《生物芯片技术》课程教学大纲
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。
医学分子生物学原理-生物芯片技术'
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二、DNA芯片
又被称为基因芯片(gene chips)、DNA阵列(DNA array)、cDNA 芯 片 (cDNA chips)、 寡 核 苷 酸 阵 列 (oligonucleotide array)等。
DNA芯片是指在固相支持物上原位合成寡核苷酸 或者直接将大量预先合成的DNA探针以显微打印的方 式有序地固化于支持物表面；
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根据芯片的用途可分为两大类
2020年3月4日1时22分
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生物芯片的基本原理与特征：
➢“分子杂交”原理：
生物分子间相互的特异识别和结合（如: DNA 分子互补链之间、蛋白分子之间、蛋白分子与DNA 分子之间等）。
➢“芯片” 特征：
高集成、高通量、并行化,微型化、自动化、 连续化
2020年3月4日1时22分
有此类 产品研制 能力的公 司不多,如
Affimetrix 公司。
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2. 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Clone Tech公司）。
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后续步骤：
1. 终止反应降解模板(总RNA或mRNA ) ； 2. 过凝胶过滤柱滤去游离的荧光核苷酸； 3. 洗脱、浓缩 、真空干燥获取纯化的核酸样品； 4. 溶解 (DEPC处理的水)成样品液
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注意事项：
➢不 同 来 源 的 样 品 分 别 用 不 同 颜 色 的 荧 光 素 标 记 (Cy3为红色,标记处理组；Cy5为绿色,标记对照组)， 以便比较分析；
2. 用激光点光源照射聚合部位,去除光敏保护基 (X), 暴露活性羟基(OH)；
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。
级生物芯片教学大纲
级生物芯片教学大纲《生物芯片》教学大纲课程编号：0235225 课程名称：生物芯片学时：28一．说明部分1．课程性质专业选修课，授课对象为生物技术专业本科学生。
2．教学目标及意义本课程为生物技术专业的专业选修课。
在教学过程中，时时注意培养学生观察、思考、分析、归纳的自学能力，使学生懂得应用生物芯片技术，成为一个专业知识扎实，工作能力强、适用面广、德智体全面发展的应用型人才。
3. 教学目的通过本课程教学使学生掌握生物芯片的基本理论和基本技能，了解生物芯片技术概况、生物芯片技术应用、生物芯片信号检测技术、蛋白质芯片技术、DNA 微阵列技术、寡核苷酸芯片技术等原理与应用，培养工程应用研究和实际工作的能力，获得观察、思考、分析、归纳的自学能力。
同时结合其它课程的学习，成为专业基础知识扎实，工作能力强、适用面广、德智体全面发展的应用型人才4．教学方法、手段与成绩考核方式教学方法与手段：本课程以课堂讲授为主，运用多媒体教学手段，加大教学的信息量；与其它专业课程的学习有机衔接，课堂讲解中注重理论与实际相结合，提升学生对理论知识的理解和把握能力。
成绩考核方式：考查二、正文部分第一章绪论第一节DNA的体外合成(一、DNA的化学合成二、PCR的基本原理第二节分子杂交一、探针的种类与选择二、标记物的选择三、探针的放射性同位素标记四、探针的非放射性标记五、膜上印迹杂交的条件选择六、杂交信号的检测七、抗原与抗体第三节现代分子诊断技术一、酶联免疫吸附测定二、DNA诊断流三、遗传病疾的分子诊断技术四、癌症的分子诊断技术五、环境微生物的检测本章学时数 2第二章生物芯片技术概况第一节生物芯片技术产生的背景第二节生物芯片概念与分类第三节生物芯片研究现状一、国外研究现状二、生物芯片国内研究现状本章学时数 4第三章寡核苷酸芯片技术第一节引言第二节制备原理一、原位合成技术二、合成后微点样技术第三节制备技术一、寡核苷酸芯片原位合成技术二、合成后微点样制备寡核苷酸芯片第四节制备质量控制一、样品的处理二、寡核苷酸分子的设计与固定三、生物识别的控制四、检查方式的选取五、数据的获得与分析六、环境控制第五节检测样品制备简介一、待测DNA制备二、样品标记第六节应用一、DNA测序、基因突变及多态性扫描二、基于差异表达分析和基因鉴定三、肿瘤的发生机理、肿瘤分型和诊断四、疾病诊断五、药物筛选和指导合理用药六、环境保护和监测本章学时数 4第三章DNA微阵列技术第一节cDNA微阵列探针制备一、构建cDNA文库一般方法二、构建全长cDNA文库三、从微量样品中构建cDNA文库四、提高cDNA文库构建效率的方法第二节cDNA微阵列制备技术一、合成后交联法二、微点样技术三、点样后处理四、芯片杂交与检测第三节cDNA微阵列技术应用一、在植物研究中的应用二、在酵母研究中的应用三、在比较基因组研究中的应用四、在肿瘤研究中的应用五、在疾病研究中的应用六、在细菌学研究中的应用七、在病毒学研究中的应用本章学时数 4第四章蛋白质芯片技术第一节蛋白质分析技术与进展一、二维凝胶电泳与质谱联合应用技术二、蛋白质芯片技术三、SELDI技术第二节蛋白质芯片制备及分析过程一、载体的选择及抗体或抗原的固化二、载体与化学表面处理三、微阵列设计与制备四、抗原或抗体的标记五、蛋白质芯片检测方法第三节蛋白质芯片的分类一、根据应用目的分类二、根据检测试剂分类三、根据密度分类四、根据样品分类第四节蛋白质芯片的应用一、应用于蛋白差异表达分析二、蛋白质间相互作用研究三、蛋白质修饰研究四、蛋白质-DNA相互作用研究五、小分子-蛋白质间相互作用研究六、抗体检测七、疾病诊断八、在食品分析和卫生检验中的作用第五节蛋白质芯片技术展望本章学时数4第五章生物芯片信号检测技术第一节引言一、生物芯片荧光检测特性二、荧光源简介第二节生物芯片检测设备光学设计要求一、激发光二、发射光收集三、空间定位四、激发光与发射光识别五、检测荧光扫描仪的探测器第三节生物芯片扫描仪检测原理一、共聚焦扫描仪二、采用CCD的生物芯片扫描仪第四节生物芯片扫描仪的波长识别一、分光器二、发射滤波器第五节信号处理与仪器控制一、灵敏度范围要求二、信号平均和取样三、暗信号四、图像获取、现实和存储五、共聚焦界面和自动化第六章生物芯片技术应用第一节基因突变和基因多态性分析一、生物芯片在基因突变研究中的应用二、生物芯片技术与基因多态性分析第二节生物芯片技术与基因表达谱分析一、基因表达谱概述二、基因芯片技术分析肝癌基因表达谱三、基因芯片技术与急性肾功能衰竭研究四、基因芯片技术与电离辐射研究第三节生物芯片在临床检测中的应用一、生物芯片在遗传病检测中的应用二、生物芯片技术在肿瘤研究中的应用三、生物芯片技术在细菌检测中的应用四、生物芯片技术在病毒检测中的应用第四节生物芯片技术在药物研究中的应用一、药物筛选的发展趋势二、生物芯片与药物研究本章学时数4教研室：生物技术执笔人：肖厚荣系主任审核签名：。
【教学课件】第7章_第6节_生物芯片技术(3_LMJ)'
整理课件
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反光镜
发射光 滤镜
共聚焦 针孔
检测器
(入射) 激光束
样品
2020/10/30
检测透镜
荧光束 光束分离器(分光镜) 物镜
支持物 由样品发射的荧光
放大器
数模转 换器
计算机
图14-4 共聚焦扫描示意图
整理课件
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2020/10/30
整理课件
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• 基因芯片技术
基因芯片技术主要
基 因
包括四个主要步骤：芯片 制备、样品制备、杂交反
3.蛋白质样品的标记：采用荧光素(Cy3、Cy5)、放 射性同位素等，也可用酶标法标记。
2020/10/30
整理课件
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三、生化反应
1.标记的多肽样品与探针之间的反应有：
Ag + Ab H+R 2.反应结束后即行洗脱。
[Ag-Ab] [ H-R ]
等等。
四、检测分析
用激光扫描仪、磷光成像仪、质谱仪、酶标仪 等检测后,再用相应的软件对获得的信号分析。
缺点：定量准确性、重现性不好。
2020/10/30
整理课件
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2202芯片点样仪
生 产 商：Bio-Rad；
Байду номын сангаас
性能介绍：分辨率：1.25um(x，y轴)和0.25um(Z轴)。
重复性：3um；球面精确性：l0um。
一次制成芯片数：126块芯片，每块玻片点样量>82,000个点。
2020/10/30
整理课件
探针长度 短，小于50 nt 最高集成度 10~40 万点阵/cm2
cDNA、基因片段、寡核苷 酸、RNA等 较长，100~500 nt 或更长
《生物芯片技术》课程教学大纲
《生物芯片技术》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：生物芯片技术英文名称：Biochip Technology二、课程编码及性质课程编码：0827542课程性质：专业核心选修课（限选）三、学时与学分：总学时：24学分：1.5四、先修课程：无五、授课对象本课程面向电子封装专业学生开设，同时适用于功能材料、材料加工及微电子类学生选修。
六、课程教学目标本课程是本专业的专业核心选修课之一，其教学目标包括：1、掌握生物芯片的定义、功能、分类等基本专业知识；2、全面系统了解生物芯片的设计原理、材料特性、制备方法、制备工艺，具备针对不同应用背景进行合理选择芯片类型的能力；3、能够综合运用生物芯片专业知识，对不同类型生物芯片特点进行分析比较，从而具有提出改进以及优化芯片设计方案的能力；4、生物芯片技术在生物学、能源相关领域的应用，为后续课程学习及科学研究打下必要的基础。
表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点：教学重点：重点要求学生掌握主要生物芯片材料特性、芯片制备方法、集成化工艺特点等，进而具备针对不同应用背景进行合理选择芯片类型的能力。
教学难点：如何针对不同应用背景，培养学生对于不同芯片材料特性进行深入了解、进而掌握芯片加工制造及集成化工艺的选择原则，从而能够提出改进以及优化各类芯片加工制造的方案。
八、教学方法与手段：教学方法：（1）采用现代化教学方法（含PPT演示，设备照片，影像资料等），阐述该课程的生物芯片概念、材料特性、加工工艺及集成化方法，保证主要教学内容的完成，这部分以课堂讲授为主；（2）适时安排课堂小测试，大作业讨论。
通过大作业撰写，使学生亲自查阅最新进展，拓展课程内容。
教学手段：（1）以常见典型生物芯片作为讲解对象，深入分析不同芯片材料特性，加工工艺及集成化方法，使学生具备改进芯片加工制造工艺或者研发新型芯片的能力；（2）要求每一位学生根据自己的兴趣，查阅最新文献，完成准备1种典型芯片设计与应用的报告，拓展课程内容。
《生物芯片技术hu》PPT课件
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• 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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• 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。
完整版课件ppt
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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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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）。
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《生物芯片技术》课程教学大纲
一、课程名称（中英文）
中文名称：生物芯片技术
英文名称：Biochip Technology
二、课程编码及性质
课程编码：0827542
课程性质：专业核心选修课（限选）
三、学时与学分：
总学时：24
学分：1.5
四、先修课程：
无
五、授课对象
本课程面向电子封装专业学生开设，同时适用于功能材料、材料加工及微电子类学生选修。
六、课程教学目标
本课程是本专业的专业核心选修课之一，其教学目标包括：
1、掌握生物芯片的定义、功能、分类等基本专业知识；
2、全面系统了解生物芯片的设计原理、材料特性、制备方法、制备工艺，具备针对不同应用背景进行合理选择芯片类型的能力；
3、能够综合运用生物芯片专业知识，对不同类型生物芯片特点进行分析比较，从而具有提出改进以及优化芯片设计方案的能力；
4、生物芯片技术在生物学、能源相关领域的应用，为后续课程学习及科学研究打下必要的基础。
表1 课程目标对毕业要求的支撑关系
七、教学重点与难点：
教学重点：
重点要求学生掌握主要生物芯片材料特性、芯片制备方法、集成化工艺特点等，进而具备针对不同应用背景进行合理选择芯片类型的能力。
教学难点：
如何针对不同应用背景，培养学生对于不同芯片材料特性进行深入了解、进而掌握芯片加工制造及集成化工艺的选择原则，从而能够提出改进以及优化各类芯片加工制造的方案。
八、教学方法与手段：
教学方法：
（1）采用现代化教学方法（含PPT演示，设备照片，影像资料等），阐述该课程的生物芯片概念、材料特性、加工工艺及集成化方法，保证主要教学内容的完成，这部分以课堂讲授为主；
（2）适时安排课堂小测试，大作业讨论。
通过大作业撰写，使学生亲自查阅最新进展，拓展课程内容。
教学手段：
（1）以常见典型生物芯片作为讲解对象，深入分析不同芯片材料特性，加工工艺及集成化方法，使学生具备改进芯片加工制造工艺或者研发新型芯片的能
力；
（2）要求每一位学生根据自己的兴趣，查阅最新文献，完成准备1种典型芯片设计与应用的报告，拓展课程内容。
九、教学内容与学时安排
（1）总体安排
教学内容与学时的总体安排，如表2所示。
表2 基本教学内容与学时安排
（2）具体内容
各章节的具体内容如下：
第一章绪论（4学时）
1.1生物芯片基本概念及相关称谓
1.2生物芯片起源和发展
1.3生物芯片基本特征
1.4生物芯片应用领域
第二章芯片制作及微流体控制（4学时）
2.1芯片材料
2.2芯片制作环境
2.3硅、玻璃及石英芯片制作
2.4高分子聚合物芯片制作
2.5微流体驱动
2.6微流体控制
第三章微混合与微反应技术（4学时）3.1微混合与微混合器
3.2被动式微混合器
3.3主动式微混合器
3.4微反应与微反应器
3.5微化学反应器
3.6 微生物反应器
第四章微分离技术（4学时）
4.1电泳基本原理
4.2芯片电泳进样模式
4.3芯片电泳分离模式
4.4样品前处理及富集
4.5芯片表面修饰
第五章检测技术（4学时）
5.1微流控芯片对检测的特殊要求
5.2微流控芯片检测分类
5.3光学检测技术
5.4电化学检测技术
5.5质谱检测技术
5.6其它检测技术
第六章生物芯片的应用（4学时）
6.1 单细胞分析
6.2核酸研究
6.3蛋白质研究
6.4 代谢小分子研究
6.5其它领域应用
（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求
思考题（课后作业）：
1.生物芯片的基本概念、特征、起源于发展;
2.各种芯片材料的比较、制作流程及微流体控制方法;
3.微混合的意义与微混合器的设计原理及应用;
4.微分离技术的基本原理及操作模式;
5.生物芯片检测技术的分类、特点及应用;
6.生物芯片的应用领域研究现状及发展趋势。
十、教材参考书及文献
教材：无
参考书：
1、《图解微流控芯片实验室》，林炳承、秦建华主编，科学出版社，2008
年；
2、《生物芯片技术》，邢婉丽、程京主编,清华大学出版社, 2004年；
3、《微流控分析芯片的制作及应用》，方肇伦主编，化学工业出版社，2005
年；
4、《单细胞分析》，程介克主编，科学出版社，2005年。
参考文献：
1.Soft Microfluidic Assemblies of Sensors, Circuits, and Radios for the Skin，
S. Xu, Y. Zhang, L. Jia, Science, 2014, 344, 70.
2.NANOPARTICLES Production of amorphous nanoparticles by supersonic
spray-drying with a microfluidic nebulator，Amstad, E. M. Gopinadhan, C.
Holtze, Science, 2015, 349, 956.
3.The present and future role of microfluidics in biomedical research, E. K.
Sackmann, A. L. Fulton, D. J. Beebe, Nature, 2014, 507, 181.
4. A Streaming Potential/Current-Based Microfluidic Direct Current Generator
for Self-Powered Nanosystems, R. Zhang, S. Wang, M. Yeh, Advanced Materials, 2015, 27, 6482.
5.Highly Stretchable and Transparent Metal Nanowire Heater for Wearable
Electronics Applications, S. Hong, H. Lee, J. Lee,Advanced Materials, 2015, 27, 4744.
6.Microfluidic Printheads for Multimaterial 3D Printing of Viscoelastic Inks, J.
O. Hardin, T. J. Ober, A. D. Valentine, Advanced Materials, 2015, 27, 3279.
十一、课程成绩评定与记载考核方式
1、课程考核及评价细则
课程考核及评价细则，详见表3。
2、终结性考试形式：
根据考试试题的难度，可以实施开卷或闭卷考试，以卷面成绩的70%计入总成绩。
撰稿：《生物芯片技术》课程组
审核：材料科学与工程学院本科教学指导委员会。