生物芯片分类及应用

　　生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。由于常用硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。

　　生物芯片分类

　　生物芯片虽然只有10多年的历史，但包含的种类较多，分类方式和种类也没有完全的统一。

　　1、用途分类

　　（1）生物电子芯片：用于生物计算机等生物电子产品的制造。

　　（2）生物分析芯片：用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。

　　前一类目前在技术和应用上很不成熟，一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。

　　2、作用方式分类

　　（1）主动式芯片：是指把生物实验中的样本处理纯化、反应标记及检测等多个实验步骤集成，通过一步反应就可主动完成。其特点是快速、操作简单，因此有人又将它称为功能生物芯片。主要包括微流体芯片（microftuidic chip）和缩微芯片实验室（lab on chip，也叫“芯片实验室”，是生物芯片技术的高境界）。

　　（2）被动式芯片：即各种微阵列芯片，是指把生物实验中的多个实验集成，但操作步骤不变。其特点是高度的并行性，目前的大部分芯片属于此类。由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息，最终通过生物信息学进行数据挖掘分析，因此这类芯片又称为信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。

　　3、成分分类

　　（1）基因芯片（gene chip）：又称DNA芯片（DNA chip）或DNA微阵列（DNA microarray），是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。

　　（2）蛋白质芯片（protein chip或protein microarray）：是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按微阵列方式固定在微型载体上获得。芯片上的探针构成为蛋白质或芯片作用对象为蛋白质者统称为蛋白质芯片。

　　（3）细胞芯片（cell chip）：是将细胞按照特定的方式固定在载体上，用来检测细胞间相互影响或相互作用。

　　（4）组织芯片（tissue chip）：是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上，用来进行免疫组织化学等组织内成分差异研究。

　　（5）其他：如芯片实验室（Lab on chip），用于生命物质的分离、检测的微型化芯片。现在，已经有不少的研究人员试图将整个生化检测分析过程缩微到芯片上，形成所谓的“芯片实验室”（Lab on chip）。芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。它将样品的制备、生化反应到检测分析的整个过程集约化形成微型分析系统。由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室已经问世，并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的芯片）。“芯片实验室”可以完成诸如样品制备、试剂输送、生化反应、结果检测、信息处理和传递等一系列复杂工作。这些微型集成化分析系统携带方便，可用于紧急场合、野外操作甚至放在航天器上。

　　例如可以将样品的制备和PCR扩增反应同时完成于一块小小的芯片之上。再如Gene Logic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或RNA，并对其进行荧光标记，然后当样品流过固定于栅栏状微通道内的寡核苷酸探针时便可捕获与之互补的靶核酸序列。应用其自己开发的检测设备即可实现对杂交结果的检测与分析。这种芯片由于寡核苷酸探针具有较大的吸附表面积，所以可以灵敏地检测到稀有基因的变化。同时，由于该芯片设计的微通道具有浓缩和富集作用，所以可以加速杂交反应，缩短测试时间，从而降低了测试成本。

　　生物芯片应用领域

　　1、生物制药领域

　　各大药厂和生物技术公司将会使用基因芯片发现筛选新药等。采用基因芯片技术，可以大大加快人类基因组计划的工作进度，例如用于基因测序、基因表达检测和新的遗传标志如SNP定位等，这对寻找新的功能基因、寻找新的药物作用靶点和开发新的基因药物具有重要意义。采用基因芯片可以进行超乎以前想象的工作量来检测不同物种、不同组织、不同病种、不同处理条件下的基因表达改变，从而知道开发具有不同用途的的诊断试剂盒。新药在实验阶段必须通过人体安全性实验，就必须观察药物对人基因表达的影响，由于并不知道药物对那一种基因起作用，就必须对已知所有或一定范围内的基因表达都进行检测，采用基因芯片可以迅速而准确地完成这一任务。

　　2、医学诊断

　　2.1、在优生方面，目前知道有600多种遗传疾病与基因有关。妇女在妊娠早期用DNA芯片做基因诊断，可以避免许多遗传疾病的发生。

　　2.2、在疾病诊断方面，由于大部分疾病与基因有关，而且往往与多基因有关，因而，利用DNA芯片可以寻找基因与疾病的相关性，从而研制出相应的药物和提出新的治疗方法。DNA芯片的高密度信息量和并行处理器的优点不仅使多基因分析成为可能，而且保证了诊断的高效、廉价、快速和简便。

　　2.3、应用于器官移植、组织移植、细胞移植方面的基因配型，如HLA分型。

　　2.4、病原体诊断，如细菌和病毒鉴定、耐药基因的鉴定。

　　2.5、在环境对人体的影响方面，已知花粉过敏等人体对环境的反应都与基因有关。若对与环境污染相关的200多个基因进行全面监测，将对生态环境控制及人类健康有重要意义。

　　2.6、在法医学方面，DNA芯片比早先的DNA指纹鉴定更进一步，它不仅可做基因鉴定，而且可以通过DNA中包含的生命信息描绘生命体的脸型长相外貌特征。这种检验常用于灾难事故后鉴定尸体身份以及鉴定父母和子女之间的血缘关系。

检测血糖水平的光纤生物芯片

　　3、生物芯片在食品安全方面的应用

　　民以食为天，食以安为先。充足的营养和安全的食品是人类生存的基本需要 在生物芯片生物安全和食品安全检测方面的应用刚刚开始，但已显示出优势。

　　3.1、基因芯片在食品中致病病原体的检测

　　以 PCR 为主的病毒核酸检测技术是目前病毒检测的主要方法，但很难满足多亚型或多病毒的同时检测的要求，且该技术存在易污染 假阳性高的缺点 基因芯片技术可以对多指标并行检测，同时检测多种病毒以及病毒的多种亚型，是目前病毒检测的热点研究方法 。

　　3.2、基因芯片在食源性病毒方面的检测

　　传统方法对食源性病毒大多是利用血清学免疫学或者荧光定量PCR等方法，对某种病毒进行单一检测，当对某种食品需要待测的病毒种类较多时，传统方法的效率就非常低。北京出入境检疫检验局的汪琳等［9］搭建了植物源性食品中植物病毒、早害基因芯片检测技术平台，在国内首次用于植物病毒 早害检疫，该技术成本低，仅为标准反应体系的7%，每个反应节约100元，突破了基因芯片的应用瓶颈，并实现了高通量的快速检测。

　　3.3、基因芯片在转基因食品检测中的应用

　　2007年，天津出入境检验检疫局的郑文杰等针对目前已商品化的七种转基因作物基因组核酸的纯化试剂盒，可同时完成对多种作物、多种基因的检测，鉴于已商品化的转基因产品涉5多个基因，因此，应用基因芯片技术建立高通量检测方法在检测中具有明显优势。该课题组研发了广谱筛选芯片物种筛选芯片 品系检测芯片及综合型筛选芯片等四种类型的转基因产品检测基因芯片，检测的基因主要分三类，共46个，可覆盖全部商品化的转基因植物及其产品，解决了目前国际上转基因产品检测的难题。

　　总结

　　生物芯片作为新兴的分子生物学技术，具有快速、高通量、高特异性等优点，将该技术应用于食品安全领域，必然给生物芯片的应用及食品安全检测水平的提高带来新的契机，使生物芯片技术走出实验室，从研究走入了与寻常百姓生活密切相关的食品安全领域 该技术的普及应用，必然会带来检测速度的加快和检测费用的降低，从而大大加强执法机构如食品安全检测机构、出入境检验检疫局、商检局等的执法力度，确保食品安全，创造良好社会效益。