生物芯片技术ppt课件
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基因工程第十一章 生物芯片技术(课件)
这种微电子基因芯片具有以下优点：
1．电场定位过程能选择性地转运带电荷DNA分子，通 过每个微电极位点的电场正负、强弱变化，能准确 有效地随意调控芯片表面的核酸，既可将核酸结合 在微电极位点上，也可以使核酸转运出来。
2．通过电场变化能加快DNA杂交速率，通过导入 正电场后，可以大大加快待测核酸同已知探针的 结合速率，减少了杂交反应时间，同普通的“被 动”杂交反应的几小时相比，这种“主动”杂交 反应仅仅几秒钟就可完成。另外电场变化又可有 效地去除未结合游离分子，减少未结合荧光信号 干扰。 3．通过电子严谨度可有效地控制杂交过程中的错 配度，杂交错配的程度，对不同的要求给以不同 的电场就可以符合不同的电子严谨度，这对核酸 杂交严格度可以非常灵活地控制，这可以非常准 确地进行SNP检测。 该种芯片的缺点是制备复杂、成本高。
三维芯片:三维芯片是由美国的Packard、摩托罗
拉、Argonne国家实验室三家机构与俄罗斯 Engelhardt分子生物学研究所合作开发的一种芯 片技术。 三维生物芯片实质上是一块显微镜载玻片，其上 有10,000个微小聚乙烯酰胺凝胶条，每个凝胶条 可用于靶DNA，RNA和蛋白质的分析。 先把已知化合物加在凝胶条上，再用3cm长的微 型玻璃毛细管将待测样品加到凝胶条上。 每个毛细管能把小到0.2nL的体积打到凝胶上。
Dot Blot
Macroarray
Microarray
二、生物芯片的分类
(一)按载体材料分类 玻璃芯片、硅芯片、陶瓷芯片。 (二)按点样方式分类 原位合成芯片、微矩阵芯片、电定位芯片。 原位合成芯片：它将半导体中的光蚀刻技术运用 到DNA合成化学中，以单核苷酸或其他生物大分子 为底物，在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸，从而制 备成芯片。
《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。
生物芯片技术精品PPT课件
Protein chips
蛋白质芯片是一种高通量的蛋白功能分 析技术，可用于蛋白质表达谱分析，研究蛋 白质与蛋白质的相互作用，甚至DNA－蛋白质、 RNA－蛋白质的相互作用，筛选药物作用的蛋 白靶点等。
Lab chips
芯片实验室是以芯片为平台的微全分析系统， 它是把生物和化学等领域所涉及的样品制备、生 物与化学反应、分离与检测等基本操作单元集成 到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。通俗言之，就是把实验室搬到芯片上。
目前应用较多的领域，用基因芯片进行的表达水平检测可自动、 快速地检测出成千上万个基因的表达情况，通过分析那些有表达差 异的基因来达到研究目的。
2、基因诊断
从正常人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出标 准图谱。从病人的基因组中分离出DNA与DNA芯片杂交就可以得出 病变图谱。通过比较、分析这两种图谱，就可以得出病变的DNA信 息。
息学研究的主要技术支撑。
生物芯片的发展趋势
• Greater density • Accelerated automation • Cost reduction
Literature
Abstract
A giant magnetoresistive (GMR) biochip based on spin valve sensor array and magnetic nanoparticle labels was developed for inexpensive, sensitive and reliable DNA detection. The DNA targets detected in this experiment were PCR products amplified from Human Papillomavirus (HPV) plasmids. The concentrations of the target DNA after PCR were around 10nM in most cases, but concentrations of 10pM were also detectable, which is demonstrated by experiments with synthetic DNA samples. A mild but highly specific surface chemistry was used for probe oligonucleotide immobilization. Double modulation technique was used for signal detection in order to reduce the 1/f noise in the sensor. Twelve assays were performed with an accuracy of approximately 90%. Magnetic signalswere consistent with particle coverage data measured with Scanning Electron Microscopy (SEM). More recent research on microfluidics showed the potential of reducing the assay time below one hour. This is the first demonstration of magnetic DNA detection using plasmid-derived samples. This study provides a direct proof that GMR sensors can be used for biomedical applications.
《生物芯片技术hu》PPT课件
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15
• 点样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。
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30
• 引物具有较强的特异性，扩增反应也不存 在交叉污染，因而省略了处理常规多重和 多个PCR反应的繁琐工作。
• 如Lynx Therapeutics 公司，引入的大规模 并行固相克隆法 (Massively parallel solidphase cloning) ，可在一个样品中同时对 数以万计的 DNA 片段进行克隆，且无需 单独处理和分离每个克隆。
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26
2.1 样品制备
• 样品制备是芯片发展的瓶颈所在。
• 对于较大规模制作芯片的用户，由于点样 样品数目太多，即使采用高通量试剂盒还 是不够方便。
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27
2.1.1 核酸样品
• RNA样品通常需要首先逆转录成cDNA并进行标 记后才可进行检测。
• 由于检测灵敏度所限，尚难以普通探针对极少量 的核酸分子进行杂交和检测，所以需要对样品或 后续测试信号进行适当的放大。
一、凝胶的三维化能加进更多的已知物质，增加了敏感 性。
二、可以在芯片上同时进行扩增与检则。
• 一般情况下，必须在微量多孔板上先进行PCR扩增， 再把样品加到芯片上，因此需要进行许多额外操作。
• 本芯片所用凝胶体积很小。使PCR扩增体系的体积减 小1,000倍（总体积约纳升级），从而节约了每个反应 所用的PCR酶（约减少100倍）。
《生物芯片技术》课件
详细描述
细胞芯片可用于药物筛选、毒理学研 究、细胞分型等方面。细胞芯片能够 模拟细胞在体内的环境，为研究细胞 生理和病理过程提供了有力工具。
其他类型生物芯片
总结词
除了基因芯片、蛋白质芯片和细胞芯 片外，还有组织芯片、免疫芯片等多 种类型的生物芯片。
详细描述
这些生物芯片根据不同的应用需求而 设计，具有各自独特的特点和优势。 它们在生命科学研究、医学诊断和治 疗等领域发挥着重要作用。
《生物芯片技术》课 件
目录
• 生物芯片技术概述 • 生物芯片的类型与原理 • 生物芯片的制作流程 • 生物芯片技术的应用实例 • 生物芯片技术的挑战与前景 • 相关资源推荐
01 生物芯片技术概述
定义与特点
A
定义
生物芯片技术是一种将生物分子或细胞等生物 样本高密度排列在玻璃、硅等固相支持物上的 微电子技术。
总结词
生物芯片技术可以用于环境污染物和食品中 有毒有害物质的快速检测，保障环境和食品 安全。
详细描述
生物芯片技术能够检测环境中的有毒有害物 质，如重金属、农药残留、工业废水等，以 及食品中的有害物质，如细菌、病毒、农药 残留等。这种快速、准确的检测方法能够及 时发现环境或食品中的安全隐患，保障公众
健康。
新药研发与筛选
总结词
生物芯片技术可以用于高通量药物筛选和化合物活性评 估，有助于加速新药研发进程和提高药物研发成功率。
详细描述
生物芯片技术能够快速检测大量化合物对细胞或组织的 影响，从而筛选出具有潜在活性的药物候选物。这种高 通量筛选方法能够显著降低药物研发成本和时间，提高 药物研发的效率。
环境监测与食品安全
标记物
将探针与荧光物质、酶等标记物结合，以便于后续的信号检测。
细胞芯片可用于药物筛选、毒理学研 究、细胞分型等方面。细胞芯片能够 模拟细胞在体内的环境，为研究细胞 生理和病理过程提供了有力工具。
其他类型生物芯片
总结词
除了基因芯片、蛋白质芯片和细胞芯 片外，还有组织芯片、免疫芯片等多 种类型的生物芯片。
详细描述
这些生物芯片根据不同的应用需求而 设计，具有各自独特的特点和优势。 它们在生命科学研究、医学诊断和治 疗等领域发挥着重要作用。
《生物芯片技术》课 件
目录
• 生物芯片技术概述 • 生物芯片的类型与原理 • 生物芯片的制作流程 • 生物芯片技术的应用实例 • 生物芯片技术的挑战与前景 • 相关资源推荐
01 生物芯片技术概述
定义与特点
A
定义
生物芯片技术是一种将生物分子或细胞等生物 样本高密度排列在玻璃、硅等固相支持物上的 微电子技术。
总结词
生物芯片技术可以用于环境污染物和食品中 有毒有害物质的快速检测，保障环境和食品 安全。
详细描述
生物芯片技术能够检测环境中的有毒有害物 质，如重金属、农药残留、工业废水等，以 及食品中的有害物质，如细菌、病毒、农药 残留等。这种快速、准确的检测方法能够及 时发现环境或食品中的安全隐患，保障公众
健康。
新药研发与筛选
总结词
生物芯片技术可以用于高通量药物筛选和化合物活性评 估，有助于加速新药研发进程和提高药物研发成功率。
详细描述
生物芯片技术能够快速检测大量化合物对细胞或组织的 影响，从而筛选出具有潜在活性的药物候选物。这种高 通量筛选方法能够显著降低药物研发成本和时间，提高 药物研发的效率。
环境监测与食品安全
标记物
将探针与荧光物质、酶等标记物结合，以便于后续的信号检测。
《生物芯片技术介绍》课件
02
生物芯片的种类与制作方法
基因芯片
总结词
基因芯片是利用微阵列技术将大量基因探针固定在硅片、玻 璃片、塑料片或尼龙膜等固相支持物上，再与标记的样品进 行杂交，通过检测杂交信号强度和分布来获取样品分子的数 量和序列信息。
详细描述
基因芯片主要用于基因表达谱分析、基因突变检测、基因组 多态性分析等生物学研究领域。其制作方法包括直接合成法 、原位合成法、显微打印法等。
环境监测与食品安全
01
02
03
环境污染物监测
生物芯片可用于监测环境 中的有害物质，如重金属 、有机污染物等，为环境 保护提供技术支持。
食品安全检测
生物芯片可以快速检测食 品中的有害物质，如农药 残留、兽药残留、毒素等 ，保障食品安全。
转基因食品检测
生物芯片可用于转基因食 品的检测和分析，帮助消 费者了解食品的基因改造 情况。
数据分析与解读
生物芯片产生大量的数据，如 何进行有效的数据分析和解读
是技术挑战之一。
发展前景
临床应用
随着技术的不断进步，生物芯片在临 床诊断、治疗监测等领域的应用前景 广阔。
药物研发
利用生物芯片技术可以高通量筛选药 物候选物，加速药物研发进程。
科学研究
生物芯片在基因组学、蛋白质组学等 领域的研究中发挥重要作用，有助于 深入揭示生命活动的规律。
《生物芯片技术介绍》ppt课 件
• 生物芯片技术概述 • 生物芯片的种类与制作方法 • 生物芯片技术的应用实例 • 生物芯片技术的挑战与前景
01
生物芯片技术概述
定义与特点
生物芯片技术定义
生物芯片技术是一种将生物分子或细胞等样品高密度排列在固定载体上的微电 子芯片上，通过特定的检测手段对生物分子或细胞进行快速、高通量的检测和 分析的技术。
生物芯片技术77222-PPT课件
在于细胞的染色体上。将大量的基因片段有
序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载 体上，称之为基因芯片。
基因芯片发展历史
Southern & Northern Blot
Dot Blot
Macroarray
Microarray
一、基因芯片的原理
基因芯片技术是建立在基因探针和杂交测序技术 上的一种高效、快速的核酸序列分析手段。
生物芯片技术
了解生物芯片的功能，及其医学研究领域中的作用， 以及生物芯片技术的最新进展。 熟悉生物芯片的种类及其作用，基因芯片、蛋白芯片
和微缩芯片实验室的原理及其制备方法。
掌握基因芯片的工作原理、制备方法及其在临床诊断 中的意义。
第一节 生物芯片概述
第二节 基因芯片
第三节 蛋白芯片 第四节 芯片实验室
二、生物芯片的特点
高通量、集成化、并行化和微型化
生物芯片的分类
生物芯片 点阵型芯片
DNA芯片
蛋白芯片
细胞芯片
…
实验室芯片 反应器芯片 流体芯片
纯化芯片
…
三、生物芯片在医学中的应用
分子生物学、生物进化（生物起源及新物种鉴定）
生物医学（新药的筛选与合成，疾病诊断和治疗，如癌症、
早年性痴呆症等的病因研究）
基因芯片杂交结果要用专用的扫描系 统读取。
D A B C 数模转 换器 计算机 A:激光器 B:滤光片 C:二色镜 D:反光镜 E:关栅 B E 放大器
基因芯片扫描结果
不同的颜色代表一个探针点杂交上的带荧光标记 的核酸分子数的差异。红〉黄〉绿〉兰〉紫
GENERAL SCANNING - ScanArray System
高中生物 芯片的工作原理课件
将大量探针分子固定在支持物上，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种类和数量
基因（DNA）芯片技术
概述
包括：
杂交技术：核酸杂交 探针标记技术：萤光探针标记法 检测技术：激光共聚焦检测技术
特殊之处：微阵列技术和微点样技术
特点：微型化、集约化与标准化，使其具有小量、精
分析系统
是一部高性能的计算机，其中最重要的 是分析软件，对于大量的基因表达分析需要 有全面智能化的分析辅助软件
1.蛋白芯片的原理
已点样好的芯片 加血清样本 加荧光标记物
2.蛋白芯片的应用
诊断疾病：如传染病、肿瘤、遗传病及心 血管疾病等
蛋白质相互作用研究
蛋白质与DNA相互作用研究
生物芯片的应用
确、光谱、全面、快捷和灵活的特点，从而实现“将整个实 验室缩微到一片芯片上”的愿望
DNA芯片制备原理
一、亲和结合芯片
（一）光引导原位合成技术
在固定面上化学合成一系列寡核苷酸与游离的靶分子 （DNA或RNA）杂交
DNA芯片制备原理
一、亲和结合芯片
（一）光引导原位合成技术
在固定面上化学合成一系列寡核苷酸与游离的靶分子 （DNA或RNA）杂交
织的cDNA进行杂交，检测差异表达的基因 五、药物筛选
六、样品制备、分离和检测
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探针
动画演示
（二）微量点样技术
这类DNA芯片所用支持物为载玻片或尼龙膜。用电脑控 制的机械手点上探针DNA分子，点样量很小约为0.005微升 优点：探针密度高（每平方厘米2500个探针），芯片制造速
样品制备
基因（DNA）芯片技术
概述
包括：
杂交技术：核酸杂交 探针标记技术：萤光探针标记法 检测技术：激光共聚焦检测技术
特殊之处：微阵列技术和微点样技术
特点：微型化、集约化与标准化，使其具有小量、精
分析系统
是一部高性能的计算机，其中最重要的 是分析软件，对于大量的基因表达分析需要 有全面智能化的分析辅助软件
1.蛋白芯片的原理
已点样好的芯片 加血清样本 加荧光标记物
2.蛋白芯片的应用
诊断疾病：如传染病、肿瘤、遗传病及心 血管疾病等
蛋白质相互作用研究
蛋白质与DNA相互作用研究
生物芯片的应用
确、光谱、全面、快捷和灵活的特点，从而实现“将整个实 验室缩微到一片芯片上”的愿望
DNA芯片制备原理
一、亲和结合芯片
（一）光引导原位合成技术
在固定面上化学合成一系列寡核苷酸与游离的靶分子 （DNA或RNA）杂交
DNA芯片制备原理
一、亲和结合芯片
（一）光引导原位合成技术
在固定面上化学合成一系列寡核苷酸与游离的靶分子 （DNA或RNA）杂交
织的cDNA进行杂交，检测差异表达的基因 五、药物筛选
六、样品制备、分离和检测
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探针
动画演示
（二）微量点样技术
这类DNA芯片所用支持物为载玻片或尼龙膜。用电脑控 制的机械手点上探针DNA分子，点样量很小约为0.005微升 优点：探针密度高（每平方厘米2500个探针），芯片制造速
样品制备
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（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ห้องสมุดไป่ตู้制备
（二）DNA芯片的制备
• 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。
• 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。
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
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。
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。
• 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） 。
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)
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
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
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
• 自动化：降低成本，保证质量。
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
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。
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ห้องสมุดไป่ตู้制备
（二）DNA芯片的制备
• 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。
• 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。
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
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。
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。
• 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） 。
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)
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
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
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
• 自动化：降低成本，保证质量。
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
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。