CN1685233A - 通过监测反馈控制的悬臂偏转来检测分子结合 - Google Patents

通过监测反馈控制的悬臂偏转来检测分子结合 Download PDF

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Abstract

本方法和装置涉及应用探针分子检测和/或识别目标分析物。在本发明的各种实施方式中，将探针或分析物附着到一个或多个悬臂上。探针与分析物的结合导致悬臂偏转，该偏转可由检测单元检测到。可施加平衡力，使悬臂回复到其原始位置。平衡力可为磁的、电的或辐射的。检测单元和产生平衡力的装置可操作性地与信息处理和控制单元如计算机相连接。计算机可调节反馈回路，其通过平衡偏转力和平衡力而使悬臂保持在固定位置。分析物在样品中的浓度可由将悬臂保持在固定位置所需要的平衡力大小来确定。

Description

通过监测反馈控制的悬臂偏转来检测分子结合
本申请是2003年9月24日提交的题为“通过监测反馈控制的悬臂偏转来检测分子结合”的在审申请10/254,201的部分继续申请，本发明要求其优先权。
技术领域
在此描述的方法和装置100，200，300涉及分析物的检测和识别领域。特别地，所公开的方法和装置100，200，300涉及利用反馈控制悬臂(feedback-controlled cantilever)110，210，310，400，510偏转来检测和/或识别分析物。
背景技术
已经有了许多方法来检测和/或识别生物分子分析物，例如蛋白、肽、受体、核酸、激素、代谢物等。基于抗体的分析已被用于检测和/或识别大量的分析物。可通过各种免疫分析技术(例如酶联免疫吸附分析(ELISA)、蛋白印迹(Western blotting)等)来检测能为其制备特异性结合抗体的任何化合物、组合物、分子或聚集体。一般而言，感兴趣的分析物(抗原)或者针对感兴趣的分析物的抗体，被结合到固体支持物上。如果是分析物被约束在支持物上，则可以利用荧光的、酶学的或其他的标签来标记可与分析物相结合的抗体，并且可以检测抗体与被约束的分析物的结合。如果第一抗体被约束于支持物上，则可以通过被标记的第二抗体与分析物的结合来检测分析物与第一抗体的结合(夹层试验(sandwich试验))。由于抗体与不同抗原的交叉反应、目标分析物的低抗原性(导致试验的低灵敏度)、抗体与各种表面的非特异性结合等，基于抗体的分析有时可能会表现出不可接受的高水平的假阳性或假阴性结果。
基于寡核苷酸杂交的分析被广泛用于检测目标寡核苷酸、信使核糖核酸(mRNAs)、基因组脱氧核糖核酸(DNA)等。在这类分析中，序列与核酸目标分析物互补的探针寡核苷酸被标记，并使其与怀疑含有目标核酸的样品杂交。这种技术的许多变体是公知的，例如DNA印迹法(Southern blotting)、斑点印迹法(dot-blotting)或槽隙印迹法(slot-blotting)。近来，所设计的DNA芯片能够包含数百个甚至数千个单独的寡核苷酸探针。可以利用荧光标记、放射性等来检测目标核酸与探针寡核苷酸的杂交。这类分析可能出现灵敏度和/或特异性的问题。并非精确互补的序列之间可能通过错配杂交而发生核酸杂交，这会引起假阳性结果。
其他类型的分析物的检测试验是公知的，例如酶活性分析、受体配体结合试验等。关于上面所讨论的技术，任何的标准检测技术都可能出现选择性和/或灵敏度的问题。在该领域需要一种具有选择性和高灵敏性的方法来检测和/或识别各种分析物。
附图说明
下列附图是本说明书的一部分，包含这些附图是为了进一步阐明本发明的某些实施方案。通过参考这些附图中的一个或多个，并结合此处所给出的详细说明，可以更好地理解这些实施方案。
图1示出了一个用于分析物130检测的示意性装置100(未按比例绘制)和方法，其中利用了电荷-磁平衡悬臂110系统。
图2示出了一个用于分析物230检测的示意性装置200(未按比例绘制)，其中利用了电荷平衡悬臂210系统。
图3示出了一个用于分析物330检测的示意性装置300(未按比例绘制)，其中利用了辐射压力平衡悬臂310系统。
图4示出了一个示意性悬臂400(未按比例绘制)。
图5示出了悬臂510的一个示意性阵列500(未按比例绘制)。
图6示出了一个包括加热器610的示意性悬臂600(未按比例绘制)。
图7示出了一个包括水平对称加热器710的示意性悬臂700(未按比例绘制)。
具体实施方式
本文中所使用的“一个(“a”和“an”)”可以指一个或一个以上的某项目。
本文中所使用的术语“大约”是指在一个数量的正负百分之五之内。例如，“大约100”就是指95和105之间的任何数。
本文中所使用的短语“操作性地连接(operably coupled)”是指在两个或多个单元之间存在功能性相互作用。例如，如果布置有一个检测单元，那么该检测单元可被“操作性地连接”到一个表面，以致该检测单元可以检测该表面的性质变化，例如该表面的位置或曲率。
“分析物”130，230，330和“目标”130，230，330是指要检测和/或识别的感兴趣的分子、化合物、组合物或聚集体。分析物130，230，330的非限制性示例包括氨基酸、肽、多肽、蛋白、糖蛋白、脂蛋白、抗体、核苷、核苷酸、寡核苷酸、核酸、糖、碳水化合物、低聚糖、多糖、脂肪酸、脂、激素、代谢物、生长因子、细胞因子、趋化因子、受体、神经递质、抗原、变应原、抗体、底物、代谢物、辅因子、抑制剂、药剂、药物、营养素、蛋白侵染子、生物危害物、传染物、朊病毒、维生素、杂环芳香族化合物、致癌物、诱变物和/或排泄物。“分析物”130，230，330不局限于单个分子或原子，而是可以包括复杂的聚集体，例如病毒、细菌、沙门氏菌(Salmonella)、链球菌(Streptococcus)、军团菌(Legionella)、大肠杆菌(E.coli)、贾第鞭毛虫(Giardia)、隐孢子虫(Cryptosporidium)、立克次氏体、孢子、霉、酵母、藻类、变形虫、腰鞭毛虫、单细胞生物、病原体或细胞。在某些实施方案中，表现出特定特征或病状的细胞，例如癌细胞，可以成为目标分析物130，230，330。实质上任何化学或生物化合物、分子或聚集体均可成为目标分析物130，230，330。
“探针”120，220，320，520是指任何能够选择性地和/或特异性地与感兴趣的分析物130，230，330相结合的分子。探针120，220，320，520包括但不限于抗体、抗体片段、单链抗体、遗传工程化抗体、寡核苷酸、多核苷酸、核酸、核酸类似物、蛋白、肽、结合蛋白、受体蛋白、转运蛋白、凝集素、底物、抑制剂、活化剂、配体、激素、细胞因子等。
本文所公开的方法和装置100，200，300用于分析物130，230，330的快速灵敏检测和/或识别。在本发明的某些实施方案中，可以以达到单个分析物130，230，330分子水平的灵敏度检测和/或识别分析物130，230，330。在本发明的一些实施方案中，在不使用荧光或放射性标记的情况下检测和/或识别分析物130，230，330的能力是有优势的。
为了让人们完全理解本发明所公开的实施方案，在下面的详细描述中包含了大量的具体细节。然而对于本领域技术人员而言，显而易见的是，没有这些具体细节仍可实施本发明的实施方案。在其他情况下，本文对本领域公知的装置、方法、程序以及独立组件就不再进行详细描述。
纳米技术被一些人认为是这样的一个科学领域：其目标是要对单个的原子和分子进行控制，以制造计算机 芯片及其他装置，这些计算机芯片及其他装置要比当前技术所能制造出的要小数千倍。当前的制造过程是利用光刻技术将电路印制在半导体材料上。尽管在过去的二十年中光刻技术已经获得了令人激动的改进——今天有些制造商已经能够制造出小于1微米(1000纳米)的电路——但是它仍然是在处理数百万个原子的聚集体。人们普遍认为光刻技术将很快达到它的物理极限。为了继续缩小 半导体的尺寸，将有必要使用操作单个原子的新技术。这正是纳米技术的领域。按照流行的说法，术语“纳米技术”有时也被用来表示所有的亚微米技术，包括光刻技术。鉴于此，当讨论分子级的真正的纳米技术时，许多科研人员正开始使用“分子纳米技术”这一术语。
悬臂
本发明的某些实施方案涉及用于分析物130，230，330检测和/或识别的方法和装置100，200，300，其利用了附着至一个或多个悬臂110，210，310，400，510，600，700的探针分子120，220，320，520或分析物130，230，330。悬臂110，210，310，400，510，600，700是一个又小又薄的弹性杆，其在一个末端660处是被束缚着的，而在另一末端420，620处是自由的(例如图4、图5和图6)。探针分子120，220，320，520通常被附着至悬臂110，210，310，400，510，630的表面，并被允许与一个或多个目标分析物130，230，330相结合。或者，目标分析物130，230，330可附着至悬臂110，210，310，400，510，630的表面，并被允许与一个或多个探针120，220，320，520相结合。一个或多个探针分子120，220，320，520或目标分析物130，230，330可以被粘附到每个悬臂110，210，310，400，510，630。在各个实施方案中，悬臂110，210，310，400，510，600，700可以是纳米级或微米级悬臂110，210，310，400，510，600，700。
微米级或纳米级悬臂110，210，310，400，510或悬臂组500的制造技术是公知的。(例如，Baller等，Ultramicroscopy.82：1-9，2000；Lang等，Appl.Phys.Lett.72：383，1998；Lang等，Analytic Chimica Acta393：59，1999；Hansen等，Anal.Chem.73：1567-71，2001；Wu等，Proc.Natl.Acad.Sci.USA 98：1560-64，2001；Fritz等.，2000；Ilic等，Appl.Phys.Lett.77：450-452，2000；美国专利6,074,484；6,079,255；也参见http：//monet.physik.unibas.ch/nose/inficon/；http：//www.phantomsnet.com/phantom/net/phantomsconf/doc/Abadal.pdf；http：//lmn.web.psi.ch/annrep/mntech3.pdf；http：//www.nnf.cornell.edu/2001cnfra/200138.pdf；http：//www.princeton.edu/～cml/html/research/biosensor.html)。任何这类公知的制造方法均可用于所要求保护的主题的实施中。在原子力显微镜术领域中公知的悬臂110，210，310，400，510的长度一般为约100至500微米(μm)，厚度为约1μm。通过公知方法已经制造出的二氧化硅悬臂110，210，310，400，510，600，700的长度变化范围为15至500μm，宽度变化范围为5至50μm，厚度为320纳米(nm)，它们能够检测单个大肠杆菌细胞的结合(Ilic等.，Appl.Phys.Lett.77：450，2000)。材料是没有限制的，已知用于悬臂110，210，310，400，510，600，700构造的任何其他材料(例如硅或氮化硅)都可以使用。在本发明的其他实施方案中，可以使用约50μm长，约10μm宽，约100nm厚的悬臂110，210，310，400，510。在本发明的某些实施方案中，可以使用长度小至100nm的纳米级悬臂110，210，310，400，510。在一些实施方案中，可以使用大约长度为10至500μm，宽度为1至100μm和厚度为100nm至1μm之间的悬臂110，210，310，400，510。
在本发明的各个实施方案中，可以对悬臂110，210，310，400，510，600，700上的力进行平衡，以将悬臂110，210，310，400，510，600保持在一个固定位置。当悬臂110，210，310，400，510，630的表面粘附有一个或多个探针分子120，220，320，520时，目标分析物130，230，330与探针分子120，220，320，520的结合可引起施加在悬臂110，210，310，400，510上的初始力发生变化，从而造成悬臂110，210，310，400，510弯曲或偏转。可对悬臂110，210，310，400，510，610施加一个第二平衡力，以使悬臂110，210，310，400，510，600，700回复到它的初始位置。可检测悬臂110，210，310，400，510，680的偏转，例如通过操作性地连接到计算机上的检测单元。计算机可以调控第二平衡力610的施加，创建一个反馈回路，将悬臂110，210，310，400，510，600，700保持在一个固定位置。利用反馈回路来控制悬臂110，210，310，400，510位置的方法和装置100，200，300是众所周知的，例如在原子力显微镜术领域中。
在本发明的特定实施方案中，粘附到悬臂110，210，310，400，510，600，700表面的探针分子120，220，320，520可与带电目标分析物130，230，330相结合(图1至图3)。在存在外加电场的情况下，带电目标分析物130，230，330与粘附于悬臂110，210，310，400，510，600，700的探针120，220，320，520的结合将导致初始力被施加到悬臂110，210，310，400，510上，这将促使悬臂110，210，310，400，510，690偏离固定(中性)位置。第二平衡力695，795的施加可被用来使悬臂110，210，310，400，510，600返回它的原始位置。在各个实施方案中，平衡力可以是磁的(图1)、电的/加热体的(图2、图6)，或电磁辐射(图3)。技术人员将会认识到，某些分析物130，230，330例如蛋白上的电荷会因溶液的pH不同而不同。在本领域中，控制pH值以在分析物130，230，330上保持适当电荷是公知的。在本发明的各个实施方案中，分析物130，230，330上的电荷也可以通过分析物130，230，330的共价修饰来控制，例如通过引入带电基团来修饰。所作的这类变化不应影响分析物130，230，330与探针分子120，220，320，520结合的能力。
本领域技术人员将认识到，为了引发偏转，分析物130，230，330与悬臂110，210，310，400，510的连接并不一定需要导致悬臂110，210，310，400，510，600，700的表面电荷的变化。在本发明的其他实施方案中，分析物130，230，330或探针120，220，320，520与悬臂110，210，310，400，510，600表面的结合会因表面张力的变化而影响偏转。在此种情况下，悬臂110，210，310，400，510，600，700仍然可以受到磁的、电的或辐射的平衡力610的作用而返回到它的原始位置。因此，可利用所公开的装置100，200，300和方法对带电的或不带电的分析物130，230，330的结合进行检测。
在本发明的某些实施方案中，样品中分析物130，230，330分子的浓度可以通过第二平衡力的大小来确定，第二平衡力被用来将悬臂110，210，310，400，510保持在固定(中性)位置。将悬臂回复到它的中性位置的一个优点在于，与测量在分析物130，230，330结合时悬臂110，210，310，400，510，600，700偏转角度的方法相比，这些悬臂110，210，310，400，510，600，700具有更大动态范围的可以被确定的分析物130，230，330浓度。而且，因为悬臂110，210，310，400，510，600，700被保持在一个固定位置，因此悬臂110，210，310，400，510，600，700的使用寿命要远远大于经受反复弯曲的悬臂110，210，310，400，510，600，700的使用寿命，悬臂反复弯曲会导致机械应力和结构失效。
可通过本领域已知的任何方法来确定悬臂110，210，310，400，510，600，700的位置(例如美国专利6,079,255和6,033,852)，例如利用检测单元来监测悬臂110，210，310，400，510，600，700的位置。在一些实施方案中，检测单元可包括信号源，例如激光器170，270，365，540，其被操作性地连接到光检测器180，280，370，550。或者，连接到或整合到悬臂110，210，310，400，510，600，700的压电传感器可被操作性地连接到检测器180，280，370，550或被直接连接到数据处理和控制单元。在本发明的一个示例性实施方案中，低功率激光束可被聚焦在悬臂110，210，310，400，510，600，700的表面。该激光束可反射离开悬臂110，210，310，400，510，670，680表面，照在一个位置感应(position sensitive)光检测器180，280，370，550(PSD)上。当悬臂110，210，310，400，510，600，700对探针120，220，320，520或目标分析物130，230，330作出响应而弯曲时，被反射的激光束照射PSD 180，280，370，550的位置便会移动，产生一个偏转信号680，780。可以根据反射的激光束在PSD 180，280，370，550，680上的位移大小来确定悬臂110，210，310，400，510，600，700的偏转角度。通过施加一个平衡力610，710可使悬臂110，210，310，400，510，600返回到它的初始位置695，795，该返回可以通过PSD 180，280，370，550，695，795上反射的激光束返回到其初始位置来检测。本领域技术人员将认识到，很多不同类型的传感器和控制系统可被用来对悬臂110，210，310，400，510，600，700的位置进行平衡，并且其中的任何一个均可用于实施所要求保护的主题。
在一个实施方案中，悬臂可包括加热器610，710，如图6和图7所示。悬臂的一般结构可以包括4个组件：(1)悬臂的主体620，720，其可由例如硅的标准材料制成；(2)加热器610，710，其很可能是由电阻较高的金属制成；(3)绝缘层640，740，其例如是非导电的，并被用来保护加热器；以及(4)至少一个结合表面630，730(功能化表面)，例如可处于加热器的相反位置。
在一个实施方案中，悬臂可包括加热器，其以一种特定方式被定位，例如水平对称，如图7所示。这将减轻可能由以其它方式定向的加热器产生的任何扭转变形。此外，对悬臂700本身的修饰可以是利用一种以上的材料来涂覆悬臂。众所周知，仅仅涂覆硅的表面不可能达到使悬臂弯曲的恰当温度。硅的热膨胀系数仅为2.6e-6/K(在室温下)，因此它不可能获得足够的热来使悬臂弯曲回它的原始位置。因此，关于涂覆悬臂表面以使其产生热效应的一个意见是可能要利用材料的组合，例如双金属材料或硅与金属材料。顶部材料和底部材料间的热膨胀系数差别大的任何材料的组合均可。一种双压电晶片材料，例如一种双金属材料，会允许热弯曲产生。可以通过接合热膨胀系数不同的两种金属(例如镍铁合金和铜)来制成双金属材料。在一个实施方案中，双金属材料例如镍铁合金和铜可被用来涂覆悬臂，并且加热器710可被置于悬臂的一侧或者可被置于两个双金属材料之间。
在一个示例中，当分析物分子与结合表面630，730相结合时，悬臂将会由于表面张应力而向结合表面的背面690，790弯曲。可以通过监测来自悬臂670，680，770，780的光反射来检测该弯曲。可以通过利用电加热器610，710来加热悬臂以平衡该弯曲力。可以通过监测加热器的电阻变化来测量悬臂温度。可以对通过加热器的电流650，750或施加在加热器上的电压进行控制来调节悬臂温度。在光检测器和加热控制器之间可有一个反馈回路。可以通过标准的电气工程方法来制造该光电控制系统。在一个示例中，加热器610，710和结合区域630，730可以不重叠，这样温度变化将不会影响分析物与悬臂600，700的结合。利用光检测器可以对加热器610，710所产生的弯曲力进行校准。
在一个示例中，悬臂的制造可包括制造悬臂主体620，720的本领域已知的标准工序。为了制造加热器610，710，可在悬臂的一侧沉积一个钛(Ti)质薄层(10nm)。在该Ti层之上，可以沉积一个具有特定式样的金薄层以保证施加电压时足够的电阻。绝缘层可以是硅，其被用于防止电解。绝缘层640，740(例如50nm)可比悬臂主体结构620，720(例如500nm)薄。可选地，可以在绝缘层640，740之外沉积一个薄金属层。该金属层可提供两个功能：(1)使其相比于悬臂的另一侧，更难以被功能化；以及(2)使热更均匀地分布。
在一个示意性方法中，通过利用例如氧等离子体对悬臂的硅侧进行处理，创建一个薄的二氧化硅层，这样悬臂600，700可被功能化。在这个处理之后，可按照本领域已知的标准程序用硅烷化试剂使悬臂600，700功能化(http：//cgr.harvard.edu/macbeath/research/sm_microarrays/sm_microarrays.html)。用于探针(抗体或受体)粘附的连接基团可以包括例如胺、醛、羧基、巯基或羟基基团。
在本发明的某些实施方案中，结合到悬臂110，210，310，400，510，600，700的探针分子120，220，320，520或目标分析物130，230，330的数量可以被限制。在本发明的其他实施方案中，探针分子120，220，320，520可以以特定的式样(patterns)和/或方位(orientations)粘附到一个或多个悬臂110，210，310，400，510，600，700以获得最优的信号。探针分子120，220，320，520或分析物130，230，330的式样化(patterning)可以通过用各种已知的官能团(例如Baller等，2000)涂覆表面来实现。式样化也可利用光刻方法来实现。光掩模可被用来将表面的所选区域保护起来或暴露于光束。该光束使一个特定区域的化学性质活化，从而允许探针分子120，220，320，520或目标分析物130，230，330粘附到所述活化区域，并且不会粘附到被保护区域。在本领域中，光刻方法是已知的。在其他可选择的实施方案中，可以通过已知的喷墨印刷方法，将探针分子120，220，320，520印制到悬臂110，210，310，400，510，600，700的表面上。在一些情况下，探针分子120，220，320，520可被传送至悬臂110，210，310，400，510，600，700的支撑结构，然后探针分子120，220，320，520可以通过毛细作用转移到悬臂110，210，310，400，510，600，700的表面上。
检测单元
检测单元可被用来检测悬臂110，210，310，400，510，600，700的偏转。悬臂110，210，310，400，510，600，700的偏转可以用例如光学和/或压阻检测器170，270，365，540(例如，美国专利6,079,255)和/或表面应力检测器170，270，365，540(例如Fritz等，Science 288：316-8，2000)来检测。
压阻检测器
在本发明的一个示例性实施方案中，压阻检测器180，280，370，550可被嵌入悬臂110，210，310，400，510，600，700臂410的固定端。悬臂110，210，310，400，510，600的自由端420，620的偏转会沿悬臂110，210，310，400，510，600，700产生应力。该应力会使检测器180，280，370，550的电阻随悬臂110，210，310，400，510，600，700偏转的角度按比例变化。电阻测量装置可被耦合到压阻检测器180，280，370，550，以测量它的电阻并产生对应于悬臂110，210，310，400，510，600，700偏转的信号。通过将检测器180，280，370，550连接到信息处理和控制系统，悬臂110，210，310，400，510，600，700偏转的角度可被确定，并被用来计算平衡力695，795的大小，平衡力695，795被用来使悬臂110，210，310，400，510，60，7000返回其原始位置。压阻检测器170，270，365，540可形成于悬臂110，210，310，400，510，600固定端的受压部分，以致当悬臂110，210，310，400，510，600，700偏转时，检测器180，280，370，550可以承受更大的应力(PCT专利申请WO97/09584)。
在一个非限制性的示例中，通过在绝缘硅(SOI)晶片的顶层限定出一个或多个悬臂110，210，310，400，510，600，700的形状，可以形成压阻悬臂110，210，310，400，510，600，700。可以用硼或另外的掺杂物对悬臂110，210，310，400，510，600进行掺杂，以建立p型导电层。金属可被沉积以用于电连接到掺杂层，而且悬臂110，210，310，400，510，600，700可以通过去除其下的大块的硅而被释放。这类方法可以利用已知的光刻和蚀刻技术。
在本发明的可供选择的实施方案中，引入掺杂物之后，可以生长出一个薄的氧化层，以降低压敏电阻器中固有的干扰。压敏电阻器悬臂110，210，310，400，510，600，700也可以利用已知的技术通过气相外延法来生长。在本发明的某些实施方案中，通过将压敏电阻器并入到具有参考电阻的惠斯登电桥电路中，可监测悬臂110，210，310，400，510，600，700的电阻率。
光检测器
在本发明的其他实施方案中，可以利用光检测单元来检测悬臂110，210，310，400，510，600，700的偏转。光检测单元可包括光源，例如激光二极管170，270，365，540或垂直腔表面发射激光器阵列170，270，365，540(VCSEL)，以及一个或多个位置感应光检测器170，270，365，540。前置放大器可被用于将光电流转换为电压。光源170，270，365，540所发射的光照射到悬臂110，210，310，400，510，600，700表面，并被反射到一个或多个光电二极管170，270，365，540。在本发明的某些实施方案中，悬臂110，210，310，400，510，600，700的一部分可用高反射性的表面来覆盖，例如银，以提高反射光束的强度。悬臂110，210，310，400，510，600，700的偏转导致反射光束的位置变化。这种变化可通过位置感应光检测器180，280，370，550来检测，并可被分析以确定悬臂110，210，310，400，510，600，700的偏转。悬臂110，210，310，400，510，600，700的位移又可被用来确定使悬臂110，210，310，400，510，600，700返回到它的初始位置所需的平衡力的大小。
其它的检测器
在本发明的其它实施方案中，可利用压电(PE)和/或压磁检测单元来测定悬臂110，210，310，400，510，600，700的偏转(例如Ballato，″Modeling piezoelectric and piezomagnetic devices and structures viaequivalent networks，″IEEE Trans.Ultrason.Ferroelectr.Freq.Control48：1189-240，2001)。压电检测单元利用传感元件的压电效应来产生电荷输出。PE检测单元的工作并不需要外部电源。所述“弹簧式(spring)”传感元件产生与所施加的应力大小成比例的一定量的电子。很多天然或人造材料，例如水晶、陶瓷以及一些聚合物均表现出这种特性。这些材料具有规则的晶状分子结构，其净电荷分布在应力状态时会发生变化。
压电材料在其非应力状态时还可具有偶极子。在这类材料中，应力变形可以产生电场，引起压电反应。电荷实际上并不会被产生，而是发生了转移。当沿偶极子方向产生电场时，就产生了流动电子，它们从压电材料的一端移动，通过信号检测器180，280，370，550，到达压电材料的另一端，从而形成闭合回路。所移动的电子数量是压电材料的应力程度和系统电容的函数。
本领域技术人员将认识到，本文所讨论的检测技术仅仅是示范性的，用于检测悬臂110，210，310，400，510，600，700偏转的任何公知技术均可被使用。
微机电系统(MEMS)
在本发明的一些实施方案中，可以将一个或多个悬臂110，210，310，400，510，600，700并入到一个微机电系统(MEMS)。MEMS是包含机电元件、传感器、致动器以及电子元件的集成系统。可以通过已知的加工技术将所有这些组件制作在普通芯片上，包括基于硅的基材或等价的基材上(例如Voldman等，Ann.Rev.Biomed.Eng.1：401-425，1999)。MEMS的传感器组件可被用于测量机械的、热的、生物的、化学的、光的和/或磁的现象。电子元件可以处理来自传感器的信息，并控制致动器组件，例如泵、阀、加热器、冷却器、过滤器等，从而控制MEMS的功能作用。在本发明的一个示例性实施方案中，传感器组件可测量一个或多个悬臂110，210，310，400，510，600，700的偏转，同时控制致动器元件可以使悬臂110，210，310，400，510，600，700暴露于样品溶液或提供平衡力以将悬臂110，210，310，400，510，600，700保持在固定位置。在另一个示例性实施方案中，悬臂110，210，310，400，510，600，700或悬臂组(cantilever array)500可以被包含在一个流体腔中。各种泵、阀以及其它致动器可被用于控制样品进入流体腔以及从该腔中排出。示范性的MEMS装置还可包括激光器170，270，365，540、光检测器180，280，370，550以及其它电子元件，例如电源140，195，240，295，340，560和电极150，160，250，260，350，360。
可以利用集成电路(IC)工艺(例如，CMOS(互补金属氧化物半导体)、Bipolar(双极型)或BICMOS(双互补金属氧化物半导体)工艺)来制造MEMS的电子组件。利用已知的用于计算机芯片制造的光刻和蚀刻方法对它们进行图案化处理。可以利用利用微机械加工工艺来制造微机械组件，微机械加工工艺可以有选择地将部分硅晶片蚀刻掉或增加新的结构层以制成机械和/或机电组件。MEMS制造中的基本技术包括将材料的薄膜沉积在衬底上，通过光刻成像或其他已知的刻图方法将图案掩模施加在所述膜之上，以及有选择地蚀刻所述膜。薄膜厚度范围是从几纳米至100微米。可用的沉积技术可以包括化学过程，例如化学气相沉积(CVD)、电化学沉积、化学沉积、电镀、热扩散和蒸发、物理气相沉积、溶胶凝胶沉积、电解沉积、外延和热氧化以及类似于物理气相沉积(PVD)和浇铸的物理过程。
所述制造方法并不是限制性的，可使用本领域已知的任何方法，例如激光切除法(laser ablation)、注射模塑法(injection molding)、分子束外延法(molecular beam epitaxy)、蘸水笔纳米光刻法(dip-pennanolithography)、活性离子束蚀刻法(reactive-ion beam etching)、化学辅助离子束蚀刻法、微波辅助等离子蚀刻法、聚焦离子束研磨法(focused ion beam milling)、电氧化法、扫描探针方法、化学蚀刻法、电子束或聚焦离子束技术或印制技术(例如美国专利6,146,227；http：//www.mdatechnology.net/techsearch.asp？articleid＝510；Bloch等，″Optics with an atom laser beam，″Phys.Rev.Lett.87：123-321，2001；Ivanisevic等，Dip-Pen Nanolithography on Semiconductor Surfaces，″J.Am.Chem.Soc.，123：7887-7889，2001；Siegel，″Ion Beam Lithography，″VLSI Electronics，Microstructure Science，Vol.16，Einspruch和Watts编，Academic Press，New York，1987)。纳米机电系统的制造方法可被用于本发明的某些实施方案中(例如Craighead，Science 290：1532-36，2000)。各种形式的微制造芯片可从例如Caliper Technologies Inc.(Mountain View，CA)和ACLARA BioSciences Inc.(Mountain View，CA)处购得。可使用任何类型的已知材料来构造MEMS器件，这些材料包括但不限于：玻璃、塑料、陶瓷、硅、氧化硅、二氧化硅、氮化硅、锗、砷化镓、以及基于金属的物质，例如金属和/或金属氧化物。
在本发明的各个实施方案中，应该意识到的是，图1至图7所示的装置100，200，300的部分组件或全部组件可被构造为集成MEMS装置的一部分。
应用
在一个实施方案中，上文所述方法可用于检测传染物(infectiousagents)的核酸(DNA、mRNA、RNA、PNA)。可通过本领域的已知程序设计和合成特定的核酸探针。例如，利用EDC化学可将胺修饰的DNA寡聚探针固定在利用羧基基团(连接基团)功能化的悬臂表面上(Benson等，Science，193，(2001)，1641-1644)。在检测前，从样品中抽取出核酸，通过脱氧核糖核酸酶(DNase)的消化作用(例如，0.01单位脱氧核糖核酸酶/微升，TE缓冲液中，37℃，30分钟，然后在95℃加热10分钟使其失活)或通过例如机械剪切，将其分段为平均大小约为200个核苷酸的片段。在包含200mM NaCl、10mM TrisHCl，pH7.8、1mM乙二胺四乙酸(EDTA)，并加入了1μg/ml的酵母tRNA的缓冲液中稀释样品。然后，可以通过将DNA样品加热到95℃维持15分钟，使样品变性。然后，在将样品暴露到悬臂之前可以将其冷却到4℃。然后为了杂交，将携带样品的悬臂加热到大约45℃。用包含100mM NaCl、10mM Tris-HCl，pH7.8、1mM乙二胺四乙酸，并加入1μg/ml的酵母tRNA的缓冲液来清洗悬臂。由于该系统可以被预校准，可以通过对核酸结合所产生的弯曲力进行平衡所需的力量大小来确定悬臂上结合的材料(DNA目标分子)的量。
在另一个实施方案中，上文所述示例可被用于检测蛋白。例如，由于抗体的表面上存在大量的胺类基团，因此可通过和上文所述示例同样的EDC化学法将抗体固定在悬臂上。在一个示例中，可稀释病人血液中的蛋白样品(例如1XPBS加上0.1％Tween-20)。在将蛋白(抗原)结合到悬臂表面并清洗掉非特异性结合材料后，通过上面所述方法就可检测特异性结合。
在另一个实施方案中，上文所述示例可被用于检测特定细胞和/或病毒：当特定性抗体可以被利用时，可以应用类似于蛋白检测(如前所述)的程序。利用悬臂上所固定的抗体，通过测量细胞表面抗原的作用(例如肿瘤抗原)就可对癌细胞进行检测。
在另一个实施方案中，上文所述示例可被用于检测特定的一个或多个配体和/或配体受体(例如配体蛋白)。例如，利用上文所述的EDC化学法可将配体受体固定在悬臂上。检测方法可类似于蛋白检测中所使用的方法。
在另一个实施方案中，上文所述示例可被用于检测任何其它的分子反应。理论上，任何已知的检测分子都可被固定在悬臂表面上，且可使用与蛋白检测相类似的方法来检测结合事件。
在很多具体应用中，所执行的是实时(即时)检测，并不进行所述的清洗步骤，也就是说，在将悬臂暴露到样品并使系统稳定后，就可收集数据，分析结果，而无需清除过量样品。关于其它的生化试验方案，请参见由Cold Spring Harbor Press，N.Y.出版的Joseph Sambrook和David W.Russell的″Molecular Cloning：A Laboratory Manual″。
探针分子的制备
可以预见的是，在实施本发明要求保护的主题时，可使用多种多样的探针分子120，220，320，520。下面将着重讨论两种类型的探针120，220，320，520——可在本发明各个实施方案中使用的寡核苷酸和抗体。然而，本领域技术人员将认识到，可以使用任何类型的已知的探针分子120，220，320，520。其他类型的探针120，220，320，520的制备和使用方法是本领域已知的。
寡核苷酸探针
在本发明的某些实施方案中，寡核苷酸探针120，220，320，520可被用于检测各种核酸分析物130，230，330，例如信使核糖核酸(RNA)、基因组脱氧核糖核酸(DNA)、克隆的核酸插入物、核酸扩增产物，或其他类型的核酸。寡核苷酸120，220，320，520可通过标准的沃森-克里克(Watson-Crick)碱基配对结合到核酸分析物130，230，330，其中腺嘌呤(″A″)残基与胸腺嘧啶(″T″)或尿嘧啶(″U″)残基进行氢键结合，而胞嘧啶(″C″)残基与鸟嘌呤(″G″)残基进行氢键结合。寡核苷酸探针120，220，320，520的制备方法是本领域公知的。寡核苷酸120，220，320，520可用市场上所售的合成仪来合成(例如Applied Biosystems，Foster City，CA)或者可从供应商处购买(例如，Midland Certified Reagents，Midland，TX；Proligo，Boulder，CO)。虽然可以使用标准的寡核苷酸120，220，320，520，但是寡核苷酸120，220，320，520的任何修饰体(modification)或类似物(analogue)，例如肽核酸120，220，320，520也可用于本文所公开的方法。
一般而言，长度为至少6、7或8个碱基的寡核苷酸可作为用于核酸杂交的探针120，220，320，520。在本发明的某些实施方案中，可以使用9、10、11、12、13、14、15、20、25、30、35、40、45、50、60、75、100或更多个碱基的较长寡核苷酸120，220，320，520。13个碱基或更多碱基的寡核苷酸120，220，320，520的使用可有助于与选定的目标核酸分析物130，230，330的特异性结合。对于将与目标核酸分析物130，230，330进行特异性结合的寡核苷酸探针120，220，320，520，其选择和制备技术均是本领域技术人员所熟知的，例如可以执行计算机数据库检索以获得某个目标核酸序列的若干独特部分。在本发明的各个实施方案中，寡核苷酸探针120，220，320，520可被制备成与一个给定的目标序列进行选择性或特异性结合的探针。
通过改变严紧性(stringency)的程度，可将寡核苷酸120，220，320，520与目标核酸130，230，330进行杂交。要求高选择性的应用通常采用相对较严紧的条件来形成杂合物，例如采用相对较低的盐和/或较高的温度条件，例如约50℃至约70℃的温度，约0.02M至约0.10M的NaCl。如此高的严紧条件是几乎不能容许探针120，220，320，520和目标链130，230，330之间的错配的，即使有，也是极少的，因此它特别适于对特定核酸目标进行检测。或者，完成杂交的条件可以例如为50mM Tris-HCl(pH8.3)、75mM KCl、3mM MgCl2、10mM二硫苏糖醇，温度为大约20℃至约37℃之间。所用的其他杂交条件可包括约10mM Tris-HCl(pH8.3)、50mM KCl、1.5μM MgCl2、温度为约40℃至约72℃。通常应意识到的是，通过加入更多量的甲酰胺，可以杂交条件变得更加严紧。
在本发明的某些实施方案中，通过利用聚焦电场将带电分析物130，230，330移动并集中在悬臂110，210，310，400，510的附近，可以提高探针120，220，320，520结合到分析物130，230，330的速率或效率。在一些情况下，探针120，220，320，520与分析物130，230，330杂交的严紧程度也可用电学方法来控制。用于控制分析物130，230，330移动和杂交的方法和装置100，200，300是本领域已知的(例如美国专利6,051,380和6,207,373)。
抗体探针
抗体探针120，220，320，520的制备和使用方法是本领域已知的(例如Harlow和Lane，Antibodies：A Laboratory Manual，Cold SpringHarbor Laboratory，1988)。抗体120，220，320，520可以是多克隆的或单克隆的。为了生成多克隆抗体120，220，320，520，将感兴趣的抗原注入目标动物(例如兔子)中。可以通过一同施用佐剂例如弗氏完全或不完全佐剂，提高抗原的反应性。为了提高抗原性，可将抗原连接到载体，例如牛血清白蛋白或钥孔血蓝素。通过周期性地进行抗原的加强注射(booster injection)，可提高动物的免疫反应。抗体120，220，320，520被分泌进入动物的循环系统，可以通过抽血或心脏穿刺获取。可利用已知方法，例如血液凝固法、离心分离法、过滤法和/或免疫亲和纯化法(例如利用抗兔抗体)或亲和层析法(例如Prontein-ASepharose柱层析法)，将抗体120，220，320，520与其他血液成分分离。
可以利用己知的技术，例如美国专利4,196,265所示的技术，来制备单克隆抗体120，220，320，520(MAbs)。通常，该技术涉及用某和抗原对适当的动物例如鼠进行免疫。可使用上文所公开的载体和/或佐剂，以及周期性地施用加强注射。从已免疫的动物获取抗体生成B细胞，例如通过切除脾或淋巴结并纯化淋巴细胞。它们与骨髓瘤细胞系中的无限增殖细胞融合，产生生成抗体的杂交瘤细胞。这样的细胞将抗体120，220，320，520分泌到培养基中，可进一步按照上文所述纯化。分泌单一类型的抗体120，220，320，520的独立的杂交瘤细胞克隆，可通过连续稀释和细胞培养获得。对于给定的目标分析物130，230，330，不同抗体120，220，320，520克隆的选择性可通过标准方法来确定，例如蛋白印迹法。
本发明的各个实施方案中，抗体片段120，220，320，520，例如FAb片段120，220，320，520可以通过已知的方法制备，并被用作探针120，220，320，520。制备修饰的抗体120，220，320，520、遗传工程化抗体120，220，320，520、人源化抗体120，220，320，520和/或单链抗体120，220，320，520的方法是已知的。任何这样的抗体、抗体片段或抗体类似物都可被用作探针分子120，220，320，520。
探针分子或目标分析物与表面的粘接
在本发明的各个实施方案中，探针分子120，220，320，520或目标分析物130，230，330可被粘附到一个或多个悬臂110，210，310，400，510的表面。将各种类型的分子粘接到表面的方法是本领域已知的。提供本发明的下列示例性的实施方案仅仅是出于解释说明的目的，而不是限制所要求保护的主题的范围。
在本发明的各个实施方案中，感兴趣的探针分子120，220，320，520或分析物130，230，330可通过共价或非共价相互作用粘附到表面。在一个非限制性的示例中，用链霉抗生物素蛋白或抗生物素蛋白包覆表面，然后结合生物素化的探针分子120，220，320，520或目标分析物130，230，330，粘附便可发生。或者，可以用聚L-Lys(赖氨酸)包覆硅或其他表面，然后采用双功能交联剂共价连接含氨基或巯基的探针分子120，220，320，520或目标分析物130，230，330，粘附便可发生(Running et al.，BioTechrliques 8：276-277，1990；Newton et al.，Nucleic Acids Res.21：1155-62，1993)。本领域技术人员将认识到可采用其它的粘接技术，例如采用碳二亚胺交联剂将含羧基的探针分子120，220，320，520或分析物130，230，330直接共价键合到赖氨酸的氨基侧链上。
在本发明的其它实施方案中，可以利用含有光敏性物质如氮宾、卡宾或羰自由基的光敏聚合物将探针分子120，220，320，520或目标分析物130，230，330粘接到表面上(参见美国专利5,405,766和5,986,076)。可以用衍生化的金属涂覆表面，然而共价结合含氨基或巯基的探针分子120，220，320，520或目标分析物130，230，330，粘接便可发生。在天然探针120，220，320，520或分析物130，230，330不含氨基或巯基基团时，可采用已知的方法对探针120，220，320，520或分析物130，230，330进行共价修饰，使其含有合适的基团。
其它的用于交联分子的示范性方法公开于美国专利5,603,872和美国专利5,401,511。可通过胺类残基的交联，将各种配体共价结合到表而上。在另一个非限定性的实施方案中，杂双功能交联剂和利用该交联剂的方法公开于序列号为5,889,155的美国专利中。该交联剂将例如亲核性酰肼残基和亲电性马来酰亚胺残基结合在一起，使得例如醛偶联到自由硫醇上。可以设计出能被应用来交联不同的官能团的交联剂。
将探针120，220，320，520或分析物130，230，330锚定到固体表面上的另一种技术是基于例如硅烷的自装配单层。此类分子可形成适当排序和紧密堆积的单层，该单层可用于锚定探针120，220，320，520或分析物130，230，330。采用氨基硅烷可将胺类基团包覆到表面上。采用的其它硅烷包括3-缩水甘油基氧丙基三甲氧基硅烷(GOP)或氨基丙基三甲氧基硅烷(APTS)。可直接或通过使用交联剂将各种类型的探针120，220，320，520或分析物130，230，330粘合到硅烷上。
在本发明的涉及寡核苷酸或核酸探针120，220，320，520或分析物130，230，330的实施方案中，可通过将5′-磷酸化核酸直接共价结合到化学修饰的表面上而完成连接(Rasmussen等，Anal.Biochem.198：138-142，1991)。可在核酸和表面之间形成共价键，例如，通过与水溶性碳二亚胺进行缩合。这一方法方便了核酸通过其5’-磷酸完成主要的5’-连接。
可采用双功能交联剂进行连接。示例性的交联剂包括戊二醛(GAD)、双功能环氧乙烷(OXR)、乙二醇缩水甘油醚(EGDE)以及例如1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)的碳二亚胺。在本发明的一些实施方案中，表面功能基团可共价连接到交联化合物上，以减少具有探针120，220，320，520的表面与分析物130，230，330之间的空间位阻。所要求保护的方法和装置100，200，300不限于本文中所公开的实例，而是可采用任何已知的方法将探针分子120，220，320，520或目标分析物130，230，330附着到悬臂110，210，310，400，510上。
附着到每一表面的探针分子120，220，320，520或目标分析物130，230，330的数目可以有所变化，这取决于表面的灵敏性和系统的噪音水平。长约500μm的大悬臂110，210，310，400，510，600，700可在每个悬臂110，210，310，400，510，600，700上利用多达1010个分子的附着探针120，220，320，520或分析物130，230，330。然而，采用较小的悬臂110，210，310，400，510，600，700时，所附着的探针120，220，320，520或分析物130，230，330的数目可以大大减少。在本发明的某些实施方案中，可采用已公开的方法来检测单个目标分析物130，230，330与附着到悬臂110，210，310，400，510，600，700上的探针分子120，220，320，520之间的结合。
在本发明的某些实施方案中，探针分子120，220，320，520或分析物130，230，330可以以特定的型式附着到悬臂110，210，310，400，510，600，700的表面。这样的型式可由本领域各种已知的方法提供。例如，可采用已知的纳米光刻法或蚀刻法将例如金膜的结合表面涂覆到悬臂110，210，310，400，510，600，700上。金表面可通过巯基或胺类基团共价结合于分子。或者，采用例如蘸水笔纳米光刻法的任何已知方法，将能够结合探针120，220，320，520或分析物130，230，330的活性基团按照选择的型式设置于悬臂110，210，310，400，510，600，700的表面上。在另一种替换方式中，可以采用例如激光光刻法使可光敏化的活性基团按照特定的型式均一地分布于表面上，并加以活化。
更多应用
医师可以采用至少一种高度灵敏的装置来测验多种疾病，其中该装置通过将分子附着到类似于跳水板的显微悬臂上并使显微悬臂发生弯曲来检测所述的可鉴别疾病的分子(参见图1-图7)。研究表明，这种技术用作前列腺特异性抗原(PSA)的诊断测试技术时，是具有足够的灵敏度的，所述的PSA是表征前列腺癌的蛋白标记物。此外，该技术可以用于发现被称为单核苷酸多态性或SNPs(发音为″snips″)的DNA微小变异，单核苷酸多态性导致了最普遍形式的生物多样性。
一组研究人员(南加州大学洛杉矶分校(USC)、加州大学伯克利分校(UCB)，以及奥克里季国家实验室(ORNL))研发出一种微悬臂技术。这些研究者采用与制造计算机微处理器相同的技术由氮化硅制造出悬臂。另一些研究者们完善了技术，他们用抗体涂覆到悬臂的上表面以检测用于检测SNPs的特异性蛋白或单链DNA序列。通过整合进一个装置以回复由分析物结合和悬臂弯曲所产生的偏转，可将本申请中的详细方法用于改进目前在这些实验室中所采用的技术。这些改进是必要的，因为附着到悬臂的蛋白或DNA的浓度越高，悬臂的偏转变得越大，而应力也变得越大。
在一个示例中，悬臂可为50微米宽(宽度为人头发的一半)，200微米长(1/5毫米)，半微米厚。在一些实施例中，当分子结合到表面时，悬臂仅仅移动约10-20纳米。
起初的PSA测试结果报道了悬臂技术的敏感度足以检测比临床上的相关阈值低20倍的水平，这一技术即使灵敏度不高于耗时的ELISA(酶联免疫吸附)分析，也与其差不多，ELISA是目前检测如PSA(前列腺特异性抗原)的蛋白标记物的标准。
其它标记物，例如可预测如乳腺癌、结肠直肠癌和膀胱纤维化的疾病的DNA突变的标记物，可通过这些错配来进行检测，甚至是在病人表现出症状之前即可进行。在例如单碱基变化的一些情况中，已经观测到悬臂是向上弯曲而不是向下弯曲。可以预想到，如图6和/或图7所示的放置在悬臂内的加热器也可用于使悬臂回复到其初始位置，即使悬臂向不同的方向弯曲。
特别说明的测试
前列腺特异性抗原
在一个实施方案中，可利用本文中详述的任意一种或多种方法监测PSA前列腺特异性抗原。PSA是由正常的和异常的前列腺细胞产生的。在患有良性前列腺病状，如前列腺炎(前列腺发炎)和良性前列腺增生(BPH)，或患有恶性(癌变)前列腺生长的男性的血液中可发现PSA水平升高。尽管PSA并不能使医生鉴别良性前列腺状况(在老年男性中非常普遍)和癌症，但PSA水平升高表明有必要采用其它的测试来确定是否存在癌症。
已经表明PSA水平可用于监测前列腺癌症治疗的有效性，以及用于检测治疗结束之后的复发。在检测复发的过程中，单次测试的结果可能会显示出PSA水平适度升高，这可能并不是明显的变化。医生通常都是在寻找趋势，例如在一段时间的多次测试中发现PSA水平的稳定增长，而不是利用单次的水平升高结果。
冠心病
大约七百万的美国人患有CHD这种最普通的心脏疾病。这种心脏疾病是由通入心脏的冠状动脉变狭窄造成的。CHD是美国男性和女性的第一号杀手。每年有500,000以上的美国人死于由CHD导致的心脏疾病发作。食物和药品管理局(FDA)最近批准了一种新的实验室血液测试可以进行市场，该测试可增加医生预测冠心病(CHD)风险的能力。
该测试称为PLAC，它通过测定称之为脂蛋白相关磷脂酶A2的酶而进行。该酶由被称为巨噬细胞的一种白血细胞产生。当某人患有CHD时，巨噬细胞产生更多的这种酶并将其释放到血液中。在一个实施方案中，可利用本申请的基于悬臂的技术作为测试CHD风险的一种方法来测定脂蛋白相关磷脂酶A2的水平。在一研究中，发现在具有最高的PLAC测试结果和LDL胆固醇水平低于130mg/dL的患者中风险最高。
PLAC测试不是预测CHD的决定性测试。当与临床评价和其它用于评估病人风险性的工具一起使用时，该测试可提供支持性的信息。PLAC测试结果升高和LDL胆固醇水平低于130mg/dL使医生更确信上述病人患有冠心病的风险是PLAC测试结果较低的病人的2到3倍。
其它应用
一个实施方案可以包括检测呼出的一氧化氮，呼出的一氧化氮的浓度降低和抗炎症治疗可能正在减少与哮喘有关的肺部炎症之间具有相关性。最近有证据表明，在患有哮喘的人的呼吸物中一氧化氮的水平增加，而一氧化氮水平的变化可表明对哮喘的治疗是否在起作用。哮喘是变化性很大的疾病，影响着全世界上百万的人。当患有哮喘时，肺部会发炎并受到阻塞，限制了空气流并导致呼吸困难。近些年在美国的哮喘发生率增加，目前影响着约1千5百万美国人，包括几乎达5百万的儿童。每年哮喘导致大约2百万人急诊，约500,000人住院治疗，以及4,500人死亡。
其它实施方案包括为乳腺癌进行筛选，如可监测某些基因(例如CA 15-3、CA 549、CA M26、M29、TPA、MCA、MSA、CAM26)，而对于例如卵巢癌的其他癌症，也可监测CA-125。
还有一些例子可包括快速链球菌性扁桃体咽炎测试(A组链球菌，A组β溶血性链球菌检测)，该测试所花费的时间比目前的1小时测试更短。另一个例子可以是分析与阿尔茨海默氏病相关的τ/Aβ42基因。此外，如果被怀疑还带有对高胆固醇或高甘油三酸酯水平或与可能的阿尔茨海默氏病的诊断相关的其它诱病征兆起作用的遗传性成分，则可分析血液样品中的ApoE基因型(Apo脂蛋白E基因型)。
在一个实施例中，制成了一组涂覆有不同聚合物层的硅悬臂。在分析中气体以不同的速率扩散通过不同的层，导致聚合物膨胀，并使悬臂发生弯曲。检查八个悬臂的弯曲方式(利用例如神经网络或主成分分析(PCA)等的技术)，为气体检测提供了指纹图谱。IBM苏黎士研究实验室的Hans Peter Lang。因此，这些技术应用在过程和质量控制、环境监测、表征复杂气味和蒸汽、香味设计、酒类研究(对酒的研究)以及分析病人呼吸的医学领域中(例如分析与糖尿病Mellitis发作相关的一氧化氮)。
诊断和监测例如癌症的复杂疾病要求对多种蛋白进行定量检测。由于生物医学的近期的快速发展，使得遗传测试的数目增加。据说遗传测试可改革很多种疾病的诊断方式。但遗传测试并不仅仅在于帮助医生诊断疾病。进行遗传测试有着许多不同的原因。这些包括：临床遗传测试(诊断现有的或将来的疾病)、药物基因组学(评测治疗性药物的治疗)、用于犯罪调查或法医研究的鉴别测试(某些时候称为″DNA测试″)、出身测试(以前称为亲子鉴定)、移植的组织配型、细胞遗传学(染色体分析)，以及传染性疾病测试。
对于遗传测试，单核苷酸多态性(SNPs)和其他形式的遗传变异成为感兴趣的研究焦点，原因是它们在预测疾病的易感性和治疗响应中可能具有作用。可采用所附上的任何一个或多个方法来检测一个或多个SNP的存在与否(例如状况或疾病相关性)。另外，也可采用附上的方法来评测其它类型的多态性(即，可变的重复和基因缺失)。
DNA和其它生物分子利用分子的特异性编码或生物化学来操作阀等机器在医学上已有应用。例如对付癌变增长的系统：其中可以利用装有纳米阀的微小的微胶囊来实现适当剂量的化学品在身体适当位置处的释放，用化学方法来程控该纳米阀以使它们仅仅在获得来自于靶向的肿瘤类型的生化信号时才打开。可以预见到的是，悬臂技术对于监测这些变化是足够敏感的。这就使人们可以在正确的时间、在正确的部位采取正确的治疗方法，并使副作用和创伤降到最小。该方法是基于直接将特异生化识别转化为纳米机械的动作。
信息处理和控制系统以及数据分析
在本发明的某些实施方案中，悬臂110，210，310，400，510、检测单元或装置100，200，300的其他元件可与数据处理和控制系统连接。在本发明的一个示例性实施方案中，该系统包括计算机，该计算机包括总线或其它的用于传送信息的通讯装置，以及用于处理信息的、与总线相连的处理器或其他处理装置。在本发明的一个实施方案中，处理器选自Pentium(奔腾)系列的处理器，包括可从Intel Corp(SantaClara，CA)处获得的PentiumII系列、PentiumIII系列、Pentium4系列处理器。在本发明的可供选择的实施方案中，处理器可以是Celeron、Itanium以及X-Scale或Pentium Xenon处理器(Intel Corp.，Santa Clara，CA)。在本发明的各种其他的实施方案中，处理器可以是基于英特尔架构的，例如英特尔IA-32或英特尔IA-64架构。或者，可以使用其他处理器。
该计算机可进一步包括随机存储器(RAM)或其他动态存储装置(主存储器)，其与总线相连用以存储信息和由处理器执行的指令。主存储器也可用于存储处理器执行指令期间的临时变量或其他中间信息。该计算机还可包括用于为处理器存储静态信息和指令的、与总线相连的只读存储器(ROM)和/或其他静态存储装置。其他的标准的计算机组件，例如显示装置、键盘、鼠标、调制解调器、网卡或本领域公知的其他组件均可被并入该信息处理和控制系统中。本领域技术人员将意识到，与此处所述示例配置不同的信息处理和控制系统可被用于某些具体实施例。因此，在本发明的范围内，系统配置可以变化。
在本发明的各个具体实施方案中，检测单元可被操作性地连接到总线。处理器可以处理来自检测单元的数据。处理过的和/或原始的数据可被存于主存储器中。处理器可对来自检测单元的数据进行分析以确定存在于样品中的目标分析物130，230，330的特征和数量。
信息处理和控制系统可进一步提供对装置100，200，300的悬臂110，210，310，400，510的自动控制，例如将悬臂110，210，310，400，510保持在一个中性位置所需施加的平衡力的大小。来自处理器的指令可以通过总线传送到被各个输出装置，例如电压源、激光器170，270，365，540单元、电磁体、控制泵、电泳或电渗引线或装置100，200，300的其他组件。
应该注意到，尽管此处所述的处理可以在一个程序控制处理器的控制下执行，但在本发明的替换实施方案中，该处理可完全或部分地通过任何可编程或硬编码逻辑来实现，例如现场可编程序门阵列(FPGA)、TTL逻辑或特定用途集成电路(ASIC)。此外，所述方法可以通过程序控制的通用计算机组件和/或用户定制组件的任何组合来实现。
在本发明的某些实施方案中，可使用用户定制的软件包对来自该检测单元的数据进行分析。在本发明的替换实施方案中，利用数据处理和控制系统以及可公开获得的软件包来进行数据分析。
                       实施例
实施例1：电荷-磁平衡悬臂
图1示出了一个用于分析物130检测和/或识别的示范性装置100和方法。装置100包括一个或多个悬臂110，其附着有一个或多个探针分子120。探针分子120与带电目标分析物130相结合。直流电源140施加了一个电势梯度，该电源被连接到悬臂110两侧的一对电极150，160上。当带电目标分析物130进行结合时，悬臂110将会朝电极150或另一电极160的方向偏转。在本发明的某些实施方案中，电极150，160可用于对分析物130朝向探针分子120的运动进行初始控制。在分析物130已经结合到探针120后，可将未结合的分析物130从悬臂110上移除(例如，可以利用适当的缓冲液来清洗掉未结合的分析物)。一旦探针120已经结合到分析物130上，则可应用电极150，160来施加导致悬臂110偏转的电场。
如上面所讨论的，在本发明的可供选择的实施方案中，中性分析物130与附着于悬臂110表面的探针分子120的结合也可导致悬臂110的偏转。本领域技术人员将认识到，可应用相同类型的平衡力将悬臂110保持在一个中性位置，无论悬臂110的偏转是由表面电荷的改变还是由表面张力的改变引起的。在这样的实施方案中，通过如图1所示的第一电源140来施加电势梯度是可选的。
可通过检测单元来检测悬臂110的偏转，该检测单元包括，例如，激光器170以及位置感应检测器180。来自激光器170的光被反射出悬臂110的表面，照射在检测器180上。当悬臂110向应分析物130的结合而弯曲时，反射激光束在检测器180上所照射的位置会移动。该反射激光束所移动的距离与悬臂110的弯曲程度成比例。
可施加平衡力来使悬臂110返回其原始固定位置。在图1所示的本发明的示例性实施方案中，平衡力是磁力。电磁体190可被连接到或并入到悬臂110中，例如通过在悬臂110上沉积一个纳米线圈，并在该线圈上覆盖上绝缘材料。当用第二电源195施加电场时，该纳米线圈即被磁化。该磁化线圈可与例如一个外部施加的磁场梯度(未示出)相互作用以使悬臂110返回其原始固定位置。
在本发明的某些实施方案中，检测器280和第一电源140及第二电源195被操作性地连接到一个信息处理和控制系统，例如计算机。在一些实施方案中，悬臂110上的力可被计算机实时地正好平衡掉，这样通过提高供应给电磁体190的电压可立即平衡掉分析物130的结合。在这种情况下，悬臂110保持在一个不变的固定位置。在适当校准的情况下，根据为了避免悬臂110偏转而需要提高的供给电磁体190的电量，可以确定结合到探针分子120的分析物130的量。在一些情况下，通过所公开的方法可检测出单个分析物130与悬臂110的结合。
实施例2：电荷平衡悬臂
图2示出了一个用于分析物230检测和/或识别的可供选择的示范性装置200和方法。装置200包括一个悬臂210，其附着有一个或多个探针分子220，探针分子220能够与带电或中性分析物230相结合。作为对由连接到一对电极250，260的第一电源240所施加的电势梯度的响应，带电分析物230的结合会导致悬臂210偏转。由于表面张力的变化，中性分析物230的结合可导致悬臂210偏转。通过检测单元可检测悬臂210的偏转，该检测单元包括激光器270和位置感应光检测器280。
在图2所示的本发明的示例性实施方案中，通过连接到或并入到悬臂210的感应电荷存储层290来提供平衡力。例如，电荷存储层290包括一个沉积在悬臂210上的、并覆盖有绝缘树脂的半导体材料或铁电材料薄层，电荷存储层290被连接到第二电源295。由于对感应电压的响应，电荷存储层290积聚了净电荷296，其一般可平衡掉与已结合分析物230相关的电荷或与分析物230的结合相关的表面张力。通过施加平衡力，悬臂210上的合力减少到零，悬臂210保持在或返回其原始固定位置。如实施例1一样，根据为了将悬臂210保持在一个固定位置所需要的能量大小，可以确定出已结合的分析物230的量。
实施例3：通过辐射压力来平衡的悬臂
利用电磁(例如光)辐射来对各种物体施加力是公知的，例如在光镊的构造和使用中(例如Walker等，FEBS Lett.459：39-42，1999；Bennink等，Cytometry 36：200-208，1999；Mehta等，Science 283：1689-95，1999；Smith等，Am.J.Phys.67：26-35，1999)。图3示出了另一个用于分析物330检测和/或识别的示范性装置300和方法。
可供选择的几何结构可用于提供辐射压力平衡力。在图3所示的本发明的实施方案中，具有弯曲表面的、折射率与周围介质不同的透明物体(例如珠子390)可被连接到悬臂310的任一部分。聚焦光束375能够在透明物体390上产生一个力，以生成平衡力。在本发明的可供选择的实施方案中，光束375被引导到一个可以具有高反射率的平坦表面上。该表面可包括悬臂310一个表面的部分或全部。或者，该平坦表面可被连接到悬臂310。可控制光束375的强度来调节平衡力的大小。在本发明的其他可供选择的实施方案中，两个或多个光束375可被引导到悬臂310的相同表面上或悬臂310的不同表面上，以控制平衡力的大小。当光束375照射到平坦表面时，光束375既可是聚焦的也可是未聚焦的。当使用了具有弯曲表面的透明物体390时，光束可被聚焦。
图3所示的装置300包括一个或多个悬臂310，其携有所连接的探针分子320。探针分子320能够与带电或未带电目标分析物330结合。在分析物330带电的情况下，连接到电源340的一对电极350，360可以被置于悬臂310的两侧以创建电势梯度。在存在电势梯度的情况下，带电分析物330的结合将产生一个力，其促使悬臂310偏转。如上面所讨论的，未带电分析物330的结合可以通过表面张力的感应变化而使悬臂310偏转。激光器365和光检测器370可提供悬臂310偏转程度的信息。
在利用了连接到悬臂310的弯曲透明的物体390的本发明实施方案(图3)中，对分析物320结合作出响应而发生的悬臂310偏转可由类似于光镊所使用的辐射力来平衡。激光束375可通过物镜380聚焦到一个透明的介电球体或珠子390上。球体或珠子390的折射率大于周围介质的折射率。物镜380可同时形成两个或多个焦点385，395，其位于球体或珠子390的两侧。球体或珠子390朝向焦点385，395运动，例如借助于悬臂310偏转，产生一个平衡力，其促使悬臂310回复到它的固定位置。在本发明的可供选择的实施方案中，光束路径可以被改变，而且/或者可以移动物镜380以移动焦点385，395。在某些实施方案中，沿光轴可以具有多个连续的焦点385，395。
平衡力表现为散射力和梯度力之间的平衡，如光镊中所公知的。平衡力的大小是激光束375的强度和珠子390与焦点385，395之间距离的函数。因此，一个计算机控制反馈回路可对悬臂310偏转作出响应而调节激光束375的强度、光束路径和/或物镜380的位置，该计算机控制反馈回路可用于将悬臂310保持在一个固定位置。如上面所讨论的，将悬臂310保持在一个固定位置所需平衡力的大小，与结合到附着于悬臂310的探针分子320上的带电分析物330的量成比例。虽然图3所示的透明物体390被连接到悬臂310的一个末端，但本领域技术人员应认识到，透明物体390可被连接到悬臂310的任一部分。
实施例4：悬臂的设计
图4和图5中描述了示范性的悬臂400，510设计。图4所示的单个悬臂400包括一个连接到宽末端420的又长又薄又窄的条形物410。探针分子120，220，320，520将被连接到悬臂400的末端420。这种设计将使悬臂400对分析物130，230，330结合作出响应时的偏转程度最大化。
图5示出了悬臂510的一个示范性的阵列(array)500。每个悬臂510包含被附着的探针分子520。在本发明的不同实施方案中，每个悬臂510可被附着到相同的探针分子520或可被附着到不同的探针分子520。通过激光器540和位置感应检测器550可检测悬臂510的偏转。带电分析物130，230，330与探针分子520的结合会导致悬臂510响应所施加的电势梯度530或响应表面张力的变化而偏转。如上面在实施例1和实施例2中所讨论的，在本发明的某些实施方案中，利用电压调节器(电源)560在悬臂510上施加平衡力。当使用悬臂510的阵列500时，输入每个悬臂510的电压可被单独调节以使每个悬臂510在其固定(中性)位置处平衡。
实施例5
直接转换的一个主要优势在于，它不再需要预先用例如荧光或放射性标签对所研究的分子进行标记。对被偏转的悬臂进行回复的另一个主要优势在于，它通过减小悬臂本身的应力来延长悬臂的使用寿命。
在一个示范性方法中，在一个含有硅悬臂阵列的液槽中进行杂交试验，其中硅悬臂阵列被浸在杂交缓冲液中(J.Fritz等，TranslatingBiomolecular Recognition into Nanomechanics，Science 14 April 2000，v288，pp.316-318)。利用光束偏转技术，随后进行悬臂回复，可在原地测量每个悬臂的弯曲。将具有不同碱基序列的合成的5′-硫修饰的寡核苷酸共价固定到用金涂覆的悬臂一侧上。携有12聚体寡核苷酸的悬臂和另一个携有16聚体寡核苷酸的悬臂的功能作用在相同条件下平行地进行。悬臂阵列在杂交缓冲液中被平衡，直到差异信号逐渐稳定。然后，将互补的16聚体寡核苷酸溶液注入液槽中，然后再注入互补的12聚体寡核苷酸溶液。这些注入将导致溶液中的寡核苷酸与固定在悬臂表面上的匹配寡核苷酸杂交。这导致在功能化的金表面和非功能化的硅表面之间产生表面应力，它使悬臂弯曲，由此需要位移作用力使悬臂回复到其原始位置。在这整个过程中，悬臂的回复与各个独立悬臂的绝对偏转之间的关系被记录。同时，回复作为差异信号(由16聚体寡核苷酸所覆盖的悬臂的偏转减去由12聚体寡核苷酸所覆盖的悬臂的偏转)的结果而被取出和比较。
通过提取出两个悬臂间的差异信号，可以排除掉单独悬臂的非特异性信号。由于阵列中的所有悬臂在实体上都是相同的，所以差异信号只对各个悬臂识别互补寡核苷酸的能力敏感。非特异性结合使悬臂相同程度地弯曲，从而回复力应该是相同的，并不会导致整个差异信号。这些实验将表明，差异性的弯曲无疑是序列特异性的，它为结合提供了明确的“是”或“否”的答案。
例如，采用用序列5′-TGCACTAGACCT-3′(SEQ ID No.1，12聚体寡核苷酸)和5′-TAGCCGATATGCGCAT-3′(SEQ ID No.2，16聚体寡核苷酸)功能化的两个悬臂进行杂交实验。先制定基线(时段I)，再注入互补的16聚体寡核苷酸5′-ATCGGCTATACGCGTA-3′(SEQ IDNo.4，16聚体寡核苷酸)(1ml，400nM，在HB中，杂交缓冲液)(时段II)。然后用3ml HB清洗液槽。然后，注入互补的12聚体寡核苷酸5′-ACGTGATCTGGA-3′(SEQ ID No.3，12聚体寡核苷酸)(1ml，400nM，在HB中)(时段III)。20分钟后再用3ml HB再次清洗液槽。测定覆盖了16聚体和12聚体寡核苷酸的悬臂在绝对偏转之后的回复对时间的关系。
实施例6
对纳米机械传导的分析能力的关键测试在于是否能检测到两个DNA序列之间单个碱基的错配。因此制备两个悬臂，在这两个悬臂上固定的12聚体寡核苷酸仅有一个碱基不同。第一互补寡核苷酸的注入将增加复原信号的差别。如果杂交和它变为纳米机械弯曲的转换对单个碱基的差异不敏感，那么将不会记录到差异信号。这可通过注入与第二悬臂上的序列相互补的寡核苷酸来证实。将观察到这两个12聚体信号之间的差异信号，也就是相对于它们的起始值的返回信号的差异。这一实验显示了通过纳米机械响应对单个碱基错配的检测，这表明这一方法具有检测例如SNP和插入物等所必需的固有灵敏度，同时说明了具有通过杂交确定单个碱基突变或测定DNA序列的能力。
假定具有单个碱基错配的寡核苷酸会在小程度上发生杂交，则携有不完全匹配序列的悬臂将轻微弯曲，这将降低差异信号的幅度。这一差异可从最终测定的反向力中扣去。
在弯曲之后，可采用变性剂例如高浓度的脲(30％，H2O中)清洗液槽，使杂交的寡核苷酸发生化学变性，已知该变性剂可破坏互补的碱基之间的氢键。这将重建实验的初始条件，使同一阵列能在数天重新用于额外的数次实验。改变寡核苷酸在溶液中的浓度，差异信号的幅度将随着寡核苷酸浓度的增加而增加，正如由表面结合杂交的平衡特征所预料的一样。
在所有的实验中，被固定的寡核苷酸的密度保持不变。已经表明可获得覆盖有～1010个寡核苷酸/悬臂的表面。缓冲液组成和表面固定化的优化将增加被检测的复原的差异信号。另一个优点是利用较小的槽体积和容纳～107个寡核苷酸的悬臂，从而大幅度减少实验所需的分子数目。
此外，该方法由于不要求标记、光激发或外部探针，从而具有重要的优势，它对结合的测定是“实时”的。另外，当除去已结合的试剂(例如变性等)时，转换(transduction)过程便可重复，这允许悬臂被多次使用。该方法与硅技术(例如芯片技术)是相容的，适用于原位操作。
实施例7
在本实施例中，将应用基于谐振-频率的物质检测生物学传感器(resonant-frequency-based mass detection biological sensor)进行细菌检测。该生物学传感器可以由一组低应力的氮化硅悬臂梁构成，所述氮化硅悬臂梁利用本领域已知的整体微机械加工技术来制造(Ilic等，2000″Mechanical resonant immunospecific biological detector″AppliedPhysics Letters 77：450-452)。通过采用光学偏转系统测定与平面外振动谐振模式相反的复位(例如温度)信号，来完成谐振结构的信号转换。可通过监测来自于悬臂的光反射(例如Dimension 3000 DigitalInstruments(DI)原子力显微镜)进行光学测定，通过监测加热器610，710的阻抗变化来测定使悬臂回复到其原位所需要的悬臂温度。在一个示例中，从悬臂的定点反射的激光束由用作位置敏感检测器(PSD)的分裂光电二极管感应到。采用HP3562A动力学信号分析器由DI信号接入模块直接提取来自PSD的A-B信号。
制造悬臂的一种方法是采用覆盖有320nm低压或600nm等离子体增强型化学气相沉积(LPCVD或PECVD)低应力氮化硅的硅晶片。可利用偏振光椭圆率测量仪(Rudolph Research 43603型)验证悬臂厚度。为了限定谐振光束和悬臂衬底，在前面一侧进行光刻并利用CF4在反应活性离子蚀刻(RIE)腔中蚀刻曝露的氮化硅。然后可进行后面一侧的对准，悬臂衬底的后面也可用RIE限定。为防止前面一侧的氮化硅在随后的KOH蚀刻期间变粗糙，可沉积2μm的PECVD氧化物。如果后面一侧的蚀刻靠近前面，可采用缓冲氧化物蚀刻溶液(例如6∶1)除去PECVD氧化物，从两侧继续进行蚀刻直到悬臂成形。悬臂长度从100到500μm有所不同。采用高压CO2临界点干燥器减小溶液的表面张力，这倾向于导致悬臂的断裂，从而可以除去较长的(＞300μm)的悬臂。可将较短的(＜300μm)悬臂用于实验，如细胞检测。
在成形之后，将悬臂浸入含有底物如抗体(例如大肠杆菌血清型0157：H7抗体(Kirkegaard & Perry Laboratories Inc.，Gaithersburg，MD))的溶液中达5分钟。然后在去离子水中润洗悬臂，用氮气干燥。应用轻叩(Tapping)模式的原子力图象技术，与应用了钻石包覆的轻叩模式蚀刻硅探针的表面刮擦扫描探针显微镜技术相结合，可得到平均的抗体厚度(例如，由10份衬底得到的数据为40nm)。然后可将悬臂浸到含有不同浓度的抗原——例如浓度为106到109个大肠杆菌细胞/ml的大肠杆菌细胞——的缓冲液中。细胞在室温孵育15分钟。先将装置浸入一种溶液(如0.05％吐温)中以除去所有结合较松散的细胞，然后浸入去离子水中，之后用氮气干燥。可监测细胞结合(例如，采用Leo 982扫描电子显微镜(SEM))，评价细胞结合之后的谐振器分域图。
为确定结合到阵列中每个悬臂上的物质，在向悬臂引入新的组分——例如使细胞结合到抗体——之前和之后都测定频谱。当结合事件发生时，额外的细胞体的加载将改变微机械振荡器的谐振频率。为确证结合事件的特异性，将不存在新组分例如固定抗体的悬臂用含有细胞的缓冲溶液处理。这些细胞将不会结合到悬臂上，由此，振荡器的谐振频率也保持不变。有另外一些实验可用来测试新组分的特异性，例如将鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)施于大肠杆菌抗体包覆的悬臂上。任何结合事件都可以用光学或热学方法进行确证。在这一实施例中，可以分析该应用针对任何其它的细胞有机体的特异性。
根据在此公开的内容，可以制造和实施所公开的和要求保护的所有方法和装置而无需进行过度的实验。对本领域技术人员来说，显而易见的是，可以对本文所述的方法和装置100，200，300进行改变而不偏离本发明的概念、精神和要求保护的主题范围。更特别地，显然可采用某些化学和生理学上有关的试剂替代本发明所述的试剂而得到相同的或相似的结果。所有这些类似的替代和修饰改变对本领域的技术人员来说都是显而易见的，应该视为落入所要求保护的主题的精神、范围和概念的范围内。
                                 序列表
<110>英特尔公司(INTEL CORPORATION)
     X·苏(SU，Xing)
     S·陈(CHAN，Selena)
     T-W·丘(KOO，Tae-Woong)
     M·山川(YAMAKAWA，Mineo)
     A·伯林(BERLIN，Andrew)
<120>通过监测反馈控制的悬臂偏转来检测分子结合
<130>42P14243
<150>US 10/254,201
<151>2002-09-24
<160>4
<170>PatentIn version 3.1
<210>1
<211>12
<212>DNA
<213>人工序列
<220>
<223>寡核苷酸
<400>1
tgcactagac ct                                                          12
<210>2
<211>16
<212>DNA
<213>人工序列
<220>
<223>寡核苷酸
<400>2
tagccgatat gcgcat                                                      16
<210>3
<211>12
<212>DNA
<213>人工序列
<220>
<223>寡核苷酸
<400>3
acgtgatctg ga                                                          12
<210>4
<211>16
<212>DNA
<213>人工序列
<220>
<223>寡核苷酸
<400>4
atcggctata cgcgta                                                      16

Claims (33)

1.检测和/或识别分析物的方法，包括：
a)获得可与一个或多个目标分析物相结合的一个或多个探针分子；
b)将探针分子附着到一个或多个悬臂；
c)将探针分子暴露到至少一个被怀疑含有一个或多个目标分析物的样品中；
d)造成悬臂偏转；和
e)施加平衡力使悬臂回复到其原始位置。
2.权利要求1的方法，其中所述目标分析物具有净电荷。
3.权利要求2的方法，其中所述悬臂是响应电势梯度而发生偏转。
4.权利要求1的方法，其中所述悬臂是响应表面张力的变化而发生偏转。
5.权利要求1的方法，其中所述目标分析物选自：氨基酸、肽、多肽、蛋白、糖蛋白、脂蛋白、抗体、核苷、核苷酸、寡核苷酸、核酸、糖、碳水化合物、寡糖、多糖、脂肪酸、脂、激素、代谢物、生长因子、细胞因子、趋化因子、受体、神经递质、抗原、变应原、抗体、底物、代谢物、辅助因子、抑制剂、药剂、药物、营养素、生物危害物、传染物、蛋白侵染子、维生素、杂环芳香族化合物、致癌物、诱变物、排泄物、病毒、细菌、沙门氏菌、链球菌、军团菌、大肠杆菌、贾第鞭毛虫、隐孢子虫、立克次氏体、孢子、霉、酵母、藻类、变形虫、腰鞭毛虫、单细胞生物、病原体、朊病毒和细胞。
6.权利要求1的方法，其中探针分子选自：抗体、抗体片段、单链抗体、遗传工程抗体、寡核苷酸、多核苷酸、核酸、核酸类似物、肽核酸、蛋白、肽、合成肽、结合蛋白、受体蛋白、转运蛋白、凝集素、底物、抑制剂、活化剂、配体、激素、神经递质、生长因子和细胞因子。
7.权利要求1的方法，其中所述探针分子是寡核苷酸，所述目标分析物是核酸。
8.权利要求1的方法，其中所述目标分析物是蛋白或肽。
9.权利要求8的方法，其中所述探针分子是抗体、抗体片段、遗传工程抗体，或单链抗体。
10.权利要求1的方法，其中所述平衡力是磁的。
11.权利要求1的方法，其中所述平衡力是电的。
12.权利要求1的方法，其中所述平衡力是辐射的。
13.权利要求12的方法，其中所述悬臂连接到具有弯曲表面的透明物体上。
14.权利要求12的方法，其中光束被导向到所述悬臂的平坦表面上。
15.装置，包括：
a)至少一个悬臂；
b)附着于悬臂的至少一个探针分子；
c)位于悬臂一侧的第一电极；
d)位于悬臂另一侧的第二电极；和
d)与第一和第二电极可操作性地连接的直流电源。
16.权利要求15的装置，进一步包括信息处理和控制系统。
17.权利要求15的装置，其中所述信息处理和控制系统是计算机。
18.权利要求15的装置，进一步包括检测悬臂偏转的检测单元。
19.权利要求18的装置，其中所述检测单元包括激光器和位置感应光检测器。
20.权利要求18的装置，其中所述检测单元包括压电检测器、压阻检测器或压磁检测器。
21.权利要求15的装置，进一步包括附着于所述悬臂的电磁体。
22.权利要求21的装置，进一步包括可操作性地连接到所述电磁体的第二电源。
23.权利要求22的装置，其中所述第二电源由计算机控制。
24.权利要求15的装置，进一步包括附着于所述悬臂的感应电荷存储层。
25.权利要求24的装置，进一步包括可操作性地连接到所述感应电荷存储层的第二电源。
26.权利要求25的装置，其中所述第二电源由计算机控制。
27.权利要求15的装置，进一步包括附着于所述悬臂的具有弯曲表面的透明物体。
28.权利要求27的装置，进一步包括激光器和物镜。
29.权利要求18的装置，进一步包括可操作性地连接到所述检测单元的计算机。
30.权利要求15的装置，进一步包括悬臂的阵列，其中的每个悬臂附着有不同类型的探针分子。
31.检测和/或识别分析物的方法，包括：
a)获得可与一个或多个目标分析物相结合的一个或多个探针分子；
b)将一个或多个目标分析物附着到一个或多个悬臂上；
c)将目标分析物暴露于所述探针分子；
d)使悬臂发生偏转；和
e)施加平衡力，使悬臂回复到其原始位置。
32.权利要求31的方法，其中所述目标分析物选自：氨基酸、肽、多肽、蛋白、糖蛋白、脂蛋白、抗体、核苷、核苷酸、寡核苷酸、核酸、糖、碳水化合物、寡糖、多糖、脂肪酸、脂、激素、代谢物、生长因子、细胞因子、趋化因子、受体、神经递质、抗原、变应原、抗体、底物、代谢物、辅助因子、抑制剂、药剂、药物、营养素、生物危害物、传染物、蛋白侵染子、维生素、杂环芳香族化合物、致癌物、诱变物、排泄物、病毒、细菌、沙门氏菌、链球菌、军团菌、大肠杆菌、贾第鞭毛虫、隐孢子虫、立克次氏体、孢子、霉、酵母、藻类、变形虫、腰鞭毛虫、单细胞生物、病原体和细胞。
33.权利要求31的方法，其中所述探针分子选自：抗体、抗体片段、单链抗体、遗传工程抗体、寡核苷酸、多核苷酸、核酸、核酸类似物、肽核酸、蛋白、肽、结合蛋白、受体蛋白、转运蛋白、凝集素、底物、抑制剂、活化剂、配体、激素、神经递质、生长因子和细胞因子。
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