基因芯片又稱DNA芯片(DNA chip )或DNA微陣列(DNA microarray)。其原理是采用光導原位合成或顯微印刷等方法將大量特定序列的探針分子密集、有序地固定于經過相應處理的硅片、玻片、硝酸纖維素膜等載體上,然后加入標記的待測樣品,進行多元雜交,通過雜交信號的強弱及分布,來分析目的分子的有無、數量及序列,從而獲得受檢樣品的遺傳信息。其工作原理與經典的核酸分子雜交如Southern和Northern印跡雜交一致,都是應用已知核酸序列與互補的靶序列雜交,根據雜交信號進行定性與定量分析。經典雜交方法固定的是靶序列,而基因芯片技術固定的是已知探針,因此基因芯片可被理解為一種反向雜交。基因芯片能夠同時平行分析數萬個基因,進行高通量篩選與檢測分析,解決了傳統核酸印跡雜交技術操作復雜、自動化程度低、檢測目的分子數量少等不足。根據所用探針類型,基因芯片可分為cDNA ( comp lement DNA)芯片和寡核苷酸芯片；根據檢測目的又可分為表達譜芯片和單核苷酸多態性( single nucleotide polymorphisms, SNP)芯片。隨著芯片技術在其他生命科學領域的延伸,基因芯片概念已泛化到生物芯片,包括基因芯片、蛋白質芯片、糖芯片、細胞芯片、流式芯片、組織芯片和芯片實驗室( laboratory on a chip)等。
芯片基片可用材料有玻片、硅片、瓷片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜和尼龍膜,其中以玻片最為常用。為保證探針穩定固定于載體表面,需要對載體表面進行多聚賴氨酸修飾、醛基修飾、氨基修飾、巰基修飾、瓊脂糖包被或丙烯酰胺硅烷化,使載體形成具有生物特異性的親和表面。最后將制備好的探針固定到活化基片上,目前有兩種方法:原位合成和合成后微點樣。根據芯片所使用的標記物不同,相應信號檢測方法有放射性核素法、生物素法和熒光染料法,在以玻片為載體的芯片上目前普遍采用熒光法。相應熒光檢測裝置有激光共聚焦顯微鏡、電荷偶合器( charge coup led devices, CCD)、激光掃描熒光顯微鏡和激光共聚焦掃描儀等。其中的激光共聚焦掃描儀已發展為基因芯片的配套檢測系統。經過芯片掃描提取雜交信號之后,在數據分析之前,首先要扣除背景信號,進行數據檢查、標化和校正,消除不同實驗系統的誤差。對于簡單的檢測或科學實驗,因所需分析基因數量少,故直接觀察即可得出結論。若涉及大量基因尤其是進行表達譜分析時,就需要借助專門的分析軟件,運用統計學和生物信息學知識進行深入、系統的分析,如主成分分析、分層聚類分析、判別分析和調控網絡分析等。芯片數據分析結束并不表示芯片實驗的完成,由于基因芯片獲取的信息量大,要對呈數量級增長的實驗數據進行有效管理,需要建立起通行的數據儲存和交流平臺,將各實驗室獲得的實驗結果集中起來形成共享的基因芯片數據庫,以便于數據的交流及結果的評估。