示意圖，Photo credit: Science Photo/Shutterstock提到晶片，很自然會想到電腦晶片，不過生物產業上也有所謂的「生物晶片」，它與電腦晶片有著相同的微型化概念，可同步且在短時間內完成大量訊息一次處理，分析生物體內大量的基因或蛋白質，是 1990 年代之後許多科學家努力開發的技術之一哦！
生物晶片的發展
二十世紀八十年代初生物晶片開始發展，許多歐美大學、研究機構、公司致力於相關技術的開發，加上1980-1990年代微機電系統（Microelectromechanical system, MEMS）的發展，藉由結合半導體、材料等領域，開始有微閥門、微混和器、微幫浦等微型元件產生，而DNA微陣列晶片（即一般所謂的生物晶片bio chip)自1990年代初期完成商品化，由艾菲量測公司（Affymetrix）推出，1990年代後期開始有軟微影製程（Soft Lithography）技術，可利用模具快速大量製造微元件。生物晶片是運用基因資訊、分子生物學、生物化學、微機電系統等原理進行設計，與電腦晶片相似都是微型化的晶片，可在短時間內同步完成大量的分析，將一整個研究室進行的實驗縮小到單一晶片上，大幅減少樣品與實驗耗材的使用，過去探討基因表現時，一次只能檢測一個基因或少數個基因，如需多個樣本檢測時，實驗流程常會耗費許多的時間與大量的人力資源，藉由生物晶片的開發能夠快速檢測大量且可信的數據並降低成本，實驗結果精準度也十分優良，有助於科學家同時檢測數萬個基因、蛋白質、細胞、細菌等，對新藥開發、疾病檢測、食品衛生安全、環境物染、農業等檢測在未來相當有幫助。
生物晶片基材大致上有矽晶圓、玻璃、高分子材料、陶瓷等，以此為基材在上面進行精密的加工，其中矽晶圓為最常用的材料，對於需要溫控的反應晶片，例如聚合酶鏈鎖反應，矽材料提供良好的導熱性，但缺點是矽不透光，不利光學檢測且為半導體材料，以及表面非特異性吸附比較強，在製作毛細管電泳晶片時，仍選用生物相容性較高的玻璃或塑料，加上此兩種材料表面有各種功能基團，易於化學修飾，加工方便，價格也相對便宜。生物晶片最早期由基因晶片微陣列技術（Gene chip, microarray technology）開始，往後發展出實驗室晶片（Lab-on-a-chip, LOAC），以下將針對此兩種晶片進行介紹。
基因晶片微陣列技術（Gene chip, microarray technology）
傳統基因檢測需針對有興趣的基因一個一個的進行檢測，此方法雖然能成功檢測出結果，但需要在已清楚標的基因下進行研究，而人類已知基因組已超過兩萬個基因，面對新藥開發或未知的疾病檢測須先行猜測可能的標的基因才能進行研究，如猜測錯誤可能造成無法找出相關性的基因，檢測起來十分沒有效率，此外使用傳統陣列式基因檢測儀器，是藉由機械手臂模組操作微量滴管，並在不同試劑與樣品容器間反覆移動來完成檢測步驟，流程相當耗費時間與樣本。因此基因晶片以地毯式偵測的方法相對優勢許多，也是生物晶片中發展最快的一種，藉由DNA複製數千或數萬個核酸探針（Probe）[註1]，而此核酸探針足以代表某基因的特殊序列，並將核酸探針分別植入晶片中數以萬計微米大小的方格中。當核酸探針與待檢測的核酸片段進行雜交反應（Hybridization）時，因核酸中的鹼基共軛互補概念 [註2]，若待測核酸片段與核酸探針序列互補時，將會鍵結接合在晶片上，最後以洗滌液沖洗掉沒有結合成功的核酸片段，經由雷射掃描器顯示生物晶片的發光影像，透過核酸探針上螢光染劑的發光程度得知特定基因的表現量，也可從已知核酸探針知道成功接合的待測核酸片段的序列，以提供大量基因序列資訊。
[註1] DNA複製是利用生物技術的聚合酶連鎖反應（polymerase chain reaction, PCR），此技術在1985年由穆里斯（K. Mullis）開發出來，並在1993年獲得諾貝爾化學獎。
[註2] DNA分子模型中，A鹼基與T鹼基配對，C鹼基與G鹼基配對，因此已知核酸探針與待測核酸配對成功即可知道待測核酸的序列。
實驗室晶片（Lab-on-a-chip, LOAC）
以玻璃基板塗佈光阻後進行微影製程技術得到凸模微流道模板，倒入聚二甲基矽氧烷（PDMS），灌模後待其固化移除模板，並進行表面改質接合在玻璃基片上。實驗室晶片為一體成型多功能晶片，其利用微流體通道建構各種功能性的元件，將樣品前處理、混和反應、加熱反應、分離、檢測、培養等多個步驟微小化後集中在晶片上，再藉由外加各項功能驅動樣品或試劑在微管道中移動到各元件來完成檢測，外加功能有例如：加電壓產生電滲流、利用微小幫浦、或離心力等方式，透由此實現傳統生物化學實驗室的各項檢測。微流體晶片的優勢在於可將反應體積縮小，減少樣本與昂貴試劑的用量，降低成本，且能精準地處理微小流量的液體，易於流體的操控、混和、移動、加熱、降溫等，且一片晶片可製作出好幾個微流體通道，達到同步進行檢測的效果。
微流體通道製作的材料主要有單晶矽、玻璃、石英以及高分子聚合物材料，例如：聚二甲基矽氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）、聚異戊二烯（Polyisoprene）等，其中以高分子聚合物材料為主流，因容易加工、種類豐富、價格低、透光性良好，便於光學檢測。晶片製作使用翻模轉移法（Replica molding method），需預先製作模板，模板一般使用微影製程技術來製作，分為蝕刻模板與負型光阻成型模板，蝕刻模板一般以矽晶圓為基板製作出凸模的流道，負型光阻成型模板則是在玻璃或矽基板上塗佈負型光阻，進行微影後留下凸模的流道。將液態的聚合物（PDMS）均勻灌注在模板上，待其固化反應後移除模板即得到固化的聚合物，此時模板上的微型結構也轉移到聚合物表面，聚合物與玻璃進行表面改質後接合即為微流體晶片（圖1）。
隨著生物晶片技術不斷的深入研究，相較於傳統基因檢測一次數量大約十個基因，基因晶片檢測數量可以增加千倍，將原本耗費十年十億美元的人類基因體，以一千美元完成。未來在醫藥領域，微流體晶片可應用在基因檢測、藥物篩選、疾病快速診斷、食品安全等，達到方便快速的檢測效果，對未來人類的生活帶來巨大的改變。
