生物芯片技术的分类与制作

2024-10-29 百科知识版权反馈

【摘要】：表5.5生物芯片的分类5.5.1生物芯片的制作技术1）二维芯片的制作二维芯片制作是在载体表面上固定生物分子阵列。

5.5　生物芯片技术

生物芯片这一概念出现在20世纪80年代初期，当时有人提出通过微电子技术和生物技术相结合，制作出具有生物活性的微结构的构想。但是，由于加工技术等相关科技手段的限制，直到20世纪90年代，生物芯片技术才得以长足的发展。

生物芯片是现代微加工技术与生物科技相结合的产物，是通过光刻或者生物分子自组装技术，在平板载体内部或者表面制作出的可以完成一定生物反应功能的微装置。根据用途不同，生物芯片主要分为两大类：一类是生物电子芯片，用于生物计算机等生物电子产品的制造；另一类是生物分析芯片，用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应检测（见表5.5）。生物分析芯片按功能微结构在载体上分布的不同又可以分为二维分析芯片和三维分析芯片：二维分析芯片依赖固定在载体表面的生物分子完成生化反应检测，最常见的二维芯片是二维阵列芯片（Microarray），包括基因芯片、蛋白芯片和其他微阵列芯片；三维芯片又称芯片实验室（Lab On A ChiP，LOAC），是在载体内部加工微通道、样品池、反应仓，以及各种控制和检测元件的具有一定空间结构的微芯片。

表5.5　生物芯片的分类

5.5.1　生物芯片的制作技术

1）二维芯片的制作

二维芯片制作是在载体表面上固定生物分子阵列。常用的载体是玻璃，也可以使用硅、塑料或者薄膜。以二维DNA芯片的制作方法为例，通常DNA的固定方法有原位合成和微量点样两种。原位合成主要是光引导寡核苷酸合成技术，是光刻技术与传统的核酸固相合成技术相结合的产物，在经过处理的玻璃载片表面定点合成寡核苷酸链。微量点样是利用点样仪把制备好的cDNA片段喷射或者迅速接触滴加到衍生处理的玻璃载片表面，如图5.14所示为SPBIO阵列芯片点样机。

图5.14　SPBIO阵列芯片点样机

图5.15　光刻及化学蚀刻

2）三维芯片的制作

相对而言，由于三维芯片的种类比较多，使用的材料和制作工艺也各有不同。在三维芯片制作中最常用的是光刻和化学蚀刻联用的方法。这种方法常用于硅、石英和玻璃等质地比较坚硬、韧性差的无机材料的加工中（见图5.15）。这种方法的优点是加工精度很高，可以得到微米水平的微结构；缺点也相当明显，就是工艺比较复杂，设备要求很高，制作效率低、成本高。

另一种常用的三维芯片加工方法是软光刻，它是一大类方法，包括所有的用于微结构成型的非蚀刻技术，广泛用于聚合材料的三维芯片制作中。其中比较常用的是印刻法和微接触印制法。此外还有很多三维芯片的加工技术，包括机械切割、反应离子蚀刻等。

5.5.2　生物芯片的检测技术

二维阵列芯片的检测技术相对比较单一。最常用的就是生物分子荧光标记，标记了荧光的分子同芯片表面的分子结合，在光源的照射下发出一定波长的荧光。测定结合后的荧光强度就可以推知结合分子的浓度。通常待测样本和对照样本用两种不同的荧光进行标记，例如Cy3和Cy5。比较同一位置的不同荧光强度，就可以测定待测样本和对照样本中与某一位点结合的分子的比例。杂交反应结果用荧光扫描仪进行检测。比较常用的是激光共聚焦扫描仪（见图5.16）。

图5.16　激光共聚焦扫描仪结构图

相对于二维芯片，三维芯片的结构就比较复杂，而且化学反应各异，用于三维芯片检测的比较常用的有光学检测、电化学检测、质谱以及各种生物传感器。

①光学检测光学检测的优点在于不需要检测装置与被测物质直接接触，但是可能会由于微通道的少量吸收产生干扰，需要较短的光路。因而普通生化分析中常用的光吸收检测没有成为芯片实验室的主要检测手段，取而代之的是高灵敏的荧光检测。

②电化学检测相对光学检测而言，电化学检测则更容易整合到三维芯片中而得到最完整的芯片实验室。这种检测不但可以在微通道中完成样品的全部操作，也可以把电化学检测直接置于单元内部，几乎不需要别的外围辅助设备。

5.5.3　生物芯片的典型应用

二维芯片表面固定有成千上万的生物分子，可以同时对比成千上万分子变化，通常用于检测和筛选等目的。以最常见的基因芯片为例，利用基因芯片可以同时检测上万个基因的表达情况，比较不同生物体和同一生物体不同阶段和状态下基因表达的异同，可以发现在生物生长发育、疾病产生等的不同过程中的特异基因，从而揭示这些过程的独特机理。基因芯片的用途很多，例如基因诊断、基因测序、基因表达谱、药物筛选等。现在的芯片实验室主要是完成一个或者几个功能，比如常见的毛细管电泳芯片、PCR芯片、DNA微阵列芯片等。

1）基因芯片(www.chuimin.cn)

基因芯片利用互补的单核酸链的优先结合作为检测的基础。无论芯片是通过什么方法制作的，这一基本原理都不会改变。未知的样品与芯片表面的已知序列DNA分子杂交。在载体表面给定的DNA阵列分布有成千上万的DNA探针，与传统的杂交方法不同，基因芯片一次可以鉴别成千上万个基因，这表明遗传分析可以在巨大的规模下进行。这提供了一种研究细胞和组织中基因表达情况的革命性的方法。cDNA芯片又是基因芯片中最常用的一种，常作为表达芯片和筛选芯片（见图5.17）。

图5.17　一个cDNA阵列芯片的杂交图像

图5.18　寡核苷酸基因芯片

另一种常用的基因芯片是寡核苷酸基因芯片，它也可以用于基因筛选（见图5.18）。

2）蛋白芯片和其他微阵列芯片

二维阵列芯片除了基因芯片外还有蛋白芯片、细胞芯片、组织芯片和其他以小分子为阵列的芯片，等等。蛋白芯片是二维芯片中除基因芯片外使用最为广泛的一种。现在，其他微阵列芯片也得到了快速的发展，如用于肝癌研究的组织芯片（见图5.19）。

图5.19　用于肝癌研究的组织芯片

3）三维分离芯片

分离芯片是目前三维芯片研究中最为热门的领域之一，其中最常用的是毛细管胶电泳。胶电泳是分离生物大分子最常用的方法，这一方法也被广泛应用到了芯片毛细管电泳当中。

4）三维合成芯片

最常见的合成芯片就是PCR芯片。研究PCR芯片机构很多，其所依据的原理也各有不同。其中英国帝国理工大学的设计比较新颖。科学家让样品在玻璃微芯片的不同温度区之间快速循环扩增，样品的加入和产品的收集都是连续的，这样可以大大提高PCR反应的效率。

5）微全分析系统（μTAS）

芯片试验室研究的最终目标是在单一芯片上完成加样、反应、检测和产物提取的全过程，这就是所谓的微全分析系统。科学家在微全分析系统的研究中已经投入了巨大的努力，比较突出的有密歇根大学的Burns等人的工作。他们在几个平方厘米的芯片内集成了从加样、定量、热反应、胶电泳、光电检测等功能，定量的DNA样本可以在芯片内扩增并检测。

5.5.4　生物芯片的发展前景

生物芯片是一个新兴的科学领域，具有良好的发展前景，现在主要向以下几个方向发展。

①产业化对于现在技术已经相对成熟的生物芯片，如基因芯片，产业化是发挥生物芯片作用的最好途径。

②微型化由于微加工技术，生物芯片的尺寸范围已经从微米级向纳米级发展。

③集成化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微芯片实验室在芯片上实现生化检测的全部功能。

④信息化生物芯片可以检测到的信息量是传统检测技术无可比拟的，特别是大规模阵列芯片一次可以采集的数据。

生物芯片技术是现代微加工技术和生物科技的结晶。它涉及生物、化学、微加工、光学、微电子和信息技术等前沿学科，是一个综合的研究领域。随着各方面的不断投入和相关技术的发展，相信在不远的将来，各具特色的生物芯片将逐渐占据未来的生命仪器市场，成为未来生物医学检测的主要工具。