生物芯片技術起源于核酸分子雜交。所謂生物芯片指高密度固定在固相支持介質上的生物信息分子（如寡核苷酸、基因片段、cDN***段或多肽、蛋白質）的微陣列，陣列中每個分子的序列及位置都是已知的，并且是預先設定好的序列點陣。　
簡單地說，生物芯片就是在一塊指甲大小的玻片、硅片、尼龍膜等材料上放上生物樣品，然后由一種儀器收集信號，用計算機分析數據結果。

根據用途分類

　　(1)生物電子芯片：用于生物計算機等生物電子產品的制造。
(2)生物分析芯片：用于各種生物大分子、細胞、組織的操作以及生物化學反應的檢測。
前一類目前在技術和應用上很不成熟，一般情況下所指的生物芯片主要為生物分析芯片。

根據作用方式分類

　　(1)主動式芯片：是指把生物實驗中的樣本處理純化、反應標記及檢測等多個實驗步驟集成，通過一步反應就可主動完成。其特點是快速、操作簡單，因此有人又將它稱為功能生物芯片。主要包括微流體芯片(microftuidic chip)和縮微芯片實驗室(lab on chip)。
(2)被動式芯片：即各種微陣列芯片，是指把生物實驗中的多個實驗集成，但操作步驟不變。其特點是高度的并行性，目前的大部分芯片屬于此類。由于這類芯片主要是獲得大量的生物大分子信息，最終通過生物信息學進行數據挖掘分析，因此這類芯片又稱為信息生物芯片。

根據固定在載體上的物質成分分類　　
(1)基因芯片(gene chip)：又稱DNA?**(DNA chip)或DNA微陣列(DNA microarray)，是將cDNA或寡核苷酸按微陣列方式固定在微型載體上制成。
(2)蛋白質芯片(protein chip或protein microarray)：是將蛋白質或抗原等一些非核酸生命物質按微陣列方式固定在微型載體上獲得。
(3)細胞芯片(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)組織芯片(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。
(5)其他：如芯片實驗室(Lab on chip)，用于生命物質的分離、檢測的微型化芯片。現在，已經有不少的研究人員試圖將整個生化檢測分析過程縮微到芯片上，形成所謂的“芯片實驗室”(Lab on chip）。芯片實驗室是生物芯片技術發展的最終目標。它將樣品的制備、生化反應到檢測分析的整個過程集約化形成微型分析系統。由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極、電子化學和電子發光探測器等組成的芯片實驗室已經問世，并出現了將生化反應、樣品制備、檢測和分析等部分集成的芯片。例如可以將樣品的制備和PCR擴增反應同時完成于一塊小小的芯片之上。再如Gene Logic公司設計制造的生物芯片可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，并對其進行熒光標記，然后當樣品流過固定于柵欄狀微通道內的寡核苷酸探針時便可捕獲與之互補的靶核酸序列。應用其自己開發的檢測設備即可實現對雜交結果的檢測與分析。這種芯片由于寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，所以可以靈敏地檢測到稀有基因的變化。同時，由于該芯片設計的微通道具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應，縮短測試時間，從而降低了測試成本。

生物芯片的制備編輯本段回目錄　　●載體材料及要求：作為載體必須是固體片狀或者膜、表面帶有活性基因，以便于連接并有效固定各種生物分子。目前制備芯片的固相材料有玻片、硅片、金屬片、尼龍膜等。目前較為常用的支持材料是玻片，因為玻片適合多種合成方法，而且在制備芯片前對玻片的預處理也相對簡單易行。
● 載體種類：玻璃片、PVDF膜、聚丙烯酰氨凝膠、聚苯乙烯微珠、磁性微珠。
點樣機● 生物樣品的制備：分離純化、壙增、獲取其中的蛋白質或DNA、RNA并用熒光標記， 才能與芯片進行反應。 用DNA?**做表達譜研究時，通常是將樣品先抽提mRNA，然后反轉錄成cDNA。同時摻入帶熒光標記的dCTP或dUTP。
● 芯片制備方法：包括原位合成和預合成后點樣。
原位合成：適用于寡核苷酸，通過光引導蝕刻技術。已有P53、P450，BRCAI/BRCA2 等基因突變的基因芯片。 
預合成后點樣：是將提取或合成好的多肽、蛋白、寡核苷酸、cDNA、基因組DAN等通過特定的高速點樣機器人直接點在芯片上。該技術優點在于相對簡易低廉，被國內外廣泛使用。
接觸式點樣：是指打印針從多孔板取出樣品后直接打印在芯片上。打印時針頭與芯片接觸。優點是探針密度高，通常一平方厘米可打印2500個探針。 缺點是定量準確性及重現性不太好。
非接觸式點樣：針頭與芯片保持一定距離。優點是定量準確重現性好，缺點是噴印的斑點大，密度低。通常一平方厘米只有400點。但是日本佳能公司 能把噴印點直徑大小由150-100μm降到30-25μm。可將哺乳動物整個基因組DNA點陣于一張芯片上成為可能。

常見的生物芯片編輯本段回目錄樣品制備芯片

   生物樣品往往是復雜的混合物，在大多數情況下需要先對生物樣品進行預處理，即樣品制備。以核酸樣品制備為例，它包括了細胞分離、破胞、脫蛋白、提取ＤＮＡ等多步工作。這些工作可以在樣品制備芯片上完成。目前在細胞分離方法上較突出的有過濾分離和介電電泳分離等；芯片中的破胞方法有芯片升溫破胞、高壓脈沖破胞以及化學破胞等。
過濾分離芯片

   過濾分離即根據生物顆粒的尺寸差異進行分離。針對人白細胞的分離，１９９８年美國賓夕法尼亞大學的研究小組研究出了一種芯片微過濾法。芯片微過濾器的工作原理是根據人白細胞的尺寸比紅細胞大的特點，使人外周血流過微過濾器時只讓血漿和尺寸較小的紅血細胞及血小板通過，而截住尺寸較大的白細胞。加工微過濾用芯片是通過在硅片上刻出各種形狀的過濾通道，通道直徑為幾個微米，然后再在硅芯片上鍵合上一塊玻璃蓋片而完成。通過反復試驗和設計，微芯片過濾器已從最初的豎式Ｚ形結構，通過豎式條狀梳式結構過渡最后定型為橫壩式結構。采用橫壩式結構的優點是人白細胞的回收率高，過濾器不易被堵塞。微芯片過濾器的另一應用是它可將孕婦外周血中極少量的胎兒細胞過濾出來，供下一步作產前診斷之用。
介電電泳分離芯片

   介電電泳分離的原理是細胞在高頻不均勻電場作用下產生極化，不同的細胞由于介電特性、電導率、形狀不同而感應出不同的偶電極，因此受到不同介電力的作用。利用介電電泳方法制備樣品的優點是：通過測量細胞的運動速度，可以得到細胞的介電特性；可以對細胞進行無物理接觸的選擇性操縱、定位、分離。
生化反應芯片

   生化反應芯片的目的是把在實驗室試管中進行的生化實驗縮微到一塊小小的芯片上。目前較典型的生化反應芯片包括聚合酶鏈反應（ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅ ｃｈａｉｎ ｒｅａｃ-ｔｉｏｎ，ＰＣＲ）芯片、藥物合成芯片等，其中ＰＣＲ擴增芯片是生化反應芯片的典型代表。
在芯片上進行ＰＣＲ擴增反應的背景是，目前在生物芯片領域中所用的檢測儀器靈敏度還不夠高，所以從血液或活體組織中提取的ＤＮＡ在標記或應用前都需要擴增復制。例如，在對一個腫瘤的活體解剖樣品進行檢測時，需要在幾千個正常基因中找到一個異常的癌基因，顯然這需要對樣品ＤＮＡ進行必要的擴增復制才易于檢測。ＰＣＲ作為生物學中最常用的ＤＮＡ擴增手段，由變性、延伸、退火三個步驟所構成，其每個步驟的工作溫度大約分別為９５℃、７２℃、６０℃。通過該反應可將極微量的ＤＮＡ成千上萬倍地擴增，以滿足實驗需要。
除了上述方法外，另一個更簡易的方法是將帕爾帖器件（一種可通過改變器件兩端電壓的極性而產生加熱或致冷效果的半導體器件），直接貼在ＰＣＲ擴增芯片的背面，人們只需控制帕爾帖器件的溫度在三個恒溫區之間變化，就能在芯片上實現ＰＣＲ擴增。

檢測芯片編輯本段回目錄   檢測芯片主要包括毛細管電泳芯片和微陣列芯片兩類。

毛細管電泳芯片

   毛細管電泳（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ，ＣＥ）對于ＤＮＡ測序、司法鑒定、ＰＣＲ產物分析來說是一個強有力的手段。與平板凝膠電泳相比，毛細管電泳能更快速、更準確地分離ＤＮＡ片段，這是因為可以在毛細管兩端加上更高的電壓。毛細管電泳的缺點是一次只能分析一個樣品，毛細管微陣列電泳將平板凝膠電泳和毛細管電泳兩種方法的優點結合起來，在毛細管微陣列上并行地進行電泳，它能增大電泳泳道數目、提高電泳速度，是一種有著巨大應用前景的方法。
在毛細管電泳的基礎上，近幾年發展出集成度更高的集成毛細管電泳技術。集成毛細管電泳技術是在硅、玻璃、塑料等基體上刻蝕出毛細管槽，用蓋板封閉好后，在毛細管中填入媒體，使電泳分離的整個過程集成到一塊幾平方厘米的基片上。集成毛細管電泳芯片具有高效、快速、試樣用量少等優點，并已經在免疫測定、ＤＮＡ分析和測序、氨基酸和蛋白質分析、生物細胞研究方面得到應用。
伍利（Ａ． Ｔ． Ｗｏｏｌｌｅｙ）等人報道的方法，利用光刻掩膜和化學刻蝕技術在玻璃基底上光刻出微通道陣列，然后使基底與另一塊玻璃片鍵合構成毛細管陣列，其中上層玻璃片上鉆有小孔作為樣品輸入孔。ＤＮＡ片段在緩沖液中被熒光標記，最后利用激光共焦熒光探測系統檢測毛細管電泳的結果。
拉加利（Ｅ． Ｔ． Ｌａｇａｌｌｙ）等人構建了一種將ＰＣＲ反應和毛細管電泳集成在一起的ＰＣＲ－ＣＥ器件。他們將熱循環所需的加熱元件直接微加工在器件上，升溫／降溫的速度為每秒１０℃，每一次ＰＣＲ熱循環的時間為３０秒，利用５０納升容量的微閥和疏水性出口將樣品輸運到２００納升容量的ＰＣＲ反應腔中。基于該集成化ＰＣＲ－ＣＥ器件，能夠實現對單個ＤＮＡ分子的擴增和檢測。
此外劉英杰等人還構建了一種基于聚碳酸酯材料的集成毛細管器件來分析ＤＮＡ樣品。他們利用壓模方法加工出毛細管微通道，聚碳酸酯材料在鍵合前接受了紫外線輻射以增強親水性。實驗表明該器件能顯著區分長度為１００個堿基對、２００個堿基對……１５００個堿基對等的ＤＮＡ片斷。 
微陣列芯片

   ＤＮＡ微陣列芯片基于ＤＮＡ雜交反應的原理，先將許多ＤＮＡ片段末端固定在芯片上，然后讓熒光標記的樣品核酸通過流路或加樣至芯片上，雜交反應結束后清洗芯片，留在芯片上的樣品核酸即可用熒光檢測的方法來檢測。由于ＤＮＡ微陣列芯片不要求先對基底做微細加工，因此可利用自動化或化學合成方法在基底上直接施加或合成生化物質。目前有４種典型的ＤＮＡ微陣列芯片制備方法：光引導原位合成法、接觸式點涂法、化學噴射法、壓電噴射原位合成法。
光引導原位合成法是將微電子工業中的光刻技術與ＤＮＡ的光化學合成方法相結合。首先把用光敏保護基團保護的４種核苷酸固定在玻片上，然后根據設計要求用不同的掩模板對玻片進行掩蔽，光照處的光敏保護基團分解，暴露的地方即可加上新的被保護的核苷酸，如此循環下去就能以很高的密度和精度來制備ＤＮＡ微陣列芯片。現在人們已經能在１．６厘米２的玻片上合成４０萬組寡核苷酸。這種方法的缺點是需要花費大量的時間和成本來制備掩模板，因為寡核苷酸的每個堿基位需要４塊掩模板，合成一個２５個堿基對的微陣列芯片就需要１００塊掩模板。
接觸式點涂法先將ＤＮＡ探針合成好，然后通過一個點接觸裝置自動地將探針點到玻片上的指定地點。點接觸法的優點是快速、經濟、多功能，缺點是每種樣品都必須是合成好、經過純化并事先保存的。
化學噴射法是以定滴供給的方式，通過壓電晶體或其他推進形式從噴嘴內將生物樣品噴射到玻璃基片上。噴射法所需的樣品是已經合成好的ＤＮＡ，它與點接觸法的區別是噴嘴不與玻片接觸。
壓電噴射原位合成法主要包括兩個步驟：先在直徑為７５毫米的二氧化硅基底上制備高密度的小坑，每個小坑的直徑為１００微米，間距３０微米，共約１０萬個小坑，小坑內作羥基化親水處理，小坑間作氟化疏水處理，這樣得到的小坑即可作為ＤＮＡ合成的微型反應池；然后根據實際要求，在４個壓電噴頭中分別裝入Ａ、Ｔ、Ｇ、Ｃ核苷酸，由計算機控制微陣列ＤＮＡ芯片ｘ－ｙ方向的運動，將４種核苷酸噴射到適當的小坑中，由此在預制的基底上并行合成出微陣列ＤＮＡ芯片。

生物芯片的光學檢測和數據處理編輯本段回目錄   對ＤＮＡ芯片上所包含的信息進行準確檢測是一項至關重要的工作。早期的方法是同位素標記法，應用時需經過曝光、顯影，然后用具有尋址功能的掃描儀掃讀。目前在生物芯片信息采集中使用最多最成功的是熒光標記法，這種方法不受同位素的使用限制，用激光作為激發光源的共焦掃描裝置具有極高的靈敏度、分辨能力和定位功能，并能定量地輸出結果。
近年來，納馬西瓦亞姆（Ｖ． Ｎａｍａｓｉｖａｙａｍ）等人構建了一種將熒光檢測裝置直接集成在生物芯片上的方法，這更加提高了生物芯片的集成度。他們在硅上加工出光電二極管，并與芯片上的微流體系統相結合，可以實現０．９納克／微升的ＤＮＡ檢測精度，信噪比為１００∶１。
由于利用生物芯片可以一次性地得到大量實驗數據，因此需要一個專用的軟件系統來處理數據。完整的生物芯片數據處理系統，應該包括芯片圖像分析和數據提取，芯片數據的統計學分析和生物學分析，芯片的數據庫積累和管理，芯片表達基因的國際互聯網檢索，表達基因數據庫分析和積累等功能。

生物芯片中的微流體技術編輯本段回目錄   在生物、化學、材料等科學實驗中，經常需要對流體進行操作，如樣品ＤＮＡ的制備、ＰＣＲ反應、電泳檢測等操作都是在液相環境中進行。如果要將樣品制備、生化反應、結果檢測等步驟集成到生物芯片上，則實驗所用流體的量就從毫升、微升級降至納升或皮升級，這時功能強大的微流體裝置就顯得必不可少了。因此隨著生物芯片技術的發展，微流體技術作為生物芯片的一項關鍵支撐技術也得到了人們越來越多的關注。
與微電子技術不同，微流體技術不強調減小器件的尺寸，它著重于構建微流體通道系統來實現各種復雜的微流體操縱功能。與宏觀流體系統類似，微流體系統所需的器件也包括泵、閥、混合器、過濾器、分離器等。盡管與微電子器件相比，微通道的尺寸顯得相當大，但實際上這個尺寸對于流體而言已經是非常小。微通道中的流體流動行為與人們在日常生活中所見的宏觀流體流動行為有著本質的差別，因此微泵、微閥、微混合器、微過濾器、微分離器等微型器件往往都與相應的宏觀器件差別甚大。
為了精確設計微流體系統中所需的器件，首先要確定微通道中流體的流動性質。現在人們利用共焦顯微鏡成像技術可以方便地對微通道中的流動過程進行量化，達到了以往無法實現的高分辨率。世界上第一個微流體器件由英國帝國理工大學（Ｉｍｐｅｒｉａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ）的曼齊（Ａ． Ｍａｎｚ）、美國橡樹嶺國家實驗室的拉姆齊（Ｍ． Ｒａｍｓｅｙ）等科學家在１９９０年代初研制成功。該器件是利用常規的平面加工工藝（光刻、腐蝕等）在硅、玻璃上制作的。盡管這種制作方法非常精密，但成本高，且不靈活，無法適應研發需求。最近懷特賽茲（Ｇ． Ｍ． Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ）等人提出一種“軟光刻”微加工方法，即在有機材料上印制、成型出微結構，從而能方便地加工原型器件和專用器件。另外這個方法還能構建出三維微通道結構，并能在更高層次上控制微流體通道表面的分子結構。
噴射技術是最成熟的微流體技術，它使用直徑小于１００微米的孔來產生微滴。這項技術可用于輸運微反應中的微量試劑，以及將微量ＤＮＡ樣品分發到載體表面形成微陣列（參見ＤＮＡ芯片制作中的化學噴射法、壓電噴射原位合成法）。前面提到的集成毛細管電泳技術也是近幾年出現的另一項微流體技術。

表達譜基因芯片編輯本段回目錄檢測原理
用不同的熒光染料通過逆轉錄反應將不同組織或細胞的mRNA分別標記成不同的探針，將探針混合后與芯片上的基因進行雜交、洗滌，用特有的熒光波長掃描芯片，得到這些基因在不同組織或細胞中的表達譜圖片，再通過計算機分析出這些基因在不同組織中表達差異的重要信息。是基因功能研究的一種重要手段。

應用意義
對來源于不同個體（正常人與患者）、不同組織、不同細胞周期、不同發育階段、不同分化階段、不同病變、不同刺激（包括不同誘導、不同治療階段）下的細胞內的mRNA或逆轉錄后產生的cDNA與表達譜基因芯片進行雜交，可以對這些基因表達的個體特異性、組織特異性、發育階段特異性、分化階段特異性、病變特異性、刺激特異性進行綜合的分析和判斷，迅速將某個或幾個基因與疾病聯系起來，極大地加快這些基因功能的確立，同時進一步研究基因與基因間相互作用的關系。所以，無論何種研究領域，利用表達譜基因芯片可以獲得大量與研究領域相關的基因，使研究更具目的性和系統性，同時也拓寬研究領域。
采用表達譜基因芯片研究基因表達與傳統的Northern Blot相比有許多重要的優點：
1. 檢測系統的微型化，對樣品等需要量非常小
2. 同時研究上萬個基因的表達變化，研究效率明顯提高
3. 能更多地揭示基因之間表達變化的相互關系，從而研究基因與基因之間內在的作用關系
4. 檢測基因表達變化的靈敏度高，可檢測豐度相差幾個數量級的表達情況
5. 節約費用和時間

制作技術
光引導原位合成
原位合成適于制造寡核苷酸和寡肽微點陣芯片，具有合成速度快、相對成本低、便于規模化生產等優點。照相平板印刷技術是平板印刷技術與DNA和多肽固相化學合成技術相結合的產物，可以在預設位點按照預定的序列方便快捷地合成大量寡核苷酸或多肽分子。在生物芯片研制方面享有盛譽的美國Affymetrix公司運用該技術制造大規模集成Genechip。原位合成后的寡核苷酸或多肽分子與玻片共價連接。它用預先制作的蔽光板和經過修飾的4種堿基，通過光進行活化從而以固相方式合成微點陣。合成前，預先將玻片氨基化，并用光不穩定保護劑將活化的氨基保護起來。聚合用單體分子一端活化另一端受光敏保護劑的保護。選擇適當的擋光板使需要聚合的部位透光，不需要發生聚合的位點蔽光。這樣，光通過擋光板照射到支持物上，受光部分的氨基解保護，從而與單體分子發生偶聯反應。每次反應在成千上萬個位點上添加一個特定的堿基。由于發生反應后的部位依然接受保護劑的保護，所以可以通過控制擋光板透光與蔽光圖案以及每次參與反應單體分子的種類，就可以實現在特定位點合成大量預定序列寡核苷酸或寡肽的目的。由于照相平板印刷技術每步的合成效率較低（95%），合成30nt的終產率僅為20%，所以該技術只能合成30nt左右長度的寡核苷酸。在此基礎上，有人將光引導合成技術與半導體工業所用的光敏抗蝕技術相結合，以酸作為去保護劑，將每步合成產率提高到99%，但制造工藝復雜程度增加了許多。所以如何簡便地提高合成產率是光引導原位合成技 術有待解決的問題。　

打印原位合成
壓電打印原位合成的方式類似于噴墨打印機，合成原理與傳統的核酸或寡肽固相合成技術相同。合成過程為：合成前以與光引導原位合成類似的方式對芯片片基進行預處理，使其帶有反應活性基團，例如伯氨基。同時，將合成用前體分子（DNA合成堿基、cDNA和其它分子）放入打印墨盒內，由電腦依據預定的程序在xyz方向自動控制打印噴頭在芯片支持物上移動，并根據芯片不同位點探針序列需要將特定的堿基合成前體試劑（不足納升）噴印到特定位點。噴印上去的試劑即以固相合成原理與該處支持物發生偶聯反應。由于脫保護方式為酸去保護，所以每步延伸的合成產率可以高達99%，合成的探針長度可以達到40~50nt。以后每輪偶聯反應依據同樣的方式將需要連接的分子噴印到預定位點進行后續的偶聯反應。類似地重復此操作可以在特定位點按照每個位點預定的序列合成出大量的寡核苷酸探針。

點樣法
點樣法在多聚物的設計方面與原位合成技術相似。只是合成工作用傳統的DNA、多肽合成儀或PCR擴增或體內克隆等方法完成。大量制備好的核酸探針、多肽、蛋白等生物大分子再用特殊的自動化微量點樣裝置將其以較高密度互不干擾地印點于經過特殊處理的玻片、尼龍膜、硝酸纖維素膜上，并使其與支持物牢固結合。支持物需預先經過特殊處理，例如多聚賴氨酸或氨基硅烷等。亦可用其它共價結合的方法將這些生物大分子牢牢地附著于支持物上。現在已經有比較成型的點樣裝置出售，例如美國Biodot公司的“噴印”儀以及Cartesian Technologies公司的Pix-Sys NQ/PA系列“打印”儀。這些自動化儀器依據所配備的“打印”或“噴印”針將生物大分子從多孔板吸出直接“打印”或“噴印”于芯片片基上。“打印”時針頭與芯片片基表面發生接觸而“噴印”時針頭與片基表面保持一定的距離。所以，“打印”儀適宜制作較高密度的微陣列（例如2500點/cm2），“噴印”法由于“噴印”的斑點較大，所以只能形成較低密度的探針陣列，通常400點/cm2。點樣法制作芯片的工藝比較簡單便于掌握、分析設備易于獲取，適宜用戶按照自己的需要靈活機動地設計微點陣，用于科研和實踐工作。　
目前，除了在生物芯片研制方面享有盛譽的Affymetrix公司等個別公司使用原位合成技術制造芯片外，大多中小型公司普遍采用點樣技術制作生物芯片。

檢測和分析
檢測的原理
熒光標記和檢測是利用熒光標記的DNA堿基在不同的波長下吸收和發射光。在微陣列分析中，多色熒光標記可以在一個分析中同時對二個或多個生物樣品進行多重分析，多重分析能大大地增加基因表達和突變檢測結果的準確性，排除芯片與芯片間的人為因素。熒光為基礎的分析使得利用一些先進的數據獲得技術成為可能，包括共聚焦掃描的CCD照相技術。用于芯片制備的無孔基質表面使得芯片檢測中的生化反應大大受益。玻璃基質所需的反應體積（5-200ul）比傳統的分析要小的多（5-50ml），小反應體積降低了試劑的消耗，增加了微陣列分析中核酸的反應物的濃度（0.1-1um）,相對于傳統分析（0.1-4pm）增加100000倍之多，濃度的增加又能加速雜交的速度，從而減少獲得強熒光信號的時間，并可用蓋玻片封閉雜交槽進行雜交反應。 對于以核酸雜交為原理的檢測技術，主要過程為：首先用生物素標記經擴增（也可使用其它放大技術）的靶序列或樣品然后再與芯片上的大量探針進行雜交。用鏈霉親和素(streptavidin)偶聯的熒光素（常用的熒光素還有lassamine 和phycoerythrin）作為顯色物質，圖象的分析則用落謝熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡或其它熒光顯微裝置對片基掃描，由計算機收集熒光信號，并對每個點的熒光強度數字化后進行分析。由于完全正常的 Watson-Crick配對雙鏈要比具有錯配(mismatch)堿基的雙鏈分子具有較高的熱力學穩定性，所以，前者的熒光強度要比后者強出5-35%。從這一點來說，該檢測方法是具有一定特異性的，而且熒光信號的強度還與樣品中靶分子含量呈一定的線性關系。

熒光探針
目前用熒光探針作為檢測信號的儀器，主要是考慮熒光標記所要檢測的DNA的效率，以及熒光探針本身的發光效率和光譜特性。
（一）PCR過程中的DNA標記 
1.末端標記：在引物上標記有熒光探針，在DNA擴增過程時，使新形成的DNA鏈末端帶有熒光探針。 
2 .隨機插入：選擇四種緘機基，使其中一種或幾種掛有熒光探針，在PCR過程中，帶有熒光探針的堿基和不帶熒光探針的堿基，同時參與DNA鏈的形成。由于帶有熒光探針的堿基，可能影響PCR的產物，因此，需要調整熒光標記的堿基與未標記的堿基比率，以使得PCR產量和帶有熒光探針的堿基在DNA的插入率達到一個平衡的水平，使雜交信號最強。
（二）RNA轉錄過程的熒光探針標記 
某一種堿基標記有熒光，但要求該種堿基標記與非標記按一定比率混合，以達到最佳轉錄效果。
（三）熒光探針的選擇 　 
主要考慮以下幾個因素： 　 
熒光探針的激發和發射頻譜； 
熒光探針的發光效率； 　 
熒光探針對PCR或逆轉錄效率的影響；
不同熒光探針的發射光譜是否有重疊。
常用的熒光探針：FITC，CY-3，ALEAX488，CY-5，ALEAX564

聚焦掃描和CCD掃描儀
一旦熒光標記樣品和微陣列反應后，未結合的成分就可洗去，結合到芯片的樣品可通過熒光檢測裝置進行檢測。聚焦掃描儀和CCD相機均已成功地應用于芯片的檢測。聚焦掃描主要是利用玻璃基質小區域（約100um2）的激光發曬透鏡（或兩者）使整個影像聚集，每個位點上帶熒光的樣品發射的光通過一系列的反光鏡，光片和晶體后與不要的光分開，然后被光電倍增管（或一種類似的裝置）轉換成一種電信號。聚焦掃描聚焦數據的速度（1-5min）要比傳統實驗中的放射自顯影快的多（1-10天），快速的熒光檢測技術是芯片檢測技術的一次革命。CCD相機利用許多與聚焦掃描儀相同的原理聚焦熒光影像。

生化反應
雜交反應概述
該過程指將從生物樣品分離到的蛋白、DNA或RNA樣品與生物芯片進行反應，從固定于芯片的探針陣列得到樣品的序列信息。由于玻片本身的熒光本底很低，所以可用熒光標記的方法來對生物芯片實施檢測和分析，同時具有快速、精確和安全等優點。而且，還可用多個熒光素進行標記以實現一次性分析多個生物樣品。玻片作為支持物還可使反應體積縮小到5-200μl，而通常的雜交反應體積為5-50ml。這樣一方面節約了試劑，同時還可以提高反應試劑的有效濃度(0.1-1μM)，是常規檢測(0.4-4pM)的一萬倍。因此促進了雜交速度減少了雜交時間，并可取得較強的熒光信號。 

核酸樣品
RNA樣品通常需要首先逆轉錄成cDNA并進行標記后才可進行檢測。目前，由于檢測靈敏度所限，尚難以普通探針對極少量的核酸分子進行雜交和檢測，所以需要對樣品或后續測試信號進行適當的放大。多數方法需要在標記和分析前對樣品進行適當程度的擴增，例如通過PCR方法，以使樣品核酸的拷貝數有所提高達到檢測的靈敏度。但用DNA?**進行檢測分析時需要對樣品大量的DN***段進行擴增和標記,所以需要同時對樣品核酸分子大量的區域進行擴增，這是一項工作量非常巨大的工作。順應這一要求出現了許多解決辦法，并在不同程度上減輕了工作量。例如，Mosaic Technologies公司引入的固相PCR方法，將多對引物固定于支持物上（其位置和序列信息預定），以類似于原位PCR的方式一次性對樣品多個片段進行擴增和放大，而且不會由于引物種類過多而出現相互間的競爭和抑制（這種情況曾出現于多重PCR中）。引物具有較強的特異性，擴增反應也不存在交叉污染，因而省略了處理常規多重和多個PCR反應的繁瑣工作。再如，Lynx Therapeutics公司引入的大規模并行克隆（massively parallel solid-phase cloning），可在一個樣品中同時對數以萬計的DN***段進行克隆，且無需單獨處理和分離每個克隆。 
除了檢測前對樣品分子的放大外，通常仍需要有高靈敏度的檢測設備來采集、處理和解析生物信息。但，亦有不經過對樣品的擴增和放大而直接應用特殊處理的探針，例如分支探針技術，而達到較高的檢測靈敏度水平。這種方法的原理是，設計具有龐大分支結構的分支核苷酸探針，分支末端以酶標記。這樣，經過分支核苷酸與酶的雙重放大作用而將標本雜交時極弱的信號轉換為較強的化學信號。該技術比較成功的例子就是HCV與HBV的檢測。它的最大優點在于其操作簡便，具有較高的靈敏度，同時也可以保證檢測結果的特異性[2]。當然，由于不同檢測方式的靈敏度不同對于樣品的處理和擴增情況的要求亦有所不同，具體的處理和放大方法仍需根據實際情況進行選擇。 

蛋白及其它生物樣品
同樣，基于生物大分子相互作用原理的生物芯片在檢測時生物樣品的處理遵循相似的方式，即信號的放大和樣品的標記。例如，蛋白芯片在進行檢測和分析時，可以將待分析的蛋白樣品用熒光素或其它物質進行標記，然后與生物芯片上的生物大分子進行相互作用，最后依據標記物質的不同采取相應的檢測方式采集和分析樣品和芯片上生物大分子相互作用的結果。對與非核酸類的生物大分子，存在的問題是有時不便于對其進行擴增和放大，因為其它生物大分子的結構相對比較復雜不能進行簡便的克隆或擴增。所以，這就向檢測的靈敏度提出了更高的要求。其它生物大分子的檢測和分析類似與蛋白分子。例如核酸與蛋白的相互作用，配體間的相互作用，糖與蛋白的相互作用等。

抗體芯片編輯本段回目錄蛋白質是一切生命活動的基礎，受基因表達的調控，因而以檢測樣品中的mRNA為基礎的cDNA?**是當今研究中倍受關注的研究手段。但是，由于存在著轉錄后加工、翻譯調控以及翻譯后加工等多種調節機制，基因的表達，或者說mRNA的水平并不必然代表蛋白質產物的水平。因此，以微陣列技術對生物樣品作整體蛋白質表達分析的蛋白芯片在后基因組時代越來越受重視。抗體芯片（Antibody Microarray，抗體微陣列），是蛋白質芯片的一種，是檢測生物樣品中蛋白表達模式的新方法。這種新技術使得研究人員可以在一次實驗中比較生物樣品中成百上千的蛋白質的相對豐度，將極大促進蛋白質組目前的研究狀況——因為以現有的技術中對蛋白質進行這種復雜的分析是非常困難的。
Clontech公司第一代的抗體芯片Ab Microarray 380（Cat.No.K1847-1）包含固定在玻璃片基上的378種已知蛋白質的單克隆抗體，可以在一次簡單實驗中同時檢測樣品中的378種蛋白質的表達情況，并且可以在一張芯片上對兩種樣品的表達模式進行比較分析。這使得抗體芯片在毒性實驗、疾病研究和藥物開發上有廣泛的應用前景。Ab Microarray 380芯片上每個抗體都是并列雙點以增加結果的可靠性，抗體針對廣泛的胞內蛋白和膜結合蛋白，已知參與信號傳導、癌癥、細胞周期調控、細胞結構、凋亡和神經生物學等廣泛的生物功能，因而可以用于檢測某一特定的生理或病理過程相關蛋白的表達模式。盡管抗原來自人，但很多抗體可以識別小鼠或大鼠的樣品。詳細的資料可以上網查詢。
芯片上抗體的選擇不但根據其特異性，也根據抗體的結合親和力，在驗證實驗中特異性低、交叉反應高、或者信號強度低的抗體都被排除，另外所有抗體都經過檢驗保證得到的信號與抗原濃度有良好的線性相關，那些沒有良好的線性劑量關系的抗體都被排除。因此抗體芯片能夠檢測到樣品中很低的pg/ml濃度的抗原。第一代的蛋白芯片和DNA?**一樣是作為一種定性分析的工具，可用于分析樣品之間相關蛋白的相對表達豐度；還可以作為DNA?**的補充，用于研究蛋白和基因表達之間的關系。

操作流程
抗體芯片并不要求特殊的技能，只要一般常規的操作就可以完成以往極為復雜耗時的工作。整個操作流程包括：從50—200mg組織或細胞、體液中進行蛋白質抽提——用Cy5和Cy3兩種不同顏色的熒光分子分別標記兩個樣品——洗去多余的標記分子——與芯片雜交孵育——掃描分析結果。整個過程從樣品制備到結果分析只要一天即可完成，你只要準備好樣品、熒光染料、脫鹽純化柱（處理體液樣品時用）和熒光掃描儀，其他的試劑全部由試劑盒提供。

優化的試劑
隨芯片試劑盒提供的蛋白抽提/標記緩沖液，是專門為抗體芯片而設計的，非常溫和的去垢劑在能高效抽提膜結合蛋白（相比SDS煮沸法能抽提95%以上的蛋白）的同時能保持蛋白的天然活性（非變性條件），這樣能夠保證抽提的蛋白的溶解性和代表性，保證以后的實驗結果的真實性，和原始材料的一致性。
內源標準化信噪比(Internally Normalized Ratio)
根據操作手冊進行內源標準化處理可以得到一個內源標準化信噪比（INR），內源標準化處理是指對兩個樣品（A、B）中分別用兩種熒光標記分子（Cy3和Cy5）標記，并交叉與芯片雜交（見圖，A-Cy5和B-Cy3一組,A-Cy3和B-Cy5一組分別和芯片雜交），可以作為消除抗原—抗體結合效率差異的對照，也可以消除潛在的不同熒光分子的標記效率差異。假如Cy5標記效率高于Cy3，單純一個實驗的結果就會有偏差（Cy5標記的樣品信號偏高），用這種雙向交叉反應就可以消除這種偏差。兩芯片雜交結果分別得到兩組Ratio值，通過免費下載的工具就可以自動算出每個抗體抗原的INR值，這就代表在兩個樣品間某個蛋白的相對豐度。這種內源標準化處理可以大大減小樣品分析的偏差。
抗體芯片檢測的結果不是蛋白的絕對含量而是378個目的蛋白在兩個樣品之間的相對豐度。值得注意的是由于抗體抗原結合的差異、標記差異等原因，根據芯片結果信號的強弱判斷同一樣品中兩種不同蛋白的多少是不恰當的。

蛋白芯片技術編輯本段回目錄    蛋白芯片技術的基本原理是將各種蛋白質有序地固定于滴定板、濾膜和載玻片等各種載體上成為檢測用的芯片，然后，用標記了特定熒光抗菌素體的蛋白質或其他成分與芯片作用，經漂洗將未能與芯片上的蛋白質互補結合的成分洗去，再利用熒光掃描儀或激光共聚焦掃描技術，測定芯片上各點的熒光強度，通過熒光強度分析蛋白質與蛋白質之間相互作用的關系，由此達到測定各種蛋白質功能的目的。為了實現這個目的，首先必須通過一定的方法將蛋白質固定于合適的載體上，同時能夠維持蛋白質天然構象，也就是必須防止其變性以維持其原有特定的生物活性。另外，由于生物細胞中蛋白質的多樣性和功能的復雜性，開發和建立具有多樣品并行處理能力、能夠進行快速分析的高通量蛋白芯處技術將有利于簡化和加快蛋白質功能研究的進展。

蛋白芯片技術的研究現狀

    在多年的蛋白芯片技術的研究過程中，研究者為了尋找合適的物質作為蛋白的載體進行了不懈的探索。例如日本學者Velev利用含有陽離子表面活性劑（HTAB）脂質體作為載體，通過戊二醛作用使其與一種鐵蛋白包裹外殼的成分結合組裝制備成為一種納米水平的裝配體，這種裝配體可以在適當的pH條件下，使鐵蛋白分子進入并固定于包裹外殼內面，形成蛋白質的載體。Adachi等利用某些固體表面或薄膜覆蓋上含有電解質的薄膜作為載體，可以將膠體蛋白質顆粒成分轉移至薄膜上形成蛋白芯片。Uetz等在分析啤酒酵母基因組序列全長度閱讀框架編碼各種蛋白質的相互作用的過程，使用不同孔數的平板作為載體，建立了約含有6000個酵母轉化株組成的平板蛋白芯片系統，平板上的每一個小孔中含有一個酵母轉化株，可以根據其活性功能區開放閱讀框架的編碼表達生成一種蛋白質，利用這個系統可以用于蛋白質功能的檢測和分析。Arenkov等利用聚丙烯酰胺凝膠板作為支持物，將蛋白樣品置于凝膠上，然后經過電泳分離，使其成為蛋白的陣列用于進一步的研究。最近，哈佛大學蛋白芯片研究中心Gavin等利用制備DNA?**的高精密度機械手的針狀點樣槍頭在只有顯微鏡載玻片一半大小的玻片上，制備了第一張含有樣品點數為10800的蛋白芯片。這張芯片用已純化的蛋白，G按每點為1納升的點樣量點樣10799次，另一次用FRB(FK-BR12-rapamycin binding domain of FKBP-rapamycin-associated protein)點樣。為了確保不同分子量 的點樣蛋白質都能夠被固定在玻片上，他們首先在玻片表面涂上BSA,然后使用N,N’-二琥珀酰胺碳酸（N,N,-disuccinimidyl carbonate）激活BSA表面的賴氨酸、天冬氨酸和谷氨酸殘基成為BSA-NHS玻片，其作用是促進BSA與點樣蛋白質的結合而使蛋白質被固定于玻片上。在制備芯片過程中，為了保證被固定在載體上的蛋白質依然保持天然的構象和生物學活性，他們在蛋白質點樣的磷酸鹽緩沖液中加入40%的甘油，以防止因體的蒸發而造成的蛋白質變性。點樣后再經3h的溫浴并將零片浸泡于含有小牛血清蛋白（BSA）的緩沖液中，使芯片表面含有一層小牛血清蛋白，用于封閉與其他蛋白質產生非特異性結合的部位及在表面未參加反應的醛基。為了檢測芯片的應用，他們用不同熒光抗體分別標記能與蛋白G和FRB特異結合的IgG和FKBP12（12Kd FK506-binding protein）并作用于蛋白芯片，觀察這些蛋白質與蛋白芯片的相互作用，其結果清晰地顯示芯片上的蛋白G和單一的FRB點樣分別被標上藍色和紅色熒光。該實驗研究建立了蛋白質樣品微量點樣技術并使蛋白質固定于載體上時能夠保留原有的構象和生物學活性，這將為今后對蛋白質多樣品的并行研究或快速分析——為制備高通量功能檢測的蛋白芯片奠定了技術基礎。

蛋白芯片的應用研究

    目前，學者們正在開展有關蛋白芯片技術應用的研究，Holt等利用蛋白芯片技術篩選能夠相互結合的特異抗體抗原成分，他們利用12種表達較強但尚未接觸任何抗原的抗體片段篩選含有27648種人胎腦蛋白的蛋白芯片，從中找出了4組高度特異性的抗原（蛋白）-抗體復合物，其中有3種抗體結合的蛋白質功能未明，但是由于表達水平都較低，說明這種抗原-抗體的結合技術是一種具有較高特異性和敏感性的篩選方法，可以用于高通量篩選分離各種不同的抗體成分，或檢測基因的表達和蛋白分子間的相互作用，這將有助于對某些疾病（包括腫瘤）的發病分子機理的研究，以及協助尋找疾病診斷和治療的靶分子。根據蛋白芯片技術的基本原理，可以將不同的抗體固定于載體上成為抗體蛋白芯片，用于檢測不同組織產生的蛋白質。
Ge在蛋白質的相互作用的研究中，采用了一種通用的蛋白質芯片系統，該系統敏感有效，用途廣泛，可定量測定及重復使用，而且操作簡易。
Gavin等應用蛋白芯片技術觀察代謝過程有關作用物和酶的相互作用關系。他們選擇三對沒的激酶-作用物系統，即依賴3’，5’-磷酸蛋白激酶-Kemptide; 酷蛋白激酶Ⅱ-蛋白質磷酸酶抑制因子2和p42促有絲分裂劑激活蛋白（MAP）激酶（ErK2）-E1K1,首先將各系統的作用物按順序固定于三張BSA-NHS玻片上，分別在有同位素γ-33P ATP的環境中，與不同蛋白激酶溫浴，然后，玻片經用乳劑處理后可在光鏡下觀察到各種蛋白激酶催化特異的作用物產生磷酸化反應。其結果提示蛋白芯片技術可以應用于作用物與酶相互作用的研究及代謝機制的分析。
Gavin等還在蛋白芯片技術研究過程通過DIG、生物素和合成的六氫吡喧酮胺（即AP1497）等三種具有對應的蛋白受體的小分子特質，研究蛋白的受體蛋白按順序固定的相互作用。他們首先將三種小分子物質的受體蛋白按順序固定于同一載體上并制備成為相同的四張蛋白芯片，將BSA分別用沒的熒光物質（Alexa488、Cy3，或Cy5）標記，并分與DIC、生物素和AP1497三種小分子物質結合成為探針，用每一種具有不同熒光標記的探針作用地芯片，結果只能有能與小分子對應的受體蛋白被標上熒光。上述結果說明使用的熒光劑之間沒有交叉的熒光激發和發光作用，因此，將三種標記探針混合后作用于蛋白芯片，則可使三種不同的受體蛋白同時標記上不同的熒光。研究結果提示蛋白芯片技術對于新藥的發掘是十分有用的，因為它對尋找新藥作用的靶點非常方便。

主動式生物芯片編輯本段回目錄微流路芯片（microfluidic chip）編輯本段回目錄這是一種通道型的主動式生物芯片，也是目前研究得最多的一類。利用微加工技術和MEMS技術可以在基片上刻蝕出各種微通道或流路以及反應池等，用一定的外力或場驅動樣品或反應溶液在其中流動，并制作出微泵、微閥等結構器件以控制液體的流量和方向，將可以實現將生化反應的若干個步驟的集成，從而使生物芯片技術向縮微芯片實驗室發展。 
但是要將生化分析的全部復雜步驟都集成在一塊芯片上并不是一件簡單的事。目前問世的都是一些功能較簡單或單一的微流路芯片，包括毛細管電泳芯片、PCR反應芯片等。Burns等1998年研制的集成納升分析芯片融化了多項技術，具有較高智能度和集成度。該裝置大小為47mm×5mm×1mm，采用標準光刻蝕和微細加工工藝，在硅基片上構建顯微通道及各種復雜裝置，在計算機控制下，由芯片外微空氣泵驅動栽有反應物、緩沖液及DNA樣品的納升級小液滴——“微射流”在整個芯片上流動。通道中的疏水微區可把小液滴隔開，而埋有聚丙烯基質的區域可進行原位電泳，用裂解液釋放細胞中的DNA后，混合物注入反應室，其中的一塊玻璃墻靠電荷相互作用，吸附樣品中的核酸，經清洗、重溶后流到擴增室，由微加熱器提供溫度循環進行擴增，然后把DNA轉錄承RNA并帶上熒光標記，送到DNA微陣列進行雜交。
Jacobson等則在進行一種毛細管電層析芯片的研究。他們用光刻蝕技術在玻片上制備5.6μm寬66μm的通道，表面以十八硅烷修飾后做固定相，用電滲流轉運流動相。Regnier等用深度活性離子刻蝕法，在石英表面原位刻蝕出單片顆粒狀支持結構陣列，以替代常規層析柱中的微粒，移動相通過電滲流在1.5μm寬的通道上轉運。?

生物電子芯片(bioelectronic chip)編輯本段回目錄
由常規分子微陣列構成的芯片，探針與靶分子被動雜交，反應速率受分子擴散限制，故有學者設想構建微電極陣列，利用電場增強雜交。Sosnowski等采用微電子工藝，在熱氧化惰性處理的硅片基上構建了25個半徑40μm的Pt-Si3N4電極陣列，并在電極上蝕刻出樣品池，其上覆蓋帶有鏈霉親和素的瓊脂糖凝膠滲透層。在電場作用下，生物素標記的探針被運轉到特定的電極上與目的片段雜交，達到了能檢測單堿基錯配的分辨率。這種雜交不僅反應速度快，通過改變電場強度還可以控制分子結合的強度。 
更重要的是，還可在此類芯片上直接制備雜交樣品，克服了常規分子微陣列芯片的制樣困難。通過在硅片上制作一系列各種排列的金屬電極和在這些電極上施加高頻電場就可在不同的細胞內感應出偶極，而偶極的出現又反過來使不同的細胞要么承受正介電力，要么承受負介電力，從而能夠使他們從各種不同的液體樣品中分離出來。1998年，Nanogen公司研制了采用上述介電電泳原理將大腸桿菌從含有人體血細胞的混合物中分離出來的生物電子芯片，同時此芯片在蛋白酶消化作用下完成對細胞的胞解作用。處理后的大腸桿菌中的DNA或RNA經電尋址導向式雜交在另一塊芯片上完成雜交分析。
這類芯片發展迅速。1999年，Gilles等在硅片上蝕刻出電子回路和電極構成芯片，經擴增的病人DNA樣品在芯片上轉運、濃縮并吸附到特定電極上形成陣列，并與熒光標記的探針雜交，快速精確地區分了人甘露糖結合蛋白質基因中復雜的四等位單核苷酸多態性，并把該方法成為電子點雜交。而最近，一種將微電極陣列、微流路和電泳技術結合起來的三維疊層芯片已經在Nanogen公司問世。它與該公司的另一類電尋址探針陣列芯片連接起來，可構成完整的微型實驗室分析系統。?

電磁式生物芯片編輯本段回目錄這是以清華大學程京教授為首的我國科學家首創的一類主動式生物芯片。它主要是利用外加磁場的作用，通過改變電磁力來改變芯片中DNA或者蛋白質分子的流向和流速，達到分離的目的。此外這種芯片還有效地將電場和磁場的作用結合在一起，通過計算機可控制芯片上任意一點發生的生化反應，具有分析靈敏度高、樣品分析時間大為縮短等特點。其中，可單點選通的電磁陣列技術、電旋轉檢測技術等均為世界首創。

生物芯片的應用編輯本段回目錄基因表達水平的檢測

    用基因芯片進行的表達水平檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達情況。Schena等采用擬南芥基因組內共45個基因的cDNA微陣列（其中14個為完全序列，31個為EST），檢測該植物的根、葉組織內這些基因的表達水平，用不同顏色的熒光素標記逆轉錄產物后分別與該微陣列雜交，經激光共聚焦顯微掃描，發現該植物根和葉組織中存在26個基因的表達差異，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達高500倍。Schena等用人外周血淋巴細胞的cDNA文庫構建一個代表1046個基因的cDNA微陣列，來檢測體外培養的T細胞對熱休克反應后不同基因表達的差異，發現有5個基因在處理后存在非常明顯的高表達，11個基因中度表達增加和6個基因表達明顯抑制。該結果還用熒光素交換標記對照和處理組及RNA印跡方法證實。在HGP完成之后，用于檢測在不同生理、病理條件下的人類所有基因表達變化的基因組芯片為期不遠了。 　

基因診斷

   從正常人的基因組中分離出DNA與DNA?**雜交就可以得出標準圖譜。從病人的基因組中分離出DNA與DNA?**雜交就可以得出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術以其快速、高效、敏感、經濟、平行化、自動化等特點，將成為一項現代化診斷新技術。例如Affymetrix公司，把P53基因全長序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成P53基因芯片，將在癌癥早期診斷中發揮作用。又如，Heller等構建了96個基因的cDNA微陣，用于檢測分析風濕性關節炎（RA）相關的基因，以探討DNA?**在感染性疾病診斷方面的應用。現在，肝炎病毒檢測診斷芯片、結核桿菌耐藥性檢測芯片、多種惡性腫瘤相關病毒基因芯片等一系列診斷芯片逐步開始進入市場。基因診斷是基因芯片中最具有商業化價值的應用。

藥物篩選
如何分離和鑒定藥的有效成份是目前中藥產業和傳統的西藥開發遇到的重大障礙，基因芯片技術是解決這一障礙的有效手段，它能夠大規模地篩選、通用性強，能夠從基因水平解釋藥物的作用機理，即可以利用基因芯片分析用藥前后機體的不同組織、器官基因表達的差異。如果再c DNA表達文庫得到的肽庫制作肽芯片，則可以從眾多的藥物成分中篩選到起作用的部分物質。還有，利用RNA、單鏈DNA有很大的柔性，能形成復雜的空間結構，更有利與靶分子相結合，可將核酸庫中的RNA或單鏈DNA固定在芯片上，然后與靶蛋白孵育，形成蛋白質-RNA或蛋白質-DNA復合物，可以篩選特異的藥物蛋白或核酸，因此芯片技術和RNA庫的結合在藥物篩選中將得到廣泛應用。在尋找HIV藥物中，Jellis等用組合化學合成及DNA?**技術篩選了654536種硫代磷酸八聚核苷酸，并從中確定了具有XXG4XX樣結構的抑制物，實驗表明，這種篩選物對HIV感染細胞有明顯阻斷作用。生物芯片技術使得藥物篩選，靶基因鑒別和新藥測試的速度大大提高，成本大大降低。基因芯片藥物篩選技術工作目前剛剛起步，美國很多制藥公司已開始前期工作，即正在建立表達譜數據庫，從而為藥物篩選提供各種靶基因及分析手段。這一技術具有很大的潛在應用價值。

個體化醫療

    臨床上，同樣藥物的劑量對病人甲有效可能對病人乙不起作用，而對病人丙則可能有副作用。在藥物療效與副作用方面，病人的反應差異很大。這主要是由于病人遺傳學上存在差異（單核苷酸多態性，SNP），導致對藥物產生不同的反應。例如細胞色素P450酶與大約25%廣泛使用的藥物的代謝有關，如果病人該酶的基因發生突變就會對降壓藥異喹胍產生明顯的副作用，大約5%~10%的高加索人缺乏該酶基因的活性。現已弄清楚這類基因存在廣泛變異，這些變異除對藥物產生不同反應外，還與易犯各種疾病如腫瘤、自身免疫病和帕金森病有關。如果利用基因芯片技術對患者先進行診斷，再開處方，就可對病人實施個體優化治療。另一方面，在治療中，很多同種疾病的具體病因是因人而異的，用藥也應因人而異。例如乙肝有較多亞型，HBV基因的多個位點如S、P及C基因區易發生變異。若用乙肝病毒基因多態性檢測芯片每隔一段時間就檢測一次，這對指導用藥防止乙肝病毒耐藥性很有意義。又如，現用于治療AIDS的藥物主要是病毒逆轉錄酶RT和蛋白酶PRO的抑制劑，但在用藥3-12月后常出現耐藥，其原因是rt、pro基因產生一個或多個點突變。Rt基因四個常見突變位點是Asp67→Asn、Lys70→Arg、Thr215→Phe、Tyr和Lys219→Glu,四個位點均突變較單一位點突變后對藥物的耐受能力成百倍增加。如將這些基因突變部位的全部序列構建為DNA?**，則可快速地檢測病人是這一個或那一個或多個基因發生突變，從而可對癥下藥，所以對指導治療和預后有很大的意義。

測序             
基因芯片利用固定探針與樣品進行分子雜交產生的雜交圖譜而排列出待測樣品的序列，這種測定方法快速而具有十分誘人的前景。Mark chee等用含135000個寡核苷酸探針的陣列測定了全長為16.6kb的人線粒體基因組序列，準確率達99%。Hacia等用含有48000個寡核苷酸的高密度微陣列分析了黑猩猩和人BRCA1基因序列差異，結果發現在外顯子11約3.4kb長度范圍內的核酸序列同源性在98.2%到83.5%之間，提示了二者在進化上的高度相似性。據未經證實的報道，去年有一種不成熟的生物芯片在15分鐘內完成了1．6萬個堿基對的測定，96個這樣的生物芯片的平行工作，就相當于每天1．47億個堿基對的分析能力！

生物信息學研究
人類基因組計劃（HGP）是人類為了認識自己而進行的一項偉大而影響深遠的研究計劃。目前的問題是面對大量的基因或基因片斷序列如何研究其功能，只有知道其功能才能真正體現HGP計劃的價值--破譯人類基因這部天書。后基因組計劃、蛋白組計劃、疾病基因組計劃等概念就是為實現這一目標而提出的。基因的功能并不獨立的,一個基因表達的上調或者下調往往會影響上游和下游幾個基因表達狀態的改變，從而進一步引起和這幾個基因相關的更多基因的表達模式的改變。基因之間的這種復雜的相互作用組成了一張交錯復雜的立體的關系網。像過去那樣孤立的理解某個基因的功能已經遠遠不夠了，需要我們站在更高的層次全面的理解這種相互關系，全面了解不同個體基因變異、不同組織、不同時間、不同生命狀態等的基因表達差異信息，并找出其中規律。生物信息學將在其中扮演至關重要的角色。基因芯片技術就是為實現這一環節而建立的，使對個體生物信息進行高速、并行采集和分析成為可能，必將成為未來生物信息學研究中的一個重要信息采集和處理平臺，成為基因組信息學研究的主要技術支撐。比如研究基因生物學功能的最好方式是監測基因在不同組織、不同發育階段、不同健康狀況下在機體中活性的變化。這是一項非常麻煩的工作，但基因芯片技術可以允許研究人員同時測定成千上萬個基因的作用方式，幾周內獲得的信息用其它方法需要幾年才能得到。 
由于人類基因只是地球上幾十萬種生物基因資源中的一份子,在今后的幾十年內,人類將測出所有物種的"基因圖譜"。因此,類似如人類基因組計劃的基因研究和生物信息產業,還僅僅是一個起步，其將來的發展前景是無法估量的。生物芯片作為生物信息學的主要技術支撐和操作平臺，其廣闊的發展空間就不言而喻。
在實際應用方面，生物芯片技術可廣泛應用于疾病診斷和治療、藥物基因組圖譜、藥物篩選、中藥物種鑒定、農作物的優育優選、司法鑒定、食品衛生監督、環境檢測、國防等許多領域。它將為人類認識生命的起源、遺傳、發育與進化、為人類疾病的診斷、治療和防治開辟全新的途徑，為生物大分子的全新設計和藥物開發中先導化合物的快速篩選和藥物基因組學研究提供技術支撐平臺。