芯片公司

德州儀器/TI

意法半導(dǎo)體/ST

飛利浦半導(dǎo)體/PHILIPS

恩智浦半導(dǎo)體/NXP

安森美半導(dǎo)體/ON

國際整流器公司/IR

美國國家半導(dǎo)體公司/NS

美國模擬器件公司/ADI

飛思卡爾/FREESCALE

美國愛特梅爾/ATMEL

賽普拉斯/CYPRESS

達(dá)拉斯/DALLAS

美信半導(dǎo)體/MAXIM

芯片制造過程

芯片制作完整過程包括芯片設(shè)計(jì)、晶片制作、封裝制作、成本測試等幾個(gè)環(huán)節(jié)，其中晶片制作過程尤為的復(fù)雜。

首先是芯片設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，生成的“圖樣”

1、 芯片的原料晶圓

晶圓的成分是硅，硅是由石英沙所精練出來的，晶圓便是硅元素加以純化（99.999%），接著是將這些純硅制成硅晶棒，成為制造集成電路的石英半導(dǎo)體的材料，將其切片就是芯片制作具體所需要的晶圓。晶圓越薄，生產(chǎn)的成本越低，但對(duì)工藝就要求的越高。

2、晶圓涂膜

晶圓涂膜能抵抗氧化以及耐溫能力，其材料為光阻的一種。

3、晶圓光刻顯影、蝕刻

該過程使用了對(duì)紫外光敏感的化學(xué)物質(zhì)，即遇紫外光則變軟。通過控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蝕劑，使得其遇紫外光就會(huì)溶解。這時(shí)可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，這溶解部分接著可用溶劑將其沖走。這樣剩下的部分就與遮光物的形狀一樣了，而這效果正是我們所要的。這樣就得到我們所需要的二氧化硅層。

4、摻加雜質(zhì)

將晶圓中植入離子，生成相應(yīng)的P、N類半導(dǎo)體。

具體工藝是是從硅片上暴露的區(qū)域開始，放入化學(xué)離子混合液中。這一工藝將改變攙雜區(qū)的導(dǎo)電方式，使每個(gè)晶體管可以通、斷、或攜帶數(shù)據(jù)。簡單的芯片可以只用一層，但復(fù)雜的芯片通常有很多層，這時(shí)候?qū)⑦@一流程不斷的重復(fù)，不同層可通過開啟窗口聯(lián)接起來。這一點(diǎn)類似多層PCB板的制作原理。 更為復(fù)雜的芯片可能需要多個(gè)二氧化硅層，這時(shí)候通過重復(fù)光刻以及上面流程來實(shí)現(xiàn)，形成一個(gè)立體的結(jié)構(gòu)。

5、晶圓測試

經(jīng)過上面的幾道工藝之后，晶圓上就形成了一個(gè)個(gè)格狀的晶粒。通過針測的方式對(duì)每個(gè)晶粒進(jìn)行電氣特性檢測。一般每個(gè)芯片的擁有的晶粒數(shù)量是龐大的，組織一次針測試模式是非常復(fù)雜的過程，這要求了在生產(chǎn)的時(shí)候盡量是同等芯片規(guī)格構(gòu)造的型號(hào)的大批量的生產(chǎn)。數(shù)量越大相對(duì)成本就會(huì)越低，這也是為什么主流芯片器件造價(jià)低的一個(gè)因素。

6、封裝

將制造完成晶圓固定，綁定引腳，按照需求去制作成各種不同的封裝形式，這就是同種芯片內(nèi)核可以有不同的封裝形式的原因。比如：DIP、QFP、PLCC、QFN等等。這里主要是由用戶的應(yīng)用習(xí)慣、應(yīng)用環(huán)境、市場形式等外圍因素來決定的。

7、測試、包裝

經(jīng)過上述工藝流程以后，芯片制作就已經(jīng)全部完成了，這一步驟是將芯片進(jìn)行測試、剔除不良品，以及包裝。

芯片封裝類型

芯片的封裝類型主要有以下幾種：

1．BGA球柵陣列封裝

2．CSP 芯片縮放式封裝

3．COB 板上芯片貼裝

4．COC 瓷質(zhì)基板上芯片貼裝

5．MCM 多芯片模型貼裝

6．LCC 無引線片式載體

7．CFP 陶瓷扁平封裝

8．PQFP 塑料四邊引線封裝

9．SOJ 塑料J形線封裝

10．SOP 小外形外殼封裝

11．TQFP 扁平簿片方形封裝

12．TSOP 微型簿片式封裝

13．CBGA 陶瓷焊球陣列封裝

14．CPGA 陶瓷針柵陣列封裝

15．CQFP 陶瓷四邊引線扁平

16．CERDIP 陶瓷熔封雙列

17．PBGA 塑料焊球陣列封裝

18．SSOP 窄間距小外型塑封

19．WLCSP 晶圓片級(jí)芯片規(guī)模封裝

20．FCOB 板上倒裝片

芯片與集成電路區(qū)別

芯片，英文為Chip；芯片組為Chipset。芯片一般是指集成電路的載體，也是集成電路經(jīng)過設(shè)計(jì)、制造、封裝、測試后的結(jié)果，通常是一個(gè)可以立即使用的獨(dú)立的整體?！靶酒焙汀凹呻娐贰边@兩個(gè)詞經(jīng)?；熘褂?，比如在大家平常討論話題中，集成電路設(shè)計(jì)和芯片設(shè)計(jì)說的是一個(gè)意思，芯片行業(yè)、集成電路行業(yè)、IC行業(yè)往往也是一個(gè)意思。實(shí)際上，這兩個(gè)詞有聯(lián)系，也有區(qū)別。集成電路實(shí)體往往要以芯片的形式存在，因?yàn)楠M義的集成電路，是強(qiáng)調(diào)電路本身，比如簡單到只有五個(gè)元件連接在一起形成的相移振蕩器，當(dāng)它還在圖紙上呈現(xiàn)的時(shí)候，我們也可以叫它集成電路，當(dāng)我們要拿這個(gè)小集成電路來應(yīng)用的時(shí)候，那它必須以獨(dú)立的一塊實(shí)物，或者嵌入到更大的集成電路中，依托芯片來發(fā)揮他的作用；集成電路更著重電路的設(shè)計(jì)和布局布線，芯片更強(qiáng)調(diào)電路的集成、生產(chǎn)和封裝。而廣義的集成電路，當(dāng)涉及到行業(yè)（區(qū)別于其他行業(yè)）時(shí)，也可以包含芯片相關(guān)的各種含義。

芯片也有它獨(dú)特的地方，廣義上，只要是使用微細(xì)加工手段制造出來的半導(dǎo)體片子，都可以叫做芯片，里面并不一定有電路。比如半導(dǎo)體光源芯片；比如機(jī)械芯片，如MEMS陀螺儀；或者生物芯片如DNA芯片。在通訊與信息技術(shù)中，當(dāng)把范圍局限到硅集成電路時(shí)，芯片和集成電路的交集就是在“硅晶片上的電路”上。芯片組，則是一系列相互關(guān)聯(lián)的芯片組合，它們相互依賴，組合在一起能發(fā)揮更大的作用，比如計(jì)算機(jī)里面的處理器和南北橋芯片組，手機(jī)里面的射頻、基帶和電源管理芯片組。

電腦芯片

如果把中央處理器CPU比喻為整個(gè)電腦系統(tǒng)的心臟，那么主板上的芯片組就是整個(gè)身體的軀干。對(duì)于主板而言，芯片組幾乎決定了這塊主板的功能，進(jìn)而影響到整個(gè)電腦系統(tǒng)性能的發(fā)揮，芯片組是主板的靈魂。

芯片組（Chipset）是主板的核心組成部分，按照在主板上的排列位置的不同，通常分為北橋芯片和南橋芯片。北橋芯片提供對(duì)CPU的類型和主頻、內(nèi)存的類型和最大容量、ISA/PCI/AGP插槽、ECC糾錯(cuò)等支持。南橋芯片則提供對(duì)KBC（鍵盤控制器）、RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器）、USB（通用串行總線）、Ultra DMA/33(66)EIDE數(shù)據(jù)傳輸

方式和ACPI（高級(jí)能源管理）等的支持。其中北橋芯片起著主導(dǎo)性的作用，也稱為主橋（Host Bridge）。

芯片組的識(shí)別也非常容易，以Intel440BX芯片組為例，它的北橋芯片是Intel 82443BX芯片，通常在主板上靠近CPU插槽的位置，由于芯片的發(fā)熱量較高，在這塊芯片上裝有散熱片。南橋芯片在靠近ISA和PCI槽的位置，芯片的名稱為Intel 82371EB。其他芯片組的排列位置基本相同。對(duì)于不同的芯片組，在性能上的表現(xiàn)也存在差距。

芯片組

除了最通用的南北橋結(jié)構(gòu)外，芯片組正向更高級(jí)的加速集線架構(gòu)發(fā)展，Intel的8xx系列芯片組就是這類芯片組的代表，它將一些子系統(tǒng)如IDE接口、音效、MODEM和USB直接接入主芯片，能夠提供比PCI總線寬一倍的帶寬，達(dá)到了266MB/s；此外，矽統(tǒng)科技的SiS635/SiS735也是這類芯片組的新軍。除支持最新的DDR266，DDR200和PC133 SDRAM等規(guī)格外，還支持四倍速AGP顯示卡接口及Fast Write功能、IDE ATA33/66/100，并內(nèi)建了3D立體音效、高速數(shù)據(jù)傳輸功能包含56K數(shù)據(jù)通訊(Modem)、高速以太網(wǎng)絡(luò)傳輸(Fast Ethernet)、1M/10M家庭網(wǎng)絡(luò)(Home PNA)等。

人腦芯片

幾十年來，科學(xué)家一直“訓(xùn)練”電腦，使其能夠像人腦一樣思考。這種挑戰(zhàn)考驗(yàn)著科學(xué)的極限。IBM公司的研究人員18日表示，在將電腦與人腦結(jié)合在一起的研究道路上，他們?nèi)〉昧艘豁?xiàng)重大進(jìn)展。

這家美國科技公司研制出兩個(gè)芯片原型，與此前的PC和超級(jí)計(jì)算機(jī)采用的芯片相比，這些芯片處理數(shù)據(jù)的方式與人腦處理信息的方式更為接近。這兩個(gè)芯片是一項(xiàng)為期6年的項(xiàng)目取得的一項(xiàng)具有里程碑意義的重大成就。共有100名研究人員參與這一項(xiàng)目，美國政府的國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)提供了4100萬美元資金。IBM的投資數(shù)額并未對(duì)外公布。

兩個(gè)芯片原型提供了進(jìn)一步證據(jù)，證明“平行處理”日益提高的重要性。平行處理具體是指電腦同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)。多任務(wù)處理對(duì)渲染圖片和處理大量數(shù)據(jù)非常重要。迄今為止，這兩個(gè)芯片僅用于處理一些非常簡單的任務(wù)，例如操控一輛仿真車穿過迷宮或者玩《Pong》。它們最終走出實(shí)驗(yàn)室并應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品可能需要10年或者更長時(shí)間。

日前，由瑞士、德國和美國的科學(xué)家組成的研究小組首次成功研發(fā)出一種新奇的微芯片，能夠?qū)崟r(shí)模擬人類大腦處理信息的過程。這項(xiàng)新成果將有助于科學(xué)家們制造出能同周圍環(huán)境實(shí)時(shí)交互的認(rèn)知系統(tǒng)，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和高智能機(jī)器人的研制提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

以前的類似研究都局限于在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上研制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型或在超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而新研究的思路是：研發(fā)在大小、處理速度和能耗方面都可與真實(shí)大腦相媲美的電路。研究小組成員基爾克莫·因迪韋里表示：“我們的目標(biāo)是直接在微芯片上模擬生物神經(jīng)元和突觸的屬性?！?/span>

做到這一點(diǎn)面臨的主要挑戰(zhàn)，是配置由人造神經(jīng)元組成的網(wǎng)絡(luò)，讓其能執(zhí)行特定的任務(wù)。研究小組現(xiàn)在已經(jīng)成功地攻克了這一“碉堡”，他們研發(fā)出一種被稱為“神經(jīng)形態(tài)芯片”(neuromorphic chips)的裝置，能夠?qū)崟r(shí)執(zhí)行復(fù)雜的感覺運(yùn)動(dòng)任務(wù)，并借助這一裝置，演示了一個(gè)需要短期記憶力和依賴語境的決策能力的任務(wù)，這是認(rèn)知測試所必需的典型特征。

研究小組把神經(jīng)形態(tài)神經(jīng)元與利用神經(jīng)處理模塊——相當(dāng)于所謂“有限自動(dòng)機(jī)”的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。有限自動(dòng)機(jī)是一個(gè)用來描述邏輯過程和計(jì)算機(jī)程序的數(shù)學(xué)概念。行為可以表示為有限自動(dòng)機(jī)，由此以自動(dòng)化的方式轉(zhuǎn)給神經(jīng)形態(tài)硬件。因迪韋里說：“網(wǎng)絡(luò)連接模式非常類似于在大腦中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)?！?/span>

由于神經(jīng)形態(tài)芯片可以實(shí)時(shí)處理輸入的信息并作出回應(yīng)，有關(guān)專家認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)將有望走向?qū)嵱没?，從而允許機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中，在不受人類遠(yuǎn)程遙控的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)。

這項(xiàng)技術(shù)的采用還將有望在未來讓計(jì)算機(jī)能夠在有部件損壞的情況下繼續(xù)運(yùn)作，就像人類的大腦那樣，每天損失數(shù)以百萬計(jì)的腦細(xì)胞，但是其整體的思維能力卻仍然繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

歐盟、美國和瑞士目前正在緊鑼密鼓地研制模擬大腦處理信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，希望通過模擬生物神經(jīng)元復(fù)制人工智能系統(tǒng)。這種新型計(jì)算機(jī)的“大腦芯片”迥異于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的“大腦芯片”。它能運(yùn)用類似人腦的神經(jīng)計(jì)算法，低能耗和容錯(cuò)性強(qiáng)是其最大優(yōu)點(diǎn)，較之傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)，它的智能性會(huì)更強(qiáng)，在認(rèn)知學(xué)習(xí)、自動(dòng)組織、對(duì)模糊信息的綜合處理等方面也將前進(jìn)一大步。

不過也有人表示了擔(dān)憂：裝上這種芯片的機(jī)器人將來是否會(huì)在智能上超越人類，甚至?xí)?duì)人類造成威脅？

不少科學(xué)家認(rèn)為，這類擔(dān)心是完全沒有必要的。就智能而言，目前機(jī)器人的智商相當(dāng)于4歲兒童的智商，而機(jī)器人的“常識(shí)”比起正常成年人就差得更遠(yuǎn)了。美國科學(xué)家羅伯特·斯隆日前說：“我們距離能夠以8歲兒童的能力回答復(fù)雜問題的、具有常識(shí)的人工智能程序仍然很遙遠(yuǎn)?！比毡究茖W(xué)家廣瀨茂男也認(rèn)為：即使機(jī)器人將來具有常識(shí)并能進(jìn)行自我復(fù)制，也不可能對(duì)人類造成威脅。值得一提的是，中國科學(xué)家周海中在1990年發(fā)表的《論機(jī)器人》一文中指出：機(jī)器人并非無所不能；它在工作強(qiáng)度、運(yùn)算速度和記憶功能方面可以超越人類，但在意識(shí)、推理等方面不可能超越人類。另外，機(jī)器人會(huì)越來越“聰明”，但只能按照制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)，服務(wù)人類、造福人類。

生物芯片

檢測基因表達(dá)

與PCR技術(shù)一樣，芯片技術(shù)已經(jīng)開展和將要開展的應(yīng)用領(lǐng)域非常的廣泛。生物芯片的第一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是檢測基因表達(dá)。但是將生物分子有序地放在芯片上檢測生化標(biāo)本的策略是具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，除了基因表達(dá)分析外，雜交為基礎(chǔ)的分析已用于基因突變的檢測、多態(tài)性分析、基因作圖、進(jìn)化研究和其它方面的應(yīng)用，微陣列分析還可用于檢測蛋白質(zhì)與核酸、小分子物質(zhì)及與其它蛋白質(zhì)的結(jié)合，但這些領(lǐng)域的應(yīng)用仍待發(fā)展。對(duì)基因組DNA進(jìn)行雜交分析可以檢測DNA編碼區(qū)和非編碼區(qū)單個(gè)堿基改變、卻失和插入，DNA雜交分析還可用于對(duì)DNA進(jìn)行定量，這對(duì)檢測基因拷貝數(shù)和染色體的倍性是很重要的。

用于DNA分析的樣品可從總基因組DNA或克隆片段中獲得，通過酶的催化摻入帶熒光的核苷酸，也可通過與熒光標(biāo)記的引物配對(duì)進(jìn)行PCR擴(kuò)增獲得熒光標(biāo)記DNA樣品，從DNA轉(zhuǎn)錄的RNA可用于檢測克隆的DNA片段，RNA探針常從克隆的DNA中獲得，利用RNA聚合酶摻入帶熒光的核苷酸。

對(duì)RNA進(jìn)行雜交分析可以檢測樣品中的基因是否表達(dá)，表達(dá)水平如何。在基因表達(dá)檢測應(yīng)用中，熒光標(biāo)記的探針常常是通過反轉(zhuǎn)錄酶催化cDNA合成RNA，在這一過程中摻入熒光標(biāo)記的核苷酸。用于檢測基因表達(dá)的RNA探針還可通過RNA聚合酶線性擴(kuò)增克隆的cDNA獲得。在cDNA芯片的雜交實(shí)驗(yàn)中，雜交溫度足以除DNA中的二級(jí)結(jié)構(gòu)，完整的單鏈分子（300-3000nt）的混合物可以提供很強(qiáng)的雜交信號(hào)。對(duì)寡核苷酸芯片，雜交溫度通常較低，強(qiáng)烈的雜交通常需要探針混合物中的分子降為較短的片段（50-100nt），用化學(xué)和酶學(xué)的方法可以改變核苷酸的大小。

蛋白功能

不同于DNA和RNA分析，利用生物芯片進(jìn)行蛋白質(zhì)功能的研究仍有許多困難需要克服，其中一個(gè)難點(diǎn)就是由于許多蛋白質(zhì)間的相互作用是發(fā)生在折疊的具有三維結(jié)構(gòu)的多肽表面，不像核酸雜交反應(yīng)只發(fā)生在線性序列間。芯片分析中對(duì)折疊蛋白質(zhì)的需要仍難達(dá)到，有以下幾個(gè)原因：第一，芯片制備中所用的方法必需仍能保持蛋白質(zhì)靈敏的折疊性質(zhì)，而芯片制備中所有的化學(xué)試劑、熱處理、干燥等均將影響到芯片上蛋白質(zhì)的性質(zhì)；第二，折疊蛋白質(zhì)間的相互作用對(duì)序列的依賴性更理強(qiáng)，序列依賴性使得反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和分析定量復(fù)雜化；第三，高質(zhì)量的熒光標(biāo)記蛋白質(zhì)探針的制備仍待進(jìn)一步研究。這些原因加上其它的問題減慢了蛋白質(zhì)芯片檢測技術(shù)的研究。

自從1991年Fodor等人[1]提出DNA芯片的概念后，DNA芯片為代表的生物芯片技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，如今已有多種不同功用的芯片問世，而且，有的已經(jīng)在生命科學(xué)研究中開始發(fā)揮重要作用。所謂的生物芯片即應(yīng)用于生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中作用類似于計(jì)算機(jī)芯片的器件.其加工制作采用了像集成電路制作過程中半導(dǎo)體光刻加工那樣的縮微技術(shù)，將生命科學(xué)中許多不連續(xù)的過程如樣品制備、化學(xué)反應(yīng)和檢測等步驟移植到芯片中并使其連續(xù)化和微型化，這與當(dāng)年將數(shù)間房屋大小的分離元件計(jì)算機(jī)縮微到現(xiàn)在只有書本大小的筆記本計(jì)算機(jī)有異曲同工之效。這種基于微加工技術(shù)發(fā)展起來的生物芯片，可以把成千上萬乃至幾十萬個(gè)生命信息集成在一個(gè)很小的芯片上，對(duì)基因、抗原和活體細(xì)胞等進(jìn)行測試分析，用這些生物芯片所制作的各種不同用途的生化分析儀和傳統(tǒng)儀器相比較具有體積小、重量輕、成本低、便于攜帶、防污染、分析過程自動(dòng)化、分析速度快、所需樣品和試劑少等諸多優(yōu)點(diǎn).生物芯片已不再局限于基因序列測定和功能分析這樣的應(yīng)用，新派生的一批技術(shù)包括：芯片免疫分析技術(shù)、芯片核酸擴(kuò)增技術(shù)、芯片精蟲選擇和體外受精技術(shù)，芯片細(xì)胞分析技術(shù)和采用芯片作平臺(tái)的高通量藥物篩選技術(shù)[14]等。這類儀器的出現(xiàn)將為生命科學(xué)研究、疾病診斷和治療、新藥開發(fā)、生物武器戰(zhàn)爭、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、航空航天等領(lǐng)域帶來一場革命.因此，美國總統(tǒng)克林頓在1998年1月的國情咨文演講中指出：“在未來的12年內(nèi)，基因芯片將為我們一生中的疾病預(yù)防指點(diǎn)迷津”。另外，美國商界權(quán)威刊物Fortune對(duì)此作了如下闡述： “微處理器在本世紀(jì)使我們的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本改變，給人類帶來了巨大的財(cái)富，改變了我們的生活方式.然而，生物芯片給人類帶來的影響可能會(huì)更大，它可能從根本上改變醫(yī)學(xué)行為和我們的生活質(zhì)量，從而改變世界的面貌”。由于生物芯片技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，美國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)于1998年底將生物芯片評(píng)為1998年的十大科技突破之一.如今，生物芯片已被公認(rèn)將會(huì)給下個(gè)世紀(jì)的生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究帶來一場革命，并已成為各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所矚目并研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

研究方向

本世紀(jì)50，60年代以來，微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展使其相關(guān)領(lǐng)域也取得了長足的進(jìn)展，出現(xiàn)了一些新的研究方向，如微機(jī)電系統(tǒng)、微光學(xué)器件、微分析系統(tǒng)等.這些技術(shù)在生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也得到了較廣泛的應(yīng)用，各種生物傳感器和微型分析儀器相繼出現(xiàn)，如芯片毛細(xì)管電泳儀，氣體傳感器及用于觀察單個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞生長情況的儀器等。1991年Affymax公司Fodor領(lǐng)導(dǎo)的小組對(duì)原位合成制備的DNA芯片作了首次報(bào)道[1].他們利用光刻技術(shù)與光化學(xué)合成技術(shù)相結(jié)合制作了檢測多肽和寡聚核苷酸的微陣列（microarray）芯片。用該方法制作的DNA芯片可用于藥理基因組學(xué)研究與基因重復(fù)測序工作.這一突破性的進(jìn)展使生物芯片技術(shù)在世界范圍內(nèi)開始得到重視。隨著近些年來各種技術(shù)的進(jìn)步，生物芯片的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，科學(xué)家們采用微電子工業(yè)及其他相關(guān)行業(yè)的各種微加工技術(shù)在硅、玻璃、塑料等基質(zhì)上加工制作了各種生物芯片.美國依靠其強(qiáng)大的科技能力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，在該領(lǐng)域的研究開發(fā)中處于領(lǐng)先位置，先后已有幾十家生物芯片公司成立，開發(fā)出了近20種生物芯片，部分已投入研究應(yīng)用。在DNA芯片的研究過程中，很多公司都開發(fā)了具有自身特色的技術(shù).最早涉足該領(lǐng)域的Affymetrix公司已開發(fā)了多種基因芯片，部分芯片已投入商業(yè)應(yīng)用，如用于檢測HIV基因與p53腫瘤基因突變的芯片，還有用于研究藥物新陳代謝時(shí)基因變化的細(xì)胞色素p450芯片。Hyseq公司開發(fā)的薄膜測序芯片采用的方法不是在未知序列的DNA片段上做熒光標(biāo)記，而是在已知序列的探針上做標(biāo)記，每次用不同的探針去與未知序列的DNA片段雜交，通過檢測熒光得知雜交的結(jié)果，最后利用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，組合出待測DNA片段的序列.Synteni公司（現(xiàn)已為Incyte Pharmaceutical并購）研究了一種用玻璃作載體的DNA芯片，利用兩種不同的熒光標(biāo)記物，可同時(shí)在芯片上檢測正常的信使RNA與受疾病或藥物影響后的信使RNA的表達(dá)情況。Nanogen公司采用電場以主動(dòng)出擊的方式來操縱芯片上的DNA片段進(jìn)行雜交，使其系統(tǒng)的反應(yīng)速度比一般的讓DNA隨機(jī)擴(kuò)散尋找固化雜交探針的被動(dòng)式檢測更快，使檢測時(shí)間可減少到幾十或幾百分之一.Clinical Micro Sensors（CMS）公司正在開發(fā)一種非熒光檢測芯片，利用電信號(hào)來確定DNA雜交中有無失配的情況。除了上述公司外，美國一些著名大學(xué)如斯坦福大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室等一些大學(xué)和國家實(shí)驗(yàn)室也在進(jìn)行生物芯片的研究.歐洲一些國家的公司和大學(xué)同樣也已涉足該領(lǐng)域并取得了明顯的成就，日本有幾家公司報(bào)道了他們的研究結(jié)果。

國內(nèi)研究

我國的清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、東南大學(xué)、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院和中國科學(xué)院等機(jī)構(gòu)也開始了這方面的研究工作，如果各方面重視、組織得當(dāng)、加大資金投入力度、重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，相信不久的將來在該領(lǐng)域中我國也會(huì)占有一席之地.

芯片制作使用

芯片制備

生物芯片的制備主要依賴于微細(xì)加工、自動(dòng)化及化學(xué)合成技術(shù)。根據(jù)不同的使用要求，可以采用微加工技術(shù)在芯片的基底材料上加工出各種微細(xì)結(jié)構(gòu)，然后再施加必要的生物化學(xué)物質(zhì)并進(jìn)行表面處理。而更為簡單的芯片制備如DNA芯片的制備，則是在基底上利用自動(dòng)化或化學(xué)合成方法直接施加或合成必要的生物化學(xué)物質(zhì)，對(duì)基底材料并不做任何微細(xì)加工。通常比較典型的DNA芯片制備方法有4種。第1種是Affymetrix公司開發(fā)的光引導(dǎo)原位合成法。該方法是微加工技術(shù)中光刻工藝與光化學(xué)合成法相結(jié)合的產(chǎn)物[17]。第2種方法是Incyte Pharmaceutical公司采用的化學(xué)噴射法。該方法是將合成好的寡核苷酸探針定點(diǎn)噴射到芯片上并加以固定化來制作DNA芯片。第3種方法是斯坦福大學(xué)研制的接觸式點(diǎn)涂法，在DNA芯片制備中通過高速精密機(jī)械手的精確移動(dòng)讓移液頭與玻璃芯片接觸而將DNA探針涂敷在芯片上[18]。第4種方法是通過使用4支分別裝有A，T，G，C核苷的壓電噴頭在芯片上并行合成出DNA探針[19]。不管何種方法，目的都是希望能快速、準(zhǔn)確地將探針放置到芯片上的指定位置上。

核酸樣品

分離和純化核酸樣品并不是一件容易的工作，它包括了細(xì)胞分離、破胞、脫蛋白、提取DNA等多方面的工作.在細(xì)胞分離方法上較突出的有過濾分離（如賓夕法尼亞大學(xué)研究小組開發(fā)的橫壩式過濾芯片[20]）和介電電泳分離（利用施加在芯片上的高頻非均勻電場在不同的細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)出偶電極，導(dǎo)致細(xì)胞受不同的介電力作用，從而把它們從樣品中分離出來[21，22]）等。

生化反應(yīng)

因?yàn)樗脵z測儀器的靈敏度還不夠高，因此從血液或活體組織中提取的DNA在標(biāo)記和應(yīng)用前都需要擴(kuò)增復(fù)制.例如，在對(duì)一個(gè)腫瘤的活體解剖樣品進(jìn)行檢測時(shí)，需要在幾千個(gè)正常基因中找到一個(gè)異常的癌基因，很顯然這需要對(duì)樣品DNA進(jìn)行必要和特有的復(fù)制才易于檢測。芯片中的核酸擴(kuò)增研究已有了很大的進(jìn)展，在芯片中進(jìn)行PCR獲得成功的有賓夕法尼亞大學(xué)研究小組[23]、美國加州Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室[24]、Perkin-Elmer公司[25]和倫敦帝國理工大學(xué)[26].賓夕法尼亞大學(xué)研究小組所做的擴(kuò)增反應(yīng)是在硅-玻璃芯片中進(jìn)行的，芯片的外部加熱和冷卻采用的是計(jì)算機(jī)控制的Peltier電熱器。他們成功地在硅-玻璃芯片中完成了一系列不同的核酸擴(kuò)增反應(yīng)，例如RT-PCR，LCR，多重PCR和DOP-PCR.Lawrence Livermore國家實(shí)驗(yàn)室加工的硅芯片采用了芯片內(nèi)置式薄膜多晶硅加熱套，使其升降溫的速度可以得到極大的提高。Perkin-Elmer公司的PCR反應(yīng)則是在塑料芯片上完成的.倫敦帝國理工大學(xué)Manz領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制了一種樣品可在不同溫度的恒溫區(qū)間內(nèi)連續(xù)流動(dòng)的PCR芯片。

PCR的不足

普通的PCR有一定的不足之處，如難以實(shí)現(xiàn)多重?cái)U(kuò)增以及在PCR過程中存在競爭等.Mosaic Technologies公司的研究人員研究出了固相PCR系統(tǒng)，他們將兩個(gè)引物固化在丙烯酰胺薄膜上，并讓其與DNA模板和PCR試劑接觸，這樣便可在固相表面進(jìn)行PCR反應(yīng)。擴(kuò)增時(shí)所合成的DNA會(huì)在引物間形成橋，從而避免了競爭問題.該系統(tǒng)還處于研究階段。在核酸樣品制備中另一個(gè)革新的方法是Lynx Therapeutics公司研究的大規(guī)模并行固相克隆，該方法可以同時(shí)在樣品中克隆出成百上千個(gè)單獨(dú)的DNA片段.

檢測方法

常用的芯片檢測方法有芯片毛細(xì)管電泳分離檢測和親和結(jié)合分析。芯片毛細(xì)管電泳是1983年由Dupont公司的Pace開發(fā)出來的.隨后，瑞士的Ciba Geigy公司和加拿大的Alberta大學(xué)合作利用玻璃芯片毛細(xì)管電泳完成了對(duì)寡核苷酸的分離[27].首次用芯片毛細(xì)管陣列電泳檢測DNA突變和對(duì)DNA進(jìn)行測序工作的是由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Mathies領(lǐng)導(dǎo)的研究小組完成的[28].通過在芯片上加上高壓直流電，他們在近2 min的時(shí)間內(nèi)便完成了從118～1 353 bp的多條DNA片段的快速分離。賓夕法尼亞大學(xué)Wilding的小組與Ramsey的小組一道用芯片毛細(xì)管電泳對(duì)芯片中通過多重?cái)U(kuò)增得到的用于Duchenne-Becker肌萎縮診斷的若干DNA片段進(jìn)行分離也獲得了成功[29].其他用芯片毛細(xì)管電泳檢測突變的外國公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)有Perkin-Elmer公司、Caliper Technologies公司、Aclara Biosciences公司和麻省理工學(xué)院等。

親和結(jié)合

對(duì)DNA芯片而言，親和結(jié)合分析主要是通過核酸之間的雜交結(jié)合來進(jìn)行的.雜交的復(fù)雜程度取決于芯片上探針的長度和被測DNA片段的長度以及DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度。利用雜交可進(jìn)行雜交重復(fù)測序[30，31]、DNA突變檢測[31，32]和基因表達(dá)分析[33].雜交重復(fù)測序的過程是：將含有與探針序列互補(bǔ)的單鏈DNA與其他DNA的混合物置于芯片上，固化的探針就會(huì)通過與其序列互補(bǔ)的DNA片段雜交而將其從很復(fù)雜的混合樣品中識(shí)別出來，通過使用帶有計(jì)算機(jī)的熒光檢測系統(tǒng)對(duì)芯片上檢測出來的DNA樣品所發(fā)出的熒光強(qiáng)弱及各探針的已知序列進(jìn)行分析、對(duì)照和組合就可以得知樣品DNA所含的堿基序列。1996年Science對(duì)應(yīng)用芯片雜交技術(shù)進(jìn)行雜交重復(fù)測序作了報(bào)道，Chee等人[30]在一塊固化有135 000個(gè)寡聚核苷酸探針（每個(gè)探針長度為25個(gè)核苷）的硅芯片上對(duì)長度為16.6 kb的整個(gè)人線粒體DNA進(jìn)行了序列測定。每組探針之間的間隔為35 μm，重復(fù)測序精度為99%；此外通過對(duì)11個(gè)非洲人個(gè)體樣品斑點(diǎn)進(jìn)行分析，他們發(fā)現(xiàn)在這些樣品中的線粒體DNA中所存在的突變多態(tài)性達(dá)505個(gè).用生物芯片從事雜交測序的美國公司現(xiàn)有Affymetrix和Hyseq兩家，Affymetrix還開發(fā)了一套系統(tǒng)（gene chip bioinformation system），將芯片測序與生物信息學(xué)聯(lián)系在一起，測序結(jié)果直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫做下一步的分析。利用雜交分析DNA的一個(gè)重要應(yīng)用是進(jìn)行DNA突變檢測，例如Hacia等人[32]采用由96 000個(gè)寡核苷酸探針?biāo)M成的雜交芯片，完成了對(duì)遺傳性乳腺癌和卵巢腫瘤基因BRCA1中外顯子上的24個(gè)異合突變點(diǎn)(單核苷突變多態(tài)性)的檢測.他們通過引入?yún)⒄招盘?hào)和被檢測信號(hào)之間的色差分析使得雜交的特異性和檢測靈敏度獲得了提高。用生物芯片做雜交突變檢測的美國公司有Beckman，Abbot Laboratory，Affymetrix，Nanogen，Sarnoff，Genometrix，Vysis，Hyseq，Molecular Dynamics等；英美學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)有賓夕法尼亞大學(xué)，牛津大學(xué)，Naval Research，Whitehead Institute for Biomedical Research，Argonne國家實(shí)驗(yàn)室等.利用芯片雜交對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行分析研究是DNA芯片的另一個(gè)主要用途。一般來說，對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行研究需要相對(duì)較長的雜交時(shí)間，不需要準(zhǔn)確地測序，而主要是了解基因中獨(dú)特的Motifs結(jié)構(gòu).基因表達(dá)的分析研究給疾病診斷和藥物篩選帶來了巨大的沖擊。Lockhart等人[34]采用固化有65 000個(gè)不同序列探針（長度為20個(gè)核苷）的芯片，定量地分析了一個(gè)小鼠T細(xì)胞中整個(gè)RNA群體中21個(gè)各不相同的信使RNA，這些專門設(shè)計(jì)的探針能與114個(gè)已知的小鼠基因雜交.分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在誘發(fā)細(xì)胞分裂后另外20個(gè)信使RNA的表達(dá)也發(fā)生了改變。檢測結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)RNA的檢出率為1:300 000，對(duì)信使RNA的定量基準(zhǔn)為1:300.DeRisi等人[35]將一個(gè)惡性腫瘤細(xì)胞線中得到的1 161個(gè)不同的cDNA探針通過機(jī)械手“刷印”到載玻片上以觀察癌基因的表達(dá)情況。在比較兩個(gè)標(biāo)有不同熒光標(biāo)記的細(xì)胞信使RNA群的雜交結(jié)果之后，他們對(duì)引入正常人染色體后腫瘤基因受到抑制的細(xì)胞中的基因表達(dá)結(jié)果進(jìn)行了分析.微陣列芯片不僅在基因分析上獲得成功，研究人員更是將該技術(shù)與其他相關(guān)領(lǐng)域相結(jié)合，使得微陣列技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛[36，37].

結(jié)果

對(duì)基因芯片的制作者和用戶來說，在芯片上從事雜交所獲得的結(jié)果并不是很完美的，存在著一些問題。首先，陣列上的雜交不是一個(gè)簡單的液相反應(yīng)，而是液-固反應(yīng)，使得DNA鏈并不能在完全游離的情況下自然地雜交結(jié)合在一起；而且DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致失真的雜交結(jié)果（鏈內(nèi)雜交問題）.針對(duì)后一個(gè)問題，人們又研究出通過使用peptide nucleic acids（PNA）探針來解決鏈內(nèi)雜交問題的新方案。在PNA-DNA雜交過程中，用PNA制作的探針比用DNA作的探針更容易接近DNA的目標(biāo)序列.相比之下，PNA-DNA雜交結(jié)構(gòu)比DNA-DNA雜交結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，所以對(duì)錯(cuò)配也就更易檢測。讓DNA在芯片表面富集是提高在芯片上DNA并行雜交速度的一個(gè)措施之一.Nanogen公司所開發(fā)的主動(dòng)式電子生物芯片，可以使被檢測的DNA/RNA分子以很快的速度接近被固化的DNA探針，從而使雜交速度得到極大的提高。

信息采集

大多數(shù)的DNA芯片分析采用的是熒光檢測.熒光檢測重復(fù)性好是研究人員廣泛使用的一種方法。除此之外，還有飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、光波導(dǎo)、二極管陣列檢測、直接電量變化檢測等.例如，美國Sequenom公司采用光敏連接技術(shù)，將探針通過光敏基團(tuán)連接在芯片上。當(dāng)雜交結(jié)束后，利用激光切割釋放寡聚核苷酸并用飛行時(shí)間質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測.該公司只能對(duì)較短的DNA片段進(jìn)行分析，最終是否能實(shí)現(xiàn)對(duì)長序列DNA做分析還有待進(jìn)一步努力。威斯康星大學(xué)的Smith等人也用PNA探針和飛行時(shí)間質(zhì)譜儀分析了人體內(nèi)酪氨酸酶基因的多態(tài)位點(diǎn).不管是何種檢測系統(tǒng)，都需要利用一些必要的儀器與軟件，如掃描共聚焦顯微鏡可以在微米級(jí)的分辨率下檢測芯片表面數(shù)以千計(jì)的探針雜交結(jié)果，很多公司也為芯片的分析開發(fā)了相應(yīng)的軟件，以便快速地對(duì)雜交數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。除了上述通過雜交獲得分析結(jié)果的微小陣列芯片以外，還有其他多種具有不同微結(jié)構(gòu)（如微通道、反應(yīng)腔、過濾器等等）的芯片正在研制和開發(fā)中，這些芯片的大小一般為1 cm2.生物芯片的研究在80年代就已開始，如杜邦公司研究的芯片毛細(xì)管電泳技術(shù)。已開發(fā)的生物芯片種類越來越多，如毛細(xì)管電泳芯片、細(xì)胞分離芯片、免疫芯片、質(zhì)譜分析芯片、核酸擴(kuò)增芯片等，所有這些芯片的研究與開發(fā)為以后分析儀器的微型化和縮微芯片實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ).

發(fā)展方向

與微加工技術(shù)朝納米尺度發(fā)展一樣，某些種類的生物芯片的研究也正在朝向納米量級(jí)發(fā)展。研究人員發(fā)現(xiàn)一些天然分子或分子的生物自組裝能力完全可以用于制作納米器件.例如，用膠原質(zhì)做導(dǎo)線，抗體做夾子，DNA做存儲(chǔ)器，膜蛋白做泵等等。雖然尚無成功的納米芯片出現(xiàn).人們利用分子的自組裝特性制作了一些結(jié)構(gòu)，如直徑為0.5 μm、長30 μm的脂質(zhì)管；直徑0.7 μm的圓形多肽納米管和顯微分子齒輪等。這些利用分子來設(shè)計(jì)和裝配儀器零件類似物的研究，為納米芯片的開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ).

全集成

對(duì)生物芯片研究人員來說，最終的研究目標(biāo)是對(duì)分析的全過程實(shí)現(xiàn)全集成，即制造微型全分析系統(tǒng)（micro total analytical systems）或縮微芯片實(shí)驗(yàn)室（laboratory-on-a-chip）。在芯片的功能集成方面，已有了一批成果.首先，美國Nanogen公司、Affymetrix公司、賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院和密西根大學(xué)的科學(xué)家們通過利用在芯片上制作出的加熱器、閥門、泵、微量分析器、電化學(xué)檢測器或光電子學(xué)檢測器等，將樣品制備、化學(xué)反應(yīng)和檢測3部分作了部分集成，并在此基礎(chǔ)上先后制作出了結(jié)構(gòu)不同的縮微芯片實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)[38].例如，Nanogen公司的科學(xué)家采用生物電子芯片在較短時(shí)間內(nèi)先通過施加高頻交流電場把微生物從人的血樣中分離出來，然后用電脈沖進(jìn)行破胞處理，最后對(duì)破胞后所得的脫氧核糖核酸進(jìn)行片段化和雜交檢測。該實(shí)驗(yàn)的成功是生物芯片研究領(lǐng)域的一大突破，它向人們展示了用生物芯片制作縮微實(shí)驗(yàn)室的可能性.

重要價(jià)值

生物芯片技術(shù)另外一個(gè)重要、且具有很強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值的發(fā)展方向就是為新藥的開發(fā)提供高通量乃至超高通量篩選的技術(shù)平臺(tái)[14].該項(xiàng)技術(shù)是將生物芯片技術(shù)所具有的高集成度與組合化學(xué)技術(shù)、受體結(jié)合分析及機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)等相結(jié)合而產(chǎn)生的。組合化學(xué)是利用高分子載體快速同步合成先導(dǎo)物的類似物和衍生物的一種化學(xué)方法，它使過去的衍生物個(gè)體化合成方式發(fā)展成以串聯(lián)和并聯(lián)方式同步合成數(shù)以千計(jì)乃至數(shù)萬個(gè)化合物的組合合成方式.反應(yīng)后先對(duì)混合物進(jìn)行分組篩選，然后根據(jù)生物活性再?zèng)Q定是否對(duì)個(gè)別化合物進(jìn)行分離純化。這種根據(jù)母體化合物結(jié)構(gòu)快速合成化合物群體，其結(jié)構(gòu)范圍又可以預(yù)測的方法能很快建立起龐大的化學(xué)衍生物庫，使得先導(dǎo)化合物的化學(xué)修飾進(jìn)程得以大大加快.利用生物芯片技術(shù)還能對(duì)天然植物成分進(jìn)行篩選和分析，這在中藥的現(xiàn)代化發(fā)展中非常有用。生物芯片技術(shù)的介入及相關(guān)的微量液體分配技術(shù)[39]及各種檢測技術(shù)的采用，將使新藥的研究與開發(fā)在技術(shù)上有一個(gè)較大的突破[40]，從而加速新藥篩選市場的開發(fā)，已有多家公司正在從事這類研究與開發(fā)工作.

研究展望

生物芯片技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)，它涉及生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、精密加工、光學(xué)、微電子技術(shù)，信息等領(lǐng)域，是一個(gè)學(xué)科交叉性很強(qiáng)的研究項(xiàng)目。雖然生物芯片的研究已有了巨大的發(fā)展，但一些相關(guān)技術(shù)如檢測技術(shù)的發(fā)展制約了生物芯片技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展.這是因?yàn)殡S著芯片集成度的提高，所用反應(yīng)物量的減少，其產(chǎn)生的信號(hào)也越來越微弱，因而，對(duì)高精度檢測器的要求迫在眉睫。此外，微加工技術(shù)、芯片的封裝和保存等也是在生物芯片的研發(fā)中應(yīng)注重的方面.經(jīng)過近十多年的不懈努力，生物芯片技術(shù)已開始從不成熟逐步走向成熟，并已開始給生命科學(xué)研究的許多領(lǐng)域開始帶來沖擊甚至是革命。2013年1月Nature Genetics出了一期關(guān)于微陣列芯片技術(shù)的增刊，全面介紹了該技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及幾個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域，如重復(fù)測序和突變檢測、基因表達(dá)分析、新藥開發(fā)、生物信息學(xué)、群體遺傳學(xué)研究等.由此我們可以看出微陣列芯片技術(shù)的重要性。對(duì)于生物芯片而言，微陣列芯片才只是其中一種檢測芯片，與其并級(jí)的還有其他多種具有不同功能的芯片.單是其中一種技術(shù)就有如此重大的影響力，對(duì)生物芯片技術(shù)來說，它所能帶來的重大意義和深遠(yuǎn)影響將是不可估量的。從樣品的制備、化學(xué)反應(yīng)到檢測這三部分的分部集成已實(shí)現(xiàn)，全集成已初見端倪.到21世紀(jì)生物芯片市場的銷售將達(dá)百億美元以上，所以世界各國的公司、研究機(jī)構(gòu)都在積極地進(jìn)行研究、申請專利、開發(fā)新產(chǎn)品，爭取早日登陸市場。較早涉足該領(lǐng)域的以美國為首的英、加、荷、德、日等幾個(gè)國家已經(jīng)取得了令人眩目的成就.面對(duì)這樣的情況，我國應(yīng)及早投入一定的財(cái)力、人力和物力，爭取在該領(lǐng)域中占有一席之地，避免出現(xiàn)在很多高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中那樣技術(shù)幾乎全被外國人壟斷的局面。爭取在基因和蛋白質(zhì)表達(dá)芯片，微縮芯片實(shí)驗(yàn)室和超高通量藥物篩選等方面有自己獨(dú)到的創(chuàng)新和作為.