生物芯片技术
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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 原位合成（in situ synthesis）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
点样法
（二）样品的制备
• 样品的制备过程包括
（二）从支持物来分主要有：
1.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）。 2.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）。
（三）杂交与结果分析
1.杂交反应：与传统的杂交方法类似
第二节 基因芯片
• 一、概念和原理
基因芯片（DNA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。它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。 在一块1cm2大小的基因芯片上，根据需要可固 定数以千计甚至万计的基因，以此形成一个密 集的基因方阵，实现对千万个基因的同步检测。
一、何为生物芯片?
生物芯片 主要指通过平面微细加工技术在固体芯
片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对 细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、 快速、大信息量的检测。
他是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义 的科学技术革命。
二、原理
利用特异性的分子间相互作用，将 待检测样品标记后与生物芯片反应 ， 得到信号值。信号值代表了结合在探 针上的待测样本中的特定大分子的信 息。
3. 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）。
4.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）
四、基因芯片研制的总体蓝图
研制方向的确定
基因组序列分析与待检基 因探针序列的确定
1.探针的设计
• 确定芯片所要检测的目标对象
– 查询生物分子数据库
• 取得相应的DNA序列数据
– 序列对比分析
• 找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。
– 数据库搜索
• 得到关于序列突变的信息及其它信息。
2.探针在芯片上的布局
（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
（1）光引导原位聚合技术 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，选取择适当的蔽光膜（mask）使需要聚合的 部位透光，其它部们不透光。这样，光通过蔽光膜照射到 支持物上，受光部位的羟基解保护，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在待定位点合成大 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
核酸分子的纯化、扩增和标记
• 制备高质量样本是困难的但又是极其重要的。 制备细胞、组织或整个器官样本应特别小心。 温度、激素和营养环境、遗传背景、组织成 分等轻微改变都会使基因表达的结果发生明 显变化。 • 用于基因类型分析的样本是DNA，用于表达 研究的样本是cDNA。 • 样本制备后应进行标记，通常为酶标记、荧 光标记和核素标记。
（2）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
2. “点膜”型 合成工作用传统的DNA固相合成仪完成，只是合成后 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。 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
三、分类
1.根据芯片上交联固定的识别分子分 类。 2.根据生物芯片的结构特征及分析过 程分类。 3.根据芯片的功能分类。 4.根据芯片的用途分类。
cDNA芯片图像
ABO血型基因芯片分型结果
四、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。 • 自动化：降低成本，保证质量。
检测样品 的制备 检测设备的 研制
探针阵列的 准备
杂交检测与数据分析
•
基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片 制备、样品制备、杂交反应和信号检测以及 结果分析。
（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。
二、 基因芯片技术的主要特点
技术操作简单
自动化程高
序列数量大 检测效率高 应用范围广 成本相对低
三、 基因芯片的主要类型
（一）从点阵的制备方法来分
主要有两类：原位合成型与“点膜”型。 1.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聚合 技术。
（2）基因芯片制备 原位合成（in situ synthesis）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
点样法
（二）样品的制备
• 样品的制备过程包括
（二）从支持物来分主要有：
1.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）。 2.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）。
（三）杂交与结果分析
1.杂交反应：与传统的杂交方法类似
第二节 基因芯片
• 一、概念和原理
基因芯片（DNA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。它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。 在一块1cm2大小的基因芯片上，根据需要可固 定数以千计甚至万计的基因，以此形成一个密 集的基因方阵，实现对千万个基因的同步检测。
一、何为生物芯片?
生物芯片 主要指通过平面微细加工技术在固体芯
片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对 细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、 快速、大信息量的检测。
他是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义 的科学技术革命。
二、原理
利用特异性的分子间相互作用，将 待检测样品标记后与生物芯片反应 ， 得到信号值。信号值代表了结合在探 针上的待测样本中的特定大分子的信 息。
3. 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）。
4.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）
四、基因芯片研制的总体蓝图
研制方向的确定
基因组序列分析与待检基 因探针序列的确定
1.探针的设计
• 确定芯片所要检测的目标对象
– 查询生物分子数据库
• 取得相应的DNA序列数据
– 序列对比分析
• 找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。
– 数据库搜索
• 得到关于序列突变的信息及其它信息。
2.探针在芯片上的布局
（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
（1）光引导原位聚合技术 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，选取择适当的蔽光膜（mask）使需要聚合的 部位透光，其它部们不透光。这样，光通过蔽光膜照射到 支持物上，受光部位的羟基解保护，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在待定位点合成大 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
核酸分子的纯化、扩增和标记
• 制备高质量样本是困难的但又是极其重要的。 制备细胞、组织或整个器官样本应特别小心。 温度、激素和营养环境、遗传背景、组织成 分等轻微改变都会使基因表达的结果发生明 显变化。 • 用于基因类型分析的样本是DNA，用于表达 研究的样本是cDNA。 • 样本制备后应进行标记，通常为酶标记、荧 光标记和核素标记。
（2）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
2. “点膜”型 合成工作用传统的DNA固相合成仪完成，只是合成后 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。 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
三、分类
1.根据芯片上交联固定的识别分子分 类。 2.根据生物芯片的结构特征及分析过 程分类。 3.根据芯片的功能分类。 4.根据芯片的用途分类。
cDNA芯片图像
ABO血型基因芯片分型结果
四、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。 • 自动化：降低成本，保证质量。
检测样品 的制备 检测设备的 研制
探针阵列的 准备
杂交检测与数据分析
•
基因芯片技术主要包括四个主要步骤：芯片 制备、样品制备、杂交反应和信号检测以及 结果分析。
（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。
二、 基因芯片技术的主要特点
技术操作简单
自动化程高
序列数量大 检测效率高 应用范围广 成本相对低
三、 基因芯片的主要类型
（一）从点阵的制备方法来分
主要有两类：原位合成型与“点膜”型。 1.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聚合 技术。