微機(jī)電系統(tǒng)與生物芯片.ppt

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1、淺 談 微 機(jī) 電 系 統(tǒng) 與 生 物 芯 片 目 錄oMEMS概 念oMEMS技 術(shù) 特 點(diǎn)oMEMS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

2、 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) 械部 分傳 感執(zhí) 行控 制 部 分電 子 學(xué) MEMS微 電 子 學(xué) MEMS技 術(shù) 的 歷 史o 微 系 統(tǒng) 是 從 微 傳 感 器 發(fā) 展 而 來 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

3、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

4、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 ： 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

5、 精 度 ；n 2.重 量 輕 ， 尺 寸 小 ；n 3.高 效 能 ； MEMS技 術(shù) 基 礎(chǔ)oMEMS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) 、 微 齒 輪 、 微

6、 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 ，

7、 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) 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

8、 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 （ biochip或 bioarray） 是 根 據(jù) 生 物分 子 間 特 異 相 互 作 用 的 原 理 ， 將 生 化 分 析 過 程集 成 于 芯 片 表 面 ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) DNA、 RNA、 多 肽、 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 （ microarray） 技 術(shù) ，含 有 大 量 生 物 信 息 的 固 相 基 質(zhì) 稱 為 微

9、 陣 列 ， 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 （ microfluidics chip） ，亦 稱 微 電 子 芯 片 （ microelectronic chip） ，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 固 化 的 與 之 互 補(bǔ) 配 對(duì) 的 核 酸 分

10、 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 式 反 應(yīng) )， 以 及 后 來在 此 基 礎(chǔ) 上 的 一 系 列 研 究 使

11、 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 的 ， 是 由 美 國 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 的， 并 成 為 基 因 組 計(jì) 劃 中 一 種 重 要 的 技 術(shù) 手 段 。 1991年 ， 美 國 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

12、 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 Stanford大 學(xué) 的 M Schena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 ，

13、M Schena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 際 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

14、 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 外 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 生 物 芯 片 技 術(shù) 出 現(xiàn) 后 立 即 引 起 國 際 上 的 廣 泛 關(guān) 注 。 美國 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 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

15、基 因 組學(xué) 等 進(jìn) 行 研 究 。 美 國 繼 展 人 類 基 因 組 計(jì) 劃 以 后 ， 于 1998年 正 式 啟 動(dòng) 生 物 芯 片 計(jì) 劃 。 美 國 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 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 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 (NAs DAQ)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

16、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 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 其 次 在 歐 洲 。 其 中 ， 美 國 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 內(nèi) 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 我 國 生 物 芯

17、片 研 究 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 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 生 物 芯 片 市 場(chǎng) 約 為 1億 美 元 ， 并 正 以 20%以 上 的 速 度 增 長 ， 預(yù) 計(jì)

18、 至2020年 生 物 芯 片 市 場(chǎng) 將 達(dá) 到 9億 美 元 。 國 內(nèi) 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 從 2000年 開 始 ， 國 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 家 芯片 工 程 中 心 、 上 海 國 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 在 這 一 新 型 高 科 技 領(lǐng) 域 的 自主 創(chuàng) 新 和 產(chǎn) 業(yè) 化 能 力 奠 定 了 堅(jiān) 實(shí) 的 基 礎(chǔ) ， 由 此

19、形 成了 以 北 京 、 上 海 兩 個(gè) 國 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)1、 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 : 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

20、3、 自 動(dòng) 化 : 減 低 成 本 和 保 證 質(zhì) 量 1： 基 因 芯 片2： 蛋 白 質(zhì) 芯 片3： 芯 片 實(shí) 驗(yàn) 室生物芯片的主要三大分類 1： cDNA芯 片2:寡 核 苷 酸 芯 片 一 、 基 因 芯 片 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， 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

21、定 的 基 因 ， 研 究 對(duì) 象 是 DNA。 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 熒 光 標(biāo) 記 的 核 酸 序 列 TATGCAATCTAG， 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 。 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

22、 潛 力 的一 種 芯 片 。 因 為 它 是 從 蛋 白 質(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 基因 芯 片 的 原 理 類 似 ， 只 是 芯 片 上 固 定 的 分 子 (如酶 、 抗 原 、 抗 體 、 受 體 、 配 體 、 細(xì) 胞 因 子 等 )是 蛋 白質(zhì) ， 檢 測(cè) 的 原 理 是 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 質(zhì) 芯 片 血 管 生 成 因 子 （ Angiogenesis） 抗 體 芯 片 （ 大 鼠 、 豬 、 小 鼠 ）

23、 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) （ Micro 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

24、 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

25、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 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

26、 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 機(jī) 基 底 硬 質(zhì) Glass微 流 控 芯 片 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.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 的 方 法 將 寡 核 苷 酸 片 段 或 cDNA作為 探 針 按 順 序 排

27、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.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

28、 度 和 使用 者 的 安 全 性 。 3.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) 與 分 析 4.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

29、 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 為熒 光 技 術(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

30、。 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 法 標(biāo) 記o 標(biāo) 記 完 成 后 熒 光 變 弱前 景 ： 免 標(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 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

31、 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 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 有 良好 的

32、發(fā) 展 前 景 。 現(xiàn) 在 生 物 芯 片 主 要 是 向 以 下幾 個(gè) 方 向 發(fā) 展 ：o 一 是 產(chǎn) 業(yè) 化 。 對(duì) 于 現(xiàn) 在 技 術(shù) 已 經(jīng) 相 對(duì) 成 熟 的生 物 芯 片 ， 如 基 因 芯 片 ， 產(chǎn) 業(yè) 化 是 發(fā) 揮 生 物芯 片 作 用 的 最 好 途 徑 。 現(xiàn) 在 很 多 公 司 已 經(jīng) 推出 各 種 不 同 種 類 的 基 因 芯 片 。 而 且 其 相 關(guān) 產(chǎn)業(yè) ， 如 點(diǎn) 樣 設(shè) 備 ， 檢 測(cè) 設(shè) 備 也 有 重 要 的 價(jià) 值。 而 成 本 是 舒 服 產(chǎn) 業(yè) 化 的 一 個(gè) 關(guān) 鍵 因 素 。 生 物 芯 片 的 發(fā) 展 前 景o 二 是 微 型 化 。

33、由 于 微 加 工 技 術(shù) ， 生 物 芯 片 的 尺 寸 范 圍 已 從 微米 級(jí) 向 納 米 級(jí) 發(fā) 展 。o 三 是 集 成 化 。 對(duì) 生 物 芯 片 研 究 人 員 來 說 最 終 的 研 究 目 標(biāo) 是 對(duì)分 析 的 全 過 程 實(shí) 現(xiàn) 全 集 成 ， 即 制 造 微 型 全 分 析 系 統(tǒng) 或 微 芯 片實(shí) 驗(yàn) 室 ， 在 芯 片 上 實(shí) 現(xiàn) 生 化 檢 測(cè) 的 全 部 功 能 。 集 成 方 面 ， 目前 已 有 了 一 些 進(jìn) 展 ， 并 且 取 得 了 一 批 初 步 成 果 。o 四 是 信 息 化 。 生 物 芯 片 可 以 檢 測(cè) 到 的 信 息 量 是 傳 統(tǒng) 檢

34、測(cè) 技 術(shù)無 可 比 擬 的 ， 特 別 是 大 規(guī) 模 陣 列 芯 片 一 次 可 以 采 集 大 量 數(shù) 據(jù)。 如 何 從 眾 多 錯(cuò) 綜 復(fù) 雜 的 數(shù) 據(jù) 中 得 到 真 正 有 用 的 信 息 是 一 個(gè)相 當(dāng) 繁 瑣 的 工 作 。 生 物 芯 片 技 術(shù) 的 發(fā) 展 是 解 決 這 一 問 題 的 唯一 途 徑 。 生 物 芯 片 的 展 望 生 物 芯 片 技 術(shù) 展 現(xiàn) 出 巨 大 的 應(yīng) 用 前 景 ， 越 來 越 多 的研 究 機(jī) 構(gòu) 和 企 業(yè) 投 入 到 生 物 芯 片 這 一 領(lǐng) 域 ， 生 物 芯片 將 會(huì) 給 21世 紀(jì) 整 個(gè) 人 類 帶 來 一 場(chǎng) “ 革

35、命 ” 。 但目 前 ， 生 物 芯 片 的 應(yīng) 用 還 處 在 實(shí) 驗(yàn) 研 究 階 段 ， 制 約生 物 芯 片 大 規(guī) 模 應(yīng) 用 的 挑 戰(zhàn) 主 要 是 需 要 特 殊 設(shè) 備 、操 作 復(fù) 雜 且 芯 片 制 作 成 本 高 。 因 此 發(fā) 展 集 成 化 、 便攜 式 、 可 視 化 的 生 物 芯 片 是 生 物 芯 片 從 實(shí) 驗(yàn) 研 究 走向 臨 床 應(yīng) 用 的 關(guān) 鍵 ， 隨 著 新 材 料 、 新 技 術(shù) 的 不 斷 研發(fā) ， 生 物 芯 片 技 術(shù) 將 會(huì) 得 到 進(jìn) 一 步 的 完 善 和 發(fā) 展 ，一 定 能 夠 在 各 項(xiàng) 科 學(xué) 研 究 及 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 發(fā) 揮 出 其 非 凡作 用 ， 成 為 本 世 紀(jì) 最 大 的 產(chǎn) 業(yè) 。 thanks!