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　　芯片 xīnpiàn
如果把中央處理器CPU比喻為整個(gè)電腦系統(tǒng)的心臟，那么主板上的芯片組就是整個(gè)身體的軀干。對(duì)于主板而言，芯片組幾乎決定了這塊主板的功能，進(jìn)而影響到整個(gè)電腦系統(tǒng)性能的發(fā)揮，芯片組是主板的靈魂。
是檢測(cè)基因表達(dá)。但是將生物分子有序地放在芯片上檢測(cè)生化標(biāo)本的策略是具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，除了基因表達(dá)分析外，雜交為基礎(chǔ)的分析已用于基因突變的檢測(cè)、多態(tài)性分析、基因作圖、進(jìn)化研究和其它方面的應(yīng)用，微陣列分析還可用于檢測(cè)蛋白質(zhì)與核酸、小分子物質(zhì)及與其它蛋白質(zhì)的結(jié)合，但這些領(lǐng)域的應(yīng)用仍待發(fā)展。對(duì)基因組DNA進(jìn)行雜交分析可以檢測(cè)DNA編碼區(qū)和非編碼區(qū)單個(gè)堿基改變、確失和插入，DNA雜交分析還可用于對(duì)DNA進(jìn)行定量，這對(duì)檢測(cè)基因拷貝數(shù)和染色體的倍性是很重要的。
　　用于DNA分析的樣品可從總基因組DNA或克隆片段中獲得，通過(guò)酶的催化摻入帶熒光的核苷酸，也可通過(guò)與熒光標(biāo)記的引物配對(duì)進(jìn)行PCR擴(kuò)增獲得熒光標(biāo)記DNA樣品，從DNA轉(zhuǎn)錄的RNA可用于檢測(cè)克隆的DNA片段，RNA探針常從克隆的DNA中獲得，利用RNA聚合酶摻入帶熒光的核苷酸。
　　對(duì)RNA進(jìn)行雜交分析可以檢測(cè)樣品中的基因是否表達(dá)，表達(dá)水平如何。在基因表達(dá)檢測(cè)應(yīng)用中，熒光標(biāo)記的探針常常是通過(guò)反轉(zhuǎn)錄酶催化cDNA合成RNA，在這一過(guò)程中摻入熒光標(biāo)記的核苷酸。用于檢測(cè)基因表達(dá)的RNA探針還可通過(guò)RNA聚合酶線性擴(kuò)增克隆的cDNA獲得。在cDNA芯片的雜交實(shí)驗(yàn)中，雜交溫度足以除DNA中的二級(jí)結(jié)構(gòu)，完整的單鏈分子（300-3000nt）的混合物可以提供很強(qiáng)的雜交信號(hào)。對(duì)寡核苷酸芯片，雜交溫度通常較低，強(qiáng)烈的雜交通常需要探針混合物中的分子降為較短的片段（50-100nt），用化學(xué)和酶學(xué)的方法可以改變核苷酸的大小。
　　不同于DNA和RNA分析，利用生物芯片進(jìn)行蛋白質(zhì)功能的研究仍有許多困難需要克服，其中一個(gè)難點(diǎn)就是由于許多蛋白質(zhì)間的相互作用是發(fā)生在折疊的具有三維結(jié)構(gòu)的多肽表面，不像核酸雜交反應(yīng)只發(fā)生在線性序列間。芯片分析中對(duì)折疊蛋白質(zhì)的需要仍難達(dá)到，有以下幾個(gè)原因：第一，芯片制備中所用的方法必需仍能保持蛋白質(zhì)靈敏的折疊性質(zhì)，而芯片制備中所有的化學(xué)試劑、熱處理、干燥等均將影響到芯片上蛋白質(zhì)的性質(zhì)；第二，折疊蛋白質(zhì)間的相互作用對(duì)序列的依賴性更理強(qiáng)，序列依賴性使得反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和分析定量復(fù)雜化；第三，高質(zhì)量的熒光標(biāo)記蛋白質(zhì)探針的制備仍待進(jìn)一步研究。這些原因加上其它的問題減慢了蛋白質(zhì)芯片檢測(cè)技術(shù)的研究。
　　自從1991年Fodor等人［1］提出DNA芯片的概念后，近年來(lái)以DNA芯片為代表的生物芯片技術(shù)［2～6］得到了迅猛發(fā)展，目前已有多種不同功用的芯片問世，而且，有的已經(jīng)在生命科學(xué)研究中開始發(fā)揮重要作用.所謂的生物芯片即應(yīng)用于生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中作用類似于計(jì)算機(jī)芯片的器件.其加工制作采用了像集成電路制作過(guò)程中半導(dǎo)體光刻加工那樣的縮微技術(shù)，將生命科學(xué)中許多不連續(xù)的過(guò)程如樣品制備、化學(xué)反應(yīng)和檢測(cè)等步驟移植到芯片中并使其連續(xù)化和微型化，這與當(dāng)年將數(shù)間房屋大小的分離元件計(jì)算機(jī)縮微到現(xiàn)在只有書本大小的筆記本計(jì)算機(jī)有異曲同工之效.這種基于微加工技術(shù)發(fā)展起來(lái)的生物芯片，可以把成千上萬(wàn)乃至幾十萬(wàn)個(gè)生命信息集成在一個(gè)很小的芯片上，對(duì)基因、抗原和活體細(xì)胞等進(jìn)行測(cè)試分析，用這些生物芯片所制作的各種不同用途的生化分析儀和傳統(tǒng)儀器相比較具有體積小、重量輕、成本低、便于攜帶、防污染、分析過(guò)程自動(dòng)化、分析速度快、所需樣品和試劑少等諸多優(yōu)點(diǎn).目前生物芯片已不再局限于基因序列測(cè)定和功能分析這樣的應(yīng)用，新派生的一批技術(shù)包括：芯片免疫分析技術(shù)［7］、芯片核酸擴(kuò)增技術(shù)［8～10］、芯片精蟲選擇和體外受精技術(shù)［11，12］，芯片細(xì)胞分析技術(shù)［13］和采用芯片作平臺(tái)的高通量藥物篩選技術(shù)［14］等.這類儀器的出現(xiàn)將為生命科學(xué)研究、疾病診斷和治療、新藥開發(fā)、生物武器戰(zhàn)爭(zhēng)、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、航空航天等領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命.因此，美國(guó)總統(tǒng)克林頓在1998年1月的國(guó)情咨文演講中指出：“在未來(lái)的12年內(nèi)，基因芯片將為我們一生中的疾病預(yù)防指點(diǎn)迷津”.另外，美國(guó)商界權(quán)威刊物Fortune［15］對(duì)此作了如下闡述: “微處理器在本世紀(jì)使我們的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本改變，給人類帶來(lái)了巨大的財(cái)富，改變了我們的生活方式.然而，生物芯片給人類帶來(lái)的影響可能會(huì)更大，它可能從根本上改變醫(yī)學(xué)行為和我們的生活質(zhì)量，從而改變世界的面貌”.由于生物芯片技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)于1998年底將生物芯片評(píng)為1998年的十大科技突破之一［16］.現(xiàn)在，生物芯片已被公認(rèn)將會(huì)給下個(gè)世紀(jì)的生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究帶來(lái)一場(chǎng)革命，并已成為各國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界所矚目并研究的一個(gè)熱點(diǎn).

生物芯片研究狀況

　　本世紀(jì)50，60年代以來(lái)，微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展使其相關(guān)領(lǐng)域也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，出現(xiàn)了一些新的研究方向，如微機(jī)電系統(tǒng)、微光學(xué)器件、微分析系統(tǒng)等.這些技術(shù)在生物、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也得到了較廣泛的應(yīng)用，各種生物傳感器和微型分析儀器相繼出現(xiàn)，如芯片毛細(xì)管電泳儀，氣體傳感器及用于觀察單個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞生長(zhǎng)情況的儀器等.1991年Affymax公司Fodor領(lǐng)導(dǎo)的小組對(duì)原位合成制備的DNA芯片作了首次報(bào)道［1］.他們利用光刻技術(shù)與光化學(xué)合成技術(shù)相結(jié)合制作了檢測(cè)多肽和寡聚核苷酸的微陣列（microarray）芯片.用該方法制作的DNA芯片可用于藥理基因組學(xué)研究與基因重復(fù)測(cè)序工作.這一突破性的進(jìn)展使生物芯片技術(shù)在世界范圍內(nèi)開始得到重視.隨著近些年來(lái)各種技術(shù)的進(jìn)步，生物芯片的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，科學(xué)家們采用微電子工業(yè)及其他相關(guān)行業(yè)的各種微加工技術(shù)在硅、玻璃、塑料等基質(zhì)上加工制作了各種生物芯片.美國(guó)依靠其強(qiáng)大的科技能力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，在該領(lǐng)域的研究開發(fā)中處于領(lǐng)先位置，先后已有幾十家生物芯片公司成立，開發(fā)出了近20種生物芯片，部分已投入研究應(yīng)用.在DNA芯片的研究過(guò)程中，很多公司都開發(fā)了具有自身特色的技術(shù).最早涉足該領(lǐng)域的Affymetrix公司已開發(fā)了多種基因芯片，部分芯片已投入商業(yè)應(yīng)用，如用于檢測(cè)HIV基因與p53腫瘤基因突變的芯片，還有用于研究藥物新陳代謝時(shí)基因變化的細(xì)胞色素p450芯片.Hyseq公司開發(fā)的薄膜測(cè)序芯片采用的方法不是在未知序列的DNA片段上做熒光標(biāo)記，而是在已知序列的探針上做標(biāo)記，每次用不同的探針去與未知序列的DNA片段雜交，通過(guò)檢測(cè)熒光得知雜交的結(jié)果，最后利用計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，組合出待測(cè)DNA片段的序列.Synteni公司（現(xiàn)已為Incyte Pharmaceutical并購(gòu)）研究了一種用玻璃作載體的DNA芯片，利用兩種不同的熒光標(biāo)記物，可同時(shí)在芯片上檢測(cè)正常的信使RNA與受疾病或藥物影響后的信使RNA的表達(dá)情況.Nanogen公司采用電場(chǎng)以主動(dòng)出擊的方式來(lái)操縱芯片上的DNA片段進(jìn)行雜交，使其系統(tǒng)的反應(yīng)速度比一般的讓DNA隨機(jī)擴(kuò)散尋找固化雜交探針的被動(dòng)式檢測(cè)更快，使檢測(cè)時(shí)間可減少到幾十或幾百分之一.Clinical Micro Sensors（CMS）公司正在開發(fā)一種非熒光檢測(cè)芯片，利用電信號(hào)來(lái)確定DNA雜交中有無(wú)失配的情況.除了上述公司外，美國(guó)一些著名大學(xué)如斯坦福大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、麻省理工學(xué)院、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等一些大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也在進(jìn)行生物芯片的研究.歐洲一些國(guó)家的公司和大學(xué)同樣也已涉足該領(lǐng)域并取得了明顯的成就，日本有幾家公司報(bào)道了他們的研究結(jié)果.最近，我國(guó)的清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、東南大學(xué)、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院等機(jī)構(gòu)也開始了這方面的研究工作，如果各方面重視、組織得當(dāng)、加大資金投入力度、重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，相信不久的將來(lái)在該領(lǐng)域中我國(guó)也會(huì)占有一席之地.

生物芯片的制備使用

　　芯片制備
　　生物芯片的制備主要依賴于微細(xì)加工、自動(dòng)化及化學(xué)合成技術(shù)。 根據(jù)不同的使用要求，可以采用微加工技術(shù)在芯片的基底材料上加工出各種微細(xì)結(jié)構(gòu)，然后再施加必要的生物化學(xué)物質(zhì)并進(jìn)行表面處理。而更為簡(jiǎn)單的芯片制備如DNA芯片的制備，則是在基底上利用自動(dòng)化或化學(xué)合成方法直接施加或合成必要的生物化學(xué)物質(zhì)，對(duì)基底材料并不做任何微細(xì)加工。通常比較典型的DNA芯片制備方法有4種。 第1種是Affymetrix公司開發(fā)的光引導(dǎo)原位合成法.該方法是微加工技術(shù)中光刻工藝與光化學(xué)合成法相結(jié)合的產(chǎn)物［17］。第2種方法是Incyte Pharmaceutical公司采用的化學(xué)噴射法。該方法是將合成好的寡核苷酸探針定點(diǎn)噴射到芯片上并加以固定化來(lái)制作DNA芯片。第3種方法是斯坦福大學(xué)研制的接觸式點(diǎn)涂法，在DNA芯片制備中通過(guò)高速精密機(jī)械手的精確移動(dòng)讓移液頭與玻璃芯片接觸而將DNA探針涂敷在芯片上［18］。第4種方法是通過(guò)使用4支分別裝有A，T，G，C核苷的壓電噴頭在芯片上并行合成出DNA探針［19］。不管何種方法，目的都是希望能快速、準(zhǔn)確地將探針放置到芯片上的指定位置上。
　　核酸樣品的制備
　　分離和純化核酸樣品并不是一件容易的工作，它包括了細(xì)胞分離、破胞、脫蛋白、提取DNA等多方面的工作.在細(xì)胞分離方法上較突出的有過(guò)濾分離（如賓夕法尼亞大學(xué)研究小組開發(fā)的橫壩式過(guò)濾芯片［20］）和介電電泳分離（利用施加在芯片上的高頻非均勻電場(chǎng)在不同的細(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，從而把它們從樣品中分離出來(lái)［21，22］）等.
　　生化反應(yīng)
　　因?yàn)槟壳八脵z測(cè)儀器的靈敏度還不夠高，因此從血液或活體組織中提取的DNA在標(biāo)記和應(yīng)用前都需要擴(kuò)增復(fù)制.例如，在對(duì)一個(gè)腫瘤的活體解剖樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要在幾千個(gè)正?；蛑姓业揭粋€(gè)異常的癌基因，很顯然這需要對(duì)樣品DNA進(jìn)行必要和特有的復(fù)制才易于檢測(cè).芯片中的核酸擴(kuò)增研究目前已有了很大的進(jìn)展，在芯片中進(jìn)行PCR獲得成功的有賓夕法尼亞大學(xué)研究小組［23］、美國(guó)加州Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室［24］、Perkin-Elmer公司［25］和倫敦帝國(guó)理工大學(xué)［26］.賓夕法尼亞大學(xué)研究小組所做的擴(kuò)增反應(yīng)是在硅-玻璃芯片中進(jìn)行的，芯片的外部加熱和冷卻采用的是計(jì)算機(jī)控制的Peltier電熱器.他們成功地在硅-玻璃芯片中完成了一系列不同的核酸擴(kuò)增反應(yīng)，例如RT-PCR，LCR，多重PCR和DOP-PCR.Lawrence Livermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室加工的硅芯片采用了芯片內(nèi)置式薄膜多晶硅加熱套，使其升降溫的速度可以得到極大的提高.Perkin-Elmer公司的PCR反應(yīng)則是在塑料芯片上完成的.倫敦帝國(guó)理工大學(xué)Manz領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制了一種樣品可在不同溫度的恒溫區(qū)間內(nèi)連續(xù)流動(dòng)的PCR芯片.
　　普通的PCR有一定的不足之處，如難以實(shí)現(xiàn)多重?cái)U(kuò)增以及在PCR過(guò)程中存在競(jìng)爭(zhēng)等.Mosaic Technologies公司的研究人員研究出了固相PCR系統(tǒng)，他們將兩個(gè)引物固化在丙烯酰胺薄膜上，并讓其與DNA模板和PCR試劑接觸，這樣便可在固相表面進(jìn)行PCR反應(yīng).擴(kuò)增時(shí)所合成的DNA會(huì)在引物間形成橋，從而避免了競(jìng)爭(zhēng)問題.該系統(tǒng)目前還處于研究階段.在核酸樣品制備中另一個(gè)革新的方法是Lynx Therapeutics公司研究的大規(guī)模并行固相克隆，該方法可以同時(shí)在樣品中克隆出成百上千個(gè)單獨(dú)的DNA片段.
　　檢測(cè)方法
　　目前，常用的芯片檢測(cè)方法有芯片毛細(xì)管電泳分離檢測(cè)和親和結(jié)合分析.芯片毛細(xì)管電泳是1983年由Dupont公司的Pace開發(fā)出來(lái)的.隨后，瑞士的Ciba Geigy公司和加拿大的Alberta大學(xué)合作利用玻璃芯片毛細(xì)管電泳完成了對(duì)寡核苷酸的分離［27］.首次用芯片毛細(xì)管陣列電泳檢測(cè)DNA突變和對(duì)DNA進(jìn)行測(cè)序工作的是由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Mathies領(lǐng)導(dǎo)的研究小組完成的［28］.通過(guò)在芯片上加上高壓直流電，他們?cè)诮? min的時(shí)間內(nèi)便完成了從118～1 353 bp的多條DNA片段的快速分離.賓夕法尼亞大學(xué)Wilding的小組與Ramsey的小組一道用芯片毛細(xì)管電泳對(duì)芯片中通過(guò)多重?cái)U(kuò)增得到的用于Duchenne-Becker肌萎縮診斷的若干DNA片段進(jìn)行分離也獲得了成功［29］.其他用芯片毛細(xì)管電泳檢測(cè)突變的外國(guó)公司和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)有Perkin-Elmer公司、Caliper Technologies公司、Aclara Biosciences公司和麻省理工學(xué)院等.
　　對(duì)DNA芯片而言，親和結(jié)合分析主要是通過(guò)核酸之間的雜交結(jié)合來(lái)進(jìn)行的.雜交的復(fù)雜程度取決于芯片上探針的長(zhǎng)度和被測(cè)DNA片段的長(zhǎng)度以及DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度.利用雜交可進(jìn)行雜交重復(fù)測(cè)序［30，31］、DNA突變檢測(cè)［31，32］和基因表達(dá)分析［33］.雜交重復(fù)測(cè)序的過(guò)程是：將含有與探針序列互補(bǔ)的單鏈DNA與其他DNA的混合物置于芯片上，固化的探針就會(huì)通過(guò)與其序列互補(bǔ)的DNA片段雜交而將其從很復(fù)雜的混合樣品中識(shí)別出來(lái)，通過(guò)使用帶有計(jì)算機(jī)的熒光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)芯片上檢測(cè)出來(lái)的DNA樣品所發(fā)出的熒光強(qiáng)弱及各探針的已知序列進(jìn)行分析、對(duì)照和組合就可以得知樣品DNA所含的堿基序列.1996年Science對(duì)應(yīng)用芯片雜交技術(shù)進(jìn)行雜交重復(fù)測(cè)序作了報(bào)道，Chee等人［30］在一塊固化有135 000個(gè)寡聚核苷酸探針（每個(gè)探針長(zhǎng)度為25個(gè)核苷）的硅芯片上對(duì)長(zhǎng)度為16.6 kb的整個(gè)人線粒體DNA進(jìn)行了序列測(cè)定.每組探針之間的間隔為35 μm，重復(fù)測(cè)序精度為99%；此外通過(guò)對(duì)11個(gè)非洲人個(gè)體樣品斑點(diǎn)進(jìn)行分析，他們發(fā)現(xiàn)在這些樣品中的線粒體DNA中所存在的突變多態(tài)性達(dá)505個(gè).用生物芯片從事雜交測(cè)序的美國(guó)公司現(xiàn)有Affymetrix和Hyseq兩家，Affymetrix還開發(fā)了一套系統(tǒng)（gene chip bioinformation system），將芯片測(cè)序與生物信息學(xué)聯(lián)系在一起，測(cè)序結(jié)果直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)做下一步的分析.利用雜交分析DNA的一個(gè)重要應(yīng)用是進(jìn)行DNA突變檢測(cè)，例如Hacia等人［32］采用由96 000個(gè)寡核苷酸探針?biāo)M成的雜交芯片，完成了對(duì)遺傳性乳腺癌和卵巢腫瘤基因BRCA1中外顯子上的24個(gè)異合突變點(diǎn)(單核苷突變多態(tài)性)的檢測(cè).他們通過(guò)引入?yún)⒄招盘?hào)和被檢測(cè)信號(hào)之間的色差分析使得雜交的特異性和檢測(cè)靈敏度獲得了提高.用生物芯片做雜交突變檢測(cè)的美國(guó)公司有Beckman，Abbot Laboratory，Affymetrix，Nanogen，Sarnoff，Genometrix，Vysis，Hyseq，Molecular Dynamics等； 英美學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)有賓夕法尼亞大學(xué)，牛津大學(xué)，Naval Research，Whitehead Institute for Biomedical Research，Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等.利用芯片雜交對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行分析研究是DNA芯片的另一個(gè)主要用途.一般來(lái)說(shuō)，對(duì)基因表達(dá)進(jìn)行研究需要相對(duì)較長(zhǎng)的雜交時(shí)間，不需要準(zhǔn)確地測(cè)序，而主要是了解基因中獨(dú)特的Motifs結(jié)構(gòu).基因表達(dá)的分析研究給疾病診斷和藥物篩選帶來(lái)了巨大的沖擊.Lockhart等人［34］采用固化有65 000個(gè)不同序列探針（長(zhǎng)度為20個(gè)核苷）的芯片，定量地分析了一個(gè)小鼠T細(xì)胞中整個(gè)RNA群體中21個(gè)各不相同的信使RNA，這些專門設(shè)計(jì)的探針能與114個(gè)已知的小鼠基因雜交.分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在誘發(fā)細(xì)胞分裂后另外20個(gè)信使RNA的表達(dá)也發(fā)生了改變.檢測(cè)結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)RNA的檢出率為1:300 000，對(duì)信使RNA的定量基準(zhǔn)為1:300.DeRisi等人［35］將一個(gè)惡性腫瘤細(xì)胞線中得到的1 161個(gè)不同的cDNA探針通過(guò)機(jī)械手“刷印”到載玻片上以觀察癌基因的表達(dá)情況.在比較兩個(gè)標(biāo)有不同熒光標(biāo)記的細(xì)胞信使RNA群的雜交結(jié)果之后，他們對(duì)引入正常人染色體后腫瘤基因受到抑制的細(xì)胞中的基因表達(dá)結(jié)果進(jìn)行了分析.微陣列芯片不僅在基因分析上獲得成功，研究人員更是將該技術(shù)與其他相關(guān)領(lǐng)域相結(jié)合，使得微陣列技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛［36，37］.
　　對(duì)基因芯片的制作者和用戶來(lái)說(shuō)，在芯片上從事雜交目前所獲得的結(jié)果并不是很完美的，存在著一些問題.首先，陣列上的雜交不是一個(gè)簡(jiǎn)單的液相反應(yīng)，而是液-固反應(yīng)，使得DNA鏈并不能在完全游離的情況下自然地雜交結(jié)合在一起；而且DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致失真的雜交結(jié)果（鏈內(nèi)雜交問題）.針對(duì)后一個(gè)問題，人們又研究出通過(guò)使用peptide nucleic acids（PNA）探針來(lái)解決鏈內(nèi)雜交問題的新方案.在PNA-DNA雜交過(guò)程中，用PNA制作的探針比用DNA作的探針更容易接近DNA的目標(biāo)序列.相比之下，PNA-DNA雜交結(jié)構(gòu)比DNA-DNA雜交結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，所以對(duì)錯(cuò)配也就更易檢測(cè).讓DNA在芯片表面富集是提高在芯片上DNA并行雜交速度的一個(gè)措施之一.Nanogen公司所開發(fā)的主動(dòng)式電子生物芯片，可以使被檢測(cè)的DNA/RNA分子以很快的速度接近被固化的DNA探針，從而使雜交速度得到極大的提高.
　　信息采集
　　目前，大多數(shù)的DNA芯片分析采用的是熒光檢測(cè).熒光檢測(cè)重復(fù)性好，是目前研究人員廣泛使用的一種方法.除此之外，還有飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、光波導(dǎo)、二極管陣列檢測(cè)、直接電量變化檢測(cè)等.例如，美國(guó)Sequenom公司采用光敏連接技術(shù)，將探針通過(guò)光敏基團(tuán)連接在芯片上.當(dāng)雜交結(jié)束后，利用激光切割釋放寡聚核苷酸并用飛行時(shí)間質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè).該公司現(xiàn)在只能對(duì)較短的DNA片段進(jìn)行分析，最終是否能實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)序列DNA做分析還有待進(jìn)一步努力.威斯康星大學(xué)的Smith等人最近也用PNA探針和飛行時(shí)間質(zhì)譜儀分析了人體內(nèi)酪氨酸酶基因的多態(tài)位點(diǎn).不管是何種檢測(cè)系統(tǒng)，都需要利用一些必要的儀器與軟件，如掃描共聚焦顯微鏡可以在微米級(jí)的分辨率下檢測(cè)芯片表面數(shù)以千計(jì)的探針雜交結(jié)果，很多公司也為芯片的分析開發(fā)了相應(yīng)的軟件，以便快速地對(duì)雜交數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析.除了上述通過(guò)雜交獲得分析結(jié)果的微小陣列芯片以外，還有其他多種具有不同微結(jié)構(gòu)（如微通道、反應(yīng)腔、過(guò)濾器等等）的芯片正在研制和開發(fā)中，這些芯片的大小一般為1 cm2.生物芯片的研究在80年代就已開始，如杜邦公司研究的芯片毛細(xì)管電泳技術(shù).目前，已開發(fā)的生物芯片種類越來(lái)越多，如毛細(xì)管電泳芯片、細(xì)胞分離芯片、免疫芯片、質(zhì)譜分析芯片、核酸擴(kuò)增芯片等，所有這些芯片的研究與開發(fā)為以后分析儀器的微型化和縮微芯片實(shí)驗(yàn)室的實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ).
　　生物芯片的發(fā)展方向
　　與微加工技術(shù)朝納米尺度發(fā)展一樣，某些種類的生物芯片的研究也正在朝向納米量級(jí)發(fā)展.研究人員發(fā)現(xiàn)一些天然分子或分子的生物自組裝能力完全可以用于制作納米器件.例如，用膠原質(zhì)做導(dǎo)線，抗體做夾子，DNA做存儲(chǔ)器，膜蛋白做泵等等.雖然目前尚無(wú)成功的納米芯片出現(xiàn).人們利用分子的自組裝特性制作了一些結(jié)構(gòu)，如直徑為0.5 μm、長(zhǎng)30 μm的脂質(zhì)管；直徑0.7 μm的圓形多肽納米管和顯微分子齒輪等.這些利用分子來(lái)設(shè)計(jì)和裝配儀器零件類似物的研究，為納米芯片的開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ).
　　對(duì)生物芯片研究人員來(lái)說(shuō)，最終的研究目標(biāo)是對(duì)分析的全過(guò)程實(shí)現(xiàn)全集成，即制造微型全分析系統(tǒng)（micro total analytical systems）或縮微芯片實(shí)驗(yàn)室（laboratory-on-a-chip）.在芯片的功能集成方面，目前已有了一批成果.首先，美國(guó)Nanogen公司、Affymetrix公司、賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院和密西根大學(xué)的科學(xué)家們通過(guò)利用在芯片上制作出的加熱器、閥門、泵、微量分析器、電化學(xué)檢測(cè)器或光電子學(xué)檢測(cè)器等，將樣品制備、化學(xué)反應(yīng)和檢測(cè)3部分作了部分集成，并在此基礎(chǔ)上先后制作出了結(jié)構(gòu)不同的縮微芯片實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)［38］.例如，Nanogen公司的科學(xué)家采用生物電子芯片在較短時(shí)間內(nèi)先通過(guò)施加高頻交流電場(chǎng)把微生物從人的血樣中分離出來(lái)，然后用電脈沖進(jìn)行破胞處理，最后對(duì)破胞后所得的脫氧核糖核酸進(jìn)行片段化和雜交檢測(cè).該實(shí)驗(yàn)的成功是生物芯片研究領(lǐng)域的一大突破，它向人們展示了用生物芯片制作縮微實(shí)驗(yàn)室的可能性.
　　生物芯片技術(shù)另外一個(gè)重要、且具有很強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值的發(fā)展方向就是為新藥的開發(fā)提供高通量乃至超高通量篩選的技術(shù)平臺(tái)［14］.該項(xiàng)技術(shù)是將生物芯片技術(shù)所具有的高集成度與組合化學(xué)技術(shù)、受體結(jié)合分析及機(jī)器人自動(dòng)化技術(shù)等相結(jié)合而產(chǎn)生的.組合化學(xué)是利用高分子載體快速同步合成先導(dǎo)物的類似物和衍生物的一種化學(xué)方法，它使過(guò)去的衍生物個(gè)體化合成方式發(fā)展成以串聯(lián)和并聯(lián)方式同步合成數(shù)以千計(jì)乃至數(shù)萬(wàn)個(gè)化合物的組合合成方式.反應(yīng)后先對(duì)混合物進(jìn)行分組篩選，然后根據(jù)生物活性再?zèng)Q定是否對(duì)個(gè)別化合物進(jìn)行分離純化.這種根據(jù)母體化合物結(jié)構(gòu)快速合成化合物群體，其結(jié)構(gòu)范圍又可以預(yù)測(cè)的方法能很快建立起龐大的化學(xué)衍生物庫(kù)，使得先導(dǎo)化合物的化學(xué)修飾進(jìn)程得以大大加快.利用生物芯片技術(shù)還能對(duì)天然植物成分進(jìn)行篩選和分析，這在中藥的現(xiàn)代化發(fā)展中非常有用.生物芯片技術(shù)的介入及相關(guān)的微量液體分配技術(shù)［39］及各種檢測(cè)技術(shù)的采用，將使新藥的研究與開發(fā)在技術(shù)上有一個(gè)較大的突破［40］，從而加速新藥篩選市場(chǎng)的開發(fā)，目前已有多家公司正在從事這類研究與開發(fā)工作.
　　研究展望
　　生物芯片技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)，它涉及生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、精密加工、光學(xué)、微電子技術(shù)，信息等領(lǐng)域，是一個(gè)學(xué)科交叉性很強(qiáng)的研究項(xiàng)目.雖然生物芯片的研究已有了巨大的發(fā)展，但一些相關(guān)技術(shù)如檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展制約了生物芯片技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展.這是因?yàn)殡S著芯片集成度的提高，所用反應(yīng)物量的減少，其產(chǎn)生的信號(hào)也越來(lái)越微弱，因而，對(duì)高精度檢測(cè)器的要求迫在眉睫.此外，微加工技術(shù)、芯片的封裝和保存等也是在生物芯片的研發(fā)中應(yīng)注重的方面.經(jīng)過(guò)近十多年的不懈努力，生物芯片技術(shù)已開始從不成熟逐步走向成熟，并已開始給生命科學(xué)研究的許多領(lǐng)域開始帶來(lái)沖擊甚至是革命.今年1月Nature Genetics出了一期關(guān)于微陣列芯片技術(shù)的增刊，全面介紹了該技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及幾個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域，如重復(fù)測(cè)序和突變檢測(cè)、基因表達(dá)分析、新藥開發(fā)、生物信息學(xué)、群體遺傳學(xué)研究等.由此我們可以看出微陣列芯片技術(shù)的重要性.對(duì)于生物芯片而言，微陣列芯片才只是其中一種檢測(cè)芯片，與其并級(jí)的還有其他多種具有不同功能的芯片.單是其中一種技術(shù)就有如此重大的影響力，對(duì)生物芯片技術(shù)來(lái)說(shuō)，它所能帶來(lái)的重大意義和深遠(yuǎn)影響將是不可估量的.目前從樣品的制備、化學(xué)反應(yīng)到檢測(cè)這三部分的分部集成已實(shí)現(xiàn)，全集成已初見端倪.到21世紀(jì)生物芯片市場(chǎng)的銷售將達(dá)百億美元以上，所以現(xiàn)在世界各國(guó)的公司、研究機(jī)構(gòu)都在積極地進(jìn)行研究、申請(qǐng)專利、開發(fā)新產(chǎn)品，爭(zhēng)取早日登陸市場(chǎng).較早涉足該領(lǐng)域的以美國(guó)為首的英、加、荷、德、日等幾個(gè)國(guó)家已經(jīng)取得了令人眩目的成就.面對(duì)這樣的情況，我國(guó)應(yīng)及早投入一定的財(cái)力、人力和物力，爭(zhēng)取在該領(lǐng)域中占有一席之地，避免出現(xiàn)在很多高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中那樣技術(shù)幾乎全被外國(guó)人壟斷的局面.爭(zhēng)取在基因和蛋白質(zhì)表達(dá)芯片，微縮芯片實(shí)驗(yàn)室和超高通量藥物篩選等方面有自己獨(dú)到的創(chuàng)新和作為.
　　芯片的封裝類型介紹
　　芯片的封裝類型主要有以下幾種：
　　1．BGA 球柵陣列封裝
　　2．CSP 芯片縮放式封裝
　　3．COB 板上芯片貼裝
　　4．COC 瓷質(zhì)基板上芯片貼裝
　　5．MCM 多芯片模型貼裝
　　6．LCC 無(wú)引線片式載體
　　7．CFP 陶瓷扁平封裝
　　8．PQFP 塑料四邊引線封裝
　　9．SOJ 塑料J形線封裝
　　10．SOP 小外形外殼封裝
　　11．TQFP 扁平簿片方形封裝
　　12．TSOP 微型簿片式封裝
　　13．CBGA 陶瓷焊球陣列封裝
　　14．CPGA 陶瓷針柵陣列封裝
　　15．CQFP 陶瓷四邊引線扁平
　　16．CERDIP 陶瓷熔封雙列
　　17．PBGA 塑料焊球陣列封裝
　　18．SSOP 窄間距小外型塑封
　　19．WLCSP 晶圓片級(jí)芯片規(guī)模封裝
　　20．FCOB 板上倒裝片