CN113433307A - 用于疾病检测和治疗的新型仪器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种仪器和方法，该仪器和方法用于检测疾病是否存在并监测疾病的进展，特别是肺部疾病，包括：用于生物体通过的通道或腔室；至少一个检测器，部分或完全置于通道或腔室的一个或多个侧壁旁，其中至少一个检测器能够检测生物体的至少一种生物物理或物理特性，以及收集检测到的生物物理或物理性质用于分析以确定疾病是否存在于生物体或确定疾病的状况，从而提供确定或监测疾病进展的能力。

Description

用于疾病检测和治疗的新型仪器和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月15日提交的美国申请62/818,909、2019年4月5日提交的美国申请62/830,354、2019年4月23日提交的PCT申请PCT/US2019/028785， 2019年6月24日提交的美国申请号62/865，816和2019年10月7日提交的PCT申请号 PCT/US2019/055060的优先权，都通过引用将其全部内容合并于此。
技术领域
本发明属于医疗领域，具体涉及一种用于疾病检测和治疗的新型仪器和方法。
背景技术
许多疾病难以通过单一途径或方法来检测。尤其是，许多发病率和死亡率高的严重疾病，包括呼吸道/肺部疾病，癌症和心脏病，都难以通过一种检测设备以高灵敏度，特异性和高效率在早期进行诊断。值得注意的是，当前对许多重要的肺部疾病(例如，肺炎，肺结核，严重急性呼吸系统综合症(SARS)和冠状病毒)的检测仍然无效，复杂和/ 或昂贵。
另外，目前的疾病诊断技术通常检测和依赖于单一的宏观数据和信息，如体温、血压、身体扫描图像。例如，检测癌症这类重大疾病，现在常用的每种诊断仪器大多是基于影像技术的设备，如X射线、CT扫描或核磁共振(NMR)成像技术。当这些诊断仪器组合使用时，对疾病的诊断在不同程度上是有用的。然而，当这些设备各自单独使用时，都不能在重大疾病发病的早期进行准确的、可信的、高效的、经济的检测，并且难以同时检测多种类型的癌症。另外，很多这些现有诊断设备体型较大且具有侵入性，如X射线、CT 扫描或核磁共振(NMR)成像技术。
即使最近涌现出了基于基因检测的新技术，它也通常依赖于单一的诊断技术，不能对重大疾病进行全面的、可靠的、准确的、可信的、经济的检测。近年来，人们在将纳米技术应用于多种生物领域方面做了诸多努力，大量的工作集中在疾病检测领域中基因图谱及其微小变化。例如，Pant.el等人讨论了利用微机电系统传感器((MEMS)在体外检测血液和骨髓内的癌细胞的方法(详见《自然评论》2008,8,329Klaus Pantel等人)；Kubena等人在美国专利6,922,118提到利用MEMS检测生物药剂；Weissman等人在美国专利号 6,330,885中提到的利用MEMS传感器检测生物物质的增生。
到目前为止，大多数上述技术局限于单一的传感技术，使用相对结构简单、大尺寸且功能有限、缺乏灵敏度与特异性的系统。而且，现有这些技术需要用多种设备一起进行多次检测。这些会增加费用并影响灵敏度和特异性。
进一步的，当前的癌症筛选和预后IVD方法通常包括生物标记，循环肿瘤细胞(CTC)和基因组学(例如循环肿瘤-DNA(ct-DNA))。尽管上述每种技术都有许多优势，但它们也有许多局限性，包括无法同时检测多种类型癌症，无法及早发现癌症，相对较低的敏感性和特异性，在某些情况下还无法检测到某些类型的癌症(例如食道癌和脑瘤)。生物标记物对早期癌症检测无效，但限于癌症类型。在CTC和ct-DNA的情况下，信号仅在实体瘤形成后才出现，从而使早期癌症检测相对容易。参见例如Ji等人，J Clin Oncol 33，2015；杜学东等，J Clin Oncol 33，2015；Jiang等，J Clin Oncol 33，2015；陶等人，J Clin Oncol 33，2015；Bettegowda等，《科学转化医学》，2014，6(224)：224；Phallen等人，ScienceTranslational Med.2017，9(403)：2415；Khoo等人，Science Advances，2016，2(7)：e1600274；Garcia-Murillas等，《科学转化医学》，2015，7 (302)：302；Abbosh等人，Nature，2017，545(7655)：446-451；和Herbst等人， Nature，2018，553(7689)：446。此外，常规的癌症筛查，检测和/或治疗方法缺乏有效地靶向或同时影响多种类型的癌症的标记或信号(例如，在一种测试或治疗中)。
这些缺点需要全新的解决方法来克服，即提供一种集成多种技术的可靠而灵活的检测仪并以较低的成本进行高精度、高灵敏度、高特异性、高效率、非侵入性、实用的、简单的、快速的检测。特别地，需要改进对诸如肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合征 (SARS)和冠状病毒的肺部疾病的检测。
发明内容
本发明提供一种仪器，该仪器用于检测生物体中疾病的存在或监测疾病进展。进一步的，该仪器用于治疗疾病。本发明涉及一种用于检测疾病的新技术(例如，诸如肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合征(SARS)，冠状病毒等肺部疾病)，在一种设备中收集、处理或分析多种不同类别的生物信息。
它还涉及一种用于评估疾病(例如，肺炎，如肺炎，肺结核，严重急性呼吸系统综合症(SARS)，冠状病毒等)或癌症发生的风险水平，并使健康个体与可能的疾病或癌症个体区分开的新技术。
在传统技术中，通常仅收集一个水平的生物信息(一维)，而在该新技术中，可以收集至少两个水平(分类)的信息(七维或七个因子交互)。与通常关注一个参数或一个水平的传统技术(例如，蛋白质水平的生物标记物)相比，在该新技术中收集的信号和信息可以以多种形式收集，并非线性扩增。另外还有2因素和3因素相互作用可以被收集和分析，这可能在其他技术中缺失，因为它们通常仅测量一种类型的生物信息。
值得注意的是，根据本发明的有关肺部相关疾病的较早临床研究表明，对照组(健康)组和疾病组之间的生物物理特性统计差异，包括肺炎，肺结核等。其他可能合适的呼吸道或肺部疾病的例子包括严重急性呼吸系统综合症(SARS)，冠状病毒进一步感染等。因此，这项新技术可用于肺部疾病筛查，辅助诊断，预后和后续检测，具有更高的敏感性和特异性，能够在早期检测此类疾病，具有成本效益，并且没有副作用。
另外，本发明提供了用于检测多种疾病的存在或监测多种疾病的进展的新型仪器和方法。
这项新技术还可用于癌症筛查，协助诊断，预测和跟踪测试，具有更高的灵敏度和特异性，早期检测癌症的能力，检测重大疾病，癌前疾病和超过20种癌症的能力，成本效益高，并且没有副作用。本发明提供了新颖的装置和方法，用于同时检测和/或治疗多种疾病的存在或监测其进展。
该新技术提供了传统技术无法实现的几个优点：(1)已证明具有在一次测试中检测多达20种癌症类型的能力，包括一些其它体外测试无法检测到的癌症类型(例如：食道癌、脑癌)，覆盖了所有癌症发病率的80％以上；(2)能够进行早期癌症检测；(3) 高灵敏度和特异性(超过20种癌症的75％～90％)；(4)无副作用；(5)高速，无需人工干预的全自动操作；(6)包括炎症的癌症组与非癌症组之间的统计学差异-显著降低假阳性(特异性较高)；(7)过程简单，空腹血液检测与非空腹血液检测无差别，(8) 成本效益高。此外，如上所述，该新技术被证明具有以下优点：(9)对照(健康)组和患有肺部疾病(例如，肺炎和肺结核)的疾病组之间在生物物理特性方面的统计差异，从而也可能适用于其他呼吸道或肺部疾病，例如严重急性呼吸道综合症(SARS)和冠状病毒。此外，与常规技术相比，本发明的新型癌症治疗技术具有许多重大的意想不到的优点，包括例如更低的成本，更少的副作用，更容易的康复，预防癌症的能力，提高的存活率以及易于使用,以及可能广泛的临床应用。特别地，本发明的新型癌症治疗可以使用低剂量和/或弱的场和/或能量进行治疗。
因此，本发明的一个方面涉及一种用于检测生物体内疾病的存在或监测疾病进展的仪器，包括生物体流过的通道或腔室；以及至少一个部分或完全放置在所述通道或腔室的一个或多个侧壁旁的检测传感器；其中，至少一个检测器用于检测生物体的至少一个生物 -物理或物理性质，且检测到的生物-物理或物理性质被收集用于分析以确定疾病是否可能存在于生物体或确定每种癌症的状态，从而提供了确定或监测疾病进展的能力。
在一些实施方案中，该疾病是肺或肺部疾病，癌症，炎性疾病，糖尿病，肺部疾病，心脏病，肝病，胃病，胆道疾病或心血管疾病。
肺或肺部疾病的实例可包括肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合征(SARS)，冠状病毒，哮喘，慢性阻塞性肺疾病，慢性支气管炎，肺气肿，急性支气管炎，囊性纤维化，肺水肿，急性呼吸窘迫综合征，尘肺，间质性肺疾病，肺栓塞和肺动脉高压。
癌症的例子可以包括乳腺癌，肺癌，食道癌，肠癌，与血液有关的癌症，肝癌，胃癌，子宫颈癌，卵巢癌，直肠癌，结肠癌，鼻咽癌，贲门癌，子宫癌，卵巢癌，胰腺癌，前列腺癌，脑瘤或循环肿瘤细胞；炎性疾病的例子包括痤疮，包括寻常性通心粉，哮喘，自身免疫疾病，自身炎性疾病，乳糜泻，慢性前列腺炎，憩室炎，肾小球肾炎，化脓性汗腺炎，过敏性，肠炎，间质性膀胱炎，中耳炎，盆腔炎，再灌注损伤风湿热，类风湿关节炎，结节病，移植排斥反应和/或眼睑炎；肺部疾病包括哮喘，慢性阻塞性肺疾病，慢性支气管炎，肺气肿，急性支气管炎，囊性纤维化，肺炎，肺结核，肺水肿，急性呼吸窘迫综合征，尘肺，间质性肺病，肺栓塞或肺动脉高压；的。糖尿病的实例可包括1型糖尿病，2 型糖尿病或妊娠糖尿病。心脏疾病的实例可包括冠状动脉疾病，心脏增大(心肌肿大)，心脏病发作，不规则的心律，心房颤动，心律失常，心瓣膜疾病，心源性猝死，先天性心脏病，心肌病(心肌病)，扩张型心肌病，肥厚型心肌病，限制性心肌病，心包炎，心包积液，马凡氏综合征或心脏杂音；肝病的例子包括筋膜炎，肝炎，酒精性肝病，脂肪肝 (肝脂肪变性)，遗传性疾病，吉尔伯特综合症，肝硬化，原发性胆汁性肝硬化，原发性硬化性胆管炎或和布加综合征。胃疾病的实例可包括胃炎，胃息肉，胃溃疡，胃的良性肿瘤，急性胃粘膜病变，胃窦炎或胃间质瘤。胆道疾病的实例可包括胆管结石，胆囊结石症，胆囊炎，胆管扩张，胆管炎或胆囊息肉。心血管疾病的实例可包括冠状动脉疾病，外周动脉疾病，脑血管疾病，肾动脉狭窄，主动脉瘤，心肌病，高血压心脏病，心力衰竭，肺源性心脏病，心律不齐，心内膜炎，炎性心肌肥大，心肌炎，瓣膜性心脏疾病，先天性心脏病，风湿性心脏病，冠状动脉疾病，外周动脉疾病，脑血管疾病和/或肾动脉狭窄。
在一些实施方案中，该疾病是包括肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合症(SARS) 或冠状病毒的肺部疾病。
在一些实施方案中，该装置能够同时检测生物体中两种或更多种不同类型疾病的存在或监测其进展。在一些其他实施方案中，两种或更多种不同类型的疾病可以包括肺部疾病。此类肺部疾病的例子可包括肺炎，肺结核，严重急性呼吸系统综合症(SARS)和冠状病毒。
在一些实施例中，该仪器能够同时检测生物体中两种或更多种不同类型的癌症的存在或监测其进展。
在一些实施方案中，生物-物理性质包括机械性质，声学性质，光学性质，电性质，电磁性质或机电性质。
在一些另外的实施方案中，电子性质是表面电荷，表面电势，静止电位，电流，电场分布，表面电荷分布，电池电子性质，电池表面电子性质，电子性质的动态变化，电池电子性质的动态变化，细胞表面电子特性的动态变化，表面电子特性的动态变化，膜离子通道特性，静止膜电位，跨膜电位，去极化的跨膜电位，细胞膜的电子特性，膜表面电子特性的动态变化，细胞膜电子特性的动态变化，电偶极子，四重电子，电信号的振荡，电流，电容，三维电或电荷云分布，DNA和染色体端粒的电特性，DNA表面电荷，DNA 周围介质电特性，量子力学效应，电容或阻抗。
在一些实施方案中，生物物理性质包括影响基因复制和突变的量子力学效应。
在一些实施方案中，生物物理性质包括膜离子通道性质，静息膜电势，跨膜电势，去极化的跨膜电势，膜电压，膜电势，
Figure RE-GDA0003231318130000051
电势，阻抗，光学反射指数，光学折射率，钾离子，钠离子，氯离子，氮化物离子，钙离子，静电力，作用于细胞的静电力，作用于 DNA双螺旋的静电力，作用于RNA的静电力，细胞膜上的电荷，DNA双螺旋上的电荷，RNA上的电荷，量子效应，近场电特性，近场电磁特性，膜双层特性，离子类型和/或浓度，离子渗透性，电流，电导率，电容或电阻。
在一些实施方案中，该仪器检测生物体中的一种或多种生物-物理或物理性质，其各自选自电解质，钾离子浓度，钠离子浓度，氯离子浓度，钙离子浓度和分布，细胞外净电荷区域，细胞外离子浓度，重力场，机械场，量子力学场，磁场，电磁场，电场，电流，电阻，电导率，电容，膜离子通道性质，静息膜电位，反式膜电势，去极化的跨膜电势，膜电势，磁场，电场，电磁场和量子场。
在另一些实施例中，该仪器直接或间接地测量量子力学效应；和/或直接或间接地测量生物体的液体样品中的离子或离子水平；和/或通过生物化学或电极方法直接或间接测量离子水平或浓度；和/或直接或间接测量钾离子；和/或直接或间接测量钾离子的浓度；和/或直接或间接测量选自钾离子，钠离子，氯离子，氮化物离子和钙离子的一种或多种离子；和/或直接或间接测量选自钾离子，钠离子，氯离子，氮化物离子和钙离子的一种或多种离子的浓度；和/或直接或间接测量离子渗透率。
在一些实施方案中，生物物理物理特性与细胞间相互作用，细胞信号，细胞表面特性，细胞静电力，细胞排斥力，DNA表面特性，DNA表面电荷，DNA周围介质电特性，
量子力学效应，基因突变频率或量子力学效应有关并响应。
在一些实施方案中，生物体是液体样品。例如，生物体可以包括体液或组织。更具体地说，体液可以包括全血，血清，血浆，汗液，眼泪，唾液或尿液。
在一些实施方案中，生物物理或物理性质是非癌信号，并且存在于来自健康个体的生物体中。
在一些实施方案中，生物物理或物理性质存在来自健康个体的生物体，来自非癌症疾病患者的生物体和来自癌症患者的生物体，并被检测；健康个体，非癌症患者和癌症患者之间的检测到的特性是不同的。
在一些实施方案中，生物物理或物理性质能够区分正常样品与患有疾病的异常样品。
在一些实施例中，通过将检测到的生物体的生物物理信息与确认的无病或患病生物体的相同生物学信息进行比较来确认。
在一些实施方案中，疾病的状态包括健康阶段，早期疾病阶段和中晚期疾病阶段，在任何两个阶段之间的具有统计意义的检测或监测阶段。
在一些其他实施方案中，该仪器同时检测生物体中三种或更多种疾病的存在或监测其进展。在一些其他实施方案中，三种或更多种疾病包括肺部疾病，例如肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合症(SARS)和/或冠状病毒。在一些实施方案中，三种或更多种类型的疾病可以包括多种类型的癌症，其进一步包括肺癌，肝癌，结肠直肠癌，乳腺癌，胃癌，食道癌，脑瘤，前列腺癌，血液癌，肠癌。，胃癌，子宫颈癌，卵巢癌，直肠癌，结肠癌，鼻咽癌，贲门癌，子宫癌，卵巢癌，胰腺癌或循环肿瘤细胞。
仍然在一些实施方式中，将至少一种试剂注入生物体的液体样品中，并且生物体与试剂反应并释放待由仪器检测的信号。液体样品的实例可以包括血液，血清，血浆，汗液，眼泪，唾液或尿液。
在一些实施方案中，试剂包括氧化剂，用于测试核酸的试剂或用于生物化学测试的试剂。
在一些实施例中，该仪器包括混合室和检测室，在混合室中将至少一种试剂添加到生物体的液体样品中，检测器在检测室中检测生物体的生物物理或物理性质。在一些其他实施方案中，检测器还检测生物体由于与试剂反应而释放的信号。
在一些实施例中，该仪器还包括用于收集废液的废液收集系统。
在一些实施例中，该仪器还包括用于调节生物体中的物理或生物物理特性的附加装置。
在一些实施例中，首先测量物理或生物物理性质，然后进行调节。
在一些实施例中，物理或生物物理性质包括机械性质，声学性质，光学性质，电性质，电磁性质或机电性质。例如，电特性可以包括电流，电导率，电容，电阻或量子力学效应。
在一些实施例中，附加装置将电流调整为较高的值，将电导率调整为较高的值，将电阻调整为较低的值，或改变量子力学效应。
在一些实施例中，将调节剂注入血液中以调节血液的生物物理性质。调节剂的实例可包括离子，氧化剂和影响血液电特性的组分。
在一些实施例中，电特性包括电流，电导率，电容，电阻，离子类型和/或浓度，或量子力学效应。
在一些实施方案中，调节剂是能够调节血液的生物学特性的药物。在一些其他实施方案中，药物在摄入时能够释放离子和带电成分，并且能够调节血液的电特性。这样的电特性可以包括电流，电导率，电容，电阻，离子类型和/或浓度，或量子力学效应。
在一些实施例中，将至少一种生物标记物添加到液体样品中以用于性质检测。例如，生物标志物可以提供至少一些指示性信息，所述信息指示在给定器官和位置处两种或更多种不同类型的癌症发生的风险。
在一些实施方式中，结合从包括生物标志物测试，基因组学测试，循环肿瘤DNA，循环游离肿瘤DNA和循环肿瘤细胞测试获得的信息和数据来分析检测到的特性，并获得总体癌症风险和可能发生癌症的位置。
在一些实施例中，该仪器包括离子注入器，该离子注入器能够向生物体添加期望量的离子。离子的实例可以包括钾离子，钠离子，氯离子，氮化物离子和钙离子。具体地，离子可以包含钾离子。
在一些实施例中，该仪器包括一个或多个通道，并且一个或多个通道包括一个或多个检测器，并且检测器能够检测生物体的一个或多个生物物理或物理特性以及可选地生物体由于与至少一种试剂反应而释放的一个或多个信号。
在一些实施例中，该仪器包括在侧壁上的一个或多个注射器，并且该一个或多个注射器中的每一个能够向生物体添加期望量的试剂或离子。注射器添加的试剂或离子可以相同或不同。
在一些实施例中，其中，由不同检测器检测的生物物理或物理性质可以相同或不同。
在一些实施例中，检测器包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器部分地或完全地放置在通道或腔室的一个或多个侧壁旁边。
在一些实施例中，每个传感器独立地是热传感器，光学传感器，声学传感器，生物传感器，化学传感器，机电传感器，电化学传感器，光电传感器，电热传感器，电化学传感器，生化传感器，生物机械传感器，生物光学传感器，电光传感器，生物电光传感器，生物热光学传感器，电化学光传感器，生物热传感器，生物物理传感器，生物机电传感器，生物电化学传感器，生物光电传感器，生物电热传感器，生物机械光学传感器，生物机械热传感器，生物热光学传感器，生物电化学光电传感器，生物机电光学传感器，生物机电热光学传感器，生物机电化学传感器，物理传感器，机械传感器，压电传感器，压电光电传感器，压电光电传感器，压电光电传感器，生物电传感器，生物标记传感器，电传感器，磁传感器，电磁传感器，图像传感器或辐射传感器。
热传感器的示例可以包括电阻温度微传感器，微热电偶，热二极管和热晶体管以及表面声波(SAW)温度传感器。图像传感器的示例可以包括电荷耦合器件(CCD)和 CMOS图像传感器(CIS)。辐射传感器的示例可以包括光电导设备，光伏设备，热电设备或微天线。机械传感器的示例可以包括压力微传感器，微加速度计，流量计，粘度测量工具，微陀螺仪和微流量传感器。磁传感器的示例可以包括磁电微传感器，磁阻传感器，磁二极管和磁晶体管。生物化学传感器的实例包括电导装置，生物标记，附到探针结构的生物标记或电位测定装置。
在一些实施例中，至少一个传感器是探测传感器并且向生物体施加探测或干扰信号。
在一些实施例中，与探测传感器不同的至少另一个传感器是检测传感器，并且检测来自对其施加了探测或干扰信号的生物体的响应。
在一些实施例中，该仪器包括读出电路，该读出电路连接至至少一个传感器并且将数据从该传感器传输至记录设备。读出电路和传感器之间的连接可以是数字的，模拟的，光学的，热的，压电的，压电的，光电的，光电的，电热的，光热的，电的，电磁的，机电的或机械的。
在一些实施例中，腔室或通道的长度在1微米至50,000微米，1微米至15,000微米，1 微米至10,000微米，1.5微米至5,000微米，或从3微米至1,000微米的范围内；和/或宽度或高度范围从0.1微米到100微米；从0.1微米到25微米，从1微米到15微米或，从1.2微米到10 微米。
在一些实施例中，至少四个传感器位于腔室或通道的内表面的一侧壁，两个相对侧壁或四个侧壁上。
在一些实施例中，该仪器包括专用集成电路芯片，该专用集成电路芯片内部结合到检测器或集成到检测器中。
在一些实施例中，该仪器通过集成电路技术制造。
在一些实施例中，将物理性质和/或生物物理的测量与至少一种其他测量方法结合以提供更全面和更完整的测量结果。这样的其他测量方法可以包括生物化学，免疫学，基因组学，循环肿瘤细胞，和/或成像检测测量方法。
在一些实施例中，来自多种方法的测量数据包括物理，生物物理，生物化学，免疫学，基因组学，循环肿瘤细胞，或成像检测的测量方法，首先分别进行分析，然后将其输入结合了来自多种方法的测量结果的算法，并提供多参数，全面的疾病风险评估。
在一些实施例中，物理或生物物理特性测量提供整体疾病风险评估，而包括生物化学，免疫学，基因组学，循环肿瘤细胞，或成像检测测量方法的其他方法中的至少一种提供至少另一种具体的测量信息。
在一些实施例中，总体风险评估包括肺部疾病检测信息；和/或癌症，癌症前期或早期癌症检测信息。
在一些实施例中，附加的特定测量信息包括针对癌症前期或癌症的位置或器官信息。
在一些实施例中，附加的特定测量信息来自免疫学测量的生物标记。例如，生物标志物可以包括甲胎蛋白，前列腺特异性抗原，反胚胚胎抗原，碳水化合物抗原50，碳水化合物抗原242，碳水化合物抗原125，碳水化合物抗原153，碳水化合物抗原199，和/或碳水化合物抗原724。
本发明的另一方面提供了一种用于在生物体中筛选或检测至少一种类型的疾病的存在或进展的方法，该方法包括使用权利要求1至80中任一项所述的仪器在生物体中的细胞的微观水平上测量其物理或生物物理性质，其中与所述生物体中的细胞的测量的特性有关的信息由所述检测器检测并收集用于分析以确定所述疾病是否存在于生物体或确定所述疾病的状态，从而提供确定或监测疾病进展的能力。
在一些实施例中，该方法进一步包括将至少一种类型的试剂添加到生物体中，从而使生物体与试剂反应并释放要由该仪器检测的信号。试剂的实例包括氧化剂，用于测试核酸的试剂和用于生物化学测试的试剂。
在一些实施方案中，所述疾病包括肺部疾病，例如肺炎，肺结核，严重急性呼吸系统综合症(SARS)或冠状病毒。
在一些实施例中，所测量的性质被收集用于分析以同时确定或监测两种或更多种类型疾病的进展。
如本文所用，术语“生物标志物”是指某种疾病状态的严重性或存在性的可测量指标，但是更一般地，生物标志物是可以用作生物体的特定疾病状态或某些其他生理状态的指标的任何东西。生物标志物可以是作为检查器官功能或健康其他方面的手段而引入生物体的物质。例如，氯化铷用于同位素标记以评估心肌的灌注。它也可以是其检测指示特定疾病状态的物质，例如，抗体的存在可能指示感染。更具体地，生物标志物指示蛋白质的表达或状态的改变，其与疾病的风险或进展，或与疾病对给定治疗的敏感性相关。生物标志物可以是特定的细胞，分子或基因，基因产物，酶或激素。
如本文所用，术语“或”，是指既包括“和”也包括“或”。它可以与“和/或”互换。
如本文所用，单数名词包含复数的含义。例如，微型器件可以是一个单一的微型器件或多个微器件。
如本文所用，术语“图案化”指将材料成形为某种物理形式或图案，包括平面(在这种情况下，“图案化”也意味着“平面化”)。
如本文所用，术语“生物兼容性材料”，是指材料与生物体或生物体组织的接口接触且当紧密接触时具有一定功能。当生物兼容性材料用作涂料时，它可以减少生物体器官或组织对涂层内部材料的不良反应，例如，减轻甚至消除生物体器官或组织的排斥反应。如本文所用，生物兼容性材料包括合成材料和天然材料。合成材料通常包括生物兼容性的聚合物，由合成或天然原料制成，而天然存在的生物兼容性材料包括，例如，蛋白质或组织。
如本文所用，用于分析、检测或诊断的术语“生物体”或“生物样本”是指主体用于疾病检测仪分析的样品。它可以是单个细胞、单个的生物分子(例如DNA,RNA、蛋白质)、单个的生物体(例如，单个细胞或病毒)、其它任何足够小的单元或基本的生物成分或生物体或具有疾病或紊乱的患者的器官或组织样本。
如本文所用，术语“疾病”可与术语“紊乱”互换，通常是指生物体(例如，哺乳动物或生物物种)的任何异常的微观性质或状况(例如，健康状况)。
如本文所用，术语“生物体”通常是指哺乳动物，例如人。
如本文所用，术语“微观水平”是指通过本发明的疾病检测仪器分析的受试者具有微观性质并且可以是单个细胞，单个生物分子(例如，DNA，RNA，或蛋白质)，单个生物体(例如，单个细胞或病毒)，以及其他足够小的单位或基本的生物成分。
如本文所用，“仪器”或“微器件”或“微型器件”可以是任何复杂性质，形状的材料的集合。这个词具有普遍意义，可以是单一材料或是非常复杂的仪器，该仪器包括多种材料，多个子单元，具有多种功能。本发明的复杂性可以从具有特定性质的非常小的单粒子延伸至非常复杂的具有各种功能的单元。例如，一个简单的微器件可以是一个直径 100埃的具有特定硬度，特定表面电荷，表面吸附了特定有机化学物的小球。一个更复杂的微型器件可以是1毫米的器件，带有传感器，简单计算器，存储单元，逻辑单元，微刀。前面所述的粒子可以通过气相或胶体沉淀工艺形成，而带有各种复杂组件的器件可以采用不同的集成电路制造工艺制造。在某些位置，微型器件、微器件代表子单元。
如本文所用，术语“参数”是指待检测的生物体的特定检测目标(例如，微观水平的性质，物理性质如硬度，粘度，电流或电压，或化学性质如pH值)，可以包括微观水平性质。
如本文所用，术语“水平”是指待检测的生物体的化学组合物(包括生物化学组合物，例如蛋白质；遗传物质，例如DNA和RNA)，细胞分类或分子分类。
如本文所用的，术语“组分”是指上述水平的下级或构建块。例如，蛋白质水平可包括如α-胎蛋白或糖蛋白的组分；并且细胞分类的水平可以包括如表面电压和膜组成的组分。
如本文所使用的，如果没有具体定义，“通道”或“腔室”可以是单元间通道或单元内通道。
仪器可以检测的生物体包括，例如，血液，尿液，唾液，眼泪，和汗水。检测结果可以显示生物体患病或可能患病(例如，在疾病早期阶段)。
如本文所用，术语“吸收”，通常是指表面和吸收材料(能够被表面吸收的材料)之间的物理连接。另一方面，“吸收”通常意味着两者之间通过强大的化学键结合。这些性质对于本发明是非常重要的，因为它们可以有效地用于特定微器件在微观水平的检测。
如本文所用，术语“接触”(如“第一微器件与生物实体接触”)包括“直接”
(或物理)接触和“非直接接触”(或间接的或非物理的)接触。当两个物体处于“直接”接触时，在两个物体的接触点一般没有可测量的空间或距离；而当它们处于“间接”接触时，在两个物体的接触点之间存在可测量的空间或距离。
如本文所使用的，术语“探测(probe)”或“探测(probing)”，除了其词典意义之外，可以意指向生物体施加一个信号(例如，声学，光学，磁学，化学，电学，电磁学，生物化学，生物物理或热信号)，从而刺激生物体，使其具有某种内在的响应。
如本文所用，术语“热学性质”是指温度，凝固点，熔点，蒸发温度，玻璃化转变温度或热导率。
如本文所用，术语“光学性质”是指反射，光吸收，光散射，波长依赖性质，色彩，光泽，亮度，闪烁或分散。
如本文所用，术语“电学性质”是指待分析的生物体的表面电荷，表面电位，电场，电荷分布，电场分布，静息电位，动作电位或阻抗。
如本文所用，术语“磁性”是指抗磁性，顺磁性或铁磁性。
如本文所用，术语“电磁性质”是指具有电和磁尺寸的特性。
如本文所使用的，术语“声学性质”是指影响回声质量的特定结构的特征。通常可以通过吸声系数来测量参见，例如，美国专利号3,915,016，决定材料声学性质的方法；T.J.Cox等，《Acoustic Absorbers and Diffusers》，2004，Spon出版社。
如本文所用，术语“生物学性质”通常包括生物体的化学和物理性质。
如本文所用，术语“化学性质”是指生物样品中的pH值，电离强度或键合强度。
如本文所使用的，术语“物理性质”是指给定时间内的任一时刻可测量的描述物理系统状态的性质。生物样品的物理性质可能包括，但不限于吸收，反射率，面积，脆性，沸点，电容，颜色，浓度，密度，介电常数，电荷，导电性，电阻抗，电场，电势，辐射，流速，流动性，频率，电感，固有阻抗，强度，照度，亮度，光泽，柔韧性，磁场，磁通量，质量，熔点，动量，磁导率，介电常数，压力，辐射，溶解度，比热，强度，温度，张力，热传导系数，流量，速度，粘度，体积，表面积，形状，和波阻抗。
如本文所用，术语“机械性质”是指生物样品的强度，硬度，流速，粘度，韧性，弹性，可塑性，脆性，延展性，剪切强度，伸长强度，断裂应力或粘附性。
如本文所用，术语“干扰信号”和“探测信号”、“刺激信号”具有相同的含义。
如本文所用，术语“干扰单元”和“探测单元”、“刺激单元”具有相同的含义。
如本文所用，术语“导电材料”(或其等效的“导体”)是带有可移动电荷的材料。导电材料可以是金属(例如，铜，银或金)或非金属(例如，石墨，盐溶液，等离子体或导电聚合物)。金属导体，如铜或铝，可移动的带电粒子是电子(参见导电)。正电荷也可以以晶格中缺少电子的原子的形式移动(称为空穴)，或者以离子的形式移动，例如在电池的电解质中。
如本文所用，术语“电绝缘材料”(也称为“绝缘体”或“电介质”)是指阻挡电流流动的材料。绝缘材料具有与原子紧密结合的价电子。电绝缘材料的实例包括玻璃或有机聚合物(例如，橡胶，塑料或特氟隆)。
如本文所用，术语“半导体”(也称为“半导体材料”)是指由于电子流动而具有导电性的材料(与离子导电相反)，其大小介于导体和绝缘体之间。无机半导体的实例包括硅，硅基材料和锗。有机半导体的实例包括多环芳烃化合物五苯，蒽和红荧烯等芳族烃；聚合物有机半导体，如聚(3-己基噻吩)，聚(对苯乙炔)，聚乙炔及其衍生物。半导体材料可以是结晶固体(例如硅)，无定形体(如氢化无定形硅和各种比例的砷，硒和碲的混合物)，或甚至是液体。
如本文所用，术语“生物材料”具有与本领域技术人员所理解的“生物材料”相同的含义。在不限制其含义的情况下，生物学材料或生物材料通常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，增强或替代某些本能功能的医疗器件。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骸关节。这些生物材料可以用于日常的牙科，手术以及药物输运。例如，可以将浸渍过某种药物的结构放置于人体内，以使药物达到缓释的效果。生物材料也可以是移植材料如自体移植物，同种异体移植物，异种移植物。所有已发现的其它医学或生物医学领域应用中的材料也可以用于本发明。
如本文所用，术语“微电子技术或工艺”通常包括用于制造微电子和光电子器件的技术或工艺。示例包括光刻，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，薄膜沉积，清洗，直写，抛光，平坦化(例如，通过化学机械抛光)，外延生长，金属化，工艺集成，模拟或其任何组合。关于微电子技术或工艺的更多描述详见以下参考数据，Jaeger的《微电子制造简介》，Prentice Hall出版社,2002第一版； 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》，Prenti ce 111 1出版社，2002第二版；S. Camphell的《微电子制造科学与工程》，牛津大学出版社，2001年第一版；上述这些内容都作为本文的引用。
如本文所用，术语“选择性”是指如“微电子工艺过程中材料B对材料A的选择性”，是指工艺过程中对材料B的操作是有效的而对材料A是无效的，或者对材料B的作用比对材料A的作用更明显(例如，去除材料B的速率比去除材料A的速率大，那么在相同时间去除材料B的量要比材料A多)。
如本文所用，术语“碳纳米管”通常是指具有圆柱形纳米结构的碳的同素异形体。更多描述详见P.J.F.Harris的《碳纳米管科学》，剑桥大学出版社，2009。
疾病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，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发明提出的新技术将能够对生物样品CTC进行全方位性质检测的多个类型的微器件集成为一种疾病检测仪。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)示出了一系列传统检测仪，其中每种都依赖于单一检测技术。图1(b)和图1(c)所示为本发明涉及的检测仪，集成了多个子单元。
图2是本发明涉及的检测仪的示意图，它包括多个子单元，输送系统和中央处理系统。
图3是本发明涉及的检测仪的透视图，生物样品位于检测仪内并且流过检测仪才能检测。
图4示出了本发明涉及的检测仪的两个平板，每个平板上制备一个或多个检测或探测单元。
图5是本发明涉及的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，包括依赖时间的或动态信息。
图6是本发明提供的检测仪包括的一系列新微观探针的透视图，微探针用于检测生物样品(例如细胞)的多种电磁状态、配置或其它性质。
图7是本发明涉及的检测仪内部新型四点探针的透视图，用于检测生物样品(例如一个细胞)的微弱电信号。
图8所示为流体输送系统，是检测仪的预处理部件，它能够以一定的压力和速度向器件注入样品或辅助材料。
图9所示为本发明涉及的疾病检测仪中的微器件是如何在微观水平与生物样品建立通信，探测，检测或可选地处理和修饰生物体的。
图10所示的另一种微器件或子单元，带有多个光学传感器并能够检测生物体的光学性质。
图11所示的另一种微器件或子单元，能够根据生物样品的几何尺寸进行区分，并分别检测其性质。
图12所示的微器件或子单元能够检测生物体的声学性质。
图13所示的微器件或子单元能够检测生物体的内部压力。
图14所示的微器件或子单元，在一对探针之间具有凹槽，位于通道的底部和顶部。
图15所示的另一种微器件或子单元带有和图14形状不同的凹槽。
图16所示的微器件或子单元具有阶梯通道结构。
图17所示的微器件或子单元带有一套热学仪表。
图18所示的微器件或子单元包括管道内含有DNA的碳纳米管。
图19所示的微器件或子单元集成了检测器件和光学传感器。
图20所示的本发明涉及的集成检测仪包括检测器件和逻辑电路。
图21所示的微器件或子单元集成了检测器件和过滤器件。
图22所示的本发明涉及的检测仪是如何用于检测DNA几何参数的。
图23所示的检测仪的制造工艺，通过覆盖沟槽的顶部来实现通道。
图24展示了子单元检测生物样品的示意图。
图25所示为样品过滤单元。
图26所示为另一种样品过滤单元。
图27所示为本发明涉及的检测仪的预处理单元示意图。
图28所示为本发明涉及的检测仪的信息处理单元示意图。
图29所示为多个信号的迭加消除了噪声增大了信噪比。
图30所示为一种新的疾病检测方法，用该方法至少要求一个探针以特定的速度和方向碰撞生物样品。
图31展示了用本发明涉及的疾病检测仪检测生物体的流程。
图32展示了另一种检测流程，将患病样品和健康样品分离并将患病样品输运用于进一步测试。
图33展示了生物检测器件阵列，由一系列检测器件组成一台检测仪。
图34所示为本发明涉及的疾病检测仪的另一实施例，包括器件的入口和出口，以及用于生物样品流过的通道，检测器件沿着通道的墙壁排列。
图35所示为本发明涉及的己封装好待用的检测仪的实例。
图36所示为本发明涉及的已封装好待用的另一个检测仪的实例。
图37所示为本发明涉及的已封装好待用的另一个检测仪的实例。
图38所示为本发明涉及的带有通道(沟槽)和微传感器阵列的检测仪。
图39所示为本发明涉及的包含多个子器件的检测仪。
图40所示为本发明涉及的检测仪的一个例子，它包括一个带I/O口焊盘的专用集成电路(ASIC)芯片。
图41是本发明涉及的检测仪的基本原理图，它通过非显而易见的方式将各种预筛选和检测结合起来实现功能。
图42所示为生物体可以流入的通道的剖面视图和外部视图。
图43所示为本发明涉及的检测仪中被测生物体流过通道的过程，其中沿着通道排列着探测器。
图44所示为带有一个或两个分拣单元的检测仪。
图45所示为本发明涉及的检测仪带有许多同时制备在相同芯片上的特定结构。
图46所示为本发明涉及的另一种检测仪，用于分拣，筛选，分离，探测和检测病变生物体，其中特定的组件或多种组件通过中间通道与中间腔体连接起到广泛的作用。
图47所示为和多个孤立的检测仪相比，本发明涉及的检测仪集成了多个具有多种功能和技术的子单元，或是一个显著减少了体积或尺寸的集成检测仪，由于集成检测仪内的硬件为常规硬件(例如，样本处理单元，样本检测单元，数据分析单元，显示输出单元，打印机，等)，因此成本较低。
图48所示为当具有多种功能和技术的多个子单元集成为一台检测仪时，功能更加多样化，检测功能，灵敏度，检测灵活性得到增强，并且减小体积和降低成本，许多通用设施可以共享，如输入硬件，输出硬件，样本处理单元，样本检测单元，数据分析单元和数据显示单元。
图49展示了在器件中收集并在新技术中处理的一系列不同分类的生物信息。
图50展示了这种新技术中的测量信息，包括蛋白质，细胞和分子水平信息，或它们的组合。
图51展示了来自不同生物分类的信号可以相互作用，组合，和/或放大以增强该新技术中的信号。
图52展示了该新技术中检测到的信号作为癌细胞浓度的函数。信号随着癌细胞数量的增加而增加。
图53展示了该新技术中检测到的信号作为生物标记物水平的函数。信号随着生物标记物水平的增加而增加。
图54展示了与用于肝癌的传统生物标志物(AFP)相比这种新技术的优点。使用 58例确诊的肝癌样本，该新技术的灵敏度为79.3％，而AFP的灵敏度为55.9％。
图55展示了在添加分子水平反应引发剂之前和之后检测到的信号CDA的结果。
图56展示了通过本发明测试的实际样品的数量以及通过这些测试实现或显示的意想不到的结果。
图57展示了本发明的多水平检测系统的检测结果。
图58展示了对照组，非癌症疾病组和癌症组的CDA值。
图59示出了疾病状态与检测到的细胞信号传递特性和/或细胞介质特性之间的关系。
图60示出了细胞，蛋白质和遗传成分(DNA，RNA等)及其周围的液体介质(例如血液)的示意图。
图61显示了对照(健康)和肺癌细胞系的扫描曲线。
图62示出了用于对照(健康)全血样本的典型扫描曲线。
图63示出了对照(健康)全血样本和肝癌全血样本的扫描曲线。
图64显示了对照(健康)，疾病和肝癌全血样本的扫描曲线。
图65显示了本申请中要求保护的技术与循环肿瘤细胞(CTC)和循环肿瘤(癌症)DNA(ct-DNA)的比较。在这项技术中，所有组均存在信号，从健康组开始，并随疾病组，癌症前疾病组和癌症组迅速上升，信噪比高(示意图上每个点代表信号，信号越高，点越多)，而CTC和ct-DNA技术仅在II期癌症中具有信号，信号非常弱，并且预期的信噪比很差。
图66显示CDA技术是一种多级和多参数测试，也可以与其他测试结合使用，其他测试包括生物标志物(蛋白质水平)，CTC(细胞水平)和/或ct-DNA和其他基于 DNA的测试(遗传测试)。
图67显示了提出的模型的示意图，其中生物物理特性(例如电特性)的变化会导致细胞，蛋白质和分子(基因)水平的变化，从而导致免疫力和炎症的变化，以及导致发生疾病和癌症的可能性(或更少的可能性)。
图68显示，随着CDA的增加和电流，电导率，离子水平，膜电位和极化的降低，许多细胞水平(细胞信号传递，细胞排斥，静息电位和细胞表面电荷降低)和分子水平 (DNA表面电荷减少，量子力学效应改变，DNA突变增加)特性降低，从而导致疾病和癌症增加。
图69示出了对照(健康)组，非癌症疾病组和癌症组的CDA值(基于测量本专利申请中要求的特性及数据分析之后的值)。从健康阶段到非癌症疾病组再到癌症组， DCA值逐渐升高。
图70显示，随着电流和电导降低(离子(例如，钾，氯，钠和钙)浓度或净离子浓度或电荷降低)，许多细胞水平(细胞信号传递，细胞排斥，静止电势，膜电位和细胞表面电荷减少)特性发生变化并降低。
图71显示了健康病例和癌症病例之间DNA周围介质的电特性和/或DNA表面电荷的变化。
图72示出了CDA技术比传统的CT成像具有更高的灵敏度和特异性。
图73显示，对于(a)健康，(b)肺癌刚诊断后和手术前，以及(c)在手术和治疗后的个体/组，CDA值表现出与突变频率相关。
图74示出了在三个阶段，即在诊断之后，在Ⅰ期治疗之后和在Ⅱ期治疗之后，CDA技术用于小细胞肺癌的靶向药物治疗的预后。
图75显示了具有细胞内和细胞外区域的细胞膜的示意图，其中细胞外区域的膜电位和净电荷Q降低。
图76示出了两个细胞的膜的示意图，其示出了膜电位，细胞内空间和细胞外空间。
图77示出了使用物理或生物物理方法来治疗疾病的本发明的仪器的示意图。
图78示出了使用物理或生物物理方法来治疗疾病的本发明的另一仪器的示意图。
图79示出了在本发明的疾病治疗之后生物体的性质的变化。
图80A-80O示出了用于治疗疾病的仪器，该仪器具有能够将能量施加到生物体上的线圈围绕通道。
图81示出了通过将试剂添加到生物体的液体样品中来检测疾病的仪器。
具体实施方式
本发明的一个方面涉及用于检测疾病，特别是肺部疾病(例如，肺炎，肺结核，严重急性呼吸系统综合症(SARS)或冠状病毒)的仪器。该仪器提供了一种微流体装置，其具有通道和/或腔室，生物体的液体样品(例如血液，血清，血浆，汗液，眼泪，唾液或尿液)穿过该通道和/或腔室。至少一个检测器部分或完全在通道或腔室的一个或多个侧壁旁放置，用于检测生物体的至少一种生物物理或物理特性(性质)。收集检测到的数据用于分析，以确定该疾病是存在于生物体或确定每种癌症的状况，从而提供确定或监测疾病进展的能力。另外，可以例如通过通道和/或混合室的一个或多个侧壁上的注射器将至少一种试剂添加到液体样品中。除了由检测器或传感器检测到的生物物理或物理性质外，液体样品还会与试剂反应并释放信号，信号也可以由检测器或传感器检测到。这种试剂的实例包括氧化剂，用于测试核酸的试剂和用于生物化学测试的试剂。本发明的早期临床研究表明，在正常(健康)组和包括肺炎和肺结核在内的肺部疾病组之间检测到的生物物理或物理性质的统计差异。其他可能适用的呼吸道或肺部疾病的例子包括严重急性呼吸道综合症(SARS)，冠状病毒等。
因此，该新技术可用于肺部疾病筛查，辅助诊断，预后和后续测试，具有提高的灵敏度和特异性，及早发现此类疾病的能力，具有成本效益且无副作用。
本发明的另一方面，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、组织或细胞)疾病检测仪器。每个检测仪包括输送系统，至少两个子单元，可选地，中央控制系统。每个子单元至少能够检测生物样品的一种微观性质。因此，本发明涉及的检测仪能够检测生物样品的不同参数，能够进行准确率高，灵敏度高，特异性好，效率高，非侵入性，实用性高，结论明确，检测速度快，成本低的疾病早期检测。另外，本发明涉及的检测仪还有一些主要优点，例如，降低了有效占用空间(例如，定义为单位空间的功能)，降低了医疗器件的空间，降低了整体成本，利用一个器件提供结论和有效的诊断。
输送系统是一套流体输送系统。通过施加恒定压力，将微观的生物样品输运到检测仪的一个或多个特定子单元。
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，加压，接收，放大，或存储的功能。例如，检测仪进一步包括中央处理系统，用于控制生物物质向一个或多个子单元的输运以及读取和分析来每个子单元的检测数据。中央处理器包括控制电路，寻址单元，放大电路(如锁相放大器)，逻辑处理电路，存储单元，应用程序特定的芯片，信号发射器，信号接收器，传感器。
在某些实施例中，流体输送系统包括压力发生器，压力调节阀，节流阀，压力表以及其它配套部件。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；根据压力表回馈的节流阀的压力值调整压力至目标值。
用于输送的生物流体可以是用于疾病检测的生物样品也可以是其它物质。在某些情况下用于输送的可以是液体样品(如血液或淋巴)。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太小时，压力调解器会将压力调整到可接受的水平。
可选地，该仪器带有一种或多种附加特性和结构，每种都能够输运第二液体溶液，该第二液体溶液含有酶，蛋白质，氧化剂，还原剂，催化剂，放射性成分，光学发光成分或离子成分中的至少一种；第二液体可以在分离生物样品前或分离同时，或检测之前或检测同时加入或输运至被测生物样品中，从而增加检测仪的检测灵敏度。
在某些实施例中，中央控制单元还包括前置放大器，锁相放大器，电学仪表，热学仪表，交换矩阵，系统总线，非易挥发性存放装置，随机内存，处理器或使用者接口。该接口包括一个传感器，它可以是热学传感器，流量计，光学传感器，声学检测器，电流表，电学传感器，磁学传感器，电磁传感器，PH计，硬度检测传感器，成像器件，照相机，压电电传感器，压电光电池传感器，压电电光电池传感器，光电传感器，电热传感器，生物电传感器，生物标记物传感器，生物化学传感器，化学传感器，离子发射传感器，光检测器，x射线传感器，辐射材料传感器，电传感器，电压表，热传感器，流量计或压电表。
在某些实施例中，本发明的仪器(也称为检测仪)还包括生物接口，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。
另一方面，本发明提供一种能够和细胞相互作用的检测仪，包括向细胞发送信号并接收细胞回馈信号的微器件。
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，通信，处理，或修改，这些特定信号可以是热学，光学，声学，生物学，化学，机电学，电化学，电化学机械，生物化学，生物机械，生物机电，生物电化学，生物电化学机械，电学，磁学，电磁学，物理或机械信号，或它们的组合。
在某些实施例中，检测仪内的器件或子单元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。在某些情况下，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，这种能量包括但不限于热能，机械能，重力场能，量子机械能，光能，声能，电能，电磁能量，磁场能量，辐射能量，或机械能。这些能量可以是特定频率的脉冲。
在某些实施例中，检测仪内的器件或子单元包括一种存储或向细胞表面或内部释放元素或元素组合的部件，还包括另一种控制元素释放的部件(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及它们的组合物。信号可以是脉冲式的也可以是恒定的，可以以释放的元素或元素组合物的形式，且可以通过液体溶液，气体或两者结合携带。信号的频率范围是 1×10-4Hz到100MHz或1×10-4Hz到10Hz，或在浓度约1.0nmol/L到10.0mmo1/L的范围内振荡。此外，例如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，或任何结合。
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，细胞对该信号的回馈可以是振荡元素，化合物，或生物成分的振荡强度。
某些实施例中，需要用生物膜包裹器件或子单元，例如以获得和细胞更好的兼容性。
在某些实施例中，器件或子单元包括多个组件用于产生发送给细胞的信号，接收细胞回馈信号，分析回馈信号，处理回馈信号，以及器件和细胞的接口。
本发明的另一方面是所提出的器件或子单元均包括微过滤器，遮光器，细胞计数器，选择器，微型手术工具，定时器，数据处理电路。微过滤器可以根据物理性质(如尺寸，
形状，或速度)，机械性质，电学性质，磁学性质，电磁性质，热性质(例如，温度)，光学性质，声学性质，生物学性质，化学性质，电化学性质，生物化学性质，生物电化学性质，生物电机械学性质分离异常细胞。每个器件包括一个或多个微过滤器。每个微过滤器可以集成两个细胞计数器，一个安装在微过滤器的入口，一个安装在过滤器的出口。微过滤器的形状可以是长方形，椭圆形，圆形或多边形；微过滤器的尺寸范围从约0.1微米到约 500微米，或约5微米到约200微米。这里所说的“尺寸”是指过滤器开口的，例如，直径，长度，宽度或高度等物理或特征尺寸。微过滤器被生物涂层或生物兼容性涂层所包裹以增强细胞和器件之间的生物兼容性。
除了通过尺寸等物理性质分离生物样品外，过滤器还可以包含通过其它性质分离生物样品的附加结构和功能，其它性质包括机械性质，电学性质，磁学性质，电磁性质，热性质(例如，温度)，光学性质，声学性质，生物学性质，化学性质，电化学性质，生物化学性质，生物电化学性质，电机械学性质。
在某些实施例中，器件的遮光罩夹在两层过滤膜中间并受定时器控制。细胞计数器可以触发定时器。例如，当一个细胞通过过滤器入口的细胞计数器时，时钟触发重置遮光罩，使遮光罩以预定的速度向细胞路径移动，定时器会记录细胞通过出口处细胞计数器的时间。
本发明的另一方面是提供了制造带有微型沟槽和嵌入到微型沟槽内侧壁的微探针的微器件的方法。微器件上的微沟槽是开口的(见图2(i)2030)，需要和另一与之对称的倒置沟槽(见图2(k),2031)连结在一起形成一个封闭的通道(见图2(1),2020)。制造方法包括化学气相淀积，物理气相淀积，原子层淀积等方法向衬底淀积各种材料(其中衬底可以是半导体材料，例如硅，或者是绝缘材料，例如玻璃或二氧化硅材料)；利用包括光刻，蚀刻的方法，将沉积层图案化，化学机械抛光技术用于表面平坦化，化学清洗用于去除颗粒；扩散或离子注入用于特定层元素掺杂；热退火用于减少晶格缺陷，并启动离子。举例说明这种方法，向衬底淀积第一层材料；在第一层材料上淀积第二层材料，并利用微电子技术 (光刻，蚀刻)图形化第二层材料，形成用于检测的尖端结构；淀积第三层材料并利用化学机械抛光将进行平坦化；淀积第四层材料并利用微电子技术将其图形化，利用微电子技术去除部分第三层材料，也可以去除部分第一层材料，蚀刻对第二层材料是有选择性的，这里第四层材料作为硬掩膜。硬掩膜一般指半导体工艺中用来替代聚合物或有机软材料掩膜的材料(例如，无机电介质或金属化合物)。在一实施例中，在衬底层(例如硅或二氧化硅或玻璃层)或衬底层上方的层中形成通道，在通道的壁上形成至少一个探针(例如金，钨，铝，银，铜或镍导电探针头)，以探测所需的生物样品特性(例如物理，生物物理或生物化学特性)。
在某些实施例中，所述方法还包括将两个对称(即，镜像)的器件或子器件单元结合形成带有通道的检测器件。通道的入口一般呈喇叭形，入口端较内部通道尺寸较大，这样细胞更容易进入。每个通道的截面形状可以是矩形，椭圆形，圆形或多边形。微器件上的沟槽可以通过每个器件掩膜上的对准标记来对准。微沟槽的尺寸范围可从约0.1um到 500微米左右。
另外，该方法还包括用于覆盖微器件沟槽的平板的制造。这种平板可以包含或用硅，锗化硅，二氧化硅，氧化铝，石英，光损耗低的玻璃或其它光学材料制成。其它可选的光学材料包括丙烯酸酯聚合物，银铟锑碲合金，人造翡翠，三硒化二砷，三硫化二砷，氟化钡，CR-39，硒化镉，氯化镉铯，方解石，氟化钙，硫系玻璃，磷化镓，锑碲锗合金，锗，二氧化锗，氢硅氧烷，冰洲石，液晶，氟化钾，陶瓷材料，光超导材料，氟化镁，氧化镁，负折射率材料，中子超镜，磷，光学塑料，聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，溴化钾，蓝宝石，暗光磷光体，标准白板，制镜合金，开环谐振器，氟化锶，钇铝石榴子石，钒酸钇，氟锆酸盐玻璃，硒化锌和硫化锌。
在某些实施例中，该方法还包括将三个或更多个微器件或子器件单元整合成具有通道阵列的增强的器件。
本发明的另一方面涉及微器件(包括微探针和微压探针)的一系列新的制造流程，该器件根据生物样品的微观性质进行疾病检测。集成于检测仪的微器件可以作为子单元用于检测生物样品的一种或多种性质。例如，癌细胞可能具有不同于正常细胞的硬度(更硬)，密度(密度更大)和弹性。
本发明的另一方面涉及细胞间的通信以及在所述的微器件发出的信号作用下细胞的反应(如分化，去分化，细胞分裂和凋亡)。这可以用于进一步的检测和治疗疾病。
本申请的另一个方面是本发明的方法或方法中的测量参数是至少两个水平F(水平 1，水平2)的函数，其中水平1可以是生物实体，例如蛋白质，水平2可以是另一个生物实体，如遗传学，其中测量信号强度F(水平1，水平2)大于仅包含水平1信息的f (水平1)的信号和仅包含水平2信息f(水平2)的信号的强度之和： F(水平1，水平2)的信号强度﹥f(水平1)的信号强度+f(水平2)的信号强度。
上述新特征和特性可以扩展到测量参数，该参数是包含许多水平F(水平1，水平2，水平3......水平n)的函数。该创新的一个新且非显而易见的特征是，包含多个生物水平的参数的测量信号在测量信号上协同增强，每个信号仅包含单个生物水平。利用这种方法，可以有效地增强或放大疾病检测中的典型弱检测信号，例如癌症检测(特别是在早期癌症检测中)，使得早期疾病检测成为可能并且更有效。
为了进一步提高检测能力，采用时间飞行技术，可以在一个检测仪内集成多个微器件形成子单元，其中至少有一个探测微器件和一个感知微器件放在预设位置。探测微器件对被测生物样品施加一个信号(如电压，电荷，电场，激光，热脉冲，离子束或声波)，及检测(感知)微器件测量经过一段特定距离和特定时间后来自于生物样品或生物样品的反应。例如，探测微器件可以先向一个细胞释放一个电荷，然后样品经过一段时间(T)或特定距离(L)后检测(感知)微器件马上检测其表面电荷。
本发明涉及的检测仪中的微器件或子器件单元有很多种设计、结构和功能，并且灵活性好，应用范围广，因为它们性能多样，高度灵活，便于集成化、小型化、规模化。微器件它们包括，例如，电压比较器，四点探针，计算器，逻辑电路，内存单元，微型铣刀，微锤，微屏蔽器，微型染料，微刀，微针，微持线钳，微型镊子，微型激光器，微型光学吸收器，微型镜子，微型车，微型过滤器，微型斩波器，微粉碎机，微泵，微减震器，微型信号探测器，微钻，微吸盘，微测试仪，微容器，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，硬度检测仪，声波发生器，光学波发生器，加热器，微型制冷机和微型发电机。
此外，应当指出，在制造技术进步的今天，将大量多功能的微器件集成在一起是可行的、经济的。人体细胞典型尺寸是大约10微米。利用最先进的集成电路制造技术，微器件上定义的最小特征尺寸可以达到0.1微米或更小。因此将这种微器件应用于生物领域是理想的。
对于制造本发明涉及的检测仪的微器件的材料，主要考虑和生物体的兼容性。由于微器件接触生物样品(如细胞)的时间可能会有所不同，这取决于其预期的应用，不同材料或不同的材料组合，可能会被用来制造微型器件。在某些特殊情况下，需要将材料以可控的方式溶于特定pH值的溶液中，从而变成一种合适的材料。其它考虑因素包括成本，使用的便捷性和实用性。随着微加工技术，如集成电路制造技术的重大进步，最小特征尺寸小至0.1微米的高度集成的器件制造己经走向商业化。一个很好的例子是微机电器件 ((MEMS)的设计和制造，这类器件正广泛应用于电子工业和其它行业的各个领域。
已经在多种类型的癌症上获得了高灵敏度和特异性的良好疾病(癌症和非癌症)检测结果，证明了本发明涉及的检测仪能够检测疾病(例如，癌症)，特别是早期检测。本发明提供了新的“癌症分化分析”(CDA)液体活检技术。实验结果还表明，本发明涉及的检测仪可以用于多种癌症检测，相对现有许多检测仪，这是一种进步。
具体地，利用本发明涉及的检测仪的研究已经在多种类型的癌症和非癌症疾病(包括炎症性疾病，糖尿病，肺病，心脏病，肝病，胃病，胆道疾病，或心血管疾病)上进行。在这些研究中，全血样品在获得和/或在0.5-20℃冷藏环境中适当运输/储存后5天内使用。对照组的样品来自健康人，通过具有正常AFP和CEA值(在正常范围内)的健康检查确认。
表1肺部疾病测试的数据
Figure RE-GDA0003231318130000261
Figure RE-GDA0003231318130000271
表2糖尿病测试的数据
Figure RE-GDA0003231318130000272
表3心脏病的测试数据
Figure RE-GDA0003231318130000273
Figure RE-GDA0003231318130000281
表4肝病的测试数据
Figure RE-GDA0003231318130000282
表5胃病的测试数据
Figure RE-GDA0003231318130000283
Figure RE-GDA0003231318130000291
表6描述性统计综述
Figure RE-GDA0003231318130000292
表7ROC曲线分析结果
Figure RE-GDA0003231318130000293
Figure RE-GDA0003231318130000301
使用基于来自研究的测试值，利用计算的算法获得CDA值。CDA值随疾病风险而增加。换句话说，CDA值越高，疾病风险越高。
如上表所示，各种疾病的CDA值(中值40)高于对照(健康)组(36左右)。这两组的CDA值的统计分析显示这两组之间的CDA值存在统计学显著差异。因此，上述研究表明，本发明涉及的检测仪和方法能够从对照组中区分一些主要疾病，灵敏度和特异性可能高于现有技术。
尤其是，上面的表1显示了对照(健康)组和肺部疾病组之间的统计差异。对于各种肺和肺部疾病，包括肺炎，肺结核和慢性阻塞性肺部疾病，CDA值要高得多。两组的 CDA值的统计分析表明，对照(健康)组和患有肺部疾病的组之间CDA值存在统计学上的显著差异。本发明提供的仪器和方法也可能潜在地适用于其他呼吸道或肺部疾病，例如严重急性呼吸综合症(SARS)，冠状病毒等。因此，本发明提供了用于将肺部疾病与健康组分开的仪器和方法。并提供肺部疾病的检测，其敏感性和特异性高于现有技术。
下面四个部分是对本发明涉及的检测仪举例，该检测仪包括一系列集成了新微器件的子单元。
图1(a)示出了一系列传统检测仪，其中每种都依赖于单一检测技术。如图1(a)所示，目前的诊断设备常常局限于单一技术(如X射线或核磁共振仪)。
图1(b)和(c)展示了本发明中将多个子单元整合于一体的检测仪。因此，全新的检测仪比传统器件尺寸更小。
图2展示了本发明涉及的检测仪，它包括了多个子单元，输送系统和中央控制系统。中央控制系统包括了多个处理单元，处理单元可以是计算机，数据分析单元或显示单元。
中央控制系统与各个子单元相互作用，并被其使用。这种共享的流程可有效减少成本，减小检测仪体积。生物样品(如流体样品)可通过输送系统流向各个子单元。输送系统还可以将生物体运输到一个或多个期望的子设备以用于特定诊断目的。
为了提高检测速度和灵敏度，大量的微型器件可以集成到本发明的单个检测仪中。每个微器件可以是检测仪中的独立的子单元。为了达到上述要求，应优化检测仪使其表面积最大化能够放置更多的微器件以更好地接触生物样品。
集成了多个微器件的检测仪能够检测生物体的多种性质，而不仅仅是用于疾病诊断的某个单一的性质。各种微器件可代替不同的子单元。图3是本发明的检测仪133的剖面图，检测仪133集成了微器件311,312,313,314和315，内有不同的检测探针，样品211，如血液样品可以放置在检测仪内部测试或在流过时测试一种或几种微观性质，如机械性质 (如密度，硬度，附着力)，热学性质(例如，温度)，生物学性质，化学性质(如PH值)，物理学性质，声学性质，电学性质(包括表面电荷，表面电位，和阻抗)，磁学性质，电磁学性质，和光学性质。
需要说明的是，对检测仪表面的优化设计使测试表面积最大化是十分必要的。因为表面积越大，能够放置并同时测试样品的器件就越多，这样可以提高检测速度并减少测试样品使用量。
图4是本发明中的疾病检测仪或子单元的透视图。它包括两个间隔很小的极板，两极板中间有血液样品流过，极板内表面的微器件可以在微观水平上对样品的一种或多种性质进行检测。
本发明的另一方面涉及用于疾病监测目的，一系列制备微器件或子设备单元的新的制造工艺。因此，利用上述工艺就制成了带有两个探针的能够测量生物样品多种性质(包括机械和电性能)的微器件。
本发明涉及的集成了多个微器件的检测仪能够检测单个细胞，单个DNA或RNA 分子，一个独立的个体或小尺寸的生物物质的预选性质。另一方面，本发明提出的微器件的设计和制造工艺使其灵敏度高，能够在复杂环境下和强背景噪声下对疾病的微弱信号进行检测。本发明涉及的疾病检测仪的功能包括但不仅限于动态测量，实时测量(如飞行测量时间，探针信号和响应信号检测)，用以减少背景杂音的锁相技术，测量非常微弱信号的四点探针技术，和独特，新的探针在单个细胞(如DNA或染色体端粒)，单个分子(例如 DNA,RNA，或蛋白质)，单个生物体(如病毒)水平上测量生物样品的各种电学，电磁学，磁学性质。
例如，可以利用飞行时间的方法获得生物样品(如细胞，细胞的部分结构， DNA,RNA或病毒)的动态信息，第一个微器件用于向被诊断生物体施加激励信号，然后第二个微器件精确测量生物实体的回馈信号。在一个实施例中，第一个微器件和第二个微器件以特定或预定的距离L分开放置，然后被测生物体从第一个微器件流向第二个微器件。当生物体从第一个微器件流过时，第一微器件向生物体施加信号，然后第二微器件检测生物体的回馈信号。从两个微器件间的距离，时间间隔，第一微器件的扰动性质，测量生物体飞行时间的变化，可以得到生物体的微观动态性质。在另一实施例中，第一微器件用于向生物体施加信号(如电子电荷)，而第二器件探测到的回馈信号作为时间的函数。
为进一步提高检测灵敏度，全新的疾病检测方法会被使用，其中包括飞行时间技术。图5是检测仪155的接口透视剖面结构示意图，其中微型器件321和331放置在特定的间距为700的位置，从而在飞行时间测量中，以更高的灵敏度，特异性，和速度测量生物样品211(例如细胞)的动态信息。在这次飞行时间测量中，生物样品211的一个或多个性质在通过第一微型器件321时首先被测到。当样本211行进700距离，通过第二个微型器件331后，这些性质再次被测试。样本211在微型器件321和331的性质变化表征了运动期间样本与周围环境(例如，特定的生物环境)的相互作用。它还可以揭示样本211性质随时间的变化的深入信息。另外，如图5所示，微型器件321可以作为探针，当样本211通过微型器件321时，在样本211上施加探测信号(如电子电荷)。随后，当样本通过微型器件331时，该样本对探测信号的响应可通过331检测到(如飞行中样本上电子电荷的变化)。对生物样品211的测试可以通过接触式或非接触式的测量。在一个实施例中，通过一个以特定的间距排布的微型器件阵列测量生物体的性质随时间的变化。
如上所述及图5所示，利用微型器件(如通过使用本发明的工艺流程所制备)，可测试生物样品(如细胞，细胞部分结构，生物分子如DNA,RNA和蛋白质)的一组微观性质，这些微观性质通过现有的技术无法测试。这些微观性质可以是生物样品(单一生物体，如细胞，生物分子如DNA,RNA和蛋白质或组织、器官样品)的热，光，声，生物，化学，电化学，电化学机械，电子机械，生物化学，生物力学，生物电机械学，生物电化学，生物电化学机械，电，磁，电磁，物理，或机械性质。众所周知，生物物质包含从基本的化学键诸如OH，CO和CH键到复杂DNA,RNA的三维结构，其中一些根据它们的电子构型具有独特的特征，其中的另一些可能具有独特的热，光，声，生物，化学，电化学，电- 化学机械，电子机械，生化，生物力学，生物电机械学，生物电化学，生物电化学机械学，电，磁，电磁，物理或机械性质和组态，或任何组合。正常的生物体和病变的生物体可携带基于上述性质的不同的特征信号。然而常规的疾病的检测中没有关于上述参数或性质的测量。通过使用本发明中包含一个或者多个微型器件的疾病测试仪器，可对上述性质进行探测、测量，并作为疾病检测中的有用信号，特别适合于癌症的早期诊断。
图6是一套全新的微型探针341,342,343,344,345,346，和347的透视图。这些探针设计并设置为检测各种电子，磁性，电磁状态或生物样品212,213,214和215在微观水平上的其它性质。生物样品212,213,214和215为样品的单个细胞，DNA,RNA，和组织。例如，在电学性质测试方面，生物样品212，213，214和215在图10中分别代表了单极子(样本 212)，偶极子(样本213和214)以及四极子(样本215)。微型器件341，342，343，344,345,346，和347优化后将参数测试的灵敏度最大化。这些参数包括但不限于电子态，电子电荷，电子云分布，电场和磁场，和电磁性质。微器件可以设计并呈在三维结构分布。就一些疾病如癌症而言，正常细胞和癌细胞，DNA和RNA和组织的电子态及相应的电学性质有差异。所以通过测量微观水平包括在细胞，DNA和RNA水平的电学、磁学和电磁性性质，可提高疾病检测的灵敏度和特异性。
除了上述例子中测量的单个细胞的电学性质(如电荷，电子态，电子电荷，电子云分布，电场电流，和电力的潜力，和阻抗)，机械性质(如硬度，密度，强度，断裂强度)和化学性质(如酸碱度)，及在图6中测量的电学，磁学或电磁态或者生物样品分子水平(DNA，RNA或蛋白质)的组态外，本发明披露了用于灵敏电学测试的其余微型器件。
图7展示了采用四点探针法测试生物样品(如细胞)中微弱电信号的方法。其中四点探针348设计为测试生物样品216的电学性质(阻抗和弱电流)。
本发明的一个重要方面是微型器件的设计与制造流程，以及利用微型器件在微观水平或三维空间上捕捉和/或测量生物体(如细胞，细胞结构，DNA,RNA)。微型器件在三维方向上有微型探针阵列，其特征尺寸与细胞，DNA或RNA的大小相当，能够捕获，分类，探测，测量，检测，计数，通信，和修饰生物体。这些微型器件可以采用目前先进的微电子加工技术制造，如制造继承电路的技术工艺。通过薄膜淀积技术如分子束外延(MBE)和原子层淀积(ALD)技术，薄膜的厚度可减至几个单层原子的水平，进而通过电子束或X射线光刻，器件的特征尺寸可达到纳米量级，使得微型器件能够捕获，探测，测量，和修饰生物体(如单个细胞，单个DNA,RNA分子)成为可能。
本发明的另一方面涉及微探针和微压痕探针，这些探针用于测量生物样品的一系列物理性质(如机械性质)。机械性质的实例包括硬度，抗剪强度，拉伸强度，断裂应力及其它与细胞膜相关的特性，而细胞膜通常认为是疾病诊断的关键组成部分。
本发明提供的另一新方法，是将锁相技术应用于疾病的检测，从而降低背景噪声，有效地提高了信号的信噪比。一般来说，在这种测量方法中，用一个周期信号来探测生物样品，与周期频率相干的探测信号被检测、放大并响应，而其它不相干的频率信号被过滤掉，从而有效地降低背景噪声。在本发明的一个实施例中，微型探测器件可以向生物体发送一个周期性探测信号(如一个激光脉冲，热波脉冲，或交变电场)，生物体对探测信号的响应可以被微型探测器件探测到。锁相技术可以用来过滤掉不需要的噪音并提高与探测信号频率同步的响应信号。以下的两个例子说明了结合锁相检测技术的飞速检测装置的新型功能，以增强微弱信号，提高疾病检测的检测灵敏度。
图8是一个流体输送系统，包括压力发生器，压力调节阀，流量计，流量调节器，节流阀，压力表，和配件。压力发生器805维持流体压力发生器所需的压力，进一步通过压力调节阀801调节和通过节流阀802准确地控制。同时，对压力实时监控并通过压力表 803回馈到节流阀802。调整后的流体平行输送至多个器件，器件处需要恒压以驱动流体样品。
图9展示了本发明中疾病检测仪中的微型器件如何在微观水平上通信、探测、选择性的处理和修饰生物体。图9(a)展示了从信号识别到细胞命运决定的细胞事件的次序。首先，信号901被细胞表面的接收器902接收到，细胞将信号进行整合与编码，转化为生物学上可理解的信息，如钙振荡903。结果，细胞中对应的蛋白质904与该信息作用，然后被修饰并转化为离子相互作用的蛋白质905。通过如此的转化，修饰过的蛋白质905将携带的信息传递给核蛋白，核蛋白上受控的修饰将调节基因907的表达，包括转录，翻译，表观遗传过程，以及染色质的修改。通过信使RNA909，生物信息依次传递给特定的蛋白质910，从而改变其浓度，这将决定或调整细胞的决定或行为，如分化，分裂甚至死亡。
图9展示了本发明中的微型器件或子单元，它能够探测，通信，处理，修饰或探测单个细胞，通过接触或非接触的方式。检测仪配有微型探针和微型注射器，通过控制电路 920处理和调制。每个微型注射器配有单独的微型容器，用于携带设计好的化学品或化合物。
为了说明如何将本发明的微型器件可以用来模拟一个细胞内信号，采用钙振荡作为示例。首先，Ca2+释放启动通道(CRAC)打开至最大程度，这可以通过各种方法实现。一个实例中，存储在盒924中的生化物质(例如，毒胡萝卜素)由注射器925释放至细胞， CRAC将在生物体的刺激下打开。应用本方法在另一个实例，注射器924向细胞膜上施加一个特定的电压，这也会导致CRAC打开。
注射器928中的溶液的Ca2+离子浓度可以调节，因为它是含Ca2+离子的926溶液与不含Ca2+离子的927溶液的特定组合。当注射器930中含无Ca2+的溶液，注射器928和 930交替地以特定的频率接通和关断。由此，实现了Ca2+的振荡。因此，细胞的行为或命运然后暴露于细胞膜内的Ca2+振荡。因此，细胞的活动或命运由检测仪产生的调制信号操纵。
同时，细胞的响应(如以电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，或机械性质的形式)可通过检测仪整合的探针观测和记录。
图9展示了微器件或子单元的另一个设计，它能建立与单个细胞的通信。检测仪配有微型探针，探针涂覆了生物兼容性化合物或元素，如钙，碳，氯，钻，铜，氢，碘，铁，镁，锰，氮，氧，磷，氟，钾，硫或锌。这些探针能产生以上化合物或元素的振荡的化学信号，与细胞相互作用，产生决定如上述的细胞行为或最终命运的响应。类似地，检测仪同样能够探测和记录细胞的响应(如以电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理化学，生物物理学，生物物理化学电力学，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，生物电化力学，物理学或机械性质形式)。
由于表面电荷会影响生物样品的形状，通过全新的多个平板，生物样品的形状和电荷分布信息即可获得。微型器件的一般原理和设计可以扩展至更广阔的范围，如通过分离其它形式的参数如离子梯度，温度梯度，光束，或其它自形式的能量，有可能获得生物体的其它信息。
图10展示了本发明的另一微型器件或子单元，用于检测或测定生物体1010的微观性质，它包括一个通道，一组探针1020，和一组的光学传感器1032(见图10(a))。由探头1020检测到的信号可以和包括光传感器1032收集到的图像的信息相关联，以提高检测灵敏度和特异性。光学传感器可以是CCD摄像机，荧光检测器，CMOS图像传感器，或任何组合。
另外，探针1020可以设计为触发目标生物样品(如病变细胞)的光发射，如荧光发射1043，然后通过光学探测器1032检出，如图10(b)。具体而言，生物体可以首先用可以选择性地反应病变细胞的标记溶液处理。随后，根据与探测器1020的反应(接触或非接触)，病变细胞产生光发射，并通过光学传感器1032检测到。这种使用本发明的微型器件的全新方法比常规方法更灵敏，如传统光谱发射，因为触发点直接位于光学探测器旁边，触发信号1043可实时在位记录，使信号损失最小化。
图11展示了本发明中的检测仪的另一个实施例，可通过几何尺寸分离生物样品并分别探测其性质。它包括至少一个入口通道1110，一个干扰流体通道1120，一个加速腔体1130和两个选择通道1140和1150。1120与1110的夹角范围为0到180度。生物样品 1101沿X方向从1110流向1130。生物兼容性干扰流体1102从1120流向1130。然后流体1102会在Y方向上加速1101。而加速与生物体的半径有关，半径大的比半径小的加速慢。因此，较大和较小的生物体分离至不同的通道，同时，探测器可以选择性的装配于 1110,1120,1130,1140和1150的侧壁。探测器可以探测微观水平上的电学，磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理或机械性质。同时，如果需要的话，清洗流体也可以被注入到系统中用于溶解或清洁检测仪狭小的空间内的生物残留物(例如，干燥的血液和蛋白质)，确保被测试生物样品顺利通过。
本发明涉及的检测仪中的通道的宽度范围为，例如1纳米至1毫米，具有至少一个进口通道和至少两个出口通道。
图12展示了本发明的另一个微型器件或子单元的声学检测器1220，用于测量生物体1201的声学性质。此器件包括：通道1210，至少一个超声波发射器和超声波接收器沿着通道的侧壁安装。当生物体1201通过通道1210，1220发射的超声波信号将在携带1201上的信息后被接收器1230接收。超声波信号的频率可以，例如从2MHz至l0GHz，且沟槽的通道宽度可以，例如从1纳米至1毫米。声能变频器(如超声波发射器)可由压电材料制成(例如石英，磷酸铝，镓，正磷酸盐，磷酸镓，电气石，陶瓷，钡，钛酸钡，锆酸铅，钛酸的PZT，氧化锌，铝氮化物，和聚偏二氟乙烯)。
图13展示了本发明的另一个检测仪，包括压力检测器，用于生物样品1301。它包括至少一个通道1310和其上的至少一个压电检测器1320。当生物体1301通过通道，压电检测器1320将检测到1301的压力，并将压力转换成电信号，井将其发送至信号读取器。同样地，在该检测仪中的沟槽的宽度可以从1纳米至1毫米，压电材料可以是石英，磷酸铝，镓，正磷酸盐，磷酸镓，电气石，陶瓷，钡，钛酸钡，铅锆酸盐，钛酸盐，氧化锌，氮化铝，或聚偏二氟乙烯的PZT。
图14展示了本发明中的另一个的检测仪，包括一个探头对之间的凹槽1430，可以在通道底部或顶部。当生物体1410通过，凹槽1430可以选择性地捕获具有特殊几何特性的生物体，使得探测更有效。凹槽的投影的形状可以是矩形，多边形，椭圆形，或圆形。探针可以检测出电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物，化学，物理，机械性质，或它们的组合。沟槽的宽度可以从1纳米至1毫米。图14(a)是该检测仪的一个倒置的视图，图14(b)是侧视图，而图14(c)是透视图。
图15是本发明的另一个检测仪，包括通道底部或顶上的凹槽1530(与图14中所示的不同形状)。当生物体1510通过时，凹槽1530将产生湍流的流体，从而可以选择性地捕获具有特殊几何特征的微生物体。探针可以检测出例如电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物，化学，物理或机械性质。凹槽的深度可以，例如从10nm至1mm，沟道宽度可以从1纳米至1毫米。
图16展示了本发明中具有阶梯状通道1610的微型器件。当生物体1601通过通道1610，不同间距的探头对可以测量不同的微观性质，或甚至在不同的步骤(1620,1630,1640) 用不同灵敏度的相同的显微镜，每个步骤预留探针。这种机制可以用在相位锁定应用中，使具有相同微观性质的信号可以累积。探针可以检测或测量微观性质，如电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物，化学，物理，机械性质或任何组合。
图17展示了本发明的另一个带温度计1730的检测仪。它包括通道，一套探针1720，以及一套温度计1730。温度计1730可以是红外传感器，晶体管亚阂值漏电流测试仪，或热敏电阻。
图18展示了本发明的一个特定的检测仪，包括碳纳米管1820，其内部有通道1810，探针1840，探针1840能够探测微观水平上的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理或机械性质。所示的碳纳米管1820包含双螺旋DNA分子1830。碳纳米管可以通过两旁的探针施加和传感电信号。碳纳米管的直径范围可以从0.5纳米至 50纳米，其长度范围可以为5纳米至10毫米。
图19展示了本发明中包括探测器件(图19(a)所示)和光传感器(图19(b)所示)的整合检测仪，光传感器可以是CMOS图像传感器(CIS)，电荷耦合器件(CCD)，光检测器，或其它图像传感器。检测器件包括至少一个探头和一个通道，图像器件包括至少1个像素。图19(c-1)和图19(C-2)所示的器件整合了探测器件和光学传感器，如图19(d)中，示出生物体1901,1902,1903通过时，探针1910在通道1920中，其电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，物理学或机械性质可由检测探针1910检出(见图19(e))，同时其图像可由光学传感器(图19(f))同步记录。探测信号与图像组合起来，提供诊断信息，增强了检测灵敏度和特异性。这样的检测器件和光学传感器件，可以设计在一个片上系统中，或装配至一个芯片上。
图20展示了具有微型检测器件(图20(a))和逻辑电路(图20(b))的微型器件或子单元。检测器件包括至少一个探针和通道，逻辑电路包括寻址器，放大器，和随机动态储存装置器。当生物体2001通过通道，其性质可以由探针2030检测到，并且该信号可以被处理，分析，存储，处理，并实时绘图。图20(c-1的)和图20(C-2)展示了集成了检测器件和电路的器件。同样，检测器件和集成电路可设计在一个片上系统中，或者装配至一个芯片上。
图21展示了本发明中包括检测器件(图21(a))和过滤器(图21(b))的微型器件或子单元。当生物体2101通过器件时，过滤器进行过滤，可以除去不相干的样品。然后剩余样品的性质可以由检测的探针器件(图20(a))探测到。探测前的过滤将提高该器件的精度。通道的宽度也可以从1纳米至1毫米。
图22展示了DNA2230的几何因子，如DNA的小沟槽(2210)的空间排布影响该区域电场性质的空间分布，这反过来又可能影响此处DNA段的生物化学或化学反应。通过使用所公开的检测器和探头2220探测，测量，和修改DNA的空间性质(如小沟的间距)，人们可以检测到如下性质：DNA的缺陷，预测的DNA段的反应/过程，并修饰或操纵几何性质，静电场/电荷的空间分布，影响DNA段的生物化学或化学反应。如尖端2220可以用来实际增加小沟2210的间距。
图23展示了本发明涉及的检测仪的制造方法，通过平坦的盖子盖在沟槽的顶部而形成沟道。这将消除需要两个耦合槽形成通道的要求，不要求完美的对齐方式。盖子可以是透明的，可以通过显微镜观察，可包含硅，锗化硅，二氧化硅，各种玻璃或氧化铝或由这些材料制造。
图24是本发明中检测生物体中疾病的检测仪的结构图。检测仪包括预处理单元，探测和检测单元，信号处理和分配单元。
图25展示了样品预处理单元中的过滤子单元的实例，它能够将细胞以不同大小或尺寸分开。器件包括至少一个入口通道2510，一个扰流通道2520，加速腔2530和两个选择通道(2540和2550)。2520和2510间的夹角2560的范围为0到180度。
生物体2501在x方向上从入口流道2510向加速腔2530流动。生物兼容流体2502 从扰流通道2520向加速室2530流动，然后在Y方向上加速了生物体2501。加速度与生物体的半径相关，较大半径的生物体的加速度比较小半径的生物体的加速度小。然后，较大和较小的生物体被分离至不同的通道。同时，探针可任意的组装在通道 2510,2520,2530,2540，和2550的侧壁上。探针可以检测微观尺度上的电学，磁学，电磁学，热学，光学，声学，生物学，化学，生物化学，电机械学，电化学，电化学力学，物理学或机械性质及任何组合。
图26是本发明涉及的检测仪中另一样品过滤单元的示意图。2601代表小细胞，而2602代表大细胞。当一个阀2604打开时，另一个阀2603关闭，待测生物体(2601和2602) 流向出口A。大细胞的直径比过滤孔大，从而在出口A处阻塞，而小细胞通过A出口被冲出。入口阀2604和出口A阀2607随后关闭，及生物兼容性的流体通过流体入口阀 2606注入进来。流体携带大细胞从出口B冲出。大细胞由此通过本发明的检测部分而被分析和检测出来。
图27是本发明设计的检测仪中预处理单元的示意图。其中包括样品过滤单元，补给单元或生物体内养分与气体的补充系统，恒压输送单元，以及测试前的样品干扰单元。
图28是本发明检测仪中的信息或信号处理单元的示意图。该单元包括：放大器(如锁定放大器)，用于放大信号，模数转换器和微型计算机(如含有计算机芯片的器件或信息处理子器件)，操纵器，显示屏和网络连接部分。
图29是能够消除噪声和提高信噪比的多路信号的积分。此图中，生物样品2901在时间节点t1和t2间的时间间隔Δt由探针1测试，在时间节点t3和t4间的时间间隔Δt由探针2测试，2902是生物样品2901来自于探针1的信号，2903是生物样品2901来自于探针2的信号。信号2904是2902与2903的积分信号。噪声在一定程度上相消，从而增加信号强度，提高信噪比。同样的原理可适用于源自多于两路的微型器件或探测单元的数据。
图30展示了本发明中的一种全新的基本检测方法。该方法中，至少有一种探测物会以所需的速度与方向朝生物体发射，并导致碰撞。碰撞中和/或碰撞后生物体的反应被检测和记录，并提供生物体的详细的微观信息，如重量、密度、弹性、硬度、结构、连结情况(生物体不同组态间)以及电学性质，如电荷，磁学性质，结构信息和表面性质。例如，对于同种的细胞，可预期的是，癌症细胞因为更致密，更重及体积更大，碰撞后会比正常细胞经历更短的运动距离。如图30(a)所示，探测物体3011朝生物体3022发射。经过与探测物3011碰撞后，生物体3022根据其自身性质会被推出(或散射出)一段距离，如图30 (b)所示。
图30(c)是全新疾病监测器件的示意图。疾病监测器件包括发射腔3044，探测器阵列3033，探测物3022和待测生物体3011。通常探测物可以是无机颗粒，有机颗粒，复合颗粒或生物体本身。发射腔包括发射用的活塞，与电路或指令计算机相接的控制系统，以及引导探测物的通道。
图31展示了一种检测生物体疾病的方法。生物体3101以速度v通过通道3131，探针3111可以快速的粗检生物体的性质。
探针3112是覆盖了压电材料的精密探测器件。探针3111和3112之间的距离为ΔL。
当待测生物体在经过3111被测试时，若被鉴别为可疑的异常生物体，系统将触发压电探针3112伸入通道，并在Δt的时间延迟后探测特殊的性质。探针3112在可疑生物体通过后缩回。
探测器件能够测量生物体在微观水平的电学，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，生物电化力学，物理学或机械性质，或任何组合。
微型通道的宽度范围约为1纳米至1毫米。
图32展示了生物体疾病检测的过程。生物体3201以速度v通过通道3231，探针3211可以快速的粗检生物体的性质。3221和3222是控制微通道3231和3232的压电阀。 3212是精密探测器件，可以更精确的探测生物体的性质。3231是冲洗通道，将正常生物体排出。3232是检测通道，可疑生物样品在其中进行精确检测。
当生物体完成测试并通过3211时，若其为正常生物体，冲洗通道的控制阀3221打开而检测通道的控制阀3222关闭，生物体将被冲洗出而不进行耗时的精密检测。
当生物体完成测试并通过3211时，若其为异常生物体或已病变，冲洗通道的控制阀3221关闭而检测通道的控制阀3222打开，生物体被导入检测通道进行更精确的检测。
微型通道宽度的范围约为1纳米至1毫米。
探测器件能够测量生物体在微观水平的电学，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，生物电化力学，物理学或机械性质，或任何组合。
图33展示了阵列排布的生物检测器件。如图33(a)所示，3301为阵列的微型通道，可以流过流体与生物体。3302是通道旁嵌入式的探测器件。传感器通过位线3321和字线3322连接。信号被译码器R施加和收集。3342执行行选择，3341执行列选择。如图33 (b)所示，微型阵列生物检测器件3300可嵌入宏观通道3301。微型通道的尺寸范围约为1 微米至1毫米。微型通道的形状可以是矩形，椭圆形，圆形，或多边形。
探测器件能够测量生物体在微观水平的电学，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，生物电化力学，物理学或机械性质，或任何组合。
图34展示了本发明中用于疾病检测的器件。3401是检测器件的入口，3402为其出口。3420是生物体通过的通道。3411是检测器件的光学部件。
如图34(b)所示，光学部件3411包括光发射器3412和光接收器3413。光发射器发出光学脉冲(如激光束脉冲)，当生物体3401通过光学部件，光传感器探测到衍射的光脉冲，并鉴别出生物体的形貌。
图35是本发明涉及的检测仪的装配以及和样品输送系统、数据存储器件整合的例子。如图35(a)所示，利用本文涉及的微电子加工工艺制备的器件3501至少包括微沟槽3511，探针3522和键合焊盘3521。器件顶层表面材料包括SixOyNz,Si,SixOy,SixNy或包含Si，O，N元素的复合材料。元件3502是玻璃平板。图35(b)中，玻璃平板3502和微器件3501带有沟槽一侧键合在一起。键合可以通过化学、热学、物理学、光学、声学或电学方法及几种方法的组合实现。如图35(c)所示，将导线键合于焊盘侧面。如图35(d)，器件3501被装配于方形塑料腔内，只将导线露出。如图35(e)通过装配材料刻出锥形通道3520，并连接至器件内部通道。如图35(f)，锥形通道的大出口可以使样品注射器与器件连接更加方便，能够更好地使样品从相对较大的注射器件针头注射进相对较小的通道内。
图36是本发明涉及的器件的检测仪以及和样品输送系统、数据存储器件整合的另一个例子。如图36(a)所示，微器件3600利用国际专利号，PCT/US2011/042637，名称“疾病检测仪器”中描述的一种或多种微电子加工工艺制备。微器件3600至少包括微沟槽 3604，探针3603，连接端口3602和键合焊盘3605。微器件3600顶部表层材料包括 SixOyNz,Si,SixOy,SixNy或含有Si,O,和N元素的复合物。表层可以被遮盖，因此微器件 3600和一块玻璃平板3601组装起来。如图36(b)所示，组装方法可以是化学的，热学，物理，光学，声学或电学方法。如图36(c)所示，微器件3600可以装配在一个方形结构内，只将导线露出。这个方形结构包括塑料、陶瓷、金属、玻璃或石英材料。如图36(e) 所示，在方形结构上开一通道3641，直到通道连接到端口3602。如图36(f)，通道3641 和向器件内输运待测样品的其它通道连接，在测试完成后将样品冲洗掉。
图37是本发明涉及的检测仪的装配以及和样品输送系统、数据存储器件整合的另一个例子。如图37(a)所示，器件3700是至少包括一个微通道3701的微流体器件。3703 是一个用于传输流体样品的导管。微通道3701和导管3703对齐，并浸没在某液体中，如，水。如图37(b)所示，当微通道3701和导管3703浸没的液体的温度低至凝点或更低时，该液体会凝结成固体3704。如图37(c)所示，当液体温度保持在凝点以下时，将组合体 (包括固体3704,导管3703和器件3700)封闭在封装材料3705内(3705的熔点高于固体 3704)，只将导管露在外面。如图37(d)所示，当温度高于3704的熔点时，固体材料3704 开始熔化成液体并通过导管3703排出。这时原来被固体材料3704填充的空间变成了空腔 3706，通道3701和导管3703连通并密封于空腔3706中。
图38示出本发明涉及的器件，带有一个微通道(沟槽)和微传感器阵列。图38(a)在图中，3810是由微电子技术制造的器件；3810包括微传感器阵列3801，寻址和读出电路3802。微传感器阵列可以包括热传感器，压电传感器，压电光电传感器，压电光学电子传感器，图像传感器，光传感器，辐射传感器，机械传感器，磁传感器，生物传感器，化学传感器，生物化学传感器，声学传感器，或它们的组合。热传感器的例子包括电阻温度微传感器，微热电偶，热敏二极管和热敏晶体管，和SAW(表面声波)温度传感器。图像传感器的实施例包括：CCD(电荷祸合器件)和CIS(CMOS图像传感器)。辐射传感器的例子包括：光导器件，光电器件，热电气器件，和微天线。机械传感器的实施例包括压力微传感器，微加速度计，微陀螺仪，和微流量传感器。磁传感器的例子包括磁电偶微传感器，磁阻传感器，磁二极管，磁晶体管。生化传感器的例子包括电导器件和电位器件。图38 (b)示出了一个微型器件3820，包括一个微沟槽3821。在图38(c)中，3810和3820被键合在一起，以形成新的微型器件3830，其包括一个沟槽或通道3831。微传感器阵列3801被暴露在通道3831中。
图39示出了另一个本发明涉及的检测仪，包括几个“子器件”。特别地，如图39(a)中所示，器件3910由“子器件”3911，3912，3913，和3914构成，其中3911和3913用于产生干扰信号，3912和3914是微传感器阵列。图39(b)示出器件3910的功能框图，当被测生物样品3921通过通道3910时，通过3911施加干扰信号A，通过阵列1的检测传感器3912测试并记录。阵列2的探针3913对样品施加干扰信号，通过阵列2的检测传感器 3914进行测试。阵列1的干扰探针3911和阵列2的干扰探针3913可以施加相同或不同的信号。同样，阵列1的检测传感器3912和阵列2中的检测传感器3914可以检测到相同或不同的性质。
图40展示了本发明涉及的检测仪的实例，它包括带有I/O焊盘的ASIC芯片。特别的，如图40所示，4010是带有微流体通道4012和I/O焊盘4011的微器件，4020是一个带有I/O焊盘4021的供专门应用的集成电路(ASIC)芯片。4020和4010可以通过I/O焊盘键合在一起。因此，带有ASIC芯片4020的微流体检测器件4010可以实现更复杂的计算和分析功能。
图41是本发明涉及的器件的基本原理图，它通过非显而易见的方式将样品的筛选和检测结合起来实现功能。在图41(a)中，首先预筛选出患病的生物体，然后从正常的(健康或非病变)的生物体分离病变的生物体。生物体包括使用特定的疾病检测方法从正常的生物实体分离出的病变的生物实体。在图41(b)中的生物样品己经通过多个连续的细胞分离步骤完成病变细胞(或生物样品)富集。在图41(c)中，完成生物样品富集后，生物标志物用于检测病变的生物实体。在图41(d)中，首先利用生物标志物分离出病变的生物体，然后进一步通过各种检测方法检测已分离的患病生物体。简言之，这个过程包括初步筛选，初步分离，进一步筛选，进一步分离，利用多个干扰信号或干扰因子(例如，物理，机械，化学，生物，生化，生物物理，光学，热学，声学，电气，电机械，压电，微机电，或它们的组合因子)干扰，然后检测。这些步骤可以重量一次或多次。这个富集过程可以提高检测灵敏度和特异性，特别是对于低的浓度的病变的样品，如循环肿瘤细胞(CTC)。
在图41(e)至图41(g)中的一组新的方法包括：(a)并用于患病的生物样品初步分离的预筛选，预分离(b)进一步分离病变的生物实体，(c)任选地进行初始检测，和(d)使用各种检测方法。在预分离过程中，一个实施例是利用附着有生物标记物的纳米颗粒或纳米磁性颗粒来分选出患病的生物实体。在预分离过程中，将患病的生物实体浓缩至更高浓度，这将使得进一步分离和/或随后的检测更容易。预分离过程后的生物样品可以经过进一步的分离过程，以进一步提高患病生物实体的浓度。最后，经过预分离和后续分离步骤的生物样品将经历检测步骤，其中可以使用各种检测技术和过程来确定患病的生物实体及其类型。在某些实施例中，可以利用多个检测步骤来检测患病的生物实体。
图42(a)是用于流过样品的通道(4211)横截面图。图42(b)是通道的外观视图，一个探测器阵列(4222)被安放在沿生物体流动的路径上。作为可选项，探测器和检测即可以干扰被测样品也可以检测样品被干扰后的回馈信号。图42(c)示出通道壁的横截面，其中检测器(4222)安装在侧壁上，用以接触被测样品，及和外部接触(例如，连接到检测电路)。
如图43(a)生物样品(4333)通过带有检测器(4322)的通道(4311)，检测器沿通道放置。该探测器可以是相同类型的检测器，或其它各种探测器的组合。另外，能够向被测样品发出探测或干扰信号的探针连同能够检测生物体受激后回馈信号的检测器被沿着通道安放。被检测到的信号可以是声学，电，光(如，成像)，生物，生化，生物物理，机械，生物机械，电磁，电气机械，电化学-机械，电化学物理，热和热机械性质相关的信号，或者是它们的组合。图43(b)表示沿生物体路径检测到的一组信号(例如，图像，压力，或电压)(4344)，其中记录了样品通过该通道的行为和性能。
图43(b)，图43(c)，图43(e)展示了利用本发明涉及的新探测器和工艺检测生物样品流经通道的各种检测信号模型(4344)的例子。
为了有效地分类，分离，筛选，探测，或检测的病变的生物样品，如图44(a)所示使用了带有多种通道的腔室，其中样品首先流入一个腔室(4411)。在这个腔中引入了不同的技术，如生物标志物和纳米技术(磁珠或纳米颗粒与生物标志物连接到他们的)用来进行分类，筛选，并分离出患病的生物实体。例如，生物样品从左侧流入腔室，有其患病生物体在室中分离出来，并通过底部通道向下流动，而其正常的样品可以通过该室的右侧中的通道继续流向腔室中的右手方向。图44(b)所示集成了多个通道的腔体可以对生物样品分类，筛选，分离，探测或检测。在筛选和分离的应用中，多腔体可以进行多次筛选和分离步骤。正如图44中的(b)所示，生物样品从左侧向右侧的方向流动，它会进入左边第一腔室(4433)，并进行第一筛选和分离。生物样品可以继续流向右侧，进入第二腔室(4444)，并进行第二次筛选和二次分离。通过这种多级筛选和分离的方式，患病生物体的浓度可以不断增强，它可以是有利于提升下一阶段的检测灵敏度。这种类型的器件设计和工艺对于生物样品中患病生物体初始浓度非常低的样品是非常有帮助的，如循环肿瘤细胞(CTC)，它的浓度通常是1亿细胞或100亿个细胞每份。
为了显著加快所公开的器件和工艺的分类，筛选，检测过程，可以在如图45所示的相同芯片上同时制作大量的所需的结构，例如图45中所讨论的那些结构。
图46展示了另一个全新的器件布局，可用于分拣，筛选，分离，探测和检测病变生物体。该器件中通过中间通道进入中间腔体4611的所需成分或多种成分可发挥广泛的作用。例如，当它(生物标志物)的浓度需要调整时，流入中间腔体时，可以新鲜加入顶部腔体4622和底部腔体4633中。中间腔体4611中的成分加入顶部和底部腔体(4611和 4633)的时间、流量和剂量通过计算机和程序实现预程序设计或实时控制。进入中间腔体 4612的成分也可以是纳米颗粒或附着于生物标志物的磁珠。在另一个全新实例中，进入中间腔体4611的成分可以是干扰剂，可以扰乱生物样品在顶部和底部腔体中的检测。
图47中，与多个独立的检测器件(见图47(a),4711,4722和4744)相比，装配或整合了不同功能和技术(4766)的多个子单元的器件(4755)的体积或尺寸(见图47(b))将显著减小，从而降低成本，因为许多普通硬件(如样品处理单元，样品测量单元，数据分析单元，显示屏，打印机等)可在集成的微器件中共享。例如，多功能的集成微器件可包括生物标志物探测器，图像探测器，光探测器，X射线探测器，核磁共振图像探测器，电学探测器，声学探测器都可装配并集成至单个微器件。微器件将提高检测功能，灵敏度，检测通用性并减小体积和成本。
图48展示了当具有不同功能和技术的多个子单元(2055)装配至单个器件时，将实现多样性功能、更多检测功能、灵敏度、检测稳定性且体积更小，更低成本。许多普通设备，如输入硬件，输出硬件，样品处理单元，样品测试单元，数据分析单元和数据显示单元(4811,4833和4844)等可实现共享。例如，当使用多种检测技术的检测单元装配至一个微器件时，许多功能和硬件如样品处理单元，样品测试单元，数据传输单元，数据分析单元，计算机，显示单元可以共享，因此大大降低微器件的谁被体积或尺寸，成本和复杂度，同时增加测试的功能型和灵敏度。
一个关键方面，本发明涉及一种用于检测疾病的新技术，其中，在仪器中收集并处理或分析了许多不同类别的生物信息。例如，图49显示了本发明提供的仪器可以收集并根据新技术进行处理的许多不同类别的生物信息(例如，蛋白质，细胞和/或分子)。如图50所示，根据本发明测量的信息包括蛋白质，细胞和分子水平信息或它们的组合。
虽然本发明涉及的微器件，可用于其它类型的癌症检测或其它类型的治疗，但在实验室中利用本发明涉及的微器件对某种癌症组织(同一种癌症的不同样品)进行检测。在测试中，健康对照样本来自于采样期间未患癌症和没有恶性病史的动物。包括癌细胞的样品和健康的对照样品都培养在相同类型的培养溶液中。培养好的样品，用稀释液稀释至相同的浓度。将稀释的样品保存于室温下，放置不同的时间间隔，并于复苏后最长6小时内处理。稀释的样品在室温(20-23℃)和湿度30％-40％环境下测试。利用本发明公开的微器件在相同条件和激励信号下测试被测样品。
测试表明，在一般情况下，对照组的测试(测量)的值(即，测试参数的相对单位下的测量值)低于癌病或有病的群体。在本发明公开的微器件中的探测单元产生的相同激励信号(就激励类型和水平而言)下，对照组和癌变组测量值之间的差异非常重要，例如，和无激励信号相比，这种差异可以被放大1.5到8倍。换句话说，癌变组对激励信号的响应比对照组高得多。因此，本发明公开的微器件已被证明，和对照组相比，能够显著地提高对病变细胞的检测灵敏度和特异性。
另外，实验结果表明，就本发明公开的微器件的新参数而言，癌变组与对照组有显著不同的回应。这种差异显著大于测试噪声。癌变组和对照组有很大程度的区分，表明了本发明公开的新的测量方法及器件有较高的测试灵敏度。
图51示出了在该新技术中，来自不同生物学分类的信号可以相互作用，组合和/或放大以增强信号。与传统技术相比，通过本发明的检测仪和方法收集的信号和信息是线性的，甚至可以非线性放大；各种水平(细胞，蛋白质，分子或其他水平)和组分/参数之间的其它双因子和三因子(或更高阶)的相互作用(下表中示例)不仅新，独特，而且与传统技术相比，还表现出意外可靠和灵敏的结果。
Figure RE-GDA0003231318130000471
图52显示了这种新技术中检测到的信号与癌细胞浓度的关系。图52提供的结果表明，信号随着癌细胞数量的增加而增加
图53示出了该新技术中检测到的信号与生物标记水平的关系。图53提供的结果表明，信号随着生物标志物水平的增加而增加。
图54显示了测试结果，证明该新技术与传统的肝癌生物标志物(AFP)相比具有优势。如图54所示，使用58个已确认的肝癌样本，这项新技术的灵敏度为79.3％，显著高于AFP的灵敏度(即55.9％)。
还进行了检查添加分子水平反应引发剂对用于检测本发明检测疾病的仪器和方法的功效的影响的研究。图55中提供的结果显示对照(健康)组和癌症组之间的信号差异增加，表明检测系统确实检测到分子水平信息。
本发明的检测仪和方法已用于在所有发育阶段测试超过20种不同类型的癌症，并显示出预期的高灵敏度和特异性。如图56所示，为了验证本发明的有效性和灵敏度，收集了超过60,000个样品，在回顾性研究中有30,000个样品，在一般筛选中有30,000个样品，并且通过测试这些样品证明了本发明的显著灵敏度和选择性。
图57展示在本发明的多水平检测系统中，一个生物水平(例如，蛋白质)可以与另一个生物水平(例如遗传水平)相互作用，导致协同反应和信号的放大。
图58显示了对照组，非癌症疾病组和癌症组的CDA值。如通过本发明的检测仪和方法检测的，癌症组总是具有比非癌症疾病组更高的CDA值，并且对于监测疾病状态的进展，癌症组和非癌症疾病组之间的CDA值的差异在统计学上是显著的。例如，从炎症性疾病到癌前病症，到恶性癌症或肿瘤，然后到晚期癌症。换句话说，借助于本发明的检测仪和方法，CDA值可用于疾病和癌症分化分析。
图59显示了疾病状态与检测到的细胞信号传递特性和/或细胞介质特性之间的关系。传统的癌症筛查和预后IVD方法，例如生物标志物和基因组学(例如，循环肿瘤-DNA(ct-DNA))无法早期发现癌症，并且信号相对较低。生物标志物对于早期癌症检测无效(如图59所示)，但也缺乏许多癌症类型的标志物。如图59所示，在CTC和ct-DNA 的情况下，信号仅在实体瘤形成后才出现，因此相对较早地进行了癌症检测。与那些传统方法相比，本发明提供的新型CDA技术可以直接或间接地测量细胞和细胞介质的特性，细胞信号传递，细胞相互作用和/或DNA突变频率，从而产生明显更高的信号，可用于甚至癌症前疾病或早期癌症检测。
另一个主要的新颖方面，本申请涉及一种有效方法，该方法能够探测和跟踪检测(包括免疫系统)以检测和预防潜在疾病，抵制疾病，及检测和跟踪检测生命体状态，包括但不限于健康状态，非癌症疾病状态，癌症前状态和癌症状态。
使用在这项工作中开发的，配备有灵敏传感器的新型微流体器件和全自动测试机器，本发明的方法已经在包括对照(健康)组，疾病组，癌症前疾病组和癌症组个体的大约100,000个样品上得到证明。测试结果表明，从健康组到疾病组，血液微电流水平在统计学上具有显著降低，并在癌症组中进一步降低，这表明这种新的检测技术对于早期癌症检测具有潜在的重要性。在早期非小细胞肺癌(NSCLC)测试中，灵敏度和特异性分别达到～85％和93％。还显示出它能够检测出20多种类型的癌症，包括食管癌和脑肿瘤，而这些癌症没有其他有效的筛查方法。由于电特性是生物物理的基本子领域，并且影响人类血液的许多方面，因此它在细胞，蛋白质甚至分子水平上具有多层次的作用。数据表明，这项新技术为观察癌症如何发展提供了潜在的有力洞察力，对于癌症前疾病和早期癌症的检测具有很高的价值。将介绍其机制，潜在意义和分枝。
由于液体介质(例如血液)与细胞，蛋白质和遗传成分(DNA，RNA等)接界，连接和通信，因此它在细胞，蛋白质和遗传成分(DNA，RNA等)及其他生物实体之间的界面，相互作用和通信(例如细胞信号转递)中起着至关重要的作用，以及在疾病，包括但不限于非癌症疾病，癌症前疾病和癌症的发生和进展中起着至关重要的作用。另一方面，在从健康的个体到疾病状态的转变中，免疫系统退化并且疾病检测和杀灭物质例如T 细胞丧失功能。在本发明中，认为免疫系统的退化(降低)和检测疾病和抵抗疾病的意愿和作用的丧失是由围绕细胞，蛋白质，遗传成分(DNA，RNA等)和其他生物实体的所述液体介质的特性变化引起的。具体而言，这些特性可以是生物学特性(蛋白质浓度，蛋白质类型，DNA序列，DNA静电力，DNA表面电荷，DNA周围介质电学性质，量子力学效应等)，生物化学特性，物理特性(热学性质，机械学性质，电学性质和电磁特性)，生物物理特性，特性。例如，以上特性的改变(例如，上述物理特性的降低)可影响(例如，效力和效率的降低，以及转导降解)细胞之间以及细胞与其他生物实体之间的细胞信号传递和通讯，导致免疫系统妥协，能检测到癌细胞并能够杀死癌细胞的细胞，例如T 细胞的检测能力丧失。因此，通过测量包括物理和生物物理特性的上述特性，人们能够检测疾病的发作并从一个阶段到下一阶段追踪疾病，从而使疾病的早期发现和预防成为可能。
图60显示，在血液样本中，除其他成分外，还有细胞，蛋白质和遗传成分(DNA， RNA等)，这些成分被与这些成分相互作用的液体介质包围。另外，细胞与其他细胞和其他生物实体通过细胞信号传递相互作用并通信(例如，一个细胞通过其表面信号传递与另一细胞的表面相互作用并通信，通过声学，光学，电磁和电手段)，其他生物实体包括但不限于蛋白质和遗传成分(DNA，RNA等)。同时，蛋白质和遗传成分(DNA，RNA 等)可以与其他蛋白质成分和遗传成分(DNA，RNA等)相互作用。由于细胞，蛋白质和遗传成分(DNA，RNA等)周围的液体介质与所有上述生物实体相互作用并临界，因此该介质在信号传递，相互作用和上述生物成分的功能中起着至关重要的作用，其可以 (a)影响生物体的健康或疾病状态，(b)疾病进展，例如非癌症疾病，癌前疾病和癌症，以及(c)对疾病，例如癌症，可以通过免疫系统和/或疾病杀灭物质(例如T细胞)逃避 /逃逸检测和/或消除。通过测量所述介质和细胞信号的物理，生物物理，化学，生物学和生化特性，人们有望能够检测和跟踪免疫系统，对疾病的抵抗力，检测疾病的能力，抵抗疾病的能力。疾病和身体状态，包括但不限于健康状态，非癌症疾病状态，癌前状态和癌症状态。上述物理特性包括但不限于声学、光学、机械学、化学、生化、电学、电磁学和热学特性。
示范性测试
机制
通过集成电路方法制造微流体器件，其中，形成了微通道，样本流体可沿着微通道流过，并且在微通道的侧面形成检测传感器(即传感器)以探测流体。在数据采集期间，使用了具有数据自动记录功能的电压表。当流体样品到达微通道时，通道中的传感器可以通过施加恒定电压来探测样品，同时记录微电流响应随时间变化的行为(时间扫描)，如图61所示，对照(健康)和癌细胞系样本，其中显示了典型的微电流曲线，Y轴为电流， X轴为时间。收集的特征电流与时间的关系曲线取决于所测样本的特性，并揭示了被测个体的状态。设计并组装用于收集数据的全自动测试机器，包括样品运输单元，混合室和带有微流体器件的测试单元。
细胞系特征
在初步研究中使用了四种细胞系。人非小细胞肺癌细胞系A-549(目录号TCHu150)，人胚胎肺细胞系MRC-5(目录号GNHu41)，人肝癌细胞系QGY(目录号 TCHu 42)和从中国科学院典型培养物保存委员会细胞库/中国科学院上海生命科学院细胞资源中心购得的人肝细胞HL-7702(目录号：GNHu 6)，在37℃中，在95％的空气和 5％的二氧化碳的气氛中，在包含10％的FBS(胎牛血清)和1％的青霉素-链霉素的RPMI-1640完全培养基中培养。准备细胞悬浮液用于测试。
血液样本特征
CDA测试中使用的样本是全血或血清样本，通常使用全血。
将全血抽入带有抗凝剂的EDTA管中。此外，用于对照(健康)和癌症样本的细胞系还用于工作的初始开发阶段，以测试和验证该技术的信号。
算法
利用大量回顾性研究的数据库，已经建立了一种算法，该算法利用CVD测试编号以及与癌症风险相关的临界值作为检测结果，该临界值(CDA值)与癌症风险成正比。根据CDA值，分为健康、中等风险和高风险三个区域。
结果
进行了回顾性研究和人口筛选。对一组具有低，中和高风险值的个体进行了随访，其中获得了5809名个体的反馈。
图61显示了对照(健康的)和肺癌细胞系的扫描曲线，表明肺癌的电流远低于对照组。具体而言，它显示了对照细胞系样品(健康细胞系)和肺癌细胞系的典型曲线，在两种情况下电流均会随着时间的流逝而减小并达到稳定值。两条曲线在曲线上的多个点处显示出明显不同的值，尤其是两条曲线在其各自的静止位置(60秒)之间的电流值有显著差异，这表明该新技术可以区分正常细胞和癌细胞。
此外，对照，疾病和肝癌样品之间存在显著差异(图62-64)，从对照状态到疾病状态以及从疾病状态到癌症状态的电流减小，证明了该新方法检测疾病和癌症的潜在可行性，以及跟踪疾病进展的能力。
图62示出了用于对照(健康)全血样品的典型扫描曲线，显示出与对照细胞系样品相似的轮廓。
图63显示了典型对照全血样品和肝癌全血样品的数据，再次显示了区分正常样品和癌症样品的能力。
图64是对照，疾病和肝癌的全血样品的一组扫描痕迹。图64显示了对照，疾病和肝癌样品之间的显著差异，从对照状态到疾病状态，以及从疾病状态到癌症状态的电流不断减小，证明了这种检测疾病和癌症的新方法的潜在可行性以及跟踪疾病进展的能力。
最初已经确认了该新技术用于疾病检测的可行性，已经进行了多个回顾性临床研究。已经收集了关于20多种癌症的数据，并且已经基于大型数据库构建了一种算法。围绕上述算法已建立了一组测试参数。该算法根据原始数据计算出的关键参数是CDA指标，其值与患癌风险成正比，与被测样品的微电流值成反比。
表8示出了差异的显著性检验-各种类型的癌症的非参数检验。在表8中，CDA在组类别中的分布是相同的。显示了渐近的显著性。显著性水平为0.05。表8显示，对照组和各种癌症类型之间CDA值的差异具有统计学意义。
表8.假设检验结果
Figure RE-GDA0003231318130000521
表9给出了对照组和许多癌症类型的回顾性研究的癌症筛查灵敏度和特异性的总结，表9显示，总体上，各种癌症类型的CDA技术的灵敏度和特异性都相对较高，证明CDA 技术潜在适用于许多种癌症。此外，对表8数据的统计分析表明，每两组(每个癌症组和对照组)的P值均小于0.001，这也意味着对照组和表8中所列的各种癌症之间CDA值的差异具有统计意义。
表9 CDA技术显示了对各种类型癌症的筛查具有很高的灵敏度和特异性
对照(1717)对比 灵敏度 特异性
癌症(10078) 86.6％ 86.9％
肺癌(1907) 88.4％ 88.4％
结肠癌(710) 87.7％ 87.4％
食道癌(1590) 86.9％ 86.8％
胃癌(1117) 82.4％ 86.8％
直肠癌(522) 83.1％ 86.8％
贲门癌(135) 79.3％ 87.0％
肝癌(738) 89.7％ 88.8％
胰腺癌(134) 82.8％ 88.0％
卵巢癌(337) 85.5％ 86.9％
乳腺癌(348) 86.2％ 87.1％
宫颈癌(318) 84.0％ 87.4％
子宫癌(105) 84.8％ 87.3％
前列腺癌(31) 80.6％ 87.5％
脑肿瘤(50) 82.0％ 87.1％
淋巴瘤(322) 87.6％ 87.7％
鼻咽癌(121) 81.0％ 87.1％
其它癌症(1593) 85.6％ 86.8％
表10显示了不同阶段的非小肺癌样品和对照样品的CDA值，以及相应的灵敏度和特异性，其高于传统方法，尤其是在I期。
表10.CDA技术证明了NSCLC早期筛查的高灵敏度和特异性
Figure RE-GDA0003231318130000531
Figure RE-GDA0003231318130000541
食道癌是仍然没有生物标志物和IVD筛选方法的癌症。在这项调查中，已对CDA 技术用于食道癌筛查进行了评估。食道癌的结果总结在表11中。结果显示，即使在I期，灵敏度和特异性仍高于80％，远优于其他技术，这对于早期发现食道癌具有重要的临床意义。
表11.CDA技术证明对食道癌的早期筛查具有很高的灵敏度和特异性
Figure RE-GDA0003231318130000542
后续数据
CDA技术用于筛选约100,000个普通人群。根据CDA值，筛查的个体分为三组：高风险(超出标准，CDA值：>50.0)，中风险(需要注意，CDA值：42.0≤CDA<50.0)和低风险(正常范围，CDA值：<42.0)。进行了跟进，并由受过专业培训的人员通过电话与5809多人进行了联系并获得了答复。在随访期间(迄今超过一年)，在报告后的15天内首次联系了高危人群。在报告后的3个月内首次联系了中等风险人群；并在报告后的6个月内首次联系了低风险人群。对于愿意接受随访的患者，在首次电话随访后每六个月已经或将进行一次随访。
表12A示出了初始随访数据统计。迄今为止，已对一组具有低，中和高风险值的个体进行了随访，其中有5809位个体能够联系并愿意分享随访测试和诊断的结果。根据对最初以低，中和高CDA值进行测试并随后由肿瘤学家确认的5809位个体的随访结果，表12B 显示了通过CDA技术筛选出的癌症病例。表12C显示了通过CDA技术筛选出的癌前和良性肿瘤病例；表12D显示了通过CDA技术筛选出的其他疾病病例。如表12A-12D中所示，在随访接触时，由肿瘤学家诊断出129个人患有癌症，确认284个人患有癌症前期和良性肿瘤，并且确认297个人患有其他疾病。其余人员的随访仍在进行中。
表12A
Figure RE-GDA0003231318130000551
表12B
癌症病例 数量 百分比
大肠癌 25 19.4％
肺癌 23 17.8％
胃癌 16 12.4％
前列腺癌 16 12.4％
乳腺癌 13 10.1％
食道癌 4 3.1％
肾癌 4 3.1％
癌性甲状腺肿 4 3.1％
肝癌 4 3.1％
胰腺癌 4 3.1％
淋巴瘤 4 3.1％
宫颈癌 3 2.3％
皮肤癌 3 2.3％
膀胱癌 1 0.8％
咽喉癌 1 0.8％
骨癌 1 0.8％
白血病 1 0.8％
贲门癌 1 0.8％
其他 1 0.8％
总计 129 100％
表12C
癌前和良性肿瘤病例 数量 百分比
肺结节 56 19.7％
甲状腺结节 45 15.8％
胃十二指肠疾病 43 15.1％
子宫肌瘤 32 11.3％
乳腺疾病 25 8.8％
肝息肉 22 7.7％
大肠息肉 16 5.6％
眼囊肿 11 3.9％
肾囊肿 7 2.5％
胆囊息肉 5 1.8％
耳鼻喉科肿瘤 4 1.4％
旋转囊肿 4 1.4％
肝血管瘤 3 1.1％
胃息肉 3 1.1％
关节囊肿 2 0.7％
脑膜瘤 1 0.4％
胃囊肿 1 0.4％
膀胱肿瘤 1 0.4％
肝结节 1 0.4％
肺钙化 1 0.4％
肝钙化 1 0.4％
总计 284 100％
Table 12D
Figure RE-GDA0003231318130000561
Figure RE-GDA0003231318130000571
此外，在最初的回顾性研究中，白种人组的CDA测试结果显示出与中国汉族人相当的灵敏度和特异性。
图65示出了将CDA技术与其他癌症检测技术进行比较的示意图，其中点的数量与检测信号成比例。与具有相对较低信噪比的传统癌症检测技术不同，其中一些具有从实体瘤形成时开始的信号。相比之下，CDA技术的信号始于健康人群，并随着疾病的发展而在统计上显著增加，这表明CDA技术对于癌症前期和早期癌症的检测是一种可行的技术。
尽管生物物理学的功能和性质在生理学中起着至关重要的作用，但是它们尚未在癌症的IVD领域中得到广泛利用，传统上在生物化学，免疫学和基因组学上的应用更为广泛。先前的工作尚未阐明电性能如何从正常状态发展到癌变状态，也没有被开发为实用的癌症检测工具。这项工作代表了一种新的方法，并在癌症检测领域取得了突破。结果表明，该技术具有早期发现癌症的独特优势，并且可以跟踪疾病进展，因为它显示出健康组和疾病组之间以及疾病组和癌症组之间的统计差异。与传统方法相比，当前方法检测到的信号更为基础，并且在包括健康个体在内的所有人中都存在。因此，其信号实际上在检测癌症发生方面要早得多。此外，微电流已显示出从健康组到疾病组以及从疾病到癌症组的显著降低，使其非常适合早期癌症检测和追踪导致癌症的疾病。
测试结果(a)使用癌细胞数量增加的样品，(b)使用生物标志物浓度CEA数量增加的样品，以及(c)使用和不使用已知会引起分子水平反应的测定的样品研究表明， CDA值与癌细胞数量增加和生物标志物CEA浓度成正比。另外，CDA值取决于有无分子水平反应。基于上述观察，可以说CDA值是细胞，蛋白质和分子水平的函数(如图50 所示)。
图66显示CDA技术是一种多级和多参数测试，也可以与其他测试结合使用，其他测试包括生物标志物(蛋白质水平)，CTC(细胞水平)和/或ct-DNA和其他基于 DNA的测试(遗传测试)。尽管CDA是如上所述的多个水平的函数，但有时CDA测试结合其他癌症测试进行以获得额外的组合测试结果也是有优势的，例如结合生物标记， CTC和基因组学测试的组合测试，如图66所示，可以获得额外维度的信息。
图67显示了提出的模型的示意图，其中生物物理特性(例如电特性)的变化引起细胞，蛋白质和分子(基因)水平的变化，从而导致免疫力和炎症的变化，以及导致疾病和癌症的发生的可能性(或更少的可能性)。
图68显示，随着CDA的增加和电流、电导率、离子水平、膜电位和极化的降低，许多细胞水平(细胞信号传递，细胞排斥，静息电位和细胞表面电荷降低)和分子水平 (DNA表面电荷减少，量子力学效应改变，DNA突变增加)特性降低，从而导致疾病和癌症发生的增加。
初步数据表明，这项新技术与蛋白质水平(生物化学)，细胞水平和分子水平表达相关，并且具有多层次和多参数特性。已经证明了这项新技术在癌症前期和早期癌症检测中的可行性，可以进一步提出可能的机制。细胞，蛋白质和遗传成分(DNA，RNA等) 及其周围的液体介质(例如血液)的方案已在上面进行了描述，并在图60中提供。首先，作为重要的生物物理物质之一参数，电特性(包括但不限于电流，电导，量子力学效应，电场，细胞的静息电势，电容，细胞表面电荷和静电力)在细胞，蛋白质和分子水平上均会受到影响。具体而言，包括微电流，电导和量子力学效应在内的电特性不仅会影响细胞表面特性，而且还会影响细胞彼此之间的相互作用方式(例如，细胞之间的排斥和吸引)，以及可能的细胞信号传导和转移静息细胞的潜力。同样，电特性会改变蛋白质表面的相和结构。此外，血液中证实的微电流变化(以及相应的电导)和/或量子力学效应的变化可能会影响DNA的功能和复制(基因复制中错误的增加)，甚至导致DNA频率增加。 DNA突变。这种情况直接或间接地受到以下因素的支持：(a)最近在机械应力研究中进行的生物物理学工作表明，细胞结构的机械方面与核和染色质组织之间的相关性，包括基因组程序的改变，而较早的研究似乎表明，静息电位可能是微环境调节正常生长和致癌作用之间平衡的潜在重要因素，(b)电特性的变化可能影响三维DNA双螺旋结构的表面电荷和静电力，以及(c)生物物理学在这项研究中，在电学特性方面的工作还表明，电学特性变化与癌症发生之间的相关性通常是基因突变增加的结果。(d)量子力学效应影响基因的复制和突变。基于这项工作中提供的实验数据以及以上直接和间接证据，提出了关于癌症发生的假设，如下所述。随着微电流的减少，在细胞水平上，细胞表面电荷以及细胞之间的排斥力降低，细胞信号传导也降低，并且可能变得效率低下，并且静息电位发生了变化。上述所有在蜂窝级别的发展都是不可取的。在分子水平上，随着微电流的减小和/或量子力学效应的变化，由于双螺旋三维结构和氨基酸表面上的静电力和表面电荷的降低，突变频率可能增加，并且可能影响量子DNA微观水平的机械作用，导致复制错误增加。上述关于血液微电流(和电导)降低导致的多种生物学水平负面影响的假设与我们在健康组，疾病组和癌症组样本的回顾性研究中的实验观察结果和数据相符，并且也与上述观点一致。来自一般人群筛查的初步随访研究的结果。由于此模型基于血液的电特性，因此被称为癌症的电模型(EMOC)。
与其他传统的癌症检测技术相比，CDA技术具有许多独特的功能和明显的优势。首先，许多现有技术会在癌症形成后检测出癌症信号，这使得这些技术对于早期癌症检测无效，而CDA技术则检测健康个体中存在的生物物理参数，并且随着癌症风险的增加而增加(如图69所示)。健康组，疾病组和癌症组的CDA值显示出统计学差异(P <0.001)。CDA值的这种上升在癌症早期和癌症之前具有统计学意义，这使得CDA技术更适合于早期癌症的检测。其次，与大多数现有的基于检测单一水平(例如，蛋白质水平的生物标志物和细胞水平的CTC)甚至单个参数的癌症检测技术不同，CDA技术是一种多水平，多参数的检测技术，该技术更全面，包含更多信息，使其更加准确。第三， CDA技术可检测到微电流信号，该信号具有较高的信噪比，更为基础，并且微电流的下降很可能是导致免疫力下降和癌症发生率增加的原因，而在癌症发生之前就可以检测到，与大多数现有的检测技术形成对比的是，现有的检测技术会在癌症已经发生并且在许多情况下已经处于癌症晚期时拾取信号。
另外，基于CDA值依赖性疾病进展行为(疾病随着血液样品的微电流的降低而发展)；基于上述假设，提出了一种新的癌症发生模型。在这个新模型中，作为主要的生物物理参数，血液电特性的变化，特别是微电流的降低和/或量子力学作用的改变(影响基因的复制和突变)在多水平造成负面影响，包括(1)在细胞水平上的表面电荷、细胞排斥和细胞信号传导效率降低，以及(2)在DNA水平的静电力、DNA表面电荷降低，以及可能增加的突变。此外，据推测，微电流(和电导)的降低还导致T细胞对癌细胞检测的监测能力降低以及免疫力降低，这增加了癌症的发生。上述假设得到了这项工作收集的数据的支持，这些数据表明，微电流的降低(CDA值增加)与从健康组到疾病组，从疾病组到癌前组以及从癌前组到癌症组的疾病进展相关。
图70显示，随着电流和电导降低(离子(例如，钾，氯，钠和钙)浓度或净离子浓度或电荷降低)，许多细胞水平(细胞信号传导，细胞排斥，静息电位，膜电位和细胞表面电荷减少)特性发生变化并降低。例如，细胞表面电荷减少，导致细胞之间的排斥力降低并且细胞之间的距离减小。最终，在癌症阶段，细胞失去了空间和边界的概念，并彼此崩溃(相互粘附/堆叠)，其中由于细胞表面电荷的减少，细胞之间的排斥力降低了。因此，由细胞表面上的表面电荷引起的细胞之间的排斥力非常重要。
在本发明中，血液和DNA水平的电特性的变化可以用作疾病检测的工具。随着电流和电导率的降低，许多分子水平(DNA表面电荷降低，量子力学效应改变以及DNA突变增加)特性降低，从而导致疾病和癌症的增加。如图71所示，在健康病例(a)的样品中，周围和DNA表面均具有较高的电荷，而在癌症病例(b)的样品中，周围和DNA表面均具有较少的电荷，可能总体呈负电荷。由于对于DNA双螺旋结构，DNA表面电荷和介质的电学特性可能会影响其静电力，进而影响3维结构以及量子力学效应(在原子水平上，且相邻氨基酸之间的间隔仅在几埃的范围内)，DNA周围介质电特性的改变和/或 DNA表面电荷可能会影响DNA复制并导致复制错误率增加和基因突变。
此外，根据本发明的新技术还可以用于辅助诊断，例如辅助肺癌的诊断。如图72所示，与CT相比，这项新技术(CDA，CTF和PTF的参数)具有更好和更高的灵敏度和特异性。此外，其ROC优于CT成像。
还如图73所示，对于(a)健康，(b)肺癌刚诊断后和手术前，以及(c)手术后和治疗后的个体/组，CDA值显示与突变频率相关。
初步的临床研究结果表明，根据本发明的新技术能够评估癌症药物治疗的有效性。在这种情况下(例如，如图74所示)，这种新的癌症检测技术可用于小细胞肺癌的靶向药物治疗的三个阶段的预后，即诊断后，1期治疗后和2期治疗后。在图74中，CTF是这项新技术的参数。
本发明的关键方面之一是，在该新技术中公开的生物物理特性及其相关行为对于许多癌症类型而言是共有的，并且可以用于检测多种癌症类型，使所公开的方法成为用于癌症筛查，协助诊断，预后，治疗选择和复发检测的可行技术。
图75是具有细胞内和细胞外区域的细胞膜的示意图，其中膜电势降低，细胞外区域中的净电荷Q(和膜极化)从(a)到(b)到(c)，并且净电荷Qa<Qb<Qc。根据这项工作在全血和血清中的电导率的实验数据，显示出电导率降低(电流和电荷减少)的主要原因是从健康组到疾病组到癌症组的细胞外区域的特性，示意图(a)对应于健康状况，示意图(b)对应于疾病状况，示意图(c)对应于癌症状况。
图76示出了两个细胞的膜的示意图，其示出了膜电位，细胞内空间和细胞外空间。如图76所示，示意图(a)，(b)和(c)代表健康，疾病和癌症病例，包括膜电位，离子分布和净电荷，降低的血液电导率(测量值)，膜电位和极化，和细胞外区域的净电荷。值得注意的是，本发明提供的医疗仪器可以通过逆转在图76和图77中呈现的情况来治疗生物体(例如，血液样本)。例如从情况(c)到(b)以及到(a)，如图76或77所示。
如图76所示，钾离子对细胞的高渗透性(以及细胞外区域中高浓度的钠离子和氯离子)在细胞膜的相对侧产生离子浓度差异，从而在整个膜层产生电位差。在局部区域或近场中，它不是电中性的，而在较大规模上，它是电中性的。通过探测局部区域或近场的电特性，与电池特性有关的信息包括但不限于可以直接或间接获得的电导率，电阻，离子浓度，离子浓度，离子水平，离子渗透性，膜离子通道特性，静止膜电位，跨膜电位，去极化的跨膜电位，膜电位，细胞表面电荷，静电力，电场，电磁场和量子力学效应。
在一个实施例中，利用具有微通道和敏感传感器的微流体器件，能够测量上图中所示的细胞近场处的血液样品的电学特性(细胞膜的示意图)，并且能够直接或间接测量相关的电学特性，包括整个区域的电流，跨膜电位和离子水平(钾离子，钠离子，氯离子，钙离子和氮化物离子)。由于哺乳动物的疾病状态与上述细胞的生物物理特性(以及细胞中的DNA，RNA和其他生物实体)有关，因此上述有创造性的测量技术可以用于检测包括癌症之前的疾病和癌症疾病。膜电位可以调节正常细胞活动(包括正常生长和复制)与癌变之间的平衡。因此，离子水平和浓度(钾离子，钠离子，氯离子和钙离子)和膜电位都可以用作预防癌症和早期癌症检测的新的，新型的生物标记。
本发明提供了一种新的癌症检测技术，该技术基于基于液体样品的电特性的生物物理方法用于IVD应用。在这项新技术中，检测到微电流已显示出对检测癌症前期和早期癌症非常有效。该技术的优点是可以同时筛查/检测甚至治疗多种类型的疾病(例如多种癌症类型)，及早发现癌症，高灵敏度和特异性，涵盖多种癌症类型，且相对简单且成本高有效。根据这项工作中CDA值与控制人群，疾病和癌症人群之间的关系，以及血液中电学性质对疾病进展的可能影响，提出了关于癌症发生模型的新假设，其中血液微电流减少了(并且(电导)和/或量子力学效应的改变被提议在细胞和分子水平上引起许多负面影响，从而导致细胞间信号转导减少，细胞间排斥和免疫力下降，以及基因突变频率增加，因此癌症的发生率增加。
为了演示和说明，上面列举了新的详细的实施例展示了如何利用微电子或纳米制造技术和相关的工艺制备高灵敏度，多功能，强大的，和小型化的检测器件，最基本的常用的微电子技术和纳米制造技术用于这类高性能检测仪的设计和制造，而且可以扩展到各种制造工艺的组合，包括但不限于薄膜沉积，图形化(光刻和蚀刻)，平坦化(包括化学机械抛光)，离子注入，扩散，清洗，各种材料，过程和步骤的组合，以及各种工序和流程的组合。例如，任意一种检测器件的设计和制造流程中，所涉及的材料的数量可以少于或超过 4种(己被用在上面的例子中)，处理步骤的数量可以少于或多于示例，这都取决于特定需求和性能目标。例如，在某些疾病检测的应用中，诸如生物材料薄膜可作为第五材料用于涂覆的金属尖端，以改善检测头与被测量的生物样品的接触，从而提高测量灵敏度。
本发明公开的检测仪和检测方法的应用包括检测疾病(例如，在他们的早期阶段)，尤其是严重的疾病，如癌症。由于肿瘤细胞和正常细胞有多种差异，包括微观性质的差异如电势，表面电荷密度，附着力，和pH值，本发明所公开的新的微器件能够检测到这些差异，因此增强了疾病(如癌症)检测能力，特别是在早期阶段。除了用于检测电势和电荷参数的微器件外，还可以用本发明所公开的方法制备用于检测机械性能(如密度)的微器件。在疾病早期检测中机械性能测试的重点是能区分疾病或癌变的细胞与正常细胞。作为一个例子，人们可以区分癌细胞与正常细胞，通过使用本发明的集成了微压痕量检测器的检测器件。
本发明的另一方面提供了疾病的治疗方法。图77是使用物理或生物物理方法进行疾病治疗的仪器的示意图。该治疗可用于体外。该处理可以在诸如血液的体液样品上进行。该治疗可以利用恒定的或变化的(或交替的)能量和/或场。可以使用来自患者身体的循环血液进行治疗。如图77所示，用于治疗疾病的仪器包括：通道，生物体(例如，血液样本)穿过该通道；离子注入(注射)装置，用于注入所需量的添加剂(例如离子)；一个或多个发生器(换能器)，用于将至少一种类型的能量和/或场(例如，物理或生物物理能量/信号或场)施加到生物体上。该仪器还可以包括一个或多个检测器，用于检测生物体的物理或生物物理信号。
图78示出了使用物理或生物物理方法进行疾病治疗的另一示例性仪器。如图78所示，该仪器包括通道，生物体(例如，血液样本)穿过该通道；以及多个离子注入装置，每个离子注入装置用于注入所需量的添加剂(例如离子)；和多个发生器(换能器)，用于将至少一种类型的能量和/或场(例如，物理或生物物理能量/信号或场)施加到生物体上。这种治疗也可以在体外使用。该治疗可以在体液(例如血液)上进行。在一些实施方案中，可以使用来自身体的循环血液来进行治疗。该治疗可以利用恒定的或变化的(或交替的) 能量和/或场。该仪器能够向体液施加物理或生物物理能量和/或场，同时将适量的一种或多种添加剂例如离子注入到体液中。
图79示出了采用本发明的疾病治疗方法之后的生物体中的性质变化。如图79所示，随着电流，电导，离子水平，膜电势和极化的降低，细胞水平的数量(细胞信号传导，细胞排斥，静止电位和细胞表面电荷降低)和分子水平(DNA表面电荷降低，量子力学效应的改变以及DNA突变的增加)特性退化，导致疾病和癌症的发生率增加。以相反的方式，本发明的治疗(例如，通过施加物理或生物物理能和/或场，同时注入适当量的一种或多种添加剂，例如离子)可能会影响生物体中的以下特性中的至少一项：电解质浓度和分布，钾离子浓度和分布，钠离子浓度和分布，氯离子浓度和分布，钙离子浓度和分布，细胞外区域的净电荷，细胞外区域的离子浓度，重力场，机械场，量子力学场，磁场，电磁场，电场，电流，电阻，电导率，电容，膜离子通道特性，静止膜电势，跨膜电势，去极化的跨膜电势，膜电压，和膜电位-从而导致疾病和癌症状态的水平下降。治疗后，患者的生物体的特性可能会恢复到健康状态。例如，生物体的特性从癌症状态返回到早期癌症阶段，癌症前状态，非癌症疾病状态或健康状态；生物体的特性从癌前状态返回非癌疾病状态或健康状态；或生物体的特性(性质)从非癌症疾病状态恢复为健康状态。本发明的新型癌症治疗方法可以使用低剂量和/或弱的场和/或能量进行治疗，从而以更低的成本，更少的副作用，更容易的康复，癌症预防能力，改善的存活率和易用性大大改善了治疗方法。
图80A-80O示出了用于治疗疾病的仪器，该仪器具有能够向生物体施加能量的线圈围绕通道。图80A示出了被绝缘材料包围的导电线圈8011的底层。图80B示出了导电线圈8033的顶层，其被绝缘材料包围。图80C示出了中间层，该中间层包括被绝缘材料围绕的导电塞(8022)。导电塞是导电线圈的一部分，导电塞连接底部导电层(8011)和顶部导电层(8033)的。图80D是通过新颖的半导体或集成电路制造方法制造的导电线圈的俯视图。实线中的特征是顶部导电层(8033)，而虚线中的特征是底部导电层(8011)。实线圆是连接顶部和底部导电层的导电塞(8022)。图80E示出了通过新颖的半导体或集成电路方法制造的导电线圈的三维视图，其围绕通道(8044)缠绕，体液(例如，血液)沿着该通道流过或停留期望的时间，用于治疗疾病。如上所述，导电线圈通过上述的导电部件 8011、8022和8033连接。
图80F-80O示出了用于治疗疾病的仪器的新颖的制造工艺，该仪器具有线圈围绕通道。如图80F所示，首先在半导体或绝缘基板8100上沉积绝缘层8111。该横截面示出了未来的线圈面积。接下来，如图80G所示，将沟槽蚀刻到绝缘层8111中，并沉积导电材料 8122。接下来的步骤是刻蚀或抛光回导电材料8122，如图80H所示。之后，沉积薄的停止层(例如氮化硅或多晶硅)8133，随后沉积与绝缘材料8111相同类型的绝缘材料层8144 (如图80I所示)。下一步如图80J所示，蚀刻8144层(应用光刻和蚀刻)并形成沟槽，沉积牺牲层8155，然后刻蚀或抛光回层8155。值得注意的是，图80J中的通道的横截面图与上面的横截面图(例如，在图80I中)相比处于芯片上的不同位置。然后，如图80K所示，沉积绝缘层8166。层8166的材料是与层8111相同类型的绝缘材料。
如图80L所示，使用蚀刻工艺蚀刻穿过层8166的小孔，然后使用蚀刻工艺蚀刻掉牺牲材料8155，从而在层8144中形成微通道8211。然后，如图80M所示，依次沉积薄蚀刻停止层8177(其具有与层8133相同的材料)和绝缘层8188(其具有与层8111相同类型的绝缘材料)。如图80N所示，对层8188进行构图和蚀刻以形成沟槽，然后对其进行构图并进一步蚀刻以形成穿过层8177、8166、8144、8133的孔(使用不同的蚀刻化学物质，一种化学物质用于层8166、8144的蚀刻，另一种化学物质用于层8133和8177的蚀刻)，孔在层8122 上停止。或者，第二种处理方法是使用两次光刻曝光(分别用于沟槽区域和深孔区域)并进行两次蚀刻，从而先蚀刻沟槽区域，然后蚀刻孔。
最后，如图80O所示，沉积导电层8199(可以与导电层8122相同)，从而与底部导电层8122接触。这样，导电层8122(底层)和8199(接触和顶层)形成包围微通道8211的线圈。线圈包围微通道的俯视图和三维示意图如上面的图80D和80E所示。
图81示出了示例性仪器，该仪器通过将试剂添加到穿过流体装置的生物体的液体样品来检测疾病(例如肺病，诸如肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合征(SARS)或冠状病毒)。该仪器可以包括一个或多个通道和/或腔室，以及检测器和注射器，检测器和注射器部分或完全的置于通道或腔室的一个或多个侧壁旁。例如，如图81所示，液体样品可首先通过混合室，在混合室中加入一种或多种试剂，例如通过腔室侧壁上的注射器或孔。液体样品可以包括血液，血清，血浆，汗液，眼泪，唾液或尿液。添加到液体样品中的试剂的实例可以包括氧化剂，用于测试核酸的试剂或用于生物化学测试的试剂。然后，生物体和一种或多种试剂的混合物继续流向检测室，在检测室中，检测器或传感器任选地置于检测室的至少一个侧壁旁，检测生物体的至少一项生物物理或物理性质。除了由检测器或传感器检测到的生物物理或物理性质外，液体样品还会与试剂反应并释放信号，该信号也可以由检测器或传感器检测到。收集检测到的数据并用于分析，以区分正常(健康)组与要检测的疾病(例如，肺部疾病)的患者，从而做出与该疾病有关的确定。从检测室出来的废液可以被进一步收集以进行废物收集。
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作出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申请专利范围内。
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，本说明书(包括任何所附的权利要求，摘要和附图)内所有特征可以被具有相同，等效，相似的任何特征取代。因此，除非另有说明，公开的每个特征是等效或类似的通用特征的一个例子。

Claims (88)

1.一种用于检测生物体内疾病的存在或监测疾病进展的仪器，其特征在于，所述仪器包括：
用于生物体穿过的通道或腔室；
至少一个检测器，部分或完全置于通道或腔室的一个或多个侧壁旁，其中至少一个检测器能够检测生物体的至少一种生物物理或物理性质，并且收集检测到的生物物理或物理性质进行分析以确定疾病是否存在于生物体或确定每种癌症的状况，从而提供确定或监测疾病进展的能力。
2.根据权利要求1所述的仪器，其特征在于，所述疾病是肺或肺部疾病，癌症，炎性疾病，糖尿病，肺部疾病，心脏病，肝病，胃病，胆道疾病或心血管疾病。
3.根据权利要求2所述的仪器，其特征在于，所述肺或肺部疾病包括肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合症(SARS)，冠状病毒，哮喘，慢性阻塞性肺疾病，慢性支气管炎，肺气肿，急性支气管炎，囊性纤维化，肺水肿，急性呼吸窘迫综合征，尘肺，间质性肺疾病，肺栓塞或肺动脉高压；癌症包括乳腺癌，肺癌，食道癌，肠癌，与血液有关的癌症，肝癌，胃癌，宫颈癌，卵巢癌，直肠癌，结肠癌，鼻咽癌，贲门癌，子宫癌，卵巢癌，胰腺癌癌症，前列腺癌，脑瘤或循环肿瘤细胞；炎性疾病包括寻常痤疮，哮喘，自身免疫性疾病，自身炎性疾病，乳糜泻，慢性前列腺炎，憩室炎，肾小球肾炎，化脓性汗腺炎，过敏性肠炎，间质性膀胱炎，中耳炎，盆腔炎，再灌注损伤，类风湿热，风湿热关节炎，结节病，移植排斥或眼睑炎；糖尿病包括Ⅰ型糖尿病，Ⅱ型糖尿病或妊娠糖尿病；心脏病包括冠状动脉疾病，心脏增大(心肌肥大)，心脏病，心律不规则，心房颤动，心律失常，心脏瓣膜病，心源性猝死，先天性心脏病，心肌病(心肌病)，扩张型心肌病，肥厚型心肌病，限制性心肌病，心包炎，心包积液，马凡氏综合征或心脏杂音；肝病包括筋膜炎，肝炎，酒精性肝病，脂肪肝(肝脂肪变性)，遗传性疾病，吉尔伯特综合征，肝硬化，原发性胆汁性肝硬化，原发性硬化性胆管炎或布加综合征；胃病包括胃炎，胃息肉，胃溃疡，胃良性肿瘤，急性胃粘膜病变，胃窦胃炎或胃间质瘤；胆道疾病包括胆管结石，胆囊结石症，胆囊炎，胆管扩张，胆管炎或胆囊息肉；心血管疾病包括冠状动脉疾病，外周动脉疾病，脑血管疾病，肾动脉狭窄，主动脉瘤，心肌病，高血压心脏病，心力衰竭，肺心病，心律不齐，心内膜炎，炎症性心肌肥大，心肌炎，瓣膜性心脏病，先天性心脏病，风湿性心脏病，冠状动脉疾病，外周动脉疾病，脑血管疾病或肾动脉狭窄。
4.根据权利要求2所述的仪器，其特征在于，所述疾病是肺部疾病，包括肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合症(SARS)或冠状病毒。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器能够同时检测生物体中两种或更多种不同类型疾病的存在或监测其进展。
6.根据权利要求5所述的仪器，其特征在于，所述两种或更多种不同类型的疾病包括肺部疾病。
7.根据权利要求6所述的仪器，其特征在于，所述肺部疾病包括肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合症(SARS)或冠状病毒。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器能够同时检测生物体中两种或更多种不同类型的癌症的存在或监测其进展。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的仪器，其特征在于，所述生物物理性质包括机械特性，声学特性，光学特性，电特性，电磁特性或机电特性。
10.根据权利要求9所述的仪器，其特征在于，所述电子性质是表面电荷，表面电势，静息电势，电流，电场分布，表面电荷分布，电池电子性质，电池表面电子性质，电子性质的动态变化，动态变化。电池电子特性，电池表面电子特性的动态变化，表面电子特性的动态变化，膜离子通道特性，静止膜电势，跨膜电势，去极化的跨膜电势，细胞膜的电子特性，电子的动态变化膜表面的特性，细胞膜电子特性的动态变化，电偶极子，四重电子，电信号的振荡，电流，电容，三维电或电荷云分布，DNA和染色体端粒的电特性，DNA表面电荷，DNA环绕介质的电特性，量子力学效应，电容或阻抗。
11.根据权利要求10所述的仪器，其特征在于，所述生物物理特性包括影响基因复制和突变的量子力学效应。
12.根据权利要求9所述的仪器，其特征在于，所述生物物理性质包括膜离子通道性质，静息膜电势，跨膜电势，去极化的跨膜电势，膜电压，膜电势，ζ电位(zeta potential)，阻抗，光学反射指数，光学折射率，钾离子，钠离子，氯离子，氮化物离子，钙离子，静电力，作用于细胞的静电力，作用于DNA双螺旋的静电力，作用于RNA的静电力，细胞膜上的电荷，DNA双螺旋上的电荷，RNA上的电荷，量子效应，近场电特性，近场电磁特性，膜双层特性，离子类型和/或浓度，离子渗透性，电流，电导率，电容或电阻。
13.根据权利要求1至8中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器检测一种或多种生物物理或物理性质，所述生物物理或物理性质各自选自生物体内的电解质，钾离子浓度，钠离子浓度，氯离子浓度，钙离子浓度与分布，细胞外区域的净电荷，细胞外的离子浓度，重力场，机械场，量子力学场，磁场，电磁场，电场，电流，电阻，电导率，电容，膜离子通道性质，静息膜电位，跨膜电位，去极化的跨膜电位，膜电位，磁场，电场，电磁场和量子场。
14.根据权利要求13所述的仪器，其特征在于，所述仪器直接或间接地测量所述量子力学效应。
15.根据权利要求13或14所述的仪器，其特征在于，所述仪器直接或间接地测量所述生物体的液体样品中的离子或离子水平。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器通过生物化学或电极方法直接或间接地测量离子水平或浓度。
17.根据权利要求13-16中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器直接或间接地测量钾离子。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器直接或间接地测量钾离子的浓度。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器直接或间接地测量选自钾离子，钠离子，氯离子，氮化物离子和钙离子中的一种或多种离子。
20.根据权利要求13-19中的任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器直接或间接地测量选自钾离子，钠离子，氯离子，氮化物离子和钙离子的一种或多种离子的浓度。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器直接或间接地测量离子渗透率。
22.根据权利要求1-21中任一项所述的仪器，其特征在于，所述生物物理、物理特性与细胞间相互作用，细胞信号，细胞表面特性，细胞静电力，细胞排斥力，DNA表面特性，DNA表面电荷，DNA周围介质的电特性，量子力学效应，基因突变频率或量子力学效应有关并响应。
23.根据权利要求1-22中任一项所述的仪器，其特征在于，所述生物体是液体样品。
24.根据权利要求23所述的仪器，其特征在于，所述生物体包括体液或组织。
25.根据权利要求24所述的仪器，其特征在于，所述体液包括全血，血清，血浆，汗液，眼泪，唾液或尿液。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的仪器，其特征在于，所述生物物理或物理特性是非癌信号，并且存在于来自健康个体的生物体中。
27.根据权利要求1-26中任一项所述的仪器，其特征在于，所述生物物理或物理特性存在于来自健康个体的生物体，来自非癌症疾病患者的生物体，以及来自癌症患者的生物体中，并能被检测到；检测到的分别来自健康个体，非癌症患者和癌症患者的特性是不同的。
28.根据权利要求26或27所述的仪器，其特征在于，所述生物物理或物理特性能够区分正常样品与患有疾病的异常样品。
29.根据权利要求28所述的仪器，其特征在于，通过将检测到的生物体的生物物理信息与确认的无疾病或患病生物体的相同生物物理信息进行比较来确定疾病是否存在。
30.根据权利要求1-29中任一项所述的仪器，其特征在于，所述疾病的状态包括健康阶段，早期疾病阶段以及中晚期疾病阶段，在任何两个阶段之间的具有统计意义的检测或监测阶段。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器同时检测生物体中三种或更多种类型的疾病的存在或监测其进展。
32.根据权利要求31所述的仪器，其特征在于，所述三种或更多种类型的疾病包括肺部疾病。
33.根据权利要求32所述的仪器，其特征在于，所述肺部疾病包括肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合症(SARS)或冠状病毒。
34.根据权利要求31或32所述的仪器，其特征在于，三种或更多种类型的疾病包括多种类型的癌症，所述癌症包括肺癌，肝癌，结肠直肠癌，乳腺癌，胃癌，食道癌，脑瘤，前列腺癌，血液癌，肠癌，胃癌，宫颈癌，卵巢癌，直肠癌，结肠癌，鼻咽癌，贲门癌，子宫癌，卵巢癌，胰腺癌或循环肿瘤细胞。
35.根据权利要求1-34中任一项所述的仪器，其特征在于，将至少一种试剂注入所述生物体的液体样品中，并且所述生物体与所述试剂反应并释放出信号，信号被所述仪器检测到。
36.根据权利要求35所述的仪器，其特征在于，所述液体样品包括血液，血清，血浆，汗液，眼泪，唾液或尿液。
37.根据权利要求36所述的仪器，其特征在于，所述试剂包括氧化剂，用于测试核酸的试剂，或用于生物化学测试的试剂。
38.根据权利要求35至37中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器包括：混合室，在混合室中将至少一种试剂添加到生物体的液体样品中；以及检测室，在所述检测室中，检测器检测生物体的生物物理或物理特性。
39.根据权利要求38所述的仪器，其特征在于，所述检测器还检测生物体由于与试剂反应而释放的信号。
40.根据权利要求39所述的仪器，其特征在于，所述仪器还包括用于收集废液的废物收集系统。
41.根据权利要求1至40中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器还包括附加装置，该附加装置用于调节所述生物体中的物理或生物物理特性。
42.根据权利要求41所述的仪器，其特征在于，首先测量然后调节所述物理或生物物理性质。
43.根据权利要求42所述的仪器，其特征在于，所述物理或生物物理特性包括机械特性，声学特性，光学特性，电特性，电磁特性或机电特性。
44.根据权利要求43所述的仪器，其特征在于，所述电特性包括电流，电导率，电容，电阻或量子力学效应。
45.根据权利要求43或44所述的仪器，其特征在于，所述附加装置将电流调整为较高的值，将电导率调整为较高的值，将电阻调整为较低的值，或者改变量子力学效应。
46.根据权利要求41所述的仪器，其特征在于，将调节剂注入到血液中以调节血液的生物物理特性。
47.根据权利要求46所述的仪器，其特征在于，所述调节剂包括离子，氧化剂，或影响血液电特性的组分。
48.根据权利要求47所述的仪器，其特征在于，所述电特性包括电流，电导率，电容，电阻，离子类型和/或浓度，或量子力学效应。
49.根据权利要求46所述的仪器，其特征在于，所述调节剂是能够调节血液的生物学特性的药物。
50.根据权利要求49所述的仪器，其特征在于，所述药物能够在摄入后释放离子和带电成分，并且能够调节血液的电特性。
51.根据权利要求50所述的仪器，其特征在于，所述电特性包括电流，电导率，电容，电阻，离子类型和/或浓度，或量子力学效应。
52.根据权利要求1-51中任一项所述的仪器，其特征在于，将至少一种生物标记物添加到液体样品中以用于性质测量。
53.根据权利要求52所述的仪器，其特征在于，所述生物标记物提供至少一些指示信息，所述指示信息指示在给定器官和位置处发生癌症的风险。
54.根据权利要求1-53中任一项所述的仪器，其特征在于，结合从包括生物标记物测试，基因组学测试，循环肿瘤DNA，循环游离肿瘤DNA，和循环肿瘤细胞测试的测试中获得的信息和数据来分析检测到的性质，获得总体癌症风险和可能的癌症发生的位置。
55.根据权利要求1-54中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器包括离子注入器，其能够向所述生物体添加期望量的离子。
56.根据权利要求55所述的仪器，其特征在于，所述离子包括钾离子，钠离子，氯离子，氮化物离子或钙离子。
57.根据权利要求56所述的仪器，其特征在于，所述离子包括钾离子。
58.根据权利要求1-57中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器包括一个或多个通道，并且所述一个或多个通道包括一个或多个检测器，并且检测器能够检测生物体的一个或多个生物物理或物理特性，以及任选地，生物体与至少一种试剂反应，释放一种或多种信号。
59.根据权利要求58所述的仪器，其特征在于，所述仪器还包括在侧壁上的一个或多个注射器，并且所述一个或多个注射器中的每一个能够向生物体添加期望量的试剂或离子。
60.根据权利要求59所述的仪器，其特征在于，由注射器添加的试剂或离子可以相同或不同。
61.根据权利要求58所述的仪器，其特征在于，由不同的检测器检测到的生物物理或物理性质可以相同或不同。
62.根据权利要求1-61中任一项所述的仪器，其特征在于，所述检测器包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器部分地或完全地放置在所述通道或腔室的一个或多个侧壁的旁边。
63.根据权利要求62所述的仪器，其特征在于，每个传感器独立地是热传感器，光学传感器，声学传感器，生物传感器，化学传感器，机电传感器，电化学传感器，光电传感器，电热传感器，电传感器，化学机械传感器，生物化学传感器，生物机械传感器，生物光学传感器，光电传感器，生物光电传感器，生物热光学传感器，电化学光学传感器，生物热传感器，生物物理传感器，生物机电传感器，生物电化学传感器，生物光电传感器，生物电热传感器，生物机械光传感器，生物机械热传感器，生物热传感器光学传感器，生物电化学化学传感器，生物机电光学传感器，生物机电热光学传感器，生物机电化学传感器，物理传感器，机械传感器，压电传感器，压电-电子光电传感器，压电光电传感器，压电光学传感器，生物电传感器，生物标记传感器，电传感器，磁传感器，电磁传感器，图像传感器或辐射传感器。
64.根据权利要求63所述的仪器，其特征在于，所述热传感器包括电阻温度微传感器，微热电偶，热二极管和热晶体管或表面声波(SAW)温度传感器；以及，所述热传感器包括：图像传感器包括电荷耦合器件(CCD)或CMOS图像传感器(CIS)；辐射传感器包括光电导装置，光伏装置，热电装置或微天线；所述机械传感器包括压力微传感器，微加速度计，流量计，粘度测量工具，微陀螺仪或微流量传感器；所述磁传感器包括：磁电微传感器，磁阻传感器，磁二极管或磁晶体管；生化传感器包括电导设备，生物标记，附着在探针结构上的生物标记或电位测量设备。
65.根据权利要求64所述的仪器，其特征在于，至少一个传感器是探测传感器，并且向生物体施加探测或干扰信号。
66.根据权利要求65所述的仪器，其特征在于，所述仪器包括至少另一个传感器，与所述探测传感器不同，是检测传感器，并且检测来自对其施加了探测或干扰信号的生物体的响应。
67.根据权利要求62-66中的任一项所述的仪器，其特征在于，还包括读取电路，读取电路与至少一个传感器相连，并且将数据从所述传感器传输到记录设备。
68.根据权利要求67所述的仪器，其特征在于，所述读取电路与传感器之间的连接形式可以是数字，模拟，光学，热学，压电，压光电，压电光电，光-电，电-热，光热，电学，电磁，机电或机械的。
69.根据权利要求1-68中任一项所述的仪器，其特征在于，所述腔室或通道的长度在从1微米至50,000微米，从1微米至15,000微米，从1微米至10,000微米，从1.5微米至5,000微米，或从3微米到1,000微米的范围内。
70.根据权利要求69所述的仪器，其特征在于，所述腔室或通道的宽度或高度在0.1微米至100微米，从0.1微米到25微米，从1微米到15微米，或从1.2微米到10微米的范围内。
71.根据权利要求69或70所述的仪器，其特征在于，所述仪器包括至少四个传感器，所述至少四个传感器位于所述腔室或通道的内表面的一侧壁，两个相对侧壁或四个侧壁上。
72.根据权利要求1-71中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器还包括专用集成电路芯片，所述专用集成电路芯片内部结合到所述检测器或集成到所述检测器中。
73.根据权利要求1-72中任一项所述的仪器，其特征在于，所述仪器是通过集成电路技术制造的。
74.根据权利要求1-73中任一项所述的仪器，其特征在于，将物理性质和/或生物物理性质的测量与至少一种其他测量方法组合以提供更全面和更完整的测量结果。
75.根据权利要求74所述的仪器，其特征在于，所述其它测量方法包括生物化学，免疫学，基因组学，循环肿瘤细胞，或成像检测测量方法。
76.根据权利要求74或75所述的仪器，其特征在于，首先对来自包括物理，生物物理，生物化学，免疫学，基因组学，循环肿瘤细胞，或成像检测测量方法的多种方法的测量数据分别进行单独分析，然后将其输入一个算法，该算法结合了多种方法的测量结果，并提供了多参数，全面的疾病风险评估。
77.根据权利要求76所述的仪器，其特征在于，所述物理或生物物理特性测量提供总体疾病风险评估，而其他方法中的至少一种包括生物化学，免疫学，基因组学，循环肿瘤细胞，或成像检测测量方法，提供至少另一种具体的测量信息。
78.根据权利要求77所述的仪器，其特征在于，所述总体风险评估包括肺部疾病检测信息。
79.根据权利要求77或78所述的仪器，其特征在于，所述总体风险评估包括癌症，癌前或早期癌症检测信息。
80.根据权利要求79所述的仪器，其特征在于，所述另一种具体测量信息包括癌前或癌症的位置或器官信息。
81.根据权利要求74-80中任一项所述的仪器，其特征在于，所述另一种具体测量信息来自免疫学测量的生物标记。
82.根据权利要求81所述的仪器，其特征在于，所述生物标记物包括甲胎蛋白，前列腺特异抗原，胚胚抗原，碳水化合物抗原50，碳水化合物抗原242，碳水化合物抗原125，碳水化合物抗原153，碳水化合物抗原199或碳水化合物抗原724。
83.一种用于在生物体中筛选或检测至少一种类型的疾病的存在或进展的方法，其特征在于，所述方法包括使用权利要求1至80中任一项所述的仪器检测生物体内细胞在微观水平上的物理或生物物理性质，其中，与生物体中细胞的测量特性有关的信息由检测器检测，并收集用于分析以确定疾病是否存在于生物体或确定疾病状况，从而提供确定或监测疾病进展的能力。
84.根据权利要求83所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将至少一种类型的试剂添加到生物体中，从而使生物体与所述试剂反应并释放将由所述仪器检测的信号。
85.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，所述试剂包括氧化剂，用于测试核酸的试剂，或用于生物化学测试的试剂。
86.根据权利要求83-85中任一项所述的方法，其特征在于，所述疾病包括肺部疾病。
87.根据权利要求84所述的方法，其特征在于，所述肺部疾病包括肺炎，肺结核，严重急性呼吸综合症(SARS)，或冠状病毒。
88.根据权利要求83-87中任一项所述的方法，其特征在于，收集所测量的特性信息用于分析，以同时确定或监测两种或更多种类型的疾病的进展。
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