大学本科集成电路工艺期末论文.doc

集成电路制造技术原理与工艺期末论文 题 目： 生物芯片的探究 撰 稿 人： 席中男 专业班级： 微电子一班 学 号： 201141805022 2014/6/26 生物芯片的探究一、 摘要 生物芯片技术，被喻为21世纪生命科学的支撑技术，是便携式生化分析仪器的技术核心，是90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一，是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术，具有重大的基础研究价值，又具有明显的产业化前景。由于用该技术可以将极其大量的探针同时固定于支持物上，所以一次可以对大量的生物分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交（Southern Blotting 和Northern Blotting等）技术复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、低通量(low through-put)等不足。二、 关键词生物芯片，检测，基因三、 正文（一）、生物芯片的简介生物芯片技术是一种高通量检测技术，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值，如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序（Sequencingbyhybridization,SBH）等，为后基因组计划时期基因功能的研究及现代医学科学及医学诊断学的发展提供了强有力的工具，将会使新基因的发现、基因诊断、药物筛选、给药个性化等方面取得重大突破，为整个人类社会带来深刻广泛的变革。该技术被评为1998年度世界十大科技进展之一。（1）它包括基因芯片、蛋白芯片及芯片实验室三大领域。计算机芯片的工作本质上是对0与1这二个数字以各种方法进行速度高达每秒钟数十亿次的运算。而生物芯片的本质是进行生物信号的平行分析。它利用微点阵技术将成千上万的生物讯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，以尽量快的速度完成。例如在八十年代，在一个传统的生物学实验室中手工测定十几个DNA片断的序列 （合约4000个碱基对）需要至少一天时间：目前运用价格达数十万美 元的自动化的PE3700DNA序列分析仪，可以在一天内测定近2000个DNA序列（合约70万个碱基对）；而去年有一种不成熟的生物芯片在15分钟内完成了16万个碱基对的测定，96个这样的生物芯片的平行工作，就相当于每天147亿个碱基对的分析能力！基因芯片(Genechip)又称DNA芯片(DNAChip)。它是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。蛋白质芯片与基因芯片的基本原理相同，但它利用的不是碱基配对而是抗体与抗原结合的特异性即免疫反应来检测。蛋白质芯片构建的简化模型为：选择一种固相载体能够牢固地结合蛋白质分子(抗原或抗体)，这样形成蛋白质的微阵列，即蛋白质芯片。芯片实验室为高度集成化的集样品制备、基因扩增、核酸标记及检测为一体 的便携式生物分析系统，它最终的目的是实现生化分析全过程全部集成在一片芯片上完成，从而使现有的许多烦琐、费时、不连续、不精确和难以重复的生物分析过程自动化、连续化和微缩化，属未来生物芯片的发展方向。（二）、生物芯片技术的应用 生物芯片技术利用微电子工业技术，将现在生命科学研究中“各自为阵”的分析过程、成千上万个与生命相关的信息集成在一块指甲大小的生物芯片上，使生命科学及医学工作者可以在方寸之上进行和完成一系列实验程序，专家们因此将其称之为“缩微芯片实验室”。它的发展同当年将需要数间房屋放置的分离元件计算机，缩微成现在只有笔记本大小的电脑有异曲同工之效。采用该技术可进行生命科学和医学中所涉及的各种生物化学反应，从而达到对基因、抗原和活体细胞等进行测试分析的目的。 生物芯片技术的出现将会给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器研制、外太空探索、司法鉴定、食品和环境卫生监测等领域带来一场革命。关于生物芯片的市场状况，到2001年，全世界生物芯片的市场已达170亿 美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元。在最近的5年之内，应用生物芯片的市场销售将达到200亿美元左右。根据专家统计：全球目前生物芯片工业产值最近5年的市场销售可达到200亿美元以上。到2005年，仅美国用于基因组研究的芯片销售额将达50亿美元，2010年有可能上升为400亿美元。这还不包括用于疾病预防及诊治及其它领域中的基因芯片，这部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。因此，基因芯片及相关产品产业将取代微电子芯片产业，成为本世纪最大的产业。（三）意义和价值 鉴于生物芯片技术具有巨大理论意义和实际价值，国内已有多家科研单位开始从事这方面的研究。例如，军事医学科学院、清华大学、北京大学、中科院上海冶金所等单位已在生物芯片技术方面取得了较大突破。上海生命科学院的的胡赓熙博士和他的实验室，开发了目前亚洲规模最大的cDNA阵列，在世界上位居第二。不久前，在肇庆上海博星基因芯片有限公司的成立，是目前中国投资规模最大的生物工程产业化合作项目。（四）、生物基因技术的前景 借助生物芯片技术，应用于预防医学和新药开发，“人类寿命将达120岁以 上”这类预言也许不再是梦想。（7） 利用生物芯片将改变生命科学的研究方式，革新医学诊断和医疗手段，极大地提高人类健康水平。如在产前检查中，只要抽取少许羊水或父母血液就可测出 胎儿是否患有遗传性疾病，它同时鉴别的遗传性疾病可达到数十种甚至上千种； 可一次同时测出多种病原微生物，在极短的时间内知道病人被哪种微生物感染，对肝炎等感染性疾病作出快速准确的诊断。未来能用于临床治疗的生物芯片将植入人体，由它将人体的基因变化信息处理后清楚地显示出来。医生可以把基因变化趋势与疾病早期状况相对照，从而准确地判断如癌症、心血管疾病等“致命杀手”危害人体的时间和程度，通过及时的早期预防治疗，使病人“幸免于难”或尽快康复。四、市场现状生物芯片技术自上世纪90年代面世以来，虽被寄予厚望，但一直处于研究热、应用少的局面，市场难以铺开。官方在2008年第一届生物芯片与医学的应用大会上给的数据是2007年芯片全年的市场销售是2亿元，相比国家对生物芯片这块的研发投入，是低得可怜。目前国际生物芯片技术现状主要表现为：美国遥遥领先，日本紧追其后，俄罗斯力争产业化，中国为后起之秀。生物芯片技术的发展趋势正向微型化、集成化、多样化、微量化、全自动化、定量化和数据库完善化等方向发展。目前国外能在1cm2的玻片上点样100万个点，而国内还只能做到1万个点，并且点样机主要靠进口，在技术上与美国还存在一定差距。 国际上生物芯片行业已经出现一大批优秀企业。例如，美国Affymetrix公司，其寡核苷酸芯片是世界上最先进的基因芯片。美国Ciphergen生物系统公司、英国剑桥抗体技术公司等在蛋白质芯片开发、应用方面有较大技术突破。美国Hyseq公司拥有全球最快的基因分析器。ScanArray系统公司提供全球最先进的生物芯片扫描仪。此外，牛津基因技术有限公司、BioRobotics公司、斯坦福大学、加州大学等在生物芯片制备方法、系统的研发方面也有很大成就。 我国的生物芯片已经从技术研究和产品开发阶段走向技术应用和产品销售阶段。在表达谱芯片、重大疾病诊断芯片和生物芯片的相关设备研制上取得了较大成就。从2000年开始，国家陆续投入近5亿元建立了北京、上海两个国家生物芯片工程研究中心，为我国在这一新型高科技领域的自主创新和产业化能力奠定了坚实的基础，由此形成了以北京、上海两个国家工程研究中心为龙头，天津、西安、南京、深圳、哈尔滨等地近50家生物芯片研究机构和30多家生物芯片企业的蓬勃发展局面生物芯片正逐步在临床诊断方面得到广泛使用，2008年全球生物芯片市场约为42亿美元，据Frost&Sullivan预测至2010年将达到80亿美元，并且将以15%的速度增长，至2020年将达到320亿美元市场总值。2008年国内生物芯片市场约为1亿美元，并正以20%以上的速度增长，至2020年生物芯片市场将达到9亿美元。生物芯片技术是当今十分重要且具有战略意义的前沿高新技术。随着生物芯片技术逐步走向成熟，生物芯片技术研究领域向应用领域的发展变化趋势日益显著。美、英、德、俄、加、意、日等国的重要学术和工业机构已投入大量资金和人力开展这方面的基础研究和应用开发。从技术上，毛细管电泳芯片技术、PCR芯片技术、缩微芯片实验室、微珠芯片技术、抗体和蛋白质阵列技术、自我定制芯片技术、血气分析芯片等将是发展的重要方向。生物芯片能作大规模的药物筛选研究，可省略大量的动物试验甚至临床试验，缩短药物