生物芯片
生物芯片分析
本章提纲
生物芯片简介与沿革 生物芯片的分类 基因芯片基本原理、流程与应用 蛋白质芯片及应用 其它芯片技术
第一节 生物芯片简介与沿革
什么是生物芯片 生物芯片(Biochip)主要指
通过平面微细加工技术，在 固体芯片表面等载体上的微 型生物化学分析系统，以实 现对细胞、蛋白质、核酸以
图像处理
1. 栅格化：确定点的位置 2. 图象分割 (Segmentation)：将点从背景中分离出来。 3. 抽提亮度：各个像素亮度的平均值 (mean)或中位数
(median) 4. 背景校正：局部或全局
植根区域生长法(SRG) Fixed Circle
基因表达量的定量
对于每个点，我们可以计算 Red intensity = Rfg - Rbg
1. cDNA microarrays: 将500~5,000bp的cDNA固 载到介质上 (例如玻璃)，Stanford开发设计，通 常为双通道
2. DNA chips: 将寡核苷酸探针 (20~80-mer) 合成 到芯片上，Affymetrix开发设计，通常为单通道
(1) cDNA microarrays
按实验要求分类
1. 单通道 (Single Channel): 一次检验一种状态 2. 双通道 (Dual Channel): 差异表达基因的筛选
1 片上原位合成寡核苷酸点阵芯片（ONA） 2 微量点样技术制作的CDNA 点阵芯片（CDA） ONA特点： （1）易寻址，利用组合化学的原理安排各寡核苷
(1) 差异表达基因的分析
1.差异表达基因的分析: 寻找处理前后表达上调或者 下调的基因
2. Are the treatments different 3. 使用标准的统计学方法检验 (t-test or f-test)，发
生物芯片技术简介及应用
生物芯片技术简介及应用一、生物芯片概念生物芯片（biochip）是指通过微加工技术，将生物大分子如核酸片段、多肽分子甚至细胞，组织切片等生物样品，有序地固化于支持物表面，然后与已标记的探针杂交，通过特定仪器如激光共聚焦显微扫描仪或电荷偶联元件（charge-coupled device，CCD）等对杂交信号的强度进行快速、并行、高效的检测，再经计算机分析和处理数据，从而获得相关生物信息。
由于常用玻片或硅片作为固相支持物，其与半导体芯片都有高度集成的特点，故称之为生物芯片。
生物芯片技术是20世纪90年代中期以来影响最深远的科技进展之一，是集生物学、物理学、化学、微电子学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术。
由于该技术可将大量的探针同时固定于固相支持物上，所以一次可以对大量的生物分子进行检测，从而解决了传统生物学分析方法复杂、自动化程度低、检测物数量少（通量低）等不足。
另外，通过设计不同的阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值，如基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序（sequencing by hybridization，SBH）等，为“后基因组计划”时代基因功能的研究及临床检验诊断学发展提供了强有力的工具。
同一种芯片从不同的角度，可有不同的归类组别和定位。
最为通用的分类方法是根据芯片基片上固定的探针分子不同，将生物芯片分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。
二、生物芯片的应用生物芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、药物筛选、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防、航天等许多领域。
它将为人类认识生命的起源、遗传、发育与进化、为人类疾病的诊断、治疗和预防开辟全新的途径，为生物大分子的全新设计和药物开发中先导化合物的快速筛选和药物基因组学研究提供技术支撑平台。
（一）疾病诊断基因芯片诊断技术以其快速、高效、灵敏、经济、平行化、自动化等特点，已成为一项现代化诊断新技术。
生物芯片
生物芯片及应用简介一、简介生物芯片（biochip)是指采用逛到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（比如玻璃、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与标记的待检测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分心，从而判断样品中靶分子的数量。
由于常用玻片/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。
根据芯片上的固定的探针不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片，另外根据原理还有原件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片、如果芯片上固定的是肽或蛋白，则称为肽芯片或蛋白芯片；如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探针或DNA，就是DNA芯片。
由于基因芯片（Genechip）这一专有名词已被业界的领头羊Affymetrix公司注册专利，因而其他厂家的同类产品通常称为DNA微阵列（DNA Microarray）。
这类产品是目前最重要的一种，有寡核苷酸芯片、cDNA芯片和Genomic芯片之分，包括二种模式：一是将靶DNA固定于支持物上，适合于大量不同靶DNA的分析，二是将大量的探针分子固定于支持物上，适合于对同一靶DNA进行不同探针序列的分析。
生物芯片技术是90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一，是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术，具有重大的基础研究价值，又具有明显的产业化前景。
由于用该技术可以将及其大量的探针同时固定于支持物上，所以一次可以对大量的生物分子进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交（Southern Blotting 和Northern Blotting等）技术复杂、自动化程度低、检测目的分子数量少、低通量（low through-put）等不足。
生物芯片
化学喷射技术
将事先合成好的寡聚核苷酸探针喷射到芯片上指定
的位置 优点：定量、准确，重现性好,使用寿命长 缺点：喷印的斑点大，探针密度低（每平方厘米只 有400个探针）
4.样品制备
• 待分析基因在与芯片结合探针杂交之前必需进 行分离、扩增用标记。根据样品来源、基因含 量用检测方法和分析目的不同，采用的基因分 离、扩增及标记方法各异。 • 为了获得基因的杂交信号必须对目的基因进行 标记，目前采用的最普遍的荧光标记方法与传 统方法如体外转录、PCR、逆转录等。原理上 并无多大差异，只是采用的荧光素种类更多， 这可以满足不同来源样品的平行分析。
点样法
点样法是将合成好的探针、 cDNA或基因组DNA 通过 特定的高速点样机器人直 接点在芯片上。采用的机 器人有一套计算机控制三维移动装置；多个打印 喷印头；一个减震底座，上面可放内盛探针的多 孔板和多个芯片。
优点：探针密度高（每平方厘米2500个探针），芯片制造速 度快
缺点：探针需事先合成、纯化，定量准确性及重现性不好
目前芯片价格昂贵，实际应用受到一定限制。各 大公司正在实行技术共享以降低成本。 探针的合成与固定比较复杂，难以保证好的聚合 效果，一些新的方法正应运而生。
3.前景
• 目前国外正在致力于这些问题的解决与 研究，国内也有研究者正在积极地开展 该项研究工作。我们有理由相信，随着 该技术的不断完善与发展，在将来，无 论是基因芯片还是蛋白芯片都会作为一 种简便快捷的技术，为我们的研究工作 与临床检测带来极大的便利。
4）光刻掩膜 5）按上述步骤选择性保护、偶联、即可接上第二个
核苷酸（如C） 6） 重复 光引导固相合成芯片上寡核苷酸阵列 采用这种技术生产的DNA芯片探针阵列密度可以高达
106-1010/cm2，即在1厘米见方的片基上排列几百万个
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》课件
技术挑战与解决方案
技术成熟度
生物芯片技术仍处在不断发展和 完善阶段，面临着诸多技术挑战 ，如灵敏度、特异性、可重复性
等。
解决方案
针对技术挑战，科研人员正在不断 探索和开发新的技术方法和解决方 案，如改进芯片制作工艺、优化检 测系统等。
标准化和规范化
为了提高生物芯片技术的可靠性和 可重复性，需要制定标准化的制作 和检测流程，推动技术的规范化应 用。
VS
详细描述
生物芯片技术也可应用于环境监测和食品 安全检测领域。通过检测环境样本中微生 物种类和数量，生物芯片技术能够评估环 境质量，为环境保护提供科学依据。在食 品安全方面，生物芯片技术可用于检测食 品中的有害物质、农药残留等，确保食品 质量和安全。
PART 05
生物芯片的挑战与前景
REPORTING
差异表达分析
比较不同条件下的分子表达谱 ，找出差异表达的基因或蛋白 质。
功能注释
对差异表达的基因或蛋白质进 行功能注释，揭示其在生物学 过程中的作用。
通路分析
对差异表达的基因或蛋白质进 行通路分析，揭示其在特定生
物学通路中的作用。
PART 03
生物芯片的类型与比较
REPORTING
DNA芯片
DNA芯片是一种高通量检测技术， 用于检测基因表达、基因突变和基因 组测序等方面。
详细描述
在新药研发和筛选过程中，生物芯片技术发挥着重要作用。利用生物芯片可以对大量候 选药物进行高通量筛选，快速找出具有潜在治疗作用的候选药物。同时，生物芯片技术
还可以用于研究药物作用机制和药物之间的相互作用，为新药研发提供有力支持。
环境监测与食品安全
总结词
生物芯片技术可以用于环境监测和食品 安全检测，保障公众健康和生态安全。
生物芯片的原理及应用
生物芯片的原理及应用生物芯片（Biochip）是一种具有微小尺寸的芯片，可以用于生物分析和生物诊断。
生物芯片的原理是将生物分析的技术和微电子技术相结合，通过微加工技术将生物分子携带的信息载体（例如DNA、RNA）固定在芯片表面的微小区域上，然后利用这些分子与特定的生物样品进行相互作用，通过检测分子之间的相互作用来实现对生物样品进行分析和诊断。
生物芯片可以分为两类：基于DNA的生物芯片和基于蛋白质的生物芯片。
基于DNA的生物芯片主要应用于基因分析和基因诊断，可以实现对大量基因的快速检测和分析。
而基于蛋白质的生物芯片主要应用于蛋白质相互作用的研究和蛋白质组学的高通量分析。
这两类生物芯片均适用于基因工程、生物医学研究、药物筛选等领域。
生物芯片的应用非常广泛。
在基因分析领域，生物芯片可以同步检测数万个基因，加快基因测序和基因变异的发现，为研究基因与疾病之间的关系提供了有力的工具。
例如，通过生物芯片可以对癌症患者的基因表达谱进行分析，从而帮助医生确定治疗方案。
在疾病诊断领域，生物芯片可以快速、准确地检测病原体（如细菌、病毒等）的存在，为临床医学提供了重要的辅助手段。
例如，通过生物芯片可以检测病毒的种类和数量，从而帮助医生进行感染性疾病的诊断和治疗。
除了基因分析和疾病诊断，生物芯片还可以用于药物研发和毒性测试。
生物芯片可以模拟人体器官的功能，通过外界刺激来观察药物对机体的影响，从而筛选出具有潜在药效的化合物，加快新药的开发速度。
此外，生物芯片还可以用于研究环境污染、农业育种和食品安全等领域。
然而，生物芯片的应用还面临一些挑战。
首先，生物芯片的制作需要复杂的微加工工艺，成本较高。
其次，生物芯片在与生物样品相互作用的过程中容易受到杂质的干扰，从而影响分析结果的准确性。
另外，生物芯片的数据处理和分析需要专业的知识和软件支持，对研究人员的要求较高。
综上所述，生物芯片是一种用于生物分析和生物诊断的技术工具，其原理是将生物分子固定在芯片上，并与特定样品进行相互作用来实现分析和诊断。
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。
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
生物芯片技术生物芯片技术是一种新兴的技术，它将生物学和电子学相结合，可以对生物样本进行高效的检测和分析。
这种技术可以应用于医学诊断、基因工程、生物学研究等领域，并在其中发挥着重要的作用。
生物芯片技术的核心是生物芯片，它是一种微型化的实验室。
生物芯片由微型管道、电极和化学试剂等部分组成，可以模拟人体内的生物反应。
当样本进入生物芯片时，化学试剂与样本发生反应，通过测量电极上的电流变化来获得有关样本的信息。
生物芯片技术的优势之一是高效性。
传统的实验室操作通常需要大量的样本和试剂，并且需要相对较长的时间才能获得结果。
而生物芯片技术可以在短时间内完成检测和分析，并且只需要少量的样本和试剂。
这使得生物芯片技术在医学诊断中大有用武之地，特别是在快速检测和早期诊断方面。
另一个生物芯片技术的优势是可靠性。
传统的实验室操作往往受到实验环境的影响，结果的准确性和重复性有时难以保证。
而生物芯片技术通过微型化的实验室可以更好地控制实验条件，提高了结果的可靠性和重复性。
这对于基因工程和生物学研究来说尤为重要，因为它们需要精确的结果来支持后续的工作。
生物芯片技术应用广泛，其中一个重要的应用领域是医学诊断。
通过在生物芯片上测定特定生物标志物的水平，可以快速准确地诊断出某些疾病，如肿瘤和心脏病。
此外，生物芯片还可以用于监测患者的疗效和预测疾病的发展趋势，为医生提供更好的治疗方案。
同时，生物芯片技术在基因工程领域也扮演着重要的角色。
通过生物芯片可以对基因进行高通量的测序和分析，揭示基因组的结构和功能。
这对于研究基因的功能和疾病的发生机制具有重要意义，并为基因治疗和个性化医疗提供了新的可能性。
生物芯片技术的快速发展还带来了一些挑战。
首先，生物芯片的设计和制造需要高度的技术和设备支持。
其次，生物芯片的标准化和质量控制也是一个难题，需要建立行业标准和监管机制。
此外，生物芯片技术涉及到大量的数据处理和分析，对于数据的存储和管理也提出了新的要求。
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。
生物芯片名词解释
生物芯片名词解释生物芯片(Bionic Device)是利用计算机进行信息处理的方法。
从结构上分类，生物芯片可分为以下三种： 1、微流体芯片(Micro Flow)由许多圆片构成。
每个圆片包含特定类型的传感器。
它们之间通过弹性膜隔开，每个圆片上包含许多微小的传感器。
当有电流通过时，它们会引起邻近的圆片发热，该热量被检测并转换成一个信号，这些信号可用于控制器中的数据采集系统。
这样就可以将信息与某个或多个物理对象相关联。
2、基因芯片(Genomic Device)：它主要由芯片基板和核酸探针构成。
一个芯片通常包含一个聚苯乙烯微球载体，表面涂有用于标记RNA的同位素或标记DNA的放射性药物。
其作用原理是将芯片放置在特定的固定位置，通过静电力将特定的RNA或DNA探针吸附到聚苯乙烯微球表面，并置于半导体衬底上形成生物芯片。
然后，通过适当的电学或磁场控制装置，使探针与芯片上的信息标记物发生特异性结合，从而完成基因测序、比较、显影等基本操作。
3、微胶囊(Microcapsule)：是一种由聚合物或硅橡胶制成的微型胶囊。
微胶囊一般具有抗化学腐蚀、高电绝缘性、透明度好、表面张力低、粘度稳定等特点，使其在微流体、微纳米尺度上得以广泛应用。
6、无线射频识别(RFID)：是一种非接触式自动识别技术，是一种简单、非接触式的自动识别技术。
其基本原理是射频信号通过空气耦合或电磁耦合作用，自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，不受电磁干扰，可穿越墙壁、不需要光源照射也能工作，采用无线电波，方便快捷。
7、医学信息交换用接口(Medical Information Interchange Protocol，简称HIPI)：是用于医学领域中实现实验室信息管理系统与医疗仪器设备之间信息互连的通用标准协议。
8、药品控制电子标签(Electronic Carton for Drug Control，简称ESED)：它是一种包括电子芯片和无线射频识别标签，可同时识别多种药品的控制装置。
生物芯片
品。
生物芯片集锦
芯片上的PCR扩增
在生物芯片发展的初期，主要是对 DNA芯片的研究，因而最初一些杂志刊物 往往用DNA芯片来囊括生物芯片的内容。
经过十多年的发展，生物芯片的概念已
经远远超出了DNA的领域，DNA芯片只是 生物芯片的一个小类别。
生物芯片研究 – 学科的紧密交叉
论证：
1994年国立卫生研究院、能源部 1995年商业部 1996年国防部
结论：
美国总统克林顿1998年的国文咨询 报告：在未来十二年内，基因芯片 将为人生的疾病预防提供导向图。
商 界 预 测
《财富》1997年3月31日
Microprocessors have reshaped our economy, spawned vast fortunes, and changed the way we live. Biochips could be even bigger … 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 ……
cDNA点阵芯片
寡聚核苷酸点阵芯片
是固相化学合成，光刻掩膜等技术的组 合，可以原位合成寡聚核苷酸
cDNA点阵芯片（cDNA microarray)
cDNA点阵芯片的过程示意图
cDNA点阵芯片上的杂交示意图
cDNA点阵芯片中用到的机械手
cDNA点阵芯片用到的杂交盒
cDNA芯片中Cy3标记的处理样
无信号
信号饱和
cDNA芯片中Cy5标记的对照样
无信号
信号饱和
cDNA芯片中两个荧光通道扫描图像的假色重叠图
生物芯片技术
生物芯片技术引言生物芯片技术是一种将生物体的生物分子与微电子技术相结合的先进技术。
通过固定在微小空间内的高度有序的生物分子阵列，生物芯片可以实现对生物分子的高通量并行检测和分析。
生物芯片技术的发展对生物学、医学、农业和环境科学等领域具有重要意义，而且在个性化医疗、新药开发、基因工程和环境监测等方面具有广阔的应用前景。
生物芯片的分类生物芯片根据其使用的生物分子可以分为基因芯片、蛋白芯片和细胞芯片。
基因芯片主要用于测定基因的表达水平和基因序列变异，以实现对基因功能和遗传学特征的研究。
蛋白芯片则主要用于识别和测定蛋白质的结构和功能。
细胞芯片则将生物芯片技术扩展到细胞层面，用于研究细胞行为和生理过程。
生物芯片的制备方法制备生物芯片有两种常见的方法：光刻法和喷墨法。
光刻法是传统的微电子制造技术，通过将生物分子的形状转移到光刻胶上，然后通过刻蚀将生物分子直接固定在芯片表面。
喷墨法则是将生物分子悬浮液喷射到芯片表面上，通过控制喷射位置和数量来实现高通量的芯片制备。
生物芯片的应用基因芯片在基因表达研究中的应用基因芯片广泛应用于基因表达研究。
通过在芯片上固定上千个不同的基因探针，可以同时测定成千上万个基因的表达水平。
这种高通量的并行检测技术使得研究人员可以全面地了解细胞和组织中基因的表达情况，从而研究基因调控网络和基因功能。
蛋白芯片在蛋白质研究中的应用蛋白芯片主要用于蛋白质的结构和功能研究。
通过在芯片上固定不同的蛋白质探针，可以检测样品中的多个蛋白质。
这种高通量的并行检测技术可以用于蛋白质互作研究、蛋白质组分析和蛋白质酶解等研究。
细胞芯片在细胞研究中的应用细胞芯片将生物芯片技术扩展到细胞层面，可以用于研究细胞行为和生理过程。
细胞芯片可以通过控制细胞所处的微环境来模拟生理条件，从而实现对细胞行为的高通量分析。
这种技术可以应用于药物筛选、肿瘤细胞研究和干细胞研究等领域。
生物芯片技术的发展趋势生物芯片技术在过去几十年中取得了长足的发展，但仍然面临一些挑战。
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
什么是生物芯片？通俗地讲，生物芯片是指能对生物分子（核酸、蛋白等）、细胞和组织进行快速并行处理和分析的微型器件。
生物芯片与电脑芯片的区别提起芯片，大家很可能都会想到电脑芯片。
它们的共同特点都是把庞大的系统进行缩微、集成，但是生物芯片和电脑芯片却有着天壤之别：电子芯片很怕水，接触到水溶液就会短路，而生物芯片恰恰要分析液体，输入其中的可能是血液、尿液、唾液等体液或其他化学液体，而不会出现短路现象；电子芯片是永久性固定使用，而生物芯片常常是伴随着相应的生物化学反应一次性使用；从材料上来说，电子芯片以硅为基本材料，而制备生物芯片使用的材料则比较广泛，除了硅，还可以使用玻璃、塑料、陶瓷等其他材料。
生物芯片的优势生物芯片具有很多常规实验室不可比拟的优势。
优势1：检测指标多常规的生物检测，通常每次只能检测一个指标，而生物芯片一次就可以同时进行多个指标的检测，这也使得每个指标的平均检测费用很低。
比如，通过生物芯片一次就可以整体上研究人类3万多个基因的整体表达图谱。
同时，生物芯片也可以同时对多个样本进行检测，比如，博奥生物开发的HLA 分型芯片，在一张芯片上能同时对上万个人的血液样品进行HLA的分型，时间可以节省一半，费用节省1/3。
目前，中华骨髓库已经采用了这项技术。
优势2：所需样品量小传统的实验室检测，需要的检测样品量较大，这对水稻等样品充足的检测项目当然不成问题。
可是有些生物样品数量有限，很难达到实验室检测的要求。
优势3：检测全面生物芯片还可以进行从微观水平到相对宏观水平的检测，得到基因水平、蛋白质水平，甚至组织水平的全息图像。
优势4：灵敏度高同传统的检测方法相比，生物芯片检测的灵敏度也更高。
优势5：检测速度快生物芯片能够同时进行多指标、多样品的检测，从而大大提高了检测的速度。
生物芯片用途临床诊断遗传疾病的诊断随着人类基因组计划的完成，许多遗传性疾病的相关基因已被定位，从而人们可以从基因水平上来认识遗传疾病并进行早期诊断。
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
生物芯片
生物芯片技术1基本概念生物芯片(Biological chip)是通过微加工技术和微电子技术将生物分子固着于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、陶瓷等固相介质上形成的微型生物化学分析系统，根据生物分子间特异相互作用的原理，从而实现对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速准确的检测。
2发展历史生物芯片概念是随着人类基因组的发展而建立起来的，该技术目前已成为世界各国及科研机构的研究“热点”，1998年美国科学促进会将生物芯片评为十大科技突破之一，它是20世纪90年代初半导体技术和生物技术联姻的结晶。
其起源可追溯到一个多世纪之前，EdSouthern发现被标记的核酸分子能够与另一被固化的核酸分子配对杂交，在80年代，Bains W.等人就将短的DNA片断固定到支持物上，借助杂交方式进行序列测定，基因芯片技术从实验阶段走向工业化是得益于其他技术的引入。
90年代初期人类基因组计划(Humanrro Genome Project.HGP) 和分子生物学相关学科的发展也为生物芯片技术的出现和发展提供了有利条件。
1992年Affymatrix公司Fodor领导的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，从此第一块生物芯片诞生。
1995年,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，标志着基因芯片技术进入了广泛研究应用的时期。
3基本原理生物芯片实质上就是在载体（硅片、玻片和高聚物载体）上按照特定的排列方式固定上大量的探针，形成一种DNA（抗原、抗体或其他物质）微矩阵，将样品DNA/RNA通过PCR/RT-PCR扩增、体外转录等技术掺人荧光标记分子后，与位于芯片上的探针杂交，最后通过荧光扫描仪及计算进行综合分析后，即可获得样品中大量基因序列及表达的信息。
按照芯片上固化的生物材料的不同，可以将生物芯片划分为基因芯片（也称为DNA芯片）、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片。
生物芯片的功能
生物芯片的功能
生物芯片是一种集成电路，其中包含基因、蛋白质、细胞或整个生物体的信息。
生物芯片的功能主要包括以下几个方面：
1. 基因表达：生物芯片可以检测和分析生物体的基因表达水平，帮助研究人员了解基因在各种生物过程中的活动模式。
2. 检测和诊断：生物芯片可以用于检测和诊断疾病，如癌症、心血管疾病和感染性疾病等。
通过检测生物样本中的特定基因或蛋白质标记物，可以提供更准确的诊断结果。
3. 药物研究和开发：生物芯片可以用于药物研究和开发过程中的筛选和评估。
通过检测药物对特定基因或蛋白质的影响，可以更好地了解药物的效果和副作用。
4. 毒性测试：生物芯片可以用于评估化学物质对生物体的毒性。
通过分析基因表达和蛋白质水平的变化，可以得出化学物质对生物体的影响程度。
5. 单细胞分析：生物芯片在单细胞分析中也有广泛的应用。
通过分析单个细胞的基因表达和蛋白质水平，可以揭示不同细胞类型和功能亚群之间的差异。
总的来说，生物芯片的功能在于提供了一种高通量、高灵敏度和高效率的方法来研究和分析生物体的基因表达、蛋白质的相互作用、细胞功能以及药物和毒性的影响。
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Incorporation Detection Deblock; fluor removal
3’ OH free 3’ end
Next cycle
Sequencing-by-Synthesis (SBS)
3’ 5’
Cycle 1: Add sequencing reagents First base incorporated Remove unincorporated bases
• • • 高度自动化的系统 读取片段多，适合进行大量小片段的测序，如microRNA profiling 基于可逆反应，随反应轮数增加，效率降低，信号衰减，读取序列较短，给de novo sequencing 拼接带来困难
SOLiD sequencing
• • • 每个碱基读取两次非常高的准确性，特别是对于SNP的检测 灵活的系统，完善的磁珠编码系统，可以进行样品的pooling，分割测序区域 读取长度受连接反应的轮数限制，给de novo sequencing 拼接带来困难
A T G C G C A G A T G C T T A C G A T A C C C G A T C G A T
Detect signal Cycle 2-n: Add sequencing reagents and repeat
C T
1、每轮测序反应加入四种带有荧光标记的dNTP，末端带有可 以被去除的阻断基团 2、每轮反应只能整合一个核苷酸，仪器读取相应的荧光信号 3、信号读取结束，用化学方法去除阻断基团，进行下一轮测序 反应
Roche 454 焦磷酸测序 Pyrophosphate Sequencing
Illumina Solexa 合成测序 Sequence by Synthesize
ABI SOLiD 连接法测序 Sequence by Ligation
Roche 454 焦磷酸测序 Pyrophosphate Sequencing 基本原理
连接法测序 （二）
测序引物沿着Adapter移动 次，确保每个位点都被检测 移动5次 测序引物沿着 移动
连接法测序 （三）
0位置是 位置是Adapter的最后一个碱基，因此只检测一次， 的最后一个碱基， 位置是 的最后一个碱基 因此只检测一次， 该碱基是进行解码所必须的。 该碱基是进行解码所必须的。
20 microns
Reversible Terminator Chemistry 可逆终止反应
• All 4 labelled nucleotides in 1 reaction
O HN O PPP O N
cleavage fluor site
O 5’ DNA O HN O O N
X
3’
block
454 sequencing： Emulsion PCR (emPCR) ：
A
+ PCR Reagents + Emulsion Oil
B
Micro-reactors Adapter carrying library DNA Mix DNA Library & capture beads (limited dilution) Create “Water-in-oil” emulsion
454 sequencing： Deposition of DNA beads into ： the PicoTiter™Plate
Load beads into PicoTiter™Plate Load Enzyme Beads
Centrifuge Step
Illumina Solexa 合成测序 Sequence by Synthesize 基本原理
Sequenced short reads (typically 25–50 bp) from ChIP-Seq experiments are first mapped onto the reference genome. The mapped reads are then used to estimate statistical parameters, which include the estimation of the average length F of sequenced DNA fragments.
Gene Description
Ribosomal protein L29 Peroxiredoxin 2 Profilin 2 Stathmin-like 4 Cytochrome c oxidase subunit Vb Gamma-aminobutyric acid (GABA) A receptor, alpha 1 Ubiquitin B Ring finger protein 1 DIRAS family, GTP-binding RAS-like 2 PHD finger protein 20 Immunoglobulin J polypeptide Fibronectin 1 Nuclear factor I/X (CCAAT-binding transcription factor) Topoisomerase (DNA) II alpha 170kDa Keratin 8 Integrin, beta 7 Brain abundant, membrane attached signal protein 1 Dopamine receptor D1 interacting protein Glial fibrillary acidic protein Amyloid beta (A4) precursor-like protein 2
Solexa 测序 Workflow
ABI SOLiD 连接法测序 Sequence 利用探针的连接反应读取模板的 利用探针的连接反应读取模板的DNA序列 序列
1024种8碱基探针 4色荧光，4种双核苷酸，每色荧光有256个探针(4^6)
连接法测序 （一）
测序引物与adapter退火 测序引物与adapter退火 adapter
探针连接， 探针连接，检测荧光
切除荧光基团
第二轮探针连接， 第二轮探针连接，检测荧光
切除荧光基团 每个探针进行检测的两个碱基后面有三个匹配碱基， 每个探针进行检测的两个碱基后面有三个匹配碱基，因此一条测序引物读取的序列是不完整的
5’
Base calling from the raw data TG C TAC GAT …
1 2 5 8 9
3
4
6
7
TTTTTTTGT…
The identity of each base of a cluster is read off from sequential images 根据每个点每轮反应读取的荧光信号序列， 根据每个点每轮反应读取的荧光信号序列，转换成相 应的DNA序列 应的 序列
Digital expression profiling & microRNA re-sequencing：
hESC： human embryonic stem cells ： EB： embryoid bodies ：
ChIP-seq（1）： 人一号染色体DNA-蛋白相互作用
ChIP-seq（2）：
第五部分：其他类型的芯片 第五部分：
微缩芯片实验室（Lab-on-a-chip) 微缩芯片实验室（Lab-on药物运输芯片 生理功能辅助芯片 纳米芯片
第六部分 高通量测序技术简介 Next Generation Sequencing
• • • • Sample fragmentation Library preparation Sequencing reaction Data analysis
高通量测序的应用
• • • • • • De novo 测序 基因深度测序（genome re-sequencing） 转录组深度测序（transcriptome re-sequencing） Digital expression profiling ChIP-seq Methy-seq
Transcriptome resequencing：
malignant pleural mesotheliomas (MPMs) ：恶性胸膜间皮瘤 pulmonary adenocarcinoma (ADCA)：肺腺癌
Transcriptome characteristics
Expression difference between MPM and ADCA ample compare to a lung tissue control
Advantage & disadvantage 454 sequencing
• • • 读取长度大，400bp 可以对未知基因组进行从头测序de novo sequencing 当遇到polymer时，如AAAAAA等，荧光强度和碱基个数不成线性关系，判定 重复碱基个数有困难
Solexa sequencing
118 162 85 73 91 48 266 217 91 10 0 46 41 0 8 0 240 51 716 132
UHR
861 163 35 0 96 0 271 1538 0 10 113 799 12 42 346 59 81 0 0 69
Symbol
RPL29 PRDX2 PFN2 STMN4 COX5B GABRA1 UBB RING1 DIRAS2 PHF20 IGJ FN1 NFIX TOP2A KRT8 ITGB7 BASP1 DRD1IP GFAP APLP2
Adapter complement
Enrich Anneal Seq primer “Break micro-reactors” Isolate DNA containing beads Perform emulsion PCR