微电子技术在生物医学中的应用

微电子技术在生物医学中的应用

摘要：微电子技术与生物学之间有着非常紧密的联系。一方面微电子技术的发展，将大大地推动生物医学的发展，另一方面生物医学的研究成果同样也将对微电子技术的发展起着巨大的促进作用。在这里我将主要从生物医学传感器、植入式电子系统、生物芯片这三个方面结合当前国际上最新进展来介绍两者之间的关系与发展。

关键字：微电子技术生物医学

一、引言

生物医学电子学是由微电子学、生物和医学等多学科交叉的边缘科学，为使得生物医学领域的研究方式更加精确和科学，所以将电子学用于生物医学领域。在生物医学与电子学交叉作用部分中最活跃、最前沿、作用力最大的一项关键技术就是微电子技术。特别是随着集成电路集成度的提高和超大规模集成电路的发展，元件尺寸达到分子级，进入了分子电子学时代，用有机化合物低分子、高分子和生物分子作芯片，它们具有识别、采集、记忆、放大、开关、传导等功能，更大大促进了医学电子学的发展。下面将主要从生物医学传感器、植入式电子系统、生物芯片这三个方面结合当前国际上最新进展来介绍两者之间的关系与发展。

二、生物医学传感器

生物医学传感器的作用是把生物体和人体中包含的生命现象、状态、性质、变量和成分等生理信息（包括物理量、化学量、生物量等）转化为与之有确定函数关系的电信息。生物医学传感器是生物医学电子学中最关键的技术，它是连接生物医学和电子学的桥梁。主要可分为如下几类：电阻式传感器，电容式传感器，电感式传感器，压电式传感器，光电传感器，热电式传感器，光线传感器，电化学传感器以及生物传感器等。它通过各种化学、物理信号转换器捕捉目标物与敏感膜之间的反应，然后将反应程度用连续的电信号表达出来，从而得出被检测样品的浓度。生物医学传感器的微型化和集成化是其中最重要的发展方向之一，其主要原因：1）它是实现生物医学设备微型化、集成化的基础；2）将使得生物医学测量和控制更加精确——达到分子和原子水平。是生物体成分(酶、抗原、抗体、激素、DNA) 或生物体本身(细胞、细胞器、组织)，它们能特异地识别各种被测物质并与之反应；后者主要有电化学电极、离子敏场效应晶体管( ISFET ) 、热敏电阻器、光电管、光纤、压电晶体(PZ) 等，其功能为将敏感元件感知的生物化学信号转变为可测量的电信号。因而它具有快速大量处理信息的能力，和诊断精确的特点。

常见的生物医学传感器主要可分为以下几种：电阻式传感器，电感式传感器，电容式传感器，压电式传感器，热电式传感器，光电传感器以及生物传感器等。

医学领域的生物传感器发挥着越来越大的作用。在临床医学中，酶电极是最

早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器，广泛应用于：药物分析、肿瘤监测、血糖分析等。

三、植入式电子系统

植入式电子系统是一种埋植在人体或生物体内的电子设备，它用来测量生命体内的生理、生化参数的变化，或用来诊断与治疗一些疾病，即实现在生命体自然状态下体内直接测量和控制功能或者代替功能残缺的器官。随着高可靠性、低功率集成电路的发展，植入式电子系统的能源供给方式的多样化，无毒性生物相容性等性能优良的生物材料研究的深入，以及显微外科手术水平的不断提高，使得植入式电子系统得到飞速的发展，植入式电子学已成为生物医学电子学中一个极为重要的组成部分。

植入电子系统主要包括：植入式测量系统、植入式刺激器、植入式药疗（控制）装置、植入式人工器官及辅助装置等设备。采用植入式电子测量与控制装置主要具有如下优点：1、可保证生物体在处于自然的生理状态条件下对各种生理、生化参数进行连续的实时测量与控制；2、采用植入式测量装置后可大大减少各种干扰因素，因此体内的各种信息不需经皮肤测量就可得到更加精确的数据；3、便于对器官和组织的直接调控，能获得理想的刺激和控制响应，有利于损伤功能的恢复和病情的控制；4、可以用来治疗某些疾病，比如癫痫、瘫痪等；5、用来代替某些器官的功能，比如肾脏、四肢、耳蜗等。

植入式电子系统在微电子方面研究的关键技术主要有：1、植入式天线的设计技术。主要是解决效率与天线微型化之间的矛盾；2、RF射频电路的设计技术。射频电路是植入体内部分与体外部分通信的关键电路；3、低功耗植入式集成电路设计技术，它一方面是要保证植入式系统在有限能源的前提下能在体内长期稳定工作，另一方面是电路产生过多热量会对生命体本身造成危害；4、植入式系统的能量供给技术。由于经常把把植入体内设备拿出体外进行充电是不实际的，目前一般采用下述四种方式给体内供能：植入式电源、红外线偶合供能、射频供能或者是利用体内其他能量的转换，比如温差供电，利用血液中氢和氧进行燃料电池反应或利用生物体自身的机械能等；5、微弱信号的提取技术。生物信号都是微弱信号，而且往往存在着背景噪音都很强大的情况；6、一些前沿的数字信号处理技术的应用。比如利用人工神经网络技术与线性预测技术来通过脑电实时控制多自由度的假肢的研究，以及基于小波变换的语音信号处理技术应用于人工耳蜗等；7、植入式电子系统的制作与封装技术。主要研究的是如何利用生物相容性优良的生物材料来对集成电路进行封装，这样既能保证植入到体内的系统不会对生命体造成危害，也能保证其能在人体环境中长期稳定地工作。

四、生物芯片

生物芯片是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。狭义的生物芯片概念是指通过不同方法将生物分子固着于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝胶、尼龙膜等固相递质上形成的生物分子点阵。因此生

物芯片技术又称微陈列技术，含有大量生物信息的固相基质称为微阵列，又称生物芯片。生物芯片在此类芯片的基础上又发展出微流体芯，亦称微电子芯，也就是缩微实验室芯片。

生物芯片的第一个应用领域是检测基因表达。但是将生物分子有序地放在芯片上检测生化标本的策略是具有广泛的应用，对基因组DNA进行杂交分析可以检测DNA编码区和非编码区单个碱基改变、确失和插入，DNA杂交分析还可用于对DNA进行定量，这对检测基因拷贝数和染色体的倍性是很重要的。因此生物芯片对于基因工程的发展具有重大意义。

五、结束语

现代和未来的信息社会中，信息处理系统要对自然和社会的各种变化做出反应，首先需要通过传感器将外界的各种信息提取出来并转换成信息系统中的信息处理单元（即计算机）能够接收和处理的信号。微电子技术在这些领域中起的关键作用，生物医学的发展对微电子技术也起了巨大促进作用，这两者相互促进，，微电子技术的发展将为生物医学带来巨大的变革，同样生物医学也将会给微电子技术的创新提供崭新的思路。

参考文献：

谢翔;张春;王志华微电子技术在生物医学中的应用与发展[期刊论文] -电路与系统学报2003(2)

夏俊芳. 刘箐生物芯片应用概述[期刊论文]-生物技术通报2010(7)