生物芯片

生物芯片，又称蛋白芯片或基因芯片，它们起源于DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术系指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA或其他样品分子（例如蛋白，因子或小分子）进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。

中文名：生物芯片

英文名：biochip或bioarray

别称：蛋白芯片或基因芯片

技术起源：核酸分子杂交

用途分类：生物电子芯片、生物分析芯片

作用分类：主动式芯片、被动式芯片

成分分类：基因芯片、组织芯片、细胞芯片等

1、简介

生物芯片技术起源于核酸分子杂交。所谓生物芯片一般指高密度固定在互相支持介质上的生物信息分子（如基因片段、DN******段或多肽、蛋白质、糖分子、组织等）的微阵列杂交型芯片（micro-arrays），阵列中每个分子的序列及位置都是已知的，并且是预先设定好的序列点阵。微流控芯片（microfluidicchips）和液相生物芯片是比微阵列芯片后发展的生物芯片新技术，生物芯片技术是系统生物技术的基本内容。

生物芯片（biochip或bioarray）是根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。狭义的生物芯片概念是指通过不同方法将生物分子（寡核苷酸、cDNA、genomicDNA、多肽、抗体、抗原等）固着于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝胶、尼龙膜等固相递质上形成的生物分子点阵。因此生物芯片技术又称微陈列（microarray）技术，含有大量生物信息的固相基质称为微阵列，又称生物芯片。生物芯片在此类芯片的基础上又发展出微流体芯片（microfluidicschip），亦称微电子芯片（microelectronicchip），也就是缩微实验室芯片。

什么是生物芯片呢？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。事实上，两者确有一个最基本的共同点：在微小尺寸上具有海量的数据信息。但它们是完全不同的两种东西，电子芯片上布列的是一个个半导体电子单元，而生物芯片上布列的是一个个生物探针分子。

像花布一样五彩斑斓的生物芯片

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。生物芯片也是集成，不过是生物材料的集成。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。所以生物芯片就是一个载体平台。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。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。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。

2、世界发展

进入21世纪，随着生物技术的迅速发展，电子技术和生物技术相结合诞生了半导体芯片的兄弟——生物芯片，这将给我们的生活带来一场深刻的革命。这场革命对于全世界的可持续发展都会起到不可估量的贡献。

生物芯片技术的发展最初得益于埃德温·迈勒·萨瑟恩（EdwinMellorSouthern）提出的核酸杂交理论，即标记的核酸分子能够与被固化的与之互补配对的核酸分子杂交。从这一角度而言，Southern杂交可以被看作是生物芯片的雏形。弗雷德里克·桑格（FredSanger）和吉尔伯特（WalterGilbert）发明了现在广泛使用的DNA测序方法，并由此在1980年获得了诺贝尔奖。另一个诺贝尔奖获得者卡里·穆利斯（KaryMullis）在1983年首先发明了PCR，以及后来在此基础上的一系列研究使得微量的DNA可以放大，并能用实验方法进行检测。

FredSanger

WalterGilbert

KaryMullis

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。美国海军实验室研究员卡特（Carter）等试图把有机功能分子或生物活性分子进行组装，想构建微功能单元，实现信息的获取、贮存、处理和传输等功能。用以研制仿生信息处理系统和生物计算机，从而产生了"分子电子学"，同时取得了一些重要进展：如分子开关、分子贮存器、分子导线和分子神经元等分子器件，更引起科学界关注的是建立了基于DNA或蛋白质等分子计算的实验室模型。

进入二十世纪九十年代，人类基因组计划(HumanGenomeProject，HGP)和分子生物学相关学科的发展也为基因芯片技术的出现和发展提供了有利条件。与此同时，另一类"生物芯片"引起了人们的关注，通过机器人自动打印或光引导化学合成技术在硅片、玻璃、凝胶或尼龙膜上制造的生物分子微阵列，实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其它生物组分准确、快速、大信息量的筛选或检测。

●1991年Affymatrix公司福德（Fodor）组织半导体专家和分子生物学专家共同研制出利用光蚀刻光导合成多肽；

最早微阵列图片

●1992年运用半导体照相平板技术，对原位合成制备的DNA芯片作了首次报道，这是世界上第一块基因芯片；

●1993年设计了一种寡核苷酸生物芯片；

●1994年又提出用光导合成的寡核苷酸芯片进行DNA序列快速分析；

●1996年灵活运用了照相平板印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸合成及荧光标记探针杂交等多学科技术创造了世界上第一块商业化的生物芯片；

●1995年，斯坦福大学布朗（P．Brown）实验室发明了第一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片。

●2001年，全世界生物芯片市场已达170亿美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元；

●2000-2004年的五年内，在应用生物芯片的市场销售达到200亿美元左右。

●2005年，仅美国用于基因组研究的芯片销售额即达50亿美元，2010年有可能上升为400亿美元，这还不包括用于疾病预防及诊治及其它领域中的基因芯片，部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。因此，基因芯片及相关产品产业将取代微电子芯片产业，成为21世纪最大的产业。

●2004年3月，英国著名咨询公司弗若斯特·沙利文(Frost&Sulivan)公司出版了关于全球芯片市场的分析报告《世界DNA芯片市场的战略分析》。报告认为，全球DNA生物芯片市场每年平均增长6.7%，2003年的市场总值是5.96亿美元，2010年将达到93.7亿美元。纳侬市场（NanoMarkets）调研公司预测，以纳米器械作为解决方案的医疗技术将在2009年达到13亿美元，并在2012年增加到250亿美元，而其中以芯片实验室最具发展潜力，市场增长率最快。

●2012年12月，三位美国科学家获得了美国专利与商标办公室（USPTO）授予的一项关于量子级神经动态计算芯片专利，该芯片功能强大，能够通过高速非标准运算模拟解决问题，将为未来量子计算领域的发展起到巨大的推动作用。该电脑芯片是生物过程和物理过程的结合，通过模仿生物系统在接口界面运用突触神经元连接并反馈学习，有潜力赋予计算机超强的运算能力和超快的速度，可广泛运用于军用和民用领域，而该专利则涉及生产该电脑芯片的几种不同途径。

3、中国发展

基本情况

我国生物芯片研究始于1997-1998年间，尽管起步较晚，但是技术和产业发展迅速，实现了从无到有的阶段性突破，并逐步发展壮大，生物芯片已经从技术研究和产品开发阶段走向技术应用和产品销售阶段，在表达谱芯片、重大疾病诊断芯片和生物芯片的相关设备研制上取得了较大成就。2008年我国生物芯片市场约为1亿美元，并正以20%以上的速度增长，至2020年生物芯片市场将达到9亿美元。

从2000年开始，国家就陆续投入了大笔资金对生物芯片的系统研发给予了支持，建立了北京国家芯片工程中心、上海国家芯片工程中心、西安微检验工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片实验室等研发机构，为我国在这一新型高科技领域的自主创新和产业化能力奠定了坚实的基础，由此形成了以北京、上海两个国家工程研究中心为龙头，天津、西安、南京、深圳、哈尔滨等地50余家生物芯片研究机构和百余家生物芯片企业的蓬勃发展局面，形成了“北有博奥，南有博星”的企业格局。

目前，由于技术壁垒的限制，国内生物芯片销售利润率都维持在较高水平，并且竞争性企业少；但是也有一些企业连续几年处于亏损状态，主要是由于技术商业化程度比较低或者存在困难。预计未来几年，中国生物芯片市场盈利能力依然处在较高水平。目前，越来越多的研究机构和企业投入到生物芯片这一领域，虽然还有很多相关技术仍然制约着生物芯片技术的快速发展。

2011年6月24日，生物芯片北京国家工程研究中心烟台分中心在毓璜顶医院落成。这是既2007年在*建起第一家分中心，包括山西、宁夏、山东烟台，已经建起四家分中心。

2011年，博奥生物生物芯片产业化道路进一步推进。其研发的全球第一张用于临床的致聋基因检测芯片在北京市高危人群致聋基因筛查项目中得到完美应用。北京市16个区县20839位持证听力残疾者接受了耳聋基因筛查，共有2899人因检测出携带致聋基因突变而初步确定或疑为遗传性聋或药物性聋，平均突变检出率高达13.92%。

生物芯片将会给21世纪整个人类生活带来一场“革命”。生物芯片行业研究小组认为，随着我国生物芯片科技的发展，其产业化水平快速提高，虽然仍有许多技术难题制约着生物芯片技术的快速发展，但随着投入的加大和技术水平的提高，生物芯片产业也有望与“微电子芯片”并列成为21世纪最大的产业之一。

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中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。

中国生物芯片研究始于1997~1998年间，在此之前生物芯片技术在中国还是空白。尽管起步较晚，但是中国生物芯片技术和产业发展迅速，实现了从无到有的阶段性突破，并逐步发展壮大。截止到2006年，中国生物芯片的产值已达到2亿多元，生物芯片研究已经从实验室进入应用阶段。据有关资料表明，在市场销售方面，2004年国内市场分额为2亿元，约占全球市场的2%左右。其中主要由863计划支持的几家国内企业出售的生物芯片以及提供的相关服务累计销售收入约1.1亿元人民币，所有代理国外产品及服务总计为9000万。

“十五”期间，国家“863”计划重点组织实施了“功能基因组及生物芯片研究”重大专项，对生物芯片的系统研发给与了倾斜性支持。从2000年开始，国家还陆续投入大笔资金，建立了北京国家芯片工程中心、上海国家芯片工程中心、西安微检验工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片重点实验室共五个生物芯片研发基地，为加强中国在这一新兴高科技领域的自主创新和产业化能力奠定了坚实的基础。目前，生物芯片产业在中国已初见端倪并初具规模，形成了以北京、上海两个国家工程研究中心为龙头，天津、西安、南京、深圳、哈尔滨等地近50家生物芯片研发机构和30多家生物芯片企业蓬勃发展的局面。到2006年为止，中国已有500余种生物芯片及相关产品问世，从2002到2005年累计销售额近2.5亿元，10余个芯片或相关产品获得了国家新药证书、医疗器械证书或其他认证，并已实现产业化生产。

北京国家芯片工程中心办公室

例如深圳益生堂研制的丙型肝炎病毒分片段抗体检测试剂(蛋白质片)、北京博奥公司的微阵列芯片扫描仪等六种芯片及设备被国家食品药品监督管理局(SFDAO)已批准注册，获得新药证书或医疗器械证书。另外，被国家食品药品监督管理局受理的有10个。中国是世界上批准生物芯片进入临床最早的国家，比美国早近3年。

为了加强生物芯片的研发与产业化，缩短与国际上的差距，中国分别在北京和上海建立了两个*的研究中心。中心现已初步形成了生物芯片技术产业化联合舰队式的企业发展格局，通过了IS09001：2000版质量管理体系认证，成立基因芯片部、蛋白抗体部、产品开发部、生物信息部和以组织芯片为特色的上海芯超生物科技有限公司、以基因分型为特色的上海南方基因科技有限公司、以市场营销为主的上海沪晶生物科技有限公司以及以专业诊断产品研发和生产的上海华冠生物芯片有限公司、江苏海晶诊断科技有限公司、中美合资上海英伯肯医学生物技术有限公司等多个为产业化依托的具有良好的自我循环能力的专业子公司。

在激烈的国际竞争中，中国生物芯片产业不仅实现了跨越式的发展，而且已经走出国门，成为世界生物芯片领域一股强大的力量。例如中国科学家自主研制的激光共焦扫描仪向欧美、韩国等地区的出口订单已经达到百台级规模，实现了中国原创性生命科学仪器的首次出口，未来三年将保持更高速度的增长，这标志着中国生物芯片企业正式迈入国际领先者行列，也使生物芯片北京国家工程研究中心进入国际市场的产品达到了5种。

近年成果

近年取得的科研成果如下：

●“十五”期间，中国生物芯片研究共申请国内专利356项，国外专利62项。

●2005年4月，由科技部组织实施的国家重大科技专项“功能基因组和生物芯片”在生物芯片产业取得阶段成果，诊断检测芯片产品、高密度基因芯片产品、食品安全检测芯片、拥有自主知识产权的生物芯片创新技术创建等一系列成果蜂拥而出。

●2005年，由“长江学者特聘教授”、南开大学王磊博士任首席科学家的国家“863”专项—“重要病原微生物检测生物芯片”课题组经过两年的潜心科研攻关，取得重大成果，“重要致病菌检测芯片”第一代样品研制成功，并且开始制定企业和产品的质量标准，这标志着中国第一个具有世界水平的微生物芯片研究进入产业化阶段，从而使天津市建设世界级微生物检测生物芯片研发和产业化基地，抢占全球生物芯片研发制高点迈出历史性的一步。

●2005年4月26日，中国生物芯片产业的骨干企业北京博奥生物芯片有限责任公司（生物芯片北京国家工程研究中心）和美国昂飞公司(Affymetrix)建立战略合作关系，并共同签订了《生物芯片相关产品的共同研发协议》和《DNA芯片服务平台协议》两个重要的全面合作协议，对于中国生物芯片产业来说这是一个历史的时刻，也标志着以博奥生物为代表的中国生物芯片企业已在全球竞争日益激烈的生物芯片产业中跻身领跑者的地位。

●2006年，生物芯片北京国家工程研究中心又成功研制了一种利用生物芯片对骨髓进行分析处理的技术，这在全球尚属首次，可以大大提高骨髓分型的速度和准确度。这种用于骨髓分型的生物芯片，只有手指大小，仅一张就可以存储上万个人的白细胞抗原基因。过去在中国，这种技术长期依赖进口，价格很高。每进行一份骨髓分型，就要支付500元的费用，而这种芯片的造价只是国外的1/3，精密度可以超过99%，比国外高出好几个百分点。

●2006年7月，中国科学院力学研究所国家微重力实验室靳刚课题组在中科院知识创新工程和国家自然科学基金的资助下，主持研究的“蛋白质芯片生物传感器系统”实现实验室样机，目前已实现乙肝五项指标同时检测、肿瘤标志物检测、微量抗原抗体检测、SARS抗体药物鉴定、病毒检测及急性心肌梗死诊断标志物检测等多项应用实验。全程只需40分钟，采血只需几十微升血液。该项研究成果有望为中国的生物芯片技术开辟新的途径。

●2006年，由东北大学方肇伦院士领衔国内10家高校、科研单位共同打造的芯片实验室“微流控生物化学分析系统”通过验收，该项研究成果将使中国医疗临床化验发生革命性变革，彻底改变了中国在微流控分析领域的落后面貌。

●2006年，第四军医大学预防医学系郭国祯采用辐射生物学效应原理，应用Mpmbe软件设计探针筛选参与辐射生物学效应基因，成功研制出一款由143个基因组成的电离辐射相关低密度寡核苷酸基因芯片，该芯片为检测不同辐射敏感性肿瘤细胞的差异表达基因提供了一个新的技术平台。

●2006年03月西安交通大学第二医院检验科何谦博士等成功研发出丙型肝炎病毒(HCV)不同片段抗体蛋白芯片检测新技术。该技术的问世，为丙型肝炎患者的确诊、献血人员的筛选及治疗药物的研发等，提供了先进的检测手段。

●此外，美国斯坦福大学华裔科学家王善祥及其研究团队利用磁纳米技术有望取代通常采用的荧光探测癌蛋白技术，更快更方便地获得检测结果；中国台北荣民总医院和赛亚基因科技共同研发生物芯片，可快速找出遗传疾病的异常基因，将可成为家族筛检的利器。

存在问题

对于中国生物芯片工业来讲。关键问题有3个：

(1)制作技术：芯片制作技术原理并不复杂，就制作涉及的每项技术而言，中国已具有实际能力，中国发展生物芯片的难点是如何实现各种相关技术的整合集成。

(2)基因、蛋白质等前沿研究：除去制作技术外，关键就是芯片上放置的基因和蛋白质等物质了。如果制作用于检测核苷酸多态性以诊断某种遗传病，或者用于基因测序，那么芯片探针上一般放置的是有8个碱基的寡核苷酸片段，基因芯片和蛋白质芯片则相应放置的是基因标志性片段EST(表达序列标签)、全长基因或蛋白质。因此制作生物芯片首先要解决的是DNA探针、基因以及蛋白质的尽可能全面和快速地收集问题。

(3)专利和产权：以生物芯片技术为核心的各相关产业正在全球崛起，一个不容忽视的问题就是专利和产权的问题。专家指出世界工业发达国家已开始有计划、大投入、争先恐后地对该领域知识产权进行跑马圈地式的保护。北京国家工程研究中心主任程京教授说：“就生物芯片领域而言，目前全世界都在‘跑马圈地’，专利和自主产权比什么都重要。我们不能再像计算机芯片那样受制于人。”现在，科学家、企业家和金融界已经联起手来，组成了结构上更为合理、运作上更具可操作性的商业运行构架，通过全球定位布局，建立产权结构清晰的公司．为生物芯片在中国的产业化奠定良好基础。

4、分类

生物芯片虽然只有10多年的历史，但包含的种类较多，分类方式和种类也没有完全的统一。

用途分类

(1)生物电子芯片：用于生物计算机等生物电子产品的制造。

(2)生物分析芯片：用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。

前一类目前在技术和应用上很不成熟，一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。

作用方式分类

(1)主动式芯片：是指把生物实验中的样本处理纯化、反应标记及检测等多个实验步骤集成，通过一步反应就可主动完成。其特点是快速、操作简单，因此有人又将它称为功能生物芯片。主要包括微流体芯片(microftuidicchip)和缩微芯片实验室(labonchip，也叫“芯片实验室”，是生物芯片技术的高境界)。

(2)被动式芯片：即各种微阵列芯片，是指把生物实验中的多个实验集成，但操作步骤不变。其特点是高度的并行性，目前的大部分芯片属于此类。由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息，最终通过生物信息学进行数据挖掘分析，因此这类芯片又称为信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。

芯片实验室

成分分类

(1)基因芯片(genechip)：又称DNA芯片(DNAchip)或DNA微阵列(DNAmicroarray)，是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。

(2)蛋白质芯片(proteinchip或proteinmicroarray)：是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按微阵列方式固定在微型载体上获得。芯片上的探针构成为蛋白质或芯片作用对象为蛋白质者统称为蛋白质芯片。

(3)细胞芯片(cellchip)：是将细胞按照特定的方式固定在载体上，用来检测细胞间相互影响或相互作用。

(4)组织芯片(tissuechip)：是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上，用来进行免疫组织化学等组织内成分差异研究。

5、主要特点

高通量

提高实验进程，利于显示图谱的快速对照和阅读

微型化

减少试剂用量和反应液体积，提高样品浓度和反应速度

自动化

减低成本和保证质量

6、制备

载体材料及要求

作为载体必须是固体片状或者膜、表面带有活性基因，以便于连接并有效固定各种生物分子。目前制备芯片的固相材料有玻片、硅片、金属片、尼龙膜等。目前较为常用的支持材料是玻片，因为玻片适合多种合成方法，而且在制备芯片前对玻片的预处理也相对简单易行。

载体种类

玻璃片、PVDF膜、聚丙烯酰氨凝胶、聚苯乙烯微珠、磁性微珠。

点样机

生物样品的制备

分离纯化、圹增、获取其中的蛋白质或DNA、RNA并用荧光标记，才能与芯片进行反应。用DNA芯片做表达谱研究时，通常是将样品先抽提MRNA，然后反转录成CDNA。同时掺入带荧光标记的dCTP或dUTP。

芯片制备方法

包括原位合成和预合成后点样。

原位合成：适用于寡核苷酸，通过光引导蚀刻技术。已有P53、P450，BRCAI/BRCA2等基因突变的基因芯片。

预合成后点样：是将提取或合成好的多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因组DAN等通过特定的高速点样机器人直接点在芯片上。该技术优点在于相对简易低廉，被国内外广泛使用。

接触式点样：是指打印针从多孔板取出样品后直接打印在芯片上。打印时针头与芯片接触。优点是探针密度高，通常一平方厘米可打印2500个探针。缺点是定量准确性及重现性不太好。

非接触式点样：针头与芯片保持一定距离。优点是定量准确重现性好，缺点是喷印的斑点大，密度低。通常一平方厘米只有400点。但是日本佳能公司能把喷印点直径大小由150-100μm降到30-25μm。可将哺乳动物整个基因组DNA点阵于一张芯片上成为可能。

7、使用寿命

按照美国生物芯片制备标准，使用寿命约为10-15年。

8、应用领域

基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列，这种测定方法快速而具有十分诱人的前景。研究人员用含135000个寡核苷酸探针的阵列测定了全长为16.6kb的人线粒体基因组序列，准确率达99%。用含有48000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差异，结果发现在外显子约3.4kb长度范围内的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之间，提示了二者在进化上的高度相似性。

在实际应用方面，生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域。它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人类疾病的诊断、治疗和防治开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支撑平台，这从中国99年3月国家科学技术部刚起草的《医药生物技术“十五”及2015年规划》中便可见一斑：规划所列十五个关键技术项目中，就有八个项目（基因组学技术、重大疾病相关基因的分离和功能研究、基因药物工程、基因治疗技术、生物信息学技术、组合生物合成技术、新型诊断技术、蛋白质组学和生物芯片技术）要使用生物芯片。生物芯片技术被单列作为一个专门项目进行规划。总之，生物芯片技术在医学、生命科学、药业、农业、环境科学等凡与生命活动有关的领域中均具有重大的应用前景。