TWI547691B - 腫瘤細胞檢測儀 - Google Patents

Description

腫瘤細胞檢測儀 【相關申請案】

本發明申請要求2011年5月5日提交的美國專利申請號61/482,900的優先權，在此通過引用將其全部內容整合並入本申請書。

本發明大體涉及一類檢測腫瘤細胞的新穎方法和儀器

腫瘤是人體組織的異常生長，可以是癌(惡性)或非癌性(良性)。腫瘤，特別是惡性腫瘤，對人類的健康幸福是一種嚴重威脅，腫瘤的早期檢測是進行有效的治療或治愈的關鍵。然而，用傳統的腫瘤檢測方法檢測癌症早期症狀，或在腫瘤轉移的早期檢測癌症是一個巨大的挑戰。例如，有40%的病人，利用傳統方法不能確定是否需要更多的或增强的治療。在癌症的治療過程中，檢測癌症任何早期傳播跡象是非常重要的，可以用於評估治療的有效性，進而决定是否需要、需要什麽樣的後續治療。傳統的癌症檢測技術，如X射線成像和核磁共振(NMR)成像不能提供上述關鍵應用的可靠信息。

最近的研究和臨床研究表明，癌細胞侵襲人體，可能會出現在腫瘤的發展早期。因此早期發現，早期全身治療，將會降低癌症的死亡率。癌細胞從原發腫瘤到遠處重要器官的轉移是導致癌症死亡的首要原因。早期被傳播到淋巴結或外周血中的骨髓中的腫瘤細胞被稱為循環腫瘤細胞(CTC)。即使在切除原發腫瘤後，CTC可能仍然存在於病人的外周血中。

CTC對於轉移的建立是非常關鍵的，對CTC的檢測是用於評估特定腫瘤的侵略性及在遠處器官生長的可能性的一種重要工具。對CTC特異敏感的檢測可以用於確定癌症的發展狀况、轉移狀態、存活的可能性及治療反應的評估。

隨著近年來對CTC越來越多的研究，其重要性備受推崇。然而，CTC在血液中的存在量大約是十億分之一到百億分之一的水平。現有技術用於分離和識別CTC一方面需要大量人力並且價格昂貴，另一方面缺乏準確性和可靠性。這一過程包括密度梯度分離，免疫分離及密度梯度免疫分離，需要很大工作量來識別大量被人體過濾的細胞。

迫切需要一種方法進行低成本、高靈敏度、高特異性、高效率、高便捷度、高速度進行早期CTC檢測。

本發明大體涉及一類檢測腫瘤細胞的新穎方法和儀器，特別是循環腫瘤細胞(CTC)，通過分析生物樣本(例如，外周血樣品或其他哺乳動物的體液樣品)，然後診斷癌症的發展或轉移狀况。這種方法或(儀器)可以和CTC建立通信，對CTC的某些方面進行修改和糾正。本發明涉及一種新穎的微器件或者集成了微器件的儀器，它能够在體內或體外對含有細胞(例如血細胞或腫瘤細胞)的生物樣品(例如血液或淋巴液等液體樣品)進行微觀層面的診斷。由於集成了微器件，這個儀器的功能很强大。這種儀器可以使用先進的微器件製造技術和新穎工藝，如積體電路製造工藝，來製造。本發明涉及的儀器能够帶有多個能够檢測多種生物學參數的微器件。這種CTC檢測儀能够進行癌症早期檢測，並且靈敏度高、特異性好、速 度快、檢測便捷(儀器尺寸小)、成本低。這種儀器可以用於以下癌症檢測，前列腺癌、肺癌、結腸癌、乳腺癌、腦癌、頸癌、霍奇金淋巴瘤、非霍奇金淋巴瘤、腎癌、白血病、肝癌、卵巢癌、皮膚癌、睾丸癌、甲狀腺癌、胰腺癌、子宮內膜癌、食道癌和子宮癌。

這種檢測設備的關鍵在於一系列微器件以及它們的新型製備工藝技術，這些製備技術大大提高了檢測的靈敏度、特異性和速度，能够使它們優於傳統的設備和技術。這種工藝技術的例子包括但不限於機械、化工、化工機械、電化工機械、電子生物化學機械、積體電路和半導體製造工藝技術。關於這些應用技術的描述詳見以下參考資料，R.Zaouk等人的《微流控技術》(2006，Humana出版社)中的微細加工技術的介紹；(Geschke,Klank及Telleman,eds.),John Wiley及Sons的《片上實驗室微系統工程》第一版，2004。微型器件的功能至少包括疾病診斷中的傳感、檢測、測量、診斷、監測、分析。多個微器件可以集成為一個檢測儀器，進一步提高檢測的靈敏度，特異性，速度和功能，能够測量相同的參數或一組不同的參數。

檢測儀器的可選器件包括對來自每個探針的信息進行處理、控制、加壓、接收、放大或存儲的器件。這些器件可以是，例如，一個中央控制單元，其中包括控制電路、尋址單元、功放電路、邏輯處理電路、記憶單元、應用程序的特定晶片、信號發射器、信號接收器、傳感器、微機電設備、一個多功能的設備或具有手術、藥物輸送、清洗或醫療功能微型儀器。

具體來說，本發明的一個方面是提供了檢測生物樣品中CTC的儀器，每個檢測儀器包括第一個微器件和支持第一個 微器件的微襯底，其中第一個微器件接觸被測生物樣本，並能够在微觀層面的測量以下參數，電學、磁學、電磁學、熱學、光學、熒光放射、輻射、聲學、生物、化工、機電、電子化學、光電、電熱、電化工機械、生物化工、生物力學、生物光學、生物熱、生物物理、生物機電、生物電化學、生物光電、生物電熱、生物力學光學、生物熱力學、生物熱光學、生物光電化學、生物機電光、生物電熱光、生物電化工機械、物理或機械特性，或多參數的結合。該儀器可以進一步選擇包括讀取測量數據的器件。

在某些情况下，檢測被測樣品和沒有疾病的樣品之間特性的差異，或被測樣品的細胞與正常細胞之間的差異可以表徵被測樣品內存在CTC的可能。

其他一些體現，電學性能包括，表面電荷、表面電位、靜息電位、電流、電場分布、表面電荷分布、細胞電學特性、細胞表面電學特性、電學特性的動態變化、細胞電學特性的動態變化、細胞表面電學特性的動態變化、表面電學特性的動態變化、細胞膜的電學特性、膜表面的電學特性的動態變化、細胞膜電學特性的動態變化、電偶極子、雙電偶極子、電信號的振盪(例如，在離子振盪、電場脉衝、表面電荷脉衝、電壓脉衝)、電流、電容、三維電子或電荷雲分布、端粒DNA和染色體、電容或阻抗的電性能；熱性能是溫度或振動頻率；光學特性包括光吸收、光傳輸、光反射、光電特性、亮度、或熒光發射；輻射特性包括輻射射線、放射性物質觸發信號、放射性物質探測到的信息；化學性質包括pH值、化學反應、生物化學反應、生物電化學反應、反應速度、反應能量、氧氣濃度、耗氧率、離子强度、催化性能，或增强信號響應的化學添加劑、 生物添加劑、生物化學添加劑，或提高檢測的靈敏度的化學、生物或生物化學物質，或粘接强度；物理特性包括密度、形狀、體積、表面積；生物學特性包括表面的形狀、表面積、表面電荷、表面的生物學特性、表面化學特性、pH值、電解質、離子强度、電阻率、細胞濃度，或者是某溶液的物理、化學或電氣特性；聲學特性包括聲波的速度、聲波的頻率和强度的光譜分布、聲强、吸聲或聲學共振；機械性能是內部壓力、硬度、流速、粘度、流體機械性能、剪切强度、延展强度、斷裂强度、附著力、機械共振頻率、彈性、可塑性或壓縮性。

其他一些體現，每個檢測儀器至少包括一個或多個微器件。在這些實施方案中，每個微器件包括導電材料，電氣絕緣材料或半導體材料；每個微器件包含相同或不同的材料，可以在相同或不同的時間測量相同或不同的屬性。這些微器件在襯底上至少間隔10埃。集成於疾病檢測儀內的多個微器件可以按一定順序或者同時對生物樣本的參數進行宏觀或微觀檢測。

在某些情况下，每個微器件的尺寸範圍是約1埃(Å)到5毫米(mm)(例如，5埃到1毫米)。

在某些情况下，檢測儀包括一個或多個襯底用於放置微器件。每個襯底包括相同或不同的材料(例如導體或絕緣體)，可以是相同或不同的形狀(例如可以是平板狀、管狀或陣列狀)，每個襯底可以是兩維或三維狀。為了進一步改善測量靈敏度、特異性、速度快、樣本大小，並降低成本和尺寸，其可以為缸狀、板狀或任何其他所需的形狀和配置。

本發明涉及的檢測儀器，可以進一步計算、記錄、分析生物樣本中的循環腫瘤細胞(CTC)在的數目和數量，並基於已獲取的信息標記癌症的發展狀况。該檢測儀可以進一步預測療 效，無進展存活率和總體存活率數據。

關於檢測儀整合微器件，一種增强測試靈敏度的新型設計是，將微器件安裝在兩個基板上，兩個基板中間留有一定空隙讓樣品通過，樣品用於高速的CTC檢測，微器件可以與樣品平行的進行細胞檢測。可以使基板的表面最大化，從而使基板上放置的微器件的數目最大化，來提高檢測效率和速度。可選擇性地，基板上的微器件可以以與細胞相匹配的間隔距離緊密地間隔。

另一種新型配置方式，將帶有微器件的檢測儀做成圓筒形，微器件的探針在圓筒的內表面，被測樣品(例如血液或淋巴液)在圓筒內部流過。

本發明的關鍵創新之一是微器件的設計、製備以及利用微器件對生物樣本進行三維的微觀層面的參數檢測(例如單個細胞)。微器件具有三維分布的尺寸為單個細胞大小的微探針，它們能够捕獲、整理、探測、測量或改變生物樣本。探針帶有一個靈活支持結構，用於擴大或縮小微探針以移動生物樣本

本發明的另一個方面涉及微器件的製造方法。該方法包括在襯底上沈積各種材料，在每積澱兩個材料的中期，利用微電子工藝技術圖案化已沉積材料。該微器件能够在微觀層面上測試與之接觸的生物材料的電場、磁場、電磁、熱學、光學、聲學、生物、化學、或物理學性能。

本發明的另一方面涉及微器件的製造方法，包括向襯底沉積第一層材料，然後利用微電子加工技術進行圖形化，將材料一的一部分保留下來，其餘部分去掉，露出襯底表面，接下來在襯底和第一層材料頂部沉積第二層材料，在第二層材料上 開一窗口，露出已經圖形化的第一層材料，然後接著沉積第三層材料將第二層材料的窗口覆蓋。在一些情况下，微電子工藝技術包括薄膜沉積，光刻，刻蝕，清洗，擴散，離子注入，或化學機械抛光。

本發明提供的微器件的製造方法包括，第一步，向襯底沉積第一層材料；第二步，在第一層材料上沉積第二層材料然後利用微電子加工技術圖形化第二層材料；接下來重復第二個步驟至少一次，所用的材料可以是和第一、二層相同或不同的材料。以後重復步驟所用材料可以是和第一、二層相同或不同的材料。在一些實例中，用於製造微器件的材料至少有一種是壓電材料或導電材料。

在某些情况下，可以通過物理或電學方法將多個微器件連接或組合起來，形成更加先進的器件。

在某些情况下，本發明涉及的檢測儀可以整合為一個單獨的器件(例如，利用半導體工藝技術)或組裝成電路板(例如，使用電腦的組裝技術)。

在某些情况下，材料的圖形化是通過微電子加工技術實現的(例如，化學氣相沉積，物理氣相沉積，原子層沉積，將不同的材料沉積至一塊絕緣體或半導體襯底上；光刻和刻蝕工藝將設計圖形轉化成實際結構；化學機械抛光用於平坦化和圖形化；清洗工藝將顆粒或污染物去除；熱處理和退火工藝用於减少晶格損傷；擴散和離子注入工藝用於特殊層的元素摻雜)。在某些情况下，圖形化是通過化學機械抛光平坦化實現的。

在某些情况下，製造方法還包括用於去除堆叠多層材料的濕法刻蝕和等離子刻蝕工藝。

在某些情况下，微器件能在不同的方向移動。例如，兩個微器件可以向相反的方向移動。

在某些情况下，微器件能够捕獲、分類、探測、測量、改變生物樣本，或貫穿細胞膜。

本發明的另一個創新點是微壓探針和微探針的發明，這兩種探針用於大範圍檢測生物樣本(例如細胞)的物理特性(如機械性能)。這些物理特性的例子包括但不僅限於硬度、剪切强度、伸長强度、斷裂强度、彈性、剛性以及和細胞膜相關的特性，因為膜的特性對於疾病診斷是十分關鍵的。

本發明的另一方面是疾病檢測儀內各個器件的設計、製造和整合。這些器件包括，樣品的存儲和輸運單元；用於輸運氧氣或保持或延長被測樣品內生命體生命所需的特殊流體的輸運單元；用於富集樣品中患病生命體(例如病變細胞)的預治療(或預處理)單元；樣品輸運通道陣列；中央檢測單元包括多個檢測探針和中央控制單元，該中央控制單元由以下部分組成，邏輯處理單元、存儲單元、傳感器、信號發射器、信號接收器、微機電器件、多功能器件，或具有手術、藥物運輸、清潔、或醫療功能的微器械，或應用程序特定的晶片；以及廢棄樣品處理單元，用於新品的處理、回收再利用或丟弃。

本發明的另一個新穎點是微器件的設計、整合和製造工藝，該微器件能够檢測用於CTC檢測樣品的微弱信號，也能够在複雜環境、噪聲相對較高的環境下檢測微弱信號，並且靈敏度高。本發明涉及的微器件具有很多新穎的功能，例如，對生物樣本在單個細胞水平上進行動態測量、實時測量(例如飛行時間測量、以及使用探測信號和測量反饋信號相結合的測量方法)，减少背景噪聲的鎖相技術，預放大技術，噪聲消除技 術，4探針微弱信號測試技術，獨特新穎的探針能够在單細胞層面測量生物樣本的電學、磁學、電磁學特性。

本文使用的詞彙“或”字包括“和”的意思，同時“和”字也有“或”的意思。

本文使用的單數名詞包括其得數含義。例如，一個微器件意味著是單個微器件或多個微器件。

本文使用的詞彙“圖形化”意思是將材料製作成特定的物理形狀，包括平坦化(這裏“圖形化”也意味著“平坦化”)。

本文使用的用於分析、檢測、測試和診斷的“生物體”、“生物實體”和“生物樣品”都是本發明涉及的檢測儀的被測物質。它們可以是包含細胞的液態樣品，例如動物的血液或淋巴液。它們也可以是體液或經過處理的溶液，例如人的外周血、淋巴液、骨髓或者它們的溶液。這裏所用的經過處理的溶液是指經過沖洗、清潔、懸濁、透析或輸運之後形成的溶液。

本文涉及的“物體”一般指部分或整個生物實體(例如哺乳動物，包括人類)

本文涉及的“微觀層面”是指用於CTC檢測分析的生物樣本是微觀的，可以是一個單細胞，例如白細胞，紅細胞或腫瘤細胞。

本文涉及的“微器件”、“微型器件”乏指各種材料、性能、形狀、複雜性和集成度。這個詞彙通常指單一的材料或是具有多個子單元和多種功能的複雜器件。本發明的複雜性體現在一個範圍，包括從一個很小的具有特定屬性的簡單顆粒到擁有多個相當複雜的具有多種功能的集成單元。例如，一個簡單的微器件可以是一個直徑100埃(A)大小的球形顆粒，具有特定强度、特定的表面荷和吸附在表面的特定有機物。一個較複雜的 微器件大約1毫米大小，帶有傳感器、簡易計算器、記憶單元、邏輯單元和切割工具。前面講的顆粒可以通過氣相或膠體沈積形成，而集成多個組件的器件可以通過積體電路製造工藝完成。

本發明涉及的微器件尺寸(例如直徑)範圍從1埃到5毫米不等。例如，尺寸在10埃到100微米的微器件能够用於靶向具有小尺寸(例如細胞結構)的生物分子、生物樣本或生物成分。尺寸在1微米到5毫米間的微器件用於較大的生物樣本，例如人體器官的一部分。本專利涉及的簡單微器件可以是直徑小於100埃的顆粒，具有特定的表面特性(例如表面電荷或表面化學物塗層)，能够被目標細胞吸收或吸附。

本發明提供了一個生物體疾病檢測儀器，其中包括進樣單元、前處理單元、探測和檢測單元、信號處理單元、測量結果顯示單位、處置處理單元、生物樣品傳送系統、生物樣品分布系統、通道分布系統、充電裝置、檢測裝置、全局定位系統、傳動設備、信號發射器、信號接收器、傳感器、存儲器、邏輯處理單元、應用程序的特定晶片、生物樣品回收和再利用單元、微機電設備、一個多功能的設備或用於手術、藥物傳輸、清洗或醫療功能的微器械。

前處理單元，包括樣本過濾裝置、補充單元、恒壓推進單位、樣品干擾單元、樣品預探測干擾單元。前處理單元可以增加被測樣品(例如癌細胞)的濃度，使檢測儀對低濃度的目標生物樣本(例如，癌細胞或腫瘤細胞，又例如，其CTS深度為10億到100億分之一)的檢測更高效。

在一些情况下，過濾裝置可以通過物理過濾濾除不需要的物質(例如，基於電荷或物質的大小)或利用以下分離手段， 包括化學(從而完全消除有害物質)、生物化學、生物物理、生物電、生物機械、機電、電化學、熱、光、電、磁、電磁、電化學機械、電生物、電生物化學或生物等手段，將不需要的物質分離出去。

在一些情况下，樣品過濾單元可以包括一個入口通道，一個流體分布通道，加速腔，一條狹縫。縫隙和通道入口的內墻定義兩個通道(例如，一個頂部通道和底部通道)，其中生物樣品由於屬性(例如，電學或物理學特性)的差異而分開。

在一些情况下，在生物樣品通過微器件探針之前或之後，在通道內注入干擾液，用於幫助生物樣品在通道內的流通和分離。將一種具有生物兼容性的液體注入到有干擾液的通道內，用於生物樣品的分離。例如，生物兼容性液體可以從帶有干擾液的通道入口注入，然後輸運到通道入口側壁的開口處。 生物兼容性流體可以是液體或半液體，包括鹽水、水、等離子體、富氧液體或這些液體的混合。

在一些情况下，入口通道和干擾液通道之間的夾角為0°到180°。(例如30°到150°，60°到120°，75°到105°或90°)

在一些情况下，每個通道的寬度為約1納米到1毫米左右(例如，從2納米到約0.6毫米或10納米左右到約0.2毫米)。 通道可以是直線、曲線、或斜線。通道內墻定義為圓形、橢圓形、方形、長方形或多邊形的空間。在其他一些實例中，通道是一個直徑約0.5納米到1微米左右，長度從約5.0納米到10毫米的圓形碳納米管。

在一些情况下，至少有一個通道包括一個連接於通道側壁的探測器件，該探測器件能够在微觀層面測量生物材料的電學、磁學、電磁學、熱學、光學、聲學、生物學、化工、機電、 電子化學、光電、電熱、電化學機械、生物化工、生物力學、生物光學、生物熱、生物物理、生物電子機械、生物電化學、生物光電、生物電熱、生物力學、光學、生物熱力學、生物熱光學、生物電化學品光學、生物機電光、生物電熱光、生物電化機械、物理學、機械學性能或上述多種性能的任意結合特性。例如，其中電學性能包括，表面電荷、表面電位、靜息電位、電流、電場分布、表面電荷分布、細胞電學特性、細胞表面電學特性、電學特性的動態變化、細胞電學特性的動態變化、細胞表面電學特性的動態變化、表面電學特性的動態變化、細胞膜的電學特性、膜表面的電學特性的動態變化、細胞膜電學特性的動態變化、電偶極子、雙電偶極子、電信號的振盪(例如，在離子振盪、電場脉衝、表面電荷脉衝、電壓脉衝)、電流、電容、三維電子或電荷雲分布、端粒DNA和染色體、電容、或阻抗的電性能；熱性能是溫度或振動頻率；光學特性包括光吸收、光傳輸、光反射、光電特性、亮度或熒光發射；輻射特性包括輻射射線、放射性物質觸發信號、放射性物質探測到的信息；化學特性包括pH值、化學反應、生物化學反應、生物電化學反應、反應速度、反應能量、氧氣濃度、耗氧率、離子强度、催化性能，或增强信號響應的化學添加劑、生物添加劑、生物化學添加劑，或提高檢測的靈敏度的化學、生物或生物化學品，或粘接强度生物添加劑；物理特性包括密度、形狀、體積、表面積；生物學特性包括表面的形狀、表面積、表面電荷、表面的生物學特性、表面化學特性、pH值、電解質、離子强度、電阻率、細胞濃度或者是某溶液的物理、化學或電氣特性；聲學特性包括聲波的速度、聲波的頻率和强度的光譜分布、聲强、吸聲或聲學共振；機械性能是內部壓力、硬度、 流速、粘度、流體機械性能、剪切强度、延展强度、斷裂强度、附著力、機械共振頻率、彈性、可塑性或壓縮性。

在一些情况下，至少有一個通道側壁包括至少兩個探測器件，該探測器件能够在微觀層面檢測生物樣品的電學、磁學、電磁學、熱學、光學、聲學、化工、機電、電子化學、光電、電熱、電化學機械、生物化工、生物力學、生物光學、生物熱、生物物理、生物電子機械、生物電化學、生物光電、生物電熱、生物力學光學、生物力學熱、生物熱光學、生物電化學光學、生物機電光、生物熱光電、生物電化學機械、物理或機械特性或以上幾種特性的總和。探測器件可以相同時間或不同時間對相同或不同特性進行檢測。

兩個或多個探測器件可以特定的間隔(至少10埃)放置。例如這個特定的距離可以是10納米到100毫米、100納米到10毫米、8微米到200微米或1毫米到10毫米。

在一些情况下，過濾單元包括入口通道、生物兼容性過濾器、出口通道或以上幾種的組合。當生物樣品由入口通道通向出口通道時，生物樣品大於過濾器也洞的將被阻攔在出口通道的外面，小於過濾器孔洞的便可以進入到出口通道。生物兼容性液體從出口端注入將堆積在過濾器附近的生物樣品沖走。較大的生物樣品可以用檢測儀的檢測器件進行分析。

在一些情况下，樣品預探測干擾單元包括一種微器件，這種微器件內部有一個通道，通道內有一個狹逢，並且可以可選擇性地在通道的外部放置兩個極板。在兩個極板上加一個信號，例如電壓信號，這個信號也加在流過通道的生物樣品上，並且基於生物樣品所携帶的電荷將樣品分離。通道的狹縫和內部通道定義了兩個通道，已經分離好的生物樣品由此進入並且 其特性在些得到微觀層面的檢測。

在一些情况下，樣品預探測干擾單元對生物樣本施加電、磁、電磁、熱學、光學、聲學、生物、化工、機電、電化學、電化學機械、生物化學、生物力學、生物機電、生物電化學、生物電化學機械、物理力學信號或上述信號的組合。這種信號可以施加在上文提到的兩個極板上，或者采用其他的方法(根據信號的特性選擇)。應用的信號可以是脉衝或常量。

在一些情况下，補充單元向生物樣本補充營養、呼吸氣體(如氧氣)或呼吸流體。另外，它可以清除生物樣本的代謝產物。有了這樣的裝置，生物樣品的生命將得到維持和延續，從而得到更加準確、穩定、一致和可靠的檢測結果。營養的例子包括生物兼容的强或弱電解質、氨基酸、礦物質、離子、催化劑、氧、富含氧氣的液體、靜脉滴注、葡萄糖和蛋白質。營養的另一個形式是還有能够被生物樣本(例如細胞或病毒)選擇性吸收的納米粒子的溶液。

補充系統可以是獨立的或在檢測儀其他組件的外部。另外，它也可以安裝其他組件的內部，例如，探測和檢測單位或處置處理單元內。

在一些情况下中，信號處理單元由放大器(例如，一個鎖相放大器)，A/D(交/直流電)轉換器、微型計算機、機械手、顯示器和網絡組成。

在某些情况下，信號處理單元能够接收一種或多種信號，多種信號的集合以消除噪聲，或提高信噪比。多信號可以來自不同的位置或是不同時間。

可以通過檢測儀器檢測到的生物樣品包括，例如，血液、尿液、唾液、眼泪、汗水和淋巴液。檢測結果表明生物樣 本發生或存在(例如，早期)疾病的可能。

此處所用的“吸收”一詞通常是指連接到表面的材料和表面之間的物理粘接。而“吸附”是指兩者之間更加强勁的化學粘接。這些性質對於本發明非常重要，因為有效地應用這些性質可以實現微器件的指定連接，從而在微觀層面上進行測量。

此處使用的術語“接觸”(如“第一微器件接觸生物樣本”)包括“直接”(或物理)接觸和“非直接(或間接或非物理)接觸。當兩個實體是“直接”接觸，通常是沒有衡量的空間或這兩個實體之間的接觸點的距離，而當他們是在“間接”接觸，這些接觸點之間的距離有一個可衡量的空間或兩個科目。當兩個實體直接接觸時，在它們的接觸面/點沒間隙和距離；而非直接接觸是指在接觸面之間有一個可測量的空隙或距離。

此處提到的“探針”或“探測”除了字面意思外，還意味著向生物樣本施加一個信號(例如，電、聲、磁或熱信號)，從而刺激生物樣本，使之產生某種內在的反應。

此處提到的電學性能包括被測生物樣本的表面電荷、表面電位、靜息電位、電流、電場分布、表面電荷分布、細胞電學特性、細胞表面電學特性、電學特性的動態變化、細胞電學特性的動態變化、細胞表面電學特性的動態變化、表面電學特性的動態變化、細胞膜的電學特性、膜表面的電學特性的動態變化、細胞膜電學特性的動態變化、電偶極子、雙電偶極子、三維電子或電荷雲分布、端粒DNA和染色體、擊穿電壓、電容或阻抗的電性能。

此處提到的“磁特性”是指抗磁性、順磁性或鐵磁性。

此處提到的“電磁特性”是指包含電場和磁場信息的特性。

此處的“熱性能”是指溫度、凝固點、熔點、蒸發溫度、玻璃態轉變溫度、導熱性或分子的振動能量。

此處的“光學特性”，是指光反射、光吸收、光散射、波長依賴特性、顏色、光澤、光彩、閃爍或散射。

此處的“輻射特性”是指輻射發射、放射性物質觸發的信號或能檢測到的放射物質的信息。本文中“輻射特性”可以擴展為生物樣本對放射性物質或放射性物質的產物(如正電子)的反應或相互作用。

此處提到的“聲學特性”是指一個結構內的聲音的特點，這個結構决定其回音的質量。通常可以測量聲音的吸收係數。詳見美國專利號3,915,016，確定材料聲學屬性的手段和方法；T.J.Cox等人的《聲音的吸收與傳播》Spon出版社，2004。

此處提到的“生物學特性”一般包括生物樣本的化學和物理特性。

此處提到的“化學特性”是指活潑程度、pH值、離子强度或生物樣品內部的粘滯强度。

此處提到的“物理特性”是指任何可測量的用於描述給定時刻物理系統狀態的特性。生物樣品的物理特性包括但不僅限於吸收率、反射率、面積、脆度、沸點、電容、顏色、濃度、密度、電荷、電導率、電容、電阻抗、電場、電勢、輻射、流速、流動性、頻率、電感、電介質、內阻、强度、照度、亮度、光澤度、延展性、磁場、磁通、質量、熔點、動量、透氣性、介電常數、壓力、輻射、溶解度、比熱、强度、溫度、張力、導熱性、速度、粘度、體積和波阻抗。

此處提到的“機械特性”是指生物樣本的强度、硬度、剛性、彈性、塑性、脆性、韌性、剪切强度、延展强度、斷裂應 力、流體的力學性能和附著力。

此處的“導電材料”(或相當於“導體”)是包含可移動的電荷的物質。導電材料可以是金屬(如鋁、銅、銀、鎢或黃金)或非金屬(例如，石墨、鹽溶液、等離子體或導電聚合物)。 對於金屬導體，如銅或鋁，可動電荷是電子(導電)。正電荷可以以失去電子的晶格原子(又稱空穴)的形式，或以離子的形式(例如電池的電解質中)移動。

“電絕緣材料”(又稱“絕緣體”或“介質”)是指不能流通電流的材料。絕緣材料的原子緊密束縛的價電子。電氣絕緣材料的例子，包括玻璃、二氧化矽或有機聚合物(例如，橡膠、塑料或聚四氟乙烯)。

此處提到的“半導體”(也稱作“半導體材料”)是指因為電子流具有導電能力(而不是離子導電性)並且導電能力介於導體和絕緣體之間的材料。例如無機半導體材料包括矽基材料。有機半導體材料的例子包括多環芳烴化合物五苯、蒽、紅熒烯等芳香烴；聚合物有機半導體例如聚(3-己基噻吩)、聚(對苯乙炔)、乙炔及其衍生物。半導體材料可以是結晶固體(如矽)、無定形體(如氫化無定形矽或砷、硒、碲以各種不同的比例混合)或甚至液體。

這裏提到的“生物學材料”和業內人士說的“生物材料”具有相同意義。除此之外，“生物學材料”和“生物材料”還有其他含義，一般指天然生成的或在實驗室裏通過化學手段利用有機(例如有機小分子或聚合物)或無機化合物(例如金屬化合物或陶瓷)合成的物質。它們常常用於醫療領域，用於組成整個或部分生物樣本結構，或製成能够執行，增强或替代某些功能的醫療器件。這些功能可以是良性的，例如用作心臟瓣膜，或 者是更具生物活性的帶有羥基磷灰石塗層的植入髖關節。生物學材料還可以應用於日常的牙科應用、手術和藥物運輸。例如，一種浸漬了醫藥產品的結構可以放置在體內，從而延緩藥物的釋放、增長釋放的時間。生物學材料還可以是自體移植、同種異體移植、異種移植的，以應用於移植材料。對於所有這些材料，在醫學或生物醫學領域中已被發現的應用均可被本發明應用。

本文中所使用的“微電子技術或工藝”一般包括用於製造微電子器件和光電器件的技術或工藝，例如包括光刻、蝕刻(例如，濕法蝕刻、幹法蝕刻或氣相蝕刻)、氧化、擴散、離子注入、退火、薄膜沉積、清洗、直寫、抛光、平坦化(例如，通過化學機械抛光)、外延、金屬化、工藝集成、仿真或上述工藝的任何組合。關於微電子技術更多的描述詳見以下參考資料，Jaeger的《微電子製造簡介》Prentice Hall出版社2002第二版；Ralph E.Williams的《現代砷化鎵工藝技術》Artech House出版社1990年第二版；Robert F.Pierret的《高級半導體器件原理》Prentice Hall出版社2002第二版；S.Campbell，的《微電子製造科學與工程》牛津大學出版社2001年第二版；上述這些資料的內容以引用的方式作為本申請的一部分。

本文使用的“碳納米管”一般指圓柱形納米結構的碳的同素異形體。更多描述詳見P.J.F.Harris的《碳納米管科學》，劍橋大學出版社2009。

CTC檢測儀通過使用單個或多個整合的微器件提高了檢測的靈敏度、特異性和速度，擴展了功能，縮小了尺寸，同時執行多個任務，便於使用並且侵入性低副作用小。可以通過微細加工技術和本專利提出的新技術將能够對生物樣品CTC 進行全方位特性檢測的多個類型的微器件集成為一種CTC檢測儀。為了更好的解釋和說明用於製造多功能、高靈敏度微型檢測器件的微電子技術和納米技術，下面列舉了一些新穎的詳細的例子，同時，本發明考慮和教導了設計和製造高性能微型檢測器件所需的微電子和納米技術的規則和方法，它們可以並應該拓展到以下多種製造工藝的組合，包括但不僅限於薄膜沉積、圖形化(光刻和蝕刻)、研磨(包括化學機械抛光)、離子注入、擴散、清洗，以及各種材料、各種工藝流程及其組合。

本發明的一個方面，涉及到在生物體內或體外的(例如，在一定程度上指人類器官，組織或細胞)CTC檢測儀器。每個裝置包括生物流體傳送系統、前處理單元、補充裝置、探測和檢測設備以及釋放單元。該儀器能够測量生物樣品的微觀特性。樣品傳輸系統通過持續加壓，將微觀層面的生物樣品輸運到檢測儀的預處理單元或診斷器件。與傳統的檢測儀器或技術相比，本發明所提供的檢測儀檢測靈敏度高、特異性好、功能多、速度快、成本低、體積小。該儀器可以進一步包括生物界面、探測控制和數據分析電路、廢棄物回收或處理系統。可以向檢測儀增加微器件(例如第二個檢測器件)以增强檢測能力。

作為檢測儀的關鍵組件，微器件至少包括對來自探頭的信息進行處理、控制、加壓、接收、放大、分析、修改、糾正、决策或存儲的功能，這就需要一個中央處理器，它包括控制電路、尋址單元、放大電路(如鎖相放大器)、邏輯處理電路、記憶單元、應用程序特定的晶片、信號發射器、信號接收器、 傳感器、生物樣品回收和再處理單元、微機電設備、多功能設備，或具有手術、藥物輸送、清洗或醫療功能微型儀器。

在某些情况下，流體推送系統包括壓力發生器、壓力調節閥、節流閥、壓力錶以及其他配套部件。其中壓力發生器包括活塞系統和壓縮氣體儲存容器；壓力調節閥(可以包括多個閥)可以上調或下調所需壓力值；根據壓力錶反饋的節流閥的壓力值調整壓力至目標值。

用於傳輸的生物流體可以是用於疾病檢測的生物樣品也可以是其他物質。在某些情况下用於傳輸的可以是液體樣品(如血液、尿液、唾液、泪液、汗液或淋巴液)。壓力調解器可以用一個或多個，用於上調或下調壓力至特定值，特別當實例壓力太大或大小時，壓力調解器會將壓力調整到可接受的水平。

在某些情况下，系統控制器包括一個前置放大器、鎖相放大器、電錶、熱表、開關矩陣、系統總線、非易失性存儲器、隨機存取器、處理器或用戶界面。用戶界面可以包括傳感器，它可以是一個光學傳感器、電壓表、電流錶、電傳感器、pH計、硬度測量傳感器、溫度傳感器、流量計、壓電錶或其他類型的傳感器。

在某些情况下，本發明的裝置還包括生物界面、系統控制器、廢棄物回收或處理系統。廢棄物回收或處理可以在同一系統或兩個不同系統中進行。

本發明涉及一種能够和細胞相互作用的儀器，包括向細胞發送信號並，可選擇性地，接收細胞反饋信號的微器件。

在某些情况下和細胞的相互作用包括按照特定的信號進行探測、檢測、分揀、通信、處理或修改，這些特定信號可 以是電學、磁學、電磁學、熱學、光學、聲學、生物學、化學、機電學、電化學、電化學機械、生物化學、生物力學、生物機電、生物電化學、生物電化學機械、物理或機械信號及其組合。

在某些情况下，檢測儀內的器件可以有多種表面塗層，這個塗層由一種或多種元素或化合物組成，並且有一個控制系統來控制元素的釋放。在某些情况下，控制系統可以借助某種可控的能量通過器件的表面釋放元素，這種能量包括但不僅限於熱能、光能、聲能、電能、電磁能量、磁場能量、輻射能量、化學能或機械能。

在某些情况下，檢測儀內的器件包括一種向細胞表面或內部釋放元素或化合物的部件，還包括另一種控制元素或化合物釋放的部件(例如，控制元素釋放的一塊電路)。這些元素可以是生物成分、化學化合物、離子、催化劑、鈣、碳、氯、鈷、銅、氫、碘、鐵、鎂、錳、氮、氧、磷、氟、鉀、鈉、硫、鋅及其組合物。信號可以是脉衝式的也可以是恒定的，可以通過釋放元素或化合物携帶，也可以通過液體溶液、氣體或兩者結合携帶。信號的頻率範圍是1x10^-4赫茲到100兆赫或1x10^-4赫茲到10赫茲，或在濃度約1.0 nmol/L到10.0 mmol/L的範圍內振盪。此外，該信號包括生物成分的振盪、化學成分的振盪、如鈣、碳、氯、鈷、銅、氫、碘、鐵、鎂、錳、氮、氧、磷、鐵、鉀、鈉、硫、鋅及其組合，例如在特定的振盪頻率下。

在有些情况下，發送給細胞的信號可以是振盪元素、化合物或生物成分的振盪强度，細胞對該信號的反饋可以是振盪元素、化合物或生物成分的振盪强度。

有些情况下，可以用生物膜包裹器件，例如以獲得和細胞更好的兼容性。

在某些情况下，器件包括多個部件用於產生發送給細胞的信號、接收細胞反饋信號、分析反饋信號、處理反饋信號，以及器件和細胞的接口(包括器件和細胞的通信)、修改或糾正細胞的某種形態。

本發明的另一方面是所提出的器件均包括微過濾器、開關板、細胞計數器、選擇器、微型手術工具、定時器和數據處理電路。微過濾器可以根據物理屬性(如尺寸、形狀或速度)、力學特性、電學特性、磁學特性、電磁特性、熱特性(例如，溫度)、光學特性、輻射屬性、聲學特性、生物學特性、化學特性、電化學特性、生物的化學特性、生物物理特性、流體特性、生物電化學特性、生物機電特性或機電特性來分離異常細胞。此外，信息(例如樣品對過濾器的壓力、流速、粘度、溫度變化以及和過濾器的粘附性)可以是靜態的或是動態的，可以通過被測生物樣本和過濾器之間的相互作用得到。每個器件包括一個或多個微過濾器。每個微過濾器可以集成兩個細胞計數器，一個安裝在微過過濾器的入口，一個安裝在過濾器的出口。微過濾器的形狀可以是長方形、橢圓形、圓形或多邊形；微過濾器的尺寸範圍從約0.1微米到500微米左右或約5微米到200微米左右。這裏所說的“尺寸”是指過濾器開口的，例如，直徑、長度、寬度或高度等物理或特徵尺寸。微過濾器被生物塗層或生物兼容性塗層所包裹以增强細胞和器件之間的生物兼容性。

除了可以根據尺寸和物理特徵分離生物樣本外，過濾器還可以根據生物樣本的其他特性進行分離，這些特性包括力學特性、電學特性、磁學特性、電磁學特性、熱特性(如溫度)、光學特性、輻射特性、聲學特性、生物學特性、化學性質、電 化學特性、生物化學特性、生物電化學特性、生物機電特性或機電特性。

在某些情况下，器件的開關板夾在兩層過濾膜中間並受定時器控制(定時開關)。細胞計數器可以觸發定時器。例如，當一個細胞通過過濾器入口的計數器時，時鐘觸發重置開關板至默認位置，再以預定的速度向細胞路徑移動，定時器會記錄細胞通過出口計數器的時間。

本發明的另一方面是提供了製造帶有微型溝槽溝槽側墻內帶有微探頭的微器件。微器件上的微溝槽是開口的[如見圖2(i)，2030]，需要和另一與之對稱的結構[如見圖2(k),2031]鍵合在一起形成一個封閉的通道[如見圖2(l),2020]本發明包括溝槽陣列。製造方法包括利用學氣相沉積、物理氣相沉積、原子層沉積等方法向襯底沉積各種材料；利用光刻、刻蝕、化學機械抛光技術對已沉積的材料圖形化，得到所需的特定結構。化學機械抛光用於表面平坦化；化學清洗用於去除顆粒；擴散或離子注入用於特定層元素摻雜；熱退火用於减少晶格缺陷，並激活離子。舉例說明這種方法，向襯底沉積第一層材料；在第一層材料上沉積第二層材料，並利用微電子技術(如光刻或刻蝕)圖形化第二層材料，形成用於檢測的尖端結構；沉積第三層材料並利用化學機械抛光將進行平坦化；沉積第四層材料並利用微電子技術(如光刻或刻蝕)將其圖形化，利用微電子技術(如再刻蝕)去除部分第三層材料，也可以去除部分第一層材料，刻蝕對第二層材料是有選擇性的(對第二層材料低刻蝕率)，這裏第四層材料作為硬掩膜。硬掩膜一般指半導體工藝中用來替代聚合物或有機軟材料掩膜的材料(如無機介質或金屬化合物)。探針的尖端可以伸入溝槽一部分。尖端部分和 DNA螺旋結構的大溝和小溝都是要匹配。例如，DNA溝槽的間隔是可變的，尖端要和DNA交錯的溝槽相匹配。在溝槽的末端探針的尖端也要和DNA螺旋鏈的末端相匹配。尖端的直徑範圍從約1埃到約10微米不等。

在某些情况下可以將對稱器件(如翻轉鏡)鍵合形成帶有溝道的檢測器件。溝道的入口一般呈喇叭形，例如通道的開口(入口)端比內部通道尺寸更大，這樣細胞更容易進入。每個通道的截面形狀可以是矩形、橢圓形、圓形或多邊形。微器件上的溝槽可以通過每個器件版圖上的對準標記來對準。微溝道的尺寸範圍可從0.1微米到500微米左右。微溝道寬度的範圍從約0.5納米到200微米(例如從約0.5納米到50微米左右)，深度範圍約從0.5納米到200微米(例如從大約0.5納米到50微米左右)，長度範圍從1納米左右到10毫米。在不同部位溝道的形貌和尺寸可以是相同的或不同的。

另外，該方法還包括用於覆蓋微器件通道的平板的製造。這種平板可以用包括或鍺、矽、二氧化矽、氧化鋁、石英、光損耗低的玻璃或其他光學材料製成。其他可選的光學材料包括丙烯酸酯聚合物、銀銦銻碲合金、人造翡翠、三硒化二砷、三硫化二砷、氟化鋇、CR-39、硒化鎘、氯化鎘銫、方解石、氟化鈣、硫系玻璃、磷化鎵、銻碲鍺合金、鍺、二氧化鍺、氫矽氧烷、冰洲石、液晶、氟化鋰、陶瓷材料、氟化鎂、氧化鎂、負折射率材料、中子超鏡、磷、光學塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、溴化鉀、藍寶石、暗光磷光體、標準白板、制鏡合金、開環諧振器、氟化鍶、釔鋁石、榴子石、釩酸釔、氟鋯酸鹽玻璃、硒化鋅和硫化鋅。

在某些情况下，該方法還包括將三個或更多個微器件整 合成具有通道陣列的器件。

本發明的另一方面涉及製造微器件(包括微探針和微壓痕探針)的一套新穎的工藝流程，這些器件應用於生物樣品CTC檢測。將微器件整合入CTC檢測儀以在微觀層面上測量一種或幾種特性。例如，癌細胞和正常細胞相比有不同的硬度(更硬)、密度(更密)和彈性。

本發明的另一方面涉及細胞間的通信以及在微器件發出的信號作用下細胞的反應(如分化、去分化、細胞分裂和雕亡)。這可以用於進一步的檢測和治療疾病。

為了進一步提高檢測能力，可以在一個檢測儀內集成多個微器件，采用飛行時間技術，其中至少有一個微器件和一個傳感器件放在預設位置。檢測器件對被測樣品施加一個信號(例如，電壓、電荷、電場、激光束、將熱脉衝、一束離子或聲波)，檢測(傳感)微器件測量生物樣品經過一段特定距離或特定時間後的反應。例如，檢測器件可以先向一個細胞釋放一個電荷，然後樣品經過一段時間(T)或特定距離(L)後傳感器件馬上檢測其表面電荷。

本發明涉及的檢測儀中的微器件有很多種設計、結構和功能，並且靈活性好、應用範圍廣，因為它們性能多樣、高度靈活，便於集成化、小型化、量產化。微器件包括它們包括，電壓比較器、四點探針、計算器、邏輯電路、存儲器單元、微型銑刀、微錘、微型盾、微型染料、微刀、微針、微持線鉗、微型鑷子、微型激光器、微型光學吸收器、微型鏡子、微型車、微型過濾器、微型斬波器、微粉碎機、微泵、微减震器、微型信號探測器、微鑽、微吸盤、微測試儀、微容器、信號發射器、信號發生器、摩擦傳感器、電荷傳感器、溫度傳感器、硬度檢 測儀、聲波發生器、光學波發生器、加熱器、微型製冷機和微型發電機。

此外，應當指出，在製造技術進步的今天，將大量多功能的微器件集成在一起是靈活的、經濟的。人體細胞典型尺寸是10微米。利用最先進的積體電路製造技術，最小特徵尺寸可以達到0.1微米或更小。因此將這種微器件應用於醫療領域是理想的。

對於製造微器件的材料，主要考慮和生物樣本的兼容性。由於微器件接觸生物樣品(如細胞)的時間可能會有所不同，這取决於其預期的應用，不同材料或不同的材料組合，可能會被用來製造微型器件。在某些特殊情况下，需要將材料以可控的方式溶於特定pH值的溶液中，從而變成一種合適的材料。其他考慮因素包括成本，使用的便捷性和實用性。隨著微加工技術，如積體電路製造技術的重大進步，最小特徵尺寸小至0.1微米的高度集成的器件製造已經走向商業化。一個很好的例子是微機電器件(MEMS)的設計和製造，這類器件正廣泛應用於電子工業和其他行業的各個領域。

下面四個部分是對集成了諸多新穎微器件的疾病檢測儀的舉例，並說明其製造的工藝流程。

圖1是對本發明涉及的CTC檢測儀(111)的透視圖，其中生物樣品(211)例如是血液樣品，放置在檢測儀內部測試或流過時測試。圖中疾病檢測儀(111)是圓柱形的，樣品(211)在圓柱筒中流過(在圖中從左向右流過)，同時檢測儀(111)對其進行微觀層面的一種或多種特性的檢測。

為了提高檢測速度和靈敏度，大量的微型器件可以集成到一個CTC檢測儀中，如圖1(b)和圖1(c)所示檢測儀內集成 有多個微器件，能够對生物樣本中大量的生物樣本(如細胞)進行檢測。為了達到上述要求，應優化檢測儀使其表面積最大化能够放置更多的微器件以更好地接觸生物樣品。

圖2(a)是集成了多個相同的微器件(311)的CTC檢測儀(122)的剖面透視圖。其中生物樣品(211)如血液，可以放置在檢測儀內部測試或在流過時測試，從而在微觀層面測試一種或多種特性，如電氣性能(包括表面電荷、表面電位、電流、阻抗等電學性能)、磁學性質、電磁性能、力學性能(如密度、硬度、剪切强度、延展强度、斷裂應力、和附著力)、生物學特性、化學性質(如pH值或離子强度)、生化特性、熱性能(例如，溫度)、光學特性和輻射特性。

集成了多個微器件的檢測儀能够檢測生物樣本的多種特性，而不僅僅是用於CTC診斷的某個單一的特性。圖3是集成了微器件311、312、313、314和315的檢測儀133的剖面透視圖。其中生物樣品(211)如血液可以放置在檢測儀內部測試或在流過時測試一種或幾種微觀特性，如電氣性能(包括表面電荷、表面電位、電流、阻抗等電學性能)、磁學性質、電磁性能、力學性能(如密度、硬度、剪切强度、延展强度、斷裂應力、和附著力)、生物學特性、化學性質(如pH值或離子强度)、生化特性、熱性能(例如溫度)、光學特性和輻射特性。

圖2(b)-2(n)展示了微器件捕獲分類、探測、測量、改變生物樣本(例如一個單細胞)的過程。首先，按順序將材料2002(例如是一種非導電材料)和另一種材料2003(例如是一種導電材料)沉積到襯底2001上[見圖2(b)和圖2(c)]。材料2003通過光刻和刻蝕工藝進行圖形化[見圖2(d)]。接下來 沉積材料2004[如圖2(e)]平坦化如圖2(f)。然後沉積另一層材料2005[如圖2(g)所示]並作為硬掩膜進行圖形化[如圖2(h)所示]，接下來進行刻蝕[如圖2(j)]，刻蝕終止於襯底2001。圖2(i)是器件的透視圖，圖2(j)是器件的縱向視圖。

如圖2(k)所示，器件2080和器件2081具有對稱性可以鍵合在一起(如圖2(l)所示)。因此，製造出的檢測儀擁有帶有探針的通道。

如圖2(m)和圖2(n)所示，大量微器件集成在一起以提高檢測效率。

對檢測儀錶面的優化設計是十分必要的，因為表面積越大，能够放置測試樣品的器件就越多，這樣可以提高檢測速度並减少測試樣品使用量。圖4是疾病檢測儀144的透視圖。它包括兩個間隔很小的基板，兩基板中間有血液樣品流過，基板內表面的微器件可以在微觀層面上對樣品的一種或多種特性進行檢測。

本發明的另一方面涉及製造CTC檢測器件的製造工藝。圖5展示了利用微電子技術製造CTC檢測器件的新工藝。首先，材料412沉積到襯底411上[如圖5(a)所示]，接下來利用光刻和刻蝕技術將其圖形化[如圖5(b)所示]。之後沉積材料413並利用化學機械抛光平坦化[如圖5(d)所示]。利用光刻和刻蝕技術在材料413上形成凹坑[如圖5(e)所示]，然後沉積材料414[如圖5(f)]。利用化學機械抛光技術將材料413上面的材料414去掉[如圖5(g)所示]，然後沉積材料415。接下來利用光刻和刻蝕技術將415圖形化[如圖5(i)所示]。接下來再次沉積材料414，並利用化學機械抛光把材料415上面的材料414去掉[如圖5(j)所示]。最後對材料415進行輕刻蝕和抛光，對 材料414是有選擇性的[如圖5(l)所示]，造成材料材料414的輕微凸起。412可以是壓電材料，對其正確位置加電壓時，它會有擴展，導致材料414內的尖端部分向上運動。因些，利用上述工藝就製成了帶有兩個探針的能够測量生物樣品多種特性(包括機械和電學特性)的微器件。

本發明涉及的微器件集成了多個檢測器件能够檢測單個細胞的多種預選特性。圖6是利用本發明提出的方法製造的微器件555的透視圖(見圖5對新型工藝流程的描述)，展示了這種器件是如何檢測細胞666，並搜集特定參數信息的。圖6(a)是帶有一對微探針531和520的器件555的剖面圖，微探針531是尖形的而微探針520是環形的。微探針531和520都是導電的，可以做為檢測生物樣品電學特性的探針。微探針531和壓電材料518接觸。當給壓電材料518加一電壓時，壓電材料518會膨脹並推動微探針531向上移動，這樣有助於檢測單個細胞的多個特性。圖6(b)展示了器件555對單細胞666的檢測，其中微探針531劃破細胞膜611進入細胞內部空間622，微探針520和細胞膜611外表面接觸。這樣，器件555可以對細胞做多項測試包括電性能測試(例如，電勢、流過細胞膜的電流、膜的阻抗和表面電荷)、力學性能(如硬度)、熱性能(例如溫度)、物理性質和化學性質(如pH值)。

另一方面，本發明提出的微器件的設計和製造工藝使其靈敏高，能够在複雜環境下和强背景噪聲下對CTC的微弱信號進行檢測。本專利涉及的CTC檢測儀的功能包括但不僅限於動態測量、實時測量(如飛行時間測量、探針信號和響應信號檢測)，以减少背景噪音鎖相技術，測量非常微弱的信號四點探針技術，獨特、新穎地在單細胞水平(如DNA或染色體 端粒)測量生物樣品的各種電學、電磁學、和磁學特性。

例如，可以利用飛行時間的方法獲得生物樣品(如細胞)的動態信息，第一個微器件用於向被診斷生物樣本施加激勵信號，然後第二個微器件精確測量生物樣本的反饋信號。一種情况，第一個微器件和第二個微器件保持特定距離，然後被測樣品從第一個微器件流向第二個微器件。當生物樣品從第一個微器件流過時，第一微器件向生物樣本施加信號，然後第二微器件檢測生物樣本的反饋信號。從兩個微器件間的距離、時間間隔、第一微器件的擾動性質，測量生物樣本飛行時間的變化，可以得到生物樣本的微觀動態特性。另一種情况，第一微器件用於向生物樣本施加信號，而第二器件探測到的反饋信號作為時間的函數。加在生物樣本上的電壓從大約為0.1 mV到10V左右，或約1 mV到1.0 V左右。

為進一步提高檢測靈敏度，全新的疾病檢測方法會被使用，其中包括飛行時間技術。圖7是檢測儀器155的剖面透視圖，其中放置微器件321和331使它們之間間隔特定間距700，從而以更高的靈敏度、特異性和速度測量生物樣本211(例如細胞)的動態信息。在這樣飛行時間測量中，生物樣本211的一個或多個性質在樣本211通過第一微型器件321時首先被測到。當樣本211行進過700距離，通過第二個器件331時，這些性質再次被測試。樣本211在微型器件321和331直接性質的變化表徵了運動期間樣本與周圍環境(例如，特定的生物環境)的相互作用，也提供了樣本211性質隨時間的變化的深入信息。另外，如圖7所示，微型器件321可以作為探針，當樣本211通過微型器件321時，在樣本211上施加探測信號(如電荷)。隨後，當樣本通過器件331時，該樣本對探測信號的 響應可通過331檢測到(如飛行中樣本上電荷的變化)。對生物樣本211的測試可以通過接觸式或非接觸式的。該方法的一個體現是，通過一個以理想的間距排布的微型器件陣列測量生物樣本的性質隨時間的變化。

如上以及圖7所述，利用微型器件(如通過使用本發明的工藝流程所製備)，可測試生物樣本(如細胞)的一組微觀性質，這些微觀性質通過現有的技術無法測試。這些微觀性質可以是生物樣本(單一生物樣本，如細胞)的電、磁、電磁、熱、光、聲、生物、化學、電化學、電化學機械、電子機械、生物化學、生物力學、生物電機械學生物電化學、生物電化學機械、物理或力學性質。衆所周知，生物物質包含從基本的化學鍵諸如OH,CO和CH鍵到複雜的三維結構，其中一些具有獨特的電子組態的特徵信號，其中的另一些可能具有獨特的電、磁、電磁、熱、光、聲、生物、化學、電化學、電化學機械、電子機械、生化生物力學、生物電機械學、生物電化學、生物電化學機械學、物理或機械性質和組態。正常的生物實體和病變的生物實體可携帶基於上述特性的不同的特徵信號。然而常規的循環腫瘤細胞的檢測中沒有關於上述參數或性質的測量。通過使用本發明中包含一個或者多個微型器件的循環腫瘤細胞測試儀器，可對上述性質進行探測、測量，並作為循環腫瘤細胞檢測中的有用信號，特別適合於癌症的早期診斷。

圖8是一套全新的微型探針341、342、343、344、345、346和347的透視圖。這些探針設計並設置為檢測各種電子、磁性、電磁狀態或生物樣本212、213、214和215在微觀層面上的其他性質。生物樣本212、213、214和215均為單個細胞。例如，在電子學性質測試方面，生物樣本212、213、214和 215在圖8中分別代表了單極子(樣本212)、偶極子(樣本213和214)以及四極子。微型器件341、342、343、344、345、346和347優化後將參數測試的靈敏度最大化。這些參數包括但不限於電子態、電子電荷、電子雲分布、電場和磁場、和電磁性質。微器件可以設計並呈在三維結構分布。就癌症而言，正常細胞和癌細胞的電子態及相應的電學性質有差異，所以通過測量微觀層次包括在細胞水平電學、磁學和電磁性性質，可提高循環腫瘤細胞檢測的靈敏度和特異性。

除了上述例子中說明的測量電學性質(如電荷、電子態、電子電荷、電子雲分布、電場、電流、和電力的潜力和阻抗)、單個細胞的力學性質(如硬度、密度、强度、斷裂强度)和化學性質(如酸鹼度)，以及在圖8中測量電學、磁學或電磁態或者生物樣本水平的組態外，本發明披露了其它微型器件以進行靈敏的電學測量。

圖9展示了采用一種四點探針測試生物樣本(如細胞)中微弱電信號。其中四點探針348設計為測試生物樣本216的電學性質(阻抗、電容和弱電流)。

本發明的一個重要方面是微型器件的設計與製造流程，以及利用微型器件在微觀層面或三維空間上捕捉或測量生物樣本(如細胞)。微型器件在三維方向上有微型探針陣列，其特徵尺寸與細胞大小相當，能够捕獲、分類、探測、測量、檢測、計數、通信或修飾的生物樣本。這些微型裝置可以采用目前先進的微電子加工技術製造，如製造繼承電路的技術工藝。通過薄膜沉積技術如分子束外延(MBE)和原子層沉積(ALD)技術，薄膜的厚度可减至幾個單層原子的水平，進而通過電子束或X射線光刻，器件的特徵尺寸可達到納米量級， 使微型器件捕獲、探測、測量和修飾的生物樣本成為可能。

圖10是製造本發明中儀器或微型器件的工藝流程圖，微型器件能够誘捕、分類、探測、測量和修飾生物樣本(如單個細胞或DNA、RNA核酸分子)。在該工藝流程中，利用微電子工藝製造設計微型器件以實現上述的獨特功能。具體來說，第一種材料712(通常為導電材料)首先沉積到沈底711上[圖10(a)和圖10(b)]。第一種材料712隨後通過光刻和刻蝕工藝完成圖形化[圖10(c)]。之後沉積第二種材料713並通過化學機械抛光工藝實現平坦化並去除第一種材料712之上的多餘的第二種材料713(如圖10(e)所示)。之後沉積另一層材料714並圖形化，接著沉積另一層材料712並通過化學機械抛光工藝完成平坦化[圖10(f)]。接著，第三種材料715完成沉積並通過光刻和刻蝕工藝完成圖形化[圖10(g)和圖10(h)]。然後是第四種材料716[圖10(i)和圖10(j)]的沉積和平坦化，該材料通常為犧牲層材料。交替重復材料712或者715的沉積與圖形化，並沉積材料716並通過化學機械抛光實現平坦化[圖10(k)-(m)]，形成微型器件中或至少部分中具有多層交替結構[材料712(如導電材料)和材料715(如絕緣材料)]的薄膜堆棧部分。最後，薄膜堆棧771和772之間的材料716通過幹法刻蝕、濕法刻蝕(需要用到光刻工藝)或氣相刻蝕去除，刻蝕對其他材料具有選擇性[如圖10(n)]。如圖10(o)所示，當材料712為導電材料並連接至外電路或電源(如電荷源)，通過堆棧(如781和782)尖端的712形成的每個探針可在表面(如781和782)帶有一電荷或電場，即探針可以選擇性的帶有正電荷或負電荷，也可以是正電場或者負電場。另一方面，這樣的探針也可以檢測生物的各種性能(如電子雲、電場，或當探 針是一個熱探測器時測量溫度，當探針是一個光學傳感器時測量發光量)。使用電路或電源，微型器件上可以形成電荷分布或電場的多種組合，如圖10(o)和圖10(p)，用以分類、捕獲各種生物樣本如細胞或脫氧核糖核酸分子。例如，當一個生物樣本帶有與圖10(p)中電荷分布相反的電荷時，該生物樣本可被圖10(p)中的微型器件捕獲。具有不同電荷分布或電場分布的微型器件陣列可以快速的捕獲各自對應的生物樣本，用作分類器件。圖10(q1)和圖10(q2)展示了微型器件能够捕獲脫氧核糖核酸或當每個探針頂部尖端在空間上與脫氧核糖核酸的大溝或者小溝匹配時，可測量雙螺旋結構的脫氧核糖核酸的多種性質(如電學，熱學或光學性質)。圖10(r)說明探頭尖端是如何與電路連接，途中至畫出了電線。值得注意的是，本例中的微型器件可以整合至獨立的晶片中，晶片中包含十億多個微型器件，可以高速捕獲、分類細胞、DNA、RNA和其他生物樣本。

本發明的另一方面涉及通過微壓痕探針和微型探針測量生物樣本的物理性能(如機械性能等)，如力學性質包括硬度、抗剪强度、拉伸强度、斷裂應力和其他細胞膜的相關性質，這被認為是疾病的診斷一個關鍵組成部分。

圖11顯示了製造微型器件的全新製造流程，該微型器件可以測量生物樣本的多種性質如細胞膜的力學性質(例如細胞膜的機械强度)。該流程中，材料812首先沉積至沈底811的表面，接著沉積材料813，如圖11(a)，隨後通過光刻與刻蝕工藝對材料813圖形化，材料814完成沉積[圖11(b)]和平坦化[圖11(c)]。另一層材料813接著完成沉積並通過光刻與刻蝕工藝實現圖形化，接著是材料815的沉積與平坦化(材料815可以是壓電材料並用作驅動器)[圖11(d)]。材料層813隨即完成 沉積，接著是另外一層813的沉積與平坦化以及材料816的沉積與平坦化[圖11(e)]。接著對材料816進行圖形化並通過刻蝕减少厚度，然後是三層材料813的圖形化[圖11(f)]。另一層材料814完成沉積[圖11(g)]，通過化學機械抛光完成平坦化[圖11(h)]，以及圖形化[圖11(i)]。最終，多層813通過濕法刻蝕或氣相刻蝕[圖11(j)]去除。圖11(k)是微型器件的界面透視圖，微型器件在一個與圖11(j)垂直的平面上[由圖11(j)旋轉90度得到]。圖11(l)展示了帶有兩個微型尖端871和872的微型器件，當在壓電驅動器881和882上加電壓時，它能够朝著相反方向運動，可用於探測生物樣本，如細胞。

圖12展示了通過圖11中的全新製造方法製備的微型器件是如何工作的。圖12中，微型器件850帶有雙微探針866和855，可朝著受力相反的方向運動[圖12(a)]。雙探針的尖端穿入細胞870後，隨著受力的變大，探針間的間距變大，細胞就被伸展。最後，當施加的力達到一個臨界值，細胞破碎成兩半[圖12(b)]。細胞對力的動態響應，提供了細胞的信息，特別是細胞膜的力學性質(如彈性)。細胞破裂時的受力的臨界值，反映了細胞的强度，可稱為破裂點：細胞膜的力學强度越大，破裂點的力越大。

本發明提供的另一新方法，是將鎖相技術應用於循環腫瘤細胞的檢測，從而降低背景噪聲，有效地提高了信號的信噪比。一般來說，在這種測量方法中，用一個周期信號來探測生物樣品，與周期頻率相干的探測信號被檢測、放大並響應，而其他不相干的頻率信號被過濾掉，從而有效地降低背景噪聲。本發明的一個體現是，用以微型探測設備可以向生物樣本發送一個周期性探測信號(如一個激光脉衝、熱波脉衝或交變電 場)，生物樣本對探測信號的響應可以被微型探測器件探測到。鎖相技術可以用來過濾掉不需要的噪音並提高與探測信號頻率同步的響應信號。以下的兩個例子說明了結合鎖相檢測技術的飛速檢測裝置的新型功能，以增强微弱信號、提高循環腫瘤細胞檢測的檢測靈敏度。

圖13的例子是全新的飛行時間檢測法在循環腫瘤細胞檢測中的應用。具體來說，圖13(a)顯示了檢測生物樣本911用的探頭933和時鐘頻率發生器922，圖13(b)包括根據結構922測試記錄的信號921，探針933記錄的信號931，以及通過鎖相技術處理並濾除信號931噪聲的信號941，其中只有與時鐘頻率同步的響應信號保留下來。圖13(a)中，當生物樣本如細胞911通過結構922時，觸發一個清晰的信號(若922是光源，則觸發光散射信號；若922是電阻的孔狀結構，則引起電阻的急劇增加)。因此，922可用以記錄生物樣本的到達，並作為一個時鐘在有多個922結構以一定距離周期排列時記錄追踪信號921，如圖13(b)。此外當922是放置在探針933前的已知距離處，它標記了生物樣本向933方向過來，探針933記錄的信號比922處觸發的信號有一個固定的延遲t,t等於922與933之間的距離除以生物樣本的運動速度。如圖13(b)，基於結構922的信號921是清晰的，且有周期性，並與多個結構922間的周期距離成比例。而探針933測得的信號具有很高的噪聲水平，且基於生物樣本的信號較弱。利用鎖相技術，記錄探針933上的信號931時過濾與時鐘信號921異步的噪聲，大大提高信噪比，如圖13(b)中所示的用瑣相技術處理的信號941。

圖14展示了另一個循環腫瘤細胞的飛行時間檢測方法 看，其中使用了時鐘信號發生器922、探測信號發生器944，以及信號探測器955並記錄時鐘信號921，總響應信號951(時鐘信號除外)和用鎖相放大技術處理的信號952。在這種方法中，探測信號發生器944用以擾亂生物樣本911(如使用光束加熱911、或為911添加一個電荷)並通過探針陣列955對探測信號的響應的進行測量。過濾後的信號在952顯示對探測信號的動態響應，因為它隨時間衰减。因為正常細胞與異常細胞對探測信號的響應可能是不同的，該方法中適合的探針可用來檢測癌症。利用此方法的另一體現為(如圖14)探測信號發生器944可以向生物樣本911發送一個周期信號，通過探針955檢測來自生物樣本的響應信號。響應信號可使用鎖相技術處理，過濾與頻率探測信號異步的噪聲，放大與探測信號同步的信號。

圖15是新型的多屬性微型過濾器的透視圖。定時開關板1502夾在兩片帶孔的濾膜中。當生物樣本1511穿過孔，首先被計數器1512探測到，觸發屏1502的時鐘，大細胞將被濾膜的孔(圖中未顯示)過濾或阻斷，只有特定的具有足够速度的生物樣本能在定時開關板1502關閉前[圖15(b)]通過孔1503，否則生物樣本會被定時開關板1502阻斷，如圖15(c)。

圖16是一個流體輸送系統，包括壓力發生器、壓力調節閥、節流閥、壓力錶和配件。壓力發生器1605維持流體壓力發生器所需的壓力，進一步通過壓力調節閥1601和節流閥1602準確地控制。同時，對壓力實時監控並通過壓力錶1603反饋到節流閥1602。調整後的流體平行輸送至多個器件，器件處需要常壓以驅動流體樣品。

圖17說明了本發明中，循環腫瘤細胞檢測儀中的微型 器件如何通信、探測、檢測並選擇性地在微觀層面處理與修飾生物樣本。圖17(a)說明了序列的細胞活動的順序，從細胞識別到細胞决定。首先，信號1701通過細胞表面的接收器1702被檢測到，細胞隨即整合和編碼的信號到一個生物辨識的信息，如鈣振盪1703。因此，細胞中相應的蛋白質1704受該信息作用，被修飾，並轉化成相應離子作用蛋白1705。通過易位，這些修飾蛋白質1705通過携帶的核蛋白，和控制修改核蛋白表達的調節基因1707，包括轉錄、翻譯、後生過程和染色質的修飾。通過信使核糖核酸1709，信息傳至特異性蛋白1710，從而改變其濃度，然後决定或調節細胞的决定或行為，如分化、分裂或甚至死亡。

圖17(b)說明本發明的中的檢測儀，能够通過接觸或非接觸的方式檢測、通信、處理、修飾或探測單個細胞。該檢測儀配備微型探針和微型注射器通過控制電路1720選址和調節，是處理和調製的控制電路1720。每個微型注射器是配備了單獨的微型容器，携帶所需的化學品或化合物。

為闡明本發明中的檢測儀模擬細胞內信號的機制，舉鈣振盪為例。首先，鈣釋放激活通道(CRAC)被打開至最大，這可以通過各種方法實現。另一個適用方法的實例中，存儲在容器1724中的生化物質(例如，毒胡蘿蔔素)由注射器1725釋放至細胞，而鈣釋放激活通道在生物樣本的刺激下將開放。在另一個適用方法的實例中，注射器1724向細胞膜施加特定電壓，使鈣釋放激活通道打開。

注射器1728中的鈣離子溶液的濃度可以調節，因為它是含有鈣離子的溶液1726和無鈣溶液1727的組合。注射器1730含有無鈣溶液，然後注射1728和1730以所需的頻率的 交替打開和關閉，由此實現鈣離子振盪，細胞膜內的部分暴露於鈣離子振盪。因此，細胞的行為或决定被檢測儀產生的調節信號操縱。

同時，細胞的反應(如以電、磁、電磁、熱、光、聲或機械性質等形式)可以通過檢測儀集成的探針監測並記錄。

圖17(c)說明了本發明的檢測儀能够與單個細胞通信的另一種設計。檢測儀的探針表面塗覆有良好生物相容性的化合物或元素，如鈣、碳、氯、鈷、銅、氫、碘、鐵、鎂、錳、氮、氧、磷、氟、鉀、鈉、硫或鋅。這些探針能產生振盪信號，這樣元素或化合物與細胞相互作用，導致影響細胞的行為或最終方向。同樣，檢測儀同樣可以探測和記錄細胞的反應(如電、磁、電磁、熱、光、聲、生物、化學、電化學電-化學-機械、電子機械、生化、生物力學、生物電力學、生物電化學、物理、生物電化學力學或機械性能等方面的性質)。

圖18是本發明中的檢測儀的系統模塊圖，這個例子包括流體輸送系統1801、生物接口1802、探針和檢測器件1803、系統控制器1805、廢藥回收與處理系統1804。生物樣本或材料通過流體樹叢系統1801送至接口1802，同時流體參數(或性質)報告給系統控制器1805，其包括邏輯處理單元、記憶存儲單元及特定功能的晶片、傳感器、信號發射器，信號接收器。隨後，系統控制器1805可以進一步的向系統提供命令。接口1802是連接流體樣品和檢測裝置的，並進一步監測生物樣本的參數或性質(如壓力、溫度、粘度或流量)，然後向系統控制器1805報告，並以特定的速度與壓力降生物樣品分配至探測和檢測裝置1803(可由系統控制器1805發出命令)。

系統控制器1805是中央指揮並監控整個系統(或儀 器)。所有模塊的參數和信息都由系統控制器1805處理和交換的，並給出指令。系統控制器1805可包括，前置放大器、電參數測試儀、溫度錶、開關矩陣、系統總線、非揮發性存儲設備、隨機存取記憶體、處理器和使用界面。通過檢測儀，使用者可以操作、設置儀器，並獲得操作參數和最終結果。前置放大器可以處理和識別來自電參數測試儀的信號。該測試儀可以施加或測量相應的信號，這些信號通常是電、磁、電磁、熱、光、聲、生物、化學、電化學、電-化學-機械、電子機械、生化、生物力學、生物電力學、生物電化學、生物電化學力學、物理，機械信號或其組合。開關矩陣可以開關測試終端的不同的探針陣列的副設備。使用界面包括輸入和輸出組件和流體輸送系統的密封組件、探測和檢測裝置。

探測和檢測裝置1803是本發明的循環腫瘤細胞測試儀的核心功能模塊，因為它是探測的生物樣品和收集相關的細胞信號(或反應)的單元。廢物回收處理系統1804回收生物樣品的廢物以保護測試的生物樣本，並使它遠離環境污染。

圖19(b)-(n)說明了製造能偶捕獲、分類、探測、測試、處理或修飾生物樣本(如單個細胞、核酸分子等)的微型器件的製造工藝流程。第一種材料1902(如導電的壓電材料)和第二種材料1903(如導電材料)依次沉積至襯底1901上，見圖19(b)、(c)。然後利用光刻與刻蝕工藝[圖19(d)]對第二種材料1903圖形化。第三種材料1904隨後完成沉積[圖19(e)]與平坦化[圖19(f)]。第四種材料1905接著完成沉積[圖19(g)]和圖形化[圖19(h)]，並作為隨後從所需區域去除第三種和第一種材料的刻蝕工藝的堅模，刻蝕停止層為襯底1901。圖19(i)是器件的透視圖，圖19(j)是同一器件的垂直視圖。

圖19(k)說明了使用微型器件能够捕獲脫氧核糖核酸1920並測量各種屬特性(如電、磁、熱、化學、物理、生物、生化或光學特性)。每個探針尖端1912與脫氧核糖核酸雙螺旋結構的大溝或小溝相匹配。同時，配置在槽底的探針(1911和1910)能施加信號或測量每個鏈端的脫氧核糖核酸雙螺旋的信號。探針由導電材料製成，壓電支撑結構作為備選，它可以向前和向後伸展至一個理想的距離。所有探針由控制電路編號、處理和控制。

圖19(l)是圖19(k)中的器件的簡化形式。在該器件中，探針尖端與空間交錯的雙螺旋槽匹配。相鄰的探針之間槽的間隔數是可變的。如果需要，脫氧核糖核酸也可移動的(例如，通過拉動探針1910和1911)或探針可以沿著溝道方向移動，描繪出部分或完整的脫氧核糖核酸的特性。

圖20說明本發明中的測試儀，能够檢測或測量生物樣本2010的表面電荷。它包括一個通道、一對極板2022和一個狹縫2030，狹縫將通道分為頂部通道2041和底部通道2051。當生物樣本2010携帶表面電荷[正電荷如圖20(a)]通過通道，在極板2022的電壓影響下的(正電壓上頂板，負電壓在下底板)，它將走向底板，如圖20所示(b)。因此，生物樣本2010達到狹縫2030時將通過底部通道2051。(如果生物樣本2010帶有負電荷，它將通過頂部通道2041)。通過這種方式，帶未知電荷的生物樣本(正電或負電)可通過使用這種儀器區分。

該器件包括至少兩部分的通道，其中之一是通道2060，生物樣本在通道2060出充電或修飾，另一個通道包括至少一個極板或狹縫分開生物樣本(如生物樣本的分離處)。

表面電荷會影響到生物樣本的形狀，采用多個全新極 板，生物樣本的現狀和電荷分布信息都可以獲得。一般微型設備的原則和設計是使其可以擴展到一個更廣泛的範圍，通過分離采用其它參數如離子梯度、熱梯度、光束或其他形式的能量，從而有可能獲得生物樣本的其他信息。

圖21說明了另一種本發明涉及的檢測儀，可以利用微型器件包括一個通道、探針2120和一套光學傳感器2132[見圖21(a)]檢測或測量生物樣本2110的微觀性質。通過探針2120檢測到的信號可以經過包括圖像采集的光學傳感器2132提高檢測靈敏度和特異性。光學傳感器可以是電荷偶爾器件攝像頭、一個花期光探測器、一個圖像傳感器或任意組合。

或者，探針2120可以被用來在特定生物樣本中觸發光發射，如在特定腫瘤細胞中的花期光發射2143，然後由一個光學探針2132如圖21(c)所示探測到。具體來說，生物樣本可以先用標簽解决溶液處理，可以選擇性地與腫瘤細胞反應。隨後，基於與探針2120的反應(接觸或非接觸的)，腫瘤細胞中發生光發射並可被光學傳感器2132探測到。本發明的全新微型器件較常規方法的光譜學的靈敏度更高因為觸發的發光點就在光探測器2143旁邊，可以完成實時的、在位的記錄，同時信號損失最小。

圖22是本發明中的測試儀的另一個體現，能够用來分離不同尺寸的生物樣本並探測他們各自的性質。它包括至少一個入口通道2210、流體通道2220、加速腔2230和兩個選擇通道2240和2250。通道2220和2210間的夾角在0到180度之間。生物樣本2201沿著X軸方向從入口通道2210流向流體通道2230.具有兩個生物適應性的流體2202從入口通道2220流向流體通道2230。然後流體2201會在Y方向上加速2201。 然而這種加速與生物樣本的半徑大小相關，大的樣本加速效果比小的差。因此大小不同的樣本被分至不同的通道中。同時探針可以任意組裝2210、2220、2230、2240和2250的側壁。它們可用以檢測微觀層面上樣本的電、磁、電磁、熱、光、聲、生物、化學、物理或力學性質。

本發明中的測試儀含有通道，通道的寬度比如可以從1納米到1毫米，測試儀包括至少一個進口通道和兩個出口通道。

圖23顯示了本發明包括的另一種測試儀，該測試儀配有聲學探測器2320，可以測量生物樣本2301的聲學特性。該儀器包括通道2310、以及安裝於通道側壁的至少一個超聲波發射器和超聲波接收器。當生物樣本2301通過通道2310時，從2320發出的超聲波信號携帶了2301上的信息後被接收器2330接收。超聲信號的頻率可以從2兆赫到10000兆赫，通道的寬度可以從1納米到1毫米。聲學變頻器(如超聲波發射器)可以用壓電材料製造(如石英、磷鋁礦、鎵、正磷酸鹽、磷酸鎵、電氣石、陶瓷、鈦酸鋇、鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯、鋯鈦酸鉛、鋅氧化物、氮化鋁和聚偏氟等)。

圖24顯示了本發明包括的另一種包括了用來檢測生物樣本2401的壓力檢測器的儀器，它包括至少一個通道2410，以及該通道上的至少一個壓電檢測器2420。當生物樣本2401通過通道時，壓電檢測器2420檢測出2401的壓力，並將其轉換為電信號，傳輸出至信號讀取器。同樣地，在該儀器中的溝槽的寬度可以是，例如，從1納米至1毫米。壓電材料可以是如石英、磷鋁礦、鎵、正磷酸鹽、磷酸鎵、電氣石、陶瓷、鈦酸鋇、鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯、鋯鈦酸鉛、鋅氧化物、氮化鋁和 聚偏氟。

圖25顯示了本發明包括的測試儀器，包括在一對探針間的一個凹槽2530，凹形槽可以在通道的底部或者頂部。當生物樣本2510通過通道時，凹槽2530可以選擇性的捕獲具有特殊幾何特徵的生物樣本，使探測效率更高。凹槽的形狀的投影可以是矩形、多邊形、圓或橢圓。探針可以檢測電、磁、電磁熱，光、聲、生物、化學、物理、機械性能。類似的，溝槽的寬度可以從1納米到1毫米。圖25(a)是該儀器的頂視圖，如圖25(b)是一個側視圖，而圖25(c)是該儀器的透視圖。

圖26是本發明包括的另一種測試儀，包括通道頂部與底部的凹槽2630(與圖25所示的形狀不同)。當生物樣本2610通過時，凹槽2630會使流體中產生激流，從而有選擇地捕獲具有特定幾何特徵的微生物對象。探針可以探測電、磁、電磁、熱、光、聲、生物化學，物、理、力學等特性。凹槽是一個立方空間或一個呈角度的空間。凹槽的深度可以從10納米到1毫米，通道的寬度可以從1納米到1毫米。

圖27說明本發明中的測試儀具有臺階狀通道2710。當凹槽2701通過通道2710是，不同間距的探針對可用來測量生物樣本的不同的微觀特性，甚至是同一微觀特性在不同的靈敏度和不同的臺階處(2720、2730、2740)，每個臺階邊上都有探針。該機理可應用於鎖相信號測試中，使得同一的微觀特性可以積累。探針可以探測或測量微小的電、磁、電磁、熱、光、聲、生物、化學、物理或力學特性。

圖28是本發明中的另一種測試儀，它配有溫度計2830。該測試儀包括通道，一套探針2820和一個溫度計2830。溫度計2830可以是一個紅外線傳感器、一個晶體管閾值漏泄 電流測試儀或熱敏電阻。

圖29是本發明中的一個具體測試儀，其內部包括碳納米管2920通道2910，探針2940，可以檢測微觀尺度的電、磁、電磁、熱、光、聲、生物、化學、物理或力學特性。圖中所示的碳納米管2920包含一個雙螺旋DNA分子2930。碳納米管可以通過邊上的2940施加或者探測電信號。碳納米管直徑的可以從例如0.5納米到50納米，其長度可以從例如5納米到10毫米。

圖30是本發明中的一個集成儀器，包括探測器件[圖30(a)]和光學傳感器[如圖30(b)]。光學傳感器可以是CMOS圖像傳感器(CIS)、電荷耦合器件(CCD)、光感探測器或其他圖像傳感器。該檢測器件置包括至少一個探針和一個通道，圖像器件包括至少1個像素。如圖30(c-1)和圖30(c-2)中所示的器件整合了檢測器件和光傳感器。如圖30(d)所示，當生物樣本3001、3002、3003通過通道3020時，通道內的探針3010將探測生物樣本的可以檢測微觀尺度的電、磁、電磁、熱、光、聲、生物、化學、物理或力學特性等[如圖30(e)]，同時生物樣本的圖像可通過光學傳感器同步記錄[如圖30(f)]。將探測信號與圖像結合，可獲得診斷結果，並提高檢測靈敏度和特異性。這種探測器件和光學傳感裝置可以設計在同一個系統晶片上或封裝成一個晶片。

圖31所示的檢測儀包括微型檢測器件[圖31(a)]和邏輯電路[圖31(b)]檢測器件包括至少一個探針和一個通道，邏輯電路包括尋址器，放大器，和隨機存儲器。當生物樣本3101經過通道時，其性質可由探針3130探測，信號可以被尋址\分析、存儲、處理，並實時繪圖。圖31(c-1)和圖31(c-2)中器 件整合了檢測器件和邏輯電路。同樣，該檢測器件和積體電路設計可以設計在同一個系統晶片上或封裝成一個晶片。

圖32是本發明中的一種儀器，它包括檢測器件[圖32(a)]和過濾器[圖32(b)]。當生物樣本3201經過該器件，過濾器開始工作，不相關的生物樣本被去除。其餘的生物樣本的特性可以被探測器件[圖31(a)]檢測到。檢測前的過濾將提高檢測器件的精度。該通道的寬度也可以從例如1納米到1毫米。

如圖33所示，脫氧核糖核酸3330的幾何因素，如脫氧核糖核酸中的小溝3310間的間隔對該區域的電子態分布有影響，這也會反過來影響該脫氧核糖核酸的片段中的局部生化或化學反應。通過探測器和探針3320，人們可以檢測出基因缺陷等性質，預測脫氧核糖核酸片段的反應或過程，修復或控制核酸的幾何特性，從而改變其電子態或電場分布，影響脫氧核糖核酸片段中的生化合化學反應。例如探針尖端3320可用來增加小溝3310的間隔。

圖34說明了本發明中的微型器件的製造過程。微型器件溝槽的頂部蓋有一個平蓋，與下面的溝槽形成通道。這消除了將兩個溝槽組合來形成通道的必要，同時也不需要完美的對準。

上述蓋子可以是透明的，便於顯微鏡觀察。它可以包括或由矽、鍺化矽、二氧化矽或氧化鋁。

為了演示和說明，上述的全新的、詳細的例子顯示了如何利用微電子和納米製造技術及相關的工藝流程來製造高靈敏度、多功能、强大的小型化檢測設備，使用微電子和那幾加工技術設計和加工高性能檢測設備的原則和方法已經考慮和教過，擴展至多種製造工藝的組合，包括但不限於薄膜沉積、 圖形化(光刻與刻蝕工藝)、平坦化(包括化學機械抛光)、例子注入、擴散、清洗、多種材料、工藝步驟的組合以及各種工藝順序與流程。例如，在可選檢測器件的設計與製造流程中，涉及到的材料的數量可以少於或超過四中(之前的例子中已經用到)，以及一些工藝步驟也可以比那些闡述過的工藝流程增加或者减少，視具體需要和性能指標而定。例如，在一些循環腫瘤細胞的檢測應用中，五分之一的材料是諸如生物材料的薄膜，可用於覆蓋在的金屬探針尖端以加强尖端與被測生物樣本之間的接觸，從而提高測量靈敏度。

本發明中的檢測儀和檢測方法的應用包括癌症檢測(如早期癌症)。由於癌細胞和正常細胞在許多不同的微觀性質方面存在差異，如電勢、表面電荷、密度、粘附和酸鹼度等，專利中披露的全新器件可以檢測出這些差異，因此能够强化檢測癌症的能力，特別是針對早期癌症。此外，檢測電勢和電參數的微型器件，能够進行力學參數(如密度)測試的微型器件也可通過本專利披露的方法製造。在對早期癌症的檢測的力學性質測量中，焦點是能够分化循環腫瘤細胞與普通細胞的力學性質。例如，人們可以通過本發明中測試儀集成的微型器件進行微壓痕測試，以區分循環腫瘤細胞和正常細胞。

圖35是本發明中的一種檢測儀對生物樣本疾病檢測的示意圖。該檢測儀包括一個預處理單元、探測和檢測單元以及信號分析處理單元。

圖36顯示了預處理單元中的過濾子單元工作的例子，該子單元可以將細胞按大小或尺寸區分開。器件包括至少一個入口通道3610，一個干擾流體通道3620，一個加速腔3630以及兩個選擇通道3640和3650。通道3620和3610之間的夾角 3660的範圍為從0到180度。

生物樣本3601沿X方向從入口通道3610流向加速腔3630。生物相容性流體3602從干擾流體通道3620中流向加速腔3630，並隨後在Y方向上加速了生物樣本3601。加速與生物樣本的半徑有關，半徑大的生物樣本加速效果不如半徑小的明顯。然後，半徑大的和半徑小的生物樣本隨後被區分進入不同的通道。同時，也可以在通道3610、3620、3630、3640和3650的側壁上可選擇性地加上。探針可以在微觀層面測試電、磁、電磁、熱、光、聲、生物、化學、生化、機械、電化學、電-化學-機械、物理或力學特性。

圖37是本發明涉及的樣本過濾單元的的另一個例子。3701代表小細胞，3702代表大細胞。當閥3704打開時，另一個閥3707關閉，生物樣本3701和3702流向出口A。大細胞的尺寸比過濾孔徑大，所以在出口A處被阻斷，而小細胞則從出口A流出。入口閥3704和出口A處的閥3707關閉時，生物相容性液體通過流體入口閥3706注入。流體帶著大細胞從出口B處流出。大細胞隨後在本發明中的檢測部分完成分析與檢測。

圖38是本發明中檢測儀的預處理單元的示意圖。該預處理單元包括一個樣本過濾單元、一個補充系統或單元來補充生物樣本的營養或氣體、一個常壓輸送單元和一個樣本預探測干擾單元。

圖38是本發明中檢測儀的信息或信號處理單元的示意圖。該單元包括用以信號放大的放大器(如鎖相放大器)、模數轉換器、微型計算機(如包含電腦晶片的裝置或信號處理的子裝置)、操縱杆、顯示屏及網絡連接部分。

圖40是多路信號的集成，包括一些噪聲的相消和信噪比的增加。圖中生物樣本4001在t1到t2間的△t時間內在探針1上測試，在t3到t4間的△t時間內在探針2上測試。4002是生物樣本在探針1上測得的信號。從探針1上測得的信號為4002，從探針2上測得的信號為4003，4004為4002與4003的集成信號，噪聲在一定程度上彼此相消，信號强度與信噪比增强。同樣的原理也適用於從多於2個微型器件或測試單元收集數據的情况。

此處描述的微型器件，以及部分的檢測參數、特性、描述的方法已被用於癌症樣本樣本的檢測(如肝癌和乳腺癌樣本)和控制正常樣本或非癌樣本。當測試樣本不是循環腫瘤細胞樣本時，測試還是與本發明有關，並象徵著請求項中的所述的優點與進步(提高信號靈敏度)並有益於癌症檢測特別是循環腫瘤細胞的檢測。進而這些測試可證明將强癌症信號月效率也同樣適用於循環腫瘤細胞。在使用微型器件測試的一組實驗中，測得的數據較現有基因分析方法有更强的測試信號。具體來說，即使將癌細胞樣本稀釋20倍以上，區分癌細胞與正常樣本的信號還是可以檢測到。相比之下，最近報道的基因分析檢測信號的樣品，只能稀釋約5倍。此處描述的微型器件、測試參數、癌症和正常細胞的特性均顯示出較高的測量靈敏度、可靠性和重復性。

用此處描述的微型器件進行額外的實驗室癌症組織樣本測試(每種癌症有多個樣本)，儘管微型器件可用來檢測其他類型的癌症或進行其他類型的治療。測試中，健康樣本取自動物沒有已知的癌症疾病且沒有其他惡性疾病的時候。癌症樣本與健康要本在同一種培養液中培養。培養好的樣品與稀釋液 混合，稀釋至同一濃度。稀釋樣品保持在室溫下保存不同的時間並在復蘇後最多6個小時內處理完。稀釋過的樣品在在室溫(20到23度)和30%到40%的濕度下測試。樣本在同樣條件下，加入脉衝信號的激勵，在本發明中的微型器件中完成測試。

試驗結果表明，通常情况下，對照組的測試(測量)值(測試參數的測量值用相對單位表示)明顯低於癌症組組。在相同的激勵下(激勵的類型和水平)有微型器件或探測信號的探測單元激勵的條件下，正常組與癌症組差異變得更加明顯，例如與無激勵條件下相比，差異的變化的增加從1.5倍到近8倍，換言之，癌症組對激勵的響應信號的響應遠大於正常組。因此，微型器件內的測試已證明能顯著提高癌症細胞與正常細胞間差異的測試的靈敏度與特異性。

此外，測試結果表明，在本發明中的微型器件所測試的新參數方面，癌症組與正常組有顯著的不同反應。這種差異明顯大於測試噪聲，因而有更大的窗口來區分正常組與癌症組，顯示了新測試儀和測試方法更高的靈敏度。

儘管本發明中的具體實施方案已在此說明，熟悉本領域的專業人員可在不違背或偏離本專利精神的情况下作出修改和變動。上述的例子與闡述並不局限於本發明的範圍。任何測試設備、微型儀器、製造工藝、流程步驟的組合與應用，連同本發明的明顯的延續或類似物，均在本發明的範圍內。此外，本發明包括任何協議方法，以及計算所得的相似結果以及修改與變動，都在本發明申請附加的請求項之內。

以上提到的所有出版物被納入其整體參考。本發明中披露的所有功能與細節(包括任何附帶聲明、摘要和圖表)除了另有明文規定外，均可以更換為服務相同、等價或相近的替代 功能。因此，除非另有明文規定，每個功能披露的相同或者類似功能的通用系列的一個例子。

其他方面

本發明可理解為已結合詳細描述與圖例進行了闡述。之前的描述與圖表只是為了說明，並不限制本發明的範圍，附加的申請專利範圍規定了本發明的範圍。其他方面、優點和改動都在之後的申請專利範圍範圍中。所有參考的出版物特此將其全部內容並入本文作為參考。

111,144,122,155,133‧‧‧檢測儀

211‧‧‧生物樣品

212,213,214,215,216‧‧‧生物樣本

311,312,313,314,315,321,331‧‧‧微器件

341,342,343,344,345,346,347‧‧‧微型探針

348‧‧‧四點探針

411‧‧‧襯底

412,413,414,415‧‧‧材料

518‧‧‧壓電材料

520,531‧‧‧微探針

555‧‧‧器件

611‧‧‧細胞膜

622‧‧‧細胞內部空間

666‧‧‧細胞

700‧‧‧間距

711‧‧‧沈底

712,713,715,716‧‧‧材料

771,772‧‧‧薄膜堆棧

781,782‧‧‧堆棧

811‧‧‧沈底

812,813,814,815,816‧‧‧材料

833,844

850‧‧‧微型器件

855,866‧‧‧雙微探針

871,872‧‧‧微型尖端

881,882‧‧‧壓電驅動器

922‧‧‧時鐘頻率發生器

921,931,933,941‧‧‧信號

922‧‧‧結構

921,952‧‧‧信號

944‧‧‧探測信號發生器

951‧‧‧總響應信號

955‧‧‧信號探測器

1502‧‧‧定時開關板

1503‧‧‧孔

1511‧‧‧生物樣本

1512‧‧‧計數器

1601‧‧‧調節閥

1602‧‧‧節流閥

1603‧‧‧壓力錶

1605‧‧‧壓力發生器

1701‧‧‧信號

1702‧‧‧接收器

1703‧‧‧鈣振盪

1704‧‧‧蛋白質

1705‧‧‧蛋白質

1707‧‧‧調節基因

1708

1709‧‧‧核糖核酸

1710‧‧‧特異性蛋白

1720‧‧‧控制電路

1724‧‧‧容器

1725‧‧‧注射器

1726‧‧‧有鈣離子的溶液

1727‧‧‧無鈣溶液

1728‧‧‧注射器

1730‧‧‧注射器

1801‧‧‧流體輸送系統

1802‧‧‧生物接口

1803‧‧‧探針和檢測器件

1804‧‧‧廢藥回收與處理系統

1805‧‧‧系統控制器

1901‧‧‧襯底

1902‧‧‧材料

1903‧‧‧材料

1904‧‧‧材料

1905‧‧‧材料

1910,1911‧‧‧探針

1912‧‧‧探針尖端

1920‧‧‧脫氧核糖核酸

2001‧‧‧襯底

2002‧‧‧材料

2003‧‧‧材料

2004‧‧‧材料

2005‧‧‧材料

2010‧‧‧生物樣本

2011‧‧‧樣本

2022‧‧‧極板

2041‧‧‧頂部通道

2051‧‧‧底部通道

2120‧‧‧探針

2110‧‧‧生物樣本

2132‧‧‧光學傳感器

2143‧‧‧花期光發射

2201‧‧‧生物樣本

2202‧‧‧流體

2220‧‧‧入口通道

2210‧‧‧入口通道

2230‧‧‧狹縫

2240‧‧‧通道

2250‧‧‧通道

2330‧‧‧接收器

2301‧‧‧生物樣本

2320‧‧‧聲學探測器

2310‧‧‧通道

2420‧‧‧壓電檢測器

2401‧‧‧生物樣本

2410‧‧‧通道

2510‧‧‧生物樣本

2530‧‧‧凹槽

2610‧‧‧生物樣本

2630‧‧‧凹槽

2701‧‧‧凹槽

2720‧‧‧臺階處

2730‧‧‧臺階處

2740‧‧‧臺階處

2710‧‧‧通道

2820‧‧‧探針

2830‧‧‧溫度計

2910‧‧‧通道

2920‧‧‧碳納米管

2940‧‧‧探針

3001‧‧‧生物樣本

3002‧‧‧生物樣本

3003‧‧‧生物樣本

3010‧‧‧探針

3020‧‧‧通道

3101‧‧‧生物樣本

3130‧‧‧探針

3201‧‧‧生物樣本

3310‧‧‧小溝

3320‧‧‧探針

3330‧‧‧脫氧核糖核酸

3601‧‧‧生物樣本

3602‧‧‧生物相容性流體

3610,3620‧‧‧通道

3630‧‧‧通道

3640‧‧‧通道

3650‧‧‧通道

3660‧‧‧夾角

3701‧‧‧小細胞

3702‧‧‧大細胞

3704‧‧‧入口閥

3706‧‧‧入口閥

4001‧‧‧生物樣本

4002,4003‧‧‧信號

4004‧‧‧集成信號

2030‧‧‧開口，狹縫

2031‧‧‧開口，狹縫

2080‧‧‧器件

2081‧‧‧器件

圖1(a)顯示了本發明涉及的一種CTC檢測儀的透視圖，生物樣品放置在檢測儀內或者從檢測儀內流過並檢測。圖1(b)和圖1(c)說明了CTC檢測儀包括多個獨立的微型檢測器件。

圖2(a)是本發明涉及的一種帶有多個微器件的CTC檢測儀的剖面透視圖。生物樣品放置在檢測儀內或者從檢測儀內流過，樣品的一個或多個微觀特性可以通過微器件來檢測。圖2(b)-圖2(l)以一系列透視圖說明了微器件製造的新工藝流程。圖2(m)-圖2(n)是包括多個獨立微器件的檢測儀的剖面圖。

圖3是一種CTC檢測儀的剖面透視圖，該檢測儀內多個微器件帶有不同的檢測探針。生物樣品放置在檢測儀內或從檢測儀流過，微器件檢測樣品的一個或多個微觀特性。

圖4是本發明涉及的CTC檢測儀的透視圖。該檢測儀帶有兩個間距很小的基板，兩個基板之間充滿被測生物樣品，基板內表面的微器件能够在微觀層面對樣品的一個或多個特定參數進行檢測。

圖5說明了利用微電子技術製造本發明涉及的一種CTC檢測儀的新型工藝流程。

圖6是利用本發明涉及的方法製造的一種CTC檢測儀的透視圖。該檢測儀能够檢測單個細胞的微觀特性。

圖7是本發明涉及的CTC檢測儀的剖面透視圖，該檢測儀中多個微器件按特定距離放置以高靈敏度、高特異性和高速度進行飛行時間測量，包括測量隨時間變化的或動態的信息。

圖8顯示了本發明涉及的CTC檢測儀內部包含的一系列新型微觀探針的透視圖，微探針用於檢測生物樣品(例如一個細胞)的多種電性或磁性狀態、配置或其他特性。

圖9是本發明涉及的CTC檢測儀內部新型四點探針的透視圖，用於檢測生物樣品(例如一個細胞)的微弱電信號。

圖10顯示了製造本發明涉及的一些器件的工藝流程。

圖11顯示了能够檢測生物樣本物理性能的一系列微器件的製造工藝，物理性能如機械特性(例如，硬度、剪切强度、延展强度、斷裂應力)及與細胞膜相關的其他特性。

圖12展示了帶有兩個微探針的微器件是如何工作的，兩個微探針施加動力後可以向相反方向移動以探測生物的特性(如細胞膜的機械特性)。

圖13展示了應用於CTC檢測儀的新型飛行時間檢測方法，該方法利用了時鐘信號發生器和信號檢測探頭，並利用了特定的時鐘信號、探測信號(被微器件檢測到的信號)，並經過鎖相放大技術過濾信號、處理和增强被測信號。

圖14展示了應用於CTC檢測儀的另一種飛行時間檢測方法，該方法使用了時鐘信號發生器、探測信號發生器和信號 探測器，並利用了特定的時鐘信號、被微器件檢測到的對探測信號產生的反饋信號，並經過鎖相處理技術過濾信號、增長被測信號，顯示了探測到的反饋信號是時間的函數(反饋信號有時會有延遲)。

圖15展示了CTC檢測儀另一種新型飛行時間檢測法，該方法利用新型的微過濾器根據生物樣本如尺寸、重量、形狀、電氣性能或表面特性的不同，將生物樣本分離以供檢測。

圖16展示了流體輸送系統，這是CTC檢測儀器的預處理部分，它以一定的壓力和速度向器件內部推送樣品或輔助材料。

圖17(b)-17(c)展示了一種新穎器件，它能够在單細胞水平進行蜂窩通信，發出激勵信號並接收細胞的反饋信號，這種信號可以是與電學、磁學、電磁學、熱學、光學、聲學、生物學、化學、機電學、電化學、電化學機械、生物化學、生物力學、生物機電、生物電化學、生物電化學機械、物理或力學性能有關的信號。圖17(a)展示了信號在單細胞水平的反應和處理。

圖18是CTC的檢測儀的系統框圖，包括各種功能模塊。

圖19展示了一種能够溝通、捕捉、整理、分析、處理或修改和測量DNA各種屬性的儀器。

圖20展示了本發明涉及的檢測儀，它能够檢測生物樣品的表面電荷並根據電荷的不同通過一個狹縫將生物樣品分離。

圖21展示了本發明涉及的另一種帶有多個光學傳感器並能够檢測光學特性的檢測儀。

圖22展示了本發明涉及的另一種檢測儀，它能够根據 生物樣品的幾何尺寸進行區分，並分別檢測其特性。

圖23展示了能够檢測生物樣品聲學特性的檢測儀。

圖24展示了能够檢測生物樣本內部壓力的檢測儀。

圖25展示了在探針之間、通道的底部或頂部帶有凹坑(底紋)的檢測儀。

圖26展示了帶有和圖25形狀不同的凹坑的檢測儀。

圖27展示了具有階梯通道結構的檢測儀。

圖28展示了本發明涉及的檢測儀帶有一套熱學儀錶。

圖29展示了本發明涉及的檢測儀包括管道內含有DNA的碳納米管。

圖30展示了集成電了檢測器件和光學傳感器檢測儀。

圖31展示了集成了檢測器件和邏輯電路的檢測儀。

圖32展示了集成了檢測器件和過濾器的檢測儀。

圖33展示了本發明涉及的微器件是如何用於檢測DNA幾何參數的。

圖34展示了微器件的製造工藝，通過覆蓋溝槽的頂部來實現通道。

圖35展示了使用本發明的檢測儀利用生物樣品檢測疾病的示意圖。

圖36展示了一種樣品過濾單元。

圖37展示了另一種樣品過濾單元。

圖38是本發明涉及的檢測儀的預處理單元示意圖。

圖39是本發明涉及的檢測儀信息處理單元示意圖。

圖40展示了多個信號的叠加消除了噪聲增大了信噪比。

111‧‧‧檢測儀

211‧‧‧生物樣品

Claims (59)

1. 一種檢測生物樣本內的腫瘤細胞的儀器，包括一個生物樣本的運輸系統和一個探測檢測器件，所述運輸系統將生物樣本運輸至所述探測檢測器件；所述探測檢測器件包含第一個微器件以及第一個支撐微器件的襯底，此微器件探觸被測生物樣本，並可以在微觀層面上測量生物樣本的一種性質；所述探測檢測器件可以向生物樣本施加一個信號從而刺激生物樣本，使之產生某種內在的反應。
2. 如請求項1所述的儀器，其中，所述探測檢測器件能够對生物樣本內的腫瘤細胞進行探測、計數並記錄。
3. 如請求項2所述的儀器，其中，所述探測檢測器件檢測到的腫瘤細胞的數量表示了腫瘤發展的階段，可用於標記腫瘤發展的階段。
4. 如請求項1所述的儀器，其中，生物樣本內的腫瘤細胞指的是循環腫瘤細胞。
5. 如請求項1所述的儀器，其中，所述第一個微器件可以在微觀層面上測量生物樣本的如下性質包括，電學、磁學、電磁學、熱學、光學、聲學、生物學、化學、電機械學、電化學、電光學、電熱學、電化學機械學、生物化學、生物機械學、生物光學、生物熱學，生物物理學，生物電機械學、生物電化學，生物電光學、生物電熱學，生物機械光學、生物機械熱學、生物熱光學、生物電化學光學、生物電機械光學、生物電熱光學、生物電化學機械學、物理學、機械學性質或以 上性質的組合。
6. 如請求項5所述的儀器，其中，被測生物樣本與標準生物樣本間測得的性質差異，或被測生物樣本中的細胞與普通細胞間測得的性質差異，表示了存在循環腫瘤細胞的可能性。
7. 如請求項5所述的儀器，其中，所述電學性質包括表面電荷、表面電位、靜態電位、電流、電場分布、表面電荷分布、細胞電性、細胞表面電性、動態電性變化、動態細胞電性變化、動態細胞表面電性變化、動態表面電性變化、細胞膜表面電性、細胞膜表面電性變化、動態細胞膜電性變化、電偶極、電四級、電信號振盪、電容、3d電子雲分布、DNA端粒酶與染色體電性、電阻；熱學性質為溫度或震動頻率；光學性質為光學吸收、光學傳播、光學反射、光電性質、亮度、熒光發光；放射性特性為放射發射，由放射性材料引發的信號、由放射性材料探測的信號；化學性質為PH值、化學反應、生物化學反應、生物電化學反應、反應速度、反應能、氧含量、氧消耗量、離子强度、催化行為、化學添加劑觸發增强的信號響應，生物化學添加劑觸發增强的信號響應，生物添加劑觸發增强的信號響應，化學試劑增强檢測靈敏度、生物化學試劑增强檢測靈敏度、生物試劑增强檢測靈敏度或化學鍵强度；物理性質為密度、形狀、體積、表面積；生物學性質為表面形狀、表面積、表面電荷、表面生物性質、表面化學性質、PH值、電解質、離子强度、阻值、細胞濃度、溶液的生物學、電學、物理學或化學性質；聲學性質為頻率、聲波速度、聲頻，聲强譜分布、聲强、聲吸收、聲諧振；機械性質為內部壓力、硬度、流速、粘度、流體機械性質、剪切 强度、伸長力、收縮力、粘附、機械共振頻率、彈性、可塑性或可壓縮性。
8. 如請求項5中所述的儀器，其中，所述探測檢測器件向生物樣本施加0.1mV到5mV的電壓。
9. 如請求項5所述的儀器，其中，所述探測檢測器件向生物樣本施加1mV到1.0V的電壓。
10. 如請求項5所述的儀器，其中，所述第一個微器件包含導電材料、電絕緣材料、生物材料或半導體材料。
11. 如請求項5所述的儀器，其中，所述第一個微器件的尺寸範圍為從1埃到5毫米。
12. 如請求項5所述的儀器，其中，所述探測檢測器件進一步包含一個或多個添加的微器件，所述微器件可以在微觀層面上測量生物樣本的電學、磁學、電磁學、熱學、光學、聲學、生物學、化學、電機械學、電化學、電光學、電熱學、電化學機械學、生物化學、生物機械學、生物光學、生物熱學，生物物理學，生物電機械學、生物電化學，生物電光學、生物電熱學，生物機械光學、生物機械熱學、生物熱光學、生物電化學光學、生物電機械光學、生物電熱光學、生物電化學機械學、物理學、機械學性質或以上性質的組合。
13. 如請求項12所述的儀器，其中，所述每個添加的微器件包含導電材料、電絕緣材料、生物材料或半導體材料。
14. 如請求項12所述的儀器，其中，所述每個添加的微器件包含 與第一個微器件相同或者不同的材料，並能够對生物樣本測量與第一個微器件相同或不同的性質。
15. 如請求項14所述的儀器，其中，所述第一個微器件和每個添加的微器件可以測量以下性質，包括表面電荷、表面電位、靜態電位、電流、電場分布、表面電荷分布、細胞電性、細胞表面電性、動態電性變化、動態細胞電性變化、動態細胞表面電性變化、動態表面電性變化、細胞膜表面電性、細胞膜表面電性變化、動態細胞膜電性變化、電偶極、電四級、電信號振盪、電容、3d電子雲分布、DNA端粒酶與染色體電性、電阻；溫度或震動頻率；光學吸收、光學傳播、光學反射、光電性質、亮度、熒光發光；放射性特性為放射發射，由放射性材料引發的信號、由放射性材料探測的信號；PH值、化學反應、生物化學反應、生物電化學反應、反應速度、反應能、氧含量、氧消耗量、離子强度、催化行為、化學添加劑觸發增强的信號響應，生物化學添加劑觸發增强的信號響應，生物添加劑觸發增强的信號響應，化學試劑增强檢測靈敏度、生物化學試劑增强檢測靈敏度、生物試劑增强檢測靈敏度或化學鍵强度；密度、形狀、體積、表面積；表面形狀、表面積、表面電荷、表面生物性質、表面化學性質、PH值、電解質、離子强度、阻值、細胞濃度、溶液的生物學、電學、物理學或化學性質；頻率、聲波速度、聲頻，聲强譜分布、聲强，聲吸收、聲諧振；內部壓力、硬度、流速、粘度、流體機械性質、剪切强度、伸長力、收縮力、粘附、機械共振頻率，彈性、可塑性或可壓縮性。
16. 如請求項14所述的儀器，其中，所述微器件可以在同一時間 或不同時間測試相同或不同的特性。
17. 如請求項16所述的儀器，其中，所述每個添加的微器件的尺寸可以從1埃到大約5毫米。
18. 如請求項12所述的儀器，其中，所述微器件在襯底上的間距至少為10埃。
19. 如請求項18所述的儀器，其中，所述兩個相鄰的微器件的間距為5微米到100微米左右。
20. 如請求項5所述的儀器，其中，所述襯底的形狀為板型、管型或者管陣列。
21. 如請求項5所述的儀器，其中，所述襯底是一個三維的物體。
22. 如請求項5所述的儀器，其中，所述探測檢測器件進一步包括第二個襯底用於放置添加的微器件，其材料可以是和第一個襯底相同或不同。
23. 如請求項5所述的儀器，進一步包括一個讀取器件，該器件與探測檢測器件接觸，能够從探測檢測器件讀取測試性質的數據的器件。
24. 如請求項4所述的儀器，其中，所述生物樣本的運輸系統包括一個流體輸送系統，該系統又包括壓力發生器、壓力調節器、節流閥、壓力錶和分配包。
25. 如請求項24所述的儀器，其中，所述壓力發生器包括馬達活塞系統和充入壓縮氣體的容器。
26. 如請求項24所述的儀器，其中，所述壓力調節器能將壓力向上或向下調節至所需值。
27. 如請求項24所述的儀器，其中，所述壓力錶將測出的壓力值反饋至節流閥，節流閥然後調節壓力以接近目標值。
28. 如請求項24所述的儀器，其中，所述傳輸的流體是液體。
29. 如請求項28所述的儀器，其中，所述液體是血液樣本、尿液樣本、唾液樣本、泪液樣本、汗水樣本或淋巴樣本。
30. 如請求項5所述的儀器，其中，所述探測檢測器件進一步包括控制系統，該系統與所述第一個微器件接觸，又包括預放大器、鎖相放大器、電性能測試儀、溫度計、開關矩陣、系統總線、邏輯單元、處理器和用戶接口。
31. 如請求項30所述的儀器，其中，所述用戶接口包括傳感器。
32. 如請求項31所述的儀器，其中，所述傳感器包括熱傳感器、流量計、光傳感器、電壓表、電流錶電荷傳感器、PH計、硬度測試傳感器、熱傳感器、流量計或壓電計。
33. 如請求項4所述的儀器，進一步包括生物接口、系統控制器、廢藥循環或處理系統，所述生物介面連接所述生物樣本的運輸系統和所述探測檢測器件，所述系統控制器接觸並控制所述生物樣本的運輸系統和所述探測檢測器件，所述廢藥迴圈或處理系統回收經過所述探測檢測器件後的生物樣品的廢物。
34. 如請求項33所述的儀器，其中，所述廢藥的循環和處理由同一系統完成。
35. 如請求項33所述的儀器，其中，所述廢藥的循環和處理由兩個不同的系統完成。
36. 如請求項4所述儀器，進一步包括生物樣本的輸送系統、分配系統、分配通道、預處理單元、補充單元測試器件、全球定位系統、馬達器件、信號發生器、信號接收器、傳感器、存儲單元、邏輯處理單元、特定用途的晶片、藥物循環單元、微機電器件、多功能器件、或進行手術、藥物投放、清理和醫用功能的微型儀器。
37. 如請求項36所述的儀器，其中，所述預處理單元包括過濾單元、營養和呼吸氣體補充單元，恒壓輸送單元或樣品干擾裝置。
38. 如請求項4所述的儀器，其中，所述生物樣本的運輸系統包括至少一個通道，生物樣本在其中沿一定方向運動；所述探測檢測器件包括至少一個探測器件和至少一個檢測器件，在生物樣本運動的方向上，至少有一個探測器件位於至少一個檢測器件前面，探測器件和檢測器件可以在通道的外部或者在通道的內壁上。
39. 如請求項38所述的儀器，其中，所述探測檢測器件包括至少兩個檢測器件，能够測量微觀層面上生物樣本相同或不同的性質。
40. 如請求項39所述的儀器，其中，所述檢測器件可以在微觀層面上測量以下性質包括表面電荷、表面電位、靜態電位、電流、電場分布、表面電荷分布、細胞電性、細胞表面電性、動態電性變化、動態細胞電性變化、動態細胞表面電性變化、動態表面電性變化、細胞膜表面電性、細胞膜表面電性變化、動態細胞膜電性變化、電偶極、電四級、電信號振盪、電容、3d電子雲分布、DNA端粒酶與染色體電性、電阻；熱學性質為溫度或震動頻率；光學吸收、光學傳播、光學反射、光電性質、亮度、熒光發光；放射性特性為放射發射，由放射性材料引發的信號、由放射性材料探測的信號；PH值、化學反應、生物化學反應、生物電化學反應、反應速度、反應能、氧含量、氧消耗量、離子强度、催化行為、化學添加劑觸發增强的信號響應，生物化學添加劑觸發增强的信號響應，生物添加劑觸發增强的信號響應，化學試劑增强檢測靈敏度、生物化學試劑增强檢測靈敏度、生物試劑增强檢測靈敏度或化學鍵强度、物理性質為密度、形狀、體積、表面積；表面形狀、表面積、表面電荷、表面生物性質、表面化學性質、PH值、電解質、離子强度、阻值、細胞濃度、溶液的生物學、電學、物理學或化學性質；頻率、聲波速度、聲頻，聲强譜分布、聲强，聲吸收、聲諧振；內部壓力、硬度、流速、粘度、流體機械性質、剪切强度、伸長力、收縮力、粘附、機械共振頻率，彈性、可塑性或可壓縮性。
41. 如請求項38所述的儀器，其中，所述通道在不同部分的形狀和尺寸可以相同也可以不同。
42. 如請求項38所述的儀器，其中，所述通道寬度範圍從1納米 到1毫米。
43. 如請求項38所述的儀器，其中，所述通道可以是直的、彎的或者有一定角度。
44. 如請求項38所述的儀器，其中，所述通道的內壁構成了圓形、橢圓形、方形或多邊形的空間。
45. 如請求項44所述的儀器，其中，所述通道的內壁構成了圓形、橢圓形、多邊形、或矩形空間。
46. 如請求項45所述的儀器，其中，所述通道是一個碳納米管。
47. 如請求項46所述的儀器，其中，所述碳納米管的直徑從0.5納米到1微米，長度從5.0納米到10毫米。
48. 如請求項38所述的儀器，其中，所述通道內壁至少有一個凹坑，凹坑可以和探測檢測器件在通道的同一部分。
49. 如請求項48所述的儀器，其中，所述凹坑可以是方形空間或角度空間。
50. 如請求項49所述的儀器，其中，所述凹坑深度從10納米到1毫米。
51. 如請求項38所述的儀器，其中，所述通道中注入干擾流體，可以在生物樣本通過微型探測器件之前或之後，可以幫助或阻礙生物樣本在通道內運動。
52. 如請求項51所述的儀器，其中，所述干擾流體通過干擾流體 通道注入到通道內，通過分配流體通道連接到通道墻壁的開口處。
53. 如請求項38所述的儀器，其中，所述儀器用於測試兩種或兩種以上生物樣本中的循環腫瘤細胞，通道包括用於根據相同性質的不同水平分離生物樣本的器件。
54. 如請求項38所述的儀器，其中，所述樣本分離器件是通過樣本表面電荷實現分離的狹縫。
55. 如請求項38所述的儀器，進一步包括過濾器件，可以在生物樣本通過所述探測檢測器件前從生物樣本中過濾無關物質。
56. 如請求項4所述的儀器，進一步包括生物樣本的輸送單元、通道、預處理單元、補充單元、檢測單元、數據存儲單元、數據分析單元、中央控制單元、生物樣本循環單元、廢棄物處理單元、全球定位系統、運動器件、信號發生器、信號收集器、傳感器、邏輯處理單元、特定功能晶片、微機電系統，或用於手術、藥物投放、清洗或具有醫療功能的微型器件。
57. 如請求項56所述的儀器，其中，所述儀器可集成於單獨的器件或一個板上。
58. 如請求項56所述的儀器，其中，所述預處理單元由過濾單元、營養和呼吸氣體補充單元、常壓輸送單元或樣品分配單元組成。
59. 如請求項1所述的儀器，其中，所述儀器中的腫瘤細胞來自於前列腺癌、肺癌、結腸癌、乳腺癌、腦腫瘤、宮頸癌、霍 奇金淋巴瘤、非霍奇金淋巴瘤、腎細胞癌、白血病、肝癌卵巢癌、皮膚癌、睾丸癌、甲狀腺癌、胰腺癌、子宮內膜癌食管癌或子宮癌。