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

枪头与支持物接触易污染。另外一种方法是合成点样的改进型，采用类似喷墨打印机的方法点样。该方法定量准确性和重现性好、无接触、喷嘴的寿命比机械打点法的枪头的寿命长。

4 生物芯片的应用和发展方向

以生物芯片为核心的相关产业正在全球崛起。当前主要把生物芯片相关产品分为DNA 芯片及相关耗材、试剂盒，DNA 芯片相关仪器类产品、软件及相关服务，芯片实验室相关产品，蛋白芯片及相关耗材、试剂盒，蛋白芯片相关仪器、服务，特制以及其他生物芯片。在DNA芯片相关仪器类产品方面，逐渐降低价格以及恰当地提高自动化水平将很大程度上成为今后国际市场上仪器产品的走向。对于相关软件的发展方向来说，主要包括两个方面:一是寻求更有用的工具进行整和，二是寻求更亲和的界面。其他方面来说，芯片实验室被视为分子诊断领域的一个巨大的潜在市场。它将在疾病控制和预防，食品和环境安全，公安和国防等诸多领域发挥重要作用。目前客户需求的服务主要包括扫描、杂交、靶标制备、DNA 芯片点样、探针制备和核酸靶样品制备。还有，芯片服务的供应商将竭尽所能满足逐渐增长的客户需求。所以这些服务项目也会因此成为生物芯片优先发展领域。随着业务的逐渐扩大，服务供应商将投资下一阶段的新微阵列技术和仪器。另外，由于人类蛋白组太大以至于无法放到一张芯片上，许多公司将选择最小范围的蛋白靶目标以获得研发的最大回报。特制芯片技术也处于持续的发展变化当中，产品多样化将是下一代特制芯片的主要特点。该市场的主要驱动在于客户独特应用的需求，其主要发展方向在于芯片中的芯片(array to array)、基于孔板和磁珠

等的多样化技术，以及这些技术在高通量的基因突变筛选和疾病诊断中的应用。以下举出几个近年来芯片的应用实例。

4. 1 诊断疾病

有关于犬常见传染病诊断基因芯片的研究者，研究在现有的探针反相杂交技术的基础上融合基因芯片的基本原理，发展多病原同步检测技术，针对犬常见致病病

原，将待测病原体的保守片段( 探针) 固定在硝酸纤维素膜上制成检测基因芯片。从疑似病料中抽提核酸，经标记、扩增后与基因芯片进行杂交，杂交信号由基因芯片检测仪检测分析进行确诊。研究取得成功，并在与其他检测方法的对比中，证实使用芯片的稳定性、可靠性更好。

4. 2 突变体和多态性检测

DNA 芯片技术可快速、准确地研究大量样品中特定基因所有可能的突变和多态性。单核苷酸多态性( single nucleotide polymorphism ，SNP) 是生物体基因

组中遗传多态性和突变的主要体现者，SNPs 可以用于解释个体不同时期基因表达差异及对环境刺激的反应差异等，对于性状的连锁分析、未知基因定位、环境因子易感基因的检出具有重要的应用。目前利用芯片检测SNPs 获得了较大的成功，CheeM 等用一块含有135 ，000 条寡核苷酸探针，探针长度为25 个核苷酸的基因芯片对16. 6 kb 的人类线粒体基因组进行序列测定，在10 个样品中共检出了505 个SNPs，重复精度高达99 %。Maxwell 和Davi2s 利用DNA 芯片分别检测p53 敏感和抗性的肿瘤细胞的基因表达模式，是利用基因芯片进行基因多态性的十分成功的实例。Wei 等发明了一种分析人类线粒体tRNA单核苷酸多态性的方法。首先，他们构建了一种称为“XNA on Gold Chip”的技术平台，然后设计各含有一个碱基突变的等位基因特异性探针固定于芯片上，再与荧光标记的参考核酸及扩增产物进行杂交，通过分析杂交信号成功获得多个SNPs。

4. 3 遗传作图与多态性检测

DNA 芯片的作图原理是单核苷酸多态性。单核苷酸多态性是第三代分子遗传标记，DNA 芯片即可以用于制作第三代遗传图谱。在人类基因组中大约1000 个碱基SNPs 出现一次，多态性高、覆盖密度大。由于单碱基突变就会形成许多双等

位基因。在多态性检测方面，Kruglyak 等将DNA芯片用于遗传图谱的连锁研究。Hacia 等利用DNA 芯片研究黑猩猩、大猩猩和猩猩等密切相关物种的DNA序列，可以得到它们定向进化同源基因的全部序列。因此可以用于多样性研究和进化研究。

5 生物芯片发展中存在的问题与展望

生物芯片技术还只是在研发阶段，并没有转化为商品进行大量的使用，是因为该技术仍存在许多问题。最主要的问题是成本过高，目前的生物芯片技术需一系列昂贵的尖端仪器，如光刻机器、寡核苷酸合成仪和激光共聚焦显微器等设备，如Affymetrix 的一套系统需要13. 5 万美元，对普通的实验室来说开支较大，是生物芯片技术推广的一大障碍。而且样品制备和待测定靶标探针标记方法复杂，需专项技术人员才可以操作，这都导致研究成本相对较高，无法普及。第二，目前的芯片存在不同程度的假阳性，重复性也有差异，这可能与靶分子浓度、探针浓度、杂交双方的序列组成、盐浓度及温度等对杂交的动力学存在影响有关，因此需要充分研究这些物质的物化性质，提高芯片的特异性。第三，是芯片的标准化问题，即如何将不同实验室、不同操作人员做出的结果进行统一化、标准化，尤其对那些表达量低、差异不明显的基因就更为重要，目前认为，这些误差可以通过传统的蛋白质分析技术如酶谱、双向电泳、免疫组织化学等方法进行验证。第四，基因组学的资源库还需要极大的丰富，信号检测的灵敏度需要增加。芯片发展的最终目标是实现从样品制备、化学反应到检测的整个分析过程的集成化，组成微型全分析系统，实现自动化。随着新材料、新技术的不断开发，生物芯片的应用领域必然会继续从实验室研究应用扩展到临床应用等更广的范围。

参考文献

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生物芯片研究进展分子生物学论文

生物芯片研究进展 摘要 生物芯片是切采用生物技术制备或应用于生物技术的微处理器是便携式生物化学分析器的核心技术。通过对微加工获得的微米结构作生物化学处理能使成千上万个与生命相关的信息集成在一块厘米见方的芯片上。生物芯片发展的最终目标是将从样品制备、化学反应到检测的整个生化分析过程集成化以获得所谓的微型全分析系统或称缩微芯片实验室。生物芯片技术的出现将会给生命科学、医学、化学、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品和环境卫生监督等领域带来一场革命。本文主要阐述了生物芯片技术种类和应用方面的近期研究进展。 关键词 生物芯片，疾病诊断，研究运用，基因表达 基因芯片的种类 基因芯片产生的基础则是分子生物学、微电子技术、高分子化学合成技术、激光技术和计算机科学的发展及其有机结合。根据基因芯片制造过程中主要技术的区别，下面主要介绍四类基因芯片。 一、光引导原位合成技术生产寡聚核苷酸微阵列 开发并掌握这一技术的是Affymetrix公司，Affymetrix采用了照相平板印刷技术技术结合光引导原位寡聚核苷酸合成技术制作DNA芯片，生产过程同电子芯片的生产过程十分相似。采用这种技术生产的基因芯片可以达到1×106/cm2的微探针排列密度，能够在一片1厘米多见方的片基上排列几百万个寡聚核苷酸探针。 原位合成法主要为光引导聚合技术（Light-directed synthesis），它不仅可用于寡聚核苷酸的合成，也可用于合成寡肽分子。光引导聚合技术是照相平板印刷技术（photolithography）与传统的核酸、多肽固相合成技术相结合的产物。半导体技术中曾使用照相平板技术法在半导体硅片上制作微型电子线路。固相合成技术是当前多肽、核酸人工合成中普遍使用的方法，技术成熟且已实现自动化。二者的结合为合成高密度核酸探针及短肽列阵提供了一条快捷的途径。 Affymetrix公司已有诊断用基因芯片成品上市，根据用途可以分为三大类，分别为基因表达芯片、基因多态性分析芯片和疾病诊断芯片，基因表达分析芯片和基因多态性分析芯片主要用于研究机构和生物制药公司，可以用来寻找新基因、基因测序、疾病基因研究、基因制药研究、新药筛选等许多领域，Affymetrix公司主要生产通用寡聚核苷酸芯片；疾病诊断芯片则主要用于医学临床诊断，包括各种遗传病和肿瘤等，目前Affymetrix公司生产

论文 生物芯片技术

生物芯片技术——生物化学分析论文 08应化2 江小乔温雪燕袁伟豪张若琦 2011-5-3

一、摘要： 生物芯片技术，被喻为21世纪生命科学的支撑技术，是便携式生化分析仪器的技术核心，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。 二、关键词 生物芯片；检测；基因 三、正文 （一）、生物芯片的简介 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与抗原结合的特异性即免疫反应来检测。蛋白质芯片构建的简化模型为：选择一种固相载体能够牢固地结合蛋白质分子(抗原或抗体)，这样形成蛋白质的微阵列，即蛋白质芯片。 芯片实验室为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

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。

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

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

生命科学与技术研究进展

1. 什么是系统生物学？ 系统生物学是一种典型的多学科交叉研究，它需要生命科学、信息科学、数学、计算机科学等各种学科的共同参与。它是一种整合型大科学，要把系统内不同性质的构成要素（基因、mRNA、蛋白质、生物小分子等）整合在一起进行研究。对于多细胞生物而言，系统生物学就是要实现从基因到细胞、到组织、到个体的各个层次的整合。 系统生物学包括四个方面： 一、系统结构。包括基因，蛋白间关系以及由此得到的基因蛋白网络和生物通路，以及这些相互之间关系所牵涉到的细胞内和细胞外结构的物理特性和机制。 二、系统动力学。可以通过代谢分析，敏感性分析，动力学分析工具比如分叉分析等，以及识别不同行为所内含的机制等分析方法和手段来理解在不同时间点不同条件下系统的行为。 三、系统的控制方法。掌握这些控制细胞处于各种状态的机制，用来模拟系统，能得到治疗疾病的药靶。 四、设计的方法。基于某些设计的原则和模拟方法，可以修正和构造具有所需特性的系统，而不需要盲目地反复实验。 2. 生物芯片技术对于系统生物学的意义？ 生物芯片是多领域相揉合的产物，生物芯片技术涉及电子技术、成像光学、材料学、计算机技术、生物技术等。简单说，生物芯片就是在一块玻璃片、硅片、尼龙膜等材料上放上生物样品，然后由一种仪器收集信号，用计算机分析数据结果。根据生物分子间特异相互作用的原理，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对细胞、蛋白质、DNA以及其他生物组分的准确、快速、大信息量的检测。生物芯片技术是系统生物学技术的基本内容。 系统生物学有两个关键技术基础，“组学”数据基础，以及检测和实验技术基础。在检测和实验技术这一方面，生物芯片占有举足轻重的地位。二十世纪末期，生物芯片开始进入大家的视野，它有着传统技术无可比拟的优势：高通量、微型化、自动化。系统生物学需要处理海量的组学数据，如果仅仅依靠传统手段，将举步维艰，借助于芯片技术，将事半功倍。 3. 以某离子通道为例，叙述蛋白结构和功能的测量方法和手段 以BK通道为例，结构测量：首先得到通道的序列，设计引物，通过体外PCR 快速高效的体外扩增该片段，然后连接到合适的载体上导入宿主细胞中进行表达，获得蛋白，通过HPLC进行蛋白分析和分离，将纯化后的蛋白配制成浓溶液，进行晶体生长实验，获得高质量的单晶体后，进行X射线衍射来解析该通道的结构，功能测量：通过量：通过切除部分序列，来测量通道的功能序列，定点突变来确定通道的关键氨基酸。通过特异性药物或毒素与通道的结合相互作用来检测通道的生理活性和功能。 4、有哪些方法可用来确定离子通道生理功能？ （1）电压钳技术 膜对某种离子通透性的变化是膜电位和时间的函数。用玻璃微电极插入细胞内，利用电子学技术施加一跨膜电压并把膜电位固定于某一数值，可以测定该膜电位条件下离子电流随时间变化的动态过程。利用药物使其他离子通道失效，即可测定被研究的某种离子通道的功能性参量

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)

基因芯片技术的研究进展与前景

基因芯片技术的研究进展与前景 摘要 关键词基因芯片，遗传性疾病，基因组计划， 一、基因芯片技术的产生背景 基因芯片技术是伴随着人类基因组计划而出现的一项高新生物技术。2001年6月公布了人类基因组测序工作草图；2002年出发飙了较高精确度和经过详细注解的人类基因组研究结果；2004年10月发表了已填补基因组中许多Gap片段的更精确的人类全基因组序列，标志人类基因组计划的完成和新时代的开始。随着人类基因组计划的开展，也同时进行了模式生物基因组测序工作。动物、植物、细菌及病毒基因组等测序工作都已取得重大进展。 随着各种基因组计划的实施和完成（有的即将完成），一个庞大的基因数据库已经建成。怎样从海量的基因信息中发掘基因功能。如何研究成千上万基因在生命过程中所担负的角色；如何开发利用各种基因组的研究成果，将基因的序列与功能关联起来，认识基因在表达调控、机体分化等方面的生物学意义；解释人类遗传进化、生长发育、分化衰老等许多生命现象的奥秘；深入了解疾病的物质基础及发生、发展过程；开发基因诊断、治疗和基因工程药物并用来预防诊断和治疗人类几千种遗传性疾病……这些都将成为现代生物学面临的最大挑战。这样的背景促使人们研究和开发新的技术手段来解决后基因组时代面临的一系列关键问题。20世纪90年代初，为适应“后基因组时代”的到来，产生了一项新的技术，即以基因芯片为先导的生物芯片技术。 二、基因芯片的概念 基因芯片（又称DNA芯片、DNA微阵列）技术是基于核酸互补杂交原理研制的。该技术指将大量（通常每平方厘米点阵密度高于400 ）探针分子固定于支持物上后与有荧光素等发光物质标记的样品DNA或RNA分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息，从而对基因表达的量及其特性进行分析。通俗地说，就是通过微加工技术，将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段（基因探针），有规律地排列固定于2cm2的硅片、玻片等支持物上，构成的一个二维DNA探针阵列，与计算机的电子芯片十分相似，只是在固相基质上古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，所以被称为基因芯片。 三、基因芯片技术的分类 1 根据功能分类：基因表达谱芯片和DNA测序芯片两类。基因表达图谱芯片可以将克隆的成千上万个基因特异的探针或其cDNA片段固定在一块DNA芯片上，对于来源不同的个体、组织、细胞周期、发育阶段、分化阶段、病变、刺激（包括不同诱导、不同治疗手段）下的细胞内mRNA或反转录后产生的cDNA进行检测，从而对这个基因表达的个体特异性、组织特异性、发育阶段特异性、分化阶段特异性、病变特异性、刺激特异性进行综合的分析和判断，迅速将某个或某几个基因与疾病联系起来，极大地加快这些基因功能的确定，同时可进一步研究基因与基因间相互作用的关系，DNA测序芯片则是基于杂交测序发展起来的。其原理是任何线状的单链DNA或RNA序列均可裂解成一系列碱基数固定、错落而重叠的寡核苷酸，如能把原序列所有这些错落重叠的寡核苷酸序列全部检测出来，就可据此重新组建出新序列。 2 根据基因芯片所用基因探针的类型不同，可分为cDNA微阵列和寡核苷酸微阵

【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

PCR生物芯片研究进展

PCR生物芯片研究进展 文章介绍了PCR的反应机理与PCR生物芯片的优点,主要介绍了PCR生物芯片微装置的一般原理和设计研究进展。 标签：聚合酶链式反应设计进展微流控芯片 自从1991年福多尔(S.P.A.Fodor)等人提出DNA芯片至今,以DNA芯片为代表的生物芯片技术已经得到了快速的发展。目前生物芯片技术除了DNA芯片技术外,还包括免疫芯片分析技术、芯片核酸扩增技术、细胞芯片分析技术和以芯片为平台的高通量药物筛选技术等。这些新兴技术的出现将为生命科学研究、疾病诊断与治疗、新药开发、国防、司法鉴定、食品卫生检验、航空航天等领域带来一场革命。正是由于生物芯片技术的飞速发展,美国科学促进协会将其评为1998年科技十大突破之一。 聚合酶链式反应(PCR)的反应机理及其优点 聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reacion,PCR)是一种对核酸分子进行提外扩正的方法,已经广泛应用于生物科学各个领域,PCR的引入给分子生物学带来了革命性的变化。反应的主要操作过程在三个温度区间重复循环,经过酶促反应扩增特定的DNA片段。扩增后的反应产物可用于诊断疾病、检验组织或血样中的特殊细菌或病毒。 常规的PCR方法存在着耗时长,操作繁琐,试剂消耗量大等缺点。寻求更快速、更简便的方法一直是人们追求的目标。微流控芯片为PCR微型化操作提供了一条可行的途径,和通常的PCR设备相比,微型化的好处是显著改善了热能传输,极大地提高了热循环速度,降低了昂贵试剂的消耗,是系统具有灵活、多功能、集成化的特点。但也有可能因PCR反应体积减小致使表面/体积比增加而产生一些与表面吸附有关的不利影响。 为了克服这种影响,人们研究了一些具备生物适应性的各种表面处理方法,通过化学修饰和/或物理吸附方式对硅、石英、玻璃或塑料等材料进行表面涂层或钝化。微流控芯片PCR的另一问题是如何将小体积的试样处理、扩增与芯片分离分析系统联用,开发真正自动化的高通量产品。一些研究者使用单晶硅微反应室进行实时快速PCR。DNA扩增以和专门设计的微流控元件耦合,在PCR之前完成组织、细胞、全血、土壤、食品等各种样品中DNA的提取。 微型装置的一般原理 这种微流控芯片是通过技术在基底材料(如玻璃、硅以及聚合物等)上刻蚀出微流道通道作为反应池,样品流体连续地通过解链、退火以及延伸3个不同的温度带。它的结构设计能很好地控制解链、退火、延伸时间以及扩增的速度,而且反应混合物在3个温度带滞留时间仅仅表现为通道长度、横截面以及反应通道中

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

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。

生物芯片的基本原理

第二章生物芯片的基本原理 § 2.1 生物芯片的基本概念 一般而言，我们所指的芯片是以硅晶体为材料制造的用来存储信息、进行科学计算等用途的半导体器件，如各种计算机芯片。硅芯片是通过电路高低电平来表示逻辑1或逻辑0，不同的0，1组合可以代表自然界的一切信息，从而方便存储。生物电子芯片与硅芯片有很大的相似之处。20世纪70年代，人们发现脱氧核糖核酸（DNA, Deoxyribonucleic acid）处于不同的状态可以代表信息的存在或没有信息。这一发现引起科学家们的极大兴趣，科学家们立即投身到生物电子元件这一研究领域[1]。 80年代初，国际上提出了“生物芯片”这一概念，形象地把微电子集成电路技术与生物活性分子功能结合，提出构建具有生物活性的能够获取存储信息并进行处理和传输的微生物构件（微功能单元），以达到仿生信息处理的目的。在此基础上诞生了“分子电子学”。 90年代以来，在美国硅谷又兴起了研究和开发“生物芯片”的热潮[1][2]。这一“生物芯片”的概念是指运用大规模集成电路的光刻技术以及生物分子的自组装技术，在一微小芯片上组装成千上万个不同生物分子（DNA，蛋白质，多肽，细胞等）微阵列，实现生物分子信息的快速、并行、大规模检测[1][3]。 芯片分析的实质是在面积不大的基片表面上有序地点阵排列了一系列固定于一定位置的可寻址的识别分子。结合或反应在相同条件下进行。反应结果用同位素、化学荧光法、化学发光法或酶标法显示，然后用精密的扫描仪或CCD摄像技术记录。通过计算机软件分析，综合成可读的IC总信息[3][4][5]。 芯片分析实际上也是传感器分析的组合。芯片点阵中的每一个单元微点都是一个传感器的探头[6]。所以传感器技术的精髓往往都被应用于芯片的发展。阵列检测可以大大提高检测效率，减少工作量，增加可比性。所以芯片技术也是传感器技术的发展。

生物工程研究进展

生物工程的研究现状 摘要：在 20世纪90年代初，“21世纪是生命科学的世纪”还是科学家的预言，仅仅十年的发展，在刚刚进入21世纪，这个预言正在变成现实。 关键词：生物工程、研究现状、基因、克隆、生物芯片 当今世界，我们所处的这个时代，是科学技术飞速发展、知识信息爆炸的知识经济时代，世界各国都在相互竞争，竞争的焦点集中在科学技术上，谁的科技发达，谁的综合国力就强大。 现在世界七大高新技术分别是现代生物技术、航天技术、信息技术、激光技术、自动化技术、新能源技术和新材料技术。 其中生物技术列在首位，生物技术之所以令世界各国如此重视，是因为它是解决人类所面临的诸如食物短缺、人类健康、环境污染和资源匮乏等重大问题上有着不可比拟的优越性，还因为它与理、工、农、医等科技的发展、与伦理道德、法律等社会问题都有着密切的关系。 高新技术的重要特征之一是学科横向渗透，纵向加深，综合交错，发展迅速。所以世界各国争相投巨资发展，确定生物技术为21世纪经济和科技发展的优先领域。 一、研究热点 （一）、基因组学技术 基因组学（英文genomics），研究生物基因组和如何利用基因的一门学问。用于概括涉及基因作图、测序和整个基因组功能分析的遗传学分支。该学科提供基因组信息以及相关数据系统利用，试图解决生物，医学，和工业领域的重大问题。2001年，人类基因组计划公布了人类基因组草图，为基因组学研究揭开新的一页。 基因组学的主要工具和方法包括：生物信息学，遗传分析，基因表达测量和基因功能鉴定。 基因组研究应该包括两方面的内容：以全基因组测序为目标的结构基因组学和以基因功能鉴定为目标的功能基因组学，又被称为后基因组研究，成为系统生物学的重要方法。 我国在结构生物学研究方面具有较好的基础。60年代，我国科学家在世界上首次人工合成了胰岛素；70年代初又测定出1.8 埃; 分辨率的猪胰岛素三维结构，成为世界上为数不多的能够测定生物大分子三维结构的国家，这些研究工作处于当时的世界先进水平。 我国结构基因组学研究虽然启动时间较短，但已经获得了不少重要进展。据初步统计，已经完成了近千个克隆，已表达出210个蛋白质，其中有100多个可溶或部分可溶；获得近30个结晶和NMR样品，已经测定出5个结构。

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。

蛋白质芯片技术的研究进展

蛋白质芯片技术的研究进展 朱丽琳 (西宁青藏高原野生动物救护中心,青海西宁　810001) 摘　要:蛋白质芯片技术是生物化学和分子生物学上具有较大作用的生物检测技术。该文简要综述了该技术的发展概况、基本原理及目前应用,并指出了存在的问题和发展前景。 关键词:蛋白质芯片;生物芯片;应用 中图分类号:Q812 文献标识码:A 文章编号:1001-7542(2004)03-0084-04 生物芯片(biochip )主要是指通过微细加工工艺在固体芯片表面构建的微型化学分析系统,从而实现对细胞、蛋白质、DNA 以及其他生物组分的准确快速与大信息量的检测。其反应结果可用同位素法、化学荧光法、化学发光法或酶标法显示,然后用精密的扫描仪或CCD (charge -coupled device )摄像技术记录,最后通过计算机进行数据处理以得到综合的信息。常用的生物芯片分为三大类:基因芯片(G ene chip ,DNA chip ,DNA microarray )、蛋白质芯片(Proteinchip )、芯片实验室(Lab -on -a -chip )[1,2]。 人类基因组(genome )排序工作的完成是人类医学史上的里程碑。基因芯片虽可在mRNA 水平上分析整个基因组表达的情况,并得到了迅猛发展,但生命活动的主体是人体内存在的10万种以上的蛋白质,发展蛋白质芯片这一高新技术已成为生物芯片领域的挑战性课题。 1　蛋白质芯片的发展概况 蛋白质能直接反映基因携带的遗传信息,它的功能一旦出现异常就可能引起疾病,破坏人体健康。 如Alzheimer ’s 病人脑脊液中微量β淀粉样蛋白肽的出现[3]是目前公认的脑神经退行性变的标志物。蛋 白芯片可以将数十万个与生命相关的信息集成在一块厘米见方的芯片上,对抗原活体细胞和组织进行测试分析,同时蛋白质芯片的特异性高,亲和力强,受其他杂质的影响较小,因此对生物样品的要求较低,可简化样品的前处理,甚至可以直接利用生物材料(血样、尿样、细胞及组织等)进行检测。 蛋白质芯片是指固定于支持介质上的蛋白质构成的微阵列。又称蛋白质微阵列(Protein micoroar 2ray ),最早是在生物功能基因组学研究中继基因芯片之后,作为基因芯片功能的补充发展起来的。是在一个基因芯片大小的载体上,按使用目的的不同,点布相同或不同种类的蛋白质,然后再用标记了荧光染料的蛋白质结合,扫描仪上读出荧光强弱,计算机分析出样本结果。最早进行蛋白质芯片研究的是德国科学家Lueking [4,5]。目前,国内也有学者在从事蛋白芯片的研究。 2　蛋白质芯片的原理 蛋白芯片技术的研究对象是蛋白质,其原理是对固相载体进行特殊的化学处理,再将已知的蛋白分子产物固定其上(如酶、抗原、抗体、受体、配体、细胞因子等),根据这些生物分子的特性,捕获能与之特异性结合的待测蛋白(存在于血清、血浆、淋巴、间质液、尿液、渗出液、细胞溶解液、分泌液等),经洗涤、纯化,再进行确认和生化分析;它为获得重要生命信息(如未知蛋白组分、序列。体内表达水平生物学功能、与其他分子的相互调控关系、药物筛选、药物靶位的选择等)提供有力的技术支持[6,7]。 2.1　固体芯片的构建　常用的材质有玻片、硅、云母及各种膜片等。理想的裁体表面是渗透滤膜(如硝 收稿日期:2004-03-15 作者简介:朱丽琳(1968-),女(汉族),浙江新昌人,西宁青藏高原野生动物救护中心工程师. 2004年第3期 青海师范大学学报(自然科学版)Journal of Qinghai N ormal University (Natural Science ) 2004N o 13

生物芯片技术

生物芯片技术 20世纪90年代初开始实施的人类基因组计划（Hu?mangenomeproject，HGP）取得了人们当初意料不到的巨大进展。目前已经测定了十多种微生物以及高等动植物的全基因组序列，海量的基因序列数据正在以前所未有的速度膨胀。一个现实的科学问题摆到了人们面前：如何研究如此众多基因在生命过程中所担负的功能？如何有效利用如此海量的基因信息揭示人类生老病死的一般规律，并为人类最终战胜各种病魔提供有效武器？于是，一项类似于计算机芯片技术的新兴生物高技术———，随着人类基因组研究的进展应运而生了。生物芯片的种类生物芯片是近10年在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术。它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，以实现对生命机体的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类以及其他生物组分进行准确、快速、大信息量的检测。目前常见的生物芯片分为三大类：即基因芯片（Genechip，DNAchip，DNAmi?croarray）、蛋白芯片（Proteinchip）、芯片实验室（Lab－o n－a－chip）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的成千上万密集排列的分子微阵列，能够在很短时间内分析大量的生物分子，使人们能够快速准确地获取样品中的生物信息，检测效率是传统检测手段的成百上千倍。生物芯片将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。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。蛋白芯片与基因芯片的原理相似。不同之处有，一是芯片上固定的分子是蛋白质如抗原或抗体等。其二，检测的原理是依据蛋白分子、蛋白与核酸、蛋白与其它分子的相互作用。蛋白芯片技术出现得较晚，尚处于发展时期，最近也取得了重大进展。例如，最近一期国际著名科学（S cience）杂志报道了酵母蛋白质组芯片（pro?teomechip）。这是目前为止第一个包含一种生物全部蛋白质分子的蛋白质芯片。相信，不久将会有包含更高等生物甚至人类蛋白质组的蛋白质芯片研制成功，并应用于生物医学基础研究和疾病诊断。芯片实验室是生物芯片技术发展的最终目标。它将样品制备、生化反应以及检测分析的整个过程集约化形成微型分析系统。现在已有由加热器、微泵、微阀、微流量控制器、微电极、电子化学和电子发光探测器等组成的芯片实验室问世，并出现了将生化反应、样品制备、检测和分析等部分集成的生物芯片。例如可以将样品制备和PCR扩增反应同时在一块小小的芯片上完成。再如GeneLogic公司设计制造的生物芯片可以