生物芯片技術(shù)是20世紀(jì)90年代初生命科學(xué)領(lǐng)域新興的一種高度集成化的分析技術(shù)和科研手段。它最早起源于核酸分子雜交，是一門多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)，覆蓋生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、微電子、化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。生物芯片技術(shù)來(lái)自于計(jì)算機(jī)芯片，其制作過程采用了類似集成電路制作過程中的微加工技術(shù)，根據(jù)分子間特異性相互作用的原理，將生命科學(xué)領(lǐng)域中不連續(xù)的分析過程(如樣品制備、生化反應(yīng)、檢測(cè)和分析等)集成到一塊幾平方厘米的硅芯片或玻璃芯片上，并使這些分散的過程連續(xù)化與微型化，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大量生物樣品中各種數(shù)據(jù)的快速、自動(dòng)和并行處理。與傳統(tǒng)的儀器檢測(cè)方法相比，生物芯片技術(shù)具有高通量、微型化、自動(dòng)化、成本低、防污染等特點(diǎn)。采用生物芯片技術(shù)可以高效檢測(cè)成千上萬(wàn)不同基因的表達(dá)，既可用于描述機(jī)體或組織的整體基因表達(dá)模式，也能用于健康樣品和病理樣品的比較。生物芯片技術(shù)基本過程主要包括：芯片方陣的構(gòu)建、樣品的制備、生物分子反應(yīng)和信號(hào)的檢測(cè)分析(圖7-1)。

圖7-1　生物芯片技術(shù)基本過程

所謂生物芯片是指高密度的固定在固相支持介質(zhì)上的生物信息分子(寡核苷酸、基因片段、cDNA片段、多肽、蛋白質(zhì))的微陣列，其中的每個(gè)分子的序列和位置都是已知的，并且是預(yù)先設(shè)定好的序列點(diǎn)陣。芯片的概念取之于集成的概念，如電子芯片是把大的東西變成小的東西，集成在一起。生物芯片也是集成，不過是生物材料的集成。像實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)一樣，在生物芯片上檢查血糖、蛋白、酶活性等，是基于同樣的生物反應(yīng)原理，所以生物芯片就是一個(gè)載體平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)的材料則有很多種，如硅、玻璃、膜(纖維素膜)等，還有一些三維結(jié)構(gòu)的多聚體，平臺(tái)上密密麻麻地?cái)[滿了各種生物材料。也就是說，原來(lái)要在大型實(shí)驗(yàn)室中需要很多個(gè)試管進(jìn)行的反應(yīng)，現(xiàn)在被移至一張芯片上同時(shí)發(fā)生了。生物芯片包含的種類較多，迄今沒有統(tǒng)一的分類方式，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為微陣列芯片和微流控芯片兩類。微陣列芯片是由生物材料微陣列構(gòu)成的芯片，根據(jù)固定在載體上的物質(zhì)不同又分為基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片等，它們都是利用分子間親和作用原理，使被同位素或熒光素標(biāo)記的標(biāo)本與微陣列雜交，通過檢測(cè)雜交信號(hào)強(qiáng)度及處理數(shù)據(jù)，比較不同標(biāo)本的基因表達(dá)水平差異。微流控芯片是以各種微結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的芯片，利用它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種生化組分的微流控操作和分析，這類芯片包括毛細(xì)血管電泳芯片、PCR反應(yīng)芯片、介電電泳芯片等(圖7-2)。

圖7-2　色彩斑斕的生物芯片

目前生物芯片技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有基因表達(dá)譜分析、新基因發(fā)現(xiàn)、基因突變及多態(tài)性分析、基因組文庫(kù)作圖、疾病診斷、藥物篩選、基因測(cè)序等。生物芯片發(fā)展的最終目標(biāo)是將各種生物化學(xué)分析操作的整個(gè)過程，從樣品制備、生化反應(yīng)到結(jié)果檢測(cè)，都集成化并縮微到芯片上自動(dòng)完成，以獲得微型全分析系統(tǒng)，或稱作縮微芯片實(shí)驗(yàn)室。