第7章_第6节_生物芯片技术(3_LMJ)'-精选文档
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* 12
（一）从支持物来分主要有：
1. 玻片型 这种芯片的点阵是通过原位合成技 术制作的，点阵密度很高，所以必须借助于特殊的 仪器对测定结果进行解读和分析。 有此类 产品研制 能力的公 司不多,如 Affimetrix 公司。
* 13
2. 薄膜型 如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙 膜等。这种类型“芯片”的点阵是通过“点膜”形 式制作的，并通过一定的方法使探针能够牢固地结 合于其上，整个过程类似于斑点杂交技术（如Clone Tech公司）。
* 5
（Frederick Sanger ）
（Walter Gilbert）
桑格和吉尔伯特发明了现在广泛使用的DNA测序方 法，并由此在1980年获得了诺贝尔奖。 生物芯片这个概念首先是由Fred Sanger和Walter Gilbert提出的；解决了传统核酸印迹杂交技术复杂、 自动化程度低、低通量等不足。
* 6
1989，Stephen Fodor(斯蒂文·弗尔多) 发明了 高密度生物芯片和芯片阅读器，为生物芯片产业开创 及发展奠定了良好的基础。 1992，Affymatrix公司Fodor小组运用半导体照 相平板技术，对原位合成制备的DNA芯片作了首次报 道，这是世界上第一块基因芯片。
* 7
2019， Stanford 大学的 P.Brown 实验室发明了第 一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片；将 cDNA 密集 点样在玻璃片上，进行基因表达谱研究和SNP分析。
* 9
生物芯片的基本原理与特征：
“分子杂交”原理：
生物分子间的相互特异识别作用（如: DNA分 子之间、蛋白分子之间、DNA与蛋白分子之间以及
自组装单分子膜之间等）
“芯片” 特征：
高通量、高集成、并行化、微型化、自动化、 连续化
* 10
根据芯片的用途可分为两大类
*
11
ຫໍສະໝຸດ Baidu
二、DNA芯片
又 被 称 为 基 因 芯 片 (gene chips)、DNA 阵 列
(一)探针的设计与制备
DNA 微集阵列探针可用人工合成寡核苷酸、基因 组DNA或cDNA中的目的基因片段；可为双链DNA、单链 DNA或 RNA，亦可用肽核酸(PNA)等。 肽核酸( peptide nucleic acid , PNA)——
3. 加入单核苷酸 ( 如 dTMP) 的亚磷酰胺活化端与活 性羟基 (OH) 发 生化学偶联 , 光敏保护非活化端；
4. 更换掩模(M2)，激光点光源照射下一个位点；
5. 脱保护，偶联第二个核苷酸(如dCMP)； 6. 重复上述步骤，直至合成完所需探针。
* 19
合成过程
光刻掩模1
光刻掩模2
二. DNA微集阵列芯片的制作
原位合成芯片 DNA微阵列
研发小组
制作方式 探针类型
Affymatrix公司Fodor研 斯坦福大学Brown实验室 究组 原位化学合成 收集探针，显微打印
寡核苷酸 cDNA、基因片段、寡核苷 酸、RNA等 较长，100~500 nt 或更长 1~10 万点阵/cm2 无专利控制
17
探针长度
最高集成度 专利保护
《医学分子生物学实验技术》药立波 主编
第十四章
生物芯片技术
Biochip Technology
江黎明 2019年10月
目
第一节 概 述
一、生物芯片的概念
录
二、DNA芯片
第二节 生物芯片的制作
一、原位合成DNA芯片制作 二、DNA微阵列芯片制作
第三节 DNA芯片使用的基本流程
一、待测样品的准备 二、分子杂交反应 三、检测分析
(DNA array)、cDNA 芯片 (cDNA
chips)、寡核苷酸
阵列(oligonucleotide array)等。 DNA芯片是指在固相支持物上原位合成寡核苷酸 或者直接将大量预先合成的DNA探针以显微打印的方 式有序地固化于支持物表面； 使用时与标记的样品杂交，通过对杂交信号的 检测分析从而得出样品的遗传信息。
*
短，小于50 nt
10~40 万点阵/cm2 专利控制严格
第二节 生物芯片的制作
显微光蚀刻技术 (光引导原位合成)
原位合成
基因芯片的 制作方式 直接点样
压电打印法 分子印章法 喷墨点样 针式点样 分子印章法
*
18
一、原位合成DNA芯片的制作
(一)显微光蚀刻技术
1. 支持物经化学处理, 表面活性羟基(OH)连接光敏 保护基 (X), 选用光刻掩模 (M1) 保护非聚合部位； 2. 用激光点光源照射聚合部位 , 去除光敏保护基 (X), 暴露活性羟基(OH)；
生物芯片是继大规模集成电路之后的又一次具有 深远意义的科学技术革命。 生物芯片将会改变生命科学的研究方式，革新医 学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。
（Edwin Mellor Southern ）
萨瑟恩提出的核酸杂交理论，即标记的核酸分子 能够与被固化的与之互补配对的核酸分子杂交。
Southern杂交可以被看作是生物芯片的雏形。
*
14
3. 微板型 这种芯片实质上是一种具有高密 度、小容量测试孔的小型酶联免疫检测板（如 PE 公司等）。
*
15
4. 集成电路型 将杂交技术与微电子技术结 合于一体，通过电子装置检测或控制DNA等生物 大分子的作用过程（如Nanogen公司）
*
16
（二）根据制作方式可分为两大类：
原位合成芯片 (synthetic genechip) DNA 微集阵列( DNA microarray）
* 8
一、生物芯片的概念
指通过微电子和微加工技术，将大量已知序列的 核酸或蛋白片段等，有序地组合在 1CM2 大小固相介质 表面而构成的集成分析系统。可与标记的核酸或蛋白 分子特异结合，实现对核酸、蛋白等生物组分的快速、 高效、敏感的处理与分析。 狭义的生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细 胞芯片和组织芯片等。 广义的生物芯片还包括用于研制生物计算机的生 物芯片、将健康细胞与电子集成电路结合起来的仿生 芯片、缩微化的实验室即芯片实验室。
第四节 蛋白质芯片 第五节 生物芯片的基本操作和流程
一、基因表达谱研究 二、DNA测序 三、基因突变检测 四、基因诊断
*
五、蛋白质芯片的应用
六、药物研发
2
第一节 概 述
生物芯片(biochip) 技术是20世纪90年代初期由 分子生物学、微电子学、物理学、化学和计算机科学 等多学科交叉融合而发展起来的高新技术，因既具有 重大的学术价值，又具有明显的产业化前景，被评为 2019年度世界十大科技进展之一。
（一）从支持物来分主要有：
1. 玻片型 这种芯片的点阵是通过原位合成技 术制作的，点阵密度很高，所以必须借助于特殊的 仪器对测定结果进行解读和分析。 有此类 产品研制 能力的公 司不多,如 Affimetrix 公司。
* 13
2. 薄膜型 如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙 膜等。这种类型“芯片”的点阵是通过“点膜”形 式制作的，并通过一定的方法使探针能够牢固地结 合于其上，整个过程类似于斑点杂交技术（如Clone Tech公司）。
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（Frederick Sanger ）
（Walter Gilbert）
桑格和吉尔伯特发明了现在广泛使用的DNA测序方 法，并由此在1980年获得了诺贝尔奖。 生物芯片这个概念首先是由Fred Sanger和Walter Gilbert提出的；解决了传统核酸印迹杂交技术复杂、 自动化程度低、低通量等不足。
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1989，Stephen Fodor(斯蒂文·弗尔多) 发明了 高密度生物芯片和芯片阅读器，为生物芯片产业开创 及发展奠定了良好的基础。 1992，Affymatrix公司Fodor小组运用半导体照 相平板技术，对原位合成制备的DNA芯片作了首次报 道，这是世界上第一块基因芯片。
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2019， Stanford 大学的 P.Brown 实验室发明了第 一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片；将 cDNA 密集 点样在玻璃片上，进行基因表达谱研究和SNP分析。
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生物芯片的基本原理与特征：
“分子杂交”原理：
生物分子间的相互特异识别作用（如: DNA分 子之间、蛋白分子之间、DNA与蛋白分子之间以及
自组装单分子膜之间等）
“芯片” 特征：
高通量、高集成、并行化、微型化、自动化、 连续化
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根据芯片的用途可分为两大类
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
二、DNA芯片
又 被 称 为 基 因 芯 片 (gene chips)、DNA 阵 列
(一)探针的设计与制备
DNA 微集阵列探针可用人工合成寡核苷酸、基因 组DNA或cDNA中的目的基因片段；可为双链DNA、单链 DNA或 RNA，亦可用肽核酸(PNA)等。 肽核酸( peptide nucleic acid , PNA)——
3. 加入单核苷酸 ( 如 dTMP) 的亚磷酰胺活化端与活 性羟基 (OH) 发 生化学偶联 , 光敏保护非活化端；
4. 更换掩模(M2)，激光点光源照射下一个位点；
5. 脱保护，偶联第二个核苷酸(如dCMP)； 6. 重复上述步骤，直至合成完所需探针。
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合成过程
光刻掩模1
光刻掩模2
二. DNA微集阵列芯片的制作
原位合成芯片 DNA微阵列
研发小组
制作方式 探针类型
Affymatrix公司Fodor研 斯坦福大学Brown实验室 究组 原位化学合成 收集探针，显微打印
寡核苷酸 cDNA、基因片段、寡核苷 酸、RNA等 较长，100~500 nt 或更长 1~10 万点阵/cm2 无专利控制
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探针长度
最高集成度 专利保护
《医学分子生物学实验技术》药立波 主编
第十四章
生物芯片技术
Biochip Technology
江黎明 2019年10月
目
第一节 概 述
一、生物芯片的概念
录
二、DNA芯片
第二节 生物芯片的制作
一、原位合成DNA芯片制作 二、DNA微阵列芯片制作
第三节 DNA芯片使用的基本流程
一、待测样品的准备 二、分子杂交反应 三、检测分析
(DNA array)、cDNA 芯片 (cDNA
chips)、寡核苷酸
阵列(oligonucleotide array)等。 DNA芯片是指在固相支持物上原位合成寡核苷酸 或者直接将大量预先合成的DNA探针以显微打印的方 式有序地固化于支持物表面； 使用时与标记的样品杂交，通过对杂交信号的 检测分析从而得出样品的遗传信息。
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短，小于50 nt
10~40 万点阵/cm2 专利控制严格
第二节 生物芯片的制作
显微光蚀刻技术 (光引导原位合成)
原位合成
基因芯片的 制作方式 直接点样
压电打印法 分子印章法 喷墨点样 针式点样 分子印章法
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一、原位合成DNA芯片的制作
(一)显微光蚀刻技术
1. 支持物经化学处理, 表面活性羟基(OH)连接光敏 保护基 (X), 选用光刻掩模 (M1) 保护非聚合部位； 2. 用激光点光源照射聚合部位 , 去除光敏保护基 (X), 暴露活性羟基(OH)；
生物芯片是继大规模集成电路之后的又一次具有 深远意义的科学技术革命。 生物芯片将会改变生命科学的研究方式，革新医 学诊断和治疗，极大地提高人口素质和健康水平。
（Edwin Mellor Southern ）
萨瑟恩提出的核酸杂交理论，即标记的核酸分子 能够与被固化的与之互补配对的核酸分子杂交。
Southern杂交可以被看作是生物芯片的雏形。
*
14
3. 微板型 这种芯片实质上是一种具有高密 度、小容量测试孔的小型酶联免疫检测板（如 PE 公司等）。
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15
4. 集成电路型 将杂交技术与微电子技术结 合于一体，通过电子装置检测或控制DNA等生物 大分子的作用过程（如Nanogen公司）
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16
（二）根据制作方式可分为两大类：
原位合成芯片 (synthetic genechip) DNA 微集阵列( DNA microarray）
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一、生物芯片的概念
指通过微电子和微加工技术，将大量已知序列的 核酸或蛋白片段等，有序地组合在 1CM2 大小固相介质 表面而构成的集成分析系统。可与标记的核酸或蛋白 分子特异结合，实现对核酸、蛋白等生物组分的快速、 高效、敏感的处理与分析。 狭义的生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细 胞芯片和组织芯片等。 广义的生物芯片还包括用于研制生物计算机的生 物芯片、将健康细胞与电子集成电路结合起来的仿生 芯片、缩微化的实验室即芯片实验室。
第四节 蛋白质芯片 第五节 生物芯片的基本操作和流程
一、基因表达谱研究 二、DNA测序 三、基因突变检测 四、基因诊断
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五、蛋白质芯片的应用
六、药物研发
2
第一节 概 述
生物芯片(biochip) 技术是20世纪90年代初期由 分子生物学、微电子学、物理学、化学和计算机科学 等多学科交叉融合而发展起来的高新技术，因既具有 重大的学术价值，又具有明显的产业化前景，被评为 2019年度世界十大科技进展之一。