基因芯片又稱(chēng)DNA芯片或DNA微陣列，包括寡核苷酸芯片和cDNA芯片兩大類(lèi)?；蛐酒巧镄酒凶罨A(chǔ)，也是研究開(kāi)發(fā)最早、最為成熟和目前應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。主要應(yīng)用在基因表達(dá)檢測(cè)、尋找新基因、雜交測(cè)序、基因突變和多態(tài)性分析以及基因文庫(kù)作圖等方面。

基因芯片的理論基礎(chǔ)是雜交測(cè)序，即利用核酸雜交的原理檢測(cè)未知分子。在硅片、玻片等固相載體上按特定排列方式固定大量核酸探針或基因片段，與標(biāo)記的待檢樣品進(jìn)行雜交，通過(guò)檢測(cè)標(biāo)記物信號(hào)得到雜交結(jié)果，利用計(jì)算機(jī)分析從而獲得大量生物信息。

1、樣品的處理和標(biāo)記

(1)樣品處理：生物樣品往往是非常復(fù)雜的生物分子混合體，除少數(shù)特殊樣品外，一般不能直接與芯片反應(yīng)，必須將樣品進(jìn)行生物處理。如RNA樣品通常需要首先逆轉(zhuǎn)錄成cDNA，并進(jìn)行標(biāo)記后才可進(jìn)行檢測(cè)；從血液或活組織中獲取的DNA/mRNA樣品在標(biāo)記成為探針以前，必須擴(kuò)增以提高閱讀靈敏度。除了檢測(cè)前對(duì)樣品分子的放大外，通常仍需要有高靈敏度的檢測(cè)設(shè)備來(lái)采集、處理和解析生物信息。

(2)標(biāo)記：根據(jù)樣品來(lái)源、基因含量、檢測(cè)方法和分析目的的不同，采用的基因分離、擴(kuò)增及標(biāo)記方法各異。為了獲得基因的雜交信號(hào)，必須對(duì)目的基因進(jìn)行標(biāo)記。標(biāo)記方法有同位素標(biāo)記法、生物素標(biāo)記法、熒光標(biāo)記法等，不同方法各有利弊。

2、雜交反應(yīng)

雜交是DNA芯片技術(shù)中除DNA陣列構(gòu)建外最重要的一步，復(fù)雜程度和具體條件的控制可根據(jù)探針的類(lèi)型、長(zhǎng)度以及研究目的進(jìn)行選擇。如用于基因表達(dá)檢測(cè)，雜交時(shí)需要高鹽濃度、樣品濃度高、低溫和長(zhǎng)時(shí)間(往往要求過(guò)夜)，但嚴(yán)謹(jǐn)性要求則比較低，這有利于增加檢測(cè)的特異性和低拷貝基因檢測(cè)的靈敏度；若用于突變檢測(cè)，要鑒別出單堿基錯(cuò)配，故需要在短時(shí)間內(nèi)(幾小時(shí))、低鹽、高溫條件下進(jìn)行高嚴(yán)謹(jǐn)性雜交。多態(tài)性分析或者基因測(cè)序時(shí)，每個(gè)核苷酸或突變位點(diǎn)都必須檢測(cè)出來(lái)，通常設(shè)計(jì)出一套4種寡聚核苷酸，在靶序列上跨越每個(gè)位點(diǎn)，只在中央位點(diǎn)堿基有所不同，根據(jù)每套探針在某一特點(diǎn)位點(diǎn)的雜交嚴(yán)謹(jǐn)程度，即可測(cè)定出該堿基的種類(lèi)。

3、信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析

(1)信號(hào)檢測(cè)：基因芯片在與熒光標(biāo)記的目標(biāo)DNA或RNA雜交后，必須用信號(hào)檢測(cè)裝置將芯片測(cè)定結(jié)果轉(zhuǎn)變成可供分析處理的圖像數(shù)據(jù)，這便是芯片的掃描測(cè)定步驟，由芯片掃描儀來(lái)完成。目前大部分生物芯片采用熒光染料標(biāo)記。專(zhuān)用于熒光掃描的掃描儀有激光共聚焦掃描儀和電荷偶合裝置芯片掃描儀。

(2)數(shù)據(jù)分析：數(shù)據(jù)分析簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是對(duì)芯片高密度雜交點(diǎn)陣進(jìn)行圖像處理，并從中提取雜交點(diǎn)的熒光強(qiáng)度信號(hào)進(jìn)行定量分析，通過(guò)有效數(shù)據(jù)的篩選和相關(guān)基因表達(dá)譜的聚類(lèi)，最終整合雜交點(diǎn)的生物學(xué)信息，發(fā)現(xiàn)基因的表達(dá)譜與功能可能存在的聯(lián)系。芯片數(shù)據(jù)分析主要包括圖像分析、標(biāo)準(zhǔn)化處理、Ratio值分析、基因聚類(lèi)分析。

四、蛋白質(zhì)芯片

蛋白質(zhì)芯片又稱(chēng)蛋白質(zhì)微陣列，也有人稱(chēng)之為肽芯片，是一種高通量、微型化和自動(dòng)化的研究蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA或RNA、蛋白質(zhì)和小分子等相互作用的技術(shù)方法。它是繼基因芯片之后又一項(xiàng)對(duì)人類(lèi)健康具有重大應(yīng)用價(jià)值的生物芯片。蛋白質(zhì)芯片技術(shù)是指把制備好的已知蛋白質(zhì)樣品(如酶、抗原、抗體、受體、配體、細(xì)胞因子等)固定于經(jīng)化學(xué)修飾的玻璃片、硅片等載體上，蛋白質(zhì)與載體表面結(jié)合，同時(shí)仍保留蛋白質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)這些分子的特性，通過(guò)蛋白質(zhì)芯片技術(shù)可以高效地大規(guī)模捕獲能與之特異性結(jié)合的待測(cè)蛋白質(zhì)，經(jīng)洗滌、純化后，再進(jìn)行確認(rèn)和生化分析。它為獲得重要生命信息(如未知蛋白質(zhì)的組分、序列、生化特性、污染物的檢測(cè)等)提供有力的技術(shù)支持，也是蛋白質(zhì)組研究的重要手段。

目前，蛋白質(zhì)芯片的種類(lèi)很多，主要有蛋白質(zhì)微陣列、微孔板蛋白質(zhì)芯片、三維凝膠塊芯片以及分子掃描技術(shù)或質(zhì)譜成像法。這里主要介紹蛋白質(zhì)微陣列。

1、蛋白質(zhì)微陣列的原理

蛋白質(zhì)微陣列是較為常用的一種蛋白質(zhì)芯片，類(lèi)似于較早出現(xiàn)的基因芯片，即在固相支持物表面高密度地排列探針蛋白質(zhì)(最常用的探針蛋白質(zhì)是抗體)，可特異性地捕獲樣品中的靶分子，利用CCD(charge-cottpled device)照相技術(shù)與激光掃描系統(tǒng)獲取陣列圖像，最后利用專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)軟件包進(jìn)行圖像分析、結(jié)果定量和解釋。另外還可以利用表面增強(qiáng)激光解析離子化一飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)(SELDI—TOF-MS)將靶蛋白離子化，然后直接分析靶蛋白質(zhì)的分子量以及相對(duì)含量。具體方法有直接檢測(cè)模式和間接檢測(cè)模式，前者是將樣品中蛋白質(zhì)預(yù)先用熒光素或同位素標(biāo)記，結(jié)合到芯片上的蛋白質(zhì)就會(huì)發(fā)出特定的信號(hào)；后者則采用的是標(biāo)記第二抗體分子，其原理和操作過(guò)程類(lèi)似于ELISA方法。這種以陣列為基礎(chǔ)的芯片檢測(cè)技術(shù)操作簡(jiǎn)便、成本低廉、結(jié)果重復(fù)性較好，并能很快獲得測(cè)試結(jié)果。用于蛋白質(zhì)組研究的蛋白質(zhì)微陣列可對(duì)靶蛋白進(jìn)行定性或定量分析(如圖3—23)。就應(yīng)用前景來(lái)說(shuō)，這種芯片具有更大的潛力。

2、樣品檢測(cè)和結(jié)果分析

芯片的檢測(cè)過(guò)程即生物分子的特異結(jié)合或識(shí)別的過(guò)程，芯片上的生物分子間的反應(yīng)是芯片檢測(cè)的關(guān)鍵步驟。通過(guò)選擇合適的反應(yīng)條件使生物分子間的反應(yīng)處于最佳狀況，可以減少生物分子之間的錯(cuò)配比例。根據(jù)探針(標(biāo)記樣品)是否與載體上固定的配基進(jìn)行特異性反應(yīng)，可以檢出樣品中是否含有與配基特異性相互作用的分子，并能鑒定其組分。反應(yīng)時(shí)可直接加樣品于固定配基的芯片上；或?qū)悠吠ㄟ^(guò)特殊通路進(jìn)入反應(yīng)池；也可在芯片反應(yīng)池(通常直徑數(shù)十微米至數(shù)百微米)周?chē)瞥删郾０纺z，樣品經(jīng)電泳后進(jìn)入反應(yīng)池，其優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)去除了未結(jié)合的分子。

目前，對(duì)于吸附到蛋白質(zhì)芯片表面的靶蛋白的檢測(cè)方式主要市兩種：一種為蛋白質(zhì)標(biāo)記法，即樣品中的蛋白質(zhì)預(yù)先用熒光物質(zhì)或同位素等標(biāo)記，結(jié)合到芯片上的蛋白質(zhì)就會(huì)發(fā)出特定的信號(hào)，用CCD照相技術(shù)及激光掃描系統(tǒng)等對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，包括酶聯(lián)顯色、放射性核素放射自顯影顯色、熒光顯色等；另一種是以質(zhì)譜技術(shù)為基礎(chǔ)的直接檢測(cè)法，如表面增強(qiáng)激光解析離子化一飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)(SELDI-TOF-MS)。

五、生物芯片技術(shù)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

1、應(yīng)用生物芯片技術(shù)檢測(cè)轉(zhuǎn)基因食品

生物芯片是轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)的新方法。目前對(duì)于轉(zhuǎn)基因食品的檢測(cè)，先是檢測(cè)用于制造該食品的植物、動(dòng)物性原料是不是轉(zhuǎn)基因的。這類(lèi)方法和目前已知的同類(lèi)PCR法相比，除操作簡(jiǎn)便、快速、結(jié)果準(zhǔn)確外，還具有高通量的特性，解決了轉(zhuǎn)基因檢測(cè)中樣品核酸制備中的困難，同時(shí)可降低檢測(cè)成本和所需時(shí)間，這是轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)的發(fā)展方向之一。

2、生物芯片在營(yíng)養(yǎng)與食品化學(xué)、生物安全性檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

(1)生物芯片技術(shù)在營(yíng)養(yǎng)研究領(lǐng)域的應(yīng)用：生物芯片技術(shù)在營(yíng)養(yǎng)研究領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用，近年來(lái)，在肥胖研究中，人們發(fā)現(xiàn)了與營(yíng)養(yǎng)及肥胖有關(guān)的蛋白和基因，如瘦素、神經(jīng)肽Y、增食因子、黑色素皮質(zhì)素、載脂蛋白、非偶聯(lián)蛋白等。采用生物芯片技術(shù)研究營(yíng)養(yǎng)素與蛋白和基因表達(dá)的關(guān)系，將為揭示肥胖的發(fā)生機(jī)理及預(yù)防打下基礎(chǔ)。此外，還可以利用生物芯片技術(shù)研究金屬硫蛋白(金屬硫蛋白基因)及鋅轉(zhuǎn)運(yùn)體基因等與鋅等微量元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與分布的關(guān)系；視黃醇受體(視黃醇受體基因)與維生素A的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝的關(guān)系等。

(2)生物芯片在食品化學(xué)、生物安全性檢測(cè)方面的應(yīng)用：目前，食品營(yíng)養(yǎng)成分的分析，食品中有毒、有害化學(xué)物質(zhì)(農(nóng)藥、化肥、重金屬、激素等)的分析、檢測(cè)，食品中污染的致病微生物的檢測(cè)，食品中生物毒素(細(xì)菌毒素、真菌毒素)的檢測(cè)等大量的監(jiān)督檢測(cè)工作幾乎都可以用生物芯片來(lái)完成。

參考資料：食品檢測(cè)技術(shù)

相關(guān)鏈接：

現(xiàn)代食品檢測(cè)技術(shù)之分子生物學(xué)技術(shù)（一）