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1、單 世 豪41111115 概述生物芯片，是指利用微細加工技術并結合有關的化學合成技術，將大量探針分子固定于載體即微小的基片（如玻璃、硅片、有機材料薄膜等）上，然后與標記的樣品分子進行雜交，通過檢測雜交信號的強弱，對靶分子的序列和數量進行分析檢驗的微型器件。生物芯片閱讀儀是生物芯片能否得到廣泛應用的重要儀器。通過生物芯片閱讀儀可以將芯片上測定的結果轉變成可供分析處理的圖像數據，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。 前者具有結構簡單、體積小、檢測速度快、成本低等優(yōu)點，對于點陣相對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，結合高速X向掃描和Y向步進，實現了對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、動態(tài)范圍寬、信噪比好、測量精度高等優(yōu)點，可望成為今后的主流機型 。 。 基本原理與設備組成框圖一、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、化學熒光檢測和對用同位素曝光的膠片進行檢測，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。主要由冷卻型科學零級CCD、光學物鏡、氙燈光源、均勻照明系統(tǒng)、暗箱、電機驅動選擇的發(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，結構比較簡單。工作時，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和計算機：生物芯片上標記有熒光染料的靶分子在單色光激發(fā)下產生熒光，再經發(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，將信號轉化成數字信號進行處理。 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，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，最后經電路放大、轉換傳到計算機進行處理，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備組成框圖主要組成部分的功能及作用：X向電機、Y向電機、X驅動器、Y驅動器及絲杠等組成掃描工作臺，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、掃描工作臺按一定規(guī)律移動的掃描方式。這種掃描方式被稱為物體掃描，其優(yōu)點是軸線平直，光路穩(wěn)定，可以實現大面積的掃描。簡言之，本儀器就是利用光電倍增管對點像探測結合高速XY掃描實現對生物芯片信息的大量獲取。所以工作臺系統(tǒng)和熒光信號接收系統(tǒng)都很重要。掃描承片臺可放置25mm*75mm的標準樣片。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；光源是兩個激光器，分別 用于激發(fā)cy3和cy5兩種熒光染料，掃描時可以選擇適當的激光器功率，也可以通過兩個快門選擇激光束。光電倍增管作為熒光信號探測器，可用來探測芯片發(fā)出的熒光信號，其增益可選。計算機用于處理和分析光電探測器探測到的熒光信號并合成圖像。 臨床應用生物芯片閱讀儀是伴隨著生物芯片的產生而產生的，可以說，需要利用生物芯片技術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用與生物芯片的臨床應用息息相關。以下就介紹幾種生物芯片的臨床應用。 一、基因表達水平的檢測用基因芯片進行的表達水平檢測可自動、快速地檢測出成千上萬個基因的表達
6、情況。Schena等采用擬南芥基因組內共45個基因的cDNA微陣列（其中14個為完全序列，31個為EST），檢測該植物的根、葉組織內這些基因的表達水平，用不同顏色的熒光素標記逆轉錄產物后分別與該微陣列雜交，經激光共聚焦顯微掃描，發(fā)現該植物根和葉組織中存在26個基因的表達差異，而參與葉綠素合成的CAB1基因在葉組織較根組織表達高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準圖譜。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以其快速、高效、敏感、經濟、平行化、自動化等
7、特點，將成為一項現代化診斷新技術。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，還沒有相關的國際標準或行業(yè)標準出臺，所以各商家推出的閱讀儀的原理、性能、用途和技術指標等各異。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、中國科學院光電技術研究所以及上海數康公司等。據目前的信息所知，上海數康公司開發(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，并對信號進行智能化處理，分析測定結果，實現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人員快速、并行的檢測多種腫瘤標志物。浙江大學等單位也在研制生物芯片儀器。 參考文獻生物芯片掃描儀研究進展 張春梅 胡松 唐小萍 姚漢民生物醫(yī)學測量與儀器 王保華等生物芯片技術在腫瘤研究中的應用 張靜 霍金龍 曾養(yǎng)志
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