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第4章 什么是生物芯片

1.生物芯片

什么是生物芯片呢?简单说,生物芯片就是在一块玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品,然后由一种仪器收集信号,用计算机分析数据结果。生物芯片像花布一样五彩斑斓。人们可能很容易把生物芯片与电子芯片联系起来,其实,生物芯片和电子芯片有着千丝万缕的联系,但是完全不同的两种东西。生物芯片并不等同于电子芯片,只是借用概念,它的原名叫“核酸微阵列”,因为它上面的反应是在交叉的纵列中所发生。

芯片的概念取之于集成的概念,如电子芯片的意思就是把大的东西变成小的东西,集成在一起。生物芯片也是集成,不过是生物材料的集成。像实验室检测一样,在生物芯片上检查血糖、蛋白、酶活性等,是基于同样的生物反应原理。所以生物芯片就是一个载体平台。这个平台的材料则有很多种,如硅、玻璃、膜(纤维素膜)等,还有一些三维结构的多聚体,平台上则密密麻麻地摆满了各种生物材料。芯片只是一个载体,做什么东西、检测什么,还是靠生物学家来完成。也就是说,原来要在很大的实验室中需要很多个试管的反应,现在被移至一张芯片上同时发生了。

2.生物芯片技术世界发展史

生物芯片这一名词最早是在20世纪80年代初提出的,当时主要指分子电子器件。它是生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术,主要是指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统,以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。美国海军实验室研究员卡特(Carter)等试图把有机功能分子或生物活性分子进行组装,想构建微功能单元,实现信息的获取、贮存、处理和传输等功能。用以研制仿生信息处理系统和生物计算机,从而产生了“分子电子学”,同时取得了一些重要进展:如分子开关、分子贮存器、分子导线和分子神经元等分子器件,更引起科学界关注的是建立了基于DNA或蛋白质等分子计算的实验室模型。

3.生物芯片技术大事记录

1992年人们运用半导体照相平板技术,对原位合成设备的DNA芯片作了首次报道,这是世界上第一块基因芯片;

1993年科研人员设计了一种寡核苷酸生物芯片;

1994年科学家又提出用光导合成的寡核苷酸芯片进行DNA序列快速分析;

1996年人们灵活运用了照相平板印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸合成及荧光标记探针杂交等多学科技术创造了世界上第一块商业化的生物芯片;

1995年,斯坦福大学布朗(P。Brown)实验室发明了第一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片。

2001年,全世界生物芯片市场已达170亿美元,用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元。

2000~2004年的5年内,在应用生物芯片的市场销售达到200亿美元左右。2005年,仅美国用于基因组研究的芯片销售额即达50亿美元,2010年有可能上升为400亿美元,这还不包括用于疾病预防及诊治及其他领域中的基因芯片,部分预计比基因组研究用量还要大上100倍。因此,基因芯片及相关产品产业将取代微电子芯片产业,成为21世纪最大的产业。

2004年3月,英国著名咨询公司弗若斯特·沙利文(Frost&Sulivan)公司出版了关于全球芯片市场的分析报告《世界DNA芯片市场的战略分析》。报告认为,全球DNA生物芯片市场每年平均增长6.7%,2003年的市场总值是5.96亿美元,2010年将达到937亿美元。纳侬市场(Nano Markets)调研公司预测,以纳米器械作为解决方案的医疗技术将在2009年达到13亿美元,并在2012年增加到250亿美元,而其中以芯片实验室最具发展潜力,市场增长率最快。

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