生物芯片作为一门新兴的高技术产业和战略性新兴产业的一个分支，经历了短短25年的发展展示了巨大潜力，除了应用到基因测序以及系统生物学以外，也为疾病的分子诊断、药物开发、食品安全监测、环境监测、司法鉴定等领域提供了广阔的平台。

　　生物芯片技术的诞生

　　人类基因组计划（Human genome project, HGP）的开展，使得我们对生命活动的本质有了更深刻的认识。DNA测序往往需要耗费大量的时间及金钱，生命科学领域亟须研发出能同时大规模低成本处理生物样品和解析生物信息的新技术。在电子信息科学与生物化学学科交叉、不断深入的基础上，诞生了生物芯片技术，目前生物芯片成为国际前沿技术领域的研究热点，也是国家战略新兴技术的一部分。1991年Fodor发表在Science上的科学论文首次提出“生物芯片”（Biochip）这个概念。最初有关“生物芯片”的研究着眼于DNA芯片，DNA芯片只是生物芯片技术的一部分，经过近20年的发展，生物芯片的范围已经远远超出了DNA芯片。

　　根据生物芯片的结构及工作原理，可以将其分为两类。第一类是由生物材料微阵列（Microarray）构成的芯片，包括DNA芯片（Gene chip）、蛋白质芯片（Protein chip）、细胞芯片（Cell chip）、组织芯片（Tissue chip），这类芯片以亲和结合技术为核心，在芯片表面固定一系列可寻址的识别分子阵列为结构特征。第二类是以各种微结构为基础的微流控芯片（Microfluidics chip），又称为芯片实验室（Lab-on-a-chip），是由早期的微全分析系统（Miniaturized Total analysis Systems, u-TAS）发展而来，主要以分析化学与分析生物化学为基础，以微机电加工技术为依托，以微管道网络为结构特征，涉及将采样、预处理、加试剂、反应、分离和检测等集成在微芯片上进行的新技术——微流体技术。这类芯片的代表有毛细管电泳芯片、PCR反应芯片、介电电泳芯片等。该技术具有集成性、速度快、高通量、能耗低、物耗少、污染小、廉价、安全等优点。因此，微流控分析系统在微型化、集成化和便携化方面的优势为其在生物医学研究、药物合成筛选、环境监测与保护、卫生检疫、司法鉴定、生物试剂监测等众多领域的应用提供了极为广阔的前景。

　　从以上列举的生物芯片来归纳，生物芯片的定义为：生物芯片是能够并行快速处理多个生物样品对其所包含的各种生物信息进行解析的微型器件，具有低成本、自动化、微型化的特征。它的加工运用了半导体产业熟练的光刻技术和微机系统加工中所采用的各种方法，其所处理和分析的对象是生物样品。

　　为了更直观地了解生物芯片技术，该文给出意法半导体（STMicroelectronic）商业化的生物芯片产品Q3，下图中为实时的聚合酶链式反应（PCR）生物芯片。该芯片实验室是一个完全独立的模块化系统，内部整合了生物化学元素及电子半导体制备技术。PCR实验只需把此芯片放入特定的加热读取装置，再链接相关的生物信息分析软件，一个完整的生物反应实验会在短时间内完成。

　　生物产业与信息产业的融合

　　1991年美国Affymax 公司开始生物芯片的研制。1992年从Affymax 派生出来世界上第一家专门生产生物芯片的公司Affymetrix 宣告成立。该公司的Stephen Forder 及其同事发明了一种利用原位光刻技术在固相支持物上光导合成多肽的方法，在此基础上于1993年设计了一种寡核苷酸生物芯片，1994年制造出了世界上第一块商业化的微阵列式基因芯片。1996年，美国Caliper 公司开发出了微型集成毛细血管电泳芯片，并于1999年推出生物芯片系统，该系统可以将传统的凝胶电泳实验和分析技术进行转载并微缩，自动完成样品分配、混合、保温、反应、电泳分离和检测分析，故该系统被称为芯片实验室。又因该系统与微点阵芯片技术相比，样品在分析过程中处于流动状态，故又称此种芯片为微流控芯片，称此分析系统为微流芯片分析仪。

　　微流控技术由1990年瑞士CIBA-GEIGY 公司的Manz首次提出，当时的设想是发展一种可将化学分析所需的全部部件和操作集成在一起的微型器件，即m-TAS。1993年Manz 和Harrison等在平板微芯片上实现了毛细管电泳和流动注射分析，借电渗流实现了混合荧光染料样品注入与电泳分离。1994年开始，美国Oak Ridge National Laboratory Ramsey在Manz等人的工作基础上改进了芯片毛细管电泳的进样方法。1995年美国加州大学在Microfluidics chip 上实现了基因测序，标志着芯片的应用开发进入了新阶段。之后的阶段，生物芯片企业纷纷与世界著名ICT企业合作，利用各自的优势技术平台合作开发产品。例如，1999年9月，Caliper 与Agilent（HP 分离出来的子公司）联合研制推出了首台微流控芯片商品化仪器，并开始在欧美市场销售。同时生物芯片企业与大型生物医药公司合作开发更多应用性的产品。生物芯片的制造技术传承了传统的半导体加工技术，但是生物芯片的微结构表面处理包含了更多的生物化学知识。

　　生物芯片产业是生物产业与信息产业融合形成的新兴产业，具有产业融合发展的显著特征。生物技术和信息技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术，二者融合形成的生物芯片产业也具有战略性新兴产业的显著特征。生物芯片技术是融合型技术，具体来看是运用了半导体产业光刻及微机电系统技术来进行的生物样品的检测、处理与分析，是半导体技术与生物技术的融合。生物芯片技术是突破性创新技术，其诞生源于技术融合。另外，生物芯片产业是融合型产业。在这个新兴的产业中，不仅包括基于新兴技术诞生的新企业，且已存的ICT企业及生物医药企业也参与进来。产业间打破了已有清晰的界限，出现了互相介入、竞争又合作的非线性关系。产业融合的外在表现即产业重组，生物芯片产业中产业间重组活动明显，即产生了跨产业间的非线性结构。不同产业类型企业依据自身的技术与资源特点，互补融合相关技术资源，快速进入到新兴产业的发展中来。根据对生物芯片企业财务数据的统计，2000年11个生物芯片企业净收益总和达25亿美元，到2013年14个生物芯片企业净收益总和达82亿，每年以平均23%的速度增长。

　　（作者单位：江苏大学财经学院）