DNA微陣列是生物芯片的一種，是生命科學(xué)領(lǐng)域里興起的一項(xiàng)高新技術(shù)，也就是基因芯片技術(shù)。它集成了微電子制造、激光掃描、分子生物學(xué)等先進(jìn)技術(shù)?；蛐酒夹g(shù)有多種，下面將介紹多種基因芯片技術(shù)的介紹和對比。

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，通過克隆鑒定、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。

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

基因芯片選用了不易產(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)增和雜交后檢測信號的擴(kuò)張，極大地提高了檢測的靈敏度，可以檢測出1個細(xì)胞中低至1個拷貝的靶基因，從而使檢測所需的樣品量大幅度減少，一般只需要10～20μL樣品。

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

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)萬至數(shù)十萬的探針，可對樣品中數(shù)量巨大的相關(guān)基因，甚至整個基因組及信息進(jìn)行同步檢測和分析。

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

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序列測定、突變檢測、SNP分析等；其缺點(diǎn)是合成寡核苷酸的長度有限，因而特異性較差，而且隨著長度的增加，合成錯誤率增加。寡核苷酸芯片也可通過預(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)突變檢測和測序，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：載體材料可分為無機(jī)材料和有機(jī)材料兩種，無機(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，檢測的方法主要是用放射性同位素的方法，檢測的結(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。

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。

原味打印合成

此原理與油墨打印類似，不過芯片噴印頭和墨盒有多個，墨盒中裝的是四種堿基的液體而不是碳粉，噴印頭可在整個芯片上移動，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。

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，這個過程反復(fù)進(jìn)行直至合成完畢。這個方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是在一個較小的區(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，制造過程中采用光脫保護(hù)方法，掩蓋物孔徑較小時會發(fā)生光衍射現(xiàn)象，制約了探針密度的進(jìn)一步提高。

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)。

點(diǎn)樣法

與原位合成法比較，點(diǎn)樣法較為簡單，只需將預(yù)先制備好的寡核苷酸或cDNA等樣品通過自動點(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；而且可以通過調(diào)節(jié)探針的濃度使不同堿基組成的探針雜交信號一致，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程中，樣品浪費(fèi)較為嚴(yán)重，對寡核苷酸的化學(xué)修飾也會增加合成成本，而且芯片制備前需要儲存大量樣品。

微電子基因芯片

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，每個陣列含有多個微電極，在每個電極上通過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，可大大縮短分析時間，但制備復(fù)雜、成本高。

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個微小的聚乙烯酰胺凝膠條，每個凝膠條可用于靶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。

流過式芯片

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。從待檢測樣品中分離DNA或RNA，并對其進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后該樣品流過芯片，固定的寡氨基酸探針捕獲與之相互補(bǔ)的核酸，再用信號檢測系統(tǒng)分析結(jié)果。其特點(diǎn)是敏感度高、速度快、價(jià)格較低。

微電子芯片

無論在芯片制造或成品芯片檢測，均可通過相似微電極的電場變化來使核酸結(jié)合，引入“電子嚴(yán)謹(jǐn)度”參數(shù)使芯片檢測通過靶、探針序列特征和使用者要求來控制雜交過程中的嚴(yán)格性。Nanogen開發(fā)了多位點(diǎn)電控陣列并含獨(dú)立可尋址檢測區(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。這種微電子基因芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 電場定位過程能選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)帶電荷DNA分子，通過每個微電極位點(diǎn)的電場正負(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。

2) 通過電子嚴(yán)謹(jǐn)度可有效地控制雜交過程中的錯配度，雜交錯配的程度，對不同的要求上要給以不同的電場就可以符合不同的電子嚴(yán)謹(jǐn)度，這對核酸雜交嚴(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。

3) 通過電場變化能加快DNA雜交速率，通過導(dǎo)入正電場后，可以大大加快待測核酸同已知探針的結(jié)合速率，減少了雜交反應(yīng)時間，同普通的“被動”雜交反應(yīng)的幾小時相比，這種“主動”雜交反應(yīng)僅僅幾秒鐘就可完成。另外電場變化又可有效地去除未結(jié)合游離分子，減少未結(jié)合熒光信號干擾。

光引導(dǎo)原位合成技術(shù)生產(chǎn)寡聚核苷酸微陣列

開發(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)過程同電子芯片的生產(chǎn)過程十分相似。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厘米多見方的片基上排列幾百萬個寡聚核苷酸探針。

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。

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分子大小種類的限制，能夠靈活機(jī)動地根據(jù)使用者的要求制作出符合目的的芯片。由于同時有生產(chǎn)和檢測儀器出售，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)國內(nèi)將會有一定的市場。生產(chǎn)這種設(shè)備的公司有很多，象美國的Genomicsolutions公司、英國的BioRobotics公司、美國的Cartesian公司和加拿大的Engineering公司等。

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)是通過高分辨率注射器泵和微螺線管閥門有機(jī)結(jié)合起來精確控制滴液的。

對于微量點(diǎn)樣技術(shù)生產(chǎn)的基因芯片來說從儀器組成上可以分為點(diǎn)樣儀器、雜交裝置、檢測儀器和分析儀器，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)使用者的目的來決定，而且還要考慮到隨后的雜交和檢測過程。衡量點(diǎn)樣裝置有幾個比較重要的指標(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。

檢測儀器也是一個重要的限制條件，如果檢測儀器的分辨率不高，那么即使點(diǎn)樣儀器制造出了很高密度的芯片也沒有用，對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，以便于對高密度探針陣列每個位點(diǎn)的熒光強(qiáng)度進(jìn)行定量分析。因?yàn)樘结樑c樣品完全正常配對時所產(chǎn)生的熒光信號強(qiáng)度是具有單個或兩個錯配堿基探針的5-35倍，所以對熒光信號強(qiáng)度精確測定是實(shí)現(xiàn)檢測特異性的基礎(chǔ)。

分析儀器從硬件上說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)行簡單的檢測或科學(xué)實(shí)驗(yàn)，待測樣品所要分析的基因很少很簡單，采用直觀的觀察就可以得出結(jié)論，但對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。

其他技術(shù)

主要是美國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2英寸的芯片上集成了144個微室，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，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)。