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第5章 生物芯片的分类和特点

生物芯片虽然只有十多年的历史,但包含的种类较多,分类方式和种类也没有完全的统一。

1.根据用途分类

(1)生物电子芯片

用于生物计算机等生物电子产品的制造。

(2)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的检测。

前一类目前在技术和应用上很不成熟,一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。

2.根据作用方式分类

(1)主动式芯片

主动式芯片是指把生物实验中的样本处理纯化、反应标记及检测等多个实验步骤进行集成,通过一步反应就可主动完成。其特点是快速、操作简单,因此有人又将它称为功能生物芯片。它主要包括微流体芯片(microftuidic chip)和缩微芯片实验室(lab on chip,也叫“芯片实验室”,目前是生物芯片技术的高境界)。

(2)被动式芯片

被动式芯片即各种微阵列芯片,是指把生物实验中的多个实验集成,但操作步骤不变。其特点是高度的并行性,目前的大部分芯片属于此类。由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息,最终通过生物信息学进行数据挖掘分析,因此这类芯片又称为信息生物芯片,包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。

3.根据固定在载体上的物质成分分类

(1)基因芯片

基因芯片(gene chip)又称DNA芯片(DNA chip)或DNA微阵列(DNA microarray),是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。

(2)蛋白质芯片

蛋白质芯片(protein chip或protein microarray)是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按微阵列方式固定在微型载体上获得。

(3)细胞芯片

细胞芯片(cell chip)是将细胞按照特定的方式固定在载体上,用来检测细胞间的相互影响或相互作用。

(4)组织芯片

组织芯片(tissue chip)是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上,用来进行免疫组织化学等组织内成分差异研究。

4.生物芯片的主要特点

高通量。

微型化。

自动化。

载体材料及要求:作为载体必须是固体片状或者膜、表面带有活性基因,以便于连接并有效固定各种生物分子。目前制备芯片的固相材料有玻片、硅片、金属片、尼龙膜等。目前较为常用的支持材料是玻片,因为玻片适合多种合成方法,而且在制备芯片前对玻片的预处理也相对简单易行。

载体种类:玻璃片、PVDF膜、聚丙烯酰氨凝胶、聚苯乙烯微珠、磁性微珠。

生物样品的制备:分离纯化,圹增,获取其中的蛋白质或DNA、RNA,并用荧光标记,才能与芯片进行反应。用DNA芯片做表达谱研究时,通常是将样品先抽提MRNA,然后反转录成CDNA。同时掺入带荧光标记的dCTP或dUTP。

芯片制备方法:包括原位合成和预合成后点样。

原位合成:适用于寡核苷酸,通过光引导蚀刻技术。已有P53、P450,BRCAI/BRCA2等基因突变的基因芯片。

预合成后点样:是将提取或合成好的多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因组DAN等通过特定的高速点样机器人直接点在芯片上。该技术优点在于相对简易低廉,被国内外广泛使用。

接触式点样:是指打印针从多孔板取出样品后直接打印在芯片上。打印时针头与芯片接触。优点是探针密度高,通常1平方厘米可打印2500个探针;缺点是定量准确性及重现性不太好。

非接触式点样:针头与芯片保持一定距离。优点是定量准确重现性好;缺点是喷印的斑点大,密度低。通常1平方厘米只有400点。但是日本佳能公司能把喷印点直径大小由150~100微米降到30~25μm,可将哺乳动物完整的基因组DNA点阵在一张芯片上成为可能。

5.生物芯片的使用寿命

按照美国生物芯片制备标准,使用寿命约为10~15年。

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