郭育奇，赵春燕

    ·综述·

    电子基因微芯片在医学研究中的应用

    郭育奇，赵春燕

    基因芯片(DNA microchip)也称 DNA 微阵列(DNA microarray)，是把大量基因探针或基因片段按特定的排列方式固定在芯片载体上，形成致密有序的 DNA 分子点阵，按碱基互补配对原则与样品 DNA 杂交，然后通过计算机进行解读和分析获取大量信息，实现对生物样品高效、平行地检测或医学诊断。由于具有高通量、快捷、便宜等优点，基因芯片在各个领域起着越来越重要的作用。芯片可以根据探针的性质、固体表面的支撑物、探针寻址或目标检测方法的不同分为原位合成寡核苷酸微阵列(situ-synthesized oligonucleotide microarray)、高密度微珠阵列(high-density bead arrays)、电子微芯片(electronic microarrays)等。近年来，电子微芯片技术的发展越来越引起人们的关注，它是利用电场、热循环或化学方法等吸引带负电的 DNA 或其他生物分子和探针结合到芯片特定位点上从而进行主动杂交检测[1]。该种芯片在精确性、准确性和严格性控制方面优于传统芯片，可用于病原生物的检测和鉴定、微生物的分型、基因表达分析、基因突变及多态性分析、疾病诊断和预测等。本文就电子基因芯片的工作原理、优势和在医学方面的应用作简要综述。

    1 电子基因芯片的工作原理和操作流程

    电子基因芯片的工作原理如图 1 所示，它可借助电子场加快带电的生物分子结合到芯片上的速度。芯片上的每一个位点代表了一个电极，每一个电极都可被分别通电。通电后产生的电场可加速带负电的 DNA 探针或其他生物分子的结合。电子场一方面吸引特异性的寡核苷酸探针到特定位点，另一方面捕获目的 DNA 并特异性杂交到寡聚探针上。芯片载体上建有电极矩阵，其上的每一个位点都有一个独立的金属线接头。该矩阵通过标准的硅平版印刷术被组合在一起，并用 CMOS 片包埋，CMOS 片上的每个电极可被电压和电流单独控制。整个矩阵被包埋入一个一次性流体式的芯片中，这样便可提供一个样品或试剂的自动控制。电极矩阵上覆盖了一层 1 ～ 2 μm 厚的水凝胶渗透层，该层含有亲合素，亲合素促使探针或目的基因被直接捕获。在矩阵操作过程中，高电位促使水在阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。水的氧化反应产物是 H+和氧。这项技术就是利用阳极产生的 H+进行高效率的 DNA 杂交。反过来，如果阴极被激活产生 OH–，这样带负电的 DNA 分子就远离电极 ......