基因芯片技術(shù)是什么？一文讀懂基因芯片！

基因芯片技術(shù)是生物芯片的一種，它是生命科學(xué)領(lǐng)域里興起的一項(xiàng)高新技術(shù)，它集成了微電子制造技術(shù)、激光掃描技術(shù)、分子生物學(xué)、物理和化學(xué)等先進(jìn)技術(shù)。

生物芯片

生物芯片是指將成千上萬(wàn)的靶分子（比如DNA、RNA或蛋白質(zhì)等）經(jīng)過(guò)一定的方法有序地固化在面積較小的支持物（如玻璃片、硅片、尼龍膜等）上，組成密集分子排列，然后將已經(jīng)標(biāo)記的樣品與支持物上的靶分子進(jìn)行雜交，經(jīng)洗脫、激光掃描后，運(yùn)用計(jì)算機(jī)將所得的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)化分析。

這種方法不僅節(jié)約了試劑與樣品，而且節(jié)省了大量的人力、物力與時(shí)間，使檢測(cè)更為快速、準(zhǔn)確、敏感，是目前生物檢測(cè)中效率高、最為敏感和最具前途的技術(shù)。根據(jù)在支持物上所固定的靶分子的種類可將生物芯片分為基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、組織芯片和芯片實(shí)驗(yàn)室等。目前，技術(shù)比較成熟、應(yīng)用最廣泛的是基因芯片技術(shù)，其在基因組的表達(dá)分析、藥物篩選、模擬生物的基因表達(dá)及功能研究、遺傳疾病基因診斷、病原微生物的診斷等方面都有廣泛的應(yīng)用，是一種高效、大規(guī)模獲取相關(guān)生物信息的重要手段。

基因芯片

基因芯片也稱DNA微陣列,是生物芯片的一種?；蛐酒碜畛跏怯珊怂岬姆肿与s交衍生而來(lái)的,即應(yīng)用已知序列的核酸探針對(duì)未知序列的核酸序列進(jìn)行雜交檢測(cè)DNA芯片技術(shù)，實(shí)際上就是一種大規(guī)模集成的固相雜交。是指在固相支持物上原位合成( situ synthesis)寡核苷酸或者直接將大量預(yù)先制備的DNA探針以顯微打印的方式有序地固化于支持物表面，然后與標(biāo)記的樣品雜交。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)雜交信號(hào)的檢測(cè)分析，得出樣品的遺傳信息(基因序列及表達(dá)的信息)。由于常計(jì)算機(jī)硅芯片作為固相支持物，所以稱為DNA芯片。

基因芯片采用大量特定的寡核苷酸片段或基因片段作為探針，有規(guī)律地固定于與光電測(cè)量裝置相結(jié)合的硅片、玻璃片、塑料片或尼龍基底等固體支持物上，形成二維陣列，與待測(cè)的標(biāo)記樣品的基因按堿基對(duì)配對(duì)原理進(jìn)行雜交，從而檢測(cè)特定基因。

基因探針利用核糖雙鏈的互補(bǔ)堿基之間的氫鍵作用形成穩(wěn)定的雙鍵結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)量目的基因上的光電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的檢測(cè)，從而使基因芯片技術(shù)成為高效的大規(guī)模獲取相關(guān)生物信息的重要手段。

基因芯片技術(shù)原理

1、DNA探針的大量收集和純化，基因芯片探針制備方法可以是根據(jù)基因設(shè)計(jì)特異性的PCR引物，對(duì)基因進(jìn)行特異性地?cái)U(kuò)張，也可以是建立均一化的cDNA文庫(kù)，通過(guò)克隆鑒定、篩選、擴(kuò)增產(chǎn)生；

2、將純化后的探針固定在片基上，首先要將基片（主要用的是玻璃片）進(jìn)行特殊的化學(xué)處理，使玻璃片醛基化或氨基化，然后將純化的探針通過(guò)顯微打印或噴打在基片上，再將打印好的玻璃片進(jìn)行后處理，如水合化、加熱或紫外交聯(lián)等；

3、樣品的標(biāo)記，標(biāo)記的方法一般是采用逆轉(zhuǎn)錄法或隨機(jī)引物延伸法等；

4、雜交后芯片的掃描、圖像處理的采集和數(shù)據(jù)分析。

電子芯片（左）與基因芯片（右）比較

基因芯片的特點(diǎn)

1、高通量、多參數(shù)同步分析。目前基因芯片制作工藝可達(dá)到在1cm2的載體平面上固定數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)的探針，可對(duì)樣品中數(shù)量巨大的相關(guān)基因，甚至整個(gè)基因組及信息進(jìn)行同步檢測(cè)和分析。

2、快速全自動(dòng)分析。在一定的條件下使樣品中的靶基因片段同時(shí)與芯片的多個(gè)探針進(jìn)行雜交，并采用掃描儀器測(cè)量雜交信號(hào)和分析處理數(shù)據(jù)。從而，從根本上提高了測(cè)量工作的速度和效率，也極大降低了測(cè)量工作的強(qiáng)度和難度。

3、高精確度分析。由于芯片上的每一點(diǎn)，即每個(gè)探針都可以精確定位和選址，加上每個(gè)探針都可以精確設(shè)計(jì)及制備，因此可以精確檢測(cè)出不同的靶基因、同一靶基因不同的狀態(tài)以及在一個(gè)堿基上的差別。

4、高精密度分析。商品化芯片制作上的精密及檢測(cè)試劑和方法上的統(tǒng)一在一定程度上保證了芯片檢測(cè)的高精密度和重現(xiàn)性，使不同批次乃至不同實(shí)驗(yàn)室之間的檢測(cè)結(jié)果，可以進(jìn)行有效比對(duì)及分析。

5、高靈敏度分析?；蛐酒x用了不易產(chǎn)生擴(kuò)散作用的載體，探針及樣品靶基因的的雜交點(diǎn)非常集中，加上雜交前樣品靶基因的擴(kuò)增和雜交后檢測(cè)信號(hào)的擴(kuò)張，極大地提高了檢測(cè)的靈敏度，可以檢測(cè)出1個(gè)細(xì)胞中低至1個(gè)拷貝的靶基因，從而使檢測(cè)所需的樣品量大幅度減少，一般只需要10～20μL樣品。

基因芯片的分類

基因芯片類型較為繁多，可以依據(jù)不同的分類方法進(jìn)行分類，一般可分為以下幾種：

1、按照載體上所添加DNA種類的不同，基因芯片可分為寡核苷酸芯片和cDNA芯片兩種：寡核苷酸芯片一般以原位合成的方法固定到載體上，具有密集程度高、可合成任意系列的寡核苷酸等優(yōu)點(diǎn)，適用于DNA序列測(cè)定、突變檢測(cè)、SNP分析等；其缺點(diǎn)是合成寡核苷酸的長(zhǎng)度有限，因而特異性較差，而且隨著長(zhǎng)度的增加，合成錯(cuò)誤率增加。寡核苷酸芯片也可通過(guò)預(yù)合成點(diǎn)樣制備，但固定率不如cDNA芯片高，寡核苷酸芯片主要用于點(diǎn)突變檢測(cè)和測(cè)序，也可用作表達(dá)譜研究。cDNA芯片是將微量的cDNA片段在玻璃等載體上按矩陣密集排列并固化，其基因點(diǎn)樣密度雖不及原位合成寡核苷酸芯片高，但比用傳統(tǒng)載體的點(diǎn)樣密度要高得多，cDNA芯片最大的優(yōu)點(diǎn)是靶基因檢測(cè)特異性非常好，主要用于表達(dá)譜研究。

2、按照載體材料分類：載體材料可分為無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料兩種，無(wú)機(jī)材料有玻璃、硅片、陶瓷等，有機(jī)材料由有機(jī)膜、凝膠等。膜芯片的介質(zhì)主要采用的是尼龍膜，其陣列密度比較低，用到的探針量較大，檢測(cè)的方法主要是用放射性同位素的方法，檢測(cè)的結(jié)果是一種單色的結(jié)果。而以玻璃為介質(zhì)的芯片，陣列密度高，所用的探針量少，檢測(cè)方法具有多樣性，所得結(jié)果是一種彩色的結(jié)果，與膜芯片相比，結(jié)果分辨率更高一些，分析的靈活性更強(qiáng)。

3、按照點(diǎn)樣方式的不同可以分為原位合成芯片、微矩陣芯片、電定位芯片三種。

基因芯片制備技術(shù)

傳統(tǒng)制備技術(shù)

由于芯片種類較多，其制備方法也不盡相同，傳統(tǒng)的制備方法基本可分為兩類：一類是原位合成，另一類是直接點(diǎn)樣。原位合成是用于寡氨基酸，直接點(diǎn)樣多用于大片段DNA，有時(shí)也用于寡核苷酸甚至mRNA。原位合成主要有光刻法和壓電打印法兩種途徑。

1. 原味光刻合成

其利用固相化學(xué)、光敏保護(hù)基及光刻技術(shù)得到位置確定、高度多樣化的化合物集合。合成的第一步是利用光照射，使固體表面上的羥基脫保護(hù)，然后固體表面與光敏保護(hù)基保護(hù)的、亞磷酰胺活化的堿基單體接觸，使一個(gè)核苷酸單體連接上去，合成只在那些脫去保護(hù)基的地方發(fā)生，這個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行直至合成完畢。這個(gè)方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是在一個(gè)較小的區(qū)域，可制造大量不同的探針。但是這種制備方法需要預(yù)選設(shè)計(jì)，制造一系列掩蓋物，造價(jià)較高，制造過(guò)程中采用光脫保護(hù)方法，掩蓋物孔徑較小時(shí)會(huì)發(fā)生光衍射現(xiàn)象，制約了探針密度的進(jìn)一步提高。

2. 原味打印合成

此原理與油墨打印類似，不過(guò)芯片噴印頭和墨盒有多個(gè)，墨盒中裝的是四種堿基的液體而不是碳粉，噴印頭可在整個(gè)芯片上移動(dòng)，并根據(jù)芯片上不同位點(diǎn)探針序列的需要，將特定的堿基噴印在芯片上的特定位置。該技術(shù)采用的化學(xué)原理與傳統(tǒng)的DNA固相合成一致，因此不需要特殊制備的化學(xué)試劑。

3. 分子印章原位合成

其合成原理類似于傳統(tǒng)的印章，其表面按照陣列合成的要求制作成凹凸不平的平面，依此將不同的核酸或多肽合成試劑按印到芯片片基特定的位點(diǎn)，然后進(jìn)行合成反應(yīng)。

4. 點(diǎn)樣法

與原位合成法比較，點(diǎn)樣法較為簡(jiǎn)單，只需將預(yù)先制備好的寡核苷酸或cDNA等樣品通過(guò)自動(dòng)點(diǎn)樣裝置點(diǎn)樣于經(jīng)原位特殊處理的玻璃片或其他材料上。即其樣品可以事先純化，交聯(lián)的方式多樣；而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)探針的濃度使不同堿基組成的探針雜交信號(hào)一致，研究者可以方便地設(shè)計(jì)、制備符合自己需要的基因芯片。但是芯片的這種制備過(guò)程中，樣品浪費(fèi)較為嚴(yán)重，對(duì)寡核苷酸的化學(xué)修飾也會(huì)增加合成成本，而且芯片制備前需要儲(chǔ)存大量樣品。

新的制備技術(shù)

1. 微電子芯片

利用微電子工業(yè)常用的光刻技術(shù)，芯片被設(shè)計(jì)構(gòu)建在硅/二氧化硅等基底材料上，如圖2所示，經(jīng)熱氧化，制成1mm×1mm的陣列，每個(gè)陣列含有多個(gè)微電極，在每個(gè)電極上通過(guò)氧化硅沉積和蝕刻制備出樣品池。將連接鏈親和素的瓊脂糖覆蓋在電極上，在電場(chǎng)作用下生物素標(biāo)記的探針即可結(jié)合在特定電極上。電子芯片最大特點(diǎn)是雜交速度快，可大大縮短分析時(shí)間，但制備復(fù)雜、成本高。

2. 三維生物芯片

這種芯片技術(shù)主要是利用官能團(tuán)化的聚丙酰氨凝膠塊作為基質(zhì)來(lái)固定寡氨基酸。通常的制備方法是將有活性基團(tuán)的物質(zhì)或丙烯酰胺衍生物與丙烯酰胺單體在玻璃板上聚合，機(jī)械切割出三維凝膠微塊，使每塊玻璃片上有10 000個(gè)微小的聚乙烯酰胺凝膠條，每個(gè)凝膠條可用于靶DNA、RNA或蛋白質(zhì)的分析，光刻或激光蒸發(fā)除去凝膠塊之間的凝膠，再將帶有活性基團(tuán)（氨基、醛基等）的DNA點(diǎn)，加到凝膠上進(jìn)行交聯(lián)，再將DNA樣品轉(zhuǎn)移到凝膠塊上。

3. 流過(guò)式芯片

即在芯片片基上制成格柵狀微通道，設(shè)計(jì)及合成特定的寡氨基酸探針，結(jié)合于微通道內(nèi)芯片特定區(qū)域。從待檢測(cè)樣品中分離DNA或RNA，并對(duì)其進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后該樣品流過(guò)芯片，固定的寡氨基酸探針捕獲與之相互補(bǔ)的核酸，再用信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)分析結(jié)果。其特點(diǎn)是敏感度高、速度快、價(jià)格較低。

當(dāng)前主要幾種基因芯片技術(shù)

光引導(dǎo)原位合成技術(shù)生產(chǎn)寡聚核苷酸微陣列

開(kāi)發(fā)并掌握這一技術(shù)的是Affymetrix公司，Affymetrix采用了照相平板印刷技術(shù)技術(shù)結(jié)合光引導(dǎo)原位寡聚核苷酸合成技術(shù)制作DNA芯片，生產(chǎn)過(guò)程同電子芯片的生產(chǎn)過(guò)程十分相似。采用這種技術(shù)生產(chǎn)的基因芯片可以達(dá)到1×106/cm2的微探針排列密度，能夠在一片1厘米多見(jiàn)方的片基上排列幾百萬(wàn)個(gè)寡聚核苷酸探針。

原位合成法主要為光引導(dǎo)聚合技術(shù)（Light-directed synthesis），它不僅可用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。光引導(dǎo)聚合技術(shù)是照相平板印刷技術(shù)（photolithography）與傳統(tǒng)的核酸、多肽固相合成技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。半導(dǎo)體技術(shù)中曾使用照相平板技術(shù)法在半導(dǎo)體硅片上制作微型電子線路。固相合成技術(shù)是當(dāng)前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法，技術(shù)成熟且已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。二者的結(jié)合為合成高密度核酸探針及短肽列陣提供了一條快捷的途徑。

Affymetrix公司已有診斷用基因芯片成品上市，根據(jù)用途可以分為三大類，分別為基因表達(dá)芯片、基因多態(tài)性分析芯片和疾病診斷芯片，基因表達(dá)分析芯片和基因多態(tài)性分析芯片主要用于研究機(jī)構(gòu)和生物制藥公司，可以用來(lái)尋找新基因、基因測(cè)序、疾病基因研究、基因制藥研究、新藥篩選等許多領(lǐng)域，Affymetrix公司主要生產(chǎn)通用寡聚核苷酸芯片；疾病診斷芯片則主要用于醫(yī)學(xué)臨床診斷，包括各種遺傳病和腫瘤等，目前Affymetrix公司生產(chǎn)三種商品化診斷芯片，分別為p53基因突變?cè)\斷芯片、艾滋病病毒基因基因突變?cè)\斷芯片和細(xì)胞色素P450基因突變?cè)\斷芯片。

微電子芯片

Nanogen開(kāi)發(fā)了多位點(diǎn)電控陣列并含獨(dú)立可尋址檢測(cè)區(qū)域的微電子基因芯片，其基質(zhì)全部以硅、鍺與基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，在其上構(gòu)建25-400個(gè)微鉑電極位點(diǎn)，各位點(diǎn)可由計(jì)算機(jī)獨(dú)立或組合控制。無(wú)論在芯片制造或成品芯片檢測(cè)，均可通過(guò)相似微電極的電場(chǎng)變化來(lái)使核酸結(jié)合，引入“電子嚴(yán)謹(jǐn)度”參數(shù)使芯片檢測(cè)通過(guò)靶、探針序列特征和使用者要求來(lái)控制雜交過(guò)程中的嚴(yán)格性。這種微電子基因芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1．電場(chǎng)定位過(guò)程能選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)帶電荷DNA分子，通過(guò)每個(gè)微電極位點(diǎn)的電場(chǎng)正負(fù)、強(qiáng)弱變化，能準(zhǔn)確有效地隨意調(diào)控芯片表面的核酸，既可將核酸結(jié)合在微電極位點(diǎn)上，也可以使核酸轉(zhuǎn)運(yùn)出來(lái)。

2．通過(guò)電場(chǎng)變化能加快DNA雜交速率，通過(guò)導(dǎo)入正電場(chǎng)后，可以大大加快待測(cè)核酸同已知探針的結(jié)合速率，減少了雜交反應(yīng)時(shí)間，同普通的“被動(dòng)”雜交反應(yīng)的幾小時(shí)相比，這種“主動(dòng)”雜交反應(yīng)僅僅幾秒鐘就可完成。另外電場(chǎng)變化又可有效地去除未結(jié)合游離分子，減少未結(jié)合熒光信號(hào)干擾。

3．通過(guò)電子嚴(yán)謹(jǐn)度可有效地控制雜交過(guò)程中的錯(cuò)配度，雜交錯(cuò)配的程度，對(duì)不同的要求上要給以不同的電場(chǎng)就可以符合不同的電子嚴(yán)謹(jǐn)度，這對(duì)核酸雜交嚴(yán)格度可以非常靈活地控制，這可以非常準(zhǔn)確地進(jìn)行SNP檢測(cè)。

微量點(diǎn)樣技術(shù)

目前大部分生產(chǎn)基因芯片的公司都是使用這一方法，采用了先進(jìn)更加微量的點(diǎn)樣技術(shù)，可以點(diǎn)更加微量的探針。這種方法生產(chǎn)的芯片上探針不受探針?lè)肿哟笮》N類的限制，能夠靈活機(jī)動(dòng)地根據(jù)使用者的要求制作出符合目的的芯片。由于同時(shí)有生產(chǎn)和檢測(cè)儀器出售，使擁護(hù)能夠根據(jù)自己的需要制作相應(yīng)的芯片，并且價(jià)格較低，所以近期內(nèi)國(guó)內(nèi)將會(huì)有一定的市場(chǎng)。生產(chǎn)這種設(shè)備的公司有很多，象美國(guó)的Genomicsolutions公司、英國(guó)的BioRobotics公司、美國(guó)的Cartesian公司和加拿大的Engineering公司等。

對(duì)于微量點(diǎn)樣技術(shù)生產(chǎn)的基因芯片來(lái)說(shuō)從儀器組成上可以分為點(diǎn)樣儀器、雜交裝置、檢測(cè)儀器和分析儀器，點(diǎn)樣儀器是否先進(jìn)決定芯片上的探針密度和結(jié)合牢固程度，雖然芯片的探針密度是一個(gè)很重要的指標(biāo)，達(dá)到極高密度的探針陣列是許多芯片生產(chǎn)公司夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，但是具體的點(diǎn)樣密度根據(jù)使用者的目的來(lái)決定，而且還要考慮到隨后的雜交和檢測(cè)過(guò)程。衡量點(diǎn)樣裝置有幾個(gè)比較重要的指標(biāo)，如儀器整體設(shè)計(jì)、功能多樣性、芯片基質(zhì)多樣性、點(diǎn)樣穩(wěn)定性、點(diǎn)樣速度、點(diǎn)樣密度等等。

點(diǎn)陣器一般采用實(shí)心或空心點(diǎn)樣針，點(diǎn)樣方式有非接觸噴點(diǎn)（inkjet printing）和接觸點(diǎn)樣（Contact printing）兩種方式。目前，有兩種非接觸噴點(diǎn)技術(shù)用于DNA點(diǎn)樣，一種是用壓電晶體將液體從孔中噴出的壓電技術(shù)（piezoelectric technology），噴滴大小一般為50-500pl；另一種為注射器螺線管技術(shù)（syringe-solenoid technology），這種技術(shù)是通過(guò)高分辨率注射器泵和微螺線管閥門(mén)有機(jī)結(jié)合起來(lái)精確控制滴液的。

檢測(cè)儀器也是一個(gè)重要的限制條件，如果檢測(cè)儀器的分辨率不高，那么即使點(diǎn)樣儀器制造出了很高密度的芯片也沒(méi)有用，對(duì)高密度的芯片通常使用激光共聚焦顯微鏡和高性能的冷卻CCD，二者各有利弊，須根據(jù)要求綜合衡量。

顯色和分析測(cè)定方法主要為熒光法，目前正在發(fā)展的方法有質(zhì)譜法、化學(xué)發(fā)光法、光導(dǎo)纖維法等。以熒光法為例，當(dāng)前主要的檢測(cè)手段是激光共聚焦顯微掃描技術(shù)和高性能的冷卻CCD，以便于對(duì)高密度探針陣列每個(gè)位點(diǎn)的熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析。因?yàn)樘结樑c樣品完全正常配對(duì)時(shí)所產(chǎn)生的熒光信號(hào)強(qiáng)度是具有單個(gè)或兩個(gè)錯(cuò)配堿基探針的5-35倍，所以對(duì)熒光信號(hào)強(qiáng)度精確測(cè)定是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)特異性的基礎(chǔ)。

分析儀器從硬件上說(shuō)只是一部高性能的計(jì)算機(jī)，但其中最重要的是分析軟件，如果只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢測(cè)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)，待測(cè)樣品所要分析的基因很少很簡(jiǎn)單，采用直觀的觀察就可以得出結(jié)論，但對(duì)于大量的基因分析或是臨床檢驗(yàn)人員使用就需要有全面智能化的分析軟件輔助，這樣還需要考慮到軟件的升級(jí)。

其他技術(shù)

主要是美國(guó)NIH、Caliper公司和Orchidbio公司等，Orchidbio公司研制了一種毛細(xì)管微流泵芯片，在邊長(zhǎng)2英寸的芯片上集成了144個(gè)微室，分別由流入孔、反應(yīng)室、循環(huán)管和廢液流出孔組成，這種芯片不但可以用于基因診斷和分析，還可用于合成化學(xué)，利用芯片的微指結(jié)構(gòu)，Caliper公司的芯片可以用作細(xì)胞分選器，能夠利用血細(xì)胞體積和變形性等特點(diǎn)可以很容易地把紅細(xì)胞和白細(xì)胞分開(kāi)，NIH研制微型芯片反應(yīng)器可以很快地完成一系列生化反應(yīng)。

基因芯片技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

科研領(lǐng)域

1998年底美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)將基因芯片技術(shù)列為1998年度自然科學(xué)領(lǐng)域十大進(jìn)展之一，足見(jiàn)其在科學(xué)史上的意義。它以其可同時(shí)、快速、準(zhǔn)確地分析數(shù)以千計(jì)基因組信息的本領(lǐng)而顯示出了巨大的威力。

這些應(yīng)用主要包括基因表達(dá)檢測(cè)、突變檢測(cè)、基因組多態(tài)性分析和基因文庫(kù)作圖以及雜交測(cè)序等方面。采用基因芯片檢測(cè)基因表達(dá)的改變能夠節(jié)省大量的人力物力和財(cái)力，在以前，科學(xué)家不得不重復(fù)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察多個(gè)基因的改變情況，如果采用傳統(tǒng)的方法研究細(xì)胞中的上千個(gè)基因的改變幾乎是不可想象的，因?yàn)楸仨毺崛∈紫忍崛〖?xì)胞的核酸，而且要足夠多以滿足Northern雜交的需要，然后標(biāo)記每一種探針，再分別進(jìn)行雜交檢測(cè)。

而采用基因芯片則可以使工作量成千上萬(wàn)倍地減少，利用基因芯片同時(shí)檢測(cè)了酵母菌中6000個(gè)基因的功能，而斯坦福大學(xué)Patrick Brown領(lǐng)導(dǎo)的科研小組則成果地檢測(cè)了人成纖維細(xì)胞中8600個(gè)基因的表達(dá)改變。基因芯片黑可用于基因測(cè)序，目前美國(guó)人類基因組計(jì)劃正在大力發(fā)展這一技術(shù)爭(zhēng)取能替代目前的自動(dòng)測(cè)序，同現(xiàn)有的手工測(cè)序和自動(dòng)測(cè)序相比，基因芯片測(cè)序能節(jié)省大量的試劑和儀器損耗。在基因表達(dá)檢測(cè)的研究上人們已比較成功地對(duì)多種生物包括擬南芥、酵母及人的基因組表達(dá)情況進(jìn)行了研究。

實(shí)踐證明基因芯片技術(shù)也可用于核酸突變的檢測(cè)及基因組多態(tài)性的分析，與常規(guī)測(cè)序結(jié)果一致性達(dá)到98%等的突變檢測(cè)，對(duì)人類基因組單核苷酸多態(tài)性的鑒定、作圖和分型、人線粒體基因組多態(tài)性的研究等。將生物傳感器與芯片技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)改變探針陣列區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)證明可以檢測(cè)到基因的單堿基突變，通過(guò)確定重疊克隆的次序從而對(duì)酵母基因組進(jìn)行作圖。

雜交測(cè)序是基因芯片技術(shù)的另一重要應(yīng)用。該測(cè)序技術(shù)理論上不失為一種高效可行的測(cè)序方法，但需通過(guò)大量重疊序列探針與目的分子的雜交方可推導(dǎo)出目的核酸分子的序列，所以需要制作大量的探針。基因芯片技術(shù)可以比較容易地合成并固定大量核酸分子，所以它的問(wèn)世無(wú)疑為雜交測(cè)序提供了實(shí)踐的可能性。

生物制藥領(lǐng)域

各大藥廠和生物技術(shù)公司將會(huì)使用基因芯片發(fā)現(xiàn)篩選新藥等。采用基因芯片技術(shù)，可以大大加快人類基因組計(jì)劃的工作進(jìn)度，例如用于基因測(cè)序、基因表達(dá)檢測(cè)和新的遺傳標(biāo)志如SNP定位等，這對(duì)尋找新的功能基因、尋找新的藥物作用靶點(diǎn)和開(kāi)發(fā)新的基因藥物具有重要意義。采用基因芯片可以進(jìn)行超乎以前想象的工作量來(lái)檢測(cè)不同物種、不同組織、不同病種、不同處理?xiàng)l件下的基因表達(dá)改變，從而知道開(kāi)發(fā)具有不同用途的的診斷試劑盒。新藥在實(shí)驗(yàn)階段必須通過(guò)人體安全性實(shí)驗(yàn)，就必須觀察藥物對(duì)人基因表達(dá)的影響，由于并不知道藥物對(duì)那一種基因起作用，就必須對(duì)已知所有或一定范圍內(nèi)的基因表達(dá)都進(jìn)行檢測(cè)，采用基因芯片可以迅速而準(zhǔn)確地完成這一任務(wù)，美國(guó)Tularick公司曾開(kāi)發(fā)出一種用于新藥，能夠顯著地降低低密度脂蛋白-一種能引起血管硬化的物質(zhì)，隨后Tularick公司的科研人員采用Syntini公司的基因芯片研究了這種新藥對(duì)人體細(xì)胞基因表達(dá)的影響，發(fā)現(xiàn)它能顯著地改變細(xì)胞的基因表達(dá)圖譜，十分類似有又一種毒性反應(yīng)，Tularick公司只好終止了這種藥物的研發(fā)，由此公司節(jié)省了大量的投資。

醫(yī)學(xué)診斷

1、在優(yōu)生方面，目前知道有600多種遺傳疾病與基因有關(guān)。婦女在妊娠早期用DNA芯片做基因診斷，可以避免許多遺傳疾病的發(fā)生。

2、在疾病診斷方面，由于大部分疾病與基因有關(guān)，而且往往與多基因有關(guān)，因而，利用DNA芯片可以尋找基因與疾病的相關(guān)性，從而研制出相應(yīng)的藥物和提出新的治療方法。DNA芯片的高密度信息量和并行處理器的優(yōu)點(diǎn)不僅使多基因分析成為可能，而且保證了診斷的高效、廉價(jià)、快速和簡(jiǎn)便。

3、應(yīng)用于器官移植、組織移植、細(xì)胞移植方面的基因配型，如HLA分型。

4、病原體診斷，如細(xì)菌和病毒鑒定、耐藥基因的鑒定。

5、在環(huán)境對(duì)人體的影響方面，已知花粉過(guò)敏等人體對(duì)環(huán)境的反應(yīng)都與基因有關(guān)。若對(duì)與環(huán)境污染相關(guān)的200多個(gè)基因進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，將對(duì)生態(tài)環(huán)境控制及人類健康有重要意義。

6、在法醫(yī)學(xué)方面，DNA芯片比早先的DNA指紋鑒定更進(jìn)一步，它不僅可做基因鑒定，而且可以通過(guò)DNA中包含的生命信息描繪生命體的臉型長(zhǎng)相外貌特征。這種檢驗(yàn)常用于災(zāi)難事故后鑒定尸體身份以及鑒定父母和子女之間的血緣關(guān)系。

由此可見(jiàn)，利用DNA芯片可以快速高效地獲取空前規(guī)模的生命信息，這一特征將使DNA芯片技術(shù)成為今后科學(xué)探索和醫(yī)學(xué)診斷等諸多方面的革命性的新方法、新工具。