用于诊断的平面共形电路制造技术

要求保护的发明专利技术是一种用于以手持测量装置来执行阻抗谱的设备和方法。共形分析物传感器电路包括多孔纳米织构衬底，以及在电路设计中位于固体衬底的上表面上的导电材料，该共形分析物传感器电路可以单独使用，或者与手持电位计结合起来使用。还公开了使用手持测量装置来检测和/或量化样本中的目标分析物的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2013年7月31日提交的美国临时申请第61/860,434号、2013年7月31日提交的美国临时申请第61/860,460号以及2013年12月31日提交的美国临时申请第61/922,336号的权益。所引用的申请的全部内容通过引用被合并到本文中。
本专利技术总体上涉及检测装置的领域。更具体地，本专利技术关系到使用纸微流体(papermicrofluidics)和手持恒电位器(handheldpotentiostat)来检测生物分子和其它目标分析物。
技术介绍
设计便宜和一次性使用的还可生物降解的诊断和分析平台的能力对于卫生保健和环境而言是很有价值的。已经确定的是生物分子的基于大小的限制对于在诊断中实现提高的敏感性是重要的。通常，通过用于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的复杂的制造工艺来实现基于大小的限制，这增加了单位成本并且增大了技术的实际成本。低成本技术使用印制电路板，印制电路板由于差的生物降解性而难以处理并且增加了环境成本。基于纸的微流体已经得到发展，其通常使用丝网印刷技术；然而，关于实现在表面上的受控的流体流动，问题依旧。类似地，当前可购得的上市恒电位器被设计为聚焦于适用大范围的电/电化学技术。这导致庞大的规格(formfactor)和用在它们的构造中的昂贵部件。而且，它们被设计成用于电化学应用。关于这样的上市恒电位器的具体问题包括以下事实：它们具有大的装置规格，使得其难以用在即时检测(point-of-care)设置中；在低电流和低电压设置处具有高的噪声；具有昂贵和重复的软件和固件成本；具有模拟串行输入/输出接口；以及在全球应用中具有低的鲁棒性和非普适性。在另一极端，手持便携式恒电位器在可定制性和适用性方面非常局限于一系列应用。便携式恒电位器对于生物应用而言不是噪声有效的，并且因此缺乏鲁棒性。关于手持恒电位器的具体问题包括：在低电流和低电压设置处的高的噪声；对于生物感测而言低的应用鲁棒性；以及对于电化学应用的最少的操作选择。因此，依然存在对于可负担的、高效的、可生物降解的诊断平台的需要。
技术实现思路
要求保护的本专利技术是一种用于以手持恒电位器来执行阻抗谱(impedancespectroscopy)的装置和方法。在一些方面，本文所公开的是共形分析物传感器电路，其包括：多孔纳米织构衬底；以及导电材料，该导电材料在电路设计中位于固体衬底的上表面上，从而创建包括工作电极和参考电极的电路。纳米织构衬底的孔隙率由要测量的目标分析物确定。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底具有10×105和10×1020个孔隙/cm2的孔隙率或者10×105与10×1020个孔隙/cm2之间的孔隙率。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底具有10×107和10×1016个孔隙/cm2的孔隙率或者10×107与10×1016个孔隙/cm2之间的孔隙率。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底为绝缘衬底。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底为纸或硝化纤维。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括疏水涂层。在一些实施方式中，疏水涂层包括聚对二甲苯、聚酰胺、聚乙二醇(PEG)、聚阳离子溶液和聚二甲硅氧烷(polydimethlysiloxane)。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括表面涂层。在一些实施方式中，表面涂层包括预制的喷雾和气溶胶，其在传感器衬底的特定区域上可以引起疏水性。在一些实施方式中，表面涂层包括乙醇、聚二甲硅氧烷、硫酸乙酯、三甲基氯硅烷、硅氧烷和硅的混合物以及预制的嵌段共聚物混合物(blockco-polymermixtue)。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括径迹蚀刻膜。在一些实施方式中，径迹蚀刻膜包括nucleopore规格和cyclopore规格。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括酸蚀刻膜。在一些实施方式中，酸蚀刻膜包括硅和氧化铝支架(scaffold)。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括聚合物膜。在一些实施方式中，聚合物膜包括尼龙、聚酰胺、硝化纤维和聚四氟乙烯(PTFE)。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括电沉积膜。在一些实施方式中，电沉积膜包括图案化的金属和水凝胶基质。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括阳极化处理的膜。在一些实施方式中，多孔纳米织构衬底包括陶瓷膜。在一些实施方式中，在陶瓷膜被制备为氧化铝和硅石的混合物时，陶瓷膜可以被制成共形的或柔性的，该氧化铝和硅石按比率式混合来组合并且通过化学蒸气或酸蚀刻而被沉积和氧化。导电材料可以是对于本领域技术人员而言已知的任意合适的材料。在一些实施方式中，导电材料为导电墨或半导电墨。在一些实施方式中，半导电墨包括碳墨(carbonink)及添加剂。在一些实施方式中，导电墨是注入了碳、银或金属纳米颗粒的碳墨。在一些实施方式中，注入了金属纳米颗粒的碳墨被注入金、铂、钽、银、铜、锡或字素(grapheme)。在一些实施方式中，碳墨被注入按体积计的0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.6％、0.7％、0.8％、0.9％、1％、2％、3％、4％、5％或更多的金属纳米颗粒。在一些实施方式中，碳墨的厚度范围从0.1nm至1μm。在一些实施方式中，可以通过沉积方法来控制碳墨的厚度。电路可以是非线性电路或非欧姆电路。在一些实施方式中，电路被进一步限定为基电极表面。在一些实施方式中，基电极表面还连接至源电路。在一些实施方式中，源电路为恒电位器。在一些实施方式中，源电路为电压源。在一些实施方式中，源电路为电流源。在一些实施方式中，电路不包含捕获配体或标记分子。在一些实施方式中，共形分析物传感器还包括氧化还原材料。在一些实施方式中，本文所公开的共形分析物传感器电路中的任意共形分析物传感器电路通过包括以下步骤的方法进行装配：(a)提供固体多孔纳米织构衬底；以及(b)使用导电材料将分析物传感器电路设计转移到多孔纳米织构衬底的上表面上。在一些实施方式中，转移电路设计包括浸渍涂敷(dipcoating)。在这样的实施方式中，电路的特征分辨率达到100纳米/0.1微米。在一些实施方式中，转移电路设计包括凸印(embossing)。在这样的实施方式中，电路的特征分辨率达到100纳米/0.1微米。在一些实施方式中，转移电路设计包括：在3D打印机上设计电路并且将电路凸印到衬底上。在这样的实施方式中，电路的特征分辨率达到100纳米/0.1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用手持测量装置和共形分析物传感器电路来检测或量化样本中的目标分析物的方法，所述方法包括以下步骤：(a)提供具有参考电极和工作电极的共形分析物传感器电路；(b)在所述共形分析物传感器电路的所述参考电极与所述工作电极之间施加交流输入电压；(c)在最小频率与最大频率之间改变所述交流输入电压的频率；(d)使用可编程增益放大器来放大在所述参考电极与所述工作电极之间流动的输出电流；(e)使用可编程微控制器通过将所述输入电压与所述输出电流进行比较来计算阻抗；以及(f)使用可编程微控制器根据所计算的阻抗来检测目标分析物或计算目标分析物浓度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.07.31 US 61/860,434;2013.07.31 US 61/860,460;1.一种使用手持测量装置和共形分析物传感器电路来检测或量化样
本中的目标分析物的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供具有参考电极和工作电极的共形分析物传感器电路；
(b)在所述共形分析物传感器电路的所述参考电极与所述工作电极
之间施加交流输入电压；
(c)在最小频率与最大频率之间改变所述交流输入电压的频率；
(d)使用可编程增益放大器来放大在所述参考电极与所述工作电极
之间流动的输出电流；
(e)使用可编程微控制器通过将所述输入电压与所述输出电流进行
比较来计算阻抗；以及
(f)使用可编程微控制器根据所计算的阻抗来检测目标分析物或计
算目标分析物浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入电压具有2Hz的最
小频率和15kHz的最大频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输入电压具有50Hz的
最小频率和15kHz的最大频率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述输入电压
的频率以2Hz的增量变化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述输入电压
为正弦曲线的。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述输入电压
为锯齿波。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述输入电压
为方波。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述输入电压
为三角波。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述输入电压
在1mV与10V之间。
10.根据权利要求1至8所述的方法，其中，所述输入电压在1mV
与100mV之间。
11.根据权利要求1至8所述的方法，其中，所述输入电压在100mV
与10V之间。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述输出电
流在10pA与10mA之间。
13.根据权利要求1至11所述的方法，其中，所述输出电流在10pA
与100nA之间。
14.根据权利要求1至11所述的方法，其中，所述输出电流在100nA
与10mA之间。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，所述输出电
流被按照1与200之间的因子进行放大。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，还包括：使用可编
程微控制器来计算所述输入电压与所述输出电流之间的相位差。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，还包括：使用可编
程微控制器通过应用傅里叶变换来计算作为频率的函数的阻抗。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，还包括：使用可编
程微控制器，使用利萨如曲线来计算阻抗。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，还包括：使用多片
分割和信号分析来计算作为频率的函数的阻抗。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，还包括：在LCD显
示器上显示所计算的目标分析物浓度。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，还包括：在LCD显
示器上显示输出。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，还包括：在智能电
话上显示输出。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，还包括：使用小型
操纵杆来提供输入。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，还包括：使用智能
电话来提供输入。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其中，所计算的阻
抗为非法拉第的。
26.一种共形分析物传感器电路，包括：
固体衬底，所述固体衬底具有包括多孔纳米织构衬底的上表面；
导电材料，所述导电材料在电路设计中位于所述固体衬底的所述上表
面上，从而创建包括工作电极和参考电极的电路。
27.根据权利要求26所述的分析物传感器电路，其中，所述多孔纳
米织构衬底具有10×105至10×1020个孔隙/cm2的孔隙率。
28.根据权利要求26所述的分析物传感器电路，其中，所述多孔纳
米织构衬底具有10×107至10×1016个孔隙/cm2的孔隙率。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述多孔纳米织构衬底为绝缘衬底。
30.根据权利要求26所述的分析物传感器电路，其中，所述多孔纳
米织构衬底为纸或硝化纤维。
31.根据权利要求30所述的分析物传感器，其中，所述多孔纳米织
构衬底被用聚合物进行处理。
32.根据权利要求26至31中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述衬底还包括疏水涂层。
33.根据权利要求26至31中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述衬底还包括表面涂层。
34.根据权利要求26至33中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述衬底还包括径迹蚀刻膜。
35.根据权利要求26至33中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述衬底还包括酸蚀刻膜。
36.根据权利要求26至33中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述衬底还包括阳极化处理的膜。
37.根据权利要求26至33中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述衬底还包括聚合物膜。
38.根据权利要求26至33中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述衬底还包括陶瓷膜。
39.根据权利要求26至33中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述衬底还包括电沉积膜。
40.根据权利要求26至39中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述导电材料为导电墨或半导电墨。
41.根据权利要求40所述的分析物传感器电路，其中，所述半导电
墨包括碳墨及添加物。
42.根据权利要求40所述的分析物传感器电路，其中，所述导电墨
为注入了碳、银或金属纳米颗粒的碳墨。
43.根据权利要求42所述的分析物传感器电路，其中，注入了金属
纳米颗粒的碳墨被注入金、铂、钽、银、铜、锡或字素。
44.根据权利要求26至43中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述电路为非线性电路。
45.根据权利要求26至43中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述电路为非欧姆电路。
46.根据权利要求26至45中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述电路被进一步限定为基电极表面。
47.根据权利要求46所述的分析物传感器电路，其中，所述基电极
表面还连接至源电路。
48.根据权利要求47所述的分析物传感器电路，其中，所述源电路
为恒电位器。
49.根据权利要求47所述的分析物传感器电路，其中，所述源电路
为电压源。
50.根据权利要求47所述的分析物传感器电路，其中，所述源电路
为电流源。
51.根据权利要求26至50中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述电路不包含捕获配体或标记分子。
52.根据权利要求26至50中任一项所述的分析物传感器电路，其中，
所述共形分析物传感器还包括氧化还原材料。
53.根据权利要求26至52中任一项所述的共形分析物传感器电路，
其中，所述分析物传感器电路通过包括以下步骤的方法来装配：
(a)提供固体多...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙利尼·普拉萨德，安詹·帕尼尔·塞尔万，
申请(专利权)人：得克萨斯州大学系统董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US