在硅片上實(shí)現(xiàn)DNA分析鑒定
以片上DNA(lab-on-chip)實(shí)驗(yàn)室形式的微電子機(jī)械系統(tǒng)，或者M(jìn)EMS技術(shù)，開(kāi)始在微生物樣本快速分析的儀器中扮演越來(lái)越重要的角色。系統(tǒng)的片上實(shí)驗(yàn)室組件集成了電子、機(jī)械和生物單元，并采用微流體技術(shù)來(lái)改善鑒定速度、便利性、以及實(shí)現(xiàn)重要臨床診斷的經(jīng)濟(jì)性。
由于采用IC技術(shù)，MEMS技術(shù)具有非常大吸引力，因?yàn)榭梢岳镁_控制的工藝，實(shí)現(xiàn)器件的大批量并行且精確的重復(fù)生產(chǎn)；這種工藝技術(shù)與生產(chǎn)硅芯片所開(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)是相同的。事實(shí)上，今天面向系統(tǒng)的微電子技術(shù)使得能夠一個(gè)芯片上集成包括機(jī)械傳感器和接口電路的整個(gè)系統(tǒng)。
在ST公司，MEMS技術(shù)被利用來(lái)比較DNA樣本，以發(fā)現(xiàn)病原體，并快速、簡(jiǎn)單并且低成本地進(jìn)行其他的臨床診斷。這種技術(shù)可用于其他領(lǐng)域中的很多應(yīng)用，包括獸醫(yī)、食品控制和生物預(yù)防。而目前這樣的分析只能在分子生物實(shí)驗(yàn)室和診斷中心進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)成本很高，并且需要大量的設(shè)備。
這種新方法的核心是基于MEMS的一次使用的盒子(cartridge)，它作為片上DNA實(shí)驗(yàn)室。使用最初為噴墨打印機(jī)開(kāi)發(fā)的微流體技術(shù)，稱為In-Check的盒子，其包含一系列置于硅片中的微反應(yīng)室。在分析期間，通道被一種未知的DNA樣本和DNA原生引物(primer)所填充，它通過(guò)一種稱為聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)的工藝用來(lái)將樣本生長(zhǎng)，或 “放大”到一個(gè)可以使用的數(shù)量。PCR工藝能從一個(gè)包含少量DNA??段的小樣本開(kāi)始，將片段復(fù)制成數(shù)百萬(wàn)個(gè)相同的片段。與現(xiàn)在的方法相比，這種方法具有非常大的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在的方法通常需要很大的樣本數(shù)，而采集和提取這樣大的樣本量需要很高的成本。
對(duì)于PCR工藝來(lái)說(shuō)，很重要的是利用內(nèi)置到硅片中的電子加熱單元，它對(duì)通道加熱，在三個(gè)精確的溫度之間對(duì)DNA混合物進(jìn)行循環(huán)加熱。然后，放大的DNA樣本被移交到生物芯片的檢測(cè)區(qū)，它包括已知——而且可能匹配的DNA??段。通過(guò)用一個(gè)激光燈照射電極可以發(fā)現(xiàn)DNA的匹配，可以觀察到它們發(fā)出熒光。(為進(jìn)一步使工藝自動(dòng)化，還重新*估了電化學(xué)機(jī)制，而不是光檢測(cè)機(jī)制)。便攜式光讀取器連接到一臺(tái)電腦，在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)就能分析出微陣列(幾個(gè)獨(dú)特DNA序列的微型化陣列)。
每次測(cè)試都使用同一芯片，這種測(cè)試的運(yùn)行通常不到一小時(shí)，因?yàn)镾T的In-Check平臺(tái)使用一種微陣列，每個(gè)測(cè)試可以*估多個(gè)不同的DNA??段，具有高度的可再生測(cè)試結(jié)果。桌面溫度控制系統(tǒng)可以支持最多5個(gè)盒子。In-Check的靈敏度取決于應(yīng)用、DNA??段的長(zhǎng)度以及樣本準(zhǔn)備方法。
所有的化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生在生物芯片上，因?yàn)檠b它的盒子是一次性的，因此這種方法與傳統(tǒng)的儀器相比，不易于出現(xiàn)交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。同樣，因?yàn)橄到y(tǒng)使用非常少的高成本化學(xué)試劑，因此其成本并不是很高。除了芯片裝載的盒子，系統(tǒng)還采用了一套儀器，其中包括控制器和指導(dǎo)操作人員通過(guò)幾個(gè)關(guān)鍵步驟的閱讀器。
就測(cè)試結(jié)果的精度和速度來(lái)說(shuō)，與傳統(tǒng)的診斷方法相比，生物芯片表現(xiàn)出了很重要的好處。利用生物芯片，只需要幾分鐘就可以得到結(jié)果，而不是幾個(gè)小時(shí)甚至若干天，而某些時(shí)候，傳統(tǒng)的*培育方法可能需要大約一周的時(shí)間才能獲得有用的結(jié)果。生物芯片可以達(dá)到的精度也比傳統(tǒng)的方法高，對(duì)于醫(yī)藥應(yīng)用來(lái)說(shuō)，相關(guān)的某些積極意義如醫(yī)生將能及時(shí)地開(kāi)處方，并進(jìn)行針對(duì)性的治療。就疾病傳播抑制來(lái)說(shuō)，其意義更加重大。
