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康成老陈

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[资源] 生物芯片简介

生物芯片简单地说，生物芯片就是在一块指甲大小的玻片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果。目前制备芯片的固相材料有玻片、硅片、金属片、尼龙膜等。目前较为常用的支持材料是玻片，因为玻片适合多种合成方法，而且在制备芯片前对玻片的预处理也相对简单易行。

　　进入二十一世纪，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了半导体芯片的兄弟——生物芯片，这将给我们的生活带来一场深刻的GM。这种GM对于我国，乃至全世界的可持续发展都会起到不可估量的贡献。

　　生物芯片是八十年代末在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。常用的生物芯片分为三大类：即基因芯片、蛋白质芯片和芯片实验室。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列，能够在短时间内分析大量的生物分子，使人们快速准确地获取样品中的生物信息，效率是传统检测手段的成百上千倍。它将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术GM。

　　生物芯片的种类

　　通常的生物化学反应过程包括三步，即样品的制备，生化反应、结果的检测和分析。可将这三步不同步骤集成为不同用途的生物芯片，所以据此可将生物芯片分为不同的类型。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。现在，已经有不少的研究人员试图将整个生化检测分析过程缩微到芯片上，形成所谓的“芯片实验室”(Lab-on-chip)。“芯片实验室”通过微细加工工艺制作的微滤器、微反应器、微泵、微阀门、微电极等以实现对生物样品从制备、生化反应到检测和分析的全过程，从而极大地缩短的检测和分析时间，节省了实验材料。

　　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。当前，由于检测和分析的灵敏度所限，通常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。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。

　　综观生物芯片的发展，检测用生物芯片的发展最为迅猛。目前，检测用生物芯片主要为微点阵技术。

　　一块厘米见方的薄片

　　你的计算机CPU用的是什么芯片？是Intel还是AMD？其实无论是Intel还是AMD，其本质都一样，都属于半导体芯片。进入21世纪，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了半导体芯片的“兄弟”——生物芯片。

　　对于生物芯片，人们可能不像对计算机微处理器——半导体芯片那样熟悉。什么是生物芯片呢？一般说来，生物芯片就是在一块厘米见方的玻璃片、硅片、塑料膜等材料上，通过特殊的表面化学处理连接上相关的生物分子，经过特殊设计的生物化学反应，然后由专用的仪器收集检测信号，再用计算机分析数据结果。生物芯片是微电子学、化学、物理学、信息学和生物学相互交叉形成的一项高新技术。生物芯片技术可以对细胞、DNA、蛋白质等生物组分进行准确、快捷和大信息量的检测分析。生物芯片的模样五花八门，有的和计算机芯片一样规矩、方正，有的是在透明的玻璃或塑料上面点上排排微米级圆点或划了一条条的蛇形细槽，还有的是由一些不同形状头发粗细的管道和针孔大小的腔体，不同结构的微型电子、机械器件紧密排列在一起形成的。

　　半导体芯片和生物芯片都使用了微加工、光学、光刻等类似技术，都把庞大的系统进行了缩微，最后输出的信号都是数字信号。不同点在于：第一，输入的信号不一样。半导体芯片很怕水，接触到水溶液就会短路，而生物芯片恰恰要分析液体，输入其中的可能是血液、尿液、唾液等体液，不会出现短路现象；第二，半导体芯片是永久性固定使用，而生物芯片是一次性使用，并伴随着相应的生物化学反应；第三，从材料上来说，半导体芯片以硅为基本材料，而制备生物芯片使用的材料则比较广泛，除了硅，还可以使用玻璃、塑料等其他材料。

　　目前常见的生物芯片分为三类：第一类为微阵列芯片，包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片；第二类为微流控芯片（属于主动式芯片），包括各类样品制备芯片、聚合酶链反应（PCR）芯片、毛细管电泳芯片和色谱芯片等；第三类为以生物芯片为基础的集成化分析系统（也叫“芯片实验室”，是生物芯片技术的最高境界）。“芯片实验室”可以完成诸如样品制备、试剂输送、生化反应、结果检测、信息处理和传递等一系列复杂工作。这些微型集成化分析系统携带方便，可用于紧急场合、野外操作甚至放在航天器上。

　　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，可以用图来说明。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。

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