生物樣品的製備和處理是生物芯片技術的第二個重要環節。生物樣品往往是非常複雜的生物分子混合體，除少數特殊樣品外，一般不能直接與芯片進行反應。要將樣品進行特定的生物處理，獲取其中的蛋白質或DNA、RNA等信息分子並加以標記，以提高檢測的靈敏度，第三步是生物分子與芯片進行反應。芯片上生物分子之間的反應是芯片檢測的關鍵一步。通過選擇合適的反應條件，使生物分子間反應處於最佳狀況中，減少生物分子之間的錯配比率，從而獲取最能反映生物本質的信號。生物芯片技術的最後一步就是芯片信號檢測和分析。目前最常用的芯片信號檢測方法是將芯片置入芯片掃描儀中，通過采集各反應點的熒光強弱和熒光位置，經相關軟件分析圖像，即可以獲得有關生物信息。
生物芯片技術之所以成為新技術，就是能夠用相對簡單快捷的方法完成以往極為複雜、耗時甚至不可能完成的工作。盡管生物芯片技術能夠提供極為豐富的信息，而使用芯片的流程卻並不複雜。
一、樣品的製備和處理
目前，由於靈敏度所限，多數方法需要在標記和分析前對樣品進行適當程序的擴增，不過也有不少人試圖繞過這一問題，如Mosaic Technologies 公司引入的固相 PCR方法，引物特異性強，無交叉汙染並且省去了液相處理的繁瑣；Lynx Therapeutics 公司引入的大規模並行固相克隆法 (Massively parallel solid-phase cloning)，可在一個樣品中同時對數以萬計的 DNA 片段進行克隆，且無需單獨處理和分離每個克隆。高度集成的微型樣品處理係統，如細胞分離芯片及基因擴增芯片等是實現上述目的的有效手段和發展方向。為了獲得基因的雜交信號必須對目的基因進行標記，目前采用的最普遍的熒光標記方法與傳統方法，如體外轉錄、PCR、逆轉錄等原理上並無多大差異，隻是采用的熒光素種類更多，這可以滿足不同來源樣品的平行分析。
生物樣品往往是十分複雜的生物分子混合體，而我們所需的往往是其中極微量的一部分，如前所述，根據樣品來源、基因含量、檢測方法和分析目的的不同，采用的核酸分離、擴增和標記方法各異。用於基因芯片分析的核酸樣品主要有cDNA、DNA、aDNA(Anti-sense RNA)。cDNA主要是用於檢測基因的表達情況。以DNA和aDNA為雜交靶樣品主要用於基因分型（Gene typing），單核苷酸多態性（SNP）分析和基因測序（Microsequencing）等。
（一）單鏈化處理
雜交DNA經PCR擴增得到的是雙鏈DNA產物，雜交前雙鏈結構需經變性處理。一般是較高溫度下（98℃或100℃）保溫數分鍾使雙鏈解離。也可室溫下加入適量強堿0.05mol/L NaOH或酸性溶液反應數分鍾使雙鏈退火，但後續的中和、洗脫過程繁瑣，並給雜交體係帶入了新的幹擾因素。更為重要的是，在雜交過程中互補鏈仍會與探針競爭與靶鏈DNA的雜交，使反應體係中實際用於雜交的靶序列濃度降低，從而影響雜交效率。所以較理想的是隻得到大量的單鏈產物。將PCR擴增產物由T7RNA聚合酶體外轉錄成aRNA可以為雜交提供足量的單鏈核酸，比單純PCR產物用於雜交更具有優勢。並且轉錄過程中，實現的是單鏈的重複性線性擴增，易於量化控製。1個DNA分子在轉錄體係中可得到100個有效的aRNA分子，完全可以滿足用於雜交的核酸靶序列量的要求。
（二）Genomic DNA的分離純化
對於Genotyping、SNP分析和Genomic Chip來說，要檢測基因組或者染色體上的突變，就需要製備樣品的基因組DNA而非RNA以進行檢測。
現在可以根據不同的樣品來源，可以選擇特定的試劑盒。QIAGEN公司專利的樣品純化技術，可方便快速地從多種樣品中純化高質量的Genomic DNA，無需酚氯仿抽提和乙醇沉澱。
（三）靶序列長度的處理cDNA芯片常用於表達譜分析。由於其上固定的是較長的核酸序列，所以對靶序列長度沒有太高的要求。而寡核苷酸芯片探針序列較短，一般2 030bp（有的公司如operon公司開發出了探針為70mer的寡核苷酸芯片）。在一些檢測特異性較高的實驗中，如雜交測序（SBE）、單核苷酸多態性（SNP）和點突變檢測方麵具有無比的優越性。由於存在空間位阻對靶核酸的長度也有要求，較長的DNA容易形成發卡狀二級結構，雜交時形成空間位阻將降低探針與靶樣品的雜交效率。較長的aRNA同寡核苷酸芯片的雜交效果也不甚理想，也會由於內部的堿基配對，阻礙雜交時異源雙鏈體的形成。
采取適當的方法獲取合適長度的寡核苷酸片段（20 200bp），可以避免長鏈二級結構產生的負麵影響，提高雜交效率，增加特異性。
用巢式PCR擴增引物，可特異性地擴增得到一定長度的核酸片段。Gennady等用3 對特定引物擴增分別得到了176bp、85bp、32bp的DNA片段，然後進行單鏈化處理。對含較長cDNA 片段的樣品可對其進行片段化處理。樣品的片段化處理方法主要有：化學試劑處理、酶法水解、超聲波處理、加熱處理。
（四）靶樣品的標記方法
常用於標記的染料主要有同位素、生物素和熒光染料，不同染料各有利弊。
同位素標記靈敏度較高，所需儀器均為實驗室常規使用設備，易於展開相關工作。但在信號檢測時，一些雜交信號強的點陣容易產生光暈，幹擾周圍信號的分析，且易汙染環境並對操作人員造成傷害。對於陣列密度較小的芯片可以用同位素標記。
以生物素標記樣品通常要聯合使用與其他大分子－抗生物素的結合（如結合化學發光底物酶等），再利用其結合後的特殊性質獲取雜交信號。生物素標記方便，無汙染，比同位素標記穩定，有效使用期可達半年，價格也較低。但與底物酶結合化學發光的光強較弱，因而不適合高密度的基因芯片，常用於膜芯片。
熒光染料靈敏度較高，通過適當內參的設置及對熒光信號強度的標化，可以對信號進行定量分析，是目前芯片研究中使用最多的標記染料。使用熒光素標記的最顯著優勢是，可選用多種發射波長不同的熒光素，滿足不同來源樣品的平行分析。多色熒光技術可以大大提高芯片檢測的準確性和檢測範圍。選用多種熒光染料時應注意的是它們的發射波長應盡量遠離，避免信號間的幹擾。最常用的雙色熒光組合試劑是Cy3∶Cy5。
高密度芯片分析一般采用熒光素標記。但試劑價格昂貴，並且需要昂貴的檢測係統CCD相機或熒光共聚焦掃描係統進行信號采集和數據分析。
也有研究者用生物素與抗生物素－熒光素結合法，通過生物素與抗生物素的結合作用，使熒光攜帶物定位於芯片上發生雜交的位點，信號檢測同上述熒光法。有人聯合使用熒光素直接標記法，可得到多波長的熒光雜交信號圖譜。標記方法有直接標記法和間接標記法。
（五）用於多次反複雜交的可洗脫探針製備技術
Ambion公司的Strip-EZ RT Kit，是專門為尼龍膜基質的Macroarray，以及各種預製雜交膜而設計的cDNA探針合成標記試劑盒。尼龍膜基質或者塑料基質的Macroarray的優點之一，是在雜交檢測後可以將膜上結合的探針洗脫，因而膜可以重複使用多次，能夠一定程度地降低每一次使用成本。常規的膜再生方法需將膜放在SDS溶液中煮沸一定時間，因而會對膜和膜上的信號造成損耗，通常重複使用3次後已經得不到清晰的信號。
Strip-EZ RT試劑盒的工作原理，是在逆轉錄酶合成cDNA探針的同時，摻入經修飾過的脫氧核苷酸（這種修飾不會影響探針的雜交特性）和標記核苷酸，合成的探針與膜經過雜交、檢測後將膜浸入盒的工作原理Probe Degradation Buffer中5min，修飾過的脫氧核苷酸降解，探針即被降解寡核苷酸碎片，再將膜浸入再生Buffer中68℃下溫和地洗脫降解的寡核苷酸碎片，膜即可再生。Strip-EZ RT Kit製備的cDNA探針圖13-9Strip-EZ RT試劑可以在非常溫和的條件下（試劑由試劑盒提供）洗脫原有的雜交信號，減輕對膜的傷害，延長膜的使用壽命，降低膜的使用成本。數據表明，經過9～15次反複洗脫後的膜，依然能得到清晰的雜交信號，這個試劑盒可用於同位素標記和非放射性標記，需要0.5～1μg以上的mRNA或者10μg 以上的total RNA作為起始材料，不過廠家推薦盡可能地使用純化的mRNA，因為使用total RNA會導致較高的非特異背景，影響檢測。
以上各種方法都要求較大量的起始材料（通常要1μg以上的mRNA），對於細胞數量不少於1 000或者質量不少於100μg的樣品，選用Clontech公司的SMART PCR 技術。SMART技術是利用逆轉錄酶在逆轉錄反應過程中遇到mRNA5′端帽子結構時，會自動加若幹個dCTP的特性，在反應體係中加入末端帶若幹個G的SMART Oligonucleotide與之形成匹配，使逆轉錄酶以SMART引物為模板繼續延伸合成的cDNA，從而使合成的cDNA5′端帶上SMART引物的對應序列，就可以直接用PCR進行擴增。因此隻要少至50ng的total RNA，就可以通過擴增得到足夠的材料來合成探針。擴增後的cDNA加入基因特異性引物（如果沒有，可以用隨機引物，但會導致背景升高和靈敏度降低）、Klenow酶、SMART Blocking Solution和標記物合成cDNA探針。這個SMART Blocking Solution可以阻斷前麵的SMART引物，避免對後繼的探針合成和雜交產生影響。SMART技術經過優化後，可以保證擴增後的cDNA基本保持原始RNA樣品的複雜度和相對豐度，因而合成的探針也保持同樣的代表性。