基因芯片
基因芯片（Gene Chip），学术名称为DNA 微阵列（DNA Microarray），是一种基于核酸杂交原理的高通量生物检测技术。它将数万至数百万条已知序列的 DNA 片段（探针）以极高密度固定在硅片、玻璃或微珠载体上，作为“诱饵”。当标记有荧光基团的待测样本（靶标）与芯片孵育时，互补序列会发生特异性结合，通过激光扫描荧光信号的强弱，即可同时分析成千上万个基因的表达水平或基因型。
在二代测序 (NGS) 普及之前，基因芯片是转录组学和基因分型的主流工具。尽管 NGS 具有发现新序列的“开放性”优势，但基因芯片凭借其标准化程度高、数据分析简便和极低成本（GWAS 首选），在全基因组关联分析 (GWAS)、大规模农业育种及临床遗传病筛查中依然占据重要地位。
核心原理：大自然的搜索算法
基因芯片的运作基于 DNA 双螺旋的互补配对原则（A-T, C-G）。这是一个“已知查未知”的过程。
- 探针 (Probe)： 预先固定在芯片特定位置的已知 DNA 序列（单链）。就像图书馆的索引卡片。
- 靶标 (Target)： 来源于样本的 DNA 或 RNA（反转录为 cDNA），并标记了荧光染料（如 Cy3/Cy5）。
- 杂交 (Hybridization)： 将标记好的靶标溶液滴在芯片上。如果样本中含有与探针互补的序列，两者就会紧密结合（杂交）。
- 检测 (Scanning)： 洗去未结合的游离分子，用激光扫描。荧光信号的位置告诉我们“是什么基因”，信号的强度告诉我们“有多少”（表达量/拷贝数）。
制造工艺：三大流派
不同的制造工艺决定了芯片的密度、灵活性和成本，形成了三大主流技术流派：
| 厂商 | 技术名称 | 工艺特点 |
|---|---|---|
| Affymetrix | 原位光刻 (In situ Photolithography) | 借用半导体光刻技术。利用掩膜保护，一步步在硅片上直接合成 DNA 链。密度极高，但探针较短（25-mer），定制成本高。 |
| Illumina | 微珠阵列 (BeadArray) | 探针连接在微小的硅珠上，硅珠随机落入光纤蚀刻的微孔中。通过 Infinium 化学反应延伸单碱基，特别适合 SNP 基因分型。 |
| Agilent | 喷墨打印 (Inkjet Printing) | 类似喷墨打印机，将核苷酸逐个喷射到玻片上合成。由于是非接触式，可以合成较长的探针（60-mer），特异性好，定制极其灵活。 |
战略地位：为何没有被淘汰？
虽然 NGS 在发现新基因和突变方面具有压倒性优势，但基因芯片在特定领域依然是不可替代的“主力军”。
- 开放 vs 封闭： NGS 是“开放系统”，可以发现全新的病毒或突变；芯片是“封闭系统”，只能检测已知的序列。但在临床诊断中，“已知”意味着稳定和标准。
- GWAS 的基石： 在进行数十万人的 GWAS 研究时，使用 SNP 芯片的成本（~$20-50/人）远低于全基因组测序（~$200-500/人）。这是 Biobank 级项目的首选。
- 数据标准化： 芯片数据量相对较小，分析流程（如 PLINK）高度成熟，不像 NGS 那样需要庞大的算力和复杂的生物信息学团队。
学术参考文献 [Academic Review]
[1] Schena M, et al. (1995). Quantitative monitoring of gene expression patterns with a complementary DNA microarray. Science.
[点评]：基因芯片领域的开山之作。斯坦福大学团队首次展示了利用微阵列技术进行高通量基因表达分析的潜力。
[2] The International HapMap Consortium. (2005). A haplotype map of the human genome. Nature.
[点评]：利用高密度 SNP 芯片构建了人类单倍体型图谱，为后来的 GWAS 研究奠定了基础。
[3] Bumgarner R. (2013). Overview of DNA microarrays: types, applications, and their future. Current Protocols in Molecular Biology.
[点评]：综述了芯片技术的演变，并客观比较了其与 NGS 技术在不同应用场景下的优劣。