生物芯片技术是什么

‘伍’ 简述生物芯片检测的原理

生物芯片技术是通过缩微技术,根据分子间特异性地相互作用的原理。

基因芯片又称为DNA微阵列(DNA microarray)，可分为三种主要类型：1）固定在聚合物基片（尼龙膜，硝酸纤维膜等）表面上的核酸探针或cDNA片段，通常用同位素标记的靶基因与其杂交，通过放射显影技术进行检测。

这种方法的优点是所需检测设备与目前分子生物学所用的放射显影技术相一致,相对比较成熟。但芯片上探针密度不高，样品和试剂的需求量大，定量检测存在较多问题。2）用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列，通过与荧光标记的靶基因杂交进行检测。

这种方法点阵密度可有较大的提高，各个探针在表面上的结合量也比较一致，但在标准化和批量化生产方面仍有不易克服的困难。3）在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核苷酸探针阵列,与荧光标记的靶基因杂交进行检测。

该方法把微电子光刻技术与DNA化学合成技术相结合，可以使基因芯片的探针密度大大提高，减少试剂的用量，实现标准化和批量化大规模生产，有着十分重要的发展潜力。

图11-5-2 基因芯片原型
它是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交。

通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。基因芯片通过应用平面微细加工技术和超分子自组装技术，把大量分子检测单元集成在一个微小的固体基片表面，可同时对大量的核酸和蛋白质等生物分子实现高效、快速、低成本的检测和分析。
由于尚未形成主流技术，生物芯片的形式非常多，以基质材料分，有尼龙膜、玻璃片、塑料、硅胶晶片、微型磁珠等；以所检测的生物信号种类分，有核酸、蛋白质、生物组织碎片甚至完整的活细胞；

按工作原理分类，有杂交型、合成型、连接型、亲和识别型等。由于生物芯片概念是随着人类基因组的发展一起建立起来的，所以至今为止生物信号平行分析最成功的形式是以一种尼龙膜为基质的“cDNA阵列”，用于检测生物样品中基因表达谱的改变。

‘陆’ 何谓"生物芯片"

生物芯片（Biochips）是90年代中期发展起来的一项尖端技术。它以玻片，硅为载体，在单位面积上高密度地排列大量的生物材料，从而达到一次试验同时检测多种疾病或分析多种生物样品的目的。它有时也被称为基因芯片、DNA芯片或微阵列（Microarrays）。其概念来源于计算机芯片，它们的外形也有几分相似。生物芯片种类很多，有基因芯片、蛋白质芯片、芯片实验室、细胞芯片、组织芯片等。目前，基因芯片和芯片实验室作为生物芯片的代表，已经走出实验室，开始产业化了。
生物芯片的本质是进行生物信号的平行分析，采用了微电子学的并行处理和高密度集成的概念，通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成有成千上万个与生命相关的信息分子，可以对生命科学与医学中的各种生物化学反应过程进行集成，从而实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行高效快捷的测试和分析。
20世纪80年代，传统的生物实验室中手工测定十几个DNA片断的序列需要至少一天时间。目前运用价格达数十万美元的自动化DNA序列分析仪，可以在一天内测定近2000个DNA序列）。
基因芯片（Gene chip）是最早出现的一种生物芯片。
基因芯片是指将大量探针分子固定于支持物 (substrate) 上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强弱进而判断样品中分子的数量。基因芯片上固定着很多的核苷酸序列，它们作为探针与样品中的目标基因杂交。探针的底部有一种荧光酶，只有当探针与目标基因发生杂交反应后才会发光。通过扫描仪将探针发出来的信号转变成可能分析的图像数据，在经过软件分析处理，就可以知道样品中被检测的目标基因是什么了。
生物芯片的应用正处在迅速发展中，并将在生活和生产的各个方面发挥越来越重要的作用。比如：芯片测序、基因图谱绘制、基因表达分析、克隆选择、基因突变检测、遗传病和肿瘤诊断、微生物菌种鉴定及治病机制、药物研究、农林业、军事医学等。
不久的将来，传统繁复的身体检查可能将被基因芯片全面取代。在操作中，只要在人体上取一滴血，放到拇指甲大小的一块芯片上，便可以由计算机迅速自动诊断出被检者是否患有遗传病，以及其他可能存在的遗传缺陷，预测到你未来若干年的健康回收到哪些威胁，以便采取相应的对策加以预防。
芯片基因检测的推广将更有效的降低出生缺陷的发生率。利用这种芯片对育龄男女及3个月以上的胎儿进行检测，能够准确、快速地检测出被测对象是否带有乙肝病毒、丙肝病毒和艾滋病。
一分钟取血样，两分钟检测，三分钟出诊断结果！听起来就像是神化一样。然而有了生物芯片，这个神话就将变成现实，将来任何人随时随地都能自测健康状况，这就是它的神奇之处。检测时，只需把血液滴在芯片上，其中的疾病基因就会和芯片上对应的基因发生化学反应而结合，用特制的电脑扫描仪已进行扫描后，计算机很快就能识别发生反应的是哪一种疾病的基因，从而判断被检测者是患了哪种病。
从经济效益来说，生物芯片最大的应用领域可能就是开发新药。目前已经有多家制药企业介入芯片的开发。由于存在个体差异，可以说没有一种药物可以适用于所有的病人。因此，根据每个人的特有的基因开发出专用药物，即个性化药物，将成为药物治疗学上的一次质的飞跃。这就要快速分析病人的多个基因已确定用药的方案，基因芯片技术将是最佳选择。
面对生物芯片的巨大产业，我国的科学家们也积极行动，研制开发出我国自主知识产权的生物芯片，在医用生物芯片研究和工程技术的某些方面达到了国际先进水平。2000年10月，清华大学生物芯片研究开发中心程京教授在国际生物芯片技术大会上宣布，他们已经研制出世界上第一个1平方厘米大小的多力生物芯片平台系统。利用它可以在指甲大小的芯片上建立缩微实验室，用于医学基础研究、疾病诊断、司法鉴定、食品卫生监督、航天、环保等领域的分析检测。上述成果表明，虽然中国在生物芯片领域起步较晚，与美国、欧洲、日本相比在实际制作实物的能力方面，还有相当差距，但在某些想法和构思方面走到了国际前沿。
也许就在不久的将来，我们将会发现生物芯片就在你我身边！

‘柒’ 试述生物芯片的原理与分类。

生物芯片(biochip)是通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生化分析系统。
测定原理是把制备好的生物样品固定于经化学修饰的载体上，样品中的生物分子与载体表面结合，同时又保留其理化性质，在一定条件下，进行芯片上的生物分子反应，并使反应达最佳状态，然后利用芯片专用监测系统对芯片信号进行监测，即可高效、大规模获得生物体中待检测物质的信息。
生物芯片按固定的生物分子及材料不同可分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片和芯片实验室等。临床生物化学常用的生物芯片主要为基因芯片(genearrays)、蛋白质芯片(proteinarrays)又称蛋白质微阵列(proteinmicroarrays)及芯片实验室三大类。

‘捌’ 生物芯片是什么

生物芯片技术

20世纪90年代初开始实施的人类基因组计划（Human genome project，HGP）取得了人们当初意料不到的巨大进展。目前已经测定了十多种微生物以及高等动植物的全基因组序列，海量的基因序列数据正在以前所未有的速度膨胀。一个现实的科学问题摆到了人们面前：如何研究如此众多基因在生命过程中所担负的功能？如何有效利用如此海量的基因信息揭示人类生老病死的一般规律，并为人类最终战胜各种病魔提供有效武器？于是，一项类似于计算机芯片技术的新兴生物高技术———，随着人类基因组研究的进展应运而生了。生物芯片的种类生物芯片是近10年在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术。它主要是指通过微加工和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，以实现对生命机体的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其他生物组分进行准确、快速、大信息量的检测。目前常见的生物芯片分为三大类：即基因芯片（Genechip，DNAchip，DNAmi�croarray）、蛋白芯片（Proteinchip）、芯片实验室（Lab－on－a－chip）等。

生物芯片主要特点是高通量、微型化和自动化。生物芯片上高度集成的成千上万密集排列的分子微阵列，能够在很短时间内分析大量的生物分子，使人们能够快速准确地获取样品中的生物信息，检测效率是传统检测手段的成百上千倍。生物芯片将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。基因芯片是生物芯片技术中发展最成熟和最先实现商品化的产品。基因芯片是基于核酸探针互补杂交技术原理而研制的。所谓核酸探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接上一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。基因芯片，又称DNA芯片，DNA微阵列（DNAmicroar ray），和我们日常所说的计算机芯片非常相似，只不过高度集成的不是半导体管，而是成千上万的网格状密集排列的基因探针，通过已知碱基顺序的DNA片段，来结合碱基互补序列的单链DNA，从而确定相应的序列，通过这种方式来识别异常基因或其产物等。目前，比较成熟的产品有检测基因突变的基因芯片和检测细胞基因表达水平的基因表达谱芯片。基因芯片技术主要包括四个基本技术环节：芯片微阵列制备、样品制备、生物分子反应和信号的检测及分析。

目前制备芯片主要采用表面化学的方法或组合化学的方法来处理固相基质如玻璃片或硅片，然后使DNA片段或蛋白质分子按特定顺序排列在片基上。目前已有将近40万种不同的DNA分子放在1平方厘米的高密度基因芯片，并且正在制备包含上百万个DNA探针的人类基因芯片。生物样品的制备和处理是基因芯片技术的第二个重要环节。生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片进行反应。要将样品进行特定的生物处理，获取其中的蛋白质或DNA、RNA等信息分子并加以标记，以提高检测的灵敏度。第三步是生物分子与芯片进行反应。芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一步。通过选择合适的反应条件使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配比率，从而获取最能反映生物本质的信号。基因芯片技术的最后一步就是芯片信号检测和分析。目前最常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中，通过采集各反应点的荧光强弱和荧光位置，经相关软件分析图像，即可以获得有关生物信息。

蛋白芯片与基因芯片的原理相似。不同之处有，一是芯片上固定的分子是蛋白质如抗原或抗体等。其二，检测的原理是依据蛋白分子、蛋白与核酸、蛋白与其它分子的相互作用。蛋白芯片技术出现得较晚，尚处于发展时期，最近也取得了重大进展。例如，最近一期国际着名科学（Science）杂志报道了酵母蛋白质组芯片（pro�teomechip）。这是目前为止第一个包含一种生物全部蛋白质分子的蛋白质芯片。相信，不久将会有包含更高等生物甚至人类蛋白质组的蛋白质芯片研制成功，并应用于生物医学基础研究和疾病诊断。芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。它将样品制备、生化反应以及检测分析的整个过程集约化形成微型分析系统。现在已有由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室问世，并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的生物芯片。

例如可以将样品制备和PCR扩增反应同时在一块小小的芯片上完成。再如GeneLogic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或RNA，并对其进行荧光标记，然后当样品流过固定于栅栏状微通道内的寡核苷酸探针时便可捕获与之互补的靶核酸序列。应用自主开发的检测设备即可实现对杂交结果的检测与分析。这种芯片由于寡核苷酸探针具有较大的吸附表面积，可以很灵敏地检测到稀有基因的变化。同时，由于该芯片设计的微通道具有浓缩和富集作用，所以可以加速杂交反应，缩短测试时间，从而降低了测试成本。国内外研究现状生物芯片技术的飞速发展引起了世界各国的广泛关注和重视。1998年6月29日美国宣布正式启动生物芯片计划，美国国立卫生部、能源部、商业部、司法部、国防部、中央情报局等均参与了此项目。

同时斯坦福大学、麻省理工学院及部分国家实验室也参与了该项目的研究和开发。世界各国也纷纷加大投入，英国剑桥大学、欧亚公司正在从事该领域的研究。世界大型制药公司尤其对基因芯片技术用于基因多态性、疾病相关性、基因药物开发和合成或天然药物筛选等领域感兴趣，都已建立了或正在建立自己的芯片设备和技术。以生物芯片为核心的相关产业正在全球崛起，目前美国已有10多家生物芯片公司股票上市，平均每年股票上涨75％。专家统计：全球目前生物芯片工业产值为10亿美元左右，预计今后5年之内，生物芯片的市场销售可达到200亿美元以上。

美国《财富》杂志刊文指出，微处理器使我们的经济发生了根本变化，给人类带来了巨大的财富，改变了我们的生活方式。然而，生物芯片给人类带来的影响可能更大。在20世纪科技史上有两件事影响深远，一是微电子芯片，它是计算机和许多家电的心脏，它改变了我们的经济和文化生活，并已进入每一个家庭；另一件事就是生物芯片，它将改变生命科学的研究方式，革新医学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。

生物芯片作为基因工业的一部分，可广泛用于医学临床诊断、药物开发、环境监测等领域，有着广阔的市场前景，对人类生活与健康将产生多方面深远影响。鉴于生物芯片技术具有巨大理论意义和实际价值，也为了我国生物芯片技术不再重蹈计算机芯片的覆辙，我国政府、科技界和商业界几乎同时意识到生物芯片技术的重大战略意义和蕴藏的无限商机，开展了生物芯片技术研发。其中最具代表性的事件就是2000年初由国内从事生物芯片技术研究的多家单位进行强强联合成立了国家生物芯片技术中心。中国工程院2000年1月6日在京举办首次工程科技论坛，专题定为“生物芯片技术”，与会科学家呼吁：以生物芯片技术为核心的各相关产业正在全球崛起，世界工业发达国家已开始有计划、大投入、争先恐后地对该领域知识产权进行保护。我国应迅速制定适合中国国情的对策，以避免出现像计算机产业那样因没有自己的芯片专利和技术而受制于人的被动局面。目前国内已有多家科研单位开始从事这方面的研究。例如，清华大学、中国科学院、军事医学科学院等单位在国内率先开展了生物芯片技术研究，建立了生物芯片技术体系，并已在生物芯片技术和产品开发方面取得了较大突破。可以相信不久将有我国自主生产的生物芯片产品投放市场。

生物芯片的应用生物芯片应用前景十分广阔。如可以应用于寻找新基因、DNA测序、疾病诊断、药物筛选、毒理基因组学、农作物优育和优选、环境检测和防治、食品卫生监督以及司法鉴定等等。使用基因芯片分析人类基因组，可找出癌症、糖尿病由遗传基因缺陷引起疾病的致病的遗传基因。生物医学研究人员可以在数秒钟内鉴定出导致癌症的突变基因。借助一小滴测试液，医生们能预测药物对病人的功效和是否有毒副作用。利用基因芯片分析遗传基因，未来可以使糖尿病的确诊率达到50％以上。可以想象，未来人们在体检时，由搭载基因芯片的诊断机器人对受检者取血，转瞬间体检结果便可以显示在计算机屏幕上。利用基因诊断，医疗将从目前千篇一律的“大众医疗”的时代，过渡到依据个人遗传背景而异的“个体化医疗”的时代。生物芯片在疾病检测诊断方面具有独特的优势，它可以在一张芯片上同时对多个病人进行多种疾病的检测。仅用极小量的样品，在极短时间内，向医务人员提供大量的疾病诊断信息，这些信息有助于医生在短时间内找到正确的治疗措施。例如对肿瘤、糖尿病、传染性疾病等常见病和多发病的临床检验及健康人群检查，均可以应用生物芯片技术。今后人们可以拥有个人化验室，无论在地球任何地方，随时可以对自己的健康状况进行监测。在药物筛选方面，目前国外几乎所有的主要制药公司都不同程度地采用了生物芯片技术来寻找药物靶标，查检药物的毒性或副作用。用芯片技术进行大规模的药物筛选可以省略大量的动物试验，缩短药物筛选所用时间，从而带动创新药物的研究和开发。基因芯片在环保方面的应用表现在，可高效地探测到由微生物或有机物引起的污染，还能帮助研究人员找到并合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因。这种对环境友好的基因一旦被发现，研究人员将把它们转入普通的细菌中，然后用这种转基因细菌清理被污染的河流或土壤。另外生物芯片在农业、食品监督、司法鉴定等方面都将作出重大贡献。生物芯片技术的深入研究和广泛应用，将对21世纪人类生活和健康产生极其深远的影响。作者简介王升启博士，军事医学科学院放射医学研究所研究员，国家生物芯片技术中心副主任，军队生物芯片技术重点实验室主任。总后科技银星。

主要研究方向有：基因芯片技术研究和开发；反义技术和反义药物；中药基因组学和化学组学研究等。近年来主持国家863项目、国家973项目、国家自然科学基金重点项目和面上项目，以及军队和北京市重点项目等多项课题研究。在国内外刊物发表论文100多篇，获得和申请国家发明专利10余项，出版专着2部，获得军队和省级科学技术进步奖3项。陈忠斌博士，军事医学科学院放射医学研究所副研究员。1999年7月于军事医学科学院获生物化学与分子生物学博士学位后，即在放射医学研究所生物技术实验室和军队生物芯片技术重点实验室工作。主要研究方向有：病毒基因芯片技术；应用基因芯片技术研究病毒与宿主相互作用分子机理以及抗病毒药物基础研究等；近年来参与和主持国家863项目、国家973项目、国家自然科学基金重点项目等多项课题研究。在国内外刊物发表论文20多篇，获得和申请国家发明专利2项，获得军队和省级科学技术进步奖2项。