基因芯片技术基础知识(概念、制备、杂交、应用及发展方向)
基因芯片技术简介
基因芯片技术简介引言随着基因组学的快速发展，基因芯片技术作为一种高通量、高效率的基因表达分析方法，越来越受到科学家们的关注和广泛应用。
本文将介绍基因芯片技术的定义、原理、应用领域以及发展趋势。
定义基因芯片技术，又称DNA芯片技术，是利用半导体芯片上固定携带有特定DNA序列或cDNA序列的探针，通过杂交技术测定样本中的基因表达水平的一种新兴技术。
它通过将大量DNA序列固定在芯片表面上，可以同时检测成千上万个基因的表达水平，从而实现了高通量、高灵敏度、高速度的基因表达分析。
基因芯片技术的原理主要包括芯片设计、样本处理、杂交和信号检测四个步骤。
芯片设计芯片设计是基因芯片技术的核心环节。
通过将感兴趣的DNA序列打印到芯片表面上，实现对这些DNA序列的同时检测。
芯片设计要考虑到实验的目的、样本来源、携带探针的芯片类型等因素。
样本处理样本处理是基因芯片技术中非常重要的一步。
首先，需要提取样本中的RNA，并转录成cDNA。
然后，对cDNA进行标记，常见的方法是采用荧光标记。
标记完成后，将标记的cDNA与芯片上的探针进行杂交。
杂交是将标记的cDNA与芯片上的DNA探针进行特异性结合的过程。
通过杂交反应，可以使标记的cDNA与芯片上的探针发生碱基配对，从而检测基因表达水平。
信号检测信号检测是基因芯片技术的最后一步。
常见的检测方法包括荧光扫描、激光检测和图像分析等。
这些方法可以量化样本中的基因表达水平，并生成可视化的热图或散点图，以方便科学家对数据进行分析和解读。
应用领域基因芯片技术在生物学、医学和农业等领域具有广泛的应用。
生物学研究基因芯片技术的高通量性能使其成为生物学研究的重要工具。
研究人员可以通过基因芯片技术分析不同组织、不同时间点或不同个体中的基因表达变化，探究基因在生物体发育、疾病发展等过程中的功能。
医学诊断基因芯片技术在医学诊断中有着重要的应用价值。
通过分析患者样本中的基因表达谱，可以为医生提供辅助诊断和治疗的信息。
基因芯片技术及其应用
基因芯片技术及其应用随着生物学、生命科学的发展，基因芯片技术越来越受到关注。
基因芯片又称为DNA芯片，是一种利用微阵列技术来检测基因表达水平的高通量方法。
基因芯片技术的发展带来了许多应用领域的新成果，包括疾病预测、药物研发等。
本文将介绍基因芯片技术及其应用。
一、基因芯片技术的原理基因芯片技术是一种高通量的生物技术，它利用微阵列生物芯片来检测基因表达的水平。
这种技术利用了DNA分子的特异性与完整性，它可以在任何生物样品中高效地检测出其蛋白质表达水平和基因组变异情况。
基因芯片技术的工作原理基于蛋白质表达水平与基因组变异情况的探测。
首先，需要将基因DNA序列通过逆转录过程转换成mRNA序列，进而使用荧光标记标记mRNA序列。
接下来将标记好的mRNA序列通过微阵列技术固定到芯片上，并使用高通量扫描技术来观察标记后荧光强度的变化程度。
荧光值越高，则说明该基因表达水平越高。
基因芯片技术不仅可以检测基因表达水平，还可以检测基因序列的变异情况，用于了解某种疾病或细胞状态的基因组变化情况。
比如，可以用这种技术针对某种疾病相关的单核苷酸多态性位点检测基因变异情况。
二、基因芯片技术的应用1. 癌症筛查基因芯片技术可用于癌症筛查，将肿瘤组织中的RNA与正常细胞组织的RNA进行比较，寻找表达水平具有显著差别的基因，进而确定这些基因是否与癌症发展相关。
利用这种方法可以更加准确地判断某个癌症的种类、发展程度等。
2. 个性化药物设计基因芯片技术可用于个性化药物设计，通过基因芯片可以确定某个病人，是否会对某种药物产生不良反应，从而确定是否使用该药物。
同时，可以利用基因芯片技术根据病人的基因组变异情况，设计出一种更加适合该病人的药物。
3. 遗传疾病筛查基因芯片技术可用于遗传疾病筛查，利用基因芯片技术可以检测出某些基因的表达水平是否异常，从而确定在某些疾病中，基因的表达水平是否存在异常。
4. 农业和环保应用基因芯片技术不仅可以应用在医学领域，还可以应用于农业和环保领域，例如种植业、畜牧业、水产养殖业等。
基因芯片技术的原理和发展
基因芯片技术的原理和发展随着科技的不断发展，人们对于基因的研究也越来越深入，基因芯片技术作为一种迅速发展的生物技术，具有重要的理论意义和实践价值。
基因芯片技术是一种高通量和高标准化的分子生物学技术，可以用于基因表达、基因变异、蛋白质量、DNA甲基化等领域的研究。
1. 基因芯片技术的原理基因芯片技术是将DNA分子、RNA分子或蛋白质分子等多样化的生物大分子分子序列固定在一块小小的玻璃片或硅片上，然后利用微量的核酸或蛋白质的杂交反应来检测样品中这些生物大分子的存在或相对数量。
这些生物大分子的浓度水平可以用来衡量基因的表达情况、基因变异、蛋白质相互作用等生物学过程。
具体操作过程包括：1.1 表达谱芯片表达谱芯片是一种测量运用基因芯片技术研究基因表达的方法。
在表达谱芯片上可以固定多种类型的DNA序列，例如真核细胞DNA片段，互补DNA片段、探针、引物等。
对于鉴定被检测样品的物种，应选择特异而高丰度的探针或引物。
通过部分或大量存储的文献或数据库，研究人员首先确定所需的目标基因，然后通过设计合适的核酸杂交探针，将所需目标基因的序列在探针区域进行固定。
1.2 基因组芯片基因组芯片是一种利用基因芯片技术直接测量基因组中DNA 分子存在量的方法。
基因组芯片和其他一些技术类似，通常分三部分作用：建立样品库，设计并制备基因组芯片，通过基因芯片技术来测量DNA分子的存在量。
2. 基因芯片技术的发展基因芯片技术是一种非常年轻的生物技术，近年来其不断得到完善和发展，具有日益广泛的应用前景。
2.1 应用于生物医学基因芯片技术在生物医学领域得到广泛的应用，其中最具有代表性的应用是基因诊断和基因治疗。
通过基因芯片技术，可以对特定基因的表达情况和蛋白质质量进行分析和检测，为许多临床诊疗和治疗提供了关键方法。
2.2 应用于生态环境基因芯片技术也可以用于生态环境监测，特别是对于环境中的有害生物及其基因信息的监测。
基因芯片技术可以通过绿色监测来减轻生态环境对生物生态的影响。
基因芯片技术简介和应用展望
基因芯片技术简介和应用展望08电科2班阮知礼排号13摘要：随着现代生物高科技术的发展，人类对遗传基因的研究深入一个更高的领域，为满足人类对自身发展的需要，基因芯片技术就为此应运而生，并在生命科学领域担任重要角色。
作为新一代知识分子，我们很有必要学习和掌握基因芯片技术，以便对我国的经济和科学进步做出一份贡献。
该文章表明我们的看法和认识。
关键词：基因芯片原理/发展应用/展望（一）简介和原理历史至今，人类进入了一个科学文明的时代，现代生物学的深入学习充分证明DNA是生物体的主要遗传物质。
人类基因组DNA由30亿个核苷酸组成，但是这些核苷酸仅属于四种类型，大量的生物遗传信息就蕴藏在这四种核苷酸的排列顺序之中，而具有独立生物学功能的DNA片段侧称为基因。
研究和处理大量的遗传基因是非常困难的课题，曾一度阻碍了生物技术的跨步发展。
真正的基因芯片技术从实验室走向工业化却是直接得益于探针固相原位合成技术和照相平板印刷技术的有机结合以及激光共聚焦显微技术的引入。
它使得合成、固定高密度的数以万计的探针分子切实可行，而且借助激光共聚焦显微扫描技术使得可以对杂交信号进行实时、灵敏、准确的检测和分析。
基因芯片的测序原理，即通过与一组已知序列的核苷酸探针杂交进行核酸序列测定方法，当代有荧光标记的核酸序列与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，便可重组出靶核酸的序列。
（二）基因芯片的应用人类基因组计划(HGP)是人类为了认识自己而进行的一项最伟大和最具影响的研究计划。
基因芯片技术最先是一位美国科学家在1995年提出来的，这项技术在美国已相当成熟，并且由于它广阔的应用前景，使得“基因芯片”一词在国际区域已是家喻户晓。
基因芯片技术是目前基因研究方面最先进、也是最有效的方法之一，在生命科学研究及实践、医学科研及临床、药物设计、环境保护、农业、军事等各个领域有着广泛的用武之地，具有广泛的经济、社会及科研前景。
2.1临床疾病诊断基因芯片在感染性疾病、遗传性疾病和肿瘤等疾病的临床诊断方面具有独特的优势。
基因芯片技术的应用
基因芯片技术的应用随着生物技术和基因研究的不断进展，基因芯片技术已经广泛应用于生物医学、农业、动植物繁殖、环境保护等领域。
本文将从基因芯片技术的原理、应用场景和前景展开阐述，探讨该技术的研究热点和发展趋势。
一、基因芯片技术的原理基因芯片是一种利用高通量技术同时检测成千上万个基因表达的工具。
它通过利用DNA技术将成千上万的基因DNA序列固定在玻璃芯片上，并可检测目标样本中RNA或cDNA的水平。
基因芯片技术主要包括以下步骤：1. 设计芯片：确定目标基因序列，利用计算机技术进行芯片设计，制备出针对目标基因甚至全基因组的芯片。
2. 样本制备：提取RNA或cDNA，并借助反转录技术将RNA 转化成cDNA，再对其进行扩增。
3. 杂交：采用特殊设备将目标样本中的cDNA标记为不同颜色的探针，与芯片表面的DNA序列杂交。
4. 扫描和分析：利用激光扫描装置对芯片表面进行扫描，测量复合体的强度，并进行统计和分析。
这样，我们就能够在一张小芯片上探测到成千上万个基因，分析并比较样本之间的差异，从而揭示出基因调控、信号传递和代谢途径等生物学特征。
二、基因芯片技术的应用场景基因芯片技术的应用范围极广，以下列举几种典型场景：1. 生物医学基因芯片技术在生物医学领域中主要用于诊断和治疗基因相关疾病。
例如，我们能够将基因芯片应用于肿瘤分型和分级、遗传性疾病的基因筛查、药物研发等方面。
此外，基因芯片技术还可以为个体化医学提供技术支持，为临床医生制定精准个体化治疗方案提供重要依据。
2. 农业基因芯片技术的应用在土地的病虫害监测、作物品种鉴定、转基因食品检测等方面具有重要意义。
例如，在生产实践中，农民们经常遭受由于病虫害带来的经济损失，而基因芯片技术能够帮助他们快速诊断设备，确定病虫害的种类和数量，从而更好地进行管理和防范。
3. 环境保护环境污染问题已经成为全球性的挑战，而基因芯片技术则为环境保护带来了新的手段。
例如，通过检测微生物的基因组DNA，我们可以了解大气、水环境以及土壤中的微生物种类组成状况，协助我们了解生态系统的状况和进行环境监测。
基因芯片技术简介及应用
基因芯片技术简介及应用随着基因组学研究的不断深入，人类已进入一个崭新的生物世纪，基因芯片在基因功能研究、临床诊断及新药开发等方面显示了巨大的威力，被誉为基因功能研究领域最重要的技术之一。
一、基因芯片技术基本原理基因芯片的创意来自于计算机芯片。
它和计算机芯片一样，具有超微化、高度集成、信息贮存量大等特点，所不同的是，计算机芯片采用的是半导体集成电路，而基因芯片是以基因片段作为“探针”来进行工作的。
（一）基因芯片的定义基因芯片（gene chip）又称DNA芯片，是指将许多特定的寡核苷酸片段或基因片段作为探针，有规律地排列固定于支持物上，样品DNA或RNA通过PCR扩增、体外转录等技术掺入荧光等标记分子，然后按碱基配对原理与固定的探针杂交，再通过荧光检测系统等对芯片进行扫描，通过计算机系统对每一探针的信号进行处理，从而迅速得出所需要的信息。
基因芯片技术工作原理与经典的核酸分子杂交是一致的，都是应用已知核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序列杂交，通过随后的信号检测进行定性与定量分析。
在一块1cm2大小的基因芯片上，根据需要可固定数以千计甚至万计的基因片段，以此形成一个密集的基因方阵，与标记的样品分子进行杂交，实现对成千上万个基因的高通量同步检测（见文末彩图-1）。
图-1 经荧光扫描后的芯片图示（二）基因芯片技术的主要特点基因芯片技术归纳起来，具有高并行性、多样性、微型化和自动化这四大特点。
高并行性有利于基因芯片所示图谱的快速对照和阅读，效率大为提高；多样性则提供了样品的多指标测定，每块芯片上都含有成百上千种的寡核苷酸探针或cDNA探针，能够用于基因突变、单核苷酸多态性（SNP）、细菌分型等需要高通量的检测；微型化的好处在于对样品的需要量非常少，而且还能节省试剂用量，降低检测成本；自动化使得人力、物力投入减少，检测时间缩短并保证了质量。
同时，它还具有操作简便、信息综合处理能力强、结果可靠和仪器配套齐全等优势，因而备受青睐。
基因芯片技术简介和应用展望教学文案
基因芯片技术简介和应用展望上海复旦张江生物医药有限公司姚见儿基因芯片（Gene Chip）通常指DNA芯片，其基本原理是将指大量寡核苷酸分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强弱进而判断样品中靶分子的数量。
基因芯片的概念现已泛化到生物芯片（biochip）、微阵列（Microarray）、DNA芯片（DNA chip），甚至蛋白芯片。
基因芯片集成了探针固相原位合成技术、照相平板印刷技术、高分子合成技术、精密控制技术和激光共聚焦显微技术，使得合成、固定高密度的数以万计的探针分子以及对杂交信号进行实时、灵敏、准确的检测分析变得切实可行。
基因芯片技术在分子生物学研究领域、医学临床检验领域、生物制药领域和环境医学领域显示出了强大的生命力，其中关键就是基因芯片具有微型化、集约化和标准化的特点，从而有可能实现“将整个实验室缩微到一片芯片上”的愿望。
基因芯片在国内外已形成研究与开发的热潮，许多科学家和企业家将基因芯片同当年的PCR相提并论，认为它将带来巨大的技术、社会和经济效益，正如电子管电路向晶体管电路和集成电路发展是所经历的那样，核酸杂交技术的集成化也已经和正在使分子生物学技术发生着一场革命。
基因芯片的种类基因芯片产生的基础则是分子生物学、微电子技术、高分子化学合成技术、激光技术和计算机科学的发展及其有机结合。
根据基因芯片制造过程中主要技术的区别，下面主要介绍四类基因芯片。
一、光引导原位合成技术生产寡聚核苷酸微阵列开发并掌握这一技术的是Affymetrix公司，Affymetrix采用了照相平板印刷技术技术结合光引导原位寡聚核苷酸合成技术制作DNA芯片，生产过程同电子芯片的生产过程十分相似。
采用这种技术生产的基因芯片可以达到1×106/cm2的微探针排列密度，能够在一片1厘米多见方的片基上排列几百万个寡聚核苷酸探针。
原位合成法主要为光引导聚合技术（Light-directed synthesis），它不仅可用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。
基因芯片技术及其应用
基因芯片技术及其应用摘要：1953年，Waston和Crick发现DNA双螺旋结构，从此开创了分子生物学研究的新时代。
分子生物学的深入发展，使科学家认识到基因调控在生命现象中的重要意义。
1996年底，美国研制出了第一块DNA芯片，从此，基因芯片技术以一种综合、全面、系统的观点来研究生命现象，并充分利用了生物学、信息学等当今带头学科的成果，使生命科学研究的思维方式发生了深刻变化。
关键词：基因芯片基因表达研究应用一、基因芯片的概述所谓基因芯片是以硅、玻璃、微孔滤膜等材料作为承载基片，通过微加工技术，在其上固定密集的不同序列DNA微阵列，一次检测即可获得大量的DNA杂交信息。
其原理是将特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一块玻璃、硅等固体基片上, 作为核酸信息的载体,通过与样品杂交反应来识别、提取信息。
它能在同一时间内分析大量的基因，使人们准确高效地破译遗传密码。
这将是继大规模集成电路后又一次意义深远的科技革命。
固定在芯片的DNA来源可分为三种：1、从不同生物来源分离到的基因、基因片段或其克隆2、cDNA或其表达序列标签3、合成的寡核苷酸基片的材料，微加工技术和检测方法等都会影响芯片的性能。
实际应用是可根据不同需要来选择相应性能的芯片来完成工作。
基因芯片具有以下几种特点：1、并行性。
高度的并行性不仅大大提高实验的进程,并且有利于芯片技术所展示图谱的快速对照和阅读。
2、多样性。
是指在单个芯片中可以进行样品的多方面分析,从而大大提高分析的精确性,避免因不同实验水平产生误差。
3、微化性。
是当前芯片制造中普遍的趋势。
其好处是可以减少试剂用量和反应液体积,从而提高样品浓度和反应速率。
二、基因芯片的设计与制备DNA方阵的构建可大致分为四个步骤：首先，根据需要选择不同材料的载体，同时载体表面需有能与DNA偶联的活性基团，及良好的化学性质，以便测量；然后，选择合适的方阵构建分子，用光刻DNA合成法激活合成，点样；随后进行杂交，杂交条件的选择与芯片中片段的长度和芯片本身的用途有关；最后一步是杂交图谱的检测和读出，分为荧光标记法和质谱法。
基因芯片技术
（3）、待检病毒核酸的扩增与标记
提取病毒RNA后,用锚定随机引物进行反转录获得cDNA 作模板,反转录随机引物序列为5′-GTTTCCCAGTCACGATCNNNNNNNNN-3′,然后用测序酶合成第二链cDNA,随机PCR 扩增用随机引物5′-GTTTCCCAGT-CAOGATC-3′进行,并在 扩增的过程中掺入aa-dUTP对PCR产物进行标记,PCR反应 体系为100ug,扩增条件为95℃变性5min,然后94℃30s、 55℃30s、72℃60s,共35个循环。
ห้องสมุดไป่ตู้
图1、利用基因芯片进行杂交测序 的原理
三、基因芯片的技术流程
三、基因芯片的技术流程
T7 promoter
PCR
体内转录
T7 promoter
荧光素
片段化
1.5 小时
杂交、冲洗
ACGT
扫描分析 1 小时
图 2 样品处理与检测过程简图
四、基因芯片技术与传统杂交 检测方式的比较
操作 自动化程度 一次可检测的序列个数 总体效率 基因芯片技术 传统杂交方法 简便 很高 复杂 很低 极大 很小 很高 很低
二、基因芯片的基本原理
基因芯片的制作技术主要包括芯片制备，样品制备， 杂交反应，信号检测和结果分析。
将各种基因寡核苷酸点样于芯片表面，微生物样品 DNA经PCR扩增后制备荧光标记探针，然后再与芯片上 寡核苷酸点杂交，最后通过扫描仪定量好分析荧光分 布模式来确定检测样品是否存在某些特定微生物。
该技术可检测各种介质中的微生物，研究复杂微 生物群体的基因表达。
（2）、病毒的培养和病毒核酸的提取
EEEV、WEEV、VEEV、MAYV、WNV和JBEV用BHK细胞培养,1-4型 DENV用C6/36细胞培养,BUNV用Vero-E6细胞培养。产生细胞病变 后,将培养瓶在-70℃冰箱中冻融,用于病毒核酸的提取。 由于以上13种虫媒病毒均为RNA病毒,因此,病毒总RNA用 QIAGENRNAeasy试剂盒提取。
基因芯片技术及其在医学检测中的应用
基因芯片技术及其在医学检测中的应用近年来，随着科学技术的不断发展和进步，基因芯片技术在医学领域中的应用越来越受到重视。
基因芯片技术是一种以高通量、高精度的方法进行基因表达谱的测定和分析的技术，它的出现使得疾病的发现和治疗更加精准和有效。
本文将主要介绍基因芯片技术的原理、分类以及其在医学检测中的应用。
一、基因芯片技术的原理基因芯片技术是一种高通量的基因检测技术，它的原理是通过一系列的操作，将需要测试的基因片段固定在特定芯片上，使得基因片段与芯片上的探针发生特异性的杂交反应，然后对杂交反应的结果进行检测和分析。
基因芯片技术最大的特点是能够同时检测大量的基因片段，从而能够在多个方面同时评估基因样本的表达和变化。
二、基因芯片技术的分类基因芯片技术根据不同的应用可以分为不同的类型。
其中最常见的是表达芯片和基因组芯片。
1. 表达芯片表达芯片用于检测组织或细胞的基因表达情况。
它可以同时检测数以万计的基因，通过比较不同组织或细胞的基因表达谱，可以寻找到不同基因在不同条件下的表达情况。
表达芯片可以用于疾病的诊断和治疗。
2. 基因组芯片基因组芯片用来检测整个基因组的变异情况。
它可以同时检测上百万个基因的变异情况，通过对比病人和正常人的基因组变异情况，可以找到具体的病因。
三、基因芯片技术在医学检测中的应用基因芯片技术在医学领域中的应用非常广泛。
它可以用于疾病的诊断、治疗和预防。
以下是基因芯片技术在医学检测中的应用：1. 癌症诊断以肿瘤标志物为例，对肝癌、胃癌、卵巢癌等多种癌症进行早期筛查，以实现癌症的早期诊断和早期治疗。
2. 器官移植通过检测器官的基因表达谱，可以评估移植后器官的状态和功能是否正常，从而更好地指导移植后的治疗。
3. 药物研究通过检测药物对细胞或组织的影响，可以预测不同患者对药物的敏感性，从而更好地选择和调整药物治疗方案。
4. 胚胎筛查通过检测胚胎基因组的变异情况，可以筛查出具有遗传病基因的胚胎，从而避免患有遗传病的孩子的出生。
基因芯片技术的新发展及其应用
基因芯片技术的新发展及其应用随着科技的不断发展，基因芯片技术又迎来了新的发展。
基因芯片技术是一种高通量的分析方法，可以在短时间内高效地检测大量基因信息，是生物医学研究、疾病诊断、药物研发和个性化医疗等领域中不可或缺的一项技术手段。
一、基因芯片技术的基础基因芯片技术的基础是DNA芯片技术。
DNA芯片是一种基于微电子工艺的生物芯片，利用集成电路技术将数百万个或数千万个碱基序列植入到一个小小的芯片上，从而可以在芯片上同时检测DNA样本中的成千上万个基因。
基因芯片技术可以高通量地检测基因的表达量、基因型信息等，极大地提高了对生物学过程的理解和分子生物学研究的速度和效率。
二、基因芯片技术的发展目前，基因芯片技术已经发展出许多不同类型的芯片，如基因表达芯片、SNP芯片、CNA芯片等。
其中，基因表达芯片可以检测不同实验条件下RNA的表达水平，是最常用的一种芯片类型。
SNP芯片可以针对单核苷酸多态性（SNP）进行检测，其中某些SNP位点与疾病的关联已经被证实。
CNA芯片可以检测染色体数目异常（例如失活、扩增）或基因重排等基因变异，对于肿瘤等疾病诊断和治疗具有重要作用。
基因芯片技术的发展还带来了相应的算法和分析软件。
常用的数据分析软件包括R、Bioconductor、MATLAB等。
这些软件可以对芯片数据进行预处理、质量控制、差异分析、聚类分析、生物通路分析、基因功能富集分析等。
这些算法和软件在加速了数据分析处理的同时，也对基因芯片技术的应用和发展提供了帮助。
三、基因芯片技术的应用基因芯片技术在临床、药物研发和生态学等领域具有广泛的应用。
以下是几个具体应用案例：1. 临床诊断临床诊断中，基因芯片技术可以实现癌症早期诊断、疾病预测和治疗方案的个性化设计。
例如，肺癌基因芯片可以检测肺癌患者的基因表达信息，从而帮助医生进行疾病分级和个性化治疗。
2. 药物研发在药物研发中，基因芯片技术可以快速筛选有潜力的药物靶点和药物分子，并监测药物分子与基因的相互作用。
基因芯片技术原理
基因芯片技术原理一、引言基因芯片技术是近年来发展起来的一种新型生物技术，它可以同时检测成千上万个基因的表达水平，从而为研究基因功能、诊断疾病、药物研发等提供了有力的工具。
本文将对基因芯片技术的原理进行详细介绍。
二、基础知识在介绍基因芯片技术之前，我们需要了解一些与此相关的基础知识。
1. 基因基因是指控制生物遗传特征的DNA序列，它们通过转录和翻译过程被转化为蛋白质或RNA分子。
2. 基因表达基因表达是指在细胞中将DNA序列转录成RNA分子并进一步转化为蛋白质的过程。
不同类型的细胞和不同环境条件下，某些基因会被激活或抑制，从而导致不同的表达模式。
3. DNA微阵列DNA微阵列是由数千个DNA探针组成的小型晶片，每个探针都可以与特定的DNA序列匹配。
通过检测这些探针与样品中DNA分子结合情况，可以确定样品中某些基因的表达水平。
三、基因芯片技术原理基因芯片技术是一种高通量的基因表达分析方法，它可以同时检测成千上万个基因的表达水平。
其原理如下：1. 制备芯片首先，需要制备一张DNA微阵列芯片。
这个过程包括两个步骤：合成探针和固定探针。
合成探针：利用化学方法在晶片表面合成数千个短DNA序列，每个序列都与一个特定的基因相关联。
固定探针：将合成好的DNA微阵列芯片与样品中的DNA分子反应，使得每个探针都能够与样品中相应的DNA分子结合。
这样，在检测过程中就可以确定不同基因在样品中的表达水平。
2. 样品处理为了检测不同环境条件下某些基因的表达模式，需要对不同样品进行处理。
例如，在研究肿瘤细胞时，可以将正常细胞和癌细胞作为两种不同样品进行比较。
在处理之前，需要从每个样品中提取RNA分子。
这可以通过RNA提取试剂盒等商用试剂盒完成。
3. 样品标记为了使样品中的RNA分子能够与芯片上的探针结合，需要对RNA进行标记。
这可以通过荧光染料或放射性同位素等方法实现。
4. 杂交反应将标记好的RNA样品与DNA微阵列芯片进行杂交反应。
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。
基因芯片的发展
基因芯片的发展1. 引言基因芯片是一种高通量的生物技术工具，用于检测和分析基因组中的数千个基因。
随着基因芯片技术的不断发展，它已经成为生物学、医学和农业领域中不可或缺的研究工具之一。
本文将探讨基因芯片的发展历程、应用领域以及未来的发展趋势。
2. 基因芯片的起源基因芯片最早可以追溯到1990年代初期，当时科学家们开始尝试将DNA序列固定在玻璃片或硅片上，以便进行高通量的基因表达分析。
这些早期的基因芯片只能同时检测几个基因，且制备过程复杂且昂贵。
随着生物技术和微电子技术的快速发展，基因芯片逐渐实现了规模化生产和高通量检测。
现代基因芯片可以同时检测上万个基因，并且制备过程更加简单和经济。
3. 基因芯片的工作原理基因芯片主要由两部分组成：探针和芯片。
探针是一段短的DNA序列，用于特异性地与待测基因的DNA序列杂交。
芯片上固定了成千上万个不同的探针，可以同时检测多个基因。
基因芯片的工作原理如下： - 提取待测样品中的RNA或DNA。
- 通过反转录酶将RNA转录为互补的DNA（cDNA）。
- 将标记有荧光染料的cDNA与芯片上的探针杂交。
- 利用激光扫描芯片，检测探针与cDNA杂交的信号强度。
- 分析信号强度数据，得出基因在样品中的表达水平。
4. 基因芯片的应用领域基因芯片在生物学、医学和农业领域有着广泛的应用。
以下是一些主要应用领域的介绍：4.1 基因表达分析基因芯片可以帮助科学家们研究不同条件下基因表达的变化。
通过比较不同组织、不同时间点或不同实验条件下的基因表达谱，可以揭示基因调控网络和生物过程中重要基因的功能。
4.2 疾病诊断与预测基因芯片可以用于检测和诊断多种疾病，如癌症、心血管疾病和遗传性疾病等。
通过比较患者和正常人群的基因表达谱，可以发现与特定疾病相关的基因表达模式，并且可以预测患者的治疗反应和预后。
4.3 药物筛选与个体化治疗基因芯片可以帮助科学家们筛选出对特定药物敏感或耐药的患者。
基因芯片的必备知识和操作流程
基因芯片技术的诞生为生物技术工作人员打开了一道科研的便利之门，曾被评为1998年年度十大科技进展之一。
本文对基因芯片的实验原理、技术基础、分类、用途、操作主要环节等内容做详细的介绍。
基因芯片技术的诞生为生物技术工作人员打开了一道科研的便利之门，曾被评为1998年年度十大科技进展之一。
本文对基因芯片的实验原理、技术基础、分类、用途、操作主要环节等内容做详细的介绍。
1.基本原理和技术基础基因芯片以DNA杂交为基本原理，基于A和T、G和C的互补关系。
它是在探针的基础上研制出的。
所谓探针是一段人工合成或筛选出的已知顺序的碱基序列，样品分子上连接有一些cy3、cy5等可检测的物质。
经激光共聚焦荧光显微镜检出杂交或反应信号，通过计算机处理、分析，即可获得所需信息。
例如，用红、绿荧光分别标记实验样本和对照样本的cDNA，混合后与微阵列杂交，可显示实验样本和对照样本基因的表达强度(显示红色、绿色或黄色)，由此可在同一微阵列上同时检测两样本的基因表达差异。
在基因芯片工作过程中，固定位点使用不同分子生物学技术和碱基互补配对原则与待测基因片段杂交，并通过自动阅读设备分析杂交结果，达到定性、定量分析的目的。
基因芯片通过应用平面微细加工技术和超分子自组装技术，把大量分子检测单元集成在一个微小的固体基片表面，可同时对大量的核酸等生物分子实现高效、快速、低成本的检测和分析。
基因芯片的检测主要建立在放射标记技术、荧光标记技术、质谱分析、化学发光等技术上。
使用荧光标记的基因芯片需要专用的荧光扫描仪。
对于高密度的基因芯片，目前最常用的是激光共聚焦显微镜和高性能的冷却CCD。
目前专用于荧光扫描的扫描仪大致分为两类：一类是基于CCD(charge-coupled device，电荷耦合装置)的检测光子;另一类则是基于PMT(photomultiplier tube，光电倍增管)的检测系统。
生物芯片的发展得益于微细加工技术和现代分子生物技术的结合。
基因芯片技术基础知识(概念、制备、杂交、应用及发展方向)
基因芯片生物科学正迅速地演变为一门信息科学。
最明显的一个例子就是目前正在进行的HGP （human genome project），最终要搞清人类全部基因组的30亿左右碱基对的序列。
除了人的遗传信息以外，还有其它生物尤其是模式生物（model organism）已经或正在被大规模测序，如大肠杆菌、啤酒酵母、秀丽隐杆线虫以及中国和日本科学家攻关的水稻基因组计划。
但单纯知晓生物基因组序列一级结构还远远不够，还必须了解其中基因是怎样组织起来的，每个基因的功能是什么，又是怎样随发育调控和微环境因素的影响而在特定的时空域中展开其表达谱的，即我们正由结构基因组时代迈入功能基因组时代。
随着这个功能基因组学问题的提出（后基因组时代，蛋白组学）[1]，涌现出许多功能强大的研究方法和研究工具，最突出的就是细胞蛋白质二维凝胶电泳（2-D-gel）（及相应的质谱法测蛋白分子量）和生物芯片（Biochip）技术[2]。
一．什么是基因芯片生物芯片，简单地说就是在一块指甲大小（1cm3）的有多聚赖氨酸包被的硅片上或其它固相支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等，但需经特殊处理。
作原位合成的支持物在聚合反应前要先使其表面衍生出羟基或氨基（视所要固定的分子为核酸或寡肽而定）并与保护基建立共价连接；作点样用的支持物为使其表面带上正电荷以吸附带负电荷的探针分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚赖氨酸等）将生物分子探针（寡核苷酸片段或基因片段）以大规模阵列的形式排布，形成可与目的分子（如基因）相互作用，交行反应的固相表面，在激光的顺序激发下标记荧光根据实际反应情况分别呈现不同的荧光发射谱征，CCD相机或激光共聚焦显微镜根据其波长及波幅特征收集信号，作出比较和检测，从而迅速得出所要的信息。
生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片。
而基因芯片中，最成功的是DNA芯片，即将无数预先设计好的寡核苷酸或cDNA在芯片上做成点阵，与样品中同源核酸分子杂交[3]的芯片。
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生物科学正迅速地演变为一门信息科学。
最明显的一个例子就是目前正在进行的HGP （human genome project），最终要搞清人类全部基因组的30亿左右碱基对的序列。
除了人的遗传信息以外，还有其它生物尤其是模式生物（model organism）已经或正在被大规模测序，如大肠杆菌、啤酒酵母、秀丽隐杆线虫以及中国和日本科学家攻关的水稻基因组计划。
但单纯知晓生物基因组序列一级结构还远远不够，还必须了解其中基因是怎样组织起来的，每个基因的功能是什么，又是怎样随发育调控和微环境因素的影响而在特定的时空域中展开其表达谱的，即我们正由结构基因组时代迈入功能基因组时代。
随着这个功能基因组学问题的提出（后基因组时代，蛋白组学）[1]，涌现出许多功能强大的研究方法和研究工具，最突出的就是细胞蛋白质二维凝胶电泳（2-D-gel）（及相应的质谱法测蛋白分子量）和生物芯片（Biochip）技术[2]。
一．什么是基因芯片生物芯片，简单地说就是在一块指甲大小（1cm3）的有多聚赖氨酸包被的硅片上或其它固相支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等，但需经特殊处理。
作原位合成的支持物在聚合反应前要先使其表面衍生出羟基或氨基（视所要固定的分子为核酸或寡肽而定）并与保护基建立共价连接；作点样用的支持物为使其表面带上正电荷以吸附带负电荷的探针分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚赖氨酸等）将生物分子探针（寡核苷酸片段或基因片段）以大规模阵列的形式排布，形成可与目的分子（如基因）相互作用，交行反应的固相表面，在激光的顺序激发下标记荧光根据实际反应情况分别呈现不同的荧光发射谱征，CCD相机或激光共聚焦显微镜根据其波长及波幅特征收集信号，作出比较和检测，从而迅速得出所要的信息。
生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片。
而基因芯片中，最成功的是DNA芯片，即将无数预先设计好的寡核苷酸或cDNA在芯片上做成点阵，与样品中同源核酸分子杂交[3]的芯片。
基因芯片的基本原理同芯片技术中杂交测序（sequencing by hybridization, SBH）。
即任何线状的单链DNA或RNA序列均可被分解为一个序列固定、错落而重叠的寡核苷酸，又称亚序列（subsequence）。
例如可把寡核苷酸序列TTAGCTCATATG分解成5个8 nt亚序列：(1)CTCATATG(2)GCTCATAT(3)AGCTCATA(4)TAGCTCAT(5)TTAGCTCA这5个亚序列依次错开一个碱基而重叠7个碱基。
亚序列中A、T、C、G 4个碱基自由组合而形成的所有可能的序列共有65536种。
假如只考虑完全互补的杂交，那么48个8 nt亚序列探针中，仅有上述5个能同靶DNA杂交。
可以用人工合成的已知序列的所有可能的n 体寡核苷酸探针与一个未知的荧光标记DNA/RNA序列杂交，通过对杂交荧光信号检测，检出所有能与靶DNA杂交的寡核苷酸，从而推出靶DNA中的所有8 nt亚序列，最后由计算机对大量荧光信号的谱型（pattern）数据进行分析，重构靶DNA 的互补寡核苷酸序列。
二．芯片类型一般基因芯片按其材质和功能，基本可分为以下几类[4](一)元件型微阵列芯片1.生物电子芯片2.凝胶元件微阵列芯片3.药物控释芯片(二) 通道型微阵列芯片1.毛细管电泳芯片2 .PCR扩增芯片3.集成DNA分析芯片4.毛细管电层析芯片(三)生物传感芯片1光学纤维阵列芯片2白光干涉谱传感芯片小鼠基因表达谱芯片(MGEC)附:目前国内基因芯片常见品种.(上海博星公司)芯片品种芯片点数MGEC-20S 2000MGEC-40S 4000MGEC-80S 8000癌症相关基因表达谱芯片(CRGEC)分类芯片型号芯片点数肝癌相关基因表达谱芯片LiverC-16S 1626 LiverC-16D 3252 LiverC-9.5NS 954 LiverC-9.5ND 1908肺癌相关基因表达谱芯片LungC-7.3S 737LungC-7.3D 1474人类基因表达谱芯片(HGEC)芯片品种芯片点数HGEC-10S 1024HGEC-10D 2048HGEC-20S 2048HGEC-20D 4096HGEC-40S 4096HGEC-40D 8192HGEC-80S 8192HGEC-80D 16184三基因芯片的制备芯片种类较多，制备方法也不尽相同，常见的芯片可分为两大类：一类是原位合成；一种是直接点样。
原位合成适用于寡核苷酸；直接点样多用于大片段DNA，有时也用于寡核苷酸，甚至mRNA。
原位合成有两种途径。
一是光蚀刻法；一是喷印法。
光蚀刻法可以合成30nt左右，喷印法可以合成40-50nt，光蚀刻法每步缩合率较低，一般为95%左右，合成30nt产率仅20%；喷印法可达99%以上，合成30nt产率可达74%，从这个意义上说喷印法特异性应比光刻法高。
此外，喷印法不需特殊的合成试剂。
与原位合成法比较点样法较简单，只需将预先制备好的寡核苷酸或cDNA等样品通过自动点样装置点于经特殊处理的玻璃片或其它材料上即可。
1原位光蚀刻合成[5-7]寡聚核苷酸原位光蚀刻合成技术是由Affymetrix公司开发的，采用的技术原理是在合成碱基单体的5'羟基末端连上一个光敏保护基。
合成的第一步是利用光照射使羟基端脱保护，然后一个5'端保护的核苷酸单体连接上去，这个过程反复进行直至合成完毕。
使用多种掩盖物能以更少的合成步骤生产出高密度的阵列，在合成循环中探针数目呈指数增长。
某一含n个核苷酸的寡聚核苷酸，通过4×n个化学步骤能合成出4n个可能结构。
例如：一个完整的十核苷酸通过32个化学步骤，8个小时可能合成65,536个探针。
目前美国Affymetrix公司已有同时检测6,500个已知人类基因的DNA芯片，并且正在制备含500,000-1,000,000个寡核苷酸探针的人类基因检测芯片。
该公司每月投入基因芯片研究的经费约100万美元，目前产品尚未公开投放市场发挥经济效益，但已有许多公司及研究机构与其签约购买其产品。
该产品不仅可用于基因表达分析和基因诊断等，而且在大规模药物开发方面也具有诱人的前景。
Affymetrix的大部分产品将在98年底全面投放市场。
届时，在其产品被广泛采用的同时，其所有的研究投入将变成巨大的利润。
其它公司产品也正在从实验室技术研究走向开发应用。
目前，用于分子诊断的DNA芯片不仅已可用于检测爱滋病病毒基因还可用于囊性纤维化（CF）、乳腺癌、卵巢癌等疾病相关基因的基因诊断。
鉴于光刻设备技术复杂，只能有专业化公司生产，加之成本高及合成效率不高的问题，因此有待进行以下研究：⑴对光刻技术进行改进，提高合成效率；⑵开发新的原位合成技术，如喷印合成技术，该技术既能进行原位合成又能进行非原位合成。
另一方法是光导原位合成法。
具体方法是在经过处理的载玻片表面铺上一层连接分子（l inker），其羟基上加有光敏保护基团，可用光照除去，用特制的光刻掩膜（photolithograph ic mask）保护不需要合成的部位，而暴露合成部位，在光作用下去除羟基上的保护基团，游离羟基，利用化学反应加上第一个核苷酸，所加核苷酸种类及在芯片上的部位预先设定，所引入的核苷酸带有光敏保护基团，以便下一步合成。
然后按上述方法在其它位点加上另外三种核苷酸完成第一位核苷酸的合成，因而N个核苷酸长的芯片需要4N个步骤。
每一个独特序列的探针称为一个“feature”，这样的芯片便具有4N个“feature”，包含了全部长度为N的核苷酸序列。
这种原位直接合成的方法无须制备处理克隆和PCR产物，但是每轮反应所需设计的光栅则是主要的经费消耗。
运用这种方法制作的芯片密度可高达106探针/平方厘米，即探针间隔为5－10μm，但只能制作II型DNA芯片。
见图一。
2原位喷印合成芯片原位喷印合成原理与喷墨打印类似，不过芯片喷印头和墨盒有多个，墨盒中装的是四种碱基等液体而不是碳粉。
喷印头可在整个芯片上移动并根据芯片上不同位点探针的序列需要将特定的碱基喷印在芯片上特定位置。
该技术采用的化学原理与传统的DNA固相合成一致，因此不特殊制备的化学试剂。
3点样法点样法是将合成好的探针、cNDA或基因组DNA通过特定的高速点样机器人直接点在芯片上。
点样分子可以是核酸也可以是寡核酸。
一些研究者采用人工点样的方法将寡核苷酸分子点样于化学处理后的载玻片上，经一定的化学方法处理非干燥后，寡核苷酸分子即固定于载玻片上，制备好的DNA芯片可置于缓冲液中保存。
由于方法费时费力，不适于大规模DNA芯片制作，因而实现自动化点样就显得尤为重要。
有的研究者用多聚赖氨酸包被固相支待物玻片，经过分区后用计算机控制的微阵列点样机按照预先设计顺序点上核酸分子，点样量很小，约为5nl。
大规模CDNA芯片多采用这种方法，与其寡核苷酸微芯片相比。
DNA芯片的潜在优越性是具有更强的亲和势和特异性杂交，但是需要大量制备，纯化，量化，分类PCR产物。
有的研究者将玻片上覆盖20μm厚薄层聚丙烯酰胺凝胶作为支持物，采用机械刻写或光刻的方法在其表面划上网格，并用激光照射蒸发掉单元间隙的多余凝胶，以实现DNA芯片分区，单元大小为40×40μm或100×100μm间隔分别为50μm和100μm。
然后将化学方法合成的寡核苷酸探针自动化点样于各个单元内而制成DNA芯片，点样速度可达2000单元/秒。
其装置采用的机器人有一套计算机控制三维移动装置、多个打印/喷印针的打印/喷印头；一个减震底座，上面可放内盛探针的多孔板和多个芯片。
根据需要还可以有温度和湿度控制装置、针洗涤装置。
打印/喷印针将探针从多孔板取出直接打印或喷印于芯片上。
直接打印时针头与芯片接触，而在喷印时针头与芯片保持一定距离。
打印法的优点是探针密度高，通常1平方厘米可打印2,500个探针。
缺点是定量准确性及重现性不好，打印针易堵塞且使用寿命有限。
喷印法的优点是定量准确，重现性好，使用寿命长。
缺点是喷印的斑点大，因此探针密度低，通常1平方厘米只有400点。
国外有多家实验室和公司研究开发打印/喷印设备，目前有一些已经商品化。
军事医学科学院和益生堂生物企业公司目前正在联手利用打印/喷印技术进行生物芯片的研究和开发，预计2年内将有用于实验室研究或临床诊断的基因芯片产品问世。
见图二。
4电子芯片[8-10]电子芯片是由美国Ｎanogen公司开发的，目前国内清华大学和复旦大学也在开发这一技术。
这种芯片为带有阳电荷的硅芯片、芯片经热氧化，制成1mm×1mm的阵列、每个阵列含多个微电极，在每个电极上通过氧化硅沉积和蚀刻制备出样品池。
将连接链亲和素的琼脂糖覆盖在电极上，在电场作用下生物素标记的探针即可结合在特定电极上。