JP7842470B2 - 排水中のウイルス監視のためのシステム、装置、および方法 - Google Patents

排水中のウイルス監視のためのシステム、装置、および方法

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、「排水中のウイルス監視のためのシステム、装置、および方法」と題し、２０２０年１０月１４日に出願された米国特許出願第１７／０７０，３０８号の優先権を請求し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、環境中の危険なウイルス負荷を検出するための流体の継続監視に関するものである。
潜在的な病原体を迅速かつ正確に特定し、その特徴を明らかにすることは、疾病管理および新興感染症に起因する疫病の予防に極めて重要である。
コロナウイルス病２０１９（ＣＯＶＩＤ－１９）は、重度の呼吸困難を伴う新たに出現したヒト感染症である。２０１９年１２月、中国湖北省武漢市で原因不明の肺炎の症例が相次いで報告された。その後、患者の気管支肺胞洗浄液から２０１９年新型コロナウイルスが同定され、その後、国際ウイルス分類委員会により重症急性呼吸器症候群コロナウイルス２（ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２）と改名された。ヒトからヒトへの感染が急速に拡大したため、世界保健機関は２０２０年３月１２日、ＣＯＶＩＤ－１９の発生をパンデミックに分類した。コロナウイルス（ＣｏＶ）、および特にＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２は、ヒトと動物の両方で軽度から中等度の上気道炎を引き起こす。ＣＯＶＩＤ－１９に対して未だ有効な特効薬やワクチンがないため、高感度で迅速なバイオ検出装置の開発が、早期診断、潜在的接触者の管理、および大流行の抑制にとって、ますます重要になってきている。
生存可能なＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２およびウイルスＲＮＡのどちらも、唾液、喀痰、糞便などの排泄物中に排出され、その後、廃水として処理される。このウイルスの主な感染経路は、人から人へのエアロゾル／飛沫感染や手の汚染を媒介とした吸入であると考えられているが、現在入手可能な証拠は、疫学データの潜在的感染源として、および公衆衛生リスクの要因として廃水の役割をより理解する必要性があることを示している。実際、最近の知見では、廃水中にＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ ＲＮＡが存在することから、地域社会におけるウイルスの侵入、流行、分子疫学、および根絶の可能性に関する監視ツールとして、廃水を利用する機会があることが示唆されている。
しかし、廃水の監視は、卓上検査装置、および排水から廃水サンプルを取り出して、そのサンプルを検査施設に運ぶ必要がある複雑な生物学的分析法の実施が中心であった。さらに、これらの利用可能な検査方法は、高価で、時間がかかり、さらに専門家を必要とする。それ故に、現場での継続的な監視を提供すると共に、過度に手間がかかり費用もかかる方法でサンプルを取得する必要性を排除できる、廃水監視の解決策が必要とされている。さらに、様々な感染性病原体に適用可能なプロセスが望まれている。
前述の「背景技術」の説明は、本開示の文脈を一般的に提示することを目的としている。本発明者の仕事は、この「背景」の項に記載する範囲において、出願時に先行技術として認められない可能性がある説明の態様と同様に、本発明に対する先行技術として明示的または黙示的に認められるものではない。
本開示は、排水中のウイルス負荷の監視に関するものである。
一実施形態によれば、本開示は、さらに、排水中のウイルス監視のためのシステムであって、装置の長さに沿って配置された少なくとも１つの電界効果トランジスタであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタは、それに共役した１つ以上の捕捉タンパク質を有し、前記１つ以上の捕捉タンパク質は、前記排水中のウイルスと結合するように構成された、少なくとも１つの電界効果トランジスタ、および流体チャネルであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタの上方に配置され、前記排水の流体が前記流体チャネルを介して前記少なくとも１つの電界効果トランジスタの上を流れるように前記装置の長さに沿って配置された、流体チャネルを含むバイオセンサと、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれにゲート電圧を印加し、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタを横切るコンダクタンスの、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルス量に基づく前記コンダクタンスの変化を測定し、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスを閾値コンダクタンスと比較し、前記比較が、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示すとき、前記排水中に前記ウイルスが存在することを示す情報を演算装置に送信するように構成された処理回路と、を含み、ここで、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタがグラフェンベース電界効果トランジスタ、および前記１つ以上の捕捉タンパク質がＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体である、ことを特徴とする、システムに関する。
一実施形態によれば、本開示は、さらに、排水中のウイルス負荷を監視するための装置であって、装置の長さに沿って配置された少なくとも１つの電界効果トランジスタであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタに共役した１つ以上の捕捉タンパク質を有し、前記１つ以上の捕捉タンパク質は、前記排水中のウイルス（またはその分解産物）を結合するように構成された、少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれにゲート電圧を印加し、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切るコンダクタンスの、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルス量に基づく前記コンダクタンスの変化を測定し、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスを閾値コンダクタンスと比較し、前記比較が、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合、前記排水中に前記ウイルスまたは分解産物が存在することを示す情報を演算装置に送信するように構成された、処理回路を含み、ここで、前記ゲート電圧は、流体チャネルであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタの上方に配置され、前記排水の流体が前記流体チャネルを介して前記少なくとも１つの電界効果トランジスタ上を流れるようになっている前記装置の長さに沿って配置された、流体チャネルに印加され、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタはグラフェンベース電界効果トランジスタであり、および前記１つ以上の捕捉タンパク質はＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体である、ことを特徴とする、装置に関する。
一実施形態によれば、本開示は、さらに、排水中のウイルス負荷を監視するための方法であって、装置の長さに沿って配置された少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタであって、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタに共役した１つ以上の捕捉タンパク質を有し、前記１つ以上の捕捉タンパク質は前記排水中のウイルスと結合するように構成された、少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれに、処理回路によってゲート電圧を印加すること、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切るコンダクタンスの、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量に基づく前記コンダクタンスの変化を、前記処理回路により測定すること、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスを閾値コンダクタンスと、前記処理回路により比較すること、および前記比較が、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示すとき、前記排水中に前記ウイルスが存在することを示す情報を演算装置に前記処理回路によって送信することを含み、ここで、前記１つ以上の捕捉タンパク質は１つ以上のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体である、ことを特徴とする、監視するための方法に関する。
前述項は、概略紹介のために提供したものであり、以下の特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。記載した実施形態は、添付の図面と併せた以下の詳細な説明を参照することによって、さらなる利点として共に、最もよく理解されるであろう。
以下の詳細な説明を添付の図面と関連させて考察することにより、本開示がよりよく理解されるようになるにつれて、本開示のより完全な理解、および本開示に付随する多くの利点が容易に得られるであろう。
図１は、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための装置の透視模式図である。 図２は、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための装置の断面模式図である。 図３Ａは、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための装置の断面模式図である。 図３Ｂは、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための装置の断面模式図である。 図３Ｃは、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための装置の断面模式図である。 図３Ｄは、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための装置の断面模式図である。 図４は、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための方法のフローチャートである。 図５は、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための方法のサブプロセスのフローチャートである。 図６Ａは、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための方法のサブプロセスのフローチャートである。 図６Ｂは、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための方法のサブプロセスのフローチャートである。 図７は、本開示の例示的な実施形態による、図１の装置のハードウェア構成である。
本明細書で使用される用語「ａ」または「ａｎ」は、１つまたは１つ以上と定義される。本明細書で使用される用語「複数」は、２つまたは２つ以上として定義される。本明細書で使用される用語「別の（ａｎｏｔｈｅｒ）」は、少なくとも２番目以降と定義される。本明細書で使用される用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および／または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）（すなわち、オープン言語）と定義される。本書全体を通して「一実施形態」、「特定の実施形態」、「実施形態」、「実装形態」、「実施例」または同様の用語の参照は、実施形態に関連して説明する特定の特徴、構造、または特性が、本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。それ故に、このようなフレーズまたは本明細書中の様々な場所での出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態に言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、限定されることなく、１つ以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わされ得る。
ＣＯＶＩＤ－１９パンデミックの進行は、主に、症状のある人にＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ ＲＮＡの有無を検査し、時間の経過とともに陽性数をカウントすることで監視されてきた。しかし、米国や他の国々では、ＣＯＶＩＤ－１９の蔓延は一般に公衆衛生システムの検査能力を超えることがしばしばであった。さらに、検査は通常、感染後２週間してから出現する症状によって促され、症状の出現から検査、検査結果の報告までに遅れが生じるため、検査結果はパンデミック進行の遅行指標になる。
地域社会の収集システムや処理システムの下水を監視することは、以前、特にポリオのように、集団全体のレベルで病気の流行を早期に監視するために用いられたが、現在のＣＯＶＩＤ－１９パンデミックにも同様に有益である可能性がある。下水中において、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスとその断片は、ほとんど非感染性であるけれども、存在することが確認されており、感染ホットスポットのマーカーとして機能するとともに、パンデミック状態からの回復を反映する可能性がある。このため、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ ＲＮＡはＣＯＶＩＤ－１９患者の便および未処理廃水中に存在し、未処理廃水中のＲＮＡ濃度の増加は、最近報告されたＣＯＶＩＤ－１９症例の増加に関連している。
しかし、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ ＲＮＡの存在を検査する方法は、分子検査（例：ポリメラーゼ連鎖反応核酸増幅）、ウイルス抗原検査（例：インフルエンザ様読み出し検査）、獲得免疫を判定する抗体価検査など、臨床検体に従来用いられていたものに限られていた。これらの検査は高価である可能性があり、特殊な機器と人手、および専門の研究所、つまり、結果を迅速に報告する能力を制限することが多い一連の律速なステップが必要となる。
さらに、地域社会におけるＣＯＶＩＤ－１９感染の進行を追跡するための廃水中のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２濃度の有用性は、十分に理解されていない。例えば、感染が発生したとき、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２濃度が廃水中に現れたとき、および感染を特定する陽性検査結果が得られたときとの間には、しばしば遅延が生じる。
しかし、理解すべきは、現在の検査方法では現場の科学者および他の研究者の負担が大きいため達成できない、継続的なサンプル収集における可能な便益である。結果として、本開示は、廃水中または排水中のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ ＲＮＡの存在を継続的に監視する装置、ならびにデータの評価および公衆衛生政策への影響の検討のための、対応センターにこれらの結果を直ちに伝達する装置を説明する。
言い換えれば、本開示は、安価で、ウイルスまたはその分解産物の存在を継続的に監視できる方法で、サンプリングまたは人間の介入を必要としない自動検査を提供する装置を説明する。
このため、本開示は、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２抗原（複数可）と結合し、それによって検出するように適合させることができる電界効果トランジスタ回路を含む装置を説明する。現在利用可能な多くの診断方法の中で、電界効果トランジスタベースのバイオ検出装置は、少量の分析物または抗原を用いて高感度かつ瞬時に測定する能力を含む、いくつかの利点を有する。電界効果トランジスタベースのバイオセンサは、臨床診断、ポイントオブケア検査、および現場での検出において潜在的に有用であると考えられている。一実施形態において、本開示は、グラフェンベース電界効果トランジスタを含む装置を説明する。グラフェンは、六角形に配列した炭素原子の２次元シートであり、その表面にはすべての炭素原子が露出している。グラフェンは、その高い電子伝導性、高いキャリア移動度、および大きな比表面積などの優れた特性から、さまざまな検出プラットフォームに有用な材料であることが証明されている。グラフェンベース電界効果トランジスタのバイオセンサは、その表面で周囲の変化を検出することができ、ならびに超高感度および低ノイズの検出における最適な検出環境を提供できる。この観点から、グラフェンベース電界効果トランジスタ技術は、高感度な免疫学的診断に関連する応用において非常に魅力的である。
本開示のように、グラフェンベース電界効果トランジスタベースの装置は、下水廃水、すなわち排水におけるＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２の存在を検出するために用いることができる。排水は、グラフェンベース電界効果トランジスタの検出面上を流れ得る。グラフェンベース電界効果トランジスタの検出面に共役した生体分子にＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２抗原が結合すると、グラフェンベース電界効果トランジスタのコンダクタンスが変化し、それにより、結合した抗原の量を定量化することができる。即座に考察すると、コンダクタンスの変化は廃水中のウイルスの有無を示す。時間経過と共に考察すると、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２抗原の結合がグラフェンベース電界効果トランジスタのコンダクタンス増加をもたらすにつれて、コンダクタンスの増加が、感染のホットスポットの発生または拡大を示す。逆に、時間に伴うコンダクタンスの減少は、感染率の低下を示す。
ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２は、ベータコロナウイルスで、一本鎖プラス鎖のＲＮＡゲノムを有している。ＣｏＶゲノムは、スパイク、エンベロープ、マトリックス、ヌクレオカプシドの４つの構造タンパク質を符号化している。ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２のウイルス病因は不明であるが、最近の研究で、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２はアンジオテンシン変換酵素II（ＡＣＥ２）を細胞侵入受容体として利用していて、ＡＣＥ２はＳＡＲＳ－ＣｏＶにとって周知の宿主細胞受容体でもあることが報告された。ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２は動物細胞内でＡＣＥ２と共局在し、そのスパイクタンパク質はＡＣＥ２と高い親和性をもって結合する。
一実施形態によれば、グラフェンベース電界効果トランジスタは、グラフェン検出面への捕捉タンパク質の共役によって機能化し得る。捕捉タンパク質は、抗体であってもよく、およびＡＣＥ２受容体としても公知のスパイクタンパク質または受容体結合ドメインなどのＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２断片に結合するように設計されてもよい。それ故に、本開示におけるように、スパイクタンパク質捕捉抗体は、以下に概説する方法によってグラフェンの検出面に共役され得る。簡略化のため、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２断片またはＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質と、捕捉タンパク質またはスパイクタンパク質捕捉抗体との間の結合は、本明細書において、一般に、ウイルス結合、結合ウイルスなどと呼ばれ得る。
一実施形態によれば、装置は、グラフェンベース電界効果トランジスタを横切る導電率を測定するための電源、電流計、または同様の方法、導電率の変化を計算するためのコンパレータまたは同様の方法、および、装置からのデータ信号を、遠隔監視ステーション、対応センター、または携帯機器に送信する遠隔測定装置、または同様の方法を含み得る。
一実施形態では、排水が流れる流体チャネルを除く装置のすべてのコンポーネントは、装置内への水の浸透を防ぐために、シラスチック（ｓｉｌａｓｔｉｃ）のような不浸透層で覆われる。装置は、例えば、下水処理施設からの排水ラインに挿入されて、潜在的な環境の「ホットスポット」を継続的に監視および同定できるように設計され得る。
一実施形態では、装置は、捕捉タンパク質（複数可）から結合抗原（複数可）を除去するための方法を含む。一例では、緩衝洗浄システムは、装置のコンポーネントとして含まれ得る。別の例では、捕捉タンパク質（複数可）から結合抗原（複数可）を追い出すために、ゲート極性反転法を実装することができる。
このように、本開示の装置および方法は、サンプルの輸送、研究所、または人員を必要とせずに、下水中のウイルス粒子を継続的、リアルタイム、自動的、かつ安価に監視することができる。特にＣＯＶＩＤ－１９パンデミックに適用できる上に、他の感染因子または健康もしくは病気の指標となる有機物質にも容易に適応できる。このような装置は、体液検体中のウイルスの存在または抗体の存在に対して、即時型のポイントオブケアで臨床検査として用いることも可能である。
ここで図を参照すると、図１は、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための装置の透視模式図である。本明細書において、装置は、ウイルス負荷監視装置（ＶＬＭＤ）と呼ばれ得る。
図１のように、ＶＬＭＤ１００は、筐体１０１を有する装置であってもよい。筐体１０１は、図２を参照してさらに説明するように、バイオセンサ、処理回路、電源、緩衝液槽、無線通信装置などを保持するように構成され得る。ＶＬＭＤ１００の筐体１０１は、流体流１０２が流体チャネル１０４を介してそこを通り抜け得るように設計され得る。流体チャネル１０４は、バイオセンサのコンポーネントであってもよいし、またはＶＬＭＤ１００の筐体１０１のコンポーネントであってもよい。それでもなお、流体チャネル１０４は、排水の流体流１０２がバイオセンサのグラフェンベース電界効果トランジスタの検出面上を移動するように配置されてもよい。
図１では長方形の形状であると提示されているが、ＶＬＭＤ１００の筐体１０１は、排水をバイオセンサに近接させることができ、例えば、上述のコンポーネントを収容するのに十分な構造を提供する任意の設計であってよいことを理解することができる。
一実施形態では、ＶＬＭＤ１００の筐体１０１の寸法は、バイオセンサの設計、ならびに付随する回路および他の必要なコンポーネントのサイズおよび形状によって支配され得る。例えば、グラフェンベース電界効果トランジスタがｚ寸法に沿って配置されていると仮定すると、バイオセンサ内のグラフェンベース電界効果トランジスタの数の増加を収容するために、ＶＬＭＤ１００の筐体１０１のｚ寸法は長くされ得る。同様に、各バイオセンサの各グラフェンベース電界効果トランジスタのｘ寸法を収容するために、ＶＬＭＤ１００の筐体１０１のｘ寸法は長くされ得る。さらに、各グラフェンベース電界効果トランジスタの検出面上に所定体積の排水流体を収容するために、ＶＬＭＤ１００の筐体１０１のｙ寸法は調整されてもよく、ここで、ｙ寸法は、ｘ寸法と協調して決定される。
ＶＬＭＤ１００の内部コンポーネントをさらに説明するために、図２は、本開示の例示的な実施形態による、断面模式図を提供する。断面模式図は、ｘ寸法に沿ったＶＬＭＤ２００の図を提供し、破線は、ＶＬＭＤ２００の筐体２０１内に配置されるコンポーネントを示すことを理解することができる。
一実施形態によれば、図２のＶＬＭＤ２００は、筐体２０１、および大きな色付きの矢印で表される排水の流体が流れる流体チャネル２０４を含む。筐体２０１内に機能的に適切であるように配置され得るコンポーネントは、バイオセンサ２０５、コントローラ２２０、電源２２５、無線通信装置２８４、緩衝液槽２１５、およびポンプ２１６を含む。コントローラ２２０は、ＶＬＭＤ２００の上記コンポーネントを制御するように構成された処理回路を含み得る。一実施形態では、コントローラ２２０は、図７に関して説明するようなコンポーネント固有のコントローラを含み得る。
一実施形態では、そして実線のボックスによって示されるように、コントローラ２２０は、遠隔に配置されるコントローラ２２０’であってもよい。そのような実施形態では、コントローラ２２０’は、有線または無線であってもよい。コントローラ２２０は、電源２２５、無線通信ネットワーク２８４、バイオセンサ２０５、およびポンプ２１６のそれぞれと電気的に通信してもよい。緩衝液槽２１５は、ポンプ２１６によってＶＬＭＤ２００の流体チャネル２０４に供給することができる緩衝液を含み得る。流体チャネル２０４への緩衝液のこのような導入は、バイオセンサ２０５によって閾値量の抗原が検出されたと判定することに応答して開始することができ、緩衝液はそれによって、測定の追加のサイクルを実行することができるように、バイオセンサ２０５から結合抗原を除去する。
図２から理解できるように、バイオセンサ２０５は、１つ以上のグラフェンベース電界効果トランジスタ（ＧＦＥＴ）２０３を含み得る。１つ以上のＧＦＥＴ２０３のそれぞれを、ＶＬＭＤ２００の筐体２０１のｚ寸法に沿って配置することができる。１つ以上のＧＦＥＴ２０３の作製は、図３Ｂを参照して、より詳細に記載される。
図３Ａから図３Ｄは、そのバイオセンサを具体的に参照しながら、本開示のＶＬＭＤの追加説明を提供する。
初めに、図３Ａを参照すると、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための装置の断面模式図を提供する。断面模式図は、ｙ寸法に沿ったＶＬＭＤ３００の図を提供していると理解できる。一実施形態によれば、図３ＡのＶＬＭＤ３００は、筐体３０１およびバイオセンサ３０５に近接する流体チャネル３０４を含み、先細りで色付きの矢印によって示される排水の流体は、流体チャネル２０４を通って、バイオセンサ３０５のＧＦＥＴの検出面上に流れる。
図３Ｂを参照すると、図３ＡにおけるＶＬＭＤ３００のバイオセンサ３０５の拡大図が表現されている。ＶＬＭＤのバイオセンサ３０５は、図２に示すように、１つ以上のＧＦＥＴから構成され得ることを理解することができるが、バイオセンサ３０５の説明は、単純化のために、単一のＧＦＥＴ３０３に関してなされている。
ナノマテリアルを用いた生体分子の電気的検出は、ナノマテリアルが周囲環境の電子的摂動に対して極めて敏感であるため、頻繁に高感度を達成することができる。２次元ハニカム格子内における炭素原子の単層であるグラフェンは、そのユニークな物理的特性により、生体種の電気的検出への応用が期待されている。グラフェンベースシートは平坦で横方向の寸法が大きいため、例えばカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）に比べてデバイス作製（電極との電気的接触など）が容易になる。ＣＮＴと比較して、グラフェンベースシートはキャリア移動度および比表面積が高いため、センサー性能を向上させる。
一実施形態に従って、本開示は、リンカー・生体分子共役体を固定化した少なくとも１つのＧＦＥＴを含むバイオセンサを説明する。簡潔にするために、少なくとも１つのＧＦＥＴを含むバイオセンサは、本明細書では、互換的に、ＧＦＥＴベースのバイオセンサと称され得る。図３Ｂを参照すると、ＧＦＥＴベースのバイオセンサ３０５は、ＧＦＥＴ３０３のコンポーネントとして、不活性化層３０６を有する基板３０９、基板３０９の一面にそれぞれ配置されたソース電極３１０およびドレイン電極３１１、ならびに、基板３０９上に懸架された導電チャネルであり、ソース電極３１０およびドレイン電極３１１を電気的に接続するように構成されたグラフェンベースシート３０７を含む。グラフェンベースシート３０７は、生体分子をグラフェンベースシート３０７の表面に固定するリンカー・生体分子共役体３１２で装飾され得る。リンカー・生体分子共役体３１２は、例えば、捕捉抗体と共役した１－ピレン酪酸Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステル（ＰＢＡＳＥ）を含み得る。捕捉抗体は、図３Ｃおよび図３Ｄを参照して説明する標的生体分子の特異的認識基として機能する。一実施形態では、ＧＦＥＴベースのバイオセンサ３０５は、ＧＦＥＴベースバイオセンサ３０５の流体チャネル３０４上面に形成されて役目を果たす、追加の基板３０９’を含み得る。
いくつかの実施形態において、ソース電極３１０およびドレイン電極３１１は、導電性を有する任意の材料で形成され得る。例としては、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、基板３０９および追加基板３０９’は、シリコン（Ｓｉ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ2）、酸化アルミニウム、サファイア、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、シリコンとゲルマニウムの合金、またはリン化インジウムを含み得る。例示的な基板３０９、３０９’は、Ｓｉウェハーを含む。いくつかの実施形態では、不活性化層３０６は、アルミニウム、亜鉛、チタン、Ｓｉ、またはその酸化物もしくは窒化物を含み得るか、あるいはポリメチルメタクリレート、ポリエステル、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニリデンまたはトリアセテートなどの合成樹脂を含み得るが、これらに限定されない。例示的な不活性化層３０６は、ＳｉＯ2を含む。
いくつかの実施形態において、リンカーに共役した生体分子は、タンパク質、核酸分子、微生物、および低分子量有機化合物を含み得る。例としては、免疫タンパク質、抗原、酵素、非免疫タンパク質、免疫グロブリン結合タンパク質、糖結合タンパク質、糖鎖認識糖、脂肪酸または脂肪酸エステル、リガンド、アプタマ、およびリガンド結合能を有するポリペプチドもしくはオリゴペプチドを含み得るが、これらに限定されない。免疫タンパク質の例としては、抗原が標的生体分子である抗体を含み得る。一例では、そのような抗体は、ＩｇＧ、ＩｇＭ、ＩｇＡ、ＩｇＥまたはＩｇＤなどの様々な免疫グロブリンを含み得る。特定の例では、そのような抗体は、リンカーに共役させることができ、標的生体分子であるＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスを検出するために用いることができる、抗ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質抗体を含む。
一実施形態によれば、そしてそれがＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスに関連するように、図３ＢにおけるＧＦＥＴベースのバイオセンサ３０５のＧＦＥＴは、図３Ｃを参照して以下のように製造され得る。
一実施形態では、グラフェンは、従来の湿式転写法を用いてＳｉＯ2／Ｓｉ基板に転写され得る。ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）は、銅箔上のグラフェン上に、５００ｒｐｍで１０秒間および３０００ｒｐｍで３０秒間、スピンコートされ得る。銅箔上のＰＭＭＡ／グラフェンは、銅エッチング液でエッチングされ得る。銅箔のエッチング後、ＰＭＭＡ／グラフェン層を清浄なスライドガラスを用いて脱イオン（ＤＩ）水浴中に移動させてよく、そして銅エッチング液を洗い流してよい。その後、ＰＭＭＡ／グラフェン層はＳｉＯ2／Ｓｉ基板に移され、周囲条件下で一晩乾燥され得る。ＰＭＭＡ層は、アセトン溶液槽で２時間かけて除去され得る。最後に、グラフェンを基板上に転写し、イソプロピルアルコールで洗浄した後、窒素ガス気流下で乾燥させることができる。実用的なグラフェンベースの装置を作製するためには、転写されたグラフェンをフォトリソグラフィによって線状にパターン化し、反応性イオンエッチング法によってエッチングすることができる。エッチングされたグラフェン層上に、例えばＡｕ／Ｃｒ電極層を生成するために、熱蒸着法およびリフトオフ法を用いて金属化を行った。ＧＦＥＴの検出面の寸法は、一例として、１００×１００μｍ2（Ｌ×Ｗ）とすることができる。
一実施形態によれば、そしてＧＦＥＴを作製した後、ＧＦＥＴは、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスの態様を検出するために、リンカー・生体分子共役体により機能化され得る。生体分子であるＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２抗体または捕捉タンパク質をグラフェンの検出面に固定化するために、作製されたＧＦＥＴはまず、リンカーとしてメタノール中の２ｍＭ ＰＢＡＳＥに室温で１時間浸し、リン酸緩衝液（ＰＢＳ）および脱イオン水で数回洗浄することができる。最後に、機能化されたＧＦＥＴは、図３Ｂから図３Ｄを通して可視化されたＧＦＥＴベースのバイオセンサ３０５を生成するために、生体分子、または捕捉タンパク質として、２５０μｇ／ｍＬ ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体に４時間さらすことができる。
ここで図３Ｃおよび図３Ｄを参照すると、図３ＢにおけるＧＦＥＴベースのバイオセンサ３０５の断面模式図が示されている。図３ＣのＧＦＥＴベースのバイオセンサ３０５は、バックゲートを介した電圧の印加（図３Ｃ）および液体ゲートを介した電圧の印加（図３Ｄ）、および標的生体分子、またはウイルス粒子の存在下での文脈で説明する。
典型的なＧＦＥＴベースのバイオセンサ３０５の測定は、グラフェンチャネル３０７のソース電極３１０とドレイン電極３１１の間に一定のバイアス電圧（ＶS）を印加すること、および結果として生じるソース－ドレイン電流（Ｉ）を監視することからなる。ゲート電圧ＶGを変化させることにより、電荷キャリアの電気化学的ポテンシャル（すなわち、フェルミエネルギー）を変調することができる。その結果、（グラフェンチャネルを流れ、電流Ｉを与える）電荷キャリアの種類を正孔から電子へと連続的に調整することができ、いわゆる「両極性挙動」を生じさせる。
電界の変化は、図３Ｃのバックゲートアプローチまたは図３Ｄの液体ゲートアプローチを用いて、および標的生体分子３３０をグラフェン３０７の検出面上の捕捉タンパク質３３１に結合させることと組み合わせて実現できる。例えば、バイアス電圧（ＶS）およびゲート電圧（ＶG）が一定電圧に保持される場合、ドレイン電極３１１およびソース電極３１０との間の電流（Ｉ）のどの測定変化も、リンカーを介してグラフェン３０７の検出面上に共役した捕捉タンパク質３３１またはＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質抗体に結合した、標的生体分子３３０またはＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質と見なすことができる。図３Ｃのバックゲート形状とは対照的に、図３Ｄは、液体ゲート構成を提供し、ここでゲート電圧（ＶG）は、基準電極３１３を介して流体チャネル３０４内の流体（すなわち、排水）に印加される。基準電極３１３は、一連の２つの容量、すなわちグラフェンの量子容量（ＣQ）および電解液の二重層容量（ＣDL）、からなる界面容量Ｃを介してグラフェン３０７に連結される。二重層キャパシタは、ポワソン－ボルツマン方程式で記述されるように、界面の固体側と溶液側にある分離した電荷によって形成される仮想キャパシタである。液体ゲートＧＦＥＴバイオセンサは、イオン感応型ＦＥＴの大きな族に属している。チャネル材料、基準電極、作動モード、および液体の処理方法のための最終的なカプセル化の選択は場合によって異なるが、イオン感応型ＦＥＴの心臓部は電解液と固体ＦＥＴ材料の間の界面に位置している。
上記の図３Ｃおよび図３Ｄを考慮し、および本開示のように、ＧＦＥＴベースのバイオセンサ３０５は、あらゆる電気化学的プロセスおよび交換イオン電流が無視できるように（すなわち、界面は不活性で純粋な容量性であると考えられる）低いゲート電圧（ＶG）で動作し得るが、この仮定は必ずしも明示的に述べられていない。このような単純な仮定に起因する、中程度または比較的高いゲート電圧（ＶG）における実験的人工物は、主に電気化学的な性質であると考えられている。
図３Ｄを参照して説明したような、液体ゲートＧＦＥＴベースのバイオセンサの動作原理を以下に説明する。実際に、液体ゲートＧＦＥＴベースのバイオセンサは、標的生体分子３３０またはウイルス粒子をグラフェン３０７の検出面にもたらし、およびグラフェン３０７の検出面に付着している捕捉タンパク質３３１に近接させることを助ける流体チャネル３０４を閉じ込めた、本開示のＶＬＭＤのような、マイクロ流体システムに組み込むことができる。
一般的に上述したように、典型的な測定において、受容体分子、または捕捉タンパク質３３１は、標的生体分子、またはＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルス３３０のスパイクタンパク質を選択的に認識するために、グラフェン３０７の検出面に固定化された。このような液体ゲートＧＦＥＴ（図３Ｄ）に対応するＩ対ＶG曲線は、バックゲートＧＦＥＴ（図３Ｃ）において観察されたものと同様の特性を示す。正孔領域または電子領域のいずれかにおいて、正に帯電した標的が結合すると、電界効果によりグラフェン３０７における正孔キャリアの枯渇（それぞれ電子キャリアの蓄積）が起こる。このようなドーピング効果は、Ｉ（ＶG）の負へのシフトを引き起こす。
時間依存の測定では、正に帯電した分子が結合すると、ホール領域での電流Ｉの減少、および電子領域での電流Ｉの増加を引き起こす。逆に、負に帯電した分子が結合すると、Ｉ（ＶG）曲線の正方向へのシフト、および正孔領域でのＩの増加を誘発する。一方、電子領域において、同じ事象の発生が、Ｉ（ＶG）曲線の負方向へのシフト、および電流Ｉの減少を誘発する。グラフェンチャネルにおけるこの電流変調は、キャリア密度変化の関数Δｎとして表すことができ、この電流変化はグラフェン面に吸着した帯電生体分子の総数Ｎに比例する－
式中、ｗおよびｌはそれぞれグラフェン３０７の検出面の幅および長さであり、ｅは電子電荷であり、μは電荷キャリア移動度である。式（１）において、ＧＦＥＴベースのバイオセンサ３０５の検出応答、すなわちコンダクタンスは、吸着された生体分子３３０の総数Ｎに比例するはずであることは明らかである。しかしながら、生体分子３３０の定量的な監視は、非自明である。課題は、各生体分子３３０が運ぶ電荷の数を特徴付けること、化学的機能化を制御すること、および各異なる領域におけるグラフェン３０７の検出面での正確な検出反応を同定することにある。式（１）を推論するために、生体分子３３０の吸着時にグラフェンが一定のキャリア移動度μを有すると仮定する。この仮定は、吸着した生体分子３３０が受容体３３１に結合し、さらにグラフェン３０７の格子と弱く相互作用するほとんどの場合において、正しい。
それにもかかわらず、式（１）に関して上記で概説したように、およびＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスの文脈で見たように、本開示のＧＦＥＴベースのバイオセンサ３０５への結合ウイルス粒子３３０の数の増加は、ソース電極３１０およびドレイン電極３１１にわたって測定した電流（Ｉ）の比例した増加を必然的にもたらす。
本開示のＶＬＭＤの実施中、ＧＦＥＴベースのバイオセンサには、－１０００ｍＶと０ｍＶまたは０ｍＶと＋１０００ｍＶのいずれかの間のバイアス電圧（ＶSd）、および－１０００ｍＶと０ｍＶまたは０ｍＶと＋１０００ｍＶのいずれかの間に維持されるゲート電圧（ＶG）を供給し得る。一例では、バイアス電圧（ＶSd）は、ＶＬＭＤ内で－１００ｍＶに維持されることができ、およびゲート電圧（ＶG）は、＋１００ｍＶで流体チャネル内の排水に印加され得る。一実施形態では、検出された電気応答信号Ｉは、Ｉとできるか、または［ΔＩ／Ｉ0］＝（Ｉ－Ｉ0）／Ｉ0として正規化することができる。ここで、Ｉは検出されたリアルタイム電流であり、Ｉ0はソース電極およびドレイン電極にわたって測定された初期電流である。
図に戻り、図４は、本開示の例示的な実施形態による、排水中のウイルス負荷を監視するための方法を記載している。
本開示の方法４４０は、ＶＬＭＤの監視場所への配置に続いて実行することができる。監視場所は、例えば、下水流出箇所、水処理施設の流出箇所などであってもよい。ＶＬＭＤを繰り返して使用できるようにするために、ＶＬＭＤは、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの表面から結合したウイルスを除去するように構成することができ、それによって、ＶＬＭＤを検査場所に長時間留置して、継続測定およびウイルス負荷監視を提供することができる。この目的のために、ＶＬＭＤは、ウイルス負荷監視の結果に関するデータを監視センターまたは対応センターに送信し得る。現場での長寿命化に関連して、ＶＬＭＤは、ＶＬＭＤの電源としての電池が必要なエネルギー閾値よりも低い貯蔵エネルギー容量を有する場合に、１つの信号を生成し得る。この場合、ＶＬＭＤは現場から回収され、交換されることができる。
一実施形態では、ＶＬＭＤは、１つ以上のＧＦＥＴを有するＧＦＥＴベースのバイオセンサを含み得る。現実的な実施の反映として、方法４４０は、図２に示すように、ＶＬＭＤが、ＶＬＭＤの流体チャネルに沿って配置された複数のＧＦＥＴを有するＧＦＥＴベースのバイオセンサと共に配置されると仮定して説明する。
方法４４０のステップ４４５において、ゲート電圧が、ＶＬＭＤにおけるＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴに印加され得る。一例では、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴは、図３Ｄを参照して説明したように、液体ゲートＧＦＥＴであってよい。印加されるゲート電圧は、一例として、＋１００ｍＶであり得、各ＧＦＥＴに共役されたＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイクタンパク質抗体（すなわち、捕捉タンパク質）と排水中のウイルス結合を促進するために与えられ得る。しかし、特定のバイオ検出の目的に応じて、別のゲート電圧を用い得ることを理解することができる。
方法４４０のサブプロセス４５０において、ＶＬＭＤの状態を決定することができる。十分なレベルのウイルスが排水中に見つけられるかどうかを決定するために、ＶＬＭＤの現在の状態を決定することは、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴのコンダクタンスを、個別におよびグローバルに評価することを含む。方法４４０のサブプロセス４５０は、図５を参照してより詳細に説明する。
方法４４０のステップ４６０において、ＶＬＭＤの現在の状態を、遠隔処理装置、監視ステーションなどに送信することができる。送信は、ＶＬＭＤの無線通信装置によって無線で行うことができるか、または有線送信によって行うことができ、ここで、有線送信は、例えば、検査環境の既存の通信インフラ内に統合される。遠隔処理装置または監視ステーションは、一例として、潜在的な「ホットスポット」を同定して疫学的事象を軽減するために、ＶＬＭＤの結果を評価し適切な利害関係者に指示を与える立場にある環境監視機関、疫学機関、または他の公衆衛生グループであり得る。
一実施形態では、ＶＬＭＤの送信状態は、多数の送信から収集されたデータに基づいて、瞬時に、または縦断的に考察することができる。このようにして、後に詳述するように、排水中のウイルスもしくはウイルス断片の増加または減少を、上流感染の兆候として経時的に監視することができる。
一実施形態では、方法４４０のステップ４６０における送信は、ウイルス検出閾値に対するウイルスの存在のバイナリ表示であってもよい。別の実施形態では、方法４４０のステップ４６０における送信は、排水中におけるウイルス推定濃度の定量的測定を伴う、ウイルス検出閾値に対するウイルスの存在のバイナリ表示であってよい。推定濃度は、結合したウイルスとコンダクタンス（式（１）参照）との間の相関に基づくとすることができ、コンダクタンスの増加は、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴの捕捉タンパク質に結合しているウイルス量の増加に追従する。
ここで、方法４４０のサブプロセス４５０を、図５を参照してさらに説明する。方法４４０のステップ４４５で各ＧＦＥＴにゲート電圧を印加した後、ＶＬＭＤの状態の決定が、サブプロセス４５０のステップ５５４で始まる。ステップ５５４は、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴからソース－ドレイン電流を受電することを含む。ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴからのソース－ドレイン電流、およびそれに印加されるそれぞれのソース－ドレイン電圧に基づいて、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴのコンダクタンスは、サブプロセス４５０のステップ５５２で計算することができる。
上記に示したように、および式（１）を参照すると、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴに対して決定されたコンダクタンスは、各ＧＦＥＴの表面に共役した捕捉タンパク質へのウイルスの結合が増加するにつれて増加することが予想される。サブプロセス４５０のステップ５５３において、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴに対して計算されたコンダクタンスを、それぞれのコンダクタンス閾値と比較することができる。一例では、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴのそれぞれのコンダクタンス閾値は、ウイルス「ホットスポット」を規定する排水内のウイルスの濃度に基づくことができる。一実施形態では、排水のウイルス負荷組成は、ＶＬＭＤの流体チャネルの長さにわたって均質であると仮定され、それにより同じコンダクタンス閾値を、ＶＬＭＤの流体チャネルの長さに沿って配置した各ＧＦＥＴに対して用いることができる。別の実施形態では、排水のウイルス負荷組成は、ＶＬＭＤを横断する流体チャネルの長さに沿って不均一であると仮定することができ、それにより異なるそれぞれのコンダクタンス閾値を、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴに適用することができる。例えば、ＧＦＥＴベースのバイオセンサ内の「上流」に位置するＧＦＥＴのコンダクタンス閾値は、ＧＦＥＴベースのバイオセンサ内の「下流」に位置するＧＦＥＴのコンダクタンス閾値より高い場合がある。
このようにして、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴからの応答のグローバルな比較を、サブプロセス４５０のステップ５５４で行なうことができる。言い換えれば、各ＧＦＥＴがそれぞれのコンダクタンス閾値を満たすか満たさないかを決定した後、それぞれのコンダクタンス閾値を満たしたＧＦＥＴベースのバイオセンサのＧＦＥＴの数がグローバルなコンダクタンス閾値を満たすのに十分であるかどうかを、グローバルに決定することができる。グローバルなコンダクタンス閾値は、一例として、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの複数のＧＦＥＴの単純過半数であってもよいし、または排水中のウイルスの存在を十分に同定する他の数、割合、または同様の計量であってもよい。
従って、サブプロセス４５０のステップ５５５において、ＶＬＭＤの現在の状態は、コンダクタンス閾値に対する上記の比較に基づいて決定することができる。それ故に、それぞれのコンダクタンス閾値を満たすＧＦＥＴの数がグローバルなコンダクタンス閾値を満たす場合、ウイルスがウイルス「ホットスポット」を示すレベルで排水中に存在すると判定することができる。
それ故に、方法４４０のステップ４６０において、この判定を、例えば、対応センターに送信することができる。上記のように、ウイルスがウイルス「ホットスポット」を示すレベルで排水中に存在すると判定された場合、公衆衛生専門家は、上流の場所での疾患のさらなる拡散を防ぐためにそれに応じて行動することができる。さらに、送信は、バイナリ表示と並行して、上述のように、排水中のウイルスの推定濃度を含むことができる。排水中のウイルスの推定濃度は、ヒト集団におけるウイルスを評価するための即時的かつ時系列的な指針として用いることができる。例えば、時刻ｔ＝２における排水中のウイルスの相対的な推定濃度が、時刻ｔ＝１における排水中のウイルスの推定濃度よりも小さい場合、上流のコミュニティにおける活発な感染症例が少ないと合理的に仮定することが可能である。
一実施形態によれば、また、上述のように、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの捕捉タンパク質へのウイルスの結合に続く継続的な監視を可能にするために、本開示は、図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明するように、捕捉タンパク質から結合ウイルスを除去する方法を含む。
図６Ａを参照して、サブプロセス５５０に関して、およびサブプロセス６６５を考慮して、方法４４０を説明する。例えば、サブプロセス５５０において、ＶＬＭＤの現在の状態のバイナリ表示が負である（すなわち、排水中にウイルスが検出されない）と判定された場合、方法４４０は、サブプロセス５５０が繰り返される間にステップ６６０に進む。方法４４０のステップ６６０において、ＶＬＭＤの現在の状態の負のバイナリ表示は、例えば、対応センターに送信され得る。送信は、現在の状態のコンポーネントとして、ＧＦＥＴのコンダクタンスに基づくウイルスの推定濃度を含み得る。しかしながら、方法４４０のサブプロセス５５０において、ＶＬＭＤの現在の状態のバイナリ表示が正である（すなわち、ウイルスがウイルス「ホットスポット」を示すと考えられるレベルで検出される）と判定された場合、方法４４０は、同時に、ステップ６６０およびサブプロセス６６５に進む。方法４４０のステップ６６０では、上記と同様に、公衆衛生当局によって適切な行動がとられ得るように、ＶＬＭＤの現在の状態を示す正のバイナリ表示が対応センターに送信される。前と同様に、現在の状態の送信は、排水中のウイルスの推定濃度を含み得る。同時に、排水中のウイルスの濃度が時間とともに増加、減少、または安定するかどうかを判定するために排水を継続して監視できるように、方法４４０のサブプロセス６６５は、ＧＦＥＴベースバイオセンサのＧＦＥＴの捕捉タンパク質から結合ウイルスの少なくとも一部を除去するために実行され得る。
ここで図６Ｂを参照すると、方法４４０のサブプロセス６６５は、方法４４０のサブプロセス４５０における現在の状態判定の正のバイナリ表示に応じて、２つのアプローチのうちの１つを実行するように進む場合がある。
サブプロセス６６５のステップ６６６において、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴのグラフェンの検出面は、結合したウイルスを剥離するために緩衝液で洗浄され得る。緩衝液は、緩衝液槽およびＶＬＭＤの流体チャネルに流体接続されているポンプを制御するように構成された処理回路によって流体チャネルに供給され得る。緩衝液槽内の緩衝液は、流体チャネルを浸たすのに十分な量であり得る。緩衝液槽内の緩衝液は、一例として、ＰＢＳ、または受容体から結合抗原を除去することが知られている他の緩衝液であってもよい。緩衝液は、方法４４０のサブプロセス４５０において、ＶＬＭＤの現在の状態のバイナリ表示がもはや正ではないと判定されるまで、流体チャネルに供給され得る。
あるいは、サブプロセス６６５のステップ６６７において、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴのゲート極性が反転され得る。言い換えれば、ＧＦＥＴの液体ゲートに＋１００ｍＶの正のゲート電圧が印加される場合、ウイルスを捕捉タンパク質から追い出す（または抗原を受容体から追い出す）ために、－１００Ｖの負のゲート電圧が印加され得る。再び、上記のように、方法４４０のサブプロセス４５０でＶＬＭＤの現在の状態が負であると判定されるまで、反転したゲート極性はＧＦＥＴベースのバイオセンサのＧＦＥＴに印加され得る。
当然のことながら、サブプロセス６６５のステップ６６６またはサブプロセス６６５のステップ６６７のいずれかについて、方法４４０のサブプロセス４５０に関係している閾値から外れた別の閾値に到達するまで、それぞれのプロセスが実行され得る。例えば、ステップ６６６およびステップ６６７のそれぞれは、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴのコンダクタンスが最小許容閾値を下回るまで継続し得る。最小許容閾値は、例えば、＜５％の結合ウイルスを反映するコンダクタンス値であり得る。
本明細書に記載する主題の実施形態および機能的作動の実施形態は、デジタル電子回路の中に、明確に具現化されたコンピュータのソフトウェアまたはファームウェアの中に、本明細書に開示された構造およびそれらの構造的等価物を含むコンピュータハードウェアの中に、またはそれらの１つ以上の組み合わせの中に、実装することができる。
本明細書に記載する主題の実施形態は、１つ以上のコンピュータプログラム、すなわち、データ処理装置による実行、またはデータ処理装置の作動を制御するために、具体的で非一過性のプログラムキャリアに符号化されたコンピュータプログラム命令の１つ以上のモジュール、として実装することができる。代替的にまたは追加的に、プログラム命令は、人工的に生成された伝搬信号、例えば、データ処理装置による実行のために適切な受信装置に送信するための情報を符号化するために生成される、機械生成の電気、光、または電磁信号上に符号化することができる。コンピュータ記憶媒体は、機械可読記憶装置、機械可読記憶基板、ランダムアクセスもしくはシリアルアクセスメモリ装置、またはそれらの１つ以上の組み合わせとすることができる。
「データ処理装置」という用語は、データ処理ハードウェアを指し、データを処理するためのあらゆる種類の装置、デバイス、および機械を包含し、例として、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、または複数のプロセッサもしくはコンピュータを含む。また、装置は、特殊用途の論理回路、例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）であるかまたはさらに含むことができる。装置は、ハードウェアに加えて、コンピュータプログラムの実行環境を構築するコード、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、またはそれらの１つ以上の組み合わせを構成するコード、を任意に含むことができる。
本明細書で説明するプロセスおよび論理フローは、入力データに基づいて作動し、かつ出力を生成することにより機能を実行するために、１つ以上のコンピュータプログラムを実行する１つ以上のプログラマブルコンピュータによって実行することができる。また、プロセスおよび論理フローは、特殊用途の論理回路、例えば、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）によって実行することができ、装置もまた、そのように実装することができる。
コンピュータプログラムの実行に適したコンピュータには、一例として、汎用または特殊用途のマイクロプロセッサまたはその両方、あるいは他の任意の種類の中央処理装置が含まれる。一般に、中央処理装置は、読み取り専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、またはその両方から命令およびデータを受け取る。コンピュータの最も重要なエレメントは、命令を実行または命令を生成するための中央処理装置、および命令およびデータを格納するための１つ以上のメモリ装置である。一般に、コンピュータはさらに、データを格納するための１つ以上の大容量記憶装置、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、または光ディスク、からデータを受信するため、またはデータを転送するため、あるいはその両方を行うために、それらを含む、あるいは動作可能に連結している。しかし、コンピュータは、そのようなデバイスを有する必要はない。さらに、コンピュータは、他の装置、例えば、ごく一部ながら例を挙げれば、携帯電話、パーソナル・デジタル・アシスタント（ＰＤＡ）、携帯オーディオまたはビデオプレーヤ、ゲーム機、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機、または携帯記憶装置、例えば、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）フラッシュドライブに組み込むことが可能である。コンピュータプログラム命令およびデータを記憶するのに適したコンピュータ可読媒体は、あらゆる形態の不揮発性メモリ、媒体およびメモリデバイスを含み、例として半導体メモリデバイス、例えばＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭおよびフラッシュメモリ装置；磁気ディスク、例えば内蔵ハードディスクまたは取り外し可能ディスク；光磁気ディスク；およびＣＤ－ＲＯＭおよびＤＶＤ－ＲＯＭディスクを含む。プロセッサおよびメモリは、特殊用途の論理回路によって補足されるか、または特殊用途の論理回路に組み込まれることができる。
本明細書に記載する主題の実施形態は、バックエンドコンポーネントを、例えばデータサーバとして含むか、ミドルウェアコンポーネントを、例えばアプリケーションサーバとして含むか、またはフロントエンドコンポーネントを、例えば、ユーザが本明細書に記載の主題の実施形態と対話可能なグラフィカルユーザインターフェースまたはＷｅｂブラウザを有するクライアントコンピュータを含むか、あるいは１つ以上のそのようなバックエンド、ミドルウェア、またはフロントエンドコンポーネントの任意の組み合わせを含む、コンピューティングシステムに実装することができる。システムのコンポーネントは、デジタルデータ通信の任意の形態または媒体、例えば、通信ネットワークによって相互接続することができる。通信ネットワークの例としては、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）およびワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、例えば、インターネットが含まれる。
図に戻ると、図７は、本開示の実施形態による、先行図のＶＬＭＤの例示的なハードウェア構成を提供する。図７のハードウェア構成のコンポーネントは、必要に応じて、ＶＬＭＤの筐体７０１内に含まれてもよいし、遠隔に配置されてもよい。
図７において、ＶＬＭＤは、上述／下述の処理を実行するＣＰＵ７６１を含む。プロセスデータおよび命令は、メモリ７６４に格納され得る。これらのプロセスおよび命令は、ハードドライブ（ＨＤＤ）または携帯記憶媒体などの記憶媒体ディスク７７３にも格納され得るし、またはリモートでも格納され得る。さらに、本願の進歩性は、本発明プロセスの命令が格納されるコンピュータ可読媒体の形態によって制限されない。例えば、命令は、ＣＤ上、ＤＶＤ上、ＦＬＡＳＨ（登録商標）メモリ内、ＲＡＭ内、ＲＯＭ内，ＰＲＯＭ内、ＥＰＲＯＭ内，ＥＥＰＲＯＭ内、ハードディスク内、またはサーバやコンピュータなど、ＶＬＭＤが通信するその他の情報処理装置内に格納され得る。
さらに、本願の進歩性は、ＣＰＵ７６１と、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）７，ＵＮＩＸ（登録商標）、Ｓｏｌａｒｉｓ、ＬＩＮＵＸ（登録商標）、Ａｐｐｌｅ ＭＡＣ－ＯＳおよび当業者に公知の他のシステムなどのオペレーティングシステムとを組み合わせて実行されるユーティリティアプリケーション、バックグラウンドデーモン、またはオペレーティングシステムのコンポーネント、あるいはこれらの組み合わせとして提供され得る。
ＶＬＭＤを実現するためのハードウェア要素は、当業者に公知の様々な回路要素によって実現し得る。ハードウェア要素は、１つ以上のプロセッサ、１つ以上の特殊用途プロセッサ（デジタル信号処理（ＤＳＰ）チップ、グラフィックアクセラレーションプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など）、および／または他の処理構造または手段を限定なく含むことができるＣＰＵ７６１を含み得る。例えば、ＣＰＵ７６１は、米インテル社のＸｅｎｏｎプロセッサまたはＣｏｒｅプロセッサ、あるいは米ＡＭＤ社のＯｐｔｅｒｏｎプロセッサであってもよいか、あるいは当業者であれば認識できるだろう他のプロセッサタイプであってもよい。あるいは、ＣＰＵ７６１は、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＰＬＤ上に実装されてもよいし、当業者が認識するようなディスクリート論理回路を用いて実装されてもよい。さらに、ＣＰＵ７６１は、上述した発明的プロセスの命令を実行するために並行して協働する複数のプロセッサとして実装され得る。上述のプロセッサは、特に、画像処理およびデータ処理を含む作動を実行するように特別にプログラムすることができる。いくつかの実施形態では、所望の機能性に応じて、別個のＤＳＰ７６３を有し得る。
図７のＶＬＭＤはさらに、監視ステーション、公衆衛生データベースなどに接続されたネットワーク７６６と接続するための、米インテル社からの「インテルイーサーネットプロ」ネットワークインタフェースカードなどの、ネットワークコントローラ７６５を含む。理解できるように、ネットワーク７６６は、インターネットなどの公衆ネットワーク、またはＬＡＮまたはＷＡＮネットワークなどのプライベートネットワーク、あるいはそれらの任意の組み合わせとすることができ、さらにＰＳＴＮまたはＩＳＤＮサブネットワークも含むことができる。ネットワーク７６６は、イーサネットネットワークのような有線でも可能であり、またはＥＤＧＥ、３Ｇおよび４Ｇ無線セルラーシステムを含むセルラーネットワークのような無線でも可能である。無線ネットワークはまた、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、または公知の他の任意の無線通信形態でも可能である。
ＶＬＭＤは、ＣＰＵ７６１と統合され得るＧＦＥＴコントローラ７６２をさらに含み、ＧＦＥＴベースのバイオセンサの各ＧＦＥＴを制御するよう構成されたマイクロコントローラであり得る。ＧＦＥＴのマイクロコントローラは、２６３４Ｂ半導体アナライザおよびプローブステーション（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，オハイオ州クリーブランド）などの半導体アナライザおよびプローブステーションであってもよいし、それに類似する機能を実行してもよい。従って、マイクロコントローラは、バイアス電圧、ゲート電圧を供給し、ＶＬＭＤの各ＧＦＥＴのソース－ドレイン電極にわたる電流を測定するように構成され得る。
ＣＰＵ７６１と統合され得るポンプコントローラ７７０も、ＶＬＭＤに設けられる。ポンプコントローラ７７０は、例えば、ＡＴ８９Ｃ２０５１であってもよく、必要なときに緩衝液を流体チャネルに供給するために、緩衝液槽に流体接続されているポンプ７７１に接続し、これを制御し得る。
汎用記憶コントローラ７７２は、ＶＬＭＤのすべてのコンポーネントを相互接続するための、ＩＳＡ、ＥＩＳＡ、ＶＥＳＡ、ＰＣＩ、または同様の、通信バス７６７でもって記憶媒体ディスク７７３に接続する。ポンプ７７１だけでなく、ポンプコントローラ７７０、記憶コントローラ７７２、ネットワークコントローラ７６５、およびＧＦＥＴコントローラ７６２の一般的な特徴および機能の説明は、これらの特徴が公知のため、簡潔にするために本明細書では省略する。
ＣＯＶＩＤ－１９パンデミックの間、高感度かつ迅速なバイオ検出デバイスの開発はますます重要になってきている。本開示は、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体がグラフェンチャネルの検出面に共役したＣＯＶＩＤ－１９ ＧＦＥＴベースのバイオセンサを説明する。このセンサーは、排水中のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスを検出することができ、結果として、このセンサープラットフォームは、ＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２ウイルスを現場で、および継続的に、簡単、迅速、かつ高応答で検出することができ得る。さらに、本技術は、他の新興ウイルス疾患の診断にも応用できる可能性がある。
本明細書には多くの具体的な実施の詳細が含まれているが、これらは特許請求の範囲に対する制限として解釈されるべきではなく、むしろ特定の実施形態に固有であり得る特徴の記述として解釈されるべきである。
別個の実施形態の文脈で本明細書に記載する特定の特徴は、単一の実施形態において組み合わせて実施することもできる。逆に、単一の実施形態の文脈で説明する様々な特徴は、複数の実施形態において別々に、または任意の適切なサブ組み合わせで実施することもできる。さらに、特徴は、特定の組み合わせで作用するものとして上記で説明し、および当初はさらにそのように特許請求の範囲としたが、特許請求の範囲とした組み合わせからの１つ以上の特徴は、場合によっては組み合わせから削除できると共に、特許請求の範囲とした組み合わせは、サブ組み合わせまたはサブ組み合わせのバリエーションに移され得る。
同様に、図面には特定の順序で作動が描かれているが、これは、望ましい結果を得るために、そのような作動を示された特定の順序で、または順次実行すること、あるいは図示されたすべての作動を実行することを必要とすると理解すべきではない。特定の状況においては、マルチタスクおよび並列処理が有利である場合がある。さらに、上述した実施形態における様々なシステムモジュールおよびコンポーネントの分離は、すべての実施形態においてそのような分離が必要であると理解されるべきではなく、さらには、説明したプログラムコンポーネントおよびシステムは、一般に、単一のソフトウェア製品において一緒に統合することができるか、または複数のソフトウェア製品にパッケージ化することができると理解されるべきである。
主題における特定の実施形態を説明してきた。他の実施形態は、以下の特許請求の範囲の範囲内である。例えば、特許請求の範囲に列挙した行為は、異なる順序で実行することができ、かつそれでも望ましい結果を得ることができる。一例として、添付の図に描かれたプロセスは、望ましい結果を得るために、必ずしも示した特定の順序、すなわち順次的な順序を必要としない。場合によっては、マルチタスクおよび並列処理が有利である場合がある。
明らかに、上記の教示に照らして、多数の修正および変形が可能である。その結果として、添付の特許請求の範囲内で、本発明は、本明細書に具体的に記載される以外の方法で実施され得ることを理解されたい。
本開示の実施形態はまた、以下の挿入部に記載される通りであり得る。
（１）排水中のウイルス監視のためのシステムであって、装置の長さに沿って配置された少なくとも１つの電界効果トランジスタであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタに共役した１つ以上の捕捉タンパク質を有し、前記１つ以上の捕捉タンパク質は、前記排水中のウイルスと結合するように構成された、少なくとも１つの電界効果トランジスタ、および流通チャネルであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタの上方に配置され、前記排水の流体が前記流体チャネルを介して前記少なくとも１つの電界効果トランジスタの上を流れるように前記装置の長さに沿って配置された、流体チャネルを含むバイオセンサと、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれにゲート電圧を印加し、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタを横切るコンダクタンスの、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルス量に基づく前記コンダクタンスの変化を測定し、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスを閾値コンダクタンスと比較し、前記比較が、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示すとき、前記排水中に前記ウイルスが存在することを示す情報を演算装置に送信するように構成された処理回路と、を含む、システム。
（２）前記少なくとも１つの電界効果トランジスタが、グラフェンベース電界効果トランジスタである、（１）に記載のシステム。
（３）前記１つ以上の捕捉タンパク質がＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体である、（１）または（２）のいずれかに記載のシステム。
（４）前記少なくとも１つの電界効果トランジスタが、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタ上を流れる前記排水によって液体ゲート化される、(１)から（３）のいずれか１項に記載のシステム。
（５）前記処理回路が、前記比較が前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量を減らすために、前記印加ゲート電圧の極性を反転し、および前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで前記印加ゲート電圧の反転した極性を維持するように構成される、（１）から（４）のいずれか１項に記載のシステム。
（６）緩衝液を包含する槽をさらに備えるシステムであって、前記処理回路が、前記比較が前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、ポンプを介して、前記流体チャネルに前記緩衝液を供給し、前記供給された緩衝液は、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量を減らすために、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタ上を流れ、前記供給された緩衝液は、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで前記流体チャネルに供給されるように構成される、（１）から（５）のいずれか１項に記載のシステム。
（７）前記処理回路が、前記排水中の前記ウイルスの存在を示す情報を無線通信により前記演算装置に送信するようにさらに構成される、（１）から（６）のいずれか１項に記載のシステム。
（８）前記ウイルスが、前記ウイルスの不活性化成分を介して、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合している、（１）から（７）のいずれか１項に記載のシステム。
（９）排水中のウイルス量を監視するための装置であって、装置の長さに沿って配置された少なくとも１つの電界効果トランジスタであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタに共役した１つ以上の捕捉タンパク質を有し、前記１つ以上の捕捉タンパク質は、前記排水中の前記ウイルスを結合するように構成された、少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれにゲート電圧を印加し、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切るコンダクタンスの、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルス量に基づく前記コンダクタンスの変化を測定し、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスを閾値コンダクタンスと比較し、前記比較が、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合、前記排水中に前記ウイルスが存在することを示す情報を演算装置に送信するように構成された、処理回路を含み、ここで、前記ゲート電圧は、流体チャネルであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタの上方に配置され、前記排水の流体が流体チャネルを介して前記少なくとも１つの電界効果トランジスタ上を流れるようになっている前記装置の長さに沿って配置された、流体チャネルに印加される、ことを特徴とする、装置。
（１０）前記少なくとも１つの電界効果トランジスタが、グラフェンベース電界効果トランジスタである、（９）に記載の装置。
（１１）前記１つ以上の捕捉タンパク質がＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体である、（９）または（１０）のいずれかに記載の装置。
（１２）前記処理回路が、前記比較が前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量を減らすために、前記印加ゲート電圧の極性を反転し、および前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで前記印加ゲート電圧の反転した極性を維持する、ように構成される（９）から（１１）いずれか１項に記載の装置。
（１３）前記処理回路が、前記比較が前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、ポンプを介して、前記流体チャネルに緩衝液を供給し、前記供給された緩衝液は、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量を減らすために、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタ上を流れ、前記供給された緩衝液は、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで前記流体チャネルに供給されるように構成される、（９）から（１２）のいずれか１項に記載の装置。
（１４）前記処理回路が、前記排水中の前記ウイルスの存在を示す情報を無線通信により前記演算装置に送信するようにさらに構成される、（９）から（１３）のいずれか１項に記載の装置。
（１５）前記ウイルスが、前記ウイルスの不活性化成分を介して、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合している、（９）から（１４）のいずれか１項に記載の装置。
（１６）排水中のウイルス負荷を監視するための方法であって、装置の長さに沿って配置された少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタであって、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタに共役した１つ以上の捕捉タンパク質を有し、前記１つ以上の捕捉タンパク質は、前記排水中のウイルスと結合するように構成された、少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれに、処理回路によってゲート電圧を印加すること、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切るコンダクタンスの、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量に基づく前記コンダクタンスの変化を、前記処理回路により測定すること、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスを閾値コンダクタンスと、前記処理回路により比較すること、および前記比較が、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示すとき、前記排水中に前記ウイルスが存在することを示す情報を演算装置に前記処理回路によって送信することを含み、ここで、前記１つ以上の捕捉タンパク質は１つ以上のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体である、ことを特徴とする、方法。
（１７）前記ゲート電圧が、前記装置の長さに沿って、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタの上方に配置された流体チャネルに印加され、前記排水の流体が、前記流体チャネルを介して前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタの上を流れる、（１６）に記載の方法。
（１８）前記比較が、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、前記１つ以上のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体に結合した前記ウイルスの量を減らすために、前記印加ゲート電圧の極性を、前記処理回路によって反転させ、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで前記印加ゲート電圧の反転された極性を、前記処理回路によって維持する、ことをさらに含む、（１６）または（１７）のいずれかに記載の方法。
（１９）前記比較が、処理回路によって、およびポンプを介して、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、前記流体チャネルに緩衝液を供給し、前記供給された緩衝液は、前記１つ以上のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体に結合した前記ウイルスの量を減らすために、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタの上を流れ、前記供給された緩衝液は、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定コンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで、前記流体チャネルに供給されること、をさらに含む、（１６）から（１８）のいずれか１項に記載の方法。
（２０）前記処理回路によって、前記排水中の前記ウイルスの存在を示す情報を、無線通信を介して前記演算装置に送信することをさらに含む、（１６）～（１９）のいずれか１項に記載の方法。
それ故に、前述の記述は、本発明の例示的な実施形態を開示し、および説明するに過ぎない。当業者によって理解されるように、本発明は、その趣旨または本質的な特徴付けから逸脱することなく、他の特定の形態で具体化され得る。従って、本発明の開示は、本発明の範囲ならびに特許請求の範囲を限定するものではなく、例示的であることを意図している。本明細書の教示の容易に認識可能な変形態様を含み、本開示は、一部では、前述の特許請求の用語の範囲を、発明の主題が公衆に捧げられることがないように定義している。

Claims (20)

  1. バイオセンサと処理回路とを備える排水中のウイルス監視のためのシステムであって、
    前記バイオセンサは、バイオセンサの延在方向に沿って配置された少なくとも１つの電界効果トランジスタであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタに連結された１つ以上の捕捉タンパク質を有し、前記１つ以上の捕捉タンパク質は、前記排水中のウイルスと結合するように構成された、少なくとも１つの電界効果トランジスタ、および
    前記少なくとも１つの電界効果トランジスタの上方に配置された流体チャネルであって、前記排水の流体が前記流体チャネルを介して前記少なくとも１つの電界効果トランジスタの上を流れるように前記バイオセンサの延在方向に沿って配置された、流体チャネルとを含み、そして
    前記処理回路は、
    前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれにゲート電圧を印加し、
    前記少なくとも１つの電界効果トランジスタを横切るコンダクタンスの、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルス量に基づく前記コンダクタンスの変化を測定し、
    前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る測定されたコンダクタンスを閾値コンダクタンスと比較し、
    前記比較が、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示すとき、前記排水中に前記ウイルスが存在することを示す情報を演算装置に送信するように構成されている、システム。
  2. 前記少なくとも１つの電界効果トランジスタが、グラフェンベース電界効果トランジスタである、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記１つ以上の捕捉タンパク質がＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体である、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記少なくとも１つの電界効果トランジスタが、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタ上を流れる前記排水によって液体ゲート化される、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記処理回路が、
    前記比較が、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量を減らすために、印加されたゲート電圧の極性を反転し、および
    前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで前記印加されたゲート電圧の反転した極性を維持するように
    構成される、請求項２に記載のシステム。
  6. 緩衝液を包含する槽をさらに備えるシステムであって、前記処理回路が、
    前記比較が、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、ポンプを介して、前記流体チャネルに前記緩衝液を供給し、前記供給された緩衝液は、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量を減らすために、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタ上を流れ、前記供給された緩衝液は、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで前記流体チャネルに供給されるように構成される、請求項２に記載のシステム。
  7. 前記処理回路が、前記排水中の前記ウイルスの存在を示す情報を無線通信により前記演算装置に送信するようにさらに構成される、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記ウイルスが、前記ウイルスの不活性化された成分を介して、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合している、請求項１に記載のシステム。
  9. 排水中のウイルス量を監視するためのバイオセンサであって、
    バイオセンサの延在方向に沿って配置された少なくとも１つの電界効果トランジスタであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタに連結された１つ以上の捕捉タンパク質を有し、前記１つ以上の捕捉タンパク質は、前記排水中の前記ウイルスを結合するように構成された、少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれにゲート電圧を印加し、
    前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切るコンダクタンスの、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルス量に基づく前記コンダクタンスの変化を測定し、
    前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスを閾値コンダクタンスと比較し、
    前記比較が、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合、前記排水中に前記ウイルスが存在することを示す情報を演算装置に送信するように構成された、処理回路を備え、
    前記ゲート電圧は、流体チャネルであって、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタの上方に配置され、前記排水の流体が前記流体チャネルを介して前記少なくとも１つの電界効果トランジスタ上を流れるようになっている前記バイオセンサの延在方向に沿って配置された、流体チャネルに印加される、
    ことを特徴とする、バイオセンサ。
  10. 前記少なくとも１つの電界効果トランジスタが、グラフェンベース電界効果トランジスタである、請求項９に記載のバイオセンサ。
  11. 前記１つ以上の捕捉タンパク質がＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体である、請求項１０に記載のバイオセンサ。
  12. 前記処理回路が、
    前記比較が、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量を減らすために、印加されたゲート電圧の極性を反転し、および
    前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで前記印加されたゲート電圧の反転した極性を維持する、
    ように構成される、請求項１０に記載のバイオセンサ。
  13. 前記処理回路が、
    前記比較が、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、ポンプを介して、前記流体チャネルに緩衝液を供給し、前記供給された緩衝液は、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量を減らすために、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタ上を流れ、前記供給された緩衝液は、前記少なくとも１つの電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで前記流体チャネルに供給される、
    ように構成される、請求項１０に記載のバイオセンサ。
  14. 前記処理回路が、前記排水中の前記ウイルスの存在を示す情報を無線通信により前記演算装置に送信するようにさらに構成される、請求項９に記載のバイオセンサ。
  15. 前記ウイルスが、前記ウイルスの不活性化された成分を介して、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合している、請求項９に記載のバイオセンサ。
  16. 排水中のウイルスを監視するための方法であって、
    バイオセンサの延在方向に沿って配置された少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタであって、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタに連結された１つ以上の捕捉タンパク質を有し、前記１つ以上の捕捉タンパク質は前記排水中のウイルスと結合するように構成された、少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれに、処理回路によってゲート電圧を印加するステップと、
    前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切るコンダクタンスの、前記１つ以上の捕捉タンパク質に結合した前記ウイルスの量に基づく前記コンダクタンスの変化を、前記処理回路により測定するステップと、
    前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る測定されたコンダクタンスを閾値コンダクタンスと、前記処理回路により比較するステップと、
    前記比較が、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示すとき、前記排水中に前記ウイルスが存在することを示す情報を演算装置に前記処理回路によって送信するステップと
    を備え、
    前記１つ以上の捕捉タンパク質は１つ以上のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体である、
    ことを特徴とする、方法。
  17. 前記ゲート電圧が、前記バイオセンサの延在方向に沿って、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタの上方に配置された流体チャネルに印加され、前記排水の流体が、前記流体チャネルを介して前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタの上を流れる、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記比較が、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、前記１つ以上のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体に結合した前記ウイルスの量を減らすために、印加されたゲート電圧の極性を、前記処理回路によって反転させるステップと、
    前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで前記印加されたゲート電圧の反転された極性を、前記処理回路によって維持するステップと、
    をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記比較が、処理回路によって、およびポンプを介して、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たすことを示す場合に、前記流体チャネルに緩衝液を供給し、前記供給された緩衝液は、前記１つ以上のＳＡＲＳ－ＣｏＶ－２スパイク抗体に結合した前記ウイルスの量を減らすために、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタの上を流れ、前記供給された緩衝液は、前記少なくとも１つのグラフェンベース電界効果トランジスタのそれぞれを横切る前記測定されたコンダクタンスが前記閾値コンダクタンスを満たさなくなるまで、前記流体チャネルに供給されること、
    をさらに備える、請求項１７に記載の方法。
  20. 前記処理回路によって、前記排水中の前記ウイルスの存在を示す情報を、無線通信を介して前記演算装置に送信することをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
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