生物芯片技术是近年来兴起的一项综合性的高新技术，它以微机电系统技术和生物技术为依托，将生命科学研究中的许多不连续过程（如样品制备、生化反应、检测等步骤）集成并移植到一块普通邮票大小的芯片上去，并使这些分散的过程连续化、微型化，以实现对大量生物信息进行快速、并行处理的要求。

   生物芯片概念的提出受到了计算机芯片的启发。狭义的生物芯片是指包埋在固相载体（如硅片、玻璃和塑料等）上的高密度ＤＮＡ、蛋白质、细胞等微阵列芯片，如ｃＤＮＡ微阵列、寡核苷酸微阵列和蛋白质微阵列等。这些微阵列由生物活性物质以点阵的形式有序地固定在固相载体上形成。在一定的条件下进行生化反应，将反应结果用化学荧光法、酶标法、电化学法显示，然后用专用的生物芯片扫描仪或电子信号检测仪采集数据，最后通过专门的计算机软件进行数据分析。广义的生物芯片是指任何能对生物分子进行快速并行处理和分析的微型固体薄型器件。

   自从１９９１年福多尔（Ｓ． Ｐ． Ａ． Ｆｏｄｏｒ）等人提出ＤＮＡ芯片至今，以ＤＮＡ芯片为代表的生物芯片技术已经得到了快速的发展。目前生物芯片技术除了ＤＮＡ芯片技术外，还包括免疫芯片分析技术、芯片核酸扩增技术、细胞芯片分析技术和以芯片为平台的高通量药物筛选技术等。这些新兴技术的出现将为生命科学研究、疾病诊断与治疗、新药开发、国防、司法鉴定、食品卫生检验、航空航天等领域带来一场革命。正是由于生物芯片技术的飞速发展，美国科学促进协会将其评为１９９８年科技十大突破之一。

   样品制备芯片

   生物样品往往是复杂的混合物，在大多数情况下需要先对生物样品进行预处理，即样品制备。以核酸样品制备为例，它包括了细胞分离、破胞、脱蛋白、提取ＤＮＡ等多步工作。这些工作可以在样品制备芯片上完成。目前在细胞分离方法上较突出的有过滤分离和介电电泳分离等；芯片中的破胞方法有芯片升温破胞、高压脉冲破胞以及化学破胞等。

   过滤分离芯片

   过滤分离即根据生物颗粒的尺寸差异进行分离。针对人白细胞的分离，１９９８年美国宾夕法尼亚大学的研究小组研究出了一种芯片微过滤法。芯片微过滤器的工作原理是根据人白细胞的尺寸比红细胞大的特点，使人外周血流过微过滤器时只让血浆和尺寸较小的红血细胞及血小板通过，而截住尺寸较大的白细胞。加工微过滤用芯片是通过在硅片上刻出各种形状的过滤通道，通道直径为几个微米，然后再在硅芯片上键合上一块玻璃盖片而完成。通过反复试验和设计，微芯片过滤器已从最初的竖式Ｚ形结构，通过竖式条状梳式结构过渡最后定型为横坝式结构。采用横坝式结构的优点是人白细胞的回收率高，过滤器不易被堵塞。微芯片过滤器的另一应用是它可将孕妇外周血中极少量的胎儿细胞过滤出来，供下一步作产前诊断之用。

   介电电泳分离芯片

   介电电泳分离的原理是细胞在高频不均匀电场作用下产生极化，不同的细胞由于介电特性、电导率、形状不同而感应出不同的偶电极，因此受到不同介电力的作用。利用介电电泳方法制备样品的优点是：通过测量细胞的运动速度，可以得到细胞的介电特性；可以对细胞进行无物理接触的选择性操纵、定位、分离。

   生化反应芯片

   生化反应芯片的目的是把在实验室试管中进行的生化实验缩微到一块小小的芯片上。目前较典型的生化反应芯片包括聚合酶链反应（ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃ-ｔｉｏｎ，ＰＣＲ）芯片、药物合成芯片等，其中ＰＣＲ扩增芯片是生化反应芯片的典型代表。

   在芯片上进行ＰＣＲ扩增反应的背景是，目前在生物芯片领域中所用的检测仪器灵敏度还不够高，所以从血液或活体组织中提取的ＤＮＡ在标记或应用前都需要扩增复制。例如，在对一个肿瘤的活体解剖样品进行检测时，需要在几千个正常基因中找到一个异常的癌基因，显然这需要对样品ＤＮＡ进行必要的扩增复制才易于检测。ＰＣＲ作为生物学中最常用的ＤＮＡ扩增手段，由变性、延伸、退火三个步骤所构成，其每个步骤的工作温度大约分别为９５℃、７２℃、６０℃。通过该反应可将极微量的ＤＮＡ成千上万倍地扩增，以满足实验需要。

   除了上述方法外，另一个更简易的方法是将帕尔帖器件（一种可通过改变器件两端电压的极性而产生加热或致冷效果的半导体器件），直接贴在ＰＣＲ扩增芯片的背面，人们只需控制帕尔帖器件的温度在三个恒温区之间变化，就能在芯片上实现ＰＣＲ扩增。

   检 测 芯 片

   检测芯片主要包括毛细管电泳芯片和微阵列芯片两类。

   毛细管电泳芯片

   毛细管电泳（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ，ＣＥ）对于ＤＮＡ测序、司法鉴定、ＰＣＲ产物分析来说是一个强有力的手段。与平板凝胶电泳相比，毛细管电泳能更快速、更准确地分离ＤＮＡ片段，这是因为可以在毛细管两端加上更高的电压。毛细管电泳的缺点是一次只能分析一个样品，毛细管微阵列电泳将平板凝胶电泳和毛细管电泳两种方法的优点结合起来，在毛细管微阵列上并行地进行电泳，它能增大电泳泳道数目、提高电泳速度，是一种有着巨大应用前景的方法。

   在毛细管电泳的基础上，近几年发展出集成度更高的集成毛细管电泳技术。集成毛细管电泳技术是在硅、玻璃、塑料等基体上刻蚀出毛细管槽，用盖板封闭好后，在毛细管中填入媒体，使电泳分离的整个过程集成到一块几平方厘米的基片上。集成毛细管电泳芯片具有高效、快速、试样用量少等优点，并已经在免疫测定、ＤＮＡ分析和测序、氨基酸和蛋白质分析、生物细胞研究方面得到应用。

   伍利（Ａ． Ｔ． Ｗｏｏｌｌｅｙ）等人报道的方法，利用光刻掩膜和化学刻蚀技术在玻璃基底上光刻出微通道阵列，然后使基底与另一块玻璃片键合构成毛细管阵列，其中上层玻璃片上钻有小孔作为样品输入孔。ＤＮＡ片段在缓冲液中被荧光标记，最后利用激光共焦荧光探测系统检测毛细管电泳的结果。

   拉加利（Ｅ． Ｔ． Ｌａｇａｌｌｙ）等人构建了一种将ＰＣＲ反应和毛细管电泳集成在一起的ＰＣＲ－ＣＥ器件。他们将热循环所需的加热元件直接微加工在器件上，升温／降温的速度为每秒１０℃，每一次ＰＣＲ热循环的时间为３０秒，利用５０纳升容量的微阀和疏水性出口将样品输运到２００纳升容量的ＰＣＲ反应腔中。基于该集成化ＰＣＲ－ＣＥ器件，能够实现对单个ＤＮＡ分子的扩增和检测。

   此外刘英杰等人还构建了一种基于聚碳酸酯材料的集成毛细管器件来分析ＤＮＡ样品。他们利用压模方法加工出毛细管微通道，聚碳酸酯材料在键合前接受了紫外线辐射以增强亲水性。实验表明该器件能显著区分长度为１００个碱基对、２００个碱基对……１５００个碱基对等的ＤＮＡ片断。

   微阵列芯片

   ＤＮＡ微阵列芯片基于ＤＮＡ杂交反应的原理，先将许多ＤＮＡ片段末端固定在芯片上，然后让荧光标记的样品核酸通过流路或加样至芯片上，杂交反应结束后清洗芯片，留在芯片上的样品核酸即可用荧光检测的方法来检测。由于ＤＮＡ微阵列芯片不要求先对基底做微细加工，因此可利用自动化或化学合成方法在基底上直接施加或合成生化物质。目前有４种典型的ＤＮＡ微阵列芯片制备方法：光引导原位合成法、接触式点涂法、化学喷射法、压电喷射原位合成法。

   光引导原位合成法是将微电子工业中的光刻技术与ＤＮＡ的光化学合成方法相结合。首先把用光敏保护基团保护的４种核苷酸固定在玻片上，然后根据设计要求用不同的掩模板对玻片进行掩蔽，光照处的光敏保护基团分解，暴露的地方即可加上新的被保护的核苷酸，如此循环下去就能以很高的密度和精度来制备ＤＮＡ微阵列芯片。现在人们已经能在１．６厘米２的玻片上合成４０万组寡核苷酸。这种方法的缺点是需要花费大量的时间和成本来制备掩模板，因为寡核苷酸的每个碱基位需要４块掩模板，合成一个２５个碱基对的微阵列芯片就需要１００块掩模板。

   接触式点涂法先将ＤＮＡ探针合成好，然后通过一个点接触装置自动地将探针点到玻片上的指定地点。点接触法的优点是快速、经济、多功能，缺点是每种样品都必须是合成好、经过纯化并事先保存的。

   化学喷射法是以定滴供给的方式，通过压电晶体或其他推进形式从喷嘴内将生物样品喷射到玻璃基片上。喷射法所需的样品是已经合成好的ＤＮＡ，它与点接触法的区别是喷嘴不与玻片接触。

   压电喷射原位合成法主要包括两个步骤：先在直径为７５毫米的二氧化硅基底上制备高密度的小坑，每个小坑的直径为１００微米，间距３０微米，共约１０万个小坑，小坑内作羟基化亲水处理，小坑间作氟化疏水处理，这样得到的小坑即可作为ＤＮＡ合成的微型反应池；然后根据实际要求，在４个压电喷头中分别装入Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃ核苷酸，由计算机控制微阵列ＤＮＡ芯片ｘ－ｙ方向的运动，将４种核苷酸喷射到适当的小坑中，由此在预制的基底上并行合成出微阵列ＤＮＡ芯片。

   生物芯片中的微流体技术

   在生物、化学、材料等科学实验中，经常需要对流体进行操作，如样品ＤＮＡ的制备、ＰＣＲ反应、电泳检测等操作都是在液相环境中进行。如果要将样品制备、生化反应、结果检测等步骤集成到生物芯片上，则实验所用流体的量就从毫升、微升级降至纳升或皮升级，这时功能强大的微流体装置就显得必不可少了。因此随着生物芯片技术的发展，微流体技术作为生物芯片的一项关