隨著生活水平的提高，人們對于健康的意識也越來越強。事實上，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)中的地位也會越來越高，生物芯片也將成為半導(dǎo)體中的一個重要細(xì)分市場。目前，在每年的頂級半導(dǎo)體會議ISSCC中，生物芯片相關(guān)的議程已經(jīng)能到2-3個，已經(jīng)接近或超過一些傳統(tǒng)的方向（例如射頻電路和模擬放大器電路設(shè)計）的議程數(shù)量，可見半導(dǎo)體芯片行業(yè)對于生物芯片的重視程度。

什么是生物芯片

生物芯片是一個非常大的概念。從廣義上來說，生物芯片可以指任何檢測生物信號的芯片，例如目前已經(jīng)在許多可穿戴設(shè)備上得到應(yīng)用的心率檢測等。廣義的生物芯片事實上目前已經(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)信號的芯片。這一點可以說是生物芯片和傳統(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。由于生物芯片的這一特點，其使用的半導(dǎo)體器件也會和傳統(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)莻鹘y(tǒng)半導(dǎo)體芯片沒有涉足的地方。首先，快速化學(xué)指標(biāo)檢測將是一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代人對于健康重視程度的提升，對于各種生化指標(biāo)的持續(xù)監(jiān)測需求量也在快速提升，使用傳統(tǒng)實驗室方法去做化學(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)檢測的難度并提升檢測速度。舉例來說，這次新冠疫情對于病毒檢測的需求就大大超出了傳統(tǒng)實驗室的能力，而英國初創(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新冠病毒時間降低到90分鐘，能解決新冠檢測吞吐量的燃眉之急，并因此獲得了英國政府超過一億英鎊的訂單。其次，可穿戴設(shè)備上的持續(xù)生化信號檢測也將滿足人們對于慢病管理等領(lǐng)域的需求。例如，使用生物芯片檢測淚液內(nèi)的血糖指數(shù)可以幫助糖尿病患者更好地管理血糖，同時生物芯片也可以通過檢測汗液中的尿酸水平來幫助痛風(fēng)患者。

生物芯片的技術(shù)細(xì)分

一個完整的生物芯片至少要能完成生化反應(yīng)和信號傳感，并且把相關(guān)信號能通過某種方法傳輸?shù)酵饨纭?/span>

傳感器可以說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)，能檢測什么樣的信號，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，對離子敏感場效應(yīng)管），ISFET可以通過檢測溶液中的離子濃度來實時測定pH酸堿度。而pH值在許多生化反應(yīng)中都是一個非常重要的信號，通過檢測pH值可以測定生化反應(yīng)的過程。舉例來說，在PCR反應(yīng)中，根據(jù)pH值可以檢測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檢測病毒基因片段。DNANudge推出的生物芯片產(chǎn)品可以檢測新冠以及多種流感病毒，從而大大加大病原體檢測的吞吐量。

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，從而實現(xiàn)無侵入式生化指標(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。為了實現(xiàn)長期可佩戴檢測，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，例如可以通過被動數(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，這樣手機等主設(shè)備可以根據(jù)反射信號的幅度和相位來判斷生物芯片的信號，從而避免生物芯片主動發(fā)送數(shù)據(jù)帶來的能量消耗），或者通過事件觸發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸（即僅僅在生物信號超過某個閾值范圍時才會觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，這樣在絕大多數(shù)數(shù)據(jù)正常時不會有數(shù)據(jù)傳輸，從而節(jié)省能量），或者從環(huán)境中獲取能量（例如從佩戴者運動的機械振動中獲取能量，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)門檻。

生物芯片未來預(yù)期

隨著大健康概念深入人心，生物芯片無論是在可穿戴設(shè)備還是在醫(yī)院的檢測設(shè)備上都會得到大量應(yīng)用。我們對長期非?？春蒙镄酒那熬?，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瓶頸就是新的半導(dǎo)體器件的量產(chǎn)問題。目前來看，ISFET已經(jīng)能實現(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能落地的重要課題。
第二個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)用的重要門檻。
中國的生物芯片總體來看還處于起步階段。我們認(rèn)為，中國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)計部分都處于全球前列。例如，中國的碳納米管技術(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)，如果想要在國內(nèi)將生物芯片真正落地來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)一起來的項目，這樣才能真正打通生物芯片落地的各個環(huán)節(jié)。此外，目前中國尚缺乏這類針對新興工藝的半導(dǎo)體代工廠支持，如果中國能參考美國的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)化做工藝開發(fā)和中小規(guī)模代工的代工廠，我們相信將會為生物芯片在中國的發(fā)展帶來巨大的支持。