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
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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。
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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。