生物芯片分类以及应用

1、关于生物芯片分类及应用第一张，PPT共七十三页，创作于2022年6月2（一）、 两 个 概 念生物芯片 主要指通过平面微细加工技术在固体芯片表面构建的微流体分析单元和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其它生物组分的准确、快速、大信息量的检测。基因芯片 技术是通过微阵列技术, 将高密度DNA片段阵列通过高速机器人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监测等方面研究的最新革命性技术。第二张，PPT共七十三页，创作于2022年6月3微阵列芯片（Microarray）微型实验室芯片(Lab-on-a-chip)液体芯片(

2、Liquichip)（二）、生物芯片分类及应用第三张，PPT共七十三页，创作于2022年6月4Lab-on-a-chip 微型实验室芯片是通过在芯片上刻成微流路径从而将涉及生物检测的主要步骤样品准备/生化反应/结果检测整合在一张芯片上。第四张，PPT共七十三页，创作于2022年6月5第五张，PPT共七十三页，创作于2022年6月6第六张，PPT共七十三页，创作于2022年6月7Liquichip Bead , Capture molecule , Analyte , Reporter molecule是构成liquichip 的4个主要部分。Bead上带有两种荧光，根据这两种荧光的比例可以 将

3、bead分为多种。目前已有48种，正在开发中。Capture molecule : 作用相当于探针，能特异性的与被检测物结合。Analyte: 样品中被检测的成分。Reporter molecule: 带有荧光的报告分子，能特异性的与被检测物结合。第七张，PPT共七十三页，创作于2022年6月8Liquichip反应的一般步骤： 1.先将capture molecule 结合在bead 上， 2.将这种标记了的bead与样品反应。Capture molecule 可以与相应的 analyte 特异性的结合， 3.此时再加入荧光标记的，特异结合analyte的reporter molecule。

4、 4.检测：用liquichip workstation 进行检测。原理是同时对bead和reporter molecule 上的荧光进行检测。从而确定被结合的analyte的种类和数量。 第八张，PPT共七十三页，创作于2022年6月9Liquichip技术特点描述1基于bead的这种固相反应技术，具有 灵敏度高、信号强度高、灵活性好、所需样品量少的特点。2与传统的蛋白芯片相比，有两大优势，反应速度更快，灵活性更好。3由于检测方法的特点，在大部分的实验过程中，都不需要洗脱步骤，省时，且不会破坏反应的动态平衡。4有配套的蛋白表达和纯化体系。（his-tag） 第九张，PPT共七十三页，创作于2

5、022年6月10Lquichip应 用 领 域：蛋白质定量蛋白质功能研究蛋白表达谱分析。蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸相互作用的研究。包括：免疫分析、酶分析、受体-配基分析、蛋白质核酸相互作用分析分析。 第十张，PPT共七十三页，创作于2022年6月11微阵列芯片蛋白芯片基因芯片 第十一张，PPT共七十三页，创作于2022年6月12蛋白芯片(Protein Chips)高通量微阵列蛋白分析方法 利用抗体抗原结合原理，采用化学发光或荧光检测 标记抗体或抗原，来检测抗原或抗体。第十二张，PPT共七十三页，创作于2022年6月13蛋白芯片应用免疫学分析 蛋白与蛋白之间相互作用 DNA与蛋白质分子相互作

6、用第十三张，PPT共七十三页，创作于2022年6月14基因芯片基因芯片是通过微阵列技术, 将高密度DNA片段阵列通过高速机器人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监测等方面研究的最新革命性技术。微阵列技术巨大优势在于它可以并行地宏量获取生物信息，借助此技术发展的生物芯片则提供了以核酸杂交为基础的基因水平的表达监控，多态性研究和基因分型。从而使我们对基因表达调控有更深入的了解。第十四张，PPT共七十三页，创作于2022年6月15基因芯片发展历史Southern & Northern BlotDot BlotMacr

7、oarrayMicroarray第十五张，PPT共七十三页，创作于2022年6月16基因芯片 按内涵划分： cDNA芯片 Oligo芯片:25mer(affymetrix), 70mer(Operon)， 80mer（Clontech）, 按功能划分： 基因组芯片： 检测某一基因是否存在，若 存在，拷贝数是多少。探针是DNA. 表达谱芯片：确定基因表达的途径与表达产 物。探针是RNA或cDNA 测序芯片：通过探针与微阵列的配对分析获 得探针的序列结果。第十六张，PPT共七十三页，创作于2022年6月17基因芯片应用基因表达检测多态性分析遗传图谱定位基因分型通过杂交反应测定序列第十七张，PPT共

8、七十三页，创作于2022年6月18基因芯片应用领域遗传疾病研究癌症家系遗传疾病普通基因突变疾病感染性疾病药物筛选动物植物遗传筛选育种 个人基因身份证环境监测第十八张，PPT共七十三页，创作于2022年6月19（三）、生物芯片应用优势高通量平行分析样品自动化程度高省时省力所需样品试剂少保护环境成本低第十九张，PPT共七十三页，创作于2022年6月20生物芯片应用优势生物信息数据累积为生物信息公共数据库添加更多数据有利于研究基因序列与生物表型之间的关系有助于理解疾病发生的机制第二十张，PPT共七十三页，创作于2022年6月21二、生物芯片制作技术介绍第二十一张，PPT共七十三页，创作于2022年6

9、月22生物芯片制作方法分类第二十二张，PPT共七十三页，创作于2022年6月23 原位合成 (In Situ Synthesis)化学合成原子印章原位光刻合成第二十三张，PPT共七十三页，创作于2022年6月24原位光刻合成 美国著名的Affymetrix公司率先开发的寡聚核苷酸原位光刻专利技术，是生产高密度寡核苷酸基因芯片的核心关键技术。第二十四张，PPT共七十三页，创作于2022年6月25 原位光刻合成原理Light directed oligonucleotide synthesis.A solid support is derivatized with a covalent linke

10、r molecule terminated with a photolabile protecting group. Light is directed through a mask to deprotect and activate selected sites, and protected nucleotides couple to the activated sites. The process is repeated, activating different sets of sites and coupling different bases allowing arbitrary D

11、NA probes to be constructed at each site.第二十五张，PPT共七十三页，创作于2022年6月26预先合成后点样(off-chip synthesis)接触式点样非接触式点样第二十六张，PPT共七十三页，创作于2022年6月27基因芯片点样的方式接触式点样-适合于DNA芯片的制作 即点样针直接与固相支持物表面接触，将DNA样品留在固相支持物上第二十七张，PPT共七十三页，创作于2022年6月28接触式点样Best!第二十八张，PPT共七十三页，创作于2022年6月29ArrayIt ChipMaker Pins带有细槽的不锈钢针尖载样能力: 200 to

12、600 nL点样体积: 250 pL to 2.5 nL (pin size)点样直径: 100 m to 500 m (pin size)Dipping of pin for sample pickupTouching of slide with pin to leave spot Control print volume with pin size第二十九张，PPT共七十三页，创作于2022年6月30Stealth and Chipmaker Pin (TeleChem)第三十张，PPT共七十三页，创作于2022年6月31Chipmaker 点样技术第三十一张，PPT共七十三页，创作于20

13、22年6月32Stealth Pins第三十二张，PPT共七十三页，创作于2022年6月33CatalogNumberSpot Diameter(m)Uptake volume (l)Delivery Volume(nl)Minimum spot spacing (m )Maximum subgrid per pin (spots)Density (spots/cm2)Maximum numberOf spots (18mm72mm)SMP390-1000.250.612036*366,35082,944SMP4120-1300.251.016028*283,84250,176SMP5150-

14、1600.251.320022*222,37230,967SMP6180-1900.251.524018*181,58820,736SMP7200-2200.271.726016*161,25416,384SMP8210-2300.281.827516*161,25416,384SMP9260-2900.282.034012*127069,216SMP10300-3300.292.340010*104906,400第三十三张，PPT共七十三页，创作于2022年6月34TeleChem公司点样针技术不断发展的专利针技术共有30种针供选择与斯坦福大学共同发展专利 pin, 带样稳定，样品利用率高单

15、次带样可连续点样达200-1500次特殊不锈钢材料，适用于各种溶液实际点样直径75-250um,可根据不同样品选择相应pin相当容易更换pin和pin head以适应不同需要第三十四张，PPT共七十三页，创作于2022年6月35基因芯片点样的方式非接触式点样-适合于蛋白芯片的制作 它是以电磁阀或压电原理将样品直接喷至固相支持物表面第三十五张，PPT共七十三页，创作于2022年6月36非接触式喷点技术ThermalSolenoid螺线管PiezoelectricDP第三十六张，PPT共七十三页，创作于2022年6月37Synquad：通过高分辨率注射器泵和微螺线管阀门有机结合起来精确控制滴液 P

16、iezoelectric：用压电晶体将液体从孔中喷出的压电技术，两个压电晶体同时加脉冲通电触发这两个压电晶体往喷管中间变形挤压喷管侧壁，喷管出现收缩压迫液体从喷嘴喷出。 DP第三十七张，PPT共七十三页，创作于2022年6月38非接触式点样：synQUAD Technology第三十八张，PPT共七十三页，创作于2022年6月39Aspirate and Print for Making Arrays第三十九张，PPT共七十三页，创作于2022年6月40Characteristics of synQUAD TechnologyWide dispense rangeLow nanoliter t

17、o high microliterExcellent linearityPrecise and accurateCVs typically less than 10%Precision less than 5%Non-contact dispense mechanismEasier mechanical alignment (384, 1536,)“On-the-fly” printing possibleCapable of dispensing onto membranes or slidesMultiple liquid handling modesAspirate/DispenseCo

18、ntinuous Reagent Dispensing第四十张，PPT共七十三页，创作于2022年6月41synQUAD vs Piezoelectric PrintingsynQUAD / nQUAD Patented by Cartesian Uses commercially available components Robust and reliable delivery mechanism Low nanoliter to low microliter dispense volume maximum density: 200 to 400 spots/cm2 Piezoelectri

19、c Abbott holds key patents on technology Dispense susceptible to air bubbles Mid-picoliter dispense volume 2500 spots/cm2第四十一张，PPT共七十三页，创作于2022年6月42三、生物芯片检测系统CCD扫描仪 非共聚焦激光扫描仪激光共聚焦扫描仪第四十二张，PPT共七十三页，创作于2022年6月43数值孔径与采光效率NA 0.3 NA 0.8NA = sin(), where is the angle of the cone第四十三张，PPT共七十三页，创作于2022年6月44

20、激光共聚焦（聚焦）The fluorescence source is at the objective lens focusLight goes through the pinhole to the detector第四十四张，PPT共七十三页，创作于2022年6月45激光共聚焦（非聚焦）Fluorescence source below focus (e.g. out of focus)Out of focus light is mostly blocked at the pinhole第四十五张，PPT共七十三页，创作于2022年6月46Confocal Artifact Rejecti

21、onNo Pinhole With PinholeDust artifacts reduced by at least a factor of 10第四十六张，PPT共七十三页，创作于2022年6月47CCD Camera SystemsAdvantages: Few moving partsFast scanning of bright samplesDisadvantages: NA limited to about 0.40: Less appropriate for dim samplesOptical scatter can limit performanceNeed to “sti

22、tch” together large imagesConfocal Laser ScannersAdvantagesSmall depth of focus reduces artifactshigh light collection efficiency. PMT detectors have the highest sensitivity in the visible range第四十七张，PPT共七十三页，创作于2022年6月48DNAscope LM+ 激光共聚焦芯片扫描仪第四十八张，PPT共七十三页，创作于2022年6月49xxyzxMACROscopeFilters第四十九张，P

23、PT共七十三页，创作于2022年6月50How the Scan System Works F-theta Telecentric Scan SystemSampleScanning MirrorLaser Scan LensBAC第五十张，PPT共七十三页，创作于2022年6月51How to scan a whole sampleHome SensorScanning MirrorSampleLaser Scan Lens第五十一张，PPT共七十三页，创作于2022年6月52DNAscope LM+ 优点 共聚焦面积宽 : 20mm70mm可以扫描多种介质 (Images both Gla

24、ss Slide Microarrays and CLONDIAG AT tubes)背景噪声低，信噪比高全自动成像，分析结果 Small footprint (W20cm x L30cm x H20cm)第五十二张，PPT共七十三页，创作于2022年6月53Imaging Arrays Both Dry & WetDryPBSbufferCy3 Cy5Cy3 and Cy5 labeled protein dotted on glass substrate and imaged at 5 micron resolution in both dry and wet formats第五十三张，P

25、PT共七十三页，创作于2022年6月54Tube 1Tube 2Cy3 Images of two Clondiag Array Tubes 第五十四张，PPT共七十三页，创作于2022年6月55四、生物芯片技术思路的比较第五十五张，PPT共七十三页，创作于2022年6月56Comparison of DNA Chip Technologies Sensitivity of DNA chip based assays is a function of:Probe and target DNA/RNA (Complexity)Chip surface (autofluorescence & no

26、n-spec. bkg)Attachment chemistry/methodology (hyb. efficiency & crosshyb.)Hybridization efficiency (lots of factors)Detection technology (signal type, efficiency, noise) Oligo-Chip cDNA-Chip Genomic Chip 20n or 80 n 50,000 nsequencingexpressionexpressiongenomic analysis第五十六张，PPT共七十三页，创作于2022年6月57cDN

27、A芯片的缺点由于不同的基因长短不同，Tm值各异，成千上万的基因在同一张芯片上杂交，使得杂交条件很难同一。同一个体中总是存在一些基因家族的同源序列，加上有的物种存在基因重叠序列的相互干扰，使得传统的cDNA芯片的分辨能力受到限制，结果的准确性也受到影响。有些组织中在DNA双链中的无意义链中存在重叠的基因；而且不同RNA的剪切方式等基因表达方式很难用cDNA芯片来区分。PCR产物是结合稳定的DNA双链，加入探针后在杂交中必然存在竞争性抑制，影响探针和模板的结合能力和稳定性，进一步影响cDNA芯片的分辨能力和结果的可信度，这对于低丰度的基因影响尤为明显。PCR产物浓度不均一也可能导致错误的结论。 第

28、五十七张，PPT共七十三页，创作于2022年6月58寡核苷酸芯片比cDNA芯片的优点 探针序列经过系统优化，减少非特异杂交，能有效区分有同源序列的基因；减少二级结构 及其对杂交结果的影响杂交温度均一，提高杂交效率；合成产物浓度均一，避免因样品浓度差异而造成点样量差异 ；可以设计检测不同剪切方式的基因；无需扩增，防止扩增失败影响实验 。第五十八张，PPT共七十三页，创作于2022年6月59预合成后点样系统的综合成本cDNA芯片方法/步骤 试剂/仪器（万） 人员（人） 耗时（月） 构建或购买基因文库 1-31-2 3-6 PCR引物设计与合成55-65万 （2000个片段）1 3PCR产物纯化及定

29、量1.2/20 （2000个片段1 2点样 点样仪60万 1 3天 杂交 0.3万试剂 1 2扫描 扫描仪60万 1 1-2合计 197.5 209.56-7 11-15 第五十九张，PPT共七十三页，创作于2022年6月60预合成后点样系统的综合成本自己合成寡聚核苷酸芯片方法/步骤试剂/仪器（万）人员（人）耗时（月）寡聚核苷酸的筛选及合成 (2000个基因)200（每个基因用1个70碱基的寡核苷酸片段代替，合成1个碱基14元人民币计）。1(寡核苷酸片段的筛选，还需专业的软件)3-4个月，如购置DNA合成仪，成本？，但时间较长点样 点样仪60万 1 1个月 杂交 0.3万试剂 1 2个月 扫描

30、 扫描仪60万1 1-2个月 总计320.3万47-9第六十张，PPT共七十三页，创作于2022年6月61预合成后点样系统的综合成本应用Operon探针寡聚核苷酸芯片方法/步骤 试剂/仪器（万）人员（人）耗时（月）探针100点样 60（点样仪）1 1 杂交 0.3（试剂） 1 2扫描 60（扫描仪）1 1-2总计220.334-5第六十一张，PPT共七十三页，创作于2022年6月62Affymetrix技术平台综合成本芯片万杂交小时洗涤小时扫描分钟合计220万小时第六十二张，PPT共七十三页，创作于2022年6月63总结采用Affymetrix公司的生物芯片系统平台比较适合于实力雄厚的科研实验

31、室，可以在最短的时间内尽快获得精确可靠的并且可能是前人未曾获得的实验结果，并可在国际权威杂志上获发表，尽快在相关研究领域在国际领域占领一席之地。 第六十三张，PPT共七十三页，创作于2022年6月64总结采用合成后点样的生物芯片平台比较适合于目标定位于研发、生产的实验室及生物公司。虽然购买芯片点样扫描系统的经费看起来比购买Affymetrix系统的费用要低，研发的方向可以结合实验室的研究特点，比较灵活，但前期研究需要投入较大的人力、物力和时间，综合成本并不低，而且获得的芯片信息量小，可靠性较低，使用该系统生产的芯片为材料进行的研究一般为验证性工作，且因为材料的可靠性低，很难在国际权威杂志上获得

32、认可。目前开发生产的生物芯片尚无获得医疗许可的产品。第六十四张，PPT共七十三页，创作于2022年6月65五、生物芯片制作所需耗材第六十五张，PPT共七十三页，创作于2022年6月66 Microarraying Accessories（芯片配件）Pins and PrintheadsOmniGrid Slides and ReagentsOmniGrid Epoxy(环氧基修饰)OmniGrid Amine(氨基修饰)OmniGrid Aldehyde(醛基修饰)Complete line of associated reagentsHybridization ChambersHybChamberHybChamber Mica第六十六张，PPT共七十三页，创作于2022年6月67Sli