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发信人: cryinghoyden (紫电青霜), 信区: METech
标  题: 生物芯片入门(二)
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年04月25日03:45:13 星期天), 站内信件

生物芯片入门（二）：制作和结果分析  


芯片的构建和阅读 
Vivian G. Cheung, Michael Morley, Francisco Aguilar, 
Aldo Massimi, Raju Kucherlapati & Geoffrey Childs 
联合基因科技有限公司 吴凌凌 译


　　摘要 

　　制作芯片和获得芯片的数据有许多不同的方法。这里我们介绍了在学术领域中两种芯
片的构建和使用。除了详细说明了技术细节外，我们还对组成和方法的优缺点进行了评论
，同时还介绍了杂交的方法。用我们所建立和使用芯片的方法来回答生物领域问题的事实
证明了这种技术在大学的环境下是可行的。 

　　一种获得基因功能信息的高通量的方法是cDNA芯片。在一块显微镜载玻片上包含了几
百至几千个固定的DNA样本，以类似于Northern blot 和 Southern blot的方法进行杂交。
了解了这个方法后，我们决定在我们各自的实验室Pennsylvania大学（Penn）和Albert 
Einstein学院医学部（AECOM）制作了高速，高精度的芯片。这个设备是由Stanford医学院
Pat Brown制造的，第一次论证了这个方法的可行性。我们的目标是（1）最终以合理的价
格，用一块或几块芯片来检测哺乳动物细胞中每个基因的表达，（2）发展以芯片为基础的
绘图方法，（3）兼顾硬件和超作方法，尽可能地提高灵敏度。 

　　玻片的优势 

　　一个理想化的支持物允许探针有效地固定在其表面，探针与目标分子能牢固地杂交结
合。与另一种用于制作芯片的标准支持物尼龙一样，玻璃有许多的优点。它也有其特长。
首先，DNA样品以共价键的形式结合在处理过的玻片上。第二，玻璃是一种耐用的材料，能
够耐高温和高离子强度溶液的洗涤。第三，玻璃不是多孔材料，使杂交的容量能保持在最
小，因此能提高探针与目标分子的退火效率。第四，由于材料的低荧光性，不会有背景的
影响。最后，两种不同的探针能够标上两种不同的荧光标记，在一片芯片上同一个反应中
同时孵育；尼龙就受到连续或平行杂交的限制。 

　　芯片需要大量的探针固定（或排列）在玻片上，这里我们描述了AECOM芯片，扫描仪以
及进行了关于设计和操作的讨论。如果想得到关于Penn芯片的信息，请到http://w95vcl.n
euro.chop.edu/vcheung查找。 

　　自动化装置性质 

　　AECOM点样仪，Albert，产生高密度的分隔的矩阵，矩阵包括cDNA、基因组DNA或其他
类似的生物物质。机械的基本组成有计算机控制的三轴向的机械手和独特笔尖装置。 

　　设计特点 

　　机械手被设计成能自动从96或384孔的微量滴定板中选取样本，12支点样笔同时升起，
每个点样笔收集了250-500nl溶液，在每块玻片上放置0.25-1nl，产生的点的大小范围直径
为100-150μm。机械手是由设置好的程序控制的，能进行连续的点样，每一点避免与相邻
的点接触，每点的中心距离大约为200-250μm。检测的精密度大约是10μm。机械手放置在
可视工作平台上（Newport公司），允许放置大量的显微镜玻片，微量滴定板，三个洗涤装
置和一个干燥装置。 

　　洗涤装置是个固定的容器，装有蒸馏水，两次微量滴定板使用后需要更换。当笔尖浸
过液体后，机械手要来回摇动点样笔（大约5Hz）来增加清洁程度。虽然我们认为没必要，
但电脑控制的洗涤液可用超声波或流动的水来替代。干燥装置实际上是干/湿真空吸尘器（
Sear公司，美国），接头与插入笔尖的限制插口相匹配。干燥器要做到在笔尖有快速流动
的空气围绕，保持局部真空。 

　　所设计的机械手的重要目的是要达到在最小的震动范围内的高速和高精确性。我们使
用了保湿的可视工作平台，精密螺旋驱动地机械滑动，高分辨率的解码器的随动系统和沿
着x轴方向的两侧支杆，避免了在一些系统中所见的悬臂结构。利用第二x轴的滑面来增加
系统的固定性，能依次产生更快的定位以及通过工作平台的准确一致性。这些特点允许在
精确率下的快速运动，使机械手能在一秒内对两块显微镜载玻片操作。 

　　带有笔尖的点样笔支持物装置是一个重要的部分。我们的设计结合了线形运动，控制
点样笔的方向，允许在最小的阻力下精确地纵轴运动，以防止在其他方向上的错位。我们
设计的另一个独特之处是可调整的末端丝，允许在10μm的范围内校直每个点样笔的轴，以
保证所有12支笔尖能在同一时间内接触显微镜玻片。而另一个没有这特点的设计需要与点
样笔的精确长度一致以适应多点样笔的操作。每个点样笔由低强度的弹簧作为支持，保证
在未接触表面时能回到伸展的位置。笔尖是由直径大约为1.6mm的不锈钢材料逐渐处理变细
直至每点直径为100μm。再沿着中心垂直切割，在尖端分成两部分，每部部分5μm。 

　　这个系统由可视基础程序控制的，在Microsoft Windous NT环境下运行，软件提供：
印刷程序具体化；完成系统校正；显示真正地时间位置、速度和产生的错误；与其他功能
参数一样重要的随动系统；动态地显示打印过程中的重要参数。随动系统控制的计算机中
的插件能够动态地控制高速、复杂的机械手的动力，并设计成以它的运动来控制程序的语
言。可视原理和随动插件运动控制程序相互作用，交换了参数、图象和所需的命令。微量
滴定板的同一性是由扫描它的阅读器所决定的。由于有笔尖易被灰尘和纤维阻碍的问题，
打印机现在被附上了软保护壁允许三个方向的随意进入并且合并了高效率效式空气过滤与
吹风机以达到湿气的再流通。 

　　操作 

　　打印的第一步是将显微镜载载玻片以统一的形式排列在工作平台上，用在激光平台上
的1孔作为引导，然后按下。膜微量滴定板固定器突然定位在平台的某一位置，用同样的孔
来排列自己。同样的微量滴定板固定器保持在冲洗状态，也能被放置在任何方便的位置。
使用者可任意选择保留的配置或进入配置中的参数。缓慢移动模式用于校验，使坐标位置
正确。最后，使用者提示增加微量滴定板，机械手进入自动点样操作。点样笔从微量滴定
板中收集样品并点样，从而对每块载玻片进行同样的操作。然后冲洗/干燥操作，再对新的
样品进行重复操直到当所有的样品全部完成。在点样的过程中，程序自动地将同一来源的
微量滴定板保留在磁盘上，优化每一点以及载玻片上的X-Y终点位置。这个文件稍后与基因
说明文件合并，产生载玻片上已印好的点的复合说明。 

　　观察 

　　点大小的精确性依赖着笔尖的规格。尖端精细的槽口要求特殊的微加工工具就象Wire 
EDM。我们用的笔尖是TeleChem的，与我们的笔轴相匹配。它们的性能是可接受的，虽然它
们是十分脆的。我们希望能获得有进展，更耐用的样式。 

　　扫描仪特点 

　　我们设计和制造的激光扫描仪IRIS，是Standford大学和国家健康研究所研制的器械的
衍生产品，使灵敏度和动态范围最大化。我们也试图将运转的适应程度结合到设计中，因
此在将来能够进行改进，允许更有效的荧光染料的测定（最近引进了DNA自动测序仪）。两
个有染料标记的目标杂交后，玻片被扫描后产生16位TIF图象。每点的象素强度是与染料分
子的数量以及与PCR产物斑点杂交探针数量成比例。 

　　设计特点 

　　激光扫描仪有一些关键的组成。软件是与HPVEE绘图程序语言同步的程序。规划图形的
运动，控制A/D转换数据的捕获，处理两个频道的信号，显示每一次扫描的真实的时间参数
，产生TIF文件的标题以及保存TIF图象的结果。八个样本引进的数据平均为每一个象素，
转换为二进制整数，为校正图象的变化，轮流进行的扫描，然后保存。使用者可以看见大
屏幕的示波境波形就是每次扫描的平均值，最小值和最大值统计。 

　　操作 

　　自动化分级操作搜索扫描模式，在X轴的方向上连续地通过显微镜载玻片，然后在Y轴
的方向上移动一个象素的位置，产生一个bi-方向的光栅模式。X轴的信号解码器是由特殊
设计的触发回路处理的，取消了每次扫描后的随动震动，产生了在所有方向上的A/D转换的
清晰触发。回路保证了微米以下的空间分辨率和图象的线性结构。两条激光光柱合成联合
直线，通过双重光束分割滤波器反射过目标，形成刺激显微镜载玻片上染料分子发荧光的
精细聚焦光束。部分荧光是由目标分子捕获的，通过双光分裂滤波器发送，在滤波立方中
分成红绿两种信号，在波段通过器中过滤。发送入各自的转换电信号的光电管（PMT0）中
。每个光电管被A/D转换器放大，过滤和采样。转换器完成8个附加抽样，软件达到平均每
象素8个样本，产生真实的16位分辨率的图象。 

　　观察 

　　我们最初获得了不恰当的信噪比，因此制定了双成分过滤器，（根据浓度）建立了我
们规格，降低DC成分的干扰水平。立体过滤成分的去除，进一步改进了灵敏度。我们原先
的设计有包括两个相配的聚焦镜的立体过滤器，小孔和不同的元件，这些如果组合在一起
形成了共焦显微镜。但是我们发现光学共焦不能加强检测。事实上，镜头使干扰水平增加
了两倍，这是由于自动的荧光性-整个装备导致了所需信号相当大的衰减，结果所有信噪比
大大地减弱。我们因此推断在X轴方向的立体过滤在应用中没有起到作用。我们发现激光输
出的清晰过滤对降低干扰是基本的。最后，为了达到可视成分的精细排列和精确的最佳聚
焦，利用了刻度载玻片和软件，获得了高灵敏度的双物镜系统和广大的动态视野范围。 

　　有时遇到的问题是镜子干扰的存在，由十分明亮但比我们所需的点的图象要小（<1μm
-25μm）的信号组成。我们认为这是由于灰尘和没结合的染料所形成的。在干净的环境中
操作，严格遵守杂交程序对减少这些影响是十分必要的。 

　　在屏幕上显示的波形是可重复的。当比较同一行的重复扫描，我们发现极好的重复性
。从中我们降低了由于扫描仪的光学和电子学因素而没传入的有用信号所产生的变形。当
调节不同的控制参数时，这个显示能力也使我们精确地测量了在信号-干扰率上的影响。PM
T冷却是包括在保持电子干扰最小化的设计中的。迄今为止，当PMT冷却到-18℃时，我们还
没有找到在提高灵敏度方面的巨大进展。系统的干扰水平还没有达到电子干扰的水平，它
的重要元件仍旧有光学干扰。可能是杂交进程中在载玻片上留下了一些自动显示荧光的残
余。我们正开发新的方法来进一步减少干扰水平。 

　　从目前系统的灵敏性来看，10 mW激光的能量看来是足够的，5mW就能产生令人满意的
结果，并且显示了在这个区域中系统的增进是直线的。PMT的电压和激光能量是可交换的，
不需要降低信号-干扰率。 

　　性能 

　　比较扫描仪的性能，通常没有可接受的标准。为了测定我们扫描仪的性能，通过利用
一些包含不同浓度Cye3染料校准的载玻片来测定灵敏性。结果显示扫描仪能可靠地测定在1
00μm点上少于10-18 摩尔的染料的浓度。我们试图实现对染料结合和杂交能力测定的附加
实验，但是性能显示我们用目前的探针预备方法能探测到低量的mRNA。初步的结果显示我
们的扫描仪有比市场上的扫描仪高四倍的灵敏度，同时能处理多三倍的信号（在饱和状态
前）。我们的扫描仪有超过1000倍的动态范围，明显比高密度过滤器的10倍的动态范围要
好。我们能同时进行双色成像，但是是有限制的，因为有两个通道之间的干扰。这能通过
在一个时间扫描一种颜色的方法而最小化，虽然当每块载玻片用两种以上的染料时，交叉
激发仍能产生干扰现象。由我们的系统产生的典型的芯片，扫描用典型的12.8μm的象素大
小，能产生16位分辨率的2048 by 1550象素的图象。每个点覆盖了大约100个象素，成像的
扫描时间大约是40分钟。 

　　杂交注意事项 

　　DNA的数量。芯片上每点DNA的数量是可估计的。猜想每点堆积的形状是半球形的，它
的容量是可以计算的： 


一点的量=1/2 × (4/3πr3 ) 

每点的DNA的数量=样本的浓度 × 每点的量 


　　斑点的容量少意味着用于杂交的探针的数量也很少，即使样本的浓度很高。必须努力
减少这样的限制。一些因素必须考虑到，除了探针DNA的数量外，还有与目标分子相互补的
探针DNA的比例，长短，目标分子的活性，就象用于检测信号方法的灵敏度影响着信号的强
度。 

　　杂交信号的浓度是与目标分子活性成比例的，与它的长度成反比，因此目标分子的特
殊活性是十分重要的。每次实验的杂交时间也应该精确测量。 

　　沉积机制 

　　点样笔的精确切口允许利用毛细现象从微量滴定板中吸取样本。压力由点样笔向下的
运动产生，载玻片的表面张力拖动样本从切口内到玻片上。点的大小依赖于点样笔向下及
离开载玻片的加速度和载玻片表面的张力。点样笔向玻片的加速度与点的大小成比例，因
此能调整到所希望的点的大小。当点样笔从玻片收回后，在切口内的样品和沉积在载玻片
上的样本之间的流量就形成了。如果收回的速度很快尖端的量就被打断了，产生了大的点
，不是完美的半球形。如果收回的速度十分慢，点样量就在尖端"修剪"了，留下的点就小
。 

　　DNA样本 

　　样本准备在96孔的板上，乙醇沉淀并用70%的乙醇洗涤,然后在2×柠檬酸钠（SSC）中
重建。样本浓度的重建依赖于所需点的大小和样本的粘稠度。如果样本需要排列为小的点
，它们的浓度就要高。但是，限制因素是笔尖的设计，会使样本粘稠而难以排列，那些浓
度大于2μg/μl的太粘了而不能点样。我们点样的目标浓度是每个样本15ng一个点。虽然
我们在2SSC中重新建立了样本，但是溶液的离子浓度能在1×SSC到5×SSC之间而不影响杂
交，然而样本溶解在溶液中后离子浓度高于5×SSC就很难与载玻片接触。 

　　将DNA固定到玻璃片 

　　在DNA排列到玻片上以后，它们是自然干燥的。样本的固定是通过紫外线（UV）固定的
，形成在DNA上的胸腺嘧啶脱氧核苷残基和硅烷玻片上氨基之间的共价键。类似的方法也用
于将DNA样本固定在尼龙膜上。为了完成最大化的杂交，要在紫外线交联之前，芯片要保持
微量的湿润，通过将"排列"暴露在沸水中，然后在254nm的紫外线下暴露到0.27J/cm2 。我
们发现精密测量照射的量是十分有利的，只要确定产生最佳信号的照射最佳水平。过长时
间的照射导致了由于连接不充分而产生的DNA损失和个别地，DNA样本的过多的断裂。在交
联后，过多的DNA分子在室温下被0.1%的SDS冲洗掉，然后在杂交以前，排列的样本在95℃
的水中变性。 

　　杂交中的 

　　有许多方法使目标分子和探针进行杂交。我们发现三个工作溶液对于荧光探针和固定
在玻璃上的DNA的杂交是很好的；与溶剂和温度不相关。一般来说，在42℃，甲酰胺基础上
的杂交比65℃水溶液中的要好，因为促进了信号和杂质的比率。但在甲酰胺中的动态杂交
要比在水溶液中的慢，当用低拷贝量的目标分子时，建议使用有右旋糖苷硫酸盐或聚乙烯
乙二醇的水溶液。 

　　类似的方法用于使"杂质"最小化：用Denhardt试剂，十二烷基硫酸钠（SDS）修剪鲑精
DNA，tRNA和Cot1DNA。当我们用cDNA时，也包括多聚A RNA或与富含T的序列相连接的多聚A
。 

　　讨论 

　　我们集体的努力显示了在学术环境下如何实现芯片技术的。在AECOM，芯片和扫描仪是
由家庭工程师制造的，使用家庭工程师的好处是她/他是亲手改良和维修仪器的。在Pennsy
lvania大学，芯片是在大学机械店的帮助下在实验室中制造的；扫描仪（General扫描仪公
司）是购买的。 

　　芯片构建的改良技术必须与基因组克隆图谱实用性的增加，好的cDNA克隆，分析工具
的良好使用相匹配。这些工具的综合和易操作性对基因研究发展的速度是十分重要的。


生物芯片的制作

　　对于一些实验室来说，如果现成的商品化芯片不能满足研究需要，而自行设计向厂家
定做芯片也不能满足时间的需要时，就需要自制芯片。要成功的制作芯片，需要准备3大材
料：准备固定在芯片上的生物分子样品、芯片片基和的制作芯片的仪器。研究目的不同，
期望制作的芯片类型不同，制备芯片方法也不尽相同，以DNA芯片为例，基本上可分为两大
类：一类是原位合成（即在支持物表面原位合成寡核苷酸探针），适用于寡核苷酸；一类
是预合成后直接点样多用于大片段DNA，有时也用于寡核苷酸，甚至mRNA。



　　原位合成有两种途径，一是原位光刻合成（Affymerix公司专利技术，参见前文介绍）
，该方法的主要优点是可以用很少的步骤合成极其大量的探针阵列。某一含N个核苷酸的寡
聚核苷酸，通过4×N个化学步骤能合成出4N个可能结构。例如合成想要8核苷酸探针，通过
32个化学步骤，8个小时可合成65，536个探针。而如果用传统方法合成然后点样，那么工
作量的巨大将是不可思议的。同时，用该方法合成的探针阵列密度可高达到106/cm2。

　　另一种原位合成是压电打印法(Piezoelectric printing)。原理与普通的彩色喷墨打
印机相似，所用技术也是常规的固相合成方法。不过芯片喷印头和墨盒有多个，墨盒中装
的是四种碱基合成试剂。喷印头可在整个芯片上移动。支持物经过包被后，根据芯片上不
同位点探针的序列需要将特定的碱基喷印在芯片上特定位置。冲洗、去保护、偶联等则同
于一般的固相合成技术。该技术采用的化学原理与传统的DNA固相合成一致，因此不需要特
殊制定备的化学试剂。每步产率可达到99%以上，可以合成出长度为40到50个碱基的探针。


　　尽管如此，原位合成方法仍然比较复杂，除了在基因芯片研究方面享有盛誉的Affymet
rix等公司使用该技术合成探针外，其它中小型公司大多使用合成点样法。

　　点样法是将预先通过液相化学合成好的探针、或PCR技术扩增cDNA或基因组DNA经纯化
、定量分析后，通过由阵列复制器（arraying and replicating device ARD）或阵列点样
机（arrayer）及电脑控制的机器人，准确、快速地将不同探针样品定量点样于带正电荷的
尼龙膜或硅片等相应位置上（支持物应事先进行特定处理，例如包被以带正电荷的多聚赖
酸或氨基硅烷），再由紫外线交联固定后即得到DNA微阵列或芯片。点样的方式分两种，其
一为接触式点样，即点样针直接与固相支持物表面接触，将DNA样品留在固相支持物上；其
二为非接触式点样，即喷点，它是以压电原理将DNA样品通过毛细管直接喷至固相支持物表
面。打印法的优点是探针密度高，通常1平方厘米可打印2,500个探针；缺点是定量准确性
及重现性不好，打印针易堵塞且使用寿命有限。喷印法的优点是定量准确，重现性好，使
用寿命长；缺点是喷印的斑点大，因此探针密度低，通常只有1平方厘米400点。点样机器
人有一套计算机控制三维移动装置、多个打印/喷印头、一个减震底座，上面可放内盛探针
的多孔板和多个芯片。根据需要还可以有温度和湿度控制装置、针洗涤装置。打印/喷印针
将探针从多孔板取出直接打印或喷印于芯片上。检验点样仪是否优秀的指标包括点样精度
、点样速度、一次点样的芯片容量、样点的均一性、样品是否有交叉污染及设备操作的灵
活性、简便性等等。

　　一、点样设备 

 　Telechem公司全新SpotBot Personal Microarrayer
对于那些需要经常小批量使用多种不同的研究用芯片的普通用户来说，向Affymetrix这样
的大公司定做自行设计芯片的时间和成本太高，然而又不太可能支付得起一套高性能的大
型生物芯片点样制作系统，Telechem公司最新推出的SpotBot个人微阵列点样机绝对是一个
好消息。这种只有一台台式普通离心机大小(30cm x 30cm x 22cm)的个人芯片点样机功能
相当完备：
 　4针的打印头(4-Pin Printhead)可以配各种Stealth点样针；
 　一次可以放置14张玻片(25mm x76mm/片)；每张片可以点3600个点(9mm x9mm区域)；
 　最大的打印范围可达20mm x 70mm；将来软件升级后每张片将可以打50400个点；
 　点样可以选择每个样品单点、双点或者3点；
 　可以放置1块384孔板，可以手工换板；
 　完成一块384孔板的点样时间为2小时(每个样品3点，14张玻片)，6小时可在14张玻片上
点超过1000个样品(双点/样品)；
 　先进的自动清洗干燥台保证样品之间没有交叉污染；
 　透明罩保证点样工作环境的清洁和恒定的温度和湿度；
 　开关门感应器保证用户的安全；
 　轴运动偏差±10μm；
 　外形轻巧可爱，连真空泵和蠕动泵在内总重仅6.4公斤，
 　最令人惊喜的是价格相当便宜！

 

　　美国Cartesian Technology公司的MicroSys 5100小型台式芯片工作站MicroSys 5100
也是专门为实验室做小量芯片研究工作设计的一套台式工作站。一次处理10张芯片，采用
接触式点样技术，使用标准的CHipMaker或Stealth点样针，可放置1块96/384孔样品板，并
配有一套载片真空固定系统和一套针头清洗真空干燥系统。价格低廉，非常适合经费紧缺
的研究部门做芯片应用的中小型研究项目使用。

　　对于中型到大型的用户则可以选择美国Cartesian Technology公司PA系列、SQ系列生
物芯片点样制作系统。这家公司在芯片技术刚出现时就致力于开发能将生物芯片变为现实
的点样制作系统，并得到生物芯片技术的开创者M.Schena的支持。通过与著名的点样针制
作厂家TeleChem公司联合，融合自身拥有多项专利的喷点技术，生产的芯片点样系统一直
在该领域独占鳌头。

　　PA系列是应用专利的 PinArrayTM （针阵列）技术，在玻片等基质上生产高密度芯片
的生物芯片点样系统，该系列的产品均使用TeleChem公司的 ChipMaker 和 Stealth 系列
点样针。点阵密度可以达到2500/cm2

　　PixSys 5500 PA Workstation.

　　适用于中等工作量研究用途的点样工作站。该系列配备精密的Telechem点样针，也可
同时选配synQUAD微定量喷头，点样快速、精确，适用范围广泛，使目前生物芯片点样系统
的主流产品。

 

　　ProSys 5510 PA Workstation. 

　　应用其专利的PinArrayTM 技术在玻璃片基上生产高密度芯片的高通量点样工作站。适
用范围广，点样快速精确，自动化程度高，一次可处理100张芯片，适合大规模的工业化生
产使用。
SQ系列生物芯片点样系统

　　SQ系列使应用其专利的synQUADTM 技术在各种类型的膜及玻片等基质上进行非接触的
同步喷点系统，还可以用来进行转板等微定量液体转移工作。点样速度可达1000点/分钟。


　　二、芯片片基 

　　用点样法制作芯片，除了专用的仪器外，还需要要选择合适的固相支持物--芯片片基
，也就是载体材料。一般来说各种芯片片基都选择经过相应处理的硅片、玻璃片、瓷片或
聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等作为支持物。作原位合成的支持物在聚合反应前要先
使其表面衍生出羟基或氨基（视所要固定的分子为核酸或寡肽而定）并与保护基建立共价
连接；作点样用的支持物为使其表面带上正电荷以吸附带负电荷的探针分子，通常需包被
以氨基硅烷或多聚赖氨酸等。我们在下面介绍一些常见的相关产品：

　　膜：与玻片相比，膜的优点是与核酸亲和力强，杂交技术成熟，通常无需另外包被。
由于尼龙膜与核酸的结合能力、韧性、强度都比较理想，以膜为基质的芯片绝大多数采用
尼龙膜。Schleicher & Schuell 公司是专业生产杂交/过滤膜的公司，著名的硝酸纤维素
膜即是该公司首家推出的。S&S的Nytran SuPer Charge正电荷尼龙膜带电量是常规正电荷
尼龙膜的3倍，与核酸的结合力更强，而且又大大降低了背景和非特异结合，克服背景高的
缺点，加上韧性强，反复杂交10次依然保持表面平整的优点，成为制作尼龙膜芯片的最佳
选择。Nytran SuPerCharge有多种规格，详细资料可以向基因有限公司查询。

　　玻片：用于制作芯片的玻片必须特别清洁和平滑。玻片表面必须包被合适的功能基团
能将靶DNA片段固定住并防止其在杂交洗涤过程中被冲洗掉。经表面化学处理的玻片是一种
持久的载体，它可耐受高温和高离子强度；玻片具有不浸润性，使杂交体积降低到最小，
因此提高了退火时的动力学参数，疏水表面可以使点密度大于亲水表面（因为亲水表面上
样品点将扩散）；玻片的荧光信号本底低，不会造成很强的背景干扰；玻璃芯片可使用双
荧光甚至多荧光杂交系统，可在一个反应中同时对两个以上的样本进行平行处理。由上可
知，以玻璃为载体的芯片更具有发展和应用的前景。

　　S&S公司的CAST Slides(Cat.No.10484181,20/box)将SuPerCharge正电荷尼龙膜附着在
玻片上，这种特殊的玻片综合了尼龙膜的高亲和力和玻片刚性的优点，是世界上第一个膜
结合玻片。而FAST Slides (Cat.No.10484182,20/box)则是在玻片表面包被一种专利的聚
合物，这种聚合物能迅速与DNA以非共价但是不可逆的方式结合。由于表面包被层的多孔性
和厚度使单位面积的DNA结合能力比常规化学表面处理玻片要高得多，使得检测更加灵敏。
其杂交方式和传统的杂交一样。适用的检测方法包括同位素检测、化学发光法和荧光检测-
-由于包被的多聚物有效降低对入射光的散射，FAST Slide同样适合用激光共聚焦成像系统
进行荧光检测。

　　TeleChem ArrayIt Super Microarray Substrates(25mm x 76mm)采用高清洁度，超平
表面的的玻片并进行化学修饰，各项技术指标居同类产品前列。SuperClean(Cat.No.SMC-2
5, etc.)， SuperAmine (Cat.No.SMM-25,etc.)和SuperAldehyd(Cat.No.SMA-25, etc.)三
种规格可偶联核酸、蛋白、甚至细胞，且偶联过程可以在室温及中性条件下进行。



　　Clontech提供的DNA-Ready Type I Slides (Cat.No.7880-1, 5 slides/box)是氨基修
饰的，能结合200bp-10kb的修饰和未经修饰的DNA，DNA-Ready Type II Slides 
(Cat.No.7881-1, 5 slides/box)是特殊氨基修饰的，能结合50bp-10kb的修饰和未经修饰
的DNA。

　　另外CEL公司也提供醛基化修饰的玻片Silylated Slides(Cat.No.CSS-25)。

　　三、点样样品 

　　点样样品的制备是非常关键的一步。样品的纯度、杂交特异性直接决定自制芯片的质
量和可信度。可以说，没有好的样品，自制芯片也就没有多大意义。

　　我们在前面介绍了Clontech公司的Atlas系列，其中Glass Array和Plastic Array上那
8300个基因对应的80碱基长寡核苷酸序列是经过Clontech公司专利软件在GenBank中筛选出
的同源性最低，又经Clontech实验确保能给出很强杂交信号的片断。这种精巧的设计保证
很高的分辨率、灵敏度，实在令人印象深刻。现在，你可以通过基因公司定购这些寡核苷
酸来制作自己的芯片了。足够点1000次芯片的8327个人类基因、5002个小鼠基因或者将近4
000个大鼠基因的寡核苷酸片断（冻干）放在96孔板中，连同100个Type II玻片和杂交盒，
200ml杂交液，全面满足中小型实验项目的需求。这些寡核苷酸序列数目齐全，质量可靠，
能为自制芯片的灵敏度和分辨率提供可靠的保证，也避免了合成8000多基因的麻烦。还有
更大包装可供选择。对Atlas Nylon Array上的200-600bp的cDNA片断感兴趣的研究人员则
可以选择Ready-to-Print cDNA 系列，共计5278个人类基因，3197个小鼠基因或者2727个
大鼠基因（每个基因片断有3ug，分装在96孔板中），均可定购。

Cat.No.
 Product(基因数目) 
 可点芯片数
 
CS2006 
 Human Long Oligos(8327)
 1000
 
CS2007  
 Mouse Long Oligo(5002)    
 1000 
 
CS2008
 Rat Long Oligo(4000)
 1000
 
CS2009
 Human Ready-to-Print cDNA(5278)
 3ug/gene
 
CS2011
 Mouse Ready-to-Print cDNA (3197)
 3ug/gene
 
CS2012
 Rat Ready-to-Print cDNA(2727)
 3ug/gene
 



　　如果人、小鼠和大鼠的这些Oligo还不能满足你的需要，那么可以选择Operon公司的Ar
ray-Ready Oligo Sets。刚被QIAGEN公司收购的Operon公司是世界著名的DNA合成专家，提
供包括有酵母基因组、人类基因组、小鼠基因组、疟原虫基因组和肺结核杆菌基因组的Oli
go sets。所有的OligoSets都是按最新的数据而设计的。由于测序速度的提升，更多新数
据涌现，Operon公司保证以后根据新数据设计的Oligos将以升级试剂盒的形式提供。

　　Yeast Genome Oligo Set里提供斯坦福大学酵母基因组数据库（SGD）中6307个酿酒酵
母的开放阅读框中挑选的长度为70-mer单链寡核苷酸和10个对照，所有的序列经过BLAST保
证同源性最低，避免非特异杂交。每种Oligo有2000pmol，足够点2000-6000张片。

　　Alaria Genome Oligo Set则包含整个Plasmodium falciparum疟原虫基因组6231个预
测的基因或ORF对应的70-mer寡核苷酸，以及138个对照，是由加州大学的芯片专家Dr.Joe 
DeRisi协助设计的。数据来源是Sanger中心和TIGR以及斯坦福大学。

　　Operon公司也提供Human Genome Oligo Set，包含13971个来源于UniGene中的已知基
因对应的70-mer寡核苷酸序列（Hs build 119）和29个对照。（The UniGene database 
automatically clusters all human Genbank sequences into a non-redundant set 
of genes. Similar databases are also available for the rat and mouse genomes. 
Each cluster in the UniGene database represents one unique gene. A cluster 
may contain many sequences, but one representative sequence has been selected 
based on the longest region of high-quality sequence data.）

　　Mouse Genome Oligo Set同样包含6868个已知基因对应的70-mer序列，数据来源也是M
ouse UniGene Build 83，还有16个对照。每个Oligo的量也是2000pmol。

　　Tuberculosis Genome Oligo Set包含4295个70-mer Oligo，其中大部分是来源于Sang
er中心测序的Mycobacterium tuberculosis H37RV (lab strain)基因组中预测的3924个基
因，另外371个是来源于TIGR（The Institute for Genomic Research）测序的TB 
strain CDC-1551中和前者同源性低于97%的预测基因。

　　除了购买现成的核酸，还可以通过自己合成寡核苷酸和PCR扩增模板的方法制备点样样
品。由于自己合成Oligo成本太高，只适于少量特殊样品。最常用的还是PCR扩增。一张芯
片上可不只10个8个样本，少则上百多则上千个样本的质粒纯化、PCR以及PCR产物纯化，加
上芯片上的样品量很有限，点样的纯度必须有保证，所以QIAGEN公司的96孔高通量核酸纯
化系列是最好的选择。一次可以纯化96个样品，大大简化了上百个样本纯化的工作量和操
作强度。

　　26171 R.E.A.L. Prep 96 Plasmid Kit(4x96)——高通量碱法纯化小量质粒DNA，只需
60-75分钟即可纯化96个样品，需要96孔板离心机。

　　27191 QIAprep 96 Turbo Miniprep Kit(4x96)——高通量碱法纯化小量质粒DNA，采
用真空抽滤的方法，只需45分钟即可纯化96个样品，无需96孔板离心机。质粒纯度高。
27781 QIAprep 96 M13 Kit(4x96——高通量纯化M13单链DNA，采用真空抽滤的方法，只需
45分钟即可纯化96个样品。

　　28181 QIAquick 96 PCR Purification Kit--采用真空抽滤的方法，利用硅胶膜技术2
5分钟内从PCR反应体系中回收高纯度的DNA，回收率高达90%(100bp-10kb)，可除掉 99.5 
%的引物，无需另外去除石蜡油，无需乙醇沉淀，无需酚、氯仿等有机试剂。纯化产物可直
接用于芯片点样或测序。

　　Telechem 公司：世界著名的芯片供应商，提供各种芯片方面的耗材和试剂。其PCR产
物纯化试剂盒利用高级滤膜技术，具有价格低、通量高、速度快等优点。无需乙醇沉淀，
无需酚、氯仿等有机试剂。90%以上的回收率，99.9%的DNA纯度，孔与孔之间的交叉污染小
于0.01%，每天可以纯化1000个以上的样品。

Telechem PCR Purification Kits
 
384-Well PCR Purification Kit 
 
PCR-384-01
 Starter Kit (1 x 384)
 ￥1,320 
 
PCR-384-10
 Mini Kit (10 x 384)
 ￥10,648 
 
PCR-384-50
 Midi Kit (50 x 384) 
 ￥48,246 
 
PCR-384-100
  Maxi Kit (100 x 384)
 ￥85,140 
 
96-Well PCR Purification Kit For 25ul PCR Reactions 
 
PCR-25-01 
 Starter Kit (1 x 96)
 ￥979 
 
PCR-25-10
 Mini Kit (10 x 96)
 ￥7,084 
 
PCR-25-50 
 Midi Kit (50 x 96)
 ￥28,369 
 
PCR-25-100 
 Maxi Kit (100 x 96)
 ￥53,218 
 
96-Well PCR Purification Kit for 100ul PCR Reactions 
 
PCR-101 
 Starter Kit (1 x 96)
 ￥1,122 
 
PCR-110
 Mini Kit (10 x 96)
 ￥7,788 
 
PCR-150
 Midi Kit (50 x 96)
 ￥31,911 
 
PCR-100
 Maxi Kit (100 x 96) 
 ￥56,694 
 

　　大规模样品纯化 

　　对于较大规模制作芯片的用户，由于点样样品数目太多，即使采用这种高通量试剂盒
还是不够方便。这时不妨考虑分子生物学的标准工作站--全自动核酸和蛋白纯化工作站。
这可不同于那种单一样品大量纯化的系统，而是特别适合芯片制作的很多个样品小量纯化
系统。

　　随着人类基因组、功能组的研究不断深入，生物芯片的研究在全世界开展的如火如荼
，它已经成为进行大规模分子生物学研究的有利工具。但是在芯片飞速发展的今天，样品
制备已经成为芯片发展的瓶颈所在。生物样品往往是各种组分的混合体，成分非常复杂，
传统的核酸和蛋白纯化方法需要花费大量的人力、物力、财力，而且许多有机试剂会对人
体造成不同的伤害。如今，您再也不用为纷繁复杂的纯化过程而烦恼了，世界上声誉卓著
的核酸纯化供应商--QIAGEN公司推出了全自动核酸和蛋白纯化工作站--4个不同的自动纯化
系统型号：BioRobot 8000，BioRobot 3000，BioRobot 9604，BioRobot 9600，加上QIAGE
N优质的多种配套纯化试剂盒--从质粒、粘粒、RNA、血液基因组DNA、病毒DNA到蛋白，品
种丰富，信誉卓著，带着德国人的严谨和自信，在欧美的生物医学市场上掀起了一场革命
，各大分子生物学中心、芯片中心、医学中心争相抢购。作为国内最大的生命科学领域内
的仪器和试剂供应商，我们有理由，更有责任将这套系统推荐给在生命科学领域内忘我工
作的科学家，为大家分忧解难，为促进中国的生物芯片产业发展尽牵线搭桥，为缩小与欧
美在生命科学领域内的差距尽一份薄力。

　　BioRobot 8000: 

　　专为基因组实验室设计，同时也可以用于其他分子生物学领域。高通量、快速、全自
动核酸纯化系统，功能强大的真空过柱、振荡混匀及加热制冷装置，无需离心即可进行核
酸纯化。8通道自动移液系统可以对384孔板进行准确、快速地移液处理。

　　特点：

　　1、高通量核酸纯化。
　　2、速度快、全自动样品传送及液面监控。
　　3、高精确处理384孔板。
　　4、提供优质配套试剂，结果重复性好。
　　5、具有功能强大的软件处理系统。
　　6、提供配套的优质试剂

　　BioRobot 3000:

　　此系列为可根据客户的不同需求量身定做的分子生物学平台。自动移液，软件功能强
大，用途广泛。主要可以应用于：基因组或质粒DNA，RNA纯化病毒DNA，RNA纯化，6×His
蛋白纯化，PCR产物纯化，PCR、测序及其它反应体系准备，Re-arraying。

　　特点：

　　1、根据客户的不同需求量身定做
　　2、灵活的操作系统、满意的结果
　　3、准确的枪头定位系统（根据液面不同）和液体传输系统
　　4、可选择与其他仪器（如分光光度计）连用的自动机械臂
　　5、自动的样品跟踪和过程控制系统（条形码扫描）
　　6、简单易学的软件操作系统
　　7、提供配套的优质试剂
　
　　BioRobot 9604； 

 

　　此仪器是专为临床样品和细胞培养液设计的核酸自动纯化的分子生物学工作站。可自
动从临床诊断样品（各种血样，体液，口腔刮离细胞及细胞培养物等）中纯化基因组DNA、
质粒DNA、RNA、病毒DNA及RNA，还可进行PCR产物纯化，PCR样品准备。适用于 医院，检验
科分子诊断，血库，检疫，海关病毒检测，血液分型，法医DNA指纹鉴定制药公司药物筛选
等。

　　特点：

　　满足分子诊断所需DNA的标准的、自动纯化操作过程
　　满意的得率和可信的结果
　　自动的样品跟踪和过程控制系统（条形码扫描）
　　可同时进行2X96样品，且有很好的可重复性
　　可安全处理有传染性的样品
　　配套的高质量试剂
　　简单易学的软件操作系统
　
　　BioRobot9600：

　　此仪器是为常规分子生物学研究设计的核酸纯化工作站。可以进行质粒DNA，RNA纯化
病毒DNA，RNA纯化， PCR产物纯化，PCR、测序及其它反应体系准备，Re-arraying。

　　特点：

　　 分子生物学标准的、自动核酸纯化操作过程
　　移液过程中不会造成交叉污染
　　配套的高质量试剂
　　简单易学的软件操作系统 
 
 
 
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