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生物芯片技术及其在环境科学方面的应用 摘要：生物芯片技术是20世纪以来发展迅速且引人瞩目的一个前沿领域。本文主要介绍了生物芯片技术在环境化学、环境微生物检测以及环境医学领域中的应用。并对生物芯片在环境领域的应用前景做出了展望。 关键词：生物芯片; 环境科学; 生物芯片（biochip）技术是20世纪90年代初期发展起来的一个新兴的领域，自从1991年Fodor等提出DNA芯片的概念后，近年来以DNA芯片为代表的生物芯片技术得到了迅猛发展。生物芯片是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术，其概念源于计算机芯片。它主要是指通过微加工和微电子技术在固体基质表面构建微型生物化学分析系统，以实现对生命机体的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类及其它生物组分进行准确、快速、高通量的检测。生物芯片技术的本质特征是利用微电子、微机械、化学、物理及计算机，将生命科学研究中的样品检测、分析过程实现连续化、集成化、微型化。芯片上集成了成千上万密集排列的分子微阵列或分析元件，能够在短时间内分析大量的生物分子，快速准确的获取样品中的生物信息，检测效率是传统检测手段的成百上千倍。该技术被评为1998年度世界十大科技进展之一。目前，生物芯片已在环境微生物检测、环境化学及环境医学等研究方向重显现出独特的优势。 一、生物芯片的分类及其原理 常见的生物芯片主要分为三大类：即基因芯片、蛋白质芯片、芯片实验室。 1.基因芯片（Gene chip）基因芯片又称DNA芯片（DNA chip）。）。最初的生物芯片主要用于基因测序、基因表达图谱的鉴定和基因突变的分析与检测，而且随着人类基因组计划的逐步实施以及分子生物学的迅猛发展，基因芯片己成为生物芯片中最重要的一类。基因芯片是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。它将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行分析。 2蛋白质芯片（Protein Chip）蛋白质芯片与基因芯片的基本原理相同，但它利　用的不是碱基配对原理而是抗体与抗原结合的特异性即免疫反应来检测。蛋白质芯片构建的简化模型为：选择一种固相载体能够牢固地结合蛋白质分子（抗原或抗体），这样形成蛋白质的微阵列，即蛋白质芯片。蛋白质芯片的检测原理类似于抗原、抗体检测的　ELIS法，如采用双抗夹心的形式，通过机械点涂的方法，将多种不同的单克隆抗体点样固定在固相介质表面（一般是膜介质）上，制备抗体蛋白芯片，并与多种抗原样本杂交，使芯片上的抗体捕获相应的抗原。然后再与标记的多种不同的抗体杂交，由于蛋白抗原上的多价结合表位可结合标记抗体，根据杂交信号的有无、多少便能进行定性、定量的分析。 3芯片实验室（LAB—on—a—chip）芯片实验室是生物芯片研究领域的一个热点，它是将传统的样品制备、生化反应、数据检测三个步骤集成于一体，缩小构成芯片上的实验室系统，是生物芯片发展的最高阶段。要实现这一目标生物芯片必须以微电流平台作为支撑，只有把样品制备、分析和信号获得连为整体，才能开发出生物芯片应用的最大潜力。目前，利用芯片缩微实验室已成功地将样品分离、DNA提取、PCR反应、DNA杂交检测这几个离散步骤在一个或几个芯片构成的密闭系统中完成。由于芯片可以做成十分微小的形状，所以便于携带，检测分析所需样品少，节约了大量试剂和人工。同时芯片可以　进行大规模生产，成本可以降到很低，用于各种分析　的芯片就可以做成一次性使用，避免了样品污染和交叉污染。芯片实验室是未来生物芯片的发展方向。 二、生物芯片在环境科学研究中的应用 生物芯片是近几年发展起来的一个新兴和热点领域，在国外研究和应用较多，我国在此方面的研究尚处于起步阶段，且主要应用于医药领域，在环境科学领域的应用和研究较少。但其高通量、检测快的特点，使其在环境领域有着广泛的应用前景。现今，生物芯片已在环境化学、环境生物学、环境毒理学、环境医学及分子生态学等研究领域中有了应用实例。 1、生物芯片在环境化学中应用 生物芯片在环境化学中的一个重要应用领域是分析和监测环境中的污染物。环境化学污染物主要包括有机化学性污染物和无机污染物。生物芯片设计集成化，从而简化了分析过程，使检测速度加快，因此在环境监测中有很好的应用和发展前景。目前，在环境化学领域中得到应用的有毛细管电泳芯片、微反应芯片等。Wang等将毛细管电泳芯片与厚膜电流检测器集成在一起（缓冲液为MES(20mol/L， PH＝5.0），分离管道长度为72mm，分离电压为2000V）。使用此方法，　可在140S内从掺入有机磷神经毒物的河水中分离检测出磷、甲基对硫磷、杀螟硫磷和乙基对硫磷。这些结果显示毛细管电