分子芯片驱动生物技术半导体化

图左：Colossus 机器是二战期间英国人用来读取德国加密通信的第一台电子计算设备，为1986年最早的数字计算机。

图中：近代智能手机的进化史。

图右：功能丰富的智能手表的诞生。

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       半导体的微型化

                 – 植入与可穿戴器件

最早一批半导体在生物医药领域内的应用可以追溯到1950年前后。以如今万亿市值的美敦力（Medtronic）为例，其自主研发的首款产品是一个基于晶体管的植入式心脏起搏器；而在此之前的心脏起搏器皆为有线连接，设备笨重且使用不便，患者局限在一室之内无法移动，美敦力借助半导体技术为医疗产业做出了重要突破。

目前可植入器件（物理尺寸仅为1 Penny）

此后随着CMOS（complimentary metal-oxide-semiconductor） 集成电路（integrated circuits, IC）沿着摩尔定律指数微型化，植入设备比如心脏起搏器演变为硬币甚至胶囊大小，智能程度也大幅度提升。芯片微型化也催生了可穿戴设备。在植入器件和可穿戴设备中半导体主要提供了芯片微型化这一核心价值，使得设备尺寸不断减小、能耗持续降低、功能更加丰富。

多年来在电学结构微型化（摩尔定律）这一主题之外，半导体技术的发展逐渐融入多种材料体系并实现多种功能，例如发生并且检测力热光磁等多种信号，在植入与可穿戴设备之外催生了诸多新颖应用，其中不少甚至让人很难和半导体联系在一起。MEMS（micro-electro-mechanical system，微机电系统）利用半导体工艺制备微型机械结构，近年来不断颠覆传统医学影像设备。Butterfly Networks 利用 MEMS 与 CMOS 集成工艺开发了小型化、低能耗超声探头，可以用手机供电，克服了传统超声系统成本高昂、笨重的缺点，极大的拓宽了超声的应用场景。

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图为 Butterfly Networks iQ+ Ultrasound 产品

在X光领域，NanoX 正在利用 MEMS 工艺开发冷电子源，其技术取代传统基于钨丝的热电子源，有望提升 X 光成像质量与大幅度缩小系统尺寸、降低成本，让 X 光更加普及。

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Nanox 基于硅基 MEMS 技术开发了一种新的 5D X 射线源；该技术可以在低电压下利用硅芯片上的 1 亿个纳米锥场发射数控电子流，获得稳定的 X 射线源，从而将医学影像系统的成本降低几个数量级。

除此之外，精细的微观力学结构也打开了在微米尺度上操控流体的能力，依托半导体工艺发展起来的微流控技术重新定义了我们处理微量生物样品的能力，已经被广泛应用于体外检测（in-vitro diagnostics, IVD）与生物技术（biotech）领域，也被大家称为“生物芯片”。

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IVD: ADEXUSDx® COVID-19检测是一种体外侧流免疫检测，用于定性检测人类静脉全血（乙二胺四乙酸二钾）和血浆（乙二胺四乙酸二钾）、血清和指尖全血中SARS-CoV-2的总抗体。

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BioTech: Bekerly Lights 公司使用荧光检测方法，利用 OptoSelect™ 芯片将数以千计的单个细胞平行移入 NanoPen™ 反应室，在成千上万的 NanoPens 上检测小生物分子的分泌，并根据表型或荧光等进行分类。

21世纪是生物的世纪（虽然晚到了20年），更准确的说，它是分子生物的世纪，其重要标志是人类对于生物的探索已经到了生物大分子（DNA、RNA和蛋白等）水平。近年来，“卡脖子” 问题层出不穷，中国“缺芯少核”的言论甚嚣尘上；“三纳米”、“五纳米”，这些半导体工艺节点意味着我们可以在集成电路上实现纳米结构（且是人类能随意控制的最小尺寸、最大规模、最低成本的多功能结构）。这些结构的物理尺寸也已经和生物大分子在同一水平上。

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图源：Basics Energy Sciences – “The Scale of Things”

因此，半导体技术正在突破经典的生物芯片（MEMS、微流控等）应用，直接和生物分子进行交互，成为分子生物时代重要的基础设施。

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Roswell Biotechnology 使用嵌入纳米线的探针分子，当分子与目标结合时传输信号在半导体芯片上，使得分子和芯片相互作用。此技术为第一类具有单分子分辨率的全尺寸生物传感器。

芯宿科技利用分子级的集成电路，在过往“生物芯片”基础上实现“分子芯片”愿景，持续推进生物技术半导体化。我们立足于高通量 DNA 合成，逐渐拓展到 RNA、蛋白的合成与检测，立志成为分子生物时代的美敦力、赛默飞。