生物芯片阅读器

生物芯片阅读仪概述生物芯片，是指利用微细加工技术并结合有关的化学合成技术，将大量探针分子固定于载体即微小的基片（如玻璃、硅片、有机材料薄膜等）上，然后与标记的样品分子进行杂交，通过检测杂交信号的强弱，对靶分子的序列和数量进行分析检验的微型器件。生物芯片阅读仪是生物芯片能否得到广泛应用的重要仪器。通过生物芯片阅读仪可以将芯片上测定的结果转变成可供分析处理的图像数据，正确、有效的获取芯片上的生物信息。目前的生物芯片阅读仪主要有两种：CCD系统生物芯片阅读仪和激光共聚焦生物芯片阅读仪。前者具有结构简单、体积小、检测速度快、成本低等优点，对于点阵相对较低的生物芯片的检测有明显的优势；后者以激光作光源，采用共聚焦探测光路，结合高速X向扫描和Y向步进，实现了对生物芯片的扫读和分析。激光共聚焦扫描仪具有检测灵敏度高、动态范围宽、信噪比好、测量精度高等优点，可望成为今后的主流机型。。基本原理与设备组成框图一、CCD系统生物芯片阅读仪CCD系统生物芯片阅读仪有三种，即它激式荧光检测、化学荧光检测和对用同位素曝光的胶片进行检测，本文主要以它激式荧光检测生物芯片阅读仪为例来介绍。该仪器适用于化学自发光、多种激发荧光等生物芯片弱光样片的检测和分析。主要由冷却型科学零级CCD、光学物镜、氙灯光源、均匀照明系统、暗箱、电机驱动选择的发射窄带干涉滤光片和激发窄带干涉滤光片、图像采集卡等部分组成。组成框图如图1所示。技术原理主要组成部分的功能及作用：①光源：CCD系统生物芯片阅读仪采用高压汞灯作为光源，结构比较简单。工作时，用均匀化处理的特殊波长的光去激发生物芯片上的荧光。②激发滤光片：经激发窄带滤光片可去除其他波长的光，降低检测背景。③发射滤光片、CCD和计算机：生物芯片上标记有荧光染料的靶分子在单色光激发下产生荧光，再经发射窄带干涉滤光片由摄像镜头捕获，成像在CCD相面上，再传至图像采集卡，将信号转化成数字信号进行处理。二、激光共聚焦生物芯片阅读仪

激光共聚焦生物芯片阅读仪的原理如图2所示。仪器工作时，利用激光照射生物芯片激发荧光，荧光收集物镜收集荧光，通过二色分光镜，经窄带滤光片滤光后，汇集在探测针孔上，由光电倍增管探测，最后经电路放大、转换传到计算机进行处理，获取其中包含的生物信息。图2激光共聚焦生物芯片阅读仪设备组成框图主要组成部分的功能及作用：①X向电机、Y向电机、X驱动器、Y驱动器及丝杠等组成扫描工作台，采取的扫描方式是：光源固定即光束保持不变、荧光探测器固定、扫描工作台按一定规律移动的扫描方式。这种扫描方式被称为物体扫描，其优点是轴线平直，光路稳定，可以实现大面积的扫描。简言之，本仪器就是利用光电倍增管对点像探测结合高速XY扫描实现对生物芯片信息的大量获取。所以工作台系统和荧光信号接收系统都很重要。扫描承片台可放置25mm*75mm的标准样片。②激光器、窄带滤光片和二色分光镜等组成激光共聚焦光路；光源是两个激光器，分别用于激发cy3和cy5两种荧光染料，扫描时可以选择适当的激光器功率，也可以通过两个快门选择激光束。③光电倍增管作为荧光信号探测器，可用来探测芯片发出的荧光信号，其增益可选。④计算机用于处理和分析光电探测器探测到的荧光信号并合成图像。临床应用生物芯片阅读仪是伴随着生物芯片的产生而产生的，可以说，需要利用生物芯片技术的地方就必须利用到生物芯片阅读仪，所以生物芯片阅读仪的临床应用与生物芯片的临床应用息息相关。以下就介绍几种生物芯片的临床应用。一、基因表达水平的检测

用基因芯片进行的表达水平检测可自动、快速地检测出成千上万个基因的表达情况。Schena等采用拟南芥基因组内共45个基因的cDNA微阵列（其中14个为完全序列，31个为EST），检测该植物的根、叶组织内这些基因的表达水平，用不同颜色的荧光素标记逆转录产物后分别与该微阵列杂交，经激光共聚焦显微扫描，发现该植物根和叶组织中存在26个基因的表达差异，而参与叶绿素合成的CAB1基因在叶组织较根组织表达高500倍。二、基因诊断

从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信息。这种基因芯片诊断技术以其快速、高效、敏感、经济、平行化、自动化等特点，将成为一项现代化诊断新技术。例如Affymetrix公司，把P53基因全长序列和已知突变的探针集成在芯片上，制成P53基因芯片，将在癌症早期诊断中发挥作用。另外，它还有药物筛选、个体化医疗、测序等功能。生物芯片药物筛选生物芯片测序发展历史及研究现状国外的生物芯片及其阅读检测仪器获得了长足的发展，各生物芯片公司或相关仪器公司均推出了各自的生物芯片阅读仪，但迄今为止，还没有相关的国际标准或行业标准出台，所以各商家推出的阅读仪的原理、性能、用途和技术指标等各异。下面给出了几种国外主要厂家的阅读仪：（1）美国Packard公司于2000年开发的基因芯片阅读仪ScanArray4000，采用激光共聚焦光路。（2）Axon公司出品的GenePix4000B激光阅读仪，采用非共聚焦光路。（3）GenomicSolutionsGene公司的GeneTACLSIV激光阅读仪，采用非共聚焦光路。近几年来国内研发生物芯片阅读仪的单位比较少，主要的研发单位有浙江大学、中国科学院光电技术研究所以及上海数康公司等。据目前的信息所知，上海数康公司开发了HD-2001系列生物芯片阅读仪，主要用于阅读生物芯片信号，并对信号进行智能化处理，分析测定结果，实现了生物芯片图像摄取、处理、分析、打印一体化。HD-2001系列生物芯片阅读仪有助于临床检验人员快速、并行的检测多种肿瘤标志物。浙江大学等单位也在研制生物芯片仪器。参考文献《生物芯片扫描仪研究进展》

张春梅胡松唐