[科普中國]-流過式芯片

流過式芯片簡介

流過式芯片(flow—thru chips)是由Gene Logic公司1998年開發(fā)的一種芯片。他們在芯片載體上制成格柵狀的微通道，將寡核苷酸探針以共價(jià)鍵結(jié)合于微通道內(nèi)壁的特定區(qū)域。讓分離并標(biāo)記好的DNA或RNA樣本流過芯片上的微通道，固定的寡聚核苷酸探針就可以捕獲互補(bǔ)的靶序列，再通過相應(yīng)的信號分析系統(tǒng)分析結(jié)果。這種芯片大大提高了和寡核苷酸探針接觸的表面積，所以其靈敏度足以探測稀有基因表達(dá)上的變化。芯片上的微通道加快了雜交反應(yīng)的速度，減少了每次檢測的時(shí)間。寡核苷酸探針與通道壁是共價(jià)結(jié)合，芯片可以重復(fù)使用。每次探測后，可以洗去雜交物質(zhì)，這樣可以大幅度地節(jié)省測試費(fèi)用。

其他新型生物芯片生物傳感器生物傳感器(biosensor)是伴隨著生物芯片技術(shù)而發(fā)展起來的新興技術(shù)。是一種能將目的生物大分子的存在轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓹z測分析的電、光等信號的傳感裝置。依據(jù)結(jié)構(gòu)，生物傳感器可分為2個(gè)組成部分：分子識別元件和信號換能元件。前者是一種含有能夠識別某種特定生物分子的裝置，如識別酶蛋白、抗原抗體蛋白、細(xì)菌及核酸分子。后者主要是電化學(xué)或光學(xué)檢測元件，如電位計(jì)、熱敏電阻、壓電晶體以及光纖等。當(dāng)待測物與識別元件特異性結(jié)合后，所產(chǎn)生的復(fù)合物或所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可引起一系列理化因素的改變，如光、熱和電位的改變，這些信號經(jīng)換能器轉(zhuǎn)變成可測量、分析的電信號或光信號，從而達(dá)到分析檢測的目的。傳感器與芯片的不同在于前者的應(yīng)用El的比較專一，后者著重于高通量、高集成度的分析大量信息。

根據(jù)分子識別元件的種類不同，可將生物傳感器分為酶傳感器、抗原抗體傳感器、受體傳感器、DNA傳感器等。不同傳感器識別目的分子的機(jī)制不同，如酶傳感器是利用酶的專一性和催化性，檢測識別過再根據(jù)檢測手段或者說換能元件性質(zhì)，又可將生物傳感器分為電化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、壓電式傳感器等。以DNA傳感器為例，就有電化學(xué)DNA傳感器、光纖DNA傳感器、熒光DNA傳感器、壓電晶體式DNA傳感器。它們都是用類似于DNA芯片的固定方法將DNA探針同定于傳感器探頭表面，然后與待測物中互補(bǔ)序列進(jìn)行雜交，雜交信號可通過加入一定的雜交指示劑對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，把雜交上的DNA含量顯示出來。雜交指示劑是一種可與單鏈DNA和雙鏈DNA以不同方式結(jié)合的物質(zhì)。如在電化學(xué)DNA傳感器中應(yīng)用的有電化學(xué)活性的指示劑道諾霉素(daunomycin)等，可嵌入到雙鏈DNA分子的大、小溝槽內(nèi)，但對單鏈DNA分子只有靜電作用，無法嵌入。這2種結(jié)合方式在電場的作用下會產(chǎn)生不同的電流變化，從而可判斷出探頭上的雜交狀態(tài)。檢測靈敏度可達(dá)10—3∥ml數(shù)量級。生物傳感器與生物芯片一樣呈現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。

電子芯片Nanogen公司于1996年研制出的一種新型電子芯片(electronic chip)。這種微芯片同時(shí)利用了微加工工藝和微電子技術(shù)，由電場快速引發(fā)雜交反應(yīng)，被稱做主動(dòng)微電子裝置。芯片一般以硅/二氧化硅等作為載體材料。在載體內(nèi)埋置有整齊的微電極陣列。每個(gè)微電極表面鋪有滲透層，內(nèi)含一些活性基團(tuán)如鏈酶親和素。通過對加在不同微電極上的電壓的改變，微電子芯片能調(diào)控帶電試劑和待分析分子(如DNA、蛋白質(zhì)和細(xì)胞等)轉(zhuǎn)運(yùn)至裝置芯片表面的特定位點(diǎn)處或從該處轉(zhuǎn)運(yùn)出來。比如，DNA分子在溶液中帶負(fù)電荷，若我們在某微位點(diǎn)加以正電壓，那么，DNA分子就可以定向轉(zhuǎn)移到該位點(diǎn)。若該DNA分子是生物素標(biāo)記的寡核苷酸探針，則在電場的作用下探針可到達(dá)芯片上指定的位點(diǎn)，電極表面滲透層內(nèi)的鏈酶親和素就能與生物素標(biāo)記探針結(jié)合，從而將探針固定在該位點(diǎn)。未導(dǎo)入電壓或?qū)胴?fù)電壓的位點(diǎn)則不能結(jié)合捕獲探針。在進(jìn)行雜交反應(yīng)時(shí)，微電子DNA芯片能以主動(dòng)和被動(dòng)2種方式進(jìn)行雜交反應(yīng)。當(dāng)樣本中靶序列濃度較低時(shí)，應(yīng)采用主動(dòng)電子過程以加速雜交速度，減少整個(gè)實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間。具體方法是：當(dāng)在微電極陣列上某待檢位點(diǎn)下方的微電極導(dǎo)入一個(gè)正電壓后，它將使帶負(fù)電荷的核酸分子向該位點(diǎn)處快速轉(zhuǎn)運(yùn)和濃縮，樣本中可能存在的靶序列就會被轉(zhuǎn)運(yùn)至該位點(diǎn)并被濃縮。接下來，靶序列就可雜交到該位點(diǎn)的核酸探針上。與被動(dòng)雜交反應(yīng)需要幾小時(shí)相比，電場產(chǎn)生的這種濃縮效應(yīng)促進(jìn)雜交反應(yīng)的進(jìn)行，在微檢測位點(diǎn)處靶DNA的快速濃縮大大減少了雜交反應(yīng)時(shí)間，它僅需幾秒鐘。DNA的轉(zhuǎn)運(yùn)和定位過程在含不同DNA捕獲探針的榆測位點(diǎn)處相繼進(jìn)行，并允許對單個(gè)樣品進(jìn)行多次而快速的分析。反過來，當(dāng)逆轉(zhuǎn)電極表面的電場極性時(shí)，就能使該位點(diǎn)已形成的雜交異源二聚體發(fā)生解鏈，脫下的單鏈DNA片段可從檢測位點(diǎn)脫離，這個(gè)過程叫做電子嚴(yán)謹(jǐn)性控制，對整個(gè)雜交反應(yīng)的特異性和靈敏性非常重要。

點(diǎn)突變或單堿基突變檢測對遺傳學(xué)和臨床診斷研究的許多領(lǐng)域來說尤其重要。例如，對單核苷酸多態(tài)性(SNP)的分析會給出關(guān)于疾病診斷的信息，并能幫助預(yù)測一些藥物或治療方案對一些特殊病例的有效性或毒性。許多癌相關(guān)基因(如myc，ras，p53)都是由點(diǎn)突變激活的，而許多遺傳病也歸因于點(diǎn)突變(如鐮刀型紅細(xì)胞貧血癥，β一地中海貧血)。與常規(guī)DNA芯片相比，微電子DNA芯片用于單堿基突變分析有很大的優(yōu)越性。如在一組同時(shí)含有匹配/錯(cuò)配雜交對的檢測位點(diǎn)處導(dǎo)入一負(fù)電壓，將電場強(qiáng)度調(diào)整到適宜水平，就可以克服DNA雜交的結(jié)合力以使其分解成單鏈。當(dāng)電場強(qiáng)度增強(qiáng)到剛能克服錯(cuò)配DNA雙鏈的結(jié)合力水平而低于匹配的雜交鏈解鏈所需的水平時(shí)，就能使錯(cuò)配雙鏈解鏈并轉(zhuǎn)運(yùn)出檢測位點(diǎn)，檢測該位點(diǎn)的熒光信號就可以判定該處的雜交反應(yīng)堿基配對的情況，從而鑒定出哪些探針/靶序列雜交對(堿基對)發(fā)生錯(cuò)配。用微電子DNA芯片進(jìn)行單堿基突變檢測分析僅用20～30 s；而常規(guī)雜交分析有時(shí)卻需幾個(gè)小時(shí)才能得到同樣的結(jié)果1。