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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010 年第 7 期
生物芯片应用概述
夏俊芳1，2 刘箐2
(1甘肃农业大学食品科学与工程学院，兰州 730070;2甘肃出入境检验检疫局中心实验室，兰州 730020)
摘 要: 生物芯片技术作为新一代生物技术，以其高通量并行分析的优势引起国内外广泛的关注及重视，在各个领域
得到广泛的应用，就生物芯片在科学研究、疾病诊断、预防医学、新药开发、司法鉴定、食品安全检测、环境监测、农林科学及军
事科学等领域中的应用做简单介绍。
关键词: 生物芯片 基因芯片 蛋白芯片 芯片实验室
Overview of Bio-chip Application
Xia Junfang1 Liu Qing2
(1Gansu Agricultural University，Food Science and Engineering College，Lanzhou 730070;
2Key Lab of Gansu Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Lanzhou 730020)
Abstract: The bio-chip technology as a new generation of biotechnology，that features high-throughput parallel analysis，has a
wide range of applications in various fields． This article give a brief introduction to the bio-chip application in various areas，including
scientific research，disease diagnosis，preventive medicine，new drug development，expert testimony，food safety testing，environmental
monitoring，agriculture science，and military science．
Key words: Bio-chip Gene chip Protein chip Lab on a chip
收稿日期:2010-02-02
基金项目:甘肃省科技厅中小企业创新基金计划(0802NCCA028) ，国家质监总局项目(2007IK259，2009IK276)
作者简介:夏俊芳，女，研究生，研究方向:食品安全;E-mail:junfangxia@ 126． com
通讯作者:刘箐，男，博士，高级农艺师，E-mail:ciqql@ sohu． com
生物芯片是 20 世纪 90 年代初发展起来的一种
全新的微量分析技术，其最大特点是高通量并行分
析，生物芯片综合了分子生物技术、微加工技术、免
疫学、化学、物理、计算机等多项学科技术，使生命科
学研究中不连续的、离散的分析过程集成在芯片上
完成。在一块大小不等的玻璃片、硅片、塑料片、尼
龙膜和凝胶等载体材料上，生物芯片以大规模阵列
的形式排布不同的生物分子(寡核苷酸、cDNA、基因
组 DNA、多肽、抗原、抗体等) ，形成可与目的靶分子
互相作用、并行反应的固相表面。将芯片与荧光等
标记的靶分子进行化学反应(如杂交、免疫反应
等) ，经过激发光扫描后，不同反应强度的标记荧光
将呈现不同的荧光发射光谱征，用激光共聚焦显微
扫描仪或 CCD(charge couple device)相机收集信号
后，经计算机分析数据结果，从而获得相关的生物信
息［1］。目前常见的生物芯片分类主要是 3 大类:基
因芯片、蛋白芯片、芯片实验室。
1 生物芯片的应用
1． 1 生物芯片在科学研究中的应用
生物芯片在科研方面，主要包括基因表达谱分
析、基因突变检测、基因功能研究、基因组多态性分
析、DNA 测序、寻找新的致病基因或疾病相关基因
等。在基因表达检测的研究上人们已比较成功地对
多种生物包括拟南芥(Arabidopsis thaliama)、酵母
(Saccharomyces cerevisiae)及人的基因组表达情况进
行了研究，并且用该技术(共 157 112 个探针分子) ，
一次性检测了酵母几种不同株间数千个基因表达谱
的差异;Derisi 利用高密度寡核苷酸芯片研究了酵
母由无氧酵解到有氧呼吸代谢变化过程中的基因表
达的变化，发现其中有 1 740 个基因的表达水平发
生了改变［2］。在基因突变检测上，Du 等［3］通过生
物芯片筛选 DNA 点突变以及确定 MELAS(线粒体
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 7 期
脑肌瘤病伴高乳酸血症和卒中样发作)综合症或
MERRF(肌阵挛性癫痫伴发不规整红纤维)综合症
的突变点，利用 Cy5 标记的 DNA 芯片检测，结果表
明芯片检测与 DNA 测序结果完全一致。筛查基因
组的多态性，将所有单核苷酸多态性(single nucleo-
tide polymorphisms，SNP)全部信息转入 DNA 芯片则
可检测到与之关联的基因间的差异，这项工作对研
究亲代与子代间遗传中的重组及创造更精确的遗传
图是有价值的［2］。
1． 2 生物芯片在疾病诊断中的应用
生物芯片已用于肿瘤、遗传疾病、传染性疾病的
诊断与治疗，由博奥生物有限公司研发的多重等位
基因特异性 PCR通用芯片(allele-specific PCR-based
universal array，ASPUA) ，可在 5 h 之内完成导致遗
传性耳聋的 4 种常见基因(GJB2，GJB3，SLC26A4 和
线粒体基因)的检测。运用蛋白芯片联合检测 104
例经冠状动脉造影证实为 ACS(急性冠状动脉综合
症)患者的研究结果发现，AMI(急性心肌梗死)和
不稳定性心绞痛患者血液中 MMP29 、sCD40L 、心
肌型脂肪酸结合蛋白等 10 种蛋白标记物，在 ACS
不同分型中呈规律性变化，提示蛋白标记物谱在
ACS 的诊断及预后方面具有潜在的应用价值［4］。
美国学者 Erali 等［5］应用 Nanogen 公司的电子生物
芯片［6］与罗氏公司的另一种芯片 LightcyclerSNP 分
析仪进行比较，对 VTE(静脉血栓症，是一种常见疾
病，与多种遗传因素(基因突变和多态性)有关)常
见的 3 种突变(FVL、FGⅡ20210A 和 MTHFR)进行
检验后证实，电子生物芯片具有精确、可重复性强等
特点。Ciphergen Biosystem 公司的研究小组应用蛋
白质芯片研究了健康个体和不同发病阶段癌症病人
的血清样品，仅仅 3 d时间，就发现了前列腺癌 6 种
潜在的标记物，而常规的方法则需要几个月到几年
的时间［7］。
在传染性疾病的研究方面，HIV 是严重危害人
类健康的一种病毒，早在 1996 年，Kozal等就利用基
因芯片对 HIV-1B 亚型中的蛋白酶基因多态性进行
分析，1998 年，Hanser等应用固相核酸杂交技术，在
艾滋患者出现抗体反应之前，即能检测艾滋病毒，对
于艾滋病毒的早期诊断十分重要［10］。肝炎病毒感
染是全球的重大公共卫生问题，在诊断乙型肝炎时，
常规免疫检测方法通常需 2 － 7 d 的时间，而采用蛋
白芯片来检测，即可在 30 min 内同时完成 5 项检
测［8］。肝炎基因诊断芯片相对于病毒抗原抗体方
法检测血清乙型肝炎病毒更为准确，赵伟等［9］采用
点样法制作的低密度基因芯片，对 40 例乙肝病人血
清和 40 例健康人血清，进行双盲混合编组后进行检
测，结果表明，40 例乙肝病毒标志物阳性，40 例健康
人血清检测为阴性，无一例假阳性出现。李玮等［10］
研发的目视化乙肝病毒基因诊断芯片，采用纳米金
标记探针的目视化检测方法，检测从阳性血清中提
取的乙肝病毒(HBV)基因，并与基于荧光素异硫氰
酸酯(FITC)标记探针的荧光检测方法进行了比较。
结果表明，目视化乙肝病毒基因芯片诊断方法操作
简单，成本低廉。
目前国内外已建立多种生物芯片方法用于病毒
快速检测研究，我国军事医学科学院已先后研制出
快速检测甲型 H1N1 流感病毒检测基因芯片以及专
门针对甲型 H1N1 流感病毒抗药性的基因确诊和耐
药性分析的基因芯片。2003 年 SARS病毒带来很大
的危害，生物芯片在 SARS 病毒检测中发挥出了重
要作用，我国成功的研制出“SARS 病毒多抗体检测
蛋白芯片”、“抗 SARS 病毒抗体的蛋白质芯片”及
“SARS冠状病毒全基因组芯片”。这些生物芯片不
仅使检测结果更加准确，而且具有取样微量、稳定性
好、灵敏度高、平行检测、结果可量化显示等优点。
Los等［11］使用电子生物芯片［6］技术以免疫反应为
基础快速检测病毒，他们使用噬菌体作为模板检测
病毒，用抗体蛋白代替核酸探针进行检测，整个过程
只需 50 min并且可以定量。香港科技大学［12］研发
了一种可用于现场检测多种病原物的 DNA 电子生
物芯片，该芯片是一个小型的 DNA 分析系统，将样
品制备、DNA扩增、及电化学扩增检测集成在单一
的硅玻璃为基础的反应腔中反应，这个便携式芯片
有助于现场病原体的检测。生物芯片技术正朝着微
型化和集成化的方向发展，其更高阶段是将样品预
处理，多个相对独立的化学反应，反应控制系统，检
测系统集成在一张芯片上，即形成芯片实验室，这是
芯片技术的最终目标。有学者 Liu 等使用流动微设
备和抗体涂层微球芯片实验室，以探测海洋鱼类虹
影病毒，这种检测方法与传统的 ELISA 反应相比，
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灵敏度由 360 ng /mL提升到 22 ng /mL，检测时间由
原来 3． 25 h 缩短至 30 min［13］。Reichmuth 等将电
泳和激光诱导荧光检测标记抗体技术相结合的芯片
实验室用于检测猪流感病毒，整个检测时间包括设
备更新只需 6 min，用不到 50 mL材料［13］。
1． 3 生物芯片在预防医学中的应用
在婴儿出生前，可用生物芯片进行有效地产前
筛查和诊断，以防止患有先天性疾病的婴儿出生。
已有相近发明专利一项“用于产前诊断的蛋白质芯
片及制造方法”(G01N33 /68，上海晶泰生物技术有
限公司)对 TORCH产前筛查的五项指标抗原［风疹
病毒(RV)、弓形虫(TOX)巨细胞病毒(CMV)单纯
疱疹病毒(HSV) ］点于一张芯片上，仅通过一次反
应即可得到多种指标的反应结果，大大提高了检测
速度、效率和灵敏度。有人还预言在婴儿出生后，即
可采用生物芯片技术来分析其基因图谱，不仅可预
测出婴儿日后可以长多高，还可预测其患心脏病或
糖尿病等疾病的潜在可能性有多大，以便采取预防
措施。
1． 4 生物芯片在新药开发中的应用
生物芯片的应用正在方兴未艾地发展中，从经
济效益来说，最大的应用领域可能就是制药厂用来
开发新药了。目前市场上用来筛选药物的芯片类产
品主要是博奥生物芯片有限公司研发的“超高通量
药物筛选芯片”，该芯片每小时能做 380 个细胞分
析，而一个科研人员一天最多只能分析五六个细胞，
这意味着药物研发效率的飞跃，同时新药物研发费
用也大大降低。
药物的研究和开发正从一种药物适用于所有人
群的时代，转变成根据基因组的差异开发出以适用
于某一个体或人群的个体化药物。据美国国家卫生
院统计，美国每年约有 2 400 个儿童和成人死于急
性淋巴性白血病，adverse topurine 是一种特效药。
但是，大约有 10% －15%的儿童对于该种药物的代
谢太快或太慢。代谢太快则正常的剂量就不可能获
得好的疗效，而代谢太慢则药物可能积蓄到致死量，
产生过大的毒性［14］。如果利用生物芯片技术对患
者先进行诊断，再开处方，就可对症下药。有人预
言，在不久的将来生物芯片将纳入手提式诊断仪器
中，使用在病人的床边或医生的办公室，自动化芯片
扫描病人的基因，可在几分钟内确定病人症状，给病
人特定的药物，生物芯片技术将帮助实现医疗保健
和个性化给药成为可能。
1． 5 生物芯片在司法鉴定中的应用
生物芯片技术已用于法医物证学检验，为法医
物证检验提供了科学，可靠和快速的手段，使物证鉴
定从过去只能作个体排除过滤到了可以作同一认定
的水平。在司法方面，便携式 DNA芯片检测装置可
以直接在犯罪现场对可能是疑犯留下来的头发、唾
液、精液等进行分析，并立刻与 DNA 罪犯指纹库系
统存蓄的 DNA“指纹”进行比较，进行快速准确地破
案。李莉等［15］根据 SNP 不同等位基因的序列设计
探针，制成分型芯片，采用 4 个复合 PCR体系，用末
端标记了 Cy5 的引物进行复合 PCR扩增，产物与寡
核苷酸探针进行杂交，根据杂交产生的荧光信号值
确定样品在 SNP位点的基因型，根据 109 份样本基
因型分布统计，同时进行家系调查和方法灵敏度分
析，有 31 个 SNP位点为中高信息量位点，适用于法
医学个体识别。
1． 6 生物芯片在食品安全检测及营养成分分析中
的应用
目前世界上第一个能够检测肉类中兽药残留的
生物芯片系统在北京国家工程研究中心研制成功，
该芯片能够分析大量的生物分子，快速准确地完成
肉类中兽药残留的检测工作。对转基因食品进行检
测和标识已势在必行，传统的检测方法 ELISA 和
PCR等存在步骤复杂、一次性检测样本少、漏检率
高、结果不准确等缺点。由于外源基因最终是以蛋
白质或多肽的形式得以表达，通过对蛋白质芯片设
计不同的探针阵列，使用特定的分析方法可快速、大
量的对食品样本进行检测，是未来转基因食品安全
检测的发展方向之一。食源性致病菌引发的流行性
疾病越来越受到社会关注，目前，生物芯片以其检测
范围广，经济，适用，准确的优点，有望在食品致病微
生物检测中处于领军地位，唐晓明等［16］利用基因芯
片对从水中分离的 20 株细菌进行杂交检测，并用传
统方法对这些菌株进行鉴定，基因芯片检测结果与
传统方法鉴定结果的一致性达 95%。陈广全等［17］
研制了一种高通量检测食品中常见致病微生物的寡
核苷酸微阵列芯片，结果表明该芯片的特异性良好，
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2010 年第 7 期
在所检测的菌株之间无交叉反应，与同属的其它菌
株之间也不存在交叉反应。
传统的食品营养成分的测定十分繁琐，而利用
生物芯片可以对食品的类别和性质进行快速准确的
鉴定。2004 年 3 月法国 Biomerieux 公司推出了一
种能够识别不明肉类的新型基因芯片，该芯片可检
测肉制品是否携带病毒蛋白，还可用于确认肉制品
的某些指标是否达标。
1． 7 生物芯片在环境科学中的应用
德国一家主要的水管理企业现投资 850 万欧元
与芯片公司共同开发用生物芯片检测公共饮用水中
的微生物，可在 4 h内得出结果，费用比常规方法低
10 倍，形成一种比现有水质控制更有效、更快速和
价廉的检测技术。国内靳连群等［18］设计了一种基
因芯片技术对环境中常见致病菌检测和鉴定，对从
实际样品中分离的细菌进行检测，准确率达到了
96． 2%。已问世的专门用于环境毒理学检测的毒理
学芯片可以快速大规模检测污染源及环境毒物、研
究环境毒物对人体的影响以及进行低剂量毒物试验
等。美国国立环境卫生研究院(VIEHS)已开发出检
测环境有毒物的毒理芯片［19］。Bartosiewicz 等［20］设
计了 1 个含 148 个基因的毒理芯片(包括Ⅰ相、Ⅱ相
代谢酶，DNA 修复酶、应激蛋白、细胞因子基因)来
检测受氯化隔、苯并芘和三氯乙烯影响肝脏中某些
基因表达调控变化，结果表明可以使用毒理芯片去
评估未知化合物或混合物的潜在危害。
1． 8 生物芯片在农林科学中的应用
目前已利用基因表达谱芯片进行了植物激素的
中心作用、植物基因与环境的相互影响、多种因素
(肥力、种子、环境耐受力和抗虫害等)与植物基因
表达的关系的研究，最终有可能用生物芯片技术取
代现在沿用的费时费钱的大田试验模式［21］。
1． 9 生物芯片在军事科学中的应用
生物战剂与化学战剂的侦检是一项很复杂且又
十分重要的工作，可以采用基因芯片技术检测细菌、
病毒、支原体、衣原体、立克次氏体等微生物;利用蛋
白芯片检测各种蛋白毒素类;利用免疫或酶芯片侦
检化学战剂;微流控芯片技术的发展为生物战剂的
现场监测提供了一种新的思路，微流控芯片［22］完成
一次检测大约需要几分钟的时间。美国的 Sandia
国家实验室正在利用微流控芯片研制生化战剂检测
仪器，已有初样机进入试验阶段［22］。
随着科学技术的发展，许多威胁人类健康的疾
病基因将被陆续发现，同时各种与体能有关基因及
机体对特殊环境的适应基因也将被陆续发现，这使
得分子选兵成为可能，生物芯片将广泛用于分子选
兵，尤其是对特种士兵的筛选以及军人体能评价等
领域［23］。
2 生物芯片的前景展望
生物芯片技术展现出巨大的应用前景，越来越
多的研究机构和企业投入到生物芯片这一领域，生
物芯片将会给 21 世纪整个人类带来一场“革命”。
但目前，生物芯片的应用还处在实验研究阶段，制约
生物芯片大规模应用的挑战主要是需要特殊设备、
操作复杂且芯片制作成本高。因此发展集成化、便
携式、可视化的生物芯片是生物芯片从实验研究走
向临床应用的关键，随着新材料、新技术的不断研
发，生物芯片技术将会得到进一步的完善和发展，一
定能够在各项科学研究及应用领域发挥出其非凡作
用，成为本世纪最大的产业。
参 考 文 献
［1］石锐，孙凯，王秀荣，等．生物芯片在疾病诊断中的应用． 畜牧兽
医科技信息，2005，5:7-8．
［2］陈全战，庄丽芳． DNA 芯片的制作原理及其应用． 生物学杂志，
2003，20(2) :37-47．
［3］Dua WD，Li W，Chena G，et al Detection of known base substitution
mutations in human mitochondrial DNA of MERRF and MELAS by
biochip technology． Biosensors and Bioelectronics，2009，24(8) :
2371-2376．
［4］毛华，李路远．蛋白芯片在心血管疾病研究中的现状与进展． 中
华老年心脑血管疾病杂志，2008，10(2) :153-154．
［5］Erali M，Schmidt B，Lyon E，et al． Evaluation of elect ronicmicroar-
rays for genotyping factor V，factor Ⅱ，and MTHFR． Clin Chem，
2003，49:732-739．
［6］周冬生．生物芯片分类及其技术原理． 微生物学免疫学进展，
2002，30(3) :101-107．
［7］梁建功，何治柯． 蛋白质芯片及其分析应用新进展． 分析化学，
2004，2(32) :244-247．
［8］靳刚．蛋白质芯片技术及生物医学应用．中国科学院院刊，2003
(5) :362-364．
［9］赵伟，刘伟，刘新钰，等．基因芯片技术诊断乙型病毒性肝炎的初
步研究．江苏医药杂志，2001，27(6) :425-426．
67
2010 年第 7 期 夏俊芳等:生物芯片应用概述
［10］李玮，庞代文，王业富，等．目视化乙肝病毒基因芯片．高等学校
化学学报，2003，24(12) :2186-2188．
［11］Los M，Los JM，Blohm L，et al． Rapid detection of viruses using e-
lectrical biochipsand anti-virion sera． Letters in Applied Microbiolo-
gy，2005，40(6) :479-485．
［12］Yeung SW，Lee TMH，Cai H，Hsing IM． A DNA biochip for on-the-
spot multiplexed pathogen identification． Nucleic Acids Research，
2006，34(118) :1-7．
［13］Schulze H，Giraud G，Crain J，et al． Multiplexed optical pathogen
detectionwith lab-on-a-chip devices． J Biophotonics，2009，2(4) :
199-211．
［14］陆祖宏，何农跃，孙啸．基因芯片技术在药物研究和开发中的应
用．中国药科大学学报，2001，32(2) :81-86．
［15］李莉，李荣宇，李成涛，等． 31 个 SNP 位点多重 PCR 扩增和芯
片分型技术的建立及法医学应用．法医学杂志，2005，2:90-95．
［16］唐晓明，高志贤．基因芯片快速检测常见水中致病菌的初步应
用研究．解放军预防医学杂志，2003(2) :94-96．
［17］陈广全，张慧媛，汪琦，等．用寡核苷酸微阵列芯片方法检测常
见的食源性致病微生物． 食品与发酵工艺，2007，33(12) :
122-126．
［18］靳连群，李君文，王升启，等．基因芯片技术检测环境中常见致
病菌的初步研究． 中华微生物学和免疫学杂志，2003，23(1) :
74-78．
［19］王明泉，王晓珊．生物芯片技术及其在环境科学领域的应用．环
境科学与技术，2007，30(5) :101-104．
［20］Bartosiewicz M，Penn S，Buckpitt A． Applications of genearrays in
environmental toxicology :fingerprints of gene regulation associated
with cadmium chloride，benzo〔a〕pyrene，and trichloroethylene． En-
viron Health Perspect，2001，1(1) :71-74．
［21］廖慧敏，高强，刘谋益．基因芯片技术及其在植物上的应用． 湖
南农业科学，2003(5) :19-22．
［22］刘学民，聂亚杰，朱春来．微流控芯片及其在生物战剂检测中的
应用．舰船防化，2006(增刊) :41-43．
［23］李君文，靳连群，晁福寰．生物芯片技术在预防医学领域的应用
展望．解放军预防医学杂志，2001，19(2) :
櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧
153-156．
·科学出版社新书·
遗传变异分析实验指南
〔美〕W． P．韦纳 等主编 张根发 等译
978-7-03-027326-0 ￥88． 00 2010 年 5 月
内容简介:本书是冷泉港实验室出版社实验手册系列专著之一。全书共划分为 5 个部
分:第 1 部分描述研究人员在开始研究之前需要了解的基础，主要是告诉读者正确的遗传研
究应从所涉及的问题和恰当的群体选择开始。第 2 部分是关于基因分型的基因组变异数据
库的建立，主要提供了人们期望从冷泉港实验室出版社的实验手册系列获得的传统“配方和
方案”。第 3 部分主要涉及对获得数据的分析及进行 SNP选择策略和遗传关联分析的工具。
第 4 部分充分介绍了生物有机体的当前研究状态，特别是已完成基因组测序和不同水平遗传
分析的主要模式生物。第 5 部分着重描述一些关于人类变异分析的远景和研究方向。
本书可供高等院校、科研院所的硕士、博士研究生和教学研究人员参考。尤其适合作为
生物学、医学、农学及环境生物学等专业的研究与实验教学的重要参考书。
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