生物芯片技术及其应用研究宋杭杰11152228[ 摘要]近年来，生物芯片已成为科学界的研究热点之一。

本文综述了生物芯片的概念、主要分类和制作，介绍了生物芯片的应用，分析了生物芯片技术中存在的问题并对其发展前景作了展望。

[关键词]生物芯片应用检测问题发展前景[正文]1 生物芯片概述生物芯片(biochip) 是将大量的生物大分子，如核苷酸片段、多肽分子、组织切片和细胞等生物样品制成探针，以预先设计的方式有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，构成二维分子阵列，然后与已标记的待测生物样品靶分子杂交，通过检测杂交信号实现对样品的检测，因此该技术一次能检测大量的目标分子，从而实现了快速、高效、大规模、高通量、高度并行性的技术要求;并且芯片技术的研究成果具有高度的特异性、敏感性和可重复性。

因常用玻片/硅片等材料作为固相支持物，且在制备过程中模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。

2 生物芯片的分类生物芯片技术是一种高通量检测技术，其主要类型包括基因芯片( gene －chip) 、蛋白质芯片( protein－chip) 、组织芯片( tissue －chip) 和芯片实验室( lab－on －chip) 等。

2. 1 基因芯片基因芯片又称为DNA 芯片(DNA －chip) ，是基于核酸探针互补杂交技术原理研制的。

它是将大量的寡核苷酸片段按预先设计的排列方式固化在载体表面如硅片或玻片上，并以此为探针，在一定的条件下与样品中待测的靶基因片段杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来实现对靶基因信息的快速检测和分析。

2. 2 蛋白质芯片蛋白质芯片与基因芯片的原理类似，它是将大量预先设计的蛋白质分子( 如抗原或抗体等) 或检测探针固定在芯片上组成密集的阵列，利用抗原与抗体、受体与配体、蛋白与其它分子的相互作用进行检测。

2. 3 组织芯片组织芯片技术则是一种不同于基因芯片和蛋白芯片的新型生物芯片。

它是将许多不同个体小组织整齐地排布于一张载玻片上而制成的微缩组织切片，从而进行同一指标( 基因、蛋白) 的原位组织学的研究。

2. 4 芯片实验室所谓实验室就是一种功能的集成。

在普通实验室，检侧、分析等是分成不同步骤进行的，芯片实验室就是把所有的步骤聚在一起，也是有形的，只是把这些功能微缩到一个小的平台上。

生物检测三大步骤:样品的处理、生物反应、反应的检测，在以前，是由不同的机器做，最后才得出结果。

芯片实验室则是把这三大步骤浓缩到一个平台上做，对用户来说无需知道中间步骤，是一个微型的自动化过程。

3 生物芯片的制作生物芯片制作的方法有很多，大体分为两类:原位合成和合成点样。

原位合成主要指光引导合成技术，可用于寡核苷酸和寡肽的合成，所使用的片基多为无机片基，现在也有用聚丙烯膜的。

该方法合成的寡核苷酸的长度一般少于30nt，缩合率可达95 % ，特异性不是太好。

原位合成的另外一种方法是压电打印法或称作喷印合成。

该方法合成寡核苷酸的长度一般在40－50nt，缩合率达99 % ，特异性较好。

合成点样最常用的方法是机械打点法。

点样的可以是寡核苷酸和寡肽，也可以是DNA 片段或蛋白质。

所使用的片基多为尼龙膜等有机合成物片基。

该方法的特点是操作迅速、成本低、用途广，但定量准确性和重现性不好，加样枪头与支持物接触易污染。

另外一种方法是合成点样的改进型，采用类似喷墨打印机的方法点样。

该方法定量准确性和重现性好、无接触、喷嘴的寿命比机械打点法的枪头的寿命长。

4 生物芯片的应用和发展方向以生物芯片为核心的相关产业正在全球崛起。

当前主要把生物芯片相关产品分为DNA 芯片及相关耗材、试剂盒，DNA 芯片相关仪器类产品、软件及相关服务，芯片实验室相关产品，蛋白芯片及相关耗材、试剂盒，蛋白芯片相关仪器、服务，特制以及其他生物芯片。

在DNA芯片相关仪器类产品方面，逐渐降低价格以及恰当地提高自动化水平将很大程度上成为今后国际市场上仪器产品的走向。

对于相关软件的发展方向来说，主要包括两个方面:一是寻求更有用的工具进行整和，二是寻求更亲和的界面。

其他方面来说，芯片实验室被视为分子诊断领域的一个巨大的潜在市场。

它将在疾病控制和预防，食品和环境安全，公安和国防等诸多领域发挥重要作用。

目前客户需求的服务主要包括扫描、杂交、靶标制备、DNA 芯片点样、探针制备和核酸靶样品制备。

还有，芯片服务的供应商将竭尽所能满足逐渐增长的客户需求。

所以这些服务项目也会因此成为生物芯片优先发展领域。

随着业务的逐渐扩大，服务供应商将投资下一阶段的新微阵列技术和仪器。

另外，由于人类蛋白组太大以至于无法放到一张芯片上，许多公司将选择最小范围的蛋白靶目标以获得研发的最大回报。

特制芯片技术也处于持续的发展变化当中，产品多样化将是下一代特制芯片的主要特点。

该市场的主要驱动在于客户独特应用的需求，其主要发展方向在于芯片中的芯片(array to array)、基于孔板和磁珠等的多样化技术，以及这些技术在高通量的基因突变筛选和疾病诊断中的应用。

以下举出几个近年来芯片的应用实例。

4. 1 诊断疾病有关于犬常见传染病诊断基因芯片的研究者，研究在现有的探针反相杂交技术的基础上融合基因芯片的基本原理，发展多病原同步检测技术，针对犬常见致病病原，将待测病原体的保守片段( 探针) 固定在硝酸纤维素膜上制成检测基因芯片。

从疑似病料中抽提核酸，经标记、扩增后与基因芯片进行杂交，杂交信号由基因芯片检测仪检测分析进行确诊。

研究取得成功，并在与其他检测方法的对比中，证实使用芯片的稳定性、可靠性更好。

4. 2 突变体和多态性检测DNA 芯片技术可快速、准确地研究大量样品中特定基因所有可能的突变和多态性。

单核苷酸多态性( single nucleotide polymorphism ，SNP) 是生物体基因组中遗传多态性和突变的主要体现者，SNPs 可以用于解释个体不同时期基因表达差异及对环境刺激的反应差异等，对于性状的连锁分析、未知基因定位、环境因子易感基因的检出具有重要的应用。

目前利用芯片检测SNPs 获得了较大的成功，CheeM 等用一块含有135 ，000 条寡核苷酸探针，探针长度为25 个核苷酸的基因芯片对16. 6 kb 的人类线粒体基因组进行序列测定，在10 个样品中共检出了505 个SNPs，重复精度高达99 %。

Maxwell 和Davi2s 利用DNA 芯片分别检测p53 敏感和抗性的肿瘤细胞的基因表达模式，是利用基因芯片进行基因多态性的十分成功的实例。

Wei 等发明了一种分析人类线粒体tRNA单核苷酸多态性的方法。

首先，他们构建了一种称为“XNA on Gold Chip”的技术平台，然后设计各含有一个碱基突变的等位基因特异性探针固定于芯片上，再与荧光标记的参考核酸及扩增产物进行杂交，通过分析杂交信号成功获得多个SNPs。

4. 3 遗传作图与多态性检测DNA 芯片的作图原理是单核苷酸多态性。

单核苷酸多态性是第三代分子遗传标记，DNA 芯片即可以用于制作第三代遗传图谱。

在人类基因组中大约1000 个碱基SNPs 出现一次，多态性高、覆盖密度大。

由于单碱基突变就会形成许多双等位基因。

在多态性检测方面，Kruglyak 等将DNA芯片用于遗传图谱的连锁研究。

Hacia 等利用DNA 芯片研究黑猩猩、大猩猩和猩猩等密切相关物种的DNA序列，可以得到它们定向进化同源基因的全部序列。

因此可以用于多样性研究和进化研究。

5 生物芯片发展中存在的问题与展望生物芯片技术还只是在研发阶段，并没有转化为商品进行大量的使用，是因为该技术仍存在许多问题。

最主要的问题是成本过高，目前的生物芯片技术需一系列昂贵的尖端仪器，如光刻机器、寡核苷酸合成仪和激光共聚焦显微器等设备，如Affymetrix 的一套系统需要13. 5 万美元，对普通的实验室来说开支较大，是生物芯片技术推广的一大障碍。

而且样品制备和待测定靶标探针标记方法复杂，需专项技术人员才可以操作，这都导致研究成本相对较高，无法普及。

第二，目前的芯片存在不同程度的假阳性，重复性也有差异，这可能与靶分子浓度、探针浓度、杂交双方的序列组成、盐浓度及温度等对杂交的动力学存在影响有关，因此需要充分研究这些物质的物化性质，提高芯片的特异性。

第三，是芯片的标准化问题，即如何将不同实验室、不同操作人员做出的结果进行统一化、标准化，尤其对那些表达量低、差异不明显的基因就更为重要，目前认为，这些误差可以通过传统的蛋白质分析技术如酶谱、双向电泳、免疫组织化学等方法进行验证。

第四，基因组学的资源库还需要极大的丰富，信号检测的灵敏度需要增加。

芯片发展的最终目标是实现从样品制备、化学反应到检测的整个分析过程的集成化，组成微型全分析系统，实现自动化。

随着新材料、新技术的不断开发，生物芯片的应用领域必然会继续从实验室研究应用扩展到临床应用等更广的范围。

参考文献［1］张伟，吴时友，尹燕博，等. 2007. 犬常见传染病诊断基因芯片的研究与应用. 中国兽医学报，27期(4):P481 ～P484［2］何鹏，程京. 2006. 生物芯片技术与产品发展趋势以及面临的机遇. 中国医药生物技术，第1期(1):P17 ～P 19［3］胡业华. 2004. 生物芯片技术. 江西教育学院学报，24 (3) :P24 ～P30［4］吴明煜，郭晓红，王万贤，等. 2005. 生物芯片研究现状及应用前景. 科学技术与工程，7 (5):P34 ～P 37［5］王伟灵. 2002. 生物芯片概述. 第三军医大学学报，24 (1):P1 ～P2［6］马原松，石毅. 2006. 生物芯片的研究现状与展望. 安徽农业科学，34 (7):P1304 ～P1308。