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。
生物芯片技术PPT精品课程课件讲义
DNA芯片
概念：指在固相支持物上原位合成寡核苷酸 或直接将大量预先合成的DNA探针以显微打印 的反式有序地固化于支持物表面，然后与标记 的样品杂交，通过对杂交信号的检测分析，可 得出样品的遗传信息。
固定探针：DNA cDNA 寡核苷酸 基因片段
分类
• 原位合成芯片：Affymetrix • DNA微集阵列：
生物芯片是将生物分子(寡聚核苷酸、cDNA、
基因组 DNA、多肽、抗原、抗体等) 固定于硅片、
玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上 形成的生物分子点阵。 在待分析样品中的生物 分子与生物芯片的探针分子发生杂交或相互作 用后,利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进 行检测和分析。
生物芯片的分类（据芯片探针不同）
DNA芯片使用的基本流程
1. 2. 3. Sample intake Sample Processing Interaction
1. 2. 3. 4.
Glass cover Molecules to be analyzed Microtube for feeding the sample Biochip probes for testing
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生物芯片技术
主讲：XX XX
凡大医治病，必当安神
定志，无欲无求，先发大慈恻 隐之心，誓愿普救含灵之苦。
- - 孙思邈
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概述
生物芯片的概念 生物芯片是通过微电子、微加工技术在平方 厘米大小的固相介质表面构建的微型分析系统， 以实现对组织细胞中DNA、蛋白质及其它生物 组分的快速、高效、敏感的处理与分析。
Pool of Cell Lines
Tumor Different amounts of starting Differential material. labeling efficiency of dyes
《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
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四、信息化
生物芯片可以检测到的信息量是传统检测 技术无可比拟的， 特别是大规模阵列芯片 一次可以采集大量数据。如何从如此众多 错综复杂的数据中得到真正有用的信息是 一个相当烦琐的T作。生物信息技术的发展 是解决这一问题的唯一途径。
三、按芯片固定的生物分子类型
基因芯片或 DNA 芯片 蛋白质芯片（Protein Chip） 芯片实验室（Lab-on-Chip）
四、按芯片使用功能分类
测序芯片 表达谱芯片 基因差异表达分析芯片
（1）蛋白质芯片
目前蛋白芯片主要有 三类：蛋白质微阵列、 微孔板蛋白质芯片、 三维凝胶块芯Βιβλιοθήκη 等。生物芯片技术的发展前景
技术进展与市场动态,生物芯片是一个 新兴的科学领域，具有良好的发展前 景。现在生物芯片主要向以下几个方 向发展。
一、产业化
对于现在技术已经相对成熟的生物芯片， 如基因芯片，产业化是发挥生物芯片作用 的最好途径。现在很多公司已经推出各种 不同种类的基因芯片。而且相关其产业， 如点样设备，检测设备也有重要的价值。 现在成本是束缚产业化的一个关键的因素。
蛋白质芯片的应用
特异性抗原抗体的检测 特异性抗原抗体的检测 蛋白质的筛选及研究 蛋白质的筛选及研究 药物筛选 疾病诊断
（2）基因芯片
基因芯片（又称DNA芯片） 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 量也可进行基因突变体的检测 和基因序列的测定，为进一步 了解基因间的相互关系及基因 克隆提供有用的工具。
1995年，一些国际大公司与研究机构合作共同开发具有商 业价值的生物芯片及其相关的分析技术。
1997年世界上第一张全基因组基因芯片——含有6116个 基因的酵母全基因组芯片在斯坦福大学Brown实验室完成。 从而使基因芯片技术在世界上快速得到应用。
基因芯片技术的特点
基因芯片技术的特点的核心是微型化。芯片每平 方厘米固体表面上可固定十万个DNA片段、数万 个基因。一次分析可得到数万个基因的表达信息。 微型化的另一方面是样品用量与试剂用量的微量 化，用纳克级的mRNA、微升级的杂交液就能分 析成千上万个基因的表达信息。这些都是其它研 究技术所无法比拟的。 芯片制作及分析过程易于自动化。芯片设计制作 可实现自动化，可根据要求将需要分析的基因制 作成符合要求的芯片；杂交、洗片等过程都可实 现自动化，工作效率大幅提高。
生 物 芯 片 的 分 类
一、按载体材料
可分为玻璃芯片、硅芯片、陶瓷芯片。
目前，玻片材料因易得、荧光背景低、应用方便 等优点在国际上被广泛接受。通常是将玻片用化 学方法处理并联接上活性基团，如氨基、醛基、 巯基等，使生物分子通过共价键或离子键与载体 结合。
二、按点样方式
原位合成芯片（Loci-synthetic DNA Chip） 矩阵芯片（Microarray） 电定位芯片（Microelectronic）
二、微型化
由于微加工技术，生物芯片的尺寸范围已 经从微米尺寸向纳米尺寸发展。例如在硅 片上刻制的纳米尺寸的微结构阵列， 可以 完成生物大分子如DNA 的筛选。但是，由 于细胞等生物样品本身尺寸的限制， 生物 芯片的微型化不是无限的。
三、集成化
对生物芯片研究人员来说最终的研究目标 是对分析的全过程实现全集成， 即制造微 型全分析系统或微芯片实验室，在芯片上 实现生化检测的全部功能。集成方面， 目 前已有了一些进展，并且得到了一批初步 成果。
生物芯片技术
CYX
生物芯片技术
何为生物芯片技术？
生物芯片（Biochip）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 质、基因及其它生物组分的准确、快速、大信息 量的检测。
基因芯片的应用
生物芯片技术应用意义
对来源于不同个体（正常人与患者）、不同组织、不同细 胞周期、不同发育阶段、不同分化阶段、不同病变、不同 刺激（包括不同诱导、不同治疗阶段）下的细胞内的 mRNA或逆转录后产生的cDNA与表达谱基因芯片进行杂 交，可以对这些基因表达的个体特异性、组织特异性、发 育阶段特异性、分化阶段特异性、病变特异性、刺激特异 性进行综合的分析和判断，迅速将某个或几个基因与疾病 联系起来，极大地加快这些基因功能的确立，同时进一步 研究基因与基因间相互作用的关系。所以，无论何种研究 领域，利用表达谱基因芯片可以获得大量与研究领域相关 的基因，使研究更具目的性和系统性，同时也拓宽研究领 域。
生物芯片技术的发展史
1989年英国牛津大学的Southern等取得了在刚性载体表 面固定寡聚核苷酸及杂交法测序的专利；与此同时俄罗斯 和美国的科学家也提出了运用杂交法测定核酸序列（SBH） 的设想。
1994年研制出了一种基因芯片并用于检测β-地中海贫血病 的基因突变，筛选了一百多个β-地中海贫血病已知的突变 基因。