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一、簡介
生物晶片（biochip）是指採用光導原位合成或微量點樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細胞等等生物樣品有序地固化於支持物（如玻片、矽片、聚丙烯醯胺凝膠、尼龍膜等載體）的表面，組成密集二維分子排列，然後與已標記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器比如雷射共聚焦掃描或電荷偶聯攝影像機（CCD）對雜交信號的強度進行快速、並行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數量。由於常用玻片/矽片作為固相支持物，且在製備過程模擬計算機晶片的製備技術，所以稱之為生物晶片技術。根據晶片上的固定的探針不同，生物晶片包括基因晶片、蛋白質晶片、細胞晶片、組織晶片，另外根據原理還有元件型微陣列晶片、通道型微陣列晶片、生物傳感晶片等新型生物晶片。如果晶片上固定的是肽或蛋白，則稱為肽晶片或蛋白晶片；如果晶片上固定的分子是寡核苷酸探針或DNA，就是DNA晶片。由於基因晶片（Genechip）這一專有名詞已經被業界的領頭羊Affymetrix公司註冊專利，因而其他廠家的同類產品通常稱為DNA微陣列（DNA Microarray）。這類產品是目前最重要的一種，有寡核苷酸晶片、cDNA晶片和Genomic晶片之分，包括二種模式：一是將靶DNA固定於支持物上，適合於大量不同靶DNA的分析，二是將大量探針分子固定於支持物上，適合於對同一靶DNA進行不同探針序列的分析。
生物晶片技術是90年代中期以來影響最深遠的重大科技進展之一，是融微電子學、生物學、物理學、化學、計算機科學為一體的高度交叉的新技術，具有重大的基礎研究價值，又具有明顯的產業化前景。由於用該技術可以將極其大量的探針同時固定於支持物上，所以一次可以對大量的生物分子進行檢測分析，從而解決了傳統核酸印跡雜交（Southern Blotting 和Northern Blotting等）技術複雜、自動化程度低、檢測目的分子數量少、低通量（low through-put）等不足。而且，通過設計不同的探針陣列、使用特定的分析方法可使該技術具有多種不同的應用價值，如基因表達譜測定、突變檢測、多態性分析、基因組文庫作圖及雜交測序（Sequencing by hybridization，SBH）等，為「後基因組計劃(genome project)」時期基因功能的研究及現代醫學科學及醫學診斷學的發展提供了強有力的工具，將會使新基因的發現、基因診斷、藥物篩選、給藥個性化等方面取得重大突破，為整個人類社會帶來深刻廣泛的變革。該技術被評為1998年度世界十大科技進展之一。
二、應用領域
1、基因表達水平的檢測
用基因晶片進行的表達水平檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達情況。Schena等採用擬南芥(Arabidopsis thaliana)基因組內共45個基因的cDNA微陣列（其中14個為完全序列,31個為EST），檢測該植物的根、葉組織內這些基因的表達水平，用不同顏色的螢光素標記逆轉錄產物後分別與該微陣列雜交，經雷射共聚焦顯微掃描，發現該植物根和葉組織中存在26個基因的表達差異，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達高500倍。Schena等用人外周血淋巴細胞的cDNA文庫構建一個代表1046個基因的cDNA微陣列，來檢測體外培養的T細胞對熱休克反應後不同基因表達的差異，發現有5個基因在處理後存在非常明顯的高表達，11個基因中度表達增加和6個基因表達明顯抑制。該結果還用螢光素交換標記對照和處理組及RNA印跡方法證實。在HGP完成之後，用於檢測在不同生理、病理條件下的人類所有基因表達變化的基因組晶片為期不遠了。
2、基因診斷
從正常人的基因組中分離出DNA與DNA晶片雜交就可以得出標準圖譜。從病人的基因組中分離出DNA與DNA晶片雜交就可以得出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。這種基因晶片診斷技術以其快速、高效、敏感、經濟、平行化、自動化等特點，將成為一項現代化診斷新技術。例如Affymetrix公司，把P53基因全長序列和已知突變的探針集成在晶片上，製成P53基因晶片，將在癌症(cancer)早期診斷(early diagnosis)中發揮作用。又如，Heller等構建了96個基因的cDNA微陣，用於檢測分析關節炎、風溼性關節炎（RA）相關的基因，以探討DNA晶片在感染性疾病診斷方面的應用。現在，肝炎病毒檢測診斷晶片、結核桿菌耐藥性檢測晶片、多種惡性腫瘤(malignant tumor)相關病毒基因晶片等一系列診斷晶片逐步開始進入市場。基因診斷是基因晶片中最具有商業化價值的應用。
3、藥物篩選
如何分離和鑑定藥的有效成份是目前中藥產業和傳統的西藥開發遇到的重大障礙，基因晶片技術是解決這一障礙的有效手段，它能夠大規模地篩選、通用性強，能夠從基因水平解釋藥物的作用機理，即可以利用基因晶片分析用藥前後機體的不同組織、器官基因表達的差異。如果再cDNA表達文庫得到的肽庫製作肽晶片，則可以從眾多的藥物成分中篩選到起作用的部分物質。還有，利用RNA、單鏈DNA有很大的柔性，能形成複雜的空間結構，更有利與靶分子相結合，可將核酸庫中的RNA或單鏈DNA固定在晶片上，然後與靶蛋白孵育，形成蛋白質-RNA或蛋白質-DNA複合物，可以篩選特異的藥物蛋白或核酸，因此晶片技術和RNA庫的結合在藥物篩選中將得到廣泛應用。在尋找HIV藥物中，Jellis等用組合化學合成及DNA晶片技術篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸，並從中確定了具有XXG4XX樣結構的抑制物，實驗表明，這種篩選物對HIV感染細胞有明顯阻斷作用。生物晶片技術使得藥物篩選，靶基因鑑別和新藥測試的速度大大提高，成本大大降低。基因晶片藥物篩選技術工作目前剛剛起步，美國很多製藥公司已開始前期工作，即正在建立表達譜資料庫，從而為藥物篩選提供各種靶基因及分析手段。這一技術具有很大的潛在應用價值。
4、個體化醫療
臨床上，同樣藥物的劑量對病人甲有效可能對病人乙不起作用，而對病人丙則可能有副作用。在藥物療效與副作用方面，病人的反應差異很大。這主要是由於病人遺傳學上存在差異（單核苷酸多態性，SNP），導致對藥物產生不同的反應。例如細胞色素P450酶與大約25%廣泛使用的藥物的代謝有關，如果病人該酶的基因發生突變就會對降壓藥異喹胍產生明顯的副作用，大約5%~10%的高加索人缺乏該酶基因的活性。現已弄清楚這類基因存在廣泛變異，這些變異除對藥物產生不同反應外，還與易犯各種疾病如腫瘤、自身免疫病和帕金森病(Parkinson’s disease)有關。如果利用基因晶片技術對患者先進行診斷，再開處方，就可對病人實施個體優化治療。另一方面，在治療中，很多同種疾病的具體病因是因人而異的，用藥也應因人而異。例如B肝有較多亞型，HBV基因的多個位點如S、P及C基因區易發生變異。若用B肝病毒(hepatitis B virus)基因多態性檢測晶片每隔一段時間就檢測一次，這對指導用藥防止B肝病毒(hepatitis B virus)耐藥性很有意義。又如，現用於治療AIDS的藥物主要是病毒逆轉錄酶RT和蛋白酶PRO的抑制劑，但在用藥3～12月後常出現耐藥，其原因是rt、pro基因產生一個或多個點突變。Rt基因四個常見突變位點是Asp67→Asn、Lys70→Arg、Thr215→Phe、Tyr和Lys219→Glu，四個位點均突變較單一位點突變後對藥物的耐受能力成百倍增加。如將這些基因突變部位的全部序列構建為DNA晶片，則可快速地檢測病人是這一個或那一個或多個基因發生突變，從而可對症下藥，所以對指導治療和預後有很大的意義。
5、測序
基因晶片利用固定探針與樣品進行分子雜交產生的雜交圖譜而排列出待測樣品的序列，這種測定方法快速而具有十分誘人的前景。Mark chee等用含135000個寡核苷酸探針的陣列測定了全長為16.6kb的人線粒體基因組序列，準確率達99%。Hacia等用含有48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異，結果發現在外顯子11約3.4kb長度範圍內的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間，提示了二者在進化上的高度相似性。據未經證實的報導，近年有一種不成熟的生物晶片在15分鐘內完成了1.6萬個鹼基對的測定,96個這樣的生物晶片的平行工作，就相當於每天1.47億個鹼基對的分析能力！
6、生物信息(bioinformation)學研究
人類基因組計劃(genome project)（HGP）是人類為了認識自己而進行的一項偉大而影響深遠的研究計劃。目前的問題是面對大量的基因或基因片斷序列如何研究其功能，只有知道其功能才能真正體現HGP計劃的價值--破譯人類基因這部天書。後基因組計劃(genome project)、蛋白組計劃、疾病基因組計劃(genome project)等概念就是為實現這一目標而提出的。基因的功能並不獨立的，一個基因表達的上調或者下調往往會影響上遊和下遊幾個基因表達狀態的改變，從而進一步引起和這幾個基因相關的更多基因的表達模式的改變。基因之間的這種複雜的相互作用組成了一張交錯複雜的立體的關係網。像過去那樣孤立的理解某個基因的功能已經遠遠不夠了，需要我們站在更高的層次全面的理解這種相互關係，全面了解不同個體基因變異、不同組織、不同時間、不同生命狀態等的基因表達差異信息，並找出其中規律。生物信息(bioinformation)學將在其中扮演至關重要的角色。基因晶片技術就是為實現這一環節而建立的，使對個體生物信息(bioinformation)進行高速、並行採集和分析成為可能，必將成為未來生物信息(bioinformation)學研究中的一個重要信息採集和處理平臺，成為基因組信息學研究的主要技術支撐。比如研究基因生物學功能的最好方式是監測基因在不同組織、不同發育階段、不同健康狀況下在機體中活性的變化。這是一項非常麻煩的工作，但基因晶片技術可以允許研究人員同時測定成千上萬個基因的作用方式，幾周內獲得的信息用其它方法需要幾年才能得到。
由於人類基因只是地球上幾十萬種生物基因資源中的一份子，在今後的幾十年內，人類將測出所有物種的「基因圖譜」。因此，類似如人類基因組計劃(genome project)的上調或者下調往往會影響上遊和下遊幾個基因表達狀態的改變，從而進一步引起和這幾個基因相關的更多基因的表達模式的改變。基因之間的這種複雜的相互作用組成了一張交錯複雜的立體的關係網。像過去那樣孤立的理解某個基因的功能已經遠遠不夠了，需要我們站在更高的層次全面的理解這種相互關係，全面了解不同個體基因變異、不同組織、不同時間、不同生命狀態等的基因表達差異信息，並找出其中規律。生物信息(bioinformation)學將在其中扮演至關重要的角色。基因晶片技術就是為實現這一環節而建立的，使對個體生物信息(bioinformation)進行高速、並行採集和分析成為可能，必將成為未來生物信息(bioinformation)學研究中的一個重要信息採集和處理平臺，成為基因組信息學研究的主要技術支撐。比如研究基因生物學功能的最好方式是監測基因在不同組織、不同發育階段、不同健康狀況下在機體中活性的變化。這是一項非常麻煩的工作，但基因晶片技術可以允許研究人員同時測定成千上萬個基因的作用方式，幾周內獲得的信息用其它方法需要幾年才能得到。
由於人類基因只是地球上幾十萬種生物基因資源中的一份子，在今後的幾十年內，人類將測出所有物種的"基因圖譜"。因此，類似如人類基因組計劃(genome project)的基因研究和生物信息(bioinformation)產業，還僅僅是一個起步，其將來的發展前景是無法估量的。生物晶片作為生物信息(bioinformation)學的主要技術支撐和操作平臺，其廣闊的發展空間就不言而喻。
在實際應用方面，生物晶片技術可廣泛應用於疾病診斷和治療、藥物基因組圖譜、藥物篩選、中藥物種鑑定、農作物的優育優選、司法鑑定、食品衛生監督、環境檢測、國防等許多領域。它將為人類認識生命的起源、遺傳、發育與進化、為人類疾病的診斷、治療和防治開闢全新的途徑，為生物大分子的全新設計和藥物開發中先導化合物的快速篩選和藥物基因組學(pharmacogenomics)研究提供技術支撐平臺，這從我國99年3月國家科學技術部剛起草的《醫藥生物技術「十五」及2015年規劃》中便可見一斑：規劃所列十五個關鍵技術項目中，就有八個項目（基因組學技術、重大疾病相關基因的分離和功能研究、基因藥物工程、基因治療(gene therapy)技術、生物信息(bioinformation)學技術、組合生物合成技術、新型診斷技術、蛋白質組學(Proteomics)和生物晶片技術）要使用生物晶片。生物晶片技術被單列作為一個專門項目進行規劃。總之，生物晶片技術在醫學、生命科學、藥業、農業、環境科學等凡與生命活動有關的領域中均具有重大的應用前景。
生物晶片技術
20世紀90年代初開始實施的人類基因組計劃(genome project)（Human genome project，HGP）取得了人們當初意料不到的巨大進展。目前已經測定了十多種微生物以及高等動植物的全基因組序列，海量的基因序列數據正在以前所未有的速度膨脹。一個現實的科學問題擺到了人們面前：如何研究如此眾多基因在生命過程中所擔負的功能如何有效利用如此海量的基因信息揭示人類生老病死的一般規律，並為人類最終戰勝各種病魔提供有效武器？於是，一項類似於計算機晶片技術的新興生物高技術隨著人類基因組研究的進展應運而生了。生物晶片的種類生物晶片是近10年在生命科學領域中迅速發展起來的一項高新技術。它主要是指通過微加工和微電子技術在固體晶片表面構建微型生物化學分析系統，以實現對生命機體的組織、細胞、蛋白質、核酸、糖類以及其他生物組分進行準確、快速、大信息量的檢測。目前常見的生物晶片分為三大類：即基因晶片（Genechip，DNAchip，DNAmicroarray）、蛋白晶片（Proteinchip）、晶片實驗室（Lab-on-a-chip）等。
生物晶片主要特點是高通量、微型化和自動化。生物晶片上高度集成的成千上萬密集排列的分子微陣列，能夠在很短時間內分析大量的生物分子，使人們能夠快速準確地獲取樣品中的生物信息(bioinformation)，檢測效率是傳統檢測手段的成百上千倍。生物晶片將是繼大規模集成電路之後的又一次具有深遠意義的科學技術革命。基因晶片是生物晶片技術中發展最成熟和最先實現商品化的產品。基因晶片是基於核酸探針互補雜交技術原理而研製的。所謂核酸探針只是一段人工合成的鹼基序列，在探針上連接上一些可檢測的物質，根據鹼基互補的原理，利用基因探針到基因混合物中識別特定基因。基因晶片，又稱DNA晶片，DNA微陣列（DNAmicroar ray），和我們日常所說的計算機晶片非常相似，只不過高度集成的不是半導體管，而是成千上萬的網格狀密集排列的基因探針，通過已知鹼基順序的DNA片段，來結合鹼基互補序列的單鏈DNA，從而確定相應的序列，通過這種方式來識別異常基因或其產物等。目前，比較成熟的產品有檢測基因突變的基因晶片和檢測細胞基因表達水平的基因表達譜晶片。基因晶片技術主要包括四個基本技術環節：晶片微陣列製備、樣品製備、生物分子反應和信號的檢測及分析。
目前製備晶片主要採用表面化學的方法或組合化學的方法來處理固相基質如玻璃片或矽片，然後使DNA片段或蛋白質分子按特定順序排列在片基上。目前已有將近40萬種不同的DNA分子放在1平方釐米的高密度基因晶片，並且正在製備包含上百萬個DNA探針的人類基因晶片。生物樣品的製備和處理是基因晶片技術的第二個重要環節。生物樣品往往是非常複雜的生物分子混合體，除少數特殊樣品外，一般不能直接與晶片進行反應。要將樣品進行特定的生物處理，獲取其中的蛋白質或DNA、RNA等信息分子並加以標記，以提高檢測的靈敏度。第三步是生物分子與晶片進行反應。晶片上的生物分子之間的反應是晶片檢測的關鍵一步。通過選擇合適的反應條件使生物分子間反應處於最佳狀況中，減少生物分子之間的錯配比率，從而獲取最能反映生物本質的信號。基因晶片技術的最後一步就是晶片信號檢測和分析。目前最常用的晶片信號檢測方法是將晶片置入晶片掃描儀中，通過採集各反應點的螢光強弱和螢光位置，經相關軟體分析圖像，即可以獲得有關生物信息(bioinformation)。
蛋白晶片與基因晶片的原理相似。不同之處有，一是晶片上固定的分子是蛋白質如抗原或抗體等。其二，檢測的原理是依據蛋白分子、蛋白與核酸、蛋白與其它分子的相互作用。蛋白晶片技術出現得較晚，尚處於發展時期，最近也取得了重大進展。例如，最近一期國際著名科學（Science）雜誌報導了酵母蛋白質組晶片（proteomechip）。這是目前為止第一個包含一種生物全部蛋白質分子的蛋白質晶片。相信，不久將會有包含更高等生物甚至人類蛋白質組的蛋白質晶片研製成功，並應用於生物醫學基礎研究和疾病診斷。晶片實驗室是生物晶片技術發展的最終目標。它將樣品製備、生化反應以及檢測分析的整個過程集約化形成微型分析系統。現在已有由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極、電子化學和電子發光探測器等組成的晶片實驗室問世，並出現了將生化反應、樣品製備、檢測和分析等部分集成的生物晶片。
例如可以將樣品製備和PCR擴增反應同時在一塊小小的晶片上完成。再如GeneLogic公司設計製造的生物晶片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，並對其進行螢光標記，然後當樣品流過固定於柵欄狀微通道內的寡核苷酸探針時便可捕獲與之互補的靶核酸序列。應用自主開發的檢測設備即可實現對雜交結果的檢測與分析。這種晶片由於寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，可以很靈敏地檢測到稀有基因的變化。同時，由於該晶片設計的微通道具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應，縮短測試時間，從而降低了測試成本。國內外研究現狀生物晶片技術的飛速發展引起了世界各國的廣泛關注和重視。1998年6月29日美國宣布正式啟動生物晶片計劃，美國國立衛生部、能源部、商業部、司法部、國防部、中央情報局等均參與了此項目。
同時史丹福大學、麻省理工學院及部分國家實驗室也參與了該項目的研究和開發。世界各國也紛紛加大投入，英國劍橋大學、歐亞公司正在從事該領域的研究。世界大型製藥公司尤其對基因晶片技術用於基因多態性、疾病相關性、基因藥物開發和合成或天然藥物篩選等領域感興趣，都已建立了或正在建立自己的晶片設備和技術。以生物晶片為核心的相關產業正在全球崛起，目前美國已有10多家生物晶片公司股票上市，平均每年股票上漲75%。專家統計：全球目前生物晶片工業產值為10億美元左右，預計今後5年之內，生物晶片的市場銷售可達到200億美元以上。
美國《財富》雜誌刊文指出，微處理器使我們的經濟發生了根本變化，給人類帶來了巨大的財富，改變了我們的生活方式。然而，生物晶片給人類帶來的影響可能更大。在20世紀科技史上有兩件事影響深遠，一是微電子晶片，它是計算機和許多家電的心臟，它改變了我們的經濟和文化生活，並已進入每一個家庭；另一件事就是生物晶片，它將改變生命科學的研究方式，革新醫學診斷和治療，極大地提高人口素質和健康水平。
生物晶片作為基因工業的一部分，可廣泛用於醫學臨床診斷、藥物開發、環境監測等領域，有著廣闊的市場前景，對人類生活與健康將產生多方面深遠影響。鑑於生物晶片技術具有巨大理論意義和實際價值，也為了我國生物晶片技術不再重蹈計算機晶片的覆轍，我國政府、科技界和商業界幾乎同時意識到生物晶片技術的重大戰略意義和蘊藏的無限商機，開展了生物晶片技術研發。其中最具代表性的事件就是2000年初由國內從事生物晶片技術研究的多家單位進行強強聯合成立了國家生物晶片技術中心。中國工程院2000年1月6日在京舉辦首次工程科技論壇，專題定為「生物晶片技術」，與會研究人員呼籲：以生物晶片技術為核心的各相關產業正在全球崛起，世界工業發達國家已開始有計劃、大投入、爭先恐後地對該領域智慧財產權進行保護。我國應迅速制定適合中國國情的對策，以避免出現像計算機產業那樣因沒有自己的晶片專利和技術而受制於人的被動局面。目前國內已有多家科研單位開始從事這方面的研究。例如，清華大學、中國科學院、軍事醫學科學院等單位在國內率先開展了生物晶片技術研究，建立了生物晶片技術體系，並已在生物晶片技術和產品開發方面取得了較大突破。可以相信不久將有我國自主生產的生物晶片產品投放市場。
生物晶片的應用生物晶片應用前景十分廣闊。如可以應用於尋找新基因、DNA測序、疾病診斷、藥物篩選、毒理基因組學、農作物優育和優選、環境檢測和防治、食品衛生監督以及司法鑑定等等。使用基因晶片分析人類基因組，可找出癌症(cancer)、糖尿病由遺傳基因缺陷引起疾病的致病的遺傳基因。生物醫學研究人員可以在數秒鐘內鑑定出導致癌症(cancer)的突變基因。藉助一小滴測試液，醫生們能預測藥物對病人的功效和是否有毒副作用。利用基因晶片分析遺傳基因，未來可以使糖尿病的確診率達到50%以上。可以想像，未來人們在體檢時，由搭載基因晶片的診斷機器人對受檢者取血，轉瞬間體檢結果便可以顯示在計算機屏幕上。利用基因診斷，醫療將從目前千篇一律的「大眾醫療」的時代，過渡到依據個人遺傳背景而異的「個體化醫療」的時代。生物晶片在疾病檢測診斷方面具有獨特的優勢，它可以在一張晶片上同時對多個病人進行多種疾病的檢測。僅用極小量的樣品，在極短時間內，向醫務人員提供大量的疾病診斷信息，這些信息有助於醫生在短時間內找到正確的治療措施。例如對腫瘤、糖尿病、傳染性疾病等常見病和多發病的臨床檢驗及健康人群檢查，均可以應用生物晶片技術。今後人們可以擁有個人化驗室，無論在地球任何地方，隨時可以對自己的健康狀況進行監測。在藥物篩選方面，目前國外幾乎所有的主要製藥公司都不同程度地採用了生物晶片技術來尋找藥物靶標，查檢藥物的毒性或副作用。用晶片技術進行大規模的藥物篩選可以省略大量的動物試驗，縮短藥物篩選所用時間，從而帶動創新藥物的研究和開發。基因晶片在環保方面的應用表現在，可高效地探測到由微生物或有機物引起的汙染，還能幫助研究人員找到併合成具有解毒和消化汙染物功能的天然酶基因。這種對環境友好的基因一旦被發現，研究人員將把它們轉入普通的細菌中，然後用這種轉基因細菌清理被汙染的河流或土壤。另外生物晶片在農業、食品監督、司法鑑定等方面都將作出重大貢獻。生物晶片技術的深入研究和廣泛應用，將對21世紀人類生活和健康產生極其深遠的影響。
《科學》：生物晶片與基因發現
最新一期《Science》發表K.K.Jain的文章Biochips for Gene Spotting，全文如下：發表生物晶片是目前生物技術中主要的技術之一。研究人員從計算機技術中借用了微型化、整合、平行化處理的技術來發展在晶片上的實驗室裝置和處理過程。一般地，在晶片上的靶標是有序排列的樣本，如cDNA，寡核苷酸或者蛋白質等。宏觀矩陣（Macroarraying）也可稱之為畫格子，把樣本點到比較大的尼龍膜上，通過雜交來分析它們。然而，微矩陣（Microarraying）的點直徑小於200微米，並需要顯微分析。把那麼多的信息放在一個很小的空間裡使得微矩陣有明顯的優勢。一個微矩陣（DNA microarray）只佔有幾平方釐米的空間，但是包含了上千個靶點，每一個點代表了一個基因的部分。因此，在晶片上設計包含一個複雜生物體的所有基因，大約30000到60000個是可能的。
隨著生物晶片技術的發展，有很多的語言來描述它。至少有23種不同的術語來描述微矩陣。最常用的是稱之為「DNA晶片」（DNA chip），雖然「基因晶片」（geng chip）這個詞有時也用，但是GeneChip是Affymetrix公司基因分析研究用的專利微矩陣，它能夠在一片上擺放多至400000個不同的寡核苷酸片段或10000個基因的每個基因的40個片段。
DNA微矩陣系統是多用途的工具，可以用來變異分析，基因測序和基因表達分析。這些系統組合了DNA晶片和樣本處理裝置，用於閱讀信號分子的掃描儀，分析數據的生物信息(bioinformation)學工具等。通過與固定在晶片上的寡核苷酸雜交，可以容易地在基因組規模上來定量分析特定mRNAs的表達或檢測基因組DNA的多態性。
晶片技術也可以用來分析蛋白質。如產品ProteinChip（Ciphergen biosystem Inc.，Fremont，California）能把蛋白質點陣到經化學方法或酶、受體、抗體等生物學方法處理過的固體表面。通過衡量與晶片表面的親和力來分析未知分子，用聚焦的雷射能量把它們從表面分離下來，根據分子量來檢測。這樣的晶片可以用來進行免疫分析，蛋白-蛋白間的相互作用和配體結合分析。這兒主要集中於講DNA晶片的使用和不同類型的蛋白晶片。
DNA微矩陣是一種同時對上千個基因的表達進行分析的好工具。最普遍的是，微矩陣分析是通過螢光標記的cDNAs（來自RNA）與固定在晶片上的序列雜交。這兒，探針指的是螢光標記的DNAs，靶標指的是固定的序列。這些定義與傳統的雜交技術中的剛好相反，所以讀者需要注意。
用於基因表達的微矩陣分析包括以下幾個步驟：
1）矩陣的構建。點到晶片上的DNAs可以是cDNAs（部分或完整的），基因組DNAs，或者是化學合成的寡核苷酸序列。
2）探針的準備。從樣本中抽提出RNA，反轉錄成cDNA。後面這一步驟包括了螢光染料整合到每個樣本的探針中。
3）探針與矩陣的雜交。來自兩個樣本的探針混合在一起，在晶片上都有其互補序列。就如傳統的核酸雜交，雜交條件經過優化使背景最小。未結合上的探針在掃描前被衝洗掉。
4）掃描和檢測。用雷射共聚焦的掃描儀來掃描雜交後的矩陣，檢測用來標記探針的兩種螢光染料。螢光信息存儲在電腦中，並進行分析和圖象建設。
5）標準化和數據分析。對每一種染料掃描後的圖象通過一定的軟體處理並合併得到每個點的重疊圖。點數和每點的強度定量確定，確定背景強度並被減掉。對照點，或是額外加入的序列，或是報導基因，或是每個樣本的總的螢光信號強度，來幫助校正兩種螢光染料的標記差異和檢測效率。一般的，兩個樣本中的每個基因信號用控制好的強度進行掃描測量。
基於DNA矩陣的技術提供了相對簡單的方法來同時測量生物體中的所有基因的差異表達，如在不同的細胞或組織樣本中的RNA轉錄物的相對水平。當兩個不同來源（對照和疾病組織）的特定RNAs的水平差異可以通過兩種不同的顏色來代表，如藍和黃。如果在兩個組織中的一個基因的表達水平相同，電腦會用綠顏色表示。用藍或綠代表顏色的變化表明基因表達有差異。用晶片技術來平行化分析基因的表達，使得我們可以來了解參予基因表達調節的細胞中的過程。DNA矩陣的信息使研究者可以來研究在濾過性病菌感染而引起的疾病狀態下的或細胞轉化引起腫瘤狀態下的基因表達。對這些變化的更全面的了解有助於對病毒複製，發病機理和宿主抗病毒機理的了解。
微矩陣分析產生了巨大的數據組。例如，對六個樣本的晶片實驗，約有50000個基因，以及10個不同的實驗條件產生3000000條基本數據。樣本圖象的交差對比分析將把此數據信息成倍翻番。這麼多的數據需要大規模的信息存儲，分析和管理。這樣的生物數據的挖掘和存儲系統近來已進入市場。軟體包幫助了研究者，使他們在進行對矩陣的分析較為簡單，如圖象的組合、定量和轉化成表達信息，以便於進一步的研究和確證。基因表達模式的分析有助於研究者對藥物作用機理的研究。例如通過cDNA微矩陣來研究ferrioxamine的作用，它是酵母中的鐵離子鏊合物，通過轉錄因子Aft1調節鐵的吸收，因為鐵的處理提高了Aft1的活性。這個結果說明了酵母中有兩組ATF-1調節基因，它們維持了不同的ferrioxamine介導的鐵離子吸收途徑。高親合性的亞鐵離子轉運系統中的一個組分Fet3p表達在細胞膜上；然而，Arn3p高鐵離子介導轉運系統表達在細胞內小泡。
在藥物研發過程中高通量的基因表達分析扮演著一個重要的角色。用微矩陣，可以在基因組水平上來檢測基因表達，可以確定疾病細胞的基因表達模式特徵譜和鑑定潛在的藥物靶標。微矩陣技術也加快了藥物靶標的確認和確定二級藥物靶標的效應，幫助確定藥物的副作用或與其他藥物的作用。
分子診斷學也是微矩陣技術應用的一個方面。隨著微生物基因組序列作為特定的遺傳標記，這些遺傳標記點陣到玻璃片上製成DNA晶片。靶標DNA可以從臨床測試標本中抽提出來，用一種螢光染料標記，然後與晶片上的基因組序列雜交。與晶片上的靶序列形成雙聚體，在有探針的位置則有螢光信號。通過螢光信號確定靶標序列，因此來確定樣本中是否存在這種微生物。微矩陣技術已經用來檢測癌症(cancer)細胞中的基因表達和檢測乳腺癌中的BRCA1基因的突變。組織晶片也已發展起來，在同一晶片上可以同時分析多達1000個腫瘤樣本。這一方法已經用來快速鑑定膀胱癌分子變異。
人類基因組測序工作的完成和分析序列變異的技術將促進全球的人基因的變異研究。用微矩陣技術來進行基因表達譜、基因型、突變檢測和基因發現的研究，可以探知以前僅知道序列的成千個基因的功能。基於微矩陣的比較基因組學(comparative genomics)也是富有前途的，用來探索微生物感染的分子流行病學。用高密度的微矩陣寡核苷酸技術來研究Mycobacterium tuberculosis，檢測小範圍的基因缺失和研究與病原性減弱趨向相關的特定基因突變。
小範圍的DNA的單個鹼基的變異稱為單核苷酸多態性，通過基因來能夠區分不同的個體。把包含SNP的寡核苷酸序列固定到表面，每個序列含有一個特定的SNP。為了確定個體基因組中是否存在SNP，從個體中得到的DNA同晶片雜交。如果一個特定的SNP存在，則螢光標記的基因組探針在相應位置上顯示陽性信號。如果不存在，則不顯示信號。一個明顯的缺點是對每個個體必須用一片微矩陣或晶片進行檢測，這可能是一個大規模的昂貴的檢測。
OmniScan（Poly Genyx Inc.，Worcester，Massachusetts），把多個個體的基因組而不是SNPs固定到晶片上。因此，SNP的檢測通過SNPs與固體表面的靶標結合而不是基因組序列。這樣允許多達10000個體的DNA固定到一片上，然後同時分析它們。這個平行化處理的手段比大群體的系列研究要有效的多。
SNP基因型和新出現的藥物基因組學(pharmacogenomics)可能領導著大規模基因掃描和個體化診療，最適合個體基因型的醫療和用藥。記錄在一個生物晶片的個體遺傳信息能夠用來確定個體的疾病易感和最佳的治療手段。在不久的將來，微晶片將作為病人手頭或醫生辦公室手持式的診斷工具。自動的實驗室設備可以掃描患者的基因組，通過計算機分析預測患者對特定藥物的反應。因此，在幾分鐘內決定每個病人的理想治療過程是可能的。但是在這樣的技術可以使用之前，伴隨著疾病遺傳譜的隱私和倫理問題需要解決。
醫學的一個嶄新的世紀展現在我們面前。微矩陣技術因為它的掃描和檢測能力將幫助人類實現全面的保健和個體化治療。
抗體晶片——新一代的蛋白分析手段
蛋白質是一切生命活動的基礎，受基因表達的調控，因而以檢測樣品中的mRNA為基礎的cDNA晶片是當今研究中倍受關注的研究手段。但是，由於存在著轉錄後加工、翻譯調控以及翻譯後加工等多種調節機制，基因的表達，或者說mRNA的水平並不必然代表蛋白質產物的水平。因此，以微陣列技術對生物樣品作整體蛋白質表達分析的蛋白晶片在後基因組時代越來越受重視。抗體晶片（Antibody Microarray，抗體微陣列），是蛋白質晶片的一種，是檢測生物樣品中蛋白表達模式的新方法。這種新技術使得研究人員可以在一次實驗中比較生物樣品中成百上千的蛋白質的相對豐度，將極大促進蛋白質組目前的研究狀況——因為以現有的技術中對蛋白質進行這種複雜的分析是非常困難的。
Clontech公司第一代的抗體晶片Ab Microarray 380（Cat. No.K1847-1）包含固定在玻璃片基上的378種已知蛋白質的單克隆抗體，可以在一次簡單實驗中同時檢測樣品中的378種蛋白質的表達情況，並且可以在一張晶片上對兩種樣品的表達模式進行比較分析。這使得抗體晶片在毒性實驗、疾病研究和藥物開發上有廣泛的應用前景。Ab Microarray 380晶片上每個抗體都是並列雙點以增加結果的可靠性，抗體針對廣泛的胞內蛋白和膜結合蛋白，已知參與信號傳導、癌症(cancer)、細胞周期調控、細胞結構、凋亡和神經生物學等廣泛的生物功能，因而可以用於檢測某一特定的生理或病理過程相關蛋白的表達模式。儘管抗原來自人，但很多抗體可以識別小鼠或大鼠的樣品。詳細的資料可以上網查詢。
晶片上抗體的選擇不但根據其特異性，也根據抗體的結合親和力，在驗證實驗中特異性低、交叉反應高、或者信號強度低的抗體都被排除，另外所有抗體都經過檢驗保證得到的信號與抗原濃度有良好的線性相關，那些沒有良好的線性劑量關係的抗體都被排除。因此抗體晶片能夠檢測到樣品中很低的pg/ml濃度的抗原。
第一代的蛋白晶片和DNA晶片一樣是作為一種定性分析的工具，可用於分析樣品之間相關蛋白的相對表達豐度；還可以作為DNA晶片的補充，用於研究蛋白和基因表達之間的關係。
操作流程
抗體晶片並不要求特殊的技能，只要一般常規的操作就可以完成以往極為複雜耗時的工作。整個操作流程包括：從50～200mg組織或細胞、體液中進行蛋白質抽提——用Cy5和Cy3兩種不同顏色的螢光分子分別標記兩個樣品——洗去多餘的標記分子——與晶片雜交孵育——掃描分析結果。整個過程從樣品製備到結果分析只要一天即可完成，你只要準備好樣品、螢光染料、脫鹽純化柱（處理體液樣品時用）和螢光掃描儀，其他的試劑全部由試劑盒提供。
優化的試劑
隨晶片試劑盒提供的蛋白抽提/標記緩衝液，是專門為抗體晶片而設計的，非常溫和的去垢劑在能高效抽提膜結合蛋白（相比SDS煮沸法能抽提95%以上的蛋白）的同時能保持蛋白的天然活性（非變性條件），這樣能夠保證抽提的蛋白的溶解性和代表性，保證以後的實驗結果的真實性，和原始材料的一致性。
Internally Normalized Ratio
根據操作手冊進行內源標準化處理可以得到一個內源標準化信噪比（INR），內源標準化處理是指對兩個樣品（A、B）中分別用兩種螢光標記分子（Cy3和Cy5）標記，並交叉與晶片雜交，可以作為消除抗原—抗體結合效率差異的對照，也可以消除潛在的不同螢光分子的標記效率差異。假如Cy5標記效率高於Cy3，單純一個實驗的結果就會有偏差（Cy5標記的樣品信號偏高），用這種雙向交叉反應就可以消除這種偏差。兩晶片雜交結果分別得到兩組Ratio值，通過免費下載的工具就可以自動算出每個抗體抗原的INR值，這就代表在兩個樣品間某個蛋白的相對豐度。這種內源標準化處理可以大大減小樣品分析的偏差。
抗體晶片檢測的結果不是蛋白的絕對含量而是378個目的蛋白在兩個樣品之間的相對豐度。值得注意的是由於抗體抗原結合的差異、標記差異等原因，根據晶片結果信號的強弱判斷同一樣品中兩種不同蛋白的多少是不恰當的。
特點
* 整個分析過程可以在一天內完成
* 用螢光分析的方法比較兩個樣品之間378個蛋白質的相對豐度
* 適用於包括組織、細胞系、體液在內的多種生物樣品
* 試劑盒提供完整的樣品抽提製備、標記、孵育所需的Buffer，特別設計的樣品製備的過程能保持樣品的完整性和溶解性，保證製備樣品具有代表性和一致性。
* 晶片上的抗體包含針對信號傳導、癌症(cancer)、細胞周期調控、細胞結構、凋亡和神經生物學等廣泛的生物功能的相關蛋白，跨度大、適用範圍廣。
* 晶片上的抗體分別經過特異性抗原、細胞系和組織的檢測，靈敏度高達pg/ml
* 開放性的晶片平臺設計，可以用各種型號DNA晶片螢光掃描儀進行檢測。
生物晶片：本世紀最大的產業
據人民網-市場報（李衛紅）：生物晶片的技術來源追朔到一個多世紀之前，EdSouthern先生發現被標記的核酸分子能夠與另一被固化的核酸分子配對雜交。因此，Southernblot可被看做是最早的生物晶片。在八十年代，BainsW。等人就將短的DNA片斷固定到支持物上，藉助雜交方式進行序列測定。但基因晶片從實驗室走向工業化卻是直接得益於探針固相原位合成技術和照相平板印刷技術的有機結合以及雷射共聚焦顯微技術的引入。它使得合成、固定高密度的數以萬計的探針分子切實可行，而且藉助雷射共聚焦顯微掃描技術使得可以對雜交信號進行實時、靈敏、準確的檢測和分析。
何為生物晶片
生物晶片是將生命科學研究中所涉及的不連續的分析過程（如樣品製備、化學反應和分析檢測），利用微電子、微機械、化學、物理技術、計算機技術在固體晶片表面構建的微流體分析單元和系統，使之連續化、集成化、微型化。生物晶片技術有四大要點：晶片方陣的構建、樣品的製備、生物分子反應和信號的檢測。
生物晶片的主要類型
生物晶片技術是一種高通量檢測技術，它包括基因晶片、蛋白晶片及晶片實驗室三大領域。
1、基因晶片（Gene chip）又稱DNA晶片（DNA Chip）。它是在基因探針的基礎上研製出的，所謂基因探針只是一段人工合成的鹼基序列，在探針上連接一些可檢測的物質，根據鹼基互補的原理，利用基因探針到基因混合物中識別特定基因。它將大量探針分子固定於支持物上，然後與標記的樣品進行雜交，通過檢測雜交信號的強度及分布來進行分析。
2、蛋白質晶片與基因晶片的基本原理相同，但它利用的不是鹼基配對而是抗體與抗原結合的特異性即免疫反應來檢測。蛋白質晶片構建的簡化模型為：選擇一種固相載體能夠牢固地結合蛋白質分子（抗原或抗體），這樣形成蛋白質的微陣列，即蛋白質晶片。
3、晶片實驗室為高度集成化的集樣品製備、基因擴增、核酸標記及檢測為一體的可攜式生物分析系統，它最終的目的是實現生化分析全過程全部集成在一片晶片上完成，從而使現有的許多煩瑣、費時、不連續、不精確和難以重複的生物分析過程自動化、連續化和微縮化，屬未來生物晶片的發展方向。
生物晶片的應用前景展望
生物晶片的成熟和應用一方面將為本世紀的疾病診斷和治療、新藥開發、分子生物學、航空航天、司法鑑定、食品衛生和環境監測等領域帶來一場革命；另一方面生物晶片的出現為人類提供了能夠對個體生物信息(bioinformation)進行高速、並行採集和分析的強有力的技術手段，故必將成為未來生物信息(bioinformation)學研究中的一個重要信息採集和處理平臺。
關於生物晶片的市場狀況，到2001年，全世界生物晶片的市場已達170億美元，用生物晶片進行藥理遺傳學和藥理基因組學研究所涉及的世界藥物市場每年約1800億美元。在最近的5年之內，應用生物晶片的市場銷售將達到200億美元左右。根據專家統計：全球目前生物晶片工業產值最近5年的市場銷售可達到200億美元以上。到2005年，僅美國用於基因組研究的晶片銷售額將達50億美元,2010年有可能上升為400億美元。這還不包括用於疾病預防及診治及其它領域中的基因晶片，這部分預計比基因組研究用量還要大上百倍。因此，基因晶片及相關產品產業將取代微電子晶片產業，成為本世紀最大的產業。
我國生物晶片的市場前景
1、藥物篩選和新藥開發：由於所有藥物（或獸藥）都是直接或間接地通過修飾、改變人類（或相關動物）基因的表達及表達產物的功能而生效，而晶片技術具有高通量、大規模、平行性地分析基因表達或蛋白質狀況（蛋白質晶片）的能力，晶片作大規模的藥物篩選研究可以省略大量的動物試驗甚至臨床，縮短藥物篩選所用時間，提高效率，降低風險。
2、中藥基因組學研究和我國的中藥現代化：中藥基因組學的含義是通過現代科學技術手段結合傳統
中藥理論和現代科學理論，將中藥的藥性、功能及主治與其對特定疾病相關基因表達調控的影響關聯起來，在分子水平上用現代基因組學，特別是功能或疾病基因組學的理論來詮釋傳統中藥理論及作用機理。能夠做到這一點，將極大地推動我國幾千年悠久深厚的中藥文化資源得到進一步的發展和弘揚。
3、疾病診斷：基因晶片作為一種先進的、大規模、高通量檢測技術，應用於疾病的診斷，其優點有以下幾個方面：一是高度的靈敏性和準確性；二是快速簡便；三是可同時檢測多種疾病。
4、環境保護及其他：在環境保護上，基因晶片也廣泛的用途，一方面可以快速檢測汙染微生物或有機化合物對環境、人體、動植物的汙染和危害，同時還可用於農業、商檢、司法等領域的實用化晶片開發出來。
將生物晶片的產業化
1、製造技術：基因晶片從實驗室走向工業化卻是直接得益於探針固相原位合成技術和照相平板印刷技術的有機結合以及雷射共聚焦顯微技術的引入。它使得合成、固定高密度的數以萬計的探針分子切實可行，而且藉助雷射共聚焦顯微掃描技術使得可以對雜交信號進行實時、靈敏、準確的檢測和分析。晶片技術原理並不複雜，就其製作涉及的每項技術而言，我國已具有實際能力。晶片如何實現各種相關技術的整合集成，是我國發展生物晶片的難點。
2、基因、蛋白質等前沿研究：對生物晶片工業來講，除去製作技術外，關鍵就是晶片上放置的基因和蛋白質等物質了。如果製作用於檢測某人核苷酸多態性以診斷某種遺傳病，或者用於基因測序，那麼晶片探針上一般放置的是有8個鹼基的寡聚核苷酸片段，基因晶片和蛋白質晶片則相應放置的是基因標誌性片段EST（可表達的基因標誌性cDNA序列片段，可以通過對mRNA的雙端尾側的幾百個鹼基進行測序得到）、全長基因或蛋白質。因此製作生物晶片首先要解決的是DNA探針、基因以及蛋白質的儘可能全面和快速的收集問題。
國內相關上市公司主要有：星湖科技、復星實業、上海醫藥、張江高科等。
本文轉自：生物秀人才網（轉載僅為傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯繫刪除）
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