導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇光刻技術(shù)的基本原理，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關(guān)鍵詞：微電子技術(shù) 電子束 光刻 前途

中圖分類號(hào)：TN305 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）11（a）-0072-01

光刻是現(xiàn)代集成電路制造的基礎(chǔ)工藝技術(shù)，也是最關(guān)鍵、最核心的加工技術(shù)。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(jīng)過(guò)200～300多道工序，其中要經(jīng)過(guò)多次光刻，占用總加工時(shí)間的40%～50%，光刻工藝的水準(zhǔn)直接決定了一國(guó)電子技術(shù)的水平。

現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展基本遵循摩爾定律，也就是說(shuō)：每18個(gè)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(dá)國(guó)家把微電子技術(shù)作為一項(xiàng)戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，對(duì)發(fā)展中國(guó)家嚴(yán)格實(shí)行技術(shù)封鎖限制。像美國(guó)國(guó)會(huì)就規(guī)定，賣給中國(guó)的集成電路關(guān)鍵加工設(shè)備要比美國(guó)的水平低2代。今天，INTEL（英特爾）公司已經(jīng)可以投產(chǎn)元器件尺寸為10 nm左右的集成電路，而我國(guó)相應(yīng)的水平只有40 nm，加工水平相差2代（即20 nm、10 nm）。

我國(guó)已經(jīng)在過(guò)去數(shù)個(gè)五年計(jì)劃中將微電子技術(shù)列為高技術(shù)重點(diǎn)工程，在一些方面取得了一定進(jìn)展。這其中光刻加工設(shè)備一直是重點(diǎn)中的重點(diǎn)。目前，國(guó)際上采用的主流工藝是光學(xué)光刻。光學(xué)光刻的光源從波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線一直發(fā)展到了今天的紫外線，但是光學(xué)光刻正在日益接近其物理極限，也就是說(shuō)再往小的加工，就會(huì)遇到原理性的障礙，而無(wú)法進(jìn)行下去。各工業(yè)強(qiáng)國(guó)都在加緊開(kāi)發(fā)下一代光刻工藝，主要的技術(shù)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(shù)。

所謂電子束光刻，就是用電子源發(fā)出電子束，經(jīng)過(guò)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(shù)。電子束加工技術(shù)是近30年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它集電子光學(xué)、精密機(jī)械、超高真空、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制等近代高新技術(shù)于一體，是推動(dòng)微電子技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，因而已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家整體技術(shù)水平的象征。電子束曝光技術(shù)廣泛地應(yīng)用于高精度掩膜、新一代集成電路研制及新器件、新結(jié)構(gòu)的研究與加工等方面。目前，世界各國(guó)都投入了大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行電子束微細(xì)加工技術(shù)研究。20世紀(jì)90年代以來(lái)，美、日的一些研究部門(mén)采用電子束曝光技術(shù)，已經(jīng)制造出高精度納米級(jí)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(jī)一般有兩種類型：直寫(xiě)式與投影式。直寫(xiě)式就是直接將會(huì)聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的芯片上，不需要光學(xué)光刻工藝中最昂貴和制備費(fèi)時(shí)的掩膜；投影式則是通過(guò)高精度的透鏡系統(tǒng)將電子束通過(guò)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(xiě)式曝光機(jī)主要使用的是熱場(chǎng)發(fā)射源（表面鍍ZrO的鎢金屬針尖），工作溫度在1800K，和冷場(chǎng)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(lái)的電子束的聚焦和偏轉(zhuǎn)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(cè)量筒等裝置。光闌的作用主要是設(shè)定電子束的會(huì)聚角和電子束電流。電子透鏡的作用是通過(guò)靜電力或是磁力改變電子束的運(yùn)動(dòng)。電子透鏡類似光學(xué)透鏡，也存在球差和色差（當(dāng)外圈電子會(huì)聚比內(nèi)圈電子強(qiáng)時(shí)就形成了球差，而當(dāng)能量有微小差異的電子聚焦在不同平面上時(shí)就形成了色差），從而限制了束斑的大小和會(huì)聚角的范圍。像散校正器可以補(bǔ)償不同方位角電子束的像差。擋板的作用是開(kāi)啟或關(guān)閉電子束。結(jié)合刻蝕和沉積工藝，利用直寫(xiě)式曝光技術(shù)可以制備20 nm甚至更細(xì)的圖形，最小尺寸達(dá)10 nm的原理型納米電子器件也已經(jīng)制備出來(lái)。由于直寫(xiě)式曝光技術(shù)所具有的超高分辨率，無(wú)需昂貴的投影光學(xué)系統(tǒng)和費(fèi)時(shí)的掩膜制備過(guò)程，它在微納加工方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。但由于直寫(xiě)式的曝光過(guò)程是將電子束斑在表面逐點(diǎn)掃描，每一個(gè)圖形的像素點(diǎn)上需要停留一定的時(shí)間，這限制了圖形曝光的速度。直寫(xiě)式電子束光刻在產(chǎn)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(shù)而存在，主要應(yīng)用于掩膜制備、原型化、小批量器件的制備和研發(fā)。但直寫(xiě)式電子束曝光系統(tǒng)在納米物性測(cè)量、原型量子器件和納米器件的制備等科研應(yīng)用方面已顯示出重要的作用。

投影式曝光機(jī)是指將大束的電子束，照射到掩膜上，然后通過(guò)掩膜上的圖案縫隙，將圖案投影到芯片上。這種方法和當(dāng)前的光學(xué)光刻技術(shù)是相同的。由于電子束不像光那樣有光學(xué)的衍射效應(yīng)，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(diǎn)，用直寫(xiě)式加工方法，電子束直接在芯片上掃描，形成圖案，優(yōu)點(diǎn)是省卻了制作復(fù)雜、價(jià)格昂貴的掩膜，缺點(diǎn)是電子束能量太小，因而要在一個(gè)點(diǎn)上投射很長(zhǎng)時(shí)間，這就限制了加工速度，使其不能在大規(guī)模生產(chǎn)中應(yīng)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(zhì)上都會(huì)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(dǎo)體超晶格是指由交替生長(zhǎng)兩種半導(dǎo)體材料薄層組成的一維周期性結(jié)構(gòu).以gaas／alas半導(dǎo)體超晶格的結(jié)構(gòu)為例:在半絕緣gaas襯底上沿[001]方向外延生長(zhǎng)500nm左右的gaas薄層,而交替生長(zhǎng)厚度為幾埃至幾百埃的alas薄層。這兩者共同構(gòu)成了一個(gè)多層薄膜結(jié)構(gòu)。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(jìn)入兩邊的gaas層，“落入”gaas材料的導(dǎo)帶底,只要gaas層不是太薄,電子將被約束在導(dǎo)帶底部,且被阱壁不斷反射。換句話說(shuō),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(wú)論處在其中的載流子的運(yùn)動(dòng)路徑怎樣,都必須越過(guò)一個(gè)勢(shì)壘,由于gaas層厚度為量子尺度,我們將這種勢(shì)阱稱為量子阱.

當(dāng)gaas和alas沿z方向交替生長(zhǎng)時(shí),圖2描繪了超晶格多層薄膜結(jié)構(gòu)與相應(yīng)的的周期勢(shì)場(chǎng)。其中a表示alas薄層厚度(勢(shì)壘寬度),b表示薄層厚度(勢(shì)阱寬度)。如果勢(shì)壘的寬度較大,使得兩個(gè)相鄰勢(shì)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(dú)立的,這就是多量子阱。多量子阱的光學(xué)性質(zhì)與單量子阱的相同,而強(qiáng)度則是單量子阱的線性迭加。另一方面,如果兩個(gè)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(jí)將分裂成帶,并稱之為子能帶。而兩個(gè)相鄰的子能帶 之間又存在能隙,稱為子能隙。通過(guò)人為控制這些子能隙的寬度與子能帶,使得半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出多種多樣的宏觀性質(zhì)。 2.2 量子阱器件

量子阱器件的基本結(jié)構(gòu)是兩塊n型gaas附于兩端,而中間有一個(gè)薄層,這個(gè)薄層的結(jié)構(gòu)由algaas-gaas-algaas的復(fù)合形式組成,。 在未加偏壓時(shí),各個(gè)區(qū)域的勢(shì)能與中間的gaas對(duì)應(yīng)的區(qū)域形成了一個(gè)勢(shì)阱,故稱為量子阱。電子的運(yùn)動(dòng)路徑是從左邊的n型區(qū)(發(fā)射極)進(jìn)入右邊的n型區(qū)(集電極),中間必須通過(guò)algaas層進(jìn)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(lǐng)域獲得了應(yīng)用,而且隨著制作水平的提高,它將獲得更加廣泛的應(yīng)用。 3 量子阱器件的應(yīng)用 3.1 量子阱紅外探測(cè)器

量子阱紅外探測(cè)器(qwip)是20世紀(jì)90年展起來(lái)的高新技術(shù)。與其他紅外技術(shù)相比,qwip具有響應(yīng)速度快、探測(cè)率與hgcdte探測(cè)器相近、探測(cè)波長(zhǎng)可通過(guò)量子阱參數(shù)加以調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。而且,利用mbe和mocvd等先進(jìn)工藝可生長(zhǎng)出高品質(zhì)、大面積和均勻的量子阱材料,容易做出大面積的探測(cè)器陣列。正因?yàn)槿绱?量子阱光探測(cè)器,尤其是紅外探測(cè)器受到了廣泛關(guān)注。

qwip是利用摻雜量子阱的導(dǎo)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(guò)電場(chǎng)作用形成光電流這一物理過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外輻射的探測(cè)。通過(guò)調(diào)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(yùn)的激發(fā)態(tài)被設(shè)計(jì)在阱內(nèi)(束縛態(tài))、阱外(連續(xù)態(tài))或者在勢(shì)壘的邊緣或者稍低于勢(shì)壘頂(準(zhǔn)束縛態(tài)),以便滿足不同的探測(cè)需要,獲得最優(yōu)化的探測(cè)靈敏度。因此,量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又稱為“能帶工程”是qwip最關(guān)鍵的一步。另外,由于探測(cè)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(yīng)用

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關(guān)鍵詞： 大規(guī)模集成電路 集成電路制造工藝 教學(xué)內(nèi)容

21世紀(jì)以來(lái)，信息產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，同時(shí)也是衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展水平和綜合國(guó)力的重要指標(biāo)。超大規(guī)模集成電路技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)，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(shù)。因此，對(duì)集成電路工藝的優(yōu)化和創(chuàng)新就成為提高信息產(chǎn)業(yè)綜合實(shí)力，增強(qiáng)國(guó)家科技競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。近年來(lái)，盡管我國(guó)微電子技術(shù)不斷進(jìn)步，但與微電子技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，仍存在著相當(dāng)大的差距。因此，要實(shí)現(xiàn)由集成電路生產(chǎn)制造大國(guó)向集成電路研發(fā)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，就迫切需要培養(yǎng)一批高質(zhì)量的超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)人才[1]，這也正是《集成電路工藝原理》這門(mén)課程所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

然而，目前《集成電路工藝原理》課程的教學(xué)效果并不理想[2]，[3]，究其根本原因在于該課程存在內(nèi)容陳舊、知識(shí)點(diǎn)離散、概念抽象、目標(biāo)不明確等不足[4]。同時(shí)，由于大部分普通高校沒(méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，無(wú)法使學(xué)生熟悉和掌握工藝儀器的操作，導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫鉤，甚至失去學(xué)習(xí)積極性，產(chǎn)生厭學(xué)情緒。為此，依據(jù)我院微電子專業(yè)本科生的教學(xué)情況，我詳細(xì)分析了教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了改革方案。

一、目前教學(xué)中存在的問(wèn)題

1.學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確?，F(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容往往采用先分別獨(dú)立講授單項(xiàng)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(xué)模式會(huì)造成學(xué)生在前期的理論學(xué)習(xí)過(guò)程中目標(biāo)不明確，無(wú)法掌握單項(xiàng)工藝在芯片加工中的作用，不能與實(shí)際器件加工進(jìn)行對(duì)應(yīng)，造成所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重錯(cuò)位，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

2.知識(shí)銜接性差。本課程的重點(diǎn)內(nèi)容是集成電路工藝的物理基礎(chǔ)和基本原理，它涉及熱學(xué)、原子物理學(xué)、半導(dǎo)體物理等離子體物理、化學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，然而，大部分學(xué)生并未系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過(guò)譬如等離子體物理、流體力學(xué)等課程，這就不可避免地造成了教學(xué)內(nèi)容跨越性大的問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)知識(shí)的正常銜接，致使學(xué)生對(duì)基本概念和基本物理過(guò)程難以理解，從而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.課程內(nèi)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(guò)程多而繁雜，再加上各種不同工藝之間的配合與銜接，導(dǎo)致內(nèi)容抽象難懂。教師在課堂上按照常規(guī)講法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，學(xué)生對(duì)所講內(nèi)容仍無(wú)法徹底理解，難以完成知識(shí)的遷移。

4.教學(xué)資源匱乏?，F(xiàn)有教材中嚴(yán)重缺乏集成電路加工方法的可視化資料，大量使用文字?jǐn)⑹雒枋鑫锢磉^(guò)程和工藝流程，致使課程講授枯燥乏味，學(xué)生無(wú)法真正理解教學(xué)內(nèi)容，很難產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。

綜上所述，在現(xiàn)有集成電路工藝原理的教學(xué)過(guò)程中還存在一些嚴(yán)重影響教學(xué)質(zhì)量的因素。為了響應(yīng)國(guó)家“十二五”規(guī)劃中明確提出的建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家的任務(wù)，培養(yǎng)創(chuàng)新型大學(xué)生的要求，我們必須逐步改革和完善現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式[5]，提高教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)開(kāi)創(chuàng)未來(lái)的全面發(fā)展型人才奠定基礎(chǔ)。

二、教學(xué)內(nèi)容的整體規(guī)劃

為了讓學(xué)生明確教學(xué)目標(biāo)，突出教學(xué)重點(diǎn)，需要摒棄傳統(tǒng)的教學(xué)思路[6]，構(gòu)建“先整體、后部分；先目標(biāo)、后工藝”的教學(xué)思路，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其更加符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。我們拋棄了傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容編排方式，提出了整個(gè)課程主要圍繞一個(gè)通用、典型的集成電路芯片的加工和制備展開(kāi)，使學(xué)生明確本課程的教學(xué)目標(biāo)。首先給出典型器件的模型，分析其各部分的材料和結(jié)構(gòu)，明確器件的不同組成部分并進(jìn)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(jìn)而完成整個(gè)課程內(nèi)容的講授。這樣就能用一條主線串起每塊學(xué)習(xí)內(nèi)容，使學(xué)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(shí)際應(yīng)用較好地融合在一起，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，增強(qiáng)課堂教學(xué)效果。

三、教學(xué)內(nèi)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(shù)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(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代工藝技術(shù)的發(fā)展和教學(xué)的需求。

為此，本課程的教材最好采用現(xiàn)有經(jīng)典教材和前沿科學(xué)研究成果相結(jié)合的方式，現(xiàn)有經(jīng)典教材有美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的《微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)》[3]和北京大學(xué)的《硅集成電路工藝基礎(chǔ)》[7]等，這些教材內(nèi)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(qiáng)的理論性。這些教材知識(shí)結(jié)構(gòu)基本上是按照傳統(tǒng)的教學(xué)思路編排，所以要打破這種思維的束縛，設(shè)計(jì)出一個(gè)具有代表性器件的加工過(guò)程，然后把教材中的工藝原理、工藝流程融入器件的加工過(guò)程中。這就要求我們不能照搬書(shū)本上的知識(shí)內(nèi)容，需要根據(jù)課程的新設(shè)計(jì)方案重新整合講義。同時(shí)還應(yīng)該注意，為了擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)面，還應(yīng)該摘取一些具有代表性的最新前沿成果，不僅使學(xué)生的知識(shí)體系具有完整性，而且能進(jìn)一步調(diào)動(dòng)他們的創(chuàng)造性。

2.教學(xué)內(nèi)容的選取

依據(jù)課程“先整體、后部分；先目標(biāo)、后工藝”的教學(xué)思路，采用“范例”教學(xué)模式，教學(xué)內(nèi)容可以劃分為九大知識(shí)模塊：典型CMOS器件、外延、氧化、擴(kuò)散、離子注入、物理氣相淀積、化學(xué)氣相淀積、光刻與刻蝕、隔離與互聯(lián)。首先，通過(guò)一個(gè)典型CMOS器件的結(jié)構(gòu)分析，獲得制作一個(gè)芯片所需的材料與結(jié)構(gòu)，然后簡(jiǎn)要給出不同材料和結(jié)構(gòu)的加工方法，讓學(xué)生對(duì)課程整體內(nèi)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(duì)不同工藝分別從發(fā)展歷史、工藝原理、工藝流程、工藝特點(diǎn)等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，使學(xué)生對(duì)工藝原理深入理解，工藝流程熟練掌握，最后完成整個(gè)器件的制作。

3.教學(xué)內(nèi)容的組織

對(duì)每部分教學(xué)內(nèi)容要堅(jiān)持“基礎(chǔ)知識(shí)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(chǔ)和基本原理為重點(diǎn)內(nèi)容，這是本課程的教學(xué)難點(diǎn)，為了讓學(xué)生更加清晰地理解和掌握其工藝原理，需要適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充一些課程必備的物理基礎(chǔ)知識(shí)。主流工藝是本課程的主要內(nèi)容，要求學(xué)生對(duì)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(nèi)容要進(jìn)行詳細(xì)講解。淘汰工藝是本課程的了解內(nèi)容，目前淘汰工藝在現(xiàn)有教材中占據(jù)的篇幅和課時(shí)還比較多，且有喧賓奪主之勢(shì)，為了讓學(xué)生了解和熟悉集成電路工藝的發(fā)展歷史，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)母爬▔嚎s或刪減處理。最新工藝是本學(xué)科的前沿研究?jī)?nèi)容，為了擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)，開(kāi)闊學(xué)生的視野，應(yīng)該適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充一些新型工藝技術(shù)，為學(xué)生將來(lái)進(jìn)一步研究深造奠定基礎(chǔ)。

四、結(jié)語(yǔ)

《集成電路工藝原理》是微電子學(xué)專業(yè)本科生的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，本課程的目的是使學(xué)生掌握集成電路制造工藝流程和基本原理。只有通過(guò)精心選擇優(yōu)秀教材，合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，使理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，才能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，進(jìn)而有效地提高課堂教學(xué)質(zhì)量，為培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2014）10-0220-02

一、引言

為應(yīng)對(duì)當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)一體化以及科技革命帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，加強(qiáng)主宰世界經(jīng)濟(jì)及科技走向的新知識(shí)、新科技及新成果的學(xué)習(xí)勢(shì)在必行，而開(kāi)展承載著“爆炸信息量”的納米材料的雙語(yǔ)課程學(xué)習(xí)就顯得尤為重要。納米材料是填補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)于宏觀和微觀領(lǐng)域研究的缺失領(lǐng)域―介觀領(lǐng)域的空白，由于納米材料的結(jié)構(gòu)特性，具有常規(guī)材料不具備的納米效應(yīng)，因而，納米材料的研究已成為當(dāng)前先進(jìn)材料研究最活躍的領(lǐng)域之一[1]；同時(shí)，納制造技術(shù)也將對(duì)當(dāng)前的微制造技術(shù)帶來(lái)一次革命性的變革，這是因?yàn)榧{制造技術(shù)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(qiáng)大的電子元器件及儀器設(shè)備，其研究成果日新月異，如：納米機(jī)器人、納米小轎車、納米間諜機(jī)、納米芯片、納米電池、納米醫(yī)藥，這些納米產(chǎn)品將對(duì)我們的生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、制造業(yè)等各行各業(yè)帶來(lái)前所未有的巨變與沖擊。

為了加強(qiáng)本科生對(duì)納米材料最新成果的了解，拓寬知識(shí)視野，啟迪學(xué)生的納米概念和納米理論的新思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，構(gòu)建一種納米材料雙語(yǔ)教學(xué)課程知識(shí)體系，對(duì)于科學(xué)系統(tǒng)的傳授納米材料基本概念和基礎(chǔ)知識(shí)是十分必要的。作者在長(zhǎng)期的納米材料雙語(yǔ)教學(xué)過(guò)程中，力圖將納米材料基本概念系統(tǒng)的介紹給學(xué)生；采用現(xiàn)代化的教學(xué)方法，并將板書(shū)、圖表、視頻等教學(xué)手段相結(jié)合，不斷的充實(shí)授課內(nèi)容，期望形成一種較完整的雙語(yǔ)課程知識(shí)體系。

二、納米材料雙語(yǔ)課程教學(xué)知識(shí)體系的構(gòu)建

構(gòu)建科學(xué)合理的納米材料雙語(yǔ)課程教學(xué)知識(shí)體系是以知識(shí)、能力和素質(zhì)培養(yǎng)為宗旨，以能力培養(yǎng)為核心，以雙語(yǔ)教學(xué)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(kāi)啟納米材料課程教學(xué)人才培養(yǎng)的新模式和新途徑。納米材料雙語(yǔ)課程在我校屬于專業(yè)選修課，只有32學(xué)時(shí)，針對(duì)課程內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少的現(xiàn)狀，課程教學(xué)中知識(shí)體系的選取原則是以基本的納米概念、基礎(chǔ)理論、納米效應(yīng)、納米制造方法、檢測(cè)手段、標(biāo)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(lǐng)域中的應(yīng)用為主線。

納米材料雙語(yǔ)課程知識(shí)體系可分為八個(gè)知識(shí)單元：第一個(gè)知識(shí)單元Introduction to nanoscale materials（納米材料簡(jiǎn)介）；第二個(gè)知識(shí)單元Nanometer effects （納米效應(yīng)）；第三個(gè)知識(shí)單元Properties of nanoscale materials （納米材料的性質(zhì)）；第四個(gè)知識(shí)單元Synthesis of nanoscale materials （納米材料的合成）；第五個(gè)知識(shí)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(gè)知識(shí)單元Synthesis of carbon nanomaterials （碳納米材料合成）；第七個(gè)知識(shí)單元Lithography for nanofabrication（光刻納米制造技術(shù)）；第八個(gè)知識(shí)單元Nanotechnology for production of hydrogen by solar energy （納米技術(shù)用于太陽(yáng)能產(chǎn)氫）。

作為納米科技基礎(chǔ)的納米材料，近年來(lái)已成為最熱門(mén)的研究課題之一，納米科技的濃厚興趣集中在能對(duì)經(jīng)濟(jì)、加工及科學(xué)產(chǎn)生巨大影響的若干領(lǐng)域。第一個(gè)知識(shí)單元中的知識(shí)點(diǎn)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(zhì)可分為量子點(diǎn)、量子線、量子阱，同樣，按照材料的性質(zhì)、組成以及形貌對(duì)納米材料進(jìn)行分類。更多的知識(shí)點(diǎn)涉及到納米科技的定義。工業(yè)革命推動(dòng)了納米科技的發(fā)展，當(dāng)作為芯片的氧化硅的絕緣層厚度被減薄至大約3個(gè)硅原子的厚度時(shí)，漏電就成為一個(gè)大問(wèn)題。加之，當(dāng)硅材料被限制在很小的尺寸時(shí)，將會(huì)失去它固有的能帶結(jié)構(gòu)，故此，目前微制造技術(shù)的局限性的知識(shí)點(diǎn)就顯得十分重要。如何才能克服當(dāng)前固態(tài)電子學(xué)技術(shù)中的局限性？分子電子學(xué)的誕生是一個(gè)嶄新的和誘人的研究領(lǐng)域，該研究領(lǐng)域正在喚起科學(xué)家的想象力；未來(lái)技術(shù)的挑戰(zhàn)在于原子操縱的分子和超分子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；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(lǐng)域的應(yīng)用。

第二個(gè)知識(shí)單元是納米材料的納米效應(yīng)，當(dāng)一種材料的尺寸縮減到納米量級(jí)時(shí)，即使其組成與可以看得見(jiàn)和觸摸到的塊體材料完全相同，但材料的性能卻有著本質(zhì)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(zhì)稱為納米效應(yīng)。當(dāng)納米粒子的尺寸與光波長(zhǎng)，德布羅意波長(zhǎng)，電子的自由程長(zhǎng)度，或者超導(dǎo)態(tài)的相干波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)。當(dāng)粒子尺寸減小到或接近于激子波爾半徑時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)，在量子尺寸效應(yīng)中主要闡明能隙與粒子尺寸的關(guān)系；當(dāng)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(shí)，將會(huì)引起表面效應(yīng)；宏觀量子隧道效應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)包括了彈道傳輸、隧穿、共振隧穿、隧穿效應(yīng)等內(nèi)容[2]。

第三個(gè)知識(shí)單元涉及納米材料的性能；力學(xué)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(guān)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(fù)的Hall?Petch斜率關(guān)系（K

在過(guò)去數(shù)十年間，科學(xué)家已經(jīng)揭示了至少有一維處于納米量級(jí)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(shè)計(jì)和制備具有可控性能的納米材料仍然是納米科技的一項(xiàng)重大的和長(zhǎng)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(guò)程中的一些工藝特性是非常重要的，這是因?yàn)橹苽涞墓に嚶肪€通常決定了所制備材料的性能。第四個(gè)知識(shí)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(jìn)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(jī)械研磨和固相反應(yīng)。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?；瘜W(xué)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(xué)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(guò)模板輔助自組裝納米結(jié)構(gòu)材料的合成；從節(jié)能減排、原子經(jīng)濟(jì)、溶劑安全性以及提高能量效率的角度設(shè)計(jì)納米材料的綠色合成路線。

第五個(gè)知識(shí)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(yīng)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(guò)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(gè)知識(shí)單元涉及碳納米材料的合成。碳族的知識(shí)點(diǎn)涉及石墨、金剛石、碳的同素異形體。富勒烯的知識(shí)點(diǎn)包括C60的合成、富勒烯的純化、C60的結(jié)構(gòu)、13C核磁共振譜、富勒烯包合物、親核加成反應(yīng)、C60的聚合反應(yīng)、納米小轎車的制造。碳納米管的知識(shí)點(diǎn)包括了碳納米管的合成、碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理以及碳納米管的幾何構(gòu)型。

第七個(gè)知識(shí)單元是納米制造中的光刻技術(shù)，其知識(shí)點(diǎn)包括紫外線光刻技術(shù)；掃描束刻蝕納米制造的知識(shí)點(diǎn)有電子束刻蝕以及聚焦離子束刻蝕技術(shù)。納米壓印刻蝕技術(shù)包括了納米壓印刻蝕技術(shù)、步進(jìn)式閃爍壓印刻蝕技術(shù)及微接觸印制技術(shù)。掃描探針刻蝕技術(shù)。

第八個(gè)知識(shí)單元是納米技術(shù)用于太陽(yáng)能光催化分解水制氫的新能源應(yīng)用。知識(shí)點(diǎn)涉及太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、光催化分解水制氫、負(fù)載型TiO2、可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體復(fù)合材料[3]。

在上述八個(gè)知識(shí)單元的教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合不同章節(jié)的具體情況，教學(xué)方法和教學(xué)手段要靈活多樣，將板書(shū)、多媒體、動(dòng)畫(huà)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)資源相結(jié)合，做到圖文并茂，寓教于樂(lè)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。另外，采用啟發(fā)式教學(xué)，課堂中加強(qiáng)與學(xué)生的活動(dòng)，提高學(xué)生的思考問(wèn)題及解決問(wèn)題的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的知識(shí)、能力和素質(zhì)的全面培養(yǎng)。

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關(guān)鍵詞： 衍射光柵；干涉；位移測(cè)量；Lighttools軟件

中圖分類號(hào)：TN16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)量光柵的一種，在精密測(cè)量、超精密加工和納米技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。與其它納米測(cè)量方法相比，如STM法、SPM法、電容電感測(cè)微法和激光干涉儀法等，光柵納米測(cè)量方法具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）高精度，低成本，由于精密的光刻技術(shù)和電子細(xì)分技術(shù)，以及莫爾條紋所具有的對(duì)局部誤差的消除作用，光柵傳感器可以得到很高的測(cè)量精度；（2）同時(shí)具備大量程、高分辨率的特點(diǎn)，尤其在大量程方面，光柵傳感器的測(cè)量精度僅次于激光測(cè)量，而成本卻比其低得多；（3）較強(qiáng)的抗干擾能力，其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性比激光干涉儀更強(qiáng)。因此，研制基于衍射光柵的二維納米測(cè)量系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)組成

二維光柵納米位移測(cè)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(xué)測(cè)量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由幾何光路部分和信號(hào)處理部分組成，其構(gòu)如圖1所示。由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)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(guò)偏振分光光路形成相位相差90°的干涉信號(hào)，然后進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換模塊使得光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為正弦和脈沖電信號(hào)，然后由計(jì)數(shù)細(xì)分電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)細(xì)分處理，最后把數(shù)據(jù)處理的果經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后進(jìn)行記錄和顯示。

2 光路構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的光路構(gòu)如圖2所示，為了提高信號(hào)的輸出頻率，光路采用二次衍射設(shè)計(jì)。

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

3 位移測(cè)量原理

二維衍射光柵系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)方向上的位移進(jìn)行測(cè)量，其基本原理是利用衍射光柵的多普勒效應(yīng)。當(dāng)LD激光器發(fā)出一束頻率為f0，波長(zhǎng)為λ的光垂直入射到光柵表面，由衍射光柵的性質(zhì)可知，光柵在某一方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在此方向上形成的衍射光束會(huì)發(fā)生一定的相移。如圖3所示，根據(jù)多普勒效應(yīng)，X方向上的±1級(jí)衍射光的頻率為

式中c為光速，v為光柵在X方向上的運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)，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(shí)，X方向的±1級(jí)衍射光的頻率為

因此，光柵在平面內(nèi)移動(dòng)時(shí)，X方向上的光電探測(cè)器所接收的干涉條紋信號(hào)可以表示為

由式（7）、（8）可以看出，當(dāng)光柵移動(dòng)四分之一柵距時(shí)，光柵偏振干涉輸出信號(hào)明暗變換一次，對(duì)應(yīng)輸出光電轉(zhuǎn)換信號(hào)一個(gè)周期（2π）。只要把四象限光電探測(cè)器置于適當(dāng)?shù)奈恢?，使光電陣列接收到四個(gè)相差π/2的光強(qiáng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)這四個(gè)信號(hào)的計(jì)數(shù)與細(xì)分處理即可計(jì)算出實(shí)際的位移量。

4 光學(xué)系統(tǒng)仿真

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

圖5即為采用Lighttools軟件依照?qǐng)D2所完成的3D模型。

該3D模型設(shè)定光柵采用1,200線/mm的二維平面光柵作為標(biāo)尺，光束波長(zhǎng)為635nm，探測(cè)器接受面為1×1mm，根據(jù)圖4以光柵分別偏擺俯仰和轉(zhuǎn)動(dòng)0.05°以及在Y和Z軸向上各平移5個(gè)光柵常數(shù)來(lái)測(cè)定系統(tǒng)干涉光點(diǎn)落在光電探測(cè)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(duì)系統(tǒng)干涉信號(hào)的影響較大，在進(jìn)行實(shí)際對(duì)位安裝時(shí)應(yīng)注意X軸向偏擺與Z軸向俯仰對(duì)干涉信號(hào)的影響，以產(chǎn)生高質(zhì)量的干涉信號(hào)。

5 論

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

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篇6

    一、當(dāng)前我國(guó)機(jī)械制造加工發(fā)展情況

    進(jìn)入21世紀(jì),我國(guó)己基本建立社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制。全球性的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)重新組合和國(guó)際分工不斷深化,科學(xué)技術(shù)在突飛猛進(jìn)地發(fā)展,各國(guó)都把提高產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力及發(fā)展高新技術(shù),搶占未來(lái)經(jīng)濟(jì)的制高點(diǎn),作為科技工作的主攻方向。在機(jī)械制造技術(shù)方面我國(guó)與世界各國(guó)的聯(lián)系日益緊密,中國(guó)市場(chǎng)與國(guó)際市場(chǎng)進(jìn)一步接軌,面對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng),我國(guó)企業(yè)對(duì)技術(shù)的需求更加迫切和強(qiáng)烈。新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)水平提高了大批重點(diǎn)骨干企業(yè)在關(guān)鍵工序增加了先進(jìn)、精密、高效的關(guān)鍵設(shè)備,從而進(jìn)入到高技術(shù)開(kāi)發(fā)企業(yè)行業(yè)研制出如超重型數(shù)控龍門(mén)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(jī)等;制造技術(shù)水平不斷提高,船泊制造精度可達(dá)5微米,高精度外圓磨達(dá)o.25微米、粗糙度達(dá)0.08微米,精密及超精密加工精度已達(dá)到亞微米級(jí)和亞納米級(jí),已形成完整的先進(jìn)數(shù)控機(jī)床、新型刀具開(kāi)發(fā)的制造體系。

    二、現(xiàn)代機(jī)械的先進(jìn)加工工藝與制造技術(shù)的應(yīng)用

    進(jìn)入21世紀(jì)來(lái),機(jī)械制造業(yè)迎來(lái)的是一個(gè)更為激烈的競(jìng)爭(zhēng)和生存環(huán)境。新知識(shí)、新概念的不斷涌現(xiàn)和新產(chǎn)品、新工藝的迅速更新加速了市場(chǎng)的變化,企業(yè)面臨著更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。特別是在市場(chǎng)不斷高速變化的21世紀(jì),企業(yè)不僅需要有對(duì)市場(chǎng)變化的快速反應(yīng)能力,而且還需要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品更新來(lái)不斷開(kāi)拓市場(chǎng)、引導(dǎo)市場(chǎng)的能力。現(xiàn)代制造技術(shù)就是為了適應(yīng)這種競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境而產(chǎn)生的。它是在傳統(tǒng)制造技術(shù)的基礎(chǔ)上,不斷吸收和發(fā)展機(jī)械、電子、能源、材料、信息及現(xiàn)代管理等技術(shù)成果,并將其綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、管理、服務(wù)等生產(chǎn)周期的全過(guò)程,以實(shí)現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、靈活、清潔”的生產(chǎn)技術(shù)模式,取得理想技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的制造技術(shù)的總稱。

    (一)現(xiàn)代機(jī)械的先進(jìn)加工工藝特點(diǎn)

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的迅速發(fā)展及其在機(jī)械制造方面的應(yīng)用,由系統(tǒng)論、信息論和控制論所組成的系統(tǒng)科學(xué)和方法論與機(jī)械制造科學(xué)的密切結(jié)合,組成了機(jī)械制造系統(tǒng),并形成了現(xiàn)代制造工程學(xué)。制造系統(tǒng)就是人、機(jī)器以及物料流和信息流的一個(gè)組合體?，F(xiàn)代制造技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)入的主體作用,強(qiáng)調(diào)入、技術(shù)和管理三者的有機(jī)結(jié)合,因此,現(xiàn)代制造技術(shù)具有以下特征:

    1.現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)己成為一門(mén)綜合性學(xué)科?，F(xiàn)代制造技術(shù)是由機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、材料、自動(dòng)控制、檢測(cè)和信息等學(xué)科的有機(jī)結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)跨學(xué)科的綜合性學(xué)科?，F(xiàn)代制造技術(shù)的各學(xué)科、各專業(yè)間不斷交叉融合,并不斷發(fā)展和提高。

    2.產(chǎn)品設(shè)計(jì)與機(jī)械制造工藝一體化。傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)通常是指制造過(guò)程的工藝方法,而現(xiàn)代制造技術(shù)則貫穿了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造到產(chǎn)品的銷售、服務(wù)、使用維護(hù)等全過(guò)程,成為“市場(chǎng)調(diào)查十產(chǎn)品設(shè)計(jì)十產(chǎn)品制造十銷售服務(wù)”的大系統(tǒng)。如并行工程就是為了保證從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造到銷售服務(wù)一次成功而產(chǎn)生的,已成為面向制造業(yè)設(shè)計(jì)的一個(gè)新的重要方法和途徑。

    3.現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程?，F(xiàn)代制造技術(shù)不是一個(gè)具體的技術(shù),而是利用系統(tǒng)工程技術(shù)、信息科學(xué)、生命科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等各種科學(xué)技術(shù)集成的一個(gè)有機(jī)整體,已成為一個(gè)能駕馭生產(chǎn)過(guò)程的物科流、能量流和信息流的系統(tǒng)工程。

    4.現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)更加重視工程技術(shù)與經(jīng)營(yíng)管理的有機(jī)結(jié)合?，F(xiàn)代制造技術(shù)比傳統(tǒng)制造技術(shù)更加重視制造過(guò)程的組織和管理體制的簡(jiǎn)化和合理化,由此產(chǎn)生了一系列技術(shù)與管理相結(jié)合的新生產(chǎn)方式。如制造資源計(jì)劃(MRP)、準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)(HT)、并行工程(CE)、敏捷制造(AM)和全面質(zhì)量管理(TQC)等。

    5.現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)追求的是最佳經(jīng)濟(jì)效果。現(xiàn)代制造技術(shù)追求的目標(biāo)是以產(chǎn)品生命周期服務(wù)為中心,以新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度快、成本低、質(zhì)量好、服務(wù)佳、靈活性強(qiáng)取勝,并獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效果。

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

    (二)現(xiàn)代機(jī)械的先進(jìn)加工工藝應(yīng)用分類

    現(xiàn)代制造技術(shù)的分類及發(fā)展大體上可從5個(gè)方面來(lái)論述。

    1.制造系統(tǒng)的自動(dòng)化、集成化、智能化

    機(jī)械制造自動(dòng)化的發(fā)展經(jīng)歷了單機(jī)自動(dòng)化、剛性自動(dòng)線、數(shù)控機(jī)床和加工中心、柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造等幾個(gè)階段,并向柔性化、集成化、智能化進(jìn)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(gè)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(xué)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(duì)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(dá)分子級(jí)加工單位或原于級(jí)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(gè)三維空間實(shí)體,它可由在某個(gè)坐標(biāo)方向上的若干個(gè)“面”疊加而成。因此,利用離散/堆積成形概念,可將一個(gè)王維空間實(shí)體分解為若干個(gè)二維實(shí)體制造出來(lái),再經(jīng)堆積而構(gòu)成三維實(shí)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(shí)體制造法和立體光刻等。如疊層實(shí)體制造,根據(jù)各疊層幾何信息,用數(shù)控激光機(jī)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(fù)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(duì)零件相似性進(jìn)行識(shí)別的一個(gè)重要手段,也是GT的基本方法。是用數(shù)字來(lái)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(lái)進(jìn)行的,這些特征主要分為以下三個(gè)方面;1)結(jié)構(gòu)特征。零件的幾何形狀、尺寸大小、結(jié)構(gòu)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(jī)械加工方法、定位夾緊方式、選用機(jī)床類型等。3)生產(chǎn)組織與計(jì)劃特征。加工批量,制造資源狀況,工藝過(guò)程跨車間、工段、廠際協(xié)作等情況。零件的特征用相應(yīng)的標(biāo)志表示,這些標(biāo)志由分類系統(tǒng)中的相應(yīng)環(huán)節(jié)來(lái)描述。零件各種特征的標(biāo)識(shí)按一定規(guī)則排成若干個(gè)“列”,每“列”就稱為碼位,也叫縱向分類環(huán)節(jié);在每個(gè)列(碼位)內(nèi)又安排若干“行”,每一“行”稱為“項(xiàng)”,也叫橫向分類環(huán)節(jié)。零件分類編碼系統(tǒng)是實(shí)施成組技術(shù)的基礎(chǔ)和重要手段*對(duì)零件進(jìn)行分類成組,可以便零件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化,輔助人工或計(jì)算機(jī)編制工藝過(guò)程和進(jìn)行成組加工車間的平面設(shè)計(jì),改進(jìn)數(shù)控加工的程序編制,使工藝設(shè)計(jì)合理化:促進(jìn)工裝和工藝路線標(biāo)準(zhǔn)化,為計(jì)算機(jī)輔助制造打下基礎(chǔ),進(jìn)一步以成組的方式組織生產(chǎn)。

    零件的分類編碼反映了零件固有的名稱、功能、結(jié)構(gòu)、形狀和工藝特征等信息。類碼對(duì)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(jié)構(gòu)相似或工藝相似的零件組來(lái)加工。它的特點(diǎn)是從毛坯到產(chǎn)品多數(shù)可在同一種類型的設(shè)備上完成,也可僅完成其中某幾道工序的加工。如在轉(zhuǎn)塔車床、自動(dòng)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(jí)的形式,最易實(shí)現(xiàn),但對(duì)較復(fù)雜的零件,需用多臺(tái)機(jī)床完成時(shí),其效果就不顯著。值得一提的是,自從出現(xiàn)加工中心以來(lái),成組單機(jī)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(tái)主機(jī)將各臺(tái)數(shù)控機(jī)床連接起來(lái),配以物料流與信息流的自動(dòng)控制生產(chǎn)系統(tǒng)。它一方面進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn),而另一方面又允許相似零件組中不同零件,經(jīng)過(guò)少量調(diào)整實(shí)現(xiàn)不同工序的加工。這一組織生產(chǎn)的方式,代表著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向。值得一提的是,成組技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(CAPP)的基礎(chǔ)之一,在成組技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的派生cAPP設(shè)計(jì)方法,已成為工藝現(xiàn)代化的一種主要方法。另外,成組技術(shù)作為一種生產(chǎn)哲理,對(duì)柔性制造技術(shù)和集成制造技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。

篇7

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體光電；研究型；實(shí)踐；教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）07-0123-02

近幾年來(lái)，隨著半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)和光學(xué)專業(yè)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體光電正逐漸成為一門(mén)新興的學(xué)科。半導(dǎo)體光電技術(shù)是集現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)和光學(xué)信息處理技術(shù)等學(xué)科于一體的綜合性學(xué)科，要求學(xué)生具有扎實(shí)的半導(dǎo)體物理、光電子、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)知識(shí)。該學(xué)科作為光、機(jī)、電、算、材一體的交叉學(xué)科，專科課程較多，涉及知識(shí)面較廣，有其自身的課程特點(diǎn)：既要講授半導(dǎo)體相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，又要補(bǔ)充光電專業(yè)的知識(shí)，還要加強(qiáng)數(shù)理基礎(chǔ)理論教學(xué)；既要圍繞半導(dǎo)體光電專業(yè)核心，又要涉足其他專業(yè)領(lǐng)域；既要重視教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，又要加強(qiáng)前沿知識(shí)的學(xué)習(xí)和科研，不斷更新知識(shí)體系，將最新的行業(yè)信息灌輸給學(xué)生。同時(shí)，隨著近年來(lái)固態(tài)半導(dǎo)體LED照明技術(shù)、半導(dǎo)體激光、太陽(yáng)能光伏和半導(dǎo)體探測(cè)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(shù)人才來(lái)從事半導(dǎo)體光電材料、器件以及系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。這就需要高校培養(yǎng)具有動(dòng)手能力強(qiáng)，基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，綜合分析能力優(yōu)秀的研究型人才。但是目前高校半導(dǎo)體光電學(xué)科的教學(xué)普遍停留在理論層面，缺乏實(shí)踐性內(nèi)容的提升。因而作為一門(mén)實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)，應(yīng)著重加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的全面教學(xué)，逐步開(kāi)展研究性課程的教學(xué)探索，打破傳統(tǒng)的教學(xué)理念，以形成學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中主動(dòng)思考探索并重視創(chuàng)新叉研究的積極教學(xué)模式，為半導(dǎo)體光電學(xué)科建立一個(gè)全新的培養(yǎng)方式。

一、理論教學(xué)中創(chuàng)設(shè)前沿性課題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)

在傳統(tǒng)的教學(xué)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(dǎo)公式、得出結(jié)論。而學(xué)生就是按部就班地記筆記、做習(xí)題、應(yīng)付考試。課堂教學(xué)效果完全取決于教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，最終學(xué)生所接受的知識(shí)也僅僅停留在課本的層面，這完全達(dá)不到迅猛發(fā)展的高新的半導(dǎo)體光電學(xué)科的培養(yǎng)要求。這就需要教師打破傳統(tǒng)的教學(xué)理念，開(kāi)展研究性的教學(xué)方式。研究性教學(xué)是以學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，教師提出一些創(chuàng)新性的問(wèn)題，以及與專業(yè)相關(guān)的一些前沿性科技專題報(bào)道，學(xué)生在創(chuàng)新性的問(wèn)題中，借助課本提供的基礎(chǔ)理論和教師提供的相關(guān)資料，借鑒科學(xué)研究的方法，或獨(dú)立探索、或協(xié)作討論，通過(guò)探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)等方式最終找到解決問(wèn)題的方案，甚至提出更具有創(chuàng)新性的思路。因此，在教學(xué)過(guò)程中，我們應(yīng)嘗試減少課堂講授時(shí)間、增加課堂討論時(shí)間，有意識(shí)地提出一些較深層次的問(wèn)題：如提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的方法、新型的半導(dǎo)體材料制作光電器件的優(yōu)異性等，有針對(duì)性地組織專題討論?？己朔绞揭哉n程設(shè)計(jì)或者專題論文的形式進(jìn)行，以培養(yǎng)學(xué)生的思考和創(chuàng)新研究能力。此外，要重視階段性總結(jié)和檢查工作，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力。教師在注重教學(xué)方式改進(jìn)的同時(shí)，也要重視學(xué)生學(xué)習(xí)效果的階段性檢查和總結(jié)。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)是以作業(yè)為考察標(biāo)準(zhǔn)，這種考察的弊端是給學(xué)生提供了抄襲作業(yè)的機(jī)會(huì)，學(xué)習(xí)效果不佳。因此應(yīng)考慮采取多元化的檢查方式，增加檢查手段?？梢宰寣W(xué)生將多媒體課件與教材和參考書(shū)相結(jié)合，根據(jù)教師在課堂教學(xué)中指出的難點(diǎn)和重點(diǎn)，單獨(dú)總結(jié)出學(xué)習(xí)筆記，并進(jìn)行定期檢查。

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

半導(dǎo)體光電從理論上來(lái)講是研究半導(dǎo)體中光子與電子的相互作用、光能與電能相互轉(zhuǎn)換的一門(mén)科學(xué)，涉及量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理等一些基礎(chǔ)學(xué)科；從實(shí)踐層面來(lái)講，也關(guān)聯(lián)著半導(dǎo)體光電材料、光電探測(cè)器、異質(zhì)結(jié)光電器件及其相關(guān)系統(tǒng)的研究。因此，在理論上應(yīng)鼓勵(lì)教師根據(jù)教學(xué)情況，編寫(xiě)有針對(duì)性的，并且包含基礎(chǔ)物理學(xué)、半導(dǎo)體電子學(xué)、光學(xué)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等具有交叉性理論的教材和講義，提升學(xué)生在半導(dǎo)體光電交叉領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。同時(shí)需要組織和調(diào)動(dòng)各層次教師，建設(shè)教學(xué)研究中心。結(jié)合老教師的經(jīng)驗(yàn)和青年教師的創(chuàng)意，共同進(jìn)行教學(xué)改革探索。另外，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光電學(xué)科的教學(xué)探索，不僅需要專業(yè)教師改進(jìn)和完善課堂教學(xué)措施，提升教學(xué)水平和質(zhì)量，同時(shí)也需要專業(yè)的半導(dǎo)體光電材料生長(zhǎng)、器件制備和檢測(cè)設(shè)備，以及專業(yè)設(shè)計(jì)軟件供教學(xué)和科研使用。該學(xué)科的性質(zhì)決定了教學(xué)的內(nèi)容不能僅僅局限于理論方面，還需要實(shí)驗(yàn)方面的補(bǔ)充和實(shí)踐，從而可以從軟件和硬件雙方面實(shí)現(xiàn)協(xié)同的教學(xué)環(huán)境。在具體的操作過(guò)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(xué)中利用新型的半導(dǎo)體固體激光器來(lái)替代傳統(tǒng)的氣體激光器，將半導(dǎo)體光電器件和光學(xué)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，提供兩者協(xié)同的新型設(shè)備。指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(chǔ)上改進(jìn)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的使用性能，在教學(xué)中鍛煉學(xué)生的協(xié)同學(xué)科的技能性訓(xùn)練。進(jìn)一步可以引入顯微鏡成像技術(shù)，采用簡(jiǎn)易的一些光學(xué)元器件，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)讓學(xué)生動(dòng)手搭建顯微成像設(shè)備，鍛煉學(xué)生對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的整體認(rèn)知能力，并且可以提升傳統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用范圍。這一系列交叉協(xié)同教學(xué)實(shí)驗(yàn)的建立有利于打破教學(xué)和研究的界限，打破學(xué)科的界限，突出半導(dǎo)體光電學(xué)科的交叉性特點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的全面性掌握，為研究型的教學(xué)模式開(kāi)辟新的途徑。

三、建立前沿性半導(dǎo)體光電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

半導(dǎo)體光電涉及的領(lǐng)域很廣泛，單純的理論教學(xué)不能滿足學(xué)生對(duì)于高新的工程應(yīng)用的直觀認(rèn)識(shí)，許多設(shè)備和器件只闡述其工作原理，概念比較抽象，學(xué)生不易理解。因而需要重視研究型實(shí)踐教學(xué)。在條件允許的情況的，將半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)和器件制造設(shè)備引入課堂，讓學(xué)生深刻掌握器件的制造流程。同時(shí)可以引入先進(jìn)的光電檢測(cè)設(shè)備，讓學(xué)生開(kāi)展一些器件的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)還可以讓學(xué)生在實(shí)踐中不斷思考和探索一些前瞻性的科學(xué)研究問(wèn)題。以半導(dǎo)體LED光電器件為例：由于LED材料和器件制造設(shè)備較為精密、價(jià)格昂貴、不易獲取。在理論課程后，可以引用適當(dāng)?shù)腖ED材料生長(zhǎng)設(shè)備MOCVD的一些生長(zhǎng)過(guò)程的實(shí)物圖片和視頻，以及半導(dǎo)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(xué)生盡可能地將抽象的理論與具體實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)。此外，購(gòu)置現(xiàn)成的LED器件和光電檢測(cè)設(shè)備，利用光電測(cè)試設(shè)備對(duì)LED器件開(kāi)展一些電學(xué)和光學(xué)性能的檢測(cè)，在測(cè)試過(guò)程中讓學(xué)生對(duì)LED光電轉(zhuǎn)換基本原理和不同測(cè)試條件對(duì)器件光電性能影響的物理機(jī)制開(kāi)展探索性研究。對(duì)于阻礙LED發(fā)展的一些前沿性難題進(jìn)行深刻的思考和分析，提出合理的改進(jìn)和解決方案?；趯W(xué)科的科研實(shí)驗(yàn)條件，我們還可以提出項(xiàng)目教學(xué)法，把教學(xué)內(nèi)容通過(guò)“實(shí)踐項(xiàng)目”的形式進(jìn)行教學(xué)，為了能夠一個(gè)半導(dǎo)體和光電專業(yè)相協(xié)同的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含多門(mén)課程的知識(shí)。項(xiàng)目教學(xué)是在教師的指導(dǎo)下，將相對(duì)獨(dú)立的教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的項(xiàng)目交由學(xué)生自己處理。信息的收集，方案的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目實(shí)施及最終評(píng)價(jià)報(bào)告，都由學(xué)生負(fù)責(zé)完成，學(xué)生通過(guò)該項(xiàng)目的進(jìn)行，了解并把握實(shí)驗(yàn)制造和檢測(cè)得整個(gè)過(guò)程及每一個(gè)環(huán)節(jié)的基本要求，教師在整個(gè)過(guò)程中主要起引導(dǎo)作用。以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐性、研究性學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生扮演項(xiàng)目研究者的角色，在研究項(xiàng)目情景的刺激下及教師的指導(dǎo)下主動(dòng)開(kāi)展探究活動(dòng)，并在探究過(guò)程中掌握知識(shí)和學(xué)習(xí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法，從而達(dá)到提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力的目的。這樣才具備一門(mén)前沿性的學(xué)科所應(yīng)該達(dá)到的理想效果。

四、建立專業(yè)校企合作基地

半導(dǎo)體光電專業(yè)需結(jié)合地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，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(zhì)技能型人才的重要模式，是實(shí)現(xiàn)高校培養(yǎng)目標(biāo)的基本途徑。以江南大學(xué)為例，可以依據(jù)無(wú)錫當(dāng)?shù)毓I(yè)的發(fā)展中心，與半導(dǎo)體光電類企業(yè)，如無(wú)錫尚德太陽(yáng)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(shí)益達(dá)、萬(wàn)潤(rùn)光子等公司進(jìn)行深入合作，建立企業(yè)實(shí)訓(xùn)創(chuàng)新基地及本科生、研究生工作站。定期組織學(xué)生去企業(yè)進(jìn)行參觀，了解半導(dǎo)體光電類產(chǎn)品的產(chǎn)線制造過(guò)程。還可以安排有興趣的學(xué)生在學(xué)有余力的同時(shí)進(jìn)入企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)，使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的應(yīng)用生產(chǎn)中，并且可以利用理論知識(shí)來(lái)解決實(shí)際生產(chǎn)中所遇到的一些問(wèn)題。以實(shí)際產(chǎn)線的需求分析為基礎(chǔ)，結(jié)合理論教學(xué)的要求，建立以工作體系為基礎(chǔ)的課程內(nèi)容體系；實(shí)施綜合化、一體化的課程內(nèi)容，構(gòu)建以合作為主題的新型課堂模式，做到教室、實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車間三者結(jié)合的教學(xué)場(chǎng)所。最終積累一定的合作經(jīng)驗(yàn)后，校企可以合作開(kāi)發(fā)教材，聘請(qǐng)行業(yè)專家和學(xué)校專業(yè)教師針對(duì)課程的特點(diǎn)，結(jié)合課堂基礎(chǔ)和生產(chǎn)實(shí)踐的要求，結(jié)合學(xué)生在相關(guān)企業(yè)實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)的進(jìn)展，編寫(xiě)出符合高校教學(xué)和企業(yè)生產(chǎn)需求的新型校企雙用教材。

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

參考文獻(xiàn)：

篇8

一．什么是基因芯片

生物芯片，簡(jiǎn)單地說(shuō)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(jīng)特殊處理。作原位合成的支持物在聚合反應(yīng)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(hù)基建立共價(jià)連接；作點(diǎn)樣用的支持物為使其表面帶上正電荷以吸附帶負(fù)電荷的探針?lè)肿?，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?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(yīng)的固相表面，在激光的順序激發(fā)下標(biāo)記熒光根據(jù)實(shí)際反應(yīng)情況分別呈現(xiàn)不同的熒光發(fā)射譜征，ccd相機(jī)或激光共聚焦顯微鏡根據(jù)其波長(zhǎng)及波幅特征收集信號(hào)，作出比較和檢測(cè)，從而迅速得出所要的信息。生物芯片包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、組織芯片。而基因芯片中，最成功的是dna芯片，即將無(wú)數(shù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的寡核苷酸或cdna在芯片上做成點(diǎn)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(shù)中雜交測(cè)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(gè)序列固定、錯(cuò)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(gè)8 nt亞序列：

(1)

ctcatatg

(2)

 gctcatat

(3)

agctcata

(4)

 tagctcat

(5)

ttagctca

這5個(gè)亞序列依次錯(cuò)開(kāi)一個(gè)堿基而重疊7個(gè)堿基。亞序列中a、t、c、g 4個(gè)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(bǔ)的雜交，那么48個(gè)8 nt亞序列探針中，僅有上述5個(gè)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(gè)未知的熒光標(biāo)記dna/rna序列雜交，通過(guò)對(duì)雜交熒光信號(hào)檢測(cè)，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(jì)算機(jī)對(duì)大量熒光信號(hào)的譜型（pattern）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重構(gòu)靶dna 的互補(bǔ)寡核苷酸序列。

一般基因芯片按其材質(zhì)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(xì)管電泳芯片

2 .pcr擴(kuò)增芯片

3.集成dna分析芯片

4.毛細(xì)管電層析芯片

(三)生物傳感芯片

1光學(xué)纖維陣列芯片

2白光干涉譜傳感芯片

小鼠基因表達(dá)譜芯片(mgec)

 附:目前國(guó)內(nèi)基因芯片常見(jiàn)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(jiàn)的芯片可分為兩大類：一類是原位合成；一種是直接點(diǎn)樣。原位合成適用于寡核苷酸；直接點(diǎn)樣多用于大片段dna，有時(shí)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(chǎn)率僅20%；噴印法可達(dá)99%以上，合成30nt產(chǎn)率可達(dá)74%，從這個(gè)意義上說(shuō)噴印法特異性應(yīng)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(diǎn)樣法較簡(jiǎn)單，只需將預(yù)先制備好的寡核苷酸或cdna等樣品通過(guò)自動(dòng)點(diǎn)樣裝置點(diǎn)于經(jīng)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(shù)是由affymetrix公司開(kāi)發(fā)的，采用的技術(shù)原理是在合成堿基單體的5'羥基末端連上一個(gè)光敏保護(hù)基。合成的第一步是利用光照射使羥基端脫保護(hù)，然后一個(gè)5'端保護(hù)的核苷酸單體連接上去，這個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)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(chǎn)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(zhǎng)。某一含n個(gè)核苷酸的寡聚核苷酸，通過(guò)4×n個(gè)化學(xué)步驟能合成出4n個(gè)可能結(jié)構(gòu)。例如：一個(gè)完整的十核苷酸通過(guò)32個(gè)化學(xué)步驟，8個(gè)小時(shí)可能合成65,536個(gè)探針。

目前美國(guó)affymetrix公司已有同時(shí)檢測(cè)6,500個(gè)已知人類基因的dna芯片，并且正在制備含500,000-1,000,000個(gè)寡核苷酸探針的人類基因檢測(cè)芯片。該公司每月投入基因芯片研究的經(jīng)費(fèi)約100萬(wàn)美元，目前產(chǎn)品尚未公開(kāi)投放市場(chǎng)發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，但已有許多公司及研究機(jī)構(gòu)與其簽約購(gòu)買(mǎi)其產(chǎn)品。該產(chǎn)品不僅可用于基因表達(dá)分析和基因診斷等，而且在大規(guī)模藥物開(kāi)發(fā)方面也具有誘人的前景。affymetrix的大部分產(chǎn)品將在98年底全面投放市場(chǎng)。屆時(shí)，在其產(chǎn)品被廣泛采用的同時(shí)，其所有的研究投入將變成巨大的利潤(rùn)。其它公司產(chǎn)品也正在從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)研究走向開(kāi)發(fā)應(yīng)用。目前，用于分子診斷的dna芯片不僅已可用于檢測(cè)愛(ài)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(guān)基因的基因診斷。鑒于光刻設(shè)備技術(shù)復(fù)雜，只能有專業(yè)化公司生產(chǎn)，加之成本高及合成效率不高的問(wèn)題，因此有待進(jìn)行以下研究：⑴對(duì)光刻技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提高合成效率；⑵開(kāi)發(fā)新的原位合成技術(shù)，如噴印合成技術(shù)，該技術(shù)既能進(jìn)行原位合成又能進(jìn)行非原位合成。

另一方法是光導(dǎo)原位合成法。具體方法是在經(jīng)過(guò)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(hù)基團(tuán)，可用光照除去，用特制的光刻掩膜（photolithographic mask）保護(hù)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(hù)基團(tuán)，游離羥基，利用化學(xué)反應(yīng)加上第一個(gè)核苷酸，所加核苷酸種類及在芯片上的部位預(yù)先設(shè)定，所引入的核苷酸帶有光敏保護(hù)基團(tuán)，以便下一步合成。然后按上述方法在其它位點(diǎn)加上另外三種核苷酸完成第一位核苷酸的合成，因而n個(gè)核苷酸長(zhǎng)的芯片需要4n個(gè)步驟。每一個(gè)獨(dú)特序列的探針?lè)Q為一個(gè)“feature”，這樣的芯片便具有4n個(gè)“feature”，包含了全部長(zhǎng)度為n的核苷酸序列。這種原位直接合成的方法無(wú)須制備處理克隆和pcr產(chǎn)物，但是每輪反應(yīng)所需設(shè)計(jì)的光柵則是主要的經(jīng)費(fèi)消耗。運(yùn)用這種方法制作的芯片密度可高達(dá)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(jiàn)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(guò)芯片噴印頭和墨盒有多個(gè)，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(gè)芯片上移動(dòng)并根據(jù)芯片上不同位點(diǎn)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(shù)采用的化學(xué)原理與傳統(tǒng)的dna固相合成一致，因此不特殊制備的化學(xué)試劑。

3　點(diǎn)樣法　點(diǎn)樣法是將合成好的探針、cnda或基因組dna通過(guò)特定的高速點(diǎn)樣機(jī)器人直接點(diǎn)在芯片上。點(diǎn)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(diǎn)樣的方法將寡核苷酸分子點(diǎn)樣于化學(xué)處理后的載玻片上，經(jīng)一定的化學(xué)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適于大規(guī)模dna芯片制作，因而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化點(diǎn)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(jīng)過(guò)分區(qū)后用計(jì)算機(jī)控制的微陣列點(diǎn)樣機(jī)按照預(yù)先設(shè)計(jì)順序點(diǎn)上核酸分子，點(diǎn)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(qiáng)的親和勢(shì)和特異性雜交，但是需要大量制備，純化，量化，分類pcr產(chǎn)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(jī)械刻寫(xiě)或光刻的方法在其表面劃上網(wǎng)格，并用激光照射蒸發(fā)掉單元間隙的多余凝膠，以實(shí)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(xué)方法合成的寡核苷酸探針自動(dòng)化點(diǎn)樣于各個(gè)單元內(nèi)而制成dna芯片，點(diǎn)樣速度可達(dá)2000單元/秒。

其裝置采用的機(jī)器人有一套計(jì)算機(jī)控制三維移動(dòng)裝置、多個(gè)打印/噴印針的打印/噴印頭；一個(gè)減震底座，上面可放內(nèi)盛探針的多孔板和多個(gè)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(shí)針頭與芯片接觸，而在噴印時(shí)針頭與芯片保持一定距離。打印法的優(yōu)點(diǎn)是探針密度高，通常1平方厘米可打印2,500個(gè)探針。缺點(diǎn)是定量準(zhǔn)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(diǎn)是定量準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是噴印的斑點(diǎn)大，因此探針密度低，通常1平方厘米只有400點(diǎn)。國(guó)外有多家實(shí)驗(yàn)室和公司研究開(kāi)發(fā)打印/噴印設(shè)備，目前有一些已經(jīng)商品化。軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)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(shù)進(jìn)行生物芯片的研究和開(kāi)發(fā)，預(yù)計(jì)2年內(nèi)將有用于實(shí)驗(yàn)室研究或臨床診斷的基因芯片產(chǎn)品問(wèn)世。見(jiàn)圖二。

4　電子芯片[8-10]　電子芯片是由美國(guó)nanogen公司開(kāi)發(fā)的，目前國(guó)內(nèi)清華大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)也在開(kāi)發(fā)這一技術(shù)。這種芯片為帶有陽(yáng)電荷的硅芯片、芯片經(jīng)熱氧化，制成1mm×1mm的陣列、每個(gè)陣列含多個(gè)微電極，在每個(gè)電極上通過(guò)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(chǎng)作用下生物素標(biāo)記的探針即可結(jié)合在特定電極上。電子芯片最大特點(diǎn)是雜交速度快，可大大縮短分析時(shí)間。制備復(fù)雜、成本高是其不足。

5　三維芯片[11-12]　三維芯片是由美國(guó)的packard、摩托羅拉、argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室三家機(jī)構(gòu)與俄羅斯engelhardt分子生物學(xué)研究所合作開(kāi)發(fā)的一種芯片技術(shù)。三維生物芯片實(shí)質(zhì)上是一塊顯微鏡載玻片，其上有10,000個(gè)微小聚乙烯酰胺凝膠條，每個(gè)凝膠條可用于靶dna，rna和蛋白質(zhì)的分析。先把乙知化合物加在凝膠條上，再用3cm長(zhǎng)的微型玻璃毛細(xì)管將待測(cè)樣品加到凝膠條上。每個(gè)毛細(xì)管能把小到0.2nl的體積打到凝膠上。以上幾家機(jī)構(gòu)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。一是凝膠的三維化能加進(jìn)更多的已知物質(zhì)，增加了敏感性。二是可以在芯片上同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)增與檢則。一般情況下，必須在微量多孔板上先進(jìn)行pcr擴(kuò)增，再把樣品加到芯片上，因此需要進(jìn)行許多額外操作。本芯片所用凝膠體積很小。使pcr擴(kuò)增體系的體積減小1,000倍（總體積約納升級(jí)），從而節(jié)約了每個(gè)反應(yīng)所用的pcr酶（約減少100倍）。三是以三維構(gòu)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(jìn)行免疫測(cè)定，受體-配體研究和蛋白組分析。

6　流過(guò)式芯片（flow-thru chip）[13]　cene logic正在開(kāi)發(fā)一種在芯片片基上制成格柵狀微通道，cene  logic設(shè)計(jì)及合成特定的寡核苷酸探針，結(jié)合于微通道內(nèi)芯片的特定區(qū)域。從待測(cè)樣品中分離dna或rna并對(duì)其進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后，該樣品流過(guò)芯片，固定的寡核苷酸探針捕獲與之相互補(bǔ)的核酸，采用cene  logic's信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)分析結(jié)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(guò)式芯片可監(jiān)測(cè)稀有基因表達(dá)的變化；⑵速度快：微通道加速了雜交反應(yīng)，減少了每次檢測(cè)所需時(shí)間；⑶價(jià)格降低：由于采用了特殊的共價(jià)化學(xué)技術(shù)將寡核苷酸吸附于微通道內(nèi)，使每一種流過(guò)芯片可反復(fù)使用多次，從而使其成本降低。

四．基因芯片樣品制備

一般說(shuō)來(lái)應(yīng)用dna芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)包括5個(gè)過(guò)程：生物學(xué)問(wèn)題的提出和芯片設(shè)計(jì)；樣品制備；生物雜交反應(yīng)；結(jié)果探測(cè)；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(dá)譜芯片需要3μg mrna計(jì)算的

考慮到個(gè)體差異以及樣品在研磨、勻漿等過(guò)程中的損失，客戶提供的樣品量應(yīng)在上述基礎(chǔ)上增加1-2倍。

2 樣本采集過(guò)程關(guān)鍵點(diǎn)． 

組織標(biāo)本采集操作建議規(guī)程,(取標(biāo)本所需關(guān)鍵器材和處理要求 ) 

注：

· 以下步驟1 － 5應(yīng)在冰上進(jìn)行且不超過(guò)15分鐘，超過(guò)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致樣品的rna降解。 

· 對(duì)腫瘤組織的取材，要求盡可能準(zhǔn)確地判定腫瘤和正常組織，例如對(duì)于手術(shù)切除的整個(gè)或部分前列腺，可能要根據(jù)冰凍切片報(bào)告的結(jié)果來(lái)判定要進(jìn)行研究的取材部位。

1 離體新鮮組織，切成多個(gè)1cm3小塊，剔除結(jié)締組織和脂肪組織。胃、腸組織應(yīng)剪除外膜；肝、腎、脾應(yīng)剪除門(mén)部血管神經(jīng)，腫瘤組織應(yīng)將周圍的正常組織切除干凈（正常組織也應(yīng)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(hào)筆在鋁箔或凍存管外表寫(xiě)明樣品編號(hào)，并貼上標(biāo)簽，迅速投入液氮冷卻。

4 填寫(xiě)樣品登記表，寫(xiě)明樣品名稱、種類、編號(hào)、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(gè)樣品袋只保存同樣的組織），袋口留一根編號(hào)繩，繩上粘一張標(biāo)簽紙（標(biāo)簽上注明：樣品名稱、編號(hào)、日期），迅速轉(zhuǎn)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(jié)合探針雜交之前必需進(jìn)行分離、擴(kuò)增及標(biāo)記。根據(jù)樣品來(lái)源、基因含量及檢測(cè)方法和分析目的不同，采用的基因分離、擴(kuò)增及標(biāo)記方法各異。當(dāng)然，常規(guī)的基因分離、擴(kuò)增及標(biāo)記技術(shù)完全可以采用，但操作繁瑣且費(fèi)時(shí)。高度集成的微型樣品處理系統(tǒng)如細(xì)胞分離芯片及基因擴(kuò)增芯片等是實(shí)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(hào)必須對(duì)目的基因進(jìn)行標(biāo)記，目前采用的最普遍的熒光標(biāo)記方法與傳統(tǒng)方法如體外轉(zhuǎn)錄、pcr、逆轉(zhuǎn)錄等原理上并無(wú)多大差異，只是采用的熒光素種類更多，這可以滿足不同來(lái)源樣品的平行分析。用計(jì)算機(jī)控制的高分辨熒光掃描儀可獲得結(jié)合于芯片上目的基因的熒光信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理即可給出目的基因的結(jié)構(gòu)或表達(dá)信息。

雜交條件的選擇與研究目的有關(guān)，多態(tài)性分析或者基因測(cè)序時(shí)，每個(gè)核苷酸或突變位點(diǎn)都必須檢測(cè)出來(lái)。通常設(shè)計(jì)出一套四種寡聚核苷酸，在靶序列上跨越每個(gè)位點(diǎn)，只在中央位點(diǎn)堿基有所不同，根據(jù)每套探針在某一特點(diǎn)位點(diǎn)的雜交嚴(yán)謹(jǐn)程度，即可測(cè)定出該堿基的種類。如果芯片僅用于檢測(cè)基因表達(dá)，只需設(shè)計(jì)出針對(duì)基因中的特定區(qū)域的幾套寡聚核苷酸即可。表達(dá)檢測(cè)需要長(zhǎng)的雜交時(shí)間，更高的嚴(yán)謹(jǐn)性，更高的樣品濃度和低溫度，這有利于增加檢測(cè)的特異性和低拷貝基因檢測(cè)的靈敏度。突變檢測(cè)，要鑒別出單堿基錯(cuò)配，需要更高的雜交嚴(yán)謹(jǐn)性和更短的時(shí)間。

此外，雜交反應(yīng)還必須考慮雜交反應(yīng)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(zhǎng)度及種類、檢測(cè)基因的二級(jí)結(jié)構(gòu)的影響。有資料顯示探針和芯片之間適當(dāng)長(zhǎng)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(fù)電荷都將減少雜交效率。由于探針和檢測(cè)基因均帶負(fù)電荷，因此影響他們之間的雜交結(jié)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(fù)雜，但與dna探針比較有許多特點(diǎn)，如不需要鹽離子，因此可防止檢測(cè)基因二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成及自身復(fù)性。由于pna-dna結(jié)合更加穩(wěn)定和特異，因此更有利于單堿基錯(cuò)配基因的檢測(cè)。

六 基因芯片檢測(cè)原理

雜交信號(hào)的檢測(cè)是dna芯片技術(shù)中的重要組成部分。以往的研究中已形成許多種探測(cè)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(xué)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(jié)構(gòu)及性質(zhì)，需要確定雜交信號(hào)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(diǎn)樣量很少，所以雜交信號(hào)較弱，需要使用光電倍增管或冷卻的電荷偶連照相機(jī)(charged-coupled device camera，ccd)攝像機(jī)等弱光信號(hào)探測(cè)裝置。此外，大多數(shù)dna芯片雜交信號(hào)譜型除了分布位點(diǎn)以外還需要確定每一點(diǎn)上的信號(hào)強(qiáng)度，以確定是完全雜交還是不完全雜交，因而探測(cè)方法的靈敏度及線性響應(yīng)也是非常重要的。雜交信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)主要包括雜交信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)收集及傳輸和信號(hào)處理及成像三個(gè)部分組成。

由于所使用的標(biāo)記物不同，因而相應(yīng)的探測(cè)方法也各具特色。大多數(shù)研究者使用熒光標(biāo)記物，也有一些研究者使用生物素標(biāo)記，聯(lián)合抗生物素結(jié)合物檢測(cè)dna化學(xué)發(fā)光。通過(guò)檢測(cè)標(biāo)記信號(hào)來(lái)確定dna芯片雜交譜型。 

    1．熒光標(biāo)記雜交信號(hào)的檢測(cè)方法

    使用熒光標(biāo)記物的研究者最多，因而相應(yīng)的探測(cè)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(cè)樣品中的混合熒光標(biāo)記物，并具有很好的空間分辨率和熱分辨率，特別是當(dāng)熒光顯微鏡中使用了共焦激光掃描時(shí)，分辨能力在實(shí)際應(yīng)用中可接近由數(shù)值孔徑和光波長(zhǎng)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(jìn)一步微型化提供了重要的檢測(cè)方法的基礎(chǔ)。大多數(shù)方法都是在人射照明式熒光顯微鏡（epifluoescence microscope）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)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(jī)的改進(jìn)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(jié)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(duì)象 以熒光物質(zhì)標(biāo)記，如熒光素或麗絲膠（lissamine）等，雜交后經(jīng)過(guò)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(cè)裝置比較典型。方法是將雜交后的芯片經(jīng)處理后固定在計(jì)算機(jī)控制的二維傳動(dòng)平臺(tái)上，并將一物鏡置于其上方，由氬離子激光器產(chǎn)生激發(fā)光經(jīng)濾波后通過(guò)物鏡聚焦到芯片表面，激發(fā)熒光標(biāo)記物產(chǎn)生熒光，光斑半徑約為5－10μm。同時(shí)通過(guò)同一物鏡收集熒光信號(hào)經(jīng)另一濾波片濾波后，由冷卻的光電倍增管探測(cè)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制傳動(dòng)平臺(tái)x－y方向上步進(jìn)平移，dna芯片被逐點(diǎn)照射，所采集熒光信號(hào)構(gòu)成雜交信號(hào)譜型，送計(jì)算機(jī)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(zhì)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(hào)檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于基因表達(dá)、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(jié)構(gòu)非常相似，但是由于采用了共焦技術(shù)因而更具優(yōu)越性。這種方法可以在熒光標(biāo)記分子與dna芯片雜交的同時(shí)進(jìn)行雜交信號(hào)的探測(cè)，而無(wú)須清洗掉未雜交分子，從而簡(jiǎn)化了操作步驟大大提高了工作效率。affymetrix公司的s．p．a(chǎn)．forder等人設(shè)計(jì)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(dāng)用激發(fā)光照射使熒光標(biāo)記物產(chǎn)生熒光時(shí)，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(kāi)來(lái)是一個(gè)非常重要的問(wèn)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(hào)的同時(shí)，避開(kāi)樣品池中熒光信號(hào)的影響。一般采用氬離子激光器（488nm）作為激發(fā)光源，經(jīng)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(jīng)同一物鏡收集，并經(jīng)濾波片濾波，被冷卻的光電倍增管在光子計(jì)數(shù)的模式下接收。經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換反轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送微機(jī)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(lái)自樣品池的未雜交分子熒光信號(hào)，避免其對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。激光器前也放置一個(gè)小孔光闌以盡量縮小聚焦點(diǎn)處光斑半徑，使之能夠只照射在單個(gè)探針上。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制激光束或樣品池的移動(dòng)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的二維掃描，移動(dòng)步長(zhǎng)與芯片上寡核苷酸的間距匹配，在幾分鐘至幾十分鐘內(nèi)即可獲得熒光標(biāo)記雜交信號(hào)圖譜。其特點(diǎn)是靈敏度和分辨率較高，掃描時(shí)間長(zhǎng)，比較適合研究用?，F(xiàn)在 affymetrix公司已推出商業(yè)化樣機(jī)，整套系統(tǒng)約 12萬(wàn)美元。

    （3）采用了ccd相機(jī)的熒光顯微鏡

    這種探測(cè)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(jī)作為信號(hào)接收器而不是光電倍增管，因而無(wú)須掃描傳動(dòng)平臺(tái)。由于不是逐點(diǎn)激發(fā)探測(cè)，因而激發(fā)光照射光場(chǎng)為整個(gè)芯片區(qū)域，由ccd相機(jī)獲得整個(gè)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(qiáng)的高斯分布，會(huì)使得光場(chǎng)光強(qiáng)度分布不均，而熒光信號(hào)的強(qiáng)度與激發(fā)光的強(qiáng)度密切相關(guān)，因而不利于信號(hào)采集的線性響應(yīng)。為保證激發(fā)光勻場(chǎng)照射，有的學(xué)者使用高壓汞燈經(jīng)濾波片濾波，通過(guò)傳統(tǒng)的光學(xué)物鏡將激發(fā)光投射到芯片上，照明面積可通過(guò)更換物鏡來(lái)調(diào)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(jié)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(jī)，因而大大提高了獲取熒光圖像的速度，曝光時(shí)間可縮短至零點(diǎn)幾秒至十幾秒。其特點(diǎn)是掃描時(shí)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(yuǎn)端），光纖維束的另一端（近端）經(jīng)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(jīng)化學(xué)方法拋光清潔。化學(xué)方法合成的寡核苷酸探針共價(jià)結(jié)合于每根光纖的遠(yuǎn)端組成寡核苷酸陣列。將光纖遠(yuǎn)端浸入到熒光標(biāo)記的靶分子溶液中與靶分子雜交，通過(guò)光纖維束傳導(dǎo)來(lái)自熒光顯微鏡的激光（490urn），激發(fā)熒光標(biāo)記物產(chǎn)生熒光，仍用光纖維束傳導(dǎo)熒光信號(hào)返回到熒光顯微鏡，由ccd相機(jī)接收。每根光纖單獨(dú)作用互不干擾，而溶液中的熒光信號(hào)基本不會(huì)傳播到光纖中，雜交到光纖遠(yuǎn)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(jìn)而反復(fù)使用。這種方法快速、便捷，可實(shí)時(shí)檢測(cè)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(yīng)用局限性。

2.生物素標(biāo)記方法中的雜交信號(hào)探測(cè)

     以生物素（biotin）標(biāo)記樣品的方法由來(lái)已久，通常都要聯(lián)合使用其它大分子與抗生物素的結(jié)合物（如結(jié)合化學(xué)發(fā)光底物酶、熒光素等），再利用所結(jié)合大分子的特殊性質(zhì)得到最初的雜交信號(hào)，由于所選用的與抗生物素結(jié)合的分子種類繁多，因而檢測(cè)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(biāo)記的探針用于dna芯片雜交將受到很大的限制，因?yàn)樵谀猃埬ど蠠晒鈽?biāo)記信號(hào)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(biāo)記的。

目前應(yīng)用較多的是美國(guó)general scanning公司開(kāi)發(fā)的基因芯片專用檢測(cè)系統(tǒng)(scanarray 3000)，采用激光共聚焦掃描原理進(jìn)行熒光信號(hào)采集，由計(jì)算機(jī)處理熒光信號(hào)，并對(duì)每個(gè)點(diǎn)的熒光強(qiáng)度數(shù)字化后進(jìn)行分析。近期又開(kāi)發(fā)出了scanarray 5000，其掃描精度和功能有較大的提高。

七 結(jié)果的分析

  樣品在被測(cè)定前，首先要經(jīng)過(guò)消化，使待測(cè)組織細(xì)胞中的dna或rna釋放出來(lái)，在經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)增后，以熒光標(biāo)記物標(biāo)記，放入基因芯片自動(dòng)孵育裝置（fluidics station）中，由其自動(dòng)控制反應(yīng)的時(shí)間、溫度以及緩沖液的配比等反應(yīng)條件，進(jìn)行雜交，這一過(guò)程，僅需要數(shù)秒鐘。雜交完成后，要對(duì)基因芯片進(jìn)行“讀片”，即應(yīng)用激光共聚焦熒光掃描顯微鏡，對(duì)基因芯片表面的每個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。這種顯微鏡，將聚焦的平面設(shè)定為芯片的表面，因此可以檢測(cè)結(jié)合到芯片表面位點(diǎn)的樣品片斷的熒光標(biāo)記，而待測(cè)樣品中未與芯片上探針結(jié)合的熒光標(biāo)記物，則懸浮于溶液中，由于不在聚焦平面上，因而不被檢測(cè)。樣品與探針的錯(cuò)配是影響雜交反應(yīng)結(jié)果的重要因素，但由于樣品與芯片上的探針正確配對(duì)時(shí)產(chǎn)生的熒光信號(hào)要比錯(cuò)配時(shí)強(qiáng)的多，因此，通過(guò)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的分析，就可以區(qū)分正確與錯(cuò)誤的配對(duì)。

為了使結(jié)果的檢驗(yàn)更加簡(jiǎn)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(duì)一幅包含數(shù)萬(wàn)個(gè)探針位點(diǎn)的基因芯片圖樣的分析，僅需要數(shù)分鐘的時(shí)間。這樣在短短的幾十分鐘至數(shù)小時(shí)內(nèi)，就可以完成用傳統(tǒng)方法需要數(shù)月才能完成的幾萬(wàn)乃至幾十萬(wàn)次雜交分析試驗(yàn)。

八 基因芯片的應(yīng)用

（一）基因表達(dá)分析　基因芯片具有高度的敏感性和特異性，它可以監(jiān)測(cè)細(xì)胞中幾個(gè)至幾千個(gè)mrna拷貝的轉(zhuǎn)錄情況。與用單探針?lè)治鰉rna的點(diǎn)雜交技術(shù)不同，基因芯片表達(dá)探針陣列應(yīng)用了大約20對(duì)寡核苷酸探針來(lái)監(jiān)測(cè)每一個(gè)mrna的轉(zhuǎn)錄情況。每對(duì)探針中，包含一個(gè)與所要監(jiān)測(cè)的mrna完全吻合和一個(gè)不完全吻合的探針（圖2），這兩個(gè)探針的差別在于其中間位置的核苷酸不同。這種成對(duì)的探針可以將非特異性雜交和背景訊號(hào)減小到最低的水平，由此我們就可以確定那些低強(qiáng)度的mrna。目前，affymetrix公司已經(jīng)生產(chǎn)出hugenefl、mu6500（含有小鼠6　500個(gè)基因）、ye6100（含有酵母6　100個(gè)基因）等基因芯片成品。

1　分析基因表達(dá)時(shí)空特征。英國(guó)劍橋大學(xué)whitehead研究所的frank c.p. holstege等人，應(yīng)用含有酵母基因組的基因芯片，深入研究了真核細(xì)胞基因組的調(diào)節(jié)周期。應(yīng)用基因組水平的表達(dá)分析，監(jiān)測(cè)那些表達(dá)受轉(zhuǎn)錄起始機(jī)制的關(guān)鍵成分控制的基因，發(fā)現(xiàn)rna聚合酶ii、主要的轉(zhuǎn)錄因子tfiid和saga染色體修飾復(fù)合物等均在基因的表達(dá)中有自己特定的作用位點(diǎn)[15]。通過(guò)本試驗(yàn)，研究人員揭示了：（1）基因特異性的轉(zhuǎn)錄因子對(duì)表達(dá)的調(diào)控作用。（2）細(xì)胞在缺乏營(yíng)養(yǎng)的環(huán)境中，基因不同位點(diǎn)的協(xié)同調(diào)節(jié)作用的全新機(jī)制。（3）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的最終作用位點(diǎn)，在最初的幾步中就可以確定。以此試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究人員進(jìn)一步繪制出了酵母基因組控制圖，并由此分析出了各種調(diào)節(jié)因子在基因上不同的作用位點(diǎn)和其作用的分子機(jī)制。

美國(guó)stanford大學(xué)的v.r.iyer等人[16]，對(duì)成纖維細(xì)胞中與細(xì)胞增生和損傷修復(fù)有關(guān)的基因進(jìn)行了分析。首先，他們用成纖維細(xì)胞中的8　600個(gè)基因片斷制成基因芯片的探針陣列，通過(guò)與mrna反轉(zhuǎn)錄形成的cdna的雜交反應(yīng)，可以判斷出該基因的活性。在試驗(yàn)中，成纖維細(xì)胞被置于無(wú)營(yíng)養(yǎng)的環(huán)境中，使絕大部分基因的活性關(guān)閉，兩天后，加入10%的血清，24小時(shí)內(nèi)，分6個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)，觀察基因的活化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，在所有被監(jiān)測(cè)的基因中，約有500個(gè)基因最為活躍，而使細(xì)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(zhuǎn)錄調(diào)控基因。在活化的基因中，有28個(gè)基因共同作用，控制細(xì)胞的增殖；8個(gè)與免疫反應(yīng)的激活有關(guān)；19個(gè)與血管重建有關(guān)；另有許多基因，與血管新生密切相關(guān)。在腫瘤細(xì)胞中，基因的表達(dá)與正常的細(xì)胞存在著明顯的差異。通過(guò)基因芯片繪出基因表達(dá)的時(shí)空?qǐng)D譜，有助于人類認(rèn)識(shí)生命活動(dòng)過(guò)程和特征。

2 基因差異表達(dá)檢測(cè)〔17〕　生命活動(dòng)中基因表達(dá)的改變是生物學(xué)研究的核心問(wèn)題。理解人類基因組中10萬(wàn)個(gè)不同的基因功能，監(jiān)測(cè)某些組織、細(xì)胞不同分化階段的差異基因表達(dá)（differential gene expression ，dge）十分重要。對(duì)差異表達(dá)的研究，可以推斷基因與基因的相互關(guān)系，細(xì)胞分化中基因“開(kāi)啟”或“關(guān)閉”的機(jī)制；揭示基因與疾病的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)歸的內(nèi)在聯(lián)系。目前dge研究方法主要有表達(dá)序列標(biāo)簽（ests）測(cè)序、差減克隆（subtractive cloning ）、差異顯示（differential display）、基因表達(dá)系列分析 (serial analysis of gene expression, sage)。而cdna微陣列雜交技術(shù)可監(jiān)測(cè)大量mrna的轉(zhuǎn)錄，直接快速地檢測(cè)出極其微量的mrna，且易于同時(shí)監(jiān)測(cè)成千上萬(wàn)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(cè)胸膜間皮瘤與正常細(xì)胞間比較了6500個(gè)基因，，發(fā)現(xiàn)了300多個(gè)差異基因的表達(dá)。其中幾個(gè)典型基因的表達(dá)經(jīng)rt-pcr進(jìn)行定量后，可作為胸膜間皮瘤診斷的標(biāo)記物（markers）[18]。sgroi〔19〕報(bào)告dna芯片結(jié)合激光捕獲顯微切割技術(shù)（laser capture microdissection）用于乳癌浸潤(rùn)期和轉(zhuǎn)移期及正常細(xì)胞的基因表達(dá)譜（gene expression profiles）差異研究，結(jié)果被定量pcr和免疫組化所證實(shí)。差異表達(dá)有助于早期發(fā)現(xiàn)瘤細(xì)胞3萬(wàn)個(gè)基因與正常細(xì)胞的區(qū)別，有助于了解瘤細(xì)胞的發(fā)生、浸潤(rùn)、轉(zhuǎn)移和藥敏。最近，美國(guó)毒物化學(xué)研究所（ciit） 和國(guó)家環(huán)境健康科學(xué)研究所（niehs）正計(jì)劃在一張玻片上建立8 700個(gè)小白鼠cdna芯片，用于肝癌的研究。我國(guó)也已成功研制出能檢出41 000種基因表達(dá)譜的芯片。美國(guó)stanford大學(xué)的david botstein利用cdna微陣列芯片，對(duì)乳腺癌細(xì)胞的基因表達(dá)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其基因表達(dá)水平明顯低于正常細(xì)胞。利用基因芯片對(duì)表達(dá)進(jìn)行分析，在一次試驗(yàn)中可以獲取相當(dāng)于在60余萬(wàn)次傳統(tǒng)的northern雜交中所獲得的關(guān)于基因表達(dá)的信息。通過(guò)這種實(shí)驗(yàn)方法，可以建立一種全新的腫瘤分類學(xué)方法，即依據(jù)每個(gè)腫瘤細(xì)胞中的基因表達(dá)情況對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行分類?；蛐酒夹g(shù)在分析基因的表達(dá)中具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

    3　發(fā)現(xiàn)新基因　moch等利用腫瘤微陣列芯片（5 184個(gè)cdna片段）發(fā)現(xiàn)了腎細(xì)胞癌的腫瘤標(biāo)志物基因，并于正常細(xì)胞進(jìn)行比較。在532份標(biāo)本中檢測(cè)到胞漿纖維vimentin的表達(dá)基因，陽(yáng)性率為51%～61%〔20〕。追蹤觀察，有vimentin表達(dá)的患者，預(yù)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(kù)中400 000個(gè)ests代表了所有人類基因，成千上萬(wàn)的ests微陣列將為人類基因表達(dá)研究提供強(qiáng)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(cè)大量基因表達(dá)水平在闡述基因功能、探索疾病原因及機(jī)理、發(fā)現(xiàn)可能的診斷及治療靶等方面是很有價(jià)值的。如該技術(shù)在炎癥性疾病類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（ra）和炎癥性腸?。╥bd）的基因表達(dá)研究中，由ra或ibd組織制備探針，用cy3和cy5熒光素標(biāo)記，然后與靶cdna微陣列雜交，可檢測(cè)出炎癥疾病誘導(dǎo)的基因如tnf-α、il或粒細(xì)胞集落刺激因子，同時(shí)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(zhǎng)刺激因子。schena等人[22]報(bào)道了cdna的微陣列在人類基因表達(dá)監(jiān)測(cè)、生物學(xué)功能研究和基因發(fā)現(xiàn)方面的應(yīng)用。采用含1,046個(gè)已知序列的cdna微陣列，用高速機(jī)器人噴印在玻片上，用雙色雜交法定量監(jiān)測(cè)不同基因表達(dá)，在一定的實(shí)驗(yàn)條件下，不同表達(dá)模式的陣列成分通過(guò)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(cè)限度為1:500,000(wt/wt)總?cè)梭wmrna。在培養(yǎng)t細(xì)胞熱休克反應(yīng)的測(cè)定中，發(fā)現(xiàn)17個(gè)陣列成分的熒光比較明顯改變，其中11個(gè)受熱休克處理的誘導(dǎo)，6個(gè)呈現(xiàn)中度抑制，對(duì)相應(yīng)于17個(gè)陣列成分的cdna測(cè)序發(fā)現(xiàn)5個(gè)表達(dá)最高的成分是5種熱休克蛋白，17個(gè)克隆中發(fā)現(xiàn)3個(gè)新序列。另外，在佛波酯誘導(dǎo)檢測(cè)中[23]，發(fā)現(xiàn)有6個(gè)陣列成分信號(hào)增強(qiáng)超過(guò)2倍，測(cè)序及數(shù)據(jù)庫(kù)比較揭示有5個(gè)已知的，誘導(dǎo)表達(dá)最高的兩個(gè)是pca-1酪氨酸磷酸酶和核因子-κb1，有一個(gè)是未知的。這4個(gè)新基因的表達(dá)水平均相對(duì)較低，僅呈現(xiàn)2倍的誘導(dǎo)。northern雜交結(jié)果證實(shí)了微陣列的結(jié)果。進(jìn)一步檢測(cè)了人的骨髓、腦、前列腺及心臟組織中熱休克和佛波酯調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，4種組織中檢測(cè)出15種熱休克和佛波酯調(diào)節(jié)基因的表達(dá)，其表達(dá)水平與jurkat細(xì)胞中相應(yīng)成分的表達(dá)水平密切相關(guān)如在四種組織中表達(dá)水平最高的兩個(gè)基因β-actin和細(xì)胞色素c氧化酶在jurkat細(xì)胞中的表達(dá)水平也很高。上述實(shí)驗(yàn)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(dá)檢測(cè)。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(kù)中400,000個(gè)ests代表了所有人類基因，成千上萬(wàn)的ests微陣列將為人類基因表達(dá)研究提供強(qiáng)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(cè)序　人類基因組計(jì)劃的實(shí)施促進(jìn)了高效的、自動(dòng)化操作的測(cè)序方法的發(fā)展。芯片技術(shù)中雜交測(cè)序（sequencing by hybridization, sbh）技術(shù)及鄰堆雜交（contiguous stacking hybridization, csh）技術(shù)即是一種新的高效快速測(cè)序方法[24-26]。用含65 536個(gè)8聚寡核苷酸的微陣列，采用sbh技術(shù)，可測(cè)定200 bp長(zhǎng)dna序列，采用67 108 864個(gè)13聚寡核苷酸的微陣列，可對(duì)數(shù)千個(gè)堿基長(zhǎng)的dna測(cè)序。sbh技術(shù)的效率隨著微陣列中寡核苷酸數(shù)量與長(zhǎng)度的增加而提高，但微陣列中寡核苷酸數(shù)量與長(zhǎng)度的增加則提高了微陣列的復(fù)雜性，降低了雜交準(zhǔn)確性。csh技術(shù)彌補(bǔ)了sbh技術(shù)存在的弊端，csh技術(shù)的應(yīng)用增加了微陣列中寡核苷酸的有效長(zhǎng)度，加強(qiáng)了序列準(zhǔn)確性，可進(jìn)行較長(zhǎng)的dna測(cè)序。計(jì)算機(jī)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(dāng)于13聚寡核苷酸微陣列的作用，可測(cè)定數(shù)千個(gè)核苷酸長(zhǎng)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(jìn)行單鏈dna分離，再用測(cè)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(shù)。該方法可用于含重復(fù)序列及較長(zhǎng)序列的dna序列測(cè)定及不同基因組同源區(qū)域的序列比較。利用基因芯片測(cè)序的準(zhǔn)確率達(dá)99%以上。

正如nih首腦harold varmus在美國(guó)細(xì)胞生物學(xué)1998年年會(huì)上所說(shuō)：“在基因芯片的幫助下，我們將能夠監(jiān)測(cè)一個(gè)細(xì)胞乃至整個(gè)組織中所有基因的行為。”

（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(gè)體之間，有著多種不同的基因型，而這種不同，往往與個(gè)體的不同性狀和多種遺傳性疾病有著密切的關(guān)系。通過(guò)對(duì)大量具有不同性狀的個(gè)體的基因型進(jìn)行比較，就可以得出基因與性狀的關(guān)系。但是，由于大多數(shù)性狀和遺傳性疾病是由多個(gè)基因同時(shí)決定的，因此分析起來(lái)就十分困難，然而基因芯片技術(shù)恰恰解決了這一問(wèn)題，利用其可以同時(shí)反應(yīng)數(shù)千甚至更多個(gè)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(guān)系。美國(guó)stanford大學(xué)的e.a.winzeler等[27]，以兩種不同菌株的酵母（s96和yjm789）作為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)控制酵母對(duì)放線菌酮的抗藥性的基因進(jìn)行分析。將含有酵母150 000個(gè)dna片斷的基因芯片分別與這兩株酵母活化轉(zhuǎn)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(gè)位點(diǎn)沒(méi)有雜交顯色。由于s96對(duì)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(guò)對(duì)s96和yjm789雜交后產(chǎn)生的抗藥子代的遺傳標(biāo)記的分析，進(jìn)一步確定，控制該抗藥性的基因位于15號(hào)染色體，是一長(zhǎng)約57 000個(gè)堿基的片斷。美國(guó)國(guó)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(yīng)用于雙色突變分析。他們的分析對(duì)象是與人類遺傳性乳腺癌和卵巢癌密切相關(guān)的brca1基因的外顯子11。在擴(kuò)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(jìn)行體外轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，而后將轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mrna與brca1外顯子11芯片雜交，4小時(shí)后，用藻紅蛋白染色。在觀察時(shí)，用488nm的氬離子激光進(jìn)行掃描，熒光染色位點(diǎn)呈現(xiàn)綠色，而藻紅蛋白染色的位點(diǎn)呈現(xiàn)紅色。應(yīng)用雙色分析，可以更為清楚的監(jiān)測(cè)未知樣品與標(biāo)準(zhǔn)鏈之間的競(jìng)爭(zhēng)性雜交情況，進(jìn)而分析該基因中的不同突變。通過(guò)對(duì)15名患者brca1基因的觀察，有14名患者在外顯子11位點(diǎn)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(gè)長(zhǎng)度為20 nt的寡核苷酸探針，用于檢測(cè)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(duì)每一個(gè)位點(diǎn)，共有28個(gè)獨(dú)立的探針，14個(gè)針對(duì)有義鏈，14個(gè)針對(duì)反義鏈。14個(gè)探針包括2個(gè)野生型，3個(gè)堿基置換、4個(gè)插入突變、5個(gè)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(diǎn)突變、插入及缺失等；在20例對(duì)照樣品中均未檢出假陽(yáng)性結(jié)果，結(jié)果表明dna芯片技術(shù)可快速、準(zhǔn)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(cè)囊性纖維化跨膜傳導(dǎo)調(diào)節(jié)(cftr)的突變，其中一個(gè)芯片包含1 480個(gè)探針，檢測(cè)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(gè)未知樣品的cftr基因，其結(jié)果與pcr-relp的分析結(jié)果完全一致。

guo等人[31]利用結(jié)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(jiǎn)單快速的基因多態(tài)性分析方法。將asos共價(jià)固定于玻璃載片上，采用pcr擴(kuò)增基因組dna，其一條引物用熒光素標(biāo)記，另一條引物用生物素標(biāo)記，分離兩條互補(bǔ)的dna鏈，將熒光素標(biāo)記dna鏈與微陣列雜交，通過(guò)熒光掃描檢測(cè)雜交模式，即可測(cè)定pcr產(chǎn)物存在的多種多態(tài)性，該方法對(duì)人的酪氨酸酶基因等4個(gè)外顯子內(nèi)含有的5個(gè)單堿基突變進(jìn)行分析，結(jié)果顯示單堿基錯(cuò)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(cè)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(gè)寡核苷酸探針的微陣列，對(duì)hiv-1基因組反轉(zhuǎn)錄酶基因（rt）及蛋白酶基因（pro）的高度多態(tài)性進(jìn)行了篩選。微陣列中內(nèi)部探針與靶序列的錯(cuò)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(cè)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(zhǎng)序列相關(guān)的多態(tài)性與變異。篩選1,000個(gè)核苷酸序列的變異與多態(tài)性需要4,000個(gè)探針。用100μm合成位點(diǎn)，設(shè)計(jì)1.28cm2陣列，將有大約16,000個(gè)探針，能篩選4kb序列。hiv-1基因組中rt與pro在疾病過(guò)程中易于發(fā)生多種變異，這些變異將導(dǎo)致病毒對(duì)多種抗病毒藥物包括azt、ddi、ddc等出現(xiàn)明顯抗性，因此檢測(cè)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(guān)基因發(fā)現(xiàn)數(shù)量的增加，變異與多態(tài)性分析將越來(lái)越重要。chee等［34］用含有1.35×105個(gè)長(zhǎng)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(gè)樣本，檢測(cè)出了505個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)，并在leber′s遺傳性視神經(jīng)疾病患者的mt dna中檢測(cè)出3個(gè)致病性突變位點(diǎn)。

隨著人類基因組計(jì)劃的逐步發(fā)展，研究人員分析出了越來(lái)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(guān)系，而這需要對(duì)大量個(gè)體進(jìn)行分析。通過(guò)基因芯片snp（單核苷酸多態(tài)性）定位試驗(yàn)，可以確定基因多態(tài)性和疾病的關(guān)系，同時(shí)也可確定致病的機(jī)制和病人對(duì)治療的反應(yīng)等。同樣，對(duì)于許多與人類疾病密切相關(guān)的致病微生物，也可對(duì)其進(jìn)行基因型和多態(tài)性分析，1998年，法國(guó)t.livache等[35]就成功的利用基因芯片技術(shù)，對(duì)人血中的hcv病毒進(jìn)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(gè)新的臺(tái)階。

（三）疾病的診斷與治療　人類的疾病與遺傳基因密切相關(guān)，基因芯片可以對(duì)遺傳信息進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析，因此它在疾病的分子診斷中的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的，就臨床一種新的、強(qiáng)有力的分子工具[36]?；蛐酒夹g(shù)已經(jīng)被應(yīng)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(guān)基因的定位　90年代以來(lái),隨著人類基因組計(jì)劃的發(fā)展,各種方法被相繼創(chuàng)立并應(yīng)用到基因定位中。我國(guó)有4 000萬(wàn)育齡婦女，每年有2 000萬(wàn)新生兒，準(zhǔn)確檢測(cè)遺傳病基因是優(yōu)生優(yōu)育的技術(shù)保障。dna芯片充分結(jié)合并靈活運(yùn)用了大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、激光共聚焦掃描、dna合成、熒光標(biāo)記探針、分子雜交及分子生物學(xué)的其它技術(shù),在這一領(lǐng)域的研究中有著巨大的潛力。這一技術(shù)已成為基因定位研究的高效工具。隨著遺傳病與癌癥相關(guān)基因發(fā)現(xiàn)數(shù)量的增加，變異與多態(tài)性分析將越來(lái)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(jīng)濟(jì)快速又敏感可靠[37,38]。

    2　腫瘤診斷　已用基因芯片檢測(cè)人鼻咽癌、肺癌基因表達(dá)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(duì)hiv-i b亞型中的蛋白酶基因的多態(tài)性進(jìn)行了分析，這也是基因芯片技術(shù)被首次應(yīng)用于臨床實(shí)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(duì)該藥物的反應(yīng)卻有著很大的差異。利用基因芯片技術(shù)，研究人員分析了取自102個(gè)病人的167個(gè)病毒單體，發(fā)現(xiàn)這些同為美國(guó)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(gè)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(dǎo)致了病毒抗藥性的不同。含96 600個(gè)20體寡核苷酸高密度陣列對(duì)遺傳性乳腺和卵巢癌brca1基因3.45 kb的第11個(gè)外顯子進(jìn)行雜合變異篩選，15個(gè)患者的已知變異的樣品中，準(zhǔn)確診斷出14個(gè)患者，20個(gè)對(duì)照樣品中未發(fā)現(xiàn)假陽(yáng)性。用affimetrix p53芯片和pcr-sscp調(diào)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(wú)乳癌家族史者為0。favis等用多位pcr/連接酶檢測(cè)反應(yīng)（pcr/ldr）在一個(gè)試管內(nèi)同時(shí)檢測(cè)數(shù)百個(gè)基因突變，用于檢測(cè)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(guān)，目前研究人員已經(jīng)研制成功了可以檢測(cè)p53基因所有編碼區(qū)（外顯子2～外顯子11）錯(cuò)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(gè)密碼子為例，野生型為cgg，在芯片上做出5條探針，相應(yīng)位點(diǎn)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(diǎn)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(guò)程中易于發(fā)生多種變異，這些變異將導(dǎo)致病毒對(duì)多種抗病毒藥物包括azt、ddi、ddc等出現(xiàn)明顯抗性，因此檢測(cè)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(gè)插入片段建立獵槍微陣列(shotgun microarray)，通過(guò)差異雜交和dna測(cè)序找到了瘧原蟲(chóng)無(wú)性和有性生殖階段基因差異表達(dá)，為抗瘧藥設(shè)計(jì)提供了線索?？梢灶A(yù)測(cè)在不久的將來(lái)，人們可望在一張dna芯片上檢測(cè)幾乎所有的病原微生物基因，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“組合檢測(cè)（profile tests）”。

    4　耐藥菌株和藥敏檢測(cè)　據(jù)who報(bào)告，全球每年約有800萬(wàn)結(jié)核病患者，有300萬(wàn)人死亡，死亡人數(shù)超過(guò)了艾滋病和瘧疾的總和。主要原因是菌株對(duì)不同的藥物產(chǎn)生了抗藥性（俄國(guó)80%tb對(duì)一種藥物產(chǎn)生抗性；美國(guó)50%為多重耐藥）。對(duì)每例患者進(jìn)行菌株和藥敏鑒定是控制tb的關(guān)鍵。最近，俄美兩國(guó)科學(xué)家開(kāi)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(biāo)記后固定在玻片上，與待檢tb株雜交，臨床使用未見(jiàn)假陽(yáng)性，該芯片可清洗后重復(fù)使用50次。

    （四）藥物研究中的應(yīng)用

從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)說(shuō)，最大的應(yīng)用領(lǐng)域可能是制藥廠用來(lái)開(kāi)發(fā)新藥。所以已經(jīng)有多家制藥企業(yè)介入芯片的開(kāi)發(fā)。如： incyte pharmaaceuticals inc.，sequana therapeutics，millenium pharmaceuticals inc.等。對(duì)于尋找新藥來(lái)說(shuō)，目標(biāo)之一是應(yīng)用芯片可以在基因水平上尋找藥物靶標(biāo)。采用所謂“譯碼器”策略（decoder strategy）來(lái)確定藥物靶標(biāo)。從而找到“導(dǎo)向藥物”?；蛐酒脖挥糜趯ふ业鞍准っ敢种莆?。細(xì)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(kāi)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(shè)計(jì)。噬菌體展示技術(shù)可創(chuàng)造大量蛋白質(zhì)，目前多用于抗體庫(kù)的建立和篩選，進(jìn)而可用于受體-配體相互作用的研究?；蚪M學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和生物信息學(xué)（bioinformatics）將大大促進(jìn)制藥工業(yè)的發(fā)展。目前第一個(gè)生物分子工程藥物herceptin已用于乳癌的治療，并獲得美國(guó)fda的批準(zhǔn)。除腫瘤外，用分子生物工程設(shè)計(jì)的藥物可用于治療遺傳病及代謝疾病、抗衰老、設(shè)計(jì)新的抗生素和工業(yè)用酶等。

同時(shí)，有時(shí)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(shè)想的作用是針對(duì)某一靶標(biāo)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(qiáng)的抑制作用，從而開(kāi)發(fā)成另一種新藥。

2 調(diào)查藥物處理細(xì)胞后基因的表達(dá)情況

基因芯片在用來(lái)研究藥物的作用機(jī)理時(shí)十分有用。marton[40]等人利用基因芯片構(gòu)建了免疫抑制性藥物fk506處理酵母細(xì)胞后的基因表達(dá)圖譜。發(fā)現(xiàn)用fk506處理的酵母細(xì)胞基因表達(dá)圖譜與fk506靶標(biāo)的無(wú)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(jī)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(dá)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(dá)增加。該研究提示，這類研究既有助于闡明藥物的作用機(jī)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(duì)藥物進(jìn)行毒性評(píng)價(jià)

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

（五）基因芯片中醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

中醫(yī)學(xué)中應(yīng)用基因芯片技術(shù)，還處于初始階段，目前主要集中以下三個(gè)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(xué)過(guò)程均被大大簡(jiǎn)化，將推動(dòng)中藥的迅猛發(fā)展。中藥學(xué)引入基因芯片技術(shù)，將大大推動(dòng)中藥研究的國(guó)際化進(jìn)程，為闡明中藥作用機(jī)理，具有無(wú)可估量的重要意義。

2　中醫(yī)“證”本質(zhì)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(zhì)研究一直難以有重大進(jìn)展。主要因?yàn)橹嗅t(yī)理論設(shè)及到生命的整體，因而它牽涉到許多基因和蛋白質(zhì)，傳統(tǒng)的方法學(xué)無(wú)法弄清“證”的實(shí)質(zhì)，而利用基因芯片技術(shù)，對(duì)不同“證”狀態(tài)的基因組進(jìn)行掃描，再繪出不同證的基因表達(dá)譜，通過(guò)相關(guān)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(zhì)提供了可能。如果證本質(zhì)被揭示，它可能會(huì)引起醫(yī)學(xué)治療學(xué)理論的重大革新或變化，尤其是個(gè)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(shè)及全身各個(gè)部分，針灸不同方法、不同穴位、經(jīng)絡(luò)是否具有不同的作用，也即經(jīng)脈與臟腑間的相關(guān)聯(lián)系是否具有相對(duì)特異性。通過(guò)基因芯片測(cè)量不同組織基因表達(dá)的差異，判斷基因表達(dá)是否具有特異性，有望解決這一長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休的問(wèn)題。如果心經(jīng)與心臟具有相對(duì)特異性，那么針刺心經(jīng)后，心臟內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)某些與針刺相關(guān)的特異性基因表達(dá)，而且，這種表達(dá)只在針刺心經(jīng)時(shí)出現(xiàn)，這些基因可能不在其它器官，如肝臟中表達(dá)。那么可以肯定地認(rèn)為經(jīng)脈臟腑相關(guān)是具有相對(duì)特異性的，也可以認(rèn)為傳統(tǒng)經(jīng)絡(luò)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(jī)制。針灸的作用是與神經(jīng)內(nèi)分泌免疫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（nei networks）密切相關(guān)的，它設(shè)及到細(xì)胞信使、神經(jīng)遞質(zhì)、調(diào)質(zhì)、神經(jīng)肽、細(xì)胞因子、內(nèi)分泌激素等多種因子，但針灸的信號(hào)是如何在細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)傳遞的過(guò)程仍不明朗，如果引入基因芯片，可以高通量的檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)的時(shí)空特征，有助于了解針灸促進(jìn)基因表達(dá)的特點(diǎn)，進(jìn)而再利用蛋白組學(xué)相關(guān)技術(shù)，揭示針灸作用原理?，F(xiàn)在已有部分工作正在進(jìn)行。

（六）其它應(yīng)用

1　環(huán)境化學(xué)毒物的篩選　我們的生活環(huán)境中存在著數(shù)千種化學(xué)物質(zhì)，每種物質(zhì)在投入使用前必須進(jìn)行人體毒性試驗(yàn)，傳統(tǒng)的動(dòng)物試驗(yàn)費(fèi)用高昂，且存在著國(guó)際上關(guān)注的動(dòng)物福利（animal welfare）問(wèn)題。采用毒物檢測(cè)芯片（toxchips）可對(duì)環(huán)境中眾多化學(xué)物質(zhì)對(duì)人類基因的潛在毒性進(jìn)行篩選，探查毒物“開(kāi)啟”或“關(guān)閉”哪些基因，研究“環(huán)境如何改變我們的基因”。niehs將對(duì)人類100 000個(gè)基因中的12 000個(gè)基因進(jìn)行檢測(cè)，弄清致癌物質(zhì)對(duì)基因的改變，建立化學(xué)物質(zhì)指紋庫(kù)（fingerprints of chemicals），然后即可通過(guò)測(cè)定特定基因的突變與否判斷新的合成物質(zhì)的生物毒性。

2　體質(zhì)醫(yī)學(xué)的研究。體質(zhì)醫(yī)學(xué)關(guān)系到個(gè)體化治療的核心問(wèn)題，不同的人具有不同的體質(zhì)基礎(chǔ)，其原因與基因型可能存在一定的相關(guān)性，尤其可能與snp關(guān)系較大，如何全面了解人的snp差異，以及它與體質(zhì)因素、疾病的易感性間關(guān)系，是值得研究的重大課題。

美國(guó)繼開(kāi)展人類基因組計(jì)劃以后，于1998年正式啟動(dòng)基因芯片計(jì)劃，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生部、能源部、商業(yè)部、司法部、國(guó)防部、中央情報(bào)局等均參與了此項(xiàng)目。同時(shí)斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院及部分國(guó)立實(shí)驗(yàn)室如argonne oakridge也參與了該項(xiàng)目的研究和開(kāi)發(fā)。英國(guó)劍橋大學(xué)、歐亞公司正在從事該領(lǐng)域的研究。世界大型制藥公司尤其對(duì)基因芯片技術(shù)用于基因多態(tài)性、疾病相關(guān)性、基因藥物開(kāi)發(fā)和合成或天然藥物篩選等領(lǐng)域感興趣，都已建立了或正在建立自己的芯片設(shè)備和技術(shù)。目前全世界有幾百家基因芯片公司，有多種生物芯片問(wèn)世，而且這些芯片的特點(diǎn)較以前密度更高，檢測(cè)方法更精確，特異性更強(qiáng)的特點(diǎn)。而主要仍以少數(shù)幾家公司為主，如affymetrix、brax、hysep等。國(guó)內(nèi)目前主要如清華大學(xué)（陳京）、中科院生命科學(xué)院、上海復(fù)旦大學(xué)、北京軍事科學(xué)院、南京東南大學(xué)、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(shù)企業(yè)的開(kāi)發(fā)善和各自技術(shù)特點(diǎn)(1998年)[43]

十、當(dāng)前面臨的困難

盡管基因芯片技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)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(wèn)題，例如技術(shù)成本昂貴、復(fù)雜、檢測(cè)靈敏度較低，重復(fù)性差、分析泛圍較狹窄等問(wèn)題。這些問(wèn)題主要表現(xiàn)在樣品的制備、探針合成與固定、分子的標(biāo)記、數(shù)據(jù)的讀取與分析等幾個(gè)方面。

1　樣品制備上，當(dāng)前多數(shù)公司在標(biāo)記和測(cè)定前都要對(duì)樣品進(jìn)行一定程度的擴(kuò)增以便提高檢測(cè)的靈敏度，但仍不少人在嘗試?yán)@過(guò)該問(wèn)題，這包括mosaic technologies公司的固相pcr擴(kuò)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(diǎn)，但目前尚未取得實(shí)際應(yīng)用。

2　探針的合成與固定比較復(fù)雜，特別是對(duì)于制作高密度的探針陣列。使用光導(dǎo)聚合技術(shù)每步產(chǎn)率不高（95%），難于保證好的聚合效果。應(yīng)運(yùn)而生的其它很多方法，如壓電打壓、微量噴涂等多項(xiàng)技術(shù)，雖然技術(shù)難度較低方法也比較靈活，但存在的問(wèn)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(guó)學(xué)者已成功地將分子印章技術(shù)應(yīng)用探針的原位合成而且取得了比較滿意的結(jié)果。

3　目標(biāo)分子的標(biāo)記也是一個(gè)重要的限速步驟，如何簡(jiǎn)化或繞過(guò)這一步現(xiàn)在仍然是個(gè)問(wèn)題。目標(biāo)分子與探針的雜交會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)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(shè)法減少這種不利因素的影響。southern曾通過(guò)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?lè)肿拥膅c含量、長(zhǎng)度以及濃度等都會(huì)對(duì)雜交產(chǎn)生一定的影響，因此需要分別進(jìn)行分析和研究。

4　信號(hào)的獲取與分析上，當(dāng)前多數(shù)方法使用熒光法進(jìn)行檢測(cè)和分析，重復(fù)性較好，但靈敏仍然不高。正在發(fā)展的方法有多種，如質(zhì)譜法、化學(xué)發(fā)光法等?；蛐酒铣汕先f(wàn)的寡核苷酸探針由于序列本身有一定程度的重疊因而產(chǎn)生了大量的豐余信息。這一方面可以為樣品的檢測(cè)提供大量的難證機(jī)會(huì)，但同時(shí)，要對(duì)如此大量的信息進(jìn)行解讀，目前仍是一個(gè)艱巨的技術(shù)問(wèn)題。

5　基因芯片的特異性還有待提高。最近affymetrix公司生產(chǎn)的基因芯片采用瓣的技術(shù)，已大大提高檢測(cè)的特異性，估計(jì)在今后幾年內(nèi)基因芯片的特異性將大大提高。

6　如何檢測(cè)低豐度表達(dá)基因仍是目前一個(gè)重要問(wèn)題?；蛐酒ＷC其特異性、但又要保證能檢測(cè)低豐度表達(dá)的基因，目前尚未解決這一問(wèn)題。因?yàn)樵S多低豐度表達(dá)的基因，也可能表達(dá)出主要執(zhí)行效應(yīng)功能的蛋白質(zhì)。因?yàn)榛虮磉_(dá)與蛋白質(zhì)生成并不成比例。

上述問(wèn)題不僅是當(dāng)前和今后一段時(shí)期內(nèi)國(guó)內(nèi)外基因芯片技術(shù)研究的焦點(diǎn)，同時(shí)也是基因芯片能否從實(shí)驗(yàn)室研究推向臨床應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。

十一  基因芯片技術(shù)的研究可能方向

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

1．進(jìn)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(dá)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(dá)情況只用一塊芯片即可包括。

2 提高檢測(cè)的靈敏度和特異性。如檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)化組合和采用高靈敏度的熒光標(biāo)志。多重檢測(cè)以提高特異性，減少假陽(yáng)性。 

4　高自動(dòng)化、方法趨于標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化，成本降低。價(jià)格高昂是目前推廣應(yīng)用的主要障礙之一，但隨著技術(shù)的革新，基因芯片的價(jià)格將會(huì)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(yīng)用芯片，如1999年美國(guó)環(huán)保局(epa)組織專家研討會(huì)，討論了毒理學(xué)芯片的發(fā)展策略。近來(lái)多種新的生物芯片不斷問(wèn)世，這是物理學(xué)、生物學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)共同的結(jié)晶。

7 研制芯片新檢測(cè)系統(tǒng)和分析軟件，以充分利用生物信息。

8 芯片技術(shù)將與其它技術(shù)結(jié)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(yīng)用，如蛋白質(zhì)芯片與基因芯片間相互作用等，可用于了解蛋白質(zhì)與基因間相互作用的關(guān)系。

當(dāng)前，基因芯片數(shù)量呈幾何級(jí)數(shù)在增長(zhǎng)，功能也日益完善，但價(jià)格卻大大降低?？梢灶A(yù)見(jiàn)，基因芯片可能在未來(lái)3-5年，也即到2005年左右，將在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，甚至普及使用！到2010年它可能成為常規(guī)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，正如個(gè)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(biāo)同生物芯片的目標(biāo)一樣是“芯片實(shí)驗(yàn)室”(lab-on-chip)，也即將整個(gè)生化檢測(cè)分析過(guò)程縮微到芯片上。“芯片實(shí)驗(yàn)室”通過(guò)微細(xì)加工工藝制作的微濾器、微反應(yīng)器、微泵、微閥門(mén)、微電極等以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品從制備、生化反應(yīng)到檢測(cè)和分析的全過(guò)程，而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程趨于自動(dòng)化從而極大地縮短的檢測(cè)和分析時(shí)間，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)材料，而且又降低人為主觀因素，大大提高實(shí)驗(yàn)的客觀性。

總之，基因芯片技術(shù)發(fā)展到今天不過(guò)短短幾年時(shí)間，雖然還存在這樣或那樣的問(wèn)題，但其在基因表達(dá)譜分析、基因診斷、藥物篩選及序列分析等諸多領(lǐng)域已呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，隨著研究的不斷深入和技術(shù)的更加完善基因芯片一定會(huì)在生命科學(xué)研究領(lǐng)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(rèn)識(shí)生命本質(zhì)的能力和手段，為揭示人類這個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。從某種意義上我們可以這樣認(rèn)為：基因的結(jié)構(gòu)或種類決定物種；基因的功能或表達(dá)則決定生命，即生物的生、老、病、死。基因芯片技術(shù)將為我們提供一條認(rèn)識(shí)生命本質(zhì)的捷徑。當(dāng)然基因芯片并非萬(wàn)能，基因的表達(dá)并非代表生命活動(dòng)本質(zhì)，生命執(zhí)行者應(yīng)是蛋白質(zhì)，因而基因芯片必需同蛋白組學(xué)相關(guān)技術(shù)，如二維凝膠電泳、蛋白質(zhì)芯片、大規(guī)模雙雜交體系等相結(jié)合才有望真正揭示生命活動(dòng)的時(shí)空過(guò)程。

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