CN117255941A - 用石墨烯变容二极管迟滞效应进行样本表征的***及方法 - Google Patents
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
本文实施方式涉及利用迟滞作为样本分析机制的***和方法。包括用于分析流体样本的***，具有控制器电路和化学传感器元件。化学传感器元件可以包括一个或多个离散结合检测器，其可包括一个或多个石墨烯变容二极管。该***可以包括测量电路装置，其可包括电压发生器，其被配置为在待施加到一个或多个石墨烯变容二极管的多个电压值处生成施加电压。该***可包括测量电路，其具有电容传感器，其配置成测量由施加电压引起的离散结合检测器的电容。用于分析流体样本的***可配置为测量与由一个或多个石墨烯变容二极管获得的电容‑电压值相关的迟滞效应。其他实施方式也包括在本文中。
Description
本申请是于2022年4月15日以所有国家的指定申请人明尼苏达大学董事会(REGENTS OF THE UNIVERSITY OF MINNESOTA)以及所有国家的指定发明人美国公民史蒂芬·科斯特(Steven Koester)、中国公民苏群和美国公民菲利普·皮埃尔·约瑟夫·布尔曼(Philippe Pierre Joseph Buhlmann)的名义作为PCT国际专利申请提交的。本申请也是以所有国家的指定申请人的美国国营公司波士顿科学国际有限公司(Boston ScientificScimed,Inc.)以及所有国家的指定发明人中国公民甄学、美国公民贾斯汀·西奥多·尼尔森(Justin Theodore Nelson)、美国公民格雷戈里·J·舍伍德(Gregory J.Sherwood)的名义作为PCT国际专利申请提交的。本申请要求2021年4月16日提交的美国临时申请No.63/175,670和2022年4月13日提交的美国申请No.17/719,760的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文中的实施方式涉及利用迟滞作为样本分析机制的***和方法。具体地，本文中的实施方式涉及利用迟滞作为检测样本中的不同挥发性有机化合物的机制的***和方法。
背景技术
早期准确的疾病检测可以允许临床医生提供适当的治疗干预措施，并可以带来更好的治疗结果。可以使用许多不同的技术来检测疾病，包括分析组织样本、分析各种体液、诊断扫描、基因测序等。
一些疾病状态会导致产生特定化合物，包括挥发性有机化合物(VOC)，这些化合物可以释放到患者样本中并且可能是某些疾病的标志。
然而，当使用化学传感器时，表征患者样本和/或感测复杂气态样本中的各单个VOC可能是一项艰巨的任务。化学传感器涉及错综复杂的环境，这些环境可以产生由化学传感器本身产生的多种响应信号以及特定分析物与化学传感器的结合。
发明内容
在第一方面，包括一种用于分析流体样本的***。该***可以包括控制器电路和化学传感器元件，其中化学传感器元件可以包括一个或多个离散结合检测器并且该一个或多个离散结合检测器可以包括一个或多个石墨烯变容二极管。该***可以包括测量电路装置，其中该测量电路装置可以包括电压发生器，并且该电压发生器被配置为在待施加到一个或多个石墨烯变容二极管的多个电压值处生成施加的电压。电压值可以落在从下限到上限的范围内。该***可以包括测量电路，该测量电路可以包括电容传感器，其中电容传感器被配置成测量由所施加的电压引起的离散结合检测器的电容。用于分析流体样本的***可以被配置为测量与由一个或多个石墨烯变容二极管获得的电容相-电压值(capacitanceversus voltage valves)相关的迟滞效应。
在第二方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，所施加的电压包括从下限或上限之一开始并移动到另一界限的电压值，作为下限到上限范围内的不同电压值的扫描的一部分。
在第三方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，迟滞效应反映了与石墨烯变容二极管的电容相关的可测量值的差距，所述可测量值的差距是由在下限和上限之间的第一方向上的扫描相对于在下限和上限之间的第二方向上的扫描引起的，其中所述第二方向与所述第一方向相反。
在第四方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，所述第一方向是从电压下限到电压上限的扫描，并且所述第二方向是从电压上限到电压下限的扫描。
在第五方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，所述第一方向是从电压上限到电压下限的扫描，并且所述第二方向是从电压下限到电压上限的扫描。
在第六方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，所施加的电压可以被表示为叠加在DC偏置电压分量上的AC电压分量的总和。
在第七方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，AC电压分量包括正弦波形、方波形、锯齿波形、斜坡波形或三角波形。
在第八方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，AC电压分量的振幅为25mV至300mV。
在第九方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，DC偏置电压分量落在从下限到上限的电压范围内。
在第十方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中在第一方向上的扫描之后紧接着是在第二方向上的扫描。
在第十一方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中在第一方向上的扫描之后停顿，然后是在第二方向上的扫描。
在第十二方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中停顿长度是从1毫秒到5秒。
在第十三方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中电压下限和电压上限是预设值。
在第十四方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中电压下限和电压上限是动态确定的值。
在第十五方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中在第一方向上的扫描之后进行在第二方向上的扫描构成迟滞测量循环，其中电压上限和电压下限在接续的循环之间保持静态。
在第十六方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中在第一方向上的扫描之后进行在第二方向上的扫描构成迟滞测量循环，其中电压上限和电压下限在后续的循环之间改变。
在第十七方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述迟滞效应包括以下中的一个或多个的变化：在特定电压下的电容、电容对电压的最大斜率、电容对电压的最小斜率、最小电容、最小电容下的电压(狄拉克电压)、电容-电压曲线的半峰全宽/半宽、电容-电压曲线的面积、最大电容与最小电容之间的差值、最大电容以及最大电容与最小电容的比率。
在第十八方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述***被配置为基于所确定的迟滞效应来表征流体测试样本。
在第十九方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述***被配置为利用所确定的迟滞效应作为模式匹配操作中的数据输入，其中模式匹配操作的结果表征流体测试样本和/或提供流体测试样本的患者。
在第二十方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中***被配置为计算离散结合检测器在第一方向上的扫描的第一狄拉克点电压以及离散结合检测器在第二方向上后续扫描的第二狄拉克点电压。
在第二十一方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中控制器电路被配置为测量正向狄拉克点电压与反向狄拉克点电压之间的差值。
在第二十二方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中用于测量流体样本中分析物存在的***被配置为同时向多个离散结合检测器施加在一电压范围内的扫描。
在第二十三方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中控制器电路被配置成计算在多个离散的施加电压处测得的电容在一段时间内的变化率。
在第二十四方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中控制器电路被配置为计算在多个迟滞测量循环测得的性质的平均迟滞变化值。
在第二十五方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中化学传感器元件在真空下在50℃至150℃的温度下预处理至少3小时。
在第二十六方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中化学传感器元件保持在受控气体环境下直至暴露于流体测试样本。
在第二十七方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述***还可以包括流动控制阀，其中流动控制阀控制上游流动路径和化学传感器元件之间的流体连通。
在第二十八方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述***被配置成通过评估在一个或多个离散结合检测器的一种或多种性质上的迟滞效应来确定流体样本中存在的一种或多种分析物的身份(特征，种类)。
在第二十九方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述***被配置成通过评估电容-电压数据的一个或多个参数的迟滞变化来测量流体样本中分析物的存在。
在第三十方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述***还包括温度控制器，该温度控制器被配置为控制石墨烯变容二极管的温度。
在第三十一方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述***被配置为将石墨烯变容二极管暴露于一个或多个温度设定点达预定时间。
在第三十二方面，包括一种用于评估流体样本的方法。该方法可以包括使包括一个或多个离散结合检测器的化学传感器元件与流体样本接触，其中每个离散结合检测器可以包括石墨烯变容二极管。该方法可以包括对石墨烯变容二极管施加电压，作为随着一段时间的一系列迟滞测量循环的一部分，其中每个迟滞测量循环包括对石墨烯变容二极管施加电压，作为在第一方向上以及然后在第二方向上一定电压范围内的扫描的一部分，所述第二方向与所述第一方向相反。该方法可以包括测量由所施加电压引起的每个离散结合检测器的电容，以及确定该时间段中所测量的电容值有关的迟滞效应。
在第三十三方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，该方法还可以包括基于第一独特流体混合物和第二独特流体混合物中的每一个所表现出的测量到的迟滞效应，将第一独特流体混合物与第二独特流体混合物区分开。
在第三十四方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中施加电压的步骤包括以一电压范围内的多个离散电压对石墨烯变容二极管施加电压，以5mV至100mV的增量步进(stepping)通过该电压范围。
在第三十五方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所施加的电压可以被表示为包括AC激励分量和DC偏置分量。
在第三十六方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中DC偏置分量的电压范围是从-3V到3V。
在第三十七方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述方法还可以包括至少部分地基于就一个或多个参数所确定的迟滞效应来表征流体样本。
在第三十八方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述一个或多个参数的迟滞效应可以包括以下中的一个或多个的变化：在特定电压下的电容、电容对电压的最大斜率、电容对电压的最小斜率、最小电容、最小电容(狄拉克点)下的电压、最大电容、电容-电压曲线的半峰全宽/半宽、电容-电压曲线的面积、最大电容与最小电容之间的差值以及最大电容与最小电容的比率。
在第三十九方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中所述方法还可以包括至少部分地基于所确定的迟滞效应，来识别提供流体样本的个体的疾病状态。
在第四十方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中该方法还可以包括通过将从分析流体样本收集的数据与和疾病状态相对应的预定数据模式进行匹配来识别个体的疾病状态，所述收集的数据包括关于迟滞效应的数据。
在第四十一方面，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中该方法还可以包括确定由所施加的电压引起的每个离散结合检测器的电容-电压数据的一个或多个参数，并且基于所确定的迟滞效应和电容-电压数据的一个或多个参数的组合对流体样本内的离散分析物进行分类。
在第四十二方面中，除了前述或以下方面中的一个或多个方面之外或者在一些方面的替代方案中，其中确定一个或多个参数电容-电压数据包括确定由所施加的电压引起的每个离散结合检测器的正向狄拉克点电压。
该发明内容是本申请的一些教导的概述，并且不旨在是对本主题的排他性或详尽的处理。更多细节在具体实施方式和所附权利要求中找到。在阅读和理解以下具体实施方式并查看形成其一部分的附图之后，其他方面对于本领域技术人员来说将是明显的，其中每个附图不应被理解为限制性的。本文的范围由所附权利要求及其合法等同物限定。
附图说明
结合以下附图可以更全面地理解各方面，其中：
图1是根据本文中的各种实施方式的***的各种组件的示意图。
图2是根据本文中的各种实施方式的化学传感器元件的示意性俯视平面图。
图3是根据本文中的各种实施方式的测量区的一部分的示意图。
图4是根据本文中的各种实施方式的石墨烯变容二极管的示意性透视图。
图5是根据本文中的各种实施方式的石墨烯变容二极管的一部分的示意性截面图。
图6是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的电容与栅极电压的图。
图7是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的电容与栅极电压的图。
图8是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的电容与栅极电压的图。
图9是根据本文中的各种实施方式的读取电路的一部分和无源传感器电路的示意图。
图10是根据本文中的各种实施方式的用于测量多个离散的石墨烯变容二极管的电容的电路装置的示意图。
图11是根据本文中的各种实施方式的测量***和电压扫描实验的示例性部分的示意图。
图12是根据本文中的各种实施方式的示例性气体测量***的示意图。
图13是根据本文中的各种实施方式的施加到石墨烯变容二极管的气体浓度与时间的线图。
图14是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的电容与栅极电压的关系图。
图15是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的正向狄拉克电压和反向狄拉克电压与时间的关系图。
图16是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的迟滞与时间的关系图。
图17是示出对于结合到根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的乙醇来说，图15中所呈现的正向狄拉克电压和反向狄拉克电压和迟滞与时间的放大视图的关系图。
图18是示出对于结合到根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的氧来说，图15中所呈现的正向狄拉克电压和反向狄拉克电压和迟滞与时间关系的放大视图的图。
图19是根据本文中的各种实施方式的施加到石墨烯变容二极管的气体浓度与时间的线图。
图20是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的正向狄拉克电压、反向狄拉克电压和迟滞与时间的关系图。
图21是根据本文中的各种实施方式的施加到石墨烯变容二极管的气体浓度与时间的线图。
图22是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的正向狄拉克电压、反向狄拉克电压和迟滞与时间的关系图。
图23是根据本文中的各种实施方式的施加到石墨烯变容二极管的气体浓度随时间的线图。
图24是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的正向狄拉克电压、反向狄拉克电压和迟滞与时间的关系图。
图25是根据本文中的各种实施方式的施加到石墨烯变容二极管的温度和气体浓度与时间的线图。
图26是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的正向狄拉克电压和反向狄拉克电压与时间的关系图。
图27是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的减去背景的正向狄拉克电压和反向狄拉克电压与时间的关系图。
图28是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的迟滞与时间的关系图。
图29是根据本文中的各种实施方式的施加到石墨烯变容二极管的狄拉克电压信号幅度与温度的关系图。
图30是根据本文各实施例推断的活化能与温度相关测量值的函数关系图。
图31是根据本文中的各种实施方式的施加到石墨烯变容二极管的栅极电压扫描范围和气体浓度与时间的线图。
图32是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的正向狄拉克电压和反向狄拉克电压与时间的图。
图33是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的迟滞与时间的图。
图34是根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的正向狄拉克电压和反向狄拉克电压的变化与扫描范围的线图。
图35是根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的正向狄拉克电压和反向狄拉克电压的变化与扫描范围的线图。
图36是根据本文中的各种实施方式的施加到石墨烯变容二极管的气体浓度、正向狄拉克电压和反向狄拉克电压与时间的线图。
图37是根据本文中的各个实施方式的正向狄拉克电压、反向狄拉克电压和迟滞的变化与气体浓度的图。
图38是示出根据本文中的各个实施方式的石墨烯变容二极管的正向狄拉克电压、反向狄拉克电压和迟滞与栅极扫描范围的图。
图39是根据本文中的各个实施方式的正向狄拉克电压响应的主成分分析的图。
图40是根据本文中的各个实施方式的迟滞响应的主成分分析的图。
图41是根据本文中的各个实施方式的组合的正向狄拉克电压和迟滞响应的主成分分析的图。
虽然实施方式易于进行各种修改和替代形式，但是其细节已经通过示例和附图的方式示出，并且将被详细描述。尽管如此，应当理解，本文的范围不限于所描述的特定方面。相反，意图是覆盖落入本文的精神和范围内的修改、等同物和替代物。
具体实施方式
在本文的实施方式中，具有一个或多个离散的结合检测器的化学传感器元件可被配置为结合复杂样本混合物(例如气态样本混合物)中的一种或多种分析物(例如挥发性有机化合物(VOC))。离散的结合检测器可以包括基于石墨烯的量子电容变容二极管(“石墨烯变容二极管”)，其可以由于在石墨烯变容二极管的表面上一种或多种分析物(例如挥发性有机化合物(VOC))的存在而引起的响应于所施加的电压而表现出电容变化。通过这种方式，可以通过将气体样本与基于石墨烯变容二极管的传感器元件接触、提供偏置电压并测量电容或电压值，来分析气体样本。在许多情况下，基于石墨烯变容二极管的传感器元件可以暴露在一定范围的偏置电压下，以便辨别诸如狄拉克点(或变容二极管表现出最低电容时的偏置电压)等特征。在存在或不存在一种或多种分析物的情况下由离散结合检测器产生的响应信号可以用于表征气态混合物的内容物。就其本身而言，对于任何给定的阵列，每种气态混合物都可以表现出一组独特的响应信号或“指纹”。
虽然石墨烯变容二极管对各种分析物表现出高灵敏度，并能够表征气态混合物的内容物的能力，但响应信号也会受到迟滞效应的影响。从广义上讲，迟滞是***状态对其历史的依赖性。本文中已发现石墨烯变容二极管可以基于先前施加的电压表现出显著的迟滞效应。本文的迟滞或迟滞效应可以包括石墨烯变容二极管的一种或多种性质的滞后(lag)、移位(shift)或其他可测量的变化，并且会受到分析物结合、温度变化和/或所施加电压的模式(例如各种电压范围上的电压扫描)的影响。不受任何特定理论的束缚，据信迟滞已被认为是由***引起的各种信号中的令人烦恼的背景噪声。然而，在本案中，事实证明单独测量迟滞或与电容-电压数据的一个或多个参数相结合的好处可以为流体样本内的分析物的分类提供明显的益处。
根据本文中的实施方式，迟滞效应可以是可用于独立地或与其他类型的数据组合地表征样本和/或识别样本中存在的VOC的类型和浓度的特定特征。
现在参考图1，示出了根据本文中的各种实施方式的用于测量气态样本中分析物存在的***100的示意图。***100可以包括感测装置160，感测装置160包括具有多个离散结合检测器的化学传感器元件，用于感测气态混合物中的分析物。离散结合检测器可以包括基于石墨烯的可变电容器(或石墨烯变容二极管)，如下文中将参考图3至图5更详细地描述的。术语“离散结合检测器”和“石墨烯变容二极管”在本文中可以互换使用，除非另有说明或上下文另有指示。
在图1所示的实施方式中，***100的感测装置160被描绘成可在现场、医疗诊所、工作场所等中使用的手持形式。应当理解，本文中的***还可以包括用于医疗诊所、医院、实验室等的桌面***。然而，应当理解，本文中还考虑了用于感测装置160和***100的许多其他形式。
感测装置160可以包括外壳178和进气端口162。在一些实施方式中，气体进入端口162可以与一个或多个气体采样装置102流体连通。在其他实施方式中，气体进入端口162可以被配置为吹口，待评估的受试者104可以将呼吸样本吹入吹口中。在其他实施方式中，气体进入端口162本身可以用作气体采样装置。感测装置160可以被配置为主动地将气体吸入外壳178中，或者其可以被配置为被动地从受试者104或气体采样装置102接收气体。在一些实施方式中，感测装置160可以包括与相对于化学传感器元件的上游流动路径流体连通的流动控制阀。在各种实施方式中，流动控制阀可以控制上游流路和化学传感器元件之间的流体连通。
感测装置160还可以包括显示屏174和用户输入装置176(例如键盘)。感测装置160还可以包括气体流出端口172。感测***和装置的各方面在美国专利申请公开号2016/0109440A1中描述，其内容通过引用并入本文。虽然图1示出了适于接收来自受试者的气体或气体采样装置的感测装置160，但是应当理解，在本文中也可以使用其他类型的气体采样***。例如，也可以使用与导管和内窥镜***一起使用的气体采样装置。在导管或内窥镜装置的上下文中的示例性气体采样装置在美国专利申请公开号2017/0360337A1中描述，其内容通过引用并入本文。
在一些实施方式中，***100可以包括本地计算装置182，本地计算装置182可以包括微处理器、输入电路和输出电路、输入装置、视觉显示器、用户界面等。在一些实施方式中，感测装置160可以与本地计算装置182通信，以便在感测装置160和本地计算装置182之间交换数据。本地计算装置182可以被配置为用从感测装置160接收的数据执行各种处理步骤，包括但不限于计算本文中描述的石墨烯变容二极管的各种参数。然而，应当理解，在一些实施方式中，与本地计算装置182相关联的特征可以集成到感测装置160中。在一些实施方式中，本地计算装置182可以是膝上型计算机、台式计算机、服务器(真实的或虚拟的)、专用计算机装置或便携式计算装置(包括但不限于移动电话、平板电脑、可穿戴设备等)。本地计算装置182和/或感测装置160可以通过数据网络184与远程位置的计算装置通信，数据网络184例如是互联网或用于以分组、帧等方式交换数据的另一网络。
在一些实施方式中，***100还可以包括计算装置，例如服务器186(真实的或虚拟的)。在一些实施方式中，服务器186可以位于远离感测装置160的位置。服务器186可以与数据库188进行数据通信。数据库188可以用于存储各种受试者信息，诸如本文中所描述的。在一些实施方式中，数据库可以具体地包括电子医疗数据库(其包含关于受试者的健康状况的数据)、与各种状况和疾病相关的数据模式(例如从大量受试者数据集的机器学习分析生成的数据)、人口统计数据等。在一些实施方式中，数据库188和/或服务器186或其组合可以存储由化学传感器元件生成的数据以及由机器学习分析生成的数据输出。
现在参考图2，示出了根据本文中的各种实施方式的化学传感器元件200的示意性俯视平面图。化学传感器元件200可以包括基材202。应当理解，基材可以由许多不同的材料形成，包括硅、玻璃(glass)、石英、蓝宝石、聚合物、金属、玻璃(glasses)、陶瓷、纤维素材料、复合材料、金属氧化物及其类似物。基材的厚度可以改变。在一些实施方式中，基材具有足够的结构完整性以在不存在可能会损坏其上的组件的过度弯曲的情况下进行处理。
本文中的化学传感器元件可以包括能够设置在基材202上的第一测量区204、第二测量区206和第三测量区208。应当理解，本文中的化学传感器元件上可以存在超过三个的测量区。在一些实施方式中，第一测量区204可以限定第一气体流动路径的至少一部分。第一测量区204可以包括能够感测气态样本(例如呼吸样本)中的分析物的多个离散结合检测器。第二测量区206可以限定第二气体流动路径的至少一部分。在一些实施方式中，第二气体流动路径可以与第一气体流动路径完全分离，而在其他实施方式中，第二气体流动路径可以包括第一气体流动路径的一部分。
第二测量区206还可以包括多个离散结合检测器。化学传感器元件可以包括存储参考数据的组件210。存储参考数据的组件210可以是电子数据存储装置、光学数据存储装置、印刷数据存储装置(例如印刷代码)等。本文中描述的化学传感器元件在美国公开号U.S.2016/0109440A1中更详细地描述，其全部内容通过引用并入本文。
本文中的每个化学传感器元件可以包括遍布测量区的阵列形式一个或多个离散结合检测器。现在参考图3，示出了根据本文中的各种实施方式的化学传感器元件的一部分的示意图。多个石墨烯变容二极管302可在以测量区内以阵列形式设置在第一测量区204上。在一些实施方式中，化学传感器元件可以包括以阵列形式配置的多个石墨烯变容二极管。在一些实施方式中，多个石墨烯变容二极管可以包括相同的表面化学(surfacechemistries，表面化学组成或化学性质)，而在其他实施方式中，多个石墨烯变容二极管可以包括彼此不同的表面化学。在一些实施方式中，具有相同表面化学的石墨烯变容二极管可以一式两份、三份或更多份地存在，使得在迟滞测量循环期间获得的数据可以一起被平均，以进一步细化在响应信号中观察到的变化。本文中描述的石墨烯变容二极管可以在美国专利号U.S.9,513,244中更详细地描述，其全部内容通过引用并入本文。应当理解，第一测量区、第二测量区、第三测量区等中的任何一个都可以包括本文中所描述的多个石墨烯变容二极管的一个或多个阵列。
在一些实施方式中，石墨烯变容二极管可以是异质的，因为它们与特定分析物的结合行为或特异性方面彼此不同(成组地不同或各个石墨烯变容二极管不同)。在一些实施方式中，一些石墨烯变容二极管可以是出于验证目的而双重的、三重的或更多重的，但与其他石墨烯变容二极管是异质的。然而在其他实施方式中，石墨烯变容二极管可以是同质的。虽然图3的石墨烯变容二极管302被显示为组织成网格的多个方盒，但应当理解，石墨烯变容二极管可以呈现许多不同的形状(包括但不限于各种多边形、圆形、椭圆形、不规则形状等)，并且反过来，石墨烯变容二极管可以布置成许多不同的图案(包括但不限于星形图案、之字形图案、放射状图案、符号图案等)。
在一些实施方式中，特定的石墨烯变容二极管302跨越测量区的长度312和宽度314的顺序可以是基本上随机的。在其他实施方式中，该顺序可以是特定的。例如，在一些实施方式中，可以对测量区进行排序，使得相对于被配置用于结合具有较高分子量的分析物的特定的石墨烯变容二极管302(其位置更靠近进入的气流)，被配置用于结合具有较低分子量的分析物的特定的石墨烯变容二极管302位于距离进入的气流更远的位置。就其本身而，可以利用色谱效应(其可用于提供不同分子量的化合物之间的分离)，来提供化学化合物与相应的石墨烯变容二极管的最佳结合。
石墨烯变容二极管的数量可以是约1至约100000。在一些实施方式中，石墨烯变容二极管的数量可以是约1至约10000。在一些实施方式中，石墨烯变容二极管的数量可以是约1至约1000。在一些实施方式中，石墨烯变容二极管的数量可以是约2至约500。在一些实施方式中，石墨烯变容二极管的数量可以是约10至约500。在一些实施方式中，石墨烯变容二极管的数量可以是约50至约500。在一些实施方式中，石墨烯变容二极管的数量可以是约1至约250。在一些实施方式中，石墨烯变容二极管的数量可以是约1至约50。
在一些实施方式中，合适本文中使用的石墨烯变容二极管的每一个可以包括一个或多个电路的至少一部分。举例来说，在一些实施方式中，每一个石墨烯变容二极管可以包括一个或多个无源电子电路或有源电路的全部或一部分。在一些实施方式中，本文中的石墨烯变容二极管可以包括双端型石墨烯变容二极管。在一些实施方式中，双端型石墨烯变容二极管可以适于各自接收来自电信号发生器的独立信号。在一些实施方式中，可以形成石墨烯变容二极管，使得它们直接集成在电子电路上。在一些实施方式中，可以形成石墨烯变容二极管，使得它们被晶片接合到电路。在一些实施方式中，石墨烯变容二极管可以包括集成的读出电子器件，例如读出集成电路(ROIC)。电子电路的电性质(包括电阻或电容)可以在与来自生物样本的化合物结合(例如特异性和/或非特异性结合)时改变。许多不同类型的电路可以用于从化学传感器元件收集数据，下文将参照图9和图10进行讨论。
现在参考图4，示出了根据本文中的实施方式的具有两个端部的石墨烯变容二极管302的示意图。应当理解，可以以各种方式制备具有各种几何形状的石墨烯变容二极管，并且图4所示的石墨烯变容二极管只是根据本文中的各种实施方式的一个示例。
石墨烯变容二极管302可以包括绝缘体层402、栅电极404(或“栅极接触件”)、介电层(图5中的构件504)、一个或多个石墨烯层(例如石墨烯层408a和408b)以及接触电极410(或“石墨烯接触件”)。在一些实施方式中，石墨烯层408a-b可以是连续的，而在其他实施方式中，石墨烯层408a-b可以是不连续的。栅电极404可以沉积在绝缘体层402中形成的一个或多个凹陷内。绝缘体层402可以由绝缘材料(例如二氧化硅)形成，形成于硅基材(晶圆)上，等等。栅电极404可以由导电材料(例如铬、铜、金、银、钨、铝、钛、钯、铂、铱及其任何组合或合金)形成，其可以沉积在绝缘体层402的顶部上或嵌入在绝缘体层402内。介电层(图4中未示出)可以设置在绝缘体层402和栅电极404的表面上，如图5中更详细所示。石墨烯层408a-b可以设置在介电层上。
石墨烯变容二极管302包括八个栅电极指406a-406h。应当理解，虽然石墨烯变容二极管302示出了八个栅电极指406a-406h，但是可以考虑任意数量的栅电极指配置。在一些实施方式中，单个石墨烯变容二极管可以包括少于八个栅电极指。在一些实施方式中，单个石墨烯变容二极管可以包括多于八个栅电极指。在其他实施方式中，单个石墨烯变容二极管可以包括两个栅电极指。在一些实施方式中，单个石墨烯变容二极管可以包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个栅电极指。
石墨烯变容二极管302可以包括设置在石墨烯层408a和408b的部分上的一个或多个接触电极410。接触电极410可由导电材料(例如铬、铜、金、银、钨、铝、钛、钯、铂、铱及其任何组合或合金)形成。示例性石墨烯变容二极管的其他方面可以在美国专利9,513,244中找到，其整体内容通过引用并入本文。
现在参考图5，示出了根据本文中的各种实施方式的示例性石墨烯变容二极管的横截面的一部分的示意图。石墨烯变容二极管可以包括基材502，例如硅基材(晶片)。绝缘体层402可以布置在基材502上，并且栅电极404可以凹进绝缘体层402中。可以通过在绝缘体层402中的凹陷中沉积导电材料来形成栅电极404，如上文参考图4所讨论的。介电层504可以形成在栅电极404和绝缘体层402的表面上。在一些示例中，介电层504可以由诸如二氧化硅、氧化铝、二氧化铪、二氧化锆、硅酸铪或硅酸锆的材料形成。石墨烯层408设置在介电层504上，并且接触电极410可以设置为与石墨烯层408接触。在一些示例中，介电层504可以包括本文列出的多层介电材料。在一些实施方式中，介电层504可以包括交替的不同介电材料的层。在一些实施方式中，介电层504可以包括交替的氧化铝和二氧化铪的层。
在本文的一些实施方式中，为了保持本文中石墨烯变容二极管的稳定性，化学传感器元件可以在50℃至150℃的温度下在真空下预处理至少3小时。在各种实施方式中，化学传感器元件可以在120℃至150℃的温度下在真空下预处理10至20小时。在各种实施方式中，化学传感器元件可以在真空下预处理，温度可以大于或等于50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃，或者可以是落在前述值的任何值之间的范围内的量。应当理解，在一些实施方式中，一个或多个迟滞效应可以是温度相关的。在一些实施方式中，本文中描述的石墨烯变容二极管可以在恒定的时间段内保持恒定的温度，以减少温度变化对一个或多个迟滞效应的影响。
此外，本文中的化学传感器元件可以保持在受控的气体环境下，直到其暴露于气态测试样本。举例来说，化学传感器元件可以保持在受控的气体环境下，包括氧气、氮气或惰性气体(例如氩气、氦气、氙、氪或氖)。
不希望受任何特定理论的约束，认为本文中的石墨烯变容二极管的一个或多个可测量参数表现出迟滞效应，例如受各种因素影响的电容相对于电压值(电容-电压值的关系)。有助于可测量的迟滞效应的因素可以包括施加到石墨烯变容二极管的电压扫描速率和/或电压扫描范围的变化、分析物与石墨烯变容二极管的结合、施加到石墨烯变容二极管的温度的变化、背景和/或基线气体环境的变化、测量期间电压扫描总数的变化、石墨烯上的表面化学、介电层的组成/构造、介电层上的表面化学或这些因素的任何组合。在一些实施方式中，可以操纵这些因素中的一个或多个，以便增强感测到的迟滞效应。例如，在一些实施方式中，电压扫描速率、电压扫描的速度、电压扫描的范围和/或石墨烯变容二极管的温度以及其他因素可以***纵或控制，以便增强感测到的迟滞效应。
在各种实施方式中，本文中的***可以被配置成测量***一些性质的一个或多个迟滞效应，包括在第一方向上的扫描(例如从低到高的施加电压或从高到低的施加电压)和在第二方向上的后续扫描(其可以是与第一方向相反的方向)之间的测量值的变化。在***中确定的一些迟滞效应可以包括一个或多个以下参数的迟滞效应：在特定电压下的电容、电容对电压的最大斜率、电容对电压的最小斜率、最小电容、最小电容(狄拉克电压)下的电压、正向狄拉克电压、反向狄拉克电压、最大电容、电容-电压曲线半峰处的全宽/半宽、电容-电压曲线的面积、最大电容与最小电容之间的差值以及最大电容与最小电容的比率。
本文中的***可以被配置成基于所确定的迟滞效应来表征测试样本，例如流体测试样本。流体测试样本可以包括但不限于液体样本和气态样本。流体测试样本可以包括来自人体的液体样本和气态样本。应当理解，术语“流体测试样本”和“流体样本”可以互换使用。在各种实施方式中，***可以被配置成利用确定的迟滞效应作为模式匹配操作中的数据输入，其中模式匹配操作的结果表征流体测试样本和/或提供流体测试样本的患者。在各种实施方式中，***可以通过确定对一个或多个离散结合检测器的一个或多个性质的迟滞效应来确定气态样本中存在的一个或多个分析物的身份(特征，种类)。本文中描述的迟滞效应将在下面更详细地提及。
石墨烯变容二极管的电容相对于电压值的参数的变化可以通过向石墨烯变容二极管传递在一定电压范围内的施加电压来测量，该电压范围从一个界限处开始并移动到另一个界限，作为电压扫描的一部分。从一个界限移动到另一个界限可以包括连续移动或以多个离散步骤移动，作为跨多电压扫描的一部分。作为示例，响应的测量可以包括测量电容-电压(即，C-Vg；其中Vg是施加到石墨烯变容二极管的栅极电压)曲线的所得电容相对于电压值的各种参数的差异，如将参考图6-8更详细地讨论。在各种实施方式中，测量气态样本中分析物的存在可以包括测量在所得的电容-电压曲线中的响应。在其他实施方式中，测量流体样本中分析物的存在可以包括评估电容-电压数据的一个或多个参数中的迟滞变化。
本文中描述的石墨烯变容二极管的各种电压扫描可以用于确定受施加到石墨烯变容二极管的电压扫描速率和/或电压扫描范围的变化影响的迟滞效应。现在参照图6，示出了根据本文中的各种实施方式的电容相对于电压(即，C-Vg)的示范性线图600。线图600可以包括正向扫描C-Vg曲线602和反向扫描C-Vg曲线604，其中扫描范围包括从-2.0V到2.0V的电压范围。下文更详细地讨论扫描范围和扫描时间的额外的值。在示例线图600中，可以在每个界限之间沿任一方向跨电压范围扫描栅极电压，如本文中别处所描述。在正向扫描C-Vg曲线602中，在正向狄拉克电压606(即，VDF或变容二极管在正向扫描期间表现出最低电容的电压)处，变容二极管的电容达到最小电容Cmin。在反向扫描C-Vg曲线604中，在反向狄拉克电压608(即，VDR或变容二极管在正向扫描期间表现出最低电容的电压)处，变容二极管的电容达到最小电容Cmin。VDF和VDR值之间的差值可以是被分析样本的表征。例如，VDF和VDR值之间的差值可以有赖于某些分析物的浓度和分析物类型。VDF和VDR值之间的差值还可有赖于电压扫描的范围、电压扫描速率、施加到石墨烯变容二极管的温度和其他因素。VDF和VDR值之间的差值仅仅是本文中迟滞效应的一个例子。
应当理解，迟滞效应会受到施加到石墨烯变容二极管的电压扫描的影响。在一些实施方式中，电压界限(下限和上限)之间的较大的扫描窗口可以用于增加一个或多个迟滞效应的大小。在一些实施方式中，电压界限之间的较小的扫描窗口可以用于降低一个或多个迟滞效应的大小。在其他实施方式中，电压界限之间的较慢的扫描可以减少一个或多个迟滞效应中存在的漂移(drift)的量。
从本文中描述的石墨烯变容二极管的电压扫描收集的数据可以用于表征样本和/或确定分析物的浓度，并区分样本中的分析物类型。现在参考图7，根据本文的各种实施方式，在电容相对于栅极电压的线图上示出了单个石墨烯变容二极管暴露于示例性气态混合物之前和之后的响应信号。石墨烯变容二极管在暴露于气态混合物之前的响应信号如C-Vg曲线702所示。同一石墨烯变容二极管在暴露于气态混合物后的响应信号如C-Vg曲线704所示。响应信号(例如图7所示的电容相对于电压曲线)可以通过在石墨烯变容二极管暴露于气态混合物之前和之后测量电压范围内的电容来建立。
随着样本混合物中的分析物在结合时被石墨烯变容二极管感测，石墨烯变容二极管响应信号的若干不同参数可以从基线值改变到更高或更低的值，并且响应信号的形状会改变，这两者是由于石墨烯和分析物之间的相互作用以及由先前施加的电压引入***中的受特定分析物或条件影响的迟滞。现在参考图8，示出了暴露于气态混合物之前和之后的单个石墨烯变容二极管的响应信号(也示于图7)，但是提供了各种注释来突出石墨烯变容二极管响应信号的不同参数的变化，可以对其进行分析来表征气态混合物的含量。举例来说，这些不同的参数可以包括但不限于狄拉克电压的移位(即，当石墨烯变容二极管的电容处于最小值时的电压)、石墨烯变容二极管的最小电容的变化、响应信号的斜率的变化或石墨烯变容二极管的最大电容的变化、特定偏置电压下的电容的变化等(参数的其他例子将在下文中描述)。应当理解，一个或多个迟滞效应受石墨烯变容二极管本身的基线迟滞的影响。在一些实施方式中，一个或多个迟滞效应可以是***中每个石墨烯变容二极管的起始基线迟滞的函数。可以在受控的气体环境中测量基线迟滞。将进一步理解的是，在各种实施方式中，扫描范围可以被延迟，直到所有石墨烯变容二极管处于感兴趣的气态样本(例如，来自肺泡的呼吸样本)中，以允许在石墨烯变容二极管对不期望的气态样本(例如，来自口腔的呼吸样本)响应之前石墨烯变容二极管在感兴趣的气态样本中达到平衡。
在图8中，石墨烯变容二极管在暴露于气态混合物之前的响应信号示出为C-Vg曲线702，而同一石墨烯变容二极管在暴露于气态混合物之后的响应信号示出为C-Vg曲线704。曝光之前和之后的狄拉克电压的移位用箭头806表示。曝光之前和之后的石墨烯变容二极管的最小电容的变化用箭头808表示。可以通过石墨烯变容二极管在暴露于气态混合物之前的C-Vg曲线702的斜率810与石墨烯变容二极管在暴露于气态混合物之后的C-Vg曲线704的斜率812的比较，来获得响应信号的斜率的变化。石墨烯变容二极管的最大电容的变化用箭头814表示。
在一些实施方式中，最大电容与最小电容的比率可以用于表征气态混合物的内容物。在一些实施方式中，最大电容与狄拉克点的移位的比率可以用于表征气态混合物的内容物。在其他实施方式中，最小电容与响应信号的斜率的移位的比率可以用于表征气态混合物的内容物。在一些实施方式中，任何参数(包括狄拉克点的移位、最小电容的变化、响应信号斜率的变化或最大电容的变化)的比率可以用于表征样本混合物的内容物。根据本文中的实施方式，针对这些值中的任何值(以及所讨论的其他类型的值)观察到的迟滞效应可以用于表征样本混合物的内容物。
在许多情况下，可以使用许多不同的施加电压(多个电压)来测试每个石墨烯变容二极管，所得数据形成C-Vg曲线。该多个电压可以落在从电压下限到电压上限的范围内。为了观察迟滞效应，在许多情况下，电压可以从下限开始，然后逐渐增加到上限，从而在第一方向上扫描跨越该范围，随后在相反(或第二)方向(例如，从上限到下限)上扫描。因此，在各种实施方式中，第一方向可以包括从电压下限到电压上限的扫描，并且第二方向是从电压上限到电压下限的扫描。然而，在其他实施方式中，第一方向可以包括从电压上限到电压下限的扫描，并且第二方向是从电压下限到电压上限的扫描。在各种实施方式中，在第一方向上的扫描之后进行在第二方向上的扫描构成迟滞测量循环。
电压下限和电压上限的值可以是预定的或者可以是动态确定的。在各种实施方式中，电压下限和电压上限是预设值，并且可以选自以下值：诸如-3.0V或更小、-2.9V、-2.8V、-2.7V、-2.6V、-2.5V、-2.4V、-2.3V、-2.2V、-2.1V、-2.0V、-1.9V、-1.8V、-1.7V、-1.6V、-1.5V、-1.4V、-1.3V、-1.2V、-1.1V、-1.0V、-0.9V、-0.8V、-0.7V、-0.6V、-0.5V、-0.4V、-0.3V、-0.2V、-0.1V、0V、0.1V、0.2V、0.3V、0.4V、0.5V、0.6V、0.7V、0.8V、0.9V、1.0V、1.1V、1.2V、1.3V、1.4V、1.5V、1.6V、1.7V、1.8V、1.9V、2.0V、2.1V、2.2V、2.3V、2.4V、2.5V、2.6V、2.7V、2.8V、2.9V或3.0V或更高，或落在上述值的任何值之间的电压值。在各种实施方式中，电压下限和电压上限是预设值，并且可以选自范围的以下值：-5V至5V；-4V至4V；-3V至3V；-2V至2V；-1.5V至1.5V；或者-1V至1V。
虽然本文中的瞬时施加电压可以被认为是DC偏置分量和AC分量的总和，但是应当理解，本文中参考的特定施加电压值通常表示DC电压偏置或偏移(offset)值。这是因为AC组件在非瞬时时间段内的平均值将为零。就其本身而言，除非另有相反的说明或上下文另有规定，本文提及的电压值应指所施加的电压的DC偏置或偏移分量，同时理解相应的瞬时电压值可以基于AC分量而变化。AC分量的波形可以采取许多不同的形式。例如，它们可以是正弦的、正方形的、三角形的、梯形的、斜坡的、锯齿形的、复杂的等等。
在一些实施方式中，电压下限和电压上限是动态确定的值。例如，可以基于先前施加的激励电压和/或先前观察到的与石墨烯传感器相关的值和/或先前观察到的迟滞效应来改变界限。
在一些实施方式中，电压上限和电压下限在接续的迟滞测量循环之间是静态的。在其他实施方式中，在接续的迟滞测量循环之间，电压上限和电压下限可以改变。例如，在一些实施方式中，第一迟滞测量循环可以包括使用最宽范围的激励电压，并且连续的迟滞测量循环可以使用较窄范围的激励电压。
各种定时方案可以用于扫描横跨一系列电压。在一些实施方式中，在第一方向上的扫描之后可以紧接着是在第二方向上的扫描。在其他实施方式中，在第一方向上的扫描之后可以停顿，然后是在第二方向上的扫描。扫描之间停顿的持续时间可以包括从1毫秒(ms)到5秒的长度。在一些实施方式中，扫描之间的暂停的持续时间可以大于或等于10ms、20ms、30ms、40ms、50ms、60ms、70ms、80ms、90ms、100ms、200ms、300ms、400ms、500ms、600ms、700ms、800ms、900ms或1秒、2秒、3秒、4秒或5秒，或者可以是落在前述值的任何值之间的范围内的量。
在一些实施方式中，扫描之间停顿的持续时间的长度可以大于5秒。在各种实施方式中，扫描之间停顿的持续时间可以大于或等于6秒、7秒、8秒、9秒、10秒、11秒、12秒、13秒、14秒、15秒、16秒、17秒、18秒、19秒、20秒、21秒、22秒、23秒、24秒、25秒、26秒、27秒、28秒、29秒、30秒、31秒、32秒、33秒、34秒、35秒、36秒、37秒、38秒、39秒、40秒、41秒、42秒、43秒、44秒、45秒、46秒、47秒、48秒、49秒、50秒、51秒、52秒、53秒、54秒、55秒、56秒、57秒、58秒、59秒或60秒，或者可以是落在前述值的任何值之间的范围内的量。在其他实施方式中，扫描之间停顿持续时间可以大于1分钟。
电容相对于电压值的参数的任何一个参数的变化提供了能够反映分析物与石墨烯变容二极管的结合状态的数据，并且可以用于表征样本和/或区分样本中的各种分析物和分析物浓度。可以使用各种测量电路装置(参考图9和10讨论)来测量石墨烯变容二极管的电容-电压曲线的参数的变化。
适合在本文中使用的测量电路装置可以包括有源感测电路和无源感测电路。这种电路装置可以实现有线(直接电接触)感测技术或无线感测技术。现在参考图9，示出了根据本文中的各个方面的读取电路922的一部分和无源传感器电路902的示意图。在一些实施方式中，无源传感器电路902可以包括耦合到电感器910的金属氧化物-石墨烯变容二极管904(其中RS表示串联电阻并且CG表示变容二极管电容器)。在一些实施方式中，读取电路922可以包括具有电阻924和电感926的读取线圈。
本文中的测量电路装置还可以包括有源感测电路。在各种实施方式中，测量电路装置(measurement circuity)可以包括配置成在一段时间内产生一系列迟滞测量循环的电信号发生器。这个测量电路装置可以包括配置为产生和传送施加电压的电信号发生器，该生成和传送的施加电压能够表示为叠加在偏置电压上的交流电压(或激励电压)。应当理解，有许多方法来产生这种施加的电压。
在一些实施方式中，测量电路装置可以包括电信号发生器，该电信号发生器被配置为产生和传送施加的电压，施加的电压包括叠加在偏置电压上的正弦波形、方波形、三角波形、梯形波形、斜坡波形、锯齿波形或复杂波形交流电压。在一些实施方式中，电信号发生器可以被配置以在待施加到一个或多个石墨烯变容二极管的多个电压处产生施加电压，所述电压落在从电压下限和电压上限的范围内，所述电压从一个界限开始并移动到另一个界限，作为跨多电压扫描的一部分。在一些实施方式中，电信号发生器可以被配置以在待施加到一个或多个石墨烯变容二极管的多个电压处产生激励电流，所述电压落在从下限和上限的范围内，所述电压从一个界限开始并移动到另一个界限，作为电压扫描的一部分。
例如，现在参考图10，示出了根据本文中的各种实施方式的用于测量多个石墨烯传感器的电容的测量电路装置1000的示例的示意图。该测量电路装置1000可以包括与多路复用器(MUX)1004电通信的电容数字转换器(CDC)1002。多路复用器1004可以提供与多个石墨烯变容二极管1006的选择性电通信。到石墨烯变容二极管1006的另一侧的连接可以由开关1003控制(由CDC控制)并且可以提供与第一数模转换器(DAC)1005和第二数模转换器(DAC)1007的选择性电通信。DAC 1005、1007的另一侧可以连接到总线(Bus)装置1010，或者在一些情况下连接到CDC 1002。该电路装置还可以包括微控制器1012(或控制器电路)，其将在下文中更详细地讨论。
在这种情况下，来自CDC的信号控制两个可编程数模转换器(DAC)1005和1007的输出电压之间的开关1003。DAC之间的编程的电压差值决定了激励振幅(并且代表所施加的电压的AC分量)，为测量提供了额外的可编程比例因子，并允许测量比CDC指定的电容范围更广的电容。测量电容处的偏置电压等于CDC输入处的偏置电压(经由多路复用器，通常等于VCC/2，其中VCC是电源电压)与激励信号的平均电压之间的差值，其是可编程的。在一些实施方式中，可以在DAC输出处使用缓冲放大器和/或旁路电容，以在切换或开关期间维持稳定的电压。应当理解，图9和10的电路仅仅是示例性的。本文中考虑许多不同的方法。
测量电路装置可以包括电容传感器，该电容传感器被配置成测量由激励电压引起的离散结合检测器的电容。测量电路装置还可以包括控制器电路，所述控制器电路被配置成确定相对于电压值的测量电容和基于测量电容或电压的计算值中的至少一个在时间段内的变化。在各种实施方式中，测量电容相对于电压值的关系可以包括以下中的一个或多个：特定电压下的电容、电容对电压的最大斜率、电容对电压的最小斜率、最小电容、最小电容下的电压(狄拉克电压)、最大电容和最大电容对最小电容的比率。在各种实施方式中，控制器电路被配置成测量正向狄拉克点电压和反向狄拉克点电压之间的差值。在一些实施方式中，控制器电路被配置成计算在多个离散DC偏置电压下测量的电容在时间段内的变化率。在一些实施方式中，控制器电路被配置成计算在多个迟滞测量循环测量的性质的平均迟滞变化值。在各种实施方式中，控制器电路被配置成确定正向狄拉克点电压和/或反向狄拉克点电压。
在一些实施方式中，本文中的测量电路装置或***的另一部分可以包括温度控制器，该温度控制器被配置成控制石墨烯变容二极管的温度。在一些实施方式中，温度控制器可以包括热敏电阻、热电偶、电阻热装置(RTD)等。在各种实施方式中，控制石墨烯变容二极管的温度包括将石墨烯变容二极管暴露于一个或多个温度设定点预定时间。在一些实施方式中，可以使用包含在预定时间的过程中提高温度设定点的序列。在其他实施方式中，可以使用包含在预定时间的过程中降低温度设定点的序列。在其他实施方式中，可以使用包含增加温度设定点然后降低温度设定点的序列。
用于测量气态样本中的分析物存在的***可以被配置成测量，施加的电压在电压下限和电压上限之间的第一方向上扫描时相对于在电压上限和电压下限之间的第二方向上扫描时，电容-电压值的差异。因此，在各种实施方式中，第一方向是从电压下限到电压上限的扫描，并且第二方向是从电压上限到电压下限的扫描。在各种实施方式中，第一方向是从电压上限到电压下限的扫描，并且第二方向是从电压下限到电压上限的扫描。
下文进一步描述适合在如本文所考虑的从下限到上限的范围内使用的电压的各种值。在各种实施方式中，每个迟滞测量循环包括在横跨DC偏置电压范围的多个离散DC偏置电压值处向离散结合检测器输送DC偏置电压，如下文更详细讨论的。
上述计算的值可以用于诊断。在某些情况下，上述计算的值可以指示气体样品的特定挥发性有机组分的身份和/或浓度。就其本身而言，每个上述计算的值可以用作形成给定受试者和/或给定气体样本的模式的一部分的独特数据部分。然后，如本文中别处所述，该模式可以与预先存在的模式或实时识别的模式进行匹配，这些预先存在的模式或实时识别的模式通过诸如机器学习或其他技术的技术从大型存储的数据集中导出，其中这种模式被确定为各种病况或疾病状态的特征。上述计算的方面也可以用于其他目的，诊断或其他目的。
在一些实施方式中，可以由控制器电路执行计算(诸如上文描述的那些)。控制器电路可以被配置为接收反映石墨烯变容二极管的电容或电压的电信号。在一些实施方式中，控制器电路可以包括微控制器来执行这些计算。在一些实施方式中，控制器电路可以包括与测量电路装置电通信的微处理器。微处理器***可以包括诸如地址总线、数据总线、控制总线、时钟、CPU、处理装置、地址解码器、RAM、ROM等组件。在一些实施方式中，控制器电路可以包括与测量电路装置电通信的计算电路(例如专用集成电路-ASIC)。
此外，在一些实施方式中，***可以包括非易失性存储器。在一些实施方式中，非易失性存储器可以被配置成存储在横跨DC偏置电压范围上的离散结合检测器的测量电容值。在其他实施方式中，非易失性存储器可以被配置成存储在横跨DC偏置电压范围上的离散结合检测器的基线电容。在一些实施方式中，非易失性存储器可以是存储石墨烯变容二极管的灵敏度校准信息的地方。
举例来说，石墨烯变容二极管可以在生产设施中测试，其中可以确定对各种分析物(例如VOC)的灵敏度，然后存储在EPROM或类似组件上。另外，或者可替换地，灵敏度校准信息可以存储在中央数据库中，并且当受试者数据被发送到中央位置用于分析和诊断时以化学传感器元件序列号作为参考。这些组件可以包括在本文中描述的任何硬件中。
在本文中的一些实施方式中，各组件可以被配置成通过网络(例如互联网或类似的网络)进行通信。在各种实施方式中，可以包括中央存储和数据处理设施。在一些实施方式中，在受试者(本地)存在的情况下从传感器收集的数据可以经由互联网或类似网络发送到中央处理设施(远程)，并且来自被评估的特定受试者的模式可以与数千或数百万其他受试者的模式进行比较，这些其他受试者中的许多人先前已经被诊断患有各种病况，并且其中已经存储了这种病况数据。
模式匹配算法可以用于将当前受试者的模式与预定模式进行匹配，预定模式与其他受试者或健康状态类别(例如疾病或病况特定类别)相关(并因此能够用于其他受试者或健康状态类别)。每个预定模式可以包括具有给定病况或疾病状态的预定可能性。因此，在本文中的各种实施方式中，该***可以使用模式匹配或模式识别算法将反映特定患者/个体的数据集(该数据集包括迟滞数据)与一个或多个先前确定的模式进行比较，以确定最佳匹配的模式，其中，作为最佳匹配的特定先前确定的模式指示患者的健康状态。
举例来说，通过评估大量患者数据集，可以通过机器学习分析或另一种类似的算法技术来识别反映特定健康状态或特定疾病状态的预定模式，其中健康状态和/或疾病状态被指示，以便于监督机器学习方法。例如，本文中用于生成预定模式的训练数据集可以包括：1.)关于一组患者的流体测试样本的迟滞数据和/或其他表征数据的信息，2.)关于同一组患者的特定诊断或其他健康状态的信息，和/或3.)本文中描述的其他类型的数据。这种训练数据集可以用机器学习算法或类似的算法技术来处理，以便生成反映挥发性有机化合物的迟滞数据以及能够用于识别某些诊断或健康状态的其他数据的一个或多个模式。
本文中可以使用算法，以使用众多机器学习技术中的任何一种创建新的模式/模型，或者以使用这些技术(例如逻辑回归、随机森林或人工神经网络)来应用先前计算的模型的结果。可以使用许多不同的模式匹配或模式识别算法。举例来说，在一些实施方式中，最小二乘算法可以用于识别组合数据集最接近匹配的特定预定模式。在各种实施方式中，可以使用标准模式分类方法，包括但不限于高斯混合模型、聚类、隐马尔可夫模型以及贝叶斯方法、神经网络模型和深度学习。
在本文中的模式匹配操作之后，可以生成具有给定病况或疾病状态的可能性。例如，在一些实施方式中，这可以远程执行，并通过数据网络提供回受试者当前所在的设施。在其他实施方式中，这种操作可以在***的设备上本地执行。
现在参考图11，示出了根据本文中的各种实施方式的测量***1100的示例性部分的示意图和DC电压扫描实验的示例。测量***1100示出作为化学传感器元件200的一部分的多个石墨烯变容二极管1102、1104、1106和1108。施加的电压信号可以施加到石墨烯变容二极管1102、1104、1106和1108中的每一个，并且可以测量电容-电压值。图11中所示的电压信号包括两个独立的信号，包括叠加在第一输入电压1110上的交流电压，以及第二输入电压1112。应当理解，第二输入电压1112不交替。第一输入电压1110可以施加到每个石墨烯变容二极管的第一端部1114，并且第二输入电压1112可以施加到每个石墨烯变容二极管的第二端部1116。
在测量扫描期间保持恒定的施加的第二输入电压1112的偏移与叠加在第一输入电压1110上的交流电压的偏移之间的差值是DC偏置电压。在图11中，示出了三个DC偏置电压，并表示为第一DC偏置电压1124、第二DC偏置电压1126和第三DC偏置电压1128。应当理解，虽然在图11中仅示出了三个DC偏置，但是在本文中可以考虑任意数量的DC偏置电压。应当理解，在测量扫描过程中，DC偏置电压可以根据施加的输入电压和施加的交流电压的值而增加或减少。通过增加叠加在第一输入电压1110上的DAC高电平和低电平的交流电压，同时保持DAC高电平和低电平之间的恒定差值以便保持恒定的激励振幅1118，可以在整个测量扫描过程中改变DC偏置电压的值。应当理解，虽然图11中给出的示例示出了每个DC偏置电压的三个AC循环，但是在每个DC偏置电压下施加的AC循环的实际数量可以包括1到10000个或更多个循环。应当理解，虽然图11中所示的频率被设置为205kHz，然而，该频率可以包括下文所讨论的从10kHz到1MHz的范围内的那些频率。
应当理解，在图11所示的示意图中，测量电路装置的CDC控制两个可编程DAC(未示出)的输出电压之间的开关。DAC之间的编程的电压差值决定了叠加在第一输入电压1110上的交流电压的激励振幅1118，为测量提供了额外的可编程比例因子，并允许测量比CDC指定的电容范围更广的电容。叠加在施加到第一端部1114的第一输入电压1110上的交流电压可以包括具有正弦波形形状的波形的交流电压。在各种实施方式中，波形可以包括方波形、锯齿波形、斜坡波形、三角波形、梯形波形等。电压下限1120和电压上限1122定义了激励振幅1118的幅度。
在施加到石墨烯变容二极管的第一端部1114的第一输入电压1110上叠加的交流电压的激励振幅可以包括5mV、10mV、15mV、20mV、25mV、50mV、75mV、100mV、125mV、150mV、175mV、200mV、225mV、250mV、275mV或300mV的激励振幅。
在本文中的方法中使用的电压的激励振幅可以包括在一定范围内的激励振幅，其中任何前述电压可以充当该范围的电压下限或电压上限，只要该范围的电压下限是小于该范围的电压上限的值即可。应当理解，施加的交流电压的电压下限和电压上限可以由两个DAC中的每一个独立地设置。将进一步理解的是，通过动态地增加电压下限和电压上限的值，可以在测量过程中改变施加的交流电压的电压下限和电压上限，但是保持在界限之间恒定的激励振幅。在一些实施方式中，在多个电压值处施加的电压扫描的整个过程中，激励振幅可以保持在100mV。
施加到石墨烯变容二极管的第二端部1116的第二输入电压1112可以包括在测量持续期间保持在500mV、1.0V、1.1V、1.2V、1.3V、1.4V、1.5V、1.6V、1.65V、1.7V、1.8V、1.9V、2.0V、2.1V、2.2V、2.3V、2.4V、2.5V、2.6V、2.7V、2.8V、2.9V或3.0V的恒定电压。应当理解，在本文中的方法中使用的输入电压可以包括在一定范围内传递输入电压，其中任何前述电压可以充当该范围的下限或上限，只要该范围的下限是小于该范围的上限的值即可。应当理解，施加到石墨烯变容二极管的第二端部1116的第二输入电压1112可以包括保持在3V或更高的恒定电压，这取决于介电层的厚度。
许多不同范围的输入电压可以用于每个迟滞测量循环。在一些实施方式中，在本文中的方法中使用的输入电压可以包括-6V、-5V、-4V、-3V、-2.5V、-2.0V、-1.5V、-1.0V、-0.5V、0.5V、1.0V、1.5V、2.0V、2.5V、3.0V、4V、5V或6V。应当理解，在本文中的方法中使用的输入电压可以包括在一定范围内递送输入电压，其中任何前述电压可以充当该范围的下限或上限，只要该范围的下限是小于该范围的上限的值即可。在各种实施方式中，适合用于本文的电压扫描范围可以包括从-6V到6V范围内的多个电压。在各种实施方式中，电压扫描范围可以包括：-5V至5V；-4V至4V；-3V至3V；-2V至2V；-1.5V至1.5V；或者-1V至1V。
激励信号可以以CDC规定的频率施加到石墨烯变容二极管。所施加的激励信号的频率可以包括这样的频率，这样的频率可以大于或等于10kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz、60kHz、70kHz、80kHz、90kHz或100kHz、125kHz、150kHz、175kHz、200kHz、225kHz、250kHz、275kHz、300kHz、325kHz、375kHz、400kHz、425kHz、450kHz、475kHz、500kHz、525kHz、550kHz、575kHz、600kHz、625kHz、650kHz、675kHz、700kHz、725kHz、750kHz、775kHz、800kHz、825kHz、850kHz、875kHz、900kHz、925kHz、950kHz、975kHz或1000MHz，或者可以是落在一范围内的量，其中任何前述频率可以用作该范围的下限或上限，只要该范围的下限是小于该范围的上限的值即可。
施加电压/迟滞测量循环
本文中的迟滞测量循环可以包括在第一方向上的电压扫描，随后是在相反方向上的电压扫描，以观察可测量参数的变化(作为迟滞效应)。许多不同范围的施加电压可以用于每个迟滞测量循环。在一些实施方式中，在本文中的方法中使用的施加电压可以包括-6.0V、-5.0V、-4.0V、-3.0V、-2.5V、-2.0V、-1.5V、-1.0V、-0.5V、0.5V、1.0V、1.5V、2.0V、2.5V、3.0V、4.0V、5.0V或6.0V。应当理解，在本文中的方法中使用的施加电压可以包括传递一定范围内的施加电压，其中任何前述电压可以充当该范围的下限或上限，只要该范围的下限是小于该范围的上限的值即可。
在各种实施方式中，跨一定电压范围(在一定电压范围内)的“扫描”(sweep)可以包括在扫描期间在一电压范围内的许多离散偏置电压下进行的许多离散测量。在一些实施方式中，本文中的迟滞测量循环可以包括正向扫描(从低施加电压到高施加电压)。在一些实施方式中，本文中的迟滞测量循环可以包括反向扫描(从高施加电压到低施加电压)。在一些实施方式中，本文中的迟滞测量循环可以包括正向扫描和反向扫描二者。在一些实施方式中，本文中的迟滞测量循环可以包括正向扫描和反向扫描或其任意组合。
在一些实施方式中，可以在一个迟滞测量循环结束时和下一个迟滞测量循环之前或在所有测试结束时施加0V或0.5V的电压(或其他“复位”电压)。
每个迟滞测量循环的时间长度可以取决于各种因素，包括循环期间电容测量的总数、所覆盖的总偏置电压范围、每次测量的电压步长、每次测量的时间等。在一些实施方式中，每个迟滞测量循环的时间段可以是大约0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、15、20、30、45、60、120秒或更长时间。应当理解，每个迟滞测量循环的时间段可以包括一个范围，其中任何前述时间点都可以充当该范围的下限或上限，只要该范围的下限是小于该范围的上限的值即可。
在一些实施方式中，所有迟滞测量循环的总时间可以被配置为与用于测试气态样本的总时间量相匹配。在一些实施方式中，所有迟滞测量循环的总时间可以被配置为等于覆盖感兴趣时间段的预定时间。在一些实施方式中，所有迟滞测量循环的总时间可以被配置为等于或大于非稳态阶段(或动力学阶段)的总时间量。在一些实施方式中，控制器电路可以被配置成通过评估测量的电容随时间的变化率来确定来自每个离散结合检测器的非稳态响应阶段的开始，并在该点处启动迟滞测量循环。在一些实施方式中，控制器电路可以被配置成当接收到指示气态样本的特定测试开始的信号(例如从流动传感器接收到样本气体开始流向离散结合检测器的信号)时启动迟滞测量循环。在一些实施方式中，控制器电路可以被配置成通过评估测量电容随时间的变化率并在该点处终止迟滞测量循环或在该点处降低迟滞测量循环的频率来确定非稳态阶段的结束。
在各种实施方式中，用于生成一系列迟滞测量循环的总时间段(所有迟滞测量循环的总时间)可以包括从10秒到1200秒。在一些实施方式中，用于生成一系列迟滞测量循环的时间段可以包括从30秒到180秒。在一些实施方式中，用于生成一系列迟滞测量循环的时间段可以包括10、15、20、25、30、40、45、60、90、120、150、180、360、540、720、1080、1200秒或更长。应当理解，用于生成一系列迟滞测量循环的时间段可以包括一个范围，其中任何前述时间点都可以充当该范围的下限或上限，只要该范围的下限是小于该范围的上限的值即可。
在一些实施方式中，通过施加电压的范围的步进可以包括以预定增量(例如50mV增量)在施加电压的范围内步进。在一些实施方式中，通过施加电压范围的步进可以包括以10mV增量步进通过施加电压的范围。步进通过施加电压的范围可以以1mV、5mV、10mV、25mV、50mV、75mV、100mV、125mV、150mV、200mV、300mV、400mV或500mV的电压增量执行，或者以落在前述值的任何值之间的范围内的步进量执行。在各种实施方式中，步进通过施加电压范围可以包括以1mV至500mV的增量在施加电压范围内步进。在各种实施方式中，步进通过施加电压的范围可以包括以5mV至300mV的增量步进通过施加电压的范围。
迟滞效应与电容/电压参数
基于测量的电容数据，可以计算许多不同的电容相对于电压相关的参数。所得到的电容相对于电压曲线的参数可以包括但不限于：在特定电压下的电容、电容对电压的最大斜率、电容对电压的最小斜率、最小电容、最小电容(狄拉克点)下的电压、最大电容、电容-电压曲线的半峰全宽/半宽、电容-电压曲线的面积、最大电容与最小电容之间的差值、正向狄拉克点电压、反向狄拉克点电压以及最大电容与最小电容的比率。
任何一个参数的变化都可以作为由于分析物结合引起的迟滞效应来测量。例如，迟滞效应可以包括以下参数中的任意参数的变化：电容对电压的最大斜率、电容对电压的最大斜率相对于基线值的变化、电容对电压的最小斜率、电容对电压的最小斜率相对于基线值的变化、最小值电容、最小电容相对于基线值的变化、最小电容处的电压(狄拉克电压)、最小电容处的电压的变化、最大电容、最大电容的变化、最大电容与最小电容的比率、响应时间常数以及不同石墨烯传感器之间的前述任意项的比例(特别是对不同分析物具有特异性的不同石墨烯传感器之间的前述任意项的比例)。
不希望束缚于任何特定的理论，我们认为各种机制都会影响电容值与电压值的关系(电容-电压值)，具体取决于键合(结合)的分子是弱键合还是紧密键合。。在弱键合分子的情况下，在测量的数据中观察到瞬时的可逆信号。这种可逆信号被认为是由于在电压扫描期间响应于施加的电压而移位的键合分子的电荷分布引起的。随着电压扫描，弱结合分子的电荷分布随着边缘场移位，从而导致***中迟滞现象的增加。在各种实施方式中，通过在激励信号之间引入氮气吹扫，可以在电压扫描期间恢复可逆信号。
在紧密键合分子的情况下，在测量的数据中观察到缓慢的累积的漂移信号。据信，分子的分子轨道直接与石墨烯和介电层相互作用，以使电荷能够与石墨烯一起转移。在电压扫描的过程中，漂移信号会随时间累积。随着电压扫描，可以发生进入石墨烯中或到石墨烯外的电荷的净流动。在各种实施方式中，漂移信号缓慢地恢复到基线值。
各种分析物会对可逆信号和漂移信号产生不同的响应，从而导致测量参数的迟滞。响应信号也可以响应于施加的栅极电压扫描的范围、栅极电压扫描的持续时间和施加的温度而改变。
方法
本文中考虑了许多不同的方法，包括但不限于制造方法、使用方法等。本文中其他地方描述的***/装置操作的各个方面可以作为根据本文中各种实施方式的一种或多种方法的操作来执行。
在一个实施方式中，包括用于评估流体测试样本的方法，该方法可以包括将化学传感器元件与流体测试样本接触，该化学传感器元件可以包括一个或多个离散结合检测器，每个离散结合检测器可以包括石墨烯变容二极管，声称施加电压，作为一段时间内一系列迟滞测量循环的一部分，其中每个迟滞测量循环包括将电压输送到离散结合检测器，作为在第一方向上以及然后在与第一方向相反的第二方向上在一定范围内的电压扫描，测量每个离散结合检测器的来自迟滞测量循环的电容，并确定在该时间段测量的电容值有关的迟滞效应。
在一个实施方式中，该方法还可以包括基于第一独特流体混合物和第二独特流体混合物中的每一个的迟滞特征，将第一独特流体混合物与第二独特流体混合物区分开。应当理解，该方法还可以包括区分开第三独特流体混合物、第四独特流体混合物、第五独特流体混合物、第六独特流体混合物、第七独特流体混合物、第八混合物独特流体混合物等等。
在一个实施方式中，该方法还可以包括以跨一定电压范围(在一定电压范围内)的多个离散电压对石墨烯变容二极管传递施加电压，包括以50mV的增量步进通过电压范围。
在该方法的一个实施方式中，电压范围包括从-6V到6V。
在该方法的一个实施方式中，电压范围包括从-3V到3V。
在该方法的一个实施方式中，电压范围包括从-1.5V到1.5V。
在一个实施方式中，该方法还可以包括确定流体测试样本中存在的一种或多种分析物的身份。
在一个实施方式中，该方法还可以包括至少部分地基于所确定的在测量的电容值上的迟滞效应来识别提供流体测试样本的个体的疾病状态。
在各种实施方式中，该方法还可以包括至少部分地通过确定一个或多个离散结合检测器的一个或更多个参数中的迟滞效应来评估流体测试样本。
在各种实施方式中，在一个或多个参数上的迟滞效应可以包括以下中的一个或多个：特定电压下的电容、电容对电压的最大斜率、电容对电压的最小斜率、最小电容、最小电容下的电压(狄拉克电压)、最大电容和最大电容对最小电容的比率。
参考以下示例可以更好地理解各方面。这些示例旨在代表特定实施方式，但不旨在限制本文中的实施方式的总体范围。
实施例
实施例1：实验室气体测量***
在图12中示出了示例性的基于实验室的气体测量***1200。气体测量***1200包括氮气(N2)罐1202(99.9998％纯度)，该氮气罐1202连接到两个质量流动控制器(MFC)以形成两个独立的气体流动通道。第一MFC 1204被配置为经由第一气体流动通道1220传递N2进入鼓泡器1206，并且可以根据鼓泡器内容物而产生水蒸气或含VOC的蒸汽。第二MFC 1208被配置为稀释通道以控制经由第二气体流动通道1222的载体N2气体的流速。第三MFC 1210连接到氧气罐1212(工业级)并且被配置成形成第三气体流动通道1224。
第一气体流动通道、第二气体流动通道和第三气体流动通道在混合室1226中会聚，以在刚好将气体混合物送入气体流动室1214之前的某一点处形成含有分析物的气体混合物。气体流动室1214被配置成接收化学传感器元件200，化学传感器元件200包含多个石墨烯变容二极管。进入气体流动室1214的气流的上游侧连接到控制气态样本温度的比例-积分-微分(PID)加热器1216。电感、电容、电阻测量仪1218(例如，Agilent 4284A LCR测量仪)被连接到气体流动室1214，并用于测量任意数量的电容与栅极电压的关系(C-Vg)曲线，该曲线用于监测在化学传感器元件上的一个或多个石墨烯变容二极管的行为。
实施例2：在乙醇和氧气存在下裸石墨烯变容二极管的电响应
使用实施例1中描述的气体测量***，在乙醇和氧气存在下评估各种石墨烯变容二极管的电响应。在实验之前，裸石墨烯变容二极管在高真空(10-6托)120℃下烘烤12-18小时，以从石墨烯表面除去任何可能的吸附物。为了消除***中残留空气的影响，用400标准立方厘米/分钟(sccm)的N2流动对气体测量***的气体流动通道和流动室进行10分钟预吹扫。在记录任何数据之前，石墨烯变容二极管在-2V至2V之间扫描80-120次以进行稳定化。
为了分别观察石墨烯变容二极管的瞬时响应和由于暴露于各种分析物而导致的任何可能的记忆效应，化学传感器元件重复暴露于百万分之10,000(ppm)的氧气中20个循环和2105ppm的挥发乙醇(4％饱和度，稀释于N2)中40个循环。每个完整的迟滞测量循环由以下组成：在N2背景中将化学传感器元件暴露于氧气或乙醇中400-600秒的一系列正向扫描和反向扫描，接着是一系列在纯N2中相同长度的正向扫描和反向扫描。在所有条件下，总流速保持在1000sccm的恒定水平。在每一次气体暴露中，从-2V至2V以步长为20mV，测量十个C-Vg曲线。在第一方向上的正向扫描和在第二方向上的反向扫描之间的所有流动切换都发生在Vg＝-2V。
现在参考图13，示出了传递到流动室的气体(氧气上图，乙醇下图)的分析物浓度作为时间的函数的线图。在这段时间内，LCR计测量了化学传感器元件电容，Vg连续地从-2V扫描至2V并回到-2V。在由图13中的虚线框1302标记的时间帧期间收集的正向C-Vg(见图14)曲线表明，重复的O2暴露使VDF显著地向正方向移位，而重复的乙醇暴露显著地使VDF向负方向移位。为了简单起见，在图14中仅绘制了正向扫描的0至2V部分。
对整个实验的VDF、VDR和迟滞值进行外推，并对时间作图。现在参照图15，绘制外推的随时间的VDF和VDR值。(VDF–1502；VDR–1504)。现在参考图16，绘制外推的随时间的迟滞值。值得注意的是，氧气和乙醇都产生了两组叠加的信号：一组是瞬时的可逆信号，其可通过随后的氮气吹扫恢复；以及一组漂移信号，其在每个暴露循环上累积，但在幅度上要大得多。氧诱导的漂移使VDF和VDR两者都在正方向上移位。氧暴露逐渐降低化学传感器元件的迟滞。相反，由乙醇引起的漂移使VDR负向地移位，同时增加迟滞。
现在参考图17，示出了在如图15所示的第一时间1506期间采集的乙醇可逆信号的详细线图。如图17所示，VDF和VDR两者均向负方向移动，但是VDF的移位的幅度大于VDR移位的幅度，表明乙醇诱导了增加的化学传感器元件迟滞。现在参照图18，示出了在如图15所示的第二时间1508期间采集的氧可逆信号的详细线图。如图18所示，对于VDF和VDR来说移位的幅度几乎相同，因此表明响应于氧的迟滞信号很小。
实施例3：在乙醇或水和氧气存在下裸石墨烯变容二极管的电响应
使用甲醇或水代替乙醇作为挥发性有机化合物，重复实施例2中描述的VDF和VDR实验。如实施例2中所描述，在实验之前，裸石墨烯变容二极管在高真空(10-6托)在120℃下烘烤12-18小时，以从石墨烯表面除去任何可能的吸附物。为了消除***中残留空气的影响，用400标准立方厘米/分钟(sccm)的N2流动对气体测量***的气体流动通道和流动室进行10分钟预吹扫。在采集任何数据之前，化学传感器在-2V至2V之间扫描80-120次以进行稳定化。
现在参照图19，示出了传递到流动室的气体(氧气上图，水下图)的分析物浓度作为时间的函数的线图。将石墨烯变容二极管反复暴露于O2(10,000ppm)和H2O(1251ppm，4％饱和度)并如实施例2所示进行循环。图20中所示的线图示出了暴露于氧和水的裸石墨烯变容二极管的所得的外推VDF 2002、VDR 2004和迟滞响应2006。
现在参考图21，示出了输送到流动室的氧气(上图)和甲醇(下图)的分析物浓度作为时间的函数的线图。将石墨烯变容二极管反复暴露于O2(10,000ppm)和甲醇(6684ppm，4％饱和度)并如实施例2所示进行循环。图22中所示的线图示出了暴露于氧气和甲醇的裸石墨烯变容二极管的所得的外推VDF 2204、VDR 2204和迟滞响应2206。
水和甲醇二者在漂移和可逆信号方面都产生了与乙醇相同的趋势，如实施例2所描述。也就是说，由甲醇或水结合引起的漂移使VDR负向移位，并同时增加迟滞。
实施例4：在乙醇和氧气存在下四苯基卟啉氯化锰(III)官能化的石墨烯变容二极
管的电响应
按照实施例2的相同实验参数，在乙醇和氧气存在下评估用四苯基卟啉氯化锰(III)(Mn(III)TPPCl)官能化的各种石墨烯变容二极管的电响应，以监测官能化对VDF、VDR和迟滞值的影响。
将具有用Mn(III)TPPCl官能化的墨烯变容二极管的化学传感器元件在高真空(10-6托)、120℃下烘烤12-18小时，以从石墨烯表面除去任何可能的吸附物。为了消除***中残留空气的影响，用400标准立方厘米/分钟(sccm)的N2流对气体测量***的气体流动通道和流动室进行10分钟预吹扫。
现在参考图23，示出了输送到流动室的氧气(上图)和乙醇(下图)分析物浓度作为时间的函数的线图。将用Mn(III)TPPCl官能化的石墨烯变容二极管反复暴露于O2(10,000ppm)和乙醇(2105ppm，在N2中稀释的4％饱和度)并如实施例2所示进行循环。图24中所示的线图示出了暴露于氧气和甲醇的用Mn(III)TPPCl官能化的石墨烯变容二极管的所得的外推VDF 2402、VDR 2404和迟滞响应2406。
用Mn(III)TPPCl官能化的石墨烯与裸石墨烯在乙醇结合方面具有相同的总体趋势，只有一个不同之处。具体来说，官能化的样本上的漂移信号的幅度通常与裸石墨烯相同，但是由乙醇引起的可逆信号显示出与裸石墨烯相比明显的提高。
实施例5：石墨烯变容二极管的温度依赖的响应
测量了各种石墨烯变容二极管的温度依赖的响应，以确定温度对VDF、VDR和迟滞的影响。裸石墨烯变容二极管在高真空(10-6托)在120℃下烘烤12-18小时，以从石墨烯表面除去任何可能的吸附物。将经烘烤的石墨烯变容二极管连续暴露于10,000ppm氧气两个循环，然后暴露于1251ppm H2O(4％相对湿度)三个循环。每个感测循环之后都进行一个N2恢复循环，以观察可逆信号。在包括20℃至80℃的范围内的几个温度设定点重复上述暴露次序。
现在参考图25，示出了分析物气体浓度和温度随时间的变化。上面、中间和下面的图分别显示温度设定点、O2浓度和H2O浓度与时间的关系。升高温度斜坡序列(次序)之后是降低温度斜坡序列，以帮助区分化学传感器元件中由长期变化引起的依赖于温度的趋势。所有C-Vg曲线都是在-2V和2V之间测量的，并且总流速保持在1000sccm。
图26示出了从测量提取的VDF(实线)和VDR(虚线)值。石墨烯变容二极管连续暴露于O2和H2O导致VDF和VDR都漂移，如箭头2602所示。图28描绘出了迟滞程度随时间的变化，其中随着温度的升高而观察到增加的趋势。不受任何特定理论的限制，我们认为，随着温度变高，各条件有利于金属-氧化物介电层内氧化物阱的充电或放电，从而促成迟滞。这一趋势提供了证据，器件温度在第一个O2暴露循环时达到设定点且之后保持稳定。
图27示出了在减去背景之后的VDF和VDR，其中两条曲线与零的任何偏差表示可逆信号，如标记2702所示。在减去背景之后VDR的线图表明，随着温度的升高，O2可逆响应增加。然而，由在减去背景之后的VDF测得的H2O可逆信号显著降低，伴随着迟滞的持续降低。在每个温度阶段，第一个O2或H2O暴露循环产生了异常大的信号，这归因于由于背景拟合不完美而导致的假象。还使用相同的实验装置分析了甲醇、乙醇和甲基乙基酮(MEK)信号对温度的依赖性(数据未显示)，并且其显示了在VDF和VDR值方面与H2O相似的趋势因为它们显示出迟滞和VDR的降低。
从图27的数据中，根据以下方程提取各种气体相互作用的能量项：
其中S物理和S化学分别是物理吸附和化学吸附诱导的信号的幅度。Ed和Ea分别是物理吸附的解吸能和化学吸附的活化能，并且kB是玻尔兹曼常数。
对于可逆的O2和H2O信号来说，在每个温度下对最后一个感测循环的所有的VDR数据点进行求和。由H2O引起的漂移信号是通过比较在三个连续暴露的开始和结束时的VDR值，其幅度在图26中由箭头2602表示。所有信号幅度均在对数标度上相对于1/T(其中T是温度)来作图，如图29所示。如箭头2702所示，通过平均图27中最后暴露的最后三个数据点来计算可逆信号。实线表示拟合结果，来自线性拟合的斜率可以转化为能量项，如方程式1所示。拟合的能量项的负号表明信号来自类似化学吸附的相互作用。拟合的能量项的正号表明信号来自类似物理吸附的相互作用。如图30所总结的，来自VOC和H2O漂移信号的外推的活化能都是负的。对于可逆信号，H2O相互作用具有正能量项(解吸能)，而乙醇、甲醇和甲基乙基酮的结果接近于零，由于迟滞的长期降低，导致误差较大。
比较H2O、甲醇和乙醇(其均含有羟基)，得到的解吸能随着分子尺寸的增大而降低。唯一的例外是O2可逆信号，其具有负能量项。与可逆信号相关的活化能的符号的差异表明O2相互作用类似于化学吸附，而VOC和H2O与石墨烯的相互作用类似于物理吸附。
实施例6：石墨烯变容二极管的电压依赖的响应
在氧气和水存在的情况下，研究了作为Vg扫描范围的函数的在***中的漂移和可逆信号二者的效果。如图31(中间图和下图)所示，装置依次暴露于O2和H2O，用氮气恢复吹扫来分开两组信号。在不同的Vg扫描范围(图31中的上图)，重复该流动次序。Vg扫描窗口始终以0V为中心，调整步长以保持每个循环中恒定的暴露时间，从而使测量引起的漂移最小化。总流速保持在1000sccm的恒定值。
图32显示了所得到的VDF和VDR数据。值得注意的是，VDF 3202和VDR 3204测量的漂移信号和O2可逆信号都随着扫描范围的扩大而增加。然而，对于H2O可逆响应，扩大Vg扫描范围会导致VDF信号增加，但VDR信号下降。图33跟踪了迟滞的变化。迟滞随Vg扫描范围的增加而增加，这可能是由于介电层中氧化物阱的充放电导致滞后增加。
图34和35分别示出了从图32中的H2O暴露数据获得的计算出的可逆和漂移信号强度，其表明对于可逆响应来说，VDF和VDR信号具有对Vg扫描范围的相反的依赖性，而对于漂移响应来说，VDF和VDR信号二者都得到增强。结果表明，由VOC和H2O引起的可逆和漂移信号具有对Vg扫描范围的不同的依赖性。在某些情况下，当Vg扫描振幅足够大时，可逆响应的VDR信号改变其符号。
对于O2可逆信号(图32)来说，在VDF和VDR二者中，都观察到幅度提高，这表明是化学吸附机制。因此，O2漂移与由多次暴露引起的累积响应有关，但可以被氮气吹扫中断。使用乙醇、甲醇和甲基乙基酮重复分析(数据未显示)，其中观察到类似的趋势。在具有pyr-CH2OH官能化的石墨类的传感器上，以及在真空烘烤后的样本(数据未显示)，也观察到类似的趋势。结果表明，由VOC和H2O引起的可逆和漂移信号具有对Vg扫描范围的不同的依赖性。
分析表明，对于小的Vg扫描范围来说，石墨烯中的电荷调制很小，因此分子电荷的质心移动也很小。对于大的Vg扫描范围来说，石墨烯中的电荷调制很大，导致分子电荷的再分布较大。
实施例7：石墨烯变容二极管的浓度依赖的响应
研究了H2O浓度的影响。将裸石墨烯变容二极管暴露于具有不同H2O浓度的H2O/N2混合物。从-2V到2V的Vg扫描范围施加到裸石墨烯变容二极管。图36示出了腔室中作为时间的函数的H2O变化，而总流速在1000sccm保持恒定。数据显示，当暴露于较高浓度的分析物时该装置产生较大的VDF和VDR信号。通过在减去背景之后平均最后三个数据点来计算从来自每个暴露的迟滞、VDF和VDR测量的信号幅度(图37)。然后通过线性拟合外推以mV/ppm为单位的灵敏度，如实线所示。用不同的Vg扫描范围(包括3V、4V、5V、6V、5V、4V和3V)，重复该测量。在图38中示出作为Vg扫描范围的函数的得出的灵敏度。计算结果表明，VDF和迟滞灵敏度的绝对幅度随着扫描范围的增大而增大，而VDR灵敏度在整个该范围内改变符号。
实施例8：利用迟滞和正向狄拉克点的气体表征
还研究了迟滞效应在表征流体样本中的效用。四个阵列120个离散石墨烯变容二极管，有37种不同的表面化学，先在高真空(10-6托)在100℃下烘烤12-18小时，以从石墨烯表面除去任何可能的吸附物。为了消除***中残留空气的影响，用400标准立方厘米/分钟(sccm)的N2流动对气体测量***的气体流动通道和流动室进行3分钟预吹扫。
首先将阵列暴露于1000sccm N2流动30秒，同时测量若干正向和反向的C-Vg曲线。使用-1.5V至1.5V的扫描范围，步长为50mV。然后将阵列暴露在气体样本中40秒，同时测量更多的若干正向和反向的C-Vg曲线。测试的气体样本为2-丁酮(在N2背景中1026、10,263、51,316和102,631ppm)、己醛(在N2背景中148、1482、7408和14,815ppm)、乙醇(在N2背景中587、5872、29,361和58,722ppm)和N2。观察到响应于不同气体的C-Vg曲线的变化，并且提取VDF和迟滞信号进行分析。
主成分分析(PCA)用于降维，以确定来自不同气体样本的信号是否独特。来自VDF和迟滞的信号进行分开分析和组合分析。图39是当在特征集中仅包含VDF信号时主成分1(PC1)相对于主成分2(PC2)的对比图。每个点代表来自传感器阵列中所有120个离散变容二极管的VDF信号。针对每个气体浓度对四个阵列进行测试。一些己醛和乙醇的浓度可以清楚地区分，但大多数气体样本明显重叠，降低了气体分类的准确性。
图40是当在特征集中仅包括迟滞信号时PC1相对于PC2的对比图。每个点代表来自传感器阵列中所有120个离散变容二极管的迟滞信号。针对每个气体浓度对四个阵列进行测试。一些己醛浓度可以清楚地区分，但大多数气体样本明显重叠，降低了气体分类的准确性。
图41是当在特征集中仅包括VDF和迟滞信号二者时PC1相对于PC2的对比图。每个点代表来自传感器阵列中所有120个离散变容二极管的VDF和迟滞信号。针对每个气体浓度对四个阵列进行测试。由于在任何气体样本之间都没有观察到重叠，气体分类得到了显著改善。这些数据提供了将迟滞效应与VDF结合使用改善气体分类的证据。
应当注意的是，如本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”以及不使用数量词的情形包括复数指示物，除非内容另外明确指出。因此，例如，提及含有“一种化合物”或“化合物”的组合物包括两种或更多种化合物的混合物。还应当注意的是，术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非内容明确地另有说明。
还应当注意的是，如本说明书和所附权利要求中所使用的，短语“配置”描述了被构造或配置为执行特定任务或采用特定配置的***、装置或其他结构。短语“配置”可以与其他类似短语互换使用，例如布置和配置、构造和排布、构造、制造和排布等。
本说明书中的所有出版物和专利申请表明了本发明所属领域的普通技术人员的水平。所有出版物和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同每个单独的出版物或专利申请通过引用具体且单独地指出一样。
如本文所用，通过端点列举的数值范围应包括包含在该范围内的所有数值(例如，2至8包括2.1、2.8、5.3、7等)。
本文使用的标题是为了与37CFR 1.77下的建议保持一致，或者以其他方式提供组织线索。这些标题不应被视为限制或表征本公开内容可能提出的任何权利要求中阐述的发明。例如，尽管标题涉及“技术领域”，但此类权利要求不应受到在该标题下选择的用于描述所谓的技术领域的语言的限制。此外，“背景技术”中的技术描述并不承认该技术是本公开中的任何发明的现有技术。“发明内容”也不应被视为对已发布的权利要求中阐述的发明的表征。
本文描述的实施方式并不旨在是穷举的或将本发明限制于下面实施方式中公开的精确形式。而是，选择和描述实施方式使得本领域的其他技术人员能够领会和理解原理和实践。就其本身而言，已经参考各种具体和优选的实施方式和技术来描述了各方面。然而，应当理解，可以做出许多变化和修改，同时保持在本文的精神和范围内。
Claims (15)
1.一种用于分析流体样本的***，包括：
控制器电路；
化学传感器元件，所述化学传感器元件包括一个或多个离散结合检测器，所述一个或多个离散结合检测器包括一个或多个石墨烯变容二极管；和
测量电路装置，所述测量电路装置包括：
电压发生器，其中所述电压发生器被配置为生成在待施加到所述一个或多个石墨烯变容二极管的多个电压值处的施加电压，所述电压值落在从下限到上限的范围内；和
测量电路，所述测量电路包括电容传感器，其中所述电容传感器被配置成测量由所施加电压引起的所述离散结合检测器的电容，
其中，所述用于分析流体样本的***被配置为测量与由所述一个或多个石墨烯变容二极管获得的电容-电压值相关的迟滞效应。
2.权利要求1和3-9中任一项所述的***，其中所施加电压包括从下限或上限之一开始并移动到另一限的电压值，作为从下限到上限范围内的不同电压值的扫描的部分；并且
其中所述迟滞效应反映与所述石墨烯变容二极管的电容相关的可测量值的差异，所述差异源于在所述下限和上限之间的第一方向上的扫描与在所述下限和上限之间的第二方向上的扫描的比较，其中所述第二方向与所述第一方向相反。
3.权利要求1-2和4-9中任一项所述的***，其中在所述第一方向上的扫描之后有停顿，然后是在所述第二方向上的扫描。
4.权利要求1-3和5-9中任一项所述的***，其中在所述第一方向上的扫描之后进行在第二方向上的扫描构成迟滞测量循环，其中电压上限和电压下限在连接续的循环之间是变化的。
5.权利要求1-4和6-9中任一项所述的***，其中所述***被配置成利用确定的迟滞效应作为模式匹配操作中的数据输入，其中所述模式匹配操作的结果表征所述流体测试样本和/或提供所述流体测试样本的患者。
6.权利要求1-5和7-9中任一项所述的***，其中所述***被配置为计算所述离散结合检测器在所述第一方向上的扫描的第一狄拉克点电压以及所述离散结合检测器在所述第二方向上接续扫描的第二狄拉克点电压。
7.权利要求1-6和8-9中任一项所述的***，其中所述控制器电路被配置为计算在多个迟滞测量循环中测量的性质的平均迟滞变化值。
8.权利要求1-7和9中任一项所述的***，其中所述***被配置为通过评估所述一个或多个离散结合检测器的一个或多个性质的迟滞效应来确定气态样本中存在的一个或多个分析物的种类。
9.权利要求1-8中任一项所述的***，其中所述***被配置为通过评估电容-电压数据的一个或多个参数的迟滞变化来测量流体样本中的分析物存在。
10.一种用于评估流体样本的方法，包括：
使包括一个或多个离散结合检测器的化学传感器元件与所述流体样本接触，其中每个离散结合检测器包括石墨烯变容二极管；
向所述石墨烯变容二极管施加电压，作为一段时间内的一系列迟滞测量循环的部分，其中每个迟滞测量循环包括向石墨烯变容二极管施加电压，作为在第一方向上以及然后在第二方向上在一定电压范围内的扫描的部分，所述第二方向与所述第一方向相反；
测量由施加的电压引起的每个离散结合检测器的电容；以及
确定所述一段时间内所测量的电容值有关的迟滞效应。
11.权利要求10和12-15中任一项所述的方法，其还包括基于测量到的由第一独特流体混合物和第二独特流体混合物中的每一个呈现的迟滞效应，将所述第一独特流体混合物与所述第二独特流体混合物区分开。
12.权利要求10-11和13-15中任一项所述的方法，其还包括至少部分地基于所确定的一个或多个参数的迟滞效应来表征所述流体样本。
13.权利要求10-12和14-15所述的方法，其还包括通过将从分析流体样本收集的数据与和疾病状态相对应的预定数据模式进行匹配来识别个体的疾病状态，所述收集的数据包括关于迟滞效应的数据。
14.权利要求10-14和15所述的方法，其进一步包括
确定由所施加的电压引起的每个离散结合检测器的电容-电压数据的一个或多个参数，并且；
基于所确定的迟滞效应和电容-电压数据的所述一个或多个参数的组合对流体样本内的离散分析物进行分类。
15.权利要求10-14所述的方法，其中确定电容-电压数据的一个或多个参数包括确定由所施加的电压引起的每个离散结合检测器的正向狄拉克点电压。
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