本文由闫汉、肖鹏峰、刘全俊和陆祖宏等作者撰写，发表于2021年的《合成生物学》期刊第2卷第3期，题为《DNA微阵列原位化学合成》。该研究由东南大学生物科学与生物医学工程学院及生物电子学国家重点实验室完成，得到了国家自然科学基金的资助。

学术背景

DNA合成技术是合成生物学、DNA信息存储和DNA芯片等前沿领域的核心技术。随着合成生物学的快速发展，DNA作为生命遗传物质的载体，其高通量、低成本、快速合成技术成为推动这些领域进步的关键。传统的基于DNA合成柱的固相化学合成方法已无法满足当前的需求，因此，DNA微阵列原位化学合成技术应运而生。该技术整合了微电子学、计算科学、分子生物学、光电化学和微纳加工等多学科技术，近30年来得到了迅速发展。

研究目标

本文旨在综述DNA微阵列原位化学合成的不同方法及其技术特点，并探讨未来DNA合成技术的发展趋势。文章特别关注了基于CMOS芯片的电致酸DNA原位化学合成技术，认为其在未来10年内具有较大的发展潜力，尤其是在解决芯片上微电极间氢离子串扰问题后，有望实现单片TB级的DNA快速低成本合成。

研究方法与流程

DNA微阵列原位化学合成方法根据碱基分配方式的不同，可以分为原位光刻法、光敏抗蚀层合成法、光致酸法、喷印合成法、软光刻合成法、电致酸法和压印法等。每种方法都有其独特的技术特点和适用范围。

1. 原位光刻法：通过光掩模或虚拟掩模对特定阵点进行光照，使5’端保护基团发生光化学反应并脱除，暴露出活性羟基，进而进行偶联反应。该方法具有高分辨率和高通量的特点，但偶联效率相对较低，且光干扰会影响合成质量。

2. 光敏抗蚀层合成法：在芯片表面涂覆光敏抗蚀层，通过曝光显影将需要连接碱基的区域暴露出来，随后进行脱保护和偶联反应。该方法与传统亚磷酸酰胺法兼容，但操作复杂，容易污染芯片。

3. 光致酸法：利用光致酸分子在光照下产生酸，使5’端保护基团脱除，暴露出活性羟基。该方法简化了制备工艺，但需选择合适的酸试剂并防止酸扩散污染。

4. 喷印合成法：通过喷墨打印机将四种碱基液体喷印到芯片特定位置，进行偶联反应。该方法合成效率高，适合低通量DNA合成，但喷头机械定位精度有限，不适合高密度DNA阵列合成。

5. 电致酸法：通过微电极通电产生酸，使5’端保护基团脱除，暴露出活性羟基。该方法具有高合成通量和长片段合成的潜力，但需解决电极间氢离子串扰问题。

主要结果

文章详细介绍了每种DNA微阵列原位化学合成方法的技术特点、优缺点及其适用范围。特别指出，基于CMOS芯片的电致酸DNA原位化学合成技术在未来10年内具有较大的发展潜力。通过优化芯片设计和材料，有望解决电极间氢离子串扰问题，实现单片TB级的DNA快速低成本合成。

结论与意义

DNA微阵列原位化学合成技术具有高通量、低成本的特点，是满足合成生物学和DNA信息存储等领域快速发展需求的重要技术策略。尽管目前化学合成法只能合成200 nt以内的DNA序列，但通过后续拼接方法可以实现长片段DNA的合成。未来，随着集成电路工艺的进步和新型材料的应用，DNA合成通量和速度有望进一步提高，推动合成生物学和相关技术的实际应用。

研究亮点

1. 高通量合成：DNA微阵列原位化学合成技术能够实现高通量、低成本的DNA合成，满足合成生物学和DNA信息存储等领域的需求。
2. 技术多样性：文章详细介绍了多种DNA微阵列原位化学合成方法，每种方法都有其独特的技术特点和适用范围。
3. 未来潜力：基于CMOS芯片的电致酸DNA原位化学合成技术具有较大的发展潜力，有望在未来实现单片TB级的DNA快速低成本合成。

其他有价值的内容

文章还探讨了DNA酶合成方法的发展潜力，认为其在合成条件温和、副产物少等方面具有优势，但目前尚未实现高通量平行合成。此外，文章还介绍了我国在高通量DNA合成方面的突破，如泓迅科技的Syno®3.0平台，展示了我国在该领域的研究进展。

本文为DNA微阵列原位化学合成技术的研究和应用提供了全面的综述和展望，具有重要的学术价值和实际应用意义。