生物芯片是指通過表面微機(jī)-�-化加工技�(shù)和生物技�(shù)在玻�、硅片或是尼龍膜等各種固體支持物上以�(diǎn)陣的形式有序固定而構(gòu)建的多功能微型全分析系統(tǒng),可以實(shí)�(xiàn)對細(xì)�、蛋白質(zhì)、核算及其他生物組分的高�、高效(大信息量�、低耗費(fèi)的集成分�。生物芯片的出現(xiàn),改變了生命科學(xué)的研究方�,革新醫(yī)�(xué)診斷和治療,極大的提高了人口素質(zhì)和健康水��
載體表面必須具有可�(jìn)行化�(xué)反應(yīng)的活性基�(tuán),以便于生物分子�(jìn)行偶�(lián)。使單位載體上結(jié)合的生物分子�(dá)到容量,載體�(yīng)�(dāng)是惰性的和有足夠的穩(wěn)定�,載體具有良好的生物兼容�,以利于制作不同種類的芯��
載體類型:玻�、硅�、硝酸纖維素�、尼龍膜�
膜:�(yōu)�(diǎn):有孔性三維結(jié)�(gòu),與核酸親和力強(qiáng),雜交技�(shù)成熟,通常無需另外包被。缺�(diǎn):膜的表面性質(zhì)不是很均一;單位面積上�(diǎn)樣密度低,需要更多的樣本量;背景較高;容易卷曲等。所以限制了膜的�(yīng)用范��
玻璃:持久的載體,耐受高溫和高離子�(qiáng)�;具有不浸潤性,使雜交體積降低到最?。皇杷砻婵朔藰狱c(diǎn)容易�(kuò)散的缺點(diǎn),提高了樣點(diǎn)的密�;熒光信號低,不會造成很強(qiáng)的背景干��
�:除了具有玻片的性質(zhì)外,還有良好的導(dǎo)熱�。缺�(diǎn):不透明,不利于光學(xué)檢測;具有比較強(qiáng)的表面非特異性吸�;不容易�(jìn)行表面修��
基片處理
目的:要使得要使得基片表面富含活性基�(tuán),這種活性基�(tuán)具有吸附能力和固定能�,能很好的連接生物分子� 方法:表面修� 表面涂敷
�(diǎn)�
目的:將生物分子放到芯片表面指定的位置� 方法:接觸式�(diǎn)� 非接觸式�(diǎn)� �(diǎn)樣元�
固定
定義:處理好的基片結(jié)合各種生物分子的過程。目的:加強(qiáng)生物分子與基片表面的�(jié)合方法:室溫放置、紫外交�(lián)、烘�
封閉
定義:固定完以后,用一些試劑將基片表面沒有固定生物分子的活性基�(tuán)反應(yīng)�,這一過程稱為封閉。目的:降低芯片在使用過程中表面的非特異性結(jié)�,提高芯片的靈敏度。封閉試劑:指�(jìn)行封閉所采用的試�。常用的封閉試劑:硼氫化納、三乙醇�、BSA�
根據(jù)作用方式分類
(1)主動式芯片:是指把生物實(shí)�(yàn)中的樣本處理純化、反�(yīng)�(biāo)記及檢測等多個實(shí)�(yàn)步驟集成,通過一步反�(yīng)就可主動完成。其特點(diǎn)是快速、操作簡�,因此有人又將它稱為功能生物芯片。主要包括微流體芯片(microftuidic chip)和縮微芯片實(shí)�(yàn)�(lab on chip,也叫“芯片實(shí)�(yàn)室�,是生物芯片技�(shù)的高境界)�
(2)被動式芯片:即各種微陣列芯片,是指把生物�(shí)�(yàn)中的多個實(shí)�(yàn)集成,但操作步驟不變。其特點(diǎn)是高度的并行�,目前的大部分芯片屬于此�。由于這類芯片主要是獲得大量的生物大分子信�,最終通過生物信息�(xué)�(jìn)行數(shù)�(jù)挖掘分析,因此這類芯片又稱為信息生物芯�。包括基因芯�、蛋白芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片�
根據(jù)用途分�
(1)生物電子芯片:用于生物計算機(jī)等生物電子產(chǎn)品的制��
(2)生物分析芯片:用于各種生物大分子、細(xì)�、組織的操作以及生物化學(xué)反應(yīng)的檢測�
前一類目前在技�(shù)和應(yīng)用上很不成熟,一般情況下所指的生物芯片主要為生物分析芯��
根據(jù)固定在載體上的物�(zhì)成分分類
(1)基因芯片(gene chip):又稱DNA芯片(DNA chip)或DNA微陣�(DNA microarray),是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上制��
(2)蛋白�(zhì)芯片(protein chip或protein microarray):是將蛋白質(zhì)或抗原等一些非核酸生命物質(zhì)按微陣列方式固定在微型載體上獲得�
(3)�(xì)胞芯�(cell chip):是將細(xì)胞按照特定的方式固定在載體上,用來檢測細(xì)胞間相互影響或相互作��
(4)組織芯片(tissue chip):是將組織切片等按照特定的方式固定在載體上,用來�(jìn)行免疫組織化�(xué)等組織內(nèi)成分差異研究�
(5)芯片�(shí)�(yàn)�(Lab on chip):用于生命物�(zhì)的分�、檢測的微型化芯�?,F(xiàn)在,已經(jīng)有不少的研究人員試圖將整個生化檢測分析過程縮微到芯片�,形成所謂的“芯片實(shí)�(yàn)室�(Lab on chip�。芯片實(shí)�(yàn)室是生物芯片技�(shù)�(fā)展的最終目�(biāo)。它將樣品的制備、生化反�(yīng)到檢測分析的整個過程集約化形成微型分析系統(tǒng)。由加熱�、微�、微�、微流量控制器、微電極、電子化�(xué)和電子發(fā)光探測器等組成的芯片�(shí)�(yàn)室已�(jīng)問世,并出現(xiàn)了將生化反應(yīng)、樣品制�、檢測和分析等部分集成的芯片�?!靶酒瑢?shí)�(yàn)室”可以完成諸如樣品制�、試劑輸送、生化反�(yīng)、結(jié)果檢�、信息處理和傳遞等一系列�(fù)雜工�。這些微型集成化分析系�(tǒng)攜帶方便,可用于緊急場�、野外操作甚至放在航天器上� 例如可以將樣品的制備和PCR�(kuò)增反�(yīng)同時完成于一塊小小的芯片之上。再如Gene Logic公司�(shè)計制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA,并對其�(jìn)行熒光標(biāo)�,然后當(dāng)樣品流過固定于柵欄狀微通道�(nèi)的寡核苷酸探針時便可捕獲與之互補(bǔ)的靶核酸序列。應(yīng)用其自己開發(fā)的檢測設(shè)備即可實(shí)�(xiàn)對雜交結(jié)果的檢測與分析。這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積,所以可以靈敏地檢測到稀有基因的變化。同�,由于該芯片�(shè)計的微通道具有濃縮和富集作�,所以可以加速雜交反�(yīng),縮短測試時�,從而降低了測試成本�
樣品制備芯片
生物樣品往往是復(fù)雜的混合�,在大多�(shù)情況下需要先對生物樣品�(jìn)行預(yù)處理,即樣品制備。以核酸樣品制備為例,它包括了細(xì)胞分�、破胞、脫蛋白、提取DNA等多步工作。這些工作可以在樣品制備芯片上完成。目前在�(xì)胞分離方法上較突出的有過濾分離和介電電泳分離�;芯片中的破胞方法有芯片升溫破胞、高壓脈沖破胞以及化�(xué)破胞��
過濾分離芯片
過濾分離即根�(jù)生物顆粒的尺寸差異�(jìn)行分�。針對人白細(xì)胞的分離,1998年美國賓夕法尼亞大�(xué)的研究小組研究出了一種芯片微過濾�。芯片微過濾器的工作原理是根�(jù)人白�(xì)胞的尺寸比紅�(xì)胞大的特�(diǎn),使人外周血流過微過濾器時只讓血漿和尺寸較小的紅血�(xì)胞及血小板通過,而截住尺寸較大的白細(xì)�。加工微過濾用芯片是通過在硅片上刻出各種形狀的過濾通道,通道直徑為幾個微�,然后再在硅芯片上鍵合上一塊玻璃蓋片而完�。通過反復(fù)試驗(yàn)和設(shè)�,微芯片過濾器已從最初的豎式Z形�(jié)�(gòu),通過豎式條狀梳式�(jié)�(gòu)過渡定型為橫壩式�(jié)�(gòu)。采用橫壩式�(jié)�(gòu)的優(yōu)�(diǎn)是人白細(xì)胞的回收率高,過濾器不易被堵�。微芯片過濾器的另一�(yīng)用是它可將孕婦外周血中極少量的胎兒細(xì)胞過濾出�,供下一步作�(chǎn)前診斷之用�
介電電泳分離芯片
介電電泳分離的原理是�(xì)胞在高頻不均勻電場作用下�(chǎn)生極�,不同的�(xì)胞由于介電特性、電�(dǎo)�、形狀不同而感�(yīng)出不同的偶電極,因此受到不同介電力的作用。利用介電電泳方法制備樣品的�(yōu)�(diǎn)是:通過測量�(xì)胞的�(yùn)動速度,可以得到細(xì)胞的介電特性;可以對細(xì)胞�(jìn)行無物理接觸的選擇性操�、定�、分��
生化反應(yīng)芯片
生化反應(yīng)芯片的目的是把在�(shí)�(yàn)室試管中�(jìn)行的生化�(shí)�(yàn)縮微到一塊小小的芯片�。目前較典型的生化反�(yīng)芯片包括聚合酶鏈反應(yīng)(polymeriz� chai� reac-tion,PCR)芯片、藥物合成芯片等,其中PCR�(kuò)增芯片是生化反應(yīng)芯片的典型代��
在芯片上�(jìn)行PCR�(kuò)增反�(yīng)的背景是,目前在生物芯片�(lǐng)域中所用的檢測儀器靈敏度還不夠高,所以從血液或活體組織中提取的DNA在�(biāo)記或�(yīng)用前都需要擴(kuò)增復(fù)�。例如,在對一個腫瘤的活體解剖樣品�(jìn)行檢測時,需要在幾千個正?;蛑姓业揭粋€異常的癌基因,顯然這需要對樣品DNA�(jìn)行必要的�(kuò)增復(fù)制才易于檢測。PCR作為生物�(xué)中最常用的DNA�(kuò)增手�,由變性、延�、退火三個步驟所�(gòu)成,其每個步驟的工作溫度大約分別為95℃、72℃、60℃。通過該反�(yīng)可將極微量的DNA成千上萬倍地�(kuò)增,以滿足實(shí)�(yàn)需��
除了上述方法�,另一個更簡易的方法是將帕爾帖器件(一種可通過改變器件兩端電壓的極性而產(chǎn)生加熱或致冷效果的半�(dǎo)體器件),直接貼在PCR�(kuò)增芯片的背面,人們只需控制帕爾帖器件的溫度在三個恒溫區(qū)之間變化,就能在芯片上實(shí)�(xiàn)PCR擴(kuò)��
對DNA芯片上所包含的信息�(jìn)行準(zhǔn)確檢測是一�(xiàng)至關(guān)重要的工作。早期的方法是同位素�(biāo)記法,應(yīng)用時需�(jīng)過曝光、顯�,然后用具有尋址功能的掃描儀掃讀。目前在生物芯片信息采集中使用最多最成功的是熒光�(biāo)記法,這種方法不受同位素的使用限制,用激光作為激�(fā)光源的共焦掃描裝置具有極高的靈敏�、分辨能力和定位功能,并能定量地輸出�(jié)果�
最近納馬西瓦亞姆(V. Namasivayam)等人�(gòu)建了一種將熒光檢測裝置直接集成在生物芯片上的方�,這更加提高了生物芯片的集成度。他們在硅上加工出光電二極管,并與芯片上的微流體系統(tǒng)相結(jié)�,可以實(shí)�(xiàn)0.9納克/微升的DNA檢測精度,信噪比為100∶1�
由于利用生物芯片可以一次性地得到大量�(shí)�(yàn)�(shù)�(jù),因此需要一個專用的軟件系統(tǒng)來處理數(shù)�(jù)。完整的生物芯片�(shù)�(jù)處理系統(tǒng),應(yīng)該包括芯片圖像分析和�(shù)�(jù)提取,芯片數(shù)�(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析和生物學(xué)分析,芯片的�(shù)�(jù)庫積累和管理,芯片表�(dá)基因的國際互�(lián)�(wǎng)檢索,表�(dá)基因�(shù)�(jù)庫分析和積累等功��
在功能基因組�(xué)中的�(yīng)�
研究表明,在不同的組織中表達(dá)基因的數(shù)目差別非常大,腦中基因表�(dá)的數(shù)目最�,約有3~4萬個,而有的組織中只有幾十個基因表�(dá)。不能準(zhǔn)確知道每種組織中表達(dá)基因的數(shù)目以及每個基因的表達(dá)�,就無法從分子水平上了解這一組織在生命活動中的功�。另外同一組織在不同的生長�(fā)育階段中基因表達(dá)的種�、數(shù)量也不同,有些基因是在幼年期表達(dá)的,而有些基因是在老年期表�(dá)�。因此人們不但需要了解基因的序列,還要了解基因在不同組織、不同時間中基因的表�(dá)譜,這引�(fā)了功能基因組�(xué)的誕��
功能基因組學(xué)研究的是在特定組織中、發(fā)育的不同階段或者是疾病的不同時期基因的表達(dá)情況,因此它要求能在同一時刻獲得多個分子遺傳學(xué)分析的結(jié)果;另外,任何一個細(xì)胞中都會有上千個基因在表達(dá)。而細(xì)胞間基因表達(dá)的差異往往能反�(yīng)出這些�(xì)胞是正常�(fā)育還是在朝惡性腫瘤細(xì)胞方向發(fā)�。采用生物芯片技�(shù)利用核酸雜交對基因表�(dá)�(jìn)行并行分析的好處�,它用很少的�(xì)胞物�(zhì)便能提供有關(guān)多基因差異表�(dá)的信�,從而給功能基因組學(xué)研究提供前所未有的信息量�
作為超高通量藥物篩選平臺的應(yīng)�
在過去的十多年中,隨著科技的不斷�(jìn)步以及在巨大的經(jīng)�(jì)利益�(qū)使下,藥物篩選技�(shù)得到了很大的�(fā)展。在1980年代中期,每天只能篩選30種化合物,到了1990年代中期,每天可篩選1500種化合物,而如今每天可篩選超過10萬個化合物。高速、低成本的高通量篩選已經(jīng)成為�(dāng)今藥物篩選的主流,并逐漸向超高通量方向�(fā)展。要�(jìn)一步提高篩選效�,目前的高通量篩選技�(shù)在各方面均需要技�(shù)�(chuàng)新,這為生物芯片技�(shù)�(jìn)入藥物篩選領(lǐng)域提供了寶貴的契�(jī)�
�(shí)�(xiàn)超高通量篩選有兩條途徑:微型化和自動化。生物芯片作為一種新型技�(shù)平臺,正可滿足超高通量篩選的微型化、自動化需要�
在毒理學(xué)研究中的�(yīng)�
對藥物�(jìn)行毒性評�,是藥物篩選過程中十分重要的一個環(huán)節(jié)?,F(xiàn)在毒理學(xué)家多采用小鼠作為模型,通過動物�(shí)�(yàn)來確定藥物的潛在毒�。這些方法需要使用大劑量的藥物,花幾年的時間,代價巨大。DNA芯片技�(shù)可將藥物毒性與基因表達(dá)特征�(lián)系起�,通過對基因表�(dá)情況的分析來確定藥物毒性,使得藥物毒性或其他不希望出�(xiàn)的效�(yīng)在臨床實(shí)�(yàn)前得以確�(rèn)。用DNA芯片可以在一個實(shí)�(yàn)中同時對成千上萬個基因的表達(dá)情況�(jìn)行分析,從而可為研究化�(xué)分子或藥物分子對生物系統(tǒng)的作用提供全新的線索�
該技�(shù)可對單個或多個有害物�(zhì)�(jìn)行分�,確定化�(xué)物質(zhì)在低劑量條件下的毒�,分析推斷有毒物�(zhì)對不同生物的毒性可比性。如果不同類型的有毒物質(zhì)所對應(yīng)的基因表�(dá)譜有特征性的�(guī)�,那么通過比較對照樣品和有毒物�(zhì)的基因表�(dá)譜,就可以對各種有毒物質(zhì)�(jìn)行分�。在此基�(chǔ)上通過�(jìn)一步建立合適的生物模型系統(tǒng),便可通過基因表達(dá)譜的變化來反映藥物對人體的毒��
雖然生物芯片技�(shù)是一�(xiàng)新興的技�(shù),但是由于其巨大的�(yīng)用前景,它已�(jīng)成為各國工業(yè)界和�(xué)�(shù)界競相研究的熱點(diǎn)。隨著生物芯片制作工藝和檢測分析手段的不斷�(jìn)�,可以預(yù)期在不遠(yuǎn)的將�,生物芯片技�(shù)將滲透到生命科學(xué)研究、疾病診斷與治療、新藥開�(fā)、國�、司法鑒定、食品衛(wèi)生檢�(yàn)、航空航天等各個領(lǐng)域中去,成為科學(xué)家探索未知世界奧秘的有力武器�
維庫電子�,電子知�,一查百��
已收錄詞�161604�