一、什么是基因芯片？
基因芯片（Gene Chip)準(zhǔn)確的講（或者說(shuō)是狹義的基因芯片）是指DNA芯片（DNA Chip)，其原理是指利用現(xiàn)代探針固相原位合成技術(shù)、照相平板印刷技術(shù)、高分子合成技術(shù)等微電子技術(shù)把大量分子生物學(xué)技術(shù)（包括南北印跡技術(shù)、探針雜交技術(shù)、PCR等）具體而微的固定在一定狹小的空間內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)高速度、高通量、集約化和低成本的分析技術(shù)。基因芯片的概念現(xiàn)已泛化到生物芯片（biochip）、微陣列（Microarray）、DNA芯片（DNA chip），甚至蛋白芯片。
由于基因芯片高速度、高通量、集約化和低成本的特點(diǎn)，基誕生以來(lái)就受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注，正如晶體管電路向集成電路發(fā)展的經(jīng)歷一樣，分子生物學(xué)技術(shù)的集成化正在使生命科學(xué)的研究和應(yīng)用發(fā)生一場(chǎng)革命。
二、基因芯片的制造和種類(lèi)
基因芯片的制造技術(shù)主要有原位合成技術(shù)和點(diǎn)樣技術(shù)。目前流行的基因芯片大致可分為以下四類(lèi)：
(一).光引導(dǎo)原位合成DNA微陣列
光引導(dǎo)聚合技術(shù)是原位合成的主要技術(shù)，照相平板印刷技術(shù)（photolithography）與傳統(tǒng)的核酸、多肽固相合成技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。半導(dǎo)體技術(shù)中曾使用照相平板技術(shù)法在半導(dǎo)體硅片上制作微型電子線路。固相合成技術(shù)是當(dāng)前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法，技術(shù)成熟且已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。二者的結(jié)合為合成高密度核酸探針及短肽列陣提供了一條快捷的途徑。
光引導(dǎo)聚合技術(shù)是Affymetrix公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)利技術(shù)，其光引導(dǎo)聚合技術(shù)制作DNA芯片，生產(chǎn)過(guò)程同電子芯片的生產(chǎn)過(guò)程十分相似。采用這種技術(shù)生產(chǎn)的基因芯片可以達(dá)到1×106/cm2的微探針排列密度，能夠在一片1厘米多見(jiàn)方的片基上排列幾百萬(wàn)個(gè)寡聚核苷酸探針。并且其不僅可以用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。因此，Affymetrix公司也就成了基因芯片領(lǐng)域的“INTEL”。
Affymetrix公司是第一家有商品化診斷芯片上市的公司，目前該公司上市 的基因芯片按用途可分為三大類(lèi)，分別為基因表達(dá)芯片、基因多態(tài)性分析芯片和疾病診斷芯片，基因表達(dá)分析芯片和基因多態(tài)性分析芯片主要用于研究機(jī)構(gòu)和生物制藥公司，可以用來(lái)尋找新基因、基因測(cè)序、疾病基因研究、基因制藥研究、新藥篩選等許多領(lǐng)域，Affymetrix公司主要生產(chǎn)通用寡聚核苷酸芯片；疾病診斷芯片則主要用于醫(yī)學(xué)臨床診斷，包括各種遺傳病和腫瘤等，目前Affymetrix公司生產(chǎn)三種商品化診斷芯片，分別為p53基因突變?cè)\斷芯片、艾滋病病毒基因基因突變?cè)\斷芯片和細(xì)胞色素P450基因突變?cè)\斷芯片。
(二).微電子芯片
微電子芯片的多位點(diǎn)電控陣列并含獨(dú)立可尋址檢測(cè)區(qū)域的微電子基因芯片，其基質(zhì)全部以硅、鍺與基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，在其上構(gòu)建25-400個(gè)微鉑電極位點(diǎn)，各位點(diǎn)可由計(jì)算機(jī)獨(dú)立或組合控制。無(wú)論在芯片制造或成品芯片檢測(cè)，均可通過(guò)相似微電極的電場(chǎng)變化來(lái)使核酸結(jié)合，引入"電子嚴(yán)謹(jǐn)度"參數(shù)使芯片檢測(cè)通過(guò)靶、探針序列特征和使用者要求來(lái)控制雜交過(guò)程中的嚴(yán)格性。這種微電子基因芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1．電場(chǎng)定位過(guò)程能選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)帶電荷DNA分子，通過(guò)每個(gè)微電極位點(diǎn)的電場(chǎng)正負(fù)、強(qiáng)弱變化，能準(zhǔn)確有效地隨意調(diào)控芯片表面的核酸，既可將核酸結(jié)合在微電極位點(diǎn)上，也可以使核酸轉(zhuǎn)運(yùn)出來(lái)。
2．通過(guò)電場(chǎng)變化能加快DNA雜交速率，通過(guò)導(dǎo)入正電場(chǎng)后，可以大大加快待測(cè)核酸同已知探針的結(jié)合速率，減少了雜交反應(yīng)時(shí)間，同普通的"被動(dòng)"雜交反應(yīng)的幾小時(shí)相比，這種"主動(dòng)"雜交反應(yīng)僅僅幾秒鐘就可完成。另外電場(chǎng)變化又可有效地去除未結(jié)合游離分子，減少未結(jié)合熒光信號(hào)干擾。
3．通過(guò)電子嚴(yán)謹(jǐn)度可有效地控制雜交過(guò)程中的錯(cuò)配度，雜交錯(cuò)配的程度，對(duì)不同的要求上要給以不同的電場(chǎng)就可以符合不同的電子嚴(yán)謹(jǐn)度，這對(duì)核酸雜交嚴(yán)格度可以非常靈活地控制，這可以非常準(zhǔn)確地進(jìn)行SNP檢測(cè)。
(三).微量點(diǎn)樣DNA微陣列
微量點(diǎn)樣技術(shù)是目前大部分基因芯片公司使用的流行方法。就是指將許多特定的寡核苷酸片段或基因片段有規(guī)律地排列固定于支持物（如膜、硅片、陶瓷片及玻片）上，然后通過(guò)類(lèi)似于Northern，Southern的方法與待測(cè)的標(biāo)記樣品按堿基配對(duì)原理進(jìn)行雜交，再通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行掃描，并用相應(yīng)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行比較和檢測(cè)，得到所需的大量信息，進(jìn)行基因的高通量、大規(guī)模、平行化、集約化的信息處理和功能研究。其主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便宜行，技術(shù)要求較低，并且探針不受探針?lè)肿哟笮》N類(lèi)的限制，能夠靈活機(jī)動(dòng)地根據(jù)使用者的要求制作出符合目的的芯片。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)研究中具有相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)。
其實(shí)微量點(diǎn)樣DNA微陣列的制造和ELISA板的制造有相當(dāng)?shù)睦淄皇瞧浒坏奈锊煌恳粋�(gè)小的點(diǎn)都相當(dāng)于一個(gè)包被孔。因此，我們知道的一些ELISA包被問(wèn)題，對(duì)微量點(diǎn)樣DNA微陣列的點(diǎn)樣也是同樣的。
對(duì)于ELISA來(lái)說(shuō)，尋找合適的載體是重要的，同樣微量點(diǎn)樣DNA微陣列也是如此。比較各種載體的優(yōu)缺點(diǎn)，表面經(jīng)過(guò)化學(xué)處理的玻片用得最多，主要是它具有其他載體所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)：DNA樣品可共價(jià)結(jié)合在玻片表面；玻片是一種持久的載體，它可耐受高溫和高離子強(qiáng)度；玻片具有不可浸潤(rùn)性，使雜交體積降低到最小，因此提高了退火時(shí)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；玻片的熒光信號(hào)本底低，不會(huì)造成很強(qiáng)的背景干擾；玻璃芯片可使用雙熒光甚至多熒光雜交系統(tǒng)，可在一個(gè)反應(yīng)中同時(shí)對(duì)兩個(gè)以上的樣本進(jìn)行平行處理。因此以玻璃為載體的芯片更具有發(fā)展和應(yīng)用的前景。
當(dāng)然，點(diǎn)樣是整個(gè)流程中最重要的，微量點(diǎn)樣DNA微陣列的點(diǎn)樣是依靠點(diǎn)樣儀來(lái)完成的，各種點(diǎn)樣儀點(diǎn)樣原理和優(yōu)點(diǎn)各有不同，生產(chǎn)這種設(shè)備的公司有很多，象美國(guó)的Genomicsolutions公司、英國(guó)的BioRobotics公司、美國(guó)的Cartesian公司和加拿大的Engineering公司等。
對(duì)于微量點(diǎn)樣技術(shù)生產(chǎn)的基因芯片來(lái)說(shuō)從儀器組成上可以分為點(diǎn)樣儀器、雜交裝置、檢測(cè)儀器和分析儀器，點(diǎn)樣儀器是否先進(jìn)決定芯片上的探針密度和結(jié)合牢固程度，雖然芯片的探針密度是一個(gè)很重要的指標(biāo)，達(dá)到極高密度的探針陣列是許多芯片生產(chǎn)公司夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，但是具體的點(diǎn)樣密度根據(jù)使用者的目的來(lái)決定，而且還要考慮到隨后的雜交和檢測(cè)過(guò)程。衡量點(diǎn)樣裝置有幾個(gè)比較重要的指標(biāo)，如儀器整體設(shè)計(jì)、功能多樣性、芯片基質(zhì)多樣性、點(diǎn)樣穩(wěn)定性、點(diǎn)樣速度、點(diǎn)樣密度等等。
點(diǎn)陣器一般采用實(shí)心或空心點(diǎn)樣針，點(diǎn)樣方式有非接觸噴點(diǎn)（inkjet printing）和接觸點(diǎn)樣（Contact printing）兩種方式。目前，有兩種非接觸噴點(diǎn)技術(shù)用于DNA點(diǎn)樣，一種是用壓電晶體將液體從孔中噴出的壓電技術(shù)（piezoelectric technology），噴滴大小一般為50-500pl；另一種為注射器螺線管技術(shù)（syringe-solenoid technology），這種技術(shù)是通過(guò)高分辨率注射器泵和微螺線管閥門(mén)有機(jī)結(jié)合起來(lái)精確控制滴液的。
(四).其他
除了，以上三種常用技術(shù)以外，還用美國(guó)NIH、Caliper公司和Orchidbio公司等的技術(shù)也有所不同。Orchidbio公司研制了一種毛細(xì)管微流泵芯片，在邊長(zhǎng)2英寸的芯片上集成了144個(gè)微室，分別由流入孔、反應(yīng)室、循環(huán)管和廢液流出孔組成，這種芯片不但可以用于基因診斷和分析，還可用于合成化學(xué)，就象一個(gè)微小的自動(dòng)生化分析儀，呵呵。利用芯片的微指結(jié)構(gòu)，Caliper公司的芯片可以用作細(xì)胞分選器，能夠利用血細(xì)胞體積和變形性等特點(diǎn)可以很容易地把紅細(xì)胞和白細(xì)胞分開(kāi).NIH研制微型芯片反應(yīng)器可以很快地完成一系列生化反應(yīng)。
三、基因芯片的檢測(cè)
幾乎所有的檢測(cè)技術(shù)都可以用于基因芯片的檢測(cè)，比如常用的放射標(biāo)記技術(shù)，熒光標(biāo)記技術(shù)，質(zhì)譜分析，化學(xué)發(fā)光等等都行。但是如果檢測(cè)儀器的分辨率不高，那么即使點(diǎn)樣儀器制造出了很高密度的芯片也沒(méi)有用，檢測(cè)儀器的分辨率是基因芯片的重要瓶頸。在基因芯片的顯色和測(cè)定方法中又以熒光標(biāo)記技術(shù)最為常用。一般膜芯片的雜交都用同位素p32、p33作標(biāo)記，其信號(hào)的檢測(cè)需通過(guò)傳統(tǒng)的磷光成像系統(tǒng)來(lái)完成，
使用熒光標(biāo)記的基因芯片，其檢測(cè)需要專(zhuān)用的熒光掃描儀測(cè)定。對(duì)于高密度的基因芯片目前最常用的是激光共聚焦顯微鏡和高性能的冷卻CCD，二者各有利弊，須根據(jù)要求綜合衡量。其中又以高性能的冷卻CCD最為常用。
。
目前專(zhuān)用于熒光掃描的掃描儀大致分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于CCD（charge-coupled devices，電荷偶合裝置）的方法檢測(cè)光子；另一類(lèi)則是基于PMT（photomultiplier tube，光電倍增管）的檢測(cè)系統(tǒng)。首先比較一下這兩種設(shè)備各自的優(yōu)缺點(diǎn)：
CCD一次可成像很大面積的區(qū)域，而以PMT為基礎(chǔ)的熒光掃描儀則是以單束固定波長(zhǎng)的激光來(lái)掃描，因此或者需要激光頭，或者需要目的芯片的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)使激光掃到整個(gè)面積，這樣就需要耗費(fèi)較多的時(shí)間來(lái)掃描；但是CCD有其缺點(diǎn)：目前性能最優(yōu)越的CCD數(shù)字相機(jī)的成像面積只有16×12mm（像素為10μm），因此要達(dá)到整個(gè)芯片的面積20×60mm的話(huà)，需要數(shù)個(gè)數(shù)碼相機(jī)同時(shí)工作，或者也可以以降低分辨率為代價(jià)來(lái)獲得掃描精度不是很高的圖像。
生產(chǎn)商業(yè)化掃描儀的公司包括：Genomic Solutions公司、Packard公司、GSI公司、Beecher Instruments公司、Molecular Dynamics、Genetic Microsystems公司、Axon Instruments公司等。
四、分析儀
分析儀實(shí)際上就是一臺(tái)高性能的計(jì)算機(jī)和一套高質(zhì)量的分析軟件。如果只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢測(cè)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)，待測(cè)樣品所要分析的基因很少很簡(jiǎn)單，采用直觀的觀察就可以得出結(jié)論，但對(duì)于大量的基因分析或是臨床檢驗(yàn)人員使用就需要有全面智能化的分析軟件輔助，這樣還需要考慮到軟件的升級(jí)。這點(diǎn)常使用微生物鑒定的同行一定深有體會(huì)。
