微機(jī)電系統(tǒng)與生物芯片

1、淺談微機(jī)電系統(tǒng)與生物芯片淺談微機(jī)電系統(tǒng)與生物芯片目 錄o MEMS概念o MEMS技術(shù)特點(diǎn)o MEMS發(fā)展前景o 生物芯片的起源與發(fā)展o 生物芯片的種類o 生物芯片的制備o 生物芯片的發(fā)展前景 MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng).MEMS概念 一般意義上的系統(tǒng)集成芯片 廣義上的系統(tǒng)集成芯片電、光、聲、熱、磁力等外界信號(hào)的采集各種傳感器執(zhí)行器、顯示器等信息輸入與模/數(shù)傳輸信息處理信息輸出與數(shù)/模轉(zhuǎn)換信息存儲(chǔ)MEMS=廣義上的SOC機(jī)械機(jī)械部分部分傳感傳感執(zhí)行執(zhí)行控制部分控制部分電子學(xué)電子學(xué)MEMS微電子學(xué)微電子學(xué)MEMS技術(shù)的

2、歷史o 微系統(tǒng)是從微傳感器發(fā)展而來(lái)的，已有幾次突破性的進(jìn)展n 70年代微機(jī)械壓力傳感器產(chǎn)品問世n 80年代末研制出硅靜電微馬達(dá)n 90年代噴墨打印頭，硬盤讀寫頭、硅加速度計(jì)和數(shù)字微鏡器件等相繼規(guī)模化生產(chǎn)充分展示了微系統(tǒng)技術(shù)及其微系統(tǒng)的巨大應(yīng)用前景MEMS特點(diǎn)o 微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。o 以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。o 批量生產(chǎn)：可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMSo 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，o 多學(xué)科交叉

3、：涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。MEMS系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)o 經(jīng)濟(jì)利益n 1.大批量的并行制造過程；n 2.系統(tǒng)級(jí)集成；n 3.封裝集成；n 4.與IC工藝兼容。o 技術(shù)利益n 1.高精度；n 2.重量輕，尺寸?。籲 3.高效能；MEMS技術(shù)基礎(chǔ)o MEMS的技術(shù)基礎(chǔ)可以分為以下幾個(gè)方面：n （1）設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)；n （2）材料與加工技術(shù)n （3）封裝與裝配技術(shù)；n （4）測(cè)量與測(cè)試技術(shù)；n （5）集成與系統(tǒng)技術(shù)等。F微電子壓力傳感器聚合物薄膜硅壓敏電阻器吸濕膨脹電阻變化微電子濕度傳感器MEMS的分類o 微執(zhí)行器：微馬達(dá)、

4、微齒輪、微泵、微閥門、微開關(guān)、微噴射器、微揚(yáng)聲器、微諧振器等o 微型構(gòu)件：微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等o 微機(jī)械光學(xué)器件：微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關(guān)、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等硅微齒輪硅微轉(zhuǎn)子硅微梁硅微轉(zhuǎn)動(dòng)器硅微拖動(dòng)器MEMS的展望 目前，世界上幾乎普遍認(rèn)為MEMS及其相關(guān)技術(shù)是21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它的發(fā)展將對(duì)高新技術(shù)及產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生不可估量的影響，可以預(yù)期，隨著MEMS的進(jìn)一步發(fā)展，世界上將會(huì)出現(xiàn)許多驚人的應(yīng)用，比如大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)將能做到在一塊芯片上存儲(chǔ)太位 信息；手掌大小的光譜儀將使人們能方便快捷的監(jiān)視環(huán)

5、境情況；可植入人體的微型傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的血糖水平，總之，MEMS將領(lǐng)導(dǎo)一次技術(shù)革命1210 bit什么是生物芯片？(Biochips) 生物芯片（生物芯片（biochipbiochip或或bioarraybioarray）是根據(jù)生物）是根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)集成于芯片表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DNADNA、RNARNA、多肽、多肽、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測(cè)、蛋白質(zhì)以及其他生物成分的高通量快速檢測(cè)生物芯片技術(shù)又稱微陳列（生物芯片技術(shù)又稱微陳列（microarraymicroarray）技術(shù)，）技

6、術(shù)，含有大量生物信息的固相基質(zhì)稱為微陣列，又含有大量生物信息的固相基質(zhì)稱為微陣列，又稱生物芯片。生物芯片在此類芯片的基礎(chǔ)上又稱生物芯片。生物芯片在此類芯片的基礎(chǔ)上又發(fā)展出微流體芯片（發(fā)展出微流體芯片（microfluidics chipmicrofluidics chip），），亦稱微電子芯片（亦稱微電子芯片（microelectronic chipmicroelectronic chip），），也就是縮微實(shí)驗(yàn)室芯片也就是縮微實(shí)驗(yàn)室芯片。生物芯片的起源 生物芯片技術(shù)的發(fā)展最初得益于 埃德溫邁勒薩瑟恩（Edwin M ellor Southern）提出的核酸雜 交理論，即標(biāo)記的核酸分子能夠 與被

7、固化的與之互補(bǔ)配對(duì)的核酸 分子雜交。從這一角度而言，So uthern雜交可以被看作是生物芯 片的雛形。弗雷德里克桑格（Fred Sanger）和吉爾伯特（Walter Gilbert）發(fā)明了現(xiàn)在廣泛使用的DNA測(cè)序方法，并由此在1980年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。另一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者卡里穆利斯（Kary Mullis）在1983年首先發(fā)明了PCR(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))，以及后來(lái)在此基礎(chǔ)上的一系列研究使得微量的DNA可以放大，并能用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)。生物芯片的發(fā)展 生物芯片技術(shù)是隨著人類基因組計(jì)劃的實(shí)施而發(fā)展起來(lái)的，是由美國(guó)舊金山以南的一個(gè)新興生物公司Affymetrix(昂飛)首先發(fā)展起來(lái)的，并成為基因組

8、計(jì)劃中一種重要的技術(shù)手段。 1991年，美國(guó)Stephen Fodor等首先提出了DNA芯片的概念，Stephen Fodor及其同事于90年代初發(fā)明了一種利用光刻技術(shù)在固相支持物上光導(dǎo)合成多肽的方法，并在此基礎(chǔ)上于1993年設(shè)計(jì)了一種寡核苷酸生物芯片。 生物芯片的發(fā)展 1991年，美國(guó)Stanford大學(xué)的MSchena在研究植物轉(zhuǎn)錄因子時(shí)提出了將大量DNA探針集成在同體表面上米研究基因表達(dá)的方法，并在1995年用機(jī)械手在玻璃片上進(jìn)行DNA點(diǎn)樣，利用雙熒光標(biāo)一次檢測(cè)了45個(gè)基因。 1996年，MSchena與Stephen Fodor等合作，制造出世界上第一個(gè)商業(yè)化的生物芯片。在此之后，國(guó)際

9、上掀起了一股生物芯片設(shè)計(jì)的熱潮，出現(xiàn)了多種類型的生物芯片。生物芯片在產(chǎn)生的短短十幾年時(shí)間內(nèi)技術(shù)不斷完善，它結(jié)合了寡核苷酸合成、固相合成、PCR、探針標(biāo)記、分子雜交、大規(guī)模集成電路路制造、熒光顯微探測(cè)、生物傳感器及計(jì)算機(jī)控制和圖像處理等多種技術(shù)，充分體現(xiàn)了生物技術(shù)與其他學(xué)科相結(jié)合的巨大潛力。國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 生物芯片技術(shù)出現(xiàn)后立即引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注。美國(guó)政府和產(chǎn)業(yè)界在過去10年共投入近20億美元用于以基因芯片為主的生物芯片技術(shù)的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化；幾乎所有的跨國(guó)制藥公司都投入巨資建立生物芯技術(shù)平臺(tái)，開展新藥的超高通量篩選和對(duì)藥物毒理學(xué)、藥物基因組學(xué)等進(jìn)行研究。美國(guó)繼展人類基因組計(jì)劃以后，于1998年

10、正式啟動(dòng)生物芯片計(jì)劃。美國(guó)幾乎所有的大學(xué)研究機(jī)構(gòu)，如斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院及Argonne Oakridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，都參與了生物芯片的研究和開發(fā)。至今，美國(guó)已有多家生物芯片公司產(chǎn)品開始投放市場(chǎng)，納斯達(dá)克(NAsDAQ)反應(yīng)熱烈。生物芯片技術(shù)已成為大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)所使用的一項(xiàng)常規(guī)分子生物學(xué)技術(shù)。國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，世界范圍內(nèi)參與研制生物芯片的主要公司超過100多家。其中以開發(fā)基因片技術(shù)為主的公司有幾十家，已有多家生物芯片公司上市。大部分生物芯片公司分布在美國(guó)其次在歐洲。其中，美國(guó)Affymetrix（昂飛）公司是世界上最有影響的基因芯片開發(fā)制造商。國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)生物芯片研究

11、始于1997-1998年間，盡管起步較晚，但是技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的階段性突破，并逐步發(fā)展壯大，生物芯片已經(jīng)從技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)階段走向技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品銷售階段，在表達(dá)譜芯片、重大疾病診斷芯片和生物芯片的相關(guān)設(shè)備研制上取得了較大成就。2008年我國(guó)生物芯片市場(chǎng)約為1億美元，并正以20%以上的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)至2020年生物芯片市場(chǎng)將達(dá)到9億美元。國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 從2000年開始，國(guó)家就陸續(xù)投入了大筆資金對(duì)生物芯片的系統(tǒng)研發(fā)給予了支持，建立了北京國(guó)家芯片工程中心、上海國(guó)家芯片工程中心、西安微檢驗(yàn)工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片實(shí)驗(yàn)室等研發(fā)機(jī)構(gòu)，為我國(guó)在這一新型高科技領(lǐng)域的自主創(chuàng)新

12、和產(chǎn)業(yè)化能力奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，由此形成了以北京、上海兩個(gè)國(guó)家工程研究中心為龍頭，天津、西安、南京、深圳、哈爾濱等地50余家生物芯片研究機(jī)構(gòu)和百余家生物芯片企業(yè)的蓬勃發(fā)展局面，形成了“北有博奧，南有博星”的企業(yè)格局。生物芯片的主要特點(diǎn)生物芯片的主要特點(diǎn)1、高通量、高通量:提高實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，利于顯示圖譜的快速對(duì)照和閱讀2、微型化、微型化:減少試劑用量和反應(yīng)液體積，提高樣品濃度和反應(yīng)速度 3、自動(dòng)化、自動(dòng)化:減低成本和保證質(zhì)量 1：基因芯片基因芯片2：蛋白質(zhì)芯片：蛋白質(zhì)芯片3：芯片實(shí)驗(yàn)室：芯片實(shí)驗(yàn)室生物芯片的主要三大分類生物芯片的主要三大分類1：cDNA芯片芯片2:寡核苷酸芯片寡核苷酸芯片一、基因芯片

13、基因芯片又稱為寡核苷酸探針微陣列，是基于基因芯片又稱為寡核苷酸探針微陣列，是基于核酸探針互補(bǔ)雜交核酸探針互補(bǔ)雜交技術(shù)原理技術(shù)原理研制的。所謂的核酸探針只是一段人工合成的堿基序列研制的。所謂的核酸探針只是一段人工合成的堿基序列，在探針上連接一些可檢測(cè)的物質(zhì)根據(jù)堿基互補(bǔ)原理，利用基因，在探針上連接一些可檢測(cè)的物質(zhì)根據(jù)堿基互補(bǔ)原理，利用基因探針在基因混合物中識(shí)別特定的基因，研究對(duì)象是探針在基因混合物中識(shí)別特定的基因，研究對(duì)象是DNADNA。 例如：在一塊基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探針。當(dāng)例如：在一塊基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探針。當(dāng)溶液中帶有溶液中帶有熒光熒光標(biāo)記的核酸序列標(biāo)記的核酸

14、序列TATGCAATCTAGTATGCAATCTAG，與基因芯片上對(duì)，與基因芯片上對(duì)應(yīng)位置的核酸探針產(chǎn)生互補(bǔ)匹配時(shí)，通過確定熒光強(qiáng)度最強(qiáng)的探應(yīng)位置的核酸探針產(chǎn)生互補(bǔ)匹配時(shí)，通過確定熒光強(qiáng)度最強(qiáng)的探針位置，獲得一組序列完全互補(bǔ)的探針序列。據(jù)此可重組出靶核針位置，獲得一組序列完全互補(bǔ)的探針序列。據(jù)此可重組出靶核酸的序列。酸的序列。二、蛋白質(zhì)芯片二、蛋白質(zhì)芯片 蛋白質(zhì)芯片是生物芯片研制中極有挖掘潛力的蛋白質(zhì)芯片是生物芯片研制中極有挖掘潛力的一種芯片。因?yàn)樗菑牡鞍踪|(zhì)水平去了解和研一種芯片。因?yàn)樗菑牡鞍踪|(zhì)水平去了解和研究各種生命現(xiàn)象背后更為真實(shí)的情況。它與基究各種生命現(xiàn)象背后更為真實(shí)的情況。它與基因

15、芯片的原理類似，只是芯片上固定的分子因芯片的原理類似，只是芯片上固定的分子( (如如酶、抗原、抗體、受體、配體、細(xì)胞因子等酶、抗原、抗體、受體、配體、細(xì)胞因子等) )是是蛋白蛋白質(zhì)質(zhì)，檢測(cè)的原理是，檢測(cè)的原理是依據(jù)蛋白質(zhì)分子、蛋白與核酸、依據(jù)蛋白質(zhì)分子、蛋白與核酸、蛋白與其他分子的相互作用。蛋白與其他分子的相互作用。蛋白質(zhì)芯片血管生成因子（Angiogenesis）抗體芯片 （大鼠、豬、小鼠）抗體芯片肥胖因子抗體芯片三、芯片實(shí)驗(yàn)室 芯片實(shí)驗(yàn)室或稱微全分析系統(tǒng)是由瑞士Ciba-Geigy公司的Manz與Widmer在1990年提出。 芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）或稱微全分析系統(tǒng)（Mi

16、cro Total Analysis System， or microTAS）是指把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢測(cè)等基本操作單位集成或基本集成于一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過程，并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù) 。是生物芯片技術(shù)的最終目標(biāo)。微流控芯片（microfluidic chip）o 微流控芯片是當(dāng)前微全分析系統(tǒng)（Miniaturized Total Analysis Systems）發(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域。o 微流控芯片分析以芯片為操作平臺(tái), 同時(shí)以分析化學(xué)為基礎(chǔ),以微機(jī)電加工技術(shù)為依托,以微管道網(wǎng)絡(luò)為結(jié)構(gòu)特征,以生命科學(xué)為目前主要應(yīng)用對(duì)象，是

17、當(dāng)前微全分析系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。微流控芯片（microfluidic chip）o 目標(biāo)：把整個(gè)化驗(yàn)室的功能,包括采樣、稀釋、加試劑、反應(yīng)、分離、檢測(cè)等集成在微芯片上,且可以多次使用。其產(chǎn)生的應(yīng)用目的是實(shí)現(xiàn)微全分析系統(tǒng)的終極目標(biāo)芯片實(shí)驗(yàn)室。微流控夾具微流控進(jìn)出孔接頭電化學(xué)檢測(cè)微流控芯片不同材質(zhì)的微流控芯片有機(jī)基底軟質(zhì)PDMS微流控芯片無(wú)機(jī)基底硬質(zhì)Glass微流控芯片基因芯片的制備基因芯片的制備o 基因芯片技術(shù)主要包括4個(gè)基本技術(shù)環(huán)節(jié)：n 芯片微陣列制備n 樣品制備n 生物分子反應(yīng)n 信號(hào)的檢測(cè)與分析1.1.芯片微陣列制備芯片微陣列制備 目前制備芯片主要以玻璃片或硅片為載體，采用原位合成和微矩陣

18、的方法將寡核苷酸片段或cDNA作為探針按順序排列在載體上。芯片的制備除了用到微加工工藝外，還需要使用機(jī)器人技術(shù)。以便能快速、準(zhǔn)確地將探針放置到芯片上的指定位置。2.2.樣品制備樣品制備 生物樣品往往是復(fù)雜的生物分子混合體，除少數(shù)特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應(yīng)，有時(shí)樣品的量很小。所以，必須將樣品進(jìn)行提取、擴(kuò)增，獲取其中的蛋白質(zhì)或DNA，然后用熒光標(biāo)記，以提高檢測(cè)的靈敏度和使用者的安全性。3.3.生物分子反應(yīng)生物分子反應(yīng) 雜交反應(yīng)是熒光標(biāo)記的樣品與芯片上的探針進(jìn)行的反應(yīng)產(chǎn)生一系列信息的過程。選擇合適的反應(yīng)條件能使生物分子間反應(yīng)處于最佳狀況中，減少生物分子之間的錯(cuò)配率樣品制備生物分子反應(yīng)信號(hào)檢測(cè)

19、與分析4.4.信號(hào)的檢測(cè)與分析信號(hào)的檢測(cè)與分析 雜交反應(yīng)后的芯片上各個(gè)反應(yīng)點(diǎn)的熒光位置、熒光強(qiáng)弱經(jīng)過芯片掃描儀和相關(guān)軟件可以分析圖像，將熒光轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，即可以獲得有關(guān)生物信息。 芯片檢測(cè)系統(tǒng)必須具有高度敏感性，并能有效分辨噪聲信號(hào)。熒光是 DNA芯片最常用的檢測(cè)方法，因?yàn)闊晒饧夹g(shù)能實(shí)現(xiàn)高通量檢測(cè)(Molecular Probes，Eugene，OR和AmershamPiscataway， NJ等公司采用)。基于標(biāo)記的 檢測(cè)方法常常使用熒光，此時(shí)靶核酸用光學(xué)上可以檢測(cè)的熒光進(jìn)行標(biāo)記。最常用的熒光染料是Cy3和Cys 熒光標(biāo)記的缺點(diǎn)o 標(biāo)記破壞蛋白質(zhì)的活性o 有些蛋白質(zhì)無(wú)法標(biāo)記o 標(biāo)記完成后熒光變?nèi)跚熬埃好鈽?biāo)記檢測(cè)生物芯片微弱熒光檢測(cè)免標(biāo)記檢測(cè)o 我國(guó)東南大學(xué)分子生物研究室結(jié)合組合化學(xué)合成與軟光刻微印刷技術(shù)的原理，采用成熟的寡核苷酸固相合成工藝，研究出了軟光刻技術(shù)原位合成法。o 原位合成方法活版印刷法。它完全摒棄了原位合成中煩瑣而昂貴的掩模制備過程及點(diǎn)樣法中昂貴的探針修飾或標(biāo)記；而是應(yīng)用納米微通道管狀纖維載體材料按照預(yù)先設(shè)計(jì)的探針，排列組合成所需的一系列快速印刷母版，每一張母版對(duì)應(yīng)于一種合成單體試劑。它具有操作簡(jiǎn)單、成本低、單步合成產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。生物芯片的發(fā)展前景 生物芯片是一個(gè)新興的科學(xué)領(lǐng)域，具有