(57)【要約】【課題】生理的ガス・サンプル中の検体感知に使用することができる、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定するシステムおよびデバイスを提供する。【解決手段】一実施形態では、容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）およびグラフェン・バラクタを有する、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定するシステムが含まれる。ＣＤＣは、グラフェン・バラクタと電気的に通信することができ、複数のＤＣバイアス電圧にわたる励起信号に応答してグラフェン・バラクタの容量を測定するように構成することができる。他の実施形態も本明細書に含まれる。【選択図】図１
2019020415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）と、
１つ以上のグラフェン・バラクタと、
複数のＤＣバイアス電圧における前記１つ以上のグラフェン・バラクタの容量を反映する電気信号を受け取るように構成されたコントローラ回路とを備え、
該ＣＤＣが、該１つ以上のグラフェン・バラクタと電気的に通信し、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたる励起信号に応答して該グラフェン・バラクタの容量を測定するように構成され、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたる該測定された容量が所与のサンプルに関するパターンの一部を形成し、
前記コントローラ回路が、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたる該測定された容量値を記録するように構成された、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたって容量を評価することによって、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定するシステム。
【請求項２】
前記ＣＤＣと複数の前記グラフェン・バラクタとを選択的に電気的に通信するように構成されたマルチプレクサを更に備え、励起信号が前記マルチプレクサを通して選択されたグラフェン・バラクタに印加される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記励起信号が交流電圧を含むことと、前記励起信号の振幅が前記ＣＤＣによって固定されることとのうち少なくとも一方である、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラ回路および前記ＣＤＣと電気的に通信する、Ｉ２ＣまたはＳＰＩからなる群から選択された電子部品を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記１つ以上のグラフェン・バラクタが官能化グラフェン・バラクタを備える、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記コントローラ回路が、
容量対電圧の最大傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、
容量対電圧の最小傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、
最小容量、
基準値に対する最小容量の変化、
最小容量時の電圧、
最小容量時の電圧の変化、
最大容量、
最大容量の変化、
最大容量対最小容量の比、
応答時間定数、ならびに
前記グラフェン・バラクタと第２のグラフェン・バラクタとの前記容量対電圧の最大傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、前記容量対電圧の最小傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、前記最小容量、前記基準値に対する最小容量の変化、前記最小容量時の電圧、前記最小容量時の電圧の変化、前記最大容量、前記最大容量の変化、前記最大容量対最小容量の比、および前記応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、前記１つ以上のグラフェン・バラクタに関する少なくとも１つのパラメータを計算するように構成される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
（１）前記１つ以上のグラフェン・バラクタが前記ＣＤＣの独立した励起出力と電気的に通信していることと、
（２）前記システムが前記１つ以上のグラフェン・バラクタと直列接続された１つ以上のプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）を更に備えることと、
（３）前記システムがスイッチを更に備え、前記ＣＤＣが、前記スイッチと電気的に通信すると共に、前記スイッチを制御して、２つのプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）の出力電圧、励起振幅を決定する前記ＤＡＣ間のプログラムされた電圧差、および前記ＤＡＣのプログラムされた平均電圧とＤＣバイアスを決定する前記ＣＤＣの入力側のバイアスとの差を選択的に提供することと、のうち少なくとも１つを備える請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記コントローラ回路がマイクロコントローラを備える、請求項５乃至７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記複数のグラフェン・バラクタが接地される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
揮発性有機化合物を含むガス状検体を感知するための、カテーテルおよび内視鏡システムの少なくとも一方と共に使用される手持ち式の呼気サンプリング・デバイスを含むガス・サンプリング・デバイスであって、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のシステムを備えるか、または該システムに組み込まれる、ガス・サンプリング・デバイス。
【請求項１１】
容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）を使用して、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたる励起信号に応答してグラフェン・バラクタの容量を測定する工程と、
ＤＣバイアス電圧の範囲にわたる該測定された容量値を評価して、１つ以上の検体の存在の有無、または量と関連付けられるパターンを特定する工程とを備える、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたって容量を評価することによって、該グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定する方法。
【請求項１２】
（１）容量対電圧の最大傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、
容量対電圧の最小傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、
最小容量、
基準値に対する最小容量の変化、
最小容量時の電圧、
最小容量時の電圧の変化、
最大容量、
最大容量の変化、
最大容量対最小容量の比、
応答時間定数、ならびに
２つの異なるグラフェン・センサ間における前記容量対電圧の最大傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、前記容量対電圧の最小傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、前記最小容量、前記基準値に対する最小容量の変化、前記最小容量時の電圧、前記最小容量時の電圧の変化、前記最大容量、前記最大容量の変化、前記最大容量対最小容量の比、および前記応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択される１つ以上の態様を決定する工程を更に備えることと、
（２）前記複数のＤＣバイアス電圧にわたる前記グラフェン・バラクタの前記測定された容量から容量対電圧曲線を形成する工程を更に備え、かつ前記形成された容量対電圧曲線を基準の容量対電圧曲線と比較する工程を更に備えることと、
（３）前記ＤＣバイアス電圧の範囲が、−３Ｖから３Ｖ、−２．５Ｖから２．５Ｖ、−２Ｖから２Ｖ、−１．５Ｖから１．５Ｖ、−１Ｖから１Ｖ、−０．５Ｖから０．５Ｖの範囲であることと、のうち少なくとも１つを備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
化学的検体を測定するために、揮発性有機化合物を含む化学的検体の存在を決定する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のシステムの使用。
【請求項１４】
化学的検体を測定するために、揮発性有機化合物を含む化学的検体の存在を決定する、請求項１０に記載のデバイスの使用。
【請求項１５】
請求項１１または１２に記載の方法における、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のシステムの使用と請求項１０に記載のデバイスの使用とのうち少なくとも一方の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の実施形態は、生理的ガス・サンプル中の検体感知システムおよびデバイスに関する。より具体的には、本明細書の実施形態は、グラフェン・バラクタ（ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｖａｒａｃｔｏｒｓ）上における検体の存在を測定するシステムおよびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
保健医療を提供する過程において、医師は、身体を観察し、患者に関するデータを集めるための検査を実施する場合が多い。データを収集し、所与の患者の病歴など、他の側面での分析を行った後、医師は診断を行い、次に診断された病態を治療する療法を選択する場合が多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
揮発性有機化合物などの様々な化学的検体の存在および／または濃度の知見は、診断を行うのに非常に有用な場合がある。しかしながら、かかる化学的検体を臨床上実用的に測定することには、技術的に困難な点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書の実施形態は、生理的ガス・サンプル中の検体感知システムおよびデバイスに関する。
第１の態様では、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定するシステムが含まれる。システムは、容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ：ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  ｔｏ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）とグラフェン・バラクタとを含むことができる。ＣＤＣは、グラフェン・バラクタと電気的に通信することができ、複数のＤＣバイアス電圧にわたる励起信号に応答してグラフェン・バラクタの容量を測定するように構成することができる。
【０００５】
第２の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、システムは、ＣＤＣと複数のグラフェン・バラクタとを選択的に電気的に通信するように構成されたマルチプレクサを更に備えることができる。
【０００６】
第３の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、マルチプレクサを通して励起信号を選択されたグラフェン・バラクタに印加することができる。
第４の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、励起信号は交流電圧成分を含むことができる。
【０００７】
第５の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、励起信号の振幅はＣＤＣによって固定される。
第６の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、コントローラ回路を備えることができ、グラフェン・バラクタの容量を反映する電気信号を受け取るように構成することができる。
【０００８】
第７の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、コントローラ回路はマイクロコントローラを備えることができる。
第８の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、システムは、コントローラ回路およびＣＤＣと電気的に通信している、Ｉ２ＣまたはＳＰＩから成る群から選択された電子部品を更に含む。
【０００９】
第９の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、グラフェン・バラクタは官能化グラフェン・バラクタを備えることができる。
第１０の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、コントローラ回路は、容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、応答時間定数、ならびにグラフェン・バラクタと第２のグラフェン・バラクタとの容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、および応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、グラフェン・バラクタに関する少なくとも１つのパラメータを計算するように構成される。
【００１０】
第１１の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、グラフェン・バラクタは接地される。
第１２の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、グラフェン・バラクタは、ＣＤＣの独立した励起出力と電気的に通信している。
【００１１】
第１３の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、システムは、複数のグラフェン・センサと直列接続された１つ以上のプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）を更に備えることができる。
【００１２】
第１４の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、システムは、スイッチを更に備えることができ、ＣＤＣは、スイッチと電気的に通信すると共に、スイッチを制御して、２つのプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）の出力電圧、励起振幅を決定するＤＡＣ間のプログラムされた電圧差、ならびにＤＡＣのプログラムされた平均電圧とＤＣバイアスを決定するＣＤＣ入力側のバイアスとの差を選択的に提供する。
【００１３】
第１５の態様では、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定する方法が含まれる。方法は、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたってグラフェン・バラクタの容量を測定する工程と、１つ以上のＤＣバイアス電圧における測定された容量を１つ以上の対応する基準容量値と比較する工程と、比較に基づいて検体の存在の有無を判断する工程とを備えることができる。
【００１４】
第１６の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、方法は、容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、応答時間定数、ならびに２つの異なるグラフェン・センサ間における容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、および応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された１つ以上の態様を決定する工程を更に備えることができる。
【００１５】
第１７の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、方法は、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたるグラフェン・バラクタの測定された容量から、容量対電圧曲線を形成する工程を更に備えることができる。
【００１６】
第１８の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、方法は、形成された容量対電圧曲線を基準の容量対電圧曲線と比較する工程を更に備えることができる。
【００１７】
第１９の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、方法は、グラフェン・バラクタに結合する異なる検体同士を区別する工程を更に備えることができる。
【００１８】
第２０の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、ＤＣバイアス電圧の範囲は−３Ｖ〜３Ｖである。
この概要は、本出願の教示の一部の概説であり、本発明の主題を排他的または網羅的に扱おうとするものではない。更なる詳細が、詳細な説明および添付の特許請求の範囲に見出される。以下の詳細な説明を読んで理解し、その一部を形成する図面を見ることによって、他の態様が当業者には明白となるであろう。各図面は限定的な意味で解釈されるべきものではない。本明細書の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの法律上の等価物によって定義される。
【００１９】
態様は、以下の図面と併せて更に完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本明細書の様々な実施形態によるシステムの様々な構成要素を示す概略図。
【図２】本明細書の様々な実施形態によるグラフェン・バラクタを示す概略分解組立図。
【図３】本明細書の様々な実施形態によるグラフェン・バラクタを示す概略断面図。
【図４】本明細書に開示する技術と矛盾しないガス・センシング・デバイスの要素を示す概略断面図。
【図５】本明細書の様々な実施形態による複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成を示す概略図。
【図６】本明細書の様々な他の実施形態による複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成を示す概略図。
【図７】本明細書の様々な他の実施形態による複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成を示す概略図。
【図８】本明細書の様々な実施形態によるグラフェン・バラクタの容量対ＤＣバイアス電圧を示すグラフ。
【図９】本明細書の様々な実施形態によるグラフェン・バラクタの容量対ＤＣバイアス電圧を示すグラフ。
【図１０】本明細書の様々な実施形態によるアセトン結合に応答する官能化グラフェン・バラクタの容量対ＤＣバイアス電圧を示すグラフ。
【図１１】本明細書の様々な実施形態によるオクタン結合に応答する官能化グラフェン・バラクタの容量対ＤＣバイアス電圧を示すグラフ。
【図１２】本明細書の様々な実施形態によるオクタノール結合に応答する官能化グラフェン・バラクタの容量対ＤＣバイアス電圧を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施形態は様々な修正および代替形態に影響されやすいが、それらの詳細を、例および図面を用いて示しており、詳細に記載する。しかしながら、本明細書の範囲は記載する特定の実施形態に限定されないことが理解されるべきである。対照的に、本発明は、本明細書の趣旨および範囲内にある修正、等価物、および変更を包含する。
【００２２】
呼息サンプルまたは他のガス・サンプル中で感知されるような揮発性有機化合物は、患者の健康状態に関する貴重な情報を提供することができる。特に、患者の呼気またはガス・サンプル中の揮発性有機化合物のパターン（複数の異なる揮発性有機化合物の存在、不在、および／または濃度を含む）は、様々な病的状態および／または特定の健康状態と関連付けられる場合がある。病的状態としては、肺がん、大腸がん、肺疾患（例えば、喘息、ＣＯＰＤ）、心臓血管系疾患（例えば、心不全）、感染症、消化器系および炎症性疾患（例えば、クローン病、大腸炎などの炎症性腸疾患）、または糖尿病を挙げることができるが、それらに限定されない。
【００２３】
グラフェン・バラクタは、揮発性有機化合物を測定するのに使用することができる１つのタイプのデバイスである。容量など、グラフェン・バラクタの様々な性質は、その上における揮発性有機化合物の存在に応答して変化し得る。しかしながら、容量など、グラフェン・バラクタの性質の測定は、技術的に困難なままである。
【００２４】
しかしながら、本明細書の実施形態を使用して、複数のグラフェン・バラクタの容量を迅速かつ正確に測定することができる。
ここで図１を参照すると、本明細書の様々な実施形態によるシステム１００の可能な構成要素の概略図が示されている。システム１００は、本明細書の様々な実施形態にしたがってガス状検体（または揮発性有機化合物）を感知する呼気センシング・デバイス１６０を備えることができる。この実施形態では、システムは手持ち式である。しかしながら、システムの他の多くの形式が本明細書において想起されることが認識されるであろう。
【００２５】
呼気センシング・デバイス１６０はハウジング１７８を備えることができる。呼気センシング・デバイス１６０はマウスピース１６２を備えることができ、評価される被験者がそこに呼気サンプルを吹き込むことができる。呼気センシング・デバイス１６０はまた、表示画面１７４とキーボードなどのユーザ入力デバイス１７６とを備えることができる。呼気センシング・デバイス１６０はまた、ガス流出ポート１７２を備えることができる。呼気センシング・システムおよびデバイスの態様が、米国特許出願公開第２０１６／０１０９４４０号明細書に記載されており、その内容を参照により本明細書に援用する。図１は呼気センシング・デバイスを示しているが、他のタイプのガス・サンプリング・システムも本明細書で使用できることが認識されるであろう。例えば、カテーテルおよび内視鏡システムと共に使用されるガス・サンプリング・デバイスも使用することができる。カテーテルまたは内視鏡デバイスに関連する例示的なガス・サンプリング・デバイスが、米国仮出願第６２／３５０，３４５号明細書に記載されており、その内容を参照により本明細書に援用する。
【００２６】
いくつかの実施形態では、システム１００は、マイクロプロセッサ、入出力回路、入力デバイス、視覚表示装置、ユーザ・インターフェースなどを備えることができる、ローカル・コンピューティング・デバイス１８２を備えることができる。いくつかの実施形態では、呼気センシング・デバイス１６０とローカル・コンピューティング・デバイス１８２との間でデータを交換するために、呼気センシング・デバイス１６０はローカル・コンピューティング・デバイス１８２と通信することができる。ローカル・コンピューティング・デバイス１８２は、本明細書に記載する様々なパラメータの計算を含むがそれらに限定されない、呼気センシング・デバイス１６０から受け取るデータを用いた様々な処理工程を実施するように構成することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、ローカル・コンピューティング・デバイス１８２と関連付けられる機構を呼気センシング・デバイス１６０に統合できることが認識されるべきである。いくつかの実施形態では、ローカル・コンピューティング・デバイス１８２は、ラップトップ・コンピュータ、デスクトップ・コンピュータ、サーバ（実もしくは仮想）、特定用途向けのコンピューティング・デバイス、ポータブル・コンピューティング・デバイス（携帯電話、タブレット、ウェアラブル・デバイスなどを備えるがそれらに限定されない）であることができる。
【００２７】
ローカル・コンピューティング・デバイス１８２および／または呼気センシング・デバイス１６０は、インターネット、またはパケット、フレーム、もしくは別のものとしてデータを交換する別のネットワークなど、データ・ネットワーク１８４を通して遠隔位置でコンピューティング・デバイスと通信することができる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、システム１００はまた、サーバ１８６（実もしくは仮想）などのコンピューティング・デバイスを備えることができる。いくつかの実施形態では、サーバ１８６は呼気センシング・デバイス１６０から離して配置することができる。サーバ１８６はデータベース１８８とデータ通信することができる。
【００２９】
データベース１８８は、本明細書に記載するような様々な患者情報を格納するのに使用することができる。いくつかの実施形態では、データベースは、具体的には、患者の健康状態、様々な症状と関連付けられるデータのパターン（大きな患者データ集合の機械学習分析から生成されるものなど）、人口統計的データなどに関するデータを収容する電子医療データベースを備えることができる。
【００３０】
グラフェン・バラクタは、様々な方式および様々な形状で準備することができる。次に図２を参照すると、グラフェン・バラクタ２００の分解組立図が示されている。グラフェン・バラクタ２００は、絶縁体層２０２と、ゲート電極２０４と、誘電体層２０６と、グラフェン層２０８と、接触電極２１０とを備えることができる。
【００３１】
図３は、グラフェン・バラクタ２００の断面図を示している。図示されるように、ゲート電極２０４は絶縁体層２０２に入り込ませることができる。ゲート電極２０４は、絶縁体層２０２をエッチングして窪みを作り、次に窪みに導電性材料を堆積させてゲート電極２０４を形成することによって形成できる。絶縁体層２０２は様々な材料を備えることができる。いくつかの実施形態では、絶縁体層２０２はシリコン基板（ウェハ）上に形成された二酸化シリコンであることができる。誘電体層２０６は、絶縁体層２０２およびゲート電極２０４の表面上に形成することができる。いくつかの例では、誘電体層２０６は、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、またはケイ酸ジルコニウムなどの材料で形成することができる。グラフェン層２０８は誘電体層２０６上に配設することができる。いくつかの態様では、グラフェン層２０８はグラフェン単分子層であることができる。また、接触電極２１０を、グラフェン層２０８の表面（またはその一部分）上に配設することができる。例示的なグラフェン・バラクタの態様を、米国特許出願公開第２０１４／０１４５７３５号明細書に見出すことができ、その内容を参照により本明細書に援用する。ガスおよび／または呼気サンプリング・システムの更なる態様が、米国特許出願公開第２０１６／０１０９４４０号明細書に記載されており、その内容を参照により本明細書に援用する。
【００３２】
様々な実施形態では、グラフェン層を官能化して、特定の検体または検体類に特異的なグラフェン・センサにすることができる。検体がグラフェン層に結合すると、センサの容量が変化する。更に、図８〜９に関して以下に示すように、容量は励起電流の電圧に基づいて異なるように変化する。
【００３３】
本明細書のシステムはまた、呼気および／またはガス・センシング・デバイスもしくはシステムを備えることができる。特に、本明細書のシステムは、揮発性有機化合物を備えるがそれらに限定されない様々なガス状検体の存在、不在、および／または量に関するデータを集めることができる。図４は、本明細書に開示する技術と矛盾しない例示のシステム４００の概略断面図である。この概略図は例示しやすくするために単純化されており、本明細書のシステムおよびデバイスの実施形態は、図４に示されていない様々な特徴を備え得ることが認識されるであろう。それに加えて、本明細書のシステムおよびデバイスの様々な実施形態は、図４に示されている様々な特徴を有さないことがある。システム４００は、一般に、ガス・サンプルを収集し、ガス・サンプルと関連付けられるデータを通信するように構成される。システム４００は、ガス・サンプリング・デバイス４１０とドッキング・ステーション４３０とを有する。
【００３４】
ガス・サンプリング・デバイス４１０は、ガス・サンプルを収集し、ガス・サンプルを試験してデータを生成するのを容易にするように構成することができる。いくつかの実施形態では、ガス・サンプリング・デバイス４１０は手持ち式のデバイスとして構成することができる。このような場合、ガス・サンプリング・デバイスは、その使用における特定の工程の間、介護者、患者、または両方の手で保持されるように構成することができ、また、その使用における特定の工程の間、ドッキング・ステーション４３０で保持されるかまたは別の形でそれと関連付けて配置されるように構成される。
【００３５】
いくつかの実施形態では、ガス・サンプリング・デバイス４１０は、患者からの呼気などのガス・サンプルを受け取り、そのガス・サンプルを試験位置へと向き付けるように構成される。ガス・サンプリング・デバイス４１０は、一般に、通気アパーチャ４２２を画成するハウジング４２０と、ガス試験チャンバ４２６と、センサ・レセプタクル４２８と、通気路４２４と、ドッキング構造４２１とを有する。
【００３６】
ガス・サンプルを受け取ったとき、ガス（患者からの呼息など）は、通気アパーチャ４２２を通ってガス・サンプリング・デバイス４１０に入り、通気路４２４を通り、ガス試験チャンバ４２６に入り、使い捨てセンサ試験片４４０の１つ以上の測定区域４４２と接触し、その後、センサ・レセプタクル４２８を通って、または別個の排出ポート（この図には図示なし）を通ってガス試験チャンバ４２６の端部から出る。この図は、センサ・レセプタクル４２８と使い捨てセンサ試験片４４０との間のいくつかの領域における接触を示しているが、一部のセグメントまたは領域では、センサ・レセプタクル４２８と使い捨てセンサ試験片４４０が接触しないか、または密閉する接触を作らず、それによってガスがセンサ・レセプタクル４２８を通って流出する経路をもたらすことが可能であることが認識されるであろう。
【００３７】
図４は、ハウジング４２０の内部空間とほぼ同じサイズの通気路４２４を示しているが、これは単に例示しやすくするためであり、通気路４２４のサイズは、多くの場合、ハウジング４２０の内部サイズ全体よりもはるかに小さくすることができ、それによって、センサ、電源、処理デバイス、通信ハードウェア、調整要素などを備えるがそれらに限定されない本明細書に記載する他の構成要素など、他の構成要素のための余地をハウジング４２０の内部にもたせることが可能であることが認識されるであろう。
【００３８】
ハウジング４２０は、様々な材料および材料の組み合わせで構築することができる。ハウジング４２０は、単一の結合構造であることができ、またはハウジング４２０を形成するように連結された複数の構成要素で構築することができる。例示的な一例として、通気路４２４を画成するハウジング４２０の一部分を、通気アパーチャ４２２を画成するハウジング４２０の部分に連結することができる。通気路４２４を画成するハウジング４２０の部分は、断面サイズおよび形状が様々に異なる導管またはチューブを備えることができる。導管またはチューブは、ポリマー、金属、セラミック、ガラス、複合材料などを備えるがそれらに限定されない、様々な材料から形成することができる。いくつかの実施形態では、通気路４２４を裏打ちする表面を、様々な所望の機能的性質を提供する材料で被覆することができる。
【００３９】
通気アパーチャ４２２は、一般に、ハウジング４２０におけるガス・サンプルの入力をもたらすように構成される。いくつかの実施形態では、通気アパーチャ４２２は、患者の口と流体連通するように構成されるが、他のいくつかの実施形態では、更に詳細に後述するように、保護ライナーを使用して、患者の口とハウジングとの間にバリアを設けることができる。
【００４０】
通気路４２４は、一般に、通気アパーチャ４２２におけるガスの入力をガス試験チャンバ４２６に向き付けるように構成される。そのため、通気路４２４は、一般に、通気アパーチャ４２２からガス試験チャンバ４２６まで延在する。通気路４２４は、通気路の長さに沿って実質的に同じである、または変化し得る断面積を有することができる。いくつかの実施形態では、ガス試験チャンバ４２６は、そこにつながる通気路とは異なる内寸（例えば、高さ、幅など）を有することができる。
【００４１】
ガス試験チャンバ４２６はガス・サンプルの試験位置を規定する。様々な実施形態では、ガス試験チャンバ４２６は、使い捨てセンサ試験片４４０の測定区域４４２を受け入れるように構成される。したがって、ハウジング４２０によって画成されるセンサ・レセプタクル４２８は、一般に、使い捨てセンサ試験片４４０をガス試験チャンバ４２６内で取外し可能に保定するように構成される。様々な実施形態では、センサ・レセプタクル４２８は、ユーザが手で挿入する使い捨てセンサ試験片４４０を摺動可能に受け入れるように構成される。いくつかの実施形態では、使い捨てセンサ試験片４４０は、その長軸をハウジング４２０の長軸に対して平行にして挿入することができる。しかしながら、他の実施形態では、使い捨てセンサ試験片４４０は、その長軸を、垂直など、ハウジング４２０の長軸に対して異なるように配置して挿入することができる。例示のセンサ試験片については更に詳細に後述する。
【００４２】
図４は、ガス・サンプリング・デバイス４１０（図の視点に対して上下）のほぼ中央に位置する試験片を示しているが、試験片を、上部または下部に向かって偏向させて、ハウジング４２０またはガス・サンプリング・デバイス４１０の外表面に近づけて配置することができることが認識されるであろう。いくつかの実施形態では、使い捨てセンサ・ストリップは、ハウジング４２０の外表面（または外壁）から５ｃｍ未満、４ｃｍ未満、３ｃｍ未満、２ｃｍ未満、１ｃｍ未満、０．５ｃｍ未満、０．２ｃｍ未満、またはそれ以下に配置することができる。
【００４３】
ドッキング・ステーション４３０は、一般に、ガス・サンプルの試験によって生成されたデータを収集するように構成される。ドッキング・ステーション４３０は、複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成を備える、読取りデバイス４３２を有する。グラフェン・センサの容量を測定する回路構成の態様については、更に詳細に後述する。しかしながら、いくつかの実施形態では、かかる回路構成を全てガス・サンプリング・デバイス４１０内に配設することができるか、全てドッキング・ステーション４３０内に配設することができるか、または全てガス・サンプリング・デバイス４１０内のいくつかの構成要素、およびドッキング・ステーション４３０内のいくつかの構成要素に分配することができることが認識されるであろう。実際に、場合によっては、別個のドッキング・ステーションがないことがあり、本明細書においてそれに与えられる機能性を、単にガス・サンプリング・デバイスに統合することができる。
【００４４】
様々な実施形態では、読取りデバイス４３２はまた、使い捨てセンサ試験片４４０からの基準データおよびサンプル・データの両方に対して構成することができる。「基準データ」という用語は、使い捨てセンサ試験片４４０をガス・サンプルまたは患者または被験体に暴露する前に収集されるデータとして定義され、「サンプル・データ」という用語は、患者または被験体のガス・サンプルに特異的なデータを指す。場合によっては、基準データは、患者のガス・サンプルを取得する前に、試験チャンバ内にガスが偶然ある場合の全ての条件を反映することができる。しかしながら、他の実施形態では、基準データを生成する目的で、周囲空気を意図的に試験チャンバに入れることができ、および／または既知の組成の特定の参照ガス・サンプルを試験チャンバに入れることができる。
【００４５】
ドッキング・ステーション４３０は、一般に、ガス・サンプリング・デバイス４１０のドッキング位置であるように構成される。ドッキング・ステーション４３０は、一般に、ガス・サンプリング・デバイス４１０を物理的に受け入れるように構成される。ドッキング・ステーション４３０は、当業者には理解されるような様々な構造および構成を通してガス・サンプリング・デバイス４１０を受け入れることができる。様々な実施形態では、ガス・サンプリング・デバイス４１０のドッキング・ステーション４３０およびドッキング構造４２１は噛合する構成を有し、それによってドッキング・ステーション４３０がガス・サンプリング・デバイス４１０のドッキング構造４２１を受け入れる。いくつかのかかる実施形態では、ドッキング・ステーション４３０およびドッキング構造４２１は干渉嵌めを規定する。しかしながら、他の実施形態では、ドッキング・ステーション４３０は単にドッキング構造４２１の上または中に載せることができる。いくつかの実施形態では、ドッキング・ステーション４３０およびドッキング構造４２１は、読取りデバイス４３２と使い捨てセンサ試験片４４０との間のデータ伝送に適応するため、使い捨てセンサ試験片４４０および読取りデバイス４３２を十分に近接させて配置するように構成される。いくつかの実施形態では、ドッキング・ステーションおよびドッキング構造は、使い捨てセンサ試験片４４０および読取りデバイス４３２を、互いに６ｃｍ以内、５ｃｍ以内、４ｃｍ以内、３ｃｍ以内、または２ｃｍ以内、または更には１ｃｍ以内に配置するように構成される。
【００４６】
ドッキング・ステーション４３０は様々な追加の構成要素を有することができる。いくつかの実施形態では、ドッキング・ステーション４３０は、プロセッサ４３６とメモリ４３５とを有する。プロセッサ４３６およびメモリ４３５は、試験したガス・サンプルから取得したデータを処理し格納するように構成することができる。例えば、メモリ４３５は基準データを局所的に格納することができ、プロセッサ４３６は、収集した基準データを試験したガスのデータから除去して、調節後データを取得するように構成することができる。かかる調整後データは、試験したガスのデータに対する周囲環境の影響をある程度除去することができる。別の例では、プロセッサは、調整後データ（または、いくつかの実施形態では、試験したガスのデータ）を、１つ以上の疾患を示す既知のデータと比較するように構成することができる。かかる比較は、比較アルゴリズムを使用して特定の疾患の存在を特定するのに使用することができる。更に別の例では、ドッキング・ステーション４３０のプロセッサは、使い捨てセンサ試験片４４０の欠陥を特定するように構成することができる。例示の欠陥としては、製造欠陥、および／または周囲ガスへの早すぎる暴露を挙げることができる。ドッキング・ステーション４３０は、かかる欠陥の記録を収集し、保存し、場合によっては伝送するように構成することができる。
【００４７】
ドッキング・ステーション４３０は、様々な実施形態では、ネットワーキング・ハードウェア４３４を有する。ネットワーキング・ハードウェア４３４は、ネットワークを通じて、クラウドベースのシステムを備える遠隔システムにデータを伝送するように構成することができる。いくつかの実装例では、遠隔システムは、病院、診療所、実験室、または他の場所であることができる。いくつかの実施形態では、ネットワーキング・ハードウェア４３４は、ガス・サンプルを試験することによって生成されたデータを伝送するように構成される。ネットワーキング・ハードウェア４３４は、いくつかの実施形態では、基準データを伝送するように構成される。ネットワーキング・ハードウェアは、いくつかの実施形態では、調整後データを伝送するように構成される。いくつかの実施形態では、遠隔システムはそれが受信するデータを分析する。例えば、いくつかの実施形態では、遠隔システムは、調整後データを、複数の疾患を示す既知のデータと比較するように構成される。その比較によって特定の疾患の存在を特定することができる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、ドッキング・ステーション４３０はユーザ・インターフェース４３８を有する。ユーザ・インターフェース４３８は、ユーザに情報を通信するように構成することができる。例えば、ユーザ・インターフェース４３８は、ドッキング・ステーション４３０とガス・サンプリング・デバイス４１０との間、および／またはドッキング・ステーション４３０とネットワークとの間のデータ伝送など、アクティブデータ伝送を通信するように構成することができる。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェース４３８は、試験過程の現在の段階、その進捗、または次はどの工程か、もしくはどの動作が求められているかに関する情報を通信するように構成することができる。例えば、場合によっては、ユーザ・インターフェース４３８は、ガス・サンプリング・デバイス４１０がガス・サンプルを受け入れる準備ができていること、またはドッキング・ステーション４３０がガス・サンプリング・デバイス４１０からのデータの読取りを終了していることを、通信するように構成することができる。ユーザ・インターフェース４３８はまた、センサ試験片の欠陥を通信するように構成することができる。ユーザ・インターフェース４３８は、視覚的通知、音声通知などを通して通信するように構成することができる。特定例として、点滅する光を使用して、ドッキング・ステーション４３０がデータを伝送していることを示すことができる。ユーザ・インターフェース４３８は、ＬＥＤまたは類似の発光デバイスなどの光源を備えることができる。
【００４９】
図４に示されるシステムの使用に対する１つの例示の方策について、以下に記載する。使い捨てセンサ試験片４４０は、ガス・サンプリング・デバイスのハウジングによって画成されるガス試験チャンバ４２６によって受け入れられるようにして、ガス・サンプリング・デバイス４１０に挿入される。使い捨てセンサ試験片４４０を有するガス・サンプリング・デバイス４１０がドッキング・ステーション４３０にドッキングされ、ドッキング・ステーション４３０の読取りデバイス４３２が、ガス・サンプリング・デバイス４１０のハウジング４２０を通して、使い捨てセンサ試験片４４０から基準データを読み取る。ガス・サンプリング・デバイス４１０は、基準データの読取り後にドッキング・ステーション４３０から切り離され、ガス・サンプルはガス試験チャンバに受け入れられて、ガス・サンプルが使い捨てセンサ試験片４４０と接触するようにされる。例えば、ガス・サンプリング・デバイス４１０は、介護者によって物理的に把持され、ドッキング・ステーション４３０から取り外され、患者または被験体に物理的に手渡されてもよく、その患者または被験体がガス・サンプリング・デバイス４１０に息を吹き込んで、分析されるガス・サンプルを提供してもよい。他の場合では、ガス・サンプリング・デバイス４１０は、患者または被験体によって保持される代わりに、介護者によって保持されてもよい。ガス・サンプリング・デバイス４１０は、次に、ガス・サンプルを受け取った後にドッキング・ステーション４３０にドッキングすることができ、試験したガスからのデータが、読取りデバイス４３２によって使い捨てセンサ試験片４４０から読み取られ、調整後データがガス・サンプリング・デバイス４１０のハウジング４２０を通して読み取られる。様々な実施形態では、使い捨てセンサ試験片４４０は１回使用向けに構成される。そのため、使い捨てセンサ試験片４４０は、サンプルガスデータを使い捨てセンサ試験片４４０から収集した後に廃棄することができる。図４に示されるシステムを使用する他の様々な方法も想起される。
【００５０】
測定区域４４２は、１つ以上のそれに結合させることができる検体結合レセプタを備える、複数の別個の結合検出器を備えることができる。いくつかの実施形態では、特定の別個の結合検出器内の検体結合レセプタは全て、それらの検体結合特性に関して同じであることができる。他の実施形態では、特定の区域内の検体結合レセプタの少なくともいくつかは、それらの検体結合特性に関して互いに異なることができる。いくつかの実施形態では、別個の結合検出器はそれぞれ固有であることができる。いくつかの実施形態では、固有である別個の結合検出器は、同じ化学化合物の異なる位置または異なる構成に結合するという点で、交叉反応的であることができる。
【００５１】
複数のグラフェン・バラクタは、異なる揮発性有機化合物に対して特異的なものを備えることができる。いくつかの実施形態では、複数のグラフェン・バラクタは、少なくとも５、１０、１５、２０、３０、４０、またはそれ以上の異なる揮発性有機化合物の存在を検出することができる。いくつかの実施形態では、グラフェン・バラクタによって検出される異なる揮発性有機化合物の数は、上述の数のいずれかが、上限が下限よりも大きいという条件の範囲の上限または下限としての役割を果たすことができる、範囲内にあることができる。
【００５２】
上述したように、グラフェン・センサの容量は、特定の電圧の、ならびに／またはある電圧範囲にわたる、励起電流を送達することによって測定することができる。容量の測定によって、グラフェン・センサに対する検体の結合状態を反映するデータが提供される。様々な測定回路構成を使用して、グラフェン・センサの容量を測定することができる。
【００５３】
次に図５を参照すると、複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成の概略図が示されている。回路構成は、マルチプレクサ５０４と電気的に通信している容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）５０２を備えることができる。マルチプレクサ５０４は、複数のグラフェン・バラクタ５０６と選択的に電気的に通信することができる。グラフェン・バラクタ５０６の他方の側は、アース５０８と電気的に通信していることができる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、ＣＤＣ５０２は、バス・デバイス５１０と電気的に通信することができる。バス・デバイス５１０は様々な特定の構成要素を備えることができるが、いくつかの実施形態では、Ｉ２ＣまたはＳＰＩからなる群から選択することができる。同様に、バス・デバイス５１０は、コントローラまたはプロセッサと電気的に通信することができる。例えば、バス・デバイス５１０は、マイクロコントローラ５１２と電気的に通信することができる。同様に、マイクロコントローラ５１２は、デバイスまたはシステムの他の構成要素と通信することができる。図５に示される構成要素は、必ずしも全てが互いに別個でなくてもよいことが認識されるであろう。対照的に、マルチプレクサ５０４、ＣＤＣ５０２、およびバス・デバイス５１０を備えるがそれらに限定されない、様々な構成要素を互いに統合することができる。
【００５５】
動作の際、励起信号（交流電圧）が、選択されたコンデンサにマルチプレクサを通して印加され、グラフェン・バラクタを帯電および放電させるのに要する電荷が測定されて、容量が決定される。励起信号の振幅はＣＤＣ５０２によって固定される。容量が測定されるバイアス電圧は励起信号の平均電圧に等しい。このタイプの構成に例示的なＣＤＣとしては、テキサス・インスツルメンツ社（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）のモデルＦＤＣ１００４が挙げられる。ＦＤＣ１００４は統合されたマルチプレクサおよびＩ２Ｃを有する。他の多くのタイプのＤＣＤも使用できることが認識されるであろう。
【００５６】
いくつかの実施形態では、グラフェン・バラクタは接地されなくてもよい。グラフェン・バラクタの他方の側を別のデバイスに接続することができる。例えば、いくつかの実施形態では、グラフェン・バラクタの他方の側を、ＣＤＣまたは別の構成要素の独立した励起出力に接続することができる。この場合、励起信号（やはり交流電圧）は、センサ・アレイ内のコンデンサ全てに印加され、選択されたグラフェン・バラクタを帯電および放電させるのに要する電荷がマルチプレクサを通して測定されて、容量が決定される。励起信号の振幅はＣＤＣによって設定される。容量が測定されるバイアス電圧は、ＣＤＣ入力におけるバイアス電圧（マルチプレクサを介する、通常はＶＣＣ／２に等しい（ＶＣＣは供給電圧））と励起信号の平均電圧との差に等しい。励起電圧は、このタイプのＣＤＣの場合、一般的にＶＣＣ／２付近が中心となるので、バイアス電圧は一般的に０ボルトに固定される。
【００５７】
次に図６を参照すると、本明細書の別の実施形態による複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成の概略図が示されている。回路構成は、マルチプレクサ５０４と電気的に通信している容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）５０２を備えることができる。マルチプレクサ５０４は、複数のグラフェン・バラクタ５０６と選択的に電気的に通信することができる。この実施形態では、グラフェン・バラクタ５０６の他方の側は、ＣＤＣの独立した励起出力と電気的に通信することができる。
【００５８】
検体結合に基づくグラフェン・バラクタの容量の変化は、容量を測定するのに使用される励起電圧に応じて決まる。このため、電圧の範囲にわたって励起信号の電圧を変化させることによって、より多量の情報を集めることができる。これを達成するのに様々な技術を使用することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、励起信号の電圧の変動を達成するために、出力電圧が異なる一対のプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータを、スイッチと組み合わせて使用することができる。
【００５９】
次に図７を参照すると、本明細書の別の実施形態による複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成の概略図が示されている。回路構成は、マルチプレクサ５０４と電気的に通信している容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）５０２を備えることができる。マルチプレクサ５０４は、複数のグラフェン・バラクタ５０６と選択的に電気的に通信することができる。グラフェン・バラクタ５０６の他方の側に対する接続は、（ＣＤＣによって制御されるような）スイッチ７０２によって制御することができ、第１のデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）７０４および第２のデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）７０６との選択的な電気的通信を提供することができる。ＤＡＣ７０４、７０６の他方の側は、バス・デバイス５１０に、または場合によってはＣＤＣ５０２に接続することができる。
【００６０】
この場合、ＣＤＣからの励起信号は、２つのプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）の出力電圧間でスイッチを制御する。ＤＡＣ間のプログラムされた電圧差によって励起振幅が決定して、測定に対する追加のプログラム可能な換算係数が提供され、ＣＤＣによって指定されるよりも広い範囲の容量の測定が可能になる。容量が測定されるバイアス電圧は、ＣＤＣ入力におけるバイアス電圧（マルチプレクサを介する、通常はＶＣＣ／２に等しい（ＶＣＣは供給電圧））と、プログラム可能な励起信号の平均電圧との差に等しい。いくつかの実施形態では、切替え中の安定した電圧を維持するのに、緩衝増幅器および／またはバイパス容量をＤＡＣ出力に使用することができる。多くの異なる範囲のＤＣバイアス電圧を使用することができる。いくつかの実施形態では、ＤＣバイアス電圧の範囲は、−３Ｖ〜３Ｖ、または−１Ｖ〜１Ｖ、または−０．５Ｖ〜０．５Ｖであることができる。
【００６１】
容量データに基づいて、多くの異なる態様を計算することができる。例えば、計算することができる態様としては、容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧（ディラック点）、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、応答時間定数、ならびに異なるグラフェン・センサ間および特に異なる検体に対する特異性を有する異なるグラフェン・センサ間における容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧（ディラック点）、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、および応答時間定数のいずれかの比が挙げられる。
【００６２】
上記で計算した態様を様々な診断目的に使用することができる。場合によっては、上記で計算した態様は、ガス・サンプルの特定の揮発性有機成分の識別情報および／または濃度を示す場合がある。そのため、上記で計算した値はそれぞれ、所与の患者および／または所与のガス・サンプルに関するパターンの一部を形成する離散的なデータ片としての役割を果たすことができる。本明細書の別の箇所にも記載されるように、パターンを次に、機械学習などの技術または他の技術を通して格納された膨大なデータセットから導き出される、既存のパターン、またはリアルタイムで特定されたパターンとマッチングさせることができ、かかるパターンは、様々な症状または疾患状態の特性であるものと判断される。上記で計算した態様はまた、他の目的、診断などに用いることができる。
【００６３】
場合によっては、上述したような計算は、コントローラ回路によって実施することができる。コントローラ回路は、グラフェン・バラクタの容量を反映する電気信号を受信するように構成することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ回路は、これらの計算を実施するマイクロコントローラを備えることができる。場合によっては、コントローラ回路は、測定回路と電気的に通信しているマイクロプロセッサを備えることができる。マイクロプロセッサ・システムは、アドレス・バス、データ・バス、制御バス、クロック、ＣＰＵ、処理デバイス、アドレス・デコーダ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどの構成要素を備えることができる。場合によっては、コントローラ回路は、測定回路と電気的に通信している計算回路（特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）など）を備えることができる。
【００６４】
それに加えて、場合によっては、システムは、特定のセンサに対する感度校正情報が格納される、不揮発性メモリを備えることができる。例として、センサは生産設備で試験することができ、そこでＶＯＣなどの様々な検体に対する感度を決定し、次にＥＰＲＯＭまたは類似の構成要素に格納することができる。それに加えて、またはその代わりに、感度校正情報を集中データベースに格納し、患者データが分析および診断のために中央位置に送られたときに、センサのシリアル番号を用いて参照することができる。これらの構成要素は、本明細書に記載するハードウェア部品のいずれかに備えることができる。
【００６５】
本明細書のいくつかの実施形態では、構成要素は、インターネットまたは類似のネットワークなどのネットワークを通じて通信するように構成することができる。様々な実施形態では、中央記憶・データ処理機構を備えることができる。いくつかの実施形態では、患者の存在下でセンサから集めたデータ（局所）を、インターネットまたは類似のネットワークを介して中央処理機構（遠隔）に送ることができ、評価されている特定の患者からのパターンを、数千または数百万の他の患者（そのうちの多くは、様々な症状をもつこれまで診断してきた患者であり、かかる症状データを格納してきたもの）のパターンと比較することができる。パターン・マッチング・アルゴリズムを使用して、現在の患者のパターンが最も類似している、他の患者または患者分類（例えば、疾患または症状に特異的な分類）を見つけ出すことができる。患者の各分類は、所与の症状または疾患状態を有することの所定の尤度を含むことができる。このように、パターン・マッチング後、所与の症状または疾患状態を有する尤度を、データ・ネットワークを通して患者が現在いる施設に返すことができる。
方法
本明細書の実施形態は様々な方法を含むことができる。例示的な方法は、本明細書に記載する方策および動作の少なくともいずれか一方を含むことができる。一実施形態では、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定する方法が含まれる。方法は、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたってグラフェン・バラクタの容量を測定する工程と、１つ以上のＤＣバイアス電圧における測定された容量を１つ以上の対応する基準容量値と比較する工程と、比較に基づいて検体の存在の有無を判断する工程とを備えることができる。
【００６６】
いくつかの実施形態では、方法は、容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧（ディラック点）、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、応答時間定数、ならびに異なるグラフェン・センサ間および特に異なる検体に対する特異性を有する異なるグラフェン・センサ間における容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧（ディラック点）、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、および応答時間定数のいずれかの比が挙げられるがそれらに限定されない、１つ以上の態様を決定する工程を更に備えることができる。
【００６７】
いくつかの実施形態では、方法は、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたるグラフェン・バラクタの測定された容量から、容量対電圧曲線を形成する工程を備えることができる。いくつかの実施形態では、方法は、形成された容量対電圧曲線を基準の容量対電圧曲線と比較する工程を備えることができる。いくつかの実施形態では、方法は、グラフェン・バラクタに結合する異なる検体同士を区別する工程を備えることができる。いくつかの実施形態では、方法は、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたるグラフェン・バラクタの容量を測定する工程を更に備えることができる。いくつかの実施形態では、ＤＣバイアス電圧の範囲は−３Ｖ〜３Ｖであることができる。
【００６８】
いくつかの実施形態では、呼吸またはガス試験を行うように患者に要求することができる（家などの臨床施設以外で試験を実施できる場合、またはかかる要求によって患者を臨床施設に来させて試験を行わせることができる場合）。
【００６９】
いくつかの実施形態では、睡眠パターン（例えば、ウェアラブル、埋込み、もしくは非接触式在宅センサ）、生理的データ（自律神経系の緊張の指標）、体重（屋内のマットによって自動的に測定される重量など）、活動レベル（例えば、携帯電話、ウェアラブル、埋込み、もしくは非接触式在宅センサ）などを含むパターンを、アルゴリズムなどを使用して評価することができ、それらの因子の結果がそのように示した場合、システムは、心不全代謝不全の初期兆候を検出するため、呼息もしくはガス試験を行うかまたは受けるべきであることをユーザに知らせることができる。結果が陽性だった場合、またはデータの傾向が個々の患者の正常範囲を越えていた場合、システムは、早期介入のために診療を受けるように患者に知らせることができる。
【００７０】
いくつかの実施形態では、睡眠パターン、自律神経系の緊張、呼吸数、呼吸音、活動レベルなどを含むパターンを使用して、ＣＯＰＤの悪化または再発の繰返しの早期兆候を検出するため、呼息試験を行う（もしくは診療所に来て、呼気試験を受ける）べきであることをユーザに推奨することができる。結果が陽性だった場合、またはデータの傾向が個々の患者の正常範囲を越えていた場合、早期介入のため、診療を受けるように求め、および／または処方薬（例えば、気管支拡張剤、コルチコステロイドなど）を使用する。
【００７１】
心不全の悪化およびＣＯＰＤ以外では、かかるパターン、および呼息試験を受けるように患者を促すことは、再発の初期兆候を検出するため、糖尿病管理および炎症性腸疾患に使用することもできる（パターン中の食物摂取、自律神経系の緊張などに関するデータも含む）。
実施例
【実施例１】
【００７２】
電圧の範囲にわたるグラフェン・バラクタの容量
グラフェン・バラクタは、米国特許出願公開第２０１４／０１４５７３５号明細書の記載に合わせて製造した。
【００７３】
ＬＣＲメータを使用して、センサを窒素ガスで洗い流しながら、励起電圧の範囲にわたる容量を測定することによって、基準の容量対電圧曲線を確立した。ＤＣバイアス電圧の範囲は−０．５Ｖ〜０．５Ｖであった。同じＬＣＲメータを使用して、センサを窒素ガスとオクタノール蒸気の組み合わせで洗い流しながら、同じバイアス電圧範囲にわたる容量値も測定した。各実験における合計流量は毎分０．５リットル、窒素中のオクタノール濃度は約３．６ｐｐｍであり、センサは、平衡化のため測定前に窒素ガスおよびオクタノール蒸気混合気に約５分間暴露し、ＡＣ励起信号の振幅は５０ｍＶ、周波数は５００ｋＨｚであった。
【００７４】
図８に示されるように、オクタノールの結合によって、容量対電圧曲線が同じ全体形状を保持していたが、右にシフトしていたことが分かる（例えば、最小容量はより高いＤＣバイアス電圧で生じた）。
【実施例２】
【００７５】
電圧の範囲にわたるグラフェン・バラクタの容量
グラフェン・バラクタは実施例１に記載したように準備した。実施例１で上述したように、ＬＣＲメータを使用して、励起電圧の範囲にわたる容量を測定することによって、基準の容量対電圧曲線を確立した。ＤＣバイアス電圧の範囲は−１Ｖ〜１Ｖであった。同じＬＣＲメータを使用して、センサを窒素ガスとアセトン蒸気の組み合わせで洗い流しながら、同じバイアス電圧範囲にわたる容量値も測定した。アセトン濃度が約２５，０００ｐｐｍであったことを除いて、詳細は実施例１に記載したものと同じであった。
【００７６】
図９に示されるように、アセトンの結合によって、曲線の上側部分は右にシフトしたが曲線の下側部分は左にシフトしたという点で、容量対電圧曲線の形状が変化したことが分かる。
【実施例３】
【００７７】
電圧の範囲にわたる官能化グラフェン・バラクタの容量
グラフェン・バラクタは実施例１に記載したように準備した。次に、ピレン酢酸１ｍＭのエタノール溶液に１４時間バラクタを浸漬することによって、グラフェンをピレン酢酸で官能化した。
【００７８】
実施例１で上述したように、ＬＣＲメータを使用して、励起電圧の範囲にわたる容量を測定することによって、基準の容量対電圧曲線を確立した。ＤＣバイアス電圧の範囲は−１Ｖ〜１Ｖであった。同じＬＣＲメータを使用して、１）窒素ガスとガス状アセトンの組み合わせ、２）窒素ガスとガス状オクタンの組み合わせ、および３）窒素ガスとガス状オクタノールの組み合わせでセンサを洗い流しながら、同じバイアス電圧範囲にわたる容量値も測定した。
【００７９】
図１０に示されるように、アセトンの結合によって、容量対電圧曲線が右に急激にシフトし、ディラック点が約０．１Ｖ増加したことが分かる。図１１に示されるように、オクタンの結合による容量対電圧曲線の変化は比較的小さいが、右にシフトすることによって結合が検出可能になったことが分かる。図１２に示されるように、オクタノールの結合による容量対電圧曲線の変化は比較的小さいが、右にシフトすることによって結合が検出可能になったことが分かる。
【００８０】
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用するとき、「一」、「１つ」、および「前記」は、文脈において別段の指定を明確にしないかぎり、複数形を含むことに留意すべきである。したがって、例えば、「ある化合物」を含有する組成物に対する言及は、２つ以上の化合物の混合物を含む。また、「または」という用語は、一般に、文脈において別段の指定を明確にしないかぎり、「および／または」を含む意味で用いられることに留意すべきである。
【００８１】
また、本明細書および添付の特許請求の範囲で使用するとき、「構成される」という語句は、特定のタスクを実施するかまたは特定の構成に適合するように構築もしくは構成された、システム、装置、または他の構造を説明することに留意すべきである。「構成される」という語句は、配置および構成される、構築および配置される、構築される、製造および配置されるなど、他の類似の語句と交換可能に使用することができる。「回路構成」は、特定の動作を実行するための有線回路構成、ならびに同じ機能性を提供する命令を実行するようにプログラムされたプロセッサを含むことができる。
【００８２】
本明細書における全ての刊行物および特許出願は、本明細書が関連する分野の当業者のレベルを示すものである。全ての刊行物および特許出願は、個々の刊行物または特許出願それぞれが参照によって具体的に個々に示されたのと同じ程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。
【００８３】
様々な特定の好ましい実施形態および技術を参照して、態様について記載してきた。しかしながら、本明細書の趣旨および範囲内にありながら、多くの変形および修正が行われてもよいことが理解されるべきである。そのため、本明細書に記載した実施形態は、網羅的であること、または本明細書に開示される正確な形態に範囲を限定することを意図したものではない。それよりもむしろ、実施形態は、他の当業者が原理および実際を認識し理解することができるように選ばれ説明される。
＜付記＞
［付記１］
容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）と、
グラフェン・バラクタとを備え、
該ＣＤＣが、該グラフェン・バラクタと電気的に通信し、複数のＤＣバイアス電圧にわたる励起信号に応答して前記グラフェン・バラクタの容量を測定するように構成された、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定するシステム。
【００８４】
［付記２］
前記ＣＤＣと複数のグラフェン・バラクタとを選択的に電気的に通信するように構成されたマルチプレクサを更に備える、付記１および３乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００８５】
［付記３］
励起信号が前記マルチプレクサを通して選択されたグラフェン・バラクタに印加される、付記１乃至２および４乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００８６】
［付記４］
前記励起信号が交流電圧を含む、付記１乃至３および５乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００８７】
［付記５］
前記励起信号の振幅が前記ＣＤＣによって固定される、付記１乃至４および６乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００８８】
［付記６］
前記グラフェン・バラクタの容量を反映する電気信号を受け取るように構成されたコントローラ回路を更に備える、付記１乃至５および７乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００８９】
［付記７］
前記コントローラ回路および前記ＣＤＣと電気的に通信している、Ｉ２ＣまたはＳＰＩからなる群から選択された電子部品を更に備える、付記１乃至６および８乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９０】
［付記８］
前記グラフェン・バラクタが官能化グラフェン・バラクタを備える、付記１乃至７および９乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９１】
［付記９］
前記コントローラ回路が、
容量対電圧の最大傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、
容量対電圧の最小傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、
最小容量、
基準値に対する最小容量の変化、
最小容量時の電圧、
最小容量時の電圧の変化、
最大容量、
最大容量の変化、
最大容量対最小容量の比、
応答時間定数、ならびに
前記グラフェン・バラクタと第２のグラフェン・バラクタとの前記容量対電圧の最大傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、前記容量対電圧の最小傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、前記最小容量、前記基準値に対する最小容量の変化、前記最小容量時の電圧、前記最小容量時の電圧の変化、前記最大容量、前記最大容量の変化、前記最大容量対最小容量の比、および前記応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、前記グラフェン・バラクタに関する少なくとも１つのパラメータを計算するように構成される、付記１乃至８および１０乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９２】
［付記１０］
前記複数のグラフェン・バラクタが前記ＣＤＣの独立した励起出力と電気的に通信する、付記１乃至９および１１乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９３】
［付記１１］
前記複数のグラフェン・センサと直列接続された１つ以上のプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）を更に備える、付記１乃至１０および１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９４】
［付記１２］
スイッチを更に備え、前記ＣＤＣが、前記スイッチと電気的に通信すると共に、前記スイッチを制御して、２つのプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）の出力電圧、励起振幅を決定する前記ＤＡＣ間のプログラムされた電圧差、ならびに前記ＤＡＣのプログラムされた平均電圧とＤＣバイアスを決定する前記ＣＤＣ入力側のバイアスとの差を選択的に提供する、付記１乃至１１のいずれか一項に記載のシステム。
【００９５】
［付記１３］
ＤＣバイアス電圧の範囲にわたってグラフェン・バラクタの容量を測定する工程と、
１つ以上のＤＣバイアス電圧における該測定された容量を１つ以上の対応する基準容量値と比較する工程と、
該比較に基づいて検体の存在の有無を判断する工程とを備える、該グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定する方法。
【００９６】
［付記１４］
容量対電圧の最大傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、
容量対電圧の最小傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、
最小容量、
基準値に対する最小容量の変化、
最小容量時の電圧、
最小容量時の電圧の変化、
最大容量、
最大容量の変化、
最大容量対最小容量の比、
応答時間定数、ならびに
２つの異なるグラフェン・センサ間における前記容量対電圧の最大傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、前記容量対電圧の最小傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、前記最小容量、前記基準値に対する最小容量の変化、前記最小容量時の電圧、前記最小容量時の電圧の変化、前記最大容量、前記最大容量の変化、前記最大容量対最小容量の比、および前記応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、１つ以上の態様を決定する工程を更に備える、付記１３乃至１５のいずれか一項に記載の方法。
【００９７】
［付記１５］
前記ＤＣバイアス電圧の範囲にわたる前記グラフェン・バラクタの前記測定された容量から、容量対電圧曲線を形成する工程を更に備える、付記１３乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
【００９８】
［付記１６］
容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）と、
グラフェン・バラクタとを備え、
該ＣＤＣが、該グラフェン・バラクタと電気的に通信し、複数のＤＣバイアス電圧にわたる励起信号に応答して該グラフェン・バラクタの容量を測定するように構成された、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定するシステム。
【００９９】
［付記１７］
前記ＣＤＣと複数のグラフェン・バラクタとを選択的に電気的に通信するように構成されたマルチプレクサを更に備える、付記１６に記載のシステム。
【０１００】
［付記１８］
励起信号が前記マルチプレクサを通して選択されたグラフェン・バラクタに印加される、付記１７に記載のシステム。
【０１０１】
［付記１９］
前記励起信号が交流電圧を含む、付記１６に記載のシステム。
［付記２０］
前記励起信号の振幅が前記ＣＤＣによって固定される、付記１６に記載のシステム。
【０１０２】
［付記２１］
前記グラフェン・バラクタの容量を反映する電気信号を受け取るように構成されたコントローラ回路を更に備える、付記１６に記載のシステム。
【０１０３】
［付記２２］
前記コントローラ回路がマイクロコントローラを備える、付記２１に記載のシステム。
［付記２３］
前記コントローラ回路および前記ＣＤＣと電気的に通信している、Ｉ２ＣまたはＳＰＩからなる群から選択された電子部品を更に備える、付記１６に記載のシステム。
【０１０４】
［付記２４］
前記グラフェン・バラクタが官能化グラフェン・バラクタを備える、付記１６に記載のシステム。
【０１０５】
［付記２５］
前記コントローラ回路が、
容量対電圧の最大傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、
容量対電圧の最小傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、
最小容量、
基準値に対する最小容量の変化、
最小容量時の電圧、
最小容量時の電圧の変化、
最大容量、
最大容量の変化、
最大容量対最小容量の比、
応答時間定数、ならびに
前記グラフェン・バラクタと第２のグラフェン・バラクタとの前記容量対電圧の最大傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、前記容量対電圧の最小傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、前記最小容量、前記基準値に対する最小容量の変化、前記最小容量時の電圧、前記最小容量時の電圧の変化、前記最大容量、前記最大容量の変化、前記最大容量対最小容量の比、および前記応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、前記グラフェン・バラクタに関する少なくとも１つのパラメータを計算するように構成される、付記２１に記載のシステム。
【０１０６】
［付記２６］
前記複数のグラフェン・バラクタが接地される、付記１６に記載のシステム。
［付記２７］
前記複数のグラフェン・バラクタが前記ＣＤＣの独立した励起出力と電気的に通信する、付記１６に記載のシステム。
【０１０７】
［付記２８］
前記複数のグラフェン・センサと直列接続された１つ以上のプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）を更に備える、付記１６に記載のシステム。
【０１０８】
［付記２９］
スイッチを更に備え、前記ＣＤＣが、前記スイッチと電気的に通信すると共に、前記スイッチを制御して、２つのプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）の出力電圧、励起振幅を決定する前記ＤＡＣ間のプログラムされた電圧差、ならびに前記ＤＡＣのプログラムされた平均電圧とＤＣバイアスを決定する前記ＣＤＣ入力側のバイアスとの差を選択的に提供する、付記１６に記載のシステム。
【０１０９】
［付記３０］
ＤＣバイアス電圧の範囲にわたってグラフェン・バラクタの容量を測定する工程と、
１つ以上のＤＣバイアス電圧における該測定された容量を１つ以上の対応する基準容量値と比較する工程と、
前記比較に基づいて検体の存在の有無を判断する工程とを備える、該グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定する方法。
【０１１０】
［付記３１］
容量対電圧の最大傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、
容量対電圧の最小傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、
最小容量、
基準値に対する最小容量の変化、
最小容量時の電圧、
最小容量時の電圧の変化、
最大容量、
最大容量の変化、
最大容量対最小容量の比、
応答時間定数、ならびに
２つの異なるグラフェン・センサ間における前記容量対電圧の最大傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、前記容量対電圧の最小傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、前記最小容量、前記基準値に対する最小容量の変化、前記最小容量時の電圧、前記最小容量時の電圧の変化、前記最大容量、前記最大容量の変化、前記最大容量対最小容量の比、および前記応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、１つ以上の態様を決定する工程を更に備える、付記３０に記載の方法。
【０１１１】
［付記３２］
前記ＤＣバイアス電圧の範囲にわたる前記グラフェン・バラクタの前記測定された容量から、容量対電圧曲線を形成する工程を更に備える、付記３０に記載の方法。
【０１１２】
［付記３３］
前記形成された容量対電圧曲線を基準の容量対電圧曲線と比較する工程を更に備える、付記３０に記載の方法。
【０１１３】
［付記３４］
前記グラフェン・バラクタに対する結合する異なる検体同士を区別する工程を更に備える、付記３３に記載の方法。
【０１１４】
［付記３５］
前記ＤＣバイアス電圧の範囲が−３Ｖから３Ｖである、付記３０に記載の方法。
【符号の説明】
【０１１５】
１００，４００…システム、１６０…呼気センシング・デバイス、１８２…ローカル・コンピューティング・デバイス、１８４…データ・ネットワーク、１８６…サーバ、１８８…データベース、２００，５０６…グラフェン・バラクタ、４１０…ガス・サンプリング・デバイス、４２８…センサ・レセプタクル、４３０…ドッキング・ステーション、４３２…読取りデバイス、４３４…ネットワーキング・ハードウェア、４３５…メモリ、４３６…プロセッサ、４３８…ユーザ・インターフェース、４４０…使い捨てセンサ試験片、４４２…測定区域、５０２…容量−デジタル・コンバータ、５０４…マルチプレクサ、５１０…バス・デバイス、５１２…マイクロコントローラ、７０４…第１のデジタル−アナログ・コンバータ、７０６…第２のデジタル−アナログ・コンバータ。
【図１】
2019020415.tif 000003
【図２】
2019020415.tif 000004
【図３】
2019020415.tif 000005
【図４】
2019020415.tif 000006
【図５】
2019020415.tif 000007
【図６】
2019020415.tif 000008
【図７】
2019020415.tif 000009
【図８】
2019020415.tif 000010
【図９】
2019020415.tif 000011
【図１０】
2019020415.tif 000012
【図１１】
2019020415.tif 000013
【図１２】
2019020415.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月26日(2018.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の実施形態は、生理的ガス・サンプル中の検体感知システムおよびデバイスに関する。より具体的には、本明細書の実施形態は、グラフェン・バラクタ（ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｖａｒａｃｔｏｒｓ）上における検体の存在を測定するシステムおよびデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
保健医療を提供する過程において、医師は、身体を観察し、患者に関するデータを集めるための検査を実施する場合が多い。データを収集し、所与の患者の病歴など、他の側面での分析を行った後、医師は診断を行い、次に診断された病態を治療する療法を選択する場合が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／０１０９４４０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４／０１４５７３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
揮発性有機化合物などの様々な化学的検体の存在および／または濃度の知見は、診断を行うのに非常に有用な場合がある。しかしながら、かかる化学的検体を臨床上実用的に測定することには、技術的に困難な点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書の実施形態は、生理的ガス・サンプル中の検体感知システムおよびデバイスに関する。
第１の態様では、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定するシステムが含まれる。システムは、容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ：ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  ｔｏ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）とグラフェン・バラクタとを含むことができる。ＣＤＣは、グラフェン・バラクタと電気的に通信することができ、複数のＤＣバイアス電圧にわたる励起信号に応答してグラフェン・バラクタの容量を測定するように構成することができる。
【０００６】
第２の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、システムは、ＣＤＣと複数のグラフェン・バラクタとを選択的に電気的に通信するように構成されたマルチプレクサを更に備えることができる。
【０００７】
第３の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、マルチプレクサを通して励起信号を選択されたグラフェン・バラクタに印加することができる。
第４の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、励起信号は交流電圧成分を含むことができる。
【０００８】
第５の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、励起信号の振幅はＣＤＣによって固定される。
第６の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、コントローラ回路を備えることができ、グラフェン・バラクタの容量を反映する電気信号を受け取るように構成することができる。
【０００９】
第７の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、コントローラ回路はマイクロコントローラを備えることができる。
第８の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、システムは、コントローラ回路およびＣＤＣと電気的に通信している、Ｉ２ＣまたはＳＰＩから成る群から選択された電子部品を更に含む。
【００１０】
第９の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、グラフェン・バラクタは官能化グラフェン・バラクタを備えることができる。
第１０の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、コントローラ回路は、容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、応答時間定数、ならびにグラフェン・バラクタと第２のグラフェン・バラクタとの容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、および応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、グラフェン・バラクタに関する少なくとも１つのパラメータを計算するように構成される。
【００１１】
第１１の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、グラフェン・バラクタは接地される。
第１２の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、グラフェン・バラクタは、ＣＤＣの独立した励起出力と電気的に通信している。
【００１２】
第１３の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、システムは、複数のグラフェン・センサと直列接続された１つ以上のプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）を更に備えることができる。
【００１３】
第１４の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、システムは、スイッチを更に備えることができ、ＣＤＣは、スイッチと電気的に通信すると共に、スイッチを制御して、２つのプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）の出力電圧、励起振幅を決定するＤＡＣ間のプログラムされた電圧差、ならびにＤＡＣのプログラムされた平均電圧とＤＣバイアスを決定するＣＤＣ入力側のバイアスとの差を選択的に提供する。
【００１４】
第１５の態様では、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定する方法が含まれる。方法は、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたってグラフェン・バラクタの容量を測定する工程と、１つ以上のＤＣバイアス電圧における測定された容量を１つ以上の対応する基準容量値と比較する工程と、比較に基づいて検体の存在の有無を判断する工程とを備えることができる。
【００１５】
第１６の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、方法は、容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、応答時間定数、ならびに２つの異なるグラフェン・センサ間における容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、および応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された１つ以上の態様を決定する工程を更に備えることができる。
【００１６】
第１７の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、方法は、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたるグラフェン・バラクタの測定された容量から、容量対電圧曲線を形成する工程を更に備えることができる。
【００１７】
第１８の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、方法は、形成された容量対電圧曲線を基準の容量対電圧曲線と比較する工程を更に備えることができる。
【００１８】
第１９の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、方法は、グラフェン・バラクタに結合する異なる検体同士を区別する工程を更に備えることができる。
【００１９】
第２０の態様では、本明細書の他の態様に加えて、またはそれらの代わりに、ＤＣバイアス電圧の範囲は−３Ｖ〜３Ｖである。
この概要は、本出願の教示の一部の概説であり、本発明の主題を排他的または網羅的に扱おうとするものではない。更なる詳細が、詳細な説明および添付の特許請求の範囲に見出される。以下の詳細な説明を読んで理解し、その一部を形成する図面を見ることによって、他の態様が当業者には明白となるであろう。各図面は限定的な意味で解釈されるべきものではない。本明細書の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの法律上の等価物によって定義される。
【００２０】
態様は、以下の図面と併せて更に完全に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本明細書の様々な実施形態によるシステムの様々な構成要素を示す概略図。
【図２】本明細書の様々な実施形態によるグラフェン・バラクタを示す概略分解組立図。
【図３】本明細書の様々な実施形態によるグラフェン・バラクタを示す概略断面図。
【図４】本明細書に開示する技術と矛盾しないガス・センシング・デバイスの要素を示す概略断面図。
【図５】本明細書の様々な実施形態による複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成を示す概略図。
【図６】本明細書の様々な他の実施形態による複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成を示す概略図。
【図７】本明細書の様々な他の実施形態による複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成を示す概略図。
【図８】本明細書の様々な実施形態によるグラフェン・バラクタの容量対ＤＣバイアス電圧を示すグラフ。
【図９】本明細書の様々な実施形態によるグラフェン・バラクタの容量対ＤＣバイアス電圧を示すグラフ。
【図１０】本明細書の様々な実施形態によるアセトン結合に応答する官能化グラフェン・バラクタの容量対ＤＣバイアス電圧を示すグラフ。
【図１１】本明細書の様々な実施形態によるオクタン結合に応答する官能化グラフェン・バラクタの容量対ＤＣバイアス電圧を示すグラフ。
【図１２】本明細書の様々な実施形態によるオクタノール結合に応答する官能化グラフェン・バラクタの容量対ＤＣバイアス電圧を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
実施形態は様々な修正および代替形態に影響されやすいが、それらの詳細を、例および図面を用いて示しており、詳細に記載する。しかしながら、本明細書の範囲は記載する特定の実施形態に限定されないことが理解されるべきである。対照的に、本発明は、本明細書の趣旨および範囲内にある修正、等価物、および変更を包含する。
【００２３】
呼息サンプルまたは他のガス・サンプル中で感知されるような揮発性有機化合物は、患者の健康状態に関する貴重な情報を提供することができる。特に、患者の呼気またはガス・サンプル中の揮発性有機化合物のパターン（複数の異なる揮発性有機化合物の存在、不在、および／または濃度を含む）は、様々な病的状態および／または特定の健康状態と関連付けられる場合がある。病的状態としては、肺がん、大腸がん、肺疾患（例えば、喘息、ＣＯＰＤ）、心臓血管系疾患（例えば、心不全）、感染症、消化器系および炎症性疾患（例えば、クローン病、大腸炎などの炎症性腸疾患）、または糖尿病を挙げることができるが、それらに限定されない。
【００２４】
グラフェン・バラクタは、揮発性有機化合物を測定するのに使用することができる１つのタイプのデバイスである。容量など、グラフェン・バラクタの様々な性質は、その上における揮発性有機化合物の存在に応答して変化し得る。しかしながら、容量など、グラフェン・バラクタの性質の測定は、技術的に困難なままである。
【００２５】
しかしながら、本明細書の実施形態を使用して、複数のグラフェン・バラクタの容量を迅速かつ正確に測定することができる。
ここで図１を参照すると、本明細書の様々な実施形態によるシステム１００の可能な構成要素の概略図が示されている。システム１００は、本明細書の様々な実施形態にしたがってガス状検体（または揮発性有機化合物）を感知する呼気センシング・デバイス１６０を備えることができる。この実施形態では、システムは手持ち式である。しかしながら、システムの他の多くの形式が本明細書において想起されることが認識されるであろう。
【００２６】
呼気センシング・デバイス１６０はハウジング１７８を備えることができる。呼気センシング・デバイス１６０はマウスピース１６２を備えることができ、評価される被験者がそこに呼気サンプルを吹き込むことができる。呼気センシング・デバイス１６０はまた、表示画面１７４とキーボードなどのユーザ入力デバイス１７６とを備えることができる。呼気センシング・デバイス１６０はまた、ガス流出ポート１７２を備えることができる。呼気センシング・システムおよびデバイスの態様が、米国特許出願公開第２０１６／０１０９４４０号明細書に記載されており、その内容を参照により本明細書に援用する。図１は呼気センシング・デバイスを示しているが、他のタイプのガス・サンプリング・システムも本明細書で使用できることが認識されるであろう。例えば、カテーテルおよび内視鏡システムと共に使用されるガス・サンプリング・デバイスも使用することができる。カテーテルまたは内視鏡デバイスに関連する例示的なガス・サンプリング・デバイスが、米国仮出願第６２／３５０，３４５号明細書に記載されており、その内容を参照により本明細書に援用する。
【００２７】
いくつかの実施形態では、システム１００は、マイクロプロセッサ、入出力回路、入力デバイス、視覚表示装置、ユーザ・インターフェースなどを備えることができる、ローカル・コンピューティング・デバイス１８２を備えることができる。いくつかの実施形態では、呼気センシング・デバイス１６０とローカル・コンピューティング・デバイス１８２との間でデータを交換するために、呼気センシング・デバイス１６０はローカル・コンピューティング・デバイス１８２と通信することができる。ローカル・コンピューティング・デバイス１８２は、本明細書に記載する様々なパラメータの計算を含むがそれらに限定されない、呼気センシング・デバイス１６０から受け取るデータを用いた様々な処理工程を実施するように構成することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、ローカル・コンピューティング・デバイス１８２と関連付けられる機構を呼気センシング・デバイス１６０に統合できることが認識されるべきである。いくつかの実施形態では、ローカル・コンピューティング・デバイス１８２は、ラップトップ・コンピュータ、デスクトップ・コンピュータ、サーバ（実もしくは仮想）、特定用途向けのコンピューティング・デバイス、ポータブル・コンピューティング・デバイス（携帯電話、タブレット、ウェアラブル・デバイスなどを備えるがそれらに限定されない）であることができる。
【００２８】
ローカル・コンピューティング・デバイス１８２および／または呼気センシング・デバイス１６０は、インターネット、またはパケット、フレーム、もしくは別のものとしてデータを交換する別のネットワークなど、データ・ネットワーク１８４を通して遠隔位置でコンピューティング・デバイスと通信することができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、システム１００はまた、サーバ１８６（実もしくは仮想）などのコンピューティング・デバイスを備えることができる。いくつかの実施形態では、サーバ１８６は呼気センシング・デバイス１６０から離して配置することができる。サーバ１８６はデータベース１８８とデータ通信することができる。
【００３０】
データベース１８８は、本明細書に記載するような様々な患者情報を格納するのに使用することができる。いくつかの実施形態では、データベースは、具体的には、患者の健康状態、様々な症状と関連付けられるデータのパターン（大きな患者データ集合の機械学習分析から生成されるものなど）、人口統計的データなどに関するデータを収容する電子医療データベースを備えることができる。
【００３１】
グラフェン・バラクタは、様々な方式および様々な形状で準備することができる。次に図２を参照すると、グラフェン・バラクタ２００の分解組立図が示されている。グラフェン・バラクタ２００は、絶縁体層２０２と、ゲート電極２０４と、誘電体層２０６と、グラフェン層２０８と、接触電極２１０とを備えることができる。
【００３２】
図３は、グラフェン・バラクタ２００の断面図を示している。図示されるように、ゲート電極２０４は絶縁体層２０２に入り込ませることができる。ゲート電極２０４は、絶縁体層２０２をエッチングして窪みを作り、次に窪みに導電性材料を堆積させてゲート電極２０４を形成することによって形成できる。絶縁体層２０２は様々な材料を備えることができる。いくつかの実施形態では、絶縁体層２０２はシリコン基板（ウェハ）上に形成された二酸化シリコンであることができる。誘電体層２０６は、絶縁体層２０２およびゲート電極２０４の表面上に形成することができる。いくつかの例では、誘電体層２０６は、二酸化シリコン、酸化アルミニウム、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム、ケイ酸ハフニウム、またはケイ酸ジルコニウムなどの材料で形成することができる。グラフェン層２０８は誘電体層２０６上に配設することができる。いくつかの態様では、グラフェン層２０８はグラフェン単分子層であることができる。また、接触電極２１０を、グラフェン層２０８の表面（またはその一部分）上に配設することができる。例示的なグラフェン・バラクタの態様を、米国特許出願公開第２０１４／０１４５７３５号明細書に見出すことができ、その内容を参照により本明細書に援用する。ガスおよび／または呼気サンプリング・システムの更なる態様が、米国特許出願公開第２０１６／０１０９４４０号明細書に記載されており、その内容を参照により本明細書に援用する。
【００３３】
様々な実施形態では、グラフェン層を官能化して、特定の検体または検体類に特異的なグラフェン・センサにすることができる。検体がグラフェン層に結合すると、センサの容量が変化する。更に、図８〜９に関して以下に示すように、容量は励起電流の電圧に基づいて異なるように変化する。
【００３４】
本明細書のシステムはまた、呼気および／またはガス・センシング・デバイスもしくはシステムを備えることができる。特に、本明細書のシステムは、揮発性有機化合物を備えるがそれらに限定されない様々なガス状検体の存在、不在、および／または量に関するデータを集めることができる。図４は、本明細書に開示する技術と矛盾しない例示のシステム４００の概略断面図である。この概略図は例示しやすくするために単純化されており、本明細書のシステムおよびデバイスの実施形態は、図４に示されていない様々な特徴を備え得ることが認識されるであろう。それに加えて、本明細書のシステムおよびデバイスの様々な実施形態は、図４に示されている様々な特徴を有さないことがある。システム４００は、一般に、ガス・サンプルを収集し、ガス・サンプルと関連付けられるデータを通信するように構成される。システム４００は、ガス・サンプリング・デバイス４１０とドッキング・ステーション４３０とを有する。
【００３５】
ガス・サンプリング・デバイス４１０は、ガス・サンプルを収集し、ガス・サンプルを試験してデータを生成するのを容易にするように構成することができる。いくつかの実施形態では、ガス・サンプリング・デバイス４１０は手持ち式のデバイスとして構成することができる。このような場合、ガス・サンプリング・デバイスは、その使用における特定の工程の間、介護者、患者、または両方の手で保持されるように構成することができ、また、その使用における特定の工程の間、ドッキング・ステーション４３０で保持されるかまたは別の形でそれと関連付けて配置されるように構成される。
【００３６】
いくつかの実施形態では、ガス・サンプリング・デバイス４１０は、患者からの呼気などのガス・サンプルを受け取り、そのガス・サンプルを試験位置へと向き付けるように構成される。ガス・サンプリング・デバイス４１０は、一般に、通気アパーチャ４２２を画成するハウジング４２０と、ガス試験チャンバ４２６と、センサ・レセプタクル４２８と、通気路４２４と、ドッキング構造４２１とを有する。
【００３７】
ガス・サンプルを受け取ったとき、ガス（患者からの呼息など）は、通気アパーチャ４２２を通ってガス・サンプリング・デバイス４１０に入り、通気路４２４を通り、ガス試験チャンバ４２６に入り、使い捨てセンサ試験片４４０の１つ以上の測定区域４４２と接触し、その後、センサ・レセプタクル４２８を通って、または別個の排出ポート（この図には図示なし）を通ってガス試験チャンバ４２６の端部から出る。この図は、センサ・レセプタクル４２８と使い捨てセンサ試験片４４０との間のいくつかの領域における接触を示しているが、一部のセグメントまたは領域では、センサ・レセプタクル４２８と使い捨てセンサ試験片４４０が接触しないか、または密閉する接触を作らず、それによってガスがセンサ・レセプタクル４２８を通って流出する経路をもたらすことが可能であることが認識されるであろう。
【００３８】
図４は、ハウジング４２０の内部空間とほぼ同じサイズの通気路４２４を示しているが、これは単に例示しやすくするためであり、通気路４２４のサイズは、多くの場合、ハウジング４２０の内部サイズ全体よりもはるかに小さくすることができ、それによって、センサ、電源、処理デバイス、通信ハードウェア、調整要素などを備えるがそれらに限定されない本明細書に記載する他の構成要素など、他の構成要素のための余地をハウジング４２０の内部にもたせることが可能であることが認識されるであろう。
【００３９】
ハウジング４２０は、様々な材料および材料の組み合わせで構築することができる。ハウジング４２０は、単一の結合構造であることができ、またはハウジング４２０を形成するように連結された複数の構成要素で構築することができる。例示的な一例として、通気路４２４を画成するハウジング４２０の一部分を、通気アパーチャ４２２を画成するハウジング４２０の部分に連結することができる。通気路４２４を画成するハウジング４２０の部分は、断面サイズおよび形状が様々に異なる導管またはチューブを備えることができる。導管またはチューブは、ポリマー、金属、セラミック、ガラス、複合材料などを備えるがそれらに限定されない、様々な材料から形成することができる。いくつかの実施形態では、通気路４２４を裏打ちする表面を、様々な所望の機能的性質を提供する材料で被覆することができる。
【００４０】
通気アパーチャ４２２は、一般に、ハウジング４２０におけるガス・サンプルの入力をもたらすように構成される。いくつかの実施形態では、通気アパーチャ４２２は、患者の口と流体連通するように構成されるが、他のいくつかの実施形態では、更に詳細に後述するように、保護ライナーを使用して、患者の口とハウジングとの間にバリアを設けることができる。
【００４１】
通気路４２４は、一般に、通気アパーチャ４２２におけるガスの入力をガス試験チャンバ４２６に向き付けるように構成される。そのため、通気路４２４は、一般に、通気アパーチャ４２２からガス試験チャンバ４２６まで延在する。通気路４２４は、通気路の長さに沿って実質的に同じである、または変化し得る断面積を有することができる。いくつかの実施形態では、ガス試験チャンバ４２６は、そこにつながる通気路とは異なる内寸（例えば、高さ、幅など）を有することができる。
【００４２】
ガス試験チャンバ４２６はガス・サンプルの試験位置を規定する。様々な実施形態では、ガス試験チャンバ４２６は、使い捨てセンサ試験片４４０の測定区域４４２を受け入れるように構成される。したがって、ハウジング４２０によって画成されるセンサ・レセプタクル４２８は、一般に、使い捨てセンサ試験片４４０をガス試験チャンバ４２６内で取外し可能に保定するように構成される。様々な実施形態では、センサ・レセプタクル４２８は、ユーザが手で挿入する使い捨てセンサ試験片４４０を摺動可能に受け入れるように構成される。いくつかの実施形態では、使い捨てセンサ試験片４４０は、その長軸をハウジング４２０の長軸に対して平行にして挿入することができる。しかしながら、他の実施形態では、使い捨てセンサ試験片４４０は、その長軸を、垂直など、ハウジング４２０の長軸に対して異なるように配置して挿入することができる。例示のセンサ試験片については更に詳細に後述する。
【００４３】
図４は、ガス・サンプリング・デバイス４１０（図の視点に対して上下）のほぼ中央に位置する試験片を示しているが、試験片を、上部または下部に向かって偏向させて、ハウジング４２０またはガス・サンプリング・デバイス４１０の外表面に近づけて配置することができることが認識されるであろう。いくつかの実施形態では、使い捨てセンサ・ストリップは、ハウジング４２０の外表面（または外壁）から５ｃｍ未満、４ｃｍ未満、３ｃｍ未満、２ｃｍ未満、１ｃｍ未満、０．５ｃｍ未満、０．２ｃｍ未満、またはそれ以下に配置することができる。
【００４４】
ドッキング・ステーション４３０は、一般に、ガス・サンプルの試験によって生成されたデータを収集するように構成される。ドッキング・ステーション４３０は、複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成を備える、読取りデバイス４３２を有する。グラフェン・センサの容量を測定する回路構成の態様については、更に詳細に後述する。しかしながら、いくつかの実施形態では、かかる回路構成を全てガス・サンプリング・デバイス４１０内に配設することができるか、全てドッキング・ステーション４３０内に配設することができるか、または全てガス・サンプリング・デバイス４１０内のいくつかの構成要素、およびドッキング・ステーション４３０内のいくつかの構成要素に分配することができることが認識されるであろう。実際に、場合によっては、別個のドッキング・ステーションがないことがあり、本明細書においてそれに与えられる機能性を、単にガス・サンプリング・デバイスに統合することができる。
【００４５】
様々な実施形態では、読取りデバイス４３２はまた、使い捨てセンサ試験片４４０からの基準データおよびサンプル・データの両方に対して構成することができる。「基準データ」という用語は、使い捨てセンサ試験片４４０をガス・サンプルまたは患者または被験体に暴露する前に収集されるデータとして定義され、「サンプル・データ」という用語は、患者または被験体のガス・サンプルに特異的なデータを指す。場合によっては、基準データは、患者のガス・サンプルを取得する前に、試験チャンバ内にガスが偶然ある場合の全ての条件を反映することができる。しかしながら、他の実施形態では、基準データを生成する目的で、周囲空気を意図的に試験チャンバに入れることができ、および／または既知の組成の特定の参照ガス・サンプルを試験チャンバに入れることができる。
【００４６】
ドッキング・ステーション４３０は、一般に、ガス・サンプリング・デバイス４１０のドッキング位置であるように構成される。ドッキング・ステーション４３０は、一般に、ガス・サンプリング・デバイス４１０を物理的に受け入れるように構成される。ドッキング・ステーション４３０は、当業者には理解されるような様々な構造および構成を通してガス・サンプリング・デバイス４１０を受け入れることができる。様々な実施形態では、ガス・サンプリング・デバイス４１０のドッキング・ステーション４３０およびドッキング構造４２１は噛合する構成を有し、それによってドッキング・ステーション４３０がガス・サンプリング・デバイス４１０のドッキング構造４２１を受け入れる。いくつかのかかる実施形態では、ドッキング・ステーション４３０およびドッキング構造４２１は干渉嵌めを規定する。しかしながら、他の実施形態では、ドッキング・ステーション４３０は単にドッキング構造４２１の上または中に載せることができる。いくつかの実施形態では、ドッキング・ステーション４３０およびドッキング構造４２１は、読取りデバイス４３２と使い捨てセンサ試験片４４０との間のデータ伝送に適応するため、使い捨てセンサ試験片４４０および読取りデバイス４３２を十分に近接させて配置するように構成される。いくつかの実施形態では、ドッキング・ステーションおよびドッキング構造は、使い捨てセンサ試験片４４０および読取りデバイス４３２を、互いに６ｃｍ以内、５ｃｍ以内、４ｃｍ以内、３ｃｍ以内、または２ｃｍ以内、または更には１ｃｍ以内に配置するように構成される。
【００４７】
ドッキング・ステーション４３０は様々な追加の構成要素を有することができる。いくつかの実施形態では、ドッキング・ステーション４３０は、プロセッサ４３６とメモリ４３５とを有する。プロセッサ４３６およびメモリ４３５は、試験したガス・サンプルから取得したデータを処理し格納するように構成することができる。例えば、メモリ４３５は基準データを局所的に格納することができ、プロセッサ４３６は、収集した基準データを試験したガスのデータから除去して、調節後データを取得するように構成することができる。かかる調整後データは、試験したガスのデータに対する周囲環境の影響をある程度除去することができる。別の例では、プロセッサは、調整後データ（または、いくつかの実施形態では、試験したガスのデータ）を、１つ以上の疾患を示す既知のデータと比較するように構成することができる。かかる比較は、比較アルゴリズムを使用して特定の疾患の存在を特定するのに使用することができる。更に別の例では、ドッキング・ステーション４３０のプロセッサは、使い捨てセンサ試験片４４０の欠陥を特定するように構成することができる。例示の欠陥としては、製造欠陥、および／または周囲ガスへの早すぎる暴露を挙げることができる。ドッキング・ステーション４３０は、かかる欠陥の記録を収集し、保存し、場合によっては伝送するように構成することができる。
【００４８】
ドッキング・ステーション４３０は、様々な実施形態では、ネットワーキング・ハードウェア４３４を有する。ネットワーキング・ハードウェア４３４は、ネットワークを通じて、クラウドベースのシステムを備える遠隔システムにデータを伝送するように構成することができる。いくつかの実装例では、遠隔システムは、病院、診療所、実験室、または他の場所であることができる。いくつかの実施形態では、ネットワーキング・ハードウェア４３４は、ガス・サンプルを試験することによって生成されたデータを伝送するように構成される。ネットワーキング・ハードウェア４３４は、いくつかの実施形態では、基準データを伝送するように構成される。ネットワーキング・ハードウェアは、いくつかの実施形態では、調整後データを伝送するように構成される。いくつかの実施形態では、遠隔システムはそれが受信するデータを分析する。例えば、いくつかの実施形態では、遠隔システムは、調整後データを、複数の疾患を示す既知のデータと比較するように構成される。その比較によって特定の疾患の存在を特定することができる。
【００４９】
いくつかの実施形態では、ドッキング・ステーション４３０はユーザ・インターフェース４３８を有する。ユーザ・インターフェース４３８は、ユーザに情報を通信するように構成することができる。例えば、ユーザ・インターフェース４３８は、ドッキング・ステーション４３０とガス・サンプリング・デバイス４１０との間、および／またはドッキング・ステーション４３０とネットワークとの間のデータ伝送など、アクティブデータ伝送を通信するように構成することができる。いくつかの実施形態では、ユーザ・インターフェース４３８は、試験過程の現在の段階、その進捗、または次はどの工程か、もしくはどの動作が求められているかに関する情報を通信するように構成することができる。例えば、場合によっては、ユーザ・インターフェース４３８は、ガス・サンプリング・デバイス４１０がガス・サンプルを受け入れる準備ができていること、またはドッキング・ステーション４３０がガス・サンプリング・デバイス４１０からのデータの読取りを終了していることを、通信するように構成することができる。ユーザ・インターフェース４３８はまた、センサ試験片の欠陥を通信するように構成することができる。ユーザ・インターフェース４３８は、視覚的通知、音声通知などを通して通信するように構成することができる。特定例として、点滅する光を使用して、ドッキング・ステーション４３０がデータを伝送していることを示すことができる。ユーザ・インターフェース４３８は、ＬＥＤまたは類似の発光デバイスなどの光源を備えることができる。
【００５０】
図４に示されるシステムの使用に対する１つの例示の方策について、以下に記載する。使い捨てセンサ試験片４４０は、ガス・サンプリング・デバイスのハウジングによって画成されるガス試験チャンバ４２６によって受け入れられるようにして、ガス・サンプリング・デバイス４１０に挿入される。使い捨てセンサ試験片４４０を有するガス・サンプリング・デバイス４１０がドッキング・ステーション４３０にドッキングされ、ドッキング・ステーション４３０の読取りデバイス４３２が、ガス・サンプリング・デバイス４１０のハウジング４２０を通して、使い捨てセンサ試験片４４０から基準データを読み取る。ガス・サンプリング・デバイス４１０は、基準データの読取り後にドッキング・ステーション４３０から切り離され、ガス・サンプルはガス試験チャンバに受け入れられて、ガス・サンプルが使い捨てセンサ試験片４４０と接触するようにされる。例えば、ガス・サンプリング・デバイス４１０は、介護者によって物理的に把持され、ドッキング・ステーション４３０から取り外され、患者または被験体に物理的に手渡されてもよく、その患者または被験体がガス・サンプリング・デバイス４１０に息を吹き込んで、分析されるガス・サンプルを提供してもよい。他の場合では、ガス・サンプリング・デバイス４１０は、患者または被験体によって保持される代わりに、介護者によって保持されてもよい。ガス・サンプリング・デバイス４１０は、次に、ガス・サンプルを受け取った後にドッキング・ステーション４３０にドッキングすることができ、試験したガスからのデータが、読取りデバイス４３２によって使い捨てセンサ試験片４４０から読み取られ、調整後データがガス・サンプリング・デバイス４１０のハウジング４２０を通して読み取られる。様々な実施形態では、使い捨てセンサ試験片４４０は１回使用向けに構成される。そのため、使い捨てセンサ試験片４４０は、サンプルガスデータを使い捨てセンサ試験片４４０から収集した後に廃棄することができる。図４に示されるシステムを使用する他の様々な方法も想起される。
【００５１】
測定区域４４２は、１つ以上のそれに結合させることができる検体結合レセプタを備える、複数の別個の結合検出器を備えることができる。いくつかの実施形態では、特定の別個の結合検出器内の検体結合レセプタは全て、それらの検体結合特性に関して同じであることができる。他の実施形態では、特定の区域内の検体結合レセプタの少なくともいくつかは、それらの検体結合特性に関して互いに異なることができる。いくつかの実施形態では、別個の結合検出器はそれぞれ固有であることができる。いくつかの実施形態では、固有である別個の結合検出器は、同じ化学化合物の異なる位置または異なる構成に結合するという点で、交叉反応的であることができる。
【００５２】
複数のグラフェン・バラクタは、異なる揮発性有機化合物に対して特異的なものを備えることができる。いくつかの実施形態では、複数のグラフェン・バラクタは、少なくとも５、１０、１５、２０、３０、４０、またはそれ以上の異なる揮発性有機化合物の存在を検出することができる。いくつかの実施形態では、グラフェン・バラクタによって検出される異なる揮発性有機化合物の数は、上述の数のいずれかが、上限が下限よりも大きいという条件の範囲の上限または下限としての役割を果たすことができる、範囲内にあることができる。
【００５３】
上述したように、グラフェン・センサの容量は、特定の電圧の、ならびに／またはある電圧範囲にわたる、励起電流を送達することによって測定することができる。容量の測定によって、グラフェン・センサに対する検体の結合状態を反映するデータが提供される。様々な測定回路構成を使用して、グラフェン・センサの容量を測定することができる。
【００５４】
次に図５を参照すると、複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成の概略図が示されている。回路構成は、マルチプレクサ５０４と電気的に通信している容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）５０２を備えることができる。マルチプレクサ５０４は、複数のグラフェン・バラクタ５０６と選択的に電気的に通信することができる。グラフェン・バラクタ５０６の他方の側は、アース５０８と電気的に通信していることができる。
【００５５】
いくつかの実施形態では、ＣＤＣ５０２は、バス・デバイス５１０と電気的に通信することができる。バス・デバイス５１０は様々な特定の構成要素を備えることができるが、いくつかの実施形態では、Ｉ２ＣまたはＳＰＩからなる群から選択することができる。同様に、バス・デバイス５１０は、コントローラまたはプロセッサと電気的に通信することができる。例えば、バス・デバイス５１０は、マイクロコントローラ５１２と電気的に通信することができる。同様に、マイクロコントローラ５１２は、デバイスまたはシステムの他の構成要素と通信することができる。図５に示される構成要素は、必ずしも全てが互いに別個でなくてもよいことが認識されるであろう。対照的に、マルチプレクサ５０４、ＣＤＣ５０２、およびバス・デバイス５１０を備えるがそれらに限定されない、様々な構成要素を互いに統合することができる。
【００５６】
動作の際、励起信号（交流電圧）が、選択されたコンデンサにマルチプレクサを通して印加され、グラフェン・バラクタを帯電および放電させるのに要する電荷が測定されて、容量が決定される。励起信号の振幅はＣＤＣ５０２によって固定される。容量が測定されるバイアス電圧は励起信号の平均電圧に等しい。このタイプの構成に例示的なＣＤＣとしては、テキサス・インスツルメンツ社（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）のモデルＦＤＣ１００４が挙げられる。ＦＤＣ１００４は統合されたマルチプレクサおよびＩ２Ｃを有する。他の多くのタイプのＤＣＤも使用できることが認識されるであろう。
【００５７】
いくつかの実施形態では、グラフェン・バラクタは接地されなくてもよい。グラフェン・バラクタの他方の側を別のデバイスに接続することができる。例えば、いくつかの実施形態では、グラフェン・バラクタの他方の側を、ＣＤＣまたは別の構成要素の独立した励起出力に接続することができる。この場合、励起信号（やはり交流電圧）は、センサ・アレイ内のコンデンサ全てに印加され、選択されたグラフェン・バラクタを帯電および放電させるのに要する電荷がマルチプレクサを通して測定されて、容量が決定される。励起信号の振幅はＣＤＣによって設定される。容量が測定されるバイアス電圧は、ＣＤＣ入力におけるバイアス電圧（マルチプレクサを介する、通常はＶＣＣ／２に等しい（ＶＣＣは供給電圧））と励起信号の平均電圧との差に等しい。励起電圧は、このタイプのＣＤＣの場合、一般的にＶＣＣ／２付近が中心となるので、バイアス電圧は一般的に０ボルトに固定される。
【００５８】
次に図６を参照すると、本明細書の別の実施形態による複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成の概略図が示されている。回路構成は、マルチプレクサ５０４と電気的に通信している容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）５０２を備えることができる。マルチプレクサ５０４は、複数のグラフェン・バラクタ５０６と選択的に電気的に通信することができる。この実施形態では、グラフェン・バラクタ５０６の他方の側は、ＣＤＣの独立した励起出力と電気的に通信することができる。
【００５９】
検体結合に基づくグラフェン・バラクタの容量の変化は、容量を測定するのに使用される励起電圧に応じて決まる。このため、電圧の範囲にわたって励起信号の電圧を変化させることによって、より多量の情報を集めることができる。これを達成するのに様々な技術を使用することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、励起信号の電圧の変動を達成するために、出力電圧が異なる一対のプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータを、スイッチと組み合わせて使用することができる。
【００６０】
次に図７を参照すると、本明細書の別の実施形態による複数のグラフェン・センサの容量を測定する回路構成の概略図が示されている。回路構成は、マルチプレクサ５０４と電気的に通信している容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）５０２を備えることができる。マルチプレクサ５０４は、複数のグラフェン・バラクタ５０６と選択的に電気的に通信することができる。グラフェン・バラクタ５０６の他方の側に対する接続は、（ＣＤＣによって制御されるような）スイッチ７０２によって制御することができ、第１のデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）７０４および第２のデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）７０６との選択的な電気的通信を提供することができる。ＤＡＣ７０４、７０６の他方の側は、バス・デバイス５１０に、または場合によってはＣＤＣ５０２に接続することができる。
【００６１】
この場合、ＣＤＣからの励起信号は、２つのプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）の出力電圧間でスイッチを制御する。ＤＡＣ間のプログラムされた電圧差によって励起振幅が決定して、測定に対する追加のプログラム可能な換算係数が提供され、ＣＤＣによって指定されるよりも広い範囲の容量の測定が可能になる。容量が測定されるバイアス電圧は、ＣＤＣ入力におけるバイアス電圧（マルチプレクサを介する、通常はＶＣＣ／２に等しい（ＶＣＣは供給電圧））と、プログラム可能な励起信号の平均電圧との差に等しい。いくつかの実施形態では、切替え中の安定した電圧を維持するのに、緩衝増幅器および／またはバイパス容量をＤＡＣ出力に使用することができる。多くの異なる範囲のＤＣバイアス電圧を使用することができる。いくつかの実施形態では、ＤＣバイアス電圧の範囲は、−３Ｖ〜３Ｖ、または−１Ｖ〜１Ｖ、または−０．５Ｖ〜０．５Ｖであることができる。
【００６２】
容量データに基づいて、多くの異なる態様を計算することができる。例えば、計算することができる態様としては、容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧（ディラック点）、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、応答時間定数、ならびに異なるグラフェン・センサ間および特に異なる検体に対する特異性を有する異なるグラフェン・センサ間における容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧（ディラック点）、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、および応答時間定数のいずれかの比が挙げられる。
【００６３】
上記で計算した態様を様々な診断目的に使用することができる。場合によっては、上記で計算した態様は、ガス・サンプルの特定の揮発性有機成分の識別情報および／または濃度を示す場合がある。そのため、上記で計算した値はそれぞれ、所与の患者および／または所与のガス・サンプルに関するパターンの一部を形成する離散的なデータ片としての役割を果たすことができる。本明細書の別の箇所にも記載されるように、パターンを次に、機械学習などの技術または他の技術を通して格納された膨大なデータセットから導き出される、既存のパターン、またはリアルタイムで特定されたパターンとマッチングさせることができ、かかるパターンは、様々な症状または疾患状態の特性であるものと判断される。上記で計算した態様はまた、他の目的、診断などに用いることができる。
【００６４】
場合によっては、上述したような計算は、コントローラ回路によって実施することができる。コントローラ回路は、グラフェン・バラクタの容量を反映する電気信号を受信するように構成することができる。いくつかの実施形態では、コントローラ回路は、これらの計算を実施するマイクロコントローラを備えることができる。場合によっては、コントローラ回路は、測定回路と電気的に通信しているマイクロプロセッサを備えることができる。マイクロプロセッサ・システムは、アドレス・バス、データ・バス、制御バス、クロック、ＣＰＵ、処理デバイス、アドレス・デコーダ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどの構成要素を備えることができる。場合によっては、コントローラ回路は、測定回路と電気的に通信している計算回路（特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）など）を備えることができる。
【００６５】
それに加えて、場合によっては、システムは、特定のセンサに対する感度校正情報が格納される、不揮発性メモリを備えることができる。例として、センサは生産設備で試験することができ、そこでＶＯＣなどの様々な検体に対する感度を決定し、次にＥＰＲＯＭまたは類似の構成要素に格納することができる。それに加えて、またはその代わりに、感度校正情報を集中データベースに格納し、患者データが分析および診断のために中央位置に送られたときに、センサのシリアル番号を用いて参照することができる。これらの構成要素は、本明細書に記載するハードウェア部品のいずれかに備えることができる。
【００６６】
本明細書のいくつかの実施形態では、構成要素は、インターネットまたは類似のネットワークなどのネットワークを通じて通信するように構成することができる。様々な実施形態では、中央記憶・データ処理機構を備えることができる。いくつかの実施形態では、患者の存在下でセンサから集めたデータ（局所）を、インターネットまたは類似のネットワークを介して中央処理機構（遠隔）に送ることができ、評価されている特定の患者からのパターンを、数千または数百万の他の患者（そのうちの多くは、様々な症状をもつこれまで診断してきた患者であり、かかる症状データを格納してきたもの）のパターンと比較することができる。パターン・マッチング・アルゴリズムを使用して、現在の患者のパターンが最も類似している、他の患者または患者分類（例えば、疾患または症状に特異的な分類）を見つけ出すことができる。患者の各分類は、所与の症状または疾患状態を有することの所定の尤度を含むことができる。このように、パターン・マッチング後、所与の症状または疾患状態を有する尤度を、データ・ネットワークを通して患者が現在いる施設に返すことができる。方法
本明細書の実施形態は様々な方法を含むことができる。例示的な方法は、本明細書に記載する方策および動作の少なくともいずれか一方を含むことができる。一実施形態では、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定する方法が含まれる。方法は、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたってグラフェン・バラクタの容量を測定する工程と、１つ以上のＤＣバイアス電圧における測定された容量を１つ以上の対応する基準容量値と比較する工程と、比較に基づいて検体の存在の有無を判断する工程とを備えることができる。
【００６７】
いくつかの実施形態では、方法は、容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧（ディラック点）、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、応答時間定数、ならびに異なるグラフェン・センサ間および特に異なる検体に対する特異性を有する異なるグラフェン・センサ間における容量対電圧の最大傾斜、基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、容量対電圧の最小傾斜、基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、最小容量、基準値に対する最小容量の変化、最小容量時の電圧（ディラック点）、最小容量時の電圧の変化、最大容量、最大容量の変化、最大容量対最小容量の比、および応答時間定数のいずれかの比が挙げられるがそれらに限定されない、１つ以上の態様を決定する工程を更に備えることができる。
【００６８】
いくつかの実施形態では、方法は、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたるグラフェン・バラクタの測定された容量から、容量対電圧曲線を形成する工程を備えることができる。いくつかの実施形態では、方法は、形成された容量対電圧曲線を基準の容量対電圧曲線と比較する工程を備えることができる。いくつかの実施形態では、方法は、グラフェン・バラクタに結合する異なる検体同士を区別する工程を備えることができる。いくつかの実施形態では、方法は、ＤＣバイアス電圧の範囲にわたるグラフェン・バラクタの容量を測定する工程を更に備えることができる。いくつかの実施形態では、ＤＣバイアス電圧の範囲は−３Ｖ〜３Ｖであることができる。
【００６９】
いくつかの実施形態では、呼吸またはガス試験を行うように患者に要求することができる（家などの臨床施設以外で試験を実施できる場合、またはかかる要求によって患者を臨床施設に来させて試験を行わせることができる場合）。
【００７０】
いくつかの実施形態では、睡眠パターン（例えば、ウェアラブル、埋込み、もしくは非接触式在宅センサ）、生理的データ（自律神経系の緊張の指標）、体重（屋内のマットによって自動的に測定される重量など）、活動レベル（例えば、携帯電話、ウェアラブル、埋込み、もしくは非接触式在宅センサ）などを含むパターンを、アルゴリズムなどを使用して評価することができ、それらの因子の結果がそのように示した場合、システムは、心不全代謝不全の初期兆候を検出するため、呼息もしくはガス試験を行うかまたは受けるべきであることをユーザに知らせることができる。結果が陽性だった場合、またはデータの傾向が個々の患者の正常範囲を越えていた場合、システムは、早期介入のために診療を受けるように患者に知らせることができる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、睡眠パターン、自律神経系の緊張、呼吸数、呼吸音、活動レベルなどを含むパターンを使用して、ＣＯＰＤの悪化または再発の繰返しの早期兆候を検出するため、呼息試験を行う（もしくは診療所に来て、呼気試験を受ける）べきであることをユーザに推奨することができる。結果が陽性だった場合、またはデータの傾向が個々の患者の正常範囲を越えていた場合、早期介入のため、診療を受けるように求め、および／または処方薬（例えば、気管支拡張剤、コルチコステロイドなど）を使用する。
【００７２】
心不全の悪化およびＣＯＰＤ以外では、かかるパターン、および呼息試験を受けるように患者を促すことは、再発の初期兆候を検出するため、糖尿病管理および炎症性腸疾患に使用することもできる（パターン中の食物摂取、自律神経系の緊張などに関するデータも含む）。
実施例
【実施例１】
【００７３】
電圧の範囲にわたるグラフェン・バラクタの容量
グラフェン・バラクタは、米国特許出願公開第２０１４／０１４５７３５号明細書の記載に合わせて製造した。
【００７４】
ＬＣＲメータを使用して、センサを窒素ガスで洗い流しながら、励起電圧の範囲にわたる容量を測定することによって、基準の容量対電圧曲線を確立した。ＤＣバイアス電圧の範囲は−０．５Ｖ〜０．５Ｖであった。同じＬＣＲメータを使用して、センサを窒素ガスとオクタノール蒸気の組み合わせで洗い流しながら、同じバイアス電圧範囲にわたる容量値も測定した。各実験における合計流量は毎分０．５リットル、窒素中のオクタノール濃度は約３．６ｐｐｍであり、センサは、平衡化のため測定前に窒素ガスおよびオクタノール蒸気混合気に約５分間暴露し、ＡＣ励起信号の振幅は５０ｍＶ、周波数は５００ｋＨｚであった。
【００７５】
図８に示されるように、オクタノールの結合によって、容量対電圧曲線が同じ全体形状を保持していたが、右にシフトしていたことが分かる（例えば、最小容量はより高いＤＣバイアス電圧で生じた）。
【実施例２】
【００７６】
電圧の範囲にわたるグラフェン・バラクタの容量
グラフェン・バラクタは実施例１に記載したように準備した。実施例１で上述したように、ＬＣＲメータを使用して、励起電圧の範囲にわたる容量を測定することによって、基準の容量対電圧曲線を確立した。ＤＣバイアス電圧の範囲は−１Ｖ〜１Ｖであった。同じＬＣＲメータを使用して、センサを窒素ガスとアセトン蒸気の組み合わせで洗い流しながら、同じバイアス電圧範囲にわたる容量値も測定した。アセトン濃度が約２５，０００ｐｐｍであったことを除いて、詳細は実施例１に記載したものと同じであった。
【００７７】
図９に示されるように、アセトンの結合によって、曲線の上側部分は右にシフトしたが曲線の下側部分は左にシフトしたという点で、容量対電圧曲線の形状が変化したことが分かる。
【実施例３】
【００７８】
電圧の範囲にわたる官能化グラフェン・バラクタの容量
グラフェン・バラクタは実施例１に記載したように準備した。次に、ピレン酢酸１ｍＭのエタノール溶液に１４時間バラクタを浸漬することによって、グラフェンをピレン酢酸で官能化した。
【００７９】
実施例１で上述したように、ＬＣＲメータを使用して、励起電圧の範囲にわたる容量を測定することによって、基準の容量対電圧曲線を確立した。ＤＣバイアス電圧の範囲は−１Ｖ〜１Ｖであった。同じＬＣＲメータを使用して、１）窒素ガスとガス状アセトンの組み合わせ、２）窒素ガスとガス状オクタンの組み合わせ、および３）窒素ガスとガス状オクタノールの組み合わせでセンサを洗い流しながら、同じバイアス電圧範囲にわたる容量値も測定した。
【００８０】
図１０に示されるように、アセトンの結合によって、容量対電圧曲線が右に急激にシフトし、ディラック点が約０．１Ｖ増加したことが分かる。図１１に示されるように、オクタンの結合による容量対電圧曲線の変化は比較的小さいが、右にシフトすることによって結合が検出可能になったことが分かる。図１２に示されるように、オクタノールの結合による容量対電圧曲線の変化は比較的小さいが、右にシフトすることによって結合が検出可能になったことが分かる。
【００８１】
本明細書および添付の特許請求の範囲で使用するとき、「一」、「１つ」、および「前記」は、文脈において別段の指定を明確にしないかぎり、複数形を含むことに留意すべきである。したがって、例えば、「ある化合物」を含有する組成物に対する言及は、２つ以上の化合物の混合物を含む。また、「または」という用語は、一般に、文脈において別段の指定を明確にしないかぎり、「および／または」を含む意味で用いられることに留意すべきである。
【００８２】
また、本明細書および添付の特許請求の範囲で使用するとき、「構成される」という語句は、特定のタスクを実施するかまたは特定の構成に適合するように構築もしくは構成された、システム、装置、または他の構造を説明することに留意すべきである。「構成される」という語句は、配置および構成される、構築および配置される、構築される、製造および配置されるなど、他の類似の語句と交換可能に使用することができる。「回路構成」は、特定の動作を実行するための有線回路構成、ならびに同じ機能性を提供する命令を実行するようにプログラムされたプロセッサを含むことができる。
【００８３】
本明細書における全ての刊行物および特許出願は、本明細書が関連する分野の当業者のレベルを示すものである。全ての刊行物および特許出願は、個々の刊行物または特許出願それぞれが参照によって具体的に個々に示されたのと同じ程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。
【００８４】
様々な特定の好ましい実施形態および技術を参照して、態様について記載してきた。しかしながら、本明細書の趣旨および範囲内にありながら、多くの変形および修正が行われてもよいことが理解されるべきである。そのため、本明細書に記載した実施形態は、網羅的であること、または本明細書に開示される正確な形態に範囲を限定することを意図したものではない。それよりもむしろ、実施形態は、他の当業者が原理および実際を認識し理解することができるように選ばれ説明される。
＜付記＞
［付記１］
容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）と、
グラフェン・バラクタとを備え、
該ＣＤＣが、該グラフェン・バラクタと電気的に通信し、複数のＤＣバイアス電圧にわたる励起信号に応答して前記グラフェン・バラクタの容量を測定するように構成された、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定するシステム。
【００８５】
［付記２］
前記ＣＤＣと複数のグラフェン・バラクタとを選択的に電気的に通信するように構成されたマルチプレクサを更に備える、付記１および３乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００８６】
［付記３］
励起信号が前記マルチプレクサを通して選択されたグラフェン・バラクタに印加される、付記１乃至２および４乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００８７】
［付記４］
前記励起信号が交流電圧を含む、付記１乃至３および５乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００８８】
［付記５］
前記励起信号の振幅が前記ＣＤＣによって固定される、付記１乃至４および６乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００８９】
［付記６］
前記グラフェン・バラクタの容量を反映する電気信号を受け取るように構成されたコントローラ回路を更に備える、付記１乃至５および７乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９０】
［付記７］
前記コントローラ回路および前記ＣＤＣと電気的に通信している、Ｉ２ＣまたはＳＰＩからなる群から選択された電子部品を更に備える、付記１乃至６および８乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９１】
［付記８］
前記グラフェン・バラクタが官能化グラフェン・バラクタを備える、付記１乃至７および９乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９２】
［付記９］
前記コントローラ回路が、
容量対電圧の最大傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、
容量対電圧の最小傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、
最小容量、
基準値に対する最小容量の変化、
最小容量時の電圧、
最小容量時の電圧の変化、
最大容量、
最大容量の変化、
最大容量対最小容量の比、
応答時間定数、ならびに
前記グラフェン・バラクタと第２のグラフェン・バラクタとの前記容量対電圧の最大傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、前記容量対電圧の最小傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、前記最小容量、前記基準値に対する最小容量の変化、前記最小容量時の電圧、前記最小容量時の電圧の変化、前記最大容量、前記最大容量の変化、前記最大容量対最小容量の比、および前記応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、前記グラフェン・バラクタに関する少なくとも１つのパラメータを計算するように構成される、付記１乃至８および１０乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９３】
［付記１０］
前記複数のグラフェン・バラクタが前記ＣＤＣの独立した励起出力と電気的に通信する、付記１乃至９および１１乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９４】
［付記１１］
前記複数のグラフェン・センサと直列接続された１つ以上のプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）を更に備える、付記１乃至１０および１２のいずれか一項に記載のシステム。
【００９５】
［付記１２］
スイッチを更に備え、前記ＣＤＣが、前記スイッチと電気的に通信すると共に、前記スイッチを制御して、２つのプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）の出力電圧、励起振幅を決定する前記ＤＡＣ間のプログラムされた電圧差、ならびに前記ＤＡＣのプログラムされた平均電圧とＤＣバイアスを決定する前記ＣＤＣ入力側のバイアスとの差を選択的に提供する、付記１乃至１１のいずれか一項に記載のシステム。
【００９６】
［付記１３］
ＤＣバイアス電圧の範囲にわたってグラフェン・バラクタの容量を測定する工程と、
１つ以上のＤＣバイアス電圧における該測定された容量を１つ以上の対応する基準容量値と比較する工程と、
該比較に基づいて検体の存在の有無を判断する工程とを備える、該グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定する方法。
【００９７】
［付記１４］
容量対電圧の最大傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、
容量対電圧の最小傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、
最小容量、
基準値に対する最小容量の変化、
最小容量時の電圧、
最小容量時の電圧の変化、
最大容量、
最大容量の変化、
最大容量対最小容量の比、
応答時間定数、ならびに
２つの異なるグラフェン・センサ間における前記容量対電圧の最大傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、前記容量対電圧の最小傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、前記最小容量、前記基準値に対する最小容量の変化、前記最小容量時の電圧、前記最小容量時の電圧の変化、前記最大容量、前記最大容量の変化、前記最大容量対最小容量の比、および前記応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、１つ以上の態様を決定する工程を更に備える、付記１３乃至１５のいずれか一項に記載の方法。
【００９８】
［付記１５］
前記ＤＣバイアス電圧の範囲にわたる前記グラフェン・バラクタの前記測定された容量から、容量対電圧曲線を形成する工程を更に備える、付記１３乃至１４のいずれか一項に記載の方法。
【００９９】
［付記１６］
容量−デジタル・コンバータ（ＣＤＣ）と、
グラフェン・バラクタとを備え、
該ＣＤＣが、該グラフェン・バラクタと電気的に通信し、複数のＤＣバイアス電圧にわたる励起信号に応答して該グラフェン・バラクタの容量を測定するように構成された、グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定するシステム。
【０１００】
［付記１７］
前記ＣＤＣと複数のグラフェン・バラクタとを選択的に電気的に通信するように構成されたマルチプレクサを更に備える、付記１６に記載のシステム。
【０１０１】
［付記１８］
励起信号が前記マルチプレクサを通して選択されたグラフェン・バラクタに印加される、付記１７に記載のシステム。
【０１０２】
［付記１９］
前記励起信号が交流電圧を含む、付記１６に記載のシステム。
［付記２０］
前記励起信号の振幅が前記ＣＤＣによって固定される、付記１６に記載のシステム。
【０１０３】
［付記２１］
前記グラフェン・バラクタの容量を反映する電気信号を受け取るように構成されたコントローラ回路を更に備える、付記１６に記載のシステム。
【０１０４】
［付記２２］
前記コントローラ回路がマイクロコントローラを備える、付記２１に記載のシステム。
［付記２３］
前記コントローラ回路および前記ＣＤＣと電気的に通信している、Ｉ２ＣまたはＳＰＩからなる群から選択された電子部品を更に備える、付記１６に記載のシステム。
【０１０５】
［付記２４］
前記グラフェン・バラクタが官能化グラフェン・バラクタを備える、付記１６に記載のシステム。
【０１０６】
［付記２５］
前記コントローラ回路が、
容量対電圧の最大傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、
容量対電圧の最小傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、
最小容量、
基準値に対する最小容量の変化、
最小容量時の電圧、
最小容量時の電圧の変化、
最大容量、
最大容量の変化、
最大容量対最小容量の比、
応答時間定数、ならびに
前記グラフェン・バラクタと第２のグラフェン・バラクタとの前記容量対電圧の最大傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、前記容量対電圧の最小傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、前記最小容量、前記基準値に対する最小容量の変化、前記最小容量時の電圧、前記最小容量時の電圧の変化、前記最大容量、前記最大容量の変化、前記最大容量対最小容量の比、および前記応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、前記グラフェン・バラクタに関する少なくとも１つのパラメータを計算するように構成される、付記２１に記載のシステム。
【０１０７】
［付記２６］
前記複数のグラフェン・バラクタが接地される、付記１６に記載のシステム。
［付記２７］
前記複数のグラフェン・バラクタが前記ＣＤＣの独立した励起出力と電気的に通信する、付記１６に記載のシステム。
【０１０８】
［付記２８］
前記複数のグラフェン・センサと直列接続された１つ以上のプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）を更に備える、付記１６に記載のシステム。
【０１０９】
［付記２９］
スイッチを更に備え、前記ＣＤＣが、前記スイッチと電気的に通信すると共に、前記スイッチを制御して、２つのプログラム可能なデジタル−アナログ・コンバータ（ＤＡＣ）の出力電圧、励起振幅を決定する前記ＤＡＣ間のプログラムされた電圧差、ならびに前記ＤＡＣのプログラムされた平均電圧とＤＣバイアスを決定する前記ＣＤＣ入力側のバイアスとの差を選択的に提供する、付記１６に記載のシステム。
【０１１０】
［付記３０］
ＤＣバイアス電圧の範囲にわたってグラフェン・バラクタの容量を測定する工程と、
１つ以上のＤＣバイアス電圧における該測定された容量を１つ以上の対応する基準容量値と比較する工程と、
前記比較に基づいて検体の存在の有無を判断する工程とを備える、該グラフェン・バラクタ上における検体の存在を測定する方法。
【０１１１】
［付記３１］
容量対電圧の最大傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、
容量対電圧の最小傾斜、
基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、
最小容量、
基準値に対する最小容量の変化、
最小容量時の電圧、
最小容量時の電圧の変化、
最大容量、
最大容量の変化、
最大容量対最小容量の比、
応答時間定数、ならびに
２つの異なるグラフェン・センサ間における前記容量対電圧の最大傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最大傾斜の変化、前記容量対電圧の最小傾斜、前記基準値に対する容量対電圧の最小傾斜の変化、前記最小容量、前記基準値に対する最小容量の変化、前記最小容量時の電圧、前記最小容量時の電圧の変化、前記最大容量、前記最大容量の変化、前記最大容量対最小容量の比、および前記応答時間定数のいずれかの比からなる群から選択された、１つ以上の態様を決定する工程を更に備える、付記３０に記載の方法。
【０１１２】
［付記３２］
前記ＤＣバイアス電圧の範囲にわたる前記グラフェン・バラクタの前記測定された容量から、容量対電圧曲線を形成する工程を更に備える、付記３０に記載の方法。
【０１１３】
［付記３３］
前記形成された容量対電圧曲線を基準の容量対電圧曲線と比較する工程を更に備える、付記３０に記載の方法。
【０１１４】
［付記３４］
前記グラフェン・バラクタに対する結合する異なる検体同士を区別する工程を更に備える、付記３３に記載の方法。
【０１１５】
［付記３５］
前記ＤＣバイアス電圧の範囲が−３Ｖから３Ｖである、付記３０に記載の方法。
【符号の説明】
【０１１６】
１００，４００…システム、１６０…呼気センシング・デバイス、１８２…ローカル・コンピューティング・デバイス、１８４…データ・ネットワーク、１８６…サーバ、１８８…データベース、２００，５０６…グラフェン・バラクタ、４１０…ガス・サンプリング・デバイス、４２８…センサ・レセプタクル、４３０…ドッキング・ステーション、４３２…読取りデバイス、４３４…ネットワーキング・ハードウェア、４３５…メモリ、４３６…プロセッサ、４３８…ユーザ・インターフェース、４４０…使い捨てセンサ試験片、４４２…測定区域、５０２…容量−デジタル・コンバータ、５０４…マルチプレクサ、５１０…バス・デバイス、５１２…マイクロコントローラ、７０４…第１のデジタル−アナログ・コンバータ、７０６…第２のデジタル−アナログ・コンバータ。