生物芯片的基本原理_百替生物

《生物芯片的基本原理_百替生物》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第二章生物芯片的基本原理§2.1生物芯片的基本概念一般而言，我们所指的芯片是以硅晶体为材料制造的用来存储信息、进行科学计算等用途的半导体器件，如各种计算机芯片。硅芯片是通过电路高低电平来表示逻辑1或逻辑0，不同的0，1组合可以代表自然界的一切信息，从而方便存储。生物电子芯片与硅芯片有很大的相似之处。20世纪70年代，人们发现脱氧核糖核酸（DNA,Deoxyribonucleicacid）处于不同的状态可以代表信息的存在或没有信息。这一发现引起科学家们的极大兴趣，科学家们立即投身到生物电子元件这一研究

2、领域[1]。80年代初，国际上提出了“生物芯片”这一概念，形象地把微电子集成电路技术与生物活性分子功能结合，提出构建具有生物活性的能够获取存储信息并进行处理和传输的微生物构件（微功能单元），以达到仿生信息处理的目的。在此基础上诞生了“分子电子学”。90年代以来，在美国硅谷又兴起了研究和开发“生物芯片”的热潮[1][2]。这一“生物芯片”的概念是指运用大规模集成电路的光刻技术以及生物分子的自组装技术，在一微小芯片上组装成千上万个不同生物分子（DNA，蛋白质，多肽，细胞等）微阵列，实现生物分子信息的快速

3、、并行、大规模检测[1][3]。芯片分析的实质是在面积不大的基片表面上有序地点阵排列了一系列固定于一定位置的可寻址的识别分子。结合或反应在相同条件下进行。反应结果用同位素、化学荧光法、化学发光法或酶标法显示，然后用精密的扫描仪或CCD摄像技术记录。通过计算机软件分析，综合成可读的IC总信息[3][4][5]。芯片分析实际上也是传感器分析的组合。芯片点阵中的每一个单元微点都是一个传感器的探头[6]。所以传感器技术的精髓往往都被应用于芯片的发展。阵列检测可以大大提高检测效率，减少工作量，增加可比性。所以

4、芯片技术也是传感器技术的发展。www.100biotech.comservice@100biotech.com生物芯片的概念来自计算机芯片，但是到90年代初以后，在人类基因组计划的推动下，才得以迅速发展起来。由于最初的生物芯片主要目标是用于DNA序列的测定，基因表达谱鉴定(geneexpressionprofilecomparison)和基因突变的检测和分析，所以它又被称为DNA芯片或基因芯片[1][7]。但目前这一技术已派生出蛋白质芯片(proteinchip)、细胞芯片(cellchip)、药物

5、筛选芯片(drugscreeningchip)、微缩芯片实验室(lab-on-chip)等多种不同功用的芯片，并已扩展至免疫反应、受体结合等非核酸领域。所以按现状改称“生物芯片”更能符合发展的趋势。生物芯片分析的过程一般来说包括图2.1所示的一些步骤。转录→文库制备样品处理→目标分子富集→→分子间反应或杂交增扩→标记芯片制作→配体点阵及固定化→洗涤放射显影光化学电化学→检测活性↓酶促反应数据处理↓综合信息分析图2.1生物芯片分析步骤90年代的生物分析芯片技术是随着人类基因组研究迅速发展起来的。人类基

6、因组计划的目标是2005年完成对30亿个人体基因组DNA碱基的序列测定，现在通过使用更高级的毛细管阵列测序仪和商业操作，使该计划有望提前完成。1999年4月，美国赛莱拉CeleraGenomics公司宣称，他们已经用不同的方法，完成了解读人体遗传密码的工作，现正将它们组合成正确的次序[8]。2000年6月26日，美、英、法、德、日、中等国科学家一同宣布，人类基因组工作草图已经www.100biotech.comservice@100biotech.com绘制完成[9]。随着后基因组时代（post-g

7、enomeera）的到来，研究者的工作重心从基因组结构方面的研究转向了基因组功能的研究。疾病的研究也转向发病机理方面，及向疾病易感性研究转移。由于上述所有研究都与庞大的DNA信息以及蛋白质信息密切相关，而要处理和比较如此庞大的数据，应用传统的建立在电泳基础上的基因表达、序列测定、突变和多态性检测等研究方法，如mRNADD和RDA就显得力不从心，迫切需要全新高效的检测手段。生物芯片技术于是应运而生，它是微电子技术和生物基因技术相结合的产物[10][11][12][13]。生物芯片利用微电子和其他一些微

8、细加工工艺，如光学掩模光刻技术(photolithography)、反应离子刻蚀(ionetching)、微注入模塑和聚合膜浇注法等和生物分子自组装技术，把成千上万个不同生物分子集中在一小片基质上，把玻璃、塑料、硅片等不同基质材料上加出用于生物样品制备、反应、检测的微结构。将生命科学研究中不连续的分析过程，如样品制备、化学反应和定性、定量检测等连续化、微型化，以尽量减少空间，加快速度，实现生物分析系统的微型化和芯片化[14][15]。上述分析过程中的某一步或几步微型化