微機電系統與生物芯片第一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六目錄MEMS概念MEMS技術特點MEMS發展前景生物芯片的起源與發展生物芯片的種類生物芯片的制備生物芯片的發展前景第二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六

MEMS是指集微型傳感器、微型執行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統以及電源于一體的微型機電系統.MEMS概念非純電路裝置第三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六

一般意義上的系統集成芯片

廣義上的系統集成芯片電、光、聲、熱、磁力等外界信號的采集—各種傳感器執行器、顯示器等信息輸入與模/數傳輸信息處理信息輸出與數/模轉換信息存儲MEMS=廣義上的SOC第四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六機械部分傳感執行控制部分電子學MEMS微電子學第五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六MEMS技術的歷史微系統是從微傳感器發展而來的，已有幾次突破性的進展70年代微機械壓力傳感器產品問世80年代末研制出硅靜電微馬達90年代噴墨打印頭，硬盤讀寫頭、硅加速度計和數字微鏡器件等相繼規模化生產充分展示了微系統技術及其微系統的巨大應用前景第六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六MEMS特點微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。以硅為主要材料，機械電器性能優良：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢。批量生產：可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成于一體，多學科交叉：涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。第七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六MEMS系統優勢經濟利益1.大批量的并行制造過程；2.系統級集成；3.封裝集成；4.與IC工藝兼容。技術利益1.高精度；2.重量輕，尺寸小；3.高效能；第八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六MEMS技術基礎MEMS的技術基礎可以分為以下幾個方面：（1）設計與仿真技術；（2）材料與加工技術（3）封裝與裝配技術；（4）測量與測試技術；（5）集成與系統技術等。第九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六F微電子壓力傳感器利用了硅的三微結構與機械特性第十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六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第十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六MEMS的分類微執行器：微馬達、微齒輪、微泵、微閥門、微開關、微噴射器、微揚聲器、微諧振器等微型構件：微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等微機械光學器件：微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等第十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六硅微齒輪第十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六硅微轉子第十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六硅微梁第十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六硅微轉動器第十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六硅微拖動器第十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六硅微琴第十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六已經制造出尖端直徑為5m的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子可以用于醫療手術硅微型鑷子第十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六MEMS的展望目前，世界上幾乎普遍認為MEMS及其相關技術是21世紀的關鍵技術之一，它的發展將對高新技術及產業產生不可估量的影響，可以預期，隨著MEMS的進一步發展，世界上將會出現許多驚人的應用，比如大數據存儲系統將能做到在一塊芯片上存儲太位信息；手掌大小的光譜儀將使人們能方便快捷的監視環境情況；可植入人體的微型傳感器能實時監測人體的血糖水平，總之，MEMS將領導一次技術革命第二十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六什么是生物芯片？(Biochips)

生物芯片（biochip或bioarray）是根據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，從而實現對DNA、RNA、多肽、蛋白質以及其他生物成分的高通量快速檢測生物芯片技術又稱微陳列（microarray）技術，含有大量生物信息的固相基質稱為微陣列，又稱生物芯片。生物芯片在此類芯片的基礎上又發展出微流體芯片（microfluidicschip），亦稱微電子芯片（microelectronicchip），也就是縮微實驗室芯片。第二十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六生物芯片的起源

生物芯片技術的發展最初得益于埃德溫·邁勒·薩瑟恩（EdwinMellorSouthern）提出的核酸雜交理論，即標記的核酸分子能夠與被固化的與之互補配對的核酸分子雜交。從這一角度而言，Southern雜交可以被看作是生物芯片的雛形。弗雷德里克·桑格（FredSanger）和吉爾伯特（WalterGilbert）發明了現在廣泛使用的DNA測序方法，并由此在1980年獲得了諾貝爾獎。另一個諾貝爾獎獲得者卡里·穆利斯（KaryMullis）在1983年首先發明了PCR(聚合酶鏈式反應)，以及后來在此基礎上的一系列研究使得微量的DNA可以放大，并能用實驗方法進行檢測。第二十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六生物芯片的發展生物芯片技術是隨著人類基因組計劃的實施而發展起來的，是由美國舊金山以南的一個新興生物公司Affymetrix(昂飛)首先發展起來的，并成為基因組計劃中一種重要的技術手段。1991年，美國StephenFodor等首先提出了DNA芯片的概念，StephenFodor及其同事于90年代初發明了一種利用光刻技術在固相支持物上光導合成多肽的方法，并在此基礎上于1993年設計了一種寡核苷酸生物芯片。

第二十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六生物芯片的發展

1991年，美國Stanford大學的M．Schena在研究植物轉錄因子時提出了將大量DNA探針集成在同體表面上米研究基因表達的方法，并在1995年用機械手在玻璃片上進行DNA點樣，利用雙熒光標一次檢測了45個基因。1996年，M．Schena與StephenFodor等合作，制造出世界上第一個商業化的生物芯片。在此之后，國際上掀起了一股生物芯片設計的熱潮，出現了多種類型的生物芯片。生物芯片在產生的短短十幾年時間內技術不斷完善，它結合了寡核苷酸合成、固相合成、PCR、探針標記、分子雜交、大規模集成電路路制造、熒光顯微探測、生物傳感器及計算機控制和圖像處理等多種技術，充分體現了生物技術與其他學科相結合的巨大潛力。第二十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六國外發展現狀

生物芯片技術出現后立即引起國際上的廣泛關注。美國政府和產業界在過去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的研究開發與產業化；幾乎所有的跨國制藥公司都投入巨資建立生物芯技術平臺，開展新藥的超高通量篩選和對藥物毒理學、藥物基因組學等進行研究。美國繼展人類基因組計劃以后，于1998年正式啟動生物芯片計劃。美國幾乎所有的大學研究機構，如斯坦福大學、麻省理工學院及ArgonneOakridge國家實驗室，都參與了生物芯片的研究和開發。至今，美國已有多家生物芯片公司產品開始投放市場，納斯達克(NAs—DAQ)反應熱烈。生物芯片技術已成為大學和研究機構進行科學研究時所使用的一項常規分子生物學技術。第二十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六國外發展現狀

目前，世界范圍內參與研制生物芯片的主要公司超過100多家。其中以開發基因片技術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制造商。第二十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六國內發展現狀

我國生物芯片研究始于1997-1998年間，盡管起步較晚，但是技術和產業發展迅速，實現了從無到有的階段性突破，并逐步發展壯大，生物芯片已經從技術研究和產品開發階段走向技術應用和產品銷售階段，在表達譜芯片、重大疾病診斷芯片和生物芯片的相關設備研制上取得了較大成就。2008年我國生物芯片市場約為1億美元，并正以20%以上的速度增長，預計至2020年生物芯片市場將達到9億美元。第二十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六國內發展現狀從2000年開始，國家就陸續投入了大筆資金對生物芯片的系統研發給予了支持，建立了北京國家芯片工程中心、上海國家芯片工程中心、西安微檢驗工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片實驗室等研發機構，為我國在這一新型高科技領域的自主創新和產業化能力奠定了堅實的基礎，由此形成了以北京、上海兩個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構和百余家生物芯片企業的蓬勃發展局面，形成了“北有博奧，南有博星”的企業格局。第二十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六生物芯片的主要特點1、高通量:提高實驗進程，利于顯示圖譜的快速對照和閱讀2、微型化:減少試劑用量和反應液體積，提高樣品濃度和反應速度3、自動化:減低成本和保證質量第二十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六1：基因芯片2：蛋白質芯片3：芯片實驗室生物芯片的主要三大分類1：cDNA芯片2:寡核苷酸芯片第三十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六一、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雜交技術原理研制的。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的物質根據堿基互補原理，利用基因探針在基因混合物中識別特定的基因，研究對象是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。當溶液中帶有熒光標記的核酸序列TATGCAATCTAG，與基因芯片上對應位置的核酸探針產生互補匹配時，通過確定熒光強度最強的探針位置，獲得一組序列完全互補的探針序列。據此可重組出靶核酸的序列。第三十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六二、蛋白質芯片

蛋白質芯片是生物芯片研制中極有挖掘潛力的一種芯片。因為它是從蛋白質水平去了解和研究各種生命現象背后更為真實的情況。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、細胞因子等)是蛋白質，檢測的原理是依據蛋白質分子、蛋白與核酸、蛋白與其他分子的相互作用。蛋白質芯片第三十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六血管生成因子（Angiogenesis）抗體芯片

（大鼠、豬、小鼠）抗體芯片肥胖因子抗體芯片第三十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六三、芯片實驗室

芯片實驗室或稱微全分析系統是由瑞士Ciba-Geigy公司的Manz與Widmer在1990年提出。芯片實驗室（Lab-on-a-chip）或稱微全分析系統（MicroTotalAnalysisSystem，ormicroTAS）是指把生物和化學等領域中所涉及的樣品制備、生物與化學反應、分離檢測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反應過程，并對其產物進行分析的一種技術。是生物芯片技術的最終目標。第三十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六微流控芯片（microfluidicchip）微流控芯片是當前微全分析系統（MiniaturizedTotalAnalysisSystems）發展的熱點領域。微流控芯片分析以芯片為操作平臺,同時以分析化學為基礎,以微機電加工技術為依托,以微管道網絡為結構特征,以生命科學為目前主要應用對象，是當前微全分析系統領域發展的重點。第三十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六微流控芯片（microfluidicchip）目標：把整個化驗室的功能,包括采樣、稀釋、加試劑、反應、分離、檢測等集成在微芯片上,且可以多次使用。其產生的應用目的是實現微全分析系統的終極目標－芯片實驗室。第三十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六微流控夾具微流控進出孔接頭電化學檢測微流控芯片不同材質的微流控芯片有機基底軟質PDMS微流控芯片無機基底硬質Glass微流控芯片第三十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六基因芯片的制備基因芯片技術主要包括4個基本技術環節：芯片微陣列制備樣品制備生物分子反應信號的檢測與分析第三十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六1.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，還需要使用機器人技術。以便能快速、準確地將探針放置到芯片上的指定位置。第三十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六2.樣品制備生物樣品往往是復雜的生物分子混合體，除少數特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應，有時樣品的量很小。所以，必須將樣品進行提取、擴增，獲取其中的蛋白質或DNA，然后用熒光標記，以提高檢測的靈敏度和使用者的安全性。第四十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六3.生物分子反應雜交反應是熒光標記的樣品與芯片上的探針進行的反應產生一系列信息的過程。選擇合適的反應條件能使生物分子間反應處于最佳狀況中，減少生物分子之間的錯配率樣品制備生物分子反應信號檢測與分析第四十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六4.信號的檢測與分析

雜交反應后的芯片上各個反應點的熒光位置、熒光強弱經過芯片掃描儀和相關軟件可以分析圖像，將熒光轉換成數據，即可以獲得有關生物信息。芯片檢測系統必須具有高度敏感性，并能有效分辨噪聲信號。熒光是DNA芯片最常用的檢測方法，因為熒光技術能實現高通量檢測(MolecularProbes，Eugene，OR和AmershamPiscataway，NJ等公司采用)。基于標記的檢測方法常常使用熒光，此時靶核酸用光學上可以檢測的熒光進行標記。最常用的熒光染料是Cy3和Cys第四十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六熒光標記的缺點標記破壞蛋白質的活性有些蛋白質無法標記標記完成后熒光變弱前景：免標記檢測第四十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六生物芯片微弱熒光檢測第四十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六免標記檢測我國東南大學分子生物研究室結合組合化學合成與軟光刻微印刷技術的原理，采用成熟的寡核苷酸固相合成工藝，研究出了軟光刻技術原位合成法。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樣法中昂貴的探針修飾或標記；而是應用納米微通道管狀纖維載體材料按照預先設計的探針，排列組合成所需的一系列快速印刷母版，每一張母版對應于一種合成單體試劑。它具有操作簡單、成本低、單步合成產率高等優點。第四十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期六生物芯片的發展前景生物芯片是一個新興的科學領域，具有有良好的發