论生物医学领域与微电子的结合.doc

1、 论生物医学领域与微电子的结合摘要：微电子技术与生物医学领域有着密切不可分的关系。一方面，微电子技术的发展为生物医学领域提供了更加广阔的视角与平台；另一方面，生物医学领域方面的发展也对微电子技术的发展起着巨大的促进作用。生物医学与微电子学相结合作用的重要发展领域有以下几个：生物医学传感器，神经电极，植入式电子系统，监护技术，生物芯片，仿生系统等。以下文章着重介绍这些领域中的生物医学传感器，植入式电子系统，监护技术与生物芯片。关键词：生物医学领域，微电子技术，生物医学传感器，植入式电子系统，生物芯片。引言：众 所 周 知 微 电 子 学 是 研 究 在 固 体 （ 主 要 是 半 导 体 ） 材

2、 料 上 构 成 的 微 小 型 化 电 路 、 电路 及 微 电 子 系 统 的 电 子 学 分 支 。 作 为 电 子 学 的 分 支 学 科 ， 它 主 要 研 究 电 子 或 离 子 在 固 体材 料 中 的 运 动 规 律 及 其 应 用 ， 并 利 用 它 实 现 信 号 处 理 功 能 的 科 学 ， 以 实 现 电 路 的 系 统 和集 成 为 目 的 ， 实 用 性 强 。 微 电 子 学 又 是 信 息 领 域 的 重 要 基 础 学 科 ， 在 这 一 领 域 上 ，微 电 子 学 是 研 究 并 实 现 信 息 获 取 、 传 输 、 存 储 、 处 理 和 输 出 的

3、 科 学 ， 是 研 究 信 息 获 取 的 科 学 ，构 成 了 信 息 科学 的 基 石 ， 其 发 展 直 接 影 响 着 整 个 信 息 技 术 的 发 展 。 微 电 子 科 学 技 术 的 发 展 水 平 和 产 业规 模 是 一 个 国 家 经 济 实 力 的 重 要 标 志 。 微 电 子 学 是 一 门 综 合 性 很 强 的 边 缘 学 科 ， 其 中 包括 了 半 导 体 器 件 物 理 、 集 成 电 路 工 艺 和 集 成 电 路 及 系 统 的 设 计 、 测 试 等 多 方 面 的 内 容 ，涉 及 了 固 体 物 理 学 、 量 子 力 学 、 热 力 学 与

4、统 计 物 理 学 、 材 料 科 学 、 信 号 处 理 、 计 算 机 辅助 设 计 、 测 试 和 加 工 、 图 论 、 化 学 等 多 个 领 域 。所 以 ， 微 电 子 学 一 定 会 改 造 农 业 、 工 业 和 服 务 部 门 的 许 多 传 统 活 动 ， 并 且 ， 由于 它 把 脑 力 和 记 忆 力 以 及 体 力 结 合 进 新 的 机 器 及 系 统 ， 会 改 变 发 展 的 性 质 和 方 向 。 第 一次 工 业 革 命 大 大 增 强 了 生 产 活 动 中 人 力 和 畜 力 的 弱 小 的 体 力 ； 第 二 次 工 业 革 命 会 把 人 的智 力

5、 扩 大 到 我 们 现 在 简 直 不 能 想 象 的 程 度 。 确 实 ， 微 电 子 学 通 过 微 型 化 、 自 动 化 、 计 算机 化 和 机 器 人 化 ， 正 从 根 本 上 改 变 我 们 的 生 活 ， 并 冲 击 着 生 活 的 许 多 方 面 ： 劳 动 、 家 庭 、 政 治 、科 学 、 战 争 与 和 平 。 难 怪 有 人 预 言 ， 未 来 的 社 会 是 “用 导 线 连 接 起 来 的 社 会 ”。 作 为 信 息技 术 的 坚 实 基 础 ， 它 推 动 了 计 算 机 、 通 信 和 消 费 类 电 子 产 品 的 不 断 更 新 换 代 。 在

6、过 去的 几 十 年 中 ，以 半 导 体 为 代 表 的 电 子 科 学 技 术 的 蓬 勃 发 展 将 世 界 带 进 了 信 息 社 会 ， 彻 底 改 变 了 人 类 的生 活 方 式 和 思 维 模式。不 仅 如 此 ， 它 还 可 以 与 其 他 学 科 结 合 而 诞 生 出 一 系 列 新 的 交 叉 学 科 ， 他 与 生 物 科 学结 合 诞 生 了 生 物 芯 片 ， 生 物 传 感 器 等 等 ， 这 些 都 是 近 年 来 发 展 起 来 的 具 有 极 其 广 阔 应 用前 景 的 新 技 术 。一 生 物 传 感 器生 物 医 学 传 感 器 的 作 用 是 把

7、生 物 体 和 人 体 中 包 含 的 生 命 现 象 、 状 态 、 性 质 、 变 量 和成 分 等 生 理 信 息 （ 包 括 物 理 量 、 化 学 量 、 生 物 量 等 ） 转 化 为 与 之 有 确 定 函 数 关 系 的 电 信 息 。 生 物医 学传 感 器 是 生 物 医 学 电 子 学 中 最 关 键 的 技 术 ， 它是连接生物医学和电子学的桥梁。主 要 可分 为 如 下 几 类 ： 电 阻 式 传 感 器 ， 电 容 式 传 感 器 ， 电 感 式 传 感 器 ， 压 电 式 传 感 器 ， 光 电 传感 器 ， 热 电 式 传 感 器 ， 光 线 传 感 器 ， 电

8、 化 学 传 感 器 以 及 生 物 传 感 器 等 。 它 通 过 各 种 化学 、 物 理 信 号 转 换 器 捕 捉 目 标 物 与 敏 感 膜 之 间 的 反 应 ， 然 后 将 反 应 程 度 用 连 续 的 电 信 号表 达 出 来 ， 从 而 得 出 被 检 测 样 品 的 浓 度 。 生 物 医 学 传 感 器 的 微 型 化 和 集 成 化 是 其 中 最 重要 的 发 展 方 向 之 一 ， 其 主 要 原 因 ：1） 它 是 实 现 生 物 医 学 设 备 微 型 化 、 集 成 化 的 基 础 ；2） 将 使 得 生 物 医 学 测 量 和 控 制 更 加 精 确 达

9、到 分 子 和 原 子 水 平 。随 着 微 电 子 技 术 的 飞 速 发 展 ， 生 物 医 学 传 感 器 在 微 型 化 和 集 成 化 方 面 取 得 了 很 大 进展 。 目 前 最 值 得 关 注 的 发 展 方 向 大 致 概 括 如 下 ： 1） 以 无 机 物 为 材 料 的 生 物 医 学 传 感 器的 研 究 ， 它 充 分 利 用 已 有 的 微 电 子 和 微 加 工 技 术 ； 2） 利 用 无 机 物 与 有 机 物 相 结 合 的 生物 医 学 传 感 器 ， 它 充 分 汲 取 了 有 机 物 的 优 点 ， 比 如 基 于 神 经 细 胞 的 生 物 传

10、感 器 ， 酶 传 感器 ； 3） 多 传 感 器 的 集 成 技 术 ， 融 合 和 智 能 化 技 术 ； 4） 一 些 新 的 前 沿 微 电 子 技 术 应 用 ，比 如 纳 米 技 术 与 微 电 子 机 械 技 术 应 用 于 生 物 传 感 器 。对 于 生 物 芯 片 和 生 物 医 学 传 感 器 方 面 的 应 用 也 有 很 多 成 功 的 案 例 。比 如 ， 意 法 半 导 体 公 司( ST)与 瑞 士 的 Sensimed AG公 司 联 手 开 发 了 一 款 名 为Triggerfish的 智 能 隐 形 眼 镜 。 这 种 隐 形 眼 镜 可 以 测 量 、

11、 监 测 和 控 制 病 人 的 眼 压 水 平 ， 从而 及 时 发 现 青 光 眼 的 早 期 症 状 。 它 可 以 24小 时 测 量 眼 压 ， 然 后 向 主 治 医 生 提 供 记 录 。 这种 压 力 传 感 器 是 由 意 法 半 导 体 开 发 的 一 种 MEMS 应 变 计 ， 采 用 柔 性 基 板 制 造 测 量 的 对 象是 与 眼 压 读 数 直 接 相 关 的 角 巩 膜 连 接 处 的 圆 周 波 动 ， 然 后 该 信 息 通 过 无 线 通 信 从 记 录 器传 送 出 去 。 有 了 可 以 简 单 方 便 、 更 加 精 确 地 检 测 青 光 眼

12、疾 病 的 测 试 ， 需 要 看 眼 科 医 生 才能 进 行 麻 烦 的 青 光 眼 测 试 很 快 就 会 成 为 历 史 。阿 拉 巴 马 大 学 航 空 和 机 械 工 程 学 教 授 Eniko Enokov设 计 的 一 种 简 单 易 用 的 自 我 测 试 探头 只 需 要 病 人 在 自 己 家 里 轻 轻 地 摩 擦 眼 睑 就 可 以 检 测 是 否 患 有 青 光 眼 了 。 另 一 个 比 较 有意 思 的 MEMS 传感 器 是 飞 思 卡 尔 半 导 体 (Freescale)的 MPL115A 数 字 MEMS 气 压 计 。 这 款 获得 专 利 的 器 件

13、 本 质 上 是 通 过 确 定 海 拔 (即 海 拔 越 高 ， 所 需 要 的 氧 气 越 多 ， 反 之 亦 然 )来 节省 呼 吸 机 系 统 中 的 氧 气 和 能 量 。 它 采 用 差 分 压 力 测 量 ， 可 以 用 作 进 行 负 压 伤 口 治 疗 的 智能 绷 带 。2 植 入 式 电 子 系 统植 入 式 电 子 系 统 是 一 种 埋 置 在 生 物 体 内 的 电 子 设 备 ， 主 要 用 于 测 量 生 物 体 内 生 理 参 数的 长 期 变 化 ， 或 用 来 诊 断 治 疗 一 些 疾 病 ， 也 可 用 于 代 替 功 能 缺 损 的 生 物 器 官

14、。随 着 低 功 率 、 高 可 靠 性 集 成 电 路 的 发 展 ， 能 源 供 给 方 式 的 多 样 化 ， 无 毒 性 、 生 物 相 容性 等 生 物 材 料 的 深 入 研 究 以 及 显 微 外 科 手 术 水 平 的 不 断 提 高 ， 使 得 植 入 式 电 子 系 统 得 到 飞速 发 展 。该 系 统 主 要 包 括 ： 各 种 植 入 式 测 量 系 统 ， 植 入 式 刺 激 器 ， 植 入 式 药 疗 装 置 ， 植 入 式 人工 器 官 及 辅 助 装 置 等 。植 入 式 电 子 系 统 核 心 技 术 是 大 规 模 集 成 电 路 的 设 计 技 术 。

15、植 入 式 电 子 系 统 包 含 了 控 制盒 测 量 两 大 部 分 。植 入 式 电 子 系 统 在 微 电 子 技 术 方 面 的 关 键 热 点 技 术 主 要 有 ： 1） 植 入 式 天 线 的 设 计 技术 ； 2） 低 功 耗 植 入 式 集 成 电 路 设 计 技 术 ； 3） RF 射 频 电 路 的 设 计 技 术 ； 4） 植 入 式 系 统 的能 源 供 给 技 术 ； 5） 集 成 电 路 中 微 弱 信 号 的 提 取 技 术 ； 6） 前 沿 数 字 信 号 处 理 技 术 的 应 用 ；7） 传 感 器 技 术 与 神 经 电 极 技 术 ； 8） 植 入

16、式 系 统 的 制 作 与 封 装 技 术 。植 入 式 电 子 系 统 未 来 的 发 展 趋 势 大 致 分 为 两 个 阶 段 ， 第 一 阶 段 是 现 有 的 已 较 为 成 熟 的半 导 体 技 术 为 主 ， 结 合 最 新 的 前 沿 技 术 ， 比 如 纳 米 技 术 、 微 电 子 机 械 技 术 等 ； 第 二 阶 段 是以 纳 米 技 术 和 分 子 电 子 学 为 主 ， 实 现 以 有 机 分 子 和 生 物 分 子 作 为 电 子 元 器 件 。 具 体 表 现 在以 下 五 个 方 面 ：1） 高 度 微 型 化 ， 高 精 度 ， 高 可 靠 性 的 发 展

17、； 2） 生 物 医 学 信 号 处 理 ； 3） 闭 环 系 统 的研 究 ； 4） 能 量 供 给 的 技 术 ； 5） 微 传 感 器 与 神 经 电 极 技 术 。3 生 物 芯 片生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。由于常用硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。自从199

18、6年美国 Affymetrix 公司成功的制作出世界上首批用于药物筛选和实验室试验用的生物芯片，并制作出芯片系统，此后世界各国在芯片研究方面突飞猛进，不断有新的突破。美国的 Hyseq 公司、Syntexi 公司、Nanogen 公司、Incyte 公司及日本、欧洲各国都积极开展 DNA 芯片研究工作；摩托罗拉、惠普、IBM 等跨国公司也相继投以巨资开展芯片研究。1998年12月 Affymefrix 公司和 Molecular Dynamics 公司宣布成立基因分析协会（genetic analysis technology consortium）以制定一个统一的技术平台生产更有效而价廉的设

19、备，与此相呼应，英国的 Amershcem?Pharmacia?Biotechnology 公司也在同一天宣布将提供部分掌握的技术以推动这项技术的应用。美国芯片技术召开了两次会议，克林顿总统在会上高度赞赏和肯定该技术，将芯片基因技术看作是保证一定横健康的指南针。预计在今后5年内生物芯片销售可达200300亿美元；据预测，在21世纪，生物芯片对人类的影响将可能超过微电子芯片。我国在生物芯片研究方面刚刚起步，1998年10月，中科院将基因芯片列为“九五”特别支持项目，利用中科院在微电子技术、生化技术、物理检测技术方面的优势，组织跨所、跨学科合作。在微阵列芯片和基于 MEBS 的芯片方面有大突破，在

20、 DNA 芯片设计、基本修饰、探针固定、样品标记、杂交和检测等方面的技术有较大进展，已研制出肝癌基因差异表达芯片、乙肝病毒多态性检测芯片、多种恶性肿瘤病毒基因芯片等有一定实用意义的基因芯片和 DNA 芯片检测仪样机。中科院上海冶金所等开发重大传染性疾病的诊断芯片及检测设备，如 HBV、HCV、TB 三种基因诊断芯片。上海细胞所正在进行人类全套基因组的 c?DNA 阵列和微阵列制备，为我国科研所和开发提供了一个技术平台，并使之产业化。同时，清华、复旦、东南大学、北京军事医学科学院、华东理工大学、第一军医大学等单位都在积极进行芯片研究，现已有部分产品问世。原定于2005年竣工的人类30亿碱基序列的

21、测定工作（Human Genome Project，基因组计划）由于高效测序仪的引入和商业机构的介入已经完成。怎样利用该计划所揭示的大量遗传信息去探明人类众多疾病的起因和发病机理，并为其诊断、治疗及易感性研究提供有力的工具，则是继人类基因组计划完成后生命科学领域内又一重大课题。现在，以功能研究为核心的后基因组计划已经悄然走来，为此，研究人员必需设计和利用更为高效的硬软件技术来对如此庞大的基因组及蛋白质组信息进行加工和研究。建立新型、高效、快速的检测和分析技术就势在必行了。这些高效的分析与测定技术已有多种，如 DNA 质谱分析法，荧光单分子分析法，杂交分析等。其中以生物芯片技术为基础的许多新型分

22、析技术发展最快也最具发展潜力。早在1988年，Bains 等人就将短的 DNA 片段固定到支持物上，以反向杂交的方式进行序列测定。当今，随着生命科学与众多相关学科（如计算机科学、材料科学、微加工技术、有机合成技术等）的迅猛发展，为生物芯片的实现提供了实践上的可能性。生物芯片的设想最早起始于80年代中期，90年代美国 Affymetrix 公司实现了 DNA 探针分子的高密度集成，即将特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一块玻璃、硅等固体片基上，作为核酸信息的载体，通过与样品的杂交反应获取其核酸序列信息。生物芯片由于采用了微电子学的并行处理和高密度集成的概念，因此具有高效、高信息量等突

23、出优点。对来源于不同个体（正常人与患者） 、不同组织、不同细胞周期、不同发育阶段、不同分化阶段、不同病变、不同刺激（包括不同诱导、不同治疗阶段）下的细胞内的 mRNA 或逆转录后产生的 cDNA 与表达谱基因芯片进行杂交，可以对这些基因表达的个体特异性、组织特异性、发育阶段特异性、分化阶段特异性、病变特异性、刺激特异性进行综合的分析和判断，迅速将某个或几个基因与疾病联系起来，极大地加快这些基因功能的确立，同时进一步研究基因与基因间相互作用的关系。所以，无论何种研究领域，利用表达谱基因芯片可以获得大量与研究领域相关的基因，使研究更具目的性和系统性，同时也拓宽研究领域。结束语：微电子技术虽然诞生只

24、有几十年，但是发展十分迅速，已经极大地改变了我们的日常生活。以上文章介绍了它在生物医学方面的促进与结合，不仅如此，它也影响了人类日常的其他一些方面。微电子技术在生物医学方面的发展极大程度地改善了人类医学条件，保障了我们的健康，使我们的生活更加美好。参考文献：【1】刘广玉，樊尚春。 微机械电子系统及其应用【M】. 北京：北京航空航天大学出版社，2003。【2】朱健,MEMS 技术的发展与应用【J】 ，半导体技术，2003，28（1):29 32.【3】章吉良，杨春生，微机电系统及其相关技术【M】 ，上海：上海交通大学出版社，1999。【4】陈辰，MEMS 器件的医疗应用【J】 ，电子产品世界，1

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