生物芯片技术是应现代分子生物学研究的重大需求，在学科交叉不断深入的基础上诞生的，现已成为国际上的热点研究领域。生物芯片是一种能快速并行处理多个生物样品，并对其所包含的各种生物信息进行解析的微型器件，其加工运用了微电子工业中十分成熟的光刻技术和微机电系统加工中的各类技术，由于其所处理和分析的对象是生物样品，故称为生物芯片。它具有快速、高效、并行处理及分析自动化能力，不仅广泛用于各研究领域，同时已出现更多的消费型产品进入公共卫生领域，为食品卫生、疾病预防和预后提供全新的检测手段。
根据其应用领域的不同，生物芯片可分为四大类：基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。
基 因 芯 片
基因芯片也叫核酸芯片，是采用原位合成技术或微量点样技术，将数以百计或万计的DNA探针固着于固相支持物表面，形成二维DNA探针阵列，通过与标记过的样品杂交，然后检测杂交信号来实现对生物样品的快速、并行和高效检测及分析。目前国内外已开发出的产品有：单核苷多态性（SNP）检测芯片和突变检测芯片、比较基因组杂交芯片、DNA甲基化检测芯片、信使RNA（mRNA）和小RNA(miRNA)表达谱芯片等，并在重大疾病发病机理、药物开发、生长发育、农业育种、干细胞研究等领域获得广泛应用。
单核苷多态性是指由于基因组单核苷水平的变异引起的DNA序列多态性，许多单核苷多态性可引起不同的
遗传性状，如人ABO血型位点标记，人白细胞抗原（human leucocyte antigen，HLA）位点标记和个体药物代谢差异等。不同的人在这些位点会有差异，了解这些差异对疾病的预测、诊断、预后将带来革命性的变化。单核苷多态性和突变分析芯片正是为最终解决这类问题应运而生的，现已被广泛应用于关联分析、连锁不平衡分析、群体遗传学、
肿瘤遗传学等领域。其原理是将许多待检样品的基因PCR扩增产物固定在经化学修饰的基片上制成待测芯片，然后用一套精选的特异性单核苷探针与待测芯片进行杂交反应，再通过芯片扫描仪对杂交后的芯片扫描，最后用分析软件对所得数据进行分析后，自动报告出所有样品的单核苷多态性分析结果。现已开发出包含180万个遗传变异标记的人基因组单核苷多态性芯片，其中有906 600多个SNP位点和946 000多个探针用作拷贝数差异的检测，能检测到更多的基因多态性，具有更高的通量和更大的覆盖率。甚至还开发出包含100多万个SNP和拷贝数差异的基因芯片，用于全基因组测序。
细胞内基因组DNA的片段扩增或缺失在许多疾病的发生发展中起着重要作用；比较基因组杂交（comparative genomic hybridization, CGH）是检测基因组DNA片段扩增或缺失的有效方法，也可用于同一物种不同亚种的基因检测，以确定基因的表型特征，CGH原理就是在一块芯片上用两份标记过不同荧光素的样品（检测样和对照样）进行杂交，从而快速直观地检测基因组DNA拷贝数的差异。CGH可同时检测基因组中多个位点的基因拷贝变化情况，常用于肿瘤和异常发育的研究，为相关疾病诊断和治疗提供重要手段。
DNA甲基化是一种由DNA甲基转移酶催化S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，将胞嘧啶转变为5-甲基胞嘧啶的表观遗传修饰，它在人的正常发育、X染色体失活、衰老、肿瘤及许多疾病过程中发挥重要作用。差异甲基化杂交是一种基于微阵列芯片的DNA甲基化检测方法，其原理是先使用非甲基化敏感的酶对基因组DNA进行酶切，然后在酶解后的片段两端接上连接臂，再用甲基化敏感的内切酶消化，最终对消化产物进行PCR扩增和荧光标记，继而同固定有CpG岛（真核生物转录起始区域内一段富含GC的序列，可调控转录效率）的芯片杂交。甲基化的DNA不能被内切酶切断，从而在PCR反应中被扩增和标记；非甲基化的DNA被内切酶切断后不能在PCR中扩增和标记。此外，也可使用对甲基化位点特异的抗体进行免疫共沉淀后再进行芯片检测。
小RNA是细胞内一组由基因组DNA编码、长约22个核苷的非编码RNA，它们主要通过降解mRNA和抑制翻译两种方式调控基因表达，在动植物生长发育、细胞分化和凋亡，以及人类疾病发生等过程中发挥着重要的调控作用。小RNA表达谱芯片是通过先分离低分子量RNA进行荧光素标记，然后进行芯片杂交和结果分析，从而实现对小RNA的准确和高通量分析。国内已开发出三代全效RNA表达谱芯片，被检对象有动物和植物，被检小RNA数目从最初400多个到现在的上千个。国外公司最近也开发出有1354条探针、可覆盖不同物种的小RNA表达谱芯片。
蛋 白 质 芯 片
随着生命科学，尤其是与人类健康息息相关的医学和
药学的发展，在蛋白质水平进行检测和鉴定的需求日益增加。蛋白质芯片是继承了基因芯片快速、准确、并行检测的优点，能在蛋白质层次提供信息的一类生物芯片。其原理是将各种蛋白质有序地固定于聚丙烯酰胺胶、硝酸纤维素膜、载玻片、硅片和金等各种载体上成为检测用芯片，然后用标记了特定荧光抗菌素体的蛋白质或其他成分与芯片作用，洗去未与蛋白结合的成分后，利用荧光检测、表面等离子体共振、激光共聚焦扫描等检测技术，检测蛋白质－蛋白质、蛋白质－核酸、蛋白质－脂质以及蛋白质与其他分子的相互作用，对蛋白质表达水平进行测定、比较等。
耶鲁大学的斯奈德（M.Snyder）等人纯化了5800个酵母蛋白，制作了高密度的蛋白质组芯片，研究了蛋白质和蛋白质、蛋白质和油脂间的相互作用，并预见此芯片可用于研究蛋白质和药物间的相互作用。博奥生物公司通过4年努力研制出具有自主知识产权的转录因子活性谱分析芯片，并开展了大量对外服务。
转录因子是细胞内一类重要的基因表达调控蛋白，其结构和功能的缺陷与人类的一些疾病（如肿瘤和炎症）相关，许多转录因子还是药物作用的靶点。转录因子活性谱分析芯片是基于寡核苷酸阵列的转录因子分析方法，它能在蛋白质水平高通量地检测具有结合活性的转录因子，具有在检测中不需要转录因子抗体及标记待测转录因子蛋白的优点。该方法是从样品中抽提出核蛋白，将其与转录因子结合序列的混合物共同孵育，分离回收与核蛋白中转录因子结合的探针，扩增并作荧光标记，通过芯片杂交、扫描并分析数据，实现对有结合活性的转录因子的检测，该法已成功用于细胞核抽提物的分析。基于此法的人转录因子活性谱芯片已用来研究细胞信号通路的构建，如用血清刺激饥饿的海拉（HeLa）细胞，然后收集按时间进程展开的海拉细胞转录因子活性谱芯片的数据和基因表达谱芯片数据，通过整合这些数据构建动态的血清刺激信号通路图谱。
细 胞 芯 片
比起基因芯片和蛋白质芯片，在芯片上进行细胞研究的还相对较少，目前细胞芯片主要是利用微流体或微阵列技术对大量或单个细胞进行细胞操控、细胞分选、电转染、细胞胞解或实时检测等操作。现已开发出细胞离子通道监测芯片、神经细胞电生理检测芯片、细胞电阻抗传感芯片等。
离子通道是细胞行使正常生理活动的重要环节之一，在兴奋性和基因表达等细胞生理过程中起着重要的作用，也是理想的药物开发靶点，为实现高通量并行筛选离子通道药物，科学家花费了大量精力研究膜片钳芯片平台。国外已开发出用于细胞离子通道分析的细胞膜片钳生物芯片——将膜片钳微型化（通常每个平面膜片钳的直径只有1微米）后排布在一枚芯片上，每个微型化的膜片钳可实现传统膜片钳的检测电信号的功能，且能独立记录电信号，达到高通量并行检测的目的。
国内研制的神经细胞电生理检测芯片能提供一种具有自动定位功能的多通道、非损伤、长时间持续记录细胞电生理信号的测定方法，可在体外培养的神经细胞上研究由简单到复杂的体系，用于药物筛选、药效分析、神经网络和组织切片等研究。
细胞电阻抗传感芯片是一种能在细胞水平对细胞形态、细胞粘附及细胞增殖等生物学行为进行实时监测的生物芯片。它提供了一种对细胞的生物学行为进行实时、定量、无标记、无损伤和自动测量的研究手段，可用于药物筛选、细胞增殖动力学、细胞药理毒理分析、细胞与基质相互作用等领域。与自组装单分子层技术结合的一款细胞电阻抗传感芯片可高通量筛选抗迁移药物。
组 织 芯 片
组织芯片是指在基质（玻片等）表面固定大量可寻址的（微阵列芯片具有可操控特定位置的组织或细胞）微小组织样本，用于高通量检测不同组织中DNA、RNA和蛋白质等分子的变化情况，又称组织微阵列芯片。由于它能在组织水平高通量筛选靶分子，大大减少样品用量，省去了大量繁冗的手工操作，近几年发展迅速。
组织芯片技术主要用于肿瘤研究。例如可研究肿瘤在生长阶段的分子变化情况或研究某一特定基因的扩增现象等，还可用于单个细胞、动物组织、成熟和未成熟组织及其他疾病组织的研究。组织芯片的构建主要是寻找、处理组织标本，并按照病理特性将组织标本排列在一个微阵列中，先寻找规则的具有代表性的组织标本蜡块，在合适区域用专用挖取器挖取圆柱状组织（直径可达0.6毫米，高3～4毫米），再以规则阵列方式将不同圆柱状组织包埋入同一石蜡块内（45毫米×20毫米），然后使用组织芯片切片装置切片，得到组织芯片。最后用检测试剂标记组织芯片，用荧光原位杂交、mRNA原位杂交和免疫组织化学等手段研究组织靶点的变化。
肿瘤研究中对正常组织和癌组织的基因表达谱的差异研究有助于更好地理解肿瘤发生和转移等重要问题。国内已开发了多种包括正常组织和病变组织的组织芯片，既可用于基础研究，还可用于分子诊断、预后指标筛选、治疗靶点定位、抗体和药物筛选、基因和蛋白表达分析等领域。
生物芯片走向日常应用
随着技术的完善和生产成本的大幅降低，生物芯片系统已逐步成为医院、食品安检部门的常备仪器，更有可能在今后成为家庭保健的必备物品，这也正是生物芯片未来应用的主要发展趋势。
（1）
食品安全检测芯片
食品安全问题是一个全球性的问题，随着生物芯片应用领域的不断扩展，已经出现很多与食品安全检测相关的生物芯片。国外已推出一批新型食品安全快速筛查检测仪器。例如将表面等离子体激元共振（SPR）检测系统、生物传感芯片、微流控系统等组合在一起，配以不同试剂盒，构成用于快速筛查和检测兽药残留、致病菌、毒素的系统。其中Biacore Q就是一种快速检测仪器，配合用来量化维生素或其他成分含量的试剂盒Qflex，再利用SPR实时检测系统，可检测食品中各种维生素（维生素H、叶酸、泛酸、维生素B12、维生素B2）和残留药物（如氯霉素、链霉素、磺胺类、泰乐菌素、克仑特罗、β-兴奋剂等）的浓度，具有检测时间短、样品准备简单、灵敏度高、准确性和重复性好的优点。博奥生物公司也已开发出多种食品安全检测芯片，用于不同的检测对象。
食源性
微生物检测芯片 通过结合微阵列技术、PCR扩增和生物信息学，同时并行检测样品中金黄色葡萄球菌、大肠杆菌O157∶H7、沙门氏菌等12种致病菌，具有灵敏度高、检测时间短（全部检测过程只需18小时）等特点。
动物疫病病原体检测 已开发的检测马病病毒和犬病病毒的基因芯片，可同时检测多种病毒，检测结果指示病毒的有无，快速准确，整个过程只需几小时。
兽药残留检测 已开发的兽药残留检测芯片可对猪肉、猪肝、鸡肉、鸡肝等组织中近10种兽药的残留量进行定量检测。具有前处理简单、灵敏度高、特异性好、检测速度快、检测通量高、质控体系严密等优点，可广泛用于进
出口检验、常规筛检。
（2）疾病预测芯片
人与人之间99.9%DNA序列相同，仅有0.1%DNA序列差异，但这微小的差异却造成每个人不同的肤色、相貌和对各类疾病的敏感性。疾病预测芯片正是通过检测个体遗传的差异性让人们更多了解自己，及早发现影响自身健康的不利因素，防患于未然。
博奥生物公司开发的“爱身谱”个体遗传检测芯片是以现今发表的基因组与疾病相关研究的1万余篇文献为基础，采用大量与重大疾病相关的基因信息进行专门设计和开发的芯片。该芯片涉及近1500个基因、覆盖近3000个SNP位点、60多种疾病。先从受检者血液样品中提取DNA，再根据单核苷多态性分析对各种疾病的发病风险进行预测。可以想象，不久的将来，人们可通过个体遗传检测芯片为自己编写起居手册，改善在饮食、睡眠、运动、心理等方面的生活习惯及工作条件，最大限度地降低疾病的发病概率。
（3）个体化治疗用芯片
由于生物芯片所需样品和试剂量极少，分析快速、准确，因此在疾病诊断领域有很大的应用空间，其广泛用于
临床诊断将是必然趋势。
人体内某些基因差异存在与否会影响药物的代谢，这些基因的变异或多态性可使药物的
不良反应加重或疗效降低，因此患者在治疗前先进行基因分型（根据不同个体的基因序列之间的规律性差异而将其分为不同的类型），可以制定更合理的治疗方案。国外公司已开发出可用于临床诊断的药物基因组学芯片。它是通过检测人体内两个特殊基因的天然变异或常见突变，来判断患者对镇痛麻醉药、抗抑郁药、抗
高血压药等药物是慢速代谢型还是超速代谢型，进而指导医生选择药物种类和用药剂量。
一般情况下
乳腺癌手术切除后，预后效果通常只能凭医生经验作出判断。国外设计了一种用于乳腺癌预后诊断的基因表达谱芯片，可预测患者在首次发生乳腺癌后5～10年内乳腺癌复发的可能性。该芯片通过综合分析患者70个基因的表达情况，能较准确预测患者的预后效果，帮助医生采取针对性治疗方案。
国内个体化治疗用芯片的开发进展相当快，针对我国的一些常见传染病和遗传病已开发多种检测芯片。
结核分支杆菌耐药检测基因芯片 结核病已成为全世界成人因传染病而死亡的主要疾病之一，中国是全球22个结核病高负担国家之一，活动性肺结核病患者数居第2位。传统的临床培养耐药检测需约2个月，易耽误患者的早期治疗。对利福平和异烟肼耐药在临床上称为多耐药结核，快速检测多耐药结核可指导合理用药，预防进一步耐药和多耐药结核的流行。研究认为结核分支杆菌对利福平、异烟肼等的耐药主要是由其基因变异导致的，因此通过在基因水平检测相关耐药位点，可快速确定结核对这两种药物的耐药性。已开发出的结核分支杆菌耐药检测芯片采用病原体基因检测方法，针对利福平和异烟肼的常见耐药基因类型进行快速检测，全部流程不超过6小时，为制定个性化治疗方案和疾病预防控制措施提供快速准确的依据。
乙型肝炎病毒耐药检测基因芯片 慢性乙型肝炎是当前最严重的传染病之一，全球约20亿人曾感染过乙型肝炎病毒（HBV），其中3.5亿人为慢性HBV感染者。我国是HBV高感染区，现有1.3亿
乙肝病毒携带者，3000多万乙型肝炎患者。随着核苷类似物抗病毒药物（拉米夫定和阿德福韦酯）的广泛应用，对其进行耐药基因变异的研究和监测显得非常必要。目前对核苷类似物耐药的检测没有很好的办法，虽然对病毒测序可以确定其常见突变位点，但对于既有敏感株又有耐药株的混杂感染就难以判读。乙型肝炎病毒耐药检测基因芯片采用血清病毒基因检测方法，对于拉米夫定和阿德福韦酯的耐药位点进行快速检测，整个流程不超过6小时。该法对于混杂感染能准确判读，改变了抗病毒药物盲目使用的状况，有助于实现个体化医疗，提高治疗成功率，减少医疗费用。
细菌鉴定与耐药检测基因芯片 随着抗生素药物的广泛应用，细菌耐药性问题日趋严重，耐药水平越来越高，且出现了多重耐药菌株。快速准确鉴定病原菌可以指导临床抗菌治疗和感染控制。比起传统细菌耐药性检测方法（如纸片扩散法、MIC测定法等），基因芯片检测法具有特异性高、灵敏度好、检测时间短、成本低、高通量等优点。研究人员通过构建多重不对称PCR（MAPCR）扩增方法，结合先进的基因芯片平台，开发了基于MAPCR的基因芯片，它可在分离的单菌落中准确地对革兰氏阴性菌中10个耐药基因进行检测。革兰氏阳性菌耐药基因检测芯片可同时进行细菌鉴定和耐药基因检测，检测时间由2～3天缩短至约5小时，较传统表型检测法更准确可靠，可为合理用药、制定个性化治疗方案提供依据。
遗传性耳聋检测基因芯片 遗传疾病的发生主要是由于遗传物质发生改变。基因芯片技术是一种高效、准确的DNA序列分析技术，将基因芯片用于检测分子突变，不仅可准确确定突变位点和突变类型，更主要的是它的快速高效，它可同时检测多个基因乃至整个基因组的突变。遗传性耳聋目前尚无特效疗法，主要以预防为主，基因检测具有突出的重要作用，可做到早发现早预防，避免耳毒性药物的使用。通过将等位基因特异性PCR与通用芯片结合，研究人员首次实现了遗传性耳聋多位点的同时检测，成功构建了通用微阵列基因芯片技术，可在5小时内准确完成遗传性耳聋11个突变点的并行检测。同时实现了基于磁珠标记的通用微阵列基因芯片肉眼检测，使其具备成本低和易携带等特点，适合偏远地区和农村使用。
HLA基因分型芯片 人白细胞抗原（HLA）作为遗传标志物在不同种族、个体间呈高度多态性，是对人体进行生物识别的“身份证”，也是移植排斥产生的主要决定因素。HLA在抗原递呈和免疫应答调控、自身免疫性疾病、病毒感染性疾病、肿瘤发病机理等方面有重要作用，广泛应用于法医鉴定、亲子鉴定等领域。现已开发出高通量、高精度、低成本的HLA基因分型芯片，并为中华骨髓库提供了4万多份样品的准确分型。该项技术产品还可用于肿瘤患者的治疗、HLA-DRB1和HLA-DRB2相关疾病（例如类风湿、
糖尿病等）、HLA-B*27相关疾病（例如强直性脊柱炎等）的辅助诊断，以及疾病相关性分析、脐血干细胞入库分型、疾病易感性研究、免疫学研究、司法鉴定核群体遗传学研究等。
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