基因芯片技術的基本原理

基因芯片又稱DNA芯片或DNA微陣列。其原理是將大量具有特定序列的探針分子密集有序地固定在矽片、載玻片、硝酸纖維素膜等載體上。經過相應的處理後，再加入標記好的待測樣品進行多重雜交，通過雜交信號的強度和分布來分析目標分子的存在、數量和序列，從而獲得待測樣品的遺傳信息。其工作原理與經典的核酸分子雜交壹致，如Southern印跡雜交和Northern印跡雜交，利用已知的核酸序列與互補的靶序列雜交，根據雜交信號進行定性和定量分析。經典的雜交方法是固定靶序列，而基因芯片技術是固定已知探針，所以基因芯片可以理解為反向雜交。基因芯片可以同時並行分析數萬個基因，進行高通篩查和檢測分析，克服了傳統核酸印跡雜交技術操作復雜、自動化程度低、檢測目標分子數量少等缺點。根據使用的探針類型，基因芯片可以分為cDNA芯片和寡核苷酸芯片。根據檢測目的可分為表達譜芯片和單核苷酸多態性(SNP)芯片。隨著芯片技術在其他生命科學領域的延伸，基因芯片的概念已經推廣到生物芯片，包括基因芯片、蛋白質芯片、糖芯片、細胞芯片、流式芯片、組織芯片和片上實驗室。

芯片基板可用的材料有載玻片、矽片、陶瓷片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜、尼龍膜，其中以載玻片最常用。為了保證探針穩定地固定在載體表面，需要對載體表面進行多聚賴氨酸、醛基、氨基、巰基、瓊脂糖包被或丙烯酰胺矽烷化等修飾，使載體形成生物特異性親和表面。最後，將制備的探針固定在活化的基底上。目前有兩種方法:原位合成法和合成後微量取樣法。根據芯片中使用的標記物不同，相應的信號檢測方法有放射性核素法、生物素法和熒光染料法。目前，在以玻璃為載體的芯片上廣泛使用的是熒光法。相應的熒光檢測裝置包括激光共聚焦顯微鏡、電荷耦合器件(CCD)、激光掃描熒光顯微鏡和激光共聚焦掃描儀。其中激光共聚焦掃描儀已經發展成為基因芯片的配套檢測系統。芯片掃描提取雜交信號後，在數據分析前，要扣除背景信號，並對數據進行核對、標準化和校正，消除不同實驗系統的誤差。對於簡單的檢測或科學實驗，由於待分析的基因數量較少，我們可以通過直接觀察得出結論。如果涉及大量基因，特別是在分析表達譜時，需要運用統計學和生物信息學的知識進行深入系統的分析，如主成分分析、系統聚類分析、判別分析和調控網絡分析等。芯片數據分析的結束並不意味著芯片實驗的完成。由於基因芯片獲得的信息量大，需要建立壹個通用的數據存儲和交換平臺，將各個實驗室獲得的實驗結果匯總起來，形成共享的基因芯片數據庫，以便於數據交換和結果評估。