清华大学生物科学与技术系教授 周玉祥

生物芯片（biochip）是二十世纪八十年代末发展起来的一种新技术，它是将生命科学研究中所涉及的许多分析步骤，利用微电子、微机械、化学、物理、计算机等技术，使样品检测、分析过程连续化、集成化、微型化。

生物芯片技术具有巨大的理论意义和实际应用价值，将对21世纪人类生活和健康产生极其深远的影响。美国商业界的权威刊物《 Fortune 》在1997年3月刊中曾撰文对生物芯片技术的意义进行了阐述：“微处理器在本世纪使我们的经济结构发生了根本改变、给人类带来了巨大的财富、改变了我们的生活方式。然而，生物芯片给人类带来的影响可能会更大，它可能从根本上改变医学行为和我们的生活质量，从而改变世界的面貌”。生物芯片在下个世纪即将给人类在疾病诊断和治疗、新药研制、农作物的优育优选、环境监测、司法鉴定、食品卫生监督、航空航天与生物武器侦测等领域带来一场革命性的变革。例如用生物芯片进行疾病诊断，与传统方法相比，它用量少、信息量大、检测速度快、可平行检测多种疾病。它应用的领域包括基因表达谱分析、新基因发现、基因突变及多态性分析、基因组文库作图、疾病诊断和预测、药物筛选、基因测序等。用生物芯片来进行寻找药物靶标，查检药物的毒性或副作用，进行超高通量药物筛选研究可以省略大量的动物试验，缩短药物筛选所用的时间，将使新药研究开发和传统中药的成分评估获得重大突破。此外生物芯片技术还可以用于治疗，例如已开发出在４平方毫米的芯片上布满400根有药物的针，定时定量为病人进行药物注射。另外，科学家还在考虑制作定时释放胰岛素治疗糖尿病的生物芯片微泵及可以置入心脏的芯片起搏器等。

生物芯片技术一诞生，就引起了科技界、各国政府和商界的高度重视，各发达国家的政府和企业财团纷纷斥巨资投资生物芯片技术的研究与开发。我国从1997年开始注意到其迅猛的发展和潜在的巨大市场。我校领导正是抓住了这一发展机遇，果断决策，从美国引进了在生物芯片领域已作出了杰出成就的科学家程京博士到清华大学工作，并依托清华大学理工交叉的优势，成立了跨系、所、跨学科的生物芯片研究与开发中心。中心成立以后，得到了国家自然科学基金重点项目、杰出青年科学基金、863高技术项目生物芯片研究专项，国家重大基础科学研究项目（973）、清华大学百人人才引进工程项目以及清华大学建设世界一流大学重点基金项目等的支持。2000年2月29日是我国生物芯片领域的一个值得纪念的日子，程京博士应邀到中南海为国务院办公厅举办的第十次科技讲座汇报时，向国家领导人提出建议：“希望国家采取倾斜政策，从国内外抽调、招聘一批从事生物芯片研究的科技人才，在北京中关村组建一个由多学科研究人员组成的国家生物芯片工程研究中心，针对国外发展状况，拟定我国自己的发展计划，发展有我国自主知识产权的生物芯片技术”。他的建议马上得到了国务院领导的支持，经过半年的紧张筹备，国家生物芯片工程研究中心已在2000年11月挂牌成立。

那么什么是生物芯片？生物芯片是指能进行各种生物反应具有多种操作功能（如样品制备、生化反应、分离检测或亲和结合检测）、能对DNA/RNA分子、蛋白分子、活体细胞乃至人体软组织等进行快速并行处理和分析的微器件，其材料可以是半导体工业中常用的硅以及其他材料如玻璃、陶瓷或塑料等。目前生物芯片（Biochip）主要有两种，一种是被动式的、另一种是主动式的。被动式生物芯片是指芯片上所进行的生化反应是依靠样品分子的扩散运动而被动实现的。被动生物芯片存在着反应时间长、分析灵敏度低和无法对构成生物芯片的单个位点（或称单元）进行温度、电场、磁场等的产生、消失及强弱控制等问题，因此它很难进一步实现从样品制备到结果检测的分析系统整体、微型化以及降低成本和提高批处理量。另一类为主动式生物芯片，它采用了较多的微电子加工技术，使得人们能够在芯片上进行微流体操纵、核酸扩增反应、毛细管电泳。象美国Nanogen公司的电子生物芯片利用微电极所产生的电场、定向操纵参加反应的生物样品分子，使生化反应速度和检测灵敏度大大提高。但这种芯片存在着下述四个缺点：一是微电极通电时电化学会使局域pH值发生改变，从而给配基和样品分子带来损害；另一个是为了让生物分子能在溶液电场中作有效迁移，所使用的溶液必须具有非常低的导电率，这样一来在缓冲液的选择上就有了很大的局限；再一个是电极表面复杂的电化学反应使系统分析的复现性难以提高；还有一个缺点是该方法它只能输运性能比较均一的生物大分子，由于生物大分子的等电点不同，在某一特定溶液的pH下，不同生物大分子如DNA和蛋白质所带电荷的多少及电性会不同。因此，该方法不能同时沿同一方向输运带不同电荷的生物大分子。我们在分析了以上技术的优缺点的基础，利用电流产生磁场的原理，发明了一种可单点选通式电磁单元阵列芯片，该芯片可以通过控制阵列中各单元电磁场的开通、关断并结合生物分子的磁性修饰以达到对生物分子的定向操作和定向释放，从而使生化分析灵敏度高、反应时间短，并且对生物分子的损害小、可供反应选择的缓冲溶液范围宽、分析结果复现性好等优点，此技术为国际首创。此外我们所研发的芯片微孔板细胞旋转检测技术也为国际首创。这种技术结合细胞受药物作用后其细胞膜性质发生改变的特性，利用介电电场，探测细胞旋转的差异性。用此芯片，可快速地对药物对细胞的作用进行探测，它可以对细胞的成分变化、细胞表面的受体、细胞内信号传递系统以及基因调控系统进行特异性检测。从而快速超高通量的筛选药物。

此外我们研制出了用于生物芯片的制作和检测的微阵列样品分配系统、非扫描式双激光诱发荧光检测系统和共焦扫描式双激光诱发荧光检测系统，合成出多种新型纳米生物分子标记物和微米材料制作的生物载体，研发出了新颖的DNA探针固定化技术。在国际和国内申请十多项关于主动式生物芯片的专利，并已在美国发起成立了一家生物芯片公司。

程京博士及其研究中心的工作和取得的研究成果受到了国内外同行的广泛关注。美国的Science杂志和Nature Technology 杂志专门作了报道。电磁生物芯片也被评为2000年中国十大科技进展新闻之一。