狹義的生物芯片是將生物分子（寡聚核苷酸、cD-NA、基因組DNA、多肽、抗原、抗體等）固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝膠、尼龍膜等固相介質(zhì)上形成的生物分子點(diǎn)陣。在待分析樣品中的生物分子與生物芯片的探針?lè)肿影l(fā)生雜交或相互作用后，利用激光共聚焦顯微掃描儀對(duì)雜交信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的微流體芯片，則是將整個(gè)生化分析過(guò)程集成于芯片表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)及其他生物成分進(jìn)行高通量檢測(cè)，它是將生命科學(xué)究中所涉及的許多分析步驟，利用微電子、微機(jī)械、化學(xué)、物理技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，使樣品檢測(cè)、分析過(guò)程連續(xù)化、集成化、微型化。
目前應(yīng)用最廣泛的生物芯片是基因芯片（Gene Chip, DNA Chip, DNA Microarray）。基因芯片是基因突變分析、基因測(cè)序、基因表達(dá)研究中的高效手段之一。基因芯片的制作通常采用原位合成或合成后點(diǎn)樣的方法。在基因芯片中基因表達(dá)譜芯片的應(yīng)用最為廣泛，這種芯片可以檢測(cè)整個(gè)基因組內(nèi)的成千上萬(wàn)個(gè)，甚至數(shù)萬(wàn)個(gè)基因在mRNA表達(dá)水平的變化，但對(duì)芯片點(diǎn)陣的密度要求較高，目前由Affymetrix公司研制的基因表達(dá)譜芯片的點(diǎn)陣數(shù)可高達(dá)400000個(gè)點(diǎn)。表達(dá)譜芯片可以分析兩種或兩種以上不同細(xì)胞或組織來(lái)源的mRNA轉(zhuǎn)錄豐度的差異，通過(guò)計(jì)算雜交信號(hào)的比值和統(tǒng)計(jì)分析，可以獲得差異表達(dá)基因的信息，同時(shí)還可以用聚類分析算法研究在功能或表達(dá)調(diào)控上具有相關(guān)性的基因，最終為研究基因功能和基因遺傳網(wǎng)絡(luò)提供有力手段。利用基因芯片進(jìn)行基因表達(dá)的研究主要包括：陣列構(gòu)建、樣品制備、雜交、芯片掃描、芯片圖像處理和基因表達(dá)信息分析。盡管表達(dá)譜芯片在操作上較為復(fù)雜，但在基因組水平平行分析上有著基因芯片不可替代的特點(diǎn)。在腫瘤基因組學(xué)研究方面，基因表達(dá)譜芯片正發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，它被廣泛地用于分析腫瘤組織與正常組織基因表達(dá)在mRNA上的差異，不僅為研究腫瘤發(fā)生機(jī)制提供了分子依據(jù)，極大地推動(dòng)了腫瘤分子病理學(xué)的發(fā)展。在新藥的研制過(guò)程中，高基因表達(dá)分析具有重要的作用。利用基因芯片研究疾病狀態(tài)下細(xì)胞基因表達(dá)的差異，有助于發(fā)現(xiàn)新的藥物作用靶分子；同樣基因芯片也可用于藥物作用機(jī)制、藥物篩選的研究。目前對(duì)單核苷酸多態(tài)性（Single Nuclectide Polymorphisms, SNPs）的研究為藥物基因組學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。一方面可以用基因芯片大規(guī)模地篩選新的SNPs，更為重要的是藥物遺傳SNPs的研究有助于新藥的開發(fā)，并最終使“個(gè)體化醫(yī)療”得以實(shí)現(xiàn)。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，醫(yī)生可根據(jù)病人的個(gè)體基因型預(yù)測(cè)該個(gè)體對(duì)某種疾病的易感性、個(gè)體患病后治療該疾病的最好的方法、對(duì)特定藥物的敏感性等。在臨床基因診斷中，基因芯片也逐漸得以應(yīng)用，如病原微生物的基因診斷（HIV、HCV、HBV、HPV、結(jié)核分枝桿菌等）、HLA分型、BRCA1突變分析、p53突變分析、囊性纖維化疾病檢測(cè)、地中海貧血基因突變檢測(cè)等。
用于蛋白質(zhì)功能研究及相互作用分析的生物芯片，即為所謂的蛋白芯片。蛋白芯片的制作基本上與基因芯片的制作過(guò)程類似，也基本上采用原位合成、機(jī)械點(diǎn)樣或共價(jià)結(jié)合的方法將多肽、蛋白、酶、抗原、抗體固定于芯片片基上。由于蛋白質(zhì)具有易于變性、不易于與固體表面結(jié)合的特點(diǎn)，故在蛋白芯片的制備及在蛋白質(zhì)功能及相互作用研究中的應(yīng)用等方面的報(bào)道遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及基因芯片的報(bào)道。在將蛋白質(zhì)固定在固體支持物表面時(shí)，必須保持蛋白質(zhì)的立體構(gòu)象，才能使蛋白質(zhì)探針具有生物活性。有人用微細(xì)加工的聚丙烯酰胺墊捕獲蛋白質(zhì)，并用微電滬的方法加速蛋白質(zhì)的擴(kuò)散，從而將蛋白質(zhì)固定在芯片片基表面，因聚丙烯酰胺凝膠中含有水份，故可使蛋白質(zhì)保持活性。哈佛大學(xué)Gavin MacBeath等則在用含醛的硅烷試劑處理玻片，并用含有30%甘油的PBS溶解蛋白質(zhì)后，再用Affymetrix生產(chǎn)的GMS417陣列點(diǎn)樣機(jī)將微量蛋白質(zhì)點(diǎn)在玻片上，蛋白質(zhì)的伯氨基與醛形成希夫式堿而將蛋白質(zhì)以共價(jià)結(jié)合的方式附著在玻璃表面。甘油可避免水份的揮發(fā)，始終使蛋白保持于水合狀態(tài)而維持其活性構(gòu)像。在孵育幾小時(shí)后，將玻片浸入含牛血清白蛋白的緩沖液中，開成BSA分子層，以減少后續(xù)反應(yīng)中蛋白質(zhì)的非特異性結(jié)合。該研究組制備了含有10800個(gè)蛋白點(diǎn)陣的蛋白質(zhì)芯片，并成功地用于蛋白間相互作用的過(guò)篩、蛋白激酶底物的確證小分子物質(zhì)與蛋白間相互作用的研究。耶魯大學(xué)的Heng Zhu等在克隆了酵母基因組的5800個(gè)開放閱讀框后，成功地表達(dá)及純化了他們編碼的蛋白質(zhì)。為加快酵母蛋白組的研究進(jìn)度，他們也采用了與Gavin MacBeath相同的方法制備了高密度的酵母蛋白質(zhì)芯片，并利用此芯片進(jìn)行了間相互作用的過(guò)篩及蛋白質(zhì)與磷脂間相互作用的研究。他們發(fā)現(xiàn)了許多新的與鈣調(diào)蛋白、磷脂發(fā)生作用的蛋白質(zhì)，確證了與鈣調(diào)蛋白結(jié)合的蛋白模體（motif）。該研究組指出，此類蛋白芯片還可用于蛋白表達(dá)譜差異的研究，從而在蛋白組整體水平上研究疾病的發(fā)生機(jī)制，及尋找新的疾病診斷標(biāo)志物及藥物作用的新的靶分子。
縮微實(shí)驗(yàn)室（Lab-on-a-chip）的構(gòu)建是生物芯片研究的一個(gè)新的階段，是生物芯片技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。它將樣品的制備、生化反應(yīng)到檢測(cè)分析的整個(gè)過(guò)程集成化形成微型分析系統(tǒng)�，F(xiàn)在，有由加熱器、微泵、微閥量控制器、微電極、電子化學(xué)和電子發(fā)光控測(cè)器等組成的芯片實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，并出現(xiàn)了將生化反應(yīng)、樣品制備、檢測(cè)和分析等部分集成的芯片。例如可以將樣品的制備和PCR擴(kuò)增反應(yīng)同時(shí)完成于一塊小小的芯片之上。再如Gene Logic公司設(shè)計(jì)制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，并對(duì)其進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后當(dāng)樣品流過(guò)固定于柵欄狀微通道內(nèi)的寡聚核苷酸探針時(shí)便可捕獲與之互補(bǔ)的靶核酸序列，并應(yīng)用其自己開發(fā)的檢測(cè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雜交結(jié)果的檢測(cè)與分析。這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，所以可以靈敏地檢測(cè)到稀有基因的變化。同時(shí)，由于該芯片設(shè)計(jì)的微通具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應(yīng)，縮短測(cè)試時(shí)間，從而降低了測(cè)試成本。由于縮微實(shí)驗(yàn)室具有體積小、攜帶方便、能同時(shí)平行檢測(cè)多種生物分子的特點(diǎn)，在軍事醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有著潛在的巨大的應(yīng)用價(jià)值，在戰(zhàn)區(qū)生物及化學(xué)素劑的快速檢測(cè)、戰(zhàn)創(chuàng)傷感染病原微生物的基因診斷及傷員內(nèi)臟功能損傷的早期診斷等方面都將發(fā)揮其獨(dú)特的作用。
