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1、个人收集整理 仅供参考学习MEMS生物芯片技术 PCR芯片技术 勾海波 22011325近年来, 科学家们在微机电系统(MEMS) 、纳米技术和分子生物学领域取得了无可争议的进步和突破, 将这些技术结合起来形成功能更强大的分析系统成为目前人们科学探索的目标。生物MEMS(BIOMEMS) 将MEMS 技术应用在生物、医学领域,研究适合于生物领域的微器件和微制造系统, 是最具吸引力的。特别是在寻找新基因、DNA 测序、疾病诊断、药物筛选等方面, 是最有应用前途的研究方向。BIOMEMS 的研究内容主要包括在生物体外进行生物医学诊断的微系统和在生物体内进行生物医学治疗的微系统。微机械制造技术使BI
2、OMEMS 具有微米量级的特征尺寸, 得以实现器件和系统的微型化, 使生物医学的诊断和治疗可以快速、自动化、高通量、较小损伤地完成。BIOMEMS 技术批量生产能力更极大地降低了生物医学诊断和治疗的成本, 因此BIOMEMS 技术已成为21 世纪科学研究和商品化的主要研究目标。生物微机电系统( BIOMEMS) 是在生物医学工程中使用的MEMS, 其中最典型的就是生物芯片。由尺度效应可以知道,MEMS 可以灵敏、准确、低成本和微创地应用于生物芯片领域。通过MEMS 的微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统,可以实现对生命机体的生物组分进行准确、快速、大信息量的检测。生物芯
3、片实际上是一种高复杂程度的生物传感器。目前比较成功的生物芯片是蛋白质芯片生物传感器,这种传感器使用微加工技术, 在传感器的表面固定数量巨大的生物活性探针, 与待测的蛋白质进行反应后, 把得到的信号转化成电信号, 再反馈给微型计算机。蛋白质芯片生物传感器主要使用在生物检测上, 它的灵敏度高, 能实时直观地显示结果。例如一种实时光学蛋白质芯片生物传感器, 这种传感器把大量具有生物活性的生物分子(配基) 作为感应试剂固定在芯片的表面上作为生物活性探针, 使芯片形成感应面。当芯片的感应表面与含有待测蛋白质的溶液接触时, 溶液中的待测蛋白质就能够与相应的生物活性探针上的配基发生作用, 形成特异性结合,
4、从而生成生物分子复合物,使得感应表面的生物分子面密度产生相应的变化。这个变化可以通过全内反射椭偏光学成像系统来进行观测,把观测的结果(灰度的变化)转化成电信号输出然后进行处理。根据观测的结果就可判定溶液中是否含有能够与生物活性探针上的配基发生特异性结合的待测蛋白质, 从而测定待测溶液的成分,发生作用的整个动态过程同时也能够被记录下来,可以用来进一步分析生物活性探针和待测蛋白之间相互作用的动态参数。通过这样的测量手段, 能够灵敏且有针对性地(生物探针只对专门的蛋白起反应),快速地(反应过程迅速),直观地(反应过程可以随时监测)测量待测的蛋白质,具备了以前检测手段无法比拟的优势。据报道, Stan
5、ford 和Affymetrix 公司的研究人员目前已实现在指甲盖大小的硅片或玻璃片上制造出含有大概6000个基因片段的MEMS 芯片, 而且已成功应用于动物的基因测试实验。在制造生物传感器的过程中,利用MEMS 加工技术,可以在微小的生物芯片上加工出小到毫米至微米尺度的容器、泵、阀、管道等,将整个生物传感器的功能集成到微芯片上。目前以酶传感器的研究较为成熟, DAN 传感器的研究在不断的深入,免疫传感器的研究应用则是处于研究阶段。生物传感器所采用的信号转换器件中,以微悬梁, 微电极、微型体声波谐振器和生物敏场晶体管最为典型。微悬梁臂结构的好处就像物理天平一样,对作用于悬梁臂上面的微小重量的变
6、化都会引起微悬梁臂结构的巨大的摆幅变化。所以可以制作微悬臂梁来检测微观领域中微小物质的重量变化,如对人体中各种各样的DNA、酶、抗体等微小物质进行微量检测。由于MEMS技术和生物技术的飞速发展，作为两个领域结合物的BIOMEMS技术自然收益颇多。如今各式各样生物芯片相继问世，如生物传感芯片，PCR芯片，凝胶元件微阵列芯片，药物控释芯片和毛细管电泳或层析芯片等等。在这些生物芯片当中，以PCR芯片最为典型。聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)，简称PCR，是一种分子生物学技术，用于放大特定的DNA片段。可看作生物体外的特殊DNA复制。生物芯片发展到今天，也不过短短十多年时间，MEMS将不断推动生物芯片技术趋于完善，其最终目标的微全分析系统，可能会像今天的微型计算机一样普及。随着研究的不断深入和技术的更加完善，生物芯片将对21 世纪人类生活健康、社会经济发展产生极其深远的影响。而PCR芯片，必将在生物芯片这个先锋领域中撑起一杆大旗，为我们的生活贡献越来越多的力量。
