生物晶元技術是什麼

『伍』 簡述生物晶元檢測的原理

生物晶元技術是通過縮微技術,根據分子間特異性地相互作用的原理。

基因晶元又稱為DNA微陣列(DNA microarray)，可分為三種主要類型：1）固定在聚合物基片（尼龍膜，硝酸纖維膜等）表面上的核酸探針或cDNA片段，通常用同位素標記的靶基因與其雜交，通過放射顯影技術進行檢測。

這種方法的優點是所需檢測設備與目前分子生物學所用的放射顯影技術相一致,相對比較成熟。但晶元上探針密度不高，樣品和試劑的需求量大，定量檢測存在較多問題。2）用點樣法固定在玻璃板上的DNA探針陣列，通過與熒游標記的靶基因雜交進行檢測。

這種方法點陣密度可有較大的提高，各個探針在表面上的結合量也比較一致，但在標准化和批量化生產方面仍有不易克服的困難。3）在玻璃等硬質表面上直接合成的寡核苷酸探針陣列,與熒游標記的靶基因雜交進行檢測。

該方法把微電子光刻技術與DNA化學合成技術相結合，可以使基因晶元的探針密度大大提高，減少試劑的用量，實現標准化和批量化大規模生產，有著十分重要的發展潛力。

圖11-5-2 基因晶元原型
它是在基因探針的基礎上研製出的，所謂基因探針只是一段人工合成的鹼基序列，在探針上連接一些可檢測的物質，根據鹼基互補的原理，利用基因探針到基因混合物中識別特定基因。它將大量探針分子固定於支持物上，然後與標記的樣品進行雜交。

通過檢測雜交信號的強度及分布來進行分析。基因晶元通過應用平面微細加工技術和超分子自組裝技術，把大量分子檢測單元集成在一個微小的固體基片表面，可同時對大量的核酸和蛋白質等生物分子實現高效、快速、低成本的檢測和分析。
由於尚未形成主流技術，生物晶元的形式非常多，以基質材料分，有尼龍膜、玻璃片、塑料、硅膠晶片、微型磁珠等；以所檢測的生物信號種類分，有核酸、蛋白質、生物組織碎片甚至完整的活細胞；

按工作原理分類，有雜交型、合成型、連接型、親和識別型等。由於生物晶元概念是隨著人類基因組的發展一起建立起來的，所以至今為止生物信號平行分析最成功的形式是以一種尼龍膜為基質的「cDNA陣列」，用於檢測生物樣品中基因表達譜的改變。

『陸』 何謂"生物晶元"

生物晶元（Biochips）是90年代中期發展起來的一項尖端技術。它以玻片，硅為載體，在單位面積上高密度地排列大量的生物材料，從而達到一次試驗同時檢測多種疾病或分析多種生物樣品的目的。它有時也被稱為基因晶元、DNA晶元或微陣列（Microarrays）。其概念來源於計算機晶元，它們的外形也有幾分相似。生物晶元種類很多，有基因晶元、蛋白質晶元、晶元實驗室、細胞晶元、組織晶元等。目前，基因晶元和晶元實驗室作為生物晶元的代表，已經走出實驗室，開始產業化了。
生物晶元的本質是進行生物信號的平行分析，採用了微電子學的並行處理和高密度集成的概念，通過微加工工藝在厘米見方的晶元上集成有成千上萬個與生命相關的信息分子，可以對生命科學與醫學中的各種生物化學反應過程進行集成，從而實現對基因、配體、抗原等生物活性物質進行高效快捷的測試和分析。
20世紀80年代，傳統的生物實驗室中手工測定十幾個DNA片斷的序列需要至少一天時間。目前運用價格達數十萬美元的自動化DNA序列分析儀，可以在一天內測定近2000個DNA序列）。
基因晶元（Gene chip）是最早出現的一種生物晶元。
基因晶元是指將大量探針分子固定於支持物 (substrate) 上，然後與標記的樣品進行雜交，通過檢測雜交信號的強弱進而判斷樣品中分子的數量。基因晶元上固定著很多的核苷酸序列，它們作為探針與樣品中的目標基因雜交。探針的底部有一種熒光酶，只有當探針與目標基因發生雜交反應後才會發光。通過掃描儀將探針發出來的信號轉變成可能分析的圖像數據，在經過軟體分析處理，就可以知道樣品中被檢測的目標基因是什麼了。
生物晶元的應用正處在迅速發展中，並將在生活和生產的各個方面發揮越來越重要的作用。比如：晶元測序、基因圖譜繪制、基因表達分析、克隆選擇、基因突變檢測、遺傳病和腫瘤診斷、微生物菌種鑒定及治病機制、葯物研究、農林業、軍事醫學等。
不久的將來，傳統繁復的身體檢查可能將被基因晶元全面取代。在操作中，只要在人體上取一滴血，放到拇指甲大小的一塊晶元上，便可以由計算機迅速自動診斷出被檢者是否患有遺傳病，以及其他可能存在的遺傳缺陷，預測到你未來若干年的健康回收到哪些威脅，以便採取相應的對策加以預防。
晶元基因檢測的推廣將更有效的降低出生缺陷的發生率。利用這種晶元對育齡男女及3個月以上的胎兒進行檢測，能夠准確、快速地檢測出被測對象是否帶有乙肝病毒、丙肝病毒和艾滋病。
一分鍾取血樣，兩分鍾檢測，三分鍾出診斷結果！聽起來就像是神化一樣。然而有了生物晶元，這個神話就將變成現實，將來任何人隨時隨地都能自測健康狀況，這就是它的神奇之處。檢測時，只需把血液滴在晶元上，其中的疾病基因就會和晶元上對應的基因發生化學反應而結合，用特製的電腦掃描儀已進行掃描後，計算機很快就能識別發生反應的是哪一種疾病的基因，從而判斷被檢測者是患了哪種病。
從經濟效益來說，生物晶元最大的應用領域可能就是開發新葯。目前已經有多家制葯企業介入晶元的開發。由於存在個體差異，可以說沒有一種葯物可以適用於所有的病人。因此，根據每個人的特有的基因開發出專用葯物，即個性化葯物，將成為葯物治療學上的一次質的飛躍。這就要快速分析病人的多個基因已確定用葯的方案，基因晶元技術將是最佳選擇。
面對生物晶元的巨大產業，我國的科學家們也積極行動，研製開發出我國自主知識產權的生物晶元，在醫用生物晶元研究和工程技術的某些方面達到了國際先進水平。2000年10月，清華大學生物晶元研究開發中心程京教授在國際生物晶元技術大會上宣布，他們已經研製出世界上第一個1平方厘米大小的多力生物晶元平台系統。利用它可以在指甲大小的晶元上建立縮微實驗室，用於醫學基礎研究、疾病診斷、司法鑒定、食品衛生監督、航天、環保等領域的分析檢測。上述成果表明，雖然中國在生物晶元領域起步較晚，與美國、歐洲、日本相比在實際製作實物的能力方面，還有相當差距，但在某些想法和構思方面走到了國際前沿。
也許就在不久的將來，我們將會發現生物晶元就在你我身邊！

『柒』 試述生物晶元的原理與分類。

生物晶元(biochip)是通過微加工技術和微電子技術在固格體晶元表面構建的微型生化分析系統。
測定原理是把制備好的生物樣品固定於經化學修飾的載體上，樣品中的生物分子與載體表面結合，同時又保留其理化性質，在一定條件下，進行晶元上的生物分子反應，並使反應達最佳狀態，然後利用晶元專用監測系統對晶元信號進行監測，即可高效、大規模獲得生物體中待檢測物質的信息。
生物晶元按固定的生物分子及材料不同可分為基因晶元、蛋白質晶元、細胞晶元、組織晶元和晶元實驗室等。臨床生物化學常用的生物晶元主要為基因晶元(genearrays)、蛋白質晶元(proteinarrays)又稱蛋白質微陣列(proteinmicroarrays)及晶元實驗室三大類。

『捌』 生物晶元是什麼

生物晶元技術

20世紀90年代初開始實施的人類基因組計劃（Human genome project，HGP）取得了人們當初意料不到的巨大進展。目前已經測定了十多種微生物以及高等動植物的全基因組序列，海量的基因序列數據正在以前所未有的速度膨脹。一個現實的科學問題擺到了人們面前：如何研究如此眾多基因在生命過程中所擔負的功能？如何有效利用如此海量的基因信息揭示人類生老病死的一般規律，並為人類最終戰勝各種病魔提供有效武器？於是，一項類似於計算機晶元技術的新興生物高技術———，隨著人類基因組研究的進展應運而生了。生物晶元的種類生物晶元是近10年在生命科學領域中迅速發展起來的一項高新技術。它主要是指通過微加工和微電子技術在固體晶元表面構建微型生物化學分析系統，以實現對生命機體的組織、細胞、蛋白質、核酸、糖類以及其他生物組分進行准確、快速、大信息量的檢測。目前常見的生物晶元分為三大類：即基因晶元（Genechip，DNAchip，DNAmi�croarray）、蛋白晶元（Proteinchip）、晶元實驗室（Lab－on－a－chip）等。

生物晶元主要特點是高通量、微型化和自動化。生物晶元上高度集成的成千上萬密集排列的分子微陣列，能夠在很短時間內分析大量的生物分子，使人們能夠快速准確地獲取樣品中的生物信息，檢測效率是傳統檢測手段的成百上千倍。生物晶元將是繼大規模集成電路之後的又一次具有深遠意義的科學技術革命。基因晶元是生物晶元技術中發展最成熟和最先實現商品化的產品。基因晶元是基於核酸探針互補雜交技術原理而研製的。所謂核酸探針只是一段人工合成的鹼基序列，在探針上連接上一些可檢測的物質，根據鹼基互補的原理，利用基因探針到基因混合物中識別特定基因。基因晶元，又稱DNA晶元，DNA微陣列（DNAmicroar ray），和我們日常所說的計算機晶元非常相似，只不過高度集成的不是半導體管，而是成千上萬的網格狀密集排列的基因探針，通過已知鹼基順序的DNA片段，來結合鹼基互補序列的單鏈DNA，從而確定相應的序列，通過這種方式來識別異常基因或其產物等。目前，比較成熟的產品有檢測基因突變的基因晶元和檢測細胞基因表達水平的基因表達譜晶元。基因晶元技術主要包括四個基本技術環節：晶元微陣列制備、樣品制備、生物分子反應和信號的檢測及分析。

目前制備晶元主要採用表面化學的方法或組合化學的方法來處理固相基質如玻璃片或矽片，然後使DNA片段或蛋白質分子按特定順序排列在片基上。目前已有將近40萬種不同的DNA分子放在1平方厘米的高密度基因晶元，並且正在制備包含上百萬個DNA探針的人類基因晶元。生物樣品的制備和處理是基因晶元技術的第二個重要環節。生物樣品往往是非常復雜的生物分子混合體，除少數特殊樣品外，一般不能直接與晶元進行反應。要將樣品進行特定的生物處理，獲取其中的蛋白質或DNA、RNA等信息分子並加以標記，以提高檢測的靈敏度。第三步是生物分子與晶元進行反應。晶元上的生物分子之間的反應是晶元檢測的關鍵一步。通過選擇合適的反應條件使生物分子間反應處於最佳狀況中，減少生物分子之間的錯配比率，從而獲取最能反映生物本質的信號。基因晶元技術的最後一步就是晶元信號檢測和分析。目前最常用的晶元信號檢測方法是將晶元置入晶元掃描儀中，通過採集各反應點的熒光強弱和熒光位置，經相關軟體分析圖像，即可以獲得有關生物信息。

蛋白晶元與基因晶元的原理相似。不同之處有，一是晶元上固定的分子是蛋白質如抗原或抗體等。其二，檢測的原理是依據蛋白分子、蛋白與核酸、蛋白與其它分子的相互作用。蛋白晶元技術出現得較晚，尚處於發展時期，最近也取得了重大進展。例如，最近一期國際著名科學（Science）雜志報道了酵母蛋白質組晶元（pro�teomechip）。這是目前為止第一個包含一種生物全部蛋白質分子的蛋白質晶元。相信，不久將會有包含更高等生物甚至人類蛋白質組的蛋白質晶元研製成功，並應用於生物醫學基礎研究和疾病診斷。晶元實驗室是生物晶元技術發展的最終目標。它將樣品制備、生化反應以及檢測分析的整個過程集約化形成微型分析系統。現在已有由加熱器、微泵、微閥、微流量控制器、微電極、電子化學和電子發光探測器等組成的晶元實驗室問世，並出現了將生化反應、樣品制備、檢測和分析等部分集成的生物晶元。

例如可以將樣品制備和PCR擴增反應同時在一塊小小的晶元上完成。再如GeneLogic公司設計製造的生物晶元可以從待檢樣品中分離出DNA或RNA，並對其進行熒游標記，然後當樣品流過固定於柵欄狀微通道內的寡核苷酸探針時便可捕獲與之互補的靶核酸序列。應用自主開發的檢測設備即可實現對雜交結果的檢測與分析。這種晶元由於寡核苷酸探針具有較大的吸附表面積，可以很靈敏地檢測到稀有基因的變化。同時，由於該晶元設計的微通道具有濃縮和富集作用，所以可以加速雜交反應，縮短測試時間，從而降低了測試成本。國內外研究現狀生物晶元技術的飛速發展引起了世界各國的廣泛關注和重視。1998年6月29日美國宣布正式啟動生物晶元計劃，美國國立衛生部、能源部、商業部、司法部、國防部、中央情報局等均參與了此項目。

同時斯坦福大學、麻省理工學院及部分國家實驗室也參與了該項目的研究和開發。世界各國也紛紛加大投入，英國劍橋大學、歐亞公司正在從事該領域的研究。世界大型制葯公司尤其對基因晶元技術用於基因多態性、疾病相關性、基因葯物開發和合成或天然葯物篩選等領域感興趣，都已建立了或正在建立自己的晶元設備和技術。以生物晶元為核心的相關產業正在全球崛起，目前美國已有10多家生物晶元公司股票上市，平均每年股票上漲75％。專家統計：全球目前生物晶元工業產值為10億美元左右，預計今後5年之內，生物晶元的市場銷售可達到200億美元以上。

美國《財富》雜志刊文指出，微處理器使我們的經濟發生了根本變化，給人類帶來了巨大的財富，改變了我們的生活方式。然而，生物晶元給人類帶來的影響可能更大。在20世紀科技史上有兩件事影響深遠，一是微電子晶元，它是計算機和許多家電的心臟，它改變了我們的經濟和文化生活，並已進入每一個家庭；另一件事就是生物晶元，它將改變生命科學的研究方式，革新醫學診斷和治療，極大地提高人口素質和健康水平。

生物晶元作為基因工業的一部分，可廣泛用於醫學臨床診斷、葯物開發、環境監測等領域，有著廣闊的市場前景，對人類生活與健康將產生多方面深遠影響。鑒於生物晶元技術具有巨大理論意義和實際價值，也為了我國生物晶元技術不再重蹈計算機晶元的覆轍，我國政府、科技界和商業界幾乎同時意識到生物晶元技術的重大戰略意義和蘊藏的無限商機，開展了生物晶元技術研發。其中最具代表性的事件就是2000年初由國內從事生物晶元技術研究的多家單位進行強強聯合成立了國家生物晶元技術中心。中國工程院2000年1月6日在京舉辦首次工程科技論壇，專題定為「生物晶元技術」，與會科學家呼籲：以生物晶元技術為核心的各相關產業正在全球崛起，世界工業發達國家已開始有計劃、大投入、爭先恐後地對該領域知識產權進行保護。我國應迅速制定適合中國國情的對策，以避免出現像計算機產業那樣因沒有自己的晶元專利和技術而受制於人的被動局面。目前國內已有多家科研單位開始從事這方面的研究。例如，清華大學、中國科學院、軍事醫學科學院等單位在國內率先開展了生物晶元技術研究，建立了生物晶元技術體系，並已在生物晶元技術和產品開發方面取得了較大突破。可以相信不久將有我國自主生產的生物晶元產品投放市場。

生物晶元的應用生物晶元應用前景十分廣闊。如可以應用於尋找新基因、DNA測序、疾病診斷、葯物篩選、毒理基因組學、農作物優育和優選、環境檢測和防治、食品衛生監督以及司法鑒定等等。使用基因晶元分析人類基因組，可找出癌症、糖尿病由遺傳基因缺陷引起疾病的致病的遺傳基因。生物醫學研究人員可以在數秒鍾內鑒定出導致癌症的突變基因。藉助一小滴測試液，醫生們能預測葯物對病人的功效和是否有毒副作用。利用基因晶元分析遺傳基因，未來可以使糖尿病的確診率達到50％以上。可以想像，未來人們在體檢時，由搭載基因晶元的診斷機器人對受檢者取血，轉瞬間體檢結果便可以顯示在計算機屏幕上。利用基因診斷，醫療將從目前千篇一律的「大眾醫療」的時代，過渡到依據個人遺傳背景而異的「個體化醫療」的時代。生物晶元在疾病檢測診斷方面具有獨特的優勢，它可以在一張晶元上同時對多個病人進行多種疾病的檢測。僅用極小量的樣品，在極短時間內，向醫務人員提供大量的疾病診斷信息，這些信息有助於醫生在短時間內找到正確的治療措施。例如對腫瘤、糖尿病、傳染性疾病等常見病和多發病的臨床檢驗及健康人群檢查，均可以應用生物晶元技術。今後人們可以擁有個人化驗室，無論在地球任何地方，隨時可以對自己的健康狀況進行監測。在葯物篩選方面，目前國外幾乎所有的主要制葯公司都不同程度地採用了生物晶元技術來尋找葯物靶標，查檢葯物的毒性或副作用。用晶元技術進行大規模的葯物篩選可以省略大量的動物試驗，縮短葯物篩選所用時間，從而帶動創新葯物的研究和開發。基因晶元在環保方面的應用表現在，可高效地探測到由微生物或有機物引起的污染，還能幫助研究人員找到並合成具有解毒和消化污染物功能的天然酶基因。這種對環境友好的基因一旦被發現，研究人員將把它們轉入普通的細菌中，然後用這種轉基因細菌清理被污染的河流或土壤。另外生物晶元在農業、食品監督、司法鑒定等方面都將作出重大貢獻。生物晶元技術的深入研究和廣泛應用，將對21世紀人類生活和健康產生極其深遠的影響。作者簡介王升啟博士，軍事醫學科學院放射醫學研究所研究員，國家生物晶元技術中心副主任，軍隊生物晶元技術重點實驗室主任。總後科技銀星。

主要研究方向有：基因晶元技術研究和開發；反義技術和反義葯物；中葯基因組學和化學組學研究等。近年來主持國家863項目、國家973項目、國家自然科學基金重點項目和面上項目，以及軍隊和北京市重點項目等多項課題研究。在國內外刊物發表論文100多篇，獲得和申請國家發明專利10餘項，出版專著2部，獲得軍隊和省級科學技術進步獎3項。陳忠斌博士，軍事醫學科學院放射醫學研究所副研究員。1999年7月於軍事醫學科學院獲生物化學與分子生物學博士學位後，即在放射醫學研究所生物技術實驗室和軍隊生物晶元技術重點實驗室工作。主要研究方向有：病毒基因晶元技術；應用基因晶元技術研究病毒與宿主相互作用分子機理以及抗病毒葯物基礎研究等；近年來參與和主持國家863項目、國家973項目、國家自然科學基金重點項目等多項課題研究。在國內外刊物發表論文20多篇，獲得和申請國家發明專利2項，獲得軍隊和省級科學技術進步獎2項。