DNA微阵列(或芯片)技术原理及应用
基因芯片技术及其应用
基因芯片技术及其应用随着生物学、生命科学的发展，基因芯片技术越来越受到关注。
基因芯片又称为DNA芯片，是一种利用微阵列技术来检测基因表达水平的高通量方法。
基因芯片技术的发展带来了许多应用领域的新成果，包括疾病预测、药物研发等。
本文将介绍基因芯片技术及其应用。
一、基因芯片技术的原理基因芯片技术是一种高通量的生物技术，它利用微阵列生物芯片来检测基因表达的水平。
这种技术利用了DNA分子的特异性与完整性，它可以在任何生物样品中高效地检测出其蛋白质表达水平和基因组变异情况。
基因芯片技术的工作原理基于蛋白质表达水平与基因组变异情况的探测。
首先，需要将基因DNA序列通过逆转录过程转换成mRNA序列，进而使用荧光标记标记mRNA序列。
接下来将标记好的mRNA序列通过微阵列技术固定到芯片上，并使用高通量扫描技术来观察标记后荧光强度的变化程度。
荧光值越高，则说明该基因表达水平越高。
基因芯片技术不仅可以检测基因表达水平，还可以检测基因序列的变异情况，用于了解某种疾病或细胞状态的基因组变化情况。
比如，可以用这种技术针对某种疾病相关的单核苷酸多态性位点检测基因变异情况。
二、基因芯片技术的应用1. 癌症筛查基因芯片技术可用于癌症筛查，将肿瘤组织中的RNA与正常细胞组织的RNA进行比较，寻找表达水平具有显著差别的基因，进而确定这些基因是否与癌症发展相关。
利用这种方法可以更加准确地判断某个癌症的种类、发展程度等。
2. 个性化药物设计基因芯片技术可用于个性化药物设计，通过基因芯片可以确定某个病人，是否会对某种药物产生不良反应，从而确定是否使用该药物。
同时，可以利用基因芯片技术根据病人的基因组变异情况，设计出一种更加适合该病人的药物。
3. 遗传疾病筛查基因芯片技术可用于遗传疾病筛查，利用基因芯片技术可以检测出某些基因的表达水平是否异常，从而确定在某些疾病中，基因的表达水平是否存在异常。
4. 农业和环保应用基因芯片技术不仅可以应用在医学领域，还可以应用于农业和环保领域，例如种植业、畜牧业、水产养殖业等。
dna芯片的基本方法和原理
dna芯片的基本方法和原理DNA芯片是一种基于生物分子相互作用原理的微阵列分析技术，可以在一个玻璃片或硅片表面上固定上千种DNA分子，用于高通量的DNA测序、基因表达分析、基因突变检测等领域。
下面将介绍DNA芯片的基本方法和原理。
DNA芯片的制备方法主要分为六个步骤：DNA选择、DNA标记、芯片制备、杂交反应、芯片成像和数据分析。
第一步是DNA选择。
DNA芯片需要将目标DNA序列固定在芯片表面，这需要首先从样品中提取目标DNA序列。
目标DNA可以是基因组DNA、全长cDNA、PCR扩增产物等。
DNA的选择也可以是针对特定基因、突变位点等。
第二步是DNA标记。
目标DNA需要标记一个荧光信号，以便于测量和定量。
标记有两种常见方法：直接标记和间接标记。
直接标记是将目标DNA末端直接连接上荧光染料；间接标记是在目标DNA上连接一个标记物，如生物素或荧光素，后续再与荧光标记的探针杂交。
第三步是芯片制备。
DNA芯片通常采用玻璃片或硅片作为芯片载体，表面经过特殊处理，如Aminosilanation等，使其能够与DNA分子固定。
目标DNA序列通过共价键或非特异性吸附固定在芯片上，形成一个以单链DNA为特征的微阵列。
第四步是杂交反应。
杂交反应是指将标记好的目标DNA和未标记的探针DNA一起加到芯片上，使它们互相配对结合。
这种配对可以是理论上的完全互补，也可以是部分互补。
标记的荧光在杂交反应中会与芯片上的DNA结合，形成荧光信号且强度与目标DNA浓度有关。
第五步是芯片成像。
芯片成像是用一个高分辨率的荧光显微镜对芯片进行扫描，使各个荧光信号分别对应到芯片上的特定位置。
荧光信号的强度和颜色会通过相应的仪器进行测量和记录，从而得到芯片成像的结果。
第六步是数据分析。
芯片成像后，需要对成像数据进行处理和分析。
这包括元数据的提取，噪音的去除，荧光强度的标准化，数据归一化，聚类分析等。
数据分析的目的是研究芯片上不同的DNA分子之间的相互作用关系，找出差异性基因和表达模式。
基因芯片的基本原理
基因芯片的基本原理
基因芯片(Gene Chip,DNA Chip)，又称DNA微阵列(DNA Micorarray)，是指按照预定位置固定在固相载体上很小面积内的千万个核酸分子所组成的微点阵阵列。
在一定条件下，载体上的核酸分子可以与来自样品的序列互补的核酸片段杂交。
如果把样品中的核酸片段进行标记，在专用的芯片阅读仪上就可以检测到杂交信号。
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和结果分析。
1、芯片制备-目前制备芯片主要以玻璃片或硅片为载体，采用原位合成和微矩阵的方法将寡核苷酸片段或cDNA作为探针按顺序排列在载体上。
芯片的制备除了用到微加工工艺外，还需要使用机器人技术。
以便能快速、准确地将探针放置到芯片上的指定位置。
2、样品制备-生物样品往往是复杂的生物分子混合体，除少数特殊样品外，一般不能直接与芯片反应，有时样品的量很小。
所以，必须将样品进行提取、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者的安全性。
3、杂交反应-杂交反应是荧光标记的样品与芯片上的探针进行的反应产生一系列信息的过程。
选择合适的反应条件能使生物分子间反应处于最佳状况中，减少生物分子之间的错配率。
4、信号检测和结果分析-杂交反应后的芯片上各个反应点的荧光位置、荧光强弱经过芯片扫描仪和相关软件可以分析图像，将荧光转换成数据，即可以获得有关生物信息。
目前，基因芯片主要由寡核苷酸芯片和cDNA芯片两大类组成。
DNA微阵列(或芯片)技术原理及应用演示教学
DNA微阵列(或芯片)技术原理及 应用
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LOGO 1 概念理论
DNA微阵列或芯片是指在大规模集成电路所控制的 机器人在尼龙膜或硅片固相支持物表面，有规律 地合成成千上万个代表不同基因的寡核苷酸“探 针”，或液相合成探针后由阵列器（arrayer）或 机器人点样于固相支持物表面.这些“探针”可与 用放射标记物如32P或荧光物如荧光素、丽丝胺等 标记的目的材料中的DNA或cDNA互补核酸序列相结 合，通过放射自显影或激光共聚焦显微镜扫描后 ，对杂交结果进行计算机软件处理分析，获得杂 交信号的强度及分布模式图，以此反映目的材料 中有关基因表达强弱的表达谱.
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LOGO 3.4 DNA序列测定
❖ 虽然Sanger、Maxan、Gilbert均有其标准的 DNA测序方法，但对HGP这类大范围的测序 工作已显过时，而用DNA微阵列或芯片快速测 定待测DNA序列则具有十分诱人的前景 .Pease等阐述了该方法的原理并指出它是在人 类遗传学、诊断学、病理检测及DNA分子识别 等方面发挥作用的强有力工具.Hacia等用含有 48 000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑 猩猩和人BRCA1基因序列差异，结果发现在 外显子11约3.4kb长度范围内的核酸序列同源 性在98.2%至83.5 %之间,高度提示了二者 在进化上的相似性.
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2.2 液相探针的合成及在固相表面的 排列
由已知基因序列在液相中化学合成寡核苷酸链 探针，或通过PCR技术扩增已知基因的编码区 部分序列，或克隆的基因组片段，均需通过纯 化产物后再定量分析.再由具有多个微细加样 孔的阵列复制器（arraying and replicating device,ARD）或阵列机（arrayer）及由电脑 控制的机器人，准确、快速地将不同探针样品 定量点样于带正电荷的尼龙膜或预处理好的硅 片相应位置上，再由紫外线胶联固定后即得到 DNA微阵列或芯片
dna芯片的原理与应用
DNA芯片的原理与应用1. 什么是DNA芯片？DNA芯片是一种微阵列技术，它是一种实验室工具，用于检测和分析DNA分子的序列。
DNA芯片通过将数千或数百万个DNA片段固定在芯片表面上，提供了一种高通量、高效率的方法来研究DNA序列。
2. DNA芯片的原理DNA芯片主要包含了两部分：探针和检测芯片。
2.1 探针探针是DNA芯片上固定的DNA片段，它可以与待测样本中的DNA片段进行杂交反应。
探针的设计通常基于已知的基因序列或特定基因的已知变异情况。
探针的选择和设计是DNA芯片分析的关键步骤，它直接影响着芯片的灵敏度和特异性。
2.2 检测芯片检测芯片是DNA芯片上的芯片表面，它可以固定探针，并通过光学或电化学方法来检测杂交事件。
常见的检测方法包括荧光染料标记、射频标记等。
当待测样本中的DNA片段与探针杂交后，可以通过检测芯片上的信号来判断杂交事件的发生。
3. DNA芯片的应用DNA芯片在生物学和医学领域有着广泛的应用，主要包括以下几个方面。
3.1 基因表达分析DNA芯片可以用于研究基因的表达模式。
通过将不同组织或条件下的RNA提取出来，转化成cDNA，并标记上荧光标记物，然后与DNA芯片进行杂交反应。
通过检测芯片上的信号强度，可以确定不同基因的表达水平，从而了解基因在不同组织或条件下的活动情况。
3.2 基因突变检测DNA芯片可以用于检测基因的突变情况。
通过设计与突变位点相互匹配的探针，可以快速、高通量地检测基因的突变情况。
这对于研究遗传病的发生机制、个体基因信息的筛查等具有重要意义。
3.3 疾病诊断和预后DNA芯片可以用于疾病的早期诊断和预后评估。
通过检测芯片上与特定疾病相关的基因或基因组区域，可以提供疾病的分子诊断指标。
例如，在肿瘤领域，通过检测肿瘤相关基因的表达水平，可以为患者提供个体化的治疗方案。
3.4 药物研发DNA芯片在药物研发中也起到了重要的作用。
通过将不同药物作用下的基因表达模式与DNA芯片进行比较，可以筛选出与药物治疗反应相关的基因。
微阵列芯片法-概述说明以及解释
微阵列芯片法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述微阵列芯片法是一种基于微纳米技术的生物组学分析方法。
通过将数万至数百万个生物探针固定在芯片上，微阵列芯片能够同时检测大量样本中的多个目标序列或分子，并提供高通量、高灵敏度、高特异性的分析平台。
微阵列芯片的原理是将具有特定功能的DNA、RNA或蛋白质序列固定在芯片表面的离散区域。
这些固定的探针序列可以与待测样品中的特定目标序列或分子发生特异性的互补反应。
通过检测与探针序列结合的目标分子的信号变化，可以准确地识别和定量目标分子的存在和表达水平。
微阵列芯片的应用非常广泛。
在生物学研究中，它可以用于基因表达分析、基因突变检测、单核苷酸多态性分析等。
在医学诊断中，微阵列芯片可以用于癌症早期检测、基因治疗效果评估、药物毒性筛查等。
此外，微阵列芯片还可以用于农业育种、环境监测以及食品安全等领域。
微阵列芯片具有许多优势。
首先，它可以同时检测大量目标序列或分子，大大提高了实验效率和吞吐量。
其次，微阵列芯片的检测灵敏度高，能够检测到非常低浓度的目标物质。
此外，微阵列芯片还能够实现高通量、高特异性的分析，减少了实验的时间和成本。
综上所述，微阵列芯片是一种重要的生物组学分析工具，具有广泛的应用前景和巨大的发展潜力。
在未来，随着技术的不断进步，微阵列芯片将更加成熟和完善，为生物学研究和医学诊断带来更多的突破和进展。
1.2 文章结构文章结构主要分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，本文将首先概述微阵列芯片的基本概念和原理，同时介绍文章的结构安排和目的。
在正文部分，将深入探讨微阵列芯片的原理、应用和优势。
首先，阐述微阵列芯片的原理，即通过微小尺寸的阵列结构实现高通量的生物分析和检测。
其次，介绍微阵列芯片在生物医学、生物工程和环境监测等领域的广泛应用，如基因表达分析、蛋白质芯片和微生物检测等。
最后，分析微阵列芯片相比传统方法的优势，包括高通量、高灵敏度、低成本和快速分析等方面。
DNA芯片技术的原理与应用
基因测序：大规模、高通量基因 测序推动基因组学研究
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药物研发：加速药物筛选和研发 降低研发成本
个性化医疗：根据个体基因信息 制定个性化治疗方案提高治疗效 果
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汇报人：
阵列
化学合成技术： 通过化学合成 方法制造DN
片段
生物合成技术： 利用生物合成 方法制造DN
片段
芯片检测技术： 利用荧光标记 技术检测DN 芯片上的DN
片段
DN芯片上的分子识别机制
原理：利用DN分子与互补DN 分子之间的特异性结合
过程：将待测DN分子与芯片上 的DN探针进行杂交形成双链 DN
检测：通过荧光标记或电化学 方法检测杂交信号
技术挑战：DN芯片技术需要高精度、高灵敏度的检测设备以及复杂的数据 处理和分析方法。
成本挑战：DN芯片技术的研发和生产成本较高需要投入大量的资金和人力 资源。
应用挑战：DN芯片技术在临床诊断、药物研发等领域的应用还需要进一步 推广和普及。
解决方案：通过技术创新降低成本提高检测精度和灵敏度；加强与医疗机 构、制药企业的合作推动DN芯片技术的应用和普及。
基因组测序
原理：利用DN芯片技术对基因组进行测序 应用：用于研究基因突变、遗传病、肿瘤等 优势：快速、准确、成本低 挑战：数据量大需要强大的数据处理能力
药物筛选与个性化医疗
DN芯片技术在药物筛选中的应用：通过检测基因表达水平筛选出有效的药物 个性化医疗：根据患者的基因信息制定个性化的治疗方案 药物基因组学：研究基因与药物反应之间的关系为个性化医疗提供科学依据 药物研发：通过DN芯片技术加速药物研发进程降低研发成本
04
DN芯片技术的优势与挑战
dna芯片基本原理
dna芯片基本原理
DNA芯片，也被称为基因芯片或微阵列，是基于DNA碱基配对和互补的
基本原理，通过将DNA或RNA分解为一系列碱基数固定交错且重叠的寡
核苷酸并进行测序，然后进行序列拼接。
具体来说，其基本原理和步骤如下：
1. 待测基因的酶切：将待测基因切割成不同长度的片段。
2. 荧光标记：对切割后的基因片段进行荧光定位标记。
3. 杂交：标记的基因片段与DNA芯片上的寡核苷酸探针进行杂交。
4. 扫描和检测：应用激光共聚焦荧光显微镜扫描芯片，由于生物标记受激光激发后发出荧光，并且其强度与杂交程度有关，可以获得杂交的程度和分布。
5. 结果分析：根据探针的位置和序列，可以确定靶序列相应基因的序列或表达及突变情况。
以上步骤完成后，就可以通过分析杂交结果来反映样品中基因表达的情况，并根据探针的样品量进行计算。
在一张DNA芯片上，探针的数量与芯片的设计和制作方法有很大的关系，一般都是采取在一张芯片上杂交两种样本，这样可以避免不同芯片产生的误差。
以上信息仅供参考，如需更多信息，建议查阅相关文献或咨询生物学家。
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2.3
探针的杂交和检测
的与靶结合的强度高于AT含量较高者,靶-探针 完全匹配者结合强度远高于二者间存在不匹配、 插入或缺失.结合在“探针”上的被检测核酸 可通过放射自显影或激光共焦显微镜检测杂交 信号强弱和分布,再通过计算机软件处理分析, 得到有关基因的表达谱.
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而每次所添加的脱氧核酸是由“面具”上的顺 序所决定的,而后者又是由计算机根据设计者 需要所控制的,因此一个限定长度的寡核苷酸 则排列在预定位置上.对于N个碱基的探针，需 4N个化学合成循环步骤可达到4n个探针数，如 探针长度为4个碱基，化学合成循环步骤为16 次,探针数为256个；如探针长度为8个碱基， 则合成循环需32步即可达到65 536个探针.这 些探针在不同的照相平板印刷分辨率作用下, 可在单位面积上合成不同的位点数.如分辨率 为200 μm，合成密度为2 500个位点/cm2 ， 如分辨率为20 μm，合成密度为250 000个位 点/cm2等，由此构成高密度寡核苷酸微阵列
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3.4
DNA序列测定 序列测定
虽然Sanger、Maxan、Gilbert均有其标准的 DNA测序方法，但对HGP这类大范围的测序 工作已显过时，而用DNA微阵列或芯片快速测 定待测DNA序列则具有十分诱人的前 景.Pease等阐述了该方法的原理并指出它是在 人类遗传学、诊断学、病理检测及DNA分子识 别等方面发挥作用的强有力工具.Hacia等用含 有48 000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了 黑猩猩和人BRCA1基因序列差异，结果发现 在外显子11约3.4kb长度范围内的核酸序列同 源性在98.2%至83.5 %之间,高度提示了二 者在进化上的相似性.
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4 展望
DNA微阵列或芯片几乎可用于所有核酸杂交技 术的各个方面,而在同时比较各组织或同一组 织在不同状态下上成千上万个基因的表达状况、 DNA序列分析等方面具有更大的优越性.有人誉 赞“微阵列技术铺平了通往21世纪的医学之 路”，美国在该技术的方法与应用上召开过两 次会议，并得到克林顿总统在国会演讲上的赞 赏与肯定, 目前全美已有25家公司投身于该技 术的研制与开发.相信在不久的将来，DNA芯片 或微阵列技术将会广泛应用于基础及临床医学 各个方面，而发挥出巨大的经济、社会效益.
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1 概
论
DNA微阵列或芯片是指在大规模集成电路所控制的 机器人在尼龙膜或硅片固相支持物表面，有规律 地合成成千上万个代表不同基因的寡核苷酸“探 针”，或液相合成探针后由阵列器（arrayer）或 机器人点样于固相支持物表面.这些“探针”可与 用放射标记物如32P或荧光物如荧光素、丽丝胺等 标记的目的材料中的DNA或cDNA互补核酸序列相结 合，通过放射自显影或激光共聚焦显微镜扫描后 ，对杂交结果进行计算机软件处理分析，获得杂 交信号的强度及分布模式图，以此反映目的材料 中有关基因表达强弱的表达谱.
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3 应用 3.1 基因表达水平的检测
DNA微阵列或芯片应用于基因表达水平检测的 最大优越性是可自动、快速检测目的材料中成 千上万个基因的表达情况. DNA微阵列或芯片 技术已在某些植物、细菌、真菌的整个基因组 范围内对各基因表达水平进行快速的检测.而 在HGP完成之后，用于检测在不同生理、病理 条件下的人类所有基因表达变化的基因组芯片 为期定不会遥远。
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2.2 液相探针的合成及在固相表面的 排列
由已知基因序列在液相中化学合成寡核苷酸链 探针，或通过PCR技术扩增已知基因的编码区 部分序列，或克隆的基因组片段，均需通过纯 化产物后再定量分析.再由具有多个微细加样 孔的阵列复制器（arraying and replicating device,ARD）或阵列机（arrayer）及由电脑 控制的机器人，准确、快速地将不同探针样品 定量点样于带正电荷的尼龙膜或预处理好的硅 片相应位置上，再由紫外线胶联固定后即ite here
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3.2 寻找可能致病基因或疾病相关基 因
用cDNA微阵列技术通过比较组织细胞基因的 表达谱差异，可以发现新的可能致病基因或疾 病相关基因
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3.3
基因点突变及多态性检测
根据已知基因的序列信息可设计出含有成千上 万个不同寡核苷酸探针的DNA芯片，再用荧光 标记待测DNA，如二者完全匹配则杂交后结合 牢固荧光强度高，如不全匹配则荧光强度弱或 无.由此可判断点突变的存在与否及部位和个 数.根据这一原理如对N个碱基长度序列的每个 碱基进行筛查，则需4×N个探针即可.
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摘要
DNA微阵列或芯片(DNA microarray or chip) 技术是近年发展起来的又一新的分子生物学研 究工具.它是利用光导化学合成、照相平板印 刷以及固相表面化学合成等技术,在固相表面 合成成千上万个寡核苷酸探针，或将液相合成 的探针由微阵列器或机器人点样于尼龙膜或硅 片上，再与放射性同位素或荧光物标记的DNA 或cDNA杂交,用于分析DNA突变及多态性、DNA 测序、监测同一组织细胞在不同状态下或同一 状态下多种组织细胞基因表达水平的差异、发 现新的致病基因或疾病相关基因等多个研究领 域.
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2.3
探针的杂交和检测
DNA微阵列或芯片用于检测基因表达、多态性 或突变等实际上是一种反向斑点杂交技术.代 表不同待检测基因的“探针”被固定于微阵列 或芯片上，而被检测核酸DNA或由mRNA逆转录 而来的cDNA群体用放射性32P/33P或荧光物标 记后与固相阵列杂交.如被检测核酸中有与阵 列上“探针”互补的序列存在，则二者以氢键 结合.在被检测核酸浓度、温度、缓冲液及盐 浓度等相同条件下,结合在“探针”上的被检 测核酸量与其碱基构成和靶-探针匹配的量所 决定.对于一个相同长度的探针, GC含量较高
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DNA微阵列或芯片的制作和原理 2 DNA微阵列或芯片的制作和原理
2.1 固相表面高密度寡核苷酸探针的合成 及排列 采用光导化学合成和照相平板印刷技术可在硅 片表面合成寡核苷酸探针，如图1.当光通过照 相平板印刷的“面具”到达固相合成特定区域 时,则激活这些区域内的酶底物（如α-甲基-6氮胡椒酮甲羰基）,而产生自由羟基和使受光 保护的基团去除,继而脱氧核酸盐通过化学连 接键添加于去保护位点上;当光通过另一个新 的“面具”到达酶底物的另一个区域发生同样 反应,如此循环直到所需要的核酸全部被合成.
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