生物工程与集成电路

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什么是集成电路

集成电路（integratedcircuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；第2页/共32页

生物工程又是什么呢？

生物工程又称生物技术，是20世纪70年代初开始兴起的一门新兴的综合性应用学科。所谓生物工程，一般认为是以生物学(特别是其中的微生物学、遗传学、生物化学和细胞学)的理论和技术为基础，结合化工、机械、电子机算机等现代工程技术，充分运用分子生物学的最新成就，自觉地操纵遗传物质，定向地改造生物或其功能，短期内创造出具有超远缘性状的新物种，再通过合适的生物反应器对这类“工程菌”或“工程细胞株”进行大规模的培养，以生产大量有用代谢产物或发挥它们独特生理功能一门新兴技术。

生物工程包括五大工程，即遗传工程(基因工程)、细胞工程、微生物工程(发酵工程)、酶工程(生化工程)和生物反应器工程。在这五大领域中，前两者作用是将常规菌(或动植物细胞株)作为特定遗传物质受体，使它们获得外来基因，成为能表达超远缘性状的新物种——“工程菌”或“工程细胞株”。后三者的作用则是这一有巨大潜在价值的新物种创造良好的生长与繁殖条件，进行大规模的培养，以充分发挥其内在潜力，为人们提供巨大的经济效益和社会效益。第3页/共32页

生物工程的发展趋势60年代初，随着基因工程和克隆抗体的产生，现代生物技术进入发展的新阶段。基因工程和细胞工程在生物过程中已处于中心地位，借助于基因工程和细胞工程技术，使人类从认识生物和利用生物的时代一举进入了改造生物的时代。生物工程发展的主要趋势如下：

一是在生化反应器方面。由于生产规模不断扩大，生化反应器向单系列大型化方向发展已成为必然，如生产青霉素和谷氨酸的生化反应器容积分别大至400立方米和500立方米，世界上最大的生产单细胞蛋白的气升式发酵反应器容积达4000立方米，污水生化处理的反应器已达2000立方米。生化反应器的放大技术是许多专家正在研究的重大课题。二是生化产品纯化分离方面。近年来开发的两水相萃取技术、超滤膜错流过滤技术、溶剂浸渍树脂离子交换技术等开始应用于生化纯化分离。第4页/共32页

集成电路发展趋势

目前,以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业,成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。1999年全球集成电路的销售额为1250亿美元,而以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%,现代经济发展的数据表明,每l~2元的集成电路产值,带动了10元左右电子工业产值的形成,进而带动了100元GDP的增长。目前,发达国家国民经济总产值增长部分的65%与集成电路相关；美国国防预算中的电子含量已占据了半壁江山(2001年为43.6%)。预计未来10年内,世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长,2010年将达到6000~8000亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点,拥有自主版权的集成电路已日益成为经济发展的命脉、社会进步的基础、国际竞争的筹码和国家安全的保障。

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集成电路的应用应用是集成电路产业链中不可或缺的重要环节,是集成电路最终进入消费者手中的必经之途。除众所周知的计算机、通信、网络、消费类产品的应用外,集成电路正在不断开拓新的应用领域,诸如微机电系统,微光机电系统,生物芯片(如DNA芯片),超导等，生物电脑，生物传感器。这些创新的应用领域正在形成新的产业增长点。

第6页/共32页集成电路在生物工程方面的应用主要在生物芯片上体现，那么什么是生物芯片呢。生物芯片是将大量生物识别分子按预先设置的排列固定于一种载体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子的特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反应等来分子各种生物分子存在的量的一种技术。第7页/共32页

生物芯片的应用目前，生物芯片技术应用领域主要有基因测序及分析、新基因发现、基因分析、疾病诊断和预测、药物筛选等。此外，生物芯片在农业、食品监督、环境保护、司法鉴定等方面都将发挥重要作用。采用微电子技术制作微型压电传感器阵列和分子自组装技术化学键合固定生物分子探针，研制出了灵敏、稳定、可反复使用的压电生物芯片，并实现了对生物芯片上各探针与靶分子反应过程盼实时动态监测。通过对临床乙肝、结核菌基因检测、环境激素检测及中药药材指纹识别等应用研究，证明其具有准确、灵敏、高效、快速、设备简便和成本低等优点，在医药卫生、环境保护及军事侦察等领域具有广阔的应用前景。第8页/共32页北京国家工程研究中心研制的生物芯片什么是生物芯片呢？简单说，生物芯片就是在一块玻璃片、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。人们可能很容易把生物芯片与电子芯片联系起来，其实，生物芯片和电子芯片有着千丝万缕的联系，但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”，因为它上面的反应是在交叉的纵列中所发生。

第9页/共32页介绍几种生物芯片的产品生物芯片多孔反应覆膜生物芯片多孔反应覆膜可用于所有使用96孔酶标板的自动化仪器上，使生物芯片的加样，洗涤过程自动化。产品宽度与生物芯片基片（载玻片）相同，贴在基片上后，形成多个分离的小孔，可以分析多个样品。膜上孔的间距与酶标板上孔间距相同，与本公司的ChipHolder配合可以使用在所有使用96孔酶标板的自动化仪器上，使生物芯片的加样，洗涤过程自动化。第10页/共32页介绍几种生物芯片的产品SCAN-I是中国科学院---中科百奥科技有限公司新近研制开发的产品，全自动检测及分析系统适用于相应波长范围内的生物芯片图像扫描和信号分析，是光、机、电、数字技术和生物学技术相结合的产物，实现了生物芯片的图像摄取、处理、分析一体化。第11页/共32页.

生物工程实验的电子设备第12页/共32页那么生物芯片是如何制备的呢目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体。通常比较典型的制备方法有3种：（1）原位合成法（2）合成点样法又根据是否与芯片的表面接触分为化学喷射法和接触式点涂法（3）压电法，从而将靶基因作为探针按顺序排列在载体上。靶基因可分为基因组DNA、cDNA（或人工合成DNA）。目前，以cDNA的研究为主，因为cDNA是染色体上编码蛋白质的DNA序列，有医疗和其他领域的研究价值和商业价值。芯片的制备除了用到微加工工艺外，还需要使用机器人技术。以便能快速、准确地将探针放置到芯片上的指定位置。第13页/共32页

制备法一

原位合成法以Affymetrix公司开发的光引导聚合法为代表，它不仅可用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。光引导聚合技术是照相平板印刷技术（photolithography）与传统的核酸、多肽固相合成技术相结合的产物。照相平板印刷技术由Fordor在Affymetrix公司发展起来。在一块玻璃片上无光罩掩蔽区的光敏基团修饰的脱氧核苷酸取代，之后用光罩保护新的确定区域，再进行上述这过程，如此循环保护和偶联的过程最终在玻璃片上的不同点合成特征性的寡核苷酸。其主要特征是：①可在芯片上根据已知序列原位合成，省去了麻烦的样品处理过程；②使用合成试剂将芯片之间的差异减少到最小；③能得到高密度的阵列。半导体技术中曾使用照相平板技术法在半导体硅片上制作微型电子线路。固相合成技术是当前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法，技术成熟且已实现自动化。二者的结合为合成高密度核酸探针及短肽阵列提供了一条快捷的途径。以合成寡核苷酸探针为例，该技术主要步骤为：首先使支持物羟基化，并用光敏保护基团将其保护起来。每次选取择适当的蔽光膜（mask）使需要聚合的部位透光，其它部们不透光。第14页/共32页

制备法一这样，光通过蔽光膜照射到支持物上，受光部位的羟基解保护。因为合成所用的单体分子一端按传统固相合成方法活化，另一端受光敏保护基的保护，所以发生偶联的部位反应后仍旧带有光敏保护基团。因此，每次通过控制蔽光膜的图案（透光与不透光）决定哪些区域应被活化，以及所用单体的种类和反应次序就可以实现在待定位点合成大量预定序列寡聚体的目的。该方法的主要优点是可以用很少的步骤合成极其大量的探针阵列。例如，合成48（65536）个探针的8聚体寡核苷酸序列仅需4×8=32步操作，8小时就可以完成。而如果用传统方法合成然后点样，那么工作量的巨大将是不可思议的。同时，用该方法合成的探针阵列密度可高达到106/cm2。不过，尽管该方法看来比较简单，实际上并非如此。主要原因是，合成反应每步产率比较低，不到95%。而通常固相合成反应每步的产率在99%以上。因此，探针的长度受到了限制。而且由于每步去保护不很彻底，致使杂交信号比较模糊，信噪比降低。为此有人将光引导合成技术与半异体工业所用的光敏抗蚀技术相结合，以酸作为去保护剂，使每步产率增加到98%。原因是光敏抗蚀剂的解离对照度的依赖是非线性的，当照度达到特定的阈值以上保护剂就会解离。所以，该方法同时也解决了由于蔽光膜透光孔间距离缩小而引起的光衍射问题，有效地提高了聚合点阵的密度。另据报导，利用波长更短的物质波如电子射线去除保护可使点阵密度达到1010/cm2。

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制备法二。

合成点样法以IncytePharmaceutical公司和Stanford大学为代表．这一方法在多聚物的设计方面与前者相似，合成工作用传统的DNA或多肽固相合成仪完成，只是合成后用特殊的自动化微量点样装置将其以比较高的密度涂布于硝酸纤维膜、尼龙膜或玻片上。支持物应事先进行特定处理，例如包被以带正电荷的多聚赖酸或氨基硅烷。生物样品通过虹吸作用载入加样针器，然后通过直接物理接触传送至芯片底物的固相表面。每一轮点击完成后，加样针被彻底冲洗以免交叉污染，然后再载入新的样品开始下一轮打点过程。全部操作由自动控制的机器人系统和多道打印头来完成。该技术首先由Schena、Shalon和Brown在95年发展起来，Synteni公司完成商品化。主要优点是：保持样品原型，操作迅速，成本低廉，用途广泛。缺点是：样品必须预先合成，需要一系列的纯化及储存等后续过程；密度达不到类似照相平板印刷术的水平。不过经过改进的话，最终可在6.5cm2的范围内容纳100000个核酸位点，从而为从事基础研究的实验室广泛采用。现在已有比较成型的点样装置出售，如美国Biodot公司的点膜产品以及CartesianTechnologies公司的PixSysNQ/PA系列产品。第16页/共32页

制备法三压电打印法以美国IncytePharmaceuticals为代表使用压电打印法进行原位合成。其装置与普通的彩色喷墨打印机并无两样，所用技术也是常规的固相合成方法。做法是将生化样品加载入袖珍喷嘴（有压电感应装置），如将墨盒中的墨汁分别用四种碱基合成试剂所替代，通过计算机控制在电流控制下喷嘴的有序开放和关闭使得精确量的样品液体喷射在预设的底物位点表面（固定是一个琥珀酰酯代反应过程）。之后喷嘴得到清洗后再加样，如此循环，喷出一系列的阵列来。冲洗、去保护、偶联等则同于一般的固相原位合成技术。如此类推，可以合成出长度为40到50个碱基的探针，每步产率也较前述方法为高，可达到99%以上。）优点：这种方法允许几乎用任何感兴趣的样品做生物芯片，包括cDNA、基因组DNA、抗体和小分子物质；无接触制片、压电式传送理论上允许高速高密度制备，目前可做到10000cDNA/cm2，非常适合于做基因组分析。第17页/共32页

生物芯片的优点基因芯片的最大优点在于其高通量。传统方法检测众多基因要经历多次实验而且自动化程度低，因而每次实验之间是存在系统误差的。基因芯片可以克服这个缺点，众多基因的探针的标记、杂交等过程是在一次实验过程中完成的，而且自动化程度高，数据客观可靠。第18页/共32页

生物芯片的缺点基因芯片的缺点在于其不能对待检测基因在多细胞类型组织中的精确定位进行判断。另外很多蛋白质调节其功能不主要是依赖其是否表达或表达量高低，而是依赖蛋白质磷酸化-去磷酸化等方式。在这种情况下，用核酸类生物芯片就没有什么意义了，正在研究开发中的蛋白类芯片可能会有所作为的。

第19页/共32页我国生物芯片行业发展现状

生物芯片北京国家工程研究中心（16#地、总建筑面积30224平方米位于中关村生命科学园）

北京博奥生物芯片有限责任公司承建。该项目是建设生物芯片微加工相关条件、分子生物学、化学、光学等实验室分析条件及相关辅助设施，形成年产生物芯片分析系统120台、应用型生物芯片90万片的生产能力。第20页/共32页我国生物芯片行业发展现状

生物芯片技术在中国还是空白，而到目前，中国生物芯片的产值就达到了2亿多元人民币，生物芯片研究已经从实验室进入应用阶段。第21页/共32页我国所拥有的生物芯片企业上海博德基因开发有限公司以其基因芯片技术作价2．5亿元，日前与肇庆星湖生物科技股份有限公司合资，组建中国規模最大的生物芯片公司。

上海皓嘉

与日本生物工程公司TaKaRa公司合作，提供分子生物学技术服务，包括DNA测序服务，DNA、RNA合成服务，人工基因全合成，PCR产物克隆，cDNA文库构建服务，人工定点突变，DNA芯片制作，其它各种基因工程实验操作等。且是若干外国公司的的国内产品代理。

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深圳益生堂

是一家中外合资的高新技术企业，下属有深圳市益生堂药业有限公司、湖北益生堂药业有限公司、益生堂大药房，主营保健品及中成药品。目前，正实施生物芯片技术的产业化项目，该项目已经国家计委批准做为国家级示范工程列入国家高新技术产业发展项目计划，同时被列为深圳市重点建设项目。

陕西超群

由超群（中国）食品有限公司作为主要发起人发起设立，公司注册资本12600万元人民币，主要从事高科技生物制品及纯天然绿色保健饮品的开发和生产。第23页/共32页

生物电脑是什么电脑的性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。科学家发现，蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的集成电路，称为生物芯片。使用生物芯片的计算机称为蛋白质电脑，或称为生物电脑第24页/共32页生物电脑的优势

生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低，且具有生物的特点，具有自我组织和自我修复的功能。它可以与人体及人脑结合起来，听从人脑指挥，从人体中吸收营养。把生物电脑植入人的脑内，可以使盲人复明，使人脑的记忆力成千上万倍地提高；若是植入血管中，则可以监视人体内的化学变化，使人的体质增强，使残疾人重新站立起来。

第25页/共32页生物电脑的企业化？生物电脑的成熟应用还需要一段时间，但是目前科学家已研制出生物电脑的主要部件———生物芯片。美国明尼苏达州立大学已经研制成世界上第一个“分子电路”，由“分子导线”组成的显微电路只有目前计算机电路的千分之一。第26页/共32页

生物传感器对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器第27页/共32页生物传感器的应用

1原材料及代谢产物的测定

微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。

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