(57)【要約】ハンドヘルド型計測装置を用いてインピーダンス分光法を実施するための機器および方法である。多孔性ナノテクスチャ基材と該固体基材の上面上に回路設計で配置された導電性材料とを含むコンフォーマル被分析物センサ回路を、単独で、またはハンドヘルド型ポテンショメータと組み合わせて使用し得る。ハンドヘルド型計測装置を使用して試料中の標的被分析物を検出および／または定量する方法も開示される。2017507341.tif 000013
2017507341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハンドヘルド型計測装置およびコンフォーマル被分析物センサ回路を使用して試料中の複数のタイプの標的被分析物を検出または定量する方法であって、
（a）複数の標的被分析物を含有する試料を、第一の電極、第二の電極および第三の電極を含むセンサ回路を有するコンフォーマル基材上に配置する工程；
（b）該第一の電極と該第二の電極との間に第一の位相角で第一の交流入力電圧を印加する工程；
（c）該第三の電極と該第二の電極との間に第二の位相角で第二の交流入力電圧を印加する工程であって、該第一の位相角と該第二の位相角とが一定のデルタ位相角だけ離れている、工程；
（d）様々な周波数で出力電流を計測し、様々な被分析物に関して位相角を変化させる工程；
（e）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、該第一の電極および該第三の電極から該第二の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程；
（f）第一の電極の表面、第二の電極の表面および第三の電極の表面に隣接する電気二重層を複数の平面へと分割する工程；
（g）該第一の入力電圧の該第一の位相角および該第二の入力電圧の該第二の位相角を変化させる工程；
（h）最大インピーダンス変化が起こる該第一の位相角および該第二の位相角を特定する工程；
（i）該第一の位相角および該第二の位相角で特定されるインピーダンスを計測する工程；および
（j）様々な周波数における該計測されたインピーダンスおよび対応する位相角を使用して、複数の標的被分析物を検出する、または標準校正曲線の使用によって標的被分析物の濃度を計算する工程
を含む、方法。
【請求項２】
表面上に回路設計で配置され、それによって第一の電極、第二の電極および第三の電極を含む回路を作る導電性材料を含む表面を有する基材；
該第一の電極、該第二の電極および該第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルゲイン増幅器；および
該プログラマブルゲイン増幅器、該第一の電極、該第二の電極および該第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルマイクロコントローラ
を含む、被分析物センサ回路であって、該プログラマブルマイクロコントローラが、
（a）該コンフォーマル被分析物センサ回路の該第一の電極と該第二の電極との間に第一の交流入力電圧を印加し；
（b）該第三の電極と該第二の電極との間に第二の位相角で第二の交流入力電圧を印加し、ここで、該第一の位相角と該第二の位相角とは一定のデルタ位相角だけ離れており；
（c）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、該第一の電極および該第三の電極から該第二の電極を通って流れる出力電流を増幅し；
（d）第一の電極の表面、第二の電極の表面および第三の電極の表面に隣接する電気二重層を三次元空間中の複数の平面へと分割し；
（e）該第一の入力電圧の該第一の位相角および該第二の入力電圧の該第二の位相角を変化させ；
（f）最大インピーダンス変化が起こる該第一の位相角および該第二の位相角を特定し；
（g）該第一の位相角および該第二の位相角で特定されるインピーダンスを計測し；
（i）該計測されたインピーダンスを使用して、標的被分析物を検出する、または標準校正曲線の使用によって該標的被分析物の濃度を計算する
ように構成されている、被分析物センサ回路。
【請求項３】
装置がさらなる回路を含み、各回路が、それぞれプログラマブルゲイン増幅器に動作可能に結合された第一の電極、第二の電極および第三の電極を含み；
プログラマブルマイクロコントローラが、該さらなる回路それぞれに関して工程（a）〜（i）を実行して、インピーダンスおよび位相に対する変化をミリ秒精度のリアルタイムで捉えるように構成されている、請求項2に記載の装置。
【請求項４】
コンフォーマルセンサ回路；および
該コンフォーマルセンサ回路に結合されたハンドヘルド型読み取り機
を含む、被分析物を検出し、定量するように構成された装置であって、単一の試料から複数の標的被分析物を同時に検出し、定量するように構成されている、装置。
【請求項５】
コンフォーマルセンサ回路が、
表面上に回路設計で配置され、それによって第一の電極、第二の電極および第三の電極を含む回路を作る導電性材料を含む表面を有する基材；
該第一の電極、該第二の電極および該第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルゲイン増幅器；および
該プログラマブルゲイン増幅器、該第一の電極、該第二の電極および該第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルマイクロコントローラ
を含み、該プログラマブルマイクロコントローラが、
（a）該コンフォーマル被分析物センサ回路の該第一の電極と該第二の電極との間に第一の交流入力電圧を印加し；
（b）該第三の電極と該第二の電極との間に第二の位相角で第二の交流入力電圧を印加し、ここで、該第一の位相角と該第二の位相角とは一定のデルタ位相角だけ離れており；
（c）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、該第一の電極および該第三の電極から該第二の電極を通って流れる出力電流を増幅し；
（d）第一の電極の表面、第二の電極の表面および第三の電極の表面に隣接する電気二重層を三次元空間中の複数の平面へと分割し；
（e）該第一の入力電圧の該第一の位相角および該第二の入力電圧の該第二の位相角を変化させ；
（f）最大インピーダンス変化が起こる該第一の位相角および該第二の位相角を特定し；
（g）該第一の位相角および該第二の位相角で特定されるインピーダンスを計測し；
（i）該計測されたインピーダンスを使用して、標的被分析物を検出する、または標準校正曲線の使用によって該標的被分析物の濃度を計算する
ように構成されている、請求項4に記載の装置。
【請求項６】
ハンドヘルド型計測装置およびコンフォーマル被分析物センサ回路を使用して試料中の標的被分析物を検出または定量する方法であって、
（a）複数の標的被分析物を含有する試料を、第一の電極、第二の電極、第三の電極、第四の電極、第五の電極および第六の電極を含むセンサ回路を有するコンフォーマル基材上に配置する工程；
（b）該第一の電極と該第二の電極との間に第一の位相角で第一の交流入力電圧を印加する工程；
（c）該第三の電極と該第二の電極との間に第二の位相角で第二の交流入力電圧を印加する工程であって、該第一の位相角と該第二の位相角とが第一の一定のデルタ位相角だけ離れている、工程；
（d）第一の周波数範囲にわたる様々な周波数で第一の出力電流を計測し、第一の位相角範囲にわたって位相角を変化させる工程；
（e）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、該第一の電極および該第三の電極から該第二の電極を通って流れる該第一の出力電流を増幅する工程；
（f）第一の電極の表面、第二の電極の表面および第三の電極の表面に隣接する第一の電気二重層を三次元空間中の複数の平面へと分割する工程；
（g）該第一の位相角範囲にわたって該第一の入力電圧の該第一の位相角および該第二の入力電圧の該第二の位相角を変化させる工程；
（h）第一の最大インピーダンス変化が起こる該第一の位相角および該第二の位相角を特定する工程；
（i）該第一の位相角および該第二の位相角で特定されるインピーダンスを計測する工程；
（j）様々な周波数における該計測されたインピーダンスを使用して、第一の標的被分析物を検出する、または標準校正曲線の使用によって該第一の標的被分析物の濃度を計算する工程；
（k）該第四の電極と該第五の電極との間に第三の位相角で第三の交流入力電圧を印加する工程；
（l）該第六の電極と該第五の電極との間に第四の位相角で第四の交流入力電圧を印加する工程であって、該第三の位相角と該第四の位相角とが第二の一定のデルタ位相角だけ離れている、工程；
（m）第二の周波数範囲にわたる様々な周波数で第二の出力電流を計測し、第二の位相角範囲にわたって位相角を変化させる工程；
（n）該プログラマブルゲイン増幅器を使用して、該第四の電極および該第六の電極から該第五の電極を通って流れる該第二の出力電流を増幅する工程；
（o）第四の電極の表面、第五の電極の表面および第六の電極の表面に隣接する第二の電気二重層を複数の平面へと分割する工程；
（p）該第二の位相角範囲にわたって該第三の入力電圧の該第三の位相角および該第四の入力電圧の該第四の位相角を変化させる工程；
（q）第二の最大インピーダンス変化が起こる該第三の位相角および該第四の位相角を特定する工程；
（r）該第三の位相角および該第四の位相角で特定されるインピーダンスを計測する工程；および
（s）様々な周波数における該計測されたインピーダンスおよび位相変化を使用して、第二の標的被分析物を検出する、または標準校正曲線の使用によって該第二の標的被分析物の濃度を計算する工程
を含む、方法。
【請求項７】
第一の周波数範囲と第二の周波数範囲とが異なる、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
第一の位相角範囲と第二の位相角範囲とが異なる、請求項6に記載の方法。
【請求項９】
第一の周波数範囲と第二の周波数範囲とが等しい、請求項6に記載の方法。
【請求項１０】
第一の位相角範囲と第二の位相角範囲とが等しい、請求項6に記載の方法。
【請求項１１】
工程（a）〜（j）が工程（k）〜（s）と並行して実施される、請求項6に記載の方法。
【請求項１２】
ハンドヘルド型計測装置およびコンフォーマル被分析物センサ回路を使用して試料中の標的被分析物を検出または定量する方法であって、
（a）コンフォーマル被分析物センサ回路の第一の電極と第二の電極との間に第一の入力電圧を印加する工程；
（b）該コンフォーマル被分析物センサ回路の第三の電極と該第二の電極との間に第二の入力電圧を印加する工程；
（c）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、該第一の電極および該第三の電極から該第二の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程；
（d）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、該第一の入力電圧および該第二の入力電圧を該出力電流と比較することによってインピーダンスを計算する工程；および
（e）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、該計算されたインピーダンスから標的被分析物を検出する、または標的被分析物濃度を計算する工程
を含む、方法。
【請求項１３】
ハンドヘルド型計測装置およびコンフォーマル被分析物センサ回路を使用して試料中の複数の標的被分析物を検出または定量する方法であって、
（a）コンフォーマル被分析物センサ回路の第一の電極と第二の電極との間に第一の入力電圧を印加する工程；
（b）該コンフォーマル被分析物センサ回路の第三の電極と該第二の電極との間に第二の入力電圧を印加する工程；
（c）該第二の入力電圧の電界の角度配向をシフトする工程；
（d）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、該第一の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程；
（e）該電界の該角度配向を該出力電流と比較することによって一つまたは複数の標的被分析物の存在を検出する工程
を含む、方法。
【請求項１４】
第一の入力電圧および第二の入力電圧が50Hz〜5,000Hzの周波数を有する、請求項12または13に記載の方法。
【請求項１５】
第一の入力電圧および第二の入力電圧が正弦波である、請求項12または13に記載の方法。
【請求項１６】
第一の入力電圧および第二の入力電圧がのこぎり波である、請求項12または13に記載の方法。
【請求項１７】
第一の入力電圧および第二の入力電圧が方形波である、請求項12または13に記載の方法。
【請求項１８】
第一の入力電圧および第二の入力電圧が100mV〜500mVである、請求項12または13に記載の方法。
【請求項１９】
第一の入力電圧および第二の入力電圧が50mV〜200mVである、請求項12または13に記載の方法。
【請求項２０】
第一の入力電圧および第二の入力電圧が5mV〜20mVである、請求項12または13に記載の方法。
【請求項２１】
出力電流が10pA〜10mAである、請求項12または13に記載の方法。
【請求項２２】
出力電流が10pA〜100nAである、請求項12または13に記載の方法。
【請求項２３】
出力電流が100nA〜10mAである、請求項12または13に記載の方法。
【請求項２４】
出力電流が1〜200倍に増幅される、請求項12または13に記載の方法。
【請求項２５】
高速フーリエ変換を適用することによってインピーダンスを周波数の関数として計算する工程をさらに含む、請求項12に記載の方法。
【請求項２６】
ラプラス変換を使用してインピーダンスを周波数の関数として計算する工程をさらに含む、請求項12に記載の方法。
【請求項２７】
マルチスライス分割（multi-slice splitting）および信号分析を使用してインピーダンスを周波数の関数として計算する工程をさらに含む、請求項12に記載の方法。
【請求項２８】
角度配向が0〜360°シフトされる、請求項13に記載の方法。
【請求項２９】
計算された標的被分析物濃度を表示する工程をさらに含む、請求項12または13に記載の方法。
【請求項３０】
計算されたインピーダンスを表示する工程をさらに含む、請求項12または13に記載の方法。
【請求項３１】
出力をLCDディスプレイ上に表示する工程をさらに含む、請求項12または13に記載の方法。
【請求項３２】
出力をスマートフォン上に表示する工程をさらに含む、請求項12または13に記載の方法。
【請求項３３】
ミニジョイスティックを使用して入力を提供する工程をさらに含む、請求項12または13に記載の方法。
【請求項３４】
スマートフォンを使用して入力を提供する工程をさらに含む、請求項12に記載の方法。
【請求項３５】
計測されるインピーダンスが非ファラデーインピーダンスである、請求項12または13に記載の方法。
【請求項３６】
コンフォーマル被分析物センサ回路が、
多孔性ナノテクスチャ基材を含む、上面を有する固体基材；および
該固体基材の該上面上に回路設計で配置され、それによって第一の電極、第二の電極および第三の電極を含む回路を作る導電性材料
を含む、請求項12または13に記載の方法。
【請求項３７】
多孔性ナノテクスチャ基材が10×107〜10×1018個／mm2の気孔率を有する、請求項36に記載の方法。
【請求項３８】
多孔性ナノテクスチャ基材が10×1010〜10×1013個／mm2の気孔率を有する、請求項37に記載の方法。
【請求項３９】
多孔性ナノテクスチャ基材が絶縁基材である、請求項36〜38のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
多孔性ナノテクスチャ基材が紙またはニトロセルロースである、請求項36に記載の方法。
【請求項４１】
導電性材料が導電性インクまたは半導電性インクである、請求項36に記載の方法。
【請求項４２】
半導電性インクがカーボンインクおよび添加物を含む、請求項41に記載の方法。
【請求項４３】
導電性インクがカーボンインク、銀インク、または金属もしくは金属酸化物ナノ粒子を注入されたカーボンインクである、請求項41に記載の方法。
【請求項４４】
金属または金属酸化物ナノ粒子を注入されたカーボンインクが、金、白金、タンタル、銀、銅、スズ、酸化インジウムスズ、グラフィーム（grapheme）、酸化グラフィーム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄または酸化モリブデンを1体積％注入されている、請求項43に記載の方法。
【請求項４５】
回路が非線形回路である、請求項36に記載の方法。
【請求項４６】
回路が非オーム回路である、請求項36に記載の方法。
【請求項４７】
ベース電極面としてさらに画定されている、請求項36に記載の方法。
【請求項４８】
ベース電極面がさらにソース電流に接続されている、請求項47に記載の方法。
【請求項４９】
ソース電流がポテンシオスタットである、請求項48に記載の方法。
【請求項５０】
ソース回路が電圧源である、請求項48に記載の方法。
【請求項５１】
ソース回路が電流源である、請求項48に記載の方法。
【請求項５２】
回路が捕捉リガンドまたは標識分子を含まない、請求項36〜51のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５３】
コンフォーマル被分析物センサがレドックス材料をさらに含む、請求項36〜51のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５４】
被分析物センサ回路が、
（a）固体多孔性ナノテクスチャ基材を提供する工程；および
（b）導電性材料を使用して、被分析物センサ回路設計を該多孔性ナノテクスチャ基材の上面に転写する工程
を含む方法によって組み立てられる、請求項36〜53のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５５】
回路設計を転写する工程が浸漬被覆を含む、請求項54に記載の方法。
【請求項５６】
回路の形体分解能が100ナノメートル／0.1ミクロンまでである、請求項55に記載の方法。
【請求項５７】
回路設計を転写する工程がエンボス加工を含む、請求項54に記載の方法。
【請求項５８】
回路の形体分解能が100ナノメートル／0.1ミクロンまでである、請求項57に記載の方法。
【請求項５９】
回路設計を転写する工程が、回路を3Dプリンタ上で設計し、該回路を基材にエンボス加工する工程を含む、請求項57に記載の方法。
【請求項６０】
回路の形体分解能が100ナノメートル／0.1ミクロンまでである、請求項59に記載の方法。
【請求項６１】
回路設計を転写する工程がマスキングおよびリソグラフィーを含む、請求項54に記載の方法。
【請求項６２】
回路の形体分解能が1〜10ミクロンである、請求項61に記載の方法。
【請求項６３】
（a）第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されるように構成されたプログラマブルゲイン増幅器；および
（b）該プログラマブルゲイン増幅器、該第一の電極、該第二の電極および該第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルマイクロコントローラ
を含む、標的被分析物を計測するためのハンドヘルド型装置であって、
該プログラマブルマイクロコントローラが、該第一の電極と該第二の電極との間に第一の交流入力電圧を印加するように動作可能であり；該プログラマブルマイクロコントローラが、該第三の電極と該第二の電極との間に第二の交流入力電圧を印加するように動作可能であり；該プログラマブルゲイン増幅器が、該第一の電極および該第三の電極から該第二の電極を通って流れる交流出力電流を増幅するように動作可能であり；該プログラマブルマイクロコントローラが、該第一の入力電圧および該第二の入力電圧を、該計測された出力電流と比較することによってインピーダンスを計算するように動作可能であり；該プログラマブルマイクロコントローラが、該計算されたインピーダンスから標的被分析物濃度を計算するように動作可能である、ハンドヘルド型装置。
【請求項６４】
（a）第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されるように構成されたプログラマブルゲイン増幅器；
（b）該プログラマブルゲイン増幅器、該第一の電極、該第二の電極および該第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルマイクロコントローラ
を含む、標的被分析物を計測するためのハンドヘルド型装置であって、
該プログラマブルマイクロコントローラが、該第一の電極と該第二の電極との間に第一の交流入力電圧を印加するように動作可能であり；該プログラマブルマイクロコントローラが、該第三の電極と該第二の電極との間に第二の交流入力電圧を印加するように動作可能であり；該プログラマブルゲイン増幅器が、該第二の交流入力電圧の電界の角度配向をシフトするように動作可能であり；該プログラマブルゲイン増幅器が、該第三の電極を通って流れる交流出力電流を増幅するように動作可能であり；該プログラマブルマイクロコントローラが、該交流出力電流の振幅を計算するように動作可能であり；該プログラマブルマイクロコントローラが、該角度配向を該交流出力電流の該振幅と比較することによって一つまたは複数の標的被分析物の存在を検出するように動作可能である、ハンドヘルド型装置。
【請求項６５】
プログラマブルマイクロコントローラが、50Hz〜1,000Hzの周波数を有する第一の交流入力電圧および第二の交流入力電圧を印加するように動作可能である、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項６６】
プログラマブルマイクロコントローラが、正弦波である第一の交流入力電圧および第二の交流入力電圧を印加するように動作可能である、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項６７】
プログラマブルマイクロコントローラが、のこぎり波である第一の交流入力電圧および第二の交流入力電圧を印加するように動作可能である、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項６８】
プログラマブルマイクロコントローラが、方形波である第一の交流入力電圧および第二の交流入力電圧を印加するように動作可能である、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項６９】
プログラマブルゲイン増幅器が1〜200の可変ゲインを有する、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項７０】
マイクロコントローラが、5mV〜500mVの第一の交流入力電圧および第二の交流入力電圧を印加するように動作可能である、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項７１】
10pA以上の出力電流を検出するように動作可能である、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項７２】
プログラマブルマイクロコントローラがアナログ・デジタル変換器およびデジタル・アナログ変換器を含む、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項７３】
プログラマブルマイクロコントローラが、入力電圧および出力電流に高速フーリエ変換を適用して、インピーダンスを周波数の関数として計算するように動作可能である、請求項63に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項７４】
プログラマブルマイクロコントローラが、入力電圧および出力電流にラプラス変換を適用して、インピーダンスを周波数の関数として計算するように動作可能である、請求項63に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項７５】
プログラマブルマイクロコントローラが、マルチスライス分割および信号分析を使用して、インピーダンス変化が最大または最小になる周波数を決定するように動作可能である、請求項63に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項７６】
プログラマブルマイクロコントローラが、角度配向を0°から360°までシフトするように動作可能である、請求項64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項７７】
プログラマブルマイクロコントローラに動作可能に結合された液晶ディスプレイ；該プログラマブルマイクロコントローラに動作可能に結合されたミニジョイスティックをさらに含む、ハンドヘルド型計測装置であって、該ミニジョイスティックが、ユーザが入力を提供することを可能にするように動作可能であり；該液晶ディスプレイが出力データを表示することができる、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項７８】
プログラマブルマイクロコントローラに動作可能に結合されたスマートフォンをさらに含む、ハンドヘルド型計測装置であって、該スマートフォンが、ユーザが入力を提供することを可能にするように動作可能であり；該スマートフォンが出力データを表示することができる、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項７９】
出力データが標的被分析物濃度を含む、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項８０】
出力データがインピーダンスを含む、請求項63に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項８１】
レドックスプローブを含まない、請求項63または64に記載のハンドヘルド型計測装置。
【請求項８２】
既知の標的被分析物濃度を有する複数の溶液を試験することによってハンドヘルド型計測装置を校正する方法であって、
（a）該複数の溶液それぞれに関して第一の電極と第二の電極との間に第一の入力電圧を印加する工程；
（b）該複数の溶液それぞれに関して第三の電極と第二の電極との間に第二の入力電圧を印加する工程；
（c）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、該第一の電極および該第三の電極から該第二の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程；
（d）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、該第一の入力電圧および該第二の入力電圧を該出力電流と比較することによって該複数の溶液それぞれに関してインピーダンスを計算する工程；および
（e）式zi＝b1x2＋b2x＋cの係数を計算する工程であって、式中、ziはインピーダンスであり、xは既知の標的被分析物濃度であり、b1、b2およびcは係数である、工程
を含む、方法。
【請求項８３】
（a）請求項36〜61のいずれか一項に記載のコンフォーマル回路；および
（b）請求項71〜82のいずれか一項に記載のハンドヘルド型計測装置
を含む、キット。
【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、2014年3月7日に出願された米国特許仮出願第61/949,858号および2015年1月30日に出願された米国特許仮出願第62/110,141号への優先権を主張する。これらの出願それぞれの内容は参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
1.発明の分野
本発明は概して検出装置の分野に関する。より具体的には、本発明は、3電極型ポテンシオスタットを利用して生体分子および他の標的被分析物を同時並行的に検出する機器および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
2.関連技術の説明
廉価かつ使い捨てであり、生分解性でもある診断および分析プラットフォームを設計する能力は、健康管理および環境にとって大きな価値がある。診断において感度増強を達成するためには生体分子のサイズベースの閉じ込めがきわめて重要であることが立証されている。一般に、サイズベースの閉じ込めは、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）技術に使用されるような複雑な製作過程を経て達成され、それが、1個あたりのコストを増し、技術の有効コストを増す。低コスト技術は、処分し難く、不十分な生分解のせいで環境に負担を加えるプリント回路板を使用する。一般にスクリーン印刷技術を使用する紙ベースのマイクロフルイディクスが開発されたが、表面上で制御された流体流を達成することに関して課題が残る。
【０００４】
同様に、現在利用可能な市販品ポテンシオスタットは、広い範囲の電気的／電気化学的技術への適用可能性を重視して設計されている。これは、大きなフォームファクタおよびそれらの構築に使用される高額な部品につながる。そのうえ、これらは電気化学的用途に使用されるように設計されている。そのような市販品ポテンシオスタットに伴う特定の問題は、それらが、ポイント・オブ・ケア設定における使用を困難にする大きな装置フォームファクタを有し、低電流および低電圧設定で高いノイズを有し、高額な度重なるソフトウェアおよびファームウェアコストを有し、アナログシリアル入出力インタフェースを有し、全世界的用途において低いロバストさおよび非普遍性を有するという事実を含む。その一方で、ハンドヘルド型ポータブルポテンシオスタットは、一定範囲の用途へのカスタマイズ性および適用可能性が非常に限られる。ポータブルポテンシオスタットは、生物学的用途の場合にノイズ効率が悪く、したがってロバストさを欠く。ハンドヘルド型ポテンシオスタットに伴う特定の問題は、低電流および低電圧設定における高いノイズ、バイオセンシングへの適用の場合の低いロバストさおよび電気化学的用途の場合の最小限の動作選択肢を含む。
【０００５】
現在利用可能な市販品ポテンシオスタットは、2電極型システムおよび3電極型システムとして利用可能である。現在利用可能な2電極型ポテンシオスタットおよび3電極型ポテンシオスタットは、二つの電極の間に一つの入力電圧を印加する。この印加される一つの入力電圧は、標的被分析物を検出する際、限られた特異性の欠点を有する。
【０００６】
したがって、標的被分析物を検出する際に高められた特異性を有する、手頃な価格で効率的かつ生分解性の診断プラットフォームの必要性が残る。
【発明の概要】
【０００７】
請求項に係る発明の例示的態様は、ハンドヘルド型ポテンショメータを用いてインピーダンス分光法を実施するための機器および方法を含む。
【０００８】
例示的態様は、ハンドヘルド型計測装置およびコンフォーマル被分析物センサ回路を使用して試料中の複数の標的被分析物を検出または定量する方法であって、（a）複数の標的被分析物を含有する試料を、第一の電極、第二の電極および第三の電極を含むセンサ回路を有するコンフォーマル基材上に配置する工程；（b）第一の電極と第二の電極との間に第一の位相角で第一の交流入力電圧を印加する工程；（c）第三の電極と第二の電極との間に第二の位相角で第二の交流入力電圧を印加する工程であって、第一の位相角と第二の位相角とが一定のデルタ位相角だけ離れている、工程；（d）様々な周波数で出力電流を計測し、様々な被分析物に関して位相角を変化させる工程；（e）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第一の電極および第三の電極から第二の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程；（f）第一の電極の表面、第二の電極の表面および第三の電極の表面に隣接する電気二重層を複数の平面へと分割する工程；（g）第一の入力電圧の第一の位相角および第二の入力電圧の第二の位相角を変化させる工程；（h）最大インピーダンス変化が起こる第一の位相角および第二の位相角を特定する工程；（i）第一の位相角および第二の位相角で特定されるインピーダンスを計測する工程；および（j）様々な周波数における該計測されたインピーダンスおよび対応する位相角を使用して、複数の標的被分析物を検出する、または標準校正曲線の使用によって標的被分析物の濃度を計算する工程を含む、方法を含む。
【０００９】
特定の態様は、表面上に回路設計で配置され、それによって第一の電極、第二の電極および第三の電極を含む回路を作る導電性材料（テクスチャ気孔を有する、または有しない）を含む表面を有する基材；第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルゲイン増幅器；およびプログラマブルゲイン増幅器、第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルマイクロコントローラを含む、被分析物センサ回路であって、プログラマブルマイクロコントローラが、（a）コンフォーマル被分析物センサ回路の第一の電極と第二の電極との間に第一の交流入力電圧を印加し；（b）第三の電極と第二の電極との間に第二の位相角で第二の交流入力電圧を印加し、ここで、第一の位相角と第二の位相角とは一定のデルタ位相角だけ離れており；（c）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第一の電極および第三の電極から第二の電極を通って流れる出力電流を増幅し；（d）第一の電極の表面、第二の電極の表面および第三の電極の表面に隣接する電気二重層を三次元空間中の複数の平面へと分割し；（e）第一の入力電圧の第一の位相角および第二の入力電圧の第二の位相角を変化させ；（f）最大インピーダンス変化が起こる第一の位相角および第二の位相角を特定し；（g）第一の位相角および第二の位相角で特定されるインピーダンスを計測し；（i）計測されたインピーダンスを使用して、標的被分析物を検出する、または標準校正曲線の使用によって標的被分析物の濃度を計算するように構成されている、被分析物センサ回路を含む。
【００１０】
特定の態様において、装置はさらなる回路を含み、各回路は、それぞれプログラマブルゲイン増幅器に動作可能に結合された第一の電極、第二の電極および第三の電極を含む。特定の態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、さらなる回路それぞれに関して工程（a）〜（i）を実行するように構成されている。
【００１１】
例示的態様は、コンフォーマルセンサ回路；およびコンフォーマルセンサ回路に結合されたハンドヘルド型読み取り機を含む、被分析物を検出し、定量するように構成された装置であって、単一の試料から複数の標的被分析物を同時に検出し、定量するように構成されている、装置を含む。
【００１２】
特定の態様において、コンフォーマルセンサ回路は、表面上に回路設計で配置され、それによって第一の電極、第二の電極および第三の電極を含む回路を作る導電性材料を含む表面を有する基材；第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルゲイン増幅器；およびプログラマブルゲイン増幅器、第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルマイクロコントローラを含み、プログラマブルマイクロコントローラは、（a）コンフォーマル被分析物センサ回路の第一の電極と第二の電極との間に第一の交流入力電圧を印加し；（b）第三の電極と第二の電極との間に第二の位相角で第二の交流入力電圧を印加し、ここで、第一の位相角と第二の位相角とは一定のデルタ位相角だけ離れており；（c）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第一の電極および第三の電極から第二の電極を通って流れる出力電流を増幅し；（d）第一の電極の表面、第二の電極の表面および第三の電極の表面に隣接する電気二重層を三次元空間中の複数の平面へと分割し；（e）第一の入力電圧の第一の位相角および第二の入力電圧の第二の位相角を変化させ；（f）最大インピーダンス変化が起こる第一の位相角および第二の位相角を特定し；（g）第一の位相角および第二の位相角で特定されるインピーダンスを計測し；（i）計測されたインピーダンスを使用して、標的被分析物を検出する、または標準校正曲線の使用によって標的被分析物の濃度を計算するように構成されている。
【００１３】
例示的態様は、ハンドヘルド型計測装置およびコンフォーマル被分析物センサ回路を使用して試料中の標的被分析物を検出または定量する方法であって、（a）複数の標的被分析物を含有する試料を、第一の電極、第二の電極、第三の電極、第四の電極、第五の電極および第六の電極を含むセンサ回路を有するコンフォーマル基材上に配置する工程；（b）第一の電極と第二の電極との間に第一の位相角で第一の交流入力電圧を印加する工程；（c）第三の電極と第二の電極との間に第二の位相角で第二の交流入力電圧を印加する工程であって、第一の位相角と第二の位相角とが第一の一定のデルタ位相角だけ離れている、工程；（d）第一の周波数範囲にわたる様々な周波数で第一の出力電流を計測し、第一の位相角範囲にわたって位相角を変化させる工程；（e）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第一の電極および第三の電極から第二の電極を通って流れる第一の出力電流を増幅する工程；（f）第一の電極の表面、第二の電極の表面および第三の電極の表面に隣接する第一の電気二重層を三次元空間中の複数の平面へと分割する工程；（g）第一の位相角範囲にわたって第一の入力電圧の第一の位相角および第二の入力電圧の第二の位相角を変化させる工程；（h）第一の最大インピーダンス変化が起こる第一の位相角および第二の位相角を特定する工程；（i）第一の位相角および第二の位相角で特定されるインピーダンスを計測する工程；（j）様々な周波数における該計測されたインピーダンスを使用して、第一の標的被分析物を検出する、または標準校正曲線の使用によって第一の標的被分析物の濃度を計算する工程；（k）第四の電極と第五の電極との間に第三の位相角で第三の交流入力電圧を印加する工程；（l）第六の電極と第五の電極との間に第四の位相角で第四の交流入力電圧を印加する工程であって、第三の位相角と第四の位相角とが第二の一定のデルタ位相角だけ離れている、工程；（m）第二の周波数範囲にわたる様々な周波数で第二の出力電流を計測し、第二の位相角範囲にわたって位相角を変化させる工程；（n）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第四の電極および第六の電極から第五の電極を通って流れる第二の出力電流を増幅する工程；（o）第四の電極の表面、第五の電極の表面および第六の電極の表面に隣接する第二の電気二重層を複数の平面へと分割する工程；（p）第二の位相角範囲にわたって第三の入力電圧の第三の位相角および第四の入力電圧の第四の位相角を変化させる工程；（q）第二の最大インピーダンス変化が起こる第三の位相角および第四の位相角を特定する工程；（r）第三の位相角および第四の位相角で特定されるインピーダンスを計測する工程；および（s）様々な周波数における該計測されたインピーダンスおよび位相変化を使用して、第二の標的被分析物を検出する、または標準校正曲線の使用によって第二の標的被分析物の濃度を計算する工程を含む方法を含む。特定の態様において、工程（a）〜（j）は工程（k）〜（s)と並行して実施される。
【００１４】
特定の態様において、第一の周波数範囲と第二の周波数範囲とは異なる。特定の態様において、第一の位相角範囲と第二の位相角範囲とは異なる。いくつかの態様において、第一の周波数範囲と第二の周波数範囲とは等しい。特定の態様において、第一の位相角範囲と第二の位相角範囲とは等しい。
【００１５】
例示的態様は、ハンドヘルド型計測装置およびコンフォーマル被分析物センサ回路を使用して試料中の標的被分析物を検出または定量する方法であって、（a）コンフォーマル被分析物センサ回路の第一の電極と第二の電極との間に第一の入力電圧を印加する工程；（b）コンフォーマル被分析物センサ回路の第三の電極と第二の電極との間に第二の入力電圧を印加する工程；（c）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第一の電極および第三の電極から第二の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程；（d）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、第一の入力電圧および第二の入力電圧を出力電流と比較することによってインピーダンスを計算する工程；および（e）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、計算されたインピーダンスから標的被分析物を検出する、または標的被分析物濃度を計算する工程を含む、方法を含む。
【００１６】
例示的態様は、ハンドヘルド型計測装置およびコンフォーマル被分析物センサ回路を使用して試料中の複数の標的被分析物を検出または定量する方法であって、（a）コンフォーマル被分析物センサ回路の第一の電極と第二の電極との間に第一の入力電圧を印加する工程；（b）コンフォーマル被分析物センサ回路の第三の電極と第二の電極との間に第二の入力電圧を印加する工程；（c）第二の入力電圧の電界の角度配向をシフトする工程；（d）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第一の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程；（e）電界の角度配向を出力電流と比較することによって一つまたは複数の標的被分析物の存在を検出する工程を含む、方法を含む。計測することができる被分析物のタイプは、液体中の被分析物または液体に含まれた気体被分析物を含む。
【００１７】
例示的態様において、第一の入力電圧および第二の入力電圧は50Hz〜5,000Hzの周波数を有する。特定の態様において、第一の入力電圧および第二の入力電圧は正弦波および／またはのこぎり波および／または方形波である。特定の態様において、第一の入力電圧および第二の入力電圧は、100mV〜500mV、またはより特に50mV〜200mV、またはとりわけ特に5mV〜20mVである。
【００１８】
特定の態様において、出力電流は、10pA〜10mA、またはより特に10pA〜100nA、またはより特に100nA〜10mAである。特定の態様において、出力電流は1〜200倍に増幅される。特定の態様はさらに、高速フーリエ変換を適用することによってインピーダンスを周波数の関数として計算する工程および／またはラプラス変換を使用してインピーダンスを周波数の関数として計算する工程を含む。特定の態様はさらに、マルチスライス分割（multi-slice splitting）および信号分析を使用してインピーダンスを周波数の関数として計算する工程を含む。特定の態様において、角度配向は0〜360°シフトされる。特定の態様はさらに、計算された標的被分析物濃度を表示する工程を含む。特定の態様はさらに、計算されたインピーダンスを表示する工程を含む。特定の態様はさらに、出力をLCDディスプレイ上に表示する工程を含む。特定の態様はさらに、出力をスマートフォン上に表示する工程を含む。特定の態様はさらに、ミニジョイスティックを使用して入力を提供する工程を含む。特定の態様はさらに、スマートフォンを使用して入力を提供する工程を含む。特定の態様において、計測されるインピーダンスは非ファラデーインピーダンスである。
【００１９】
特定の態様において、コンフォーマル被分析物センサ回路は、多孔性ナノテクスチャ基材を含む、上面を有する固体基材；および固体基材の上面上に回路設計で配置され、それによって第一の電極、第二の電極および第三の電極を含む回路を作る導電性材料を含む。特定の態様において、多孔性ナノテクスチャ基材は、10×107〜10×1018個／mm2、またはより特に10×1010〜10×1013個／mm2の気孔率を有する。特定の態様において、多孔性ナノテクスチャ基材は絶縁基材である。特定の態様において、多孔性ナノテクスチャ基材は紙またはニトロセルロースである。特定の態様において、導電性材料は導電性インクまたは半導電性インクである。特定の態様において、半導電性インクはカーボンインクおよび添加物を含み、特定の態様において、導電性インクはカーボンインク、銀インク、または金属もしくは金属酸化物ナノ粒子を注入されたカーボンインクである。
【００２０】
特定の態様において、金属または金属酸化物ナノ粒子を注入されたカーボンインクは、金、白金、タンタル、銀、銅、スズ、酸化インジウムスズ、グラフィーム（grapheme）、酸化グラフィーム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄または酸化モリブデンを1体積％注入されている。特定の態様において、回路は非線形回路であり、特定の態様において、回路は非オーム回路である。特定の態様はベース電極面を含み、特定の態様において、ベース電極面はさらにソース回路に結合されている。特定の態様において、ソース回路はポテンシオスタットおよび／または電圧源および／または電流源を含む。
【００２１】
特定の態様において、回路は捕捉リガンドまたは標識分子を含まない。特定の態様において、コンフォーマル被分析物センサはさらにレドックス材料を含む。
【００２２】
例示的態様において、被分析物センサ回路は、（a）固体多孔性ナノテクスチャ基材を提供する工程；および（b）導電性材料を使用して、被分析物センサ回路設計を多孔性ナノテクスチャ基材の上面に転写する工程を含む、方法によって組み立てられる。特定の態様において、回路設計を転写する工程は浸漬被覆を含む。特定の態様において、回路の形体分解能は100ナノメートル／0.1ミクロンまでである。特定の態様において、回路設計を転写する工程はエンボス加工を含む。特定の態様において、回路の形体分解能は100ナノメートル／0.1ミクロンまでである。特定の態様において、回路設計を転写する工程は、回路を3Dプリンタ上で設計し、回路を基材にエンボス加工する工程を含む。特定の態様において、回路の形体分解能は100ナノメートル／0.1ミクロンまでである。特定の態様において、回路設計はマスキングおよびリソグラフィーを含む。特定の態様において、回路の形体分解能は1〜10ミクロンである。
【００２３】
例示的態様は、（a）第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されるように構成されたプログラマブルゲイン増幅器；（b）プログラマブルゲイン増幅器、第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルマイクロコントローラを含む、標的被分析物を計測するためのハンドヘルド型装置であって、プログラマブルマイクロコントローラが、第一の電極と第二の電極との間に第一の交流入力電圧を印加するように動作可能であり；プログラマブルマイクロコントローラが、第三の電極と第二の電極との間に第二の交流入力電圧を印加するように動作可能であり；プログラマブルゲイン増幅器が、第一の電極および第三の電極から第二の電極を通って流れる交流出力電流を増幅するように動作可能であり；プログラマブルマイクロコントローラが、第一の入力電圧および第二の入力電圧を、計測された出力電流と比較することによってインピーダンスを計算するように動作可能であり；プログラマブルマイクロコントローラが、計算されたインピーダンスから標的被分析物濃度を計算するように動作可能である、ハンドヘルド型装置を含む。
【００２４】
例示的態様は、（a）第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されるように構成されたプログラマブルゲイン増幅器；（b）プログラマブルゲイン増幅器、第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルマイクロコントローラを含む、標的被分析物を計測するためのハンドヘルド型装置であって、プログラマブルマイクロコントローラが、第一の電極と第二の電極との間に第一の交流入力電圧を印加するように動作可能であり；プログラマブルマイクロコントローラが、第三の電極と第二の電極との間に第二の交流入力電圧を印加するように動作可能であり；プログラマブルゲイン増幅器が、第二の交流入力電圧の電界の角度配向をシフトするように動作可能であり；プログラマブルゲイン増幅器が、第三の電極を通って流れる交流出力電流を増幅するように動作可能であり；プログラマブルマイクロコントローラが、交流出力電流の振幅を計算するように動作可能であり；プログラマブルマイクロコントローラが、角度配向を交流出力電流の振幅と比較することによって一つまたは複数の標的被分析物の存在を検出するように動作可能である、ハンドヘルド型装置を含む。
【００２５】
ハンドヘルド型計測装置の特定の態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、50Hz〜1,000Hzの周波数を有する第一の交流入力電圧および第二の交流入力電圧を印加するように動作可能である。特定の態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、正弦波である第一の交流入力電圧および第二の交流入力電圧を印加するように動作可能である。特定の態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、のこぎり波である第一の交流入力電圧および第二の交流入力電圧を印加するように動作可能である。特定の態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、方形波である第一の交流入力電圧および第二の交流入力電圧を印加するように動作可能である。特定の態様において、プログラマブルゲイン増幅器は1〜200の可変ゲインを有する。特定の態様において、マイクロコントローラは、5mV〜500mVの第一の交流入力電圧および第二の交流入力電圧を印加するように動作可能である。特定の態様において、ハンドヘルド型計測装置は、10pA以上の出力電流を検出するように動作可能である。特定の態様において、プログラマブルマイクロコントローラはアナログ・デジタル変換器およびデジタル・アナログ変換器を含む。特定の態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、入力電圧および出力電流に高速フーリエ変換を適用して、インピーダンスを周波数の関数として計算するように動作可能である。特定の態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、入力電圧および出力電流にラプラス変換を適用して、インピーダンスを周波数の関数として計算するように動作可能である。特定の態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、マルチスライス分割および信号分析を使用して、インピーダンス変化が最大または最小になる周波数を決定するように動作可能である。特定の態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、角度配向を0°から360°までシフトするように動作可能である。
【００２６】
特定の態様はさらに、プログラマブルマイクロコントローラに動作可能に結合された液晶ディスプレイ；プログラマブルマイクロコントローラに動作可能に結合されたミニジョイスティックを含み；ミニジョイスティックは、ユーザが入力を提供することを可能にするように動作可能であり；液晶ディスプレイは出力データを表示することができる。特定の態様はさらに、プログラマブルマイクロコントローラに動作可能に結合されたスマートフォンを含み；スマートフォンは、ユーザが入力を提供することを可能にするように動作可能であり；スマートフォンは出力データを表示することができる。特定の態様において、出力データは標的被分析物濃度を含む。特定の態様において、出力データはインピーダンスを含む。特定の態様において、ハンドヘルド型計測装置はレドックスプローブを含まない。
【００２７】
例示的態様は、既知の標的被分析物濃度を有する複数の溶液を試験することによってハンドヘルド型計測装置を校正する方法であって、（a）複数の溶液それぞれに関して第一の電極と第二の電極との間に第一の入力電圧を印加する工程；（b）複数の溶液それぞれに関して第三の電極と第二の電極との間に第二の入力電圧を印加する工程；（c）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第一の電極および第三の電極から第二の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程；（d）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、第一の入力電圧および第二の入力電圧を出力電流と比較することによって複数の溶液それぞれに関してインピーダンスを計算する工程；（e）式zi＝b1x2＋b2x＋cの係数を計算する工程であって、式中、ziはインピーダンスであり、xは既知の標的被分析物濃度であり、b1、b2およびcは係数である、工程を含む、方法を含む。
【００２８】
例示的態様は、本明細書に記載されるようなコンフォーマル回路およびハンドヘルド型計測装置を含むキットを含む。
【００２９】
いくつかの態様において、ハンドヘルド型ポテンショメータは、LCDスクリーン、ミニジョイスティック、第一の電極ポート、第二の電極ポート、第三の電極ポート、プログラマブルマイクロコントローラおよびプログラマブルゲイン増幅器を含む。他の態様において、ハンドヘルド型ポテンショメータは、スマートフォン、ケーブル、ポテンシオスタットアダプタ、第一の電極ポート、第二の電極ポート、第三の電極ポート、プログラマブルマイクロコントローラおよびプログラマブルゲイン増幅器を含む。いくつかの態様において、ハンドヘルド型ポテンショメータは、プログラマブルマイクロコントローラの代わりにプログラマブルマイクロプロセッサを含む。
【００３０】
いくつかの態様において、標的被分析物を計測するためのハンドヘルド型装置は、（a）第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されるように構成されたプログラマブルゲイン増幅器、（b）プログラマブルゲイン増幅器、第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルマイクロコントローラを含み、プログラマブルマイクロコントローラは、第一の電極と第二の電極との間に交流入力電圧を印加し、第三の電極と第二の電極との間に交流入力電圧を印加するように動作可能であり；プログラマブルゲイン増幅器は、第一の電極から第二の電極を通って流れる交流出力電流を増幅し、第三の電極から第二の電極を通って流れる交流出力電流を増幅するように動作可能であり；プログラマブルマイクロコントローラは、入力電圧を、計測された出力電流と比較することによってインピーダンスを計算するように動作可能であり；プログラマブルマイクロコントローラは、計算されたインピーダンスから標的被分析物濃度を計算するように動作可能である。
【００３１】
いくつかの態様において、標的被分析物を計測するためのハンドヘルド型装置は、（a）第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されるように構成されたプログラマブルゲイン増幅器、（b）プログラマブルゲイン増幅器、第一の電極、第二の電極および第三の電極に動作可能に結合されたプログラマブルマイクロコントローラを含み、プログラマブルマイクロコントローラは、第一の電極と第二の電極との間に交流入力電圧を印加し、第三の電極と第二の電極との間に交流入力電圧を印加するように動作可能であり；プログラマブルマイクロコントローラは、第三の電極と基準電極との間の電界の配向を変えるように動作可能であり；プログラマブルゲイン増幅器は、第三の電極における電流応答を測定するように動作可能であり；プログラマブルマイクロコントローラは、配向の角度と比較された電流応答に基づいて複数の標的被分析物の存在を決定するように動作可能である。
【００３２】
いくつかの態様において、第三−第二電極電界は第一−基準電極電界と同じ配向を有する。いくつかの態様において、第三−第二電極電界は第一−第二電極電界の配向に対して垂直である。いくつかの態様において、第三−第二電極電界の配向は、第一−第二電極電界に対して0°から360°まで変えられる。いくつかの態様において、第三の電極は第一および第二の電極に対して平行である。他の態様において、第三の電極は第一および第二の電極に対して垂直である。いくつかの態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、50Hz〜1,000Hzの周波数を有する入力電圧を第一の電極と第二の電極との間および第三の電極と第二の電極との間に印加するように動作可能である。いくつかの態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、正弦波である入力電圧を印加するように動作可能である。いくつかの態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、のこぎり波である入力電圧を印加するように動作可能である。いくつかの態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、方形波である入力電圧を印加するように動作可能である。いくつかの態様において、プログラマブルゲイン増幅器は1〜200の可変ゲインを有する。いくつかの態様において、マイクロコントローラは、10mV〜2Vの入力電圧を印加するように動作可能である。いくつかの態様において、ハンドヘルド型計測装置は、10pA以上の出力電流を検出するように動作可能である。いくつかの態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、アナログ・デジタル変換器およびデジタル・アナログ変換器を含む。いくつかの態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、入力電圧と出力電流との間の位相の差を計測することができる。いくつかの態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、入力電圧および出力電流に対して高速フーリエ変換を適用して、インピーダンスを周波数の関数として計算するように動作可能である。いくつかの態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、入力電圧および出力電流にラプラス変換を適用して、インピーダンスを周波数の関数として計算するように動作可能である。いくつかの態様において、プログラマブルマイクロコントローラは、マルチスライス分割および信号分析を使用して、インピーダンス変化が最大または最小になる周波数を決定するように動作可能である。いくつかの態様において、装置はさらに、プログラマブルマイクロコントローラに動作可能に結合された液晶ディスプレイ；プログラマブルマイクロコントローラに動作可能に結合されたミニジョイスティックを含み；ミニジョイスティックは、ユーザが入力を提供することを可能にするように動作可能であり；液晶ディスプレイは出力データを表示することができる。いくつかの態様において、装置はさらに、プログラマブルマイクロコントローラに動作可能に結合されたスマートフォンを含み；スマートフォンは、ユーザが入力を提供することを可能にするように動作可能であり；スマートフォンは出力データを表示することができる。いくつかの態様において、出力データは標的被分析物濃度を含む。いくつかの態様において、ハンドヘルド型計測装置はレドックスプローブを含まない。
【００３３】
コンフォーマル被分析物センサ回路は、多孔性ナノテクスチャ基材と、該固体基材の上面上に回路設計で配置され、それによって第一の電極、第二の電極および第三の電極を含む回路を作る導電性材料とを含む。ナノテクスチャ基材の気孔率は、計測される標的被分析物によって決まる。いくつかの態様において、多孔性ナノテクスチャ基材は、10×107および10×1018個／mm2またはそれらの間の気孔率を有する。いくつかの態様において、多孔性ナノテクスチャ基材は、10×1010および10×1013個／mm2またはそれらの間の気孔率を有する。いくつかの態様において、多孔性ナノテクスチャ基材は絶縁基材である。いくつかの態様において、多孔性ナノテクスチャ基材は紙またはニトロセルロースである。
【００３４】
導電性材料は、当業者に公知の任意の適切な材料であり得る。いくつかの態様において、導電性材料は導電性インクまたは半導電性インクである。いくつかの態様において、半導電性インクはカーボンインクおよび添加物を含む。いくつかの態様において、導電性インクはカーボンインク、銀インク、または金属もしくは金属酸化物ナノ粒子を注入されたカーボンインクである。いくつかの態様において、金属または金属酸化物ナノ粒子を注入されたカーボンインクは、金、白金、タンタル、銀、銅、スズ、酸化インジウムスズ、グラフィーム（grapheme）、酸化グラフィーム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄または酸化モリブデンを1体積％注入されている。
【００３５】
回路は非線形回路または非オーム回路であり得る。いくつかの態様において、回路はさらにベース電極面として画定されている。いくつかの態様において、ベース電極面はさらにソース電流に結合されている。いくつかの態様において、ソース電流はポテンシオスタットである。いくつかの態様において、ソース回路は電圧源である。いくつかの態様において、ソース回路は電流源である。いくつかの態様において、回路は捕捉リガンドまたは標識分子を含まない。いくつかの態様において、コンフォーマル被分析物センサはさらにレドックス材料を含む。
【００３６】
いくつかの態様において、本明細書に開示されるコンフォーマル被分析物センサ回路のいずれかは、（a）固体多孔性ナノテクスチャ基材を提供する工程；および（b）導電性材料を使用して、被分析物センサ回路設計を多孔性ナノテクスチャ基材の上面に転写する工程を含む、方法によって組み立てられる。いくつかの態様において、回路設計を転写する工程は浸漬被覆を含む。そのような態様において、回路の形体分解能は100ナノメートル／0.1ミクロンまでである。いくつかの態様において、回路設計を転写する工程はエンボス加工を含む。そのような態様において、回路の形体分解能は100ナノメートル／0.1ミクロンまでである。いくつかの態様において、回路設計を転写する工程は、回路を3Dプリンタ上で設計し、回路を基材上にエンボス加工する工程を含む。そのような態様において、回路の形体分解能は100ナノメートル／0.1ミクロンまでである。いくつかの態様において、回路設計を転写する工程はマスキングおよびリソグラフィーを含む。そのような態様において、回路の形体分解能は1〜10ミクロンである。
【００３７】
いくつかの態様においては、本明細書に開示されるコンフォーマル被分析物センサ回路のいずれかおよび本明細書に開示されるハンドヘルド型計測装置のいずれかを含むキットが開示される。
【００３８】
本明細書に開示されるハンドヘルド型ポテンシオスタットおよび多孔性ナノテクスチャコンフォーマル回路は、標的被分析物を検出および／または定量するために、別々に使用されてもよいし、または組み合わせて使用されてもよい。いくつかの態様において、開示されるものは、開示されるコンフォーマル被分析物センサ回路に試料をスポット塗布する工程であって、試料が多孔性ナノテクスチャ基材および回路設計中に吸収される、工程、コンフォーマル被分析物センサ回路をソース回路に取り付ける工程、および試料中の標的被分析物をソース回路で検出する工程を含む、標的被分析物を検出する方法である。いくつかの態様において、ソース回路はポテンシオスタットである。いくつかの態様において、ソース回路は電圧源である。いくつかの態様において、ソース回路は電流源である。いくつかの態様において、試料は流体1〜10μlを含有する。いくつかの態様において、標的被分析物は、タンパク質、DNA、RNA、SNP、小分子、病原体、重金属イオンまたは生理学的イオンである。いくつかの態様において、試料は標識されない。いくつかの態様において、標的被分析物を検出する工程は、電気的変化を検出する工程を含む。
【００３９】
いくつかの態様において、開示されるものは、ハンドヘルド型計測装置を使用して試料中の標的被分析物を検出または定量する方法であって、（a）第一の電極と第二の電極との間および第三の電極と第二の電極との間に入力電圧を印加する工程、（b）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第一の電極から第二の電極を通って流れる出力電流および第三の電極から第二の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程、（c）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、入力電圧を出力電流と比較することによってインピーダンスを計算する工程、および（d）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、計算されたインピーダンスから標的被分析物濃度を計算する工程を含む方法である。
【００４０】
いくつかの態様において、開示されるものは、ハンドヘルド型計測装置を使用して試料中の標的被分析物を検出または定量する方法であって、（a）第一の電極と第二の電極との間および第三の電極と第二の電極との間に入力電圧を印加する工程、（b）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第一の電極から第二の電極を通って流れる出力電流および第三の電極から第二の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程、（c）第三の電極と第二の電極との間の電界の配向をシフトする工程、（d）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、第三の電極における電流応答を計測する工程、および（d）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、電流応答を該配向と比較することによって標的被分析物の正体を決定する工程を含む方法である。
【００４１】
いくつかの態様において、第三の電極は第一の電極および第二の電極に対して平行である。いくつかの態様において、第三の電極は第一の電極および第二の電極に対して垂直である。いくつかの態様において、第三−第二電極電界は、第一−第二電極電界から90°の向きにある。いくつかの態様において、第三−基準電極電界は第一−第二電極電界と同じ配向を有する。いくつかの態様において、第三−第二電極電界の配向は、第一−第二電極電界に対して0°から360°まで変えられる。いくつかの態様において、入力電圧は50Hz〜1,000Hzの周波数を有する。いくつかの態様において、入力電圧は正弦波である。いくつかの態様において、入力電圧はのこぎり波である。いくつかの態様において、入力電圧は方形波である。いくつかの態様において、入力電圧は100mV〜500mVである。いくつかの態様において、入力電圧は50mV〜200mVである。いくつかの態様において、入力電圧は5mV〜20mVである。いくつかの態様において、出力電流は10pA〜10mAである。いくつかの態様において、出力電流は10pA〜100nAである。いくつかの態様において、出力電流は100nA〜10mAである。いくつかの態様において、出力電流は1〜200倍に増幅される。いくつかの態様において、方法はさらに、高速フーリエ変換および／またはラプラス変換を適用することによってインピーダンスを周波数の関数として計算する工程を含む。いくつかの態様において、方法はさらに、マルチスライス分割および信号分析を使用してインピーダンスを周波数の関数として計算する工程を含む。いくつかの態様において、方法はさらに、計算された標的被分析物濃度を表示する工程を含む。いくつかの態様において、方法はさらに、出力をLCDディスプレイ上に表示する工程を含む。いくつかの態様において、方法はさらに、出力をスマートフォン上に表示する工程を含む。いくつかの態様において、方法はさらに、ミニジョイスティックを使用して入力を提供する工程を含む。いくつかの態様において、方法はさらに、スマートフォンを使用して入力を提供する工程を含む。いくつかの態様において、計測されるインピーダンスは非ファラデーインピーダンスである。
【００４２】
いくつかの態様において、開示されるものは、ハンドヘルド型計測装置を使用して試料中の標的被分析物を検出または定量する方法であって、（a）第一の電極と第二の電極との間および第三の電極と第二の電極との間に入力電圧を印加する工程、（b）プログラマブルゲイン増幅器を使用して、第一の電極から第二の電極を通って流れる出力電流および第三の電極から第二の電極を通って流れる出力電流を増幅する工程、（c）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、第一の入力電圧の位相および第二の入力電圧の位相に対する出力電流の位相の差を計算する工程、および（d）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、出力電流の位相の最大差を測定することにより、一つまたは複数の標的被分析物の存在を検出する工程を含む方法である。いくつかの態様において、入力電圧は50Hz〜1,000Hzの周波数を有する。いくつかの態様において、入力電圧は正弦波である。いくつかの態様において、入力電圧はのこぎり波である。いくつかの態様において、入力電圧は方形波である。いくつかの態様において、入力電圧は100mV〜500mVである。いくつかの態様において、入力電圧は50mV〜200mVである。いくつかの態様において、入力電圧は5mV〜20mVである。いくつかの態様において、出力電流は10pA〜10mAである。いくつかの態様において、出力電流は10pA〜100nAである。いくつかの態様において、出力電流は100nA〜10mAである。いくつかの態様において、出力電流は1〜200倍に増幅される。いくつかの態様において、方法はさらに、計算された標的被分析物濃度を表示する工程を含む。いくつかの態様において、方法はさらに、出力をLCDディスプレイ上に表示する工程を含む。いくつかの態様において、方法はさらに、出力をスマートフォン上に表示する工程を含む。いくつかの態様において、方法はさらに、ミニジョイスティックを使用して入力を提供する工程を含む。いくつかの態様において、方法はさらに、スマートフォンを使用して入力を提供する工程を含む。
【００４３】
ハンドヘルド型ポテンショメータは、第一の電極と第二の電極との間および第三の電極と第二の電極との間に交流電圧を印加することによって標的被分析物の濃度を検出する。第一の電極と第二の電極との間に印加される交流電圧は、第三の電極と第二の電極との間に印加される交流電圧とは位相が90°異なる。印加される交流電圧は、第一の電極から第二の電極を通って流れる電流および第三の電極から第二の電極を通って流れる電流を生じさせる。得られる電流は、プログラマブル増幅器によって増幅され、プログラマブルマイクロコントローラに送られる。プログラマブルマイクロコントローラは、印加された電圧を得られる電流と比較して、被検試料のインピーダンスを計算する。インピーダンスは、被検試料中の標的被分析物の濃度を計算するために使用される。いくつかの態様において、ハンドヘルド型ポテンショメータを使用して標的被分析物の試験を実施するためには、まず、既知量の標的被分析物を含有する試料のインピーダンスを試験し、計算することにより、ハンドヘルド型ポテンショメータを校正する。いくつかの態様において、システムは、変化する周波数の電圧を印加し、試験される特定の被分析物に関して最大インピーダンス変化が起こる周波数を決定する。
【００４４】
請求項に係るシステムは、レドックス電極を使用することなく試料を試験することによって非ファラデー電気化学インピーダンス分光法（EIS）を実施し得る。
【００４５】
いくつかの態様において、本明細書に開示されるものは、既知の標的被分析物濃度を有する複数の溶液を試験することによってハンドヘルド型計測装置を校正する方法であって、（a）複数の溶液それぞれに関して第一の電極と第二の電極との間および第三の電極と第二の電極との間に入力電圧を印加する工程、（b）プログラマブルマイクロコントローラを使用して、入力電圧を出力電流と比較することによって複数の溶液それぞれに関してインピーダンスを計算する工程、および（c）式zi＝b1x2＋b2x＋cの係数を計算する工程であって、式中、ziはインピーダンスであり、xは既知の標的被分析物濃度であり、b1、b2およびcは係数である、工程を含む、方法である。
【００４６】
例示的態様は、以下に提示されるような試料とともに使用され得る。
【００４７】
A.試料
試料は、多種多様な供給源に由来することができる。一つの局面において、試料は、植物、動物（獣医学用途）またはヒトを含む生物に由来する。そのような試料は、固形物、たとえば糞便または組織（生検材料を含む）、組織抽出物または体液、たとえば唾液、痰、涙液、血液、血清、血漿、尿、滲出液、濾出液、脊髄液、精液または鼻汁を含む流体を含み得る。そのような試料は、本発明のアッセイを実施するために、必要に応じて可溶化または希釈されてもよい。試料を可溶化または希釈するために使用するための溶媒は、水、アセトン、メタノール、トルエン、エタノールまたは他を含む。
【００４８】
他の試料は、製造されるもの、工業的または環境的であり、生きた細胞または生物を含んでもよいし、含まなくてもよい。そのような試料は、土壌、水、食品、アルコール飲料、建築製品、バルクケミカルまたは試薬、たとえば薬物を含み得る。ここでもまた、そのような試料は、本発明のアッセイを実施するために、必要に応じて可溶化または希釈されてもよい。
【００４９】
B.標的
自己免疫抗原またはそれに対する抗体
自己免疫疾患は、概して、抗体媒介性、T細胞媒介性または抗体媒介性とT細胞媒介性との組み合わせに分類することができる。したがって、多様な内在性抗原への特異性によって抗体またはT細胞受容体を同定することができる。そのような自己抗体（たとえば抗核抗体）は、インスリン依存性（I型）糖尿病、関節リウマチ、多発性硬化症、全身性エリテマトーデス（SLE）および炎症性腸疾患（すなわちクローン病および潰瘍性大腸炎）を含む様々な疾患への関与が示唆され得る。他の自己免疫疾患は、非限定的に、円形脱毛症、後天性血友病、強直性脊椎炎、抗リン脂質抗体症候群、自己免疫性肝炎、自己免疫性溶血性貧血、心筋症、セリアック病性皮膚炎、慢性疲労免疫不全症候群（CFIDS）、慢性炎症性脱髄性多発神経障害、チャーグ・ストラウス症候群、瘢痕性類天疱瘡、CREST症候群、寒冷凝集疾患、円板状ループス、本態性混合型クリオグロブリン血症、線維筋痛症、筋炎、ギラン・バレー症候群、特発性肺線維症、特発性血小板減少性紫斑病、IgA腎症、若年性関節炎、扁平苔癬、重症筋無力症、結節性多発動脈炎、軟骨炎、多腺性症候群、皮膚筋炎、原発性無ガンマグロブリン血症、原発性胆汁性肝硬変、乾癬、レイノー現象、ライター症候群、サルコイドーシス、スティッフマン症候群、高安関節炎、側頭動脈炎／巨細胞性動脈炎、ブドウ膜炎、血管炎および白斑を含む。
【００５０】
特定の自己免疫疾患においては、自己抗原に対する抗体がしばしば認められる。たとえば、全身性エリテマトーデスの場合、一本鎖および二本鎖DNAまたはRNAに対する自己抗体が記載されている（Vallin et al, 1999；Hoet et al, 1999；ven Venrooij, 1990）。自己免疫患者の血清中に見られる自己抗体のレベルは、非常に多くの場合、疾患重症度と相関することがわかる。たとえばヒトSLEにおいて上昇する自己抗体のパターンは、無傷の高分子粒子、たとえばRNAまたはDNA含有複合体そのものが免疫原性であることができ、したがって、抗核酸抗体が生じることもできることを暗示する（Lotz et al, 1992；Mohan et al, 1993）。たとえば自己免疫患者の血清中に存在するアポトーシス細胞またはDNAもしくはRNA含有微生物から放出されるそのようなDNAまたはRNAが、自己免疫疾患に寄与する炎症の原因である可能性もある（Fatenejad, 1994；Malmegrim et al.,2002；Newkirk et al.,2001）。事実、SLE血清から、自己免疫疾患の発現に寄与すると考えられるIFN-α分泌によって支配された効率的な免疫応答を誘発するCpG含有配列を同定することができた（Magnusson et al.,2001；Ronnblom et al.,2001）。加えて、抗RNA抗体のエピトープを同定することができ、そのエピトープは、G、Uに富む配列で構成されている（Tsai et al.,1992；Tsai et al.,1993）。G、Uに富む配列は、TLR7およびTLR8のための天然のリガンドであると思われ、したがって、自己免疫疾患または自己免疫疾患の発現に原理的に寄与することもできる免疫刺激応答を媒介することができる（PCT/US03/10406）。
【００５１】
自己抗体が産生される特定の抗原は、β2糖タンパク質、カルジオリピン、CCP、CENP、GBM、グリアジン、Jo-1、LKM1、La、MPO、胃壁細胞抗原、PR3、Ro、SS-B/La、SS-A/Ro、Scl-70、Sm、精子トランスグルタミナーゼ、TPOおよびU1RNPを含む。
【００５２】
感染因子
感染症とは、生存可能な細胞内または細胞外微生物の異常な集合または集団が対象者中に存在する任意の状態をいう。細菌である微生物、ウイルスである微生物、真菌である微生物および寄生生物である微生物を含む様々なタイプの微生物が感染症を生じさせることができる。これらの微生物と関連する抗原もしくは核酸またはそれらに対する抗体の検出が本発明にしたがって企図される。
【００５３】
細菌は、肺炎球菌（pneumococci）の83以上の異なる血清型、レンサ球菌（streptococci）、たとえば化膿性連鎖球菌（S. pyogenes）、ストレプトコッカス・アガラクチア（S. agalactiae）、ストレプトコッカス・エクイ（S. equi）、ストレプトコッカス・カニス（S. canis）、ストレプトコッカス・ボビス（S. bovis）、ストレプトコッカス・エクイヌス（S. equinus）、ストレプトコッカス・アンギノサス（S. anginosus）、サンギス菌（S. sanguis）、ストレプトコッカス・サリバリウス（S. salivarius）、ストレプトコッカス・ミティス（S. mitis）、ストレプトコッカス・ミュータンス（S. mutans）、他の緑色レンサ球菌（viridans streptococci）、ペプトストレプトコッカス（peptostreptococci）、他の関連するレンサ球菌（streptococci）種、腸球菌（enterococci）、たとえばエンテロコッカスフェカリス（Enterococcus faecalis）、エンテロコッカス・フェシウム（Enterococcus faecium）、ブドウ球菌（staphylococci）、たとえばスタフィロコッカス・エピデルミデス（Staphylococcus epidermidis）、スタフィロコッカス・アウレウス（Staphylococcus aureus）、インフルエンザ菌（Hemophilus influenzae）、シュードモナス（pseudomonas）種、たとえば緑膿菌（Pseudomonas aeruginosa）、類鼻疽菌（Pseudomonas pseudomallei）、鼻疽菌（Pseudomonas mallei）、ブルセラ（brucellas）、たとえばブルセラ・メリテンシス（Brucella melitensis）、ブルセラ・スイス（Brucella suis）、ブルセラ・アボルタス（Brucella abortus）、ボルデテラ・パータシス（Bordetella pertussis）、ボレリア（Borellia）種、たとえばボレリア・ブルグドルフェリ（Borellia burgedorferi）、髄膜炎菌（Neisseria meningitidis）、淋菌（Neisseria gonorrhoeae）、カタル球菌（Moraxella catarrhalis）、ジフテリア菌（Corynebacterium diphtheriae）、コリネバクテリウム・ウルセランス（Corynebacterium ulcerans）、ヒツジ偽結核菌（Corynebacterium pseudotuberculosis）、偽ジフテリア菌（Corynebacterium pseudodiphtheriticum）、ウレアーゼ産生菌（Corynebacterium urealyticum）、コリネバクテリウム・ヘモリチクム（Corynebacterium hemolyticum）、コリネバクテリウム・エクイ（Corynebacterium equi）など、リステリア菌（Listeria monocytogenes）、ノカルジア・アステロイデス（Nocordia asteroides）、バクテロイデス（Bacteroides）種、放線菌（Actinomycetes）種、梅毒トレポネーマ（Treponema pallidum）、レプトスピラ（Leptospirosa）種、ヘモフィルス（Haemophilus）種、ヘリコバクター（Helicobacter）種、たとえばヘリコバクター・ピロリ（Helicobacter pylori）、トレポネーマ（Treponema）種ならびに関連の生物を含む。本発明はまた、肺炎桿菌（Klebsiella pneumoniae）、大腸菌（Escherichia coli）、プロテウス（Proteus）、セラチア（Serratia）種、アシネトバクター（Acinetobacter）、ペスト菌（Yersinia pestis）、フランシセラ・ツラレンシス（Francisella tularensis）、エンテロバクター（Enterobacter）種、バクテロイデス（Bacteriodes）およびレジオネラ（Legionella）種、赤痢菌（Shigella）種、マイコバクテリア（Mycobacterium）種（たとえば結核菌（Mycobacterium tuberculosis）、マイコバクテリウム・ボビス（Mycobacterium bovis）または他のマイコバクテリア（mycobacteria）感染）、マイコバクテリウム・アビウム（Mycobacterium avium）複合体（MAC）、マイコバクテリウム・マリヌム（Mycobacterium marinum）、マイコバクテリウム・フォーチュイタム（Mycobacterium fortuitum）、マイコバクテリウム・カンサシ（Mycobacterium kansaii）、エルシニア（Yersinia）感染（たとえばエルシニア・ペスチス（Yersinia pestis）、エンテロコリチカ菌（Yersinia enterocolitica）または偽結核菌（Yersinia pseudotuberculosis））などのようなグラム陰性菌に対しても有用であり得る。
【００５４】
加えて、本発明は、寄生生物、たとえばクリプトスポリジウム（Cryptosporidium）、エントアメーバ（Entamoeba）、プラスモディウム（Plasmodium）属、たとえば熱帯熱マラリア原虫（Plasmodium falciparum）、四日熱マラリア原虫（Plasmodium malariae）、卵形マラリア原虫（Plasmodium ovale）および三日熱マラリア原虫（Plasmodium vivax）およびトキソプラズマ原虫（Toxoplasma gondii）、ジアルジア（Giardia）、リーシュマニア（Leishmania）、トリパノソーマ（Trypanasoma）、トリコモナス（Trichomonas）、ネグレリア（Naegleria）、イソスポーラ・ベリ（Isospora belli）、腟トリコモナス（Trichomonas vaginalis）、ウンケレリア（Wunchereria）、回虫（Ascaris）、住血吸虫（Schistosoma）種、サイクロスポラ（Cyclospora）種ならびにトラコーマクラミジア（Chlamydia trachomatis）および他のクラミジア（Chlamydia）感染、たとえばクラミジア・シタッシ（Chlamydia psittaci）またはクラミジア・ニューモニエ（Chlamydia pneumoniae）の検出を企図する。当然、本発明は、有効な抗体を作ることができる任意の病原体に対して使用され得ることが理解されよう。
【００５５】
真菌および他の糸状菌病原体（それらのいくつかはHuman Mycoses (1979; Opportunistic Mycoses of Man and Other Animals (1989)；およびScrip's Antifungal Report (1992)に記載されている）もまた、診断の標的として企図される。本発明に関連して企図される真菌病は、非限定的に、アスペルギルス症、黒色砂毛症、カンジダ症、黒色真菌症、クリプトコッカス症、爪甲真菌症もしくは外耳炎（耳真菌症）、黒色菌糸症、藻菌症、癜風、白癬、白癬性毛瘡、頭部白癬、体部白癬、股部白癬、黄癬、渦状癬、手白癬、白癬黒質（掌）、足白癬、爪白癬、トルロプシス症、腋窩菌毛症、白色砂毛症およびそれらの同義語、重症全身性または日和見感染症、たとえば非限定的に、放線菌症、アスペルギルス症、カンジダ症、黒色真菌症、コクシジオイデス症、クリプトコッカス症、エントモフトラ症、ジオトリクム症、ヒストプラスマ症、ムコール症、菌腫、ノカルジア症、北アメリカブラストミセス症、パラコクシジオイデス症、黒色菌糸症、藻菌症、ニューモシスチス肺炎、ピシウム感染症、スポロトリクス症およびトルロプシス症ならびにそれらの同義語を含み、それらのいくつかは致命的になり得る。公知の真菌および糸状菌病原体は、非限定的に、ユミケカビ（Absidia）菌種、アクチノマヅラ・マヅレ（Actinomadura madurae）、アクチノマイセス（Actinomyces）菌種、アレスケリア・ボイジイ（Allescheria boydii）、アルテルナリア（Alternaria）菌種、アントプシス・デルトイデア（Anthopsis deltoidea）、アポフィソマイセス・エレガンス（Apophysomyces elegans）、アルニウム・レオポリナ（Arnium leoporinum）、アスペルギルス（Aspergillus）菌種、アウレオバシジウム ・プルランス（Aureobasidium pullulans）、バシジオボーラス・ラナラム（Basidiobolus ranarum）、バイポラリス（Bipolaris）菌種、ブラストミセス・デルマチチジス（Blastomyces dermatitidis）、カンジダ（Candida）菌種、セファロスポリウム（Cephalosporium）菌種、ケトコニジウム（Chaetoconidium）菌種、ケトミウム（Chaetomium）菌種、クラドスポリウム（Cladosporium）菌種、コクシジオイデス・イミチス（Coccidioides immitis）、コニディオボラス（Conidiobolus） 菌種、コリネバクテリウム・テヌイス（Corynebacterium tenuis）、クリプトコッカス（Cryptococcus）菌種、クニンガメラ・ベルトレチアエ（Cunninghamella bertholletiae）、カーブラリア（Curvularia）菌種、ダクティラリア（Dactylaria ）菌種、エピデルモフィトン（Epidermophyton）菌種、エピデルモフィトン・フロッコースム（Epidermophyton floccosum）、エキセロヒラム（Exserophilum）菌種、エクソフィアラ（Exophiala）菌種、フォンセケア（Fonsecaea）菌種、フサリウム（Fusarium）菌種、ゲオトリクム（Geotrichum）菌種、ヘルミントスポリウム（Helminthosporium）菌種、ヒストプラズマ（Histoplasma）菌種、レシトホラ（Lecythophora）菌種、マヅレラ（Madurella）菌種、マラセジア・フルフール（Malassezia furfur）、ミクロスポルム（Microsporum）菌種、ムコール（Mucor）菌種、マイコセントロスポラ・アセリナ（Mycocentrospora acerina）、ノカルジア（Nocardia）菌種、パラコクシジオイデス・ブラシリエンシス（Paracoccidioides brasiliensis）、ペニシリウム（Penicillium）菌種、フェオスクレラ・デマチオイデス（Phaeosclera dematioides）、フェアネロマイセス（Phaeoannellomyces）菌種、フィアレモニウム・オボバツム（Phialemonium obovatum）、フィアロホラ（Phialophora）菌種、フォマ（Phoma）菌種、ピエロライア・ホルタイ（Piedraia hortai）、ニューモシスチス・カリニ（Pneumocystis carinii）、ピチウム・インシジオサム（Pythium insidiosum）、リノクラジエラ・アクアスペルサ（Rhinocladiella aquaspersa）、リゾムコール・プシルス（Rhizomucor pusillus）、リゾパス（Rhizopus）菌種、サクセナエア・バシホルミス（Saksenaea vasiformis）、サルシノマイセス・フェムリホルミス（Sarcinomyces phaeomuriformis）、スポロスリックス・シェンキ（Sporothrix schenckii）、シンセファラストラム・ラセモサム（Syncephalastrum racemosum）、タエニオエラ・ボピ（Taeniolella boppii）、トルロプソシス（Torulopsosis）菌種、トリコフィトン（Trichophyton）菌種、トリコスポロン（Trichosporon）菌種、ウロクラジウム・シャルタラム（Ulocladium chartarum）、ワンギエラ・デルマチチジス（Wangiella dermatitidis）、キシロヒハ（Xylohypha）菌種、ジゴミエテス（Zygomyetes）菌種およびそれらの同義語を含む。病原性を有する他の真菌は、非限定的に、テルモムコール・インジカエ−セウダチカエ（Thermomucor indicae-seudaticae）、ラジオマイセス（Radiomyces）菌種および公知の病原性属の他の種を含む。
【００５６】
ヒト中に見いだされたウイルスの例は、非限定的に、レトロウイルス科（Retroviridae）（たとえばヒト免疫不全ウイルス、たとえばHIV-1（HTLV-III、LAVまたはHTLV-III/LAVまたはHIV-IIIとも呼ばれる；および他の分離株、たとえばHIV-LP；ピコルナウイルス科（Picornaviridae）（たとえばポリオ（polio）ウイルス、A型肝炎（hepatitis A）ウイルス；エンテロウイルス（enterovirus）、ヒトコクサッキー（human Coxsackie）ウイルス、ライノウイルス（rhinovirus）、エコーウイルス（echovirus））；カリシウイルス科（Calciviridae）（たとえば、胃腸炎を引き起こす株）；トガウイルス科（Togaviridae）（たとえばウマ脳炎（equine encephalitis）ウイルス、風疹（rubella）ウイルス）；フラビウイルス科（Flaviviridae）（たとえばデング熱（dengue）ウイルス、脳炎（encephalitis）ウイルス、黄色熱（yellow fever）ウイルス）；コロナウイルス科（Coronaviridae）（たとえばコロナウイルス（coronavirus））；ラブドウイルス科（Rhabdoviridae）（たとえば水疱性口内炎（vesicular stomatitis）ウイルス、狂犬病（rabies）ウイルス）；フィロウイルス科（Filoviridae）（たとえばエボラ（ebola）ウイルス）；パラミクソウイルス科（Paramyxoviridae）（たとえばパラインフルエンザ（parainfluenza）ウイルス、ムンプス（mumps）ウイルス、麻疹（measles）ウイルス、呼吸器合胞体（respiratory syncytial）ウイルス）；オルソミクソウイルス科（Orthomyxoviridae）（たとえばインフルエンザウイルス）；ブニヤウイルス科（Bunyaviridae）（たとえばハンターン（Hantaan）ウイルス、ブンガ（bunga）ウイルス、フレボウイルス（phlebovirus）およびナイロ（Nairo）ウイルス）；アレナウイルス科（Arenaviridae）（出血熱（hemorrhagic fever）ウイルス）；レオウイルス科（Reoviridae）（たとえばレオウイルス（reovirus）、オルビウイルス（orbiviurs）およびロタウイルス（rotavirus））；ボルナウイルス科（Bornaviridae）；ヘパドナウイルス科（Hepadnaviridae）（B型肝炎ウイルス）；パルボウイルス科（Parvoviridae）（パルボウイルス（parvovirus））；パポバウイルス科（Papovaviridae）（パピローマ（papilloma）ウイルス、ポリオーマ（polyoma）ウイルス）；アデノウイルス科（Adenoviridae）（大部分のアデノウイルス（adenovirus））；ヘルペスウイルス科（Herpesviridae）（単純ヘルペス（herpes simplex）ウイルス（HSV）1および2、水痘帯状疱疹（varicella zoster）ウイルス、サイトメガロウイルス（cytomegalovirus）（CMV）、ヘルペス（herpes）ウイルス；ポックスウイルス科（Poxviridae）（痘瘡（variola）ウイルス、ワクシニア（vaccinia）ウイルス、ポックス（pox）ウイルス）；およびイリドウイルス科（Iridoviridae）（たとえばアフリカ豚コレラ（African swine fever）ウイルス）；未分類のウイルス（たとえばデルタ肝炎の因子（B型肝炎ウイルスの欠損型サテライトであると考えられる）、C型肝炎；ノーウォーク（Norwalk）および関連ウイルスならびにアストロウイルス（astrovirus））；ならびに呼吸器合胞体ウイルス（RSV）を含む。
【００５７】
他の医学的に関連のある微生物が文献に広く記載されている。たとえば、Medical Microbiology (1983)を参照すること。この全内容は参照により本明細書に組み入れられる。
【００５８】
癌抗原
多くのヒト癌は、癌細胞に特異的である細胞表面分子を発現する。すなわち、細胞表面分子は、正常なヒト体細胞によっては発現されない、または大きく減少した量でしか発現されない。癌発症および癌進行におけるこれらの抗原の役割は、多くの場合、十分には理解されていないが、これらの抗原は、その生物学的機能から独立して、診断用途にとって魅力的な抗体標的である。このような腫瘍マーカは、αフェトプロテイン、β−2−ミクログロブリン、膀胱腫瘍抗原、CA15-3、CA19-9、CA72-4、CA-125、カルシトニン、癌胎児性抗原、上皮成長因子受容体、エストロゲン受容体、ヒト絨毛性ゴナドトロピン、Her-2/neu、神経特異エノラーゼ、NPM22、プロゲステロン受容体、前立腺特異抗原、前立腺特異膜抗原、前立腺酸性ホスファターゼ、S-100、TA-90およびチログロブリンを含む。
【００５９】
毒素、金属および化学物質
ある特定のタイプの化学物質または生物学的物質が毒素である。毒素は、生物学的である、すなわち、生物によって産生されることができる。これらは、生物兵器戦争またはテロに使用され得る毒素、たとえばヒマ毒、炭疽毒素およびボツリヌス毒素を含む。他の毒素は、農薬（殺虫剤、除草剤、たとえば有機リン酸塩）、工業汚染物質（重金属、たとえばカドミウム、タリウム、銅、亜鉛、セレン、アンチモン、ニッケル、クロム、ヒ素、水銀または鉛；複合炭化水素、たとえばPCBおよび石油副産物；アスベスト）および化学兵器戦争試薬（サリン、ソマン、シクロサリン、VX、VG、GV、ホスゲンオキシム、窒素マスタード、硫黄マスタードおよび塩化シアン）である。以下の表1は、毒性産業化学物質（TIC）のさらなるリストを示す。12種の禁止された持続性有機汚染物質の指定リストは、PCB、DDT、ダイオキシン類、クロルデン、フラン類、ヘキサクロロベンゼン、アルドリン、マイレックス、ディルドリン、トキサフェン、エンドリンおよびヘプタクロルを含む。
【００６０】
（表１）危険指数別TIC一覧
2017507341.tif 000003
2017507341.tif 000004
【００６１】
植物製品
特定の態様において、本発明は、植物性物質の内容物を評価することを可能にする。たとえば、植物の葉の栄養素含有量を計測することにより、植物の健康状態を評価することができる。また、果実または植物組織の内容物を評価することにより、作物の収穫に関する決定を下すことができる。たとえば、ワイン造りにおいて、ブドウの糖分は、収穫時期を決定する際に重要な要因である。また、育種のための作物を選択するとき、様々な望ましい特性（栄養素含有量、固有産物または導入遺伝子の発現）を有する植物を特定することがきわめて重要である。
【００６２】
薬物
本発明の別の局面において、アッセイは、試料中の薬物を検出または計測するために使用され得る。薬物は治療物質であり得、アッセイは、投与量を最適化する目的で、対象者中の薬物レベルを評価するように設計される。または、アルコール、アンフェタミン類、メタムフェタミン、MDMA、バルビツール酸、フェノバルビトール、ベンゾジアゼピン類、大麻、コカイン、コデイン、モルヒネ、コチニン、ヘロイン、LSD、メサドン、PCPを含む違法薬物またはアナボリックステロイド、ホルモン（EPO、hGH、IGF-1、hCG、インスリン、コルチコトロフィン）、β2アゴニスト、抗エストロゲン薬、利尿薬、興奮薬およびグルココルチコステロイドを含む、特定の目的、たとえばスポーツ競技の場合に禁止されている合法薬物を検出し得る。
【００６３】
脂質
脂質は、本発明のアッセイにとって生物学的に関連のある標的である。たとえば、血液中の脂質を検出し、計量する能力は、アテローム硬化性疾患の危険を評価し、そのための治療の効能をモニタするのに役立つことができる。したがって、LDL、HDLおよびトリグリセリド計測が有用である。
【００６４】
糖
糖レベルの評価は概して医学的に重要であり得るが、糖は特に糖尿病の管理および治療に関連する。他の関連のある糖は、バイオフィルム形成中の細菌および真菌によって産生される糖ならびに食品または飲料の製造中に産生される糖を含む。
【００６５】
核酸
核酸は、対象者の健康状態を判定するための有意な生物学的標的である。関心対象の核酸は、遺伝子（ゲノム配列）、mRNA（転写物）、miRNAまたはそれらの断片を含む。核酸は、疾患状態で増減し得る分子のように、対象者に対して内因性であることもあるし、対象者中に存在する病原体（ウイルス、細菌、寄生生物）の核酸のように、外因性であることもある（上記）。
【００６６】
本明細書の中で使用される「一つの（a）」または「一つの（an）」は、一つまたは複数を意味し得る。特許請求の範囲の中で「含む」とともに使用される「一つの（a）」または「一つの（an）」は、一つまたは複数を意味し得る。
【００６７】
特許請求の範囲における用語「または」の使用は、択一のみを指すことが明示的に示されない限り、または選択肢が相互に排他的であることが明示的に示されない限り、「および／または」を意味するために使用されるが、本開示は、択一のみ、および「および／または」を指す定義を支持する。本明細書の中で使用される「もう一つの」は、少なくとも第二またはより多くを意味し得る。
【００６８】
本出願を通して、用語「約」は、数値が装置に固有の誤差変動を含むことを示すために使用され、方法は、数値、すなわち被検対象の間に存在する変動を決定するために使用される。
【００６９】
本発明の他の目的、特徴および利点が以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかし、詳細な説明および具体例は、本発明の好ましい態様を示すが、実例として記されるだけであり、本発明の精神および範囲内の様々な変形および改変がこの詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
以下の図面は、本明細書の一部を形成し、本発明の特定の局面をさらに説明するために含まれる。これらの図面の一つまたは複数を、本明細書に提示される具体的な態様の詳細な説明と合わせて参照することにより、本発明がよりよく理解され得る。
【００７１】
【図１】表面多孔性および気孔と電極面との相互作用を示す高解像度光学顕微鏡写真であり、計測実体と周囲マトリックスとの間の相互作用の模式描画によって電極と周囲マトリックスとの間のコンフォーマル形体生成を示す走査型電子顕微鏡写真を含む。
【図２】第三の電極が第一の電極および第二の電極に対して平行である電極配置の略図である。
【図３】第三の電極が第一の電極および第二の電極に対して垂直である電極配置の略図である。
【図４】電気二重層および電極面の略図である。
【図５】基材表面上に被分析物センサとして構成された電極の略図である。
【図６】代表的な3電極型ハンドヘルド型ポテンシオスタットの略図である。
【図７】ハンドヘルド型ポテンシオスタット装置である。
【図８】ハンドヘルド型ポテンシオスタットのスマートフォン態様である。
【図９】様々なタンパク質に関するインピーダンスvs周波数を示すボード線図である。
【図１０】様々なタンパク質に関するインピーダンスvs周波数を示すボード線図である。
【図１１】様々なタンパク質に関する電流応答vs回転角を示すプロットである。
【図１２】ポテンシオスタットの動作を示す流れ図である。
【図１３】標的被分析物システムの様々な種および対応するシステム構成をリストする表である。
【図１４】インピーダンス変化vsリポ多糖濃度のグラフである。
【図１５】インピーダンス変化vsプロカルシトニン濃度のグラフである。
【図１６】インピーダンス変化vsリポタイコ酸濃度のグラフである。
【図１７−１】様々な温度および時間で特異的捕捉プローブ（P2）によるmiRNA配列（P4）の検出に関して計測されたインピーダンスのグラフである。
【図１７−２】様々な温度および時間で特異的捕捉プローブ（P2）によるmiRNA配列（P4）の検出に関して計測されたインピーダンスのグラフである。
【図１８−１】様々な温度および時間で非特異的miRNA配列と捕捉プローブ（P2）との相互作用に関して推定されるインピーダンスのグラフである。
【図１８−２】様々な温度および時間で非特異的miRNA配列と捕捉プローブ（P2）との相互作用に関して推定されるインピーダンスのグラフである。
【図１９−１】様々な温度および時間でサケ精子DNAと捕捉プローブ（P2）との相互作用に関して推定されるインピーダンスのグラフである。
【図１９−２】様々な温度および時間でサケ精子DNAと捕捉プローブ（P2）との相互作用に関して推定されるインピーダンスのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
例示的態様の説明
本明細書に開示されるコンフォーマル回路は、コンフォーマル電気回路を設計するために、紙および他のナノ多孔性基材上にナノスケールで存在する表面粗さを利用する。シングルステップイムノアッセイフォーマットによる生体分子の検出に起因して回路要素が変調するとき、電流およびインピーダンスのような回路パラメータが変調する。この技術は、非限定的に、タンパク質、DNA、RNA、SNPおよび様々な生体分子を含む多様な標的被分析物の検出および定量に適用することができる。
【００７３】
いくつかの態様において、本明細書に開示されるものは、多孔性ナノテクスチャ基材を含む、上面を有する固体基材と、固体基材の上面に回路設計で配置され、それによって回路を作る導電性材料とを含むコンフォーマル回路である。同じく開示されるものは、同コンフォーマル回路を製造する方法、ならびに同コンフォーマル回路を使用して多様な標的被分析物を検出および／または定量する方法である。図1は、そのようなコンフォーマル回路の例示的設計を示す。
【００７４】
これらのコンフォーマル回路は、トラックエッチングと導電性インク付着との組み合わせを使用して非線形および非オーム回路を作製することによって開発される。三つのタイプの回路：（a）インピーダンスベースの抵抗容量（RC）結合回路、（b）ダイオードベースの回路、および（c）トランジスタベースの回路が、生成される。RC回路は、電気化学インピーダンス分光法の原理で作動し、ダイオードおよびトランジスタ回路は、AC電圧源によるバイアスを受けて、関心対象種の検出の関数として電流特性の変化を生じさせる。
【００７５】
本明細書に開示されるコンフォーマル回路は、導電性、半導電性または半絶縁性である電極を有し得る。インピーダンス計測フォーマットにおいて感度増大を達成するためには導電率の増大が適切である。ダイオードおよびトランジスタフォーマットにおいては、適切なしきいゲーティング／ゲート電流特性を得るのに十分な障壁ポテンシャルを得るために半導電性／半絶縁性材料が使用される。ダイオード動作の場合、材料の組み合わせを使用して、0.7Vまでのケイ素を模倣する障壁ポテンシャルを得る。トランジスタ動作の場合、0.2〜0.7の障壁ポテンシャルが生成される。
【００７６】
本明細書に開示されるコンフォーマル回路は、電気化学的変化とは対照的に、電気的変化を生じさせる。特に、本明細書に開示されるコンフォーマル回路は、レドックス電極によって媒介される電気化学的変化とは対照的に、酸化還元プローブ変化を使用することなく電気的／電気化学的変化を生じさせる。電気化学的検出のためのレドックスプローブの使用は、生体分子に不可逆変化を生じさせ、生体分子を表さない間接的な変更された検出を生じさせる。したがって、この能力は、ナノ多孔性基材への導電性材料の付着をカスタマイズすることによって達成される。加えて、受動センシングおよび能動センシングが具体的に企図される。
【００７７】
本明細書に開示されるコンフォーマル回路および検出装置は、定量的に検出するように設計されることができる（たとえばEIS電子読み取り機）。加えて、システムは、単一の回路を使用して単一の被分析物を検出するように設計されることができるし、あるいは検出および／または分析される被分析物の種類に依存して同じであっても異なってもよい別個の回路を使用して複数の被分析物を検出するように設計されることができる。
【００７８】
A.検出装置
標的被分析物を検出し、定量化するために、多様な電気部品を導電性材料経路に取り付けることができる。電子部品の非限定的な例は、集積回路、抵抗器、キャパシタ、トランジスタ、ダイオード、機械スイッチ、電池および外部電源を含み、電池の非限定的な例はボタンセル電池を含み、外部電源の非限定的な例はAC電圧源を含む。電気部品は、たとえば公知の接着剤を使用して取り付けることができる。いくつかの態様において、先に詳述したコンフォーマル回路は、生体分子を検出する目的でソース回路に結合されることができる。特定の態様において、コンフォーマル回路は、ポテンシオスタット、電圧源、電流源、または広い範囲の簡単なおよび複雑な数学的演算、加算、減算、積分および微分を実施するための演算増幅器回路に結合されることができる。
【００７９】
インピーダンス分光法は、電極における材料結合効率を研究するために広く使用されている3電極型電気学的技術である。近年、旧来の電気化学インピーダンス分光法に対する革新的変化がそれを生物医学的研究への応用に適したものにした。これらの変更は、非常に低い電圧の印加および非常に小さな電流における検出を要求し、それらのいずれも既存の装置のノイズしきい値に入る。加えて、大部分の現在利用可能な市販品ポテンシオスタットは、コンピュータのようなさらなる装備および詳細なユーザ入力を必要とし、ポイント・オブ・ケアでの実現を困難にする。さらに、現在利用可能な市販品ポテンシオスタットは、電極間に単一の入力電圧しか印加せず、検出される標的被分析物の特異性を低下させてしまう。
【００８０】
本明細書に開示されるものは、固定および可変周波数で3電極型構造を使用して電気化学インピーダンス分光法を実施するためのカスタマイズ可能なハンドヘルド型ポテンシオスタット装置である。開示される装置に使用される新規な技術は、ノイズ効果を減らし、高感度の検出を達成し、使用される部品は、所望の用途に合わせてプログラマブルかつ高度にカスタマイズ可能である。その結果、これは、特定の所望の作業のための所望の動作範囲内で最良に機能するように装置をプログラムすることにより、装置から最大限の性能効率を達成する。加えて、開示される装置は、二つの直交入力電圧を印加して、検出される標的被分析物の特異性を改善する。
【００８１】
本明細書に開示される装置においては、電極面における結合活性を検出し、定量化するためにインピーダンス分光法が使用される。電極面への生体分子の結合が電流の変化を生じさせ、それを使用して、結合している生体分子を同定し、定量することができる。装置の検出しきい値は概ねフェムトモルまたはフェムトグラム／mL濃度範囲であるが、一部の生体分子の場合、アトグラム／ml範囲であることができる。
【００８２】
本明細書に開示される例示的態様は、第一の電極108、第二の電極106および第三の電極110を含む。特定の態様において、第一、第二および第三の電極108、106および110は平面電極である。例示的態様において、第一および第二の電極108および106は、X−Y平面中に互いに対して平行に配置される。いくつかの態様において、第三の電極110は、図2に示すように、第一および第二の電極108および106に対して平行である。他の態様において、第三の電極110は、図3に示すように、第一および第二の電極108および106に対して垂直に配置される。例示的態様において、第一、第二および第三の電極108、106および110は、図1に示すような多孔性ナノテクスチャ基材に付着されてコンフォーマル回路を形成し得る。
【００８３】
動作中、AC電圧を、第一、第二および第三の電極108、106および110それぞれの端子158、156および160に印加することができる。AC電圧は、正弦波、のこぎり波または方形波信号であり得る。そして、結果として生じる、第一の電極から第二の電極端子を通って流れる電流および第三の電極から第二の電極端子を通って流れる電流を計測することができる。次に図4を参照すると、導電性溶液が電極面に存在し、電圧が電極に印加されると、溶液中、電極面111の近くに、たとえば電極面と拡散層119との間に容量性電気二重層115が形成する。印加電圧の性質（たとえば位相角、周波数または振幅）が変化すると、電気二重層115と電極面111との間の距離もまた変化する。印加電圧の性質を操作し、電気二重層115からの出力応答（たとえば電流）をヘルムホルツプロービングによって計測すると、導電性溶液の性質（たとえば溶液中の被分析物の同定または濃度）を決定することができる。
【００８４】
特定の態様においては、第一の電界を第一および第二の電極106および108に印加することができ、第二の電界を第二および第三の電極108および110に印加する。特定の態様においては、計測される電荷に対する最大変化が起こる（キャパシタンスフォーマットで）電気二重層115の内の領域を特定することができる。そして、この領域を使用して、調べている分子のタイプを解釈することができる。走査モダリティを使用して、印加電圧と電気二重層115内の高さとの間にサブナノメートル分解能の相関が生じるように印加電圧の性質を変えることにより、電気二重層115の仮想スライシング（サブナノメートル分解能走査工程による）を達成することができる。
【００８５】
特定の態様において、走査機構は、現在の計測を、先の周波数または位相ステップで事前に計測されたインピーダンスと比較するように適応性である。特定の態様においては、この比較から、アルゴリズムを適用して、以前の計測からの2標準偏差である、計測された信号に対する変動または変化があるかどうかを解釈することができる。例示的態様において、計測された信号に対する変動が2標準偏差しきい値内であるならば、まず、ステップサイズは線形に変化することができ、次いで、次の桁に対して周波数または位相の走査が対数的に起こることができ、そこで走査が線形に再開することができる。
【００８６】
次に図5を参照すると、第一、第二および第三の電極108、106および110は、基材面180上に複数のセンサ181、182、183として構成されることができる。明確に示すために、表面180上のすべてのセンサが標識されているわけではなく、センサ中の個々の電極は標識されていない。各センサの電極構成は、本開示に提供される構成の一つを含み得ることが理解されよう。図5に示すように、二官能リンカー191、192および193（たとえばジチオビススクシンイミジルプロプリアント（propriante）リンカーを含む）をセンサ181、182および183に結合することができる。標的特異抗体171、172および173を、生体分子161、162および163を捕捉するように構成された二官能リンカー191、192および193に結合することができる。特定の態様において、複数の特有の生体分子を表面180上の複数のセンサによって検出することができるよう、各センサが、二官能リンカーと、異なる生体分子を検出するように構成された標的特異抗体とを含み得る。
【００８７】
動作中、センサ181、182および183の一つまたは複数に関して第一の電界（平面113によって示される）が第一の位相角で第一および第二の電極108および106に印加される。加えて、第二の電界（平面117によって示される）が第二の位相角で第二および第三の電極106および110に印加される。例示的態様において、電界113および117の位相角を変調することができる。両方の電界113および117が第二の電極106に印加され、電界113および117の間の位相角は一定である（たとえば、両電界は、位相を固定され、一定のデルタ位相角だけ離れている）。図示する態様において、電界113は基材面180に対して平行に印加される。例示的態様において、生体分子185と表面180との間のイオン相互作用を検出するためには、電界113のパラメータ（たとえば周波数）を変調させて、表面180と電界113との間の距離を変化させることができる。したがって、周波数を変更することによってZ方向（表面180に対して垂直）のイオン相互作用をプロービングし、位相角を変化させることによってX−Y方向（表面180に対して平行）のイオン相互作用をプロービングすることができるよう、印加電界を変調させることができる。
【００８８】
電界113の計測インピーダンスのモジュラスおよび虚数成分をパラメータの変化にともなって分析することができる。計測インピーダンスのモジュラスおよび虚数成分の変化に基づいて、生体分子185の特徴的マーカを同定することができる。以下さらに説明するように、たとえば、既知の生体分子を表面180に塗布し、適用された入力パラメータ変調にともなってモジュラスおよび虚数成分を計測して、異なる生体分子に関して異なる校正応答プロフィールを示す標準校正曲線を確立することができる。加えて、印加される電界113および117の位相角を変化させ、回転角および位相電流応答を分析して、生体分子の特徴的マーカを決定することができる。ここでもまた、既知の生体分子を表面180に塗布し、位相角変調にともなって回転および位相電流応答を計測して、異なる生体分子に関して異なる応答プロフィールを示す標準校正曲線を確立することができる。
【００８９】
校正応答プロフィールの確立は、様々なやり方で準備することができる。一つの態様においては、リンカーを基材に付着させ、基材を、標的被分析物に特異的な成分、たとえば標的特異抗体で浸潤させ、センサ面への他の競合分子の非特異的結合または吸着を最小化するために、ブロッキングバッファを、受容体成分を浸潤させたコンフォーマル回路面に塗布し、バッファ洗浄を実施し、標的被分析物、たとえば抗原を回路上に加える。標的分子、たとえば抗原のための校正曲線を設計する際には、漸増量の抗原をコンフォーマル回路上に塗布し、定常状態に達するまでインピーダンス計測値を得る。抗原などの標的分子の量の増大とともに計測インピーダンスの変化の増大が予想される。ひとたび校正曲線が設計されたならば、未知の量の試験標的分子、たとえば抗原を抗体／受容体成分浸潤センサ面上で試験することができ、校正曲線に照らしてインピーダンスの変化を評価して、試験標的分子の量を測定する。
【００９０】
例示的態様においては、まず、バッファがシステムの有効インピーダンスの特定に役立つ、ネイティブな面またはバイアスの無い面への割り当てを実施する。このインピーダンスは、アッセイの信号しきい値の決定に役立つことができ、この数値は、バッファおよび電極の接触インピーダンスの関数として変化することができる。この計測されたベースラインとポテンシオスタットのベースラインとの間でインピーダンス整合を実施することができ、コンフォーマル電極が、電気二重層115を伸長して適応性プロービングを可能にするのに役立つことができる。捕捉プローブの固有の表面電荷、高さ、等電挙動、可撓性（たとえば立体的／配座的）が、ベースライン計測の割り当てを可能にすることができる。
【００９１】
ハンドヘルド型ポテンシオスタットの一つの形態の例を示す図が図7に見られる。ハンドヘルド型ポテンシオスタット200はLCDディスプレイ104を含む。LCDディスプレイ104は、入力および出力データを表示するユーザインタフェースを提供する。たとえば、LCDディスプレイは、入力電圧、入力周波数、波形、標的被分析物の名称、分子濃度、インピーダンスおよび位相角を示し得る。ハンドヘルド型ポテンシオスタット200はまた、ユーザがハンドヘルド型ポテンシオスタット200に入力を提供することを可能にするミニジョイスティック124を含み得る。たとえば、ミニジョイスティック124は、LCDディスプレイ104上でメニューをナビゲートし、入力電圧および周波数値を増減させるために使用され得る。いくつかの態様において、ハンドヘルド型ポテンシオスタット200は、ミニジョイスティック124に加えて、またはそれの代わりに、ボタンまたはキーパッドを含み得る。ハンドヘルド型ポテンシオスタットはさらに、第一の電極ポート202、第二の電極ポート204および第三の電極ポート206を含む。電極ポート202、204および206は、ワイヤリードを第一、第二および第三の電極に接続するために使用される。
【００９２】
一つの可能なポテンシオスタット／電極形態を表すブロック図が図6に見られる。ポテンシオスタットの動作の中心はプログラマブルマイクロコントローラ／マイクロプロセッサ100において実施される。マイクロコントローラの第一の動作は、LCDディスプレイ104を通してユーザインタフェースサポートを提供することである。マイクロコントローラ100中で処理された情報をLCDディスプレイ104に送るためにシリアル・ペリフェラル・インタフェースSPI2が使用される。マイクロコントローラ100は、VCCおよびDCオフセットを使用して電力をLCDディスプレイ104に供給する。
【００９３】
LCDディスプレイ104上に表示されるオプションに対するユーザ入力／応答は、ミニジョイスティック124とマイクロコントローラ100との間のアナログ・アナログ通信を介してアナログ信号として受けられる。ミニジョイスティック124を使用して、ユーザは、第一の電極108、第二の電極106および第三の電極110に印加される電気信号パラメータ、たとえば電圧、周波数、波形を選択し得る。または、ミニジョイスティック124は、検出される分子のタイプを選択するために使用される。試験が終了したのち、LCDディスプレイ104は、検出された被分析物の名称、被検試料中の分子の数値濃度、インピーダンスおよび配向角を表示し得る。
【００９４】
次に、マイクロコントローラ100は、取り付けられた電気化学センサ上でインピーダンス分光法特性決定を実行するようにプログラムされる。ユーザによって選択される電気信号パラメータまたは分子に基づいて、プログラマブルマイクロコントローラ100は、第一の電極108および第二の電極106にそれぞれ印加される第一のAC電圧をラインDAC1＋およびDAC−上に生成し、第三の電極110および第二の電極106にそれぞれ印加される第二のAC電圧をラインDAC2＋およびDAC−上に生成する。AC電圧は増幅器112、114および116によって増幅され得る。いくつかの態様において、結果として生じる、第一の電極108および第三の電極110の電圧はシグナルラインを介してマイクロコントローラ100に戻され得る。生じる電圧は、被検溶液中の化学反応に起因して印加電圧とは異なり得る。マイクロコントローラ100は第二の電極106の電圧値をデジタル化し、デジタル化された電圧は、ラインDAC1＋、DAC2＋およびDAC−上の印加AC電圧レベルを調節するためにマイクロコントローラ100によって使用される。いくつかの態様において、第一の電極108および第三の電極110の電圧は、シグナル＋ラインを介してプログラマブルゲイン増幅器102にフィードバックされ得る。プログラマブルゲイン増幅器は、第二の電極106の電圧値をデジタル化し、デジタル化された電圧をラインSPI1を介してマイクロコントローラ100に送り得、デジタル化された電圧は、ラインDAC＋およびDAC−上のAC電圧レベルを調節するためにマイクロコントローラ100によって使用される。
【００９５】
二つのAC電圧が印加され、導電性溶液の試料がセンサと接触したのち、AC電流が第一の電極108から第二の電極106を通って流れ、第三の電極110から第二の電極106を通って流れる。第二の電極106を通って流れる電流の量は、第二の電極106、第一の電極108、第三の電極100に印加される電圧、電極における分子の結合および使用される溶液に依存する。プログラマブルゲイン増幅器102が、第二の電極106を通って流れる電流を計測する。具体的には、相互コンダクタンス増幅器118がライン1Aを介して電流をプログラマブルゲイン増幅器に供給する。電流は帯域通過フィルタ122によって濾波されてもよい。帯域通過フィルタ122は、印加周波数の信号を通過させ、一方で、他の周波数のノイズを除去するように自動的に調節される。そして、プログラマブルゲイン増幅器102が電流から増幅電圧を生成し、その電圧がラインADCを介してプログラマブルマイクロコントローラに供給される。増幅は、マイクロコントローラ動作しきい値が、このインピーダンス分光法用途で生成される小さな電圧および電流よりもずっと高いため、必要である。いくつかの態様において、ラインADC上の増幅電圧は20mV〜6Vの範囲である。ラインADC上の増幅電圧が高すぎる、または低すぎるならば、マイクロコントローラ100は、ラインSPI1を介してプログラマブルゲイン増幅器102に信号を送ってゲインを増減させる。いくつかの態様において、プログラマブルゲイン増幅器102のバイナリーゲインは1〜128の間で調節され得る。いくつかの態様において、プログラマブルゲイン増幅器102のスコープゲインは1〜200の間で調節され得る。シグナル＋ラインは、ゲインを計算するための基準電圧をプログラマブルゲイン増幅器102に提供する。シグナル＋電圧は、増幅器120によって増幅され、帯域通過フィルタ122によって濾波され得る。
【００９６】
マイクロコントローラ100はアナログ増幅電圧をデジタル信号に変換する。そして、マイクロコントローラ100は、第一の電極108および第三の電極110から第二の電極106を通って流れる電流の量を表すデジタル化された増幅電圧を、第一の電極108および第二の電極106に印加された電圧ならびに第三の電極110および第二の電極106に印加された電圧と比較して、被検溶液のインピーダンスを測定する。マイクロコントローラ100は、算術演算を実行して、印加電圧に対する増幅電圧における位相および振幅変化を周波数の関数として計算する。インピーダンスは、以下の式：
2017507341.tif 000005
を使用して計算される。式中、Vmは印加電圧の振幅を表し、Imは、電極間を流れる得られる電流の振幅を表し、ωは、印加電圧および得られる電流の角周波数であり、φは、印加電圧と得られる電流との間の位相の差である。位相変化は、出力電流の位相成分に対する入力電圧の位相成分の比である、以下の式：
2017507341.tif 000006
を使用して計算される。いくつかの態様において、マイクロコントローラ100は、高速フーリエ変換を使用して位相および振幅変化を周波数の関数として測定する。いくつかの態様において、マイクロコントローラ100は、ラプラス変換を使用して位相および振幅変化を周波数の関数として測定する。いくつかの態様において、マイクロコントローラ100は、マルチスライス分割および信号分析を実行して、どの周波数でインピーダンス変化が最大になるのかを決定する。この推定は、電極の表面で起こる生物電気化学反応を特性決定するのに役立つ。マイクロコントローラ100は、振幅および位相の変化を使用して試料中の分子の濃度を計算する。
【００９７】
開示されるポテンシオスタットはまた、第一−第二電極の電界の配向に対する第二−第三電極の電界の角度配向を変化させ得る。デフォルトで、第三の電極が第一および第二の電極に対して平行に配置されるならば、第二−第三電極の電界は、第一−第二電極の電界に対して垂直に向く。他方、第三の電極が第一および第二の電極に対して垂直に配置されるならば、第二−第三電極の電界は、第一−第二電極の電界に対して平行に向く。試験中、ポテンシオスタットは、第二−第三電極の電界の配向を変化させ、第三の電極における電流応答を計測する。この過程で使用される電界は以下の式：
2017507341.tif 000007
によって示される。式中、Emは電界の大きさであり、ωは角周波数であり、tは時間であり、Φは位相であり、Xはベクトルのクロス積を表し、ΨΦは電界の角度配向である。ΨΦは第一−第二電極の電界に関しては単一定数である。第一、第二、第三の電極がすべて平面にあるとき、第三−第二電界に関してΨΦは90°＋θである（式中、θは、電界を0から360°まで回転させる変数である）。第三の電極が第一および第二の電極に対して垂直であるとき、第二−第三の電界に関してΨΦは0°＋θである（式中、θは、電界を0から360°まで回転させる変数である）。θが変化するとき、システムは、第三の電極における電流応答を計測する。電界の角度配向vs電流応答は、各標的被分析物に特有であり、標的被分析物の存在を検出するためにシステムによって使用される。
【００９８】
ハンドヘルド型ポテンシオスタットは、未知の量の標的被分析物を計測するために使用される前に、校正されなければならない。校正は、既知の量の標的被分析物を含有する溶液のインピーダンスを計測することによって実施される。具体的には、ユーザは、好ましくは、四つの異なる濃度の標的被分析物を含有する四つの異なる溶液のインピーダンス計測を実施し得る。校正試験ごとに、ユーザは、ミニジョイスティックを使用して、標的被分析物濃度をハンドヘルド型ポテンシオスタットに入力する。ハンドヘルド型ポテンシオスタットは各試験のインピーダンスを記録する。試験が完了したのち、システムは、以下の式： 
2017507341.tif 000008
における係数を決定することによって校正を完了する。式中、ziは、計測されたインピーダンスであり、xは既知の標的被分析物濃度であり、bn、bn-1、b1およびcは係数である。多項式の次数nは2〜5、好ましくは2であり得る。ハンドヘルド型ポテンシオスタットは、線形回帰および最小二乗分析を使用して未知の係数値を決定する。
【００９９】
いくつかの態様において、マイクロコントローラ100はIntel（登録商標）マイクロコントローラである。他の態様において、マイクロコントローラ100はIntel（登録商標）マイクロプロセッサである。他の態様において、マイクロコントローラ100はARM Cortex（商標）Mマイクロコントローラである。他の態様において、マイクロコントローラ100はARM Cortex（商標）マイクロプロセッサである。
【０１００】
特定の態様において、マイクロコントローラ100は、5mV〜500mVのAC電圧を第一の電極108および第二の電極106ならびに第三の電極110および第二の電極106に印加する。マイクロコントローラは、周波数が50Hz〜1,000Hzの範囲であるAC電圧を電極に印加する。変動する電圧が印加されると、溶液中に容量性二重層が形成する。印加電圧の周波数が増大すると、電極からの容量性層の距離が増す。いくつかの態様においては、ユーザが最小周波数および最大周波数を選択し、マイクロコントローラ100が、選択された最小周波数と最大周波数との間の範囲の周波数を有する電圧を印加する。
【０１０１】
いくつかの態様において、本明細書に開示されるハンドヘルド型ポテンシオスタットは、バイオセンシングプラットフォーム上でインピーダンス分光分析を実行する。バイオセンシングに適用するためには、タンパク質および生体分子は高感度であるため、これらのポテンシオスタットの使用のために非常に低い電圧が必要である。いくつかの態様において、適切な電圧の範囲は50mV〜500mVであり得るが、適切な電圧は用途に依存する。タンパク質ベースのセンシングへの適用において、電圧は5mV〜20mVの範囲であろう。細胞およびDNAへの適用において、電圧範囲は100mV〜2Vであろう。同様に、非常に小さな電圧の印加に起因して、電流応答は、バルク溶液媒体による損失があるため、類似した範囲またはずっと低い範囲である。いくつかの態様において、適切な電流の範囲は10pA〜10mAであり、電圧と同じく、適切な電流応答は用途に依存する。タンパク質ベースのセンシングへの適用において、電流応答は10pA〜100nAの範囲であろう。細胞およびDNAへの適用において、電流応答は100nA〜10mAであろう。
【０１０２】
開示されるポテンシオスタットは、固定周波数または可変周波数で使用され得る。用途に基づいて、固定周波数および可変周波数の範囲は異なる。大部分のバイオセンシング用途の場合、使用される周波数の範囲は50Hz〜100kHzである。関心対象のタンパク質に対応する電気デバイ長変化を最適化すると、固定周波数を推定することができる。それぞれの周波数における検出が検出速度を改善し、非特異的信号を減らすことができる。
【０１０３】
インピーダンス分光法を実施することに加え、本明細書に開示されるハンドヘルド型ポテンシオスタットは、LCDディスプレイ上の選択しやすいオプションを通して、ソースメータとして使用することもできるし、またボルタンメトリーツールとして使用することもできる。
【０１０４】
本明細書に開示されるハンドヘルド型ポテンシオスタットは、携帯しやすく、手にやさしいフォームファクタを有する。これは、およそまたは少なくとも1、2、3、4、5、6、7、8、9または10インチ×およそまたは少なくとも1、2、3、4、5、6、7、8、9または10インチであり得る。具体的には、約5インチ×約3インチであり得ることが企図される。また、具体的には、図に示される、プログラマブルゲイン増幅器、プログラマブルマイクロコントローラおよび出力のためのLCDディスプレイを含む装置全体がこれらのサイズ内であることが企図される。
【０１０５】
ハンドヘルド型ポテンシオスタットのスマートフォン態様を示す図が図8に見られる。ハンドヘルド型ポテンシオスタットは、スマートフォン300およびポテンシオスタットアダプタ306を含む。スマートフォンは、ケーブル304、好ましくはマイクロUSBまたは専用コネクタを使用してポテンシオスタットアダプタ306に動作可能に結合される。ケーブル304は、スマートフォン300とポテンシオスタットアダプタ306との間で双方向通信を提供する。ポテンシオスタットアダプタは、第一の電極ポート202、第二の電極ポート204、第三の電極ポート206、マイクロコントローラ100およびプログラマブルゲイン増幅器102を含む。ユーザが、ユーザ入出力およびマイクロコントローラ通信機能を提供するカスタムポテンシオスタットソフトウェアアプリケーションをスマートフォン300にインストールする。ユーザは、タッチスクリーン302を使用して、入力電圧、入力周波数および波形を含む入力をスマートフォン300に提供し得る。他の態様において、ユーザは、キーパッドを使用してスマートフォンに入力を提供する。スマートフォン300は、標的被分析物の濃度などの出力をスマートフォンのタッチスクリーン302上に表示する。
【０１０６】
本明細書に開示されるポテンシオスタットはまた、バイオセンシングのための所望の動作範囲において低いノイズしきい値で作動する。現在、ポテンシオスタットは、電気化学用途を念頭に設計されている。そのような用途に使用される集積回路はほどほどのノイズしきい値を有する。バイオセンシングに適用する場合、利用可能な装置の計測信号は、多くの場合、ノイズしきい値内であり、したがって、利用可能なポテンシオスタットの大多数を不適当にする。
【０１０７】
本明細書に開示されるポテンシオスタットはまた、高速フーリエ変換およびラプラス変換を使用する3電極型インピーダンス分光法を実行するようにプログラム可能である。既存のポテンシオスタットは、リサージュ曲線法を使用して、計測された電流応答の位相変化を推定する。これは、高い電圧および電流を伴う用途には完璧であるが、バイオセンシングに必要であるような電圧および電流応答の分析には最適化されていない。このような用途により適切である高速フーリエ変換ベースおよびラプラス変換ベースの推定は、高いプロセッサ速度を要求するため、実現の複雑さに起因して広くは使用されていない。高速フーリエ変換およびラプラス変換の使用は、ノイズを減らし、信号完全性を保存する（いずれもバイオセンシングにとってきわめて重要である）ことにより、デジタル信号分析を支援する。
【０１０８】
高速フーリエ変換を使用するポテンシオスタットの計算を以下に記す。マイクロコントローラが、V(t)＝vsin(ωt)（式中、vは信号の振幅であり、ωは角周波数である）の形の正弦波電圧を印加する。好ましい態様において、マイクロコントローラは、変動する周波数の正弦波電圧を印加する。マイクロコントローラは、I(t)＝isin(ωt＋φ)（式中、iは信号の振幅であり、φは信号の位相ずれである）の形である、得られる電流信号を計測する。マイクロコントローラは、高速フーリエ変換：
2017507341.tif 000009
を適用することにより、印加電圧信号を時間ドメインから周波数ドメインに変換する。同様に、マイクロコントローラは、工程506で、高速フーリエ変換：
2017507341.tif 000010
を適用することにより、得られる電流信号を時間ドメインから周波数ドメインに変換する。得られる電流周波数信号は印加電圧信号で検証され、他の周波数で発生するノイズが濾波される。マイクロコントローラは、印加周波数スペクトルが個別の周波数点へとスライスされるマルチスライス分割を使用して、最大インピーダンス変化が起こった周波数を決定する。次いで、マイクロコントローラは、最大インピーダンス変化が起こった周波数を、試験される特定の被分析物に関してメモリに記憶されている基準周波数点と比較する。マイクロコントローラは、校正で使用された同じ式：
2017507341.tif 000011
（式中、ziは、最大インピーダンス変化が起こった周波数におけるインピーダンスであり、bn、bn-1、b1およびcは、校正中に計算された係数であり、xは、計算される標的被分析物濃度である）を適用することにより、試験される被分析物の濃度を推定する。好ましい態様において、式は二次式である。
【０１０９】
図12は、ポテンシオスタットの一つの態様の動作を示す流れ図である。工程800で、第一の電極と第二の電極との間に正弦波電圧を印加する。工程802で、システムが、第一の電極と第二の電極との間を流れる電流を計測する。工程804および806で、高速フーリエ変換を使用して、電圧および電流を周波数ドメイン信号に変換する。工程808で、ラプラス変換を使用して、電圧および電流をsドメイン信号に変換する。工程810で、第一および第二の電極に印加された正弦波電圧を様々な周波数で印加する結果、電極から様々な距離で容量性二重層が形成する。工程812で、印加信号周波数の変化にともないインピーダンスのモジュラスおよび虚数部を分析する。工程814で、様々な周波数で計測されたリアクタンスに基づいて溶液中の特徴的なマーカを同定する。工程816で、システムが第三の電極と第二の電極との間に正弦波電圧を印加する。工程818で、システムが、第三の電極と第二の電極との間を流れる電流を計測する。工程820および822で、システムが高速フーリエ変換を適用して、印加電圧および得られた電流信号を周波数ドメインに変換する。工程824で、ラプラス変換を使用して、信号をsドメインに変換する。工程826で、生じる電界を、第一・第二電極に対して直交する様々な角度で印加する。工程828で、回転角および電流応答を分析する。工程830で、システムが、様々な角度の電界で示された電流応答に基づいて溶液中の一つまたは複数の被分析物の存在を決定する。
【０１１０】
本明細書に開示されるポテンシオスタットはまた、費用効果的な構成部品を含み、製造は非常に簡単な表面実装デバイスアセンブリしか必要とせず、開示される装置は、最新の増幅器およびプログラマブルゲートアレイの使用のおかげで、低い熱ノイズを有する。
【０１１１】
最後に、本明細書に開示されるポテンシオスタットは、ソースメータとして、ボルタンメトリーツールとして、また、標準電流計測のための利用可能性を有する。ポテンシオスタットは、作業を実行し、結果を出すプログラムに変更を加えることにより、様々な用途のためにカスタマイズすることができる。プログラマブルゲイン増幅器は、広い動作範囲を有し（mV-V/pA-mA）、したがって、バイオセンシングのための様々なボルタンメトリー用途および一般的用途に使用することができる。マイクロプロセッサ／マイクロコントローラが広いプログラミング自由度を提供し、したがって、様々な作業へのポテンシオスタットの適用は、ソフトウェア変更を要するだけであり、ハードウェア変更を要しない。
【０１１２】
本明細書に開示されるポテンシオスタットは、非常に適応性であり、速やかに結果を出す。シングルチャネルアッセイの場合、シングルチャネルEIM検出スキームおよび32ビットマイクロコントローラ（40〜10kHz）が使用されるとき、40秒未満の読み取り時間で結果を出す。
【０１１３】
B.基材および導電性材料
企図される基材は多孔性ナノテクスチャ基材を含む。いくつかの態様においては、紙、ニトロセルロース、織物、葉、樹皮または殻が企図される。しかし、毛管作用によって流体を吸い上げる任意の多孔性親水性基材を、本明細書に記載される方法および装置において基材として使用することができる。非限定的な例は、セルロースおよび酢酸セルロース、紙（たとえば濾紙およびクロマトグラフィー紙）、布もしくは織物、多孔性ポリマー膜、多孔性プラスチックまたは葉を含む。いくつかの態様において、基材は生分解性である。好ましくは、基材は紙である。
【０１１４】
基材の多孔性を、導電性インクスクリーン印刷とともに、コンフォーマル回路をパターニングするために利用することができる。任意のサイズおよび厚さの基材を使用し得る。基材の寸法は回路の機能性にとって重要ではない。回路の性能に影響する重要なパラメータは基材の気孔率である。気孔率は、10×107から10×1018個／mm2まで変動させることができ、基材は、その気孔率を含め、標的被分析物のサイズに基づいて選択される。この気孔率は、多様な技術、たとえばコーティングまたは処理を使用して調節またはチューニングすることができる。可能な処理およびコーティングの例は、湿式処理、たとえば酸性またはアルカリ性エッチング、自己集合単層の層ごとの付着の使用、ならびに乾式処理、たとえば反応性イオンエッチングおよびプラズマエッチングを含む。
【０１１５】
基材は厚さ100ミクロンまでであることができ、横方向寸法に上限設定要因はない。いくつかの態様において、基材は、1、2、3、4、5、6、7、8、9もしくは10cm×1、2、3、4、5、6、7、8、9もしくは10cm、またはその間の任意のサイズであり得る。特定の態様において、基材は1cm×1cmである。
【０１１６】
任意の適切な導電性材料が使用され得ることが企図され、一定の範囲の導電性インクが企図される。導電性インクは通常、粉末状またはフレーク状の銀および炭素様材料のような導電性材料を含有する。いくつかの態様において、導電性インクはカーボンインク、銀インク、または金属もしくは金属酸化物ナノ粒子を注入されたカーボンインクである。いくつかの態様において、金属または金属酸化物ナノ粒子を注入されたカーボンインクは、貴金属または貴金属酸化物を1体積％注入されている。特定の例において、カーボンインクは、金、白金、タンタル、銀、銅、スズ、酸化インジウムスズ、グラフィーム、酸化グラフィーム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄または酸化モリブデンを注入されている。カーボンインクへの金属または金属酸化物ナノ粒子のような添加物の使用は、導電性カーボンインクを半導電性インクへと変化させる。いくつかの態様において、この半導電性インクパターンは、ダイオードおよびトランジスタ挙動を設計するために使用され得る。いくつかの態様においては、インピーダンス変化を得るために未変性の導電性インクが使用されてもよい。インク基材（すなわち、インクと基材との組み合わせ）はベース電極面であり、このベース電極面上で、分子診断を達成するための生体分子化学ケミストリーが実現される。
【０１１７】
インクの性質は、望まれるセンシングおよび分析のタイプに依存する。いくつかの態様において、電気読み取り機を用いる受動センシングが必要であるとき、インクは導電性であるのみである。より具体的には、受動装置の場合、導電性／半導電性ナノ粒子がマトリックス中に分散していてもよいし、またはインクが金属ナノ粒子、金属酸化物ナノ粒子もしくは電気活性ポリマーマトリックスを含有してもよい。たとえばマルチメータを用いる能動センシングが有用である状況において、インクは、導電性および半導電性である、または導電性スタックであることができる。光学センシングが適切である場合、インクは光触媒反応性であり得る。比色センシングが有用である状況において、インクは、センシング中に凝集するナノ粒子を含有する。また、材料のハイブリッド積層がさらなる性質をインクに与えることができる。
【０１１８】
いくつかの態様において、コンフォーマル回路は、レドックス材料、たとえば銅、カリウム、マグネシウムおよびルビジウムの誘導体を含み得る。これらの材料は、コンフォーマル回路上に固定化された被分析物の受容体と結合する。レドックス材料と受容体への被分析物の結合中、レドックス材料の還元または酸化に起因して、コンフォーマル回路を通して送られる電荷の数が増幅する。この過程は、レドックス材料がレドックス電極そのものの上に固定化されているレドックス電極の使用とは異なる。レドックス電極上のレドックス材料へのバイアス電位または電流の印加中、この材料は還元または酸化を受け、それにより、この状態で標的被分析物に結合し、試験／評価される被分析物を変性させる。
【０１１９】
C.パターニング方法
コンフォーマル回路は、標準的な紙製品に対してエンジニアリングを実施することによって組み立てられる。紙の多孔性が、回路形成における制御を達成するように利用される。回路設計のステンシルが任意の適切なやり方で基材面に転写される。所望のパターンのパラメータは、検出される分子によって決まる。当業者は、所望のパターンを考慮して適切な転写法を理解するであろう。たとえば、小さめのパターンまたは小さめの形体サイズは、より先進の印刷技術、たとえばマスキングおよびリソグラフィーを要する。これらの過程は以下さらに詳細に説明される。
【０１２０】
ステンシルは穴または開口のパターンを含み、それらを通して導電性材料を親水性基材上に付着させることもできる。または、エッチング過程において、ステンシルは穴または開口のパターンを含み、それらを通して導電性材料をエッチングして親水性基材上に金属のパターンを形成することもできる。ステンシルは、金属、プラスチックまたはドライフィルムレジストのパターン層のような多様な材料から作られることもできる。ステンシルを製造するための金属の非限定的な例はステンレス鋼およびアルミニウムを含む。ステンシルを製造するためのプラスチックの非限定的な例はマイラーを含む。または、ドライフィルムレジストのパターン層をステンシルとして使用することもできる。一つまたは複数の態様において、ステンシルを製造するために金属またはプラスチックが使用され、金属経路のパターンは、コンピュータ上、レイアウトエディタ（たとえばClewin, WieWeb Inc.）を使用して設計することができ、設計に基づくステンシルは、任意の供給業者（たとえばStencils Unlimited LLC（Lake Oswego, Oreg.））から得ることができる。特定の態様において、ステンシルは、付着後、紙から剥がすことができる。特定の他の態様においては、ステンシルの片側にスプレー接着剤（たとえば3M Photomount, 3M Inc.）の層を吹き付けて、ステンシルを一時的に紙基材に取り付ける。付着ののち、ステンシルを紙から剥離させることができる。ステンシルは、複数回、たとえば10回よりも多く再使用することができる。他の態様においては、ドライフィルムレジストのパターン層をステンシルとして使用することができる。ドライフィルムレジストは、透明マスクを通してUV光に曝露し、希釈水酸化ナトリウム溶液中で現像すると、パターニングすることができる。パターニングされたドライフィルムレジストは、プラスチックのコーティングシートに取り付けることもできるし、レジスト側を親水性基材の表面に押し当て、マルチシート構造をポータブルラミネータ（たとえばMicro-Mark, Inc.）中の加熱されたローラに通すことによって親水性基材に直接取り付けることもできる。そして、プラスチックのコーティングシートを剥離させると、片側にパターニングされたドライフィルムレジストを有する紙のシートを得ることができる。
【０１２１】
導電性材料をマイクロ流体装置の親水性基材に付着させるためには、多様な付着方法を使用することもできる。付着方法の非限定的な例は、ステンシルを使用して導電性材料を付着させる方法、導電経路を引くことによって導電性材料を付着させる方法、インクジェットもしくはレーザ印刷によって導電性材料を付着させる方法、市販もしくは手製の導電性材料テープを親水性基材に取り付けることによって導電性材料を付着させる方法、導電経路を引くことによって導電性材料を付着させる方法、または導電性流体をマイクロ流体装置の親水性基材もしくは親水性チャネル上に導入することによって導電性材料を付着させる方法を含む。または、導電性材料を含む親水性基材の製造を可能にするために、導電性材料を、親水性基材を製造するためのパルプまたは繊維に埋め込むこともできる。
【０１２２】
具体的に、回路設計は、（a）浸漬被覆、（b）エンボス加工、または（c）マスキングおよびリソグラフィーのいずれかによって基材面に転写され得ることが企図される。浸漬被覆およびエンボス加工は、数百ミクロン、特に100ナノメートル／0.1ミクロンまでの形体分解能を可能にし、マスキングおよびリソグラフィーは、1〜10ミクロン領域の形体分解能を可能にする。これらの技術は当業者には周知である。Reighard and Barendt, 2000を参照すること。特定の態様においては、回路を3Dプリンタ上で設計し得、その回路を基材上にエンボス加工することによって設計を基材に転写し得る。
【０１２３】
基材の横方向多孔性が、本明細書に開示されるコンフォーマル回路を生成するために利用される。垂直方向多孔性は適当ではなく、したがって、厚さ数100nm程度の金属バリヤがこの目標を達成する。基材の電気的挙動を変化させるために、付着される材料の厚さもまた、いくつかの領域における基材の厚さに対応する。
【０１２４】
特定の態様においては、紙面全体が浸漬被覆される。導電性インク面と相互作用する生体分子だけが計測シグナルの原因である。流れを考慮に入れる必要はない。したがって、生体分子相互作用は主に、拡散および毛管作用で駆動され、したがって、気孔が大きければ大きいほど相互作用は速くなる。適切な場合、複数の浸漬被覆層が採用されている。この技術は、センサプラットフォームに組み込まれた複数の分子層を要するイムノアッセイの設計を意図する場合、もっとも適切である。
【０１２５】
D.生体分子の検出
これらのコンフォーマル回路は、広い範囲の分子診断および分析に適用することができ、したがって、関心対象の分子を含有することが疑われる任意の試料、たとえば食品、水、土壌、空気、体液、たとえば血清、洗浄剤、イオンバッファなどに対して使用することができる。いくつかの態様において、試料は、任意の液体試料、または液体中に可溶化もしくは分散することができる固体である。他の態様において、回路は、空気試料中の毒素または他の分子を検出するために使用することができる。たとえば、回路は、一酸化炭素、温室効果ガス、たとえばNOx、SOx、NH4、O3および他の環境毒素を検出するために使用することができる。回路は、酵素および生理学的イオンの存在をマッピングするための簡単なアフィニティーベースのアッセイを設計するために使用することができる。これらは、抗体−抗原相互作用を研究し、超高感度濃度で発現する広い範囲のタンパク質バイオマーカの有無を判定するためのアッセイを開発するために使用することができる。これらの回路を使用してゲノムアッセイを開発することもできる。
【０１２６】
一工程イムノアッセイをコンフォーマル回路とともに使用することができる。いくつかの態様においては、電気化学的センサを使用するラベルフリーイムノアッセイが適切である（Vertergaard, et al., 2007）。タンパク質診断の具体的な態様においては、タグを有しない単一の一次抗体を使用し、ベース回路に基づいて、タンパク質の検出中、電気回路パラメータに対する制御され、マッピングされた変調を達成する。システムは、定量的に検出するように設計されることができる（たとえば電気化学インピーダンス分光法電子読み取り機）。
【０１２７】
本明細書に開示されるコンフォーマル回路は、任意の適切なやり方のイムノアッセイのために調製され得る。一つの態様においては、リンカーを基材に付着させ、基材を、標的被分析物に特異的な成分、たとえば標的特異抗体で浸潤させ、ブロッキングバッファを、受容体成分を浸潤させたコンフォーマル回路表面に塗布して、センサ面への他の競合分子の非特異的結合または吸着を最小限にし、バッファ洗浄を実施し、標的被分析物、たとえば抗原を回路上に加える。抗原などの標的分子のための校正曲線を設計する際には、漸増量の抗原をコンフォーマル回路上に塗布し、定常状態に達するまでインピーダンス計測値を得る。抗原などの標的分子の量の増大とともに、計測インピーダンスの変化の増大が予想される。ひとたび校正曲線が設計されたならば、未知の量の試験標的分子、たとえば抗原を抗体／受容体成分浸潤センサ面上で試験し、次いで、インピーダンスの変化を校正曲線に照らして評価して、試験標的分子の量を決定する。
【０１２８】
被分析物の閉じ込めは基材のナノスケールテクスチャ内で達成され、基材への標的被分析物のサイズベースの閉じ込めは導電性インクを使用して達成される。一工程イムノアッセイフォーマットで導電性インクと相互作用する被分析物は、（a）電気二重層、（b）ダイオード中の空乏層中の電荷、および（c）トランジスタのゲート電流特性を摂動させて、関心対象の生体分子の検出を生じさせる。1〜10マイクロリットルの範囲の超低量しか要らないため、制御流れの問題は存在しない。主に、基材面への流体のスポット塗布が、生体分子検出のための関連する相互作用を達成するのに十分である。
【０１２９】
本明細書に開示されるコンフォーマル回路および検出装置は、定量的に検出するように設計されることもできるし（たとえばEIS電子読み取り機）、または定性的に検出するように設計されることもできる（たとえば変色）。加えて、システムは、シングレット（一つの被分析物）、マルチプレックス（同じタイプの複数の被分析物）またはマルチプレキシティー（異なるタイプの複数の被分析物）を検出するように設計されることができる。
【０１３０】
本明細書に開示されるコンフォーマル回路は非常に融通性である。たとえば、シングルチャネルアッセイの場合、125μL未満の量の試料が必要であり、それは、1pg/mL〜10μg/mLの検出ダイナミックレンジを有し、1nmおよび100nmまたはそれらの間の分子に有用であることができる。マルチチャネル検出の場合、75μL未満の量の試料が必要であり、それは、1pg/mL〜10μg/mLの検出ダイナミックレンジを有し、最小で2チャネルおよび最大で8チャネルがあることができ、1nmおよび100nmまたはそれらの間の分子に有用であることができる。マルチプレキシティー検出の場合、50μL未満の量の試料が必要であり、それは、1pg/mL〜10μg/mLの検出ダイナミックレンジを有し、最小で2チャネルおよび最大で16チャネルがあることができ、1nmおよび100nmまたはそれらの間の分子に有用であることができる。
【０１３１】
本明細書に開示されるポテンシオスタットは適応性が高く、速やかに結果を出す。シングルチャネルアッセイの場合、シングルチャネルEIM検出スキームおよび32ビットマイクロコントローラ（40〜10kHz）が使用されるとき、40秒未満の読み取り時間で結果を出す。マルチチャネル検出の場合、シリアルマルチチャネルEIMおよび16ビット／32ビットマイクロコントローラ（40〜10kHz）が最小2チャネルおよび最大8チャネルで使用されるとき、1チャネルあたり40秒未満で結果が出る。マルチプレキシティー検出の場合、パラレルマルチチャネルEIMおよび32ビット／64ビットマイクロコントローラ（40〜10kHz）が最小2チャネルおよび最大16チャネルで使用されるとき、1チャネルあたり30秒未満で結果が出る。
【０１３２】
E.キット
いくつかの態様においては、コンフォーマル回路およびポテンシオスタットを含むキットが企図される。いくつかの態様において、このようなキットは、特定の標的被分析物、たとえば特定の関心対象タンパク質を受け入れるように設計されている。一つの態様において、キットは、標的被分析物に適切である多孔性ナノテクスチャ基材を含むコンフォーマル回路を含み、それには適切なパターンが転写され、そのパターンは適切なインクで構成される。加えて、キットはさらに、特定の標的被分析物に関し、関心対象のデータをユーザに生成するように校正されているポテンシオスタットを含む。
【０１３３】
たとえば、C反応性タンパク質を検出するように設計されたコンフォーマル回路は、200nmの気孔1013〜1015個／cm2の気孔率を有するナノ多孔性材料の基材、たとえば紙を有し、回路は、交互嵌合もしくはエッジフリー交互嵌合しているパターン、または金／白金／銀／銅／ニッケル／酸化インジウムスズ／酸化鉄を注入された金属もしくは金属酸化物ナノ粒子注入カーボンインクを使用して作られた同心リングでできている。ポテンシオスタットに入力されるであろう関心対象のパラメータは、10mVの印加電圧および20〜10kHzの範囲の印加周波数を含む。最後に、分析のための関心対象のパラメータは、分析の周波数、印加電圧、計測電流、計算されたインピーダンス、推定濃度および標準校正曲線を含む。
【実施例】
【０１３４】
F.実施例
以下の実施例は、本発明の好ましい態様を実証するために含まれる。当業者には、以下の実施例に開示される技術が、本発明の実施において良好に機能することが本発明者らによって見いだされた技術を代表し、したがって、その実施に好ましい形態を構成するものとみなすことができることが理解されるはずである。しかし、当業者は、本開示をかんがみて、開示される具体的な態様に多くの変更を加えることができ、それでもなお、本発明の精神および範囲を逸脱することなく同様または類似の結果を得ることができることを理解するはずである。
【０１３５】
図9は、リポ多糖、リポタイコ酸およびトロポニンTを含有する溶液に関するインピーダンスモジュラスvs印加信号の周波数を表すボード線図である。図9は、キャパシタンスおよび抵抗優位が認められる周波数を示す。プロットは、溶液中の異なるタンパク質バイオマーカの存在を示すが、タンパク質バイオマーカまたは結合におけるそれらの特異性を定量するものではない。
【０１３６】
図10は、リポ多糖、リポタイコ酸およびトロポニンTを含有する溶液に関するインピーダンスの位相変化vs印加信号の周波数を表すもう一つのボード線図である。タンパク質バイオマーカは、分光分析に基づいて溶液中の複数のバイオマーカを区別する能力を実証する特有のインピーダンス位相プロフィールを示す。プロットは、タンパク質バイオマーカまたは結合におけるそれらの特異性を定量するものではない。
【０１３７】
図11は、リポ多糖、リポタイコ酸およびトロポニンTを含有する溶液に関し、第二−第三電極の電界の角度配向vs第三の電極で計測された出力電流のプロットである。電極−溶液界面で検出されたタンパク質バイオマーカは、直交する電界の影響の下、特有の位相応答特性を示す。試験された三つのタンパク質バイオマーカは、印加電界の様々な配向角で特有の電流応答を示す。
【０１３８】
図13は、標的被分析物システムの様々な種および対応するシステム構成をリストする表である。
【０１３９】
G.実験データ
図14は、本開示の例示的態様によって検出された、インピーダンスの変化（オーム単位で計測）vsリポ多糖の濃度（fg/mL単位で計測）のグラフである。
【０１４０】
図15は、本開示の例示的態様によって検出された、インピーダンスの変化（オーム単位で計測）vsプロカルシトニンの濃度（fg/mLで計測）のグラフである。
【０１４１】
図16は、本開示の例示的態様によって検出された、インピーダンスの変化（オーム単位で計測）vsリポタイコ酸の濃度（fg/mLで計測）のグラフである。リポ多糖、プロカルシトニンおよびリポタイコ酸の検出の場合の線形動作範囲は1fg/mL〜1μg/mLであった。
【０１４２】
miRNA21の検出に関してさらなるデータを収集した。標的遺伝子発現の調節を研究するための小さなRNA分子の検出は価値を示している。たとえば、miRNAは、癌の調節において重要な役割を担う。ある試験において、細胞溶解物溶液中のmiRNA21のコピー数を検出した。試料は、miRNA21富化された細胞を含むものであった。紙カートリッジ上の20bpオリゴヌクレオチドがmiRNA21を標的化し、対照は野生型細胞であった。miRNA21の高い相対濃度（たとえば200コピー／細胞を超える）が検出された。
【０１４３】
特異的捕捉プローブ（P2）を用いるmiRNA配列（P4）の検出に関するさらなるデータを収集した。図17は、様々な温度および時間で計測されたインピーダンス（オーム単位）を表す。捕捉プローブにおけるインピーダンスは32.452キロオームであった。
【０１４４】
非特異的miRNA配列と捕捉プローブ（P2）との相互作用の場合の信号の推定値が図18に示されている。
【０１４５】
図19は、サケ精子DNAと捕捉プローブ（P2）との相互作用の場合の信号の推定値を示す。
【０１４６】
参考文献
以下の参考文献は、本明細書に述べられた詳細を補足する例示的な手順または他の詳細を提供する程度に、参照により特に本明細書に組み入れられる。
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【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７】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７−１】
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【図１７−２】
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【図１８−１】
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【図１８−２】
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【図１９−１】
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【図１９−２】
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【国際調査報告】
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