生物晶片檢測系統

生物晶片檢測系統是由生物晶片和試劑，雜交、掃瞄器器，數據處理和分析工具組成的一整套檢測設備。

基本介紹

• 中文名：生物晶片檢測系統
• 外文名：Biochip detection system
• 一級產品類別：其他醫用分析設備

組成和結構

生物晶片是通過微機械加工和微電子技術在固相基質表面構建的微型生物化學分析系統，可以對蛋白質、細胞、核酸以及其他生物分子進行準確、快速、高通量的檢測。

生物晶片的種類有很多，其檢測系統的組成和結構不一定都相同。基因晶片是臨床套用最為廣泛的生物晶片，主要用於遺傳性疾病的基因診斷(如耳聾基因的檢測)、病原微生物的鑑定(如結核桿菌的檢測和基因分型)、微生物耐藥性檢測等。下面以基因晶片檢測系統為例介紹生物晶片檢測系統的組成和基本結構。

基因晶片檢測系統主要由雜交儀、孵育箱、晶片掃瞄器、條碼閱讀器和計算機工作站組成。如圖所示。

基因晶片檢測系統

1. 條碼閱讀器

條碼閱讀器可以識別晶片和樣本管上的條碼信息，將患者信息和晶片信息輸入計算機工作站，然後依次進行雜交、沖洗、染色、成像和信號分析，整個過程由計算機工作站按測序流程自動進行。

2. 雜交儀

雜交儀可以自動完成加樣和雜交過程，每4張晶片裝載於一個晶片條上，雜交儀上有4個晶片槽，可以加入不同的晶片條。每次反應可完成4個項目、16個樣本的檢測。操作人員可以通過雜交儀控制臺設定每個晶片條的反應溫度和時間，並通過計算機工作站實時監控反應進程。如圖所示。

雜交儀

3. 孵育箱

孵育箱由移板機械臂、晶片條雜交盤、沖洗色平盤、沖洗盤B、成像盤等部件構成。沖洗樣本雜交完成後，沖洗和染色工作在孵育箱內完成。晶片置於晶片條雜交盤上，根據設定的程式，由移板機械臂將晶片依次轉移至沖洗/染色盤、沖洗盤B進行沖洗和染色，反應的溫度和時間由計算機工作站控制。反應結束後晶片條由移板機械臂轉移至成像盤上。如圖所示。

孵育箱

4. 晶片掃瞄器

染色結束後，晶片通過晶片掃瞄器對螢光信號進行檢測，採集到的螢光信號通過計算機工作站的軟體分析形成圖譜和檢測報告。晶片掃瞄器採用雷射共聚焦原理檢測螢光信號，解析度達到2μm，在1h內可完成4張晶片的分析。

生物晶片的分類

1. 按載體上的物質成分分類

1) 基因晶片(gene chip)：又稱DNA晶片(DNA chip)或DNA微陣列(DNA microarray)，是將DNA、cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上製成。

2) 蛋白質晶片(protein chip或protein microarray)：是將蛋白質或多肽類物質按微陣列方式固定在微型載體上獲得。利用蛋白質與蛋白質、酶與底物以及蛋白質與其他分子之間的相互作用進行檢測分析。

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

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

2. 按照晶片的作用方式分類

按照晶片表面有無可操縱生物分子的各種作用力，可將晶片分為主動式和被動式兩類。

1) 主動式晶片指的是在晶片裝置中構建有能產生各種作用力的元件(如點極等)的晶片，這些作用力包括電場力、磁場力等，可針對性地對細胞或分子進行操縱，這類晶片具有靈敏、快速、特異性強等優點。

2) 被動式晶片則沒有功能性元件，晶片上探針分子與靶標分子之間的結合，要通過自由擴散或生物分子之間的親和力實現，因而是被動的。被動式晶片擴散速度慢、擴散範圍小。

3. 按照晶片的加工方式分類

1) 微陣列晶片(microarray)，微陣列晶片主要包括cDNA微陣列、寡核苷酸微陣列、蛋白質微陣列和小分子化合物微陣列等。這類晶片分析的實質是在面積不大的基片表面上有序固定一系列可定址的識別分子，然後在一定的條件下，通過晶片表面固定的分子與待測樣本的反應，進行數據採集和分析以獲得最終的檢測結果。

2) 微流體晶片(microfluidic chip)，指利用微米級的各種管道和容器整合微泵、微閥等微型元件來操縱微升及亞微升級的樣本和試劑的晶片。

臨床套用

1. 生物晶片在臨床疾病診斷中的套用

生物晶片技術診斷疾病的優點主要在於有高度的靈敏度和準確性、快速簡便、可同時檢測多種疾病或多個檢測位點。如遺傳性病的特徵是遺傳物質發生改變，是由眾多位點中的一個或多個位點突變引起的，所以分子診斷的方法更為直接可靠，基因晶片在快速、準確、高效的診斷已知遺傳性疾病，發現新的遺傳病相關基因方面，有著重要的作用。基因晶片已經套用於血友病、杜氏肌營養不足症、B地中海貧血、異常血紅蛋白病及苯丙酮尿症等遺傳性疾病的檢測中。

2. 生物晶片在微生物檢測中的套用

隨著生物學和分子化學的發展，對微生物的鑑定不再局限於對其外部形態及生理特性等一般性檢驗上，而是從分子生物學水平上研究生物大分子，特別是核酸結構及其組成部分的研究。套用廣泛的是從核酸水平檢測微生物的基因晶片，以及從抗原抗體水平檢測微生物的蛋白質晶片。從核酸水平檢測不同種類的微生物，最大的優勢在於能利用全球共享的公共資料庫資源，獲得全面的信息。

3. 生物晶片在其他領域中的套用

疾病會引起基因表達的變化，將正常組織和病變組織中的mRNA樣品同時在基因晶片上進行雜交，通過對其基因表達譜進行比較，找出差異表達基因，從而為疾病的發病機制研究提供重要線索，尤其是在癌基因的研究方面起到重要作用。

人類基因組工作草圖的繪製成功將基因組的研究從結構基因組過渡到功能基因組的研究。在對基因表達的眾多分析測試方法中，微陣列生物晶片結合PCR擴增技術，通過標記探針和分子雜交反應，採取諸如雷射共聚焦掃描顯微鏡分析檢測系統，對實驗結果進行數據採集和處理，可定量地進行基因表達分析。

套用生物晶片可以低耗、高效地篩選出新藥，大大縮短新藥的研發過程。通過檢測藥物處理前後組織細胞基因的表達和蛋白質的變化，可以發現藥物作用的靶點或繼發事件，作為進一步藥物篩選的靶標或對已知靶標進行驗證。也可以觀察藥物對機體是否有損傷或其他副作用，減少對實驗動物的依賴，確保新藥的安全性。