两维悬浮式生物芯片及其检测方法研究
第31卷 第10期光电工程 V ol.31, No.10 2004年10月 Opto-Electronic Engineering Oct, 2004文章编号：1003－501X (2004) 10－0013－04
两维悬浮式生物芯片及其检测方法研究
徐国雄1, 2，黄震1，倪旭翔1，陆祖康1
(1. 浙江大学现代光学仪器国家重点实验室 国家光学仪器工程技术研究中心，
浙江 杭州 310027； 2. 安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002 )摘要：在目前悬浮生物芯片检测技术的基础上，提出了一种新颖的悬浮式生物芯片并行检测分析方法。液流推射装置产生平稳、均匀的悬浮式生物芯片溶液薄层二维微流场，使微球探针并行流入测试区域后暂时停止流动；用连续激光激发荧光，高灵敏度CCD凝结成像，实现悬浮式生物芯片的并行检测分析。采用液流周期性停止时间（100ms）与CCD曝光时间（100ms）相匹配的方法并行检测悬浮式生物芯片，每秒可检测约2000个微球探针信号。入射激光斜入射到检测面使激光光路与收集的荧光光路分离，极大提高了信噪比。采用窄带（带宽22nm）、高截止率（10-8）的滤色片有效地抑制了信号的串扰，相对误差可达3×10-5。
关键词：悬浮式生物芯片；二维微流场；CCD凝结成像；并行检测；信噪比
中图分类号：TN29 文献标识码：Ａ
Study on two-dimensional suspension biochip and its detection
XU Guo-xiong1, 2, HUANG Zhen1, NI Xu-xiang1, LU Zu-kang1
(1. Chinese National Engineering & Technology Research Center for Optical Instrument,
State Key Lab of Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University , Hangzhou 310027, China ;
2. Anhui University of Technology, Ma’anshan 243002, China )
Abstract: On the basis of current detection technology of suspension biochip, a novel parallel detection method for suspension biochip is brought up. A stable homogeneous two dimensional micro-fluid field was established by a new liquid propelling device. Microprobes flow into the test area in two dimensions and stop temporarily. Continuous laser excites fluorescence from the microprobes and molecules reaction information of suspension biochip is obtained by using highly sensitive CCD freezing imaging technology. This method employs a fixed time (100ms) of liquid film matching with CCD exposure time(100ms)to detect suspension biochip in parallel.Fluorescence signals from about 2000 microprobes can be obtained in one second. Incident laser transmits to the detective area obliquely so that laser path and the fluorescence path are separated,thus,improving signal-noise ratio (SNR) greatly. The system adopts narrow band-pass (bandwidth 22nm) and high cut-off ratio (10-8) filter, cross-talk among fluorescence signals is effectively restrained. The relative error can be minimized to 3×10-5.
Key words: Suspension biochip; Two-dimensional micro-fluid field; CCD freezing imaging; Parallel detection; Signal-noise ratio
引 言
随着基因信息学、分子生物学、医学诊断学的迅速发展，急需能够对可遗传信息进行高效快速检测和分析的新型技术。生物芯片正是满足这种需要的新型技术[1]，近年来得到了迅速发展。
生物芯片有两大类：固态的生物芯片与悬浮式生物芯片。固态生物芯片利用分子杂交技术的特性将大
14 光电工程 第３１卷 第１０期 量DNA 片断（或蛋白质分子）按一定顺序排列，并固定于某种固相载体表面（玻片、尼龙膜等），形成致密有序的DNA （或蛋白）点阵[2]。点阵与标记的样品分子进行杂交后，检测杂交信号，进而获取样品分子的数量和序列信息等。由于生物芯片的高密度，样品量很少，杂交信号弱，必须用灵敏度高的光电倍增管或CCD 相机来探测信息。固态生物芯片技术的优点是高通量，可并行检测、快速解读；缺点是它的制作工艺复杂、成本昂贵，不宜根据每个不同检测对象制作不同的生物芯片，且点阵不易制作均匀、杂交反应亲和力较弱并需小心冲洗。这对芯片的检测带来很大的不便，因而大大限制了它的应用。
悬浮式生物芯片较好地克服了上述缺点。该技术是利用微球作为载体，流式细胞仪作为检测平台，对生物分子进行大规模的测定[3, 4]。以许多不同的微球为主要基质，每种微球上固定不同的探测分子，将这些微球探针悬浮于待测液体中，就构成了一个悬浮式生物芯片系统。利用这个系统，可以对同一个待测试液中的多个不同分子同时进行检测，这种检测技术被称为xMAP (flexible Multi-Analyte Profiling) 技术。测试时使单个微球探针逐一通过检测通道，并使用两束激光同时对微球探针上的分类荧光和报告分子上的标记荧光进行检测，以确定被结合的待测分子的种类和数量。悬浮式生物芯片的技术优点是可根据每个检测对象的需要随时进行有目的配置（微球、生物探针），而不是固定的平面微阵列，这将大大降低成本；悬浮式生物芯片也不存在冲洗问题，易于信号检测，而且液相环境有利于保持蛋白分子的天然构像，也更有利于探针和被检测物的反应[5]。因此，悬浮式生物芯片有着广阔的应用前景。
１ 实验技术方案
悬浮式生物芯片技术是利用微球（micro -sphere ）作为载体，流式细胞仪作为检测平台，对蛋白质、核酸、肽等分子进行大规模测定的一种技术。微球、探针分子、待测分子、报告分子是悬浮式生物芯片的4个主要构成部分（图1）。在悬浮式生物芯片系统中，为了区分不同的探针分子，每一种固定有探针分子的微球都掺入了两种不同的红色分类荧光，根据这两种红色分类荧光的比例不同(每种荧光有10个等级的浓度)，可以把微球分为100种(图2)。这100种微球可分别固定100种不同的探针分子，同时对一个试剂溶液中的100种不同的待测分子进行检测。
目前，悬浮式生物芯片的检测原理是使单个的微球探针流过检测区域，并使用双色激光同时对微球探针上的红色分类荧光和报告分子上的绿色标记荧光进行检测（图3）。红色激光激发微球探针上的红色分类荧光，根据分类荧光信号的不同，可将微球探针进行分类，从而将各个不同的分子反应区分开来。绿色激光激发的是绿色标记荧光，目的是确定微球探针上结合的标记荧光的数量，从而确定微球探针上结合的待测分子的数量。因此，通过红绿双色激光的同时检测，可以确定被结合的待测分子的种类和数量。
采用这种检测技术，每秒钟可以检测几十个至上百个微球探针，通过检测微球探针的前向散射光和侧向散射光来判断微球探针是否粘连，并获得微球探针的尺寸。前向散射光多采用APD 作为探测器，侧向散射光和荧光采用PMT 作为探测器。由于采取串行检测，检测速度慢，APD 与PMT 均需要设计复杂的光学系统和高压偏置、低噪声放大电路，使得整个检测系统复杂、成本高。
为了克服目前悬浮式生物芯片检测技术的上述缺点，我们提出了一种全新的检测分析技术，它采用独特的液流装置，使微球探针并行流入测试区域，并暂时停止流动。采用连续激光激发荧光，高灵敏度CCD 成像探测技术来实现悬浮式生物芯片的并行检测分析，系统具有快速、准确、灵敏度高的优点。
图4为实验检测技术的方案图。采用固体激光器，两束波长分别为λ1（532nm ）和λ2（635nm ）的连续激光
图2 不同比例浓度的分类荧光 Fig.2 Sorted fluorescent with different concentration ratios 图1 悬浮式生物芯片
Fig.1 Suspension biochip
图3 检测原理图 Fig.3 Detection principle
Green Red
２００４年１０月 徐国雄 等：两维悬浮式生物芯片及其检测方法研究 15 由M 1（635nm 透射, 532nm 反射）经扩束透镜组L 1扩束为
均匀的宽光束斜射在待测悬浮式生物芯片试液（待测试
液）上。因待测试液中悬浮着不同分类荧光标定的微球
探针（直径为10μm 左右），激光束将被这些微球探针散
射，散射光很弱，经过带通滤色片后可忽略不计，透过
微球探针间隙未发生散射的激光与荧光收集光路直接
分离，有效地降低了背景噪声，提高了探测灵敏度。
微流装置系统如图5，待测试液预先吸入V 1 , V 2中，
V 1尺寸为10mm ×10mm ×0.3mm ，最多可吸收30μL 试
液，在体积比浓度为1 1000时，可含直径为10μm 的
微球约3.3×105个, V 2为20mm ×1mm ×0.1mm 的透明薄
容器。检测时，由直线电机推动，使试液由V 1注入V 2，
并在V 2的中间一段区域建立稳定的流场，由于本方案
中，流速设计为10mm/s 的低速，极易形成稳定的流场，
故无需使用鞘液，极大降低了成本。V 3为直径0.1mm 、
长10mm 的圆柱形圆管，它对测试液的流动起阻碍作用。
当直线电机停止时，由于毛细管的作用，测试液就会立
即停止流动，这时在测试区域就形成了一个静止、易于
检测的两维片式悬浮生物芯片，让悬浮芯片暂时停止以
增加曝光时间。由于液柱在激光前进方向上尺寸很小，
可近似认为液柱为一个二维平面。测试区域大小由激光
束的尺寸、微球大小及CCD 光敏面大小来决定。
CCD 的曝光时间为100ms ，曝光期间电机停转，液流停止流动；在两次曝光间隔（100ms ）开启电机，使待测试液流入测试区域；再次让液流停止，再次曝光，CCD 曝光频率为5Hz ，测试液流动平均速度为10mm/s 。使曝光周期与电机运转周期相吻合，从而图像与连续液流相对应，不会因漏拍而降低准确度，也不会因图像重叠而降低测试效率。由CCD1的图像可获得报告分子的绿色标记荧光强度分布，由CCD2和CCD3的图像可获得微球探针的红色分类荧光信息并据此对微球探针进行分类，由这3幅图像之间的对应关系可获得检测悬浮式生物芯片所需的全部荧光信息。
待测试液的微球探针中掺入两种不同比例的红色分类荧光，其荧光发射波长分别为660nm 和720nm ，每种荧光浓度分为10个等级，故共有102种分类。报告分子上的绿色标记荧光波长为580nm 。激光激发的三种波长荧光通过透镜L 2将荧光会聚，由分光镜D 1分开，580nm 荧光通过带通滤色片F 1后由CCD1收集；分光镜D 2再进一步将660nm 和720nm 的荧光分开，660nm 荧光通过带通滤色片F 2后由CCD2收集，720nm 荧光通过带通滤色片F 3后由CCD3收集。系统中由于地址标记的两种红色荧光波长很接近，所以对F 1 , F 2的带宽、截止率要求很高。设计F 1 , F 2 , F 3的带宽为±11nm ，截止率为10-8，以防止各信号之间的串扰。 ２ 分 析
在统计上，微球探针是均匀悬浮在待测试液中的，假若微球探针与待测试液的体积比浓度为1 1000，则在本检测技术中，测试区域可悬浮上千个微球探针。因此，在CCD 的每次曝光期间，计算机根据3个CCD 图像信息，可判断出这上千个微球探针的所有信息。在此浓度下，每个微球探针的平均间距约为100ìm ，比其直径（10ìm ）高一个数量级，很容易使这些微球探针在激光的前进方向上呈单排分布（因为设计的微流推射装置在此方向上尺寸为100ìm ），故无需检测微球的散射光来判断微球的大小及空间分布，这也是本实验方案中采用CCD 进行二维平面荧光强度检测的原因所在。
考虑到图像分辨率，要使每个微球与若干像素相对应，必须对成像面进行放大。实验设计待测试液在
Detection area Beam expander L 1 Fluorescence collection lens L 2 Splitter D 1 580 transmission 660,720 reflection Splitter D 2 720 transmission 660 reflection 660 bandpass F 2 580 bandpass F 1 720 bandpass F 3 CCD1 CCD2 CCD3 635nm 图4 悬浮式生物芯片的并行检测结构图 Fig. 4 Configuration of suspension biochip detection system Fluid out
Fluid in
V2中流速为10mm/s，V1与V2在流速方向上的横截面积之比为30∶1。由于直线电机的位置精度为1μm，导致V2中待测试液的体积相对误差为3%，在体积比浓度为1 1000时，待测微球数的相对误差为3×10-5。
流场的设计十分重要，要保证测试区域中的试液在每次检测后完全被排出，就必须保证液体流动时在该区域的流场为平流层。实验设计V2具有很小的横截面周长比D（4.5×10-5m），试液与V2表面具有较大的粘滞系数μ，且流速v很小，?为试液密度，约为1×103kg/m3，不同试液略有差异。这就使得V2中流场的雷诺尔系数R=?vD/μ很小[7]，可达10-3 , 此时V2中流场不会出现湍流现象。另外，还必须考虑当试液充满测试区域后，微球需要经过多少时间才能静止悬浮在其中。在直线电机推动下，V2中流体的定向速度为10mm/s，电机停止推动时，由于V3设计为一个毛细管，V3中液体立即停止流动。由于液体的不可压缩性，整个液体随即停止流动。试液由溶液与微球探针构成。溶液分子的定向运动速度通过相互间的碰撞以及与V2表面的碰撞很快消失，时间可以忽略不计。由于微球的质量较大，其定向运动速度消失得较慢，设滞后时间为?T；则试液由静止到运动过程中，溶液分子先获得定向运动速度而微球滞后的时间也是?T。这样，对于测试区域来说，就会形成一个连续的溶液流与微球阵列流序列，所以测试区域中的待测微球探针荧光信号不会因此造成重拍或漏拍。
本测试技术中采用的是宽光束激发待测液面，激光器的功率为10mW，测试面大小为1mm×1mm，由于曝光时间很长（100ms），所以测试面上激光能量面密度为1mJ/mm2；通常在生物芯片检测中使用的是单点检测，激光功率与此相同，采样时间为10-5s，照射面积为100ìm2，平均照射能量面密度也为1mJ/mm2，与本文方法相同。虽然PMT比CCD灵敏度高得多，但是由于悬浮微球上可固定的探针数比固态芯片点阵上的大得多（可高出几个数量级），因此可采用高灵敏度的CCD进行荧光探测，减去了PMT及其高压电源、低噪声放大电路，而且CCD的读出电路都集成在单片芯片上，使得本测试技术在保证灵敏度的情况下设计简便，便于采用计算机控制及分析处理。
３ 结论
本文在目前悬浮生物芯片检测技术的基础上，首次提出了一种悬浮式生物芯片的并行检测分析方法。利用一种能建立平稳、均匀的二维微流场及悬浮式生物芯片溶液薄层的液流推射装置，使微球探针并行流入测试区域，并暂时停止流动，用连续激光激发荧光，高灵敏度CCD凝结成像，来实现悬浮式生物芯片的并行检测分析。检测技术中采用5Hz的CCD曝光成像，则在该浓度下的测试速度为每秒2×103个微球探针，比目前常规方法检测悬浮式生物芯片的测试速度（每秒几十到上百个微球探针）[6]要高出一到两个数量级，而特殊的流场设计使检测的误差以及重拍、漏拍几率大大减小。在光学系统设计方面，入射激光斜入射到检测面使激光光路与收集的荧光光路分离，极大提高了信噪比；采用窄带（带宽22nm）、高截止率（10-8）的滤色片有效地抑制了信号的串扰；系统相对误差可达3×10-5。采用高性能CCD并行检测悬浮式生物芯片，可以方便地利用计算机强大的计算功能，对测量数据进行软件处理；整个检测系统的设计方便灵活，因为很多功能可采用软件算法实现，使得检测系统的硬件要求降低，升级更容易。
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( 下转第20页)
等响应。由标准星等响应可计算出APS 星跟踪器所对应的探测极限星等。详细计算过程见下文实例分析。 ５ 实例分析
设APS 星跟踪器镜头参数为焦距25.5mm, 孔径17.6mm, 镜头面积243mm 2, 视场20o×20o。APS 像元尺寸为9μm, 量化效率QE 为60%, 且星点90% 的能量集中在4个像素上。设APS 积分（曝光）时间为100ms, 则APS 在1次曝光时间内，对0星等恒星照射产生的光电子数约为13000×0.100×243=315900[1]。
设暗电流为0.07nA/cm 2（此参数一般在器件说明书中提供），每个像素的面积为9μm×9μm = 8.1×10-7cm 2，
因此每个像素上产生的暗电流为5.67×10-17A ，相当于354个光电子/s ，曝光时间为100ms ，则暗电流产生 的等值光电子n DC 约为36= 6, 由暗电流非一致性产生的等值光电子数n DCNU 为36×30% 11。设读噪声和固定模式噪声分别为n RN = 30, n FPN =30, 由(10)式得总噪声对应的等值光电子数N =22223030116+++ 44。
若要求检测概率大于等于99%，虚警概率小于等于1%，则信噪比阈值应大于5[5]，由(12)式得总像素噪声对应的信号等值光电子数为220，即此星跟踪器能可靠地探测到亮度为220个光电子的像素。星像中心的四个像素占总能量的90%，则其中最亮的像素占总能量约22.5%，因此整个星点对应的等值光电子数为220/22.5% 978。它是0星等恒星的978/315900=1/323倍，由于31.65.2/1=1/323，所以该APS 星跟踪器的探测门限为6.31星等。
６ 结 论
本文提出了一种计算APS 探测极限星等的新方法，给定APS 星跟踪器光学镜头参数和APS 芯片参数后，根据最佳检测原则，由信噪比检测阈值和APS 噪声幅值得到APS 探测信号值，再通过典型APS 对0星等恒星的辐射响应求出APS 相应的探测极限星等。目前，APS 探测灵敏度一般比CCD 低，提高APS 探测灵敏度可以从改善信号质量和降低噪声两方面着手。改善信号的途径有增大光学系统孔径、建立良好的光谱匹配、增加积分时间、提高填充因子、提高量化效率等；降低噪声的途径有冷却APS 器件、采用双采样或相关双采样技术等，通过软件算法来降低噪声（比如固定模式噪声）也是一个很好的途径。
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生物芯片及应用简介
生物芯片及应用简介 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。由于基因芯片（Genechip）这一专有名词已经被业界的领头羊Affymetrix公司注册专利，因而其他厂家的同类产品通常称为DNA微阵列(DNA Microarray)。这类产品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
土壤容重、孔隙度、含水率等测定方法
1．土壤含水量(含水率)测定 采用酒精燃烧法测定。 操作步聚： (1)取小铝盒若干，洗净后烘干，用天平称出每—铝盒重量(逐一标量记录) (2)在标准地内挖土壤剖面，分20cm 一层。在分层的土壤剖面上用铝盒自下而上刮一层土(约半盒、注意避开根系和石砾等杂物)，马上称重(得出湿土重十铝盒重) (3)倒入酒精8－12ml ，振荡铝盒使与土壤混合均匀(如土壤很湿要用小刀拌匀成泥浆)，点燃酒精，在火焰将熄灭时，用小刀轻拔土壤，使其充分燃烧，烧完后再加入3～4ml 进行第二次燃烧(如土壤粘重、含水量较大，再加入2～3ml 酒精进行第三次燃烧)。 冷却后，马上称出重量(得干土重十盒重)。每层重复三次。 (4)土壤含水量及现有贮水量计算 ①土壤含水量(重量)＝％重（干土重＋盒重）－盒干土重＋盒重）（湿土重＋盒重）－（100? ＝水分重／干土重×l00％ ②土壤含水量(体积)＝） （）容重（土壤含水量（重量％）33g/cm 1g/cm ? ＝％土壤体积 水分体积100? (注：水的容重一般取lg ／cm 3) 2．土壤物理性质测定 采用环刀法 操作步聚： (1)首先量取环刀的高度和内径，计算出其容积(标记、做好记录)： V ＝πr 2H 式中：V —环刀体积(cm 3) R —环刀内半径(cm) H —环刀高度(cm) 将环刀在天平上称重(做好标记、记录)。 (2)选择标准地，在测定地点做一平台(山地)，挖土壤剖面，分层取样测定(按20cm —层)，每层设三个重复。 (3)打入环刀(一定要垂直打入，且不能晃动)，待土壤至环刀下沿齐平时，在环刀上垫—滤纸层后把盖盖好，挖出环刀，用刀削平底部土壤，垫好滤纸，盖好下盖。迅速称重(得：自然土重十环刀重)
最新生物技术的发展和应用
生物技术地发展和应用 自2001年初，生物技术产业便显现出一片诱人地前景。人类基因组草图地即将完成，带动各生物技术地不断飚升。人们普遍认为这将导致医学与药物研究地繁荣，并会带来滚滚地财富。随着基因组测序地完成，许多科学家和投资者开始把目光投向生物技术向个学科地渗透，如今生物技术已经在芯片、医学等领域都取得丰硕地成果。下面对生物芯片、基因治疗及微生物地研究地基本问题作简单地介绍。 （一）生物芯片 20世纪90年代初开始实施地人类基因组计划取得了人们当初意料不到地巨大进展，而由此也诞生了一项类似于计算机芯片技术地新兴生物高技术———生物芯片。 生物芯片主要是指通过微加工和微电子技术在固体芯片表面构建微型生物化学分析系统，以实现对生命机体地组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其他生物组分进行准确、快速、大信息量地检测。目前常见地生物芯片分为三大类：即基因芯片、蛋白芯片、芯片实验室或称微流控芯片等。生物芯片主要特点是高通量、微型化和自动化。生物芯片上高度集成地成千上万密集排列地分子微阵列，能够在很短时间内分析大量地生物分子，使人们能够快速准确地获取样品中地生物信息，检测效率是传统检测手段地成百上千倍。使用基因芯片分析人类基因组，可找出癌症、
糖尿病由遗传基因缺陷引起疾病地致病地遗传基因。生物医学研究人员可以在数秒钟内鉴定出导致癌症地突变基因。借助一小滴测试液，医生们能很快检测病菌对人体地感染。利用基因芯片分析遗传基因，可以使糖尿病地确诊率达到50％以上。生物芯片在疾病检测诊断方面具有独特地优势，它可以在一张芯片上同时对多个病人进行多种疾病地检测。仅用极小量地样品，在极短时间内，向医务人员提供大量地疾病诊断信息，这些信息有助于医生在短时间内找到正确地治疗措施。对肿瘤、糖尿病、传染性疾病、遗传病等常见病和多发病地临床检验及健康人群检查，具有十分重要地应用价值。 （二）基因治疗 众里盼她千百度，如今，基因治疗已近走出实验室，进入实践阶段，如：癌症地基因治疗，肿瘤地基因治疗属于一种生物治疗手段，是一大类治疗策略地总称。根据治疗机理不同，目前至少可以分为以下几方面： （1）免疫基因治疗：指地是通过基因修饰地瘤苗或抗原呈递细胞体内回输，或者免疫基因地直接体内导入，激发或增强人体地抗肿瘤免疫功能，达到治疗肿瘤地目地，它也是一大类治疗地总称。治疗基因包括肿瘤相关抗原基因、细胞因子基因或者MHC基因等。
膜孔隙率的几种测试方法
膜孔隙率的几种常用测试方法 在薄膜、中空纤维膜等膜材料的应用与研究中，孔隙率是一项常用的重要指标。孔隙率一般被定义为多孔膜中，孔隙的体积占膜的表观体积的百分数，即：ε=V 孔/V 膜外观。 孔隙是流体的输送通道，这里的“孔隙”准确的说应该指“通孔孔隙”。通常研究人员希望采用此参数来评价膜的过滤性能、渗透性能和分离能力。但由于定义以及测试方法限制等原因，造成目前大家经常看到的和并被普遍应用的“孔隙率”这个参数中的“孔隙”，并非指的是“通孔孔隙”，所以，这种定义的孔隙率，与膜的过滤性能、渗透性能、分离能力并不构成正相关性。也就是说，孔隙率大的，过滤性能并不一定好；渗透率为零，孔隙率不一定为零。 对于泡压法原理的贝士德仪器膜孔径分析仪，如果膜上的孔非理想的圆柱形孔，其实是不能用来分析孔隙率的，因为该原理的仪器测试出来的孔径分布是通孔孔喉的尺寸信息。用通孔孔喉尺寸计算得到孔面积，从而依据ε=V 孔/V 膜外观=S 孔/S 膜外观来计算出的孔隙率，这个值在实际中会远小于目前常用方法所 得到的孔隙率。只有当该膜的孔为理想的圆柱孔时，即孔喉和孔口的尺寸相同且无其它凸凹、缝隙结构时，由通孔孔喉尺寸得到的孔隙率才与目前常用方法得到的孔隙率接近（这种情况在实际中几乎不存在）。 下面列举膜孔隙率的几个常用测试方法： 方法一：称重法（湿法、浸液法） 原理：根据膜浸湿某种合适液体（如水等）的前后重量变化，来确定该膜的孔隙体积V 孔；该膜的骨架 体积V 膜骨架可以通过膜原材料密度和干膜重量获得；则该膜的孔隙率： ε=V 孔/V 膜外观=V 孔/(V 孔＋V 膜骨架) 方法二：密度法（干法、体积法） 原理：见如下公式推导，所以，只需要膜原材料的密度ρ膜材料和膜的表观密度ρ膜表观，就可计算得到孔 隙率ε。其中表观密度ρ膜表观可由外观体积和质量获得。 ε=V 孔/V 膜外观=(V 膜外观－V 膜骨架)/V 膜外观＝（ρ膜表观－ρ膜材料）/ρ膜表观 方法三：气体吸附法 原理：根据低温氮吸附获得孔体积，从而得到孔隙率。该方法只能获得200nm 以下尺寸孔结构的孔体积，无法表征200nm 以上孔的信息，对于大量滤膜不适用。 方法四：压汞法 原理：根据压汞法原理，利用压力将汞压入膜的各种结构的“孔隙”中，根据注入汞的压力、体积来获得膜的孔隙体积及尺寸数据；该方法的缺点是将汞压入微孔需要的压力较大，该方法更适合于分析刚性材料，对于大多数膜材料为弹性材料，在注入汞的过程中容易发生变形或“塌陷”，从而产生较大误差。 3H-2000PB 贝士德仪器泡压法滤膜孔径分析仪，其基本原理为气液排驱技术（泡压法）：给膜两侧施加压力差，克服膜孔道内的浸润液的表面张力，驱动浸润液通过孔道，依此获得膜类材料的通孔孔喉的孔径数据，同时该方法也是ASTM 薄膜测定的标准方法。 以上四种膜孔隙率的常用测试方法，所获得孔隙率数据中的“孔隙”都不是“通孔孔隙”，更不是“通孔孔喉孔隙”；若不是“通孔孔隙”，那么，这个“孔隙率”就无法达到研究人员所希望的评价过滤性能、渗透性能和分离能力的目的。举例说明：A 膜通孔为零，表面“凸凹、闭孔、盲孔”等结构形成的孔隙率为40%；B 膜孔隙率为20%且有通孔；那么，我们并不能依据该孔隙率数据对该两种膜的过滤性能做出比较。这点在研究和应用中是需要注意。
生物芯片技术研究进展
生物芯片技术研究进展 张智梁 摘要：随着DNA测序技术的发展和几种同时监测大量基因表达的新技术出现，人类基因组DNA序列分析可能很快完成，并由此产生了生物信息学，而DNA芯片技术应运而生。生物芯片主要是指通过微电子、微加工技术在芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、DNA、蛋白质、组织、糖类及其他生物组分进行快速、敏感、高效的处理和分析，是近些年来发展迅速的一项高新技术。生物芯片主要包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片等。 关键词：生物芯片；研究进展；应用 生物芯片是指通过微电子、微加工技术在芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、DNA、蛋白质、组织、糖类及其他生物组分进行快速、敏感、高效的处理和分析，其实质就是在面积不大的基片(玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体)表面上有序地点阵排列一系列已知的识别分子，在一定条件下，使之与被测物质(样品)结合或反应，再以一定的方法(同位素法、化学荧光法、化学发光法、酶标法等)进行显示和分析，最后得出被测物质的化学分子结构等信息。因常用玻片／硅片等材料作为固相支持物，且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。这项技术是由美国旧金山以南的的一个新兴生物公司首先发展起来的。S.P.AForder及其同事于90年代初发明了一种利用光刻技术在固相支持物上光导合成多肽的方法，并在此基础上于l993年设计了一种寡核苷酸生物芯片，直至l996年制造出世界上第一块商业化的DNA芯片。在此期间国际上掀起了一片DNA芯片设计的热潮，出现了多种类型的DNA芯片技术。DNA芯片在产生的短短几年时间内技术不断，现已经显现出在基因诊断、基因表达分析和新基因的发现、蛋白组学方面的应用、基因组文库作图等生物医学领域中的应用价值。 l、生物芯片的分类 目前常见的生物芯片分为3类：第1类为微阵列芯片，包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片；第2类为微流控芯片(属于主动式芯片)，包括各类样品制备芯片、聚合酶链反应(PCR)芯片、毛细管电泳芯片和色谱芯片等；第3类为以生物芯片为基础的集成化分析系统(也叫“芯片实验室”，是生物芯片技术的最高境界)。“芯片实验室”可以完成如样品制备、试剂输送、生化反应、结果检测、信息处理和传递等一系列复杂工作。这些微型集成化分析系统携带方便，可用于紧急场合、野外操作甚至放在航天器上。 2、生物芯片的应用 2．1基因测序基因芯片利用固定探针与样品进行分子杂交产生的杂交图谱而排列出待测样品的序列，这种测定方法快速，具有十分诱人的前景。芯片技术能辨别单核苷酸多态性(SNPs)，当基因组序列中的单个核苷酸发生突变，就会引起基因组DNA序列变异。Hacia等用含有48000个寡核苷酸的高密度微阵列分析了黑猩猩和人BRCAl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为83．5％～98．2％，提示了二者在进化上的高度相似性。Check 等通过运用DNA微集阵列分析研究与早期心血管疾病相关的候选基冈一丁SP基冈家族，结果发现TSP-1和TSP-4基因错义变异与早期冠状动脉疾病相关，它们在m液凝固和动脉修复中起重要作用，而丁SP一2基冈非编码区的突变却在心脏病的发生过程有一定的保护作用。在卵巢癌发展过程中，基因TP53起到临界
岩石孔隙度的测定
岩石孔隙度的测定 一、实验目的 1.巩固岩石孔隙度的概念，掌握其测定原理； 2.掌握气测孔隙度的流程和操作步骤。 二、实验原理 根据玻义尔定律，在恒定温度下，岩心室体积一定，放入岩心室岩样的固相体积越小，则岩心室中气体所占的体积越大，与标准室连通后，平衡压力就越低；反之，当放入岩心室内的岩样体积越大，平衡压力越高。 绘制标准块的体积（固相体积）与平衡压力的标准曲线，测定待测岩样平衡压力后，根据标准曲线反求岩样的固相体积。按下式计算岩样的孔隙度： 三、实验流程 （a）流程图 （b）控制面板 图1 QKY-Ⅱ型气体孔隙度仪 四、实验操作步骤 1.用游标卡尺测量各个钢圆盘和岩样的直径与长度（为了便于区分，将钢圆盘从小到大编号为1、2、3、4），并记录在数据表中； 2.将2号钢圆盘装入岩心杯，并把岩心杯放入夹持器中，顺时针转动T形转柄，使之密封。打开样品阀及放空阀，确保岩心室气体压力为大气压； 3.关样品阀及放空阀，开气源阀和供气阀。调节调压阀，将标准室气体压力调至某一值，如560kPa。待压力稳定后，关闭供气阀，并记录标准室气体压力； 4.开样品阀，气体膨胀到岩心室，待压力稳定后，记录平衡压力； 5.发开放空阀，逆时针转动T形转柄，将岩心杯向外推出，取出钢圆盘；
6.用同样的方法将3号、4号及全部（1～4号）钢圆盘装入岩心杯中，重复步骤2～5，记录平衡压力； 7.将待测岩样装入岩心杯中，按上述方法测定装岩样后的平衡压力； 8.将上述数据填入原始记录表 五、实验数据处理 1.计算各个铜圆盘体积和岩样的外表体积 取编号为2的钢圆盘进行分析，其直径d＝2.50cm，长度L＝2.030cm； 所以，由得： 同理，可得表1中V f数据。 2.绘制标准曲线：以钢圆盘体积为横坐标，相应的平衡压力为纵坐标绘制标准曲线，并根据待测岩样测得的平衡压力，在标准曲线上反查出岩样的固相体积 由下表1中数据，可绘制标准曲线图如下： 图2 标准曲线图 所以，有上图2得：岩样固相体积V s＝25.0cm3 4.计算岩样孔隙度 所以岩样孔隙度为20.10% 钢圆盘编 号2号3号4号1-4号 自由组合钢圆盘岩样编号 2，4 3，4 2，3，4 A15-1B 直径 d(cm) 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.50 2.482 长度 L(cm) 2.030 2.484 5.000 10.014 7.030 7.484 9.514 6.468 体积V f9.96 12.19 24.54 49.16 34.51 36.74 46.70 31.29
孔隙率的测定
孔隙率的测定 镀层的孔隙是指镀层表面直至基体金属的细小孔道。镀层孔隙率反映了镀层表面的致密程度，孔隙率大小直接影响防护镀层的防护能力(主要是阴极性镀层)。作为特殊性能要求的镀层(如防渗碳、氮化等)，孔隙率测量也极为重要，它是衡量镀层质量的重要指标。国家标准GB 5935规定了测定镀层孔隙的方法有贴滤纸法、涂膏法、浸渍法、阳极电介测镀层孔隙率法、气相试验法等。电镀专业最新国家标准中，孔隙率试验的标准为：GB／T l7721—1999 金属覆盖层孔隙率试验：铁试剂试验，GB／T l8179--2000 金属覆盖层孔隙率试验：潮湿硫(硫化)试验。 一、贴滤纸法 将浸有测试溶液的润湿滤纸贴于经预处理的被测试样表面，滤纸上的相应试液渗入镀层孔隙中与中间镀层或基体金属作用，生成具有特征颜色的斑点在滤纸上显示。然后以滤纸上有色斑点的多少来评定镀层孔隙率。 本法适用于测定钢和铜合金基体上的铜、镍、铬、镍／铬、铜／镍、铜／镍／铬、锡等单层或多层镀层的孔隙率。 1．试液成分试液由腐蚀剂和指示剂组成。腐蚀剂要求只与基体金属或中间镀层作用而不腐蚀表面镀 层，一般采用氯化物等；指示剂则要求与被腐蚀的金属离子产生特征显色作用，常用铁氰化钾等。试液的选择应按被测试样基体金属(或中间镀层)种类及镀层性质而定，如表l0—1—16 所列。配制时所用试剂均为化学纯，溶剂为蒸馏水。 表10—1—16 贴滤纸法各类试液成分 2．检验方法 (1)试样表面用有机溶剂或氧化镁膏仔细除净油污，经蒸馏水清洗后用滤纸吸干。如试 样在镀后立即检验，可不必除油。 (2)将浸润相应试液的滤纸紧贴在被测试样表面上，滤纸与试样间不得有气泡残留。至 规定时间后，揭下滤纸，用蒸馏水小心冲洗，置于洁净的玻璃板上晾干。 (3)为显示直至铜或黄铜基体上的孔隙，可在带有孔隙斑点的滤纸上滴加 4％的亚铁氰 化钾溶液，这时滤纸上原已显示试液与镍层作用的黄色斑点消失，剩下至钢铁基体的蓝色斑
生物芯片技术及其应用研究
生物芯片技术及其应用研究 宋杭杰11152228 [ 摘要]近年来，生物芯片已成为科学界的研究热点之一。本文综述了生物芯 片的概念、主要分类和制作，介绍了生物芯片的应用，分析了生物芯片技术中存在的问题并对其发展前景作了展望。 [关键词]生物芯片应用检测问题发展前景 [正文] 1 生物芯片概述 生物芯片(biochip) 是将大量的生物大分子，如核苷酸片段、多肽分子、组织切片和细胞等生物样品制成探针，以预先设计的方式有序地、高密度地排列在玻 璃片或纤维膜等载体上，构成二维分子阵列，然后与已标记的待测生物样品靶分子杂交，通过检测杂交信号实现对样品的检测，因此该技术一次能检测大量的目 标分子，从而实现了快速、高效、大规模、高通量、高度并行性的技术要求;并且芯片技术的研究成果具有高度的特异性、敏感性和可重复性。因常用玻片/硅 片等材 料作为固相支持物，且在制备过程中模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。 2 生物芯片的分类 生物芯片技术是一种高通量检测技术，其主要类型包括基因芯片( gene －chip) 、蛋白质芯片( protein－chip) 、组织芯片( tissue －chip) 和芯片实验室( lab－on －chip) 等。 2. 1 基因芯片 基因芯片又称为DNA 芯片(DNA －chip) ，是基于核酸探针互补杂交技术原 理研制的。它是将大量的寡核苷酸片段按预先设计的排列方式固化在载体表面如硅片或玻片上，并以此为探针，在一定的条件下与样品中待测的靶基因片段杂交，
通过检测杂交信号的强度及分布来实现对靶基因信息的快速检测和分析。 2. 2 蛋白质芯片 蛋白质芯片与基因芯片的原理类似，它是将大量预先设计的蛋白质分子( 如抗原或抗体等) 或检测探针固定在芯片上组成密集的阵列，利用抗原与抗体、受体与配体、蛋白与其它分子的相互作用进行检测。 2. 3 组织芯片 组织芯片技术则是一种不同于基因芯片和蛋白芯片的新型生物芯片。它是将许多不同个体小组织整齐地排布于一张载玻片上而制成的微缩组织切片，从而进行同一指标( 基因、蛋白) 的原位组织学的研究。 2. 4 芯片实验室 所谓实验室就是一种功能的集成。在普通实验室，检侧、分析等是分成不同步骤进行的，芯片实验室就是把所有的步骤聚在一起，也是有形的，只是把这些功能微缩到一个小的平台上。生物检测三大步骤:样品的处理、生物反应、反应的检测，在以前，是由不同的机器做，最后才得出结果。芯片实验室则是把这三大步骤浓缩到一个平台上做，对用户来说无需知道中间步骤，是一个微型的自动化过程。 3 生物芯片的制作 生物芯片制作的方法有很多，大体分为两类:原位合成和合成点样。原位合成主要指光引导合成技术，可用于寡核苷酸和寡肽的合成，所使用的片基多为无机片基，现在也有用聚丙烯膜的。该方法合成的寡核苷酸的长度一般少于30nt，缩合率可达95 % ，特异性不是太好。原位合成的另外一种方法是压电打印法或称作喷印合成。该方法合成寡核苷酸的长度一般在40－50nt，缩合率达99 % ，特异性较好。合成点样最常用的方法是机械打点法。点样的可以是寡核苷酸和寡肽，也可以是DNA 片段或蛋白质。所使用的片基多为尼龙膜等有机合成物片基。该方法的特点是操作迅速、成本低、用途广，但定量准确性和重现性不好，加样
【2019年整理】生物芯片技术的发展历史
注：蓝字是建议使用的素材，别的你们也可以看一下选用哦世界发展史 进入21世纪，随着生物技术的迅速发展，电子技术和生物技术相结合诞生了半导体芯片的兄弟——生物芯片，这将给我们的生活带来一场深刻的革命。这场革命对于全世界的可持续发展都会起到不可估量的贡献。 生物芯片技术的发展最初得益于埃德温·迈勒·萨瑟恩（Edwin Mellor Southern）提出的核酸杂交理论，即标记的核酸分子能够与被固化的与之互补配对的核酸分子杂交。从这一角度而言，Southern杂交可以被看作是生物芯片的雏形。弗雷德里克·桑格（Fred Sanger）和吉尔伯特（Walter Gilbert）发明了现在广泛使用的DNA测序方法，并由此在1980年获得了诺贝尔奖。另一个诺贝尔奖获得者卡里·穆利斯（Kary Mullis）在1983年首先发明了PCR，以及后来再此基础上的一系列研究使得微量的DNA可以放大，并能用实验方法进行检测。 生物芯片这一名词最早是在二十世纪八十年代初提出的，当时主要指分子电子器件。它是生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，主要是指通过微加工技术和微电子技术在固格体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。美国海军实验室研究员卡特（Carter）等试图把有机功能分子或生物活性分子进行组装，想构建微功能单元，实现信息的获取、贮存、处理和传输等功能。用以研制仿生信息处理系统和生物计算机，从而产生了"分子电子学"，同时取得了一些重要进展：如分子开关、分子贮存器、分子导线和分子神经元等分子器件，更引起科学界关注的是建立了基于DNA或蛋白质等分子计算的实验室模型。 进入二十世纪九十年代，人类基因组计划(Human Genome Project，HGP)和分子生物学相关学科的发展也为基因芯片技术的出现和发展提供了有利条件。与此同时，另一类"生物芯片"引起了人们的关注，通过机器人自动打印或光引导化学合成技术在硅片、玻璃、凝胶或尼龙膜上制造的生物分子微阵列，实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞或其它生物组分准确、快速、大信息量的筛选或检测。 ●1991年Affymatrix公司福德（Fodor）组织半导体专家和分子生物学专家共同研制出利用光蚀刻光导合成多肽； ●1992年运用半导体照相平板技术，对原位合成制备的DNA芯片作了首次报道，这是世界上第一块基因芯片； ●1993年设计了一种寡核苷酸生物芯片； ●1994年又提出用光导合成的寡核苷酸芯片进行DNA序列快速分析； ●1996年灵活运用了照相平板印刷、计算机、半导体、激光共聚焦扫描、寡核苷酸合成及荧光标记探针杂交等多学科技术创造了世界上第一块商业化的生物芯片； ●1995年，斯坦福大学布朗（P．Brown）实验室发明了第一块以玻璃为载体的基因微矩阵芯片。 ●2001年，全世界生物芯片市场已达170亿美元，用生物芯片进行药理遗传学和药理基因组学研究所涉及的世界药物市场每年约1800亿美元； ●2000-2004年的五年内，在应用生物芯片的市场销售达到200亿美元左右。2005年，仅美国用于基因组研究的芯片销售额即达50亿美元，2010年有可能上升为400亿美元，这还不包括用于疾病预防及诊治及其它领域中的基因芯片，部分预计比基因组研究用量还要大上百倍。因此，基因芯片及相关产品产业将取代微电子芯片产业，成为21世纪最大的产业。 ●2004年3月，英国著名咨询公司弗若斯特·沙利文(Frost ＆Sulivan)公司出版了关于全球芯片市场的分析报告《世界DNA芯片市场的战略分析》。报告认为，全球DNA生物芯片
生物芯片技术的研究现状及发展前景
学士学位论文(设计) 文献综述 题目 生物芯片技术的研究现状及发展前景Biological Chip Technology The Present Research Situation and Development Prospect 姓名学号 院系专业生命科学院生物工程指导教师职称 中国·武汉 二○一二年三月
目录 摘要................................................................................................................................I 关键词 ..............................................................................................................................I Abstract ............................................................................................................................II Key words ........................................................................................................................II 1 生物芯片技术的概念及类型 (1) 1.1生物芯片技术的概念 (1) 1.2生物芯片技术的分类 (1) 2生物新品技术的发展状况 (2) 2.1生物芯片技术国外状况 (2) 2.2生物芯片技术国内状况 (3) 3生物芯片技术的问题及发展方向 (3) 3.1生物芯片技术存在的问题 (3) 3.2生物芯片技术的发展方向 (4) 4结语 (4) 参考文献 (6) 致谢 (7)
基因芯片技术及其应用简介(精)
基因芯片技术及其应用简介 生物科学学院杨汝琪 摘要:随着基因芯片技术的发展,基因芯片越来越多的被人们利用,它可应用于生活中的方方面面,如:它可以应用于医学、环境科学、微生物学和农业等多个方面,基因技术的发展将有利于社会进一步的发展。 关键词:基因芯片;技术;应用 基因(gene是载有生物体遗传信息的基本单位,存在于细胞的染色体(chromosome上。将大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上,称之为基因芯片(又称DNA 芯片、生物芯片。在一块1 平方厘米大小的基因芯片上,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,实现对千万个基因的同步检测。基因芯片技术是近年来兴起的生物高新技术,把数以万计的基因片段以显微点阵的方式排列在固体介质表面,可以实现基因检测的快速、高通量、敏感和高效率检测,将可能为临床疾病诊断和健康监测等领域,带来全新的技术并开拓广阔的市场。 1 基因芯片技术原理及其分类 1.1基因芯片的原理: 基因芯片属于生物芯片的一种"其工作原理是:经过标记的待测样本通过与芯片上特定位置的探针杂交,可根据碱基互补配对的原则确定靶序列[1],经激光共聚集显微镜扫描,以计算机系统对荧光信号进行比较和检测,并迅速得出所需的信息"基因芯片技术比常规方法效率高几十到几千倍,可在一次试验中间平行分析成千上万个基因,是一种进行序列分析及基因表达信息分析的强有力工具。 1.2基因芯片分类: 1.2.1根据其制造方法可分原位合成法和合成后点样法;
1.2.2根据所用载体材料不同分为玻璃芯片!硅芯片等; 1.2.3根据载体上所固定的种类可分为和寡核苷酸芯片两种; 1.2.4根据其用途可分测序芯片!表达谱芯片!诊断芯片等 2 基因芯片技术常规流程 2.1 芯片设计根据需要解决的问题设计拟采用的芯片,包括探针种类、点阵数目、片基种类等。 2.2 芯片制备将DNA, cDNA或寡核昔酸探针固定在片基上的过程。从本质上可分为两大类fz} ,一类是在片基上直接原位合成,有光蚀刻法、压电印刷法和分子印章多次压印法三种;另一类是将预先合成的探针固定于片基表面即合成点样法。 2.3 样品制备常规方法提取样品总RNA,质检控制。再逆转录为。DNAo 2.4 样品标记在逆转录过程中标记荧光素等。 2.5 芯片杂交标记的cDNA溶于杂交液中,与芯片杂交。 2.6 芯片扫描一用激光扫描仪扫描芯片。 2.7 图像采集和数据分析专用软件分析芯片图像,然后对数据进行归一化,最后以差异为两倍的标准来确定差异表达基因。 2.8 验证用定量PCR或原位杂交验证芯片结果的可信性。 3基因芯片合成的主要方法 目前已有多种方法可以将基因片段(寡核苷酸或短肽固定到固相支持物上。这些方法总体上有两种: 3.1原位合成:
生物芯片技术的发展及其在农业科学上的应用
生物芯片技术的发展及其在农业科学上的应用 摘要： 生物芯片的应用是将探针固定于芯片上, 利用核酸链间的分子杂交, 鉴定DNA 和蛋白质的一种新技术。尽管生物芯片仅仅出现几年, 但它带来的信息却蕴藏着生物学中结构与功能的内在联系, 其应用具有十分巨大的潜力, 它已在功能基因组研究、新药研究、物种改良和医学诊断、军事科学等方面提供或正在提供极有价值的信息, 已成为科学家们手中的有力武器。本文主要阐述了生物芯片技术种类和在农业科学应用方面的近期研究进展。 关键词：芯片技术、研究应用、农业科学 一、生物芯片技术简介 生物芯片技术是一种高通量检测技术，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。该技术被评为1998年度世界十大科技进展之一。（1）它包括基因芯片、蛋白芯片及芯片实验室三大领域。 基因芯片(Genechip)又称DNA芯片(DNAChip)。它是在基因探针的基础上研制出的，所谓基因探针只是一段人工合成的碱基序列，在探针上连接一些可检测的物质，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。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。 蛋白质芯片与基因芯片的基本原理相同，但它利用的不是碱基配对而是抗体
4.3 孔隙率检测
4.3孔隙率检测 孔隙率是指土中孔隙的体积与土的总体积之比，以百分数表示。孔隙率越大，表示土的密实度越小，孔隙率越小，表示土的密实度越大。因此，孔隙率可以作为路基压实质量的一个控制指标。特别是对于级配碎石等粗颗粒填料来说，最大干密度难于测得，难于测准，用压实系数不易控制施工质量，用孔隙率则能较好的控制施工质量。 表4.3-1 级配砂砾石基床表层压实标准 表4.3-2 级配碎石基床表层厚度及压实标准 表4.3-3 基床底层技术标准 表4.3-4 路堤填料及压实标准 我国铁路设计和施工规范，第一次采用孔隙率标准是在秦沈客运专线上，具体指标是按日本标准确定的。见表4.3-1、表4.3-2、表4.3-3、表4.3-4。 根据孔隙率的定义，孔隙率计算公式如下： n=（1－ρd/G S）×100 （4.3-1） 式中 n——孔隙率（%）
ρd——填料干密度（g/cm3） G S——颗粒视密度 但是，铁道建筑研究设计院在秦沈客运专线上对用上述公式测算的孔隙率（n）与压实系数（K）和地基系数（K30）进行了一系列的对比试验却表明，当压实系数（K）和地基系数（K30）达到设计规范标准时，孔隙率（n）却很难达到，三者不匹配。原因在于压实的过程只是使填料单个颗粒互相接近，减少颗粒与颗粒间的空隙，而不能使单个颗粒内部的孔隙和颗粒细微裂隙减少。因此，在测算填料的孔隙率时，不能采用填料颗粒视密度，而应采用填料颗粒毛体积密度。对比试验表明，采用颗粒毛体积密度计算孔隙率后，与压实系数、地基系数三者之间较为匹配。计算公式如下： n=（1－ρd/G m）×100 （4.3-2） 式中 n——孔隙率（%） ρd——填料干密度（g/cm3） G m——颗粒毛体积密度（g/cm3） 颗粒毛体积密度的试验计算方法见第二章第1节颗粒密度试验。 填料干密度的试验计算方法见本章第2节。
生物芯片分类及应用
生物芯片分类及应用 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。 生物芯片分类生物芯片虽然只有10多年的历史，但包含的种类较多，分类方式和种类也没有完全的统一。 1、用途分类 （1）生物电子芯片：用于生物计算机等生物电子产品的制造。 （2）生物分析芯片：用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。前一类目前在技术和应用上很不成熟，一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。 2、作用方式分类 （1）主动式芯片：是指把生物实验中的样本处理纯化、反应标记及检测等多个实验步骤集成，通过一步反应就可主动完成。其特点是快速、操作简单，因此有人又将它称为功能生物芯片。主要包括微流体芯片（microftuidic chip）和缩微芯片实验室（lab on chip，也叫芯片实验室，是生物芯片技术的高境界）。 （2）被动式芯片：即各种微阵列芯片，是指把生物实验中的多个实验集成，但操作步骤不变。其特点是高度的并行性，目前的大部分芯片属于此类。由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息，最终通过生物信息学进行数据挖掘分析，因此这类芯片又称为信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。 3、成分分类 （1）基因芯片（gene chip）：又称DNA芯片（DNA chip）或DNA微阵列（DNA microarray），是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。
第11章生物芯片技术试题及答案
第11章试题： 一、选择题 1.下面哪种生物芯片不属于微阵列芯片( ) A. 基因芯片 B. 蛋白芯片 C. PCR反应芯片 D. 芯片实验室 2.生物芯片的主要特点是( ) A. 高通量 B. 微型化 C. 集成化 D. 并行化 3. 下面哪些方法属于基因芯片原位合成技术（） A. 原位光刻合成 B. 合成点样 C. 压电打印 D. 分子印章 二、名词解释 1. 基因芯片 2. 蛋白芯片 3. 微缩芯片实验室
三、简答题 1. 试述生物芯片的种类及主要功能。 2. 试述基因芯片的工作原理及制备。 3. 简述蛋白芯片的原理及应用。 4.举例说明基因芯片在临床诊断中的应用。 第11章答案： 一、选择题 1. C 2. A、B、C、D 3. A、C、D 二、名词解释 1. 基因芯片 将大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，称之为基因芯片(gene chip)，又称DNA芯片(DNA chip)或DNA微阵列(DNA micro-array)。基因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。它是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基因的分析。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. 蛋白芯片 蛋白质芯片（protein chip），又称蛋白质微阵列(protein microarray)，是用于蛋
白质功能研究及相互作用分析的生物芯片，采用原位合成、机械点样或共价结合的等方法将多肽、蛋白、酶、抗原、抗体固定于硅片、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。在待分析样品中的生物分子与蛋白质芯片的探针分子发生杂交或相互作用或其他分离方式分离后，利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行高通量检测和分析。蛋白质芯片是将整个蛋白质水平的相关生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对多肽、蛋白质及其他生物成份进行高通量检测。
国内外知名生物芯片技术公司及其研发重点(精)
国内外知名生物芯片技术公司及其研发重点
Affymetrix昂飞公司
Affymetrix昂飞公司 ?美国的Affymetrix公司是世界上最有影响的基因芯片开发制造商。目前Affymetrix公司已开发全套的生物芯片技术相关产品，包括研究应用系列芯片及相关试剂和试剂盒、工具数据库及芯片分析软件工具、芯片制备系列平台仪器及其零配件、扫描检测仪器、杂交反应设备、生物芯片相关技术手册及指南等。Affymetrix公司是目前全球基因芯片行业的领头羊，以其拥有专利的寡聚核苷酸原位光刻合成技术，年产各类寡聚核苷酸基因芯片达到几十万张，占据了表达谱基因芯片科研市场的一半以上，经过了将近十年的研究和开发，已经在国际上赢得了很高的盛誉，同时也成为为数极少的已经盈利的生物芯片公司。 ?Affymetrix公司的基因芯片为寡核苷酸芯片（Oligo芯片），这种类型的芯片具有极高的特异性和灵敏度，重复性好，假阳性率非常低，是目前世界上最先进的基因芯片。
PerkinElmer珀金埃尔默仪器公 司
?珀金埃尔默是全球生化领域第三大供应商，在药物高通量筛选、全自动液体处理和样品制备以及遗传疾病筛查方面是世界第一大供应商。自 1999年以来，珀金埃尔默在生命科学业务上投资了10多亿美元，迅速成为蛋白组学、基因组学、药品开发和遗传疾病筛查领域的技术领先者。 ?珀金埃尔默提供完整的生物芯片解决方案，涵盖从芯片样品制备、点样、标记、杂交、扫描、数据分析到可视化数据库完整的研究流程。
?为了适应蛋白芯片日益深入的研究，珀金埃尔默提供了整套仪器和耗材，其中，非接触式芯片点样仪Piezorray是目前最先进的芯片点样系统，精度可达pL级，特别适合于制备样品粘度较高、需要精确定量的蛋白芯片。 ?国内很多代表性的芯片生产厂家和研究单位都采用了珀金埃尔默芯片产品线的产品和软件。上海的联合基因科技集团曾于2000年一次性购买了50台PerkinElmer芯片扫描仪。中科院北京基因组研究所（北京华大基因研究中心）采用的芯片点样仪和扫描仪均为PerkinElmer，他们制备的水稻全基因组芯片，在两张玻片上所点的基因达到60000 多条，单张芯片上的基因超过30000条，无论是点样密度还是点样效果都非常好。
多孔材料检测方法--最大孔径_孔隙率_透气率
多孔材料检测方法——最大孔径、孔隙率、透气率1最大xx的测定 采用冒泡法测定最大孔径。将制好的试验样品放入酒精中浸泡5～10分钟，取出样品放入样品室，将上下夹具旋紧后装在FBP-3Ⅲ型多孔材料性能检测仪上，在样品上倒入少许酒精，启动仪器，调节旋钮使显示的压力差值不断增加，直到在样品上出现第一个气泡为止，记录此时的压力值。为了观察方便，往往在被测试样上表面封一薄层浸渍液体，当气体压力由小逐渐增大到某一定值时，气体将把浸渍液体从毛细管中推开而冒出气泡，记录出现第一个气泡时的压力数据，按下式进行计算，所得数据即为材料的最大孔径值： 式中： γ—试验液体的表面张力，N/m； Pg—试验气体压力，Pa； ρ—试验液体密度，kg/m^3； h—试验液体表面到试样表面的高度，m 2孔隙率的测定 浸泡介质法： 首先利用游标卡尺测量样品的半径r和高度h（由此可算出试样的总体积），称出干燥试样在空气中的重量m1，然后浸入蒸馏水中使其饱和，即采用加热鼓如法使介质充分填满多孔材料的孔隙。试样浸泡一定时间内充分饱和后，将试样取出，轻轻擦去试样表面的介质，再用电子秤称出试样此时在空气中的总质量m2，由下公式计算多孔材料的孔隙率。3透气率的测定 将干燥的试样样品放入样品室，旋紧上下夹具以保证样品室的密封，将样品室装在FBP-3Ⅲ型多孔材料性能检测仪上，启动仪器，调节压力旋钮使压力差达到一定值，通过数显表观察压力差及流量的变化，记录压差稳定时对应的流量值。随着压差不断下降，记录不同压差下对应的流量值5～10组。重复实验
至少三次，记录与第一组相同压差下对应的流量值，取平均值，代入下式，拟合出一条P与Q和比值的曲线，斜率即为透气率。其计算公式如下： 、式中： K气—透气率，m^3/ m^2?KPa?h； Q—气体流量，m^3/h； ΔP—气体透过多孔材料产生的压力降，KPa； A—试样测试区域的面积，m^2 理论上K气是一个定值，即试样P—Q曲线为一条直线，实际上发现是一条折线，不同压差点测出的K气值不同，流量的范围选取越大，这种差别也越大，所以测试时压差点的选取应有规律，以便于比较。 （先将进口压力调至最大，记录此时的流量值，后跟随压力的不断减小，一一记录流量值的相对变化。）
土壤容重孔隙度含水率等测定方法
土壤容重孔隙度含水率等 测定方法 Newly compiled on November 23, 2020
1．土壤含水量(含水率)测定 采用酒精燃烧法测定。 操作步聚： (1)取小铝盒若干，洗净后烘干，用天平称出每—铝盒重量(逐一标量记录) (2)在标准地内挖土壤剖面，分20cm 一层。在分层的土壤剖面上用铝盒自下而上刮一层土(约半盒、注意避开根系和石砾等杂物)，马上称重(得出湿土重十铝盒重) (3)倒入酒精8－12ml ，振荡铝盒使与土壤混合均匀(如土壤很湿要用小刀拌匀成泥 浆)，点燃酒精，在火焰将熄灭时，用小刀轻拔土壤，使其充分燃烧，烧完后再加入3～4ml 进行第二次燃烧(如土壤粘重、含水量较大，再加入2～3ml 酒精进行第三次燃烧)。 冷却后，马上称出重量(得干土重十盒重)。每层重复三次。 (4)土壤含水量及现有贮水量计算 ①土壤含水量(重量)＝％重 （干土重＋盒重）－盒干土重＋盒重）（湿土重＋盒重）－（100? ＝水分重／干土重×l00％ ②土壤含水量(体积)＝）（）容重（土壤含水量（重量％）33 g/cm 1g/cm ? ＝％土壤体积 水分体积100? (注：水的容重一般取lg ／cm 3) 2．土壤物理性质测定 采用环刀法 操作步聚： (1)首先量取环刀的高度和内径，计算出其容积(标记、做好记录)： V ＝πr 2H 式中：V —环刀体积(cm 3)
R —环刀内半径(cm) H —环刀高度(cm) 将环刀在天平上称重(做好标记、记录)。 (2)选择标准地，在测定地点做一平台(山地)，挖土壤剖面，分层取样测定(按20cm —层)，每层设三个重复。 (3)打入环刀(一定要垂直打入，且不能晃动)，待土壤至环刀下沿齐平时，在环刀上垫—滤纸层后把盖盖好，挖出环刀，用刀削平底部土壤，垫好滤纸，盖好下盖。迅速称重(得：自然土重十环刀重) (注：第(3)步测完后马上测定该层土壤含水量，见土壤含水量测定)可测出土壤容重。 (4) 将环刀样品带回室内，拿掉上盖(保留滤纸)。将环刀放入盛水的容器中(2—3mm 水层，随水减少，逐渐加水，保持此水层)。大约2小时左右(人不能离开)至土层滤纸一湿，取出环刀(用滤纸吸干)盖好上盖马上称重(得：经浸水2小时左右带土环刀重)。然后放回原处，每隔l 小时取出反复称重，直到恒重，可测出土壤毛管孔隙度。 (5)将环刀土样继续放入盛水容器中，往容器加水至水面与环刀上层齐平。净置6小时后取出环刀。稍置10秒钟。使多余水流出，用干布将环刀擦干后称重。(得：浸水6小时带土环刀重)，然后再将环刀放回容器中，放置4～5小时后，再次称重，直到恒重。可测得土壤总孔隙度。 (6)土壤物理性质指标的计算 ①环刀内干土重(g)＝1 g ＋土壤含水量（重量％））－环刀重（（自然土重＋环刀重） ②土壤容重(g/cm 3)＝） 环刀容积（）环刀内干土重（ 3cm g ③土壤毛管孔隙度(容积) ＝％）环刀容积（））－环刀内干土重（）－环刀重（小时左右带土环刀重（吸水100cm g g g 23