《基因芯片技术》
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
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。）
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。
CGTTAGA T
GTTAGATC
ATACGTTAGATC TATGCAATCTAG
重组的互补序列 靶序列
测序芯片
基因表达谱芯片
基 因 差 异 表 达 分 析 芯 片
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。
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。）
芯片实验室的特点:
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。
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PPT课件
第三十四页，共55页。
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第四节 基因芯片的杂交及结果分析
4.1 探针的标记 标记的方法通常是在反转录的底物中加
入带有标记基团的寡核苷酸单体，通过反转 录将标记分子渗入cDNA 分子中。
mRNA反转录标记方法直接影响DNA芯 片分析结果的准确性及重现性。
方便等优点，目前在国际上广泛使用。
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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。）
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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、应用基Leabharlann 芯片技术第一页，共55页。
• 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。
第二页，共55页。
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…...”
《基因芯片技术》课件
STEP 02
公平性问题
基因信息属于个人隐私， 如何在科学研究与隐私保 护之间取得平衡是一个重 要问题。
STEP 03
误用风险
基因芯片技术可能被误用 于基因决定论或种族歧视 等不道德用途。
基因技术的应用可能带来 不公平的医疗资源和机会 分配。
展望与未来发展
高通量测序技术
随着测序技术的进步，基因芯片将与 高通量测序技术结合，提供更全面、 深入的基因组信息。
表面活性剂
为了提高芯片表面的亲水性和降低非特异性吸附，通常会 在芯片表面涂覆一层表面活性剂，如聚乙二醇（PEG）。
表面洁净度
芯片表面的洁净度对实验结果至关重要，必须严格控制表 面污染物的种类和浓度。
探针的合成与固定
探针设计
探针是基因芯片的关键组成部分，其设计应考虑特异性、长度、 GC含量等因素。常用的探针合成方法包括化学合成和生物合成。
详细描述
基因芯片可以快速检测和识别各种疾病相关基因的变异，如 癌症、遗传性疾病等。通过基因芯片技术，医生可以精确地 确定疾病的类型、分期和预后，为制定个性化治疗方案提供 依据。
药物研发与毒理学研究
总结词
基因芯片技术在药物研发和毒理学研究中具有重要作用，能够加速新药的发现和开发，同时降低药物研发成本和 风险。
通路和网络分析
通过生物信息学工具对差 异表达基因进行通路和网 络分析，揭示基因之间的 相互作用关系。
基因功能注释与富集分析
基因功能注释
利用生物信息学数据库对基因进 行功能注释，了解其生物学功能 和分类。
富集分析
通过统计方法检测差异表达基因 在特定生物学过程或通路中的富 集程度，揭示基因的功能特点和 潜在作用机制。
高灵敏度
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。
基因芯片技术高效
基因芯片技术是一种用于大规模分析特定基因表达水平的技术，它可以将数以亿计的探针分子固定在芯片上，与标记的样品进行杂交，从而快速、准确地检测到基因表达的变化，并用于药物开发、遗传病诊断和医学研究等领域。
该技术的高效性主要体现在以下几个方面：
1. 高通量：基因芯片技术可以在短时间内分析大量样品，通过一次杂交即可检测到多个基因的表达水平，大大提高了实验的效率。
2. 高灵敏度：基因芯片技术可以检测到低丰度的基因表达水平，对于一些难以检测的基因，基因芯片可以作为一种有效的检测手段。
3. 高精度：基因芯片技术的杂交过程可以在显微镜下观察和计数，保证了实验结果的准确性。
此外，基因芯片还可以对多个样品进行并行分析，大大提高了实验的便捷性和自动化程度。
4. 临床应用：基因芯片技术在临床诊断和药物开发等领域的应用也越来越广泛，它可以帮助医生更准确地诊断疾病，并为患者提供个性化的治疗方案。
同时，基因芯片还可以用于药物筛选和开发，为新药研制提供了更为准确和高效的手段。
在实际应用中，基因芯片技术已经成为了生物医药领域不可或缺的一部分。
但是，基因芯片技术也存在一些问题和挑战，例如实验技术的复杂性和成本较高，以及实验结果的可解释性等方面仍有待提高。
总之，基因芯片技术以其高效、高通量、高灵敏度、高精度等特点，在药物开发、遗传病诊断和医学研究等领域得到了广泛应用。
虽然还存在一些问题和挑战，但随着技术的不断发展和完善，基因芯片技术的应用前景将更加广阔。
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
图1基因芯片技术林晓强16307100046基因芯片又叫DNA 芯片是负责检测和分析基因的。
一.技术原理：基因芯片的测序原理是杂交测序方法，即通过与一组已知序列的核酸探针杂交进行核酸序列测定的方法。
双链DNA 在高温等条件下双螺旋解开形成两条互补的单链，当消除变性条件后，变性DNA 两条互补链可以重新结合，利用DNA 的这种特性，将两个以上不同来源的多核苷酸链之间由于互补而使它们在复性过程中形成异源杂合分子的过程称为杂交。
双链DNA 加热变性成为单链，作为探针，将多个探针点在芯片上，然后将用同位素标记的靶基因接触基因芯片，在消除变性条件下，靶基因与互补的探针结合（如图1），最后通过确定荧光强度最强的探针位置（如图2），获得一组序列完全互补的探针序列。
据此可重组出靶核酸的序列。
这个原理看似简单，实际有几个技术难点1.如何将探针“点”在芯片上？以及芯片种类？其一：固定在聚合物基片(尼龙膜，硝酸纤维膜等)表面上的核酸探针或cDNA 片段，图2通常用同位素标记的靶基因与其杂交，通过放射显影技术进行检测。
优点：技术比较成熟缺点：芯片上探针密度不高，样品和试剂的需求量大，定量检测存在较多问题。
其二：用点样法固定在玻璃板上的DNA探针阵列，通过与荧光标记的靶基因杂交进行检测。
优点：点阵密度可有较大的提高，各个探针在表面上的结合量也比较一致缺点：标准化和批量化生产方面仍有不易克服的困难。
其三：在玻璃等硬质表面上直接合成的寡核苷酸探针阵列,与荧光标记的靶基因杂交进行检测。
优点：该方法把微电子光刻技术与DNA化学合成技术相结合，可以使基因芯片的探针密度大大提高，减少试剂的用量，实现标准化和批量化大规模生产。
2.如何通过探针序列重组出靶核酸序列？在一块基片表面固定了序列已知的八核苷酸的探针（如图）。
当溶液中带有荧光标记的核酸序列TATGCAATCTAG，与基因芯片上对应位置的核酸探针产生互补匹配时，通过确定荧光强度最强的探针位置，获得一组序列完全互补的探针序列。
基因芯片技术
基因芯片技术基因芯片技术是一种高通量的生物技术平台，可以同时测量上千个基因的表达量或突变状态。
该技术的出现，为研究基因与生物体生理、发育、进化及疾病发生等方面的关系提供了重要工具，同时也推动了生物医学、农业、环境科学等领域的发展。
基因芯片技术的基本原理是，将成千上万个寡核苷酸探针固定在玻璃片或硅片上，形成一个固定化的小芯片。
每个探针可以与特定的基因序列互补配对，从而可以在芯片上同时检测多个基因的表达情况。
通常，研究人员会将待检测的RNA或DNA 样品标记，然后加到芯片上，通过互补配对，可以确定每个基因的表达量或突变状态。
基因芯片技术的关键在于可以高效、快速地同时检测大量基因信息。
基因芯片技术的应用广泛，其中最重要的应用之一是基因表达谱分析。
通过测量细胞或组织中所有基因的表达水平，可以了解基因在不同生理或病理条件下的变化。
例如，在癌症研究中，可以通过基因芯片技术比较癌细胞与正常细胞的基因表达谱，找出与癌症相关的基因变化，从而揭示癌症的发生机制，并寻找治疗目标。
此外，基因芯片技术还可以用来研究基因调控网络、药物作用机制等。
与传统的方法相比，基因芯片技术具有很多优势。
首先，基因芯片技术可以同时检测大量基因，大大提高了实验效率。
一张芯片上可以同时检测数千个基因，比传统方法要快捷得多。
其次，基因芯片技术具有高灵敏性和高精确性。
可以检测到低表达基因的信号，并可以避免手工操作引入的误差。
此外，基因芯片技术还可以提供大量的数据，为生物学研究提供了更多的信息。
然而，基因芯片技术也存在一些局限性。
首先，基因芯片技术只能检测已知的基因序列，对于未知基因或新发现的基因变体，无法提供准确的信息。
其次，芯片设计需要基于已有的基因序列信息，如果基因组中还有未解析的区域，这些区域的信息可能无法得到有效检测。
再者，基因芯片技术的数据处理和分析也面临一定的挑战，需要建立合适的分析流程和算法，以准确解读芯片数据。
尽管存在一些局限性，基因芯片技术仍然是一种重要的生物技术平台。
基因芯片技术PPT课件
处理 电信号
生物信息
?
•DNA芯片
基因芯片
荧光标记的样品 共聚焦显微镜
获取荧光图象
杂交
探针设计
杂交结果分析
蛋白芯片(Protein Chips)
抗原——抗体、蛋白相互作用
组织芯片
将数十个甚至数千 个不同个体的组织 标本集成在一张固 相载体上所形成的 组织微阵列。
芯片实验室 （Lab-on-chip)
Detector 2
Scanner
图像处理
Detector 1
Detector 2
False-color differential image
图像分析
(1) find spots (2) quantitate spot intensities
图像分析
（3）calculate ratios
[cy3] [cy5]
杂交结果的聚类分析
表达谱聚类分析软件 Treeview
肿瘤基因表达谱分析与 肿瘤的分子分型
Molecular Classification of Cancer: Class Discovery and Class Prediction by Gene
Expression Monitoring
Golub T R, Slonim D K, Tamayo P, et al.
Probes Adhesion layer Substrate
二、样品的准备
• 样品的分离纯化
• 样品的扩增、标记：
反转录标记 随机引物延伸标记 PCR标记
基因表达谱Hale Waihona Puke 色标记Sample cells
1) 2)
Labeled RNA or DNA (Sample )
基因芯片技术原理
基因芯片技术原理基因芯片技术是一种高通量基因分析技术，可以同时检测和分析大量基因的表达水平、基因突变和基因型等信息。
基因芯片技术利用了DNA、RNA、蛋白质等生物大分子的亲和性和特异性相互作用，在一个小芯片上固定上千至百万个特定的核酸序列或蛋白质，从而实现多个基因或蛋白质的高通量检测和分析。
首先是芯片设计。
芯片设计是基因芯片技术的关键步骤之一，需要依据研究目的选择合适的探针，将目标基因的序列信息或基于已知基因的特定序列设计成探针。
常用的基因芯片包括全基因组芯片、差异表达芯片、SNP芯片和甲基化芯片等。
全基因组芯片包含了整个基因组的探针，能够对全基因组的表达水平进行分析；差异表达芯片是基于不同样品之间基因表达的差异，通过比较样品间的信号差异来鉴定差异基因；SNP芯片用于检测单核苷酸多态性位点的基因型；甲基化芯片则用于分析DNA的甲基化水平。
接下来是样品制备。
样品制备是基因芯片技术的另一个重要步骤，主要包括核酸提取、标记和杂交等过程。
首先需要从样品中提取出目标核酸（DNA或RNA），并进行高质量的纯化和放大。
接下来，需要对提取的核酸进行标记，常用的标记方法包括荧光标记和生物素标记等。
标记后的核酸样品将通过特定的杂交液处理，与芯片上的探针发生特异性杂交反应。
然后是杂交。
杂交是基因芯片技术的核心步骤，即将标记后的核酸样品与芯片上的探针进行特异性结合，形成揭示目标基因表达或突变水平的信号。
通常采用液相杂交或固相杂交的方式，将标记的核酸样品与探针共同放置在芯片上，通过温度和盐浓度的控制，使核酸与探针之间发生特异性结合。
结合完毕后，通过洗涤去除非特异性结合的核酸，进一步提高信号的特异性。
最后是信号检测。
信号检测是基因芯片技术的最后一步，主要通过荧光扫描、激光检测等方法来获取芯片上的信号，并将其转化为数值化的数据。
在芯片表面固定的探针与杂交样品结合形成亲和复合物后，根据标记的方式可以得到荧光信号。
通过高分辨率的扫描仪或激光检测仪，可以获取芯片上每个探针的信号强度。
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。
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五、基因芯片的应用
基因表达分析：人类基 因组编码大约100,000个 不同的基因，仅掌握基 因序列信息资料，要理 解其基因功能是远远不 够的，因此，具有监测 大量mRNA的实验工具很 重要。基因芯片技术可 清楚地直接快速地检测 出以1:300,000水平出现 的mRNA，且易于同时监 测成千上万的基因。
高密度芯片的分析一般采用荧光素标记探针，通过适当 内参的设置及对荧光信号强度的标化可对细胞内mRNA的 表达进行定量检测。近年来运用的多色荧光标记技术可 更直观地比较不同来源样品的基因表达差异，即把不同 来源的探针用不同激发波长的荧光素标记，并使它们同 时与基因芯片杂交，通过比较芯片上不同波长荧光的分 布图获得不同样品间差异表达基因的图谱，常用的双色 荧光试剂有Cy3-dNTP和Cy5-dNTP。
（二）样品的准备
样品的分离纯化：DNA , mRNA 扩增：PCR, RT—PCR，固相PCR 探针的标记：已克隆的基因片段、PCR，RT-PCR扩增的基 因片段、人工合成的DNA片段，单链、双链、DNA或RNA 均可作为探针。 荧光标记（常用Cy3、Cy5），生物素、放射性标记,通常 是在待测样品的PCR扩增、逆转录或体外转录过程中实现 对探针的标记。对于检测细胞内mRNA表达水平的芯片,一 般需要从细胞和组织中提取RNA,进行逆转录,并加入偶联 有标记物的dNTP,从而完成对探针的标记过程。
十 基因芯片技术
1 生物芯片简介及分类 2 基因芯片制备及应用
第一节 生物芯片简介及分类
一、生物芯片(biochip)的概念 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、蛋白质 、基因及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测 。 生物芯片主要特点是高通量、微型化和自动化。
基因芯片技术
基因表达谱分析原理
肿瘤基因表达谱分析与 肿瘤的分子分型
Molecular Classification of Cancer: Cdiction by Gene
Expression Monitoring
Golub T R, Slonim D K, Tamayo P, et al.
靶分子
••• G CA A A C G A G G C A A A A G T C C••• TTTGCTCAGTTTTCA TTTGCTCCGTTTTCA TTTGCTCGGTTTTCA TTTGCTCTGTTTTCA TTGCTCAGTTTTCAG TTGCTCACTTTTCAG TTGCTCAATTTTCAG TTGCTCATTTTTCAG
2. 支持物的选择与处理
• 实性材料： 硅芯片、玻片和瓷片等
• 膜性材料： 聚丙烯膜，尼龙膜，硝酸纤维素膜
• 支持物的处理： 氨基化 醛基化
3.原位合成芯片的制备
• 显微光蚀刻技术 • 压电打印法 • 分子印章法
显微光蚀刻技术
4.DNA微阵列的制备
• 喷墨打印：非接触式
• 针式打印：接触式
基因芯片制作的三种技术
microarrays (Affymetrix, containing probes for 6817 human genes )
24 of 25 samples 10 of 13 samples
基因芯片技术的应用领域
临床疾病的 基因诊断
基因组研究
后基因组计划
药物研究开发
DNA芯片
生物信息学
法医学鉴定
Detector 2
Scanner
图像处理
Detector 1
Detector 2
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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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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。
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。
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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• 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。
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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。
（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:
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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）
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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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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
—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。
• 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…...”
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