PDMS(polydimethylsiloxane)를 하우징 제작에 사용할 수 있고 중합체 재료를 포함한다.
일부 예시에서, 센서는 사용자로부터 하나 이상의 호흡 샘플을 수용하기 위해 사용자의 기도와 맞물릴 수 있는 호흡 수집을 위한 입-코 부분을 포함하는 호흡 수집 장치 및 하나 이상의 호흡 샘플을 수용하기 위해 입-코 부분과 유체 연통하는 튜브를 포함하는 호흡 수집 장치에 결합되고, 튜브는 하나 이상의 호흡 샘플을 센서에 전달하기 위해 센서와 맞물리도록 구성된다. 필터는 표적 병원체(바람직하게는 실질적으로 모두)의 적어도 일부(및 바람직하게는 실질적으로 전부)가 외부 환경으로 나가는 것을 억제하기 위해 튜브에 배치될 수 있다. 특히, 튜브는 입-코 부분 내의 압력이 임계값을 초과할 때 개방될 수 있는 압력 완화 밸브를 포함할 수 있다. 필터는 호흡 샘플에 존재하는 병원균이 외부 환경으로 퍼지는 것을 억제하기 위해 이러한 압력 완화 밸브의 상류에 배치될 수 있다.
또한, 호흡 샘플(들)이 리저버에 도입될 때 리저버에 저장된 하나 이상의 시약의 역류를 방지하기 위해 일방향 밸브가 튜브에 위치할 수 있다. 상기 센서에서, 전기화학 셀은 샘플에 존재하는 경우 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질 또는 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트가 압타머 또는 올리고뉴클레오티드 중 적어도 하나에 결합할 때 검출 신호를 생성한다.
센서는 전기화학 분석 셀과 통신하여 전기화학 셀에 의해 생성된 검출 신호를 수신하고 그러한 검출 신호를 처리하여 샘플에 표적 병원체가 존재하는지 여부를 결정하는 분석 모듈을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 단백질 검출 감지 유닛과 RNA/DNA 검출 감지 유닛 모두에 의해 생성된 검출 신호가 미리 정의된 특정 임계값을 초과하는 경우, 분석기는 샘플에 표적 병원체가 존재함을 나타낼 수 있다.
일부 예시에서 센서는 일회용 카트리지 내에 배치될 수 있다. 일부 예에서, 센서는 복수의 감지 유닛을 포함할 수 있으며, 여기서 감지 유닛 중 하나는 압타머-기능화된 탄소 나노튜브를 포함하고 감지 유닛 중 다른 하나는 올리고뉴클레오티드-기능화된 탄소 나노튜브를 포함한다. 이러한 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브는 표적 병원체의 적어도 하나의 단백질의 상이한 에피토프에 대한 특이적 결합을 나타내는 복수의 압타머로 기능화된다.
일부 예시에서, 하우징은 상부 표면 및 하부 표면을 포함한다. 그러한 일부 실시예에서, 전기화학적 분석 셀의 작업 전극은 바닥 표면 부근에 위치되고 리저버는 파괴가능 멤브레인과 상부 표면의 적어도 일부 사이에 형성된다. 하우징은 구멍이 형성된 전방 표면과 대향하는 후방 표면을 더 포함할 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, 리저버는 파괴가능 멤브레인과 대향하는 후방 표면의 적어도 일부 사이에 형성된다.
위에서 언급한 바와 같이, 파괴 가능 멤브레인은 연질 폴리우레탄 또는 다른 적합한 중합체와 같은 중합체 재료로 형성될 수 있다. 또한, 하우징은 PDMS와 같은 고분자 재료로 형성될 수 있다.
두 전기화학 셀이 연구 중인 샘플에 병원균이 존재함을 나타내는 양성 검출 신호를 생성할 때 샘플에 병원체가 존재함을 확인한다.
관련 양태에서, 코로나 바이러스의 신생 변이체를 식별하기 위한 방법이 개시되며, 상기 방법은 코로나바이러스의 공지된 변이체의 적어도 하나의 구조 단백질에 특이적 결합을 나타내는 적어도 하나의 압타머로 기능화된 복수의 단일벽 탄소 나노튜브 상에 생물학적 시편의 일부를 도입하는 단계 - 구조 단백질은 코로나바이러스의 다른 알려진 변이체 중에서 적어도 약 80% 또는 적어도 약 90%의 상동성을 나타냄 - , 구조 단백질이 샘플에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 생물학적 샘플과의 상호작용에 응답하여 압타머-기능화된 복수의 탄소 나노튜브의 적어도 하나의 물리적 또는 화학적 특성을 모니터링하는 단계, 생물학적 시편의 또 다른 부분을 복수의 상이한 올리고뉴클레오티드 서열로 기능화된 복수의 단일벽 탄소 나노튜브에 도입하는 단계를 포함하고 여기서 각각의 올리고뉴클레오티드 서열은 알려진 코로나 바이러스 중 하나에 고유한 RNA 세그먼트에 상보적이다.
이는 올리고뉴클레오티드-기능화된 탄소 나노튜브의 적어도 하나의 물리적 또는 화학적 특성을 모니터링하여 임의의 RNA 세그먼트가 샘플에 존재하는지 여부를 결정할 수 있으며, 여기서 RNA 세그먼트의 부재 및 적어도 하나의 구조 단백질의 존재는 이 샘플에서 코로나바이러스의 신생 변이체가 존재함을 나타낸다. 다른 병원체의 신생 변이체를 검출하기 위해 유사한 접근 방식을 사용할 수 있으며, 해당 병원체의 여러 변이체 중에서 높은 상동성을 나타내는 하나 이상의 단백질을 사용할 수 있다.
관련된 양태에서, 본 교시에 따른 센서가 이러한 생물학적 시편을 수용할 수 있는 호흡 샘플 이외의 생물학적 시편이 개시되는 병원균(들)을 검출하기 위한 시스템이 개시된다. 타액 샘플 수집을 위해 구성된 이러한 샘플 수집 장치의 예는 아래에서 더 자세히 설명된다. 본 교시에 따른 센서는 또한 다른 생물학적 시편 중에서 혈액 및 소변에서 병원균(들)을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 혈액 및/또는 소변 샘플을 수집하기 위해 기존의 샘플 수집 장치를 사용할 수 있으며, 수집 샘플은 예를 들어 주사기 또는 다른 적합한 도구를 사용하여 본 교시에 따라 센서의 하나 또는 두 개의 리저버에 도입할 수 있다.
또 다른 양태에서, 하나 이상의 주변 공기 샘플을 수용하기 위한 챔버를 제공하는 공기 수집 모듈, 공기 수집 모듈에 제거 가능한 결합을 위해 구성된 적어도 하나의 센서를 포함하는 공기 모니터링 시스템이 개시되며, 센서는 입구 작동 가능 밸브의 작동이 챔버에 포함된 공기의 적어도 일부를 센서 내로 도입하도록 센서를 공기 수집 모듈에 결합할 때 챔버로부터 센서를 분리하는 입구 작동 가능 밸브를 포함한다.
센서는 생물학적 입자가 샘플링된 공기에 존재할 때 표적 생물학적 입자와 관련된 적어도 하나의 단백질을 검출하도록 구성된 적어도 제1 감지 유닛, 및 표적 생물학적 입자가 샘플링된 공기에 존재할 때 표적 생물학적 입자의 유전체 구성 요소를 검출하도록 구성된 적어도 제2 감지 유닛을 포함할 수 있다.
공기 수집 모듈은 주변 공기가 챔버에 들어갈 수 있는 적어도 하나의 공기 흡입 포트를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 챔버에 들어가기 전에 주변 공기가 필터를 통과하도록 필터가 공기 흡입 포트에 대해 위치될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 시스템은 포트를 통해 챔버 내로 주변 공기의 도입을 용이하게 하기 위해 공기 흡입 포트 부근에 위치된 임펠러를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 생물학적 입자는 병원체, 예를 들어 박테리아 또는 바이러스 입자일 수 있다. 또한, 제1 감지 유닛은 생물학적 입자와 관련된 적어도 하나의 단백질에 대한 특이적 결합을 나타내는 적어도 하나의 친화성 결합 요소로 기능화된 감지 전극을 갖는 전기화학 센서 형태의 적어도 하나의 감지 모듈을 포함할 수 있다. 감지 전극은 다양한 친화성 결합 요소로 기능화될 수 있다. 예를 들어, 친화성 결합 요소는 압타머, 올리고뉴클레오티드, 모르폴리노 및/또는 어퍼머일 수 있지만, 관심 있는 단백질에 대한 특이적 결합을 나타낼 수 있는 임의의 적합한 친화성 결합 요소가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 친화성 결합 요소는 낮은 나노몰 범위(10-9) 내지 피코몰 범위(10-12)에서 결합 친화성을 나타낼 수 있다.
제1 감지 유닛은 복수의 감지 모듈을 포함할 수 있으며, 여기서 감지 모듈은 각각의 감지 모듈이 관심 생물학적 입자와 관련된 상이한 단백질을 검출할 수 있도록 상이한 친화성 결합 요소로 기능화된다. 이러한 방식으로 생물학적 입자와 관련된 여러 단백질을 동시에 감지할 수 있는 다중 감지 유닛을 제조할 수 있다.
제2 감지 유닛은 생물학적 입자의 적어도 하나의 유전적 구성요소, 예를 들어 RNA 및/또는 DNA에 특이적 결합을 나타내는 적어도 하나의 친화성 결합 요소로 기능화된 감지 전극을 갖는 전기화학 센서를 갖는 적어도 하나의 감지 모듈을 포함할 수 있다. 예로서, 이러한 친화성 결합 요소는 표적 유전자 구성요소의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드일 수 있다.
센서는 다공성 충격 재료 및 수용된 공기 샘플이 상기 다공성 충격 재료를 향해 가속될 수 있는 상기 입구 밸브의 하류에 위치한 노즐을 포함하고, 상기 다공성 충격 재료는 공기 샘플 내에서 다른 미립자로부터 수용된 공기 샘플에 존재할 때 적어도 하나의 표적 생물학적 입자를 분리하도록 구성되어 상기 표적 생물학적 입자의 적어도 일부는 상기 충격 재료 주위를 통과하는 동시에 상기 다른 미립자의 적어도 일부는 상기 다공성 충격 재료에 의해 흡수된다.
충격 재료 및 포획 필터는 인클로저(여기서는 웰이라고도 함)에 배치할 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, 포획 필터로부터 포획된 생물학적 입자의 적어도 일부를 제거하기에 적합한 완충액을 저장하기 위한 완충액 리저버는 인클로저(웰)에 대해 위치되어 인클로저에서 완충액을 분리하는 밸브의 작동 시 저장된 완충액이 인클로저로 방출될 수 있고, 완충액이 포획 필터와 접촉할 수 있고 표적 생물학적 입자의 적어도 일부를 필터로부터 완충액으로 방출할 수 있다(완충액과 방출된 생물학적 입자의 혼합물은 본원에서 "완충액 샘플"로 지칭됨).
인클로저는 밸브가 배치되어 하류 도관으로의 완충제 샘플의 도입을 조절하고, 이어서 2개의 분지를 통해 처리 시약이 저장되는 2개의 리저버로 이어지는 표면을 포함할 수 있다. 리저버 중 하나에 있는 처리 시약(들)은 생물학적 입자와 관련된 적어도 하나의 유전적 구성요소(예: RNA 또는 DNA 세그먼트)의 추출에 적합하고 다른 리저버에 있는 처리 시약(들)은 생물학적 입자와 관련된 적어도 하나의 단백질의 검출을 용이하게 한다.
2개의 리저버 각각은 입구 밸브와 출구 밸브를 포함하며, 여기서 입구 밸브의 작동 시 완충액 샘플의 일부가 해당 리저버로 흘러 리저버에 저장된 처리 시약(들)과 혼합되어 단백질 테스트 샘플 또는 유전자 테스트 샘플을 생성한다. 각 리저버의 출구 밸브의 작동 시, 각 테스트 샘플은 각 감지 유닛으로 도입될 수 있다. 보다 구체적으로, 단백질 테스트 샘플은 하나 이상의 단백질을 검출하도록 구성된 감지 유닛으로 도입될 수 있고, 유전자 테스트 샘플은 생물학적 입자의 적어도 하나의 유전체 구성요소를 검출하도록 구성된 감지 유닛으로 도입될 수 있다.
시스템은 감지 유닛의 임의의 전기화학 센서의 적어도 하나의 전기적 특성을 측정하기 위해 감지 유닛의 감지 모듈과 통신하고 측정된 전기 특성을 나타내는 하나 이상의 검출 신호를 생성하는 적어도 하나의 검출기를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전기적 특성은, 예를 들어, 감지 모듈과 관련된 전기화학 센서의 임피던스일 수 있으며, 임피던스는 센서의 작동 전극과 표적 생물학적 입자의 상호작용에 응답하여 변할 수 있다.
각각의 감지 유닛은 감지 유닛의 감지 모듈의 하나 이상의 전기적 특성을 측정하고 이러한 측정에 응답하여 검출 신호를 생성하기 위한 전용 검출기를 가질 수 있다. 대안적으로, 센서는 감지기를 감지 모듈에 연결하는 멀티플렉서를 통해 예를 들어 직렬로 감지 유닛의 전기화학적 센서에 질문할 수 있는 단일 검출기를 포함할 수 있다.
공기 모니터링 시스템은 멀티플렉서가 검출기가 한 번에 하나씩 감지 모듈에 질의할 수 있도록 직렬 방식으로 감지 모듈에 감지기를 결합할 수 있도록 다중화기를 제어하기 위해 멀티플렉서와 통신하는 제어기를 더 포함할 수 있다. 제어기는 또한 검출기에 의해 생성된 검출 신호를 수신하기 위해 검출기와 통신한다. 제어기는 검출 신호(들)를 생성하는 감지 모듈에 의한 표적 생물학적 입자와 관련된 단백질 또는 유전적 구성요소의 검출을 검출 신호가 나타내는지 여부를 결정하기 위해 검출 신호(들)를 처리하도록 추가로 구성된다.
대안적으로 또는 추가적으로, 공기 모니터링 시스템은 제어기에 의해 생성된 제어 신호에 응답하여 샘플링된 주변 공기 내의 표적 생물학적 표적의 검출을 나타내는 알람 신호를 생성하도록 제어기와 통신하는 알람 시스템을 더 포함할 수 있다. 일부 예시에서 알람 시스템과 제어기는 통합 유닛으로 구현된다. 다른 실시예에서, 알람 시스템 및 제어기는 서로 원격일 수 있고 공기 모니터링 시스템의 하나 이상의 통신 모듈을 통해 서로 통신할 수 있다. 다수의 공지된 무선 통신 프로토콜을 포함하는 다양한 통신 프로토콜이 제어기와 알람 시스템 사이의 통신 링크를 설정하기 위해 사용될 수 있다.
또 다른 양태에서, 분석물을 검출하기 위한 센서가 개시되며, 이는 분석물에 대한 특이적 결합을 나타내는 적어도 제1 친화성 결합 요소로 기능화된 감지 전극을 포함하는 적어도 하나의 감지 유닛을 포함하고, 친화성 결합 요소에 대한 분석물의 결합이 감지 전극의 적어도 하나의 전기적 특성, 및 표면 강화 라만 분광법(SERS)을 수행하기 위한 표면을 포함하는 적어도 또 다른 감지 유닛을 변화시키고, SERS 표면은 기능화된 SERS 표면에 대한 분석물의 결합에 응답하여 임의의 분석물 및 친화성 결합 요소와 관련된 라만 신호를 얻기 위해 분석물에 대한 특이적 결합을 나타내는 적어도 제2 친화성 결합 요소로 기능화된다. 이러한 일부 실시예에서, 전기화학 및 라만 감지는 전기화학 센서의 작동 전극이고 또한 SERS 기판으로서 구성되는 단일 전극을 사용하여 달성된다. 일부 실시예에서, 제1 및 제2 친화성 결합 요소는 동일하지만, 다른 실시예에서, 제1 친화성 결합 요소는 제2 친화성 결합 요소와 상이할 수 있다.
센서는 임의의 분석물 및 친화성 결합 요소의 적어도 하나의 라만 활성 모드를 여기시키기에 적합한 방사선을 생성할 수 있는 레이저(예를 들어, 다이오드 레이저)를 추가로 포함할 수 있다. 센서는 적어도 하나의 라만 활성 모드의 여기에 응답하여 생성된 라만 산란 방사선을 검출하고 적어도 하나의 라만 검출 신호를 생성하기 위한 광검출기를 더 포함할 수 있다.
센서는 또한 측정된 특성을 나타내는 검출 신호를 생성하고(예를 들어, 감지 전극의 전기 저항) 감지 전극의 전기적 특성을 측정하기 위해 감지 전극과 통신하는 "전기 검출기"로서의 또 다른 검출기를 포함할 수 있다.
센서는 또한 라만뿐만 아니라 전기 검출 신호를 수신하고 이들 신호를 처리하여 라만 검출 신호 및 전기 검출 신호 중 임의의 것이 친화성 결합 요소에 대한 분석물(예를 들어, 표적 병원체)의 특정 결합을 나타내는지 여부를 결정하기 위해 광검출기 및 전기 검출기와 통신하는 분석기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 분석기는 라만 신호와 전기 신호 모두가 샘플에 분석물의 존재를 나타낼 때 조사 중인 샘플에 분석물의 존재를 나타내도록 구성된다.
일부 양태에서, 센서로서,
하우징,
제1 부분 및 제2 부분,
상기 제1 부분과 제2 부분 사이에 위치된 제어 밸브 - 상기 제1 부분은 개인의 하나 이상의 호흡 샘플을 상기 챔버 내로 전달하기 위한 호흡 수집 장치의 튜브를 수용하기 위한 개구를 갖는 챔버를 제공함 - ,
하나 이상의 샘플 처리 시약을 저장하기 위해 상기 챔버에 위치한 리저버 - 상기 리저버는 상기 튜브를 상기 챔버에 삽입함으로써 천공되도록 구성된 파괴가능 멤브레인을 가지며 상기 하나 이상의 호흡 샘플이 상기 하나 이상의 샘플 처리 시약과 혼합됨 - ,
상기 제2 부분에 위치한 전기화학 셀,
상기 전기화학 셀에 하나 이상의 호흡 샘플과 상기 하나 이상의 샘플 처리 시약의 상기 혼합물이 전달되도록 하기 위해 상기 밸브를 제어하기 위해 상기 제어 밸브에 결합된 액추에이터를 포함하고, 상기 전기화학 셀은 적어도 하나의 표적 병원체가 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재할 때 검출 신호를 생성하도록 구성된다.
다른 양태에서, 호흡기 샘플에서 병원체를 검출하기 위한 시스템으로서,
샘플에서 표적 병원체를 검출하도록 구성된 센서,
사용자로부터 하나 이상의 호흡 샘플을 수신하기 위해 사용자의 기도와 결합하기 위한 입-코 부분 및 상기 하나 이상의 호흡 샘플을 수용하기 위해 마우스피스와 유체 연통하는 튜브를 포함하는 호흡 수집 장치 - 상기 튜브는 상기 센서에 상기 하나 이상의 호흡 샘플을 전달하기 위해 상기 센서와 맞물리도록 구성됨 - , 를 포함하고,
상기 센서는
하우징,
제1 부분 및 제2 부분,
상기 제1 부분과 제2 부분 사이에 위치된 제어 밸브 - 상기 제1 부분은 개인의 하나 이상의 호흡 샘플을 상기 챔버 내로 전달하기 위한 호흡 수집 장치의 튜브를 수용하기 위한 개구를 갖는 챔버를 제공함 - ,
하나 이상의 샘플 처리 시약을 저장하기 위해 상기 챔버에 위치한 리저버 - 상기 리저버는 상기 튜브를 상기 챔버에 삽입함으로써 천공되도록 구성된 파괴가능 멤브레인을 가지며 상기 하나 이상의 호흡 샘플이 상기 하나 이상의 샘플 처리 시약과 혼합됨 - ,
상기 제2 부분에 위치한 전기화학 셀,
상기 전기화학 셀에 하나 이상의 호흡 샘플과 상기 하나 이상의 샘플 처리 시약의 상기 혼합물이 전달되도록 하기 위해 상기 밸브를 제어하기 위해 상기 제어 밸브에 결합된 액추에이터를 포함하고, 상기 전기화학 셀은 적어도 하나의 표적 병원체가 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재할 때 검출 신호를 생성하도록 구성된다.
센서로서,
하우징,
상기 하우징 내에 배치된 적어도 하나의 감지 유닛을 포함하고, 상기 감지 유닛은:
작업 전극, 상대 전극 및 기준 전극을 갖는 적어도 하나의 전기화학 셀,
적어도 하나의 압타머 또는 상기 작동 전극에 결합된 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드를 포함하고 상기 적어도 하나의 압타머는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성되고 상기 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드는 상기 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하고,
생물학적 샘플을 수집하도록 구성된 기구를 수용하기 위해 상기 하우징에 배치된 구멍,
기구가 하우징에 수용되면 상기 기구를 상기 전극으로부터 분리하기 위해 상기 하우징에 위치된 적어도 하나의 내부 레지,
상기 생물학적 샘플을 처리하기 위한 시약을 저장하기 위한 리저버 - 상기 리저버는 파괴가능 멤브레인을 가짐 - , 를 포함하고,
상기 리저버는 하우징 내에 위치되고 상기 기구는 시약의 적어도 일부를 기구의 적어도 일부 상으로 방출하기 위해 하우징에 일단 삽입되면 기구가 멤브레인을 천공하여 기능화된 작업 전극 상에 생물학적 샘플의 적어도 일부를 도입하도록 구성된다.
일부 양태에서, 병원체 검출 시스템으로서, 상기 시스템은
사용자로부터 하나 이상의 호흡 샘플을 수신하기 위해 사용자의 기도와 직접 통신하기 위해 결합되는 호흡 입력 장치를 포함하고, 상기 호흡 입력 장치는 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재하는 에어로졸의 적어도 일부를 수집하기 위한 기구를 수용하기 위한 채널을 포함하고,
센서를 포함하고, 상기 센서는
하우징,
상기 하우징 내에 배치된 적어도 하나의 감지 유닛을 포함하고, 상기 감지 유닛은:
작업 전극, 상대 전극 및 기준 전극을 갖는 적어도 하나의 전기화학 셀,
적어도 하나의 압타머 또는 상기 작동 전극에 결합된 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드를 포함하고 상기 적어도 하나의 압타머는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성되고 상기 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드는 상기 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하고,
기구를 수용하기 위해 상기 하우징에 배치된 구멍,
기구가 하우징에 수용되면 상기 기구를 상기 전극으로부터 분리하기 위해 상기 하우징에 위치된 적어도 하나의 내부 레지,
수집된 에어로졸 내에 존재할 때 생물학적 샘플을 위한 시약을 저장하는 리저버를 포함하고, 상기 리저버는 파괴가능 멤브레인을 가지며,
상기 리저버는 하우징 내에 위치되고 상기 기구는 시약의 적어도 일부를 기구의 적어도 일부 상으로 방출하기 위해 하우징에 일단 삽입되면 기구가 멤브레인을 천공하여 기능화된 작업 전극 상에 생물학적 샘플의 적어도 일부를 도입하도록 구성된다.
일부 양태에서, 센서로서, 상기 센서는
하우징,
상기 하우징 내에 배치된 적어도 하나의 감지 유닛을 포함하고, 상기 감지 유닛은:
작업 전극, 상대 전극 및 기준 전극을 갖는 적어도 하나의 전기화학 셀,
상기 작업 전극들 중 적어도 하나에 배열된 복수의 탄소 나노튜브를 포함하고, 상기 복수의 탄소 나노튜브는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성되는 적어도 하나와 기능화되거나 또는 또는 상기 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 갖는 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드와 기능화되고,
생물학적 샘플을 수집하도록 구성된 기구를 수용하기 위해 상기 하우징에 배치된 구멍,
기구가 하우징에 수용되면 상기 기구를 상기 전극으로부터 분리하기 위해 상기 하우징에 위치된 적어도 하나의 내부 레지,
상기 생물학적 샘플을 처리하기 위한 시약을 저장하기 위한 리저버 - 상기 리저버는 파괴가능 멤브레인을 가짐 - , 를 포함하고,
상기 리저버는 하우징 내에 위치되고 상기 기구는 시약의 적어도 일부를 기구의 적어도 일부 상으로 방출하기 위해 하우징에 일단 삽입되면 기구가 멤브레인을 천공하여 기능화된 작업 전극 상에 생물학적 샘플의 적어도 일부를 도입하도록 구성된다.
일부 양태에서, 호흡기 샘플에서 병원체를 검출하는 방법으로서,
개인으로부터 하나 이상의 호흡 샘플 수집하는 단계,
검출을 위해 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재하는 경우 적어도 하나의 병원체를 준비하기 위해 상기 하나 이상의 호흡 샘플을 하나 이상의 시약과 혼합하는 단계,
상기 혼합물의 적어도 일부를 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재하는 경우 상기 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질 및 적어도 하나의 RNA 세그먼트를 검출하도록 구성된 전기화학 셀에 도입하는 단계 - 상기 전기화학 셀은 상기 적어도 하나의 단백질의 검출에 응답하여 제1 검출 신호를 생성하고 상기 적어도 하나의 RNA 세그먼트의 검출에 응답하여 제2 검출 신호를 생성한다.
일부 양태에서, 코로나 바이러스의 신생 변이체를 확인하는 방법으로서,
코로나 바이러스의 공지된 변이체의 구조 단백질에 대한 특이적 결합을 나타내는 적어도 하나의 압타머로 기능화된 복수의 단일벽 탄소 나노튜브 상에 생물학적 샘플의 일부를 도입하는 단계 - 상기 구조 단백질은 코로나 바이러스의 상이한 알려진 변이체 중 적어도 약 80%의 상동성을 나타냄 - ,
상기 구조 단백질이 샘플에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 상기 생물학적 샘플과의 상호작용에 반응하여 상기 압타머 기능화된 복수의 탄소 나노튜브의 적어도 하나의 물리적 또는 화학적 특성을 모니터링하는 단계,
생물학적 샘플의 일부를 복수의 상이한 올리고뉴클레오티드 서열로 기능화된 복수의 단일벽 탄소 나노튜브 상에 도입하는 단계 - 각각의 상기 올리고뉴클레오티드 서열은 공지된 코로나 바이러스 중 하나에 고유한 RNA 세그먼트에 상보적임 - ,
임의의 상기 RNA 세그먼트가 샘플에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 상기 올리고뉴클레오티드-기능화된 탄소 나노튜브의 적어도 하나의 물리적 또는 화학적 특성을 모니터링하는 단계를 포함하고,
상기 RNA 세그먼트의 부재 및 상기 적어도 하나의 구조 단백질의 존재는 상기 샘플에서 코로나 바이러스의 신생 변이체의 존재를 나타낸다.
일부 양태에서, 공기 모니터링 시스템으로서,
주변 공기의 하나 이상의 샘플을 수용하기 위한 챔버를 제공하는 공기 수집 모듈,
상기 공기 수집 모듈에 제거 가능한 결합을 위해 구성된 적어도 하나의 센서를 포함하고,
상기 센서가 상기 공기 수집 모듈에 센서를 결합할 때 상기 챔버로부터 상기 센서를 분리하는 입구 작동 밸브를 포함하여 상기 입구 작동 가능 밸브의 작동이 상기 인클로저에 포함된 공기의 적어도 일부를 센서로 도입하도록 허용하고,
상기 센서는
생물학적 입자가 샘플링된 공기 중에 존재하는 경우, 표적 생물학적 입자와 관련된 적어도 하나의 단백질을 검출하도록 구성된 적어도 제1 감지 유닛, 및
표적 병원체가 샘플링된 공기에 존재할 때 상기 표적 생물학적 입자의 적어도 하나의 유전체 구성요소를 검출하도록 구성된 적어도 제2 감지 유닛을 포함한다.
일부 양태에서, 분석물을 검출하기 위한 센서로서,
친화성 결합 요소에 대한 분석물의 결합이 감지 전극의 적어도 하나의 전기적 특성을 변화시키도록 상기 분석물에 대한 특이적 결합을 나타내는 적어도 제1 친화성 결합 요소로 기능화된 감지 전극을 포함하는 적어도 하나의 감지 유닛, 및
기능화된 SERS에 대한 분석물의 결합에 응답하여 상기 분석물 및 상기 친화성 결합 요소 중 임의의 것과 관련된 라만 신호를 얻기 위해 상기 분석물에 특이적 결합을 나타내는 적어도 제2 친화성 결합 요소로 기능화된 표면 강화 라만 표면(SERS)을 포함하는 적어도 하나의 감지 유닛을 포함한다.
본 교시의 다양한 양태에 대한 추가적인 이해는 아래에서 간략하게 설명되는 관련 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 얻어질 수 있다.
도 1a, 1b, 1c 및 1d는 본 명세서에 개시된 실시예에 따른 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2a는 셀의 작업 전극이 복수의 올리고뉴클레오티드 프로브로 기능화된 실시예에 따른 전기화학 분석 셀을 개략적으로 도시한다.
도 2b는 전기화학 분석 셀의 작업 전극이 복수의 압타머 프로브로 기능화된 실시예에 따른 전기화학 분석 셀을 개략적으로 도시한다.
도 3a는 전기화학 분석 셀의 작업 전극이 복수의 압타머로 기능화되는 복수의 탄소 나노튜브로 기능화되는 실시예에 따른 전기화학 분석 셀을 개략적으로 도시한다.
도 3b는 셀의 작업 전극이 복수의 탄소 나노튜브로 기능화되고, 차례로 복수의 올리고뉴클레오티드 프로브로 기능화되는 실시예에 따른 전기화학적 분석 셀을 개략적으로 도시한다.
도 4a는 2개의 서로 맞물린 전극을 포함하는 전기화학 셀을 개략적으로 도시하며, 여기서 전극 중 하나는 복수의 압타머 프로브로 기능화된다.
도 4b는 2개의 서로 맞물린 전극을 포함하는 전기화학 셀을 개략적으로 도시하며, 여기서 전극 중 하나는 복수의 올리고뉴클레오티드 프로브로 기능화된다.
도 5는 전기화학 셀의 가열을 위해 셀의 작업 전극 아래에 가열 요소가 배치된 전기화학 셀의 부분 개략도이다.
도 6은 병원체를 검출하기 위한 본 교시에 따른 시스템의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시하며, 시스템은 하나 이상의 병원체 단백질 또는 하나 이상의 병원체 RNA 및/또는 DNA 세그먼트의 검출을 위한 샘플을 준비하기 위한 샘플 처리 시약을 저장하기 위한 2개의 리저버를 갖는 센서를 포함한다.
도 7은 수집된 타액에서 표적 병원체를 검출하기 위해 본 교시에 따라 센서에 결합될 수 있는 타액 수집 장치를 개략적으로 도시한다.
도 8a는 본 교시에 따라 센서에 의해 생성된 데이터를 처리하기 위한 분석 모듈을 개략적으로 도시한다.
도 8b는 도 8a에 도시된 분석 모듈의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9는 라만 감지 전극뿐만 아니라 전기 감지 전극으로서 기능하는 감지 전극을 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 교시의 일부 예시에서 사용하기에 적합한 SERS 모듈을 개략적으로 도시한다.
도 11은 본 교시의 실시예에 따른 공기 모니터링 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 12는 도 11에 도시된 공기 모니터링 시스템에 사용되는 감지 유닛을 개략적으로 도시한다.
도 13은 도 12에 도시된 감지 유닛의 일부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 12는 충돌 재료 및 충돌 물질의 하류에 위치한 포획 필터를 예시한다.
도 14는 도 12에 도시된 감지 유닛의 일부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15는 도 12에 도시된 감지 유닛과 관련된 복수의 감지 모듈을 개략적으로 도시한다.
도 16은 복수의 감지 유닛을 포함하는 카트리지가 공기 모니터링 시스템의 하우징에 제거 가능하게 결합될 수 있는 본 발명에 따른 공기 모니터링 시스템의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 17은 코로나바이러스의 다양한 단백질 검출에 적합한 복수의 프라이머의 뉴클레오티드 서열을 포함하는 표를 제시한다.
도 18은 본 교시의 일부 실시예의 실시에 사용하기에 적합한 복수의 압타머의 뉴클레오티드 서열을 포함하는 표를 제시한다.
도 19a는 본 교시의 실시예에 따른 일회용 카트리지를 개략적으로 도시한다.
도 19b는 도 19a에 도시된 카트리지의 개략적인 분해도이다.
도 19c는 도 19a 및 도 19b에 도시된 일회용 카트리지에 통합된 블리스터 파우치를 개략적으로 도시하고, 이는 완충액을 저장하고 하류 증폭 리저버로의 도입을 위해 완충액을 방출하기 위한 펌프로서 기능을 한다.
도 19d는 도 19a 및 도 19b에 도시된 카트리지를 개략적으로 도시하고, 이는 증폭 리저버 내의 액체 온도를 조절하기 위해 사용되는 가열/냉각 장치, 및 카트리지를 수용하는 콘솔에 배치된 제어기가 포함된다.
도 20은 생물학적 샘플의 광학적 분석을 위해 구성된 다른 실시예에 따른 카트리지의 개략도이다.
도 21a는 실시예에 따른 진단 시스템을 개략적으로 도시하며, 이는 일회용 카트리지 및 생물학적 샘플을 카트리지에 도입한 후 카트리지를 수용하는 콘솔을 포함한다.
도 21b는 도 21a에 도시된 진단 시스템의 또 다른 개략도이다.
도 21c는 사용 시 생물학적 샘플이 카트리지에 도입될 수 있고 카트리지가 수신된 샘플의 분석을 위해 콘솔에 삽입될 수 있음을 개략적으로 묘사합니다.
도 22는 본 교시의 다른 실시예에 따른 일회용 카트리지의 개략도이다.
본 발명은 일반적으로 병원체와 같은 질병 바이오마커를 포함하는 다양한 바이오마커의 검출을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 다음 논의에서, 본 교시의 일부 실시예는 SARS-CoV-2 바이러스의 검출과 관련하여 설명된다. 본 교시가 특정 바이오마커의 검출에 제한되지 않고 오히려 바이러스, 박테리아 등과 같은 병원체의 구성 요소인 단백질, 핵산, 소분자 및 휘발성 유기 가스를 포함하는 다양한 바이오마커를 검출하기 위해 이용될 수 있는 플랫폼을 제공한다는 것을 이해해야 한다.
아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 일부 실시예는 단일 기구 내에서 샘플에 존재할 때 병원체의 하나 이상의 단백질 및 하나 이상의 유전자 구성요소의 다중 검출을 허용할 수 있는 장치를 제공한다. 일부 실시예에서, 이러한 장치는 적어도 2개의 리저버를 포함할 수 있으며, 그 중 하나에서 하나 이상의 표적 단백질(들)의 검출을 위해 샘플을 처리하기에 적합한 하나 이상의 처리 시약이 저장되고 다른 하나에서 적어도 하나의 표적 유전 구성요소(들)의 검출을 위해 샘플을 처리하기에 적합한 하나 이상의 처리 시약이 저장된다. 이러한 장치는 장치에 통합된 검출기(예: 전기화학 검출기 또는 비색 검출기)에 의한 분석을 위해 샘플을 준비하기 위해 연구 중인 샘플과 혼합될 각 리저버로부터 처리 시약(들)을 선택적으로 방출하기 위한 메커니즘을 추가로 포함할 수 있다.
본 교시에 따른 시스템의 바이오센서 및 검출기 유닛은 다중화될 수 있어서, 병원체의 다수의 구성요소 또는 다수의 병원체의 다수의 구성요소가 하나의 장치에서 검출될 수 있고 병원체(들)의 존재 또는 부재가 결정될 수 있다. 병원체 존재에 대한 안전한 보고를 위해 지역 보고 또는 알람 시스템 또는 무선 보고가 제공된다.
예로서, 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 카트리지는 복수의 센서(감지 유닛)를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 상이한 단백질 및/또는 표적 병원체의 유전체 구성요소 및/또는 다수의 상이한 표적 병원체를 검출하도록 기능화된다. 다시 말해서, 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 카트리지는 표적 병원체와 관련된 다양한 바이오마커의 다중 검출 및/또는 상이한 병원체와 관련된 바이오마커의 다중 검출을 가능하게 한다.
아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 시스템은 개인의 하나 이상의 호흡 샘플을 수집하기 위한 호흡 수집 장치 및 표적 병원체 및 그 표적 병원체와 연관된 RNA 및/또는 DNA 세그먼트를 검출하기 위한 적어도 하나의 감지 유닛 및 표적 병원체와 관련된 단백질을 검출하기 위한 적어도 하나의 감지 유닛을 포함하는 센서를 포함할 수 있다. 단백질과 RNA 및/또는 DNA 세그먼트 모두를 검출하면 표적 병원체를 더욱 강력하게 검출하고 식별할 수 있으며 잘못된 결과를 줄일 수 있다. 보다 구체적으로, 일부 실시예에서, 시스템은 활성 감염의 징후일 수 있는 표적 병원체의 하나 이상의 단백질을 검출하도록 기능화된 하나 이상의 전기화학 분석 셀을 갖는 적어도 하나의 감지 유닛 및 표적 병원체의 하나 이상의 RNA 및/또는 DNA 세그먼트를 검출하도록 기능화된 하나 이상의 전기화학 분석 셀을 갖는 유닛을 갖는 적어도 다른 감지 유닛을 포함할 수 있다.
아래에서 논의되는 많은 실시예에서 본 교시에 따른 센서가 호흡 샘플에서 병원체(들)를 검출하는 데 사용되지만, 이러한 센서는 또한 다른 생물학적 시편/액체 생검(예를 들어, 타액, 소변과 혈액)을 검출하는데 사용된다. 예를 들어, 아래에서 더 자세히 논의되는 도 7은 표적 병원체가 타액 샘플에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 본 교시에 따라 센서에 결합될 수 있는 타액 수집 장치를 도시한다. 다른 실시예에서, 본 교시는 혈액 샘플에서 표적 바이오마커를 검출하기 위해 이용될 수 있다.
본 명세서에서는 당업계에서의 통상적인 의미에 따라 다양한 용어가 사용된다. 예를 들어, "압타머(aptamer)"라는 용어는 특정 표적 분자에 대해 특정한 친화력을 가진 뉴클레오티드 중합체를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "나노입자"는 약 1 미크론 이하, 예를 들어 약 100 나노미터 내지 약 500 나노미터, 또는 약 200 나노미터 내지 약 600 나노미터 범위, 또는 약 300 나노미터 내지 약 700 나노미터 범위, 또는 약 400 나노미터 내지 약 800 나노미터 범위의 최대 치수 크기(예를 들어, 직경 또는 다른 단면 치수 크기)를 갖는 재료 구조를 지칭한다.
본원에서 사용되는 "친화성 결합 요소"라는 용어는 분석물에 대해 특이적 결합을 나타낼 수 있는 재료 구조, 예를 들어 중합체를 지칭한다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 친화성 결합 요소의 일부 예는 압타머 및 다른 올리고뉴클레오티드, 항체를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 친화성 결합 요소는 분석물 및/또는 유기체에 대한 높은 특이적 결합을 나타내기 위해 파지 디스플레이 기술(phage display technology)을 사용하여 생성된 모노바디일 수 있다. 일부 실시예에서 친화성 결합 요소는 라마(Llama)에서 생성되는 나노바디일 수 있다. 일부 실시예에서 친화성 결합 요소는 표적을 사이에 끼울 수 있는 친화성 시약 쌍을 전달하기 위한 메가스타일 수 있다.
본 명세서에서 "실질적으로"라는 용어는 완전한 상태 또는 조건과 최대 10% 차이가 있는 상태 또는 조건을 의미한다.
용어 "완충액"은 일반적으로 분석을 위한 샘플을 준비하기 위한 하나 이상의 시약을 포함하는 처리 액체를 지칭하는 데 사용된다. 예를 들어, "단백질 완충액"이라는 용어는 여기에서 하나 이상의 단백질을 검출하기 위해 샘플/샘플을 처리(준비)하는 데 적합한 완충액을 지칭하기 위해 사용되며, "유전자 완충액"이라는 용어는 본원에서 하나 이상의 유전자 구성 요소(예: RNA 및/또는 DNA 세그먼트)를 검출하기 위해 시편/샘플을 처리(준비)하는 데 적합한 완충액을 지칭한다.
도 1a, 1b, 1c 및 1d를 참조하면, 호흡기 샘플에서 병원체를 검출하기 위한 실시예에 따른 시스템(100)은 호흡 샘플(들)을 수용하기 위해 입-코 부분과 유체 연통하는 튜브(106) 및 사용자로부터 하나 이상의 호흡 샘플을 수용하기 위해 사용자의 호흡 기관과 연결하기 위한 입-코 부분(104)(예: 마스크)를 포함하는 호흡 수집 장치(102)를 포함한다. 튜브(106)는 사용자가 내쉬는 호흡 샘플(들)을 수용하기 위한 근위 개구(106a)로부터 센서(200)와 맞물리도록 구성된 원위 개구(106b)까지 연장된다.
이 실시예에서, 센서(200)는 제1 부분(202a) 및 제2 부분(202b)으로 형성된 하우징(202)을 포함한다. 제1 부분(202a)은 챔버(203)를 포함하며, 이 실시예에서는 튜브(106)의 원위 개구(106b)와 해제 가능하게 맞물리도록 구성된 개구(203a)를 갖는 실질적으로 원통형 도관의 형태이다. 원위 단부에 근접한 튜브(106)에 결합된 O-링(205)은 챔버(203)의 근위 단부에 근접하여 형성된 요홈(213)과 결합하여 튜브(106)와 챔버(203) 사이에 밀봉 결합을 제공할 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 챔버(203) 내에 위치한 리저버(206)는 하나 이상의 샘플 처리 시약을 저장할 수 있다. 이 실시예에서, 리저버(206)는 파괴가능 멤브레인(207)과 플래퍼 밸브(209) 사이에 형성된다.
다시 호흡 수집 장치(102)를 참조하면, 호흡 밸브(110)(여기서는 "압력 완화 밸브"라고도 함)는 입-코 부분(104) 내 압력이 임계값을 초과할 때 외부 환경으로 입-코 부분(104)으로 내쉬어진 가스의 배출을 허용한다. 압력 완화 밸브의 상류에 위치한 필터(112)는 호기 가스에 존재하는 병원체가 외부 환경으로 유입되는 것을 억제하고, 바람직하게는 방지한다. 일부 경우에, 이러한 병원체가 에어로졸(즉, 작은 입자 또는 물방울의 현탁액)과 같이 호기된 공기에 존재할 수 있다.
예로서, 이 실시예에서, 미국 메사추세츠 웨스트보로에 위치한 Pall Corporation에 의해 상표명 Supor® membrane으로 시판되는 0.2-미크론 필터는 외부 환경으로 병원체(예를 들어, 바이러스 입자)의 전달을 방지하기 위해 이용될 수 있다.
이제 센서(200)를 참조하면, 센서와 호흡 수집 장치의 결합이 없을 때 외부 환경으로부터 센서의 내부 구성요소를 밀봉하기 위해 챔버(203)의 근위 개구(203a)를 덮는 파괴가능 멤브레인(207)은 연질 폴리우레탄과 같은 다양한 고분자 재료로 형성될 수 있다.
튜브(106)의 원위 단부는 O-링(205)이 밀봉부를 제공하면서 튜브(106)를 챔버(203)와 맞물리도록 하기 위해 튜브(106)의 원위 단부를 챔버(203)의 근위 단부에 삽입하기 위해 중합체 밀봉부(207)를 천공하는 데 사용될 수 있다. 챔버(203)와 맞물리면, 튜브(106)의 원위 단부는 또한 파괴가능 멤브레인(207)에 천공하여 호흡 샘플이 리저버(206)에 저장된 시약(들)과 혼합되도록 한다. 호흡 수집 장치의 튜브(106) 내에 제공된 단방향 밸브(212)는 호흡 샘플과 시약의 혼합물의 역류를 억제할 수 있다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 예를 들어 리저버(206)는 샘플 처리를 위한 하나 이상의 시약이 추가되는 바이러스 전달 매체(VTM)를 포함할 수 있다.
기계식 액추에이터(예: 해제 버튼)와 같은 액추에이터(214)는 플래퍼 밸브(209)를 개방하기 위해 사용될 수 있고, 이에 따라서 호흡 샘플과 샘플 처리 시약의 혼합물 중 적어도 일부를 센서 하우징의 제2 부분(202b)으로 방출할 수 있다. 복수의 전기화학 분석 셀(216a, 216b, ..., 216l)(집합적으로 전기화학 분석 셀(216)이라고 함)은 플래퍼 밸브(209)의 활성화를 통해 하우징의 제2 부분으로 방출된 혼합물의 적어도 일부를 수용하도록 센서 하우징의 제2 부분에 위치된다.
보다 구체적으로, 하우징의 제2 부분(202b)은 플래퍼 밸브(209)의 개방을 통해 방출된 샘플을 수용하는 중심 도관(218)을 포함한다. 각각 중심 도관(218)에서 전기화학 분석 셀(216) 중 하나로 연장되는 복수의 주변 도관(219a, 219b, ..., 219i)(여기서는 집합적으로 주변 도관(219)이라고 함)은 샘플의 일부를 각각의 전기화학 셀로 전달한다.
아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 각각의 전기화학 셀(216)은 병원체가 수집된 호흡 샘플에 존재할 때 표적 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질 또는 그 병원체와 관련된 적어도 하나의 RNA 및/또는 DNA 세그먼트를 검출하도록 구성된다. 예로서, 전기화학 셀(216) 중 적어도 하나는 적어도 하나의 단백질을 검출하도록 구성될 수 있고 전기화학 셀(216) 중 적어도 하나는 병원체와 관련된 적어도 하나의 RNA 및/또는 하나의 DNA를 검출하도록 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2a 및 2b를 참조하면, 일부 실시예에서, 임의의 전기화학 분석 셀(216)(여기서는 전위차계가라고도 함)은 작동 전극(216a)(여기서는 감지 전극이라고도 함), 카운터 전극(216b) 및 기준 전극(216c)을 포함한다. 복수의 생체인식 요소(본원에서는 친화성 결합 요소, 예를 들어 본 실시예에서는 올리고뉴클레오티드(220a) 또는 압타머(220b)라고도 함)가 작동 전극에 결합된다. 일부 실시예에서, 압타머(220b)는 동일한 유형일 수 있고 표적 병원체와 관련된 단백질의 에피토프에 특이적으로 결합할 수 있다. 다른 실시예에서, 압타머(220b)는 병원체 단백질의 상이한 에피토프에 결합하도록 상이한 유형일 수 있는데, 예를 들어, 일부 압타머는 병원체 단백질의 하나의 에피토프에 특이적으로 결합할 수 있고 다른 일부 압타머는 특이적으로 그 단백질의 또 다른 에피토프에 결합될 수 있다.
예로서, 후술된 바와 같이, 전기화학 셀(216a)이 SARS-CoV-2 바이러스를 검출하도록 구성된 일부 실시예에서, 압타머(220b)는 바이러스의 N 또는 S 단백질의 하나 이상의 에피토프에 특이적 결합을 나타내도록 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 작동 전극에 결합된 올리고뉴클레오티드는 동일한 뉴클레오티드 서열을 가질 수 있고 따라서 표적 병원체의 단일 RNA 또는 DNA 세그먼트를 검출할 수 있다. 다른 실시예에서, 올리고뉴클레오티드는 표적 병원체의 상이한 RNA 및/또는 DNA 세그먼트를 검출하기 위해 상이한 뉴클레오타이드 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드를 포함할 수 있다.
각각의 전기화학 분석 셀은 카운터 전극을 통해 흐르는 전류를 조절함으로써 작동 전극의 전위를 기준 전극의 전위에 대해 일정한 수준으로 유지함으로써 기능한다. 작동 전극에 결합된 압타머 또는 올리고뉴클레오티드에 표적 병원체의 단백질 및/또는 RNA/DNA 세그먼트의 결합은 카운터 전극을 통해 흐르는 전류의 변화를 초래하여 검출 신호를 생성한다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 다른 실시예에서, 하나 이상의 전기화학 셀은 복수의 서로 맞물린 핑거를 갖는 2개의 전극으로 구현될 수 있다. 이러한 실시예에서, 전기화학 셀은 기준 전극을 포함하지 않는다.
위에서 언급한 바와 같이, 전기화학 셀을 기능화하는 데 사용되는 압타머는 표적 병원체의 단백질에 대한 특이적 결합을 나타내도록 선택될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 압타머는 상이한 유형일 수 있으며, 각각의 압타머 유형은 관심 단백질의 상이한 에피토프에 대한 특이적 결합을 나타낸다. 예를 들어, 전기화학 분석 셀이 SARS-CoV-2 바이러스를 검출하도록 구성된 일부 실시예에서 압타머는 바이러스의 N 또는 S 단백질에 대한 특이적 결합을 나타내도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 센서는 (예를 들어, N 단백질의 하나 이상의 에피토프에 특이적 결합을 나타내는 압타머를 사용함으로써) N 단백질을 검출하도록 구성된 하나의 전기화학 분석 셀 및 S 단백질을 검출하도록 구성되는 또 다른 전기화학 분석 셀을 포함할 수 있다(예를 들어, S 단백질의 하나 이상의 에피토프에 특이적 결합을 나타내는 압타머를 사용함으로써).
위에서 언급한 바와 같이, 일부 실시예에 따른 센서는 표적 병원체와 관련된 하나 이상의 단백질을 검출하도록 구성된 하나 이상의 감지 유닛에 더하여, 표적 병원체와 관련된 하나 이상의 RNA 또는 DNA 세그먼트를 검출하도록 구성된 하나 이상의 감지 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, 전기화학 셀을 기능화하는 데 사용되는 올리고뉴클레오티드의 뉴클레오티드 서열은 표적 병원체의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적일 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 복수의 올리고뉴클레오티드가 작동 전극에 부착되며, 여기서 올리고뉴클레오티드는 표적 병원체의 상이한 RNA 또는 DNA 세그먼트에 상보적인 올리고뉴클레오티드 서열을 나타낸다. 예로서, 일부 구현에서, 일부 올리고뉴클레오티드는 병원체의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 갖고, 일부 올리고뉴클레오티드는 병원체의 다른 RNA 또는 DNA 부분의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 갖는다.
압타머 및 올리고뉴클레오티드를 전기화학 분석 셀의 작동 전극에 결합하기 위해 다양한 기술을 사용할 수 있다. 예를 들어, 전기화학 분석 셀의 작동 전극이 금으로 형성되는 일부 실시예에서, 표적 병원체와 관련된 단백질 또는 RNA 및/또는 DNA 서열에 대해 상보적인 서열을 나타내는 올리고뉴클레오티드 또는 병원체에 대한 특이적 결합을 나타내는 압타머의 5' 말단 단부가 티올 SS-C6 그룹으로 변형되어 작동 전극의 금 표면에 티올-금 결합을 가능하게 한다. 변형된 압타머 또는 올리고뉴클레오티드는 작동 전극을 기능화하기 위해 사용되는 혼합물을 생성하기 위해 트리스-HCl(TE) 완충액(예를 들어, 1 μm 완충액)에 용해될 수 있다. 예를 들어, 전극 표면은 드롭 코팅을 통해 혼합물로 코팅될 수 있다. 이어서, 코팅된 전극을 예를 들어 30분 동안 인큐베이션한 후 뉴클레아제가 없는 물로 헹구고 불활성 아르곤 가스 스트림 하에서 건조시켜 결합되지 않은 압타머 및/또는 올리고뉴클레오티드를 제거할 수 있다.
일부 실시예에서, 표적 단백질 바이오마커에 대한 친화도가 높은 항체 또는 무항체(라마에서 생성됨)는 본 교시에 따른 진단 장치에 포함된 전기화학 셀의 작동 전극 중 하나 이상에 기능화될 수 있다. 일부 실시예에서 자기 조립 단층을 갖는 금 또는 탄소 전극은 관심 대상에 특이적인 비오티닐화된 항체로 기능화될 수 있다. 그런 다음 표적은 HRP와 접합된 일치하는 항체로 검출된다. 항체 쌍은 또한 fibronectin 유형 III 도메인(FN 3)과 같은 단일 스캐폴드에 제시된 일치하는 항체 쌍을 사용하여 MegaSTAR 전략에 의해 생성될 수 있다.
일부 실시예에서 관심 분석물(또는 유기체)에 대한 높은 특이적 결합을 나타내기 위해 위상 디스플레이 기술과 같은 유도 진화 방법을 통해 생성된 모노바디는 예를 들어 본원에서 논의된 기술을 사용하여 본 교시에 따른 진단 장치에 통합된 전기화학 셀의 하나 이상의 작동 전극에 결합될 수 있다. 예를 들어, 그 전체가 본원에 참조로 인용되고 nature Biotechnology (doi: 10.1016/j.nbt)에 공고된 "Directed evolution of potent neutralizing nanobodies against SARS-CoV-2 using CDR-swapping mutagenesis"라는 명칭의 문헌에 기재된 모노바디는 SARS-CoV-2 바이러스를 검출하기 위해 본 교시에 따라 센서의 전기화학 셀의 하나 이상의 작동 전극을 기능화하기 위해 본 교시의 일부 실시예에서 사용될 수 있다. 이 공보에서 SARS-CoV-2의 수용체 결합 도메인에 결합하는 모노바디가 확인되었다. 이는 인간 IgG1의 Fc 영역에 부착된 스파이크 RBD 도메인으로 구성된 비오티닐화된 융합 단백질을 갖는 1010 모노바디 변이체를 나타내는 파지 라이브러리로부터의 친화성 선택에 의해 달성되었다. 모노바디에 대한 병원체(또는 이의 구성요소)의 특이적 결합에 반응하여, 표적 병원체에 대한 특이적 결합을 나타내는 모노바디로 기능화된 작동 전극을 갖는 전기화학 셀에 의해 생성된 전기화학 신호를 검출함으로써 관심 있는 다른 병원체를 검출하는 데 사용되는 다른 모노바디가 제공된다.
도 3a를 참조하면, 일부 실시예에서, 전기화학 분석 셀(300)의 작동 전극(301a)은 복수의 압타머 프로브(303)가 결합된 복수의 탄소 나노튜브(302)로 기능화될 수 있다. 예를 들어, 관심 대상 단백질을 검출하도록 구성된 감지 유닛의 작동 전극은 그 자체가 그 표적 단백질에 대한 특이적 결합을 나타내는 하나 이상의 압타머로 기능화된 복수의 탄소 나노튜브로 기능화될 수 있다.
도 3b에서, 표적 병원체의 하나 이상의 RNA 및/또는 DNA 세그먼트를 검출하도록 구성된 또 다른 전기화학 분석 셀(300')의 작동 전극(301b)은 DNA 및/또는 RNA 서열의 뉴클레오티드 서열(들)에 상보적인 서열을 갖는 하나 이상의 올리고뉴클레오티드(304)로 기능화될 수 있다. 표적 단백질 및/또는 표적 RNA 또는 DNA 세그먼트가 압타머 또는 올리고뉴클레오티드에 결합하면, 전기화학 셀은 위에서 논의된 방식으로 검출 신호를 생성할 수 있다.
하나 이상의 올리고뉴클레오티드 프로브 및/또는 하나 이상의 뉴클레오티드 압타머 프로브를 사용한 탄소 나노튜브의 기능화는 당업계에 공지된 다양한 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 이러한 방법 중 일부는 압타머와 올리고뉴클레오티드 프로브와 탄소 나노튜브 사이의 공유 결합 형성에 의존한다. 예를 들어, 일부 이러한 실시예에서, 탄소 나노튜브는 공지된 기술을 사용하여 카복실화될 수 있고, 카복실화된 탄소 나노튜브의 COOH 그룹과 프로브의 아민 그룹 사이에 공유 결합이 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 탄소 나노튜브는 π- π 상호작용을 통해 비공유를 사용하여 기능화될 수 있다. 예를 들어, 방향족 염기를 가진 단일 가닥 DNA 및 RNA 분자는 이러한 상호 작용을 통해 탄소 나노튜브 표면에 고정될 수 있다. 압타머 및 올리고뉴클레오티드 프로브를 탄소 나노튜브의 표면에 결합하기 위한 다양한 기술에 관한 추가 세부 사항은 예를 들어, 본원에 참조로 인용된 Carbon 129 (2008) 380 - 395에 공개된 "Aptamer-functionalized carbon nanomaterials electrochemical sensors for detecting caner relevant biomolecules"라는 명칭의 문헌에서 찾을 수 있다.
올리고뉴클레오티드, 압타머 또는 올리고뉴클레오티드 또는 압타머로 기능화된 탄소 나노튜브(CNT)를 사용한 금 전극의 기능화는 일부 실시예에서 직접 자가 조립 또는 키토산을 통해 달성될 수 있다.
예를 들어, CNT는 당업계에 공지된 방식으로 산 처리를 통해 카르복실화될 수 있다. CNT의 음으로 하전된 카르복실기는 전극 표면에서 CNT의 직접 자기 조립 및 고정화를 위한 두 가지 접근법을 허용한다: 하나는 커플링 시약의 존재 시에 시스테아민 SAM에 대한 아미노기와 CNT의 카르복실기 반응을 통해 시스테아민 자기 조립 단일층(SAM) 수정된 금 전극에 대한 CNT의 공유 결합이고; 다른 하나는 CNT의 음전하 카르복실기와 전극 표면의 양전하 종 사이의 정전기적 상호 작용을 통해 CNT를 전극 표면에 부착하는 것이다. 금 전극에서 CNT의 자가 조립이 보고되었다.
이러한 접근 방식 중 하나는 성장한 탄소 나노튜브를 짧은 파이프로 절단하고 화학적 방법으로 개방 단부에서 티올 유도체화된다. SWCNT의 정렬된 조립은 Au-S 결합을 통해 금에 대한 자발적 화학 흡착에 의해 달성된다. 이러한 접근 방식은 수직 배향으로 금에 자기 조립된 CNT 단층을 형성할 수 있다. 시스테아민 개질된 금 전극에 CNT를 부착하는 공유 결합 방법과 달리, 정전 흡착을 통해 산 처리된 SWCNT를 시스테아민 개질된 금 전극에 부착하는 방법도 보고되었다. 또한, 나피온(Nafion) 용액을 사용하여 무작위로 분산된 CNT로부터 일반 열분해 흑연(PG) 전극 표면에 정렬된 CNT 어레이를 제조하는 방법도 알려져 있다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 전기화학 분석 셀(400a/400b)은 2개의 서로 맞물린 전극(402a/402b)을 포함하고, 이들 각각은 복수의 전도성 핑거를 갖고, 2개의 전극의 핑거는 서로 맞물린 구조를 형성한다. 전극 중 하나는 전기화학 분석 셀의 작동 전극으로 기능할 수 있고 다른 전극은 상대 전극으로 기능할 수 있다.
임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 2개의 전극의 핑거의 근접성(예를 들어, 2개의 전극의 2개의 인접한 핑거는 예를 들어 약 5미크론 내지 약 1mm 범위의 거리만큼 분리될 수 있지만, 다른 거리도 사용할 수 있음)은 기준 전극이 필요하지 않다. 작동 전극(즉, 작동 전극의 핑거)은 표적 병원체의 하나 이상의 단백질 또는 하나 이상의 RNA/DNA 세그먼트를 검출할 수 있도록 본 명세서에서 논의된 방식으로 직접 또는 복수의 탄소 나노튜브를 통해 기능화될 수 있다. 예를 들어, 도 4a는 작동 전극의 표면에 결합된 복수의 올리고뉴클레오티드 프로브(403)를 개략적으로 도시하고, 도 4b는 본 명세서에서 논의된 방식으로 작동 전극의 표면에 결합된 복수의 압타머 프로브(405)를 개략적으로 도시한다.
일부 실시예에서, 예를 들어 작동 전극 및 이에 따라 작동 전극에 결합된 압타머 및/또는 올리고뉴클레오티드 프로브(504)를 가열하기 위해 본 발명의 교시에 따라 가열 요소가 전기화학 셀에 통합될 수 있다. 예를 들어, 도 5는 하부 기판(501)(예를 들어, 유리, 플라스틱, 또는 다른 적합한 기판) 상에 증착되는 이러한 전기화학 셀의 작동 전극(500)을 개략적으로 도시한다. 저항 요소 형태의 가열 요소(502)는 기판 및 작동 전극을 가열하기 위해 기판(501) 아래에 배치된다. 이 실시예에서, 전기 회로(503)는 가열을 야기하기 위해 저항 필름에 전류를 인가할 수 있다. 이러한 전기 회로는 당업계에 공지된 방식으로, 예를 들어 전류원을 구현함으로써 구현될 수 있다.
예로서, 가열 소자는 약 60℃ 내지 약 65℃ 범위의 온도로 작동 전극을 가열하는데 사용될 수 있다. 임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 일부 실시예에서, 이러한 가열은 예를 들어 프로브의 근접성 및 자연적인 분자 운동으로 인해 얽힌 압타머 및/또는 올리고뉴클레오티드를 유리하게 풀 수 있어, 표적 단백질 및/또는 병원체의 RNA/DNA 세그먼트를 가진 프로브의 용이한 상호작용을 허용한다. 제어 유닛(미도시)은 예를 들어 선택된 기간 동안 가열 요소를 활성화한 후 가열 요소를 비활성화하기 위해 가열 요소의 작동을 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 예를 들어 압타머 또는 올리고뉴클레오티드 프로브로 그들의 전극 중 하나를 기능화하기 위해 상업적 전기화학 센서가 얻어지고 본 교시에 따라 변형될 수 있다. 예로서, 스페인 Ovieda의 Metrohm DropSens에 의해 시판되는 전기화학 센서는 본 발명에 따른 센서의 일부 구현에 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 시스템(600)을 개략적으로 도시한 것으로, 이는 센서(100)와 유사하지만, 예를 들어 중합체 재료(PDMS와 같은)로 형성될 수 있는 파티션에 의해 분리된 2개의 리저버를 포함한다는 점이 다르다. 두 리저버의 상부 개구는 얇은 고분자 층으로 밀봉된다. 예로서, 얇은 중합체 층은 연질 폴리우레탄 또는 다른 적합한 중합체로 형성될 수 있다.
이전 실시예와 유사하게, 시스템(600)은 입/코 부분(604) 및 입/코 부분에 의해 수집된 호흡 샘플을 수용하기 위해 입/코 부분(604)에 연결된 튜브(605)를 포함한다. 시스템(600)은 센서(601)를 더 포함하고, 이는 입-코 부분(604)를 센서(601)와 맞물리도록 튜브(605)의 원위 단부에 결합될 수 있는 근위 단부(603a)를 갖는 도관(603)을 포함한다.
이 실시예에서, 파티션(607c)에 의해 분리된 2개의 리저버(607a/607b)는 챔버(603) 내에 배치된다. 파괴가능 멤브레인(610)(예: 중합체 층)이 2개의 리저버(607a/607b)의 입구를 덮는다. 2개의 리저버(607a/607b)의 출구에는 2개의 플래퍼 밸브(612a/612b)가 배치된다.
이 실시예에서, 2개의 프롱(606a/606b)은 튜브(605)의 원위 단부로부터 연장되며, 각각의 프롱은 호흡 샘플의 일부를 2개의 리저버(607a/607b) 중 하나로 전달하기 위한 도관을 제공한다. 보다 구체적으로, 챔버(603)의 근위 단부와 튜브(605)의 원위 부분의 결합 시, 프롱(606a/606b)의 원위 단부는 리저버(602a/602b)를 밀봉하는 파괴가능 멤브레인(610)의 부분을 천공하여 호흡 샘플의 일부가 리저버(602a)에 저장된 시약과 혼합될 호흡 샘플의 또 다른 부분 및 리저버(602b)에 저장된 시약과 혼합될 수 있다.
예를 들어, 리저버 중 하나(예: 리저버(607a))에는 단백질 검출을 위해 샘플을 처리하기 위한 시약과 함께 바이러스 이송 매체가 저장되고, 다른 리저버(예: 리저버(607b))에는 RNA/DNA 검출을 위해 샘플을 처리하기 위한 시약과 함께 바이러스 이송 매체가 저장된다. 액추에이터(예를 들어, 기계적 액추에이터(이 도면에는 도시되지 않음)를 통한 플래퍼 밸브(612a/612b)의 작동은 리저버(607a/607b)로부터 처리된 샘플이 각각 복수의 감지 유닛(620a 및 620b)으로 전달되도록 하고 여기서 감지 유닛(620a)은 표적 병원체의 하나 이상의 바이러스 단백질의 검출을 위해 본원에서 논의된 방식으로 구성되고 감지 유닛(620b)은 표적 병원체의 하나 이상의 RNA/DNA 세그먼트의 검출을 위해 본원에서 논의된 방식으로 구성된다.
튜브(605)의 원위 단부는 2개의 리저버를 분리하는 파티션을 손상시키지 않고 2개의 리저버를 밀봉하는 파괴가능 멤브레인의 2개 부분을 천공할 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어 원위 단부의 표면 부분(622)은 파티션에 과도한 압력을 가하는 2개의 프롱 사이의 원위 튜브의 표면 부분 없이 밀봉부를 천공함으로써 2개의 리저버에서 2개의 프롱의 침투를 허용하는 오목한 프로파일을 가질 수 있고, 이는 두 리저버를 분리하는 파티션(607c)을 손상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 샘플에 존재하는 경우 표적 병원체의 적어도 하나의 단백질의 검출을 용이하게 하기 위해 수용된 샘플의 일부를 처리하기 위해 챔버(607a)에 저장된 시약은 (1) 0.2%의 최종 농도에서 소듐 도데실 설페이트(SDS); (2) 0.1% - 1% Triton X-100의 최종 농도, 또는 (3) VTM에 0.1% Tween 20을 첨가하여 바이러스를 비활성화하고 표적 바이러스 단백질을 온전하게 유지한다. 이러한 일부 실시예에서, 세포 용해 및 바이러스 핵산(예를 들어, RNA 및/또는 DNA) 안정화 및 검출을 용이하게 하기 위해 샘플을 처리하기 위해 챔버(607b)에 저장된 시약은 구아디닌 이소티오시아네이트(예: 2M 최종 농도))의 첨가에 따라 챔버(607a)에 저장된 시약을 포함할 수 있다.
두 경우 모두 PBS(potassium-buffered saline) 또는 HBSS(Hank's balance salt solution)를 완충액으로 사용할 수 있다. 항미생물제(예: 겐타마이신) 및 항진균제(예: 암포테리신 B)를 리저버의 각 챔버에 임의로 추가할 수 있지만, 많은 경우에 이러한 항미생물제 및 항진균제의 사용은 샘플 수집과 테스트 사이의 시간적 간격이 짧기 때문에 필요하지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 페놀 레드는 샘플의 육안 관찰을 위해, 특히 샘플의 pH를 확인하기 위해 샘플에 첨가될 수 있다(페놀 레드는 중성 또는 염기성 pH에서 분홍색 또는 적색을 나타내고 산성 pH에서 황색으로 전이한다).
단백질 완충액과 RNA/DNA 완충액의 분리는 특정 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에 표적 병원체의 하나 이상의 단백질을 검출하기 위한 샘플을 준비하는 데 효과적인 완충액이 병원체의 RNA 및/또는 DNA에 악영향을 미칠 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 예를 들어, 위에서 언급한 바와 같이, Guanidium Thiocyanate는 용해 및 핵산 안정화 완충액으로서 챔버(607b)의 완충액에 첨가될 수 있다. 그러나 Guanidium Thiocyanate는 단백질 구조를 파괴할 수 있다. 따라서, 단백질 검출 및 RNA/DNA 검출을 위한 샘플을 준비하기 위한 시약을 2개의 개별 챔버로 분리/격리하면 샘플 처리의 다른 유형을 처리하는 한 유형의 샘플에 적합한 시약이 다른 유형의 샘플 처리에 대한 역효과 가능성을 완화하고 바람직하게는 제거한다.
또한 두 개의 서로 다른 완충액을 사용하면 보다 일관된 테스트 결과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 검사 결과는 표적 RNA/DNA 세그먼트의 존재는 나타내지만 표적 단백질이 없는 경우도 나타내고, 이는 표적 단백질에 대한 완충액의 악영향이 비정상적인 결과를 초래했을 가능성을 제거할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 교시에 따른 센서의 하나 이상의 감지 유닛은 병원체에 의한 감염에 반응하여 개인에 의해 생성된 하나 이상의 항체(예를 들어, IgG, IgA 및/또는 IgM 항체)를 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 이러한 실시예에서, IgG, IgA 및/또는 IgM 항체가 특이적 결합을 나타내는 바이러스 단백질은 전기화학 분석 셀의 작동 전극을 기능화하는 데 사용될 수 있다. 그런 다음 이러한 감지 유닛을 사용하여 개인의 혈청에서 IgG, IgA 및/또는 IgM 항체를 검출할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 교시에 따른 센서는 다중 감지 유닛을 포함할 수 있으며, 하나 이상의 감지 유닛은 표적 병원체와 관련된 하나 이상의 단백질을 검출하도록 구성되고, 하나 이상의 감지 유닛은 하나 이상의 병원체와 관련된 하나 이상의 RNA/DNA를 검출하도록 구성되고, 하나 이상의 감지 장치는 해당 병원체에 의해 유발된 감염에 대한 반응으로 환자의 면역 체계에 의해 생성된 하나 이상의 항체(예: IgG, IgA 및/또는 IgM 항체)를 감지하도록 구성된다.
관련된 양태에서, 위에서 논의된 것과 같은 본 교시에 따른 센서는 호흡 샘플의 수집을 위해 구성된 다른 샘플 수집 장치와 함께 사용될 수 있다. 이러한 샘플 수집 장치는 타액 및 비인두 샘플을 수집하기 위한 장치를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 이러한 방식으로 수집된 샘플은 본 교시에 따라 센서로 전달될 수 있다. 예로서, 이러한 샘플은 도 6에 도시된 센서(601)로 도입될 수 있다. 더 구체적으로, 샘플의 일부는 챔버(607a)로 도입될 수 있고 샘플의 다른 부분은 챔버(607b)로 도입될 수 있으며 센서는 표적 병원체와 관련된 하나 이상의 단백질 및/또는 표적 병원체와 관련된 더 많은 RNA 및/또는 DNA 세그먼트가 샘플에 존재하는지를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
예를 들면, 도 7은 타액 샘플을 수집하기 위한 샘플 수집 장치(700)를 개략적으로 도시한다. 샘플 수집 장치(700)는 그 근위 단부에서 튜브(704)에 연결된 마우스부분(702)를 포함한다. 튜브(704)는 위에서 논의된 센서(200)(예를 들어, 도 1a 참조)와 같은 본 발명에 따른 센서와 원위 단부에서 맞물릴 수 있다. 튜브(704)의 원위 부분에 배치된 O-링(705)은 수집 장치(700)와 센서 사이에 밀봉부를 제공하기 위해 센서의 입구 부근에 제공된 요홈과 맞물릴 수 있다.
이전 실시예와 유사하게, 센서와 샘플 수집 장치(700)의 맞물림은 샘플 처리 시약이 저장되는 하나(보다 일반적으로 두 개)의 리저버와 관련된 밀봉의 천공을 초래한다. 그런 다음 사용자는 마우스부분에 침을 뱉을 수 있고 샐비어는 튜브(704)를 통해 센서로 흐를 것입니다. 이 실시예에서, 샘플 수집 장치(700)는 선택적으로 밸브(706)를 포함할 수 있으며, 여기에 주사기(미도시)가 연결되어 액체(예: 식염수)를 튜브에 넣어 타액이 센서로 쉽게 전달되도록 한다.
다른 실시예에서, 본 교시에 따른 센서는 하나 이상의 표적 병원체의 존재에 대해 환경 샘플(예를 들어, 공기 및/또는 물 샘플)을 테스트하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 샘플은 공지된 수집 기술을 사용하여 수집될 수 있고, 이어서 샘플이 하나 이상의 표적 병원체를 포함하는지 여부를 결정하기 위해 상기 센서(100)와 같은 본 발명에 따른 센서에 도입될 수 있다. 경우에 따라 이러한 테스트는 환경 "핫 스팟"을 식별 및/또는 감시하는 데 사용할 수 있다.
다른 실시예에서, 본 교시에 따른 센서는 혈액에서 하나 이상의 표적 병원체를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 본 교시에 따른 센서는 검출 또는 바이러스의 적어도 하나의 단백질 및 적어도 하나의 RNA 세그먼트를 통해 HIV(인간 면역결핍 바이러스)를 검출하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 표적 병원체의 하나 이상의 RNA/DNA 서열을 검출하기 위해 하나 이상의 올리고뉴클레오티드 프로브로 기능화를 통해 구성된 감지 유닛은 병원체의 표적 RNA/DNA 세그먼트의 프로브 서열 사이에 완전한 상보성이 없는 경우에도 검출 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 이러한 감지 유닛은 단일 뉴클레오티드 다형성(SNP)이 관심 표적 RNA/DNA 세그먼트에 존재할 때 검출 신호를 생성할 수 있다.
도 8a는 실시예에 따른 분석기(800)를 개략적으로 도시하며, 이는 본 교시에 따라 센서로부터 데이터를 수용하고 그 데이터를 처리하여 표적 병원체가 샘플에 존재하는지 여부를 표시할 수 있다. 예를 들어, 센서의 적어도 하나의 단백질 검출 감지 유닛이 샘플 내 표적 병원체의 적어도 하나의 단백질의 존재를 나타내고, 센서의 적어도 하나의 RNA/DNA 검출 감지 유닛이 적어도 하나의 존재를 나타낼 때, 하나의 RNA 및/또는 DNA 세그먼트가 표적 병원체와 연관되어 있는 경우, 분석기는 예를 들어 텍스트 및/또는 그래픽 수단을 통해 표적 병원체가 샘플에 존재한다는 표시를 제공할 수 있다. 분석기는 또한 표적 병원체가 연구 중인 샘플에 존재한다는 것을 나타내기 위해 다른 기준, 예를 들어 더 엄격한 기준을 사용할 수 있다. 예를 들어, 분석기는 샘플에서 적어도 하나의 단백질과 적어도 2개의 RNA 및/또는 DNA 세그먼트가 발견될 때 샘플에서 병원체의 존재를 나타내도록 구성될 수 있다.
예로서, 분석기(800)는 테스트 결과가 양성인지(즉, 표적 병원체가 샘플에 존재함), 음성인지(즉, 표적 병원체가 샘플에 존재하지 않음), 또는 테스트 결과가 결정적이지 않은 것을 나타낸다. 음성 표시는 하나 이상의 표적 단백질 및 하나 이상의 표적 RNA/DNA 서열 중 어느 것도 검출되지 않을 때 제공될 수 있다. 예를 들어, 임의의 표적 RNA/DNA 세그먼트의 검출 없이 적어도 하나의 표적 단백질이 검출될 때, 또는 그 반대의 경우에 결정적이지 않은 표시가 제공될 수 있다.
분석기(800)는 본 교시에 의해 알려진 당업계에 공지된 방식으로 하드웨어, 소프트웨어 및/또는 펌웨어로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 8b는 프로세서(802), 적어도 하나의 랜덤 액세스 메모리 모듈(RAM)(804), 적어도 하나의 영구 메모리 모듈(ROM)(806), 통신 모듈(808)(예를 들어, 알려진 프로토콜 중 하나 사용하는 무선 통신 모듈)을 포함하는 분석기의 이러한 구현을 개략적으로 도시한다. 프로세서(802)는 통신 버스(803)를 통해 분석기의 다른 구성요소와 통신할 수 있다. 센서로부터 수용된 데이터를 분석하기 위한 명령은 ROM 모듈(804)에 저장될 수 있고 실행을 위해 프로세서에 의해 RAM 모듈(806)로 전송될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 교시에 따른 센서의 적어도 하나의 감지 유닛은 음성 제어를 제공하도록 구성된다. 예를 들어, 하나의 감지 유닛은 액틴 단백질을 검출하기 위해 압타머로 기능화될 수 있다.
일반성의 손실 없이, 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 시스템은 샘플에서 SARS-CoV-2 바이러스를 검출하도록 구성될 수 있다. SARS-CoV-2 바이러스는 Spike(S), Nucleocapsid(N), Envelope(E), Membrane(M) 단백질을 포함한 여러 구조 단백질을 가지고 있다. 여러 연구에서 N 단백질이 우수한 진단 바이오마커임을 입증했다. 예를 들어, SARS-CoV-2가 발병하는 동안 혈액, 비인두 흡인액, 소변 및 대변 샘플을 포함한 다양한 환자 샘플에서 N 단백질이 매우 일찍, 빠르면 1일차에 검출될 수 있음이 입증되었다. 또한 N-단백질 검출이 90% 양성의 매우 높은 감도를 달성할 수 있음이 입증되었다.
또한, S 단백질의 수용체 결합 도메인(RBD)은 또 다른 주요 진단 표적으로 고려된다. SARS-CoV2는 S 단백질의 (RBD)를 통해 안지오텐신 전환 효소(II)(ACE2)를 사용하여 인간 호흡기 상피 세포를 감염시킨다.
예로서, 이러한 시스템은 전기화학 분석 세포의 작동 전극에 대한 올리고뉴클레오티드의 결합을 통해 바이러스의 하나 이상의 RNA 서열(들)을 검출하도록 구성된 하나 이상의 센서 및 하나 이상의 센서 및 하나 이상의 바이러스 단백질을 검출하기 위해 압타머를 전기화학 분석 셀의 작동 전극에 연결하여 구성된다.
일부 실시예에서, 헤어핀과 같은 핵산 세그먼트(예를 들어, RNA 세그먼트)의 2차 구조는 예를 들어 이론적으로 당업계에 공지된 기술을 사용하여 결정될 수 있어, 노출되는 뉴클레오티드를 식별할 수 있고 해당 핵산 세그먼트의 식별에 사용된다.
예로서, 본 교시의 일부 실시예에서, 접근 가능한 영역을 포함하는 코로나바이러스의 RNA 게놈에서 표적 서열을 확인하기 위해, SUNY Albany의 Markham 및 Zuker에 의해 개발되고 Integrated DNA Technology에 의해 허가된 UNAFold 소프트웨어는 헤어핀 및 이차 구조를 식별하고 방지하기 위해 사용된다.
예를 들어, 도 17에 도시된 표에 열거된 프라이머는 SARS-CoV-2 바이러스용 Spike, Nucleocapsid, M 단백질 및 ORF1ab용으로 설계되었으며 지정된 유전자와 100% 동일성을 보여주고 OC43, 229E, NL63, MERS 및 SARS1 코로나바이러스뿐만 아니라 인간 게놈 대한 특이성을 갖는다. 프라이머의 구아닌-시토신(GC) 함량은 헤어핀 및 자가 결합을 피하기 위해 GC가 고르게 분포되도록 하는 것으로 간주되었다. 이 예에서 프라이머는 RT-37 C에서 높은 친화력으로 결합하도록 최적화되었다. 이러한 프라이머는 최대 3개의 핵산 변화가 있는 상보적 서열을 감지할 수 있으므로 잠재적으로 SARS-CoV-2의 가까운 변이체를 감지할 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 엑소뉴클레아제 및 엔도뉴클레아제에 의한 프라이머의 핵산 분해를 최소화하기 위해 변형된 핵산은 프라이머 디자인에 사용할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, (A) 엔도뉴클레아제에 대해 안정한 프라이머를 만들기 위해 2' O-메틸 화학적 변형이 이용될 수 있고; (B) 3' 포스포로티오에이트 결합은 엑소뉴클레아제 분해를 차단하는 데 사용된다.
상기 언급된 바와 같이, 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 센서는 코로나바이러스의 고도로 상동성인 영역, 예를 들어, 고도로 상동성인 영역을 나타내는 단백질을 검출하도록 구성된다.
상동성이 높은 영역에 대해서는 샘플의 조사에 응답하여 이러한 센서에 의해 양성 검출 신호를 생성하지만 상이한 코로나바이러스의 상이한 패밀리 부재 사이에 이러한 높은 상동성을 나타내지 않는 복수의 다른 영역 중 일부 또는 전부에 대해서는 음성 검출 신호를 생성하여 코로나바이러스의 신생 변이체(즉, 새로운 변이체)을 포함할 가능성이 있다는 결론에 이를 수 있다. 다른 병원체(예: 다른 바이러스)의 출현 변이체를 탐지하기 위해 유사한 접근 방식을 사용할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 발명에 따른 바이오센서의 기능을 검증하기 위해, 합성 비감염성 RNA 게놈은 살아있는 바이러스에 대한 대안으로서 그리고 바이러스 서열을 포함하는 플라스미드에 대한 대안으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, SARS-CoV-2 고유 서열을 검출하도록 설계된 바이오센서의 결합 및 선택성은 합성 비감염성 SARS-CoV-2 RNA를 사용하여 검증할 수 있다. RNA 게놈이 포함된 플라스미드와 비교할 때, 본 교시에 따라 바이오센서를 검증하기 위한 합성 RNA 게놈의 사용은 각각의 바이러스 RNA 세그먼트와 관련된 2차 구조 및 헤어핀을 포함하는 이점을 가지며, 이에 따라 바이오센서 및 인식 요소만이 접근가능 영역에 결합되도록 선택될 수 있다. 또한 천연 게놈 RNA와 비교할 때 이러한 합성 RNA는 비감염성이다.
일부 실시예에서, 5' ThioMc6-D와 같은 링커는 S-S 결합을 통해 감지 유닛(예를 들어, 앞서 언급한 전기화학 셀)의 전극(또는 다른 표면)에 프라이머를 결합하기 위해 이러한 프라이머의 3' 또는 5' 단부에 추가될 수 있다.
추가 예시로서, 도 18은 SARS-CoV-2 바이러스의 Nucleocapsid 및/또는 Spike 단백질을 검출하기 위한 압타머의 예의 서열을 제시한다.
병원체의 적어도 하나의 단백질 및/또는 적어도 하나의 유전자 구성요소의 다중 검출을 제공할 수 있는 본 교시에 따른 시스템은 다양한 상이한 생물학적 시편에서 병원체를 검출하기 위한 다양한 상이한 방식으로 구현될 수 있다.
도 19a 내지 19d는 카트리지 프레임을 집합적으로 형성하도록 조립되는 3개의 층(4002(하부 층), 4003(중간 층) 및 4004(상부 층))을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 일회용 카트리지(4000)를 도시한다. 이 실시예에서, 상부 및 하부 층은 광학적으로 투명한 재료, 예를 들어 유리 또는 광학적으로 투명한 중합체 재료로 형성된다. 상부 층이 유리로 형성되는 일부 실시예에서, 유리의 내부 표면은 분석 하에서 샘플의 적어도 일부와 접촉할 수 있는 내부 유리 표면의 영역에서 중합체 코팅(예를 들어, PDMS의 코팅)으로 코팅될 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, 상부 유리 층의 전체 내부 코팅은 적합한 중합체 코팅층으로 코팅될 수 있다. 예를 들면, 도 19b는 상부 유리 층(4004)의 내부 층을 코팅하는 PDMS층(4023)을 도시한다. 이는 중간 층에 제공된 다양한 리저버(웰)에 배치된 샘플 및/또는 처리 완충액의 직접적인 접촉을 억제할 수 있다.
이 실시예에서, 중간 층은 중합체 재료, 예를 들어 PDMS로 형성되며, 여기에 웰(리저버, 챔버) 및 마이크로유체 채널이 형성되며, 이는 아래에서 더 자세히 논의된다.
상기 3개의 층은 본 교시에 의해 알려진 바와 같이 당업계에 공지된 제조 기술을 사용하여 조립될 수 있다. 예로서, 위에서 언급한 바와 같이, PDMS의 얇은 층은 예를 들어 액체 중합체 캐스트를 통해 상부 유리 층의 내부 표면 상에 증착될 수 있고, 이어서 중합체 층이 2개의 유리 층 사이에 끼워질 수 있다.
이 실시예에서, 중간 층은 입구 포트(4007)를 통해 분석용 샘플을 수용할 수 있는 샘플 수용 웰(4005)을 포함한다. 카트리지(4000)는 다양한 생물학적 샘플의 분석을 위해 구성될 수 있다. 일반적으로 카트리지(4000)는 액체 생검 샘플의 진단 분석을 위해 구성될 수 있다. 카트리지(4000)를 사용하여 분석할 수 있는 샘플의 일부 예는 혈액 및 타액이 포함되나 이에 제한되지 않는다.
카트리지(4000)는 2개의 웰(리저버)(4008/4009)을 추가로 포함하며, 그 중 하나에는 수용된 샘플에 존재할 때 표적 병원체의 하나 이상의 표적 유전자 구성요소를 검출하기 위해 수용된 샘플의 일부를 처리(준비)하기 위한 완충액이 저장되고(본원에서는 간단히 "유전자 완충액"라고 함) 다른 하나에는 표적 병원체의 하나 이상의 표적 단백질을 검출하기 위해 수용된 샘플의 다른 부분을 처리(준비)하기 위한 완충액이 저장된다(본원에서는 간단히 "단백질 완충액"이라고 함). 설명을 쉽게 하기 위해, 본 실시예에서 웰(4008)은 유전자 완충액을 저장하고 웰(4009)은 단백질 완충액을 저장한다고 가정한다.
유체 채널(4011a)은 샘플 수용 웰(4005)을 완충액 웰(4008)에 유동적으로 연결하고 다른 유체 채널(4011b)은 샘플 수용 웰을 완충액 웰(4009)에 유동적으로 연결한다. 차단 밸브(4013)는 역류를 억제한다.
리저버(4008/4009)에 수용된 샘플 부분은 각각 유전자 및 단백질 완충액과 접촉하게 된다. 특히 도 19a 및 19c에 도시된 바와 같이, 이 실시예에서 완충액 리저버(4008)는 유전자 완충액이 저장되는 블리스터 파우치(blister pouch)(4015)의 형태이다. 블리스터 파우치(4015)는 완충액이 저장되는 인클로저를 형성하는 가요성 멤브레인(4015a)을 포함한다. 분리 멤브레인(4015b)은 내부 천공 암(4015c) 위의 블리스터 파우치 내에 배치된다. 블리스터 파우치는 파우치 내에 저장된 액체가 가요성 멤브레인(4015a)을 누름으로써 방출되게 하여 블리스터 인클로저 내의 액체 압력의 증가가 분리 멤브레인(4015b)에 의해 가해진 압력을 통하여 내부 천공 암의 찌그러짐을 야기할 수 있고, 액체는 파우치로부터 분리된다.
이 실시예에서, 블리스터 파우치(4015)에 결합되고 제어기(1a)를 통해 제어되는 공압 제어식 밸브(1)는 블리스터 파우치(4015)로부터 방출된 액체를 표적 병원체가 대상으로부터 수집된 샘플 내에 존재할 때 표적 병원체와 연계된 블리스터 파우치로부터 방출된 액체 내의 유전자 구성요소(DNA/RNA)을 증폭하기 위한 하류 증폭 리저버(웰)(4016)로 용이하게 전달한다. 유전자 구성요소의 증폭은 다양한 상이한 증폭 방식을 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 등온 증폭 방법이 사용될 수 있는 반면, 다른 증폭 방법에서는 온도 사이클링을 필요로 하는 증폭 방법이 사용될 수 있다.
예로서, 이 실시예에서, 증폭 웰(4016)은 표적 병원체가 샘플에 존재할 때 표적 병원체로부터 추출된 DNA/RNA의 등온 증폭을 수행하기에 적합한 하나 이상의 시약(예: 프라이머)을 함유할 수 있다. 예로서, 완충액 리저버에 함유된 유전자 완충액은 다른 시약 중에서 표적 병원체의 하나 이상의 RNA/DNA 세그먼트를 방출하기 위해 표적 병원체를 용해시키기 위한 시약을 포함할 수 있다. 그런 다음 이러한 RNA/DNA 세그먼트는 증폭 웰에서 등온 증폭을 겪을 수 있다.
특히 도 19d를 참조하면, 이 실시예에서, 증폭 웰(4015)에 수용된 샘플의 온도를 제어하기 위해 카트리지에 통합된 펠티에 장치 및 관련 서미스터(5002) 형태의 가열/냉각 요소(5000)가 제공된다. 예를 들어, 펠티에 장치와 서미스터(Peltier 장치에 통합될 수 있음)는 증폭 웰(리저버) 아래에 있는 카트리지의 바닥 층에 열적으로 접합될 수 있다.
이 실시예에서, 복수의 전기 접촉 패드(5004)는 펠티에 장치와 서미스터를 카트리지(4000)를 수용하도록 구성된 콘솔에 제공된 열전기 제어기(TEC)(5006)에 전기적으로 연결할 수 있게 하며, 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명한다.
보다 구체적으로, 카트리지(4000)를 콘솔에 삽입하면 복수의 이동 가능한 스프링 바이어스 전극(5008)(로드 모양)이 펠티에 장치를 PID 제어기에 전기적으로 연결할 수 있으며 제어기가 서미스터에서 온도 판독을 수용할 수 있도록 한다. 이 실시예에서, PID 제어기로 구현될 수 있는 제어기(5006)는 펠티에 장치에 전력을 제공하고 공급된 전력을 조절하여 증폭 웰(4016) 내의 샘플 온도가 원하는 온도(예: 등온 증폭의 경우) 또는 둘 이상의 온도 사이에서 순환된다(예: PCR 증폭의 경우).
제어기는 증폭 웰 내 액체의 측정된 온도를 나타내는 서미스터로부터 신호를 수용하고 해당 온도를 원하는 값(또는 범위)과 비교할 수 있으며 해당 비교를 기반으로 펠티에 장치에 공급되는 전력을 조정할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기는 예를 들어 장치가 가열 및 냉각 사이클 및/또는 상이한 가열 사이클을 제공하도록 펠티에 장치를 제어함으로써 2개 이상의 온도 사이에서 증폭 웰 내의 액체의 온도를 순환하도록 프로그래밍될 수 있다.
유전자 구성요소가 있다면 증폭이 완료된 후, 공압 제어식 밸브(2)는 관련 제어기(2a)를 통해 활성화되어 증폭된 샘플을 구불구불한 채널로 구현된 혼합 요소(4014)를 통한 통로를 통해 센서 뱅크(4020), 이들 각각은 표적 병원체의 상이한 유전자 구성요소(예를 들어, 표적 병원체의 상이한 RNA 및/또는 DNA 세그먼트)를 검출하도록 구성된다. 혼합 요소(4014)를 통한 샘플의 통과는 표적 유전자 구성요소(존재하는 경우)의 검출을 위한 샘플의 준비를 더욱 용이하게 한다. 설명을 쉽게 하기 위해, 혼합 요소를 빠져나가는 액체를 여기서는 처리된 샘플이라고 지칭된다.
보다 구체적으로, 이 실시예에서, 검출 요소(4020)의 뱅크는 4개의 센서(4020a, 4020b, 4020c 및 4020d)를 포함하고, 이들 각각은 특정 유전자와 연관된 상이한 표적 유전자 구성요소(예를 들어, RNA 및/또는 DNA 가닥)를 검출하도록 구성된다. 예로서, 일부 실시예에서, 각각의 검출 요소(4020)는 위에서 논의된 방식으로 표적 유전자 구성요소(즉, 표적 올리고뉴클레오티드)의 검출을 위해 기능화된 전기화학 센서로서 구현될 수 있다.
특히 도 19A를 참조하면, 이 실시예에서, 단백질 완충액 리저버(4009)는 유체 채널(4011b)을 통해 개인으로부터 수집된 샘플의 일부를 수용하기 위해 샘플 수용 리저버(4005)에 유동적으로 연결된다. 수용된 샘플 부분과 단백질 완충액의 상호 작용은 대상으로부터 수집된 샘플에 존재할 때 표적 병원체와 관련된 복수의 단백질을 검출하기 위해 검출기(4021)의 뱅크에 도입하기에 적합한 처리된 샘플을 생성할 수 있다. 보다 구체적으로, 이 실시예에서, 검출 요소(4021)의 뱅크는 4개의 센서(4021a, 4021b, 4021c 및 4021d)를 포함하고, 이들 각각은 관심 병원체와 관련된 상이한 표적 단백질을 검출하도록 구성된다. 예를 들어, 이 실시예에서, 각각의 검출 요소는 위에서 논의된 방식으로 상이한 표적 단백질의 검출을 위해 기능화된 전기화학 센서로서 구현될 수 있다.
상기 카트리지(4000)는 증폭 웰을 포함하지만, 본 발명에 따른 다른 카트리지는 생물학적 시편에서 검출하기 위해 표적 병원체의 유전자 구성요소의 증폭에 의존하지 않을 수 있다. 예를 들어, 일부 이러한 카트리지는 샘플에 존재할 때 표적 병원체와 관련된 하나 이상의 유전자 구성요소의 증폭을 수행하기 위한 위에서 논의된 것과 같은 증폭 웰(4016) 및 관련 장치 및 회로가 없을 수 있다.
다른 실시예에서, 전기화학 검출에 더하여 또는 그 대신에 하나 이상의 검출 요소가 표적 단백질 및/또는 유전자 구성요소의 광학적 검출을 위해 구성될 수 있다. 예시로서, 도 20은 본 교시에 따른 일회용 카세트의 실시예(6000)를 도시하며, 이는 샘플에 존재할 때 하나 이상의 표적 병원체의 검출을 위해 처리된 샘플을 조사하기 위한 광학 기술을 사용한다. 예를 들어, 아래에서 추가로 설명되고 카트리지(6000)가 삽입될 수 있는 콘솔(여기서는 판독기라고도 함)에 위치한 광원(6002)(예: 레이저 다이오드)은 하나 이상의 웰(예를 들어, 검출 요소(4020 및/또는 4021)는 각각이 광학적으로 조사될 수 있는 처리된 샘플을 수용할 수 있는 웰로 대체될 수 있음). 내에 수용된 샘플을 조명할 수 있다.
이 예에서, 광원(6002)은 카트리지의 하부 투명 층(6001) 아래에 위치하여 샘플을 조명하고 검출기(6004)는 상부 투명층(6005) 위에 위치하여 중간 중합체 층(6003)에 제공된 하나 이상의 웰을 통과하는 방사선의 적어도 일부를 수용한다. 예로서, 일부 실시예에서,
샘플은 예를 들어 완충액 리저버에 라만 태그를 제공함으로써, 관심 있는 병원체의 표적 단백질에 라만 태그를 부착하기 위해 처리될 수 있고, 방사선 소스(6002)는 태그의 여기 라만 모드(들)에 적합한 파장을 갖는 방사선을 생성하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 검출기(6004)는 임의의 스톡스(Stokes) 및/또는 반-스톡스 라만 산란 방사선을 검출할 수 있다. 형광, 흡수와 같은 표적 단백질 및/또는 표적 유전자 구성요소의 광학적 검출의 다른 방식도 사용될 수 있다. 용어 "광학 방사선"은 UV(예를 들어, 약 200nm)에서 전자기 스펙트럼의 적외선 부분까지의 범위에 있는 파장을 갖는 방사선을 지칭하기 위해 본 명세서에서 광범위하게 사용된다.
도 19b에 도시된 바와 같이, 카트리지(4000)는 백그라운드 기준 웰(4025)을 추가로 포함하며, 이는 샘플 웰의 통과 이후 검출된 광학 방사선의 분석을 위해 기준선을 얻도록 하부 및 상부 유리 층을 통과하는 광학 방사선의 효과를 얻도록 사용된다.
도 21a 내지 21c에 도시된 바와 같이, 본 교시에 따른 병원체 검출 시스템은 일회용 카트리지(예를 들어, 도면에 도시된 카트리지(4000))에 더하여, 하나 이상의 표적 병원체가 수집된 생물학적 시편에 존재하는지를 결정하기 위해 필요한 다른 기능을 수행하고 및/또는 카트리지 내의 통합된 센서에 의해 생성된 신호를 분석하고 수신하여 및/또는 처리하고, 전술된 바와 같이 대상으로부터 수집된 샘플을 심문하기 위해(interrogate) 카트리지를 수용할 수 있는 콘솔(리더)(7000)을 포함한다. 이러한 기능은, 예를 들어, 본 교시에 의해 알려진 당업계에 공지된 기술을 사용하여 이전 실시예와 관련하여 위에서 논의된 방식으로 구현될 수 있다. 이 실시예에서, 콘솔(7000)은 카트리지가 삽입될 수 있는 리셉터클(7002)을 포함한다.
특히 도 21b 및 21c에 도시된 바와 같이, 사용시 생물학적 시편(예를 들어, 타액 샘플)은 대상으로부터 수집될 수 있으며 카트리지의 입구 포트를 통해 본 교시에 따라 카트리지(예를 들어, 상기 카트리지 중 임의의 것)에 도입될 수 있다. 그런 다음 카트리지는 콘솔(7000)에 삽입될 수 있다. 콘솔(7000)은 예를 들어 미리 정의된 임시 일정에 따라 카트리지에 통합된 다양한 밸브, 펌프 등을 작동하기 위한 메커니즘을 포함하여 수용된 샘플을 위에서 논의된 방식으로 처리할 수 있다. 콘솔은 또한 카트리지 및/또는 콘솔에 통합된 다양한 센서를 통해 수용된 데이터를 분석하여 대상 병원체가 시스템과 관련된 LOD(검출 한계) 이상으로 수집된 생물학적 시편에 존재하는지 여부를 결정하도록 프로그래밍할 수 있다.
예를 들어, 상기 실시예와 유사하게, 일부 경우에, 본 교시에 따른 시스템이 표적 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질 및 적어도 하나의 유전자 구성요소를 검출하는 경우, 시스템은 샘플에서 표적 병원체의 존재를 확인할 것이다. 표적 병원체의 존재를 확인하기 위한 다른 알고리즘이 센서에 의해 생성된 신호를 기반으로 사용될 수도 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 하나의 이러한 알고리즘은 수집된 샘플에서 표적 병원체의 존재를 확인하기 위해 표적 병원체와 관련된 복수의 단백질 및 유전자 구성요소가 검출되는 것을 요구할 수 있다.
제어기는 예를 들어 미리 정의된 순서에 따라 카트리지의 다양한 펌프 및 밸브를 작동할 수 있는 소프트웨어/펌웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 공압식 플런저는 블리스터 파우치를 천공하여 완충액을 증폭 웰에 도입할 수 있다. 그리고 가열/냉각 요소는 샘플의 하나 이상의 유전자 구성 요소의 증폭을 제공하도록 작동될 수 있다. 사전 정의된 증폭 사이클(예를 들어, 10 사이클) 후, 밸브(2)는 제어기를 통해 작동되어 증폭된 샘플을 센서(4020)의 뱅크로 도입할 수 있다. 밸브 및 펌프의 이러한 순차적인 활성화/작동에 대한 명령은 메모리 모듈 내에 저장될 수 있고 필수 작업을 수행하기 위해 프로세서를 통해 런타임 중에 액세스할 수 있다.
도 22를 참조하면, 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 또 다른 카트리지(8000)는 3개의 층(8002, 8004 및 8006)을 사용하여 구현될 수 있으며, 여기서 상부 및 하부 층은 유리(예를 들어, 코팅된 유리)와 같은 광학적으로 투명한 재료(예를 들어, 적합한 중합체로 코팅된 유리)로 형성되고, 중간 층은 적합한 중합체 물질(예를 들어, PDMS)로 형성된다. 이전 실시예와 유사하게, 카트리지(8000)는 생물학적 시편을 샘플 수용 리저버(8005)로 도입하기 위한 입구와 유전자 완충액 및 단백질 완충액을 각각 포함하는 두 개의 완충액 리저버(8008/8010)를 포함한다. 이전 실시예와 달리, 이 카트리지에서는 수집된 샘플이 완충액 리저버로 직접 전달되지 않는다. 오히려, 카트리지(8000)는 수집된 샘플의 일부를 수용하기 위해 샘플 수용 리저버(8005)와 유체 연통하는 두 개의 샘플 처리 웰(8012/8014)을 포함한다.
샘플 처리 웰(8012)은 유전자 완충액 리저버(8008)와 유체 연통하는 반면, 샘플 처리 웰(8014)은 완충액 리저버(8010)와 유체 연통한다. 다양한 밸브 및 펌프(예: 위에서 논의한 것과 같은)는 각각의 웰/리저버로부터 샘플 및 완충액의 방출을 조절할 수 있으며 샘플 처리 웰(8012/8014)로 도입되는 샘플 부분과 상호 작용하기 위해 샘플 처리 웰(8012/8014)로의 도입을 용이하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 샘플-처리 웰의 사용은 유리하게는 임의의 완충액 리저버에 더 큰 부피의 완충액을 저장하는 것을 허용할 수 있다.
이전 실시예와 유사하게, 카트리지(8000)는 센서(8016/8018)의 2개 뱅크를 포함하며, 여기서 센서(8016)는 표적 병원체의 하나 이상의 단백질 및/또는 복수의 상이한 표적 병원체와 관련된 단백질을 검출하도록 구성되고 센서(8018)는 표적 병원체의 하나 이상의 유전자 구성요소 및/또는 복수의 상이한 표적 병원체와 관련된 유전자 구성요소를 검출하도록 구성된다. 샘플 처리 웰(8012 및 8014)은 각각 믹서(8020/8022)와 유체 연통하며, 이는 센서로 전달하기 위해 샘플 처리 웰로부터 배출된 처리된 샘플의 혼합을 유발한다. 한 쌍의 밸브(8026/8028)는 각각 샘플 처리 웰(8012/8014)로부터 처리된 샘플의 방출을 조절한다.
일부 실시예에서, 병원체가 생물학적 시편에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 병원체의 하나 이상의 구성요소(예를 들어, 단백질 및/또는 유전자 구성요소)를 검출하는 것 이외에 또는 그 대신에, 본 교시에 따라 시스템에 통합된 하나 이상의 센서가 센서의 검출 한계(LOD)보다 높은 수준으로 샘플에 존재할 때 온전한 병원체를 검출하도록 구성될 수 있다. 예로서, 이러한 센서는 표적 병원체에 대한 특이적 결합을 나타내는 항체(또는 다른 적합한 친화성 결합 요소)로 기능화된 작동 전극을 갖는 전기화학 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 코로나바이러스와 같은 일부 병원체는 표면을 코팅하는 많은 스파이크 단백질을 가지고 있어 바이러스 전체가 스파이크에 대한 친화성 결합 요소(즉, 특정 항체, 모노바디, 나노바디)에 의해 포획될 수 있다. 추가 예시로서, 이러한 전기화학 센서는 위상 디스플레이 기술을 통해 생성된 모노바디로 기능화되어 관심 병원체에 대한 특이적 결합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 위에서 논의한 바와 같이, 그 전체가 본원에 참조로 인용된 nature Biotechnology (doi: 10.1016/j.nbt)에 개시된 "Directed evolution of potent neutralizing nanobodies against SARS-CoV-2 using CDR-swapping mutagenesis"라는 명칭의 논문에서 기재된 모노바디가 제시된다.
응급 병원체의 검출
한 양태에서, 본 교시는 예를 들어 새로운 형태의 SARS-CoV 바이러스와 같은 신생한 병원체를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 교시에 따라 조사 중인 샘플이 SARS-CoV의 알려진 변이체와 관련된 하나 이상의 단백질을 포함하지만 이러한 바이러스와 관련된 표적 RNA 서열은 전혀 포함하지 않는 경우, 샘플이 SARS-CoV 바이러스의 새로운 변이체를 포함할 가능성이 있다고 결론을 내릴 수 있다. 예를 들어, 코로나바이러스의 비구조 단백질(nsps)은 코로나바이러스 수명 주기와 다른 신흥 RNA 바이러스의 수명 주기에서 고도로 보존된 구성 요소이다. nsp12로도 알려진 RNA 의존성 RNA 중합효소(RdRP)는 바이러스 RNA 게놈을 복제하고 바이러스 RNA 전사체를 생성한다. RdRp는 바이러스 기능에 필수적이며 바이러스에 고유하고 호스트에 존재하지 않으므로 교차 반응성을 나타내지 않는다. SARS-CoV 바이러스의 RdRp 간의 높은 상동성으로 인해 이러한 단백질의 검출은 이 바이러스 계열에 바이러스가 존재함을 나타낸다. 그러나 알려진 SARS-CoV 바이러스와 관련된 하나 이상의 구조 단백질 및 고유한 RNA 세그먼트가 없다는 것은 탐지된 바이러스가 SARS-CoV 계열의 새로운 변이체라는 표시일 수 있다. 즉, 알려진 SARS-CoV 바이러스와 관련된 고유한 RNA 세그먼트의 검출 부족과 결합된 RdPP 검출은 샘플이 신생 SARS-CoV 변이체를 포함할 가능성이 있음을 나타낼 수 있다.
병원체와 관련된 단일 RNA/DNA 세그먼트의 존재를 나타내는 신호의 검출 없이 병원체(예를 들어, 바이러스)와 관련된 하나 이상의 단백질의 검출은 그 과에서 신생 병원체의 검출보다는 실제로 그 병원체의 돌연변이 형태의 검출을 나타낼 수 있다. 그러나 해당 병원체와 관련된 두 개 이상의 RNA/DNA 세그먼트에 해당하는 신호를 감지하지 않고 병원체와 관련된 하나 이상의 단백질을 감지하면 샘플에 돌연변이 버전이 아닌 해당 과에 출현한 병원체가 포함될 가능성이 높아진다. 여러 변이가 동시에 발생할 확률은 변이의 수가 증가할수록 급격히 감소하기 때문입니다.
한 양태에서, 본 교시는 예를 들어 새로운 형태의 SARS-CoV 바이러스와 같은 신생 병원체를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 교시에 따라 조사 중인 샘플이 SARS-CoV의 알려진 변이체와 관련된 하나 이상의 단백질을 포함하지만 이러한 바이러스와 관련된 표적 RNA 서열은 전혀 포함하지 않는 경우, 샘플이 SARS-CoV 바이러스의 새로운 변이체를 포함할 가능성이 있다고 결론을 내릴 수 있다. 예를 들어, 코로나바이러스의 비구조 단백질(nsps)은 코로나바이러스 수명 주기와 다른 신흥 RNA 바이러스의 수명 주기에서 고도로 보존된 구성 요소이다. nsp12로도 알려진 RNA 의존성 RNA 중합효소(RdRP)는 바이러스 RNA 게놈을 복제하고 바이러스 RNA 전사체를 생성한다.
RdRp는 바이러스 기능에 필수적이며 바이러스에 고유하고 호스트에 존재하지 않으므로 교차 반응성이 없다. SARS-CoV 바이러스의 RdRp 간의 높은 상동성으로 인해 이러한 단백질의 검출은 이 바이러스 계열에 바이러스가 존재함을 나타낸다. 그러나 알려진 SARS-CoV 바이러스와 관련된 하나 이상의 구조 단백질 및 고유한 RNA 세그먼트가 없다는 것은 탐지된 바이러스가 SARS-CoV 계열의 새로운 변이체라는 표시일 수 있다.
일부 실시예에서, 본 교시의 일 양태에 따른 전기화학 감지 유닛의 감지 전극은 복수의 나노입자로 기능화될 수 있으며, 이는 차례로 표적 분석물에 대한 특이적 결합을 나타내도록 구성된 친화성 결합 요소로 기능화된다(예: 표적 병원체). 예로서, 일부 실시예에서, 나노입자는 약 5 nm 내지 약 100 nm 범위, 예를 들어 약 10 nm 내지 약 50 nm 범위, 또는 약 20 nm 내지 약 30nm 범위의 직경을 갖는 실질적으로 구형일 수 있지만, 다른 크기도 사용될 수 있다. 예로서, 나노입자는 금으로 형성될 수 있다.
도 9는 밑에 있는 금 층(901) 및 금 층(901) 위에 분포된 복수의 금 나노입자(902)를 포함하는 이러한 기능화된 감지 전극(900)의 예를 개략적으로 도시한다.
금 나노입자(902)는 차례로 복수의 친화성 결합 요소(904)로 기능화될 수 있다. 예로서, 금 나노입자는 표적 단백질 또는 표적 유전자 구성요소(예를 들어, RNA 세그먼트), 예를 들어, 바이러스 단백질 또는 바이러스 RNA 세그먼트에 특정 결합을 나타내는 친화성 결합 요소로 기능화될 수 있다. 일부 실시예에서, 친화성 결합 요소(904)는 또한, 예를 들어 공유 결합을 통해 금 나노입자를 하부 금 층에 고정시키는 것을 용이하게 할 수 있는 적어도 하나의 리간드를 포함할 수 있다. 이러한 결합 리간드의 예는 티올 그룹, 예를 들어 시스테인 그룹일 수 있다. 일부 실시예에서, 관심 있는 친화성 결합 요소는 아래에 있는 금 층에 대한 커플링을 허용하도록 티올화될 수 있다.
금 나노입자(AuNP)의 합성을 위한 다양한 기술이 알려져 있다. 예로서, 콜로이드성 AuNP는 다음과 같이 제조될 수 있다: 0.5mL의 1%(w/v) 시트르산나트륨 용액을 50mL의 0.01%(w/v) HAuCl4 끓는 용액에 첨가할 수 있다. HAuCl4 및 구연산나트륨 수용액은 사용하기 전에 0.22 μm의 미세 다공성 멤브레인 필터를 통해 여과될 수 있다. 혼합물을 15분 동안 끓인 후 가열원을 제거한 후 15분 동안 교반하여 콜로이드 금 나노입자를 생성할 수 있다. 혼합물은 사용하기 전에 어두운 색의 유리병에 냉장고에 보관할 수 있다.
일부 실시예에서, 미국 콜로라도주 러브랜드 소재의 Nanopartz에 의해 시판되는 것과 같은 시판되는 금 나노입자가 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 이러한 금 입자는 5면체 프로파일을 가질 수 있고 5nm보다 우수한 크기 정확도 및 10% 미만의 크기 분산으로 60nm 내지 100nm 범위의 직경을 가질 수 있다. 이들은 780nm ~ 980nm 범위에서 피크 SPR(표면 플라즈몬 공명)을 나타낸다.
위에서 언급한 바와 같이, 금 나노입자는 다양한 리간드를 사용하여 아래에 있는 금 표면에 고정될 수 있다. 예를 들어, 시스테인 리간드를 사용하여 AuNP를 아래에 있는 금 표면에 고정화할 수 있다. 아래에 있는 금 표면을 복수의 AuNP로 기능화하는 한 방법에서, 금 표면은 예를 들어 플라즈마에 대한 노출을 통해 세척될 수 있다. 다른 실시예에서, 금 표면의 세척은 연마지로 표면을 연마한 다음 에탄올과 증류수로 표면을 헹군 다음 여과지로 표면을 건조함으로써 달성될 수 있다.
세정된 금 표면은 어둠 속에서 실온에서 몇 시간 동안, 예를 들어 2시간 동안 시스테인 수용액(예를 들어, 0.1M 시스테인 수용액)에 침지될 수 있다. 생성된 수정된 전극은 물리적으로 흡착된 시스테인을 제거하기 위해 증류수로 철저히 헹구고 12시간 동안 증류수에 담글 수 있다. 시스테인-기능화된 금 표면은 4℃에서 24시간 동안 콜로이드성 금 용액에 침지될 수 있다. AuNPs 자가 조립 전극은 보존을 위해 4℃에서 증류수에 담글 수 있다.
기능화된 금 나노입자를 사용한 금 표면의 합성 및 기능화에 대한 자세한 내용은 그 전체가 참조로 인용되는 문헌[Journal of Analytical Chemistry, 2018, Vol. 73, No. 11, pp. 1118-1127. Pleiades Publishing, Ltd., 2018]에 공고된 "Single Layer of Gold Nanoparticles Self-Assembled on Gold Electrode as a Novel Sensor with High Electrocatalytic Activity"라는 명칭으로 제공된다.
일부 실시예에서, 본 교시에 따른 검출기의 감지 전극이 기능화되는 관심 있는 친화성 결합 요소(예를 들어, 압타머 또는 다른 올리고뉴클레오티드)는 친화성 결합 요소를 감지 전극에 결합하는 리간드(예를 들어, 티올기)를 포함할 수 있다. 다른 경우에, 친화성 결합 요소는 작동 전극에 대한 부착을 용이하게 하는 리간드(예: 티올 그룹)를 포함하도록 화학적으로 변형될 수 있다.
전기화학 감지 유닛의 감지 전극의 기능화는 센서의 유효 표면적을 유리하게 증가시킬 수 있어 관심 항원 검출을 위한 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 본 교시의 실시예에 따른 검출 시스템은 하나 이상의 전기화학 감지 유닛을 갖는 하나 이상의 센서에 더하여, 표적 병원체의 단백질, RNA 또는 DNA 세그먼트의 검출을 위해 표면 강화 라만 분광법(SERS)을 사용하는 적어도 하나의 감지 유닛을 포함할 수 있다.
이러한 일부 실시예에서, 감지 전극은 전기화학 센서로서 기능할 수 있고 또한 표면 강화 라만 분광법을 수행하기에 적합한 표면을 제공할 수 있다. 예로서, 도 9에 도식적으로 도시된 금 나노입자 기능화된 금 층은 이러한 이중 감지 기능을 제공할 수 있다.
예를 들어, 이러한 일부 실시예에서, 전극(900)은 조사 중인 샘플에 존재할 때 전극 표면에 결합된 친화성 결합 요소에 대한 관심 있는 항원의 결합에 응답하여 전기 신호를 생성하기 위해 전기화학 감지 유닛으로 전술된 방식으로 사용될 수 있다. 전극(900)은 또한 라만 분광법을 통해 샘플을 조사할 수 있도록 SERS 표면으로 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 금 나노입자는 예를 들어 약 6 nm 내지 약 100 nm 범위의 크기를 가질 수 있지만, 다른 크기도 사용될 수 있다.
예로서, 이 실시예에서, 전극(900)은 인간 세포 수용체 안지오테스틴 전환 효소 2(ACE2)로 기능화된다. ACE2 효소에 의한 SARS-COV-2 스파이크 단백질의 수용체 결합 도메인(RBD)의 인식 및 결합은 전극(900)의 전기 전도도의 변화를 초래할 수 있으며, 이는 이전과 관련하여 위에서 논의된 방식으로 검출될 수 있다.
또한 스파이크 단백질과 ACE2 효소의 결합은 ACE2 효소의 라만 스펙트럼에 변화를 일으켜 SARS-COV-2 바이러스의 라만 검출을 위한 바이오마커(시그니처)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 스파이크 단백질에 대한 결합 없이 금 나노입자에 결합된 ACE2 효소는 다음과 같은 SERS 신호를 나타낼 수 있다: 1032, 1051, 1089, 1189, 1447 및 1527 cm-1.
또한 스파이크 단백질과 ACE2 효소의 결합은 ACE2 효소의 라만 스펙트럼에 변화를 일으켜 SARS-COV-2 바이러스의 라만 검출을 위한 바이오마커(시그니처)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 스파이크 단백질에 대한 결합 없이 금 나노입자에 결합된 ACE2 효소는 다음과 같은 SERS 신호를 나타낼 수 있다: 1032, 1051, 1089, 1189, 1447 및 1527 cm-1.
SARS-CoV-2 단백질이 ACE2 효소에 결합하면 이러한 피크 대부분의 강도가 상당히 감소하고 1189cm-1 피크가 1182cm-1로 적색 편이될 수 있다. 라만 스펙트럼의 이러한 변화는 샘플에서 SARS-CoV-2 바이러스의 존재를 감지하기 위한 시그니쳐로 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 1182 cm-1 에서의 라만 강도 대 1189 cm-1에서의 라만 강도의 비율은 연구 중인 샘플에서 SARS-CoV-2 바이러스 검출을 위한 진단 척도로 사용될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 라만 데이터의 다변량 분석은 조사 중인 샘플에 SARS-CoV-2 바이러스가 존재하는지 여부를 결정하기 위한 기구로 사용할 수 있다. 예를 들어 라만 데이터의 주성분 분석(PCA)을 사용하여 데이터의 차원을 줄일 수 있다. 그런 다음 LDA(Linear Discriminate Analysis)를 사용하여 기본 주요 구성 요소를 처리하여 조사 중인 샘플에서 바이러스의 존재 또는 부재에 해당하는 클래스로 데이터를 분류할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 교시에 따른 시스템은 전기화학 감지 모듈과 별개인 SERS 모듈을 포함할 수 있다. 즉, 이러한 일부 실시예에서, SERS 모듈은 SERS 데이터를 얻기 위해서만 사용될 수 있다. 예로서 그리고 도 10을 참조하여, 이러한 SERS 모듈(1000)은 복수의 금속화된 돌출부/주름진 부분(1002a)을 포함하는 SERS 표면(1002)을 포함할 수 있다.
표면(1002)은 관심 항원에 대한 특이적 결합을 제공할 수 있는 친화성 결합 요소로 기능화될 수 있다. 예를 들어, 이 실시예에서 친화성 결합 요소는 압타머 또는 SARS-CoV-2 단백질(예: SARS-CoV-2 바이러스의 S 단백질)에 대한 특이적 결합을 나타내는 단백질일 수 있다. 예를 들어, 이전 실시예와 유사하게 친화성 결합 요소는 SARS-CoV-2 S 단백질에 대한 특이적 결합을 나타내는 ACE2 효소일 수 있다.
SERS 모듈은 친화성 결합 요소 및/또는 각각의 항원의 하나 이상의 라만 능동 전이를 여기시키기 위한 방사선을 제공할 수 있는 레이저 소스(1004)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 위에서 논의된 바와 같이, SERS 표면(1002)이 ACE2 효소로 기능화되는 일부 실시예에서, 레이저 소스(예를 들어, 레이저 다이오드의 형태일 수 있음)는 약 700nm ~ 약 1400nm 범위의 여기 방사선을 제공할 수 있다. 이 실시예에서, 레이저 방사선은 하나 이상의 광학 장치(1007)를 통해 기능화된 SERS 표면으로 지향되고 라만 산란 방사선은 검출기(1003)를 통해 검출될 수 있다.
이 실시예에서, 하나 이상의 광학 장치(1009)는 검출기 앞에 배치되어 라만 산란 방사선을 검출기에 집중시킨다. 검출기는 검출기에 의해 생성된 검출 신호(들)를 수용하기 위해 검출기(1003)와 통신하는 분석기(1005)에 의해 수용되는 라만 산란 방사선의 검출에 응답하여 검출 신호(들)를 생성한다.
분석기(1005)는 수용된 라만 산란 검출 신호를 처리하여 스톡스 및/또는 반 스톡스 라만 피크를 식별하고 분석하여 검출된 라만 신호가 조사 중인 샘플에 표적 분석물의 존재를 나타내는지 여부를 결정하도록 구성된다. 이 실시예에서, 제어기(1010)는 레이저 및 검출기의 동작을 제어한다. 예를 들어, 다른 기능 중에서 레이저 및 검출기의 활성화를 위한 트리거를 제공할 수 있다.
라만 데이터뿐만 아니라 전기화학 데이터 모두의 사용은 이러한 실시예에 따른 센서의 신뢰성을 증가시킬 수 있고, 위양성 신호의 비율을 낮출 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 감지 양식(즉, 전기화학 및 광학적)을 사용하면 당해 분석물(예: 병원체)의 검출을 위해 상이한 물리/화학적 공정에 의존하는 적어도 2개의 검출 채널에서 데이터를 제공함으로써 센서의 신뢰성의 향상을 돕는다.
공기 모니터링 시스템
다른 양태에서, 공기 모니터링 시스템이 개시된다. 도 11 내지 도 16에 도시된 바와 같이,
예를 들어 하나 이상의 병원체 및/또는 다른 표적 오염물을 검출하기 위해 주변 공기를 모니터링하기 위한 본 교시의 실시예에 따른 이러한 공기 모니터링 시스템(1100)은 복수의 포트(112a, 112b 및 112c)(여기서는 집합적으로 포트 또는 입구 포트 또는 입구(112)라고 함)를 포함하고, 이를 통해 주변 공기의 샘플이 각각의 도관(114a, 114b 및 114c)을 통해 입자 수집 모듈(116)로 도입될 수 있으며, 이는 입구 포트(112)를 통해 주변 공기의 샘플을 수용하기 위해 인클로저를 제공하는 하우징(116a)을 포함한다.
복수의 필터(118a, 118b, 118c)(여기서는 집합적으로 필터(118)로 지칭됨)가 각각의 포트(112)에 또는 그 부근에(예를 들어, 각각의 포트와 연관된 도관에) 배치되어 각각의 도관에 유입되는 샘플링된 공기를 여과하고, 예를 들어 먼지 입자 또는 다른 오염 물질을 제거한다. 일부 실시예에서, 필터(118)는 2-미크론 필터일 수 있다. 시중에서 구할 수 있는 적합한 필터의 일부 예에는 Whatman 또는 Air Filters, Inc, U.S.A.에서 시판하는 것이 포함될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
이 실시예에서, 팬(120)과 같은 임펠러는 예를 들어 각각의 포트 내로 주변 공기의 샘플의 도입을 용이하게 하기 위해 수집 하우징(116)에 포트를 연결하는 도관 내에서 각각의 포트(112)의 근처에 배열될 수 있다.
복수의 센서(1, 2)가 공기 수집 하우징(116)의 둘레 주위에 배치된다. 본 실시예에서는 단지 2개의 센서만이 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는 하나 또는 둘 이상의 센서가 사용될 수 있다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 센서는 공기 수집 하우징(116)에 수집된 공기의 샘플을 수용하고 하나 이상의 표적 입자(예를 들어, 바이러스 입자)의 존재에 대해 수용된 공기 샘플을 분석하기 위하여 미리 정의된 시간 스케줄에 따라 다른 시간에 작동될 수 있다.
일반성을 잃지 않고, 다음 논의에서 관심 있는 표적 입자는 바이러스 입자인 것으로 가정되지만, 본 교시는 환경 샘플에서 다른 유형의 병원체(예를 들어, 박테리아)를 포함하는 다른 유형의 입자를 검출하기 위해 이용될 수 있다.
본 실시예에서, 센서(1 및 2)는 동일한 방식으로 구현된다. 따라서, 보편성을 잃지 않고 센서(1)만의 구조에 대해 이하에서 상세히 설명한다. 당업자는 다른 센서가 유사한 구조를 가질 수 있음을 이해할 것이다.
센서(1)는 브래킷, 베이오닛 결합 등과 같은 임의의 적합한 기계적 결합 메커니즘을 사용하여 공기 수집 하우징에 제거가능하게 연결된다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 복수의 센서는 카트리지 내에 배치될 수 있고 카트리지는 공기 수집 하우징에 연결된다.
전자기적으로 작동가능한 밸브(1200)는 공기 수집 하우징의 내부 공간으로부터 센서(1)를 분리한다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 일단 작동되면, 밸브(1200)는 공기 수집 하우징(116) 내에 수집된 공기의 샘플이 센서(1)로 도입될 수 있도록 개방된다. 센서(1)는 공기 샘플이 가속되어 다공성 충격 재료(1204)에 입사될 수 있는 노즐(1202)을 포함한다. 예로서, 충격 재료는 다공성 폴리우레탄 폼으로 형성될 수 있다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 충격 재료(1204)은 샘플링된 들어오는 공기에 존재하는 경우 하나 이상의 표적 병원체(예를 들어, 하나 이상의 바이러스)를 다른 미립자로부터 분리할 수 있다. 예로서, 충격 재료(1204)은 약 1 미크론보다 큰 크기를 갖는 입자를 실질적으로 흡수하지만 그 주위에 약 1 미크론보다 큰 크기를 갖는 입자의 통과를 허용하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 충격 재료(1204)을 사용하여 병원체(또는 관심 있는 다른 분석물)를 분리하는 효율은 적어도 약 60%, 또는 적어도 약 70%, 또는 적어도 약 80%, 또는 적어도 약 90% 또는 적어도 약 95%일 수 있다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 미국 특허 제6,435,043호(여기에서 '043 특허라고 함)에 개시된 충격 재료는 본 발명의 교시의 실시에 사용될 수 있다. 간단히 말해서, '043 특허는 가스, 예를 들어 대기에서 미립자를 수집하기 위해 다공성 재료를 사용하는 관성 충격기를 개시한다. 공기는 입구를 통해 충격 기판의 표면으로 끌어당겨질 수 있으며, 이는 기류의 곡선 경로를 따라갈 수 없을 정도로 관성이 너무 큰 입자를 수집할 수 있다. 충격 재료는 다공성 기판, 예를 들어 밀도가 0.019 또는 0.031g/cm인 폴리우레탄 발포체일 수 있다. 충격 재료에 의해 흡수되기에 충분한 에너지를 갖지 않는 나머지 입자(예를 들어, 표적 바이러스 입자)는 충격 재료 주위를 통과한다.
센서(1)는 웰(1208)에 배치되고 충격 재료 주위를 통과하는 입자의 적어도 일부를 포획할 수 있는 포획 필터(1206)를 더 포함한다. 포획 필터를 유지하는 것 외에도, 웰(1208)은 웰(1208)로부터 리저버(1210)를 분리하는 밸브(1211)가 작동하여 리저버에서 완충액이 배출하도록 하고 포획 필터(1206)와 접촉할 때 또한 리저버(1210)에 저장된 완충액(여기서는 "포획 완충액"라고 함)를 수용하기 위한 용기로서 기능할 수 있다. 완충액(여기서는 "운송 완충액"라고도 함)은 필터(포획 필터)에 포획된 입자를 회수할 수 있으므로 관심 입자를 방출할 수 있다(예를 들어, 바이러스 입자). 필터의 예로는 0.1mm의 Whatman 필터 멤브레인이 있다. 운반 완충액은 PBS(Phosphate Buffered Salin) 또는 HBSS(Hank's Balanced Salt Solution)일 수 있다.
보다 구체적으로, 사용 시, 밸브(1200)는 공기 수집 하우징(116)에 수집된 공기의 샘플을 센서(1)로 도입하도록 개방될 수 있다. 전술한 바와 같이, 포획 필터는 샘플링된 공기에 존재할 때 표적 입자(예를 들어, 바이러스 입자)의 적어도 일부를 포획할 수 있다. 미리 선택된 시간 간격이 경과한 후, 밸브(1200)는 폐쇄될 수 있고 밸브(1211)는 개방되어 리저버(1210)에 저장된 포획 완충액의 흐름을 웰(1208)로 허용할 수 있다.
이송 완충액은 필터(1206)로부터 입자(예를 들어, 표적 바이러스를 포함하는 입자)의 적어도 일부를 방출함으로써 방출된 입자와 완충액의 혼합물을 형성할 수 있다. 일부 실시예에서, 전자기적으로 작동 가능한 믹서(1212)는 포획 완충액 및 포획 필터로부터 방출된 입자를 완충액으로 혼합하기 위해 웰(1208)에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 믹서는 밸브(1211)의 작동과 실질적으로 동시에 작동될 수 있다. 다른 실시예에서, 믹서는 밸브(1211)의 작동 후 미리 정의된 시간 간격 후에 작동될 수 있다.
웰에 결합된 전자기적으로 작동 가능한 밸브(1214)는 공기 샘플에 존재하는 경우 완충액과 관심 입자의 혼합물을 2개의 리저버(1218 및 1220)로 이어지는 도관(1216)으로 도입하도록 작동될 수 있으며, 그 중 하나는 관심 바이러스 입자의 하나 이상의 유전자 구성요소의 검출을 용이하게 하기 위한 시약을 저장한다. 예로서, 이러한 시약은 구아니딘 이소티오시아네이트(예를 들어, 2M 최종 농도)일 수 있다. 다른 리저버는 하나 이상의 바이러스 단백질, 예를 들어 (1) 최종 농도 0.2%의 황산도데실(SDS); (2) 최종 농도 0.1% -- 1% Triton X-100, 또는 (3) 0.1% Tween 20의 검출을 용이하게 하기 위해 바이러스 입자를 처리하는 데 적합한 하나 이상의 시약을 저장한다.
밸브(1214)의 작동은 밸브(1211)의 작동에 후속하는 사전 정의된 시간 간격 후에 수행될 수 있다. 예를 들어, 이 시간 간격은 바이러스 입자가 포획 필터에 포획된 경우 필터에서 완충액으로 방출되고 완충액과 방출된 바이러스 입자의 충분한 혼합이 예를 들어 전자기적 방법을 통해 작동 가능한 믹서에 의해 달성되는 것을 보장하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 밸브(1214)는 약 1분 내지 약 10분 범위의 시간 간격 후에 작동될 수 있지만, 다른 시간 간격도 사용될 수 있다.
도관(1216)은 방출된 입자를 함유하는 완충액을 수용하고 2개의 브랜치(1216b/11216c)로 이어지는 중심 부분(1216a)을 포함하고, 여기서 브랜치(1216b)는 바이러스 유전자 구성요소의 용해 및 추출에 적합한 하나 이상의 시약(예를 들어, 바이러스 RNA)이 저장되고(본원에서는 "RNA 처리 시약"이라고도 함) 브랜치(1216c)는 바이러스 단백질을 안정화하고 이들의 검출을 용이하게 하기 위한 하나 이상의 시약이 저장되는 리저버(1220)(본원에서는 "단백질 처리 시약"이라고 함)로 이어진다. 많은 실시예에서, RNA 처리 시약은 구성요소로서 구아니딘을 포함하는 반면 단백질 처리 시약은 구아니딘이 결여되어 있다. 적절한 RNA 및 단백질 시약의 일부 예는 이전 실시예와 관련하여 위에서 기술된 것들이다. 리저버(1218 및 1220)는 2개의 입구 밸브(1218a/1220a)를 포함하며, 이는 밸브(1214)의 작동과 동시에(또는 밸브(1214)의 작동 후 짧은 시간(예를 들어, 몇 초)) 작동되어 포획 완충액 및 연계된 바이러스 입자의 혼합물이 임의의 경우 RNA 및 단백질 시약에 도입될 수 있다. 사전 정의된 시간 간격에 이어, 리저버(1218 및 1220)의 2개의 출구 밸브(1218b/1220b)는 RNA/DNA 시약(들) 및 단백질 시약(들)에 의해 처리된 샘플이 센서(1)의 2개의 감지 유닛(1222, 1223)으로 도입되도록 작동될 수 있다. 감지 유닛(1222)은 관심 바이러스의 하나 이상의 표적 유전체 구성요소(예를 들어, RNA 세그먼트)을 검출하도록 구성되고 감지 유닛(1223)은 하나 이상의 표적 바이러스 단백질을 검출하도록 구성된다.
감지 유닛(1222 및 1223)은 관심 단백질(들) 및/또는 유전자 구성요소(예를 들어, RNA 세그먼트)에 대한 특이적 결합을 나타내는 압타머 및/또는 올리고뉴클레오티드로 기능화된 전기화학 센서로서 위에서 논의된 방식으로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 압타머 및/또는 올리고뉴클레오티드 대신에 또는 그에 추가하여, 전기화학 센서는 예를 들어 위에서 논의된 방식으로 탄소 나노튜브에 결합된 합성 중합체로서 형성된 합성 인식 요소로 기능화될 수 있다.
또한, 일부 실시예에서, 감지 유닛(1222, 1223) 중 하나 또는 둘 모두는 상이한 단백질 및/또는 또는 바이러스의 다른 유전자 구성 요소(예: 다른 RNA 세그먼트)를 검출하기 위해 복수의 감지 모듈(예컨대 감지 모듈(1222a, 1222b, ... 및 1222n) 및 감지 모듈(1223a, 1223b, ... 및 1223))을 포함할 수 있다. 즉, 각각의 감지 유닛은 예를 들어 검출 선택도 및/또는 감도를 증가시키기 위해 다중 검출 능력을 제공하도록 설계될 수 있다.
각 센서의 감지 모듈은 샘플과 감지 모듈의 상호 작용에 응답하여 하나 이상의 전기 신호(들)를 생성할 수 있다. 전위차계(1225)는 각 감지 모듈에서 발생하는 전기적 신호를 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 이 실시예에서, 전위차계(1225)는 마이크로컨트롤러(1227)의 제어 하에 작동하는 멀티플렉서를 통해 감지 모듈에 결합되어 전위차계를 한 번에 하나씩(즉, 직렬 방식으로) 감지 모듈에 연결한다.
전위차계는 예를 들어 샘플링된 공기에 대한 노출에 응답하여 기능화된 전극의 임피던스 변화로 인해 감지 모듈에 의해 생성된 전기 신호(들)를 측정할 수 있다.
마이크로컨트롤러(1227)는 또한 전위차계(1225)과 통신하여 전위차계에 의해 생성된 측정 신호를 수용하고 수용된 신호를 처리하여 감지 모듈이 공기 샘플에서 표적 바이러스 입자의 존재를 검출했는지 여부를 결정할 수 있다.
특히, 마이크로컨트롤러(1227)는 미리 정의된 프로토콜에 따라 수용된 신호를 처리하도록 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 감지 모듈에 의해 생성된 전기 신호의 진폭은 해당 감지 모듈에 의해 생성된 전기 신호가 감지 유닛에 의한 바이러스 유전자 구성 요소 또는 단백질의 검출을 나타내는지 여부를 결정하기 위해 미리 정의된 임계값과 비교될 수 있다. 예를 들어, 전기 신호의 진폭이 임계값을 초과할 때 마이크로컨트롤러는 관심 있는 바이러스 입자의 검출을 나타낼 수 있다.
이 실시예에서, 시스템(1100)은 마이크로컨트롤러가 샘플링된 공기 중의 표적 바이러스의 존재를 결정할 때 알람(예를 들어, 가청 및/또는 시각적 알람)을 생성하기 위해 마이크로컨트롤러(1217)와 통신하고 마이크로컨트롤러의 제어 하에서 작동하는 알람 시스템(1300)을 포함한다. 알람 시스템(1300)은 당업계에 알려진 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 마이크로컨트롤러는 또한 예를 들어 위에서 논의된 방식으로 시스템의 다양한 밸브를 작동하도록 프로그래밍될 수 있다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 마이크로컨트롤러(1227)는 하나 이상의 전자기 릴레이(1301)와 통신할 수 있으며, 이는 차례로 밸브와 통신한다. 마이크로컨트롤러는 예를 들어 위에서 논의된 방식으로 센서의 하나 이상의 밸브를 작동시키기 위해 센서와 관련된 하나 이상의 릴레이를 활성화할 수 있다.
마이크로컨트롤러(1227)는 미리 정의된 시간적 스케줄에 따라 상이한 시간에, 예를 들어 매시간마다 상이한 센서(예를 들어, 센서 1 및 2)를 작동시키도록 프로그래밍될 수도 있다. 예로서, 일부 실시예에서, 시스템(1100)은 24개의 센서를 포함할 수 있고, 마이크로컨트롤러는 24시간 동안 상이한 시간 간격 동안 주변 공기의 상이한 샘플을 수집 및 분석하기 위해 매시간 센서를 직렬로 작동시키도록 프로그래밍될 수 있다. 임의의 적절한 수의 센서가 예를 들어 특정 응용에 기초한 본 교시에 따른 시스템에서 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
일부 실시예에서, 마이크로컨트롤러는 사전 정의된 시간 간격 후 및/또는 일단 마지막 센서가 작동되고 해당 센서로부터의 신호가 수집된 후 원격 서버로 신호를 전송하여 센서가 교체되어야 함을 작업자에게 경고할 수 있다. 예를 들어, 주위 공기의 매시간 테스트를 위해 24개의 센서가 사용되는 실시예에서, 마이크로컨트롤러는 24시간마다 교체 신호를 보낼 수 있다. 일부 실시예에서, 센서는 공기 수집 하우징에 쉽게 결합될 수 있고 다른 카트리지로 교체하기 위해 하우징에서 제거될 수 있는 카트리지에 배치된다.
예를 들면, 도 16은 평행 육면체 형상을 갖는 공기 수집 하우징(2002)을 포함하는 본 발명에 따른 시스템(2000)의 다른 실시예를 개략적으로 도시한다. 본 교시에 따른 복수의 센서(2006)를 지지하는 카트리지(2004)는 센서를 공기 수집 하우징으로부터 분리하는 밸브의 작동 시에 공기 수집 하우징에 수집된 공기와 유체 연통하도록 공기 수집 하우징(2002)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 카트리지를 공기 수집 하우징에 연결하기 위해 다양한 메커니즘을 사용할 수 있다. 예로서, 이 실시예에서, 카트리지 하우징은 공기 수집 하우징의 측면에 제공된 복수의 슬롯(2010)에 제거 가능하게 삽입될 수 있는 복수의 슬라이드 레일(2008)을 포함한다.
다시 도 11에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 또한 제어기(1217)의 제어 하에 동작하는 통신 모듈(1400)을 포함할 수 있고 테스트 결과 및/또는 다양한 신호(예를 들어, 카트리지 교체 신호)를 예를 들어 저장 및/또는 추가 처리를 위해 조작자에게 경고하기 위해 원격 서버에 통신할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(1100)의 다양한 구성요소는 다양한 적절한 재료로 형성될 수 있는 단일 하우징 내에 통합될 수 있다. 예로서, 하우징은 PDMS와 같은 다양한 중합체 재료로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 시스템(1100)의 하나 이상의 구성요소는 하나의 하우징에 배치될 수 있고 장치의 다른 구성요소는 다른 하우징에 배치될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 센서에 의해 생성된 전기 신호의 처리는 미리 정의된 프로토콜에 따라 신호를 수용하고 해당 신호를 처리하는 원격 서버에서 수행될 수 있다.
일부 실시 예에서 시스템(1100)은 환경 샘플에서 SARS-COV-2 바이러스를 검출하도록 구성될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 바이러스인 급성 호흡기 증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)로 인한 코로나바이러스 질병 2019(COVID-19)는 비말, 에어로졸 및 오염된 표면과의 접촉을 통해 효과적으로 전염된다. 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 시스템은 낮은(nM-pM) 농도에서 관련 SARS-CoV-2 바이오마커의 신속한 현장 검출을 가능하게 할 수 있다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 시스템(1100)의 센서는 N, S, E 및 ORF 1ab 유전자 및 Spike 및 뉴클레오캡시드 단백질을 포함하는 구조 단백질에 기초한 다수의 SARS-CoV-2 특정 핵산 서열을 검출하도록 구성될 수 있다. 위에서 자세히 논의한 바와 같이, 바이러스 유전자 구성 요소와 바이러스 단백질을 모두 검출하면 SARS-CoV-2 검출에 대한 선택성과 민감도를 높일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 본 교시에 따른 시스템은 1 바이러스 입자/리터 미만의 민감도 및 SARS-CoV-2 검출에 대한 선택적으로 공기 샘플에서 SARS-CoV-2 바이러스를 검출할 수 있지만 다른 코로나바이러스는 검출할 수 없다.
본 발명에 따른 시스템, 센서 및 방법은 많은 이점을 제공한다. 예를 들어, 생물학적 시편에서 병원체, 특히 SARS-CoV-2 바이러스를 쉽고 빠르게 검출할 수 있다. 또한, 예를 들어 형광 라벨링을 통해 병원체를 라벨링할 필요 없이 이러한 검출을 허용한다. 또한, 여기에 교시된 바와 같이 병원체와 관련된 단백질(들) 및 유전 물질(들) 모두의 검출은 테스트의 신뢰성을 향상시켰다. 또한, 군(family) 내 신생 병원체를 검출할 수 있다.
당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상기 실시예에 대해 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (146)

  1. 생물학적 시편의 적어도 하나의 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질 및 적어도 하나의 유전자 구성요소를 검출하기 위한 시스템으로서,
    일회용 카트리지를 포함하고, 상기 일회용 카트리지는
    생물학적 시편을 수용하도록 구성된 샘플 입구 포트;
    생물학적 시편에서 적어도 하나의 병원체와 관련된 표적 단백질의 검출을 위해 생물학적 시편의 샘플을 준비하기 위한 단백질 완충액을 저장하기 위한 제1 리저버;
    생물학적 시편에서 적어도 하나의 병원체와 연관된 표적 유전 구성요소의 검출을 위해 생물학적 시편의 샘플을 준비하기 위한 유전자 완충액을 저장하기 위한 제2 리저버 - 표적 단백질 및 유전자 완충액 중 하나의 적어도 하나의 시약은 다른 단백질 완충액에는 없음 - ;
    상기 샘플에서 적어도 하나의 병원체와 연계된 표적 단백질을 검출하도록 구성된 제1 센서;
    샘플에서 적어도 하나의 병원체와 연계된 표적 유전체 구성요소를 검출하도록 구성된 제2 센서; 및
    제1 센서로의 전달을 위해 제1 리저버 내의 액체의 적어도 일부를 방출하고 제2 센서로의 전달을 위해 제2 리저버 내의 액체의 적어도 일부를 방출하기 위해 제1 및 제2 리저버에 결합된 적어도 하나의 방출 메커니즘을 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 제1 센서는 표적 단백질에 대한 특이적 결합을 나타내는 제1 친화성 결합 요소로 기능화된 작동 전극을 포함하고, 제2 센서는 표적 유전체 구성요소에 대한 특이적 결합을 나타내는 제2 친화성 결합 요소로 기능화된 작동 전극을 포함하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 제1 센서는 제1 복수의 감지 유닛 각각이 복수의 상이한 표적 단백질 중 상이한 하나를 검출하도록 구성되도록 적어도 하나의 병원체와 관련된 복수의 상이한 표적 단백질을 검출하기 위한 제1 복수의 감지 유닛을 포함하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 제2 센서는 제2 복수의 감지 유닛 각각이 복수의 유전체 구성요소 중 상이한 하나를 검출하도록 구성되도록 적어도 하나의 병원체와 연계된 복수의 상이한 표적 유전체 구성요소를 검출하기 위한 제2 복수의 감지 유닛을 포함하는 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 제1 복수의 감지 유닛은 각각의 친화성 결합 요소가 상이한 표적 단백질 중 하나에 대한 특이적 결합을 나타내도록 상이한 친화성 결합 요소로 각각 기능화된 복수의 전기화학 센서를 포함하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 생물학적 시편은 액체 생검 시편, 호흡 샘플, 공기 샘플 및 폐수 샘플 중 임의의 것을 포함하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 생물학적 시편의 적어도 제1 부분을 제1 리저버로 전달하기 위해 샘플 입구 포트로부터 제1 리저버의 입구 포트로 연장되는 제1 샘플-전달 유체 채널을 추가로 포함하고, 단백질 완충액과 생물학적 시편의 제1 부분의 상호작용은 제1 처리된 샘플을 생성하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 생물학적 시편의 적어도 제2 부분을 제2 리저버의 입구 포트로 전달하도록 구성된 제2 샘플 이송 유체 채널을 추가로 포함하며, 유전체 완충액과 생물학적 시편의 제2 부분의 상호 작용은 제2 처리된 샘플을 생성하는 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 제1 처리된 샘플을 제1 센서로 전달하기 위한 제1 샘플 전달 유체 채널을 추가로 포함하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 제2 리저버로부터 방출된 제2 처리된 샘플을 수용하기 위해 제2 리저버와 유체 연통하는 증폭 웰을 추가로 포함하고, 증폭 웰은 증폭된 샘플을 생성하기 위해 표적 유전체 구성요소의 증폭에 필요한 하나 이상의 시약을 포함하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 증폭된 샘플을 제2 센서로 전달하기 위한 제2 샘플 전달 유체 채널을 추가로 포함하는 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 증폭 웰에 열적으로 결합된 가열 및 가열 및 냉각 장치 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 센서 각각은 전기화학 센서 및 광학 센서 중 임의의 것을 포함하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 제1 및 제2 센서 각각은 전기화학 센서를 포함하는 시스템.
  15. 제2항에 있어서, 제1 친화성 결합 요소는 항체, 압타머, SOMAmer, 랩토머 및 메가스타 중 임의의 것을 포함하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 제2 친화성 결합 요소는 표적 유전자 구성요소에 대해 상보적인 올리고뉴클레오티드 서열을 갖는 올리고뉴클레오티드를 포함하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 표적 유전자 구성요소는 DNA 및 RNA 세그먼트 중 임의의 것을 포함하는 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 생물학적 시편은 생검 액체를 포함하는 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 병원체는 바이러스 및 박테리아 중 적어도 하나를 포함하는 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 바이러스는 SARS-CoV-2, 인플루엔자 A 및 B 바이러스, 코로나 바이러스, 지카 바이러스, 에볼라, 리프트 밸리열 바이러스 중 하나를 포함하는 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 박테리아는 예르시니아 페스티스(Yersinia pestis), 메티실린 내성 황색포도상구균(MRSA)(Methicillin Resistant Staphylococcus Aureus) 중 임의의 것을 포함하는 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 생성된 신호를 수신하고 적어도 하나의 병원체가 생물학적 시편에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 신호를 처리하기 위해 제1 및 제2 센서와 통신하는 분석 모듈을 추가로 포함하는 시스템.
  23. 제4항에 있어서, 제2 복수의 감지 유닛은 각각의 친화성 결합 요소가 복수의 상이한 표적 유전체 구성요소 각각에 대한 특이적 결합을 나타내도록 상이한 친화성-결합 요소로 기능화된 복수의 전기화학 센서를 포함하는 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 친화성 결합 요소는 항체, 압타머, SOMAmer, 나노바디, 모노바디, 메가스타 또는 이들의 조합 중 임의의 것을 포함하는 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 친화성 결합 요소는 하나의 유전체 구성요소의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 각각 갖는 다수의 올리고뉴클레오티드를 포함하는 시스템.
  26. 제1항에 있어서, 센서에 대한 광학적 액세스를 허용하기 위해 제1 및 제2 센서 중 하나에 대해 위치된 적어도 하나의 투명 윈도우를 추가로 포함하는 시스템.
  27. 제1항에 있어서, 제1 센서 및 제2 센서는 폴리머를 포함하는 하우징을 포함하는 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 중합체는 PDMS 및 폴리우레탄 중 임의의 것을 포함하는 시스템.
  29. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 병원체는 복수의 병원체를 포함하고, 제1 및 제2 센서 중 적어도 하나는 상이한 병원체와 연계된 상이한 단백질 또는 유전체 구성요소를 검출하도록 구성된 복수의 감지 유닛을 포함하는 시스템.
  30. 생물학적 시편에서 병원체와 연계된 적어도 하나의 단백질 및 적어도 하나의 유전체 구성요소를 검출하기 위한 POC(point-of-care) 시스템에서 사용하기 위한 일회용 카트리지로서, 상기 일회용 카트리지는
    카트리지 프레임을 포함하고, 상기 카트리지 프레임은
    생물학적 시편을 수용하는 샘플 수용 웰,
    표적 단백질의 검출을 위한 샘플을 준비하기 위한 단백질 완충액을 저장하는 제1 리저버,
    유전체 구성요소의 검출을 위해 샘플을 준비하기 위한 유전체 완충제를 저장하기 위한 제2 리저버 - 단백질 및 유전체 완충액 중 하나 중 적어도 하나의 시약은 다른 완충제에 존재하지 않음 - ,
    샘플 수용 웰 및 샘플의 제1 부분 및 단백질 완충제의 적어도 일부를 수용하기 위한 제1 리저버와 유체 연통하는 제1 샘플 처리 웰 - 샘플 및 단백질 완충액의 상호작용은 제1 처리된 샘플을 형성함 - ,
    샘플의 제2 부분 및 유전자 완충액의 적어도 일부를 수용하기 위해 샘플 수용 웰 및 제2 리저버와 유체 연통하는 제2 샘플 처리 웰 - 샘플의 제2 부분과 유전자 완충액의 상호작용은 제2 처리된 샘플을 형성함 - ,
    병원체와 연계된 표적 단백질을 검출하기 위해 제1 처리된 샘플을 수용하기 위해 제1 샘플 처리 웰과 유체 연통하는 제1 센서,
    병원체와 연계된 표적 유전자 구성요소를 검출하기 위해 제2 처리된 샘플을 수용하기 위해 제2 샘플 처리 웰과 유체 연통하는 제2 센서를 포함하는 일회용 카트리지.
  31. 센서로서,
    하우징,
    제1 부분 및 제2 부분,
    상기 제1 부분과 제2 부분 사이에 위치된 제어 밸브 - 상기 제1 부분은 개인의 하나 이상의 호흡 샘플을 상기 챔버 내로 전달하기 위한 호흡 수집 장치의 튜브를 수용하기 위한 개구를 갖는 챔버를 제공함 - ,
    하나 이상의 샘플 처리 시약을 저장하기 위해 상기 챔버에 위치한 리저버 - 상기 리저버는 상기 튜브를 상기 챔버에 삽입함으로써 천공되도록 구성된 파괴가능 멤브레인을 가지며 상기 하나 이상의 호흡 샘플이 상기 하나 이상의 샘플 처리 시약과 혼합됨 - ,
    상기 제2 부분에 위치한 전기화학 셀,
    상기 전기화학 셀에 하나 이상의 호흡 샘플과 상기 하나 이상의 샘플 처리 시약의 상기 혼합물이 전달되도록 하기 위해 상기 밸브를 제어하기 위해 상기 제어 밸브에 결합된 액추에이터를 포함하고, 상기 전기화학 셀은 적어도 하나의 표적 병원체가 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재할 때 검출 신호를 생성하도록 구성되는 센서.
  32. 제31항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 작동 전극, 상대 전극 및 기준 전극을 포함하는 센서.
  33. 제32항에 있어서, 적어도 하나의 압타머 또는 상기 작동 전극에 결합된 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드를 추가로 포함하며, 상기 적어도 하나의 압타머는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성되고 상기 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드는 상기 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하는 센서.
  34. 제32항에 있어서, 상기 작동 전극 상에 배치된 복수의 탄소 나노튜브를 추가로 포함하고, 상기 복수의 탄소 나노튜브는 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 갖는 적어도 하나의 뉴클레오티드로 기능화되거나 또는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성된 적어도 하나의 압타머로 기능화되는 센서.
  35. 제33항 또는 제34항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 샘플에 존재할 때 상기 병원체와 관련된 적어도 단백질 또는 적어도 RNA 또는 DNA 세그먼트가 각각 상기 압타머 또는 상기 올리고뉴클레오티드 중 적어도 하나에 결합할 때 검출 신호를 생성하는 센서.
  36. 제33항에 있어서, 상기 적어도 하나의 압타머는 상기 적어도 하나의 단백질의 상이한 에피토프에 결합하도록 배열된 다수의 압타머를 포함하는 센서.
  37. 제31항에 있어서, 상기 병원체는 바이러스 및 박테리아 중 임의의 것을 포함하는 센서.
  38. 제37항에 있어서, 상기 바이러스는 코로나 바이러스, 인플루엔자 바이러스 중 임의의 것을 포함하는 센서.
  39. 제38항에 있어서, 상기 코로나 바이러스는 SARS-CoV-2 바이러스를 포함하는 센서.
  40. 제31항에 있어서, 상기 리저버는 상기 파괴가능 멤브레인과 상기 제어 밸브 사이에 형성되는 센서.
  41. 제31항에 있어서, 상기 파괴가능 멤브레인은 중합체 재료를 포함하는 센서.
  42. 제41항에 있어서, 상기 중합체 재료는 셀로판 및 폴리우레탄 중 임의의 것을 포함하는 센서.
  43. 제41항에 있어서, 상기 하우징은 중합체 재료를 포함하는 센서.
  44. 제43항에 있어서, 상기 중합체 재료는 PDMS(폴리디메틸실록산)를 포함하는 센서.
  45. 제31항에 있어서, 상기 표적 병원체의 적어도 일부가 상기 제1 부분으로부터 외부 환경으로 나가는 것을 억제하기 위해 상기 리저버의 상류에 상기 제1 부분에 위치한 필터를 추가로 포함하는 센서.
  46. 제45항에 있어서, 상기 하나 이상의 시약의 역류를 방지하기 위해 상기 리저버의 상류의 상기 제1 부분에 위치한 일방향 밸브를 추가로 포함하는 센서.
  47. 호흡기 샘플에서 병원체를 검출하기 위한 시스템으로서,
    샘플에서 표적 병원체를 검출하도록 구성된 센서,
    사용자로부터 하나 이상의 호흡 샘플을 수신하기 위해 사용자의 기도와 결합하기 위한 입-코 부분 및 상기 하나 이상의 호흡 샘플을 수용하기 위해 마우스부분과 유체 연통하는 튜브를 포함하는 호흡 수집 장치 - 상기 튜브는 상기 센서에 상기 하나 이상의 호흡 샘플을 전달하기 위해 상기 센서와 맞물리도록 구성됨 - , 를 포함하고,
    상기 센서는
    하우징,
    제1 부분 및 제2 부분,
    상기 제1 부분과 제2 부분 사이에 위치된 제어 밸브 - 상기 제1 부분은 개인의 하나 이상의 호흡 샘플을 상기 챔버 내로 전달하기 위한 호흡 수집 장치의 튜브를 수용하기 위한 개구를 갖는 챔버를 제공함 - ,
    하나 이상의 샘플 처리 시약을 저장하기 위해 상기 챔버에 위치한 리저버 - 상기 리저버는 상기 튜브를 상기 챔버에 삽입함으로써 천공되도록 구성된 파괴가능 멤브레인을 가지며 상기 하나 이상의 호흡 샘플이 상기 하나 이상의 샘플 처리 시약과 혼합됨 - ,
    상기 제2 부분에 위치한 전기화학 셀,
    상기 전기화학 셀에 하나 이상의 호흡 샘플과 상기 하나 이상의 샘플 처리 시약의 상기 혼합물이 전달되도록 하기 위해 상기 밸브를 제어하기 위해 상기 제어 밸브에 결합된 액추에이터를 포함하고, 상기 전기화학 셀은 적어도 하나의 표적 병원체가 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재할 때 검출 신호를 생성하도록 구성되는 센서.
  48. 제47항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 작동 전극, 상대 전극 및 기준 전극을 포함하는 센서.
  49. 제48항에 있어서, 적어도 하나의 압타머 또는 상기 작동 전극에 결합된 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드를 추가로 포함하며, 상기 적어도 하나의 압타머는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성되고 상기 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드는 상기 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하는 센서.
  50. 제48항에 있어서, 상기 작동 전극 상에 배치된 복수의 탄소 나노튜브를 추가로 포함하고, 상기 복수의 탄소 나노튜브는 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 갖는 적어도 하나의 뉴클레오티드로 기능화되거나 또는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성된 적어도 하나의 압타머로 기능화되는 센서.
  51. 제49항 또는 제50항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 샘플에 존재할 때 상기 병원체와 관련된 적어도 단백질 또는 적어도 RNA 또는 DNA 세그먼트가 각각 상기 압타머 또는 상기 올리고뉴클레오티드 중 적어도 하나에 결합할 때 검출 신호를 생성하는 센서.
  52. 제49항 또는 제50항에 있어서, 상기 적어도 하나의 압타머는 상기 적어도 하나의 단백질의 상이한 에피토프에 결합하도록 배열된 다수의 압타머를 포함하는 센서.
  53. 제47항에 있어서, 상기 병원체는 바이러스 및 박테리아 중 임의의 것을 포함하는 센서.
  54. 제53항에 있어서, 상기 바이러스는 코로나 바이러스, 인플루엔자 바이러스 중 임의의 것을 포함하는 센서.
  55. 제54항에 있어서, 상기 코로나 바이러스는 SARS-CoV-2 바이러스를 포함하는 센서.
  56. 제49항에 있어서, 상기 리저버는 상기 파괴가능 멤브레인과 상기 제어 밸브 사이에 형성되는 센서.
  57. 제49항에 있어서, 상기 파괴가능 멤브레인은 중합체 재료를 포함하는 센서.
  58. 제57항에 있어서, 상기 중합체 재료는 셀로판 및 폴리우레탄 중 임의의 것을 포함하는 센서.
  59. 제49항에 있어서, 상기 하우징은 중합체 재료를 포함하는 센서.
  60. 제49항에 있어서, 상기 중합체 재료는 PDMS(폴리디메틸실록산)를 포함하는 센서.
  61. 제49항에 있어서, 상기 표적 병원체의 적어도 일부가 상기 제1 부분으로부터 외부 환경으로 나가는 것을 억제하기 위해 상기 리저버의 상류에 상기 제1 부분에 위치한 필터를 추가로 포함하는 센서.
  62. 제49항에 있어서, 상기 하나 이상의 시약의 역류를 방지하기 위해 상기 리저버의 상류의 상기 제1 부분에 위치한 일방향 밸브를 추가로 포함하는 센서.
  63. 센서로서,
    하우징,
    상기 하우징 내에 배치된 적어도 하나의 감지 유닛을 포함하고, 상기 감지 유닛은:
    작동 전극, 상대 전극 및 기준 전극을 갖는 적어도 하나의 전기화학 셀,
    적어도 하나의 압타머 또는 상기 작동 전극에 결합된 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드를 포함하고 상기 적어도 하나의 압타머는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성되고 상기 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드는 상기 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하고,
    생물학적 샘플을 수집하도록 구성된 기구를 수용하기 위해 상기 하우징에 배치된 구멍,
    기구가 하우징에 수용되면 상기 기구를 상기 전극으로부터 분리하기 위해 상기 하우징에 위치된 적어도 하나의 내부 레지,
    상기 생물학적 샘플을 처리하기 위한 시약을 저장하기 위한 리저버 - 상기 리저버는 파괴가능 멤브레인을 가짐 - , 를 포함하고,
    상기 리저버는 하우징 내에 위치되고 상기 기구는 시약의 적어도 일부를 기구의 적어도 일부 상으로 방출하기 위해 하우징에 일단 삽입되면 기구가 멤브레인을 천공하여 기능화된 작동 전극 상에 생물학적 샘플의 적어도 일부를 도입하도록 구성되는 센서.
  64. 제63항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 샘플에 존재할 때 상기 병원체와 관련된 상기 적어도 하나의 단백질 또는 상기 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트가 각각 상기 압타머 또는 상기 올리고뉴클레오티드 중 적어도 하나에 결합할 때 검출 신호를 생성하는 센서.
  65. 제63항에 있어서, 상기 검출 신호를 수신하고 상기 병원체가 샘플에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 상기 신호를 처리하기 위해 상기 전기화학 셀과 통신하는 분석 모듈을 추가로 포함하는 센서.
  66. 제63항에 있어서, 상기 센서는 일회용 카트리지에 위치되는 센서.
  67. 제63항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감지 유닛은 복수의 감지 유닛을 포함하고, 상기 감지 유닛 중 하나는 압타머-기능화된 탄소 나노튜브를 포함하고 상기 감지 유닛 중 다른 하나는 올리고뉴클레오티드-기능화된 탄소 나노튜브를 포함하는 센서.
  68. 제63항에 있어서, 상기 적어도 하나의 압타머는 상기 적어도 하나의 단백질의 상이한 에피토프에 결합하도록 배열된 다수의 압타머를 포함하는 센서.
  69. 제63항에 있어서, 상기 병원체는 바이러스 및 박테리아 중 임의의 것을 포함하는 센서.
  70. 제69항에 있어서, 바이러스는 Corona 바이러스를 포함하는 센서.
  71. 제63항에 있어서, 하우징은 상부 표면, 하부 표면을 포함하는 센서.
  72. 제71항에 있어서, 상기 작동 전극은 상기 하부 표면에 근접하게 배열되는 센서.
  73. 제72항에 있어서, 상기 리저버는 상기 파괴가능 파괴가능 멤브레인과 상기 상부 표면의 적어도 일부 사이에 형성되는 센서.
  74. 제73항에 있어서, 상기 하우징은 상기 구멍이 형성되는 전방 표면 및 마주보는 후방 표면을 추가로 포함하는 센서.
  75. 제74항에 있어서, 상기 리저버는 상기 파괴가능 멤브레인과 상기 마주보는 후방 표면의 적어도 일부 사이에 형성되는 센서.
  76. 제73항에 있어서, 상기 파괴가능 멤브레인은 중합체 재료를 포함하는 센서.
  77. 제73항에 있어서, 상기 하우징은 중합체 재료를 포함하는 센서.
  78. 제77항에 있어서, 상기 중합체 재료는 임의의 PDMS를 포함하는 센서.
  79. 병원체 검출 시스템으로서, 상기 시스템은
    사용자로부터 하나 이상의 호흡 샘플을 수신하기 위해 사용자의 기도와 직접 통신하기 위해 결합되는 호흡 입력 장치를 포함하고, 상기 호흡 입력 장치는 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재하는 에어로졸의 적어도 일부를 수집하기 위한 기구를 수용하기 위한 채널을 포함하고,
    센서를 포함하고, 상기 센서는
    하우징,
    상기 하우징 내에 배치된 적어도 하나의 감지 유닛을 포함하고, 상기 감지 유닛은:
    작동 전극, 상대 전극 및 기준 전극을 갖는 적어도 하나의 전기화학 셀,
    적어도 하나의 압타머 또는 상기 작동 전극에 결합된 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드를 포함하고 상기 적어도 하나의 압타머는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성되고 상기 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드는 상기 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 포함하고,
    기구를 수용하기 위해 상기 하우징에 배치된 구멍,
    기구가 하우징에 수용되면 상기 기구를 상기 전극으로부터 분리하기 위해 상기 하우징에 위치된 적어도 하나의 내부 레지,
    수집된 에어로졸 내에 존재할 때 생물학적 샘플을 위한 시약을 저장하는 리저버를 포함하고, 상기 리저버는 파괴가능 멤브레인을 가지며,
    상기 리저버는 하우징 내에 위치되고 상기 기구는 시약의 적어도 일부를 기구의 적어도 일부 상으로 방출하기 위해 하우징에 일단 삽입되면 기구가 멤브레인을 천공하여 기능화된 작동 전극 상에 생물학적 샘플의 적어도 일부를 도입하도록 구성되는 시스템.
  80. 센서로서, 상기 센서는
    하우징,
    상기 하우징 내에 배치된 적어도 하나의 감지 유닛을 포함하고, 상기 감지 유닛은:
    작동 전극, 상대 전극 및 기준 전극을 갖는 적어도 하나의 전기화학 셀,
    상기 작동 전극들 중 적어도 하나에 배열된 복수의 탄소 나노튜브를 포함하고, 상기 복수의 탄소 나노튜브는 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질에 특이적으로 결합하도록 구성되는 적어도 하나와 기능화되거나 또는 또는 상기 병원체의 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트의 뉴클레오티드 서열에 상보적인 뉴클레오티드 서열을 갖는 적어도 하나의 올리고뉴클레오티드와 기능화되고,
    생물학적 샘플을 수집하도록 구성된 기구를 수용하기 위해 상기 하우징에 배치된 구멍,
    기구가 하우징에 수용되면 상기 기구를 상기 전극으로부터 분리하기 위해 상기 하우징에 위치된 적어도 하나의 내부 레지,
    상기 생물학적 샘플을 처리하기 위한 시약을 저장하기 위한 리저버 - 상기 리저버는 파괴가능 멤브레인을 가짐 - , 를 포함하고,
    상기 리저버는 하우징 내에 위치되고 상기 기구는 시약의 적어도 일부를 기구의 적어도 일부 상으로 방출하기 위해 하우징에 일단 삽입되면 기구가 멤브레인을 천공하여 기능화된 작동 전극 상에 생물학적 샘플의 적어도 일부를 도입하도록 구성되는 센서.
  81. 제80항에 있어서, 상기 전기화학 셀은 샘플에 존재할 때 상기 병원체와 관련된 상기 적어도 하나의 단백질 또는 상기 적어도 하나의 RNA 또는 DNA 세그먼트가 각각 상기 압타머 또는 상기 올리고뉴클레오티드 중 적어도 하나에 결합할 때 검출 신호를 생성하는 센서.
  82. 제81항에 있어서, 상기 검출 신호를 수신하고 상기 병원체가 샘플에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 상기 신호를 처리하기 위해 상기 전기화학 셀과 통신하는 분석 모듈을 추가로 포함하는 센서.
  83. 제80항에 있어서, 상기 센서는 일회용 카트리지에 위치되는 센서.
  84. 제80항에 있어서, 상기 적어도 하나의 감지 유닛은 복수의 감지 유닛을 포함하고, 상기 감지 유닛 중 하나는 압타머-기능화된 탄소 나노튜브를 포함하고 상기 감지 유닛 중 다른 하나는 올리고뉴클레오티드-기능화된 탄소 나노튜브를 포함하는 센서.
  85. 제80항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브는 단일 벽 탄소 나노튜브(SWCNT)를 포함하는 센서.
  86. 제80항에 있어서, 상기 적어도 하나의 압타머는 상기 적어도 하나의 단백질의 상이한 에피토프에 결합하도록 배열된 다수의 압타머를 포함하는 센서.
  87. 제80항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 시약은 샘플에 존재할 때 상기 병원체를 용해시키기 위한 작용제를 포함하는 센서.
  88. 제80항에 있어서, 하우징은 상부 표면, 하부 표면을 포함하는 센서.
  89. 제88항에 있어서, 상기 작동 전극은 상기 하부 표면에 근접하게 배열되는 센서.
  90. 제89항에 있어서, 상기 리저버는 상기 파괴가능 파괴가능 멤브레인과 상기 상부 표면의 적어도 일부 사이에 형성되는 센서.
  91. 제89항에 있어서, 상기 하우징은 상기 구멍이 형성되는 전방 표면 및 마주보는 후방 표면을 추가로 포함하는 센서.
  92. 제91항에 있어서, 상기 리저버는 상기 파괴가능 멤브레인과 상기 마주보는 후방 표면의 적어도 일부 사이에 형성되는 센서.
  93. 제80항에 있어서, 상기 파괴가능 멤브레인은 중합체 재료를 포함하는 센서.
  94. 제93항에 있어서, 중합체 재료는 임의의 셀로판 및 폴리우레탄을 포함하는 센서.
  95. 제80항에 있어서, 상기 하우징은 중합체 재료를 포함하는 센서.
  96. 제95항에 있어서, 상기 중합체 재료는 임의의 PDMS를 포함하는 센서.
  97. 제80항에 있어서, 상기 병원체는 바이러스 및 박테리아 중 임의의 것을 포함하는 센서.
  98. 제97항에 있어서, 상기 바이러스는 코로나 바이러스, 인플루엔자 바이러스 중 임의의 것을 포함하는 센서.
  99. 제98항에 있어서, 상기 코로나 바이러스는 SARS-CoV-2 바이러스를 포함하는 센서.
  100. 호흡기 샘플에서 병원체를 검출하는 방법으로서,
    개인으로부터 하나 이상의 호흡 샘플 수집하는 단계,
    검출을 위해 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재하는 경우 적어도 하나의 병원체를 준비하기 위해 상기 하나 이상의 호흡 샘플을 하나 이상의 시약과 혼합하는 단계,
    상기 혼합물의 적어도 일부를 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재하는 경우 상기 병원체와 관련된 적어도 하나의 단백질 및 적어도 하나의 RNA 세그먼트를 검출하도록 구성된 전기화학 셀에 도입하는 단계 - 상기 전기화학 셀은 상기 적어도 하나의 단백질의 검출에 응답하여 제1 검출 신호를 생성하고 상기 적어도 하나의 RNA 세그먼트의 검출에 응답하여 제2 검출 신호를 생성하는 방법.
  101. 제100항에 있어서, 상기 전기화학 셀가 상기 제1 검출 신호 및 상기 제2 검출 신호 모두를 생성할 때 상기 병원체가 상기 하나 이상의 호흡 샘플에 존재한다는 것을 표시하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  102. 코로나 바이러스의 신생 변이체를 확인하는 방법으로서,
    코로나 바이러스의 공지된 변이체의 구조 단백질에 대한 특이적 결합을 나타내는 적어도 하나의 압타머로 기능화된 복수의 단일벽 탄소 나노튜브 상에 생물학적 샘플의 일부를 도입하는 단계 - 상기 구조 단백질은 코로나 바이러스의 상이한 알려진 변이체 중 적어도 약 80%의 상동성을 나타냄 - ,
    상기 구조 단백질이 샘플에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 상기 생물학적 샘플과의 상호작용에 반응하여 상기 압타머 기능화된 복수의 탄소 나노튜브의 적어도 하나의 물리적 또는 화학적 특성을 모니터링하는 단계,
    생물학적 샘플의 일부를 복수의 상이한 올리고뉴클레오티드 서열로 기능화된 복수의 단일벽 탄소 나노튜브 상에 도입하는 단계 - 각각의 상기 올리고뉴클레오티드 서열은 공지된 코로나 바이러스 중 하나에 고유한 RNA 세그먼트에 상보적임 - ,
    임의의 상기 RNA 세그먼트가 샘플에 존재하는지 여부를 결정하기 위해 상기 올리고뉴클레오티드-기능화된 탄소 나노튜브의 적어도 하나의 물리적 또는 화학적 특성을 모니터링하는 단계를 포함하고,
    상기 RNA 세그먼트의 부재 및 상기 적어도 하나의 구조 단백질의 존재는 상기 샘플에서 코로나 바이러스의 신생 변이체의 존재를 나타내는 방법.
  103. 공기 모니터링 시스템으로서,
    주변 공기의 하나 이상의 샘플을 수용하기 위한 챔버를 제공하는 공기 수집 모듈,
    상기 공기 수집 모듈에 제거 가능한 결합을 위해 구성된 적어도 하나의 센서를 포함하고,
    상기 센서가 상기 공기 수집 모듈에 센서를 결합할 때 상기 챔버로부터 상기 센서를 분리하는 입구 작동 밸브를 포함하여 상기 입구 작동 가능 밸브의 작동이 상기 인클로저에 포함된 공기의 적어도 일부를 센서로 도입하도록 허용하고,
    상기 센서는
    생물학적 입자가 샘플링된 공기 중에 존재하는 경우, 표적 생물학적 입자와 관련된 적어도 하나의 단백질을 검출하도록 구성된 적어도 제1 감지 유닛, 및
    표적 병원체가 샘플링된 공기에 존재할 때 상기 표적 생물학적 입자의 적어도 하나의 유전체 구성요소를 검출하도록 구성된 적어도 제2 감지 유닛을 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  104. 제103항에 있어서, 상기 공기 수집 모듈은 주변 공기가 챔버에 들어갈 수 있는 적어도 하나의 포트를 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  105. 제104항에 있어서, 주변 공기가 상기 챔버에 들어가기 전에 필터를 통과하도록 상기 포트에 대해 위치된 필터를 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  106. 제105항에 있어서, 상기 포트로 주변 공기의 도입을 용이하게 하기 위한 임펠러를 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  107. 제103항에 있어서, 상기 생물학적 입자는 병원체를 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  108. 제107항에 있어서, 상기 병원체는 박테리아 및 바이러스 중 임의의 것을 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  109. 제103항에 있어서, 상기 제1 감지 유닛은 상기 적어도 하나의 단백질에 대한 특이적 결합을 나타내는 적어도 하나의 친화성 결합 요소로 기능화된 감지 전극을 갖는 전기화학 센서를 갖는 적어도 하나의 감지 모듈을 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  110. 제109항에 있어서, 상기 친화성 결합 요소는 압타머, 항체 중 임의의 것을 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  111. 제103항에 있어서, 상기 제2 감지 유닛은 상기 적어도 하나의 유전자 구성요소에 대한 특이적 결합을 나타내는 적어도 하나의 친화성 결합 요소로 기능화된 감지 전극을 갖는 전기화학 센서를 갖는 적어도 하나의 감지 모듈을 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  112. 제111항에 있어서, 상기 적어도 하나의 친화성 결합 요소는 올리고뉴클레오티드를 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  113. 제103항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유전체 구성요소는 RNA 및 DNA 세그먼트 중 임의의 것을 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  114. 제104항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 다공성 충격 재료 및 수용된 공기 샘플이 상기 다공성 충격 재료를 향해 가속될 수 있는 상기 입구 밸브의 하류에 위치한 노즐을 포함하고, 상기 다공성 충격 재료는 공기 샘플 내에서 다른 미립자로부터 수용된 공기 샘플에 존재할 때 적어도 하나의 표적 생물학적 입자를 분리하도록 구성되어 상기 표적 생물학적 입자의 적어도 일부는 상기 충격 재료 주위를 통과하는 동시에 상기 다른 미립자의 적어도 일부는 상기 다공성 충격 재료에 의해 흡수되는 공기 모니터링 시스템.
  115. 제114항에 있어서, 표적 생물학적 입자의 적어도 일부를 포획하기 위해 상기 다공성 충격 재료의 하류에 위치된 포획 필터를 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  116. 제115항에 있어서, 상기 충격 재료 및 상기 포획 필터가 배치되는 인클로저를 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  117. 제116항에 있어서, 상기 포획 필터로부터 상기 포획된 생물학적 입자의 적어도 일부를 제거하기에 적합한 완충액을 저장하기 위한 완충액 리저버를 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  118. 제117항에 있어서, 상기 완충액 리저버는 상기 완충액 리저버를 상기 인클로저로부터 분리하는 출구 작동 밸브를 포함하여 상기 출구 작동 밸브가 작동될 때 상기 완충액의 적어도 일부가 상기 완충액 리저버로부터 방출되어 상기 포획 필터와 접촉하여 상기 완충액에서(본원에서 "완충액 샘플") 포획 필터로부터의 상기 포획된 생물학적 입자의 적어도 일부를 배출하는 공기 모니터링 시스템.
  119. 제118항에 있어서, 상기 인클로저는 상기 인클로저를 도관으로부터 분리하기 위해 완충액-샘플 이송 작동 가능 밸브가 배치되는 표면을 포함하여, 상기 완충액 샘플 전달 작동 가능 밸브의 작동 시에 상기 테스트 샘플의 적어도 일부가 상기 도관 내로 흐르는 공기 모니터링 시스템.
  120. 제119항에 있어서, 상기 생물학적 입자의 상기 적어도 하나의 유전체 구성요소를 추출하기 위한 하나 이상의 시약을 저장하기 위한 제1 시약 리저버 및 상기 적어도 하나의 단백질의 검출을 용이하게 하기 위한 하나 이상의 시약을 저장하기 위한 제2 시약 리저버를 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  121. 제120항에 있어서, 상기 제1 시약 리저버는 상기 도관으로부터 상기 제1 시약 리저버를 분리하는 입구 작동 밸브를 포함하여, 상기 제1 시약 리저버의 상기 입구 작동 밸브가 작동될 때, 완충액 샘플의 적어도 일부가 상기 도관으로부터 상기 제1 시약 리저버로 흐르도록 하여 단백질 테스트 샘플을 제공하기 위해 상기 하나 이상의 시약과 혼합되는 공기 모니터링 시스템.
  122. 제121항에 있어서, 상기 제1 시약 리저버는 상기 제1 감지 유닛으로부터 상기 제1 시약 리저버를 분리하는 출구 작동 밸브를 추가로 포함하여 상기 제1 시약 리저버의 상기 출구 작동 밸브가 작동될 때 상기 단백질 테스트 샘플의 적어도 일부가 상기 제1 감지 유닛 내로 도입되는 공기 모니터링 시스템.
  123. 제122항에 있어서, 상기 제2 시약 리저버는 상기 도관으로부터 상기 제2 시약 리저버를 분리하는 입구 작동 밸브를 추가로 포함하여, 제2 시약 리저버의 상기 입구 작동 밸브가 작동될 때 상기 완충액 샘플의 적어도 일부가 상기 제2 시약 리저버 내로 도입되어 유전자 테스트 샘플을 생성하기 위한 상기 하나 이상의 유전자 처리 시약과 혼합되는 공기 모니터링 시스템.
  124. 제123항에 있어서, 상기 제2 시약 리저버는 상기 출구 밸브의 작동 시 상기 유전자 테스트 샘플의 적어도 일부가 상기 제2 감지 유닛으로 도입되도록 상기 제2 감지 유닛으로부터 상기 제2 시약 리저버를 분리하는 출구 밸브를 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  125. 제103항에 있어서, 감지 유닛의 전기화학 셀 중 임의의 것의 적어도 하나의 전기적 특성을 측정하고 상기 측정된 전기적 특성을 나타내는 하나 이상의 검출 신호를 생성하기 위해 상기 감지 유닛의 감지 모듈과 통신하는 적어도 하나의 검출기를 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  126. 제125항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검출기는 멀티플렉서를 통해 상기 감지 유닛의 상기 감지 모듈에 전기적으로 결합되는 공기 모니터링 시스템.
  127. 제126항에 있어서, 상기 하나의 검출기가 상기 감지 모듈에 직렬로 질의할 수 있도록 상기 멀티플렉서를 제어하기 위해 상기 멀티플렉서와 통신하는 제어기를 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  128. 제127항에 있어서, 상기 제어기는 하나 이상의 검출 신호를 수신하기 위해 상기 적어도 하나의 검출기와 추가로 통신하는 공기 모니터링 시스템.
  129. 제128항에 있어서, 상기 제어기는 상기 감지 모듈에 의해 생성된 상기 하나 이상의 검출 신호가 임의의 상기 단백질 또는 상기 유전체 구성요소의 검출을 나타내는지 여부를 결정하기 위해 상기 감지 모듈 중 임의의 것에 의해 생성된 상기 검출 신호를 처리하도록 구성되는 공기 모니터링 시스템.
  130. 제129항에 있어서, 상기 제어기와 통신하는 알람 시스템을 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  131. 제130항에 있어서, 상기 제어기는 상기 주변 공기 중의 생물학적 입자의 검출에 응답하여 상기 알람 시스템에 제어 신호를 제공하여 알람 시스템이 알람을 발생시키도록 구성되는 공기 모니터링 시스템.
  132. 제131항에 있어서, 상기 제어기 및 상기 알람 시스템 중 임의의 것과 통신하는 통신 모듈을 추가로 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  133. 제132항에 있어서, 상기 통신 모듈은 무선 프로토콜을 통해 통신하도록 구성되는 공기 모니터링 시스템.
  134. 제133항에 있어서, 상기 알람 시스템은 상기 공기 모니터링 시스템에 대해 원격으로 위치되는 공기 모니터링 시스템.
  135. 제134항에 있어서, 상기 통신 모듈은 상기 알람 신호를 상기 원격 알람 시스템으로 전송하도록 구성되는 공기 모니터링 시스템.
  136. 제135항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전기적 특성은 상기 감지 전극의 임피던스를 포함하는 공기 모니터링 시스템.
  137. 분석물을 검출하기 위한 센서로서,
    친화성 결합 요소에 대한 분석물의 결합이 감지 전극의 적어도 하나의 전기적 특성을 변화시키도록 상기 분석물에 대한 특이적 결합을 나타내는 적어도 제1 친화성 결합 요소로 기능화된 감지 전극을 포함하는 적어도 하나의 감지 유닛, 및
    기능화된 SERS에 대한 분석물의 결합에 응답하여 상기 분석물 및 상기 친화성 결합 요소 중 임의의 것과 관련된 라만 신호를 얻기 위해 상기 분석물에 특이적 결합을 나타내는 적어도 제2 친화성 결합 요소로 기능화된 표면 강화 라만 표면(SERS)을 포함하는 적어도 하나의 감지 유닛을 포함하는 센서.
  138. 제137항에 있어서, 제1 및 제2 친화성 결합 요소는 동일한 센서.
  139. 제137항에 있어서, 상기 제1 친화성 결합 요소는 상기 제2 친화성 결합 요소와 상이한 센서.
  140. 제137항에 있어서, 임의의 상기 분석물 및 상기 친화성 결합 요소의 적어도 하나의 라만 활성 모드를 여기시키기에 적합한 레이저 생성 방사선을 추가로 포함하는 센서.
  141. 제140항에 있어서, 상기 적어도 하나의 라만 활성 모드의 여기에 응답하여 생성된 라만 산란 방사선을 검출하고 적어도 하나의 검출 신호를 생성하기 위한 광검출기를 추가로 포함하는 센서.
  142. 제137항에 있어서, 상기 감지 전극의 상기 전기적 특성을 측정하고 전기 감지 신호를 생성하기 위해 상기 감지 전극과 통신하는 전기 검출기를 추가로 포함하는 센서.
  143. 제142항에 있어서, 상기 적어도 하나의 라만 검출 신호를 수신하고 상기 라만 검출 신호가 상기 친화성 결합 요소와 상기 분석물의 결합과 관련된 라만 시그니처를 나타내는지 여부를 식별하기 위해 상기 라만 검출 신호를 처리하기 위해 상기 광검출기와 통신하는 분석기를 추가로 포함하는 센서.
  144. 제143항에 있어서, 상기 분석기는 상기 전기 검출 신호를 수신하고 상기 전기 검출 신호가 상기 친화성 결합 요소에 대한 상기 분석물의 결합을 나타내는지 여부를 식별하기 위해 상기 전기 검출 신호를 처리하기 위해 상기 전기 검출기와 통신하는 센서.
  145. 제144항에 있어서, 상기 분석기는 상기 광검출 신호 및 상기 전기적 신호 모두가 상기 샘플에서 상기 분석물의 존재를 나타낼 때 조사 중인 샘플에서 상기 분석물의 존재를 나타내는 센서.
  146. 제137항에 있어서, 상기 SERS는 금층 및 상기 금층 위에 분포된 복수의 금 나노입자를 포함하는 센서.
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