相關(guān)的申請參考

本申請的權(quán)利主張優(yōu)先于以下專利：2011年5月遞交的申請?zhí)枮?1/482,900,的美國專利,將其內(nèi)容引入本發(fā)明以供參考。

背景技術(shù)：

腫瘤是人體組織的異常生長，可以是癌(惡性)或非癌(良性)。腫瘤，特別是惡性腫瘤，對人類的健康幸福是一種嚴(yán)重威脅，腫瘤的早期檢測是進(jìn)行有效的治療或治愈的關(guān)鍵。然而，用傳統(tǒng)的腫瘤檢測方法在有癥狀前檢測癌癥，或在腫瘤轉(zhuǎn)移的早期檢測癌癥是一個巨大的挑戰(zhàn)。例如，有40％的病人，利用傳統(tǒng)方法不能確定是否需要更多的或增強(qiáng)的治療。在癌癥的治療過程中，檢測癌癥任何早期傳播跡象是非常重要的，可以用于評估治療的有效性，進(jìn)而決定是否需要、需要什么樣的后續(xù)治療。傳統(tǒng)的癌癥檢測技術(shù)，如x射線成像和核磁共振(nmr)成像不能提供上述關(guān)鍵應(yīng)用的可靠信息。

最近的研究和臨床研究表明，癌細(xì)胞侵襲人體，可能會出現(xiàn)在腫瘤發(fā)展的早期。因此早期發(fā)現(xiàn)，早期全身治療，將會降低癌癥的死亡率。癌細(xì)胞從原發(fā)腫瘤到遠(yuǎn)處重要器官的轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致癌癥死亡的首要原因。早期傳播到淋巴結(jié)，骨髓或外周血中的腫瘤細(xì)胞被稱為循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)。即使在切除原發(fā)腫瘤后，ctc可能仍然存在于病人的外周血中。

ctc對于轉(zhuǎn)移的建立是非常關(guān)鍵的，對ctc的檢測是用于評估特定腫瘤的侵略性及在遠(yuǎn)處器官生長的可能性的一種重要方法。對ctc特異敏感的檢測可以用于確定癌癥的發(fā)展?fàn)顩r、轉(zhuǎn)移狀態(tài)、存活的可能性及對治療反應(yīng)的評估。

隨著近年來對ctc越來越多的研究，其重要性備受推崇。然而，ctc在血液中的存在量大約是十億分之一到百億分之一的水平?，F(xiàn)有技術(shù)用于分離和識別ctc一方面需要大量人力并且價格昂貴，另一方面缺乏準(zhǔn)確性和可靠性。這一過程包括密度梯度分離，免疫分離及密度梯度免疫分離，需要很大工作量來識別大量被人體過濾的細(xì)胞。

迫切需要一種方法以低成本、高靈敏度、高特異性、高效率、高便捷度、高速度進(jìn)行早期ctc檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明大體涉及一類檢測腫瘤細(xì)胞的新穎方法和儀器，特別是循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)，通過分析生物樣品(例如，外周血樣品或其他哺乳動物的體液樣品)，然后診斷癌癥的發(fā)展或轉(zhuǎn)移狀況。這種方法或(儀器)可以和ctc建立通信，對ctc進(jìn)行修改和糾正。本發(fā)明涉及一種新穎的微器件或者集成了微器件的儀器，它能夠在體內(nèi)或體外進(jìn)行微觀層面的生物學(xué)(例如血液或淋巴液等液體樣品)、細(xì)胞學(xué)(例如血細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞)診斷。由于集成了微器件，這個儀器的功能很強(qiáng)大。這種儀器使用最先進(jìn)的微器件制造技術(shù)和新穎工藝，如集成電路制造工藝。本發(fā)明涉及的儀器帶有多個能夠檢測多種生物學(xué)參數(shù)的微器件。這種ctc檢測儀能夠進(jìn)行癌癥早期檢測，并且靈敏度高、特異性好、速度快、檢測便捷(儀器尺寸小)、成本低。這種儀器可以用于以下癌癥檢測，前列腺癌，肺癌，結(jié)腸癌，乳腺癌，腦癌，頸癌，霍奇金淋巴瘤，非霍奇金淋巴瘤，腎癌，白血病，肝癌，卵巢癌，皮膚癌，睪丸癌，甲狀腺癌，胰腺癌，子宮內(nèi)膜癌，食道癌，子宮癌。

這種檢測設(shè)備的關(guān)鍵在于一系列微器件以及能夠使它們優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)備和技術(shù)的制備工藝技術(shù)，這些都大大提高了檢測的靈敏度、特異性和速度。這種工藝技術(shù)包括但不限于機(jī)械，化工，化工機(jī)械，電化工機(jī)械，電子生物化學(xué)機(jī)械，集成電路和半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)。關(guān)于這些應(yīng)用技術(shù)的描述詳見以下參考資料，r.zaouk等人的《微流控技術(shù)》(2006，humana出版社)中的微細(xì)加工技術(shù)；(geschke,klank&telleman,eds.),johnwiley&sons的《片上實驗室微系統(tǒng)工程》第一版，2004。微型器件的功能至少包括傳感，檢測，測量，診斷，監(jiān)測，分析。多個微器件可以集成為一個檢測儀，進(jìn)一步提高檢測的靈敏度，特異性，速度和功能，能夠測量相同的參數(shù)或一組不同的參數(shù)。

檢測儀的可選器件包括對來自每個探針的信息進(jìn)行處理，控制，加壓，接收，放大，或存儲的器件。這些器件可以是，例如，一個中央控制單元，其中包括控制電路，尋址單元，功放電路，邏輯處理電路，記憶單元，特殊應(yīng)用芯片，信號發(fā)射器，信號接收器，傳感器，微機(jī)電設(shè)備，一個多功能的設(shè)備，或具有手術(shù)，藥物輸送，清洗，或醫(yī)療功能的微型儀器。

具體來說，本發(fā)明的一個方面是提供了在生物學(xué)領(lǐng)域檢測ctc的儀器，每組檢測儀包括第一微器件和支持第一微器件的微襯底，其中第一微器件接觸被測生物實體，并能夠在微觀層面的測量以下參數(shù)，電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，熒光放射，輻射，聲學(xué)，生物學(xué)，化普，機(jī)電學(xué)，電化學(xué)，光電學(xué)，電熱學(xué)，電化學(xué)機(jī)械學(xué)，生物化學(xué)，生物力學(xué)，生物光學(xué)，生物熱學(xué)，生物物理學(xué)，生物機(jī)電光學(xué)，生物電化學(xué)，生物光電學(xué)，生物電熱學(xué)，生物力學(xué)光學(xué)，生物熱力學(xué)，生物熱光學(xué)，生物光電化學(xué)，生物機(jī)電光，生物電熱光，生物電化學(xué)機(jī)械學(xué)，物理學(xué)或機(jī)械性質(zhì)，或多學(xué)科的結(jié)合。該儀器可以進(jìn)一步選擇包括讀取測量數(shù)據(jù)的器件。

在某些實施例中，檢測被測樣品和沒有疾病的樣品之間性質(zhì)的差異，或被測樣品的細(xì)胞與正常細(xì)胞之間的差異可以表征被測樣品內(nèi)存在ctc的可能。

其他一些實施例，電學(xué)性質(zhì)包括，表面電荷，表面電位，靜息電位，電流，電場分布，表面電荷分布，細(xì)胞電學(xué)性質(zhì)，細(xì)胞表面電學(xué)性質(zhì)，電學(xué)性質(zhì)的動態(tài)變化，細(xì)胞電學(xué)性質(zhì)的動態(tài)變化，細(xì)胞表面電學(xué)性質(zhì)的動態(tài)變化，表面電學(xué)性質(zhì)的動態(tài)變化，細(xì)胞膜的電學(xué)性質(zhì)，膜表面的電學(xué)性質(zhì)的動態(tài)變化，細(xì)胞膜電學(xué)性質(zhì)的動態(tài)變化，電偶極子，雙電偶極子，電信號的振蕩(例如，在離子振蕩，電場脈沖，表面電荷脈沖，電壓脈沖)，電流，電容，三維電子或電荷云分布，端粒dna和染色體，電容，或阻抗的電性質(zhì)；熱性質(zhì)是溫度或振動頻率；光學(xué)性質(zhì)包括光吸收，光傳輸，光反射，光電性質(zhì)，亮度，或熒光發(fā)射；輻射性質(zhì)包括輻射射線，放射性物質(zhì)觸發(fā)信號，放射性物質(zhì)探測到的信息；化學(xué)性質(zhì)包括ph值，化學(xué)反應(yīng)，生物化學(xué)反應(yīng)，生物電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)速度，反應(yīng)能量，氧氣濃度，耗氧率，離子強(qiáng)度，催化性質(zhì)，增強(qiáng)信號響應(yīng)的化學(xué)添加劑、生物添加劑、生物化學(xué)添加劑，提高檢測的靈敏度化學(xué)品或生物化學(xué)品，以提高檢測靈敏度或粘接強(qiáng)度生物添加劑；物理性質(zhì)包括密度、形狀、體積、表面積；生物學(xué)性質(zhì)包括表面的形狀，表面積，表面電荷，表面的生物學(xué)性質(zhì)，表面化學(xué)性質(zhì)，ph值，電解質(zhì)，離子強(qiáng)度，電阻率，細(xì)胞濃度，或者是某溶液的物理、化學(xué)或電氣性質(zhì)。聲學(xué)性質(zhì)包括聲波的速度，聲波的頻率和強(qiáng)度的光譜分布，聲強(qiáng)，吸聲，或聲學(xué)共振；機(jī)械性質(zhì)是內(nèi)部壓力，硬度，流速，粘度，流體機(jī)械性質(zhì)，剪切強(qiáng)度，延展強(qiáng)度，斷裂強(qiáng)度，附著力，機(jī)械共振頻率，彈性，可塑性，或壓縮性。

其他一些實施例，每個檢測儀至少包括一個或多個微器件。在這些實施例中，每個微器件包括導(dǎo)電材料，電氣絕緣材料和半導(dǎo)體材料；每個微器件包含相同或不同的材料，可以在相同或不同的時間測量相同或不同的屬性。這些微器件在襯底上至少間隔10埃。集成于疾病檢測儀內(nèi)的多個微器件可以按一定順序或者同時對生物體的參數(shù)進(jìn)行宏觀或微觀檢測。

在一些實施例中，每個微器件的尺寸范圍是約1埃到5毫米(mm)。

在一些實施例中，檢測儀包括一個或多個襯底用于放置微器件。每個襯底包括相同或不同的材料(例如導(dǎo)體和絕緣體)，可以是相同或不同的形狀(例如可以是平板狀、管狀或陣列狀)，每個襯底可以是兩維或三維狀。為了進(jìn)一步改善測量靈敏度，特異性，速度快，樣本大小，并降低成本和尺寸可以缸狀，板狀，或任何其他所需的形狀和配置。

本發(fā)明涉及的檢測儀，可以進(jìn)一步計算，記錄，分析循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)在生物體內(nèi)的數(shù)量，并基于已獲取的信息標(biāo)記癌癥的發(fā)展?fàn)顩r。該檢測儀可以進(jìn)一步預(yù)測療效，無進(jìn)展存活率和總體存活率數(shù)據(jù)。

用于檢測儀的微器件，采用了新穎的設(shè)計，增強(qiáng)了測試靈敏度，微器件安裝在兩個基板上，兩個基板中間留有一定空隙讓樣品通過，樣品用于高速的ctc檢測，微器件可以與樣品平行的進(jìn)行細(xì)胞檢測。盡量使基板最大化，以放置更多的微器件，提高檢測效率和速度?；迳衔⑵骷某叽缈梢院图?xì)胞線度相匹配。

另一種新穎的配置方式，將帶有微器件的檢測儀做成圓筒形，微器件的探針在圓筒的內(nèi)表面，被測樣品(例如血液或淋巴液)在圓筒內(nèi)部流過。

本專利的關(guān)鍵創(chuàng)新之一是微器件的設(shè)計、制備以及利用微器件對生物體進(jìn)行三維的微觀層面的參數(shù)檢測(例如單個細(xì)胞)。微器件具有三維分布的尺寸為單個細(xì)胞大小的微探針，它們能夠捕獲，整理，探測，測量，或改變生物體。探針帶有一個靈活支撐結(jié)構(gòu)，用于擴(kuò)大或縮小微探針以移動生物體。

本發(fā)明的另一個方面涉及微器件的制造方法。該方法包括在襯底上沉積各種材料，利用微電子工藝技術(shù)圖案化已淀積材料，其中的微器件能夠在微觀層面上測試與之接觸的生物材料的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物，化學(xué)，物理學(xué)性質(zhì)。

本發(fā)明的另一方面涉及微器件的制造方法，包括向襯底淀積第一層材料，然后利用微電子加工技術(shù)進(jìn)行圖形化，將材料一的一部分保留下來，其余部分去掉，露出襯底表面，接下來在襯底和第一層材料頂部淀積第二層材料，在第二層材料上開一窗口，露出已經(jīng)圖形化的第一層材料，然后接著淀積第三層材料將第二層材料的窗口覆蓋。在一些實例中，微電子工藝技術(shù)包括薄膜淀積，光刻，刻蝕，清洗，擴(kuò)散，離子注入，或化學(xué)機(jī)械拋光。

本專利提供的微器件的制造方法包括，第一步，向襯底淀積第一層材料；第二步，在第一層材料上淀積第二層材料然后利用微電子加工技術(shù)圖形化第二層材料；接下來重復(fù)第二個步驟至少一次，所用的材料可以是和第一、二層相同或不同的材料。以后重復(fù)步驟所用材料可以是和第一、二層相同或不同的材料。在一些實例中，用于制造微器件的材料至少有一種是壓電材料或?qū)щ姴牧稀?/p>

在某些實施例中，可以通過物理或電學(xué)方法將多個微器件連接或組合起來，形成更加先進(jìn)的器件。

在某些實施例中，本專利涉及的檢測儀可以整合為一個單獨的器件(例如，利用半導(dǎo)體工藝技術(shù))或組裝成電路板(例如，使用電腦的組裝技術(shù))。

在某些實施例中，材料的圖形化是通過微電子加工技術(shù)實現(xiàn)的(例如，化學(xué)氣相淀積，物理氣相淀積，原子層淀積，將不同的材料淀積至一塊絕緣體或半導(dǎo)體襯底上；光刻和刻蝕工藝將設(shè)計圖形轉(zhuǎn)化成實際結(jié)構(gòu)；化學(xué)機(jī)械拋光用于平坦化和圖形化；清洗工藝將顆?；蛭廴疚锶コ?；熱處理和退火工藝用于減少晶格損傷；擴(kuò)散和離子注入工藝用于特殊層的元素?fù)诫s)。在某些實施例中，圖形化是通過化學(xué)機(jī)械拋光平坦化實現(xiàn)的。

在某些實施例中，制造方法還包括用于去除堆疊多層材料的濕法刻蝕和等離子刻蝕工藝。

在某些實施例中，微器件能在不同的方向移動。例如，兩個微器件可以向相反的方向移動。

在某些實施例中，微器件能夠捕獲，分類，探測，測量，改變生物實體，或貫穿細(xì)胞膜。

本專利的另一個創(chuàng)新點是微壓探針和微探針的發(fā)明，這兩種探針用于大范圍檢測生物體(例如細(xì)胞)的物理特性(如機(jī)械性質(zhì))。這些物理特性包括但不僅限于硬度，剪切強(qiáng)度，伸長強(qiáng)度，斷裂強(qiáng)度，彈性，剛性，以及和細(xì)胞膜相關(guān)特性，因為膜的特性對于疾病診斷是十分關(guān)鍵的。

本專利的另一方面是疾病檢測儀內(nèi)各個器件的設(shè)計、制造和整合。這些器件包括，樣品的存儲和輸運單元；用于輸運維持或延長被測樣品內(nèi)生命體生命所需氧和特殊流體的輸運單元；用于富集樣品中患病生命體(例如病變細(xì)胞)的富集單元；樣品輸運通道陣列；中央檢測單元包括多個檢測探針和中央控制單元，中央控制單元由以下部分組成，邏輯處理單元，存儲單元，傳感器，信號發(fā)射器，信號接收器，微機(jī)電器件，多功能器件，微手術(shù)器械，藥物輸送單元，清洗單元，或醫(yī)療功能單元，應(yīng)用程序特定的芯片；廢棄樣品處理單元，用于新品的處理，回收再利用或丟棄。

本專利的另一個新穎點是微器件的設(shè)計、整合和制造工藝，微器件能夠檢測用于ctc檢測樣品的微弱信號，也能夠在復(fù)雜環(huán)境、噪聲相對較高的環(huán)境下檢測微弱信號，并且靈敏度高。本發(fā)明涉及的微器件具有很多新穎的功能，例如，對生物樣品在單個細(xì)胞水平上進(jìn)行動態(tài)測量，實時測量(例如飛行時間測量，探測信號和反饋信號相結(jié)合測量)，減少背景噪聲的鎖相技術(shù)，預(yù)放大技術(shù)，噪聲消除技術(shù)，4探針微弱信號測試技術(shù)，獨特新穎的探針能夠?qū)Χ鄠€電學(xué)、磁學(xué)、電磁學(xué)特性進(jìn)行測量。

本文使用的詞匯“或”包含“和”的意思，同時“和”也有“或”的意思。

本文使用的單數(shù)名詞包括其得數(shù)含義。例如，一個微器件意味著是單個微器件或多個微器件。

本文使用的詞匯“圖形化”意思是將材料制作成特定的物理形狀，包括平坦化(這里“圖形化”也意味著“平坦化”)

本文使用的用于分析、檢測、測試和診斷的“生物體”，“生物實體”和“生物樣品”都是本專利涉及的檢測儀的被測物質(zhì)。它們可以是包含細(xì)胞的液態(tài)樣品，例如動物的血液或淋巴液。它們也可以是體液或經(jīng)過處理的溶液，例如人的外周血，淋巴液，骨髓，或者它們的溶液。這里所用的經(jīng)過處理的溶液是指經(jīng)過沖洗，清潔，懸濁，透析或輸運之后形成的溶液。

本文涉及的“物體”一般指部分或整個生物實體(例如哺乳動物，或者是人)

本文涉及的“微觀層面”是指用于ctc檢測分析的生物體是微觀的，是一個單細(xì)胞，例如白細(xì)胞，紅細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞。

本文涉及的“微器件”，“微型器件”乏指各種材料，性質(zhì)，形狀，復(fù)雜性及其組合。這個詞匯通常指單一的材料或是具有多個子單元和多種功能的復(fù)雜器件。本發(fā)明的復(fù)雜性體現(xiàn)在一個很小的具有特定屬性的顆粒卻擁有多個相當(dāng)復(fù)雜的具有多種功能的子單元。例如一個簡單的微器件可以是一個直徑100埃(a)大小的球形顆粒，具有特定強(qiáng)度，特定的表面荷，和吸附在表面的特定有機(jī)物。一個較復(fù)雜的微器件大約1毫米大小，帶有傳感器，計算器，記憶單元，邏輯單元和切割工具。前面講的顆粒可以通氣相或膠體沉積形成，而集成多個組件的器件可以通過集成電路制造工藝完成。

本發(fā)明涉及的微器件尺寸從1埃到5毫米不等。例如尺寸在10埃到100微米的微器件能夠用于靶向生物分子，生物體或細(xì)胞結(jié)構(gòu)等小尺寸物體的組成。尺寸在1微米到5毫米間的微器件用于較大的生物體，例如人體器官的一部分。本專利涉及的簡單微器件可以是直徑小于100埃的顆粒，具有特定的表面特性(例如表面電荷或表面化學(xué)物涂層)，能夠被目標(biāo)細(xì)胞吸收或吸附。

本發(fā)明提供了一個生物體疾病檢測儀，其中包括進(jìn)樣單元，前處理單元，探測和檢測單元，信號處理單元，測量結(jié)果顯示單位，處置處理單元，生物樣品傳送系統(tǒng)，生物樣品分布系統(tǒng)，通道分布系統(tǒng)，充電裝置，檢測裝置，全局定位系統(tǒng)，傳動設(shè)備，信號發(fā)射器，信號接收器，傳感器，存儲器，邏輯處理單元，應(yīng)用程序的特定芯片，生物樣品回收和再利用單元，微機(jī)電設(shè)備，一個多功能的設(shè)備，或用于手術(shù)，藥物傳輸，清洗或醫(yī)療功能的微器械。

前處理單元，包括樣本過濾裝置，充電單元，恒壓推進(jìn)單位，樣品干擾單元，樣品預(yù)探測干擾單元。前儲能單元可以增加被測樣品的濃度，使檢測儀對生物樣品的檢測更加有效，這樣也可以對低深度ctc(例如，癌細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞的深度為10億到100億分之一)樣品進(jìn)行檢測。

在一些實例中，過濾裝置可以通過物理過濾濾除不需要的物質(zhì)，(例如，基于電荷或物質(zhì)的大小)或利用化學(xué)(從而完全消除有害物質(zhì))，生物化學(xué)，生物物理，生物電，生物機(jī)械，機(jī)電，電化學(xué)，熱，光，電，磁，電磁，電化學(xué)機(jī)械，電生物，電生物化學(xué)或生物等手段將不需要的物質(zhì)分離出去。

在一些實例中，樣品過濾單元可以包括一個入口通道，一個流體分布通道，加速腔，一條狹縫?？p隙和通道入口的內(nèi)墻定義兩個通道(例如，一個頂部通道和底部通道)，其中生物樣品由于屬性(例如，電學(xué)或物理學(xué)特性)的差異而分開。

在一些實施例中，在生物樣品通過微器件探針之前或之后，在通道內(nèi)注入干擾液，用于幫助生物樣品在通道內(nèi)的流通和分離。將一種具有生物兼容性的液體注入到有干擾液的通道內(nèi)，用于生物樣品的分離。例如，生物兼容性液體可以從帶有干擾液的通道入口注入，然后輸運到通道入口側(cè)壁的開口處。生物兼容性流體可以是液體或半液體，包括鹽水，水，等離子體，富氧液體或這些液體的混合。

在一些實例中，入口通道和干擾液通道之間的夾角為0°到180°。(例如30°到150°，60°到120°，75°到105°，或90°)

在其他一些實例中，每個通道的寬度為約1納米到1毫米左右(例如，從2納米到約0.6毫米或10納米左右到約0.2毫米)。通道可以是直線，曲線，或斜線。通道內(nèi)墻定義為圓形，橢圓形，方形，長方形或多邊形的空間。在其他一些實例中，通道是一個直徑約0.5納米到1微米左右，長度從約5.0納米到10毫米的圓形碳納米管。

在一些具體實例中，至少有一個通道包括連接通道的側(cè)壁探測器件，能夠在微觀層面測量生物材料的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，機(jī)電學(xué)，電化學(xué)，光電，電熱學(xué)，電化學(xué)機(jī)械學(xué)，生物化學(xué)，生物力學(xué)，生物光學(xué)，生物熱學(xué)，生物物理學(xué)，生物電子機(jī)械學(xué)，生物電化學(xué)，生物光電學(xué)，生物電熱學(xué)，生物力學(xué)，光學(xué)，生物熱力學(xué)，生物熱光學(xué)，生物電化學(xué)光學(xué)，生物機(jī)電光學(xué)，生物電熱光學(xué)，生物電化機(jī)械學(xué)，物理學(xué)、機(jī)械學(xué)或上述多種學(xué)科的結(jié)合特性。其中電學(xué)性質(zhì)包括，表面電荷，表面電位，靜息電位，電流，電場分布，表面電荷分布，細(xì)胞電學(xué)特性，細(xì)胞表面電學(xué)特性，電學(xué)特性的動態(tài)變化，細(xì)胞電學(xué)特性的動態(tài)變化，細(xì)胞表面電學(xué)特性的動態(tài)變化，表面電學(xué)特性的動態(tài)變化，細(xì)胞膜的電學(xué)特性，膜表面的電學(xué)特性的動態(tài)變化，細(xì)胞膜電學(xué)特性的動態(tài)變化，電偶極子，雙電偶極子，電信號的振蕩(例如，在離子振蕩，電場脈沖，表面電荷脈沖，電壓脈沖)，電流，電容，三維電子或電荷云分布，端粒dna和染色體，電容，或阻抗的電性質(zhì)；熱性質(zhì)是溫度或振動頻率；光學(xué)特性包括光吸收，光傳輸，光反射，光電特性，亮度，或熒光發(fā)射；輻射特性包括輻射射線，放射性物質(zhì)觸發(fā)信號，放射性物質(zhì)探測到的信息；化學(xué)特性包括ph值，化學(xué)反應(yīng)，生物化學(xué)反應(yīng)，生物電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)速度，反應(yīng)能量，氧氣濃度，耗氧率，離子強(qiáng)度，催化性質(zhì)，增強(qiáng)信號響應(yīng)的化學(xué)添加劑、生物添加劑、生物化學(xué)添加劑，提高檢測的靈敏度化學(xué)品或生物化學(xué)品，以提高檢測靈敏度或粘接強(qiáng)度生物添加劑；物理特性包括密度、形狀、體積、表面積；生物學(xué)特性包括表面的形狀，表面積，表面電荷，表面的生物學(xué)特性，表面化學(xué)特性，ph值，電解質(zhì)，離子強(qiáng)度，電阻率，細(xì)胞濃度，或者是某溶液的物理、化學(xué)或電氣特性。聲學(xué)特性包括聲波的速度，聲波的頻率和強(qiáng)度的光譜分布，聲強(qiáng)，吸聲，或聲學(xué)共振；機(jī)械性質(zhì)是內(nèi)部壓力，硬度，流速，粘度，流體機(jī)械性質(zhì)，剪切強(qiáng)度，延展強(qiáng)度，斷裂強(qiáng)度，附著力，機(jī)械共振頻率，彈性，可塑性，或壓縮性。

在一些實例中，至少有一個通道側(cè)壁包括至少兩個探測器件，并能夠在微觀層面檢測生物樣品的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，化工，機(jī)電，電子化學(xué)，光電，電-熱，電化學(xué)機(jī)械，生物化工，生物力學(xué)，生物光學(xué)，生物熱，生物物理，生物電子機(jī)械，生物電化學(xué)，生物光電，生物電熱，生物力學(xué)光學(xué)，生物力學(xué)熱，生物熱光學(xué)，生物電化學(xué)光學(xué)，生物機(jī)電光，生物熱光電，生物電化學(xué)機(jī)械，物理或機(jī)械特性，或以上幾種性質(zhì)的總和。探測器件可以相同時間或不同時間對相同或不同性質(zhì)進(jìn)行檢測。

兩個或多個探測器件可以特定的間隔(至少10埃)放置。例如這個特定的距離可以是10納米到100毫米，100納米到10毫米，8微米到200微米，1毫米到10毫米。

在一些實施例中，過濾單元包括入口通道，生物兼容性過濾器，出口通道，或以上幾種的組合。當(dāng)生物樣品由入口通道通向出口通道時，生物樣品大于過濾器也洞的將被阻攔在出口通道的外面，小于過濾器孔洞的便可以進(jìn)入到出口通道。生物兼容性液體從出口端注入將堆積在過濾器附近的生物樣品沖走。較大的生物樣品可以用檢測儀的檢測器件進(jìn)行分析。

在一些實施例中，樣品預(yù)探測干擾單元包括一種微器件，這種微器件內(nèi)部有一個通道，通道內(nèi)有一個狹逢，并且可以選擇性的在通道的外部放置兩個極板。在兩個極板上加一個信號，例如電壓信號，這個信號也加在流過通道的生物樣品上，并且基于生物樣品所攜帶的電荷將樣品分離。通道的狹縫和內(nèi)部通道定義了兩個通道，已經(jīng)分離好的生物樣品由此進(jìn)入并且其特性在些得到微觀層面的檢測。

在一些實施例中，樣品預(yù)探測干擾單元對生物實體施加電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，機(jī)電學(xué)，電化學(xué)，電化學(xué)機(jī)械學(xué)，生物化學(xué)，生物機(jī)械學(xué)，生物機(jī)電學(xué)，生物電化學(xué)，生物電化學(xué)機(jī)械學(xué)，物理機(jī)械學(xué)信號，或上述信號的組合。這種信號可以施加在上文提到的兩個極板上，或者采用其他的方法(根據(jù)信號的特性選擇)。應(yīng)用的信號可以是脈沖或常量。

在一些實例中，充能單元向生物體補充養(yǎng)分，呼吸的氣體(如氧氣)，或是流體。另外，它可以清除生物體的代謝產(chǎn)物。有了這樣的裝置，生物樣品的生命將得到維持和延續(xù)，從而得到更加準(zhǔn)確，穩(wěn)定，一致和可靠的檢測結(jié)果。養(yǎng)分包括生物兼容的強(qiáng)或弱電解質(zhì)，氨基酸，礦物質(zhì)，離子，催化劑，氧，富含氧氣的液體，靜脈滴注，葡萄糖，蛋白質(zhì)。養(yǎng)分的另一個形式是能夠被生物體(例如細(xì)胞或病毒)選擇性吸收的納米粒子。

充能系統(tǒng)可以是獨立的或在檢測儀其他組件的外部。另外，它也可以安裝其他組件的內(nèi)部，例如，探測和檢測單位或處置處理單元內(nèi)。

在一些實施例中，信號處理單元由放大器(例如，一個鎖相放大器)，a/d(或/直流電)轉(zhuǎn)換器，微型計算機(jī)，機(jī)械手，顯示器和網(wǎng)絡(luò)組成

在某些實施例中，信號處理單元能夠接收一種或多種信號，多種信號的集合以消除噪聲，或提高信噪比。多信號可以來自不同的位置或是多次信號。

可以通過檢測儀檢測的生物樣品包括，例如，血液，尿液，唾液，眼淚，汗水，和淋巴液。檢測結(jié)果表明生物體發(fā)生或存在(早期)疾病的可能。

此處所用的“吸收”一詞通常是指連接到表面的材料和表面之間的物理結(jié)合。而“吸附”是指兩者之間更加強(qiáng)勁的化學(xué)結(jié)合。

此處使用的術(shù)語“接觸”(如“第一微器件接觸生物實體”)包括“直接”(或物理)接觸和“非直接(或間接或非物理)接觸。當(dāng)兩個主題是“直接”接觸，通常是沒有衡量的空間或這兩個學(xué)科之間的接觸點的距離，而當(dāng)他們是在“間接”接觸，這些接觸點之間的距離有一個可衡量的空間或兩個科目。當(dāng)兩個物體直接接觸時，在它們的接觸面/點沒間隙和距離；而非直接接觸是指在接觸面之間有一個可測量的空隙或距離。

此處提到的“探針”或“探測”除了字面意思外，還意味著向生物體施加一個信號(例如，電，聲，磁或熱信號)，從而刺激生物體，使之產(chǎn)生某種內(nèi)在的反應(yīng)。

此處提到的電學(xué)性能包括，表面電荷，表面電位，靜息電位，電流，電場分布，表面電荷分布，細(xì)胞電學(xué)特性，細(xì)胞表面電學(xué)特性，電學(xué)特性的動態(tài)變化，細(xì)胞電學(xué)特性的動態(tài)變化，細(xì)胞表面電學(xué)特性的動態(tài)變化，表面電學(xué)特性的動態(tài)變化，細(xì)胞膜的電學(xué)特性，膜表面的電學(xué)特性的動態(tài)變化，細(xì)胞膜電學(xué)特性的動態(tài)變化，電偶極子，雙電偶極子，三維電子或電荷云分布，端粒dna和染色體，擊穿電壓，電容，或阻抗的電性能。

此處提到的“磁特性”是指抗磁性，順磁性或鐵磁性。

此處提到的“電磁特性”是指電場和磁場分布。

此處的“熱性能”是指溫度，凝固點，熔點，蒸發(fā)溫度，玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，導(dǎo)熱性，或分子的振動能量。

此處的“光學(xué)特性”，是指光反射，光吸收，光散射，波長依賴特性，顏色，光澤，光彩，閃爍，散射。

此處的“輻射特性”是指輻射發(fā)射，放射性物質(zhì)觸發(fā)的信號，能檢測到的放射物質(zhì)的信息。本文中“輻射特性”可以擴(kuò)展為生物體對放射性物質(zhì)或放射性物質(zhì)的產(chǎn)物(如正電子)的反應(yīng)。

此處提到的“聲學(xué)特性”是指一個結(jié)構(gòu)內(nèi)的聲音的特點，這個結(jié)構(gòu)決定其回音的質(zhì)量。通?？梢詼y量聲音的吸收系數(shù)。詳見美國專利no.3,915,016，確定材料聲學(xué)屬性的手段和方法；t.j.cox等人的《聲音的吸收與傳播》spon出版社，2004。

此處提到的“生物學(xué)性質(zhì)”一般包括生物體的化學(xué)和物理性質(zhì)。

此處提到的“化學(xué)特性”是指活潑程度，ph值，離子強(qiáng)度，生物樣品內(nèi)部的粘滯強(qiáng)度。

此處提到的“物理特性”是指任何可測量的用于描述給定時刻物理系統(tǒng)狀態(tài)的特性。生物樣品的物理特性包括但不僅限于吸收率，反射率，面積，脆度，沸點，電容，顏色，濃度，密度，電荷，電導(dǎo)率，電容，電阻抗，電場，電勢，輻射，流速，流動性，頻率，電感，電介質(zhì)，內(nèi)阻，強(qiáng)度，照度，亮度，光澤度，延展性，磁場，磁通，質(zhì)量，熔點，動量，透氣性，介電常數(shù)，壓力，輻射，溶解度，比熱，強(qiáng)度，溫度，張力，導(dǎo)熱性，速度，粘度，體積，和波阻抗。

此處提到的“機(jī)械特性”是指生物體的強(qiáng)度，硬度，剛性，彈性，塑性，脆性，韌性，剪切強(qiáng)度，延展強(qiáng)度，斷裂應(yīng)力，流體的力學(xué)性能和附著力。

此處的“導(dǎo)電材料”(或相當(dāng)于“導(dǎo)體”)是包含可移動的電荷的物質(zhì)。導(dǎo)電材料可以是金屬(如鋁，銅，銀，鎢，或黃金)或非金屬(例如，石墨，鹽溶液，等離子體或?qū)щ娋酆衔?。對于金屬導(dǎo)體，如銅或鋁，可動電荷是電子(導(dǎo)電)。正電荷也可以以空穴(失去電子的晶格原子)或陽離子的形式移動。

“電絕緣材料”(又稱“絕緣體”或“介質(zhì)”)是指不能流通電流的材料。絕緣材料的原子緊密束縛的價電子。電氣絕緣材料的例子，包括玻璃，二氧化硅或有機(jī)聚合物(例如，橡膠，塑料，或聚四氟乙烯)。

此處提到的“半導(dǎo)體”(也稱作“半導(dǎo)體材料”)是指導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。例如無機(jī)半導(dǎo)體材料包括硅基材料。有機(jī)半導(dǎo)體材料包括多環(huán)芳烴化合物五苯，蒽，紅熒烯等芳香烴；如聚合物有機(jī)半導(dǎo)體如聚(3-己基噻吩)，聚(對苯乙炔)，乙炔及其衍生物。半導(dǎo)體材料是結(jié)晶固體(如硅)，無定形體(如氫化無定形硅或砷，硒，碲以各種不同的比例混合)，甚至液體。

這里提到的“生物學(xué)材料”和業(yè)內(nèi)人士說的“生物材料”具有相同意義。“生物學(xué)材料”和“生物材料”還有其他含義，一般指天然生成的或在實驗室里通過化學(xué)手段利用有機(jī)(例如有機(jī)小分子或聚合物)或無機(jī)化合物(金屬化合物或陶瓷)合成的物質(zhì)。它們常常用于醫(yī)療領(lǐng)域，用于組成整個或部分生物體結(jié)構(gòu)，或制成能夠執(zhí)行，增強(qiáng)或替代某些功能的醫(yī)療器件。這些功能可以是良性的，例如用作心臟瓣膜，或者是更具生物活性的帶有羥基磷灰石涂層的植入髖關(guān)節(jié)。

本文中所使用的“微電子技術(shù)或工藝”一般包括用于制造微電子器件和光電器件的技術(shù)或工藝。包括光刻，蝕刻(例如，濕法蝕刻，干法蝕刻，或氣相蝕刻)，氧化，擴(kuò)散，離子注入，退火，薄膜淀積，清洗，直寫，拋光，平坦化(例如，通過化學(xué)機(jī)械拋光)，外延，金屬化，工藝集成，仿真，或上述工藝的任何組合。關(guān)于微電子技術(shù)更多的描述詳見以下參考資料，jaeger的《微電子制造簡介》prenticehall出版社2002第二版；ralphe.williams的《現(xiàn)代砷化鎵工藝技術(shù)》artechhouse出版社1990年第二版；robertf.pierret的《高級半導(dǎo)體器件原理》prenticehall出版社2002第二版；s.campbell,的《微電子制造科學(xué)與工程》牛津大學(xué)出版社2001年第二版；上述這些內(nèi)容都作為本文的引用。

本文使用的“碳納米管”一般指圓柱形納米結(jié)構(gòu)的碳的同素異形體。更多描述詳見byp.j.f.harris的《碳納米管科學(xué)》，劍橋大學(xué)出版社2009。

ctc檢測儀通過使用單個或多個整合的微器件提高了檢測的靈敏度，特異性和速度，擴(kuò)展了功能，縮小了尺寸，同時執(zhí)行多個任務(wù)，便于使用并且侵入性低副作用小?？梢酝ㄟ^微細(xì)加工技術(shù)和本專利提出的新技術(shù)將能夠?qū)ι飿悠穋tc進(jìn)行全方位特性檢測的多個類型的微器件集成為一種ctc檢測儀。為了更好的解釋和說明用于制造多功能、高靈敏度微型檢測器件的微電子技術(shù)和納米技術(shù)，下面列舉了一些新穎的詳細(xì)的例子，用于設(shè)計和制造高性能微型檢測器件的規(guī)則和方法是經(jīng)過嚴(yán)格考究的，涉及到以下工藝的組合，包括但不僅限于薄膜淀積，圖形化(光刻和蝕刻)，研磨(包括化學(xué)機(jī)械拋光)，離子注入，擴(kuò)散，清洗，以及各種材料，各種工藝流程和及其組合。

附圖說明

圖1(a)旨在說明本發(fā)明涉及的ctc檢測儀中樣品的放置、流通和測試。圖1(b)和圖1(c)說明了ctc檢測儀包括多個獨立的微型檢測器件。

圖2(a)是本發(fā)明涉及的帶有多個微器件的ctc檢測儀的剖面透視圖。生物樣品放置在檢測儀內(nèi)或者從檢測儀內(nèi)流過，樣品的一個或多個微觀特性可以通過微器件來檢測。圖2(b)-圖2(l)說明了微器件制造的新工藝流程。圖2(m)-圖2(n)是包括多個獨立微器件的檢測儀的剖面圖。

圖3是ctc檢測儀的剖面圖，該檢測儀內(nèi)多個微器件帶有不同的檢測探針。生物樣品放置在檢測儀內(nèi)或從檢測儀流過，微器件檢測樣品的一個或多個微觀特性。

圖4是本發(fā)明涉及的ctc檢測儀的透視圖。該檢測儀帶有兩個間距很小的極板，兩個極板之間充滿被測生物樣品，極板內(nèi)表面的微器件能夠在微觀層面對樣品的一個或多個特定參數(shù)進(jìn)行檢測。

圖5說明了利用了微電子技術(shù)的ctc檢測儀的新穎的制造工藝。

圖6是利用本專利提出的方法制造的ctc檢測儀的透視圖。該檢測儀能夠檢測單個細(xì)胞的微觀特性。

圖7是本專利涉及的ctc檢測儀的剖面透視圖，該檢測儀中多個微器件按特定距離放置以高靈敏度，高特異性和高速度進(jìn)行飛行時間測量，包括不依賴時間的或動態(tài)信息。

圖8是包括一系列新穎微觀探針的ctc檢測儀的透視圖，微探針用于檢測生物樣品(例如一個細(xì)胞)的多種電磁狀態(tài)、配置或其他特性。

圖9是本發(fā)明涉及的ctc檢測儀內(nèi)部新型四探針的透視圖，用于檢測生物樣品(例如一個細(xì)胞)的微弱電信號。

圖10顯示了制造本專利涉及的檢測儀的工藝流程。

圖11顯示了能夠檢測生物體物理性質(zhì)的一系列微器件的制造工藝，例如與細(xì)胞膜相關(guān)的機(jī)械性質(zhì)(如，硬度，剪切強(qiáng)度，延展強(qiáng)度，斷裂應(yīng)力)及其他性質(zhì)。

圖12展示了帶有兩個微探針的微器件是如何工作的，兩個微探針施加動力后可以向相反方向移動以探測生物的特性(如細(xì)胞膜的機(jī)械特性)。

圖13說明了ctc檢測儀新穎的飛行時間的檢測方法，利用了時鐘信號發(fā)生器和信號檢測探頭，利用已記錄的特定時鐘信號，檢測到的信號(被檢測器件檢測到的信號)，經(jīng)過鎖相放大器處理的增強(qiáng)的信號增強(qiáng)被測信號。

圖14展示了用ctc檢測儀進(jìn)行飛行時間檢測的另一種設(shè)置，使用了時鐘信號發(fā)生器，探測信號發(fā)生器，信號探測器，和特定的時鐘信號，微器件可探測的信號，經(jīng)過鎖相處理技術(shù)將信號增強(qiáng)，探測到的反饋信號是時間的函數(shù)(反饋信號有時會有延遲)。

圖15展示了ctc檢測儀另一種新穎的飛行時間檢測法，根據(jù)生物體各種特性的(如尺寸，重量，形狀，電氣性能，表面特性)不同，利用微過濾器將生物體分離以供檢測。

圖16展示了流體輸送系統(tǒng)，這是ctc檢測儀的預(yù)處理部分，它以一定的壓力和速度向器件內(nèi)部推送樣品或輔助材料。

圖17(b)-17(c)展示了一種新穎器件，它能夠在單細(xì)胞水平進(jìn)行蜂窩通信，發(fā)出激勵信號并接收細(xì)胞的反饋信號，這種信號可以是與電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，機(jī)電學(xué)，電化學(xué)，電化學(xué)機(jī)械，生物化學(xué)，生物力學(xué)，生物機(jī)電，生物電化學(xué)，生物電化學(xué)機(jī)械，物理或力學(xué)性能有關(guān)的信號。圖17(a)展示了信號在單細(xì)胞水平的反應(yīng)和處理。

圖18是ctc的檢測儀的系統(tǒng)框圖，包括各種功能模塊。

圖19展示了一個能夠溝通，捕捉，整理，分析，處理，或修改和測量dna各種屬性的儀器。

圖20展示了本發(fā)明涉及的檢測儀，它能夠檢測生物樣品的表面電荷并根據(jù)電荷的不同通過一個狹縫將生物樣品分離。

圖21展示了本發(fā)明涉及的另一種帶有多個光學(xué)傳感器并能夠檢測光學(xué)特性的檢測儀。

圖22展示了本發(fā)明涉及的另一種檢測儀，它能夠根據(jù)生物樣品的幾何尺寸進(jìn)行區(qū)分，并分別檢測其特性。

圖23展示了能夠檢測生物樣品聲學(xué)特性的檢測儀。

圖24展示了能夠檢測生物體內(nèi)部壓力的檢測儀。

圖25展示了在探針之前，通道的底部和頂部帶有凹坑(底紋)的檢測儀。

圖26展示了帶有和圖25形狀不同的凹坑的檢測儀。

圖27展示了具有階梯通道結(jié)構(gòu)的檢測儀。

圖28展示了本發(fā)明涉及的檢測儀帶有一套熱學(xué)儀表。

圖29展示了本專利涉及的檢測儀包括管道內(nèi)含有dna的碳納米管。

圖30展示了集成電了檢測器件和光學(xué)傳感器檢測儀。

圖31展示了集成了檢測器件和邏輯電路的檢測儀。

圖32展示了集成了檢測器件和過濾器的檢測儀。

圖33展示了本發(fā)明涉及的微器件是如何用于檢測dna幾何參數(shù)的。

圖34展示了微器件的制造工藝，通過覆蓋溝槽的頂部來實現(xiàn)通道。

圖35展示了使用本發(fā)明的檢測儀利用生物樣品檢測疾病的示意圖。

圖36展示了樣品過濾單元。

圖37展示了另一種樣品過濾單元。

圖38是本發(fā)明的檢測儀的預(yù)處理單元示意圖。

圖39是本發(fā)明涉及的檢測儀信息處理單元示意圖。

圖40展示了多個信號的疊加消除了噪聲增大了信噪比。

具體實施方式

本發(fā)明的一個方面，涉及到在生物體內(nèi)或體外的(例如，在一定程度上指人類器官，組織或細(xì))ctc檢測儀。每個裝置包括生物流體傳送系統(tǒng)，前處理單元，充能裝置，探測和檢測設(shè)備，以及釋放單元。該儀器能夠測量生物樣品的微觀特性。樣品傳輸系統(tǒng)通過持續(xù)加壓，將微觀層面的生物樣品輸運到檢測儀的預(yù)處理單元或診斷器件。與傳統(tǒng)的檢測儀或技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的檢測儀檢測靈敏度高，特異性好，功能多，速度快，成本低，體積小。該儀器可以進(jìn)一步包括生物界面，探測控制和數(shù)據(jù)分析電路，廢棄物回收或處理系統(tǒng)?？梢韵驒z測儀增加微器件(例如第二檢測器件)以增強(qiáng)檢測能力。

作為檢測儀的關(guān)鍵組件，微器件至少包括對來自探頭的信息進(jìn)行處理，控制，施壓，接收，放大，分析，修改，糾正，決策，或存儲的功能，這就需要一個中央處理器，它包括控制電路，尋址單元，放大電路(如鎖相放大器)，邏輯處理電路，記憶單元，應(yīng)用程序特定的芯片，信號發(fā)射器，信號接收器，傳感器，生物樣品回收和再處理單元，微機(jī)電設(shè)備，多功能設(shè)備，或具有手術(shù)，藥物輸送，清洗，或醫(yī)療功能微型儀器。

在某些實施例中，流體推送系統(tǒng)包括壓力發(fā)生器，壓力調(diào)節(jié)閥，節(jié)流閥，壓力表以及其他配套部件。其中壓力發(fā)生器包括活塞系統(tǒng)和壓縮氣體儲存容器；壓力調(diào)節(jié)閥(可以包括多個閥)可以上調(diào)或下調(diào)所需壓力值；根據(jù)壓力表反饋的節(jié)流閥的壓力值調(diào)整壓力至目標(biāo)值。

用于傳輸?shù)纳锪黧w可以是用于疾病檢測的生物樣品也可以是其他物質(zhì)。在某些實施例中，用于傳輸?shù)目梢允且后w樣品(如血液，尿液，唾液，淚液，汗液，或淋巴液)。壓力調(diào)解器可以用一個或多個，用于上調(diào)或下調(diào)壓力至特定值，特別當(dāng)實例壓力太大或大小時，壓力調(diào)解器會將壓力調(diào)整到可接受的水平。

在某些實施例中，系統(tǒng)控制器，包括一個前置放大器，鎖相放大器，電表，熱表，開關(guān)矩陣，系統(tǒng)總線，非易失性存儲器，隨機(jī)存取器，處理器，和用戶界面。用戶界面可以包括傳感器，它可以是一個光學(xué)傳感器，電壓表，電流表，電傳感器，ph計，硬度測量傳感器，溫度傳感器，流量計，壓電表，或其他類型傳感器。

在某些實施例中，本發(fā)明的裝置還包括生物界面，系統(tǒng)控制器，廢棄物回收或處理系統(tǒng)。廢棄物回收或處理，可以在同一系統(tǒng)或兩個不同系統(tǒng)中進(jìn)行。

本發(fā)明涉及一種能夠和細(xì)胞相互作用的儀器，包括向細(xì)胞發(fā)送信號并接收細(xì)胞反饋信號的微器件。

在某些實施例中，和細(xì)胞的相互作用包括按照特定的信號進(jìn)行探測，檢測，分揀，通信，處理，或修改，這些特定信號可以是電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，機(jī)電學(xué)，電化學(xué)，電化學(xué)機(jī)械，生物化學(xué)，生物力學(xué)，生物機(jī)電，生物電化學(xué)，生物電化學(xué)機(jī)械，物理或機(jī)械信號，或多者兼而有之。

在某些實施例中，檢測儀內(nèi)的器件可以有多種表面涂層，這個涂層由一種或多種元素或化合物組成，并且有一個控制系統(tǒng)來控制元素的釋放。在某些實施例中，控制系統(tǒng)可以借助某種可控的能量通過器件的表面釋放元素，這種能量包括但不僅限于熱能，光能，聲能，電能，電磁能量，磁場能量，輻射能量，化學(xué)能或機(jī)械能。

在某些實施例中，檢測儀內(nèi)的器件包括一種向細(xì)胞表面或內(nèi)部釋放元素或化合物的部件，還包括另一種控制元素或化合物釋放的部件(例如，控制元素釋放的一塊電路)。這些元素可以是生物成分，化學(xué)化合物，離子，催化劑，鈣ca,碳c,氯cl,鈷co,銅cu,氫h,碘i,鐵fe,鎂mg,錳mn,氮n,氧o,磷p,氟f,鉀k,鈉na,硫s,鋅zn及它們的化學(xué)物。信號可以是脈沖式的也可以是恒定的，可以通過釋放元素或化合物攜帶，也可以通過液體溶液，氣體或兩者結(jié)合攜帶。信號的頻率范圍是1x10-4hz到100mhz或1x10-4hz到10hz，或在濃度約1.0nmol/l到10.0mmol/l的范圍內(nèi)振蕩。此外，在特定的振蕩頻率下該信號包括生物成分的振蕩，化學(xué)成分的振蕩，如鈣，碳，氯，鈷，銅，氫，碘，鐵，鎂，錳，氮，氧，磷，鐵，鉀，鈉，硫，鋅，或它們的化合物。

在某些實施例中，發(fā)送給細(xì)胞的信號可以是振蕩元素，化合物或生物成分的振蕩強(qiáng)度，細(xì)胞對該信號的反饋可以是振蕩元素，化合物，或生物成分的振蕩強(qiáng)度。

在一些實施例中，器件可覆蓋一層生物薄膜，例如，可以增強(qiáng)器件與細(xì)胞間的兼容性。

在一些實施例中，器件可包括如下功能的部件：產(chǎn)生發(fā)送至細(xì)胞的信號，接收來自細(xì)胞的響應(yīng)，對信號響應(yīng)做出分析，并連接器件與細(xì)胞(包括器件與細(xì)胞之間的通信)，并在某些方面修改或校正細(xì)胞。

本發(fā)明的另一方面提供的器件，每個都包括微型過濾器，開關(guān)，細(xì)胞計數(shù)器，選擇器，微型手術(shù)部件，計時器以及數(shù)據(jù)處理電路。微型過濾器可以通過以下特性區(qū)分異常細(xì)胞：物理性質(zhì)(如細(xì)胞大小，形狀或速度)、力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)，磁學(xué)性質(zhì)，電磁學(xué)性質(zhì)，熱學(xué)性質(zhì)(如溫度)，光學(xué)性質(zhì)，輻射特性，聲學(xué)性質(zhì)，生物學(xué)性質(zhì)，化學(xué)性質(zhì)，電化學(xué)性質(zhì)，生物化學(xué)性質(zhì)，生物物理學(xué)性質(zhì)，流體性質(zhì)，生物電化學(xué)性質(zhì)，生物電力學(xué)性質(zhì)或電力學(xué)性質(zhì)。此外信息(如過濾器壓力、過濾器中的流速、粘度、溫度變化及過濾器粘附性)可以通過待測生物樣本與過濾器間相互作用，以動態(tài)或靜態(tài)信息的形式取得。每個器件還另外包括一個或多個微型過濾器，每個微型過濾器可與兩個細(xì)胞計數(shù)器整合起來，一個安裝在過濾池的入口處，而另一個安裝在過濾池的出口處。過濾池的形狀是矩形，橢圓形，圓形，或多邊形。微型過濾器的大小范圍約為0.1微米至500微米，或約為5微米至200微米。此處使用的術(shù)語“大小”指的是過濾器開口的物理或特征尺寸，例如長度、寬度或高度。過濾器可涂覆一層生物薄膜或生物兼容性薄膜，以增強(qiáng)器件與細(xì)胞間的兼容性。

除了通過生物樣本本身的尺寸與物理特性區(qū)分外，過濾器還包括附加的特性與功能，通過其他特性完成生物樣本分離。這些特性與功能包括力學(xué)，電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)(如溫度)，光學(xué)，輻射，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，電化學(xué)，生物化學(xué)，生物電化學(xué)，生物電力學(xué)以及電力學(xué)性質(zhì)。

在這些器件的實施例中，開關(guān)夾在兩層過濾膜之間，可通過計時器控制。計時器可由細(xì)胞計數(shù)器觸發(fā)。例如，當(dāng)細(xì)胞通過過濾器入口的計數(shù)器時，時鐘觸發(fā)開關(guān)復(fù)位至默認(rèn)位置，并以預(yù)設(shè)的速度朝細(xì)胞方向運動，當(dāng)細(xì)胞通過出口處的計數(shù)器時，計時器記錄下時間。

本發(fā)明另一方面提供了具有微型槽、微型槽側(cè)壁植入微型探針的微型器件的制造方法。微型槽是一個未封口的通道(如圖2(i),2030)，可與另一個倒立的對稱槽(如圖2(k),2031)配對，形成封閉通道(如圖2(1),2020)。本發(fā)明也可形成通道陣列。該方法包括化學(xué)氣相淀積，物理氣相淀積或原子層淀積，在襯底上淀積形成多種材料；通過包括光刻、刻蝕和化學(xué)機(jī)械拋光在內(nèi)的方法將淀積的材料層圖形化，形成所需特性(如溝槽)；通過化學(xué)機(jī)械平坦化工藝實現(xiàn)表面平坦化；通過化學(xué)清洗去除顆粒；通過擴(kuò)散或離子注入實現(xiàn)特定層的元素?fù)诫s；通過熱退火去除晶格缺陷并激活擴(kuò)散離子。該方法的一個實例包括：在襯底上淀積第一層材料，在第一層材料上淀積第二層材料并通過微電子工藝(如光刻，刻蝕)對第二層材料圖形化以形成探測端；在第二層材料上淀積第三層材料，并通過拋光工藝平坦化第三層材料；淀積第四層材料至第三層材料上，并通過微電子工藝(如光刻，刻蝕)圖形化第四層材料，隨后通過微電子工藝(如另一次刻蝕)去除部分第三層材料與部分第一層材料，該步刻蝕對第二層材料具有選擇性(對第二層材料的刻蝕率低)，其中，第四層材料用作硬掩膜。硬掩膜通常指半導(dǎo)體刻蝕工藝中代替聚合物或其他“軟”材料的掩膜材料(如無機(jī)介電化合物或金屬化合物)。探針具有沿著槽方向的尖端，尖端在空間上與dna的大溝和小溝相匹配。例如，尖端在空間上與dna間隔的溝匹配，溝的間距是可變的。槽末端的探針尖端與每一串dna螺旋的末端匹配。探針尖端的直徑范圍約為1埃到10微米。

一些實施例中，該方法進(jìn)一步包括兩個相同工藝制造且對稱的器件的耦合(如翻轉(zhuǎn)鏡)，與通道形成探測器件。每個通道的入口都可選擇性的形成鐘狀開口，由此使通道的開口端(入口)大于通道體的尺寸，由此便于細(xì)胞進(jìn)入通道。每個通道的界面可以是矩形，橢圓形，圓形或多邊形的。耦合的兩個微型器件微型槽的對準(zhǔn)，可通過設(shè)計在微型器件版圖中的對準(zhǔn)標(biāo)記實現(xiàn)對準(zhǔn)。微型槽的尺寸范圍約為0.1微米至500微米。微型槽的寬度范圍約為0.5至200微米(如從約0.5納米至50微米)。微型槽的深度范圍約為0.5納米至200微米(如從約0.5納米至50微米)。微型槽的昌微猚約為1納米至10毫米。通道不同部分的形狀和尺寸可以相同或不同。

該方法進(jìn)一步包括了用平板覆蓋微型器件的微型槽。平板可包括硅，二氧化硅，氧化鋁，石英，低光損耗玻璃，或由以上材料制造。另外一些潛在適用的光學(xué)材料包括丙烯酸酯聚合物，銀銦銻碲，合成寶石，硒化砷，三氧化二砷，氟化鋇，烯丙基二甘醇酸脂(cr-39)，硒化鎘，銫氯化鎘，方解石，鈣氟化物，硫化玻璃，磷化鎵，鍺銻碲，鍺，二氧化鍺，氫倍半硅氧烷，冰島晶石，液晶，氟化鋰，lumicera材料，metatoy材料，氟硅酸鎂，氧化鎂，負(fù)折射率超材料，中子超反射鏡，熒光粉，picarin材料，聚合物(甲基丙烯酸甲酯)，聚碳酸酯，溴化鉀，藍(lán)寶石，暗光磷光體，spectralon材料，精煉金屬，開口環(huán)諧振器，氟化鍶，釔鋁石榴石，氟化釔鋰，釩酸釔，zblan材料，硒化鋅，和硫化鋅。

另一些實施例中，該方法進(jìn)一步包括整合三個或更多相同工藝制造的微型器件以形成具有通道陣列的加強(qiáng)的器件。

本發(fā)明的另一個方面與一套全新的工藝流程相關(guān)。該工藝流程用于制造微型器件(包括微型探針和微型凹口探針)，通過測量生物樣本的微觀特性，應(yīng)用于循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)檢測。微型器件可整合于本發(fā)明中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測儀中，測量一種過多種微觀特性。例如，癌細(xì)胞相比于正常細(xì)胞可能具有不同的硬度(更硬)，密度(更致密)或彈性。

本發(fā)明的另一方面是發(fā)明中披露的微型器件產(chǎn)生的信號涉及細(xì)胞通信和調(diào)節(jié)細(xì)胞決定或反應(yīng)(如分化，去分化，細(xì)胞分裂和細(xì)胞凋亡)。這可以進(jìn)一步用于檢測和治療疾病。

為進(jìn)一步加強(qiáng)測量能力，多個器件可以整合到采用飛行時間技術(shù)的檢測儀中。檢測儀包括至少一個微型探測器件和微型傳感器件，兩者間距是預(yù)設(shè)并已知的。微型探測器件向生物樣本施加一個的信號(如電壓，電荷，電場，激光束，熱脈沖，離子束或聲波)，微型探測(傳感)器件能在生物樣本運動了所需時間和已知距離后，測量來自生物樣本的響應(yīng)。例如，微型探測器件向細(xì)胞施加一個電荷，微型探測(傳感)器件在細(xì)胞經(jīng)過特定的時間(t)，運動了一定距離(l)后測量其表面電荷。

本發(fā)明檢測儀中包括的微型器件由于其特性的多樣性，高度的靈活性，整合與小型化的能力及制造的擴(kuò)展性，因而具有多種不同設(shè)計、結(jié)構(gòu)、功能、靈活性與應(yīng)用。微型器件包括如電壓比較器，四探針，運算器，邏輯電路，存儲單元，微型切割器，微型錘，微型盾，微型染料，微型針，微型刀，微針，微線器，微型鑷子，微激光器，顯微光吸收器，微鏡，微型車，微過濾器，微斬波器，微粉碎機(jī)，微泵，微吸收器，微信號探測器，微型鉆，微吸盤，微型測試器，微型容器，信號發(fā)射器，信號發(fā)生器，摩擦傳感器，電荷傳感器，溫度傳感器，硬度儀，聲波發(fā)生器，光學(xué)波發(fā)生器，熱發(fā)生器，微型冷凍機(jī)和電荷發(fā)生器。

另外值得注意的是先進(jìn)的制造技術(shù)已經(jīng)能夠制造廣泛的微型器件，并集成多種功能于同一個微型器件，且制造方便可行，價格可取。人體細(xì)胞的典型尺寸時10微米。采用最先進(jìn)的集成電路制造技術(shù)，微型器件的最小特征尺寸小至0.1微米或更小。因此，將所披露的微型器件用于生物應(yīng)用是很理想的。

就微型器件的材料而言，一般的原則或考量是材料與生物體的相容性。因為微型器件與生物樣本相接觸的時間可能會發(fā)生變化，并取決于其應(yīng)用，不同的材料或其組合可用于微型器件的制造。在一些特殊情況下，這些材料可以在給定的ph值下受控溶解，因此可選為合適的材料。其他的考量包括成本，簡易性和實用性。隨著微加工技術(shù)如集成電路制造技術(shù)的重大進(jìn)展，最小特征尺寸小至0.1微米的高度集成的器件，現(xiàn)在可成本有效并商業(yè)化地制造。一個很好的例子是與微機(jī)電系統(tǒng)(mems)的設(shè)計制造，目前被廣泛用于電子工業(yè)中及以外

以下列出的是本發(fā)明的疾病檢測儀的一些圖例或說明，包含一類集成于本發(fā)明中疾病檢測儀中的新型微器件及其制造工藝。

圖1是本發(fā)明中循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)檢測儀111的透視圖，生物樣本211諸如血液樣本置于其中或通過該檢測儀而完成測試。在該圖中，疾病檢測儀111的一個實例是圓柱形式，生物樣本211在其中流過(從圖的左端流向右端)，完成一種或多種微觀性質(zhì)的測試。

為提高檢測速度，加強(qiáng)檢測靈敏度，大量的微型器件可集成于本發(fā)明的一個單獨的檢測儀中，如圖1(b)和圖1(c)中檢測儀中分布有一些微型器件，可以測量生物樣本中大量的所需對象(如細(xì)胞)。為實現(xiàn)以上要求，檢測儀須通過優(yōu)化將其其表面積最大化，使集成其中的大量微型器件接觸生物樣本。

圖2(a)是本發(fā)明中集成多個典型微型器件311的循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)檢測儀122的透視截面圖。生物樣本如血液211置于其中，或在其中通過，完成一種或多種微觀性質(zhì)的測試，例如電學(xué)性質(zhì)(如表面電荷，表面電勢，電流，阻抗或其他電學(xué)性質(zhì))，磁學(xué)性質(zhì)，電磁學(xué)性質(zhì)，力學(xué)性質(zhì)(如密度，硬度，剪切強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度，斷裂應(yīng)力，粘附性)，生物特性，化學(xué)性質(zhì)(如ph值或電離強(qiáng)度)，生物化學(xué)性質(zhì)，熱學(xué)性質(zhì)(如溫度)，光學(xué)性質(zhì)及輻射性質(zhì)。

多種微型器件可集成到檢測儀中以檢測多種性質(zhì)，而非檢測生物體的單個性質(zhì)以診斷生物樣本中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)。圖3是本發(fā)明中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)檢測儀133的不同檢測探針的多個微型器件311,312,313,314和315的透視截面圖。生物樣本如血液211置于其中，或在其中通過，完成一種或多種微觀性質(zhì)的測試，例如電學(xué)性質(zhì)(如表面電荷，表面電勢，電流，阻抗或其他電學(xué)性質(zhì))，磁學(xué)性質(zhì)，電磁學(xué)性質(zhì)，力學(xué)性質(zhì)(如密度，硬度，剪切強(qiáng)度，拉伸強(qiáng)度，斷裂應(yīng)力，粘附性)，生物特性，化學(xué)性質(zhì)(如ph值或電離強(qiáng)度)，生物化學(xué)性質(zhì)，熱學(xué)性質(zhì)(如溫度)，光學(xué)性質(zhì)及輻射性質(zhì)。

圖2(b)-2(n)展示了本發(fā)明中用于捕獲，分類，探測，測量和修飾生物樣本(如獨立細(xì)胞)的微型器件的制造方法。首先，材料2002(如非導(dǎo)電材料)和另一種材料2003(如導(dǎo)電材料)依次淀積至襯底2001(見圖2(b)和2(c))上。第一種材料2003隨后依次通過光刻和刻蝕工藝(見圖2(d))進(jìn)行圖形化。另一種材料2004隨后完成淀積(如圖2(e)所示)與平坦化(如圖2(f)所示)。另一層材料2005完成淀積(如圖2(g)所示)與圖形化，并用作硬掩膜(如圖2(h)所示)，之后進(jìn)行刻蝕(如圖2(j)所示)，刻蝕截止于襯底2001.圖2(i)是器件透視圖而圖2(j)是該器件的垂直視圖。

如圖2(k)所示，器件2080和鏡像或?qū)ΨQ器件2081可耦合在一起(如圖2(l)所示)。由此，帶有通道，且通道內(nèi)壁嵌入探針的檢測儀就制造出來了。

如圖2(m)和2(n)所示，大量的微型檢測器件可集成在一起，以提高檢測效率。

如此處所示，優(yōu)化檢測儀設(shè)計以最大化測量表面積是有需要的，因為表面積越大，就可以在檢測儀上放置更多的微型器件以同時測量樣本，從而提高檢測速度，同時最小化檢測所需樣本量。圖4是本發(fā)明中的疾病檢測儀144的透視圖，它包括了由狹窄間距分隔的兩個板，待測樣本如血液樣本置于兩板間，多個微型器件置于兩板內(nèi)表面以測量樣本的一種或多種微觀性質(zhì)。

本發(fā)明的另一方面涉及制造檢測循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)微型器件的全新工藝流程。圖5展示了使用微電子技術(shù)和工藝制造檢測循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)檢測儀的全新工藝流程。首先，材料412淀積至襯底411(圖5(a))上，隨后通過光刻和刻蝕工藝(圖5(b))圖形化。接著淀積材料413，并通過化學(xué)機(jī)械拋光工藝實現(xiàn)平坦化(圖5(d))。通過光刻與刻蝕工藝，在材料413中形成凹陷區(qū)域，以孔的形式存在，如圖5(e)所示。接著淀積材料414(圖5(f))。在材料413表面以上部分的材料414由化學(xué)機(jī)械拋光(圖5(g))去除，并接著淀積材料415。材料415隨后通過光刻和刻蝕工藝(圖5(i))圖形化。材料414隨后完成淀積，414在襯底415以上的凹陷部分通過化學(xué)機(jī)械拋光工藝去除(圖5(j)和圖5(k))。最終，對材料415進(jìn)行輕微刻蝕或化學(xué)機(jī)械拋光，使材料415凹陷，并對414(圖5(l))具有選擇性，并導(dǎo)致材料414輕微突出。材料412可以是壓電材料。當(dāng)在正確的方向上加上電壓，它會膨脹并拉升，導(dǎo)致材料414尖端的向上運動。由此通過以上的全新工藝流程，制造了具有兩個探針，能夠測量生物樣本的一些性質(zhì)(包括力學(xué)和電學(xué)性質(zhì))的微型器件。

該應(yīng)用中集成了微型器件的檢測儀器能夠完全地檢測單個細(xì)胞的預(yù)設(shè)性質(zhì)。圖6是本發(fā)明中披露的全新的工藝流程微型器件555的透視圖(例如以上圖5展示的全新工藝流程)，并展示了該器件如何能夠探測單個細(xì)胞666并測量細(xì)胞以收集所需參數(shù)。圖6(a)是帶有一對微型探針531和520的微型器件555的透視截面圖，其中探針531呈現(xiàn)為尖端形式，而探針520呈現(xiàn)為環(huán)狀。探針531和520可以是導(dǎo)電的，可用作一對探針測量生物樣本的電學(xué)性質(zhì)。微型探針531與基底518相接觸，518可以是壓電材料。當(dāng)給基底壓電材料518加電壓，基底518膨脹，并向上推動微型探針531，這對測量生物樣本如單個細(xì)胞的多種性質(zhì)會有用。圖6(b)中，微型器件555使用檢測尖端531穿透細(xì)胞膜，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部空間622，而探測環(huán)520與細(xì)胞膜外表面接觸，由此測量單個細(xì)胞666。通過該方法，微型器件555可以對細(xì)胞作多種測量，包括電學(xué)性質(zhì)(如電勢，穿過細(xì)胞膜的電流，細(xì)胞膜表面電荷或阻抗)，力學(xué)性質(zhì)(如硬度，當(dāng)探針531設(shè)計成微壓痕探針)，熱學(xué)性質(zhì)(如溫度)，物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)(如ph值)。

另一深層方面，部分發(fā)明提供了微型器件的設(shè)計，集成，與制造流程。微型器件能夠在復(fù)雜的環(huán)境、相對高背景噪聲的條件下，對生物系統(tǒng)中信號非常微弱的循環(huán)腫瘤細(xì)胞的檢測進(jìn)行高靈敏度的高級測試。使用本發(fā)明披露的此類微型器件進(jìn)行的循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測包括但不限于動態(tài)測量，實時測量(如飛行時間法測量，結(jié)合探測信號與響應(yīng)信號)，使用鎖相放大技術(shù)減少背景噪聲，使用四探針技術(shù)測量極微弱信號，及使用全新的新型探針測量生物樣本在單個細(xì)胞(如端粒dna或染色體)的多種電子學(xué)，電磁學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。

例如，用飛行時間法獲得生物樣本(如細(xì)胞)的動態(tài)信息，第一微型器件首先用來向待測生物樣本發(fā)送信號進(jìn)行干擾。隨后第二微型器件用來準(zhǔn)確測量來自生物樣本的響應(yīng)。在一個實例中，第一微型器件和第二微型器件以所需距離或預(yù)設(shè)距離l相距放置，生物樣本從第一微型器件流向第二微型器件。當(dāng)生物樣本通過第一微型器件，第一微型器件發(fā)出信號并送至生物樣本，第二微型器件探測生物樣本上響應(yīng)或保留的干擾信號。根據(jù)兩個微型器件的間距，時間間隔，第一微型器件信號擾動的特性以及所測量到的生物樣本的變化，該樣本的微觀性質(zhì)和動態(tài)性質(zhì)即可獲得。在另一個實例中，第一微型器件通過施加信號(如電荷)探測生物樣本，此后來自生物樣本的響應(yīng)作為時間的函數(shù)由第二微型器件測得。由微型器件施加到生物樣本的電壓范圍約為0.1毫伏到10伏，或從1毫伏到1.0伏。

為進(jìn)一步增強(qiáng)檢測靈敏度，將使用全新的疾病檢測流程，其中使用到飛行時間技術(shù)。圖7是檢測儀155透視截面圖。檢測儀155包括微型器件321和331，兩者以所需距離700間隔用以飛行時間檢測，以增強(qiáng)的測試靈敏度，特異性，和速度獲得生物樣本211(如細(xì)胞)的動態(tài)信息。在該測量中，生物樣本211的一種或多種性質(zhì)在其通過第一微型器件321時測量到。相同的性質(zhì)會在生物樣本211運動了距離700，通過第二微型器件331時再測一次。生物樣本211在微型器件321和331出測量到的差異說明了在這期間它與周圍環(huán)境(如特殊的生物環(huán)境)的相互作用。這也揭示了生物樣本的性質(zhì)隨時間的演變。另外，如圖7所示的排布，微型器件321可以首先應(yīng)用作為探針，當(dāng)樣品211通過微型器件321時，將探測信號(如電荷)加至樣品211。隨后，對樣品的探測信號的響應(yīng)可以通過微器件331在其通過器件時檢測到(如電荷在該過程中的變化)。對生物樣品的211的測量可以通過接觸或非接觸方式進(jìn)行。在一個實例中，微型器件的陣列可以所需的間距排布，測量生物樣本一段時間內(nèi)的性質(zhì)。

微器件的利用(例如，通過使用本發(fā)明的制造工藝流程制造)正如上面所討論的，在圖7在檢測生物樣本(單個生物樣本，如細(xì)胞)一組新的、現(xiàn)有技術(shù)未考慮到的微觀性質(zhì)時會有幫助。這些微觀性質(zhì)可以是生物樣品的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，電力學(xué)，電化學(xué)，電化學(xué)力學(xué)，生物化學(xué)，生物力學(xué)，生物電力學(xué)，生物電化學(xué)，生物電化學(xué)力學(xué)，物理學(xué)，或力學(xué)性質(zhì)。眾所周知，生物物質(zhì)包括從基本的鍵如oh，co和ch鍵到復(fù)雜的三圍結(jié)構(gòu)。其中的一些在其電子結(jié)構(gòu)方面有自己獨特的標(biāo)識，其中一些還具有獨特的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，電力學(xué)，電化學(xué)，電化學(xué)力學(xué)，生物化學(xué)，生物力學(xué)，生物電力學(xué)，生物電化學(xué)，生物電化學(xué)力學(xué)，物理學(xué)，或力學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)。正常生物樣本和病變的生物樣本攜帶基于上述性質(zhì)的不同的標(biāo)識。然而，上述的參數(shù)或性質(zhì)沒有被用作循環(huán)腫瘤細(xì)胞常規(guī)檢測的性質(zhì)。使用本發(fā)明中的帶有一種或多種微型器件的循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測儀，上述參數(shù)可作為檢測的有用信號被檢測、測量及利用到，尤其是在癌癥的早期。

圖8是全新設(shè)計和配置的微型探針341,342，343,344,345,346和347透視圖。這些探針可用來探測生物樣本212,213,214和215(均為細(xì)胞)的多種電學(xué)，磁學(xué)或電磁學(xué)狀態(tài)，配置或其他微觀性質(zhì)。例如，就測量的電學(xué)性質(zhì)而言，圖8中生物樣本212,213,214和215的形狀可代表單極子(樣品212)，偶極子(樣品213和214)，四極子(樣品215)。微型器件341，342，343，344，345，346和347經(jīng)優(yōu)化后，將所述參數(shù)的靈敏度最大化。這些參數(shù)包括但不限于電子態(tài)，電荷，電子云分布，電場，磁學(xué)和電磁學(xué)性質(zhì)。微型器件可設(shè)計與排布為三維結(jié)構(gòu)。對癌癥疾病而言，正常樣本和癌癥樣本的電子態(tài)和對應(yīng)的電學(xué)性質(zhì)很可能有差異。因此，通過測量微觀水平包括細(xì)胞水平的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)性質(zhì)，循環(huán)腫瘤細(xì)胞的檢測靈敏度與特異性將得到提高。

除了上述測量電學(xué)性質(zhì)(如電荷，電子態(tài)，電子電荷，電子云分布，電場，電流，電勢和阻抗)的例子外，單個細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)(如硬度，密度，剪切強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度)和化學(xué)性質(zhì)(如ph值)，在圖8中測量生物樣本水平的電學(xué)，磁學(xué)或電磁態(tài)或配置外，本應(yīng)用披露的其余微型器件用于敏感的電學(xué)測量。

圖9是探測生物樣本如細(xì)胞的微弱電學(xué)信號的四探針的透視圖，其中四探針348設(shè)計為測量生物樣本216的電學(xué)性質(zhì)(阻抗，電容及微弱電流)。

本發(fā)明的一個關(guān)鍵方面是微型器件的設(shè)計與制造流程，以及使用微型器件捕捉或測量生物樣本在微觀水平和三維空間中的特性。微型器件中的微型探針以三維的排布，特征尺寸小至細(xì)胞水平，能夠捕獲，分類，探測，測量，檢測，技術(shù)，通信或?qū)ι飿颖具M(jìn)行修飾。這些微型器件可以采用的最先進(jìn)的微電子加工技術(shù)來制造，如集成電路制造技術(shù)?？墒褂帽∧さ矸e技術(shù)，如分子束外延(mbe)和原子層沉積(ald)，膜的厚度可薄至幾個單原子層(如4埃到10埃)。此外，用電子束和x射線光刻技術(shù)，納米級的器件特征尺寸可以實現(xiàn)，使得微器件捕獲，探測，測量，和修飾生物樣本(如單個細(xì)胞)成為可能。、

圖10展示了本發(fā)明中能夠捕獲，分類，探測，測量和修飾生物樣本(如單個細(xì)胞，dna或rna分子)的檢測儀或微型器件的制作工藝流程。在該流程中，使用了微電子工藝制造能夠?qū)崿F(xiàn)上述獨特功能的微型器件。具體而言，第一種材料712(通常為導(dǎo)電材料)首先淀積至襯底711(圖10(a)和圖10(b))。第一種材料712隨后通過光刻和刻蝕工藝(圖10(c))完成圖形化。第二種材料713隨后完成淀積并通過化學(xué)機(jī)械拋光工藝實現(xiàn)平坦化，并去除材料712上多余的材料713(如圖10(e)所示)。另一層材料714完成淀積與圖形化，接著淀積并平坦化另一層材料712(圖10(f))。隨后，第三種材料715完成淀積并通過光刻與刻蝕工藝實現(xiàn)圖形化(圖10(g)和圖10(h))，接著淀積第四種材料716并平坦化。材料716通常為犧牲層材料。選擇性地重復(fù)材料712或材料715的淀積與圖形化工藝流程，淀積材料716并通過化學(xué)機(jī)械拋光工藝平坦化(圖10(k)-(m))，形成具有多層的薄膜堆棧，其中至少具有多個層交替的材料712(如導(dǎo)電材料)和材料715(如絕緣材料)形成器件的一部分。最終，材料層771和772之間的材料716通過濕法刻蝕，干法刻蝕(取決于光刻工藝)或氣相刻蝕去除，并對其他材料具有選擇性(圖10(n))。如圖10(o)所示，當(dāng)材料712是導(dǎo)電材料并連至電路或電源(如電荷源)，由材料堆棧上的材料712形成的每個探針尖端在表面(如781和782)帶有一個電荷或電場，每個探針尖端能夠選擇性的帶有一個正電荷或一個負(fù)電荷，或者正電場或負(fù)電場。相反，這寫探針尖端能夠感應(yīng)待測生物樣本的多種性質(zhì)(如電子云，電場，電荷，當(dāng)尖端是熱探測器時能夠感應(yīng)溫度，當(dāng)尖端是光學(xué)探測器時能夠探測光發(fā)射)。使用電路或電源，電荷分布或電場的多種組合可置于微型器件中，如圖10(o)和圖10(p)所示，器件可以用于分選和捕獲多種生物樣本如細(xì)胞和dna分子。例如，在圖10(p)中的生物樣本帶有相反的電荷分布，可被微型器件捕獲。具有多種電荷分布和電場分布的微型器件陣列可用作分選器件，快速捕獲對應(yīng)的生物樣本。圖10(ql)和圖10(q2)說明了使用微型器件捕獲dna分子或測量dna分子的多種性質(zhì)(如電學(xué)，熱學(xué)或光學(xué)性質(zhì))。器件中每個探測尖端在空間上與dna螺旋的大溝或小溝相匹配。圖10(r)說明了探測尖端如何連接至電路，其中只顯示了連線。值得注意的是在該例子中的微型器件可集成至單個芯片中，與數(shù)以億計的該類微型器件一起高速捕獲或分選細(xì)胞，dna,rna，蛋白質(zhì)和其他生物樣本。

本發(fā)明的另一方面涉及微縮探針和微型探針測量生物樣本的一系列的物理性質(zhì)(如力學(xué)性質(zhì))，力學(xué)性質(zhì)包括強(qiáng)度，硬度，拉伸強(qiáng)度，斷裂應(yīng)力，和其他與細(xì)胞膜相關(guān)的性質(zhì)。這些性質(zhì)被認(rèn)為是疾病診斷的重要組成部分。

圖11展示了制造檢測生物樣本一系列性質(zhì)，如細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)(如細(xì)胞膜的力學(xué)強(qiáng)度)的微型器件的全新制造流程。該流程中，材料812首先淀積至襯底811上，接著淀積另一種材料813(圖11(a))，并通過光刻和刻蝕工藝圖形化材料813，接著淀積材料814(圖11(b))并平坦化(圖11(c))另一層材料813隨后完成淀積，并通過光刻和刻蝕工藝去除部分的材料813，接著淀積材料815(可以是壓電材料)并平坦化(圖11(d))。接著淀積一層813，隨后再淀積另一層813并圖形化，然后淀積材料816并平坦化(圖11(e))。隨后，材料816被回蝕以減小厚度，并圖形化，接著是對三層材料813結(jié)構(gòu)的圖形化(圖11(f))。淀積另一層材料814(圖11(g))并且通過化學(xué)機(jī)械拋光以平坦化(圖11(h))和圖形化(圖11(i))。最終，多層的材料813通過濕法刻蝕或氣相刻蝕去除(圖11(j))，圖11(k)是微型器件垂直于圖11(j)(從圖11(j)旋轉(zhuǎn)90)的截面透視圖。圖11(l)說明了帶有兩個微型尖端871和872的微型器件能夠在壓電驅(qū)動器881和882加電驅(qū)動下向相反的方向運動，并可以用于探測生物樣本如細(xì)胞。

圖12說明了使用圖11所示的全新工藝制造的微型器件是如何工作的。圖12中，微型器件850帶有兩個微型探針866和855，并在加力后在兩個相反的方向運動(圖12(a))。當(dāng)兩個探針的尖端穿過細(xì)胞870時，由于探針尖端的間距受力后增加，細(xì)胞被擴(kuò)張。最終，施加的力達(dá)到臨界值，細(xì)胞碎成兩塊(圖12(b))。細(xì)胞對所加的力的動態(tài)響應(yīng)提供了細(xì)胞的信息，特別是細(xì)胞膜的力學(xué)性質(zhì)(如彈性)。細(xì)胞受力被撕開的臨界點反應(yīng)了細(xì)胞的強(qiáng)度，可成為破裂點。細(xì)胞膜的力學(xué)強(qiáng)度越大，臨界點所需的力越大。

本發(fā)明中另一個全新的方法是使用鎖相放大技術(shù)進(jìn)行循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)的檢測，這將減少背景噪聲，有效增加信噪比。通常，在此類測試中，使用周期信號探測生物樣本，與周期信號同頻率的相干的響應(yīng)信號將被檢測到并放大，與周期信號頻率不相干的其他信號將被濾除，從而有效減少背景噪聲。本發(fā)明的一個實例中，微型探測器件能夠想生物樣本發(fā)出周期性探測信號(如脈沖激光束，脈沖熱波或交變電場)，來自生物樣本的響應(yīng)信號由微型檢測器件檢測到。鎖相放大技術(shù)可用于過濾掉無用的噪聲，增強(qiáng)與探測信號同步的響應(yīng)信號。以下兩個例子說明了飛行時間檢測與鎖相檢測技術(shù)結(jié)合的新穎的特征，以加強(qiáng)微弱信號，提高對循環(huán)腫瘤細(xì)胞(ctc)的檢測的靈敏度。

圖13是一個全新的用于循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測排列的飛行時間的示意圖。特別地，圖13(a)說明了利用檢測探針933和時鐘發(fā)生器922測量生物體的組織，圖13(b)包含因結(jié)構(gòu)922而產(chǎn)生的記錄信號921，被信號探針933記錄的信號931，利用鎖相技術(shù)處理信號941過濾掉記錄信號931中的噪音，在記錄信號中只有與時鐘信號921同步的響應(yīng)被保留。在如圖13(a)所示的組織中，當(dāng)生物體例如細(xì)胞911穿過結(jié)構(gòu)922時，它觸發(fā)一個清晰的信號(例如當(dāng)922是一個光源時的一個光散射信號，或當(dāng)922是晶體管里的一個孔結(jié)構(gòu)時的一個急劇增加的電壓)。因此，922可以用于記錄生物體的出現(xiàn)，并且當(dāng)922的多個結(jié)構(gòu)以周期性的間距如圖13(b)所示記錄信號的蹤跡放921置時作為一個時鐘。另外，當(dāng)922以已知的間距放放置在探針933之前時，它標(biāo)記接近933的生物體的出現(xiàn)并且933記錄的信號響應(yīng)從被922觸發(fā)的信號起延遲一段時間t，t等于922和933之間的距離除以生物體的移動速度。如圖13(b)所示，因結(jié)構(gòu)922而產(chǎn)生的信號921是清晰的并且和結(jié)構(gòu)922s的間距成周期線性關(guān)系，與此同時探針933測量的信號具有高的噪音水平和相對弱的與生物體相關(guān)的信號。利用鎖相技術(shù)通過檢測探針933過濾記錄信號931中與時鐘信號921不同步的噪音，如圖13(b)所示在處理信號941中信噪比可以極大的提高。

圖14說明了另一個循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測排列的飛行時間，在排列中，除了圖示的記錄時鐘信號921，總錄響應(yīng)信號951(除了時鐘信號)，和采用鎖相技術(shù)的處理信號952外，還使用了時鐘信號發(fā)生器922，探測信號發(fā)生器944和信號檢測探針955。在此排列中，探測信號發(fā)生器944被用于擾動生物體911(例如利用光束加熱911或給911加電荷)，并利用檢測探針陣列955，探測信號的響應(yīng)隨后被作為時間的函數(shù)測量。在952中的過濾信號當(dāng)它隨著時間的衰減通過944顯示出對探測信號的動態(tài)響應(yīng)。由于正常細(xì)胞和異常細(xì)胞對探測信號的響應(yīng)不同，這個帶有適當(dāng)?shù)奈⑿吞结樀呐帕锌梢员挥糜跈z測癌癥。在另一個利用本文所創(chuàng)建的實施例中(如圖14所示)，探測信號發(fā)生器944可以給生物體911發(fā)送一個周期信號，通過檢測探針955檢測到的生物體響應(yīng)信號可以利用鎖相技術(shù)處理，同時過濾掉與探針信號頻率不同步的噪音和放大與探針信號頻率同步的信號。

圖15是一個新穎的多功能微型過濾器的透視圖。計時遮光器1502夾在兩片帶井的過濾膜1501之間。當(dāng)生物體1511沿井的路徑穿過時，首先被計數(shù)器1512檢測到，進(jìn)而觸發(fā)擋板1502的時鐘。隨后較大的細(xì)胞被過濾器的孔(不在圖中)過濾，或阻擋，只有具有足夠大速度的特定的生物體可以在計時遮光器1502關(guān)閉過濾器通路(見圖15(b))之前穿過通路1503。否則如圖15(c)所示當(dāng)計時遮光器1502移動到阻塞通路后生物體將被阻擋。

圖16說明了一個包含壓力發(fā)生器，壓力調(diào)節(jié)器，節(jié)流閥，壓力計，及分配裝備的流體輸運系統(tǒng)。壓力發(fā)生器1605以一定的壓力維持流體，壓力通過調(diào)節(jié)器1601進(jìn)一步的調(diào)節(jié)進(jìn)而通過節(jié)流閥1602精確地控制。同時，壓力被實時監(jiān)控并通過壓力計1603反饋給節(jié)流閥1602。調(diào)節(jié)后的流體隨后并行傳導(dǎo)給多個器件，在那兒所需恒壓驅(qū)動流體樣品。

圖17說明了本發(fā)明的循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測儀的微器件是怎樣在微觀水平通信，探測，檢測，和選擇性的治療及修飾生物體。圖17(a)說明了決定細(xì)胞命運的信號識別活動的順序。首先，當(dāng)信號1701被細(xì)胞表面的受體1702檢測到時，細(xì)胞將信號集成和編碼成生物學(xué)可理解的信息，例如鈣振蕩1703。因此，細(xì)胞中對應(yīng)的蛋白質(zhì)1704與信息相互作用，然后蛋白質(zhì)被修飾轉(zhuǎn)相應(yīng)地轉(zhuǎn)換成離子相互作用的蛋白質(zhì)1705。通過遷移，這些被修飾的蛋白質(zhì)1705將攜帶的信息傳送給細(xì)胞核的蛋白質(zhì)，并且，對細(xì)胞核蛋白質(zhì)可控的修飾將調(diào)節(jié)基因1707的表達(dá)，包括轉(zhuǎn)錄，翻譯，表觀遺傳過程，和染色質(zhì)修飾。通過信使rna1709，信息輪流通過特定的蛋白質(zhì)1710，從而改變他們的濃度，濃度決定或調(diào)節(jié)細(xì)胞的判定或活動，例如分化，分配，或甚至死亡。

圖17(b)說明了本發(fā)明的一個可通過接觸或非接觸的方式檢測，通信，處理，修飾，或探測單個細(xì)胞的儀器。儀器安裝了可通過控制電路1720尋址和調(diào)制的微型探針和微型注射器。每一個單獨的微型注射器由單獨的微型設(shè)備筒提供，微型設(shè)備筒攜帶所需的化學(xué)品或混合物。

為了說明本發(fā)明的儀器是怎樣用于模擬細(xì)胞內(nèi)的信號，鈣振蕩被作為機(jī)理的一個例子。首先，鈣離子的活性釋放通道(crac)以最大程度打開，這可以通過不同的方法實現(xiàn)。在一個可適用的方法的例子中，存儲在設(shè)備筒1724里的生化材料(例如杜胡蘿卜素)通過注射器1725釋放給細(xì)胞，進(jìn)而crac在生物體刺激物的作用下打開。在另一個可適用的方法的例子中，注射器1724向細(xì)胞膜施加一定的電壓，進(jìn)而也導(dǎo)致crac的打開。

由于它是一個含鈣離子的溶液1726和不含鈣離子溶液1727的理想組合，注射器1728中溶液的鈣離子濃度可以調(diào)節(jié)。當(dāng)注射器1730包含不含鈣離子溶液時，注射器1728和1730以一定的頻率交替開或關(guān)。這樣，就獲得了鈣離子振蕩，并且細(xì)胞膜內(nèi)部的成分暴露于鈣離子振蕩。因此，細(xì)胞的活動或命運可通過調(diào)節(jié)由儀器產(chǎn)生的信號來控制。

同時，細(xì)胞的響應(yīng)(例如以電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)或機(jī)械學(xué)性質(zhì)的形式)可以通過集成在儀器中的探針監(jiān)控和記錄。

圖17(c)說明了可建立與單個細(xì)胞通信的儀器的另一種設(shè)計。儀器裝備了覆蓋有生物兼容性的混合物或元素例如碳，氯，鈷，銅，氫，碘，鐵，鎂，錳，氮，氧，磷，氟，鉀，鈉，硫，或鋅的微型探針。利用這樣的一個與細(xì)胞相互作用的元素和混合物這些探針可以產(chǎn)生振蕩化學(xué)信號，并引起影響細(xì)胞活動或如上所述最終命運的響應(yīng)。而且本儀器還可以探測和記錄細(xì)胞的響應(yīng)(例如采用電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，機(jī)電學(xué)，電化學(xué)，電化學(xué)機(jī)械學(xué)，生物化學(xué)，生物機(jī)械學(xué)，生物機(jī)電學(xué)，生物電化學(xué)，生物電化學(xué)機(jī)械學(xué)，物理學(xué)，或者機(jī)械學(xué)性質(zhì)的形式)

圖18說明了本發(fā)明的循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測儀的系統(tǒng)模塊示意圖。本例子包括一個流體輸運系統(tǒng)1801，生物體接口1802，一個探測和檢測器件1803，一個系統(tǒng)控制器1805，一個醫(yī)療廢物回收和處理系統(tǒng)1804。生物體樣品或材料通過流體輸運系統(tǒng)傳輸?shù)浇涌?802，同時流體參數(shù)(或性質(zhì))報告給系統(tǒng)控制器1805，系統(tǒng)控制器包括一個邏輯處理單元，一個存儲單元，一個專用芯片，一個傳感器，一個信號發(fā)射器，一個信號接收器；然后系統(tǒng)控制器1805給出進(jìn)一步的命令給系統(tǒng)。接口1802是一個連接流體樣品和檢測器的組合，可進(jìn)一步的監(jiān)視生物樣品的參數(shù)或性質(zhì)(例如壓力，溫度，粘度，或流速)，并且在以一定速度和壓力(可被系統(tǒng)控制器1805控制)將生物樣品分配給探測和檢測器件1803的同時，將數(shù)據(jù)報告給系統(tǒng)控制器1805。

系統(tǒng)控制器1805是全系統(tǒng)(或儀器)的中央控制器和顯示器,來自不同模塊的所有參數(shù)和信息在此處理和交換并且在此發(fā)出指令，以及在此指揮調(diào)度。系統(tǒng)控制器1805包括例如預(yù)置放大器，電氣儀表，熱學(xué)儀，開關(guān)矩陣，系統(tǒng)總線，非易失性存儲器，隨機(jī)存儲器，處理器，和操作使用儀器的用戶界面，以及讀取操作參數(shù)和最終結(jié)果。預(yù)置放大器可以將初始信號處理成測試儀所識別的信號。測試儀可以施加和測量對應(yīng)的信號，對應(yīng)的信號可以是電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，機(jī)電學(xué)，電化學(xué)，電化學(xué)機(jī)械學(xué)，生物化學(xué)，生物機(jī)械學(xué)，生物機(jī)電學(xué)，生物電化學(xué)，生物電化學(xué)機(jī)械學(xué)，物理學(xué)，或者機(jī)械學(xué)信號或以上組合。開關(guān)矩陣可以開關(guān)不同陣列的探測子儀器的測試終端。用戶界面包括輸入和輸出組合并且是一個將流體輸運系統(tǒng)和探測，檢測器件封裝在一起的組合。

探測和檢測器件1803是本發(fā)明的循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測儀器的核心功能模塊，因為它是探測生物樣品和收集相關(guān)的細(xì)胞信號(或響應(yīng))的單元。廢物回收和處理系統(tǒng)1804回收廢棄的生物樣品以保護(hù)生物宿主的秘密并防止它污染環(huán)境。

圖19(b)-(n)說明了制造一種用于誘捕，分類，探測，測量，處理，或修飾生物體(例如一個細(xì)胞，dna或rna分子)的微器件的工藝流程。第一材料1902(例如壓電導(dǎo)電材料)和第二材料1903(例如導(dǎo)電材料)相繼淀積到襯底1901上(見圖19(b)和19(c))。第二材料1903隨后通過光刻和刻蝕工藝(見圖19(d))圖形化。緊接著淀積(圖19(e)所示)和平坦化(圖19(f)所示)第三材料1904。隨后淀積(圖19(g)所示)和平坦化一層第四材料1905作為硬掩膜(見圖19(h))，之后通過刻蝕從所需區(qū)域去除第三和第一材料，并停在襯底1901上。圖19(i)是器件的透視圖，圖19(j)是相同器件的垂直示意圖。

圖19(k)說明了一種可以誘捕dna1920和測量dna的不同性質(zhì)(例如電學(xué)，磁學(xué)，物理學(xué)，熱學(xué)，化學(xué)，生物學(xué)，生物化學(xué)，或光學(xué)性質(zhì))的微器件的使用方法。每一個探針尖端1912在空間上與雙螺旋結(jié)構(gòu)dna的主要溝槽和次要溝槽相匹配。同時，設(shè)置在溝槽末端的兩個探針(1911和1910)可以向每股dna的雙螺旋結(jié)構(gòu)的末端施加或測量信號。探針可以由一種可選地帶有一種壓電支撐結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)材料制成，這種壓電支撐結(jié)構(gòu)可以向前或向后伸展一定的距離。所有的探針通過控制電路計數(shù)，尋址，和控制。

圖19(l)說明了一種如圖19(k)所示的簡單器件。在本器件中，探針尖端在空間上與雙螺旋結(jié)構(gòu)dna界面的溝槽相匹配。相鄰探針之間溝槽的間距數(shù)值是變化的。如果需要，dna可以移動(例如，通過探針1910和1911的吸引)或者探針可以沿著通道的方向移動，從而勾畫出dna全部或部分的特性。

圖20說明了本發(fā)明的一個可以檢測或測量生物體2010表面電荷的儀器。它包含一個通道，一對平板2022，和一個狹縫2030，狹縫將通道分割成一個頂部通道2041和一個底部通道2051。當(dāng)生物體2010攜帶表面電荷(圖20(a)所示正電荷)通過通道時，在施加到平板2022(正電壓加在頂部平板，負(fù)電壓加在底部平板)的電壓的作用下，如圖20(b)所示它將向底部通道移動。因此，當(dāng)它到達(dá)狹縫2030時，生物體2010將穿過底部通道2051。(如果生物體2010攜帶負(fù)電荷，它將通過頂部通道2041)這樣，電荷類型(正電荷或負(fù)電荷)不明的生物體可以通過使用本儀器來判定。

本器件包含至少兩個部分通道，其中一個裝載和修正生物體的通道2060，另一個包含至少一個平板或分離生物體(例如在此生物體被分離)的狹縫。

由于表面電荷會影響生物體的形狀，通過使用新穎的多個平板，可以獲得生物體的形狀和電荷分布信息。微器件的一般原理和設(shè)計可以擴(kuò)展到更寬的范圍，因此可以通過采用其他的一些參數(shù)例如離子梯度，熱梯度，光學(xué)束，或其他形的能量來分離使得獲得生物體的其他信息成為可能。

圖21說明了本發(fā)明的另一個利用微器件來探測和測量生物體2110的微觀特性的儀器，微器件包括一個通道，一組探針2120，和一組光學(xué)傳感器2132(見圖21(a))。被探針2120檢測到的檢測信號與信息相關(guān)包括被光學(xué)傳感器2132收集到的以提高檢測靈敏度和特異性的圖像。光學(xué)傳感器可以是例如ccd照相機(jī)，熒光探測器，cmos圖像傳感器，或者以上任意組合。

此外，探針2120可以被設(shè)計用于觸發(fā)光學(xué)發(fā)射例如在諸如癌細(xì)胞的目標(biāo)生物體中的熒光發(fā)射2143，從而可以被圖21(c)所示的光學(xué)探針2132所檢測。特別地，第一次可以用標(biāo)簽溶液處理生物體，標(biāo)簽溶液可以選擇性的與癌細(xì)胞反應(yīng)。隨后，當(dāng)與探針2120發(fā)生反應(yīng)(接觸或非接觸)的時候，癌細(xì)胞的光學(xué)發(fā)射就發(fā)生了，并且光學(xué)發(fā)射可以被光學(xué)探測器2132檢測到。由于發(fā)射觸發(fā)點直接緊鄰光學(xué)探針并且觸發(fā)信號2143可以最小的損耗，就地，實時的被記錄，因而采用本發(fā)明的微器件的新穎工藝比傳統(tǒng)的熒光譜這種方法更靈敏。

圖22說明了本發(fā)明儀器的另一個實例，可用于分離不同幾何尺寸的生物體和檢測它們各自的特性。它包括至少一個入口通道2210，一個擾流通道2220，一個加速腔2230，和兩個選擇通道2240和2250,2220和2210間的角度在0度到180度之間。生物體2201在x方向從2210流向2230.生物兼容性的分配流體2202從2220流向2230。然后流體2202在y方向?qū)?201進(jìn)行加速。不過，加速度與生物體的半徑有關(guān)，半徑大的生物體加速度比半徑的生物體加速度小。因而，較大和較小半徑的生物體被分離到不同的通道。與此同時，探針被選擇性的封裝到2210,2220,2230,2240和2250的側(cè)墻旁邊。它們可以檢測微觀水平的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，物理學(xué)，或機(jī)械學(xué)性質(zhì)。

本發(fā)明儀器中的通道的寬度是從1納米到1毫米。儀器具有至少一個入口通道和至少兩個出口通道。

圖23說明了一個帶有測量生物體2301聲學(xué)特性的聲學(xué)探測器2320的儀器。本儀器包含一個通道2310和至少一個超聲波發(fā)射器及一個沿通道內(nèi)壁安裝的超聲波接收器。當(dāng)生物體2301通過通道2310時，在信息負(fù)載在2301之后，從2320發(fā)射出的超聲波信號將被接收器2330接收。超聲波信號的頻率可以是例如從2兆赫茲到10吉赫茲，通道的寬度可以是例如從1納米到1毫米。超聲波傳感器(即超聲波發(fā)射器)可以利用壓電材料制造(例如石英，塊磷鋁礦，鎵，正磷酸鹽，磷化鎵，電氣石，陶瓷，鋇，鈦酸鹽，鈦酸鋇，鋯酸鉛，鈦酸鹽壓電陶瓷，氧化鋅，氮化鋁，或聚偏二氟乙烯)。

圖24是本發(fā)明的另一個包含一個生物體2401的壓力探測器的儀器。它包括至少一個通道2410和在通道上面的至少一個壓電探測器2420。當(dāng)生物體2401通過通道時，壓電探測器2420將探測2401的壓力，將信息轉(zhuǎn)換成電信號，并將信號發(fā)送給信號器。同樣地，儀器中溝槽的寬度可以是從1納米到1毫米，壓電材料可以是石英，塊磷鋁礦，鎵，正磷酸鹽，磷化鎵，電氣石，陶瓷，鋇，鈦酸鹽，鈦酸鋇，鋯酸鉛，鈦酸鹽壓電陶瓷，氧化鋅，氮化鋁，或聚偏二氟乙烯。

圖25說明了本發(fā)明的另一個儀器，它包括一個位于通道底部或頂部探的針對之間的凹槽2530。當(dāng)生物體2510通過時，凹槽2530可以根據(jù)獨特的幾何特性選擇性的誘捕微生物體并使得探針更有效。凹槽的形狀可以設(shè)計成矩形，多邊形，橢圓形，或圓形。探針檢測電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，物理學(xué)，或機(jī)械學(xué)性質(zhì)。類似地，溝槽的寬度可以是例如從1納米到1毫米。圖25(a)是本儀器的俯視圖，圖25(b)是側(cè)視圖，圖25(c)是透視圖。

圖26是本發(fā)明的另外一個儀器，它包含了在通道底部或頂部的凹槽2630(一個不同于圖25所示的形狀)。當(dāng)生物體2610通過時，凹槽2630將產(chǎn)生一個湍流，從而可以根據(jù)獨特的幾何特性選擇性的誘捕微生物體。探針可以檢測電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，物理學(xué)，或機(jī)械學(xué)性質(zhì)。凹槽是一個立體空間或一個多角的空間。凹槽的深度可以從例如10納米到1毫米，通道的寬度可以是例如從1納米到1毫米。

圖27說明了本發(fā)明的一個帶有階梯通道2710的儀器。當(dāng)生物體2701通過通道2710時，不同間距的探針對可用來測試不同的微觀特性，或者利用每一個臺階旁邊的探針在不同的臺階(2720,2730,2740)以不同的靈敏度測量相同的微觀特性。這個原理可以應(yīng)用于鎖相技術(shù)從而積累相同微觀特性的信號。探針可以檢測或測量微觀的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，物理學(xué)，或機(jī)械學(xué)性質(zhì)。

圖28說明了本發(fā)明的帶有熱量儀2830的另一個儀器。它包括一個通道，一套探針2830，和一套熱量儀2830。熱量儀2830可以是紅外傳感器，晶體管亞閾值漏電流檢測器，或恒溫調(diào)節(jié)器。

圖29說明了本發(fā)明的一個具體儀器，它包括一個內(nèi)含通道2910的碳納米管2920，及可以檢測微觀的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，物理學(xué)，或機(jī)械學(xué)性質(zhì)。所示碳納米管2920包括一個雙螺旋nda分子2930。碳納米管可以通過旁邊的探針2940施加和感應(yīng)電學(xué)信號。碳納米管的直徑可以是從0.5納米到50納米，它的長度可以從5納米到10毫米。

圖30說明了本發(fā)明的一個集成儀器，它包括一個檢測器(如圖示30(a))和一個光學(xué)傳感器(如圖示30(b))例如可以是一個cmos圖像傳感器(cis)，一個電荷耦合器件(ccd)，一個熒光探測器，或其他的圖像傳感器。檢測器包括至少一個探針和一個通道，圖像器件包括至少一個像素。圖30(c-1)和圖30(c-2)說明了器件集成了檢測器和光學(xué)傳感器。如圖30(d)所示，當(dāng)生物體3001，3002,3003通過時，通道3020內(nèi)的探針3010(見圖30(e))可以探測它的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，物理學(xué)，或機(jī)械學(xué)性質(zhì)。同時它的圖像可以被光學(xué)傳感器(圖30(f))同步記錄。探測到的信號和圖像一起提供診斷信息，并提高檢測靈敏度和特異性。這樣的一個檢測器和光學(xué)感應(yīng)器可以被設(shè)計到系統(tǒng)芯片中或被封裝到一個芯片里。

圖31說明了一個帶有檢測微器件(圖31(a))和邏輯電路的微器件(圖31(b))。檢測器件包含至少一個探針和通道，并且邏輯電路包含尋址器，放大器，和隨機(jī)存儲器。當(dāng)生物體3101通過通道時，探針3130檢測它的特性，并且對信號進(jìn)行實時的尋址，分析，存儲，處理和繪圖。

圖33說明了本發(fā)明的儀器包含一個檢測器(圖32(a))和一個過濾器(圖32(b))。當(dāng)生物體3201通過器件時，過濾器進(jìn)行過濾，并清除不相關(guān)的物體。探測器(圖31(a))檢測剩余物體的特性。探測之前的過濾將提高器件的精度。通道的寬度也可以有一定的范圍，例如從1納米到1毫米。

圖33說明了dna3330的的幾何因子例如dna中較小的溝槽(3310)的間距對該區(qū)域的靜電特性的空間分布有影響。

圖34說明了本發(fā)明的微器件的制造工藝，微器件中溝槽的頂部有一個平的覆蓋物以形成一個通道。這樣可以避免通過冗長，精準(zhǔn)的對準(zhǔn)耦合兩個溝槽來形成通道。

覆蓋物可以是透明的并且允許用顯微鏡觀察。它可以包括或由硅，鍺化硅，二氧化硅，或二氧化鋁來制造。

而對于演示和說明的目的，上述列舉的新穎的，詳細(xì)的例子說明了如何利用微電子學(xué)或者納米制造技術(shù)以及相關(guān)的工藝流程來制造高靈敏度的，多功能的，強(qiáng)大的和小型化的檢測器件，在設(shè)計和制造高性能檢測器件中所采用的微電子學(xué)和納米制造技術(shù)的原理和一般的方法是經(jīng)過深思熟慮和訓(xùn)練的。這些技術(shù)可以擴(kuò)展到制造工藝的不同組合包括但不限于薄膜淀積，圖形化(光刻和刻蝕)，平坦化(包括化學(xué)機(jī)械拋光)，離子注入，擴(kuò)散，清洗，各種各樣的材料，工藝和步驟的組合，以及各種各樣的工藝順序和流程。例如，在選擇檢測器件的設(shè)計和制造工藝流程時，涉及到的材料數(shù)目可以少于或超過四種材料(在上述例子中被使用的材料)，工藝步驟的數(shù)目是少于或多于那些已展示過的工藝順序取決于具體的需求和性能目標(biāo)。例如，在一些循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測的應(yīng)用中，諸如基于薄膜的生物材料的第五材料可以被涂覆到金屬檢測的頂端以增強(qiáng)檢測頂端和被測生物體的接觸，從而改善測量靈敏度。

本發(fā)明的檢測設(shè)備和方法的應(yīng)用包括癌癥檢測(例如早期的癌癥檢測)。由于癌細(xì)胞和正常細(xì)胞在很多方面是不同的，包括在可能的微觀特性的差異，例如電勢，表面電荷，密度，粘附力和ph值，在此揭示的新穎的微器件可以檢測出這些差異，并且因而具有適用于增強(qiáng)癌癥檢測的能力，特別是在早期階段。除了測量電勢和電荷參數(shù)的微器件外，在此揭示的執(zhí)行機(jī)械學(xué)性能測試(例如密度)的微器件也可以被制造和利用。在早期癌癥檢測的機(jī)械學(xué)性能測試中，焦點主要是集中在可能的區(qū)分循環(huán)腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞的機(jī)械性能上。作為一個例子，利用本發(fā)明的檢測儀可以區(qū)分循環(huán)腫瘤細(xì)胞，檢測儀是由可以執(zhí)行微缺口測量的多個微器件集成在一起的。

圖35是本發(fā)明的一個用于生物體疾病檢測的儀器示意圖。儀器包括一個預(yù)處理單元，一個探測和檢測單元，一個信號處理單元和一個廢品處理單元。

圖36說明了一個在預(yù)處理單元中的樣品篩選子單元的例子。篩選子單元可以根據(jù)不同的維度和尺寸來分離細(xì)胞。本器件包含至少一個入口通道3610，一個擾流通道3620，一個加速腔體3630，和兩個選擇通道(3640和3650).位于3620和3610之間的3660的角度范圍為0度到180度。

生物體3601沿x方向從入口通道3601到加速腔體3630流動。生物兼容的流體3602從擾流通道3620流動到加速腔體3630，然后在y方向加速生物體3601。加速度與生物體的半徑有關(guān)，半徑大的生物體比半徑小的生物體的加速度小。之后，較大和較小的生物體被分離到不同的選擇通道。與此同時，探針可以選擇性的裝配在通道3610，3620，3630，3640和3650的側(cè)壁上。探針可以檢測微觀水平的電學(xué)，磁學(xué)，電磁學(xué)，熱學(xué)，光學(xué)，聲學(xué)，生物學(xué)，化學(xué)，生物化學(xué)，機(jī)電學(xué)，電化學(xué)，電化學(xué)機(jī)械學(xué)，物理學(xué)或者機(jī)械學(xué)特性。

圖37是在本發(fā)明的儀器中的另一個樣品篩選單元例子的示意圖。3701代表小細(xì)胞，3702代表大細(xì)胞。當(dāng)閥門3704打開并且另一個閥門3703關(guān)閉，生物體(3701和3702)流向出口a。比篩選孔尺寸大的大細(xì)胞堵住出口a，而小細(xì)胞從出口a流出。入口閥門3704和出口a閥門3707隨即關(guān)閉，生物兼容流體被注入到流體入口閥門3706。流體攜帶大細(xì)胞從出口b流出。然后較大的細(xì)胞在本發(fā)明的檢測部分進(jìn)行分析和檢測。

圖38是本發(fā)明儀器的預(yù)處理單元的示意圖。本單元包括一個樣品篩選單元，一個給生物體補充養(yǎng)分或者氣體的充能單元或系統(tǒng)，一個恒壓輸運單元，和一個樣品預(yù)探測干擾單元。

圖39是本發(fā)明儀器的信息或信號處理單元的示意圖。本單元包括一個用于信號放大的放大器(例如鎖定放大器)，一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，和一個微型計算機(jī)(例如一個包含計算機(jī)芯片或信息處理子裝置的器件)，一個控制器，一個顯示器，和一個網(wǎng)絡(luò)連接。

圖40說明了可以導(dǎo)致噪音消除和信噪比提升的的多個信號的集成。在本圖中，生物體4001在t1和t2之間的δt期間內(nèi)被探針1及在t3和t4之間的δt期間內(nèi)被探針2測試。4002是來自探針1測試4001的測試信號，4003是來自探針2。信號4004是由信號4002和4003混合的結(jié)果。噪音在一定程度上相互消除并導(dǎo)致信號強(qiáng)度和信噪比的改善。收集來自兩個以上微器件或探針單元的信號可以采用相同的原理。

在此描述的微器件，檢測參數(shù)，特性及工藝均已經(jīng)被用于對癌癥樣品的測試(例如肺癌樣品和乳腺癌樣品)和控制(即非癌癥的或正常的樣品)。雖然這些樣品不是循環(huán)腫瘤細(xì)胞，但是這些測試與本發(fā)明是相關(guān)的，并且如本發(fā)明在此所主張的那樣，它們在癌癥檢測方面體現(xiàn)出很多優(yōu)勢和改進(jìn)(例如，提高了信號靈敏度)，這些優(yōu)勢和改進(jìn)對于循環(huán)腫瘤細(xì)胞的檢測是非常有利的。進(jìn)一步地，這些測試已經(jīng)顯示出同樣適用于循環(huán)腫瘤細(xì)胞的增強(qiáng)癌癥檢測信號和效率的概念。在一系列試驗中，與當(dāng)前所知的基于染色體組的分析相比，微器件的使用和在此所描述的測試參數(shù)導(dǎo)致了測量信號的增強(qiáng)。特別地，盡管原始的癌細(xì)胞樣品經(jīng)過超過20次的稀釋，但是從正常樣品中區(qū)分出癌細(xì)胞的信號任然可以被檢測出。相比之下，最近報道的一個檢測出染色體組分析信號的癌癥樣品僅僅做了大概5次稀釋。在此描述的被測微器件，相關(guān)的測試參數(shù)，癌癥和正常的細(xì)胞特性，及測試方法均顯示出高度的測量精度，可靠性，和可重復(fù)性。

盡管微器件可以用來做其他類型的癌癥測試或者其他類型的處理，但是可以在實驗室中利用在此描述的微器件對特定的癌癥組織樣品(每一種類型的癌癥需要多個樣品)進(jìn)行附加測試。在測試中，從在采集時無患未知癌癥疾病或者無惡性疾病史的動物體中獲得健康可控的樣品。癌癥樣品和健康可控樣品均在同一類型的培養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)好的樣品隨后被稀釋液混合并被稀釋到一個相同的濃度。稀釋過的樣品在室溫下進(jìn)行不同時間間隔的維護(hù)并在樣品恢復(fù)后6小時內(nèi)進(jìn)行處理。稀釋過的樣品在室溫(20-30℃)濕度30％-40％的條件下進(jìn)行測試。利用本發(fā)明的微器件在相同的條件下對樣品進(jìn)行測試并采用相同的脈沖信號對樣品進(jìn)行刺激。

測試結(jié)果顯示，大體上，可控群的被測值(即用于測試參數(shù)的相對單位測量值)低于癌癥群或患病群。在相同的激勵條件下(依據(jù)激勵類型和水平)利用被測微器件的探測單元施加的激勵信號或者探測信號，使得可控群和癌癥群測試值之間顯示出的差異變得更加明顯，例如對比于沒有激勵，在這樣的差異條件下按照增長的水平，從1.5倍變動幾乎8倍。換而言之，癌癥群對激勵信號的響應(yīng)比控制群高得多。因此，相比于可控或健康細(xì)胞，在檢測和測量患病細(xì)胞方面，待測微器件已經(jīng)證明能夠顯著增強(qiáng)相對靈敏度和特異性。

進(jìn)一步地，測試結(jié)果顯示依據(jù)被本發(fā)明的微器件所使用的新穎的參數(shù)，癌癥群和可控群的響應(yīng)顯示出顯著的不同。如此的差異比測量噪音大很多。區(qū)分可控群和癌癥群的較大窗口顯示出此新穎的測量方法和儀器具有高度的靈敏度。

盡管對本發(fā)明的特定實施例已經(jīng)做出說明，但是在本技術(shù)領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明精神的情況下，做出修改和變化。上述實例和插圖并不限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的檢測器件，微型器件，制造過程，和應(yīng)用以及與之相關(guān)的任何明顯的分支或類似物的任何組合，都在本發(fā)明之內(nèi)。另外，本發(fā)明包括任何達(dá)到同樣目的組合，對應(yīng)的修改和變化都在本發(fā)明的權(quán)利要求內(nèi)。

上面提到所有出版物或?qū)＠?，其全部?nèi)容通過引用并入本文。除非另有明確說明，本說明(包括任何所附的權(quán)利要求書，摘要和附圖)內(nèi)所有結(jié)構(gòu)可以被具有相同，等效，相似的任何結(jié)構(gòu)取代。因此，除非另有說明，公開的每個特征都是具有等效或類似的一類功能的一個例子。

可以理解的是，盡管本發(fā)明已被進(jìn)行了描述，接下來的描述旨在進(jìn)一步說明而非限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍由附加權(quán)利要求說明。其他的方面、優(yōu)點和修改均在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)。本文中所有的出版物引用均被整體參考。