基因芯片技术原理
基因芯片技术的原理和发展
基因芯片技术的原理和发展随着科技的不断发展，人们对于基因的研究也越来越深入，基因芯片技术作为一种迅速发展的生物技术，具有重要的理论意义和实践价值。
基因芯片技术是一种高通量和高标准化的分子生物学技术，可以用于基因表达、基因变异、蛋白质量、DNA甲基化等领域的研究。
1. 基因芯片技术的原理基因芯片技术是将DNA分子、RNA分子或蛋白质分子等多样化的生物大分子分子序列固定在一块小小的玻璃片或硅片上，然后利用微量的核酸或蛋白质的杂交反应来检测样品中这些生物大分子的存在或相对数量。
这些生物大分子的浓度水平可以用来衡量基因的表达情况、基因变异、蛋白质相互作用等生物学过程。
具体操作过程包括：1.1 表达谱芯片表达谱芯片是一种测量运用基因芯片技术研究基因表达的方法。
在表达谱芯片上可以固定多种类型的DNA序列，例如真核细胞DNA片段，互补DNA片段、探针、引物等。
对于鉴定被检测样品的物种，应选择特异而高丰度的探针或引物。
通过部分或大量存储的文献或数据库，研究人员首先确定所需的目标基因，然后通过设计合适的核酸杂交探针，将所需目标基因的序列在探针区域进行固定。
1.2 基因组芯片基因组芯片是一种利用基因芯片技术直接测量基因组中DNA 分子存在量的方法。
基因组芯片和其他一些技术类似，通常分三部分作用：建立样品库，设计并制备基因组芯片，通过基因芯片技术来测量DNA分子的存在量。
2. 基因芯片技术的发展基因芯片技术是一种非常年轻的生物技术，近年来其不断得到完善和发展，具有日益广泛的应用前景。
2.1 应用于生物医学基因芯片技术在生物医学领域得到广泛的应用，其中最具有代表性的应用是基因诊断和基因治疗。
通过基因芯片技术，可以对特定基因的表达情况和蛋白质质量进行分析和检测，为许多临床诊疗和治疗提供了关键方法。
2.2 应用于生态环境基因芯片技术也可以用于生态环境监测，特别是对于环境中的有害生物及其基因信息的监测。
基因芯片技术可以通过绿色监测来减轻生态环境对生物生态的影响。
基因芯片的原理和应用
其它应用
环境化学毒物的筛选 体质医学的研究
Affymetrix Price Sheet
H1HA-2 H1HA-8 H1HA-14 H1HA-20 H1NA-26 H3HA-32 H3HA-38 H3HA-44 H3NA-50 H3NA-56 H5HA-62 H5HA-68 H5NA-74 H9HA-80 H9NA-86
A-92 A-98 B-104 HEX
禽流感病毒的检测
（1）
（2）
HEX H1HA-3 H1HA-9 H1HA-15 H1NA-21 H1NA-27 H3HA-33 H3HA-39 H3HA-45 H3NA-51 H3NA-57 H5HA-63 H5HA-69 H5NA-75 H9HA-81 H9NA-87
A-93 B-99 B-105
禽流感病毒的检测
BC H1HA-4 H1HA-10 H1HA-16 H1NA-22 H1NA-28 H3HA-34 H3HA-40 H3HA-46 H3NA-52 H3NA-58 H5HA-64 H5HA-70 H5NA-76 H9NA-82 H9NA-88
基因芯片 容量大 速度快
系统误差小
传统方法
每次鉴定பைடு நூலகம்一样品
常规的DNA Hybridization需几小时 到几天时间
对于大量样品的单独 处理，极易产生误差
基因芯片技术流程
主要仪器设备
芯片点样仪
芯片杂交仪 芯片扫描仪
病原菌的种类
Level 3: 12属33种（5种可常规检查） Level 2: 340种 Level 1常见病原菌：約500种
72种为常见感染疾病病原菌
Genus of Mycobacterium
基因芯片技术原理
技术背景
伴随老式技术旳不断改善，基因信 息分析规模不断扩大。
-人类基因组计划旳需求(HGP) -后基因组时代旳需求（功能基因 组学方向）
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生物芯片 (Biochips) 文档仅供参考，如有不当之处，请联系改正。
将大量生物辨认分子按预先设置旳排列固定于一种载 体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子 旳特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反应等来 分子多种生物分子存在旳量旳一种技术。
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analysis系改正。
Commercial chip
• Human • Rat • Mouse • Drosophila • E. coli • Yeast • Zebrafish
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Spotter head
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基因芯片技术流程
基因芯片旳设计制备 杂交 检测
数据分析
制备措施及点样仪器
靶基因旳标识制备：标识措施 杂交：杂交液、杂交温度、洗涤条件
芯片杂交与杂交信号检测
扫描仪:激光 CCD
分析软件（算法）旳开发
Syringe Pump
Reservoir
Switching Valve
Connecting Tubing
High-Speed MicroSolenoid Valve
Removable Tip Orifice
Controller
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直接点样法 (stanford, brown)
基因芯片技术的应用
基因芯片技术的应用随着生物技术和基因研究的不断进展，基因芯片技术已经广泛应用于生物医学、农业、动植物繁殖、环境保护等领域。
本文将从基因芯片技术的原理、应用场景和前景展开阐述，探讨该技术的研究热点和发展趋势。
一、基因芯片技术的原理基因芯片是一种利用高通量技术同时检测成千上万个基因表达的工具。
它通过利用DNA技术将成千上万的基因DNA序列固定在玻璃芯片上，并可检测目标样本中RNA或cDNA的水平。
基因芯片技术主要包括以下步骤：1. 设计芯片：确定目标基因序列，利用计算机技术进行芯片设计，制备出针对目标基因甚至全基因组的芯片。
2. 样本制备：提取RNA或cDNA，并借助反转录技术将RNA 转化成cDNA，再对其进行扩增。
3. 杂交：采用特殊设备将目标样本中的cDNA标记为不同颜色的探针，与芯片表面的DNA序列杂交。
4. 扫描和分析：利用激光扫描装置对芯片表面进行扫描，测量复合体的强度，并进行统计和分析。
这样，我们就能够在一张小芯片上探测到成千上万个基因，分析并比较样本之间的差异，从而揭示出基因调控、信号传递和代谢途径等生物学特征。
二、基因芯片技术的应用场景基因芯片技术的应用范围极广，以下列举几种典型场景：1. 生物医学基因芯片技术在生物医学领域中主要用于诊断和治疗基因相关疾病。
例如，我们能够将基因芯片应用于肿瘤分型和分级、遗传性疾病的基因筛查、药物研发等方面。
此外，基因芯片技术还可以为个体化医学提供技术支持，为临床医生制定精准个体化治疗方案提供重要依据。
2. 农业基因芯片技术的应用在土地的病虫害监测、作物品种鉴定、转基因食品检测等方面具有重要意义。
例如，在生产实践中，农民们经常遭受由于病虫害带来的经济损失，而基因芯片技术能够帮助他们快速诊断设备，确定病虫害的种类和数量，从而更好地进行管理和防范。
3. 环境保护环境污染问题已经成为全球性的挑战，而基因芯片技术则为环境保护带来了新的手段。
例如，通过检测微生物的基因组DNA，我们可以了解大气、水环境以及土壤中的微生物种类组成状况，协助我们了解生态系统的状况和进行环境监测。
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。
综述基因芯片技术、蛋白芯片技术的原理及应用。
综述基因芯片技术、蛋白芯片技术的原理及应用。
1.1 基因芯片是生物芯片技术中发展最成熟和最先实现商品化的产品。
基因芯片是基于核酸探针互补杂交技术原理而研制的。
所谓核酸探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接上一些可检测的物质，根据碱基互补的原理，利用基因探针到基因混合物中识别特定基因。
基因芯片，又称DNA芯片，DNA微阵列（DNAmicroar ray），和我们日常所说的计算机芯片非常相似，只不过高度集成的不是半导体管，而是成千上万的网格状密集排列的基因探针，通过已知碱基顺序的DNA片段，来结合碱基互补序列的单链DNA，从而确定相应的序列，通过这种方式来识别异常基因或其产物等。
目前，比较成熟的产品有检测基因突变的基因芯片和检测细胞基因表达水平的基因表达谱芯片。
基因芯片技术主要包括四个基本技术环节：芯片微阵列制备、样品制备、生物分子反应和信号的检测及分析。
目前制备芯片主要采用表面化学的方法或组合化学的方法来处理固相基质如玻璃片或硅片，然后使DNA片段或蛋白质分子按特定顺序排列在片基上。
目前已有将近40万种不同的DNA分子放在1平方厘米的高密度基因芯片，并且正在制备包含上百万个DNA探针的人类基因芯片。
生物样品的制备和处理是基因芯片技术的第二个重要环节。
生物样品往往是非常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进行反应。
要将样品进行特定的生物处理，获取其中的蛋白质或DNA、RNA等信息分子并加以标记，以提高检测的灵敏度。
第三步是生物分子与芯片进行反应。
芯片上的生物分子之间的反应是芯片检测的关键一步。
通过选择合适的反应条件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比率，从而获取最能反映生物本质的信号。
基因芯片技术的最后一步就是芯片信号检测和分析。
目前最常用的芯片信号检测方法是将芯片置入芯片扫描仪中，通过采集各反应点的荧光强弱和荧光位置，经相关软件分析图像，即可以获得有关生物信息。
基因芯片技术简介及应用
基因芯片技术简介及应用随着基因组学研究的不断深入，人类已进入一个崭新的生物世纪，基因芯片在基因功能研究、临床诊断及新药开发等方面显示了巨大的威力，被誉为基因功能研究领域最重要的技术之一。
一、基因芯片技术基本原理基因芯片的创意来自于计算机芯片。
它和计算机芯片一样，具有超微化、高度集成、信息贮存量大等特点，所不同的是，计算机芯片采用的是半导体集成电路，而基因芯片是以基因片段作为“探针”来进行工作的。
（一）基因芯片的定义基因芯片（gene chip）又称DNA芯片，是指将许多特定的寡核苷酸片段或基因片段作为探针，有规律地排列固定于支持物上，样品DNA或RNA通过PCR扩增、体外转录等技术掺入荧光等标记分子，然后按碱基配对原理与固定的探针杂交，再通过荧光检测系统等对芯片进行扫描，通过计算机系统对每一探针的信号进行处理，从而迅速得出所需要的信息。
基因芯片技术工作原理与经典的核酸分子杂交是一致的，都是应用已知核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序列杂交，通过随后的信号检测进行定性与定量分析。
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片段，以此形成一个密集的基因方阵，与标记的样品分子进行杂交，实现对成千上万个基因的高通量同步检测（见文末彩图-1）。
图-1 经荧光扫描后的芯片图示（二）基因芯片技术的主要特点基因芯片技术归纳起来，具有高并行性、多样性、微型化和自动化这四大特点。
高并行性有利于基因芯片所示图谱的快速对照和阅读，效率大为提高；多样性则提供了样品的多指标测定，每块芯片上都含有成百上千种的寡核苷酸探针或cDNA探针，能够用于基因突变、单核苷酸多态性（SNP）、细菌分型等需要高通量的检测；微型化的好处在于对样品的需要量非常少，而且还能节省试剂用量，降低检测成本；自动化使得人力、物力投入减少，检测时间缩短并保证了质量。
同时，它还具有操作简便、信息综合处理能力强、结果可靠和仪器配套齐全等优势，因而备受青睐。
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。
基因芯片原理
基因芯片原理
基因芯片是一种用于检测生物体基因表达水平以及分析基因组信息的技术。
其原理是通过将数以万计的DNA探针固定在芯
片表面上，然后将待测的DNA杂交到芯片上进行互补配对。
通过检测杂交后的信号强度，可以确定基因的表达水平或者基因组的某些特征。
基因芯片的制备过程涉及到两个关键步骤：探针设计和芯片制造。
探针的设计是根据待测基因组的序列信息，通过计算机算法选择最为特异且能够代表该基因的DNA序列。
芯片制造则
是将这些选择好的探针固定在芯片表面。
制备好的基因芯片可以同时检测成千上万个基因。
在实际应用中，基因芯片通常与基因表达实验技术结合使用。
首先，提取待测样品中的RNA，并将其转录成cDNA。
然后，将cDNA标记成荧光探针，再将其加到芯片上与固定的DNA
探针进行杂交反应。
最后，使用荧光探测仪读取芯片上的信号。
信号的强度和颜色反映了基因表达水平的高低。
基因芯片具有高通量、高灵敏度和高重复性等优点，能够快速、全面地检测出基因表达谱以及基因组的变异信息。
它在生物学领域的研究中得到了广泛的应用，如研究基因功能、诊断疾病以及发现新的药物靶点等。
基因芯片技术原理
基因芯片技术原理基因芯片技术是一种高通量基因分析技术，可以同时检测和分析大量基因的表达水平、基因突变和基因型等信息。
基因芯片技术利用了DNA、RNA、蛋白质等生物大分子的亲和性和特异性相互作用，在一个小芯片上固定上千至百万个特定的核酸序列或蛋白质，从而实现多个基因或蛋白质的高通量检测和分析。
首先是芯片设计。
芯片设计是基因芯片技术的关键步骤之一，需要依据研究目的选择合适的探针，将目标基因的序列信息或基于已知基因的特定序列设计成探针。
常用的基因芯片包括全基因组芯片、差异表达芯片、SNP芯片和甲基化芯片等。
全基因组芯片包含了整个基因组的探针，能够对全基因组的表达水平进行分析；差异表达芯片是基于不同样品之间基因表达的差异，通过比较样品间的信号差异来鉴定差异基因；SNP芯片用于检测单核苷酸多态性位点的基因型；甲基化芯片则用于分析DNA的甲基化水平。
接下来是样品制备。
样品制备是基因芯片技术的另一个重要步骤，主要包括核酸提取、标记和杂交等过程。
首先需要从样品中提取出目标核酸（DNA或RNA），并进行高质量的纯化和放大。
接下来，需要对提取的核酸进行标记，常用的标记方法包括荧光标记和生物素标记等。
标记后的核酸样品将通过特定的杂交液处理，与芯片上的探针发生特异性杂交反应。
然后是杂交。
杂交是基因芯片技术的核心步骤，即将标记后的核酸样品与芯片上的探针进行特异性结合，形成揭示目标基因表达或突变水平的信号。
通常采用液相杂交或固相杂交的方式，将标记的核酸样品与探针共同放置在芯片上，通过温度和盐浓度的控制，使核酸与探针之间发生特异性结合。
结合完毕后，通过洗涤去除非特异性结合的核酸，进一步提高信号的特异性。
最后是信号检测。
信号检测是基因芯片技术的最后一步，主要通过荧光扫描、激光检测等方法来获取芯片上的信号，并将其转化为数值化的数据。
在芯片表面固定的探针与杂交样品结合形成亲和复合物后，根据标记的方式可以得到荧光信号。
通过高分辨率的扫描仪或激光检测仪，可以获取芯片上每个探针的信号强度。
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Commercial chip
• Human • Rat • Mouse • Drosophila • E. coli • Yeast • Zebrafish
基因芯片的应用
–特定基因检测 –突变检测 –多态性分析 –基因表达谱
•生物信息学的工具 •基因相关性研究 •基因功能 •药物设计和开发 •潜在反义试剂开发 •个体化医疗 •身份识别 •基因诊断 •其他与生物有关的领域
Removable Tip Orifice
Controller
直接点样法 (stanford, brown)
Spotter head
基因芯片技术流程
基因芯片的设计制备 杂交 检测
数据分析
制备方法及点样仪器
靶基因的标记制备：标记方法 杂交：杂交液、杂交温度、洗涤条件
芯片杂交与杂交信号检测
扫描仪:激光 CCD
-- Science. 1995,270: 467-470
基因芯片(Gene chip)
在一微小的基片（硅片、玻片、塑料片等）表面集成了 大量的分子识别探针，工作原理与经典的核酸分子杂交方法 一致，都是应用已知核酸序列作为探针与互补的靶核苷酸序 列杂交，通过信号检测进行定性与定量分析。
高度并行性
优
微量化
势
多样性
特
发展
பைடு நூலகம்
点
微型化
高密度化
高度自动化
芯片常用制备技术
光导原位合成 (Affymetrix , Fodor)
原位喷印合成 (Southeast University)
Syringe Pump
Reservoir
Switching Valve
Connecting Tubing
High-Speed MicroSolenoid Valve
基因芯片技术
扬州大学医学院医学遗传学教研室 武辉
技术背景
随着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(HGP) -后基因组时代的需求（功能基因 组学方向）
生物芯片 (Biochips)
将大量生物识别分子按预先设置的排列固定于一种载 体（如硅片、玻片及高聚物载体等）表面，利用生物分子 的特意性亲和反应，如核酸杂交反应，抗原抗体反应等来 分子各种生物分子存在的量的一种技术。
基因芯片(Gene chip)
Southern & Northern Blot Dot Blot
Macroarray
Microarray
基因芯片的研发历史
八十年代末期俄美科学家提出“杂交法测序”
1992年世界第一块原位合成基因芯片在美国 Affymetrix诞生（1994第一张商业化芯片）
1995年世界第一块微矩阵基因芯片在Stanford大 学实验室诞生