MEMS生物芯片在DNA检测方面的应用
MEMS生物芯片在DNA检测方面的应用[20200406112516]
摘 要
MEMS是一个由微电路以及微机械按照功能需要在芯片上的集成的微系统，该项技术能够灵敏、准确的运用于生物芯片研究。生物信息学的飞速发展使得DNA检测技术日益完善，本文在阅读了近年关于DNA检测的大量文献前提下，总结和比较了DNA生物传感器，基因芯片，聚合酶链式反应等检测方法的主要原理，类别以及发展方向。尤其对于表面等离子体共振生物传感器未来的发展做了一部分创新性的探索。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:DNA生物传感器芯片聚合酶链式反应表面等离子体共振
目 录
第一章 绪论 1
1.1生物芯片的发展历程 1
1.2 DNA检测发展历程和意义 1
1.3本文的研究内容 2
1.4本文的研究目标 2
第二章 几种典型的DNA检测方法的介绍与对比 3
2.1 DNA生物传感器 3
2.1.1电化学DNA传感技术 3
2.1.2质量型DNA传感技术 4
2.1.3光学DNA传感技术 5
2.1.3.1光纤DNA传感技术 5
2.1.3.2表面等离子体共振DNA 传感技术 6
2.2基因芯片 6
2.3聚合酶链式反应 8
2.4 DNA测序 9
2.4.1 经典的DNA测序技术 9
2.4.1.1 Sanger 测序 9
2.4.1.2 DNA 化学降解测序 10
2.4.2.1第一代DNA测序技术 11
2.4.2.2第二代DNA测序技术 11
2.4.2.3第三代DNA测序技术 12
2.5限制性内切酶酶谱分析 12
第三章 SPR生物芯片的综合研究 14
3.1表面等离子体共振（SPR）DNA传感技术简介 14
3.1.1原理分析 14
3.1.2产生方式 15
3.2几种典型的SPR芯片 17
3.3 SPR在DNA检测上的应用 18
3.4 SPR用于DNA检测的模型 19
第四章 结论与展望 25
参 考 文 献 26
致 谢 28
第一章 绪论
1.1生物芯片的发展历程
生物芯片（biochip依据生物分子之间产生的特异性作用的原则从而把生化分析进程集成在芯片表层。因为大多采用硅片作固相支持物使用，并且在制造过程中需要通过模拟计算机芯片来实现，所以称之为生物芯片技术。
生物芯片因为使用了微电子学并行处理和高密度集成，因而拥有高效、高信息量等优点。?
生物芯片拥有重要意义并且产生了极大的商业潜在优势,?北美及欧洲很多国家的政府与公司投入大批的人力和资源，以促进这项工作。例如美国国立卫生研究院、国防部、司法部与一部分大公司已经投入了数以亿记的美元。
1.2 DNA检测发展历程和意义
1869年，瑞士生物学家弗雷德里希·米歇尔（Friedrich Miescher）由白血球的细胞核内部分离出一类被他称做“核素”（nuclein，现称核酸）的物质。自此人类对于核酸进行了大量行之有效的研究。核酸带有遗传的信息，它是基因之所以能表达的基石，其种类包含脱氧核糖核苷酸（DNA,deoxyribonucleic acid）和核糖核酸（RNA，ribonucleic acid）。核酸在个体的生长，发育，繁殖等方面发挥着重大的作用。经过人 类长期不断的探索，DNA的研究工作得已获得极大突破，DNA检测技术种类也愈加丰富 。
DNA检测是一种新兴的检测方式，1978年的DNA检测首次出现是被用做测试镰刀性贫血症。之后的20年中,分子遗传学与基因组学得到了飞快的发展,人类到目前鉴别出了大约1 500种和人类疾有关联的基因。这一系列成果使得DNA检测用于临床实验不再是梦。
DNA用于DNA检测在诊断遗传疾病方面相较RNA与蛋白更加的稳定,并且它自受孕开始直到死亡都是不会发生改变的。另一方面DNA检测不再需要病理的活体标本。此特性对脑、心等难以获取活体标本的器官更有意义。
2003年的5月人类所完成的基因组高质量测序让生物医学的研究买入到后基因组的时代。在以后的5~10年里,人类DNA序列及其多样性的解读将有助于我们认识复杂疾病遗传因素,并可能达到当今成功剖析单基因遗传病的同样水平。确定遗传因素对常见复杂疾病的影响不仅可形成更多的、针对性的基因检测而且可实现基因组图谱的描绘。DNA检测可显著提高诊断的敏感性。这种检测能进一步证实临床诊断,解决由于表型重叠导致诊断不明的情况。当家族史资料不全或在迟发性遗传病发病前父母已经去世导致家族史缺无时,DNA检测可提供最好的实验诊断。它还能诊断早期隐匿性遗传病,为这些疾病的早期干预提供了可能。
1.3本文的研究内容
总结对比目前存在的DNA生物传感器用于DNA检测的检测方法,重点分析出表面等离子共振(SPR)在DNA检测上的应用,基于SPR建立模型从分子内在结构上分析如何探测核苷酸的排列序列。
1.4本文的研究目标
通过阅读大量关于DNA检测方面的文献，能够对DNA生物传感器，基因芯片，聚合酶链式反应等DNA检测方法有初步的了解，并且将表面等离子共振(SPR)与以上几种检测方法做对比分析，得到此项技术存在的优势以及如何弥补其不足。
第二章 几种典型的DNA检测方法的介绍与对比
2.1 DNA生物传感器
从20世纪中期开始，伴随人类对生命的本质过程和生命体与其生存环境的信息交流的认识的加深，新的分析技术的研究与开发越来越重要。生物传感器（biosensor）在分析生物技术上充当了非常重要的角色。生物传感器的传感原理如图2-1所示，它主要由生物敏感膜和换能器构成。待分析样品扩散进入到生物敏感膜发生了分子识别作用，因此产生了生物学反应，换能器的作用是将信息转换成为可以定量处理的信号。
图2-1 生物传感器原理图
依据信号转换原理的不同，DNA传感技术可以分成电化学型、质量型和光学型 DNA 传感技术。
2.1.1电化学DNA传感技术
电化学DNA传感技术始于20世纪60年代，经过十几年的发展已成为一种全新的，高效的DNA检测技术。
图2.2 电化学DNA 传感器的工作原理图
图2-2可以得到电化学DNA传感器的组成方式：一个支持DNA探针的电极以及用于检定的电活性杂交指示剂（hybridization indicator）。DNA探针为已知序列的单链DNA（ss-DNA）分子，一般为寡聚核苷酸，通过吸附法，共价键结合法和自组装膜法固定在固体电极上，形成DNA修饰电极。在一定条件下，DNA探针能够与靶DNA选择性的杂交，形成双链DNA（ds-DNA）,通过杂交指示剂来识别电极表面结构的改变，达到检测靶DNA的目的。目前DNA电化学已广泛应用于临床诊断，药物分析和环境监测等诸多领域。Kazunori Ikebukuro等人用两种不同寡核苷酸适配子夹持凝血酶构造三明治模式的新型电化学检测系统，用于蛋白质的检测。观察到凝血酶的添加浓度依赖性方式通过（PQQ）GDH产生的电流的增加，以及显示凝血酶浓度在40-100纳米范围内的增加的线性响应。
DNA电化学生物传感器具有的优势：特异性好，稳定性好，灵敏度高，这类传感器在完成DNA操作方式上有很强的通用性，使得标准化易于实现。然而，也有限制其发展的问题，较低的灵敏度与稳定性。电化学 DNA 传感器的未来研究方向是阵列化、微型化、高灵敏、快速、稳定等等。
2.1.2质量型DNA传感技术
摘 要
MEMS是一个由微电路以及微机械按照功能需要在芯片上的集成的微系统，该项技术能够灵敏、准确的运用于生物芯片研究。生物信息学的飞速发展使得DNA检测技术日益完善，本文在阅读了近年关于DNA检测的大量文献前提下，总结和比较了DNA生物传感器，基因芯片，聚合酶链式反应等检测方法的主要原理，类别以及发展方向。尤其对于表面等离子体共振生物传感器未来的发展做了一部分创新性的探索。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:DNA生物传感器芯片聚合酶链式反应表面等离子体共振
目 录
第一章 绪论 1
1.1生物芯片的发展历程 1
1.2 DNA检测发展历程和意义 1
1.3本文的研究内容 2
1.4本文的研究目标 2
第二章 几种典型的DNA检测方法的介绍与对比 3
2.1 DNA生物传感器 3
2.1.1电化学DNA传感技术 3
2.1.2质量型DNA传感技术 4
2.1.3光学DNA传感技术 5
2.1.3.1光纤DNA传感技术 5
2.1.3.2表面等离子体共振DNA 传感技术 6
2.2基因芯片 6
2.3聚合酶链式反应 8
2.4 DNA测序 9
2.4.1 经典的DNA测序技术 9
2.4.1.1 Sanger 测序 9
2.4.1.2 DNA 化学降解测序 10
2.4.2.1第一代DNA测序技术 11
2.4.2.2第二代DNA测序技术 11
2.4.2.3第三代DNA测序技术 12
2.5限制性内切酶酶谱分析 12
第三章 SPR生物芯片的综合研究 14
3.1表面等离子体共振（SPR）DNA传感技术简介 14
3.1.1原理分析 14
3.1.2产生方式 15
3.2几种典型的SPR芯片 17
3.3 SPR在DNA检测上的应用 18
3.4 SPR用于DNA检测的模型 19
第四章 结论与展望 25
参 考 文 献 26
致 谢 28
第一章 绪论
1.1生物芯片的发展历程
生物芯片（biochip依据生物分子之间产生的特异性作用的原则从而把生化分析进程集成在芯片表层。因为大多采用硅片作固相支持物使用，并且在制造过程中需要通过模拟计算机芯片来实现，所以称之为生物芯片技术。
生物芯片因为使用了微电子学并行处理和高密度集成，因而拥有高效、高信息量等优点。?
生物芯片拥有重要意义并且产生了极大的商业潜在优势,?北美及欧洲很多国家的政府与公司投入大批的人力和资源，以促进这项工作。例如美国国立卫生研究院、国防部、司法部与一部分大公司已经投入了数以亿记的美元。
1.2 DNA检测发展历程和意义
1869年，瑞士生物学家弗雷德里希·米歇尔（Friedrich Miescher）由白血球的细胞核内部分离出一类被他称做“核素”（nuclein，现称核酸）的物质。自此人类对于核酸进行了大量行之有效的研究。核酸带有遗传的信息，它是基因之所以能表达的基石，其种类包含脱氧核糖核苷酸（DNA,deoxyribonucleic acid）和核糖核酸（RNA，ribonucleic acid）。核酸在个体的生长，发育，繁殖等方面发挥着重大的作用。经过人 类长期不断的探索，DNA的研究工作得已获得极大突破，DNA检测技术种类也愈加丰富 。
DNA检测是一种新兴的检测方式，1978年的DNA检测首次出现是被用做测试镰刀性贫血症。之后的20年中,分子遗传学与基因组学得到了飞快的发展,人类到目前鉴别出了大约1 500种和人类疾有关联的基因。这一系列成果使得DNA检测用于临床实验不再是梦。
DNA用于DNA检测在诊断遗传疾病方面相较RNA与蛋白更加的稳定,并且它自受孕开始直到死亡都是不会发生改变的。另一方面DNA检测不再需要病理的活体标本。此特性对脑、心等难以获取活体标本的器官更有意义。
2003年的5月人类所完成的基因组高质量测序让生物医学的研究买入到后基因组的时代。在以后的5~10年里,人类DNA序列及其多样性的解读将有助于我们认识复杂疾病遗传因素,并可能达到当今成功剖析单基因遗传病的同样水平。确定遗传因素对常见复杂疾病的影响不仅可形成更多的、针对性的基因检测而且可实现基因组图谱的描绘。DNA检测可显著提高诊断的敏感性。这种检测能进一步证实临床诊断,解决由于表型重叠导致诊断不明的情况。当家族史资料不全或在迟发性遗传病发病前父母已经去世导致家族史缺无时,DNA检测可提供最好的实验诊断。它还能诊断早期隐匿性遗传病,为这些疾病的早期干预提供了可能。
1.3本文的研究内容
总结对比目前存在的DNA生物传感器用于DNA检测的检测方法,重点分析出表面等离子共振(SPR)在DNA检测上的应用,基于SPR建立模型从分子内在结构上分析如何探测核苷酸的排列序列。
1.4本文的研究目标
通过阅读大量关于DNA检测方面的文献，能够对DNA生物传感器，基因芯片，聚合酶链式反应等DNA检测方法有初步的了解，并且将表面等离子共振(SPR)与以上几种检测方法做对比分析，得到此项技术存在的优势以及如何弥补其不足。
第二章 几种典型的DNA检测方法的介绍与对比
2.1 DNA生物传感器
从20世纪中期开始，伴随人类对生命的本质过程和生命体与其生存环境的信息交流的认识的加深，新的分析技术的研究与开发越来越重要。生物传感器（biosensor）在分析生物技术上充当了非常重要的角色。生物传感器的传感原理如图2-1所示，它主要由生物敏感膜和换能器构成。待分析样品扩散进入到生物敏感膜发生了分子识别作用，因此产生了生物学反应，换能器的作用是将信息转换成为可以定量处理的信号。
图2-1 生物传感器原理图
依据信号转换原理的不同，DNA传感技术可以分成电化学型、质量型和光学型 DNA 传感技术。
2.1.1电化学DNA传感技术
电化学DNA传感技术始于20世纪60年代，经过十几年的发展已成为一种全新的，高效的DNA检测技术。
图2.2 电化学DNA 传感器的工作原理图
图2-2可以得到电化学DNA传感器的组成方式：一个支持DNA探针的电极以及用于检定的电活性杂交指示剂（hybridization indicator）。DNA探针为已知序列的单链DNA（ss-DNA）分子，一般为寡聚核苷酸，通过吸附法，共价键结合法和自组装膜法固定在固体电极上，形成DNA修饰电极。在一定条件下，DNA探针能够与靶DNA选择性的杂交，形成双链DNA（ds-DNA）,通过杂交指示剂来识别电极表面结构的改变，达到检测靶DNA的目的。目前DNA电化学已广泛应用于临床诊断，药物分析和环境监测等诸多领域。Kazunori Ikebukuro等人用两种不同寡核苷酸适配子夹持凝血酶构造三明治模式的新型电化学检测系统，用于蛋白质的检测。观察到凝血酶的添加浓度依赖性方式通过（PQQ）GDH产生的电流的增加，以及显示凝血酶浓度在40-100纳米范围内的增加的线性响应。
DNA电化学生物传感器具有的优势：特异性好，稳定性好，灵敏度高，这类传感器在完成DNA操作方式上有很强的通用性，使得标准化易于实现。然而，也有限制其发展的问题，较低的灵敏度与稳定性。电化学 DNA 传感器的未来研究方向是阵列化、微型化、高灵敏、快速、稳定等等。
2.1.2质量型DNA传感技术
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/2375.html
