生物芯片的研究不仅指芯片本身，也涉及生物分子电子学的其他方面，包括生物传感器，生物电池，机器人视觉，神经接口和人工智能等。生物芯片计算机的概念来自分子生物学的饶有兴趣的两个方面：即生物多聚体能够自主装配，和像DNA那样的分子能够贮存，复制以及传递信息。幻想家们预言，在生物计算机中，将利用生物材料和生物过程，制造和装配分子型的电子元件。最终，计算机将建立在沿原子链传播半导体孤子波的基础上。
但是，这种芯片何在？这个问题无疑将会在产业界和学术殿堂中徘徊至少10多年（如果不是20年的话）。因为不仅生产这种生物芯片的技术不存在，就连大部分的理论也尚未问世。
对于生物芯片的需求，主要来自于人们预见到现代硅芯片的局限性，以当前发展速度看，硅芯片所能贮存的信息量10年内将达到它的理论极限值。Bell研究室刚公布了兆位芯片，元件间隔大约是在1微米。
通过新的印刷技术和其他方面的改进，可以使包装密度加倍，间隔小到0.2微米。除了这点之外，非常重要的发热问题出现了。如此紧密的包装引起的对话（泄漏）会损害信息。在生物芯片中，由于元件是分子大小的，包装密度可成数量级地增加。由于信号传播方式是孤电子，将不会有损耗，生物芯片几乎不产生热。
有机线路和开关
生物芯片是如何工作的呢？模拟型生物芯片可以用蛋白质分子作为计算元件，而数值生物芯片将使用“通一断”二进制逻辑，就像硅集成电路所使用的一样。在生物芯片中，合成的有机分子将成为线路、开关、逻辑电路和记忆阵列。分子线路是建构分子电子装置的第一步。理论上，分子线路可由传导性多硫氮化物和反式聚乙炔多聚物构成。这些线路可以一个亚单位、一个亚单位地在生物芯片上装配。例如，多硫氮化物可以借硫化二酰亚胺和硫化二氯化物相互反应，使丝状体的末端不断延长来形成。这种类型的反应可通过化学反应次数的多少，来精确控制线路的长度。
传导化合物是作为开关分子有潜力的候选者，其中包括传导电荷的盐类，酞菁，半醌和多聚体反式聚乙炔。传导电荷的盐类是有机晶体化合物，可传导电流；它们被称为准线性导体，指的是沿着结晶体的一个晶轴比沿其他轴的导电性大得多。典型的样板是TTF（tetrafulvalene）晶体 - 电子供体，和TCNQ（tetracyanoquinidodimethane）- 电子受体，）Arieh Aviram和Philip Seiden提出有关电子开关的设想，他们认为平面形的分子可以形成一种导电性的分子迭层。（TTF）（TCNQ）已由Robert Metzger和Charles Panetta合成，但发现它很难纯化，所以其化学和电的特性还没弄清楚。
酞菁也是平面形的能够迭垒的分子。酞菁中心含有一金属离子（例如Cu，Fe或Zn）；当分子迭垒起来时，金属核心形成一条相当于一个原子直径的一条线。与用导电性盐的情况一样，沿迭层而导电。
半醌存在于生物体内，是离子运输这程中的分子，它也是作为分子开关的候选者。事实上，在有机的计算机记忆装置中，使用薄层半醌的方法已由IBM取得专利。一个半醌分子可以两种状态存在 · 这两种状态仅通过分子转动180°就可互相转换。半醌是具有对称双位阱势分子的模型体系。意思是两个质子由一种位置（即一个势阱）转到另一位置，如此往复，从而建立起一种振荡。假如分子是被包埋或是被固相化，这种振荡便成为可以被控制的了，即只有外加一电场，振荡才会发生。这样，半醌就是一种化学模拟开关元件。开关的状态可以由有无电流来判明。这种机制是由IBM的Aviram提出的。Aviram说，他们小组选择半醌，仅仅是为了研究质子在对称双势阱中的运动，来证实粒子确实由一个位点移至另一个位点，作为信息存储更为合理的候选者是一种咪唑衍生物，这是一个比较大的，其中有4个质子，并且更易极化的体系。控制质子振荡不仅可以通过固定其分子，也可以通过降低温度或者移动更大质量的分子（如用较大的分子）。
孤 子
最简单、最熟悉的传导性多聚体是反式 - 聚乙炔，传导性聚乙炔在纯化状态仅很少量地传导电流。然而，掺入极少量别的元素，其导电性大大增加，甚至可达到其他半导体材料的水平。聚乙炔在理论上最具迷惑力的地方是它能传递孤子。Forrest L. Carter已为孤子沿反式聚乙炔链的传递提出了一些较好的理论模型。孤电子是一非线性结构扰动，它动起来像一个粒子，但没有能量损失。这种膺粒子有确定的能量、动量和速度。孤子在水中已被证实。Davydov 1976年提出，按α螺旋传播几千埃的孤子，可能是一种与ATP中键断裂相联系的信号传送机制。孤子在聚乙炔类型的共轭体系中尚未被证明，虽然有许多科学家认为它们确实存在。Carter认为，测量一个孤子绝非易事：用来测量粒子传播速度的“飞行时间”法，依赖于聚乙炔分子中不能有键的断裂，如果键有任何偏离或断裂都会影响粒子的速度。
反式聚乙炔是一个共轭体系：即它含有交替变换的单键和双键。当沿着链上的单双键相互转换不是很完全的时候，在链上就出现多余的电子。孤子在链上传播，就引起了单键和双键的互换（见图1）。在Cartel的模型中，单、双键的互变对开关输入机制起着重要作用。孤子可以沿着聚乙炔链向后或向前移动。当把一电位施于该链时，孤子将如—个电子似地很快地运行，直至到达正接头，释放出多余的电子。尽管孤子远比电子移动得慢（相当于音速，而非光速），但由于它们传播的距离非常短，以致运行的有效速度与电子没有什么区别。
由Carter提出的一种开关机制是推一拉型二烯烃开关（见图2）。将有机的发色团（光敏分子）嵌入聚乙炔链。当光激活发色团时，在分子内部出现电子转移和键的重排。孤子在链上通过也会改变键的结构，从而阻止了光激活作用。孤子就像这样使发色团关闭。这个体系可以很容易地改装成复杂的结构：两个孤子在各自独立的链上传播，激活一个发色团，假如此时开关是“通”，第三个孤子将激活发色团放射出一个光子，以同样的方式便能构建成更杂的（“门”）开关群。Carter估计，靠这一机制能使包装密度达到1018个门/（厘米）3。发色团应要求保持200 ?的间隔（防止“对话”），链应该被包埋在50 ?的中心上。
周期性的隧道是由分子构成导线的另一种方式，试设想一个分子它含有周期性的障碍（位垒）和井孔（位井）。该障碍妨碍电子流过；井孔则允许它流过，沿分子运动的电子所具能量与井孔的能量水平是一精确的定量关系时，障碍则变成可通过的。这也提供了另一种开关机制：电子流动可以由改变井孔的能量水平来控制。
NOR逻辑
Forrest Carter提供了一个优秀的分子类似物，类似于通常使用的二进制逻辑电路——NOR门电路。这是一种“not/or”运算，即所有输入条件都是不正确，便获得了一个正确的结果；任何输入条件都是正确的，便获得不正确的结果这类型的运算。在具有两个晶体管的NOR线路中，仅当两个输入（晶体管起开关作用）都是断（0）时，输出才是（1）。由电源（Vt）流出的电流将流过输出。假如两个晶体管之一或二者是通（1），电流将流至地线，Carter提供的分子类似物也是建立在通 - 断型开关上，即由电子隧道穿过一组位垒而工作的（见图3）。门电路是镓酞菁环形分子迭垒而成；每个镓通过氟架桥于其他的镓。迭垒分子中的势能井的深度与宽度由四价氮上的正电荷来控制，并且位垒对应于氟桥。在迭层分子中，一个环形物可用聚硫氮化物（[SN]x）来代替，它起到一条输入端子的作用。在迭层分子顶部和底部的环形物是镍酞菁。连接镍的多硫氮化物作为另一个端子。电子输入端子是一个聚乙炔分子。电子在任一多硫氮化物导线上运行时，中和四价氮原子，这就改变了电位，也就切断了由迭层分子向地线的电流。这样电流就流向输出端子，使门电路关掉。
薄膜电子学
上面已说清如何用分子材料做线路、开关和逻辑电路，现在就可以谈谈如何构成一块芯片了。第一步是要在固体表面做一衬质。这有几种方法。最常提到的是Langmuir-Blodgett薄膜沉积技术。这种技术可以得到牢固的薄膜。办法是将固体物（玻璃或硅片）放在含有目的材料的水中，该目的材料必须是具有极性的物质，即它是由具有亲水和疏水末端的分子组成。这种材料放在水面并浓缩它，就可形成规则排列的一个分子厚度的薄层。将固体物浸入这样的水中再取出，分子的亲水端就附着在固体的表面，形成一单分子层。重复这一过程可以构成复合层。英帝国化学工业的研究者们制备Langmuir-Blodgett薄膜以代替酞菁，并向玻璃上转移这样的单层。Kevin Ulmer提出另一衬底构建的办法。即用较大的蛋白质作为平板印刷的蒙片，可在固体基础上做出二维晶体。这些较大的蛋白质通常应该有亚单位，后者可借遗传工程使之具有强的界面亲合力和可光解键。没有被蛋白质覆盖的区域，再用导体或绝缘材料盖上，然后将蛋白质去掉，于是在衬质表面留下一个有规则，与覆盖物相似的图案（见图4），Gentronix实验室也正在薄膜沉淀技术上做工作。1978年，公司被授予了两项专利，专利是覆盖蛋白质单层或多层沉淀物，以形成微模型。他们的目的是发展在非生物物质表面上如何铺盖有机分子的方法。
分子电路的组装
分子型的电路装配设想可能存在如下途径。首先将10 ~ 100 nm厚度的衬质附于固体表面。然后用X - 射线或激光平板印刷技术在衬质表面建构功能元件。
分子型的电子结构（一个分子一个分子地建成）的平板印刷过程，不同于用于硅集成电路的平板印刷技术。硅片中是缩小。Carter提出，功能元件能够通过不同的化学反应沉积在衬质上。首先要粘上分子线路：这是将第一个亚单位借共价键结合至衬底的传导区域来完成。然后通过前文所述的化学反应，来使线路延长到所要求的长度，用不同的反应，将绝缘层加至衬底。衬底上覆盖好分子型的电子连线和绝缘层后，再加上记忆和开关元件。最后，将可充电的发色团加到线路末端，这样就可测试了。
James McAlear和John Wehrung与J. Hanke一起完善了一种将银导线沉积于蛋由质单层上的技术。这个过程显示了构建生物分子器件的某些希望。这些研究者将聚赖氨酸覆盖于玻璃上，然后在聚赖氨酸上沉积一薄层多聚甲基的甲基异丁烯酸。用电子束平板印刷术将这个组合物曝光成由计算机控制的电子束描绘的电路图。再在无水酒精中冲显。在释放出自由氨基的聚赖氨酸上沿积一种含氨的银染色剂。随后还原成金属银，便显示出银导线（见图5）。这一导体直接沉淀方法可以应用于众多不同的酶和蛋白质。事实上，它也可以应用于大分子的局部装配，局部装配模型的位置是由在平板印刷中曝光区域来决定的。
生物支架
作为局部装配程序的蛋白质大分子、将多半起着构造材料的作用，而不是功能的作用。生物多聚体起着支撑物的作用，使得分子型的导体和功能性组分能够被固着其上。然而，在局部装配能够实现前，必须首先掌握构成具有特定三维构型的蛋白质的技术。随后还取决于我们对由氨基酸结构所决定的可折迭三维蛋白质的了解能力。现在关于蛋白质工程的研究几乎才开始。直到目前，主要的障碍之一仍是用于借X - 射线结晶学测定其结构的蛋白质的纯度问题。某些蛋白质纯化极端困难，其他可用的蛋白质又是如此微量，以至结晶实际完全不可能。能大量产生蛋白质的生物工程的出现，使结晶变得比较简单了。Kevin Ulmer说遗传工程可产生大量超纯的起始材料，计算机分析则减少了时间，使得由蛋白质的结晶状态便可测定其结构。用电子状态敏感X－射线示波器代替平板印刷薄膜来记录衍射图谱。过去要用两年时间完成的程序，现在一般可以用少于一年的时间完成，有的只需几个月。另一种测定结构的方法是质子核磁共振，很适于研究小蛋白质（约10，000道尔顿）。这一技术的优点是可用来测定在溶液中的蛋白质。
局部装配的机理
现已提出几种装配学序的设想，其中之一是由Gentron的James McAlear和John Wehrung提出的分子器（图6）。此模型并不是打算作为一种装置，而是为如何组合提供一种手段。这个模型采用单克隆抗体（或其片段）作为高度特异性的组装单位，以建构三维结构。用分子型的电子开关将一个抗体与另一个抗体衔接起来，这样就使信号能在结构内部传递。图中所示导线集团是信息进出口。另一办法是以亚单位作为特异性接合点随机相互接触而在溶液中装配起来。这个结构可像晶体的增长那样增长。由于酶或抗体结合点可精确地相符合，所以装配是自主修饰性的。Kevin Ulmer提出，生物工程技术可用来设计蛋白质。
事实上，设计和合成——“计算机基因组”，直接产生分子电路是可能的。
另一个略微不同的生物信息处理方法是用微管作为分子“骨架”。在此，微管被看作是细胞的“自动装置”，即在有组织的栅格结构的生物分子体系中起动力作用。微管构成细胞结构——鞭毛、纤毛、细胞骨架，并在细胞定向，细胞质运动和吞噬中起作用。微管本身由13根纵向排列的原丝状体组成，每一条原丝状体又是由一系列α和β二聚体的微管蛋白构成。微管蛋白二聚体能够自主装配。许多微管结合蛋白（MAPs）可以结合于微管圆柱体的外边。MAPs可以沿着微管的纵轴，以每天超过400 mm的速率传递物质。根据Stutart Hameroff所说，经由一滑动的丝状体单方向传递特定的酶或前体可以被看成是微管蛋白二聚体通一断状态的一种功能，微管蛋白二聚体上固定有边臂蛋白质。假如某一排固定有边臂蛋白质的亚单位是通（占用），而另一排是断（未占用），则边臂指向不相对的“通”亚单位（见图7）。在这个例子中，遗传信息应被看作是一程序表，而变化中的状态（离子流量，电荷梯度，动势）则被看作是执行指令。在每个微管内部，通一断状态提供传导信息的过程。
甚至在第一个生物芯片由实验室产生之后，仍然会存在大量问题。最显而易见的自然是怎样将分子型线路挂上普通的导线。可能由聚硫氮化物和多聚乙炔构成的电路导线，根本不能与任何已知的装置相连接。围绕这个问题，其中一条解决途径就是避免连接。生物回路可通过一定长度的光波来传送。由一条分子线路传送一个信号给发色团，发色团根据分子开关的状态而改变其光吸收特性。不管怎样，可被装配的单位的大小很可能与通常激活它的波长相同。此外，在紧密排列的内部，恰好只有一个亚单位被激活这样的精确性，是不可能达到的。
现代理论化学家，物理学家，分子生物学家和电子工程学家并没有被实际问题吓倒，而是继续对生物分子电子学感兴趣。没有人做过任何真正有过经验的工作，因为正如Robert Haddon申明的：“生物集成电路的发展是如此遥远，很难知道该做什么。”美国和日本的主要公司一直对生物分子电子学的某些方面感兴趣。日本可以很好地建设这个领域，把它作为国家的重点，就如最近为生物技术所做的那样。而美国在没得到可应用的一些实际论证之前，一直不乐意成为主要的投资者。但实际上，上述论证是会得到的。生物传感器，薄膜TV管和高级工业控制等，都是从一种发展中技术得来的某些副产品，人们也希望它将产生终极计算机。
[Bio/Technology，1985年3卷3期]