生物芯片及其应用研究

孟 勋

西安工业大学电子信息工程学院生物医学工程系

继基因克隆技术、基因自动测序技术、PCR 技术后，生物芯片是生命科学研究中的又一次革命性技术突破。简述了生物芯片的概念，应用原理，阐述了生物芯片的主要分类，主要应用，最后对生物芯片的作用和意义进行了论述。

引言

生物芯片是继基因克隆技术、基因自动测序技术、PCR 技术后，随着生物技术的迅速发展，电子技术和生物技术相结合诞生的。这是生命科学研究中的一次革命性的技术突破，给我们的生活带来一场深刻的革命。

概念

生物芯片的原理

根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于生物芯片（biochip 或bioarray）表面，实现生物信息的存储和集成，进而对DNA，RNA，多肽，蛋白质及其他生物成分实现高通量快速检测。分子杂交或/和抗原抗体反应是随之发展的生物芯片技术应用的基本原理。具体作法为利用用荧光染料的特性，将其作为标记样本，将DNA、cDNA 或抗体，与生物芯片杂交或反应做上标记。对杂交或反应信号，通过激光共聚焦荧光显微镜检出，进而通过计算机处理，分析，从而获得所需信息。

生物芯片的分类

按用途分类

（1）生物电子芯片。用于实现生物电子产品，比如生物计算机等的制造。这一类在技术和应用上还很不成熟。

按作用方式分类

（1）主动式芯片。主要是指将样本处理纯化，反应标记及检测等多个实验步骤进行集成，使生物实验中通过一步反应就可主动完成。该类芯片特点是快速，操作简单。因此又可将其称为功能生物芯片。该类芯片主要包括微流体芯片（microfluidic chip）和缩微芯片实验室（lab on chip），也叫作“芯片实验室”，是生物芯片技术的较高阶段。

（2）被动式芯片。即各种微阵列芯片，这类芯片是指在操作步骤不变的前提下，将生物实验中的多个实验实现集成，高度的并行性是其主要特点。就目前情况看，大部分芯片属于此类。从这类芯片主要是为了获得大量的生物大分子信息，进而利用生物信息学的知识手段进行数据挖掘。所以可将这类芯片称为信息生物芯片，主要包括基因芯片，蛋白芯片，细胞芯片和组织芯片等。

按成分分类

（1）基因芯片（gene chip）。又称为DNA芯片（DNA chip）或DNA 微阵列（DNA microarray），其制成是将cDNA 或寡核苷酸固定在微型载体上形成微阵列。

（2）蛋 白 质 芯 片（protein chip 或protein microarray）。其制作是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质固定在微型载体上形成形成微阵列。芯片上的探针构成为蛋白质或芯片作用对象为蛋白质者，这两类统称为蛋白质芯片。

用第三国的葡萄品种来酿酒一直以来备受争议。然而葡萄还是经常从不同的产区运到酒窖进行加工。理论上，在冷冻状态下运输葡萄汁和果汁是可以保证质量的（有些人也许还主张保留风土特征）。建立在大都市里的酒庄也正在涌现，比如建在伦敦、悉尼、温哥华和华盛顿等地的城市酒庄（Urban Wineries），他们使用的葡萄通常来自不同的国家，我们在香港也有自己的城市酒庄计划。如果这些大城市的消费者都接受这些城市酒庄，那像探索海角、双岛和普拉加这样的酒庄自然也就没什么问题了。

（3）细胞芯片（cell chip）。将细胞按照特定的方式固定在载体上形成细胞芯片，用来检测细胞间相互影响或/和相互作用。

（4）组织芯片（tissue chip）。将组织切片等按照特定的方式固定在载体上构成组织芯片，主要用来对免疫组织化学等组织内成分差异进行研究。

按芯片制作工艺分类

根据芯片制作工艺，生物芯片可分为电子芯片，三维芯片，流过式芯片和石英谐振DNA 生物传感器芯片等。

按储存信息类型分类

根据储存的生物信息的类型，生物芯片又可分为寡核苷酸芯片（又称DNA 芯片），cDNA 芯片，蛋白质芯片和组织芯片等类型。其中DNA 芯片和cDNA 芯片一起又称基因芯片。

其他

依据生物芯片的应用方式，又可将生物芯片分为用于样品制备，用于生物化学反应和用于检测分析的生物芯片等类型。按照芯片的用途可分为表达谱芯片，诊断芯片，指纹图谱芯片、测序芯片和毒理芯片等类型。就芯片所用的载体材料而言，生物芯片又可分为玻璃芯片、硅芯片、陶瓷芯片等。

芯片实验室（Lab on chip），是生物芯片技术发展的高阶段，是将生命科学中的样品制备，生化反应，结果检测和数据处理的全过程，构成一个微型全分析系统，集中在一个芯片上进行，称为芯片实验室。

生物芯片的制备

微点阵芯片制备

制备微点阵芯片的主要方法有原位合成法（光刻原位合成，分子印章原位合成等）和合成点样法（点接触法，喷墨法等）。

微流控芯片制备

微流控芯片的材料主要有单晶硅、无定形硅材料、玻璃、石英材料以及高分子聚合物材料（如环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷和光敏聚合物）等。制作微流控芯片的方法主要有浇注成膜法：事先准备一个制作好的阳膜，模具通常采用硅模具，一般用光刻——刻蚀的方法来制得。将液态的聚合物材料胶体均匀浇注在阳膜上，待其固化后剥离，就可以得到一个带有微通道的基片，将此基片与盖片的表面均经过改性处理后键合，就形成了所需要的微流控芯片。

主要应用

基因芯片的主要应用

基因芯片的应用主要分为两大类：用于研究基因型；用于监控RNA 表达。

疾病的诊断与治疗

基因芯片在疾病的诊断与治疗这一领域的应用具有广阔的应用范围和前景。可以利用芯片技术对易患某些疾病的高危人群进行普查，还可用于对内分泌系统，免疫系统，血液系统等疾病进行早期诊断。

基因表达分析

基因表达是根据基因的DNA 模板进行mRNA 和蛋白质合成的过程。许多研究小组已利用基因芯片进行了基因转录和表达图谱的研究。基因芯片能够研究基因调控网络及其机制，揭示不同层次多基因协同作用的生命过程。

基因型及多态性分析

同一物种不同种群和个体之间在生物进化过程中存在着不同的基因型，对应不同的基因型，生物个体间表达出各种不同的性状，各种不同的性状与基因型有着密切的关系。利用基因芯片可以对基因型与性状之间的关系进行研究。

杂交测序

由A、T、C、G 四种核苷酸单体组合所形成的所有可能八体寡核苷酸探针共有65536 种。通过基因芯片与样品进行杂交，进而利用计算机对杂交模式进行分析，最终就可以得出样品的核苷酸序列信息。

药物开发

通过比较正常组织与疾病组织的表达情况，可以发现许多与疾病相关的基因，成为寻找药物的靶分子提供了一条途径。

蛋白芯片的主要应用

蛋白芯片的出现与发展，推动了蛋白诊断和蛋白质组学等方面研究的发展。蛋白芯片的主要应用有免疫检测与酶活性测定，抗体筛选，蛋白质组研究，生物分子间的相互作用研究，蛋白质与小分子之间的相互作用，可进行高灵敏的表达和抗体特异性筛选，物靶标及其作用机理的研究，疾病诊断。其它如蛋白芯片在食品分析方面，毒理学，如研制出毒理芯片（ToxChip），卫生检验等方面也具有较好的应用前景。

其他如细胞芯片，组织芯片等生物芯片也得到很好应用。

作用和意义

生物芯片以其可以快速、及时、同时、准确地分析大量生物信息的特点而在诸多领域得到大量的应用。在生命科学领域，为分子生物学、生物医学等提供了技术手段和技术支持，使生命科学的发展进入一个崭新的阶段。

生物芯片技术使生命科学研究中许多不连续的分析过程，采用微电子、微机械等工艺集成到芯片中，使其连续化，集成化，微型化。

生物芯片已经在基因测序，基因表达分析，基因突变和多态性检测，转基因食品的检测，食品中微生物的检测，临床医学，药物开发，疫苗研制，免疫检测与酶活性测定，抗体筛选，蛋白质组研究，生物分子间的相互作用研究，蛋白质与小分子之间的相互作用，可进行高灵敏的表达和抗体特异性筛选，物靶标及其作用机理的研究，毒理学等众多领域得到广泛的应用。随着相关技术的发展和投入，在生命科学界，工业界，医学界，生物芯片得到很多应用，具有广阔的前景，必将因新的技术和理念的发展而发展。