Войти
На биочипе видны сотни гелевых капель. В молекулярной биологии, биочипы по сути являются миниатюрными лабораториями, которые могут одновременно проводить сотни или тысячи биохимических реакций. Биочипы позволяют исследователям быстро проверять большое количество биологических аналитов для различных целей, от диагностики заболеваний до обнаружения агентов биотерроризма. Цифровые микрожидкостные биочипы стали одной из самых многообещающих технологий во многих областях биомедицины. В цифровом микрожидкостном биочипе группа (смежных) ячеек в микрожидкостном массиве может быть сконфигурирована для работы в качестве хранилища, функциональных операций, а также для динамической транспортировки капель жидкости.
Начало разработки с ранней работой над базовой технологией сенсора. Одним из первых портативных датчиков на основе химии был датчик, изобретенный в 1922 году Хьюзом. Основная концепция использования сайтов обмена для создания проницаемых мембран была использована для разработки других ионных сенсоров в последующие годы. Например, датчик K был изготовлен путем включения валиномицина в тонкую мембрану.
В 1953 году Watson и Crick объявили о своем открытии знакомая теперь структура двойной спирали молекул ДНК и заложила основу для генетических исследований, которые продолжаются и по сей день. Разработка методов секвенирования в 1977 году Гилбертом и Сэнгером (работающими отдельно) позволила исследователям непосредственно считывать генетические коды, дающие инструкции для синтеза белка.. Это исследование показало, как гибридизация комплементарных одиночных олигонуклеотидных цепей может использоваться в качестве основы для определения ДНК. Две дополнительные разработки позволили использовать современные технологии на основе ДНК. Во-первых, в 1983 году Кэри Маллис изобрела метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), метод увеличения концентраций ДНК. Это открытие сделало возможным обнаружение чрезвычайно малых количеств ДНК в образцах. Во-вторых, в 1986 году Худ и его сотрудники разработали метод маркировки молекул ДНК флуоресцентными метками вместо радиоактивных меток, что позволило наблюдать эксперименты по гибридизации оптически.
Рис. 1. Биочипы - это платформа, которая требует, помимо технологии микрочипов, технологий трансдукции и обработки сигналов для вывода результатов сенсорных экспериментов. На рисунке 1 показана конструкция типичной платформы биочипа. Фактический чувствительный компонент (или «чип») - это всего лишь одна часть полной системы анализа. Трансдукция должна выполняться для перевода фактического события восприятия (связывание ДНК, окисление / восстановление и т. Д.) В формат, понятный для компьютера (напряжение, свет интенсивность, масса и т. д.), что затем позволяет провести дополнительный анализ и обработку для получения окончательного удобочитаемого вывода. Множество технологий, необходимых для создания успешного биочипа - от химического зондирования до микроматриц и обработки сигналов - требуют по-настоящему многодисциплинарного подхода, что делает барьер для входа огромным. Один из первых коммерческих биочипов был представлен Affymetrix. Их продукты «GeneChip» содержат тысячи отдельных ДНК-сенсоров для использования при обнаружении дефектов или однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) в таких генах, как p53 (опухолевый супрессор) и BRCA1 и BRCA2 (относится к раку груди). Чипы производятся с использованием методов микролитографии, традиционно используемых для изготовления интегральных схем (см. Ниже).
3D Sarfus изображение ДНК-биочипа Микроматрица - плотная двумерная сетка биосенсоров - является критическим компонентом платформы биочипа. Обычно датчики наносятся на плоскую подложку, которая может быть либо пассивной (например, кремний или стекло), либо активной, причем последняя состоит из интегрированной электроники или микромеханических устройств, которые выполняют или способствуют передаче сигнала. Химия поверхности используется для ковалентного связывания сенсорных молекул с субстратом. Изготовление микрочипов нетривиально и представляет собой серьезное экономическое и технологическое препятствие, которое в конечном итоге может решить успех будущих платформ для биочипов. Основной производственной проблемой является процесс размещения каждого датчика в определенном месте (обычно на декартовой сетке) на подложке. Существуют различные средства для размещения, но обычно для размещения крошечных пятен сенсорного материала на поверхности чипа используются роботизированные системы микропипетирования или микропечати. Поскольку каждый датчик уникален, одновременно можно разместить только несколько точек. Низкая производительность этого процесса приводит к высоким затратам на производство.
Фодор и его коллеги разработали уникальный производственный процесс (позже используемый Affymetrix ), в котором серия шагов микролитографии используется для комбинаторного синтеза сотен тысяч уникальных, сенсоры одноцепочечной ДНК на субстрате по одному нуклеотиду за раз. Для каждого базового типа требуется один шаг литографии; таким образом, требуется всего четыре шага на один нуклеотидный уровень. Хотя этот метод очень эффективен, так как может быть создано множество сенсоров одновременно, в настоящее время он применим только для создания коротких цепей ДНК (15–25 нуклеотидов). Факторы надежности и стоимости ограничивают количество шагов фотолитографии, которые могут быть выполнены. Кроме того, в настоящее время методы комбинаторного синтеза с направленным светом невозможны для белков или других сенсорных молекул.
Как отмечалось выше, большинство микроматриц состоит из декартовой сетки датчиков. Этот подход используется в основном для сопоставления или «кодирования» координат каждого датчика его функции. Датчики в этих массивах обычно используют универсальную сигнальную технику (например, флуоресценцию), поэтому координаты являются их единственным отличительным признаком. Эти массивы должны быть изготовлены с использованием последовательного процесса (т.е. требующего нескольких последовательных шагов), чтобы гарантировать, что каждый датчик размещен в правильном положении.
«Произвольное» изготовление, при котором датчики размещаются в произвольных местах на кристалле, является альтернативой последовательному методу. Утомительный и дорогостоящий процесс позиционирования не требуется, что позволяет использовать параллельные методы самосборки. При таком подходе можно производить большие партии идентичных датчиков; Затем датчики из каждой партии объединяются и собираются в массив. Для идентификации каждого датчика необходимо использовать схему кодирования без координат. Как показано на рисунке, такая конструкция была впервые продемонстрирована (и позже коммерциализирована компанией Illumina) с использованием функционализированных шариков, размещенных случайным образом в лунках протравленного оптоволоконного кабеля. Каждая гранула была уникально закодирована флуоресцентной подписью. Однако эта схема кодирования ограничена количеством уникальных комбинаций красителей, которые можно использовать и успешно дифференцировать.
Микроматрицы не ограничиваются анализом ДНК ; микроматрицы белков, микроматрицы антител, микроматрицы химических соединений также могут быть получены с использованием биочипов. Randox Laboratories Ltd. запустила Evidence, первый анализатор белка Biochip Array Technology в 2003 году. В технологии Protein Biochip Array Technology биочип заменяет планшет ELISA или кювету в качестве реакционной платформы. Биочип используется для одновременного анализа группы связанных тестов в одном образце, создавая профиль пациента. Профиль пациента может использоваться для скрининга заболеваний, диагностики, мониторинга прогрессирования заболевания или мониторинга лечения. Одновременное выполнение нескольких анализов, называемое мультиплексированием, позволяет значительно сократить время обработки и количество требуемых образцов пациента. Технология Biochip Array - это новое применение знакомой методологии, использующей сэндвич, конкурентный и иммуноаналитический иммуноанализ. Отличие от обычных иммуноанализов заключается в том, что захватывающие лиганды ковалентно прикрепляются к поверхности биочипа в упорядоченном массиве, а не в растворе.
В сэндвич-анализах используется меченное ферментом антитело; в конкурентных анализах используется антиген, меченный ферментом. При связывании антитела с антигеном реакция хемилюминесценции дает свет. Обнаружение осуществляется камерой устройства с зарядовой связью (CCD). ПЗС-камера - это чувствительный датчик с высоким разрешением, способный точно определять и определять очень низкие уровни света. Тестовые области располагаются с использованием сетки, затем сигналы хемилюминесценции анализируются программным обеспечением для визуализации для быстрого и одновременного количественного определения отдельных аналитов.
Биочипы также используются в области микрофизиометрии, например, в приложениях "кожа на чипе".
Подробнее о других технологиях массивов см. Микроматрица антител.
Биологический портал 
Технологический портал 