2.7.1 前言
基因晶片在分子生物學、人類基因組學前瞻性研究中有著革命 性的意義37 。當今世界生物資訊學迅速發展，數學模型、聚類分析、
大規模計算，均運用于基因晶片資料庫的研究。新方法不斷湧現和 多學科的交叉，對於中醫複雜證候的研究是從未有過的利器。西元 2000年 6 月26日，集合了美、英、法、德、日和中國的數百名科學
家，以及美國的瑟雷拉公司（Celera ）的加入所組成的「人類基因 體計劃」研究團隊，宣佈完成了人類基因體草圖，破解了大約30億 個 DNA 密碼，這項科學家們原預估要在2005年才會完成的重要成 就，立即轟動全球，並被喻為與人類「登月計劃」同樣重要的科學 研究成果。
人類基因解碼讓我們對遺傳物質有了以下的了解：
1. 人類基因分佈（Distribution）
哺乳類之染色體分佈有密有疏，某些部份巷擁擠的城市，基因 都擠在一起，而其他部分卻像人煙稀少的沙漠，基因間的距離很寬 而且多半是沒有功能的垃圾 DNA （與生成蛋白質無關）。這點與 早先研究的物種如阿拉伯芥、果蠅及線蟲不同，他們的基因輿圖是 均勻分布的。
2. 品質（Quality）
雖然確切的數字尚待進一步探討，人類基因數已略估為3 萬至 3.5 萬，結果顯示人類基因的數目僅比果蠅及線蟲多一倍，人類較 其他物種之複雜實無法以基因的數目來表示，原先設想每個基因產 生一種蛋白質，但人類基因實是物盡其用，一條基因平均可以產生 三種蛋白質。
3. 蛋白質學（ Proteomics ）
人類及脊椎動物的蛋白質輿圖較無脊椎動物要複雜許多，人類 基因可製造的蛋白質數量及種類，遠超過低等生物。蛋白質的大規 模分析，將在後基因時代加強基因功能的了解。
4. 比較基因學（ Comparative Genomics ）
科學家已在人類基因輿圖的研究中，確認了200 個以上的人類 基因是由細菌「傳染」過來的，相似的基因在無脊椎動物（如果蠅、
線蟲及酵母）中不曾發現，這些基因可能是演化成脊椎動物時才導 入的，而且是來自多種不同的細菌。
5. 進化基因學（ Evolutionary Genomics ）
人類基因輿圖中重覆的序列（垃圾基因）可提供回溯至8 億年 前的古老紀錄，科學家利用它們作為追溯的工具，經由探究其來源 及時間，可建立垃圾基因的族譜。人類約有一半的基因是「垃圾基 因」，同時，在過去5 千萬年中，這些垃圾基因的活動力似乎越來 越少，但在嚙齒類中卻無此減少的現象。
6. 性染色體及變異（ Sex Chromosomes and Mutation ）
可能由於精子形成過程中有較多次的細胞分裂，男性突變的機 會為女性的兩倍。
7. 單一核苷酸多型性（ Single Nucleotide Polymorphisms ）
在基因輿圖中發現了140 萬個單一核苷酸差異點，也確認了其 位置，可用以來探索疾病成因及追溯人類歷史。此外亦發現，人類 的相似性可達 99.9﹪ ，而其間些微的差異是與種族無關的，在不同 族群間並無具科學依據的分野。
當基因結構逐漸明白，科學家必須利用電腦技術來探討進一步 的基因功能，即「基因解碼」，因此，一項結合資訊科學與基因的 學問就此誕生，我們稱之為「生物資訊學」。
由於生物晶片是加速解碼的工具，隨著人類基因密碼出爐及生 物資訊學日漸發達，因此有人認為下個世紀生物晶片將取代半導體 晶片，成為產業新主流。
2.7.2 生物晶片概述
生物晶片（ Biochip ）係指於矽片、玻璃、塑膠等材質上，利 用微電子、微機械等技術來製成應用於生物化學分析的產品，作用 對象可以為基因、蛋白質或細胞組織等。其主要特點為分析可信度 及精確性高、分析速度快，僅需少量樣品及試劑，即可獲得整體性 的實驗數據38 。
生物晶片的概念起源於1980年代後期，至今已有許多重大成果，
如基因晶片 (Genechip ，又稱為 DNAchip or Microarray) 、蛋白質 晶 片 (Proteinchip) 、 微 流 體 晶 片 (Microfluidics) 及 實 驗 室 晶 片 (Lab-on-a-chip) 等；其中由於基因晶片的技術發展較為成熟，所以 一般所謂的生物晶片通常是指「 DNA 晶片」。
迄今為止，絕大多數的生物晶片都是 DNA 晶片，所以製作晶 片的方法也是多為 DNA 晶片設計的，目前 DNA 晶片有兩類。
（1 ）用微量點樣技術製作 cDNA 點陣晶片
（2 ）片上原位合成寡核苷酸晶片
寡核苷酸晶採用了多項先進的製程，例如︰
（1 ）利用組合化學的原理安排各寡核苷酸的位置。
（2 ）用表面化學的方法處理及衍生化基片 ( 玻璃片、矽晶片 ) 表 面，使核苷酸能固定在其上，並耐受合成循環中某些試劑的 侵蝕。
（3 ）用光導向平面印刷技術，使晶片表面可用屏蔽物選擇性地使 不同位置受光罩去保護，進而可定點合成寡核苷酸中的各個鹼 基。
（4 ）應用雜合的方式，經過去保護、活化、偶合 capping 和氧化 等步驟逐個連接上各個核苷酸。
（5 ）晶片雜交和反應，根據Watson和 Crick 提出的 DNA 雙股螺 旋原理而發展的核酸鏈間分子雜交的技術，是晶片檢測的關 鍵步驟。
在此步驟中發生目標樣品核酸與探針之間的選擇性反應。反應 雙方中總有一方固定在晶片上，而另一方則是標記後通過流路或加 樣至晶片上，晶片雜交中固定在晶片上的往往是成千上萬的探針，
而與之雜交的是經過標記（同位素或螢光）的樣品核酸。此目標樣 品核酸往往需經過PCR擴增或選殖或反轉錄 (mRNA) ，同位素或 螢光標記則是在擴增或反轉錄過程中進行，標記的目標核酸與固定 探針在經過試驗確定的嚴謹條件下進行分子雜交。
2.7.3 晶片的檢測和結果運算
晶片結果的判讀要依據標記的報告分子種類來設計判讀裝置。
最早用於膠膜晶片的是同位素標記法，需經過曝光、顯影，然後用 具有尋找位置功能的掃描器掃讀。
螢光標記是生物晶片使用最多也是最成功的一種檢測方法，它 沒有同位素的使用限制，應用雷射作為激發光源的共聚焦掃描裝置，
具有極高的分辨能力可以定量測讀結果，並可以有極高的靈敏度和 定位功能，已被普遍地使用於晶片雜交結果判讀。
晶片雜交後的掃描測讀首先是將晶片置入掃描儀，採集各雜交 點的螢光訊號位置、螢光強弱，雙色螢光測定則分別測讀兩種螢光 強度，然後再用軟體進行電腦運算，可以得出以下資料︰螢光點位 置 ( 也就是基因部位 ) 直方圖和分布曲線、背景螢光強度等。
2.7.4 生物晶片的軟體系統和資料處理
生物晶片可在一片晶片上有成千上萬個點，每個點對應一個基 因或生物資訊，經掃描得到的圖像需要進行數值化處理才能得到每 個樣點的雜交的訊號值；需要有一個專門的軟體系統來管理晶片資 料，對於晶片數據分析及相關基因資訊還需透過INTERNET生物資 訊網的連接與查詢。一個完整的生物晶片配套軟體應該包括生物晶 片掃描儀控制軟體、生物晶片的圖像處理軟體、資料萃取或統計分 析軟體、晶片表現基因的網際網路上檢索和表現基因資料庫分析。
掃描得到的圖像雖然已經是數位文件，但還沒有得到各樣點的 訊號值、背景值和訊號比等訊息，必須藉由圖像處理萃取得到各樣 點的資料訊息，供進一步的統計分析。
常用的雙色螢光標記為 CY3( 激發光為綠色 ) 和 CY5( 激發光 為紅色 ) 。由於生物晶片的製作、雜交、清洗和測定過程中難免有 灰塵的污染，樣品中核酸、蛋白質、細胞和組織碎片的污染，或者
片基本身的不均勻性以及生物晶片掃描儀本身的系統雜訊，掃描得 到的圖像有的並不乾淨，存在較大的雜質亮點或部分區域的污染。
有的軟體還設計了對圖像作平滑處理的功能。
晶片圖像中各樣點的訊號值包括了樣品的真正訊號和背景值，
在獲得樣點訊號前必須先扣除背景值。背景值的確對生物晶片的資 料有較大的影響，直接影響每個樣點的資料。
背景值確定後，樣點的訊號便可以計算了。最常用的方式是將 套住樣點圓內各像素訊號值減去背景值即為該樣點的真正訊號值。
樣點訊號確定後便可以訊號資料進一步處理分析了。但對於雙色螢 光標記的晶片還需要對晶片進行標準化處理，獲得比例訊息。
晶片實驗中，由於影響實驗結果的因素較多，晶片實驗的重複 性並不令人滿意，這就造成了多次實驗中各晶片資料不一樣，無法 將幾個晶片實驗結果進行直接比較。另外，雙色螢光標記的晶片得 到的兩個螢光圖像由於螢光染料的不同螢光、激發的能量不一致、
激發的效率不同、光檢測器的增益不同，其訊號值也不一樣，直接 將兩個圖像作比例計算是不合適的。因此，必須將晶片資料進行標 準化處理。
雖然標準化的方法被所有的生物軟體採用，但至今尚無一種理 想的標準化方法。最好的標準化方法是對不同晶片或同一晶片不同
螢光圖像每次掃描時將掃描儀的增益和動態範圍都調得一樣，這是 最理想化的，但實際操作是很困難的，對一般研究者是難以做到的。
標準化計算完畢後便可以求雙色螢光晶片圖像的比例訊息了。基因 表現研究中比例訊息代表了兩個不同樣品表現mRNA的層次。
從生物晶片的圖像分析中得到大量的資料，這些資料是枯燥無 味的、難以理解的。如果沒有專門的軟體系統，要理解這些資料，
從中獲得有用的訊息，研究者可以從UniGene39 、dbEST40 、 GeneBank41 等公共資料庫網站連接。
生物學分析是根據生物晶片資料處理與資訊獲得的結果，結合 實驗設計、病理學、分子生物學、遺傳學、藥理學等生物學知識做 出相關判斷。為了了解人類生物學奧秘，因此晶片資料的處理與獲
生物學分析是根據生物晶片資料處理與資訊獲得的結果，結合 實驗設計、病理學、分子生物學、遺傳學、藥理學等生物學知識做 出相關判斷。為了了解人類生物學奧秘，因此晶片資料的處理與獲