基于基因芯片的雜交分析最重要的應用領域包括,基因組研究、藥物研發、醫學診斷,而后者即醫學診斷應用領域被認為在未來具備較高的增長率。描述DNA芯片(以及與之相關的分析結果)的重要參數包括測試點的數量、靈敏度、動態范圍和特異性。根據特定的應用場景,這些參數的相對重要性不同:例如,對于前兩個提到的應用領域,通常是高密度陣列和高動態范圍的要求,而對于診斷應用,通常低到中等數量的測試點即可滿足測試要求,但必須滿足足夠高的特異性。

HCF4052M013TR

    DNA芯片的基本架構和工作原理如圖6.2所示。DNA芯片本身是一個通常由玻璃、高分子材料或硅襯底材料制作而成的載物片或芯片,其活躍敏感的區域面積范圍從平方毫米到平方厘米量級。在這些敏感區域內,將單鏈DNA受體分子,通常也稱為“示蹤“分子,固定放置在預先定義好的位置(如圖6.2所示),它們通常包含16~硐個堿基。

   圖62 DNA芯片的基本工作原理示意圖

   a)帶有一定數量測試位置區域的生物芯片,每個測試位置點包含不同種類的測試示蹤分子 b′)和y)帶有不同示蹤分子的測試位置點c為簡單起見,這里顯示的示蹤分子只有5個堿基c不同的堿基也以同的特征符號區別強調表示 c′)和c″)雜交階段,包含靶分子的樣品溶液應用于整個芯片。在有匹配的DNA鏈(c′)的情況下將會發生雜交。而在分子(c″)失配的情況下不發生化學結合 d′)和d″)經過清洗工藝步驟后的芯片

   如圖6.2b和y所示,為同一陣列中的兩個不同位置點。為簡單起見,在這個示意圖描述說明中單鏈DNA只給出5個堿基。不同的堿基也以不同的特征符號表示。如圖6.2c和c″所示,在測量階段,首先,將整個芯片樣品浸入在含有配體或靶分子的樣品溶液中。需要注意的是,這些配體分子的長度為示蹤分子長度的兩個數量級以上。在示蹤序列分子和靶分子互補序列的情況下,這種互補會導致雜交(如圖6.2c′所示)。如果示蹤序列分子和靶分子失配(如圖6.2c″所示),則這個綁定過程不會發生。最后,經過洗滌工藝,在所述區域獲得匹配鉸鏈的雙鏈DNA(如圖6,2d′所示),而在其他位置得到失配的單鏈DNA(如圖6.2y所示)。由于示蹤分子和它們的位置是已知明確的,特定相應位置的雙鏈DNA的數量就揭示出了相關靶分子在樣本中的濃度。采用光學和電子技術來區分單鏈和雙鏈DNA所處位置以及定量評估雙鏈DNA數量的方法將在本章后續內容探討。