1、生物芯片技術(shù)生物芯片技術(shù)吳浩揚(yáng)馮繼宏程京生物芯片技術(shù)是近年來(lái)興起的一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)，它以微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和生物技術(shù)為依托，將生命科學(xué)研究中的許多不連續(xù)過(guò)程（如樣品制備、生化反應(yīng)、檢測(cè)等步驟）集成并移植到一塊普通郵票大小的芯片上去，并使這些分散的過(guò)程連續(xù)化、微型化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量生物信息進(jìn)行快速、并行處理的要求。生物芯片概念的提出受到了計(jì)算機(jī)芯片的啟發(fā)。狹義的生物芯片是指包埋在固相載體（如硅片、玻璃和塑料等）上的高密度ＤＮＡ、蛋白質(zhì)、細(xì)胞

2、等微陣列芯片，如ｃＤＮＡ微陣列、寡核苷酸微陣列和蛋白質(zhì)微陣列等。這些微陣列由生物活性物質(zhì)以點(diǎn)陣的形式有序地固定在固相載體上形成。在一定的條件下進(jìn)行生化反應(yīng)，將反應(yīng)結(jié)果用化學(xué)熒光法、酶標(biāo)法、電化學(xué)法顯示，然后用專(zhuān)用的生物芯片掃描儀或電子信號(hào)檢測(cè)儀采集數(shù)據(jù)，最后通過(guò)專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。廣義的生物芯片是指任何能對(duì)生物分子進(jìn)行快速并行處理和分析的微型固體薄型器件。自從１９９１年福多爾（ＳＰＡＦｏｄｏｒ）等人提出ＤＮＡ芯片至今，以ＤＮＡ

3、芯片為代表的生物芯片技術(shù)已經(jīng)得到了快速的發(fā)展。目前生物芯片技術(shù)除了ＤＮＡ芯片技術(shù)外，還包括免疫芯片分析技術(shù)、芯片核酸擴(kuò)增技術(shù)、細(xì)胞芯片分析技術(shù)和以芯片為平臺(tái)的高通量藥物篩選技術(shù)等。這些新興技術(shù)的出現(xiàn)將為生命科學(xué)研究、疾病診斷與治療、新藥開(kāi)發(fā)、國(guó)防、司法鑒定、食品衛(wèi)生檢驗(yàn)、航空航天等領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命。正是由于生物芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)將其評(píng)為１９９８年科技十大突破之一。樣品制備芯片生物樣品往往是復(fù)雜的混合物，在大多數(shù)情況下需

4、要先對(duì)生物樣品進(jìn)行預(yù)處理，即樣品制備。以核酸樣品制備為例，它包括了細(xì)胞分離、破胞、脫蛋白、提取ＤＮＡ等多步工作。這些工作可以在樣品制備芯片上完成。目前在細(xì)胞分離方法上較突出的有過(guò)濾分離和介電電泳分離等；芯片中的破胞方法有芯片升溫破胞、高壓脈沖破胞以及化學(xué)破胞等。過(guò)濾分離芯片過(guò)濾分離即根據(jù)生物顆粒的尺寸差異進(jìn)行分離。針對(duì)人白細(xì)胞的分離，１９９８年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的研究小組研究出了一種芯片微過(guò)濾法。芯片微過(guò)濾器的工作原理是根據(jù)人白細(xì)胞的尺

5、寸比紅細(xì)胞大的特點(diǎn)，使人外周血流過(guò)微過(guò)濾器時(shí)只讓血漿和尺寸較小的紅血細(xì)胞及血小板通過(guò)，而截住尺寸較大的白細(xì)胞。加工微過(guò)濾用芯片是通過(guò)在硅片上刻出各種形狀的過(guò)濾通道，通道直徑為幾個(gè)微米，然后再在硅芯片上鍵合上一塊玻璃蓋片而完成。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)，微芯片過(guò)濾器已從最初的豎式Ｚ形結(jié)構(gòu)，通過(guò)豎式條狀梳式結(jié)構(gòu)過(guò)渡最后定型為橫壩式結(jié)構(gòu)。采用橫壩式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是人白細(xì)胞的回收率高，過(guò)濾器不易被堵塞。微芯片過(guò)濾器的另一應(yīng)用是它可將孕婦外周血中極少量的胎

6、兒細(xì)胞過(guò)濾出來(lái)，供下一步作產(chǎn)前診斷之用。介電電泳分離芯片介電電泳分離的原理是細(xì)胞在高頻不均勻電場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化，不同的細(xì)胞由于介電特性、電導(dǎo)率、形狀不同而感應(yīng)出不同的偶電極，因此受到不同介電力的作用。利用介電電泳方法制備樣品的優(yōu)點(diǎn)是：通過(guò)測(cè)量細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度，可以得到細(xì)胞的介電特性；可以對(duì)細(xì)胞進(jìn)行無(wú)物理接觸的選擇性操縱、定位、分此外劉英杰等人還構(gòu)建了一種基于聚碳酸酯材料的集成毛細(xì)管器件來(lái)分析ＤＮＡ樣品。他們利用壓模方法加工出毛細(xì)管微通道，

7、聚碳酸酯材料在鍵合前接受了紫外線輻射以增強(qiáng)親水性。實(shí)驗(yàn)表明該器件能顯著區(qū)分長(zhǎng)度為１００個(gè)堿基對(duì)、２００個(gè)堿基對(duì)……１５００個(gè)堿基對(duì)等的ＤＮＡ片斷。微陣列芯片ＤＮＡ微陣列芯片基于ＤＮＡ雜交反應(yīng)的原理，先將許多ＤＮＡ片段末端固定在芯片上，然后讓熒光標(biāo)記的樣品核酸通過(guò)流路或加樣至芯片上，雜交反應(yīng)結(jié)束后清洗芯片，留在芯片上的樣品核酸即可用熒光檢測(cè)的方法來(lái)檢測(cè)。由于ＤＮＡ微陣列芯片不要求先對(duì)基底做微細(xì)加工，因此可利用自動(dòng)化或化學(xué)合成方法在基底上直

8、接施加或合成生化物質(zhì)。目前有４種典型的ＤＮＡ微陣列芯片制備方法：光引導(dǎo)原位合成法、接觸式點(diǎn)涂法、化學(xué)噴射法、壓電噴射原位合成法。光引導(dǎo)原位合成法是將微電子工業(yè)中的光刻技術(shù)與ＤＮＡ的光化學(xué)合成方法相結(jié)合。首先把用光敏保護(hù)基團(tuán)保護(hù)的４種核苷酸固定在玻片上，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求用不同的掩模板對(duì)玻片進(jìn)行掩蔽，光照處的光敏保護(hù)基團(tuán)分解，暴露的地方即可加上新的被保護(hù)的核苷酸，如此循環(huán)下去就能以很高的密度和精度來(lái)制備ＤＮＡ微陣列芯片。現(xiàn)在人們已經(jīng)能在１６

9、厘米２的玻片上合成４０萬(wàn)組寡核苷酸。這種方法的缺點(diǎn)是需要花費(fèi)大量的時(shí)間和成本來(lái)制備掩模板，因?yàn)楣押塑账岬拿總€(gè)堿基位需要４塊掩模板，合成一個(gè)２５個(gè)堿基對(duì)的微陣列芯片就需要１００塊掩模板。接觸式點(diǎn)涂法先將ＤＮＡ探針合成好，然后通過(guò)一個(gè)點(diǎn)接觸裝置自動(dòng)地將探針點(diǎn)到玻片上的指定地點(diǎn)。點(diǎn)接觸法的優(yōu)點(diǎn)是快速、經(jīng)濟(jì)、多功能，缺點(diǎn)是每種樣品都必須是合成好、經(jīng)過(guò)純化并事先保存的?；瘜W(xué)噴射法是以定滴供給的方式，通過(guò)壓電晶體或其他推進(jìn)形式從噴嘴內(nèi)將生物樣品噴射

10、到玻璃基片上。噴射法所需的樣品是已經(jīng)合成好的ＤＮＡ，它與點(diǎn)接觸法的區(qū)別是噴嘴不與玻片接觸。壓電噴射原位合成法主要包括兩個(gè)步驟：先在直徑為７５毫米的二氧化硅基底上制備高密度的小坑，每個(gè)小坑的直徑為１００微米，間距３０微米，共約１０萬(wàn)個(gè)小坑，小坑內(nèi)作羥基化親水處理，小坑間作氟化疏水處理，這樣得到的小坑即可作為ＤＮＡ合成的微型反應(yīng)池；然后根據(jù)實(shí)際要求，在４個(gè)壓電噴頭中分別裝入Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃ核苷酸，由計(jì)算機(jī)控制微陣列ＤＮＡ芯片ｘ－ｙ方向的運(yùn)動(dòng)，

11、將４種核苷酸噴射到適當(dāng)?shù)男】又?，由此在預(yù)制的基底上并行合成出微陣列ＤＮＡ芯片。生物芯片中的微流體技術(shù)在生物、化學(xué)、材料等科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常需要對(duì)流體進(jìn)行操作，如樣品ＤＮＡ的制備、ＰＣＲ反應(yīng)、電泳檢測(cè)等操作都是在液相環(huán)境中進(jìn)行。如果要將樣品制備、生化反應(yīng)、結(jié)果檢測(cè)等步驟集成到生物芯片上，則實(shí)驗(yàn)所用流體的量就從毫升、微升級(jí)降至納升或皮升級(jí)，這時(shí)功能強(qiáng)大的微流體裝置就顯得必不可少了。因此隨著生物芯片技術(shù)的發(fā)展，微流體技術(shù)作為生物芯片的一項(xiàng)關(guān)鍵支

12、撐技術(shù)也得到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。與微電子技術(shù)不同，微流體技術(shù)不強(qiáng)調(diào)減小器件的尺寸，它著重于構(gòu)建微流體通道系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的微流體操縱功能。與宏觀流體系統(tǒng)類(lèi)似，微流體系統(tǒng)所需的器件也包括泵、閥、混合器、過(guò)濾器、分離器等。盡管與微電子器件相比，微通道的尺寸顯得相當(dāng)大，但實(shí)際上這個(gè)尺寸對(duì)于流體而言已經(jīng)是非常小。微通道中的流體流動(dòng)行為與人們?cè)谌粘Ｉ钪兴?jiàn)的宏觀流體流動(dòng)行為有著本質(zhì)的差別，因此微泵、微閥、微混合器、微過(guò)濾器、微分離器等微型器