纳米技术生物医学探测芯片

  

   有关领导十分关心本项目的酝酿和组织，也多次谈起过他们的担心。在阅读本项目建议书后，本人也有同感，即不清楚通过本项目的实施，究竟将实现什么样的学科发展目标和水平。这是一个将纳米技术、生物、微电子、光电探测等不同学科融合在一起的综合研究项目，每个学科领域的研究都有其自身的规律和特点。目前研究生物传感器和芯片的核心问题主要并不在于芯片的尺寸，而是生物(或医学)物质与传感物质的相互作用机理，即在可控制的光、磁、电、热等外界条件作用下，与生物特征有关的信息如何能高效率地被转换成光/电信息，并能被传感芯片高分辨率地可靠读取和处理。 

   在研究和应用最为深入和广泛的光电子传感器领域，目前高灵敏度的科学仪器级CCD和CMOS传感器的的单元像素面积大都超过10x10微米，具有12－16比特的高分辨率模数转换能力。在普通民用CCD和CMOS传感器领域，目前最小的像素面积大于2x2微米，仅具有8比特模数转换能力。虽然采用现代微电子技术已无任何困难能进一步缩小光电探测器的单元面积，但真正受到限制的并非是纳米或微米尺寸之间的差别，而是对于特定的传感材料(如半导体光电材料)来说，其单位传感面积所能产生的最高光电子数是有限的，低于某阈值光电子或电子数，将严重影响模数转换效率和信噪比质量。这就是在技术上不能无限缩小传感器面积的物理原因，这受到了光电子材料内在光电特性的限制。这在数码相机领域是经常被讨论和已被认识的问题，即当单元像素面积缩小和像素密度增加后，其最直接的效果是信噪比质量的下降，这是许多专业级用户最关心的，而在高质量的传感器领域是难以被接受的。如在近红外领域，高灵敏度的InGaAs线阵探测器的单元光电传感面积为25x500微米，我国还无类似技术和产品。通常，生物样品的量子光电效率远低于半导体材料，因此，要感知足够多的生物样品所产生的光电信息，传感器的有效面积不能太小，与“纳米”并无很大相关性，但这并不影响在微米和深亚毫米技术水平上对生物传感器的原理和特性进行研究，会更经济和有效果。比如，对于单分子等物质的弱荧光谱测量和分析，可能更主要是采用传统的低噪声和高灵敏度的光电倍增探测器，才能获得足够清晰的信号强度，这并非是大尺寸探测器的缺点，而是取决于特定研究对象等条件。

   鉴于生物与光电传感器研究之间的差别和共性特点，那些曾经在光电传感器研究领域发生过并且仍未被很好解决的问题都将会同样发生在生物传感器领域，并可能会遇到更大的困难。这并非是纳米技术本身的困难，而是将受到传感信息的产生、记录和获取原理以及实现方法等多种因素的限制。因此，在目前有限研究经费的条件下，本项目似乎可被理解为以下几类问题的研究：

1.              生物传感的原理研究。深入研究不同条件下多样性生物体与传感物质之间的相互作用机理，包括带有生物特征的传感信息的产生、获取和传递方式等研究。(仅需要微米/毫米尺寸的样品，并无采用昂贵的纳米制备工艺和方法的紧迫性)。

2.              基于CMOS工艺的高密度光电面阵传感器技术研究。单元传感器面积可大于1x1微米，但外围信号处理电路可采用亚微米工艺。

3.              单分子或其他大分子生物样品的光电特性研究。主要将采用传统的高灵敏度光电/光谱检测方法和技术，以及结合其他的方法，所获得的信息和研究结果对生物传感器的研究有帮助。

4.              基于微电子、光电子、生物和化学等相关交叉课题的研究基础，研制具有实际应用价值的生物传感器件。

 

   生物和光电子领域的研究人员之间要多沟通，需深刻理解研究中会发生的问题和困难。在光电传感器研究领域已积累了许多成功和失败的经验和教训，可供生物传感器研究人员借鉴，以便提高效率，少走弯路，避免不必要的人力、物力和时间方面的浪费。

  

   上述意见仅供项目组参考。

 

  陈良尧， 2005/6/30

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