CN104508480B - 增强疾病检测与鉴定的器件与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一类微型器件，以及使用相同器件检测微观水平上，包含在液体中或以液体形式存在的生物样本的检测方法。器件包括使生物样本通入微型器件的入口(0212，0322)，可选的预处理单元，探测单元(0325)，检测单元(0326)，系统控制器以及使残余生物样本或废料排出微型器件的出口(0213，0323)。本发明进而提供了至少一种化学，生物学或生物化学的添加剂(0422)，添加剂与微型器件结合使用，并采用相同的微型器件的方法检测微观水平上的存在与液体中，或以液态形式存在生物样本的特性，具有更强的灵敏度和特异性。

Description

增强疾病检测与鉴定的器件与方法

相关申请的引用

本专利申请要求2012年7月16日提交的美国专利，第61/672,231号，本专利包含所引用的上述专利的全部内容。

发明背景

许多高发病率和死亡率的严重的疾病的早期准确诊断，包括癌症和心脏病，是非常困难的。当前的疾病诊断技术通常依赖于宏观数据和信息，如体温、血压、身体的扫描影像。检测严重疾病如癌症，许多常用的诊断仪器都基于成像技术，包括X-射线，CT扫描，核磁共振(NMR)。虽然这些技术可以提供不同程度的疾病诊断价值，它们中的大多数不能提供准确的、完全安全的及成本有效的早期癌症诊断。此外，许多现有的诊断技术和相关仪器具有侵入性，在有些场合尤其是在偏远地区和农村地区是无法实现的。

尽管新近涌现的技术，如使用在DNA测试中的一些技术还未被证实可以快速、可靠、准确及成本有效的诊断广泛的疾病。近年来，出现了将纳米技术使用在各种生物应用上的尝试，其中大部分的工作集中在基因测绘和疾病检测领域的适度发展。例如，Pantel等人讨论了利用微机电系统(MEMS)传感器检测血液和骨髓中的癌细胞(参考Klaus Pantel etal.,Nature Reviews,2008,8,329)；Kubena等人在美国专利6922118中披露了使用微机电系统(MEMS)检测生物成分；Weissman等人在美国专利6330885中披露了利用微机电系统(MEMS)传感器用于检测生物物质的累积。

然而，迄今为止，上述技术中的大部分局限于孤立的案例，且使用结构相对简单、尺寸较大、但功能有限的系统进行检测，缺乏灵敏度与特异性。此外，一些现有的利用纳米颗粒和生物方法的技术的缺点是需要复杂的样品制备过程(如使用化学或生物标志物)，数据表达上的困难，以及在诊断方法上过多地依赖视觉和颜色变化(具有主观性且分辨率有限)，这些技术的缺点使它们不适合用于疾病的早期检测，如癌症这样的严重疾病，特别是不适合医院的常规筛选和/或定期的身体检查中。还有一些技术则无法同时实现高灵敏度和特异性。

上述的缺点急需全新的方法，不仅克服这些缺点，更带来在疾病早期检测中的更高的准确性，灵敏度，特异性，效率，非侵入性，实用性，简单性和快速检测的优点，同时能降低成本。

现有的检测技术及设备主要由以单一技术为基础的单一用途的设备决定，其疾病检测的覆盖范围与功能有限和效率低。这些技术往往是非常广泛的，体积庞大(如核磁共振、CT和X-射线设备)，主要包括三大类：(一)基于影像的中晚期癌症检测技术；(b)生物标志物技术，对特定的癌症类型提供了一定的灵敏度(但对于给定的生物标志物，通常是对典型的一种或一个亚种的癌症具有灵敏度，且特异性水平相对较低)；(c)为基因技术为基础的检测技术，相对灵敏度较低，处理时间长。

由于影像技术仅能够在中晚期检测疾病，倚重于影像技术的方法和仪器不适合或不能够应用于早期疾病检测，尤其是癌症。

相比于影像技术，生物标志物可以在早期阶段检测某些特定的癌症。然而，这是一个复杂的检测技术和方法。由于特异性较低，很容易出现误报。此外，该技术应用于较小的检测范围和较少的癌症种类，因为通常一个给定的生物标志物，只对一类特定类型的肿瘤或亚型的肿瘤敏感。所以，该技术可能也不适用于常规的体检(如年度体检)中的癌症筛查。它也无法单独使用于癌症的检测，并可能需要额外的诊断工具来验证。

一些其他技术能够检测癌症的某些常规参数，但无法区分或识别(即，确定)特定类型的癌症。换句话说，即使这些技术可以提醒一个癌症疾病的存在，也无法确定癌症的类型，因此需要额外的使用其他检测技术来诊断。因此，这些技术无法独立的提供癌症的诊断方案。

在提供常规(早期癌症检测)和特定类型的癌症的检测能力方面有一种需要。上述的现有癌症检测技术的局限性显示了现有的方法与设备无法有效的同时检测生物样本的常规参数并确定癌症的特定种类。

发明摘要

本发明涉及一类全新的、集成的微型器件。微型器件能够执行许多加强的疾病检测，并在微观水平上，在体内或体外，在单个细胞，单个生物分子(如DNA,RNA或蛋白质)，单个生物样本(如单个病毒)或其他足够小的单元或基本生物组分上做出检测和识别。这类微型器件可以通过使用先进的制造技术和新的工艺流程制造，如集成电路制造技术。本文所使用的术语“疾病检测微型器件”可与疾病检测器件或集成有微型器件的检测仪或其他同义的相近术语互换。本发明的微型器件包括多种微型单元，以执行不同功能并选择性的检测待测或待分析的生物样本的多种参数。检测仪的可选部件包括执行寻址、控制、驱动、接收、放大、操纵、处理、分析和判定(如逻辑判定)或存储来自各探针的信息等的功能。这些部件可以是例如含有处理电路的中央控制单元，寻址单元，放大电路，逻辑处理电路，模拟器件，存储单元，特定应用的芯片，信号发生器，信号接收器或传感器。

这些疾病检测微型器件能够在疾病早期作出检测，具有更高的灵敏度、特异性、速度、简易性，可操作性和便利性(如，简单的操作程序或更小的设备尺寸)，可承受能性(例如，成本更低)，大大减少了侵入性和副作用。因此，本发明的微型器件具有比常规的疾病检测仪或技术更高的水平。

用于制造本发明中微型器件的创新性制造技术或工艺包括但不限于力学，化学，物理化学，化学力学，电学，物理学，磁学，生物化学，生物物理学，电磁学，生物物理力学，电力学，生物电力学，微观电力学，电化学力学，电生物化学力学，纳米制造技术，集成电路和半导体制造技术及工艺。使用技术的通用描述可参考如R.Zaouk等人的Introduction toMicrofabrication Techniques,in Microfluidic Techniques(S.Minteer,ed.),2006,Humana Press；Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices,1st Ed.(Geschke,Klank&Telleman,eds.),John Wiley&Sons,2004.微器件的功能将至少包括传感，检测，测量，诊断，监测，和对疾病的诊断分析。多个微器件可以集成到一个检测仪上，使检测仪更先进更复杂，进一步提高了检测的灵敏度，特异性，速度和功能，具有测量相同的参数或一组不同的参数的能力。

一方面，本发明提供的微型器件可以检测液体中的生物物质，或液态生物物质微观水平的性质。器件包括使生物物质通过微型器件的入口，可选的预处理单元，探测单元，检测单元，系统控制器以及将残余生物物质或废弃物排出微型器件的出口。

一些实施例中，探测的性质包括热学，光学，声学，生物学，化学，放射性的，电学，磁学，电力学，电化学，电光学，电热学，电磁学，电化学力学，生物化学，生物力学，生物光学，生物热学，生物物理学，生物电力学，生物电化学，生物电光学，生物电热学，生物力学光学，生物力学热学，生物热学光学，生物电化学光学，生物电力学光学，生物电热学光学，生物电化学力学，物理学或力学信号，或以上的组合。

电学性质包括表面电荷、表面电位、静态电位、电流、电场分布、、电偶极、电四极、三维电子云分布、DNA端粒酶与染色体的电性、电容或电阻。热学性质为温度或震动频率。光学性质为光学吸收、光学传播、光学反射、光电性质、亮度、荧光发光。化学性质为PH值、化学反应、生物化学反应、生物电化学反应、反应速度、反应能、氧含量、氧消耗量、氧键合端，氧键合强度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电荷密度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电离强度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电场密度，电离强度、催化行为、化学添加剂触发增强的信号响应，生物化学添加剂触发增强的信号响应，生物添加剂触发增强的信号响应，化学试剂增强检测灵敏度、生物化学试剂增强检测灵敏度、生物试剂增强检测灵敏度、以及化学键强度；物理性质为密度、形状、体积、表面积。生物学性质为表面形状、表面积、表面电荷、表面生物性质、表面化学性质、PH值、电解质、离子强度、阻值、细胞浓度、生物标志物相关性质或溶液的生物学、电学、物理学或化学性质。声学性质为频率、声波速度、声频，声强谱分布、声强，声吸收、声谐振。力学性质为内部压力、硬度、流速、黏度、流体机械性质、剪切强度、伸长力、收缩力、粘附、机械共振频率，弹性、可塑性或可压缩性。上述性质可以是静态、动态或者可变的。

一些实施例中，每个微型器件包括一个或多个通道，微型泵，入口和出口，其中信号检测单元和可选的探测单元位于侧壁。

一些实施例中，每个微型器件可进而包括一个毛细管。

在其他一些实施例中，每个微型器件还包括一个具有两端开口和一个具有内表面和外表面的侧壁的毛细管，选择性的包括的微泵，样品预处理单元，样品的循环单元，和样品的放电单元，其中一端开口是微型器件的入口，另一端开口为微型器件的出口，毛细管提供了检测单元和可选的探测单元。

一些实施例中，毛细管包括了一个内核和由内核及毛细管侧壁内表面定义的通道。

其他一些实施例中，毛细管包括了一个或多个贯穿毛细管内壁和外壁的针孔，探测单元和检测单元位于其中。

其他一些实施例中，毛细管包括至少两个针孔，每个针孔都贯穿毛细管侧壁的内外表面，探测单元或检测单元位于其中。

其他一些实施例中，每个探测单元或检测单元能够发送探测信号或测量微观水平上的

热学，光学，声学，生物学，化学，放射性的，电学，磁学，电力学，电化学，电光学，电热学，电磁学，电化学力学，生物化学，生物力学，生物光学，生物热学，生物物理学，生物电力学，生物电化学，生物电光学，生物电热学，生物力学光学，生物力学热学，生物热学光学，生物电化学光学，生物电力学光学，生物电热学光学，生物电化学力学，物理学或力学信号，或以上的组合。例如，电学性质包括表面电荷、表面电位、静态电位、电流、电场分布、、电偶极、电四极、三维电子云分布、DNA端粒酶与染色体的电性、电容或电阻。热学性质为温度或震动频率。光学性质为光学吸收、光学传播、光学反射、光电性质、亮度、荧光发光。化学性质为PH值、化学反应、生物化学反应、生物电化学反应、反应速度、反应能、氧含量、氧消耗量、氧键合端，氧键合强度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电荷密度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电离强度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电场密度，电离强度、催化行为、化学添加剂触发增强的信号响应，生物化学添加剂触发增强的信号响应，生物添加剂触发增强的信号响应，化学试剂增强检测灵敏度、生物化学试剂增强检测灵敏度、生物试剂增强检测灵敏度、以及化学键强度；物理性质为密度、形状、体积、表面积。生物学性质为表面形状、表面积、表面电荷、表面生物性质、表面化学性质、PH值、电解质、离子强度、阻值、细胞浓度、生物标志物相关性质或溶液的生物学、电学、物理学或化学性质。声学性质为频率、声波速度、声频，声强谱分布、声强，声吸收、声谐振。力学性质为内部压力、硬度、流速、黏度、流体机械性质、剪切强度、伸长力、收缩力、粘附、机械共振频率，弹性、可塑性或可压缩性。上述性质可以是静态、动态或者可变的。

每个针孔可通过包括力学、电学、磁学、电磁学、放射性、离子、热学、光学、声学、化学、电力学、电化学和电化学力学处理或技术来制造。

每个针孔的直径或宽度范围从0.01微米到1厘米，最优范围为10微米到2000微米。

毛细管可具有有圆形，椭圆形，正方形，长方形，三角形或多边形的形状

一些实施例中，毛细管的内部直径或宽度范围从大约0.1微米到10毫米，约从20微米到300微米，约从0.1微米到100微米，或从约5微米到500微米。另一方面，毛细管测长度范围从100微米到大约100毫米，或从100微米到大约100毫米。

一些实施例中，探测单元和检测单元可包含于同一个单元中。

一些实施例中，探测单元向生物样本施加放射性信号。

一些实施例中，探测单元包括了放射性元素，能够产生放射性探测信号。放射性元素包括了H-3,Be-7,Na-22,Ca-46,Fe-55,Fe-59,Co-56,Co-57,Co-58,Co-60,Ni-63,Zn-65,Zn-72,Kr-85,Sr-89,Sr-90,Y-90,Y-91,Zr-94,Nb-93,Nb-95,Mo-93,Ru-103,Ru-106,Ag-111,Sb-125,Te-127,Te-129,I-123,I-131,Xe-125,Xe-127,Xe-133,Cs-134,Cs-137,Ce-144,Pm-147,Eu-154,Eu-155,Ir-188,Ir-189,Ir-190,Ir-192,Ir-192,Ir-193,Ir-194,Ir-194,Pb-210,Po-210,Rn-220,Rn-222,Ra-224,Ra-225,Th-228,Th-229,Th-232,Th-234,Pa-234,Pu-238,Pu-239,Pu-240,Pu-241,Am-241,Am-242,Cm-242,Cm-243,Cm-244，Na-22和Co-60等常用元素。

一些实施例中，探测单元包括了正电子发射器件，可向生物样本发送探测信号。

一些实施例中，检测器件包括了集成于其中的光谱收集器。光谱收集器的例子包括光探测器，对光子的检测具有的高灵敏度，声学转换器，探测器如基于边缘效应的转换器，用于电学和/或振动信号的探测，用于分析化学、生物和生物化学成分的分析器如高效液相色谱法(HPLC)，离子耦合质谱仪和质量谱分析器。

一些实施例中，微型器件进而包括添加剂的入口，用于向含有生物样本的液体中引入添加剂。

一些实施例中，至少有一个添加剂的入口与针孔相连。其他一些实施例中，至少一个添加剂的入口位于探测单元或检测单元处。

一些实施例中，添加剂与生物样本互动、相互作用或探测生物样本，或者添加剂能够触发、参与或者作用于生物样本的响应(例如在细胞水平)，或增强生物样本待测性质的测试信号强度。生物样本对探测信号的响应可以是自身的一个反应或连锁反应。由此增强微观特性的强度或由此增强信噪比。

一些实施例中，添加剂与生物样本反应或结合，形成复合物、配合物和聚合物，由此增强待测生物样本检测特性的强度。

一些实施例中，添加剂选择性的与生物样本或其中某组分反应或结合，形成复合物、配合物和聚合物，因此选择性的增强待测生物样本或其中某组分的检测特性的强度。

一些实施例中，添加剂包括了液体溶液，固体纳米颗粒或气体。

一些实施例中，液体溶液是水溶液或有机溶液，包括高锰酸钾，葡萄糖，葡萄糖化合物，磷酸氢盐，丙酮酸，丙酮酸钠，溴溴丙酮酸，丙酮酸，乙酸，丙酮醛，丙醛，乳酸脱氢酶，乳酸，丙氨酸，氨基酸，蛋白质，钙，钾，钠，镁，硫，铜，锌，硒，钼，氟，氯，碘，锰，钴，铁，或酶。

一些实施例中，酶包括己糖激酶(例如，丙酮酸羧化酶和PEP磷酸烯醇式丙酮酸)。

一些实施例中，气体组分或液体溶液中包含O2,O3,CO,CO2,钙，钠，钾，硫，钠，镁，铜，锌，硒，钼，氟，氯，碘，锰，钴，铁，或碳基的有机基团包括但不限于有机金属化合物，醛(羰基)，酮(羰基)，羧酸(羧基)，胺(氨基)，氨基酸(氨基和羧基)和酒精(羟基)。

一些实施例中，添加剂包括离子，氧化剂，还原剂(还原性试剂)或生物活性化合物。本文所使用的术语“生物活性化合物”，是指参与细胞的功能和过程的化合物，如代谢过程的化合物。生物活性化合物的例子包括碳水化合物，蛋白质和酶。

适合的离子的实例包括但不限于Fe3+,Fe2+,Ag+,Cu2+,Cr3+,Na+,K+,Pt2+,Mg2+,H+,Ca2+,Hg2+,Al3+,NH4+,H3O+,Hg24+,Cl-,F-,Br-,O2-,CO32-,HCO3-,OH-,NO3-,PO43-,SO42-,CH3COO-,HCOO-,C2O42-和CN-离子。

适合的氧化剂的实例包括但不限于氧，臭氧，过氧化氢，无机过氧化物，硝酸，硝酸盐化合物，铬化合物，高锰酸盐复合，硫酸，过硫酸，氟，氯，溴，碘，亚氯酸盐，氯酸盐，高氯酸盐，其他类似卤素化合物(例如，对氯甲苯，二溴戊烷，2-溴乙烷和2-碘-2-甲基戊烷)，氯酸根，其他的次卤酸盐化合物(例如，次碘酸，次溴酸盐，氯酸盐，和次氟酸)，过硼酸钠，氧化亚氮，氧化银，锇，托伦斯试剂，2,2’-二吡啶二硫化物，尿素，和它们的组合和它们的化合物(例如，硝酸银，硝酸铁，尿素氮，血尿素氮，和高锰酸钾)。

适合的还原剂的实例包括但不限于但游离态氢，含铁阳离子的化合物(如，硫酸亚铁)，汞钠，硼氢化钠，亚硫酸化合物，水合肼，含有锡离子的化合物，锌汞齐，氢化铝锂，林德拉催化剂，甲酸，草酸，抗坏血酸，亚磷酸盐，次磷酸盐，和亚磷酸。适合的生物活性化合物的实例包括但不限于葡萄糖，果糖，丙酮酸盐，半乳糖，氨基酸，乙酸，二羟乙酸，草酸，丙酸，乙酸，酶(氧化还原酶(脱氢酶，荧光素酶，DMSO还原酶)，转移酶，水解酶，裂解酶，异构酶，连接酶，RNA的酶，DNA聚合酶，RNA聚合酶，氨酰tRNA合成酶，和核糖体)，人工酶(例如，组氨酸残基)，以及酶与它们各自的辅助因子。

一些实施例中，探测单元探测微观水平上的特性，并产生一个机器可读的测试信号。

一些实施例中，系统控制器处理上述机器可读的测试型号，并产生可显示的或通过人眼可读的数据。

一些实施例中，系统控制器包括了第一模数转换器，计算机和数据显示器。例如，数据显示器可以是计算机屏幕或打印机。

一些实施例中，系统控制器进而包括了放大器，能够将测得的机器可读数据到达模数转换器及计算器之前放大。放大器的选择之一是锁相放大器。

在一些实施例中，计算机包括CPU，RAM和ROM。CPU(即中央处理单元是通过基本的算术，系统的逻辑和输入/输出操作指令，执行计算机程序的硬件。RAM(即随机存取存储器)是计算机数据存储的一种形式。该ROM(即只读存储器)是一种存储介质。

一些实施例中，系统控制器进而包括操纵器，能够启动或生成一个干扰信号，随后在干扰信号通过干扰单元施加到生物样本上之前，送至计算机处理。干扰信号可以是热学，光学，声学，生物学，化学，放射性的，电学，磁学，电力学，电化学，电光学，电热学，电磁学，电化学力学，生物化学，生物力学，生物光学，生物热学，生物物理学，生物电力学，生物电化学，生物电光学，生物电热学，生物力学光学，生物力学热学，生物热学光学，生物电化学光学，生物电力学光学，生物电热学光学，生物电化学力学，物理学或力学信号，或以上的组合。

例如，电学性质是表面电荷、表面电位、静态电位、电流、电场分布、、电偶极、电四极、三维电子云分布、DNA端粒酶与染色体的电性、电容或电阻。热学性质为温度或震动频率。光学性质为光学吸收、光学传播、光学反射、光电性质、亮度、荧光发光。化学性质为PH值、化学反应、生物化学反应、生物电化学反应、反应速度、反应能、氧含量、氧消耗量、氧键合端，氧键合强度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电荷密度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电离强度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电场密度，电离强度、催化行为、化学添加剂触发增强的信号响应，生物化学添加剂触发增强的信号响应，生物添加剂触发增强的信号响应，化学试剂增强检测灵敏度、生物化学试剂增强检测灵敏度、生物试剂增强检测灵敏度、以及化学键强度；物理性质为密度、形状、体积、表面积。生物学性质为表面形状、表面积、表面电荷、表面生物性质、表面化学性质、PH值、电解质、离子强度、阻值、细胞浓度、生物标志物相关性质或溶液的生物学、电学、物理学或化学性质。声学性质为频率、声波速度、声频，声强谱分布、声强，声吸收、声谐振。力学性质为内部压力、硬度、流速、黏度、流体机械性质、剪切强度、伸长力、收缩力、粘附、机械共振频率，弹性、可塑性或可压缩性。上述性质可以是静态、动态或者可变的。

一些实施例中，系统控制器进而包括了第二模数转换器和信号发生器，信号发生器在计算机处理之后、干扰信号施加到生物样本之前处理干扰信号。

一些实施例中，预处理单元将生物样本通过的共同特性的差异，分成不同的组分。预处理单元可以选择性的处理生物样本，如表面处理。另一个可选的预处理包括在待测的生物样本中以所需的时间间隔和/或温度，依次加入所需的生物、生物化学或化学成分。例如，氧化剂如过氧化氢可加入首先测试的生物样本中，随后加入第二种氧化剂。又例如，可先在待测生物样本中加入氧化剂，随后加入催化剂。另一个实例中，氧化剂可首先加入待测生物样本中，随后加入催化剂，最后在混合物中加入酶。

一些实施例中，本发明的微型器件进而包括了第二可选预处理单元，第二探测单元和第二检测单元，这些部件形成了微型器件中的二级检测器。二级检测器可探测与检测与前一级相同或不同的微观性质。二级检测器也可与前一级有所区别，如不同的几何形状(宽度，重量，长度或通道形状)或不同的探测单元，不同的检测单元(因此检测性质不同)。几何尺寸信息，探测单元施加的探测信号，检测单元检测和测量到的信号，以及一个或多个增强剂的选择使用，提高了检测和区分不同类型疾病的灵敏度和特异性。

本发明的另一方面提供了增强检测和区分待筛查生物样本中的疾病的方法。每种方法包括如下步骤：

从待筛查生物样本中取样

将生物样本准备成液体溶液(包括将生物样本变为液体)

将生物样本的液体溶液注入微型器件中

在液体溶液注入前或当液体溶液在微型器件中时，向其中加入生物识别物

在液体溶液中选择性的加入至少一种添加的生物、化学或生物化学成分以增强测试灵敏度

探测和测试微观水平上的生物样本的特性，并

将测量的特性与无病样本的特性进行比较

本文使用的术语“生物识别物”，“增强剂”和“添加剂”是可互换的。它们包括了离子，氧化剂，还原剂，抑制剂，催化剂，酶，生物标志物，化学标志物，生物化学标志物，化学成分，生物化学成分，生物成分，有机成分，金属有机成分，光学成分，发光成分，病毒，蛋白质，抗体，染色剂或其组合。此处所说的“或”包括了“和”与“或”的意思，换而言之，“或”可用“和/或”替换。

一些实施例中，生物样本是DNA，DNA粒端，RNA，染色体，细胞，细胞亚结构，蛋白，组织，病毒，血液，尿液，汗液，泪液，唾液，或器官组织。

一些实施例中，液体溶液是水溶液或有机溶剂的溶液。

一些实施例中，疾病是癌症。

一些实施例中，癌症是膀胱癌，乳腺癌，结肠癌，直肠癌，子宫内膜癌，肾癌，白血病，肺癌(包括支气管)，黑色素瘤，非霍奇金淋巴瘤，胰腺癌，前列腺癌，甲状腺癌。

一些实施例中，待测与待检的特性是热学，光学，声学，生物学，化学，放射性的，电学，磁学，电力学，电化学，电光学，电热学，电磁学，电化学力学，生物化学，生物力学，生物光学，生物热学，生物物理学，生物电力学，生物电化学，生物电光学，生物电热学，生物力学光学，生物力学热学，生物热学光学，生物电化学光学，生物电力学光学，生物电热学光学，生物电化学力学，物理学或力学特性，或以上的组合。

例如，电学性质包括表面电荷、表面电位、静态电位、电流、电场分布、、电偶极、电四极、三维电子云分布、DNA端粒酶与染色体的电性、电容或电阻。热学性质为温度或震动频率。光学性质为光学吸收、光学传播、光学反射、光电性质、亮度、荧光发光。化学性质为PH值、化学反应、生物化学反应、生物电化学反应、反应速度、反应能、氧含量、氧消耗量、氧键合端，氧键合强度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电荷密度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电离强度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电场密度，电离强度、催化行为、化学添加剂触发增强的信号响应，生物化学添加剂触发增强的信号响应，生物添加剂触发增强的信号响应，化学试剂增强检测灵敏度、生物化学试剂增强检测灵敏度、生物试剂增强检测灵敏度、以及化学键强度；物理性质为密度、形状、体积、表面积。生物学性质为表面形状、表面积、表面电荷、表面生物性质、表面化学性质、PH值、电解质、离子强度、阻值、细胞浓度、生物标志物相关性质或溶液的生物学、电学、物理学或化学性质。声学性质为频率、声波速度、声频，声强谱分布、声强，声吸收、声谐振。力学性质为内部压力、硬度、流速、黏度、流体机械性质、剪切强度、伸长力、收缩力、粘附、机械共振频率，弹性、可塑性或可压缩性。上述性质可以是静态、动态或者可变的。

一些实施例中，生物识别物以液体溶液，固体纳米颗粒或气体形式存在。

一些实施例中，溶液是水溶液或有机溶液，包括高锰酸钾，葡萄糖或血糖化合物，磷酸氢盐，丙酮酸，丙酮酸钠，溴丙酮酸，丙酮酸，乙酸，丙酮醛，丙醛，乳酸脱氢酶，乳酸，丙氨酸，氨基酸，一种蛋白质，钙，钾，钠，镁，硫，铜，锌，硒，钼，氟，氯，碘，锰，钴，铁，或酶。

一些实施例中，酶包括己糖激酶(例如，丙酮酸羧化酶和PEP磷酸烯醇式丙酮酸)。氧化还原酶(脱氢酶，荧光素酶，DMSO还原酶)，转移酶，水解酶，裂解酶，异构酶，连接酶，RNA的酶，DNA聚合酶，RNA聚合酶，氨酰tRNA合成酶，和核糖体)，人工酶(例如，组氨酸残基)，以及酶与它们各自的辅助因子。

一些实施例中，氧气，臭氧，一氧化碳，二氧化碳，钙，钠，钾，硫，钠，镁，铜，锌，硒，钼，氟，氯，碘，锰，钴，铁，或碳基的有机基团包括但不限于有机金属化合物，醛(酮羰基)，酮(羰基)，羧酸(羧基)，胺(氨基)，氨基酸(氨基和羧基)和酒精(羟基)。

一些实施例中，所述添加剂包括离子，氧化剂，还原剂，或生物活性化合物。合适的例子包括Fe3+,Fe2+,Ag+,Cu2+,Cr3+,Na+,K+,Pt2+,Mg2+,H+,Ca2+,Hg2+,Al3+,NH4+,H3O+,Hg24+,Cl-,F-,Br-,O2-,CO32-,HCO3-,OH-,NO3-,PO43-,SO42-,CH3COO-,HCOO-,C2O42-,CN-离子。

适合的氧化剂的实例包括但不限于氧，臭氧，过氧化氢，无机过氧化物，硝酸，硝酸盐化合物，铬化合物，高锰酸盐复合，硫酸，过硫酸，氟，氯，溴，碘，亚氯酸盐，氯酸盐，高氯酸盐，其他类似卤素化合物(例如，对氯甲苯，二溴戊烷，2-溴乙烷和2-碘-2-甲基戊烷)，氯酸根，其他的次卤酸盐化合物(例如，次碘酸，次溴酸盐，氯酸盐，和次氟酸)，过硼酸钠，氧化亚氮，氧化银，锇，托伦斯试剂，2,2’-二吡啶二硫化物，尿素，和它们的组合和它们的化合物(例如，硝酸银，硝酸铁，尿素氮，血尿素氮，和高锰酸钾)。适合的还原剂的实例包括但不限于但游离态氢，含铁阳离子的化合物(如，硫酸亚铁)，汞钠，硼氢化钠，亚硫酸化合物，水合肼，含有锡离子的化合物，锌汞齐，氢化铝锂，林德拉催化剂，甲酸，草酸，抗坏血酸，亚磷酸盐，次磷酸盐，和亚磷酸。适合的生物活性化合物的实例包括但不限于葡萄糖，果糖，丙酮酸盐，半乳糖，氨基酸，乙酸，二羟乙酸，草酸，丙酸，乙酸，酶(氧化还原酶(脱氢酶，荧光素酶，DMSO还原酶)，转移酶，水解酶，裂解酶，异构酶，连接酶，RNA的酶，DNA聚合酶，RNA聚合酶，氨酰tRNA合成酶，和核糖体)，人工酶(例如，组氨酸残基)，以及酶与它们各自的辅助因子。

一些实施例中，本发明中的方法进而包括在测试前，将待测生物样本与添加剂混合以增强检测的灵敏度和/或特异性。

一些实施例中，本发明中的方法进而包括在测试中，将待测生物样本与添加剂混合以增强检测的灵敏度和/或特异性。这个过程中，可获得添加剂与生物样本相互作用的动态信息。

还有一些实施例中，本发明中的方法进而包括将待测生物样本与至少两种添加剂混合，可以混合在一起或者分开混合，可以在检测前，检测中，或检测前与检测中分别混合。

一些实施例中，生物识别物或添加剂包括化学添加剂，生物化学添加剂，生物添加剂，固体颗粒，或具有大表面积的纳米颗粒。

一些实施例中，将待测生物样本与添加剂混合将产生生物样本与添加剂之间，或生物样本、溶液中其他成分与添加剂之间的一个或多个反应。反应包括氧化，还原，催化，化学，生物学，生物化学，生物物理，生物力学，生物光学，生物电，电光学，生物热学，生物电光学，生物电力学，发热反应，或连锁反应。

在某些情况下，反应是连锁反应或引起连锁反应，反应中的检测信号(特别是微弱的信号)可以被放大，从而提高检测的灵敏度和特异性，例如对疾病如一种或多种癌症，或用于区分不同类型的疾病。

在某些其他情况下，反应会增强对待测生物样本中氧水平检测的灵敏度。

在一些实施例中，生物识别物或添加剂包括氧化剂，还原剂，抑制剂，催化剂，酶，蛋白质，病毒，染色剂，生物标志物，化学标志物，有机化合物，有机金属化合物，抗体，生物化学标志物，化学，生物化学，生物学成分，热敏材料，和光学材料包括发光材料。

本发明的方法中，添加剂或生物识别物可同时或不同时(以相同或不同的时间间隔)加入待测生物样本中。

如第一个例子中，它们可以如下顺序添加：先向含有生物样本的液体溶液中添加氧化剂；选择性的添加催化剂；选择性的添加生物化学添加剂；选择性的添加抑制剂；选择性的添加生物标志物；选择性的添加化学试剂；选择性的添加酶；选择性的添加还原剂。

如第二个例子中，添加剂或生物识别物按如下顺序添加：先向含有生物样本的液体溶液中添加催化剂；选择性的添加氧化剂，选择性的添加生物化学添加剂；选择性的添加抑制剂；选择性的添加生物标志物；选择性的添加化学试剂；选择性的添加酶；选择性的添加还原剂。

如第三个例子中，添加剂或生物识别物按如下顺序添加：先向含有生物样本的液体溶液中添加生物化学添加剂；选择性的添加催化剂；选择性的添加还原剂；选择性的添加抑制剂；选择性的添加生物标志物；选择性的添加化学试剂；选择性的添加酶；选择性的添加氧化剂。

第四个例子中，按如下顺序加入添加剂或生物识别物：首先向含有生物样本的溶液中添加还原剂；任选地加入催化剂、生化添加剂；任选地加入抑制剂、生物标志物；任选地加入一种化学物质；任选地加入一种酶；或任选地加入一种氧化剂。

第五个例子中，按如下顺序加入添加剂或生物识别物：向纳米粒子分散系中加入添加剂，该添加剂选自如下物质，包括氧化剂、还原剂、抑制剂、催化剂、酶、蛋白质、病毒、着色剂、生物标志物、化学标志物、有机化合物、有机金属化合物、抗体、生化标志物、化学物质、生物化学物质、生物物质、热学材料和光学材料，其包含荧光材料；使分散系充分混合；任选设定分散系的温度和作用时间；并将上述纳米粒子分散系加入含有生物样本的液体中。

第六个例子中，按如下顺序加入添加剂或生物识别物：向纳米粒子分散系中加入添加剂，该添加剂选自如下物质，包括氧化剂、还原剂、抑制剂、催化剂、酶、蛋白质、病毒、着色剂、生物标志物、化学标志物、有机化合物、有机金属化合物、抗体、生化标志物、化学物质、生物化学物质、生物物质、热学材料和光学材料，其包含荧光材料；使分散系充分混合；任选设定分散系的温度和作用时间；并将含有生物样本的液体加入到上述纳米粒子分散系中。

本发明涉及的某些实施例中，添加剂或生物识别物可以包括氧化剂、还原剂、抑制剂、催化剂、酶、蛋白质、病毒、着色剂、生物标志物、化学标志物、有机化合物，有机金属化合物、抗体、生化标志物、化学物质、生化物质、生物物质、热敏材料和光敏材料，其中包含荧光材料。该催化剂的实例包括酶、离子、生物成分、化学成分或它们的组合，从而加快反应的进行。

在某些实施例中，在将生物样本引入微器件检测之前，将添加剂预先加入到生物样本中。

在某些其它实施例中，在检测之前通过单独的入口将添加剂加入到微器件并与生物样本混合。

在某些其它实施例中，添加剂在检测的同时通过单独的入口加入到微器件并与生物样本混合。

在某些实施例中，所述生物样本与添加剂充分混合后，微器件检测其微微观特性。这些微观特性包括热学、光学、声学、生物学、化学、放射学、电学、磁学、电机械学、电化学、电光学、电热学、电磁学、电化学机械学、生物化学、生物力学、生物光学、生物热学、生物物理学、生物电机械学、生物电化学、生物电光学、生物电热学、生物机械光学、生物力学热学、生物热学光学、生物电化学光学、生物电学机械学光学、生物电热光学、生物电学化学机械学、物理或机械性能，或它们的组合。

例如，电学特性是表面电荷，表面电位，静息电位，电流，电场分布，电偶极子，电四极子，三维电气或电荷云分布，染色体DNA端粒电性能，电容或阻抗；热性质是指温度或振动频率；热学特性包括温度和振动频率；光学特性包括光吸收，光传输，光的反射，光电性能，亮度，或荧光发射；化学性质包括pH值，化学反应，生物化学反应，生物电化学反应，反应速度，反应能量，反应速率，氧气浓度，氧气消耗率，氧键合部位，氧键合强度，由于氧原子或分子的性质和位置造成的局部电荷密度，由于氧原子和/或分子的性质和位置造成的局部离子浓度，由于氧原子和/或分子的性质和位置的局部电场密度，离子强度，催化行为，触发增强的信号响应的化学添加剂，生物化学添加剂，提高检测灵敏度的化学物质，生物化学物质，提高检测灵敏度的生物添加剂，或接合强度；物理性质包括密度，形状，体积，或表面积；生物特性包括表面形状，表面积，表面电荷，表面生物学特性，表面化学性质，pH值，电解质，离子强度，电阻率，细胞浓度，属性有关的生物标记，或溶液的生物，电气，物理或化学性质；声学特性包括频率，声波的速度，音频和强度频谱分布，声强，声学吸收，或声共振；机械性能包括内部压力，硬度，流速，粘度，剪切强度，拉伸强度，断裂应力，粘附性，机械共振频率，弹性，塑性，或可压缩性。

本发明涉及的方法不但能够通过区分正常样本和患病样本检测生物样本的疾病，还能根据得到的疾病类型信息区分疾病类型(如癌症)。对不同类型的疾病区分，部分地基于所述检测单元的几何形状，探测信号，探测信号的变化，生物样本，细胞表面上的特性，细胞膜性能，氧含量，氧位置，氧键合强度，电荷密度，电荷的位置，或生物样本的动态属性。在细胞表面或细胞的膜性质的例子包括生物样本的表面吸收和吸附能力，氧浓度，氧位置，在细胞表面或膜的氧键合强度，离子浓度，离子浓度梯度，膜静息电位，细胞表面电荷，膜的渗透性和输运能力。上面所述的属性可以是静态的或动态的。

在某些实施例中，添加剂或生物识别物包括氧化剂、酶、还原剂、酶抑制剂、生物标志物、生物化学物质、化学物质、生物物质、蛋白质、病毒、热敏材料、光敏材料、荧光材料，或催化剂，在检测之前的不同时间将所述的添加剂或生物识别物加入到生物样本中。

在某些实施例中，添加剂或生物识别物至少包括一种具有生物活性的化合物(例如，一种具有生物结合能力的蛋白质)。

在某些实施例中，至少有两种添加剂或生物识别物的混合物在检测之前加入被测生物样本中。

在某些实施例中，生物样本和添加剂的复合物在检测之前是被检测单元分离开的。

本发明所述的检测方法还可以包括以下步骤：

扫描探测信号的范围，

收集被测生物样本的一个或多个响应信号，

分析被测生物样本的一个或多个响应信号，将它们视为探测信号扫描值的函数，对样本是否患病，患何种类型疾病给出结论或建议。

在某些实施例中探测信号或响应信号可以是热学、光学、声学、生物学、化学、放射学、电学、磁学、电机械学、电化学、电光学、电热学、电磁学、电化学机械学、生物化学、生物力学、生物光学、生物热学、生物物理学、生物电机械学、生物电化学、生物电光学、生物电热学、生物机械光学、生物力学热学、生物热学光学、生物电化学光学、生物电学机械学光学、生物电热光学、生物电学化学机械学、物理或机械学特性的信号，或它们的组合。例如，电学特性是表面电荷，表面电位，静息电位，电流，电场分布，电偶极子，电四极子，三维电气或电荷云分布，染色体DNA端粒电性能，电容或阻抗；热性质是指温度或振动频率；热学特性包括温度和振动频率；光学特性包括光吸收，光传输，光的反射，光电性能，亮度，或荧光发射；化学性质包括pH值，化学反应，生物化学反应，生物电化学反应，反应速度，反应能量，反应速率，氧气浓度，氧气消耗率，氧键合部位，氧键合强度，由于氧原子或分子的性质和位置造成的局部电荷密度，由于氧原子和/或分子的性质和位置造成的局部离子浓度，由于氧原子和/或分子的性质和位置的局部电场密度，离子强度，催化行为，触发增强的信号响应的化学添加剂，生物化学添加剂，提高检测灵敏度的化学物质，生物化学物质，提高检测灵敏度的生物添加剂，或接合强度；物理性质包括密度，形状，体积，或表面积；生物特性包括表面形状，表面积，表面电荷，表面生物学特性，表面化学性质，pH值，电解质，离子强度，电阻率，细胞浓度，属性有关的生物标记，或溶液的生物，电气，物理或化学性质；声学特性包括频率，声波的速度，音频和强度频谱分布，声强，声学吸收，或声共振；机械性能包括内部压力，硬度，流速，粘度，剪切强度，拉伸强度，断裂应力，粘附性，机械共振频率，弹性，塑性，或可压缩性。

在某些实施例中，响应信号的分析包括绘制曲线特别是疾病(如癌症)的特征曲线。

在某些实施例中，施加于被测样本的探测信号基于一种声学信号或激光束信号，并扫过它的频率范围和强度范围，然后被测样本的响应信号用于测试。

在某些实施例中，施加于被测样本的探测信号为机械应力信号，扫描其应力量级，检测被测样本的响应信号。

在某些其它实施例中，施加于被测样本的探测信号是基于热能的信号，在其温度范围内和能量水平扫描，检测被测样本的响应信号。

在另外某些实施例中，施加于被测样本的探测信号是基于热能的信号是基于电压(例如，电压脉冲)的信号，在其电压范围扫描，检测被测样本的响应信号。

本发明所述的微器件和检测方法和没有应用生物识别物的方法相比能够获得较高的灵敏度和特异性。

图表简述

图1示出了本发明用于检测疾病的一种仪器，以及该仪器的系统控制器的框图。

图2示出了本发明所述的仪器内部包含微毛细管的例子

图3示出了本发明所述的仪器包括毛细管的另一个例子，可选的带有探测和检测单元。

图4示出了本发明所述的用于检测疾病的另一种仪器的框图并展示了添加剂如何提高生物样本的微观特性。

图5示出了生物识别物如何增强生物样本的微观特性检测的。

图6示出了本发明所述的使用生识别物来提高生物样本微观特性测量的方法是如何改善疾病的检测的灵敏度和特异性的。

图7示出了生物识别物如何增强生物样本的微观特性检测的。

图8示出了本发明所述的利用生物识别物的方法是如何提高被测样本的检测灵敏度和特异性的。

图9示出了应用本发明公开的方法对卵巢癌组和对照组的检测结果。

图10示出了应用本发明公开的方法对肝癌组和对照组的检测结果。

图11示出了使用和不使用本发明所公开的添加剂对检测和区分正常组和肝癌组样本产生的差异。

图12示出了本发明公开的在使用和不使用添加剂条件下检测和区分肝癌和卵巢癌的检测特异性和准确性的不同。

图13示出了本发明公开的在监测化疗后乳腺癌复发的有效性。

图14示出了本发明公开的在监测放疗后胃癌复发的有效性。

图15示出了本发明公开的在监测化疗后胃癌复发的有效性。

发明详述

一方面，本发明提供用于在微观水平检测生物样本某种特性的微器件，生物样本置于液体中或以液体的形式存在，微器件包含供生物样本注入的入口，可选的包括预处理单元，探测单元，检测单元，系统控制器，和供生物样本残余废物或废弃物排出的出口。

探测单元和检测单元的制造方法见本发明的发明者先前的专利，WO 2011/103041和WO 2011/005720，这些专利的内容作为引用并入本文。

图1示出了利用本发明所述的微器件检测液体或溶液微观特性的例子(例如，食品、饮料、油、化学品、药物、血液、尿液、汗液、唾液或其它生物液体)。图1(a)示出了一个至少包含样本入口、出口、预处理单、探测器件、检测器件和系统控制器的微器件。图1(b)示出了系统控制器的框图。在该系统中，系统控制器通过放大器和转换器收集检测信号。然后由计算机进行处理和分析。经过分析的结果传输至记录器或显示设备上。探测信号需要操作者手动初始化。然后通过计算机，转换器处理，由信号发生器产生，然后施加于被测物体。

在某一实施例中，微器件包括用于富集患病样本(例如循环肿瘤细胞CTC)的预处理单元，一个用于生物识别物进入的入口，用于注入生物样本的单通道，用于注入生物样本的多通道，用于释放干扰信号的探测单元，用于发送响应信号的检测单元和用于生物样本流出的出口。生物样本富集单元包括一级或多级(包括过虑，电泳，生物标记，离心或光学处理)用于富集患病样本。检测单元至少包括一个高灵敏度的检测器集成于通道内部侧壁用于信号检测。

本发明所述的每个微器件还包括一个毛细管，该毛细管两端开口，个侧壁具有内表面和外表面，其中所述两个端子开口中的一个是微器件的入口，另一个是微器件的出口。如图2(a)所示，0210是毛细管，至少包含一个入口(0212)和一个出口(0213)。图2(b)是在毛细管的透视图。图2(c)是该管的横截面图。横截面可以是圆形，椭圆形，正方形，长方形，三角形，或多边形形状。如图2(d)中，0220是带用核心0221的毛细管，通道定义在外侧壁和核心之间。图2(e)是在毛细管的透视图，图2(f)是垂直的(截面)图。

该毛细管包括一个或多个针孔，每个针孔贯穿毛细管侧壁的内表面和外表面，安放探测单元或检测单元。如图3(a)中，0320是毛细管，至少带有一个入口(0322)和一个出口(0323)。图3(b)是在毛细管的透视图。如图3(c)中，0324是一个穿透毛细管侧壁0320的针孔。图3(d)是立体图。该针孔可通过机械，电学，磁学，电磁学，放射学，离子，热学，光学，声学，化学，电机械学，电化学，电化学机械学方法，或它们的组合方法来实现。

毛细管可任选地做成透明的。用来制作毛细管较好的透明材料包括玻璃，SiO2和有机高分子材料。毛细管的内径范围，从10微米到10毫米。

如在图3(e)所示，探测单元(0325)和检测单元(0306)贯穿毛细管的侧壁。探测单元和检测单元是能够发送的探测信号，并在微观水平检测被测生物样本的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，电机械学，电化学，电化学机械学，生物化学，生物力学，生物电机械学，电生化学，生物电化学机械学，机械或物理学特性。探测单元也能产生电学，磁学，电磁学，放射学，离子，热学，光学，声学，生物学，化学，电机械学，电化学，电化学机械学，生物化学，生物力学，生物电机械学，电生化学，生物电化学机械学，机械或物理学特性。

图3(g)为检验管实施例，图3(H)是该实施例的透视图。当待测样本通过毛细管时，探测0325释放一个脉冲干扰信号激励样本，然后将相关的参数，被0326探测和收集。该干扰脉冲信号包括电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，电机械学，电化学，电化学机械学，生物化学，生物力学，生物电机械学，电生化学，生物电化学机械学，机械或物理学信号或它们的组合。探测传感器收集电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，电机械学，电化学，电化学机械学，生物化学，生物力学，生物电机械学，电生化学，生物电化学机械学，机械或物理学信号，或它们的组合信号。

图3(i)和3(j)为另外一组实施例，其中毛细管包括多个探测单元和多个检测单元。

尽管在此特别列举了毛细管的实施例，然后包含多种形状通道的微器件也适用于本发明。此类微器件发明者已在先前的专利中进行了详细的描述。见专利WO2012/003348A2，WO2012/048040，US 2010/0256518 A1，WO2012/036697 A1，WO 2011/103041 A1,和WO2011/005720，所有这一切都是通过引用并入本文。

图4(a)示出了本发明所述的微器件至少包括一个样本入口，样本出口，添加剂入口，预处理单元，探测器件，检测器件和系统控制器。某一实施例中，添加剂的入口可以设置在流程的起始端。例如，它可以位于所述预处理单元的开头部分。在另一种设置，在一个机器中多个添加剂入口设置在不同的位置，包括置于预处理单元和检测单元的位置。

如图4(b)中，添加剂0422可以通过添加剂入口引入到检测单元。添加剂0422的目的是为了检测信号进而增强生物样本0421的检测灵敏度。在某个实施例中，添加剂0422具有比生物样本0421更高的检测信号。在另一个实施例中，如图4(c)所示，添加剂0422可与生物样本0421起反应以形成聚合物，这样能获得更强的检测信号。

图4(d)和4(e)展示了另一个实施例，其中所述添加剂0422可优先与一种或多种类型的生物样本反应或被一种或多种类型的生物样本吸收(在例0422为生物样本)，从而选择性地增强一种或多种类型的生物样本的信号。例如，基于所述生物样本或添加剂的一种或多种特性(如化学特性，表面特性如化学或物理特性)，添加剂能够比其它样本更容易和一种或多种生物样本反应或被一种或多种生物样本所吸收。因此选择性地增强了一种或多种类型生物样本的检测灵敏度。举个例子，特定的添加剂会更容易与癌细胞发生反应或吸附，结果使信号增强或区分度增强。

本发明的目的还在于解决现有检测技术的问题和达到癌症早期筛查的目的，同时还能够以较高的灵敏度和特异性识别具体类型的癌症如膀胱癌，乳腺癌，结肠癌和直肠癌癌，子宫内膜癌，肾癌，白血病，肺癌(包括支气管)，黑色素癌，非霍奇金淋巴瘤，胰腺癌，前列腺癌，甲状腺癌。

能够达到上述目标的关键在于新颖的检测靶向生物识别物，这种新颖的非显而易见的生物识别物在成分，功能和性能上明显不同于传统生物标志物。与传统生物标志物只敏感于一种类型的检测目标或癌症(或癌症的子类，例如肺癌)不同，检测靶向生物识别物技术能够进行通用的早期癌症筛查，而且能够确定是否有癌和具体哪种癌。在其组成方面，本发明中使用的生物识别物不同于传统的生物标志物，因为它们包含了一组非显而易见的，新颖的以及更多样化的生化，化学，生物，生物物理成分。在功能方面，与传统的生物标志物特异性低(假阳性率高)缺乏检测多种类型癌症的能力相比(因此不适合一般性癌症筛查和早期癌症筛查)，本发明中使用的生物识别物能够以高灵敏和高特异性检测癌症，同时能够检测多种类型的癌症信号。此外，本发明所述的微器件和检测方法，通过利用生物识别物，可以将多种成分和多个反应途径结合起来，包括生物标志物，被测样本，生物化学品(葡萄糖，丙酮酸羧酸，溴丙酮酸，磷酸烯醇丙酮酸(PEP)，丙酮酸激酶，丙酮酸羧化酶，PEP羧激酶，丙氨酸，三磷酸腺苷，乙酰辅酶，草酰乙酸盐，乳酸盐，乙醇，乙醛，和脂肪酸)，化学品(离子，催化剂，氧化剂，酸性酸，乙酸，柠檬酸，酒石酸，致癌物质和有机组分)，生物成分(蛋白质，酶，病毒，细胞，线粒体和功率单元)以及聚合物。由于生物识别物包含新颖的多样的成分，故引入了多种反应机制用来检测癌症及其类型，这些反应机制包括但不限于化学反应(氧化反应，还原反应，放热反应和催化反应)，表面化学反应，表面生化反应，表面物理反应，表面物理化学反应，表面生物物理反应，表面吸附和表面吸收，生物化学反应和生物物理反应。在性能方面，本发明所述的生物识别物，检测方法以及微器件优于传统生物标志物的方法，已经克服了的生物标志物的局限性，包括传统标志方法无法同时实现较高的检测敏感性和特异性，无法检测多种类型癌症(利用一种给定标志物)，因此无力用于一般用途的癌症筛查，误诊率高(当灵敏度高时)，而且程序复杂。

相对于传统的生物标志物(纯生物物质)，本发明所述的新颖的检测靶向生物识别物的成分包括，化学成分，生物化学成分和生物成分，包括但不限于下列离子(例如，Fe3+,Fe2+,Ag+,Cu2+,Cr3+,Na+,K+,Pt2+,Mg2+,H+,Ca2+,Hg2+,Al3+,NH4+,H3O+,Hg24+,Cl-,F-,Br-,O2-,CO32-,HCO3-,OH-,NO3-,PO43-,SO42-,CH3COO-,HCOO-,C2O42-和CN-)，氧化剂(例如，O2,O3,H2O2，其它无机氧化物，F2，Cl2，HNO3，硝酸化合物，包括硝酸铁和硝酸银，H2SO4，H2SO5，H2SO8，其它的过硫酸，亚氯酸盐，氯酸盐，高氯酸盐，以及其他类似的卤素化合物，次氯酸盐，以及其他的次卤酸盐的化合物，次氯酸钠，六价铬化合物，高锰酸盐化合物，过硼酸钠，一氧化二氮，氧化银，四氧化锇，Tollen试剂，2,2'-二吡啶基二硫化物(DPS)，和漂白剂)，催化剂，氢氧化钠，氢氧化钾，CO2和CO。新颖的检测靶向生物识别物的作用是检测生物样本是否患癌及患何种癌，能够以高灵敏度和特异性进行癌症早期检测(对非癌以及特定成分的癌症)。由于新的检测靶向识别物不是纯粹生物成分，它避免了传统生物标志物遇到的大问题。相反，它可以同时用于通用癌症筛查中低水平信号的检测，也可以通过灵敏地区分不同类型的癌症来诊断患哪种癌(比较检测信号与已知癌症的特征信号)。

在某个实施例中，本发明公开的检测靶向识别物可以增强癌症检测参数的检测灵敏度。在某个实施例中，本发明公开的检测靶向识别物能可以和生物标志物联合使用。在某个实施例中，本发明公开的检测靶向识别物至少可以与一种氧化剂联合使用进行癌症检测。在另一实施例中，检测靶向生物识别物可以加入到被测样本中并混合，然后将混合物离心分离出吸附有检测靶向生物识别物的生物样本，最后检测分离的样本。在一般的应用中，本发明公开的新的检测方法需要检测靶向生物识别物，氧化剂，被测样本，生物标志物，化学成分，生物成分，生物化学成分。

本发明公开的检测靶向生物识别物的作用之一是有选择地吸附于患癌样本(如癌细胞)。另一个作用是选择性地吸附附于(对于其他类型的检测靶向生物识别物)非患癌样本。另一个作用是和样本或样本的特定组分发生反应(包括化学的，生物学的，电学的，物理的，热学的，机械学的，表面化学的，表面生物学的，表面物理学的，表面生物化学的，生物化学的，生物热学的，生物物理学的，生物电学和生物电化学的反应)。然而，这种检测靶向生物识别物的另一个重要作用是通过与被测生物样本反应在微观水平检测生物样本的氧含量水平(例如细胞或蛋白质)。这样的反应可以是电学的，磁学的，电磁学的，热学的，光学的，声学的，生物学的，化学的，电机械学的，电化学的，电化学机械学的，生化学的，生物力学的，生物电学机械学的，生物电化学的，生物电化学机械学的，物理学的或机械学的或催化学的。除了以上所述，在一般的意义上，检测靶向生物识别物的作用在于它和生物样本反应探测被测生物样本提取信息(这类信息包括电学的，磁学的，电磁学的，热学的，光学的，声学的，生物学的，化学的，机电学的，电气化学的，电化学机械学的，生化学的，生物力学的，生物电机械学的，生物电化学的，生物电化学机械学的，物理学或机械学的信息)以增强检测灵敏度和特异性(以区分正常和患病样本，以及不同类型的癌症)。

在某个实施例中，本发明公开的检测靶向生物识别物吸附加癌细胞，由于癌症类型的不同，不同类型的癌细胞吸附检测靶向生物识别物的程度不同，通过对检测靶向生物识别物吸附癌细胞水平的观察和分类来区分癌症的类型及其子类，通过癌细胞的数量和浓度进一步确定癌症的发展程度即分期。

在另一个实施例中，检测靶向生物识别物可以通过多种途径和生物样本发生反应，包括但不限于简单的化学反应，简单的生物反应，简单的生化反应，氧化反应，还原反应。还包括催化反应，复杂的生物反应和生化反应。在另一实施例中，检测靶向生物识别物可以与检测系统中(例如检测仪或检测腔体内)的某种成分或某几种成分先发生反应(例如，生物标志物，离子，氧化剂，蛋白，或一种催化剂)，然后对生物样本做出区分和检测。

另一个重要的实施例，本发明公开的新颖的检测靶向生物识别物能够和生物样本，如细胞，发生反应并探测生物样本的氧含量以获得宏观或微观信息。所获得的氧含量信息和生物样本是否患癌相关，因为癌细胞常常具有较低的平均氧含量，而正常细胞具有较高的氧含量。另一实施，离子和催化剂可以与生物样本中的氧发生反应，触发检测的响应(例如，放出气体，热量变化，电荷再分布，等等)。与催化反应中，少量催化剂即可使信号大大增强。在另一实施例中，特定的检测靶向生物识别物可以在生物样本(如细胞)的特定位置发生反应并优先地吸附于特定位置，这种生物样本的一个或多个参数会产生差异信号(在正常样本和癌症样本之间)。的私人地点反应优先吸附(或吸收)，导致分化(与癌性实体和实体普通)的信号当一个或多个参数的测量基于这样的生物实体。例如，当铁离子被选择性吸附(或吸收)到一个生物样本(如细胞)，它将改变局部电场和电荷分布。它可能优先与生物样本的某些成分发生反应，并产生差异化的信号。换句话说，检测靶向生物识别物可与癌细胞和正常细胞发生不同的反应(或不同的吸收与吸附)，这样便增强了检测灵敏度和特异性，产生差异化信号。

癌症检测的另一个例子中，新颖的检测靶向生物识别物用于检测细胞中线粒体的呼吸作用及氧含量，包括生物样本的丙酮酸，因为丙酮酸是在生物化学的重要化合物，并且它是一个关键的代谢途径。当氧不足时，丙酮酸会发生厌氧分解同时葡萄糖通过非氧化分解产生能量，由此产生癌症。在健康的细胞中，氧是充足的，能量来自于丙酮酸的氧化分解。

利用检测靶向生物识别物，可以更好地探测生物样本的微观特性及其标志特性，用以确定生物样本的类型(例如，细胞类型及癌症类型)。

众多实施例中，该新型检测靶向生物识别物添加于被测生物样本中在一定程序上选择性的和生物样本的至少一种特定成分发生反应(包括但不仅限于和生物样本特定成分的吸附，化学反应，生物反应或生化反应)。接着，向被测生物样本施加交变的力或场，其中包括但不限于声波，光束，热波，电流，电磁波。在交变力或场作用下的响应信号被记录下来。这样的记录数据与由检测靶向生物识别物标记的生物成分(如癌细胞)有关。

氧含量的检测，检测硬件，检测过程，用于癌症检测的添加剂和生物识别物是本发明的一个重要的创新特征。由于在微观水平(DNA，RNA，蛋白质，分子和细胞水平)检测低水平的氧含量是比较困难的，本发明公开了一种新颖的解决办法，至少用到种检测增强剂和一个检测微器件直接或间接地检测氧含量水平。生物增强剂和或生物识别物加入到被测生物样本中，检测生物样本的响应。该响应可以热信号(例如，来自放热反应)，物理信号，物理化学信号，生物化学信号(例如，泡沫的形成(来自于催化剂与生物样本反应)，光信号(例如，光发射，由于气泡的形成光散射，由于氧气浓度的变化而产生的顔色变化)，由催化剂催化的在添加剂(例如，酶，催化剂)和电信号(电流电压，表面电荷，离子通过细胞膜的渗透性)之间产生的化学连锁反应。

在某个实施例中，氧化剂先被加入到被测样本中并与之发生反应。接下来加入第二添加剂，如酶或催化剂。加入的酶或催化剂能和氧化(样本氧含量升高)的生物样本发生反应。接下来利用微器件检测各种特性。

在另一个实施例中，生物成分，例如蛋白质首先加入，它们和被测一种或多种生物样本优化结合。接着加入第二添加剂，第二添加剂能够很容易基于某一种或几种易检特性而被追踪。利用微器件内部的检测探针检测上述含有第一添加剂，第二添加剂和被测样本的溶液。含有待测试的第一和第二添加剂和生物样本的溶液的容器中测量使用其检测探针的微器件。可选地，所述的第一和第二添加剂可以选混合后，再加入含有生物样本的溶液中。可选地，利用多种分离办法可将第一第二添加剂标记的样本分离，然后检测。

这是利用酶和催化剂结合微器件的一种重要创新(任选的利用微器件的几何因子(例如，大小，形状和材料，包括涂层材料)，在利用酶或催化剂触发反应或连锁反应(化学，生物，生物的化学反应)之后检测被测样本一种或多种特性(其光学，热学，声学，化学，物理学，生化，生物物理学，机械学，电学，电磁学特性，尺寸，表面积，硬度，弹性的状态，粘度及流动速度)及状态，用于增强响应信号，不但能区分正常生物样本和患病样本，而且能获得疾病的类型信息(例如是哪种癌))。有时反应是一步的，有时是两步的或三步的。

在某个实施例中，由于酶对底物有高度选择性(例如，细胞表面)，正确类型的酶对特定类型的癌症的选择性可用于筛查该类癌症，结合本发明公开的微器件可以达到一定程度的灵敏度和特异性。在另一实施例中，多种酶对多种癌症的选择性可用于一般筛查。如果从上述受试者被怀疑有癌症，可以用多种酶进行逐个筛查以确定癌症的类型。微器件可以设计成多个腔室(每个室包括至少一个入口用于引入至少一种酶，一个探测单元和检测单元)，腔室连接一个或多个通道，用于被测生物样本流入腔室。作为说明，使用酶的检测方案见下面图表(微器件检测产生的信号，它涉及催化反应)：

酶+底物(表面癌)＝>酶/底物

＝>酶+产物(可以用来检测微观信号)

本发明特别地具有检测疾病的能力，并且甚至可以分辨不同类型的疾病(例如不同类型的癌症)。不同癌细胞的例子包括癌，恶性肿瘤，白血病，淋巴瘤和神经胶质瘤。不同类型的癌细胞具有不同的特性包括但不限于物理学，化学，生物化学，生物物理学，力学，热学，光学，电学。磁学和电磁学特性。例如，即使在肿瘤类型的癌症里面，鳞状细胞在平坦的表面，而腺瘤状类型的肿瘤一般体积庞大(因此与鳞状型的肿瘤相比具有较低的表面积与体积的比值)。因此，一组易于吸收或吸附于癌细胞表面的增强子或者生物标识符可以与微器件一同用于获得鳞状类型肿瘤改进的测量特异性，而相同的增强子对腺瘤状类型的肿瘤却具有低的信号强度。

另一个不同点就在于不同类型的肿瘤的细胞表面和细胞膜的特性不同，特别是这些肿瘤具有不同的表面特性，含氧水平，细胞与细胞表面氧的结合，以及不同的渗透性和输运特性。因而，通过利用增强剂可探测生物样品例如细胞，蛋白质，DNA,RNA，和组织的含氧水平，结合点，渗透性，输运特性以及表面特性。

在一个实施例中中，利用增强剂或者包含离子添加剂(例如Fe,Au,Ag,Cu,K,Ca,Na,和Cr)的生物标记符以及良好的表面吸附和吸收能力与生物样品混合来进行测试。带有增强剂或者生物标记符的溶液和生物样品接着在本发明的微器件中进行测试。

在另一个实施例中，包含至少一个氧化剂(例如H2O2)的增强子首先与生物样品混合进行测试。混合溶液随后在微器件中进行测试。

在另一个实施例中，包含至少一个氧化剂(例如H2O2)的增强子首先与生物样品混合进行测试。包含至少一个催化剂的第二增强子随后被添加到以上溶液中。混合溶液随后在微器件中进行测试。

图5-7说明了在本发明中使用的微器件和方法的生物标记符的潜在应用的原理。

如图5(a)所示，0501是正常细胞，0502是肿瘤细胞。0503是检测目标生物标记符。如图5(b)所示，在一个实施例中，检测目标生物标记符0503选择性的附着在肿瘤细胞0502上。随着在癌细胞上的检测目标生物标记符的附着物的饱和大大提高了检测盒分离癌细胞的可能性。

如图5(c)所示在另一个实施例中，检测目标生物标记符选择性的附着在正常细胞上，而不是附着在癌细胞上。

如图5(d)所示在另一个实施例中，检测目标生物标记符附着在正常细胞和癌细胞上，然而在正常细胞和癌细胞上附着物的比例和数量是不同的，因而导致可区分的信号。

如图5(e)所示，0501是正常细胞，0505是肿瘤细胞类型A，0506是肿瘤类型细胞B。0503是检测目标生物标识符。在一个实施例中，检测目标生物标识符选择性的附着在癌细胞上，并按不同的比例附着在不同的癌细胞类型上。因此，可以由此来区分癌细胞类型A和癌细胞类型B。除了在本应用中揭露的检测目标生物标识符的非显而易见性和清晰的区别之外，与传统的肿瘤标记物的方式相比，一个主要的优点是创新，新的检测目标生物标识符可以检测也可以区分多个癌症类型。如图6中的图标所示，典型地，传统的生物标记物只可以检测一种类型的癌症(有时候，甚至只是一种癌症的一个类型的一个分支)(图6(a)),而新颖的检测目标生物标识符的方式不仅可以检测多个癌症类型，而且还可以清晰的区分不同类型的癌症，就在早期的或常规的物理检查应用，成本，操作，和效率而言，本方式具有显著的优点。

有时候，一个或多个检测目标生物标识符(或者其他成分例如离子，催化剂，氧化剂，蛋白质，化合物，或者聚合物)在与待测生物体吸附或反应前可以经过多次反应，吸附，或者吸收。如图7(a)所示，0701是正常细胞，0702是肿瘤细胞，0703是检测目标生物标识符C，0704是附加成分D(例如检测目标生物标识符，离子，催化剂，氧化剂，蛋白质，光学组分像荧光组分，放射性组分例如正电子，化合物，生物化学组分，或者聚合物)。随后，检测目标生物标识符与附加成分D(0704)反应，随意地形成一个如图7(b)所示的新的实体0705。最后新形成的实体0705选择性的附着在如图7(b)所示肿瘤体0702上。典型地，新形成的实体0705的目标能力和检测灵敏度优于最初的实体(0703和0704)。

本发明的微器件包括探测或检测的多个平台，每一个平台提供一个探测信号和检测微观水平的特性，这个特性可以与探测信号和另一个平台的检测特性相同或者不同。

在每一个平台上多级检测器件收集数据然后使标准化并且整合收集到的数据画制特性曲线来识别和分析待测样，例如，针对不同类型癌症的分析。特别地，此外，在每一个平台，器件具有不同的几何形状。在一个实施例中，器件几何形状的不同在于通道的宽度和高度(即横截面)在另一个实施例中，不同点在于它的长度。在其他的一些实施例中，不同点在于它的形状(例如，它的横截面可以是圆形，方形，矩形，椭圆形和八边形)。这个外加一个应用探针(例如光学束，热波，力，声波，电压，电流或者电磁波)的几何因数和测得的来自于待测生物样品的响应提供了关于疾病类型特征(指纹)的信息。在一个应用中，它提供了关于癌症类型的信息。这个与待测生物样品特性相关的几何因数在识别样品中的癌细胞类型扮演着重要的作用。在另一个实施例中，外加了一个应用探针(例如光学束，热波，力，声波，电压，电流或者电磁波)的检测器件的几何因数，至少一个增强剂(包括但不限于氧化剂，催化剂，酶，还原剂，抑制剂，化合物，生物组分和生物组分)，和一个测得的来自待测生物样品的响应提供关于疾病类型特征(指纹)的信息(例如癌症的类型)。在其他的实施例中，外加了一个应用探针(例如光学束，热波，力，声波，电压，电流或者电磁波)的检测器件的几何因数，至少一个增强剂(包括但不限于氧化剂，催化剂，酶，还原剂，抑制剂，化合物，生物组分和生物组分)，和一个测得的来自待测生物样品的响应提供关于疾病类型特征(指纹)的信息(例如癌症的类型)。在另一个实施例中，外加的一个测得的来自待测生物样品的响应提供关于疾病类型特征(指纹)的信息(例如癌症的类型)。

图8(a)描述了一个带有四个不同探针平台的器件的实施例，并用a,b,c,和n来标示。这些不同的平台通过不同的通道几何形状来区分，在本案例中通道的几何形状是指生物样品所在流动的通道的宽度。在本实施例中，生物体在所有四个平台进行测试，每一个平台测量一个相同的特性。检测测量或者读取从四个平台收集到的相同特性可以用来描画特性曲线，见图8(b)。通过与标准的控制组对比(例如非疾病或者健康细胞)，图可以用来识别待测生物样品的类型。在图8(b)，A和B是不同的生物样品并导致不同的曲线。

图8(c)说明了带有多个平台的微器件的实施例，每一个平台因为探测单元的不同而不同。在不同平台里通道的宽度和高度是相同的。在本实施例中，两个不同的生物样本被探测和检测。测得的特性可以标准化来绘制特性曲线。图8(d)展示了两个不同的生物样品的曲线。

通过不同的探测和检测单元，多个被探测和检测的微观特性可以合成一个复杂的指数，如图8(d)所示，指数可以通过曲线所围的面积来表示也可以是曲线的特点或者形状。这比只利用一个单一的微观特性来决定疾病(例如癌症或者肿瘤)的存在或类型要更可靠。如图8(d)所示，与标准的可控样品相比，癌症类型A和B具有不同的面积，而癌症类型A和B具有不同的形状和轮廓。这就提供了不同类型癌症之间较好的差异性和识别度。此方法允许有肿瘤多维度的表征，并且它比传统的检测方法，更灵敏和全面。相比传统的检测方法仅依靠一个参数或者一种途径进行癌症检测，在本申请里揭示的方法利用多个参数甚至包括不同的特性(生物学，生物化学，物理学，生物物理学，化学，机械学，热学，光学，电学，电光学特性等)提供有关检测的更可靠，更复杂，更全面，更精确和更灵敏的信息，并且提高检测特异性。

广泛的调查被采纳以证实和确认本发明在此公开的效用和申请。来自这些调查的数据和结果已经明确地显示本发明在检测癌症和甚至区分它们的不同类型的有效性。例如，图9和图10展示了在本申请中公开的来自两个不同检测参数的结果，其中一个是利用检测参数Xa对卵巢癌的检测，另一个是利用检测参数Yb对肝癌的检测。在两个案例中，已经观察到可控样本和癌症样本间显著的不同，因而表明和确认本发明检测癌症的能力。从基于数据的接受者操作特征曲线获得的关于卵巢癌的灵敏度和特异性如下表所示，证明了在此公开的本发明在癌症检测方面具有良好的灵敏度和特异性。

截取(相关.单位,检测参数Xa)	灵敏度	特异性
			4	26.7％	100.0％
12.5	53.3％	98.6％
			26.5	74.7％	74.9％
30	80.0％	68.9％
			57.5	86.7％	31.1％
75	93.3％	13.5％
			90	100.0％	9.5％

除了从可控组(正常的，非癌症组)检测癌症组的能力之外，调查也显示在此公开的本发明也可以识别具体的基于它们各自的截取值和它们对不同类型的检测参数的响应的癌症类型。例如另一个例子，利用检测参数Xa，相比结肠癌，卵巢癌显示出较低的截取值和平均测量值。因此，可以确认在此公开和要求的本发明不仅可以用于执行一般的癌症筛选包括早期的癌症检测以从正常组中分离癌症组病人，而且可以识别和区分具体的癌症类型。

在另一系列的的调查中，在此公开的添加剂也展示了在进一步提高癌症检测灵敏度和特异性的有效性。特别的，随着添加剂在待测样品中的使用(添加)，正常组(非癌症组和癌症组间的测量信号的差异放大了，进而提升了癌症检测的灵敏度和特异性。在一些情况下，添加在本发明中公开的添加剂帮助识别具体的癌症类型。例如，在一系列例子中，肝癌和卵巢癌对特定类型添加剂的响应显示出显著的不同，从而对这两种类型的癌症在信号强度上显示出显著的不同。除了提高癌症的检测能力(相对于正常组(健康组)增强的检测信号)，这个重要的特征可有效地用于定向的或者特定的癌症筛选或检测。图11和12展示了这些调查中的两个例子的结果。特别地，图11说明了在含有和没有本发明公开的添加剂的情况下，检测和识别正常组和肝癌组的不同；图12展示了在含有和没有添加剂的情况下，本发明在此公开的用于检测和区分肝癌或则卵巢癌的检测灵敏度和和精度的不同。特别地，图11说明了用于疾病检测的添加剂的例子的结果。如图11(a)所示，正常组(健康组)和癌症组(此处指肝癌)有16(相对单位)的差值当测试时没有添加添加剂X。图11(b)展示了在正常样品和肝癌样品中都混合了相同的可控浓度的添加剂X之后的检测结果。正常组和肝癌组间的差值增加了61，与实验前没有添加添加剂X相比增加了大概4.7倍。结果显示了添加剂显著提高了正常样本和癌症样本的筛选效率。图12说明了一个用于区分/辨别和分离不同类型的癌症的添加剂的例子。如图12(a)所示，当测试没有添加添加剂Y时，肝癌组和卵巢癌组有12.5的差值(相对单位)，图12(b)显示了肝癌组和卵巢癌组样本混合了相同可控浓度的添加剂Y之后的检测结果。与实验前没有添加添加剂相比，肝癌组和卵巢癌组之间的差值增加了84.4，或者大概增加了6.7倍。换而言之，添加剂Y显著提高了特定癌症的筛选效率。

除此之外，在此公开的发明可用于在癌症治疗期间和之后的跟踪监控和评估，检测所揭示的测量特性的改变，对治疗有效性，病人的状况，和跟踪治疗的指导提供有价值的评估。图13-15展示了在本申请中公开的测量对癌症治疗响应的检测参数。尤其特别地，图13展示了在此公开的本发明监控乳腺癌化疗后期反复的有效性；图14展示了在此公开的本发明监控胃癌放疗后期反复的有效性；图15展示了在此公开的本发明监控胃癌化疗后期反复的有效性。在这三个图中，跟踪癌症治疗可以观察到显而易见的改变，证实了在此公开的本发明在后期的癌症治疗监控方面的潜在价值。

其他实施例

可以理解的是，尽管本发明已被进行了描述，接下来的描述旨在进一步说明而非限制本发明的范围，本发明的范围由附加权利要求说明。其他的方面、优点和修改均在以下权利要求的范围内。本文中所有的出版物引用均被整体参考。

Claims (46)

1.用于在微观水平上检测存在于液体或者以液体状态存在的生物材料特性的微器件，包括生物样本到微器件的入口，预处理单元，用于释放对应于所述生物材料特性的干扰信号的探测单元，用于发送对应于所述生物材料特性的响应信号的检测单元，系统控制器，和用于从微器件排出生物材料残留物或者废弃物的出口，其特征在于，进一步包含具有两个末端开口和一个带有内表面和外表面的侧壁的毛细管，其中一个末端开口是微器件的入口，另一个末端开口是微器件的出口，毛细管提供探测单元和检测单元，其中毛细管包含一个内核和一个由内核和毛细管侧壁定义的内部通道，一个预处理单元，和一个生物样本重复循环单元；其中毛细管包含一个或多个针孔，每一针孔通过毛细管侧壁的外表面和内表面，并容纳探测单元或检测单元。

2.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，其中生物材料特性包括热学，光学，声学，生物学，化学，放射学，电学，磁学，机电学，电化学，电光学，电热学，电磁学，电化学机械学，生物化学，生物力学，生物光学，生物热学，生物物理学，生物机电学，生物电化学，生物电光学，生物电热学，生物机械光学，生物机械热学，生物热光学，生物电化学光学，生物机电光学，生物电热光学，生物电化学机械学，物理学或者机械学信号，或以上任意组合。

3.如权利要求2所述的微器件，其特征在于，其中电学性质是表面电荷，表面电位，静息电位，电流，电场分布，电偶极子，电四极子，三维电子或电荷云分布，染色体和DNA端粒电性质，电容或阻抗；热性质是指温度或振动频率；光学性质包括光学吸收，光学传输，光学反射，光电性质，亮度，或荧光发射；化学性质包括pH值，化学反应，生物化学反应，生物电化学反应，反应速度，反应能量，反应速率，氧浓度，氧消耗率，氧键合部位，氧键合强度，由于氧原子或分子的性质和位置造成的局部电荷密度，由于氧原子和/或分子的性质和位置造成的局部离子浓度，由于氧原子和/或分子的性质和位置的局部电场密度，离子强度，催化行为，触发增强的信号响应的化学添加剂，生物化学添加剂，生物添加剂，提高检测灵敏度的化学试剂，生物化学试剂，提高检测灵敏度的生物添加剂，或接合强度；物理性质包括密度，形状，体积，或表面积；生物性质包括表面形状，表面积，表面电荷，表面生物学特性，表面化学性质，pH值，电解质，离子强度，电阻率，细胞浓度，生物标志物相关性质，或溶液的生物学、电学、物理学或化学性质；声学性质包括频率，声波的速度，声频和强度频谱分布，声强，声吸收，或声谐振；力学性质包括内部压力，硬度，流速，粘度，剪切强度，拉伸强度，断裂应力，粘附性，机械共振频率，弹性，塑性，或可压缩性；任意这些性质可以是静态的或者动态的和变化的。

4.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，其中毛细管包含至少两个针孔，每一针孔穿过毛细管侧壁的外表面和内表面，并容纳探测单元或检测单元。

5.如权利要求4所述的微器件，其特征在于，其中探测单元或检测单元可以发送探测信号或者测量微观水平的热学，光学，声学，生物学，化学，放射学，电学，磁学，机电学，电化学，电光学，电热学，电磁学，电化学机械学，生物化学，生物力学，生物光学，生物热学，生物物理学，生物机电学，生物电化学，生物电光学，生物电热学，生物机械光学，生物机械热学，生物热光学，生物电化学光学，生物机电光学，生物电热光学，生物电化学机械学，物理学或者机械学信号，或以上任意组合。

6.如权利要求5所述的微器件，其特征在于，其中电学性质是表面电荷，表面电位，静息电位，电流，电场分布，电偶极子，电四极子，三维电子或电荷云分布，染色体和DNA端粒电性质，电容或阻抗；热性质是指温度或振动频率；光学性质包括光学吸收，光学传输，光学反射，光电性质，亮度，或荧光发射；化学性质包括pH值，化学反应，生物化学反应，生物电化学反应，反应速度，反应能量，反应速率，氧浓度，氧消耗率，氧键合部位，氧键合强度，由于氧原子和/或分子的性质和位置造成的局部电荷密度，由于氧原子和/或分子的性质和位置造成的局部离子浓度，由于氧原子和/或分子的性质和位置的局部电场密度，离子强度，催化行为，触发增强的信号响应的化学添加剂，触发增强的信号响应的生物化学添加剂，触发增强的信号响应的生物添加剂，增强检测灵敏度的化学试剂，增强检测灵敏度的生物化学试剂，提高检测灵敏度的生物添加剂，或结合强度；物理性质包括密度，形状，体积，或表面积；生物性质包括表面形状，表面积，表面电荷，表面生物学特性，表面化学性质，pH值，电解质，离子强度，电阻率，细胞浓度，生物标志物相关性质，或溶液的生物学、电学、物理学或化学性质；声学性质包括频率，声波的速度，声频和强度频谱分布，声强，声吸收，或声谐振；力学性质包括内部压力，硬度，流速，粘度，剪切强度，拉伸强度，断裂应力，粘附性，机械共振频率，弹性，塑性，或可压缩性；任意这些性质可以是静态的或者动态的和变化的。

7.如权利要求4所述的微器件，其特征在于，其中每一个针孔通过包含机械学，电学，磁学，电磁学，放射学，离子，热学，光学，声学，化学，机电学，电化学和电化学机械学的处理方法来制造。

8.如权利要求4所述的微器件，其特征在于，每一个针孔的直径或宽度范围从0.01微米到1厘米，或者从10微米到2000微米。

9.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，其中毛细管可以是圆形，椭圆形，方形，矩形，三角形，或多边形。

10.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，其中毛细管的内径或宽度范围从0.1微米到10毫米，从20微米到300微米，从0.1微米到100微米，或者从5微米到500微米。

11.如权利要求10所述的微器件，其特征在于，其中毛细管的长度范围是从100微米到100毫米或者从100微米到100毫米。

12.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，其中探测单元和检测单元包含在一个单元中。

13.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，其中探测单元给生物材料施加一个放射性的探测信号。

14.如权利要求13所述的微器件，其特征在于，其中探测单元包含一个产生放射性探测信号的放射性元素。

15.如权利要求14所述的微器件，其特征在于，其中放射性元素包含H-3,Be-7,Na-22,Ca-46,Fe-55,Fe-59,Co-56,Co-57,Co-58,Co-60,Ni-63,Zn-65,Zn-72,Kr-85,Sr-89,Sr-90,Y-90,Y-91,Zr-94,Nb-93,Nb-95,Mo-93,Ru-103,Ru-106,Ag-111,Sb-125,Te-127,Te-129,I-123,I-131,Xe-125,Xe-127,Xe-133,Cs-134,Cs-137,Ce-144,Pm-147,Eu-154,Eu-155,Ir-188,Ir-189,Ir-190,Ir-192,Ir-192,Ir-193,Ir-194,Ir-194,Pb-210,Po-210,Rn-220,Rn-222,Ra-224,Ra-225,Th-228,Th-229,Th-232,Th-234,Pa-234,Pu-238,Pu-239,Pu-240,Pu-241,Am-241,Am-242,Cm-242,Cm-243,or Cm-244。

16.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，其中探测单元包含一个可向生物材料输运探测信号的正电子发射器件，探测信号是一个热学，光学，声学，生物学，化学，放射学，电学，磁学，机电学，电化学，电光学，电热学，电磁学，电化学机械学，生物化学，生物力学，生物光学，生物热学，生物物理学，生物机电学，生物电化学，生物电光学，生物电热学，生物机械光学，生物机械热学，生物热光学，生物电化学光学，生物机电光学，生物电热光学，生物电化学机械学，物理学或者机械学信号，或以上任意组合。

17.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，其中探测单元包含一个集成到探测单元的光谱收集器。

18.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，所述的生物材料被处理或与添加剂混合，生物材料和添加剂反应或形成复合物，偶联物或聚合物，从而增加了被测生物材料某种特性的信号，结果导致了生物材料的至少一种特性产生了新信号并检测，否则是不可检测的，或者允许检测特定信号以区分癌症类型。

19.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，还包括用于向包含生物材料的液体中引入添加剂的添加剂入口，其中所述的添加剂入口可以位于前方或位于生物样本进入微器件的上游方向，相同的入口，用于将生物样本引入微器件，位于可选的预处理单元中并作为预处理单元的一部分，或位于探测单元中并作为探测单元的一部分，或者位于检测单元中并作为检测单元的一部分。

20.如权利要求19所述的微器件，其特征在于，至少一种添加剂入口连接到针孔。

21.如权利要求19所述的微器件，其特征在于，至少一种添加剂入口位于探测单元或检测单元。

22.如权利要求19所述的微器件，其特征在于，所述添加剂与生物材料通信，或与之发生作用；或添加剂在细胞水平上触发，参与或处理生物材料的响应；或增强生物材料被测特性的检测信号。

23.如权利要求19所述的微器件，其特征在于，所述的添加剂与样本反应或结合，形成复合物，偶联物或聚合物，从而增加了被测生物材料某种特性的信号，结果导致了生物材料的至少一种特性产生了新信号并检测，否则是不可检测的，或者允许检测特定信号以区分癌症类型。

24.如权利要求19所述的微器件，其特征在于，所述添加剂选择性地与生物材料或其成分发生反应或结合以形成复合物，偶联物，或聚合物，从而选择性地增强被测样本或其成分的某种属性。

25.如权利要求19所述的微器件，其特征在于，添加剂包括溶液，固态纳米粒子或气体。

26.如权利要求25所述的微器件，其特征在于，所述液体溶液是水溶液或有机溶液包含高锰酸钾，葡萄糖，葡萄糖化合物，磷酸氢盐，丙酮酸，丙酮酸钠，丙酮酸盐溴化物，溴丙酮酸，乙酸，丙醛，甘油醛，甲基乙二醛，乳酸脱氢酶，丙氨酸，乳酸，氨基酸，蛋白质，钙，钾，硫，钠，镁，铜，锌，硒，钼，氟，氯，碘，锰，钴，铁，或酶。

27.如权利要求26所述的微器件，其特征在于，所述的酶包括己糖激酶。

28.如权利要求25所述的微器件，其特征在于，气体包括O2,O3,CO,CO2,钙，钠，钾，硫，钠，镁，铜，锌，硒，钼，氟，氯，碘，锰，钴，铁，或碳基有机物。

29.如权利要求19所述的微器件，其特征在于，其中添加剂包括离子，氧化剂，还原剂，抑制剂，催化剂，酶，生物标志物，化学标志物，生物化学标志物，生物活性成分，化学成分，生物化学成分，生物成分，有机成分，金属有机成分，生物化学成分，光学成分，荧光成分，蛋白质，病毒，染色剂，抗体或以上的组合。

30.如权利要求29所述的微器件，其特征在于，所述微器件中的离子包括Fe3+,Fe2+,Ag+,Cu2+,Cr3+,Na+,K+,Pt2+,Mg2+,H+,Ca2+,Hg2+,Al3+,NH4+,H3O+,Hg24+,Cl-,F-,Br-,O2-,CO32-,HCO3-,OH-,NO3-,PO43-,SO42-,CH3COO-,HCOO-,C2O42-,或CN-离子；氧化剂含有氧，臭氧，过氧化氢，无机过氧化物，硝酸，硝酸盐化合物，铬化合物，高锰酸盐复合，硫酸，过硫酸，氟，氯，溴，碘，亚氯酸盐，氯酸盐，高氯酸盐，卤素化合物，过氯酸根，次卤酸盐化合物，过硼酸钠，氧化亚氮，氧化银，四氧化锇，托伦斯试剂，2,2’-二吡啶二硫化物，尿素，或它们的组合；还原剂包括初生氢，含亚铁离子，汞钠，硼氢化钠的化合物，亚硫酸化合物，水合肼，含有锡离子化合物，锌汞齐，氢化铝锂，林德拉催化剂，甲酸，草酸，抗坏血酸，亚磷酸盐，次磷酸盐，或磷酸；或生物活性化合物包括葡萄糖，果糖，丙酮酸盐，半乳糖，氨基酸，丙酮酸，乙酸，乙醛酸，草酸，丙酸，醋酸，或酶。

31.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，探测单元探测微观水平上的特性，并产生机器可读的测试信号。

32.如权利要求31所述的微器件，其特征在于，系统控制器将机器可读的检测信号处理后，生成可显示的数据或人眼可读的数据。

33.如权利要求32所述的微器件，其特征在于，系统控制器包括第一模数转换器，计算机和数据显示器。

34.如权利要求33所述的微器件，其特征在于，系统控制器进而包括放大器，可在机器可读测试信号到达模数转换器和计算机之前将其放大。

35.如权利要求33所述的微器件，其特征在于，计算机包括中央处理器，随机存取存储器和只读存储器。

36.如权利要求33所述的微器件，其特征在于，系统控制器进而包括操纵器，能够启动或产生干扰信号，并在干扰信号被干扰单元施加于生物材料前，将其送至计算机处理。

37.如权利要求33所述的微器件，其特征在于，所述微器件中的干扰信号是热学，光学，声学，生物学，化学，放射性的，电学，磁学，机电学，电化学，电光学，电热学，电磁学，电化学机械学，生物化学，生物力学，生物光学，生物热学，生物物理学，生物机电学，生物电化学，生物电光学，生物电热学，生物力学光学，生物力学热学，生物热学光学，生物电化学光学，生物机电学光学，生物电热学光学，生物电化学机械学，物理学或机械学信号，或以上的组合。

38.如权利要求37所述的微器件中，其特征在于，电学性质是表面电荷、表面电位、静态电位、电流、电场分布、电偶极子、电四极子、三维电子云或者电荷云分布、染色体和DNA端粒的电性质、电容或阻抗；热学性质为温度或振动频率；光学性质为光学吸收、光学传输、光学反射、光电性质、亮度、或者荧光发射；化学性质为PH值、化学反应、生物化学反应、生物电化学反应、反应速度、反应能量、反应速率、氧浓度、氧消耗率、氧键合部位，氧键合强度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电荷密度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部离子浓度，基于氧原子和/或分子特性及位置的局部电场密度，离子强度、催化行为、触发增强的信号响应的化学添加剂，触发增强的信号响应的生物化学添加剂，触发增强的信号响应的生物添加剂，增强检测灵敏度的化学试剂、增强检测灵敏度的生物化学试剂、增强检测灵敏度的生物添加剂、以及结合强度；物理性质为密度、形状、体积、或表面积；生物学性质为表面形状、表面积、表面电荷、表面生物性质、表面化学性质、PH值、电解质、离子强度、电阻率、细胞浓度、生物标志物相关性质、或溶液的生物学、电学、物理学或化学性质；声学性质为频率、声波速度、声频和强度频谱分布、声强，声吸收、声谐振；力学性质为内部压力、硬度、流速、粘度、剪切强度、拉伸强度、断裂应力、粘附性、机械共振频率，弹性、可塑性或可压缩性；任意这些性质可以是静态或者动态的和变化的。

39.如权利要求33所述的微器件，其特征在于，系统控制器进而包括第二模数转换器和信号发生器，能够在计算机之后，但在干扰信号被干扰段元施加到生物样本上之前，处理干扰信号。

40.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，预处理单元将生物材料通过生物材料的共同特性的差异，分成不同的成分，并处理待测生物材料的表面，或将待测生物材料与至少一种添加剂混合。

41.如权利要求1所述的微器件，其特征在于，进而包括可选的第二预处理单元，第二探测单元和第二检测单元，形成了带有微型器件的第二级检测器，其中第二级检测器件检测与上级检测器件相同或不同的微观特性。

42.如权利要求41所述的微器件，其特征在于，其中第二级具有与第一级不同的几何结构。

43.如权利要求42所述的微器件中，其特征在于，其中几何结构是通道的形状，宽度，重量或长度，或者是以上的组合。

44.如权利要求43所述的微器件，其特征在于，几何结构信息，由探测单元所应用的探测信号，由检测单元检测并测量的信号，或/和选择性地使用一种或多种增强剂，导致了不同种类疾病检测和区分的特异性增强和灵敏度增强。

45.如权利要求44所述的微器件，其特征在于，不同类型的疾病是指不同类型的癌症。

46.如权利要求45所述的微器件，其特征在于，不同类型的癌症包括膀胱癌，乳腺癌，结肠癌，直肠癌，卵巢癌，子宫内膜癌，肾癌，肝癌，胃癌，白血病，肺癌，黑色素瘤，非霍奇金淋巴瘤，胰腺癌，前列腺癌，甲状腺癌。