微电子在生物医学方面的应用

微电子在生物医学方面的应用摘要：微电子技术与生物医学之间有着非常紧密的联系。一方面微电子技术的发展，将大大地推动生物医学的发展，另一方面生物医学的研究成果同样也将对微电子技术的发展起着巨大的促进作用。在这里我主要肤浅的介绍一下有关生物芯片和生物传感方面的认识，也希望大家看了我的文章后能对此有一个从初步的认识。引言：众所周知微电子学是研究在固体（主要是半导体）材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、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、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。但是，微电子学不仅一定会改造农业、工业和服务部门的许多传统活动，而且，由于它把脑力和记忆力以及体力结合进新的机器及系统，新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。但是，不仅如此微电子学的参透性及其，它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。生物芯片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固着于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝胶、尼龙膜等固相递质上形成的生物分子点阵。因此生物芯片技术又称微陈列技术，含有大量生物信息的固相基质称为微阵列，又称生物芯片。生物芯片在此类芯片的基础上又发展出微流体芯，亦称微电子芯，也就是缩微实验室芯片。生物芯片的第一个应用领域是检测基因表达。但是将生物分子有序地放在芯片上检测生化标本的策略是具有广泛的应用对基因组DNA进行杂交分析可以检测DNA编码区和非编码区单个碱基改变、确失和插入，DNA杂交分析还可用于对DNA进行定量，这对检测基因拷贝数和染色体的倍性是很重要的。因此生物芯片对于基因工程的发展具有重大意义。此外，在临床上，同样药物的剂量对病人甲有效可能对病人乙不起作用，而对病人丙则可能有副作用。在药物疗效与副作用方面，病人的反应差异很大。这主要是由于病人遗传学上存在差异，如药物应答基因，导致对药物产生不同的反应。如果利用基因芯片技术对患者先进行诊断，再开处方，就可对病人实施个体优化治疗。另一方面，在治疗中，很多同种疾病的具体病因是因人而异的，用药也应因人而异。如将这些基因突变部位的全部序列构建为DNA芯片，则可快速地检测病人是这一个或那一个或多个基因发生突变，从而可对症下药，所以对指导治疗和预后有很大的意义。医疗界的诊断和治疗水平也会因此而迈上一个更高的台阶。生物医学传感器的作用是把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——达到分子和原子水平。是生物体成分(酶、抗原、抗体、激素、DNA)或生物体本身(细胞、细胞器、组织),它们能特异地识别各种被测物质并与之反应;后者主要有电化学电极、离子敏场效应晶体管(ISFET)、热敏电阻器、光电管、光纤、压电晶体(PZ)等,其功能为将敏感元件感知的生物化学信号转变为可测量的电信号。因而它具有快速大量处理信息的能力，和诊断精确的特点。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SensimedAG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、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EnikoEnokov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。小结：现代和未来的信息社会中，信息处理系统要对自然和社会的各种变化做出反应，首先需要通过传感器将外界的各种信息提取出来并转换成信息系统中的信息处理单元（即计算机）能够接收和处理的信号。微电子技术在这些领域中起的关键作用，生物医学的发展对微电子技术也起了巨大促进作用，这两者相互促进，，微电子技术的发展将为生物医学带来巨大的变革，同样生物医学也将会给微电子技术的创新提供崭新的思路。