生物芯片技术ppt课件
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第十章 生物芯片技术
1. 基因芯片（Genechip） 又称DNA芯片,是根据核酸杂交的原理，将大
量探针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度及分布来进 行分析。
第十章 生物芯片技术
2. 蛋白质芯片(proteinchip) 利用抗体与抗原特异性结合即免疫反应
（一）探针的设计 （二）DNA芯片的制备
一、芯片制备
（一）探针的设计
1. 表达型芯片探针的设计 不需要知道待测样品中靶基因的精确细节 序列的特异性应放在首要位置
2. 单核苷酸多态性检测芯片探针的设计 等长移位设计法
3. 特定突变位点探针的设计 叠瓦式策略
一、芯片制备
图10－2
一、芯片制备
（二）DNA芯片的制备
的原理，将蛋白质分子（抗原或抗体）结合到固 相支持物上，形成蛋白质微阵列，即蛋白质芯片
。
第十章 生物芯片技术
3.芯片实验室(labs-on-chip) • 高度集成化的集样品制备、基因扩增、核酸标记 及检测为一体的便携式生物分析系统。 • 实现生化分析全过程集成在一片芯片上完成，从 而使生物分析过程自动化、连续化和微缩化。 • 芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。
• 未来十年最具发展潜力的技术。
第十章 生物芯片技术
• 生物芯片的主要特点： – 高通量、微型化和自动化
• 常用的生物芯片的分类： 基因芯片、蛋白质芯片及芯片实验室
特点
• 高度并行性：提高实验进程、利于 显示图谱的快速对照和阅读。
• 多样性：可进行样品的多方面分析 ，提高精确性，减少误差。Байду номын сангаас
• 微型化：减少试剂用量和反应液体 积，提高样品浓度和反应速率。
1．载体选择与预处理 • 载体：用于连接、吸附或包埋各种生物分子并使其以
固相化状态进行反应的固相材料。 • 载体材料：玻片、硅片、硝酸纤维素膜、尼龙膜和聚
丙烯膜等。 • 载体的化学处理：活化剂——多聚赖氨酸
氨基硅烷偶联剂
2．基因芯片制备 （1）原位合成（in situ synthesis） ①光导原位合成法 ②原位喷印合成 ③分子印章多次压印合成 （2）点样法
第十章 生物芯片技术
• 生物芯片（biochip）的概念 –指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大 量生物大分子如核酸片段、多肽分子甚至组织 切片、细胞等生物样品有序地固化于支持物的 表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记 的待测生物样品中的靶分子杂交，通过特定的 仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效 地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。
根据工艺和载体
1.原位合成法：密集程度高，可合成任意 序列的寡聚核苷酸，但特异性较差，寡 聚核苷酸合成长度有限，且随长度增加 ，合成错误率增高。成本较高，设计和 制造较烦琐费时。
2.DNA微矩阵法：成本低，易操作，点样 密度通常能满足需要。芯片的载体需表 面紧质、光滑的固体，如硅，陶，玻璃 等，DNA微矩阵芯片常用玻片为载体。
第十章 生物芯片技术
第一节 DNA芯片 第二节 蛋白质芯片
第一节 DNA芯片
第一节 DNA芯片
DNA芯片技术包括四个主要步骤 • 芯片的设计与制备 • 样品制备 • 杂交反应和信号检测 • 结果分析
生物芯片技术主要环节
• 芯片制备：微点阵 • 样本制备：DNA提纯、扩增、标记 • 杂交：样本与互补模板形成双链 • 检测：共聚焦扫描，双色激光 • 数据处理：定量软件，数据库检索，RNA印迹等。 • 结果
• 根据生物分子之间特异性相互作用的原理 ，如DNA-DNA、DNA-RNA、抗原-抗体、受 体-配体之间可发生的复性与特异性结合 ，设计一方为探针，并固定在微小的载体 表面，通过分子之间的特性性反应，检测 另外一方有无、多少或者结构改变等
• 生物芯片（Biochip或Bioarray）是指包 被在固相载体上的高密度DNA、抗原、抗 体、细胞或组织的微点阵(microarray） 。
根据DNA成分
• 寡聚核苷酸或DNA片段：约2025个核苷 酸碱基，常用于基因类型的分析，如突 变、正常变异（多态性）。
• 全部或部分cDNA：约5005000个核苷酸 碱基，通常用于两种或以上样本的相关 基因表达分析。
基因芯片的种类
• Science Chip：生物分析和诊断 • Nutri Chip： 食物分析、转基因、污染检测 • Leuko Chip： 血液分析、病毒分析、HLA分析 • Aqua Chip： 水质分析 • Secure Chip：含DNA的物质鉴定 • Chromo Chip：基因分析和染色体序列 • Prokaryo Chip：原核生物、兽医、环保等
其他分类方法（根据应用）
• 基因变异检测芯片
–疾病检测(如HIV、P53基因、结核杆菌) –法医鉴定(如DNA指纹图谱)
• 表达谱芯片
–肿瘤相关基因(正常与肿瘤组织表达差异) –药物筛选(培养细胞药物刺激前后表达差异) –发育(同一组织不同发育时期基因表达差异) –组织发生(不同组织或器官的基因表达差异)
生物芯片技术 (BIOCHIP TECHNOLOGY)
研究历史(Research history)
• 1991 Affymatrix公司Stephen Fodor:光刻与光化 学技术、 多肽和寡聚核苷酸微阵列。DNA Chip概念
• Stanford大学Brown实验室：预先合成，机械手阵列 • 1995 Schena等：基因表达谱 • 1996 Chee et al：DNA测序 • 1996 Cronin et al：突变检测 • 1996 Sapolsley & Lipshutz：基因图克隆 • 1996 Shalon et al：复杂DNA样本分析 • 1996 Shoemaker et al：缺省突变定量表型分析
第一节 DNA芯片
第一节 DNA芯片
一、芯片制备 二、样品的制备 三、杂交与结果分析 四、基因芯片技术在医学中的应用
一、芯片制备
基因芯片制备主要包括两个方面 • 探针的设计：根据应用目的不同，设计不同的 固定于芯片上的探针。 • 探针在芯片上的布局：选择合适的方式将探针 排布在芯片上。
一、芯片制备
第十章 生物芯片技术
1. 基因芯片（Genechip） 又称DNA芯片,是根据核酸杂交的原理，将大
量探针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度及分布来进 行分析。
第十章 生物芯片技术
2. 蛋白质芯片(proteinchip) 利用抗体与抗原特异性结合即免疫反应
（一）探针的设计 （二）DNA芯片的制备
一、芯片制备
（一）探针的设计
1. 表达型芯片探针的设计 不需要知道待测样品中靶基因的精确细节 序列的特异性应放在首要位置
2. 单核苷酸多态性检测芯片探针的设计 等长移位设计法
3. 特定突变位点探针的设计 叠瓦式策略
一、芯片制备
图10－2
一、芯片制备
（二）DNA芯片的制备
的原理，将蛋白质分子（抗原或抗体）结合到固 相支持物上，形成蛋白质微阵列，即蛋白质芯片
。
第十章 生物芯片技术
3.芯片实验室(labs-on-chip) • 高度集成化的集样品制备、基因扩增、核酸标记 及检测为一体的便携式生物分析系统。 • 实现生化分析全过程集成在一片芯片上完成，从 而使生物分析过程自动化、连续化和微缩化。 • 芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。
• 未来十年最具发展潜力的技术。
第十章 生物芯片技术
• 生物芯片的主要特点： – 高通量、微型化和自动化
• 常用的生物芯片的分类： 基因芯片、蛋白质芯片及芯片实验室
特点
• 高度并行性：提高实验进程、利于 显示图谱的快速对照和阅读。
• 多样性：可进行样品的多方面分析 ，提高精确性，减少误差。Байду номын сангаас
• 微型化：减少试剂用量和反应液体 积，提高样品浓度和反应速率。
1．载体选择与预处理 • 载体：用于连接、吸附或包埋各种生物分子并使其以
固相化状态进行反应的固相材料。 • 载体材料：玻片、硅片、硝酸纤维素膜、尼龙膜和聚
丙烯膜等。 • 载体的化学处理：活化剂——多聚赖氨酸
氨基硅烷偶联剂
2．基因芯片制备 （1）原位合成（in situ synthesis） ①光导原位合成法 ②原位喷印合成 ③分子印章多次压印合成 （2）点样法
第十章 生物芯片技术
• 生物芯片（biochip）的概念 –指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大 量生物大分子如核酸片段、多肽分子甚至组织 切片、细胞等生物样品有序地固化于支持物的 表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记 的待测生物样品中的靶分子杂交，通过特定的 仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效 地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。
根据工艺和载体
1.原位合成法：密集程度高，可合成任意 序列的寡聚核苷酸，但特异性较差，寡 聚核苷酸合成长度有限，且随长度增加 ，合成错误率增高。成本较高，设计和 制造较烦琐费时。
2.DNA微矩阵法：成本低，易操作，点样 密度通常能满足需要。芯片的载体需表 面紧质、光滑的固体，如硅，陶，玻璃 等，DNA微矩阵芯片常用玻片为载体。
第十章 生物芯片技术
第一节 DNA芯片 第二节 蛋白质芯片
第一节 DNA芯片
第一节 DNA芯片
DNA芯片技术包括四个主要步骤 • 芯片的设计与制备 • 样品制备 • 杂交反应和信号检测 • 结果分析
生物芯片技术主要环节
• 芯片制备：微点阵 • 样本制备：DNA提纯、扩增、标记 • 杂交：样本与互补模板形成双链 • 检测：共聚焦扫描，双色激光 • 数据处理：定量软件，数据库检索，RNA印迹等。 • 结果
• 根据生物分子之间特异性相互作用的原理 ，如DNA-DNA、DNA-RNA、抗原-抗体、受 体-配体之间可发生的复性与特异性结合 ，设计一方为探针，并固定在微小的载体 表面，通过分子之间的特性性反应，检测 另外一方有无、多少或者结构改变等
• 生物芯片（Biochip或Bioarray）是指包 被在固相载体上的高密度DNA、抗原、抗 体、细胞或组织的微点阵(microarray） 。
根据DNA成分
• 寡聚核苷酸或DNA片段：约2025个核苷 酸碱基，常用于基因类型的分析，如突 变、正常变异（多态性）。
• 全部或部分cDNA：约5005000个核苷酸 碱基，通常用于两种或以上样本的相关 基因表达分析。
基因芯片的种类
• Science Chip：生物分析和诊断 • Nutri Chip： 食物分析、转基因、污染检测 • Leuko Chip： 血液分析、病毒分析、HLA分析 • Aqua Chip： 水质分析 • Secure Chip：含DNA的物质鉴定 • Chromo Chip：基因分析和染色体序列 • Prokaryo Chip：原核生物、兽医、环保等
其他分类方法（根据应用）
• 基因变异检测芯片
–疾病检测(如HIV、P53基因、结核杆菌) –法医鉴定(如DNA指纹图谱)
• 表达谱芯片
–肿瘤相关基因(正常与肿瘤组织表达差异) –药物筛选(培养细胞药物刺激前后表达差异) –发育(同一组织不同发育时期基因表达差异) –组织发生(不同组织或器官的基因表达差异)
生物芯片技术 (BIOCHIP TECHNOLOGY)
研究历史(Research history)
• 1991 Affymatrix公司Stephen Fodor:光刻与光化 学技术、 多肽和寡聚核苷酸微阵列。DNA Chip概念
• Stanford大学Brown实验室：预先合成，机械手阵列 • 1995 Schena等：基因表达谱 • 1996 Chee et al：DNA测序 • 1996 Cronin et al：突变检测 • 1996 Sapolsley & Lipshutz：基因图克隆 • 1996 Shalon et al：复杂DNA样本分析 • 1996 Shoemaker et al：缺省突变定量表型分析
第一节 DNA芯片
第一节 DNA芯片
一、芯片制备 二、样品的制备 三、杂交与结果分析 四、基因芯片技术在医学中的应用
一、芯片制备
基因芯片制备主要包括两个方面 • 探针的设计：根据应用目的不同，设计不同的 固定于芯片上的探针。 • 探针在芯片上的布局：选择合适的方式将探针 排布在芯片上。
一、芯片制备