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第27讲 生物芯片 张凯 博士 教授计算机科学技术系电话邮件：lifo@public.wh.hb.cn 一、什么是生物芯片 二、全球生物芯片产业现状 三、中国生物芯片产业 四、什么是基因芯片 五、蛋白质芯片 背景材料 一、什么是生物芯片 　 1.什么是生物芯片 生物芯片(Biochip) 技术是生命科学研究领域中一项全新技术, 它是随着“人类基因组计划”( Human Genome Project , HGP) 发展起来的,是将物理学、生物学、化学、微电子学与计算机科学综合交叉形成的新技术。 它通过微加工和微电子技术在芯片表面构建微型生物化学分析系统,实现了对生命机体的组织、细胞、蛋白质、核酸、糖类及其它生物组分进行准确、快速、大信息量的检测。 　　2. 生物芯片的分类 　　生物芯片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。 3.生物芯片技术的应用 (1)生物芯片在基因结构与功能研究上的应用 ①基因测序与基因表达分析 ②基因突变和多态性检测 (2)生物芯片在食品科学上的应用 ①转基因食品的检测 ②食品中微生物的检测 ③食品卫生检验 (3)生物芯片在医学中的应用 ①在疾病诊断中的应用 ②生物芯片在疫苗研制中的应用 4.前景与展望 (1)生物芯片在中药研究中的展望 ①筛选有效的中药复方 ②筛选药物的有效成份 ③中药安全性的检测 ④中药材品质的鉴定 (2)生物芯片的发展 二、全球生物芯片产业现状 1．全球生物芯片市场 2．全球生物芯片产量分布 3．全球生物芯片产值情况 三、中国生物芯片产业 1．产业现状 2. 近年的科研成果 3．存在的问题 关键问题有3个： (1)制作技术 (2)基因、蛋白质等前沿研究 (3)专利和产权 四、什么是基因芯片 1．什么是基本概念 　　基因芯片(gene chip)也叫DNA芯片、DNA微阵列(DNA microarray)， 它是指采用原位合成或显微打印手段，将数以万计的DNA探针固化于支持物表面上，产生二维DNA探针阵列，然后与标记的样品进行杂交，通过检测交信号来实现对生物样品快速、并行、高效地检测或医学诊断。 由于常用硅芯片作为固相支持物，且在制备过程运用了计算机芯片的制备技术，所以称之为基因芯片技术。 　　 2．芯片种类 ①生物传感芯片：包括光学纤维阵列芯片、白光干涉谱传感芯片； ②元件型微阵列芯片：包括生物电子芯片、药物控释芯片、凝胶元件微阵列芯片； ③通道型微阵列芯片 ：包括PCR扩增芯片、集成DNA分析芯片、毛细管电泳芯片、毛细管电层析芯片。 3．基因芯片的原理与技术 　(1)原理 　　基因芯片技术是基于碱基互补原理，在固体芯片表面按一定的阵列集成大量的基因探针，通过与待测基因进行杂交反应，进而对大量基因进行平行瞬时分析检测的技术。 　　基因芯片技术是利用大规模集成电路的手段控制固相合成的成千上万个寡核苷酸探针，并把它们密集、规律地排列在1cm2大小的硅片或玻璃芯片上与探针杂交，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的效率高几十到几千倍。其技术流程包括4个基本步骤：片基与阵列的构建；样品的获得与标记；杂交反应；信号检测与结果分析。其中片基的处理与阵列的构建由芯片制备商供应，其余步骤由实验者操作。 (2)基因芯片的制备 　　常用的基因芯片制备方法有：接触点样法、原位合成法、喷墨法、分子印章合成法等。 近年来，随着基因芯片技术的不断成熟，基因芯片制备技术发展迅速，已研究开发出以各种结构微阵列为基础的第2代生物芯片，包括：元件型微阵列芯片，如生物电子芯片、凝胶元件微列芯片、药物控释芯片等；通道型微阵列芯片，如毛细管电层折芯片、基因扩增芯片、集成DNA 芯片等；生物传感芯片，如光学纤维阵列芯片、白光干涉谱传感芯片等。 　　基因芯片制备的一般原理，是利用照相平板印刷技术，连续将探针阵列图“印”在固相载体上。 首先在载体的阵列点上结合专一的化学基团，其羟基上加有可因光照除去的光敏保护基团。用特制的光刻掩膜保护不需合成的部位，暴露合成部位，在光作用下除去羟基上的保护基团，游离羟基，利用化学反应加上第1个核苷酸，所引入核苷酸