1998年時任美國總統的克林頓指出，“未來十二年，基因芯片將為我們一生中的疾病預防指點迷津”。1998年至今已過去二十年，基因芯片是否真的為我們的疾病預防指點迷津？答案是肯定的！而且不僅是疾病預防的指南針，未來還將擁有更為廣闊的用武之地。

1.什么是生物芯片？

生物芯片的概念來自計算機芯片，一般指通過平面微細加工技術，將生物活性大分子高密度固定于固體芯片表面等載體所形成的微型生物化學分析系統。

與計算機芯片相比，都是在微小尺寸上具有海量的數據信息。不同的是，生物芯片布列眾多生物探針分子，進而對生物活性大分子準確、快速、大信息量的檢測；而計算機芯片是多種電子元器件的集成，作為計算機或其他電子設備最重要的部分，承擔運算和存儲功能。

（1）三大特點。一是高通量，可一次并行對幾十萬到幾百萬條樣品進行檢測，效率是傳統檢測方法的成百上千倍。二是微型化，試劑用量和反應液體積較少，可提高樣品濃度和反應速度。三是自動化，人工成本降低，人工失誤機會減少，可提高質量。

（2）分類。從結構來看，可分為微陣列芯片和微流控芯片，其中前者根據生物材料種類又可分為基因芯片、蛋白質芯片等，因這類芯片主要是獲得大量信息，故又稱為信息生物芯片；后者因操作簡單、檢驗快速，被稱為功能生物芯片。從作用方式來看，微陣列芯片需通過生物信息學進行數據挖掘分析，屬于被動式芯片，微流控芯片將多個實驗步驟集成、一步反應主動完成，屬于主動式芯片。

（3）工作原理。利用特異性的分子間相互作用，將待測樣品標記后與生物芯片反應，樣品中的標記分子與芯片上的探針對號入座，標記的待測樣本與之結合、反應后，通過檢測掃描手段獲取信息，經計算機系統處理，分析得到信號值。具體實施步驟如圖1所示：

圖1.生物芯片工作原理示意圖

（4）所用技術。生物芯片技術涉及領域眾多，涵蓋生物、醫學、材料學、（微）加工、制造、微流體力學、電子學、儀器分析化學、傳感器學、電化學、光學、信號采集與處理、軟件設計、數字圖像處理等，反應信號的檢測是技術核心。具體涉及技術圖2所示：

圖2.生物芯片所涉及技術領域

2. 生物芯片發展情況

（1）發展歷程。1980s初，生物芯片首次被美國提出，當前，美國引領全球市場發展，行業處于大規模擴張期。我國起步較晚，1997年之前該領域尚為空白，1998年中科院將基因芯片列為“九五”特別支持項目，目前處于發展期。具體發展階段如圖3所示：

圖3.全球及我國生物芯片發展歷程

（2）市場規模。2015年全球市場約47億美元，并正以逾30%的速度增長，2020年市場將達184億美元。我國自2008年以來，市場一直以40%的速度快速增長，預計2020年市場規模可達57億美元，屆時將占全球市場約1/3。具體市場情況如圖4所示：

圖4.2008-2020年全球及我國生物芯片市場情況（單位：億美元）

（3）應用領域。在生命科學、農業、環境科學等與生命活動有關的領域中均有重大應用，尤其是在疾病診斷、預防醫學、新藥開發等領域，需求市場極為廣闊。目前，疾病診斷領域，可為傳染病、腫瘤、心腦血管等疾病的個性化治療提供精準、快速、經濟的檢測，便于醫生精準診斷并實施精準醫療。具體應用如圖5所示：

圖5.生物芯片主要應用領域

企業布局。全球領先機構多誕生于美國，極具代表性的包括昂飛、安捷倫、珀金埃爾默、illumina等，國內多分布于高校院所或創新資源密集之地，目前形成以北京、上海兩個國家工程研究中心為龍頭，天津、西安、南京、深圳、哈爾濱等地近50家研發機構和30多家企業蓬勃發展的局面。

——國際龍頭在技術、產品、服務、儀器等各方面都處于領先地位，尤其是在基因芯片領域，具體如圖7所示：

圖7.生物芯片國際巨頭優勢領域

3. 生物芯片發展制約因素及未來趨勢

（1）制約因素。目前生物芯片發展主要受三方面因素制約：一是成本問題，蛋白芯片除了多肽外還難以做到高通量的化學合成，導致其成本仍居高不下，微陣列芯片一般為一次性使用，回收再利用困難，微流控芯片可重復使用十至千次，但維護費用較高。二是技術制約，芯片集成度越高，所用反應物量越少，產生信號越弱，對檢測器精度要求就越高，而且國內微加工技術、結果掃描、數據處理分析等技術都亟需提升。三是應用市場開發不足，目前目標用戶多為科研機構和少量醫院，大眾市場尚未打開。

（2）發展趨勢。從技術看，自動化、集成化、微型化、微量化、定量化和數據庫完善化是發展方向。從產品看，以基因芯片為主的局面想蛋白質芯片、組織芯片、細胞芯片等全面發展，尤其是蛋白質芯片，隨著抗原抗體制備技術的進步，有可能成為繼基因芯片后的另一種重要芯片。從應用看，未來不僅在臨床診斷、疾病預防、藥物開發等大健康領域有廣泛應用，食品安全、農林科學等多個市場也將打開。

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