生物晶片分類及應用

　　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。

　　生物晶片分類

　　生物晶片雖然只有10多年的歷史，但包含的種類較多，分類方式和種類也沒有完全的統一。

　　1、用途分類

　　（1）生物電子晶片：用於生物計算機等生物電子產品的製造。

　　（2）生物分析晶片：用於各種生物大分子、細胞、組織的操作以及生物化學反應的檢測。

　　前一類目前在技術和應用上很不成熟，一般情況下所指的生物晶片主要為生物分析晶片。

　　2、作用方式分類

　　（1）主動式晶片：是指把生物實驗中的樣本處理純化、反應標記及檢測等多個實驗步驟集成，通過一步反應就可主動完成。其特點是快速、操作簡單，因此有人又將它稱為功能生物晶片。主要包括微流體晶片（microftuidic chip）和縮微晶片實驗室（lab on chip，也叫「晶片實驗室」，是生物晶片技術的高境界）。

　　（2）被動式晶片：即各種微陣列晶片，是指把生物實驗中的多個實驗集成，但操作步驟不變。其特點是高度的並行性，目前的大部分晶片屬於此類。由於這類晶片主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過生物信息學進行數據挖掘分析，因此這類晶片又稱為信息生物晶片。包括基因晶片、蛋白晶片、細胞晶片和組織晶片。

　　3、成分分類

　　（1）基因晶片（gene chip）：又稱DNA晶片（DNA chip）或DNA微陣列（DNA microarray），是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上製成。

　　（2）蛋白質晶片（protein chip或protein microarray）：是將蛋白質或抗原等一些非核酸生命物質按微陣列方式固定在微型載體上獲得。晶片上的探針構成為蛋白質或晶片作用對象為蛋白質者統稱為蛋白質晶片。

　　（3）細胞晶片（cell chip）：是將細胞按照特定的方式固定在載體上，用來檢測細胞間相互影響或相互作用。

　　（4）組織晶片（tissue chip）：是將組織切片等按照特定的方式固定在載體上，用來進行免疫組織化學等組織內成分差異研究。

　　（5）其他：如晶片實驗室（Lab on chip），用於生命物質的分離、檢測的微型化晶片。現在，已經有不少的研究人員試圖將整個生化檢測分析過程縮微到晶片上，形成所謂的「晶片實驗室」（Lab on chip）。晶片實驗室是生物晶片技術發展的最終目標。它將樣品的製備、生化反應到檢測分析的整個過程集約化形成微型分析系統。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已經問世，並出現了將生化反應、樣品製備、檢測和分析等部分集成的晶片）。「晶片實驗室」可以完成諸如樣品製備、試劑輸送、生化反應、結果檢測、信息處理和傳遞等一系列複雜工作。這些微型集成化分析系統攜帶方便，可用於緊急場合、野外操作甚至放在太空飛行器上。

　　例如可以將樣品的製備和PCR擴增反應同時完成於一塊小小的晶片之上。再如Gene Logic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。應用其自己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，所以可以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。

　　生物晶片應用領域

　　1、生物製藥領域

　　各大藥廠和生物技術公司將會使用基因晶片發現篩選新藥等。採用基因晶片技術，可以大大加快人類基因組計劃的工作進度，例如用於基因測序、基因表達檢測和新的遺傳標誌如SNP定位等，這對尋找新的功能基因、尋找新的藥物作用靶點和開發新的基因藥物具有重要意義。採用基因晶片可以進行超乎以前想像的工作量來檢測不同物種、不同組織、不同病種、不同處理條件下的基因表達改變，從而知道開發具有不同用途的的診斷試劑盒。新藥在實驗階段必須通過人體安全性實驗，就必須觀察藥物對人基因表達的影響，由於並不知道藥物對那一種基因起作用，就必須對已知所有或一定範圍內的基因表達都進行檢測，採用基因晶片可以迅速而準確地完成這一任務。

　　2、醫學診斷

　　2.1、在優生方面，目前知道有600多種遺傳疾病與基因有關。婦女在妊娠早期用DNA晶片做基因診斷，可以避免許多遺傳疾病的發生。

　　2.2、在疾病診斷方面，由於大部分疾病與基因有關，而且往往與多基因有關，因而，利用DNA晶片可以尋找基因與疾病的相關性，從而研製出相應的藥物和提出新的治療方法。DNA晶片的高密度信息量和並行處理器的優點不僅使多基因分析成為可能，而且保證了診斷的高效、廉價、快速和簡便。

　　2.3、應用於器官移植、組織移植、細胞移植方面的基因配型，如HLA分型。

　　2.4、病原體診斷，如細菌和病毒鑑定、耐藥基因的鑑定。

　　2.5、在環境對人體的影響方面，已知花粉過敏等人體對環境的反應都與基因有關。若對與環境汙染相關的200多個基因進行全面監測，將對生態環境控制及人類健康有重要意義。

　　2.6、在法醫學方面，DNA晶片比早先的DNA指紋鑑定更進一步，它不僅可做基因鑑定，而且可以通過DNA中包含的生命信息描繪生命體的臉型長相外貌特徵。這種檢驗常用於災難事故後鑑定屍體身份以及鑑定父母和子女之間的血緣關係。

檢測血糖水平的光纖生物晶片

　　3、生物晶片在食品安全方面的應用

　　民以食為天，食以安為先。充足的營養和安全的食品是人類生存的基本需要 在生物晶片生物安全和食品安全檢測方面的應用剛剛開始，但已顯示出優勢。

　　3.1、基因晶片在食品中致病病原體的檢測

　　以 PCR 為主的病毒核酸檢測技術是目前病毒檢測的主要方法，但很難滿足多亞型或多病毒的同時檢測的要求，且該技術存在易汙染 假陽性高的缺點 基因晶片技術可以對多指標並行檢測，同時檢測多種病毒以及病毒的多種亞型，是目前病毒檢測的熱點研究方法 。

　　3.2、基因晶片在食源性病毒方面的檢測

　　傳統方法對食源性病毒大多是利用血清學免疫學或者螢光定量PCR等方法，對某種病毒進行單一檢測，當對某種食品需要待測的病毒種類較多時，傳統方法的效率就非常低。北京出入境檢疫檢驗局的汪琳等［9］搭建了植物源性食品中植物病毒、早害基因晶片檢測技術平臺，在國內首次用於植物病毒 早害檢疫，該技術成本低，僅為標準反應體系的7%，每個反應節約100元，突破了基因晶片的應用瓶頸，並實現了高通量的快速檢測。

　　3.3、基因晶片在轉基因食品檢測中的應用

　　2007年，天津出入境檢驗檢疫局的鄭文杰等針對目前已商品化的七種轉基因作物基因組核酸的純化試劑盒，可同時完成對多種作物、多種基因的檢測，鑑於已商品化的轉基因產品涉5多個基因，因此，應用基因晶片技術建立高通量檢測方法在檢測中具有明顯優勢。該課題組研發了廣譜篩選晶片物種篩選晶片 品系檢測晶片及綜合型篩選晶片等四種類型的轉基因產品檢測基因晶片，檢測的基因主要分三類，共46個，可覆蓋全部商品化的轉基因植物及其產品，解決了目前國際上轉基因產品檢測的難題。

　　總結

　　生物晶片作為新興的分子生物學技術，具有快速、高通量、高特異性等優點，將該技術應用於食品安全領域，必然給生物晶片的應用及食品安全檢測水平的提高帶來新的契機，使生物晶片技術走出實驗室，從研究走入了與尋常百姓生活密切相關的食品安全領域 該技術的普及應用，必然會帶來檢測速度的加快和檢測費用的降低，從而大大加強執法機構如食品安全檢測機構、出入境檢驗檢疫局、商檢局等的執法力度，確保食品安全，創造良好社會效益。

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