生物芯片和电子芯片

生物芯片技术是20世纪90年代初生命科学领域新兴的一种高度集成化的分析技术和科研手段。它最早起源于核酸分子杂交，是一门多学科交叉的综合技术，覆盖生命科学、医学、机械、电子、计算机、自动控制、微电子、化学、物理、数学等多个学科领域。生物芯片技术来自于计算机芯片，其制作过程采用了类似集成电路制作过程中的微加工技术，根据分子间特异性相互作用的原理，将生命科学领域中不连续的分析过程(如样品制备、生化反应、检测和分析等)集成到一块几平方厘米的硅芯片或玻璃芯片上，并使这些分散的过程连续化与微型化，以此来实现对大量生物样品中各种数据的快速、自动和并行处理。与传统的仪器检测方法相比，生物芯片技术具有高通量、微型化、自动化、成本低、防污染等特点。采用生物芯片技术可以高效检测成千上万不同基因的表达，既可用于描述机体或组织的整体基因表达模式，也能用于健康样品和病理样品的比较。生物芯片技术基本过程主要包括：芯片方阵的构建、样品的制备、生物分子反应和信号的检测分析(图7-1)。

图7-1　生物芯片技术基本过程

所谓生物芯片是指高密度的固定在固相支持介质上的生物信息分子(寡核苷酸、基因片段、cDNA片段、多肽、蛋白质)的微阵列，其中的每个分子的序列和位置都是已知的，并且是预先设定好的序列点阵。芯片的概念取之于集成的概念，如电子芯片是把大的东西变成小的东西，集成在一起。生物芯片也是集成，不过是生物材料的集成。像实验室检测一样，在生物芯片上检查血糖、蛋白、酶活性等，是基于同样的生物反应原理，所以生物芯片就是一个载体平台。这个平台的材料则有很多种，如硅、玻璃、膜(纤维素膜)等，还有一些三维结构的多聚体，平台上密密麻麻地摆满了各种生物材料。也就是说，原来要在大型实验室中需要很多个试管进行的反应，现在被移至一张芯片上同时发生了。生物芯片包含的种类较多，迄今没有统一的分类方式，根据其结构特点可以分为微阵列芯片和微流控芯片两类。微阵列芯片是由生物材料微阵列构成的芯片，根据固定在载体上的物质不同又分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等，它们都是利用分子间亲和作用原理，使被同位素或荧光素标记的标本与微阵列杂交，通过检测杂交信号强度及处理数据，比较不同标本的基因表达水平差异。微流控芯片是以各种微结构为基础的芯片，利用它可以实现对各种生化组分的微流控操作和分析，这类芯片包括毛细血管电泳芯片、PCR反应芯片、介电电泳芯片等(图7-2)。

图7-2　色彩斑斓的生物芯片

目前生物芯片技术的应用领域主要有基因表达谱分析、新基因发现、基因突变及多态性分析、基因组文库作图、疾病诊断、药物筛选、基因测序等。生物芯片发展的最终目标是将各种生物化学分析操作的整个过程，从样品制备、生化反应到结果检测，都集成化并缩微到芯片上自动完成，以获得微型全分析系统，或称作缩微芯片实验室。