生物芯片技术探秘

生物芯片发展至今有很多名称和类型，通常将样品的制备，生化反应、结果的检测和分析这三步不同步骤集成为不同用途的生物芯片，据此分为不同的类型。例如用于样品制备的生物芯片，生化反应生物芯片及各种检测用生物芯片等。基因芯片技术发展的最终目标是将从样品制备、杂交反应到信号检测的整个生化检测分析过程集成到芯片上以获得微型全分析系统（micro total analytical system）或称所谓的"芯片实验室"（Lab-on-Chip）。使用缩微芯片实验室，就可以在一个封闭的系统内以很短的时间完成从原始样品到获取所需分析结果的全套操作。（相关的英文名计有：Microarray、BioChip、 BioArray、GeneChip、 DNAChip、DNA Microarray、 Mirofluidics Chip、 Microelectronic Chip、Lab-on-Chip）样品制备芯片的目的是将通常需要在实验室进行的多个操作步骤集成于微芯片上。目前，样品制备芯片主要通过升温、变压脉冲以及化学裂解等方式对细胞进行破碎，通过微滤器、介电电泳等手段实现生物大分子的分离。

生化反应芯片即在芯片上完成生物化学反应。与传统生化反应过程的区别主要在于它可以高效、快速地完成生物化学反应。例如，在芯片上进行PCR反应，可以节约实验试剂，提高反应速度，并可完成多个片段的扩增反应。通常我们在对微量核酸样品进行检测时必需事先对其进行一定程度的扩增，所以用于PCR的芯片无疑为快速大量扩增样品多个DNA片段提供了有力的工具。

检测芯片顾名思义是用来检测生物样品的。例如用毛细管电泳芯片进行DNA突变的检测，用于表达谱检测、突变分析、多态性测定的DNA微点阵芯片（也称DNA芯片、基因芯片），用于大量不同蛋白检测和表位分析的蛋白或多肽微点阵芯片（也称蛋白或多肽芯片）。

芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。它通过微细加工工艺制作的微滤器、微反应器、微泵、微阀门、微电极等将样品的制备、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，从而极大地缩短的检测和分析时间，节省了实验材料。

现在，已经有由加热器、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。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。

目前我们最常见的生物芯片要数基因芯片（Gene Chip）。在基因芯片中又要数基因表达谱芯片的应用最为广泛，技术上也最成熟。这种芯片可以检测整个基因组范围的众多基因表达水平的变化，但对芯片点阵的密度要求较高，目前能见到的芯片产品中基因数量从几千到几万不等。表达谱芯片可以分析2组或2组以上不同来源的mRNA转录丰度的差异，通过计算杂交信号的比值(Ratio值)和统计分析，可以获得差异表达基因的信息，同时还可以用聚类分析算法研究在功能或表达调控上具有相关性的基因，最终为研究基因功能和基因遗传网络提供有力手段。表达谱芯片研究流程相对繁杂，包括样本制备、荧光标记、杂交、芯片扫描、芯片图象处理和基因表达信息分析。

基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片制备、样品制备、杂交反应和信号检测以及结果分析。

<font>芯片制备</font>

目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体。通常比较典型的制备方法有3种：（1）原位合成法（2）合成点样法 又根据是否与芯片的表面接触分为化学喷射法和接触式点涂法（3）压电法，从而将靶基因作为探针按顺序排列在载体上。靶基因可分为基因组DNA、cDNA（或人工合成DNA）。目前，以cDNA的研究为主，因为cDNA是染色体上编码蛋白质的DNA序列，有医疗和其他领域的研究价值和商业价值。芯片的制备除了用到微加工工艺外，还需要使用机器人技术。以便能快速、准确地将探针放置到芯片上的指定位置。

原位合成法