科技名词什么是生物芯片？

生物芯片 biochip

定义：广义的生物芯片指一切采用生物技术制备或应用于生物技术的微处理器。包括用于研制生物计算机的生物芯片、将健康细胞与电子集成电路结合起来的仿生芯片、缩微化的实验室即芯片实验室以及利用生物分子相互间的特异识别作用进行生物信号处理的基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。狭义的生物芯片就是微阵列，包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。

学科：生物化学与分子生物学_方法与技术

相关名词：基因芯片 蛋白质芯片 细胞芯片

来源：全国科学技术名词审定委员会

最初的生物芯片是20世纪80年代中期提出的基因芯片。它是高密度的DNA阵列，将数以万计乃至百万计的特定序列的寡核苷酸、基因组DNA或互补DNA，有规律地排列并固定在硅片、玻片或塑料片等支持物上，构成一个二维DNA探针阵列，与计算机的电子芯片非常相似，故称基因芯片。基因芯片的测序利用核酸分子杂交原理，即芯片上每个DNA片段的序列通常是已知的，且为单链，而待测的DNA样品也为单链，并用荧光化合物标记，如果待测样品的DNA序列与芯片DNA序列互补则形成杂交双链，待测样品上的荧光化合物就会产生强度不同的亮点，显示样品中含有的同源顺序的种类和丰度，通过扫描芯片上的每个反应点位置而采集得来荧光信号，这些荧光信号经软件系统记录、分析和处理后转变为数字模式。这种芯片技术与传统的核酸杂交方法相比，具有高通量、体积小、样品量少、灵敏度高的特点。由于采用了机械手操作并结合计算机判读，重复性更好，稳定性更强，使分析过程实现连续化、微型化、集成化和自动化。基因芯片主要应用于基因表达检测、DNA突变检测、基因组多态性分析和基因文库作图及杂交测序等方面。

随着越来越多的动物、植物、微生物等生物基因组测序的完成，基因数据正在以前所未有的速度迅速增长。仅靠核酸分子杂交方法已无法满足高通量生物信息采集的要求，因此在基因芯片的基础上又进一步研发其他的生物芯片，如蛋白质芯片、组织芯片、细胞芯片等。

蛋白质芯片的初步模型基于与基因芯片类似的原理，在几平方厘米的面积里包含几万个不同的蛋白质点，形成高密度的蛋白质阵列，从而对受体、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试和分析。同理，组织芯片或细胞芯片是将大量组织或细胞样品有序地组合在一个微小基片表面，借助免疫组织化学、原位杂交、原位聚合酶链反应等方法进行检测，用于大通量的生物信号研究。

生物芯片技术已广泛应用于疾病诊断和治疗、药物筛选、农作物优良品系选育、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防、航天等许多领域。

（审核：全国科学技术名词审定委员会王海）

生物芯片是什么？你了解吗？

生物芯片这一名词最早是在二十世纪八十年代初提出的，当时主要指分子电子器件。它是生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，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。经过几十年的发展，生物芯片已经在医疗健康、农业生产、司法检测、食品卫生安全、环境污染检测、国防等许多方面展现出了广阔的应用前景。此次文章将生物芯片相关的技术分类及制备方式作了简单梳理，供相关人士参考。

生物芯片是将大量的生物信息分子以阵列形式固定于结构膜的表面，阵列中每个生物信息分子的序列及位置都是已知，然后与已标记的待测生物样品进行杂交或相互作用，通过仪器对检测进行分析，从而判断样品中待测物的种类与数量。

生物芯片的分类

生物芯片可分为两大类，一类是微点阵芯片又叫信息芯片，其特征是没有微流通道，不存在液体流动，而只是利用生物分子的静态杂交的高密度点阵，如DNA芯片和蛋白质芯片等。另一类是微流控芯片又叫功能芯片，其特征是在芯片上利用微流通道构建各种功能性的单元，又叫芯片实验室，旨在完成样品预处理、反应、分离、检测、细胞培养等多个步骤，如生化合成的聚合酶链式反应(PCR)和链置换扩增(SDA)、电泳分离、细胞组织培养等，实现传统生物化学实验室的各种功能。

生物芯片常用材料

根据应用的需要，制作芯片的材料多种多样，如硅、玻璃、塑料以及陶瓷等。其中，硅是最常用的材料，因为传统的微加工技术人们已经摸索出了一整套成熟的硅加工工艺。对于需要温度控制的生物反应，例如聚合酶链式反应(PCR) ，链置换扩增(SDA)等，由于硅类材料具有良好的导热性，在生物芯片制备中成为人们的首选。但是硅的缺点是不透明，不利于光学检测，并且具有一定的导电性，尤其是具有比较强的表面非特异性吸附。因此在制作毛细管电泳芯片时，人们会选用玻璃或者塑料等材料。同时在使用生物芯片时，必须考虑到生物相容性问题，玻璃和塑料在这方面的表现异常优越，因为玻璃和塑料的表面有各种功能基团，容易进行化学修饰。再加上玻璃和塑料的价格相对较便宜，加工也很方便，因此根据需要许多种芯片会选用玻璃或者塑料制作基底层的。

微点阵芯片的制备

微点阵芯片制备的方法主要有原位合成法(光刻原位合成，分子印章原位合成等)和合成点样法(点接触法，喷墨法等)。

原位合成法

美国Affymetrix公司采用的半导体光刻原位合成法，是生产高密度寡核苷酸基因芯片的核心关键技术。它把半导体工业中的光刻技术和DNA的化学合成方法相结合，把光不稳定保护基团保护的四种DNA模块固定在玻片上，通过光脱保护，由少量的保护寡核苷酸和试剂按照设计的序列进行DNA合成。该方法的主要优点是可以用很少的步骤合成大量的探针阵列，合成速度快。例如: 一段8个碱基的寡核苷酸有65536种排列的可能，通过32个化学步骤，8个小时就能合成65536个探针。该方法的主要优点是可以用很少的步骤合成极其大量的探针阵列。而如果用传统方法合成然后点样，则工作量的巨大到不可思议的程度。

合成点样法

Stanford大学首创的接触式点涂法是用传统的DNA或多肽固相合成仪完成，合成后通过使用高速精密机械手所带的移液头与玻璃芯片表面接触而将探针定位点滴到芯片上的。主要优点是保持样品原型，操作迅速，成本低廉，用途广泛。缺点是样品必须预先合成，需要一系列的纯化及储存等后续过程，密度达不到类似照相平板印刷术的水平。不过经过改进的话，最终可在6.5cm^2的范围内容纳100000个核酸位点，从而为从事基础研究的实验室广泛采用。

与原位合成相比，合成点样法所需的DNA探针需事先合成、纯化，且需将如此大量且具有微小差别的片断分别保存。但是合成的探针长度可达500－5000碱基，所以杂交错配的可能性也就是选择性有较大的改善，可以逐句破译序列密码而不是逐字阅读序列。

微流控芯片的制备

制作微流控芯片的材料主要有单晶硅、无定形硅材料、玻璃、石英材料以及高分子聚合物材料(如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷和光敏聚合物)等。目前，高分子聚合物材料是微流控系统的主流选材，因为它具有种类丰富、价格低、加工容易，同时大多具有良好的透光性，便于光学检测，工艺稳定等优点，最常压的是聚二甲基硅氧烷。

浇注成膜法制作微流控芯片：事先准备一个制作好的阳膜，模具通常采用硅模具，一般用光刻——刻蚀的方法来制得。将液态的聚合物材料胶体均匀浇注在阳膜上，待其固化后剥离，就可以得到一个带有微通道的基片，将此基片与盖片的表面均经过改性处理后键合，就形成了所需要的微流控芯片。

纵观生物芯片发展的几十年，其步伐是大步向前，未来发展之路也将不会平坦，但随着生物芯片技术研究的不断深入和更加完善，一定能够在生命科学研究领域发挥其卓越的作用，生物芯片及相关产业将成为本世纪最大的产业。

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