特許 7523678 ウイルス又は他の抗原を検出するためのＳＡＷベースのハイドロゲル検査

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-18

(45)【発行日】2024-07-26

(54)【発明の名称】ウイルス又は他の抗原を検出するためのＳＡＷベースのハイドロゲル検査

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/02 20060101AFI20240719BHJP

   G01N 33/569 20060101ALI20240719BHJP

   G01N 33/483 20060101ALI20240719BHJP

【ＦＩ】

G01N29/02 501

G01N33/569 G

G01N33/483 E

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2023515743

(86)(22)【出願日】2021-08-03

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-27

(86)【国際出願番号】 US2021044334

(87)【国際公開番号】W WO2022055636

(87)【国際公開日】2022-03-17

【審査請求日】2023-04-27

(31)【優先権主張番号】17/017,398

(32)【優先日】2020-09-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】セリノ，アンソニー

(72)【発明者】

【氏名】ロジャース，マイルズ ティー．

(72)【発明者】

【氏名】ビロット，ジェームズ エー．

(72)【発明者】

【氏名】コットレル，ウィリアム ジェイ．

【審査官】村田 顕一郎

(56)【参考文献】

【文献】特表２００７－５３８２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００７－５２４８５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】Stubbs et al.，Molecular Recognition for Electronic Noses Using Surface Acoustic Wave Immunoassay Sensors，IEEE SENSORS JOURNAL ，IEEE，2002年08月，Vol.2 No.4，p.294-300，<DOI:10.1109.JSEN.2002.803745>

【文献】Lee et.al，Vapor Phase Detection of Plastic Explosives Using a SAW Resonator Immunosensor Array，SENSORS, 2005 IEEE，IEEE，2005年10月30日，p.468-471，<DOI:10.1109/ICSENS.2005.1597737>

【文献】Stubbs et al.，Vapor Phase SAW Immunoassay Sensors，SENSORS, 2002 IEEE，IEEE，2002年06月12日，p.335-338，<DOI:10.1109/ICSENS.2002.1037111>

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００－２９／５２

Ｇ０１Ｎ ３３／４８－３３／９８

Ｇ０１Ｎ ５／００－５／０４

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電基板と、
前記圧電基板上の第１及び第２交互嵌合トランジスタであって、前記第１交互嵌合トランジスタが、入力電気信号を音波に変換するように構成され、前記第２交互嵌合トランジスタが、前記音波を出力電気信号に変換するように構成され、前記圧電基板が前記音波を伝達するように構成される、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタと、
前記圧電基板上にあり、少なくとも部分的に前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの間に配置される検出層であって、該検出層が、（ｉ）１つ以上の生物学的分析物に結合するように構成される抗体と、（ｉｉ）前記抗体上のハイドロゲル層とを含む、前記検出層と、
を備える弾性表面波（ＳＡＷ）センサを備え、
前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの各々は、複数の導電性フィンガーを含み、
前記検出層は、前記検出層の一部が、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの各々における導電性フィンガーの間に配置されるように、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの間へと延びる、
装置。

【請求項2】

前記抗体は、１つ以上の抗原に結合するように構成され、
前記ハイドロゲル層は、前記１つ以上の抗原が前記ハイドロゲル層を通って拡散して前記抗体と接触することを可能にするように構成される、
請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記抗体は、１つ以上のウイルスに結合するように構成され、
前記ハイドロゲル層は、前記１つ以上のウイルスが前記ハイドロゲル層を通って拡散して前記抗体と接触することを可能にするように構成される、
請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記ハイドロゲル層は、三次元ネットワークで連結されるポリマー鎖を含み、前記ハイドロゲル層は、水を保持して前記抗体を水和させるように構成される、
請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記ＳＡＷセンサの発振周波数を変化させるために、前記抗体は、前記１つ以上の生物学的分析物に結合するように構成される、
請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記ＳＡＷセンサの前記発振周波数の変化を検知するように構成されるコントローラ、
を更に備える、請求項５に記載の装置。

【請求項7】

前記ハイドロゲル層は、アガロースハイドロゲル、ポリアクリルアミドハイドロゲル又はグアガムハイドロゲルを含む、
請求項１に記載の装置。

【請求項8】

前記抗体を前記圧電基板に付着させる架橋剤の層、
を更に備える、請求項１に記載の装置。

【請求項9】

前記検出層の前記一部は、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの各々における前記導電性フィンガーのすべての間に配置される、
請求項１に記載の装置。

【請求項10】

複数の弾性表面波（ＳＡＷ）センサを備えるシステムであって、前記複数のＳＡＷセンサの各々は、
圧電基板と、
前記圧電基板上の第１及び第２交互嵌合トランジスタであって、前記第１交互嵌合トランジスタが、入力電気信号を音波に変換するように構成され、前記第２交互嵌合トランジスタが、前記音波を出力電気信号に変換するように構成され、前記圧電基板が前記音波を伝達するように構成される、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタと、
前記圧電基板上にあり、少なくとも部分的に前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの間に配置される検出層であって、該検出層が、（ｉ）抗体と、（ｉｉ）前記抗体上のハイドロゲル層とを含む、前記検出層と、
を備え、前記複数のＳＡＷセンサのうちの少なくとも１つのＳＡＷセンサの前記抗体は、１つ以上の生物学的分析物に結合するように構成され、
前記複数のＳＡＷセンサの各々において、
前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの各々は、複数の導電性フィンガーを含み、
前記検出層は、前記検出層の一部が、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの各々における導電性フィンガーの間に配置されるように、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの間へと延びる、
システム。

【請求項11】

前記複数のＳＡＷセンサのうちの前記少なくとも１つのＳＡＷセンサにおいて、
前記抗体は、１つ以上の抗原に結合するように構成され、
前記ハイドロゲル層は、前記１つ以上の抗原が前記ハイドロゲル層を通って拡散して前記抗体と接触することを可能にするように構成される、
請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記複数のＳＡＷセンサのうちの前記少なくとも１つのＳＡＷセンサにおいて、
前記抗体は、１つ以上のウイルスに結合するように構成され、
前記ハイドロゲル層は、前記１つ以上のウイルスが前記ハイドロゲル層を通って拡散して前記抗体と接触することを可能にするように構成される、
請求項１０に記載のシステム。

【請求項13】

前記複数のＳＡＷセンサの各々において、前記ハイドロゲル層は、三次元ネットワークで連結されるポリマー鎖を含み、前記ハイドロゲル層は、水を保持して前記抗体を水和させるように構成される、
請求項１０に記載のシステム。

【請求項14】

前記複数のＳＡＷセンサのうちの前記少なくとも１つのＳＡＷセンサにおいて、該ＳＡＷセンサの発振周波数を変化させるために、前記抗体は、前記１つ以上の生物学的分析物に結合するように構成される、
請求項１０に記載のシステム。

【請求項15】

前記複数のＳＡＷセンサのうちの前記少なくとも１つのＳＡＷセンサの前記発振周波数の変化を検知するように構成される少なくとも１つのコントローラ、
を更に備える、請求項１４に記載のシステム。

【請求項16】

前記複数のＳＡＷセンサのうちの少なくとも１つの他のＳＡＷセンサにおいて、前記抗体は不活性化される、
請求項１０に記載のシステム。

【請求項17】

前記複数のＳＡＷセンサの各々において、
前記検出層の前記一部は、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの各々における前記導電性フィンガーのすべての間に配置される、
請求項１０に記載のシステム。

【請求項18】

前記複数のＳＡＷセンサのうちの少なくとも２つのＳＡＷセンサは異なる抗体を含み、
前記異なる抗体は、異なるウイルスに結合するように構成されることと、
前記異なる抗体は、ウイルスの異なる変異に結合するように構成されることと、
のうちの少なくとも一方である、請求項１０に記載のシステム。

【請求項19】

１つ以上の弾性表面波（ＳＡＷ）センサに空気の流れを提供するステップと、
前記１つ以上のＳＡＷセンサを使用して前記空気の流れの中の１つ以上の生物学的分析物を検出するステップと、
を含む方法であって、前記１つ以上のＳＡＷセンサのうちの少なくとも１つのＳＡＷセンサは、
圧電基板と、
前記圧電基板上の第１及び第２交互嵌合トランジスタであって、前記第１交互嵌合トランジスタが、入力電気信号を音波に変換するように構成され、前記第２交互嵌合トランジスタが、前記音波を出力電気信号に変換するように構成され、前記圧電基板が前記音波を伝達するように構成される、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタと、
前記圧電基板上にあり、少なくとも部分的に前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの間に配置される検出層であって、該検出層が、（ｉ）１つ以上の生物学的分析物に結合するように構成される抗体と、（ｉｉ）前記抗体上のハイドロゲル層とを含む、前記検出層と、
を備え、
前記１つ以上のＳＡＷセンサの各々において、
前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの各々は、複数の導電性フィンガーを含み、
前記検出層は、前記検出層の一部が、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの各々における導電性フィンガーの間に配置されるように、前記第１及び第２交互嵌合トランジスタの間へと延びる、
方法。

【請求項20】

異なるＳＡＷセンサを使用して前記空気の流れの中の異なる生物学的分析物を検出するステップを更に含み、前記異なるＳＡＷセンサは異なる抗体を含む、
請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般にセンシングデバイスに関する。より具体的には、本開示は、ウイルス又は他の抗原を検出するための弾性表面波（ＳＡＷ、surface acoustic wave）ベースのハイドロゲル検査に関する。

【背景技術】

【0002】

呼吸飛沫を介したＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２（ＣＯＶＩＤ－１９）ウイルス又は他の疾患の伝染は、社会に大きな課題をもたらす。呼吸器疾患の蔓延を抑えるには、それらの疾患の存在を迅速かつ非侵襲的な方法で迅速に検出する能力が必要である。しかしながら、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスの現在の検査は、患者から体液（鼻咽頭吸引物又は唾液のような）を直接サンプリングしてこれらのサンプルを研究室に送り、そこで、サンプルが処理されて最終的に検査されることが多い。残念ながら、これは非常に遅いプロセスである可能性があり、これらの検査は、症状のある個人に対して実施されることが多く、無症状又は症状が出る前の個人を介して広がる疾患の症例を見逃す。結果として、これは公衆衛生インフラに大きな負担をもたらし、呼吸器疾患の蔓延を抑えるには非常に不十分である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本開示は、ウイルス又は他の抗原を検出するための弾性表面波（ＳＡＷ）ベースのハイドロゲル検査を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0004】

第１の実施形態では、装置はＳＡＷセンサを含む。ＳＡＷセンサは圧電基板を含む。ＳＡＷセンサはまた、圧電基板上の第１及び第２交互嵌合トランジスタ（interdigitating transistor）も含む。第１交互嵌合トランジスタは、入力電気信号を音波に変換するように構成される。第２交互嵌合トランジスタは、音波を出力電気信号に変換するように構成される。圧電基板は、音波を伝達（transport）するように構成される。ＳＡＷセンサは、圧電基板上にあり、少なくとも部分的に第１及び第２交互嵌合トランジスタの間に配置される検出層を更に含む。検出層は、（ｉ）１つ以上の生物学的分析物（biological analytes）に結合するように構成される抗体と、（ｉｉ）抗体上のハイドロゲル層とを含む。

【0005】

第２の実施形態では、システムは、複数のＳＡＷセンサを含む。各ＳＡＷセンサは圧電基板を含む。各ＳＡＷセンサはまた、圧電基板上の第１及び第２交互嵌合トランジスタも含む。第１交互嵌合トランジスタは、入力電気信号を音波に変換するように構成される。第２交互嵌合トランジスタは、音波を出力電気信号に変換するように構成される。圧電基板は、音波を伝達するように構成される。各ＳＡＷセンサは、圧電基板上にあり、少なくとも部分的に第１及び第２交互嵌合トランジスタの間に配置される検出層を更に含む。検出層は、（ｉ）抗体と、（ｉｉ）抗体上のハイドロゲル層とを含む。複数のＳＡＷセンサのうちの少なくとも１つのＳＡＷセンサの抗体は、１つ以上の生物学的分析物に結合するように構成される。

【0006】

第３の実施形態では、方法は、１つ以上のＳＡＷセンサに空気の流れ（flow of air）を提供するステップと、１つ以上のＳＡＷセンサを使用して空気の流れの中の１つ以上の生物学的分析物を検出するステップとを含む。ＳＡＷセンサのうちの少なくとも１つのＳＡＷセンサは、圧電基板と、圧電基板上の第１及び第２交互嵌合トランジスタと、圧電基板上にあり、少なくとも部分的に第１及び第２交互嵌合トランジスタの間に配置される検出層とを含む。第１交互嵌合トランジスタは、入力電気信号を音波に変換するように構成される。第２交互嵌合トランジスタは、音波を出力電気信号に変換するように構成される。圧電基板は、音波を伝達するように構成される。検出層は、（ｉ）１つ以上の生物学的分析物に結合するように構成される抗体と、（ｉｉ）抗体上のハイドロゲル層とを含む。

【0007】

他の技術的特徴は、以下の図面、説明及び特許請求の範囲から当業者に容易に明らかになり得る。

【図面の簡単な説明】

【0008】

本開示のより完全な理解のために、添付図面と併せて以下の説明を参照する。

【0009】

【図1】本開示による、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための例示的な弾性表面波（ＳＡＷ）ベースのハイドロゲルセンサを示す図である。

【図2】本開示による、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための例示的な弾性表面波（ＳＡＷ）ベースのハイドロゲルセンサを示す図である。

【図3】本開示による、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための例示的な弾性表面波（ＳＡＷ）ベースのハイドロゲルセンサを示す図である。

【0010】

【図4】本開示による、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための複数のＳＡＷベースのハイドロゲルセンサを有する例示的なデバイスを示す図である。

【0011】

【図5】本開示による、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための１つ以上のＳＡＷベースのハイドロゲルセンサを有する特有の例示的なデバイスを示す図である。

【図6】本開示による、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための１つ以上のＳＡＷベースのハイドロゲルセンサを有する特有の例示的なデバイスを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に説明される、図１から図６及び本開示の原理を説明するために使用される様々な実施形態は、単なる例示によるものであり、いかなるようにも本開示の範囲を限定するように解釈されるべきではない。当業者は、本開示の原理が、適切に配置された任意のタイプのデバイス又はシステムで実装され得ることを理解するであろう。

【0013】

上記のように、呼吸飛沫を介したＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２（ＣＯＶＩＤ－１９）ウイルス又は他の疾患の伝染は、社会に大きな課題をもたらす。呼吸器疾患の蔓延を抑えるには、それらの疾患の存在を迅速かつ非侵襲的な方法で迅速に検出する能力が必要である。しかしながら、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスの現在の検査は、患者から体液（鼻咽頭吸引物又は唾液のような）を直接サンプリングしてこれらのサンプルを研究室に送り、そこで、サンプルが処理されて最終的に検査されることが多い。残念ながら、これは非常に遅いプロセスである可能性があり、これらの検査は、症状のある個人に対して実施されることが多く、無症状又は症状が出る前の個人を介して広がる疾患の症例を見逃す。結果として、これは公衆衛生インフラに大きな負担をもたらし、呼吸器疾患の蔓延を抑えるには非常に不十分である。

【0014】

本開示は、１つ以上のエアロゾルウイルス（aerosol viruses）又は他の抗原の存在を迅速に検出するように構成される免疫センサ設計をサポートする、プラットフォームを提供する。各プラットフォームは、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２抗原（そのウイルス性スパイクタンパク質のような）のような１つ以上の抗原に対して特有の抗体で機能化（functionalize）される少なくとも１つの弾性表面波（ＳＡＷ）ベースのセンサを使用する。ハイドロゲル足場（hydrogel scaffold）は、非水性環境で使用するための抗体をサポートする。エアロゾル粒子（呼吸飛沫のような）がハイドロゲルと接触すると、粒子の内容物が拡散して抗体と相互作用する。抗体の非常に特有な性質により、特有の抗原のみが対応する抗体と相互作用することになり、この相互作用は、抗原が抗体と出会うとすぐに発生する。この相互作用はまた、ＳＡＷベースのセンサの発振周波数（oscillation frequency）も変化させ、これは、発振周波数の変化の検出、したがって、特有の抗原の検出を可能にする。

【0015】

このようにして、これらのプラットフォームは、無症状又は症状が出る前の個人を含め、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２のようなウイルス又は他の抗原を放出する個人の存在を、非接触方法で迅速に検出することができる。これは、遅い接触ベースの検査や医療提供者からの遅延または一貫性のない報告に頼る必要性を減らすか又はなくすことに役立つ。また、このアプローチを使用して、ユーザとの限られた直接的相互作用で又は直接的な相互作用なしに、特定の疾患を検出することが可能な高度に特有のセンサを作成することができる。さらに、このアプローチは迅速な結果（例えば数秒以内）を提供することができ、任意の適切なウイルス収集技術（例えば呼気分析計マスクから広域環境サンプリングまで）と互換性がある。加えて、このアプローチは複雑な計算又はモデリングに依存せず、このアプローチは、追加の生物学的脅威の検出をサポートするために、新しい抗体のみを必要とする拡張可能なプラットフォームの使用をサポートする。

【0016】

図１から図３は、本開示による、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための例示のＳＡＷベースのハイドロゲルセンサ１００を示す。図１に示されるように、センサ１００は圧電基板１０２を含み、圧電基板１０２は、一般的に、センサ１００の他の構成要素がその中で又はその上で担持される構造を表す。圧電基板１０２は、石英のような任意の適切な圧電材料から形成され得る。特定の例として、圧電基板１０２は、Ｙ回転、Ｘ伝播（ＳＴ－Ｘ）石英を使用して形成され得る。圧電基板１０２はまた、圧電材料を切断して研磨すること等によって、任意の適切な方法で形成されてもよい。圧電基板１０２は、任意の適切なサイズ、形状及び寸法を有してよい。

【0017】

２つの交互嵌合トランジスタ（ＩＤＴ、interdigitating transistors）１０４ａ～１０４ｂが、圧電基板１０２上に配置される。各交互嵌合トランジスタ１０４ａ～１０４ｂは、２つのベース１０６と２組の導電性フィンガー１０８を含む。ベース１０６は互いに対向して配置され、各導電性フィンガー１０８はベース１０６の一方に電気的に結合され、ベース１０６の他方に向かって延在する。導電性フィンガー１０８はまた、導電性フィンガー１０８が交互にベース１０６に電気的に結合されるように、インターリーブされるか又は交互嵌合される。各交互嵌合トランジスタ１０４ａ～１０４ｂは、アルミニウムのような１つ以上の金属等のような任意の適切な材料から形成され得る。各交互嵌合トランジスタ１０４ａ～１０４ｂはまた、金属又は他の材料を蒸着（depositing）及びエッチングすること等によって、任意の適切な方法で形成され得る。交互嵌合トランジスタ１０４ａ～１０４ｂの各ベース１０６と各導電性フィンガー１０８は、任意の適切なサイズ、形状及び寸法を有してよい。各交互嵌合トランジスタ１０４ａ～１０４ｂは、任意の適切な数の導電性フィンガー１０８と、その導電性フィンガー１０８の間の任意の適切な間隔を含んでよい。

【0018】

入力ポート１１０は、交互嵌合トランジスタ１０４ａに結合され、出力ポート１１２は交互嵌合トランジスタ１０４ｂに結合される。動作中、無線周波数（ＲＦ）信号又は他の電気信号を入力ポート１１０に印加することができ、交互嵌合トランジスタ１０４ａは電気信号を音波に変換する。音波は基板１０２を横切って交互嵌合トランジスタ１０４ｂまで移動し、交互嵌合トランジスタ１０４ｂが、音波を、出力ポート１１２を介して提供されるＲＦ信号又は他の電気信号に変換する。

【0019】

２組のリフレクタ１１４ａ～１１４ｂは、交互嵌合トランジスタ１０４ａ～１０４ｂがリフレクタ１１４ａ～１１４ｂの間に配置されるように、圧電基板１０２の上に配置される。リフレクタ１１４ａ～１１４ｂは、基板１０２のエッジの方に向けられた音波の一部を基板１０２の内部に向けて反射するように作用し、それにより共鳴音響キャビティ（resonant acoustic cavity）を形成する。交互嵌合トランジスタ１０４ａ～１０４ｂとリフレクタ１１４ａ～１１４ｂは協力して、入力信号が入力ポート１１０に印加されるときに共鳴音響キャビティ内に音響定在波（acoustic standing wave）を生成する。各リフレクタ１１４ａ～１１４ｂは、１つ以上の金属のような、任意の適切な材料から形成され得る。各リフレクタ１１４ａ～１１４ｂはまた、金属又は他の材料を蒸着及びエッチングすること等により、任意の適切な方法で形成され得る。各リフレクタ１１４ａ～１１４ｂは、任意の適切なサイズ、形状及び寸法を有してよい。リフレクタ１１４ａ～１１４ｂの各セットは、任意の適切な数のリフレクタと、そのリフレクタの間の任意の適切な間隔を含んでよい。

【0020】

１つ以上のウイルス又は他の抗原の検知をサポートするために、センサ１００は検出層１１６を含み、該検出層１１６は、圧電基板１０２の上に、交互嵌合トランジスタ１０４ａ～１０４ｂ内及びその間に配置される。検出層１１６は、以下で説明されるように、１つ以上のウイルス又は他の抗原の存在を検出するように構成される。検出層１１６は、図１では、交互嵌合トランジスタ１０４ａ～１０４ｂの導電性フィンガー１０８の集合にわたって延在するように示されていることに留意されたい。これは、センサ１００のキャビティ領域内の露出した基板材料の量を減少又は最小化するのに役立つ。これはまた、ＳＡＷ共鳴器の最も感度の高い領域における生体分子のより均一な分布を達成するのに役立つ。

【0021】

図２に示されるように、入力ポート１１０と出力ポート１１２は、発振回路（oscillator circuit）２０２に結合され、発振回路２０２は、ここでは一般的に、増幅器として示されている。なお、図示の容易性のために、リフレクタ１１４ａ～１１４ｂはここでは省略されており、トランジスタ１０４ａ～１０４ｂはここでは簡略化した形で示されていることに留意されたい。発振回路２０２は一般に、センサ１００に音波を生成させる自走オシレータを表し、交互嵌合トランジスタ１０４ｂは、その出力を発振回路２０２にフィードバックする。その結果、音波は指定の周波数を有し、ウイルス又は他の抗原が検出層１１６に結合すると周波数は低くなる可能性がある。発振回路２０２の出力２０４はＳＡＷベースのセンサ１００の出力を表し、処理のためにコントローラ２０６に提供されることができる。発振回路２０２は、ＳＡＷベースのセンサ１００に指定の周波数で出力を生成させるように構成される任意の適切な構造を含む。例えば発振回路２０２は、出力ポート１１２から入力ポート１１０まで直列に結合される第１整合回路（matching circuit）と、移相器（phase shifter）と、増幅器と、減衰器と、第２整合回路を含み得る。しかしながら、本開示は、発振回路２０２の任意の特定の実装に限定されないこと留意されたい。

【0022】

ＳＡＷベースのセンサ１００における検出層１１６の使用は、生物学的検出イベントを電気信号に即座に変換することを可能にする。すなわち、検出層１１６は、検出されるべき少なくとも１つのウイルス又は他の抗原に対する抗体を含む。いずれの抗原も存在しない場合、ＳＡＷベースのセンサ１００の出力２０４は、指定の周波数を有し得る。検出層１１６内の抗体が抗原に結合すると、ＳＡＷベースのセンサ１００で生成される音波の周波数が減少し、これは発振周波数を減少させ、ＳＡＷベースのセンサ１００の出力２０４を変化させる。少なくとも１つの特有のウイルス又は他の抗原が検出層１１６の抗体に適切な量で結合して、出力２０４の周波数を少なくともある閾値量だけ変化させるとき、これはコントローラ２０６によって検知され、少なくとも１つの特有のウイルス又は他の抗原が存在することのインジケータとして使用される。

【0023】

コントローラ２０６は、センサ１００の発振周波数を変化させるために、十分な数のウイルス又は他の抗原が検出層１１６の抗体に結合したことを検出するために、ＳＡＷベースのセンサ１００の出力を処理する。例えばコントローラ２０６は、ＳＡＷベースのセンサ１００の出力の周波数が、少なくとも指定の閾値量だけ低下したかどうかを判断し得る。ここで使用される特有の閾値は、検出層１１６に結合するウイルス又は他の抗原の所望の量のような、様々な要因に基づいて異なる可能性があることに留意されたい。場合によっては、例えばセンサ１００の周波数を約３ヘルツ（Ｈｚ）だけ変化させるためには、検出層１１６に結合する約１０００個のウイルス粒子を必要とする可能性がある。人は、その呼吸中にはるかに多くの数のウイルス粒子又は他の抗原を持っている可能性があるので、より大きな周波数変化がウイルス又は他の抗原の存在のインジケータとして使用されることがある。また、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスのスパイクタンパク質の異なるインスタンスが検出層１１６の抗体の異なるインスタンスに結合する可能性があるときのように、各ウイルス又は他の抗原は、実際には検出層１１６の複数の抗体に結合することができる可能性があることに留意されたい。これは、ＳＡＷベースのセンサ１００の周波数のより大きな変化を、より少ない抗原に基づいて検出することを可能にし得る。特有の抗原の存在が検出されると、コントローラ２０６は、可聴又は視覚的アラートをトリガすることのような、任意の適切なアクションをとり得る。コントローラ２０６はまた、経時的なセンサ１００の周波数の変化を識別するグラフィック又は他の出力を提供してもよい。

【0024】

コントローラ２０６は、ＳＡＷベースのセンサ１００の出力を受け取って使用するように構成される任意の適切な構造を含む。例えばコントローラ２０６は、ＳＡＷベースのセンサ１００によって出力された周波数が少なくとも閾値量だけ変化するとき又は閾値を下回ったときに検知するように構成された処理回路又は他の回路を含み得る。いくつかの実施形態では、ＳＡＷベースのセンサ１００が第１回路基板に配置されてよく、コントローラ２０６が、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）コネクタ又は他のコネクタを介して第１回路基板に結合することが第２回路基板に配置されてよい。コントローラ２０６は、１つのＳＡＷベースのセンサ１００とともに又は複数のＳＡＷベースのセンサ１００とともに使用され得ることに留意されたい。

【0025】

コカインの微量分子又はトリニトロトルエン（ＴＮＴ）のような爆発物等の小分子を検出するために、いくつかのＳＡＷベースの設計が提案されている。これらの分子は、８０ダルトン（Ｄａ）から５０キロダルトン（ｋＤａ）の分子量を有する可能性がある。しかしながら、ウイルス及び他の抗原は典型的に、ウイルス粒子がメガダルトン（ＭＤａ）範囲に到達する可能性があるとき等、はるかに大きな分子量を有する。特定の例として、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスは、約１，０００ＭＤａの質量と約１００ナノメートル（ｎｍ）の直径を有する可能性がある。さらに、ＳＡＷベースのセンサ１００は、液体の流れではなく空気の流れを受け取ることによって動作するように展開されることがある。その結果、検出層１１６は、抗原を検出するために使用される抗体を依然として十分にサポートし、かつ水和しながら、大きな分子量の粒子の迅速な拡散を可能にすることができる。

【0026】

図３に示されるように、検出層１１６は抗体３０２の層を含む。抗体３０２の各々は、特有の抗原に結合するために使用されることができる。センサ１００で使用される特有の抗体３０２は、必要に応じて又は所望により異なる可能性がある。例えばいくつかの実施形態では、各センサ１００において、単一のタイプの抗体３０２を使用して単一のタイプの抗原を検知することができ、複数のセンサ１００を使用して同じ抗原又は異なる抗原を検知することができる。任意の適切な抗体３０２をセンサ１００において使用して、任意の所望の抗原を識別することができる。特定の例として、抗体３０２は、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ（重症急性呼吸器症候群コロナウイルスに関連する）、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２（ＣＯＶＩＤ－１９に関連する）、ＭＥＲＳ－ＣｏＶ（中東呼吸器症候群に関連する）又はヘマグルチニン又はノイラミニダーゼ（インフルエンザに関連する）を検出するために使用され得る。

【0027】

抗体３０２は、架橋剤（cross-linkers）３０４の層を使用して圧電基板１０２に固定される。架橋剤３０４は、圧電基板１０２の表面に抗体３０２を保持することを助ける。ここでは、任意の適切な架橋剤３０４を使用することができ、使用される特有の架橋剤３０４は、基板１０２を形成している材料及び固定される抗体３０２によって異なる可能性がある。いくつかの実施形態では、例えば架橋剤３０４は「タンパク質Ａ」の層を表し、これは元々、細菌黄色ブドウ球菌（一般に、上気道や皮膚で見られる）の細胞壁で発見されたタンパク質である。

【0028】

薄いハイドロゲル層３０６（ハイドロゲル足場とも呼ばれる）が、抗体３０２の上に配置される。ハイドロゲル層３０６は、非水性環境における抗体３０２の使用をサポートする。ハイドロゲル層３０６は、三次元ネットワークで連結されたポリマー鎖の集合を含む。ポリマーの親水性により、ハイドロゲル層３０６は、溶解するか又は崩壊することなく、高濃度の水を含み、長期間にわたって水を保持することが可能になる。この高濃度の水は、抗体３０２をサポートして水和し、これらが、関心のある抗原に対するその特異性（specificity）を維持することを可能にする。ここで、関心のある１つ以上の抗原は、抗体と相互作用して結合するために、ハイドロゲル層３０６を通って拡散することができる。ハイドロゲル層３０６は、任意の適切な長さの時間の間、抗体３０２の使用をサポートし得る。いくつかの実施形態では、例えばハイドロゲル層３０６は、４０％相対湿度（ＲＨ、relative humidity）で最大１週間以上持続し得る。

【0029】

いくつかの実施形態では、特有のタイプの抗体と共に使用するためのハイドロゲル層３０６の製剤を、以下のように決定することができる。しかしながら、以下の詳細は例示にすぎず、ハイドロゲル製剤を任意の他の適切な方法で決定することができることに留意されたい。適切なハイドロゲル製剤及び指定の粒径範囲にわたる濃度を決定するために、１０ｎｍから１０マイクロメートル（μｍ）の直径の市販のビオチン標識微粒子を、フルオレセイン又はローダミン６Ｇ（Ｒ６Ｇ）のようなストレプトアビジン共役フルオロフォア（streptavidin conjugated fluorophore）で機能化（functionalize）することができる。ＳＡＷベースのセンサ１００の表面は、タンパク質Ａを使用して、フルオロフォアに特有の抗体で機能化されることができる。機能化の後、ＳＡＷベースのセンサ１００の表面を、薄いハイドロゲル層３０６で覆うことができ、そこで、以下に説明されるように、ハイドロゲルの異なる製剤を作成することができる。既知の濃度の機能化されたミクロスフェアを使用する液体注入によって、かつ／又は穏やかな空気チャンバ（calm air chamber）内でコリソンネブライザ（Collison nebulizer）を使用すること等により、既知の濃度のミクロスフェアを噴霧することによって、検査を実施することができる。その後、ハイドロゲルのどの製剤がミクロスフェアに十分に結合するかを決定することができる。ここで、検査は、ハイドロゲル層３０６の生存可能な製剤（viable formulation）を識別するために使用されることができる。

【0030】

いくつかの製剤は、容量で０．２％アガロースから５％アガロース重量の範囲の濃度のアガロースハイドロゲルの使用を伴うことがある。ハイドロゲルは、適切な量の粉末状アガロースを超純水（ｐＨ７）又はリン酸緩衝食塩水（ＰＢＳ（phosphate buffered saline）、ｐＨ７．４）に溶解し、その溶液を沸騰させ、ＳＡＷベースのセンサ１００の表面にピペッティングする前にゲル化点よりわずかに上まで冷却することを可能にすることによって、作成されることができる。

【0031】

他の製剤は、１％～１５％のポリアクリルアミドの範囲の濃度でポリアクリルアミドハイドロゲルの使用を伴うことがある。ビス－トリス及びトリス－グリシン・アクリルアミド溶液の両方を製剤化して検査することができる。ハイドロゲルは、市販の３０％原液をトリス緩衝液に希釈して最終ｐＨ７を達成することによって製剤化されることができる。３－（Ｎ－モルフォリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、４－（２－ヒドロキシエチル）－１－ピペラジンエタンスルホン酸（piperazineethanesulfonic acid）（ＨＥＰＥＳ）、２－（Ｎ－モルフォリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）のような他の一般的な緩衝液も製剤化されてよく、中性ｐＨで検査され得る。ポリアクリルアミドを所望の溶液に希釈して脱ガスした後、テトラメチルエチレンジアミン（ＴＥＭＥＤ）と過硫酸アンモニウム（ＡＰＳ）を使用してゲルを架橋することができる。架橋が完了する前に、ゲルの薄い層を使用してＳＡＷベースのセンサ１００の表面をコーティングすることができる。

【0032】

更に他の製剤は、容量で０．２％のグアガム（guar gum）から１０％のグアガム重量の範囲の濃度のグアガムハイドロゲルの使用を伴うことができる。所望の量のグアガムを１％グルタルアルデヒドに溶解して、完全にゲル化する前にＳＡＷベースのセンサ１００の表面をコーティングするために使用することができる。

【0033】

図１から図３は、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するためのＳＡＷベースのハイドロゲルセンサ１００の一例を示しているが、図１から図３に様々な変更が加えられてもよい。例えばセンサ１００及びその様々な構成要素のサイズ、形状及び寸法は、必要に応じて又は所望により異なってよい。また、構成要素のレイアウト及び配置も、必要に応じて又は所望により異なってよい。

【0034】

図４は、本開示による、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための複数のＳＡＷベースのハイドロゲルセンサ１００を有する例示的なデバイス４００を示す。特に、図４は、４つのセンサ１００がプリント基板のような共通のキャリア４０２に取り付けられる例示的なデバイス４００を示す。前述のように、これらのセンサ１００は、ＵＳＢ又は他のコネクタ等を介してコントローラ２０６に結合され得る。もちろん、コントローラ２０６もキャリア４０２自体に取り付けられてよい。

【0035】

複数のセンサ１００を互いに非常に近くに配置させる能力は、異なるセンサ１００を異なる方法で使用することを可能にする。例えば異なるウイルス又は他の抗原を検出するために、異なるセンサ１００を異なる抗体３０２で機能化することができる。別の例として、同じウイルスの異なる変異を検出するために、異なるセンサ１００が異なる抗体３０２で機能化され得る。場合によっては、センサ１００のうちの１つが参照として使用され、不活性化抗体３０２を含んでもよい。この参照センサ１００は、ハイドロゲル層３０６からの水分損失のためにすべてのセンサ１００をいつ置き換える必要があるかを決定することのようなコントロールとして使用され得る。

【0036】

図４は、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための複数のＳＡＷベースのハイドロゲルセンサを有するデバイス４００の一例を示しているが、図４に様々な変更を加えてもよい。例えばデバイス４００は、４つより少ない又は４つより多くのセンサ１００を含んでもよい。また、センサ１００は、任意の適切な方法でデバイス４００内に配置されてよく、あるいは共通のキャリア４０２上に横方向に又は並べて配置されても又はそのように配置されなくてもよい。

【0037】

図５及び図６は、本開示による、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための１つ以上のＳＡＷベースのハイドロゲルセンサ１００を有する特有の例示的なデバイスを示す。特に、図５及び図６は、１つ以上のＳＡＷベースのセンサ１００が使用され得る、特有の例示的なタイプのデバイスを示す。しかしながら、ＳＡＷベースのセンサ１００は、任意の他の適切なタイプのデバイスで使用されてもよいことに留意されたい。

【0038】

図５では、１つ以上のＳＡＷベースのセンサ１００を、ハンドヘルド型の呼気分析計５００又は同様のタイプのデバイス内に配置することができる。呼気分析計５００は、人が息を吹き込むことができる入力管を含む。呼気分析計５００内の１つ以上のＳＡＷベースのセンサ１００は、その後、上述のようにＳＡＷベースのセンサ１００の周波数を変更するために十分なウイルス又は他の抗原が人の呼吸に含まれるかどうかを検知することができる。このタイプのデバイスは、施設へのアクセスを厳しく制御し、潜在的に病気の人が施設に入ることを防ぐ必要があるときなど、様々なシナリオで役立つ可能性がある。

【0039】

図６では、１つ以上のＳＡＷベースのセンサ１００を、広域モニタ６００又は同様のタイプのデバイス内に配置することができる。モニタ６００は、多数の人々によって占有される可能性があるスペース内の空気を受け取ることができる。モニタ６００内の１つ以上のＳＡＷベースのセンサ１００は、その後、上述のようにＳＡＷベースのセンサ１００の周波数を変化させるために十分なウイルス又は他の抗原が空気に含まれるかどうかを検知することができる。このタイプのデバイスは、特定の場所が、人々がウイルス又は他の抗原にさらされる可能性が高い、汚染されたホットスポットであるかどうかを判断するなど、様々なシナリオで役立つ可能性がある。この実施形態では、感染した個人を検出するための呼気分析計５００ほど迅速に動作しない可能性があるが（個人からモニタ６００への直接的な空気の流れがないため）、モニタ６００は、はるか大きなエリアと、より多くの数の人々の集団モニタリングを可能にする。

【0040】

図５及び図６は、ウイルス又は他の抗原を検出する際に使用するための１つ以上のＳＡＷベースのハイドロゲルセンサ１００を有するデバイスの具体例を示しているが、図５及び図６に様々な変更を加えてもよい。例えばここで示されるデバイスのフォームファクタは、例示のみを目的とする。

【0041】

上記では、ウイルス又は他の抗原の検出ために使用されるものとしてしばしば説明されているが、上記のアプローチは、抗体に結合することができる任意の生物学的分析物を検知するために使用され得ることに留意されたい。また、上記では、人に影響を与えるウイルス又は他の抗原を検出するために使用されるものとしてしばしば説明されているが、上記のアプローチは、任意のウイルス、他の抗原又は関心のある他の生物学的分析物を検出するために使用される可能性があることにも留意されたい。したがって、例えばセンサ１００は、家畜又は他の動物に影響を与える可能性のあるウイルス又は他の抗原を検出するために使用されてよい。センサ１００の１つの具体的な例示的使用は、豚インフルエンザや動物に影響を与える他の疾患を検出することであり得る。

【0042】

この特許文書全体を通して使用される特定の単語又はフレーズの定義を説明することは有利であり得る。「含む（include）」及び「備える（comprise）」という用語並びにその派生語は、限定ではなく、包含を意味する。「又は（or）」という用語は包括的であり、及び／又は、を意味する。「に関連付けられる」というフレーズ及び並びに派生語は、含む、～に含まれる、～と相互接続する、包含する、～に包含される、～と又は～に接続する、～に又は～と結合する、～と通信する、～と協力する、インターリーブする、並置する、～に近接する、～に又は～と結びつけられる、有する、～の特性を有する、～への又は～との関係を有する等を意味し得る。「～のうちの少なくとも１つ」というフレーズは、アイテムのリストとともに使用されるとき、列挙されたアイテムのうちの１つ以上の異なる組合せが使用されてよく、リスト内の１つのアイテムのみが必要とされ得ることを意味する。例えば「Ａ、Ｂ及びＣのうちの少なくとも１つ」は、以下の組合せ：すなわち、Ａと、Ｂと、Ｃと、Ａ及びＢと、Ａ及びＣと、Ｂ及びＣと、Ａ及びＢ及びＣ、のうちのいずれかを含む。

【0043】

本出願における説明は、いずれかの特定の要素、ステップ又は機能が、特許請求の範囲に含まれなければならない必須又は重要な要素であることを意味するものとして読まれるべきではない。特許請求に係る主題の範囲は、許可された請求項によってのみ定義される。さらに、「のための手段（means for）」又は「のためのステップ（step for）」という正確な単語が特定の請求項において明示的に使用され、その後に機能を識別する分詞句が続く場合を除いて、請求項のいずれも、添付の特許請求の範囲又は請求項の要素のいずれかに関して３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２（ｆ）を援用しない。請求項内の「機構」、「モジュール」、「デバイス」、「ユニット」、「構成要素」、「要素」、「メンバ」、「装置」、「マシン」、「システム」、「プロセッサ」又は「コントローラ」のような用語（これらに限定されない）の使用は、請求項自体の特徴によって更に修正又は強化されるような、関連する技術分野の当業者に公知の構造を指すものと理解され、意図されており、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２（ｆ）を援用するように意図されない。

【0044】

本開示は、特定の実施形態及び一般的に関連する方法を説明しているが、これらの実施形態及び方法の変更及び順列は、当業者には明らかであろう。したがって、例示的な実施形態の上記の説明は、本開示を定義又は制約しない。本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、以下の特許請求の範囲によって定義されるように、他の変更、代替及び変更も可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】