生物芯片發(fā)展至今有很多名稱和類型，通常將樣品的制備，生化反應(yīng)、結(jié)果的檢測(cè)和分析這三步不同步驟集成為不同用途的生物芯片，據(jù)此分為不同的類型。例如用于樣品制備的生物芯片，生化反應(yīng)生物芯片及各種檢測(cè)用生物芯片等。基因芯片技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)是將從樣品制備、雜交反應(yīng)到信號(hào)檢測(cè)的整個(gè)生化檢測(cè)分析過(guò)程集成到芯片上以獲得微型全分析系統(tǒng)（micro total analytical system）或稱所謂的"芯片實(shí)驗(yàn)室"（Lab-on-Chip）。使用縮微芯片實(shí)驗(yàn)室，就可以在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)以很短的時(shí)間完成從原始樣品到獲取所需分析結(jié)果的全套操作。（相關(guān)的英文名計(jì)有：Microarray、BioChip、 BioArray、GeneChip、 DNAChip、DNA Microarray、 Mirofluidics Chip、 Microelectronic Chip、Lab-on-Chip）
樣品制備芯片的目的是將通常需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的多個(gè)操作步驟集成于微芯片上。目前，樣品制備芯片主要通過(guò)升溫、變壓脈沖以及化學(xué)裂解等方式對(duì)細(xì)胞進(jìn)行破碎，通過(guò)微濾器、介電電泳等手段實(shí)現(xiàn)生物大分子的分離。
生化反應(yīng)芯片即在芯片上完成生物化學(xué)反應(yīng)。與傳統(tǒng)生化反應(yīng)過(guò)程的區(qū)別主要在于它可以高效、快速地完成生物化學(xué)反應(yīng)。例如，在芯片上進(jìn)行PCR反應(yīng)，可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)試劑，提高反應(yīng)速度，并可完成多個(gè)片段的擴(kuò)增反應(yīng)。通常我們?cè)趯?duì)微量核酸樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)必需事先對(duì)其進(jìn)行一定程度的擴(kuò)增，所以用于PCR的芯片無(wú)疑為快速大量擴(kuò)增樣品多個(gè)DNA片段提供了有力的工具。
檢測(cè)芯片顧名思義是用來(lái)檢測(cè)生物樣品的。例如用毛細(xì)管電泳芯片進(jìn)行DNA突變的檢測(cè)，用于表達(dá)譜檢測(cè)、突變分析、多態(tài)性測(cè)定的DNA微點(diǎn)陣芯片（也稱DNA芯片、基因芯片），用于大量不同蛋白檢測(cè)和表位分析的蛋白或多肽微點(diǎn)陣芯片（也稱蛋白或多肽芯片）。
芯片實(shí)驗(yàn)室是生物芯片技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。它通過(guò)微細(xì)加工工藝制作的微濾器、微反應(yīng)器、微泵、微閥門、微電極等將樣品的制備、生化反應(yīng)到檢測(cè)分析的整個(gè)過(guò)程集約化形成微型分析系統(tǒng)，從而極大地縮短的檢測(cè)和分析時(shí)間，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)材料。
現(xiàn)在，已經(jīng)有由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極、電子化學(xué)和電子發(fā)光探測(cè)器等組成的芯片實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，并出現(xiàn)了將生化反應(yīng)、樣品制備、檢測(cè)和分析等部分集成的芯片。例如可以將樣品的制備和PCR擴(kuò)增反應(yīng)同時(shí)完成于一塊小小的芯片之上。再如Gene Logic公司設(shè)計(jì)制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，并對(duì)其進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后當(dāng)樣品流過(guò)固定于柵欄狀微通道內(nèi)的寡核苷酸探針時(shí)便可捕獲與之互補(bǔ)的靶核酸序列。應(yīng)用其自己開發(fā)的檢測(cè)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)雜交結(jié)果的檢測(cè)與分析。這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，所以可以靈敏地檢測(cè)到稀有基因的變化。同時(shí)，由于該芯片設(shè)計(jì)的微通道具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應(yīng)，縮短測(cè)試時(shí)間，從而降低了測(cè)試成本。
目前我們最常見的生物芯片要數(shù)基因芯片（Gene Chip）。在基因芯片中又要數(shù)基因表達(dá)譜芯片的應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)上也最成熟。這種芯片可以檢測(cè)整個(gè)基因組范圍的眾多基因表達(dá)水平的變化，但對(duì)芯片點(diǎn)陣的密度要求較高，目前能見到的芯片產(chǎn)品中基因數(shù)量從幾千到幾萬(wàn)不等。表達(dá)譜芯片可以分析2組或2組以上不同來(lái)源的mRNA轉(zhuǎn)錄豐度的差異，通過(guò)計(jì)算雜交信號(hào)的比值(Ratio值)和統(tǒng)計(jì)分析，可以獲得差異表達(dá)基因的信息，同時(shí)還可以用聚類分析算法研究在功能或表達(dá)調(diào)控上具有相關(guān)性的基因，最終為研究基因功能和基因遺傳網(wǎng)絡(luò)提供有力手段。表達(dá)譜芯片研究流程相對(duì)繁雜，包括樣本制備、熒光標(biāo)記、雜交、芯片掃描、芯片圖象處理和基因表達(dá)信息分析。
基因芯片技術(shù)主要包括四個(gè)主要步驟：芯片制備、樣品制備、雜交反應(yīng)和信號(hào)檢測(cè)以及結(jié)果分析。
芯片制備 目前制備芯片主要以玻璃片或硅片為載體。通常比較典型的制備方法有3種：（1）原位合成法（2）合成點(diǎn)樣法 又根據(jù)是否與芯片的表面接觸分為化學(xué)噴射法和接觸式點(diǎn)涂法（3）壓電法，從而將靶基因作為探針按順序排列在載體上。靶基因可分為基因組DNA、cDNA（或人工合成DNA）。目前，以cDNA的研究為主，因?yàn)閏DNA是染色體上編碼蛋白質(zhì)的DNA序列，有醫(yī)療和其他領(lǐng)域的研究?jī)r(jià)值和商業(yè)價(jià)值。芯片的制備除了用到微加工工藝外，還需要使用機(jī)器人技術(shù)。以便能快速、準(zhǔn)確地將探針?lè)胖玫叫酒系闹付ㄎ恢谩?/p>
原位合成法 以Affymetrix公司開發(fā)的光引導(dǎo)聚合法為代表，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。照相平板印刷技術(shù)由Fordor在Affymetrix公司發(fā)展起來(lái)。在一塊玻璃片上無(wú)光罩掩蔽區(qū)的光敏基團(tuán)修飾的脫氧核苷酸取代，之后用光罩保護(hù)新的確定區(qū)域，再進(jìn)行上述這過(guò)程，如此循環(huán)保護(hù)和偶聯(lián)的過(guò)程最終在玻璃片上的不同點(diǎn)合成特征性的寡核苷酸。其主要特征是：①可在芯片上根據(jù)已知序列原位合成，省去了麻煩的樣品處理過(guò)程；②使用合成試劑將芯片之間的差異減少到最��；③能得到高密度的陣列。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(dòng)化。二者的結(jié)合為合成高密度核酸探針及短肽陣列提供了一條快捷的途徑。以合成寡核苷酸探針為例，該技術(shù)主要步驟為：首先使支持物羥基化，并用光敏保護(hù)基團(tuán)將其保護(hù)起來(lái)。每次選取擇適當(dāng)?shù)谋喂饽ぃ?mask ）使需要聚合的部位透光，其它部們不透光。這樣，光通過(guò)蔽光膜照射到支持物上，受光部位的羥基解保護(hù)。因?yàn)楹铣伤玫膯误w分子一端按傳統(tǒng)固相合成方法活化，另一端受光敏保護(hù)基的保護(hù)，所以發(fā)生偶聯(lián)的部位反應(yīng)后仍舊帶有光敏保護(hù)基團(tuán)。因此，每次通過(guò)控制蔽光膜的圖案（透光與不透光）決定哪些區(qū)域應(yīng)被活化，以及所用單體的種類和反應(yīng)次序就可以實(shí)現(xiàn)在待定位點(diǎn)合成大量預(yù)定序列寡聚體的目的。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以用很少的步驟合成極其大量的探針陣列。例如，合成 48 （ 65536 ） 個(gè)探針的 8 聚體寡核苷酸序列僅需 4 × 8=32 步操作， 8 小時(shí)就可以完成。而如果用傳統(tǒng)方法合成然后點(diǎn)樣，那么工作量的巨大將是不可思議的。同時(shí)，用該方法合成的探針陣列密度可高達(dá)到 106/cm2 。不過(guò)，盡管該方法看來(lái)比較簡(jiǎn)單，實(shí)際上并非如此。主要原因是，合成反應(yīng)每步產(chǎn)率比較低，不到 95% 。而通常固相合成反應(yīng)每步的產(chǎn)率在 99% 以上。因此，探針的長(zhǎng)度受到了限制。而且由于每步去保護(hù)不很徹底，致使雜交信號(hào)比較模糊，信噪比降低。為此有人將光引導(dǎo)合成技術(shù)與半異體工業(yè)所用的光敏抗蝕技術(shù)相結(jié)合，以酸作為去保護(hù)劑，使每步產(chǎn)率增加到 98% 。原因是光敏抗蝕劑的解離對(duì)照度的依賴是非線性的，當(dāng)照度達(dá)到特定的閾值以上保護(hù)劑就會(huì)解離。所以，該方法同時(shí)也解決了由于蔽光膜透光孔間距離縮小而引起的光衍射問(wèn)題，有效地提高了聚合點(diǎn)陣的密度。另?yè)?jù)報(bào)導(dǎo)，利用波長(zhǎng)更短的物質(zhì)波如電子射線去除保護(hù)可使點(diǎn)陣密度達(dá)到 1010/cm2 。
合成點(diǎn)樣法 以Incyte Pharmaceutical公司和Stanford大學(xué)為代表．這一方法在多聚物的設(shè)計(jì)方面與前者相似，合成工作用傳統(tǒng)的 DNA 或多肽固相合成儀完成，只是合成后用特殊的自動(dòng)化微量點(diǎn)樣裝置將其以比較高的密度涂布于硝酸纖維膜、尼龍膜或玻片上。支持物應(yīng)事先進(jìn)行特定處理，例如包被以帶正電荷的多聚賴酸或氨基硅烷。生物樣品通過(guò)虹吸作用載入加樣針器，然后通過(guò)直接物理接觸傳送至芯片底物的固相表面。每一輪點(diǎn)擊完成后，加樣針被徹底沖洗以免交叉污染，然后再載入新的樣品開始下一輪打點(diǎn)過(guò)程。全部操作由自動(dòng)控制的機(jī)器人系統(tǒng)和多道打印頭來(lái)完成。該技術(shù)首先由Schena、Shalon和Brown在95年發(fā)展起來(lái)，Synteni公司完成商品化。主要優(yōu)點(diǎn)是：保持樣品原型，操作迅速，成本低廉，用途廣泛。缺點(diǎn)是：樣品必須預(yù)先合成，需要一系列的純化及儲(chǔ)存等后續(xù)過(guò)程；密度達(dá)不到類似照相平板印刷術(shù)的水平。不過(guò)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的話，最終可在6.5cm2的范圍內(nèi)容納100000個(gè)核酸位點(diǎn)，從而為從事基礎(chǔ)研究的實(shí)驗(yàn)室廣泛采用�，F(xiàn)在已有比較成型的點(diǎn)樣裝置出售，如美國(guó) Biodot 公司的點(diǎn)膜產(chǎn)品以及 Cartesian Technologies 公司的 PixSys NQ/PA 系列產(chǎn)品。
壓電打印法 以美國(guó)Incyte Pharmaceuticals為代表使用壓電打印法進(jìn)行原位合成。其裝置與普通的彩色噴墨打印機(jī)并無(wú)兩樣，所用技術(shù)也是常規(guī)的固相合成方法。做法是將生化樣品加載入袖珍噴嘴（有壓電感應(yīng)裝置），如將墨盒中的墨汁分別用四種堿基合成試劑所替代，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制在電流控制下噴嘴的有序開放和關(guān)閉使得精確量的樣品液體噴射在預(yù)設(shè)的底物位點(diǎn)表面（固定是一個(gè)琥珀酰酯代反應(yīng)過(guò)程）。之后噴嘴得到清洗后再加樣，如此循環(huán)，噴出一系列的陣列來(lái)。沖洗、去保護(hù)、偶聯(lián)等則同于一般的固相原位合成技術(shù)。如此類推，可以合成出長(zhǎng)度為 40 到 50 個(gè)堿基的探針，每步產(chǎn)率也較前述方法為高，可達(dá)到 99% 以上。）優(yōu)點(diǎn)：這種方法允許幾乎用任何感興趣的樣品做生物芯片，包括cDNA、基因組DNA、抗體和小分子物質(zhì)；無(wú)接觸制片、壓電式傳送理論上允許高速高密度制備，目前可做到10000cDNA/cm2，非常適合于做基因組分析。
樣品制備 生物樣品往往是復(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)，而且由于靈敏度所限，多數(shù)方法需要在標(biāo)記和分析前對(duì)樣品進(jìn)行適當(dāng)程序的提取、擴(kuò)增，獲取其中的蛋白質(zhì)或DNA、RNA，然后用熒光標(biāo)記，以提高檢測(cè)的靈敏度和使用者的安全性。 目前，不過(guò)也有不少人試圖繞過(guò)這一問(wèn)題，如 Mosaic Technologies 公司引入的固相 PCR 方法，引物特異性強(qiáng)，無(wú)交叉污染并且省去了液相處理的煩瑣； Lynx Therapeutics 公司引入的大規(guī)模并行固相克隆法 (Massively parallel solid-phase cloning) ，可在一個(gè)樣品中同時(shí)對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的 DNA 片段進(jìn)行克隆，且無(wú)需單獨(dú)處理和分離每個(gè)克隆。
雜交反應(yīng)和信號(hào)檢測(cè) 雜交反應(yīng)是熒光標(biāo)記的樣品與芯片上的探針進(jìn)行的反應(yīng)產(chǎn)生一系列信息的過(guò)程。選擇合適的反應(yīng)條件能使生物分子間反應(yīng)處于最佳狀況中，減少生物分子之間的錯(cuò)配率。在雜交反應(yīng)完成后，將矩陣插入雜交模式被檢測(cè)的掃描儀中。當(dāng)已經(jīng)結(jié)合在目標(biāo)上的熒光發(fā)出光時(shí)，雜交數(shù)據(jù)就被收集了。探針與目標(biāo)明顯地相匹配時(shí)通常產(chǎn)生的信號(hào)比不匹配的要強(qiáng)。既然在矩陣上每個(gè)探針的序列和位置是已知的，應(yīng)用探針矩陣，目標(biāo)核苷酸的特性就能被確定了。
顯色和分析測(cè)定方法主要為熒光法，其重復(fù)性較好，不足的是靈敏度仍較低。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(cè)手段是激光共聚焦顯微掃描技術(shù)，以便于對(duì)高密度探針陣列每個(gè)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(duì)時(shí)所產(chǎn)生的熒光信號(hào)強(qiáng)度是具有單個(gè)或兩個(gè)錯(cuò)配堿基探針的 5-35 倍，所以對(duì)熒光信號(hào)強(qiáng)度精確測(cè)定是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)特異性的基礎(chǔ)。但熒光法存在的問(wèn)題是，只要標(biāo)記的樣品結(jié)合到探針陣列上后就會(huì)發(fā)出陽(yáng)性信號(hào)，這種結(jié)合是否為正常配對(duì)，或正常配對(duì)與錯(cuò)配兼而有之，該方法本身并不能提供足夠的信息進(jìn)行分辨。對(duì)于以核酸雜交為原理的檢測(cè)技術(shù)，熒光檢測(cè)法的主要過(guò)程為：首先用熒光素標(biāo)記擴(kuò)增（也可以有其它放大技術(shù)）過(guò)的靶序列或樣品，然后與芯片上的大量探針進(jìn)行雜交，將未雜交的分子洗去（如果用實(shí)時(shí)熒光檢測(cè)可省去此步 ）這時(shí)，用落射熒光顯微鏡或其它熒光顯微裝置對(duì)片基進(jìn)行掃描，采集每點(diǎn)熒光強(qiáng)度并對(duì)其進(jìn)行分析比較。前已述及，由于正常的 Watson-Crick 配對(duì)雙鏈要比具有錯(cuò)配堿基的雙鏈分子具有較高的熱力學(xué)穩(wěn)定性。所以，如果探針與樣品分子在不位點(diǎn)配對(duì)有差異則該位點(diǎn)熒光強(qiáng)度就會(huì)有所不同，而且熒光信號(hào)的強(qiáng)度還與樣品中靶分子的含量呈一定的線性關(guān)系。當(dāng)然，由于檢測(cè)原理及目的不同，樣品及數(shù)據(jù)的處理也自然有所不同，甚至由于每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)各異以至于分析結(jié)果不盡一致。除了以上常用的檢測(cè)方式外，還有一種思路上很新穎的方法，叫光纖DNA生物傳感器微陣列（fiber-optic DNA biosensor microarray），將生物傳感器與微陣列的優(yōu)勢(shì)結(jié)合了起來(lái)。它是將合成的氰尿酰氯活化的寡核苷酸探針固定在直徑200um的光導(dǎo)纖維的末端上（傳感器敏感膜），然后若干固定有不同探針的光導(dǎo)纖維合成一束，形成一個(gè)微陣列的傳感裝置，其探針末端可以伸入樣品溶液中，雜交的熒光信號(hào)由另一偶聯(lián)的CCD相機(jī)接受。整個(gè)操作分析可以在5 min內(nèi)完成。而且傳感器敏感膜還可以經(jīng)過(guò)洗滌后再生利用。這咱將傳感器與微陣列結(jié)合起來(lái)的方法特別便于操作雜交分析不方便的環(huán)境和不具備激光共聚焦顯微鏡這樣昂貴檢測(cè)設(shè)備的地方，如臨床檢測(cè)診斷，對(duì)于普及并行的多基因分析有重要的意義。
