生物芯片技术的发展及其在生命科学中的应用

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1、http://www.paper.edu.cn∗生物芯片技术的发展及其在生命科学中的应用朱杰，王国栋西北农林科技大学理学院应用物理系杨凌712100摘要：回顾了生物芯片的发展历史和基本定义；介绍了生物芯片技术的两大技术基础：分子生物技术和微细加工生物技术；阐述了生物芯片技术的四大核心内容：芯片方阵的构建、样品的制备、生物分子相互反应、结果检测分析，强调了生物芯片相比于其它实验手段或技术的优势所在；着重总结了生物芯片的三大类型：基因芯片、蛋白芯片和芯片缩微实验室的发展概况；对生物芯片技术在生命科学基础研究中的应用

2、进行了深入探讨和展望。关键词：生命科学;生物芯片;分子生物学；微细加工技术中图分类号：R394文献标识码：A由于化学、物理学、数学、计算机等学科的不断渗透和分子生物学的迅猛发展，20世纪70年代中后期出现了“生命科学”(LifeScience)的名词。21世纪人类仍然面临着人口、生存、健康、环境等问题的严峻考验，因而各国政府和各大型相关企业对生命科学都给予了极大的关注。“人类基因组计划”（HumanGenomeProgram,HGP）的顺利实施则把生命科学推向了当代科学研究的巅峰，同时还带动了一大批新兴高新技术

3、和产业的迅速兴起。随着“人类基因组计划”的提前完成，生命科学研究已经从以结构基因测序为主的“结构基因组[1]学”时代进入以破译、识别、解读、开发基因组功能为主的“功能基因组学”时代。而生物芯片技术（Biochip）的出现与发展正是顺应了这一历史发展潮流，它涉及生物、化学、医学、物理、材料、微电子技术、生物信息、精密仪器等领域，是一个学科交叉性很强的研[1,2]究领域，人们对它的发展寄予了很大的期望。1.生物芯片的基本概念生物芯片(biochip)的概念源于计算机芯片，因为生物芯片的制备工艺与计算机芯片的制备有一

4、定的相似性。生物芯片又称为微阵列(micro-array)，是指包被在固相载体(如硅片、玻璃、塑料和尼龙膜等)上的高密度DNA、蛋白质、细胞、组织等生物活性物质的微阵列。生物活性物质以点阵的形式有序地固定在固相载体上，在特定条件下与荧光标记过的待检测样品进行生化反应(杂交实验)，反应结果用化学荧光法、酶标法、同位素法显示，再用激光共聚焦荧光检测系统等光学仪器进行数据采集，最后通过专门的计算机软件进行数据分析，进而得到样品的分子信息。最初的生物芯片是指基因芯片，又称DNA芯片，此概念是由Fodor[3]等在199

5、1年提出的。随着技术的进步和应用的拓展，生物芯片还发展起来了蛋白芯片、[4]组织芯片、芯片实验室等类型。2.生物芯片制备的技术基础生物芯片的发展得益于微细加工技术和现代分子生物技术的结合。随着人类基因组计划的实施，现代分子生物技术也取得了巨大突破：体外基因扩增技术实现了核酸样品的快速制备和放大，基因扩增后可进行基因测序，而基因探针技术使得基因测序的检测自动化成为[1]可能，极大地了促使生物芯片的发展。微阵列的加工借助的是微电子工业中应用十分成熟基金项目：教育部科学技术研究重点项目(No.104167)；国家自然

6、科学基金资助项目(No.20572067)；作者简介：朱杰(1980-)，男，土家族，湖南张家界人，博士，助教，中国物理学会、中国/美国化学学会、中国/美国细胞生物学会、中国生物物理学会会员，主要从事农业环境生物物理、分子生物物理与理论生物物理研究。作者通讯：E-mail：jiessy_zhu@126.com。-1-http://www.paper.edu.cn的光学光刻技术和微机电系统加工中所采用的各种方法，根据要求在玻璃、塑料、硅片等基底材料上加工出用于生物样品分离、反应的各种微细结构，然后在微结构上施加表

7、面化学处[5]理。光学光刻的第一步是通过光学制板照相制备掩模。制备好的掩模通常是镀有铬层的石英玻璃板,该铬层事先已按微细结构的图形被刻蚀成了透光和不透光两个部分。第二步是光刻，让掩模与表面涂有光刻胶的硅片接触，然后让光源通过掩模照射到硅片上。通过显影光[2]刻胶中的图形，使其上未被掩模遮掩的部分被溶解除去。上述工作完成之后,通过对无胶保护的硅片用腐蚀剂蚀刻，再去除剩余的光刻胶便可获得所需生物芯片的微细结构。微米级甚至纳米级的微细加工技术使得数以万计的生物探针(DNA片断、抗原和抗体)等微观结构成功的排列在很小的

8、芯片载体上，从而保证了生物芯片检测的集成化、微型化和高通量化。3.生物芯片工作的基本流程生物芯片是多学科相融合的产物，所有的生物芯片技术都包含三个基本要点：方阵的[2]构建、样品的制备和生物分子反应、反应图谱的检测和分析。3.1方阵的构建目前制备芯片主要采用表面化学的方法或组合分类化学的方法来处理片芯，然后使DNA片段或蛋白质分子按顺序排列在芯片上。经特殊处理过的玻璃片、[2]硅片、聚