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基因芯片技术简介和应用展望

上海复旦张江生物医药有限公司姚见儿

基因芯片（GeneChip）通常指DNA芯片，其基本原理是将指大量寡核苷酸分子固定于

支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强弱进而判断样品中靶分子的

数量。基因芯片的概念现已泛化到生物芯片（biochip）、微阵列（Microarray）、DNA芯片（DNA

chip），甚至蛋白芯片。基因芯片集成了探针固相原位合成技术、照相平板印刷技术、高分

子合成技术、精密控制技术和激光共聚焦显微技术，使得合成、固定高密度的数以万计的探

针分子以及对杂交信号进行实时、灵敏、准确的检测分析变得切实可行。基因芯片技术在分

子生物学研究领域、医学临床检验领域、生物制药领域和环境医学领域显示出了强大的生命

力，其中关键就是基因芯片具有微型化、集约化和标准化的特点，从而有可能实现“将整个

实验室缩微到一片芯片上”的愿望。基因芯片在国内外已形成研究与开发的热潮，许多科学

家和企业家将基因芯片同当年的PCR相提并论，认为它将带来巨大的技术、社会和经济效

益，正如电子管电路向晶体管电路和集成电路发展是所经历的那样，核酸杂交技术的集成化

也已经和正在使分子生物学技术发生着一场革命。

基因芯片的种类

基因芯片产生的基础则是分子生物学、微电子技术、高分子化学合成技术、激光技术和

计算机科学的发展及其有机结合。根据基因芯片制造过程中主要技术的区别，下面主要介绍

四类基因芯片。

一、光引导原位合成技术生产寡聚核苷酸微阵列

开发并掌握这一技术的是Affymetrix公司，Affymetrix采用了照相平板印刷技术技术结

合光引导原位寡聚核苷酸合成技术制作DNA芯片，生产过程同电子芯片的生产过程十分相

似。采用这种技术生产的基因芯片可以达到1×106/cm2的微探针排列密度，能够在一片1

厘米多见方的片基上排列几百万个寡聚核苷酸探针。

原位合成法主要为光引导聚合技术（Light-directedsynthesis），它不仅可用于寡聚核苷

酸的合成，也可用于合成寡肽分子。光引导聚合技术是照相平板印刷技术（photolithography）

与传统的核酸、多肽固相合成技术相结合的产物。半导体技术中曾使用照相平板技术法在半

导体硅片上制作微型电子线路。固相合成技术是当前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法，

技术成熟且已实现自动化。二者的结合为合成高密度核酸探针及短肽列阵提供了一条快捷的

途径。

Affymetrix公司已有诊断用基因芯片成品上市，根据用途可以分为三大类，分别为基因

表达芯片、基因多态性分析芯片和疾病诊断芯片，基因表达分析芯片和基因多态性分析芯片

主要用于研究机构和生物制药公司，可以用来寻找新基因、基因测序、疾病基因研究、基因

制药研究、新药筛选等许多领域，Affymetrix公司主要生产通用寡聚核苷酸芯片；疾病诊断

芯片则主要用于医学临床诊断，包括各种遗传病和肿瘤等，目前Affymetrix公司生产三种商

品化诊断芯片，分别为p53基因突变诊断芯片、艾滋病病毒基因基因突变诊断芯片和细胞色

素P450基因突变诊断芯片。

二、微电子芯片

Nanogen开发了多位点电控阵列并含独立可寻址检测区域的微电子基因芯片，其基质全

部以硅、锗与基础的半导体材料，在其上构建25-400个微铂电极位点，各位点可由计算机

独立或组合控制。无论在芯片制造或成品芯片检测，均可通过相似微电极的电场变化来使核

酸结合，引入“电子严谨度”参数使芯片检测通过靶、探针序列特征和使用者要求来控制杂交

过程中的严格性。这种微电子基因芯片具有以下优点：

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1．电场定位过程能选择性地转运带电荷DNA分子，通过每个微电极位点的电场正负、

强弱变化，能准确有效地随意调控芯片表面的核酸，既可将核酸结合在微电极位点上，也可

以使核酸转运出来。

2．通过电场变化能加快DNA杂交速率，通过导入正电场后，可以大大加快待测核酸

同已知探针的结合速率，减少了杂交反应时间，同普通的“被动”杂交反应的几小时相比，这

种“主动”杂交反应仅仅几秒钟就可完成。另外电场变化又可有效地去除未结合游离分子，减

少未结合荧光信号干扰。

3．通过电子严谨度可有效地控制杂交过程中的错配度，