生物芯片技术起源于核酸分子杂交。所谓生物芯片一般指高密度固定在互相支持介质上的生物信息分子（如基因片段、DNA片段或多肽、蛋白质）的微阵列杂交型芯片（micro-arrays），阵列中每个分子的序列及位置都是已知的，并且是预先设定好的序列点阵。微流控芯片（microfluidic chips）和液态生物芯片是比微阵列芯片后发展的生物芯片新技术，生物芯片技术是系统生物技术的基本内容。
生物芯片技术是目前应用前景最好的DNA分析技术之一，分析对象可以是核酸、蛋白质、细胞、组织等。目前全世界用生物芯片进行疾病诊断还处于研究阶段，国外已将其用于观察癌基因及肌萎缩等一些遗传病基因的表达和突变情况。
“生物芯片”，又称生物集成膜片，其概念来自计算机芯片，它是分子生物学技术 (如核酸序列测定技术、核酸探针技术等)与计算机技术等相结合而发展起来的一项分子生物学技术。
狭义的生物芯片是将生物分子(寡聚核苷酸、cDNA、基因组DNA、多肽、抗原、抗体等)固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵，待分析样品中的生物分子与生物芯片的探针分子发生杂交或相互作用后，利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行检测和分析。
广义的生物芯片是指能对生物成分或生物分子进行快速并行处理和分析的厘米见方的固体薄型器件，其主要种类有微阵列芯片、过滤分离芯片、介电电泳分离芯片、生化反应芯片和毛细管电泳芯片等。生物活性物质相当微小，有的要以纳米计，以点阵的方式排列在硅基上，很像计算机的芯片，所以科学家形象地将它取名为“生物芯片”。
基因芯片又称为DNA微阵列(DNA microarray)，可分为三种主要类型：1）固定在聚合物基片（尼龙膜，硝酸纤维膜等）表面上的核酸探针或cDNA片段，通常用同位素标记的靶基因与其杂交，通过放射显影技术进行检测。这种方法的优点是所需检测设备与目前分子生物学所用的放射显影技术相一致,相对比较成熟。但芯片上探针密度不高，样品和试剂的需求量大，定量检测存在较多问题。2）用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列，通过与荧光标记的靶基因杂交进行检测。这种方法点阵密度可有较大的提高，各个探针在表面上的结合量也比较一致，但在标准化和批量化生产方面仍有不易克服的困难。3）在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核苷酸探针阵列,与荧光标记的靶基因杂交进行检测。该方法把微电子光刻技术与DNA化学合成技术相结合，可以使基因芯片的探针密度大大提高，减少试剂的用量，实现标准化和批量化大规模生产，有着十分重要的发展潜力。
图11-5-2 基因芯片原型
它是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。基因芯片通过应用平面微细加工技术和超分子自组装技术，把大量分子检测单元集成在一个微小的固体基片表面，可同时对大量的核酸和蛋白质等生物分子实现高效、快速、低成本的检测和分析。
由于尚未形成主流技术，生物芯片的形式非常多，以基质材料分，有尼龙膜、玻璃片、塑料、硅胶晶片、微型磁珠等；以所检测的生物信号种类分，有核酸、蛋白质、生物组织碎片甚至完整的活细胞；按工作原理分类，有杂交型、合成型、连接型、亲和识别型等。由于生物芯片概念是随着人类基因组的发展一起建立起来的，所以至今为止生物信号平行分析最成功的形式是以一种尼龙膜为基质的“cDNA阵列”，用于检测生物样品中基因表达谱的改变。
基因芯片,也叫DNA芯片,是在90年代中期发展出来的高科技产物.基因芯片大小如指甲盖一般,其基质一般是经过处理后的玻璃片.每个芯片的基面上都可划分出数万至数百万个小区.在指定的小区内,可固定大量具有特定功能、长约20个碱基序列的核酸分子（也叫分子探针）.
由于被固定的分子探针在基质上形成不同的探针阵列,利用分子杂交及平行处理原理,基因芯片可对遗传物质进行分子检测,因此可用于进行基因研究、法医鉴定、疾病检测和药物筛选等.基因芯片技术具有无可比拟的高效、快速和多参量特点,是在传统的生物技术如检测、杂交、分型和DNA测序技术等方面的一次重大创新和飞跃.
基因芯片在生命科学、医药研究、环境保护和农业等领域有极其重要的应用价值.在基因芯片的驱动下,人类正进入一个崭新的生物信息时代.
基因破译
目前,由多国科学家参与的“人类基因组计划”,正力图在21世纪初绘制出完整的人类染色体排列图.众所周知,染色体是DNA的载体,基因是DNA上有遗传效应的片段,构成DNA的基本单位是四种碱基.由于每个人拥有30亿对碱基,破译所有DNA的碱基排列顺序无疑是一项巨型工程.与传统基因序列测定技术相比,基因芯片破译人类基因组和检测基因突变的速度要快数千倍.
基因芯片的检测速度之所以这么快,主要是因为基因芯片上有成千上万个微凝胶,可进行并行检测；同时,由于微凝胶是三维立体的,它相当于提供了一个三维检测平台,能固定住蛋白质和DNA并进行分析.
美国正在对基因芯片进行研究,已开发出能快速解读基因密码的“基因芯片”,使解读人类基因的速度比目前高1000倍.图1所示为一种内嵌基因芯片的基因检测装置.
图1 内嵌基因芯片的基因检测装置
基因诊断
通过使用基因芯片分析人类基因组,可找出致病的遗传基因.癌症、糖尿病等,都是遗传基因缺陷引起的疾病.医学和生物学研究人员将能在数秒钟内鉴定出最终会导致癌症等的突变基因.借助一小滴测试液,医生们能预测药物对病人的功效,可诊断出药物在治疗过程中的不良反应,还能当场鉴别出病人受到了何种细菌、病毒或其他微生物的感染.利用基因芯片分析遗传基因,将使10年后对糖尿病的确诊率达到50％以上.
未来人们在体检时,由搭载基因芯片的诊断机器人对受检者取血,转瞬间体检结果便可以显示在计算机屏幕上.利用基因诊断,医疗将从千篇一律的“大众医疗”的时代,进步到依据个人遗传基因而异的“定制医疗”的时代.
基因环保
基因芯片在环保方面也大有可为.基因芯片可高效地探测到由微生物或有机物引起的污染,还能帮助研究人员找到并合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因.这种对环境友好的基因一旦被发现,研究人员将把它们转入普通的细菌中,然后用这种转基因细菌清理被污染的河流或土壤.
基因计算
DNA分子类似“计算机磁盘”,拥有信息的保存、复制、改写等功能.将螺旋状的DNA的分子拉直,其长度将超过人的身高,但若把它折叠起来,又可以缩小为直径只有几微米的小球.因此,DNA分子被视为超高密度、大容量的分子存储器.
基因芯片经过改进,利用不同生物状态表达不同的数字后还可用于制造生物计算机.基于基因芯片和基因算法,未来的生物信息学领域,将有望出现能与当今的计算机业硬件巨头――英特尔公司、软件巨头――微软公司相匹敌的生物信息企业.
基因芯片（Gene Chip）准确的讲（或者说是狭义的基因芯片）是指DNA芯片（DNA Chip）,其原理是指利用现代探针固相原位合成技术、照相平板印刷技术、高分子合成技术等微电子技术把大量分子生物学技术（包括南北印迹技术、探针杂交技术、PCR等）具体而微的固定在一定狭小的空间内,以实现高速度、高通量、集约化和低成本的分析技术.基因芯片的概念现已泛化到生物芯片（biochip）、微阵列（Microarray）、DNA芯片（DNA chip）,甚至蛋白芯片.
由于基因芯片高速度、高通量、集约化和低成本的特点,基诞生以来就受到科学界的广泛关注,正如晶体管电路向集成电路发展的经历一样,分子生物学技术的集成化正在使生命科学的研究和应用发生一场革命.
科学家们经研究发现，蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成集成电路，称为生物芯片。使用生物芯片的计算机称为蛋白质电脑，或称为生物电脑。科学家们已经研制出利用蛋白质团来制造的开关装置有：合成蛋白芯片、遗传生成芯片、红血素芯片等。用蛋白质制造的电脑芯片，在一平方毫米面积上可容纳数亿个电路。因为它的一个存储点只有一个分子大小，所以存储容量可达到普通电脑的10亿倍。蛋白质构成的集成电路大小只相当于硅片集成电路的十万分之一，而且运转速度更快，只有10秒，大大超过人脑的思维速度；生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息速度也比人脑思维速度快100万倍。生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低，且具有生物的特点，具有自我组织自我修复的功能。它可以与人体及人脑结合起来，听从人脑指挥，从人体中吸收营养。把生物电脑植入人的脑内，可以使盲人复明，使人脑的记忆力成千万倍地提高；若是植入血管中，则可以监视人体内的化学变化，使人的体制增强，使残疾人重新站立起来。美国已研究出可以用于生物电脑的分子电路。它由有机物质的分子组成，由分子导线组成的显微电路，只有现代电脑电路的千分之一大小。
