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生物芯片技术的发展

本帖最后由 cch986 于 2011-1-8 09:25 编辑

生物芯片技术的发展
武警石家庄指挥学院训练部 宋 凯 耿义良
摘 要:本文概要性的介绍了生物芯片技术的概念,应用价值,介绍了该技术的
制备使用,以及未来生物芯片技术的发展展望。
关键词:概念 应用 制备使用 发展展望
一、生物芯片的概念
生物芯片技术是通过缩微技术,根据分子间特异性地相互作用的原理,将生命科学领域中不连续的分析过程集成于硅芯片或玻璃芯片表面的微型生物化学分析系统,以实现对细胞、蛋白质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。按照芯片上固化的生物材料的不同,可以将生物芯片划分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。目前,最成功的生物芯片形式是以基因序列为分析对象的“微阵列”,也被称为基因芯片或DNA 芯片。
二、生物芯片技术的应用价值
1、社会价值
基因芯片可为研究不同层次多基因协同作用提供手段。这将在研究人类重大疾病的相关基因及作用机理等方面发挥巨大的作用。人类许多常见病如肿瘤、心血管病、神经系统退化性疾病、自身免疫性疾病及代谢性疾病等均与基因有密切的关系。生物芯片能为现代医学发展提供强有力的手段,促进医学从“系统、血管、组织和细胞层次”向“DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次”过渡,使之尽快进入实际应用。在医药设计、环境保护、农业等各个领域,生物芯片均有很多用武之地,成为人类造福自身的工具。
2、经济价值
美国“Fortune” 杂志预测“ 在2005 年仅仅在美国用于基因组研究的芯片销售额将达约50 亿美元, 2010 年有可能上升为400 亿美元”。这还不包括用于疾病预防及诊治以及其它领域中的基因芯片,这部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。由于生物芯片的重大意义和巨大的商业价值, 北美和欧洲许多国家的政府和公司投入大量人力物力来推动此项研究工作。如美国的国立卫生研究院、商业部高技术署、国防部、司法部和一些大公司以及风险投资者投入了数亿美元的巨资。生物芯片以及相关产品产业有可能成为下一世纪最大的高技术产业之一。
3、科研价值
(1)高密度芯片的批量制备技术:利用平面微细加工技术,结合高产率原位DNA 合成技术,制备高密度芯片是重要的发展趋势。
(2)高密度基因芯片的设计将会成为基因芯片发展的一个重要课题,它决定基因芯片的应用和功能。利用生物信息学方法,根据被检测基因序列的特征和检测要求,设计出可靠性高,容错性好,检测直观的高密度芯片是决定其应用的关键。
(3)生物功能物质微阵列芯片的研制:发展高集成度的生物功能单元的微阵列芯片,特别是发展蛋白质、多肽、细胞和细胞器、病毒等生物功能单元的高密度自组装技术,研制和开发有批量制备潜力的生物芯片制备技术。
三、生物芯片的制备使用
1、芯片制备
生物芯片的制备主要依赖于微细加工、自动化及化学合成技术。 根据不同的使用要求,可以采用微加工技术在芯片的基底材料上加工出各种微细结构,然后再施加必要的生物化学物质并进行表面处理。而更为简单的芯片制备如 DNA 芯片的制备,则是在基底上利用自动化或化学合成方法直接施加或合成必要的生物化学物质,对基底材料并不做任何微细加工。通常比较典型的DNA 芯片制备方法有4 种:光引导原位合成法、化学喷射法、接触式点涂法、合成DNA 探针法。不管何种方法,目的都是希望能快速、准确地将探针放置到芯片上的指定位置上。
2、核酸样品的制备
分离和纯化核酸样品并不是一件容易的工作,它包括了细胞分离、破胞、脱蛋白、提取DNA 等多方面的工作。在细胞分离方法上较突出的有过滤分离和介电电泳分离等。
3、检测方法
目前,常用的芯片检测方法有芯片毛细管电泳分离检测和亲和结合分析。对DNA 芯片而言,亲和结合分析主要是通过核酸之间的杂交结合来进行的。杂交的复杂程度取决于芯片上探针的长度和被测DNA 片段的长度以及DNA 二级结构的稳定度。利用杂交可进行杂交重复测序、DNA 突变检测和基因表达分析。但对于基因芯片的制作者和用户来说,在芯片上从事杂交目前所获得的结果并不是很完美的,还存在着一些问题。
4、信息采集
目前,大多数的DNA 芯片分析采用的是荧光检测。荧光检测重复性好,是目前研究人员广泛使用的一种方法。除此之外,还有飞行时间质谱仪、光波导、二极管阵列检测、直接电量变化检测等。
四、生物芯片技术的发展展望
与微加工技术朝纳米尺度发展一样,生物芯片的研究也正在朝向纳米量级发展。研究人员发现一些天然分子或分子的生物自组装能力完全可以用于制作纳米器件。但对生物芯片研究人员来说,最终的研究目标是对分析的全过程实现全集成,即制造微型全分析系统或缩微芯片实验室。在芯片的功能集成方面,目前已有了一批成果。
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