个人诊断装置和相关方法

专利名称：个人诊断装置和相关方法
个人诊断装置和相关方法
本申请是2004.09.02提交的CN200480032076.7，题为“个人诊断装置和相关方法”的分案申请。技术领域
此项发明总体上和个人诊断装置例如皮肤贴片或者诊断手镯相关，特别地说， 是和交互式粘性皮肤贴片和医用诊断手镯相关。更具体地说，这项发明是与具有一个皮 肤/贴片界面、并至少有一个分析处理层和用户输入和/或用户输出界面的交互式粘性皮 肤贴片和个人诊断手镯相关的。
背景技术：
在此之前，典型的皮肤贴片主要是用于人体的一种被动的药物释放装置。这样 的例子包括，用于戒烟的尼古丁贴片和通过控制晕海宁(Dramamine)的使用剂量来减轻 晕船症状的晕船贴片。
用于诊断的目的医学监视装置是很多的。这些广为人知的装置包括X光机， 超声波装置，可以综合平行的X射线断层摄影来产生物体的三维模型的计算机层析X射 线摄影仪(CAT)，通过记载心脏的电信号来研究心脏疾病的心电图(ECG/EKG)监视系 统，用于脑映射和神经反馈的脑电图(EEG)系统，和用于脑成像和相关分析的正电子发 射断层摄影(PET)。
更特别的是，有几位科学家，例如Sarussi等、Conn等及S.BerKn对相关的技术 有很大的贡献。Sarassi等在美国专利申请号2003/0229276中公开的装置是对这样的贡献 的很好的说明。这一专利申请中公开了一种具有微处理器用来监视血液成份的装置。在 一种实现中，这个装置包含一个可以在血液的某种成份低于某一预先决定的水平时自动 触发的警报器。在其它的实现中，这个装置可能包含一个显示器件，可以显示输出的信 号或者携带者得健康状态。Sarassi的装置可以放置在一个和皮肤表面附着的仪器盒中。 这个装置还可以包含一个光源，例如一个发光二极管(LED)。
美国专利申请号2002/0004640 (Conn等)中公开了一种测量出现在一种生物系统 中的目标化学分析物的浓度的装置，这个装置中包含有用在皮肤上的传感器。在这个装 置的一个具体实现中，分析物是通过离子泳的方法来提取。通过在收集器中加入包含和 特定分析物反应的酶，可以产生可探测产物，这样分析物就被检测到了。此项发明也使 用了微处理器。
在授权给Stuart Berlin的美国专利号6,585,646的公开里，介绍和讨论了一种皮肤 贴片，这种皮肤贴片可以用来收集和发现在分泌的汗水中的特定的生物标志，而这些标 志可以证明各种不同疾病的存在。在一个实施例中，BerKn贴片包含单克隆抗体或者其 它化合物，它们在和特定的生物标记反应之后会产生一个可见的信号。在另外的一个实 施例中使用了 一个电子传感器。
在美国专利号6,251,083 (Yum等人)中公开了一种用于体液分析的一次性贴片。这个贴片包括一个皮肤界面层，界面层里有一个用来附着皮肤的附件，许多测试区域， 和一个指示剂系统，指示剂系统是利用分光光度的变化来检测被测物的存在和浓度的。 在其中使用的试剂可以包括指示剂颜料。在这里所使用的指示剂可以包括指示剂染料。
在美国专利号5,443,080 (D’ Angelo等人)中公开了一种带有一个有皮肤界面膜 层、一个化学反应物层、一个显示色彩反应的指示器、和一个电光解释器的装置。
在由Peek发表的美国专利号4,821,733中公开了一种皮肤检测系统，它可以检测 移动到皮肤表面的目标物质。用一个附着构件用来把系统附在皮肤表面。探测到的信 号能以颜色变化的形式来产生。在一个实施例中，这一系统用来在皮肤的表面上发现乙
在Berner等发表的美国专利申请号2002/0091312中公布了一种装置和方法，当 这种装置和皮肤或粘膜表面保持有效接触时，可以测量生物系统中分析物的浓度。分析 物是利用离子泳抽样的方法，透过皮肤来提取的。该装置还包含一个用来获得可探测的 特定分析物的信号传感构件，和一个用来实现一个或更多测量周期的微处理器。
由Phillips发表的美国专利号4,732,153中公开了一种剂量计，它是被附在皮肤上 来收集皮肤表面的物质。当收集的物质和存储在贴片中的化合物发生反应的时候，这个 装置可以产生一种可观测到的颜色变化。化验就可以在皮肤剂量计中进行。
作为一个在此提到的技术贡献的例子，在美国专利申请号2002/0099308中公 开(Bojan等)了一个多层设备，这个设备可以收集和检测间质流体中的被检测物。这 个设备包括一个皮肤接触层和用来探测或测量分析物的一个探测层。一个光源被用来 透过皮肤吸取间质流体。在授予Long等的美国专利权号6,479,015中公布了 一种带 有指示层的皮肤贴片，它在有乳酸盐存在的情况下会改变颜色，另外，在欧洲专利号 U62559 (Deigner等)中也公开了一种皮肤贴片，它包含一个附着构件和一个试剂层。
尽管和此项发明相关的技术有许多进展，但是并没有任何具有交互式皮肤贴片 或诊断手镯性质的个人诊断装置被提出。这种装置应当包括皮肤贴片界面、至少一个分 析处理层、集成处理器或计算机和一个用户输入和/或输出界面。这个输入输出界面综 合了微机电系统(MEMS)、生物微机电系统(bio-MEMS)、纳米技术的优点，提供给病 人或者病人看护多样的实时的病人信息或结果，而这些都不需要专业医疗人员的参与与 干涉。
因此，随着微机电系统(MEMS)和生物微机电系统(Bio-MEMS)及相关的微系 统和纳米系统的到来，具有贴片或手镯性质的集成交互式个人诊断装置是非常需要的。 普通用户可以非常容易的利用它进行多种多样的临床测试，而这些测试，通常需要复杂 的医学实验室设备或者要去医院才能进行，而这通常意味着随之而来的时间延误，因为 血液或尿液样品必须由实验室来处理。
作为对现有技术和相关仪器和方法的重要进步，本发明为这种嵌在交互式贴片 或生物贴片中的个人诊断装置提供了多样的实施例。而在这里提到的贴片应具有皮肤贴 片界面，至少一个分析或者处理层和一个集成了微电机械系统、生物微机电系统和/或 相关的微系统或纳米系统的用户输出界面。病人可以通过皮肤接触的方式使用这一装 置，实时的进行多样的测试。生物贴片在实现中具有许多集成的灵活的层，从而使之成 为一个轻质的可粘连的应用交互式皮肤贴片。本发明和它的实施例也可以实现于硬的或半硬的容器中或者家用的类似手镯式的装置，我们在这里称之为“生物手镯”。另外， 本发明并不只限用于人体。某些实施例可以直接用于动物来实现某些特特定需要，例如 牲畜、饲养或者奶制品工业。发明内容
本发明是一种具有皮肤界面层，一个或更多的分析处理层和用户输出层的个人 诊断装置。根据本发明，贴片和手镯可以进行许多原位测试，这使用了微电子机械系统 (MEMS)和相关微和纳米技术。在一个或更多的实施例中，贴片包括一个粘连层用来附 着到皮肤上。它还可能包含一种用来收集透皮生物样品，例如血液和汗的构件。收集来 的样品可以经过一次或更多的实时的定性或定量的分析来检测和监控身体的生理变化。 贴片的处理层可以包含各种各样的化学反应物，用来和生物样品反应来产生可观测的信 号。所得的结果可以被电荷耦合装置(CCD)，激光发射二极管(LED)或者纳米线所检 测到。在用户输出界面的可见信号可以有如下形式，条码、颜色改变、数值输出，或者 数字字母混合输出，这可以被彩色或单色的显示到一个发光二极管(LED)或液晶显示器 (LCD)上，或者也可以把信号传送到一台远程计算机中。贴片也可以包括其它的特性， 包括微流体学、声音功能、最小侵入管、光纤电缆、光发射或检测纳米线、低温液体和 光发射器。
在另外的一个实施例，贴片或手镯装置可以用来检测在被测物表面收集的空气 中的生物物质。
更特别的是，这确定了一种皮肤粘连和/或非皮肤粘连的贴片或者诊断手镯， 他们包含以下一种或全部的特点，这包括测量，分析，诊断，治疗，输入和输出界面。 皮肤贴片和手镯包括一些可选部件，这些可选部件涉及到流体的、微流体的、微流体的 阀门、试剂测试腔、感应设备、流体电路逻辑处理、电子电路逻辑处理以及控制电路和 输入输出界面之间的联系。逻辑控制和/或输入界面，和/或输出界面可以放置在一个 可重用的附于测试贴片或手镯表面的装置中。
测试贴片和/或可重用的处理界面可以是一下的任何一种形状，例如长方形、 圆形或者任意其它形状。它也可以具有许多不同的尺寸，各个方向的尺度包括但不仅仅 限于至少1毫米，至多30cm的外尺寸，或者任何长、宽、高的组合，只要其范围在1毫 米到30厘米之间。
测试贴片或手镯可以进行定性的和/或定量的测试，为了获得测试逻辑结果， 还可以提供用户输出和/或用户输入和/或处理能力。
这一界面可以包含可选的输入和输出，这包括可为用户看到的定量的和定性的 数据，可以显示到许多构件上。这些构件包括但不局限于，在装置上或者可重用表面上 的可变型的或固定的发光二极管(LED)/液晶显示器(LCD)等显示设备。用户选择按钮 包括但不局限于，按钮、划块(slider)、压力开关和远程用户输入设备例如无线界面和/ 或有线界面。
现在发明的个人诊断装置和它的各种不同实施例可以包括一个或更多的定性的 或者定量的测试，他们可以是由逻辑和/或人工输入控制的，间隔运行的一些相同的测 试。测试的装置也可以包括一些不同的测试，来分别实现定性和定量的测试。
此个人诊断的装置也可以包括空腔，可以被用于压力测试及/或给装置以压缩 气体或真空的方式提供能量。
更明确的说，本发明提供这样的个人诊断装置，它包括一个用来从用户获得流 体样品的样品采集层；一个用来处理流体样品的流体样品层，它和样品采集层保持流体 交换；用来探测从处理过的流体样品所得的结果的构件；和用来显示诊断结果的构件。 本装置可以包含至少一个放置压缩气体的腔，或者至少一个真空腔。此装置还可以包含 疏水的表面来减缓液体流动，或者亲水的表面来加速液体流动。此装置可以配备扬声器 来给用户提供反馈。这一装置还可以包括一个逻辑处理系统和一个互连网地址。
本发明的另一个方面提供了一种个人诊断设备，其包括一个可以从用户周围环 境采集空气样品的空气样品采集构件；用来测量空气样品中至少一种特定污染物的构 件；一个用来从用户获得流体样品的流体样品采集层；一个用来处理流体样品的流体样 品层，它和样品采集层保持流体交换；一个用来探测从处理层获得的流体检验结果的探 测器；和一个显示器件用来显示测试结果。这一装置可以进一步的包括一个带有TCP/IP 的逻辑处理系统，而且可以分体或组合的与一个发送器和接收器一起来提供用户位置的 遥感信息。这一装置方便的提供了一个用来处理探测器探测到的诊断结果的处理器，它 可以根据用户的医疗状态产生输出信息。用于存储输出信息的内存也可以用于装置中或 作为位置设备用于装置中。
根据本发明的另外一个方面，提供了另外一种使用个人诊断装置的方法。这一 方法可以包括对用户使用一个个人诊断装置的步骤；允许个人诊断装置从用户获得生物 样品；在个人诊断装置中处理生物样品来获得用户的医疗和健康信息；将信息传送到接 受设备；和显示和医疗信息相关的输出结果。此方法还可以包括将输出信息在传送步 骤进行前先保存到个人诊断装置中。接受装置可以是个人诊断装置，也可以是个人计算 机，或者是通讯网络。
本发明的各个方面，将在下面同附图一起详细的说明，这包括了定性和定量分 析生物和化学测试样品的方法，这些测试或者是部分或者是全部的在本发明所提到的个 人诊断设备中进行。测试样品可以包括但不局限于血液、血清、血浆、唾液、尿液、 痰、粪便、汗、组织样品、瘤或活组织切片样品、水和其它可能包含化学或生物目标物 的样品。这些研究目标可以包括，例如，特定的核酸序列、蛋白质、抗体、有毒化学 品、污染物质、压力标记物、心脏健康标记物、肿瘤标志、细胞、细菌、病毒、生化武 器和其它生活或化学性质的目标。
因此，本发明的一个目的就是取得超越目前技术限制的进步。这些和其它目标 是依照本发明来达到，本发明中可以提供几种交互式生物贴片，生物手镯的实施例，和 与之相关的方法和处理过程。


更多的本发明的目标和那些对此有贡献的附加的特点和由此而来的优点通过下 面这些优选实施例的说明而变得明显，此说明伴随着

，其中相同的引用号码对 映着相同的构件，说明附图如下
图1是一个使用本发明的个人诊断装置的用户坐在个人电脑前的透视图，其所描绘的是用户用无线的方式把测试结果下载到电脑中以便在电脑显示器中显示。
图2是一个图1所示分析个人诊断装置的一个实施例的透视图，它包括一个剖视 图部分来显示各主要层的相关部件；
图3A是一个另一种如图1所示分析诊断装置的实施例的分解视图，它包括可以 可移动的和可交换的部分，图中的剖视图描绘了这一部分，并显示了各主要层和可交换 部分的构件。
图3B是被用于一个实施例的阅读装置的一个透视图，图中显示了下载储存在图 3A所示的可移动的顶端部分的结果；
图4是图1-3所示的个人诊断装置的一种替代实施例的透视图，它在表层上有一 个样品收集输入口。
图5是如图1所示的个人诊断装置的另一个实施例的一个分解图，此实施例包括 声学腔和声音传感麦克风，用来实现声音输入输出；
图6是图1所示的个人诊断装置的又一个实施例的分解图，此实施例包括一个低 温肿瘤治疗构件，它带另一个用来给治疗过程成像的CCD。
图7A是一个本发明的主要样品获取层，流体处理层和化验结果检查层的分解 图。
图7B是一个分解图，它描述了本发明所提到的个人诊断设备的主要的化验结果 检测层，电子处理层，逻辑控制层和输入/输出层；
图8A是以生物手镯方式实现的本发明所指的个人诊断装置的透视图8B是以生物贴片方式实现的本发明所指的个人诊断装置的透视图9是一个单流体回路的放大的详细平面图，它可以应用在本发明所指的交互 式个人诊断装置的各种实施例中；
图10是和图9类似的视图，但是除了微流体回路外，还包括一个发射探测器 件。
图IlA是一个样品获取层、流体回路层、加热清洗层、和结果检测层的分解 视 图，它们用于一个进行DNA化验的个人诊断装置的实施例中；
图IlB是一个完全组装好带有剖视图部分显示图IlA所示的进行DNA化验个人 诊断装置各个层的透视图12A到12G展示了图IlA和IlB所示的装置进行DNA化验时一系列相关横 截面侧视图，显示了测试样品在流体处理回路中的流动过程；
图13A是一个图表表示的压力阀，用在本发明的流体回路中，来控制流体的流 动；
图13B是一个正常情况下关闭着的熔解阀的示意图，它用于本发明的流体回路 中，来控制其中的流体的流动；
图13C是一个正常情况下打开着的熔解阀的示意图，它用于本发明的流体回路 中，来控制其中的流体的流动；
图13D是另一个正常情况下打开着的熔解阀的示意图，它用于本发明的流体回 路中，来控制其中的流体的流动；
图13E是一个图表表示的溶解塞，用来做时控的流体阀，这里显示了关闭的，8半溶解的，和打开的允许液体流动的三种情况；
图14A到14K是详细的半导体纳米线和微线组装部件的示意图和图表的隔离视 图，它们在本发明中被用做光发射器和探测器，用来给DNA，小分子，细胞化验结果来 照明，检测和成像。化验结果是个人诊断装置所获得的；
图15A是一个样品采集层、流体处理层、结果检查层、和清洗缓存蓄水池层的 分解透视图，这些层被用在本个诊断装置的另一个实施例中，用来进行细胞化验；
图15B是图15A所示的个人诊断装置的洗涤缓冲蓄液池，微线探测器和捕集区 层的一个分解透视分离视图15C是一个带有剖视图区域的透视图，剖视图区域显示了完全组装好的，包 括了图15A所示的各个层的，用来做细胞化验的个人诊断装置；
图16A到16F是一系列横截面侧示意图，他们显示了图15A、15B、15C所示的用来做细胞化验的设备，化验的样品在这个装置中流动的过程；
图17A和17B是用来照明、检测和成像从本个人诊断装置中得到的细胞化验结 果的半导体微线器件的平面示意图，它在本装置中被用作光发射器和检测器；
图18A是用在另一个特定的本诊断装置的实施例中，用来做小分子化验的样品 采集层，流体处理层和另一种结果检测层的一个分解透视图18B是一个带有剖视图部分来表示一个完全组装好的的个人诊断设备的透视 图，其包含有图18A所示的各个层，用来进行小分子化验；
图18C是一个图18A和18B所示的个人诊断装置的胰岛素蓄液池和相关的补给 柳叶刀的分解透视分离视图.19A和19B两个相关横截面侧视图，显示了样品在图18A和18B所示的进行 小分子化验的装置的流体处理回路中流动的过程；
图20A是本个人诊断装置的另一个进行压力测试的实施例的样品采集层，结果 照明层，流体处理层，结果检测层和洗涤缓冲液蓄液池层的分解透视图20B是完全组装好的压力贴片带有剖视图部分显示出图20A所示的各个根据 本发明的某些方面进行压力分析的层的一个透视图21A到21D是一系列相关的横截面侧视图，他们描绘了图20A和20B所示的 进行压力测试的装置中的测试样品流过流体控制回路的过程；
图22A是一个本装置的另一个实施例的样品采集层、重复流体处理层和结果检 查层的分解透视图，这一实施例是参照本发明所实现来进行实时的运动表现分析的；
图22B是一个带有剖视图部分的透视图，剖视图部分显示了带有图22A所示的 用来进行运动表现分析的各个层的完全组装好的个人诊断装置，根据本发明的一些特定 方面；
图23A到23E表示了一系列横截面侧视图，其表现了图22A和22B所示的用来 进行运动表现分析的装置中的样品在其中的流体处理回路中流动的过程；
图24A是一个另外一个个人诊断装置的特定的实施例的样品采集层、流体处理 层、和结果检测层的分解透视图，其是用来对年纪大的病人进行老人看护用的；
图MB —个带有显示完全组装好的个人诊断装置的剖视图部分的透视图，此装 置包括图24A所示各个层，其是用来对年纪大的病人进行老人监护用的；
图25A到25D表示了一系列横截面侧视图，其表现了图24A和MB所示的用 来进行对年纪大的病人进行老人监护的装置中的样品在其中的流体处理回路中流动的过程。
具体实施方式
以下的说明首先讨论个人诊断装置(PDD)的基本结构和功能部件，根据本发明 所实施的生物贴片和生物手镯。接下来是DNA化验和相关方法的详细说明，根据本发明 的特定的实施例，这些方法被实现在个人诊断装置的生物贴片和生物手镯中。然后是关 于个人诊断装置的细胞化验和实现方法的详细的讨论。这之后，小分子化验的个人诊断 装置实现和相关方法也会进行深入的讨论。然后介绍压力监视的实现和各种相关方法。 接下来讨论的是特定的运动表现监视的实现和相关方法，这展示了本发明的各种实时的 使用方面。最后，将详细的讨论老年人监护个人诊断装置实现，应用和相关方法，用来 详细的展示本发明的另一方面。
结构和功能部件
参照图1，一个用户102带着一个个人诊断装置104，此装置可以以生物手镯的 形式或者生物贴片的形式来实现(图8B)。图1所示的用户102坐在一个包括个人电脑 108，键盘110和显示器112的工作站106前。根据本个人诊断装置104的一个主要实施 例，此装置包括一个射频发射器223(图8A和8B)，可以把个人诊断装置104的电子信 号传送到配备有合适的射频接收器114的个人电脑108中。使用这种方法，装置104处 理和存储的诊断测试结果可以无线地传输到个人电脑108，然后方便地显示在显示器112 中。
参考图2，这是一个分析个人诊断装置104的一个实施例的透视图，它包括剖视 图部分来显示与此相关的主要层的各个部件。此装置104的这个实施例包括样品采集层 116，流体处理层118，结果处理和控制层120和输出层122。输出层122在此举例说明 为视频显示器1 和单独固定显示结果窗126。视频显示器IM可以以电脑显示器或电视 显示器的方式显示实时视频信息。固定显示结果窗126是一个一次性使用结果显示窗， 它以固定格式显示某个特定化验或者装置104所进行的化验的结果。显示在显示器IM 和窗口 1 上的结果可以是定性，定量，或半定量的。
图3A是分析诊断装置104的一个替代实施例的分解透视图，此实施例包括一个 可移动和可替换的顶部128。图3A包括一个剖视图部分来显示主要层和可替换的部分的 部件。更特别地，图3A所示装置104包括可移动顶盖部分128，它带有处理控制层120， 视频显示器1 和固定结果显示窗126。图3A所示的装置104还包括一个手镯或带有样 品采集层116和流体处理层118的底部130。对于此处的生物手镯实施例，其手镯部分 或底部130可以由例如铝的刚性材料制成，而在生物贴片实施例中，此手镯或底部130是 由柔软的塑料层制成的。底部130还包括一个介面连接器132，这样可移动顶盖部分1 可以容易地在底部130安上或取下。因此在本发明这个实现中，用户可以在一个时间周 期内用带有第一个可移动顶盖部分128的底部或者手镯部分来获得和处理结果。之后， 用户可以移去第一个可移动顶盖部分128，换成第二个可移动顶盖部分1 来继续收集和 处理用户采集的生物样品的诊断信息。在另一个替代实施例中，单独的可移动顶盖部分1 可以插入到阅读装置129的一个插座131中，阅读装置可以以安全方式从可移动的顶 128中下载其收集的诊断信息，如图3B所示。在整个实施例中，病人可能不允许获得收 集到的信息。例如，阅读装置1 会由诊所或医院的主治医师或看护者看管，然后结果 会由主治医师或医务人员来分析，而不是像图3B那样直接由病人通过电脑108和显示器 112交互的使用。因此在本实施例的各种应用中，可移动的顶盖部分1 可能并不包括视 频显示器1 和/或显示窗126。或者，视频显示器IM和/或显示窗1 可能只能被部 分使用，这样病人可以获得某些测试结果，而另一些测试结果只能由医生通过下载的方 法来分析使用。
参照图4，这是本发明所指的个人诊断装置104的替代实施例的透视图，在其 表面上含有空气样品收集输入口或探测器。如图4所示，此装置104包括了样品收集层 116、流体处理层118、结果处理和控制层120、和输出层122，另外还可能包括视频显示 器IM和固定结果显示窗126。除此之外，图4所示的装置104实施例还另外提供了第 一空气样品收集部分，探测器或组件134，和第二空气样品收集部分，探测器，或组件 136。在此实施例中，空气样品收集组件是用来收集，捕获和探测各种可能存在于用户工 作或出现的环境中的空气中的粒子。这样的应用包括救住宅火灾，建筑火灾或森林火灾 的消防队员；或者医院或者实验室中的医疗工作者；各种化学处理工厂，炼油厂或类似 的处理工厂或者暴露于空气中的化学品或者其他的某些可能成为健康或安全问题的物质 的发电站的雇员和检查员。于此的另外一个实现中，军人和警察可以使用这种空气个人 诊断装置来探测被意外的进入或被人有意的放入环境中的潜在的危险的生物，病毒或者 化学物质。这样，此个人诊断装置104的实施例的用户在周围环境中的空气粒子达到任 何危险程度的时候，会得到装置的通知。除此之外，装置104的各种样品采集，处理和 化验等方面将被用来监视用户对这些空气中到的物质的的生物和生理学的反应，这些物 质在此之前已经为第一和/或第二空气样品收集组件134和136所探测和识别出来。
图5显示了根据本发明的个人诊断装置104的另外一个替代实施例的分解透视 图。图5所示的装置104带有声音腔138，麦克风140和信号处理组件142。包括声音腔 138，麦克风140，和信号处理组件142在内的系统组件是由一个小电池144来供电的，此 电池宜以集成的方式在底层实现，如图所示。作为电池144的一种替代的电源，装置104 可以配备太阳能电池类型的电源，它可以将入射光转化为电脑为内部装置所用。作为另 外的一种替代实施例，装置104可以带有内在的可反应的化学品，在得到控制命令的情 况下，内在地产生所需要的电能。
图5所示的装置104的顶层可以包含视频显示器IM和固定结果显示窗126。除 此之外，图5所示的装置104的顶层还可以包含一个输入选择开关146和一个on/off开 关148。使用这种方法，图5所示的个人诊断装置104同时具有输出和输入的能力。图 5所示的装置的主要元素可以单一的或者组合的与其他任何在此公布的各种个人诊断装置 的实施例一起使用，以实现某些特定的应用。
图6示意地表示了一个用于治疗皮肤损伤的个人诊断装置104的例子。更特别 的，图6是带有低温肿瘤治疗组件，并可以图形化的显示治疗过程的个人诊断装置104的 一个透视图。图6所示的装置104类似的包括视频显示器124，固定结果显示窗126，输 入选择器件146，和on/off开关148。图6所示的装置还带有低温腔150，用来成像的电耦合装置(CCD) 152，和低温微流体通道154。低温流体，例如液氮在通道IM种的流动 是由一系列阀门156所控制的，而阀门156可以电子的由信号处理组件142来控制，使流 体处于预定义的流动方式或时间控制的流动方式。低温流体例如液氮可义通过输入供应 线158来提供给装置104。可以预期，本发明的这个实现应该应用于诊所种或者其它由专 业人员监督的场所中。此装置可以应用到皮肤损伤的一个合适的诊断位置上，使用低温 流体如液氮进行治疗，随着治疗的进行，皮肤治疗的各个步骤会被实时的监视，同时显 示在视频显示器124中。在本实现中，固定结果显示窗1 可以在整个皮肤损伤的治疗 过程中定期的显示各种诊断结果。
参照图7A，这是一个根据本发明的个人诊断装置104的一个优选实施例的分解 透视图，其包括4个主要层。更特别地，图7A显示了样品采集层116，其带有最小侵入 细管，柳叶刀，或微探针，可以刺入皮肤表面来从靠近表皮的毛细血管获得血液样品。 或者，细管，柳叶刀或微探针159可以是非侵入性的，他们被用来从用户的皮肤表面获 得汗液。在图7A所示的特定实施例中，柳叶刀或微探针159是透皮地从用户获得血液 或细胞间质液(ICF)的。细管，柳叶刀或微探针159包括一个穿透端160和一个排出端 161。穿透端160是用来穿透用户的表皮，利用毛细作用，用微探针或柳叶刀159获得血 液，并转移到装置中，下面将更详细的描述这一过程。
图7A所示的下一个是间隔层162。间隔层162可以由任何合适的柔软塑料材料 来制成，例如，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯，聚四氟乙烯(TEFLONTM)，聚 氯乙烯(PVC)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚砜等。间隔层162的厚度可以是在25微米 到500微米之间，取决于样品采集体积或其它化验的要求。如图7A所示，间隔层162带 有蓄液池开口 164。蓄液池开口 164是层162中切除的部分，它们井然有序的和样品采 集层116中的固有形成的入口阵列166相对应。入口阵列166可以在样品采集层116的 表面，靠近柳叶刀或微探针排出端161的地方，以凹进去的区域，洞，或凹痕的形式形 成，但是它们不会穿透采集层的底面。因此，使用这种方法，当微探针159穿透用户的 皮肤，血液因为毛细作用开始流动，装满由蓄液池开口 164和对应的入口阵列166所形成 的样品收集腔224(图.9和10)。因此样品收集腔可以计量的收集一定要求或需要的体积 的血液。如图7A所示，流体处理层118也类似的包括蓄液池开口 164，其位置要与间隔 层162.中的对应的蓄液池开口 164相对应。以此种方式，间隔层162的蓄液池开口 164 同相应的流体处理层118的蓄液池开口 164及入口阵列166共同创建了样品收集腔224， 如图9和图10所示。
流体处理层118可以类似的由任何合适的柔软塑料材料来制成，例如，聚甲基 丙烯酸甲酯(PMMA)，聚碳酸酯，聚四氟乙烯(TEFLONTM)，聚氯乙烯(PVC)，聚二甲 基硅氧烷(PDMS)，聚砜等。流体处理层118的厚度也会是在25微米和500微米之间， 决定于化验应用和相关再此行成的流体处理回路的体积和流动的要求。更特别地，在图 7A所示的实施例的流体处理层118中由一个第一流体通道168，它和样品收集腔224， 图.9和10，进行流体交换，样品收集腔2M是由蓄液池开口 164和入口阵列166按前述方 法所形成的。第一流体通道168与流体腔170进行流体交换。为了继续流过流体回路， 流体腔170和第二流体通道172也进行流体交换，第二流体通道172依次再和反应区174 进行流体交换。反应区174可以应用于各种各样的实施例中来进行广泛的化验应用，在下面的图IlA到25D中包括DNA，细胞，小分子或类似的化验，它们和从用户皮肤表面 得到的血液样品，DNA样品和汗液样品是一起进行的。反应区174可以和至少一个废液 腔或收集腔176进行流体交换，以便在俘获剂在反应区174中已经俘获，束缚或辨别出目 标物之后来加速液体流动和/或收集洗涤缓冲液。
图7A所示的最后一个主要层是化验结果检测层178，其包括结果探测器180，每 一个结果探测器由一个输入182和输出184组成。探测器180可以实施为任何探测器类 型，包括但不局限于，CCD成像设备，电子感应或探测电极，光纤，硅基传感器和生物 传感器，和单独或组合的半导体纳米线或半导体微线，可组合的应用于此作为光源，探 测器和/或成像装置，我们在后面会做更详细的讨论。如图所示，每个探测器180是放置 在对应的反应区174之上。使用这种方法，在化验结果在反应区174得到之后，探测器 180可以被激活来探测，识别或断定期待的，不期待的，需要的，不需要的，预期的， 未预料到的化验结果的存在，出现和缺失。一个根据此处的结果探测器180的实现，包 括使用单独或组合的纳米线和微线，正在被处于PaloAlto，加利福尼亚的纳米系统公司 (NanosysInc)开发中。根据本发名的各种实施例中所使用的各种探测器和照明系统的细 节，特点和实现类型，使用，会在此后更加详细的讨论。
回到图7A所示的主要部件层，我们应该明白当我们把样品采集层116，间隔层 162，流体处理层118和化验结果层组装到一起，而且入口阵列166和蓄液池开口 164对 齐放置时；样品收集腔224(图9和10)在顶部为结果检测层所封闭，并且密封住间隔层 162和流体处理层118中的蓄液池开口。于此的一个实施例中，各个层的表面带有粘合 剂，因此可以把各个层粘连在一起。在另外的实施例中，各个层可以以一种不透水的方 式组装起来，通过使用合适的塑料熔解或微焊接技术。类似地，当样品采集层116，间隔 层162，流体处理层118，和化验结果检测层178组装在一起地时候，结果探测器180要 和对应地反应区174相对齐。
流体处理层118对于间隔层162的相对厚度可以变化来实现各种需要的容积关 系，样品收集腔224(图9和10)和流体处理层118中的各种流体回路部件的容积关系。 例如，对于某个特定的化验实现，我们在腔224中需要相对大的样品体积，而在流体回 路中需要相对小的尺度。在这种情况下，例如，分隔层可以是500微米厚，而流体处理 层只有25微米厚。另外，样品收集层116可以100微米厚，而此中的入口阵列只有25 微米厚。因此当样品采集层116，间隔层162，流体处理层118，和化验结果检测层178 组装到一起，而且蓄液池开口 164对好位置的话，样品收集腔224的高度会是550微米 (500+25+25),而流体回路的部件的高度会是25微米。或者，例如，流体处理层118可 以是150微米厚，间隔层162不使用，样品采集层116的厚度是150微米，其入口阵列 的深度为50微米。在这种情况下，样品收集腔224的高度是200微米(150+50)而流体 回路的部件的高度会是150微米。在又另外的一个于此的替代组合中，间隔层162和入 口阵列都不使用。在这种情况下，样品收集腔224(图.9和10)将只含有流体处理层18 中的样品收集腔224(图9和10)蓄液池开口 164，因此流体回路部件将会和样品收集腔 2M具有相同的高度。因此，参照此处的讨论，应该理解对于样品收集腔224，第一和第 二流体通道168和172，流体腔170和废液腔176的任何需要的相对体积或高度的组合， 可以通过改变间隔层162的厚度来实现，在其中增加切除部分的区域，来增加一个，全部，或任意组合的流体处理层118中的流体回路元件的深度。类似的，通过在样品采集 层116的表面，靠近柳叶刀或微探针的流出端161的位置制成凹进去的区域，洞，或凹 痕方式形成的入口阵列166，可以做成任意深度，或者不使用来增加样品收集腔224的体 积。另外，额外的体积可以加入流体处理层118中的分离的流体元件，通过在化验结果 检测层178的底面使用凹进去的区域，洞，或凹痕的方法。
图7B和图7A很相似，表示了根据本发明的个人诊断装置104的更多的主要层。 更特别的，图7B显示了图7A所示的化验结果检测层178，一个分离的信号处理层186， 一个分离的逻辑和输入输出控制器层188，和已经在前面提到并且在图2和图4-6中描述 过的输出层122。化验结果检测层178包括结果探测器180，其包括一个输入182和一个 输出184。如图所示，信号处理层186包括处理器142，逻辑和输入输出控制器层188 包括另外的逻辑和输入输出控制器190，以后为方便起见，称为"控制器190"。如图所 示，处理器142有许多的电子连接线，他们或者连接到结果探测器180中的输入182和输 出184，或者连接到控制器190中的相关的电路连接点。如图所示，处理器142包括相 应的连接点192和194。更特别地，如图中所示，每一个结果探测器180中的输入连接 器182和输出连接器184和对应的处理器142中的连接点192或194相对齐。类似的， 处理器142包括输出连接器196和输入连接器198，它们在和图7B所示的各个层组装在 一起的时候，会和控制层中的控制器190的对应的输出连接器196和输入连接器198相连 接。在这个图7B所示的装置的实施例中，控制器190还包括几个输入连接器，它们被标 记为 200，202，204，206，208，210，212，214，216，218，220，和 222。像图 7B 所 指出的，控制器190的输入连接器202是放置在和输出层122的输入数字键“7”相连接 的位置。类似的，输入连接器200和数字“8”键相连接，输入连接器204和数字“9” 键相连接，输入连接器206和数字“4”键相连接，输入连接器208和数字“5”键相连 接，输入连接器210和数字“6”键相连接，输入连接器212和数字“1”键相连接，输 入连接器214和数字“2”键相连接，输入连接器216和数字“3”键相连接，输入连 接器218和“start(开始)”键相连接，输入连接器220和“stop(停止)”键相连接， 输入连接器222和“pause(暂停)”键相连接。下面的的更多描述将会介绍其它控制器 190提供的连接，来提供需要的在输入/输出层122处理器142和控制器190之间的的通 讯。在下面的关于特定的化验实现的讨论中，这些连接和通讯网络将会得到更详细的讨 论。因此使用这种方法，此个人诊断装置104同时具有输入和输出功能，使使用它的病 人可以交互的使用它。
如图7B所示的输入/输出层122，化验结果可以显示到视频显示器124或者固 定结果显示窗126中。这些结果可以是定性的显示，以“是”或“不是”的方式，或者“阳性” “阴性”的方式，也可以定量的以柱状图的样式来显示，也可以是半定量的， 如显示“高”和“低”，这些都依赖于特定的化验实现和所需要的结果。
现在参照图8A，这展示了本发明的个人诊断装置以生物手镯方式实现的透视 图。在此实现中，此装置带有前面讨论过的射频发射器223。图中所示装置104还包括 连接指示灯225，它可以发光或闪烁来指出装置104和电脑106之间通过图1所示的射频 接收器114的正确无线连接。图8A所示的生物手镯104带有一个圈219和一个扣221， 所以用户可以把它带在手腕或脚腕上。圈219可以是由柔软，可拉伸的材料制成，以提供装置和用户之间良好的支持力，也可以是由硬质材料如不锈钢或铝所制成。图8B根据 本发明的个人诊断装置104实现为生物贴片形式的透视图。在这个实施例中，装置104 包括视频显示器124，单独固定显示结果窗126，一对射频发射器223和连接指示灯225。 和于此讨论的任何装置104的实施例一样，射频发射器223同时具有发送和接收的功能， 可以使个人装置104同电脑108建立双向连接，而且更可以和同电脑108网络连接的电脑 进行双向连接。
下面来看图9和10，这是一个放大详细示意图，表示了可以用在本发明的个人 诊断贴片104中的各个层和元件的微流体回路127。图9所示的微流体回路127包括由 蓄液池开口 164和入口阵列166形成的样品收集腔224，如图7A和7B所讨论的。如图 9和10所示，样品收集腔2M和第一流体通道168进行流体交换，然后第一流体通道168 和流体腔170进行流体交换，流体腔170又和第二流体通道172进行流体交换，第二流体 通道172又和反应区174进行流体交换。根据在下面会对各种化验的实现的详细讨论， 大量的化验可以在反应区174中进行。反应区174可以与至少一个废液腔或收集腔176 进行流体交换。为了促进图9和10所示的流体回路127的流动控制，流体回路可以包括 微阀门226，它可以在多种多样的构造中实现。更多的关于阀门和流体控制元件及在此使 用的各种实施例中的方法会在之后于图13A-13E—起讨论，在讨论过各种特定的化验实 现之后。
图10是和图9类似的视图，显示了一个光学发射器2 和一个光学探测器230。 为了探测和显示各种不同类型的化验的结果，结果探测器180实现为光学探测器230和光 学发射器2 的组合。各种可以为光学探测器230，或更广泛的结果探测器180所能探测 的光学或者电化学现象在表1中给予介绍。和此处相关的更详细的解释可以在Christopher Price, Andrew St John,禾Π Jocelyn Hicks，2OO4 年所出的〃 PointofCareT^esting"，第二版中找到。
表1信号分类类型光学探测吸收，反射，透射，荧光，冷光,浊度和 和悬液度电化学信号电流，电阻，电压光学运动光散射，顺磁粒子，干涉图案，图像分析表面探测光学干涉，模式识别，表面加强，衍射， 椭圆光度法，表面等离子体共振
光学发射器2 和光学探测器230可以以多种不同的光学装置或格式来实现，这 包括又不局限于，电耦合装置(CCD)，光纤，纳米线，微线，半导体光发射和/或探测 材料或者其他的合适的光发射和探测材料和装置。
DNA化验的实现和方法
使用核酸探针杂交法来探测特定核酸序列的目标核酸分析物有许多的应用。这 些应用包括，传染或基因疾病的诊断，人或动物易感染癌症的确定；化妆品，食物和水的病毒或微生物感染的确定；在基因的水平上确定，描述或分辨个人，可以用来做人类 的法庭或血缘测验，还有动植物的血统分析和嫁接分析。核酸探针杂交法的基础是一 个低聚核苷酸或核酸碎片探针通过互补基配对生成稳定的，双股的杂交物的能力，只和 具有某些具有特别顺序的特定核酸片段发生反应，而且只是出现在特定的种群，特殊特 征，或器官或者器官中的细胞中。
核酸探针杂交法化验的一个基本局限在于化验的敏感性，这依赖于探针结合到 目标分子上的能力和在一个时间周期内每一个结合到目标分子上的探针所产生的用于探 测的信号的大小。本化验中已知的探测方法包括依赖于探针所产生的信号，例如探针中 所含的荧光体或放射性同位素，或者链接到探针上的酶，例如碱磷酸酶或过氧化物酶， 还有在探针杂化及从未杂化的探针分离之后，放置一种特定物质来产生特征颜色产物。 然而，这些化验的实际的探测极限是大概200,000个目标分子(3费(10_15)摩尔浓度在100 微升中)，这对许多应用来说都是不够敏感的。许多的研究努力都花在提高核酸探针杂交 法化验的灵敏度上。
达到足够的探测极限一直以来都是核酸杂交法的临床应用所面对的主要困难之 一。目前以研究出集中放大方法来增加样品或探针以解决这一困难。聚合酶链式反应 法(PCR)是最著名的也是应用的最广泛的方法。关于放大，请参考MolecularBiology， Suppl.4，Section 5, Unit 3.17中的目前协议部分，来获得关于这个方法的基本说明。其它 描述聚合酶链式反应法的参考文献包括，Erlich，H.Α., (Ed.) 1989，PCR技术，Stockton Press ； Erlich, H.Α.,等人.(1988)，自然杂志 331: 461-462; Mullis, Κ.Β.禾口 Faloona， F.A.(1987)，酶学方法，155 335-350 ； Saiki, R.K.，等人.(1986)，自然 324 163-166 ； Saiki, R.K.，等人.(1988)，科学 239 487-491 ； Saiki, R.K.，等人.(1985)， 科学230 1350-1354 ； Mullis等的美国专利号4,683,1950 ；和Mullis等的美国专利号 4,683,202。所有以上的均被以参考的形式包括进本说明，就像它们在这里被完全重复一 样。
最早为Kary Mullis所发明，聚合酶链式反应法现在已经被广泛的使用，而且被 用于许多研究的方向，另外，商业的用于临床诊断的套件现在也可以使用了。然而， 这些放大方法非常耗时，需要许多劳动力，昂贵，而且容易被感染，产生错误的阳性结果 ο
因此，开发快速，易于使用的，便宜的可以用来探测非常低密度的目标核酸， 而不需要放大和做探针标记的医疗装置是非常重要的。
个人诊断装置104的核酸分析装置的的实现在此称为DNA贴片或手镯，它提供 了一种快速，易行和自动的核酸探测方法，只需要使用简单的具有个人电脑或数据显示 组件界面的贴片或者手镯就可以进行。
现在参照图11A，这里显示了用于核酸分析的本发明的一个实施例的各个成， 其包括底部或样品采集层116，流体处理层118，流体腔和样品处理层300，一个特定的 化验结果显示层302。这些层和图2到7B所描述过的层很相似。像前面提到的，这些层 会对齐放置，所以行成的流体回路会包含不同的腔来进行样品处理，探测和分析。DNA 贴片的流体回路可以包括柳叶刀或微探针159，它们在被使用时同血液计量腔304，血红 细胞(RBC)捕获腔306，细胞溶解和DNA提取腔308，DNA裁剪或DNA刻痕和变性腔310，捕获或分析或反应腔312，废液腔314和洗涤缓冲液蓄液池316相连接。以上这些 器件在运转时互相连接形成了流体回路。腔308也可能是两个分离的腔，分别进行细胞 溶解和DNA提取。如图所示，洗涤缓冲液蓄液池316处于层300，同时也包括加热元件 317，它可以在样品分析的时候加热样品来帮助细胞溶解和DNA变性。加热元件317因 此是和细胞溶解和DNA提取腔308和变性腔310对齐放置的。图IlA还显示了层116中 的光源320，和层302中的探测器322。光源320，分析腔312和探测器322也是对齐放 置的，所以从光源320放出的光会穿过腔321为探测器322所检测到。光源320和探测 器322是以纳米线的形式实现的，下面将会做更详细的介绍。
图IlB是一个带有剖视图部分的透视图，显示了一个完全组装好的个人诊断装 置104，其包括图IlA所示的各个层，并含有信号处理层186，控制层188和用来进行和 报告DNA化验的输入/输出层122。在下面会更详细的描述。
图.12A到12G显示了使用DNA贴片来探测感兴趣的核酸序列的一种方法的步 骤。图12A到12G显示了简化的上述的流体回路的概略的横截面视图。
更特别的，第一步是图12A所示的样品采集。血液样品是由微探针159(图11A) 所提取的。提取的样品的大小可以从1微升到200微升之间，但是倾向于在5到10微升 之间。血液样品跟随流体回路到达计量蓄液池或者具有预定义体积的腔304。当计量腔 304中的血液达到某一预定的体积时，微探针159和计量腔304之间的连接会被关闭，使 用夹管阀或熔解阀的方法来实现，在下面会介绍到。一个液体传感器可以放置到计量蓄 液池304中，这样当血液触及传感器的时候，处理器142会收到一个信号，然后它会关闭 夹管阀或熔解阀的，如下及图13A和13B所示。计量腔304中的血液因为一个关闭的阀 门而不会进入血红细胞捕获腔306。这一阀门可以是一个溶解塞(图13E)，当和流体接 触的时候会溶解，也可以是熔解塞324(如图所示)。熔解塞3 是有加温熔解材料，例 如蜡制成的。塞3M宜由惰性的，不会起排斥的，且在加热是熔化的材料制成。因为打 开塞324需要热，一个加热元件3 被嵌于此处。当蓄液池填充到预定的体积，上面提 到的信号也会使处理器激活加热元件326，然后它会熔解掉塞324。这将打开计量蓄液池 和血红细胞捕获腔306之间的连接，如图12B所示，图13B中将有进一步的描述。
为了有效的探测目标核酸，通常将核酸从细胞或标本的残骸中分离出来是必要 的。我们还知道许多全血中的目标核酸出现在某些特定的细胞群中，例如处在在白细胞 (WBC)中而不是血红细胞(RBC)中。捕获血红细胞可以使用固体支撑载体来进行，例 如一个允许横向流动的包含捕获血红细胞的反应物的膜。一个可以在这里使用的膜材料 的例子是高密度或超高分子重量的聚乙烯薄片材料，它是由位于美国乔治亚的Fairbum市 的Porex hchnologies Corp.生产的。此膜具有开口结构，典型的密度在40%的空隙率下 是0.57克/立方厘米，平均开口直径是在1到250微米之间，通常来说，平均直径是在3 到100微米之间。此膜的厚度是在0.1到5.0毫米之间。虽然以聚乙烯制成的膜非常令 人满意，由其它热塑性材料，例如聚氯乙烯、多乙酸乙烯酯、共聚醋酸乙烯、氯乙烯聚 酰胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯和类似的材料也可以被使用。一个类似海绵的载体材料、一 个三维栅格或和血红细胞捕获腔差不多宽或高的微柱子连接上血红细胞俘获剂，例如植 物凝血素，也可以用来从血液样品中移除血红细胞。血红细胞俘获反应物使用标准技巧 固定在固体支撑载体上的，这一技巧对这领域的专家来说是众所周知的。放置在固体支撑载体中的用来固定血红细胞的血红细胞捕获剂，宜是单克隆或多克隆的抗体，它们是 特别针对血红细胞的。或者也可以使用其它结合血红细胞的反应物，例如植物凝血素， 聚合氨基酸，多熔素和聚合精氨酸。
继续参照图12B，计量的血液然后进入血红细胞捕获腔306，制动压力阀330(在 之后与13A —起详细介绍)将阻止血液样品流回计量蓄液池。当腔306充满后，它可以 被熔解阀332所密封，图12C所示的熔解阀处于一个关闭的位置。熔解阀332与阀3 相似，但是它是用来关闭流体回路，而不是打开。熔解阀是由上面讨论过的处理器通过 加热元件3 来控制的，在化验过程中，阀门会在需要的时间点熔解到流体回路中，有 效的挡住部分流体回路。流体回路中的每一个腔都可以带一个出气口 340，以使腔中的空 气流出。出气口 340可以包括一个过滤器342，它可以交换空气的同时防止样品污染。
血红细胞在腔306中和样品分离。在图示的例子中，血红细胞336是在涂有血 红细胞捕获剂的微柱3 上被捕获的。经过足够时间的血红细胞捕获后，第二熔解阀 344(图12D)会被打开，允许腔306中的白细胞338流入细胞溶解和DNA提取腔308。 腔306和308之间的制动压力阀330会防止进入腔306的含有白细胞的样品的回流。包 含有基因物质的白细胞可以通过毛细作用流入含有预固定溶解反应物的溶解腔308。对 于那些有经验的本技术领域的人来说，各种溶解过程是众所周知的，其包括冷冻，使用 消化酶例如蛋白酶(举例，蛋白酶K)，煮沸，和使用清洁剂(例子请见美国专利序列号 178,202，Higuchi提交于1988年4月6日，和欧洲专利-A-0428197，发表于1991年5月 22日)。作为没有限制的例子，包含有异硫氰酸胍和曲拉通X-100清洗剂和蛋白酶K的 溶解反应物可以用来使溶解的白细胞346释放出核酸。双链DNA348从溶解白细胞346 中释放出来，然后从溶解中提取出来。从白细胞中提取DNA可以使用商业的磁珠来进 行，它可以不用有机溶剂进行核酸提取。作为没有限制的例子，DynabeadsDNADirects 可以快速的从小体积的血液中分离出DNA。于此的一个实施例中，这些磁珠会预载到 溶解腔中，在使用或去掉磁场的情况下，DNA会和其它细胞质分离出来，并被洗提出来 (此步骤没有画出来)。在DNA被提取和分离后，通过打开第三熔解阀350，包含分离 过的DNA的溶液就流入DNA刻痕和变性腔310，如图12D和12E所示。图12E还描绘 了在上述的细胞溶解和DNA分离之后，腔308中剩下的白细胞膜352。在腔310中，双 链DNA348被剪裁和刻痕成短的双链DNA片段354，然后再被变性成单链的DNA片段 356。
提取出的基因体DNA可以被预载在刻痕腔310中的限制性酶所裁剪。基因体 DNA分解的方法对于此技术领域中的人来说是众所周知的。腔中的温度可以通过加热元 件316来控制。或者，磁珠可以用来促进基因体DNA的裁剪，从而加速目标捕获过程。 在刻痕腔的包含双链DNA片段354的溶液可以被加热到大约65°C到75°C左右来做DNA 变性。经过DNA变性之后，第四个熔解阀(图12E)会被打开，允许含有单链DNA片 段的样品流入分析腔312。分析腔312带有核酸捕获探针360，它可以连接于一个单捕获 区域。每个探针360都可以附接于一个单捕获区域。如图12及其后的图14A到14G所 示，样品中的任一目标DNA362都允许和捕获探针360杂交，这样目标核酸被捕获在目标 区，为将来的探测用。靠近捕获区连接点的捕获DNA可以是单链的也可以是部分双链 的。双链是位于探针的反应端，例如氨基端，在这里探针附接到固体支撑中，例如反应18区，这样的安排是因为双链可以更有效的使探针从活性层直立，如果和单链DNA相比的 话。一个扩展或者间隔物，例如单链DNA或者PEG(聚乙二醇)，可以使探针更远离表 面，从而增加捕获探针和目标的杂交效率。另外，为了防止捕获探针塌缩到固体相，而 且为了防止目标和非目标核酸序列无目标的结合到捕获区中，捕获区的的表面可以做标 准的阻塞缓冲区处理，这些方法对此领域的人是众所周知的。捕获DNA的序列被选择为 可以直接和目标DNA或者RNA相杂交的，这样可以形成部分双链的联合体364，其由捕 获DNA，目标DNA或者RNA组成(图12F)
捕获探针的长度可以是15到70个碱基之间，最佳的是25到40个碱基长。DNA 探针和捕获区的固体支撑之间的连接可以使用共价或非共价的连接方法，这些方法对于 此行业来说是众所周知的。
探针浓度，这一关键因素对于目标捕获来说和目标与捕获或的杂交的动力学是 同等重要的。根据关于表面探针浓度和DNA杂交的研究表明(核酸研究，2001，卷四， M期，5163-5168页)，探针密度强烈的影响杂交的效率。杂交效率在探针浓度低于 2xl012探针/平方厘米时是最佳，最好是处于IxlO11探针/平方厘米到IxlO12探针/平方 厘米之间。
捕获探针可以直接固定到纳米线上而形成一个捕获组件371(图14B)。每个捕获 组件371可以在50纳米x50纳米的面积内包括100个直径为5纳米的纳米线，如图14B 所示。每个捕获组件的探针密度可以在1到100个探针之间，或者优先的大概10个探 针/捕获组件，组件的面积是50纳米x50纳米。在化验区的每个反应区的捕获组件的总 数可以是在106到&106之间，宜使用106。捕获组件可以分布在一个大约的区域内(例 如一个正方形区域，0.1毫米xO.l毫米)到10_2平方厘米(1毫米xl毫米)之间，宜使用 10_4平方厘米。在捕获区域中的捕获组件之间的间隔可以是从没有到10个，如图14B所 示。在整个反应区312(图11A)的捕获探针总数可以是从IO6到&107，优选的个数是在 IO7的量级。
当具有特定序列的目标出现在测试样品中时，目标RNA或DNA与捕获DNA发 生杂交。如上所讨论的，使用这种方法，目标DNA会被保留在反应区312中。杂交步 骤可以在室温或更高温度下，在任何标准缓冲液中进行，对此领域来说，这是众所周知 的。作为一个没有限制的例子，一个包括fe枸橼酸盐水(SSC)、0.1% (w/v)十二烷基 肌氨酸、0.02% (w/v)十二烷基硫酸钠6DS)、阻断剂的标准缓冲液可以用于这一目 的。通过加热分析或反应腔312可以进一步促进杂交。杂交的步骤可以进行几分钟到几 小时之间。
现在参照图12G，这是此分析方法的最后一步。在杂交之后，可以洗涤反应区 312来去除任何未附着的单链核酸序列。这一洗涤过程可以通过打开连接洗涤蓄液池316 和分析腔312的第5熔解阀368来开始(图12F)。然后，洗涤蓄液池316中的洗涤缓冲 液366进入分析腔，如图所示，来洗涤捕获区中未结合的DNA或RNA。洗涤可以在高 温下进行，来减少或消除任何非确定的结合。第5熔解阀368(图12F)其后被打开，来 排空洗涤缓冲液和样品到废液腔314中(图12G)。
继续参照图12G，这是一个图12A到12F所示流体回路的替代实施例。在图 12G所示的实施例中，各个腔的出气口是互相连接的。联合体364的定量分析可以通过表1所述的图像分析、模式识别或光学干涉来实现。从捕获探针的单链DNA中分辨出捕 获到的双链DNA所需的分辨率可以通过使用本发明的纳米线技术来实现，这项技术将会 和图14A到14G —起详细说明。图12G还显示了和每个探针相关联的，用作光源和探 测器的纳米线束。如图所示，在下面的纳米线束发出一束通过含有单捕获探针或联合体 364的捕获和反应区的汇聚光，因为联合体364比单链探针大得多，探测到的光学运动或 者表面探测模式会和单链探针显著不同。这一区别可以被探测到，所以联合体364的个 数可以被统计出。
参照图13A到13E，这显示了几个应用于此的控制流体流动的几个流体控制元 件，流体控制可以是用定时控制也可以是预定义的方法，可以由信号处理组件142和逻 辑控制器190来中央控制的，如前述的图7B和11B。更特别地，图13A是在本发明中 控制流体流动的制动压力阀330的放大详细图标表示。如图所示，制动压力阀330包括 一对制动唇331，其预先受压力而处于一种正常的关紧状态，如图13A-I所示。当流体通 道中下流压小于制动唇331的上流压的时候，两者间压强差会大于用于使制动唇331处于 关闭位置的预压力，这样，制动唇331会打开，允许液体的流动，如图13A-II所示。当 制动唇331的上下流压力正常化之后，预压力会再次关闭阀门，如图13A-III所示。制动 唇331是采用的特定形状来防止通道中液体的回流。
图13B是本发明的流体回路中控制流体流动的正常情况下处于关闭状态的熔解 阀332的示意图。正常情况下关闭的熔解阀332包括位于熔解塞3 中的加热元件326。 在收到图7B和IlB中所展示的信号处理组件142和/或逻辑控制器190的一个信号后， 加热元件3 会接受到电流，加热到一个预定的温度，然后熔化掉熔解塞3M来打开通 道，允许液体的流动。
图13C是本发明的流体回路中控制流体流动的正常情况下处于打开状态的熔解 阀332的示意图。正常情况下打开的熔解阀332包括位于熔解塞3 中的加热元件326。 如图所示，熔解塞3M是放置在流体通道之上来在正常情况下允许流动的。在收到图7B 和IlB中所展示的信号处理组件142和/或逻辑控制器190的一个信号后，加热元件3 会接受到电流，加热到一个预定的温度，然后熔化掉熔解塞324来关闭通道，阻止液体 的流动。
图13D是本发明的流体回路中控制流体流动的正常情况下处于打开状态的另一 个熔解阀或夹管阀332的示意图。在此实施例中，加热元件3 环绕在流体通道上。流 体通道是由在加热时会收缩的材料制成的。因此，到加热元件3 收到图7B和IlB中所 展示的信号处理组件142和/或逻辑控制器190的一个信号后，加热元件3 会接受到电 流，加热到一个预定的温度，这会引起流体通道的收缩而关闭通道，阻止液体的流动。
图13E是一个溶解塞的示意图，可以实现一个时控的流体阀，图中显示了其处 于关闭、半溶解和允许流动的打开状态的几种情况。在本实施例中，一个在和流体接触 时会溶解的生物适合的材料，干的预置在通道中，直到在用户用特定方式使用装104的 时候为止。在使用这个装置的时候，例如用户的血液，汗或细胞间质液(ICF)等流体进 入通道中。一旦溶解阀和通道中的流体相接触，溶解塞就开始溶解。如果能够正确的选 择塞材料的组成，熔解阀可以设计成从在通道中第一次流体接触之后经过一个预定义的 时间之后开始溶解。在此实施例中，流体控制是被动实现的，而不是像在图13B、13C和13D中的流体元件那样，通过由信号处理组件142和/或逻辑控制器190的主动干涉来实 现。
现在转到图14A到14K，这里显示了应用在本发明的各个实施例中的半导体纳 米线和微线组件的详细的分离视图，这些组件是用来作为光发射器和探测器来实现对在 本发明的反应区和捕获区获得的化验结果的照明，探测和成像。
一般地，发明者于此建议把半导体纳米线和微线作为一种独特地可以研究低维 生物化学的材料系统。这些纳米线元件、部件和系统被期待着在纳米电子学，光电子 学，MEM，生物bio-MEMS，和纳米生化系统中作为连接或功能元件起越来越重要的作 用。这些生物和生化应用都使用于此。这些细线是由半导体材料制成的。它们包括硅 (Si)与众所周知的，传统的或新创造的或新发现的掺杂剂相掺杂所产生的各种需要的半 导体材料。纳米线可以作为直径只有5纳米的光管或者光纤。纳米线可以传导电流， 产生激光或者探测入射光。此无机半导体纳米结构可以使用任何需要的组成，大小，形 状，晶体结构，掺杂和表面化学性质来制作。目前在进行商业开发的半导体纳米结构主 要包括三类纳米点，纳米柱和纳米线。另外，有报道说更复杂的结构，例如锥，眼泪 状和四脚体也是可能的。
在某些特定应用中，纳米线可以用作纳米穿透探针来实现细胞内照明和/或探 测。另外，纳米线和微线可以通过化学处理和功能化表面来准备。使用这种方法，就不 需要在分离的层中进行化验和捕获了。纳米线可以由具有电化学响应的半导体材料来制 成。这是说，如果发生化学反应的话，无论是吸热还是放热，纳米线可以探测到局部的 温度变化，并测定热吸收和产生。还有，电化学结果化验时的电导变化可以被纳米线或 微线实现的电极所探测到，然后转换为电信号为处理器142和/或逻辑控制器190所处理 (图7B和11B)，并在视频显示器IM或固定结果显示窗126(图2-6和图7B)中产生可 读结果。
图14A显示了 5x5的纳米线束365，其由单独的直径为纳米级或微米级的半导 体线369组成。出于方便考虑，此处的单独半导体线369将被称作“纳米线369”或者“微线369”，这依赖于特定的应用。
如以上所讨论的，5x5束365可以用作捕获组件371，图14B。如图14B所示， 在上述化验中用到的DNA捕获探针360可以直接固定到纳米线上而形成捕获组件371。 捕获组件371可以包括任意数量的使用任何优选的基因组合的纳米线369和任意需要数量 的DNA捕获探针360，如图14C所示。每个捕获组件371可以由在50纳米X50纳米面积 内的100个5纳米直径的纳米线组成，如图14B所示，而且宜用于上述的DNA化验中。 在本化验反应区中的捕获组件之间的间隔可以是任何需要的或者优选的密度和分布。如 图14D所示，单独的纳米线369可以单独寻址，这样，每根纳米线都可以为信号处理器 142和/或逻辑控制器190单独处理。图14E由一束纳米线形成的一个发射组件和一个 探测器组件。在此布局中，发射器组件中的每个单独的纳米线369都可以发射一束波长 预定的光或电磁能量373。更进一步的，探测器组件中的单独纳米线369可以探测到入射 光373，而输出相关的输出信号。当发射组件和探测器组件中没有物质的时候，入射能量 373会被转化为基线输出信号，其形式是一个稳平输出，如果14E所示。图14F显示了一 个放置了 DNA捕获探针360在中间的纳米线发射组件。因此，根据本发明的一个方面，当入射能量373被应用到发射组件时，入射电磁能373将和DNA捕获探针360产生光/ 物质相互作用，因此而产生的电磁能量将为这一光/物质相互作用所修改。因此一个被 改变了的电磁波375会被探测器件的一些单独纳米线369所探测到，如图14F所示。因 此，纳米线探测器组件产生的输出信号将在基线信号上带有一个扰动，如图14F所示。 在各自的捕获探针360和互补的目标DNA362杂交后，一个双链DNA片段在捕获组件371 的区域内形成，如图14G所示。图14H显示了科学决定和报告的一个双链DNA片段的 尺度。因为纳米线可以小到只有5纳米，而且双链DNA片段是在同一个数量级上，如图 14H所示，因此由光/物质相互作用产生的信号，对于单链和双链DNA会由可探测到的 区别，如图14F和14G所比较。
图141和14J于图14F和14G分别相似。在此实施例中，单独半导体线369的 直径是在微米的量级，首选的为1到5微米之间，便于进行细胞探测和成像，如图141和 14J所示，并会在下面详细介绍。图141所示The微线发射器组件类似的可以产生入射电 磁能373，它可以为微线探测器组件探测到而产生输出信号基线。在图14J中，一个被 捕获的细胞406被明确的结合到微线发射器组件上。如图所示，微线发射器组件发射出 入射能量373，部分能量于被捕获的细胞406作用而产生改变的电磁能375。入射能373 和改变的电磁能375都会被微线探测器组件探测到而产生一个指示出被捕获的细胞406的 输出信号。因为血液细胞的大小是微米量级的(血红细胞大概3到5微米，白细胞大概 8到15微米)，所以微米量级的半导体线369示适合目前的细胞化验的，下面将再详细讨 论。
图14K显示了一个带有细胞核407的被捕获细胞406。作为另外一个微线的应 用，微线被提议设计为穿透微探针发射器和穿透微探针探测器，它们可以穿透细胞壁而 能够通过细胞内照明和探测的方法得到信号信息。使用这种方法，穿透微探针发射器产 生入射能373，它与例如细胞核的物质发生相互作用，来产生改变了的电磁能375，然后 被对应的穿透微探针探测器所探测到，然后产生一个可以转化为如图所示图像的信号。 使用这种方法，有意义的细胞内的信息，例如细胞核形态学信息，可以为这里描述的方 法和设备所获得。
细胞化验的实现和方法
免疫系统是由细胞和器官组成的，他们可以保护人体免受可能带来感染、疾病 甚至死亡的外部侵入者例如细菌、病毒、真菌和寄生虫(微生物)等的侵害。免疫系统 还可以消灭那些反常的失去控制的癌症细胞。当工作正常的时候，免疫系统能够击退感 染，保持人体健康。但当它发生故障的时候，进入体内的微生物更容易导致疾病或死 亡。两种非常重要的免疫系统细胞是辅助T细胞(也被称作CD4细胞)和抑制T细胞(被 称作CD8细胞)。人体获得性免疫缺陷综合症(艾滋病AIDS)的主要特征是辅助T细胞 (CD4+细胞)的损耗。感染艾滋病病毒后，CD4+T细胞会失去功能并被消耗掉。CD4+ 淋巴细胞的快速消耗会导致免疫抑制，病人变得容易因机会感染和恶性肿瘤而患病。
CD4+和CD8+细胞的比例，和CD4+T帮助细胞的绝对数量，是目前监视艾滋病 病毒感染到艾滋病的过程的当前标准。在感染的过程中，CD8+细胞的数目保持不变，而 血液中的CD4+细胞的数目迅速下降。在接受药物治疗的病人体内的CD4+禾Π CD8+细 胞的比例和CD4+T帮助细胞的绝对数量是一个重要指标，它可以显示是否病人的身体内产生了抗药病毒株。
CD4+/CD8+的比例和CD4+的绝对数目的测量需要使用价格昂贵的细胞分选机 或血细胞计数器。另外，需要具有高级专业技能的专业技术人来操作血细胞计数器。因 此，开发一种便携、易用和便宜的可以实时的测量CD4+/CD8+的比例和绝对CD4+数量 的诊断装置是非常有意义的。
本发明所指的个人诊断装置104可以用来做细胞化验，例如CD4+和CD8+细胞 化验。细胞分析装置，在此也被称为细胞贴片或手镯，可以提供仅仅使用一个具有电脑 界面的简单贴片或手镯就进行的快速、易用和便宜方法来诊断和监视艾滋病病毒感染的 过程。
现在参考现在图15A，这是一个描绘了应用在本发明的细胞贴片实施例中的样 品采集层116、流体处理层118、结果检测层178和洗涤缓冲蓄液池层370的分解透视 图。细胞贴片的流体回路可以包括样品计量腔304、和血红细胞捕获腔306、分析腔 312、废液腔314和洗涤缓冲液蓄液池316。这里的每个蓄液池都是运行时连接在一起 的，还可以包括一个或更多的出气口 340来防止上述流体回路中的空气阻塞。各腔间的 连接和流体控制可以由熔解阀、制动压力阀、溶解阀和夹管阀(图13A-13E所示)以任 何需要的组合形式来控制，这可以使样品和缓冲液在各腔中的流动得到控制。在一个特 定的实施例中，捕获区312周围可以有多个废液腔314来帮助废液的收集。
图15B是洗涤缓冲液蓄液池316、微线探测器322和捕获区312分解透视分离视 图。如图所示，洗涤缓冲液蓄液池316配备了带有加热元件3 的点胶嘴377，加热元件 326可以在收到一个特定命令的时候被激活来打开点胶嘴377而释放洗涤缓冲液到捕获腔 312。在此实施例中，微线探测器322带有穿孔，这样点胶嘴377可以穿过它而直接释放 洗涤缓冲液到捕获腔312。图17A和17B显示了根据本发明的此实施例的微线369、穿 孔379、微线发射器和探测器组件320和322中被捕获的细胞406的更大的细节示意图。 如图17B所示，微线369可能因应用和需要的波长而具有不同的直径。
图15C是一个带有剖视图部分的透视图，其显示了一个包含图15A所示的细胞 化验的各个层的完全组装好的个人诊断装置。在这个视图中，显示了最小侵入细管、柳 叶刀、或微探针159，蓄液池开口 164，血液计量腔304，血红细胞捕获腔306，微线发射 器320，捕获区312，替代废液腔314，微线探测器322，洗涤缓冲液蓄液池316，信号处 理器142，控制器190，输出视频显示器IM和单独固定显示结果窗126。
接下来参考图16A-16F，这是一系列图15A所示的流体回路的横截面侧视图， 并显示了一种使用细胞贴片来探测和计量和CD4+和CD8+细胞的方法。更特别地，图 16A描绘了包含了血红细胞和白细胞的血液样品进入计量腔304的采集过程。血液样品 是由微探针159获得的。收集的样品的大小可以不同，从1微升到200微升，首选的是 5-10微升。当腔304填充到预定义的体积，夹管阀372将被关闭(图16B)。计量腔304 和血红细胞捕获腔306之间的熔解塞被打开，这允许血液样品流入血红细胞捕获腔306， 并在这里血红细胞336被捕获住。如图所示，可以允许细胞通过的网孔表面涂有血红细 胞捕获剂。这样，血红细胞被在网孔上捕获。
从血红细胞中分离白细胞血红细胞在固体支撑载体上被俘获，这些固体支撑 载体的例子包括网孔或允许横向流动包含血红细胞捕获反应物的膜。一个可以在这里使用的膜材料的例子是高密度或超高分子重量的聚乙烯薄片材料，它是由位于美国乔治亚 的Fairbum市的Porex Bchnologies Corp.生产的。此膜具有开口结构，典型的密度在40% 的空隙率下是0.57克/立方厘米，平均开口直径是在1到250微米之间，通常来说，平均 直径是在3到100微米之间。用于本发明的此膜的最佳孔径在5到20微米之间。此膜 的厚度是在0.1到5.0毫米之间。虽然以聚乙烯制成的膜非常令人满意，由其它热塑性材 料，例如聚氯乙烯、多乙酸乙烯酯、共聚醋酸乙烯、氯乙烯聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯乙 烯和类似的材料也可以被使用。
血红细胞俘获反应物使用标准技巧固定在固体支撑载体上的，这一技巧对这领 域的专家来说是众所周知的。放置在固体支撑载体中的用来固定血红细胞的血红细胞捕 获剂，宜是单克隆或多克隆的抗体，它们是特别针对血红细胞的。或者也可以使用其它 结合血红细胞的反应物，例如植物凝血素，聚合氨基酸，多熔素和聚合精氨酸。
在血红细胞从样品中移除之后，在腔306和分析腔312之间的熔解塞374会熔 解掉，从而允许含有白细胞338的样品进入分析腔312(图16D)。腔312包含了固定的 CD4+和CD8+细胞捕获剂，他们宜是抗体(如图所示)，但也可以是抗体片段或其它特 别的结合到CD4或CD8标记物的物质。抗体可以使用许多方法被固定在一个固体面上， 这些方法包括共价偶联、直接吸附、物理诱捕和附着到涂有蛋白质的表面。关于本方法 的参考文献，请看Silman，I.H.和Katchalski，E.生物化学年鉴，卷35，873页(1966)； Melrose, G.J.H.,纯化和应用化学综述，卷 21，p.83, (1971)；和 Cuatrecasas，P.和 Anfinsen, C.B.，酶学方法，卷22，(1971)。附着到涂有蛋白质的表面的方法由Lai等公 开(德国专利号2,539,657 ；美国专利号4,066,512)。
特定的CD4和CD8抗体可以固定到分析腔312的离散区域内来捕获CD4+T细胞 和CD8+T细胞。腔312中可以包括正控制区和负控制区。在负控制区的细胞结合来探 测非特异结合。捕获抗体可以在活的有机体内或在试管中产生。生产抗体的方法对此领 域的人来说是众所周知的。可以参看抗体生产必要技术(AntibodyProduction Essential Techniques), Peter Delves (编)，John Wiley&Son Ltd，ISBN 0471970107(1997)。或 者，抗体可以通过商业途径购买，例如研究诊断公司，Pleasant Hill路，福兰德斯，NJ 07836和正交诊断系统公司。
在给足够的时间让细胞与对应的俘获剂相结合后，分析腔312会被清洗来去除 未结合的细胞。清洗是通过用洗涤缓冲液冲洗腔312来实现的。如图16D和16E所示， 在蓄液池316、捕获腔312和废液腔314之间的熔解阀274被打开，然后洗涤缓冲液从蓄 液池316进入腔312，再携带未结合的细胞进入废液腔314。洗涤过程可以由连接蓄液池 316和腔312的溶解塞的时控打开来启动，也可以由连接腔312和废液腔314的熔解阀来 启动。
在未结合的细胞被移除后(图16F)，被捕获的CD4+和CD8+细胞的数目可以由 图像分析来定量化。程序算法来计数捕获区的CD4+和CD8+细胞的个数，计算出CD4+/ CD8+的比例和使用在红细胞捕获之间的全血的体积来算出绝对数目。
小分子化验的实现和方法
有色水质流体的化学和生化成分的定量测量，特别对于是有色的生物流体例如 全血和尿液以及生物流体衍生物例如血清和血浆的定量测量变得越来越重要。在医疗诊断和治疗中，重要的应用包括对药品，麻醉剂，有毒化学品等的影响的定量测量。在某 些情况下，要测量物质的量可能非常的小(在每100毫升中只有1微克或更少)或者非 常难以精确测量，必须要使用非常复杂的仪器，而且只能为经验丰富的实验室人员所使 用。在这些情况下，结果通常要在取样几个小时或者几天之后才能得到。在其它一些情 况下，能够让操作人员在实验室外能够例行的、快速的和可重复的进行测试并得到快速 或立刻的信息显示是非常重要的。
一个常见的医疗测试是测试糖尿病病人的血糖浓度。糖尿病是一个主要的健康 问题，而治疗严重一些的一型糖尿病需要每天至少注射一次胰岛素。胰岛素控制血液 中葡萄糖和糖的利用而且能防止高血糖症的出现，如果高血糖症不被纠正，可以导致酮 症。另外一方面，不正确的使用胰岛素会导致低血糖症，这有可能导致昏迷或者死亡。 糖尿病人的高血糖症与许多糖尿病的长期效果相关，例如心脏病、动脉硬化症、失明、 中风、高血压和肾衰竭。
目前的学说建议病人每天测量他们的血糖浓度2到7次，这依赖于他们疾病的 严重程度。根据观察到的葡萄糖浓度，病人和医生一起来调整饮食、锻炼和胰岛素的摄 取量来控制疾病。很明显的，这一信息应该立刻显示给病人。
传统的血糖监视方法一般需要每次测试都提取血液样品(例如，手指针试验)， 然后使用一个能通过电化学或色度分析的方法读出葡萄糖密度的仪器来读出血糖浓度。 一型糖尿病病人为了进行密切的血糖控制每天必须药进行几次手指针血糖测试。然而， 与此测量方法相关的不舒服和不方便，以及对低血糖的恐惧，使病人遵从医嘱的效果很 差，尽管紧密的控制可以大幅度的减少长期糖尿病的问题。因此，在家庭测试领域，还 是需要一种易用的分析测试仪器，特别使那些连续和/或自动的检测是需要的情况。
现在参照图18A和18B，这是一个用于探测小分子的本发明所指的个人诊断装 置104的分解和剖视图，在此，此装置被称作小分子贴片。此生物贴片提供了仅仅使用 一个具有电脑界面的简单贴片或手镯就进行的快速、易用和自动的装置和方法来做定量 分析。此小分子贴片可以包括样品采集层116、电化学探测器层382或替代的(或者与此 组合的)光探测器层384。样品处理是在生物适合的允许横向流动的预置了分析反应物的 载体上进行的，接下来将和图19A和19B —起详细描述。
样品处理层380包括一个特别的带有单独流体部件的微流体回路227，下面将会 详细介绍。样品处理层380可以包含一个微流体回路227，或者替代的，可以包含多个 微流体回路227，流体回路由蓄液池开口 164和对应的第一流体通道168所组成，在这里 以断线的形式表示。或者，装置104可以包括多个样品处理层380，每个具有单独的或 多个微流体回路227。每一个单独的血液样品可以在单独的微流体回路227中实时的处 理。例如，装置104可以包括12个微流体回路227，它们可以都形成和处于一个样品处 理层380中，或者每一个都处于一个单独的样品处理层380中，这样，总共就有12个样 品处理层。应当理解，这12个流体回路最好是相互之间不流体连通。或者，这12个微 流体回路227可以以成对的形式或者三个一组，四个一组的形式，让每一对或每一组处 于一个单独的处理层380中。这样，使用12个流体回路227和12个对应的柳叶刀159， 用户可以佩戴此装置M小时，每两个小时取样一次血液样品。
微流体回路227包括血液计量腔304，单独的血液分离区385和捕获区312。在25此实施例的某些实现中，单独的血液分离区385与捕获区312可能合并为一个单独的区域 或者腔，此腔可以由几个单独的片或者片段组成的生物适合的运行横向流动的支撑物或 膜组成，也可以替代的由一个带有分级的，每级用来处理不同的流体处理的允许横向流 动的载体组成，顺序的来处理样品。在图19A和19B中，血液分离区385和捕获区312 组合成为一个单个的膜或者支撑物386，它包括3个横向流动的片。
在此葡萄糖化验的实现中，生物贴片或生物手镯可以更便利的包括一个预装好 的胰岛素395的蓄液池，如图18A和18C所示。在此，储存在逻辑控制器190或信号处 理器142中的软件会交互的指导控制系统来释放预定的量的胰岛素。为了释放胰岛素， 送液管可以带有一个单向的可变形的制动片类型的阀门，上面已经讨论过这种阀门了。 另外，一个塞子被用在这里来屏住蓄液池中的胰岛素。这个塞子不能和液体接触的时候 会发生熔解，因为它要一直的屏住蓄液池中的胰岛素直到得到控制系统释放胰岛素的指 示为止。这里我们将由控制系统产生的电信号送到塞子中，这种塑料塞子中有预固定的 电阻材料，在收到电流之后，会熔化掉塞子。使用这种方法。蓄液池中的胰岛素是以 一种受控制的，定时的方法释放的。计量释放的液体和关闭通道或送液管也是可以做到 的。剂量最好是由蓄液池的大小来控制，当需要的时候，整个蓄液池的液体可以简单的 排空。各个蓄液池可以具有不同的体积，这样需要的时候，控制系统会选择正确的体积 的蓄液池，并向其发出熔解电流。
继续参照图18A，光探测器层384包括胰岛素蓄液池395，它可以预先装好根据 本发明的定时释放方面所决定的量的胰岛素。胰岛素蓄液池395可以带有一个预装满的 蓄液池，也可以是分成几个小的蓄液池，每个都跟据时间释放应用的要求具有预定的大 小。根据本发明的这一方面，从胰岛素蓄液池395中释放出一个预定剂量的胰岛素，然 后通过合适的流体回路被导入到供给柳叶刀、细管或微探针397，然后进入用户的血液 中。图18C是本发明的此方面的更详细的示意图。如图所示，胰岛素蓄液池395，此方 法在上面与图15B已经一起描述过了。通过合适的流体供给回路，预定剂量的胰岛素被 传给使用本装置的用户。逻辑控制器190可以带有专家软件来根据葡萄糖化验的检测结 果来决定用户的胰岛素需求，并给予用户正确的剂量的胰岛素。对于那些本行的专家来 说，很显然的，与此所描述的装置并不仅仅限于进行葡萄糖测试和根据测试用来给予预 定量的胰岛素，还可以容易的应用于许多不同的化验及荷尔蒙或药物的释放治疗中。
图18B是完全组装好的个人诊断装置104带有剖视图部分显示出图18A所示的 各个进行小分子化验的层的一个透视图。在此视图中，这里显示了最小侵入细管、柳叶 刀、或微探针159，血液计量腔304，胰岛素蓄液池395，补给柳叶刀397，信号处理器 142，控制器190，输出视频显示器124，和单独固定显示结果窗126。
现在参考图19A，这是一个横截面的侧视图，显示了血液计量腔304和生物适 合的允许横向流动的支撑物或膜386，它被分为三个部分，包括细胞分离片388、反应片 390和吸收片392。在小分子贴片的整个使用周期中，血液样品由微探针159按照一定的 时间间隔来提取。这里可以有多个收集点和/或多个如上所述的入口管道。而且如上所 示，这里可以有多个微探针来提取血液到贴片的微流体回路中。为了能更清楚的解释图 19A和19B，目前的化验将描述为只有一个这样的流体回路。
最好在每一个特定的时间间隔提取5到10微升的血液。微探针159最好涂有抗凝血剂来防止血液的凝结。微流体回路可以带有一个具有可编程阀门的蓄液池来冲洗 任何积聚在微探针尖上的旧血液，在下面或与图20A和20B —起详细描述。继续参照图 19A，血液进入计量腔304，当血液达到某一需要或者预定的水平时，计量腔会被关闭。 此流体回路可以使用夹管阀372来关闭。通过打开熔解塞374，计量过的血液被允许进入 细胞分离片388。
使用电化学探测方法，葡萄糖可以在计量蓄液池304直接由全血中测量，如图 18A中的层382所示意的，合适的电极放置在池304中和血液样品相接触来测量葡萄糖浓 度。在这种情况下，葡萄糖氧化酶被预置到计量腔304中，这会在葡萄糖存在的情况下 产生过氧化氢(H2O2),这可以使用电化学方法来探测。
然而，如果使用光学探测方法(例如吸收，反射，投射)来进行探测的话，一个 细胞分离步骤可以包括进来，如图所示。在此实施例，细胞分离片388从血浆或血清中 分离血红细胞和白细胞。在一个典型的操作中，5-10微升的血液样品被采集并被导入到 细胞分离片388中。当样品穿过片388的时候，由纤维网络材料制成的片388会减缓特 定物质的运动，这包括血液细胞，达到在样品到达反应片390前，部分的移除血液细胞 的作用，如图19A和19B所示。
所有葡萄糖反应所需要的酶都被固定或预置在反应片390中。关于葡萄糖化 验，反应片包括葡萄糖氧化酶、过氧化物酶和一个可以在H2O2存在的情况下被过氧化物 酶转化为可探测的产物391的酶作用反应物，如图19B所示。此反应在下面介绍。反应 片最好是有孔的、熔合的聚合物底层膜，其厚度(在完成流体穿透之后)为125微米，边 长大约1毫米。每个片的吸收体积最好是在1到2微升之间。
葡萄糖化验
葡萄糖氧化酶葡萄糖+ H2O+ O2 - 葡萄糖酸+ H2O2过氧化物酶H2O2+还原显色剂- 氧化显色剂+ H2O
(无色)(有色)
当探测方法是光学时，微线发射器320被激活来向可探测的反应产物391放出入 射照明373，如图19B所示。在入射能373和可探测的反应物391发生光/物质相互作 用后，被改变了的电磁能被传输到微线探测器322。然后进行光学和/或影像分析来定量 化上述化验结果。在此使用电化学探测方法的替代实施例中，过氧化物酶和显色酶反应 物被省略掉了。在这种情况下，产生的H2O2在白金电极上被氧化来产生与样品葡萄糖浓 度成比例的电流。
生成的过氧化氢的量或者通过一个显色剂吸收，在被氧化的时候改变颜色，如 图19B所示或经过电极的电化学力的变化，如图18A所示来量化。小分子贴片中的逻辑 控制器190带有一个算法，当分析物浓度低于预定的阈值或高于某一特定值时会产生嘟嘟声，这样病人就可以采取必要的措施。
此装置可以容易的被用来和其它小分子一起使用，例如胆固醇、低密度脂蛋白 或高密度脂蛋白和甘油三酸酯。例如，在一个总的血清胆固醇的化验中，反应片将包括 胆固醇酯酶、胆固醇氧化酶、过氧化物酶和一个可以在H2O2存在的情况下被过氧化物酶 转化为可探测的产物391的酶作用反应物。如果的方法是电化学探测方法，过氧化物酶 和显色酶反应物被省略掉了，如上所讨论的。
作为另外一个例子，小分子贴片可以用来测定血液样品中的甘油三酸酯，在这 种情况下，反应片会包括脂肪酶，一种ATP源，甘油激酶，磷酸甘油氧化酶和磷酸甘油 氧化酶来产生H2O2，还有上述各种在H2O2存在情况下产生可探测的反应物的成分。
压力监视的实现和方法
在日常生活中，人们遇到各种来源的压力。压力对综合健康的有害效果已经被 很好的记载了。很多健康问题，例如心脏病，忧郁症，精力不足，失眠和高血压都和压 力相关。因此，发明者与此提出一种可以记录用户一天的压力水平的个人诊断装置。在 一天结束的时候，用户可以下载收集到的一天的用户压力信息分析，来发现在一天中的 什么时候用户面对最高的压力水平。
在此实现中，个人压力监视装置的用户需要做一份书写或声音的一日活动的记 录。例如，简单的记录条目，象“起床，6:45am” ； “做早餐，7:30am” ； “送孩子 去学校，8:00” ； “会见老板，9:45am” ； “和同事争论，10:30am” ； “午餐，中午到 1:30pm” ； “下午咖啡，3:15pm” ； “从幼儿园接孩子，5:15pm” ； “在健身房锻炼， 5:00到7:00pm” ； “做晚餐，7:30pm” ； “让孩子睡觉，9:00pm” ； “和配偶争吵， 9:30pm” ； “做家庭理财，10:00to 11:15pm” ； “看晚间电视，11:30pm” ； “睡觉， 12:15am"可以每天在医生或其它健康看护人员的看护下进行记录。
使用这种方法，病人和医生可以断定哪种日常生活方式会导致最高的压力水 平。通过咨询和医疗人员的干预，病人的生活方式可以改变或调整来避免那些会导致不 健康的的压力水平的活动。如果和配偶接触的时候，压力水平非常的高，建议进行婚姻 咨询。如果压力水平在与某个同事或老板一起时特别高的话，则雇员的公司可能附有使 员工处于敌对的环境的责任，需要采用相关的补救措施。
许多人现在具有可以M小时通过电话或电子邮件联系的私人医生。下面描述 的压力贴片还可以带有一个流体释放蓄液池，它可以预置了某些处方药，例如图18A到 18C所描述的胰岛素蓄液池395。根据本方面的一个方法，如果压力贴片的用户需要药， 用户就坐到它的个人电脑前点击LifePatch的图标，如图1所示。电脑和相关的软件就通 过射频接收器114从个人诊断装置104中下载储存在其中的收集的当日的压力数据。压 力数据然后被传递到私人医生那，他会决定病人所需要的药品的剂量。医生然后在他自 己的电脑输入命令并传输到病人的电脑。病人的电脑然后发出一个命令给用户的贴片来 释放合适的预置的剂量的处方药。使用这种方法，危险的过量服药和药依赖性就可以得 到避免。
根据使用本发明的另外一个方法，上述方法被修改为远程的控制临床药品测试 的使用和剂量。药的使用和剂量因此可以通过贴片而由医生远程的控制，在医生分析了 下载的生物反馈信息之后。另外，医生可以通过贴片和电脑远程的实时的监视病人对药物的的生物和生理学反应。
以类似的方法，发明者于此提出本发明可以用来监视和治疗各种精神疾病，例 如抑郁症等。在应用的时候，生物贴片实时的监视病人的精神健康并在当健康值超出正 常范围的时候报告给主治医师或精神病医生。在这种情况下，生物贴片或生物手镯远程 的报告给主治医师或精神病医生，他们就可以授权贴片来释放一定剂量的反抑郁药剂。 根据本发明的此使用方法可以有利的应用到其它精神失常中，例如需要使用重药的精神 分裂症或偏执狂。类似的，本发明的由医生控制药物释放的方面可以被应用于戒除可卡 因和海洛因的毒品依赖。在一个本实施例的替代的实现中，用户/电脑界面并不需要。 替代的，在病人所处的家或医院的环境中可以配备有远程的射频接收器。此个人诊断装 置就根据本发明的此方面实现为连续的或间断的传输信号。在此装置传输汇报信号的 时候，收集到的诊断信息就可以无线的传输给主治医师，而不需要任何用户/电脑的交 互。
现在回到本发明的压力贴片的实现，在本领域的专家都了解单身体处于压力或 激动的状态时会由肾上腺产生荷尔蒙可体松并被释放出来。因此，可体松得到了广泛的 关注，并被称为“压力荷尔蒙”。可是这一荷尔蒙并不是简单的压力水平标志，它对身 体各个部位的功能都是必须的。过量或缺乏这种关键的荷尔蒙会导致各种生理症状或疾 病状态。可体松已经作为许多疾病例如库欣病、慢性疲劳综合症和肌纤维痛——一种自 身免疫混乱的生物标志物被研究了。可体松也被认为和压力水平是相关的。已经发现， 唾液可体松的水平可以作为创伤后精神压力混乱和行为混乱的生化标志物。因此，测 量体内的可体松水平是一种重要的诊断工具——在临床上和在一些压力大的活动中。然 而，身体中的可体松水平在一天中是波动的，在早上最高而在晚上最低。饮食摄入量和 新陈代谢不平衡还可以导致进一步的波动。为了辨别和允许这些不同的波动，就需要一 种实时检测可体松水平的装置，并且不需要使用昂贵和麻烦的实验室设备。因为临床上 的可体松显著浓度的范围非常小(例如大概12.5到800纳克/毫升)，可体松浓度一般是 用免疫化验技术来测定的。
对于许多可体松的探测应用来说，开发一种便携的，半侵入的传感器装置，具 有相对高的探测可体松的选择性和敏感性，可以连续的实时监视可体松水平的能力，是 非常重要的。
鉴于以上提到的，发明者与此提出一种监视压力标志物和指示剂如可体松的个 人诊断装置。此个人诊断装置于此被称作压力贴片，它提供了一种快速，易行和自动的 装置和方法来定量化可体松，仅仅使用一个带有个人电脑界面或者射频计算机网络界面 的简单的贴片或者手镯。
下面转到图20A，这是一个根据本发明的另一个优选实施例的压力贴片的主要 流体样品处理层的分解透视图。这包括样品采集层116，一个在此实施例中使用的单独的 结果照明层117，流体处理层118，结果检测层178和蓄液池层379，这些层应用于此来实 现压力监视。如图所示，样品采集层116包括最小侵入细管，柳叶刀，或微探针159，他 们可以穿透皮肤表面，从接近表皮的毛细血管中获得血液样品。在此个人诊断装置的这 个实施例中，微线发射器320被用做光源来照亮化验结果，在此最好是作为一个单独的 结果照明层117来实现。或者，应用与此的微线发射器320可以和样品采集层116集合在一起，象前面的实施例所讨论的那样。结果照明层117带有蓄液池开口 164，它和对应 的在柳叶刀或微探针159的排出端161形成的入口阵列166相对齐。使用这种方法，血 液样品可以穿过结果照明层117而进入对应的流体处理层118中的蓄液池开口 164。蓄液 池层379包括一个可选的洗涤缓冲液316，它是图15A和15B所描述的类型，和一个药 剂释放蓄液池389。结果检测层178带有微线探测器322，它是图14A-14K中所描述的 类型，并应用于图15A和18A所示的个装置实施例中。
继续参照图20A，流体处理层118包括微流体回路227。此特别的实施例的微流 体回路227带有蓄液池开口 164，抽取蓄液池或初始样品收集腔394，血液计量腔304，血 液分离区385，蛋白质结合区399，抗体结合区401和捕获区312。
样品处理层118可以包括一个微流体回路227或者更好的包含多个微流体回路 227，象这里的参照的两个蓄液池开口 164和他们对应的流体通道168所示。或者，装 置104可以包括多个样品处理层118，每个具有单独的或多个微流体回路227。使用这 种方法，几个血液样品可以在不同时间提取，通过在第一流体通道168使用流体控制的 方法，此方法请参照于图13A到13E的描述。每一个单独的血液样品可以在单独的微流 体回路227中实时的处理。例如，装置104可以包括M个微流体回路227，它们可以都 形成和处于一个样品处理层118中，或者每一个都处于一个单独的样品处理层118中， 这样，总共就有M个样品处理层。应当理解，这M个流体回路最好是相互之间不流体 连通。或者，这M个微流体回路227可以以成对的形式或者三个一组，四个一组的形 式，让每一对或每一组处于一个单独的处理层118中。然后各个层再组合在一起达到所 需的功能。在这一特定的实施例中，每一个微流体回路227会和各自的上面讨论过的柳 叶刀159流体连通。血液取样和流体控制与计时是由控制器142来控制的，与每一个柳 叶刀159相关连的一个熔解塞可以定时激活来使各自的初步样品收集腔394与对应的柳叶 刀159进行流体交换，这样柳叶刀就可以通过毛细作用定时的提取新鲜的血液样品。这 样，使用M个流体回路227和M个对应的柳叶刀159，用户可以佩戴此装置M小时，每 个小时取样一次血液样品。
图20A所示的微流体回路227包括蓄液池开口 164，抽取蓄液池或初步样品收 集腔394，血液计量腔304，血液分离区385，蛋白质结合区399，抗体结合区401和捕 获区312。在此实施例的某些实现中，血液分离区385，蛋白质结合区399，抗体结合 区401与捕获区312可能合并为一个单独的区域或者腔，此腔可以由几个单独的片或者 片段组成的生物适合的运行横向流动的支撑物或膜组成，也可以替代的由一个带有分级 的，每级用来处理不同的流体处理的允许横向流动的载体组成，顺序的来处理样品。在 图.21A-21D中，血液分离区385，蛋白质结合区399，抗体结合区401和捕获区312组合 成为一系列允许横向流动的片，在下面会详细描述。
如图20A所示，微流体回路227带有抽取蓄液池或初始样品腔394。在此实施 例中，抽取蓄液池394与一个熔解塞和出气口相关。熔解塞是由处理器142和/或控制 器190所控制的。在一个预先决定的时间，与抽取蓄液池394相关的熔解塞首先被激活， 使与其相关的柳叶刀159处于流体交换，因此提取柳叶刀中从开始使用贴片到此流体回 路227为控制器所需要的过程中所储存的血液。在初始提取血液之后，抽取蓄液池就会 被使用上面描述过的一种方法来实现流体不连通。使用这种方法，当样品收集腔394被30控制器190激活后，一部分新鲜的具有实时或者用户生物特征的血液通过毛细作用进入 计量腔304。对于那些本技术领域内经验丰富的来说是很容易理解的，根据目前的公开， 本发明的抽取蓄液池方面可以有利的利用的这里提到的任何一个实施例中，而且最宜与 时间延迟样品采集的方面的本发明相关的任何流体回路227。
如图所示，蓄液池层379包括药剂释放蓄液池389。药剂释放蓄液池389可以 预先装好根据本发明的定时释放方面所决定的量的处方药。药剂释放蓄液池389可以带 有一个预装满的蓄液池，也可以是分成几个小的蓄液池，每个都跟据时间释放应用的要 求具有预定的大小。根据本发明的这一方面，从药剂释放蓄液池389中释放出一个预定 剂量的处方药，然后通过合适的流体回路被导入到供给柳叶刀、细管或微探针397(图 18C)，然后进入用户的血液中。与图18C所示的实施例的胰岛素蓄液池395类似，药 剂释放蓄液池389带有点胶嘴377，它在收到控制器142的命令后，会通过使用加热元件 3 的方法打开，如前面所描述的。通过合适的流体供给回路，预定剂量的液体药剂被传 给使用本装置的用户。逻辑控制器190可以带有专家软件来根据压力化验的检测结果来 决定用户的药物需求，并给予用户正确的剂量的药剂。对于那些本行的专家来说，很显 然的，与此所描述的装置并不仅仅限于进行压力测试和根据测试用来给予预定量的液体 药剂，还可以容易的应用于许多不同的化验及荷尔蒙或药物的释放治疗中。如上所述， 药物释放是由医生通过贴片/电脑/网络/医生通讯来管理的，而不是病人或贴片管理。
图20B是完全组装好的压力贴片带有剖视图部分显示出图20A所示的各个根据 本发明的某些方面进行压力分析的层的一个透视图。更特别的，图20B显示了最小侵入 细管，柳叶刀，或微探针159，补给细管或微探针397，蓄液池开口 164，抽取蓄液池或 初步样品收集腔394，血液计量腔304，微线探测器322，可选洗涤缓冲液316，信号处理 层186中的信号处理器142，逻辑和输入输出控制器层188中的控制器190，输出视频显 示器124，和单独固定显示结果窗126。
接下来参考图21A，21B和21C，这是一系列图20A和20B所示的进行压力分析 的装置的流体回路227的横截面侧视图，并显示了样品在流体回路227流动的过程。在 此压力贴片的实现中，血液样品在压力贴片的整个使用周期中由微探针159按照一定的 时间间隔来提取。这里可以有独个收集点和/或多个如上所述的入口管道和/或多个蓄 液池。而且，这里可以有多个微探针159来提取血液到贴片的一个微流体回路227中。
下面特别参照图21A，这显示了一个可体松分析的流体回路。流体回路包括熔 解阀324，344和350，制动压力阀330，熔解阀332，初步样品收集腔394，样品计量腔 304，带有过滤材料342的出气口 340，和一个生物适合的分成不同部分的膜，包括细胞 分离片388，蛋白质捕获和结合片396，反应物片400，捕获和样品分析片402和吸收片 392。化验需要的反应物被预载到反应片400。这些反应物可以包括信号剂398，由微粒 或者目标分子结合抗体构成，例如特别结合可体松的抗体。具有可体松亲和力的俘获剂 378置于分析片402中。俘获剂378最好和分析片402绑定在一起，这样当目标分子可体 松通过分析片402并和俘获剂378结合之后，它就被俘获剂固定住来做分析。
最好在每一个特定的时间间隔提取10到30微升的血液。微探针159最好涂有 抗凝血剂来防止血液的凝结。当熔解塞3M被打开后，微探针159中的血液进入初步样 品收集腔394(图21B)。以上这一步骤是用来冲洗在微探针针尖上积聚的旧血，从而提供新鲜的血液样品来分析。下一步是打开第二熔解阀344允许新鲜的血液进入计量腔 304(图.21B和21C)。当样品达到某一需要的体积时，通过关闭熔解阀332来使计量腔 304关闭。在计量过样品之后，第三熔解塞350被打开，计量的样品进入生物适合的膜 (图21D)，在这里，细胞在片388与样品分来，而蛋白质，特别使可体松结合蛋白质，在 片396中从样品中移除。片396最好涂有蛋白质俘获剂来移除样品中的特定蛋白质。样 品继续通过生物适合的膜中的反应片400，在这里可体松410与信号剂398相结合。这一 结合物就进入分析片402，在这里俘获剂与已经附着了信号剂398的可体松410相结合。 一束入射电磁辐射373穿过片402到达探测器322，探测器322可以测量到通过片402改 变了的光。此压力贴片的这个实施例中的光源320和探测器322最好是前面讨论过的微 线发射器和探测器。可体松的存在和含量就可以通过比较入射光在进入样品之前和之后 的强度区别，并和已知可体松浓度的样品做比较来分析出来。
如上所述，血液或细胞分离是通过细胞分离片388进行的，它会从血浆或血清 中分离血红细胞和白细胞。在一个典型的操作中，10-30微升的血液样品通过毛细作用 从收集细管进入细胞分离片中。样品穿过过滤器的时候，由纤维网络材料制成的分离片 388会减缓特定物质的运动，这包括血液细胞，达到在样品到达蛋白质结合片396前，部 分的移除血液细胞的作用。
在血清中存在几种可体松结合蛋白质，会干扰可体松免疫化验。最常提到的干 扰蛋白质就是皮质素转运蛋白(Tc)。可体松化验的第二步就是从结合的蛋白质中移除 这种蛋白质，当血浆或血清样品通过毛细作用穿过蛋白质结合片396的时候。蛋白质结 合片396由联合片或这膜组成，在这里充满了蛋白质结合剂例如8-苯胺基-1-萘磺酸 (ANS)；在低pH值的时候，它可以从血清可体松的内在结合蛋白质中释放出可体松来。
因为可体松的临床显著浓度范围非常小(例如12.5到800纳克/毫升)，可体松 的浓度通常是使用免疫化验技术来进行的。在一个上面描述三明治免疫化验和相关方法 的替代实施例中，化验可以实现为预置的标记可体松与样品中的可体松在涂有抗体的分 析片412表面的有限数目的结合点的竞争化验。许多标记和信号剂是已知的，而且可以 被使用于本发明。微粒可以象前面描述的一样使用，Gross的美国专利号3,940,475中进 行荧光免疫化验(FIA)中的荧光材料也可以用作一个替代的信号剂。另外的替代信号剂 包括和抗体或抗原相结合的酶标记物，如在Schmirs等的美国专利号3,654,090中用来做酶 免疫化验(EIA)。在此使用的标记物质，追踪物质或者等价的物质包括各种已知的标记 物。作为一个没有限制的例子，酶标记物，例如可以产生可探测信号的辣根过氧化物酶 或碱磷酸酶可以用于进行此化验。
生物适合的膜最好是由联合片或者膜带组成，这些可以从市场上获得。膜带最 好具有良好的释放效率，这可以帮助标记了的可体松进入分析片。作为没有限制的例 子，吸水的聚醚砜可以用来达到这一目的。血清在这一层的运动会允许标记的可体松进 入分析片。
如图21A-21D所示，分析片402 (硝化纤维或硼硅酸盐纸型)充满了或固定了针 对可体松410的抗体俘获剂378。作为没有限制的例子，针对琥珀酸可体松(Cortisol 21 hemisuccinate)禾口可体丰公_3_羧甲基月亏(Cortisol 3carboxymethyloxime)联合体培植的抗体血清被证明适合并被广泛的用于不需要样品提取的直接免疫化验。抗体可以使用许多方法被固定在一个固体面上，这些方法包括共价偶联、直接吸附、物理诱捕和附着到涂有蛋 白质的表面。关于本方法的参考文献，请看Silman，I.H.和Katchalski，E.生物化学年 鉴(Annual Review offiiochemistry)，卷 35，p.873 (1966) ； Melrose，G.J.H.,纯化和应用 化学(ReviewofPure and Applied Chemistry)，卷 21，p.83, (1971)；和 Cuatrecasas，P.和 Anfinsen, C.B.，酶学方法，卷 22，(1971)。
在俘获之后，分析片会被清洗来去处未结合的的信号剂和可体松。洗涤过程可 以由连接蓄液池316和分析片的一个塞子的时控打开来启动，如图20A所示。在酶化验 实现中，信号剂是酶，和酶反应产生可探测信号的现色酶反应物可以与洗涤缓冲液相混 合。洗涤缓冲液会洗提未结合的酶标记可体松，同时允许结合酶催化酶作用物分裂。洗 涤缓冲液会被排到吸收片中。
酶标记的可体松的量可以通过光学探测(吸收，反射，透射，或荧光)方法来定 量测量，这样样品中的可体松的浓度就可以算出。可以使用预先建立的标准曲线来计算 可体松的浓度。
运动表现监视的实现和方法
脱水，中暑或体温过低的及时诊断对参加体育活动的运动员是十分关键的，因 为这些情况有可能导致运动相关的虚脱，而虚脱是和过量运动导致的疾病与死亡是紧密 相连的。两个主要造成运动相关的虚脱的原因是运动引起的低钠血症和心脏紊乱，例如 心率失常，心脏骤停和心肌缺血。
运动引起的低钠血症是由不正常的电解质水平造成的，特别是下降的血浆中的 钠含量(<136毫摩尔/升)。一些心脏紊乱是由不正常的乳酸浓度造成的。事实上，血 液乳酸浓度在心肌缺血的诊断非常有用，在症状出现在三个小时之内Mchmiechen，N.； Han, C.和 Milzman，D.Ann Emerg Med 1997 ； 30: 571-577)。另外，在危重病急救医 学中升高的乳酸值一般以为着组织缺氧。很多组织(例如脑，心，肾)的氧气缺乏和疾 病与死亡是非常相关的。因此，在很多重症的情况下，升高的乳酸值需要快速的发现， 一种氧气缺乏的解释和一种快速的治疗方法。这样，监视乳酸和氧气浓度对于那些出现 运动相关的虚脱的运动员来防止急性心肌梗塞是非常有用的。
传统的血液分析物监视方法一般需要每次测试都提取血液样品(例如，手指针 试验)，测定分析物得浓度需要特定得技术人员使用特定的诊断装置。这在远离医疗器械 的地区的体育活动中就成为了问题。因此，在野外或家庭测试领域，还是需要一种易用 的分析测试仪器，特别使那些连续和/或自动的检测是需要的情况。
下面参考图22A，这是一个根据本发明的另一个优选实施例的运动贴片的主要 流体样品处理层的分解透视图。这包括样品采集层116，流体处理层118，包括电极414 的结果检测层178和另外一个流体处理层118，这些层应用于此来实现运动表现监视。如 图所示，样品采集层116包括最小侵入细管，柳叶刀，或微探针159，他们可以穿透皮肤 表面，从接近表皮的毛细血管中获得血液样品。每对电极414被分配给一个特定的分析 腔412并与其对齐，如图所示。
图22A所示的微流体回路227包括蓄液池开口 164，抽取蓄液池或初步样品收 集腔394，血液计量腔304和一系列分析腔412。样品处理层118可以包括一个微流体 回路227或者更好的包含多个微流体回路227。或者，装置104可以包括多个样品处理层118(如图所示的第二个层118)，每个具有单独的或多个微流体回路227。使用这种 方法，几个血液样品可以在不同时间提取，通过在第一流体通道168使用流体控制的方 法，此方法请参照于图13A到13E的描述。每一个单独的血液样品可以在单独的微流体 回路227中实时的处理。
图22B是完全组装好的运动贴片带有剖视图部分显示出图22A所示的各个根据 本发明的某些方面进行运动表现分析的层的一个透视图。更特别的，图22B显示了样品 采集层116中的最小侵入细管，柳叶刀，或微探针159，层118中的蓄液池开口 164，抽 取蓄液池或初步样品收集腔394，结果检测层178中的电极414，第二流体处理层118，信 号处理层186中的信号处理器142，逻辑和输入输出控制器层188中的控制器190，输出 视频显示器124，和单独固定显示结果窗126。
图.23A-23E是一系列横截面侧视图显示样品在运动表现贴片的流体回路227流 动的过程，此后为了方便都称为运动贴片。图23A显示了流体回路的典型部件，包括微 探针159，第一熔解阀324，初步样品收集腔394，第二熔解阀344，计量腔304，带有过 滤器342的出气口 340，第三熔解塞350，制动压力阀330，分析腔412和电极414.
分析的第一步是冲洗在微探针针尖上积聚的旧血，从而提供新鲜的血液样品来 分析。这一步骤如图23B所示，熔解塞3M被打开，允许血液进入初步样品收集腔394。 腔394将被通过关闭到腔四4的通道中的熔解阀332而关闭(图23C)。下一步是打开第 二熔解阀344允许新鲜的血液进入计量腔304。当计量腔304中的血液达到预定的量的 时候，流入腔304的血液会被关闭的熔解阀而切断(图23D)。然后第三熔解阀350被打 开，允许样品进入分析腔412，如图23D所示。样品中的分析物的量是通过使用针对各 种反应物的合适电极，使用电化学的方法来测定的。这些分析物包括过氧化氢(H2O2)， 氧气(O2)，氯离子(CD ,钠离子(Na+)和钾离子(K+)，如图23E所示。
更特别地，在此实现中，血液样品在运动贴片的整个使用周期中由微探针159 按照一定的时间间隔来提取。这里可以有独个收集点和/或多个如上所述的入口管道和/ 或多个蓄液池。而且，这里可以有多个微探针159来提取血液到运动贴片的一个微流体 回路227中。最好在每一个特定的时间间隔提取15到30微升的血液。微探针159最好 涂有抗凝血剂来防止血液的凝结。微流体回路包括初步样品收集腔或抽取蓄液池394， 并带有可编程的阀门来清洗聚集在微探针针尖的任何旧血。新鲜的血液样品先进入计量 腔304然后分配到分析腔412。
如以上所述，如果探测分析物的是电化学方法方法，就不需要在分析前进行血 液分离。然而，如果使用光学探测方法(例如吸收，反射，投射)来进行探测的话，一个 血液分离步骤可以包括进来。在这个替代实施例中，运动贴片的第一层回事一个血液或 细胞的分离片，它可以从血浆或血清中分离出血红细胞和白细胞，类似于图21A到21D 所描述的。在一个典型的操作中，15-30微升的血液样品通过毛细作用从收集细管进入细 胞分离片中。样品穿过分离片的时候，由纤维网络材料制成的分离片388会减缓特定物 质的运动，这包括血液细胞，达到在样品到达接下来的片之前，部分的移除血液细胞的 作用。
如以上描述并参照图23E，全血样品进入5个分析腔(以并列的方式放置)。用 来定量分析乳酸的分析腔预置了各种下面的乳酸反应图所需的各种酶。对于乳酸化验，34分析腔可以包含乳酸氧化酶，过氧化物酶和一个可以在H2O2存在的情况下被过氧化物酶 转化为可探测的产物的酶作用反应物。在此使用电化学探测方法的替代实施例中，过氧 化物酶和现色酶反应物被省略掉了。在这种情况下，产生的H2O2在白金电极上被氧化来 产生与样品乳酸浓度成比例的电流。下面是和此运动贴片相关的乳酸化验反应。
乳酸化验
权利要求
1.一种可佩戴个人诊断装置，所述装置包括在佩戴时，可以从用户周围环境采集空气样品的空气样品采集构件；用来测量空气样品中至少一种特定污染物的构件；所述构件与空气样品采集构件相连；用来从用户获得流体样品的流体样品采集层；用来处理所述从用户获得的流体样品的流体样品层，所述流体样品层和所述样品采 集层保持流体交换；所述流体样品层包括分析流体样品，从而确定用户对所述至少一种 特定污染物的反应的诊断区域；探测由所述流体样品处理后得到的诊断结果的探测器；和 将所述诊断结果通过网络传送到远程位置的传感器。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括互联网地址。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括定位器，从而所述传感器提供所述 用户位置的遥感信息。
4.一种用于进行DNA化验的可佩戴个人诊断装置的光学装置，所述装置包括 光发射器，其包括多根半导体线，其具有排列成第一个平面阵列的末端；和 光学检测器，其包括多根半导体线，其具有排列成第二个平面阵列的末端，所述第一平面阵列和所述第二平面阵列彼此基本平行，间隔预定的距离。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光发射器中的半导体线是发射器纳米 线，适合发射预定波长的电磁能。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光学探测器中的所述半导体线是检测 器纳米线，适合检测与置于所述第一平面阵列和所述第二平面阵列之间的物质相互作用 的电磁能。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括固定在所述发射器纳米线邻近的多 个单链DNA捕获探针，以形成至少一个捕获单元。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，当所述发射器纳米线被激活，照亮所述多 个单链DNA捕获探针时，所述光探测器单元检测仅捕获探针的输出信号。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，每根发射器纳米线和所述检测器纳米线单 独寻址。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，当多个单链DNA捕获探针中的至少一个 与互补目标探针杂交时，所述光检测器单元检测与目标探针输出信号杂交的捕获探针， 所述目标探针输出信号可与所述仅捕获探针的输出信号分辨开来。
11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，当预定最小数量的所述多个单链DNA捕 获探针与对应的互补目标探针杂交时，所述光学检测单元检测与目标探针输出信号杂交 的捕获探针，所述目标探针输出信号可与所述仅捕获探针的输出信号分辨开来。
12.—种可佩戴个人诊断装置，所述装置是贴片，用于检测用户中感兴趣的核酸序 列，其特征在于，所述装置包含在个人诊断装置中接受病人血液样品的流体回路； 计量血液样品获得预定体积的计量腔； 第一流体回路，用于将预定体积的血液样品传递到捕获腔；在捕获腔内用于固定血红细胞的俘获剂；第二流体回路，用于将白细胞从所述捕获腔转移到细胞溶解和DNA提取腔； 固定在所述细胞溶解和DNA提取腔内，用于溶解所述白细胞获得分离的DNA的裂 解剂；第三流体回路，用于将所述分离的DNA转移到DNA刻痕和变性腔，获得单链DNA 片段；第四流体回路，将所述单链DNA片段转移到分析腔内，所述分析腔含有固定在捕获 区域内的已知序列的核酸捕获探针，从而使任何互补单链DNA片段与捕获探针杂交； 电磁能源，用于用入射能量照亮所述捕获区域；和在所述能量与所述捕获区域中的物质相互作用以后，检测所述能量的探测器，从而 确定是否任何互补单链DNA片段与捕获探针杂交。
全文摘要
此个人诊断装置包括诊断贴片(生物贴片)和交互医疗手镯(生物手镯)，其带有一个皮肤/贴片界面，至少一个分析层，一个信号处理层和一个用户输出界面。此交互式诊断装置的实施例可以包括微流体回路，其包含反应腔，分析腔，混合腔及各种进行各种透皮的血液或汗的测试的预置的化学试剂或反应物。流体回路的样品收集腔可以包括刺入皮肤表面通过接近表皮的毛细血管获得血液样品的最小侵入细管。个人诊断装置替代实现可以配备由逻辑处理，输入/输出装置，声学麦克风，低温回路，嵌入式处理器，电子控制电路和电池电源或用电能的光电源。
文档编号B01L3/00GK102018496SQ201010290039
公开日2011年4月20日 申请日期2004年9月2日 优先权日2003年9月3日
发明者A·A·帕, B·C·范, D·博勒拉, R·M·巴伦西亚 申请人:生命修复国际股份有限公司