生物芯片 又名：蛋白芯片,基因芯片

1  簡介

　　生物芯片技術起源于核酸分子雜交。所謂生物芯片一般指高密度固定在互相支持介質上的生物信息分子（如基因片段、DNA片段或多肽、蛋白質、糖分子、組織等）的微陣列雜交型芯片（micro-arrays），陣列中每個分子的序列及位置都是已知的，并且是預先設定好的序列點陣。微流控芯片（microfluidic chips）和液相生物芯片是比微陣列芯片后發(fā)展的生物芯片新技術，生物芯片技術是系統(tǒng)生物技術的基本內容。

　　生物芯片（biochip或bioarray）是根據(jù)生物分子間特異相互作用的原理，將生化分析過程集成于芯片表面，從而實現(xiàn)對DNA、RNA、多肽、蛋白質以及其他生物成分的高通量快速檢測。狹義的生物芯片概念是指通過不同方法將生物分子（寡核苷酸、cDNA、genomic DNA、多肽、抗體、抗原等）固著于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝膠、尼龍膜等固相遞質上形成的生物分子點陣。因此生物芯片技術又稱微陳列（microarray）技術，含有大量生物信息的固相基質稱為微陣列，又稱生物芯片。生物芯片在此類芯片的基礎上又發(fā)展出微流體芯片（microfluidics chip），亦稱微電子芯片（microelectronic chip），也就是縮微實驗室芯片。

　　什么是生物芯片呢？簡單說，生物芯片就是在一塊玻璃片、硅片、尼龍膜等材料上放上生物樣品，然后由一種儀器收集信號，用計算機分析數(shù)據(jù)結果。

　　人們可能很容易把生物芯片與電子芯片聯(lián)系起來。事實上，兩者確有一個最基本的共同點：在微小尺寸上具有海量的數(shù)據(jù)信息。但它們是完全不同的兩種東西，電子芯片上布列的是一個個半導體電子單元，而生物芯片上布列的是一個個生物探針分子。

　　芯片的概念取之于集成的概念，如電子芯片的意思就是把大的東西變成小的東西，集成在一起。生物芯片也是集成，不過是生物材料的集成。像實驗室檢測一樣，在生物芯片上檢查血糖、蛋白、酶活性等，是基于同樣的生物反應原理。所以生物芯片就是一個載體平臺。這個平臺的材料則有很多種，如硅，玻璃，膜（纖維素膜）等，還有一些三維結構的多聚體，平臺上則密密麻麻地擺滿了各種生物材料。芯片只是一個載體。做什么東西、檢測什么，還是靠生物學家來完成。也就是說，原來要在很大的實驗室中需要很多個試管的反應，現(xiàn)在被移至一張芯片上同時發(fā)生了。

2  世界發(fā)展

　　進入21世紀，隨著生物技術的迅速發(fā)展，電子技術和生物技術相結合誕生了半導體芯片的兄弟——生物芯片，這將給我們的生活帶來一場深刻的革命。這場革命對于全世界的可持續(xù)發(fā)展都會起到不可估量的貢獻。

　　生物芯片技術的發(fā)展最初得益于埃德溫·邁勒·薩瑟恩（Edwin Mellor Southern）提出的核酸雜交理論，即標記的核酸分子能夠與被固化的與之互補配對的核酸分子雜交。從這一角度而言，Southern雜交可以被看作是生物芯片的雛形。弗雷德里克·桑格（Fred Sanger）和吉爾伯特（Walter Gilbert）發(fā)明了現(xiàn)在廣泛使用的DNA測序方法，并由此在1980年獲得了諾貝爾獎。另一個諾貝爾獎獲得者卡里·穆利斯（Kary Mullis）在1983年首先發(fā)明了PCR，以及后來在此基礎上的一系列研究使得微量的DNA可以放大，并能用實驗方法進行檢測。

　　生物芯片這一名詞最早是在二十世紀八十年代初提出的，當時主要指分子電子器件。它是生命科學領域中迅速發(fā)展起來的一項高新技術，主要是指通過微加工技術和微電子技術在固格體芯片表面構建的微型生物化學分析系統(tǒng)，以實現(xiàn)對細胞、蛋白質、DNA以及其他生物組分的準確、快速、大信息量的檢測。美國海軍實驗室研究員卡特（Carter） 等試圖把有機功能分子或生物活性分子進行組裝，想構建微功能單元，實現(xiàn)信息的獲取、貯存、處理和傳輸?shù)裙δ?。用以研制仿生信息處理系統(tǒng)和生物計算機，從而產生了"分子電子學"，同時取得了一些重要進展：如分子開關、分子貯存器、分子導線和分子神經(jīng)元等分子器件，更引起科學界關注的是建立了基于DNA或蛋白質等分子計算的實驗室模型。

　　進入二十世紀九十年代，人類基因組計劃(Human Genome Project，HGP)和分子生物學相關學科的發(fā)展也為基因芯片技術的出現(xiàn)和發(fā)展提供了有利條件。與此同時，另一類"生物芯片"引起了人們的關注，通過機器人自動打印或光引導化學合成技術在硅片、玻璃、凝膠或尼龍膜上制造的生物分子微陣列，實現(xiàn)對化合物、蛋白質、核酸、細胞或其它生物組分準確、快速、大信息量的篩選或檢測。

　　●1991年Affymatrix公司福德（Fodor）組織半導體專家和分子生物學專家共同研制出利用光蝕刻光導合成多肽；

　　●1992年運用半導體照相平板技術，對原位合成制備的DNA芯片作了首次報道，這是世界上第一塊基因芯片；

　　●1993年設計了一種寡核苷酸生物芯片；

　　●1994年又提出用光導合成的寡核苷酸芯片進行DNA序列快速分析；

　　●1996年靈活運用了照相平板印刷、計算機、半導體、激光共聚焦掃描、寡核苷酸合成及熒光標記探針雜交等多學科技術創(chuàng)造了世界上第一塊商業(yè)化的生物芯片；

　　●1995年，斯坦福大學布朗（P．Brown）實驗室發(fā)明了第一塊以玻璃為載體的基因微矩陣芯片。

　　●2001年，全世界生物芯片市場已達170億美元，用生物芯片進行藥理遺傳學和藥理基因組學研究所涉及的世界藥物市場每年約1800億美元；

　　●2000-2004年的五年內，在應用生物芯片的市場銷售達到200億美元左右。

　　●2005年，僅美國用于基因組研究的芯片銷售額即達50億美元，2010年有可能上升為400億美元，這還不包括用于疾病預防及診治及其它領域中的基因芯片，部分預計比基因組研究用量還要大上百倍。因此，基因芯片及相關產品產業(yè)將取代微電子芯片產業(yè)，成為21世紀最大的產業(yè)。

　　●2004年3月，英國著名咨詢公司弗若斯特·沙利文(Frost & Sulivan)公司出版了關于全球芯片市場的分析報告《世界DNA芯片市場的戰(zhàn)略分析》。報告認為，全球DNA生物芯片市場每年平均增長6.7%，2003年的市場總值是5.96億美元，2010年將達到93.7億美元。納儂市場（NanoMarkets）調研公司預測，以納米器械作為解決方案的醫(yī)療技術將在2009年達到13億美元，并在2012年增加到250億美元，而其中以芯片實驗室最具發(fā)展?jié)摿Γ袌鲈鲩L率最快。

　　●2012年12月，三位美國科學家獲得了美國專利與商標辦公室（ US PTO）授予的一項關于量子級神經(jīng)動態(tài)計算芯片專利，該芯片功能強大，能夠通過高速非標準運算模擬解決問題，將為未來量子計算領域的發(fā)展起到巨大的推動作用。該電腦芯片是生物過程和物理過程的結合，通過模仿生物系統(tǒng)在接口界面運用突觸神經(jīng)元連接并反饋學習，有潛力賦予計算機超強的運算能力和超快的速度，可廣泛運用于軍用和民用領域，而該專利則涉及生產該電腦芯片的幾種不同途徑。

3  中國發(fā)展

　　基本情況

　　我國生物芯片研究始于1997-1998年間，盡管起步較晚，但是技術和產業(yè)發(fā)展迅速，實現(xiàn)了從無到有的階段性突破，并逐步發(fā)展壯大，生物芯片已經(jīng)從技術研究和產品開發(fā)階段走向技術應用和產品銷售階段，在表達譜芯片、重大疾病診斷芯片和生物芯片的相關設備研制上取得了較大成就。2008年我國生物芯片市場約為1億美元，并正以20%以上的速度增長，至2020年生物芯片市場將達到9億美元。

　　從2000年開始，國家就陸續(xù)投入了大筆資金對生物芯片的系統(tǒng)研發(fā)給予了支持，建立了北京國家芯片工程中心、上海國家芯片工程中心、西安微檢驗工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片實驗室等研發(fā)機構，為我國在這一新型高科技領域的自主創(chuàng)新和產業(yè)化能力奠定了堅實的基礎，由此形成了以北京、上海兩個國家工程研究中心為龍頭，天津、西安、南京、深圳、哈爾濱等地50余家生物芯片研究機構和百余家生物芯片企業(yè)的蓬勃發(fā)展局面，形成了“北有博奧，南有博星”的企業(yè)格局。

　　目前，由于技術壁壘的限制，國內生物芯片銷售利潤率都維持在較高水平，并且競爭性企業(yè)少；但是也有一些企業(yè)連續(xù)幾年處于虧損狀態(tài)，主要是由于技術商業(yè)化程度比較低或者存在困難。預計未來幾年，中國生物芯片市場盈利能力依然處在較高水平。目前，越來越多的研究機構和企業(yè)投入到生物芯片這一領域，雖然還有很多相關技術仍然制約著生物芯片技術的快速發(fā)展。

　　2011年6月24日，生物芯片北京國家工程研究中心煙臺分中心在毓璜頂醫(yī)院落成。這是既2007年在新疆建起第一家分中心，包括山西、寧夏、山東煙臺，已經(jīng)建起四家分中心。

　　2011年，博奧生物生物芯片產業(yè)化道路進一步推進。其研發(fā)的全球第一張用于臨床的致聾基因檢測芯片在北京市高危人群致聾基因篩查項目中得到完美應用。北京市16個區(qū)縣20839位持證聽力殘疾者接受了耳聾基因篩查，共有2899人因檢測出攜帶致聾基因突變而初步確定或疑為遺傳性聾或藥物性聾，平均突變檢出率高達13.92%。

　　生物芯片將會給21世紀整個人類生活帶來一場“革命”。生物芯片行業(yè)研究小組認為，隨著我國生物芯片科技的發(fā)展，其產業(yè)化水平快速提高，雖然仍有許多技術難題制約著生物芯片技術的快速發(fā)展，但隨著投入的加大和技術水平的提高，生物芯片產業(yè)也有望與“微電子芯片”并列成為21世紀最大的產業(yè)之一。

　　生物芯片從上世紀90年代開始發(fā)展，一直屬于尖端科學，同樣參與了人類基因組的中國在這方面沒有落后，出現(xiàn)了不少研究生物芯片的廠商和科研機構，并在國際上有了一定的影響。

　　中國生物芯片研究始于1997~1998年間，在此之前生物芯片技術在中國還是空白。盡管起步較晚，但是中國生物芯片技術和產業(yè)發(fā)展迅速，實現(xiàn)了從無到有的階段性突破，并逐步發(fā)展壯大。截止到2006年，中國生物芯片的產值已達到2億多元，生物芯片研究已經(jīng)從實驗室進入應用階段。據(jù)有關資料表明，在市場銷售方面，2004年國內市場分額為2億元，約占全球市場的2%左右。其中主要由863計劃支持的幾家國內企業(yè)出售的生物芯片以及提供的相關服務累計銷售收入約1.1億元人民幣，所有代理國外產品及服務總計為9000萬。

　　“十五”期間，國家“863”計劃重點組織實施了“功能基因組及生物芯片研究”重大專項，對生物芯片的系統(tǒng)研發(fā)給與了傾斜性支持。從2000年開始，國家還陸續(xù)投入大筆資金，建立了北京國家芯片工程中心、上海國家芯片工程中心、西安微檢驗工程中心、天津生物芯片公司、南京生物芯片重點實驗室共五個生物芯片研發(fā)基地，為加強中國在這一新興高科技領域的自

　　主創(chuàng)新和產業(yè)化能力奠定了堅實的基礎。目前，生物芯片產業(yè)在中國已初見端倪并初具規(guī)模，形成了以北京、上海兩個國家工程研究中心為龍頭，天津、西安、南京、深圳、哈爾濱等地近50家生物芯片研發(fā)機構和30多家生物芯片企業(yè)蓬勃發(fā)展的局面。到2006年為止，中國已有500余種生物芯片及相關產品問世，從2002到2005年累計銷售額近2.5億元，10余個芯片或相關產品獲得了國家新藥證書、醫(yī)療器械證書或其他認證，并已實現(xiàn)產業(yè)化生產。

　　例如深圳益生堂研制的丙型肝炎病毒分片段抗體檢測試劑(蛋白質片)、北京博奧公司的微陣列芯片掃描儀等六種芯片及設備被國家食品藥品監(jiān)督管理局(SFDAO)已批準注冊，獲得新藥證書或醫(yī)療器械證書。另外，被國家食品藥品監(jiān)督管理局受理的有10 個。中國是世界上批準生物芯片進入臨床最早的國家，比美國早近3 年。

　　為了加強生物芯片的研發(fā)與產業(yè)化，縮短與國際上的差距，中國分別在北京和上海建立了兩個國家級的研究中心。中心現(xiàn)已初步形成了生物芯片技術產業(yè)化聯(lián)合艦隊式的企業(yè)發(fā)展格局，通過了IS09001：2000版質量管理體系認證，成立基因芯片部、蛋白抗體部、產品開發(fā)部、生物信息部和以組織芯片為特色的上海芯超生物科技有限公司、以基因分型為特色的上海南方基因科技有限公司、以市場營銷為主的上海滬晶生物科技有限公司以及以專業(yè)診斷產品研發(fā)和生產的上海華冠生物芯片有限公司、江蘇海晶診斷科技有限公司、中美合資上海英伯肯醫(yī)學生物技術有限公司等多個為產業(yè)化依托的具有良好的自我循環(huán)能力的專業(yè)子公司。

　　在激烈的國際競爭中，中國生物芯片產業(yè)不僅實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展，而且已經(jīng)走出國門，成為世界生物芯片領域一股強大的力量。例如中國科學家自主研制的激光共焦掃描儀向歐美、韓國等地區(qū)的出口訂單已經(jīng)達到百臺級規(guī)模，實現(xiàn)了中國原創(chuàng)性生命科學儀器的首次出口，未來三年將保持更高速度的增長，這標志著中國生物芯片企業(yè)正式邁入國際領先者行列，也使生物芯片北京國家工程研究中心進入國際市場的產品達到了5 種。

　　近年成果

　　近年取得的科研成果如下：

　　●“十五”期間，中國生物芯片研究共申請國內專利356項，國外專利62項。

　　●2005年4月，由科技部組織實施的國家重大科技專項“功能基因組和生物芯片”在生物芯片產業(yè)取得階段成果，診斷檢測芯片產品、高密度基因芯片產品、食品安全檢測芯片、擁有自主知識產權的生物芯片創(chuàng)新技術創(chuàng)建等一系列成果蜂擁而出。

　　●2005年，由“長江學者特聘教授”、南開大學王磊博士任首席科學家的國家“863”專項—“重要病原微生物檢測生物芯片”課題組經(jīng)過兩年的潛心科研攻關，取得重大成果，“重要致病菌檢測芯片”第一代樣品研制成功，并且開始制定企業(yè)和產品的質量標準，這標志著中國第一個具有世界水平的微生物芯片研究進入產業(yè)化階段，從而使天津市建設世界級微生物檢測生物芯片研發(fā)和產業(yè)化基地，搶占全球生物芯片研發(fā)制高點邁出歷史性的一步。

　　●2005年4月26日，中國生物芯片產業(yè)的骨干企業(yè)北京博奧生物芯片有限責任公司（生物芯片北京國家工程研究中心）和美國昂飛公司(Affymetrix)建立戰(zhàn)略合作關系，并共同簽訂了《生物芯片相關產品的共同研發(fā)協(xié)議》和《DNA芯片服務平臺協(xié)議》兩個重要的全面合作協(xié)議，對于中國生物芯片產業(yè)來說這是一個歷史的時刻，也標志著以博奧生物為代表的中國生物芯片企業(yè)已在全球競爭日益激烈的生物芯片產業(yè)中躋身領跑者的地位。

　　●2006年，生物芯片北京國家工程研究中心又成功研制了一種利用生物芯片對骨髓進行分析處理的技術，這在全球尚屬首次，可以大大提高骨髓分型的速度和準確度。這種用于骨髓分型的生物芯片，只有手指大小，僅一張就可以存儲上萬個人的白細胞抗原基因。過去在中國，這種技術長期依賴進口，價格很高。每進行一份骨髓分型，就要支付500元的費用，而這種芯片的造價只是國外的1/3，精密度可以超過99%，比國外高出好幾個百分點。

　　●2006年7月，中國科學院力學研究所國家微重力實驗室靳剛課題組在中科院知識創(chuàng)新工程和國家自然科學基金的資助下，主持研究的“蛋白質芯片生物傳感器系統(tǒng)”實現(xiàn)實驗室樣機，目前已實現(xiàn)乙肝五項指標同時檢測、腫瘤標志物檢測、微量抗原抗體檢測、SARS抗體藥物鑒定、病毒檢測及急性心肌梗死診斷標志物檢測等多項應用實驗。全程只需40分鐘，采血只需幾十微升血液。該項研究成果有望為中國的生物芯片技術開辟新的途徑。

　　●2006年，由浙江大學方肇倫院士領銜國內10家高校、科研單位共同打造的芯片實驗室“微流控生物化學分析系統(tǒng)”通過驗收，該項研究成果將使中國醫(yī)療臨床化驗發(fā)生革命性變革，徹底改變了中國在微流控分析領域的落后面貌。

　　●2006年，第四軍醫(yī)大學預防醫(yī)學系郭國禎采用輻射生物學效應原理，應用Mpmbe軟件設計探針篩選參與輻射生物學效應基因，成功研制出一款由143個基因組成的電離輻射相關低密度寡核苷酸基因芯片，該芯片為檢測不同輻射敏感性腫瘤細胞的差異表達基因提供了一個新的技術平臺。

　　●2006年03月西安交通大學第二醫(yī)院檢驗科何謙博士等成功研發(fā)出丙型肝炎病毒(HCV)不同片段抗體蛋白芯片檢測新技術。該技術的問世，為丙型肝炎患者的確診、獻血人員的篩選及治療藥物的研發(fā)等，提供了先進的檢測手段。

　　●此外，美國斯坦福大學華裔科學家王善祥及其研究團隊利用磁納米技術有望取代通常采用的熒光探測癌蛋白技術，更快更方便地獲得檢測結果；中國臺北榮民總醫(yī)院和賽亞基因科技共同研發(fā)生物芯片，可快速找出遺傳疾病的異?；?，將可成為家族篩檢的利器。

　　存在問題

　　對于中國生物芯片工業(yè)來講。關鍵問題有3個：

　　(1)制作技術：芯片制作技術原理并不復雜，就制作涉及的每項技術而言，中國已具有實際能力，中國發(fā)展生物芯片的難點是如何實現(xiàn)各種相關技術的整合集成。

　　(2)基因、蛋白質等前沿研究：除去制作技術外，關鍵就是芯片上放置的基因和蛋白質等物質了。如果制作用于檢測核苷酸多態(tài)性以診斷某種遺傳病，或者用于基因測序，那么芯片探針上一般放置的是有8個堿基的寡核苷酸片段，基因芯片和蛋白質芯片則相應放置的是基因標志性片段EST(表達序列標簽)、全長基因或蛋白質。因此制作生物芯片首先要解決的是DNA探針、基因以及蛋白質的盡可能全面和快速地收集問題。

　　(3)專利和產權：以生物芯片技術為核心的各相關產業(yè)正在全球崛起，一個不容忽視的問題就是專利和產權的問題。專家指出世界工業(yè)發(fā)達國家已開始有計劃、大投入、爭先恐后地對該領域知識產權進行跑馬圈地式的保護。北京國家工程研究中心主任程京教授說：“就生物芯片領域而言，目前全世界都在‘跑馬圈地’，專利和自主產權比什么都重要。我們不能再像計算機芯片那樣受制于人。”現(xiàn)在，科學家、企業(yè)家和金融界已經(jīng)聯(lián)起手來，組成了結構上更為合理、運作上更具可操作性的商業(yè)運行構架，通過全球定位布局，建立產權結構清晰的公司．為生物芯片在中國的產業(yè)化奠定良好基礎。

4  分類

　　生物芯片雖然只有10多年的歷史，但包含的種類較多，分類方式和種類也沒有完全的統(tǒng)一。

　　用途分類

　　(1)生物電子芯片：用于生物計算機等生物電子產品的制造。

　　(2)生物分析芯片：用于各種生物大分子、細胞、組織的操作以及生物化學反應的檢測。

　　前一類目前在技術和應用上很不成熟，一般情況下所指的生物芯片主要為生物分析芯片。

　　作用方式分類

　　(1)主動式芯片：是指把生物實驗中的樣本處理純化、反應標記及檢測等多個實驗步驟集成，通過一步反應就可主動完成。其特點是快速、操作簡單，因此有人又將它稱為功能生物芯片。主要包括微流體芯片(microftuidic chip)和縮微芯片實驗室(lab on chip，也叫“芯片實驗室”，是生物芯片技術的高境界)。

　　(2)被動式芯片：即各種微陣列芯片，是指把生物實驗中的多個實驗集成，但操作步驟不變。其特點是高度的并行性，目前的大部分芯片屬于此類。由于這類芯片主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過生物信息學進行數(shù)據(jù)挖掘分析，因此這類芯片又稱為信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、細胞芯片和組織芯片。

　　成分分類

　　(1)基因芯片(gene chip)：又稱DNA芯片(DNA chip)或DNA微陣列(DNA microarray)，是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上制成。

　　(2)蛋白質芯片(protein chip或protein microarray)：是將蛋白質或抗原等一些非核酸生命物質按微陣列方式固定在微型載體上獲得。芯片上的探針構成為蛋白質或芯片作用對象為蛋白質者統(tǒng)稱為蛋白質芯片。

　　(3)細胞芯片(cell chip)：是將細胞按照特定的方式固定在載體上，用來檢測細胞間相互影響或相互作用。

　　(4)組織芯片(tissue chip)：是將組織切片等按照特定的方式固定在載體上，用來進行免疫組織化學等組織內成分差異研究。

　　(5)其他：如芯片實驗室(Lab on chip)，用于生命物質的分離、檢測的微型化芯片。現(xiàn)在，已經(jīng)有不少的研究人員試圖將整個生化檢測分析過程縮微到芯片上，形成所謂的“芯片實驗室”(Lab on chip）。芯片實驗室是生物芯片技術發(fā)展的最終目標。它將樣品的制備、生化反應到檢測分析的整個過程集約化形成微型分析系統(tǒng)。由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極、電子化學和電子發(fā)光探測器等組成的芯片實驗室已經(jīng)問世，并出現(xiàn)了將生化反應、樣品制備、檢測和分析等部分集成的芯片）。“芯片實驗室”可以完成諸如樣品制備、試劑輸送、生化反應、結果檢測、信息處理和傳遞等一系列復雜工作。這些微型集成化分析系統(tǒng)攜帶方便，可用于緊急場合、野外操作甚至放在航天器上。例如可以將樣品的制備和PCR擴增反應同時完成于一塊小小的芯片之上。再如Gene Logic公司設計制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，并對其進行熒光標記，然后當樣品流過固定于柵欄狀微通道內的寡核苷酸探針時便可捕獲與之互補的靶核酸序列。應用其自己開發(fā)的檢測設備即可實現(xiàn)對雜交結果的檢測與分析。這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，所以可以靈敏地檢測到稀有基因的變化。同時，由于該芯片設計的微通道具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應，縮短測試時間，從而降低了測試成本。

5  主要特點

　　高通量

　　提高實驗進程，利于顯示圖譜的快速對照和閱讀

　　微型化

　　減少試劑用量和反應液體積，提高樣品濃度和反應速度

　　自動化

　　減低成本和保證質量

6  制備

　　載體材料及要求

　　作為載體必須是固體片狀或者膜、表面帶有活性基因，以便于連接并有效固定各種生物分子。目前制備芯片的固相材料有玻片、硅片、金屬片、尼龍膜等。目前較為常用的支持材料是玻片，因為玻片適合多種合成方法，而且在制備芯片前對玻片的預處理也相對簡單易行。

　　載體種類

　　玻璃片、PVDF膜、聚丙烯酰氨凝膠、聚苯乙烯微珠、磁性微珠。

　　生物樣品的制備

　　分離純化、壙增、獲取其中的蛋白質或DNA、RNA并用熒光標記， 才能與芯片進行反應。用DNA芯片做表達譜研究時，通常是將樣品先抽提MRNA，然后反轉錄成CDNA。同時摻入帶熒光標記的dCTP或dUTP。

　　芯片制備方法

　　包括原位合成和預合成后點樣。

　　原位合成：適用于寡核苷酸，通過光引導蝕刻技術。已有P53、P450，BRCAI/BRCA2 等基因突變的基因芯片。

　　預合成后點樣：是將提取或合成好的多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因組DAN等通過特定的高速點樣機器人直接點在芯片上。該技術優(yōu)點在于相對簡易低廉，被國內外廣泛使用。

　　接觸式點樣：是指打印針從多孔板取出樣品后直接打印在芯片上。打印時針頭與芯片接觸。優(yōu)點是探針密度高，通常一平方厘米可打印2500個探針。缺點是定量準確性及重現(xiàn)性不太好。

　　非接觸式點樣：針頭與芯片保持一定距離。優(yōu)點是定量準確重現(xiàn)性好，缺點是噴印的斑點大，密度低。通常一平方厘米只有400點。但是日本佳能公司能把噴印點直徑大小由150-100μm降到30-25μm?？蓪⒉溉閯游镎麄€基因組DNA點陣于一張芯片上成為可能。

7  使用壽命

　　按照美國生物芯片制備標準，使用壽命約為10-15年。

8  應用領

　　輯最大用途在于疾病檢測

　　基因表達水平的檢測　用基因芯片進行的表達水平檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達情況。謝納(M.Schena) 等用人外周血淋巴細胞的cDNA文庫構建一個代表1046個基因的cDNA微陣列，來檢測體外培養(yǎng)的T細胞對熱休克反應后不同基因表達的差異，發(fā)現(xiàn)有5個基因在處理后存在非常明顯的高表達，11個基因中度表達增加和6個基因表達明顯抑制。該結果還用熒光素交換標記對照和處理組及RNA印跡方法證實。在HGP完成之后，用于檢測在不同生理、病理條件下的人類所有基因表達變化的基因組芯片為期不遠了。

　　基因診斷　從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出標準圖譜。從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術以其快速、高效、敏感、經(jīng)濟、平行化、自動化等特點，將成為一項現(xiàn)代化診斷新技術。例如Affymetrix公司，把p53基因全長序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成p53基因芯片，將在癌癥早期診斷中發(fā)揮作用。又如，Heller等構建了96個基因的cDNA微陣，用于檢測分析風濕性關節(jié)炎（RA）相關的基因，以探討DNA芯片在感染性疾病診斷方面的應用。

　　藥物篩選　利用基因芯片分析用藥前后機體的不同組織、器官基因表達的差異。如果再cDNA表達文庫得到的肽庫制作肽芯片，則可以從眾多的藥物成分中篩選到起作用的部分物質。還有，利用RNA、單鏈DNA有很大的柔性，能形成復雜的空間結構，更有利與靶分子相結合，可將核酸庫中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上，然后與靶蛋白孵育，形成蛋白質-RNA或蛋白質-DNA復合物，可以篩選特異的藥物蛋白或核酸，因此芯片技術和RNA庫的結合在藥物篩選中將得到廣泛應用。在尋找HIV藥物中，Jellis等用組合化學合成及DNA芯片技術篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸，并從中確定了具有XXG4XX樣結構的抑制物，實驗表明，這種篩選物對HIV感染細胞有明顯阻斷作用。生物芯片技術使得藥物篩選，靶基因鑒別和新藥測試的速度大大提高，成本大大降低。

　　個體化醫(yī)療　臨床上，同樣藥物的劑量對病人甲有效可能對病人乙不起作用，而對病人丙則可能有副作用。在藥物療效與副作用方面，病人的反應差異很大。這主要是由于病人遺傳學上存在差異（單核苷酸多態(tài)性，SNP），導致對藥物產生不同的反應。如果利用基因芯片技術對患者先進行診斷，再開處方，就可對病人實施個體優(yōu)化治療。另一方面，在治療中，很多同種疾病的具體病因是因人而異的，用藥也應因人而異。例如乙肝有較多亞型，HBV基因的多個位點如S、P及C基因區(qū)易發(fā)生變異。若用乙肝病毒基因多態(tài)性檢測芯片每隔一段時間就檢測一次，這對指導用藥防止乙肝病毒耐藥性很有意義。

　　測序

　　基因芯片利用固定探針與樣品進行分子雜交產生的雜交圖譜而排列出待測樣品的序列，這種測定方法快速而具有十分誘人的前景。研究人員用含135000個寡核苷酸探針的陣列測定了全長為16.6kb的人線粒體基因組序列，準確率達99%。用含有48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異，結果發(fā)現(xiàn)在外顯子約3.4kb長度范圍內的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間，提示了二者在進化上的高度相似性。

　　生物信息學研究　人類基因組計劃是人類為了認識自己而進行的一項偉大而影響深遠的研究計劃。目前的問題是面對大量的基因或基因片斷序列如何研究其功能，只有知道其功能才能真正體現(xiàn)HGP計劃的價值--破譯人類基因這部天書。后基因組計劃、蛋白組計劃、疾病基因組計劃等概念就是為實現(xiàn)這一目標而提出的。生物信息學將在其中扮演至關重要的角色。生物芯片技術就是為實現(xiàn)這一環(huán)節(jié)而建立的，使對個體生物信息進行高速、并行采集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學研究中的一個重要信息采集和處理平臺，成為基因組信息學研究的主要技術支撐。生物芯片作為生物信息學的主要技術支撐和操作平臺，其廣闊的發(fā)展空間就不言而喻。

　　在實際應用方面，生物芯片技術可廣泛應用于疾病診斷和治療、藥物基因組圖譜、藥物篩選、中藥物種鑒定、農作物的優(yōu)育優(yōu)選、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、環(huán)境檢測、國防等許多領域。它將為人類認識生命的起源、遺傳、發(fā)育與進化、為人類疾病的診斷、治療和防治開辟全新的途徑，為生物大分子的全新設計和藥物開發(fā)中先導化合物的快速篩選和藥物基因組學研究提供技術支撐平臺，這從中國99年3月國家科學技術部剛起草的《醫(yī)藥生物技術“十五”及2015年規(guī)劃》中便可見一斑：規(guī)劃所列十五個關鍵技術項目中，就有八個項目（基因組學技術、重大疾病相關基因的分離和功能研究、基因藥物工程、基因治療技術、生物信息學技術、組合生物合成技術、新型診斷技術、蛋白質組學和生物芯片技術）要使用生物芯片。生物芯片技術被單列作為一個專門項目進行規(guī)劃?？傊镄酒夹g在醫(yī)學、生命科學、藥業(yè)、農業(yè)、環(huán)境科學等凡與生命活動有關的領域中均具有重大的應用前景。