定義
生物芯片（biochip）是指采用光導原位合成或微量點樣等方法，将大量生物大分子比如
核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細胞等等生物樣品有序地固化于支持物的表面，組成密集二維分子排列，然後與已标記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器對雜交信号的強度進行快速、并行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數量。由于常用矽片作為固相支持物，且在制備過程模拟計算機芯片的制備技術，所以稱之為生物芯片技術。
發展
我國生物芯片研究始于1997-1998年間，盡管起步較晚，但是技術和産業發展迅速，實現了從無到有的階段性突破，并逐步發展壯大，生物芯片已經從技術研究和産品開發階段走向技術應用和産品銷售階段，在表達譜芯片、重大疾病診斷芯片和生物芯片的相關設備研制上取得了較大成就。2008年我國生物芯片市場約為1億美元，并正以20%以上的速度增長，至2020年生物芯片市場将達到9億美元。
從2000年開始，國家就陸續投入了大筆資金對生物芯片的系統研發給予了支持，建立了北京國家芯片工程中心、上海國家芯片工程中心、西安微檢驗工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片實驗室等研發機構，為我國在這一新型高科技領域的自主創新和産業化能力奠定了堅實的基礎，由此形成了以北京、上海兩個國家工程研究中心為龍頭，天津、西安、南京、深圳、哈爾濱等地50餘家生物芯片研究機構和百餘家生物芯片企業的蓬勃發展局面，形成了“北有博奧，南有博星”的企業格局。
目前，由于技術壁壘的限制，國内生物芯片銷售利潤率都維持在較高水平，并且競争性企業少；但是也有一些企業連續幾年處于虧損狀态，主要是由于技術商業化程度比較低或者存在困難。預計未來幾年，中國生物芯片市場盈利能力依然處在較高水平。目前，越來越多的研究機構和企業投入到生物芯片這一領域，雖然還有很多相關技術仍然制約着生物芯片技術的快速發展。
據《中國生物芯片行業市場應用調研與前景預測分析報告前瞻》調查數據顯示，2011年6月24日，生物芯片北京國家工程研究中心煙台分中心在毓璜頂醫院落成。這是既2007年在新疆建起第一家分中心，包括山西、甯夏、山東煙台，已經建起四家分中心。
2011年，博奧生物生物芯片産業化道路進一步推進。其研發的全球第一張用于臨床的緻聾基因檢測芯片在北京市高危人群緻聾基因篩查項目中得到完美應用。北京市16個區縣20839位持證聽力殘疾者接受了耳聾基因篩查，共有2899人因檢測出攜帶緻聾基因突變而初步确定或疑為遺傳性聾或藥物性聾，平均突變檢出率高達13.92%。
生物芯片将會給21世紀整個人類生活帶來一場“革命”。前瞻産業研究院生物芯片行業研究小組認為，随着我國生物芯片科技的發展，其産業化水平快速提高，雖然仍有許多技術難題制約着生物芯片技術的快速發展，但随着投入的加大和技術水平的提高，生物芯片産業也有望與“微電子芯片”并列成為21世紀最大的産業之一。
研究背景
原定于2005年竣工的人類30億堿基序列的測定工作（Human Genome Project，基因組計劃）由于高效測序儀的引入和商業機構的介入已經完成。怎樣利用該計劃所揭示的大量遺傳信息去探明人類衆多疾病的起因和發病機理，并為其診斷、治療及易感性研究提供有力的工具，則是繼人類基因組計劃完成後生命科學領域内又一重大課題。現在，以功能研究為核心的後基因組計劃已經悄然走來，為此，研究人員必需設計和利用更為高效的硬軟件技術來對如此龐大的基因組及蛋白質組信息進行加工和研究。建立新型、高效、快速的檢測和分析技術就勢在必行了。這些高效的分析與測定技術已有多種，如DNA質譜分析法，熒光單分子分析法，雜交分析等。其中以生物芯片技術為基礎的許多新型分析技術發展最快也最具發展潛力。早在1988年，Bains等人就将短的DNA片段固定到支持物上，以反向雜交的方式進行序列測定。當今，随着生命科學與衆多相關學科（如計算機科學、材料科學、微加工技術、有機合成技術等）的迅猛發展，為生物芯片的實現提供了實踐上的可能性。生物芯片的設想最早起始于80年代中期，90年代美國Affymetrix公司實現了DNA探針分子的高密度集成，即将特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一塊玻璃、矽等固體片基上，作為核酸信息的載體，通過與樣品的雜交反應獲取其核酸序列信息。生物芯片由于采用了微電子學的并行處理和高密度集成的概念，因此具有高效、高信息量等突出優點。
技術前景
基因芯片用途廣泛，在生命科學研究及實踐、醫學科研及臨床、藥物設計、環境保護、農業、軍事等各個領域有着廣泛的用武之地。這些無疑将會産生巨大的社會和經濟效益。有着廣泛的經濟、社會及科研前景。因此，國際上一些著名的政治家，投資者和科學家均看好這一技術前景。認為基因芯片以及相關産品産值有可能超過微電子芯片，成為下一世紀最大的高技術産業，具有巨大的商業潛力。
社會前景
1、高密度芯片的批量制備技術：利用平面微細加工技術，結合高産率原位DNA合成技術，制備高密度芯片是重要的發展趨勢。
2、高密度基因芯片的設計将會成為基因芯片發展的一個重要課題，它決定基因芯片的應用和功能。利用生物信息學方法，根據被檢測基因序列的特征和檢測要求，設計出可靠性高，容錯性好，檢測直觀的高密度芯片是決定其應用的關鍵。
3、生物功能物質微陣列芯片的研制：發展高集成度的生物功能單元的微陣列芯片，特别是發展蛋白質、多肽、細胞和細胞器、病毒等生物功能單元的高密度自組裝技術，研制和開發有批量制備潛力的生物芯片制備技術。
基因芯片可為研究不同層次多基因協同作用提供手段。這将在研究人類重大疾病的相關基因及作用機理等方面發揮巨大的作用。人類許多常見病如腫瘤、心血管病、神經系統退化性疾病、自身免疫性疾病及代謝性疾病等均與基因有密切的關系。
生物芯片能為現代醫學發展提供強有力的手段，促進醫學從“系統、血管、組織和細胞層次”（第二階段醫學）向“DNA、RNA、蛋白質及其相互作用層次”（第三階段醫學）過渡，使之盡快進入實際應用。
DNA芯片技術可用于水稻抗病基因的分離與鑒定。水稻是中國的主要糧食作物，病害是提高水稻産量的主要限制因素。利用轉基因技術進行品種改良，是目前最經濟有效的防治措施。而應用這一技術的前提是必須首先獲得優良基因克隆，但目前具有專一抗性的抗病基因數量有限，限制了這一技術的應用。而基因芯片用于水稻抗病相關基因的分離及分析，可方便的獲取抗病基因，産生明顯的社會效益。
在醫藥設計、環境保護、農業等各個領域，基因芯片均有很多用武之地，成為人類造福自身的工具。
經濟前景
美國總統克林頓在1998年1月對全國的演講中指出“未來十二年，基因芯片将為我們一生中的疾病預防指點迷津”。1998年6月27日華盛頓郵報在報道Motorola進入基因芯片領域時，認為這将造福于子孫後代。美國“Fortune”雜志在1997年3月重點介紹了基因芯片技術，論述了未來産業化的前景，該文預測“在2005年僅僅在美國用于基因組研究的芯片銷售額将達約50億美元，2010年有可能上升為400億美元”。這還不包括用于疾病預防及診治以及其它領域中的基因芯片，這部分預計比基因組研究用量還要大上百倍。
由于生物芯片的重大意義和巨大的商業潛力，北美和歐洲許多國家的政府和公司投入大量人力物力來推動此項研究工作。如美國的國立衛生研究院、商業部高技術署、國防部、司法部和一些大公司以及風險投資者投入了數億美元的巨資。基因芯片以及相關産品産業有可能成為下一世紀最大的高技術産業之一。
應用意義
對來源于不同個體（正常人與患者）、不同組織、不同細胞周期、不同發育階段、不同分化階段、不同病變、不同刺激（包括不同誘導、不同治療階段）下的細胞内的mRNA或逆轉錄後産生的cDNA與表達譜基因芯片進行雜交，可以對這些基因表達的個體特異性、組織特異性、發育階段特異性、分化階段特異性、病變特異性、刺激特異性進行綜合的分析和判斷，迅速将某個或幾個基因與疾病聯系起來，極大地加快這些基因功能的确立，同時進一步研究基因與基因間相互作用的關系。所以，無論何種研究領域，利用表達譜基因芯片可以獲得大量與研究領域相關的基因，使研究更具目的性和系統性，同時也拓寬研究領域。
與NorthernBlot的對比
采用表達譜基因芯片研究基因表達與傳統的Northern Blot相比有許多重要的優點：
檢測系統的微型化，對樣品等需要量非常小
同時研究上萬個基因的表達變化，研究效率明顯提高
能更多地揭示基因之間表達變化的相互關系，從而研究基因與基因之間内在的作用關系
檢測基因表達變化的靈敏度高，可檢測豐度相差幾個數量級的表達情況
節約費用和時間
制作技術
原位合成
光引導原位合成
原位合成适于制造寡核苷酸和寡肽微點陣芯片，具有合成速度快、相對成本低、便于規模化生産等優點。照相平闆印刷技術是平闆印刷技術與DNA和多肽固相化學合成技術相結合的産物，可以在預設位點按照預定的序列方便快捷地合成大量寡核苷酸或多肽分子。在生物芯片研制方面享有盛譽的美國Affymetrix公司運用該技術制造大規模集成Genechip。原位合成後的寡核苷酸或多肽分子與玻片共價連接。它用預先制作的蔽光闆和經過修飾的4種堿基，通過光進行活化從而以固相方式合成微點陣。合成前，預先将玻片氨基化，并用光不穩定保護劑将活化的氨基保護起來。聚合用單體分子一端活化另一端受光敏保護劑的保護。選擇适當的擋光闆使需要聚合的部位透光，不需要發生聚合的位點蔽光。這樣，光通過擋光闆照射到支持物上，受光部分的氨基解保護，從而與單體分子發生偶聯反應。每次反應在成千上萬個位點上添加一個特定的堿基。由于發生反應後的部位依然接受保護劑的保護，所以可以通過控制擋光闆透光與蔽光圖案以及每次參與反應單體分子的種類，就可以實現在特定位點合成大量預定序列寡核苷酸或寡肽的目的。由于照相平闆印刷技術每步的合成效率較低（95%），合成30nt的終産率僅為20%，所以該技術隻能合成30nt左右長度的寡核苷酸。在此基礎上，有人将光引導合成技術與半導體工業所用的光敏抗蝕技術相結合，以酸作為去保護劑，将每步合成産率提高到99%，但制造工藝複雜程度增加了許多。所以如何簡便地提高合成産率是光引導原位合成技 術有待解決的問題。（見下圖）
打印原位合成
壓電打印原位合成的方式類似于噴墨打印機，合成原理與傳統的核酸或寡肽固相合成技術相同。合成過程為：合成前以與光引導原位合成類似的方式對芯片片基進行預處理，使其帶有反應活性基團，例如伯氨基。同時，将合成用前體分子（DNA合成堿基、cDNA和其它分子）放入打印墨盒内，由電腦依據預定的程序在xyz方向自動控制打印噴頭在芯片支持物上移動，并根據芯片不同位點探針序列需要将特定的堿基合成前體試劑（不足納升）噴印到特定位點。噴印上去的試劑即以固相合成原理與該處支持物發生偶聯反應。由于脫保護方式為酸去保護，所以每步延伸的合成産率可以高達99%，合成的探針長度可以達到40~50nt。以後每輪偶聯反應依據同樣的方式将需要連接的分子噴印到預定位點進行後續的偶聯反應。類似地重複此操作可以在特定位點按照每個位點預定的序列合成出大量的寡核苷酸探針。
點樣法
點樣法在多聚物的設計方面與原位合成技術相似。隻是合成工作用傳統的DNA、多肽合成儀或PCR擴增或體内克隆等方法完成。大量制備好的核酸探針、多肽、蛋白等生物大分子再用特殊的自動化微量點樣裝置将其以較高密度互不幹擾地印點于經過特殊處理的玻片、尼龍膜、硝酸纖維素膜上，并使其與支持物牢固結合。支持物需預先經過特殊處理，例如多聚賴氨酸或氨基矽烷等。亦可用其它共價結合的方法将這些生物大分子牢牢地附着于支持物上。現在已經有比較成型的點樣裝置出售，例如美國Biodot公司的“噴印”儀以及Cartesian Technologies公司的Pix-Sys NQ/PA系列“打印”儀。這些自動化儀器依據所配備的“打印”或“噴印”針将生物大分子從多孔闆吸出直接“打印”或“噴印”于芯片片基上（見下圖）。“打印”時針頭與芯片片基表面發生接觸而“噴印”時針頭與片基表面保持一定的距離。所以，“打印”儀适宜制作較高密度的微陣列（例如2500點/cm2），“噴印”法由于“噴印”的斑點較大，所以隻能形成較低密度的探針陣列，通常400點/cm2。點樣法制作芯片的工藝比較簡單便于掌握、分析設備易于獲取，适宜用戶按照自己的需要靈活機動地設計微點陣，用于科研和實踐工作。
目前，除了在生物芯片研制方面享有盛譽的Affymetrix公司等個别公司使用原位合成技術制造芯片外，大多中小型公司普遍采用點樣技術制作生物芯片。
檢測原理
熒光标記和檢測是利用熒光标記的DNA堿基在不同的波長下吸收和發射光。在微陣列分析中，多色熒光标記可以在一個分析中同時對二個或多個生物樣品進行多重分析，多重分析能大大地增加基因表達和突變檢測結果的準确性，排除芯片與芯片間的人為因素。熒光為基礎的分析使得利用一些先進的數據獲得技術成為可能，包括共聚焦掃描的CCD照相技術。用于芯片制備的無孔基質表面使得芯片檢測中的生化反應大大受益。玻璃基質所需的反應體積（5-200ul）比傳統的分析要小的多（5-50ml），小反應體積降低了試劑的消耗，增加了微陣列分析中核酸的反應物的濃度（0.1-1um），相對于傳統分析（0.1-4pm）增加100000倍之多，濃度的增加又能加速雜交的速度，從而減少獲得強熒光信号的時間，并可用蓋玻片封閉雜交槽進行雜交反應。對于以核酸雜交為原理的檢測技術，主要過程為：首先用生物素标記經擴增（也可使用其它放大技術）的靶序列或樣品然後再與芯片上的大量探針進行雜交。用鍊黴親和素（streptavidin）偶聯的熒光素（常用的熒光素還有lassamine 和phycoerythrin）作為顯色物質，圖象的分析則用落謝熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡或其它熒光顯微裝置對片基掃描，由計算機收集熒光信号，并對每個點的熒光強度數字化後進行分析。由于完全正常的 Watson-Crick配對雙鍊要比具有錯配（mismatch）堿基的雙鍊分子具有較高的熱力學穩定性，所以，前者的熒光強度要比後者強出5-35%。從這一點來說，該檢測方法是具有一定特異性的，而且熒光信号的強度還與樣品中靶分子含量呈一定的線性關系。
熒光探針
目前用熒光探針作為檢測信号的儀器，主要是考慮熒光标記所要檢測的DNA的效率，以及熒光探針本身的發光效率和光譜特性。
PCR過程中的DNA标記
1.末端标記：在引物上标記有熒光探針，在DNA擴增過程時，使新形成的DNA鍊末端帶有熒光探針。
2 .随機插入：選擇四種緘機基，使其中一種或幾種挂有熒光探針，在PCR過程中，帶有熒光探針的堿基和不帶熒光探針的堿基，同時參與DNA鍊的形成。由于帶有熒光探針的堿基，可能影響PCR的産物，因此，需要調整熒光标記的堿基與未标記的堿基比率，以使得PCR産量和帶有熒光探針的堿基在DNA的插入率達到一個平衡的水平，使雜交信号最強。
RNA轉錄過程的熒光探針标記
某一種堿基标記有熒光，但要求該種堿基标記與非标記按一定比率混合，以達到最佳轉錄效果。
探針的選擇
主要考慮以下幾個因素：
熒光探針的激發和發射頻譜；
熒光探針的發光效率；
熒光探針對PCR或逆轉錄效率的影響；
不同熒光探針的發射光譜是否有重疊。
常用的熒光探針：FITC，CY-3，ALEAX488，CY-5，ALEAX564
掃描工具
一旦熒光标記樣品和微陣列反應後，未結合的成分就可洗去，結合到芯片的樣品可通過熒光檢測裝置進行檢測。聚焦掃描儀和CCD相機均已成功地應用于芯片的檢測。聚焦掃描主要是利用玻璃基質小區域（約100um2）的激光發曬透鏡（或兩者）使整個影像聚集，每個位點上帶熒光的樣品發射的光通過一系列的反光鏡，光片和晶體後與不要的光分開，然後被光電倍增管（或一種類似的裝置）轉換成一種電信号。聚焦掃描聚焦數據的速度（1-5min）要比傳統實驗中的放射自顯影快的多（1-10天），快速的熒光檢測技術是芯片檢測技術的一次革命。CCD相機利用許多與聚焦掃描儀相同的原理聚焦熒光影像。
雜交反應
該過程指将從生物樣品分離到的蛋白、DNA或RNA樣品與生物芯片進行反應，從固定于芯片的探針陣列得到樣品的序列信息。由于玻片本身的熒光本底很低，所以可用熒光标記的方法來對生物芯片實施檢測和分析，同時具有快速、精确和安全等優點。而且，還可用多個熒光素進行标記以實現一次性分析多個生物樣品。玻片作為支持物還可使反應體積縮小到5-200μl，而通常的雜交反應體積為5-50ml。這樣一方面節約了試劑，同時還可以提高反應試劑的有效濃度（0.1-1μM），是常規檢測（0.4-4pM）的一萬倍。因此促進了雜交速度減少了雜交時間，并可取得較強的熒光信号。
樣品制備
RNA樣品通常需要首先逆轉錄成cDNA并進行标記後才可進行檢測。目前，由于檢測靈敏度所限，尚難以普通探針對極少量的核酸分子進行雜交和檢測，所以需要對樣品或後續測試信号進行适當的放大。多數方法需要在标記和分析前對樣品進行适當程度的擴增，例如通過PCR方法，以使樣品核酸的拷貝數有所提高達到檢測的靈敏度。但用DNA芯片進行檢測分析時需要對樣品大量的DNA片段進行擴增和标記，所以需要同時對樣品核酸分子大量的區域進行擴增，這是一項工作量非常巨大的工作。順應這一要求出現了許多解決辦法，并在不同程度上減輕了工作量。例如，Mosaic Technologies公司引入的固相PCR方法，将多對引物固定于支持物上（其位置和序列信息預定），以類似于原位PCR的方式一次性對樣品多個片段進行擴增和放大，而且不會由于引物種類過多而出現相互間的競争和抑制（這種情況曾出現于多重PCR中）。引物具有較強的特異性，擴增反應也不存在交叉污染，因而省略了處理常規多重和多個PCR反應的繁瑣工作。再如，Lynx Therapeutics公司引入的大規模并行克隆（massively parallel solid-phase cloning），可在一個樣品中同時對數以萬計的DNA片段進行克隆，且無需單獨處理和分離每個克隆。
除了檢測前對樣品分子的放大外，通常仍需要有高靈敏度的檢測設備來采集、處理和解析生物信息。但，亦有不經過對樣品的擴增和放大而直接應用特殊處理的探針，例如分支探針技術，而達到較高的檢測靈敏度水平。這種方法的原理是，設計具有龐大分支結構的分支核苷酸探針，分支末端以酶标記。這樣，經過分支核苷酸與酶的雙重放大作用而将标本雜交時極弱的信号轉換為較強的化學信号。該技術比較成功的例子就是HCV與HBV的檢測。它的最大優點在于其操作簡便，具有較高的靈敏度，同時也可以保證檢測結果的特異性。當然，由于不同檢測方式的靈敏度不同對于樣品的處理和擴增情況的要求亦有所不同，具體的處理和放大方法仍需根據實際情況進行選擇。
同樣，基于生物大分子相互作用原理的生物芯片在檢測時生物樣品的處理遵循相似的方式，即信号的放大和樣品的标記。例如，蛋白芯片在進行檢測和分析時，可以将待分析的蛋白樣品用熒光素或其它物質進行标記，然後與生物芯片上的生物大分子進行相互作用，最後依據标記物質的不同采取相應的檢測方式采集和分析樣品和芯片上生物大分子相互作用的結果。對與非核酸類的生物大分子，存在的問題是有時不便于對其進行擴增和放大，因為其它生物大分子的結構相對比較複雜不能進行簡便的克隆或擴增。所以，這就向檢測的靈敏度提出了更高的要求。其它生物大分子的檢測和分析類似與蛋白分子。例如核酸與蛋白的相互作用，配體間的相互作用，糖與蛋白的相互作用等。
