Q:什么是生物芯片？生物芯片是什么意思？

近年来发展起来的生物芯片(Bio-chip) 技术，是分子生物学领域中又一项重大的技术突破。“生物芯片”，又称生物集成膜片，其概念来自计算机芯片，它是分子生物学技术 (如核酸序列测定技术、核酸探针技术等)与计算机技术等相结合而发展起来的一项分子生物学技术。

生物芯片是八十年代末在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。常用的生物芯片分为三大类：即基因芯片、蛋白质芯片和芯片实验室。

狭义的生物芯片是将生物分子(寡聚核苷酸、cDNA、基因组DNA、多肽、抗原、抗体等)固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵，待分析样品中的生物分子与生物芯片的探针分子发生杂交或相互作用后，利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行检测和分析。

广义的生物芯片是指能对生物成分或生物分子进行快速并行处理和分析的厘米见方的固体薄型器件，其主要种类有微阵列芯片、过滤分离芯片、介电电泳分离芯片、生化反应芯片和毛细管电泳芯片等。生物活性物质相当微小，有的要以纳米计，以点阵的方式排列在硅基上，很像计算机的芯片，所以科学家形象地将它取名为“生物芯片”。

生物芯片的内部结构图

生物芯片技术是通过采用像集成电路制作过程中的缩微技术一样，将许多不连续的过程移植，集中到一块几英寸大小的芯片中，使其边疆化和微型化，从而极大的提高了实验的分析速度。因此，生物芯片具有非常显著的优点；① 实现分析过程的高度自动化，大大提高分析速度。②减少了样品及化学药品的用量。③ 有极高的多样品处理能力。④防止污染，有效的排除了外界因素的干扰。

简单说，生物芯片就是在一块玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果。人们可能很容易把生物芯片与电子芯片联系起来，其实，生物芯片和电子芯片有着千丝万缕的联系，但是完全不同的两种东西。

“芯片的概念取之于集成的概念，如电子芯片的意思就是把大的东西变成小的东西，集成在一起。”中国生物芯片第一制造商，博奥生物的蛋白质组学领域首席科学家杨卫平博士介绍，“生物芯片也是集成，不过是生物材料的集成。”在目前常用的生物检测中，一般的容器都是试管，如同我们在化学实验室中所见，而生物芯片把这些试验缩小，浓缩到一张小小的模板上。

像实验室检测一样，在生物芯片上检查血糖、蛋白、酶活性等，是基于同样的生物反应原理。“芯片只是一个载体。做什么东西、检测什么，还是靠生物学家来完成。

所以生物芯片就是一个载体平台。“杨卫平说。

而这个平台的材料则有很多种，如硅，玻璃，膜（纤维素膜）等，还有一些三维结构的多聚体，平台上则密密麻麻地摆满了各种生物材料。

像花布一样五彩斑斓的生物芯片

“就像一个棋盘一样，”上海生物芯片有限公司基因部副总经理韩俊松说，“比如19行乘以19列，非常整齐、有规律地排列，每个行列里摆着不同的生物材料，如核酸溶液，它们的每个点就像一个试管，发生不同的反应。”“其实生物芯片并不等同于电子芯片，只是借用概念，它的原名叫‘核酸微阵列’，因为它上面的反应是在交叉的纵列中所发生。”也就是说，原来要在很大的实验室中需要很多个试管的反应，现在被移至一张芯片上同时发生了。

与电子芯片既远又近

电子芯片其实和生物芯片有着既远又近的关系。“它们相同的地方在于，都用很小的元件，储藏很大的信息量，输入输出也很大。”杨洪波说。所谓的生物芯片输出，就是在平方厘米大的芯片上，用特制的扫描仪扫出1百万个化学分子的反应信号，“一行一行地扫，小到0.5微米的地方也全部会被扫到，一百万个反应一个都不会漏。”从相同点来说，生物芯片就是“用电子方法生产，使用生物材料”的技术。

而两者不同的地方则在于，因为材料使用不同，因此功能也不一样。

生物芯片最初产生的初衷还是伴随着人类基因组工程而来的。“人类基因组工程初衷是为了弄清人类为何会得癌症，”杨说，“但即使在计划完成之后，人类也还是没有办法解决癌症根源，由此可见疾病比人类基因组计划所想象的更复杂。”这时，生物芯片的提出就成了研究病理的强有力工具。目前国外在生物芯片的医学应用上主要还是对癌症和药物的研究。

生物芯片从上世纪90年代开始发展，一直属于尖端科学，同样参与了人类基因组的我国在这方面没有落后，出现了不少研究生物芯片的厂商和科研机构，并在国际上有了一定的影响。

最大用途在于疾病检测

“生物芯片将来是能像电脑芯片一样大规模运用的”。杨卫平说，他称生物芯片将来是不可代替的平台，目前只是处于早期阶段而已。

因为芯片的分类根据检测对象而分，所以有着很多不同的种类。“蛋白质芯片是在检测模板上摆上蛋白质，如抗体、抗原、酶类等蛋白质，还有一种以检测对象为蛋白质的也叫蛋白质芯片。

DNA芯片主要用于核酸的检测，检测DNA，RNA，小RNA等，小分子芯片比较特殊，是一些小的化学物品，如抗生素、农药等，这些在食品安全中非常重要，因为它的分子非常小，但又不属于蛋白质，所以是根据检测对象来划分的。“杨卫平介绍道。

韩俊松表示，生物芯片会根据不同的需要摆上不同的材料，但目前生物芯片最大的用途还是疾病检测方面。杨洪波也表示，目前生物芯片在农业如改种、基因改造、畜种等领域上有很大的发展前途，同样，在公共卫生领域、食品安全检测领域都有很大的发展空问。

目前在中国国内，如清华大学等几家单位办的博奥生物和南开大学办的天津生物芯片有限公司都属于国内顶尖的生物芯片公司。中国的生物芯片主要研发力量集中在与高校联合的企业。

“中国的生物芯片，应该来说是有成绩的。”杨洪波说，在产业化的道路上，美国也先行掌握了最原始的知识产权，“但是我们可以发展其他方面的知识产权，比如每个不同的病菌单独打出知识产权来，这样才可以和外国交换。”

生物芯片的主要种类

芯片实验室

所谓实验室就是一种功能的集成。在普通实验室里，检测、分析等是分成不同步骤进行的，芯片实验室就是把所有的步骤聚在一起，也是有形的，只是把这些功能微缩到一个小的平台上，生物检测三大步骤样品的处理、生物反应、反应的检测之前由不同的机器做，最后才得出结果，而芯片实验室是把这三大步骤浓缩到一个平台上做，对用户来说无需知道中间步骤，是一个微型的自动化的过程。这是目前全世界都在主攻的方向，我国也不落后。

通常的生物化学反应过程包括三步，即样品的制备，生化反应、结果的检测和分析。可将这三步不同步骤集成为不同用途的生物芯片，所以据此可将生物芯片分为不同的类型。例如用于样品制备的生物芯片，生化反应生物芯片及各种检测用生物芯片等。现在，已经有不少的研究人员试图将整个生化检测分析过程缩微到芯片上，形成所谓的“芯片实验室”(Lab-on-chip)。“芯片实验室”通过微细加工工艺制作的微滤器、微反应器、微泵、微阀门、微电极等以实现对生物样品从制备、生化反应到检测和分析的全过程，从而极大地缩短的检测和分析时间，节省了实验材料。

样品制备芯片的目的是将通常需要在实验室进行的多个操作步骤集成于微芯片上。目前，样品制备芯片主要通过升温、变压脉冲以及化学裂解等方式对细胞进行破碎，通过微滤器、介电电泳等手段实现生物大分子的分离。

生化反应芯片即在芯片上完成生物化学反应。与传统生化反应过程的区别主要在于它可以高效、快速地完成生物化学反应。例如，在芯片上进行PCR反应，可以节约实验试剂，提高反应速度，并可完成多个片段的扩增反应。当前，由于检测和分析的灵敏度所限，通常在对微量核酸样品进行检测时必需事先对其进行一定程度的扩增。所以用于PCR的芯片无疑为快速大量扩增样品多个DNA片段提供了有力的工具。

检测芯片顾名思义是用来检测生物样品的。例如用毛细管电泳芯片进行DNA突变的检测，用于表达谱检测、突变分析、多态性测定的DNA微点阵芯片（也称DNA芯片、基因芯片），用于大量不同蛋白检测和表位分析的蛋白或多肽微点阵芯片（也称蛋白或多肽芯片）。

芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。它将样品的制备、生化反应到检测分析的整个过程集约化形成微型分析系统。现在，已经有由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室问世，并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的芯片。例如可以将样品的制备和PCR扩增反应同时完成于一块小小的芯片之上。再如Gene Logic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或RNA，并对其进行荧光标记，然后当样品流过固定于栅栏状微通道内的寡核苷酸探针时便可捕获与之互补的靶核酸序列。应用其自己开发的检测设备即可实现对杂交结果的检测与分析。这种芯片由于寡核苷酸探针具有较大的吸附表面积，所以可以灵敏地检测到稀有基因的变化。同时，由于该芯片设计的微通道具有浓缩和富集作用，所以可以加速杂交反应，缩短测试时间，从而降低了测试成本。

　鉴于生物芯片技术具有巨大理论意义和实际价值，国内已有多家科研单位开始从事这方面的研究。例如，军事医学科学院、清华大学、北京大学、中科院上海冶金所等单位已在生物芯片技术方面取得了较大突破。上海生命科学院的的胡赓熙博士和他的实验室，开发了目前亚洲规模最大的cDNA阵列，在世界上位居第二。不久前，在肇庆上海博星基因芯片有限公司的成立，是目前中国投资规模最大的生物工程产业化合作项目。