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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011 年第 9 期
悬浮芯片技术应用进展
程涛1，2 王慧煜1 梅琳1 韩雪清1
(1中国检验检疫科学研究院，北京 100029;2南京师范大学生命科学学院，南京 210046)
摘 要: 悬浮芯片技术(SAT)是一种新型、高通量的生物芯片技术，它是将流式细胞术、激光技术及应用流体学等技术
结合在一起，利用悬浮在液相中的分类荧光编码微球作为检测载体，具有高通量、速度快、灵敏度高、特异性强及检测范围广
等特点。近几年来，悬浮芯片技术在免疫学、基因组学、蛋白质组学及临床诊断检测等方面应用较广泛。就其原理、技术特点
和应用作一介绍。
关键词: 生物芯片 悬浮芯片技术(SAT) 蛋白检测 核酸检测 高通量
Application Advance of Suspension Array Technology
Cheng Tao1，2 Wang Huiyu1 Mei Lin1 Han Xueqing1
(1Chinese Academy of Inspection and Quarantine，Beijing 100029;2College of Life Science，Nanjing Normal Universiy，Nanjing 210046)
Abstract: Suspension array technology(SAT)is a new and high-throughput microarray technology． It integrates flow cytometry，la-
ser technology，fluidics and other technologies． The classification fluorescent encoded microspheres，which suspended in the liquid phase
are used as carrier of detection． The benefits of SAT include high-throughput，rapidness，excellent sensitivity and specificity，detection of
a wide range． In recent years，SAT is being used in a variety of applications，such as immunology，genomics，proteomics，clinical diagnos-
tic tests etc． This article intended to provide a comprehensive review of its principles，technical characteristics，and reviewed applications
in protein and nucleic acid detection．
Key words: Biochip Suspension array technology(SAT) Protein detection Nucleic acid detection High-throughput
收稿日期:2011-04-20
基金项目:国家转基因重大专项项目(2008ZX08012-001) ，质检公益性行业科研专项(200910132)
作者简介:程涛，女，硕士研究生，研究方向:转基因作物检测;E-mail:chengtao0319@ 163． com
通讯作者:韩雪清，女，博士，研究员，研究方向:病原微生物分子生物学、免疫学及检验检疫技术;E-mail:hanxueq@ yahoo． com． cn
Luminex 悬浮芯片技术(suspension array tech-
nology，SAT)是 1997 年美国 Luminex 公司开发研制
的多功能液相芯片分析平台，因液相芯片中所有的
反应都是在悬浮于液相中的微球表面上进行而得
名，也称 xMAP(flexible multiple-analyte profiling)、多
功能悬浮点阵(MASA)或液相芯片(liquid chip) ，该
技术是唯一被美国食品与药物管理局(FDA)批准
用于临床诊断的新型生物芯片产品。
1 悬浮芯片技术原理
与固相芯片技术不同，悬浮芯片的核心技术是
直径约 5． 6 μm 的聚苯乙烯微球和 6. 5 μm 的磁性
微球，微球体的特性，包括大小、稳定性、均一性以及
吸收和保留荧光染料的能力，与流式细胞术分析多
重反应所需要的极其吻合。微球表面带有大量的活
性基团，可与核酸探针、抗原、抗体等偶联，在生成过
程中带上红色和橙色两种荧光染料，两种染料(各
有 10 个区分)的不同配比赋予了微球 100 种不同的
颜色，每种有一个编号。利用这 100 种不同光谱学
指纹的微球体，可以分别标记上 100 种不同的探针
分子，对一个样本中 100 种不同的目的分子进行检
测。也可以加入第三种染料，使得在一个样本中同
时检测 500 种不同的目的分子。分析时，不同的编
码微球包被不同的探针分子，将所需要的微球体混
合后，依次加入目的分子和带有荧光的报告分子，不
同微球上的探针分子与不同的目的分子特异性结
合，目的分子与报告分子特异性结合，这就形成了一
个悬浮芯片系统。最成熟的信号识别与检测技术就
是流式细胞术(flow cytometry) ，它将微球体快速排
2011 年第 9 期 程涛等:悬浮芯片技术应用进展
成单列通过检测通道，使用红色和绿色两种激光分
别对单个微球进行照射。红色激光通过分辨微球本
身的光谱学指纹将微球分类，进行定性反应;绿色激
光通过检测微球上结合的荧光报告分子的数量，进
行定量反应。所得信号经过光电倍增管后经电脑处
理，所得数据可以直接用来判断结果。且系统只记
录与红色荧光同时出现的绿色荧光信号，不记录未
结合的荧光报告分子信号，所以，检测前不需要洗涤
未结合的报告分子［1］，且激光只分析颗粒一定半径
的信息，检测特异性强，信躁比高，背景低［2］。
2 悬浮芯片特点
2． 1 高通量、需要样本量少
每孔可检测多达 100 种不同的目的分子，而常
用的 ELISA技术只能一次检测一种目的分子，大大
节省了样本用量。
2． 2 灵活性好
微球体表面可以包被特异性的物质，如抗原、抗
体、寡核苷酸类探针、酶底物或者受体，应用于很多
方面，如免疫测定、酶学检验、配体 －受体研究和分
子生物学研究等，也可以根据研究需要，灵活选择建
立特定的悬浮芯片系统。
2． 3 检测范围广、准确性高、灵敏度高、重复性好、
特异性强
SAT检测范围宽，可达 0． 1 － 32 000 pg /mL，不
需要像 ELISA检测中那样需将样本多倍稀释，因此
也就减小了误差，提高了准确性。且微球上报告分
子的荧光强度值与偶联的检测样品量成正比。用于
SAT的微球表面积比较大，每个微球上可包被的探
针分子数量很多，这样就提高了灵敏度，最低可达
0． 1 pg /mL。检测时，由于每种微球每次检测取的是
100 个，每个微球都有一个独立的检测值，相当于每
个样品被重复测试了 100 次，最终取荧光强度的中
位值(MFI)作为检测结果，且两束激光同时进行定
性和定量检测，只有与分类荧光信号同时出现的报
告荧光基团才会被检测到［1］，信噪比高。
2． 4 费用低、速度快
SAT仅需普通 96 孔细胞培养板或酶标板即可，
也无需进行反复多次的抽滤步骤［3］。且在芯片制
作时，不需像固相芯片那样，每块片膜芯片都点样，
它可以根据预期用量大小，选用一定量的某些种类
小球，标记好相应的配体分子，然后混合分装即成为
一悬浮芯片系统，无论多大的量，其制作时间大致是
一样的。所以对于大规模的样品检测，不仅成本低，
而且速度快，同时大幅度地减少操作时间、试剂消耗
和工作量。而且液相芯片杂交是在悬浮的液相中进
行，克服了片膜芯片在大分子检测时表面张力、空间
效应等对反应动力学的影响，反应时间短，尤其在蛋
白质研究中，液相检测提供了一个相对稳定的环境，
有利于保持蛋白质的天然构想，更有利于反应的进
行。因此反应速度快，30 min可以完成 96 个样品的
检测，给出 9 600 个数据。
3 悬浮芯片技术的应用进展
3． 1 悬浮芯片在蛋白检测方面的应用
SAT在蛋白水平上的检测基础是源于抗原 －抗
体反应，常用的免疫学反应原理有双抗体夹心法，间
接竞争法等，在 SAT中也可以使用这些标准的免疫
学含量测定模式，常用的含量测定方法就是“捕获
式夹心分析法”，与标准 ELISA的步骤一样［4］。
3． 1． 1 抗核抗体、抗多肽抗体检测、抗体应答等免
疫分析研究 Bellisario 等［5］是最先报道 SAT 技术
可应用于血清学检验的其中之一。Pickering 等［6］
曾经报道一种多重 SAT 技术检测肺炎球菌抗体的
方法，Whaley 等［7］针对肺炎球菌多糖的血清型抗
体检测，对 3 种微球体免疫分析方法进行了实验室
间相互对比，分别是 SAT、HPA 和 CDC，得出 SAT
技术省时省力，检测灵敏度高。
3． 1． 2 细胞因子和病原微生物的检测 对细胞因
子水平进行全面监测与评价比只检测单个细胞因子
更具有意义，应用 SAT 可同时定量检测微量样品中
多种细胞因子。在人细胞因子的检测和研究方面，液
相蛋白芯片技术的应用目前已有多篇报道。De-Jager
等［8］检测了外周血单个核细胞分泌的 15 种细胞因
子，结果与 ELISA 法相关性良好(R = 0. 75 － 0. 99) ，
且室内及室间变异系数(CV%)为10% －22%。
Morgan等［9］以 NIBSC标准为对照，检测结果显
示准确度高，室内、室间变异(CV%)＜ 12%。对来
自血清、泪液、痰等不同标本中 14 种细胞因子进行
测定，并与传统 ELISA 法进行比较，表明两者间相
关性好，动力学线性检测范围比 EIISA 宽，灵敏度
高。Johannisson等［10］应用多重悬浮蛋白芯片方法，
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生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2011 年第 9 期
同时检测猪促炎细胞因子(proinflammatory cyto-
kines) ，检测灵敏度可达 0． 18 － 12 ng /mL，没有交叉
反应。Lawson等［11］建立了一种开发疫苗时检测猪
细胞因子的 8 重悬浮芯片方法，用于评估猪生殖与
呼吸综合征病毒(PRRSV)疫苗的免疫力。通过测
定血清中与疫苗有关的细胞因子类蛋白水平，检测
灵敏度可达到 pg /mL 数量级。同样的方法也适用
于检测组织中的细胞因子。
采用悬浮芯片技术(SAT) ，可同时对多种不同
种类的病原微生物进行筛查、鉴别，为感染性疾病的
诊断提供了新的快速检测方法。现已有若干基于
SAT技术捕获夹心分析方法在微生物检测方面的报
道。杨永莉等［12］分别建立了流感病毒、禽流感病
毒、鼠疫耶尔森菌、SARS 病毒及结核分支杆菌等发
热病原抗体的液相蛋白芯片定量检测方法，最低检
测限分别为 5． 68 ng /mL、1． 50 ng /mL、50． 30 pg /mL、
105． 57 pg /mL和 14． 06 pg /mL，与生物素 －亲和素
系统(BAS-ELISA)方法进行比较，此方法检测灵敏
度高，动态范围宽。Kim等［13］建立了一种检测食物
病原体的多重磁性微球免疫分析方法，可对许多食
品样本中的细菌和病毒进行检测。
3． 1． 3 蛋白水平的转基因生物检测 Fantozzi
等［14］最先建立了一种定量检测转基因玉米
MON810 和 Bt11 表达的内毒素 Cry1Ab 的 SAT 方
法，该方法检测范围广，0． 1% －100%转基因玉米含
量都可检测到，且检测转基因玉米 MON810 和 Bt11
表达的内毒素 Cry1Ab 的最低检测极限分别是
0. 018%和 0． 054%。到目前为止，还未有其他用悬
浮芯片来检测转基因作物中蛋白的报道。
3． 2 悬浮芯片在核酸检测方面的应用
在核酸检测领域，瓶颈是多重 PCR，采用的各
式各样的含量测定方法也可用于悬浮芯片技术中，
其中最常见的方法是直接杂交法，即核酸水平上的
SAT技术，已广泛应用于生命科学研究的各个领域。
3． 2． 1 SNP基因分型 单核苷酸多态性(SNP)是
人类基因组中最广泛的序列变化，为检测特异性病
毒位点提供重要的证据，也是预测疾病和药物敏感
性的的重要标志［15］。悬浮芯片分析方法已广泛应
用于 SNP 基因分型，检测模式有直接杂交法［16，17］，
竞争 DNA杂交法。Hadd 等［18］建立了一种 3 通道
的直接杂交囊性纤维跨膜通道调节因子基因———内
含子 8 的 5T /7T /9T多态性基因型方法。
3． 2． 2 遗传性疾病诊断 Paradis 等［19］用 SAT 技
术，建立了一种可以定量检测蛋白酪氨酸激酶 2
(JAK2)V617F 突变的方法，此方法检测极限可达
2%，在等位基因特异性的引物延伸反应中有高的敏
感度，且在临床应用中简单，易操作。悬浮芯片技术
在 HLA DNA 分型的应用比较成熟，Fulton 等［20］使
用悬浮芯片采用多重竞争杂交模式对人组织相容性
抗原(HLA)等位基因进行分型。
3． 2． 3 基因表达谱分析 Yang 等［21］建立了一种
检测基因表达的微球芯片方法(BADGE) ，来定量检
测拟南芥中特定基因的表达，结果与从 GeneChip 探
针阵列获得的结果具有可比性，敏感性足以能检测
到中等程度表达的基因，理论上可对大量样本中多
达 100 个基因进行检测。
3． 2． 4 核酸水平的转基因生物和病原体检测 基
于 DNA 水平的转基因生物检测已有很多，如荧光
PCR，多重 PCR等，Fantozzid等［22］最先将 SAT技术
引入转基因作物检测领域，建立了一种基于荧光微
球体的转基因生物多重检测方法，目的是对转基因
大豆进行初筛，结果得出 P35S 探针的检测极限是
7． 8 × 10 －4nmol，灵敏度高，标准差(与重复性相关的
参数)是 2． 8，重复性好。
SAT技术可用于检测细菌、病毒以及真菌等病
原体，在病毒检测方面的应用研究已有不少报道。
刘思瑶等［23］运用悬浮芯片技术检测出人乳头瘤病
毒(human papillomavirus，HPV) ，并对其分型，50 例
疑似感染人乳头瘤病毒患者的标本中，悬浮芯片检
出阳性 26 例，阳性率为 52%，其中单一亚型感染 20
例占 40%，多重感染 6 例占 12%，比反向点杂交的
多重感染阳性检出率高 4%，检出率和特异性方面
均显著高于传统的检测方法。夏骏等［24］用悬浮芯
片方法建立了一种对 H5N1 亚型禽流感病毒进行快
速检测的新方法，利用该方法能够特异性的检测出
H5N1，具有很高的荧光强度，最低检出线为 10 pg。
詹爱军等［25］建立了西尼罗热液相芯片快速检测方
法，此方法具有较好的特异性，不与其他虫媒病病毒
反应，且检测灵敏度达到 100 个拷贝，为其他同类病
毒的快速高通量检测提供借鉴和经验。
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2011 年第 9 期 程涛等:悬浮芯片技术应用进展
4 小结与展望
悬浮芯片技术(SAT)因其操作简便、检测迅速、
高通量及精确等特点，已经成为一种具有影响力的
大规模生物检测平台。随着人类基因组计划的完
成，现存的大量信息有助于研究基因的遗传突变、以
及相关的一些疾病和疾病诊断，如果能够构建探针
库，研究人员就可以根据不同病人，不同疾病或其他
不同需求，从中选择特殊组合的探针制成芯片，使个
体化的检测成为可能，显示出悬浮芯片技术的灵活
性。SAT最有潜力的应用就是免疫分析和基因分
析。且已有多种商业化的检测试剂盒，证明将会有
更多的核酸检测应用。目前国内主要将该技术应用
于临床检验和诊断，高志贤课题组在国家科技支撑
计划的支持下，探索将悬浮芯片应用于食品卫生检
测的农药、兽药分析等领域。中国检验检疫研究院
也在研究用 SAT 技术分别从蛋白水平和核酸水平
上高通量地检测多种转基因农作物，目前已取得初
步进展。但悬浮芯片最大的缺点是，不能连续在线
监测待测样品中靶标物的浓度，或者监测样品中靶
标物同微球上探针的结合情况。另外，多重液相反
应条件的优化与匹配、同一反应体系中交叉反应的
抑制与消除也需研究者加以考虑和分析。鉴于此，
悬浮芯片技术还有待于进一步的发展。可以预见，
随着悬浮芯片技术的逐步发展，高特异性、高亲和性
抗体的产生以及分析仪器和微球的不断发展改进，
能同时检测的目的分子数目还会不断增加，灵敏度
也将会不断提高，并逐渐实现仪器微型化和操作自
动化，悬浮芯片技术还将会在新药物的研发、基础医
学研究、司法检验、出入境检验检疫和食品卫生监督
等领域有更广泛的发展前景，也会大大推动生命科
学的研究，迎来一场新的技术革命。
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