《生物芯片中的电化学和光电化学检测研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物芯片中的电化学和光电化学检测研究（78页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学硕士学位论文生物芯片中的电化学和光电化学检测研究姓名：张旭申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：于军20030616华中科技大学硕士学位论文摘要生物芯片是近些年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它主要是指通过微加工等技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、以及其他生物组分准确、快速、大信息量的检测。其中对生化反应信号的检测是生物芯片技术中的重要组成部分，近年来各种新的检测技术不断涌现。随着生物芯片进一步向微型化、集成化、自动化方向发展，电化学检测以其检测仪器简单、成本低、易微型化和便携等优势越来越受到关注。我们提出的化学放大电
2、化学检测技术可使电化学信号成倍放大，从而克服通常电化学检测方法灵敏度不够高的缺点；而另一种全新的检测技术光电化学检测则由于背景极低更具有极高灵敏度的潜力。两种方法均适应于以核酸杂交、免疫反应等为基础的亲和型生物芯片分析，有望成为新的生物芯片检测技术平台，有利于降低成本，也将推动生物芯片在食品检验、环境监测、生物战剂检测、个体医疗等需要现场检测的领域的应用，对于构建便携式芯片实验室也是非常有意义的。本文在介绍生物芯片基本概念和常用检测方法的基础上，对化学放大电化学和光电化学两种检测方法原理和系统构建进行了比较详细的说明，并据此设计和制作了基于化学放大电化学检测的玻璃基微电极阵列生物芯片，初步电化
3、学性能测试表明该芯片可用于基于化学放大电化学检测生物芯片技术的多目标平行分析。同时也对目前芯片中存在的一些问题进行了比较详细的分析和讨论，并指出了今后的改进方向本文的另一部分工作是光电化学检测中氧化物电极的制备，对磁控溅射的、薄膜电极进行了实验分析和比较，并介绍了和丝网印刷两种改进的制备方法。最后，还对芯片实用化、产业化问题及发展前景进行了综合论述。关键词：生物芯片信号检测化学放大电化学检测光电化学检测微电极阵列微加工华中科技大学硕士学位论文， ， ， ， 、，华中科技大学硕士学位论文，：商池（华中科技大学硕士学位论文生物芯片简介绪论一提起“生物芯片”，人们很自然就会联想到近几十年来使我们的生
4、产和生活发生巨大变化的集成电路芯片，因此也常常把它理解为一种利用生物分子实现数据运算和处理功能的芯片。现在的确有不少人在进行这种被称为生物计算机的研究，但我们这罩所说的生物芯片却与集成电路有着本质区别：它处理的并不是电信号，也不具有运算功能，而是一种以生物分子为处理对象，对其进行准确、快速、大信息量检测分析的固体薄形器件或系统。不过二者还是有着一定的联系：这种生化分析系统的微型化、集成化以及并行处理思想，就是直接受集成电路发展的启示提出来的，同时生物芯片的很多制备方法也直接借用了半导体工业中非常成熟的微细加工技术。生物芯片的概念最早是由等人在年提出来的，最初主要是用于基因序列的大规模测定和功能
5、的并行分析，所以也常被称为基因芯片或芯片】。但经过十多年的发展，生物芯片的概念已经远远超出了的范围，无论是表现形式还是应用领域都有了很大的发展。按照不同的标准，可以对生物芯片进行各种分类：按基质材料分，有尼龙膜、玻璃片、塑料、硅晶片、陶瓷等；按所分析生物样品种类分，有基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片、组织芯片等：按功能分，有基因测序芯片、表达谱芯片、疾病诊断芯片、药物筛选芯片、样品制备芯片、生化反应芯片、结果检测芯片等；按工作方式分，有被动式芯片和主动式芯片两种【。不过目前比较流行的分类方法是根据芯片结构和工作机理分为微阵列芯片（）和微流体芯片（）”。前者是由排成阵列形式的生物分子（包括核酸、蛋白
6、质等）构成，其分析应用原理都是基于抗原和抗体的结合、核酸分子的碱基互补作用等生物分子之间的亲和作用力，所以也可通称为亲和型生物芯片。后者则是以各种微管道网络为结构特征，用来实现对包含生化组份微流体的控制和检测分析，包括常见的毛细管电泳芯片、反应芯片、介电电泳分离芯片等。二者在技术上有少量交叉，但基本经历了各自独立的发展过程。生物芯片的本质是进行生物信号的平行分析，把大量生物信息密码集中到一小片固相基质上，从而使一些传统的生物学分析手段能够在尽量小的空间范围内，以尽量华中科技大学硕士学位论文快的速度完成。其发展的最终目标是将生命科学和医学研究中许多不连续的分析过程，包括样品制备、生化反应、及检测
7、分析等集成到由一块或多块芯片构成的微型全分析系统（，）或芯片实验室（）中。与传统的仪器检测方法相比，生物芯片技术具有高通量、微型化、自动化、试剂用量少、成本低、防污染等特点。其应用非常广泛，包括基因组计划和后基因组时代所涉及的各项研究、疾病的诊断和预防、中药有效成分的筛选及药理药效研究、组合化学药物先导化合物的超高通量筛选、与农作物品质相关的育种改良、环境与食品卫生监测、生物化学武器战争、司法鉴定、航天航空探索等【】【。鉴于生物芯片技术的巨大潜力，美国科学促进会将生物芯片评为年的十大科技突破之一，认为生物芯片技术将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。生物芯片分析原理及其信
8、号检测方法生物芯片作为一种分析仪器或工具，主要用于对生物分子或生化反应的检测和分析。目自对生物分子的检测主要包括分离检测和亲和反应检测两种方式【”。本节只介绍基于亲和反应检测的亲和型生物芯片分析原理及其信号检测方法。顾名思义，亲和型生物芯片是基于生物分子之间的亲和反应来对样品分子进行检测分析。亲和反应包括以核酸分子碱基之间互补配对原则为基础的核酸杂交反应、以抗原一抗体特异性结合为原理的免疫反应、以及受体一配体之间的反应等，这些反应都具有特异性和专一性的特点，所以可以利用其中已知一方与样品分子的反应结果来判断样品中是否含有另一方分子。亲和型生物芯片一般采用微阵列形式。即将大量已知序列或成分的单链片段、抗原、抗体分子等（称为探针，）按定顺序排列在硅片、玻璃片或塑料片等基片上（每个点上固定的生物分子的“身份”可通过坐标寻址确定），然后将待测的样品分子（称为靶标，）加载到芯片上，使之
