前面已经提到了基因芯片技术，但是作为综合了电子、机械、化学、物理学、计算机等技术的高通量的新型分析技术，目前已成为后基因组时代生命科学研究的强有力的工具之一，有必要对其进行更为详细的阐述。

20世纪90年代，随着基因组学迈进后基因组时代，研究的重点将由发现基因转向探索基因的功能。如何大规模研究基因的功能，特别是基因的相互作用和调控关系，迫切需要一种新的方法能以大规模、高通量的方式进行成千上万个基因在各种生理状态下表达状况的研究，基因芯片技术满足了这种需求。1991年，美国Affymetrix公司生产了世界上第一块寡核苷酸基因芯片。1995年，美国Stanford大学成功研制第一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片，标志着基因芯片技术步入了广泛研究和应用的时期。

（一）基本原理

基因芯片技术主要是基于杂交测序原理研制而成的，是一种使待分析样品与芯片中已知碱基顺序的片段互补杂交，从而确定样品中的核酸序列和性质，并对基因表达量及其特性进行分析的技术。具体来说，首先是将大量的DNA探针高密度有序地排列在固相载体上，称之为基因芯片，将标记的样品与固定在芯片上的探针杂交，通过对杂交信号的比对和检测，可获得样品的基因序列和表达水平的信息。由于此技术同时将大量探针固定于支持物上，所以可以一次性对大量样品序列进行检测和分析，而且通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术应用于基因表达谱测定、实变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序等。

基因芯片按照探针不同可分为寡核苷酸芯片和cDNA芯片；按用途可分为表达谱芯片、诊断芯片、指纹图谱芯片、测序芯片和毒理芯片等；按基因芯片所用的载体材料可分为玻璃芯片、硅芯片、陶瓷芯片。

（二）基因芯片设计与制备

1.基因芯片的合成　目前将基因片段固定到支持物的方法总体有两种：

（1）原位合成法：主要是光引导原位合成技术，在固体表面直接合成DNA探针，每一个探针都是由A、T、G、C 4个碱基由下而上堆积而成。在合成碱基单体的5'-羟基末端连接上一个光敏保护基，利用光照使羟基脱保护，在生长的链上加上一个碱基，这个过程反复进行直至合成完毕。该方法可在成千上万个位点同时进行合成来实现在特定位点合成大量预定寡核苷酸序列或寡肽的目的。

（2）交联法：先采用PCR扩增或化学法合成寡聚核苷酸探针序列，用点样设备将探针固定在固体表面。主要点样方法有两种，一种是直接点样法，用含有多个打印/喷印针的打印/喷印头的点样仪，将探针从多孔板取出，直接打印或喷印于载体上；二是电定位法，将带正电荷的硅芯片氧化制成1mm×1mm的阵列，每个阵列含多个微电极，在每个电极上通过氧化硅沉积和蚀刻制备出样品池，将连接链亲和素的琼脂糖覆盖在电极上，在电场作用下生物素标记的探针即可结合在特定电极上。

2.待测样品标记　为便于检测杂交信号，待测样品在与芯片探针进行杂交前必须进行标记。放射性同位素、荧光素等均可用作标记物，其中最常用的是荧光素。标记可在PCR扩增或逆转录过程中加入荧光标记的dNTP来完成。为提高芯片的准确性，在多态性和突变检测型基因芯片中采用多色荧光标记可扩大检测范围。(www.daowen.com)

3.杂交及杂交信号检测　基因芯片同靶基因的杂交与一般的分子杂交过程基本相同，将经标记的样品与基因芯片进行杂交，反应的时间、温度以及缓冲液配比等条件由所采用的仪器自动控制，仅需数秒钟，便可完成。杂交完成后，要对基因芯片进行“读片”，用芯片扫描仪采集芯片上的杂交信号，利用相关软件进行定量或定性比较，最终获得待测样品的相应信息。Affymetrix的基因芯片的分析系统中采用了基因阵列扫描仪和专用的基因芯片工作站，几分钟就可完成一幅包含数万个探针位点的基因芯片图样的分析，采用这种分析手段，在短短的几十分钟至数小时内，就可以完成用传统方法需要数月才能完成的几万乃至几十万次杂交数据的分析。

（三）基因芯片技术的应用

基因芯片技术作为一种多基因分析的技术具有独一无二的优势，可以同时分析成千上万的基因数据，这种高通量模式使得基因研究效率也成千上万倍地突增，在生命科学研究领域中担负着极其重要的使命，自其问世起就得到了广泛的应用，被评为21世纪最有发展前途的20项高新技术之一。目前主要应用于以下领域：

1.基因表达分析　基因芯片技术在分析基因的表达中具有不可比拟的优势，NIH首脑瓦默斯（Harold Varmus）在美国细胞生物学1998年年会上说：“在基因芯片的帮助下，我们将能够监测一个细胞乃至整个组织中所有基因的行为”。

基因芯片具有高度的敏感性和特异性，可以在一张芯片上对基因组的全部基因或表达序列标签进行检测，研究众多基因表达与否及其表达丰度，而且能用很少的样品提供有关基因差异表达的信息，这对疾病的诊断、治疗提供了有用的信息。

2.基因组测序　基因芯片可以进行高效快速测序，测序原理是杂交测序法。在一块基因芯片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针，当溶液中带有荧光标记的核酸序列与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列，据此可重组出靶基因的序列。

3.基因型和多态性分析　不同种群和个体之间，基因型有多种，而这往往与遗传性疾病有着密切的关系，分析这些基因的多态性与生物功能和疾病的关系是研究的方向之一。由于大多数遗传性疾病是由多个基因同时决定的，用传统的方法分析起来很难，而基因芯片可以同时对数千甚至更多个基因进行分析，通过基因芯片SNP（单核苷酸多态性）定位试验，可以确定基因多态性和疾病的关系、致病的机制和病人对治疗的反应等。对于许多与人类疾病密切相关的致病微生物，也可对其进行基因型和多态性分析。

4.疾病的诊断与治疗　从分子生物学的角度看，外源基因的侵入和内源基因的突变引起的基因变化导致了疾病的发生。使用基因芯片技术对基因及其异常表达的分析研究疾病，有助于阐明疾病的发生、发展规律，使疾病的诊断更简便高效。肿瘤是利用基因芯片研究最多的疾病，利用基因芯片技术可随时获取肿瘤细胞生长各期与肿瘤生长相关的基因表达模式，同时还可以比较正常细胞和肿瘤细胞中相关基因表达的变化，发现新的肿瘤相关基因，作为药物筛选的靶标。

5.药物的研究和开发　基因芯片可以对生物体的多个参数同时进行研究以发掘药物靶点，同时可以获取大量其他相关信息。基因芯片技术能够直接分析用药前后不同组织、器官基因表达谱的变化，构建基因表达图谱，而不需要对化合物的作用机制充分了解，通过基因表达的增加或减少，分析病理学、生理学的原因，高效率地筛选出新的药物或先导化合物，省略了大量的动物实验，缩短药物筛选周期，从而促进新药的研发。