生物芯片1-基因芯片
生物芯片技术及其在医学上的应用
生物芯片技术及其在医学上的应用近年来，随着生物芯片技术的高速发展，其在医学领域中的应用越来越广泛。
生物芯片技术是指将微小的生物材料固定在芯片的表面上，以探测生物分子、细胞或组织的一种技术手段。
它的优势在于快速、准确、高通量和高灵敏度，被广泛应用于高通量基因分型、蛋白质鉴定、细胞生物分析、药物筛选、立体图像构建等领域。
一、生物芯片技术生物芯片技术是指使用微电子技术制造出小型芯片，在芯片上通过精巧的设计排列多个生物分子检测元件，可同时进行大量生物学实验，并可快速记录和分析实验结果，极大地提高了实验效率。
其中，常用的生物芯片技术有基因芯片技术、蛋白质芯片技术和细胞芯片技术。
1.基因芯片技术基因芯片技术是基于DNA、RNA的芯片技术，用于同步探测及分析大量基因DNA序列的表达情况，从而了解不同组织、不同状态下基因表达水平的变化，并寻找与特定疾病有关的基因表达水平的差异。
它的快速高通量的处理能力可为全基因组表达分析、基因突变筛查、SNP检测、基因亚型鉴定、疾病识别、药物靶标发现和新药研究等提供有力的支持。
2.蛋白质芯片技术蛋白质芯片技术是利用固相法在玻片、滤膜、微球或微芯片的表面上制备一系列纯化的特异性或全长的蛋白质样品阵列，用于快速大规模地筛选靶蛋白质，分析蛋白质相互作用、酶活性或某些组分与特定蛋白质的结合能力等。
它可用于疾病标记物的检测和筛选、蛋白功能鉴定、蛋白特异性鉴别、药物筛选等方面。
3.细胞芯片技术细胞芯片技术是利用微流控技术制作微小的通道和微型反应器，在芯片上实现细胞的悬浮、培养和观测等操作。
它可应用于各种组织细胞的轻松快捷的分离、单细胞的提取、测序和分析，可推广到药物筛选和个性化医疗等领域。
二、生物芯片技术在医学上的应用生物芯片技术的高通量、高灵敏度、高可靠性和高通用性，使其成为了医学领域中的重要工具，可应用于诊断、预后分析、治疗方案的制定和药物研究等方面。
1.疾病诊断和预后分析基因芯片技术可用于疾病的早期诊断，如乳腺癌、卵巢癌、肾癌、直肠癌等癌症的检测。
生物芯片 基因芯片
生物芯片基因芯片**Biological and Genetic Chips: The Future of Biomedicine**In the rapidly advancing field of biotechnology, biological and genetic chips have emerged as革命性的创新工具, revolutionizing the way we approach medical research and diagnostics. These chips, miniaturized versions of complex laboratory procedures, enable scientists to analyze vast amounts of genetic information with unprecedented speed and accuracy.生物芯片，作为生物技术的杰出代表，集成了生物学、医学、物理学、化学、计算机科学等多个学科的知识。
它们通过微纳加工技术，将生物活性分子如DNA、RNA、蛋白质等固定在芯片表面，从而实现对生物样本的高效、快速检测。
生物芯片的应用领域广泛，从基因表达分析、疾病诊断到药物筛选等，都可见其身影。
Genetic chips, specifically, are designed to detect and analyze specific genetic sequences, providing critical insights into a person's genetic makeup. These chips are invaluable in areas like personalized medicine, where doctors can tailor treatment plans based on an individual's unique genetic profile. The potential of genetic chips is immense, as they hold the key to understanding the genetic basis of diseases and developing targeted therapies.基因芯片则是生物芯片的一种，它专注于基因序列的检测和分析，为揭示个体遗传信息提供了有力工具。
生物芯片名词解释
生物芯片名词解释生物芯片也称“基因芯片”、“ DNA芯片”或“细胞芯片”。
生物芯片是把一种微量的、可降解的合成基因，与多肽链组装成生物大分子结构，通过专用的分析仪器，进行高密度、精确性和特异性地检测出样品中所含有的微量信息。
生物芯片由基本的DNA合成仪器构成。
这些仪器制造商将不同规格的硅晶圆磨成直径约10微米的圆柱体，根据被检测的样品的长度，配置合适数量的圆柱体。
通常有12或24个圆柱体组成一组。
合成仪器和圆柱体被封装在用玻璃制成的盒子内，从而构成一个封闭的样品室，以避免外界的污染。
基本的DNA合成仪器上有一排玻璃盖子，分别代表每个试样所需的样品室。
圆柱体的支撑结构使圆柱体既稳定又便于实现小型化。
支撑圆柱体的四条腿呈水平方向，通过两根转轴安装在可移动平台上。
圆柱体自由移动时，通过转轴调节平台位置，以保证每个圆柱体上均覆盖至少一个样品室。
此外，圆柱体下方还有一根托架支撑，通过支撑脚架将其固定在封闭的样品室底部。
在某些情况下，生物芯片可能具有多个样品室。
生物芯片有两个重要特点：首先，生物芯片作为新一代的生物信息技术，可以对人体全部的遗传信息和生命状态进行连续长期的检测。
目前，国际上已经研制成功的各种检测项目包括血糖、血压、心电图、微循环灌注等，可广泛应用于医疗卫生领域、家庭保健和临床诊断、食品药品监督管理等诸多方面，如用于医院体检中心、社区服务中心、私人健康服务中心、老年人护理机构、血液透析中心、体育运动队等医疗服务机构及军事、科研、公安、保险、环境、渔业等领域。
其次，生物芯片的研究与开发是国家安全战略的一个组成部分。
随着越来越多的国家在遗传信息、生物特征、基因组学、药物安全评价、生物防伪等生物高科技领域的研究与开发，不仅加强了本国生物产业的核心竞争力，还极大的威胁到国家的经济安全、国防安全和政治安全。
生物芯片的研究与开发成功，将大大提高我国的综合国力，推动我国生物技术产业的发展，增强我国生物技术领域的自主创新能力，并成为中国成功参与国际竞争的有力武器。
基因芯片组织芯片蛋白质芯片
基因芯片组织芯片蛋白质芯片
基因芯片、组织芯片和蛋白质芯片都是生物芯片的分类，它们在应用领域和功能上有所不同。
1. 基因芯片：
基因芯片是将cDNA或寡核苷酸固定在微型载体上形成微阵列，用于高通量快速检测DNA、RNA等生物分子。
它通常应用于基因表达谱分析、基因突变检测、基因组测序等。
2. 组织芯片：
组织芯片是将组织样本以微阵列的形式固定在芯片上，用于检测组织中特定基因的表达水平或寻找与疾病相关的基因。
组织芯片可以用于研究肿瘤、神经退行性疾病等疾病的病理生理过程。
3. 蛋白质芯片：
蛋白质芯片是将蛋白质或抗原等非核酸生物物质固定在微型载体上形成微阵列，用于高通量快速检测蛋白质的表达水平、蛋白质-蛋白质相互作用等。
蛋白质芯片可以用于研究免疫应答、信号转导通路等。
总之，基因芯片、组织芯片和蛋白质芯片都是生物芯片技术中的重要类别，它们在生物医学研究、药物研发和临床诊断等领域具有广泛的应用前景。
生物芯片和微流控芯片的研究进展
生物芯片和微流控芯片的研究进展随着现代科技的不断发展，人类对于生物芯片和微流控芯片的研究也越来越深入。
生物芯片和微流控芯片都是众多领域中的热门话题，从医疗到环保再到食品安全，都可以看到它们的应用。
本文将围绕这两种芯片，介绍它们的相关研究进展。
一、生物芯片的研究进展生物芯片是一种在微米尺度上集成了化学、物理、生物三个方面的功能元件。
研究生物芯片的目的是将微型芯片技术应用于生命科学领域，实现体内微处理和多种分析方法的集成化。
生物芯片的研究进展主要包括以下方面。
1. 基因芯片基因芯片是一种用于检测多个目标分子的方法。
通过使用微型芯片技术将上千种的核酸序列固定在芯片上，再通过一系列化学反应来检测被测目标分子的含量。
基因芯片可以提高基因检测的灵敏度和准确度，广泛应用于诊断和个性化医疗等领域。
2. 细胞芯片细胞芯片是一种在微米尺度上集成了细胞培养的芯片。
通过微观加工技术，可以将细胞培养在芯片上的小空间中，以便研究其生长、分化等行为。
细胞芯片已经被广泛应用于体外药物筛选、基因表达分析等领域。
3. 蛋白芯片蛋白芯片是一种用于检测蛋白质互作、表达水平、功能以及抗体识别和药物筛选等的方法。
通过使用微型芯片技术将多个蛋白质固定在芯片上，再通过一系列化学反应来检测蛋白质的含量和活性。
4. 病毒芯片病毒芯片是一种用于快速搜寻各种病原体的方法。
通过将大量病毒抗原固定在芯片上，再通过体外反应来检测样本中的病原体。
病毒芯片可以快速、敏感地诊断病原体感染，广泛应用于传染病诊断和疫情监测等领域。
二、微流控芯片的研究进展微流控芯片是一种在微米尺度上控制小量流体运动的方法。
研究微流控芯片的目的是通过控制微流体的流动特性，实现高通量的、低样本浓度的多分析方法集成。
微流控芯片的研究进展主要包括以下方面。
1. 植物样本检测植物样本检测通常需要先将样本碾碎，再提取其中的DNA、RNA等生物分子。
然而，目前的方法往往要依赖昂贵的基因分离技术和大量试剂，且操作复杂。
生物芯片技术简介
政策法规支持与行业标准制定
政策扶持
政府加大对生物芯片技术的投入，设立专项资金，支持相关研发和 产业化项目，推动技术创新和成果转化。
法规保障
制定和完善生物芯片技术相关法规和标准体系，确保技术应用的安 全性和有效性，保护知识产权，促进产业健康发展。
行业协作
加强产学研用合作，建立行业协作机制，共同制定技术标准和规范， 推动生物芯片技术的标准化和规范化发展。
生物芯片技术简介
• 生物芯片技术概述 • 生物芯片类型及特点 • 生物芯片制备技术 • 生物芯片在医学领域应用 • 生物芯片在农业领域应用
• 生物芯片在食品安全领域应用 • 生物芯片技术发展挑战与趋势
01
生物芯片技术概述
定义与发展历程
定义
生物芯片技术是一种将生物分子（如DNA、蛋白质等）固定在微型芯片表面， 利用微电子技术进行检测和分析的技术。
发展，为患者提供更加个性化、高效的治疗方案。
05
生物芯片在农业领域应用
农作物品种鉴定与选育
农作物基因型鉴定
利用生物芯片技术对农作物基因型进行快速、准 确的鉴定，为品种选育提供重要依据。
分子标记辅助育种
结合生物芯片技术与分子标记技术，实现农作物 性状的精准选择与改良，提高育种效率。
转基因作物检测
利用生物芯片技术检测转基因作物中的外源基因， 确保转基因作物的安全性。
前景
随着技术的不断进步和应用需求的拓展，生物芯片技术将朝着更高通量、更高灵敏度、更低成本的方 向发展。同时，其在精准医疗、个性化治疗等新兴领域的应用潜力巨大，有望为未来的医学诊断和治 疗提供更加高效、便捷的技术手段。
02
生物芯片类型及特点
基因芯片
01
生物芯片要点
生物芯片原理与技术复习题一、名词解释（59）1.基因芯片：把生物活性大分子（如蛋白质和核酸）或细胞等，密集排列在固定的固相载体上，形成微型的检测器件，固相载体通常是硅片、玻片、聚丙烯或尼龙膜等2.反向杂交：是将各种不同的探针按有序的方式固定到固有的固相支持表面上，再与样本中标记的靶基因进行杂交。
3.实验设计：主要是指根据实验目的、实验材料及实验条件而选择合适的芯片，设计出最佳的样品生长、处理与收集方法，并在此基础上制定出杂交方案。
4.类型比较：通过比较不同样品类型的表达谱来找到差异表达的基因5.类型发现：通过基因表达谱的研究来对生物学样品进行分类6.MA散点图：横坐标为1/2(log2R+log2G),代表点的整体荧光读，用A（Average)表示，纵坐标为log2(R/G)=log2R-log2G,代表两种荧光强度的比值对数，即对数比，用M(minus)表示7.MA图可以更直观的观察系统偏移的形式及是否存在强度依存的系统偏移。
是log2R对log2G的散点图的一种转换形式，顺时针旋转45度并把尺度缩小为原来的1/2.8.信噪比：得到的真实荧光信号的一个重要参数，典型的信噪比是信号峰值除以信号的变异9.假阳性率：为假阳性基因数占芯片上基因总数的比例(％)，其计算公式可以简化为：PFR＝FP/N，其中N为芯片上的基因总数。
10.Gridding:划格，根据芯片阵列的行和列的数目由计算机生成的一个网格。
11.生物芯片：把生物活性大分子（如蛋白质和核酸）或细胞等，密集排列在固定的固相载体上，形成微型的检测器件，固相载体通常是硅片、玻片、聚丙烯或尼龙膜等。
①狭义：微阵列芯片，主要包括cDNA微阵列、寡核苷酸微阵列、蛋白质微阵列和小分子化合物微阵列等②广义：能对生物成分或生物分子进行快速并行处理和分析的厘米见方的固体薄型器件，主要还包括微流体芯片和“芯片实验室”12.生物学重复：基因芯片实验的目的是解释生物问题，因此选择来源于同一生物群体的不同样本进行实验是最好的方法13.探针（probe）:使用前标记了的，用于检测特定基因或转录产物存在或表达的DNA或RNA或寡核苷酸序列。
生物芯片 基因芯片
生物芯片基因芯片生物芯片，也被称为基因芯片，是一种集成了大量生物分子探针的微型芯片。
这些生物分子探针可以是DNA、RNA、蛋白质等，用于检测、分析生物样本中的基因表达水平、蛋白质互作等信息。
生物芯片的应用领域非常广泛，包括基因表达分析、基因突变筛查、药物研发、疾病诊断和预测等。
生物芯片主要包括基因芯片和蛋白质芯片两类，其中基因芯片是最常见的一种。
基因芯片通过在芯片表面固定上千种基因探针，可以在同一时间点检测成千上万个基因的表达水平，从而快速、高通量地获得基因表达谱。
基因芯片在基因功能研究、疾病诊断、药物研发等领域发挥着重要作用。
生物芯片的制备过程主要包括探针设计、芯片制造、生物样本处理、信号检测等步骤。
探针设计是生物芯片制备的关键环节，需要根据研究目的设计合适的探针，确保芯片的灵敏度和特异性。
芯片制造是生物芯片的关键技术，主要包括光刻、沉积、蚀刻等工艺，确保探针的准确固定在芯片表面。
生物样本处理是生物芯片实验的关键步骤，需要对样本进行提取、标记、杂交等处理，确保样本的质量和可靠性。
信号检测是生物芯片实验的关键环节，通过扫描芯片表面的荧光信号或化学信号，获得基因表达水平等信息。
生物芯片在基础研究和应用研究中发挥着重要作用。
在基因功能研究中，生物芯片可以帮助科研人员了解基因表达的动态变化，揭示基因调控的机制。
在疾病诊断中，生物芯片可以帮助医生快速准确地诊断疾病，指导临床治疗。
在药物研发中，生物芯片可以帮助研发人员筛选药物靶点，评估药物的疗效和毒性。
总的来说，生物芯片作为一种高通量、高灵敏度的生物分析技术，正在逐渐改变生命科学研究和临床诊疗的方式，为人类健康和生物科学研究带来了新的机遇和挑战。
生物芯片的发展前景广阔，相信在未来的研究和应用中将会有更多的突破和创新。
生物芯片技术及其应用的研究
生物芯片技术及其应用的研究生物芯片技术是一种发展很快的交叉学科，应用范围极广，包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、药物筛选芯片等。
本文将从生物芯片技术的定义、发展历程、应用领域和未来发展方向等方面进行探讨。
一、生物芯片技术定义生物芯片技术是将微电子加工技术应用于生物科学和医学领域的新兴技术，是一种高通量、高灵敏度、高特异性的检测技术。
它可以将微小的反应成分定位在芯片上，通过微透镜放大信号，利用荧光、色素、射线等方法检测芯片上特定的分子或细胞。
生物芯片技术包括基于DNA、RNA、蛋白质和细胞等各种芯片，它们分别用于基因表达谱研究、蛋白质结构与功能分析、分离筛选和诊断等。
二、生物芯片技术的发展历程生物芯片技术的历史可以追溯到20世纪70年代，当时被称为“生物传感器”技术。
随着微电子技术和生物学的快速发展，生物芯片技术得到了长足的发展，成为应用最广泛、发展最快的检测技术之一。
1990年，美国加州大学伯克利分校的L.P. Loretz和他的同事发明了DNA芯片技术，这一技术是生物芯片技术的第一个成功应用。
1994年，美国华盛顿大学研究小组成功制造出了第一个基于免疫学原理的生物芯片。
随着技术的进步，生物芯片技术的检测灵敏度、特异性和信噪比不断提高，同时应用范围也越来越广泛，从基础研究到临床检测，都有广泛的应用。
三、生物芯片技术的应用领域生物芯片技术的应用领域非常广泛，其中一些主要的应用领域包括：1、基因芯片基因芯片是应用最为广泛的一种生物芯片，用于研究基因表达谱和基因功能。
它可以高通量地检测数千个基因并同时比较它们在不同样本中的表达差异，以揭示基因在生物体内的功能和相互作用关系，对基因诊断、基因治疗以及药物研发具有重要意义。
2、蛋白质芯片蛋白质芯片是检测蛋白质结构与功能的重要工具，它可以高通量地检测上千种蛋白质，揭示蛋白质的结构、功能、配体识别等重要信息，对药物筛选和蛋白质相互作用等有重要意义。
3、细胞芯片细胞芯片是一种将活细胞培养在芯片上进行筛选和诊断的技术。
生物芯片分类及应用
Liquichip技术特点描述
1．基于bead的这种固相反应技术，具有 灵敏度高、信号强度高、灵活性好、所需样品量少的特点。 2．与传统的蛋白芯片相比，有两大优势，反应速度更快，灵活性更好。 3．由于检测方法的特点，在大部分的实验过程中，都不需要洗脱步骤，省时，且不会破坏反应的动态平衡。 4．有配套的蛋白表达和纯化体系。（his-tag）
Lquichip应 用 领 域：
蛋白质定量 蛋白质功能研究 蛋白表达谱分析。 蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸相互作用的研究。包括：免疫分析、酶分析、受体-配基分析、蛋白质核酸相互作用分析分析。
微阵列芯片
蛋白芯片 基因芯片
蛋白芯片(Protein Chips)
高通量微阵列蛋白分析方法
微阵列芯片 （Microarray） 微型实验室芯片 (Lab-on-a-chip) 液体芯片 (Liquichip)
（二）、生物芯片分类及应用
Lab-on-a-chip
微型实验室芯片是通过在芯片上刻成微流路径从而将涉及生物检测的主要步骤—样品准备/生化反应/结果检测—整合在一张芯片上。
D
P
非接触式点样： synQUAD Technology
Œ
Aspirate and Print for Making Arrays
Characteristics of synQUAD Technology
Wide dispense range Low nanoliter to high microliter Excellent linearity Precise and accurate CV’s typically less than 10% Precision less than 5% Non-contact dispense mechanism Easier mechanical alignment (384, 1536,…) “On-the-fly” printing possible Capable of dispensing onto membranes or slides Multiple liquid handling modes Aspirate/Dispense Continuous Reagent Dispensing
分子生物学概念
1.基因芯片（gene chip）：又称DNA芯片、生物芯片。
是固定有寡核苷酸、基因组DNA或互补DNA等的生物芯片。
利用这类芯片与标记的生物样品进行杂交，可对样品的基因表达谱生物信息进行快速定性和定量分析。
2.拷贝数（copy number）：拷贝数就是指某基因（可以是质粒）在某一生物的基因组中的个数。
一般检测方法有Southern blot和实时荧光定量PCR。
3.基因工程（gene engineering）：又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。
广义的基因工程则指按人们意愿设计，通过改造基因或基因组而改变生物的遗传特性。
4.探针（probe）：是一小段带有标记的单链DNA或者RNA片段（大约是20到500bp），用于检测与其互补的核酸序列。
双链DNA加热变性成为单链，随后用放射性同位素（通常用磷-32）、萤光染料或者酶（如辣根过氧化物酶）标记成为探针。
5.cDNA：complementary DNA，互补脱氧核糖核酸。
是以RNA为模板，在适当引物的存在下，借助依赖RNA的DNA聚合酶（反转录酶）的作用而合成的DNA就是cDNA。
真核生物的信使RNA或其他RNA的cDNA，在遗传工程方面广为应用。
6.定量PCR（Polymerase Chain Reaction）：广义概念的定量PCR技术是指以外参或内参为标准，通过对PCR终产物的分析或PCR过程的监测，进行PCR起始模板量的定量。
狭义概念的定量PCR技术（严格意义的定量PCR技术）是指用外标法（荧光杂交探针保证特异性）通过监测PCR过程（监测扩增效率）达到精确定量起始模板数的目的，同时以内对照有效排除假阴性结果(扩增效率为零)。
7.扩增曲线（amplification curve）：在实时荧光定量PCR 反应中，引入了一种荧光化学物质，随着PCR 反应的进行，PCR 反应产物不断累计，荧光信号强度也等比例增加。
生物芯片分类及应用
生物芯片分类及应用生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。
由于常用硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。
生物芯片分类生物芯片虽然只有10多年的历史，但包含的种类较多，分类方式和种类也没有完全的统一。
1、用途分类（1）生物电子芯片：用于生物计算机等生物电子产品的制造。
（2）生物分析芯片：用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。
前一类目前在技术和应用上很不成熟，一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。
2、作用方式分类（1）主动式芯片：是指把生物实验中的样本处理纯化、反应标记及检测等多个实验步骤集成，通过一步反应就可主动完成。
其特点是快速、操作简单，因此有人又将它称为功能生物芯片。
主要包括微流体芯片（microftuidic chip）和缩微芯片实验室（lab on chip，也叫芯片实验室，是生物芯片技术的高境界）。
（2）被动式芯片：即各种微阵列芯片，是指把生物实验中的多个实验集成，但操作步骤不变。
其特点是高度的并行性，目前的大部分芯片属于此类。
由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息，最终通过生物信息学进行数据挖掘分析，因此这类芯片又称为信息生物芯片。
包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。
3、成分分类（1）基因芯片（gene chip）：又称DNA芯片（DNA chip）或DNA微阵列（DNA microarray），是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。
基因工程专题1：基因芯片和第二代测序技术简介
基本概念
生物芯片（biochip） 基因芯片（gene chip, DNA chip, or DNA microarry）
GeneChip主要是利用Northern blotting的原理，将Northern Blotting的探 针固定在特定的固体基质上，而原来印记在膜上的目标RNA进行标记，然 后进行的大规模的杂交。
通量（Gb）
0.1
0.5
2
9
50
2
8
32
Solexa和SOLiD配对末端测序所需时间和产出是单末端的两倍，454的配对末端和单末端
差异在于建库方法，所需时间和测序量不变。
ABI SOLiD包含两张芯片，这里的数据是一张芯片的量。
http://www.politigenomics.co1m5
1984： 30亿美元测定一个人类基因组
A 3×3 array
CG AC G AC ACG AG CG AG C
array probes
探针合成
C Mask 2
A
A
A
A A
6
探针合成
Nucleotide Deposition Sequence ACG
A 3×3 array
CG AC G AC ACG AG CG AG C
完成的芯片
CG AC G AC ACG AG CG AG C
instrument 1985 - Mullis’s discovery of PCR at Cetus 1992 - Affymetrix (Fodor’s group) first gene-chip 1995 - ABI’s first automated DNA sequencer 2006 - 2nd generation DNA sequencer on market 2007 and beyond – Single molecule sequencing
生物芯片技术
生物芯片技术的主要类型包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片等，其中基因芯片是最 常用的生物芯片技术之一。
生物芯片的分类
基因芯片 蛋白质芯片 细胞芯片 组织芯片
生物芯片技术：微小的 大科学
,a click to unlimited possibilities
汇报人：
目录
01 生 物 芯 片 技 术 的 定 义与分类
03 生 物 芯 片 技 术 的 优
势与局限性
05 生 物 芯 片 技 术 的 挑
战与对策
02 生 物 芯 片 技 术 的 应 用领域
04 生 物 芯 片 技 术 的 发 展趋势与前景
物多样性
司法鉴定：用 于法医鉴定、 亲子鉴定和基
因图谱绘制
Part Three
生物芯片技术的优 势与局限性
优势
高通量：一次可检测大量样本 高灵敏度：能够检测低浓度的生物分子 高特异性：能够准确区分不同的生物分子 自动化程度高：减少人工操作，提高工作效率
局限性
成本高昂：生物芯片技术的研发和生产成本较高，限制了其在某些领域的应用。
生物芯片技术在 药物研发中的应 用前景
生物芯片技术在 食品安全检测中 的应用前景
生物芯片技术在 环境保护和生态 监测中的应用前 景
Part Five
生物芯片技术的挑 战与对策
技术挑战
芯片制造技术：需要高精度、高稳定性的制造技术 数据分析技术：需要高效、准确的数据分析技术 生物样本制备技术：需要标准化、自动化的生物样本制备技术 生物芯片应用拓展：需要不断拓展生物芯片技术的应用领域
生物芯片的分类
生物芯片的分类
1. 基因芯片呀，就好比是一个基因的大拼图！比如说检测各种疾病基因，医生就可以通过它快速找到问题所在，这是不是超厉害？
2. 蛋白芯片呢，就像一个微小的蛋白质“超市”。
在药物研发里，它能帮助科学家筛选出最有效的药物成分，简直神了！
3. 细胞芯片哇，如同是细胞们的专属舞台！想想看，在研究细胞间相互作用时，它能清晰呈现各种过程，这得多有意思！
4. 组织芯片呀，好像是把组织缩小了放在那里。
例如在肿瘤研究方面，它可是大功臣，能提供好多关键信息呢！
5. 微流控芯片呢，宛如一个微型的液体操控大师！在即时检测领域，它简直是大放异彩，太神奇了不是吗？
6. 还有电化学生物芯片，那就是一个敏感的“小侦探”！检测生物化学反应时，它总是能精准捕捉，这也太牛了！
我觉得生物芯片的这些分类都各有各的神奇之处和重要作用，它们真的在不断推动着生物科技的发展呀！。
什么是生物芯片
什么是生物芯片生物芯片是指将生物材料和微电子技术结合在一起，用于检测、分析和操作生物体内的信息和过程的一种微型芯片。
它的发展得益于现代生物学和微电子技术的快速发展，具有高通量、高灵敏度和高特异性等优点，广泛应用于生物医学领域。
生物芯片的核心部分是微芯片，通常由玻璃或硅片制成，上面通过微细加工技术制备了一系列微阵列或微结构。
这些微阵列或微结构上面采用了不同的生物材料，如抗体、核酸探针等，用于特定分析目标的检测和测量。
通过类似于计算机芯片的电子器件和电路，可以将生物材料的信号转化为电信号，并通过芯片上的电极或传感器进行检测和分析。
生物芯片可以用于多种应用，如基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片等。
基因芯片是最早应用的一种生物芯片，它可以在一片芯片上同时检测数万个基因的表达水平，用于研究基因的功能和调控机制。
蛋白质芯片则可以检测和分析蛋白质的结构和功能，帮助了解蛋白质的相互作用和代谢通路。
细胞芯片可以培养和检测细胞，用于研究细胞信号传导、细胞生理和疾病机制等。
生物芯片的优势之一是高通量，可以在一片芯片上同时检测成千上万个目标，大大加快了实验的速度和效率。
另外，生物芯片具有高灵敏度和高特异性，可以检测到非常低浓度的分子，并能够区分不同的分子种类。
这使得生物芯片在病原体检测、药物筛选和个性化医疗等方面发挥了重要作用。
生物芯片还有一些潜在的应用，如生物传感器、药物传递系统和组织工程等。
生物传感器是一种将生物芯片与传感器技术相结合的设备，可以实现对生理参数的实时监测和检测。
药物传递系统则可以将药物精确地输送到靶标位置，提高药物的疗效和降低副作用。
组织工程利用生物芯片的微结构和微环境，可以实现组织和器官的体外培养和重建。
虽然生物芯片在生物医学领域有着广泛的应用前景，但目前仍面临一些挑战和限制。
首先，芯片上的生物材料需要具有高稳定性和长寿命，以保证其在实验过程中的可靠性和重复性。
其次，芯片的成本较高，尤其是高精度、高通量的芯片，限制了其在临床诊断和日常应用中的推广。
生物芯片技术在病毒检测中的应用研究
生物芯片技术在病毒检测中的应用研究近年来，随着科技的不断发展，生物芯片技术在生命科学研究中扮演着越来越重要的角色。
生物芯片技术是一种利用微加工工艺将生物实验技术与微电子技术相结合的新兴科技，具有测试速度快、检测灵敏度高、同时检测多种物质等优点。
在病毒检测领域，利用生物芯片技术开发出高灵敏、高特异性的检测方法，不仅可以缩短检测时间，提高检测效率，同时可以极大地提高病毒检测的准确性，降低误检率，为公共卫生安全提供了有力的技术支持。
一、病毒检测技术现状目前，病毒检测技术主要分为病毒培养检测、免疫学检测和分子生物学检测三种。
其中，病毒培养检测是目前最常用的一种方法，其优点是能够获取病毒的数量和生长特性，从而详细了解病毒的生物学特性，缺点是操作过程复杂，需要较长时间，且存在许多技术难点。
免疫学检测是目前最常用的一种快速检测方法，其优点是检测速度快，准确性高，缺点是基于一定的抗原-抗体反应，有一定的受体影响因素。
分子生物学检测是一种高灵敏、高特异性的检测方法，能够快速、准确地检测到病毒核酸，但需要对样本的基因组进行放大，存在样本前处理和反应等多个环节，同时也受到设备和技术的限制。
总的来说，目前病毒检测技术虽然已经取得了一定的进展，但存在的问题依然严重影响了病毒检测的准确性和效率。
因此，利用生物芯片技术来开发更加高效、精准的病毒检测技术显得异常重要。
二、生物芯片技术在病毒检测中的应用现状生物芯片技术利用芯片上的各种生物传感器对样本进行定量的检测，能够同时检测多个目标，从而大大提高检测效率，目前已经被广泛应用于病毒检测领域。
基于生物芯片技术的病毒检测方法主要包括基因芯片、蛋白芯片和细胞芯片等多种类型。
1. 基因芯片基因芯片依据已知的病毒基因序列进行设计，通过检测样本中的病毒基因表达水平来判断病毒的存在与否。
基因芯片病毒检测的优势在于能够同时检测多种病毒，缺点是需要提前知道被检测病毒的基因序列、存在发生杂交交叉反应的风险、运转误判的风险较大等。
基因芯片-又称DNA芯片、生物芯片,此技术就是顺应这一科学发展要求的产物
基因芯片-又称DNA芯片、生物芯片，此技术就是顺应这一科学发展要求的产物基因芯片-又称DNA芯片、生物芯片，此技术就是顺应这一科学发展要求的产物，它的出现为解决此类问题提供了光辉的前景。
该技术系指将大量(通常每平方厘米点阵密度高于400)探针分子固定于支持物上后与标记的样品分子进行杂交，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。
通俗地说，就是通过微加工技术，将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段(基因探针)，有规律地排列固定于2 cm2的硅片、玻片等支持物上，构成的一个二维DNA探针阵列，与计算机的电子芯片十分相似，所以被称为基因芯片。
基因芯片主要用于基因检测工作。
学术术语来源——不同性别肾缺血再灌注损伤模型小鼠MicroRNA的表达谱文章亮点：1 肾脏缺血再灌注损伤是临床上常见的病理生理过程，具有较高的发病率和死亡率，目前通过动物实验及临床案例发现肾脏对缺血再灌注损伤的敏感性及耐受性存在性别差异，但其具体性别差异在肾缺血再灌注损伤中的机制需进一步研究。
2 实验从 MicroRNA 水平探讨肾缺血再灌注损伤性别差异发生的可能机制，进而为肾缺血再灌注损伤的防治提供一类新的靶标。
关键词：实验动物；泌尿系统损伤模型；肾缺血再灌注损伤；微小核糖核酸；BALB/C 小鼠；性别差异；基因芯片；聚类分析；苏木精-伊红染色；江西省自然科学基金主题词：组织工程；肾；再灌注损伤；芯片分析技术摘要背景：有研究表明肾缺血再灌注损伤存在性别差异，但其具体机制有待进一步研究。
目的：观察雌雄性小鼠缺血前后肾脏组织中MicroRNA表达及其差异，以期进一步研究MicroRNA在肾缺血再灌注损伤性别差异中的作用及机制。
方法：将雄性和雌性小鼠分别肾缺血45 min再灌注损伤24 h，同时设置雄性和雌性假手术组作对照。
采用MicroRNA基因芯片技术检测雌雄小鼠肾缺血45 min再灌注损伤24 h及假手术后肾组织MicroRNA表达的差异，样品间表达差异的阈值为2倍。
生物芯片实验报告
实验名称：基因表达水平检测实验目的：1. 学习和掌握生物芯片技术的基本原理和操作流程。
2. 通过基因芯片技术检测特定基因在不同样本中的表达水平。
3. 分析实验数据，验证实验结果的可靠性。
实验材料：1. 基因芯片：包含待检测基因和对照基因。
2. 样本：待检测的组织或细胞。
3. 标准品：已知表达水平的对照样本。
4. 实验试剂：包括核酸提取试剂、PCR扩增试剂、杂交试剂、洗涤液等。
5. 仪器设备：PCR仪、杂交仪、荧光显微镜、凝胶成像系统等。
实验步骤：1. 样本处理：- 提取待检测样本的总RNA。
- 使用DNase I去除DNA污染。
- 通过RNeasy Mini Kit进行纯化。
2. cDNA合成：- 使用Oligo(dT) primers进行第一链合成。
- 使用Reverse Transcriptase进行第二链合成。
3. PCR扩增：- 使用PCR试剂进行目的基因的扩增。
- 通过琼脂糖凝胶电泳检测扩增产物。
4. 标记：- 将扩增产物与荧光标记的寡核苷酸探针杂交。
5. 杂交与洗涤：- 将杂交后的芯片放入杂交仪中进行杂交。
- 使用洗涤液进行洗涤。
6. 扫描与分析：- 使用荧光显微镜或凝胶成像系统扫描芯片。
- 使用软件分析杂交信号，计算基因表达水平。
实验结果：通过实验，成功地将待检测基因的cDNA与荧光标记的探针杂交，并在芯片上得到了清晰的信号。
通过比较待检测样本与标准品的结果，可以判断待检测基因在不同样本中的表达水平。
数据分析：1. 对比待检测样本与标准品的信号强度，计算基因表达水平的相对值。
2. 分析不同样本之间基因表达水平的差异。
3. 对比实验结果与已知文献报道的结果，验证实验结果的可靠性。
结论：本次实验成功利用生物芯片技术检测了待检测基因在不同样本中的表达水平。
实验结果表明，生物芯片技术在基因表达水平检测方面具有高效、准确、高通量的特点，为基因功能研究和疾病诊断提供了有力工具。
实验讨论：1. 实验过程中可能存在的误差来源，如RNA提取、PCR扩增、杂交等步骤的误差。
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临床基因诊断与治疗
从正常人的基因组中分离出DNA，并与 ， 并与DNA芯 从正常人的基因组中分离出 芯 标准图谱。 片上方阵杂交， 可得到标准图谱 片上方阵杂交 ， 可得到 标准图谱 。 从病人基 因组中分离DNA， 并与方阵杂交， 就得到病 因组中分离 ， 并与方阵杂交 ， 就得到 病 变图谱。 变图谱。 通过这两种图谱的比较和分析，得出病变的 DNA信息 ： DNA突变发生在何部位 ， 属于什 信息： 突变发生在何部位， 信息 突变发生在何部位 么样的序列突变。 么样的序列突变。 得出正确的诊断后， 得出正确的诊断后 ， 就可针对病变的靶序列设 基因药物， 以改变靶序列的表达情况， 计 基因药物 ， 以改变靶序列的表达情况 ， 达 到治疗该疾病的目的。 到治疗该疾病的目的。
肽核酸 （Peptide Nucleic Acid，PNA） ， ）
肽核酸（ 肽核酸 （ PNA） 是具有类多肽骨架的 ） DNA类似物。 类似物。 类似物 PNA的主链骨架是由 （2-氨基乙基）的主链骨架是由N-（ 氨基乙基 氨基乙基） 的主链骨架是由 甘氨酸与核酸碱基通过亚甲基羰基连接 通过亚甲基羰基 甘氨酸与核酸碱基通过亚甲基羰基连接 而成的。 而成的。
基因芯片的分类
寡核苷酸芯片 cDNA芯片 芯片
基因芯片的特点
1. 2. 3. 4. 高度平行性 多样性 微型NA方阵的构建 方阵的构建 样品的制备 杂交 杂交图谱的检测及读出
DNA方阵的构建 方阵的构建
方法：原位合成法和直接点样法。 方法：原位合成法和直接点样法。 改进：用PNA代替 代替DNA制成芯片。 制成芯片。 改进： 代替 制成芯片
杂交图谱的检测及读出
扫描仪的分类： 扫描仪的分类：
①
激光共聚焦显微镜原理： 激光共聚焦显微镜原理 ： 灵敏度和 分辨率较高， 扫描时间长， 分辨率较高 ， 扫描时间长 ， 比较适 合研究用。 合研究用。 CCD （电荷耦合组件）摄像原理： 电荷耦合组件）摄像原理： 灵敏度和分辨率较低， 扫描时间短， 灵敏度和分辨率较低 ， 扫描时间短 ， 比较适合临床诊断用。 比较适合临床诊断用。
CCD
CCD（电荷耦合组件）是应用在摄像和图 （电荷耦合组件） 像扫描方面的高端技术组件。 像扫描方面的高端技术组件。 它通常在同一块硅片上同时制作出光电二 它通常在同一块硅片上同时制作出 光电二 极管阵列和移位寄存器。 极管阵列和移位寄存器。 移位寄存器的作用： 移位寄存器的作用 ： 把曝光完成后光电二 极管上积累的电荷移走， 然后进行放大， 极管上积累的电荷移走 ， 然后进行放大 ， 接着进行A／ 转换 转换， 接着进行 ／D转换，把模拟的电量转化 为数字量。 为数字量。
生物芯片的分类
1. 基因芯片 基因芯片/DNA芯片 芯片/DNA微阵列 芯片 微阵列 2. 蛋白质芯片
基因芯片
基因芯片的原理 基因芯片的分类 基因芯片的特点 基因芯片技术的基本要点 基因芯片的应用 基因芯片存在的问题
基因芯片的原理
采用原位合成或直接点样的方法将DNA 采用原位合成或直接点样的方法将 片段或寡核苷酸片段排列在硅片、 片段或寡核苷酸片段排列在硅片、玻璃 等介质上形成微矩阵， 等介质上形成微矩阵，待检样品用荧光 分子或同位素标记后与微矩阵杂交， 分子或同位素标记后与微矩阵杂交，通 过信号扫描及计算机分析即可获得样品 过信号扫描及计算机分析即可获得样品 中大量的基因序列及表达信息，以达到 中大量的基因序列及表达信息， 快速、 快速、高效和高通量地分析生物信息的 目的。 目的。
基因突变、 基因突变、多态性分析和连锁分析 SBH技术可大规模地检测和分析 技术可大规模地检测和分析DNA的突 技术可大规模地检测和分析 的突 变和多态性，以及进行连锁分析。 变和多态性，以及进行连锁分析。 分析基因组 利用一种生物所有单核苷酸多态性（ 利用一种生物所有单核苷酸多态性（SNPs） ） 制成芯片，可以制造“ 基因扫描仪” 制成芯片 ， 可以制造 “ 基因扫描仪 ” ， 用来扫描各个个体基因组成上的差异。 用来扫描各个个体基因组成上的差异。
在分子生物学研究中的应用 临床基因诊断与治疗 药物筛选、 药物筛选、药代学研究和指导用药 预防医学研究 环境保护 军事和司法 农业
在分子生物学研究中的应用
测序 人类基因组计划的实施促进了更高效率的、 人类基因组计划的实施促进了更高效率的 、 能够自动化操作的测序方法的发展。 能够自动化操作的测序方法的发展 。 芯 片 技 术 中 杂 交 测 序 （ sequencing by hybridization ， SBH ） 技 术 及 邻 堆 杂 交 （ contiguous stacking hybridization ， CSH） 技术即是一种新的高效快速测序 ） 方法。 方法。
WSSV的微阵列图谱 的微阵列图谱
Lan Y, Xu X, Yang F, Zhang X. Transcriptional profile of shrimp white spot syndrome virus (WSSV) genes with DNA microarray. Arch. Virol. 2006, 151 (9): 1723-1733.
生物芯片的原理
生物芯片（ 生物芯片 （ biochip） ： 基于生物大分子 （ 核酸 ） 基于生物大分子（ 和蛋白质等） 和蛋白质等 ） 相互作用的大规模并行分析方 法 ， 并结合微电子学、 微机械、 化学、 物理 并结合微电子学 、 微机械 、 化学 、 和计算机等多领域的技术及生命科学研究中 所涉及的样品反应、 检测和分析等连续化、 所涉及的样品反应 、 检测和分析等连续化 、 集成化和微型化的过程。 集成化和微型化的过程 。 它以载玻片和硅等 材料为载体， 材料为载体 ， 在单位面积上高密度地排列大 量的生物分子， 从而达到一次试验同时检测 量的生物分子 ， 从而 达到一次试验同时检测 多种疾病或分析多种生物样品的目的。 多种疾病或分析多种生物样品的目的。
基因芯片的应用
基因芯片技术发展到今天不过短短十几年 时间， 虽然还存在这样或那样的问题， 时间 ， 虽然还存在这样或那样的问题 ， 但其在序列分析、 基因表达谱分析、 但其在序列分析 、 基因表达谱分析 、 基 因诊断、 因诊断 、 药物筛选等诸多领域已呈现出 广阔的应用前景。 广阔的应用前景 。 随着研究的不断深入 和技术的更加完善， 和技术的更加完善 ， 基因芯片一定会在 生命科学研究及应用领域发挥出其非凡 的作用。 的作用。
目前， 被广泛用于化学、 目前，PNA被广泛用于化学、生物学、反 被广泛用于化学 生物学、 义药物、分子识别和遗传诊断等领域。 义药物、分子识别和遗传诊断等领域。 例如： 可以特异性地与DNA或 RNA 例如 ： PNA可以特异性地与 可以特异性地与 或 杂交，形成稳定的复合体。它可以对 DNA复制 、 基因转录和翻译等进行有针 复制、 复制 对的调控， 对的调控，同时作为杂交探针大大提高了 遗传学检测和医疗诊断的效率和灵敏度。 遗传学检测和医疗诊断的效率和灵敏度。
DNA与PNA的结构 与 的结构
肽核酸的特点
1.PNA不象 不象DNA那样在核糖磷酸骨架中存在带负 不象 那样在核糖磷酸骨架中存在带负 电的磷酸基团，因而杂交时不需盐离子以抵消 电的磷酸基团，因而杂交时不需盐离子以抵消 DNA链之间的静电排斥。PNA与核酸的杂交能 链之间的静电排斥。 链之间的静电排斥 与核酸的杂交能 力强于核酸间的杂交能力， 力强于核酸间的杂交能力，不会因静电斥力形 成自身二级或三级结构。 成自身二级或三级结构。 2.热稳定性高于核酸间的杂交体， 碱基配对的特 热稳定性高于核酸间的杂交体， 热稳定性高于核酸间的杂交体 异性大大提高。 异性大大提高。 3.抗酶解能力极强。 由于其非肽和非核酸的结构 抗酶解能力极强。 抗酶解能力极强 特点，蛋白酶和核酸酶均不能降解PNA。 特点，蛋白酶和核酸酶均不能降解 。
药物筛选、 药物筛选、药物代谢研究和指导用药
基因芯片对认识中药、 基因芯片对认识中药、西药和一些药物功 能食品作用的靶基因； 能食品作用的靶基因；筛选药物的有效成 分；阐明药物的毒性作用和致畸致突作用 的分子机制等都是非常有效的手段。 的分子机制等都是非常有效的手段。 DNA芯片可用来检测肝脏中与药物代谢有 芯片可用来检测肝脏中与药物代谢有 关的细胞色素P450基因之一 。 基因之一cyp。 关的细胞色素 基因之一
基因表达谱、 基因表达谱、基因分型以及寻找新基因的研究 将大量的功能基因点于芯片上，制成表达谱芯片， 将大量的功能基因点于芯片上 ， 制成表达谱芯片 ， 用各 类组织的样品与之杂交， 类组织的样品与之杂交 ， 从中对基因表达的个体特异 组织特异性、发育阶段特异性、分化特异性、 性 、 组织特异性 、 发育阶段特异性 、 分化特异性 、 病 变特异性和刺激特异性表达等进行分析和判断。 变特异性和刺激特异性表达等进行分析和判断。 通过对大量肿瘤标本的基因表达谱分析， 找到不同亚型 通过对大量肿瘤标本的基因表达谱分析 ， 之间的分子特征，既有助于研究不同亚型的不同起源， 之间的分子特征 ， 既有助于研究不同亚型的不同起源， 还可能发现新的亚型。 还可能发现新的亚型。 将某些基因与疾病联系起来， 将某些基因与疾病联系起来 ， 极大地加快了这些基因功 能的确立， 能的确立 ， 同时进一步研究基因与基因间相互作用的 关系，还可能发现新的基因。 关系，还可能发现新的基因。
生物芯片
生物芯片概述 基因芯片 蛋白质芯片
生物芯片（ 生物芯片（biochip）概述 ）
生物芯片是90年代初期随着人类基因组计划 生物芯片是 年代初期随着人类基因组计划 的顺利进行而诞生， 的顺利进行而诞生，它是通过象集成电路制 作过程中半导体光刻加工那样的微缩技术， 作过程中半导体光刻加工那样的微缩技术， 将现在生命科学研究中许多不连续的、 将现在生命科学研究中许多不连续的、离散 的分析过程（如样品制备、化学反应和定性、 的分析过程（如样品制备、化学反应和定性、 定量检测等手段） 定量检测等手段）集成于指甲盖大小的硅芯 片或玻璃芯片上， 片或玻璃芯片上，使这些分析过程连续化和 微型化。 微型化。