《信息技术基础与应用》课件第10章

第十章生物电子技术10.1生物识别技术10.2生物芯片技术10.3生物分子电子技术 10.4生物计算机生物电子技术是电子学、生物学、医学等学科相互交叉渗透和综合而产生的一门新的前沿学科。许多研究工作证明，未来生物电子技术的飞速发展，不但会对目前的电子计算机和电子信息产业产生重大影响，而且也将对21世纪的整个科学技术发展和人们的日常生活产生重大影响。作为一门新兴的学科，生物电子技术涉及的范围很广，目前还没有一个严格的定义，但与之相关的工程和技术很多，例如生物传感技术、生物芯片技术、生物信息技术、分子、生物分子电子技术以及生物医学工程等。

生物识别技术是生物信息技术之一，也是一种新兴的身份识别技术，是根据人唯一的和可测的生理学和行为学特征进行自动机器身份识别的技术。当前，用于生物识别的生理特征包括人脸、指纹、虹膜、视网膜、血液和DNA等，行为特征包括声音、签字和步态等。10.1生物识别技术生物识别系统和其他系统一样都具有一些衡量系统优劣的技术指标，这些技术指标非常重要，决定了系统的适用性和应用领域。用于身份认证的生物识别系统具有三个关键的技术指标：错识率、误警率和等错率。

生物芯片技术起源于核酸分子杂交。所谓生物芯片，简单说就是在一块玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果，它一般指固定在互相支持介质上的高密度生物信息分子(如基因片段、CDNA片段或多肽、10.2生物芯片技术蛋白质)的微阵列杂交型芯片(micro-arrays)，阵列中每个分子的序列及位置都是已知的，并且是预先设定好的。微流控芯片(microfluidicchips)和液态生物芯片是在微阵列芯片之后发展起来的生物芯片新技术，生物芯片技术是系统生物技术的基本内容。

生物芯片(biochip或bioarray)是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。狭义的生物芯片概念是指通过不同方法将生物分子(寡核苷酸、CDNA、genomicDNA、多肽、抗体、抗原等)固着于硅片、玻璃片(珠)、塑料片(珠)、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵，因此生物芯片技术又称微阵列(microarray)技术，含有大量生物信息的固相介质称为微阵列，又称生物芯片。在生物芯片的基础上又发展出了微流体芯片(microfluidicschip)，亦称微电子芯片(microelectronicchip)，也就是缩微实验室芯片。

人们可能很容易把生物芯片与电子芯片联系起来，虽然生物芯片和电子芯片确实有着千丝万缕的联系，但它们是完全不同的两种东西。生物芯片并不等同于电子芯片，只是借用概念，它的原名叫“核酸微阵列”，因为其上面的反应是在交叉的纵列中所发生的。图10.1所示为五彩斑斓的生物芯片。

图10.1五彩斑斓的生物芯片芯片的概念取自于集成的概念，如电子芯片的意思就是把大的东西变成小的东西，集成在一起。生物芯片也是集成，不过是生物材料的集成。像实验室检测一样，在生物芯片上检查血糖、蛋白、酶活性等，是基于同样的生物反应原理。所以生物芯片就是一个载体平台。这个平台的材料有很多种，如硅、玻璃、膜(纤维素膜)等，还有一些三维结构的多聚体，平台上则密密麻麻地摆满了各种生物材料。芯片只是一个载体，做什么东西、检测什么，还是靠生物学家来完成。也就是说，原来要在很大的实验室中需要很多个试管的反应，现在被移至一张芯片上同时发生了。

·芯片制备：目前制备芯片主要采用了表面化学的方法或组合化学的方法来处理芯片(玻璃片或硅片)，然后使DNA片段或蛋白质分子按顺序排列在芯片上。目前已有将40万种不同的DNA分子放在1平方厘米的芯片上，并且正在制备包含50～100万个DNA探针的人类基因检测芯片。

·样品制备：可将样品进行生物处理，获取其中的蛋白质、DNA或RNA，并且加以标记，以提高检测的灵敏度。

·芯片信号检测：常用的芯片信号检测是将芯片置入芯片扫描仪中，通过采集各反应点的荧光位置、荧光强弱，再经相关软件分析图像，即可获得有关生物信息。生物芯片这一名词最早是在20世纪80年代初提出的，当时主要指分子电子器件，它是生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，主要是指通过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，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。美国海军实验室研究员卡特(Carter)等试图把有机功能分子或生物活性分子进行组装以构建微功能单元，实现信息的获取、贮存、处理和传输等功能，用以研制仿生信息处理系统和生物计算机，从而产生了“分子电子学”，同时取得了一些重要进展，如分子开关、分子贮存器、分子导线和分子神经元等分子器件，更引起科学界关注的是建立了基于DNA或蛋白质等分子计算的实验室模型。

进入20世纪90年代，人类基因组计划(HumanGenomeProject，HGP)和分子生物学相关学科的发展也为基因芯片技术的出现和发展提供了有利条件。与此同时，另一类“生物芯片”引起了人们的关注，通过机器人自动打印或光引导化学合成技术在硅片、玻璃、凝胶或尼龙膜上制造生物分子微阵列，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其他生物组分准确、快速、大信息量的筛选与检测。

2004年3月，英国著名咨询公司弗若斯特·沙利文(Frost&Sulivan)公司出版了关于全球芯片市场的分析报告《世界DNA芯片市场的战略分析》。报告认为全球DNA生物芯片市场每年平均增长6.7%，2003年的市场总值是5.96亿美元，2010年达到了93.7亿美元。纳侬市场(NanoMarkets)调研公司预测，以纳米器械作为解决方案的医疗技术将在2012年增加到250亿美元，而其中以芯片实验室最具发展潜力，市场增长率最快。

1．生物芯片的历史

我国的生物芯片的研究始于1997～1998年。尽管发展较晚，但进步神速。生物芯片已经列入“十五”863计划之中。截止到2006年，生物芯片的国内市场约为2.5亿元，约占全球市场的0.2%。研究已经从实验室进入应用阶段。我国自主研制的激光共焦扫描仪已经处于国际先进水平，先后出口到欧美和韩国等地区，实现了我国原创性生命科学仪器的首次出口。目前，我国已有500多种生物芯片及相关产品投入市场。此外，我国还是首个批准生物芯片投入市场的国家，比美国早3年。

2006年，由浙江大学方肇伦院士领衔国内10家高校、科研单位共同打造的芯片实验室“微流控生物化学分析系统”通过验收，该项研究成果将使我国医疗临床化验发生革命性变革，彻底改变了我国在微流控分析领域的落后面貌。同年，生物芯片北京国家工程研究中心又成功研制了一种利用生物芯片对骨髓进行分析处理的技术，这在全球尚属首次，可以大大提高骨髓分型的速度和准确度。这种用于骨髓分型的生物芯片只有手指大小，仅一张就可以存储上万个人的白细胞抗原基因。过去，我国这种技术长期依赖进口，价格很高。每进行一份骨髓分型，就要支付500元的费用，而这种芯片的造价只是国外的1/3，精密度可以超过99%，比国外高出好几个百分点。

2007年，云南大学宣布，他们研发出了一种高效检测HIV病毒的生物芯片，其精度可达100个病毒颗粒/毫升，是传统方法的100～1000倍，价格却比荧光PCR检测低1/3左右。

2008年6月，生物芯片的顶级杂志《LabonaChip》刊发了中心主任程京教授领导的生物芯片北京国家工程研究中心与清华大学医学院医学系统生物学研究中心研究团队在利用生物芯片检测细胞迁移的技术，并将其作为封面。此技术可用于癌症的检测，与传统方法相比，不仅快速，还有时事、定量、自动化等特点。英国皇家化学学会在其网站上发表评论员文章认为，此项技术将为高通量的抗肿瘤转移类药物的筛选和药物研发带来光明的前景。

2009年4月，我国第一个生物芯片生产基地——长沙国家生物产业基地的安信公司正式投产，负责生产我国自主研发的个体化基因检测芯片，以用于临床诊断和给药判断上。另据报道，2009年5月11日，继甲型H1N1流感病毒RT-PCR检测试剂盒之后，中国人民解放军军事医学科学院军事兽医研究所再次宣布，成功研制出检测甲型H1N1流感病毒及多种亚型流感病毒的基因芯片，这使我国成为全球首个研制出相关基因芯片的国家，充分说明了我国在相关领域的研究实力。

为了加强生物芯片的研发与产业化，缩短与国际上的差距，我国分别在北京和上海建立了两个国家级的研究中心，初步形成了生物芯片技术产业化联合舰队式的企业发展格局，通过了ISO9001：2000版质量管理体系认证，成立了基因芯片部、蛋白抗体部、产品开发部、生物信息部和以组织芯片为特色的上海芯超生物科技有限公司、以基因分型为特色的上海南方基因科技有限公司、以市场营销为主的上海沪晶生物科技有限公司以及以专业诊断产品研发和生产为主的上海华冠生物芯片有限公司、江苏海晶诊断科技有限公司、中美合资上海英伯肯医学生物技术有限公司等多个为产业化依托的具有良好的自我循环能力的专业子公司。在激烈的国际竞争中，我国生物芯片产业不仅实现了跨越式的发展，而且已经走出国门，成为世界生物芯片领域一股强大的力量。例如，我国科学家自主研制的激光共焦扫描仪向欧美、韩国等地区的出口订单已经达到百台级规模，实现了我国原创性生命科学仪器的首次出口，这标志着我国生物芯片企业正式迈入国际领先者行列，也使生物芯片北京国家工程研究中心进入国际市场的产品达到了5种。

2．生物材料

生物材料重量轻、强度高、结构精细、性能特异、生产能耗少、成本低、生产速度快、对环境的破坏小，因而具有重要的军事应用价值。目前正在研究的生物材料包括蛋白质纤维、塑料、黏合剂、涂料、弹性体、润滑剂、复合材料和光电材料等。预计在今后数十年内生物材料有可能用于部队的装备中。今后将有可能生产出供飞机等航空航天设备使用的重量轻、强度高的复合结构材料及装甲防护材料。

3．生物涂料

生物涂料的研究目前集中在舰船防污涂料方面，有望很快开发出可以缓慢、稳定地释放防污剂的新涂料。

4．生物加工处理

与常规化学方法相比，生物加工处理具有节省能源、成本低廉、对环境无害、速度快、特异性和选择性强等特点。目前正在研究的课题有：生化战剂的洗消、危险废物的生物降解、生物除漆、生物防核污染和微生物冶金，以及无腐蚀、低成本、高速度、便携带的生物酶，清除残余地雷水雷、降解TNT炸药的生物体和能除去铀、镭、砷等有毒有害元素的微生物。

生物分子电子技术是利用生物分子信息材料装配电子元件和仪器的技术。它在武器装备的信息化、微型化、智能化过程中将起到重要作用。美国国防高级研究计划局(DARPA)把它看成是能使未来作战发生革命性变化的技术之一。10.3生物分子电子技术目前，进展较快的是光学开关模式的生物分子器件。一些实验室已经制造出这种模式的并行处理器件、三维数据存储器、神经网络等原型器件。

在未来几十年内，有可能研制出可装入计算机的高密度生物电子存储器，以及基于细菌视紫红质的其他一些器件(如神经网络、人工智能所必需的关联存储器等)。

生物计算机又称为DNA计算机。DNA分子中的密码相当于存储的数据，DNA分子间可以在某种酶的作用下迅速完成生物化学反应，从一种基因码变为另一种基因码，反应前的基因码可以作为输入数据，反应后的基因码可以作为运算结果。10.4生 物 计 算 机在制造这种生物计算机时，首先挑选一些DNA片段分别代表不同的变量，以片段之间的接合和断开序列代表“与”和“或”逻辑判断，然后运用生物技术手段加以控制，探测并分离出生物材料中具有与特定判断相应特征的部分，最终就可以制成一种新型逻辑判断计算机。

1994年，美国南加州大学教授雷纳德·阿德勒曼(L.Adleman)博士在《科学》杂志上发表了一篇题为《组合问题的生物电脑解决方案》的论文，首次提出了分子计算机，即用DNA分子构建电脑的设想。作为一位理论数学家，阿德勒曼教授的研究课题十分广泛，他曾与别人合作发明了用于通信的RSA加密码，RSA中的“A”就是他姓名的首字母；此外，他的研究触角也涉及艾滋病和生物学领域。更令电脑界惊讶的是，阿德勒曼竟然利用他发明的DNA生物电脑，解决了一个实际的数学难题，这个题目是这样的：“由14条单行道连接着7座城市，请找出走过上述全部城市的最近路途，而且不能走回头路。”学数学的人都知道，这是一个经典的数学问题，又叫“推销员问题”(其正式名称为“汉密尔顿路径问题”)，该问题的叙述是这样的：“如果一个推销员要在许多个城市推销，每个城市必须而且只能经过一次，如何找到最短的路径？”经典数学中并没有公式可以回答这个问题，唯一的解决办法是找到所有可能的