生物芯片技术概论

一、 概述

生物芯片这一名词最早是在80年代初提出的，主要指分子电子器件。美国海军实验室研究员Carter 等试图把有机功能分子或生物活性分子进行组装，想构建微功能单元，实现信息的获取、贮存、处理和传输等功能。用以研制仿生信息处理系统和生物计算机。

产生了"分子电子学"同时取得了一些重要进展：如分子开关、分子贮存器、分子导线和分子神经元等分子器件，更引起科学界关注的是建立了基于DNA或蛋白质等分子计算的实验室模型。

进入90年代，另一类"生物芯片"引起了人们的关注，通过机器人自动打印或光引导化学合成技术在硅片、玻璃、凝胶或尼龙膜上制造的生物分子微阵列。实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其它生物组分准确、快速、大信息量的筛选或检测。

二、 分类

根据分子间特异性相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程集成了芯片表面，构建微流体(Microfluidics)生物化学分析系统。

按照芯片上固定的生物分子的不同，可以将生物芯片划分为：基因芯片、DAN芯片、蛋白质芯片及芯片实验室(Lab-on-chip)。从其功能不同的角度，又可分为：测序芯片、表达芯片和比较基因组杂交(CGH)芯片。

三、 制备

1. 载体材料的要求：作为载体必须是固体片状或者膜、表面带有活性基因，以便于连接并有效固定各种生物分子。

2. 载体种类：玻璃片、PVDF膜、聚丙烯酰氨凝胶、聚苯乙烯微珠、磁性微珠。

3. 芯片制备方法：两大类：一类是原位合成；一类是预合成后点样。

原位合成：适用于寡核苷酸，通过光引导蚀刻技术。已有P53、P450，BRCAI/BRCA2 等基因突变的基因芯片。

预合成后点样：是将提取或合成好的多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因组DAN等 通过特定的高速点样机器人直接点在芯片上。由于该技术相对简易低 廉，被国内外广泛使用，目前市场上销售的芯片大多采用这一技术制作的。

接触式点样：是指打印针从多孔板取出样品后直接打印在芯片上。打印时针头与芯片接触。优点是探针密度高，通常一平方厘米可打印2500个探针。 缺点是定量准确性及重现性不太好。

非接触式点样：针头与芯片保持一定距离。优点是定量准确重现性好，缺点是喷印的斑点大，密度低。通常一平方厘米只有400点。但是日本佳能公司 能把喷印点直径大小由150-100μm降到30-25μm。可将哺乳动物整个基因组DNA点阵于一张芯片上成为可能。

4. 生物样品的制备：分离纯化、圹增、获取其中的蛋白质或DNA、RNA并用荧光标记， 才能与芯片进行反应。 用DNA芯片做表达谱研究时，通常是将样品先抽提mRNA，然后 反转录成cDNA。同时掺入带荧光标记的dCTP或dUTP。

四、 检测设备

以基因芯片为例：基因芯片的原型是80年代中期提出的，兴起于90年代后期。基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法。

在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出靶核酸的序列。