基于基因芯片的杂交分析最重要的应用领域包括,基因组研究、药物研发、医学诊断,而后者即医学诊断应用领域被认为在未来具备较高的增长率。描述DNA芯片(以及与之相关的分析结果)的重要参数包括测试点的数量、灵敏度、动态范围和特异性。根据特定的应用场景,这些参数的相对重要性不同:例如,对于前两个提到的应用领域,通常是高密度阵列和高动态范围的要求,而对于诊断应用,通常低到中等数量的测试点即可满足测试要求,但必须满足足够高的特异性。

HCF4052M013TR

    DNA芯片的基本架构和工作原理如图6.2所示。DNA芯片本身是一个通常由玻璃、高分子材料或硅衬底材料制作而成的载物片或芯片,其活跃敏感的区域面积范围从平方毫米到平方厘米量级。在这些敏感区域内,将单链DNA受体分子,通常也称为“示踪“分子,固定放置在预先定义好的位置(如图6.2所示),它们通常包含16~硐个碱基。

   图62 DNA芯片的基本工作原理示意图

   a)带有一定数量测试位置区域的生物芯片,每个测试位置点包含不同种类的测试示踪分子 b′)和y)带有不同示踪分子的测试位置点c为简单起见,这里显示的示踪分子只有5个碱基c不同的碱基也以同的特征符号区别强调表示 c′)和c″)杂交阶段,包含靶分子的样品溶液应用于整个芯片。在有匹配的DNA链(c′)的情况下将会发生杂交。而在分子(c″)失配的情况下不发生化学结合 d′)和d″)经过清洗工艺步骤后的芯片

   如图6.2b和y所示,为同一阵列中的两个不同位置点。为简单起见,在这个示意图描述说明中单链DNA只给出5个碱基。不同的碱基也以不同的特征符号表示。如图6.2c和c″所示,在测量阶段,首先,将整个芯片样品浸入在含有配体或靶分子的样品溶液中。需要注意的是,这些配体分子的长度为示踪分子长度的两个数量级以上。在示踪序列分子和靶分子互补序列的情况下,这种互补会导致杂交(如图6.2c′所示)。如果示踪序列分子和靶分子失配(如图6.2c″所示),则这个绑定过程不会发生。最后,经过洗涤工艺,在所述区域获得匹配铰链的双链DNA(如图6,2d′所示),而在其他位置得到失配的单链DNA(如图6.2y所示)。由于示踪分子和它们的位置是已知明确的,特定相应位置的双链DNA的数量就揭示出了相关靶分子在样本中的浓度。采用光学和电子技术来区分单链和双链DNA所处位置以及定量评估双链DNA数量的方法将在本章后续内容探讨。