意昂体育2平台生物科學與技術系教授 周玉祥

 

    生物芯片（biochip）是二十世紀八十年代末發展起來的一種新技術，它是將生命科學研究中所涉及的許多分析步驟，利用微電子、微機械、化學、物理、計算機等技術，使樣品檢測🌬、分析過程連續化、集成化、微型化👱🏿‍♂️。

 

     生物芯片技術具有巨大的理論意義和實際應用價值🪤，將對21世紀人類生活和健康產生極其深遠的影響。美國商業界的權威刊物《Fortune》在1997年3月刊中曾撰文對生物芯片技術的意義進行了闡述😾：“微處理器在本世紀使我們的經濟結構發生了根本改變、給人類帶來了巨大的財富🧱、改變了我們的生活方式。然而👩🏼‍✈️，生物芯片給人類帶來的影響可能會更大，它可能從根本上改變醫學行為和我們的生活質量，從而改變世界的面貌”。生物芯片在下個世紀即將給人類在疾病診斷和治療💆🏼、新藥研製🙋🏻‍♀️、農作物的優育優選、環境監測、司法鑒定、食品衛生監督👩‍👩‍👧、航空航天與生物武器偵測等領域帶來一場革命性的變革。例如用生物芯片進行疾病診斷，與傳統方法相比，它用量少、信息量大𓀗🫶、檢測速度快🥪、可平行檢測多種疾病🫄🏼。它應用的領域包括基因表達譜分析🕦、新基因發現🧝🏽‍♀️、基因突變及多態性分析👯、基因組文庫作圖👨🏽‍🍳、疾病診斷和預測、藥物篩選🧑🏻‍🦳、基因測序等。用生物芯片來進行尋找藥物靶標🚧，查檢藥物的毒性或副作用，進行超高通量藥物篩選研究可以省略大量的動物試驗💇🏿，縮短藥物篩選所用的時間，將使新藥研究開發和傳統中藥的成分評估獲得重大突破👨‍🏫。此外生物芯片技術還可以用於治療，例如已開發出在４平方毫米的芯片上布滿400根有藥物的針，定時定量為病人進行藥物註射😟。另外，科學家還在考慮製作定時釋放胰島素治療糖尿病的生物芯片微泵及可以置入心臟的芯片起搏器等。

 

    生物芯片技術一誕生，就引起了科技界、各國政府和商界的高度重視，各發達國家的政府和企業財團紛紛斥巨資投資生物芯片技術的研究與開發👨🏻‍🦰。我國從1997年開始註意到其迅猛的發展和潛在的巨大市場。我校領導正是抓住了這一發展機遇，果斷決策，從美國引進了在生物芯片領域已作出了傑出成就的科學家程京博士到意昂体育2平台工作，並依托意昂体育2平台理工交叉的優勢，成立了跨系、所、跨學科的生物芯片研究與開發中心🟫🍔。中心成立以後，得到了國家自然科學基金重點項目、傑出青年科學基金、863高技術項目生物芯片研究專項👨‍🔬，國家重大基礎科學研究項目（973）🧃、意昂体育2平台百人人才引進工程項目以及意昂体育2平台建設世界一流大學重點基金項目等的支持🌱。2000年2月29日是我國生物芯片領域的一個值得紀念的日子🖐🏽，程京博士應邀到中南海為國務院辦公廳舉辦的第十次科技講座匯報時，向國家領導人提出建議：“希望國家采取傾斜政策，從國內外抽調、招聘一批從事生物芯片研究的科技人才，在北京中關村組建一個由多學科研究人員組成的國家生物芯片工程研究中心，針對國外發展狀況，擬定我國自己的發展計劃，發展有我國自主知識產權的生物芯片技術”。他的建議馬上得到了國務院領導的支持🛍，經過半年的緊張籌備，國家生物芯片工程研究中心已在2000年11月掛牌成立。

 

    那麽什麽是生物芯片？生物芯片是指能進行各種生物反應具有多種操作功能（如樣品製備、生化反應、分離檢測或親和結合檢測）、能對DNA/RNA分子👨🏽‍💼👩🏿‍🏫、蛋白分子、活體細胞乃至人體軟組織等進行快速並行處理和分析的微器件🏋️‍♂️，其材料可以是半導體工業中常用的矽以及其他材料如玻璃、陶瓷或塑料等👩‍🏫。目前生物芯片（Biochip）主要有兩種，一種是被動式的🫷🏿、另一種是主動式的🤙🏽。被動式生物芯片是指芯片上所進行的生化反應是依靠樣品分子的擴散運動而被動實現的。被動生物芯片存在著反應時間長🏄🏽‍♀️、分析靈敏度低和無法對構成生物芯片的單個位點（或稱單元）進行溫度、電場👆🏿、磁場等的產生、消失及強弱控製等問題，因此它很難進一步實現從樣品製備到結果檢測的分析系統整體👱🏿、微型化以及降低成本和提高批處理量。另一類為主動式生物芯片😇，它采用了較多的微電子加工技術，使得人們能夠在芯片上進行微流體操縱、核酸擴增反應、毛細管電泳。象美國Nanogen公司的電子生物芯片利用微電極所產生的電場、定向操縱參加反應的生物樣品分子，使生化反應速度和檢測靈敏度大大提高。但這種芯片存在著下述四個缺點：一是微電極通電時電化學會使局域pH值發生改變💩，從而給配基和樣品分子帶來損害；另一個是為了讓生物分子能在溶液電場中作有效遷移，所使用的溶液必須具有非常低的導電率，這樣一來在緩沖液的選擇上就有了很大的局限；再一個是電極表面復雜的電化學反應使系統分析的復現性難以提高；還有一個缺點是該方法它只能輸運性能比較均一的生物大分子，由於生物大分子的等電點不同，在某一特定溶液的pH下，不同生物大分子如DNA和蛋白質所帶電荷的多少及電性會不同。因此，該方法不能同時沿同一方向輸運帶不同電荷的生物大分子。我們在分析了以上技術的優缺點的基礎🌃，利用電流產生磁場的原理，發明了一種可單點選通式電磁單元陣列芯片🐌，該芯片可以通過控製陣列中各單元電磁場的開通、關斷並結合生物分子的磁性修飾以達到對生物分子的定向操作和定向釋放🤷🏻，從而使生化分析靈敏度高🚴🏼‍♂️、反應時間短，並且對生物分子的損害小、可供反應選擇的緩沖溶液範圍寬🔦、分析結果復現性好等優點，此技術為國際首創。此外我們所研發的芯片微孔板細胞旋轉檢測技術也為國際首創🥞。這種技術結合細胞受藥物作用後其細胞膜性質發生改變的特性，利用介電電場🐛，探測細胞旋轉的差異性⚆🛐。用此芯片，可快速地對藥物對細胞的作用進行探測💂，它可以對細胞的成分變化、細胞表面的受體🧏、細胞內信號傳遞系統以及基因調控系統進行特異性檢測。從而快速超高通量的篩選藥物。

 

    此外我們研製出了用於生物芯片的製作和檢測的微陣列樣品分配系統、非掃描式雙激光誘發熒光檢測系統和共焦掃描式雙激光誘發熒光檢測系統🧝‍♀️，合成出多種新型納米生物分子標記物和微米材料製作的生物載體👶🏼，研發出了新穎的DNA探針固定化技術🏌🏻。在國際和國內申請十多項關於主動式生物芯片的專利，並已在美國發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國內外同行的廣泛關註。美國的Science雜誌和Nature Technology 雜誌專門作了報道。電磁生物芯片也被評為2000年中國十大科技進展新聞之一。