基因芯片(gene chip)的原型是80年代中期提出的。基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法。

　　如上图：在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针。当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。据此可重组出靶核酸的序列。

　　基因芯片原理——原理

　　利用杂交的原理，即DNA根据碱基配对原则，在常温下和中性条件下形成双链DNA分子，但在高温、碱性或有机溶剂等条件下，双螺旋之间的氢键断裂，双螺旋解开，形成单链分子(称为DNA变性，DNA变性时的温度称Tm值)。变性的DNA黏度下降，沉降速度增加，浮力上升，紫外吸收增加。当消除变性条件后，变性DNA两条互补链可以重新结合，恢复原来的双螺旋结构，这一过程称为复性。复性后的DNA，其理化性质能得到恢复。

　　利用DNA这一重要理化特性，将两个以上不同来源的多核苷酸链之间由于互补性而使它们在复性过程中形成异源杂合分子的过程称为杂交(hydridization)。杂交体中的分子不是来自同一个二聚体分子。由于温度比其他变性方法更容易控制，当双链的核酸在高于其变性温度(Tm值)时，解螺旋成单链分子;当温度降到低于Tm值时，单链分子根据碱基的配对原则再度复性成双链分子。因此通常利用温度的变化使DNA在变性和复性的过程中进行核酸杂交。

　　核酸分子单链之间有互补的碱基顺序.通过碱基对之间非共价键的形成即出现稳定的双链区，这是核酸分子杂交的基础。杂交分子的形成并不要求两条单链的碱基顺序完全互补，所以不同来源的核酸单链彼此之间只要有一定程度的互补/顷序就可以形成杂交双链，分子杂交可在DNA与DNA、RNA与RNA或RNA与DNA的两条单链之间。利用分子杂交这一特性，先将杂交链中的一条用某种可以检测的方式进行标记，再与另一种核酸(待测样本)进行分子杂交，然后对待测核酸序列进行定性或定量检测，分析待测样本中是否存在该基因或该基因的表达有无变化。通常称被检测的核酸为靶序列(target)，用于探测靶DNA的互补序列被称为探针(probe)。在传统杂交技术如DNA印迹(Southern bloting)和RNA印迹(Northern bloting)中通常标记探针，被称为正向杂交方法;而基因芯片通常采用反向杂交方法，即将多个探针分子点在芯片上，样本的核酸靶标进行标记后与芯片进行杂交。这样的优点是同时可以研究成千上万的靶标甚至全基因组作为靶序列。

　　具体地讲，利用核酸的杂交原理，基因芯片可以实现两大类的检测：RNA水平的大规模基因表达谱的研究和检测DNA的结构及组成。

　　基因芯片原理——类型

　　基因芯片又称为DNA微阵列(DNA microarray)，可分为三种主要类型：

　　Ⅰ 固定在聚合物基片(尼龙膜，硝酸纤维膜等)表面上的核酸探针或cDNA片段，通常用同位素标记的靶基因与其杂交，通过放射显影技术进行检测。这种方法的优点是所需检测设备与目前分子生物学所用的放射显影技术相一致,相对比较成熟。但芯片上探针密度不高，样品和试剂的需求量大，定量检测存在较多问题。

　　Ⅱ 用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列，通过与荧光标记的靶基因杂交进行检测。这种方法点阵密度可有较大的提高，各个探针在表面上的结合量也比较一致，但在标准化和批量化生产方面仍有不易克服的困难。

　　Ⅲ 在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核苷酸探针阵列,与荧光标记的靶基因杂交进行检测。该方法把微电子光刻技术与DNA化学合成技术相结合，可以使基因芯片的探针密度大大提高，减少试剂的用量，实现标准化和批量化大规模生产，有着十分重要的发展潜力。

　　它是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。基因芯片通过应用平面微细加工技术和超分子自组装技术，把大量分子检测单元集成在一个微小的固体基片表面，可同时对大量的核酸和蛋白质等生物分子实现高效、快速、低成本的检测和分析。

　　基因芯片原理——应用

　　由于尚未形成主流技术，生物芯片的形式非常多，以基质材料分，有尼龙膜、玻璃片、塑料、硅胶晶片、微型磁珠等;以所检测的生物信号种类分，有核酸、蛋白质、生物组织碎片甚至完整的活细胞;按工作原理分类，有杂交型、合成型、连接型、亲和识别型等。

　　由于生物芯片概念是随着人类基因组的发展一起建立起来的，所以至今为止生物信号平行分析最成功的形式是以一种尼龙膜为基质的“cDNA阵列”，用于检测生物样品中基因表达谱的改变。

　　生物芯片简单地说，生物芯片就是在一块指甲大小的玻片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果。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。

　　进入二十一世纪，随着生物技术的迅速发展，电子技术和生物技术相结合诞生了半导体芯片的兄弟——生物芯片，这将给我们的生活带来一场深刻的革命。这种革命对于我国，乃至全世界的可持续发展都会起到不可估量的贡献。

　　生物芯片是八十年代末在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它主要是指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。常用的生物芯片分为三大类：即基因芯片、蛋白质芯片和芯片实验室。生物芯片的主要特点是高通量、微型化和自动化。芯片上集成的成千上万的密集排列的分子微阵列，能够在短时间内分析大量的生物分子，使人们快速准确地获取样品中的生物信息，效率是传统检测手段的成百上千倍。它将是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。

　　生物芯片的种类

　　通常的生物化学反应过程包括三步，即样品的制备，生化反应、结果的检测和分析。可将这三步不同步骤集成为不同用途的生物芯片，所以据此可将生物芯片分为不同的类型。例如用于样品制备的生物芯片，生化反应生物芯片及各种检测用生物芯片等。现在，已经有不少的研究人员试图将整个生化检测分析过程缩微到芯片上，形成所谓的“芯片实验室”(Lab-on-chip)。“芯片实验室”通过微细加工工艺制作的微滤器、微反应器、微泵、微阀门、微电极等以实现对生物样品从制备、生化反应到检测和分析的全过程，从而极大地缩短的检测和分析时间，节省了实验材料。

　　样品制备芯片的目的是将通常需要在实验室进行的多个操作步骤集成于微芯片上。目前，样品制备芯片主要通过升温、变压脉冲以及化学裂解等方式对细胞进行破碎，通过微滤器、介电电泳等手段实现生物大分子的分离。

　　生化反应芯片即在芯片上完成生物化学反应。与传统生化反应过程的区别主要在于它可以高效、快速地完成生物化学反应。例如，在芯片上进行PCR反应，可以节约实验试剂，提高反应速度，并可完成多个片段的扩增反应。当前，由于检测和分析的灵敏度所限，通常在对微量核酸样品进行检测时必需事先对其进行一定程度的扩增。所以用于PCR的芯片无疑为快速大量扩增样品多个DNA片段提供了有力的工具。

　　检测芯片顾名思义是用来检测生物样品的。例如用毛细管电泳芯片进行DNA突变的检测，用于表达谱检测、突变分析、多态性测定的DNA微点阵芯片(也称DNA芯片、基因芯片)，用于大量不同蛋白检测和表位分析的蛋白或多肽微点阵芯片(也称蛋白或多肽芯片)。

　　芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。它将样品的制备、生化反应到检测分析的整个过程集约化形成微型分析系统。现在，已经有由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室问世，并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的芯片。例如可以将样品的制备和PCR扩增反应同时完成于一块小小的芯片之上。再如Gene Logic公司设计制造的生物芯片可以从待检样品中分离出DNA或RNA，并对其进行荧光标记，然后当样品流过固定于栅栏状微通道内的寡核苷酸探针时便可捕获与之互补的靶核酸序列。应用其自己开发的检测设备即可实现对杂交结果的检测与分析。这种芯片由于寡核苷酸探针具有较大的吸附表面积，所以可以灵敏地检测到稀有基因的变化。同时，由于该芯片设计的微通道具有浓缩和富集作用，所以可以加速杂交反应，缩短测试时间，从而降低了测试成本。

　　综观生物芯片的发展，检测用生物芯片的发展最为迅猛。目前，检测用生物芯片主要为微点阵技术。

　　一块厘米见方的薄片

　　你的计算机CPU用的是什么芯片?是Intel还是AMD?其实无论是Intel还是AMD，其本质都一样，都属于半导体芯片。进入21世纪，随着生物技术的迅速发展，电子技术和生物技术相结合诞生了半导体芯片的“兄弟”——生物芯片。

　　对于生物芯片，人们可能不像对计算机微处理器——半导体芯片那样熟悉。什么是生物芯片呢?一般说来，生物芯片就是在一块厘米见方的玻璃片、硅片、塑料膜等材料上，通过特殊的表面化学处理连接上相关的生物分子，经过特殊设计的生物化学反应，然后由专用的仪器收集检测信号，再用计算机分析数据结果。生物芯片是微电子学、化学、物理学、信息学和生物学相互交叉形成的一项高新技术。生物芯片技术可以对细胞、DNA、蛋白质等生物组分进行准确、快捷和大信息量的检测分析。生物芯片的模样五花八门，有的和计算机芯片一样规矩、方正，有的是在透明的玻璃或塑料上面点上排排微米级圆点或划了一条条的蛇形细槽，还有的是由一些不同形状头发粗细的管道和针孔大小的腔体，不同结构的微型电子、机械器件紧密排列在一起形成的。

　　半导体芯片和生物芯片都使用了微加工、光学、光刻等类似技术，都把庞大的系统进行了缩微，最后输出的信号都是数字信号。不同点在于：第一，输入的信号不一样。半导体芯片很怕水，接触到水溶液就会短路，而生物芯片恰恰要分析液体，输入其中的可能是血液、尿液、唾液等体液，不会出现短路现象;第二，半导体芯片是永久性固定使用，而生物芯片是一次性使用，并伴随着相应的生物化学反应;第三，从材料上来说，半导体芯片以硅为基本材料，而制备生物芯片使用的材料则比较广泛，除了硅，还可以使用玻璃、塑料等其他材料。

　　目前常见的生物芯片分为三类：第一类为微阵列芯片，包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片;第二类为微流控芯片(属于主动式芯片)，包括各类样品制备芯片、聚合酶链反应(PCR)芯片、毛细管电泳芯片和色谱芯片等;第三类为以生物芯片为基础的集成化分析系统(也叫“芯片实验室”，是生物芯片技术的最高境界)。“芯片实验室”可以完成诸如样品制备、试剂输送、生化反应、结果检测、信息处理和传递等一系列复杂工作。这些微型集成化分析系统携带方便，可用于紧急场合、野外操作甚至放在航天器上。