(57)【要約】官能化ナノチューブアレイ、センサ、及び標的化合物を検出する関連する方法が提示される。官能化ナノチューブアレイ（２３５）は、複数の金属酸化物ナノチューブ（２４０）を含み得る。金属酸化物ナノチューブ（２４０）は、金属酸化物から形成され得、少なくとも１つの金属イオンで任意に官能化される内部又は外部表面を有し得る。これらの金属ナノチューブ（２４０）は、揮発性有機化合物などの標的化合物を検出するためのセンサ（２００）、及び流体環境内のバイオマーカーにおいて使用され得る。センサ（２００）は、電圧をナノチューブアレイ（２３５）に印加するように構成される電源（２４５）、並びに標的化合物との結合時に変化する、反応電流における変化を監視及び検出するように構成される電流センサ（２５０）を更に含み得る。
2015535343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揮発性有機化合物を検出するためのセンサであって、
複数の官能化金属酸化物ナノチューブを含むナノチューブアレイであって、前記金属酸化物ナノチューブが、金属酸化物から形成され、前記揮発性有機化合物と結合することができる内部及び外部表面のうちの少なくとも１つを有し、前記表面が、少なくとも１つの金属イオンで任意に官能化される、ナノチューブアレイと、
電圧を前記ナノチューブアレイに印加するように構成される電源と、
前記揮発性有機化合物との結合時に変化する、反応電流における変化を監視及び検出するように構成される電流センサと、を備える、センサ。
【請求項２】
前記金属酸化物ナノチューブの前記金属酸化物が、二酸化チタン、酸化鉄、酸化イリジウム、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの金属イオンが、Ｃｕ１＋、Ｌｉ１＋、Ｆｅ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｕ２＋、Ｃｏ２＋、Ｐｂ２＋、Ｆｅ３＋、Ｃｏ３＋、Ｃｒ３＋、Ｍｎ３＋、Ｎｉ３＋、Ｓｃ３＋、Ｓｂ３＋、Ｎｉ４＋、Ｍｎ４＋、Ｔｉ４＋、Ａｓ４＋、Ｓｂ４＋、Ｐｔ４＋、Ａｕ１＋、Ｚｎ２＋、Ｐｄ２＋、Ｐｄ４＋、Ａｇ１＋、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの金属イオンが、Ｃｏ２＋である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
前記電源が、約−０．２Ｖ〜約−０．８Ｖの電圧を印加するように構成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
試料ガスの流れを、前記ナノチューブアレイ上に方向付けるように構成される試料取入れ口を更に備える、請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記試料ガスが、ヒト被験体から吐き出された呼気である、請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
前記揮発性有機化合物が、生理的状態又は疾患のバイオマーカーである、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記バイオマーカーが、フェニル酢酸メチル、メチルｐ−アニステート、ニコチン酸メチル、ｏ−フェニルアニソール、乳酸、還元又は酸化グルタチオン、尿酸、ウレアーゼ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記生理的状態又は疾患が、結核、乳癌、肺癌、心疾患、糖尿病、子癇前症、酸化ストレス、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記センサが、使い捨て型である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記センサが、前記官能化ナノチューブの、紫外線への曝露の後に再利用可能である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
官能化ナノチューブアレイであって、
複数の金属酸化物ナノチューブであって、金属酸化物から形成され、少なくとも１つの金属イオンで官能化される内部又は外部表面を有する、金属酸化物ナノチューブを備える、官能化ナノチューブアレイ。
【請求項１４】
前記金属酸化物が、酸化チタン、酸化鉄、酸化イリジウム、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１３に記載のナノチューブアレイ。
【請求項１５】
前記金属酸化物が、ＴｉＯ２である、請求項１３に記載のナノチューブアレイ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの金属イオンが、Ｃｕ１＋、Ｌｉ１＋、Ｆｅ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｕ２＋、Ｃｏ２＋、Ｐｂ２＋、Ｆｅ３＋、Ｃｏ３＋、Ｃｒ３＋、Ｍｎ３＋、Ｎｉ３＋、Ｓｃ３＋、Ｓｂ３＋、Ｎｉ４＋、Ｍｎ４＋、Ｔｉ４＋、Ａｓ４＋、Ｓｂ４＋、Ｐｔ４＋、Ａｕ１＋、Ｚｎ２＋、Ｐｄ２＋、Ｐｄ４＋、Ａｇ１＋、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１３に記載のナノチューブアレイ。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの金属イオンが、Ｃｏ２＋を含む、請求項１３に記載のナノチューブアレイ。
【請求項１８】
揮発性有機化合物を検出する方法であって、
電圧を官能化ナノチューブアレイにわたって印加することであって、前記官能化ナノチューブアレイが、金属酸化物から形成され、前記揮発性有機化合物と結合することができ、少なくとも１つの金属イオンで任意に官能化される内部表面及び外部表面のうちの少なくとも１つを有する、金属酸化物ナノチューブを含む、印加することと、
前記官能化ナノチューブアレイ上を通過する電流を測定することと、
前記揮発性有機化合物が、前記金属酸化物ナノチューブの前記少なくとも１つの金属イオンと結合し得るように、ガスを官能化ナノチューブアレイ上に流すことと、
前記電流を変化について監視することと、
電流における前記変化に基づいて、前記ガスに見られる前記揮発性有機化合物を特定することと、を含む、方法。
【請求項１９】
前記金属酸化物ナノチューブの前記金属酸化物が、ＴｉＯ２、酸化鉄、酸化イリジウム、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの金属イオンが、Ｃｕ１＋、Ｌｉ１＋、Ｆｅ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｕ２＋、Ｃｏ２＋、Ｐｂ２＋、Ｆｅ３＋、Ｃｏ３＋、Ｃｒ３＋、Ｍｎ３＋、Ｎｉ３＋、Ｓｃ３＋、Ｓｂ３＋、Ｎｉ４＋、Ｍｎ４＋、Ｔｉ４＋、Ａｓ４＋、Ｓｂ４＋、Ｐｔ４＋、Ａｕ１＋、Ｚｎ２＋、Ｐｄ２＋、Ｐｄ４＋、Ａｇ１＋、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記バイオマーカーが、フェニル酢酸メチル、メチルｐ−アニステート、ニコチン酸メチル、ｏ−フェニルアニソール、乳酸、還元又は酸化グルタチオン、尿酸、ウレアーゼ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記ガスが、ヒト被験体から吐き出された呼気である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記バイオマーカーを前記特定することに基づいて、生理的状態又は疾患を有する前記ヒト被験体を診断することを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記生理的状態又は疾患が、結核、乳癌、肺癌、心疾患、糖尿病、子癇前症、酸化ストレス、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記金属酸化物ナノチューブの前記金属イオンに結合した揮発性有機化合物を、前記金属酸化物ナノチューブを紫外線に曝露することによって遊離させることを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記揮発性有機化合物が、爆発物と関連付けられる化合物である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記揮発性有機化合物が、トリクロロエチレンである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２８】
前記揮発性有機化合物が、還元又は酸化グルタチオンである、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年１０月２９日に出願された米国特許仮出願第６１／７９５，８５０号、及び２０１３年８月１日に出願された米国特許仮出願第６１／８６１，１０７号に対する優先権を主張し、これらはそれぞれ本明細書に参照によって組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
人体の病原性状態の検出のための非侵襲性技術は、疾患のポイントオブケア（ＰＯＣ）での高速生体センシング及び診断に関して、注目が高まる領域である。これらの技術は、血液などの従来の試料の取り扱いが、特殊な技術を必要とし、保健医療労働者を可能性のある血液伝達病原体に暴露するため、ＰＯＣ診断にとって好ましい。理想的には、診断の非侵襲性の方法がこの危険性を低減する。これを達成するために、研究者は、外部生物学的試料（すなわち、唾液、尿、毛髪、汗、及び喀痰）を、糖尿病、脱水症、及び他の疾患などの状態を示すバイオマーカーについて、スクリーニングすることに専心してきた。バイオマーカーの典型的な例は、分析のために液体環境を必要とする、抗原、抗体、又はタンパク質である。結果として、疾患の診断は、ほとんどしばしば以上に言及したものなどの液体生物学的試料を必要とする。しかしながら、特定の疾患との関連を有することが既知であるにも関わらず、診断ツールとして限定された使用しか見出していないバイオマーカーの１つの網は、揮発性有機バイオマーカー（ＶＯＢ）である。ＶＯＢは、結核（ＴＢ）を含む、異なる慢性及び感染性疾患と関連付けられている。
【０００３】
具体的な例として、結核（ＴＢ）検出のための従来の方法は、伝統的に実験室又は病院において実行される。例えば、ＴＢの診断のための最も一般的な方法は、臨床材料の抗酸染色、それに続く喀痰スミア顕微鏡試験である。しかしながら、喀痰スミア試験の弱点は、その不良な感度であり、これは、７０％であると推定される。更に、現場設定における喀痰スミア分光学の感度は、特に高い割合のＴＢ及びＨＩＶの重感染を有する集団において、より一層低い（例えば、３５％）ことが示されている。更に、マイコバクテリウムの薬物感受性分析は、顕微鏡試験から判定することができない。この評価は、患者のための適切な治療の過程を判定することにおいて有用である。この型の分析のために、培養技術が典型的に使用される。
【０００４】
マイコバクテリウムの喀痰試料からの培養は、より繊細な技術である。喀痰試料は、マイコバクテリウムの存在を求めて採取され、固体培地又は液体培地のいずれかにおいて培養される。薬物抵抗性株は、この技術を使用して判定され得る。しかしながら、この方法論は、実施するのに時間がかかり（固体培養に３〜４週間、及び液体培養に１０〜１４日間）、これが典型的に試験施設から程遠い、低資源の状況において採用することを困難にする。近年、スミア試験のための蛍光顕微鏡法（光学顕微鏡法よりも１０％敏感）、暗室の必要性なく、現場において使用され得る安価な画像化装置のためのＬＥＤ蛍光顕微鏡法、及びインキュベーション時間を低減するための高速培養技術を含む、他の技術が開発されている。ＴＢ診断において行われてきた改善にも関わらず、単純で安価なＰＯＣ試験は、現在利用可能ではない。したがって、ＴＢの試験のための、迅速、正確、かつ安価な手段のための研究が継続する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、官能化ナノチューブアレイ、センサ、並びに揮発性有機化合物、揮発性有機バイオマーカー、及び空気環境における他の標的化合物、及び液体環境におけるバイオマーカーを検出する、関連する方法を提供する。一実施形態において、官能化ナノチューブアレイが提供される。官能化ナノチューブアレイは、複数の金属酸化物ナノチューブを含み得る。金属酸化物ナノチューブは、金属酸化物から形成され得、少なくとも１つの金属イオンで官能化される内部又は外部表面を有し得る。
【０００６】
別の実施形態において、揮発性有機化合物などの標的化合物を検出するためのセンサが提供される。センサは、複数の官能化金属酸化物ナノチューブを含むナノチューブアレイを含み得る。金属酸化物ナノチューブは、金属酸化物から形成され得、少なくとも１つの金属イオンで官能化され、標的化合物と結合することができる内部又は外部表面を有し得る。センサは、電圧をナノチューブアレイに印加するように構成される電源、並びに標的化合物との結合時に変化する、反応電流における変化を監視及び検出するように構成される電流センサ（例えば、定電位電解装置）を更に含む。
【０００７】
別の実施形態において、標的化合物を検出する方法が提供される。本方法は、電圧を、以上に記載されるもののような官能化ナノチューブアレイにわたって印加する工程と、官能化ナノチューブアレイ上を通過する電流を測定する工程と、標的化合物が、金属酸化物ナノチューブの少なくとも１つの金属イオンと結合し得るように、ガスを官能化ナノチューブアレイ上に流す工程と、電流を変化について監視する工程と、電流における変化に基づいて、ガスに見られる標的化合物を特定する工程と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明は、添付の図面と併せて、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から、より完全に明らかになるであろう。これらの図面は、単に本発明の例示的な実施形態を描写し、したがって、これらは、その範囲を限定するものとして考慮されるべきではないことを理解されたい。本発明の構成要素は、本明細書の図面において概略的に記載され、図示されるように、幅広い種類の異なる構成において、配置、サイズ変更、及び設計され得ることが、容易に理解されるであろう。それにも関わらず、本発明は、追加の特異性及び詳細をもって、以下の図面の使用を通して、記載及び説明される。
【図１Ａ】金属イオン及びそれと関連付けられたバイオマーカーを有する、官能化ナノチューブの区間の概略的な断面模型図である。
【図１Ｂ】高速ＴＢ診断のための空気伝達揮発性バイオマーカーに結合する、官能化ＴｉＯ２ナノチューブアレイを有する、高速電子ＴＢ検出装置の一般化概念の概略図を示す。患者は、装置内に息を吹き込み、呼気内のバイオマーカーが、バイアス電圧下にある官能化ナノチューブと反応する。バイオマーカーと官能化ナノチューブとの間の結合事象は、電流における変化を引き起こし、これは陽性結果を示す。
【図２Ａ】バイオマーカーへの曝露中の電流降下に基づく、陽性試験結果を示すセンサ読み取りを示す。
【図２Ｂ】揮発性バイオマーカーセンシングのための、（陽極化成方法を使用して製造した）自己組織化ＴｉＯ２ナノチューブアレイのＳＥＭ画像である。
【図３Ａ】ＴＢ揮発性バイオマーカーである、ニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸メチルの検出の予備的結果を示す。ニコチン酸メチル（ＤＩ水中に１０ｍＭが溶解した、Ｎ２ガスを使用して、溶液を通してそれをバブリングさせることによって、バイオマーカーをセンサに運搬した）に関連する、（Ｎ２ガスを、水を通してバブリングさせ、それをセンサに送達することによって作製した）湿潤した空気に曝露した際の、コバルト官能化ＴｉＯ２センサの反応のプロットを示す。結果は、基線からの桁の大きさの変化を示し、その初期結果は、ニコチン酸メチルと比較される際に、湿度に対するセンサ反応が最小であることを示す。
【図３Ｂ】ＴＢ揮発性バイオマーカーである、ニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸メチルの検出の予備的結果を示す。単一の稼働で、Ｎ２、続いて湿潤した空気、続いてｐ−アニス酸メチル（ＤＩ水中に２．５ｍＭが溶解し、Ｎ２キャリアガスを介して送達される）に曝露した際の、Ｃｏ官能化ＴｉＯ２センサの反応のプロットである。再度、電流における桁の変化が観察される。
【図３Ｃ】ＴＢ揮発性バイオマーカーである、ニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸メチルの検出の予備的結果を示す。センサがＮ２、続いて湿潤した空気、続いてｐ−アニス酸メチル（ＤＩ水中に２．５ｍＭが溶解し、Ｎ２キャリアガスを介して送達される）に曝露される、図３Ｂに示されるのと同一の条件を使用する、第２の試行のプロットである。
【図４Ａ】呼気に見られる、濃縮レベル（２０ｐｐｍ）の一般的なＶＯＣ、及びＴＢに関連付けられる揮発性バイオマーカーに曝露される際の、コバルト官能化ＴｉＯ２ナノチューブセンサの実施形態の反応のプロットを示す。センサは、一般的なＶＯＣに曝露される際、ほとんど反応を示さない。しかしながら、ニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸に曝露される際、３〜６桁の大きさの差異の範囲の反応が示される。これらの結果は、センサが標的揮発性バイオマーカーに対して特異的であることを示す。
【図４Ｂ】ベンゼン及びニコチン酸メチルに曝露される、一般的なＴｉＯ２センサの電流対時間のプロットを示す。ニコチネートは５ｐｐｍで曝露される一方で、ベンゼンは２０ｐｐｍで曝露される。
【図５】金属バイオマーカー結合に関わる反応及び条件の概略的な提示を示す。
【図６】ニコチン酸メチルの添加の有無での、Ｃｏ（ＩＩ）溶液のスクリーニングのための、サイクリックボルタンメトリ（ＣＶ）法、すなわち、ニコチン酸メチルの０ｍＭ、０．１ｍＭ、及び１ｍＭの添加での、Ｃｏ（ＩＩ）のＣＶ、の予備的結果を示す。結果は、Ｃｏが、−０．２Ｖの電圧でニコチネートに結合することを示す。この方法は、フェニル酢酸メチル、及びｏ−フェニルアニソールの他の電位結合元素をスクリーニングし、特定のバイオマーカーの検出のための動作電圧を特定するために使用され得る。
【図７】銅官能化酸化チタンナノチューブのＧＳＨ及びＧＳＳＧのＣＶ測定のグラフである。
【図８】電流密度対Ｃｕ−ＴｉＯ２−ＮＴのＧＳＨの濃度のプロットである。
【０００９】
ここで、図示される例示的な実施形態への参照がなされ、それを記載するために、特定の言語が本明細書で使用される。それにも関わらず、これによる本発明の範囲の限定が意図されないことが理解されるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで、図面に図示される例示的な実施形態への参照がなされ、それを記載するために、特定の言語が本明細書で使用される。それにも関わらず、これによる本発明の範囲の限定が意図されないことが理解されるであろう。本開示の所有権を有する当業者が気付く、本明細書に図示される発明的特徴の変更及び更なる修正、及び本明細書に図示されるような本発明の原理の追加的な適用は、本発明の範囲内にあると考慮されるべきである。
【００１１】
本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」、及び「前記（the）」は、文脈が明らかに別段の指示をしない限り、複数の参照を含むことに留意しなければならない。したがって、例えば、「１つの金属イオン」への言及は、１つ以上の金属イオンを含み、「１つのアレイ」への言及は、そのようなアレイのうちの１つ以上への言及を含み、「１つの測定工程」への言及は、そのような工程のうちの１つ以上への言及を含む。
【００１２】
定義
本発明を記載し、主張することにおいて、以下の用語は、以下に説明される定義に従って使用される。
【００１３】
本開示において、「を備える（comprises）」、「を備える（comprising）」、「を含有する（containing）」、及び「を有する（having）」、及び同様物は、米国特許法においてそれらに帰される意味を有し得、「を含む（includes）」、「を含む（including）」、及び同様物を意味し得、無制限の用語であると一般的に解釈される。用語「〜からなる（consisting  of）」は、閉鎖的な用語であり、具体的にリストされ、米国特許法に従う装置、方法、構成、構成要素、構造、工程、又は同様物のみを含む。「本質的に〜からなる（consisting  essentially  of）」、又は「本質的に〜からなる（consists  essentially）」、又は同様物は、本開示によって網羅される装置、方法、構成、構成要素、構造、工程、又は同様物に適用される際、本明細書に開示されるもののようであるが、構造的群、構成成分、方法工程などを含み得る要素に言及する。しかしながら、そのような追加的な装置、方法、構成、構成要素、構造、工程、又は同様物などは、本明細書に開示される対応する装置、構成、方法などのそれらと比較して、装置、構成、方法などの基礎的及び革新的特性（複数可）に著しく影響を及ぼさない。更に詳細には、「本質的に〜からなる（consisting  essentially  of）」、又は「本質的に〜からなる（consists  essentially）」、又は同様物は、本開示によって網羅される装置、方法、構成、構成要素、構造、工程、又は同様物に適用される際、米国特許法において帰される意味を有し、用語は無制限であり、列挙されるものの基礎的又は革新的特性が、列挙されるものを超えるものの存在によって変更されない限り、列挙されるものを超える存在を可能にするが、先行技術の実施形態を除外する。「を備える」又は「を含む」などの無制限の用語を使用する際、直接的な支持が、明白に述べられているかのように、「本質的に〜からなる（consisting  essentially  of）」言語、並びに「〜からなる（consisting  of）」言語に対してもまた提供されるべきであることが理解される。
【００１４】
用語「約」は、本明細書で使用される場合、数値又は範囲を参照する際、例えば、述べられた数値、又は述べられた範囲の限界の１０％以内、又は一態様において５％以内の、数値又は範囲におけるある程度の変動性を可能にする。
【００１５】
本明細書で使用される場合、複数の項目、構造的要素、構成的要素、及び／又は材料は、便宜上、一般的なリストにおいて提示され得る。しかしながら、これらのリストは、リストの各員が、別個のかつ固有の員として個別に特定されるかのように解釈されるべきである。したがって、そのようなリストのどの個別の員も、一般的な群におけるそれらの提示のみに基づいて、それとは反対の指示なく、同一のリストのいかなる他の員の事実上の等価物として解釈されるべきではない。
【００１６】
本開示の特徴又は態様が、リスト又はマーカッシュ形式の群の観点から記載される場合、当業者は、本開示がまた、これによりマーカッシュ形式の群の員の任意の個別の員又は亜群の観点から記載されることを認識するであろう。例えば、Ｘが臭素、塩素、及びヨウ素からなる群から選択されるとして記載される場合、Ｘが臭素であるという請求項、並びにＸが臭素及び塩素であるという請求項は、個別にリストされるかのように完全に記載される。例えば、本発明の特徴又は態様がそのようなリストの観点から記載される場合、当業者は、本開示もまた、これによりリスト又はマーカッシュ形式の群の員の個別の員又は亜群の任意の組み合わせの観点から記載されることを認識するであろう。したがって、Ｘが臭素、塩素、及びヨウ素からなる群から選択されるとして記載され、Ｙがメチル、エチル、及びプロピルからなる群から選択されるとして記載される場合、Ｘが臭素であり、Ｙがメチルであるという請求項は、完全に記載され、支持される。
【００１７】
割合、濃度、量、及び他の数字データが、本明細書において範囲形態で表現され得ることが留意されるべきである。そのような範囲形態は、便宜性及び簡潔性のために使用され、したがって、範囲の限界として明白に列挙された数値を含むだけでなく、各数値及び亜範囲が「約『ｘ』〜約『ｙ』」を含むかのように、その範囲内に網羅される全ての個別の数値又は亜範囲をもまた含むように、柔軟な方法で解釈されるべきであることが理解されるべきである。図示するために、「約０．１％〜約５％」の濃度範囲は、約０．１重量％〜約５重量％の明白に列挙された濃度を含むだけでなく、示された範囲内の個別の濃度（例えば、１％、２％、３％、及び４％）、並びに亜範囲（例えば、０．５％、１．１％、２．２％、３．３％、及び４．４％）をもまた含むと解釈されるべきである。一実施形態において、用語「約」は、数値の有意な数字に従って、従来の丸めを含み得る。更に、語句「約『ｘ』〜『ｙ』」は、「約『ｘ』〜約『ｙ』」を含む。
【００１８】
本明細書で使用される場合、全ての組成率（％）は、別段述べられない限り、重量百分率として与えられる。成分の溶液が言及される際、百分率は、別段述べられない限り、溶媒（例えば、水）を含む、組成物の重量百分率に言及する。本開示の閲読時に当業者に明らかであるように、本明細書に記載及び図示された個別の実施形態のうちのそれぞれは、本開示の範囲又は趣旨から逸脱せずに、他のいくつかの実施形態のうちのいずれかの特徴から容易に分離、又はそれらと組み合わせられ得る、別個の構成要素及び特徴を有する。いかなる列挙された方法も、列挙された事象の順序で、又は論理的に可能な任意の他の順序で実行され得る。
【００１９】
本開示において、センサ、システム、又は方法を記載する際、個別の又は別個の記載は、特定の実施例又は実施形態の文脈において明白に説明されるかどうかに関わらず、互いに適用可能であると考えられることが留意される。例えば、特定のセンサ又はシステムそれ自体を説明する際、方法実施形態もまた、そのような説明に本質的に含まれ、逆もまた同様である。
【００２０】
官能化ナノチューブセンサ
ＴＢと関連付けられるものなどの、揮発性有機化合物の迅速かつ正確な検出のための、成功した揮発性バイオマーカーセンサを開発するために、技術的困難及び実装に関連するいくつかの課題が克服されてきた。具体的には、特定の揮発性バイオマーカーに結合するための適切な元素を特定することが、課題であり得る。揮発性バイオマーカーの検出は、バイオマーカーに対する高い親和性を有する適切な結合元素を特定することに基づく。これはまた、バイオマーカーと結合剤との間の反応についての基本的な理解に関わる。サイクリックボルタンメトリなどの電気化学技術を使用して、コバルトがニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸メチルへの結合について特定されている。感度及び選択性もまた、課題であり得る。例えば、ヒト呼気は、変化する濃度での様々な揮発性有機化合物（ＶＯＣ）（すなわち、アセトン、メタノール、エタノール、フェノール、他）を含有する。本明細書において記載されるセンサは、センサの使用中に存在する可能性が高いこれらの他の化合物の存在下で機能し得る。更に、呼気試料中のＶＯＣの濃度は、典型的に約１０億分の１（ｐｐｂ）であり、したがって、センサもまた、ｐｐｂの範囲内での検出の下限を有し得る。液体環境において、標的バイオマーカーもまた、そのような範囲内、又はそれよりも高くあり得、検出の同一の下限を実証し得る。センサはまた、幅広い種類の環境条件下での動作中、信頼性が高い。
【００２１】
記載されるセンサは、官能化ナノチューブアレイ、センサ、並びにガス状、蒸気、及び液体環境検出を含む、流体環境において見られる揮発性有機化合物及びバイオマーカーを検出するための関連する方法を提供する。一実施形態において、官能化ナノチューブアレイが提供される。官能化ナノチューブアレイは、複数の金属酸化物ナノチューブを含み得る。
【００２２】
図１Ａを参照すると、金属酸化物ナノチューブ１０５の一部分が示される。金属酸化物ナノチューブは、金属酸化物から形成され得、少なくとも１つの金属イオン１１５で任意に官能化される内部表面１１０及び／又は外部表面を有し得る。金属イオンは、特異的揮発性バイオマーカー１２０との選択的結合のために選択される。いくつかの実施形態において、金属酸化物ナノチューブの天然の非官能化表面は、特定の標的化合物と結合し得る。一般的に、金属酸化物ナノチューブを使用するセンサ及び方法は、ナノチューブにわたる電流における変化を検出することによって動作され得る。ナノチューブの表面上の金属イオンが、揮発性バイオマーカーなどの標的化合物と結合する際、ナノチューブアレイの電気抵抗が変化し得る。バイアス電圧がナノチューブアレイに印加される際、抵抗における変化は、電流における変化として検出され得る。
【００２３】
これらの原理を適用するセンサの概略図が、図１Ｂに示される。センサ２００は、構成要素に対するプラットフォーム及び物理的保護を提供し得るハウジング２０５を含む。ハウジングは、取入れ口２１０及び排出口２１５のための開口部を含む。取入れ口は、試料流体をセンサの内部空間２２０中に方向付ける一方で、排出口は、試された過剰な流体が、ハウジングを退出することを可能にする。様々な追加的構成要素が、ハウジングの内部空間２２０内に配向され得る。例えば、フィルタ２２５が、取入れ口からの進入後、試料流体から粒子を除去するために配向され得る。任意の濃縮器２３０が、ガス及び／又は蒸気を濃縮するため、及び試料採取信号を増加させるために使用され得る。更に、金属イオン官能化金属酸化物ナノチューブ２４０のアレイ２３５が、ハウジングに進入する試料流体の経路に沿って配向され得る。特定の寸法はかなり変化し得るものの、ハウジングの長さは、しばしば約８ｃｍ〜約１０ｃｍであり得る。ナノチューブのアレイ２３５は、電源２４５及び電流センサ２５０に接続され得る。以上に説明されるように、電源及び電流センサはセンサに統合され得、この場合、電源及び電流センサはハウジング内に位置する。あるいは、電源及び電流センサのうちの１つ又は両方は外部にあり得、有線又は無線の電力及び通信を含む、任意の好適な接続を通してセンサに接続し得る。
【００２４】
バイアス電圧は、電源２４５を使用して、ナノチューブ２３５のアレイにわたって印加される。例えば、一組の電極基材は、ナノチューブのアレイに互いからの遠隔位置で接触するように配向され得る。そのような基材は、その後電源に配線され得る。いくつかの場合における電極基材は、標的化合物との接触が、主にナノチューブの外部表面上で発生するように、ナノチューブ開口部を部分的に覆い隠し得る。しかしながら、ナノチューブ端部に沿う電極基材との接触は不規則で、ナノチューブ端部の一部が曝露する一方で、残部分が完全に接触し、覆い隠され得ることを可能にし得る。標的化合物がナノチューブ２４０の表面上の金属イオンと結合する際、ナノチューブの抵抗が変化する。金属イオン及び標的化合物のいくつかの組み合わせについては、抵抗が減少し得るものの、典型的に、抵抗が増加すると電流が減少する。例えば、抵抗は、コバルト金属イオン及びアルコールに基づく標的化合物では減少し得る。図２Ａは、バイオマーカーである標的化合物に曝露する際のセンサからの、陽性試験結果の概念的なセンサ読み取りを示す。バイオマーカーがナノチューブアレイ中に導入されるにつれて、電流は降下し始め、その後バイオマーカーが除去されるか、又はバイオマーカーを置換する窒素、湿潤した空気、又は他の好適な流体でアレイが洗浄されるまで、より低い電流レベルにとどまる。置換時、アレイの抵抗は初期レベルに戻る。
【００２５】
本明細書に開示されるナノチューブは、金属酸化物、又はいくつかの金属酸化物の組み合わせから作製され得る。一態様において、金属酸化物は、遷移金属酸化物であり得る。別の任意の態様において、金属酸化物は、１３又は１４群から選択され、１３以上の原子番号を有する金属又は半金属（すなわち、アルミニウム、シリコン、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、錫、タリウム、及び鉛）であり得る。ナノチューブを形成するために使用され得る金属酸化物の非限定的な例は、二酸化チタン、酸化鉄、酸化イリジウム、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化銅、酸化ニッケル、酸化クロム、酸化バナジウム、酸化マンガン、酸化ジルコニウム、酸化パラジウム、酸化白金、酸化コバルト、酸化鉛、酸化鉛、酸化錫、酸化マグネシウム、及びこれらの組み合わせを含む。一実施形態において、金属酸化物は、ＴｉＯ２であり得る。別の態様において、金属酸化物ナノチューブは、単一の金属酸化物から形成され得る。
【００２６】
典型的に、金属酸化物ナノチューブは、陽極化金属から形成される。例えば、ＴｉＯ２ナノチューブは、いくつかの実施形態において、超音波補助陽極化成によって調製され得る。一実施形態において、チタニウム箔陽極及び白金陰極が、チタニウムナノチューブを形成するために使用され得る。本方法を使用して調製されたＴｉＯ２ナノチューブの画像が、図２Ｂに示される。陽極化成電位を変化させることは、チューブの直径を制御し得、陽極化成時間を変化させることは、チューブの長さを変化させ得る。寸法は異なる材料及び処理状態に対して変化し得るものの、ナノチューブの直径は、しばしば約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲であり得、長さは、しばしば約０．５μｍ〜約５０μｍの範囲であり得、壁の厚さは、しばしば約５ｎｍ〜約２００ｎｍの範囲であり得る。ナノチューブは、一般的に整列され、配向されたナノチューブの規則的なアレイを形成し得る。一態様において、ナノチューブのアレイは、隣接するナノチューブと互いに実質的に平行に、互いに接触して積み重ねられて、配置され得る。陽極化成工程中の超音波処理はまた、積み重ねられたナノチューブの改善された秩序化につながり得る。
【００２７】
金属酸化物ナノチューブは、ナノチューブの抵抗を増加させるために、酸素中でアニールされ得る。例えば、一実施形態において、ａｓ陽極化ＴｉＯ２ナノチューブは、電気抵抗を増加させるために、酸素中で、５００℃で６時間アニールされ得るが、他の温度及び時間が材料に応じて使用され得る。一般的な規則として、約２００℃〜６００℃のアニール温度が、約１〜１０時間のアニール時間と共に使用され得る。ナノチューブの抵抗を増加させることは、ナノチューブが十分にバイアスされる際に、官能化ナノチューブと、揮発性バイオマーカーなどの標的化合物との間の結合事象が発生するにつれて検出可能である、電流変化を改良し得る。
【００２８】
ナノチューブは、標的揮発性有機化合物と結合することができる少なくとも１つの金属イオンで官能化され得る。開示されるナノチューブを官能化するために利用され得る金属イオンの非限定的な例は、Ｃｕ１＋、Ｌｉ１＋、Ｆｅ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｕ２＋、Ｃｏ２＋、Ｐｂ２＋、Ｆｅ３＋、Ｃｏ３＋、Ｃｒ３＋、Ｍｎ３＋、Ｎｉ３＋、Ｓｃ３＋、Ｓｂ３＋、Ｎｉ４＋、Ｍｎ４＋、Ｔｉ４＋、Ａｓ４＋、Ｓｂ４＋、Ｐｔ４＋、Ａｕ１＋、Ｚｎ２＋、Ｐｄ２＋、Ｐｄ４＋、Ａｇ１＋、及びこれらの組み合わせを含む。一代替形態において、金属イオンは、一価、すなわちＬｉ１＋、二価、すなわちＦｅ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｕ２＋、Ｃｏ２＋、Ｐｂ２＋、三価、すなわちＦｅ３＋、Ｃｏ３＋、Ｃｒ３＋、Ｍｎ３＋、Ｎｉ３＋、Ｓｃ３＋、Ｓｂ３＋、又は四価、すなわちＮｉ４＋、Ｍｎ４＋、Ｔｉ４＋、Ａｓ４＋、Ｓｂ４＋、Ｐｔ４であり得る。一実施形態において、金属イオンは、Ｃｏ２＋を含み得る。別の態様において、金属イオンは、コバルト、クロム、銅、亜鉛、鉄、ニッケル、パラジウム、金、又はこれらの組み合わせを含み得る。イオンの混合物が使用され得るものの、一態様において、金属イオンは、均一に単一の金属イオンであり得る。金属イオンは、標的化合物と結合するそれらの能力に基づいて選択され得る。コンピュータによるモデル化が、様々な金属イオンの、様々なバイオマーカーとの親和性を予測するために使用され得る。金属イオンはまた、以下の実施例において説明される方法などの、サイクリックボルタンメトリ法を使用して実験的に試験され得る。特異的金属イオン及び標的化合物対合の非限定的な例は、クロム及びニコチン酸メチル、銅及びグルタチオン、コバルト及びグルタチオン、ニッケル及び乳酸、コバルト及び乳酸、並びに同様物を含む。
【００２９】
金属酸化物ナノチューブは、金属イオン又はイオン（複数）で、当該技術分野において既知の金属イオン交換法によって官能化され得る。金属イオン（Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒ、など）をＴｉＯ２ナノチューブ表面上で交換することは、その表面での大量のヒドロキシル（Ｔｉ−ＯＨ）基の存在によって可能となる。これらのヒドロキシル基は、金属イオンに結合するための交換可能部位である。表面ヒドロキシル陽子は、金属イオンと交換され、金属イオンをナノチューブ表面に結合する。一般的に、イオン交換は、金属イオンを含有する溶液中にナノチューブを浸漬することによって実行され得る。一実施形態において、ＴｉＯ２ナノチューブは、コバルト（ＩＩ）イオンで、まずナノチューブを１００℃に加熱してナノチューブを乾燥させ、その後ナノチューブを３０分間、エタノール中の０．５重量％の塩化コバルト（ＩＩ）の溶液中に浸漬し、その後ナノチューブを濯ぎ、真空炉中で１００℃で乾燥させることによって、官能化され得る。ナノチューブを金属イオン溶液中に浸漬する時限は、約３０分間〜５時間まで変化し得る。
【００３０】
任意に、金属酸化物ナノチューブは、ナノチューブの天然の表面が標的化合物と結合するように、非官能化され得る。したがって、内部表面及び外部表面のうちの少なくとも１つは、天然の表面、又はこれらの表面上で官能化される金属イオンのいずれかを介して、標的化合物と結合する。例えば、アンモニア及び硝酸塩は、非官能化金属酸化物ナノチューブ、特に酸化チタンナノチューブを使用して容易に検出され得る。他の標的化合物もまた、金属酸化物ナノチューブを使用して、同様の方法で検出され得る。
【００３１】
別の実施形態において、標的化合物を検出するためのセンサが提供される。センサは、複数の官能化金属酸化物ナノチューブを含むナノチューブアレイを含み得る。金属酸化物ナノチューブは、金属酸化物から形成され得、金属イオンで任意に官能化される内部又は外部表面を有し得る。ナノチューブ表面又は金属イオンは、標的化合物と結合することができる。センサは、電圧をナノチューブアレイに印加するように構成される電源、並びに標的化合物との結合時に変化する、反応電流における変化を監視及び検出するように構成される電流センサを更に含む。電流センサは、定電位電解装置、又は同様物などの、電流を測定することができる任意の計装であり得る。
【００３２】
標的化合物は、本明細書に開示されるナノチューブ又はセンサ装置の製造に先立って判定され得る。官能化ナノチューブにおいて使用される金属イオンの選択は、検出のために選択される標的化合物（複数可）に基づき得る。本明細書に開示されるナノチューブ及びセンサは、揮発性有機化合物、及び／又は非揮発性化合物などの、広範囲の標的化合物を検出するために利用され得る。したがって、センサは、ガス状及び液体環境の両方を含む、流体内の標的化合物を検出するために使用され得る。検出され得る化合物の網の非限定的な例は、過酸化物、硝酸塩、及び同様物などの、ＩＥＤ型装置と関連付けられるものなどの、爆発物と関連付けられる化合物、並びにトリクロロエチレン又はヒ素などの飲料水汚染物と関連付けられる化合物、並びに生理的状態又は疾患のバイオマーカーである化合物を含み得る。関連する揮発性有機化合物の、被験体の呼気中の検出を通して診断され得る、生理的状態又は疾患の非限定的な例は、結核、乳癌、肺癌、心疾患、糖尿病、子癇前症、酸化ストレス、及びこれらの組み合わせを含む。揮発性有機化合物が生理的状態又は疾患のバイオマーカーである際、バイオマーカーは、被験体の呼気中に存在し得る。したがって、バイオマーカーの検出は、被験体の吐き出された呼気を、センサ内のナノチューブ上を通過させることによって達成され得る。特異的なバイオマーカーの非限定的な例は、フェニル酢酸メチル、メチルｐ−アニステート（p-anistate）、ニコチン酸メチル、ｏ−フェニルアニソール、乳酸、還元又は酸化グルタチオン、尿酸、ウレアーゼ、及びこれらの組み合わせを含み得る。フェニル酢酸メチル、メチルｐ−アニステート、ニコチン酸メチル、ｏ−フェニルアニソール、ＴＢの既知のバイオマーカーである。グルタチオンの還元及び酸化形態は、被験体における酸化ストレスの既知のバイオマーカーである。試験され得る他の標的化合物は、トリクロロエタン、ヒ素、セレニウム、及び同様物を含む。
【００３３】
本明細書に開示されるセンサは、約−５Ｖ〜約１０Ｖ、いくつかの場合において最大５Ｖ、及びいくつかの場合において−０．２Ｖ〜約−０．８Ｖ、の電圧（例えば、バイアス電圧）を印加するように構成される電源を有し得る。印加された電圧は、センサによる検出に対して標的化された標的揮発性有機化合物（複数可）に応じて選択され得る。電源は、直流電源、又は交流電源であり得る。一実施形態において、電源は電池である。いくつかの実施形態において、センサは、内蔵の充電式、使い捨て型、又は交換式電池を含む内蔵型装置であり得る。他の実施形態において、電源は、外付けで、配線を通してセンサに接続し得る。電流センサはまた、統合されても、外付けでもよい。一実施形態において、標的化合物を検出するためのセンサは、外部電源及び電流センサに接続し得る。したがって、センサはより安価に製造され得、１つ以上の使用後に電源又は電流センサを廃棄することなく廃棄され得る。いくつかの実施形態において、電源及び電流センサは、センサに接続する単一の装置であり得る。そのような装置は、統合制御を含み得る、又は装置は、パーソナルコンピュータ、ラップトップ、スマートフォンなどによって制御されるように構成され得る。そのような装置はまた、センサからの結果をいくつかの方法で表示し得る。例えば、装置は、センサからの電流信号の図式的表示を表示し得る。あるいは、装置は、標的化合物が存在するかどうかに対して、ＬＥＤ、聴覚ブザー、又は同様物を通して、単に「はい」又は「いいえ」を示し得る。
【００３４】
一実施形態において、本明細書に開示されるセンサは、試料ガス（又は流体）の流れを、センサのナノチューブアレイ上に方向付けるように構成される試料取入れ口を含み得る。取入れ口は、周囲空気を試すように構成され得る、又は被験体から呼気を受信するように構成され得る。そのような実施形態において、空気取入れ口は、センサの機能性及び／又は耐用年数を妨げ得る、ないしは別の方法で制限し得る、小粒子状物質（ＰＭ１０及び／又はＰＭ２．５）を除去するための粒子フィルタを含み得る。入口はまた、センサの感度を増加させるために、空気の取入れを濃縮するように構成される濃縮器を含み得る。濃縮器の非限定的な例は、揮発性有機化合物に結合し、その後続いて遊離させられる、固体抽出繊維を使用することを含む。分子フィルタ、帯電クロマトグラフィカラム、及び同様物もまた使用され得る。
【００３５】
センサは、センサの様々な構成要素を収容するためのハウジングを含み得る。フィルタ、濃縮器、及びナノチューブアレイは、ハウジングの内部空間の内側に配向され得る。ハウジングは、試料が官能化ナノチューブを横切って通過し、それと反応するように、ガス試料を含有し得る。ハウジングはまた、ガス試料がハウジングから流れ出るための排出口を有し得る。一態様において、取入れ口及び排出口は、試料ガスがナノチューブアレイを横切って流れるように、ナノチューブアレイの両側に配設され得る。試料が、被験体から吐き出された呼気である実施形態において、被験体は、取入れ口の中に呼吸し得る。取入れ口は、被験体がセンサの中に呼吸することを可能にするために、サイズ及び形状において被験体の口内に快適にフィットするように構成されるマウスピースを含み得る。いくつかの実施形態において、取入れ口はまた、取入れ口を通して出るガスの逆流を防ぐための一方向弁を含み得る。マウスピースは、任意に使い捨て型又は交換式で、取入れ口に係合するように構成され得る。排出口はまた、被験体が息を吐き出す際に空気が通過させ、その後、試験期間中に空気がハウジングから漏れることを防ぐことを可能にする、弁を含み得る。この方法において、吐き出された呼気、及びその中の標的バイオマーカーが、試験中にハウジングから流れる、又は拡散することを防ぐことができる。他の実施形態において、試料ガスは、標的化合物が金属イオンと結合する追加の機会を有するように、ナノチューブにわたって再循環し得る。
【００３６】
本明細書に開示されるセンサは、再利用可能であり得る、又は使い捨て型であるように製造され得る。センサが再利用可能であるように構成される際、センサはまた、センサの使用に続いて、紫外線を官能化ナノチューブ上に照射するために作動され得る、紫外線源を含み得る。紫外線は、センサが再使用され得るように、金属イオンに結合した標的化合物が遊離させられることを引き起こし得る。あるいは、センサは、透明なハウジングを有し得、外部紫外線源が使用され得る。使い捨て型であるように構成される際、センサは、生分解性である材料のうちのいくつか又は全てを含む安価な材料から作製され得る。
【００３７】
別の実施形態において、標的化合物を検出する方法が提供される。本方法は、電圧を、以上に記載されるもののような官能化ナノチューブアレイにわたって印加する工程と、官能化ナノチューブアレイ上を通過する電流を測定する工程と、標的化合物が、金属酸化物ナノチューブの少なくとも１つの金属イオンと結合し得るように、ガスを官能化ナノチューブアレイ上に流す工程と、電流を変化について監視する工程と、ガスに見られる標的化合物を、電流における変化に基づいて特定する工程と、を含む。以上に記載されるセンサ及びナノチューブは、本明細書において記載される検出する方法において利用され得る。一実施形態において、検出する方法は、バイオマーカーを特定することに基づいて、生理的状態又は疾患を有するヒト被験体を診断する工程を更に含み得る。別の実施形態において、検出する方法は、再利用可能であるセンサを利用することを更に含み得る。したがって、これらの実施形態において、本方法は、官能化ナノチューブを紫外線に曝露することを更に含み得る。官能化ナノチューブの紫外線への曝露は、金属イオンに結合したあらゆる標的化合物が遊離させられることを引き起こし得る。
【実施例】
【００３８】
実施例１−センサシステム
結核の揮発性バイオマーカーを検出する方法は既に存在する（ガスクロマトグラフィ、質量分析法）が、これらは、ＰＯＣでの低資源の設定にとって適切ではない。開示されるセンサ及び方法の使用によって埋め合わせられ得る、明らかな技術的ギャップが存在する。この例において、センサは、肺に存在するマイコバクテリウムによって発せられる、異なる型の揮発性バイオマーカーを検出するための、異なる元素で官能化されるＴｉＯ２のアレイを含有する、携帯可能呼気分析装置（例えば、長さ及び幅約８〜１０ｃｍ以下であるもの）である。装置の電子反応は、１試験当たり、約数分である。この高速反応時間は、現在使用中のいかなる試験よりも、数桁速い。更に、本明細書に記載されるナノチューブセンシング要素は、再生され、再使用され得、これは試験当たりの費用を更に低減し、装置の全体の費用を増加させる廃棄物処理の費用を低減する。
【００３９】
本特定の実施形態において、ＴｉＯ２ナノチューブは、コバルト（ＩＩ）イオンで官能化され得る。結核バイオマーカーのためのこの型のセンサは、従来技術と比較して、利点を有する。例えば、ＴＢは、ＶＯＢ（揮発性バイオマーカー）の存在に基づいて即時に検出され得、数分未満の迅速な検出時間で、携帯可能かつ操作が単純で、及び資源が限定的な設定において配備され、地域内の大量の被験体を素早くスクリーニングするために使用され得る。
【００４０】
更に、開示されるセンサ及びシステムは、心臓移植拒絶、肺癌、虚血性心疾患、妊娠の子癇前症、真性糖尿病、及び乳癌などの、揮発性有機バイオマーカーを呈する他の健康状態の検出のために適応され得る。そのような状態に関連付けられる揮発性バイオマーカーは、アセトン、アルカン、アルカン誘導体、アルケン、アンモニア、メルカプタン、脂肪酸、及び同様物を含み得るが、これに限定されない。
【００４１】
実施例２−予備的研究
サイクリックボルタンメトリ法を使用する予備的研究は、コバルト（ＩＩ）を、ニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸メチルと結合する主要な候補であると特定した。これらの方法は、ニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸メチルについて、それぞれ−０．２Ｖ及び−０．８Ｖの好適なバイアス電圧を示した。これらの電圧は、検出中に最高信号を生成し、複数の揮発性有機マーカーの存在下におけるセンサの選択性を変更するために使用され得る。ＴｉＯ２ナノチューブを、その後、電気化学的陽極化成を使用して合成し、既に記載した金属イオン交換法を使用してコバルト（ＩＩ）で官能化した。
【００４２】
短時間、塩化コバルト（ＩＩ）をエタノール中に溶解し、真空炉内で乾燥させる前に、ＴｉＯ２ナノチューブアレイを溶液中で数時間インキュベートする。これは、ナノチューブの表面上にコバルト（ＩＩ）をもたらす。コバルト（ＩＩ）は、強度の酸化剤であり、ニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸メチルと反応する。図３Ａ及び３Ｂは、コバルト（ＩＩ）官能化ＴｉＯ２ナノチューブの予備的結果を示す。これらの予備的実験において、バイオマーカーを、水中に溶解し、その後、溶液を通してＮ２ガスをバブリングすることによってセンサに送達した。センサを、同一の方法だが、純水を通して、Ｎ２ガスをバブリングすることによって湿潤した空気に曝露した。図３Ａは、２つの同一のセンサが、湿潤した空気及びニコチン酸メチルに曝露した際の、電流対時間を示す。図に見られるように、ニコチン酸メチルに曝露したセンサは、約−２０μＡの電流における変化を呈した一方で、湿潤した空気に曝露したセンサは、ほぼ一定にとどまった。図３Ｂは、湿潤した空気、続いてｐ−アニス酸メチルに順に曝露した単一のセンサからの結果を示す。図３Ｂは、ニコチン酸メチルについてよりも、ｐ−アニス酸メチルの検出について、より遅い反応時間を示す。これは、実験間の異なる試験条件が原因であり得る。しかしながら、図３Ｂは、ｐ−アニス酸メチルに対する反応が、湿潤した空気についての反応よりもずっと大きいことを示す。図３Ｃは、図３Ｂに示される試行と同一の条件での、第２の試行稼働を示す。変化の大きさは、濃度における差異に相関し得る。結果は、コバルト（ＩＩ）官能化ＴｉＯ２ナノチューブが、水中に溶解した化学物質模倣体から誘導され、それがセンサに到達する時に、溶液を通して、Ｎ２ガスをバブリングすることによってセンサに送達される際に、バイオマーカーを検出することができることを示す。結果はまた、湿度に対するセンサ反応は、同一の試験条件下で、バイオマーカーと比較する際に最小であることを示す。
【００４３】
実施例３−特異性
既に言及したように、ヒト呼気は、いくつかのＶＯＣが存在するガスの複雑な混合物である。予備的試験を実行して、エタノール、メタノール、アセトン、ベンゼン、及びフェノールを含む、呼気中に見られるＶＯＣに曝露された際の、センサの特異性を判定した。典型的に、これらの化合物は、ヒトの呼気中にｐｐｂ範囲で見られる。しかしながら、予備的試験について、これらの化合物のうちのそれぞれの濃縮源（２０ｐｐｍ）を使用し、４つの別個の実験においてＴｉＯ２センサに送達した（センサを、一度に１つのＶＯＣにのみ曝露させ、複雑な混合物においては曝露させなかった）。図４Ａは、試験した化合物のうちのそれぞれのセンサ反応を示す。
【００４４】
反応を、（Ｉｄ−Ｉｂ）／Ｉｂとして定義し、式中、Ｉｄはセンサが揮発性化合物に曝露した際に測定された電流であり、Ｉｂは検出前の基準電流である。呼気中に一般的に見られる濃縮ＶＯＣ（「Ａ群」と指定）について、及びＴＢと関連付けられるＶＯＢ（「Ｂ群」と指定）についての結果を示す。エタノール、メタノール、アセトン、ベンゼン、及びフェノールに対するセンサ反応は、これらの化合物が、ＴＢ揮発性バイオマーカーにとって特異的な条件（２０℃かつ１３０ＳＣＣＭ流量）で動作する際、センサに対してほとんど影響を有さないことを示す、０．６〜１．３８の範囲であった。しかしながら、センサがニコチン酸メチル（１０ｍＭ及び１００ｍＭ）に曝露する際、反応においてそれぞれ１０３及び１０５の変化が観察された。更に、Ｐ−アニス酸は、反応において１０６の変化を示した。これは、センサが、ＴＢバイオマーカーに対して特異的であり、ヒト呼気中に一般的に見られる他のＶＯＣの存在下で、これらの分子を検出するための電位を有することを示す。
【００４５】
図４Ｂは、ベンゼン及びニコチン酸メチル及び２０ｐｐｍに曝露される、ＴｉＯ２センサの電流対時間のプロットを示す。本プロットから理解され得るように、センサは、明らかにニコチネートとベンゼンとを区別することができ、ベンゼン曝露に対して実質的に無反応を呈する。
【００４６】
実施例４−候補揮発性バイオマーカーと相互作用する元素の、コンピュータによる計算を使用する特定及び特性評価
コンピュータによるモデル化技術を使用して、本実験は、バイオマーカーについて高い親和性を有する金属を特定するために、ＶＯＢとの金属の相互作用を研究する。予備的結果は、コバルト（ＩＩ）が、ニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸メチルの好適な金属候補であることを示す。研究は、スクリーニングし、特異的なバイオマーカーとの使用のための特異的な金属イオンを選択するために使用され得る。最後に、ヒト呼気中に一般的に見られる、イソプロパノール、アセトン、及びメタノールなどの揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の相対結合強度を判定することによって、センサの選択性の問題に対処し得る。
【００４７】
センサ装置は、その金属イオンの本質がＶＯＢ検出が行われるかどうかを判定する、金属イオン官能化二酸化チタンナノチューブに基づく。金属バイオマーカーの相互作用は、センシング材料の電気抵抗率における変化を促進し、センサが、センシング材料を通した電流における変化に基づいてバイオマーカーを検出することを可能にする。評価及び特定を、剛柔酸塩基の原理に基づいて選択される、一組の金属イオン｛一価、すなわちＬｉ１＋、二価、すなわちＦｅ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｕ２＋、Ｃｏ２＋、Ｐｂ２＋、三価、すなわちＦｅ３＋、Ｃｏ３＋、Ｃｒ３＋、Ｍｎ３＋、Ｎｉ３＋、Ｓｃ３＋、Ｓｂ３＋、四価、すなわちＮｉ４＋、Ｍｎ４＋、Ｔｉ４＋、Ａｓ４＋、Ｓｂ４＋、Ｐｔ４＋）について行い得る。この原理に基づいて、剛酸（小原子／イオン半径、高い酸化状態、低い分極率）は、より強力に硬質塩基に結合する。酸素は硬質塩基であると考えられるため、効果的な結合のために剛酸を選択することができる。
【００４８】
本研究は、ガス相において（溶媒の不在下で）、並びに液相において（関心対象のＶＯＢは湿潤した空気である肺から来るため、溶媒分子の存在下で）行われ得る。ガス相において判定される、構造的及びエネルギーの態様は、液相における計算のための基礎を作成する。ガス相において、金属バイオマーカーの相互作用は、酸素の孤立電子対を介して発生し得る。しかしながら、液体溶媒において、溶液中のバイオマーカーの解離を想定して、結合は、バイオマーカーの陰イオン性酸素を介して発生し得る。
【００４９】
溶媒効果のモデル化のために、３つのモデル化スキームの適応を使用し得る。１）長期にわたる静電気溶媒和の効果が考慮される、分極連続体モデル（ＰＣＭ）。２）金属バイオマーカーシステムを囲繞する、顕在水分子の取りこみ（予想されるセンサの動作条件に最も類似）は、短期にわたる溶媒効果をよく説明する。しかしながら、大量の溶媒分子を含めることは、複雑で、コンピュータ的に厳しくあり得る。３）短期及び長期の両方にわたる溶媒効果の両方に対処し得る、以上の２つの方法を含むモデル化スキーム。本スキームは、第２のスキームと比較して、少数の顕在溶媒分子でモデル化され得るが、長期にわたる溶媒効果はＰＣＭによって対処され得る。
【００５０】
ガス相における結合の自由エネルギーは、電子エネルギー、零点エネルギー（ＺＰＥ）、並びにシステムの並進、振動、及び回転運動に対応するエントロピー条件を使用して計算される。ガス相及び液相の結合自由エネルギー、ΔＧ＊Ｂ（ガス）及びΔＧ＊Ｂ（液体）は、式１、及び式２を使用して、図５からそれぞれ計算され、
式中、Ｘ＝ニコチン酸メチル、ｐ−アニス酸メチル、フェニル酢酸メチル、ｏ−フェニルアニソールであり、
Ｍ＝Ｃｕ１＋、Ｆｅ２＋、Ｎｉ２＋、Ｃｕ２＋、Ｃｏ２＋、Ｐｔ２＋、Ｆｅ３＋、Ｃｏ３＋、Ｃｒ３＋、Ｍｎ３＋、Ｎｉ３＋、Ｓｃ３＋、Ｓｂ３＋、Ｎｉ４＋、Ｍｎ４＋、Ｔｉ４＋、Ａｓ４＋、Ｓｂ４＋、Ｐｔ４＋であり、
ΔＧ＊Ｂ（ガス）＝ガス相における結合の自由エネルギー（溶媒なし）であり、＊は標準状態を示し、
ΔＧ＊Ｂ（液体）＝液相における結合の自由エネルギー（溶媒あり）であり、
ΔＧ＊溶媒和（金属）＝金属イオンの溶媒和自由エネルギーであり、
ΔＧ＊溶媒和（Ｘ）＝バイオマーカーの溶媒和自由エネルギーであり、
ΔＧ＊溶媒和（金属−Ｘ）＝金属バイオマーカーの溶媒和自由エネルギーである。
【００５１】
溶媒和自由エネルギーは、基本的に、溶質（この場合、金属、バイオマーカー、及び金属バイオマーカー複合体）の１モルが、水溶液中に溶媒和される際に放出されるエネルギーである。溶媒和は、様々な種類の分子間相互作用、すなわち、水素結合、イオン−双極子、及び双極子−双極子引力、又はファンデルワース力に関わる。図５の式１に関わる種の溶媒和自由エネルギーは、以下に示されるように、液相における結合自由エネルギーを判定する上で有用である（式３）：
ΔＧ＊Ｂ（液体）＝ΔＧ＊Ｂ（ガス）＋［ΔＧ＊溶媒和（金属−Ｘ）−（ΔＧ＊溶媒和（金属）＋ΔＧ＊溶媒和（Ｘ））                                      （３）
【００５２】
本手順は、以上にリストされる全ての金属イオンに対して適応され得、異なる金属バイオマーカー複合体の相互作用の相対強度の詳細な比較がなされ得る。結合現象についての理解は、構造分析及びシステムにおける電荷分布を通して定量的に、並びに結合部位において発生する軌道相互作用を介して定性的に、特性化され得る。以上の方法論から取得される結合の自由エネルギーは、金属の酸化状態における変化が原因で発生する、酸化電位を判定する上で有益であり得る。図５の式２の以上の反応の酸化電位は、ネルンストの式、
【００５３】
【数１】
2015535343.tif 000003
式中、Ｅ０＝酸化電位であり、ｎ＝反応に関わる電子の数であり、Ｆ＝ファラデー定数である、式を使用して計算され得る。
【００５４】
したがって、取得された結果は、同一の工程に実施されたサイクリックボルタンメトリ研究と比較及び検証され得る。本研究から判定された最良の３つの金属が、センサ装置において更に使用され得る。
【００５５】
以下のコンピュータによるモデル化は、ガウスプログラムパッケージにおいて実装されるような、密度汎関数理論（ＤＦＴ）、及びＡｂ  Ｉｎｉｔｉｏ（ＭＰ２）方法論を使用して達成され得る。ＤＦＴ計算を実行するために、ＰＢＥ、ＢＰ、及びＢ３ＬＹＰなどの、異なる交換相関関数が実装され得る。更に、遷移金属のためのＬａｎＬ２ＤＺ、及び小原子のための６−３１Ｇ＋＊＊基礎組などの、好適な擬似電位が使用され得る。ＺＰＥは、式１及び式２に対して、結合自由エネルギーを判定するように計算され得る。溶液モデル化は、Ｇａｕｓｓｉａｎ０９において実装されるように、ＰＣＭ系溶媒和モデルＵＮＩＶＥＲＳＡＬで行われ得る。幾何学的形状の最適化は、力が１０−５原子単位未満であり、かつネルギー収束が１０−６ハートリーであるまで反復され得る。振動周波数は、安定した構造を検証するために、最適化された幾何学的形状で計算され得る。電荷分析は、マリケン電荷及び自然結合順序分析で実行され得る。分子軌道の相互作用は、分子軌道説アプローチを介して、定性的にかつ定量的に分析され得る。
【００５６】
実施例５−ＴＢ揮発性バイオマーカーと相互作用するモデル化金属の、電気化学的方法を使用する検証及び特性評価
金属イオン官能化金属酸化物ナノチューブは安定していて、世界中に輸送されるセンサが、長期間貯蔵され得るような長い貯蔵寿命（６ヶ月など）を有し得る。これを達成するために、実施例４で行われたモデル化から特定された無機元素は、それらは安定していて、有機分子に異なる親和性で結合することが既知であるため、ナノチューブ官能化について調査され得る。ＴＢ揮発性バイオマーカーを検出することに対する特に関心対象となるのは、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、及びＺｎである。更に、センサは、浮遊化合物との不慮の結合の可能性、又は感度における減少を低減するために使用されるまで、真空封止され得る。
【００５７】
電気化学的研究
サイクリックボルタンメトリ方法は、金属の、フェニル酢酸メチル、及びｏ−フェニルアニソールに対する結合能力を検証するために使用され得る。高い信頼性を有する、ＴＢの検出についての関心対象のバイオマーカーは、本質的に有機のエステルである。エステルは、サイクリックボルタンメトリを使用して電気化学的に検出され得ることが留意される。いくつかのエステルは、エステルの型及び分子構造に応じて、電気酸化され得る。バイオマーカーは、ｐＨ調節を有する支持塩（例えば、過塩素酸塩）からなる、適切な電解質システムを使用して酸化され得る。電気酸化中、各バイオマーカーは、ピークが異なる電位で発生する独特の陽極波を産出し得る。統合陽極電流対時間から、放出された電荷が計算され得る。バイオマーカーの濃度は、全ての電荷はバイオマーカーの酸化に起因するという仮定をもって、ファラデーの法則を使用して、陽極電荷の計算から判定され得る。弁別的サイクリックボルタンメトリを実施することは、サイクリックボルタンメトリ中の二重層帯電が原因の誤差を軽減し得る。これらの電気化学技術は、実験室におけるバイオマーカーの検出のために使用され得る。しかしながら、ＰＯＣ装置について、バイオマーカーを含有する電解質の呼気試料からの調製は困難であり得る。したがって、ガス状形態の呼気試料の直接分析に関わる技術は、より有用であり得る。これを達成するために、バイオマーカーの金属陽イオンでの錯化が考慮される。有機分子の金属陽イオン上への吸着が、有機種の酸化につながることが報告されている。例えば、Ｆｅ（ＩＩＩ）、Ｃｕ（ＩＩ）、及びＶＯ２＋陽イオンが、表面上に吸着したアニソールの酸化を引き起こすことが観察されている。複合体形成の能力、及び金属イオンを有する複合体の安定性が、金属イオンがどれほど強力な酸化剤であるかに関連付けられることもまた、既知である。したがって、金属陽イオンは、揮発性バイオマーカーを有する複合体形成のために効果的に使用され得る。
【００５８】
ＴｉＯ２ナノチューブの規則的なアレイは、それらの高い表面積ため、バイオマーカーと結合するための金属イオンのための優れた支持体である。金属イオンがバイオマーカーの酸化に関与する際、バイオマーカーから金属イオンへの電子移動が発生し、これは、ＴｉＯ２ナノチューブを通して採取され得る。ナノチューブ構造は、改良された電荷輸送特性を有し、最小の損失で電子を伝導し得る。
【００５９】
異なるバイオマーカーへの結合のために特定された候補金属陽イオンを検証するために、サイクリックボルタンメトリ研究が、異なる濃度を有する異なる金属陽イオンからなる電解質内で実行され得る。例えば、本方法は、Ｃｏ（ＩＩ）、Ｚｎ（ＩＩ）、及びＣｒ（ＩＩＩ）溶液において、ニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸メチルの検出のために既に実行された。Ｃｏ（ＩＩ）が、ニコチン酸メチルのセンシングにおいて、他の金属陽イオンよりも良い結果を示すことが観察された。図６は、異なる濃度のＣｏ（ＩＩ）において、異なる濃度のニコチン酸メチルの添加の有無で実施された、予備的サイクリックボルタンメトリ結果を示す。純Ｃｏ（ＩＩ）溶液の還元及び酸化波は、ニコチン酸メチルを含有する溶液よりも大きい。これらの結果は、ニコチネートがＣｏ（ＩＩ）を有する複合体を形成する際、より少ないコバルトイオンが還元反応に関与することを示し、これもまた酸化曲線を減少させる。コバルトイオンの濃度が１０ｍＭである際、２つの酸化ピークが認められる。より小さい陽性電位での第１のピークは、反応、すなわち
Ｃｏ→Ｃｏ２＋＋２ｅ−      ＥＯ＝−０．２２７＋０．０２９５ｌｏｇ［Ｃｏ２＋］Ｖ（ＳＨＥ）                    （５）に起因し得る。
【００６０】
より大きい陽性電位での第２の陽極ピークは、反応、すなわち
Ｃｏ＋Ｈ２Ｏ→ＣｏＯ＋２Ｈ＋２ｅ−      ＥＯ＝０．０９５−０．０５９ｐＨ  Ｖ（ＳＨＥ）                  （６）に起因し得る。
【００６１】
非常に低い濃度のＣｏ（ＩＩ）で、ほぼ完全な複合体形成のため、反応（５）は有意ではない。サイクリックボルタンメトリの陰極及び陽極波の電流密度における減少は、ニコチネートの濃度に相関し得る。実施例４におけるモデル化、及びサイクリックボルタンメトリ研究を使用する検証に基づいて、金属陽イオンの型及びそれらの濃度が、異なるバイオマーカーを結合するように選択され得る。
【００６２】
実施例６−自己組織化ＴｉＯ２ナノチューブの調製
３Ｄ  ＴｉＯ２ナノチューブアレイ形態は、少量の空間の中に非常に高い表面積を有するセンサを創出する。管状形態学は、揮発性バイオマーカーに結合し得る元素で官能化されるより大きい電位領域を可能にし、したがって感度を増加させる。更に、ＴｉＯ２ナノチューブは、ナノチューブ表面上で発生する結合事象の検出について、それらを好適にするアニール後に優れた電荷輸送特性を有する。図１は、自己組織化ＴｉＯ２ナノチューブを使用して製造されるアレイの画像を示す。
【００６３】
ナノチューブ状鋳型を調製するための、様々な利用可能な方法の中で、電気化学的陽極化成は、単純、安価、かつ大面積の合成に容易に拡大可能であると考えられる。超音波補助陽極化成工程を使用する、自己組織化、及び垂直配向ＴｉＯ２ナノチューブ状鋳型を製造するための確立された方法論が開発されている。超音波処理は、ナノチューブのより良い秩序化につながる。
【００６４】
ＴｉＯ２ナノチューブ状酸化物アレイの鋳型は、エチレングリコール中、０．５重量％ＮＨ４Ｆ＋５体積％  Ｈ２Ｏからなる電解液中の、Ｔｉ箔（厚さ０．１ｍｍ）の、超音波浴（１００Ｗ、４２ＫＨＺ、Ｂｒａｎｓｏｎ  ２５１０Ｒ−ＭＴ）を使用する超音波撹拌状態下での、陽極化成によって形成され得る。２つの電極構成が、陽極化成のために使用され得る。フラグ状白金（Ｐｔ）電極が、陰極としての役割を果たす。陽極化成は、印加される電位を、整流器（Ａｇｉｌｅｎｔ、Ｅ３６４０Ａ）を使用して２０〜６０Ｖまで変化させることによって実行され得る。陽極化成電位を変化させることは、チューブの直径を制御し得、陽極化成時間を変化させることは、チューブの長さを変化させ得る。ａｓ陽極化ＴｉＯ２鋳型は、それらの電気抵抗を増加させるために、５００℃の酸素中で６時間アニールされ得る。ＴｉＯ２ナノチューブは、ナノチューブが適切にバイアスされ、官能化ナノチューブと揮発性バイオマーカーとの間の結合事象が発生する際、電流変化が検出されるように、非常に高い電気抵抗を有し得る。ナノチューブは、垂直配向、及び自立酸化ＴｉＯ２ナノチューブの規則的なアレイを形成し得る。寸法は既に説明したように変化し得るが、本実施例において、典型的に、１００〜２００ｎｍの範囲内の直径、１〜３μｍの範囲内の長さ、及び５〜１０ｎｍの範囲内の壁厚を呈する。
【００６５】
実施例７−ＴｉＯ２ナノチューブの官能化
ナノチューブの官能化は、ＴＢを診断するための、提唱された方法論のために有用である。適用される官能化技術は、センサの安定性（６ヶ月の貯蔵寿命）を改良し得る。いくつかの場合、官能化ナノチューブアレイは、最小で３重量％の、ナノチューブアレイ内に埋め込まれた金属イオンを含有し得る。
【００６６】
ナノチューブアレイの官能化は、当該技術分野において既知である、金属イオン交換法を使用して実行され得る。金属イオン（Ｃｏ、Ｚｎ、Ｃｒなど）を、ＴｉＯ２ナノチューブ表面上で交換することは、ＸＰＳ分析によって確認されている、表面での大量のヒドロキシル（Ｔｉ−ＯＨ）基の存在によって可能となる。既往の結果は、ほぼ４０％の表面がブレンステッド酸部位であり、交換可能部位であることが既知であるヒドロキシル基によって被覆されることを明らかにする。候補金属イオンでの表面ヒドロキシル陽子の交換工程は、以下の式において示される（Ｍ＝Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒ、及び他の候補イオン）。
２Ｔｉ−ＯＨ＋Ｍ２＋＝２Ｔｉ−Ｏ−Ｍ＋２Ｈ＋                      （７）
【００６７】
例えば、ＴｉＯ２ナノチューブをＣｏで官能化する際、以下の方法が使用される。
１）１００℃で加熱することによって、ＴｉＯ２−ＮＴを乾燥させる。
２）１００ｍｌのエタノール中に溶解し、超音波処理浴内で３０分間反応させた、塩化コバルト（ＩＩ）（０．５重量％の塩化コバルト（ＩＩ）（ＣｏＣｌ２、９９．７％、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ，ＵＳＡ）の溶液の中に、ナノチューブを浸漬する。
３）試料を濯ぎ、１００℃の真空炉内で乾燥させる。
【００６８】
本方法は、ＴｉＯ２ナノチューブ上での金属の官能化につながり、Ｚｎ及びＣｏを使用して首尾よく実証されている。本方法は、ＴＢ揮発性バイオマーカーの結合剤として特定された他の金属で使用され得る。無機元素の存在を検証するために、試料の元素組成、及び存在する量を産出し得る、ＥＤＳ及びＸＰＳ分析が行われ得る。
【００６９】
コバルト（ＩＩ）イオンで官能化されるＴｉＯ２ナノチューブのアレイを調製するための例示的な方法は、陽極化成、アニール、及び官能化の工程を含む。まず、９７％エチレングリコール及び０．５重量％  ＮＨ４Ｆの水溶液中の、チタニウム陽極及び白金陰極に、３０Ｖの電位を６０分間印加する。その後、酸素下で、ナノチューブを５００℃に加熱し、その温度で２時間保持することによってナノチューブをアニールする。最後に、コバルトで、ＥｔＯＨ中の０．５重量％  ＣｏＣｌ２の超音波浴内にナノチューブを浸漬することによって、ナノチューブを官能化する。
【００７０】
実施例８−候補ガス状揮発性バイオマーカーの検出についての、官能化ナノチューブアレイの性能の調査
候補ＴＢバイオマーカーの高速検出を達成するために、センサの動作条件は、高速かつ明らかな検出を達成するために最適化され得る。最適条件下で、センサ反応は、約数秒である。
【００７１】
揮発性バイオマーカーの検出のための適切なバイアス条件を判定するために、異なる元素で官能化される各基材は、どの点でセンサが最も敏感であるかを判定するために、揮発性マーカーのうちのそれぞれについて特性化され得る。これを達成するために、−５Ｖ〜５Ｖの電圧掃引（Ｇａｍｒｙ定電位電解装置を使用）を、関連した揮発性バイオマーカーを有する各センサ上に実施して、揮発性バイオマーカーがナノチューブセンサアレイに導入される際に、どこで電流における最高の変化が発生するのかを理解し得る。これが達成されると、センサは、異なる濃度の揮発性バイオマーカーでのその性能を定量化するために試験され得る。これらの濃度は、１００ｐｐｍ〜１ｐｐｂであり得る。目標は、マイコバクテリウムによって発せられる、低レベルのバイオマーカーを検出するためだけでなく、少数のマイコバクテリウムのみがバイオマーカーを発するために必要とされるため、ＴＢの潜伏期のバイオマーカーを検出するために、十分であるはずである、１ｐｂｂ以下のレベルの検出のために、センサを最適化することである。
【００７２】
実施例９−ガスの複雑な混合物（すなわち、他の揮発物の存在下）中のＴＢ揮発性バイオマーカーのための、センサの選択性及び感度の特性化
ヒト呼気に一般的に見られる、他のＶＯＣの存在下でセンサ性能を特性化すること。選択性及び感度は、実在の試料を取り扱うために、特性化及び最適化され得る。
【００７３】
ヒトの呼気は、特性化されている多くのＶＯＣを含有する。健康なヒトの呼気中の主要なＶＯＣは、イソプレン（１２〜５８０ｐｐｂ）、アセトン（１．２〜１，８８０ｐｐｂ）、エタノール（１３〜１，０００ｐｐｂ）、及びメタノール（１６０〜２０００ｐｐｂ）である。微量の成分は、アセトアルデヒド（３〜７ｐｐｂ）及びヘキサナール（９〜１３ｐｐｂ）である。センサは、その選択性を判定するために、これらのＶＯＣ及びＴＢ揮発性バイオマーカーの存在下で試験され得る。
【００７４】
温度、圧力、湿度、及びガス流れに対して正確な制御を有する環境試験室（Ｖａｃｕｕｍ  Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）を使用して、一般的なＶＯＣが標的揮発性バイオマーカーと共に存在する環境を創出する。「背景ＶＯＣ」の混合物は、既に記載したレベルを使用して、ｐｐｂ範囲内の濃度に設定され得る。各揮発性バイオマーカーの濃度は１ｐｐｂで開始し、濃度を１０００ｐｐｂまで増加させて、別個に変化し得る（すなわち、１つの試験につき１つの揮発性バイオマーカーのみが存在し得る）。その後、センサ反応が検査され得る。その後、実験は、４つの揮発性バイオマーカー全てを含む試料の混合物について反復され得る。結果は、質量分析法を試験の基準として使用して検証され得る。これは、センサの感度及び選択性を判定するために使用され得る。センサの結果は、質量分析法の結果と比較され得、疑陽性、疑陰性、真陽性、真陰性が、感度及び選択性を判定するために使用され得る。
【００７５】
低レベルの揮発性バイオマーカーは、濃縮され得る。１つの方法は、センサの周囲の空気を再循環して、より多くの分子がセンサに結合することを可能にすることである。別の方法は、固相抽出繊維を使用して、ガスを採取し、その後熱を使用してガスをセンサ付近の繊維から溶出することであり得る。方法のこれらの種類のうちのいずれも、マイクロチャネルプラットフォーム内に統合され得る。更に、センサ上の結合元素間の交差反応性が存在する場合、センサのバイアス電圧を修正することが、センサが所望の揮発性バイオマーカーを検出するように、センサ反応を「調整する」ために、調査され得る。機構をフィルタリングして、呼気を処理するために不必要なＶＯＣを除去することもまた、センサ性能を改良するために使用され得る。
【００７６】
実施例１０−ガス流量、温度、及び湿度などの環境要因に反応した、センサの特性化。
世界中の環境で運転することができる信頼性の高いセンサを達成するために、それは、どの条件下でセンサが動作する、又はしないかを判定するために試験及び特性化され得る。
【００７７】
予備的結果は、ニコチン酸メチル及びｐ−アニス酸メチルからの信号と比較される際に、水分の影響が最小であることを示した。しかしながら、湿度、温度、及びガス流れの影響を理解するために、定量的データが必要とされる。これらのパラメーターに対して正確な制御を有する環境試験室が、使用され得る。センサは、室内に配置され、各揮発性バイオマーカーに別個に曝露され得る。各実験中、温度は、−１０℃〜５０℃（センサが動作することを予想される温度の範囲をちょうど超える）の増加によって変化させられ得る。同様の実験が、５％の増加で、０〜１００％の湿度について実行され得る。センサ上のガス流れの割合は悪影響（信号内のノイズを引き起こす）を有し得、これは、１０ＣＦＭ（１７立方メートル毎時）の増加で、１立方フィート／分（ＣＦＭ）（１．７立方メートル毎時）から２００ＣＦＭ（３４０立方メートル毎時）まで体積流量を変化させることによって試験され得る。これらのパラメーターの定量化は、センサの最適化を可能にし、センサの実装のためのパッケージ化スキームを定義する。
【００７８】
実施例１１−空気試料のセンサへの送達時のそれらの処理のための、センサの、マイクロチャネルプラットフォーム内へのパッケージ化のための原型の開発。
ＴｉＯ２センサは、入来呼気を取り扱う／処理し、それをセンサに送達する、携帯可能マイクロチャネルネットワーク内にパッケージ化され得る。センサのパッケージ化及び計装への統合は、本プロジェクトの一態様である。センサのパッケージ化は、フィルタ、ガス濃縮器、及び電極パッドなどの設計構成要素が、関連する計装と連動するように、空気の処理のためにチャネルネットワーク内に統合されることを助けるために、以上の実施例からの知識を必要とし得る。センサ部品のパッケージ化もまた、センサ部品であり得る。しかしながら、センサは再利用可能であるように設計され得、これは後続するセンサのための費用を低減するだけでなく、低資源国に存在する医療廃棄物の蓄積及び不適切な廃棄をもまた低減する。
【００７９】
センサのマイクロチャネル内への設計及び統合は、様々な原型設計を開発するための、ソフトリソグラフィ及び３Ｄ印刷高速プロトタイピング技術を使用して行われ得る。統合電極を有するパッケージ化は、現場での試験のために、ネットブック、スマートフォン、又は他のモバイル装置から稼働され得る携帯可能定電位電解装置と連動するように設計され得る。
【００８０】
実施例１２−グルタチオン検出のための銅官能化ＴｉＯ２ナノチューブ
１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形のチタニウム箔を切断、研磨し、イソプロパノール中で、超音波浴内で５分間濯いだ。陽極化成のための電解質を、エチレングリコール（ＥＧ、Ｃ２Ｈ６Ｏ２、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ，ＵＳＡ）中で、３％  ＤＩ水中に溶解した０．５ｗ／ｖ％のフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ、Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ，ＵＳＡ）で調製した。３０ボルトの直流（ＤＣ）を１時間印加するＥＧ溶液中で、白金コイルは陰極としての役割を果たし、チタニウム箔は陽極としての役割を果たした。ナノチューブ製チタニウム試料を、超音波浴内で脱イオン水中で５秒間濯ぎ、その後１１０℃の室内で少なくとも１日間乾燥させた。試料を酸素に富んだ大気下でアニールし、５００℃で２時間、無定形ＴｉＯ２からアナターゼ構造を結晶化させた。
【００８１】
金属官能化について、５０ｍｌのエタノール中の０．２４ｇのＣｕＳＯ４、０．２８ｇのＣｕ（ＮＯ３）２、及び０．２ｇのＣｕＣｌ２を使用して調製された３つの異なる銅塩溶液中にアナターゼナノチューブ試料を浸漬した。溶液中のこれらの試料を、超音波浴内で３０分間インキュベートした。試料を、ＤＩ水中で、３秒間の超音波処理で濯ぎ、その後１１０℃の室内で１日間乾燥させた。
【００８２】
図７において、−３００ｍＶのＣＶでの電流密度値が比較される。電流密度は、非官能化ＴｉＯ２−ＮＴを有するＧＳＨ及びＧＳＳＧについて、−１７μＡ／ｃｍ２及び−３１．３μＡ／ｃｍ２であり、Ｃｕ−官能化ＴｉＯ２−ＮＴを有するＧＳＨ及びＧＳＳについて、−２９．１μＡ／ｃｍ２及び−１００μＡ／ｃｍ２であった。非官能化ＴｉＯ２−ＮＴからの、ＧＳＳＧ／ＧＳＨの測定された電流密度の割合は、１．８７であった。Ｃｕ官能化ＴｉＯ２−Ｎは、非官能化ナノチューブよりも高い信号を示し、非官能化ＴｉＯ２−ＮＴよりも１．８３倍大きい、３．４３からのＧＳＳＧ／ＧＳＨ割合であった。これは、グルタチオンに対する銅の選択性を示す。
【００８３】
ＧＳＨのガンマ−グルタミン酸塩残基でのカルボキシル基は、銅の結合部位であることが既知であり、したがってＧＳＳＧ／ＧＳＨの割合が約２であることが予想される。別の言い方をすれば、ＧＳＳＧは、溶液中の銅のＧＳＨよりも約２倍高い電流信号を示すはずである。また、ＧＳＳＧ／ＧＳＨの割合が２であることを示している他の出版物は、溶液状態における溶解した金属及び溶解したＧＳＨを通して、結合親和性を試験している。しかしながら、我々は溶解グルタチオン溶液に不動銅金属を使用する。この差異は、２の代わりに３の、予想外のＧＳＳＧ／ＧＳＨ割合を引き起こし得る。
【００８４】
ＣＶ試験の−０．３Ｖの電流は、ＧＳＨの対数濃度に比例する。Ｃｕ−ＴｉＯ２−ＮＴに結合するＧＳＨを、よく撹拌したＧＳＨ溶液中で３０秒間試験し、図８に示されるように、各ＧＳＨ濃度の信号強度を、ＧＳＨ濃度（Ｘ軸）の対数目盛上にプロットした。０〜１０ｍＭのＧＳＨ範囲のプロットの趨勢線は、０．９６７のＲ２と共に−１．３４Ｅ−０５の勾配を示す。これは、電位の強度が結合の理由であり、信号が、体液中のグルタチオン分子の標準濃度範囲である１０ｍＭの濃度までよく線形化されることを表示する。
【００８５】
以上で言及した配置は、本発明の原理の適用を例示するのみであることが理解されるべきである。多数の修正及び代替の配置が、本発明の趣旨及び範囲を逸脱せずに考案され得る。本発明は、図面内に示され、本発明の最も実用的かつ好ましい実施形態（複数可）であると現在考えられているものに関する特殊性及び詳細をもって、以上に完全に記載されている一方で、本明細書に説明されるように、本発明の原理及び概念から逸脱せずに多数の修正がなされ得ることが当業者にとって明らかであろう。
【図１Ｂ】
2015535343.tif 000004
【図２Ｂ】
2015535343.tif 000005
【図１Ａ】
2015535343.tif 000006
【図２Ａ】
2015535343.tif 000007
【図３Ａ】
2015535343.tif 000008
【図３Ｂ】
2015535343.tif 000009
【図３Ｃ】
2015535343.tif 000010
【図４Ａ】
2015535343.tif 000011
【図４Ｂ】
2015535343.tif 000012
【図５】
2015535343.tif 000013
【図６】
2015535343.tif 000014
【図７】
2015535343.tif 000015
【図８】
2015535343.tif 000016
【国際調査報告】
2015535343.tif 000017
2015535343.tif 000018
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