生物芯片技术的研究现状及发展前景

1、LOGO题题目：生物芯片技目：生物芯片技术术的的研研究究现状现状及及发发展前景展前景n院系院系专业专业：生命科：生命科学学院生物工程院生物工程n学学生：生：n学号学号：LOGO生物芯片技术的概念及类型生物芯片技术的概念及类型u 生物芯片技术的概念生物芯片技术的概念 生物芯片，又称生物芯片，又称DNA芯片或基因芯片，它们是芯片或基因芯片，它们是DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。生物杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。生物芯片（芯片（biochip或或bioarray）是根据生物分子间特异相互）是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，从而实现作用的原理

2、，将生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对对DNA、RNA、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量、多肽、蛋白质以及其他生物成分的高通量快速检测。狭义的生物芯片概念是指通过不同方法将生物快速检测。狭义的生物芯片概念是指通过不同方法将生物分子（寡核苷酸、分子（寡核苷酸、cDNA、genomic DNA、多肽、抗体、多肽、抗体、抗原等）固着于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、抗原等）固着于硅片、玻璃片（珠）、塑料片（珠）、凝胶、尼龙膜等固相递质上形成的生物分子点阵。因此生凝胶、尼龙膜等固相递质上形成的生物分子点阵。因此生物芯片技术又称微陈列（物芯片技术又称微陈列（microarray）技术，含有大量

3、）技术，含有大量生物信息的固相基质称为微阵列，又称生物芯片。生物芯生物信息的固相基质称为微阵列，又称生物芯片。生物芯片在此类芯片的基础上又发展出微流体芯片（片在此类芯片的基础上又发展出微流体芯片（microfluidics chip），亦称微电子芯片（），亦称微电子芯片（microelectronic chip），也就是缩微实验室芯片该技），也就是缩微实验室芯片该技LOGO生物芯片技术的概念及类型生物芯片技术的概念及类型术是指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的术是指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号样品分子进行杂交，通过

4、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。广义的生物芯片强度进而获取样品分子的数量和序列信息。广义的生物芯片指一切采用生物技术制备或应用于生物技术的微处理器。包括指一切采用生物技术制备或应用于生物技术的微处理器。包括用于研制生物计算机的生物芯片，将健康细胞与电子集成电路用于研制生物计算机的生物芯片，将健康细胞与电子集成电路结合起来的仿生芯片，缩微化的实验室即芯片实验室以及利用结合起来的仿生芯片，缩微化的实验室即芯片实验室以及利用生物分子相互间的特异识别作用进行生物信号处理的基因芯片生物分子相互间的特异识别作用进行生物信号处理的基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。狭

5、义的生物芯片就是、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。狭义的生物芯片就是微阵列，包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等微阵列，包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片和组织芯片等。LOGO生物芯片技术的的概念及分类生物芯片技术的的概念及分类 u 生物芯片技术的分类生物芯片技术的分类 根据作用方式可分为：主动式芯片、被动式根据作用方式可分为：主动式芯片、被动式芯片；根据用途可分为：生物电子芯片、生物分析芯片；芯片；根据用途可分为：生物电子芯片、生物分析芯片；根据固定在载体上的物质成分可分为：基因芯片根据固定在载体上的物质成分可分为：基因芯片(gene (gene chip)chip)、蛋白质芯片

6、、蛋白质芯片(protein chip(protein chip或或protein microarray)protein microarray)、细胞芯片、细胞芯片(cell chip)(cell chip)、组织芯片、组织芯片(tissue chip)(tissue chip)、芯片、芯片实验室实验室(Lab on chip)(Lab on chip)。 根据作用方式分类：根据作用方式分类： (1) (1)主动式芯片：是指把生物实验中的样本主动式芯片：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。

7、其特点是快速、操作简单，因此有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人又将它称为功能生物芯片。主要包括微流体芯片(microftuidic chip)(microftuidic chip)和缩微芯片实验室和缩微芯片实验室(labchip(labchip，也叫，也叫“芯片实验室芯片实验室”，是生物芯片技术的高境界，是生物芯片技术的高境界) )。 (2) (2)被动式芯片：即各种微阵列芯片，是指被动式芯片：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，

8、目前的大部分芯片属于此类。由于这类是高度的并行性，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。片。包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。 LOGO生物芯片技术的概念及分类生物芯片技术的概念及分类 根据用途分类：根据用途分类： (1)(1)生物电子芯片：用于生物计算机等生物电子产生物电子芯片：用于生物计算机等生物电子产品的制造。品的制造。 (2) (2)生

9、物分析芯片：用于各种生物大分子、细胞、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。物分析芯片。LOGO生物芯片技术的概念及分类生物芯片技术的概念及分类 根据固定在载体上的物质成分分类：根据固定在载体上的物质成分分类： (1) (1)基因芯片基因芯片(gene chip)(gene chip)：又称：又称DNADNA芯片芯片(DNA (DNA chip)chip)或或DNADNA微阵列微阵列

10、(DNA microarray)(DNA microarray)，是将，是将cDNAcDNA或寡核苷或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。 (2) (2)蛋白质芯片蛋白质芯片(protein chip(protein chip或或protein protein microarray)microarray)：是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按：是将蛋白质或抗原等一些非核酸生命物质按微阵列方式固定在微型载体上获得。微阵列方式固定在微型载体上获得。 (3) (3)细胞芯片细胞芯片(cell chip)(cell chip)：是将细胞按照特定的方：是将细胞

11、按照特定的方式固定在载体上，用来检测细胞间相互影响或相互作用。式固定在载体上，用来检测细胞间相互影响或相互作用。 (4) (4)组织芯片组织芯片(tissue chip)(tissue chip)：是将组织切片等按照：是将组织切片等按照特定的方式固定在载体上，用来进行免疫组织化学等组织特定的方式固定在载体上，用来进行免疫组织化学等组织内成分差异研究。内成分差异研究。 (5) (5)芯片实验室芯片实验室(Lab on chip)(Lab on chip)：用于生命物质的分：用于生命物质的分离、检测的微型化芯片。现在，已经有不少的研究人员试离、检测的微型化芯片。现在，已经有不少的研究人员试图将整个

12、生化检测分析过程缩微到芯片上，形成所谓的图将整个生化检测分析过程缩微到芯片上，形成所谓的“芯片实验室芯片实验室”(Lab on chip(Lab on chip）。）。LOGO生物芯片技术的概念及分类生物芯片技术的概念及分类u 国外概况国外概况 生物芯片的设想最早起始于生物芯片的设想最早起始于8080年代中期，年代中期，9090年代美年代美国国AffymetrixAffymetrix公司实现了公司实现了DNADNA探针分子的高密度集成，即将探针分子的高密度集成，即将特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一块特定序列的寡核苷酸片段以很高的密度有序地固定在一块玻璃、硅等固体片基上，作为核酸

13、信息的载体，通过与样玻璃、硅等固体片基上，作为核酸信息的载体，通过与样品的杂交反应获取其核酸序列信息。生物芯片由于采用了品的杂交反应获取其核酸序列信息。生物芯片由于采用了微电子学的并行处理和高密度集成的概念，因此具有高效微电子学的并行处理和高密度集成的概念，因此具有高效、高信息量等突出优点。、高信息量等突出优点。LOGO生物芯片技术的发展状况生物芯片技术的发展状况u 国内概况国内概况 中国生物芯片研究始于中国生物芯片研究始于19971998年间，在此年间，在此之前生物芯片技术在中国还是空白。尽管起步较晚，但是之前生物芯片技术在中国还是空白。尽管起步较晚，但是中国生物芯片技术和产业发展迅速，实现

14、了从无到有的阶中国生物芯片技术和产业发展迅速，实现了从无到有的阶段性突破，并逐步发展壮大。截止到段性突破，并逐步发展壮大。截止到2006年，中国生物芯年，中国生物芯片的产值已达到片的产值已达到2亿多元，生物芯片研究已经从实验室进入亿多元，生物芯片研究已经从实验室进入应用阶段。据有关资料表明，在市场销售方面，应用阶段。据有关资料表明，在市场销售方面，2004年国年国内市场分额为内市场分额为2亿元，约占全球市场的亿元，约占全球市场的2%左右。其中主要左右。其中主要由由863计划支持的几家国内企业出售的生物芯片以及提供计划支持的几家国内企业出售的生物芯片以及提供的相关服务累计销售收入约的相关服务累计

15、销售收入约1.1亿元人民币，所有代理国外亿元人民币，所有代理国外产品及服务总计为产品及服务总计为9000万。万。LOGO生物芯片技术存在的问题及发展方向生物芯片技术存在的问题及发展方向u 生物芯片技术存在的问题生物芯片技术存在的问题 尽管生物芯片技术目前得到了很大的支持与发展，尽管生物芯片技术目前得到了很大的支持与发展，但是在实际的研究、操作、生产过程中仍然存在着问题但是在实际的研究、操作、生产过程中仍然存在着问题 ： 生物芯片的重复利用：生物芯片技术是现代的前沿生物芯片的重复利用：生物芯片技术是现代的前沿科学，针对性强。科学，针对性强。 生物芯片的多重用途：如果将生物芯片更多更广泛生物芯片的

16、多重用途：如果将生物芯片更多更广泛的应用到实践生活，帮助人类切实的解决问题。的应用到实践生活，帮助人类切实的解决问题。 统一的行业标准：目前国际上没有一个统一、规范统一的行业标准：目前国际上没有一个统一、规范的行业标准体系。的行业标准体系。 降低检测生物芯片的仪器的价格：生物芯片技术是降低检测生物芯片的仪器的价格：生物芯片技术是一项高端的科学技术，目前多数在实验室研发，投入到生一项高端的科学技术，目前多数在实验室研发，投入到生产中得为少数，价格昂贵。产中得为少数，价格昂贵。LOGO生物芯片技术存在的问题及发展方向生物芯片技术存在的问题及发展方向对于中国生物芯片工业来讲。关键问题有对于中国生物芯

17、片工业来讲。关键问题有3 3个：个： (1)(1)制作技术：芯片制作技术原理并不复杂，就制制作技术：芯片制作技术原理并不复杂，就制作涉及的每项技术而言，中国已具有实际能力，中国发展作涉及的每项技术而言，中国已具有实际能力，中国发展生物芯片的难点是如何实现各种相关技术的整合集成。生物芯片的难点是如何实现各种相关技术的整合集成。 (2) (2)基因、蛋白质等前沿研究：除去制作技术外，基因、蛋白质等前沿研究：除去制作技术外，关键就是芯片上放置的基因和蛋白质等物质了。关键就是芯片上放置的基因和蛋白质等物质了。 (3) (3)专利和产权：以生物芯片技术为核心的各相关专利和产权：以生物芯片技术为核心的各相

18、关产业正在全球崛起，一个不容忽视的问题就是专利和产权产业正在全球崛起，一个不容忽视的问题就是专利和产权的问题。的问题。 LOGO生物芯片技术存在的问题及发展方向生物芯片技术存在的问题及发展方向u 生物芯片技术的发展方向、生物芯片技术的发展方向、 技术进展与市场动态技术进展与市场动态, ,生物芯片是一个新兴的科学生物芯片是一个新兴的科学领域，具有良好的发展前景。现在生物芯片主要向以下几领域，具有良好的发展前景。现在生物芯片主要向以下几个方向发展。个方向发展。 一是产业化。对于现在技术已经相对成熟的生物一是产业化。对于现在技术已经相对成熟的生物芯片，芯片， 如基因芯片，产业化是发挥生物芯片作用的最

19、好途如基因芯片，产业化是发挥生物芯片作用的最好途径。径。 二是微型化。由于微加工技术，生物芯片的尺寸二是微型化。由于微加工技术，生物芯片的尺寸范围已经从微米尺寸向纳米尺寸发展。范围已经从微米尺寸向纳米尺寸发展。 三是集成化。对生物芯片研究人员来说最终的研三是集成化。对生物芯片研究人员来说最终的研究目标是对分析的全过程实现全集成，究目标是对分析的全过程实现全集成， 即制造微型全分析即制造微型全分析系统或微芯片实验室，在芯片上实现生化检测的全部功能系统或微芯片实验室，在芯片上实现生化检测的全部功能。 四是信息化。生物芯片可以检测到的信息量是传四是信息化。生物芯片可以检测到的信息量是传统检测技术无可比拟的，统