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今后十年,台湾生物技术工业发展的重点项目之一是生物晶片(biochip)的开发与利用。这是一项生物活性材料与半导体策略相结合的产物,在临床检验、药物筛选、环境监测等方面具有广阔的应用前景。
生物晶片主要包括两大类,即基因晶片(DNA chip)与蛋白质晶片(protein chip)。无论是哪一种晶片,都是由三个部分所构成。即(1)、生物探测系统:为排列在微小样品片上的生物探针(probe)所构成。(2)、检测系统和(3)、光电IC系统:用半导体技术使微小样品上的讯息扩大和转换。目前,已可将微小样品板置于光电转换系统表面时生物晶片的大规模生产更加容易。
生物晶片的探测系统即晶片是在一个微小的支持物上,同时将许多不同的探针以高密度、阵列的方式固定其上。如果探针为寡核甘酸或互补核酸(cDNA),则称为基因晶片(DNA chip)。为蛋白质或peptide则称为蛋白质晶片。探针的支持物通常由玻片、矽晶片或其它高分子材料制成。对于少量单一的检体来说,生物晶片一次就可以完成针对多种不同探针的分析结果。
基因晶片检测样品的基本原理是利用固定在支持物上的核酸探针与经过萤光标记的互补核酸(target DNA)序列进行杂交。通过测定萤光信号及其强度,便可知检体中某一探针所对应物质的有无及量的多少。以pollock研究小组的方法为例,用两种颜色的萤光染料分别标记正常人和乳癌患者白细胞的DNA样品,并与固定在晶片上的、来自这两种细胞的cDNA阵列杂交,以不同萤光的颜色代表DNA数目变化(增加─红色,减少─绿色)。再经过比较分析,确知乳癌患者细胞中哪些基因发生了变化。
蛋白质晶片可用于抗原抗体的筛检,受体与基质相互作用关系的研究等。将抗原、抗体、酵素或peptide分子等固定在晶片上所制成的晶片,检测原理与常用于临床检验所使用的ELISA法相同,但只需少量检体便可获得大量的信息。
生物晶片技术在最近几年虽有了迅速的发展,但目前限于其制备过程及样品的检测过程仍较复杂,使用起来成本也较高,还无法达到大规模商品化的目的。做为生物材料与半导体技术的结合体其开发与利用有待于相关的两个学科领域的共同努力。相信,如同其它技术的发展过程相同,在不断研究和改进之后,生物晶片一定会以其体积小、信息量大的优点走向应用市场。