第二章
生物芯片的基本原理
§21
生物芯片的基本概念
一般而言，我们所指的芯片是以硅晶体为材料制造的用来存储信息、进行科学计算等用途的半导体器件，如各种计算机芯片。硅芯片是通过电路高低电平来表示逻辑1或逻辑0，不同的0，1组合可以代表自然界的一切信息，从而方便存储。生物电子芯片与硅芯片有很大的相似之处。20世纪70年代，人们发现脱氧核糖核酸（DNA
Deoxyribo
ucleicacid）处于不同的状态可以代表信息的存在或没有信息。这一发现引
起科学家们的极大兴趣，科学家们立即投身到生物电子元件这一研究领域1。80年代初，国际上提出了“生物芯片”这一概念，形象地把微电子集成电路技术与生物活性分子功能结合，提出构建具有生物活性的能够获取存储信息并进行处理和传输的微生物构件（微功能单元），以达到仿生信息处理的目的。在此基础上诞生了“分子电子学”。90年代以来，在美国硅谷又兴起了研究和开发“生物芯片”的热潮12。这一“生物芯片”的概念是指运用大规模集成电路的光刻技术以及生物分子的自组装技术，在一微小芯片上组装成千上万个不同生物分子（DNA，蛋白质，多肽，细胞等）微阵列，实现生物分子信息的快速、并行、大规模检测13。芯片分析的实质是在面积不大的基片表面上有序地点阵排列了一系列固定于一定位置的可寻址的识别分子。结合或反应在相同条件下进行。反应结果用同位素、化学荧光法、化学发光法或酶标法显示，然后用精密的扫描仪或CCD摄像技术记录。通过计算机软件分析，综合成可读的IC总信息345。芯片分析实际上也是传感器分析的组合。芯片点阵中的每一个单元微点都是一个传感器的探头6。所以传感器技术的精髓往往都被应用于芯片的发展。阵列检测可以大大提高检测效率，减少工作量，增加可比性。所以芯片技术也是传感器技术的发展。生物芯片的概念来自计算机芯片，但是到90年代初以后，在人类基因组计划的推动下，才得以迅速发展起来。
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f由于最初的生物芯片主要目标是用于DNA序列的测定，基因表达谱鉴定ge
eexpressio
profilecompariso
和基因突变的检测和分析，所以它又被称为DNA芯片或基因芯片17。但目前这一技术已派生出蛋白质芯片protei
chip、细胞芯片cellchip、药物筛选芯片drugscree
i
gchip、微缩芯片实验室labo
chip等多种不同功用的芯片，并已扩展至免疫反应、受体结合等非核酸领域。所以按现状改称“生物芯片”更能符合发展的趋势。生物芯片分析的过程一般来说包括图21所示的一些步骤r