生物晶片

生物晶片。原圖鏈接

生物晶片（英語：biochip），將大量的生物信息分子以陣列形式固定於結構膜的表面，陣列中每個生物信息分子的序列及位置都是已知，然後與已標記的待測生物樣品進行雜交或相互作用，通過儀器對檢測進行分析，從而判斷樣品中待測物的種類與數量。早期科學家研究基因表現時，一次只能偵測一個基因或一個蛋白質抗原，若需要研究多個基因或蛋白質，則相當耗時。有了生物晶片的發明，科學家便可以同時檢測數萬個基因或是蛋白質。

目录

概述

生物晶片與電腦晶片有著相同的微型化概念，可同步且在短時間內完成大量分析研究，是 1990 年代之後許多科學家努力開發的技術之一。

生物晶片這一名詞最早是在二十世紀八十年代初提出的，當時主要指分子電子器件。它是生命科學領域中迅速發展起來的一項高新技術，主要是指通過微加工技術和微電子技術在固格體晶片表面構建的微型生物化學分析系統，以實現對細胞、蛋白質、DNA以及其他生物組分的準確、快速、大信息量的檢測。

經過幾十年的發展，生物晶片已經在醫療健康、農業生產、司法檢測、食品衛生安全、環境污染檢測、國防等許多方面展現出了廣闊的應用前景。

研究利器

生物晶片成為基因組學或是蛋白組學研究的一項利器。台灣大學生物科技研究所助理教授蔡孟勳表示，生物晶片又稱微陣列化晶片，是在一塊大小從不到 1 平方公分至 20 平方公分的尼龍、塑膠或玻璃材質的載體上，點上數萬至數百萬點整齊排列的去氧核糖核酸（DNA）或蛋白質（前者稱為DNA晶片或基因晶片，後者是蛋白質晶片），然後用特殊方法一次大量檢測待測樣本。

生物晶片是運用分子生物學、基因資訊、分析化學等原理進行設計，以矽晶圓、玻璃或高分子為基材，配合微機電自動化、或其他精密加工技術，所製作之高科技元件，有如半導體晶片一般能快速進行繁複運算；生物晶片具有快速、精確、低成本之生物分析檢驗能力。在分子生物學，生物晶片基本上是小型化的實驗室，可以同時執行數百個或數千個生化反應。生物晶片使研究人員能夠快速篩選大量的生物分析物用於各種目的，從疾病的診斷到生物恐怖主義的檢測。

常用材料

根據應用的需要，製作晶片的材料多種多樣，如矽、玻璃、塑料以及陶瓷等。其中，矽是最常用的材料，因為傳統的微加工技術人們已經摸索出了一整套成熟的矽加工工藝。對於需要溫度控制的生物反應，例如聚合酶鏈式反應(PCR) ，鏈置換擴增(SDA)等，由於矽類材料具有良好的導熱性，在生物晶片製備中成為人們的首選。但是矽的缺點是不透明，不利於光學檢測，並且具有一定的導電性，尤其是具有比較強的表面非特異性吸附。

因此在製作毛細管電泳晶片時，人們會選用玻璃或者塑料等材料。同時在使用生物晶片時，必須考慮到生物相容性問題，玻璃和塑料在這方面的表現異常優越，因為玻璃和塑料的表面有各種功能基團，容易進行化學修飾。再加上玻璃和塑料的價格相對較便宜，加工也很方便，因此根據需要許多種晶片會選用玻璃或者塑料製作基底層的。

分類

目前生物晶片可大略分成：基因晶片（gene chip or DNA microarray）與實驗室晶片（Lab-on-a-chip）兩類。基因晶片是所有不同種類之生物晶片中發展最快的一種。基因晶片指的是在數平方公分之面積上安裝數千或數萬個核酸探針，經由一次測驗，即可提供大量基因序列相關資訊。

實驗室晶片的例子包括可以進行電泳分析之毛細管電泳晶片，或是可以從細胞中純化核酸之樣品前處理晶片等。已有微電泳晶片上市。

微點陣晶片與微流控晶片

生物晶片可分為兩大類，一類是微點陣晶片又叫信息晶片，其特徵是沒有微流通道，不存在液體流動，而只是利用生物分子的靜態雜交的高密度點陣，如DNA晶片和蛋白質晶片等。

另一類是微流控晶片又叫功能晶片，其特徵是在晶片上利用微流通道構建各種功能性的單元，又叫晶片實驗室，旨在完成樣品預處理、反應、分離、檢測、細胞培養等多個步驟，如生化合成的聚合酶鏈式反應(PCR)和鏈置換擴增(SDA)、電泳分離、細胞組織培養等，實現傳統生物化學實驗室的各種功能。

微點陣晶片的製備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)和合成點樣法(點接觸法，噴墨法等)。

原位合成法

美國Affymetrix公司採用的半導體光刻原位合成法，是生產高密度寡核苷酸基因晶片的核心關鍵技術。它把半導體工業中的光刻技術和DNA的化學合成方法相結合，把光不穩定保護基團保護的四種DNA模塊固定在玻片上，通過光脫保護，由少量的保護寡核苷酸和試劑按照設計的序列進行DNA合成。

該方法的主要優點是可以用很少的步驟合成大量的探針陣列，合成速度快。例如: 一段8個鹼基的寡核苷酸有65536種排列的可能，通過32個化學步驟，8個小時就能合成65536個探針。該方法的主要優點是可以用很少的步驟合成極其大量的探針陣列。而如果用傳統方法合成然後點樣，則工作量的巨大到不可思議的程度。

合成點樣法

史丹福大學首創的接觸式點塗法是用傳統的DNA或多肽固相合成儀完成，合成後通過使用高速精密機械手所帶的移液頭與玻璃晶片表面接觸而將探針定位點滴到晶片上的。主要優點是保持樣品原型，操作迅速，成本低廉，用途廣泛。缺點是樣品必須預先合成，需要一系列的純化及儲存等後續過程，密度達不到類似照相平板印刷術的水平。不過經過改進的話，最終可在6.5cm^2的範圍內容納100000個核酸位點，從而為從事基礎研究的實驗室廣泛採用。

與原位合成相比，合成點樣法所需的DNA探針需事先合成、純化，且需將如此大量且具有微小差別的片斷分別保存。但是合成的探針長度可達500－5000鹼基，所以雜交錯配的可能性也就是選擇性有較大的改善，可以逐句破譯序列密碼而不是逐字閱讀序列。

微流控晶片的製備

製作微流控晶片的材料主要有單晶矽、無定形矽材料、玻璃、石英材料以及高分子聚合物材料(如環氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸酯、聚二甲基矽氧烷和光敏聚合物)等。目前，高分子聚合物材料是微流控系統的主流選材，因為它具有種類豐富、價格低、加工容易，同時大多具有良好的透光性，便於光學檢測，工藝穩定等優點，最常壓的是聚二甲基矽氧烷。

澆注成膜法製作微流控晶片：事先準備一個製作好的陽膜，模具通常採用矽模具，一般用光刻——刻蝕的方法來製得。將液態的聚合物材料膠體均勻澆注在陽膜上，待其固化後剝離，就可以得到一個帶有微通道的基片，將此基片與蓋片的表面均經過改性處理後鍵合，就形成了所需要的微流控晶片。

重大發明

電學生物晶片獨步全球

電學生物晶片檢測方式，是先在生物晶片上放上合成的核酸片段，然後將鼻咽喉檢體和晶片放入檢測儀器中，讓混合試劑和檢體的溶液流過該生物晶片，藉由電流變化來檢測檢體中是否含有病毒，Ct值35以下的檢體，陽性一致率為100%，即使感染初期或是無症狀患者，皆能提供準確的檢驗結果。這是結合半導體和生醫領域發展成功的「電學檢測」生物晶片，台灣的矽基分子電測科技股份有限公司，率全球之先研發成功的「新冠病毒快速檢測晶片」，2021年12月取得台灣EUA緊急使用授權，2022年2月成功上市。

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