生物芯片是指通过表面微机-电-化加工技术和生物技术在玻璃、硅片或是尼龙膜等各种固体支持物上以点阵的形式有序固定而构建的多功能微型全分析系统，可以实现对细胞、蛋白质、核算及其他生物组分的高速、高效（大信息量）、低耗费的集成分析。生物芯片的出现，改变了生命科学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大的提高了人口素质和健康水平。
载体表面必须具有可进行化学反应的活性基团，以便于生物分子进行偶联。使单位载体上结合的生物分子达到容量，载体应当是惰性的和有足够的稳定性，载体具有良好的生物兼容性，以利于制作不同种类的芯片。
载体类型：玻片、硅片、硝酸纤维素膜、尼龙膜等
膜：优点：有孔性三维结构，与核酸亲和力强，杂交技术成熟，通常无需另外包被。缺点：膜的表面性质不是很均一；单位面积上点样密度低，需要更多的样本量；背景较高；容易卷曲等。所以限制了膜的应用范围。
玻璃：持久的载体，耐受高温和高离子强度；具有不浸润性，使杂交体积降低到最小；疏水表面克服了样点容易扩散的缺点，提高了样点的密度；荧光信号低，不会造成很强的背景干扰；
硅:除了具有玻片的性质外，还有良好的导热性。缺点：不透明，不利于光学检测；具有比较强的表面非特异性吸附；不容易进行表面修饰。
基片处理
目的：要使得要使得基片表面富含活性基团，这种活性基团具有吸附能力和固定能力，能很好的连接生物分子。 方法：表面修饰 表面涂敷
点样
目的：将生物分子放到芯片表面指定的位置。 方法：接触式点样 非接触式点样 点样元件
固定
定义：处理好的基片结合各种生物分子的过程。目的：加强生物分子与基片表面的结合方法：室温放置、紫外交联、烘烤
封闭
定义：固定完以后，用一些试剂将基片表面没有固定生物分子的活性基团反应掉，这一过程称为封闭。目的：降低芯片在使用过程中表面的非特异性结合，提高芯片的灵敏度。封闭试剂：指进行封闭所采用的试剂。常用的封闭试剂：硼氢化纳、三乙醇胺、BSA。
根据作用方式分类
(1)主动式芯片：是指把生物实验中的样本处理纯化、反应标记及检测等多个实验步骤集成，通过一步反应就可主动完成。其特点是快速、操作简单，因此有人又将它称为功能生物芯片。主要包括微流体芯片(microftuidic chip)和缩微芯片实验室(lab on chip，也叫“芯片实验室”，是生物芯片技术的高境界)。
(2)被动式芯片：即各种微阵列芯片，是指把生物实验中的多个实验集成，但操作步骤不变。其特点是高度的并行性，目前的大部分芯片属于此类。由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息，最终通过生物信息学进行数据挖掘分析，因此这类芯片又称为信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。
根据用途分类
(1)生物电子芯片：用于生物计算机等生物电子产品的制造。
(2)生物分析芯片：用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。
前一类目前在技术和应用上很不成熟，一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。
根据固定在载体上的物质成分分类
(1)基因芯片(gene chip)：又称DNA芯片(DNA chip)或DNA微阵列(DNA microarray)，是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。
(2)蛋白质芯片(protein chip或protein microarray)：是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按微阵列方式固定在微型载体上获得。
(3)细胞芯片(cell chip)：是将细胞按照特定的方式固定在载体上，用来检测细胞间相互影响或相互作用。
(4)组织芯片(tissue chip)：是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上，用来进行免疫组织化学等组织内成分差异研究。
(5)芯片实验室(Lab on chip)：用于生命物质的分离、检测的微型化芯片。现在，已经有不少的研究人员试图将整个生化检测分析过程缩微到芯片上，形成所谓的“芯片实验室”(Lab on chip）。芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。它将样品的制备、生化反应到检测分析的整个过程集约化形成微型分析系统。由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室已经问世，并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的芯片）。“芯片实验室”可以完成诸如样品制备、试剂输送、生化反应、结果检测、信息处理和传递等一系列复杂工作。这些微型集成化分析系统携带方便，可用于紧急场合、野外操作甚至放在航天器上。 例如可以将样品的制备和PCR扩增反应同时完成于一块小小的芯片之上。再如Gene Logic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或RNA，并对其进行荧光标记，然后当样品流过固定于栅栏状微通道内的寡核苷酸探针时便可捕获与之互补的靶核酸序列。应用其自己开发的检测设备即可实现对杂交结果的检测与分析。这种芯片由于寡核苷酸探针具有较大的吸附表面积，所以可以灵敏地检测到稀有基因的变化。同时，由于该芯片设计的微通道具有浓缩和富集作用，所以可以加速杂交反应，缩短测试时间，从而降低了测试成本。
样品制备芯片
生物样品往往是复杂的混合物，在大多数情况下需要先对生物样品进行预处理，即样品制备。以核酸样品制备为例，它包括了细胞分离、破胞、脱蛋白、提取ＤＮＡ等多步工作。这些工作可以在样品制备芯片上完成。目前在细胞分离方法上较突出的有过滤分离和介电电泳分离等；芯片中的破胞方法有芯片升温破胞、高压脉冲破胞以及化学破胞等。
过滤分离芯片
过滤分离即根据生物颗粒的尺寸差异进行分离。针对人白细胞的分离，１９９８年美国宾夕法尼亚大学的研究小组研究出了一种芯片微过滤法。芯片微过滤器的工作原理是根据人白细胞的尺寸比红细胞大的特点，使人外周血流过微过滤器时只让血浆和尺寸较小的红血细胞及血小板通过，而截住尺寸较大的白细胞。加工微过滤用芯片是通过在硅片上刻出各种形状的过滤通道，通道直径为几个微米，然后再在硅芯片上键合上一块玻璃盖片而完成。通过反复试验和设计，微芯片过滤器已从最初的竖式Ｚ形结构，通过竖式条状梳式结构过渡定型为横坝式结构。采用横坝式结构的优点是人白细胞的回收率高，过滤器不易被堵塞。微芯片过滤器的另一应用是它可将孕妇外周血中极少量的胎儿细胞过滤出来，供下一步作产前诊断之用。
介电电泳分离芯片
介电电泳分离的原理是细胞在高频不均匀电场作用下产生极化，不同的细胞由于介电特性、电导率、形状不同而感应出不同的偶电极，因此受到不同介电力的作用。利用介电电泳方法制备样品的优点是：通过测量细胞的运动速度，可以得到细胞的介电特性；可以对细胞进行无物理接触的选择性操纵、定位、分离。
生化反应芯片
生化反应芯片的目的是把在实验室试管中进行的生化实验缩微到一块小小的芯片上。目前较典型的生化反应芯片包括聚合酶链反应（ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃ-ｔｉｏｎ，ＰＣＲ）芯片、药物合成芯片等，其中ＰＣＲ扩增芯片是生化反应芯片的典型代表。
在芯片上进行ＰＣＲ扩增反应的背景是，目前在生物芯片领域中所用的检测仪器灵敏度还不够高，所以从血液或活体组织中提取的ＤＮＡ在标记或应用前都需要扩增复制。例如，在对一个肿瘤的活体解剖样品进行检测时，需要在几千个正常基因中找到一个异常的癌基因，显然这需要对样品ＤＮＡ进行必要的扩增复制才易于检测。ＰＣＲ作为生物学中最常用的ＤＮＡ扩增手段，由变性、延伸、退火三个步骤所构成，其每个步骤的工作温度大约分别为９５℃、７２℃、６０℃。通过该反应可将极微量的ＤＮＡ成千上万倍地扩增，以满足实验需要。
除了上述方法外，另一个更简易的方法是将帕尔帖器件（一种可通过改变器件两端电压的极性而产生加热或致冷效果的半导体器件），直接贴在ＰＣＲ扩增芯片的背面，人们只需控制帕尔帖器件的温度在三个恒温区之间变化，就能在芯片上实现ＰＣＲ扩增。
对ＤＮＡ芯片上所包含的信息进行准确检测是一项至关重要的工作。早期的方法是同位素标记法，应用时需经过曝光、显影，然后用具有寻址功能的扫描仪扫读。目前在生物芯片信息采集中使用最多最成功的是荧光标记法，这种方法不受同位素的使用限制，用激光作为激发光源的共焦扫描装置具有极高的灵敏度、分辨能力和定位功能，并能定量地输出结果。
最近纳马西瓦亚姆（Ｖ． Ｎａｍａｓｉｖａｙａｍ）等人构建了一种将荧光检测装置直接集成在生物芯片上的方法，这更加提高了生物芯片的集成度。他们在硅上加工出光电二极管，并与芯片上的微流体系统相结合，可以实现０．９纳克／微升的ＤＮＡ检测精度，信噪比为１００∶１。
由于利用生物芯片可以一次性地得到大量实验数据，因此需要一个专用的软件系统来处理数据。完整的生物芯片数据处理系统，应该包括芯片图像分析和数据提取，芯片数据的统计学分析和生物学分析，芯片的数据库积累和管理，芯片表达基因的国际互联网检索，表达基因数据库分析和积累等功能。
在功能基因组学中的应用
研究表明，在不同的组织中表达基因的数目差别非常大，脑中基因表达的数目最多，约有３～４万个，而有的组织中只有几十个基因表达。不能准确知道每种组织中表达基因的数目以及每个基因的表达量，就无法从分子水平上了解这一组织在生命活动中的功能。另外同一组织在不同的生长发育阶段中基因表达的种类、数量也不同，有些基因是在幼年期表达的，而有些基因是在老年期表达的。因此人们不但需要了解基因的序列，还要了解基因在不同组织、不同时间中基因的表达谱，这引发了功能基因组学的诞生。
功能基因组学研究的是在特定组织中、发育的不同阶段或者是疾病的不同时期基因的表达情况，因此它要求能在同一时刻获得多个分子遗传学分析的结果；另外，任何一个细胞中都会有上千个基因在表达。而细胞间基因表达的差异往往能反应出这些细胞是正常发育还是在朝恶性肿瘤细胞方向发展。采用生物芯片技术利用核酸杂交对基因表达进行并行分析的好处是，它用很少的细胞物质便能提供有关多基因差异表达的信息，从而给功能基因组学研究提供前所未有的信息量。
作为超高通量药物筛选平台的应用
在过去的十多年中，随着科技的不断进步以及在巨大的经济利益驱使下，药物筛选技术得到了很大的发展。在１９８０年代中期，每天只能筛选３０种化合物，到了１９９０年代中期，每天可筛选１５００种化合物，而如今每天可筛选超过１０万个化合物。高速、低成本的高通量筛选已经成为当今药物筛选的主流，并逐渐向超高通量方向发展。要进一步提高筛选效率，目前的高通量筛选技术在各方面均需要技术创新，这为生物芯片技术进入药物筛选领域提供了宝贵的契机。
实现超高通量筛选有两条途径：微型化和自动化。生物芯片作为一种新型技术平台，正可满足超高通量筛选的微型化、自动化需要。
在毒理学研究中的应用
对药物进行毒性评价，是药物筛选过程中十分重要的一个环节。现在毒理学家多采用小鼠作为模型，通过动物实验来确定药物的潜在毒性。这些方法需要使用大剂量的药物，花几年的时间，代价巨大。ＤＮＡ芯片技术可将药物毒性与基因表达特征联系起来，通过对基因表达情况的分析来确定药物毒性，使得药物毒性或其他不希望出现的效应在临床实验前得以确认。用ＤＮＡ芯片可以在一个实验中同时对成千上万个基因的表达情况进行分析，从而可为研究化学分子或药物分子对生物系统的作用提供全新的线索。
该技术可对单个或多个有害物质进行分析，确定化学物质在低剂量条件下的毒性，分析推断有毒物质对不同生物的毒性可比性。如果不同类型的有毒物质所对应的基因表达谱有特征性的规律，那么通过比较对照样品和有毒物质的基因表达谱，就可以对各种有毒物质进行分类。在此基础上通过进一步建立合适的生物模型系统，便可通过基因表达谱的变化来反映药物对人体的毒性。
虽然生物芯片技术是一项新兴的技术,但是由于其巨大的应用前景，它已经成为各国工业界和学术界竞相研究的热点。随着生物芯片制作工艺和检测分析手段的不断进步，可以预期在不远的将来，生物芯片技术将渗透到生命科学研究、疾病诊断与治疗、新药开发、国防、司法鉴定、食品卫生检验、航空航天等各个领域中去，成为科学家探索未知世界奥秘的有力武器。
