生物芯片原理principleofbiochip本章提纲第一节生物芯片简介芯片上每平方厘米可密集排列成千上万个生物分子，能快速准确地检测细胞、蛋白质、DNA及其他生物组分，并获取样品中的有关信息，其效率是传统检测方法的成百上千倍。生物芯片分析过程基因芯片的最大优点在于其高通量。传统方法检测众多基因要经历多次实验而且自动化程度低，因而每次实验之间是存在系统误差的。基因芯片可以克服这个缺点，众多基因的探针的标记、杂交等过程是在一次实验过程中完成的，而且自动化程度高，数据客观可靠1996年美国Affymetrix公司成功地制作出世界上首批用于药物筛选和实验室试验用的生物芯片，并制作出相应的芯片系统。此外，美国的Hyseq公司、Aurora公司、Nanogen公司、Incyte公司等也在积极开展DNA芯片研究工作。近二年，摩托罗拉、惠普、IBM等跨国公司也相继投以巨资加入生物芯片的研究开发。我国是从一九九七年开始对生物芯片研究。中国医药生物技术协会生物芯片分会2006年在北京成立。中国在北京、上海、陕西、天津、南京建立了五大生物芯片研发和产业化基地。我国生物芯片产业尚未形成统一的技术标准，不规范。在产品认证认可方面也存在与国际惯例不接轨的情况。生物芯片技术是20世纪90年代以来，影响最为深远的重大科技进展。它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。该技术被评为1998年度世界十大科技进展之一。发展趋势第二节生物芯片的分类一般分类信息生物芯片和功能生物芯片第三节基因芯片的基本原理与流程基因芯片技术是指通过微阵列(Microarray)技术将高密度DNA片段阵列通过高速机器人或原位合成方式以一定的顺序或排列方式使其附着在如玻璃片等固相表面，以荧光标记的DNA探针，借助碱基互补杂交原理，进行大量的基因表达及检测等研究的技术。基因芯片发展历史RNAAminoacidsequence基因芯片分类TypesofDNAChips生物芯片的原理制作芯片片基的材料首先必须有很好的光学性质，能利用光进行透射和反射的检测芯片表面具有可以进行化学反应的活性基团，方便生物分子的偶联而固定芯片表面的活性化学基团有足够的吸附能力，要能结合最佳容量的生物分子芯片要有很好的稳定性，具有一定的抗压能力，并且在生物分子杂交反应过程中要处于惰性状态，不会发生其他化学反应或其他物质吸附生物芯片要有很好的兼容性，可以广泛应用于生物学检测和研究生物分子与芯片的结合a.氨基片表面为氨基，直接与核酸分子的磷酸基团靠电荷作用相结合b.醛基片表面的醛基直接与生物分子的氨基共价结合c.环氧已基片表面的环氧已基直接与生物分子的氨基共价结合；d.N-羟基琥珀酰亚胺酯片表面的N-羟基琥珀酰亚胺酯基直接与生物分子的氨基共价结合。DNAChipTechnologyComparisonofDNAChipTechnologies基因芯片的原理基因芯片流程EachspotcontainsknownDNA实验流程影响杂交反应的因素1探针浓度其浓度差异对信号有影响，浓度高信号强。2阳离子阳离子存在可提高异源杂交双链的生成速度。3温度ONA25~42C，cDNA55~70C4序列组成芯片上一次产生上万个异源杂交反应，应选择最协调条件。5高灵敏度监测系统，阅读仪。基因芯片检测原理基因芯片数据分析Ratio值分析在常用的双色荧光芯片系统下，各杂交斑点的两色荧光cy3／cy5的比值又称R/G值。一般认为R／G值在0.5～2.0范围内的基因不存在显著表达差异，该范围之外则认为基因的表达出现显著改变。由于实验条件的不同，该域值范围会根据置信区间进行调整。处理后得到的信息可以根据需要以各种形式输出，如柱形图、饼形图、点图、原始匡像拼图等。将每个信号斑点的所有相关信息如位标、基因名称、克隆号、PCR结果、信号强度、Ratio值等自动关联并根据需要筛选数据。聚类分析clusteringanalysis从生物芯片的图像分析中可得到大量的数据，要从中提取所需要的信息就必须对这些数据的统计分析。通过建立各种数学模型，分析芯片图像数据的生物学意义。聚类分析是利用大量相关数据对事物进行分类处理，其方法为直接比较样本中各种特征数据，将特征相近的归为一类，差别较大的归为不同的类。四生物芯片的制作点样法这一方法相对技术要求不高，是最常用的方法。点样法是将预先合成好的探针、PCR产物、蛋白或多肽、抗原或抗体等经纯化、定量分析后，通过由阵列复制器或阵列点样机准确、快速地将不同探针样品定量点样于带正电荷的尼龙膜或玻片等相应位置上，再进行固定处理，如紫外线交联固定。点样的方式分接触式点样与非接触式点样两种。接触式点样是点样针直接与固相支持物表面接触，将生物分子样品留在固相支持物上。非接触