一、 生物芯片技术简介
生物芯片是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机，对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子（细胞、蛋白质、基因及其它生物组分）细胞芯片的数量。 由于常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以将生物芯片划分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。
二、生物芯片的种类
根据芯片上固定探针的不同，生物芯片可分为DNA芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片
四种类型。其中DNA芯片又分为寡核苷酸芯片、cDNA芯片、基因组芯片三类。
（一） 蛋白质芯片
蛋白质芯片是一种高通量的蛋白功能分析技术，可用于蛋白质表达谱分析，研究蛋白质与蛋白质的相互作用，甚至DNA－蛋白质、RNA－蛋白质的相互作用，筛选药物作用的蛋白靶点等。
蛋白质芯片具有可直接用粗生物样品（血清、尿、体液）进行分析， 可同时快速发现多个生物标记物 ，可用小量样品 (as few as 2000 cells for LCM samples) ，具有高通量的验证能力（with 1000s of samples a month） 能够发现低丰度蛋白质，可增加测定疏水蛋白质，功能广泛等优点。
（二） DNA芯片
DNA芯片技术是指在固相支持物上原位合成寡核苷酸或者直接将大量的DNA探针以显微打印的方式有序地固化于支持物表面，然后与标记的样品杂交，通过对杂交信号的检测分析，即可获得样品的遗传信息。由于常用计算机硅芯片作为固相支持物，所以称为DNA芯片。
1. 寡核苷酸芯片
2. cDNA芯片
cDNA芯片是将cDNA片段密集排列并固化在玻璃等载体上。
cDNA芯片直接利用cDNA克隆库制备芯片，制作技术较为成熟、成本较低、靶基因检测特异性好，可用于基因表达差异的检测。目前许多实验室和制药公司都用此类芯片。
3. 基因组芯片
基因组芯片可以对样品进行扫描以确定基因拷贝数的变化，建立基因拷贝数的变化与疾病生物学的关系，确定多个基因在疾病的发生和过程的相互作用，加速发展染体疾病控制的药物从而指导的干预，与表达芯片相结合完整的理解疾病的进程。
（三） 细胞芯片
细胞应用在小分子或基因排列在一个芯片上被制备后展开。细胞作为生物有机体结构和功能的基本单位,其生物学功能容量巨大。利用生物芯片技术研究细胞,在细胞的代谢机制、细胞内生物电化学信号识别传导机制、细胞内各种复合组件控制以及细胞内环境的稳定等方面,都具有其它传统方法无法比拟的优越性。
（四） 组织芯片
组织芯片，也称组织微阵列，是生物芯片技术的一个重要分支，是将许多不同个体组织标本以规则阵列方式排布于同一载玻片上，进行同一指标的原位组织学研究。该技术自1998年问世以来，以其大规模、高通量、标准化等优点得到大范围的推广应用。组织芯片与基因芯片和蛋白质芯片一起构成了生物芯片系列，使人类第一次能够有效利用成百上千份组
织标本，在基因组、转录组和蛋白质组三个水平上进行研究，被誉为医学、生物学领域的一次革命。组织芯片技术可以与其他很多常规技术如免疫组织化学、核酸原位杂交、荧光原位杂交、原位PCR等结合应用，它的应用领域正在不断地拓展。作为一项新兴的生物学研究技术，正以它绝对的优越性展示着自己的潜力。 三、检验和分析
（一）、检测的原理
荧光标记和检测是利用荧光标记的DNA碱基在不同的波长下吸收和发射光。在微阵列分析中，多荧光标记可以在一个分析中同时对二个或多个生物样品进行多重分析，多重分析能大大地增加基因表达和突变检测结果的准确性，排除芯片与芯片间的人为因素。荧光为基础的分析使得利用一些先进的数据获得技术成为可能，包括共聚焦扫描的CCD照相技术。用于芯片制备的无孔基质表面使得芯片检测中的生化反应大大受益。玻璃基质所需的反应体积（5-200ul）比传统的分析要小的多（5-50ml），小反应体积降低了试剂的消耗，增加了微阵列分析中核酸的反应物的浓度（0.1-1um）,相对于传统分析（0.1-4pm）增加100000倍之多，浓度的增加又能加速杂交的速度，从而减少获得强荧光信号的时间，并可
用盖玻片封闭杂交槽进行杂交反应。 对于以核酸杂交为原理的检测技术，主要过程为：首先用生物素标记经扩增（也可使用其它放大技术）的靶序列或样品然后再与芯片上的大量探针进行杂交。用链霉亲和素偶联的荧光素作为显物质，图象的分析则用落谢荧光显微镜、激光共聚焦显微镜或其它荧光显微装置对片基扫描，由计算机收集荧光信号，并对每个点的荧光强度数字化后进行分析。由于完全正常的 Watson-Crick配对双链要比具有错配(mismatch)碱基的双链分子具有较高的热力学稳定性，所以，前者的荧光强度要比后者强出5-35%。从这一点来说，该检测方法是具有一定特异性的，而且荧光信号的强度还与样品中靶分子含量呈一定的线性关系。
（二）、荧光探针
目前用荧光探针作为检测信号的仪器，主要是考虑荧光标记所要检测的DNA的效率，以及荧光探针本身的发光效率和光谱特性。
1.PCR过程中的DNA标记
（1）末端标记：在引物上标记有荧光探针，在DNA扩增过程时，使新形成的DNA链末端带有荧光探针。
（2）随机插入：选择四种缄机基，使其中一种或几种挂有荧光探针，在PCR过程中，带有荧光探针的碱基和不带荧光探针的碱基，同时参与DNA链的形成。由于带有荧光探针的碱基，可能影响PCR的产物，因此，需要调整荧光标记的碱基与未标记的碱基比率，以使得PCR产量和带有荧光探针的碱基在DNA的插入率达到一个平衡的水平，使杂交信号最强。
2.RNA转录过程的荧光探针标记
某一种碱基标记有荧光，但要求该种碱基标记与非标记按一定比率混合，以达到最佳转录效果。
3.荧光探针的选择
荧光探针的选择主要考虑以下几个因素： 第一、荧光探针的激发和发射频谱， 第二、荧光探针的发光效率， 第三、荧光探针对PCR或逆转录效率的影响，第四、不同荧光探针的发射光谱是否有重叠。
常用的荧光探针：FITC，CY-3，ALEAX488，CY-5，ALEAX564聚焦扫描和CCD扫描仪
一旦荧光标记样品和微阵列反应后，未结合的成分就可洗去，结合到芯片的样品可通过荧光检测装置进行检测。聚焦扫描仪和CCD相机均已成功地应用于芯片的检测。聚焦扫描主要是利用玻璃基质小区域（约100um2）的激光发晒透镜（或两者）使整个影像聚集，每个位点上带荧光的样品发射的光通过一系列的反光镜，光片和晶体后与不要的光分开，然后被光电倍增管（或一种类似的装置）转换成一种电信号。聚焦扫描聚焦数据的速度（1-5min）要比传统实验中的放射自显影快的多（1-10天），快速的荧光检测技术是芯片检测技术的一次革命。CCD相机利用许多与聚焦扫描仪相同的原理聚焦荧光影像。
（三）、生化反应
1.杂交反应概述
该过程指将从生物样品分离到的蛋白、DNA或RNA样品与生物芯片进行反应，从固定于芯片的探针阵列得到样品的序列信息。由于玻片本身的荧光本底很低，所以可用荧光标记的方法来对生物芯片实施检测和分析，同时具有快速、精确和安全等优点。而且，还可用多个荧光素进行标记以实现一次性分析多个生物样品。玻片作为支持物还可使反应体积缩小到5-200μl，而通常的杂交反应体积为5-50ml。这样一方面节约了试剂，同时还可以提高反
应试剂的有效浓度(0.1-1μM)，是常规检测(0.4-4pM)的一万倍。因此促进了杂交速度减少了杂交时间，并可取得较强的荧光信号。
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