隨著生活水平的提高，人們對(duì)于健康的意識(shí)也越來(lái)越強(qiáng)。事實(shí)上，集成電路在生物醫(yī)藥領(lǐng)域也扮演著重要角色，且隨著新的生物技術(shù)的普及，集成電路在這些新生物醫(yī)療技術(shù)中的地位也會(huì)越來(lái)越高，生物芯片也將成為半導(dǎo)體中的一個(gè)重要細(xì)分市場(chǎng)。目前，在每年的頂級(jí)半導(dǎo)體會(huì)議ISSCC中，生物芯片相關(guān)的議程已經(jīng)能到2-3個(gè)，已經(jīng)接近或超過(guò)一些傳統(tǒng)的方向（例如射頻電路和模擬放大器電路設(shè)計(jì)）的議程數(shù)量，可見(jiàn)半導(dǎo)體芯片行業(yè)對(duì)于生物芯片的重視程度。
什么是生物芯片
生物芯片是一個(gè)非常大的概念。從廣義上來(lái)說(shuō)，生物芯片可以指任何檢測(cè)生物信號(hào)的芯片，例如目前已經(jīng)在許多可穿戴設(shè)備上得到應(yīng)用的心率檢測(cè)等。廣義的生物芯片事實(shí)上目前已經(jīng)得到了許多應(yīng)用，本文則將更多地關(guān)注狹義的生物芯片。狹義的生物芯片是指芯片直接參與生物化學(xué)反應(yīng)并讀取相關(guān)信號(hào)的芯片。這一點(diǎn)可以說(shuō)是生物芯片和傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片的區(qū)別——傳統(tǒng)芯片主要是做數(shù)據(jù)讀取和處理，而生物芯片則需要參與化學(xué)反應(yīng)獲取信號(hào)。由于生物芯片的這一特點(diǎn)，其使用的半導(dǎo)體器件也會(huì)和傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片有所不同，而這也是生物芯片最有趣的地方。
生物芯片的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)是傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片沒(méi)有涉足的地方。首先，快速化學(xué)指標(biāo)檢測(cè)將是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代人對(duì)于健康重視程度的提升，對(duì)于各種生化指標(biāo)的持續(xù)監(jiān)測(cè)需求量也在快速提升，使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室方法去做化學(xué)分析的速度很難跟上人群的需求，而生物芯片可以大大降低這些指標(biāo)檢測(cè)的難度并提升檢測(cè)速度。舉例來(lái)說(shuō)，這次新冠疫情對(duì)于病毒檢測(cè)的需求就大大超出了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的能力，而英國(guó)初創(chuàng)公司DNANudge推出的基于生物芯片的解決方案可以把精確檢測(cè)新冠病毒時(shí)間降低到90分鐘，能解決新冠檢測(cè)吞吐量的燃眉之急，并因此獲得了英國(guó)政府超過(guò)一億英鎊的訂單。其次，可穿戴設(shè)備上的持續(xù)生化信號(hào)檢測(cè)也將滿足人們對(duì)于慢病管理等領(lǐng)域的需求。例如，使用生物芯片檢測(cè)淚液內(nèi)的血糖指數(shù)可以幫助糖尿病患者更好地管理血糖，同時(shí)生物芯片也可以通過(guò)檢測(cè)汗液中的尿酸水平來(lái)幫助痛風(fēng)患者。
生物芯片的技術(shù)細(xì)分
一個(gè)完整的生物芯片至少要能完成生化反應(yīng)和信號(hào)傳感，并且把相關(guān)信號(hào)能通過(guò)某種方法傳輸?shù)酵饨纭?/span>
傳感器可以說(shuō)是生物芯片的核心技術(shù)，它決定了生物芯片能參與什么樣的生化反應(yīng)，能檢測(cè)什么樣的信號(hào)，這就直接決定了生物芯片能應(yīng)用的領(lǐng)域。生物芯片的傳感部分使用的器件會(huì)和傳統(tǒng)的CMOS有所不同，例如之前我們提到的DNANudge的生物芯片的核心技術(shù)就是ISFET（Ion-Sensitive Field-Effect Transistor，對(duì)離子敏感場(chǎng)效應(yīng)管），ISFET可以通過(guò)檢測(cè)溶液中的離子濃度來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)定pH酸堿度。而pH值在許多生化反應(yīng)中都是一個(gè)非常重要的信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)pH值可以測(cè)定生化反應(yīng)的過(guò)程。舉例來(lái)說(shuō)，在PCR反應(yīng)中，根據(jù)pH值可以檢測(cè)樣本中是否含有某種病毒的特定基因鏈段，從而使用ISFET就可以做生物芯片來(lái)檢測(cè)病毒基因片段。DNANudge推出的生物芯片產(chǎn)品可以檢測(cè)新冠以及多種流感病毒，從而大大加大病原體檢測(cè)的吞吐量。
ISFET結(jié)構(gòu)圖
除了ISFET之外，石墨烯和碳納米管也是使用在生物芯片中的熱門(mén)器件。例如，石墨烯可以制作柔性傳感器并監(jiān)控汗液內(nèi)的特定化學(xué)物質(zhì)濃度，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)侵入式生化指標(biāo)持續(xù)監(jiān)控，為慢病患者的健康管理帶來(lái)福音。石墨烯和碳納米管作為下一代半導(dǎo)體材料和器件的代表，其作為傳感器也擁有許多優(yōu)良的特性，而生物芯片中石墨烯和碳納米管的廣泛應(yīng)用勢(shì)必將大大增加這些下一代材料和器件的落地速度。
石墨烯制作的柔性汗液生物傳感器
數(shù)據(jù)傳輸也是生物芯片中的重要部分。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可佩戴檢測(cè)，生物芯片中的數(shù)據(jù)傳輸部分需要功耗非常低，以避免電池成為限制生物芯片的瓶頸。這些數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有多種可能的技術(shù)路徑，例如可以通過(guò)被動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸（即生物芯片根據(jù)傳感結(jié)果調(diào)整天線的反射阻抗，這樣手機(jī)等主設(shè)備可以根據(jù)反射信號(hào)的幅度和相位來(lái)判斷生物芯片的信號(hào)，從而避免生物芯片主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)帶來(lái)的能量消耗），或者通過(guò)事件觸發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸（即僅僅在生物信號(hào)超過(guò)某個(gè)閾值范圍時(shí)才會(huì)觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，這樣在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)正常時(shí)不會(huì)有數(shù)據(jù)傳輸，從而節(jié)省能量），或者從環(huán)境中獲取能量（例如從佩戴者運(yùn)動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)中獲取能量，或者從佩戴者汗液中提取化學(xué)能）等。這類低功耗數(shù)據(jù)傳輸電路也將成為生物芯片的重要技術(shù)門(mén)檻。
生物芯片未來(lái)預(yù)期
隨著大健康概念深入人心，生物芯片無(wú)論是在可穿戴設(shè)備還是在醫(yī)院的檢測(cè)設(shè)備上都會(huì)得到大量應(yīng)用。我們對(duì)長(zhǎng)期非常看好生物芯片的前景，但是在中短期內(nèi)生物芯片也有一些瓶頸需要克服。
生物芯片發(fā)展需要克服的第一個(gè)瓶頸就是新的半導(dǎo)體器件的量產(chǎn)問(wèn)題。目前來(lái)看，ISFET已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)小規(guī)模量產(chǎn)，但是石墨烯、碳納米管等在生物芯片研究中常常出現(xiàn)的下一代半導(dǎo)體器件和材料落地尚需時(shí)日，如何在傳感器功能和半導(dǎo)體器件/材料量產(chǎn)成熟度之間做取舍將是決定生物芯片何時(shí)能落地的重要課題。
第二個(gè)瓶頸是如何把生物芯片的技術(shù)環(huán)節(jié)全部打通。如前文所討論的，生物芯片在芯片領(lǐng)域就包括了傳感器和低功耗數(shù)據(jù)傳輸兩大環(huán)節(jié)，而在芯片之外，更是涉及許多生物醫(yī)藥相關(guān)的重要環(huán)節(jié)，因此如何能把這些都打通也是生物芯片能真正得到應(yīng)用的重要門(mén)檻。
中國(guó)的生物芯片總體來(lái)看還處于起步階段。我們認(rèn)為，中國(guó)在生物芯片的研究領(lǐng)域，例如生物傳感器，以及用于生物芯片的低功耗傳輸電路設(shè)計(jì)部分都處于全球前列。例如，中國(guó)的碳納米管技術(shù)研究處于全球前列，北大關(guān)于碳納米管量產(chǎn)的論文在不久之前登上了全球頂級(jí)期刊；在低功耗數(shù)據(jù)傳輸方面，清華、復(fù)旦和電子科大等也都有漂亮的研究工作。然而，目前這些領(lǐng)域還處于各自為政的狀態(tài)，如果想要在國(guó)內(nèi)將生物芯片真正落地來(lái)提高人民群眾的健康水準(zhǔn)，還需要一些能將臨床研究、生物傳感器和低功耗電路能統(tǒng)一起來(lái)的項(xiàng)目，這樣才能真正打通生物芯片落地的各個(gè)環(huán)節(jié)。此外，目前中國(guó)尚缺乏這類針對(duì)新興工藝的半導(dǎo)體代工廠支持，如果中國(guó)能參考美國(guó)的SkyWater模式由政府牽頭做一家能為需要新型半導(dǎo)體傳感器的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化做工藝開(kāi)發(fā)和中小規(guī)模代工的代工廠，我們相信將會(huì)為生物芯片在中國(guó)的發(fā)展帶來(lái)巨大的支持。