生物芯片技术及其在基础生物科学研究中的应用

张航

（哈尔滨师范大学生物科学与技术学院，哈尔滨 150025）

生物芯片技术及其在基础生物科学研究中的应用

张航

（哈尔滨师范大学生物科学与技术学院，哈尔滨 150025）

生物芯片技术源于20世纪80年代末，其命名来源于计算机芯片，二者拥有相似的制造工艺。生物芯片的工作原理是用计算机对生化反应的结果进行分析，从而得到被测物体的分子信息，而随着生物芯片技术的成熟，它的应用前景也愈加广阔。

生物芯片；基础生物科学；应用

1　生物芯片的分类

生物芯片按照原理分为元件型微阵列芯片、生物传感芯片和通道型微阵列芯片。按照其固定探针分为蛋白质芯片、细胞芯片、基因芯片和组织芯片。按照片基可分为无机芯片和有机芯片。按照结构分为寡核苷酸和DNA阵列芯片。具体到其应用层次上则可以分为诊断芯片、表达谱芯片和检测芯片。迄今为止，运用最广泛的为蛋白质芯片、基因芯片和组织芯片，其中基因芯片是运用最为普遍的。

1.1基因芯片

基因芯片有标准化、集约化和微型化的特点，所以大多应用于食品检测、医学临床检验、制药以及环境学。当前，科学研究主体已经变更为基因功能的表达，而这也是我们运用基因最基本的因素。随着生物芯片的成熟，分析基因功能变得更加简便，完全可以满足我们大规模研究的需要。基因芯片反应的原理是利用核酸杂交，通过对杂交后的结果进行检测，从而探测出各生物分子的具体存在量。

1.2蛋白质芯片

蛋白质芯片的运用原理与基因芯片的运用原理相似，其不同之处在于芯片上固定的分子不同，基因芯片是核酸片段，而蛋白质芯片的固定分子可以看出为蛋白质。在检验原理上亦存在差异，前文有提过基因芯片的检测原理，而蛋白质芯片的检测原理则是利用蛋白质与其他分子的反应作用，蛋白质分子与核酸的反应作用等。

但是蛋白质芯片的制作远比基因芯片复杂，因为固体表面的蛋白质容易丧失，所以蛋白质芯片现多采用酵母双杂交系统进行制作，在此之后为了防止蛋白质探针的变性，相关科学家还研制出用牛血清白蛋白BSA膜覆盖在玻片表面。

1.3组织芯片

组织芯片更多的是在基因芯片上的延伸，按照所需或之前的设计，对千百个不同标本组织进行排列，组织芯片的优势在于它能够进行大规模的组织检测，大大缩短了检测时间。目前组织芯片在肿瘤学、病原体检测和药物删选等领域都有大规模的使用。

1.4细胞芯片

细胞芯片的研究主体则是活细胞。以信号检测及细胞理化分析为目的，通过高通量的基因反向转染技术，在芯片上完成对细胞的各种控制。

2　生物芯片工作步骤

2.1构建方阵

根据芯片的制备方法可分为微矩阵点样和原位合成，其中微矩阵点样是将生物分子或cDNA用针点或者是喷射的方法直接排列至载体上。原位合成则专用于制造寡核苷酸，由原位合成组成的DNA微点阵适用于突变型检测、杂交测序等高严谨性实验。

2.2制备样品，进行生物分子反应

生物样品的本质是混合体，因此它不能与芯片进行直接反应，要先对生物样品进行生物处理。而生物分子反应是在整个芯片工作流程中十分重要的一个环节，其复杂度由芯片设定的用途与所选取基因片段的长短决定，用处不同，其设定环境就不同，操作步骤的简易度也会产生较大的变化。

2.3对反应图谱的分析

反应图谱是指生物芯片所产生的最终结果，通过对图谱进行检测分析得到最后样品的需求数据。当前对反应图谱的分析检测主要有两种方法，一为杂交分析，一为毛细管电泳法，但这两种方法都有所欠缺。目前科学家们还在寻找更多的方法进行反应图谱的分析，除了对分析方法做出更多的探寻之外，还应建立完整的数据库，录入不同芯片的表达基因。

3　生物芯片在生物科学中的应用

随着生物芯片发展的成熟，其用途也越来越广泛，生物芯片从最初的基因检测发展到诊断疾病、研发药物上，从最基础的实验室研究走入实际应用。

3.1基因领域的应用

生物芯片的一个巨大作用就是检测分析出DNA序列，而探测、分析出序列对人类的基因研究有着跨时代的意义。当前生物芯片已经运用在大规模DNA测序上，除此之外，生物芯片还被运用到基因突变、多态性检测和基因诊断等领域。生物芯片在基因上可以研究不同个体，通过研究差异发现新的基因还能够在遗传、发育等过程中进行改变。

3.2医药学领域的应用

生物芯片在诊断疾病上的优势是突出的，主要是针对细胞或基因改变引发的疾病，特别是一些遗传类、传染类疾病。生物芯片技术中的高通量、大规模等特点，正适用于药物筛选这一领域。在肿瘤研究以及遗传病治疗等方面，因生物芯片出色的诊断功能与筛选功能，使其能制造出有效的治疗药物。除了常见的寻找病因，制造相应的治疗药物之外，当前生物芯片还被运用在疫苗的制作、人体耐药性的研究和病毒感染的诊断中。除了西医的研究，生物芯片在中医药上也取得了很大的突破。

3.3环境学领域的应用

生物芯片除了具有快速化、自动化、微型化等优势以外，在芯片制作与使用过程中还存在低污染的特性，这些特性使其在环境学领域有很广泛的应用。目前为止，生物芯片已经在土壤的微生物检测中取得了一定的成果。除此之外，还有水中的微生物、因外界环境而产生的疾病等研究，这些研究不仅局限于生物体，也包括植物所患的疾病。

3.4食品检测领域的应用

食品安全一直是近年来的热门话题，随着化学添加剂的种类越来越多，部分食品也变得不再安全。而生物芯片可以检测出食品是否病菌含量超标，是否存在某种不合法的化学物，甚至可以对转基因食品进行检测筛选。除了其显著的检测效果，生物芯片在食品的营养分析上也起到了不可小觑的作用，在食品领域，其发展前景也是相当可观的。

4　生物芯片的前景与未来

短短的几年，生物芯片已经由实验室走向了多个领域的实际应用，而其涉足的领域也几乎囊括了整个生物科学领域。今后除了在图谱分析的研究方法上再深入一步之外，还要将生物芯片朝着更方便、更简单、更微型、更高集成度的方向发展。生物芯片研制技术一定会为我国的医疗科学事业做出卓越的贡献。

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Bio Chip Technology and its Application in the Study of Basic Biological Sciences

ZHANGHang
（College ofBiological Science and Technology,Harbin Normal University,Harbin 150025,China）

The technology of bio chip was originated from the end of 1980s,which was named after the computer chip,and the two had similar manufacturing process.The working principle of the biological chip is to analyze the results of the biochemical reaction with the computer，and then get the molecular information ofthe object，and with the development ofthe chip technology，the application prospect is alsomore extensive.

Biochip；Basic biological science；Application

O51

A

1674-8646（2015）12-0024-02

2015-08-19