生物芯片概述及概念

青草

1 生物芯片概述

随着世界人口进入老龄化社会，高龄者的健康问题日益引起全世界范围内的研究人员的关注。同时，由于工业化的发展和生活水平的提高，人们的生活环境和饮食结构发生变化。近二十年来，糖尿病、心血管疾病和恶性肿瘤的发病率逐渐提高。人口年龄结构的变化与健康水平迅速改善提高，对临床医学科学提出了更高的要求。专家指出，为遏制此类疾病的发病率并有效降低其死亡率，今后医疗手段的发展方向，必将由现在的治疗医疗向将来的预防医疗转变。同时实现早期发现、早期诊断和早期治疗。因此，对一些疾病的先期预兆，如血糖、蛋白质等生化指标的变化，以及某些基因的突变进行有效、简便、快速、准确地测定，愈发引起医疗业界的关注。

以上这些说明，随着现代仪器科学和临床医学科学的发展，对人体的生化指标检测将不断提出新的要求。因此，运用先进的科学技术发展新的分析原理并研究建立有效而实用的原位（in situ）、在体（in vivo）、实时（real time）、在线（on line）和高灵敏度、高选择性的生物分析仪器已成为21世纪生命科学、化学和微电子学等领域研究和开发的主要目标。为实现这一目标，微型化、集成化和智能化必将分析仪器发展的主流方向。分析仪器的微型化、集成化和智能化所带来的优点首先是显著降低制造成本、易于运输和搬运，同时也必然带来能源和实际消耗的节省。除此之外，集成化还将带来仪器操作的简单化，适于高通量实验的开展。

生物传感器具有集信息采集、转换、传输、表达于一身的特点，且测定简便、快速、装置简单、价格低廉、选择性优异、应用面广，因而深受研究者的青睐。同时，生物传感器易于组成生物传感器阵列，通过与微型流路、微型泵和微型阀的配合，构成生物分析芯片，从而可实现对多个参数同时进行检测。由此可见，基于生物传感器的生物分析芯片的应用，将成为医疗检测仪器的一个重要发展方向。

生物芯片技术被誉为21世纪生命科学的支撑技术，是半导体技术和生物技术联姻的结果，是便携式生化分析仪器的技术核心。该技术利用微电子工业技术，将现在生命科学研究中“各自为阵”的分析过程集成在一块指甲大小的生物芯片上。使生命科学及医学工作者可以在方寸之上进行和完成一系列实验程序，专家们因此将其称之为“微缩芯片实验室”。它的发展同当年需要数间房屋放置的分离元件计算机被微缩成现在只有笔记本大小的电脑有异曲同工之效。采用该技术可进行生命科学和医学科学所涉及的各种生物化学反应实验，从而达到对各项生化指标进行测试分析的目的。

生物芯片技术的出现将会给生命科学、医学科学、化学、新药开发、生物武器研制、外太空探索、司法鉴定、食品和环境监测等领域带来一场革命。正是由于生物芯片技术对科学研究的发展具有极其重要的意义，以及它的广泛的应用前景及巨大的商业利益，世界上许多国家和地区以高额投入和大量的人力对此领域开展了大量的基础研究和应用开发，并形成了一批相关产业。

美国《财富》杂志曾撰文指出“微处理器使我们的经济发生了根本变化，给人类带来了巨大的财富，改变了我们的生活方式。然而，生物芯片给人类带来的影响可能更大。”事实已经表明，生物芯片技术已经成为全球科学界瞩目的“热点”，是继微电子技术之后，高科技领域的又一场决战。

2 基本概念

生物芯片（biochip）的概念来自于计算机芯片，发展至今不过二十年左右，但进展迅速。迄今为止已有一百多家公司从事生物芯片相关工艺、设备及检测手段和软件研究开发。由于最初的生物芯片的主要目标是用于DNA序列的测定、基因表达谱鉴定和基因突变体的检测和分析，所以有时生物芯片又被称为基因芯片（genechip）或DNA芯片。但目前这一技术已扩展至很多领域。

目前，国内外研究单位所研发的生物芯片，如果按应用领域分类，可以分为基因芯片、蛋白质分析用生物芯片、PCR芯片，以及血液分析用生物芯片等几类；如果按内在集成功能分类，可以分为主动式生物芯片和被动式生物芯片两类。

被动式生物芯片的实质是在面积不大的基片上有序地点阵排列了一系列固定于一定位置的可寻址的敏感物质，结合或反应在相同条件下进行。反应结果用各种物理或化学手段进行转换成电信号，通过计算机进行分析处理，综合成可读的数据信息。利用被动式生物芯片进行芯片分析可以大大提高检测效率，减少工作量，增加可比性。但实验人员无法对芯片上的生物及化学反应进行动力学以及反应特异性的人为控制。被动式生物芯片构成简单，目前，国内外大多数研究单位所研发的多是这类芯片。在人类基因组计划中发挥重要作用的基因芯片就属于被动式生物芯片。

主动式生物芯片的实质是在被动式生物芯片的基础上，在基片上同时集成有微型流路、微型阀和微型泵等部分，利用他们对发生在芯片上的生物及化学反应进行人为控制。主动式生物芯片又被称为芯片型实验室（lab on a chip），它是20世纪90年代后出现的一个新的研究领域。顾名思义，它是以芯片分析为基础，其功能已从单一分析测定发展为集各种分析化学所需的实验室基本操作于一体的“微型实验室”。