《基因芯片技术》
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质、基因及其他生物组分
的准确、快速、大信息量
的检测。
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4
• 基因芯片——又称DNA芯片或DNA阵列， 是生物芯片的一种类型，它是将DNA分子 固定于支持物上，并与标记的样品杂交， 通过自动化仪器检测杂交信号的强度来判 断样品中靶分子的数量，进而得知样品中 mRNA 的表达量，也可以进行基因突变体 的检测和基因序列的测定。
其三、高通量。
其四、能耗低，物耗少，污染小。每个分析样品所消耗的试剂仅几微 升至几十个微升，被分析的物质的体积只需纳升级或皮升级。
其五、廉价，安全。无论是化学反应芯片还是分析芯片由于上述特点随着技术 上的成熟，其价格将会越来越廉价。针对化学反应芯片而言，由于化学反应在 微小的空间中进行，反应体积小，分子数量少，反应产热少，又因反应空间体 表面积大，传质和传热的过程很快，所以比常规化学反应更安全。
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12
2.2 按点样方式分类
1、原位合成芯片（将半导体中的光蚀刻技术运
用到DNA合成化学中，以单核苷酸或其他分子大 分子为底物，在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸）
2、微矩阵芯片（目前应用最广泛的基因芯片之一。
具有高密度、制作简便的特点。其是将用PCR或 化学合成等方法得到的DNA或寡核苷酸片段用针 点或喷点的方法直接排列到玻片等载体上，从而 制备成芯片。）
其一、集成性。目前一个重要的趋势是：集成的单元部件越来越多，且集成 的规模也越来越大。所涉及到的部件包括：和进样及样品处理有关的透析、 膜、固相萃取、净化；用于流体控制的微阀（包括主动阀和被动阀），微泵 （包括机械泵和非机械泵）；微混合器，微反应器，另外还有微通道和微检 测器等。
其二、分析速度极快。Mathies研究小组在一个半径仅为8厘米长的园盘上集成 了384个通道的电泳芯片。他们在325秒内检测了384份与血色病连锁的H63D 突变株（在人HFE基因上）样品，每个样品分析时间不到一秒钟。
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5
1.2 基因芯片分析流程
基因芯片分析的过程主要包括样品及其标记
处理、芯片制作、分子杂交、信号的检测和数据
处理及分析等几个步骤。
• 基因芯片的理论基础： • 传统的Southern blot和Northern blot是将受检测
的样本固定在尼龙膜上，再利用特定的已知探针 来检测样本中是否存在互补的DNA序列。 • 基因芯片的核心原理与Southern blot和Northern blot相同，只是相反将各种探针固化到基质上， 用以检测受检样品中与各种探针互补的核酸物质 的变化。
—TATGCAATCTAG
GTTAGATC
ATACGTTAGATC
TATGCAATCTAG
重组的互补序列 靶序列
测序芯片
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17
基因表整达理p谱pt 芯片
18
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片基 因 差 异 表 达 分 析 芯
19
第三节 基因芯片的制作
固相介质 硅片、二氧化硅、玻璃、尼龙膜、塑料等。 靶片段 DNA、寡核苷酸、RNA等。 探针 mRNA，或是以mRNA为模板合成的cDNA。 标记物 常采用荧光剂（如Cy3、Cy5）；同位素等。
（Miniaturized Total Analysis System,µ-TAS）是指把生物和
化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测
等基本操作单位集成或基本集成一块几平方厘米的芯片上，用
以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一
种技术。
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芯片实验室的特点:
• 生物芯片是八十年代末在生命科学 领域中迅速发展起来的一项高新技术， 它主要是指通过微加工技术和微电子 技术在固体芯片表面构建的微型生物 化学分析系统，以实现对细胞、蛋白 质、DNA以及其他生物组分的准确、 快速、大信息量的检测。
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1
世界著名商业杂志《财富》对基因 生 物 芯 片 领 域 非 常 看 好 ， 它 在 其 1997 年的3月31刊中讲到：“微处理器使我 们的经济发生了根本改变、给人类带来 了巨大的财富、改变了我们的生活方式。 然而，生物芯片给人类带来的影响可能 会更大…...”
整理pptቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
9
2、基因芯片的缺点
基因芯片技术体系的建立和使用需要较 大的投入。
（但是，相对于传统的表达分析技术而 言，单个基因分析的成本仍是较低的。）
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11
第二节 生物芯片的分类
2.1 按载体材料分类 玻璃芯片 硅芯片 陶瓷芯片 玻璃芯片具有易得、荧光背景低、应用
方便等优点，目前在国际上广泛使用。
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6
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7
1 样品制备 2 DNA提取 3 荧光标记 4 分子杂交 5 信号检测 6 点阵分析
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8
1.3 基因芯片技术的特点
1、基因芯片的优点
1）高通量性：可同时并行分析成千上万种分子。 节省时间，并减少系统误差。
2）微型化
3）高度自动化
4）结果重现性和准确性更高（基因芯片能在同 一张芯片上同时对实验组和对照组材料进行杂 交分析，这样就实现了平行化操作，避免了各 种误差，使实验结果具有可比性）
3、电定位芯片（利用静电吸附的原理将DNA快
速定位在硅基质、导电玻璃上。）
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13
2.3 按芯片固定的生物分子类型分类 （1）基因芯片或DNA芯片 （2）蛋白质芯片 （3）芯片实验室（lab-on-chip）
将一个实验的各个步骤微缩于一个芯片上
芯片实验室（Lab-on-a-chip）或称微全分析系统
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2.4 按芯片使用功能分类 （1）测序芯片 （2）表达谱芯片 （3）基因差异表达分析芯片
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一组寡核苷酸探针
ATACGTTA
TACGTTAG
由杂交位置确定的一组 核酸探针序列
ATACGTTA
TACGTTAG ACGTTAGA CGTTAGAT GTTAGATC
杂交探针组
ACGTTAGA CGTTAG AT
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2
芯酵 片母
全 基 因 组 基 因
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3
第一节 生物芯片简介
1.1 生物芯片的定义
生物芯片是指通过机器人自动印迹或光引 导化学合成技术在硅片、玻璃、凝胶或尼龙 膜上制造的生物分子微阵列，根据分子间的 特异性相互作用的原理，将生命科学领域中 不连续的分析过程集成于芯片表面，以实现 对细胞、蛋白
的准确、快速、大信息量
的检测。
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• 基因芯片——又称DNA芯片或DNA阵列， 是生物芯片的一种类型，它是将DNA分子 固定于支持物上，并与标记的样品杂交， 通过自动化仪器检测杂交信号的强度来判 断样品中靶分子的数量，进而得知样品中 mRNA 的表达量，也可以进行基因突变体 的检测和基因序列的测定。
其三、高通量。
其四、能耗低，物耗少，污染小。每个分析样品所消耗的试剂仅几微 升至几十个微升，被分析的物质的体积只需纳升级或皮升级。
其五、廉价，安全。无论是化学反应芯片还是分析芯片由于上述特点随着技术 上的成熟，其价格将会越来越廉价。针对化学反应芯片而言，由于化学反应在 微小的空间中进行，反应体积小，分子数量少，反应产热少，又因反应空间体 表面积大，传质和传热的过程很快，所以比常规化学反应更安全。
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2.2 按点样方式分类
1、原位合成芯片（将半导体中的光蚀刻技术运
用到DNA合成化学中，以单核苷酸或其他分子大 分子为底物，在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸）
2、微矩阵芯片（目前应用最广泛的基因芯片之一。
具有高密度、制作简便的特点。其是将用PCR或 化学合成等方法得到的DNA或寡核苷酸片段用针 点或喷点的方法直接排列到玻片等载体上，从而 制备成芯片。）
其一、集成性。目前一个重要的趋势是：集成的单元部件越来越多，且集成 的规模也越来越大。所涉及到的部件包括：和进样及样品处理有关的透析、 膜、固相萃取、净化；用于流体控制的微阀（包括主动阀和被动阀），微泵 （包括机械泵和非机械泵）；微混合器，微反应器，另外还有微通道和微检 测器等。
其二、分析速度极快。Mathies研究小组在一个半径仅为8厘米长的园盘上集成 了384个通道的电泳芯片。他们在325秒内检测了384份与血色病连锁的H63D 突变株（在人HFE基因上）样品，每个样品分析时间不到一秒钟。
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1.2 基因芯片分析流程
基因芯片分析的过程主要包括样品及其标记
处理、芯片制作、分子杂交、信号的检测和数据
处理及分析等几个步骤。
• 基因芯片的理论基础： • 传统的Southern blot和Northern blot是将受检测
的样本固定在尼龙膜上，再利用特定的已知探针 来检测样本中是否存在互补的DNA序列。 • 基因芯片的核心原理与Southern blot和Northern blot相同，只是相反将各种探针固化到基质上， 用以检测受检样品中与各种探针互补的核酸物质 的变化。
—TATGCAATCTAG
GTTAGATC
ATACGTTAGATC
TATGCAATCTAG
重组的互补序列 靶序列
测序芯片
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基因表整达理p谱pt 芯片
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片基 因 差 异 表 达 分 析 芯
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第三节 基因芯片的制作
固相介质 硅片、二氧化硅、玻璃、尼龙膜、塑料等。 靶片段 DNA、寡核苷酸、RNA等。 探针 mRNA，或是以mRNA为模板合成的cDNA。 标记物 常采用荧光剂（如Cy3、Cy5）；同位素等。
（Miniaturized Total Analysis System,µ-TAS）是指把生物和
化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测
等基本操作单位集成或基本集成一块几平方厘米的芯片上，用
以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一
种技术。
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芯片实验室的特点:
• 生物芯片是八十年代末在生命科学 领域中迅速发展起来的一项高新技术， 它主要是指通过微加工技术和微电子 技术在固体芯片表面构建的微型生物 化学分析系统，以实现对细胞、蛋白 质、DNA以及其他生物组分的准确、 快速、大信息量的检测。
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世界著名商业杂志《财富》对基因 生 物 芯 片 领 域 非 常 看 好 ， 它 在 其 1997 年的3月31刊中讲到：“微处理器使我 们的经济发生了根本改变、给人类带来 了巨大的财富、改变了我们的生活方式。 然而，生物芯片给人类带来的影响可能 会更大…...”
整理pptቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
9
2、基因芯片的缺点
基因芯片技术体系的建立和使用需要较 大的投入。
（但是，相对于传统的表达分析技术而 言，单个基因分析的成本仍是较低的。）
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第二节 生物芯片的分类
2.1 按载体材料分类 玻璃芯片 硅芯片 陶瓷芯片 玻璃芯片具有易得、荧光背景低、应用
方便等优点，目前在国际上广泛使用。
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1 样品制备 2 DNA提取 3 荧光标记 4 分子杂交 5 信号检测 6 点阵分析
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1.3 基因芯片技术的特点
1、基因芯片的优点
1）高通量性：可同时并行分析成千上万种分子。 节省时间，并减少系统误差。
2）微型化
3）高度自动化
4）结果重现性和准确性更高（基因芯片能在同 一张芯片上同时对实验组和对照组材料进行杂 交分析，这样就实现了平行化操作，避免了各 种误差，使实验结果具有可比性）
3、电定位芯片（利用静电吸附的原理将DNA快
速定位在硅基质、导电玻璃上。）
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2.3 按芯片固定的生物分子类型分类 （1）基因芯片或DNA芯片 （2）蛋白质芯片 （3）芯片实验室（lab-on-chip）
将一个实验的各个步骤微缩于一个芯片上
芯片实验室（Lab-on-a-chip）或称微全分析系统
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2.4 按芯片使用功能分类 （1）测序芯片 （2）表达谱芯片 （3）基因差异表达分析芯片
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一组寡核苷酸探针
ATACGTTA
TACGTTAG
由杂交位置确定的一组 核酸探针序列
ATACGTTA
TACGTTAG ACGTTAGA CGTTAGAT GTTAGATC
杂交探针组
ACGTTAGA CGTTAG AT
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芯酵 片母
全 基 因 组 基 因
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第一节 生物芯片简介
1.1 生物芯片的定义
生物芯片是指通过机器人自动印迹或光引 导化学合成技术在硅片、玻璃、凝胶或尼龙 膜上制造的生物分子微阵列，根据分子间的 特异性相互作用的原理，将生命科学领域中 不连续的分析过程集成于芯片表面，以实现 对细胞、蛋白