信息材料-基因芯片简介

基因芯片Gene Chip羽【内容摘要】基因芯片技术是生物芯片的一种，它是生命科学领域里兴起的一项高新技术，它集成了微电子制造技术、激光扫描技术、分子生物学、物理和化学等先进技术。

本文简要阐述了基因芯片的定义、特点、分类、工作原理及应用，并提出了基因芯片进一步发展所存在的问题。

Gene chip technology is a kind of biological chip which is a new technology integrating the microelectronics manufacturing technology, laser scanning technology, molecular biology, physics and chemistry and other advanced technology. Gene chip used a large number of specific oligonucleotide fragment or gene fragment as a probe, and fixed wafer, glass sheet, plastic sheet or nylon substrate fixed on the support which combined with the device for photoelectric measurement regularly form a two-dimensional array, and the probe will hybridize with the gene in labeled sample lead to the change electrical signal.The article describes the definition and characteristics of gene chip as well as the classification, working principle and application briefly. And put forward some existing problems for the further development of gene chip in the end.【关键词】Gene Chip DNA mRNA蛋白质遗传疾病核苷酸序列蚀刻打印【正文】一、生物芯片生物芯片是指将成千上万的靶分子（比如DNA、RNA或蛋白质等）经过一定的方法有序地固化在面积较小的支持物（如玻璃片、硅片、尼龙膜等）上，组成密集分子排列，然后将已经标记的样品与支持物上的靶分子进行杂交，经洗脱、激光扫描后，运用计算机将所得的信号进行自动化分析。

这种方法不仅节约了试剂与样品，而且节省了大量的人力、物力与时间，使检测更为快速、准确、敏感，是目前生物检测中效率高、最为敏感和最具前途的技术。

根据在支持物上所固定的靶分子的种类可将生物芯片分为基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片和芯片实验室等。

目前，技术比较成熟、应用最广泛的是基因芯片技术，其在基因组的表达分析、药物筛选、模拟生物的基因表达及功能研究、遗传疾病基因诊断、病原微生物的诊断等方面都有广泛的应用，是一种高效、大规模获取相关生物信息的重要手段。

二、基因芯片的定义基因芯片采用大量特定的寡核苷酸片段或基因片段作为探针，有规律地固定于与光电测量装置相结合的硅片、玻璃片、塑料片或尼龙基底等固体支持物上，形成二维阵列，与待测的标记样品的基因按碱基对配对原理进行杂交，从而检测特定基因。

如图1即为一种基因芯片器件的构造。

图1 基因芯片的结构基因探针利用核糖双链的互补碱基之间的氢键作用形成稳定的双键结构，通过测量目的基因上的光电信号来实现对样品的检测，从而使基因芯片技术成为高效的大规模获取相关生物信息的重要手段。

三、基因芯片的特点1)高通量、多参数同步分析。

目前基因芯片制作工艺可达到在1cm2的载体平面上固定数万至数十万的探针，可对样品中数量巨大的相关基因，甚至整个基因组及信息进行同步检测和分析。

2)快速全自动分析。

在一定的条件下使样品中的靶基因片段同时与芯片的多个探针进行杂交，并采用扫描仪器测量杂交信号和分析处理数据。

从而，从根本上提高了测量工作的速度和效率，也极大降低了测量工作的强度和难度。

3)高精确度分析。

由于芯片上的每一点，即每个探针都可以精确定位和选址，加上每个探针都可以精确设计及制备，因此可以精确检测出不同的靶基因、同一靶基因不同的状态以及在一个碱基上的差别。

4)高精密度分析。

商品化芯片制作上的精密及检测试剂和方法上的统一在一定程度上保证了芯片检测的高精密度和重现性，使不同批次乃至不同实验室之间的检测结果，可以进行有效比对及分析。

5)高灵敏度分析。

基因芯片选用了不易产生扩散作用的载体，探针及样品靶基因的的杂交点非常集中，加上杂交前样品靶基因的扩增和杂交后检测信号的扩张，极大地提高了检测的灵敏度，可以检测出1个细胞中低至1个拷贝的靶基因，从而使检测所需的样品量大幅度减少，一般只需要10～20μL样品。

四、基因芯片的分类基因芯片的原理并不复杂，但其类型较为繁多，可以依据不同的分类方法进行分类，一般可分为以下几种：1)按照载体上所添加DNA种类的不同，基因芯片可分为寡核苷酸芯片和cDNA芯片两种。

寡核苷酸芯片一般以原位合成的方法固定到载体上，具有密集程度高、可合成任意系列的寡核苷酸等优点，适用于DNA序列测定、突变检测、SNP分析等；其缺点是合成寡核苷酸的长度有限，因而特异性较差，而且随着长度的增加，合成错误率增加。

寡核苷酸芯片也可通过预合成点样制备，但固定率不如cDNA芯片高，寡核苷酸芯片主要用于点突变检测和测序，也可用作表达谱研究。

cDNA芯片是将微量的cDNA片段在玻璃等载体上按矩阵密集排列并固化，其基因点样密度虽不及原位合成寡核苷酸芯片高，但比用传统载体的点样密度要高得多，cDNA芯片最大的优点是靶基因检测特异性非常好，主要用于表达谱研究。

2)按照载体材料分类。

载体材料可分为无机材料和有机材料两种，无机材料有玻璃、硅片、陶瓷等，有机材料由有机膜、凝胶等。

膜芯片的介质主要采用的是尼龙膜，其阵列密度比较低，用到的探针量较大，检测的方法主要是用放射性同位素的方法，检测的结果是一种单色的结果。

而以玻璃为介质的芯片，阵列密度高，所用的探针量少，检测方法具有多样性，所得结果是一种彩色的结果，与膜芯片相比，结果分辨率更高一些，分析的灵活性更强。

3)按照点样方式的不同可以分为原位合成芯片、微矩阵芯片、电定位芯片三种。

原位合成法有三种制备方法：①将光蚀刻技术运用到DNA的合成化学中，以单核苷酸或其他生物大分子为底物，在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸，每次循环都有特定的核苷酸结合上去，直到达到设定的寡核苷酸长度，每个寡核苷酸片段代表了一种特定的基因，存在于DNA芯片的特定位置上，可合成任意系列的15～25个碱基长度的片段。

②利用喷墨原理，将单核苷酸前体喷到预设定的位置。

这种方法类似于喷墨打印机，其将合成试剂滴在含有化学活性的氢氧基团的疏水表面，定位合成寡核苷酸。

喷墨方法合成速度更快，较容易建立新的阵列。

③用物理方法限定前体物质的位置。

即将前体物通过正交管道，就能合成选定长度的所有序列矩阵。

微矩阵芯片是将PCR（聚合酶链式反应）得到的cDNA、寡核苷酸片段等用针点或喷点的方法直接排列到玻璃片等介质上，从而制成芯片。

其优点是成本低、容易操作，而且其样点密度通常能满足需要。

电定位芯片是利用静电吸引的原理将DNA快速定位到硅基质或导电玻璃上，其优点是在电力推动下可使杂交快速进行，但制作工艺复杂、点样密度低。

4)按照基因芯片的用途可以分为基因表达芯片和DNA测序芯片，基因表达芯片可以将克隆到成千上万的基因探针或cDNA片段固定到一块DNA芯片上，对来源不同的个体、组织、细胞周期、发育阶段、分化阶段、不同的病变、不同的刺激下的细胞内的mRNA或反录后产生的c DNA进行检测，从而对这些基因表达的个体异性、病变特异性、刺激特异性进行综合分析和判断，迅速将某个或某几个基因与疾病联系起来，尽快确定这些基因的功能。

同时，可进一步研究基因与基因的互相作用关系。

DNA测序芯片则是对大量的基因进行序列分析。

五、基因芯片的工作原理基因芯片技术的研究过程，包括以下四个基本步骤，1)DNA探针的大量收集和纯化，基因芯片探针制备方法可以是根据基因设计特异性的PCR引物，对基因进行特异性地扩张，也可以是建立均一化的cDNA文库，通过克隆鉴定、筛选、扩增产生；2)将纯化后的探针固定在片基上，首先要将基片（主要用的是玻璃片）进行特殊的化学处理，使玻璃片醛基化或氨基化，然后将纯化的探针通过显微打印或喷打在基片上，再将打印好的玻璃片进行后处理，如水合化、加热或紫外交联等；3)样品的标记，标记的方法一般是采用逆转录法或随机引物延伸法等；4)杂交后芯片的扫描、图像处理的采集和数据分析。

六、基因芯片制备技术6.1 传统制备技术由于芯片种类较多，其制备方法也不尽相同，传统的制备方法基本可分为两类：一类是原位合成，另一类是直接点样。

原位合成是用于寡氨基酸，直接点样多用于大片段DNA，有时也用于寡核苷酸甚至mRNA。

原位合成主要有光刻法和压电打印法两种途径。

1. 原味光刻合成。

其利用固相化学、光敏保护基及光刻技术得到位置确定、高度多样化的化合物集合。

合成的第一步是利用光照射，使固体表面上的羟基脱保护，然后固体表面与光敏保护基保护的、亚磷酰胺活化的碱基单体接触，使一个核苷酸单体连接上去，合成只在那些脱去保护基的地方发生，这个过程反复进行直至合成完毕。

这个方法最大的优点就是在一个较小的区域，可制造大量不同的探针。

但是这种制备方法需要预选设计，制造一系列掩盖物，造价较高，制造过程中采用光脱保护方法，掩盖物孔径较小时会发生光衍射现象，制约了探针密度的进一步提高。

2. 原味打印合成。

此原理与油墨打印类似，不过芯片喷印头和墨盒有多个，墨盒中装的是四种碱基的液体而不是碳粉，喷印头可在整个芯片上移动，并根据芯片上不同位点探针序列的需要，将特定的碱基喷印在芯片上的特定位置。

该技术采用的化学原理与传统的DNA固相合成一致，因此不需要特殊制备的化学试剂。

3. 分子印章原位合成。

其合成原理类似于传统的印章，其表面按照阵列合成的要求制作成凹凸不平的平面，依此将不同的核酸或多肽合成试剂按印到芯片片基特定的位点，然后进行合成反应。

4. 点样法。

与原位合成法比较，点样法较为简单，只需将预先制备好的寡核苷酸或cDNA等样品通过自动点样装置点样于经原位特殊处理的玻璃片或其他材料上。