原位合成

傳統複合材料製備方法有粉末冶金法、噴射成型法和各種鑄造技術即模壓鑄造、流變鑄造和混砂鑄造等。所有這些方法是將事先製備好的增強相加入處於熔融狀態或粉末狀態的基體材料中，於是傳統的增強相被稱為外加的。外加法製備的複合材料存在增強體顆粒尺寸粗大、熱力學不穩定、界面結合強度低等缺點。為了克服這些缺點，近年來出現了原位合成技術，即在一定條件，通過化學反應，在基體內原位生成一種或幾種增強相(如TiB2、Al2O3、TiC等) ,從而達到強化的目的。這種方法可得到增強顆粒尺寸細小、熱力學性能穩定、界面無污染、結合強度高的複合材料，是一種有前途的顆粒增強複合材料製造工藝。原位合成法常用於碳納米管的強韌化工藝中。對碳納米管進行羥基磷灰石包覆利用的就是原位合成法。

在生物基因工程領域，生物晶元製備中材料的固定方式主要包括原位合成法和點樣法兩種，點樣法又分為接觸式點樣法和非接觸式點樣法。原位合成法主要用於基因晶元的製備，點樣法可用於基因晶元和蛋白質晶元的製備。細胞晶元主要是通過細胞本身的貼壁生長來完成固定。組織晶元通過一些黏性溶劑(如石蠟)使組織切片固定在載體上。某些微流體晶元不需要材料的固定，只是通過硅材料上大量的微通道來完成檢測，另外一些微流體晶元通過特殊的作用(如蛋白質的特異性結合、序列互補DNA片斷等)把材料固定在微粒上來完成檢測。在此我們主要介紹原位合成技術和直接點樣技術。

原位合成是直接在固體基質上用4種單核苷酸合成所需的DNA片段。Affymetrix公司的GeneChipTM是高密度寡核苷酸微陣列原位合成的代表，製造工藝採用原位光刻合成。其他原位合成製造工藝還有光敏抗蝕層并行合成法、微流體通道在片合成法、噴印合成法及分子印章在片合成法。

原位合成晶元是指將多個寡核苷酸片段用單核苷酸底物直接合成到載體的特定位置上製備的晶元，主要包括以下幾種製備方法。

Affymetrix公司將光平版印刷技術(photolithographicapproach)運用到DNA合成化學中，利用固相化學、光敏保護基及光刻技術得到位置確定、高度多樣性的化合物集合。該法利用光敏保護基來保護鹼基單位的5’羥基。第一步利用光照射使固體表面上的羥基脫保護，然後固體表面與光敏保護基保護、亞磷醯胺活化的鹼基單體接觸，合成只在那些脫保護基的地方進行。光照區域就是要合成的區域，該過程通過一系列掩膜來控制。如此循環以合成寡核苷酸，直到設定的寡核苷酸長度。每個寡核苷酸片段代表了一種特定的基因存在於DNA晶元的特定位置上，可合成任意序列15—25個鹼基長度的片段。這種方法可使每cm2上的探針數量達到106個，每種探針為5～10btm的方形區域，探針的間距約為20btm。這種方法的最大的優點就是可以在較小的區域內製造大量不同的探針，如1cm2可以有400 000種探針。後來由於運用了非線性半導體光抗技術(non—linear semicondutor photoresist technology)，而使探針的間距更加微小。目前Affymetrix公司已有可以同時檢測人類全基因組的表達譜基因晶元及檢測高達50萬個SNP的基因晶元。

通過機械手臂直接將鹼基合成試劑氨基膦酸酯點樣到晶元適當的位置上，循環下去就能合成預計的寡核苷酸。由於這種方法靈活性高，能合成任意寡核苷酸片段，因此有應用潛力。美國Agilent公司便是利用噴墨的原位合成技術合成了60個鹼基的寡核苷酸晶元產品。

用物理方法如掩蔽體來限定前體物質的位置，將前體物通過正交管道只需幾步就能合成選定長度的所有相關序列的陣列。還有一種方法，用微型電極矩陣來對特定位置上延伸的寡核苷酸鏈進行去保護，矩陣與鹼基合成試劑的反應使已去保護的寡核苷酸處添加一個鹼基，從而得以延伸。這類方法不能在任意位置合成不相關的寡核苷酸，因此只能用於分析DNA多態性等基因型分析，不適合進行基因表達譜的監控。中國東南大學發明了分子印章法原位合成DNA，即採用塗有單核苷酸的印章多次壓印在同一位置上。

美國NimbleGen公司用獨特的光導合成化學結合無掩膜陣列合成技術(MAS)。MAS系統包括無掩膜的光發射機、反應腔、DNA合成儀和電腦等，系統的核心是一個數碼微鏡裝置(digital micromlrror device，DMD)，創造了虛的掩膜代替傳統的物理掩膜。這些“虛的掩膜”能反射紫外光的模式，該模式通過選擇性地在精確位置上切割紫外標記的保護基團來去保護新生寡核苷酸，並使下一個鹼基加上去。這種方法可以合成長達60個鹼基的寡核苷酸片段，一張晶元上可以合成38萬個寡核苷酸。