CN107012078A - 肿瘤细胞检测仪 - Google Patents

Abstract

在另外的多种方式中，本发明提供检测循环肿瘤细胞仪，包括传送生物体系统及探测和检测装置，其中探测和检测装置包括第一微器件和支撑第一微器件的第一衬底，第一微器件接触待测生物体，并可以测量生物体或者生物体所包含的细胞的微观水平的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理化学,机电学，电化学，电化学机械学，生物物理学，生物化学，生物机械学，生物电学，生物物理化学，生物电学物理学，生物机电学，生物电化学，生物化学机械学，生物电学物理化学，生物电学物理机械学，生物电化学机械学，物理学，或者机械学性质，或者生物体的上述结合。

Description

肿瘤细胞检测仪

相关的申请参考

本申请的权利主张优先于以下专利：2011年5月递交的申请号为61/482,900,的美国专利,将其内容引入本发明以供参考。

背景技术

肿瘤是人体组织的异常生长，可以是癌(恶性)或非癌(良性)。肿瘤，特别是恶性肿瘤，对人类的健康幸福是一种严重威胁，肿瘤的早期检测是进行有效的治疗或治愈的关键。然而，用传统的肿瘤检测方法在有症状前检测癌症，或在肿瘤转移的早期检测癌症是一个巨大的挑战。例如，有40％的病人，利用传统方法不能确定是否需要更多的或增强的治疗。在癌症的治疗过程中，检测癌症任何早期传播迹象是非常重要的，可以用于评估治疗的有效性，进而决定是否需要、需要什么样的后续治疗。传统的癌症检测技术，如X射线成像和核磁共振(NMR)成像不能提供上述关键应用的可靠信息。

最近的研究和临床研究表明，癌细胞侵袭人体，可能会出现在肿瘤发展的早期。因此早期发现，早期全身治疗，将会降低癌症的死亡率。癌细胞从原发肿瘤到远处重要器官的转移是导致癌症死亡的首要原因。早期传播到淋巴结，骨髓或外周血中的肿瘤细胞被称为循环肿瘤细胞(CTC)。即使在切除原发肿瘤后，CTC可能仍然存在于病人的外周血中。

CTC对于转移的建立是非常关键的，对CTC的检测是用于评估特定肿瘤的侵略性及在远处器官生长的可能性的一种重要方法。对CTC特异敏感的检测可以用于确定癌症的发展状况、转移状态、存活的可能性及对治疗反应的评估。

随着近年来对CTC越来越多的研究，其重要性备受推崇。然而，CTC在血液中的存在量大约是十亿分之一到百亿分之一的水平。现有技术用于分离和识别CTC一方面需要大量人力并且价格昂贵，另一方面缺乏准确性和可靠性。这一过程包括密度梯度分离，免疫分离及密度梯度免疫分离，需要很大工作量来识别大量被人体过滤的细胞。

迫切需要一种方法以低成本、高灵敏度、高特异性、高效率、高便捷度、高速度进行早期CTC检测。

发明内容

本发明大体涉及一类检测肿瘤细胞的新颖方法和仪器，特别是循环肿瘤细胞(CTC)，通过分析生物样品(例如，外周血样品或其他哺乳动物的体液样品)，然后诊断癌症的发展或转移状况。这种方法或(仪器)可以和CTC建立通信，对CTC进行修改和纠正。本发明涉及一种新颖的微器件或者集成了微器件的仪器，它能够在体内或体外进行微观层面的生物学(例如血液或淋巴液等液体样品)、细胞学(例如血细胞或肿瘤细胞)诊断。由于集成了微器件，这个仪器的功能很强大。这种仪器使用最先进的微器件制造技术和新颖工艺，如集成电路制造工艺。本发明涉及的仪器带有多个能够检测多种生物学参数的微器件。这种CTC检测仪能够进行癌症早期检测，并且灵敏度高、特异性好、速度快、检测便捷(仪器尺寸小)、成本低。这种仪器可以用于以下癌症检测，前列腺癌，肺癌，结肠癌，乳腺癌，脑癌，颈癌，霍奇金淋巴瘤，非霍奇金淋巴瘤，肾癌，白血病，肝癌，卵巢癌，皮肤癌，睾丸癌，甲状腺癌，胰腺癌，子宫内膜癌，食道癌，子宫癌。

这种检测设备的关键在于一系列微器件以及能够使它们优于传统设备和技术的制备工艺技术，这些都大大提高了检测的灵敏度、特异性和速度。这种工艺技术包括但不限于机械，化工，化工机械，电化工机械，电子生物化学机械，集成电路和半导体制造工艺技术。关于这些应用技术的描述详见以下参考资料，R.Zaouk等人的《微流控技术》(2006，Humana出版社)中的微细加工技术；(Geschke,Klank&Telleman,eds.),John Wiley&Sons的《片上实验室微系统工程》第一版，2004。微型器件的功能至少包括传感，检测，测量，诊断，监测，分析。多个微器件可以集成为一个检测仪，进一步提高检测的灵敏度，特异性，速度和功能，能够测量相同的参数或一组不同的参数。

检测仪的可选器件包括对来自每个探针的信息进行处理，控制，加压，接收，放大，或存储的器件。这些器件可以是，例如，一个中央控制单元，其中包括控制电路，寻址单元，功放电路，逻辑处理电路，记忆单元，特殊应用芯片，信号发射器，信号接收器，传感器，微机电设备，一个多功能的设备，或具有手术，药物输送，清洗，或医疗功能的微型仪器。

具体来说，本发明的一个方面是提供了在生物学领域检测CTC的仪器，每组检测仪包括第一微器件和支持第一微器件的微衬底，其中第一微器件接触被测生物实体，并能够在微观层面的测量以下参数，电学，磁学，电磁学，热学，光学，荧光放射，辐射，声学，生物学，化普，机电学，电化学，光电学，电热学，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，生物机电光学，生物电化学，生物光电学，生物电热学，生物力学光学，生物热力学，生物热光学，生物光电化学，生物机电光，生物电热光，生物电化学机械学，物理学或机械性质，或多学科的结合。该仪器可以进一步选择包括读取测量数据的器件。

在某些实施例中，检测被测样品和没有疾病的样品之间性质的差异，或被测样品的细胞与正常细胞之间的差异可以表征被测样品内存在CTC的可能。

其他一些实施例，电学性质包括，表面电荷，表面电位，静息电位，电流，电场分布，表面电荷分布，细胞电学性质，细胞表面电学性质，电学性质的动态变化，细胞电学性质的动态变化，细胞表面电学性质的动态变化，表面电学性质的动态变化，细胞膜的电学性质，膜表面的电学性质的动态变化，细胞膜电学性质的动态变化，电偶极子，双电偶极子，电信号的振荡(例如，在离子振荡，电场脉冲，表面电荷脉冲，电压脉冲)，电流，电容，三维电子或电荷云分布，端粒DNA和染色体，电容，或阻抗的电性质；热性质是温度或振动频率；光学性质包括光吸收，光传输，光反射，光电性质，亮度，或荧光发射；辐射性质包括辐射射线，放射性物质触发信号，放射性物质探测到的信息；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，氧气浓度，耗氧率，离子强度，催化性质，增强信号响应的化学添加剂、生物添加剂、生物化学添加剂，提高检测的灵敏度化学品或生物化学品，以提高检测灵敏度或粘接强度生物添加剂；物理性质包括密度、形状、体积、表面积；生物学性质包括表面的形状，表面积，表面电荷，表面的生物学性质，表面化学性质，pH值，电解质，离子强度，电阻率，细胞浓度，或者是某溶液的物理、化学或电气性质。声学性质包括声波的速度，声波的频率和强度的光谱分布，声强，吸声，或声学共振；机械性质是内部压力，硬度，流速，粘度，流体机械性质，剪切强度，延展强度，断裂强度，附着力，机械共振频率，弹性，可塑性，或压缩性。

其他一些实施例，每个检测仪至少包括一个或多个微器件。在这些实施例中，每个微器件包括导电材料，电气绝缘材料和半导体材料；每个微器件包含相同或不同的材料，可以在相同或不同的时间测量相同或不同的属性。这些微器件在衬底上至少间隔10埃。集成于疾病检测仪内的多个微器件可以按一定顺序或者同时对生物体的参数进行宏观或微观检测。

在一些实施例中，每个微器件的尺寸范围是约1埃到5毫米(mm)。

在一些实施例中，检测仪包括一个或多个衬底用于放置微器件。每个衬底包括相同或不同的材料(例如导体和绝缘体)，可以是相同或不同的形状(例如可以是平板状、管状或阵列状)，每个衬底可以是两维或三维状。为了进一步改善测量灵敏度，特异性，速度快，样本大小，并降低成本和尺寸可以缸状，板状，或任何其他所需的形状和配置。

本发明涉及的检测仪，可以进一步计算，记录，分析循环肿瘤细胞(CTC)在生物体内的数量，并基于已获取的信息标记癌症的发展状况。该检测仪可以进一步预测疗效，无进展存活率和总体存活率数据。

用于检测仪的微器件，采用了新颖的设计，增强了测试灵敏度，微器件安装在两个基板上，两个基板中间留有一定空隙让样品通过，样品用于高速的CTC检测，微器件可以与样品平行的进行细胞检测。尽量使基板最大化，以放置更多的微器件，提高检测效率和速度。基板上微器件的尺寸可以和细胞线度相匹配。

另一种新颖的配置方式，将带有微器件的检测仪做成圆筒形，微器件的探针在圆筒的内表面，被测样品(例如血液或淋巴液)在圆筒内部流过。

本专利的关键创新之一是微器件的设计、制备以及利用微器件对生物体进行三维的微观层面的参数检测(例如单个细胞)。微器件具有三维分布的尺寸为单个细胞大小的微探针，它们能够捕获，整理，探测，测量，或改变生物体。探针带有一个灵活支撑结构，用于扩大或缩小微探针以移动生物体。

本发明的另一个方面涉及微器件的制造方法。该方法包括在衬底上沉积各种材料，利用微电子工艺技术图案化已淀积材料，其中的微器件能够在微观层面上测试与之接触的生物材料的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物，化学，物理学性质。

本发明的另一方面涉及微器件的制造方法，包括向衬底淀积第一层材料，然后利用微电子加工技术进行图形化，将材料一的一部分保留下来，其余部分去掉，露出衬底表面，接下来在衬底和第一层材料顶部淀积第二层材料，在第二层材料上开一窗口，露出已经图形化的第一层材料，然后接着淀积第三层材料将第二层材料的窗口覆盖。在一些实例中，微电子工艺技术包括薄膜淀积，光刻，刻蚀，清洗，扩散，离子注入，或化学机械抛光。

本专利提供的微器件的制造方法包括，第一步，向衬底淀积第一层材料；第二步，在第一层材料上淀积第二层材料然后利用微电子加工技术图形化第二层材料；接下来重复第二个步骤至少一次，所用的材料可以是和第一、二层相同或不同的材料。以后重复步骤所用材料可以是和第一、二层相同或不同的材料。在一些实例中，用于制造微器件的材料至少有一种是压电材料或导电材料。

在某些实施例中，可以通过物理或电学方法将多个微器件连接或组合起来，形成更加先进的器件。

在某些实施例中，本专利涉及的检测仪可以整合为一个单独的器件(例如，利用半导体工艺技术)或组装成电路板(例如，使用电脑的组装技术)。

在某些实施例中，材料的图形化是通过微电子加工技术实现的(例如，化学气相淀积，物理气相淀积，原子层淀积，将不同的材料淀积至一块绝缘体或半导体衬底上；光刻和刻蚀工艺将设计图形转化成实际结构；化学机械抛光用于平坦化和图形化；清洗工艺将颗粒或污染物去除；热处理和退火工艺用于减少晶格损伤；扩散和离子注入工艺用于特殊层的元素掺杂)。在某些实施例中，图形化是通过化学机械抛光平坦化实现的。

在某些实施例中，制造方法还包括用于去除堆叠多层材料的湿法刻蚀和等离子刻蚀工艺。

在某些实施例中，微器件能在不同的方向移动。例如，两个微器件可以向相反的方向移动。

在某些实施例中，微器件能够捕获，分类，探测，测量，改变生物实体，或贯穿细胞膜。

本专利的另一个创新点是微压探针和微探针的发明，这两种探针用于大范围检测生物体(例如细胞)的物理特性(如机械性质)。这些物理特性包括但不仅限于硬度，剪切强度，伸长强度，断裂强度，弹性，刚性，以及和细胞膜相关特性，因为膜的特性对于疾病诊断是十分关键的。

本专利的另一方面是疾病检测仪内各个器件的设计、制造和整合。这些器件包括，样品的存储和输运单元；用于输运维持或延长被测样品内生命体生命所需氧和特殊流体的输运单元；用于富集样品中患病生命体(例如病变细胞)的富集单元；样品输运通道阵列；中央检测单元包括多个检测探针和中央控制单元，中央控制单元由以下部分组成，逻辑处理单元，存储单元，传感器，信号发射器，信号接收器，微机电器件，多功能器件，微手术器械，药物输送单元，清洗单元，或医疗功能单元，应用程序特定的芯片；废弃样品处理单元，用于新品的处理，回收再利用或丢弃。

本专利的另一个新颖点是微器件的设计、整合和制造工艺，微器件能够检测用于CTC检测样品的微弱信号，也能够在复杂环境、噪声相对较高的环境下检测微弱信号，并且灵敏度高。本发明涉及的微器件具有很多新颖的功能，例如，对生物样品在单个细胞水平上进行动态测量，实时测量(例如飞行时间测量，探测信号和反馈信号相结合测量)，减少背景噪声的锁相技术，预放大技术，噪声消除技术，4探针微弱信号测试技术，独特新颖的探针能够对多个电学、磁学、电磁学特性进行测量。

本文使用的词汇“或”包含“和”的意思，同时“和”也有“或”的意思。

本文使用的单数名词包括其得数含义。例如，一个微器件意味着是单个微器件或多个微器件。

本文使用的词汇“图形化”意思是将材料制作成特定的物理形状，包括平坦化(这里“图形化”也意味着“平坦化”)

本文使用的用于分析、检测、测试和诊断的“生物体”，“生物实体”和“生物样品”都是本专利涉及的检测仪的被测物质。它们可以是包含细胞的液态样品，例如动物的血液或淋巴液。它们也可以是体液或经过处理的溶液，例如人的外周血，淋巴液，骨髓，或者它们的溶液。这里所用的经过处理的溶液是指经过冲洗，清洁，悬浊，透析或输运之后形成的溶液。

本文涉及的“物体”一般指部分或整个生物实体(例如哺乳动物，或者是人)

本文涉及的“微观层面”是指用于CTC检测分析的生物体是微观的，是一个单细胞，例如白细胞，红细胞或肿瘤细胞。

本文涉及的“微器件”，“微型器件”乏指各种材料，性质，形状，复杂性及其组合。这个词汇通常指单一的材料或是具有多个子单元和多种功能的复杂器件。本发明的复杂性体现在一个很小的具有特定属性的颗粒却拥有多个相当复杂的具有多种功能的子单元。例如一个简单的微器件可以是一个直径100埃(A)大小的球形颗粒，具有特定强度，特定的表面荷，和吸附在表面的特定有机物。一个较复杂的微器件大约1毫米大小，带有传感器，计算器，记忆单元，逻辑单元和切割工具。前面讲的颗粒可以通气相或胶体沉积形成，而集成多个组件的器件可以通过集成电路制造工艺完成。

本发明涉及的微器件尺寸从1埃到5毫米不等。例如尺寸在10埃到100微米的微器件能够用于靶向生物分子，生物体或细胞结构等小尺寸物体的组成。尺寸在1微米到5毫米间的微器件用于较大的生物体，例如人体器官的一部分。本专利涉及的简单微器件可以是直径小于100埃的颗粒，具有特定的表面特性(例如表面电荷或表面化学物涂层)，能够被目标细胞吸收或吸附。

本发明提供了一个生物体疾病检测仪，其中包括进样单元，前处理单元，探测和检测单元，信号处理单元，测量结果显示单位，处置处理单元，生物样品传送系统，生物样品分布系统，通道分布系统，充电装置，检测装置，全局定位系统，传动设备，信号发射器，信号接收器，传感器，存储器，逻辑处理单元，应用程序的特定芯片，生物样品回收和再利用单元，微机电设备，一个多功能的设备，或用于手术，药物传输，清洗或医疗功能的微器械。

前处理单元，包括样本过滤装置，充电单元，恒压推进单位，样品干扰单元，样品预探测干扰单元。前储能单元可以增加被测样品的浓度，使检测仪对生物样品的检测更加有效，这样也可以对低深度CTC(例如，癌细胞或肿瘤细胞的深度为10亿到100亿分之一)样品进行检测。

在一些实例中，过滤装置可以通过物理过滤滤除不需要的物质，(例如，基于电荷或物质的大小)或利用化学(从而完全消除有害物质)，生物化学，生物物理，生物电，生物机械，机电，电化学，热，光，电，磁，电磁，电化学机械，电生物，电生物化学或生物等手段将不需要的物质分离出去。

在一些实例中，样品过滤单元可以包括一个入口通道，一个流体分布通道，加速腔，一条狭缝。缝隙和通道入口的内墙定义两个通道(例如，一个顶部通道和底部通道)，其中生物样品由于属性(例如，电学或物理学特性)的差异而分开。

在一些实施例中，在生物样品通过微器件探针之前或之后，在通道内注入干扰液，用于帮助生物样品在通道内的流通和分离。将一种具有生物兼容性的液体注入到有干扰液的通道内，用于生物样品的分离。例如，生物兼容性液体可以从带有干扰液的通道入口注入，然后输运到通道入口侧壁的开口处。生物兼容性流体可以是液体或半液体，包括盐水，水，等离子体，富氧液体或这些液体的混合。

在一些实例中，入口通道和干扰液通道之间的夹角为0°到180°。(例如30°到150°，60°到120°，75°到105°，或90°)

在其他一些实例中，每个通道的宽度为约1纳米到1毫米左右(例如，从2纳米到约0.6毫米或10纳米左右到约0.2毫米)。通道可以是直线，曲线，或斜线。通道内墙定义为圆形，椭圆形，方形，长方形或多边形的空间。在其他一些实例中，通道是一个直径约0.5纳米到1微米左右，长度从约5.0纳米到10毫米的圆形碳纳米管。

在一些具体实例中，至少有一个通道包括连接通道的侧壁探测器件，能够在微观层面测量生物材料的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，机电学，电化学，光电，电热学，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，生物电子机械学，生物电化学，生物光电学，生物电热学，生物力学，光学，生物热力学，生物热光学，生物电化学光学，生物机电光学，生物电热光学，生物电化机械学，物理学、机械学或上述多种学科的结合特性。其中电学性质包括，表面电荷，表面电位，静息电位，电流，电场分布，表面电荷分布，细胞电学特性，细胞表面电学特性，电学特性的动态变化，细胞电学特性的动态变化，细胞表面电学特性的动态变化，表面电学特性的动态变化，细胞膜的电学特性，膜表面的电学特性的动态变化，细胞膜电学特性的动态变化，电偶极子，双电偶极子，电信号的振荡(例如，在离子振荡，电场脉冲，表面电荷脉冲，电压脉冲)，电流，电容，三维电子或电荷云分布，端粒DNA和染色体，电容，或阻抗的电性质；热性质是温度或振动频率；光学特性包括光吸收，光传输，光反射，光电特性，亮度，或荧光发射；辐射特性包括辐射射线，放射性物质触发信号，放射性物质探测到的信息；化学特性包括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，氧气浓度，耗氧率，离子强度，催化性质，增强信号响应的化学添加剂、生物添加剂、生物化学添加剂，提高检测的灵敏度化学品或生物化学品，以提高检测灵敏度或粘接强度生物添加剂；物理特性包括密度、形状、体积、表面积；生物学特性包括表面的形状，表面积，表面电荷，表面的生物学特性，表面化学特性，pH值，电解质，离子强度，电阻率，细胞浓度，或者是某溶液的物理、化学或电气特性。声学特性包括声波的速度，声波的频率和强度的光谱分布，声强，吸声，或声学共振；机械性质是内部压力，硬度，流速，粘度，流体机械性质，剪切强度，延展强度，断裂强度，附着力，机械共振频率，弹性，可塑性，或压缩性。

在一些实例中，至少有一个通道侧壁包括至少两个探测器件，并能够在微观层面检测生物样品的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，化工，机电，电子化学，光电，电-热，电化学机械，生物化工，生物力学，生物光学，生物热，生物物理，生物电子机械，生物电化学，生物光电，生物电热，生物力学光学，生物力学热，生物热光学，生物电化学光学，生物机电光，生物热光电，生物电化学机械，物理或机械特性，或以上几种性质的总和。探测器件可以相同时间或不同时间对相同或不同性质进行检测。

两个或多个探测器件可以特定的间隔(至少10埃)放置。例如这个特定的距离可以是10纳米到100毫米，100纳米到10毫米，8微米到200 微米，1毫米到10毫米。

在一些实施例中，过滤单元包括入口通道，生物兼容性过滤器，出口通道，或以上几种的组合。当生物样品由入口通道通向出口通道时，生物样品大于过滤器也洞的将被阻拦在出口通道的外面，小于过滤器孔洞的便可以进入到出口通道。生物兼容性液体从出口端注入将堆积在过滤器附近的生物样品冲走。较大的生物样品可以用检测仪的检测器件进行分析。

在一些实施例中，样品预探测干扰单元包括一种微器件，这种微器件内部有一个通道，通道内有一个狭逢，并且可以选择性的在通道的外部放置两个极板。在两个极板上加一个信号，例如电压信号，这个信号也加在流过通道的生物样品上，并且基于生物样品所携带的电荷将样品分离。通道的狭缝和内部通道定义了两个通道，已经分离好的生物样品由此进入并且其特性在些得到微观层面的检测。

在一些实施例中，样品预探测干扰单元对生物实体施加电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，机电学，电化学，电化学机械学，生物化学，生物机械学，生物机电学，生物电化学，生物电化学机械学，物理机械学信号，或上述信号的组合。这种信号可以施加在上文提到的两个极板上，或者采用其他的方法(根据信号的特性选择)。应用的信号可以是脉冲或常量。

在一些实例中，充能单元向生物体补充养分，呼吸的气体(如氧气)，或是流体。另外，它可以清除生物体的代谢产物。有了这样的装置，生物样品的生命将得到维持和延续，从而得到更加准确，稳定，一致和可靠的检测结果。养分包括生物兼容的强或弱电解质，氨基酸，矿物质，离子，催化剂，氧，富含氧气的液体，静脉滴注，葡萄糖，蛋白质。养分的另一个形式是能够被生物体(例如细胞或病毒)选择性吸收的纳米粒子。

充能系统可以是独立的或在检测仪其他组件的外部。另外，它也可以安装其他组件的内部，例如，探测和检测单位或处置处理单元内。

在一些实施例中，信号处理单元由放大器(例如，一个锁相放大器)，A/D(或/直流电)转换器，微型计算机，机械手，显示器和网络组成

在某些实施例中，信号处理单元能够接收一种或多种信号，多种信号的集合以消除噪声，或提高信噪比。多信号可以来自不同的位置或是多次信号。

可以通过检测仪检测的生物样品包括，例如，血液，尿液，唾液，眼泪，汗水，和淋巴液。检测结果表明生物体发生或存在(早期)疾病的可能。

此处所用的“吸收”一词通常是指连接到表面的材料和表面之间的物理结合。而“吸附”是指两者之间更加强劲的化学结合。

此处使用的术语“接触”(如“第一微器件接触生物实体”)包括“直接”(或物理)接触和“非直接(或间接或非物理)接触。当两个主题是“直接”接触，通常是没有衡量的空间或这两个学科之间的接触点的距离，而当他们是在“间接”接触，这些接触点之间的距离有一个可衡量的空间或两个科目。当两个物体直接接触时，在它们的接触面/点没间隙和距离；而非直接接触是指在接触面之间有一个可测量的空隙或距离。

此处提到的“探针”或“探测”除了字面意思外，还意味着向生物体施加一个信号(例如，电，声，磁或热信号)，从而刺激生物体，使之产生某种内在的反应。

此处提到的电学性能包括，表面电荷，表面电位，静息电位，电流，电场分布，表面电荷分布，细胞电学特性，细胞表面电学特性，电学特性的动态变化，细胞电学特性的动态变化，细胞表面电学特性的动态变化，表面电学特性的动态变化，细胞膜的电学特性，膜表面的电学特性的动态变化，细胞膜电学特性的动态变化，电偶极子，双电偶极子，三维电子或电荷云分布，端粒DNA和染色体，击穿电压，电容，或阻抗的电性能。

此处提到的“磁特性”是指抗磁性，顺磁性或铁磁性。

此处提到的“电磁特性”是指电场和磁场分布。

此处的“热性能”是指温度，凝固点，熔点，蒸发温度，玻璃态转变温度，导热性，或分子的振动能量。

此处的“光学特性”，是指光反射，光吸收，光散射，波长依赖特性，颜色，光泽，光彩，闪烁，散射。

此处的“辐射特性”是指辐射发射，放射性物质触发的信号，能检测到的放射物质的信息。本文中“辐射特性”可以扩展为生物体对放射性物质或放射性物质的产物(如正电子)的反应。

此处提到的“声学特性”是指一个结构内的声音的特点，这个结构决定其回音的质量。通常可以测量声音的吸收系数。详见美国专利No.3,915,016，确定材料声学属性的手段和方法；T.J.Cox等人的《声音的吸收与传播》Spon出版社，2004。

此处提到的“生物学性质”一般包括生物体的化学和物理性质。

此处提到的“化学特性”是指活泼程度，pH值，离子强度，生物样品内部的粘滞强度。

此处提到的“物理特性”是指任何可测量的用于描述给定时刻物理系统状态的特性。生物样品的物理特性包括但不仅限于吸收率，反射率，面积，脆度，沸点，电容，颜色，浓度，密度，电荷，电导率，电容，电阻抗，电场，电势，辐射，流速，流动性，频率，电感，电介质，内阻，强度，照度，亮度，光泽度，延展性，磁场，磁通，质量，熔点，动量，透气性，介电常数，压力，辐射，溶解度，比热，强度，温度，张力，导热性，速度，粘度，体积，和波阻抗。

此处提到的“机械特性”是指生物体的强度，硬度，刚性，弹性，塑性，脆性，韧性，剪切强度，延展强度，断裂应力，流体的力学性能和附着力。

此处的“导电材料”(或相当于“导体”)是包含可移动的电荷的物质。导电材料可以是金属(如铝，铜，银，钨，或黄金)或非金属(例如，石墨，盐溶液，等离子体或导电聚合物)。对于金属导体，如铜或铝，可动电荷是电子(导电)。正电荷也可以以空穴(失去电子的晶格原子)或阳离子的形式移动。

“电绝缘材料”(又称“绝缘体”或“介质”)是指不能流通电流的材料。绝缘材料的原子紧密束缚的价电子。电气绝缘材料的例子，包括玻璃，二氧化硅或有机聚合物(例如，橡胶，塑料，或聚四氟乙烯)。

此处提到的“半导体”(也称作“半导体材料”)是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。例如无机半导体材料包括硅基材料。有机半导体材料包括多环芳烃化合物五苯，蒽，红荧烯等芳香烃；如聚合物有机半导体如聚(3-己基噻吩)，聚(对苯乙炔)，乙炔及其衍生物。半导体材料是结晶固体(如硅)，无定形体(如氢化无定形硅或砷，硒，碲以各种不同的比例混合)，甚至液体。

这里提到的“生物学材料”和业内人士说的“生物材料”具有相同意义。“生物学材料”和“生物材料”还有其他含义，一般指天然生成的或在实验室里通过化学手段利用有机(例如有机小分子或聚合物)或无机化合物(金属化合物或陶瓷)合成的物质。它们常常用于医疗领域，用于组成整个或部分生物体结构，或制成能够执行，增强或替代某些功能的医疗器件。这些功能可以是良性的，例如用作心脏瓣膜，或者是更具生物活性的带有羟基磷灰石涂层的植入髋关节。

本文中所使用的“微电子技术或工艺”一般包括用于制造微电子器件和光电器件的技术或工艺。包括光刻，蚀刻(例如，湿法蚀刻，干法蚀刻，或气相蚀刻)，氧化，扩散，离子注入，退火，薄膜淀积，清洗，直写，抛光，平坦化(例如，通过化学机械抛光)，外延，金属化，工艺集成，仿真，或上述工艺的任何组合。关于微电子技术更多的描述详见以下参考资料，Jaeger的《微电子制造简介》Prentice Hall出版社2002第二版；Ralph E.Williams的《现代砷化镓工艺技术》Artech House出版社1990年第二版；Robert F.Pierret的《高级半导体器件原理》Prentice Hall出版社2002第二版；S.Campbell,的《微电子制造科学与工程》牛津大学出版社2001年第二版；上述这些内容都作为本文的引用。

本文使用的“碳纳米管”一般指圆柱形纳米结构的碳的同素异形体。更多描述详见by P.J.F.Harris的《碳纳米管科学》，剑桥大学出版社2009。

CTC检测仪通过使用单个或多个整合的微器件提高了检测的灵敏度，特异性和速度，扩展了功能，缩小了尺寸，同时执行多个任务，便于使用并且侵入性低副作用小。可以通过微细加工技术和本专利提出的新技术将能够对生物样品CTC进行全方位特性检测的多个类型的微器件集成为一种CTC检测仪。为了更好的解释和说明用于制造多功能、高灵敏度微型检测器件的微电子技术和纳米技术，下面列举了一些新颖的详细的例子，用于设计和制造高性能微型检测器件的规则和方法是经过严格考究的，涉及到以下工艺的组合，包括但不仅限于薄膜淀积，图形化(光刻和蚀刻)，研磨(包括化学机械抛光)，离子注入，扩散，清洗，以及各种材料，各种工艺流程和及其组合。

附图说明

图1(a)旨在说明本发明涉及的CTC检测仪中样品的放置、流通和测试。图1(b)和图1(c)说明了CTC检测仪包括多个独立的微型检测器件。

图2(a)是本发明涉及的带有多个微器件的CTC检测仪的剖面透视图。生物样品放置在检测仪内或者从检测仪内流过，样品的一个或多个微观特性可以通过微器件来检测。图2(b)-图2(l)说明了微器件制造的新工艺流程。图2(m)-图2(n)是包括多个独立微器件的检测仪的剖面图。

图3是CTC检测仪的剖面图，该检测仪内多个微器件带有不同的检测探针。生物样品放置在检测仪内或从检测仪流过，微器件检测样品的一个或多个微观特性。

图4是本发明涉及的CTC检测仪的透视图。该检测仪带有两个间距很小的极板，两个极板之间充满被测生物样品，极板内表面的微器件能够在微观层面对样品的一个或多个特定参数进行检测。

图5说明了利用了微电子技术的CTC检测仪的新颖的制造工艺。

图6是利用本专利提出的方法制造的CTC检测仪的透视图。该检测仪能够检测单个细胞的微观特性。

图7是本专利涉及的CTC检测仪的剖面透视图，该检测仪中多个微器件按特定距离放置以高灵敏度，高特异性和高速度进行飞行时间测量，包括不依赖时间的或动态信息。

图8是包括一系列新颖微观探针的CTC检测仪的透视图，微探针用于检测生物样品(例如一个细胞)的多种电磁状态、配置或其他特性。

图9是本发明涉及的CTC检测仪内部新型四探针的透视图，用于检测生物样品(例如一个细胞)的微弱电信号。

图10显示了制造本专利涉及的检测仪的工艺流程。

图11显示了能够检测生物体物理性质的一系列微器件的制造工艺，例如与细胞膜相关的机械性质(如，硬度，剪切强度，延展强度，断裂应力)及其他性质。

图12展示了带有两个微探针的微器件是如何工作的，两个微探针施加动力后可以向相反方向移动以探测生物的特性(如细胞膜的机械特性)。

图13说明了CTC检测仪新颖的飞行时间的检测方法，利用了时钟信号发生器和信号检测探头，利用已记录的特定时钟信号，检测到的信号(被检测器件检测到的信号)，经过锁相放大器处理的增强的信号增强被测信号。

图14展示了用CTC检测仪进行飞行时间检测的另一种设置，使用了时钟信号发生器，探测信号发生器，信号探测器，和特定的时钟信号，微器件可探测的信号，经过锁相处理技术将信号增强，探测到的反馈信号是时间的函数(反馈信号有时会有延迟)。

图15展示了CTC检测仪另一种新颖的飞行时间检测法，根据生物体各种特性的(如尺寸，重量，形状，电气性能，表面特性)不同，利用微过滤器将生物体分离以供检测。

图16展示了流体输送系统，这是CTC检测仪的预处理部分，它以一定的压力和速度向器件内部推送样品或辅助材料。

图17(b)-17(c)展示了一种新颖器件，它能够在单细胞水平进行蜂窝通信，发出激励信号并接收细胞的反馈信号，这种信号可以是与电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，机电学，电化学，电化学机械，生物化学，生物力学，生物机电，生物电化学，生物电化学机械，物理或力学性能有关的信号。图17(a)展示了信号在单细胞水平的反应和处理。

图18是CTC的检测仪的系统框图，包括各种功能模块。

图19展示了一个能够沟通，捕捉，整理，分析，处理，或修改和测量DNA各种属性的仪器。

图20展示了本发明涉及的检测仪，它能够检测生物样品的表面电荷并根据电荷的不同通过一个狭缝将生物样品分离。

图21展示了本发明涉及的另一种带有多个光学传感器并能够检测光学特性的检测仪。

图22展示了本发明涉及的另一种检测仪，它能够根据生物样品的几何尺寸进行区分，并分别检测其特性。

图23展示了能够检测生物样品声学特性的检测仪。

图24展示了能够检测生物体内部压力的检测仪。

图25展示了在探针之前，通道的底部和顶部带有凹坑(底纹)的检测仪。

图26展示了带有和图25形状不同的凹坑的检测仪。

图27展示了具有阶梯通道结构的检测仪。

图28展示了本发明涉及的检测仪带有一套热学仪表。

图29展示了本专利涉及的检测仪包括管道内含有DNA的碳纳米管。

图30展示了集成电了检测器件和光学传感器检测仪。

图31展示了集成了检测器件和逻辑电路的检测仪。

图32展示了集成了检测器件和过滤器的检测仪。

图33展示了本发明涉及的微器件是如何用于检测DNA几何参数的。

图34展示了微器件的制造工艺，通过覆盖沟槽的顶部来实现通道。

图35展示了使用本发明的检测仪利用生物样品检测疾病的示意图。

图36展示了样品过滤单元。

图37展示了另一种样品过滤单元。

图38是本发明的检测仪的预处理单元示意图。

图39是本发明涉及的检测仪信息处理单元示意图。

图40展示了多个信号的叠加消除了噪声增大了信噪比。

具体实施方式

本发明的一个方面，涉及到在生物体内或体外的(例如，在一定程度上指人类器官，组织或细)CTC检测仪。每个装置包括生物流体传送系统，前处理单元，充能装置，探测和检测设备，以及释放单元。该仪器能够测量生物样品的微观特性。样品传输系统通过持续加压，将微观层面的生物样品输运到检测仪的预处理单元或诊断器件。与传统的检测仪或技术相比，本发明所提供的检测仪检测灵敏度高，特异性好，功能多，速度快，成本低，体积小。该仪器可以进一步包括生物界面，探测控制和数据分析电路，废弃物回收或处理系统。可以向检测仪增加微器件(例如第二检测器件)以增强检测能力。

作为检测仪的关键组件，微器件至少包括对来自探头的信息进行处理，控制，施压，接收，放大，分析，修改，纠正，决策，或存储的功能，这就需要一个中央处理器，它包括控制电路，寻址单元，放大电路(如锁相放大器)，逻辑处理电路，记忆单元，应用程序特定的芯片，信号发射器，信号接收器，传感器，生物样品回收和再处理单元，微机电设备，多功能设备，或具有手术，药物输送，清洗，或医疗功能微型仪器。

在某些实施例中，流体推送系统包括压力发生器，压力调节阀，节流阀，压力表以及其他配套部件。其中压力发生器包括活塞系统和压缩气体储存容器；压力调节阀(可以包括多个阀)可以上调或下调所需压力值；根据压力表反馈的节流阀的压力值调整压力至目标值。

用于传输的生物流体可以是用于疾病检测的生物样品也可以是其他物质。在某些实施例中，用于传输的可以是液体样品(如血液，尿液，唾液，泪液，汗液，或淋巴液)。压力调解器可以用一个或多个，用于上调或下调压力至特定值，特别当实例压力太大或大小时，压力调解器会将压力调整到可接受的水平。

在某些实施例中，系统控制器，包括一个前置放大器，锁相放大器，电表，热表，开关矩阵，系统总线，非易失性存储器，随机存取器，处理器，和用户界面。用户界面可以包括传感器，它可以是一个光学传感器，电压表，电流表，电传感器，pH计，硬度测量传感器，温度传感器，流量计，压电表，或其他类型传感器。

在某些实施例中，本发明的装置还包括生物界面，系统控制器，废弃物回收或处理系统。废弃物回收或处理，可以在同一系统或两个不同系统中进行。

本发明涉及一种能够和细胞相互作用的仪器，包括向细胞发送信号并接收细胞反馈信号的微器件。

在某些实施例中，和细胞的相互作用包括按照特定的信号进行探测，检测，分拣，通信，处理，或修改，这些特定信号可以是电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，机电学，电化学，电化学机械，生物化学，生物力学，生物机电，生物电化学，生物电化学机械，物理或机械信号，或多者兼而有之。

在某些实施例中，检测仪内的器件可以有多种表面涂层，这个涂层由一种或多种元素或化合物组成，并且有一个控制系统来控制元素的释放。在某些实施例中，控制系统可以借助某种可控的能量通过器件的表面释放元素，这种能量包括但不仅限于热能，光能，声能，电能，电磁能量，磁场能量，辐射能量，化学能或机械能。

在某些实施例中，检测仪内的器件包括一种向细胞表面或内部释放元素或化合物的部件，还包括另一种控制元素或化合物释放的部件(例如，控制元素释放的一块电路)。这些元素可以是生物成分，化学化合物，离子，催化剂，钙Ca,碳C,氯Cl,钴Co,铜Cu,氢H,碘I,铁Fe,镁Mg,锰Mn,氮N,氧O,磷P,氟F,钾K,钠Na,硫S,锌Zn及它们的化学物。信号可以是脉冲式的也可以是恒定的，可以通过释放元素或化合物携带，也可以通过液体溶液，气体或两者结合携带。信号的频率范围是1x10-4Hz到100MHz或1x10-4Hz到10Hz，或在浓度约1.0nmol/L到10.0mmol/L的范围内振荡。此外，在特定的振荡频率下该信号包括生物成分的振荡，化学成分的振荡，如钙，碳，氯，钴，铜，氢，碘，铁，镁，锰，氮，氧，磷，铁，钾，钠，硫，锌，或它们的化合物。

在某些实施例中，发送给细胞的信号可以是振荡元素，化合物或生物成分的振荡强度，细胞对该信号的反馈可以是振荡元素，化合物，或生物成分的振荡强度。

在一些实施例中，器件可覆盖一层生物薄膜，例如，可以增强器件与细胞间的兼容性。

在一些实施例中，器件可包括如下功能的部件：产生发送至细胞的信号，接收来自细胞的响应，对信号响应做出分析，并连接器件与细胞(包括器件与细胞之间的通信)，并在某些方面修改或校正细胞。

本发明的另一方面提供的器件，每个都包括微型过滤器，开关，细胞计数器，选择器，微型手术部件，计时器以及数据处理电路。微型过滤器可以通过以下特性区分异常细胞：物理性质(如细胞大小，形状或速度)、力学性质、电学性质，磁学性质，电磁学性质，热学性质(如温度)，光学性质，辐射特性，声学性质，生物学性质，化学性质，电化学性质，生物化学性质，生物物理学性质，流体性质，生物电化学性质，生物电力学性质或电力学性质。此外信息(如过滤器压力、过滤器中的流速、粘度、温度变化及过滤器粘附性)可以通过待测生物样本与过滤器间相互作用，以动态或静态信息的形式取得。每个器件还另外包括一个或多个微型过滤器，每个微型过滤器可与两个细胞计数器整合起来，一个安装在过滤池的入口处，而另一个安装在过滤池的出口处。过滤池的形状是矩形，椭圆形，圆形，或多边形。微型过滤器的大小范围约为0.1微米至500微米，或约为5微米至200微米。此处使用的术语“大小”指的是过滤器开口的物理或特征尺寸，例如长度、宽度或高度。过滤器可涂覆一层生物薄膜或生物兼容性薄膜，以增强器件与细胞间的兼容性。

除了通过生物样本本身的尺寸与物理特性区分外，过滤器还包括附加的特性与功能，通过其他特性完成生物样本分离。这些特性与功能包括力学，电学，磁学，电磁学，热学(如温度)，光学，辐射，声学，生物学，化学，电化学，生物化学，生物电化学，生物电力学以及电力学性质。

在这些器件的实施例中，开关夹在两层过滤膜之间，可通过计时器控制。计时器可由细胞计数器触发。例如，当细胞通过过滤器入口的计数器时，时钟触发开关复位至默认位置，并以预设的速度朝细胞方向运动，当细胞通过出口处的计数器时，计时器记录下时间。

本发明另一方面提供了具有微型槽、微型槽侧壁植入微型探针的微型器件的制造方法。微型槽是一个未封口的通道(如图2(i),2030)，可与另一个倒立的对称槽(如图2(k),2031)配对，形成封闭通道(如图2(1),2020)。本发明也可形成通道阵列。该方法包括化学气相淀积，物理气相淀积或原子层淀积，在衬底上淀积形成多种材料；通过包括光刻、刻蚀和化学机械抛光在内的方法将淀积的材料层图形化，形成所需特性(如沟槽)；通过化学机械平坦化工艺实现表面平坦化；通过化学清洗去除颗粒；通过扩散或离子注入实现特定层的元素掺杂；通过热退火去除晶格缺陷并激活扩散离子。该方法的一个实例包括：在衬底上淀积第一层材料，在第一层材料上淀积第二层材料并通过微电子工艺(如光刻，刻蚀)对第二层材料图形化以形成探测端；在第二层材料上淀积第三层材料，并通过抛光工艺平坦化第三层材料；淀积第四层材料至第三层材料上，并通过微电子工艺(如光刻，刻蚀)图形化第四层材料，随后通过微电子工艺(如另一次刻蚀)去除部分第三层材料与部分第一层材料，该步刻蚀对第二层材料具有选择性(对第二层材料的刻蚀率低)，其中，第四层材料用作硬掩膜。硬掩膜通常指半导体刻蚀工艺中代替聚合物或其他“软”材料的掩膜材料(如无机介电化合物或金属化合物)。探针具有沿着槽方向的尖端，尖端在空间上与DNA的大沟和小沟相匹配。例如，尖端在空间上与DNA间隔的沟匹配，沟的间距是可变的。槽末端的探针尖端与每一串DNA螺旋的末端匹配。探针尖端的直径范围约为1埃到10微米。

一些实施例中，该方法进一步包括两个相同工艺制造且对称的器件的耦合(如翻转镜)，与通道形成探测器件。每个通道的入口都可选择性的形成钟状开口，由此使通道的开口端(入口)大于通道体的尺寸，由此便于细胞进入通道。每个通道的界面可以是矩形，椭圆形，圆形或多边形的。耦合的两个微型器件微型槽的对准，可通过设计在微型器件版图中的对准标记实现对准。微型槽的尺寸范围约为0.1微米至500微米。微型槽的宽度范围约为0.5至200微米(如从约0.5纳米至50微米)。微型槽的深度范围约为0.5纳米至200微米(如从约0.5纳米至50微米)。微型槽的昌微猚约为1纳米至10毫米。通道不同部分的形状和尺寸可以相同或不同。

该方法进一步包括了用平板覆盖微型器件的微型槽。平板可包括硅，二氧化硅，氧化铝，石英，低光损耗玻璃，或由以上材料制造。另外一些潜在适用的光学材料包括丙烯酸酯聚合物，银铟锑碲，合成宝石，硒化砷，三氧化二砷，氟化钡，烯丙基二甘醇酸脂(CR-39)，硒化镉，铯氯化镉，方解石，钙氟化物，硫化玻璃，磷化镓，锗锑碲，锗，二氧化锗，氢倍半硅氧烷，冰岛晶石，液晶，氟化锂，lumicera材料，METATOY材料，氟硅酸镁，氧化镁，负折射率超材料，中子超反射镜，荧光粉，picarin材料，聚合物(甲基丙烯酸甲酯)，聚碳酸酯，溴化钾，蓝宝石，暗光磷光体，spectralon材料，精炼金属，开口环谐振器，氟化锶，钇铝石榴石，氟化钇锂，钒酸钇，ZBLAN材料，硒化锌，和硫化锌。

另一些实施例中，该方法进一步包括整合三个或更多相同工艺制造的微型器件以形成具有通道阵列的加强的器件。

本发明的另一个方面与一套全新的工艺流程相关。该工艺流程用于制造微型器件(包括微型探针和微型凹口探针)，通过测量生物样本的微观特性，应用于循环肿瘤细胞(CTC)检测。微型器件可整合于本发明中的循环肿瘤细胞检测仪中，测量一种过多种微观特性。例如，癌细胞相比于正常细胞可能具有不同的硬度(更硬)，密度(更致密)或弹性。

本发明的另一方面是发明中披露的微型器件产生的信号涉及细胞通信和调节细胞决定或反应(如分化，去分化，细胞分裂和细胞凋亡)。这可以进一步用于检测和治疗疾病。

为进一步加强测量能力，多个器件可以整合到采用飞行时间技术的检测仪中。检测仪包括至少一个微型探测器件和微型传感器件，两者间距是预设并已知的。微型探测器件向生物样本施加一个的信号(如电压，电荷，电场，激光束，热脉冲，离子束或声波)，微型探测(传感)器件能在生物样本运动了所需时间和已知距离后，测量来自生物样本的响应。例如，微型探测器件向细胞施加一个电荷，微型探测(传感)器件在细胞经过特定的时间(T)，运动了一定距离(L)后测量其表面电荷。

本发明检测仪中包括的微型器件由于其特性的多样性，高度的灵活性，整合与小型化的能力及制造的扩展性，因而具有多种不同设计、结构、功能、灵活性与应用。微型器件包括如电压比较器，四探针，运算器，逻辑电路，存储单元，微型切割器，微型锤，微型盾，微型染料，微型针，微型刀，微针，微线器，微型镊子，微激光器，显微光吸收器，微镜，微型车，微过滤器，微斩波器，微粉碎机，微泵，微吸收器，微信号探测器，微型钻，微吸盘，微型测试器，微型容器，信号发射器，信号发生器，摩擦传感器，电荷传感器，温度传感器，硬度仪，声波发生器，光学波发生器，热发生器，微型冷冻机和电荷发生器。

另外值得注意的是先进的制造技术已经能够制造广泛的微型器件，并集成多种功能于同一个微型器件，且制造方便可行，价格可取。人体细胞的典型尺寸时10微米。采用最先进的集成电路制造技术，微型器件的最小特征尺寸小至0.1微米或更小。因此，将所披露的微型器件用于生物应用是很理想的。

就微型器件的材料而言，一般的原则或考量是材料与生物体的相容性。因为微型器件与生物样本相接触的时间可能会发生变化，并取决于其应用，不同的材料或其组合可用于微型器件的制造。在一些特殊情况下，这些材料可以在给定的PH值下受控溶解，因此可选为合适的材料。其他的考量包括成本，简易性和实用性。随着微加工技术如集成电路制造技术的重大进展，最小特征尺寸小至0.1微米的高度集成的器件，现在可成本有效并商业化地制造。一个很好的例子是与微机电系统(MEMS)的设计制造，目前被广泛用于电子工业中及以外

以下列出的是本发明的疾病检测仪的一些图例或说明，包含一类集成于本发明中疾病检测仪中的新型微器件及其制造工艺。

图1是本发明中循环肿瘤细胞(CTC)检测仪111的透视图，生物样本211诸如血液样本置于其中或通过该检测仪而完成测试。在该图中，疾病检测仪111的一个实例是圆柱形式，生物样本211在其中流过(从图的左端流向右端)，完成一种或多种微观性质的测试。

为提高检测速度，加强检测灵敏度，大量的微型器件可集成于本发明的一个单独的检测仪中，如图1(b)和图1(c)中检测仪中分布有一些微型器件，可以测量生物样本中大量的所需对象(如细胞)。为实现以上要求，检测仪须通过优化将其其表面积最大化，使集成其中的大量微型器件接触生物样本。

图2(a)是本发明中集成多个典型微型器件311的循环肿瘤细胞(CTC)检测仪122的透视截面图。生物样本如血液211置于其中，或在其中通过，完成一种或多种微观性质的测试，例如电学性质(如表面电荷，表面电势，电流，阻抗或其他电学性质)，磁学性质，电磁学性质，力学性质(如密度，硬度，剪切强度，拉伸强度，断裂应力，粘附性)，生物特性，化学性质(如PH值或电离强度)，生物化学性质，热学性质(如温度)，光学性质及辐射性质。

多种微型器件可集成到检测仪中以检测多种性质，而非检测生物体的单个性质以诊断生物样本中的循环肿瘤细胞(CTC)。图3是本发明中的循环肿瘤细胞(CTC)检测仪133的不同检测探针的多个微型器件311,312,313,314和315的透视截面图。生物样本如血液211置于其中，或在其中通过，完成一种或多种微观性质的测试，例如电学性质(如表面电荷，表面电势，电流，阻抗或其他电学性质)，磁学性质，电磁学性质，力学性质(如密度，硬度，剪切强度，拉伸强度，断裂应力，粘附性)，生物特性，化学性质(如PH值或电离强度)，生物化学性质，热学性质(如温度)，光学性质及辐射性质。

图2(b)-2(n)展示了本发明中用于捕获，分类，探测，测量和修饰生物样本(如独立细胞)的微型器件的制造方法。首先，材料2002(如非导电材料)和另一种材料2003(如导电材料)依次淀积至衬底2001(见图2(b)和2(c))上。第一种材料2003随后依次通过光刻和刻蚀工艺(见图2(d))进行图形化。另一种材料2004随后完成淀积(如图2(e)所示)与平坦化(如图2(f)所示)。另一层材料2005完成淀积(如图2(g)所示)与图形化，并用作硬掩膜(如图2(h)所示)，之后进行刻蚀(如图2(j)所示)，刻蚀截止于衬底2001.图2(I)是器件透视图而图2(j)是该器件的垂直视图。

如图2(k)所示，器件2080和镜像或对称器件2081可耦合在一起(如图2(l)所示)。由此，带有通道，且通道内壁嵌入探针的检测仪就制造出来了。

如图2(m)和2(n)所示，大量的微型检测器件可集成在一起，以提高检测效率。

如此处所示，优化检测仪设计以最大化测量表面积是有需要的，因为表面积越大，就可以在检测仪上放置更多的微型器件以同时测量样本，从而提高检测速度，同时最小化检测所需样本量。图4是本发明中的疾病检测仪144的透视图，它包括了由狭窄间距分隔的两个板，待测样本如血液样本置于两板间，多个微型器件置于两板内表面以测量样本的一种或多种微观性质。

本发明的另一方面涉及制造检测循环肿瘤细胞(CTC)微型器件的全新工艺流程。图5展示了使用微电子技术和工艺制造检测循环肿瘤细胞(CTC)检测仪的全新工艺流程。首先，材料412淀积至衬底411(图5(a))上，随后通过光刻和刻蚀工艺(图5(b))图形化。接着淀积材料413，并通过化学机械抛光工艺实现平坦化(图5(d))。通过光刻与刻蚀工艺，在材料413中形成凹陷区域，以孔的形式存在，如图5(e)所示。接着淀积材料414(图5(f))。在材料413表面以上部分的材料414由化学机械抛光(图5(g))去除，并接着淀积材料415。材料415随后通过光刻和刻蚀工艺(图5(i))图形化。材料414随后完成淀积，414在衬底415以上的凹陷部分通过化学机械抛光工艺去除(图5(j)和图5(k))。最终，对材料415进行轻微刻蚀或化学机械抛光，使材料415凹陷，并对414(图5(l))具有选择性，并导致材料414轻微突出。材料412可以是压电材料。当在正确的方向上加上电压，它会膨胀并拉升，导致材料414尖端的向上运动。由此通过以上的全新工艺流程，制造了具有两个探针，能够测量生物样本的一些性质(包括力学和电学性质)的微型器件。

该应用中集成了微型器件的检测仪器能够完全地检测单个细胞的预设性质。图6是本发明中披露的全新的工艺流程微型器件555的透视图(例如以上图5展示的全新工艺流程)，并展示了该器件如何能够探测单个细胞666并测量细胞以收集所需参数。图6(a)是带有一对微型探针531和520的微型器件555的透视截面图，其中探针531呈现为尖端形式，而探针520呈现为环状。探针531和520可以是导电的，可用作一对探针测量生物样本的电学性质。微型探针531与基底518相接触，518可以是压电材料。当给基底压电材料518加电压，基底518膨胀，并向上推动微型探针531，这对测量生物样本如单个细胞的多种性质会有用。图6(b)中，微型器件555使用检测尖端531穿透细胞膜，进入细胞内部空间622，而探测环520与细胞膜外表面接触，由此测量单个细胞666。通过该方法，微型器件555可以对细胞作多种测量，包括电学性质(如电势，穿过细胞膜的电流，细胞膜表面电荷或阻抗)，力学性质(如硬度，当探针531设计成微压痕探针)，热学性质(如温度)，物理性质和化学性质(如PH值)。

另一深层方面，部分发明提供了微型器件的设计，集成，与制造流程。微型器件能够在复杂的环境、相对高背景噪声的条件下，对生物系统中信号非常微弱的循环肿瘤细胞的检测进行高灵敏度的高级测试。使用本发明披露的此类微型器件进行的循环肿瘤细胞检测包括但不限于动态测量，实时测量(如飞行时间法测量，结合探测信号与响应信号)，使用锁相放大技术减少背景噪声，使用四探针技术测量极微弱信号，及使用全新的新型探针测量生物样本在单个细胞(如端粒DNA或染色体)的多种电子学，电磁学和磁学性质。

例如，用飞行时间法获得生物样本(如细胞)的动态信息，第一微型器件首先用来向待测生物样本发送信号进行干扰。随后第二微型器件用来准确测量来自生物样本的响应。在一个实例中，第一微型器件和第二微型器件以所需距离或预设距离L相距放置，生物样本从第一微型器件流向第二微型器件。当生物样本通过第一微型器件，第一微型器件发出信号并送至生物样本，第二微型器件探测生物样本上响应或保留的干扰信号。根据两个微型器件的间距，时间间隔，第一微型器件信号扰动的特性以及所测量到的生物样本的变化，该样本的微观性质和动态性质即可获得。在另一个实例中，第一微型器件通过施加信号(如电荷)探测生物样本，此后来自生物样本的响应作为时间的函数由第二微型器件测得。由微型器件施加到生物样本的电压范围约为0.1毫伏到10伏，或从1毫伏到1.0伏。

为进一步增强检测灵敏度，将使用全新的疾病检测流程，其中使用到飞行时间技术。图7是检测仪155透视截面图。检测仪155包括微型器件321和331，两者以所需距离700间隔用以飞行时间检测，以增强的测试灵敏度，特异性，和速度获得生物样本211(如细胞)的动态信息。在该测量中，生物样本211的一种或多种性质在其通过第一微型器件321时测量到。相同的性质会在生物样本211运动了距离700，通过第二微型器件331时再测一次。生物样本211在微型器件321和331出测量到的差异说明了在这期间它与周围环境(如特殊的生物环境)的相互作用。这也揭示了生物样本的性质随时间的演变。另外，如图7所示的排布，微型器件321可以首先应用作为探针，当样品211通过微型器件321时，将探测信号(如电荷)加至样品211。随后，对样品的探测信号的响应可以通过微器件331在其通过器件时检测到(如电荷在该过程中的变化)。对生物样品的211的测量可以通过接触或非接触方式进行。在一个实例中，微型器件的阵列可以所需的间距排布，测量生物样本一段时间内的性质。

微器件的利用(例如，通过使用本发明的制造工艺流程制造)正如上面所讨论的，在图7在检测生物样本(单个生物样本，如细胞)一组新的、现有技术未考虑到的微观性质时会有帮助。这些微观性质可以是生物样品的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，电力学，电化学，电化学力学，生物化学，生物力学，生物电力学，生物电化学，生物电化学力学，物理学，或力学性质。众所周知，生物物质包括从基本的键如OH，CO 和CH键到复杂的三围结构。其中的一些在其电子结构方面有自己独特的标识，其中一些还具有独特的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，电力学，电化学，电化学力学，生物化学，生物力学，生物电力学，生物电化学，生物电化学力学，物理学，或力学性质与结构。正常生物样本和病变的生物样本携带基于上述性质的不同的标识。然而，上述的参数或性质没有被用作循环肿瘤细胞常规检测的性质。使用本发明中的带有一种或多种微型器件的循环肿瘤细胞检测仪，上述参数可作为检测的有用信号被检测、测量及利用到，尤其是在癌症的早期。

图8是全新设计和配置的微型探针341,342，343,344,345,346和347透视图。这些探针可用来探测生物样本212,213,214和215(均为细胞)的多种电学，磁学或电磁学状态，配置或其他微观性质。例如，就测量的电学性质而言，图8中生物样本212,213,214和215的形状可代表单极子(样品212)，偶极子(样品213和214)，四极子(样品215)。微型器件341，342，343，344，345，346和347经优化后，将所述参数的灵敏度最大化。这些参数包括但不限于电子态，电荷，电子云分布，电场，磁学和电磁学性质。微型器件可设计与排布为三维结构。对癌症疾病而言，正常样本和癌症样本的电子态和对应的电学性质很可能有差异。因此，通过测量微观水平包括细胞水平的电学，磁学，电磁学性质，循环肿瘤细胞的检测灵敏度与特异性将得到提高。

除了上述测量电学性质(如电荷，电子态，电子电荷，电子云分布，电场，电流，电势和阻抗)的例子外，单个细胞的力学性质(如硬度，密度，剪切强度和断裂强度)和化学性质(如pH值)，在图8中测量生物样本水平的电学，磁学或电磁态或配置外，本应用披露的其余微型器件用于敏感的电学测量。

图9是探测生物样本如细胞的微弱电学信号的四探针的透视图，其中四探针348设计为测量生物样本216的电学性质(阻抗，电容及微弱电流)。

本发明的一个关键方面是微型器件的设计与制造流程，以及使用微型器件捕捉或测量生物样本在微观水平和三维空间中的特性。微型器件中的微型探针以三维的排布，特征尺寸小至细胞水平，能够捕获，分类，探测，测量，检测，技术，通信或对生物样本进行修饰。这些微型器件可以采用的最先进的微电子加工技术来制造，如集成电路制造技术。可使用薄膜淀积技术，如分子束外延(MBE)和原子层沉积(ALD)，膜的厚度可薄至几个单原子层(如4埃到10埃)。此外，用电子束和X射线光刻技术，纳米级的器件特征尺寸可以实现，使得微器件捕获，探测，测量，和修饰生物样本(如单个细胞)成为可能。、

图10展示了本发明中能够捕获，分类，探测，测量和修饰生物样本(如单个细胞，DNA或RNA分子)的检测仪或微型器件的制作工艺流程。在该流程中，使用了微电子工艺制造能够实现上述独特功能的微型器件。具体而言，第一种材料712(通常为导电材料)首先淀积至衬底711(图10(a)和图10(b))。第一种材料712随后通过光刻和刻蚀工艺(图10(c))完成图形化。第二种材料713随后完成淀积并通过化学机械抛光工艺实现平坦化，并去除材料712上多余的材料713(如图10(e)所示)。另一层材料714完成淀积与图形化，接着淀积并平坦化另一层材料712(图10(f))。随后，第三种材料715完成淀积并通过光刻与刻蚀工艺实现图形化(图10(g)和图10(h))，接着淀积第四种材料716并平坦化。材料716通常为牺牲层材料。选择性地重复材料712或材料715的淀积与图形化工艺流程，淀积材料716并通过化学机械抛光工艺平坦化(图10(k)-(m))，形成具有多层的薄膜堆栈，其中至少具有多个层交替的材料712(如导电材料)和材料715(如绝缘材料)形成器件的一部分。最终，材料层771和772之间的材料716通过湿法刻蚀，干法刻蚀(取决于光刻工艺)或气相刻蚀去除，并对其他材料具有选择性(图10(n))。如图10(o)所示，当材料712是导电材料并连至电路或电源(如电荷源)，由材料堆栈上的材料712形成的每个探针尖端在表面(如781和782)带有一个电荷或电场，每个探针尖端能够选择性的带有一个正电荷或一个负电荷，或者正电场或负电场。相反，这写探针尖端能够感应待测生物样本的多种性质(如电子云，电场，电荷，当尖端是热探测器时能够感应温度，当尖端是光学探测器时能够探测光发射)。使用电路或电源，电荷分布或电场的多种组合可置于微型器件中，如图10(o)和图10(p)所示，器件可以用于分选和捕获多种生物样本如细胞和DNA分子。例如，在图10(p)中的生物样本带有相反的电荷分布，可被微型器件捕获。具有多种电荷分布和电场分布的微型器件阵列可用作分选器件，快速捕获对应的生物样本。图10(ql)和图10(q2)说明了使用微型器件捕获DNA分子或测量DNA分子的多种性质(如电学，热学或光学性质)。器件中每个探测尖端在空间上与DNA螺旋的大沟或小沟相匹配。图10(r)说明了探测尖端如何连接至电路，其中只显示了连线。值得注意的是在该例子中的微型器件可集成至单个芯片中，与数以亿计的该类微型器件一起高速捕获或分选细胞，DNA,RNA，蛋白质和其他生物样本。

本发明的另一方面涉及微缩探针和微型探针测量生物样本的一系列的物理性质(如力学性质)，力学性质包括强度，硬度，拉伸强度，断裂应力，和其他与细胞膜相关的性质。这些性质被认为是疾病诊断的重要组成部分。

图11展示了制造检测生物样本一系列性质，如细胞膜的力学性质(如细胞膜的力学强度)的微型器件的全新制造流程。该流程中，材料812首先淀积至衬底811上，接着淀积另一种材料813(图11(a))，并通过光刻和刻蚀工艺图形化材料813，接着淀积材料814(图11(b))并平坦化(图11(c))另一层材料813随后完成淀积，并通过光刻和刻蚀工艺去除部分的材料813，接着淀积材料815(可以是压电材料)并平坦化(图11(d))。接着淀积一层813，随后再淀积另一层813并图形化，然后淀积材料816并平坦化(图11(e))。随后，材料816被回蚀以减小厚度，并图形化，接着是对三层材料813结构的图形化(图11(f))。淀积另一层材料814(图11(g))并且通过化学机械抛光以平坦化(图11(h))和图形化(图11(i))。最终，多层的材料813通过湿法刻蚀或气相刻蚀去除(图11(j))，图11(k)是微型器件垂直于图11(j)(从图11(j)旋转90)的截面透视图。图11(l)说明了带有两个微型尖端871和872的微型器件能够在压电驱动器881和882加电驱动下向相反的方向运动，并可以用于探测生物样本如细胞。

图12说明了使用图11所示的全新工艺制造的微型器件是如何工作的。图12中，微型器件850带有两个微型探针866和855，并在加力后在两个相反的方向运动(图12(a))。当两个探针的尖端穿过细胞870时，由于探针尖端的间距受力后增加，细胞被扩张。最终，施加的力达到临界值，细胞碎成两块(图12(b))。细胞对所加的力的动态响应提供了细胞的信息，特别是细胞膜的力学性质(如弹性)。细胞受力被撕开的临界点反应了细胞的强度，可成为破裂点。细胞膜的力学强度越大，临界点所需的力越大。

本发明中另一个全新的方法是使用锁相放大技术进行循环肿瘤细胞(CTC)的检测，这将减少背景噪声，有效增加信噪比。通常，在此类测试中，使用周期信号探测生物样本，与周期信号同频率的相干的响应信号将被检测到并放大，与周期信号频率不相干的其他信号将被滤除，从而有效减少背景噪声。本发明的一个实例中，微型探测器件能够想生物样本发出周期性探测信号(如脉冲激光束，脉冲热波或交变电场)，来自生物样本的响应信号由微型检测器件检测到。锁相放大技术可用于过滤掉无用的噪声，增强与探测信号同步的响应信号。以下两个例子说明了飞行时间检测与锁相检测技术结合的新颖的特征，以加强微弱信号，提高对循环肿瘤细胞(CTC)的检测的灵敏度。

图13是一个全新的用于循环肿瘤细胞检测排列的飞行时间的示意图。特别地，图13(a)说明了利用检测探针933和时钟发生器922测量生物体的组织，图13(b)包含因结构922而产生的记录信号921，被信号探针933记录的信号931，利用锁相技术处理信号941过滤掉记录信号931中的噪音，在记录信号中只有与时钟信号921同步的响应被保留。在如图13(a)所示的组织中，当生物体例如细胞911穿过结构922时，它触发一个清晰的信号(例如当922是一个光源时的一个光散射信号，或当922是晶体管里的一个孔结构时的一个急剧增加的电压)。因此，922可以用于记录生物体的出现，并且当922的多个结构以周期性的间距如图13(b)所示记录信号的踪迹放921置时作为一个时钟。另外，当922以已知的间距放放置在探针933之前时，它标记接近933的生物体的出现并且933记录的信号响应从被922触发的信号起延迟一段时间t，t等于922和933之间的距离除以生物体的移动速度。如图13(b)所示，因结构922而产生的信号921是清晰的并且和结构922s的间距成周期线性关系，与此同时探针933测量的信号具有高的噪音水平和相对弱的与生物体相关的信号。利用锁相技术通过检测探针933过滤记录信号931中与时钟信号921不同步的噪音，如图13(b)所示在处理信号941中信噪比可以极大的提高。

图14说明了另一个循环肿瘤细胞检测排列的飞行时间，在排列中，除了图示的记录时钟信号921，总录响应信号951(除了时钟信号)，和采用锁相技术的处理信号952外，还使用了时钟信号发生器922，探测信号发生器944和信号检测探针955。在此排列中，探测信号发生器944被用于扰动生物体911(例如利用光束加热911或给911加电荷)，并利用检测探针阵列955，探测信号的响应随后被作为时间的函数测量。在952中的过滤信号当它随着时间的衰减通过944显示出对探测信号的动态响应。由于正常细胞和异常细胞对探测信号的响应不同，这个带有适当的微型探针的排列可以被用于检测癌症。在另一个利用本文所创建的实施例中(如图14所示)，探测信号发生器944可以给生物体911发送一个周期信号，通过检测探针955检测到的生物体响应信号可以利用锁相技术处理，同时过滤掉与探针信号频率不同步的噪音和放大与探针信号频率同步的信号。

图15是一个新颖的多功能微型过滤器的透视图。计时遮光器1502夹在两片带井的过滤膜1501之间。当生物体1511沿井的路径穿过时，首先被计数器1512检测到，进而触发挡板1502的时钟。随后较大的细胞被过滤器的孔(不在图中)过滤，或阻挡，只有具有足够大速度的特定的生物体可以在计时遮光器1502关闭过滤器通路(见图15(b))之前穿过通路1503。否则如图15(c)所示当计时遮光器1502移动到阻塞通路后生物体将被阻挡。

图16说明了一个包含压力发生器，压力调节器，节流阀，压力计，及分配装备的流体输运系统。压力发生器1605以一定的压力维持流体，压力通过调节器1601进一步的调节进而通过节流阀1602精确地控制。同时，压力被实时监控并通过压力计1603反馈给节流阀1602。调节后的流体随后并行传导给多个器件，在那儿所需恒压驱动流体样品。

图17说明了本发明的循环肿瘤细胞检测仪的微器件是怎样在微观水平通信，探测，检测，和选择性的治疗及修饰生物体。图17(a)说明了决定细胞命运的信号识别活动的顺序。首先，当信号1701被细胞表面的受体1702检测到时，细胞将信号集成和编码成生物学可理解的信息，例如钙振荡1703。因此，细胞中对应的蛋白质1704与信息相互作用，然后蛋白质被修饰转相应地转换成离子相互作用的蛋白质1705。通过迁移，这些被修饰的蛋白质1705将携带的信息传送给细胞核的蛋白质，并且，对细胞核蛋白质可控的修饰将调节基因1707的表达，包括转录，翻译，表观遗传过程，和染色质修饰。通过信使RNA1709，信息轮流通过特定的蛋白质1710，从而改变他们的浓度，浓度决定或调节细胞的判定或活动，例如分化，分配，或甚至死亡。

图17(b)说明了本发明的一个可通过接触或非接触的方式检测，通信，处理，修饰，或探测单个细胞的仪器。仪器安装了可通过控制电路1720寻址和调制的微型探针和微型注射器。每一个单独的微型注射器由单独的微型设备筒提供，微型设备筒携带所需的化学品或混合物。

为了说明本发明的仪器是怎样用于模拟细胞内的信号，钙振荡被作为机理的一个例子。首先，钙离子的活性释放通道(CRAC)以最大程度打开，这可以通过不同的方法实现。在一个可适用的方法的例子中，存储在设备筒1724里的生化材料(例如杜胡萝卜素)通过注射器1725释放给细胞，进而CRAC在生物体刺激物的作用下打开。在另一个可适用的方法的例子中，注射器1724向细胞膜施加一定的电压，进而也导致CRAC的打开。

由于它是一个含钙离子的溶液1726和不含钙离子溶液1727的理想组合，注射器1728中溶液的钙离子浓度可以调节。当注射器1730包含不含钙离子溶液时，注射器1728和1730以一定的频率交替开或关。这样，就获得了钙离子振荡，并且细胞膜内部的成分暴露于钙离子振荡。因此，细胞的活动或命运可通过调节由仪器产生的信号来控制。

同时，细胞的响应(例如以电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学或机械学性质的形式)可以通过集成在仪器中的探针监控和记录。

图17(c)说明了可建立与单个细胞通信的仪器的另一种设计。仪器装备了覆盖有生物兼容性的混合物或元素例如碳，氯，钴，铜，氢，碘，铁，镁，锰，氮，氧，磷，氟，钾，钠，硫，或锌的微型探针。利用这样的一个与细胞相互作用的元素和混合物这些探针可以产生振荡化学信号，并引起影响细胞活动或如上所述最终命运的响应。而且本仪器还可以探测和记录细胞的响应(例如采用电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，机电学，电化学，电化学机械学，生物化学，生物机械学，生物机电学，生物电化学，生物电化学机械学，物理学，或者机械学性质的形式)

图18说明了本发明的循环肿瘤细胞检测仪的系统模块示意图。本例子包括一个流体输运系统1801，生物体接口1802，一个探测和检测器件1803，一个系统控制器1805，一个医疗废物回收和处理系统1804。生物体样品或材料通过流体输运系统传输到接口1802，同时流体参数(或性质)报告给系统控制器1805，系统控制器包括一个逻辑处理单元，一个存储单元，一个专用芯片，一个传感器，一个信号发射器，一个信号接收器；然后系统控制器1805给出进一步的命令给系统。接口1802是一个连接流体样品和检测器的组合，可进一步的监视生物样品的参数或性质(例如压力，温度，粘度，或流速)，并且在以一定速度和压力(可被系统控制器1805控制)将生物样品分配给探测和检测器件1803的同时，将数据报告给系统控制器1805。

系统控制器1805是全系统(或仪器)的中央控制器和显示器,来自不同模块的所有参数和信息在此处理和交换并且在此发出指令，以及在此指挥调度。系统控制器1805包括例如预置放大器，电气仪表，热学仪，开关矩阵，系统总线，非易失性存储器，随机存储器，处理器，和操作使用仪器的用户界面，以及读取操作参数和最终结果。预置放大器可以将初始信号处理成测试仪所识别的信号。测试仪可以施加和测量对应的信号，对应的信号可以是电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，机电学，电化学，电化学机械学，生物化学，生物机械学，生物机电学，生物电化学，生物电化学机械学，物理学，或者机械学信号或以上组合。开关矩阵可以开关不同阵列的探测子仪器的测试终端。用户界面包括输入和输出组合并且是一个将流体输运系统和探测，检测器件封装在一起的组合。

探测和检测器件1803是本发明的循环肿瘤细胞检测仪器的核心功能模块，因为它是探测生物样品和收集相关的细胞信号(或响应)的单元。废物回收和处理系统1804回收废弃的生物样品以保护生物宿主的秘密并防止它污染环境。

图19(b)-(n)说明了制造一种用于诱捕，分类，探测，测量，处理，或修饰生物体(例如一个细胞，DNA或RNA分子)的微器件的工艺流程。第一材料1902(例如压电导电材料)和第二材料1903(例如导电材料)相继淀积到衬底1901上(见图19(b)和19(c))。第二材料1903随后通过光刻和刻蚀工艺(见图19(d))图形化。紧接着淀积(图19(e)所示)和平坦化(图19(f)所示)第三材料1904。随后淀积(图19(g)所示)和平坦化一层第四材料1905作为硬掩膜(见图19(h))，之后通过刻蚀从所需区域去除第三和第一材料，并停在衬底1901上。图19(i)是器件的透视图，图19(j)是相同器件的垂直示意图。

图19(k)说明了一种可以诱捕DNA1920和测量DNA的不同性质(例如电学，磁学，物理学，热学，化学，生物学，生物化学，或光学性质)的微器件的使用方法。每一个探针尖端1912在空间上与双螺旋结构DNA的主要沟槽和次要沟槽相匹配。同时，设置在沟槽末端的两个探针(1911和1910)可以向每股DNA的双螺旋结构的末端施加或测量信号。探针可以由一种可选地带有一种压电支撑结构的电导材料制成，这种压电支撑结构可以向前或向后伸展一定的距离。所有的探针通过控制电路计数，寻址，和控制。

图19(l)说明了一种如图19(k)所示的简单器件。在本器件中，探针尖端在空间上与双螺旋结构DNA界面的沟槽相匹配。相邻探针之间沟槽的间距数值是变化的。如果需要，DNA可以移动(例如，通过探针1910和1911的吸引)或者探针可以沿着通道的方向移动，从而勾画出DNA全部或部分的特性。

图20说明了本发明的一个可以检测或测量生物体2010表面电荷的仪器。它包含一个通道，一对平板2022，和一个狭缝2030，狭缝将通道分割成一个顶部通道2041和一个底部通道2051。当生物体2010携带表面电荷(图20(a)所示正电荷)通过通道时，在施加到平板2022(正电压加在顶部平板，负电压加在底部平板)的电压的作用下，如图20(b)所示它将向底部通道移动。因此，当它到达狭缝2030时，生物体2010将穿过底部通道2051。(如果生物体2010携带负电荷，它将通过顶部通道2041)这样，电荷类型(正电荷或负电荷)不明的生物体可以通过使用本仪器来判定。

本器件包含至少两个部分通道，其中一个装载和修正生物体的通道2060，另一个包含至少一个平板或分离生物体(例如在此生物体被分离)的狭缝。

由于表面电荷会影响生物体的形状，通过使用新颖的多个平板，可以获得生物体的形状和电荷分布信息。微器件的一般原理和设计可以扩展到更宽的范围，因此可以通过采用其他的一些参数例如离子梯度，热梯度，光学束，或其他形的能量来分离使得获得生物体的其他信息成为可能。

图21说明了本发明的另一个利用微器件来探测和测量生物体2110的微观特性的仪器，微器件包括一个通道，一组探针2120，和一组光学传感器2132(见图21(a))。被探针2120检测到的检测信号与信息相关包括被光学传感器2132收集到的以提高检测灵敏度和特异性的图像。光学传感器可以是例如CCD照相机，荧光探测器，CMOS图像传感器，或者以上任意组合。

此外，探针2120可以被设计用于触发光学发射例如在诸如癌细胞的目标生物体中的荧光发射2143，从而可以被图21(c)所示的光学探针2132所检测。特别地，第一次可以用标签溶液处理生物体，标签溶液可以选择性的与癌细胞反应。随后，当与探针2120发生反应(接触或非接触)的时候，癌细胞的光学发射就发生了，并且光学发射可以被光学探测器2132检测到。由于发射触发点直接紧邻光学探针并且触发信号2143可以最小的损耗，就地，实时的被记录，因而采用本发明的微器件的新颖工艺比传统的荧光谱这种方法更灵敏。

图22说明了本发明仪器的另一个实例，可用于分离不同几何尺寸的生物体和检测它们各自的特性。它包括至少一个入口通道2210，一个扰流通道2220，一个加速腔2230，和两个选择通道2240和2250,2220和2210间的角度在0度到180度之间。生物体2201在X方向从2210流向2230.生物兼容性的分配流体2202从2220流向2230。然后流体2202在Y方向对2201进行加速。不过，加速度与生物体的半径有关，半径大的生物体加速度比半径的生物体加速度小。因而，较大和较小半径的生物体被分离到不同的通道。与此同时，探针被选择性的封装到2210,2220,2230,2240和2250的侧墙旁边。它们可以检测微观水平的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理学，或机械学性质。

本发明仪器中的通道的宽度是从1纳米到1毫米。仪器具有至少一个入口通道和至少两个出口通道。

图23说明了一个带有测量生物体2301声学特性的声学探测器2320的仪器。本仪器包含一个通道2310和至少一个超声波发射器及一个沿通道内壁安装的超声波接收器。当生物体2301通过通道2310时，在信息负载在2301之后，从2320发射出的超声波信号将被接收器2330接收。超声波信号的频率可以是例如从2兆赫兹到10吉赫兹，通道的宽度可以是例如从1纳米到1毫米。超声波传感器(即超声波发射器)可以利用压电材料制造(例如石英，块磷铝矿，镓，正磷酸盐，磷化镓，电气石，陶瓷，钡，钛酸盐，钛酸钡，锆酸铅，钛酸盐压电陶瓷，氧化锌，氮化铝，或聚偏二氟乙烯)。

图24是本发明的另一个包含一个生物体2401的压力探测器的仪器。它包括至少一个通道2410和在通道上面的至少一个压电探测器2420。当生物体2401通过通道时，压电探测器2420将探测2401的压力，将信息转换成电信号，并将信号发送给信号器。同样地，仪器中沟槽的宽度可以是从1纳米到1毫米，压电材料可以是石英，块磷铝矿，镓，正磷酸盐，磷化镓，电气石，陶瓷，钡，钛酸盐，钛酸钡，锆酸铅，钛酸盐压电陶瓷，氧化锌，氮化铝，或聚偏二氟乙烯。

图25说明了本发明的另一个仪器，它包括一个位于通道底部或顶部探的针对之间的凹槽2530。当生物体2510通过时，凹槽2530可以根据独特的几何特性选择性的诱捕微生物体并使得探针更有效。凹槽的形状可以设计成矩形，多边形，椭圆形，或圆形。探针检测电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理学，或机械学性质。类似地，沟槽的宽度可以是例如从1纳米到1毫米。图25(a)是本仪器的俯视图，图25(b)是侧视图，图25(c)是透视图。

图26是本发明的另外一个仪器，它包含了在通道底部或顶部的凹槽2630(一个不同于图25所示的形状)。当生物体2610通过时，凹槽2630将产生一个湍流，从而可以根据独特的几何特性选择性的诱捕微生物体。探针可以检测电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理学，或机械学性质。凹槽是一个立体空间或一个多角的空间。凹槽的深度可以从例如10纳米到1毫米，通道的宽度可以是例如从1纳米到1毫米。

图27说明了本发明的一个带有阶梯通道2710的仪器。当生物体2701通过通道2710时，不同间距的探针对可用来测试不同的微观特性，或者利用每一个台阶旁边的探针在不同的台阶(2720,2730,2740)以不同的灵敏度测量相同的微观特性。这个原理可以应用于锁相技术从而积累相同微观特性的信号。探针可以检测或测量微观的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理学，或机械学性质。

图28说明了本发明的带有热量仪2830的另一个仪器。它包括一个通道，一套探针2830，和一套热量仪2830。热量仪2830可以是红外传感器，晶体管亚阈值漏电流检测器，或恒温调节器。

图29说明了本发明的一个具体仪器，它包括一个内含通道2910的碳纳米管2920，及可以检测微观的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理学，或机械学性质。所示碳纳米管2920包括一个双螺旋NDA分子2930。碳纳米管可以通过旁边的探针2940施加和感应电学信号。碳纳米管的直径可以是从0.5纳米到50纳米，它的长度可以从5纳米到10毫米。

图30说明了本发明的一个集成仪器，它包括一个检测器(如图示30(a))和一个光学传感器(如图示30(b))例如可以是一个CMOS图像传感器(CIS)，一个电荷耦合器件(CCD)，一个荧光探测器，或其他的图像传感器。检测器包括至少一个探针和一个通道，图像器件包括至少一个像素。图30(c-1)和图30(c-2)说明了器件集成了检测器和光学传感器。如图30(d)所示，当生物体3001，3002,3003通过时，通道3020内的探针3010(见图30(e))可以探测它的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理学，或机械学性质。同时它的图像可以被光学传感器(图30(f))同步记录。探测到的信号和图像一起提供诊断信息，并提高检测灵敏度和特异性。这样的一个检测器和光学感应器可以被设计到系统芯片中或被封装到一个芯片里。

图31说明了一个带有检测微器件(图31(a))和逻辑电路的微器件(图31(b))。检测器件包含至少一个探针和通道，并且逻辑电路包含寻址器，放大器，和随机存储器。当生物体3101通过通道时，探针3130检测它的特性，并且对信号进行实时的寻址，分析，存储，处理和绘图。

图33说明了本发明的仪器包含一个检测器(图32(a))和一个过滤器(图32(b))。当生物体3201通过器件时，过滤器进行过滤，并清除不相关的物体。探测器(图31(a))检测剩余物体的特性。探测之前的过滤将提高器件的精度。通道的宽度也可以有一定的范围，例如从1纳米到1毫米。

图33说明了DNA3330的的几何因子例如DNA中较小的沟槽(3310)的间距对该区域的静电特性的空间分布有影响。

图34说明了本发明的微器件的制造工艺，微器件中沟槽的顶部有一个平的覆盖物以形成一个通道。这样可以避免通过冗长，精准的对准耦合两个沟槽来形成通道。

覆盖物可以是透明的并且允许用显微镜观察。它可以包括或由硅，锗化硅，二氧化硅，或二氧化铝来制造。

而对于演示和说明的目的，上述列举的新颖的，详细的例子说明了如何利用微电子学或者纳米制造技术以及相关的工艺流程来制造高灵敏度的，多功能的，强大的和小型化的检测器件，在设计和制造高性能检测器件中所采用的微电子学和纳米制造技术的原理和一般的方法是经过深思熟虑和训练的。这些技术可以扩展到制造工艺的不同组合包括但不限于薄膜淀积，图形化(光刻和刻蚀)，平坦化(包括化学机械抛光)，离子注入，扩散，清洗，各种各样的材料，工艺和步骤的组合，以及各种各样的工艺顺序和流程。例如，在选择检测器件的设计和制造工艺流程时，涉及到的材料数目可以少于或超过四种材料(在上述例子中被使用的材料)，工艺步骤的数目是少于或多于那些已展示过的工艺顺序取决于具体的需求和性能目标。例如，在一些循环肿瘤细胞检测的应用中，诸如基于薄膜的生物材料的第五材料可以被涂覆到金属检测的顶端以增强检测顶端和被测生物体的接触，从而改善测量灵敏度。

本发明的检测设备和方法的应用包括癌症检测(例如早期的癌症检测)。由于癌细胞和正常细胞在很多方面是不同的，包括在可能的微观特性的差异，例如电势，表面电荷，密度，粘附力和PH值，在此揭示的新颖的微器件可以检测出这些差异，并且因而具有适用于增强癌症检测的能力，特别是在早期阶段。除了测量电势和电荷参数的微器件外，在此揭示的执行机械学性能测试(例如密度)的微器件也可以被制造和利用。在早期癌症检测的机械学性能测试中，焦点主要是集中在可能的区分循环肿瘤细胞和正常细胞的机械性能上。作为一个例子，利用本发明的检测仪可以区分循环肿瘤细胞，检测仪是由可以执行微缺口测量的多个微器件集成在一起的。

图35是本发明的一个用于生物体疾病检测的仪器示意图。仪器包括一个预处理单元，一个探测和检测单元，一个信号处理单元和一个废品处理单元。

图36说明了一个在预处理单元中的样品筛选子单元的例子。筛选子单元可以根据不同的维度和尺寸来分离细胞。本器件包含至少一个入口通道3610，一个扰流通道3620，一个加速腔体3630，和两个选择通道(3640和3650).位于3620和3610之间的3660的角度范围为0度到180度。

生物体3601沿X方向从入口通道3601到加速腔体3630流动。生物兼容的流体3602从扰流通道3620流动到加速腔体3630，然后在Y方向加速生物体3601。加速度与生物体的半径有关，半径大的生物体比半径小的生物体的加速度小。之后，较大和较小的生物体被分离到不同的选择通道。与此同时，探针可以选择性的装配在通道3610，3620，3630，3640和3650的侧壁上。探针可以检测微观水平的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，生物化学，机电学，电化学，电化学机械学，物理学或者机械学特性。

图37是在本发明的仪器中的另一个样品筛选单元例子的示意图。3701代表小细胞，3702代表大细胞。当阀门3704打开并且另一个阀门3703关闭，生物体(3701和3702)流向出口A。比筛选孔尺寸大的大细胞堵住出口A，而小细胞从出口A流出。入口阀门3704和出口A阀门3707随即关闭，生物兼容流体被注入到流体入口阀门3706。流体携带大细胞从出口B流出。然后较大的细胞在本发明的检测部分进行分析和检测。

图38是本发明仪器的预处理单元的示意图。本单元包括一个样品筛选单元，一个给生物体补充养分或者气体的充能单元或系统，一个恒压输运单元，和一个样品预探测干扰单元。

图39是本发明仪器的信息或信号处理单元的示意图。本单元包括一个用于信号放大的放大器(例如锁定放大器)，一个模数转换器，和一个微型计算机(例如一个包含计算机芯片或信息处理子装置的器件)，一个控制器，一个显示器，和一个网络连接。

图40说明了可以导致噪音消除和信噪比提升的的多个信号的集成。在本图中，生物体4001在t1和t2之间的Δt期间内被探针1及在t3和t4之间的Δt期间内被探针2测试。4002是来自探针1测试4001的测试信号，4003是来自探针2。信号4004是由信号4002和4003混合的结果。噪音在一定程度上相互消除并导致信号强度和信噪比的改善。收集来自两个以上微器件或探针单元的信号可以采用相同的原理。

在此描述的微器件，检测参数，特性及工艺均已经被用于对癌症样品的测试(例如肺癌样品和乳腺癌样品)和控制(即非癌症的或正常的样品)。虽然这些样品不是循环肿瘤细胞，但是这些测试与本发明是相关的，并且如本发明在此所主张的那样，它们在癌症检测方面体现出很多优势和改进(例如，提高了信号灵敏度)，这些优势和改进对于循环肿瘤细胞的检测是非常有利的。进一步地，这些测试已经显示出同样适用于循环肿瘤细胞的增强癌症检测信号和效率的概念。在一系列试验中，与当前所知的基于染色体组的分析相比，微器件的使用和在此所描述的测试参数导致了测量信号的增强。特别地，尽管原始的癌细胞样品经过超过20次的稀释，但是从正常样品中区分出癌细胞的信号任然可以被检测出。相比之下，最近报道的一个检测出染色体组分析信号的癌症样品仅仅做了大概5次稀释。在此描述的被测微器件，相关的测试参数，癌症和正常的细胞特性，及测试方法均显示出高度的测量精度，可靠性，和可重复性。

尽管微器件可以用来做其他类型的癌症测试或者其他类型的处理，但是可以在实验室中利用在此描述的微器件对特定的癌症组织样品(每一种类型的癌症需要多个样品)进行附加测试。在测试中，从在采集时无患未知癌症疾病或者无恶性疾病史的动物体中获得健康可控的样品。癌症样品和健康可控样品均在同一类型的培养液中进行培养。培养好的样品随后被稀释液混合并被稀释到一个相同的浓度。稀释过的样品在室温下进行不同时间间隔的维护并在样品恢复后6小时内进行处理。稀释过的样品在室温(20-30℃)湿度30％-40％的条件下进行测试。利用本发明的微器件在相同的条件下对样品进行测试并采用相同的脉冲信号对样品进行刺激。

测试结果显示，大体上，可控群的被测值(即用于测试参数的相对单位测量值)低于癌症群或患病群。在相同的激励条件下(依据激励类型和水平)利用被测微器件的探测单元施加的激励信号或者探测信号，使得可控群和癌症群测试值之间显示出的差异变得更加明显，例如对比于没有激励，在这样的差异条件下按照增长的水平，从1.5倍变动几乎8倍。换而言之，癌症群对激励信号的响应比控制群高得多。因此，相比于可控或健康细胞，在检测和测量患病细胞方面，待测微器件已经证明能够显著增强相对灵敏度和特异性。

进一步地，测试结果显示依据被本发明的微器件所使用的新颖的参数，癌症群和可控群的响应显示出显著的不同。如此的差异比测量噪音大很多。区分可控群和癌症群的较大窗口显示出此新颖的测量方法和仪器具有高度的灵敏度。

尽管对本发明的特定实施例已经做出说明，但是在本技术领域的熟练技术人员可以在不脱离本发明精神的情况下，做出修改和变化。上述实例和插图并不限制本发明的范围。本发明的检测器件，微型器件，制造过程，和应用以及与之相关的任何明显的分支或类似物的任何组合，都在本发明之内。另外，本发明包括任何达到同样目的组合，对应的修改和变化都在本发明的权利要求内。

上面提到所有出版物或专利，其全部内容通过引用并入本文。除非另有明确说明，本说明(包括任何所附的权利要求书，摘要和附图)内所有结构可以被具有相同，等效，相似的任何结构取代。因此，除非另有说明，公开的每个特征都是具有等效或类似的一类功能的一个例子。

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 (16)

1.微器件包括一个微型沟槽，一个嵌入至沟槽边墙或底板旁边的探针，一个移动探针的支撑结构，和一个控制电路，微器件可以通过测量循环肿瘤细胞微观水平的性质来诱捕，测量，检测，分类，计数，分析，修饰，修正生物体中的循环肿瘤细胞，或与之通信。

2.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，微型沟槽的宽度为从约0.5纳米至约200微米或从约0.5纳米至约50微米，深度为从约0.5纳米至约200微米或从约0.5纳米至约50微米，长度为从约1纳米至约50毫米或从约1纳米至约10毫米。

3.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，探针包括一种导电材料，可选的一种生物兼容性涂料，可选的一种可拉伸或压缩探针的可弯曲的支撑结构。

4.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，探针具有一个沿沟槽侧面的尖端并且尖端在空间上与DNA的主要沟槽或次要沟槽相适配。

5.如权利要求4所述的仪器，其特征在于，尖端在空间上与交错的DNA沟槽相适配。

6.如权利要求5所述的仪器，其特征在于，沟槽的间隔是变化的。

7.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，沟槽尾部的探针的尖端与每一股DNA螺旋结构的尾部相适配。

8.如权利要求4所述的仪器，其特征在于，尖端的直径为从约1埃至约10微米。

9.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，进一步的包含一列沟槽。

10.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，生物体可以是血液样品，尿液样品，唾液样品，眼泪样品，汗液样品或者淋巴液样品。

11.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，与控制电路相连的探针可以接收和执行来自控制电路的指令。

12.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，探针可以移动生物体。

13.如权利要求12所述的仪器，其特征在于，探针包含一种可弯曲的支撑结构以拉伸或压缩探针从而移动生物体。

14.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，可测的微观水平的性质是电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，机电学，电化学，电光学，电热学，电化学机械学，生物化学，生物机械学，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，或者机械学性质及其组合。

15.如权利要求14所述的仪器，其特征在于，其电学性质是表面电荷，表面电位，静息电位，电流，电场分布，表面电荷分布，细胞电子性质，细胞表面电子性质，电子性质的动态变化，细胞电子性质的动态变化，细胞表面电子性质的动态变化，表面电子性质的动态变化，细胞膜的电子性质，膜表面电子性质的动态变化，细胞膜电子性质的动态变化，电偶极子，电四极子，电信号、电流、电容的振荡，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；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；辐射性质包括辐射发射，放射性材料的触发信号，或者放射性材料探测的信息；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，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，或溶液的生物，电气，物理或化学性质；声学性质包括频率，声波的速度，音频和强度频谱分布，声强，声学吸收，或声共振；力学性质包括内部压力，硬度，流速，粘度，流体力学特性，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。

16.如权利要求1所述的仪器，其特征在于，循环肿瘤细胞来自于前列腺癌，肺癌，结肠癌，乳腺癌，脑癌，宫颈癌，霍奇金淋巴瘤，非霍奇金淋巴瘤，肾癌，血癌，肝癌，卵巢癌，皮肤癌，睾丸癌，甲状腺癌，胰腺癌，子宫内膜癌，食道癌，或子宫癌。