生物芯片点样技术
生物芯片的制作
原位光刻合成
原位光刻合成的简要过程：首先使支持物羟基化，并用光敏保护基将其保护起来。每次
选择适当的蔽光膜（mask）使需要聚合的部位透光，其他部位不透光。这样，光通过蔽 光膜照射到支持物上，受光部位的羟基脱保护而活化。因为合成所用的单体分子一端按
传统固相合成方法活化，另一端受光敏保护基的保护，所以发生偶联的部位在反应后仍
旧带有光敏保护基团。因此，每次通过控制蔽光膜的图案（透光与不透光）决定哪些区 域应被活化，以及所用单体的种类和反应次序，就可以实现与待定定位点合成大量预定 序列寡聚体的目的。 优点：合成效率高，点阵密度高 缺点：设备昂贵，技术复杂，反应产率低。
芯片片基、制作新片的仪器
2.样品制备 将样品进行提取、扩增，获取其中的蛋白质或DNA、RNA，然后用荧光标记，以提高检 测的灵敏度和使用的安全性。 3.杂交反应
4.信号检测和结果分析
芯片片基的制作 芯片片基即载体材料
目前常用的芯片片基都选择经过相应处理的硅片、玻璃片、
瓷片或聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等作为支持物。
做原位合成的支持物在聚合物发应前要先使其表面衍生出羟
基或氨基（视所要固定的分子为核酸或寡肽而定），并与保
护基建立共价连接；
作点样用的支持物，为使其表面带上正电荷以吸附带负电荷
的探针分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚赖氨酸
芯片片基的制作
两种常见的载体 1.膜 优点：与核酸亲和力强，杂交技术成熟，通常无需被宝贝 2.玻片
生物芯片技术原理
生物芯片技术原理生物芯片技术是一种在微型芯片上集成了生物学实验室所需基本组件的技术，它允许在单个芯片上进行高通量、高灵敏度和高可重复性的生物分子检测。
生物芯片技术在基因组学、蛋白质组学等领域具有广泛的应用前景。
生物芯片技术可分为两类：基于DNA和RNA的芯片和基于蛋白质的芯片。
本文将主要介绍基于DNA和RNA的芯片。
DNA芯片技术主要用于基因表达的研究。
其基本原理是在芯片表面上固定一系列已知基因序列的DNA探针，通过杂交实验检测样品中的核酸是否与探针杂交，从而实现对基因表达水平的分析。
生物芯片技术的主要流程包括样品处理、芯片制备、试验操作和数据分析。
一、样品处理：样品处理是整个实验中最为关键的一步。
主要包括RNA/DNA提取、放大、标记、杂交等。
样品的选择和质量的好坏决定了分析结果的准确性和可重复性。
二、芯片制备：芯片制备的主要步骤包括芯片表面处理、探针的合成和连接、芯片包覆等。
芯片表面的化学修饰能够改变探针的亲和性和特异性，从而优化芯片的检测性能。
三、试验操作：试验操作包括芯片杂交、成像和数据获取等。
芯片样品通过加热和振动使样品中的RNA/DNA与芯片上的探针结合，随后将样品从芯片上洗掉并用成像仪或扫描仪获得芯片上的图像数据。
四、数据分析：数据分析是生物芯片技术中最为繁琐和复杂的一个环节。
数据分析主要有三个方面：首先是图像预处理，包括背景校准、排除异常值等；其次是数据提取，包括简单或复杂的数据处理和统计分析；最后是结果呈现，通常通过聚类、差异表达分析等手段对结果进行可视化展示。
生物芯片技术具有样品需求量小、实验周期短、重现性强等优点。
它在医学、农业、环境保护等领域有着广泛的应用，如基因突变、疾病诊断、药物筛选、农作物育种、环境污染检测等领域。
近年来，生物芯片技术已经得到了广泛的应用和发展。
在医学方面，生物芯片技术被广泛应用于疾病的早期诊断、疗效评估和药物筛选等方面。
生物芯片技术也能从基因水平为疾病的发生与发展提供关键信息，对于个体化医疗有着巨大的潜力。
生物芯片技术
生物芯片技术一、生物芯片简介生物芯片（biochip）是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（如玻片、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，然后与已标记的待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影像机（CCD）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。
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，另外根据原理还有元件型微阵列芯片、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。
DNA微阵列(DNA Microarray)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极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。
而且，通过设计不同的探针阵列、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"时期基因功能的研究及现代医学科学及医学诊断学的发展提供了强有力的工具，将会使新基因的发现、基因诊断、药物筛选、给药个性化等方面取得重大突破，为整个人类社会带来深刻广泛的变革。
生物芯片技术
FGR
FES
ABL
INT2
PIK3CA
NMYC
AKT2
FGFR1
JUNB
AKT1
KRAS2
CDK4
AR
RDA Protocol
RNA extraction and cDNA preparation from archived tissue specimens(tester and driver) Generation of amplified cDNA fragments (‘amplicons’) Subtractive hybridization of amplicons Enrichment of cDNA fragments from differentially expressed genes
DNA Chip Technology
Solid support (glass, plastic, metal, silicon) Miniaturized array of DNA (genetic material) Work on the biochemical principle of DNA/DNA hybridization Hybridized probes (DNA molecules) are fluorescently labeled
应用之一 基因表达谱（gene expression pattern）
Research Use. Clinical Diagnostic Use.
Biological Sample
Functional Information
One Disease——One Gene Expression Pattern
Prototype AmpliOnc™ I Biochip
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
生物芯片点样针性能指标实验研究
键 。 目前对样 品点 的均 匀一 致 性 国 内外 并 没 有统 一 的评 价 标 准 ，其 中 包 括 著 名 的 点 样 针 生 产 厂 家
Ｔ ｌ ｈ ｍ 公 司的 Ｃ ｉＭａ ｅ 系 列点 样针 。 国外 只 ｅＣｅ ｅ ｈｐ ｋ ｒ Ｔ
是在 点样 机 用 户 手 册 中 有 一 些 实 验 结 果 与 图表 。 如 Ｃ ｒ ｓ ｎ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｉ ， Ｉｃ 公 司 的 用 户 手 册—— ａｔ ｉ ｅｈ ｏ ｇｅ ｎ ． ｅａ ｏ ｓ
维普资讯
生物芯 片点样针性能指标实验研 究
周 强 赵 东 宗光 华 毕 树 生
（ 京 航 空 航 天 大 学 机 器 人 研 究所 北 京 １ ０ ８ ） 北 ０ ０ ３
Ｅ ｌ ｂ ｕｑ １ ３ ｍａｌ ｐ ｚ ＠ ６ 耻 ：
摘
要
对生物芯 片点样针的重要性能指标之一——样 品点一致性的拴 测方法连行 了研究． 出了一种 新的鞋 提 生物芯片 ； 点样针 ； 样品点 ； 均匀一致ｔ ； ｉ 变异 系敷 － ／ ． （ ３ ．３ Ｈ ４ １
．
生物 芯片 是 指通 过 原 位 合成 或 预 先 合 成 后 点样
从样 品板 中取 出， 通过 点样针 针 尖 与芯 片表 面 的接 触
将样 品板 内的 样 品在 芯 片表 面 重 新 分 配。 接 触 点样 法制备 的芯 片具 有 样 品 点 直 径 小 （ 径 最 小 可 达 ８ 直 ０
ｃ ａａｔｒ ｔ ｓ ｆ ｃｏｓ ｏｔ ｇｐｎ ｈ Ｕ ｏ ｔ ｉｅ ，ｗｈｃ ｅｎ ｗ ｃ ｔｒ ｎｆｒ ｅｔ ｇａ ｄｊｄ ｍｅ ｔ ｈ ｒｃｅｉ ｉ ｒ ｐ ｔ ｎ ｉ Ｔ ｅＳｍ ｆ ｐ ｘ ｌ ｓ ｃ ｏ ｍｉ ｉ ｓ ｐ ｓ ｉ ｈｉ ｔ ｅ ｒ ｅ ｏ ｓｉ ｎ ｇ ｎ， ｏ ｓｈ ｉ ｉ ｏｔ ｎ ｕ
生物芯片技术
待测样品（用Cy3-dUTP 标记）
对照样品（Cy5-dUTP）
三、杂交与结果分析
（一）杂交反应：与传统的杂交方法类似
——是已标记的样品与芯片上的探针进行反应后产生一系 列信息的过程。
与传统的核酸分子杂交相同，但要求更高：
选择合适的反应条件、减少生物分子之间的错配率。 考虑杂交反应体系中盐浓度、探针GC含量和所带电荷、 探针与芯片之间连接臂的长度及种类、检测基因的二级结 构的影响。
第二节 蛋白质芯片
根据制作方法和应用的不同，蛋白质芯片分为两种: 1. 蛋白质功能芯片
细胞中的每一种蛋白质占据芯片上一个确定的 点，主要是高度平行地检测天然蛋白质活性 。 2. 蛋白质检测芯片 将能够识别复杂生物溶液（如细胞提取液）中 靶多肽的高度特异性配体进行点阵，这种芯片 能够高度并行的检测生物样品中的蛋白质 。
生物芯片技术（biochips）
生物芯片（biochips）
——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
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
பைடு நூலகம்
蛋白质芯片的应用举例：
利用蛋白质芯片进行肿瘤诊断的一般原理程序
• 根据芯片的用途不同： 表达型芯片、测序芯片和芯片实验室
生物芯片技术在微生物检测中的应用
生物芯片技术在微生物检测中的应用随着科技的发展，生物芯片技术逐渐应用于多个领域，其中微生物检测是其中的一个重要应用方向。
生物芯片技术是指将微米级的生物材料（如DNA、RNA等）沉积到芯片上，通过芯片上的微小管道、电极等结构，快速检测目标生物物质。
生物芯片技术在微生物检测方面的应用可以分为两个方向：一是针对单一菌株的检测，另外一个是面向整个微生物群体的鉴定。
下面，本文将分别探讨这两个方向。
针对单一菌株的检测针对单一菌株的检测主要是针对某些常见的致病菌（如沙门氏菌、葡萄球菌等）的检测。
通过对这些菌株存在特定的基因序列进行设计，制备相应的芯片，再将样品中提取的DNA或RNA等生物材料置于芯片上进行检测。
这样的检测方法，通常具有灵敏度高、可靠性好、检测速度快的特点，并且可以通过多重PCR技术实现菌株的一次性检测。
目前，国内外已经多家企业开发了相应的微生物检测芯片。
例如，英国的Nimblegen公司和美国的Affymetrix公司分别研制了针对霍乱弧菌、肠道致病菌等多种常见感染病原菌的芯片。
而中国的基因生物技术公司，则推出了针对大肠杆菌、沙门氏菌、痢疾杆菌等致病菌的芯片。
除了上述常见的菌株外，生物芯片技术还可以用于新型病原菌的检测。
例如，在2019年爆发的新冠病毒疫情中，多家国内外的医学研究机构，利用生物芯片技术对新冠病毒进行了检测，其灵敏度和特异性均得到了验证。
面向整个微生物群体的鉴定单一菌株的检测只适用于已知菌株的检测，而面向整个微生物群体的鉴定，则适用于对未知微生物进行检测。
这种检测方式通常包括多种微生物检测技术的组合，例如16S rRNA测序、荧光原位杂交（FISH）技术、生物芯片技术等。
在这种检测方式中，先利用某些微生物检测方法，将样品中的微生物分离出来，接下来通过对微生物的生长特性、形态特征、代谢产物等进行分析，最后将得到的结果代入生物芯片中，获取微生物群体信息。
其中，生物芯片技术主要用于生成基于微生物代谢物和群体特征的鉴定模式和分析体系，并且在分析结果的数值处理和分析上具有优势。
生物检测芯片技术的原理和应用
生物检测芯片技术的原理和应用生物检测芯片技术也称为生物微芯片技术，是一种将微型加工技术应用于生物学、化学、医学等领域的新兴技术。
生物检测芯片技术基于微电子工艺技术，将样品加工到芯片的微型反应槽中，实现高通量、高灵敏度、高选择性、高复合度的生物分析。
生物检测芯片由于其小尺寸、高通量、实时监测和多参数分析等优势，在医疗、食品安全、环境监测等领域得到广泛应用。
生物检测芯片技术的原理基于微流控学、微阵列技术和生物反应原理等。
其核心在于微针对生物学分析的芯片上集成了许多基因、蛋白质、细胞等生物体系，可以提供大量的实验数据，并区分出样品中的成分。
从基本上看，生物检测芯片技术包括三个主要部分：宿主体、生物探针和信号检测系统。
宿主体是指芯片的基础结构，包含微流控芯片和仿生智能电极等。
微流控技术是指使用微小的流束来完成样品的处理和操纵，达到快速、高效、经济的效果。
在检测芯片上，微流控可以统一控制反应速度，使反应更加快速、高效、准确。
仿生智能电极是指集成在芯片上的生物检测设备，可以实时检测到生物反应的信号，然后通过数字信号处理技术对反应进行分析。
生物探针是指芯片上的多个检测单元，包括抗体、核酸、细胞等。
通过这些生物探针可以检测样品中的多个生物分子。
检测单元可以固定在芯片上，从而可以推出许多生物反应和分析。
当样品与生物探针相遇时，生物体系中的分子可以选择性地结合到探针上，从而产生特定的反应信号。
通常，一个芯片上包含上千个检测单元，用于检测样品中的多个生物分子。
信号检测系统是指芯片的检测仪器和信号放大器，可以对信号进行处理和放大，分析并记录生物反应的信号。
现代检测仪器使用的检测方法包括荧光检测、质谱检测、电学检测等。
荧光检测是最常用的检测方式之一，通过加入荧光染料，将生物反应的信号变成荧光信号，并通过激光射束照射探测高度。
质谱检测是另一种检测方式，可以通过样品的分子的质量来判断样品的成分和浓度。
生物检测芯片技术在医学、食品安全、环境监测、农业等多个领域得到广泛应用。
生物芯片技术
生物芯片检测的原理
生物芯片能同时检测样本中的多个生物大分子，检测原 理是利用特异性的分子间相互作用，如核酸杂交、抗原-抗体 特异性结合、蛋白-蛋白间特异性结合等，将待测样品标记后 与生物芯片反应，样本中的标记分子与芯片上的探针对号入 座，标记的待测样本与之结合、反应后，通过激光共聚焦荧 光扫描仪等检测手段获取信息，经计算机系统处理，分析得 到信号值。信号值代表了结合在探针上待测的样本中特定的 大分子的信息。 由于芯片上可以固定成千上万的探针，因此可以同时检 测样本中成千上万的生物大分子。因此一次芯片实验就完成 了成千上万个传统实验，即一次生物芯片反应是多次传统试 验的集成。
生物芯片的主要特征
生物芯片是高度集成的,机电一体化的检测系统, 借助于计算机自动收集、储存、分析和报告检测信息， 其主要特征是： 高通量——提高信息量；
平行化——提高信息的可比性；
微量化——降低待测样品用量； 自动化——提高工作效率； 低成本——可迅速普及推广。
生物芯片类型简介
生物芯片技术发展迅速，在原来的微阵列芯片基础上， 产生了新的生物芯片类型，因此广义的生物芯片是指能对生 物成分或生物分子进行快速并行处理和分析的厘米见方的固 体薄型器件，下面主要简单介绍四种类型的芯片：
基因芯片概念
组织芯片（tissue chip)
组织芯片技术又称组织微阵列（tissue microarray, TMA),是近年来发展起来的以形态学为基础的分子生物学新 技术。 组织芯片技术可以将数十个甚至上千个不同个体的临床组 织标本按预先设计的顺序排列在一张玻片上进行分析研究， 是一种高通量、多样本的分析工具。它使科研人员第一次有 可能同时对几百甚至上千种正常或疾病以及疾病发展不同阶 段的自然病理状态下的组织样本，进行某一个或多个特定的 基因或与其相关的表达产物的研究，是在一张切片上高通量 获取组织学、基因和蛋白表达信息的新方法，因而备受组织 病理学家的青睐。
生物芯片技术及应用案例
生物芯片技术及应用案例生物芯片技术，是指将生物样品、试剂、反应体系、检测设备等整合在一起，通过微流控芯片的方式来进行生物分析的技术。
这项技术在生物医学、生物学、医药等领域有着广泛应用，成为了目前世界上最重要的生物分析技术之一。
下面，我们将介绍生物芯片技术的原理、分类以及应用案例。
一、生物芯片技术的原理生物芯片技术的核心是微流控芯片。
微流控芯片是一种微小的、通常不超过数平方厘米的芯片，上面可以加工出合适的微小通道和反应室，以进行基因检测、蛋白质检测、细胞分析、生物检测等生物分析。
微流控芯片被称为“实验室缩小版”，其设计和制造与普通集成电路芯片类似，可以通过板式制作、光刻和微加工技术等方式来制造。
生物芯片技术的基本流程包括样品预处理、芯片离体反应、信号检测和数据分析。
样品预处理包括样品的收集、提取、纯化、分离等处理工作；芯片离体反应包括反应体系的加入、混合和储存等操作；信号检测包括荧光、融合事件、电学等多种方式；数据分析包括各种生物信息学、统计学等技术。
二、生物芯片技术的分类生物芯片技术有很多分类方式，其中最常见的分类方式是根据反应物的类型和探测方法的不同分为基因芯片、蛋白质芯片和细胞芯片。
基因芯片是检测基因表达水平的芯片，用于研究基因表达谱、基因调控、疾病诊断和新药研发等。
蛋白质芯片是检测蛋白质含量、功能和相互作用的芯片，用于研究蛋白质组学、蛋白质表达、相互作用和酶学等研究。
细胞芯片则是用于细胞行为、表型和功能的检测，用于制药、生物医学、细胞工程和组织工程等领域。
三、生物芯片技术的应用案例生物芯片技术的应用场景非常广泛，包括疾病诊断、新药研发、生物制药、食品安全等。
下面将介绍几个典型的应用案例。
1.基因芯片在癌症诊断方面的应用基因芯片在癌症诊断方面的应用已经得到了广泛的研究和应用。
例如，在早期肺癌的诊断中，使用基因芯片可以检测出一些早期的肺癌指标，如ceRNA 的微观RNA信号。
这项技术具有操作简单、快速、灵敏度高等优点，不仅可以用于肺癌的早期筛查，还可以用于其他肿瘤的筛查和诊断。
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
芯片技术
• 芯片实验室（Lab-on-a-chip）。芯片实验 室是生物芯片技术发展的最终目标。它将 样品制备、生化反应以及检测分析的整个 过程集约化形成微型分析系统。现在已有 由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、 微电极、电子化学和电子发光探测器等组 成的芯片实验室问世，并出现了将生化反 应、样品制备、检测和分析等部分集成的 生物芯片。例如可以将样品制备和PCR扩增 反应同时在一块小小的芯片上完成。
生物芯片
计算机芯片
二、生物芯片技术产生背景
• 20世纪90 年代初开始实施的人类基因组计划（ HGP ）取得 了人们当初意料不到的巨大进展。目前已经测定了几十种 微生物以及高等动植物的全基因组序列，庞大的基因序列 数据正在以前所未有的速度膨胀。 • 一个现实的科学问题摆到了人们面前： （1）如何研究如此众多基因在生命过程中所担负的功能？ （ 2 ）如何有效利用如此庞大的基因信息揭示人类生老病死 的一般规律，并为人类最终战胜各种病魔提供有效武器？ （ 3 ）一项类似于计算机芯片技术的新兴生物高技术 —生物 芯片技术，随着人类基因组研究的进展应运而生了。
七）基因芯片的发展方向
• 减小实验误差，提高精确度，降低成本
• 基因芯片技术的工业化 • 基因芯片的数据处理 • 基因芯片和组织芯片、细胞芯片等其他类 型芯片的有机结合
八）应用前景及市场展望
• 前景：生物芯片的成熟和应用一方面将为本
世纪的疾病诊断和治疗、新药开发、分子生 物学、航空航天、司法鉴定、食品卫生和环 境监测等领域带来一场革命；另一方面生物 芯片的出现为人类提供了能够对个体生物信 息进行高速、并行采集和分析的强有力的技 术手段，故必将成为未来生物信息学研究中 的一个重要信息采集和处理平台。
7、药物筛选及毒理学研究
生物芯片技术的研究现状及应用前景
生物芯片技术的研究现状及应用前景生物芯片技术，顾名思义，是指能够检测、分析和处理生物分子（如蛋白质、DNA、RNA等）的芯片。
它利用微纳米加工技术，在芯片上集成了大量的生物分子探针，通过检测样品和探针之间的相互作用，实现对生物分子的高通量、高灵敏度和高选择性的分析。
随着生物芯片技术的不断发展和应用，其在生命科学、医学、环境保护等领域的应用前景越来越广阔。
下面就来看看生物芯片技术的研究现状及其应用前景。
一、生物芯片技术的研究现状目前，生物芯片技术的研究主要关注以下几个方面：（一）样品准备和芯片制备技术生物芯片的最主要特征在于样品准备和芯片制备技术的复杂性。
在生物芯片上，需要将生物分子探针固定在表面上，并经过化学修饰等手段保证其活性和稳定性。
而不同类型的生物分子探针和样品因其特点的不同，在样品处理和芯片制备过程中会面临不同的问题。
因此，目前生物芯片技术的研究主要集中在研究不同类型的探针和样品处理方法，并探索更有效和高通量的芯片制备技术。
（二）芯片检测技术与传统的检测技术相比，生物芯片技术具有高通量、高灵敏度和高选择性等优势。
同时，随着芯片制备技术的不断发展，越来越多的芯片可以针对不同的生物分子进行检测。
目前，芯片检测技术的研究主要集中在芯片的信号放大和信号检测等方面。
（三）芯片数据分析技术生物芯片技术的应用范围越来越广泛，而在大规模的生物芯片分析中，数据的处理和分析成为了关键环节。
因此，目前生物芯片技术的研究也逐渐转向芯片数据分析方面，探索更高效、更准确的芯片数据分析方法。
二、生物芯片技术的应用前景生物芯片技术的应用前景非常广泛，下面就来看看其在不同领域的应用前景：（一）生命科学领域生物芯片技术可以应用于基因检测、蛋白质检测、海洋微生物研究、植物病理学研究、癌症细胞筛选、药物筛选等多个领域。
例如，生物芯片可以应用于分析基因表达谱，进而找到不同组织和疾病的基因表达差异，从而提供了深入了解疾病机理和药物作用的重要途径。
9.生物芯片技术
• 光导原位合成法（又称显微光蚀刻技术），原理是 在合成碱基单体5′羟基末端链接一个光敏保护基。
• 简要过程：首先使支持物羟基化，并用光敏保护基 团保护起来；选取适当的蔽光膜使需要聚合的部位 透光，其他部分不透光。这样光通过蔽光膜照到支 持物上，受光部位羟基解保护，可与单体分子共价 结合。单体分子一端按传统固相结合方法活化，另 一端受光敏基团保护，所以结合反应后仍带有光敏 保护基。因此，每次通过控制蔽光膜的图案（透光 与不透光）决定哪些区域被活化，以及所用单体的 种类和反应次序，就可以实现在待定位点合成大量 预定序列寡聚体的目的。
“今后，拇指大小的设备就能存下 整个互联网信息” ——乔治· 丘奇
利用组织芯片来模拟器官的生物功能 来取代动物实验
“用芯片再造一个你”
第二节 DNA芯片
DNA芯片是指利用原位合成法或将合成好的 一系列寡核苷酸以预先设定的排列方式固定 在固相支持介质表面（如硅片、玻片或尼龙 膜等），形成高密度的寡核苷酸的阵列，即 DNA探针，与标记的样品根据碱基互补配对的 原则进行杂交，通过检测分析杂交信号的强 度及分布情况，对基因序列及功能进行大规 模、高通量的分析。又称为基因芯片，DNA阵 列。
（三）分子杂交与杂交信号的检测分析
1.分子杂交
DNA芯片上的杂交反应与传统的Southern印迹 杂交方法类似，先封闭、预杂交,再在含有目的基 因的杂交液中杂交3 ～ 24h或更长，然后洗脱、 干燥、检测信号。 杂交反应的条件要根据芯片中DNA片段的长短、 类型和芯片本身的用途来选择。用于基因表达检 测，杂交的严格性较低，而用于突变检测的芯片 的杂交温度高，杂交时间短，条件相对严格。
• 将预先合成好的DNA或cDNA等通过特定的高速点样 机直接点加在芯片载片上，并通过理化方法固定。
生物芯片技术的原理及应用前景
生物芯片技术的原理及应用前景生物芯片技术是指利用微芯片技术和生物学技术相结合，建立在微小体积上进行生物学实验的一种新技术。
其应用领域广泛，包括基因检测、蛋白质分析、细胞信号转导等。
本篇文章将详细探究生物芯片技术的原理及应用前景。
一、生物芯片技术原理生物芯片技术的原理是将大面积纳米或微米尺寸的阵列上固定许多不同的生物分子，如DNA、RNA、蛋白质等，然后利用这些生物分子的识别性能实现对生物分子的研究和分析。
生物芯片可以将不同种类的生物分子进行高通量并行检测，对生物分子的特性进行大规模的研究和分析。
具体而言，生物芯片的分子识别是由生物分子之间的相互作用所导致的。
以DNA芯片为例，DNA芯片是由许多小的DNA片段组成的，每个DNA片段都有特定的序列。
将被测DNA标记与这些DNA片段杂交后，如果存在特异性的核酸间氢键结合，则可以在芯片上检测到信号。
利用这些信号，可以分析被测DNA样本中的基因型以及基因表达水平等信息。
二、生物芯片技术应用前景1. 基因检测生物芯片技术在基因检测方面具有极大的应用前景。
利用生物芯片技术可以进行高通量的基因型分析、基因表达分析以及基因突变的筛查等。
对于遗传性疾病的诊断和预防，生物芯片技术可为医学诊断和治疗提供重要依据。
例如，在乳腺癌检测中，利用基因芯片技术可以对乳腺癌的分子表型做出细致的分析，进而指导治疗方案。
2. 蛋白质芯片目前，研究蛋白质互作网络是生物学研究的热点之一。
利用蛋白质芯片，可以对蛋白质结构、功能以及相互作用等特性进行大规模的高通量研究。
例如，通过利用蛋白质芯片对药物分子与受体分子的对接进行研究，可以加速新药开发进程，降低开发成本。
3. 细胞信号转导研究细胞信号传递是一种复杂的调控机制，涉及到各个层次的信号递送。
利用细胞信号转导芯片，可以通过测量各个信号递送通路中的多个信号分子，建立起信号转导网络的模型，从而研究生物大分子生物学功能的调控机制。
4. 微流控芯片微流控技术在生物芯片领域中的应用正在迅速发展。
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微阵列制备相对知识而言，想象力更为重要。
——阿尔伯特·爱因斯坦《生物芯片分析》，【美】Mark Schena，第八章Dr. Schena is a world-renowned biochemist whoseresearch focuses onmicroarray technology,genomics, proteomics,molecular diagnostics, andgene expression.Dr. Schenaand his colleagues at StanfordUniversity published the firstpaper on microarrays in 1995(Science 270, 467-470),catalyzing the explosiveproliferation of microarraytechnology at academic andcommercial institutions “Father of Microarray Technology”internationally.DNA Microarrays: A Practical Approach;Oxford University Press Microarray Biochip Technology;Eaton Publishing Company Microarray Analysis;J. Wiley & SonsProtein Microarrays;Jones & Bartlett主要内容：制备指标运动控制技术微阵列微加工 点样技术¾接触式点样¾非接触式点样¾半导体技术合成后微点样原位合成一、制备指标低成本、高质量确保微阵列能用于数小时的数据分析费用、容量、密度、样品点尺度、样片点纯度、样品点活性、规整读、可操作性、通量1.费用（affordability）一项技术在研究机构能否普及在一定程度上受制于其应用成本价格：几百美元的手持仪数千万美元的半导体设备微阵列技术发展增大产量和小型化微阵列技术应用制备仪价格降低1.费用（affordability）每个数据点或每个基因的费用都用来比较成本A：5000种基因，$1000（$0.2）B：100种基因，$200（$2.0）芯片A的费用仅为芯片B的十分之一传统的Northern blotting基因表达方法为每个基因$202. 容量（content）概念：所谓容量，是指微阵列芯片上所包含（或某种制备技术在微阵列芯片上所能实现）的基因、生物化学或化学材料的总量A：10000种各不相同、各3点B：10000种各不相同、各2点A容量>B容量容量与成本：容量越大加工费用越高，且数据的提取和储存越困难越昂贵。
3. 密度（density）所谓密度是指基片上单位面积内的靶点或样品点数。
表示方法一：例：0.9cm×0.9cm区域上包含1000点样品点的微阵列芯片，其密度是1235点/cmD=100×(1000/CTC)2 单位：点/cm2 CTC：中心距（μm）表示方法二：包含25000各样品点的微阵列表示为25K微阵列芯片3. 密度（density ）过高密的阵列密度会导致样品点太小，从而超过扫描仪器检测极限。
接触式与非接触式：1K-10K光掩膜与半导体技术：>250K密度与容量：4. 样品点尺度（feature size） 指微阵列中样品点的大小，圆形样品点用直径（μm）表示；方形样品点以宽度作为其尺度大小接触式和非接触式：75-300 μm半导体技术：10-40 μmCTC一般是样品点的1.2-1.4倍。
对于样品点无间隔微阵列，样品尺度就是CTC检测仪器在样品点直径方向有10象素较合适5. 样品点纯度（feature purity） 样品点纯度指标一般为99％不纯的原因：①样品杂质②阵列制备过程6. 样品点活性（feature reactivity） 样品点活性指标一般为50％不纯的原因：①样品挥发②阵列制备过程引入热、化学和酶解等破坏7. 可操作性（ease ofimplementation）指一项技术在实验室内被掌握和应用的难易程度。
是商业化的一个重要因素。
8. 规整度（regularity）规整度是指微阵列中各行（列）间的对齐程度，一般用理论中心点间距的偏差百分比来表示。
规整度指标为点间距偏差10％规整度偏差的来源：¾基片表面：¾制备仪器：点样针、喷头、掩膜等运动不准确；震动或波片固定不好¾制备环境（影响较小）：气流、大的湿度变化、静电 规整度决定了从微阵列图像中提取数据的难易程度9. 通量（throughput）微阵列制备评价指标，指单位时间内能加工的微阵列数目，一般用每天能加工的微阵列芯片数表示。
对应的，对于扫描仪而言，通量是指单位时间内按照指定扫描精度所能扫描指定区域上微阵列的数目，一般用每小时能处理的微阵列芯片数表示。
二、运动控制技术1.电机：步进电机（stepper motor）：通过马达和定子实现步进运动的电机；¾定子（rotor）：电机里位置固定、使转子偏转的电磁体¾转子（stator）：电机里做圆周运动的永久磁体¾步（step）：电机顺时针或者逆时针的运步进电机动单位伺服电机（servomotor）：通过控制电路实现精确机械运动的电机区别：步进电机运动精度由定子的规格决定；伺服的精度由信号反馈控制系统的稳定性决定。
伺服电机有刷型无刷型伺服电机造价高维护少、灰尘少、运动平滑、散热少缺点优点价格低廉价格低、不需要经常维护、电机一点出错会停止转动从而安全性高电刷磨损会产生灰尘高速转动时噪音大、产生大量的热步进电机2.线性执行机构：用来将电机的圆周运动转变成直线运动的部件。
常用滚珠丝杠和皮带传动评价线性执行系统和运动控制系统精度指标：¾速度（speed）：单位时间内的用动位移（cm/s）¾分辨率（resolution）：能检测到的最小的位移量（μm）¾精确度（accurancy）：理论位移和实际位移间的最大差异（μm）¾运动精度（precision）：95％概率条件下运动位移的精度（±μm）¾重复精度（repeatability）：在一点重复定位的可靠程度（±μm）¾回程误差（backlash）：执行机构反向运动时填补空隙需要的位移量（±μm）¾持久度（durability）：系统在性能没有明显降低情况下所使用的时间长度（机器小时）¾载荷（load）：系统性能在没有明显降低情况下所能承担的最大重量（g 或kg）滚珠丝杠系统：速度为10-200cm/s，重复精度达±10μm，回程误差忽略，寿命超过数千机器时，负载规格10-30kg；皮带传动系统：运动参数类似，但运动速度较快100-1000cm/s，重复精度较低±20-100μm3.直线编码器：微阵列制备机器人中线性执行机构的测量工具，包括码带和识别部分，用来提高运动精度。
以光束作为测量工具的直线编码器称为光编码器。
4.运动控制软件：LabVIEW 、VisualBasic 、C ＋＋5.运动控制系统：龙门式结构：平台沿x（或y）方向运动 悬臂式结构：平台静止龙门式结构悬臂式结构三、微阵列微加工1.计算机辅助设计（CAD ）：方便储存、易于修改2.计算机数控（CNC ）：数控机床操作人员通过在PC 上运行的图形化界面与零件交互3.电火花加工（electrical discharge machining ）：通过电极和加工件表面间产生的火花来切割金属的加工过程，可实现高精度（2.5μm ）和高的加工速度（10mm/s ）四、点样技术1.接触式点样2.非接触式点样3.半导体技术微点样针镊子开叉针毛细管实心针针环结构压电技术微阀技术热气泡喷射技术光引导原位合成技术分子印章原位合成法微镜技术合成后微点样原位合成1. 接触式点样（contact） 微点样（micro spotting）镊子（tweezer）开叉针（split pin）毛细管（capilary tube）实心针（solid pin）针环技术（solid pin）微点样（micro spotting ）材料为黄铜的夹具和48根钢针100μm200×355×25μm100 µm center-to-centerspacing with SMP2.5 pins,producing 75µm spot diameters,8,100 spots/cm2, and 145,800spots on a standard 25 mm x 76mm glass substrate.侧视图仰视图优势：¾点直径在很大程度上有钢针尖部尺寸决定，这一尺寸可以用电火花加工方法控制；¾高质量基片上制备的微阵列样品点直径很精确，而这与运动控制系统的性能没有关系；¾钢针与基片尖没有接触或接触很小，减小了钢针的摩擦从而提高了寿命；¾钢针可以按任意方向点样，在水平面或垂直面上均可操作；¾减小的接触力使得钢针可以在脆性表面（丙稀酰胺凝胶和硅晶片）上点样微点样针间的Cv 一般为5－10％，单根针的Cv 低于5％100%Cv Xσ×=不锈钢成分（质量百分比）合金 C Mn P S Si Cr Ni Mo 其他2010.15 6.5 0.06 0.03 1.0 17 4.5 －0.25N 3030.15 2.0 0.2 0.15 1.0 18 9.0 0.6 －409 0.08 1.0 0.045 0.045 1.0 11.5 35.5 －0.48Ti416Se 0.15 1.25 0.06 0.06 1.0 13.0 －－0.15Se440C 1.0 1.00.04 0.03 1.0 17.0 －－－2205 0.03 2.0 0.03 0.02 1.0 22 5.5 3.0 0.15N镊子开叉针镊子（tweezer）与开叉针（split pin）1998，Brown and Shalon（斯坦福） 优点：¾成本低廉¾易于操作缺点：¾寿命短¾分样量不均1990s 初期，Mirzabekov （莫斯科） 优点：可加工性较好，寿命较长确定：清洗困难 毛细管（capilary tube ）实心针（solid pin）优点：易于加工和操作缺点：¾每次装样只能点一个或几个点¾实心针从波片上抬起时有将液体从斑点中心抬起的倾向，可靠性不高优点：一次装样可以连续点上千个点 缺点：¾若实心针表面区域太大会导致移液量不均匀 针环技术（solid pin ）2. 非接触式点样（noncontact）压电技术（piezoelectric）微阀技术热气泡喷射技术压电材料感应电压脉冲，产生瞬间压力波喷头与基片间隙200-500μm 样品点直径250-300μm 压电技术（piezoelectric）优点：¾喷样过程不需要在x和y方向上做起停动作，快速：1min内可喷数千点样¾基片与喷嘴不接触¾喷样量300-500pl缺点：¾容易堵塞¾样品点较大微阀是一种基于微机械加工技术的无活动部件的单向被动阀，其利用通道表面张力的变化产生阻流作用，起到阀的作用。