CN101493452A - 压电陶瓷传感器 - Google Patents

Abstract

传感器是一种分析装置，由识别组件结合物理转能器(质量、光学、电化学和热力学)所组成，用于分析物的定量和定性分析。传感器可广泛应用于医疗、食品、工业、环境评估及生物防御等领域。本发明是利用压电陶瓷振荡芯片作为传感器的核心组分，构建新型的传感器，阵列传感器和传感器技术平台用于同时检测多种标志物。传感器的应用包括常见癌症的筛查和早期诊断；心脏病的早期诊断和再发预兆监测；检测多种食品污染物以提高食品安全性；检测多种环境有毒物以监测环境污染情况以及检测多种生物战介质，便于军事和民防应用。

Description

压电陶瓷传感器

技术领域：

此发明涉及一种高频压电陶瓷传感器和阵列传感器，透过加样前后频率的改变平行检测和分析不同样品中的标志物。检测可于干或湿的状态下进行。该技术平台包括：含有用于捕获标志物分子的压电陶瓷传感器、样品装载器和用于信号输出和分析的计算机系统，可以检测样品，如血液、血清、血浆、尿液等中的标志物水平。该阵列传感器能同时检测多种标志物，这种检测并不仅限于多种癌症标志物的筛查和常见的癌症性疾病的早期诊断；它还包括多种心脏疾病标记物的早期诊断和预后；对多种环境有害物的检测用于环境污染监测和应用于军事和民防的各种生物战争物的检测。

背景技术：

传感器技术

传感器是一种分析装置，由识别组件结合物理转能器(检测质量、光学、电化学或热力等特性)所组成，用于分析物的定量和定性检测。传感器的应用范围很广，可在下列领域使用：医疗与科技领域；食品与科技领域；工业与科技领域；环境评估与科技领域；及生物防御领域。

卫生保健需求的增长，提升了对疾病早期筛查及预防的需求。在工业化国家中，肥胖人群的增长率和糖尿病患者人群的扩大，使应用于糖尿病患者血糖水平监控的传感器需求大增；污染程度的加剧，不断出现的食品安全问题也增加了对开发应用于食品和环境监测的传感器产品的需求；制药业对提升药物开发产率的需求导致新型高效传感器产品需求的增加；反恐战争令开发新型高效的，能适用于生物战检测的传感器产品需求增加，以便军事及民防应用。虽然上述五个领域各自对传感器产品的需求都呈现出很高的年增长率，但是对可应用于医疗领域的传感器产品需求最为广大。

压电石英晶体

利用压电石英晶体开发的传感器，已用于DNA、蛋白、病毒、细菌和细胞毒素的检测[Marx，K.A.Quartz crystal microbalance：a useful tool for studying thin polymer films andcomplex biomolecular systems at the solution-surface interface，Biomacromolecules，Vol.4(5)，1099-1120，2003]，应用于生物化学、环境领域、食品和临床分析领域分析各种碳氢化合物[Percival，C.J.，Stanley，S.，Galle，T.M.，2001.Molecular-imprinted，polymer-coated quartz crystal microbalances for the detection of terpenes.Anal.Chem.73(17)，4225-4228]、气相分析物[Wu，T.-Z.，1999.A piezoelectric biosensor as anolfactory receptor for odour detection：electronic nose.Biosens.Bioelectr.14，1-13]和污染物[Yokoyama，K.，Ikebukuro，K.，1995.Highly sensitive quartz crystalimmunosensors for muti-sample detection of herbicides.Anal.Chim.Acta 304，139-145；Guibault，G.G.，Hock，B.，Schmid，R.，1992.A piezoelectricimmunobiosensor for atrazine in drinking water.Biosens.Bioelectr.7，411-419]等。压电装置与免疫学元素的结合应用已被广泛报道[Yuan，J.-B.，Tan，Y.-G.，Nie，L.-H.，Yao，S.-Z.，2002.Piezoelectric quartz crystal sensors based on ion-pair complexesfor the determination of cinchonine in human serum and urine.Anal.Chim.Acta 454，65-74；Su，X.-D.，Chew，F.-T.，Li，S.F.Y.，2000.Piezoelectric quartz crystal basedlabel-free analysis for allergy disease.Biosens.Bioelectr.15，629-639]。然而，压电传感器的敏感度取决于材料的振荡频率、面积和厚度。要生产足够薄、小的石英装置，并且具有较高的频率，有很高的技术难度。这些物理障碍妨碍了高敏和低成本石英晶体传感器的产生，限制了其应用范围。

此外，虽然利用电子机械原理的石英晶体微量天平于2003年Marx的文章已有记载，但石英微天平由于以上原因存有灵敏度的问题。石英与本发明以陶瓷为基础的产品比较有下列不同之处：

需要指出的是，石英装置是利用检测电化学改变的原理来检测样品的。在这个系统中，石英晶体是焊接在检测池壁的侧通道上，而可供选择的检测池容积有：3.5，5，10，25，50，及100mL。使用石英装置是需要在液体中利用声波进行检测，与本发明的系统利用共振频率改变进行检测有所不同。

WO 91/05261(E.I.Du Pont De Nemours and Company，“Assay method for biologicaltarget complexes on the surface of a biosensor”，18.04.1991)也包括在这里作为参考，其描述了运用A/T切割厚度剪切模式的石英晶体作为传感材料用于样本检测。这种检测依靠声波的传导。但是，由于上述的灵敏度问题，它是需要通过经过复杂的步骤间接测量质量变化，以便分析样本中的目标物。通用捕获分子被固定在传感器表面，例如，用于捕获含有生物素的抗生物素蛋白。这种含生物素的分子(双功能共扼)可以是能够特异结合不同分析物的特异性抗体。这种双功能共扼分子可以结合分析物后可以被传感器表面的捕获分子所捕获。信号的检测，可通过传感器表面捕获分子和双功能共扼分子的相互作用导致的底物颜色改变所造成的频率改变而获得。这种装置的设立是由于其在直接检测质量时的灵敏度低，因而需要信号扩大装置来检测样品。此外，在WO 91/05261中描述的复杂程序不能直接应用于需要简单、快速、高通量、低成本的临床诊断。

另一方面，压电陶瓷具有坚固耐用，容易制造成复杂的形状、柔韧性高，可制成高频率芯片及成本较低等优势。陶瓷已被广泛应用于电子领域。然而它在生物样品检测方面的应用却是有限的。

压电陶瓷传感器

压电现象是指受外界机械压力的作用下，非对称性晶体材料产生极化现象(例如电荷)。压电现象存在于天然的晶体物质中，例如石英，但大多数压电材料来源于合成的多晶铁电陶瓷，例如锆钛酸铅(PZT)。电能和机械能的结合使得压电材料广泛应用于传感器、制动器、电讯及能量转换等方面[Setter N edited，Piezoelectric materials in devices，CeramicsLaboratory，EPFL，Switzerland，2002]。

大多数的应用都涉及把陶瓷作为一种材料用于传感器，而不是利用它的压电特性直接作检测使用。大多数以陶瓷为材料的传感器系统是利用陶瓷作为基底材料用于固定其他感应材料，而此类传感器是利用电化学的改变进行检测而非陶瓷材料的压电特性直接进行频率的检测。

而有关陶瓷传感器的应用，是利用了它的悬臂[Atonomics APS，Microsensors and methodfor detecting targeting analytes，WO 2002/020832，14.03.2002；Drexel University，Piezoelectric cantilever sensor，WO 2005/043126，12.05.2005]或声学性质[ValtionTeknillinen Tutkimuskeskus，Micromechanical sensor，sensor array and method，WO2007/006843，18.01.2007；Atonomics APS，Surface acoustic wave sensor comprising ahydrogel，EP 1804059，04.07.2007]而不是以直接测量共振频率的变化来检测样品。

现已有超过150篇关于陶瓷传感器的文章发表，而仅有少数的几篇涉及利用陶瓷的压电性质应用于传感器的文章[Lee JH，Hwang KS，Park J，Yoon KH，Yoon DS，Kim TS.Immunoassayof prostate-specific antigen(PSA)using resonant frequency shift of piezoelectricnanomechanical microcantilever.Biosens Bioelectron.2005 Apr 15；20(10)：2157-62；Verissimo MIS，Mantas PQ，Senos AMR，Oliveir JABP，Gomes MTSR.Suitability of PZTceramics for mass sensors versus widespread used quartz crystals.Sensors andActuators B 2003；95：25-31；Eklund A，Backlund T，Lindahl OA.A resonator sensorfor measurement of intraocular pressure--evaluation in an in vitro pig-eye model.Physiol Meas.2000 Aug；21(3)：355-67]。

例如，在EP 1 804 059中，描述了声波传感器检测材料是通过产生及观测声波。检测是基于声波在物质中或物质表面(此例是表面声波)的传播而引起传播波浪路径特点的速度或幅度的改变。SAW传感器的设计是在含锂钽铁的压电物料上构建金电极键，每个传感器表面都固定有二氧化硅涂层以达到电气绝缘和化学附加物的目的。包埋在水凝胶中的识别成分经过聚合过程后被安装于传感器表面。通过检测传感器的振幅，频率和/或相的特点可分析相应分析物的量。含有分析物的样本会导致水凝胶的质量和性质的改变从而导致频率的改变。

关于WO 02/20832，运用的是微柔韧机械结构作为非萤光传感器，例如微-悬臂或者是微-膜。分析物的结合导致微传感器压力发生变化从而导致微传感器偏斜。这种偏斜可通过压电元件电参数的变化被检测出来，例如电压，阻抗，电流。检测是基于下述原理：当悬臂扫描经过聚合物膜时，悬臂随膜凹陷而偏斜，从而导致PZT膜产生压力。PZT膜上压力的变化能导致PZT电容器表面自身电荷的改变而无需施加电压。电荷并不是由绝对压力产生的，而是通过压力的改变导致频率发生改变。压力改变的测量不同于以共振直接检测决对质量，于这里所描述的系统并不同。

例如，参照Verissimo的文章，文中所指的陶瓷材料是由Nb-Mn-PZT制备而成的。陶瓷片的频率范围相对较低(100-200kHz)，而低频率系统於传感器应用的可行性有待探索。

Eklund所用的系统是利用尺寸为25×5×1mm的棒形PZT作为感应组分，透过检测装载前后频率的改变测量压力的变化。系统於无载重条件下的共振频率大约是82.9kHz，而测量范围是200-700Hz.文中所用的PZT尺寸较大，并且用于低频率范围的检测，与本发明所用的陶瓷振荡芯片相比有所不同，并不适用于可检测多种样品的阵列式传感器的开发。

最后，参照Jong Hun Lee的文章，Jong Hun Lee使用了PZT悬臂装置测量应力来检测频率的改变。利用压电悬臂系统的感应机理如下：当PZT悬臂扫过位于聚合物薄膜上的凹陷处，悬臂随薄膜上的凹陷处偏斜导致PZT薄膜上产生应力。PZT薄膜上应力的差异令PZT电容器表面於无电压供给下产生电荷。电荷并不是由绝对应力所产生的而是由应力的差异所产生，而应力导致了频率的改变。然而检测应力差异的机理与用来直接检测质量的共振传感机理并不相同。文中所述纳米机械PZT悬臂是自制的，共振频率取决于PZT的尺寸有两种，分别为16kHz及61kHz，测量范围由100-400Hz与本发明中所使用的陶瓷振荡芯片并不可比。

利用压电共振器作为核心组分建立的传感器平台可在不同领域用于检测各种标志物。由于临床应用在生物传感器市场所占比例最大，而癌症亦是全球性主要的致死因素，所以开发用于检测多种癌症标志物的传感器既可建立传感器的平台亦可满足市场的需要。

癌症是一种全球性的卫生保健问题

癌症的特点是细胞的失控性生长和扩散，从而侵袭身体的各种组织。每年诊断出罹患癌症的病人超过1100万，估计到2020年，每年的新发病例将上升至1600万。癌症每年引至760万人死亡，占世界年总死亡人数的13％[The World Health Report 2005]。癌症目前也是中国和香港地区的首要疾病死亡原因，恶性肿瘤致死率于2004年在中国高达23.92％[Chinastatistic 2005]，2005年在香港为31.8％[Number of Deaths by Leading Causes of Deathby Sex by Age，2005，Hong Kong statistic 2005.]。

肺癌、大肠癌和胃癌是全球男性、女性患者中五种最常见的癌症之一，对于男性，肺癌和胃癌是世界上最常见的癌症；而于女性，最常见的癌症则是乳腺癌和宫颈癌[WHO cancercontrol programme，World Health Organization 2005；Malan，P.G.(2001)in  “Theimmunology handbook：Immunological biosensors”.Wild，D.Ed.Nature Publishinggroup，United Kingdom]。在中国，每年大约有130万人死于癌症，主要的患癌部位为胃、肝脏、肺和食道。这四种癌症占国内所有癌症死亡病例的74％。在所有癌症死亡病例中，肺癌最为常见，占男性癌症死亡病例的22.0％，其次为胃癌及肝癌，分别占17.8％和13.0％。而对于女性来说，胃癌最为常见，占14.8％，其次为肺癌，达12.7％和肠癌达10.1％。胃癌和宫颈/子宫癌也曾是日本主要的死亡原因，但目前呈下降趋势，这说明医疗技术的进步，例如对于疾病的早期检测和及早治疗是很重要的因素。

大多数癌症是可以预防的：大约有1/3的癌症，只要停止吸烟，饮食健康并且避免接触致癌物质，是可以预防的。而一些最常见的癌症类型，只要能够做到早期发现，通过外科手术、化学疗法或放射疗法也是可以治愈的。

癌症的诊断方法

多年来，研究人员一直致力于开发各种诊断癌症的方法。大多数癌症诊断的方法是依赖生物标志物的检测为癌症病人进行诊断、分期、预后和治疗。生物标志物是指由不同癌症类型所引起的一些于病人血液、尿液或是组织中可检测到含量高于正常水平的物质。癌症标志物可能是肿瘤本身所产生的，也可能是因为机体对癌症或某些良性(非致癌性)肿瘤存在的反应所致。免疫测定方法(直接检测癌症蛋白标志物的方法)和组织学检测方法(通过检测癌症蛋白标志物来检测癌细胞的方法)占癌症诊断市场的大多数份额，大多数免疫测定方法仅能检测单个癌症标志物。

开发新型癌症诊断技术的必要性

由于老龄人口的增加及癌症患者的增多，癌症诊断市场亦随之不断扩大。人口的老龄化引起癌症患者数目的增长，不健康的生活方式是癌症发病率增高的另一个因素，例如，吸烟、营养不良或不均衡，缺乏运动以及长期接触紫外线或环境污染物等。

大多数诊断方法都是基于免疫学测定方法，例如ELISA方法，是最为广泛的检验科常规检测方法。一般来说，每个ELISA试剂盒只能检测一种标志物。要检测多种抗原，必须使用几个不同的ELISA试剂盒。此外，这些方法常需要同位素、酶、荧光或是胶体金标记的抗体或抗原，因此有需要熟练的专业人员进行实验操作，耗时较多及试剂昂贵等问题[Malan，P.G.(2001)in“The immunology handbook：Immunological biosensors”.Wild，D.Ed.NaturePublishing group，United Kingdom]。

许多发达国家的卫生保健系统都利用癌症筛查来提高癌症的防护及生存率，这些有效的措施都无一例外地强调早期检测的必要性。医学研究的最新进展揭示癌症是由多种因素所引起的，每种类型的癌症都有多个癌症标志物。现有的癌症标志物检测方法是基于免疫学分析方法进行的，这种方法通常一次只能检测一种蛋白标志物，由于临床检测常需要一次性检测多种标志物，因此这种方法有其局限性，且从成本-效益的角度考虑也不合算。因此迫切需要开发出一种崭新的，能够平行检测多种癌症标志物的癌症诊断技术，特别是可平行检测多种癌症标志物的压电陶瓷传感器。

癌症诊断市场分为两个部分。一部分是疾病监控及管理，用于观察疗效及再发预兆的监测；第二部分是癌症高危人群的筛查，这些高危人群是指有家族患病史、从事特殊职业或是癌症高发年龄的人群。阵列生物传感器可用于癌症的筛查，为癌症高危人群进行快速筛查，也可以用于治疗效果的评价或治疗后癌症复发的监控。

因此对于可同时检测多种生物标志物的生物传感器平台有很大的需求，而开发的传感器平台除可用于癌症检测外，亦可用于其它标志物的平行检测，如心脏病的检测和预后，食品安全的评价，环境有害物的检测等等。

发明内容：

本发明涉及一种用于检测样品中标志物的传感器。传感器利用高频压电陶瓷振荡芯片(500kHz-1GHz)作为感应器检测共振频率的改变。本发明进一步涉及运用高频压电陶瓷振荡芯片测量共振频率的变化。

该系统利用厚度扩展模式(TE)的压电陶瓷振荡器作为传感材料。可以特异结合分析物的捕获分子被固定在传感器表面用来捕获分析物并通过共振频率的改变来直接检测分析物质量的改变。以高灵敏度检测样本，需要运用高频压电材料，用于样本检测的高频压电陶瓷材料可以轻易被制造成需要的形状，而石英晶体却不能。因此，该系统的设置可灵敏地检测低浓度水平的分析物，为临床应用提供有用的信息。此外，TE模式陶瓷振荡器(在厚度方向极化)跟厚度剪切模式陶瓷谐振器(在纵向方向极化)相比具有更灵活的结构，前者具有坚硬的结构，因此TE模式陶瓷振荡器更适合振列传感器的开发。此外，TE模式能提供沿厚度方向的统一的位移，这样它就能提供一致的测量。因此本发明中涉及的传感材料或传感机制是不同于其他发表所述的石英，悬臂或声波检测机制的。本系统既不利用声波传感器也不利用水凝胶固定分子识别组件，有别于EP 1 804 059 A2中的论述。在本发明中，样本检测是基于加样后压电陶瓷振荡器频率的直接改变而进行的。分析物的检测是直接通过传感器表面捕获分子和样本中分析物的相互作用而导致的质量改变引起的振荡频率的改变所得，并不是如EP 1804 059中所描述通过相互作用影响声波的传导。

样本检测传感器可以被制造成单独的检测装置也可以被制造成振列检测装置。在一个优先实施例中，通过不同频率的振荡器，可以同时检测多种标志物。通过标准焊接方法，这种感应器可以和另一个振荡器并列被安装在一个印刷电路板上。在一个优先实施例中，共振感应器是由两个排成一列并有一定间距的压电振荡芯片构成，一个振荡芯片用作参比振荡芯片，另一个振荡芯片的电极表面上固定有捕获分子，用于捕获目标标志物。

共振芯片的陶瓷材料最好是合成的多晶铁电陶瓷，例如锆钛酸铅(PZT)。金电极通过喷镀方法被固定在陶瓷上，它不需要如EP 1 804 059所描述的那样在固定捕获分子前在金电极表面进行SiO₂沉积。捕获分子是透过连接集团直接固定在传感器的金电极表面，用于通过直接检测质量的变化检测样品。

在一个体现中，传感器包含有可捕获生物标志物分子的压电陶瓷传感器和一个样品装载器。在进一步的体现中，这种传感器还包含用于记录捕获分子和上述标志物之间结合反应的方法，数据分析的方法及和相关标志物与正常样本中水平对比的方法。分析的样品根据标志物的不同，可以是血液、血清、血浆、尿液或任何非有机性溶液。可以用于疾病的诊断或其它方面的应用，例如食品分析、环境污染物分析及生物防御。本发明是针对下列几个重要的技术和实施问题：以压电陶瓷振荡芯片作为传感器核心组分的技术可行性；及以陶瓷为基础的传感器装置应用于分子诊断的技术可行性；

本发明有几个重要的应用，包括疾病的诊断特别是癌症的诊断。作为新型的医疗装置，通过简单、快捷和高通量的操作能同时检测多个癌症标志物，大大降低了成本。传感器平台的建立也可用于开发一系列应用于其它方面的产品，包括但不限于心血管疾病的诊断、自生免疫性疾病的诊断、凝血功能障碍的诊断、食品分析等。

特点是，通过以压电陶瓷振荡芯片为核心组分的传感器，检测肿瘤标志物并分析癌症发展的趋势。有时，肿瘤标志物分子于此会被称为肿瘤“生物标志物”或类似的名词，用来表示这些分子源起于生物。本发明的优先应用涉及标志物的检测和定量分析，而这些标志物可显示疾病的存在或疾病的发展趋势。

例如，通过高灵敏度及特异性的肿瘤标志物检测和定量分析可以显示癌症的存在或发展趋势。本发明的优先应用是通过一个连接计算机系统的台式传感器，以便医院的技术人员或诊所的医生简单而快捷的进行样品检测。于此描述的传感器和阵列传感器适用于同时检测多种癌症标志物，同时也可用于开发诊断其它疾病的传感器，例如心血管疾病、自生免疫性疾病、凝血功能障碍的诊断、食品分析等，因而增加早期医疗介入的机会。

在优先实施例中，本发明提供了一个技术平台，它包含一个固定有捕获分子的压电陶瓷传感器用于捕获标志物，一个载样器；一个计算机系统用于输出信号及分析样品中(血液，血清，血浆及尿液)标志物的水平。阵列传感器可用于平行检测多种标志物，包括但并不限于检测多种癌症标志物以便对最常见的癌症进行筛查和早期诊断；检测多种心脏疾病标志物用作心脏病的早期诊断和预后；检测多种食物污染物以便改善食品安全；检测多种环境毒素用于监控环境污染以及检测多种生物战介质，便于军事和民防应用。

在优先实施例中，本发明提供了一个技术平台，它包含一个传感器包括表面底物，用于固定第一种分子，而这种分子是可以与第二种分子进行特异性结合；一个含有样品垫或微流控通道用于进样的载样器；一种以频率变化来检测捕获分子和样品中标志物结合反应的方法；及一种评估结合物与疾病发展趋势关系的方法。

进一步说明，本发明涉及一种利用传感器或阵列传感器检测和评价样品中一种或多种标志物数量的方法。进样前后振荡频率的改变与陶瓷振荡芯片表面上固定的捕获分子捕获的标志物的量相关。详细说明，这种方法包括通过加诸于传感器的振荡电场，在进样前，测得一个加样前振荡频率，然后以样品装载器导入样品，并让样品中的标志物和捕获分子孵育反应，再以加诸于传感器的振荡电场测得一个振荡频率作为进样后的频率值，将进样前后因表面物的质量或密度导致的频率改变与标准浓度范围对比，这样就能检测和分析样本中一种或多种标志物的含量。在优先实施例中，计算机系统会将表面质量或表面密度与捕获分子捕获的标志物含量对应起来。

在另一个优先实施例中，传感器对于微小质量的变化是很敏感的。传感器最好是包含一个压电陶瓷振荡芯片作为表面基质用于固定第一种分子。传感器系统的主要组份包括一个压电陶瓷振荡感应器、一个振荡器和一个控制电路。其中压电陶瓷振荡感应器包含两个经小心配对的压电振荡芯片，以一定间距并列排在一起。经小心配对的压电振荡芯片亦会以相同方式排列成矩阵，以便检测多种标志物。不管是进行单个标志物检测还是多种标志物的同时检测，装置中的陶瓷振荡芯片都会与样品接触，其中一个陶瓷振荡芯片会作为参比振荡芯片使用，用于环境因素的对照。加样前后频率改变的值减去参比振荡芯片频率改变的值就是标志物反应引起的频率改变，这种频率的改变是非常灵敏的，可以显示陶振表面标志物的质量。频率的改变值与陶振表面感应区固定的捕获分子所捕获的分子质量是成正比的。这种频率的改变可通过电子记录，转送到计算机系统进行数据分析。

在另一个优先实施例中，传感器平台包括一个集成电路用于感应器的控制、一个信号记录和调节装置、一个温度监测装置和一个微处理器用于获取信号和信号处理。

在另一个优先实施例中，陶瓷振荡传感器包含一个集成电路可用于窄阻抗范围内传感器振荡频率的测量。

其他陶瓷振荡传感器的例子包括但不仅仅限于陶瓷振荡传感器，可用于测量样品溶液中目标分子质量的改变。这种测量是在气相中进行的，所以不需要为粘性阻尼带来的损失做出修正。

在另一个优先实施例中，陶瓷振荡传感器包含一个集成电路，用于测量频率，以检测分子的质量并确定陶瓷振荡芯片表面反应位置上的分子种类。

一方面，每一种标志物的含量可以通过加样前后频率的改变来测定，频率的改变与相应的标准品对比即可获得待测物的含量。振荡频率改变的增加，代表样品中标志物的含量的变化，预示着与标志物相关的癌症或其它类型疾病的发展或发展趋势。通过监控被检标志物的类型及含量就可以了解到相关疾病发展趋势的信息，从而为早期治疗提供机会。

另一方面，单个的标志物可以与一种非特异性标志物连合使用，用于目标分子的监控，以便检测某种特定的癌症或其它疾病的发展或发展趋势。多种标志物也可以与一种非特异性标志物连合使用，用于样本中目标分子的监控，可同时监控不同的癌症或其它疾病的发展或发展趋势。

在另一个优先实施例中，应用稳定的感应器-振荡器系统可灵敏地检测陶振表面上分子的反应。

在另一个优先方法中，通过固定样品在陶振表面并测得其质量的改变可以获得数据。陶瓷振荡传感器包含一个集成电路，用于测量频率，以确定陶瓷振荡芯片表面反应位置分子的质量及种类。获得的数据被转化成计算机可读形式，经过运算法则处理，根据用户输入参数分类给出数据信号，这种检测信号可以显示样品中标志物的含量，预示这种标志物对应疾病的发展或发展趋势状况。

在另一个优先实施例中，某些标志物的存在，显示了不同类型癌症的发展或发展趋势。例如，检测到一定水平的一种或多种肿瘤标志物代表了癌症的发展或发展趋势。

较好的检测和诊断癌症的方法包括能至少在样品中检测到一种或多种标志物并将其与癌症的发展或发展趋势关联起来。其中的一种或多种从肿瘤标志物中选取的蛋白标志物包括：甲胎蛋白(Alpha-Fetoprotein，AFP)、癌抗原19-9(Cancer Antigen 19-9，CA 19-9)、癌抗原27.29，(Cancer Antigen 27.29，CA27.29)、癌抗原125(Cancer Antigen 125，CA 125)、癌胚抗原(Carcinoembryonic Antigen，CEA)、β-人绒毛膜促性腺激素(Beta Subunit of HumanChorionic Gonadotropin，β-HCG)及前列腺特异性抗原(Prostate-Specific Antigen，PSA)。

依照发明，样品最好是液体，例如：血液、血清、血浆、尿液，而被固定的捕获分子应为DNA探针、RNA探针、碳水化合物、蛋白、抗体、蛋白的一段片段、其它的变异或这些分子的衍生物，或任何其它的分子，可以与至少一种或多种标志物特异性结合，最好是，但不仅限于肿瘤标志物。

在另一个优先实施例中，样品是任何含有目标分子的非有机溶液，例如：含有食品成分的溶液、被污染的水样，而介质分子可以是抗体、DNA或是其它能与至少一种或多种标志物特异性结合的分子。

在另一个优先实施例中，进样是通过一个样品装载器，而这种样品装载器中安装了样品垫或是微流控通道。

有关本发明其它方面的描述如下。

微感应器矩阵使用了多个传感器，而每一个共振芯片都有其独特的频率。

陶振的频率范围是一致的，但为了避免共振芯片之间的相互干扰，于矩阵排列时，比邻的共振芯片应保持1MHz的频率差距(例如比邻共振芯片的频率：芯片1应为40MHz而芯片2则为41MHz或39MHz).

当检测不同抗原-抗体之间的相互作用时，应检测进样前后频率的差异作比较而非记录频率的绝对值。对于不同的标志物来说，频率的改变可以是相同的或是不同的，频率的改变取决于标志物于样品中的含量。对于样品的特异性检测，则取决于固定在矩阵中不同共振芯片上的特异性抗体，而非共振芯片之间的频率差异。每一种标志物进样前后频率的改变会与标准品频率的改变相比，得出结果。

如果使用微流控系统加样，检测模式如下：

·干的条件之下

使用微流控系统加样，在干的条件之下，频率不是以连续的方式检测的，而是记录两个特定点的频率，一个为加样前，另一个为加样后。因此在加样前会测量并记录一个频率。然后样品会通过微流控系统加入传感器，清洗及弄干后再次测量频率。将两次记录间频率的差与每个标志物的标准频率相比得出检测结果。微流控加样系统中可引入栓子控制样品的流动，如果不使用栓子，毛细管作用亦可推动样品的流动。

·湿的条件之下

■使用微流控系统加样，在湿的条件之下，频率的检测可以是连续的或是只记录两个特定点的频率。

■使用微流控系统，可以连续进样，与此同时，可实时监测频率的改变。通过记载流速，流量，并将标志物频率的改变与相同条件下标准品频率的改变相比可以进行结合动力学的评估。

■使用微流控系统也可以进行两个特定点频率的检测。在加样前测量并记录一个频率。系统中加入栓子控制进样量。当固定量的样品通过微流控系统加入传感器后，使用栓子令样品停止流动，待平衡后，再次测量频率。将两次记录间频率的差与每个标志物在相同条件下的标准频率相比得出检测结果。

需要指出的是，使用的压电陶瓷是PZT，而PZT的配方为Pbα-aMea[(MII1/3MV(2+b)/3)zTixZrl-x-z]03。Me代表金属成分；MII代表二价金属成分中的受体成分；MV代表五价架金属成分中的供体成分；及z，b，x，α和a要符合0.05≤z≤0.40，0＜bz/3≤0.035，0.345≤x≤0.480，0.965≤α≤1.020和0≤a≤0.05.而使用的压电共振芯片是高频芯片，范围是500kHz-1GHz，高频共振芯片的特性与前面所述低频装置的特性十分不同。

制造陶振芯片的成本比石英原料要低，这对于医学诊断应用是非常重要的。这些材料的另一个关键特性是多功能性，因为其成分可以根据特定的需要进行选择、修改达至需求的特性。此外，陶瓷材料的小型化是可行的，这也有利于蛋白微阵列传感器的制造。因此，压电陶瓷共振器可用于传感器平台的开发，并应用于不同的领域。

以上所述以及本发明的其他特点结合下列详细说明及附图更为容易理解。

附图说明：

图1显示了检测标志物的传感器原理图

图2显示了组装的阵列传感器原理图

图3显示的是陶瓷生物传感器平台

图4显示了抗体固定及样品检测图原理图

图5是单个的癌症标志物传感器装置图

图6是可同时检测16种标志物的微阵列检测装置图。PCB板上的每一个陶瓷振荡芯片代表一个如图5所示的单个传感器装置。所有的陶瓷振荡芯片通过连接槽与振荡电路相连。

图7显示了以样品垫进行加样及标志物检测的加样系统图。

图8显示了传感器和侧流装置示意图。

图9显示了微振列传感器检测装置利用样品垫进行标志物检测样本的加样系统示意图。

图10显示了微振列生物传感器检测装置利用样品垫进行生物标志物检测样本的加样后的样品流向示意图。

图11显示了直接加样示意图

图12显示了微振列传感器检测装置直接进样进行标志物检测的样本应用系统示意图。

图13显示了利用微流控通道进行加样及标志物检测的加样系统图。

具体实施方式：

本发明是利用压电陶瓷振荡芯片作为传感器的核心组分，构建新型的生物传感器，阵列传感器以及传感器技术平台用于同时检测多种标志物，例如平行检测多种癌症标志物，用于常见癌症的筛查和早期诊断。本发明开发的以压电陶瓷为基础的传感器技术平台不仅可于诊断领域使用，也可用于开发应用于不同领域的传感器。

此技术平台可广泛应用于开发各种不同的传感器，而这些传感器可以通过简单的步骤对目标分子进行高通量，特异的，灵敏的检测，大大降低了成本，具有很强的竞争力。

下述定义将于本发明中使用。除非另下定义，否则此处所用的所有技术及科学上的词语与于本发明范畴内有经验的人士所理解的是一致的。本发明中所使用的定义如下。

“生物标志物”，“标志物”，或“目标分子”会于本发明中替换使用，并代表与对照参比(健康人，干净食物或水)，于病患样品中有差异表达的蛋白或其它分子，而这些分子可预示癌症或其它疾病的产生或其发展趋势，或是食物样品含有病原体，或是水样中含有污染物。

“多种”是指一组，最少是指2个，16个，而最多数量不限，但不少于100个。

“抗体”或“捕获分子”会于本发明中替换使用，并代表由免疫血球素基因编码的多肽配基或片断，而这些配基或片断可与抗原上的位点进行特异性结合。已识别的免疫血球素基因包括kappa及lambda轻链的不变区基因，alpha，gamma，delta，epsilon及mu重链的不变区基因，和大量的免疫血球素多变区基因。抗体可以是完整无缺的免疫血球素，或由不同肽酶切除的片断包括：Fab’和F(ab)’₂片断。于本发明中“抗体”，亦指由基因重组方法制造的抗体片断或修饰后的抗体，同时也包括多克隆抗体，单克隆抗体，嵌合抗体，人源化抗体，或单链抗体。

“诊断”是指识别病征的出现，病理性质及状况上。

“免疫分析”是一种使用抗体与抗原(例如标志物)进行特异性结合的化验方法。免疫分析的特性是利用特定抗体与抗原的特异性结合来进行分离，筛选，及/或为抗原定量。

“固定”是指利用不同的化学或生物方法将捕获分子固定于底物表面。

“特异性结合”是指可分辨出目标分子与样品中其它蛋白，物质的结合反应。因此，依据本发明中传感器检测的条件，特异性抗体与特定的目标分子结合所产生的信号大于背景最少两倍并且不会与样品中其它成分进行大规模非特异性结合。

“检查”是指于样品中识别出目标分子或其含量。

“样品”是指任何含目标分子的非有机液体例如血液，血浆，血清，尿液，含食品成分的溶液，含污染物的水样等。样品中的目标分子可以是多肽，肽，蛋白，抗体，细胞，化学品等。

“内定标准”是指使用标准抗原作检测所得出的于不同抗原浓度下频率变化的标准曲线。

“传感器”是指利用捕获分子结合相应的换能器对化学或生物物质进行高特异性及灵敏检测的小型便携式分析仪器。

“单个装置”是指用于检测和分析单个标志物的传感器装置。

“微阵列”是指将多个单个陶瓷振荡器装置结合在一起的传感器装置，用于同时检测多个标志物。

“侧流”是指使用加样膜条加样的技术。含目标分子的样品载入样品垫后在毛细血管的作用下向吸收垫流动。

“微流控”是指利用光掩膜技术组装在微小面积上的小通道加样技术。

“发展或发展趋势”是指依据生物传感器检测结果评估病患发展至某些疾病状况的可能性。

“高通量”是指于特定时间内，可处理大量样品。

传感器检测标志物的原理

传感器技术具有独特的优势，有利于开发可检测各种不同标志物的诊断产品。传感器的原理包括一个感应界面，含有特定生物标志物例如癌症(抗原)的特异性抗体，和一个换能器(例如陶瓷振荡芯片)，能将抗体-抗原结合转变为一种电信号。如图1所示。图1显示了传感器10，感应界面12，标志物14，样品中其它反应物15，特异性抗体16，生物/化学界面18，压电陶瓷振荡芯片20，频率测量22，信号转换24及输出系统26。

首先可开发检测单个标志物的传感器装置，然后组装成阵列形式，阵列形式的传感器装置能同时检测一系列标志物及以便携式仪器处理，例如：行动电话。装置如图2所示。图2显示了单元传感器30，阵列传感器32，数据获取卡34及行动电话36。

利用阵列传感器作为诊断工具，可以一次检测多个标志物。微型化又有利于多种阵列的整合，使之适用于多个病人样本的筛查。阵列传感器的应用不仅降低了样本的消耗量，而且提高了定量的精确性、敏感性和样品检测的速度。以阵列为基础的免疫学检测方法包括可使用小量样本有效的判定抗原-抗体相互作用，这种方法对于以低成本筛查标志物具有重要的意义。目前的结果显示以微阵列模式检测的性能与ELISA相同，这表明多参数检测是可以整合并可于检验科常规使用。相比传统的检测方式，这种整合的检测形式具有更方便、高通量及成本较低等优势。

压电陶瓷生感器：技术考量

传感器技术的改进一直被驱动着前行，其中部分原因是因为家用葡萄糖传感器的成功开发及使用。对于压电陶瓷传感器产品作为一种在诊断测试系统中崭新的技术，其性能特点，设计要求，功能，和加工处理要求具体如下：

(1)固有性能特点

传感器的特性应该使其能适用于急救护理、移动检测护理、床边操作，户外使用以及家庭检验体系。陶瓷振荡芯片与石英晶体相比，具有体积小、反应性高及功用性多等特性。与分子结合后可以形成传感器并具有高灵敏度和高特异性的特点。通过半导体工业的批量生产，产品的单位成本可以明显降低，确保产品的成本效益。这种传感器具吸引力的关键特性如下：尺寸小：为了达至真正的便携式以适应掌内操作、床边操作，户外和家庭检验体系，必须采用微型化的传感器。一方面，考虑到个人操作的方便，能够掌内操作，以电池作为电源驱动的小型装置比较合适；但另一方面，也必须考虑到这类小型装置容易丢失或是放错地方等不利因素，因而能于桌面上操作的装置更为合适。在许多应用领域上，陶瓷传感器都显示出了尺寸小的优势，这也使其更容易安装于不同款式的传感器。

检测时间短：降低检测工具的尺寸将增加设备的使用量，但是检测时间对于检测体系的被接受程度也起着很重要的作用。因为传感器测试所需的样本体积小于传统的分析仪，因而传感器的反应时间可更快。传感器的反应时间主要是由样品的扩散速度以及分析物和传感器上识别分子的互动速度所决定。

多功能性：传感器技术为开发检测其它分析物(例如：医疗，食品，环境等)的诊断系统提供了一个通用的平台。类似于检验科应用的其它大型仪器设备，在某种程度上，这些传感器将根据其可提供的各种检验菜单，而不可避免的与其他设备出现竞争。利用这些技术也使得制造商能不断扩展检验项目。传感器可以应用于多种分析物的检测，包括化学、免疫学和核酸化验等。

灵敏度和特异性：传感器是利用高灵敏(高频)的压电换能器和高特异性的免疫学测定方法以达至检验系统所需的灵敏度和特异性。传感器应具有符合诊断检测需求的灵敏度和特异性，可于广范围内可靠的检测标志物，用于癌症诊断，食品污染物，环境污染物监测等。

易于制造：利用半导体工业建立的MEMS加工技术将使低成本传感器的大批量生产变为可能。其中一个最大障碍可能是现有的加工处理技术与生物分子不稳定特性不能兼容。但是，最近开发的生物点样(微阵列)液体分配技术将能够克服这一障碍，因而生产出低成本、易于制造的传感器。

成本效益：陶瓷传感器成分的实际价格可能远小于高质量抗体的价格。但是信誉卓著的免疫分析产业可提供具有高成本效益的生物成分。此外，传感器设计的提升和产业化生产将进一步降低使用成本。

(2)系统需求

虽然传感器的很多固有特性使其适用于诊断学的应用，但是FDA和世界上其它一些监管机构对应用于诊断检测体系传感器的最终形式，起着重要的影响。不同的用户亦会根据不同检测的需求对这种体系的性能有各种不同的要求。这些对系统的额外要求都对传感器带来了一定的挑战。下面列举几个重要的监管及用户要求。

精密度和准确性：检验科已习惯于接受实验室使用的常规仪器设备所提供的精密度和准确性，因而对于这些参数的降低不能接受。同样的标准也适用于检验科以外的检验体系，这意味着居家使用的小型装置也要具有与大型系统一样的精密度和准确性。这些要求为传感器体系的设计及其能够可靠地操作，同时不会引起技术人员的操作困难带来了挑战。

使用期和保存期：传感器的保存期是决定产品生产、分发和销售效率的关键因素。保存期对于非处方或处方家用市场的传感器设计更为重要。最大的挑战是传感器生物组分的设计，尤其是传感器界面的生物组分，最好能够在室温环境条件中保持微量的化学或生物成分几个月不变质。生物界面也必须在使用过程中保持稳定。

易于使用：传感器诊断系统应该易于使用。因而必须降低操作系统的复杂性，特别是使用者界面。微阵列传感器有助于通过使用一个或几个阵列单元进行自动化校准或质量控制，从而降低用户操作界面的复杂性。

全血样本：使用全血作为样本消除了繁琐的样本准备过程。对于传感器来说，这个目标是最具挑战性的任务之一。这主要是因为病人的全血样本中pH、离子强度、粘性、含水量，及干扰物质会影响传感器上生物分子的反应，因而降低了体系的精确度和性能。

压电传感器的开发

在一个优先实施例中，将与所检测标志物相对应的特异性捕获分子例如抗体(识别成分)固定在压电陶瓷振荡芯片上，用来检测样品中(例如：病人样本，食物样本，水样本等)的标志物(抗原或待测物)。当抗体-振荡装置界面由于抗原与抗体的结合发生变化时，陶瓷振荡芯片产生的信号，包括振荡频率就可以被调节控制。通过检测单一标志物的传感器的开发评估使用传感器检测标志物的可行性并以此为基础，进一步开发由单个传感器组成的微阵列装置，用于同时检测一系列标志物。压电陶瓷传感器的开发可以通过以下途径：首先通过振荡频率，阻抗，电容等测量参数选取适合的陶瓷振荡芯片并定定开发传感器所需的测量参数；待芯片选定后，根据不同材质如陶瓷，金属，环氧，塑料等的特性选择适合的表面化学并通过质量，密度，粘弹性，介电强度来验证感应机理；完成以上步骤后，传感器的界面便可通过自组装，溶胶-凝胶，多层膜等形式建立起来并进行抗体筛选，结合方式测试，灵敏度测试以便检测标志物；待单个传感装置完成后，便可进行阵列传感装置的组装，待其通过标准化，特异性及临床验证后，陶瓷生物传感器的开发便可完成。

下列是用以说明的范例，并不代表或推断为以任何方式限制本发明。基于传感器技术平台开发的用于癌症诊断的传感器是其中一个例子。以这种技术平台为基础开发的高通量阵列传感器，可用于患者样品的快速筛查。这个检测平台可以被进一步改进，增加阵列传感器可检测癌症标志物的数量，以便增加癌症类型的检测范围。当更多的癌症特异性标志物被确认后，更多的癌症标志物会被包括在内。开发的技术平台也可以用于其它应用领域传感器的开发，例如，心血管疾病、糖尿病、食品污染物、环境污染物检测等。

传感器的设计

开发用来检测不同类型标志物的传感器，包括压电陶瓷材料的使用，抗原与抗体的特异性作用以及测定由抗原-抗体相互作用引起的频率的改变(和/或其它参数)。图3显示了是陶瓷传感器平台的整体设计：陶瓷传感器40，陶瓷谐振装置42，数据获取卡44，具有数据分析软件的电脑设备46，热控装置48，电源供应器50，单元传感器52及振荡器54。

该系统由多个以阵列方式排列的单元组件构成，每个单元都含有可检测不同标志物的组分，可以检测单个的标志物(平行的或连续的)。温控设备亦可以组装到该系统中，用来控制反应的温度。在检测过程中记录到的频率变化会被传输到数据获取卡中，然后由电脑软件分析并生成报告。

核心组分：压电陶瓷振荡芯片

传感检测系统的灵敏度，稳定性，重现性，检测通量以及成本很大程度上取决于所选用的感应装置。因此，所选用的压电陶瓷振荡芯片应当具有较高的频率和较大的表面积，并且尺寸小，以及能够用于固定分子材料。

陶瓷是一种质量敏感型的换能材料，它所产生的频率取决于晶体表面质量以及外界施加于晶体电极部位的质量。目前，稳定的高频(500kHz-1GHz范围)陶瓷材料制造技术已经很成熟，因此该类陶瓷材料非常容易获得。首先会测试不同频率(MHz范围)和尺寸的压电陶瓷振荡芯片并选出最灵敏，最稳定，并且表面适宜抗体固定的振荡芯片。

微阵列形式的样品诊断系统是目前临床诊断发展的趋势，因为它能够满足高通量筛选的要求。因此，陶瓷材料的小型化是另一个需要考虑的问题。目前能够获得的商业化的陶瓷产品其最小尺寸可以达到0.4mm×0.2mm，而且相对于其它压电材料如石英，成本非常低廉。陶瓷材料既具有尺寸小的优点，又具有很好的稳定性，重现性和灵敏度，因此非常适宜用来开发新一代高通量的诊断试剂盒。

标志物的选择：以癌症标志物为例子

癌症占世界性死亡因素的第二位，罹患癌症而死亡的总数达到了七百六十万人，相当于全世界总死亡人数的13％。据WHO 2004年报告，肺癌、胃癌、肠/结肠癌、肝癌、乳腺癌和前列腺癌是癌症中最常见的6种类型，占总癌症的死亡的60％。因而，开发的生物传感器主要集中于同时筛查与这6种癌症类型相关的一系列癌症标志物上。

癌症标志物是血液/尿液中的可溶分子(通常是糖蛋白)，可利用单克隆抗体检测。每个癌症标志物都有不同的适用范围，用于疾病的筛查、诊断和预后，用来评估癌症的治疗效果和监控癌症的再发等。

(1)癌症标志物的诊断功能：筛查检测试剂须具备高灵敏度以便早期疾病的检测，而且必须具有足够的特异性，避免假阳性结果引致错误的诊断评估。用于检测癌症标志物的生物传感器也具有这两大特性，令大众受惠。此外，癌症标志物对于疾病检测和评估疾病的治疗效果也具有至关重要的作用。表1列举了临床上常用的一些癌症标志物。

表1癌症标志物水平增高的常见原因

癌症标志                     其它相关的恶性疾

物        正常水平   原发性肿瘤 病                  阈值水平     敏感性

CA 27.29  ＜38       乳腺癌     结肠、胃、肝、肺、  ＞100        乳腺癌早期约33％升

          units /               胰腺、卵巢和前列腺  units/mL     高；晚期约67％升高

          mL

CEA       ＜2.5   结肠/直肠癌   乳腺、肺、胃、胰腺、＞10ng/mL    结肠癌早期不超过25％

          ng/mL非               膀胱、髓样甲状腺、               升高；晚期75％升高

          吸烟人群              头颈、宫颈和肝癌、

          ＜5ng/mL              淋巴瘤、黑色素瘤

          吸烟人群

CA 19-9   ＜37    胰腺癌、胆管  结肠、食道和肝癌    ＞1,000      胰腺癌80％-90％升高；

          units   癌                                 units/mL    胆管癌60％-70％升高

          /mL

AFP       ＜5.4 ng/肝细胞癌、非胃、胆管和胰腺癌      ＞500ng/mL  肝细胞肝癌80％升高；

          mL       精原细胞精子                                  非精原细胞精子细胞

                   细胞瘤                                        瘤：见下面的b-hCG

b-hCG     ＜5mIU/精子细胞瘤、及少量胃肠道癌          ＞30mIU/mL  非精原细胞精子细胞

          mL     妊娠滋养层疾                                    瘤85％AFP或b-hCG

                 病                                              升高；但是非精原细胞

                                                                 精子细胞瘤的早期只

                                                                 有20％升高

CA 125    ＜35   卵巢癌        子宫内膜、输卵管、＞200           卵巢癌85％升高，但卵

          units  /             乳腺、肺、食道、胃、units/mL      巢癌早期只有50％升高

          mL                   肝和胰腺癌

PSA       ＜4ng/mL前列腺癌     前列腺切除术后检＞10ng/mL         超过75％的器官限制性

          筛查用               测不到                            前列腺癌有升高

NSE    ＜4ng/mL肺癌、成神经可在Wilm’s肿瘤、＞10ng/mL  小细胞肺癌超过70％升

               细胞瘤      黑色素瘤、甲状腺、          高；NSE水平对于判断

                           肾脏、睾丸和胰腺病          疾病状态、病人预后和

                           人身上检测到                治疗的效果有指导意

                                                       义

CA＝cancer antigen，癌抗原；CEA＝carcinoembryonic antigen，癌胚抗原；AFP＝alpha-fetoprotein，甲胎蛋白；b-hCG＝beta subunit of human chorionic gonadotropin，beta人绒毛膜促性腺激素；PSA＝prostate-specific antigen，前列腺特异性抗原来源：G.L.Perkins，E.D.Slater，G.K.Sanders，and J.G.Prichard，“Serum TumourMarkers”，American Family Physician，2003，Vol.68，pp 1075-1082.

(2)选用癌症标志物的原因

癌抗原27.29，(Cancer Antigen 27.29，CA27.29)：癌抗原CA 27.29是糖蛋白(MUC1)的单克隆抗体，MUC1存在于正常上皮细胞的顶层。CA 27.29虽然与多种恶性肿瘤相关，表达水平均可增高，但其与乳腺癌的相关度最高。此外，CA 27.29也可在乳房、肝脏和肾脏良性增生疾病以及卵巢囊肿患者体内检测到。但是CA 27.29的水平在这些良性病变条件下很少超过100units/mL。

由于CA 27.29的灵敏度和特异性优于CA 15-3，因而已取代后者成为乳腺癌最佳的癌症标志物。乳腺癌早期(I期和II期)的女性患者中，约有1/3都有CA27.29水平的增高，晚期(III期和IV期)的女性患者中，2/3都会检测到CA 27.29水平的增高。

癌胚抗原(Carcinoembryonic Antigen，CEA)：癌胚抗原是一种胚性癌糖蛋白，在腺癌，尤其是在结肠直肠癌患者中常过量表达。CEA的水平在其他恶性肿瘤中也会升高。能引起CEA水平增高的非肿瘤性因素包括吸烟、胃溃疡、肠炎、胰腺炎、甲状腺机能减退、胆管梗阻和肝硬化等。但是良性病变的增高水平很少超过10ng/ml。

在出现淋巴转移的肿瘤患者中，约50％都出现CEA值的增高，如果患者出现肿瘤的远程转移，则75％的病例都会出现CEA水平的升高。CEA水平於肿瘤转移现象中最高，超过100ng/mL。美国临床肿瘤学会(The American Society of Clinical Oncology)建议对于需要进行外科手术的II期和III期患者，至少在两年内，每2-3个月，监控CEA水平的变化一次。

癌抗原19-9(Cancer Antigen 19-9，CA 19-9)：CA 19-9是一种细胞内粘附分子，其水平增高主要见于胰腺和胆管癌症患者，但于其它恶性肿瘤疾病中也有报道。CA 19-9在胰腺癌患者中的灵敏度及特异性达80％-90％，而对胆管癌的灵敏度则为60％-70％。采用CA 19-9检测作为临床检测手段，如果以超过1,000units/mL作为癌症的阳性预测标准，其与实际胰腺癌发病的一致率可高达97％。其次，CA 19-9水平超过1,000units/mL也意味着癌症转移的发生。

甲胎蛋白(Alpha-Fetoprotein，AFP)：甲胎蛋白(AFP)是胎儿血清中的主要蛋白，但在胎儿出生后，其表达水平很快降落至低于可检水平。与AFP水平升高相关的主要恶性疾病是肝细胞性肝癌和非精原细胞性精子细胞瘤。肝硬化或病毒性肝炎患者也常可检测到异常的AFP水平，但一般不会超过500ng/mL。孕妇体内也可检测到AFP水平的升高，尤其是有脊髓缺陷或其它异常病变的孕妇。

80％的肝细胞性肝癌患者都可见AFP水平的异常，而且其中40％患者的AFP水平都会超过1,000ng/mL。回顾性调查显示，通过AFP的筛查可以提高患者的生存率。对于具有患肝细胞性肝癌风险的患者，高于500ng/mL的AFP水平可作为判定指标，代替肝脏活检方式，进行肝细胞性肝癌的诊断。

β-人绒毛膜促性腺激素(Beta Subunit of Human Chorionic Gonadotropin，β-hCG)：β-hCG在正常情况下是由胎盘产生的。β-hCG水平增高最常见于孕妇、生殖细胞瘤和胚胎滋养层性疾病。AFP和β-hCG的水平对于判定非精原细胞性精子细胞瘤具有重要意义。85％此类患者的体内都可检测到升高的AFP和β-hCG水平。

对于非精原细胞性精子细胞瘤患者来说，追踪AFP和β-hCG的水平对于监控治疗效果是必要的手段。治疗后的患者，如AFP和β-hCG水平没有如预期般下降，表明预后不好，必须考虑更换治疗方案。因为疾病是可以治愈的，因而在治疗后的第一年，每一至两个月都要进行癌症标志物的检测，第二年每3个月检查一次，其后检查的间隔时间可以更长。

癌抗原(Cancer Antigen 125，CA 125)：CA 125是一种糖蛋白，正常情况下，只在胚胎发育过程中表达于体腔上皮。CA 125值升高最常见于上皮性卵巢癌，在其它恶性肿瘤疾病中表达也会升高。卵巢癌女性患者中85％都会出现CA 125水平增高，所以建议女性每年都要进行常规的超声检查和CA 125筛查。目前，卵巢癌主要以外科手术切除治疗为主，辅以少量的化学治疗和放射性治疗方法。在卵巢癌治疗完成后两年内，应该每3个月检测一次CA125的水平，其后检测频率可以降低。随访期内如果CA 125水平升高，则暗示卵巢癌的复发。

前列腺特异性抗原(Prostate-Specific Antigen，PSA)：PSA是前列腺上皮产生的一种糖蛋白。前列腺癌、前列腺炎、良性的前列腺肥大增生以及前列腺损伤，都可导致PSA水平的增高。医生建议年龄超过40岁的黑人男性以及有前列腺癌家族史的所有男性都要定期进行前列腺癌筛查。无明确危险因素的患者，筛查时间可以从50岁开始。如已证实PSA水平的升高，病人应进行活体检查。前列腺癌治疗后五年内，应每6个月检测一次PSA水平，以后每年检查一次。对于经历了前列腺环切术的男性，检测到任何水平的PSA都是有意义的。

神经细胞特异性烯醇酶(Neuron-specific enolase，NSE)：NSE是胞浆内烯醇酶的神经细胞同功酶，首先发现于脑组织的提取物中，其后发现在神经内分泌细胞和肿瘤中都有表达。NSE是众所周知的肺癌标志物。前期的研究显示癌症患者体内NSE的值会升高，而且NSE升高的水平与肿瘤的直径和疾病的程度密切相关。超过70％的小细胞肺癌(SCLC)患者中都可检测到血清中NSE水平的升高。观察肺癌患者NSE水平的变化对于判断疾病的程度、患者的预后以及病人的治疗效果都可提供重要信息。

上述8种被选的蛋白癌症标志物包括CA25.29，AFP，CA125，CA19-9，CEA，β-hCG，NSE，及PSA。这些标志物覆盖了最常见的6种癌症(肺癌、胃癌、结肠/肠癌、肝癌、乳腺癌和前列腺癌)，占癌症引发的死亡人数超过60％，而且这些标志物还与其它五种癌症类型相关：神经内分泌癌、胰腺癌、消化系统器官癌、卵巢癌和睾丸癌。

目前，上述各种标志物都正在单独或联合使用中，用于各种癌症的筛查、诊断、治疗方案的制定、治疗效果的监测(化疗或放疗)、随访阶段疾病再发的评估以及作为高危人群的筛查工具等。一种能够同时检测所有上述标志物水平的诊断技术将为临床医生提供筛查、诊断及管理最常见癌症的有力工具。

抗体的固定

当特定的标志物被选定后，例如：癌症标志物，它们相应的抗体就可以被固定在陶瓷材料上，用于检测抗原。图4显示了抗体的固定以及抗体抗原之间的相互作用：样本抗原60，抗体62，化学修饰层64，电极66，陶瓷材料67及电极68。

压电陶瓷振荡芯片是一个类似于三明治的结构，中间为一定厚度的压电陶瓷层，在其两侧为两个电极层，用来将这个装置与外界的振荡电路连接，使该陶瓷晶体能够在其共振频率下发生振荡。为了达到检测目的，首先抗体必须被固定在陶瓷装置表面的。将陶瓷感应装置与分子感应部分(癌症标志物的抗体)组合到一起的方法有很多，这主要取决于表面化学，陶瓷振荡芯片的材质以及该芯片的组装情况。例举：抗体将会被固定在电极表面(该部分是振荡芯片最敏感的部位)，测试不同的抗体固定方法，并决定哪种方法更适宜于抗体的固定和样品的检测。

(1)自组装技术：巯基化学固定法

于一优先实施例中，抗体通过巯基化学固定法固定在陶瓷上的金电极表面。高度有序化的自组装单层膜保证了对表面结构的有效控制，并且对感应器功能的发挥也提供很多便利。自组装单层膜的形成是由于硫原子和金表面自然而强有力的吸附作用。磺基琥珀酰-2-吡啶二硫-3，丙酰氨基6-己酸盐(Sulfosuccinimidyl 6-[3’-(2-pyridyldithio)-propionamido]hexanoate，sulfo-LC-SPDP)，因含有一个氮-羟基丁二酰亚胺残基和一个吡啶二硫键，是一个很好的巯基可切断性的异双功能交联剂。巯基固定法中的吡啶二硫基团可以把巯基结构引入到蛋白内，或者用来连接含有氨基的蛋白和含有巯基的蛋白，例如IgG类型的抗体。生成的双硫键可以被还原剂切除，例如二硫苏糖醇(dithiothreitol DTT)。其后，硫化的抗体以共价键的形式与晶体表面的金电极形成复合物。

固定程序如下：

·用于固定的抗体最终浓度进行了测定及优化。单克隆抗体以PBS(pH 7.4)缓冲液稀释到合适的终浓度，最好是0.05到2.5mg/ml。

·将相同体积的单克隆抗体与双交联溶液(20mM sulfo-LC-SPDP(水溶液))混合并在室温孵育1.5小时。

·加入2μl二硫苏糖醇(0.1M醋酸钠缓冲液，0.1M NaCl，pH 4.5)，并反应30min，还原巯基化抗体的双硫化键。

·将混合液滴在金电极表面，最好是0.2到5μl，将晶体置于室温1小时，使其变干。

·将固定有抗体的晶体顺序用PBS缓冲液和蒸馏水冲洗，然后用氮气吹干。

以自组装单层膜(SAM)来连接抗体的重要优势在于它能够形成有序的，无孔的稳定单层膜，并且可以很方便的根据需要，以不同的功能基团设计和改变该膜的前端组群以便得到亲水或者亲脂的表面，使用该方法固定的生物分子需要量少，并且具有很好的稳定性，确保了实验的可靠性。

通过蛋白A(PA)固定的方法

于另一优先实施例中，以蛋白A(PA)为基质来固定抗体。这是一个两步的以桥连方式固定抗体的常用方法。PA可以与金电极表面通过物理吸附作用形成PA-金复合物，它们之间是非特异性吸附，但吸附很强，其结合常数为108L/mol。而另一方面，PA可以以共价键的形式与IgG蛋白的Fc部分结合。PA固定法的特点就是抗体的功能集团(Fab)位于晶体的外围，因此有利于捕获样品溶液中的抗原。

固定程序如下：

·将优化浓度后载有PA的PBS(pH 7.2)缓冲液滴到金电极的表面，最好的孵育温度及时间是于4℃，16小时；或于室温，2小时。PA的终浓度，最好是0.1到2mg/ml，量最好是0.2到5μl。

·在室温下干燥后，用蒸馏水洗去震荡芯片表面过量的PA。

·将优化浓度后的抗体滴加至金电极表面与蛋白A结合，在室温下干燥后，相继用PBS和蒸馏水冲洗晶体表面，抗体浓度最好是0.05到2.5mg/ml。

·冲洗过后的陶瓷晶体以氮气吹干。

(3)通过Sulfo-LC-SPDP-PA固定的方法

在另一个优先实施例中，以sulfo-LC-SPDP-PA为基质来固定抗体。这种方法结合了SAM和PA抗体固定法的优势。

固定序如下：

·将用于固定的PA最终浓度进行优化。将PA以PBS(pH 7.4)缓冲液稀释至合适的终浓度，最好是0.1到2mg/ml。

·将相同体积的PA与双交联溶液(20mM sulfo-LC-SPDP(水溶液))混合并在室温孵育1.5小时。

·加入2μl二硫苏糖醇(0.1M醋酸钠缓冲液，0.1M NaCl，pH 4.5)并反应30min，还原巯基化抗体的双硫化键。

·将混合液滴在金电极表面，最好是0.2到5μl，将晶体至于室温1小时，使其变干。

·将蛋白A固定在振荡芯片上后，先后以PBS缓冲液及蒸馏水进行清洗，然后用氮气吹干。

·将适当浓度的抗体滴加在电极表面上，待其室温下干燥后，先后用PBS缓冲液和蒸馏水清洗。抗体的浓度最好是0.05至2.5mg/ml。

·陶瓷晶体经清洗后，用氮气吹干。

(4)以硝化纤维膜为界面固定抗体的方法

在另一个优先实施例中，以硝化纤维膜为基质来固定抗体。硝化纤维膜的应用广泛，经常用作抗体固定的表面使用。

固定程序如下：

·放置合适尺寸的硝化纤维膜(NC)于陶振的金表面。

·滴加100％DMSO，将NC膜溶解，然后在室温下干燥。在DMSO中NC的最佳浓度是1mg/μl。

·待其在室温下干燥后，于固定了NC的金表面滴加适量的抗体。抗体的浓度最好为0.05至2.5mg/ml。

(5)以Nafion为界面固定抗体的方法

在另一个优先实施例中，以nafion为基质来固定抗体。Nafion是一种多價阴离子氟硫聚合物离子层，由于它具有化学惰性、无电活性和亲水性，可以作为基质用于快速、简单的固定程序。它的热稳定性、化学惰性和一定的机械强度可大大提高免疫传感器的操作和贮存稳定性。蛋白质具有两亲性，可以通过控制pH值令其吸附在固体表面。

固定程序如下：

·以缓冲液稀释5％的Nafion原液至适合的浓度，将一定量的稀释液滴加于陶振的金表面。Nafion的终浓度最好为0.1％至1％，量最好是0.2到5μl。

·待其在室温下干燥后，于Nafion修饰后的陶振表面滴加适量的抗体并于室温下放置30分钟。抗体的浓度最好为0.05至2.5mg/ml，量最好是0.2到5μl。

·经测试找出适合每一种生物标志物的缓冲溶液，较好的缓冲溶液pH范围值是4.5-8.5，而缓冲溶液可以是浓度范围在10-50mM内的磷酸盐缓冲液、Tris缓冲液、柠檬酸盐缓冲液等等。

·经测试找出缓冲溶液中合适的NaCl浓度。较好的缓冲液中NaCl浓度范围是50-150mM。

·孵育后，表面以蒸馏水冲洗干净并于室温下干燥。

或者

·用缓冲液稀释5％的Nafion原液到适合的浓度，将其与适当份量的抗体以1∶1混合。Nafion的最终浓度最好为0.1％至1％，抗体的浓度最好为0.05至2.5mg/ml。

·将适当分量的混合溶液滴到陶振的金表面，并在室温下孵育30分钟，量最好是0.2到5μl。

·孵育后，将其表面用PBS缓冲液冲洗，然后在PBS缓冲液中平衡200分钟，并于室温下干燥。

(6)阻断非特异性结合性位点及结合量

在另一优先实施例中，检测之前，使用阻断剂阻断晶体表面的非特异性结合位点。用含有3％BSA的PBS缓冲液冲洗覆盖有抗体的晶体以便阻断未被占据的位点，防止非特异性结合。阻断过程如下：

·将一滴含有BSA的缓冲溶液滴到晶体表面并孵育1小时，量最好是0.2到5μl。

·以缓冲溶清洗并用氮气将晶体吹干。

在固定抗体和阻断过程完成之后，测试陶振频率的变化以确保抗体固定和阻断过程成功进行。随所用化学试剂类型的不同，频率改变范围从100Hz到50000Hz。

单个传感装置和阵列传感器

当固定程序完成后，用于检测单个标志物的传感器可如图5所示组装起来。图5显示了：单元传感器52，陶瓷振荡芯片70，电极72，用不同方法固定的抗体74，印刷电路板76及振荡器78。将含有抗原的样品加入检测装置，并将共振频率变化以振荡器记录数据。将测得的频率降低幅度与标准抗原样品频率变化相比较，由此评价检测样品中抗原的含量。

需要注意的几点：

(1).传感器模板：感应器是通过标准焊接方法被焊接在一块印刷电路板上的(PCB)

(2).振荡电路：各种不同设计方案的电路会被测试，以期得到稳定性最佳的电路

(3).液相相对气相检测：在液相中检测能够提供实时的结合信号，但是具有稳定性和灵敏度差的缺点；两点(之前和之后)气相检测已可以提供足够的监测信息

(4).样品处理槽：血样可以通过微流控系统加入传感器，或者直接将血清加到传感器表面和固定的抗体结合检测不管样本例如血液被直接加到传感器装置上还是运用侧流技术通过膜条进样，都只有被导入到传感器表面的血清蛋白可被检测到。

当单个传感器装置完成后，可以将一系列针对不同标志物例如癌症标志物的单元以阵列的形式组合在一个印刷电路板上，这样就可以同时平行测定16个标志物。装置设计如图6。图6显示了：阵列传感器80，陶瓷振荡芯片82，电极84及印刷电路板86。

由于陶瓷振荡芯片的尺寸可以小到0.4mm×0.2mm，因此在小如1cm²的面积上组装9-16个传感器单元是可行的。这为开发微孔板传感诊断产品提供了可行性(目前临床诊断中使用的标准测试方法是用96孔板平行检测多个患者的样本)，这种微孔板阵列传感诊断产品为现有基于微孔板检测的体外试剂盒提供了另一个平台，应用范围非常广。

在开发的每一个过程中，都以标准方法检测抗原，以确保传感器适合标志物的检测。通过检测过程，对样本检测的方法和时间进行了优化。在微阵列装置完成后，对患者的样本进行测试。

样品导入和检测

在优先实施例中，建立了几种加样方法包括利用侧流技术，直接加样和微流控装置导入样品。

(1)利用侧流技术导入样品

在优先实施例中，利用侧流技术，使用加样膜条将样品导入。将加样膜条压在陶瓷感应器表面，样品(例如血清)通过加样膜条被注入传感器，并与样品流经的陶振表面上固定的抗体进行反应。图7显示了以样品垫进行加样的系统设计和装置图：传感器90，陶瓷振荡芯片92，连接振荡电路94，通过不同的化学方法固定不同抗体的陶瓷振荡芯片96，样品垫98，吸收垫100，样品溶液102，样品测流104及移走样品装载器进行频率检测106。图8显示了包含有传感器和侧流装置的装载器：测流导样装置内部结构的纵切面110，加样装置的上层112，下层的双芯片振荡芯片装置114，附标签的上盖116，印刷电路板117，吸收垫118，用于固定吸收及样品垫的底垫119，样品垫120，进样处121，附标签的上盖122，双芯片123，用于固定振荡芯片的印刷电路板124，底盖125，用于校正各层位置的小孔126及连接振荡电路127。

待抗体被固定在陶振的金表面后，传感器就可以用于样品分析了。传感器通过标准焊接方法被连接在PCB板上(每个振荡器只需要两个连接点)并嵌入装载器，只有振荡电路的连接点是暴露在外面的。利用加样系统将样品导入传感器，这种加样系统由样品槽、上盖，样品垫和吸收垫组成。样品垫会放置于固定了抗体的陶瓷芯片表面。如图中所示的那样，设置只有一个位于陶瓷芯片的中间的加样槽。当样品加到样品槽后，在毛细管作用下，样品可以从样品垫流向吸收垫而无需外部泵。也不需要准备一个特殊的可与传感器相连并产生流道的PMMA。当样品流经固定了抗体的芯片时，样品中的抗原会和抗体发生特异性结合反应。被固定的抗体和样品中的抗原之间的特异结合反应需要一定的时间(一般不超过30分钟)。当样品加完并将样品装载器从陶振表面移走后，就可以进行信号检测。信号与加样前的频率进行比较并对照相关的标准值产生结果。

对于阵列类型的传感器来说，样品槽会被置于芯片中心位置，如图6浅色部分所示。图9显示了加样系统设置：吸收垫130，样品垫132，内含的样品垫和吸收垫安放于微振列传感器上。这种加样系统的设置类似于图8中所显示的。当样本被加到位于中间的样品槽后，含有分析物的样本会以侧流的方式流向吸收垫如图10所显示。图10显示了：吸收垫130，样品垫132，样品134及样品经样品垫流向吸收垫136。当样本经过固定了捕获分子的陶瓷芯片区域时，样本中的抗原会与捕获分子特异结合，被固定的捕获分子和样品中的抗原之间的特异结合反应需要一定的时间(一般不超过30分钟)。当样品加完，载有感应器的PCB可从加样系统中取出并进行信号检测。信号与加样前的频率进行比较并对照相关的标准值产生结果。同样的，在样本进样过程中也无需外部泵

由于结合抗原而引起的质量变化将导致装置中陶振频率的改变。这种共振频率的改变将通过振荡器记载，转换并被记录下来。数据将经过特定的分析软件处理并与对照标准品进行比较用于数据分析并给出报告。

(2)直接进样系统设置

在另一个优先实施例中，样本可通过装载器上的样品槽直接加到传感器上。含有分析物的样本能够和陶瓷芯片表面固定的捕获分子相互作用。图11显示了直接加样系统：正面140，背面142，进样池143，吸收垫144，待开关打开后与液体相接处145，用于密封印刷电路板与进样装置的粘合剂146，印刷电路板147，连接振荡电路148，样品装载设置150，开关151及陶瓷振荡芯片152。

当抗体被固定在陶瓷芯片上的金电极中心后，生物传感器就可以用于样本分析了。传感器通过标准焊接方法被连接在PCB板上(每个振荡器只需要两个连接点)并嵌入带有吸收垫的装载器，如图中所示。样本可利用加样系统通过样本槽加到传感器上。样本装载槽包含有一个栓。当样本被导入后，含有分析物的样本将会和固定在芯片表面的捕获分子特异性结合，被固定的捕获分子和样品中的抗原之间的特异结合反应需要一定的时间(一般不超过30分钟)。当加完样品后，可以打开样品槽上的栓，这样，样本溶液便会被装载器里的吸收垫吸走。清洗液也通过样品槽被导入，并洗掉非特异性结合物质，同样的，洗液亦会被吸收垫吸走。当液体移走后，生物传感器就可以进行测量了。检测到的频率将会和进样前的频率相比较并对照标准品产生结果。通过这种方式，样本可以轻易移除防止了污染，并且整个芯片是一次性使用，于临床使用非常方便。

对于振列传感器，样品槽将会被放置在微振列传感器芯片的四侧，如图12所示：背面160，正面161，含陶瓷振荡芯片的印刷电路板162，含开关的样品池163，吸收垫164，将含陶瓷振荡芯片的印刷电路板与进样装置的密封165，连接振荡电路166，样品装载设置167，进样168及样品池169。图12显示了加样系统的设计及设置，焊接有阵列陶瓷芯片的PCB板可嵌入带有吸收垫的装载器内。加样设置的中间为拱形，样本可以加在加样设置的中间并流向样品槽。样本中的分析物可以和陶瓷芯片表面的捕获分子特异性结合。被固定的捕获分子和样品中抗原之间的特异结合反应需要一定的时间(一般不超过30分钟)。加样完成后，样本槽上的栓可以打开，而样本溶液会被加样设置内的吸收垫吸走。清洗液也通过样品槽导入并洗掉非特异性结合物质，同样的，洗液亦会被吸收垫吸走。当液体移除后，传感器便可进行测量了。检测到的频率将会和进样前的频率相比较并对照标准品产生结果。通过这种方式，样本可以轻易移除防止了污染，并且整个芯片是一次性使用，于临床使用非常方便。

(3)利用微流控加样装置进样

在另一个优先实施例中，样品可以通过微流控加样装置导入。这种微流控-传感器技术为建立实时分离样品(例如血细胞)及诊断平台用于检测样品(例如血浆)中的标志物(例如癌症标志物)提供了良机。

这种微流控-传感器包括用于将含有标志物血浆及血细胞分离的微流控线路装置，一个含有可特异性结合所选标志物(抗原)抗体的感应界面和一个换能器(例如陶瓷振荡芯片)，这种换能器可以将抗原-抗体结合的反应转换成一种电信号，如图13所示。图13显示了：全血样品液170，微流控线路172，微流控分离线路173，阵列陶瓷生物传感器区域174，单个陶瓷感应器175，阵列陶瓷感应装置176，血样进口177，缓冲液进口178，液体出口179，血浆分离区域180，细胞181，含生物标志物的血浆182，细胞及废物183及信号检测及分析184。

含有待测物的样品(例如全血样品)将通过微流控线路分离并去除全血样品中的血细胞，使含有待检物的血浆进入传感器进行分析。待检标志物(例如癌症)的特异性抗体(识别部分)被固定在压电陶瓷振荡芯片上，用来检测病人血浆样品中的的标志物(抗原或待检物)。当抗体-振荡装置的界面由于抗原与抗体的结合发生变化时，陶瓷振荡芯片产生的信号，包括振荡频率就可以被调节控制。

微流线路的制作

以印刷电路板为模具，PDMS为材料进行制模这种方法已被证明可以用来快速地制造微型装置。通道系统可以通过CAD程式进行设计(CorelDRAW 12.0，Corel Corporation，UK)。微流控结构的制造使用了经我们改进的微流控结构制造技术。

使用商业打印机将CAD文件内容打印成2400dpi的胶片，这张胶片将被用作光掩膜放在印刷电路板(PCB，Kinsten glassepoxy single sided，Chiefskill，Taiwan)上，然后用标准的印刷电路板曝光机(KVB-30 exposure unit，Chiefskill)曝光80秒。曝光后的印刷电路板用显影液显影10分钟，冲洗，然后用三氯化铁进行湿法蚀刻1小时。充分冲洗蚀刻后的印刷电路板并用丙酮将残留的光刻胶洗掉。

经过以上的步骤，微通道就被刻到印刷电路板。以蚀刻好的印刷电路板为模具，将除去气泡的PDMS聚合物前体(底物与交联剂以10∶1进行混合，Sylgard 184，Dow Corning，Midland，MI)浇铸在印刷电路板上以65℃孵育1小时。将孵育后的PDMS复合物剥离，修整然后将剥离的PDMS与放在玻璃片上的PDMS薄片在等离子清洁器(PDC-3XG，Harrick Scientific，Ossining，NY)中氧化2分钟。然后将氧化过的浇铸有微结构的PDMS放到PDMS薄片上，将两者进行密封。这样一个用于检测平台的进行样品分离的微流控装置就制作完成。通过这种方式，通道是建立在装载器表面并与焊接了陶瓷感应器的PCB板相连。此装置只需要一个样品进口，一个缓冲液入口和一个样本出口。样品与捕获分子的相互作用会沿着这条通道进行，而无需外部泵。这种设计不仅提供了样本流动渠道，亦可在分析物和传感器表面的捕获分子相互作用前将干扰物质分离出去。

血样分馏

血浆分离区域是一个含有微通道的扩散提取装置，其模型如图13所示。缓冲溶液(75μL)和一滴样本(例如全血样本50μL)可相继装入相应的载液槽。全血样本和缓冲液在毛细管作用下进入微流控线路。含有悬浮细胞的全血样本从上端进入血浆分离区域，与此同时，缓冲溶液(提取液)从下端进入，如图13所示。由于微流控的设计，液体流速相同，这两股液体会将微通道(血浆分离区域)分成两个等分。由于通道的尺寸很小，加上微弱的溶液传递吸力，液体是层流的，而不会混合。在这种层流状态下，血样和缓冲溶液之间的分子可以在“血浆分离区域”中扩散传送。具有更大扩散系数的标志物(较小的微粒，例如蛋白质、糖和小离子)有时间扩散到缓冲溶液流层中(被提取)，而较大的生物细胞只能留在血样流层中被运送到溶液出口处。血细胞就这样和标志物分离开来，只有缓冲溶液流层中的标志物会被带被送到陶瓷传感器装置并检测。不管是单个的传感器装置还是振列传感器装置，都只采用一个样本池，样品会流经所有微流控线路内的振荡芯片而无需外部泵及控制系统。此外，信号将通过单个集成电路检测，而其中一个振荡芯片用做参比振荡芯片用作对照。

检测和数据分析

在优先实施例中，系统中的感应器可以振荡。通电后，振荡频率会被记录下来，并转换成运算信号传至计算机进行数据分析。进样前的振荡频率会被记录，并与进样后的频率进行比较，进样前后的频率变化可通过计算机系统进行分析并与基于临床资料的标准参数进行比照产生结果。

传感器的临床评价

在另一个优先实施例中，传感器的操作条件以标准抗原样品优化后，用于正常和患病人群的临床样品(血清)检测，测试结果与通过标准酶联免疫检测方法和临床诊断所获得的结果进行比较。传感器的性能将根据临床反馈的信息进行改进。

以陶瓷传感器技术平台开发其它的传感器

开发的传感器技术平台可以用于开发其它应用领域的传感器，例如体外诊断检测产品。在全球范围内，预计体外诊断测试市场份额到2010年将增长至455亿美元，其中移动检测护理诊断测试占1/3。

在一个优先实施例中，可行的传感器是用于诊断心脏病的传感器。

心血管疾病(CVD)：

心血管疾病是全球致死的首要病因，造成了16,733,000人死亡，占死亡率的29.3％。心脏病是日本(15.5％)和香港(14.6％)的第二大致死原因，在中国是第四大死亡原因(14.4％)。大约80％的心血管疾病死亡病例发生在发展中国家，低收入和中等收入的国家，而这些国家也成担了全球86％心血管疾病的负担。据估计，到2010年，心血管疾病将成为发展中国家的首要致死因。同时，每年至少有2千万心脏病发作和中风后幸存的人，他们中的相当大一部分需要昂贵的临床护理，这也增加了长期看护的资源造成了巨大的负担。2002年，心血管疾病和中风所造成的经济成本估计是3292亿美元，而真正的成本，即人类长期承受的痛苦和生命损失是难以估量的。

心血管疾病对不同的国家都是造成了沉重的社会经济负担。在5个最大的欧洲国家，法国、德国、意大利、西班牙和英国每年用于心血管疾病管理的费用总额达1100到1150亿美元。在这个总数中，大约有400亿美元用于治疗冠心病，超过150亿美元用于治疗中风，120亿美元用于治疗高血压病，大约80亿美元用治疗于充血性心衰竭。

心血管疾病是目前最首要的治疗类别，其全球销售额达到了500亿美元一年。心血管疾病作为全世界发病率和死亡率的第一大原因，我们的挑战是开发日益敏感的诊断方法，尤其是早期诊断和诱病因素检测的体外诊断试剂。心血管疾病诊断产品的销售包括心电图仪、无创成像和内血管检测技术。这类检测于1999年在5个主要欧洲国家的销售总额超过了14亿美元。体外诊断试剂是开发的重点，是主要的市场机会所在。这些驱动力推动心脏诊断市场的以每年12％的速度增长了，由2001年的140亿美元增加到2006年的220亿美元。

大量的众所周知的心脏病标志物可以被纳入传感器的平台用来开发可早期检测不同类型心脏病的快速筛查传感器。

在另一个优先实施例中，用于免疫性疾病和凝血功能障碍检测的传感器也具有很大的市场潜力。

免疫性疾病：

自身免疫性疾病包括了80种以上的慢性致残病，几乎可以影响到人体的每一个器官系统如神经系统、消化系统、内分泌系统、皮肤、骨骼和血管组织。在每一种疾病中，免疫系统会产生内在抗原的自身抗体，随之侵害到主体组织和器官。很多疾病自身抗体的出现要先于疾病本身。

据估计，到2011年整个欧洲自身免疫性疾病诊断市场份额将达到7亿美元，而全球自身免疫性疾病诊断市场份额可达20亿美元。其主要的增长原因在于两方面，1)很多免疫失调疾病的鉴定，其发病机理以前都不知道，如腹腔疾病；2)很多对免疫失调疾病治疗方法的出现，增大了对自身免疫性疾病诊断的需求，用于早期鉴定和疾病控制。

在这些疾病中出现的自身抗体可以通过传感器平台作快速筛查，早期检测，以及对不同自身免疫性疾病的监控。

凝血功能障碍：

凝血功能是人体具备的防止失血的基本功能，而凝血功能障碍(凝血病)会破坏人体控制凝血的能力。血凝结或凝块是一个复杂的过程(称为凝血级联)，涉及血浆和其它血液成分中的12个凝血因子。每个因子在凝血过程中都有自己特定的角色。除这些因子外，血浆中带有大量的其它蛋白质可调控出血，如血小板。凝血因子的缺乏或紊乱会影响血小板的的生产，凝血过程分为很多步骤，其中的任何一步都可能破坏凝血，使失血过程变得复杂，像外伤、分娩、外科手术、特殊疾病或状态下都能导致出血。凝血功能障碍的产生有不同的原因并涉及不同并发症。

凝血功能障碍影响世界上成千上万条生命，因此，每家医院都需要进行凝血测试，全球有25000多家进行凝血测试的临床实验室。全球凝血测试市场份额价值9亿2500万美元，并且以每年10％的速度增长，仅凝血酶原时间测试就占1亿2500万美元。

应用传感器平台同时检测各种凝血失调的疾病将提高疾病筛查的效率。

在另一个优先实施例中，传感器能可用于食品污染检测和污染物的监控。

食品安全：

开发的平台技术可用于开发生物医学应用领域以外的传感器产品例如，食品安全。随着环境污染的增加和健康意识的增强，消费者要求更安全更健康的食品。

食品分析的全球市场份额为14亿美元，由50家公司分占。其中美国和欧洲国家的公司占了2/3。食品微生物测试的全球市场份额为7亿500万美元，其中快速检测方法占了1亿4500万美元，是市场总份额的20％。

开发的传感器可用于食品工业中的食品分析，用来监控整个食品生产过程以确保食品安全。终端用户也可在家中使用传感器检测新鲜的和加工处理后的食品安全，例如用传感器来监测多种食物病原体：肉毒杆菌、伤寒杆菌、副伤寒杆菌、痢疾杆菌、霍乱弧菌、大肠杆菌、李斯特菌、金黄色葡萄球菌等。

虽然本发明以优先实施例及不同图例作演示，其它具相同作用的相似的，修改后，有附加功能的实施例亦可使用。但这不应视为规限本发明于任何一个单独的实施例，而应视为本发明权力要求的延伸。

Claims (9)

1.一种压电陶瓷传感器，由陶瓷谐振装置，数据获取卡及数据分析软件组成，其特征在于所述的陶瓷谐振装置为一个与振荡器相连的压电陶瓷谐振器。

2.如权利要求1所述的压电陶瓷传感器，其特征在于所述的压电陶瓷谐振器是以微阵列形式组装的含有金电极的压电振荡芯片。

3.如权利要求2所述的压电陶瓷传感器，其特征在于所述的压电陶瓷谐振器是2至100个以微阵列形式组装的含有金电极的压电振荡芯片。

4.如权利要求1至3所述的压电陶瓷传感器，其特征在于所述的压电陶瓷谐振器是以厚度扩展模式振动，压电振荡芯片彼此不互相接触，一个振荡芯片作为参比振荡芯片，其余的在其电极表面固定捕获分子用于检测样本中的标志物，每一个压电振荡芯片检测一种生物标志物。

5.如权利要求1所述的压电陶瓷传感器，其特征在于所述的压电振荡芯片是高频振荡芯片。

6.如权利要求1所述的压电陶瓷传感器其特征在于所述的压电振荡芯片是频率在500kHz至1GHz之间的高频振荡芯片。

7.如权利要求1所述的压电陶瓷传感器，其特征在于所述的压电振荡芯片为合成的多晶铁电陶瓷锆钛酸铅陶瓷材料。

8.如权利要求1所述的压电陶瓷传感器，其特征在于所述的传感器进一步包含一个样品装载器。

9.如权利要求5所述的压电陶瓷传感器，其特征在于所述的样品装载器包含一个进样装置，是直接加样设置，样品滴加条或微流控样品导入装置中的一种。

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