TWI711819B - 增強疾病檢測與鑒定的器件與方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供了一類微型器件，以及使用相同器件檢測微觀水準上，包含在液體中或以液體形式存在的生物樣本的檢測方法。器件包括使生物樣本通入微型器件的入口，可選的預處理單元，探測單元，檢測單元，系統控制器以及使殘餘生物樣本或廢料排出微型器件的出口。本發明進而提供了至少一種化學，生物學或生物化學的添加劑，添加劑與微型器件結合使用，並採用相同的微型器件的方法檢測微觀水準上的存在與液體中，或以液態形式存在生物樣本的特性，具有更強的靈敏度和特異性。

Description

增強疾病檢測與鑒定的器件與方法 【相關申請案】

本專利主張2012年7月16日提交的美國專利，第61/672,231號的優先全，本專利包含所引用的上述專利的全部內容。

本發明涉及一類全新的、集成的微型器件，特別是能夠執行許多加強的疾病檢測的微型器件。

許多高發病率和死亡率的嚴重的疾病的早期準確診斷，包括癌症和心臟病，是非常困難的。當前的疾病診斷技術通常依賴於宏觀資料和資訊，如體溫、血壓、身體的掃描影像。檢測嚴重疾病如癌症，許多常用的診斷儀器都基於成像技術，包括X-射線，CT掃描，核磁共振(NMR)。雖然這些技術可以提供不同程度的疾病診斷價值，它們中的大多數不能提供準確的、完全安全的及成本有效的早期癌症診斷。此外，許多現有的診斷技術和相關儀器具有侵入性，在有些場合尤其是在偏遠地區和農村地區是無法實現的。

儘管新近湧現的技術，如使用在DNA測試中的一些技術還未被證實可以快速、可靠、準確及成本有效的診斷廣泛的疾病。近年來，出 現了將納米技術使用在各種生物應用上的嘗試，其中大部分的工作集中在基因測繪和疾病檢測領域的適度發展。例如，Pantel等人討論了利用微機電系統(MEMS)感測器檢測血液和骨髓中的癌細胞(參考Klaus Pantel et al.,Nature Reviews,2008,8,329)；Kubena等人在美國專利6922118中披露了使用微機電系統(MEMS)檢測生物成分；Weissman等人在美國專利6330885中披露了利用微機電系統(MEMS)感測器用於檢測生物物質的累積。

然而，迄今為止，上述技術中的大部分局限於孤立的案例，且使用結構相對簡單、尺寸較大、但功能有限的系統進行檢測，缺乏靈敏度與特異性。此外，一些現有的利用納米顆粒和生物方法的技術的缺點是需要複雜的樣品製備過程(如使用化學或生物標誌物)，資料表達上的困難，以及在診斷方法上過多地依賴視覺和顏色變化(具有主觀性且解析度有限)，這些技術的缺點使它們不適合用於疾病的早期檢測，如癌症這樣的嚴重疾病，特別是不適合醫院的常規篩選和/或定期的身體檢查中。還有一些技術則無法同時實現高靈敏度和特異性。

上述的缺點急需全新的方法，不僅克服這些缺點，更帶來在疾病早期檢測中的更高的準確性，靈敏度，特異性，效率，非侵入性，實用性，簡單性和快速檢測的優點，同時能降低成本。

現有的檢測技術及設備主要由以單一技術為基礎的單一用途的設備決定，其疾病檢測的覆蓋範圍與功能有限和效率低。這些技術往往是非常廣泛的，體積龐大(如核磁共振、CT和X-射線設備)，主要包括三大類：(一)基於影像的中晚期癌症檢測技術；(b)生物標誌物技術，對特定的癌症類型提供了一定的靈敏度(但對於給定的生物標誌物，通常是對典型的一種或一個亞種的癌症具有靈敏度，且特異性水準相對較低)；(c)為基因技術為基礎的檢測技術，相對靈敏度較低，處理時間長。

由於影像技術僅能夠在中晚期檢測疾病，倚重於影像技術的 方法和儀器不適合或不能夠應用於早期疾病檢測，尤其是癌症。

相比於影像技術，生物標誌物可以在早期階段檢測某些特定的癌症。然而，這是一個複雜的檢測技術和方法。由於特異性較低，很容易出現誤報。此外，該技術應用於較小的檢測範圍和較少的癌症種類，因為通常一個給定的生物標誌物，只對一類特定類型的腫瘤或亞型的腫瘤敏感。所以，該技術可能也不適用於常規的體檢(如年度體檢)中的癌症篩查。它也無法單獨使用於癌症的檢測，並可能需要額外的診斷工具來驗證。

一些其他技術能夠檢測癌症的某些常規參數，但無法區分或識別(即，確定)特定類型的癌症。換句話說，即使這些技術可以提醒一個癌症疾病的存在，也無法確定癌症的類型，因此需要額外的使用其他檢測技術來診斷。因此，這些技術無法獨立的提供癌症的診斷方案。

在提供常規(早期癌症檢測)和特定類型的癌症的檢測能力方面有一種需要。上述的現有癌症檢測技術的局限性顯示了現有的方法與設備無法有效的同時檢測生物樣本的常規參數並確定癌症的特定種類。

本發明涉及一類全新的、集成的微型器件。微型器件能夠執行許多加強的疾病檢測，並在微觀水準上，在體內或體外，在單個細胞，單個生物分子(如DNA,RNA或蛋白質)，單個生物樣本(如單個病毒)或其他足夠小的單元或基本生物組分上做出檢測和識別。這類微型器件可以通過使用先進的製造技術和新的工藝流程製造，如積體電路製造技術。本文所使用的術語“疾病檢測微型器件”可與疾病檢測器件或集成有微型器件的檢測儀或其他同義的相近術語互換。本發明的微型器件包括多種微型單元，以執行不同功能並選擇性的檢測待測或待分析的生物樣本的多種參數。檢測儀的可選部件包括執行定址、控制、驅動、接收、放大、操縱、 處理、分析和判定(如邏輯判定)或存儲來自各探針的資訊等的功能。這些部件可以是例如含有處理電路的中央控制單元，定址單元，放大電路，邏輯處理電路，模擬器件，存儲單元，特定應用的晶片，信號發生器，信號接收器或感測器。

這些疾病檢測微型器件能夠在疾病早期作出檢測，具有更高的靈敏度、特異性、速度、簡易性，可操作性和便利性(如，簡單的操作程式或更小的設備尺寸)，可承受能性(例如，成本更低)，大大減少了侵入性和副作用。因此，本發明的微型器件具有比常規的疾病檢測儀或技術更高的水準。

用於製造本發明中微型器件的創新性製造技術或工藝包括但不限於力學，化學，物理化學，化學力學，電學，物理學，磁學，生物化學，生物物理學，電磁學，生物物理力學，電力學，生物電力學，微觀電力學，電化學力學，電生物化學力學，納米製造技術，積體電路和半導體製造技術及工藝。使用技術的通用描述可參考如R.Zaouk等人的Introduction to Microfabrication Techniques,in Microfluidic Techniques(S.Minteer,ed.),2006,Humana Press；Microsystem Engineering of Lab-on-a-chip Devices,1st Ed.(Geschke,Klank & Telleman,eds.),John Wiley & Sons,2004.微器件的功能將至少包括傳感，檢測，測量，診斷，監測，和對疾病的診斷分析。多個微器件可以集成到一個檢測儀上，使檢測儀更先進更複雜，進一步提高了檢測的靈敏度，特異性，速度和功能，具有測量相同的參數或一組不同的參數的能力。

一方面，本發明提供的微型器件可以檢測液體中的生物物質，或液態生物物質微觀水準的性質。器件包括使生物物質通過微型器件的入口，可選的預處理單元，探測單元，檢測單元，系統控制器以及將殘餘生物物質或廢棄物排出微型器件的出口。

一些實施例中，探測的性質包括熱學，光學，聲學，生物 學，化學，放射性的，電學，磁學，電力學，電化學，電光學，電熱學，電磁學，電化學力學，生物化學，生物力學，生物光學，生物熱學，生物物理學，生物電力學，生物電化學，生物電光學，生物電熱學，生物力學光學，生物力學熱學，生物熱學光學，生物電化學光學，生物電力學光學，生物電熱學光學，生物電化學力學，物理學或力學信號，或以上的組合。

電學性質包括表面電荷、表面電位、靜態電位、電流、電場分佈、、電偶極、電四極、三維電子雲分佈、DNA端粒酶與染色體的電性、電容或電阻。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、螢光發光。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、氧鍵合端，氧鍵合強度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電荷密度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電離強度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電場密度，電離強度、催化行為、化學添加劑觸發增強的信號回應，生物化學添加劑觸發增強的信號回應，生物添加劑觸發增強的信號回應，化學試劑增強檢測靈敏度、生物化學試劑增強檢測靈敏度、生物試劑增強檢測靈敏度、以及化學鍵強度；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、離子強度、阻值、細胞濃度、生物標誌物相關性質或溶液的生物學、電學、物理學或化學性質。聲學性質為頻率、聲波速度、聲頻，聲強譜分佈、聲強，聲吸收、聲諧振。力學性質為內部壓力、硬度、流速、黏度、流體機械性質、剪切強度、伸長力、收縮力、粘附、機械共振頻率，彈性、可塑性或可壓縮性。上述性質可以是靜態、動態或者可變的。

一些實施例中，每個微型器件包括一個或多個通道，微型泵，入口和出口，其中信號檢測單元和可選的探測單元位於側壁。

一些實施例中，每個微型器件可進而包括一個毛細管。在其他一些實施例中，每個微型器件還包括一個具有兩端開口和一個具有內表面和外表面的側壁的毛細管，選擇性的包括的微泵，樣品預處理單元，樣品的迴圈單元，和樣品的放電單元，其中一端開口是微型器件的入口，另一端開口為微型器件的出口，毛細管提供了檢測單元和可選的探測單元。

一些實施例中，毛細管包括了一個內核和由內核及毛細管側壁內表面定義的通道。

其他一些實施例中，毛細管包括了一個或多個貫穿毛細管內壁和外壁的針孔，探測單元和檢測單元位於其中。

其他一些實施例中，毛細管包括至少兩個針孔，每個針孔都貫穿毛細管側壁的內外表面，探測單元或檢測單元位於其中。

其他一些實施例中，每個探測單元或檢測單元能夠發送探測信號或測量微觀水準上的熱學，光學，聲學，生物學，化學，放射性的，電學，磁學，電力學，電化學，電光學，電熱學，電磁學，電化學力學，生物化學，生物力學，生物光學，生物熱學，生物物理學，生物電力學，生物電化學，生物電光學，生物電熱學，生物力學光學，生物力學熱學，生物熱學光學，生物電化學光學，生物電力學光學，生物電熱學光學，生物電化學力學，物理學或力學信號，或以上的組合。例如，電學性質包括表面電荷、表面電位、靜態電位、電流、電場分佈、、電偶極、電四極、三維電子雲分佈、DNA端粒酶與染色體的電性、電容或電阻。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、螢光發光。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、氧鍵合端，氧鍵合強度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電荷密度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電離強度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電場密度，電離強度、催化行為、化學添加劑觸發增強的信號回應，生 物化學添加劑觸發增強的信號回應，生物添加劑觸發增強的信號回應，化學試劑增強檢測靈敏度、生物化學試劑增強檢測靈敏度、生物試劑增強檢測靈敏度、以及化學鍵強度；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、離子強度、阻值、細胞濃度、生物標誌物相關性質或溶液的生物學、電學、物理學或化學性質。聲學性質為頻率、聲波速度、聲頻，聲強譜分佈、聲強，聲吸收、聲諧振。力學性質為內部壓力、硬度、流速、黏度、流體機械性質、剪切強度、伸長力、收縮力、粘附、機械共振頻率，彈性、可塑性或可壓縮性。上述性質可以是靜態、動態或者可變的。

每個針孔可通過包括力學、電學、磁學、電磁學、放射性、離子、熱學、光學、聲學、化學、電力學、電化學和電化學力學處理或技術來製造。

每個針孔的直徑或寬度範圍從0.01微米到1釐米，最優範圍為10微米到2000微米。

毛細管可具有有圓形，橢圓形，正方形，長方形，三角形或多邊形的形狀

一些實施例中，毛細管的內部直徑或寬度範圍從大約0.1微米到10毫米，約從20微米到300微米，約從0.1微米到100微米，或從約5微米到500微米。另一方面，毛細管測長度範圍從100微米到大約100毫米，或從100微米到大約100毫米。

一些實施例中，探測單元和檢測單元可包含於同一個單元中。

一些實施例中，探測單元向生物樣本施加放射性信號。

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

一些實施例中，探測單元包括了正電子發射器件，可向生物樣本發送探測信號。

一些實施例中，檢測器件包括了集成於其中的光譜收集器。光譜收集器的例子包括光探測器，對光子的檢測具有的高靈敏度，聲學轉換器，探測器如基於邊緣效應的轉換器，用於電學和/或振動信號的探測，用於分析化學、生物和生物化學成分的分析器如高效液相色譜法(HPLC)，離子耦合質譜儀和品質譜分析器。

一些實施例中，微型器件進而包括添加劑的入口，用於向含有生物樣本的液體中引入添加劑。

一些實施例中，至少有一個添加劑的入口與針孔相連。其他一些實施例中，至少一個添加劑的入口位於探測單元或檢測單元處。

一些實施例中，添加劑與生物樣本互動、相互作用或探測生物樣本，或者添加劑能夠觸發、參與或者作用於生物樣本的回應(例如在細胞水準)，或增強生物樣本待測性質的測試信號強度。生物樣本對探測信號的響應可以是自身的一個反應或連鎖反應。由此增強微觀特性的強度或由此增強信噪比。

一些實施例中，添加劑與生物樣本反應或結合，形成複合物、配合物和聚合物，由此增強待測生物樣本檢測特性的強度。

一些實施例中，添加劑選擇性的與生物樣本或其中某組分反 應或結合，形成複合物、配合物和聚合物，因此選擇性的增強待測生物樣本或其中某組分的檢測特性的強度。

一些實施例中，添加劑包括了液體溶液，固體納米顆粒或氣體。

一些實施例中，液體溶液是水溶液或有機溶液，包括高錳酸鉀，葡萄糖，葡萄糖化合物，磷酸氫鹽，丙酮酸，丙酮酸鈉，溴溴丙酮酸，丙酮酸，乙酸，丙酮醛，丙醛，乳酸脫氫酶，乳酸，丙氨酸，氨基酸，蛋白質，鈣，鉀，鈉，鎂，硫，銅，鋅，硒，鉬，氟，氯，碘，錳，鈷，鐵，或酶。

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

一些實施例中，氣體組分或液體溶液中包含O2,O3,CO,CO2，鈣，鈉，鉀，硫，鈉，鎂，銅，鋅，硒，鉬，氟，氯，碘，錳，鈷，鐵，或碳基的有機基團包括但不限於有機金屬化合物，醛(羰基)，酮(羰基)，羧酸(羧基)，胺(氨基)，氨基酸(氨基和羧基)和酒精(羥基)。

一些實施例中，添加劑包括離子，氧化劑，還原劑(還原性試劑)或生物活性化合物。本文所使用的術語“生物活性化合物”，是指參與細胞的功能和過程的化合物，如代謝過程的化合物。生物活性化合物的例子包括碳水化合物，蛋白質和酶。

適合的離子的實例包括但不限於Fe3+,Fe2+,Ag+,Cu2+,Cr3+,Na+,K+,Pt2+,Mg2+,H+,Ca2+,Hg2+,Al3+,NH4+,H3O+,Hg24+,Cl-,F-,Br-,O2-,CO32-,HCO3-,OH-,NO3-,PO43-,SO42-,CH3COO-,HCOO-,C2O42-和CN-離子。

適合的氧化劑的實例包括但不限於氧，臭氧，過氧化氫，無機過氧化物，硝酸，硝酸鹽化合物，鉻化合物，高錳酸鹽複合，硫酸，過 硫酸，氟，氯，溴，碘，亞氯酸鹽，氯酸鹽，高氯酸鹽，其他類似鹵素化合物(例如，對氯甲苯，二溴戊烷，2-溴乙烷和2-碘-2-甲基戊烷)，氯酸根，其他的次鹵酸鹽化合物(例如，次碘酸，次溴酸鹽，氯酸鹽，和次氟酸)，過硼酸鈉，氧化亞氮，氧化銀，鋨，托倫斯試劑，2,2’-二吡啶二硫化物，尿素，和它們的組合和它們的化合物(例如，硝酸銀，硝酸鐵，尿素氮，血尿素氮，和高錳酸鉀)。

適合的還原劑的實例包括但不限於但游離態氫，含鐵陽離子的化合物(如，硫酸亞鐵)，汞鈉，硼氫化鈉，亞硫酸化合物，水合肼，含有錫離子的化合物，鋅汞齊，氫化鋁鋰，林德拉催化劑，甲酸，草酸，抗壞血酸，亞磷酸鹽，次磷酸鹽，和亞磷酸。適合的生物活性化合物的實例包括但不限於葡萄糖，果糖，丙酮酸鹽，半乳糖，氨基酸，乙酸，二羥乙酸，草酸，丙酸，乙酸，酶(氧化還原酶(脫氫酶，螢光素酶，DMSO還原酶)，轉移酶，水解酶，裂解酶，異構酶，連接酶，RNA的酶，DNA聚合酶，RNA聚合酶，氨醯tRNA合成酶，和核糖體)，人工酶(例如，組氨酸殘基)，以及酶與它們各自的輔助因數。

一些實施例中，探測單元探測微觀水準上的特性，並產生一個機器可讀的測試信號。

一些實施例中，系統控制器處理上述機器可讀的測試型號，並產生可顯示的或通過人眼可讀的資料。

一些實施例中，系統控制器包括了第一模數轉換器，電腦和資料顯示器。例如，資料顯示器可以是電腦螢幕或印表機。

一些實施例中，系統控制器進而包括了放大器，能夠將測得的機器可讀數據到達模數轉換器及計算器之前放大。放大器的選擇之一是鎖相放大器。

在一些實施例中，電腦包括CPU，RAM和ROM。CPU(即中央處理單元是通過基本的算術，系統的邏輯和輸入/輸出操作指令，執行 電腦程式的硬體。RAM(即隨機存取記憶體)是電腦資料存儲的一種形式。該ROM(即唯讀記憶體)是一種存儲介質。

一些實施例中，系統控制器進而包括操縱器，能夠啟動或生成一個干擾信號，隨後在干擾信號通過干擾單元施加到生物樣本上之前，送至電腦處理。干擾信號可以是熱學，光學，聲學，生物學，化學，放射性的，電學，磁學，電力學，電化學，電光學，電熱學，電磁學，電化學力學，生物化學，生物力學，生物光學，生物熱學，生物物理學，生物電力學，生物電化學，生物電光學，生物電熱學，生物力學光學，生物力學熱學，生物熱學光學，生物電化學光學，生物電力學光學，生物電熱學光學，生物電化學力學，物理學或力學信號，或以上的組合。

例如，電學性質是表面電荷、表面電位、靜態電位、電流、電場分佈、、電偶極、電四極、三維電子雲分佈、DNA端粒酶與染色體的電性、電容或電阻。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、螢光發光。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、氧鍵合端，氧鍵合強度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電荷密度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電離強度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電場密度，電離強度、催化行為、化學添加劑觸發增強的信號回應，生物化學添加劑觸發增強的信號回應，生物添加劑觸發增強的信號回應，化學試劑增強檢測靈敏度、生物化學試劑增強檢測靈敏度、生物試劑增強檢測靈敏度、以及化學鍵強度；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、離子強度、阻值、細胞濃度、生物標誌物相關性質或溶液的生物學、電學、物理學或化學性質。聲學性質為頻率、聲波速度、聲頻，聲強譜分佈、聲強，聲吸收、聲諧振。力學性質為內部壓力、硬度、流速、黏度、流體機械性質、剪切強度、伸 長力、收縮力、粘附、機械共振頻率，彈性、可塑性或可壓縮性。上述性質可以是靜態、動態或者可變的。

一些實施例中，系統控制器進而包括了第二模數轉換器和信號發生器，信號發生器在電腦處理之後、干擾信號施加到生物樣本之前處理干擾信號。

一些實施例中，預處理單元將生物樣本通過的共同特性的差異，分成不同的組分。預處理單元可以選擇性的處理生物樣本，如表面處理。另一個可選的預處理包括在待測的生物樣本中以所需的時間間隔和/或溫度，依次加入所需的生物、生物化學或化學成分。例如，氧化劑如過氧化氫可加入首先測試的生物樣本中，隨後加入第二種氧化劑。又例如，可先在待測生物樣本中加入氧化劑，隨後加入催化劑。另一個實例中，氧化劑可首先加入待測生物樣本中，隨後加入催化劑，最後在混合物中加入酶。

一些實施例中，本發明的微型器件進而包括了第二可選預處理單元，第二探測單元和第二檢測單元，這些部件形成了微型器件中的二級檢測器。二級檢測器可探測與檢測與前一級相同或不同的微觀性質。二級檢測器也可與前一級有所區別，如不同的幾何形狀(寬度，重量，長度或通道形狀)或不同的探測單元，不同的檢測單元(因此檢測性質不同)。幾何尺寸資訊，探測單元施加的探測信號，檢測單元檢測和測量到的信號，以及一個或多個增強劑的選擇使用，提高了檢測和區分不同類型疾病的靈敏度和特異性。

本發明的另一方面提供了增強檢測和區分待篩查生物樣本中的疾病的方法。每種方法包括如下步驟：從待篩查生物樣本中取樣將生物樣本準備成液體溶液(包括將生物樣本變為液體)將生物樣本的液體溶液注入微型器件中 在液體溶液注入前或當液體溶液在微型器件中時，向其中加入生物識別物在液體溶液中選擇性的加入至少一種添加的生物、化學或生物化學成分以增強測試靈敏度探測和測試微觀水準上的生物樣本的特性，並將測量的特性與無病樣本的特性進行比較

本文使用的術語“生物識別物”，“增強劑”和“添加劑”是可互換的。它們包括了離子，氧化劑，還原劑，抑制劑，催化劑，酶，生物標誌物，化學標誌物，生物化學標誌物，化學成分，生物化學成分，生物成分，有機成分，金屬有機成分，光學成分，發光成分，病毒，蛋白質，抗體，染色劑或其組合。此處所說的“或”包括了“和”與“或”的意思，換而言之，“或”可用“和/或”替換。

一些實施例中，生物樣本是DNA，DNA粒端，RNA，染色體，細胞，細胞亞結構，蛋白，組織，病毒，血液，尿液，汗液，淚液，唾液，或器官組織。

一些實施例中，液體溶液是水溶液或有機溶劑的溶液。

一些實施例中，疾病是癌症。

一些實施例中，癌症是膀胱癌，乳腺癌，結腸癌，直腸癌，子宮內膜癌，腎癌，白血病，肺癌(包括支氣管)，黑色素瘤，非霍奇金淋巴瘤，胰腺癌，前列腺癌，甲狀腺癌。

一些實施例中，待測與待檢的特性是熱學，光學，聲學，生物學，化學，放射性的，電學，磁學，電力學，電化學，電光學，電熱學，電磁學，電化學力學，生物化學，生物力學，生物光學，生物熱學，生物物理學，生物電力學，生物電化學，生物電光學，生物電熱學，生物力學光學，生物力學熱學，生物熱學光學，生物電化學光學，生物電力學光學，生物電熱學光學，生物電化學力學，物理學或力學特性，或以上的 組合。

例如，電學性質包括表面電荷、表面電位、靜態電位、電流、電場分佈、、電偶極、電四極、三維電子雲分佈、DNA端粒酶與染色體的電性、電容或電阻。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、螢光發光。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、氧鍵合端，氧鍵合強度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電荷密度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電離強度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電場密度，電離強度、催化行為、化學添加劑觸發增強的信號回應，生物化學添加劑觸發增強的信號回應，生物添加劑觸發增強的信號回應，化學試劑增強檢測靈敏度、生物化學試劑增強檢測靈敏度、生物試劑增強檢測靈敏度、以及化學鍵強度；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、離子強度、阻值、細胞濃度、生物標誌物相關性質或溶液的生物學、電學、物理學或化學性質。聲學性質為頻率、聲波速度、聲頻，聲強譜分佈、聲強，聲吸收、聲諧振。力學性質為內部壓力、硬度、流速、黏度、流體機械性質、剪切強度、伸長力、收縮力、粘附、機械共振頻率，彈性、可塑性或可壓縮性。上述性質可以是靜態、動態或者可變的。

一些實施例中，生物識別物以液體溶液，固體納米顆粒或氣體形式存在。

一些實施例中，溶液是水溶液或有機溶液，包括高錳酸鉀，葡萄糖或血糖化合物，磷酸氫鹽，丙酮酸，丙酮酸鈉，溴丙酮酸，丙酮酸，乙酸，丙酮醛，丙醛，乳酸脫氫酶，乳酸，丙氨酸，氨基酸，一種蛋白質，鈣，鉀，鈉，鎂，硫，銅，鋅，硒，鉬，氟，氯，碘，錳，鈷，鐵，或酶。

一些實施例中，酶包括己糖激酶(例如，丙酮酸羧化酶和PEP磷酸烯醇式丙酮酸)。氧化還原酶(脫氫酶，螢光素酶，DMSO還原酶)，轉移酶，水解酶，裂解酶，異構酶，連接酶，RNA的酶，DNA聚合酶，RNA聚合酶，氨醯tRNA合成酶，和核糖體)，人工酶(例如，組氨酸殘基)，以及酶與它們各自的輔助因數。

一些實施例中，氧氣，臭氧，一氧化碳，二氧化碳，鈣，鈉，鉀，硫，鈉，鎂，銅，鋅，硒，鉬，氟，氯，碘，錳，鈷，鐵，或碳基的有機基團包括但不限於有機金屬化合物，醛(酮羰基)，酮(羰基)，羧酸(羧基)，胺(氨基)，氨基酸(氨基和羧基)和酒精(羥基)。

一些實施例中，所述添加劑包括離子，氧化劑，還原劑，或生物活性化合物。合適的例子包括Fe3+,Fe2+,Ag+,Cu2+,Cr3+,Na+,K+,Pt2+,Mg2+,H+,Ca2+,Hg2+,Al3+,NH4+,H3O+,Hg24+,Cl-,F-,Br-,O2-,CO32-,HCO3-,OH-,NO3-,PO43-,SO42-,CH3COO-,HCOO-,C2O42-,CN-離子。適合的氧化劑的實例包括但不限於氧，臭氧，過氧化氫，無機過氧化物，硝酸，硝酸鹽化合物，鉻化合物，高錳酸鹽複合，硫酸，過硫酸，氟，氯，溴，碘，亞氯酸鹽，氯酸鹽，高氯酸鹽，其他類似鹵素化合物(例如，對氯甲苯，二溴戊烷，2-溴乙烷和2-碘-2-甲基戊烷)，氯酸根，其他的次鹵酸鹽化合物(例如，次碘酸，次溴酸鹽，氯酸鹽，和次氟酸)，過硼酸鈉，氧化亞氮，氧化銀，鋨，托倫斯試劑，2,2’-二吡啶二硫化物，尿素，和它們的組合和它們的化合物(例如，硝酸銀，硝酸鐵，尿素氮，血尿素氮，和高錳酸鉀)。適合的還原劑的實例包括但不限於但游離態氫，含鐵陽離子的化合物(如，硫酸亞鐵)，汞鈉，硼氫化鈉，亞硫酸化合物，水合肼，含有錫離子的化合物，鋅汞齊，氫化鋁鋰，林德拉催化劑，甲酸，草酸，抗壞血酸，亞磷酸鹽，次磷酸鹽，和亞磷酸。適合的生物活性化合物的實例包括但不限於葡萄糖，果糖，丙酮酸鹽，半乳糖，氨基酸，乙酸，二羥乙酸，草酸，丙酸，乙酸，酶(氧化還原酶(脫氫酶， 螢光素酶，DMSO還原酶)，轉移酶，水解酶，裂解酶，異構酶，連接酶，RNA的酶，DNA聚合酶，RNA聚合酶，氨醯tRNA合成酶，和核糖體)，人工酶(例如，組氨酸殘基)，以及酶與它們各自的輔助因數。

一些實施例中，本發明中的方法進而包括在測試前，將待測生物樣本與添加劑混合以增強檢測的靈敏度和/或特異性。

一些實施例中，本發明中的方法進而包括在測試中，將待測生物樣本與添加劑混合以增強檢測的靈敏度和/或特異性。這個過程中，可獲得添加劑與生物樣本相互作用的動態資訊。

還有一些實施例中，本發明中的方法進而包括將待測生物樣本與至少兩種添加劑混合，可以混合在一起或者分開混合，可以在檢測前，檢測中，或檢測前與檢測中分別混合。

一些實施例中，生物識別物或添加劑包括化學添加劑，生物化學添加劑，生物添加劑，固體顆粒，或具有大表面積的納米顆粒。

一些實施例中，將待測生物樣本與添加劑混合將產生生物樣本與添加劑之間，或生物樣本、溶液中其他成分與添加劑之間的一個或多個反應。反應包括氧化，還原，催化，化學，生物學，生物化學，生物物理，生物力學，生物光學，生物電，電光學，生物熱學，生物電光學，生物電力學，發熱反應，或連鎖反應。

在某些情況下，反應是連鎖反應或引起連鎖反應，反應中的檢測信號(特別是微弱的信號)可以被放大，從而提高檢測的靈敏度和特異性，例如對疾病如一種或多種癌症，或用於區分不同類型的疾病。

在某些其他情況下，反應會增強對待測生物樣本中氧水準檢測的靈敏度。

在一些實施例中，生物識別物或添加劑包括氧化劑，還原劑，抑制劑，催化劑，酶，蛋白質，病毒，染色劑，生物標誌物，化學標誌物，有機化合物，有機金屬化合物，抗體，生物化學標誌物，化學，生 物化學，生物學成分，熱敏材料，和光學材料包括發光材料。

本發明的方法中，添加劑或生物識別物可同時或不同時(以相同或不同的時間間隔)加入待測生物樣本中。

如第一個例子中，它們可以如下順序添加：先向含有生物樣本的液體溶液中添加氧化劑；選擇性的添加催化劑；選擇性的添加生物化學添加劑；選擇性的添加抑制劑；選擇性的添加生物標誌物；選擇性的添加化學試劑；選擇性的添加酶；選擇性的添加還原劑。

如第二個例子中，添加劑或生物識別物按如下順序添加：先向含有生物樣本的液體溶液中添加催化劑；選擇性的添加氧化劑，選擇性的添加生物化學添加劑；選擇性的添加抑制劑；選擇性的添加生物標誌物；選擇性的添加化學試劑；選擇性的添加酶；選擇性的添加還原劑。

如第三個例子中，添加劑或生物識別物按如下順序添加：先向含有生物樣本的液體溶液中添加生物化學添加劑；選擇性的添加催化劑；選擇性的添加還原劑；選擇性的添加抑制劑；選擇性的添加生物標誌物；選擇性的添加化學試劑；選擇性的添加酶；選擇性的添加氧化劑。

第四個例子中，按如下順序加入添加劑或生物識別物：首先向含有生物樣本的溶液中添加還原劑；任選地加入催化劑、生化添加劑；任選地加入抑制劑、生物標誌物；任選地加入一種化學物質；任選地加入一種酶；或任選地加入一種氧化劑。

第五個例子中，按如下順序加入添加劑或生物識別物：向納米粒子分散系中加入添加劑，該添加劑選自如下物質，包括氧化劑、還原劑、抑制劑、催化劑、酶、蛋白質、病毒、著色劑、生物標誌物、化學標誌物、有機化合物、有機金屬化合物、抗體、生化標誌物、化學物質、生物化學物質、生物物質、熱學材料和光學材料，其包含螢光材料；使分散系充分混合；任選設定分散系的溫度和作用時間；並將上述納米粒子分散系加入含有生物樣本的液體中。

第六個例子中，按如下順序加入添加劑或生物識別物：向納米粒子分散系中加入添加劑，該添加劑選自如下物質，包括氧化劑、還原劑、抑制劑、催化劑、酶、蛋白質、病毒、著色劑、生物標誌物、化學標誌物、有機化合物、有機金屬化合物、抗體、生化標誌物、化學物質、生物化學物質、生物物質、熱學材料和光學材料，其包含螢光材料；使分散系充分混合；任選設定分散系的溫度和作用時間；並將含有生物樣本的液體加入到上述納米粒子分散系中。

本發明涉及的某些實施例中，添加劑或生物識別物可以包括氧化劑、還原劑、抑制劑、催化劑、酶、蛋白質、病毒、著色劑、生物標誌物、化學標誌物、有機化合物，有機金屬化合物、抗體、生化標誌物、化學物質、生化物質、生物物質、熱敏材料和光敏材料，其中包含螢光材料。該催化劑的實例包括酶、離子、生物成分、化學成分或它們的組合，從而加快反應的進行。

在某些實施例中，在將生物樣本引入微器件檢測之前，將添加劑預先加入到生物樣本中。

在某些其它實施例中，在檢測之前通過單獨的入口將添加劑加入到微器件並與生物樣本混合。

在某些其它實施例中，添加劑在檢測的同時通過單獨的入口加入到微器件並與生物樣本混合。

在某些實施例中，所述生物樣本與添加劑充分混合後，微器件檢測其微微觀特性。這些微觀特性包括熱學、光學、聲學、生物學、化學、放射學、電學、磁學、電機械學、電化學、電光學、電熱學、電磁學、電化學機械學、生物化學、生物力學、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、生物力學熱學、生物熱學光學、生物電化學光學、生物電學機械學光學、生物電熱光學、生物電學化學機械學、物理或機械性能，或它們的 組合。

例如，電學特性是表面電荷，表面電位，靜息電位，電流，電場分佈，電偶極子，電四極子，三維電氣或電荷雲分佈，染色體DNA端粒電性能，電容或阻抗；熱性質是指溫度或振動頻率；熱學特性包括溫度和振動頻率；光學特性包括光吸收，光傳輸，光的反射，光電性能，亮度，或螢光發射；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，反應速率，氧氣濃度，氧氣消耗率，氧鍵合部位，氧鍵合強度，由於氧原子或分子的性質和位置造成的局部電荷密度，由於氧原子和/或分子的性質和位置造成的局部離子濃度，由於氧原子和/或分子的性質和位置的局部電場密度，離子強度，催化行為，觸發增強的信號回應的化學添加劑，生物化學添加劑，提高檢測靈敏度的化學物質，生物化學物質，提高檢測靈敏度的生物添加劑，或接合強度；物理性質包括密度，形狀，體積，或表面積；生物特性包括表面形狀，表面積，表面電荷，表面生物學特性，表面化學性質，pH值，電解質，離子強度，電阻率，細胞濃度，屬性有關的生物標記，或溶液的生物，電氣，物理或化學性質；聲學特性包括頻率，聲波的速度，音訊和強度頻譜分佈，聲強，聲學吸收，或聲共振；機械性能包括內部壓力，硬度，流速，粘度，剪切強度，拉伸強度，斷裂應力，粘附性，機械共振頻率，彈性，塑性，或可壓縮性。

本發明涉及的方法不但能夠通過區分正常樣本和患病樣本檢測生物樣本的疾病，還能根據得到的疾病類型資訊區分疾病類型(如癌症)。對不同類型的疾病區分，部分地基於所述檢測單元的幾何形狀，探測信號，探測信號的變化，生物樣本，細胞表面上的特性，細胞膜性能，氧含量，氧位置，氧鍵合強度，電荷密度，電荷的位置，或生物樣本的動態屬性。在細胞表面或細胞的膜性質的例子包括生物樣本的表面吸收和吸附能力，氧濃度，氧位置，在細胞表面或膜的氧鍵合強度，離子濃度，離 子濃度梯度，膜靜息電位，細胞表面電荷，膜的滲透性和輸運能力。上面所述的屬性可以是靜態的或動態的。

在某些實施例中，添加劑或生物識別物包括氧化劑、酶、還原劑、酶抑制劑、生物標誌物、生物化學物質、化學物質、生物物質、蛋白質、病毒、熱敏材料、光敏材料、螢光材料，或催化劑，在檢測之前的不同時間將所述的添加劑或生物識別物加入到生物樣本中。

在某些實施例中，添加劑或生物識別物至少包括一種具有生物活性的化合物(例如，一種具有生物結合能力的蛋白質)。

在某些實施例中，至少有兩種添加劑或生物識別物的混合物在檢測之前加入被測生物樣本中。

在某些實施例中，生物樣本和添加劑的複合物在檢測之前是被檢測單元分離開的。

本發明所述的檢測方法還可以包括以下步驟：掃描探測信號的範圍，收集被測生物樣本的一個或多個響應信號，分析被測生物樣本的一個或多個響應信號，將它們視為探測信號掃描值的函數，對樣本是否患病，患何種類型疾病給出結論或建議。

在某些實施例中探測信號或回應信號可以是熱學、光學、聲學、生物學、化學、放射學、電學、磁學、電機械學、電化學、電光學、電熱學、電磁學、電化學機械學、生物化學、生物力學、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、生物力學熱學、生物熱學光學、生物電化學光學、生物電學機械學光學、生物電熱光學、生物電學化學機械學、物理或機械學特性的信號，或它們的組合。例如，電學特性是表面電荷，表面電位，靜息電位，電流，電場分佈，電偶極子，電四極子，三維電氣或電荷雲分佈，染色體DNA端粒電性能，電容或阻抗；熱性質是指溫度或振動頻率； 熱學特性包括溫度和振動頻率；光學特性包括光吸收，光傳輸，光的反射，光電性能，亮度，或螢光發射；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，反應速率，氧氣濃度，氧氣消耗率，氧鍵合部位，氧鍵合強度，由於氧原子或分子的性質和位置造成的局部電荷密度，由於氧原子和/或分子的性質和位置造成的局部離子濃度，由於氧原子和/或分子的性質和位置的局部電場密度，離子強度，催化行為，觸發增強的信號回應的化學添加劑，生物化學添加劑，提高檢測靈敏度的化學物質，生物化學物質，提高檢測靈敏度的生物添加劑，或接合強度；物理性質包括密度，形狀，體積，或表面積；生物特性包括表面形狀，表面積，表面電荷，表面生物學特性，表面化學性質，pH值，電解質，離子強度，電阻率，細胞濃度，屬性有關的生物標記，或溶液的生物，電氣，物理或化學性質；聲學特性包括頻率，聲波的速度，音訊和強度頻譜分佈，聲強，聲學吸收，或聲共振；機械性能包括內部壓力，硬度，流速，粘度，剪切強度，拉伸強度，斷裂應力，粘附性，機械共振頻率，彈性，塑性，或可壓縮性。

在某些實施例中，回應信號的分析包括繪製曲線特別是疾病(如癌症)的特徵曲線。

在某些實施例中，施加於被測樣本的探測信號基於一種聲學信號或雷射光束信號，並掃過它的頻率範圍和強度範圍，然後被測樣本的響應信號用於測試。

在某些實施例中，施加於被測樣本的探測信號為機械應力信號，掃描其應力量級，檢測被測樣本的回應信號。

在某些其它實施例中，施加於被測樣本的探測信號是基於熱能的信號，在其溫度範圍內和能量水準掃描，檢測被測樣本的回應信號。

在另外某些實施例中，施加於被測樣本的探測信號是基於熱能的信號是基於電壓(例如，電壓脈衝)的信號，在其電壓範圍掃描，檢 測被測樣本的響應信號。

本發明所述的微器件和檢測方法和沒有應用生物識別物的方法相比能夠獲得較高的靈敏度和特異性。

0210‧‧‧毛細管

0212‧‧‧入口

0213‧‧‧出口

0220‧‧‧毛細管

0221‧‧‧帶用核心

0320‧‧‧毛細管

0322‧‧‧入口

0323‧‧‧出口

0324‧‧‧毛細管側壁

0325‧‧‧探測

0326‧‧‧探測

0421‧‧‧生物樣本

0422‧‧‧添加劑

0501‧‧‧正常細胞

0502‧‧‧腫瘤細胞

0503‧‧‧檢測目標生物識別字

0505‧‧‧腫瘤細胞類型A

0506‧‧‧腫瘤類型細胞B

0701‧‧‧正常細胞

0702‧‧‧腫瘤細胞

0703‧‧‧檢測目標生物識別字C

0704‧‧‧附加成分D

0705‧‧‧實體

圖1示出了本發明用於檢測疾病的一種儀器，以及該儀器的系統控制器的框圖。

圖2示出了本發明所述的儀器內部包含微毛細管的例子

圖3示出了本發明所述的儀器包括毛細管的另一個例子，可選的帶有探測和檢測單元。

圖4示出了本發明所述的用於檢測疾病的另一種儀器的框圖 並展示了添加劑如何提高生物樣本的微觀特性。

圖5示出了生物識別物如何增強生物樣本的微觀特性檢測的。

圖6示出了本發明所述的使用生識別物來提高生物樣本微觀特性測量的方法是如何改善疾病的檢測的靈敏度和特異性的。

圖7示出了生物識別物如何增強生物樣本的微觀特性檢測的。

圖8示出了本發明所述的利用生物識別物的方法是如何提高被測樣本的檢測靈敏度和特異性的。

圖9示出了應用本發明公開的方法對卵巢癌組和對照組的檢測結果。

圖10示出了應用本發明公開的方法對肝癌組和對照組的檢測結果。

圖11示出了使用和不使用本發明所公開的添加劑對檢測和區分正常組和肝癌組樣本產生的差異。

圖12示出了本發明公開的在使用和不使用添加劑條件下檢測和區分肝癌和卵巢癌的檢測特異性和準確性的不同。

圖13示出了本發明公開的在監測化療後乳腺癌復發的有效性。

圖14示出了本發明公開的在監測放療後胃癌復發的有效性。

圖15示出了本發明公開的在監測化療後胃癌復發的有效性。

一方面，本發明提供用於在微觀水準檢測生物樣本某種特性的微器件，生物樣本置於液體中或以液體的形式存在，微器件包含供生物樣本注入的入口，可選的包括預處理單元，探測單元，檢測單元，系統控制器，和供生物樣本殘餘廢物或廢棄物排出的出口。

探測單元和檢測單元的製造方法見本發明的發明者先前的專利，WO 2011/103041和WO 2011/005720，這些專利的內容作為引用併入本文。

圖1示出了利用本發明所述的微器件檢測液體或溶液微觀特性的例子(例如，食品、飲料、油、化學品、藥物、血液、尿液、汗液、唾液或其它生物液體)。圖1(a)示出了一個至少包含樣本入口、出口、預處理單、探測器件、檢測器件和系統控制器的微器件。圖1(b)示出了系統控制器的框圖。在該系統中，系統控制器通過放大器和轉換器收集檢測信號。然後由電腦進行處理和分析。經過分析的結果傳輸至記錄器或顯示裝置上。探測信號需要操作者手動初始化。然後通過電腦，轉換器處理，由信號發生器產生，然後施加於被測物體。

在某一實施例中，微器件包括用於富集患病樣本(例如迴圈腫瘤細胞CTC)的預處理單元，一個用於生物識別物進入的入口，用於注入生物樣本的單通道，用於注入生物樣本的多通道，用於釋放干擾信號的 探測單元，用於發送回應信號的檢測單元和用於生物樣本流出的出口。生物樣本富集單元包括一級或多級(包括過慮，電泳，生物標記，離心或光學處理)用於富集患病樣本。檢測單元至少包括一個高靈敏度的檢測器集成於通道內部側壁用於信號檢測。

本發明所述的每個微器件還包括一個毛細管，該毛細管兩端開口，個側壁具有內表面和外表面，其中所述兩個端子開口中的一個是微器件的入口，另一個是微器件的出口。如圖2(a)所示，0210是毛細管，至少包含一個入口(0212)和一個出口(0213)。圖2(b)是在毛細管的透視圖。圖2(c)是該管的橫截面圖。橫截面可以是圓形，橢圓形，正方形，長方形，三角形，或多邊形形狀。如圖2(d)中，0220是帶用核心0221的毛細管，通道定義在外側壁和核心之間。圖2(e)是在毛細管的透視圖，圖2(f)是垂直的(截面)圖。

該毛細管包括一個或多個針孔，每個針孔貫穿毛細管側壁的內表面和外表面，安放探測單元或檢測單元。如圖3(a)中，0320是毛細管，至少帶有一個入口(0322)和一個出口(0323)。圖3(b)是在毛細管的透視圖。如圖3(c)中，0324是一個穿透毛細管側壁0320的針孔。圖3(d)是立體圖。該針孔可通過機械，電學，磁學，電磁學，放射學，離子，熱學，光學，聲學，化學，電機械學，電化學，電化學機械學方法，或它們的組合方法來實現。

毛細管可任選地做成透明的。用來製作毛細管較好的透明材料包括玻璃，SiO2和有機高分子材料。毛細管的內徑範圍，從10微米到10毫米。

如在圖3(e)所示，探測單元(0325)和檢測單元(0306)貫穿毛細管的側壁。探測單元和檢測單元是能夠發送的探測信號，並在微觀水準檢測被測生物樣本的電學，磁學，電磁學，熱學，光學，聲學，生物學，化學，電機械學，電化學，電化學機械學，生物化學，生物力學， 生物電機械學，電生化學，生物電化學機械學，機械或物理學特性。探測單元也能產生電學，磁學，電磁學，放射學，離子，熱學，光學，聲學，生物學，化學，電機械學，電化學，電化學機械學，生物化學，生物力學，生物電機械學，電生化學，生物電化學機械學，機械或物理學特性。

圖3(g)為檢驗管實施例，圖3(H)是該實施例的透視圖。當待測樣本通過毛細管時，探測0325釋放一個脈衝干擾信號激勵樣本，然後將相關的參數，被0326探測和收集。該干擾脈衝信號包括電學，磁學，電磁學，熱學，光學，聲學，生物學，化學，電機械學，電化學，電化學機械學，生物化學，生物力學，生物電機械學，電生化學，生物電化學機械學，機械或物理學信號或它們的組合。探測感測器收集電學，磁學，電磁學，熱學，光學，聲學，生物學，化學，電機械學，電化學，電化學機械學，生物化學，生物力學，生物電機械學，電生化學，生物電化學機械學，機械或物理學信號，或它們的組合信號。

圖3(i)和3(j)為另外一組實施例，其中毛細管包括多個探測單元和多個檢測單元。

儘管在此特別列舉了毛細管的實施例，然後包含多種形狀通道的微器件也適用于本發明。此類微器件發明者已在先前的專利中進行了詳細的描述。見專利WO2012/003348 A2，WO2012/048040，US 2010/0256518 A1，WO2012/036697 A1，WO 2011/103041 A1，和WO2011/005720，所有這一切都是通過引用併入本文。

圖4(a)示出了本發明所述的微器件至少包括一個樣本入口，樣本出口，添加劑入口，預處理單元，探測器件，檢測器件和系統控制器。某一實施例中，添加劑的入口可以設置在流程的起始端。例如，它可以位於所述預處理單元的開頭部分。在另一種設置，在一個機器中多個添加劑入口設置在不同的位置，包括置於預處理單元和檢測單元的位置。

如圖4(b)中，添加劑0422可以通過添加劑入口引入到檢測 單元。添加劑0422的目的是為了檢測信號進而增強生物樣本0421的檢測靈敏度。在某個實施例中，添加劑0422具有比生物樣本0421更高的檢測信號。在另一個實施例中，如圖4(c)所示，添加劑0422可與生物樣本0421起反應以形成聚合物，這樣能獲得更強的檢測信號。

圖4(d)和4(e)展示了另一個實施例，其中所述添加劑0422可優先與一種或多種類型的生物樣本反應或被一種或多種類型的生物樣本吸收(在例0422為生物樣本)，從而選擇性地增強一種或多種類型的生物樣本的信號。例如，基於所述生物樣本或添加劑的一種或多種特性(如化學特性，表面特性如化學或物理特性)，添加劑能夠比其它樣本更容易和一種或多種生物樣本反應或被一種或多種生物樣本所吸收。因此選擇性地增強了一種或多種類型生物樣本的檢測靈敏度。舉個例子，特定的添加劑會更容易與癌細胞發生反應或吸附，結果使信號增強或區分度增強。

本發明的目的還在於解決現有檢測技術的問題和達到癌症早期篩查的目的，同時還能夠以較高的靈敏度和特異性識別具體類型的癌症如膀胱癌，乳腺癌，結腸癌和直腸癌癌，子宮內膜癌，腎癌，白血病，肺癌(包括支氣管)，黑色素癌，非霍奇金淋巴瘤，胰腺癌，前列腺癌，甲狀腺癌。

能夠達到上述目標的關鍵在於新穎的檢測靶向生物識別物，這種新穎的非顯而易見的生物識別物在成分，功能和性能上明顯不同于傳統生物標誌物。與傳統生物標誌物只敏感於一種類型的檢測目標或癌症(或癌症的子類，例如肺癌)不同，檢測靶向生物識別物技術能夠進行通用的早期癌症篩查，而且能夠確定是否有癌和具體哪種癌。在其組成方面，本發明中使用的生物識別物不同于傳統的生物標誌物，因為它們包含了一組非顯而易見的，新穎的以及更多樣化的生化，化學，生物，生物物理成分。在功能方面，與傳統的生物標誌物特異性低(假陽性率高)缺乏 檢測多種類型癌症的能力相比(因此不適合一般性癌症篩查和早期癌症篩查)，本發明中使用的生物識別物能夠以高靈敏和高特異性檢測癌症，同時能夠檢測多種類型的癌症信號。此外，本發明所述的微器件和檢測方法，通過利用生物識別物，可以將多種成分和多個反應途徑結合起來，包括生物標誌物，被測樣本，生物化學品(葡萄糖，丙酮酸羧酸，溴丙酮酸，磷酸烯醇丙酮酸(PEP)，丙酮酸激酶，丙酮酸羧化酶，PEP羧激酶，丙氨酸，三磷酸腺苷，乙醯輔酶，草醯乙酸鹽，乳酸鹽，乙醇，乙醛，和脂肪酸)，化學品(離子，催化劑，氧化劑，酸性酸，乙酸，檸檬酸，酒石酸，致癌物質和有機組分)，生物成分(蛋白質，酶，病毒，細胞，線粒體和功率單元)以及聚合物。由於生物識別物包含新穎的多樣的成分，故引入了多種反應機制用來檢測癌症及其類型，這些反應機制包括但不限於化學反應(氧化反應，還原反應，放熱反應和催化反應)，表面化學反應，表面生化反應，表面物理反應，表面物理化學反應，表面生物物理反應，表面吸附和表面吸收，生物化學反應和生物物理反應。在性能方面，本發明所述的生物識別物，檢測方法以及微器件優於傳統生物標誌物的方法，已經克服了的生物標誌物的局限性，包括傳統標誌方法無法同時實現較高的檢測敏感性和特異性，無法檢測多種類型癌症(利用一種給定標誌物)，因此無力用於一般用途的癌症篩查，誤診率高(當靈敏度高時)，而且程式複雜。

相對于傳統的生物標誌物(純生物物質)，本發明所述的新穎的檢測靶向生物識別物的成分包括，化學成分，生物化學成分和生物成分，包括但不限於下列離子(例如，Fe³⁺,Fe²⁺,Ag⁺,Cu²⁺,Cr³⁺,Na⁺,K⁺,Pt²⁺,Mg²⁺,H⁺,Ca²⁺,Hg²⁺,Al³⁺,NH₄ ⁺,H₃O⁺,Hg₂ ⁴⁺,Cl^-,F^-,Br^-,O^2-,CO₃ ^2-,HCO₃ ^-,OH^-,NO₃ ^-,PO₄ ^3-,SO₄ ^2-,CH₃COO^-,HCOO^-,C₂O₄ ^2-和CN^-)，氧化劑(例如，O₂,O₃,H₂O₂，其它無機氧化物，F₂，Cl₂，HNO₃，硝酸化合物，包括硝酸鐵和硝酸銀，H₂SO₄，H₂SO₅，H₂SO₈，其它的過硫酸，亞 氯酸鹽，氯酸鹽，高氯酸鹽，以及其他類似的鹵素化合物，次氯酸鹽，以及其他的次鹵酸鹽的化合物，次氯酸鈉，六價鉻化合物，高錳酸鹽化合物，過硼酸鈉，一氧化二氮，氧化銀，四氧化鋨，Tollen試劑，2,2'-二吡啶基二硫化物(DPS)，和漂白劑)，催化劑，氫氧化鈉，氫氧化鉀，CO 2和CO。新穎的檢測靶向生物識別物的作用是檢測生物樣本是否患癌及患何種癌，能夠以高靈敏度和特異性進行癌症早期檢測(對非癌以及特定成分的癌症)。由於新的檢測靶向識別物不是純粹生物成分，它避免了傳統生物標誌物遇到的大問題。相反，它可以同時用於通用癌症篩查中低水準信號的檢測，也可以通過靈敏地區分不同類型的癌症來診斷患哪種癌(比較檢測信號與已知癌症的特徵信號)。

在某個實施例中，本發明公開的檢測靶向識別物可以增強癌症檢測參數的檢測靈敏度。在某個實施例中，本發明公開的檢測靶向識別物能可以和生物標誌物聯合使用。在某個實施例中，本發明公開的檢測靶向識別物至少可以與一種氧化劑聯合使用進行癌症檢測。在另一實施例中，檢測靶向生物識別物可以加入到被測樣本中並混合，然後將混合物離心分離出吸附有檢測靶向生物識別物的生物樣本，最後檢測分離的樣本。在一般的應用中，本發明公開的新的檢測方法需要檢測靶向生物識別物，氧化劑，被測樣本，生物標誌物，化學成分，生物成分，生物化學成分。

本發明公開的檢測靶向生物識別物的作用之一是有選擇地吸附於患癌樣本(如癌細胞)。另一個作用是選擇性地吸附附於(對於其他類型的檢測靶向生物識別物)非患癌樣本。另一個作用是和樣本或樣本的特定組分發生反應(包括化學的，生物學的，電學的，物理的，熱學的，機械學的，表面化學的，表面生物學的，表面物理學的，表面生物化學的，生物化學的，生物熱學的，生物物理學的，生物電學和生物電化學的反應)。然而，這種檢測靶向生物識別物的另一個重要作用是通過與被測生物樣本反應在微觀水準檢測生物樣本的氧含量水準(例如細胞或蛋白 質)。這樣的反應可以是電學的，磁學的，電磁學的，熱學的，光學的，聲學的，生物學的，化學的，電機械學的，電化學的，電化學機械學的，生化學的，生物力學的，生物電學機械學的，生物電化學的，生物電化學機械學的，物理學的或機械學的或催化學的。除了以上所述，在一般的意義上，檢測靶向生物識別物的作用在於它和生物樣本反應探測被測生物樣本提取資訊(這類資訊包括電學的，磁學的，電磁學的，熱學的，光學的，聲學的，生物學的，化學的，機電學的，電氣化學的，電化學機械學的，生化學的，生物力學的，生物電機械學的，生物電化學的，生物電化學機械學的，物理學或機械學的資訊)以增強檢測靈敏度和特異性(以區分正常和患病樣本，以及不同類型的癌症)。

在某個實施例中，本發明公開的檢測靶向生物識別物吸附加癌細胞，由於癌症類型的不同，不同類型的癌細胞吸附檢測靶向生物識別物的程度不同，通過對檢測靶向生物識別物吸附癌細胞水準的觀察和分類來區分癌症的類型及其子類，通過癌細胞的數量和濃度進一步確定癌症的發展程度即分期。

在另一個實施例中，檢測靶向生物識別物可以通過多種途徑和生物樣本發生反應，包括但不限於簡單的化學反應，簡單的生物反應，簡單的生化反應，氧化反應，還原反應。還包括催化反應，複雜的生物反應和生化反應。在另一實施例中，檢測靶向生物識別物可以與檢測系統中(例如檢測儀或檢測腔體內)的某種成分或某幾種成分先發生反應(例如，生物標誌物，離子，氧化劑，蛋白，或一種催化劑)，然後對生物樣本做出區分和檢測。

另一個重要的實施例，本發明公開的新穎的檢測靶向生物識別物能夠和生物樣本，如細胞，發生反應並探測生物樣本的氧含量以獲得宏觀或微觀資訊。所獲得的氧含量資訊和生物樣本是否患癌相關，因為癌細胞常常具有較低的平均氧含量，而正常細胞具有較高的氧含量。另一實 施，離子和催化劑可以與生物樣本中的氧發生反應，觸發檢測的回應(例如，放出氣體，熱量變化，電荷再分佈，等等)。與催化反應中，少量催化劑即可使信號大大增強。在另一實施例中，特定的檢測靶向生物識別物可以在生物樣本(如細胞)的特定位置發生反應並優先地吸附於特定位置，這種生物樣本的一個或多個參數會產生差異信號(在正常樣本和癌症樣本之間)。的私人地點反應優先吸附(或吸收)，導致分化(與癌性實體和實體普通)的信號當一個或多個參數的測量基於這樣的生物實體。例如，當鐵離子被選擇性吸附(或吸收)到一個生物樣本(如細胞)，它將改變局部電場和電荷分佈。它可能優先與生物樣本的某些成分發生反應，並產生差異化的信號。換句話說，檢測靶向生物識別物可與癌細胞和正常細胞發生不同的反應(或不同的吸收與吸附)，這樣便增強了檢測靈敏度和特異性，產生差異化信號。

癌症檢測的另一個例子中，新穎的檢測靶向生物識別物用於檢測細胞中線粒體的呼吸作用及氧含量，包括生物樣本的丙酮酸，因為丙酮酸是在生物化學的重要化合物，並且它是一個關鍵的代謝途徑。當氧不足時，丙酮酸會發生厭氧分解同時葡萄糖通過非氧化分解產生能量，由此產生癌症。在健康的細胞中，氧是充足的，能量來自於丙酮酸的氧化分解。

利用檢測靶向生物識別物，可以更好地探測生物樣本的微觀特性及其標誌特性，用以確定生物樣本的類型(例如，細胞類型及癌症類型)。

眾多實施例中，該新型檢測靶向生物識別物添加於被測生物樣本中在一定程式上選擇性的和生物樣本的至少一種特定成分發生反應(包括但不僅限於和生物樣本特定成分的吸附，化學反應，生物反應或生化反應)。接著，向被測生物樣本施加交變的力或場，其中包括但不限於聲波，光束，熱波，電流，電磁波。在交變力或場作用下的回應信號被記 錄下來。這樣的記錄資料與由檢測靶向生物識別物標記的生物成分(如癌細胞)有關。

氧含量的檢測，檢測硬體，檢測過程，用於癌症檢測的添加劑和生物識別物是本發明的一個重要的創新特徵。由於在微觀水準(DNA，RNA，蛋白質，分子和細胞水準)檢測低水準的氧含量是比較困難的，本發明公開了一種新穎的解決辦法，至少用到種檢測增強劑和一個檢測微器件直接或間接地檢測氧含量水準。生物增強劑和或生物識別物加入到被測生物樣本中，檢測生物樣本的回應。該響應可以熱信號(例如，來自放熱反應)，實體信號，物理化學信號，生物化學信號(例如，泡沫的形成(來自於催化劑與生物樣本反應)，光信號(例如，光發射，由於氣泡的形成光散射，由於氧氣濃度的變化而產生的顏色變化)，由催化劑催化的在添加劑(例如，酶，催化劑)和電信號(電流電壓，表面電荷，離子通過細胞膜的滲透性)之間產生的化學連鎖反應。

在某個實施例中，氧化劑先被加入到被測樣本中並與之發生反應。接下來加入第二添加劑，如酶或催化劑。加入的酶或催化劑能和氧化(樣本氧含量升高)的生物樣本發生反應。接下來利用微器件檢測各種特性。

在另一個實施例中，生物成分，例如蛋白質首先加入，它們和被測一種或多種生物樣本優化結合。接著加入第二添加劑，第二添加劑能夠很容易基於某一種或幾種易檢特性而被追蹤。利用微器件內部的檢測探針檢測上述含有第一添加劑，第二添加劑和被測樣本的溶液。含有待測試的第一和第二添加劑和生物樣本的溶液的容器中測量使用其檢測探針的微器件。可選地，所述的第一和第二添加劑可以選混合後，再加入含有生物樣本的溶液中。可選地，利用多種分離辦法可將第一第二添加劑標記的樣本分離，然後檢測。

這是利用酶和催化劑結合微器件的一種重要創新(任選的利 用微器件的幾何因數(例如，大小，形狀和材料，包括塗層材料)，在利用酶或催化劑觸發反應或連鎖反應(化學，生物，生物的化學反應)之後檢測被測樣本一種或多種特性(其光學，熱學，聲學，化學，物理學，生化，生物物理學，機械學，電學，電磁學特性，尺寸，表面積，硬度，彈性的狀態，粘度及流動速度)及狀態，用於增強回應信號，不但能區分正常生物樣本和患病樣本，而且能獲得疾病的類型資訊(例如是哪種癌))。有時反應是一步的，有時是兩步的或三步的。

在某個實施例中，由於酶對底物有高度選擇性(例如，細胞表面)，正確類型的酶對特定類型的癌症的選擇性可用于篩查該類癌症，結合本發明公開的微器件可以達到一定程度的靈敏度和特異性。在另一實施例中，多種酶對多種癌症的選擇性可用于一般篩查。如果從上述受試者被懷疑有癌症，可以用多種酶進行逐個篩查以確定癌症的類型。微器件可以設計成多個腔室(每個室包括至少一個入口用於引入至少一種酶，一個探測單元和檢測單元)，腔室連接一個或多個通道，用於被測生物樣本流入腔室。作為說明，使用酶的檢測方案見下面圖表(微器件檢測產生的信號，它涉及催化反應)：酶+底物(表面癌)=>酶/底物=>酶+產物(可以用來檢測微觀信號)

本發明特別地具有檢測疾病的能力，並且甚至可以分辨不同類型的疾病(例如不同類型的癌症)。不同癌細胞的例子包括癌，惡性腫瘤，白血病，淋巴瘤和神經膠質瘤。不同類型的癌細胞具有不同的特性包括但不限於物理學，化學，生物化學，生物物理學，力學，熱學，光學，電學。磁學和電磁學特性。例如，即使在腫瘤類型的癌症裡面，鱗狀細胞在平坦的表面，而腺瘤狀類型的腫瘤一般體積龐大(因此與鱗狀型的腫瘤相比具有較低的表面積與體積的比值)。因此，一組易於吸收或吸附於癌細胞表面的增強子或者生物識別字可以與微器件一同用於獲得鱗狀類型腫 瘤改進的測量特異性，而相同的增強子對腺瘤狀類型的腫瘤卻具有低的信號強度。

另一個不同點就在於不同類型的腫瘤的細胞表面和細胞膜的特性不同，特別是這些腫瘤具有不同的表面特性，含氧水準，細胞與細胞表面氧的結合，以及不同的滲透性和輸運特性。因而，通過利用增強劑可探測生物樣品例如細胞，蛋白質，DNA,RNA，和組織的含氧水準，結合點，滲透性，輸運特性以及表面特性。

在一個實施例中中，利用增強劑或者包含離子添加劑(例如Fe,Au,Ag,Cu,K,Ca,Na，和Cr)的生物標記符以及良好的表面吸附和吸收能力與生物樣品混合來進行測試。帶有增強劑或者生物標記符的溶液和生物樣品接著在本發明的微器件中進行測試。

在另一個實施例中，包含至少一個氧化劑(例如H2O2)的增強子首先與生物樣品混合進行測試。混合溶液隨後在微器件中進行測試。

在另一個實施例中，包含至少一個氧化劑(例如H2O2)的增強子首先與生物樣品混合進行測試。包含至少一個催化劑的第二增強子隨後被添加到以上溶液中。混合溶液隨後在微器件中進行測試。

圖5-7說明了在本發明中使用的微器件和方法的生物標記符的潛在應用的原理。

如圖5(a)所示，0501是正常細胞，0502是腫瘤細胞。0503是檢測目標生物標記符。如圖5(b)所示，在一個實施例中，檢測目標生物標記符0503選擇性的附著在腫瘤細胞0502上。隨著在癌細胞上的檢測目標生物標記符的附著物的飽和大大提高了檢測盒分離癌細胞的可能性。

如圖5(c)所示在另一個實施例中，檢測目標生物標記符選擇性的附著在正常細胞上，而不是附著在癌細胞上。

如圖5(d)所示在另一個實施例中，檢測目標生物標記符附著在正常細胞和癌細胞上，然而在正常細胞和癌細胞上附著物的比例和數量 是不同的，因而導致可區分的信號。

如圖5(e)所示，0501是正常細胞，0505是腫瘤細胞類型A，0506是腫瘤類型細胞B。0503是檢測目標生物識別字。在一個實施例中，檢測目標生物識別字選擇性的附著在癌細胞上，並按不同的比例附著在不同的癌細胞類型上。因此，可以由此來區分癌細胞類型A和癌細胞類型B。除了在本應用中揭露的檢測目標生物識別字的非顯而易見性和清晰的區別之外，與傳統的腫瘤標記物的方式相比，一個主要的優點是創新，新的檢測目標生物識別字可以檢測也可以區分多個癌症類型。如圖6中的圖示所示，典型地，傳統的生物標記物只可以檢測一種類型的癌症(有時候，甚至只是一種癌症的一個類型的一個分支)(圖6(a))，而新穎的檢測目標生物識別字的方式不僅可以檢測多個癌症類型，而且還可以清晰的區分不同類型的癌症，就在早期的或常規的物理檢查應用，成本，操作，和效率而言，本方式具有顯著的優點。

有時候，一個或多個檢測目標生物識別字(或者其他成分例如離子，催化劑，氧化劑，蛋白質，化合物，或者聚合物)在與待測生物體吸附或反應前可以經過多次反應，吸附，或者吸收。如圖7(a)所示，0701是正常細胞，0702是腫瘤細胞，0703是檢測目標生物識別字C，0704是附加成分D(例如檢測目標生物識別字，離子，催化劑，氧化劑，蛋白質，光學組分像螢光組分，放射性組分例如正電子，化合物，生物化學組分，或者聚合物)。隨後，檢測目標生物識別字與附加成分D(0704)反應，隨意地形成一個如圖7(b)所示的新的實體0705。最後新形成的實體0705選擇性的附著在如圖7(b)所示腫瘤體0702上。典型地，新形成的實體0705的目標能力和檢測靈敏度優於最初的實體(0703和0704)。

本發明的微器件包括探測或檢測的多個平臺，每一個平臺提供一個探測信號和檢測微觀水準的特性，這個特性可以與探測信號和另一個平臺的檢測特性相同或者不同。

在每一個平臺上多級檢測器件收集資料然後使標準化並且整合收集到的資料畫制特性曲線來識別和分析待測樣，例如，針對不同類型癌症的分析。特別地，此外，在每一個平臺，器件具有不同的幾何形狀。在一個實施例中，器件幾何形狀的不同在於通道的寬度和高度(即橫截面)在另一個實施例中，不同點在於它的長度。在其他的一些實施例中，不同點在於它的形狀(例如，它的橫截面可以是圓形，方形，矩形，橢圓形和八邊形)。這個外加一個應用探針(例如光學束，熱波，力，聲波，電壓，電流或者電磁波)的幾何因數和測得的來自於待測生物樣品的回應提供了關於疾病類型特徵(指紋)的資訊。在一個應用中，它提供了關於癌症類型的信息。這個與待測生物樣品特性相關的幾何因數在識別樣品中的癌細胞類型扮演著重要的作用。在另一個實施例中，外加了一個應用探針(例如光學束，熱波，力，聲波，電壓，電流或者電磁波)的檢測器件的幾何因數，至少一個增強劑(包括但不限於氧化劑，催化劑，酶，還原劑，抑制劑，化合物，生物組分和生物組分)，和一個測得的來自待測生物樣品的響應提供關於疾病類型特徵(指紋)的資訊(例如癌症的類型)。在其他的實施例中，外加了一個應用探針(例如光學束，熱波，力，聲波，電壓，電流或者電磁波)的檢測器件的幾何因數，至少一個增強劑(包括但不限於氧化劑，催化劑，酶，還原劑，抑制劑，化合物，生物組分和生物組分)，和一個測得的來自待測生物樣品的響應提供關於疾病類型特徵(指紋)的資訊(例如癌症的類型)。在另一個實施例中，外加的一個測得的來自待測生物樣品的響應提供關於疾病類型特徵(指紋)的資訊(例如癌症的類型)。

圖8(a)描述了一個帶有四個不同探針平臺的器件的實施例，並用a,b,c，和n來標示。這些不同的平臺通過不同的通道幾何形狀來區分，在本案例中通道的幾何形狀是指生物樣品所在流動的通道的寬度。在本實施例中，生物體在所有四個平臺進行測試，每一個平臺測量一個相同的特 性。檢測測量或者讀取從四個平臺收集到的相同特性可以用來描畫特性曲線，見圖8(b)。通過與標準的控制組對比(例如非疾病或者健康細胞)，圖可以用來識別待測生物樣品的類型。在圖8(b)，A和B是不同的生物樣品並導致不同的曲線。

圖8(c)說明了帶有多個平臺的微器件的實施例，每一個平臺因為探測單元的不同而不同。在不同平臺裡通道的寬度和高度是相同的。在本實施例中，兩個不同的生物樣本被探測和檢測。測得的特性可以標準化來繪製特性曲線。圖8(d)展示了兩個不同的生物樣品的曲線。

通過不同的探測和檢測單元，多個被探測和檢測的微觀特性可以合成一個複雜的指數，如圖8(d)所示，指數可以通過曲線所圍的面積來表示也可以是曲線的特點或者形狀。這比只利用一個單一的微觀特性來決定疾病(例如癌症或者腫瘤)的存在或類型要更可靠。如圖8(d)所示，與標準的可控樣品相比，癌症類型A和B具有不同的面積，而癌症類型A和B具有不同的形狀和輪廓。這就提供了不同類型癌症之間較好的差異性和識別度。此方法允許有腫瘤多維度的表徵，並且它比傳統的檢測方法，更靈敏和全面。相比傳統的檢測方法僅依靠一個參數或者一種途徑進行癌症檢測，在本申請裡揭示的方法利用多個參數甚至包括不同的特性(生物學，生物化學，物理學，生物物理學，化學，機械學，熱學，光學，電學，電光學特性等)提供有關檢測的更可靠，更複雜，更全面，更精確和更靈敏的資訊，並且提高檢測特異性。

廣泛的調查被採納以證實和確認本發明在此公開的效用和申請。來自這些調查的資料和結果已經明確地顯示本發明在檢測癌症和甚至區分它們的不同類型的有效性。例如，圖9和圖10展示了在本申請中公開的來自兩個不同檢測參數的結果，其中一個是利用檢測參數Xa對卵巢癌的檢測，另一個是利用檢測參數Yb對肝癌的檢測。在兩個案例中，已經觀察到可控樣本和癌症樣本間顯著的不同，因而表明和確認本發明檢測癌症的 能力。從基於資料的接受者操作特徵曲線獲得的關於卵巢癌的靈敏度和特異性如下表所示，證明了在此公開的本發明在癌症檢測方面具有良好的靈敏度和特異性。

除了從可控組(正常的，非癌症組)檢測癌症組的能力之外，調查也顯示在此公開的本發明也可以識別具體的基於它們各自的截取值和它們對不同類型的檢測參數的回應的癌症類型。例如另一個例子，利用檢測參數Xa，相比結腸癌，卵巢癌顯示出較低的截取值和平均測量值。因此，可以確認在此公開和要求的本發明不僅可以用於執行一般的癌症篩選包括早期的癌症檢測以從正常組中分離癌症組病人，而且可以識別和區分具體的癌症類型。

在另一系列的的調查中，在此公開的添加劑也展示了在進一步提高癌症檢測靈敏度和特異性的有效性。特別的，隨著添加劑在待測樣品中的使用(添加)，正常組(非癌症組和癌症組間的測量信號的差異放大了，進而提升了癌症檢測的靈敏度和特異性。在一些情況下，添加在本發明中公開的添加劑幫助識別具體的癌症類型。例如，在一系列例子中，肝癌和卵巢癌對特定類型添加劑的回應顯示出顯著的不同，從而對這兩種 類型的癌症在信號強度上顯示出顯著的不同。除了提高癌症的檢測能力(相對于正常組(健康組)增強的檢測信號)，這個重要的特徵可有效地用於定向的或者特定的癌症篩選或檢測。圖11和12展示了這些調查中的兩個例子的結果。特別地，圖11說明了在含有和沒有本發明公開的添加劑的情況下，檢測和識別正常組和肝癌組的不同；圖12展示了在含有和沒有添加劑的情況下，本發明在此公開的用於檢測和區分肝癌或則卵巢癌的檢測靈敏度和和精度的不同。特別地，圖11說明了用於疾病檢測的添加劑的例子的結果。如圖11(a)所示，正常組(健康組)和癌症組(此處指肝癌)有16(相對單位)的差值當測試時沒有添加添加劑X。圖11(b)展示了在正常樣品和肝癌樣品中都混合了相同的可控濃度的添加劑X之後的檢測結果。正常組和肝癌組間的差值增加了61，與實驗前沒有添加添加劑X相比增加了大概4.7倍。結果顯示了添加劑顯著提高了正常樣本和癌症樣本的篩選效率。圖12說明了一個用於區分/辨別和分離不同類型的癌症的添加劑的例子。如圖12(a)所示，當測試沒有添加添加劑Y時，肝癌組和卵巢癌組有12.5的差值(相對單位)，圖12(b)顯示了肝癌組和卵巢癌組樣本混合了相同可控濃度的添加劑Y之後的檢測結果。與實驗前沒有添加添加劑相比，肝癌組和卵巢癌組之間的差值增加了84.4，或者大概增加了6.7倍。換而言之，添加劑Y顯著提高了特定癌症的篩選效率。

除此之外，在此公開的發明可用於在癌症治療期間和之後的跟蹤監控和評估，檢測所揭示的測量特性的改變，對治療有效性，病人的狀況，和跟蹤治療的指導提供有價值的評估。圖13-15展示了在本申請中公開的測量對癌症治療回應的檢測參數。尤其特別地，圖13展示了在此公開的本發明監控乳腺癌化療後期反復的有效性；圖14展示了在此公開的本發明監控胃癌放療後期反復的有效性；圖15展示了在此公開的本發明監控胃癌化療後期反復的有效性。在這三個圖中，跟蹤癌症治療可以觀察到顯而易見的改變，證實了在此公開的本發明在後期的癌症治療監控方面的潛在 價值。

其他實施例

可以理解的是，儘管本發明已被進行了描述，接下來的描述旨在進一步說明而非限制本發明的範圍，本發明的範圍由附加申請專利範圍說明。其他的方面、優點和修改均在以下申請專利範圍的範圍內。本文中所有的出版物引用均被整體參考。

Claims (45)

1. 一種用於檢測存在於液體或者以液體狀態存在的生物樣本微觀水準特性的微器件，包括生物樣本到微器件的入口，可選的預處理單元，探測單元，檢測單元，系統控制器，和用於從微器件排出生物樣本殘留物或者廢棄物的出口，其中微器件的幾何尺寸資訊，來自探測單元的探測信號，由檢測單元測量的檢測信號和/或選擇性的使用一種或多種增強劑，會增強對不同種類疾病檢測和區分的特異性和靈敏度。
2. 如請求項1所述的微器件，其中待測特性包括熱學，光學，聲學，生物學，化學，放射學，電學，磁學，機電學，電化學，電光學，電熱學，電磁學，電化學機械學，生物力學，生物光學，生物熱學，生物物理學，生物機電學，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，生物電熱光學，生物機電光學，生物電熱光學，生物電化學機械學，物理學或者機械學信號，或以上任意組合。
3. 如請求項2所述的微器件，其中電學性質是表面電荷，表面電位，靜息電位，電流，電場分佈，電偶極子，電四極子，三維電氣或電荷雲分佈，染色體DNA端粒電性能，電容或阻抗；熱性質是指溫度或振動頻率；光學特性包括光吸收，光傳輸，光的反射，光電性能，亮度，或螢光發射；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，反應速率，氧氣濃度，氧氣消耗率，氧鍵合部位，氧鍵合強度，由於氧原子或分子的性質和位置造成的局部電荷密度，由於氧原子和/或分子的性質和位置造成的局部離子濃度，由於氧原子和/或分子的性質和位置的局部電場密度，離子強度，催化行為，觸發增強的信號回應的化學添加劑，生物化學添加劑，提高檢測靈敏度的化學物質，生物化學物質，提高檢測靈敏度的生物添加劑，或接合強度；物理性質包括密 度，形狀，體積，或表面積；生物性質包括表面形狀，表面積，表面電荷，表面生物學特性，表面化學性質，pH值，電解質，離子強度，電阻率，細胞濃度，屬性有關的生物標記，或溶液的生物，電氣，物理或化學性質；聲學性質包括頻率，聲波的速度，音訊和強度頻譜分佈，聲強，聲學吸收，或聲共振；力學性質包括內部壓力，硬度，流速，粘度，剪切強度，拉伸強度，斷裂應力，粘附性，機械共振頻率，彈性，塑性，或可壓縮性。任意這些性質可以是靜態的或者動態的和變化的。
4. 如請求項1所述的微器件，進一步包含具有兩個末端開口和一個帶有內表面和外表面的側壁的毛細管，其中一個末端開口是微器件的入口，另一個末端開口是微器件的出口，毛細管提供探測單元和可選的檢測單元。
5. 如請求項4所述的微器件，其中毛細管包含一個內核和一個由內核和毛細管側壁定義的內部通道，一個預處理單元，和一個生物樣本重複迴圈單元。
6. 如請求項4所述的微器件，其中毛細管包含一個或多個通過毛細管的內表面或外表面的針孔，並提供探測單元或檢測單元。
7. 如請求項6所述的微器件，其中毛細管包含至少兩個穿過毛細管側壁的外表面或內表面的針孔，並提供探測單元或檢測單元。
8. 如請求項4所述的微器件，其中探測單元或檢測單元可以發送探測信號或者測量微觀水準的熱學，光學，聲學，生物學，化學，放射學，電學，磁學，機電學，電化學，電光學，電熱學，電磁學，電化學機械學，生物力學，生物光學，生物熱學，生物物理學，生物機電學，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，生物電熱光學，生物機電光學，生物電熱光學，生物電化學機械學， 物理學或者機械學信號，或以上任意組合。
9. 如請求項8所述的微器件，其中電學性質是表面電荷，表面電位，靜息電位，電流，電場分佈，電偶極子，電四極子，三維電氣或電荷雲分佈，染色體DNA端粒電性能，電容或阻抗；熱性質是指溫度或振動頻率；光學特性包括光吸收，光傳輸，光的反射，光電性能，亮度，或螢光發射；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，反應速率，氧氣濃度，氧氣消耗率，氧鍵合部位，氧鍵合強度，由於氧原子或分子的性質和位置造成的局部電荷密度，由於氧原子和/或分子的性質和位置造成的局部離子濃度，由於氧原子和/或分子的性質和位置的局部電場密度，離子強度，催化行為，觸發增強的信號回應的化學添加劑，生物化學添加劑，提高檢測靈敏度的化學物質，生物化學物質，提高檢測靈敏度的生物添加劑，或接合強度；物理性質包括密度，形狀，體積，或表面積；生物性質包括表面形狀，表面積，表面電荷，表面生物學特性，表面化學性質，pH值，電解質，離子強度，電阻率，細胞濃度，屬性有關的生物標記，或溶液的生物，電氣，物理或化學性質；聲學性質包括頻率，聲波的速度，音訊和強度頻譜分佈，聲強，聲學吸收，或聲共振；力學性質包括內部壓力，硬度，流速，粘度，剪切強度，拉伸強度，斷裂應力，粘附性，機械共振頻率，彈性，塑性，或可壓縮性。任意這些性質可以是靜態的或者動態的和變化的。
10. 如請求項7所述的微器件，其中每一個針孔通過包含機械學，電學，磁學，電磁學，放射學，離子，熱學，光學，聲學，化學，機電學，電化學和電化學機械學的處理方法來製造。
11. 如請求項7所述的微器件，其中每一個針孔的直徑或寬度範圍從0.01微米到1釐米，或者從10微米到2000微米。
12. 如請求項4所述的微器件，其中毛細管可以是圓形，橢圓形，方形，矩形，三角形，或多邊形。
13. 如請求項4所述的微器件，其中毛細管的內徑或寬度範圍從約0.1微米到約10毫米，從約20微米到約300微米，從約0.1微米到約100微米，或者從約5微米到約500微米。
14. 如請求項13所述的微器件，其中毛細管的長度範圍是從100微米到約約100毫米或者從100微米到約100毫米。
15. 如請求項1所述的微器件，其中探測單元和檢測單元包含在一個單元中。
16. 如請求項1所述的微器件，其中探測單元給生物樣本施加一個放射性的探測信號。
17. 如請求項16所述的微器件，其中探測單元包含一個產生放射性探測信號的放射性元素。
18. 如請求項17所述的微器件，其中放射性元素包含H-3,Be-7,Na-22,Ca-46,Fe-55,Fe-59,Co-56,Ci-57,Co-58,Co-60,Ni-63,Zn-65,Zn-72,Kr-85,Sr-89,Sr-90,Y-90,Y-91,Zr-94,Nb-93,Nb-95,Mo-93,Ru-103,Ru-106,Ag-111,Sb-125,Te-127,Te-129,I-123,I-131,Xe-125,Xe-127,Xe-133,Cs-134,Cs-137,Ce-144,Pm-147,Eu-154,Eu-155,Ir-188,Ir-189,Ir-190,Ir-192,Ir-192,Ir-193,Ir-194,Ir-194,Pb-210,Po-210,Rn-220,Rn-222,Ra-224,Ra-225,Th-228,Th-229,Th-232,Th-234,Pa-234,Pu-238,Pu-239,Pu-240,Pu-241,Am-241,Am-242,Cm-242,Cm-243,or Cm-244。
19. 如請求項1所述的微器件，其中探測單元包含一個可向生物樣本輸運 探測信號的正電子發射器件，探測信號是一個熱學，光學，聲學，生物學，化學，放射學，電學，磁學，機電學，電化學，電光學，電熱學，電磁學，電化學機械學，生物力學，生物光學，生物熱學，生物物理學，生物機電學，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，生物電熱光學，生物機電光學，生物電熱光學，生物電化學機械學，物理學或者機械學信號，或以上任意組合。
20. 如請求項1所述的微器件，其中探測單元包含一個集成到探測單元的光譜收集器。
21. 如請求項1所述的微器件，其中所述的生物樣本被處理或與添加劑混合，生物樣本和添加劑反應或形成複合物，偶聯物或聚合物，從而增加了被測生物樣本某種特性的信號，結果導致了生物樣本的至少一種特性產生了新信號並檢測，允許檢測特定信號以區分癌症類型。
22. 如請求項1所述的微器件，還包括用於向包含生物樣本的液體中引入添加劑的添加劑入口，其中所述的添加劑入口可以位於前方或位於生物樣本進入微器件的上游方向，相同的入口，用於將生物樣本引入微器件，位於預處理單元中，可選地作為預處理單元的一部分，或位於探測單元中，可選的作為探測單元的一部分，或者位於檢測單元中，可選的作為檢測單元的組成部分。
23. 如請求項22所述的微器件，其中至少一種添加劑入口連接到針孔。
24. 如請求項22所述的微器件，其中至少一種添加劑入口位於探測單元或檢測單元。
25. 如請求項22所述的微器件，其中添加劑包括溶液，固態納米粒子或氣 體。
26. 如請求項25所述的微器件，其中所述液體溶液是水溶液或有機溶液包含高錳酸鉀，葡萄糖，葡萄糖化合物，磷酸氫鹽，丙酮酸，丙酮酸鈉，丙酮酸鹽溴化物，溴丙酮酸，乙酸，丙醛，甘油醛，甲基乙二醛，乳酸脫氫酶，丙氨酸，乳酸，氨基酸，蛋白質，鈣，鉀，硫，鈉，鎂，銅，鋅，硒，鉬，氟，氯，碘，錳，鈷，鐵，或酶。
27. 如請求項26所述的微器件，其中所述的酶包括己糖激酶。
28. 如請求項25所述的微器件，其中氣體包括O₂,O₃,CO,CO₂，鈣，鈉，鉀，硫，鈉，鎂，銅，鋅，硒，鉬，氟，氯，碘，錳，鈷，鐵，或碳基有機物。
29. 如請求項22所述的微器件，其中添加劑包括離子，氧化劑，還原劑，抑制劑，催化劑，酶，生物標誌物，化學標誌物，生物化學標誌物，生物活性化合物，金屬氧化物化合物，生物化學化合物，光學成分，發光成分，蛋白質，病毒，染色劑，抗體或以上的組合。
30. 如請求項29所述的微器件，其中離子包括Fe³⁺,Fe²⁺,Ag⁺,Cu²⁺,Cr³⁺,Na⁺,K⁺,Pt²⁺,Mg²⁺,H⁺,Ca²⁺,Hg²⁺,Al³⁺,NH₄ ⁺,H₃O⁺,Hg₂ ⁴⁺,Cl^-,F^-,Br^-,O^2-，CO₃ ^2-,HCO₃ ^-,OH^-,NO₃ ^-,PO₄ ^3-,SO₄ ^2-,CH₃COO^-,HCOO^-,C₂O₄ ^2-，或CN^-離子；氧化劑含有氧，臭氧，過氧化氫，無機過氧化物，硝酸，硝酸鹽化合物，鉻化合物，高錳酸鹽複合，硫酸，過硫酸，氟，氯，溴，碘，亞氯酸鹽，氯酸鹽，高氯酸鹽，鹵素化合物，氯酸根，次鹵酸鹽化合物，過硼酸鈉，氧化亞氮，氧化銀，鐵，托倫斯試劑，2,2’-二吡啶二硫化物，尿素，或它們的組合；還原劑包括初生氫，含亞鐵離子，汞鈉，硼氫化鈉的化合物，亞硫酸化合物，水合肼，含有錫離子化合物，鋅汞齊，氫化鋁鋰，林 德拉催化劑，甲酸，草酸，抗壞血酸，亞磷酸鹽，磷酸鹽，或磷酸；或生物活性化合物包括葡萄糖，果糖，半乳糖，氨基酸，丙酮酸，乙酸，乙醛酸，草酸，丙酸，醋酸，或酶。
31. 如請求項1所述的微器件，其中探測單元探測微觀水準上的特性，並產生機器可讀的的檢測信號。
32. 如請求項31所述的微器件，其中系統控制器將機器可讀的檢測信號處理後，生成可顯示的資料或人眼可讀的資料。
33. 如請求項32所述的微器件，其中系統控制器包括第一模數轉換器，電腦和資料顯示器。
34. 如請求項33所述的微器件，其中系統控制器進而包括放大器，可在機器可讀測試信號到達模數轉換器和電腦之前將其放大。
35. 如請求項33所述的微器件，其中系統控制器進而包括中央處理器，隨即存取記憶體和唯讀記憶體。
36. 如請求項33所述的微器件，其中系統控制器進而包括操縱器，能夠啟動或產生干擾信號，並在干擾信號被干擾單元施加於生物樣本前，將其送至電腦處理。
37. 如請求項33所述的微器件，其中干擾信號是熱學，光學，聲學，生物學，化學，放射性的，電學，磁學，電力學，電化學，電光學，電熱學，電磁學，電化學力學，生物化學，生物力學，生物光學，生物熱學，生物物理學，生物電力學，生物電化學，生物電光學，生物電熱學，生物力學光學，生物力學熱學，生物熱學光學，生物電化學光學，生物電力學光學，生物電熱學光學，生物電化學力學，物理學或力學信號，或以上的組 合。
38. 如請求項37所述的微器件，其中電學性質是表面電荷、表面電位、靜態電位、電流、電場分佈、、電偶極、電四極、三維電子雲分佈、DNA端粒酶與染色體的電性、電容或電阻。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、螢光發光。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、氧鍵合端，氧鍵合強度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電荷密度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電離強度，基於氧原子和/或分子特性及位置的局部電場密度，電離強度、催化行為、化學添加劑觸發增強的信號回應，生物化學添加劑觸發增強的信號回應，生物添加劑觸發增強的信號回應，化學試劑增強檢測靈敏度、生物化學試劑增強檢測靈敏度、生物試劑增強檢測靈敏度、以及化學鍵強度；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、離子強度、阻值、細胞濃度、生物標誌物相關性質或溶液的生物學、電學、物理學或化學性質。聲學性質為頻率、聲波速度、聲頻，聲強譜分佈、聲強，聲吸收、聲諧振。力學性質為內部壓力、硬度、流速、黏度、流體機械性質、剪切強度、伸長力、收縮力、粘附、機械共振頻率，彈性、可塑性或可壓縮性。上述性質可以是靜態、動態或者可變的。
39. 如請求項33所述的微器件，其中系統控制器進而包括第二模數轉換器和信號發生器，能夠在電腦處理之後，但在干擾信號被干擾段元施加到生物樣本上之前，處理干擾信號。
40. 如請求項1所述的微器件，其中預處理單元將生物樣本通過共同特性的差異，分成不同的組分，並處理待測生物樣本的表面，或將待測生物樣 本與至少一種添加劑混合。
41. 如請求項1所述的微器件，進而包括可選的第二預處理單元，第二探測單元和第二檢測單元，形成了微型器件的二級檢測器。二級檢測器件能夠檢測與上級檢測器件相同或不同的微觀特性。
42. 如請求項41所述的微器件，其中二級檢測器件具有與一級檢測器件不同的幾何尺寸。
43. 如請求項42所述的微器件，其中幾何尺寸是寬度，重量，長度或通道形狀，或者是以上的組合。
44. 如請求項1-43中任1項請求項所述的微器件，其中不同類型的疾病是指不同類型的癌症。
45. 如請求項44所述的微器件，其中不同類型的癌症包括膀胱癌，乳腺癌，結腸癌，直腸癌，卵巢癌，子宮內膜癌，腎細胞癌，肝癌，胃癌，白血病，肺癌，黑色素瘤，非霍奇金淋巴瘤，胰腺癌，前列腺癌，甲狀腺癌。

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