基因芯片的制造和种类

基因芯片的制造技术主要有原位合成技术和点样技术。目前流行的基因芯片大致可分为以下四类：
(一).光引导原位合成DNA微阵列
光引导聚合技术是原位合成的主要技术，照相平板印刷技术（photolithography）与传统的核酸、多肽固相合成技术相结合的产物。半导体技术中曾使用照相平板技术法在半导体硅片上制作微型电子线路。固相合成技术是当前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法，技术成熟且已实现自动化。二者的结合为合成高密度核酸探针及短肽列阵提供了一条快捷的途径。
光引导聚合技术是Affymetrix公司开发的专利技术，其光引导聚合技术制作DNA芯片，生产过程同电子芯片的生产过程十分相似。采用这种技术生产的基因芯片可以达到1×106/cm2的微探针排列密度，能够在一片1厘米多见方的片基上排列几百万个寡聚核苷酸探针。并且其不仅可以用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。因此，Affymetrix公司也就成了基因芯片领域的“INTEL”。
Affymetrix公司是第一家有商品化诊断芯片上市的公司，目前该公司上市 的基因芯片按用途可分为三大类，分别为基因表达芯片、基因多态性分析芯片和疾病诊断芯片，基因表达分析芯片和基因多态性分析芯片主要用于研究机构和生物制药公司，可以用来寻找新基因、基因测序、疾病基因研究、基因制药研究、新药筛选等许多领域，Affymetrix公司主要生产通用寡聚核苷酸芯片；疾病诊断芯片则主要用于医学临床诊断，包括各种遗传病和肿瘤等，目前Affymetrix公司生产三种商品化诊断芯片，分别为p53基因突变诊断芯片、艾滋病病毒基因基因突变诊断芯片和细胞色素P450基因突变诊断芯片。

(二).微电子芯片
微电子芯片的多位点电控阵列并含独立可寻址检测区域的微电子基因芯片，其基质全部以硅、锗与基础的半导体材料，在其上构建25-400个微铂电极位点，各位点可由计算机独立或组合控制。无论在芯片制造或成品芯片检测，均可通过相似微电极的电场变化来使核酸结合，引入"电子严谨度"参数使芯片检测通过靶、探针序列特征和使用者要求来控制杂交过程中的严格性。这种微电子基因芯片具有以下优点：
1．电场定位过程能选择性地转运带电荷DNA分子，通过每个微电极位点的电场正负、强弱变化，能准确有效地随意调控芯片表面的核酸，既可将核酸结合在微电极位点上，也可以使核酸转运出来。
2．通过电场变化能加快DNA杂交速率，通过导入正电场后，可以大大加快待测核酸同已知探针的结合速率，减少了杂交反应时间，同普通的"被动"杂交反应的几小时相比，这种"主动"杂交反应仅仅几秒钟就可完成。另外电场变化又可有效地去除未结合游离分子，减少未结合荧光信号干扰。
3．通过电子严谨度可有效地控制杂交过程中的错配度，杂交错配的程度，对不同的要求上要给以不同的电场就可以符合不同的电子严谨度，这对核酸杂交严格度可以非常灵活地控制，这可以非常准确地进行SNP检测。
(三).微量点样DNA微阵列
微量点样技术是目前大部分基因芯片公司使用的流行方法。就是指将许多特定的寡核苷酸片段或基因片段有规律地排列固定于支持物（如膜、硅片、陶瓷片及玻片）上，然后通过类似于Northern，Southern的方法与待测的标记样品按碱基配对原理进行杂交，再通过检测系统对其进行扫描，并用相应软件对信号进行比较和检测，得到所需的大量信息，进行基因的高通量、大规模、平行化、集约化的信息处理和功能研究。其主要优点是简便宜行，技术要求较低，并且探针不受探针分子大小种类的限制，能够灵活机动地根据使用者的要求制作出符合目的的芯片。目前国内生产研究中具有相当的市场。
其实微量点样DNA微阵列的制造和ELISA板的制造有相当的雷同，只是其包被的物不同，每一个小的点都相当于一个包被孔。因此，我们知道的一些ELISA包被问题，对微量点样DNA微阵列的点样也是同样的。
对于ELISA来说，寻找合适的载体是重要的，同样微量点样DNA微阵列也是如此。比较各种载体的优缺点，表面经过化学处理的玻片用得最多，主要是它具有其他载体所不能比拟的优点：DNA样品可共价结合在玻片表面；玻片是一种持久的载体，它可耐受高温和高离子强度；玻片具有不可浸润性，使杂交体积降低到最小，因此提高了退火时的动力学参数；玻片的荧光信号本底低，不会造成很强的背景干扰；玻璃芯片可使用双荧光甚至多荧光杂交系统，可在一个反应中同时对两个以上的样本进行平行处理。因此以玻璃为载体的芯片更具有发展和应用的前景。
当然，点样是整个流程中最重要的，微量点样DNA微阵列的点样是依靠点样仪来完成的，各种点样仪点样原理和优点各有不同，生产这种设备的公司有很多，象美国的Genomicsolutions公司、英国的BioRobotics公司、美国的Cartesian公司和加拿大的Engineering公司等。
对于微量点样技术生产的基因芯片来说从仪器组成上可以分为点样仪器、杂交装置、检测仪器和分析仪器，点样仪器是否先进决定芯片上的探针密度和结合牢固程度，虽然芯片的探针密度是一个很重要的指标，达到极高密度的探针阵列是许多芯片生产公司梦寐以求的目标，但是具体的点样密度根据使用者的目的来决定，而且还要考虑到随后的杂交和检测过程。衡量点样装置有几个比较重要的指标，如仪器整体设计、功能多样性、芯片基质多样性、点样稳定性、点样速度、点样密度等等。
点阵器一般采用实心或空心点样针，点样方式有非接触喷点（inkjet printing）和接触点样（Contact printing）两种方式。目前，有两种非接触喷点技术用于DNA点样，一种是用压电晶体将液体从孔中喷出的压电技术（piezoelectric technology），喷滴大小一般为50-500pl；另一种为注射器螺线管技术（syringe-solenoid technology），这种技术是通过高分辨率注射器泵和微螺线管阀门有机结合起来精确控制滴液的。

(四).其他
除了，以上三种常用技术以外，还用美国NIH、Caliper公司和Orchidbio公司等的技术也有所不同。Orchidbio公司研制了一种毛细管微流泵芯片，在边长2英寸的芯片上集成了144个微室，分别由流入孔、反应室、循环管和废液流出孔组成，这种芯片不但可以用于基因诊断和分析，还可用于合成化学，就象一个微小的自动生化分析仪，呵呵。利用芯片的微指结构，Caliper公司的芯片可以用作细胞分选器，能够利用血细胞体积和变形性等特点可以很容易地把红细胞和白细胞分开.NIH研制微型芯片反应器可以很快地完成一系列生化反应。