生物芯片的技术核心

所有的生物芯片技术都包含四个基本要点：芯片的制作、杂交或反应、测定或扫描、数据处理。生物芯片的技术核心是芯片的制备及反应信号的检测。

1、芯片制备技术

目前制备芯片的方法基本上可分为两大类：一类是原位合成(in situ Synthesis)；一类是合成后交联(post-synthesis attachment)。原位合成是目前制造高密度寡核苷酸芯片最为成功的方法。在制备基因芯片时要考虑阵列的密度、再生性、操作的简便性、成本的高低等几方面的因素。

具体而言，比较典型的DNA芯片制备方法有4种：第一种方法是Affymetrix公司开发的光引导原位合成法，该方法是微加工技术中光刻工艺与光化学合成法相结合的产物。第二种方法是Incyte Pharmaceutical公司采用的化学喷射法，该方法是将合成好的核昔酸探针定点喷射到芯片上并加以固定化来制作DNA芯片。

第三种方法是斯坦福大学研制的接触式点涂法。在DNA芯片制备中通过高速精密机械手的精确移动让移液头与玻璃芯片接触，而将DNA探针涂敷在芯片上。第四种方法是通过使用4支分别装有A，T，G，C核昔的压电喷头在芯片上并行地合成出DNA探针。

光引导合成法与喷墨打印法、合成点样法相比，最大的优点是，它可以合成密度极高的阵列；但它的最大缺点是耗时、操作复杂，而且为保证在不同位点加上不同的单体，从而在不同的位点合成不同的探针，需要不断更换不同的蔽光膜，对一个含25个碱基的探针的微阵列，一般需更换100个蔽光膜，需一天多的时间才能完成。

合成点样法虽然芯片上探针的密度相对较低，每个样品都要预合成、纯化，在芯片制备前还需妥善保存合成的探针，但是它的最大优点是操作简便。目前很多公司采用这种方法来制备芯片。

2、样品制备技术

生物样品往往是各种组分的混合体，成分非常复杂，由于目前的检测体系还不能检测出未扩增的标记样品，所以待测样品DNA在杂交前一般都要进行聚合酶链反应(PCR)，在扩增的过程中，对靶DNA进行标记。

目前DNA样品的扩增一般是通过液相反应来完成，但由于低浓度核酸很难检测到，在溶液中通过PCR反应获得线性扩增也很困难；另外，不同靶DNA对引物的竞争，意味着某一序列的扩增优于其他序列。

为了解决上述问题，一些公司正在研究新的方法。如固相PCR系统，该系统是将2种引物排列在丙烯酰胺膜上，与DNA样品、PCR试剂混合，如样品含有靶序列，则开始扩增反应；通过这种固相PCR体系，可避免对引物的竞争，同时也降低了遗留污染。

不过也有不少人试图绕过样品扩增这一问题，如 Mosaic Technologies 公司引入的固相 PCR 方法，引物特异性强，无交叉污染并且省去了液相处理的烦琐； Lynx Therapeutics 公司引入的大规模并行固相克隆法 (Massively parallel solid-phase cloning) ，可在一个样品中同时对数以万计的 DNA 片段进行克隆，且无需单独处理和分离每个克隆。

在芯片飞速发展的今天，样品制备已经成为芯片发展的瓶颈所在。对于较大规模制作芯片的用户，由于点样样品数目太多，即使采用高通量试剂盒还是不够方便。

世界上声誉卓著的核酸纯化供应商德国QIAGEN公司推出了全自动核酸和蛋白纯化工作站，该工作站有4个不同的自动纯化系统型号：BioRobot 8000，BioRobot 3000，BioRobot 9604，BioRobot 9600，加上QIAGEN优质的多种配套纯化试剂盒--从质粒、粘粒、RNA、血液基因组DNA、病毒DNA到蛋白，品种丰富，在欧美的生物医学市场上掀起了一场革命，各大分子生物学中心、芯片中心、医学中心争相抢购。

样品获得后要进行标记，目前样品的标记主要是荧光标记。荧光标记基本分为2种，一种是使用荧光标记的引物，一种是使用荧光标记的三磷酸脱氧核糖核苷酸。

目前常使用的荧光物质有：荧光素、罗丹明、HEX、TMR、FAM、Cy3、Cy5等。根据扩增产物分离的方法不同，标记的方法也不同：进行单引物标记的，其扩增产物通常由聚丙烯酰胺凝胶电泳分离；

对一个引物用生物素标记，另一个引物用荧光素标记的，一般用亲合素偶联的磁珠捕捉其扩增产物，通过变性处理使荧光标记的产物解链。

此外，也有用生物素残基标记引物，将生物素标记的扩增产物与芯片杂交，洗涤后加入亲合素连接的荧光物，通过生物素与亲合素的结合及靶序列与探针的结合产生荧光信号，然后利用荧光检测系统对荧光信号进行检测。

3、芯片点样技术

点样法是将预先通过液相化学大量合成好的探针、或PCR技术扩增cDNA或基因组DNA经纯化、定量分析后，通过由阵列复制器（arraying and replicating device，ARD）或阵列点样机（arrayer）及电脑控制的机器人，准确、快速地将不同探针样品定量点样于带正电荷的尼龙膜或硅片等相应位置上（支持物应事先进行特定处理，例如包被以带正电荷的多聚赖酸或氨基硅烷），再由紫外线交联固定后即得到DNA微阵列或芯片。

点样的方式分两种，其一为接触式点样，即点样针直接与固相支持物表面接触，将DNA样品留在固相支持物上；其二为非接触式点样，即喷点，它是以压电原理将DNA样品通过毛细管直接喷至固相支持物表面。打印法的优点是探针密度高，通常1平方厘米可打印2,500个探针；缺点是定量准确性及重现性不好，打印针易堵塞且使用寿命有限。喷印法的优点是定量准确，重现性好，使用寿命长；缺点是喷印的斑点大，因此探针密度低，通常只有1平方厘米400点。点样机器人有一套计算机控制三维移动装置、多个打印/喷印头、一个减震底座，上面可放内盛探针的多孔板和多个芯片。根据需要还可以有温度和湿度控制装置、针洗涤装置。打印/喷印针将探针从多孔板取出直接打印或喷印于芯片上。

现在已经有比较成型的点样装置出售，例如美国Biodot公司的“喷印”仪，以及Cartesian Technologies公司的Pix-Sys NQ/PA系列“打印”仪。这些自动化仪器依据所配备的“打印”或“喷印”针将生物大分子从多孔板吸出直接“打印”或“喷印”于芯片片基上。“打印”时针头与芯片片基表面发生接触而“喷印”时针头与片基表面保持一定的距离。所以，“打印”仪适宜制作较高密度的微阵列（例如2500点/cm²），“喷印”法由于“喷印”的斑点较大，所以只能形成较低密度的探针阵列，通常400点/cm²。点样法制作芯片的工艺比较简单便于掌握、分析设备易于获取，适宜用户按照自己的需要灵活机动地设计微点阵，用于科研和实践工作。目前，除了在生物芯片研制方面享有盛誉的Affymetrix公司等个别公司使用原位合成技术制造芯片外，大多中小型公司普遍采用点样技术制作生物芯片。

4、探针的制备技术

探针（探针的功能是识别靶序列和携带报告分子，如同位素、荧光、地高辛等）：为了提高监测灵敏度，人们的努力放在信号放大以及模板扩增两个方面，其中应用经过特殊处理的探针方法可以提高灵敏度的方法有三种：分支探针这种方法的原理是，设计具有庞大分支结构的分支核苷酸探针，分支末端以酶标记。这样，经过分支核苷酸与酶的双重放大作用而将标本杂交时极弱的信号转换为较强的化学信号。分子信标（Molecular beacon, MB，一种设计巧妙的荧光标记的核酸探针，未杂交状态下为发夹结构，在发夹的两端分别连接荧光素分子和猝灭分子，利用荧光共振能量转移原理（FRET））、肽核酸（Peptide nucleic acids, PNA，以中性酰胺键为骨架，不带电荷，为DNA类似物。与DNA的亲和性高、酶解稳定性好，因此多用来做诊断和检测用探针）探针3项技术。

5、杂交反应及过程控制技术

芯片杂交是DNA芯片技术中除DNA方阵构建外最重要的一步。杂交时选择的条件要使成千上万对的杂交反应中的最大多数处于最佳状态中，也就是说要使得尽可能多的正确配对物都不遗漏（假阴性尽可能少），有错配的杂交降低至最低（假阳性尽量少），这是非常难以达到的境界。

目前杂交是提高芯片在实际应用中的准确性的关键步骤之一。杂交条件的构建要根据芯片的实际情况进行最优化。

杂交反应是一个复杂的过程，受很多因素的影响，而杂交反应的质量和效率直接关系到检测结果的准确性。这些影响因素包括：（1）寡核苷酸探针密度的影响。低覆盖率使杂交信号减弱，而过高的覆盖率会造成相邻探针之间的杂交干扰。（2）支持介质与杂交序列间的间隔序列长度的影响。研究表明当间隔序列长度提高到15个寡核苷酸时杂交信号显著增强。有研究表明，选择合适长度的间隔序列，可使杂交信号增强150倍。（3）杂交序列长度的影响。在杂交反应中经常发生碱基错配现象，区分正常配对的互补复合物与单个或2个碱基的错配形成的复合物，主要依赖于形成的复合物的稳定性不同，而杂交序列的长度是影响复合物稳定性的一个重要因素，一般说来，短的杂交序列更容易区分碱基的错配，但复合物的稳定性要差一些；而长杂交序列形成的复合物稳定，而区分碱基错配能力要差一些。研究表明，12、15、20个碱基产生的杂交信号强度接近，但15个碱基的杂交序列区分错配碱基效果最好。（4）GC含量的影响。GC含量不同的序列其复合物的稳定性也不同。（5）探针浓度的影响。以凝胶为支持介质的芯片，提高了寡核苷酸的浓度，在胶内进行的杂交更象在液相中进行的杂交反应，这些因素提高了对错配碱基的分辨率，同时也提高了芯片检测的灵敏度。（6）核酸二级结构的影响。在使用凝胶作为支持介质时，单链核酸越长，则样品进入凝胶单元的时间越长，也就越容易形成链内二级结构从而影响其与芯片上探针的杂交，因而样品制备过程中，对核酸的片段化处理，不仅可提高杂交信号的强度，还可提高杂交速度。

6、杂交图谱的信号检测技术

杂交图谱的信号检测是生物芯片的两个关键技术之一，目前关于芯片的大量专利和研究集中在这方面。荧光检测主要有2种：激光共聚焦荧光显微扫描和CCD荧光显微照相检测。前者检测灵敏度、分辨率均较高，但扫描时间长；后者扫描时间短，但灵敏度和分辨率不如前者。虽然荧光检测在芯片技术中得到了广泛的应用，但是荧光标记的靶DNA只要结合到芯片上就会产生荧光信号，而目前的检测系统还不能区分来自某一位点的荧光信号是由正常配对产生的，还是单个或2个碱基的错配产生的，或者兼而有之，甚或是由非特异性吸附产生的，因而目前的荧光检测系统还有待于进一步完善与发展。有研究者正试图绕过荧光标记，建立新的检测系统，以提高杂交信号检测的灵敏度。

比较成熟的是采用激光系统扫描仪进行的荧光检测，噪音水平、信噪比、分辨率是衡量扫描仪工作质量的几个重要指标。由于荧光标记法的灵敏度相对较低，因此质谱法、化学发光和光导纤维、二极管方阵检测、乳胶凝集反应、直接电荷变化检测等等正作为新的芯片标记和检测方法处于研究和试验阶段，其中最有前途的当推质谱法。

目前有很多厂商生产生物芯片信号检测扫描仪，知名的公司包括：Genomic Solutions公司、Packard公司、GSI公司、Molecular Dynamics、Genetic âMicrosystems公司、Axon Instruments公司等。其中GSI Lumonics 公司ScanArray 系列一直是生物芯片扫描检测系统中的领头产品。2000年GSI并入著名的Parkard公司后ScanArray的软、硬件都得到进一步加强。

7、信号（信息）分析与解读——数据分析

芯片杂交图谱的多态性处理与存储都由专门设计的软件来完成。一个完整的生物芯片配套软件应包括生物芯片扫描仪的硬件控制软件、生物芯片的图像处理团建、数据提取（mining）或统计分析软件，芯片表达基因的国际互联网上检索和表达基因数据库分析和积累。

从国际上生物芯片专利的按领域分布来看，62%的专利集中在数据分析领域，可见如何对生物芯片带来的海量数据进行解读、分析是生物芯片研究领域的焦点和重点。

对所读取的数据的处理方面，目前已经有许多数学统计的方法用于芯片数据处理与信息提取，应用最广泛的是聚类分析（cluster analysis）、此外还有主成分分析(principal component analysis)、时间序列分析(time series analysis)等，但是还没有一种“标准”的统计方法。