New BioTech – MicroArray 方信于
生物晶片
什麼是生物晶片???
目前所稱的生物晶片並未有明確的定義與分類
半導體
矽晶片 玻 璃 塑 膠
微小化技術
微機電
光電
化學
生化 醫學工程
分子生物學
整合
醫療檢驗 環境檢測
食品檢驗 新藥開發 基礎研究 軍事防禦
化學合成 應 用
分類
依照特性可粗分為三大類
第一代生物晶片
基因晶片(gene chip，DNA microarray)
第二代生物晶片
蛋白質晶片(protein chip)
微流體晶片(microfluidics) 實驗室晶片(lab-on-a-chip)
基因晶片
(gene chip, DNA microarray)
基因晶片簡單來說即把DNA整齊的排列 在晶片上，用以和具有互補序列的DNA 片段產生雜交結合，藉此進行樣品檢驗 或環境檢測等，好處為一次可以觀察到 上萬個基因
寡核苷酸陣列 (oligonucleotides microarray)
互補核苷酸陣列(cDNA microarray)
蛋白質晶片(protein chip)
利用DNA晶片檢測的觀念，應用於蛋白質檢測
以蛋白質為生物探針，整齊的排列在晶片上，
進行抗原-抗體免疫反應
將成千上萬種檢測蛋白質，固定在數微米見方 的格子中，檢測樣品中的各種蛋白質，會與固 定在微陣列的特定蛋白質反應
樣品中的蛋白質，如同DNA晶片一樣，會事先 以螢光標籤以便呈色
微流體晶片(microfluidics) 實驗室晶片(lab-on-a-chip)
例如 :
DNA定序儀、自動免疫測定儀、毛細管電儀、
PCR晶片(PCR chip)
混合反應槽 加熱反應槽 分離管道 偵測容槽
外加電壓
電滲流
微小化幫浦 或離心力
微小化幫浦 或離心力
微小化幫浦 或離心力
移動 移動 移動
各元件間相連的微管道
得知要檢 測的結果
原理
DNA
DNA是由DNA是由許多許多 AA、、TT、、GG、、C C
pairs
pairs 所組成，所組成，
這些特別的
這些特別的A、A、 T、T、GG、、CC組合組合 隱藏著許多遺 隱藏著許多遺 傳的特性，並 傳的特性，並 藉此控制著生 藉此控制著生 命體的各類生 命體的各類生 理表現理表現
1條染色體上有1條 DNA分子
1條DNA分子上有許多 個基因
基因圖(果蠅)
From DNA to Protein
基因晶片原理
基因的表現過程是經過mRNA轉譯為各機 能性的蛋白質的程序，當此蛋白質發揮其 功能時，我們說基因才被表現出來。
一般來說，基因表現（gene
expression）與被轉錄的mRNA數量比率
極為相關，因此mRNA可說是基因表現很
好的一個指標
寡核苷酸陣列
(oligonucleotides microarray)
利用半導體製程的光罩法，將DNA的A、T、C、
G四種鹼基，以築摩天高樓的方式，築上約10 ~ 20個鹼基對
清華大學 郝旭昶 學長 提供
互補核苷酸陣列
(cDNA microarray)
利用mRNA 及反轉錄 酶，做出與 mRNA鹼基 互補的
cDNA，再將 cDNA點在晶 片上面
清華大學 郝旭昶 學長 提供
微陣列原理
點 片 Printing
雜 交 Hybridization
雷射光激發 Scanning
分 析 Analysis
清華大學 郝旭昶 學長 提供
點片 Printing
過程
Printing
Hybridization
Scanning
Analysis
1. 先以針頭取樣本液
2. 將針頭輕觸玻片表面，樣本液 會留於玻片的表面上
3. 針頭使用後，需經過清洗及烘乾
樣本液 sample 玻片 slide
清華大學 郝旭昶 學長 提供
微陣列點片機
清華大學 郝旭昶 學長 提供
清華大學 郝旭昶 學長 提供
清華大學 郝旭昶 學長 提供
點片用針頭的頂端
清華大學 郝旭昶 學長 提供
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雜交 Hybridization
-玻片上cDNA的示意圖-
綠色表已知的cDNA(probe)
橙色表與其作用的待檢mRNA(target)
•過程
1. 將待檢mRNA染色
2. 把已染色的待檢mRNA與玻片上的cDNA 進行互補配對，就是雜交(Hybridization) 3. 將沒有反應的mRNA去除掉
Printing
Hybridization
Scanning
Analysis
清華大學 郝旭昶 學長 提供
清華大學 郝旭昶 學長 提供
雷射光激發 Scanning
•過程
1. 以雷射激發染料
2. 樣本會因染料被激發，而呈現出螢光 3. 螢光由偵檢器接受並放大其訊號
雷射 Laser
偵檢器 PMT
Hybridization Printing
Scanning
Analysis
Printing
Hybridization
Scanning
Analysis
清華大學 郝旭昶 學長 提供
清華大學 郝旭昶 學長 提供
清華大學 郝旭昶 學長 提供
分析 Analysis
Printing
Hybridization
Scanning
Analysis
清華大學 郝旭昶 學長 提供
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國內發展
國內發展生物晶片的腳步，比起國外已慢約10年
政府為推動生物技術產業，於工研院成立「生物 醫學工程中心」，積極投入生醫工程技術研發
工研院生醫工程中心主任李鍾熙指出，工研院
「生物晶片應用及技術開發研究計畫」為期四 年，初期目標是以開發感染性疾病快速檢測晶片 為主，後續將發展一系列遺傳性疾病、癌症檢測 的技術
中研院則是利用白果能博士所研發出來的免疫 酵素化學呈色法，進行晶片研發
中研院白果能博士認為，生物晶片是分子生物 研究的工具、耗材，應該讓它更普及
為此，開發出尼龍材質的生物晶片，並採用免 疫酵素顯色系統，可以用一般掃描器來判讀結 果，其製備省時、不複雜且成本低廉
民間企業主要有微晶、晶宇、台灣基因三家
晶宇生技:主要在疾病檢驗有關傳染性疾病的 檢測晶片
微晶生技:主要在基因表達與食品的檢測晶片
台灣基因生技:主要在新藥開發的晶片
應用
生物晶片的應用
基因表現的藍圖
毒理學上的分析
基因的定序
單一核醣核酸的多形性的檢定
法醫學上的應用
抗癌基因研究、找尋癌症診斷基因
生物晶片的應用
免疫反應分析
生物武器的偵測
藥物的篩選
電話硬體上的應用
診斷病原體 (發燒晶片、頭痛晶片、腸病毒 晶片…)
晶片在臨床檢驗用途上，可節省檢驗時間，正確性高，以結核病為 例：傳 統要九個星期，用生物片檢驗，只要四十分鐘，且一次做很多病原菌檢驗
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