生物芯片这一概念出现在上个世纪80年代初期，当时有人提出通过微电子技术和生物技术相结合，制作出具有生物活性的微结构的构想。但是由于加工技术等相关科技手段的限制，直到90年代，生物芯片技术才取得长足的进步。
生物芯片是现代微加工技术和生物科技相结合的产物，是通过光刻或者生物分子自组装技术，在平板载体内部或者表面制作出的可以完成一定生物反应功能的微装置。根据用途不同，生物芯片主要分为两大类，一类是生物电子芯片，用于生物计算机等生物电子产品的制造。另一类是生物分析芯片，用于各种生物大分子，细胞组织的操作以及生物化学反应检测。在生命科学仪器范畴讨论的通常是后面一类芯片，本文也只以这类芯片作为讨论对象。生物分析芯片按功能微结构在载体上分布的不同又可以分为二维分析芯片和三维分析芯片。二维分析芯片依赖固定在载体表面的生物分子完成生化反应检测。最常见的二维芯片是二维阵列芯片(icroarray)，包括基因芯片、蛋白芯片和其它微阵列芯片。基因芯片是目前发展最为成熟的生物芯片，通过表面上固定的高密度dna探针(现在单片基因芯片上的探针总数已达数十万个)与待测溶液中互补dna片断的杂交反应来识别未知样品。根据用途的不同，基因芯片又可以分为测序芯片，表达芯片等等。三维芯片又称芯片实验室(1abonachi，loac)，是在载体内部加工微通道、样品池、反应仓、以及各种控制和检测元件的具有一定空间结构的微芯片。三维芯片种类比较多，常见的有微电泳芯片、三维阵列芯片、cr芯片等等。
二维芯片相对比较简单，容易加工，检测技术也比较成熟，现在已经逐步产业化。三维芯片相对比较复杂，还主要处于研究阶段。但是由于二维芯片通常需要体积庞大的辅助检测工具，因而在芯片上可以整合控制和检测结构的三维芯片相对更有发展的空间。最完整的芯片实验室可以完成样本的预处理、分离、稀释、混合、化学反应、检测以及产品的提取，它们也可以称为微全分析系统(μtas)。与传统的生物分析工具相比，生物芯片可以在载体表面集成成千上万的分子探针，在单一芯片中完成从样本的预处理、分离、稀释、混合、化学反应、检测到产物提取的全过程。因而生物芯片可以大大提高检测速度和分析效率、减少样本试剂消耗、排除人为干扰、防止污染以及高度自动化。
1生物芯片的制作技术
11二维芯片的制作
二维芯片制作是在载体表面固定上生物分子阵列。常用的载体是玻璃，也可以使用硅、塑料或者薄膜。以二维dna芯片的制作方法为例，通常dna的固定方法有原位合成和微量点样两种。原位合成主要是光引导寡核苷酸合成技术，是照相平板印刷术与传统的核酸固相合成技术相结合的产物，在经过处理的玻璃载片表面定点合成寡核苷酸链。1991年，fodor等首先利用光引导寡核苷酸合成技术在固相表面上原位合成了高密度寡核苷酸阵列。这一方法的要点是首先在玻璃载片表面修饰光敏保护基团(x)，然后通过掩膜使要反应部位受光产生活化的羟基。加入3端活化，5端用(x)基团保护的脱氧核苷酸，在光照条件下与表面的活化基团反应。清洗反应后的表面，利用第二个掩膜重复以上的过程，在不同的光照区域完成合成反应。不断进行这样的光去保护和偶联反应循环，利用不同的掩膜得到设计的寡核苷酸阵列。由于利用了照相平板印刷术这一精密的光学方法，该方法合成的探针阵列密度极高，分辨率可达10微米。原位合成方法借鉴半导体芯片制作中的光刻方法，合成具有并行性和高效性，可以设计每个点的dna序列，点密度较高。缺点是工艺复杂，需要较多的掩膜，dna的长度比较短，合成成本高，合成时间长，对设备要求高，较难推广。
微量点样是利用点样仪把制备好的cdna片段喷射或者迅速接触滴加到衍生处理的玻璃载片表面。与原位合成法的思路相反，微量点样方法是先合成探针分子，然后用高速阵列点样仪点样，形成微阵列。该方法虽然产生的分子阵列密度没有光导原位合成法高，但它不仅可固定小片段核酸，还可固定长达500—5000个碱基的基因片段，甚至蛋白质等其它生物材料，因而用途更加广泛。微量点样的方式还可分为接触滴加和非接触式喷射两种。接触滴加利用针头阵列在预先设定的样品阵列中蘸取样品，然后转移到芯片表面，与之接触后使dna样品吸附和固定。喷射方法在把吸入点样针管中的样品喷印到芯片表面。相对来说，接触点样方法比较简单，成本也低。喷射的优点是对精细表面无损伤且分配机制与片基表面性质无关。
12三维芯片的制作
相对而言，由于三维芯片的种类比较多，使用的材料和制作工艺也各有不同。在三维芯片制作中最常用的是光刻和化学蚀刻联用的方法。这种方法常用于硅、石英和玻璃等质地比较坚硬，韧性差的无机材料的加工中。这种方法的主要过程是先在清洗干净或者表面处理过的玻璃等基底材料表面离心覆盖一层光刻胶，紫外光透过接触掩膜照射光刻胶进行曝光，接着用有机溶剂处理去掉曝光过的光刻胶，化学蚀刻去掉一定深度的无光刻胶保护的基底材料产生所需要的各种三维结构。其优点是加工精度很高，可以得到微米水平的微结构。但是缺点也相当明显，就是工艺比较复杂，设备要求很高，制作效率低，成本高。
另一种常用的三维芯片加工方法是软印刷术，它是一大类，包括所有的用于微结构成型的非蚀刻技术，这类方法广泛用于聚合材料的三维芯片制作中。其中比较常用的是印刻法和微接触印制法。两种方法的原理正好相反，印刻法是使被加工材料凹陷形成所要求的结构，而印制法是在基底材料表面结合上凸出的结构而达到设计要求。早期印刻法使用小直径的金属丝在低温加热变软的塑料上压制成型。通过这种方法得到的产品只限于简单的线性通道设计，但是造价低廉。发展后的印刻法可以产生更复杂的微通道阵列，它先在硅片上蚀刻出微通道的凸版三维结构，然后在塑料上印制得到设计的微通道结构，模板可以多次重复使用。通过这种方法，可以在大面积区域得到垂直通道壁的微结构，因而这是一种低成本大批量制作塑料微芯片的方法。这种方法的最大优点就是成本低，效率高，但是加工精度不是太高。微接触印制(μc)方法使用平板橡胶印模将微结构浇铸到基底表面，这种方法有些类似于二维芯片的点样方法，只是滴加的是可以凝固的化学物质。通过“墨水”的灌注，化学式样在平板橡胶印模表面成型。印模干燥后置于基底表面，“墨水”与基底材料的分子间发生化学反应得到需要加工的结构。这种方法可以产生高精度的微结构。
此外还有很多三维芯片的加工技术，包括机械切割、光刻(普通光、紫外光、激光、x射线)、反应离子蚀刻等。这些加工方法有些精度比较低，有些设备要求高，工艺复杂，所以使用上限制比较多，只用于少数特殊的用途。
2生物芯片的检测技术
二维阵列芯片的检测技术相对比较单一。最常用的就是生物分子荧光标记，标记了荧光的分子同芯片表面的分子结合，在光源的照射下发出一定波长的荧光。测定结合后的荧光强度就可以推知结合分子的浓度。通常待测样本和对照样本用两种不同的荧光进行标记，例如cy3和cy5。比较同一位置的不同荧光强度，就可以测定待测样本和对照样本中与某一位点结合的分子比例。杂交反应结果用荧光扫描仪进行检测。荧光扫描仪有多种，如激光共聚焦扫描仪，d扫描仪，比较常用的是激光共聚焦扫描仪。激光共聚焦扫描仪利用激光作为激发光，将视野中的两个聚焦点的影象装配为二维图象。激光与其它光源相比具有比较明显的优点，强度高，单色，相干性好，不需要使用滤光器。在激光共聚焦扫描中，平行的激光束通过光束分离器后进入物镜，通过物镜的激光束照射芯片表面激发荧光物质发射荧光。荧光呈球状散射，通过物镜采集后成为平行的光束。此外，芯片表面还反射部分激光，通常这些激光的强度要比荧光强度大数倍。根据荧光激发的原理，发射光的波长一般要比激发光的波长大一些，这就可以通过让透镜选择性通过不同波长的光，得到所需要的发射荧光而除掉激发用的激光。由物镜采集回来的光束再次通过光束分离器，光束分离器将大部分激光反射回激光源处，并允许大部分荧光束通过光束分离器。平面镜将透射过光束分离器的光反射到发射光栅处，光栅在很窄的波长范围内选择性让荧光通过，并将剩余的激光激发光全部反射回去。探测目镜把滤光后的平行荧光束聚焦为很小直径的一束。缩小的光束照射到挡板上，挡板上的小孔只允许聚焦的光线通过并将其余的光遮挡住。若发光点不在目镜焦点范围内，则光线将被探测目镜聚集于挡光板前而无法通过挡上的小孔。因而芯片表面发射的大部分光线被遮挡了，只有焦点范围内的光线才能有效地进入挡光板的小孔被探测器检测到。对焦距范围的严格限制使得灰尘或者邻近表面的其它小颗粒均不能成像被探测到，因而共聚焦扫描仪获得图象的信噪比要高于非共聚焦扫描装置。当然，严格的聚焦也加大了对仪器加工精度的要求。随着技术的提高，不断有新的激光共聚焦扫描技术用于二维芯片的研究，例如四激光的共聚焦扫描系统。
除了荧光标记方法，还可以使用其它标记手段，如同位素标记。同样，根据二维芯片的特性，所有的表面检测方法都可以用于二维芯片的检测中，比较常用的就有表面等离激元显微镜、原子力显微镜、椭偏仪等。这些方法通常不需要任何标记，但是精度和方便程度都有一定的欠缺。
相对二维芯片，三维芯片的结构就比较复杂，而且化学反应各异，用于三维芯片的检测手段也各有不同，
比较常用的有光学检测、电化学检测、质谱以及各种生物传感器。
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生物芯片技术的现状和发展前景[1/2页]