1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型，开启了分子生物学的时代。近年来，分子生物学发展迅速，新的技术方法也在不断被开发应用在各个领域，分子生物学已成为生命科学领域最具有活力的学科前沿之一。

分子诊断是用分子生物学的方法，对人体或病原体遗传物质结构或含量的变化进行检测，从而达到预测和疾病诊断的目的。分子诊断技术主要包括PCR技术、核酸分子杂交技术、基因测序技术、核酸质谱技术和基因芯片技术等^[1]。PCR技术发展较快且临床应用较广泛，基因芯片技术起步稍晚，但是因其自动化程度高、信息量大等优势备受关注。

一、基因芯片技术：

基因芯片，又称 DNA 芯片，其主要原理是分子生物学中的核酸分子原位杂交技术，即利用核酸分子碱基互补配对的原理，通过各种技术手段将大量的探针分子固定到支持物上，随后将处理好的样品与其进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息，以实现对所测样品基因的大规模检验^[2]。目前基于荧光信号检测是基因芯片检测的主要方法，主要是采用生物样品的荧光标记，样品与探针之间的杂交情况通过测定荧光强度获取。目前采用最普遍的荧光标记与传统的荧光信号标记并无多大差异，主要是采用的荧光素种类更多，这可以满足不同来源样品的平行分析^[3]。

二、电化学基因芯片技术：

电化学基因芯片检测技术是广州达安基因股份有限公司自主研发的一种新型基因分析技术，又称为e-DNA。DA9100电话学基因芯片仪是基于电化学基因芯片技术而开发的仪器。该技术以电化学活性物质（如二茂铁分子^[4]）作为标记、以特殊生产工艺的多电极印刷电路板作为基因芯片、以电流信号作为检测分析依据；仪器采用设计精密、集成了以“温度控制，流体微循环驱动，电化学扫描”的模块化单位，为基因芯片分子杂交反应提供所需环境，通过交流伏安法检测分析电流信号，从而达到自动化检测靶核酸的目的。当含有被测靶核酸的电化学基因芯片植入电化学基因芯片检测仪后，仪器自动运行并生成相应的检测报告。

图1.DA9100电化学基因芯片检测仪

1.电化学基因芯片的检测原理：

首先针对待测基因设计特异性引物与探针（包括捕获探针和信号探针），将特异性捕获探针（Capture Probe)固定在特制的印刷电路板金电极表面，制备成电化学传感器（芯片），用于捕获待测基因；信号探针（Signal Probe）与已被捕获的待测基因另一部分特异性结合。由于信号探针标记有二茂铁分子（Ferrocene Label），通过杂交二茂铁与金电极靠近，发生氧化还原反应进而导致电子转移产生电流变化，应用电化学基因芯片检测仪检测出电流值，最后进行待测基因的识别判定。

图2.电化学DNA检测的原理

（目标DNA（红色）通过序列特异性杂交到电极表面的捕获探针（紫色）上。信号探针（浅蓝色）也杂交到目标DNA的一部分上，这种夹心法式的杂交信号探针上的电化学活性物质二茂铁标签（绿色）贴在电极表面，从而产生电化学反应。）

与其他荧光信号检测的基因芯片技术相比，电化学基因芯片技术使用电信号代替荧光信号，避免了荧光信号检测时信号干扰的问题。同时，电化学基因芯片又具备了基因芯片的高通量、自动化、准确性高等特点^[5]。

2.电化学基因芯片检测的操作步骤：

电化学基因芯片检测的操作主要是：首先将待测样品的核酸（DNA或RNA）进行提取纯化，接着对核酸分子进行PCR扩增，然后将扩增的产物与信号探针和捕获探针杂交。捕获探针用于捕获目标核酸，信号探针被标记有电化学活性物质，用于信号产生传递，通过检测电流信号变化，即可对样品的遗传信息进行定性定量分析。最后通过仪器自带的专用软件分析后直接出具检测结果报告。

3.电化学基因芯片的特点：

在技术上进行了革新，利用电化学原理，而不是传统的光学原理，无需复杂的光学部件；电化学基因芯片封盖自锁，中间无需清洗，避免了交叉污染。在操作中，杂交检测过程全程自动化，整个过程需要30min，可以满足快速检测的需求；检测结果仪器自动化判读，并导出PDF报告单。在成本方面，电化学基因芯片灵活便捷应用24个相互独立的检测单元，实现“随到随检”，解决了传统检测仪器必须按照批次检测造成的效率低、浪费大等问题。

4.电化学基因芯片的应用：

电化学基因芯片采用了经济高效的电路板芯片作为耗材，一次性可检测多达数十个位点，在病原体检测、个性化治疗、基因筛查等领域有广泛应用。

在病原体检测方面：

人体感染了病毒、细菌、真菌等病原生物可能会引起疾病。根据世界卫生组织统计显示，每年有1700 万人死于感染性疾病。传统的病原体分离培养技术耗时长，容易污染，对人员经验要求很高。电化学基因芯片能够针对特异的病原体进行快速检测，并且能够区分多种型别，在一定程度上避免了漏检的风险，对流行病学的研究有较好的帮助，特别是在流感病毒分型、乳头瘤病毒分型、食源性致病菌、发热呼吸道症候群、病毒性出血热、人兽共患病病原体等常见病原体检测中有较好的应用。

在个性化治疗方面：

药物在体内代谢、转运及药物作用靶点基因的遗传变异，通过影响药物的浓度和敏感性，导致药物反应性的个体差异。近年来随着精准医学的快速发展，在用药前，进行相关药物基因检测，能够提前评估用药效果，及时调整治疗方案。电化学基因芯片检测通量高，一次能够覆盖多个位点，对华法林用药剂量检测、氯吡格雷用药剂量检测、乙醛脱氢酶活性检测、叶酸代谢能力评估、别嘌呤醇用药风险评估和其他药物临床使用具有指导意义。

在遗传病基因分型方面：

遗传病是遗传物质发生改变或者由致病基因所控制的疾病，通常具有垂直传递和终身性的特征。遗传病是由遗传因素决定发病，在孕前或产前及时进行遗传咨询检测，能够及早发现缺陷患儿。电化学基因芯片在地中海贫血检测、染色体异常基因检测、耳聋基因检测、罕见病基因检测等一系列诊断领域逐渐迈进。

在肿瘤生物学特性判断方面：

肿瘤的发生和发展是一个复杂的多阶段过程，可能涉及到几个、甚至十几个基因，包括原癌基因和抑癌基因；少部分肿瘤还涉及到遗传易感基因。目前在基因层面已经发现，对肿瘤遗传基因检测，可以帮助患者明确患癌风险，提早预防。基因检测还可以针对该驱动基因的靶向药物进行靶向治疗，较大程度改善了肿瘤患者的生存时间，提高了患者的生活质量^[2]。在肿瘤的早期判断、肿瘤的鉴别诊断、肿瘤的分级、分期、肿瘤的预后判断和肿瘤治疗结果评价，电化学基因芯片可以获取相关基因的表达，进而在肿瘤的诊疗方面应用潜力巨大。

电化学基因芯片技术是具有广阔前景的基因芯片检测方法，随着临床需求的增加以及对芯片工艺的不断改进，未来，电化学基因芯片的更多功能也将会被挖掘和应用。

参考文献：

[1]刘婉彤,童梅,林福玉,高向东,刘金毅.分子诊断技术的临床应用进展[J].生物技术通讯,2020,31(02):240-250.

[2]张骞,盛军.基因芯片技术的发展和应用[J].中国医学科学院学报,2008(03):344-347.

[3]付东翔,陈家璧,马军山.基因芯片检测技术的发展[J].激光与光电子学进展,2004(01):46-49+45.

[4]乔庆东,李琪.循环伏安法测定二茂铁的电化学性能[J].辽宁石油化工大学学报,2014,34(03):5-7+13.

[5]Park S J,Taton T A,Mirkin C A.Array-based electrical detection of DNA with nanoparticle probes.Science,2002,295:1503~1506