学院电子学研究所--生物芯片技术简介

1、1赵 湛中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l生物芯片概念生物芯片概念l生物芯片的种类型生物芯片的种类型l生物芯片的设计及制备方法生物芯片的设计及制备方法l国际国内发展情况国际国内发展情况传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l类比分析：类比分析： 晶体管晶体管集成电路集成电路计算机芯片计算机芯片 生物芯片生物芯片计算机芯片计算机芯片 计算机芯片计算机芯片电子信息电子信息 生物芯片生物芯片生物分子携带的信息生物分子携带的信息l定义：定义：生物芯片是一种可以快速地、高生物芯片是一种可以快速地、高通量（并行）地处理生物信息的器件。通量（并行）

2、地处理生物信息的器件。传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l很短很短随着基因组计划而发展起随着基因组计划而发展起来的来的基因测序基因测序l很长很长基础是生物传感器的发展基础是生物传感器的发展分子识别分子识别传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的生物芯片是近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技术和微电子一项高新技术，它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固体基片表面构建的微型生物化学分析系统，技术在固体基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、以实现对细胞、蛋白质、

3、DNA 以及其他生物组分的准以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。确、快速、大信息量的检测。l生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列，能够片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列，能够在短时间内分析大量的生物分子，使人们快速准确地在短时间内分析大量的生物分子，使人们快速准确地获取样品中的生物信息，效率是传统检测手段的成百获取样品中的生物信息，效率是传统检测手段的成百上千倍。上千倍。传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l生物芯片将是继大规模集成电路之后的生物芯片将是继大规模集成

4、电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命；又一次具有深远意义的科学技术革命；l集成电路对改善我们的生活产生了巨大集成电路对改善我们的生活产生了巨大的影响，生物芯片将对保护我们的生命的影响，生物芯片将对保护我们的生命起重要的作用。起重要的作用。传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所YearDNA ChipLab ChipProtein ChipTotal1999$158$14$4$1762001$249$35$8$2922005$745$157$68$950美国的电子商务（Electronic Business） 对近年来和未来生物芯片的市场做了统计和预测，如下表（单位为百万美

5、元） 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所生物芯片点阵型芯片实验室芯片DNA芯片蛋白芯片细胞芯片反应器芯片流体芯片纯化芯片l按应用对象分类按应用对象分类传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l按制作方法分类按制作方法分类生物芯片点阵型芯片实验室芯片MEMSPCB模铸模压法点样法原位合成法分子印章法传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l原理：分子识别原理：分子识别l方法：生物传感器平面集成方法：生物传感器平面集成l结构：阵列形分布结构：阵列形分布传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l生物传感器原理生物传感器原理l两部分组成：两

6、部分组成： 分子识别膜分子识别膜 酶反应酶反应 抗原抗体抗原抗体 核酸核酸 换能器换能器 电流、电位电极电流、电位电极 场效应晶体管场效应晶体管 压电晶体压电晶体 光纤光纤 SPR传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l光纤生物传感器光纤生物传感器传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lProbe: capture; reporter传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l光纤生物传感器集成光纤生物传感器集成传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l所谓点阵生物芯片就是将大量的探针（基因片段），所谓点阵生物芯片就是将大量的探针（基因

7、片段），有序地、高密度地排列在面积不大的以玻璃、硅以及有序地、高密度地排列在面积不大的以玻璃、硅以及硝酸纤维膜等为载体（或称基片）的表面上；硝酸纤维膜等为载体（或称基片）的表面上；l所排列得基因片断是已知碱基序列并且是固定于一定所排列得基因片断是已知碱基序列并且是固定于一定位置的可寻址的识别分子，当被测的分子与识别分子位置的可寻址的识别分子，当被测的分子与识别分子（探针）在一定的反应体系内发生杂交反应；（探针）在一定的反应体系内发生杂交反应；l反应结果可用同位素法、化学荧光法、化学发光法或反应结果可用同位素法、化学荧光法、化学发光法或酶标法显示，然后用精密的扫描仪或酶标法显示，然后用精密的扫描

8、仪或CCD摄像技术记摄像技术记录；录；l通过计算机软件分析，综合成可读的生物信息。可以通过计算机软件分析，综合成可读的生物信息。可以达到快速、准确、高效地分析生物信息的目的。达到快速、准确、高效地分析生物信息的目的。 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l点样法点样法 点接触法点接触法 喷墨法喷墨法 l原位合成法原位合成法 光刻合成法光刻合成法 分子印章法分子印章法 l传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l点接触法点接触法 特点：实验样机容易做，是一种快速、经济特点：实验样机容易做，是一种快速、经济的仪器，可以在的仪器，可以在3.6cm2面积上点面积上点1万

9、个万个cDNA 每个样品都必须是经过纯化合成好的。每个样品都必须是经过纯化合成好的。传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l喷墨法喷墨法 特点：通过压电晶体或其他推进形式把生物特点：通过压电晶体或其他推进形式把生物样品喷射到载体上，样品喷射到载体上，1cm2可以喷射可以喷射1万个点，万个点，为非接触式；为非接触式； 每个样品都必须是经过纯化合成好的。每个样品都必须是经过纯化合成好的。传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l光刻光刻DNA合成法合成法 特点：微电子中的光刻工艺与特点：微电子中的光刻工艺与DNA的化学的化学合成方法相结合，合成密度高，在合成方法相结合

10、，合成密度高，在1.6cm2的面积上能合成的面积上能合成40万组寡核苷酸；万组寡核苷酸； 缺点：成本高。缺点：成本高。传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l分子印章法分子印章法 东南大学发明东南大学发明 高密度高密度传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lAffymetrix 高密度点阵芯片制作示意录高密度点阵芯片制作示意录像像传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l- Stamp传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l全自动针型阵列（全自动针型阵列（pin array）点样系统，非常适用于基因点样系统，非常适用于基因组研究中制

11、备高密生物芯片组研究中制备高密生物芯片组组 l高精度点样可达高精度点样可达2500点点/cm2 l点样量范围宽，可达点样量范围宽，可达100到到500微微升微微升 l极短的程序运行周期，极短的程序运行周期，32个个样品片仅需样品片仅需80秒即可完成从秒即可完成从浸样、点样到冲洗全过程浸样、点样到冲洗全过程 l可一次处理可一次处理50个样品片或个样品片或8个个微孔板微孔板 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l基因表达基因表达l药物筛选药物筛选l疾病诊断疾病诊断l农作物育种和改良农作物育种和改良l生物武器生物武器l司法鉴定司法鉴定l食品卫生监督食品卫生监督l 传感技术国家重点实

12、验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所Nanogen公司的公司的NanoChip传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lBioMEMS, LOC, TAS传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l结构上具有：微驱动泵、微阀、微流通道、样品处理器、检测和后处理等分析全过程l功能上具有：进样、稀释、加试剂、混合、反应、分离、混合池、计量器、微反应器、分离器件、（如毛细管电泳芯片）检测器件（如生物、化学传感器）等

13、微元器组成。 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l尺寸小尺寸小、微型化l功能集成化、分析速度快l耗样量少、系统功耗小l系统智能化、自启动、自治、自闭l系统最少的外部连接，污染小，可一次性使用l可实时、在位、连续监测，可用于无法接近的微环 境下l可批量生产，降低成本传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l流体在通道和毛细管内流速均匀，尽可能小的死体积l流体在反应和储存时不能徒动和挥发掉l混合要均匀，避免不必要的气泡形成l试剂和反应产物的容量、容积能计量l材料具有相容性，不能污染，不能抑制反应、发生降解l防止

14、液流对采集信号的干扰l液体和反应系统用后妥善处理传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l实现实现LOC的技术是的技术是 MEMS传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所 IC技术技术高精度高精度批量制造批量制造小型化小型化多功能集成多功能集成改进了性能改进了性能降低生产成本和时间降低生产成本和时间轻便、可携轻便、可携坚固耐用坚固耐用低功耗低功耗容易大量布局容易大量布局容易维护和更换容易维护和更换对环境污染小对环境污染小 lMEMS的特点的特点传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l MEMS的设

15、计方法的设计方法传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l MEMS的设计方法的设计方法传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l MEMS制造技术制造技术 集成集成集成电路（IC）制造技术：即常规半导体平面工艺技术 微机械制造技术：即体加工工艺技术：如各向异性和各自同性化学腐蚀、等离子体或离子束干法刻蚀、 LIGA技术、硅硅键合、硅玻璃键合等l其他制造技术：印刷电路板（其他制造技术：印刷电路板（PCB）技）技术、有机材料模铸技术术、有机材料模铸技术 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l MEMS制造技术制造技术传感技术国家重点实验室北方基地 中

16、国科学院电子学研究所l单一功能的LOC芯片(元件） 微反应器：DNA扩增聚合酶链反应（PCR）芯片 微流体器件：毛细管电泳（CE）芯片 微泵、微阀 微传感器l集成LOC传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lPCR扩增原理扩增原理 PCR-Polymerase Chain Reaction DNA扩增扩增DNA放大（放大（amplification)2nA传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lPCR扩增原理三个步扩增原理三个步骤：骤： 高温变性（高温变性（90 C以以上）上） 低温退火低温退火（37 C 55 C） 中温延伸（中温延伸（70 C左左右右）传感技

17、术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lJ. Micromech. Microeng. 11 (2001) 329333传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所Journal of MEMS, Vol.7. No.4, 1998, P345传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所Back传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所1.样品池, 2.进样通道, 3.玻璃盖板, 4.进样孔,

18、 5.氮化硅底, 6.加热子 ,7.温度传感器封装后的芯片芯片尺寸： 48mm2反应室尺寸： 240.27mm3传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lPCR芯片热循环芯片热循环传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lDNA模板：模板： 肝炎检测试剂盒对照用肝炎检测试剂盒对照用DNA模板模板 探针：探针：5-AAAGGTATGTTGCCCGTTTG-3 Taq酶，酶，dNTP,MgCl2和和10 xPCR 反应液，反应液，ddH2O,l荧光标记荧光标记物：物：SYBR Green 1 SYBR Green I

19、 (Biowhittaker Molecular Applications, Rockland. ME USA)传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lDNA Detection with SYBR Green I Dye 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所DNA扩增前荧光照片DNA扩增后荧光照片10010lPCR扩增结果荧光检测结果传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lPCR芯片的主要技术参数芯片的主要技术参数 反应池容积：反应池容积：pll级；级； 升温速率：可升温速率：可达达15/s； 降温速率：可达降温速率：可达10/s； 控温精度

20、：控温精度：0.4;l比传统的比传统的PCR方法快数倍：方法快数倍： 用芯片扩增用芯片扩增30个循环个循环30分钟可完成分钟可完成 传统的方法传统的方法 需需45个小时个小时传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l毛细管（毛细管（CE）的发展和意义）的发展和意义 从二十世纪九十年代毛细管电泳（从二十世纪九十年代毛细管电泳（CE）得到了迅）得到了迅速发展，在短短的数年间完成了从实验室技术到商速发展，在短短的数年间完成了从实验室技术到商用技术；用技术； 从小分子分析到生物大分子分析，从简单的分离模从小分子分析到生物大分子分析，从简单的分离模式到多种分离模式，从大型仪器到微型化的几步

21、飞式到多种分离模式，从大型仪器到微型化的几步飞跃；跃； 在基因组时代，毛细管电泳技术在基因组时代，毛细管电泳技术DNA测序。测序。 近年毛细管电泳芯片研究是一个热点；近年毛细管电泳芯片研究是一个热点； 在生化分析、疾病诊断等领域有广泛的应用前景。在生化分析、疾病诊断等领域有广泛的应用前景。传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所 CE中的分离效率用理论塔板数中的分离效率用理论塔板数N (the number of theoretical plats)表示，理论表达式为表示，理论表达式为其中其中V施加电压，施加电压，L毛细管长度

22、，毛细管长度，迁移距离，即有迁移距离，即有效长度，效长度，D样品扩散系数，样品扩散系数，( ) 表观淌度表观淌度上式表明：上式表明：使用高电场使用高电场(V/L)，可以得到高的分离效率；扩散系数小，可以得到高的分离效率；扩散系数小的样品，如蛋白质，的样品，如蛋白质，DNA等生物大分子，也容易得到等生物大分子，也容易得到较高的分离效率。较高的分离效率。)(2eoefDLVlNeoef传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l自动的自动的16通道的通道的DNA测序毛细管阵列芯片测序毛细管阵列芯片传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l可同时分析可同时分析96个个样品的

23、毛细管阵样品的毛细管阵列基因分析列基因分析芯片芯片传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所通道宽：10 m200m；通道深：20m100m；SU8模板PDMS通道lSU8CE模板技术模板技术传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所基片SU8胶曝光后的SU8lTwo level SU8模板工艺模板工艺传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所基片曝光后的SU8lTwo level SU8模板工艺模板工艺传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所在玻璃基底上底SU8二级模板照片：通道高度40u

24、m，样品注入、出口和反应室左图为200um，右图为800um。lTwo level SU8CE模板照片模板照片传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l铸造技术铸造技术传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所lPDMS浇注浇注CE芯片芯片传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所集成芯片结构图集成芯片照片传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l模压技术模压技术传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l光寻址电位传感器（

25、光寻址电位传感器（LAPS）lFET生物传感器的集成生物传感器的集成lLAPS是利用调制的红外光从背面照射是利用调制的红外光从背面照射EIS结构，选结构，选择性地激活敏感部位实现光寻址，通过检测不同光择性地激活敏感部位实现光寻址，通过检测不同光照部位对应的敏感膜表面电位变化引起的光电流变照部位对应的敏感膜表面电位变化引起的光电流变化，从而实现对溶液中特定离子和生物物质浓度的化，从而实现对溶液中特定离子和生物物质浓度的检测。检测。传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所敏感膜光刻胶LAPS芯片芯片LAPS系统结构示意图传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所Schem

26、atic view of a normally open microvalve using electrostatic actuation. A voltage applied across the electrode plate causes the plate to close against the inlet orifice 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所Schematic and cross-section view of a pressure-balanced microvalve with electrostatic actuation 传感技术国家重点实

27、验室北方基地 中国科学院电子学研究所Operation of a bimetallic microvalve. The silicon dioxide hinge provides the correct mechanical boundary conditions for the valve and reduces heat loss to the silicon frame (a) close (b) open 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所Operation of a thermopneumatic microvalve. Liquid trapped insid

28、e the chamber is heated and the expansion causes the valve open or close 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所A cantilever type check valve at (a) idle position, (b) under forward pressure, (c) under backward pressure abc传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所Schematic view of a three valves micropump operated by perista

29、ltic motion of piezoelectric actuators 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所A micropump fabricated by plastic molding with a polyimide membrane and Ti wire heater 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所Cross-section view of a thermopneumatic micropump 传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l悬臂梁生物传感器悬臂梁生物传感器传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究

30、所l微型质谱仪扇形组件照片微型质谱仪扇形组件照片传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l Microfluid 芯片芯片传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所l集成LOC传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所LabChip开发的芯片LabChip开发的个人实验系统l LabChip公司开发的芯片系统公司开发的芯片系统传感技术国家重点实验室北方基地 中国科学院电子学研究所The eSensor DNA Biochipmanufactured using printed circuit board technology. The eSensor chip contains an array of electrodes, with each electrode able to detect a different DNA sequence. In this way, each biochip has the ability to detec