奈米生物科技

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1、奈米生物科技NanoBiotechnology姜忠義成國祥編著路光予校訂第三章　生物晶片和生物電腦本章章節3.1生物晶片3.1.1概況3.1.2DNA晶片3.1.3蛋白質晶片3.2奈米通道技術3.2.1溶血素的結構和特性3.2.2奈米通道技術研究進展3.2.3奈米通道技術的應用前景3.3生物分子計算技術和生物電腦3.3.1生物電腦的特點3.3.2生物計算研究進展第一節生物晶片概況「生物晶片」（biochip）生物晶片和微處理器晶片的不同微處理器晶片是由矽、鍺等半導體材料經微電子加工技術製作的積體電路設備生物晶片只是一種執行生物檢測和分析的微型設備生物晶片起源最早起始於20世

2、紀末期Bains將短的DNA片段固定在支持物上，採用反向分子雜合方式進行序列測定，在設計思路上是對傳統電泳方法的突破不過由於當時DNA片段的固定採用的是人工印跡方法一張印跡膜上只能固定數十個DNA片段，測定100多個鹼基對的片段可能需要好幾百個印跡膜，效率十分低生物晶片的誕生提高效率提高DNA片段的點陣密度，即需要在同樣大小的支持物上固定更多的DNA片段借鑑積體電路製造的技術自然成為超大型雜合測序技術的發展方向20世紀90年代光引導合成技術DNA壓電打印／噴印技術雷射共聚焦顯微掃描技術生物晶片技術多學科相互整合微電子學、微機械、電腦、生命科學、化學以及物理學等推動胺基酸序列分析

3、、基因表現、蛋白組學、基因組學研究以及基因診斷構建縮微晶片透過生物晶片技術、樣品製造方法（如晶片細胞分離技術）以及生化反應方法（如晶片免疫分析和晶片核酸擴增）引起基因組學的革命生物晶片分類根據支持介質劃分根據製造方法劃分原位合成光引導聚合法（light-directedsynthesis）噴墨打印合成法（壓電打印法）合成點樣電子晶片流過式晶片根據晶片上的探針劃分根據晶片的結構和工作原理劃分支持介質劃分固相介質玻片、矽片、巨分子凝膠、尼龍膜、微型磁球等選擇固相介質時，應考慮因素螢光背景的大小、化學穩定性、結構複雜性、介質對化學修飾作用的反應、介質表面積及其承載能力以及非專一性吸附

4、的程度等常用的支持介質是玻片無論是原位合成法還是合成點樣法都可以使用對該介質的預處理也簡單易行原位合成－光引導聚合法light-directedsynthesis合成前對介質進行處理使衍生出羥基或胺基與光敏保護基建立共價連接合成單體的一端用固相合成法活化，另一端與光敏保護基相連。合成反應透過蔽光膜使特定的位點透光，其餘位點不透光只有受光的位點才能脫掉保護基並與特定單體活化端相連單體的光敏保護端露出經過若干上述循環反應後每個位點按需要合成特定序列的探針哪些位點上連接哪種單體，由更換不同的蔽光膜來控制原位合成－噴墨打印合成法又叫壓電打印法原理類似噴墨打印機透過4個噴印頭將4種鹼基按

5、序列要求依次噴印在晶片的特定位點上合成點樣法預先合成好的探針用點樣機點到介質上點樣前需將介質表面包被胺基矽烷或多聚賴胺酸，使之帶上正電荷來吸附核酸分子其他聚丙烯醯胺凝膠作為支持介質將膠塊（40m×40m×20m，間隔80m；或100m×100m×20m，間隔200m）固定在玻璃上將合成好的不同探針分別加到不同的膠塊上，製成以凝膠塊為陣點的晶片透過導電的吡咯單體的聚合形成微陣列原理在矽片上鍍一層500nm厚的金層，透過蝕刻技術在矽片上形成金−微電極吡咯單體經過聚合在微電極上形成一層聚吡咯膜，其中與吡咯單體相連的探針在吡咯的聚合過程中連到電極上每種探針的位置透過特定電極的開啟與關閉

6、來控制光纖生物感測微陣列Ferguson利用光纖束建立每根光纖維（直徑200m）的一端共價連接上寡核苷酸探針將這些連有不同寡核苷酸探針的光纖維裝配成光纖束，構成光纖微陣列檢測時只需將光纖束連有不同探針的一端直接浸入靶樣品溶液中即可產生的螢光雜合信號可透過光纖維傳導至光纖束的另一端進行檢測透過螢光顯微電荷偶聯攝影系統對傳導過來的信號電子晶片和流過式晶片電子晶片帶有陽離子的矽晶片在電場作用下將生物素標記的探針結合在特定的電極上雜合速度快，可大大縮短分析時間流過式晶片需在晶片上製成柵格狀微通道並將特定的寡核苷酸探針結合於微通道內的特定區域自待測樣品中分離的DNA經MA螢光標記後流過晶

7、片，固定的寡核苷酸探針捕獲與之相互補的核酸進行信號檢測分析特點在於敏感性高、分析速度快、價格低，可反覆使用晶片上的探針劃分依探針的不同可分：基因晶片（Genechip,DNAchip,或microarray）固定的分子是寡核苷酸探針或靶DNA包括模式Ⅰ指將靶DNA固定於支持物上，適合於大量不同靶DNA的分析模式Ⅱ模式Ⅱ則是將大量探針分子固定於支持物上，適合於對同一靶DNA進行不同探針序列的分析蛋白晶片（proteinchip）固定的是胜肽或蛋白晶片的結構和工作原理劃分生物晶片可分為微陣列晶片