生物芯片研究進(jìn)展

1、生物芯片研究進(jìn)展 摘要生物芯片是便攜式生物化學(xué)分析器的核心技術(shù)。通過對微加工獲得的微米結(jié)構(gòu)作生物化學(xué)處理能使成千上萬個(gè)與生命相關(guān)的信息集成在一塊厘米見方的芯片上。采用生物芯片可進(jìn)行生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)中所涉及的各種生物化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到對基因、抗原和活體細(xì)胞等進(jìn)行測試分析的目的。生物芯片發(fā)展的最終目標(biāo)是將從樣品制備、化學(xué)反應(yīng)到檢測的整個(gè)生化分析過程集成化以獲得所謂的微型全分析系統(tǒng)（micro total analytical system）或稱縮微芯片實(shí)驗(yàn)室（laboratory on a chip）。生物芯片技術(shù)的出現(xiàn)將會(huì)給生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、新藥開發(fā)、生物武器戰(zhàn)爭、司法鑒定、食品和環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)督

2、等領(lǐng)域帶來一場革命。本文闡述了生物芯片技術(shù)在加工制備、功能和應(yīng)用方面的近期研究進(jìn)展。 關(guān)鍵詞：生物芯片，縮微芯片實(shí)驗(yàn)室，疾病診斷，基因表達(dá) 人類基因組計(jì)劃的目標(biāo)是在2005年完成對30億個(gè)人體基因組DNA堿基的序列測定，現(xiàn)在通過使用更高級(jí)的毛細(xì)管陣列測序儀和商業(yè)操作，使該計(jì)劃有望提前完成。因此，人們現(xiàn)已開始利用人類基因組計(jì)劃中所發(fā)現(xiàn)的已知基因?qū)ζ涔δ苓M(jìn)行研究，亦即把已知基因的序列與功能聯(lián)系在一起的功能基因組學(xué)研究。另外，與疾病相關(guān)的研究已從研究疾病的起因向探索發(fā)病機(jī)理方面轉(zhuǎn)移，并從疾病診斷向疾病易感性研究轉(zhuǎn)移。由于所有上述這些研究都與DNA結(jié)構(gòu)、病理和生理等因素密切相關(guān)，因此許多國家現(xiàn)已開始考

3、慮在后基因組時(shí)期，研究人員是否能用有效的硬體技術(shù)來對如此龐大的DNA信息以及蛋白質(zhì)信息加以利用。為此，先后已有多種解決方案問世，如DNA的質(zhì)譜分析法1、熒光單分子分析法2、陣列式毛細(xì)管電泳3、雜交分析4等。但到目前為止，在對DNA和蛋白質(zhì)進(jìn)行分析的各種技術(shù)中，發(fā)展最快和應(yīng)用前景最好看的技術(shù)當(dāng)數(shù)以生物芯片技術(shù)為基礎(chǔ)的親和結(jié)合分析、毛細(xì)管電泳分析法5和質(zhì)譜分析法。此外，在此基礎(chǔ)上，通過與采用生物芯片技術(shù)和樣品制備方法（芯片細(xì)胞分離技術(shù)6和生化反應(yīng)方法（如芯片免疫分析7和芯片核酸擴(kuò)增8）相結(jié)合，許多研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)界都已開始構(gòu)建所謂的縮微芯片實(shí)驗(yàn)室。建立縮微芯片實(shí)驗(yàn)室的最終目的是將生命科學(xué)研究中的許多

4、不連續(xù)的分析過程，如樣品制備，化學(xué)反應(yīng)和分離檢測等，通過采用象集成電路制作過程中的半導(dǎo)體光刻加工那樣的縮微技術(shù)，將其移植到芯片中并使其連續(xù)化和微型化。這些當(dāng)年將數(shù)間房屋大小的分離元件計(jì)算機(jī)縮微成現(xiàn)在只有書本大小的筆記本式計(jì)算機(jī)有異曲同工之效。用這些生物芯片所制作的具有不同用途的生化分析儀具有下述一些主要優(yōu)點(diǎn)，即分析全過程自動(dòng)化、生產(chǎn)成本低、防污染（芯片系一次性使用）、分析速度可獲得成千上萬倍的提高、同時(shí)，所需樣品及化學(xué)藥品的量可獲得成百上千倍的減少、極高的多樣品處理能力、儀器體積小、重量輕、便于攜帶。這類儀器的出現(xiàn)將會(huì)給生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、新藥開發(fā)、生物武器戰(zhàn)爭、司法鑒定、食品和環(huán)境衛(wèi)生監(jiān)督

5、等領(lǐng)域帶來一場革命。因此，它已廣為各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所矚目9。 1 生物芯片的微加工制備 生物芯片的加工借用的是微電子工業(yè)和其他加工工業(yè)中比較成熟的一些微細(xì)加工（microfabrication）工藝（如：光學(xué)掩模光刻技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕、微注入模塑和聚合膜澆注法），在玻璃、塑料、硅片等基底材料上加工出用于生物樣品分離、反應(yīng)的微米尺寸的微結(jié)構(gòu)，如過濾器、反應(yīng)室、微泵、微閥門等微結(jié)構(gòu)。然后在微結(jié)構(gòu)上施加必要的表面化學(xué)處理，再在微結(jié)構(gòu)上進(jìn)行所需的生物化學(xué)反應(yīng)和分析。 生物芯片中目前發(fā)展最快的要算親和結(jié)合芯片（包括DNA和蛋白質(zhì)微陣列芯片）。它的加工除了用到一些微加工工藝以外，還需要使用機(jī)器人技術(shù)?，F(xiàn)

6、在有四種比較典型的親和結(jié)合芯片加工方法。一種是Affymetrix公司開發(fā)出的光學(xué)光刻法與光化學(xué)合成法相結(jié)合的光引導(dǎo)原位合成法10。第二種方法是Incyte pharmaceutical公司所采用的化學(xué)噴射法，它的原理是將事先合成好的寡核苷酸探針噴射到芯片上指定的位置來制作DNA芯片的。第三種是斯坦福大學(xué)所使用的接觸式點(diǎn)涂法。該方法的實(shí)現(xiàn)是通過使用高速精密機(jī)械手所帶的移液頭與玻璃芯片表面接觸而將探針定位點(diǎn)滴到芯片上的11。第四種方法是通過使用四支分別裝有A、T、G、C核苷的壓電噴頭在芯片上作原位DNA探針合成的12。 2 生物芯片舉例 生物芯片是縮小了的生物化學(xué)分析器，通過芯片上微加工獲得的微

7、米結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)處理結(jié)合，便可將成千上萬個(gè)與生命相關(guān)的信息集成在一塊厘米見方的芯片上。采用芯片可進(jìn)行生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)中所涉及的各種生物化學(xué)反應(yīng)，以達(dá)到對基因、抗原和活體細(xì)胞等進(jìn)行測試分析的目的。通過分析可得到大量具有生物學(xué)、醫(yī)學(xué)意義的信息。生物化學(xué)反應(yīng)和分析過程通常包括三個(gè)步驟：1，樣品制備；2，生物化學(xué)反應(yīng)；3，檢測和數(shù)據(jù)分析處理。將其中一個(gè)步驟或幾個(gè)步驟微型化集成到一塊芯片上就能獲得具有特殊功能的生物芯片，例如用于樣品制備的細(xì)胞過濾器芯片和介電電泳芯片、用于基因突變檢測和基因表達(dá)的DNA微陣列芯片和用于藥物篩選的高通量微米反應(yīng)池芯片等?，F(xiàn)在，世界各國的科學(xué)家們正致力于將生化分析的全過程通過不

8、同芯片的使用最后達(dá)到全部功能的集成，以實(shí)現(xiàn)所謂的微型全分析系統(tǒng)或縮微芯片實(shí)驗(yàn)室。使用縮微芯片實(shí)驗(yàn)室，人們可以在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)以很短的時(shí)間完成從原始樣品到獲取所需分析結(jié)果的全套操作。 2.1 樣品制備芯片 針對DNA分析，其制備過程通常要經(jīng)過細(xì)胞分離、破胞、脫蛋白等多方面的工作，最后得到純度足夠高的待檢DNA。目前在細(xì)胞分離方法上較突出的有過濾分離（根據(jù)生物顆粒的尺寸差異進(jìn)行分離）和介電電泳分離（利用在芯片上所施加的高頻非均勻電場使不同的細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)出偶電極，導(dǎo)致細(xì)胞受不同的介電力作用，而從樣品中分離出來）等；芯片中的破胞方法有芯片升溫破胞、變壓脈沖破胞，以及化學(xué)破胞等。在捕獲DNA方面，Cepheid公司應(yīng)用濕法蝕刻和反應(yīng)離子蝕刻/等離子蝕刻等工藝在硅片上加工出含有5000個(gè)高200微米直徑20微米