導語：如何才能寫好一篇光刻技術的基本原理，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：微電子技術 電子束 光刻 前途

中圖分類號：TN305 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0072-01

光刻是現(xiàn)代集成電路制造的基礎工藝技術，也是最關鍵、最核心的加工技術。它就像洗相片一樣，將電路圖形投影到底片（硅芯片）上，然后刻蝕加工出電路、元器件。制造一片集成電路，要經過200～300多道工序，其中要經過多次光刻，占用總加工時間的40%～50%，光刻工藝的水準直接決定了一國電子技術的水平。

現(xiàn)代微電子技術的發(fā)展基本遵循摩爾定律，也就是說：每18個月左右，集成電路元器件的特征尺寸要縮小1/2，集成密度要增加一倍。西方發(fā)達國家把微電子技術作為一項戰(zhàn)略產業(yè)，對發(fā)展中國家嚴格實行技術封鎖限制。像美國國會就規(guī)定，賣給中國的集成電路關鍵加工設備要比美國的水平低2代。今天，INTEL（英特爾）公司已經可以投產元器件尺寸為10 nm左右的集成電路，而我國相應的水平只有40 nm，加工水平相差2代（即20 nm、10 nm）。

我國已經在過去數(shù)個五年計劃中將微電子技術列為高技術重點工程，在一些方面取得了一定進展。這其中光刻加工設備一直是重點中的重點。目前，國際上采用的主流工藝是光學光刻。光學光刻的光源從波長較長的紅外線一直發(fā)展到了今天的紫外線，但是光學光刻正在日益接近其物理極限，也就是說再往小的加工，就會遇到原理性的障礙，而無法進行下去。各工業(yè)強國都在加緊開發(fā)下一代光刻工藝，主要的技術方法有：x射線光刻、深紫外線投影光刻、電子束光刻、離子束光刻等。在各種方案中，電子束光刻以其特有的魅力，成為大有前途的下一代加工技術。

所謂電子束光刻，就是用電子源發(fā)出電子束，經過掩膜和電子透鏡，將圖案投射到硅片上，從而形成電子線路的工藝技術。電子束加工技術是近30年來發(fā)展起來的一門新興技術，它集電子光學、精密機械、超高真空、計算機自動控制等近代高新技術于一體，是推動微電子技術和微細加工技術進一步發(fā)展的關鍵技術之一，因而已經成為一個國家整體技術水平的象征。電子束曝光技術廣泛地應用于高精度掩膜、新一代集成電路研制及新器件、新結構的研究與加工等方面。目前，世界各國都投入了大量人力、物力、財力進行電子束微細加工技術研究。20世紀90年代以來，美、日的一些研究部門采用電子束曝光技術，已經制造出高精度納米級掩膜和器件。電子束光刻也是研究新一代量子器件的有力工具。

電子束光刻中使用的曝光機一般有兩種類型：直寫式與投影式。直寫式就是直接將會聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的芯片上，不需要光學光刻工藝中最昂貴和制備費時的掩膜；投影式則是通過高精度的透鏡系統(tǒng)將電子束通過掩膜圖形平行地縮小投影到表面涂有光刻膠的襯底上。一般直寫式曝光機主要使用的是熱場發(fā)射源（表面鍍ZrO的鎢金屬針尖），工作溫度在1800K，和冷場發(fā)射源相比可以有效地防止針尖的污染并提供穩(wěn)定的光源。電子源發(fā)射出來的電子束的聚焦和偏轉是在鏡筒中完成的。鏡筒通常包含有光闌、電子透鏡、擋板、像散校正器和法拉第電流測量筒等裝置。光闌的作用主要是設定電子束的會聚角和電子束電流。電子透鏡的作用是通過靜電力或是磁力改變電子束的運動。電子透鏡類似光學透鏡，也存在球差和色差（當外圈電子會聚比內圈電子強時就形成了球差，而當能量有微小差異的電子聚焦在不同平面上時就形成了色差），從而限制了束斑的大小和會聚角的范圍。像散校正器可以補償不同方位角電子束的像差。擋板的作用是開啟或關閉電子束。結合刻蝕和沉積工藝，利用直寫式曝光技術可以制備20 nm甚至更細的圖形，最小尺寸達10 nm的原理型納米電子器件也已經制備出來。由于直寫式曝光技術所具有的超高分辨率，無需昂貴的投影光學系統(tǒng)和費時的掩膜制備過程，它在微納加工方面有著巨大的優(yōu)勢。但由于直寫式的曝光過程是將電子束斑在表面逐點掃描，每一個圖形的像素點上需要停留一定的時間，這限制了圖形曝光的速度。直寫式電子束光刻在產能上的瓶頸使得它在微電子工業(yè)中一般只作為一種輔助技術而存在，主要應用于掩膜制備、原型化、小批量器件的制備和研發(fā)。但直寫式電子束曝光系統(tǒng)在納米物性測量、原型量子器件和納米器件的制備等科研應用方面已顯示出重要的作用。

投影式曝光機是指將大束的電子束，照射到掩膜上，然后通過掩膜上的圖案縫隙，將圖案投影到芯片上。這種方法和當前的光學光刻技術是相同的。由于電子束不像光那樣有光學的衍射效應，因此可以將圖案做的很小，大大提高集成度。

這兩種方法各有其優(yōu)缺點，用直寫式加工方法，電子束直接在芯片上掃描，形成圖案，優(yōu)點是省卻了制作復雜、價格昂貴的掩膜，缺點是電子束能量太小，因而要在一個點上投射很長時間，這就限制了加工速度，使其不能在大規(guī)模生產中應用。而用投影式曝光加工方法，需要制備昂貴的掩膜，而且由于電子能量太小，打到任何物質上都會發(fā)生反射、散射等情況，這使得成像效果大打折扣。

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半導體超晶格是指由交替生長兩種半導體材料薄層組成的一維周期性結構.以gaas／alas半導體超晶格的結構為例:在半絕緣gaas襯底上沿[001]方向外延生長500nm左右的gaas薄層,而交替生長厚度為幾埃至幾百埃的alas薄層。這兩者共同構成了一個多層薄膜結構。gaas的晶格常數(shù)為0.56351nm,alas的晶格常數(shù)為0.56622nm。由于alas的禁帶寬度比gaas的大,alas層中的電子和空穴將進入兩邊的gaas層，“落入”gaas材料的導帶底,只要gaas層不是太薄,電子將被約束在導帶底部,且被阱壁不斷反射。換句話說,由于gaas的禁帶寬度小于alas的禁帶寬度,只要gaas層厚度小到量子尺度,那么就如同一口阱在“吸引”著載流子,無論處在其中的載流子的運動路徑怎樣,都必須越過一個勢壘,由于gaas層厚度為量子尺度,我們將這種勢阱稱為量子阱.

當gaas和alas沿z方向交替生長時,圖2描繪了超晶格多層薄膜結構與相應的的周期勢場。其中a表示alas薄層厚度(勢壘寬度),b表示薄層厚度(勢阱寬度)。如果勢壘的寬度較大,使得兩個相鄰勢阱中的電子波函數(shù)互不重疊,那么就此形成的量子阱將是相互獨立的,這就是多量子阱。多量子阱的光學性質與單量子阱的相同,而強度則是單量子阱的線性迭加。另一方面,如果兩個相鄰的量子阱間距很近,那么其中的電子態(tài)將發(fā)生耦合,能級將分裂成帶,并稱之為子能帶。而兩個相鄰的子能帶 之間又存在能隙,稱為子能隙。通過人為控制這些子能隙的寬度與子能帶,使得半導體微結構表現(xiàn)出多種多樣的宏觀性質。 2.2 量子阱器件

量子阱器件的基本結構是兩塊n型gaas附于兩端,而中間有一個薄層,這個薄層的結構由algaas-gaas-algaas的復合形式組成,。 在未加偏壓時,各個區(qū)域的勢能與中間的gaas對應的區(qū)域形成了一個勢阱,故稱為量子阱。電子的運動路徑是從左邊的n型區(qū)(發(fā)射極)進入右邊的n型區(qū)(集電極),中間必須通過algaas層進入量子阱,然后再穿透另一層algaas。 量子阱器件雖然是新近研制成功的器件,但已在很多領域獲得了應用,而且隨著制作水平的提高,它將獲得更加廣泛的應用。 3 量子阱器件的應用 3.1 量子阱紅外探測器

量子阱紅外探測器(qwip)是20世紀90年展起來的高新技術。與其他紅外技術相比,qwip具有響應速度快、探測率與hgcdte探測器相近、探測波長可通過量子阱參數(shù)加以調節(jié)等優(yōu)點。而且,利用mbe和mocvd等先進工藝可生長出高品質、大面積和均勻的量子阱材料,容易做出大面積的探測器陣列。正因為如此,量子阱光探測器,尤其是紅外探測器受到了廣泛關注。

qwip是利用摻雜量子阱的導帶中形成的子帶間躍遷,并將從基態(tài)激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)的電子通過電場作用形成光電流這一物理過程,實現(xiàn)對紅外輻射的探測。通過調節(jié)阱寬、壘寬以及algaas中al組分含量等參數(shù),使量子阱子帶輸運的激發(fā)態(tài)被設計在阱內(束縛態(tài))、阱外(連續(xù)態(tài))或者在勢壘的邊緣或者稍低于勢壘頂(準束縛態(tài)),以便滿足不同的探測需要,獲得最優(yōu)化的探測靈敏度。因此,量子阱結構設計又稱為“能帶工程”是qwip最關鍵的一步。另外,由于探測器只吸收輻射垂直與阱層面的分量,因此光耦合也是qwip的重要組成部分。 3.2 量子阱在光通訊方面的應用

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關鍵詞： 大規(guī)模集成電路 集成電路制造工藝 教學內容

21世紀以來，信息產業(yè)已成為我國國民經濟發(fā)展的支柱產業(yè)之一，同時也是衡量一個國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要指標。超大規(guī)模集成電路技術是信息產業(yè)的重要基礎，而集成電路制造工藝又是超大規(guī)模集成電路的核心技術。因此，對集成電路工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新就成為提高信息產業(yè)綜合實力，增強國家科技競爭力的關鍵所在。近年來，盡管我國微電子技術不斷進步，但與微電子技術發(fā)達的國家相比，仍存在著相當大的差距。因此，要實現(xiàn)由集成電路生產制造大國向集成電路研發(fā)強國的轉變，就迫切需要培養(yǎng)一批高質量的超大規(guī)模集成電路工藝技術人才[1]，這也正是《集成電路工藝原理》這門課程所要實現(xiàn)的目標。

然而，目前《集成電路工藝原理》課程的教學效果并不理想[2]，[3]，究其根本原因在于該課程存在內容陳舊、知識點離散、概念抽象、目標不明確等不足[4]。同時，由于大部分普通高校沒有足夠的實驗設備和模擬仿真實驗平臺，無法使學生熟悉和掌握工藝儀器的操作，導致學生所學知識與實際應用嚴重脫鉤，甚至失去學習積極性，產生厭學情緒。為此，依據(jù)我院微電子專業(yè)本科生的教學情況，我詳細分析了教學過程中存在的問題，提出了改革方案。

一、目前教學中存在的問題

1.學習目標不明確。現(xiàn)有的教學內容往往采用先分別獨立講授單項加工工藝，待所有工藝全部講授完畢，再綜合利用所有工藝演示制作CMOS集成電路芯片的流程。這種教學模式會造成學生在前期的理論學習過程中目標不明確，無法掌握單項工藝在芯片加工中的作用，不能與實際器件加工進行對應，造成所學知識與實際應用嚴重錯位，降低了學生的學習積極性和主動性。

2.知識銜接性差。本課程的重點內容是集成電路工藝的物理基礎和基本原理，它涉及熱學、原子物理學、半導體物理等離子體物理、化學、流體力學等基礎學科，然而，大部分學生并未系統(tǒng)地學習過譬如等離子體物理、流體力學等課程，這就不可避免地造成了教學內容跨越性大的問題，無法實現(xiàn)知識的正常銜接，致使學生對基本概念和基本物理過程難以理解，從而影響學生的學習興趣。

3.課程內容抽象，不易理解。由于該課程的基本概念、物理原理和物理過程多而繁雜，再加上各種不同工藝之間的配合與銜接，導致內容抽象難懂。教師在課堂上按照常規(guī)講法，費時費力，學生對所講內容仍無法徹底理解，難以完成知識的遷移。

4.教學資源匱乏。現(xiàn)有教材中嚴重缺乏集成電路加工方法的可視化資料，大量使用文字敘述描述物理過程和工藝流程，致使課程講授枯燥乏味，學生無法真正理解教學內容，很難產生學習興趣。

綜上所述，在現(xiàn)有集成電路工藝原理的教學過程中還存在一些嚴重影響教學質量的因素。為了響應國家“十二五”規(guī)劃中明確提出的建設創(chuàng)新型國家的任務，培養(yǎng)創(chuàng)新型大學生的要求，我們必須逐步改革和完善現(xiàn)有的教學內容及教學模式[5]，提高教學質量，為培養(yǎng)開創(chuàng)未來的全面發(fā)展型人才奠定基礎。

二、教學內容的整體規(guī)劃

為了讓學生明確教學目標，突出教學重點，需要摒棄傳統(tǒng)的教學思路[6]，構建“先整體、后部分；先目標、后工藝”的教學思路，對教學內容進行重新設計，使其更加符合學生的認知規(guī)律。我們拋棄了傳統(tǒng)的教學內容編排方式，提出了整個課程主要圍繞一個通用、典型的集成電路芯片的加工和制備展開，使學生明確本課程的教學目標。首先給出典型器件的模型，分析其各部分的材料和結構，明確器件的不同組成部分并進行歸類，依據(jù)器件加工的先后順序，然后模塊化講授器件每部分的加工方法、工藝原理和加工流程，逐步完成集成電路的全部制作，進而完成整個課程內容的講授。這樣就能用一條主線串起每塊學習內容，使學生明確每種工藝的原理、流程和用途，做到有的放矢，并能與實際應用較好地融合在一起，進而提高學生的學習主動性，增強課堂教學效果。

三、教學內容的選取與組織

1.教材的選擇

集成電路工藝的發(fā)展遵循摩爾定律，隨著理論的深入和技術的革新，現(xiàn)有的大部分《集成電路工藝原理》教材顯得陳舊、落后，無法適應現(xiàn)代工藝技術的發(fā)展和教學的需求。

為此，本課程的教材最好采用現(xiàn)有經典教材和前沿科學研究成果相結合的方式，現(xiàn)有經典教材有美國明尼蘇達大學的《微電子制造科學原理與工程技術》[3]和北京大學的《硅集成電路工藝基礎》[7]等，這些教材內容全面，幾乎覆蓋了所有的集成電路加工方法，而且原理講解深入透徹，具有較強的理論性。這些教材知識結構基本上是按照傳統(tǒng)的教學思路編排，所以要打破這種思維的束縛，設計出一個具有代表性器件的加工過程，然后把教材中的工藝原理、工藝流程融入器件的加工過程中。這就要求我們不能照搬書本上的知識內容，需要根據(jù)課程的新設計方案重新整合講義。同時還應該注意，為了擴充學生的知識面，還應該摘取一些具有代表性的最新前沿成果，不僅使學生的知識體系具有完整性，而且能進一步調動他們的創(chuàng)造性。

2.教學內容的選取

依據(jù)課程“先整體、后部分；先目標、后工藝”的教學思路，采用“范例”教學模式，教學內容可以劃分為九大知識模塊：典型CMOS器件、外延、氧化、擴散、離子注入、物理氣相淀積、化學氣相淀積、光刻與刻蝕、隔離與互聯(lián)。首先，通過一個典型CMOS器件的結構分析，獲得制作一個芯片所需的材料與結構，然后簡要給出不同材料和結構的加工方法，讓學生對課程整體內容有宏觀把握，初步了解每種工藝的基本功能。其次按照器件加工的順序，對不同工藝分別從發(fā)展歷史、工藝原理、工藝流程、工藝特點等方面進行詳細闡述，使學生對工藝原理深入理解，工藝流程熟練掌握，最后完成整個器件的制作。

3.教學內容的組織

對每部分教學內容要堅持“基礎知識銜接、主流工藝突出、淘汰工藝刪減、最新工藝提及”的原則。由于本課程以工藝的物理基礎和基本原理為重點內容，這是本課程的教學難點，為了讓學生更加清晰地理解和掌握其工藝原理，需要適當?shù)匮a充一些課程必備的物理基礎知識。主流工藝是本課程的主要內容，要求學生對原理、流程、性能、使用范圍等深入理解，熟練掌握。因此，這部分內容要進行詳細講解。淘汰工藝是本課程的了解內容，目前淘汰工藝在現(xiàn)有教材中占據(jù)的篇幅和課時還比較多，且有喧賓奪主之勢，為了讓學生了解和熟悉集成電路工藝的發(fā)展歷史，需要進行適當?shù)母爬▔嚎s或刪減處理。最新工藝是本學科的前沿研究內容，為了擴充學生的知識，開闊學生的視野，應該適當?shù)匮a充一些新型工藝技術，為學生將來進一步研究深造奠定基礎。

四、結語

《集成電路工藝原理》是微電子學專業(yè)本科生的一門重要的專業(yè)基礎課程，本課程的目的是使學生掌握集成電路制造工藝流程和基本原理。只有通過精心選擇優(yōu)秀教材，合理設計教學內容，使理論與實踐緊密結合，才能激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新思維，進而有效地提高課堂教學質量，為培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才奠定基礎。

參考文獻：

[1]彭英才.兼談《集成電路工藝原理》課的教學體會與實踐[J]，高等理科教育，2003（50）.

[2]李尊朝.集成電路工藝課程教學改革探析[J].實驗科學與技術，2010（8）.

[3]李琦，趙秋明，段吉海.工程教育背景下“集成電路工藝”的教學探索[J].中國電力教育，2011.

[4]邵春聲.淺談《集成電路制造工藝》的課程建設和教學實踐[J].常州工學院學報，2010（23）.

[5]湯乃云.“集成電路工藝原理”課程建設與教學改革探討[J].中國電力教育，2012.

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【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）10-0220-02

一、引言

為應對當前世界經濟一體化以及科技革命帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，加強主宰世界經濟及科技走向的新知識、新科技及新成果的學習勢在必行，而開展承載著“爆炸信息量”的納米材料的雙語課程學習就顯得尤為重要。納米材料是填補了長期以來人們對于宏觀和微觀領域研究的缺失領域―介觀領域的空白，由于納米材料的結構特性，具有常規(guī)材料不具備的納米效應，因而，納米材料的研究已成為當前先進材料研究最活躍的領域之一[1]；同時，納制造技術也將對當前的微制造技術帶來一次革命性的變革，這是因為納制造技術采用“自下而上”的制造原理，能夠制造出體積更小、便于攜帶、功能更強大的電子元器件及儀器設備，其研究成果日新月異，如：納米機器人、納米小轎車、納米間諜機、納米芯片、納米電池、納米醫(yī)藥，這些納米產品將對我們的生活、工業(yè)、農業(yè)、軍事、醫(yī)療、制造業(yè)等各行各業(yè)帶來前所未有的巨變與沖擊。

為了加強本科生對納米材料最新成果的了解，拓寬知識視野，啟迪學生的納米概念和納米理論的新思想，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，構建一種納米材料雙語教學課程知識體系，對于科學系統(tǒng)的傳授納米材料基本概念和基礎知識是十分必要的。作者在長期的納米材料雙語教學過程中，力圖將納米材料基本概念系統(tǒng)的介紹給學生；采用現(xiàn)代化的教學方法，并將板書、圖表、視頻等教學手段相結合，不斷的充實授課內容，期望形成一種較完整的雙語課程知識體系。

二、納米材料雙語課程教學知識體系的構建

構建科學合理的納米材料雙語課程教學知識體系是以知識、能力和素質培養(yǎng)為宗旨，以能力培養(yǎng)為核心，以雙語教學為媒介，以傳授新概念、新理論、新工藝、新成果為紐帶，以提升創(chuàng)新能力為培養(yǎng)目的，著力開啟納米材料課程教學人才培養(yǎng)的新模式和新途徑。納米材料雙語課程在我校屬于專業(yè)選修課，只有32學時，針對課程內容多，學時少的現(xiàn)狀，課程教學中知識體系的選取原則是以基本的納米概念、基礎理論、納米效應、納米制造方法、檢測手段、標志性的成果（如碳納米材料中的富勒烯）以及納米材料在新能源領域中的應用為主線。

納米材料雙語課程知識體系可分為八個知識單元：第一個知識單元Introduction to nanoscale materials（納米材料簡介）；第二個知識單元Nanometer effects （納米效應）；第三個知識單元Properties of nanoscale materials （納米材料的性質）；第四個知識單元Synthesis of nanoscale materials （納米材料的合成）；第五個知識單元Scanning tunneling microscope and atomic force microscope （掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡）；第六個知識單元Synthesis of carbon nanomaterials （碳納米材料合成）；第七個知識單元Lithography for nanofabrication（光刻納米制造技術）；第八個知識單元Nanotechnology for production of hydrogen by solar energy （納米技術用于太陽能產氫）。

作為納米科技基礎的納米材料，近年來已成為最熱門的研究課題之一，納米科技的濃厚興趣集中在能對經濟、加工及科學產生巨大影響的若干領域。第一個知識單元中的知識點可劃分為納米材料定義及其分類。按照空間維度納米材料可分為零維、一維、二維及塊體材料，依據(jù)材料的量子性質可分為量子點、量子線、量子阱，同樣，按照材料的性質、組成以及形貌對納米材料進行分類。更多的知識點涉及到納米科技的定義。工業(yè)革命推動了納米科技的發(fā)展，當作為芯片的氧化硅的絕緣層厚度被減薄至大約3個硅原子的厚度時，漏電就成為一個大問題。加之，當硅材料被限制在很小的尺寸時，將會失去它固有的能帶結構，故此，目前微制造技術的局限性的知識點就顯得十分重要。如何才能克服當前固態(tài)電子學技術中的局限性？分子電子學的誕生是一個嶄新的和誘人的研究領域，該研究領域正在喚起科學家的想象力；未來技術的挑戰(zhàn)在于原子操縱的分子和超分子系統(tǒng)設計；納米材料在水處理、納催化、納米傳感器、能源以及醫(yī)療方面等領域的應用。

第二個知識單元是納米材料的納米效應，當一種材料的尺寸縮減到納米量級時，即使其組成與可以看得見和觸摸到的塊體材料完全相同，但材料的性能卻有著本質的區(qū)別，納米材料表現(xiàn)出與常規(guī)塊體材料迥然不同的性質稱為納米效應。當納米粒子的尺寸與光波長，德布羅意波長，電子的自由程長度，或者超導態(tài)的相干波長相當或更小時，將會產生小尺寸效應。當粒子尺寸減小到或接近于激子波爾半徑時，將會產生量子尺寸效應，在量子尺寸效應中主要闡明能隙與粒子尺寸的關系；當納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨納米顆粒的粒徑減小而顯著增大時，將會引起表面效應；宏觀量子隧道效應的知識點包括了彈道傳輸、隧穿、共振隧穿、隧穿效應等內容[2]。

第三個知識單元涉及納米材料的性能；力學性能表現(xiàn)為納米材料的硬度隨粒徑尺寸的減小而增大表現(xiàn)出正的Hall?Petch斜率關系（K>0），納米材料的硬度隨粒徑尺寸的減小而減小呈現(xiàn)出負的Hall?Petch斜率關系（K

在過去數(shù)十年間，科學家已經揭示了至少有一維處于納米量級的許多新材料的合成與表征方法。如：納米粒子，納米膜和納米管。然而，設計和制備具有可控性能的納米材料仍然是納米科技的一項重大的和長期的挑戰(zhàn)。納米材料的制備有多種途徑。了解納米材料制備過程中的一些工藝特性是非常重要的，這是因為制備的工藝路線通常決定了所制備材料的性能。第四個知識單元納米材料的制備首先介紹采用傳統(tǒng)的“自上而下”的方法以及先進的“自下而上”的兩種方法制備納米材料。利用固相方法制備納米材料包括了機械研磨和固相反應。物理氣相沉積（PVD）法分為熱蒸發(fā)PVD法、等離子體輔助PVD法以及激光消融法。化學氣相沉積法 （CVD），液相合成方法包括了沉淀法、溶劑熱法、冷凍-干燥法（低溫化學合成法）、溶膠-凝膠法、微乳液法、微波輔助合成法、超聲波輔助合成法。采用冷壓和熱壓法固化納米粉體合成塊體納米材料。通過模板輔助自組裝納米結構材料的合成；從節(jié)能減排、原子經濟、溶劑安全性以及提高能量效率的角度設計納米材料的綠色合成路線。

第五個知識單元主要介紹掃描隧道顯微鏡（STM）和原子力顯微鏡（AFM） 的基本原理，操作模式及其應用。STM 和AFM表明是獲取材料表面原子形貌信息的新儀器。此外，通過納米操縱，人們可以采用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡制造納米尺寸的材料和器件。

第六個知識單元涉及碳納米材料的合成。碳族的知識點涉及石墨、金剛石、碳的同素異形體。富勒烯的知識點包括C60的合成、富勒烯的純化、C60的結構、13C核磁共振譜、富勒烯包合物、親核加成反應、C60的聚合反應、納米小轎車的制造。碳納米管的知識點包括了碳納米管的合成、碳納米管的生長機理以及碳納米管的幾何構型。

第七個知識單元是納米制造中的光刻技術，其知識點包括紫外線光刻技術；掃描束刻蝕納米制造的知識點有電子束刻蝕以及聚焦離子束刻蝕技術。納米壓印刻蝕技術包括了納米壓印刻蝕技術、步進式閃爍壓印刻蝕技術及微接觸印制技術。掃描探針刻蝕技術。

第八個知識單元是納米技術用于太陽能光催化分解水制氫的新能源應用。知識點涉及太陽能轉換、光催化分解水制氫、負載型TiO2、可見光驅動的光催化劑的發(fā)展、鉻離子摻雜的鈦酸鹽納米管以及半導體復合材料[3]。

在上述八個知識單元的教學過程中，結合不同章節(jié)的具體情況，教學方法和教學手段要靈活多樣，將板書、多媒體、動畫技術及網絡資源相結合，做到圖文并茂，寓教于樂，激發(fā)學生的學習熱情。另外，采用啟發(fā)式教學，課堂中加強與學生的活動，提高學生的思考問題及解決問題的創(chuàng)新能力，實現(xiàn)學生的知識、能力和素質的全面培養(yǎng)。

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關鍵詞： 衍射光柵；干涉；位移測量；Lighttools軟件

中圖分類號：TN16 文獻標識碼：A

Design of 2-D Laser Interferometer System with Diffraction Grating

LI Shuai

(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

Abstract: 2-D nano-displacement measurement system is developed based on diffraction grating. This system consists of optical structure and electronic subdivision circuit. The measurement principle of the system is proposed. And by the simulation, the change rule is found, theoretical model for the follow-up structural optimization and error compensation is provided.

Keywords: diffraction grating; Interference; displacement measurement; lighttools software

引 言

衍射光柵作為計量光柵的一種，在精密測量、超精密加工和納米技術等領域有著廣泛的應用。與其它納米測量方法相比，如STM法、SPM法、電容電感測微法和激光干涉儀法等，光柵納米測量方法具有以下優(yōu)勢：（1）高精度，低成本，由于精密的光刻技術和電子細分技術，以及莫爾條紋所具有的對局部誤差的消除作用，光柵傳感器可以得到很高的測量精度；（2）同時具備大量程、高分辨率的特點，尤其在大量程方面，光柵傳感器的測量精度僅次于激光測量，而成本卻比其低得多；（3）較強的抗干擾能力，其對環(huán)境的適應性比激光干涉儀更強。因此，研制基于衍射光柵的二維納米測量系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)組成

二維光柵納米位移測量系統(tǒng)主要是基于光柵衍射與相干光干涉原理組成的幾何光學測量系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由幾何光路部分和信號處理部分組成，其構如圖1所示。由半導體激光器發(fā)出的光束經過起偏器P1垂直入射到二維光柵表面，反射的正交衍射光通過偏振分光光路形成相位相差90°的干涉信號，然后進入光電轉換模塊使得光學信號轉換為正弦和脈沖電信號，然后由計數(shù)細分電路對信號進行計數(shù)細分處理，最后把數(shù)據(jù)處理的果經過誤差補償后進行記錄和顯示。

2 光路構設計

整個系統(tǒng)的光路構如圖2所示，為了提高信號的輸出頻率，光路采用二次衍射設計。

由半導體激光器發(fā)出的光束經過偏振分光鏡PBS2后分成振動方向相互垂直的偏振光的s光和p光。若s光被PBS2反射，經過四分之一波片Q3后變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光經過反射鏡R反射后再次通過四分之一波片Q3，該光束變?yōu)閜光直接通過PBS2，經過Q4后變?yōu)閳A偏振光在光柵表面衍射，適當調整光柵與讀數(shù)頭之間的距離，-1級衍射光垂直入射到平面反射鏡M2上后沿原路返回，通過光柵表面再次衍射后，+1級衍射光沿原路進入PBS2，此時經過Q4的再次旋光變?yōu)閟光，s光被PBS2的偏振分光面全部反射后，經Q2和M1返回后變?yōu)閜光，該光束完全通過PBS2偏振面出射，進入偏振光檢測部分。同理對于激光器出射光經PBS2透射的p光經過Q2和M1返為s光，被PBS2的偏振分光面全部反射，通過Q4后變?yōu)閳A偏振光被衍射光柵表面衍射，+1級衍射光被M2反射后再次衍射，再次衍射后的-1級衍射光沿原路通過Q4進入PBS2，變?yōu)镻光全部通過PBS2的偏振分光面，經過反射鏡R和四分之波片Q3后，變?yōu)閟光再次進入PBS2，經過PBS2的偏振分光面后被全部反射進入偏振光檢測部分。

3 位移測量原理

二維衍射光柵系統(tǒng)可以同時對兩個方向上的位移進行測量，其基本原理是利用衍射光柵的多普勒效應。當LD激光器發(fā)出一束頻率為f0，波長為λ的光垂直入射到光柵表面，由衍射光柵的性質可知，光柵在某一方向上運動時，在此方向上形成的衍射光束會發(fā)生一定的相移。如圖3所示，根據(jù)多普勒效應，X方向上的±1級衍射光的頻率為

式中c為光速，v為光柵在X方向上的運動速度，θ為衍射光束的衍射角。若采用圖2的二次衍射光路設計，則由M2反射出的光入射到光柵表面又發(fā)生一次多普勒頻移，此時，X方向的±1級衍射光的頻率為

因此，光柵在平面內移動時，X方向上的光電探測器所接收的干涉條紋信號可以表示為

由式（7）、（8）可以看出，當光柵移動四分之一柵距時，光柵偏振干涉輸出信號明暗變換一次，對應輸出光電轉換信號一個周期（2π）。只要把四象限光電探測器置于適當?shù)奈恢?，使光電陣列接收到四個相差π/2的光強信號，通過對這四個信號的計數(shù)與細分處理即可計算出實際的位移量。

4 光學系統(tǒng)仿真

在二維衍射光柵測量系統(tǒng)中，光柵的定位誤差是影響系統(tǒng)干涉信號的主要系統(tǒng)誤差。如圖4所示，光學鏡頭與光柵之間存在五個自由度，分別為X方向上的偏擺、Y方向上的轉動、Z方向上的俯仰、Y方向上的側移與Z方向上的平移。因此利用Lighttools軟件進行仿真，以分析光柵在五個自由度上對干涉信號的影響。

圖5即為采用Lighttools軟件依照圖2所完成的3D模型。

該3D模型設定光柵采用1,200線/mm的二維平面光柵作為標尺，光束波長為635nm，探測器接受面為1×1mm，根據(jù)圖4以光柵分別偏擺俯仰和轉動0.05°以及在Y和Z軸向上各平移5個光柵常數(shù)來測定系統(tǒng)干涉光點落在光電探測器上的位置狀況，得出數(shù)據(jù)如表1所示。

由圖表可以看出，俯仰和偏擺對系統(tǒng)干涉信號的影響較大，在進行實際對位安裝時應注意X軸向偏擺與Z軸向俯仰對干涉信號的影響，以產生高質量的干涉信號。

5 論

二維光柵納米位移測量系統(tǒng)是一種高精度，大量程且成本較低的精密測量系統(tǒng)。其精度主要取決于系統(tǒng)干涉信號的質量，上文采用Lighttools軟件設計的光路模型分析了光柵在五個自由度上對干涉信號的影響，發(fā)現(xiàn)俯仰和偏擺對系統(tǒng)干涉信號影響較大，為后續(xù)的光路校準優(yōu)化和誤差補償提供了理論依據(jù)。

參考文獻

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篇6

    一、當前我國機械制造加工發(fā)展情況

    進入21世紀,我國己基本建立社會主義市場經濟體制。全球性的產業(yè)結構重新組合和國際分工不斷深化,科學技術在突飛猛進地發(fā)展,各國都把提高產業(yè)競爭能力及發(fā)展高新技術,搶占未來經濟的制高點,作為科技工作的主攻方向。在機械制造技術方面我國與世界各國的聯(lián)系日益緊密,中國市場與國際市場進一步接軌,面對國內外市場的激烈競爭,我國企業(yè)對技術的需求更加迫切和強烈。新產品的開發(fā)水平提高了大批重點骨干企業(yè)在關鍵工序增加了先進、精密、高效的關鍵設備,從而進入到高技術開發(fā)企業(yè)行業(yè)研制出如超重型數(shù)控龍門銑、高精度五軸數(shù)控鏜銑床、sx—T大規(guī)模集成電路光柵數(shù)顯儀、大噸位超重水壓機等;制造技術水平不斷提高,船泊制造精度可達5微米,高精度外圓磨達o.25微米、粗糙度達0.08微米,精密及超精密加工精度已達到亞微米級和亞納米級,已形成完整的先進數(shù)控機床、新型刀具開發(fā)的制造體系。

    二、現(xiàn)代機械的先進加工工藝與制造技術的應用

    進入21世紀來,機械制造業(yè)迎來的是一個更為激烈的競爭和生存環(huán)境。新知識、新概念的不斷涌現(xiàn)和新產品、新工藝的迅速更新加速了市場的變化,企業(yè)面臨著更加嚴峻的挑戰(zhàn)。特別是在市場不斷高速變化的21世紀,企業(yè)不僅需要有對市場變化的快速反應能力,而且還需要通過技術創(chuàng)新和產品更新來不斷開拓市場、引導市場的能力?，F(xiàn)代制造技術就是為了適應這種競爭環(huán)境而產生的。它是在傳統(tǒng)制造技術的基礎上,不斷吸收和發(fā)展機械、電子、能源、材料、信息及現(xiàn)代管理等技術成果,并將其綜合應用于產品設計、制造、檢驗、管理、服務等生產周期的全過程,以實現(xiàn)“優(yōu)質、高效、低耗、靈活、清潔”的生產技術模式,取得理想技術經濟效果的制造技術的總稱。

    (一)現(xiàn)代機械的先進加工工藝特點

    隨著計算機技術、微電子技術、傳感技術、自動控制技術和機電一體化技術的迅速發(fā)展及其在機械制造方面的應用,由系統(tǒng)論、信息論和控制論所組成的系統(tǒng)科學和方法論與機械制造科學的密切結合,組成了機械制造系統(tǒng),并形成了現(xiàn)代制造工程學。制造系統(tǒng)就是人、機器以及物料流和信息流的一個組合體?，F(xiàn)代制造技術特別強調入的主體作用,強調入、技術和管理三者的有機結合,因此,現(xiàn)代制造技術具有以下特征:

    1.現(xiàn)代機械制造技術己成為一門綜合性學科?，F(xiàn)代制造技術是由機械、電子、計算機、材料、自動控制、檢測和信息等學科的有機結合而發(fā)展起來的一門跨學科的綜合性學科?，F(xiàn)代制造技術的各學科、各專業(yè)間不斷交叉融合,并不斷發(fā)展和提高。

    2.產品設計與機械制造工藝一體化。傳統(tǒng)的機械制造技術通常是指制造過程的工藝方法,而現(xiàn)代制造技術則貫穿了從產品設計、加工制造到產品的銷售、服務、使用維護等全過程,成為“市場調查十產品設計十產品制造十銷售服務”的大系統(tǒng)。如并行工程就是為了保證從產品設計、加工制造到銷售服務一次成功而產生的,已成為面向制造業(yè)設計的一個新的重要方法和途徑。

    3.現(xiàn)代機械制造技術是一個系統(tǒng)工程?，F(xiàn)代制造技術不是一個具體的技術,而是利用系統(tǒng)工程技術、信息科學、生命科學和社會科學等各種科學技術集成的一個有機整體,已成為一個能駕馭生產過程的物科流、能量流和信息流的系統(tǒng)工程。

    4.現(xiàn)代機械制造技術更加重視工程技術與經營管理的有機結合?，F(xiàn)代制造技術比傳統(tǒng)制造技術更加重視制造過程的組織和管理體制的簡化和合理化,由此產生了一系列技術與管理相結合的新生產方式。如制造資源計劃(MRP)、準時生產(HT)、并行工程(CE)、敏捷制造(AM)和全面質量管理(TQC)等。

    5.現(xiàn)代機械制造技術追求的是最佳經濟效果?，F(xiàn)代制造技術追求的目標是以產品生命周期服務為中心,以新產品開發(fā)速度快、成本低、質量好、服務佳、靈活性強取勝,并獲得最佳的經濟效果。

    6.現(xiàn)代機械制造技術特別強調環(huán)境保護?，F(xiàn)代制造技術必須充分考慮生態(tài)平衡、環(huán)境保護和有限資源的有效利用,做到人與自然的和諧、協(xié)調發(fā)展,建立可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。未來的制造業(yè)將是“綠色”制造業(yè)。

    (二)現(xiàn)代機械的先進加工工藝應用分類

    現(xiàn)代制造技術的分類及發(fā)展大體上可從5個方面來論述。

    1.制造系統(tǒng)的自動化、集成化、智能化

    機械制造自動化的發(fā)展經歷了單機自動化、剛性自動線、數(shù)控機床和加工中心、柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造等幾個階段,并向柔性化、集成化、智能化進一步發(fā)展。

    2.精密工程和特種加工方法

    超精密加工和納米加工三個檔次。精密加工和超精密加工特種加工方法又稱非傳統(tǒng)加工方法,它是指一些物理的、化學的加工方法。如電火花加工、電解加工、超聲波加工、激光加工、電子束加工、離于束加工等。特種加工方法的主要對象是難加工的材料,如金剛石、陶瓷等超硬材料的加工,其加工精度可達分子級加工單位或原于級單位,所以它又常常是精密加工和超精密加工的重要手段*。

    3.快速成形(零件)制造

    零件是一個三維空間實體,它可由在某個坐標方向上的若干個“面”疊加而成。因此,利用離散/堆積成形概念,可將一個王維空間實體分解為若干個二維實體制造出來,再經堆積而構成三維實體,這就是快速成形(零件)制造的基本原理,其具體制造方法很多,較成熟的商品化方法有疊層實體制造法和立體光刻等。如疊層實體制造,根據(jù)各疊層幾何信息,用數(shù)控激光機在鋪上一層箔材上切出本層輪廓,去除非零件部分,再鋪上一層箔材,用加熱輥輾壓,以固化粘接劑,使新鋪上的—層箔材牢固地粘接在己成形體上,再切割該層的輪廓,如此反復多次直至加工完畢。

    4.零件的分類編碼系統(tǒng)

    零件分類編碼是對零件相似性進行識別的一個重要手段,也是GT的基本方法。是用數(shù)字來描述零件的幾何形狀、尺寸和工藝特征,即零件特征的數(shù)字化。零件分類是根據(jù)零件特征的相似性來進行的,這些特征主要分為以下三個方面;1)結構特征。零件的幾何形狀、尺寸大小、結構功能、毛坯類型等。2)工藝特征。零件的毛坯形狀及材料、加工精度、表面粗糙度、機械加工方法、定位夾緊方式、選用機床類型等。3)生產組織與計劃特征。加工批量,制造資源狀況,工藝過程跨車間、工段、廠際協(xié)作等情況。零件的特征用相應的標志表示,這些標志由分類系統(tǒng)中的相應環(huán)節(jié)來描述。零件各種特征的標識按一定規(guī)則排成若干個“列”,每“列”就稱為碼位,也叫縱向分類環(huán)節(jié);在每個列(碼位)內又安排若干“行”,每一“行”稱為“項”,也叫橫向分類環(huán)節(jié)。零件分類編碼系統(tǒng)是實施成組技術的基礎和重要手段*對零件進行分類成組,可以便零件設計標準化、系列化和通用化,輔助人工或計算機編制工藝過程和進行成組加工車間的平面設計,改進數(shù)控加工的程序編制,使工藝設計合理化:促進工裝和工藝路線標準化,為計算機輔助制造打下基礎,進一步以成組的方式組織生產。

    零件的分類編碼反映了零件固有的名稱、功能、結構、形狀和工藝特征等信息。類碼對于每種零件而言不是唯一的,即不同的零件可以擁有相同的或接近的分類碼,由此能劃分出結構相似或工藝相似的零件組來加工。它的特點是從毛坯到產品多數(shù)可在同一種類型的設備上完成,也可僅完成其中某幾道工序的加工。如在轉塔車床、自動車床加工的中小零件,多半屬于這種類型。這種組織形式是最初級的形式,最易實現(xiàn),但對較復雜的零件,需用多臺機床完成時,其效果就不顯著。值得一提的是,自從出現(xiàn)加工中心以來,成組單機加工又重新得到重視。

    5.柔性制造系統(tǒng)

    柔性制造系統(tǒng)一般是指用一臺主機將各臺數(shù)控機床連接起來,配以物料流與信息流的自動控制生產系統(tǒng)。它一方面進行自動化生產,而另一方面又允許相似零件組中不同零件,經過少量調整實現(xiàn)不同工序的加工。這一組織生產的方式,代表著現(xiàn)代制造技術的發(fā)展方向。值得一提的是,成組技術是計算機輔助工藝設計(CAPP)的基礎之一,在成組技術基礎上發(fā)展起來的派生cAPP設計方法,已成為工藝現(xiàn)代化的一種主要方法。另外,成組技術作為一種生產哲理,對柔性制造技術和集成制造技術的發(fā)展產生了深刻的影響。

篇7

關鍵詞：半導體光電；研究型；實踐；教學探索

中圖分類號：G42 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）07-0123-02

近幾年來，隨著半導體電子產業(yè)和光學專業(yè)的快速發(fā)展，半導體光電正逐漸成為一門新興的學科。半導體光電技術是集現(xiàn)代半導體技術、電子學技術和光學信息處理技術等學科于一體的綜合性學科，要求學生具有扎實的半導體物理、光電子、數(shù)學和計算機等基礎知識。該學科作為光、機、電、算、材一體的交叉學科，專科課程較多，涉及知識面較廣，有其自身的課程特點：既要講授半導體相關的專業(yè)知識，又要補充光電專業(yè)的知識，還要加強數(shù)理基礎理論教學；既要圍繞半導體光電專業(yè)核心，又要涉足其他專業(yè)領域；既要重視教學方法，提高教學質量，又要加強前沿知識的學習和科研，不斷更新知識體系，將最新的行業(yè)信息灌輸給學生。同時，隨著近年來固態(tài)半導體LED照明技術、半導體激光、太陽能光伏和半導體探測器等高新行業(yè)的蓬勃發(fā)展，需要大量的具有創(chuàng)新研究能力的技術人才來從事半導體光電材料、器件以及系統(tǒng)的研究和開發(fā)。這就需要高校培養(yǎng)具有動手能力強，基礎知識扎實，綜合分析能力優(yōu)秀的研究型人才。但是目前高校半導體光電學科的教學普遍停留在理論層面，缺乏實踐性內容的提升。因而作為一門實用性很強的專業(yè)，應著重加強理論與實踐相結合的全面教學，逐步開展研究性課程的教學探索，打破傳統(tǒng)的教學理念，以形成學生在課程學習中主動思考探索并重視創(chuàng)新叉研究的積極教學模式，為半導體光電學科建立一個全新的培養(yǎng)方式。

一、理論教學中創(chuàng)設前沿性課題，引導學生進行探究性學習

在傳統(tǒng)的教學模式中，專業(yè)課程的講授主要依靠講解概念、分析原理、推導公式、得出結論。而學生就是按部就班地記筆記、做習題、應付考試。課堂教學效果完全取決于教師的教學經驗，最終學生所接受的知識也僅僅停留在課本的層面，這完全達不到迅猛發(fā)展的高新的半導體光電學科的培養(yǎng)要求。這就需要教師打破傳統(tǒng)的教學理念，開展研究性的教學方式。研究性教學是以學生的探究性學習為基礎，教師提出一些創(chuàng)新性的問題，以及與專業(yè)相關的一些前沿性科技專題報道，學生在創(chuàng)新性的問題中，借助課本提供的基礎理論和教師提供的相關資料，借鑒科學研究的方法，或獨立探索、或協(xié)作討論，通過探究學習、合作學習、自主學習等方式最終找到解決問題的方案，甚至提出更具有創(chuàng)新性的思路。因此，在教學過程中，我們應嘗試減少課堂講授時間、增加課堂討論時間，有意識地提出一些較深層次的問題：如提高太陽能電池的光電轉換效率的方法、新型的半導體材料制作光電器件的優(yōu)異性等，有針對性地組織專題討論。考核方式以課程設計或者專題論文的形式進行，以培養(yǎng)學生的思考和創(chuàng)新研究能力。此外，要重視階段性總結和檢查工作，培養(yǎng)學生綜合素質和能力。教師在注重教學方式改進的同時，也要重視學生學習效果的階段性檢查和總結。傳統(tǒng)的課堂教學是以作業(yè)為考察標準，這種考察的弊端是給學生提供了抄襲作業(yè)的機會，學習效果不佳。因此應考慮采取多元化的檢查方式，增加檢查手段?？梢宰寣W生將多媒體課件與教材和參考書相結合，根據(jù)教師在課堂教學中指出的難點和重點，單獨總結出學習筆記，并進行定期檢查。

二、建立半導體專業(yè)與光電專業(yè)協(xié)同的教學環(huán)境

半導體光電從理論上來講是研究半導體中光子與電子的相互作用、光能與電能相互轉換的一門科學，涉及量子力學、固體物理、半導體物理等一些基礎學科；從實踐層面來講，也關聯(lián)著半導體光電材料、光電探測器、異質結光電器件及其相關系統(tǒng)的研究。因此，在理論上應鼓勵教師根據(jù)教學情況，編寫有針對性的，并且包含基礎物理學、半導體電子學、光學和系統(tǒng)設計等具有交叉性理論的教材和講義，提升學生在半導體光電交叉領域的理論基礎。同時需要組織和調動各層次教師，建設教學研究中心。結合老教師的經驗和青年教師的創(chuàng)意，共同進行教學改革探索。另外，實現(xiàn)半導體光電學科的教學探索，不僅需要專業(yè)教師改進和完善課堂教學措施，提升教學水平和質量，同時也需要專業(yè)的半導體光電材料生長、器件制備和檢測設備，以及專業(yè)設計軟件供教學和科研使用。該學科的性質決定了教學的內容不能僅僅局限于理論方面，還需要實驗方面的補充和實踐，從而可以從軟件和硬件雙方面實現(xiàn)協(xié)同的教學環(huán)境。在具體的操作過程中，以光譜分析為例，傳統(tǒng)的光譜分析光源采用的是一些氣體激光器，我們可以在教學中利用新型的半導體固體激光器來替代傳統(tǒng)的氣體激光器，將半導體光電器件和光學系統(tǒng)有機結合起來，提供兩者協(xié)同的新型設備。指導學生在實驗中分析新型的光譜系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)劣性，以及如何在現(xiàn)有的基礎上改進系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的使用性能，在教學中鍛煉學生的協(xié)同學科的技能性訓練。進一步可以引入顯微鏡成像技術，采用簡易的一些光學元器件，在實驗室內讓學生動手搭建顯微成像設備，鍛煉學生對光學系統(tǒng)的整體認知能力，并且可以提升傳統(tǒng)設備的應用范圍。這一系列交叉協(xié)同教學實驗的建立有利于打破教學和研究的界限，打破學科的界限，突出半導體光電學科的交叉性特點，促進學生知識的全面性掌握，為研究型的教學模式開辟新的途徑。

三、建立前沿性半導體光電專業(yè)實驗教學平臺

半導體光電涉及的領域很廣泛，單純的理論教學不能滿足學生對于高新的工程應用的直觀認識，許多設備和器件只闡述其工作原理，概念比較抽象，學生不易理解。因而需要重視研究型實踐教學。在條件允許的情況的，將半導體材料生長和器件制造設備引入課堂，讓學生深刻掌握器件的制造流程。同時可以引入先進的光電檢測設備，讓學生開展一些器件的檢測實驗，在實驗過程中熟悉器件和光電系統(tǒng)的工作原理，可以起到事半功倍的作用。同時還可以讓學生在實踐中不斷思考和探索一些前瞻性的科學研究問題。以半導體LED光電器件為例：由于LED材料和器件制造設備較為精密、價格昂貴、不易獲取。在理論課程后，可以引用適當?shù)腖ED材料生長設備MOCVD的一些生長過程的實物圖片和視頻，以及半導體器件制備的薄膜沉積、光刻制作和刻蝕工藝的流程圖和視頻，讓學生盡可能地將抽象的理論與具體實踐聯(lián)系起來。此外，購置現(xiàn)成的LED器件和光電檢測設備，利用光電測試設備對LED器件開展一些電學和光學性能的檢測，在測試過程中讓學生對LED光電轉換基本原理和不同測試條件對器件光電性能影響的物理機制開展探索性研究。對于阻礙LED發(fā)展的一些前沿性難題進行深刻的思考和分析，提出合理的改進和解決方案?；趯W科的科研實驗條件，我們還可以提出項目教學法，把教學內容通過“實踐項目”的形式進行教學，為了能夠一個半導體和光電專業(yè)相協(xié)同的實驗平臺，可以設置一個系統(tǒng)的實驗項目包含多門課程的知識。項目教學是在教師的指導下，將相對獨立的教學內容相關的項目交由學生自己處理。信息的收集，方案的設計，項目實施及最終評價報告，都由學生負責完成，學生通過該項目的進行，了解并把握實驗制造和檢測得整個過程及每一個環(huán)節(jié)的基本要求，教師在整個過程中主要起引導作用。以此來培養(yǎng)學生的實踐性、研究性學習能力，讓學生扮演項目研究者的角色，在研究項目情景的刺激下及教師的指導下主動開展探究活動，并在探究過程中掌握知識和學習分析問題、解決問題的方法，從而達到提高分析問題、解決問題能力的目的。這樣才具備一門前沿性的學科所應該達到的理想效果。

四、建立專業(yè)校企合作基地

半導體光電專業(yè)需結合地域經濟發(fā)展特點，建立專業(yè)的校企合作基地。校企合作是高校培養(yǎng)高素質技能型人才的重要模式，是實現(xiàn)高校培養(yǎng)目標的基本途徑。以江南大學為例，可以依據(jù)無錫當?shù)毓I(yè)的發(fā)展中心，與半導體光電類企業(yè)，如無錫尚德太陽能股份有限公司、江蘇新廣聯(lián)LED器件制造企業(yè)、LED照明企業(yè)實益達、萬潤光子等公司進行深入合作，建立企業(yè)實訓創(chuàng)新基地及本科生、研究生工作站。定期組織學生去企業(yè)進行參觀，了解半導體光電類產品的產線制造過程。還可以安排有興趣的學生在學有余力的同時進入企業(yè)進行實習，使學生能夠將課堂的理論知識應用到實際的應用生產中，并且可以利用理論知識來解決實際生產中所遇到的一些問題。以實際產線的需求分析為基礎，結合理論教學的要求，建立以工作體系為基礎的課程內容體系；實施綜合化、一體化的課程內容，構建以合作為主題的新型課堂模式，做到教室、實驗室和生產車間三者結合的教學場所。最終積累一定的合作經驗后，校企可以合作開發(fā)教材，聘請行業(yè)專家和學校專業(yè)教師針對課程的特點，結合課堂基礎和生產實踐的要求，結合學生在相關企業(yè)實訓實習的進展，編寫出符合高校教學和企業(yè)生產需求的新型校企雙用教材。

綜上所述，要開展研究型半導體光電類課程的教學探索，首先要突破傳統(tǒng)的理論教學模式，根據(jù)課堂教學需求，改善課堂教學措施，形成有創(chuàng)意、有個性化的課堂特色，旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

參考文獻：

篇8

一．什么是基因芯片

生物芯片，簡單地說就是在一塊指甲大?。?cm3）的有多聚賴氨酸包被的硅片上或其它固相支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜、尼龍膜等，但需經特殊處理。作原位合成的支持物在聚合反應前要先使其表面衍生出羥基或氨基（視所要固定的分子為核酸或寡肽而定）并與保護基建立共價連接；作點樣用的支持物為使其表面帶上正電荷以吸附帶負電荷的探針分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚賴氨酸等）將生物分子探針（寡核苷酸片段或基因片段）以大規(guī)模陣列的形式排布，形成可與目的分子（如基因）相互作用，交行反應的固相表面，在激光的順序激發(fā)下標記熒光根據(jù)實際反應情況分別呈現(xiàn)不同的熒光發(fā)射譜征，ccd相機或激光共聚焦顯微鏡根據(jù)其波長及波幅特征收集信號，作出比較和檢測，從而迅速得出所要的信息。生物芯片包括基因芯片、蛋白質芯片、組織芯片。而基因芯片中，最成功的是dna芯片，即將無數(shù)預先設計好的寡核苷酸或cdna在芯片上做成點陣，與樣品中同源核酸分子雜交[3]的芯片。

基因芯片的基本原理同芯片技術中雜交測序（sequencing by hybridization, sbh）。即任何線狀的單鏈dna或rna序列均可被分解為一個序列固定、錯落而重疊的寡核苷酸，又稱亞序列（subsequence）。例如可把寡核苷酸序列ttagctcatatg分解成5個8 nt亞序列：

(1)

ctcatatg

(2)

 gctcatat

(3)

agctcata

(4)

 tagctcat

(5)

ttagctca

這5個亞序列依次錯開一個堿基而重疊7個堿基。亞序列中a、t、c、g 4個堿基自由組合而形成的所有可能的序列共有65536種。假如只考慮完全互補的雜交，那么48個8 nt亞序列探針中，僅有上述5個能同靶dna雜交?？梢杂萌斯ず铣傻囊阎蛄械乃锌赡艿膎體寡核苷酸探針與一個未知的熒光標記dna/rna序列雜交，通過對雜交熒光信號檢測，檢出所有能與靶dna雜交的寡核苷酸，從而推出靶dna中的所有8 nt亞序列，最后由計算機對大量熒光信號的譜型（pattern）數(shù)據(jù)進行分析，重構靶dna 的互補寡核苷酸序列。

一般基因芯片按其材質和功能，基本可分為以下幾類[4]

(一)元件型微陣列芯片

1.生物電子芯片

2.凝膠元件微陣列芯片

3.藥物控釋芯片

(二) 通道型微陣列芯片

1.毛細管電泳芯片

2 .pcr擴增芯片

3.集成dna分析芯片

4.毛細管電層析芯片

(三)生物傳感芯片

1光學纖維陣列芯片

2白光干涉譜傳感芯片

小鼠基因表達譜芯片(mgec)

 附:目前國內基因芯片常見品種.(上海博星公司) 

三 基因芯片的制備

芯片種類較多，制備方法也不盡相同，常見的芯片可分為兩大類：一類是原位合成；一種是直接點樣。原位合成適用于寡核苷酸；直接點樣多用于大片段dna，有時也用于寡核苷酸，甚至mrna。原位合成有兩種途徑。一是光蝕刻法；一是噴印法。光蝕刻法可以合成30nt左右，噴印法可以合成40-50nt，光蝕刻法每步縮合率較低，一般為95%左右，合成30nt產率僅20%；噴印法可達99%以上，合成30nt產率可達74%，從這個意義上說噴印法特異性應比光刻法高。此外，噴印法不需特殊的合成試劑。與原位合成法比較點樣法較簡單，只需將預先制備好的寡核苷酸或cdna等樣品通過自動點樣裝置點于經特殊處理的玻璃片或其它材料上即可。

1、原位光蝕刻合成[5-7]　寡聚核苷酸原位光蝕刻合成技術是由affymetrix公司開發(fā)的，采用的技術原理是在合成堿基單體的5'羥基末端連上一個光敏保護基。合成的第一步是利用光照射使羥基端脫保護，然后一個5'端保護的核苷酸單體連接上去，這個過程反復進行直至合成完畢。使用多種掩蓋物能以更少的合成步驟生產出高密度的陣列，在合成循環(huán)中探針數(shù)目呈指數(shù)增長。某一含n個核苷酸的寡聚核苷酸，通過4×n個化學步驟能合成出4n個可能結構。例如：一個完整的十核苷酸通過32個化學步驟，8個小時可能合成65,536個探針。

目前美國affymetrix公司已有同時檢測6,500個已知人類基因的dna芯片，并且正在制備含500,000-1,000,000個寡核苷酸探針的人類基因檢測芯片。該公司每月投入基因芯片研究的經費約100萬美元，目前產品尚未公開投放市場發(fā)揮經濟效益，但已有許多公司及研究機構與其簽約購買其產品。該產品不僅可用于基因表達分析和基因診斷等，而且在大規(guī)模藥物開發(fā)方面也具有誘人的前景。affymetrix的大部分產品將在98年底全面投放市場。屆時，在其產品被廣泛采用的同時，其所有的研究投入將變成巨大的利潤。其它公司產品也正在從實驗室技術研究走向開發(fā)應用。目前，用于分子診斷的dna芯片不僅已可用于檢測愛滋病病毒基因還可用于囊性纖維化（cf）、乳腺癌、卵巢癌等疾病相關基因的基因診斷。鑒于光刻設備技術復雜，只能有專業(yè)化公司生產，加之成本高及合成效率不高的問題，因此有待進行以下研究：⑴對光刻技術進行改進，提高合成效率；⑵開發(fā)新的原位合成技術，如噴印合成技術，該技術既能進行原位合成又能進行非原位合成。

另一方法是光導原位合成法。具體方法是在經過處理的載玻片表面鋪上一層連接分子（linker），其羥基上加有光敏保護基團，可用光照除去，用特制的光刻掩膜（photolithographic mask）保護不需要合成的部位，而暴露合成部位，在光作用下去除羥基上的保護基團，游離羥基，利用化學反應加上第一個核苷酸，所加核苷酸種類及在芯片上的部位預先設定，所引入的核苷酸帶有光敏保護基團，以便下一步合成。然后按上述方法在其它位點加上另外三種核苷酸完成第一位核苷酸的合成，因而n個核苷酸長的芯片需要4n個步驟。每一個獨特序列的探針稱為一個“feature”，這樣的芯片便具有4n個“feature”，包含了全部長度為n的核苷酸序列。這種原位直接合成的方法無須制備處理克隆和pcr產物，但是每輪反應所需設計的光柵則是主要的經費消耗。運用這種方法制作的芯片密度可高達106探針/平方厘米，即探針間隔為 5－10μm，但只能制作ii型 dna芯片。見圖一。

2　原位噴印合成　芯片原位噴印合成原理與噴墨打印類似，不過芯片噴印頭和墨盒有多個，墨盒中裝的是四種堿基等液體而不是碳粉。噴印頭可在整個芯片上移動并根據(jù)芯片上不同位點探針的序列需要將特定的堿基噴印在芯片上特定位置。該技術采用的化學原理與傳統(tǒng)的dna固相合成一致，因此不特殊制備的化學試劑。

3　點樣法　點樣法是將合成好的探針、cnda或基因組dna通過特定的高速點樣機器人直接點在芯片上。點樣分子可以是核酸也可以是寡核酸。一些研究者采用人工點樣的方法將寡核苷酸分子點樣于化學處理后的載玻片上，經一定的化學方法處理非干燥后，寡核苷酸分子即固定于載玻片上，制備好的dna芯片可置于緩沖液中保存。由于方法費時費力，不適于大規(guī)模dna芯片制作，因而實現(xiàn)自動化點樣就顯得尤為重要。有的研究者用多聚賴氨酸包被固相支待物玻片，經過分區(qū)后用計算機控制的微陣列點樣機按照預先設計順序點上核酸分子，點樣量很小，約為5nl。大規(guī)模cdna芯片多采用這種方法，與其寡核苷酸微芯片相比。dna芯片的潛在優(yōu)越性是具有更強的親和勢和特異性雜交，但是需要大量制備，純化，量化，分類pcr產物。有的研究者將玻片上覆蓋20μm厚薄層聚丙烯酰胺凝膠作為支持物，采用機械刻寫或光刻的方法在其表面劃上網格，并用激光照射蒸發(fā)掉單元間隙的多余凝膠，以實現(xiàn)dna芯片分區(qū)，單元大小為 40×40μm或 100×100μm間隔分別為50μm和100μm。然后將化學方法合成的寡核苷酸探針自動化點樣于各個單元內而制成dna芯片，點樣速度可達2000單元/秒。

其裝置采用的機器人有一套計算機控制三維移動裝置、多個打印/噴印針的打印/噴印頭；一個減震底座，上面可放內盛探針的多孔板和多個芯片。根據(jù)需要還可以有溫度和濕度控制裝置、針洗滌裝置。打印/噴印針將探針從多孔板取出直接打印或噴印于芯片上。直接打印時針頭與芯片接觸，而在噴印時針頭與芯片保持一定距離。打印法的優(yōu)點是探針密度高，通常1平方厘米可打印2,500個探針。缺點是定量準確性及重現(xiàn)性不好，打印針易堵塞且使用壽命有限。噴印法的優(yōu)點是定量準確，重現(xiàn)性好，使用壽命長。缺點是噴印的斑點大，因此探針密度低，通常1平方厘米只有400點。國外有多家實驗室和公司研究開發(fā)打印/噴印設備，目前有一些已經商品化。軍事醫(yī)學科學院和益生堂生物企業(yè)公司目前正在聯(lián)手利用打印/噴印技術進行生物芯片的研究和開發(fā)，預計2年內將有用于實驗室研究或臨床診斷的基因芯片產品問世。見圖二。

4　電子芯片[8-10]　電子芯片是由美國nanogen公司開發(fā)的，目前國內清華大學和復旦大學也在開發(fā)這一技術。這種芯片為帶有陽電荷的硅芯片、芯片經熱氧化，制成1mm×1mm的陣列、每個陣列含多個微電極，在每個電極上通過氧化硅沉積和蝕刻制備出樣品池。將連接鏈親和素的瓊脂糖覆蓋在電極上，在電場作用下生物素標記的探針即可結合在特定電極上。電子芯片最大特點是雜交速度快，可大大縮短分析時間。制備復雜、成本高是其不足。

5　三維芯片[11-12]　三維芯片是由美國的packard、摩托羅拉、argonne國家實驗室三家機構與俄羅斯engelhardt分子生物學研究所合作開發(fā)的一種芯片技術。三維生物芯片實質上是一塊顯微鏡載玻片，其上有10,000個微小聚乙烯酰胺凝膠條，每個凝膠條可用于靶dna，rna和蛋白質的分析。先把乙知化合物加在凝膠條上，再用3cm長的微型玻璃毛細管將待測樣品加到凝膠條上。每個毛細管能把小到0.2nl的體積打到凝膠上。以上幾家機構合作研究的生物芯片系統(tǒng)具有其它生物芯片系統(tǒng)不具有的幾個優(yōu)點。一是凝膠的三維化能加進更多的已知物質，增加了敏感性。二是可以在芯片上同時進行擴增與檢則。一般情況下，必須在微量多孔板上先進行pcr擴增，再把樣品加到芯片上，因此需要進行許多額外操作。本芯片所用凝膠體積很小。使pcr擴增體系的體積減小1,000倍（總體積約納升級），從而節(jié)約了每個反應所用的pcr酶（約減少100倍）。三是以三維構象形式存在的蛋白和基因材料可以其天然狀態(tài)在凝膠條上分析，可以進行免疫測定，受體-配體研究和蛋白組分析。

6　流過式芯片（flow-thru chip）[13]　cene logic正在開發(fā)一種在芯片片基上制成格柵狀微通道，cene  logic設計及合成特定的寡核苷酸探針，結合于微通道內芯片的特定區(qū)域。從待測樣品中分離dna或rna并對其進行熒光標記，然后，該樣品流過芯片，固定的寡核苷酸探針捕獲與之相互補的核酸，采用cene  logic's信號檢測系統(tǒng)分析結果。流通式芯片用于高通量分析已知基因的變化，其特定在于⑴敏感性高：由于寡核苷酸吸附表面的增大，流過式芯片可監(jiān)測稀有基因表達的變化；⑵速度快：微通道加速了雜交反應，減少了每次檢測所需時間；⑶價格降低：由于采用了特殊的共價化學技術將寡核苷酸吸附于微通道內，使每一種流過芯片可反復使用多次，從而使其成本降低。

四．基因芯片樣品制備

一般說來應用dna芯片進行實驗包括5個過程：生物學問題的提出和芯片設計；樣品制備；生物雜交反應；結果探測；數(shù)據(jù)處理和建模。 

1．樣品制備。一般所需mrna的量是以一張表達譜芯片需要3μg mrna計算的

考慮到個體差異以及樣品在研磨、勻漿等過程中的損失，客戶提供的樣品量應在上述基礎上增加1-2倍。

2 樣本采集過程關鍵點． 

組織標本采集操作建議規(guī)程,(取標本所需關鍵器材和處理要求 ) 

注：

· 以下步驟1 － 5應在冰上進行且不超過15分鐘，超過時間會導致樣品的rna降解。 

· 對腫瘤組織的取材，要求盡可能準確地判定腫瘤和正常組織，例如對于手術切除的整個或部分前列腺，可能要根據(jù)冰凍切片報告的結果來判定要進行研究的取材部位。

1 離體新鮮組織，切成多個1cm3小塊，剔除結締組織和脂肪組織。胃、腸組織應剪除外膜；肝、腎、脾應剪除門部血管神經，腫瘤組織應將周圍的正常組織切除干凈（正常組織也應將周圍的腫瘤組織切除干凈）。

2 在rnase-free 0.9％生理鹽水中漂洗樣品，以去除血漬和污物。

3 用鋁箔包裹組織，或用5ml凍存管裝載組織(但最好統(tǒng)一采用鋁箔)。用記號筆在鋁箔或凍存管外表寫明樣品編號，并貼上標簽，迅速投入液氮冷卻。

4 填寫樣品登記表，寫明樣品名稱、種類、編號、取樣日期、樣品處理情況等

將液氮冷卻的組織放入樣品袋（每個樣品袋只保存同樣的組織），袋口留一根編號繩，繩上粘一張標簽紙（標簽上注明：樣品名稱、編號、日期），迅速轉入便攜式液氮罐

5 保留1-2張取材部位的病理切片。

五.生物芯片雜交

待分析基因在與芯片結合探針雜交之前必需進行分離、擴增及標記。根據(jù)樣品來源、基因含量及檢測方法和分析目的不同，采用的基因分離、擴增及標記方法各異。當然，常規(guī)的基因分離、擴增及標記技術完全可以采用，但操作繁瑣且費時。高度集成的微型樣品處理系統(tǒng)如細胞分離芯片及基因擴增芯片等是實現(xiàn)上述目的的有效手段和發(fā)展方向。為了獲得基因的雜交信號必須對目的基因進行標記，目前采用的最普遍的熒光標記方法與傳統(tǒng)方法如體外轉錄、pcr、逆轉錄等原理上并無多大差異，只是采用的熒光素種類更多，這可以滿足不同來源樣品的平行分析。用計算機控制的高分辨熒光掃描儀可獲得結合于芯片上目的基因的熒光信號，通過計算機處理即可給出目的基因的結構或表達信息。

雜交條件的選擇與研究目的有關，多態(tài)性分析或者基因測序時，每個核苷酸或突變位點都必須檢測出來。通常設計出一套四種寡聚核苷酸，在靶序列上跨越每個位點，只在中央位點堿基有所不同，根據(jù)每套探針在某一特點位點的雜交嚴謹程度，即可測定出該堿基的種類。如果芯片僅用于檢測基因表達，只需設計出針對基因中的特定區(qū)域的幾套寡聚核苷酸即可。表達檢測需要長的雜交時間，更高的嚴謹性，更高的樣品濃度和低溫度，這有利于增加檢測的特異性和低拷貝基因檢測的靈敏度。突變檢測，要鑒別出單堿基錯配，需要更高的雜交嚴謹性和更短的時間。

此外，雜交反應還必須考慮雜交反應體系中鹽濃度、探針gc含量和所帶電荷、探針與芯片之間連接臂的長度及種類、檢測基因的二級結構的影響。有資料顯示探針和芯片之間適當長度的連接臂可使雜交效率提高150倍[9]。連接臂上任何正或負電荷都將減少雜交效率。由于探針和檢測基因均帶負電荷，因此影響他們之間的雜交結合，為此有人提出用不帶電荷的肽核酸（pna）做探針[9]。雖然pna的制備比較復雜，但與dna探針比較有許多特點，如不需要鹽離子，因此可防止檢測基因二級結構的形成及自身復性。由于pna-dna結合更加穩(wěn)定和特異，因此更有利于單堿基錯配基因的檢測。

六 基因芯片檢測原理

雜交信號的檢測是dna芯片技術中的重要組成部分。以往的研究中已形成許多種探測分子雜交的方法，如熒光顯微鏡、隱逝波傳感器、光散射表面共振、電化傳感器、化學發(fā)光、熒光各向異性等等，但并非每種方法都適用于dna芯片。由于dna芯片本身的結構及性質，需要確定雜交信號在芯片上的位置，尤其是大規(guī)模dna芯片由于其面積小，密度大，點樣量很少，所以雜交信號較弱，需要使用光電倍增管或冷卻的電荷偶連照相機(charged-coupled device camera，ccd)攝像機等弱光信號探測裝置。此外，大多數(shù)dna芯片雜交信號譜型除了分布位點以外還需要確定每一點上的信號強度，以確定是完全雜交還是不完全雜交，因而探測方法的靈敏度及線性響應也是非常重要的。雜交信號探測系統(tǒng)主要包括雜交信號產生、信號收集及傳輸和信號處理及成像三個部分組成。

由于所使用的標記物不同，因而相應的探測方法也各具特色。大多數(shù)研究者使用熒光標記物，也有一些研究者使用生物素標記，聯(lián)合抗生物素結合物檢測dna化學發(fā)光。通過檢測標記信號來確定dna芯片雜交譜型。 

    1．熒光標記雜交信號的檢測方法

    使用熒光標記物的研究者最多，因而相應的探測方法也就最多、最成熟。由于熒光顯微鏡可以選擇性地激發(fā)和探測樣品中的混合熒光標記物，并具有很好的空間分辨率和熱分辨率，特別是當熒光顯微鏡中使用了共焦激光掃描時，分辨能力在實際應用中可接近由數(shù)值孔徑和光波長決定的空間分辨率，而在傳統(tǒng)的顯微鏡是很難做到的，這便為dna芯片進一步微型化提供了重要的檢測方法的基礎。大多數(shù)方法都是在人射照明式熒光顯微鏡（epifluoescence microscope）基礎上發(fā)展起來的，包括激光掃描熒光顯微鏡、激光共焦掃描顯微鏡、使用了ccd相機的改進的熒光顯微鏡以及將dna芯片直接制作在光纖維束切面上并結合熒光顯微鏡的光纖傳感器微陣列。這些方法基本上都是將待雜交對象 以熒光物質標記，如熒光素或麗絲膠（lissamine）等，雜交后經過ssc和sds的混合溶液或sspe等緩沖液清洗。

    （1）激光掃描熒光顯微鏡

    探測裝置比較典型。方法是將雜交后的芯片經處理后固定在計算機控制的二維傳動平臺上，并將一物鏡置于其上方，由氬離子激光器產生激發(fā)光經濾波后通過物鏡聚焦到芯片表面，激發(fā)熒光標記物產生熒光，光斑半徑約為5－10μm。同時通過同一物鏡收集熒光信號經另一濾波片濾波后，由冷卻的光電倍增管探測，經模數(shù)轉換板轉換為數(shù)字信號。通過計算機控制傳動平臺x－y方向上步進平移，dna芯片被逐點照射，所采集熒光信號構成雜交信號譜型，送計算機分析處理，最后形成20μm象素的圖像。這種方法分辨率高、圖像質量較好，適用于各種主要類型的dna芯片及大規(guī)模dna芯片雜交信號檢測，廣泛應用于基因表達、基因診斷等方面研究。

    (2)激光掃描共焦顯微鏡

    激光掃描共焦顯微鏡與激光掃描熒光顯微鏡結構非常相似，但是由于采用了共焦技術因而更具優(yōu)越性。這種方法可以在熒光標記分子與dna芯片雜交的同時進行雜交信號的探測，而無須清洗掉未雜交分子，從而簡化了操作步驟大大提高了工作效率。affymetrix公司的s．p．a．forder等人設計的dna芯片即利用此方法。其方法是將靶 dna分子溶液放在樣品地中，芯片上合成寡核苷酸陣列的一面向下，與樣品池溶液直接接觸，并與dna樣品雜交。當用激發(fā)光照射使熒光標記物產生熒光時，既有芯片上雜交的dna樣品所發(fā)出的熒光，也有樣品地中dna所發(fā)出的熒光，如何將兩者分離開來是一個非常重要的問題。而共焦顯微鏡具有非常好的縱向分辨率，可以在接受芯片表面熒光信號的同時，避開樣品池中熒光信號的影響。一般采用氬離子激光器（488nm）作為激發(fā)光源，經物鏡聚焦，從芯片背面入射，聚集于芯片與靶分子溶液接觸面。雜交分子所發(fā)的熒光再經同一物鏡收集，并經濾波片濾波，被冷卻的光電倍增管在光子計數(shù)的模式下接收。經模數(shù)轉換反轉換為數(shù)字信號送微機處理，成像分析。在光電信增管前放置一共焦小孔，用于阻擋大部分激發(fā)光焦平面以外的來自樣品池的未雜交分子熒光信號，避免其對探測結果的影響。激光器前也放置一個小孔光闌以盡量縮小聚焦點處光斑半徑，使之能夠只照射在單個探針上。通過計算機控制激光束或樣品池的移動，便可實現(xiàn)對芯片的二維掃描，移動步長與芯片上寡核苷酸的間距匹配，在幾分鐘至幾十分鐘內即可獲得熒光標記雜交信號圖譜。其特點是靈敏度和分辨率較高，掃描時間長，比較適合研究用?，F(xiàn)在 affymetrix公司已推出商業(yè)化樣機，整套系統(tǒng)約 12萬美元。

    （3）采用了ccd相機的熒光顯微鏡

    這種探測裝置與以上的掃描方法都是基于熒光顯微鏡，但是以ccd相機作為信號接收器而不是光電倍增管，因而無須掃描傳動平臺。由于不是逐點激發(fā)探測，因而激發(fā)光照射光場為整個芯片區(qū)域，由ccd相機獲得整個dna芯片的雜交譜型。這種方法一般不采用激光器作為激發(fā)光源，由于激光束光強的高斯分布，會使得光場光強度分布不均，而熒光信號的強度與激發(fā)光的強度密切相關，因而不利于信號采集的線性響應。為保證激發(fā)光勻場照射，有的學者使用高壓汞燈經濾波片濾波，通過傳統(tǒng)的光學物鏡將激發(fā)光投射到芯片上，照明面積可通過更換物鏡來調整；也有的研究者使用大功率弧形探照燈作為光源，使用光纖維束與透鏡結合傳輸激發(fā)光，并與芯片表面呈50o角入射。由于采用了ccd相機，因而大大提高了獲取熒光圖像的速度，曝光時間可縮短至零點幾秒至十幾秒。其特點是掃描時間短，靈敏度和分辨率較低，比較適合臨床診斷用[14].

    （4）光纖傳感器

    有的研究者將 dna芯片直接做在光纖維束的切面上（遠端），光纖維束的另一端（近端）經特制的耦合裝置耦合到熒光顯微鏡中。光纖維束由7根單模光纖組成。每根光纖的直徑為200μm，兩端均經化學方法拋光清潔?；瘜W方法合成的寡核苷酸探針共價結合于每根光纖的遠端組成寡核苷酸陣列。將光纖遠端浸入到熒光標記的靶分子溶液中與靶分子雜交，通過光纖維束傳導來自熒光顯微鏡的激光（490urn），激發(fā)熒光標記物產生熒光，仍用光纖維束傳導熒光信號返回到熒光顯微鏡，由ccd相機接收。每根光纖單獨作用互不干擾，而溶液中的熒光信號基本不會傳播到光纖中，雜交到光纖遠端的靶分子可在90％的甲酸胺（ formamide）和te緩沖液中浸泡10秒鐘去除，進而反復使用。這種方法快速、便捷，可實時檢測dna微陣列雜交情況而且具有較高的靈敏度，但由于光纖維束所含光纖數(shù)目有限，因而不便于制備大規(guī)模dna芯片，有一定的應用局限性。

2.生物素標記方法中的雜交信號探測

     以生物素（biotin）標記樣品的方法由來已久，通常都要聯(lián)合使用其它大分子與抗生物素的結合物（如結合化學發(fā)光底物酶、熒光素等），再利用所結合大分子的特殊性質得到最初的雜交信號，由于所選用的與抗生物素結合的分子種類繁多，因而檢測方法也更趨多樣化。特別是如果采用尼龍膜作為固相支持物，直接以熒光標記的探針用于dna芯片雜交將受到很大的限制，因為在尼龍膜上熒光標記信號信噪比較低。因而使用尼龍膜作為固相支持物的這些研究者大多是采用生物素標記的。

目前應用較多的是美國general scanning公司開發(fā)的基因芯片專用檢測系統(tǒng)(scanarray 3000)，采用激光共聚焦掃描原理進行熒光信號采集，由計算機處理熒光信號，并對每個點的熒光強度數(shù)字化后進行分析。近期又開發(fā)出了scanarray 5000，其掃描精度和功能有較大的提高。

七 結果的分析

  樣品在被測定前，首先要經過消化，使待測組織細胞中的dna或rna釋放出來，在經過適當?shù)臄U增后，以熒光標記物標記，放入基因芯片自動孵育裝置（fluidics station）中，由其自動控制反應的時間、溫度以及緩沖液的配比等反應條件，進行雜交，這一過程，僅需要數(shù)秒鐘。雜交完成后，要對基因芯片進行“讀片”，即應用激光共聚焦熒光掃描顯微鏡，對基因芯片表面的每個位點進行檢測。這種顯微鏡，將聚焦的平面設定為芯片的表面，因此可以檢測結合到芯片表面位點的樣品片斷的熒光標記，而待測樣品中未與芯片上探針結合的熒光標記物，則懸浮于溶液中，由于不在聚焦平面上，因而不被檢測。樣品與探針的錯配是影響雜交反應結果的重要因素，但由于樣品與芯片上的探針正確配對時產生的熒光信號要比錯配時強的多，因此，通過對信號強度的分析，就可以區(qū)分正確與錯誤的配對。

為了使結果的檢驗更加簡便和快速，affymetrix的基因芯片的分析系統(tǒng)中采用了基因陣列掃描儀和專用的基因芯片工作站，對一幅包含數(shù)萬個探針位點的基因芯片圖樣的分析，僅需要數(shù)分鐘的時間。這樣在短短的幾十分鐘至數(shù)小時內，就可以完成用傳統(tǒng)方法需要數(shù)月才能完成的幾萬乃至幾十萬次雜交分析試驗。

八 基因芯片的應用

（一）基因表達分析　基因芯片具有高度的敏感性和特異性，它可以監(jiān)測細胞中幾個至幾千個mrna拷貝的轉錄情況。與用單探針分析mrna的點雜交技術不同，基因芯片表達探針陣列應用了大約20對寡核苷酸探針來監(jiān)測每一個mrna的轉錄情況。每對探針中，包含一個與所要監(jiān)測的mrna完全吻合和一個不完全吻合的探針（圖2），這兩個探針的差別在于其中間位置的核苷酸不同。這種成對的探針可以將非特異性雜交和背景訊號減小到最低的水平，由此我們就可以確定那些低強度的mrna。目前，affymetrix公司已經生產出hugenefl、mu6500（含有小鼠6　500個基因）、ye6100（含有酵母6　100個基因）等基因芯片成品。

1　分析基因表達時空特征。英國劍橋大學whitehead研究所的frank c.p. holstege等人，應用含有酵母基因組的基因芯片，深入研究了真核細胞基因組的調節(jié)周期。應用基因組水平的表達分析，監(jiān)測那些表達受轉錄起始機制的關鍵成分控制的基因，發(fā)現(xiàn)rna聚合酶ii、主要的轉錄因子tfiid和saga染色體修飾復合物等均在基因的表達中有自己特定的作用位點[15]。通過本試驗，研究人員揭示了：（1）基因特異性的轉錄因子對表達的調控作用。（2）細胞在缺乏營養(yǎng)的環(huán)境中，基因不同位點的協(xié)同調節(jié)作用的全新機制。（3）信號轉導通路的最終作用位點，在最初的幾步中就可以確定。以此試驗為基礎，研究人員進一步繪制出了酵母基因組控制圖，并由此分析出了各種調節(jié)因子在基因上不同的作用位點和其作用的分子機制。

美國stanford大學的v.r.iyer等人[16]，對成纖維細胞中與細胞增生和損傷修復有關的基因進行了分析。首先，他們用成纖維細胞中的8　600個基因片斷制成基因芯片的探針陣列，通過與mrna反轉錄形成的cdna的雜交反應，可以判斷出該基因的活性。在試驗中，成纖維細胞被置于無營養(yǎng)的環(huán)境中，使絕大部分基因的活性關閉，兩天后，加入10%的血清，24小時內，分6個不同的時間點，觀察基因的活化情況。試驗結果表明，在所有被監(jiān)測的基因中，約有500個基因最為活躍，而使細胞保持不分裂狀態(tài)的基因活性被抑制。其中，最早被活化的是那些轉錄調控基因。在活化的基因中，有28個基因共同作用，控制細胞的增殖；8個與免疫反應的激活有關；19個與血管重建有關；另有許多基因，與血管新生密切相關。在腫瘤細胞中，基因的表達與正常的細胞存在著明顯的差異。通過基因芯片繪出基因表達的時空圖譜，有助于人類認識生命活動過程和特征。

2 基因差異表達檢測〔17〕　生命活動中基因表達的改變是生物學研究的核心問題。理解人類基因組中10萬個不同的基因功能，監(jiān)測某些組織、細胞不同分化階段的差異基因表達（differential gene expression ，dge）十分重要。對差異表達的研究，可以推斷基因與基因的相互關系，細胞分化中基因“開啟”或“關閉”的機制；揭示基因與疾病的發(fā)生、發(fā)展、轉歸的內在聯(lián)系。目前dge研究方法主要有表達序列標簽（ests）測序、差減克?。╯ubtractive cloning ）、差異顯示（differential display）、基因表達系列分析 (serial analysis of gene expression, sage)。而cdna微陣列雜交技術可監(jiān)測大量mrna的轉錄，直接快速地檢測出極其微量的mrna，且易于同時監(jiān)測成千上萬的基因，是研究基因功能的重要手段之一。rihn bh等利用基因芯片檢測胸膜間皮瘤與正常細胞間比較了6500個基因，，發(fā)現(xiàn)了300多個差異基因的表達。其中幾個典型基因的表達經rt-pcr進行定量后，可作為胸膜間皮瘤診斷的標記物（markers）[18]。sgroi〔19〕報告dna芯片結合激光捕獲顯微切割技術（laser capture microdissection）用于乳癌浸潤期和轉移期及正常細胞的基因表達譜（gene expression profiles）差異研究，結果被定量pcr和免疫組化所證實。差異表達有助于早期發(fā)現(xiàn)瘤細胞3萬個基因與正常細胞的區(qū)別，有助于了解瘤細胞的發(fā)生、浸潤、轉移和藥敏。最近，美國毒物化學研究所（ciit） 和國家環(huán)境健康科學研究所（niehs）正計劃在一張玻片上建立8 700個小白鼠cdna芯片，用于肝癌的研究。我國也已成功研制出能檢出41 000種基因表達譜的芯片。美國stanford大學的david botstein利用cdna微陣列芯片，對乳腺癌細胞的基因表達進行了分析，發(fā)現(xiàn)其基因表達水平明顯低于正常細胞。利用基因芯片對表達進行分析，在一次試驗中可以獲取相當于在60余萬次傳統(tǒng)的northern雜交中所獲得的關于基因表達的信息。通過這種實驗方法，可以建立一種全新的腫瘤分類學方法，即依據(jù)每個腫瘤細胞中的基因表達情況對腫瘤細胞進行分類?；蛐酒夹g在分析基因的表達中具有不可比擬的優(yōu)勢。

    3　發(fā)現(xiàn)新基因　moch等利用腫瘤微陣列芯片（5 184個cdna片段）發(fā)現(xiàn)了腎細胞癌的腫瘤標志物基因，并于正常細胞進行比較。在532份標本中檢測到胞漿纖維vimentin的表達基因，陽性率為51%～61%〔20〕。追蹤觀察，有vimentin表達的患者，預后極差。人類大量ests給cdna微陣列提供了豐富的資源，數(shù)據(jù)庫中400 000個ests代表了所有人類基因，成千上萬的ests微陣列將為人類基因表達研究提供強有力的分析工具。這將大大地加速人類基因組的功能分析〔21〕。

定量檢測大量基因表達水平在闡述基因功能、探索疾病原因及機理、發(fā)現(xiàn)可能的診斷及治療靶等方面是很有價值的。如該技術在炎癥性疾病類風濕性關節(jié)炎（ra）和炎癥性腸?。╥bd）的基因表達研究中，由ra或ibd組織制備探針，用cy3和cy5熒光素標記，然后與靶cdna微陣列雜交，可檢測出炎癥疾病誘導的基因如tnf-α、il或粒細胞集落刺激因子，同時發(fā)現(xiàn)一些以前未發(fā)現(xiàn)的基因如hme基因和黑色素瘤生長刺激因子。schena等人[22]報道了cdna的微陣列在人類基因表達監(jiān)測、生物學功能研究和基因發(fā)現(xiàn)方面的應用。采用含1,046個已知序列的cdna微陣列，用高速機器人噴印在玻片上，用雙色雜交法定量監(jiān)測不同基因表達，在一定的實驗條件下，不同表達模式的陣列成分通過序列分析鑒定其特征。該方法較以往常用的方法敏感10倍以上，檢測限度為1:500,000(wt/wt)總人體mrna。在培養(yǎng)t細胞熱休克反應的測定中，發(fā)現(xiàn)17個陣列成分的熒光比較明顯改變，其中11個受熱休克處理的誘導，6個呈現(xiàn)中度抑制，對相應于17個陣列成分的cdna測序發(fā)現(xiàn)5個表達最高的成分是5種熱休克蛋白，17個克隆中發(fā)現(xiàn)3個新序列。另外，在佛波酯誘導檢測中[23]，發(fā)現(xiàn)有6個陣列成分信號增強超過2倍，測序及數(shù)據(jù)庫比較揭示有5個已知的，誘導表達最高的兩個是pca-1酪氨酸磷酸酶和核因子-κb1，有一個是未知的。這4個新基因的表達水平均相對較低，僅呈現(xiàn)2倍的誘導。northern雜交結果證實了微陣列的結果。進一步檢測了人的骨髓、腦、前列腺及心臟組織中熱休克和佛波酯調節(jié)基因的表達，4種組織中檢測出15種熱休克和佛波酯調節(jié)基因的表達，其表達水平與jurkat細胞中相應成分的表達水平密切相關如在四種組織中表達水平最高的兩個基因β-actin和細胞色素c氧化酶在jurkat細胞中的表達水平也很高。上述實驗提示在缺乏任何序列信息的條件下，微陣列可用于基因發(fā)現(xiàn)和基因表達檢測。目前，大量人類ests給cdna微陣列提供了豐富的資源，數(shù)據(jù)庫中400,000個ests代表了所有人類基因，成千上萬的ests微陣列將為人類基因表達研究提供強有力的分析工具。這將大大地加速人類基因組的功能分析。

    4　大規(guī)模dna測序　人類基因組計劃的實施促進了高效的、自動化操作的測序方法的發(fā)展。芯片技術中雜交測序（sequencing by hybridization, sbh）技術及鄰堆雜交（contiguous stacking hybridization, csh）技術即是一種新的高效快速測序方法[24-26]。用含65 536個8聚寡核苷酸的微陣列，采用sbh技術，可測定200 bp長dna序列，采用67 108 864個13聚寡核苷酸的微陣列，可對數(shù)千個堿基長的dna測序。sbh技術的效率隨著微陣列中寡核苷酸數(shù)量與長度的增加而提高，但微陣列中寡核苷酸數(shù)量與長度的增加則提高了微陣列的復雜性，降低了雜交準確性。csh技術彌補了sbh技術存在的弊端，csh技術的應用增加了微陣列中寡核苷酸的有效長度，加強了序列準確性，可進行較長的dna測序。計算機模擬論證了8聚寡核苷酸微陣列與5聚寡核苷酸鄰堆雜交，相當于13聚寡核苷酸微陣列的作用，可測定數(shù)千個核苷酸長的dna序列[26]。dubiley等人[26]將合成的10聚寡核苷酸固定于排列在載片表面的0.1×0.1×0.02mm或1×1×0.02mm聚丙酰胺凝膠墊上制備聚寡核苷酸微陣列，先用分離微陣列（fractionation chips）進行單鏈dna分離，再用測序微陣列（sequencing chips）分析序列，后者聯(lián)合采用了10聚寡核苷酸微陣列的酶促磷酸化、dna雜交及與鄰堆的5聚寡核苷酸連接等技術。該方法可用于含重復序列及較長序列的dna序列測定及不同基因組同源區(qū)域的序列比較。利用基因芯片測序的準確率達99%以上。

正如nih首腦harold varmus在美國細胞生物學1998年年會上所說：“在基因芯片的幫助下，我們將能夠監(jiān)測一個細胞乃至整個組織中所有基因的行為?！?/p>

（二）基因型、基因突變和多態(tài)性分析

在同一物種不同種群和個體之間，有著多種不同的基因型，而這種不同，往往與個體的不同性狀和多種遺傳性疾病有著密切的關系。通過對大量具有不同性狀的個體的基因型進行比較，就可以得出基因與性狀的關系。但是，由于大多數(shù)性狀和遺傳性疾病是由多個基因同時決定的，因此分析起來就十分困難，然而基因芯片技術恰恰解決了這一問題，利用其可以同時反應數(shù)千甚至更多個基因的特性，我們就可以分析基因組中不同基因與性狀或疾病的關系。美國stanford大學的e.a.winzeler等[27]，以兩種不同菌株的酵母（s96和yjm789）作為實驗材料，對控制酵母對放線菌酮的抗藥性的基因進行分析。將含有酵母150 000個dna片斷的基因芯片分別與這兩株酵母活化轉錄的mrna分子雜交，s96幾乎全部吻合，而yjm789與芯片上的探針組存在較大的差異，約有3000個位點沒有雜交顯色。由于s96對放線菌酮有抗藥性而yjm789的抗藥性則弱的多，因此可以判定控制這一抗藥性的基因的所在。而后，通過對s96和yjm789雜交后產生的抗藥子代的遺傳標記的分析，進一步確定，控制該抗藥性的基因位于15號染色體，是一長約57 000個堿基的片斷。美國國家人類基因組研究室的j.g.hacia等在fodor研究小組的協(xié)助下[28]，將基因芯片應用于雙色突變分析。他們的分析對象是與人類遺傳性乳腺癌和卵巢癌密切相關的brca1基因的外顯子11。在擴增后，將brca1基因的外顯子11置于含有熒光素-12-utp的環(huán)境中進行體外轉錄反應，而后將轉錄產生的mrna與brca1外顯子11芯片雜交，4小時后，用藻紅蛋白染色。在觀察時，用488nm的氬離子激光進行掃描，熒光染色位點呈現(xiàn)綠色，而藻紅蛋白染色的位點呈現(xiàn)紅色。應用雙色分析，可以更為清楚的監(jiān)測未知樣品與標準鏈之間的競爭性雜交情況，進而分析該基因中的不同突變。通過對15名患者brca1基因的觀察，有14名患者在外顯子11位點存在不同的突變。hacia等［29］在1.28 cm×1.28 cm的芯片上固定了9.66×104個長度為20 nt的寡核苷酸探針，用于檢測乳腺癌基因brca1的exon11 (3.45 kb)中所有可能的堿基置換、插入和缺失(1～5 bp)突變。針對每一個位點，共有28個獨立的探針，14個針對有義鏈，14個針對反義鏈。14個探針包括2個野生型，3個堿基置換、4個插入突變、5個堿基缺失。在15例患者樣品中，發(fā)現(xiàn)有14例有基因突變，類型包括點突變、插入及缺失等；在20例對照樣品中均未檢出假陽性結果，結果表明dna芯片技術可快速、準確地研究大量患者樣品定基因所有可能的雜合變。cronin等［30］分別用兩種dna芯片檢測囊性纖維化跨膜傳導調節(jié)(cftr)的突變，其中一個芯片包含1 480個探針，檢測了cftr基因的第10和11外顯子的已知突變，包括缺失、插入和單堿基置換，并分析了10個未知樣品的cftr基因，其結果與pcr-relp的分析結果完全一致。

guo等人[31]利用結合在玻璃支持物上的等位基因特異性寡核苷酸（asos）微陣列建立了簡單快速的基因多態(tài)性分析方法。將asos共價固定于玻璃載片上，采用pcr擴增基因組dna，其一條引物用熒光素標記，另一條引物用生物素標記，分離兩條互補的dna鏈，將熒光素標記dna鏈與微陣列雜交，通過熒光掃描檢測雜交模式，即可測定pcr產物存在的多種多態(tài)性，該方法對人的酪氨酸酶基因等4個外顯子內含有的5個單堿基突變進行分析，結果顯示單堿基錯配與完全匹配的雜交模式非常易于區(qū)別。這種方法可快速、定量地獲得基因信息。β-地中海貧血中變異的檢測也論證了該方法的有效性和可信性[32]。lipshutz等人[33]采用含18,495個寡核苷酸探針的微陣列，對hiv-1基因組反轉錄酶基因（rt）及蛋白酶基因（pro）的高度多態(tài)性進行了篩選。微陣列中內部探針與靶序列的錯配具有明顯的不穩(wěn)定性，據(jù)此可快速區(qū)別核酸靶的差異。例如檢測序列5'gtatcagcatxgccatcgtgc中x堿基的種類，可用下列4種探針3'agtcgtaacggtagc，3'agtcgtaccggtagc，3'agtcgtagcggtagc，3'agtcgtatcggtagc。高密度探針陣列可檢則具有特征性的較長序列相關的多態(tài)性與變異。篩選1,000個核苷酸序列的變異與多態(tài)性需要4,000個探針。用100μm合成位點，設計1.28cm2陣列，將有大約16,000個探針，能篩選4kb序列。hiv-1基因組中rt與pro在疾病過程中易于發(fā)生多種變異，這些變異將導致病毒對多種抗病毒藥物包括azt、ddi、ddc等出現(xiàn)明顯抗性，因此檢測和分析rt與pro的變異與多態(tài)性具有重要的臨床意義。隨著遺傳病與癌癥相關基因發(fā)現(xiàn)數(shù)量的增加，變異與多態(tài)性分析將越來越重要。chee等［34］用含有1.35×105個長度為25 nt的寡核苷酸探針，分析了16.6 kb的人類線粒體基因組dna(mt dna)，共分析了10個樣本，檢測出了505個多態(tài)性位點，并在leber′s遺傳性視神經疾病患者的mt dna中檢測出3個致病性突變位點。

隨著人類基因組計劃的逐步發(fā)展，研究人員分析出了越來越多的基因序列。下一步，就是要分析這些基因的多態(tài)性與生物功能和疾病的關系，而這需要對大量個體進行分析。通過基因芯片snp（單核苷酸多態(tài)性）定位試驗，可以確定基因多態(tài)性和疾病的關系，同時也可確定致病的機制和病人對治療的反應等。同樣，對于許多與人類疾病密切相關的致病微生物，也可對其進行基因型和多態(tài)性分析，1998年，法國t.livache等[35]就成功的利用基因芯片技術，對人血中的hcv病毒進行了基因型分析。snp基因芯片的成功將使臨床診斷上到一個新的臺階。

（三）疾病的診斷與治療　人類的疾病與遺傳基因密切相關，基因芯片可以對遺傳信息進行快速準確的分析，因此它在疾病的分子診斷中的優(yōu)勢是不言而喻的，就臨床一種新的、強有力的分子工具[36]。基因芯片技術已經被應用于感染性疾病、腫瘤和藥物代謝等方面的研究。

1　遺傳病相關基因的定位　90年代以來,隨著人類基因組計劃的發(fā)展,各種方法被相繼創(chuàng)立并應用到基因定位中。我國有4 000萬育齡婦女，每年有2 000萬新生兒，準確檢測遺傳病基因是優(yōu)生優(yōu)育的技術保障。dna芯片充分結合并靈活運用了大規(guī)模集成電路制造技術、自動化技術、計算機及網絡技術、激光共聚焦掃描、dna合成、熒光標記探針、分子雜交及分子生物學的其它技術,在這一領域的研究中有著巨大的潛力。這一技術已成為基因定位研究的高效工具。隨著遺傳病與癌癥相關基因發(fā)現(xiàn)數(shù)量的增加，變異與多態(tài)性分析將越來越重要。hgp使許多遺傳疾病基因得以定位,配合使用多位pcr (multiplex-pcr) /dna芯片可一次篩查多種遺傳病,既經濟快速又敏感可靠[37,38]。

    2　腫瘤診斷　已用基因芯片檢測人鼻咽癌、肺癌基因表達譜、腫瘤原癌基因和抑癌基因的發(fā)現(xiàn)和定位。早在1996年，m.j.kozal等就利用基因芯片[39]，對hiv-i b亞型中的蛋白酶基因的多態(tài)性進行了分析，這也是基因芯片技術被首次應用于臨床實踐。在艾滋病的治療中，使用hiv蛋白酶抑制劑是一種重要的手段。然而，病毒對該藥物的反應卻有著很大的差異。利用基因芯片技術，研究人員分析了取自102個病人的167個病毒單體，發(fā)現(xiàn)這些同為美國hiv-i b亞種的病毒的基因序列存在極大差異，其中蛋白酶的基因片斷差異最大，在編碼99個氨基酸的序列中，竟有47.5%存在明顯突變。這些氨基酸的突變，直接導致了病毒抗藥性的不同。含96 600個20體寡核苷酸高密度陣列對遺傳性乳腺和卵巢癌brca1基因3.45 kb的第11個外顯子進行雜合變異篩選，15個患者的已知變異的樣品中，準確診斷出14個患者，20個對照樣品中未發(fā)現(xiàn)假陽性。用affimetrix p53芯片和pcr-sscp調查42例有乳癌史的家系，p53基因13 964位的g變?yōu)閏，突變率為7.1%；無乳癌家族史者為0。favis等用多位pcr/連接酶檢測反應（pcr/ldr）在一個試管內同時檢測數(shù)百個基因突變，用于檢測大腸癌組織k-ras 和p53突變及brca-1和brca-2低頻率突變收到良好效果。

    人類惡性腫瘤中，約有60%與人類p53抑癌基因的突變有關，目前研究人員已經研制成功了可以檢測p53基因所有編碼區(qū)（外顯子2～外顯子11）錯意突變和單堿基缺失突變的基因芯片。以外顯子7的第248個密碼子為例，野生型為cgg，在芯片上做出5條探針，相應位點分別為gac、gcc、ggc、gtc和g-c，根據(jù)雜交后的熒光顯色圖，就可以分析出該位點為何種突變。

3　感染性疾病的診斷　hiv-1基因組中rt與pro在疾病過程中易于發(fā)生多種變異，這些變異將導致病毒對多種抗病毒藥物包括azt、ddi、ddc等出現(xiàn)明顯抗性，因此檢測和分析rt與pro的變異與多態(tài)性具有重要的臨床意義。hayward[40]以3 648個插入片段建立獵槍微陣列(shotgun microarray)，通過差異雜交和dna測序找到了瘧原蟲無性和有性生殖階段基因差異表達，為抗瘧藥設計提供了線索?？梢灶A測在不久的將來，人們可望在一張dna芯片上檢測幾乎所有的病原微生物基因，實現(xiàn)真正意義上的“組合檢測（profile tests）”。

    4　耐藥菌株和藥敏檢測　據(jù)who報告，全球每年約有800萬結核病患者，有300萬人死亡，死亡人數(shù)超過了艾滋病和瘧疾的總和。主要原因是菌株對不同的藥物產生了抗藥性（俄國80%tb對一種藥物產生抗性；美國50%為多重耐藥）。對每例患者進行菌株和藥敏鑒定是控制tb的關鍵。最近，俄美兩國科學家開發(fā)了具此功能的基因芯片，可使醫(yī)生及早使用敏感藥物。該芯片（tb biochips）將抗性菌株的單鏈dna標記后固定在玻片上，與待檢tb株雜交，臨床使用未見假陽性，該芯片可清洗后重復使用50次。

    （四）藥物研究中的應用

從經濟效益來說，最大的應用領域可能是制藥廠用來開發(fā)新藥。所以已經有多家制藥企業(yè)介入芯片的開發(fā)。如： incyte pharmaaceuticals inc.，sequana therapeutics，millenium pharmaceuticals inc.等。對于尋找新藥來說，目標之一是應用芯片可以在基因水平上尋找藥物靶標。采用所謂“譯碼器”策略（decoder strategy）來確定藥物靶標。從而找到“導向藥物”。基因芯片也被用于尋找蛋白激酶抑制物。細菌或腫瘤組織的耐藥性也涉及基因改變可以用dna芯片鑒定。

    1 新藥開發(fā)　高通量的dna芯片可發(fā)現(xiàn)眾多的新基因和新的靶分子用于新藥的設計。噬菌體展示技術可創(chuàng)造大量蛋白質，目前多用于抗體庫的建立和篩選，進而可用于受體-配體相互作用的研究?；蚪M學、蛋白質組學和生物信息學（bioinformatics）將大大促進制藥工業(yè)的發(fā)展。目前第一個生物分子工程藥物herceptin已用于乳癌的治療，并獲得美國fda的批準。除腫瘤外，用分子生物工程設計的藥物可用于治療遺傳病及代謝疾病、抗衰老、設計新的抗生素和工業(yè)用酶等。

同時，有時一種藥物的作用是多方面的，基因芯片有助于發(fā)現(xiàn)一種藥物的新的功能。原先設想的作用是針對某一靶標的，但在全基因或廣范圍篩選中卻發(fā)現(xiàn)該藥在另一方面有很強的抑制作用，從而開發(fā)成另一種新藥。

2 調查藥物處理細胞后基因的表達情況

基因芯片在用來研究藥物的作用機理時十分有用。marton[40]等人利用基因芯片構建了免疫抑制性藥物fk506處理酵母細胞后的基因表達圖譜。發(fā)現(xiàn)用fk506處理的酵母細胞基因表達圖譜與fk506靶標的無意義突變體相似。而用fk506去處理此突變體，發(fā)現(xiàn)了不同于野生型的作用機制。clarke等［41］用基因芯片研究了腸癌患者化療前和治療期間腫瘤基因表達情況，發(fā)現(xiàn)絲裂霉素c和5-氟尿嘧啶治療均可使糖苷合成酶和尿嘧啶-dna糖基酶的基因表達增加。該研究提示，這類研究既有助于闡明藥物的作用機制，也有助于確定藥物作用的靶基因，為新藥研究提供線索。

   3 對藥物進行毒性評價

應用芯片查找藥物的毒性或副作用，進行毒理學研究。尤其是慢性毒性和副作用，往往涉及基因或基因表達的改變。如果藥物能抑制重要基因的表達，則對它的深入研究就值得考慮。用芯片作大規(guī)模的表達研究往往可省略大量的動物試驗。若某個正在篩選的潛在藥物作用靶細胞得到的基因表達圖譜與已知的具有毒性副作用的藥物得到的基因表達圖譜相似時，就要考慮是否停止藥物開發(fā)（drug development）中花費巨大的臨床實驗階段。nuwaysir等［42］研制了包括涉及細胞凋亡、dna復制和修復、氧化應激/氧化還原內穩(wěn)態(tài)、過氧化物酶體增殖反應、二英/多環(huán)芳烴反應、雌激素反應、看家基因、癌基因和抑癌基因、細胞周期控制、轉錄因子、激酶、磷酸酶、熱休克蛋白、受體、細胞色素p450等共2 090個基因的毒理芯片(toxchip v1.0), 該芯片既可用于毒物的檢測和遺傳多態(tài)性的檢測，又可用于受檢毒物的毒作用機制的研究。最近，holden等從人和小鼠文庫中選擇約600個與毒理學相關基因的cdna克隆，制備了種屬特異的毒理基因組學芯片，可研究肝臟毒性、內分泌干擾、致癌作用等毒性終點的作用機制，也可用于確定以基因表達模式為基礎的化合物的毒性。

（五）基因芯片中醫(yī)學領域中的應用

中醫(yī)學中應用基因芯片技術，還處于初始階段，目前主要集中以下三個方面：

1　中藥的研究，具體的方法，同上述藥物篩選方法類似。尤其中藥中眾多成分中有效成分的篩選、有效藥物的篩選、中藥毒理學過程均被大大簡化，將推動中藥的迅猛發(fā)展。中藥學引入基因芯片技術，將大大推動中藥研究的國際化進程，為闡明中藥作用機理，具有無可估量的重要意義。

2　中醫(yī)“證”本質的研究。中醫(yī)“證”的中醫(yī)藥的臨床治療的核心，但“證”的本質研究一直難以有重大進展。主要因為中醫(yī)理論設及到生命的整體，因而它牽涉到許多基因和蛋白質，傳統(tǒng)的方法學無法弄清“證”的實質，而利用基因芯片技術，對不同“證”狀態(tài)的基因組進行掃描，再繪出不同證的基因表達譜，通過相關分析，可望獲得一些有意義的成果。也是從分子基因水平全面揭示“證”本質提供了可能。如果證本質被揭示，它可能會引起醫(yī)學治療學理論的重大革新或變化，尤其是個體化治療方案可能重新被重視。

3　針灸原理研究。針灸的原理設及全身各個部分，針灸不同方法、不同穴位、經絡是否具有不同的作用，也即經脈與臟腑間的相關聯(lián)系是否具有相對特異性。通過基因芯片測量不同組織基因表達的差異，判斷基因表達是否具有特異性，有望解決這一長期爭論不休的問題。如果心經與心臟具有相對特異性，那么針刺心經后，心臟內可能會出現(xiàn)某些與針刺相關的特異性基因表達，而且，這種表達只在針刺心經時出現(xiàn)，這些基因可能不在其它器官，如肝臟中表達。那么可以肯定地認為經脈臟腑相關是具有相對特異性的，也可以認為傳統(tǒng)經絡理論是有依據(jù)的。

另一方面，基因芯片還有助于揭示針灸的作用機制。針灸的作用是與神經內分泌免疫網絡系統(tǒng)（nei networks）密切相關的，它設及到細胞信使、神經遞質、調質、神經肽、細胞因子、內分泌激素等多種因子，但針灸的信號是如何在細胞間和細胞內傳遞的過程仍不明朗，如果引入基因芯片，可以高通量的檢測細胞內基因表達的時空特征，有助于了解針灸促進基因表達的特點，進而再利用蛋白組學相關技術，揭示針灸作用原理?，F(xiàn)在已有部分工作正在進行。

（六）其它應用

1　環(huán)境化學毒物的篩選　我們的生活環(huán)境中存在著數(shù)千種化學物質，每種物質在投入使用前必須進行人體毒性試驗，傳統(tǒng)的動物試驗費用高昂，且存在著國際上關注的動物福利（animal welfare）問題。采用毒物檢測芯片（toxchips）可對環(huán)境中眾多化學物質對人類基因的潛在毒性進行篩選，探查毒物“開啟”或“關閉”哪些基因，研究“環(huán)境如何改變我們的基因”。niehs將對人類100 000個基因中的12 000個基因進行檢測，弄清致癌物質對基因的改變，建立化學物質指紋庫（fingerprints of chemicals），然后即可通過測定特定基因的突變與否判斷新的合成物質的生物毒性。

2　體質醫(yī)學的研究。體質醫(yī)學關系到個體化治療的核心問題，不同的人具有不同的體質基礎，其原因與基因型可能存在一定的相關性，尤其可能與snp關系較大，如何全面了解人的snp差異，以及它與體質因素、疾病的易感性間關系，是值得研究的重大課題。

美國繼開展人類基因組計劃以后，于1998年正式啟動基因芯片計劃，美國國立衛(wèi)生部、能源部、商業(yè)部、司法部、國防部、中央情報局等均參與了此項目。同時斯坦福大學、麻省理工學院及部分國立實驗室如argonne oakridge也參與了該項目的研究和開發(fā)。英國劍橋大學、歐亞公司正在從事該領域的研究。世界大型制藥公司尤其對基因芯片技術用于基因多態(tài)性、疾病相關性、基因藥物開發(fā)和合成或天然藥物篩選等領域感興趣，都已建立了或正在建立自己的芯片設備和技術。目前全世界有幾百家基因芯片公司，有多種生物芯片問世，而且這些芯片的特點較以前密度更高，檢測方法更精確，特異性更強的特點。而主要仍以少數(shù)幾家公司為主，如affymetrix、brax、hysep等。國內目前主要如清華大學（陳京）、中科院生命科學院、上海復旦大學、北京軍事科學院、南京東南大學、西安等四十余家公司，而且可能還有一大批公司相繼成立。

主要dna芯片高科技術企業(yè)的開發(fā)善和各自技術特點(1998年)[43]

十、當前面臨的困難

盡管基因芯片技術已經取得了長足的發(fā)展，得到人們的矚目，但仍然存在著許多難以解決的問題，例如技術成本昂貴、復雜、檢測靈敏度較低，重復性差、分析泛圍較狹窄等問題。這些問題主要表現(xiàn)在樣品的制備、探針合成與固定、分子的標記、數(shù)據(jù)的讀取與分析等幾個方面。

1　樣品制備上，當前多數(shù)公司在標記和測定前都要對樣品進行一定程度的擴增以便提高檢測的靈敏度，但仍不少人在嘗試繞過該問題，這包括mosaic technologies公司的固相pcr擴拉體系以及l(fā)ynx therapeutics公司提出大量并行固相克隆方法，兩種方法各有優(yōu)缺點，但目前尚未取得實際應用。

2　探針的合成與固定比較復雜，特別是對于制作高密度的探針陣列。使用光導聚合技術每步產率不高（95%），難于保證好的聚合效果。應運而生的其它很多方法，如壓電打壓、微量噴涂等多項技術，雖然技術難度較低方法也比較靈活，但存在的問題是難以形成高密度的探針陣列，所以只能在較小規(guī)模上使用。最近我國學者已成功地將分子印章技術應用探針的原位合成而且取得了比較滿意的結果。

3　目標分子的標記也是一個重要的限速步驟，如何簡化或繞過這一步現(xiàn)在仍然是個問題。目標分子與探針的雜交會出現(xiàn)一些問題：首先，由于雜交位于固相表面，所以有一定程度的空間阻礙作用，有必要設法減少這種不利因素的影響。southern曾通過向探針中引入間隔分子而使雜交效率提高于150倍。其次，探針分子的gc含量、長度以及濃度等都會對雜交產生一定的影響，因此需要分別進行分析和研究。

4　信號的獲取與分析上，當前多數(shù)方法使用熒光法進行檢測和分析，重復性較好，但靈敏仍然不高。正在發(fā)展的方法有多種，如質譜法、化學發(fā)光法等?；蛐酒铣汕先f的寡核苷酸探針由于序列本身有一定程度的重疊因而產生了大量的豐余信息。這一方面可以為樣品的檢測提供大量的難證機會，但同時，要對如此大量的信息進行解讀，目前仍是一個艱巨的技術問題。

5　基因芯片的特異性還有待提高。最近affymetrix公司生產的基因芯片采用瓣的技術，已大大提高檢測的特異性，估計在今后幾年內基因芯片的特異性將大大提高。

6　如何檢測低豐度表達基因仍是目前一個重要問題?；蛐酒ＷC其特異性、但又要保證能檢測低豐度表達的基因，目前尚未解決這一問題。因為許多低豐度表達的基因，也可能表達出主要執(zhí)行效應功能的蛋白質。因為基因表達與蛋白質生成并不成比例。

上述問題不僅是當前和今后一段時期內國內外基因芯片技術研究的焦點，同時也是基因芯片能否從實驗室研究推向臨床應用的關鍵問題。

十一  基因芯片技術的研究可能方向

縱觀當前基因芯片的研究趨勢，基因芯片在今后幾年內可能的發(fā)展方向，可能有以下幾個方面：

1．進一步提高探針陣列的集成度，如有多家公司的芯片陣列的集成度已達1.0×105左右，這樣基因數(shù)量在1.0×105以下的生物體（大多數(shù)生物體）的基因表達情況只用一塊芯片即可包括。

2 提高檢測的靈敏度和特異性。如檢測系統(tǒng)的優(yōu)化組合和采用高靈敏度的熒光標志。多重檢測以提高特異性，減少假陽性。 

4　高自動化、方法趨于標準化、簡單化，成本降低。價格高昂是目前推廣應用的主要障礙之一，但隨著技術的革新，基因芯片的價格將會大大降低。

5　高穩(wěn)定性。寡核苷酸探針、rna均不穩(wěn)定，易受破壞。而肽核酸（pna）有望取代普通rna/dna探針，可以確保探針的高穩(wěn)定性。

6 研制新的應用芯片，如1999年美國環(huán)保局(epa)組織專家研討會，討論了毒理學芯片的發(fā)展策略。近來多種新的生物芯片不斷問世，這是物理學、生物學與計算機科學共同的結晶。

7 研制芯片新檢測系統(tǒng)和分析軟件，以充分利用生物信息。

8 芯片技術將與其它技術結合使用，如基因芯片pcr、納米芯片等。

9不同生物芯片間綜合應用，如蛋白質芯片與基因芯片間相互作用等，可用于了解蛋白質與基因間相互作用的關系。

當前，基因芯片數(shù)量呈幾何級數(shù)在增長，功能也日益完善，但價格卻大大降低?？梢灶A見，基因芯片可能在未來3-5年，也即到2005年左右，將在醫(yī)學和生物學領域中得到廣泛應用，甚至普及使用！到2010年它可能成為常規(guī)的實驗技術，正如個人電腦的迅速普及一樣。

基因芯片作為生物芯片的代表，其發(fā)展目標同生物芯片的目標一樣是“芯片實驗室”(lab-on-chip)，也即將整個生化檢測分析過程縮微到芯片上?！靶酒瑢嶒炇摇蓖ㄟ^微細加工工藝制作的微濾器、微反應器、微泵、微閥門、微電極等以實現(xiàn)對生物樣品從制備、生化反應到檢測和分析的全過程，而且實驗過程趨于自動化從而極大地縮短的檢測和分析時間，節(jié)省了實驗材料，而且又降低人為主觀因素，大大提高實驗的客觀性。

總之，基因芯片技術發(fā)展到今天不過短短幾年時間，雖然還存在這樣或那樣的問題，但其在基因表達譜分析、基因診斷、藥物篩選及序列分析等諸多領域已呈現(xiàn)出廣闊的應用前景，隨著研究的不斷深入和技術的更加完善基因芯片一定會在生命科學研究領域發(fā)揮出其非凡的作用?；蛐酒罱K的意義和目的不再于本身，而在于它極大地提高了人類認識生命本質的能力和手段，為揭示人類這個復雜網絡系統(tǒng)打下基礎。從某種意義上我們可以這樣認為：基因的結構或種類決定物種；基因的功能或表達則決定生命，即生物的生、老、病、死。基因芯片技術將為我們提供一條認識生命本質的捷徑。當然基因芯片并非萬能，基因的表達并非代表生命活動本質，生命執(zhí)行者應是蛋白質，因而基因芯片必需同蛋白組學相關技術，如二維凝膠電泳、蛋白質芯片、大規(guī)模雙雜交體系等相結合才有望真正揭示生命活動的時空過程。

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