(57)【要約】  サルモネラを含む検体を迅速かつ正確に検出するためのデバイス、システム、及び方法が開示される。
2018504612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象検体を検出するためのシステムであって、
（ａ）チップを備えるセンサカートリッジであって、前記チップが、アクティブセンサ、基準センサを備える、センサカートリッジと、
（ｂ）カートリッジリーダであって、
（ｉ）前記センサカートリッジを物理的に受容するように構成される受容ユニットであって、前記アクティブセンサ及び前記基準センサに動作可能に接続する受容構成要素を更に備える、受容ユニットと、
（ｉｉ）前記アクティブセンサの電気特性及び前記基準センサの電気特性を解析して、前記対象検体を検出するように構成されるマイクロプロセッサであって、
前記アクティブセンサが、
基板と、
前記基板上に配置されるチャネルであって、生理的条件の下でイオンに対して実質的に不透過性である、チャネルと、
前記チャネルに電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極であって、前記チャネルが前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流の流れのための経路を形成するように、分離されて形成される、ソース電極及びドレイン電極と、
前記チャネルの表面に固定化される前記対象検体のための認識要素と、を備え、
前記対象検体と前記認識要素との会合が前記チャネルの前記電気特性の変化を誘起するように、前記認識要素と前記チャネルとの間の距離が構成され、
前記基準センサが、
基板と、
前記基板上に配置されるチャネルであって、生理的条件の下でイオンに対して実質的に不透過性である、チャネルと、
前記チャネルに電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極であって、前記チャネルが前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電流の流れのための経路を形成するように、別個であるように形成される、ソース電極及びドレイン電極と、
前記チャネルの表面上に配置される不動態化層と、を備える、マイクロプロセッサと、を備える、カートリッジリーダと、を備える、システム。
【請求項２】
前記カートリッジリーダが、前記対象検体の検出に関連する前記マイクロプロセッサからの出力を表示するように構成されるディスプレイを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記カートリッジリーダが、前記マイクロプロセッサからリモートコンピューティングデバイスにデータを伝送するように構成される通信インターフェースを更に備える、請求項１〜２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４】
前記通信インターフェースが、無線通信インターフェースを備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記カートリッジリーダが、前記マイクロプロセッサにユーザ入力を提供するように構成される入力デバイスを更に備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記入力デバイスが、バーコードスキャナを備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記入力デバイスが、キーパッドを備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記マイクロプロセッサが、前記入力デバイスからのユーザ入力を、前記アクティブセンサの電気特性、前記基準センサの電気特性、前記対象検体の前記検出に関連する前記マイクロプロセッサからの出力、又はこれらの組み合わせに相関させるように構成される、請求項５〜７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項９】
前記チャネルが、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合を含み、
前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合が、第１のＩＩＩ族窒化物層及び第２のＩＩＩ族窒化物層を備え、
二次元電子ガスが前記ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合内部で生成されるように、前記第１のＩＩＩ族窒化物層及び前記第２のＩＩＩ族窒化物層が異なるバンドギャップを有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１のＩＩＩ族窒化物層が、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第２のＩＩＩ族窒化物層が、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＡｌＮ、ＧａＮ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、請求項９又は１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１のＩＩＩ族窒化物層が、ＧａＮを含み、前記第２のＩＩＩ族窒化物本体が、ＡｌＧａＮを含む、請求項９〜１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
前記認識要素が、連結基を介して前記チャネルの表面に固定化される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記連結基が、前記認識要素と前記チャネルの表面との間の距離が約１０ｎｍ未満であるように選択される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記連結基が、多価連結基を含む、請求項１３〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記連結基が、（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）、（３−グリシジルオキシプロピル）トリメトキシシラン、（３−メルカプトプロピル）トリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、アリルトリメトキシシラン、（３−ブロモプロピル）トリメトキシシラン、トリエトキシビニルシラン、トリエトキシシランアルデヒド、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される多価リンカーに由来する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記連結基が、単価連結基を含む、請求項１３〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記単価連結基が、１〜６個の炭素原子をその骨格に有するアルキル基を含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記単価連結基が、モノアルコキシシラン部分を含むリンカーから誘導される、請求項１７又は１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記単価連結基が、モノハロシラン部分を含むリンカーから誘導される、請求項１７又は１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記単価連結基が、（３−アミノプロピル）ジメチルエトキシシラン（ＡＰＤＭＥＳ）、（３−グリシドキシプロピル）ジメチルエトキシシラン、（４−クロロブチル）ジメチルクロロシラン、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される単価リンカーから誘導される、請求項１７〜２０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２２】
前記認識要素が、抗体、抗体断片、ペプチド、オリゴヌクレオチド、ＤＮＡ、ＲＮＡ、アプタマー、及び有機分子からなる群から選択される、請求項１〜２１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記認識要素が、前記対象検体と選択的に会合する、請求項１〜２２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記認識要素が、免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ）抗体を含む、請求項１〜２３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２５】
前記認識要素が、単鎖可変断片（ｓｃＦｖ）を含む、請求項１〜２４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２６】
前記認識要素が、単一ドメイン抗体（ｓｄＡｂ）を含む、請求項１〜２５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２７】
前記認識要素が、サルモネラ・エンテリカ、大腸菌、又はリステリアと選択的に会合する抗体を含む、請求項１〜２６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２８】
検体を検出する方法であって、前記検体を含む試料を、請求項１〜２７のいずれか一項によって定義される前記システムの前記センサカートリッジの前記チップに適用し、前記アクティブセンサの電気特性の変化を判定することを含み、前記電気特性の前記変化が、前記検体の存在を示す、方法。
【請求項２９】
前記検体が、食品媒介病原体を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記検体が、サルモネラ・エンテリカ、大腸菌、又はリステリアを含む、請求項２８又は２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全般的に、検体を定量化するためのデバイス、システム、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
検体の迅速な検出は、様々な状況において重要である。例えば、食品媒介病原体（例えばサルモネラ細菌）は、深刻な公衆衛生上の懸念を代表する。サルモネラ・エンテリカは、米国だけで毎年約百万人の感染症の原因になっていると推定される。サルモネラは、主に、汚染された食品源を通して媒介される。収穫中、食品加工中、製造中、及び輸送中にサルモネラを正確に検出することが、サルモネラの拡散を防止するために極めて重要である。しかしながら、既存の診断（ＰＣＲ、ＥＬＩＳＡ）は、時間がかかり（結果まで４８時間を超える）、長い培養時間（１２時間を超える）を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
サルモネラなどの検体を検出し、定量化するための改善された迅速なデバイス、システム、及び方法は、食品媒介疾病の拡散を低減させる可能性を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
検体を検出し、定量化するためのデバイス、システム、及び方法が本明細書で提供される。本明細書で説明されるデバイス、システム、及び方法は、正確かつ迅速に試料中の対象検体を検出し、定量化するために使用することができる。
【０００５】
検体を検出するためのデバイス及びシステムは、センサカートリッジ及びカートリッジリーダを含むことができる。センサカートリッジは、アクティブセンサ（１つ以上の対象検体を検出するように構成される１つ以上のＦＥＴに基づくセンサ）と、随意に、基準センサ（例えば、信号対雑音の改善を提供するように構成される１つ以上の基準センサ）と、を含む、チップを備えることができる。ある実施形態において、センサカートリッジは、チップ上に配置される２つ以上のアクティブセンサ（例えば、少なくとも３つ、少なくとも５つ、少なくとも１０個、少なくとも２５個、少なくとも５０個、又は少なくとも１００個のアクティブセンサ）を含むことができる。２つ以上のアクティブセンサがチップに存在するときには、すべてのセンサを、同じ対象検体又は異なる対象検体を検出するように構成することができる。アクティブセンサは、様々な好適な構成で構成することができる。例えば、アクティブセンサは、二次元アレイで、三次元アレイで、又はウェットストーンブリッジ構成で、個々に構成することができる。
【０００６】
いくつかの実施形態において、センサカートリッジは、様々な量（例えば、ＦＤＡ生物学的評価マニュアル（Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ  Ｍａｎｕａｌ）で規定される１分析単位、又は２５グラム）の試料を受け入れるように構成される試料取り扱い装置を備えることができる。試料取り扱い装置は、試料材料をカートリッジ（例えば、フローセル）の中の１つ以上のセンサ全体にわたって移動するように誘起して、試料容量の全体がカートリッジの中の１つ以上のセンサに接触することを可能にするように構成することができる。
【０００７】
デバイスの中のアクティブセンサ（複数可）は、基板（例えば、サファイヤ）と、基板上に配置されるチャネルであって、生理的条件の下でイオンに対して実質的に不透過性である、チャネルと、チャネルに電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極であって、チャネルがソース電極とドレイン電極との間の電流の流れのための経路を形成するように、別個であるように形成される、ソース電極及びドレイン電極と、チャネルの表面に固定化される対象検体のための認識要素と、を備えることができる。認識要素とチャネルとの間の距離は、対象検体と認識要素との会合がチャネルの電気特性の変化を誘起するように構成することができる。いくつかの用途において、対象検体の寸法は、チャネルの面積に対して大きくすることができ、ＦＥＴの電気特性（例えば、キャパシタンスの変化）を変化させる。デバイスの基準センサ（複数可）は、基板と、基板上に配置されるチャネルであって、生理的条件の下でイオンに対して実質的に不透過性である、チャネルと、チャネルに電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極であって、チャネルがソース電極とドレイン電極との間の電流の流れのための経路を形成するように、別個であるように形成される、ソース電極及びドレイン電極と、チャネルの表面上に配置される不動態化層と、を備えることができる。
【０００８】
カートリッジリーダは、センサカートリッジを受容し、センサに問い合わせて（例えば、存在するときには、１つ以上のアクティブセンサ及び１つ以上の基準センサ）、アクティブセンサに近在する（例えば、アクティブセンサの５０ｎｍ以内の、アクティブセンサの２５ｎｍ以内の、アクティブセンサの１０ｎｍ以内の、アクティブセンサのデバイ長さ以内の、アクティブセンサと接触する、及び／又はアクティブセンサの認識要素に結合される、又は別様には該認識要素と会合される）検体を検出するように構成される、任意の好適なデバイスとすることができる。カートリッジリーダは、センサカートリッジを物理的に受容するように構成される受容ユニットであって、アクティブセンサ及び基準センサに動作可能に（例えば、電気的に）接続する受容構成要素を更に備える、受容ユニットと、１つ以上のアクティブセンサの電気特性、及びいくつかの場合では、基準センサの電気特性を解析して、対象検体を検出するように構成されるマイクロプロセッサと、を含むことができる。
【０００９】
カートリッジリーダは、対象検体の検出に関連するマイクロプロセッサからの出力を表示するように構成されるディスプレイを更に備えることができる。カートリッジリーダは、無線（例えば、ＧＳＭ（登録商標）携帯電話接続、Ｗｉ−Ｆｉモジュール、ブルートゥース（登録商標）モジュール、若しくはパケット無線）で、又は直接有線接続（例えば、ＵＳＢポート、若しくはイーサネット（登録商標）ポート）によって、マイクロプロセッサからリモートコンピューティングデバイスにデータを伝送するように構成される通信インターフェースを更に備えることができる。
【００１０】
いくつかの実施形態において、カートリッジリーダは、マイクロプロセッサにユーザ入力を提供するように構成される入力デバイスを更に備えることができる。例えば、入力デバイスは、バーコードスキャナ、１つ以上の入力キー、及び／又はタッチスクリーンを備えることができる。これらの実施形態において、マイクロプロセッサは、入力デバイスからのユーザ入力を、アクティブセンサの電気特性、基準センサの電気特性、対象検体の検出に関連するマイクロプロセッサからの出力、又はこれらの組み合わせに相関させるように構成することができる。このようにして、センサ示度は、解析されている試料、並びに検体の存在／不在及び／又は濃度と相関させ、判定し、通信することができる。
【００１１】
いくつかの実施形態において、カートリッジリーダは、リアルタイムクロックを更に備える。これらの実施形態において、マイクロプロセッサは、センサ示度を、日付及び時間と相関させるように更に構成することができる。このように、カートリッジリーダからリモートコンピューティングデバイスに伝送されるデータは、センサ示度及び試験の時間を含むことができる。
【００１２】
いくつかの実施形態において、カートリッジリーダは、グローバルポジショニング受信機（ＧＰＳ）を更に備えることができる。これらの実施形態において、マイクロプロセッサは、センサ示度を、リーダの物理的な場所（例えば、農作物の田畑の座標）と相関させるように更に構成することができる。このように、カートリッジリーダからリモートコンピューティングデバイスに伝送されるデータは、センサ示度に加えて、試料の場所を含むことができる。
【００１３】
いくつかの実施形態において、カートリッジリーダは、デジタルカメラを更に備える。これらの実施形態において、マイクロプロセッサは、センサ示度を、試料の画像又は試料が収集された地点と相関させるように更に構成することができる。このように、カートリッジリーダからリモートコンピューティングデバイスに伝送されるデータは、センサ示度及び画像を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】検体を検出するためのシステムの要素の斜視図である。
【図２】センサカートリッジに存在するチップ上に配置することができるアクティブセンサの側面断面図である。
【図３】ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合を含むチャネルを含むアクティブセンサの側面断面図である。
【図４】本明細書で説明されるシステムの要素を例示するブロック図である。
【図５】本明細書で説明されるシステムを使用して検体を検出する方法の概略図である。
【図６】センサカートリッジの図である。
【図７Ａ】チップ上のアクティブセンサの潜在的配置を例示する。
【図７Ｂ】チップ上のアクティブセンサの潜在的配置を例示する。
【図７Ｃ】チップ上のアクティブセンサの潜在的配置を例示する。
【図８】センサカートリッジで使用するためのチップの概略図である。
【図９】センサと接触する試料の概略図である。
【図１０】ＰＢＳ及びサルモネラで汚染された試料へのセンサの露出に応じて、測定されたセンサの電気特性（電流対閾値電圧）の変化を例示するプロットである。
【図１１】生きているサルモネラ及び死んだサルモネラによって汚染された試料に対する、測定されたセンサの電気特性の異なる応答を例示するプロットである。
【図１２Ａ】様々な量の流体試料を受け入れ、試料材料をカートリッジ（例えば、フローセル）の中の１つ以上のセンサ全体にわたって移動するように誘起して、試料容量の全体がカートリッジの中の１つ以上のセンサに接触することを可能にすることができる、例示的な試料取り扱い装置の概略図である。
【図１２Ｂ】様々な量の流体試料を受け入れ、試料材料をカートリッジ（例えば、フローセル）の中の１つ以上のセンサ全体にわたって移動するように誘起して、試料容量の全体がカートリッジの中の１つ以上のセンサに接触することを可能にすることができる、例示的な試料取り扱い装置の概略図である。
【図１２Ｃ】様々な量の流体試料を受け入れ、試料材料をカートリッジ（例えば、フローセル）の中の１つ以上のセンサ全体にわたって移動するように誘起して、試料容量の全体がカートリッジの中の１つ以上のセンサに接触することを可能にすることができる、例示的な試料取り扱い装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
検体を検出し、定量化するためのデバイス、システム、及び方法が本明細書で提供される。本明細書で説明されるデバイス、システム、及び方法は、正確かつ迅速に試料中の対象検体を検出し、定量化するために使用することができる。
【００１６】
検体を検出し、定量化するための例示的なシステム（１００）が、図１に図示される。システム（１００）の態様は、図４で例示されるブロック図において更に詳述される。検体を検出するためのデバイス及びシステムは、センサカートリッジ（１２０）及びカートリッジリーダ（１１０）を含むことができる。センサカートリッジ（１２０）は、アクティブセンサ（１つ以上の対象検体を検出するように構成される１つ以上のＦＥＴに基づくセンサ５１０）と、随意に、基準センサ（例えば、信号対雑音の改善を提供するように構成される１つ以上の基準センサ５０２）とを含む、チップ（例えば、図８を参照されたい）を備えることができる。ある実施形態において、センサカートリッジ（１２０）は、チップ上に配置される２つ以上のアクティブセンサ（例えば、少なくとも３つ、少なくとも５つ、少なくとも１０個、少なくとも２５個、少なくとも５０個、又は少なくとも１００個のアクティブセンサ）を含むことができる。２つ以上のアクティブセンサがチップに存在するときには、すべてのセンサを、同じ対象検体又は異なる対象検体を検出するように構成することができる。アクティブセンサは、アレイ（例えば、図７Ａ〜７Ｃの７２５、７５０、及び７７５）を参照されたい）で、又は当該技術分野でよく知られているウェットストーンブリッジ構成で、個々に構成することができる。
【００１７】
いくつかの実施形態において、センサカートリッジ（１２０）は、様々な量（例えば、ＦＤＡ生物学的評価マニュアル（Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ  Ｍａｎｕａｌ）で規定される１分析単位、典型的には２５グラム）の試料を受け入れるように構成される試料取り扱い装置（例えば、図１２Ａ〜１２Ｃの９００を参照されたい）を更に備えることができる試料取り扱い装置は、試料を１つ以上のセンサ（９３０）全体にわたって移動するように誘起して、試料容量の全体がカートリッジの中の１つ以上のセンサに接触することを可能にする流体流路に沿って、チャネル入口（９１０）からチャネル出口（９２０）に流体試料を方向付けるように構成されるフローセルとすることができる。いくつかの用途において、試料取り扱い装置は、様々な量の試料を保持するために、１つ以上のリザーバを含むことができる（例えば、リザーバは、試料を、フローセルと直列に保持するように構成される）。
【００１８】
デバイスの中のアクティブセンサ（複数可）は、基板（例えば、サファイヤ）と、基板上に配置されるチャネルであって、生理的条件の下でイオンに対して実質的に不透過性である、チャネルと、チャネルに電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極であって、チャネルがソース電極とドレイン電極との間の電流の流れのための経路を形成するように、別個であるように形成される、ソース電極及びドレイン電極と、チャネルの表面に固定化される対象検体のための認識要素と、を備えることができる。認識要素とチャネルとの間の距離は、対象検体と認識要素との会合がチャネルの電気特性の変化を誘起するように構成することができる。いくつかの用途において、対象検体の寸法は、チャネルの面積に対して大きくすることができ、ＦＥＴの電気特性（例えば、キャパシタンスの変化）を変化させる。デバイスの基準センサ（複数可）は、基板と、基板上に配置されるチャネルであって、生理的条件の下でイオンに対して実質的に不透過性である、チャネルと、チャネルに電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極であって、チャネルがソース電極とドレイン電極との間の電流の流れのための経路を形成するように、別個であるように形成される、ソース電極及びドレイン電極と、チャネルの表面上に配置される不動態化層と、を備えることができる。ＦＥＴに基づくセンサの設計は、下で更に詳細に説明される。
【００１９】
カートリッジリーダ（１１０）は、センサカートリッジ（１２０）を受容し、センサに問い合わせて（例えば、存在するときには、１つ以上のアクティブセンサ及び１つ以上の基準センサ）、アクティブセンサに近在する（例えば、アクティブセンサの５０ｎｍ以内の、アクティブセンサの２５ｎｍ以内の、アクティブセンサの１０ｎｍ以内の、アクティブセンサのデバイ長さ以内の、アクティブセンサと接触する、及び／又はアクティブセンサの認識要素に接着される、又は別様には該認識要素と会合される）検体を検出するように構成される、任意の好適なデバイスとすることができる。カートリッジリーダ（１１０）は、センサカートリッジ（１２０）を物理的に受容する受容ユニット（１３０）であって、受容構成要素を適所に保持するセンサカートリッジ（１２０）に物理的に接続する受容構成要素、及びアクティブセンサ及び基準センサに動作可能に（例えば、電気的に）接続する受容構成要素を更に備える、受容ユニット（１３０）と、低雑音プリアンプ（４３０）に接続される１つ以上のアクティブセンサの電気特性、及びいくつかの場合では、基準センサの電気特性を解析して、対象検体を検出するように構成されるマイクロプロセッサ（４０５）を含むマイクロコンピュータ（４１０）を含む、データ処理サブシステム（図４の４００を参照されたい）と、を含むことができる。データ処理サブシステム（４００）は、マイクロプロセッサ（４０５）、ＲＡＭメモリ（４０６）、ＲＯＭメモリ（４０７）、フラッシュメモリ（４０８）、アナログ−デジタル変換器（４０９）、及びデジタル−アナログ変換器（４０４）を含む、マイクロコンピュータ（４１０）と、高水準プログラミング言語（例えば、Ｃ＋＋）を使用してハードウェア要素を制御するためのオペレーティングシステム（４１５）と、バーコードスキャナ（４４０）と、カメラ（図示せず）と、ＧＰＳ受信機（図示せず）と、再充電可能バッテリ（４４５）と、を含むことができる。いくつかの用途において、データ処理サブシステム（４００）はまた、タッチスクリーンディスプレイ及びコントローラ（４５０）と、外部スイッチ（４６０）のためのインターフェースと、１つ以上のデータ通信機能（例えば、ブルートゥース（登録商標）モジュール（４７０）、パケット無線モジュール（４８０）、Ｗｉ−Ｆｉ無線モジュール（４８５）、ＵＳＢポート（４９０）、データ記憶カード（４９５）、プリンタ（４７５）、及び／又は携帯電話の接続（図示せず））も含むことができる。
【００２０】
データ処理サブシステム（４００）は、用途に応じてカートリッジリーダ（１２０）又はセンサカートリッジ（１３０）のいずれかに組み込むことができる追加の機能を含むことができ、該機能は、製造日、較正データ、ロット番号、未使用／使用済状態、及び標的検体が挙げられるが、これらに限定されない、アッセイ固有の情報を製造時に記憶するために使用されるメモリを含むことができる、チップアッセイ識別モジュール（４２０）を含む。当該技術分野でよく知られているように、このデータパッケージは、ヘッダ並びに誤り検出及び修正コードと組み合わせられる一連の個々のデータワードで実現される。未使用／使用済状態ワードは、使用前に、データ処理サブシステムによって読み取ることができ、また、使用後に、再使用を禁止するフォーマットに修正することができ、ロックアウトとして機能する。
【００２１】
カートリッジリーダ（１１０）は、対象検体の検出に関連するマイクロプロセッサ（４０５）からの出力を表示するように構成されるディスプレイ（１５０）を更に備えることができる。カートリッジリーダ（１１０）は、無線（例えば、ＧＳＭ（登録商標）携帯電話接続（図示せず）、Ｗｉ−Ｆｉモジュール（４８５）、ブルートゥース（登録商標）モジュール（４７０）、又はパケット無線（４８０））で、又は直接有線接続（例えば、ＵＳＢポート（４９０）、記憶カード（４９５）、プリンタ（４７５）、又はイーサネット（登録商標）ポート（図示せず）を介して）によって、マイクロプロセッサ（４０５）からリモートコンピューティングデバイスにデータを伝送するように構成される通信インターフェースを更に備えることができる。
【００２２】
いくつかの実施形態において、カートリッジリーダ（１１０）は、マイクロプロセッサ（４０５）にユーザ入力を提供するように構成される入力デバイスを更に備えることができる。例えば、入力デバイスは、バーコードリーダ（４４０）、１つ以上の入力キー（１４０）、及び／又はタッチスクリーン（１５０）を備えることができる。これらの実施形態において、マイクロプロセッサ（４０５）は、入力デバイスからのユーザ入力を、アクティブセンサの電気特性、基準センサの電気特性、対象検体の検出に関連するマイクロプロセッサ（４０５）からの出力、又はこれらの組み合わせに相関させるように構成することができる。このようにして、センサ示度は、解析されている試料、並びに検体の存在／不在及び／又は濃度と相関させ、判定し、通信することができる。
【００２３】
いくつかの実施形態において、カートリッジリーダ（１１０）は、リアルタイムクロックを更に備えることができる。これらの実施形態において、マイクロプロセッサは、センサ示度を、日付及び時間と相関させるように更に構成することができる。このように、カートリッジリーダからリモートコンピューティングデバイスに伝送されるデータは、センサ示度及び試験の時間を含むことができる。
【００２４】
いくつかの実施形態において、カートリッジリーダ（１１０）は、グローバルポジショニング受信機（ＧＰＳ）（図示せず）を更に備えることができる。これらの実施形態において、マイクロプロセッサ（４０５）は、センサ示度を、リーダの物理的な場所（例えば、農作物の田畑の座標）と相関させるように更に構成することができる。このように、カートリッジリーダ（１１０）からリモートコンピューティングデバイスに伝送されるデータは、センサ示度に加えて、試料の場所を含むことができる。
【００２５】
いくつかの実施形態において、カートリッジリーダ（１１０）は、デジタルカメラ（図示せず）を更に備えることができる。これらの実施形態において、マイクロプロセッサ（４０５）は、センサ示度を、試料の画像又は試料が収集された地点と相関させるように更に構成することができる。このように、カートリッジリーダ（１１０）からリモートコンピューティングデバイスに伝送されるデータは、センサ示度及び画像を含むことができる。
【００２６】
いくつかの実施形態において、１つ以上のセンサプリアンプ（４３０）は、センサカートリッジ（１２０）の任意のプリアンプに加えて、又はその代わりに、カートリッジリーダ（１１０）に含むことができる。
【００２７】
ＦＥＴに基づくセンサ
好適なＦＥＴに基づくセンサは、Ｌｅｅ他への米国特許出願公開第２０１３／０２０４１０７号、及びＢｅｒｇｅｒ他への米国特許出願公開第２０１３／０１５８３７８号において説明され、これらはどちらも、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【００２８】
上で説明したように、センサカートリッジは、１つ以上のＦＥＴに基づくセンサを含むことができる。センサは、生理的条件における対象検体を正確かつ迅速に検出し、定量化するために使用することができる。
【００２９】
図２を参照すると、センサ（２００）は、基板（２０２）、及び基板上に配置されるチャネル（２０４）を備えることができる。センサは、チャネル（２０４）に電気的に接続されるソース電極（２０６）及びドレイン電極（２０８）を更に含むことができる。ソース電極（２０６）及びドレイン電極（２０８）は、チャネル（２０４）がソース電極とドレイン電極との間の電流の流れのための経路を形成するように、別個であるように形成される。アクティブセンサの場合において、センサはまた、連結基（２１２）を介してチャネル（２０４）の表面に固定化される対象検体のための認識要素（２１０）も備える。
【００３０】
基板は、ＦＥＴに基づくセンサの全体的な動作に適合可能である様々な材料で構成することができる。例えば、基板は、センサの１つ以上の構成要素を配置することができる、電気絶縁体（すなわち、絶縁基板）、又は絶縁体で被覆された半導体（すなわち、絶縁された半導体基板）とすることができる。
【００３１】
好適な絶縁基板の例としては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化シリコン、ダイヤモンド、窒化シリコン、フッ化カルシウム、ガラス、及びこれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。好適な絶縁された半導体基板の例としては、炭化シリコン、シリコン、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛、ダイヤモンド、ヒ化ガリウム、ＭｇＺｎＯ、酸化チタン、リン化インジウム、及び絶縁被覆を含むこれらの組み合わせなどの半導体が挙げられる。絶縁被覆は、上で説明した絶縁基板のうちの１つ以上などの、任意の好適な絶縁体から形成することができる。ある実施形態において、基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ若しくはＧａＮなどのＩＩＩ族窒化物、ガラス、ダイヤモンド、又はこれらの組み合わせを含む。
【００３２】
基板の寸法（例えば、長さ、幅、及び厚さ）は、特に限定されず、また、いくつかの基準を考慮して選択することができ、該基準としては、センサの意図する用途、及び他のセンサ構成要素のサイズ（例えば、ソース電極及び／又はドレイン電極のサイズ、チャネルのサイズ、並びにソース電極及びドレイン電極の配向及び／又は相対位置）が挙げられる。
【００３３】
いくつかの実施形態において、基板は、プレート又はチップの形態である。他の実施形態において、基板は、医療用デバイス、プローブ、調査器具、バイアル、又はマイクロウエルプレートなどの物品の表面とすることができる。ある実施形態において、基板は、展開するための十分な機械的強度を有するセンサを提供するように、少なくとも約１０ミクロン（例えば、少なくとも約５０ミクロン、少なくとも約１００ミクロン、少なくとも約２５０ミクロン、又は少なくとも約５００ミクロン）の厚さを有する。
【００３４】
センサは、ソース電極とドレイン電極との間に電流経路を形成する、基板上に配置されるチャネルを更に備える。チャネルは、生理的条件の下でイオンに対して実質的に不透過性である１つ以上の材料から製作される。いくつかの実施形態において、センサは、イオンに対して実質的に不透過性である材料から製作されるチャネルを備え、よって、センサは、生理的緩衝溶液（例えば、ＰＢＳ緩衝液、ｐＨ＝７．４、１５０ｍＭのＮａ＋）に浸漬したときに、経時的に電流の流れの大幅なドリフトを示さない。いくつかの実施形態において、センサは、イオンに対して実質的に不透過性である材料から製作されるチャネルを備え、よって、センサは、生理的緩衝溶液に浸漬したときに、１０時間の期間にわたって約２０％未満の電流の流れのドリフト（例えば、１０時間の期間にわたって約１５％未満の電流の流れのドリフト、１０時間の期間にわたって約１０％未満の電流の流れのドリフト、又は１０時間の期間にわたって約５％未満の電流の流れのドリフト）を示す。
【００３５】
いくつかの実施形態において、センサのチャネルは、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合を含む。ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合は、第１のＩＩＩ族窒化物層、及び第１のＩＩＩ族窒化物層に蒸着される第２のＩＩＩ族窒化物層から形成することができ、第１のＩＩＩ族窒化物層及び第２のＩＩＩ族窒化物層は、異なるバンドギャップを有し、よって、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合内部で生成される。２ＤＥＧは、例えば、１０１３キャリア／ｃｍ２を超える非常に高いシート電子濃度を含むことができる。このタイプのＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合は、当該技術分野で知られており、例えばＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．（Ｒａｌｅｉｇｈ，ＮＣ）から市販されている。例えば、Ｋｈａｎ他への米国特許第５，１９２，９８７号も参照されたい。
【００３６】
本明細書で使用するときに、用語「ＩＩＩ族窒化物」は、窒素及び周期表のＩＩＩ族の要素、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及び／又はインジウム（Ｉｎ）から形成される半導体化合物を指す。この用語はまた、ＡｌＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮなどの三級及び四級化合物も指す。当該技術分野でよく理解されているように、ＩＩＩ族要素は、窒素と組み合わせて、二級（例えば、ＧａＮ）、三級（例えば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）、及び四級（例えばＡｌＩｎＧａＮ）化合物を形成することができる。これらの化合物は、１モルの窒素を合計１モルのＩＩＩ族要素と組み合わせる実験式を有する。いくつかの実施形態において、ＩＩＩ族窒化物は、構造式ＡｌｘＧａ１−ｘＮによって定義することができ、式中、ｘは、０から１の範囲である。
【００３７】
第１のＩＩＩ族窒化物本体は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むことができる。第２のＩＩＩ族窒化物本体は、例えば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＡｌＮ、ＧａＮ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含むことができる。ある実施形態において、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合は、ＧａＮを含む第１のＩＩＩ族窒化物本体、及びＡｌＧａＮを含む第２のＩＩＩ族窒化物本体から形成される。
【００３８】
チャネルはまた、チャネルを生理的条件の下でイオンに対して実質的に不透過性にする不動態化層で被覆された半導体層から形成することもできる。例えば、チャネルは、Ａｌ２Ｏ３不動態化層で被覆された、シリコンなどの上で説明した半導体材料のうちのいずれかから形成されることができる。
【００３９】
これらの実施形態において、不動態化層は、半導体層の表面に蒸着されるＡｌ２Ｏ３の薄いフィルムとすることができる。不動態化層は、約１５０ｎｍ以下（例えば、約１４０ｎｍ以下、約１３０ｎｍ以下、約１２０ｎｍ以下、約１１０ｎｍ以下、約１００ｎｍ以下、約９０ｎｍ以下、約８０ｎｍ以下、約７０ｎｍ以下、約６０ｎｍ以下、約５０ｎｍ以下、約４０ｎｍ以下、約３０ｎｍ以下、又は約２０ｎｍ以下）の厚さを有することができる。例えば、不動態化層は、約５ｎｍ〜約１５０ｎｍ（例えば、約１０ｎｍ〜約１００ｎｍ）の範囲の厚さを有することができる。
【００４０】
ソース電極及びドレイン電極は、任意の好適な電気導体で製作することができる。好適な電気導体の例としては、金、白金、チタン、炭化チタン、タングステン、アルミニウム、モリブデン、クロミウム、ケイ化タングステン、窒化タングステン、並びにこれらの合金及び組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
【００４１】
ソース電極及びドレイン電極は、単独で、及び組み合わせて、センサの動作を容易にするように、任意の好適な配向及び幾何学的形状で製作することができる。ソース電極及びドレイン電極の少なくとも一部分は、ソース電極及びドレイン電極が電気的に接続されるように、チャネルと密着状態で位置付けられる。ソース電極及びドレイン電極は、チャネル（ソース電極及びドレイン電極の両方が電気的に接続される）がソース電極とドレイン電極との間の電流の流れのための経路を形成するように、別個であるように形成される。
【００４２】
ソース電極とドレイン電極との間の距離（すなわち、チャネルの長さ）は、いくつかの因子を考慮して選択することができ、該因子としては、測定されている検体の性質（例えば、サイズ）、検体が測定されている溶液の特性、及びセンサの設計及び使用に関する全体的な考慮事項が挙げられる。いくつかの実施形態において、最も近い地点でのソース電極とドレイン電極との間の距離は、５ミクロン未満（例えば、１ミクロン未満、７５０ｎｍ未満、又は５００ｎｍ未満）未満である。他の実施形態において、最も近い地点でのソース電極とドレイン電極との間の距離は、５ミクロンを超える。例えば、最も近い地点でのソース電極とドレイン電極との間の距離は、約０．５ミクロン〜約５ｍｍ（例えば、約１ミクロン〜約１ｍｍ、約５ミクロン〜約７５０ミクロン、約１０ミクロン〜約５００ミクロン、約２５ミクロン〜約３５０ミクロン、又は約５０ミクロン〜約２００ミクロン）の範囲とすることができる。チャネルの長さは、標的検体のサイズよりも大きくすることができる。例えば、細菌検体（例えばサルモネラ・エンテリカ）を検出するように設計されるセンサの場合において、チャネルの長さは、細菌のサイズの１０〜１００倍（例えば、長さ７〜５００ミクロン、長さ１０〜５００ミクロン、長さ１５〜５００ミクロン、長さ２０〜５００ミクロン、長さ５０〜５００ミクロン、長さ７〜２００ミクロン、長さ１０〜２００ミクロン、長さ１５〜２００ミクロン、長さ２０〜２００ミクロン、長さ５０〜２００ミクロン、長さ７〜１５０ミクロン、長さ１０〜１５０ミクロン、長さ１５〜１５０ミクロン、長さ２０〜１５０ミクロン、長さ５０〜１５０ミクロン、長さ７〜５０ミクロン、長さ１０〜５０ミクロン、長さ１５〜５０ミクロン、長さ２０〜５０ミクロン、長さ７〜２０ミクロン、長さ１０〜２０ミクロン、又は長さ１５〜２０ミクロン）である。
【００４３】
アクティブセンサの場合において、認識要素は、連結基を介して、又はチャネル表面への直接吸着によってチャネル表面に固定化することができる。いくつかの実施形態において、認識要素は、連結基を介してチャネルの表面に固定化される。連結基は、認識要素とチャネルとの間の距離のように、対象検体と認識要素との会合がチャネルの電気特性の変化を誘起するように選択することができる。いくつかの場合において、連結基は、認識要素とチャネルの表面との間の距離が、約１０ｎｍ未満（例えば、約９ｎｍ未満、約８ｎｍ未満、約７ｎｍ未満、約６ｎｍ未満、約５ｎｍ未満、約４ｎｍ未満、約３ｎｍ未満、約２ｎｍ未満、又は約１ｎｍ未満）であるように選択される。
【００４４】
いくつかの実施形態において、連結基は、多価連結基を含む。多価連結基は、多価リンカー（すなわち、２つ以上の化学的部分を介してチャネル表面と会合し、認識要素に共有結合的又は非共有結合的に連絡される能力を有するリンカー）から誘導される。例えば、多価連結基は、チャネル表面との２つ以上の共有結合及び認識要素との共有結合を形成する小分子リンカーから誘導することができる。
【００４５】
いくつかの実施形態において、連結基が多価連結基を含む場合、認識要素は、トリアルコキシシランモノマーから誘導されるシランポリマーフィルムなどの界面ポリマーフィルムに結合される。原則として、好適な厚さ（例えば、１０ｎｍ未満、約９ｎｍ未満、約８ｎｍ未満、約７ｎｍ未満、約６ｎｍ未満、約５ｎｍ未満、約４ｎｍ未満、約３ｎｍ未満、約２ｎｍ未満、又は約１ｎｍ未満）の界面フィルムを生成し、認識要素に（共有結合的又は非共有結合的に）連結される能力を有する、任意のポリマーが多価連結基としての機能を果たすことができる。好適な多価連結基の例としては、（３−アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）、（３−グリシジルオキシプロピル）トリメトキシシラン、（３−メルカプトプロピル）トリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、アリルトリメトキシシラン、（３−ブロモプロピル）トリメトキシシラン、トリエトキシビニルシラン、トリエトキシシランアルデヒド（ＴＥＡ）、及びこれらの組み合わせを含む、多価リンカーから誘導される薄いフィルムが挙げられる。
【００４６】
ある実施形態において、連結基は、単価連結基を含む。単価連結基は、単価リンカー（すなわち、単一の化学的部分を介してチャネル表面と会合し、認識要素に共有結合的又は非共有結合的に連絡される能力を有するリンカー）から誘導される。例えば、単価連結基は、チャネル表面と会合されるか、又はそれに結合される第１の部分、及び認識要素と会合されるか、又はそれに結合される第２の部分を保有することができる。このようにして、単価リンカーは、認識要素をチャネル表面に繋ぐ分子単層を形成する。
【００４７】
単価連結基は、第１の反応性部分及び第２の反応性部分を含むヘテロ二官能性小分子から誘導することができる。第１の反応性部分は、チャネル表面と（例えば、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合と）反応することができ、第２の反応性部分は、認識要素の中に存在する１つ以上の部分と反応することができる。いくつかの実施形態において、単価連結基は、１〜６個の炭素原子をその骨格に有するアルキル基を含む。
【００４８】
いくつかの実施形態において、単価連結基は、モノアルコキシシラン部分を含むリンカーから誘導される。いくつかの実施形態において、単価連結基は、モノハロシラン部分を含むリンカーから誘導される。好適な単価リンカーの例としては、（３−アミノプロピル）ジメチルエトキシシラン（ＡＰＤＭＥＳ）、（３−グリシドキシプロピル）ジメチルエトキシシラン、（４−クロロブチル）ジメチルクロロシラン、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【００４９】
アクティブセンサの場合において、センサは、対象検体と認証要素との会合がセンサの電気特性（例えば、チャネルの電気特性）の変化を誘起するように、チャネル表面に近接して固定化される（例えば、チャネルの表面に固定化される）対象検体のための認識要素を更に含む。特定の対象検体のための認識要素は、当該技術分野で知られており、検体識別情報、検体濃度、及び検体が検出される試料の性質を含む、いくつかの考慮事項を考慮して選択することができる。好適な認識要素としては、抗体、抗体断片、抗体模倣剤（例えば、ＡＦＦＩＢＯＤＹ（登録商標）親和性リガンドなどの人工親和性リガンド）、ペプチド（天然又は修飾ペプチド）、タンパク質（例えば、組み換え型タンパク質、ホストタンパク質）、オリゴヌクレオチド、ＤＮＡ、ＲＮＡ（例えば、マイクロＲＮＡ）、アプタマー（核酸又はペプチド）、及び有機小分子（例えば、ハプテン又は酵素共因子）が挙げられる。
【００５０】
いくつかの実施形態において、認識要素は、対象検体と選択的に会合する。本明細書で使用するときに、用語「選択的に会合する」は、認識要素を参照するときには、他の類似する化合物の不均一集団の中の対象検体に対して決定的である結合反応を指す。全般的に相互作用は、結合パートナー上に特定の構造（例えば、抗原決定基又はエピトープ）が存在することに依存する。一例として、抗体又は抗体断片（例えば、特に抗原に特異的に結合する抗体）は、その特定の標的に会合するが、試料の中に存在する他のタンパク質に、又は抗体が有機体の中で接触することができる他のタンパク質に多量に結合しない。
【００５１】
いくつかの実施形態において、対象検体に「特異的に結合する」認識要素は、約１０５Ｍ−１を超える（例えば、約１０６Ｍ−１を超える、約１０７Ｍ−１を超える、約１０８Ｍ−１を超える、約１０９Ｍ−１を超える、約１０１０Ｍ−１を超える、約１０１１Ｍ−１を超える、約１０１２Ｍ−１を超える、又はそれ以上の）その対象検体との親和定数（ｋａ）を有する。
【００５２】
ある実施形態において、認識要素は、抗体を含む。用語「抗体」は、標的抗原に選択的に結合する、天然又は合成の抗体を指す。この用語は、ポリクローナル抗体及びモノクローナル抗体を含む。完全な免疫グロブリン分子に加えて、用語「抗体」には、そうした免疫グロブリン分子の断片又はポリマー、及び標的抗原に選択的に結合するヒト又はヒト化バージョンの免疫グロブリン分子も含まれる。この用語は、タイプＩｇＡ、ＩｇＧ（例えば、ＩｇＧ１、ＩｇＧ２、ＩｇＧ３、ＩｇＧ４）、ＩｇＥ、ＩｇＤ、ＩｇＭ、ＩｇＹの完全な及び／又は完全長免疫グロブリン、完全免疫グロブリンの抗原結合断片及び／又は単鎖（例えば、単鎖抗体、Ｆａｂ断片、Ｆ（ａｂ’）２断片、Ｆｄ断片、ｓｃＦｖ（単鎖可変）、及び単一ドメイン抗体（ｓｄＡｂ）断片）、並びに少なくとも１つの抗原結合免疫グロブリン可変領域を含む他のタンパク質、例えば免疫グロブリン可変領域、例えば重（Ｈ）鎖可変領域（ＶＨ）及び随意に、軽（Ｌ）鎖可変領域（ＶＬ）を含むタンパク質を包含する。抗体の軽鎖は、カッパタイプ又はラムダタイプとすることができる。
【００５３】
抗体は、ポリクローナル又はモノクローナルとすることができる。ポリクローナル抗体は、免疫グロブリン分子を含み、該免疫グロブリン分子は、それらの相補性決定領域（ＣＤＲ）の配列が異なり、したがって、典型的には、抗原の異なるエピトープを認識する。しばしば、ポリクローナル抗体は、それぞれが異なる特異性を有する抗体を生成する、多数の異なるＢ細胞系から誘導される。ポリクローナル抗体は、主としていくつかの抗体の亜集団で構成することができ、該亜集団の各々は、個々のＢ細胞系から誘導される。モノクローナル抗体は、個々の免疫グロブリン分子で構成され、該個々の免疫グロブリン分子は、同じ配列を有するＣＤＲを含み、したがって、同じエピトープを認識する（すなわち、この抗体は、単一特異的である）。しばしば、モノクローナル抗体は、単一Ｂ細胞系又はハイブリドーマから誘導される。抗体は、「ヒト化」抗体とすることができ、例えば、齧歯動物起源の可変ドメインがヒト起源の定常ドメインに融合されるか、又は相補性決定領域アミノ酸の一部若しくはすべてが、しばしば１つ以上のフレームワークアミノ酸とともに、齧歯動物、例えばマウスの抗体からヒト抗体に「移植され」、したがって、齧歯動物抗体の特異性を保持する。
【００５４】
ある実施形態において、認識要素は、免疫グロブリンＧ（ＩｇＧ）抗体、単鎖可変断片（ｓｃＦｖ）、又は単一ドメイン抗体（ｓｄＡｂ）を含む。
【００５５】
ある実施形態において、認識要素は、対象検体として受容体のリガンドを検出する際に使用するための、可溶性受容体などの受容体を含む。
【００５６】
いくつかの実施形態において、認識要素は、抗原又は抗原性ハプテンを含む。ある実施形態において、抗原性ハプテンは、ビオチン又はその誘導体ではない。任意の好適な抗原を使用することができる。例えば、抗原は、ウイルス抗原、細菌抗原、腫瘍抗原、組織特異抗原、真菌抗原、寄生虫抗原、ヒト抗原、植物抗原、非ヒト動物抗原、アレルゲン、合成抗原、又はこれらの組み合わせとすることができる。
【００５７】
ある実施形態において、認識要素は、サルモネラ・エンテリカ、大腸菌、又はリステリア・モノサイトゲネスなどの、１つ以上の食品媒介病原体のための認識要素である。例えば、認識要素は、サルモネラ・エンテリカ、大腸菌、又はリステリア・モノサイトゲネスと選択的に会合する抗体又は抗体の組み合わせとすることができる。
【００５８】
本明細書で説明されるセンサは、１つ以上の追加の構成要素を更に含むことができる。例えば、センサは、ソース電極、ドレイン電極、又はこれらの組み合わせに配置される絶縁体を更に備えることができる。絶縁体は、導電性流体がソース電極とドレイン電極との間に短絡回路を完成させることなく、導電性流体をチャネルの表面に適用することを可能にするように構成することができる。絶縁体はまた、例えば流体試料を適用することがきるウエルを作成するために、チャネル表面の一部分上に配置することもできる。
【００５９】
センサは、ゲートバイアスをチャネルに適用するように構成されるゲート電極を更に含むことができる。ゲートバイアスは、センサが閾値下領域において動作することを可能にするように、チャネルに適用することができる。これは、認識要素と対象検体との相互作用に対してセンサをより高感度にすることを可能にする。いくつかの実施形態において、センサは、バックゲートされる（すなわち、ゲートバイアスをチャネルに適用するように構成される、基板内などのチャネルの下にゲート電極を含む）。センサは、チャネルに隣接して位置付けられ、ゲートバイアスをチャネルに適用するように構成されるサイドゲートを含むことができる。いくつかの実施形態では、ゲートバイアスを適用するために、センサが浸漬される流体と接触する浮動電極が使用される。
【００６０】
センサは、チャネルの電気特性の変化を検出するように構成される電子回路を更に含むことができる。例えば、センサは、電流の流れの変化、電圧の変化、インピーダンスの変化、又はこれらの組み合わせを測定するように構成される電子回路を含むことができる。
【００６１】
例示的なＦＥＴに基づくアクティブセンサが、図３に例示される。センサ（３００）は、基板（３０２）、及び基板上に配置されるＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合（３０２）を備えるチャネルを備える。ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合（３０２）は、第１のＩＩＩ族窒化物層（３０４）及び第２のＩＩＩ族窒化物層（３０６）を備える。第１のＩＩＩ族窒化物層（３０４）及び第２のＩＩＩ族窒化物層（３０６）は、二次元電子ガス（３０８）がＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合（３０２）内部で生成されるように、異なるバンドギャップを有する。センサは、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合（３０２）に電気的に接続されるソース電極（３０７）及びドレイン電極（３０９）を更に含む。ソース電極（３０７）及びドレイン電極（３０９）は、ＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合（３０２）がソース電極（３０７）とドレイン電極（３０９）との間の電流の流れのための経路を形成するように、別個であるように形成される。センサはまた、連結基（３１２）を介してＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合（３０２）の表面に固定化される対象検体のための認識要素（３１１）も含む。絶縁体（３１０）は、ソース電極（３０７）、ドレイン電極（３０９）、及びＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合（３０２）に配置されて、導電性流体がソース電極（３０７）とドレイン電極（３０９）との間に回路を完成させることなく、導電性流体をＩＩＩ族窒化物ヘテロ接合（３０２）の表面に適用することを可能にする。
【００６２】
本明細書で説明されるアクティブセンサは、生理的条件における対象検体を正確かつ迅速に検出し、定量化するために使用することができる。本明細書で使用するときに、用語「生理的条件」は、温度、ｐＨ、イオン、イオン強度、粘度、及び有機体において細胞外又は細胞内に存在する生化学的パラメータなどを指す。いくつかの実施形態において、生理的条件は、有機体の血清及び／又は血液に見出される条件を指す。いくつかの実施形態において、生理的条件は、有機体の細胞に見出される条件を指す。いくつかの条件において、生理的条件は、植物及び／又は動物起源から誘導される均一溶液又は不均一溶液に見出される条件を指す。
【００６３】
生理的条件を模倣するための特定のインビトロ条件は、従来の方法に従って、実践者によって選択することができる。一般のガイダンスの場合、以下の緩衝水性条件が適用可能であり得る：１０〜２５０ｍＭのＮａＣｌ、５〜５０ｍＭのトリスＨＣｌ、ｐＨ５〜８、二価陽イオン（複数可）及び／又は金属キレート剤及び／又は非イオン系界面活性剤及び／又は膜画分及び／又は消泡剤及び／又はシンチラントの随意添加。全般に、生理的条件を模倣するインビトロ条件は、５０〜２００ｍＭのＮａＣｌ又はＫＣｌ、ｐＨ６．５〜８．５、２０〜４５℃、及び０．００１〜１０ｍＭの二価陽イオン（例えば、Ｍｇ２＋、Ｃａ２＋）、好ましくは、約１５０ｍＭのＮａＣｌ又はＫＣｌ、ｐＨ７．２〜７．６、５ｍＭの二価陽イオンを含む。
【００６４】
アクティブセンサは、対象検体を、センサと接触させ、センサチャネルの電気特性の変化を測定することによって、対象検体を検出するために使用することができる。電気特性の変化は、例えば、電流の流れの変化、電圧の変化、インピーダンスの変化、又はこれらの組み合わせとすることができる。
【００６５】
いくつかの場合において、本方法は、ゲートバイアスをチャネルに適用することを更に含むことができる。ゲートバイアスは、ゲート電極を使用して適用することができ、該ゲート電極は、チャネルの下に（すなわち、バックゲート）、チャネルに隣接して（例えば、サイドゲート）、又はチャネル表面に接触する導電性材料と接触して（例えば、浮動電極）位置付けられる。ゲートバイアスは、センサが閾値下領域において動作することを可能にするように選択することができる。これは、認識要素と対象検体との相互作用に対してセンサをより高感度にすることを可能にする。
【００６６】
本明細書で説明される方法は、溶液中の検体を検出するために使用することができる。いくつかの実施形態において、対象検体は、水溶液中に存在する。
【００６７】
対象検体は、生物学的試料中に存在し得る。「生物学的試料」は、本明細書で使用するときに、インビボ又はインビトロで得られる生物学的組織又は流体起源の試料を含む、生物学的被検体から、又はその中で得られる試料を指す。そのような試料は、ヒトを含む哺乳類から単離された体液、器官、組織（例えば、切除された組織を含む）、画分、及び細胞とすることができるが、これらに限定されない。生物学的試料としては、組織を含む生物学的試料の切片（例えば、器官又は組織の切片部分）も挙げることができる。「生物学的試料」という用語はまた、生物学的試料のライセート、ホモジェネート、及び抽出物も含む。
【００６８】
ある実施形態において、対象検体は、体液中に存在する。「体液」は、本明細書で使用するときに、ヒト若しくは動物の被検体から得られる、又はその中に位置する流体組成物を指す。体液としては、尿、全血、血漿、血清、涙液、精液、唾液、痰、呼気、鼻分泌物、咽頭滲出液、気管支肺胞洗浄液、気管吸引液、間質液、リンパ流体、髄膜液、羊水、腺液、糞便、汗、粘液、膣分泌物又は尿道分泌物、脳脊髄液、及び経皮滲出液が挙げられるが、これらに限定されない。体液としてはまた、前述の溶液のすべての実験的に分離された画分、並びに糞便、組織、及び生検試料などのホモジナイズド固体材料を含む混合物も挙げられる。
【００６９】
本明細書で説明される方法は、エキソビボで対象検体を検出するために使用することができる。そのような場合、対象検体を検出するための方法は、患者から生物学的試料を収集することと、生物学的試料中の対象検体をセンサと接触させることと、センサチャネルの電気特性の変化を測定することと、を含むことができる。ある実施形態において、エキソビボ試料は、生物学的流体、ライセート、ホモジェネート、又は抽出物である。
【００７０】
本明細書で説明される方法は、インビトロで対象検体を検出する（すなわち、インビトロで対象検体をセンサと接触させる）ために使用することができる。そのような方法は、例えば、組織培養を監視するために使用することができる。
【００７１】
対象検体は、水試料、空気、土壌浸出液、又は環境試験スワブ（例えば、Ｅｎｖｉｒｏスワブ、３Ｍ、Ｓｔ  Ｐａｕｌ、ＭＮ）などの環境試料の中に存在し得る。
【００７２】
本方法は、対象検体の存在を判定するために、対象検体の濃度を判定するために、又はこれらの組み合わせに使用することができる。
【００７３】
本明細書で説明されるアクティブセンサ及び方法は、様々な検体を検出するために使用することができる。ＦＥＴに基づくセンサによって検出されるように、対象検体は、チャネル表面の近くに電界を生成しなければならない。いくつかの場合では、検体が帯電される（例えば、検体は、正味負電荷又は正味陽電荷を有する）。他の実施形態において、対象検体は、正味中性電荷を有するが、認識要素と会合したときに、チャネルの電気特性を変調させる電界を生成するように、１つ以上の帯電領域を含む。
【００７４】
対象検体は、生体高分子などの巨大分子を含むことができる。「巨大分子」は、本明細書で使用するときに、典型的には、ポリマー、多糖類、タンパク質、ペプチド、又は核酸などの高い相対分子量を有する、大分子を指す。巨大分子は、自然発生し得る（すなわち、生体巨大分子）か、又は合成的若しくは半合成的に調製することができる。ある実施形態において、巨大分子は、約１０００ａｍｕを超える（例えば、約１５００ａｍｕを超える、又は約２０００ａｍｕを超える）分子量を有する。
【００７５】
いくつかの実施形態において、対象検体は、抗体、ペプチド（天然、修飾、又は化学合成）タンパク質（例えば、糖タンパク質、リポタンパク質、又は組み換え型タンパク質）、ポリヌクレオチド（例えば、ＤＮＡ又はＲＮＡ）、脂質、多糖類、病原体（例えば、細菌、ウイルス、若しくは菌類、又は原生動物）、又はこれらの組み合わせである。ある実施形態において、対象検体は、患者の疾患プロセスに関するバイオマーカを含む。
【００７６】
基準センサは、上述したものに類似しているが、基準センサは、対象検体と相互作用する能力が欠如している。例えば、基準センサは、基板、及び基板上に配置されるチャネルを備えることができる。センサは、チャネルに電気的に接続されるソース電極及びドレイン電極を更に含むことができる。ソース電極及びドレイン電極は、チャネルがソース電極とドレイン電極との間の電流の流れのための経路を形成するように、別個であるように形成される。基準センサの場合において、センサまた、試料溶液との接触からチャネルを絶縁する不動態化層をチャネルの表面に備える。
【００７７】
代替のセンサ
本明細書で説明されるデバイス及びシステムのＦＥＴセンサの代わりに、好適な検出感度、検出特異度、及び検出限界を有する他のセンサ技術を使用することができる。例えば、Ｙａｕ他への米国特許第８，５８５，８７９号で説明される電気化学的センサなどの、電気化学的センサを、本明細書で説明されるデバイス及びシステムのＦＥＴセンサの代わりに使用することができ、該米国特許は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。Ｙａｕ他への米国特許第８，５８５，８７９号で説明されるような電気化学センサを使用するときには、当該技術分野でよく知られているように、リーダ回路は、ポテンショスタットを含むように改良される。
【００７８】
本明細書で説明されるデバイス及びシステムで使用することができる別のセンサは、Ｈｏｕｓｅへの米国特許出願公開２０１３／０２４９５７４号に見出され、該米国特許出願公開は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本明細書で説明されるセンサは、抗体処理したナノチューブアレイである。高感度及び特異度を達成するためのアレイの構成は、参考の特許出願公開において説明されるように、リーダ回路への変更が必要になり得る。
【００７９】
本明細書で説明されるデバイス及びシステムに組み込むことができる、当該技術分野の代替のバイオセンサの実施例は、２つだけである。当業者は、本明細書で説明されるシステム及びデバイスにおいて、追加のセンサを使用することができることを認識するであろう。
【００８０】
使用方法
本明細書で説明されるデバイス及びシステムを使用する方法が図５に概略的に例示される。方法は、センサカートリッジのチップのアクティブセンサを試料溶液と接触させることと、センサカートリッジをカートリッジリーダに係合することと、センサの電気特性の変化を測定することと、を含むことができる。電気特性の変化は、例えば、電流の流れの変化、電圧の変化、インピーダンスの変化、キャパシタンスの変化、又はこれらの組み合わせとすることができる。方法は、基準センサを使用して、測定された変化を修正することと、測定された変化及び／又は修正された変化を処理して、検体濃度などの追加の情報を得ることと、を更に含むことができる。
【００８１】
本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、臨床環境及び調査環境において、タンパク質及びペプチドを検出するために、並びに／又はタンパク質及びペプチドの濃度を測定するために、ＥＬＩＳＡなどの既存のイムノアッセイの代わりに使用することができる。例えば、本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、試料の抗体又は抗原を検出するために使用することができる。
【００８２】
本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、臨床環境及びヘルスケア環境において、バイオマーカ（すなわち、特定の病理学的状態又は生理学的状態と関連付けられる分子インジケータ）を検出するために使用することができる。本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、（例えば、血清抗体濃度を測定するか、又は抗原を検出することによって）患者の感染症を診断するために使用することができる。例えば、本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、ウイルス感染（例えば、エボラ、ＨＩＶ、Ｂ型肝炎、Ｃ型肝炎、ロタウイルス、インフルエンザ、又は西ナイルウイルス）、細菌性感染症（例えば、大腸菌、ライム病、又はヘリコバクター・ピロリ）、及び寄生虫感染症（例えば、トキソプラズマ症、シャガス病、又はマラリア）を診断するために使用することができる。本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、ＨＩＶ、Ｃ型肝炎、Ｂ型肝炎、並びにＨＴＬＶ−１及び−２によるウイルス汚染の兆候について、献血を迅速にスクリーニングするために使用することができる。本明細書で説明されるデバイス及びシステムはまた、ホルモンレベルを測定するために使用することもできる。例えば、センサは、ヒト絨毛性ゴナドトロピン（ｈＣＧ）（妊娠に対する検査として）、黄体形成ホルモン（ＬＨ）（排卵の時間を判定する）、又は甲状腺刺激ホルモン（ＴＳＨ）（甲状腺の機能を評価する）のレベルを測定するために使用することができる。本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、例えばグリコシル化ヘモグロビン、インスリン、又はこれらの組み合わせのレベルを測定することによって、患者の糖尿病を診断又は監視するために使用することができる。本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、（例えば、未修飾タンパク質と修飾タンパク質との間の差分電荷に基づいて、及び／又は未修飾タンパク質若しくは修飾タンパク質のいずれかに固有の認識要素を利用することによって）タンパク質修飾を検出するために使用することができる。
【００８３】
本明細書で説明される本明細書で説明されるデバイス及びシステムはまた、例えば、インビボで治療用ペプチドのレベルを検出する、及び／又は監視するために使用することもできる。例えば、本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、インビボで成長ホルモン、インターフェロン−アルファ、リツキシマブ、インフリキシマブ、エタネルセプト、又はベバシズマブのレベルを検出する、及び／又は監視するために使用することができる。これは、治療中に（例えば、治療用ペプチドの臨床的に好ましいレベルを滴定するために）、並びに臨床試験中に使用することができる。
【００８４】
本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、マイコトキシン、毒液、細菌エンドトキシン及びエクソトキシン、並びにシアノトキシンを含む、タンパク性毒素を検出するために使用することができる。例えば、本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、ボツリヌス毒素、リシン、破傷風毒素、クロストリジウム・ディフィシル毒素Ａ、クロストリジウム・ディフィシル毒素Ｂ、又はブドウ球菌性エンテロトキシンＢ（ＳＥＢ）を検出するために使用することができる。
【００８５】
本明細書で説明されるデバイス及びシステムはまた、他の商業用途において使用することもできる。例えば、本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、小麦、牛乳、ピーナッツ、クルミ、アーモンド、及び鶏卵などの潜在的食品アレルゲンを検出するために、食品産業において使用することができる。本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、食品、化粧品、栄養補助食品、医薬品、及び他の消費者製品において、対象タンパク質のレベルを検出する、及び／又は測定するために使用することができる。
【００８６】
いくつかの実施形態において、本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、食品及び環境試料におけるサルモネラ・エンテリカ、大腸菌、又はリステリア・モノサイトゲネスなどの、食品媒介病原体を検出するために使用することができる。
【００８７】
本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、バイオテクノロジー産業において、製造中に抗体などの生体分子の濃度を測定するために使用することができる。
【００８８】
本明細書で説明されるデバイス及びシステムは、プロセス制御用途において、例えば、サルモネラ・エンテリカ、大腸菌、又はリステリア・モノサイトゲネスなどの食品媒介病原体について、食品、洗浄水、又は他の試料を継続的に監視するために使用することができる。
【００８９】
非限定的な実例として、本開示のある実施形態の実施例が以下に与えられる。
【実施例】
【００９０】
実施例１：サルモネラを検出し、定量化するためのハンドヘルドセンサ
サルモネラ細菌は、深刻な公衆衛生上の懸念である。サルモネラ・エンテリカは、米国だけで毎年約百万人の感染症の原因になっていると推定される。サルモネラは、主に、汚染された食品源を通して媒介される。収穫中、食品加工中、製造中、及び輸送中にサルモネラを正確に検出することが、サルモネラの拡散を防止するために極めて重要である。しかしながら、既存の診断（ＰＣＲ、ＥＬＩＳＡ）は、時間がかかり（結果まで４８時間を超える）、長い培養時間（１２時間を超える）を必要とする。サルモネラなどの検体を検出し、定量化するための改善された迅速なデバイス、システム、及び方法は、食品媒介疾病の拡散を低減させる可能性を提供する。
【００９１】
提案されたハンドヘルドＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅサルモネラ・エンテリカ検出器への導入
ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅサルモネラ・エンテリカ検出器は、不均一接合電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の表面に存在する認識要素（例えば、抗体）への検体の結合に基づいて、検体を迅速に検出するためのデバイスである。ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅセンサは、農作物生産のすべての段階において、関係者に対するサルモネラ・エンテリカの試験と関連付けられる時間及び労力を低減させることを目的とする。
【００９２】
ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅ技術は、好都合な軽量ハンドリーダにパッケージ化される。チップは、標準的なマイクロ／ナノファブリケーション技法を使用して加工されるＡｌＧａＮウェハから生成される。
【００９３】
検体結合と関連付けられる信号を使用することにより、ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅセンサ及びリーダは、検出時間を数分にまで低減させる。これらのセンサは、該当する場合、従来の試験のような長い培養時間を必要としない。検出のための典型的な時間は、数分（例えば、５〜１５分）である。検出時間は、単に親和性要素（例えば、抗体）と標的分子との結合時間だけに依存することによって低減される。この時間の減少により、出荷前に試験することができる農作物をもたらし、リコール率を低減させる。
【００９４】
ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅセンサの利点
ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅによって生成される免疫ＦＥＴは、以前のバイオ及び免疫ＦＥＴデバイスによって経験してきた大きな困難に対する解決策を提供する。以前の解析は、抗体の使用が、検出可能な電流の変化を提供するために、十分なゲート電荷の流れを生成することができないことを示唆した。しかしながら、抗体の柔軟性及び結合配向のため、標的分子が結合し、ゲート電荷を変化させて、信号シフトを可能にする。
【００９５】
ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅセンサ容量を更に強化することは、最適化されたシラン化層の実現形態である。シラン基は、ＦＥＴのヒドロキシ化された表面と抗体のカルボキシル基との結合を提供する。過去に、デバイスは、三価の性質を有する標準的なシランを使用した機能化を試みている。シランの三価の性質は、表面の機能化が表面の潜在的に無限の重合を防止するように厳重に注意することが必要とされる。結合した生体分子とＦＥＴとの間の距離が増加するにつれて、大きさ及び信頼性の両方において感度が減少する。
【００９６】
加えて、免疫ＦＥＴは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＦＥＴセンサに基づく。ＡｌＧａＮ基板は、ＦＥＴが生理的溶液からのイオンの影響を大幅に受け難くし、より大きい信号安定性、並びにより大きい信号対雑音比につながる。このＡｌＧａＮシステムは、窒化ガリウム保護キャップの蒸着によって更に強化され、該キャップは、ヒドロキシル化及び更なる機能化のための結合部位を提供するように酸化され、それによって、ＦＥＴゲートと生体分子との間の距離を最小にする。
【００９７】
提案されるＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅハンドヘルドユニット
免疫ＦＥＴセンサは、１つ以上の検体を検出するように構成される１つ以上のセンサを含む着脱可能なセンサカートリッジにパッケージされ、再使用可能なハンドヘルドリーダによって測定される。例示のために、カートリッジは、各々が１つ以上の免疫ＦＥＴを含む１つ以上の半導体ダイを含むことができる。各免疫ＦＥＴは、試料中の同じ又は異なる標的を試験するように構成することができる。これは、１つの試験で１つ又は複数の標的に対応することを可能にする。
【００９８】
ハンドヘルドリーダは、単一のユーザフレンドリデバイス（例えば、適切なセンサインターフェース回路及びアプリケーションソフトウェアを有するアンドロイド、Ｗｉｎｄｏｗｓ、又はｉＯＳスマートフォン）での、較正、データ収集、解釈、記憶、及び通信を管理するように設計される。ハンドヘルドデバイスは、タッチ画面及び随意の外部ボタン又はスイッチを含み、これらは、次いで、デバイスのオペレーティングシステムを含むマイクロコンピュータに接続される。デバイスは、有線方法、例えばＵＳＢケーブルで、又は無線方法、例えばブルートゥース（登録商標）、パケット無線、無線ネットワーク、若しくはセルラ無線で接続することができる。デバイスはまた、可聴の確認又は警報のためのスピーカを含むこともできる。デバイスはまた、どのカートリッジが使用されているのかを検出すること、試料を繰り返し監視すること、又は試料の説明／識別子をインポートすることができる、バーコード又はＱＲスキャナ能力も含むことができる。これらの場合において、デバイスは、試料と関連付けられるセンサカートリッジの測定と同時に起こる、その試料に関する情報を入力するための能力を含むことができ、センサカートリッジからの示度を、測定される試料に関する情報と効率的に相関させることを可能にする。
【００９９】
ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅハンドヘルドリーダは、すべてのユーザを考慮して設計される。信号解析は、ソフトウェアによって行うことができ、生データの出力、並びに／又は正の存在、負の存在、及び試料説明によってデータを報告若しくは記憶するためのオプションを示す、内部企業試験からの較正及び特徴付けデータと関連付けられるそのデータの解釈を提供する。これらの報告は、可聴の警告を伴うことができ、又は無線ネットワークを介して自動的に報告することができる。デバイスはまた、抗原レベルを試料説明と関連付ける、随意又は内臓のプリンタを含むこともできる。
【０１００】
リーダ内に配置されると、センサカートリッジは、それ自体をリーダに識別させ、試験前に自己検査を実行して、正確な結果を保証することができる。搭載コンピュータは、適切なパラメータを自動的にロードするように構成することができ、該パラメータは、センサカートリッジの中のチップのＦＥＴに基づくセンサに問い合わせる前に、特徴付け及び試験を通して判定されている。較正に続いて、リーダは、試験を開始するようユーザに入力を促すように構成することができる。
【０１０１】
いくつかの実施形態において、カートリッジリーダは、グローバルポジショニング受信機（ＧＰＳ）を更に備えることができる。これらの実施形態において、マイクロプロセッサは、センサ示度を、リーダの物理的な場所（例えば、農作物の田畑の座標）と相関させるように更に構成することができる。このように、カートリッジリーダからリモートコンピューティングデバイスに伝送されるデータは、試料の場所及びセンサ示度を含むことができる。
【０１０２】
ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）、Ｗｉｎｄｏｗｓ、又はアンドロイドに基づく電話などのスマートフォンのハードウェア及びソフトウェアを使用することによって、リーダの代替の構成を構築することができる。この場合において、電話は、一部のｉＰｈｏｎｅ（登録商標）に見出されるサンダーボルトポートなどのｉ／ｏポート、又はスマートフォン上の既存のポートのうちのいずれかの使用を通してカートリッジとインターフェースする。センサの較正、測定、及び報告プロセスを実行するためのソフトウェアは、電話のネイティブオペレーティングシステム上で実行するアプリケーションとしてエンジニアリングすることができる。
【０１０３】
ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅセンサカートリッジ
ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅ技術の核心は、１つ以上のＡｌＧａＮ免疫ＦＥＴを含むモジュール式カートリッジである。センサカートリッジのチップ上に配置される１つ以上の免疫ＦＥＴは、エンドユーザに出荷する前に、対象検体のための認識要素（例えば、抗体）によって、予め機能化することができる。
【０１０４】
チップは、単一の又は組み合わせアッセイ（例えば、１つ以上の対象検体のためのセンサ）を含むことができる。随意に、１つ以上のセンサは、機能的な幾何学的形状のチップ上に配置することができる。単一ＦＥＴ設計は、１つ以上のＦＥＴを利用することができる。２つ以上の標的に対して機能化されるＦＥＴを組み込んでいる設計は、下で更に詳細に論じられるように、各標的に対して１つ以上のセンサを配設することができる。
【０１０５】
図６は、例示的な試料カートリッジの描写を示す。カートリッジは、ハンドヘルドリーダの中への配置、並びに使用後のカートリッジの取り外しを容易にすることを可能にするように、人間工学的に設計することができる。これらの実施例は、把持部を改善するための陥凹テクスチャ化領域とすることができる。把持部は、デバイスの装填中の偶発的な汚染を回避するために、センサ面及び入口から遠くに位置付けることができる。
【０１０６】
カートリッジは、使用前にセンサを汚すことによる外部汚染を防止するために、又は機能化センサ面と接触する緩衝溶液を取り囲んで抗体の劣化を防止するために、入口ポートの上をシールでパッケージ化することができる。シールは、センサカートリッジを試料と接触させる前に、ユーザによって取り除くことができる。緩衝溶液とともにパッケージ化するときには、漏出を防止するために、カートリッジ自体を封止することができる。
【０１０７】
カートリッジはまた、カートリッジのセンサへの誤った挿入を防止する形状又はコネクタ構成とすることもできる。この幾何学的形状はまた、カートリッジ配向の視覚的指示として作用することもできる。一実施例は、接続部から最遠部の丸みのある縁部、及びカートリッジの接続縁部の正方形縁部とすることができる。
【０１０８】
カートリッジはまた、審美的な特徴を含むこともできる。この一実施例は、ＰｒｏｔｅｏＳｅｎｓｅの企業ロゴとすることができる。別の実施例は、アッセイを区別する、又は企業のカラースキームに従う色帯とすることができる。別の実施例は、指示ロゴとすることができる。この指示としては、「こちらを上にしてください」、矢印、又は使用法の図のような記述が挙げられる。
【０１０９】
カートリッジは、チップの免疫ＦＥＴセンサとリーダとの間で電力及び信号接続を確立するために、１つ以上の電気的接続部を含むことができる。
【０１１０】
カートリッジは、流体の試料容量のための入口を含むことができる。電気的接続部は、接続中のハンドヘルドセンサに対する不慮の短絡を防止するために、この入口から離して位置付けることができる。カートリッジは、安全な様式でハンドヘルドリーダに接続するように構成することができる。この接続の一実施例は、スナップ嵌合、圧縮嵌合の接続部とすることができる。別の実施例は、標準的な圧縮嵌合のモジュール式電気的接続部又はポートとすることができる。
【０１１１】
カートリッジ入口は、流体試料を、センサ面と接触させるポートを含むことができる。これは、長方形の毛細管チャネル、又はセンサ面の上側の単純な開口部とすることができる。別の実施例は、図１２Ａ、１２Ｂ、及び図１３Ｃに示されるように、機械的圧力、電気浸透圧力、又は毛細管力によって駆動されるマイクロ流体構成とすることができる。センサ入口は、パッケージングの使用を通した機能化の後に保護することができ、使用前だがカートリッジがハンドヘルドリーダ内に配置された直後に、入口源から取り除くことができる。代替的に、入口は、カートリッジ装填中の汚染を防止する幾何学的形状を利用することができる。
【０１１２】
２つ以上のセンサを有するカートリッジは、幾何学的パターンで配設されるセンサのアレイを含むことができる。幾何学的形状は、導入された溶液の代表的な集団を提供しなければならない。３つの標的抗原を伴うアッセイの一例は、図７Ａ〜７Ｃに示されるように格子と整列されるＦＥＴ配置の幾何学的パターンに基づくことができる。追加の幾何学的パターンは、放射状又は円形とすることができる。別の実施例は、六角形配設のセンサとすることができる。別の構成は、いくつかの離散的な機能化領域の交互の線形領域とすることができる。
【０１１３】
センサカートリッジで使用するためのチップの１つの実施形態が図８に例示される。チップ（５００）は、２つのアクティブセンサ（例えば、サルモネラなどの検体を検出するように構成される２つのＦＥＴに基づくセンサ５１０）と、１つの基準センサ（例えば、試料溶液に接触しないように不動態化層の下に埋設されるＦＥＴに基づくセンサ５０２）と、チップのセンサを、センサチャネルの電気特性を測定するために使用される外部電気的構成要素と電気的に接続するように構成される電気接点（５０６）と、を含むことができる。ウエル（５０４）は、解析中に、流体試料をセンサの近くに保持するために、アクティブセンサの周囲に配置することができる。
【０１１４】
センサカートリッジは、センサ毎のマイクロコントローラへの直接接続部、又はより大きいデバイスの場合では、単一の信号マルチプレクサの利用者のいずれかを含むことができる。また、信号レベルを増加させ、雑音の低減を改善するために、１つ以上のプリアンプを含むこともできる。カートリッジはまた、チップの識別情報及び設定をハンドヘルドリーダに渡すように、固有のアッセイ情報をマイクロコントローラに提供する接続部を含むこともできる。この情報は、カートリッジの不揮発性メモリに、又は当該技術分野で知られている他の技法及び構造を通して、記憶することができる。この情報はまた、バーコードを介して転送することもできる。
【０１１５】
多数のセンサが含まれるカートリッジは、理論的には、内蔵冗長性を伴う解析を提供する機会を提示する。単一の標的カートリッジは、生データの使用を通して、又は総量を計算する計算アルゴリズムを使用して、更なる定量的情報を提供することができる。組み合わせアッセイを提供するカートリッジは、類似の計算を行うことができるが、感度の低減を伴い、これは、特定の標的に対するセンサの数が減少するにつれて減少する可能性がある。センサ密度は、所与の抗体に対して各離散的なセンサを機能化する、実用的な機能である。
【０１１６】
多数のセンサをいくつかの方法で構成することができる。１つの実施例は、１つの抗体に対して１つ以上のＨＦＥＴデバイスを機能化し、次いで、これらのＨＦＥＴを、図７Ｂに示されるような異なる交代に対して機能化される他のＨＦＥＴのアレイに組み込むことである。これらのデバイスは、互いに近在して、又は直接接触してパッケージングに載置される。代替的に、これらのデバイスは、互いに直接載置するか、又は別の基板に載置し、次いで、パッケージングに載置することができる。別の実施例は、上で述べられたような幾何学的形状に従って個々のデバイスを機能化することができる。
【０１１７】
全センサ数は、機能化及び独立した配線によって収容することができる密度に直接関連する。例えば、機能化は、あるパターンの個々のセンサに対処する毛細管のピペットの使用を通して生じ得る。毛細管のピッチ（センター間）距離が、配線され、パッケージ化されたセンサユニットのピッチよりも大きい場合、機能化システムのピッチは、センサの密度の限定因子になる。同様に、配線、不動態化層を含むユニットセンサが最も大きいピッチを有する場合、これは、センサの密度を限定する寸法になる。
【０１１８】
機能化システムが限定因子である場合、例えば個々の流体量に対処する能力が最小ピッチに限定される場合、このピッチ（又は整数個のセンサを収容するためのより大きいピッチ）は、同じ検体標的に対して機能化される多数のＦＥＴが存在するユニットセンサを確定するために使用することができる。一実施例は、ユニットセンサが２５ミクロン平方であり、機能化機構の最小のピッチが（直交方向で）２００ミクロンであり１００×１００ミクロンの機能化を伴う場合、ユニットは、１６ユニットのセンサを含むことができ、すべてが同じ検体標的に対して機能化される。
【０１１９】
チップの製作及び試験
センサの試験及び特徴付けは、現在作製されているチップのダイについて設計される、統合された接続プラットフォーム上で行うことができる。これは、チップ及びメータの最終的な形態ではなく、最終的なリーダに類似するチップと相互作用するデベロッパーキットを表す。
【０１２０】
チップの製作／機能化は、標準的な実験室環境において行うことができる。マイクロ構造化チップは、当該技術分野で知られている標準的なマイクロ製作技法（例えば、フォトリソグラフィプロセス）を使用して準備することができる。形成されると、チャネル表面を酸化させることができる。デバイス表面の酸化は、エタノール中で沸騰させることによって達成されるヒドロキシル化の基礎として作用する部位を提供することができる。ヒドロキシル化は、エタノールシラン溶液中で１６時間にわたって行うことができるシラン化のための結合部位を提供することができる。次いで、デバイスは、生理的温度で培養し、次いで、すすいであらゆる未結合の抗体を除去することによって、シランに結合する認識要素（例えば、抗体）によって機能化することができる。
【０１２１】
抗体による表面機能化の後に、チップは、滅菌リン酸緩衝食塩水（ｓｔ−ＰＢＳ）中で貯蔵するか、直ちに使用することができる。貯蔵したデバイスは、カタログ化され、後日、１２時間単位で最高７２時間、次いで、２４時間単位で最高１０日にわたって試験に対して準備する。最後に、ユニット間の長期的な比較のために、１週間単位で研究される。
【０１２２】
特徴付けは、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ  ５４８２ソースメータユニット（ＳＭＵ）に接続されるばねピン接続リグにデバイスを配線することによって行うことができる。ピンは、各ダイ上で３つのＨＦＥＴのソース及びドレインへの接続部を作製する。潜在的なバイアスは、０〜１Ｖで掃引することができ、電流は、電圧の関数として測定される。信号は、継続的な解析のために、ｌａｂｖｉｅｗを介して収集される。この後に、標的抗原（例えば、サルモネラ・エンテリカ）を導入し、５〜１５分間置いておくことができる。次いで、ダイをすすぐことができ、そして、信号を再び収集することができる。
【０１２３】
実施例２：リステリアを検出し、定量化するためのプロセス制御センサ
リステリア細菌は、深刻な公衆衛生上の懸念である。リステリアの多くの種が識別されてきたが、そのうちのいくつかは、人間の疾患を引き起こす。最も問題となる種は、リステリア・モノサイトゲネスであり、これは、米国だけで毎年非常に多数の感染症の原因になっている。リステリアからの感染率は、サルモネラの場合よりも低いが、リステリア病（すなわち、リステリアによる感染症）の死亡率は５０％に近く、一症例あたりの医療費は百万ドルを超える。リステリアは、食品加工工場においてしばしば見出される寒冷湿潤状態において繁茂する環境に特有である。リステリアは、広範囲にわたる未加工食品及び加工食品において頻度の増加が見出されている。収穫中、加工中、製造中、及び輸送中にリステリアを正確に検出することが、リステリアの拡散を防止するために極めて重要である。一般的なリステリア汚染源は、食品加工施設において一般に使用される洗浄システムである。新鮮な農作物を取り扱う食品加工装置は、しばしば、１つ以上の洗浄ステーションを有する。洗浄水は、経済的な理由のために再利用され、汚染された場合には、リステリアが食品自体に拡散する場合がある。既存の診断（ＰＣＲ、ＥＬＩＳＡ）は、時間がかかり（結果まで４８時間を超える）、長い培養時間（１２時間を超える）を必要とするので、該診断は、プロセス水の細菌汚染をリアルタイムで監視することには好適ではない。
【０１２４】
プロセス制御用途において、本明細書で説明されるセンサは、測定地点に設置するために、リーダの信号調整回路、電力、及び通信能力を組み込む中間アダプタ回路（図４）の使用を通して、リーダから遠隔で動作させるように改良することができる。センサカートリッジは、標的（例えば、洗浄水）との継続的な接触を可能にするように改良することができる。リーダ自体は、当該技術分野で知られているように、無線インターフェースを通して、いくつかのプロセス制御センサのアダプタと接続するように適合させることができる。
【０１２５】
添付の特許請求の範囲のデバイス、システム、及び方法は、特許請求の範囲のいくつかの態様の具体例として意図される、本明細書で説明される特定のデバイス、システム、及び方法によってその範囲を限定されない。機能的に均等である任意のデバイス、システム、及び方法が、特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。本明細書に示され、説明されるものに加えて、デバイス、システム、及び方法の様々な修正が、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。更に、本明細書で開示されるある代表的なデバイス、システム、及び方法工程だけが具体的に説明されているが、デバイス、システム、及び方法工程の他の組み合わせも、具体的に列挙されていなくても、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。したがって、工程、要素、構成要素、又は構成成分の組み合わせは、本明細書で明示的に、又はあまり明示的でなく言及され得るが、工程、要素、構成要素、及び構成成分の他の組み合わせも、明示的に述べられていない場合であっても、本発明に含まれる。
【０１２６】
本明細書で使用するときに、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及びその変形は、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」及びその変形と同義的に使用され、開放型の非限定的な用語である。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、様々な実施形態を説明するために本明細書で使用されているが、本発明のより具体的な実施形態を提供するために、用語「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」及び「からなる（ｃｏｎｓｉｔｉｎｇ  ｏｆ）」を「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」及び「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」の代わりに使用することができ、また、開示される。特に注記されない限り、明細書及び特許請求の範囲に使用される幾何学的形状、寸法などを表すすべての数は、最低限理解されるものであり、特許請求の範囲の範囲に対する均等の原則の適用を制限するようには企図されず、有効数字の数及び通常の四捨五入の手法を考慮して解釈されるものである。
【０１２７】
特に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語及び科学用語は、開示される発明に属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に引用される刊行物及びそれらが引用される資料は、参照により具体的に組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
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