生物芯片技术
生物芯片技术
生物芯片技术一、引言生物芯片技术是一个将生物学、物理学、化学和计算机科学相结合的新兴领域。
它的出现使得大量的高通量实验可以在相对短的时间内完成，并且提供了面对高维度问题的工具和策略。
本文将会详细介绍生物芯片技术的原理、种类、应用和研究进展等方面。
二、生物芯片技术的原理生物芯片技术是一项将不同生物学实验方法集成在一起的新技术。
它包括制备芯片、检测芯片以及分析芯片的过程。
其中，制备芯片是将不同类别的生物分子（如DNA、蛋白质、RNA等）以固定的顺序固定在芯片表面上；检测芯片则是将样品添加到芯片表面，以检测目标分子的存在与否；分析芯片是对检测芯片进行数据分析以取得最终结果。
三、生物芯片技术的种类根据使用的生物分子不同，生物芯片技术可以分为DNA芯片、RNA芯片、蛋白芯片等。
另外，虽然微阵列芯片受到了很高的关注，但是由于其成本高昂以及瓶颈问题存在，其在实际应用中尚未得到普及。
四、生物芯片技术的应用生物芯片技术在许多领域中得到了广泛的应用，比如生物医学领域、农业领域和环境监测等方面。
其中，生物医学领域是其应用最为广泛的领域。
例如，对于肿瘤的诊断、治疗和预后分析等方面，生物芯片技术已经发挥了重要的作用。
五、生物芯片技术的研究进展随着生物芯片技术应用的不断扩展，其研究领域也在逐步拓宽。
目前，一些新技术和新方法已经被用于生物芯片技术领域，比如单细胞芯片技术、小RNA芯片技术、微流控芯片技术等都已经成为生物芯片技术领域中重要的技术。
六、总结本文介绍了生物芯片技术的原理、种类、应用和研究进展等方面。
虽然生物芯片技术仍然面临很多挑战，如成本高昂、技术局限和标准化缺失等问题，但是其在实际应用中已经得到了广泛的认可，并且具有很大的发展前景。
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
生物芯片技术生物芯片技术是一种集成了多种生物学功能的微型芯片，被广泛应用于医学、生物学研究和临床诊断等领域。
本文将探讨生物芯片技术的原理、应用和未来发展方向。
一、生物芯片技术的原理生物芯片技术基于生物与微电子学的交叉领域，使用微纳米加工技术在芯片上集成生物分子、细胞或组织等生物学实体。
生物芯片的核心是传感器，可以对复杂的生物过程进行高效、高通量的检测和分析。
在生物芯片中，常见的传感器包括光学传感器、电化学传感器和生物分子互作传感器等。
光学传感器利用光的特性进行信号检测，电化学传感器则基于电流和电位的变化，而生物分子互作传感器通过生物分子之间的互作反应来获得信号。
这些传感器与微流控系统等结合，实现了对样品的灵敏检测和操控。
二、生物芯片技术的应用1. 医学领域生物芯片技术可以应用于疾病的早期诊断、治疗监测和个性化医疗等方面。
例如，基于生物芯片的癌症早期诊断可以通过检测微量的肿瘤标志物来实现，提高了癌症的早期发现率。
另外，生物芯片还可用于药物筛选和临床药物监测，帮助医生选择合适的药物治疗方案。
2. 生物学研究生物芯片技术在基因组学、蛋白质组学和细胞生物学等领域也有广泛应用。
通过生物芯片可以快速高通量地检测上千个基因或蛋白质的表达水平，帮助揭示细胞信号传导、基因调控和蛋白质互作等机制。
此外，生物芯片还可以应用于病毒检测、疫苗研发和转基因技术等领域。
3. 环境监测生物芯片技术在环境监测中也有广泛应用。
通过将特定的生物传感器集成到芯片上，可以对水质、空气质量和土壤污染等进行实时监测和分析。
生物芯片的高灵敏度和高速度使得环境监测更加准确和高效。
三、生物芯片技术的未来发展随着技术的不断进步，生物芯片技术有望在以下几个方面得到进一步发展。
1. 单细胞分析目前的生物芯片多数是基于大量样本的分析，而随着单细胞技术的不断完善，未来的生物芯片有望实现对单个细胞进行高通量的分析。
这将有助于我们更好地了解细胞的异质性和发展过程。
生物芯片技术及临床应用
副流感病毒
衣原体类 肺炎衣原体
常用检查方法
1、分离与鉴定； 2、抗原检测：免疫荧光； 3、血清学检测特异性抗体
支原体类 肺炎支原体
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呼吸道病毒感染抗体谱检测芯片
（100ul血清，同时检测六项指标）
❖ 肺炎衣原体(CP) IgM
❖ 肺炎支原体(MP ) IgM ❖ 合胞病毒(RSV) IgM ❖ 腺病毒(ADV) IgM ❖ 流感病毒(IV) IgM ❖ 副流感病毒(PIV) IgM
一般引起流感样症状： ❖ 发热（体温高于37.8℃，舌下温度） ❖ 咳嗽和/或喉咙肿痛 重症者可发展为肺炎乃至死亡
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关注呼吸道病毒
❖ 不同地区引起呼吸道感染的病原体可能不同，但目 前缺乏不同地区之间的比较研究
❖ 同一地区不同时间引起呼吸道感染的主要病原体也 不相同，需要及时监测病原体的流行情况
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HP的生物学特性
❖HP 菌株毒力不同。 ❖ 可释放空泡毒素（VacA）和细胞毒素相关蛋
白A（CagA）的菌株，这种HP被称为产毒 型HP。致病力更强!
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HP与疾病的关系
❖ 幽门螺杆菌是慢性活动性胃炎的主要原因，是 慢性萎缩性胃炎和胃溃疡的重要元凶，与胃癌 发生关系密切，已被世界卫生组织（WHO） 列为胃癌的第一类致癌因子。
❖ 美国CDC统计的肺炎和流感导致的死亡比例
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近几年国内流行性报道
❖ 武汉大学中南医院报道，2008年5月至2009年4月间因呼吸 道疾病住院的儿童中感染率最高的为甲型流感病毒、乙型
流感病毒、腺病毒和肺炎支原体 （Peng D. et al.
生物芯片技术
生物芯片技术生物芯片技术是一种新兴的技术，它将生物学和电子学相结合，可以对生物样本进行高效的检测和分析。
这种技术可以应用于医学诊断、基因工程、生物学研究等领域，并在其中发挥着重要的作用。
生物芯片技术的核心是生物芯片，它是一种微型化的实验室。
生物芯片由微型管道、电极和化学试剂等部分组成，可以模拟人体内的生物反应。
当样本进入生物芯片时，化学试剂与样本发生反应，通过测量电极上的电流变化来获得有关样本的信息。
生物芯片技术的优势之一是高效性。
传统的实验室操作通常需要大量的样本和试剂，并且需要相对较长的时间才能获得结果。
而生物芯片技术可以在短时间内完成检测和分析，并且只需要少量的样本和试剂。
这使得生物芯片技术在医学诊断中大有用武之地，特别是在快速检测和早期诊断方面。
另一个生物芯片技术的优势是可靠性。
传统的实验室操作往往受到实验环境的影响，结果的准确性和重复性有时难以保证。
而生物芯片技术通过微型化的实验室可以更好地控制实验条件，提高了结果的可靠性和重复性。
这对于基因工程和生物学研究来说尤为重要，因为它们需要精确的结果来支持后续的工作。
生物芯片技术应用广泛，其中一个重要的应用领域是医学诊断。
通过在生物芯片上测定特定生物标志物的水平，可以快速准确地诊断出某些疾病，如肿瘤和心脏病。
此外，生物芯片还可以用于监测患者的疗效和预测疾病的发展趋势，为医生提供更好的治疗方案。
同时，生物芯片技术在基因工程领域也扮演着重要的角色。
通过生物芯片可以对基因进行高通量的测序和分析，揭示基因组的结构和功能。
这对于研究基因的功能和疾病的发生机制具有重要意义，并为基因治疗和个性化医疗提供了新的可能性。
生物芯片技术的快速发展还带来了一些挑战。
首先，生物芯片的设计和制造需要高度的技术和设备支持。
其次，生物芯片的标准化和质量控制也是一个难题，需要建立行业标准和监管机制。
此外，生物芯片技术涉及到大量的数据处理和分析，对于数据的存储和管理也提出了新的要求。
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第二节 基因芯片
• 一、概念和原理
基因芯片（DNA芯片）技术是建立在基因探 针和杂交测序技术上的一种高效、快速的核酸 序列分析手段。它将大量探针分子固定于支持 物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测 杂交信号的强度及分布来进行分析。 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，以此形成一个密 集的基因方阵，实现对千万个基因的同步检测。
2. “点膜”型 合成工作用传统的DNA固相合成仪完成，只是合成后 用特殊的自动化微量点样装置将其以比较高的密度涂布于 硝酸纤维膜、尼龙膜或玻片上。支持物应事先进行特定处 理，例如包被以带正电荷的多聚赖酸或氨基硅烷，以便能 够牢固地结合寡核苷酸分子。该方法是目前大多数中小型 公司所采用的方法。 优点：设备廉价，技术简便，研制周期短，灵活性高 缺点：点阵密度低
二、 基因芯片技术的主要特点
技术操作简单
自动化程高
序列数量大 检测效率高 应用范围广 成本相对低
三、 基因芯片的主要类型
（一）从点阵的制备方法来分
主要有两类：原位合成型与“点膜”型。 1.原位合成型 指根据预先设计的点阵序列在每个位点通过有机合成的 方式直接聚合得到所要求的探针分子。聚合之后芯片片基 的制作即告结束。 该方法有两类：光引导原位聚合技术与压电打印原位聚合 技术。
（二）从支持物来分主要有：
1.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CloneTech公司）。 2.玻片型 这种芯片的点阵是通过原位合成技术制作的，点阵密度很高， 所以必须借助于特殊的仪器对测定结果进行解读和分析。当 前具有此类产品研制能力的公司很少（如Affimetrix公司）。
一、何为生物芯片?
生物芯片 主要指通过平面微细加工技术在固体芯
片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对 细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分的准确、 快速、大信息量的检测。
他是继大规模集成电路之后的又一次具有深远意义 的科学技术革命。
二、原理
利用特异性的分子间相互作用，将 待检测样品标记后与生物芯片反应 ， 得到信号值。信号值代表了结合在探 针上的待测样本中的特定大分子的信 息。
核酸分子的纯化、扩增和标记
• 制备高质量样本是困难的但又是极其重要的。 制备细胞、组织或整个器官样本应特别小心。 温度、激素和营养环境、遗传背景、组织成 分等轻微改变都会使基因表达的结果发生明 显变化。 • 用于基因类型分析的样本是DNA，用于表达 研究的样本是cDNA。 • 样本制备后应进行标记，通常为酶标记、荧 光标记和核素标记。
检测样品 的制备 检测设备的 研制
探针阵列的 准备
杂交检测与数据分析
•
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以及 结果分析。
（一）芯片制备
基因芯片制备主要包括两个方面
• 探针的设计：根据应用目的不同，设计 不同的固定于芯片上的探针。 • 探针在芯片上的布局：选择合适的方式 将探针排布在芯片上。
（2）压电打印原位聚合技术 其装置与普通的彩色喷墨打印机并无两样，所用技术也是 常规的固相合成方法。即，将墨盒中的墨汁分别用四种碱 基合成试剂替代，支持物经过包被后，通过计算机控制喷 墨打印机将特定种类的试剂喷洒到预定的区域上。冲洗、 去保护、偶联等则同于一般的固相原位合成技术。如此类 推，可以合成出长度为40到50个碱基的探针。 优点： 设备廉价，技术相对简单，反应产率高 缺点： 点阵密度低，易产生交叉污染
固相化状态进行反应的固相材料。 • 载体材料：玻片、硅片、硝酸纤维素膜、尼龙膜和聚 丙烯膜等。 • 载体的化学处理：活化剂——多聚赖氨酸 氨基硅烷偶联剂
（2）基因芯片制备 原位合成（in situ synthesis）
①光导原位合成法
②原位喷印合成
③分子印章多次压印合成
点样法
（二）样品的制备
• 样品的制备过程包括
1.探针的设计
• 确定芯片所要检测的目标对象
– 查询生物分子数据库
• 取得相应的DNA序列数据
– 序列对比分析
• 找出特征序列，作为芯片设计的参照序列。
– 数据库搜索
• 得到关于序列突变的信息及其它信息。
2.探针在芯片上的布局
（1）载体选择与预处理
• 载体：用于连接、吸附或包埋各种生物分子并使其以
3. 微板型 这种芯片实质上是一种具有高密度、小容 量测试孔的小型酶联免疫检测板（如PE公司等）。
4.集成电路型 将杂交技术与微电子技术结合于一体有目的地通 过电子装置检测或控制DNA等生物大分子的作用 过程（如Nanogen公司）
四、基因芯片研制的总体蓝图
研制方向的确定
基因组序列分析与待检基 因探针序列的确定
（1）光引导原位聚合技术 简要过程为：首先使支持物羟基化，并用光敏保护基团将 其保护起来，选取择适当的蔽光膜（mask）使需要聚合的 部位透光，其它部们不透光。这样，光通过蔽光膜照射到 支持物上，受光部位的羟基解保护，进而与单体分子共价 结合。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 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在待定位点合成大 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，联固定的识别分子分 类。 2.根据生物芯片的结构特征及分析过 程分类。 3.根据芯片的功能分类。 4.根据芯片的用途分类。
cDNA芯片图像
ABO血型基因芯片分型结果
四、特点
• 高度并行性：提高实验进程、利于显示图谱的 快速对照和阅读。
• 多样性：可进行样品的多方面分析，提高精确 性，减少误差。 • 微型化：减少试剂用量和反应液体积，提高样 品浓度和反应速率。 • 自动化：降低成本，保证质量。
（三）杂交与结果分析
1.杂交反应：与传统的杂交方法类似