載體表面必須具有可進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的活性基團(tuán)，以便于生物分子進(jìn)行偶聯(lián)。使單位載體上結(jié)合的生物分子達(dá)到最佳容量，載體應(yīng)當(dāng)是惰性的和有足夠的穩(wěn)定性，載體具有良好的生物兼容性，以利于制作不同種類的芯片。

　　載體類型：玻片、硅片、硝酸纖維素膜、尼龍膜等

　　膜：優(yōu)點(diǎn)：有孔性三維結(jié)構(gòu)，與核酸親和力強(qiáng)，雜交技術(shù)成熟，通常無需另外包被。缺點(diǎn)：膜的表面性質(zhì)不是很均一；單位面積上點(diǎn)樣密度低，需要更多的樣本量；背景較高；容易卷曲等。所以限制了膜的應(yīng)用范圍。

　　玻璃：持久的載體，耐受高溫和高離子強(qiáng)度；具有不浸潤性，使雜交體積降低到最??；疏水表面克服了樣點(diǎn)容易擴(kuò)散的缺點(diǎn)，提高了樣點(diǎn)的密度；熒光信號低，不會造成很強(qiáng)的背景干擾；

　　硅:除了具有玻片的性質(zhì)外，還有良好的導(dǎo)熱性。缺點(diǎn)：不透明，不利于光學(xué)檢測；具有比較強(qiáng)的表面非特異性吸附；不容易進(jìn)行表面修飾。

　　基片處理

　　目的：要使得要使得基片表面富含活性基團(tuán)，這種活性基團(tuán)具有吸附能力和固定能力，能很好的連接生物分子。 方法：表面修飾? 表面涂敷

　　點(diǎn)樣

　　目的：將生物分子放到芯片表面指定的位置。 方法：接觸式點(diǎn)樣 非接觸式點(diǎn)樣 點(diǎn)樣元件

　　固定

　　定義：處理好的基片結(jié)合各種生物分子的過程。目的：加強(qiáng)生物分子與基片表面的結(jié)合方法：室溫放置、紫外交聯(lián)、烘烤

　　封閉

　　定義：固定完以后，用一些試劑將基片表面沒有固定生物分子的活性基團(tuán)反應(yīng)掉，這一過程稱為封閉。目的：降低芯片在使用過程中表面的非特異性結(jié)合，提高芯片的靈敏度。封閉試劑：指進(jìn)行封閉所采用的試劑。常用的封閉試劑：硼氫化納、三乙醇胺、BSA。

　　根據(jù)作用方式分類

　　(1)主動(dòng)式芯片：是指把生物實(shí)驗(yàn)中的樣本處理純化、反應(yīng)標(biāo)記及檢測等多個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟集成，通過一步反應(yīng)就可主動(dòng)完成。其特點(diǎn)是快速、操作簡單，因此有人又將它稱為功能生物芯片。主要包括微流體芯片(microftuidic chip)和縮微芯片實(shí)驗(yàn)室(lab on chip，也叫“芯片實(shí)驗(yàn)室”，是生物芯片技術(shù)的高境界)。

　　(2)被動(dòng)式芯片：即各種微陣列芯片，是指把生物實(shí)驗(yàn)中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)集成，但操作步驟不變。其特點(diǎn)是高度的并行性，目前的大部分芯片屬于此類。由于這類芯片主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過生物信息學(xué)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，因此這類芯片又稱為信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片。

　　根據(jù)用途分類

　　(1)生物電子芯片：用于生物計(jì)算機(jī)等生物電子產(chǎn)品的制造。

　　(2)生物分析芯片：用于各種生物大分子、細(xì)胞、組織的操作以及生物化學(xué)反應(yīng)的檢測。

　　前一類目前在技術(shù)和應(yīng)用上很不成熟，一般情況下所指的生物芯片主要為生物分析芯片。

　　根據(jù)固定在載體上的物質(zhì)成分分類

　　(1)基因芯片(gene chip)：又稱DNA芯片(DNA chip)或DNA微陣列(DNA microarray)，是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上制成。

　　(2)蛋白質(zhì)芯片(protein chip或protein microarray)：是將蛋白質(zhì)或抗原等一些非核酸生命物質(zhì)按微陣列方式固定在微型載體上獲得。

　　(3)細(xì)胞芯片(cell chip)：是將細(xì)胞按照特定的方式固定在載體上，用來檢測細(xì)胞間相互影響或相互作用。

　　(4)組織芯片(tissue chip)：是將組織切片等按照特定的方式固定在載體上，用來進(jìn)行免疫組織化學(xué)等組織內(nèi)成分差異研究。

　　(5)芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab on chip)：用于生命物質(zhì)的分離、檢測的微型化芯片。現(xiàn)在，已經(jīng)有不少的研究人員試圖將整個(gè)生化檢測分析過程縮微到芯片上，形成所謂的“芯片實(shí)驗(yàn)室”(Lab on chip）。芯片實(shí)驗(yàn)室是生物芯片技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)。它將樣品的制備、生化反應(yīng)到檢測分析的整個(gè)過程集約化形成微型分析系統(tǒng)。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)光探測器等組成的芯片實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)問世，并出現(xiàn)了將生化反應(yīng)、樣品制備、檢測和分析等部分集成的芯片）?！靶酒瑢?shí)驗(yàn)室”可以完成諸如樣品制備、試劑輸送、生化反應(yīng)、結(jié)果檢測、信息處理和傳遞等一系列復(fù)雜工作。這些微型集成化分析系統(tǒng)攜帶方便，可用于緊急場合、野外操作甚至放在航天器上。 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，并對其進(jìn)行熒光標(biāo)記，然后當(dāng)樣品流過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)的檢測設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對雜交結(jié)果的檢測與分析。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)，縮短測試時(shí)間，從而降低了測試成本。

　　樣品制備芯片

　　生物樣品往往是復(fù)雜的混合物，在大多數(shù)情況下需要先對生物樣品進(jìn)行預(yù)處理，即樣品制備。以核酸樣品制備為例，它包括了細(xì)胞分離、破胞、脫蛋白、提?。模危恋榷嗖焦ぷ?。這些工作可以在樣品制備芯片上完成。目前在細(xì)胞分離方法上較突出的有過濾分離和介電電泳分離等；芯片中的破胞方法有芯片升溫破胞、高壓脈沖破胞以及化學(xué)破胞等。

　　過濾分離芯片

　　過濾分離即根據(jù)生物顆粒的尺寸差異進(jìn)行分離。針對人白細(xì)胞的分離，１９９８年美國賓夕法尼亞大學(xué)的研究小組研究出了一種芯片微過濾法。芯片微過濾器的工作原理是根據(jù)人白細(xì)胞的尺寸比紅細(xì)胞大的特點(diǎn)，使人外周血流過微過濾器時(shí)只讓血漿和尺寸較小的紅血細(xì)胞及血小板通過，而截住尺寸較大的白細(xì)胞。加工微過濾用芯片是通過在硅片上刻出各種形狀的過濾通道，通道直徑為幾個(gè)微米，然后再在硅芯片上鍵合上一塊玻璃蓋片而完成。通過反復(fù)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)，微芯片過濾器已從最初的豎式Ｚ形結(jié)構(gòu)，通過豎式條狀梳式結(jié)構(gòu)過渡最后定型為橫壩式結(jié)構(gòu)。采用橫壩式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是人白細(xì)胞的回收率高，過濾器不易被堵塞。微芯片過濾器的另一應(yīng)用是它可將孕婦外周血中極少量的胎兒細(xì)胞過濾出來，供下一步作產(chǎn)前診斷之用。

　　介電電泳分離芯片

　　介電電泳分離的原理是細(xì)胞在高頻不均勻電場作用下產(chǎn)生極化，不同的細(xì)胞由于介電特性、電導(dǎo)率、形狀不同而感應(yīng)出不同的偶電極，因此受到不同介電力的作用。利用介電電泳方法制備樣品的優(yōu)點(diǎn)是：通過測量細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度，可以得到細(xì)胞的介電特性；可以對細(xì)胞進(jìn)行無物理接觸的選擇性操縱、定位、分離。

　　生化反應(yīng)芯片

　　生化反應(yīng)芯片的目的是把在實(shí)驗(yàn)室試管中進(jìn)行的生化實(shí)驗(yàn)縮微到一塊小小的芯片上。目前較典型的生化反應(yīng)芯片包括聚合酶鏈反應(yīng)（ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃ-ｔｉｏｎ，ＰＣＲ）芯片、藥物合成芯片等，其中ＰＣＲ擴(kuò)增芯片是生化反應(yīng)芯片的典型代表。

　　在芯片上進(jìn)行ＰＣＲ擴(kuò)增反應(yīng)的背景是，目前在生物芯片領(lǐng)域中所用的檢測儀器靈敏度還不夠高，所以從血液或活體組織中提取的ＤＮＡ在標(biāo)記或應(yīng)用前都需要擴(kuò)增復(fù)制。例如，在對一個(gè)腫瘤的活體解剖樣品進(jìn)行檢測時(shí)，需要在幾千個(gè)正常基因中找到一個(gè)異常的癌基因，顯然這需要對樣品ＤＮＡ進(jìn)行必要的擴(kuò)增復(fù)制才易于檢測。ＰＣＲ作為生物學(xué)中最常用的ＤＮＡ擴(kuò)增手段，由變性、延伸、退火三個(gè)步驟所構(gòu)成，其每個(gè)步驟的工作溫度大約分別為９５℃、７２℃、６０℃。通過該反應(yīng)可將極微量的ＤＮＡ成千上萬倍地?cái)U(kuò)增，以滿足實(shí)驗(yàn)需要。

　　除了上述方法外，另一個(gè)更簡易的方法是將帕爾帖器件（一種可通過改變器件兩端電壓的極性而產(chǎn)生加熱或致冷效果的半導(dǎo)體器件），直接貼在ＰＣＲ擴(kuò)增芯片的背面，人們只需控制帕爾帖器件的溫度在三個(gè)恒溫區(qū)之間變化，就能在芯片上實(shí)現(xiàn)ＰＣＲ擴(kuò)增。

　　對ＤＮＡ芯片上所包含的信息進(jìn)行準(zhǔn)確檢測是一項(xiàng)至關(guān)重要的工作。早期的方法是同位素標(biāo)記法，應(yīng)用時(shí)需經(jīng)過曝光、顯影，然后用具有尋址功能的掃描儀掃讀。目前在生物芯片信息采集中使用最多最成功的是熒光標(biāo)記法，這種方法不受同位素的使用限制，用激光作為激發(fā)光源的共焦掃描裝置具有極高的靈敏度、分辨能力和定位功能，并能定量地輸出結(jié)果。

　　最近納馬西瓦亞姆（Ｖ． Ｎａｍａｓｉｖａｙａｍ）等人構(gòu)建了一種將熒光檢測裝置直接集成在生物芯片上的方法，這更加提高了生物芯片的集成度。他們在硅上加工出光電二極管，并與芯片上的微流體系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)０．９納克／微升的ＤＮＡ檢測精度，信噪比為１００∶１。

　　由于利用生物芯片可以一次性地得到大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此需要一個(gè)專用的軟件系統(tǒng)來處理數(shù)據(jù)。完整的生物芯片數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，應(yīng)該包括芯片圖像分析和數(shù)據(jù)提取，芯片數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和生物學(xué)分析，芯片的數(shù)據(jù)庫積累和管理，芯片表達(dá)基因的國際互聯(lián)網(wǎng)檢索，表達(dá)基因數(shù)據(jù)庫分析和積累等功能。

　　在功能基因組學(xué)中的應(yīng)用

　　研究表明，在不同的組織中表達(dá)基因的數(shù)目差別非常大，腦中基因表達(dá)的數(shù)目最多，約有３～４萬個(gè)，而有的組織中只有幾十個(gè)基因表達(dá)。不能準(zhǔn)確知道每種組織中表達(dá)基因的數(shù)目以及每個(gè)基因的表達(dá)量，就無法從分子水平上了解這一組織在生命活動(dòng)中的功能。另外同一組織在不同的生長發(fā)育階段中基因表達(dá)的種類、數(shù)量也不同，有些基因是在幼年期表達(dá)的，而有些基因是在老年期表達(dá)的。因此人們不但需要了解基因的序列，還要了解基因在不同組織、不同時(shí)間中基因的表達(dá)譜，這引發(fā)了功能基因組學(xué)的誕生。

　　功能基因組學(xué)研究的是在特定組織中、發(fā)育的不同階段或者是疾病的不同時(shí)期基因的表達(dá)情況，因此它要求能在同一時(shí)刻獲得多個(gè)分子遺傳學(xué)分析的結(jié)果；另外，任何一個(gè)細(xì)胞中都會有上千個(gè)基因在表達(dá)。而細(xì)胞間基因表達(dá)的差異往往能反應(yīng)出這些細(xì)胞是正常發(fā)育還是在朝惡性腫瘤細(xì)胞方向發(fā)展。采用生物芯片技術(shù)利用核酸雜交對基因表達(dá)進(jìn)行并行分析的好處是，它用很少的細(xì)胞物質(zhì)便能提供有關(guān)多基因差異表達(dá)的信息，從而給功能基因組學(xué)研究提供前所未有的信息量。

　　作為超高通量藥物篩選平臺的應(yīng)用

　　在過去的十多年中，隨著科技的不斷進(jìn)步以及在巨大的經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使下，藥物篩選技術(shù)得到了很大的發(fā)展。在１９８０年代中期，每天只能篩選３０種化合物，到了１９９０年代中期，每天可篩選１５００種化合物，而如今每天可篩選超過１０萬個(gè)化合物。高速、低成本的高通量篩選已經(jīng)成為當(dāng)今藥物篩選的主流，并逐漸向超高通量方向發(fā)展。要進(jìn)一步提高篩選效率，目前的高通量篩選技術(shù)在各方面均需要技術(shù)創(chuàng)新，這為生物芯片技術(shù)進(jìn)入藥物篩選領(lǐng)域提供了寶貴的契機(jī)。

　　實(shí)現(xiàn)超高通量篩選有兩條途徑：微型化和自動(dòng)化。生物芯片作為一種新型技術(shù)平臺，正可滿足超高通量篩選的微型化、自動(dòng)化需要。

　　在毒理學(xué)研究中的應(yīng)用

　　對藥物進(jìn)行毒性評價(jià)，是藥物篩選過程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。現(xiàn)在毒理學(xué)家多采用小鼠作為模型，通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來確定藥物的潛在毒性。這些方法需要使用大劑量的藥物，花幾年的時(shí)間，代價(jià)巨大。ＤＮＡ芯片技術(shù)可將藥物毒性與基因表達(dá)特征聯(lián)系起來，通過對基因表達(dá)情況的分析來確定藥物毒性，使得藥物毒性或其他不希望出現(xiàn)的效應(yīng)在臨床實(shí)驗(yàn)前得以確認(rèn)。用ＤＮＡ芯片可以在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)對成千上萬個(gè)基因的表達(dá)情況進(jìn)行分析，從而可為研究化學(xué)分子或藥物分子對生物系統(tǒng)的作用提供全新的線索。

　　該技術(shù)可對單個(gè)或多個(gè)有害物質(zhì)進(jìn)行分析，確定化學(xué)物質(zhì)在低劑量條件下的毒性，分析推斷有毒物質(zhì)對不同生物的毒性可比性。如果不同類型的有毒物質(zhì)所對應(yīng)的基因表達(dá)譜有特征性的規(guī)律，那么通過比較對照樣品和有毒物質(zhì)的基因表達(dá)譜，就可以對各種有毒物質(zhì)進(jìn)行分類。在此基礎(chǔ)上通過進(jìn)一步建立合適的生物模型系統(tǒng)，便可通過基因表達(dá)譜的變化來反映藥物對人體的毒性。

　　雖然生物芯片技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù),但是由于其巨大的應(yīng)用前景，它已經(jīng)成為各國工業(yè)界和學(xué)術(shù)界競相研究的熱點(diǎn)。隨著生物芯片制作工藝和檢測分析手段的不斷進(jìn)步，可以預(yù)期在不遠(yuǎn)的將來，生物芯片技術(shù)將滲透到生命科學(xué)研究、疾病診斷與治療、新藥開發(fā)、國防、司法鑒定、食品衛(wèi)生檢驗(yàn)、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域中去，成為科學(xué)家探索未知世界奧秘的有力武器。