1.荧光激发与信号产生
微阵列芯片扫描仪的核心原理是利用荧光标记技术。在微阵列芯片上，生物分子（如DNA、RNA或蛋白质）通常被荧光染料标记。当扫描仪的激光照射到芯片表面时，荧光标记物吸收特定波长的激光能量，并发出荧光信号。
2.光学系统与信号收集
扫描仪的光学系统负责将荧光信号收集并聚焦到探测器上。通常采用共聚焦光路设计，这种设计能够有效提高信号的分辨率和灵敏度。具体过程如下：
激光光源：激光器发出特定波长的激光，经过扩束和聚焦后照射到芯片表面。
荧光收集：荧光信号通过物镜和滤光片系统，去除杂散光后被聚焦到探测器上。
共聚焦技术：通过针孔光栅控制聚焦深度，确保只有来自芯片表面的荧光信号被探测器捕获，从而减少背景噪声。
3.信号检测与转换
荧光信号被探测器（如光电倍增管PMT）捕获后，转换为电信号。PMT能够将单个光量子转换为多个电子，从而放大信号。随后，电信号通过模数转换器（A/D）转换为数字信号，以便计算机处理。
4.扫描与成像
扫描仪通过逐点或逐行扫描的方式，对微阵列芯片上的每个像素进行检测。扫描过程可以通过以下方式实现：
移动芯片：芯片装载平台在马达驱动下水平移动。
移动光束：通过微反光镜改变入射激光的方向。
多色荧光检测：扫描仪可以通过切换不同波长的激光和滤光片，分别检测不同荧光标记的信号。
5.数据分析
扫描完成后，计算机软件对采集到的数字信号进行处理和分析。软件功能包括：
图像生成：将荧光信号转换为图像文件（如Tiff或BMP格式），并进行可视化。
数据分析：对荧光强度进行量化分析，提取生物分子的表达水平，并生成报告。
6.技术优势
高灵敏度：能够检测到极低浓度的荧光信号。
高分辨率：通过共聚焦技术和高精度光学系统，能够分辨微小的生物分子点阵。
多色检测：支持多种荧光标记物，可同时检测多个生物分子。
1.扫描系统
扫描系统是微阵列芯片扫描仪的核心部件，通常包括激光光源、光学系统和探测器。激光光源用于激发芯片上的荧光标记物，光学系统负责聚焦和传输光信号，探测器则用于捕捉荧光信号并将其转换为电信号。
2.载样装置
载样装置用于固定和放置微阵列芯片。它通常包括一个载样盒或芯片卡盒，能够容纳标准尺寸的芯片（如1英寸×3英寸的玻片）。载样装置的设计需要确保芯片在扫描过程中保持稳定，并且能够适应不同尺寸的芯片。
3.自动装载器
为了提高检测效率，许多扫描仪配备了自动装载器，能够批量装载和卸载芯片。例如，LuxScan™ Dx24扫描仪配备了24片芯片的自动装载器，支持批量扫描和无人值守操作。
4.条码阅读器
条码阅读器用于自动识别芯片上的条码信息，从而简化样品管理流程，减少人为错误。条码阅读器可以读取多种编码格式，如Code 128、Code 39等。
5.数据处理与分析软件
扫描仪通常配备专业的数据分析软件，用于图像处理、数据统计和分析。软件功能包括扫描参数设置、图像采集、荧光信号强度分析、数据导出等。部分软件还支持与医院信息系统（HIS/LIMS）的整合。
6.光学与电子系统
激光器：用于提供特定波长的激发光，常见的波长包括532 nm和635 nm。
PMT（光电倍增管）：用于检测荧光信号的强度，其增益可在一定范围内调节。
焦距调节系统：允许用户根据芯片的厚度和表面平整度调整焦距，确保扫描的准确性。
7.其他组件
洗涤工作站：用于芯片的清洗和预处理。
不间断电源装置：确保扫描仪在电力不稳定的情况下仍能正常运行。
8.技术规格
扫描分辨率：通常为5、10、20、40 µm等。
动态范围：可达到10⁴至10⁶，能够检测到极低和极高浓度的荧光信号。
检测灵敏度：最低响应值可达每平方微米0.01个发色团。
1.高灵敏度与高分辨率
灵敏度高：能够检测到极低浓度的生物分子，如DNA、RNA或蛋白质。其检测灵敏度通常可达皮克（pg）甚至飞克（fg）级别，适合检测低丰度的生物标志物。
分辨率高：扫描仪的光学系统能够提供高分辨率的图像，分辨率可达微米级别（如1μm至5μm）。这使得扫描仪能够清晰地分辨芯片上的微小点阵，确保检测结果的准确性。
2.自动化的操作流程
自动装载与卸载：许多型号的扫描仪配备了自动装载器，能够自动识别和装载芯片，支持批量扫描。例如，LuxScan™ Dx24扫描仪可自动装载多达24片芯片，大大提高了检测效率。
自动化扫描与分析：扫描仪可实现从芯片扫描到数据分析的自动化流程。部分设备还支持24小时无人值守操作，适合高通量检测需求。
条码识别功能：内置条码阅读器可自动识别芯片信息，减少人为操作误差，提高数据管理的便捷性。
3.强大的兼容性
多种芯片类型：扫描仪能够兼容多种类型的微阵列芯片，包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片等。例如，LuxScan™系列扫描仪可支持高、中、低密度生物芯片。
不同荧光标记：支持多种荧光标记物（如Cy3、Cy5、FITC等），并可进行多色荧光检测。
4.精准的检测能力
高动态范围：扫描仪的检测动态范围通常可达10⁶甚至更高，能够同时检测高丰度和低丰度的生物分子。
低背景噪声：先进的光学设计和信号处理技术能够有效降低背景噪声，提高信噪比，确保检测结果的可靠性。
臭氧防护系统：部分扫描仪内置臭氧防护系统，减少荧光信号的衰减，进一步提高检测的准确性。
5.高效的数据处理与分析
配套分析软件：扫描仪通常配备专业的分析软件，能够实现图像处理、数据分析、报告生成一体化。例如，SUMMIT扫描仪的配套软件可实现杂交至数据分析的一站式服务。
数据管理与共享：支持数据的自动存储、管理和远程共享，方便科研人员和临床医生进行数据交流和分析。
6.可靠性和稳定性
重复性好：扫描仪经过严格的质量控制和校准，确保每次扫描结果的一致性和重复性。
稳定性高：通过多种认证（如CE、NMPA等），具有良好的长期稳定性，适合长时间连续使用。
7.应用范围广泛
基因组学研究：用于基因表达谱分析、DNA甲基化检测、基因突变分析等。
蛋白质组学研究：检测蛋白质表达水平、蛋白质相互作用等。
临床诊断：用于自身免疫性疾病检测、细菌鉴定与耐药性分析、药物代谢基因检测等。
食品安全检测：检测兽药残留、食品微生物污染等。
8.用户友好性
操作界面简洁：扫描仪的操作界面通常设计简洁直观，易于上手。
维护简便：设备的日常维护简单，适合非专业技术人员操作。
1.生命科学研究
医用微阵列芯片扫描仪是生命科学研究中的重要工具，广泛应用于以下方面：
基因表达谱分析：通过检测基因芯片上的荧光信号，分析基因在不同条件下的表达水平，用于研究基因调控网络。
DNA甲基化检测：用于分析基因组中DNA甲基化状态，帮助研究基因沉默和表观遗传学。
蛋白质相互作用研究：通过蛋白质芯片分析蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA等相互作用，用于研究细胞信号通路。
新药开发：用于高通量筛选药物靶点和评估药物作用机制。
2.临床诊断
在临床诊断中，医用微阵列芯片扫描仪可用于多种疾病的检测和监测：
自身免疫性疾病检测：通过检测自身抗体的表达谱，辅助诊断类风湿关节炎、系统性红斑狼疮等疾病。
细菌鉴定与耐药检测：用于快速鉴定病原菌并检测其耐药性，帮助临床合理使用抗生素。
药物代谢基因检测：分析与药物代谢相关的基因多态性，指导个体化用药。
癌症诊断与监测：通过检测肿瘤标志物或基因突变，用于癌症的早期诊断、治疗监测和预后评估。
3.食品安全检测
医用微阵列芯片扫描仪还可用于食品安全领域的检测：
兽药残留检测：检测肉类、饲料等样品中的兽药残留，确保食品安全。
食品微生物检测：快速检测食品中的致病菌和微生物污染。
4.其他应用
环境监测：检测环境中的污染物、微生物等。
农业检测：用于检测植物病害、农药残留等。
公共卫生：用于传染病监测、生物安全检测等。
1.基因芯片的制备
基因芯片的制备是基因表达谱分析的基础。芯片通常由已知基因序列的寡核苷酸探针组成，这些探针被固定在玻璃、硅胶或其他载体上，形成高密度的微阵列。芯片的设计可以根据研究需求选择不同的基因或转录本，以覆盖全转录组或特定基因集。
2.样本处理与荧光标记
从细胞或组织中提取总RNA后，利用逆转录酶将RNA转化为cDNA，并用荧光染料标记（如Cy3或Cy5）。通常，实验样本和参考样本会分别用不同颜色的荧光标记，以便后续比较。
3.杂交与洗脱
将标记好的cDNA与基因芯片进行杂交，使cDNA与芯片上的探针结合。杂交完成后，通过严格的洗脱步骤去除未结合的cDNA，确保只有特异性结合的cDNA保留在芯片上。
4.荧光信号扫描
使用微阵列芯片扫描仪对杂交后的芯片进行扫描。扫描仪通过激光激发荧光标记物，并检测每个探针位置的荧光强度。荧光强度反映了基因的表达水平：表达量高的基因会发出更强的荧光信号。
5.数据分析
扫描仪获取的荧光信号被转换为图像数据，通过专用软件进行分析。软件可以量化每个探针的荧光强度，并计算实验样本与参考样本之间的表达差异。例如，红色表示实验样本中基因表达量高，绿色表示参考样本中基因表达量高，黄色表示两者表达水平相当。
6.应用案例
癌症研究：通过比较肿瘤组织与正常组织的基因表达谱，发现与癌症发生、发展相关的差异表达基因。
药物反应研究：分析药物处理前后细胞的基因表达变化，筛选潜在的药物靶点。
基因功能研究：通过高通量筛选，研究基因在不同生理条件下的功能。
1.安捷伦SurePrint G3基因表达微阵列芯片
特点：
提供高密度的基因表达谱分析，单芯片可容纳多达一百万种特征序列。
整合了编码RNA和非编码RNA（如lincRNA）的探针，能够同时检测mRNA和长链非编码RNA。
采用60-mer探针技术，具有高灵敏度和高特异性，适合低丰度基因的检测。
提供多种芯片格式，包括8×60K格式，可实现高通量和低成本的实验设计。
应用：
适用于全基因组表达分析、转录组研究、疾病标志物筛选等。
2.Thermo Fisher GeneChip System 3000Dx
特点：
唯一获得FDA批准的用于RNA和DNA临床检测的微阵列系统。
提供多种应用，包括全转录本表达分析、基因分型、拷贝数变异检测、药物代谢基因组学等。
支持单色和双色检测方案，具有高动态范围和高重复性。
应用：
广泛用于临床诊断测试开发、常规检测以及科研用途。
3.晶芯® SmartArrayer™136微阵列芯片点样系统
特点：
高精度定位和点样质量，适用于基因组学和蛋白质组学研究。
支持接触式和非接触式点样，点样体积可在10nl到50μl之间调节。
具有漏点补点、跳点功能，提高点样合格率和效率。
应用：
用于微阵列芯片的制备，适用于基因表达谱分析、临床检验和食品安全检测。
4.因美纳Infinium™ CytoSNP-850K 1.4芯片
特点：
拥有850,000个SNP位点，18 kb高分辨率，密集覆盖3,262个具有重要临床意义的基因组区域。
靶向区域CNV分辨率可达10kb，适合产前诊断和生殖领域。
应用：
主要用于产前诊断、生殖遗传学研究以及临床检测。