微机电系统与生物芯片.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,浅谈微机电系统与生物芯片,第1页,目 录,MEMS概念,MEMS,技术特点,MEMS,发展前景,生物芯片起源与发展,生物芯片种类,生物芯片制备,生物芯片发展前景,第2页,MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体微型机电系统,.,MEMS概念,非纯电路装置,第3页,普通意义上系统集成芯片,广义上系统集成芯片,电、光、声、热、磁力等外界信号采集,各种传感器,执行器、显示器等,信息输入与模,/,数传输,信息处理,信息输出与数,/,模转换,信息存放,MEMS=,广义上,SOC,第4页,机械,部分,传感,执行,控制部分,电子学,MEMS,微电子学,第5页,MEMS技术历史,微系统是从微传感器发展而来，已经有几次突破性进展,70年代微机械压力传感器产品问世,80年代末研制出硅静电微马达,90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产,充分展示了微系统技术及其微系统巨大应用前景,第6页,MEMS特点,微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。,以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率靠近钼和钨。,批量生产,：可同时制造成百上千个微型机电装置或完整MEMS,集成化,：能够把不一样功效、不一样敏感方向或致动方向多个传感器或执行器集成于一体，,多学科交叉,：,包括电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等各种学科，并集约了当今科学技术发展许多尖端结果。,第7页,MEMS系统,优势,经济利益,1.大批量并行制造过程；,2.系统级集成；,3.封装集成；,4.与IC工艺兼容。,技术利益,1.高精度；,2.重量轻，尺寸小；,3.高效能；,第8页,MEMS技术基础,MEMS技术基础能够分为以下几个方面：,（1）设计与仿真技术；,（2）材料与加工技术,（3）封装与装配技术；,（4）测量与测试技术；,（5）集成与系统技术等。,第9页,F,微电子压力传感器,利用了硅三微结构与机械特征,第10页,聚合物薄膜,硅,压敏电阻器,吸湿膨胀,电阻改变,微电子湿度传感器,第11页,MEMS分类,微执行器：微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等,微型构件：微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等,微机械光学器件：微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等,第12页,硅微齿轮,第13页,硅微转子,第14页,硅微梁,第15页,硅微转动器,第16页,硅微拖动器,第17页,硅微琴,第18页,已经制造出尖端直径为,5,m,能够夹起一个红细胞微型镊子,能够用于医疗手术,硅微型镊子,第19页,MEMS展望,当前，世界上几乎普遍认为MEMS及其相关技术是二十一世纪关键技术之一，它发展将对高新技术及产业产生不可估量影响，能够预期，伴随MEMS深入发展，世界上将会出现许多惊人应用，比如大数据存放系统将能做到在一块芯片上存放太位 信息；手掌大小光谱仪将使人们能方便快捷监视环境情况；可植入人体微型传感器能实时监测人体血糖水平，总之，MEMS将领导一次技术革命,第20页,什么是生物芯片？,(Biochips),生物芯片（biochip或bioarray）是依据生物分子间特异相互作用原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其它生物成份高通量快速检测,生物芯片技术又称微陈列（microarray）技术，含有大量生物信息固相基质称为微阵列，又称生物芯片。生物芯片在这类芯片基础上又发展出微流体芯片（microfluidics chip），亦称微电子芯片（microelectronic chip），也就是缩微试验室芯片,。,第21页,生物芯片起源,生物芯片技术发展最初得益于,埃德温迈勒萨瑟恩（Edwin M,ellor Southern）提出核酸杂,交理论，即标识核酸分子能够,与被固化与之互补配正确核酸,分子杂交。从这一角度而言，So,uthern杂交能够被看作是生物芯,片雏形。弗雷德里克桑格（Fred Sanger）和吉尔伯特（Walter Gilbert）创造了现在广泛使用DNA测序方法，并由此在1980年取得了诺贝尔奖。另一个诺贝尔奖取得者卡里穆利斯（Kary Mullis）在1983年首先创造了PCR,(,聚合酶链式反应),，以及以后在此基础上一系列研究使得微量DNA能够放大，并能用试验方法进行检测。,第22页,生物芯片发展,生物芯片技术是伴随人类基因组计划实施而发展起来，是由美国旧金山以南一个新兴生物企业Affymetrix,(,昂飞,),首先发展起来，并成为基因组计划中一个主要技术伎俩。,1991年，美国Stephen Fodor等首先提出了DNA芯片概念，Stephen Fodor及其同事于90年代初创造了一个利用光刻技术在固相支持物上光导合成多肽方法，并在此基础上于1993年设计了一个寡核苷酸生物芯片。,第23页,生物芯片发展,1991年,，美国Stanford大学MSchena在研究植物转录因子时提出了将大量DNA探针集成在同体表面上米研究基因表示方法，并在1995年用机械手在玻璃片上进行DNA点样，利用双荧光标一次检测了45个基因。,1996年，MSchena与Stephen Fodor等合作，制造出世界上第一个商业化生物芯片。在此之后，国际上掀起了一股生物芯片设计热潮，出现了各种类型生物芯片。生物芯片在产生短短十几年时间内技术不停完善，它结合了寡核苷酸合成、固相合成、PCR、探针标识、分子杂交、大规模集成电路路制造、荧光显微探测、生物传感器及计算机控制和图像处理等各种技术，充分表示了生物技术与其它学科相结合巨大潜力。,第24页,国外,发展,现实状况,生物芯片技术出现后马上引发国际上广泛关注。美国政府和产业界在过去10年共投入近20亿美元用于以基因芯片为主生物芯片技术研究开发与产业化；几乎全部跨国制药企业都投入巨款建立生物芯技术平台，开展新药超高通量筛选和对药品毒理学、药品基因组学等进行研究。美国继展人类基因组计划以后，于1998年正式开启生物芯片计划。美国几乎全部大学研究机构，如斯坦福大学、麻省理工学院及Argonne Oakridge国家试验室，都参加了生物芯片研究和开发。至今，美国已经有多家生物芯片企业产品开始投放市场，纳斯达克(NAsDAQ)反应热烈。生物芯片技术已成为大学和研究机构进行科学研究时所使用一项常规分子生物学技术。,第25页,国外,发展,现实状况,当前，世界范围内参加研制生物芯片主要企业超出100多家。其中以开发基因片技术为主企业有几十家，已经有多家生物芯片企业上市。大部分生物芯片企业分布在美国其次在欧洲。其中，美国Affymetrix（昂飞）企业是世界上最有影响基因芯片开发制造商。,第26页,国内,发展,现实状况,我国生物芯片研究始于1997-1998年间，尽管起步较晚，不过技术和产业发展快速，实现了从无到有阶段性突破，并逐步发展壮大，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，在表示谱芯片、重大疾病诊疗芯片和生物芯片相关设备研制上取得了较大成就。我国生物芯片市场约为1亿美元，并正以20%以上速度增加，,预计,至生物芯片市场将到达9亿美元。,第27页,国,内发展,现实状况,从开始，国家就陆续投入了大笔资金对生物芯片系统研发给予了支持，建立了北京国家芯片工程中心、上海国家芯片工程中心、西安微检验工程中心、天津生物芯片企业、南京生物芯片试验室等研发机构，为我国在这一新型高科技领域自主创新和产业化能力奠定了坚实基础，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50余家生物芯片研究机构和百余家生物芯片企业蓬勃发展局面，形成了“北有博奥，南有博星”企业格局。,第28页,生物芯片主要特点,1、高通量:,提升试验进程，利于显示图谱快速对照和阅读,2、微型化:,降低试剂用量和反应液体积，提升样品浓度和反应速度,3、自动化:,减低成本和确保质量,第29页,1：,基因芯片,2：蛋白质芯片,3：芯片试验室,生物芯片主要三大分类,1,：,cDNA,芯片,2,:寡核苷酸芯片,第30页,一、基因芯片,基因芯片又称为寡核苷酸探针微阵列，是基于,核酸探针互补杂交技术原理,研制。所谓核酸探针只是一段人工合成碱基序列，在探针上连接一些可检测物质依据碱基互补原理，利用基因探针在基因混合物中识别特定基因，研究对象是DNA,。,比如：在一块基片表面固定了序列已知八核苷酸探针。当溶液中带有,荧光,标识核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置核酸探针产生互补匹配时，经过确定荧光强度最强探针位置，取得一组序列完全互补探针序列。据此可重组出靶核酸序列。,第31页,二、蛋白质芯片,蛋白质芯片是生物芯片研制中极有挖掘潜力一个芯片。因为它是从蛋白质水平去了解和研究各种生命现象背后更为真实情况。它与基因芯片原理类似，只是芯片上固定分子,(如酶、抗原、抗体、受体、配体、细胞因子等),是,蛋白质,，检测原理是,依据蛋白质分子、蛋白与核酸、蛋白与其它分子相互作用。,蛋白质芯片,第32页,血管生成因子（,Angiogenesis,）抗体芯片,（大鼠、猪、小鼠）抗体芯片,肥胖因子抗体芯片,第33页,三、芯片试验室,芯片试验室或称微全分析系统是由瑞士Ciba-Geigy企业Manz与Widmer在1990年提出。,芯片试验室（Lab-on-a-chip）或称微全分析系统（Micro Total Analysis System，or microTAS）是指把生物和化学等领域中所包括样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成于一块几平方厘米芯片上，用以完成不一样生物或化学反应过程，并对其产物进行分析一个技术。是生物芯片技术最终目标。,第34页,微流控芯片,（microfluidic chip）,微流控芯片,是当前微全分析系统（Miniaturized Total Analysis Systems）发展热点领域,。,微流控芯片分析以芯片为操作平台,同时以分析化学为基础,以微机电加工技术为依靠,以微管道网络为结构特征,以生命科学为当前主要应用对象，是当前微全分析系统领域发展重点。,第35页,微流控芯片,（microfluidic chip）,目标：把整个化验室功效,包含采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上,且能够屡次使用。其产生应用目标是实现微全分析系统终极目标芯片试验室。,第36页,微流控夹具,微流控进出孔接头,电化学检测微流控芯片,不一样材质微流控芯片,有机基底软质,PDMS,微流控芯片,无机基底硬质,Glass,微流控芯片,第37页,基因芯片制备,基因芯片技术主要包含4个基本技术步骤：,芯片微阵列制备,样品制备,生物分子反应,信号检测与分析,第38页,1.芯片微阵列制备,当前制备芯片主要以玻璃片或硅片为,载体,，采取原位合成和微,矩阵,方法将寡核苷酸片段或cDNA作为探针按次序排列在载体上。芯片制备除了用到微加工工艺外，还需要使用机器人技术。方便能快速、准确地将探针放置到芯片上指定位置。,第39页,2.样品制备,生物样品往往是复杂生物分子混合体，除少数特殊样品外，普通不能直接与芯片反应，有时样品量很小。所以，必须将样品进行提取、扩增，获取其中蛋白质或DNA，然后用荧光标识，以提升检测灵敏度和使用者安全性。,第40页,3.生物分子反应,杂交反应是荧光标识样品与芯片上探针进行反应产生一系列信息过程。选择适当反应条件能使生物分子间反应处于最正确情况中，降低生物分子之间错配率,样品制备,生物分子反应,信号检测与分析,第41页,4.信号检测与分析,杂交反应后芯片上各个反应点荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件能够分析图像，将荧光转换成数据，即能够取得相关生物信息。,芯片检测系统必须含有高度敏感性，并能有效分辨噪声信号。荧光是 DNA芯片最惯用检测方法，因为荧光技术能实现高通量检测(Molecular Probes，Eugene，OR和AmershamPiscataway，NJ等企业采取)。基于标识 检测方法经常使用荧光，此时靶核酸用光学上能够检测荧光进行标识。最惯用荧光染料是Cy3和Cys,第42页,荧光标识缺点,标识破坏蛋白质活性,有些蛋白质无法标识,标识完成后荧光变弱,前景：免标识检测,第43页,生物芯片微弱荧光检测,第44页,免标识检测,我国东南大学分子生物研究室结合组合化学合成与软光刻微印刷技术原理，采取成熟寡核苷酸固相合成工艺，研究出了软光刻技术原位合成法。,原位合成方法活版印刷法。它完全摒弃了原位合成中烦琐而昂贵掩模制备过程及点样法中昂贵探针修饰或标识；而是应用纳米微通道管状纤维载体材料按照预先设计探针，排列组合成所需一系列快速印刷母版，每一张母版对应于一个合成单体试剂。它含有操作简单、成本低、单步合成产率高等优点。,第45页,生物芯片发展前景,生物芯片是一个新兴科学领域，含有有良好发展前景。现在生物芯片主要是向以下几个方向发展：,一是,产业化,。对于现在技术已经相对成熟生物芯片，如基因芯片，产业化是发挥生物芯片作用最好路径。现在很多企业已经推出各种不一样种类基因芯片。而且其相关产业，如点样设备，检测设备也有主要价值。而成本是舒适产业化一个关键原因。,第46页,生物芯片发展前景,二是,微型化,。因为微加工技术，生物芯片尺寸范围已从微米级向纳米级发展。,三是,集成化,。对生物芯片研究人员来说最终研究目标是对分析全过程实现全集成，即制造微型全分析系统或微芯片试验室，在芯片上实现生化检测全部功效。集成方面，当前已经有了一些进展，而且取得了一批初步结果。,四是,信息化,。生物芯片能够检测到信息量是传统检测技术无可比拟，尤其是大规模阵列芯片一次能够采集大量数据。怎样从众多错综复杂数据中得到真正有用信息是一个相当繁琐工作。生物芯片技术发展是处理这一问题唯一路径。,第47页,生物芯片展望,生物芯片技术展现出巨大应用前景，越来越多研究机构和企业投入到生物芯片这一领域，生物芯片将会给二十一世纪整个人类带来一场“革命”。但当前，生物芯片应用还处于试验研究阶段，制约生物芯片大规模应用挑战主要是需要特殊设备、操作复杂且芯片制作成本高。所以发展集成化、便携式、可视化生物芯片是生物芯片从试验研究走向临床应用关键，伴随新材料、新技术不停研发，生物芯片技术将会得到深入完善和发展，一定能够在各项科学研究及应用领域发挥出其非凡作用，成为本世纪最大产业。,第48页,thanks!,第49页,