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生物晶片。原图链接

生物晶片（英语：biochip），将大量的生物信息分子以阵列形式固定于结构膜的表面，阵列中每个生物信息分子的序列及位置都是已知，然后与已标记的待测生物样品进行杂交或相互作用，通过仪器对检测进行分析，从而判断样品中待测物的种类与数量。早期科学家研究基因表现时，一次只能侦测一个基因或一个蛋白质抗原，若需要研究多个基因或蛋白质，则相当耗时。有了生物晶片的发明，科学家便可以同时检测数万个基因或是蛋白质。

概述

生物晶片与电脑晶片有著相同的微型化概念，可同步且在短时间内完成大量分析研究，是 1990 年代之后许多科学家努力开发的技术之一。

生物晶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晶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。

经过几十年的发展，生物晶片已经在医疗健康、农业生产、司法检测、食品卫生安全、环境污染检测、国防等许多方面展现出了广阔的应用前景。

研究利器

生物晶片成为基因组学或是蛋白组学研究的一项利器。台湾大学生物科技研究所助理教授蔡孟勋表示，生物晶片又称微阵列化晶片，是在一块大小从不到 1 平方公分至 20 平方公分的尼龙、塑胶或玻璃材质的载体上，点上数万至数百万点整齐排列的去氧核糖核酸（DNA）或蛋白质（前者称为DNA晶片或基因晶片，后者是蛋白质晶片），然后用特殊方法一次大量检测待测样本。

生物晶片是运用分子生物学、基因资讯、分析化学等原理进行设计，以矽晶圆、玻璃或高分子为基材，配合微机电自动化、或其他精密加工技术，所制作之高科技元件，有如半导体晶片一般能快速进行繁复运算；生物晶片具有快速、精确、低成本之生物分析检验能力。在分子生物学，生物晶片基本上是小型化的实验室，可以同时执行数百个或数千个生化反应。生物晶片使研究人员能够快速筛选大量的生物分析物用于各种目的，从疾病的诊断到生物恐怖主义的检测。

常用材料

根据应用的需要，制作晶片的材料多种多样，如矽、玻璃、塑料以及陶瓷等。其中，矽是最常用的材料，因为传统的微加工技术人们已经摸索出了一整套成熟的矽加工工艺。对于需要温度控制的生物反应，例如聚合酶链式反应(PCR) ，链置换扩增(SDA)等，由于矽类材料具有良好的导热性，在生物晶片制备中成为人们的首选。但是矽的缺点是不透明，不利于光学检测，并且具有一定的导电性，尤其是具有比较强的表面非特异性吸附。

因此在制作毛细管电泳晶片时，人们会选用玻璃或者塑料等材料。同时在使用生物晶片时，必须考虑到生物相容性问题，玻璃和塑料在这方面的表现异常优越，因为玻璃和塑料的表面有各种功能基团，容易进行化学修饰。再加上玻璃和塑料的价格相对较便宜，加工也很方便，因此根据需要许多种晶片会选用玻璃或者塑料制作基底层的。

分类

目前生物晶片可大略分成：基因晶片（gene chip or DNA microarray）与实验室晶片（Lab-on-a-chip）两类。基因晶片是所有不同种类之生物晶片中发展最快的一种。基因晶片指的是在数平方公分之面积上安装数千或数万个核酸探针，经由一次测验，即可提供大量基因序列相关资讯。

实验室晶片的例子包括可以进行电泳分析之毛细管电泳晶片，或是可以从细胞中纯化核酸之样品前处理晶片等。已有微电泳晶片上市。

微点阵晶片与微流控晶片

生物晶片可分为两大类，一类是微点阵晶片又叫信息晶片，其特征是没有微流通道，不存在液体流动，而只是利用生物分子的静态杂交的高密度点阵，如DNA晶片和蛋白质晶片等。

另一类是微流控晶片又叫功能晶片，其特征是在晶片上利用微流通道构建各种功能性的单元，又叫晶片实验室，旨在完成样品预处理、反应、分离、检测、细胞培养等多个步骤，如生化合成的聚合酶链式反应(PCR)和链置换扩增(SDA)、电泳分离、细胞组织培养等，实现传统生物化学实验室的各种功能。

微点阵晶片的制备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)和合成点样法(点接触法，喷墨法等)。

原位合成法

美国Affymetrix公司采用的半导体光刻原位合成法，是生产高密度寡核苷酸基因晶片的核心关键技术。它把半导体工业中的光刻技术和DNA的化学合成方法相结合，把光不稳定保护基团保护的四种DNA模块固定在玻片上，通过光脱保护，由少量的保护寡核苷酸和试剂按照设计的序列进行DNA合成。

该方法的主要优点是可以用很少的步骤合成大量的探针阵列，合成速度快。例如: 一段8个碱基的寡核苷酸有65536种排列的可能，通过32个化学步骤，8个小时就能合成65536个探针。该方法的主要优点是可以用很少的步骤合成极其大量的探针阵列。而如果用传统方法合成然后点样，则工作量的巨大到不可思议的程度。

合成点样法

史丹福大学首创的接触式点涂法是用传统的DNA或多肽固相合成仪完成，合成后通过使用高速精密机械手所带的移液头与玻璃晶片表面接触而将探针定位点滴到晶片上的。主要优点是保持样品原型，操作迅速，成本低廉，用途广泛。缺点是样品必须预先合成，需要一系列的纯化及储存等后续过程，密度达不到类似照相平板印刷术的水平。不过经过改进的话，最终可在6.5cm^2的范围内容纳100000个核酸位点，从而为从事基础研究的实验室广泛采用。

与原位合成相比，合成点样法所需的DNA探针需事先合成、纯化，且需将如此大量且具有微小差别的片断分别保存。但是合成的探针长度可达500－5000碱基，所以杂交错配的可能性也就是选择性有较大的改善，可以逐句破译序列密码而不是逐字阅读序列。

微流控晶片的制备

制作微流控晶片的材料主要有单晶矽、无定形矽材料、玻璃、石英材料以及高分子聚合物材料(如环氧树脂、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统的主流选材，因为它具有种类丰富、价格低、加工容易，同时大多具有良好的透光性，便于光学检测，工艺稳定等优点，最常压的是聚二甲基矽氧烷。

浇注成膜法制作微流控晶片：事先准备一个制作好的阳膜，模具通常采用矽模具，一般用光刻——刻蚀的方法来制得。将液态的聚合物材料胶体均匀浇注在阳膜上，待其固化后剥离，就可以得到一个带有微通道的基片，将此基片与盖片的表面均经过改性处理后键合，就形成了所需要的微流控晶片。

重大发明

电学生物晶片独步全球

电学生物晶片检测方式，是先在生物晶片上放上合成的核酸片段，然后将鼻咽喉检体和晶片放入检测仪器中，让混合试剂和检体的溶液流过该生物晶片，借由电流变化来检测检体中是否含有病毒，Ct值35以下的检体，阳性一致率为100%，即使感染初期或是无症状患者，皆能提供准确的检验结果。这是结合半导体和生医领域发展成功的“电学检测”生物晶片，台湾的矽基分子电测科技股份有限公司，率全球之先研发成功的“新冠病毒快速检测晶片”，2021年12月取得台湾EUA紧急使用授权，2022年2月成功上市。

影片

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