《讓光編寫生命信息——

Tu 的DNA 探針合成與檢

測光開關陣列專利的科學價值》

塗向真

10/10/2026

圖註：電子尋址電路控制微型光開關，使光到達玻璃板上的指定區域，配合去保護與核苷酸連接步驟，逐步合成 DNA 探針。同一陣列也可用於雜交後探針的選擇性照明與熒光檢測。圖中結構與尺寸為概念示意。

光不僅能幫助人類觀察生命，也能成為操作生命分子的工具。當照明的位置和時間能夠精確控制時，光就可以選擇性地啟動局部反應，使同一塊芯片上的不同區域形成不同的 DNA 序列。

塗向真（Xiang Zheng Tu）的美國發明專利 US 6,731,831 B2《用於 DNA 探針合成與檢測的光開關陣列組件》，於 2002 年 2 月 27 日申請、2004 年 5 月 4 日授權。它將微型光開關、驅動電路與 DNA 探針載體結合，提出用電子指令安排照明，進而控制探針合成與檢測的技術方案。

這項發明的科學與技術價值，在於把微電子、微機電系統、光學和分子生物學連接起來，為精細、可編程的生物分子操作提供一種器件平台。

一、在 DNA 芯片下方設置微小的“光門”

可以把這項發明理解為：在 DNA 芯片下方排列許多微小的“光門”，每扇門對應一個探針位置。計算機選擇哪些門打開，光便到達相應區域。

專利的基本結構包括硅襯底、光開關陣列、集成驅動電路、背面通光孔，以及上方承載 DNA 探針的玻璃板。通光孔、光開關和探針位置相互對應，使局部照明可以通過電子尋址實現。

這種結構針對的是一個實際問題：當芯片上存在大量微小反應區域時，如何準確選擇照明位置，並使這種選擇能夠反覆、自動地執行？

二、用微小位移調節光的通過

專利提出採用基於 Fabry–Perot 腔的光開關。這種光學腔由兩層薄膜反射鏡及其間的微小空氣間隙組成。

光在腔內多次反射並發生干涉，透光程度隨腔間距變化。施加電壓後，靜電力使可動薄膜發生位移，改變間隙，從而切換透光狀態。其控制關係可以概括為：

電子指令 → 靜電驅動 → 薄膜位移 → 透光狀態改變。

這裡所說的減少機械掃描，主要指減少外部掃描平台和光學跟蹤機構的使用；光開關內部仍然存在微小機械運動。

這一設計體現了 MEMS 的特點：把微機械結構與電路、光學功能結合，使微小位移參與分子尺度的操作。

三、光像一把“分子開鎖鑰匙”

DNA 由含有 A、T、G、C 四種鹼基的核苷酸按一定順序連接組成。人工合成時，需要逐步加入指定單體，同時防止未選定位置發生連接。

在直接光去保護的合成方法中，生長鏈的末端羥基受到光敏保護基保護，暫時不能參與下一步偶聯。適當光照去除保護基後，羥基被釋放，便可以接上新的核苷酸。

常見的光敏保護基包括 NPPOC 及其衍生物。合成過程可以概括為：

末端受保護 → 選擇性光照去保護 → 接入攜帶末端保護基的核苷酸單體 → 清洗及其他處理 → 下一輪選擇性光照。

因此，光負責開放反應位點，化學反應負責連接核苷酸。完整的磷酰胺化學合成還需要氧化等處理，最後去除其餘保護基。

Tu 的專利討論了直接光去保護、光刻膠配合酸去除 DMT 保護基，以及含光酸發生劑膜層等路徑。不同路徑中，光參與反應的方式有所區別，共同要求是精確選擇照明區域。

四、光如何“寫入”不同的 DNA 序列？

假設芯片上有甲、乙兩個合成位置，本輪甲需要接入 A，乙需要接入 G。以直接光去保護流程為例，可以分別操作：

兩步之間需要清洗，並完成相應的化學處理。不斷改變照明位置和單體種類，便能使不同區域形成不同序列。

其他光控合成系統可以使用實體掩模或數字微鏡器件（DMD）生成照明圖案。Tu 專利的特點，是把可尋址光開關與探針載體組合，使各位置的照明選擇通過組件內的開關陣列實現。

這與半導體光刻具有相似的思路：光定義空間位置，後續加工或化學反應在這些位置執行。

五、為什麼照明質量影響合成準確性？

一些常用光敏保護基可以響應近紫外光，365 nm 是常見的工作波長之一；具體波長和曝光劑量取決於保護基與工藝條件。

照明質量會影響最終序列：

·        曝光不足：去保護不完全，部分分子可能漏接核苷酸。

·        雜散光或光學串擾：未選定位置發生去保護，可能引入錯誤連接。

·        多輪誤差累積：每一步的小誤差都會影響完整序列的產率和純度。

因此，光開關不僅需要能夠開啟和關閉，還需要具有適當的透光效率、開關對比度、照明一致性和工作穩定性。精確照明是合成質量的重要條件，試劑質量與反應效率也同樣關鍵。

六、同一陣列兼顧合成與檢測

這項專利還提出利用光開關陣列選擇性地照明雜交後的 DNA 探針。

當帶熒光標記的樣本與某個探針結合時，照射該位置可以產生熒光信號。結合位置與已知探針序列的對應關係，就能獲得樣本的相關序列信息。

從系統設計上看，同一套位置尋址方式可以用於“製造探針”和“讀取探針信號”，為設備集成提供條件。不過，光開關主要負責選擇照明位置，熒光信號仍需光電探測器和相應檢測光路讀取。

七、與酶促合成及光控神經的聯繫

光控分子操作並不限於傳統化學合成。2020 年的一項研究利用圖案化紫外光釋放被螯合的鈷離子，局部激活末端脫氧核苷酸轉移酶（TdT），實現並行酶促 DNA 延長，並展示了數字信息存儲。

這屬於後來發展的相關研究，不能據此認定 Tu 專利已經實現了該酶促工藝。兩者共享的工程需求，是把光精確送到指定反應區域。

光控神經，尤其光遺傳學，也具有類似的時空控制需求，但其作用對象不同：

代表性的光遺傳學研究利用 ChR2 實現了毫秒尺度的神經活動控制。

由此可以作出工程上的推論：可尋址光開關陣列可能為多位置神經刺激提供設計參考。但將其用於神經研究，還需驗證波長、光功率、響應速度、組織散射和生物兼容性，不能直接等同於現成的神經控制器件。

八、專利的科學與技術價值

Tu 的專利把幾個不同尺度的過程連接起來：集成電路處理指令，MEMS 結構調節光，局部照明參與分子反應，探針陣列承載並讀取生物信息。

它的價值首先是跨學科集成，使半導體技術的空間控制能力服務於生物分子操作；其次是可編程的位置選擇，為並行、自動化的探針製造提供條件；再次是合成與檢測共用尋址平台，為系統小型化和功能整合提供思路。

這些是技術架構的意義。實際能夠達到的準確率、速度、可靠性和成本優勢，則需要實驗與製造數據驗證。

“讓光編寫生命信息”是對這一過程的形象表達：電子程序安排照明，照明選擇反應位置，化學步驟逐步構建 DNA 序列。它展示了芯片技術參與生命科學的一條路徑——從處理電子信息，走向製造與讀取分子信息。