基因芯片技术简介PPT课件
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基因芯片技术PPT课件
第三十三页，共55页。
第三十四页，共55页。
第三十五页，共55页。
第四节 基因芯片的杂交及结果分析
4.1 探针的标记 标记的方法通常是在反转录的底物中加
入带有标记基团的寡核苷酸单体，通过反转 录将标记分子渗入cDNA 分子中。
mRNA反转录标记方法直接影响DNA芯 片分析结果的准确性及重现性。
方便等优点，目前在国际上广泛使用。
第十三页，共55页。
2.2 按点样方式分类 1、原位合成芯片（将半导体中的光蚀刻技术运用
到DNA合成化学中，以单核苷酸或其他分子大分 子为底物，在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸）
2、微矩阵芯片（目前应用最广泛的基因芯片之一。
具有高密度、制作简便的特点。其是将用PCR或化 学合成等方法得到的DNA或寡核苷酸片段用针点或 喷点的方法直接排列到玻片等载体上，从而制备成 芯片。）
第十页，共55页。
2、基因芯片的缺点
基因芯片技术体系的建立和使用需要较 大的投入。
（但是，相对于传统的表达分析技术而 言，单个基因分析的成本仍是较低的。）
第十一页，共55页。
第十二页，共55页。
第二节 生物芯片的分类
2.1 按载体材料分类 玻璃芯片 硅芯片 陶瓷芯片 玻璃芯片具有易得、荧光背景低、应用基Leabharlann 芯片技术第一页，共55页。
• 生物芯片是八十年代末在生命科学领 域中迅速发展起来的一项高新技术，它 主要是指通过微加工技术和微电子技术 在固体芯片表面构建的微型生物化学分 析系统，以实现对细胞、蛋白质、 DNA以及其他生物组分的准确、快速、 大信息量的检测。
第二页，共55页。
世界著名商业杂志《财富》对基因 生 物 芯 片 领 域 非 常 看 好 ， 它 在 其 1997 年的3月31刊中讲到：“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…...”
第三十四页，共55页。
第三十五页，共55页。
第四节 基因芯片的杂交及结果分析
4.1 探针的标记 标记的方法通常是在反转录的底物中加
入带有标记基团的寡核苷酸单体，通过反转 录将标记分子渗入cDNA 分子中。
mRNA反转录标记方法直接影响DNA芯 片分析结果的准确性及重现性。
方便等优点，目前在国际上广泛使用。
第十三页，共55页。
2.2 按点样方式分类 1、原位合成芯片（将半导体中的光蚀刻技术运用
到DNA合成化学中，以单核苷酸或其他分子大分 子为底物，在玻璃晶片上原位合成寡核苷酸）
2、微矩阵芯片（目前应用最广泛的基因芯片之一。
具有高密度、制作简便的特点。其是将用PCR或化 学合成等方法得到的DNA或寡核苷酸片段用针点或 喷点的方法直接排列到玻片等载体上，从而制备成 芯片。）
第十页，共55页。
2、基因芯片的缺点
基因芯片技术体系的建立和使用需要较 大的投入。
（但是，相对于传统的表达分析技术而 言，单个基因分析的成本仍是较低的。）
第十一页，共55页。
第十二页，共55页。
第二节 生物芯片的分类
2.1 按载体材料分类 玻璃芯片 硅芯片 陶瓷芯片 玻璃芯片具有易得、荧光背景低、应用基Leabharlann 芯片技术第一页，共55页。
• 生物芯片是八十年代末在生命科学领 域中迅速发展起来的一项高新技术，它 主要是指通过微加工技术和微电子技术 在固体芯片表面构建的微型生物化学分 析系统，以实现对细胞、蛋白质、 DNA以及其他生物组分的准确、快速、 大信息量的检测。
第二页，共55页。
世界著名商业杂志《财富》对基因 生 物 芯 片 领 域 非 常 看 好 ， 它 在 其 1997 年的3月31刊中讲到：“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…...”
基因芯片-新版课件.ppt
精心整理
cDNA芯片——细胞表达差异分析
精心整理
将cDNA片断用于制作 芯片探针阵列
将待比较的两种核酸 分别以红色荧光素和 绿色荧光素标记
已标记的两种核酸同 时与cDNA芯片杂交
用荧光扫描仪检测每 位点的荧光差异
基因芯片分析的一般流程
待测核酸样品制备（与扩增）； 荧光素标记待测核酸样品； 与芯片进行杂交； 洗涤去除未杂交的标记样品； 采集芯片杂交模式（用荧光显微镜或荧
Oligo芯片一般采用以下技术：
合成点样 原位合成（in situ synthesis）
cDNA芯片采用点样技术
精心整理
合成点样技术
在用合成点样法生产基因芯片时，先合成4n 种寡核苷酸探针，n为探针长度；然后，将 每一种探针精确定位点样于选定的载体上。 合成点样法生产基因芯片的工作量非常大， 以合成8聚体寡核苷酸探针为例，就要合成 48=65536种探针！
精心整理
原位合成
是一种在芯片片基上定位合成寡核苷 酸探针阵列的技术。 目前已成功应用于 基因芯片制作的原位合成技术有：
照相平板印刷术（photolithograhpy） 喷墨法（Ink jets）
精心整理
照相平版印刷术
首先在固相载体或称为固相基板 （solid substrate）的表面结合一层带 有保护性感光基团的羟基。
用电场作为一 个独立参量的新型 生物芯片技术。最 早由美国Nanogen 公司发明，目前国 内清华大学和复旦 大学也在开发这一 技术。
精心整理
电子芯片实质上是一种由电场（或电、磁场） 指导杂交反应的芯片技术。 芯片制作：在带有正电荷的硅片上制成1mm2的阵列，每
个阵列含多个微电极，在每个电极上通过氮化硅沉积和蚀刻制 备出样品池；将含有亲和素的琼脂糖覆盖在电极上制成。
cDNA芯片——细胞表达差异分析
精心整理
将cDNA片断用于制作 芯片探针阵列
将待比较的两种核酸 分别以红色荧光素和 绿色荧光素标记
已标记的两种核酸同 时与cDNA芯片杂交
用荧光扫描仪检测每 位点的荧光差异
基因芯片分析的一般流程
待测核酸样品制备（与扩增）； 荧光素标记待测核酸样品； 与芯片进行杂交； 洗涤去除未杂交的标记样品； 采集芯片杂交模式（用荧光显微镜或荧
Oligo芯片一般采用以下技术：
合成点样 原位合成（in situ synthesis）
cDNA芯片采用点样技术
精心整理
合成点样技术
在用合成点样法生产基因芯片时，先合成4n 种寡核苷酸探针，n为探针长度；然后，将 每一种探针精确定位点样于选定的载体上。 合成点样法生产基因芯片的工作量非常大， 以合成8聚体寡核苷酸探针为例，就要合成 48=65536种探针！
精心整理
原位合成
是一种在芯片片基上定位合成寡核苷 酸探针阵列的技术。 目前已成功应用于 基因芯片制作的原位合成技术有：
照相平板印刷术（photolithograhpy） 喷墨法（Ink jets）
精心整理
照相平版印刷术
首先在固相载体或称为固相基板 （solid substrate）的表面结合一层带 有保护性感光基团的羟基。
用电场作为一 个独立参量的新型 生物芯片技术。最 早由美国Nanogen 公司发明，目前国 内清华大学和复旦 大学也在开发这一 技术。
精心整理
电子芯片实质上是一种由电场（或电、磁场） 指导杂交反应的芯片技术。 芯片制作：在带有正电荷的硅片上制成1mm2的阵列，每
个阵列含多个微电极，在每个电极上通过氮化硅沉积和蚀刻制 备出样品池；将含有亲和素的琼脂糖覆盖在电极上制成。
《基因芯片技术》课件
STEP 02
公平性问题
基因信息属于个人隐私， 如何在科学研究与隐私保 护之间取得平衡是一个重 要问题。
STEP 03
误用风险
基因芯片技术可能被误用 于基因决定论或种族歧视 等不道德用途。
基因技术的应用可能带来 不公平的医疗资源和机会 分配。
展望与未来发展
高通量测序技术
随着测序技术的进步，基因芯片将与 高通量测序技术结合，提供更全面、 深入的基因组信息。
表面活性剂
为了提高芯片表面的亲水性和降低非特异性吸附，通常会 在芯片表面涂覆一层表面活性剂，如聚乙二醇（PEG）。
表面洁净度
芯片表面的洁净度对实验结果至关重要，必须严格控制表 面污染物的种类和浓度。
探针的合成与固定
探针设计
探针是基因芯片的关键组成部分，其设计应考虑特异性、长度、 GC含量等因素。常用的探针合成方法包括化学合成和生物合成。
详细描述
基因芯片可以快速检测和识别各种疾病相关基因的变异，如 癌症、遗传性疾病等。通过基因芯片技术，医生可以精确地 确定疾病的类型、分期和预后，为制定个性化治疗方案提供 依据。
药物研发与毒理学研究
总结词
基因芯片技术在药物研发和毒理学研究中具有重要作用，能够加速新药的发现和开发，同时降低药物研发成本和 风险。
通路和网络分析
通过生物信息学工具对差 异表达基因进行通路和网 络分析，揭示基因之间的 相互作用关系。
基因功能注释与富集分析
基因功能注释
利用生物信息学数据库对基因进 行功能注释，了解其生物学功能 和分类。
富集分析
通过统计方法检测差异表达基因 在特定生物学过程或通路中的富 集程度，揭示基因的功能特点和 潜在作用机制。
高灵敏度
基因芯片技术PPT课件
处理 电信号
生物信息
?
•DNA芯片
基因芯片
荧光标记的样品 共聚焦显微镜
获取荧光图象
杂交
探针设计
杂交结果分析
蛋白芯片(Protein Chips)
抗原——抗体、蛋白相互作用
组织芯片
将数十个甚至数千 个不同个体的组织 标本集成在一张固 相载体上所形成的 组织微阵列。
芯片实验室 （Lab-on-chip)
Detector 2
Scanner
图像处理
Detector 1
Detector 2
False-color differential image
图像分析
(1) find spots (2) quantitate spot intensities
图像分析
（3）calculate ratios
[cy3] [cy5]
杂交结果的聚类分析
表达谱聚类分析软件 Treeview
肿瘤基因表达谱分析与 肿瘤的分子分型
Molecular Classification of Cancer: Class Discovery and Class Prediction by Gene
Expression Monitoring
Golub T R, Slonim D K, Tamayo P, et al.
Probes Adhesion layer Substrate
二、样品的准备
• 样品的分离纯化
• 样品的扩增、标记：
反转录标记 随机引物延伸标记 PCR标记
基因表达谱Hale Waihona Puke 色标记Sample cells
1) 2)
Labeled RNA or DNA (Sample )
教学课件第十三章DNA芯片技术
Clustering。
第三节 DNA芯片技术的应用
DNA测序；杂交测序（SBH） 基因表达分析：
基因组研究：作图、测序、和检测与疾病相关的基因 及在RNA水平上检测致病基因的表达
药物研究与开发：
cDNA microarray expression patterns of small (S) and large (L) neurons
2.压电打印法
压电毛细管喷射器 产率较高
喷墨打印技术
Syringe Pump
Reservoir
Switching Valve
Connecting Tubing
High-Speed MicroSolenoid Valve
Removable Tip Orifice
Controller
（三）DNA微集阵列的制备 方式：预先合成DNA或制备基因探针然后
产率较低
原位合成(In Situ Synthesis)
Light directed oligonucleotide synthesis.
A solid support is derivatized with a covalent linker molecule terminated with a photolabile protecting group. Light is directed through a mask to deprotect and activate selected sites, and protected nucleotides couple to the activated sites. The process is repeated, activating different sets of sites and coupling different bases allowing arbitrary DNA probes to be constructed at each site.
第三节 DNA芯片技术的应用
DNA测序；杂交测序（SBH） 基因表达分析：
基因组研究：作图、测序、和检测与疾病相关的基因 及在RNA水平上检测致病基因的表达
药物研究与开发：
cDNA microarray expression patterns of small (S) and large (L) neurons
2.压电打印法
压电毛细管喷射器 产率较高
喷墨打印技术
Syringe Pump
Reservoir
Switching Valve
Connecting Tubing
High-Speed MicroSolenoid Valve
Removable Tip Orifice
Controller
（三）DNA微集阵列的制备 方式：预先合成DNA或制备基因探针然后
产率较低
原位合成(In Situ Synthesis)
Light directed oligonucleotide synthesis.
A solid support is derivatized with a covalent linker molecule terminated with a photolabile protecting group. Light is directed through a mask to deprotect and activate selected sites, and protected nucleotides couple to the activated sites. The process is repeated, activating different sets of sites and coupling different bases allowing arbitrary DNA probes to be constructed at each site.
基因芯片技术32页PPT
世界十大基因芯片研制单位简要情况一览
公司 Affymetrix （美国）
Brax（ 英国）
阵列方法
20-25mer 探针光引导 合 成 在 1.25/5.25cm2 的硅片
Oligo 合 成 后 结 合 于 芯片上
Hyseq（美国） 500-2000ntDNA 样品 印 刷 于 0.6cm2/18cm2 的膜
德国癌症研究 所（德国）
压 电 打 印 PCR 产 物 或 芯 片 上 合 成 Oligos
500-5000nt 的 cDNA 用 笔 打 印 于 10 cm2 玻璃片 预 组 装 的 20mer 的 探 针俘获于电活化芯片 位点 通过打印于表面张力 阵 列 将 40-50mer O ligo 合 成 于 9 cm 2 玻璃片 20-25mer 探 针 合 成 后 打印成阵列 500-5000nt cDNA 用 滴头打印于 4 cm2 的 玻璃片 约 1000 个 PNA 合 成 于 8× 10 cm2 的 芯 片
七、基因芯片当前研究状况
现在全世界已有十多家公司专门从事基因芯片 的研究和开发工作，而且已有较为成型的产品和设 备问世。这些公司主要以美国的Affymetrix公司为 代表，该公司聚集有多位计算机、数学和分子生物 学专家，其每年的研究经费在一千万美元以上，且 已历时六七年之久，拥有多项专利。产品即将或已 有部分投放市场，产生的社会效益和经济效益令人 瞩目。详情如下表所示：
基 因 芯 片 (Gene chip) 又 称 DNA 芯 片 （DNA Chip）或生物芯片(Biological chip，不过该词尚包括肽芯片等其它类 型),它是指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进而对靶分 子的序列和数量进行分析。
07 基因芯片技术.ppt.Convertor
第七章基因芯片技术Number of complete ( andgapped ( genomes䦋㌌㏒㧀좈琰茞ᓀ㵂ÜComplete genomes genomes,Bacteria Archaea Viral Eukarya 363261843911274089基因组计划带来的困扰基因芯片的产生和发展传统技术的不断改进的结果基因信息分析规模不断扩大的需求人类基因组计划的需求后基因组时代的需求基因芯片基因芯片在基因表达中的运用对生命活动过程中众多基因的功能的全面认识需要新的技术克服早期的Northern技术等在技术上的制约。
第一节生物芯片的简介一、生物芯片的定义生物芯片（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。
基因芯片的定义基因芯片: 又称DNA芯片或DNA阵列，是将DNA分子固定于固相支持物上，并与标记的样品杂交，从而检测样品中mRNA分子的表达量或进行基因突变体检测的技术。
二、基因芯片的分析流程主要包括样品的标记处理、芯片制作、分子杂交、信号的检测和数据处理分析等几个步骤。
数据分析、寻找差异表达的基因Cy3标记的A组织mRNACy5标记的B组织mRNA混合探针以两种波长的激光扫描 cy3-532nmcy5-635nm杂交基因表达谱芯片的原理靶基因点样三、基因芯片技术的发展史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。
1992年世界第一块原位合成基因芯片在美国Affymetrix诞生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。
第五章基因克隆-基因芯片35页PPT
（三）人类基因组计划的意义 1．基因诊断和基因治疗
2．疾病预防
3 人类学研究
锦绣般的中国云南红河哈 尼梯田，成为2019年4月5日 出版的美国《科学》杂志的 封面。这份世界权威学术期 刊，以封面文章形式和显著 篇幅，登出中国科学家绘出 水稻基因组工作框架图的历 史性论文。
这是由中国科学家独立 完成的一项世界级研究成果。 “毫无疑问，中国基因组学 研究已达到世界水平”， 《科学》杂志总编、美国国 家科学院院士唐纳德·肯尼 迪对新华社记者说。
Pharmacogenomics & Individualized Therapy
• 机体摄入药物后，经过吸收、分布、药 物与靶细胞作用、生物转化或分解及排 出等一系列过程。每一步都受到特定的 酶、受体或蛋白质的作用和影响。
• 一个药物的总的药理作用都是由多基因 控制的。
• 在药物代谢过程中一பைடு நூலகம்列蛋白和酶的基 因都会对药物作用产生影响
细胞色素氧化酶P450(CYP)
• 是存在于肝细胞内质网和线粒体内的氧 化酶。主要对药物及其他代谢物进行氧 化修饰。
• 细胞色素氧化酶P450种类很多，有的底 物可被几种细胞色素氧化酶P450催化， 而有的细胞色素氧化酶P450可催化几种 不同的底物。
• 细胞色素氧化酶P450的基因命名为CYP。
高集成度、高并行处理能力、自动化分析
基因芯片的4个基本要点 DNA方阵构建
样品制备
检测
杂交
（二）基因芯片技术的主要应用 1．在医药领域中的应用
疾病诊断和治疗、疾病分类、药物筛 选、发病机制、愈后判断、药物筛选和寻 找药物靶标等
应用基因芯片研究宫颈癌相关基因表达
2．基因芯片在农业上的应用 基因芯片广泛用于农作物的优育和优选。
基因芯片技术.ppt
世界十大基因芯片研制单位简要情况一览
T7 promoter PCR
体内转录
T7 promoter
荧光素
片段化
1.5 小时
杂交、冲洗
ACGT
扫描分析 1 小时
图 2 样品处理与检测过程简图
续表
点 阵合 成 大 量 探 针 需检测技 术设 备 情 况 知 识 产 权 问 题 密 度要 的 反 应 步 数 效 率难 度 光 引 导 原 位很 高合 成 4n个 序 列 只很 高很 高需 要 大 型 复有 可 能 侵 权 * 合 成 技 术 需 4*n步 反 应 杂 设 备 预 合 成 点 样比 较合 成 4n个 序 列 需较 高较 低设 备 代 价 相无 侵 权 可 能 技 术 低 4n个 反 应 对 低 廉
由于完全正常的 Watson-Crick配对双链要 比具有错配 (mismatch)碱基的双链分子具有较 高的热力学稳定性，所以，前者的荧光强度要
比后者强出 5-35% 。从这一点来说，该检测方
法是具有一定特异性线性关系。以
下图为例。
Incyte P harm acetical s （美国） M olecular dy nam ics （美国） N anogen （美国） Protogene L ab （美国）
八、基因芯片的主要类型
基因芯片以其片基(substrate)的不同可以分 为无机片基和有机合成物片基。前者主要包括半 导体硅片和玻璃片，其上的探针主要以原位聚合 的方法合成，后者主要有特定孔径的硝酸纤维膜 和尼龙膜，其上的探针主要是预先合成后通过特 殊的微量点样装置或仪器滴加到片基上去（如下 表所示）。
了科学界的高度重视。
四、基因芯片技术与传统杂交 检测方式的比较
《基因芯片技术》PPT课件
五、基因芯片的应用
基因表达分析：人类基 因组编码大约100,000个 不同的基因，仅掌握基 因序列信息资料，要理 解其基因功能是远远不 够的，因此，具有监测 大量mRNA的实验工具很 重要。基因芯片技术可 清楚地直接快速地检测 出以1:300,000水平出现 的mRNA，且易于同时监 测成千上万的基因。
高密度芯片的分析一般采用荧光素标记探针，通过适当 内参的设置及对荧光信号强度的标化可对细胞内mRNA的 表达进行定量检测。近年来运用的多色荧光标记技术可 更直观地比较不同来源样品的基因表达差异，即把不同 来源的探针用不同激发波长的荧光素标记，并使它们同 时与基因芯片杂交，通过比较芯片上不同波长荧光的分 布图获得不同样品间差异表达基因的图谱，常用的双色 荧光试剂有Cy3-dNTP和Cy5-dNTP。
（二）样品的准备
样品的分离纯化：DNA , mRNA 扩增：PCR, RT—PCR，固相PCR 探针的标记：已克隆的基因片段、PCR，RT-PCR扩增的基 因片段、人工合成的DNA片段，单链、双链、DNA或RNA 均可作为探针。 荧光标记（常用Cy3、Cy5），生物素、放射性标记,通常 是在待测样品的PCR扩增、逆转录或体外转录过程中实现 对探针的标记。对于检测细胞内mRNA表达水平的芯片,一 般需要从细胞和组织中提取RNA,进行逆转录,并加入偶联 有标记物的dNTP,从而完成对探针的标记过程。
十 基因芯片技术
1 生物芯片简介及分类 2 基因芯片制备及应用
第一节 生物芯片简介及分类
一、生物芯片(biochip)的概念 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 、基因及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测 。 生物芯片主要特点是高通量、微型化和自动化。
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基因芯片技术简介
冯永强
.
1
一、基因分析芯片开发的动力
遗传信息迅猛增长
随着人类基因组（测序）计划（Human genome project）的逐步实施以及分子生物学相关 学科的迅猛发展，越来越多的动植物、微生物基 因组序列得以测定，基因序列数据正在以前所未 有的速度迅速增长。然而,怎样去研究如此众多基 因在生命过程中所担负的功能就成了全世界生命 科学工作者共同的课题。为此，建立新型杂交和 测序方法以对大量的遗传信息进行高效、快速的
鉴定及分型，人线粒体16.6kb基因组多态性的研究等4 基因作图 通过确定重叠克隆的次序从而对酵母
基因组进行作图
.
16
5 及杂交测序
6 Etc.
.
17
个人观点供参考，欢迎讨论！
.
12
微板型 这种芯片实质上是一种具有高密度、小容量 测试孔的小型酶联免疫检测板（如PE公司等）。
.
13
集成电路型 将杂交技术与微电子技术结合于 一体有目的地通过电子装置检测或控制DNA等生 物大分子的作用过程（如 Nanogen公司）
.
14
4. 基因芯片研制的总体蓝图
研制方向的确定
检测样品 的制备
.
5
2. 基因芯片技术的主要特点
技术操作简单 自动化程度高 序列数量大 检测效率高 应用范围广 成本相对低
.
6
3 基因芯片的主要类型
鉴于信号的获取与解读具有通用性，所以此处不予特 别介绍。
从点阵的制备方法来分主要有两类：原位合成型与“点膜”
型。
• 原位合成型 指根据预先设计的点阵序列在每个位点通 过有机合成的方式直接聚合得到所要求的探针分子。聚合 之后芯片片基的制作即告结束。该方法有两类：光引导原 位聚合技术与压电打印原位合成技术。
.
4
二、基因分析芯片的简要描述
1. 什么是基因芯片
基因芯片指对数以千记的DNA片段同时进行处理分析 的技术，诸如基因组DNA突变谱和mRNA表达谱的检测等 （Trends in Biotechnology)。
该技术系指将大量探针分子固定于支持物上后与标记 的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号 强度进而获取样品分子的数量和序列信息。
基因组序列分析与待检基 因探针序列的确定
探针阵列的 准备
检测设备的 研制
杂交检测与数据分析
.
15
三、基因芯片的主要应用
1 基因表达检测 拟南芥、酵母基因表达研究等
2 突变检测 BRCAⅠ基因外显子11、CFTR基因、β-地
中海贫血、酵母突变菌株、HIV-1逆转录酶及蛋白酶基因 等的突变检测等
3 基因组多态性分析 人类基因组单核苷酸多态性的
检测、分析就显得格外重要了。
.
2
相关学科与技术的高度发展和相互渗透
当代与信息产业相伴随的计算机、精密机械等 科学技术是大规模解析基因信息的基础，而基因芯 片从实验室走向工业化却是直接得益于探针固相原 位合成技术和照相平板印刷技术的有机结合以及激 光共聚焦显微技术的引入。它使得合成、固定高密 度的数以万计的探针分子切实可行，而且借助激光 共聚焦显微扫描技术使得可以对杂交信号进行实时、 灵敏、准确的检测和分析。
.
7
光引导原位聚合技术的简要过程为：首先使支持物羟基化， 并用光敏保护基团将其保护起来，选取择适当的遮光膜（mask） 使需要聚合的部位透光，其它部位不透光。这样，光通过遮光 膜照射到支持物上，受光部位的羟基去保护，进而与单体分子 共价结合。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反应 后仍旧带有光敏保护基团。因此，每次通过控制遮光膜的图案 （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在待定位点合成大量预定序列寡聚体 的目的。
.
3
科学的发展人类的进步要求进行大规模基因信 息的解析
鉴于基因芯片的多种用途和其远大的发展前景，不
少生命科学研究机构和生物技术公司都先后参与了这项 技术的研究。据不完全统计目前仅国内就有十多家单位 从事该技术的研究与开发工作，全世界估计至少有二三 十家。它已象半导体技术一样成为一个重要的产业方向 。当前已正被广泛地应用于诸多领域，包括生物医学、 临床诊断学和基因组学研究。
优点：设备廉价，技术简便，研制周期短，灵活性高 缺点：点阵密度低
.
11
从支持物来分主要有：
薄膜型 如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等。这种 类型“芯片”的点阵是通过“点膜”形式制作的，并通过一 定的方法使探针能够牢固地结合于其上，整个过程类似于斑 点杂交技术（如CloneTech公司）。
玻片型 这种芯片的点阵是通过原位合成技术制作的， 点阵密度很高，所以必须借助于特殊的仪器对测定结果进行 解读和分析。当前具有此类产品研制能力的公司很少（如 Affimetrix公司）。
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
.
8
.
9
压电打印原位聚合技术 其装置与普通的彩色喷墨打 印机并无两样，所用技术也是常规的固相合成方法。即将 墨盒中的墨汁分别用四种碱基合成试剂替代，支持物经过 包被后，通过计算机控制喷墨打印机将特定种类的试剂喷 洒到预定的区域上。冲洗、去保护、偶联等则同于一般的 固相原位合成技术。如此类推，可以合成出长度为40到50 个碱基的探针。
优点： 设备廉价，技术相对简单，反应产率高
缺点： 点阵密度低，易产生交叉污染
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• “点膜”型 合成工作用传统的DNA固相合成仪完成，只是ห้องสมุดไป่ตู้成后
用特殊的自动化微量点样装置将其以比较高的密度涂布于 硝酸纤维膜、尼龙膜或玻片上。支持物应事先进行特定处 理，例如包被以带正电荷的多聚赖酸或氨基硅烷，以便能 够牢固地结合寡核苷酸分子。该方法是目前大多数中小型 公司所采用的方法。
冯永强
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一、基因分析芯片开发的动力
遗传信息迅猛增长
随着人类基因组（测序）计划（Human genome project）的逐步实施以及分子生物学相关 学科的迅猛发展，越来越多的动植物、微生物基 因组序列得以测定，基因序列数据正在以前所未 有的速度迅速增长。然而,怎样去研究如此众多基 因在生命过程中所担负的功能就成了全世界生命 科学工作者共同的课题。为此，建立新型杂交和 测序方法以对大量的遗传信息进行高效、快速的
鉴定及分型，人线粒体16.6kb基因组多态性的研究等4 基因作图 通过确定重叠克隆的次序从而对酵母
基因组进行作图
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5 及杂交测序
6 Etc.
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个人观点供参考，欢迎讨论！
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微板型 这种芯片实质上是一种具有高密度、小容量 测试孔的小型酶联免疫检测板（如PE公司等）。
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集成电路型 将杂交技术与微电子技术结合于 一体有目的地通过电子装置检测或控制DNA等生 物大分子的作用过程（如 Nanogen公司）
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4. 基因芯片研制的总体蓝图
研制方向的确定
检测样品 的制备
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2. 基因芯片技术的主要特点
技术操作简单 自动化程度高 序列数量大 检测效率高 应用范围广 成本相对低
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3 基因芯片的主要类型
鉴于信号的获取与解读具有通用性，所以此处不予特 别介绍。
从点阵的制备方法来分主要有两类：原位合成型与“点膜”
型。
• 原位合成型 指根据预先设计的点阵序列在每个位点通 过有机合成的方式直接聚合得到所要求的探针分子。聚合 之后芯片片基的制作即告结束。该方法有两类：光引导原 位聚合技术与压电打印原位合成技术。
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二、基因分析芯片的简要描述
1. 什么是基因芯片
基因芯片指对数以千记的DNA片段同时进行处理分析 的技术，诸如基因组DNA突变谱和mRNA表达谱的检测等 （Trends in Biotechnology)。
该技术系指将大量探针分子固定于支持物上后与标记 的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号 强度进而获取样品分子的数量和序列信息。
基因组序列分析与待检基 因探针序列的确定
探针阵列的 准备
检测设备的 研制
杂交检测与数据分析
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三、基因芯片的主要应用
1 基因表达检测 拟南芥、酵母基因表达研究等
2 突变检测 BRCAⅠ基因外显子11、CFTR基因、β-地
中海贫血、酵母突变菌株、HIV-1逆转录酶及蛋白酶基因 等的突变检测等
3 基因组多态性分析 人类基因组单核苷酸多态性的
检测、分析就显得格外重要了。
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相关学科与技术的高度发展和相互渗透
当代与信息产业相伴随的计算机、精密机械等 科学技术是大规模解析基因信息的基础，而基因芯 片从实验室走向工业化却是直接得益于探针固相原 位合成技术和照相平板印刷技术的有机结合以及激 光共聚焦显微技术的引入。它使得合成、固定高密 度的数以万计的探针分子切实可行，而且借助激光 共聚焦显微扫描技术使得可以对杂交信号进行实时、 灵敏、准确的检测和分析。
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光引导原位聚合技术的简要过程为：首先使支持物羟基化， 并用光敏保护基团将其保护起来，选取择适当的遮光膜（mask） 使需要聚合的部位透光，其它部位不透光。这样，光通过遮光 膜照射到支持物上，受光部位的羟基去保护，进而与单体分子 共价结合。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反应 后仍旧带有光敏保护基团。因此，每次通过控制遮光膜的图案 （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在待定位点合成大量预定序列寡聚体 的目的。
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科学的发展人类的进步要求进行大规模基因信 息的解析
鉴于基因芯片的多种用途和其远大的发展前景，不
少生命科学研究机构和生物技术公司都先后参与了这项 技术的研究。据不完全统计目前仅国内就有十多家单位 从事该技术的研究与开发工作，全世界估计至少有二三 十家。它已象半导体技术一样成为一个重要的产业方向 。当前已正被广泛地应用于诸多领域，包括生物医学、 临床诊断学和基因组学研究。
优点：设备廉价，技术简便，研制周期短，灵活性高 缺点：点阵密度低
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从支持物来分主要有：
薄膜型 如聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等。这种 类型“芯片”的点阵是通过“点膜”形式制作的，并通过一 定的方法使探针能够牢固地结合于其上，整个过程类似于斑 点杂交技术（如CloneTech公司）。
玻片型 这种芯片的点阵是通过原位合成技术制作的， 点阵密度很高，所以必须借助于特殊的仪器对测定结果进行 解读和分析。当前具有此类产品研制能力的公司很少（如 Affimetrix公司）。
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
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压电打印原位聚合技术 其装置与普通的彩色喷墨打 印机并无两样，所用技术也是常规的固相合成方法。即将 墨盒中的墨汁分别用四种碱基合成试剂替代，支持物经过 包被后，通过计算机控制喷墨打印机将特定种类的试剂喷 洒到预定的区域上。冲洗、去保护、偶联等则同于一般的 固相原位合成技术。如此类推，可以合成出长度为40到50 个碱基的探针。
优点： 设备廉价，技术相对简单，反应产率高
缺点： 点阵密度低，易产生交叉污染
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• “点膜”型 合成工作用传统的DNA固相合成仪完成，只是ห้องสมุดไป่ตู้成后
用特殊的自动化微量点样装置将其以比较高的密度涂布于 硝酸纤维膜、尼龙膜或玻片上。支持物应事先进行特定处 理，例如包被以带正电荷的多聚赖酸或氨基硅烷，以便能 够牢固地结合寡核苷酸分子。该方法是目前大多数中小型 公司所采用的方法。