生物晶元，又稱蛋白晶元或基因晶元，它們起源於DNA雜交探針技術與半導體工業技術相結合的結晶。該技術系指將大量探針分子固定於支持物上後與帶熒游標記的DNA或其他樣品分子（例如蛋白，因子或小分子）進行雜交，通過檢測每個探針分子的雜交信號強度進而獲取樣品分子的數量和序列信息。
生物晶元簡介
生物晶元技術起源於核酸分子雜交。所謂生物晶元一般指高密度固定在互相支持介質上的生物信息分子（如基因片段、DNA片段或多肽、蛋白質、糖分子、組織等）的微陣列雜交型晶元（micro-arrays），陣列中每個分子的序列及位置都是已知的，並且是預先設定好的序列點陣。微流控晶元（microfluidic chips）和液相生物晶元是比微陣列晶元後發展的生物晶元新技術，生物晶元技術是系統生物技術的基本內容。
生物晶元（biochip或bioarray）是根據生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成於晶元表面，從而實現對DNA、RNA、多肽、蛋白質以及其他生物成分的高通量快速檢測。狹義的生物晶元概念是指通過不同方法將生物分子（寡核苷酸、cDNA、genomic DNA、多肽、抗體、抗原等）固著於矽片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝膠、尼龍膜等固相遞質上形成的生物分子點陣。因此生物晶元技術又稱微陳列（microarray）技術，含有大量生物信息的固相基質稱為微陣列，又稱生物晶元。生物晶元在此類晶元的基礎上又發展出微流體晶元（microfluidics chip），亦稱微電子晶元（microelectronic chip），也就是縮微實驗室晶元。
什麼是生物晶元呢？簡單說，生物晶元就是在一塊玻璃片、矽片、尼龍膜等材料上放上生物樣品，然後由一種儀器收集信號，用計算機分析數據結果。人們可能很容易把生物晶元與電子晶元聯繫起來。事實上，兩者確有一個最基本的共同點：在微小尺寸上具有海量的數據信息。但它們是完全不同的兩種東西，電子晶元上布列的是一個個半導體電子單元，而生物晶元上布列的是一個個生物探針分子。
晶元的概念取之於集成的概念，如電子晶元的意思就是把大的東西變成小的東西，集成在一起。生物晶元也是集成，不過是生物材料的集成。像實驗室檢測一樣，在生物晶元上檢查血糖、蛋白、酶活性等，是基於同樣的生物反應原理。所以生物晶元就是一個載體平台。這個平台的材料則有很多種，如硅，玻璃，膜（纖維素膜）等，還有一些三維結構的多聚體，平台上則密密麻麻地擺滿了各種生物材料。晶元只是一個載體。做什麼東西、檢測什麼，還是靠生物學家來完成。也就是說，原來要在很大的實驗室中需要很多個試管的反應，現在被移至一張晶元上同時發生了。
世界發展
進入21世紀，隨著生物技術的迅速發展，電子技術和生物技術相結合誕生了半導體晶元的兄弟——生物晶元，這將給我們的生活帶來一場深刻的革命。這場革命對於全世界的可持續發展都會起到不可估量的貢獻。
生物晶元技術的發展最初得益於埃德溫·邁勒·薩瑟恩（Edwin Mellor Southern）提出的核酸雜交理論，即標記的核酸分子能夠與被固化的與之互補配對的核酸分子雜交。從這一角度而言，Southern雜交可以被看作是生物晶元的雛形。弗雷德里克·桑格（Fred Sanger）和吉爾伯特（Walter Gilbert）發明了現在廣泛使用的DNA測序方法，並由此在1980年獲得了諾貝爾獎。另一個諾貝爾獎獲得者卡里·穆利斯（Kary Mullis）在1983年首先發明了PCR，以及後來在此基礎上的一系列研究使得微量的DNA可以放大，並能用實驗方法進行檢測。
生物晶元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元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。美國海軍實驗室研究員卡特（Carter） 等試圖把有機功能分子或生物活性分子進行組裝，想構建微功能單元，實現信息的獲取、貯存、處理和傳輸等功能。用以研製仿生信息處理系統和生物計算機，從而產生了”分子電子學”，同時取得了一些重要進展：如分子開關、分子貯存器、分子導線和分子神經元等分子器件，更引起科學界關注的是建立了基於DNA或蛋白質等分子計算的實驗室模型。
進入二十世紀九十年代，人類基因組計劃(Human Genome Project，HGP)和分子生物學相關學科的發展也為基因晶元技術的出現和發展提供了有利條件。與此同時，另一類”生物晶元”引起了人們的關注，通過機器人自動列印或光引導化學合成技術在矽片、玻璃、凝膠或尼龍膜上製造的生物分子微陣列，實現對化合物、蛋白質、核酸、細胞或其它生物組分準確、快速、大信息量的篩選或檢測。
●1991年Affymatrix公司福德（Fodor）組織半導體專家和分子生物學專家共同研製出利用光蝕刻光導合成多肽；
●1992年運用半導體照相平板技術，對原位合成製備的DNA晶元作了首次報道，這是世界上第一塊基因晶元；
●1993年設計了一種寡核苷酸生物晶元；
●1994年又提出用光導合成的寡核苷酸晶元進行DNA序列快速分析；
●1996年靈活運用了照相平板印刷、計算機、半導體、激光共聚焦掃描、寡核苷酸合成及熒游標記探針雜交等多學科技術創造了世界上第一塊商業化的生物晶元；
●1995年，斯坦福大學布朗（P．Brown）實驗室發明了第一塊以玻璃為載體的基因微矩陣晶元。
●2001年，全世界生物晶元市場已達170億美元，用生物晶元進行藥理遺傳學和藥理基因組學研究所涉及的世界藥物市場每年約1800億美元；
●2000-2004年的五年內，在應用生物晶元的市場銷售達到200億美元左右。
●2005年，僅美國用於基因組研究的晶元銷售額即達50億美元，2010年有可能上升為400億美元，這還不包括用於疾病預防及診治及其它領域中的基因晶元，部分預計比基因組研究用量還要大上百倍。因此，基因晶元及相關產品產業將取代微電子晶元產業，成為21世紀最大的產業。
●2004年3月，英國著名諮詢公司弗若斯特·沙利文(Frost & Sulivan)公司出版了關於全球晶元市場的分析報告《世界DNA晶元市場的戰略分析》。報告認為，全球DNA生物晶元市場每年平均增長6.7%，2003年的市場總值是5.96億美元，2010年將達到93.7億美元。納儂市場（NanoMarkets）調研公司預測，以納米器械作為解決方案的醫療技術將在2009年達到13億美元，並在2012年增加到250億美元，而其中以晶元實驗室最具發展潛力，市場增長率最快。
●2012年12月，三位美國科學家獲得了美國專利與商標辦公室（ US PTO）授予的一項關於量子級神經動態計算晶元專利，該晶元功能強大，能夠通過高速非標準運算模擬解決問題，將為未來量子計算領域的發展起到巨大的推動作用。該電腦晶元是生物過程和物理過程的結合，通過模仿生物系統在介面界面運用突觸神經元連接並反饋學習，有潛力賦予計算機超強的運算能力和超快的速度，可廣泛運用于軍用和民用領域，而該專利則涉及生產該電腦晶元的幾種不同途徑。
中國近年發展成果
近年取得的科研成果如下：
●「十五」期間，中國生物晶元研究共申請國內專利356項，國外專利62項。
●2005年4月，由科技部組織實施的國家重大科技專項「功能基因組和生物晶元」在生物晶元產業取得階段成果，診斷檢測晶元產品、高密度基因晶元產品、食品安全檢測晶元、擁有自主知識產權的生物晶元創新技術創建等一系列成果蜂擁而出。
●2005年，由南開大學王磊博士任首席科學家的國家「863」專項—「重要病原微生物檢測生物晶元」課題組經過兩年的潛心科研攻關，取得重大成果，「重要致病菌檢測晶元」第一代樣品研製成功，並且開始制定企業和產品的質量標準，這標誌著中國第一個具有世界水平的微生物晶元研究進入產業化階段，從而使天津市建設世界級微生物檢測生物晶元研發和產業化基地，搶佔全球生物晶元研發制高點邁出歷史性的一步。
●2005年4月26日，中國生物晶元產業的骨幹企業北京博奧生物晶元有限責任公司（生物晶元北京國家工程研究中心）和美國昂飛公司(Affymetrix)建立戰略合作關係，並共同簽訂了《生物晶元相關產品的共同研發協議》和《DNA晶元服務平台協議》兩個重要的全面合作協議，對於中國生物晶元產業來說這是一個歷史的時刻，也標誌著以博奧生物為代表的中國生物晶元企業已在全球競爭日益激烈的生物晶元產業中躋身領跑者的地位。
●2006年，生物晶元北京國家工程研究中心又成功研製了一種利用生物晶元對骨髓進行分析處理的技術，這在全球尚屬首次，可以大大提高骨髓分型的速度和準確度。這種用於骨髓分型的生物晶元，只有手指大小，僅一張就可以存儲上萬個人的白細胞抗原基因。過去在中國，這種技術長期依賴進口，價格很高。每進行一份骨髓分型，就要支付500元的費用，而這種晶元的造價只是國外的1/3，精密度可以超過99%，比國外高出好幾個百分點。
●2006年7月，中國科學院力學研究所國家微重力實驗室靳剛課題組在中科院知識創新工程和國家自然科學基金的資助下，主持研究的「蛋白質晶元生物感測器系統」實現實驗室樣機，目前已實現乙肝五項指標同時檢測、腫瘤標誌物檢測、微量抗原抗體檢測、SARS抗體藥物鑒定、病毒檢測及急性心肌梗死診斷標誌物檢測等多項應用實驗。全程只需40分鐘，采血只需幾十微升血液。該項研究成果有望為中國的生物晶元技術開闢新的途徑。
●2006年，由東北大學方肇倫院士領銜國內10家高校、科研單位共同打造的晶元實驗室「微流控生物化學分析系統」通過驗收，該項研究成果將使中國醫療臨床化驗發生革命性變革，徹底改變了中國在微流控分析領域的落後面貌。
●2006年，第四軍醫大學預防醫學系郭國禎採用輻射生物學效應原理，應用Mpmbe軟體設計探針篩選參與輻射生物學效應基因，成功研製出一款由143個基因組成的電離輻射相關低密度寡核苷酸基因晶元，該晶元為檢測不同輻射敏感性腫瘤細胞的差異表達基因提供了一個新的技術平台。
●2006年03月西安交通大學第二醫院檢驗科何謙博士等成功研發出丙型肝炎病毒(HCV)不同片段抗體蛋白晶元檢測新技術。該技術的問世，為丙型肝炎患者的確診、獻血人員的篩選及治療藥物的研發等，提供了先進的檢測手段。
●此外，美國斯坦福大學華裔科學家王善祥及其研究團隊利用磁納米技術有望取代通常採用的熒光探測癌蛋白技術，更快更方便地獲得檢測結果；中國台北榮民總醫院和賽亞基因科技共同研發生物晶元，可快速找出遺傳疾病的異常基因，將可成為家族篩檢的利器。
存在問題
對於中國生物晶元工業來講。關鍵問題有3個：
(1)製作技術：晶元製作技術原理並不複雜，就製作涉及的每項技術而言，中國已具有實際能力，中國發展生物晶元的難點是如何實現各種相關技術的整合集成。
(2)基因、蛋白質等前沿研究：除去製作技術外，關鍵就是晶元上放置的基因和蛋白質等物質了。如果製作用於檢測核苷酸多態性以診斷某種遺傳病，或者用於基因測序，那麼晶元探針上一般放置的是有8個鹼基的寡核苷酸片段，基因晶元和蛋白質晶元則相應放置的是基因標誌性片段EST(表達序列標籤)、全長基因或蛋白質。因此製作生物晶元首先要解決的是DNA探針、基因以及蛋白質的儘可能全面和快速地收集問題。
(3)專利和產權：以生物晶元技術為核心的各相關產業正在全球崛起，一個不容忽視的問題就是專利和產權的問題。專家指出世界工業發達國家已開始有計劃、大投入、爭先恐後地對該領域知識產權進行跑馬圈地式的保護。北京國家工程研究中心主任程京教授說：「就生物晶元領域而言，目前全世界都在『跑馬圈地』，專利和自主產權比什麼都重要。我們不能再像計算機晶元那樣受制於人。」現在，科學家、企業家和金融界已經聯起手來，組成了結構上更為合理、運作上更具可操作性的商業運行構架，通過全球定位布局，建立產權結構清晰的公司．為生物晶元在中國的產業化奠定良好基礎。
生物晶元雖然只有10多年的歷史，但包含的種類較多，分類方式和種類也沒有完全的統一。它的作用方式分類：
(1)主動式晶元：是指把生物實驗中的樣本處理純化、反應標記及檢測等多個實驗步驟集成，通過一步反應就可主動完成。其特點是快速、操作簡單，因此有人又將它稱為功能生物晶元。主要包括微流體晶元(microftuidic chip)和縮微晶元實驗室(lab on chip，也叫「晶元實驗室」，是生物晶元技術的高境界)。
(2)被動式晶元：即各種微陣列晶元，是指把生物實驗中的多個實驗集成，但操作步驟不變。其特點是高度的並行性，目前的大部分晶元屬於此類。由於這類晶元主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過生物信息學進行數據挖掘分析，因此這類晶元又稱為信息生物晶元。包括基因晶元、蛋白晶元、細胞晶元和組織晶元。
生物晶元成分分類
(1)基因晶元(gene chip)：又稱DNA晶元(DNA chip)或DNA微陣列(DNA microarray)，是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上製成。
(2)蛋白質晶元(protein chip或protein microarray)：是將蛋白質或抗原等一些非核酸生命物質按微陣列方式固定在微型載體上獲得。晶元上的探針構成為蛋白質或晶元作用對象為蛋白質者統稱為蛋白質晶元。
(3)細胞晶元(cell chip)：是將細胞按照特定的方式固定在載體上，用來檢測細胞間相互影響或相互作用。
(4)組織晶元(tissue chip)：是將組織切片等按照特定的方式固定在載體上，用來進行免疫組織化學等組織內成分差異研究。
(5)其他：如晶元實驗室(Lab on chip)，用於生命物質的分離、檢測的微型化晶元。現在，已經有不少的研究人員試圖將整個生化檢測分析過程縮微到晶元上，形成所謂的「晶元實驗室」(Lab on chip）。晶元實驗室是生物晶元技術發展的最終目標。它將樣品的製備、生化反應到檢測分析的整個過程集約化形成微型分析系統。由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極、電子化學和電子發光探測器等組成的晶元實驗室已經問世，並出現了將生化反應、樣品製備、檢測和分析等部分集成的晶元）。「晶元實驗室」可以完成諸如樣品製備、試劑輸送、生化反應、結果檢測、信息處理和傳遞等一系列複雜工作。這些微型集成化分析系統攜帶方便，可用於緊急場合、野外操作甚至放在航天器上。例如可以將樣品的製備和PCR擴增反應同時完成於一塊小小的晶元之上。再如Gene Logic公司設計製造的生物晶元可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，並對其進行熒游標記，然後當樣品流過固定於柵欄狀微通道內的寡核苷酸探針時便可捕獲與之互補的靶核酸序列。應用其自己開發的檢測設備即可實現對雜交結果的檢測與分析。這種晶元由於寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，所以可以靈敏地檢測到稀有基因的變化。同時，由於該晶元設計的微通道具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應，縮短測試時間，從而降低了測試成本。
使用壽命
按照美國生物晶元製備標準，使用壽命約為10-15年。
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