基因芯片的产生背景与制备方法
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。
基因芯片第三章基因芯片的制作方法
基因芯片第三章基因芯片的制作方法基因芯片是一种用于检测和分析基因表达的工具，它可以同时测量上千至上百万个基因的表达水平。
基因芯片的制作方法主要包括芯片设计、探针合成、芯片加工和芯片测试等步骤。
下面将详细介绍基因芯片的制作方法。
第一步：芯片设计芯片设计是基因芯片制作的关键步骤，它决定了芯片上每个位置的探针序列。
探针可以是DNA或RNA分子，用于与待测样品中的RNA结合。
探针的设计需要考虑到基因序列的特异性，以及探针长度、探针间隔等参数的选择。
设计好的探针序列将被用于后续的探针合成。
第二步：探针合成探针的合成常常采用固相合成技术。
通过在固相合成反应中逐步添加不同的核苷酸单元（A、T、G、C），可以合成出具有特定序列的寡核苷酸。
合成好的探针需要经过纯化和检测，确保其质量符合要求。
第三步：芯片加工芯片加工是将探针固定在芯片表面的过程。
目前常用的芯片加工技术有光刻和喷墨技术。
光刻技术是通过在芯片表面涂覆光敏材料，然后使用掩膜和紫外线照射，将探针序列的图案直接写入芯片表面。
喷墨技术则是将合成好的探针溶液喷洒在芯片表面，并利用喷嘴的高精度控制，将探针序列分别定位到芯片上的每个位置。
第四步：芯片测试芯片测试是基因芯片制作的最后一步，也是评估芯片质量和性能的重要环节。
通过将待测RNA样品与芯片上固定的探针进行杂交反应，可以检测每个位置的探针与RNA的结合情况。
一般采用荧光探针或放射性标记物等技术，将杂交信号转化为可测的荧光强度或放射性强度。
通过对杂交信号的分析和比较，可以得到样品中各个基因的表达水平。
总结起来，基因芯片的制作方法包括芯片设计、探针合成、芯片加工和芯片测试等步骤。
这些步骤的顺序和操作都对基因芯片质量和性能有重要影响，因此需要严格控制每个步骤的条件和参数。
随着技术的发展，基因芯片的制作方法也在不断更新与改进，以满足对基因芯片在生物医学和生命科学领域的研究应用需求。
基因芯片的原理、制备及应用
基因芯片的原理、制备及应用摘要：侠义上的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，可分为基因芯片、蛋白质芯片、芯片实验室三类，其中目前应用最广泛的生物芯片是基因芯片。
基因芯片是基因突变分析、基因测序、基因表达研究中的高效手段之一。
其制备有两种方法：原位合成法与交联制备法。
基本原理是利用DNA分子可以变性、杂交的特性，通过基因芯片上固定的探针或样品DNA与游离的样品DNA或探针杂交来推断未知靶分子，杂交发生与否可采用荧光标记技术检测。
高效、快速的基因芯片以其无与伦比的优势，已在医学、药学、分子生物学、环境科学及食品安全等领域显现巨大的应用价值，具有非常广阔的发展前景。
关键词：生物芯片；基因芯片；原位合成法；交联制备法生物芯片（biochip）是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，它主要通过微电子等技术在固体芯片表面建立微型生化分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速与大量信息的检测。
根据探针分子的不同、研究对象的差异和制作工艺的发展，可大致将生物芯片分为基因芯片（又称DNA芯片、DNA微阵列）、蛋白质芯片（又称蛋白质微阵列）、芯片实验室（lab-on-chip，又称微流控芯片）三大类（当然也有较新的组织芯片、细胞芯片、糖芯片等，但由于应用不如上述三大类广泛，此处不予列出），其中应用最广泛的是基因芯片。
进入21世纪以来，随着人类基因组计划的完成，基因序列数据迅速增长。
如何研究如此众多的基因在生命过程中担负的功能成为一个重要课题，基因芯片正是在这样的背景下应运而生。
基因芯片是基因突变分析、基因测序、基因表达研究的高效手段之一，是生物芯片技术中最基础、发展最成熟以及最先进入应用和实现商品化的领域【1】。
基因芯片是基于核苷酸互补杂交原理研制的，它是指将大量的探针分子固定于固相支持物上然后与标记的样品分子进行杂交反应，通过对杂交信号的监测分析获取样品分子的数量和序列信息。
基因芯片的操作流程及步骤
02
基因芯片操作流程
基因芯片的设计与制备
01
02
03
确定目标基因
根据研究目的，确定需要 检测的目标基因或基因组 区域。
设计探针
根据目标基因序列，设计 特异性捕获探针，确保探 针的特异性、灵敏度和稳 定性。
制备芯片
将探针合成并固定在芯片 基质上，形成基因芯片。
样本准备
样本收集
采集待检测样本，如组织、 血液、细胞等。
背景校正
通过特定的算法和技术，对基因芯片中的背景信号进行校正，排除非特异性信号和背景 噪声的干扰，提高数据的准确性和可靠性。
数据分析与结果解读
数据分析
运用统计分析、机器学习等方法，对基 因芯片数据进行深入分析，包括差异表 达基因的筛选、基因功能注释、通路富 集分析等。
VS
结果解读
根据分析结果，结合生物学知识和文献资 料，对基因表达谱进行解释和推理，揭示 基因之间的相互作用和调控关系，为后续 实验提供理论依据和指导。
06
应用实例
基因表达谱分析
目的
了解不同组织或不同生长条件下基因的表达情况，寻找差异表达基 因。
操作步骤
提取组织或细胞的总RNA，逆转录为cDNA，将cDNA标记后与基 因芯片进行杂交，洗涤、检测并分析结果。
注意事项
确保RNA质量、标记效率和杂交条件的优化。
单核苷酸多态性检测
目的
检测基因组中单核苷酸的变异，如SNPs，了解遗传变异与疾病的 关系。
交，洗涤、检测并分析结果。
注意事项
03
确保DNA标记效率和杂交条件的优化，注意控制实验条件和背
景噪音。
THANKS
感谢观看
核酸提取
从样本中提取出所需的核 酸（DNA或RNA）。
基因芯片的原理
基因芯片的原理
基因芯片是一种微电子技术在生物学研究中的应用，它的原理是基于DNA序列的互补配对原则，将一系列DNA探针固定在芯片表面，可以同时检测上千种基因表达情况。
基因芯片的制作过程包括DNA芯片设计、芯片制备、样品预处理、芯片杂交和数据分析等步骤。
DNA芯片设计是基因芯片制作中的关键环节，需要根据研究目的和实验设计确定探针序列，然后利用生物信息学工具设计出探针序列并进行合成。
芯片制备是制作基因芯片的关键步骤，需要在芯片表面固定探针，并保证探针的可靠性和稳定性。
样品预处理是影响基因芯片检测结果的一个重要环节，需要对样品进行RNA提取、纯化和标记等处理，以确保样品质量和可靠性。
芯片杂交是基因芯片检测的关键步骤，需要将标记后的样品与芯片上的探针进行杂交反应，并进行荧光染色和扫描读取。
数据分析是基因芯片分析的关键环节，需要对芯片读数进行数据处理和统计分析，以找出差异表达基因和相关通路等信息。
基因芯片技术已经广泛应用于基因组学、转录组学和蛋白质组学等领域，成为研究基因表达和功能的重要手段。
- 1 -。
怎么做基因芯片实验
、基因芯片分析技术1基因芯片的概念基因芯片，亦指DNA微阵列，是将大量DNA片段有规则地固定在某种介质上，从而检测特定基因表达地一项技术。
这项技术的基本原理是分子生物学中常用的杂交方法的扩展，其基本做法是将要检测的样品加以标记，然后与做成的阵块进行充分杂交，再加以洗脱后，用图像显示出结果。
这里，在阵块中排列的DNA片段应是已知的序列。
根据这种概念，我们可以看出，在这项技术中，有如下三点是非常关键的。
其一，要有大量已知序列和基因片段。
随着人类基固组计划的实施，我们可以得到大量基因序列信息，可以将一个文库的所有cDNA序列测到并加以记录，从而可以将一个文库排列成一个DNA阵列。
因此，从理论上讲，可以做成从微生物到人类各组织器官的文库阵列。
其二，从工艺的角度讲，要求能够将不同的DNA片段以很高的密度"点印"在普通载载玻片大小的介质上，从而使得在很小的面积上可以排列成千上万个基因而不致于相互混杂，这个过程要求相当高水干的工艺技术。
其三，要有-种很好的检测手段。
目前看来，用不同的荧光标记核酸来进行检测是一种比较简单，而且安全可靠的方法。
同时，不同的荧光可以使得我们同时检测几种样品。
这样，对于差异显示这类实验来说，就显得尤为简便。
基因芯片一股可分为两处，一种为"点印"阵列，一种为直接合成阵列。
"点印"阵列是将较大的片段(大于100bp)物理地固定在介质上，而直接合成阵列则是直接在介质上合成较短的片段。
一般而言，DNA样本都是收集在96孔或384孔板上，这些样本可以是PCR产物，也可以是从质粒上直接得到的片段等。
然后用机械手将DNA通过特制的加样头进行点样。
点样完成后，对介质进行处理以使DNA能够十分稳定地附着在介质上，同时还要使介质尽量减少结合非特异性的探针。
2基因芯片的操作过程基因芯片制作从准备探针(即扩增DNA片段)开始，经过芯片加工、DNA阵列点印、芯片后处理及芯片质量检测等过程，其应用包括RNA制备、标记、杂交及成像分析。
基因芯片和基因表达谱分析
基因芯片和基因表达谱分析在人类基因测序技术不断发展的背景下，基因芯片和基因表达谱成为了研究生物学和医学领域的重要工具。
本文将重点探讨基因芯片和基因表达谱分析的原理、应用以及未来发展方向。
一、基因芯片基因芯片（Gene chip）又称为微阵列芯片（microarray）是一种将数万个DNA序列可控地捕捉在一个硅片上的生物技术产品。
其原理基于同位素标签法和荧光标记法，用来研究生物大分子（包括DNA、RNA和蛋白质）在细胞周期、转录和翻译等生物活动过程中的表达差异和变化规律。
基因芯片的操作过程分为如下几步：1. DNA序列打印和固定。
通过免疫印刷技术，将已知的DNA序列按照一定的规则打印到芯片上，并使用化学方法将其固定在芯片上，作为反应体系中的探针。
2. 样品准备和反应。
将待测样品中的RNA提取、反转录成cDNA，再将其标记为荧光分子，加入到含有探针的芯片反应体系中。
其中，标记为红色和绿色的荧光分子分别代表着样品RNA在两种不同条件下的表达水平。
3. 芯片扫描和数据统计。
将芯片送入扫描仪中扫描，获得荧光信号强度。
通过芯片上探针的位置、荧光信号的强度以及探针序列的注释信息等，对数据进行分析和解读，得到各种基因的表达信息。
基因芯片在各个领域有着广泛的应用。
在医学领域，它可以用于疾病诊断、治疗效果预测、药物靶点筛选等方面的研究。
在生物学研究中，它可以分析基因调控、遗传变异和发育过程等生物学领域的课题。
二、基因表达谱分析基因表达谱分析是以生物体内mRNA的转录活性水平为信号，分析在不同条件下各种基因的表达水平差异。
常见的基因表达谱分析方法有RT-qPCR、Northern blot、Western blot、RNA-seq等。
其中，RT-qPCR方法是一种基于荧光信号检测的技术，可以非常精确地检测出RNA的拷贝数。
其操作过程分为三步：反转录、定量PCR和数据分析。
反转录过程中，RNA被逆转录酶逆转录成DNA。
基因芯片的原理和流程
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芯片常用制备方法的比较
• 原位合成 –高密度（可达40万点/1.6平方厘米） –<25bp –DNA –测序分析，寻找点突变
• 微量点样（针点、喷墨〕 »较高密度（可达10万点/6.5平方厘米） »500~5000bp »DNA、抗体抗原、受体药物等 »对比分析
基因芯片技术流程
基因芯片的制备 杂交 检测
•
3、
。20.1 2.305:5 9:5005: 59Dec-203-Dec-20
宁愿辛苦一阵子，不要辛苦一辈子
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4、
。05:5 9:5005: 59:500 5:59Thursday, December 03, 2020
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积极向上的心态，是成功者的最基本要素 5、
。20.1 2.320.1 2.305:5 9:5005: 59:50D ecembe r 3, 2020
每一个成功者都有一个开始。勇于开始，才能找到成
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1、
功的路 。20.12.320.12.3Thursday, December 03, 2020
成功源于不懈的努力，人生最大的敌人是自己怯懦
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2、
。0 5:59:50 05:59:5 005:591 2/3/20 20 5:59:50 AM
每天只看目标，别老想障碍
我们必须在失败中寻找胜利，在绝望中寻求希望
•
9、
。上 午5时59 分50秒 上午5 时59分0 5:59:50 20.12.3
• 10、一个人的梦想也许不值钱，但一个人的努力很值 钱。12/3/2020 5:59:50 AM05:59:502020/12/3
数据分析
制备方法及点样仪器
•探针的制备：标记方法 •杂交：杂交液、杂交温度、
洗涤条件的选择 扫描仪:激光
CCD
分析软件的开发
一、制备基因芯片 1、靶基因选择及活化
载玻片表面涂氨基硅烷或多聚赖氨酸 3、点样仪点样
二、制备样本核酸探针
五、临床实验室诊断 (1) 高度的灵敏性和准确性 (2) 快速简便 (3) 可同时检测多种疾病 (4) 自动化程度高 (5) 便于数据综合性分析
六、微生物菌种鉴定及致病机制研究
• 致病微生物毒力基因、抗药基因、致病 因子的筛选检测
• 研究感染微生物基因组，进行菌种鉴定 • 监测受感染宿主基因表达改变，研究致
病微生物致病机制 • 了解药物对微生物基因表达的影响，研
究药物作用机制
七、生物芯片在农林业中的应用
（1）农业： 高产、适应能力强种株的选育
（2）林业： 抗病虫害、经济价值高林木的选育
八、军事、司法方面
（1）开发生物战病原体检测系统 （2）研制生物战保护剂 （3）血型及亲子鉴定 （4）DNA指纹分析
1、样本总RNA的抽提：异硫氰酸胍
2、mRNA的分离与纯化：oligo－dT
3、反转录并标记 随机引物法逆转录 标记物：同位素、荧光染料(cy3-绿色/cy5 －红色)、化学发光
三、杂交实验条件
• 杂交 杂交体积(使核酸浓度增加10万倍） 玻片: 2-200l 滤膜：5-50ml 杂交液和杂交液的组份 杂交温度、时间
生活总会给你谢另一个谢机会，大这个机家会叫明天 6、
。2 020年1 2月3日 星期四 上午5 时59分5 0秒05:5 9:5020. 12.3
人生就像骑单车，想保持平衡就得往前走
•
7、
。202 0年12 月上午5 时59分 20.12.3 05:59De 义，不要越轨。20 20年12 月3日 星期四5 时59分 50秒05 :59:503 December 2020
1992年世界第一块原位合成基因芯片在美 国Affymetrix诞生 1995年世界第一块微矩阵基因芯片在 Stanford大学实验室诞生
-- Science. 1995,270: 467-470
基因芯片的制备方法
• 原位合成的寡核苷酸点阵 • 微量点样的寡核苷酸点阵或cDNA
点阵 • 微流路生物分析仪(lab-on-chip) • 其他：电子芯片、三维芯片
三、基因图谱绘制 已知序列的基因多态性的探测
及基因全序列的测定 四、大规模基因表达平行性分析
测定和识别细胞谱系和组织间 有差异表达的基因，以及某项干预 前后同一细胞差异表达的基因。
四、药物筛选
西药 中药 功能食品
• 筛选药物作用的靶标
• 筛选药物的有效成份
• 筛选药物的毒副作用 及致畸致突变作用
• 洗涤 洗涤液的组成 洗涤的温度、时间
四、杂交信号的检测 1、激光共聚焦扫描 光源：特定波长的光 激发面积：<100m2 ScanArray 3000 2、CCD 成像术 光源：连续波长的光（如弧光灯） 激发面积：同时激发多个1cm2
五、芯片数据的处理和分析
– 图像的处理 – 数据的获取、存储与显示 – 芯片数据统一化 – 芯片数据的统计学分析 – 芯片数据的生物学分析
基因芯片的产生背景
• 传统技术的不断改进 • 基因信息分析规模不断扩大 • -人类基因组计划的需求 • （Human Genome Program) • -后基因组时代的需求
Southern blot Northern blot
Dot blot
多点Dot blot
基因芯片
基因芯片的历史
八十年代末期俄美科学家提出杂交法测序
基因芯片技术的应用
芯片测序 基因图绘制
突变检测 表达分析
基因芯片
……. ……. ……. …….
军事、司法
药物研究 疾病诊断
农林业
一、芯片测序
1，未知序列的DNA与大量的寡核苷酸集合的杂 交
2，完整的双链体的寡聚物的鉴定与分析
3，重建DNA序列 一百万个12核苷酸的点阵可测定1000个碱基
的序列
二、突变检测
基因芯片 (Gene chip)
基因芯片概况
概念 产 生及发展
类别 原理 应用 发 展与展望
定义
将大量靶基因片段有序地、高密度
地（一般大于400点/平方厘米)排列在玻璃、
硅等载体上，称之为基因芯片，也称为基 因微矩阵(microarray)。
样品核酸分子可以用同位素法、化学 荧光法、酶标法标记，与固定在载体上 的DNA阵列中的点同时杂交，用激光 或CCD摄像头扫描仪读取数据，计算机 图像处理系统进行数据分析，以达到其 准确、快速、高效和高通量地分析生物 基因信息的目的。