用于体液中分子量化的电化学传感方法与流程

用于体液中分子量化的电化学传感方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年2月27日提交的题为“an electrochemical sensing approach for small molecule quantification in body fluids”的美国临时申请no.62/811,177的优先权，其内容通过引用整体并入本文。


背景技术：

3.药物在生物体中的浓度受生物体随时间摄入和/或消耗的药物量(剂量)以及药物从生物体代谢和排除的速率调节。取决于药物的化学组成，药物可能被生物体代谢并分解成化学组分，或者，可能以基本不变的形式从生物体排出。排出可通过各种机制发生，包括通过汗液、血液、尿液、唾液、呼出的空气、或其它排出过程进行排出。例如，在人类受试者的情况下，可以监测所排出的药物，以追踪受试者对处方的依从性并调整其剂量来获得最佳的益处，和/或，以检测和测量违法和/或非指定的(unprescribed，未开处方的)药物的使用。监测所排出的药物还可以协助分析某些药物的复杂的药物代谢动力学，并有助于在某些执法、医疗、和/或研究案件中的法医调查。
4.用于对生物排出物中的各种药物进行监测的传统分析方法包括高效液相色谱(hplc)、液相色谱
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串联质谱(lc
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ms/ms)、毛细管电泳
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质谱(ce
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ms)、酶联免疫吸附分析(elisa)等。虽然这些方法是高度灵敏且准确的，但是，它们需要大型、昂贵的设备且采用复杂的样品纯化和分析程序，使得移动实时检测变得困难。因此，需要更加准确、机动且成本效益的方法以用于对各种生物学样品中的分子化合物进行检测和量化。


技术实现要素：

5.本文所公开的技术涉及对生物学试样中的分子化合物进行检测和量化。本文所公开的可穿戴和/或便携式的生物传感器及方法使得能够以不受地理位置或设施能力限制的方式对生物学样品中的目标分子进行有效、成本效益且准确的检测和量化。例如，生物学样品可包括血液、汗液、唾液、尿液、或从生物体排出的其它物质。在一些示例中，生物体可为人类或动物。
6.在所公开的技术的示例实施方式中，用于对生物学样品中的目标分子进行检测的生物传感器包括具有印迹聚合物的识别层、与识别层电联接的电极、和逻辑电路，该逻辑电路带有处理器以及具有植入其上的计算机可执行指令的非暂时性存储器。例如，目标分子可包括特定的蛋白质、肽、维生素、氨基酸、激素、或药物代谢物。在一些示例中，识别层可包括印迹聚合物，将该印迹聚合物成形为具有与目标分子的轮廓基本匹配的轮廓，使得目标分子能够与印迹聚合物形状配合并与其结合。例如，可将电极配置成用于检测识别层的电学性质的测量结果。在实施方式中，逻辑电路可与电极电联接，并且，当目标分子与印迹聚合物结合时，计算机可执行指令可使处理器确认由电极检测到的电学性质。
7.在一些实施方式中，生物传感器的识别层可原位再生。在一些实施方式中，可将识别层布置成具有多行的阵列，其中，所述行中的每一者可具有独立地与电极电联接的印迹
聚合物。例如，该阵列可用于同时检测多个目标分子的存在。
8.在实施方式中，电学性质可为电流、电压、或电阻抗。在一些实施方式中，生物传感器还可包括均匀氧化还原探针，其中，均匀氧化还原探针沉积在电极的表面上。在一些实施方式中，电极可包括催化活性基材。
9.在一些实施方式中，计算机可执行指令可包括，基于由电极检测到的识别层的电学性质，使处理器产生确认目标分子的存在的指示。
10.在一些实施方式中，生物传感器还可包括显示器，其中，计算机可执行指令还可使处理器向显示器输出确认目标分子的存在的指示。
11.在实施方式的示例中，公开了用于使用生物传感器对生物学样品中的目标分子进行检测的方法。例如，生物传感器可包括具有至少一种(至少一个)印迹聚合物的识别层、与识别层电联接的电极、和逻辑电路，其中，将印迹聚合物成形为具有与目标分子的轮廓基本匹配的轮廓。例如，该方法可包括向生物传感器引入生物学样品，其中，当生物学样品中存在目标分子时，目标分子将与印迹聚合物形状配合并与其结合。在一些实施方式中，该方法还可包括由电极获得识别层的电学性质的测量结果。在一些实施方式中，该方法还可包括，基于电学性质的测量结果，由逻辑电路产生生物学样品中存在目标分子的指示。
12.在一些实施方式中，该方法还可包括对电极进行扫描以使识别层原位再生。在一些实施方式中，该方法还可包括在电极的表面上沉积均匀氧化还原探针。
13.在一些实施方式中，电学性质可包括电流、电学性质、和/或电阻抗。
14.在一些实施方式中，目标分子可包括电活性分子。例如，电活性目标分子可包括色氨酸、酪氨酸、苯基丙氨酸、多巴胺、维生素c、维生素b6、维生素b12、尿酸、霉酚酸、咖啡因、甲硫氨酸、皮质醇、去甲肾上腺素、或肾上腺素。
15.在一些实施方式中，目标分子可进一步包括非电活性分子。例如，非电活性目标分子可包括亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、白消安、环磷酰胺、肌酸酐、或脲。
16.在一些实施方式中，公开了用于使用生物传感器对生物学样品中的目标分子进行检测的方法。例如，生物传感器可包括具有至少一种(至少一个)印迹聚合物的识别层，将印迹聚合物成形为具有与目标分子的轮廓基本匹配的轮廓。生物传感器还可包括与聚合物层电联接且具有至少一个带有均匀氧化还原探针的表面的电极。在一些实施方式中，生物传感器还可包括逻辑电路及显示器。在一些实施方式中，该方法可包括向生物传感器引入生物学样品，其中，当生物学样品中存在目标分子时，目标分子将与印迹聚合物形状配合并与其结合；一旦目标分子与印迹聚合物结合，就由电极获得识别层的电学性质的测量结果。在一些实施方式中，该方法还可包括，基于电学性质的测量结果，由逻辑电路产生生物学样品中存在目标分子的指示。在一些实施方式中，该方法还可包括使显示器显示确认目标分子的存在的指示。
17.在一些实施方式中，该方法还可包括对电极进行扫描以使识别层原位再生。在一些实施方式中，均匀氧化还原探针可包括亚铁氰化铁。
18.本公开内容的其它特征和方面将从以下结合附图的详细描述而变得明晰，所述附图以示例的方式示出了根据各种实施方式的特征。本“发明内容”并非旨在限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
附图说明
19.参考以下附图，详细描述本文所公开的技术，根据一个或多个不同的实施方式。附图仅出于说明的目的而提供并且仅描绘所公开的技术的典型或示例的实施方式。提供这些附图以方便读者理解所公开的技术，而且，这些附图不应被视为对所公开的技术的广度、范围或适用性的限制。应注意到，为了清楚和易于说明，这些附图不必按比例绘制。
20.图1是框图，其示出了根据本公开内容的各种实施方式的便携式生物传感器的一些组件。
21.图2示出了根据本公开内容的各种实施方式的示例目标分子识别。
22.图3以示例的方式示出了根据本公开内容的各种实施方式的目标分子结合及指示产生。
23.图4以示例的方式示出了根据本公开内容的各种实施方式的目标分子结合及指示产生。
24.图5以示例的方式示出了根据本公开内容的各种实施方式的目标分子检测和量化。
25.图6示出了根据本公开内容的各种实施方式的目标分子的连续检测的示例。
26.图7以示例的方式示出了根据本公开内容的各种实施方式的生物学样品中的目标分子的检测。
27.图8是操作流程图，其示出了根据本公开内容的实施的用于对生物学样品中的目标分子进行检测的示例方法。
28.图9示出了根据本公开内容的各种实施的可用于实施架构和方法的计算机组件。
29.所述附图并非旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。应当理解，本发明可进行修改和变更来实践，而且，所公开的技术仅受权利要求书及其等价物的限制。
具体实施方式
30.用于对生物学样品中的分子进行检测的分析方法可包括高效液相色谱(hplc)、液相色谱
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串联质谱(lc
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ms/ms)、毛细管电泳
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质谱(ce
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ms)、酶联免疫吸附分析(elisa)等。虽然这些方法是高度准确的，但是，它们是在需要技术技巧才能操作的大型的昂贵机器上进行。而且，由于这些方法需要大型且有难度的机器来进行所述分析，因此，它们不容易部署到特定位置以用于快速且准确地分析生物学样品。
31.分子印迹是新兴的方法，其采用原位聚合来产生具有高的基材选择性和特异性的合成抗体(即，仿生识别位点)。使官能单体、交联剂、和模板分子组合并聚合产生合成聚合物层或基质。一旦模板分子被移除，则剩余的聚合物层包含能够准确地确认原始模板分子的识别位点。分子印迹技术可用于监测电活性目标分子以及非电活性目标分子(例如，药物、氨基酸、维生素、激素等)，并且由于其低成本和准确性，提供了对前述分析方法的具有成本效益的替代方案。
32.虽然前景广阔，但是，对于生物学试样中的分子化合物的快速现场(on
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site)分析而言，分子印迹技术仍为很少采用的分析方法。为了解决目前分子化合物分析系统和方法的缺陷，本文所公开的技术涉及这样的便携式和/或可穿戴的生物传感器，该生物传感器允许在任何位置处的对生物学样品中的分子的快速且成本效益的分析。
33.图1是框图，其示出了根据本公开内容的各种实施方式的生物传感器100的一些组件。生物传感器100可包括，例如，包含印迹聚合物的识别层110、电极120、逻辑电路130、以及任选的显示器140和均匀氧化还原探针150。生物传感器100的电学组件可由电源101供电，该电源101连接到用于分配电力的电源电路102。电源101可为电池、电容器、或本领域已知的其它电源。电源101可为能够充电的(例如，经由usb端口和/或ac/dc转换器)，而且，应当理解，可采用任何合适的电源技术来给生物传感器100的组件供电。例如，可使用锂离子电池、单元电池(cell batteries)、压电或振动能量采集器、光伏电池、ac/dc电源、或其它类似设备。
34.在操作期间，生物传感器100可被引入含有目标分子的生物学样品。一旦目标分子与识别层110的印迹聚合物成功结合，电极120就检测识别层110的电学性质的测量结果，并且，逻辑电路130就产生生物学样品中存在目标分子的指示。在实施方式中，生物传感器100还可包括显示器140以显示该指示。在一些实施方式中，生物传感器100还可包括沉积在电极的表面上的氧化还原探针150。
35.在各种实施方式中，识别层110可包括印迹聚合物。如本文所提及的，“印迹聚合物”是这样的聚合物，该聚合物被成形为具有与目标分子的轮廓基本匹配的轮廓，使得目标分子能够与印迹聚合物形状配合并与其结合。在实施方式中，可通过在致孔溶剂中使官能单体与模板分子和交联剂组合来合成印迹聚合物。官能单体与模板分子相互作用，并且，一旦发生聚合就变得固定在恰当的位置处。在聚合后，除去溶剂和模板分子，留下识别层，该识别层包含可特异性地与模板分子结合的印迹聚合物。在一些实施方式中，包括印迹聚合物的识别层可分解成单独的印迹单体。分解能够以机械方式实现，例如，通过使用超声处理或者研钵和研杵。在一些实施方式中，分解能够以化学方式实现，例如，通过施加酸和其它溶解剂。在一些实施方式中，识别层110可包括至少一种(至少一个)印迹聚合物。在一些实施方式中，识别层110可包括超过一种(一个)印迹聚合物。在一些实施方式中，识别层110可包括多种(多个)印迹单体。在一些实施方式中，识别层110可包括至少一种(至少一个)印迹单体。
36.在各种实施方式中，识别层110可包括不同的印迹聚合物。例如，识别层110可包括具有多行的阵列，其中，在行中的印迹聚合物识别并结合不同的目标分子。在一些实施方式中，识别层110可包括阵列，其中，各印迹聚合物能够识别并结合不同的目标分子。在一些实施方式中，识别层110可包括具有多种(多个)印迹单体的阵列，其中，各印迹单体能够识别并结合不同的目标分子。在实施方式中，可将识别层110布置成具有超过一种(一个)印迹聚合物的阵列，其中，各印迹聚合物与电极电联接。
37.当合成印迹聚合物时，可使用不同的官能单体。当选择官能单体时，可考虑诸如模板分子的电荷等因素。例如，内旋的(pronated，质子化的)模板分子可能需要酸性更强的官能单体，以免破坏模板目标物的电荷。而且，当合成印迹聚合物时，还可考虑额外的因素，例如，官能单体与交联剂之比以及官能单体与模板分子之比。对于印迹聚合物的特异性而言，调节(滴定，titrate)这些因素以实现官能单体与模板分子之间的良好相互作用是必不可少的。由于识别层110必须足够薄以成功地转换结合事件(events，项目)，因此，所使用的官能单体必须绝缘而且薄。在实施方式中，官能单体可包括，例如，酚或者多元酚。在一些实施方式中，官能单体可包括，例如，芘(聚芘)或芘衍生物，诸如萘、菲、或苝。在一些实施方式
中，官能单体可包含苯胺(聚苯胺)、吡咯(聚吡咯)、噻吩、和/或咔唑。应当理解，本领域普通技术人员将知道如何选择恰当的官能单体、交联剂和模板分子(包括各自的可行的比例)以制备聚合物。
38.图2示出了如根据本文所公开的各种实施方式使用的示例识别层。印迹层201，例如，可包括印迹聚合物，该印迹聚合物配置成用于识别和接受生物学样品中的目标分子。结合有目标物的聚合物层202以示例的方式示出了根据本文所公开的各种实施方式的目标分子与印迹聚合物的形状配合。
39.再次参考图1，生物传感器100还可包括电极120。电极120与识别层110电联接且配置成用于检测识别层110的电学性质的测量结果。在实施方式中，电极120可包括催化活性基材。根据本文所公开的实施方式，可使用若干种类型的电极材料。每种电极材料均具有其自身的优点和缺点。传统的电极材料包括，例如，石墨、铂、金、铑、铟、锡、铜、锌、铅、和/或银。更现代的电极材料包括，例如，金属纳米线、碳纳米管(cnt)、导电聚合物、和石墨烯(包括石墨烯膜)。例如，石墨烯代表了前景广阔的导电材料且可在许多不同应用中用作电极，包括，在晶体管、发光二极管、液晶显示器、分子结器件、触摸屏、太阳能电池、和柔性器件中。石墨烯的优点包括其高的电荷迁移率、透明度、机械强度、和柔韧性。在实施方式中，电极120可包括催化活性基材，例如，石墨烯。在一些实施方式中，电极120可包括石墨、铂、金、铑、铟、锡、铜、锌、铅、和/或银电极。在一些实施方式中，可使用其它导电材料来形成电极120，所述其它导电材料包括，例如，金属纳米线、碳纳米管(cnt)、和/或导电聚合物。这样的纳米材料还可用于增大电极的表面积和/或信号响应。
40.如图1中所描绘的，电极120联接至识别层110且可配置成用于检测识别层110的电学性质的测量结果。在实施方式中，一旦目标分子与识别层110的印迹聚合物发生结合，电学性质的测量结果就可变得能够由电极120检测到。在实施方式中，电学性质可包括电流。在一些实施方式中，电学性质可包括电压。在一些实施方式中，电学性质可包括电阻抗。在实施方式中，电极120可联接至识别层110且可配置成用于检测电学性质的测量结果。在实施方式中，电学性质的测量结果可包括达到或满足电学性质的阈值。在一些实施方式中，电学性质的测量结果可包括达到或满足电学性质的阈值，使得当达到或满足该阈值时，可记录该测量结果并将其发送到逻辑电路以进行处理。在实施方式中，测量结果可包括电学性质的变化。在一些实施方式中，测量结果可包括电学性质的变化，使得当可检测到该电学性质的例如自基线的变化时，可将该测量结果发送到逻辑电路以进行处理。在一些实施方式中，电学性质的变化可包括电学性质自一定基线的升高或降低。在一些实施方式中，电流、电压、或电阻抗的变化可包括自基线水平的变化、或者在两个或更多个读数之间的变化，这取决于所进行的试验。
41.根据本文所公开的各种实施方式，可使识别层110联接至电极120。可使用各种方法将识别层110联接至电极120，所述方法包括，但不限于，电聚合方法(即，电化学聚合方法)、化学方法、和/或自组装联接方法。所有这些方法通常需要，例如，形成聚合物层并将该聚合物层沉积到导电基材上。各自存在不同的优点和缺点。在实施方式中，电聚合可用于将识别层110联接至电极120。在实施方式中，可施加足够高的电势以氧化官能单体并实现聚合，但是，该电势足够低以避免使基材/电极发生溶解。在实施方式中，可使用电化学电池来实施电聚合。在一些实施方式中，可使用三电极系统来实施电聚合。在实施方式中，电聚合
可包括通过施加，例如，恒定电流(恒电流)、恒定电势(恒电势)、或扫描电势(动电位)来氧化官能单体。
42.在实施方式中，电聚合可包括在三电极系统中使识别层110吸引到电极120的表面上，其中，识别层110可包括具有至少一种印迹单体的印迹聚合物，且其中，电极120可包括石墨烯基材。在一些实施方式中，一旦识别层110被吸引至电极120，采用循环伏安法的电流的施加就将印迹聚合物联接至电极，产生薄且均匀的层，通过该层，可检测到结合事件。也可使用其它联接方法将识别层110电联接至电极120，所述其它联接方法包括电聚合方法、自组装聚合方法、和化学聚合方法。
43.在实施方式中，可对电极120进行扫描，以使识别层110的印迹聚合物原位再生。在实施方式中，电极120的扫描可包括电极的快速伏安法和/或安培法扫描，以便从印迹聚合物分离所结合的目标分子，使得识别层可再生。在一些实施方式中，识别层110的再生允许识别层110的印迹聚合物的持续使用，且因此，允许生物传感器100的可重复使用性。如根据本公开内容的若干实施方式所使用的，“再生”或“使
…
再生”可包括从印迹聚合物释放目标分子和/或模板分子，使得印迹聚合物能够结合目标分子。
44.仍旧参考图1，生物传感器100还可包括逻辑电路130。在实施方式中，逻辑电路130可与电极120电联接且可包括处理器以及具有植入其上的计算机可执行指令的非暂时性存储器。在各种实施方式中，逻辑电路130还可包括接收、处理、和/或存储内容、数据和其它信息的其它电路。逻辑电路130还可，例如，促进这样的内容、数据或其它信息的接收，以及，促进由生物传感器100产生这样的内容、数据或其它信息。
45.在实施方式中，当目标分子与印迹单体结合时，植入到逻辑电路130内的计算机可执行指令使处理器确认聚合物层110的电学性质。在一些实施方式中，基于聚合物层的电学性质，植入到逻辑电路130内的计算机可执行指令使处理器产生确认目标分子的存在的指示。在实施方式中，可将该指示电传输至显示器，从而以视觉的方式进行确认。在一些实施方式中，可将该指示电传输至led、或多个led，从而以视觉的方式进行确认。在实施方式中，可将所产生的指示存储在逻辑电路130的非暂时性存储器上。
46.生物传感器100可包括显示器140。在实施方式中，显示器140显示目标分子的存在且可与逻辑电路130电联接。在一些实施方式中，一旦结合目标分子，计算机可执行指令就使处理器产生确认目标分子的存在的指示并将其输出到显示器140。显示器140的非限制性示例包括：液晶显示器(lcd)；有机lcd(olcd)；发光二极管显示器(led)；有机发光二极管显示器(oled)；数字光处理显示器(dlp)等。
47.在各种实施方式中，生物传感器100还可包括均匀氧化还原探针150。均匀氧化还原探针150可根据本文所公开的各种实施方式使用，以检测电活性目标分子和非电活性目标分子这两者。不同于电活性目标分子，非电活性目标分子在与联接至电极的印迹聚合物结合时不转移其电子(即，不变得被氧化)。均匀氧化还原探针150可用于通过电流损失间接地检测电活性分子和非电活性分子这两者，该电流损失是由于电活性分子和非电活性分子在联接至电极120的印迹聚合物处的结合。在一些实施方式中，可将均匀氧化还原探针150沉积在电极120的表面上。在一些实施方式中，可将均匀氧化还原探针并入到识别层110的基质中。在实施方式中，均匀氧化还原探针150可被电联接在识别层110和电极120之间。在一些实施方式中，均匀氧化还原探针150可包括亚铁氰化铁(例如，普鲁士蓝)。均匀氧化还
原探针150可包括，例如，硫堇；蒽醌2
‑
羧酸；二茂铁羧酸；三(2,2
’‑
联吡啶
‑
4,4
’‑
二羧酸)钴(iii)等。
48.图1的生物传感器100可用于检测生物学样品中的目标分子。在实施方式中，生物学样品可包括所排出的体液，例如，汗液、尿液、泪液、血液、唾液、以及来自男性和女性性器官的分泌物。目标分子可包括蛋白质、电解质、维生素、氨基酸、经代谢的药物、以及其它分子和/或化合物。在一些实施方式中，目标分子可包括电活性分子。电活性分子可包括，例如，色氨酸、酪氨酸、苯基丙氨酸、多巴胺、维生素c、维生素b6、维生素b12、尿酸、霉酚酸、咖啡因、甲硫氨酸、皮质醇、去甲肾上腺素、或肾上腺素。在实施方式中，目标分子可包含非电活性分子。非电活性分子可包括，例如，亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、白消安、环磷酰胺、肌酸酐、或脲。电活性分子和非电活性分子的列表并非意味着穷举。应当理解，此处未列出的其它电活性/非电活性分子也可根据本文所公开的各种系统和方法进行检测。
49.在各种实施方式中，目标分子可包括氨基酸。可使用本公开内容的实施方式进行检测的氨基酸包括：丙氨酸；甘氨酸；异亮氨酸；亮氨酸；脯氨酸；缬氨酸；苯基丙氨酸；色氨酸；酪氨酸；天冬氨酸；谷氨酸；精氨酸；组氨酸；赖氨酸；丝氨酸；苏氨酸；半胱氨酸；甲硫氨酸；天冬酰胺；和谷氨酰胺。在各种实施方式中，目标分子可包括维生素或维生素原(即，维生素前体)。例如，可被检测的维生素和维生素原包括：硫胺素(维生素b1)；核黄素(维生素b2)；烟酸(维生素b3)；胆碱(维生素b4)；泛酸(维生素b5)；吡哆醇(维生素b6)；生物素(维生素h、维生素b7、或维生素b8)；叶酸(维生素b9或叶酸酯(盐))；和钴胺素(维生素b12)；抗坏血酸(维生素c)；视黄醇(维生素a)；钙化醇(维生素d)；生育酚(维生素e)；叶绿醌(维生素k1)；甲基萘醌(维生素k2)；β
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胡萝卜素(维生素a)；7
‑
脱氢胆固醇(维生素d)；和胆钙化醇(维生素d)。
50.在各种实施方式中，目标分子可包括，例如，激素。可被检测的激素包括：胆固醇；皮质醇；黄体酮；睾酮；皮质酮；醛固酮；β
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雌二醇；胰岛素；雌性激素；甲状腺素；促性腺素释放激素(gnrh)；促肾上腺皮质素释放激素；褪黑素；人类生长激素(hgh)；促肾上腺皮质激素；催乳素；和血管紧张素。在一些实施方式中，目标分子可包括用于诊断目的(包括用于检测和监测各种疾病(例如，癌症))的蛋白质。例如，目标分子可包括用于检测和监测癌症的肿瘤标志物，包括：血清癌胚抗原(cea)；血清脂质相关唾液酸(lasa)；血清癌抗原19
‑
9(ca 19
‑
9)；癌抗原125(ca 125)；甲胎蛋白(afp)；乳糖酶脱氢酶(ldh)；和人绒毛膜促性腺素(hcg)。目标分子的列表并非意味着穷举。应当理解，此处未列出的其它目标分子也可根据本文所公开的各种系统和方法进行检测。
51.图3以示例的方式描绘了基于本公开内容的各种实施方式的针对电活性目标分子的检测和量化方法。官能单体、交联剂和模板分子在电流下的聚合形成能够特异性地识别和结合目标分子的识别层。框图301描绘了与电极联接的识别层，该电极可包括，例如，石墨烯。显示了包含识别层的印迹聚合物的单独的形状配合位点。框图302描绘了模板分子与识别层的印迹聚合物的结合。框图303描绘了在移除模板分子之后的识别层的再生。在实施方式中，识别层的再生可如下实现：通过电极的快速伏安法扫描，或者，经由使用包括例如强酸和/或有机溶剂的其它溶液。
52.框图304和305描绘了采用例如微分脉冲伏安法(dpv)检测目标分子。如在框图304中所见的，随着时间的推移，目标分子与识别层的印迹聚合物的结合增高了由传感器检测
到的电势(或电压)。在实施方式中，采用dpv的目标分子检测可包括使用三电极系统，该三电极系统包含：感测电极，其包含与石墨烯基材联接的印迹聚合物；工作电极，其包含，例如，金、铂、碳、或汞；以及，对电极。框图305描绘了目标分子的氧化，由此，所结合的电活性目标分子的电解质转移到电极，产生电学性质的测量结果。该测量结果可通过电极检测。框图306描绘了所结合的目标分子的量的图形表示或指示。在实施方式中，一旦目标分子发生结合并通过电极检测，植入到逻辑电路上的计算机可执行指令就使处理器确认由电极检测到的电学性质。在一些实施方式中，计算机可执行指令进一步地使处理器向显示器输出确认目标分子的存在的指示。
53.图4描绘了根据本公开内容的各种实施方式的针对非电活性目标分子的检测和量化途径。框图401
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403描绘了能够特异性地识别和结合目标分子的识别层的形成。当检测非电活性分子时，可将均匀氧化还原探针沉积在电极表面上，使得其位于识别层和电极之间。在实施方式中，氧化还原探针可例如包括亚铁氰化铁(例如，普鲁士蓝)。也可使用其它均匀氧化还原探针，包括硫堇和蒽醌2
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羧酸。在实施方式中，可将均匀氧化还原探针电联接在识别层和电极之间。在一些实施方式中，可将均匀氧化还原探针植入到识别层的基质内。在一些实施方式中，均匀氧化还原探针可位于工作溶液中。框图404描绘了随时间变化的电势损失。如在框图405中所见的，目标分子与印迹聚合物的成功结合阻断了电解质至均匀氧化还原探针的路径，导致氧化还原信号的损失(示于框图406处)。
54.图5以示例的方式示出了使用根据本公开内容的各种实施方式的系统和方法的对电活性目标分子(例如，框图501和502)以及非电活性目标分子(例如，框图503和504)这两者的检测和量化。例如，框图501描绘了电活性目标分子的检测，然而，非电活性目标分子的检测显示在框图503中。在检测之后，校正曲线可用于确定生物学样品中的目标分子的量或浓度(例如，框图502和504)。
55.图6以示例的方式示出了使用根据本公开内容的各种实施方式的系统和方法的对电活性目标分子(例如，框图601和602)以及非电活性目标分子(例如，框图603和604)这两者的连续检测。例如，框图601描绘了通过识别层的多次再生的对目标分子(此处为色氨酸)的连续检测。再生/检测方法的相应再现性可在框图602中看到。框图603描绘了通过采用例如线性扫描伏安法(lsv)的多次再生事件的对非电活性目标分子(此处为亮氨酸)的连续检测。再生/检测方法的相应再现性可在框图604中看到。
56.图7以示例的方式示出了使用根据本公开内容的各种实施方式的系统和方法的对生物学样品中的目标分子的准确检测和量化。例如，框图701描绘了生物传感器验证，该验证用于使用液相色谱/质谱验证分析来准确地确定血清样品中的目标分子的量。
57.通过利用根据本文所公开的技术的生物传感器100，可用于检测生物学样品中的目标分子的存在和/或测量其量。例如，医疗、兽医、研究人员、执法人员、或其它相关人员可使用所公开的技术来检测生物学样品中的目标分子的存在和/或测量其量。通过确认某些目标分子(包括，例如，药物代谢物)，相关人员可确定受试者(例如，人类、动物、或生物体)是否已经服用了某种药物和/或观察受试者是否依从地服用处方药。本文所公开的技术的实施方式能够在不需要单独的装置的情况下在生物传感器处进行本地分析，导致较小且便携的不太复杂的系统。这使得相关人员和受试者更容易查看设备处的生物传感器数据，而无需使用其它装置，例如，能够进行现场测试以检测受试者体内的违法药物、或受试者对药
物管制的依从性。在一些实施方式中，便携式生物传感器可包括内置型usb连接器，使得便携式监测设备在使用后能够直接地连接至计算机以存储或查看数据，或者，(如前所讨论地)给便携式生物传感器充电。
58.图8是示出了根据所公开的技术的示例的流程图。在高的水平处，可实施方法800以使用生物传感器确认生物学样品中的目标分子的存在和量。本文所述的各种方法的操作不必限于图中所描述或示出的顺序，并且，本领域技术人员在研究本公开内容后将理解，本文所述的操作的顺序的变化是在本公开内容的精神和范围内。应当理解，方法800的操作可实施多次。
59.在一些情况下，方法800的操作和子操作可通过和/或使用以下进行：生物传感器100的组件、元件、器件和子组件中的一者或多者，如关于至少图1
‑
7所描述的；以及，其中所描绘的和/或关于其所述的组件、元件、器件和子组件。
60.在这样的情况下，方法800的描述可提及或者可不提及相应的组件和/或要素，但无论是否进行了明确的提及，本领域技术人员在研究本公开内容后将理解何时可以使用相应的组件和/或要素。此外，应当理解，这样的提及不必将所描述的方法限于所提及的特定的组件和/或要素。因此，本领域技术人员将理解，与(子)组件、要素、器件和组件相关的上述方面和特征(包括它们的变体)可应用于与方法800相关描述的各种操作，而不脱离本公开内容的范围。
61.现在参考图8，根据本公开内容的实施，方法800可用于使用生物传感器100检测生物学样品中的目标分子。在操作810处，将可包括目标分子的生物学样品引入至生物传感器100。在实施方式中，可通过如下将生物学样品引入至生物传感器100：将生物学样品沉积到识别层110上，使得生物学样品内的目标分子能够与识别层110的印迹聚合物形状配合并与其结合。可将生物学样品沉积到生物传感器的识别表面上的非限制性方式包括通过移液、注射器注射、柱进料、微泵送和各种机器自动化方法。
62.若干种不同的生物学样品(包括，例如，血液、汗液、泪液、尿液、唾液、和/或呼吸冷凝物(例如，经冷凝的蒸气))可被引入至生物传感器以检测目标分子。在实施方式中，生物学样品的目标分子可包括电活性目标分子。在一些实施方式中，生物学样品的目标分子可包括非电活性目标分子。在一些实施方式中，超过一种目标分子可在生物学样品中且被引入至生物传感器。
63.在实施方式中，目标分子可包括电活性目标分子和/或非电活性目标分子。
64.根据本公开内容的各种实施方式，在操作820处，一旦目标分子与识别层110的印迹聚合物成功结合，生物传感器100的电极120就可获得识别层的电学性质的测量结果。在实施方式中，在目标分子与印迹聚合物结合之后，与识别层110电联接的电极120可检测识别层110的电学性质的测量结果。
65.在实施方式中，使用电极120的电学性质检测可包括电活性目标分子与识别层110的印迹聚合物的结合，其中，电活性目标分子的电解质可从目标分子传递(pass)至电极120。在一些实施方式中，使用电极120的电学性质检测可包括非电活性目标分子与识别层110的印迹聚合物的结合，其中，目标分子与识别层110的印迹聚合物的相互作用可以阻断电解质至均匀氧化还原探针150的路径，导致氧化还原信号的减小(例如，框图406)。在实施方式中，由电极120检测到的电学性质可包括电流。在一些实施方式中，电学性质可包括电
压。在一些实施方式中，电学性质可包括电阻抗。在一些实施方式中，电学性质可包括电流、电压、和/或阻抗中的一种或多种。在实施方式中，电学性质的测量结果可包括达到或满足电学性质的阈值。在一些实施方式中，电学性质的测量结果可包括达到或满足电学性质的阈值，使得当达到或满足阈值时，可记录该测量结果并将其发送到逻辑电路以进行处理。在实施方式中，测量结果可包括电学性质的变化。在一些实施方式中，测量结果可包括电学性质的变化，使得当检测到该电学性质的例如自基线的变化时，可将该测量结果发送到逻辑电路以进行处理。在一些实施方式中，电学性质的变化可包括电学性质自一定基线的升高或降低。
66.在实施方式中，可通过扫描电极120获得电学性质的超过一种测量结果，使得识别层110的印迹聚合物可在读取期间再生。在一些实施方式中，扫描电极120允许对电学性质的测量结果的连续检测。在一些实施方式中，扫描电极120可允许对电学性质的超过一种测量结果的连续检测。扫描电极120可包括快速伏安法和/或安培法扫描。
67.仍旧参考图8，根据本公开内容的实施方式，在操作830处，逻辑电路130可产生生物学样品中存在目标分子的指示。在实施方式中，逻辑电路130可包括处理器以及具有植入其上的计算机可执行指令的非暂时性存储器。在实施方式中，电极120可与逻辑电路130电联接，而且，一旦分子目标物与识别层110的印迹聚合物成功结合，计算机可执行指令就使处理器确认由电极120检测到的电学性质。在一些实施方式中，基于由电极120检测到的识别层110的电学性质，计算机可执行指令使处理器产生确认目标分子的存在的指示。所产生的指示可如下地以视觉的方式进行确认：通过显示器和/或led，或者，经由感官沟通(包括听觉提示)的其它手段。
68.在各种实施方式中，根据本公开内容的各种实施方式，在操作840处，逻辑电路130可将确认目标分子的存在的指示输出至显示器140。在实施方式中，一旦目标分子与识别层110的印迹聚合物结合并且由电极120检测到电学性质的测量结果，逻辑电路130的计算机可执行指令就进一步地使处理器将确认目标分子的存在的指示输出至显示器140。在实施方式中，显示器140可以视觉的方式显示出确认目标分子的存在的指示。在一些实施方式中，显示器可包括lcd屏幕。在一些实施方式中，所显示的指示可包括电学性质(包括，例如，电流和/或电压)的测量结果的视觉表示。在一些实施方式中，所显示的指示可包括电学性质(包括，例如，电流和/或电压的变化)的测量结果的视觉表示(例如，框图306、406、501、和503)。在一些实施方式中，所显示的指示可包括电学性质(包括，例如，电阻抗的变化)的测量结果的视觉表示。在一些实施方式中，所述视觉表示可包括，例如，具有x轴和y轴的图形。在一些实施方式中，所述指示可包括生物学样品中所存在的目标分子的量的量化。在一些实施方式中，生物学样品中所存在的目标分子的量化可包括电势(例如，电压或“v”)、电流(例如，安培或“a”)、和/或阻抗(例如，欧姆或“z”)的单位。在一些实施方式中，这些单位中的每一个的各种量可包括纳米单位、微米单位、毫米单位、和/或升单位。
69.图9示出了示例计算组件900，其在一些情况下可包括驻存在计算机系统(例如，生物传感器100)上的处理器/控制器。计算组件900可用于实现本文所公开的系统、器件和方法的实施方式的各种特征和/或功能。关于本文参考图1至8所描述的系统、器件和方法的上下文中所阐述的前述实施方式(包括涉及生物传感器100的实施方式)，本领域技术人员将理解可以由计算组件900执行的关于这些实施方式的功能的其它变体和细节。在这一点上，
本领域技术人员在研究本公开内容后还将理解，本文所述的各种实施方式(例如，系统)的特征和方面可相对于本文所述的其它实施方式(例如，方法)来实施，而不脱离本公开内容的精神。
70.如本文所用的，术语组件可描述这样的给定功能单元，该给定功能单元可根据本技术的一个或多个实施方式执行。如本文所用的，组件涉及模块，和/或，可利用任何形式的硬件、软件或其组合来实现。例如，可施用一个或多个处理器、控制器、asic、pla、pal、cpld、fpga、逻辑组件、软件程序或其它机构来构成组件。在实施方式中，本文所述的各种组件可作为离散的组件施用，或者，所述的功能和特征可以在一个或多个组件之间部分或整体地共享。换句话说，如本领域普通技术人员在阅读本说明书后将理解的，本文所述的各种特征和功能可以在任何给定的应用中实现，并且，可以在各种组合和排列中的一个或多个单独或共享的组件进行实现。尽管可将各种功能要素或特征作为单独的组件分别地描述或要求保护，但是，本领域普通技术人员在研究本公开内容后将理解，这些特征和功能可在一个或多个共同的软件和硬件要素之间共享，并且，这样的描述不应要求或暗示，使用单独的硬件或软件组件来实现这样的特征或功能。
71.在一个实施方式中，在所述应用的组件全部或部分地使用软件实现的情况下，这些软件要素可被实施以使用能够执行关于其所述的功能的计算或处理组件进行操作。在图9中示出了一个这样的示例计算组件。针对该示例计算组件900，描述了各种实施方式。在阅读本说明书后，相关领域的技术人员将对于如何使用其它计算组件或架构来实现该应用变得明晰。
72.现在参考图9，计算组件900可代表，例如，在自调节显示器、台式计算机、膝上型计算机、笔记本型计算机和平板计算机中见到的计算或处理模块(能力，capability)；手持式计算设备(平板电脑、pda、智能电话、蜂窝电话、掌上型电脑等)；工作站或其它带显示器的设备；服务器；或者，对于给定的应用或环境而言可为合乎期望或合适的任何其它类型的专用或通用的计算设备。计算组件900还可代表植入到给定设备内或以其它方式可用于给定设备的计算模块(能力，capability)。例如，计算组件可见于其它电子设备中，例如，导航系统、便携式计算设备、以及可能包括某种形式的处理模块(能力，capability)的其它电子设备。
73.计算组件900可包括，例如，一个或多个处理器、控制器、控制组件、或其它处理设备，例如处理器904。处理器904可使用通用或专用的处理引擎(例如，微处理器、控制器、或其它控制逻辑器(logic))来实现。在说明性示例中，使处理器904与总线902相连，尽管可使用任何通讯介质来促进与计算组件900的其它组件的相互作用或进行外部通讯。
74.计算组件900还可包括一个或多个存储器组件，在本文简称为主存储器908。例如，优选地，随机存取存储器(ram)或其它静态或动态存储器可用于存储信息以及待由处理器904执行的指令。主存储器908还可用于在待由处理器904执行的指令的执行期间存储临时变量或其它中间信息。计算组件900同样可包括与总线902联接的用来存储用于处理器904的静态信息和指令的只读存储器(“rom”)或其它静态存储器件。
75.计算组件900还可包括一个或多个不同形式的信息存储机构910，其可包括，例如，介质(媒体，media)驱动器912和存储单元接口920。介质驱动器912可包括驱动器或其它机构以承载固定或可移动的存储介质914。例如，可提供硬盘驱动器、固态驱动器、磁带驱动
器、光盘驱动器、压缩盘(cd)或数字化视频盘(dvd)驱动器(r或rw)、或其它可移动或固定的介质驱动器。因此，存储介质914可包括，例如，硬盘、集成电路组装件(assembly)、磁带、盒式磁带(cartridge)、光盘、cd或dvd、或者由介质驱动器912读取、写入或访问的其它固定或可移动的介质。如这些示例所示的，存储介质914可包括具有存储于其中的计算机软件或数据的计算机可用存储介质。
76.在替代性实施方式中，信息存储机构910可包括用于允许将计算机程序或其它指令或数据加载到计算组件900中的其它类似工具(instrumentality)。这样的工具可包括，例如，固定或可移动的存储单元922和接口920。这样的存储单元922和接口920的示例可包括程序盒式存储器(program cartridge)以及盒接口、可移动的存储器(例如，闪存存储器或其它可移动的存储器组件)以及存储器插槽、pcmcia插槽和卡、以及允许软件和数据从存储单元922传输到计算组件900的其它固定或可移动的存储单元922和接口920。
77.计算组件900还可包括通讯接口924。通讯接口924可用于允许在计算组件900和外部设备之间传输软件和数据。通讯接口924的示例可包括调制解调器或软调制解调器、网络接口(例如以太网、网络接口卡、wimedia、ieee802.xx或其它接口)、通讯端口(例如，usb端口、ir端口、rs232端口接口、或其它端口)、或其它通讯接口。经由通讯接口924传输的软件和数据可典型地被承载在信号上，所述信号可为电子、电磁(其包括光学)或能够由给定通讯接口924交换的其它信号。这些信号可经由信道928提供给通讯接口924。该信道928可携带信号且可使用有线或无线通讯介质来实现。信道的一些示例可包括电话线、蜂窝链路、rf链路、光链路、网络接口、局域网或广域网、以及其它有线或无线通讯信道。
78.在本文中，术语“计算机程序介质”和“计算机可用介质”通常用于指代暂时性的或非暂时性的介质，例如，存储器908、存储单元920、介质914、和信道928。可包括这些和其它各种形式的计算机程序介质或计算机可用介质，以将一个或多个指令的一个或多个序列传送到处理设备以供执行。植入到介质上的这样的指令通常被称为“计算机程序代码”或“计算机程序产品”(其可以被分组成计算机程序或其它组群的形式)。当被执行时，这样的指令可使得计算组件900能够执行如本文所讨论的本技术的特征或功能。
79.尽管以上根据各种示例性实施方式和操作进行了描述，但是，应当理解，在一个或多个单独的实施方式中所描述的各种特征、方面和功能不限于它们对于其中对它们进行了描述的特定实施方式的适用性，而是相反地，能够单独地或以各种组合的方式应用于本技术的其它实施方式中的一者或多者，无论这样的实施方式是否被描述，而且，无论这样的特征是否被呈现为所描述的实施方式的一部分。因此，本技术的广度和范围不应受任何上述示例性实施方式的限制。
80.除非另有明确说明，本文中所使用的术语和短语及其变体应被视为开放式的而非限制性的。作为前述内容的示例：术语“包括”应理解为意指“包括，但不限于”或类似者；术语“示例”用于提供所讨论的项目的示例性实例，而不是其穷举或限制性的列表；术语“一(a)”或“一个(an)”应理解为意指“至少一个(至少一种)”、“一个或多个(一种或多种)”或类似者；而且，形容词，如“常规的”、“传统的”、“正常的”、“标准的”、“已知的”以及具有类似含义的术语不应被解释为将所描述的项目限制成给定的时间段或限制成在给定的时间内可得的项目，而是应该理解为涵盖了可在现在或在将来任何时刻可得或知晓的常规的、传统的、正常的、或标准的技术。同样地，当本文涉及本领域普通技术人员将会明晰或知晓的技
术时，这样的技术涵盖了所述技术人员在现在或在将来任何时刻明晰或知晓的那些技术。
81.使用术语“组件”并不意味着作为组件的一部分而描述或要求保护的组件或功能体全部都配置在共同的包装中。实际上，组件的各种组件中的任意或全部(不论是控制逻辑组件还是其它组件)都可组合在单一包装中或者分开地保存(maintained，维护)，并且，可进一步分配成多个组或包装或者分配成跨越多个位置。
82.此外，本文中所述的各种实施方式是按照示例性的框图、流程图及其它图示来描述的。在阅读本文后，本领域普通技术人员将变得明晰的是，所示的实施方式及其各种替代方案可以在不限于所示的示例的情况下实施。例如，框图及其随附的描述不应被解释为强制要求(mandate)特定的架构或配置。
83.本公开内容的系统和方法的一些实施方式的细节在本说明书中以及(在某些情况下)在本公开内容的其它部分中阐述。一旦考察了本公开内容、说明书、附图、实(施)例和权利要求书，本领域技术人员就将明晰本公开内容的其它特征、目的、和优点。所有这样的额外的系统、方法、设备、特征和优点都旨在被包括在本说明书中(不论是明确地还是通过引用地)、在本公开内容的范围内、并且受到所附权利要求中的一项或多项的保护。