用于检测病原体的系统、设备和方法与流程

背景技术：

1、用于检测样品中病原体的常规诊断试验(例如应用于生物和环境样品的rt-pcr试验)有各种缺点。例如，许多常规试验耗时，在临床实验室中可能需要使用昂贵设备，可能需要受过训练的人员来进行试验，可能是高成本的和/或可能易受供应链中断与缺乏所需专用试剂而受影响。此外，许多常规试验(诸如常规血清学试验)可能缺乏所需要的灵敏度，这可能导致产生大量的假阳性。

技术实现思路

1、本技术公开了用于检测样品中一种或多种目标病原体的系统以及相应的方法。所公开的系统以及相应的方法可以通过检测病原体的一种或多种蛋白质和一种或多种遗传组分(例如核糖核酸(rna)和脱氧核糖核酸(dna))来鉴别样品中目标病原体的存在。本文中所公开的系统通过提供对检测病原体的全面、稳健、准确且快速的试验而克服现有常规试验的缺点。

2、在一些方面中，公开了用于检测与样本/样品中的病原体相关的至少一种蛋白质和至少一种遗传组分的一次性盒。一次性盒包括盒框体，其包括：用于接收样本/样品的样品入口端口、被配置以检测与病原体相关的目标蛋白质的第一传感器、被配置以检测与病原体相关的目标遗传组分的第二传感器、用于储存供制备用于检测目标蛋白质的样品的蛋白质缓冲液的第一储液器、用于储存供制备用于检测遗传组分的样品的遗传缓冲液的第二储液器，其中蛋白质和遗传缓冲液之一的至少一种试剂不存在于另一缓冲液中，及至少一个释出机构，其耦合第一储液器和第二储液器以用于释出第一储液器的至少一部分液体以转移至第一传感器且用于释出第二储液器的至少一部分液体以转移至第二传感器。

3、根据本教导的盒可用于多种检测系统，诸如护理点(point-of-care，poc)诊断系统、用于监控和/或监测和/或诊断目的的高通量系统。

4、虽然以下讨论中描述了根据本教导的盒用于生物样本的分析，但应理解根据本教导的盒可用于分析多种不同类型的样本。例如，可使用盒来分析生物样本/样品(诸如液体生物活检样本和呼吸样品)以及环境样品(诸如空气样品和废水样品)。

5、盒可以包括第一样品转移流体通道，其自样品入口端口延伸至第一储液器的入口端口以将生物样本的至少第一部分转移至第一储液器，其中生物样本的第一部分与蛋白质缓冲液的相互作用产生第一处理样品。

6、盒还可以包括第二样品转移流体通道，其被配置以将生物样本的至少第二部分递送至第二储液器的入口端口，其中生物样本的第二部分与遗传缓冲液的相互作用产生第二处理样品。

7、盒可以包括第一样品递送流体通道以将第一处理样品转移至第一传感器。盒可以包括与第二储液器流体连通的扩增孔以接收从第二储液器释出的第二处理样品，其中扩增孔包括扩增一种或多种遗传组分所需的一种或多种试剂以产生经扩增的样品。

8、盒可以包括第二样品递送流体通道以将经扩增的样品递送至第二传感器。此外，盒包括热耦合至扩增孔的加热装置以及加热和冷却装置中的任一种。

9、可在根据本教导的盒中使用多种传感器。这类传感器的一些实例包含(但不限于)电化学传感器、光学传感器、比色法传感器等。

10、第一传感器和第二传感器各自可为电化学传感器。第一电化学传感器可以包括经展现与目标蛋白质特异性结合的第一亲合性结合元件官能化的工作电极，且第二电化学传感器可以包括经展现与目标遗传组分特异性结合的第二亲合性结合元件官能化的工作电极。

11、第一亲合性结合元件可以包括一种或一对匹配的抗体、一种或一对匹配的单抗体(monobody)、一种或一对匹配的纳米抗体、适体、somamer、raptomer和megastar中的任一种，第二亲合性结合元件可以包括具有相对于目标遗传组分互补的寡核苷酸序列的寡核苷酸。备选地或额外地，目标遗传组分可以包括dna和/或rna片段中的任一种。

12、此外，生物样本可为液体生物活检样品。例如，生物样本可为唾液和/或血液样本。生物样本亦可为呼吸样品，其可使用呼吸收集装置来收集与浓缩。可使用根据本教导的盒来检测各种病原体，诸如病毒和细菌。例如，病毒可以是sars-cov-2。

13、此外，根据本教导的盒可以被配置以与系统的分析模块通讯以将由传感器产生的信号转移至分析模块。分析模块可以被配置以操作所接收的信号，从而确定目标病原体是否存在于所分析的样品中。

14、在一些实施方案中，第一传感器可以包括第一多个感测单元，其用于检测与病原体相关的多种不同目标蛋白质，使得感测单元各自被配置以检测多种目标蛋白质中的一种不同蛋白质。第二传感器可以包括第二多个感测单元，其用于检测与病原体相关的多种不同目标遗传组分，使得第二多个感测单元各自被配置以检测多种遗传组分中的一种不同遗传组分。第一多个感测单元可以包括多个电化学传感器，其各自经不同亲合性结合元件官能化，使得亲合性结合元件各自展现与不同目标蛋白质之一的特异性结合。此外，第二多个感测单元可以包括多个电化学传感器，其各自经不同亲合性结合元件官能化，使得亲合性结合元件各自展现与不同目标遗传组分之一的特异性结合。适当的亲合性结合元件的一些实例可以包括抗体、适体、somamer、纳米抗体、单抗体(monobody)、megastar或其组合中的任一种。适用于检测目标病原体的遗传组分的亲合性结合元件的另一实例可以包括(但不限于)与相对于感兴趣的目标病原体具有互补核苷酸序列的寡核苷酸。

15、在一些实施方案中，根据本教导的盒可以包括至少一个透光的窗以允许光通入并入盒内的一个或多个孔和/或传感器。例如，在一些实施方案中，其中并入盒中的传感器为比色法传感器，诸如可允许目视检查传感器的透明窗。

16、备选地或额外地，盒框体可以包括聚合物层，其中并入上述各种储液器和传感器。例如，在一些实施方案中，聚合物层可由pdms或聚氨酯形成，但也可使用任何其他适合的聚合物。

17、在相关的方面中，公开用于检测与样本/样品中病原体相关的至少一种蛋白质和至少一种遗传组分的一次性盒，其包括具有用于接收生物样本的样品接收孔的盒框体、用于储存供制备用于检测目标蛋白质的样本/样品的蛋白质缓冲液的第一储液器、用于储存供制备用于检测遗传组分的样品的遗传缓冲液的第二储液器，其中蛋白质和遗传缓冲液中至少一个的至少一种试剂不存在于另一缓冲液中。盒可进一步包括第一样品处理孔和第二样品处理孔，第一样品处理孔与样品接收孔和第一储液器流体连通以接收所收集样品的第一部分和至少一部分蛋白质缓冲液，其中样品与蛋白质缓冲液的相互作用产生第一处理样品，第二样品处理孔与样品接收孔和第二储液器流体连通以接收样品的第二部分和至少一部分遗传缓冲液，其中样品的第二部分与遗传缓冲液的相互作用产生第二处理样品。第一传感器与第一样品处理孔流体连通以接收第一处理样品以检测与病原体相关的目标蛋白质，且第二传感器与第二样品处理孔流体连通以接收第二处理样品以检测与病原体相关的目标遗传组分。

18、如上所讨论，盒可用于多种检测系统，诸如护理点(poc)诊断系统、用于监控和/或监测和/或诊断目的的高通量系统。

19、虽然以下讨论中描述了根据本教导的盒用于生物样本的分析，但应理解根据本教导的盒可用于分析多种不同类型的样本。例如，可使用盒来分析生物样本/样品(诸如液体生物活检样本和呼吸样品)以及环境样品(诸如空气样品和废水样品)。

20、在一些实施方案中，探针可以是适体、somamer、抗体和/或raptomer、纳米抗体、单抗体、megastar或其组合。

21、在另一方面中，公开一种用于检测生物样本(诸如，呼吸样品)中的目标病原体(例如病毒或细菌)的传感器，其包括至少两个感测单元，其中一个感测单元被配置以检测与目标病原体相关的至少一种蛋白质(诸如结构蛋白)，而另一个感测单元被配置以检测与病原体(例如该病原体特有的rna和/或dna片段)相关的至少一种rna或dna片段。传感器可以包括具有用于接收样本的腔室。样本可为待检测的个体所呼出的一份或多份呼吸样品。样本可为在与盒附接或脱离的样本收集管中收集的唾液、痰、鼻腔分泌物(鼻腔或鼻咽部)。位于腔室中的储液器可以包括用于处理样品的一种或多种样品处理试剂。储液器可在易碎裂性膜与阀之间形成，所述阀可被致动以将经处理的样品递送到感测单元。如以下更详尽的讨论，可使用样品递送装置来刺破易碎裂性膜以将样品递送到储液器。

22、如以下更详尽的讨论，在一些实施方案中，储液器可以包括两个腔室，其通过隔板彼此分开，其中在一个腔室中储存一种或多种样品处理试剂用于处理样品以检测至少一种目标蛋白质(在本文中该样品处理试剂亦称为“蛋白质处理缓冲液”)，且在另一个腔室中储存一种或多种样品处理试剂用于处理样品以检测至少一种目标rna和/或dna片段(在本文中该样品处理试剂通常称为“rna/dna处理缓冲液”或“遗传处理缓冲液”)。同样地，可刺破覆盖腔室的易碎裂性膜以允许将一份或多份样品(例如呼吸样品)引入至两个腔室中。

23、各腔室可以包括经由一个或多个流体通道流体耦合至各自感测单元的出口。更具体地，储存蛋白质处理缓冲液的腔室经由流体管线耦合至一个或多个感测单元，其经本文中所讨论的方法配置以检测与目标病原体相关的至少一种蛋白质，和储存rna/dna处理缓冲液的腔室经由另一流体管线耦合至一个或多个感测单元，其经本文中所讨论的方法配置以检测目标病原体的一种或多种rna和/或dna序列(通常是该病原体特有的片段)。分析仪可接收由感测单元产生的信号以确定目标病原体是否存在于样品中。更具体地，当蛋白质检测和rna/dna检测感测单元均提供阳性信号(即，指示蛋白质和rna/dna片段存在的信号)，分析仪可指示目标病原体存在于样品中。根据下文详细描述的各种实施方案，感测单元可呈电化学分析电池的形式。

24、上述传感器可耦合至呼吸收集装置，所述呼吸收集装置包括口鼻器和管，所述口鼻器用于与使用者的呼吸道接合以接收来自使用者的一份或多份呼吸样品，所述管与用于接收一份或多份呼吸样品的口鼻器流体连通，其中所述管被配置以与传感器接合以将一份或多份呼吸样品递送至传感器。在将管的远端部插入传感器的腔室内时，远端部可刺破覆盖储液器的聚合物封膜，由此允许所收集的呼吸样品被引入至储液器内。

25、在相关的方面中，所公开的传感器包括具有第一部分和第二部分的外壳，以及位于这些部分之间的控制阀以控制流体在这些部分之间的流动。第一部分提供具有开口的腔室，该开口用于接收呼吸收集装置的管，用于将由个体呼出的一份或多份呼吸样品递送至该腔室内。位于腔室中的储液器可储存一种或多种样品处理试剂。储液器可以包括易碎裂性膜，其被配置以通过将管插入腔室内而被刺破，由此允许呼吸样品与储存在储液器中的试剂混合。至少一个电化学分析电池位于外壳的第二部分中。耦合控制阀的致动器可以控制阀以允许呼吸样品与样品处理试剂的混合物被递送至电化学分析电池，其中该电化学电池被配置在至少一种目标病原体存在于该一份或多份呼吸样品时产生物检测信号。

26、电化学分析电池可以包括工作电极(本文中也称为感测电极)、对电极和参比电极。工作电极可以本文中讨论的方式官能化以配置电化学分析电池检测与目标病原体相关的一种或多种蛋白质或一种或多种rna和/或dna片段。更具体地，至少一种适体或至少一种寡核苷酸可以偶联至工作电极，其中该至少一种适体被配置以与病原体相关的至少一种蛋白质特异性结合，至少一种寡核苷酸包含与病原体的至少一种rna或dna片段的核苷酸序列互补的核苷酸序列。

27、在一些实施方案中，在工作电极上设置多个碳纳米管，其中多个碳纳米管经至少一种适体官能化，该至少一种适体被配置以与病原体相关的至少一种蛋白质特异性结合，或经至少一种寡核苷酸官能化，寡核苷酸具有与该病原体的至少一种rna或dna片段的核苷酸序列互补的核苷酸序列。

28、在一些实施方案中，序列特异性寡核苷酸或蛋白质特异性适体将经由寡核苷酸dna锚而锚定至swcnt。例如，可使用8-15个at(腺嘌呤、胸腺嘧啶)重复序列作为dna锚以将寡核苷酸附接至swcnt(用于识别病原体的基因组中的特异性序列)，或将适体附接至swcnt(用于识别病原体的特定蛋白质)。在一些实施方案中，可将核酸间隔子或接头，诸如又称为heg间隔子(六乙二醇)的间隔子18置于寡核苷酸或适体的5'或3'以偶联至swcnt。除了单一heg间隔子，多个heg间隔子重复序列(例如，3或5个重复)可用于配置寡核苷酸或适体的最佳定位和最佳表达，用以识别和捕获其目标序列或目标蛋白质。

29、当病原体存在于样品时，在与病原体相关的至少一种蛋白质或至少一种rna或dna片段分别与关于工作电极的适体或寡核苷酸中至少一个结合时，电化学分析电池产生检测信号。在一些实施方案中，工作电极可经自组装单层(sam)官能化。例如，可在金或碳电极表面下产生生物素-sam。

30、在一些实施方案中，可将多个不同类型的适体与工作电极偶联，其中适体被配置以与目标蛋白质的不同表位结合。此外，在一些实施方案中，可将多个不同类型的寡核苷酸与工作电极偶联，其中不同类型的寡核苷酸具有与目标病原体的不同rna或dna片段互补的序列。

31、可使用根据本教导的系统和方法来检测各种病原体，诸如病毒和细菌。例如，可使用所述系统和方法来检测样品中的冠状病毒(例如sara-cov-2病毒)和流感病毒。

32、在一些实施方案中，储液器在易碎裂性膜与控制阀之间形成。可以用例如聚合材料(诸如赛璐玢(cellophane)或聚氨酯)形成易碎裂性膜。可选择易碎裂性膜的厚度来确保实现储液器的适当密封，同时允许经由施加适度的力刺破膜。例如，易碎裂性膜可具有范围在约0.5mm至约1mm的厚度。

33、外壳亦可由聚合材料形成。例如，可使用pdms(聚二甲基硅氧烷)来制造外壳，包括聚合材料。

34、在一些实施方案中，传感器可耦合呼吸收集装置，呼吸收集装置包含用于呼吸收集的口鼻器和管，呼吸收集装置可与使用者的呼吸道接合以接收来自使用者的一份或多份呼吸样品，所述管与用于接收一份或多份呼吸样品的口鼻器流体连通，其中管被配置以与传感器接合以将一份或多份呼吸样品递送至传感器。管中可以放置过滤器，用于抑制至少一部分(优选地基本上全部)的目标病原体(以及存在于呼吸样品中的其他病原体)进入外界环境。特别是，管可以包括压力释放阀，当口鼻器内的压力超过阈值时可开启。过滤器可被置于该压力释放阀的上游以抑制存在于呼吸样品中的任何病原体散逸至外部环境。

35、此外，管中可以放置单向阀以在呼吸样品引入储液器时防止储存在储液器中的一种或多种试剂回流。

36、当病原体存在于样品时，在与病原体相关的至少一种蛋白质或至少一种rna或dna片段分别与至少一种适体或寡核苷酸结合时，上述传感器中的电化学电池产生检测信号。

37、传感器可进一步包括分析模块，其与电化学分析细胞通讯以接收由电化学细胞产生的检测信号并处理这些检测信号来确定目标病原体是否存在于样品中。例如，在一些实施方案中，当由蛋白质检测感测单元和rna/dna检测感测单元两者产生的检测信号超过特定的预定阈值时，分析仪可以指示目标病原体存在于样品中。

38、在一些实施方案中，传感器可设置在一次性盒中。

39、在一些实施方案中，传感器可以包括多个感测单元，其中感测单元之一个包括适体官能化的碳纳米管，感测单元的另一个包括寡核苷酸官能化的碳纳米管。在一些此类实施方案中，碳纳米管经展现与目标病原体的至少一种蛋白质的不同表位特异性结合的多个适体官能化。

40、在一些实施方案中，外壳包括顶表面和底表面。在一些此类实施方案中，电化学分析电池的工作电极位于底表面附近，且储液器在易碎膜与至少一部分顶表面之间形成。外壳可进一步包括前表面(在前表面中形成孔)和相对的背表面。在一些此类实施方案中，储液器在易碎膜与相对的背表面的至少一部分之间形成。

41、如上所提及，可以用聚合材料(诸如软性聚氨酯或其他适合的聚合物)形成易碎膜。此外，可以用聚合材料(诸如pdms)形成外壳。

42、在相关方面中，公开检测呼吸样品中的病原体的方法，其包括收集来自个体的一份或多份呼吸样品，将呼吸样品与一种或多种试剂混合以制备至少一种病原体(当至少一种病原体存在于呼吸样品中时)以供检测，将至少一部分混合物引入电化学电池(其被配置以检测与病原体相关的至少一种蛋白质)，并将另一部分混合物引入电化学电池(其被配置以检测与病原体相关的至少一种rna和/或dna片段)，其中电化学电池各自产生响应蛋白质和/或rna/dna片段检测的检测信号。当两个电化学电池均产生指示病原体存在于研究样品中的阳性检测信号时，则证实病原体存在于样品中。

43、在相关方面中，公开用于鉴别冠状病毒的新型变异体的方法，其包括将一部分生物样本引入至多个单壁碳纳米管，所述多个单壁碳纳米管经展现与冠状病毒的已知变异体之至少一种结构蛋白特异性结合的至少一种适体官能化，其中结构蛋白在不同已知冠状病毒变异体间展现至少约80％或至少约90％的同源性，监测适体官能化的多个碳纳米管响应与生物样本相互作用的至少一个物理或化学性质，以确定结构蛋白是否存在于样品中，将另一部分生物样本引入至经多个不同寡核苷酸序列官能化的多个单壁碳纳米管，其中寡核苷酸序列各自与已知冠状病毒之一所特有的rna片段互补。这可以接着监测经寡核苷酸官能化的碳纳米管的至少一个物理或化学性质来确定rna片段中的任一种是否存在于样品中，其中不存在rna片段而存在至少一种结构蛋白指示该样品中存在冠状病毒的新型变异体。可使用类似方法来检测其他病原体的新型变异体，其中与病原体的不同变异体之间展现高同源性的一种或多种蛋白质是可获得的。

44、在相关方面中，公开用于检测呼吸样品以外的生物样本中的病原体的系统，其中根据本教导的传感器可接收此类生物样本。被配置以收集唾液样品的此类样品收集装置的实例在以下更详细的讨论。根据本教导的传感器亦可用于检测血液和尿液以及其他生物样本中的病原体。例如，在一些实施方案中，常规样品收集装置可用于收集血液和/或尿液样品，且收集的样品可引入根据本教导的传感器的一个或两个储液器中，如，使用注射器或其他适合的器具进行。

45、在另一方面中，公开一种空气监测系统，其包括提供用以接收环境空气的一个或多个样品的腔室的空气收集模块、被配置与空气收集模块可移除式耦合的至少一传感器，传感器包括入口可致动阀，入口可致动阀在传感器与空气收集模块耦合时将传感器与腔室分开，使得入口可致动阀的致动允许将腔室中含有的至少一部分空气引入至传感器中。传感器可以包括：至少第一感测单元，其被配置当目标生物颗粒存在于所取样的空气中时检测与目标生物颗粒相关的至少一种蛋白质，和至少第二感测单元，其被配置当目标生物颗粒存在于所取样的空气中时检测目标生物颗粒的至少一种遗传组分。

46、空气收集模块可进一步包括至少一个进气口，环境空气可通过进气口进入腔室。在一些实施方案中，过滤器可相对于进气口定位，使得环境空气在进入腔室前通过过滤器。此外，在一些实施方案中，系统可以包括位于进气口附近的叶轮以促使环境空气通过进气口引入腔室中。

47、在一些实施方案中，生物颗粒可为病原体，如细菌或病毒颗粒。

48、此外，第一感测单元可以包括呈电化学传感器形式的至少一个感测模块，该电化学传感器具有经展现与生物颗粒相关的至少一种蛋白质特异性结合的至少一种亲合性结合元件官能化的感测电极。感测电极可经多种不同亲合性结合元件官能化。例如，亲合性结合元件可为适体、寡核苷酸、玛琳基(morpholino)和/或亲合体(affimer)，但也可使用可展现与感兴趣的蛋白质特异性结合的任意适当的亲合性结合元件。在一些实施方案中，此类亲合性结合元件可展现低至纳摩尔范围(10-9)至皮摩尔范围(10-12)的结合亲合性。

49、第一感测单元可以包括多个感测模块，所述感测模块经不同亲合性结合元件官能化，使得所述感测模块各自能够检测与感兴趣的生物颗粒相关的不同蛋白质。以此方式，可制造多任务感测单元，其允许同时检测多个与生物颗粒相关的蛋白质。

50、第二感测单元可以包括具有电化学传感器的至少一个感测模块，该电化学传感器具有经展现与生物颗粒的至少一种遗传组分(例如rna和/或dna片段)特异性结合的至少一种亲合性结合元件官能化的感测电极。例如，此类亲合性结合元件可为具有与目标遗传组分的核苷酸序列互补的核苷酸序列的寡核苷酸。

51、传感器可以包括位于入口阀下游的多孔冲击材料和喷嘴，所接收的空气样品可通过入口阀而向多孔冲击材料加速，其中当至少一种目标生物颗粒存在于所接收的空气样品中时，多孔冲击材料被配置以将至少一种目标生物颗粒与存在于空气样品的至少一些其他颗粒分开，使得至少一部分目标生物颗粒可到达位于冲击材料下游的捕获过滤器。

52、冲击材料和捕获过滤器可置于密封件(本文中亦称为孔)中。在一些此类实施方案中，用于储存缓冲液的缓冲液储液器相对于密封件(孔)定位，所述缓冲液适用于从捕获过滤器移除至少一部分经捕获的生物颗粒，使得在致动将缓冲液与密封件分开的阀时，储存的缓冲液可被释出至密封件中，使得缓冲液可以与捕获过滤器接触并从过滤器释出至少一部分目标生物颗粒至缓冲液内(缓冲液和所释出的生物颗粒的混合物在本文中称为“缓冲液样品”)。

53、密封件可以包括设置有阀的表面以调节将缓冲液样品引入下游导管，接着通过其两个支线引导至储存处理试剂的两个储液器中。该储液器之一中的处理试剂适用于提取与生物颗粒相关的至少一种遗传组分(例如rna或dna片段)，而另一储液器中的处理试剂适用于促进检测与生物颗粒相关的至少一种蛋白质的检测。

54、两个储液器各自包括入口阀和出口阀，其中当致动入口阀时，部分缓冲液样品流进各自储液器以与储存于该储液器的处理试剂混合，从而产生蛋白质检测样品或遗传检测样品。在致动各个储液器的出口阀时，可将各个检测样品引入各自的感测单元中。更具体地，可将蛋白质检测样品引入被配置以检测一种或多种蛋白质的感测单元中，以及将遗传检测样品引入被配置以检测生物颗粒的至少一种遗传组分的感测单元中。

55、系统可进一步包括与感测单元的感测模块连接的至少一检测器，其用于测量感测单元的电化学传感器中任一个的至少一电性质并产生指示经测量的电性质的一个或多个检测信号。在一些实施方案中，电性质可为例如与感测模块相关的电化学传感器的阻抗，其中阻抗可以响应目标生物颗粒与传感器的工作电极的相互作用而改变。

56、各感测单元可具有其专用检测器以测量感测单元的感测模块的一个或多个电性质，并响应此测量而产生检测信号。备选地，传感器可以包括单一检测器，其可通过将检测器与这些感测模块耦合的多路复用器(例如连续地)讯问(interrogate)感测单元的电化学传感器。

57、空气监测系统可进一步包括控制器，其与多路复用器连接以控制多路复用器，使得多路复用器可将检测器以串联的方式耦合至感测模块，使得检测器可一次讯问一个感测模块。控制器亦可与检测器连接以接收由检测器产生的检测信号。控制器进一步被配置以处理检测信号以确定检测信号是否指示由产生检测信号的感测模块检测到与目标生物颗粒相关的蛋白质或遗传组分

58、备选地或额外地，空气监测系统可进一步包含报警系统，其与控制器连接以响应于由控制器产生的控制信号而产生报警信号，控制信号指示所收集的环境空气中的目标颗粒的检测。在一些实施方案中，报警系统和控制器作为一个集成单元来实施。在另一些实施方案中，报警系统和控制器可彼此远离且经由空气监测系统的一个或多个通讯模块彼此连接。可使用多种连接协议，包含数种已知无线连接协议来建立控制器与报警系统之间的通信链接。

59、在另一方面中，公开用于检测分析物的传感器，其包括至少一个感测单元，所述感测单元包括经展现与分析物特异性结合的至少一种第一亲合性结合元件官能化的感测电极，使得分析物与亲合性结合元件的结合改变感测电极的至少一个电性质，并且包括至少另一个感测单元，其包括用于执行表面增强拉曼光谱(sers)的表面，其中sers表面经展现与该分析物特异性结合的至少一种第二亲合性结合元件官能化，用于响应分析物与经官能化的sers表面的结合而获得与分析物和亲合性结合元件中的任一种相关的拉曼信号。在一些此类实施方案中，使用单一电极实现电化学和拉曼感测，该单一电极为电化学传感器的工作电极，且亦被配置为sers基材。

60、在一些实施方案中，第一亲和性结合元件和第二亲合性结合元件是相同的，而在其他实施方案中，第一亲合性结合元件可与第二亲合性结合元件不同。

61、传感器可进一步包含激光器(例如二极管激光器)，其可产生适用于激发分析物和亲合性结合元件任一种的至少一种拉曼活跃模式的辐射。传感器可进一步包括光检测器，其用于检测响应至少一个拉曼活跃模式的激发而产生的拉曼散射辐射并产生至少一个拉曼检测信号。

62、传感器亦可以包括另一个检测器(在本文中简称为“电检测器”)，其与感测电极连接以测量感测电极的电性质并产生指示测量的性质(例如感测电极的电阻改变)的检测信号。

63、传感器亦可以包括与光检测器和电检测器连接的分析仪，其用以接收拉曼以及电检测信号并处理这些信号以确定拉曼检测信号和电检测信号中的任一种是否指示分析物(例如目标病原体)与亲合性结合元件特异性结合。在一些实施方案中，当拉曼和电信号两者均指示分析物存在于样品时，分析仪被配置以指示研究的样品中存在分析物。

64、在一些方面中，公开一种传感器。传感器包含外壳，所述外壳包括第一部分和第二部分、位于第一部分与第二部分之间的控制阀，第一部分提供具有开口的腔室，用于接收呼吸收集装置的管，以将个体的一份或多份呼吸样品递送至腔室内，位于腔室中的储液器，用于储存一种或多种样品处理试剂，该储液器具有易碎裂性膜，其被配置以通过将管插入至腔室中而被刺破，由此允许一份或多份呼吸样品与一种或多种样品处理试剂混合，位于第二部分中的电化学电池，以及耦合至控制阀的致动器，其用以控制该阀以允许一份或多份呼吸样品和一种或多种样品处理试剂的混合物被递送至电化学电池，其中电化学电池被配置以在至少一种目标病原体存在于一份或多份呼吸样品时产生检测信号。

65、在另一方面中，公开一种用于检测呼吸样品中的病原体的系统。系统包含被配置以检测样品中的目标病原体的传感器，以及呼吸收集装置，其包括口鼻器和管，所述口鼻器用于与使用者的呼吸道接合以接收来自使用者的一份或多份呼吸样品，所述管与接收一份或多份呼吸样品的口鼻器流体连通，管被配置以与传感器接合以将一份或多份呼吸样品递送至传感器。传感器包含外壳，外壳包括第一部分和第二部分、位于第一部分和第二部分之间的控制阀，第一部分提供具有开口的腔室，其用于接收呼吸收集装置的管以将个体的一份或多份呼吸样品递送至腔室内，位于腔室中的储液器，其用于储存一种或多种样品处理试剂，该储液器具有易碎裂性膜，其被配置以通过将管插入至腔室中而被刺破，由此允许一份或多份呼吸样品与一种或多种样品处理试剂混合，位于第二部分中的电化学电池，耦合至控制阀的致动器，其用以控制该阀以允许一份或多份呼吸样品和一种或多种样品处理试剂的混合物被递送至电化学电池，其中电化学电池被配置以在至少一种目标病原体存在于一份或多份呼吸样品时产生检测信号。

66、在另一方面中，公开一种传感器。传感器包含外壳，以及设置在外壳内的至少一个感测单元。感测单元包含具有工作电极、对电极和参比电极的至少一个电化学电池，与工作电极偶联的至少一种适体或至少一种寡核苷酸，其中至少一种适体被配置以与病原体相关的至少一种蛋白质特异性结合，至少一种寡核苷酸包含与病原体的至少一种rna或dna片段的核苷酸序列互补的核苷酸序列，设置在外壳中的孔，其用于接收被配置以收集生物样品的器具，位于外壳内的至少一个内部突出物，其用于当器具被接收于外壳内时将器具与电极分隔开，以及用于储存试剂的储液器，所述试剂用以处理生物样品，储液器具有易碎膜，其中储液器位于外壳内且该器具被配置使得当器具插入至外壳内时刺破膜以释出至少一部分试剂到至少一部分器具上，从而将至少部分生物样品引入至经官能化的工作电极上。

67、在一些方面中，公开一种用于检测病原体的系统。系统包括呼吸输入装置，其用于与使用者的呼吸道直接连通接合以接收来自使用者的一份或多份呼吸样品，呼吸输入装置包括用于接收器具的通道，所述器具用于收集存在于一份或多份呼吸样品的至少一部分的气溶胶(如果有的话)，以及传感器。传感器包含外壳，以及设置在外壳内的至少一个感测单元。感测单元包括具有工作电极、对电极和参比电极的至少一个电化学电池，与工作电极偶联的至少一种适体或至少一种寡核苷酸，其中至少一种适体被配置以与病原体相关的至少一种蛋白质特异性结合，至少一种寡核苷酸包含与病原体的至少一种rna或dna片段的核苷酸序列互补的核苷酸序列，设置在外壳中的孔，其用于接收器具，位于外壳内的至少一个内部突出物，其用以当器具被接收于外壳内时将器具与电极分隔开，以及用于储存用于生物样品(当存在于经收集的气溶胶中时)的试剂的储液器，该储液器具有易碎膜，其中该储液器位于外壳内且该器具被配置使得当器具插入至外壳内时刺破膜以释出至少一部分试剂到至少一部分器具上，从而将至少部分生物样品引入至经官能化的工作电极上。

68、在一些方面中，公开一种传感器。传感器包括外壳，以及设置在外壳内的至少一个感测单元。感测单元包含具有工作电极、对电极和参比电极的至少一个电化学电池，设置在至少一个工作电极上的多个碳纳米管，多个碳纳米管经由配置与病原体相关的至少一种蛋白质特异性结合至少一种适体官能化，或经由具有与病原体的至少一种rna或dna片段的核苷酸序列互补的核苷酸序列的寡核苷酸官能化，设置于外壳的孔，其用于接收被配置以收集生物样品的器具，位于外壳内的至少一个内部突出物，其用以当器具被接收在外壳内时将器具与电极分隔开，以及用于储存一种或多种试剂的储液器，所述试剂用于处理生物样品，储液器具有易碎膜，其中该储液器位于外壳内且该器具被配置使得当器具插入至外壳内时刺破膜以释出至少一部分试剂到至少一部分器具上，从而将至少部分生物样品引入至经官能化的工作电极上。

69、在一些方面中，公开一种检测呼吸样品中的病原体的方法。该方法包括收集来自个体的一份或多份呼吸样品，将所述一份或多份呼吸样品与一种或多种试剂混合，以在所述一份或多份样品中存在至少一种病原体时制备所述至少一种病原体用于检测，将至少一部分混合物引入电化学电池中，所述电化学电池被配置以在所述一份或多份呼吸样品中存在所述病原体时检测与所述病原体相关的至少一种蛋白质和至少一种rna片段，其中所述电化学电池产生响应于检测所述至少一种蛋白质的第一检测信号和响应于检测所述至少一种rna片段的第二检测信号。

70、在一些方面中，公开一种用于鉴别冠状病毒的新型变异体的方法。该方法包含将一部分生物样品引入至经展现与冠状病毒的已知变异体的结构蛋白特异性结合的至少一种适体官能化的多个单壁碳纳米管，其中结构蛋白在冠状病毒的不同的已知变异体间展现至少约80％的同源性，监测响应与所述生物样品的相互作用的经所述适体官能化的多个碳纳米管的至少一个物理或化学性质以确定所述结构蛋白是否存在于样品中，将一部分生物样品引入至经多个不同寡核苷酸序列官能化的多个单壁碳纳米管，其中所述寡核苷酸序列各自与一种已知冠状病毒特有的rna片段互补，并监测经所述寡核苷酸官能化的碳纳米管的至少一个物理或化学性质以确定rna片段是否存在于样品中，其中不存在rna片段且存在至少一种结构蛋白指示冠状病毒的新型变异体存在于样品中。

71、在一些方面中，公开一种空气监测系统。该空气监测系统可以包括提供用于接收环境空气的一个或多个样品的腔室的空气收集模块、被配置以与空气收集模块可移除式耦合的至少一个传感器，其中传感器包括入口可致动阀，入口可致动阀在传感器与空气收集模块耦合时将传感器与腔室分隔开，使得入口可致动阀的致动允许将密封件内含有的至少一部分空气引入至传感器中。传感器包括至少第一感测单元，其被配置以在生物颗粒存在于所取样的空气中时检测与目标生物颗粒相关的至少一种蛋白质，以及至少第二感测单元，其被配置以当目标生物颗粒存在于所取样的空气中时检测目标病原体的至少一种遗传组分。

72、在一些方面中，公开一种用于检测分析物的传感器。该传感器包括：包括感测电极的至少一个感测单元，所述感测电极经展现与所述分析物特异性结合的至少一种第一亲合性结合元件官能化，使得所述分析物与所述亲合性结合元件的结合改变所述感测电极的至少一个电性质；以及包括表面增强拉曼表面(sers)的至少一个感测单元，所述sers经展现与所述分析物特异性结合的至少一种第二亲合性结合元件官能化，以响应所述分析物与所述经官能化的sers的结合获得与所述分析物和所述亲合性结合元件中任一个相关的拉曼信号。

73、可通过参考以下详细描述并结合相关附图而获得本教导的各方面的进一步理解，附图在下面简要描述。