院士讲材料——生物芯片技术

观众朋友，欢迎您来到CETV学术报告厅。不久前，国务院在中南海里举行了生物芯片科技技术的一场讲座。主讲人是清华大学的程京博士。生物芯片技术是90年代初刚刚发展起来的新兴技术。它是采用类似计算芯片器件来解决生命科学和医疗领域中所面临的难题。今年年初，在中国工程院举办的生物芯片科技论坛上，程京博士发表了题目为《生物芯片下个世纪的革命性技术的实施报告》下面请您收看这个学术报告。

工程院院长宋健：

首先我代表工程院对大家能够来出席今天由工程院举办的科技论坛会议表示热烈的欢迎，和表示忠心的感谢！我们进去了2000年，我们马上要走向21世纪。为什么叫走向呢？因为2000年是哪个世纪没有定义。全世界没有定义，那么这个中国科技界曾经向我们中央提出建议。按照天文学家的意见，2001年开始。后来这个说联合国也没有定义，我们去定义啊也不必。所以呢就最后达成一个共识啊，2000年是个过渡期，所以，我们看报上已经开始写了，我们已经进入了，其实不是一致的意见。所以我们还是在这个叫进入21世纪的过渡期内。我们的确取得了很大的成功。50年来中华民族，我们中国所取得的成就，是值得我们骄傲的，值得我们高兴的。但是我们，现在面向下一个世纪，我们的任务还重。中国要想在世界上站起来，真正的站起来。用年轻人的话说，要使我们中国成为世界上的一等公民，这个我们恐怕还需要做艰巨的努力。就象中央指出的我们需要奋斗50年。还要半个世纪啊，也或许还要一代人，大家努力奋斗。我们当前的任务呢就是，中央国务院15大以后大家都能够接受。大力发展高科技，实现产业化，要振兴我们国家的前沿的科学技术，使我们全面的实施科教兴国战略。把我们的祖国，我们的国家，我们的人民，我们的工业、农业、医药卫生、文化教育各行各业提高他们的科学技术水平。那么因此我们按照中央方针，中国工程院做为全国工程科学的最高学术机构。我们的任务：就是要努力推动中国的高科技产业的发展；提高我们的工程科学水平；牺牲我们的大中企业，使的我们在今后的50年的半个世纪中能达到中央和全国人民的共同的努力方向，就是基本上能够完成工业化，基本实现现代化。中国工程院确定，今后定期举行工程科技论坛。就是邀请我们的科学家们，我们的院士们，和战斗在一线的青年科学家，包括我们在国外学习，在国外工作的我们的弟兄们，回来参加这个论坛。每期将选择重要的领域进行这样的论坛，讨论交流。每年估计要有100万人，新的孩子们，年轻人要加入我们这个

工程科学技术的行列。当然基础研究很重要国家已经采取了一些措施，还要继续加强对基础研究的支持。但是基础研究主要要靠政府财政的支持，各项计划，基金会。但是这个工程科学技术呢是渗透在各行各业在企业、学校、工业部门、交通运输部门、卫生医药部门，所以面是非常非常广的。也可以说是为了实现下一个世纪新的战略转折。就是说从传统的为了喂饱肚子，解决饥饿问题，能达到小康的水平要转变成全面地提高我们全民族的科学技术水平，牺牲各个传统产业的水平，而且大力发展高新产业。这个新的战略转折是需要工程科技界各行各业大家共同努力。

工程科技论坛第一次就选择了生命科学里面一项非常重要的前沿技术，就是生物芯片技术。报纸上报道也很多。主要的杂志，SUN杂志，UNIVERSAL杂志上是每一期都有这方面的文章。在美国学习和工作的青年朋友们，他们也都认为是下一个世纪绝对的非常重要的领域。会给我们的临床，我们的研究工作，和以后整个生命科学的研究，甚至将来攻克一些重大疾病的很有前途的一项技术。那么生物科学，我昨天看到藤老板。我跟藤老板说，下一个世纪大家一致认为生命科学生物工程将是一个继续领导潮流的一个部门，或者讲一个学科，一个领域。的确是每天都传来新的消息。比如说最新的，上礼拜我看到的SUN杂志上说人类基因组计划要提前，果蝇的基因组计划已经完成，也是我们研究的工具之一。人类的基因组计划有可能要提前到2003年，各种发明各种方法不断的在创新。所以在我们人类的疾病的治疗，特别是遗传性的疾病的治疗，还有就是对我们医药，对农业，对畜牧业的影响将是巨大的。现在我们已经开始收到很好的效果。现在各行各业都在注视着我们生命科学，特别是生物工程的发展。本世纪，21世纪，我想应该能够克服癌症和艾滋病。我想这些重大的命题，我们的医学科学，很多科学技术重大问题需要我们利用综合性的高科技的理论，手段要有新的发现新的创造才能够使的我们人类的文明，人民的健康，人民的生活都进一步提高。

我们今天从这个提名“生物芯片技术”开始。感谢今天这么多院士们，这么多各个部门的同志们能来参加这个会议。名单是工作在第一线的主要一些中青年科学家们给我们大家报告一下在生命科学特别是在生物芯片反面最近所取得的成就、发展方向和我们今后要努力工作的领域、方向、途径能给我们一些指点。希望今天的报告会能推动我们生命科学研究方面，特别是与生物芯片有关的遗传学，其他各个领域的影响。能够有更深入的了解

。我们准备把这个工程科技论坛长期办下去，今天给我们做报告的各位科学家们，特别我们的青年同志们对他们表示衷心地感谢！谢谢大家！


程京:

各位领导、各位院士、老师、同学们早上好！首先我想借此机会感谢中国工程院提供这个机会，让我在这给大家就生物芯片的各个方面做一个简单的介绍。

我想在讲生物芯片之前，先从计算机谈起。因为这两者之间有很大的相似性。首先我们看世界上第一台真正工作的计算机是在1946年在美国滨西法尼亚大学诞生。当时这个计算机占地是好几间的房子。96年的时候正好在滨西法尼亚大学学习。当时刚好是50周年纪念。据介绍当时这台计算机要开机的话，半个费城都要停电供给它。当时这个计算机要跟我们现在的，比如说我这台计算机来比的话，从功能、速度各方面都远远不如。

第一台计算机诞生到今天50年过去了。计算机的演化从大变小，给我们人类的生活带来了些什么样的变化。这是美国硅谷沿着101号国道，两边分布了几千家的高科技公司。这些公司直接或者间接地都跟计算机芯片有着密不可分的关系。它带动了整个美国的工业乃至全球的工业的发展。在硅谷，首先他的主打产品是以硅

为材料为基础的微型器件的产生。主要是把分立的器件通过集成的方式制作在芯片上。最典型的就是计算机的中央处理器。有了这个CPU中央处理器以后便有了台式的计算机，有了笔记本式电脑。再进一步，通过全球通讯系统，譬如我们今天的国际互联网。与了国际互联网易后我们的生活空间就发生了很大的变化。我们可以不出家门。在家里面可以查询，比如说飞机票，火车票哪个票价便宜。我们需要买什么样的货物，各方方面通过邮递就行了。在科学领域，在生命科学尤其是医学若干年过去到现在为止。这样的实验室仍然是屡见不鲜的。很多我们的硕士、博士、教授都在这样的实验室里进行非常辛苦的，体力非常繁重的劳动。工业界也做了很多的努力，象这样的大型仪器就是一个很好的例子。他们试图通过自动话的实现使繁重的体力劳动能够快速重复性很高的实现。但这样的机器，第一体积很大；第二造价非常高。所以并不是每个实验室都可以拥有。和计算机一样，如果生物芯片出现产品化以后，那么我们一样可以拥有台室的全功能实验室。有了这样的系统后非常想象我们的生活将会发生很的跃迁。比如，以后在时间上，不管什么地方。比如在家里，我们可以做一些疾病早期的侦测，可以不用到医院去。然后把检测的结果通过互利互联网就可以送到医生那里。以后不管是出差，或

者是工作，我们也可以随时随地对自己的病况进行监控。有了这样便携式的东西以后。把数据分析完，我们不懂这些结果是什么意识这不要紧，通过卫星通讯系统传送到地球任何一个地方。我们的家庭医生，或者是专家他们看的懂，看完以后他可以把结果解释清楚告诉我们可以做什么事。类似的，我们可以把我的病厉档案系统用各种文字编写出来，每个人一个密码。走到世界上任何一个地方，你都可以借助医生办公室的计算机，当场把你的病历档案调出来。一样的远程手术系统也可以通过这样的方式实现。比如我现在在非洲生病，只要现在那边有个远程手术室，我的医生在中国，他可以通过一个遥控装置给我做手术。所以这样我们定义，今后可能会出现一个叫医学互联网。什么是生物芯片呢？简单的来说，生物芯片是能对生物分子进行快速，特别是病情处理和分析的，尺寸大概是指甲盖大小很薄的载体。用生物芯片我们可以实现任何生物分析的三个大的过程。第一个是样品的制备，第二是生物化学的反应，第三是对结果进行快速的检测和分析。最后我们希望通过集成化的方式，把这三个步骤全部集成。构筑所谓的芯片实验室。

这个是一个对比，我们可以把常规的样品制备、生物化学反应、结果检测通过芯片自动操作来实现。这个例子是在芯片上，把我们所需要的人的白细胞从血液中过滤分离出来。然后在反应器中进行DNA的特征反应。最后通过电子生物芯片，我们把DNA，特异的DNA捕获出来进行荧光检测现象。有人曾做过一个预算，在斯坦富大学生物系。一个博士后最三天的工作，大概得全系的工作人员加起来三年的工作量。

什么有是生物芯片实验室，它简单的来讲是怎么进行功能化操作的呢？这是一个封装完整的电子生物芯片，它由普通计算机芯片的封装的材料。芯片的中间是黑色的部分，电子生物芯片不同的是在它的上放我们架了流体池,还有导管进口和出口。如果我们在进口引入血样，血样进入以后通过芯片，我们便可把各种所需要的细胞，比如细菌、肿瘤细胞或其它细胞分离出来。比如，这个是肿瘤细胞，完全分离出来后把它击破让细胞内部的DNA双链出来，我们把感兴趣的几段或某一段快速地分析，看我们关心的点上有没有发生突变。变化就意味着人生病了，没有变化就说明此人是健康的。

制作生物芯片的工艺与半导体传统工艺有很多相似之处，比如说我们用硅基来制作芯片的话，也需要掩膜。在这样一个掩膜上，有若干个设计，每一个设计都不一样。因此，一个掩膜加工出来的硅片上可以有若干个芯片，

然后对功能进行测试，看是否符合我们的要求，进而作进一步优化设计。当芯片加工出来之后，我们需要对它进行封装，而且作为产品的制作来讲我们需要工艺的优化，这样才能使产品的成本降低，可靠性得到提高。附图：这些是一些简单的芯片，加工处理后，对其封装。这是做最初的原理试验，试验完以后，我们做初级的产品开发。这是PCMCIA的插接口，这是芯片，这个是废液池，液体从这里进，有两个口。这个是气泡检测器。当测试全部完成以后，下一步就是如何使工艺越简单越好。我们用焊线的方式把芯片焊接到印刷电路板上，这个是用球焊的方式把芯片一次性焊接到非常便宜的塑料板上。整个管道全部通过塑料成模制作在塑料卡盒上，而整个封装好的卡盒是一次性使用的。这些是世界一些做得比较好的公司、大学所做出的芯片，这个是塑料毛细管芯片、这个是玻璃微阵列芯片、这个是玻璃毛细管微阵列芯片，这个是微形针芯片，还有清华大学所制作的电磁式生物芯片。

制作生物芯片涉及许多科学领域和门类，包括分子生物学、医学、化学、药物学、生物信息学、物理学、材料学、微流体力学、微电子力学，精密仪器等。所以生物芯片的制作需要上述领域专家通力合作，而且是密切合作才能实现。下面这些杂志都说明了生物芯片的重要性，所有这些杂志都专门介绍了生物芯片技术。美国的科学周刊、商业杂志、财富杂志、大众科技杂志都有介绍。在1998年，生物芯片被选为当年世界科技十大突破之一。

生物芯片实验室通过三个步骤来实现。第一个是样品的制备，通过过滤的方式实现细胞的分离，这个是我们的模拟实验。教科书上说，红细胞和白细胞的直径分界大概在5微米，因此我们加工了这些过滤器。它们的间隙在5微米左右。当我们用模拟刚性球体进行试验时，它可以工作得非常好。而把真实的血样引入后，我们发现没有一个细胞能被截留住。原因是第一细胞不是理想的球体，第二它不是刚体，在有一定压力的情况下，它可以通过这些过滤器快速地流过。因此，在没有书本的指导下，只有做错了又试的实验。最后我们发现用3.2微米的间隙可以分离出大的白细胞，通过像葛州坝那样的过滤器，可以分离出更多的白细胞。

这是一个实验的录像，血液从左边进入，右边出去。在半路上，通过坝的时候，在坝面可看到，大量不动的是白细胞，很快通过的是红细胞。而不管细胞数量多大，芯片都能进行处理。

刚才是微流体的方式对样本进行处理，下面介绍通过电的方式对细胞进行各种各样的分离。我们把血液加进

去以后，血液中的细菌上了电极，正常的红白细胞是在电极之外。这种方式叫介电电泳，我们利用细胞的介电特性，施加的是频率较高的非均匀交流电场以实现对细胞的分离。最后洗掉较大的血细胞，剩下的就是细菌细胞了。

那么用类似的方法也可以把血液中的宫颈癌细胞分离出来。我们把细胞核染色后，把激光打进去便可看见这些发荧光的癌细胞。为了提高样品回收率，我们把电极数目从5×5提升到10×10，最后提升到100×100。图：这里很清楚地显示，当样本进来的时候，样品均匀分布在中间，在进行清洗时，血细胞都自动排成一条线流出。最后我们所拿到的就是我们所需要的宫颈癌细胞。拿到细菌之后，要作的是把细胞击破，把核内的物质取出来。我们用的是高压脉冲的方式把细胞打破。这个时候大家可以看到，每一个脉冲施加时，细胞都在震动，500伏的高压很快把细胞全部打破，最后可拿到从DNA到RNA的全部核酸。拿到核酸后，接下去就需要做生化反应。首先，需要试剂混合器将物质混合。样品A从这端进去，样品B从那端进去，通过试剂混合器的通道，它们会很好地混合。这是我们在芯片上的DNA扩增反应。一般说来DNA比较少，需要扩增反应。把DNA进行复制后，我们就可以进行检测了。这是四个DNA扩增的芯片，这是DNA芯片放在加热冷却循环器上后的俯视图，这是我们把世界上最好的商业机器拿来和芯片上的反应结果对比，看看它的重复性和特异性怎样。有了这样的反应结果，我们需要作各种各样的检测。比较典型的是芯片上的毛细管阵列检测。这个像光盘一样的芯片，上面有若干根毛细管通道。这个是检测部分。

刚才给大家介绍了，我国目前最好的检测机器是从外国进口的常规毛细管阵列电泳，那个系统测五百个DNA碱基大概需要二个半到三个小时。而用这个毛细管阵列在芯片上检测，我们只需要15分钟。这是我们当时对肌肉委缩症临床样品分析的结果。左边是芯片上毛细管电泳分析的结果，右边是常规毛细管电泳的检验结果。对比一下，右边是分钟左边是秒钟，所以我们以后可以在很短的时间内对结果进行分析。这是正常人的，那是基因携带者，我们可以看到有峰缺失的情况即犯病了。除了分离检测以外，还有亲和结合检测。这是其中一种，叫DNA的杂交检测。DNA上了芯片之后，通过电子杂交，我们把普通方法用一夜时间完成的检测在几十分钟，甚至几十秒内完成。然后清洗，普通方法是用化学试剂和温水清洗，这里用电子方式进行清洗，也是在几十秒钟就完成。完成后，这是阴性对照和阳性对照，很快就可以拿到定性定

量的结果。这是第一个毛细管电泳实施的分离，一进样，两个混合物就分开了；下面是电子杂交的结果，这是机器，这是芯片卡合，自动装载到机器里去。完了以后，我们可以看到定性的结果，还有量化的结果。然后我们把非特异性的信号洗掉。具体的模式，下一位博士会给你们介绍。

三个步骤完成之后，最后我们需要系统地集成。这是我设计的全套微流体系统的工作示意图。这里有全套的分析过程，这里有两个芯片SC和AC，这些都是阀门，这个是泵，这些是酶和样品。要进行分析，离不开一些很基本的概念，比如wibo。现在我们看，芯片上的泵可以对细胞来回地进行运输。我们可以对纳升和皮升量级的液体进行比较精确的操作，控制好电压和时间，还可以对方向进行控制。芯片做完以后封装，这是封装完以后的示意图。我们用芯片跟其他物件结合，这是缩微芯片实验室的核心部分，这是激光器，这是检测器。芯片在板上固定，通过微通道连接在一块，在板的反面有很多三通微型阀门。然后，把激光一通，照在检测芯片上，便可以把荧光信息取出来。

生物芯片分析的对象比较广泛，有核酸、蛋白、细胞、组织等。生物芯片的应用也是非常广的。可用于疾病诊断、疾病防治、药物合成、药物筛选、食品卫生、农业生产、太空探索、国家安全、司法鉴定。有生命健康的，也有国家安全的。特别是可以在早期检测出疾病，让患者得到及时的治疗。最后是在身份识别和伦理道德上的运用。这是一个假想的身份证。除了有图片外，我们还希望有虹膜，有指纹。有这样一个芯片卡，上面有我们所有的遗传信息。比例说我们去看病，医生只须一刷卡，就可得知我们所有的遗传信息，然后可以根据基因结构的不同有针对性开药和治疗。这就是国外所研究和关注的药理遗传学方面的成果。

刚才看到的荧光点实际上非常小，大概只有几百个微米。要把它们放在芯片上，需要特殊的仪器设备。这是美国PACKARD公司制作的非接触式微量液样分配机械手系统。整个系统由四个部分组成，花费了十几亿美元。这是清华大学研究的生物机械手系统，所有机械指标都与国际上最好系统持平。这也是清华研发的双波段激光诱导荧光检测系统。但有些结果需要用专门的检测器来进行检测于是我们研发了用于硅芯片荧光检测的双激光系统。除诊断以外在药物的合成方面，芯片也有很大的作用。这是多层重叠的芯片，放大后，每个单元是垂直的，像个工厂。通过不同的泵阀系统和温度控制，最后获得反应产物。

这是美国第一家超高通量药物筛选公司的筛

选平台。这是药品库，通过机械手进行取样和上样。当所施加的药品对细胞无效时，细胞所发出的荧光呈绿色；当药物对细胞有效时，荧光变为蓝色。清华用的是另外一种检测，即非光学检测方法。我们取四个单元进行放大，当我们把细胞放进去后，有变化的细胞和没有变化的细胞区别很大，加入药品之后有变化的细胞作快速旋转，而没变化的保持静止，这对我们作快速的粗筛检测特别有效。

有了便携式检测系统，在犯罪现场检验物证时，不需要把证物带回实验室，而是就地取样，就地分析，就地拿结果。这样可以避免样品的交叉污染。美国有一个案例就是因为有交叉污染，而使DNA验证不被法官接受。

我们是农业大国，农作物的产量和质量都是人们关注的。如何对农作物进行改良，生物芯片起了重要作用。而对于食物卫生来说，要知道食物是否被污染，我们可以用生物芯片进行检测。同样，在外太空探索中有那么多类似地球的星球，它们到底适不适合我们人类生存是需要我们去发现的。但是太空飞船不能携带太多太重的仪器，如果能携带一台非常小巧的全功能实验室，那是再理想不过的了。所以，有了便携式的生物芯片实验室，对外层空间上的生物检测和分析就会容易得多。

从国防安全角度来讲，如果受到生物武器和化学武器的攻击，快速采取有效的侦检措施是极为重要的。这是我们对这个区域空中和水中微生物分布情况进行监控的分布图。如果生物武器开始释放，我们需要很快知道，一般通过携带微芯片检测器的飞机或军舰实现，看在这个地区是否出现了致命的生物。如果出现的话，需要联系我们的运兵机，看是否需要把陆军运往该地面。美国在中东战争中有很惨痛的教训，所以近5年来，美国国防部作了相当大的财政投入在生物芯片技术开发上。

下面作一个简单的对比。生物芯片最早出现在80年代早期，一直处于爬行阶级，到90年代才开始有了起色。真正美国进行全面系统的论证是在94年到95年；到98年，美国总统克林顿在全国国民经济会议上提出要用十二年的时间用纳税人的钱对生物芯片技术进行研发，希望它的出现将整个改善人们的生活质量。同时，商业界也从各个角度对生物芯片进行预测。97年《财富》杂志在封面上对生物芯片进行对比报道，认为生物芯片将破译人类的遗传密码，因此将改变人类的一切。

从投资角度讲，美国国家卫生研究院，能源部，商业部高等技术开发署，国防部对生物芯片研发都有不同程度的投入，另外还有司法部，中央情报局，美国宇航总署。还有从商业界来看投资生

物芯片研发最多的也就是财力最雄厚的制药公司，再就是仪器公司，像摩托罗拉，惠普，IBM等全部介入。所以，最新的《福布斯》杂志预测说，由于大型公司的介入从今年年终开始生物芯片产业将上一个大的台阶。由于风险投资公司的介入，美国已出现几十家小型的专门研发生物芯片技术的公司，所以，到目前为止，美国在这方面的总投资差不多将近二十亿美元。

我国从1997年9月召开第80次香山科学会议专门讨论中国是否应开展生物芯片研究开始，三年多过去了，现在全国有二十多家公司在做生物芯片的研发，国家的投入总和大概是600多万人民币。去年5月份，在台湾举办了国际生物芯片研讨会,台湾的工业技术研究院一次性投入750万美元专门成立了生物芯片研发小组；最近又宣布，政府和民间将投入1亿美元作生物信息公司研发经费的同时，基因组公司也正在筹划之中。他们这个发展速度，很值得我们去考虑，生物芯片这种技术像锅和碗一样是不可缺少的，我们是全靠买,还是自己做?从历史上我们可以看到，对于计算机芯片，我们买来组装后其附加值较低。当然这已成为历史，而现在生物芯片就在我们眼前，世界各国都在往前赶，那么我们该怎么办?尢其是在知识产权这一块，美国现在正在进行跑马圈地式的工作，在美国我当时工作过的纳米基因公司规定每个博士学位的获得者每年必须申请三项以上的专利，等我们反应过来的时候会发现，所有的产权都被别人取走了。这很值得大家深思呀!谢谢大家。

主持人：程京博士的学术报告：生物芯片-下个世纪的革命性技术，为您播送完了。20世纪大规模集成电路的使用，极大的改变了人类的生活方式。在新世纪里，生物芯片技术也将极大的影响人类的生活，提高人类的生活质量。感谢您收看学术报告厅节目！