「生物晶片」的昨天、今日、明天

2020年 5月9日，我國 工信部 對外通報了對一批重大前沿學科支持力度的布署。合成生物學，被選列其中。這一布署，將使我國合成生物學的研發迎來「風口」，而且「生物晶片」的應用也將隨之進入快車道。

一，「生物晶片」的昨天。

「生物晶片」是上世紀90年代迅猛發展起來的科學技術之一。是得益於DNA雜交探針技術與大規模集成電路的微陣列技術的結合而起源。

DNA是 「生物晶片」的核心元素。因DNA的核苷酸中的鹼基，排列順序是固定、重複、還有極其規則的方向，生物晶片正是在基於DNA特性上，用DNA探針雜交技術原理而研發的。

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製備生物晶片的方法：是將大量探針分子有序、高密度的排列在載玻片等載體上，與用同位素或螢光等方法進行標記的其它樣品分子進行雜交，然後通過檢測每個探針分子的雜交信號強度，用電腦分析、讀取樣品分子的數量和序列信息的一種技術。

生物晶片也可稱為 「蛋白晶片」或者是「基因晶片」，但都屬於 DNA微陣列晶片，是目前採用合成生物學製備晶片的主流技術之一。它融合交匯了多項前沿學科的新技術，因採用了微電子學的並行計算、處理和高密度集成的慨念，因此也具有高效運算、高容量存儲信息的特點。

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雖然生物晶片和微電子晶片，都是在很微小的載體上賦有海量的數據信息，但卻是兩種性質完全不同的晶片。微電子晶片上集成的是半導體電子單元、生物晶片上布列的是生物探針分子。兩者相比，生物晶片輸送信息時阻抗更小、耗能比較低，還具有生物自我組織修復的功能。在可集成度、並行計算、數據智能吞吐等功能上也不亞於微電子晶片，所以能受到需進行信息探測採集、分析運算、處理使用者的青睞。

囿於原位材料組織和採集、合成製備技術、設施等因素，生物晶片雖然 「名氣」很大，應用卻不廣。僅被一些科研單位、醫療機構等單位有限使用。

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二，「生物晶片」的今日。

西方國家自始迄今未停止過對合成生物學的研究和應用，技術上巳遙遙領先。

至2019年底，美國已能掌握1000多種新型生物分子的合成方法，巳可採用生物方式批量生產生物材料和燃料、藥物等物質。巳研究出可用於生物電腦的分子電路。它由有機物分子組成，是分子導線組成的顯微電路，體積只有現代電腦的千分之一。

美國利用 合成生物學 開發的 「類腦晶片」，巳能模仿 人腦信息 處理 方式，以極低功耗對信息進行異步及並行、分布式處理，具備感知、識別、學習等多種能力。數據處理和圖像識別能力達到了傳統計算機的數百倍，由此可見「生物晶片」功 能之強悍。

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在當代高新技術中，計算機和合成生物學是兩大主力。作為計算機核心元件和網際網路、人工智慧、大數據等「核芯」的微電子晶片，至今 仍是以半導體為材料。雖然進化到了納米級，可是也快到理論上的極限了。

隨著摩爾定律接近失效，「核芯」 面臨密度受到限制的困境。一塊矽片上能排列幾千萬個微電子元件，已是匪夷所思。如再疊加，電子元件過於 「擁擠」，會產生發熱、洩漏等問題。這樣，晶片存儲容量無法進一步拓展，會影響到計算機處理信息的速度和功能，難以滿足萬物互聯時代海量數據快速連接、吞吐的要求。

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所以，採用新材料、新架構、新技術的「生物晶片」呼之欲出。

而且，要使計算機再次取得突破的趨勢，也是亟需新一代晶片來代替微電子晶片，而利用DNA作為數據存儲介質，和合成生物學設計新的智能算法，製備出新型、快速高效和功能強大的 「生物晶片」，就成了理想的選擇之一。

三，「生物晶片」的明天。

據預測：在21世紀，「生物晶片」對人類的影響可能比肩微電子晶片。

電腦儘管有驚人的運算速度和貯存信息的能力，卻仍然不及人腦聰明和具有思辨能力。。由 140億個神經細胞組成的人腦，在學習、思悟和判別控制等方面，是電腦望塵莫及的。

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現在，怎樣致力於合成生物學與高速發展的微電子結合，及融合交匯其它先進科技，提高 「生物晶片」的合成產率，是解決高密度晶片批量生產、製備的首要問題。

現不少科研單位巳在利用平面微細加工技術，疊加高產率原位DNA合成技術，來完成製備高密度 「生物晶片」，有的巳通過 仿真、驗證 和測試。今後肯定會逐步進入應用階段，走向市場。

作為高密度 「生物晶片」的設計，可能會成其發展的 「瓶頸」。需要匯聚其它科技方法、發散設計思路，驗證、明確 「生物晶片」應用功能發揮的方向。

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在技術上，可採用生物信息學的方法，依據被檢測DNA中鹼基序列特徵和檢測要求，設計出各項性能優異的 高密度晶片，是決定 「生物晶片」能否走向大規模應用的關鍵。

另外，基於 「生物晶片」所需功能物資製備要求，應加大原位合成技術研發力度，以滿足高集成度的生物功能單元高密度組裝的需要。還可為研發、批量製備 「生物晶片」備足後續物資，這應成為製備方案中應考慮的內容。

「生物晶片」的研發及相關產品「小荷才露尖尖角」。以後 作為 新一代 的晶片逐步進入應用，這是我們在期待中所希冀的。