bsp;21光学检测
光学检测的优点在于不需要检测装置直接与被测物质接触，但是可能会由于微通道的少量吸收产生干扰，因而需要较短的光路。因此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。三维芯片的荧光检测同二维芯片的荧光检测方法非常相似，这里就不作过多介绍。最近光吸收检测方法也有了长足的发展，各种辅助结构被置于微通道中以增加光吸收光路的长度。但是，这也增加了微芯片结构设计的难度。使用光吸收检测装置可以大大扩展微芯片样品的范围，而不仅仅限于荧光物质。传统的光学检测装置一般都比较庞大，不可能整合到三维芯片当中。但是由于光电子学的巨大发展，各种发光管和光电接收装置的微型化，使光学检测整合到芯片内部成为可能，这也是整个芯片真正演变为所谓的微全分析系统。由于现在的微光电装置的精度还不可能太高，而且价格也相当昂贵，所以真正用于三维芯片检测的还为数不多。
22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。这种芯片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中，几乎不需要别的外围辅助设备。电化学检测存在的最大问题是如何避免检测电路和芯片控制电路之间互相干扰。
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。基因芯片的用途有很多，例如基因诊断、基因测序、基因表达谱、药物筛选等等。顾名思义，芯片实验室就是在一个整合的芯片上面可以完成通常生化试验室才能进行的全部生化反应和生化检测。实际上这是一个相当困难的目标，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、cr芯片、dna微阵列芯片等等。现在生物芯片的研究范围非常广泛，所取得的成果也非常多，也有很多综述文章，本文就仅举一些最新的研究成果作为例子。
31基因芯片
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方法。它可以确定给定细胞系在特定时间和特定条件下的表达情况，可以比较在不同细胞系或者组织样本中的基因表达差异。比如比较健康和致病基因，细胞循环不同阶段或者胚胎发育时期的基因表达。
基因芯片是现在使用最为广泛的生物芯片。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。例如斯坦福大学的stuart等人就利用基因芯片研究了caenorhabditiselegans的基因表达谱。基因表达谱的方法也可以用于肿瘤耐药性的研究。耐药性是临床肿瘤治疗中常见的问题，严重影响治疗效果，探讨其发生的遗传分子机制，对指导临床用药及新药开发具有重要意义。本中心汪进等人用人cdna文库制备的含一万个基因的高密度芯片，比较了两组耐药细胞株及其药敏母细胞株(长春新硷诱导的多药耐药细胞株kbv1与药敏母细胞株kb31，阿霉素诱导的多药耐药细胞株heg2dr与药敏母细胞株heg2)基因表达的差异，显示耐药细胞株存在gl，abcb4，cga及id1等10余个基因表达的显著上调，northern杂交结果也支持了芯片发现。随着耐药基因网络途径的完善和新的耐药靶基因的发现，基因芯片研究可用于新药的筛选和对特定肿瘤患者进行药物敏感性分型及基因和药物治疗具有重要意义。
cdna基因芯片还广泛用于癌症研究。例如相同疾病阶段的乳腺癌患者对同一治疗方案的效果可能明显不同，很难根据临床表现准确区分其中的差异。荷兰癌症研究所的科学家利用基因芯片分析了117个早期乳腺癌患者的基因表达情况，发现了控制癌症转移的基因。这一结果提供了对病人进行选择性治疗的新方法。美国的oroy等人也利用类似的方法进行了中枢神经系统胚胎瘤的研究。
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。利用探针长度为20碱基的寡核苷酸基因芯片，霍普金斯大学的ooi等人研究了酵母基因组，筛选出了非同源末端连接(，nhej)途径的组成基因。用类似的方法，华盛顿大学的raghuraan等人研究了出芽酵母saharoycescerevisiae染色体复制的详细拓扑图谱。寡核苷酸基因芯片最常用于诊断分析，现在较常用于地中海贫血、肺结核等疾病的诊断。地中海贫血是比较常见的一种遗传疾病，分为a和β两种亚型。它们是由于a和β球蛋白基因突变导致血细胞中a和β球蛋白减少甚至完全抑制。以β亚型为例，人类的b球蛋白基因位于染色体上，由β，δ，gγ，aγ，e等五个活性基因和一个无活性的假基因Ψβ1构成。多种基因突变都可以引起β型地中海贫血。在南中国地区，五个等位基因(密码子4142，ivsii654，tata框28，密码子17和密码子7172)突变引起的β型地中海贫血比较常见。利用寡核苷酸芯片，可以同时检测是否有这五种基因缺陷。与传统方法相比，这种检测方法可以更精确快速地进行地中海贫血的检测。
32蛋白芯片和其它微阵列芯片
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、和其它小分子阵列芯片等等。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。最近耶鲁大学的zhuheng等人就利用5800个探针的蛋白芯片研究了酵母的蛋白组。现在，其它微阵列芯片也得到了快速的发展，香港大学的关新元等人利用组织芯片技术，采用免疫组化方法检测cycld1在鼻咽癌旁粘膜上皮单纯性增生／化生、异型增生／化生和鼻咽癌的蛋白质表达，阳性表达率分别为300％(3／10)、900％(18／20)和629％(39／62)，其中在异型增生／化生中呈“一过性增高”。哈佛大学生物物理系的kuruvil等人最近利用有小分子微阵列芯片测定了3，780个小分子与荧光标记的蛋白ure2的相互作用，鉴定了几种小分子能够与ure2相结合。并且发现其中uretuae的小分子可以特异性地激活ure2下游的葡萄糖敏感的转录途径。这一结果提出了一种检测与特定蛋白结合的小分子的方法，可以找到那些调节蛋白特异功能的小分子。美国发明了一种表达特定cdna的细胞阵列芯片。这种方法可以同时分析很多基因产物的功能。现在玻璃载片表面的特定位置点上不同的dna片段。然后在其上培养哺乳动物细胞。细胞获取dna，在非转染的细胞群落中产生局部转染的细胞群。通过设计互补的dna序列克隆到表达载体上，细胞在特定的位置表达特异的dna。这种芯片可以用于药物筛选，也可以检测不同dna表达产物对细胞的影响。
4生物芯片的发展前景
技术进展与市场动态，生物芯片是一个新兴的科学领域，具有良好的发展前景。现在生物芯片主要向以下几个方向发展。一是产业化。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。现在很多公司已经推出各种不同种类的基因芯片。而且相关其产业，如点样设备，检测设备也有重要的价值。现在成本是束缚产业化的一个关键的因素。
二是微型化。由于微加工技术，生物芯片的尺寸范围已经从微米尺寸向纳米尺寸发展。例如在硅片上刻制的纳米尺寸的微结构阵列，可以完成生物大分子如dna的筛选。但是，由于细胞等生物样品本身尺寸的限制，生物芯片的微型化不是无限的。
三是集成化。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。集成方面，目前已有了一些进展，并且得到了一批初步成果。
四是信息化。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大量数据。如何从如此众多错综复杂的数据中得到真正有用的信息是一个相当烦琐的t作。生物信息技术的发展是解决这一问题的唯一途径。
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。上个世纪90年代以来，生物芯片的研究已有了巨大的发展，越来越多的研究机构和企业投入了这一领域。但是，这毕竟是一门新的学科，总体来说还是处于起步阶段。很多相关技术仍然制约着生物芯片技术的快速发展。例如微加工技术，如何加工更复杂、更精密而且成本低的芯片是芯片技术的一个瓶颈。微电子技术和检测技术也在很大程度上限制了芯片的集成化。但是，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科学仪器市场，成为未来生物医学检测的主要工具。
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生物芯片技术的现状和发展前景[2/2页]