一、什么是基因芯片？
基因芯片（Gene Chip)准确的讲（或者说是狭义的基因芯片）是指DNA芯片（DNA Chip)，其原理是指利用现代探针固相原位合成技术、照相平板印刷技术、高分子合成技术等微电子技术把大量分子生物学技术（包括南北印迹技术、探针杂交技术、PCR等）具体而微的固定在一定狭小的空间内，以实现高速度、高通量、集约化和低成本的分析技术。基因芯片的概念现已泛化到生物芯片（biochip）、微阵列（Microarray）、DNA芯片（DNA chip），甚至蛋白芯片。
由于基因芯片高速度、高通量、集约化和低成本的特点，基诞生以来就受到科学界的广泛关注，正如晶体管电路向集成电路发展的经历一样，分子生物学技术的集成化正在使生命科学的研究和应用发生一场革命。
二、基因芯片的制造和种类
基因芯片的制造技术主要有原位合成技术和点样技术。目前流行的基因芯片大致可分为以下四类：
(一).光引导原位合成DNA微阵列
光引导聚合技术是原位合成的主要技术，照相平板印刷技术（photolithography）与传统的核酸、多肽固相合成技术相结合的产物。半导体技术中曾使用照相平板技术法在半导体硅片上制作微型电子线路。固相合成技术是当前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法，技术成熟且已实现自动化。二者的结合为合成高密度核酸探针及短肽列阵提供了一条快捷的途径。
光引导聚合技术是Affymetrix公司开发的专利技术，其光引导聚合技术制作DNA芯片，生产过程同电子芯片的生产过程十分相似。采用这种技术生产的基因芯片可以达到1×106/cm2的微探针排列密度，能够在一片1厘米多见方的片基上排列几百万个寡聚核苷酸探针。并且其不仅可以用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。因此，Affymetrix公司也就成了基因芯片领域的“INTEL”。
Affymetrix公司是第一家有商品化诊断芯片上市的公司，目前该公司上市 的基因芯片按用途可分为三大类，分别为基因表达芯片、基因多态性分析芯片和疾病诊断芯片，基因表达分析芯片和基因多态性分析芯片主要用于研究机构和生物制药公司，可以用来寻找新基因、基因测序、疾病基因研究、基因制药研究、新药筛选等许多领域，Affymetrix公司主要生产通用寡聚核苷酸芯片；疾病诊断芯片则主要用于医学临床诊断，包括各种遗传病和肿瘤等，目前Affymetrix公司生产三种商品化诊断芯片，分别为p53基因突变诊断芯片、艾滋病病毒基因基因突变诊断芯片和细胞色素P450基因突变诊断芯片。
(二).微电子芯片
微电子芯片的多位点电控阵列并含独立可寻址检测区域的微电子基因芯片，其基质全部以硅、锗与基础的半导体材料，在其上构建25-400个微铂电极位点，各位点可由计算机独立或组合控制。无论在芯片制造或成品芯片检测，均可通过相似微电极的电场变化来使核酸结合，引入"电子严谨度"参数使芯片检测通过靶、探针序列特征和使用者要求来控制杂交过程中的严格性。这种微电子基因芯片具有以下优点：
1．电场定位过程能选择性地转运带电荷DNA分子，通过每个微电极位点的电场正负、强弱变化，能准确有效地随意调控芯片表面的核酸，既可将核酸结合在微电极位点上，也可以使核酸转运出来。
2．通过电场变化能加快DNA杂交速率，通过导入正电场后，可以大大加快待测核酸同已知探针的结合速率，减少了杂交反应时间，同普通的"被动"杂交反应的几小时相比，这种"主动"杂交反应仅仅几秒钟就可完成。另外电场变化又可有效地去除未结合游离分子，减少未结合荧光信号干扰。
3．通过电子严谨度可有效地控制杂交过程中的错配度，杂交错配的程度，对不同的要求上要给以不同的电场就可以符合不同的电子严谨度，这对核酸杂交严格度可以非常灵活地控制，这可以非常准确地进行SNP检测。
(三).微量点样DNA微阵列
微量点样技术是目前大部分基因芯片公司使用的流行方法。就是指将许多特定的寡核苷酸片段或基因片段有规律地排列固定于支持物（如膜、硅片、陶瓷片及玻片）上，然后通过类似于Northern，Southern的方法与待测的标记样品按碱基配对原理进行杂交，再通过检测系统对其进行扫描，并用相应软件对信号进行比较和检测，得到所需的大量信息，进行基因的高通量、大规模、平行化、集约化的信息处理和功能研究。其主要优点是简便宜行，技术要求较低，并且探针不受探针分子大小种类的限制，能够灵活机动地根据使用者的要求制作出符合目的的芯片。目前国内生产研究中具有相当的市场。
其实微量点样DNA微阵列的制造和ELISA板的制造有相当的雷同，只是其包被的物不同，每一个小的点都相当于一个包被孔。因此，我们知道的一些ELISA包被问题，对微量点样DNA微阵列的点样也是同样的。
对于ELISA来说，寻找合适的载体是重要的，同样微量点样DNA微阵列也是如此。比较各种载体的优缺点，表面经过化学处理的玻片用得最多，主要是它具有其他载体所不能比拟的优点：DNA样品可共价结合在玻片表面；玻片是一种持久的载体，它可耐受高温和高离子强度；玻片具有不可浸润性，使杂交体积降低到最小，因此提高了退火时的动力学参数；玻片的荧光信号本底低，不会造成很强的背景干扰；玻璃芯片可使用双荧光甚至多荧光杂交系统，可在一个反应中同时对两个以上的样本进行平行处理。因此以玻璃为载体的芯片更具有发展和应用的前景。
当然，点样是整个流程中最重要的，微量点样DNA微阵列的点样是依靠点样仪来完成的，各种点样仪点样原理和优点各有不同，生产这种设备的公司有很多，象美国的Genomicsolutions公司、英国的BioRobotics公司、美国的Cartesian公司和加拿大的Engineering公司等。
对于微量点样技术生产的基因芯片来说从仪器组成上可以分为点样仪器、杂交装置、检测仪器和分析仪器，点样仪器是否先进决定芯片上的探针密度和结合牢固程度，虽然芯片的探针密度是一个很重要的指标，达到极高密度的探针阵列是许多芯片生产公司梦寐以求的目标，但是具体的点样密度根据使用者的目的来决定，而且还要考虑到随后的杂交和检测过程。衡量点样装置有几个比较重要的指标，如仪器整体设计、功能多样性、芯片基质多样性、点样稳定性、点样速度、点样密度等等。
点阵器一般采用实心或空心点样针，点样方式有非接触喷点（inkjet printing）和接触点样（Contact printing）两种方式。目前，有两种非接触喷点技术用于DNA点样，一种是用压电晶体将液体从孔中喷出的压电技术（piezoelectric technology），喷滴大小一般为50-500pl；另一种为注射器螺线管技术（syringe-solenoid technology），这种技术是通过高分辨率注射器泵和微螺线管阀门有机结合起来精确控制滴液的。
(四).其他
除了，以上三种常用技术以外，还用美国NIH、Caliper公司和Orchidbio公司等的技术也有所不同。Orchidbio公司研制了一种毛细管微流泵芯片，在边长2英寸的芯片上集成了144个微室，分别由流入孔、反应室、循环管和废液流出孔组成，这种芯片不但可以用于基因诊断和分析，还可用于合成化学，就象一个微小的自动生化分析仪，呵呵。利用芯片的微指结构，Caliper公司的芯片可以用作细胞分选器，能够利用血细胞体积和变形性等特点可以很容易地把红细胞和白细胞分开.NIH研制微型芯片反应器可以很快地完成一系列生化反应。
三、基因芯片的检测
几乎所有的检测技术都可以用于基因芯片的检测，比如常用的放射标记技术，荧光标记技术，质谱分析，化学发光等等都行。但是如果检测仪器的分辨率不高，那么即使点样仪器制造出了很高密度的芯片也没有用，检测仪器的分辨率是基因芯片的重要瓶颈。在基因芯片的显色和测定方法中又以荧光标记技术最为常用。一般膜芯片的杂交都用同位素p32、p33作标记，其信号的检测需通过传统的磷光成像系统来完成，
使用荧光标记的基因芯片，其检测需要专用的荧光扫描仪测定。对于高密度的基因芯片目前最常用的是激光共聚焦显微镜和高性能的冷却CCD，二者各有利弊，须根据要求综合衡量。其中又以高性能的冷却CCD最为常用。
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目前专用于荧光扫描的扫描仪大致分为两类：一类是基于CCD（charge-coupled devices，电荷偶合装置）的方法检测光子；另一类则是基于PMT（photomultiplier tube，光电倍增管）的检测系统。首先比较一下这两种设备各自的优缺点：
CCD一次可成像很大面积的区域，而以PMT为基础的荧光扫描仪则是以单束固定波长的激光来扫描，因此或者需要激光头，或者需要目的芯片的机械运动来使激光扫到整个面积，这样就需要耗费较多的时间来扫描；但是CCD有其缺点：目前性能最优越的CCD数字相机的成像面积只有16×12mm（像素为10μm），因此要达到整个芯片的面积20×60mm的话，需要数个数码相机同时工作，或者也可以以降低分辨率为代价来获得扫描精度不是很高的图像。
生产商业化扫描仪的公司包括：Genomic Solutions公司、Packard公司、GSI公司、Beecher Instruments公司、Molecular Dynamics、Genetic Microsystems公司、Axon Instruments公司等。
四、分析仪
分析仪实际上就是一台高性能的计算机和一套高质量的分析软件。如果只是进行简单的检测或科学实验，待测样品所要分析的基因很少很简单，采用直观的观察就可以得出结论，但对于大量的基因分析或是临床检验人员使用就需要有全面智能化的分析软件辅助，这样还需要考虑到软件的升级。这点常使用微生物鉴定的同行一定深有体会。
