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1、單 世 豪41111115 概述生物芯片，是指利用微細(xì)加工技術(shù)并結(jié)合有關(guān)的化學(xué)合成技術(shù)，將大量探針分子固定于載體即微小的基片（如玻璃、硅片、有機(jī)材料薄膜等）上，然后與標(biāo)記的樣品分子進(jìn)行雜交，通過檢測雜交信號(hào)的強(qiáng)弱，對(duì)靶分子的序列和數(shù)量進(jìn)行分析檢驗(yàn)的微型器件。生物芯片閱讀儀是生物芯片能否得到廣泛應(yīng)用的重要儀器。通過生物芯片閱讀儀可以將芯片上測定的結(jié)果轉(zhuǎn)變成可供分析處理的圖像數(shù)據(jù)，正確、有效的獲取芯片上的生物信息。目前的生物芯片閱讀儀主要有兩種：CCD系統(tǒng)生物芯片閱讀儀和激光共聚焦生物芯片閱讀儀。 前者具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、檢測速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于點(diǎn)陣相對(duì)較低的生物芯片的檢測有明顯的優(yōu)勢；后

2、者以激光作光源，采用共聚焦探測光路，結(jié)合高速X向掃描和Y向步進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物芯片的掃讀和分析。激光共聚焦掃描儀具有檢測靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、信噪比好、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，可望成為今后的主流機(jī)型 。 。 基本原理與設(shè)備組成框圖一、CCD系統(tǒng)生物芯片閱讀儀 CCD系統(tǒng)生物芯片閱讀儀有三種，即它激式熒光檢測、化學(xué)熒光檢測和對(duì)用同位素曝光的膠片進(jìn)行檢測，本文主要以它激式熒光檢測生物芯片閱讀儀為例來介紹。該儀器適用于化學(xué)自發(fā)光、多種激發(fā)熒光等生物芯片弱光樣片的檢測和分析。主要由冷卻型科學(xué)零級(jí)CCD、光學(xué)物鏡、氙燈光源、均勻照明系統(tǒng)、暗箱、電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇的發(fā)射窄帶干涉濾光片和激發(fā)窄帶干涉濾光片、圖像采集卡等部

3、分組成。組成框圖如圖1所示。 技術(shù)原理主要組成部分的功能及作用：光源：CCD系統(tǒng)生物芯片閱讀儀采用高壓汞燈作為光源，結(jié)構(gòu)比較簡單。工作時(shí)，用均勻化處理的特殊波長的光去激發(fā)生物芯片上的熒光。激發(fā)濾光片：經(jīng)激發(fā)窄帶濾光片可去除其他波長的光，降低檢測背景。發(fā)射濾光片、CCD和計(jì)算機(jī)：生物芯片上標(biāo)記有熒光染料的靶分子在單色光激發(fā)下產(chǎn)生熒光，再經(jīng)發(fā)射窄帶干涉濾光片由攝像鏡頭捕獲， 成像在CCD相面上，再傳至圖像采集卡，將信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。 二、激光共聚焦生物芯片閱讀儀激光共聚焦生物芯片閱讀儀的原理如圖2所示。儀器工作時(shí)，利用激光照射生物芯片激發(fā)熒光，熒光收集物鏡收集熒光，通過二色分光鏡，經(jīng)窄帶

4、濾光片濾光后，匯集在探測針孔上，由光電倍增管探測，最后經(jīng)電路放大、轉(zhuǎn)換傳到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，獲取其中包含的生物信息。 圖2 激光共聚焦生物芯片閱讀儀設(shè)備組成框圖主要組成部分的功能及作用：X向電機(jī)、Y向電機(jī)、X驅(qū)動(dòng)器、Y驅(qū)動(dòng)器及絲杠等組成掃描工作臺(tái)，采取的掃描方式是：光源固定即光束保持不變、熒光探測器固定、掃描工作臺(tái)按一定規(guī)律移動(dòng)的掃描方式。這種掃描方式被稱為物體掃描，其優(yōu)點(diǎn)是軸線平直，光路穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)大面積的掃描。簡言之，本儀器就是利用光電倍增管對(duì)點(diǎn)像探測結(jié)合高速XY掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)生物芯片信息的大量獲取。所以工作臺(tái)系統(tǒng)和熒光信號(hào)接收系統(tǒng)都很重要。掃描承片臺(tái)可放置25mm*75mm的標(biāo)準(zhǔn)樣片。激光器

5、、窄帶濾光片和二色分光鏡等組成激光共聚焦光路；光源是兩個(gè)激光器，分別 用于激發(fā)cy3和cy5兩種熒光染料，掃描時(shí)可以選擇適當(dāng)?shù)募す馄鞴β?，也可以通過兩個(gè)快門選擇激光束。光電倍增管作為熒光信號(hào)探測器，可用來探測芯片發(fā)出的熒光信號(hào)，其增益可選。計(jì)算機(jī)用于處理和分析光電探測器探測到的熒光信號(hào)并合成圖像。 臨床應(yīng)用生物芯片閱讀儀是伴隨著生物芯片的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，可以說，需要利用生物芯片技術(shù)的地方就必須利用到生物芯片閱讀儀，所以生物芯片閱讀儀的臨床應(yīng)用與生物芯片的臨床應(yīng)用息息相關(guān)。以下就介紹幾種生物芯片的臨床應(yīng)用。 一、基因表達(dá)水平的檢測用基因芯片進(jìn)行的表達(dá)水平檢測可自動(dòng)、快速地檢測出成千上萬個(gè)基因的表達(dá)

6、情況。Schena等采用擬南芥基因組內(nèi)共45個(gè)基因的cDNA微陣列（其中14個(gè)為完全序列，31個(gè)為EST），檢測該植物的根、葉組織內(nèi)這些基因的表達(dá)水平，用不同顏色的熒光素標(biāo)記逆轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物后分別與該微陣列雜交，經(jīng)激光共聚焦顯微掃描，發(fā)現(xiàn)該植物根和葉組織中存在26個(gè)基因的表達(dá)差異，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達(dá)高500倍。 二、基因診斷從正常人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出標(biāo)準(zhǔn)圖譜。從病人的基因組中分離出DNA與DNA芯片雜交就可以得出病變圖譜。通過比較、分析這兩種圖譜，就可以得出病變的DNA信息。這種基因芯片診斷技術(shù)以其快速、高效、敏感、經(jīng)濟(jì)、平行化、自動(dòng)化等

7、特點(diǎn)，將成為一項(xiàng)現(xiàn)代化診斷新技術(shù)。例如Affymetrix公司，把P53基因全長序列和已知突變的探針集成在芯片上，制成P53基因芯片，將在癌癥早期診斷中發(fā)揮作用。 另外，它還有藥物篩選、個(gè)體化醫(yī)療、測序等功能。 生物芯片藥物篩選 生物芯片測序 發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀國外的生物芯片及其閱讀檢測儀器獲得了長足的發(fā)展，各生物芯片公司或相關(guān)儀器公司均推出了各自的生物芯片閱讀儀，但迄今為止，還沒有相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，所以各商家推出的閱讀儀的原理、性能、用途和技術(shù)指標(biāo)等各異。下面給出了幾種國外主要廠家的閱讀儀：（1）美國Packard公司于2000年開發(fā)的基因芯片閱讀儀ScanArray4000，采

8、用激光共聚焦光路。（2）Axon公司出品的GenePix 4000B激光閱讀儀，采用非共聚焦光路。 （3）Genomic SolutionsGene公司的GeneTACLS IV激光閱讀儀，采用非共聚焦光路 。 近幾年來國內(nèi)研發(fā)生物芯片閱讀儀的單位比較少，主要的研發(fā)單位有浙江大學(xué)、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所以及上海數(shù)康公司等。據(jù)目前的信息所知，上海數(shù)康公司開發(fā)了HD-2001系列生物芯片閱讀儀，主要用于閱讀生物芯片信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行智能化處理，分析測定結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了生物芯片圖像攝取、處理、分析、打印一體化。HD-2001系列生物芯片閱讀儀有助于臨床檢驗(yàn)人員快速、并行的檢測多種腫瘤標(biāo)志物。浙江大學(xué)等單位也在研制生物芯片儀器。 參考文獻(xiàn)生物芯片掃描儀研究進(jìn)展 張春梅 胡松 唐小萍 姚漢民生物醫(yī)學(xué)測量與儀器 王保華等生物芯片技術(shù)在腫瘤研究中的應(yīng)用 張靜 霍金龍 曾養(yǎng)志