本文件介绍了生物晶片和微阵列技术的基本概念与历史。生物晶片用于快速分析生物信息，广泛应用于新药开发和环境监测。文中还提及了人类基因组计划和基因的发现历程，以展示生物技术的发展进程。

1. Introduction Microarray Chip Speaker : Jong-Waye Ou 2009/7/20

2. Outline Introduction Background Gene History Human Genome Project Introduction to Molecular Biology Biochip Design and Technology Biochip Image and Data Analysis References

3. Introduction What is BioChip ? 生物晶片是泛指採用半導體策略於生物性分析所產生的微小化裝置，也就是將傳統大型的分析、檢驗等器具，予以微小化、積體化以及平行多工化。生物晶片通常以矽晶片、玻璃或高分子為基質，以微小化技術整合生物有機分子 ( 如核酸或蛋白質 ) 為生化探針，用來檢測或分析生物性分子。生物晶片的體積小、反應快速並且能夠平行分析大量生物資訊，因此適用於生化處理、分析、檢驗、新藥開發及環境監測等用途上。

4. 依製程的不同可分為微陣列晶片（ microarray ）及實驗室晶 片（ lab-on-a-chip ，又稱微處理晶片），微陣列晶片依載 片上的探針材質又可分為基因晶片及蛋白質晶片。 生物晶片 (BioChip) 微陣列晶片 (Microarray) 微流體晶片 (Lab-on-Chip) 基因晶片 (Gene-Chip) 蛋白質晶片 (Protein-Chip)

5. Background 生物晶片有著許多不同的名稱。其中最常聽到的有 Microarray 、 Biochip 、 Gene chip 、 cDNA microarray 、 Protein chip 、 Tissue chip 、 Lab-on-a-chip 等名稱。 生物晶片 (Biochip) 概念起源於二十世紀 80 年代末期，是結合微電子、微機械、生命科學和生物資訊等領域技術的綜合產品。而此技術可將成千上萬各基因探針同時放置在玻璃玻片、尼龍薄膜材質或高分子材料上。經自動化程序及統計方法相關基因組就可偵測出來，對基因功能研究有快速且深遠的影響，最近高密度 cDNA 微陣列技術 (complementary DNA Microarray Technology) 之發展也漸漸成熟。

6. Background 在 1995 年史丹佛大學 (Stanford University) Schena 等人在 Science 雜誌上發表第一篇生物基因微陣列後，用於偵測基因表現的研究 (Gene expression profile) [Schena et al ., 1995] 。 Stanford Microarray Database (SMD ; http://genome-www5.stanford.edu/) 成立在 1999 年 [Demeter et al ., 2007] 。自成立以來它的規模與範圍已經成為科學界常用的研究工具，並不限於史丹佛大學的研究人員與相關研究人員。

7. 基因簡史 (1) 1865 孟德爾 (Mendel): 遺傳的基本單位是「 遺傳因子 」。 直至 1900 年，孟德爾的研究始終不受注意 1909 約翰遜 (Johannsen ): 將孟德爾遺傳因子的概念正式定名「 基因 」 (gene) 。 1944 發現基因是由 去氧核醣核酸 (DNA - D eoxyribo n ucleic A cid) 組成。 1953 James Watson and Francis Crick : 提出基因結構為 雙股螺旋 (Double Helix) ( 後來得到諾貝爾獎 ) 。

8. 基因簡史 (2) 科學史上最孤獨的天才 - 孟德爾 孟德爾發表論文 ( 遺傳法則 ）後，曾印製 40 份單行本分送世界各國權威，其中包括 達爾文 。然人們在達爾文藏書中找到孟德爾論文時，連頁並沒割開，因此 達爾文可能連看都沒看過 。 孟德爾 的不幸乃是因其處於巨人 達爾文 的陰影之下。加上當時生物界認為對 進化論 ( 適者生存、自然淘汰） 而言，物種間的雜交比物種內的雜交來得重要多了。 1900 年三位科學家同時獨立地重新發現“ 孟德爾定律 ” ( 遺傳法則 ） ，孟德爾超前 35 年的科學才重新被研究。但這卻也悲哀地証明，孟德爾論文的出現與否，對生物學的研究沒有影響。

9. 基因簡史 (3) 科學史上最孤獨的天才 孟德爾 失敗原因 生不逢時，處於巨人 達爾文進化論 的陰影之下。 馬太效應 ，達爾文進化論太過成功使人們認為其遺傳理論泛生學說應不遑多讓，而孟德爾理論與之相悖，故不受重視。 ( 馬太效應，意即錦上添花 ) 。 不擅推銷，發表不受重視後，紫羅蘭、玉米、紫茉莉的實驗雖亦驗証其理論，但終生未再發表。 使用統計，當時生物界不認為生物會與數學相關，也懶得去了解數字間的關係， 孟德爾卻是首位使用統計數學的生物學家 ，一般生物學家難以理解。 孟德爾臨死前數月曾說過：「我深信世界承認這工作成果已為期不遠了，雖說不遠、其實也不近…」。他逝世後又過了 16 年到 1900 年，其成就才被世人所接受。

10. DNA Double Helix ( 雙股螺旋） (1)

11. DNA Double Helix ( 雙股螺旋） (2)

12. 人類基因體計畫 (1) 1990 啟動 人類基因體計畫 (Human Genome Project) 以美、英、德、法、日、中國為首，共十八個國家參與序列解讀工作。 1995 流行性感冒嗜血桿菌 (haemophilus influenzae) 成為史上第一個被定序的有機生命體。 ( 見下頁圖）

13. 人類基因體計畫 (2) 1998 賽雷拉 (CELERA) 公司加入基因研究計畫 賽雷拉公司加入後，利用快速 DNA 自動定序儀 、使用電腦來辨識基因所在。定序期間電腦不斷利用既有法則做修正改進工作。 2000 人類 DNA 序列草圖 完成 因賽雷拉公司之加入、使得人類基因體草圖解序提早三年 ( 原訂 2003 年完成 ) 。

14. 基因小常識 生物體內有多少個基因？ 人類約三萬至四萬個 蛔蟲約一萬九千個 酵母菌約六千個 結核病菌約四千個 不同個體間的 DNA 差異有多大？ 人與人之間，差異約 0.2% 人與黑猩猩之間，差異約 2% 我們尚不了解其作用的 DNA ，約佔 97%

15. 分子生物簡介 DNA RNA 複製 (Replication) 、轉錄 (Transcription) 、轉譯 (Translation) 蛋白質 (Protein) 、胺基酸 基因密碼

16. 核酸的發現 核酸的發現是從傷口的膿汁而來的 核酸物質在 1869 年，被 米謝 (Miescher) 所發現。他從醫院患者繃帶收集 膿汁 並作研究。選擇膿汁的理由是因為膿汁裡包含大量與細菌作戰而死的白血球。其體積遠比一般細胞大，易於觀察研究。經其萃取白血球細胞核內物質後得到 含磷酸 且易染於鹼性色素之物質。因為來自 細胞核 ，故命名 核酸 。 同時期 孟德爾 亦發現 遺傳法則 並預知遺傳物質的存在。可惜在孟德爾的 遺傳因子 ( 基因 ) 被証明為核酸之時，時光已經又過了 80 年。

17. DNA 位置 DNA 位於細胞核內之「 核仁 」

18. ↑ 染色體層次圖 ( 由左至右 ) ← 染色體結構圖 ( 由上至下 ) 染色體的股線緊密折疊，一般認為染色體是由很長的 DNA 雙螺旋鏈 盤捲在組織蛋白質 (histone) 分子上，像珠子串在一條線上的形式形成 染色質 (chromatin) 。例如，一條人類染色體之 DNA 平均長度為 5Omm 。 DNA 分子繞組織蛋白質分子結合成為 核體 (nucleosome) 單位 ，核體單位折疊緊縮形成 染色質纖維 (chromatin fiber) ，染色質纖維高度折疊形成 染色體的延伸部份 ，而纏繞又折疊形成 染色體的緊縮部份 。

19. DNA 雙股螺旋

20. DNA 中核甘酸間之鍵結

21. 核甘酸 核甘酸 (Nucleotide) 為核酸分子構成單元 核甘酸包含： 五碳糖 ( 去氧核糖 , deoxyribose) 磷酸基 (phosphate group) 含氮鹼基之一 (A 、 G 、 C 、 T 、 U) 胞嘧啶 (C)

22. DNA 四種含氮鹼基

23. DNA 序列形狀

24. DNA 序列

25. DNA 與 RNA 核甘酸 (Nucleotide) ： 腺嘌呤 (adenine, A) 鳥 糞 嘌呤 (guanine, G) 胞嘧啶 (cytosine, C) 胸腺嘧啶 (thymine, T) 尿嘧啶 (uracil, U) 去氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid , DNA) {A, G, C, T} ( 鹼基配對 : G  C, A=T ) 核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA) {A, G, C, U} ( 鹼基配對 : G  C, A=U, G  U )

26. DNA 的長度 人類 DNA 總長度大約是 3  10 9 (30 億 ) 鹼基對 (base pairs) 其中只有約 1%~1.5% 鹼基對有發揮作用 人類基因個數 : 三萬到四萬之間 此結果乃是來自人類基因體計畫 原先預期約十萬個

27. 轉錄與轉譯作用

28. DNA 、基因 (Gene) 、蛋白質 (Protein) DNA: 為細胞工作之程式 蛋白質 : 執行細胞賦予之工作 ( 程式 ) T C C AA C GG T G C T G A G G T G C AC Gene Protein DNA

29. DNA 的複製 (Replication)-- 動畫

30. DNA  RNA 轉錄 (Transcription) – 動畫

31. RNA  蛋白質 轉譯 (Translation) – 動畫

32. 蛋白質 (Protein) 的組成 胺基酸 (Amino Acid) 為蛋白質的基本單位， 共 20 種

33. 蛋白質分子形狀

34. 胺基酸分子形狀

35. 胺基酸的組成–基因密碼 每 三個核甘酸 (codon ，基因密碼 ) 對應至 一種胺基酸 。 AUG is also the “start” codon. U C A G GGU Gly [G] GGC Gly [G] GGA Gly [G] GGG Gly [G] GAU Asp [D] GAC Asp [D] GAA Glu [E] GAG Glu [E] GCU Ala [A] GCC Ala [A] GCA Ala [A] GCG Ala [A] GUU Val [V] GUC Val [V] GUA Val [V] GUG Val [V] G U C A G AGU Ser [S] AGC Ser [S] AGA Arg [R] AGG Arg [R] AAU Asn [N] AAC Asn [N] AAA Lys [K] AAG Lys [K] ACU Thr [T] ACC Thr [T] ACA Thr [T] ACG Thr [T] AUU Ile [I] AUC Ile [I] AUA Ile [I] AUG Met [M] A U C A G CGU Arg [R] CGC Arg [R] CGA Arg [R] CGG Arg [R] CAU His [H] CAC His [H] CAA Gln [Q] CAG Gln [Q] CCU Pro [P] CCC Pro [P] CCA Pro [P] CCG Pro [P] CUU Leu [L] CUC Leu [L] CUA Leu [L] CUG Leu [L] C T h i r d P o s i t i o n U C A G UGU Cys [C] UGC Cys [C] UGA Ter [end] UGG Trp [W] UAU Tyr [Y] UAC Tyr [Y] UAA Ter [end] UAG Ter [end] UCU Ser [S] UCC Ser [S] UCA Ser [S] UCG Ser [S] UUU Phe [F] UUC Phe [F] UUA Leu [L] UUG Leu [L] U F i r s t P o s i t i o n G A C U Second Position of Codon

36. 胺基酸小常識 必需胺基酸：人體無法合成，必須靠食物來攝取的胺基酸。 非必需胺基酸：人體可以利用其它的物質來合成的胺基酸。 Asparagine Arginine Asparagine Lysine Glutamic acid Histidine Aspartic acid Tryptophan Tyrosine Phenylalanine Proline Methionine Cysteine Threonine Alanine Isoleucine Alanine Leucine Glycine Valine 非必需胺基酸 必需胺基酸

37. 分子生物技術綱要 電泳法 (electrophoresis, EP) PCR (Polymerase Chain Reaction, 聚合脢鏈鎖反應 ) 放大技術 墨點技術 南方墨點 (Southern blotting) 北方墨點 (Northern blotting) 西方墨點 (Western blotting)

38. 電泳法 電泳法 (electrophoresis, EP) – 分子量測定技術 分子愈大、泳動愈慢 ；帶電愈大、泳動愈快 利用 SDS 陰離子介面活性劑 中和其電量，使其泳動速度單純由分子大小決定 將之與蛋白質標準溶液 (protein marker) 同跑電泳、比較其相對位置即可測知分子量大小

40. SDS 有一個極性頭部 ( sodium dodecyl sulfate, 硫酸十二酯鈉 ) 與一條非極性尾巴。 因此 SDS 可以介入極性與非極性基團之間，是一種 界面活性劑 ，就是俗稱的 清潔劑 。 SDS 可以把非極性尾巴鑲入蛋白質三級構造的內部，而以其極性頭部與外界的水分子結合，因而使得蛋白質變性。

41. 理論上 SDS 是很均勻的吸附到蛋白質上，因此不管原來蛋白質分子的大小，每種蛋白質分子上 所吸附的負電荷密度是相同的 。

42. 蛋白質 Z 在左邊的 native-PAGE 中無法向下泳動，但在右邊的 SDS-PAGE 則可以依其分子量正確泳動；因此一般使用上， SDS-PAGE 的應用較廣泛。 在 SDS-PAGE 下，雖然 X 分子被解構成單元體，因此分子量由 160 kD 變成 40 kD ；但若在較為溫和的樣本處理條件下，有可能看到未完全解構的 160 kD 蛋白質色帶。

43. 分子生物技術– PCR PCR(Polymerase Chain Reaction) 放大技術 – DNA 複製技術 DNA 雙股螺旋達一定熱度以上時即會分開成為單鏈 此時加入 引子 (primer) ，其自動與分開之單鏈結合並以其為模版進行複製 降低溫度使其恢復為原先之雙股螺旋結構 重覆上述三個步驟，就可依指數成長速度大量複製 DNA 我們以 Flash 動畫說明其進行步驟，如下：

44. PCR 放大過程–動畫

45.  PCR 流程簡圖 PCR 機器 

46. 分子生物技術 – 墨點技術 南方墨點 (Southern Blot) 、 北方墨點 (Northern Blot) 、 西方墨點 (Western Blot) – 基因變異檢測技術 先使用電泳法將大分子切開成小分子並予以分離。 將小分子轉印 (blotting) 至濾膜上。 用標記之探針 (probes) 與之進行雜交 (hybridization) 。 辨識雜交後之資訊，即可對有興趣的序列進行鑑定或分離。

47. 電泳法後，將結果轉錄至濾膜上 使用探針在膜上進行雜交 辨識雜交結果，並對有興趣部份進行鑑定或分離

48. 分子生物技術 – 墨點技術之異同 南方墨點法 (Southern blotting) 使用於 DNA 方面 北方墨點法 (Northern blotting) 使用於 RNA 方面 西方墨點法 ( 免疫墨點法， Western blotting) 使用於蛋白質方面 三者的使用 流程及概念大致皆相同 ，不同的是實驗材料有異。

49. 南方墨點法 ( 使用於 DNA) Step 1: 將 DNA 片段先藉瓊脂凝膠電泳分開。 Step 2: 藉“轉印（ blotting ）”法將之轉移到一個硝酸纖維素濾膜上。 Step 3: 採用放射性標記核酸探針（ radioactively labeled nucleic acid probes ）與之進行雜交（ hybridization ）。 Step 4: 對感興趣的核酸序列進行鑑定或分離。

50. 北方墨點法 ( 使用於 RNA) 進行步驟： Step 1: 使用凝膠電泳分離出 RNA 。 Step 2: 轉移到其他的高分子擔體上固定。 Step 3: 用標記之 DNA 探針雜交。 Step 4: 對所要研究的 RNA 進行鑑定。 此方式的困難點在於 RNA 的處理較為費事。但藉由此方法，我們可以得到基因轉錄表現的第一手資訊。

51. 西方墨點法 ( 使用於蛋白質 ) 別名 免疫墨點法 ，主要用於偵測抗原及研究抗體、抗原間的特異性。 進行步驟： Step 1: 抗原蛋白質膠體電泳分析。 Step 2: 將分離的 polypeptides 轉移至轉移膜 (membrane) 上。 Step 3: 將膜上非特異性的結合位置覆蓋住。 Step 4: 加入抗體反應。 Step 5: 偵測

52. 西方墨點的應用–檢測玉米是否基因改造–動畫

53. Biochips Design and Technology 生物晶片原理 生物晶片設備 生物晶片種類 基因晶片 (Gene chip, DNA microarray) 寡核酸陣列 (Oligonucleotide microarray) 互補核酸陣列 (cDNA microarray) 晶片實驗室 (Lab-on-a-chip) 蛋白質晶片 (Protein chip) 生物晶片載片與材質

54. 生物晶片原理 (1) 將數千甚至數萬個點 (spot)- 單股 DNA ，別名 探針 (probe) ，以高密度方式植在約拇指大小之晶片，利用生物結合特性做到同時大量偵測反應效果。 探針來源：寡核甘酸 (oligonucleotide) 或已經存在於基因庫中的互補核甘酸 cDNA 晶片材質：玻璃片、尼龍薄膜 除 DNA 外，亦可將蛋白質 (proteins) 、抗原 (antigen) 、抗體 (antibody) 放在晶片上做不同之偵測及應用

55. 生物晶片原理 (2) 一個正常細胞的 mRNA ，另一個是有經處理的 mRNA ，經反轉錄成 cDNA ，在反轉錄期間分別在 cDNA 尾端（ UTP ）或頭端（ GTP ）加入一種螢光標識，染有螢光黃（ Cy3 ）的及染有玫瑰紅螢光染劑（ Cy5 ）。而加上螢光染劑原理是將原本鍵結 T 或 G 的打掉，換潻加含有螢光染劑 U 或 G 上去。兩種樣本相混合， 帶有螢光的探針與晶片上的標的基因做雜合反應 ，之後再將沒有雜合的探針給篩洗悼，減少雜訊。最後，經由 電腦程式分析其呈色結果 藉由 DNA 生物晶片 分析基因表現之原理 ：

56. ← Ezspot Arrayer 左圖為生物晶片打點機，下方為其玻璃載片或薄膜載片。此機種為 DNA 及蛋白質皆適用多功能機型。

57. 生物晶片設備 (1) 圖一：生物晶片，一台調控電腦、氣體操作成分、及一個小室。 生物晶片 是一種微型裝置，利用微電子技術將大型的儀器微小化。在微小化後的裝置上放置多種特定的生物材料，此些生物材料可以與其他物質發生特異性的生化反應。反應後的訊號可被定量，此種結合 微電子、微流體與生物 技術的微型裝置稱之

58. 生物晶片設備 (2) 圖二：一個模板上含有標準 48 個顯微鏡的玻片、 microtiter 放置在一個可裝載及卸下的模板上、沖洗及乾燥站。 一般商業用的晶片機械裝備包含一個懸臂式 XYZ 手臂，在手臂上裝載著 十六個針筆 、 48 個固定的顯微鏡玻片 、 20 個 microtiter 可裝載和卸下、 篩洗和乾旱站 及一台調控氣體管理成分，皆放在一個小房內。

59. 生物晶片設備 (3) 圖三：含有 16 針筆的 xyz 的機械手臂 。 探針的裝填是相當有彈性的，可依盤數、坡片的大小及材質而點制適當的位置，而電腦控制其他成分和允許操作者輸入各種變數，如探針數、盤數、玻片數及間隔、玻片樣式。

60. Gene chip and DNA Microarray ( 一 ) 基因晶片 (Gene chip, DNA micro-array ) ：利用共軛互補的核酸為探針，整齊排列晶片之上。使用其互補序列之核酸雜交結合，藉此進行樣品檢驗或環境檢測。另外依晶片上之 探針 種類不同，基因晶片尚可細分為下列兩種： 寡核酸陣列 (oligonucleotides microarray) 互補核酸陣列 (cDNA microarray)

61. Lab-on-a-chip 晶片實驗室 (Lab-on-a-chip ) ：整合若干微管道及微反應於一塊晶片上以完成各種樣品處理、反應或分析檢測，功能類似一個小型實驗室之縮影。依功能尚可細分成下列兩種： PCR 晶片 (PCR chip) 毛細管電泳晶片 (capillarylectrophoresis chip) 將實驗室微小化在晶片上的結果，醫生可能在辦公室內用手掌般大小的實驗室晶片，數分鐘內立即快速且診斷出病人的疾病，對症下藥。平行化大量分析的實驗室晶片，可以快速且大量合成及篩選新藥，加速新藥的開發。

62. Protein Chip ( 三 ) 蛋白質晶片 ：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，用以檢測蛋白質。其尚待克服之技術瓶頸如下： 有效提升結合於晶片上之抗體或結合物之穩定性 有效鍵結具正確方向及足夠數量之抗體或結合物於晶片上 研發足夠數量可資辨識不同生命物質的擷取抗體或晶片結合物 有效提升晶片的偵測靈敏度 依不同用途、材質、訊號傳導、生物相容性等等上有諸多問題待解決

63. Protein Chip

64. 生物晶片材質 陶瓷基複合材料（玻璃、二氧化矽） 成本低、可重製，但破壞性容忍度差 熱塑性複合材料（聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯） 具抗濕性及破壞容忍度高之優點 金屬基複合材料（金、二氧化鈦） 除抗濕性及破壞容忍度高之優點外，尚具有絕佳傳導性之優點 現今最常使用於檢測抗原抗體反應的基材主要是 熱塑性複合材料 ；而 金屬基複合材料 則以壓電晶體感測器較為廣泛使用

65. 生物晶片載片型式

66. 玻璃載片型式優劣比較 蛋白質液 易蒸發 難適用於各種以水溶液為基礎之反應 易交叉污染 適用於標準之微陣列打點機與檢測儀器 ( 如掃描機 ) 成本較低 利用現成 DNA 晶片所使用之微陣列打點機將蛋白質液點在玻璃載板上 平面玻璃載體晶片 缺點 優點 原理 晶片種類

67. 多孔膠墊載片型式優劣比較 雖可適用於水溶液為基礎之反應，然樣本需 較長之洗滌時間 成本較高 利用光顯影技術 (photo-lithography) 來製作基質 適用於標準之微陣列打點機與檢測儀器 ( 如掃描機 ) 能固定於晶片上之蛋白質量較多 凝膠中之緩衝液可降低蛋白質變性之機率 不易產生交叉污染 以聚炳烯醯胺凝膠 (polyacrylamide gel) 點在玻璃板上，蛋白質樣本即固定在其中 立體多孔膠墊晶片 缺點 優點 原理 晶片種類

68. 微孔晶片載片型式優劣比較 雖可適用於標準之微陣列打點機與檢測儀器，然 機器需重新排列與校正 微孔各自獨立，不易產生交叉污染原別適用於蛋白質之生化反應，且反應靈敏度高，方便更換緩衝液 蛋白質液 不易蒸乾 成本較低 適用於自動化之設計 在矽彈性平板 (silicon ela-stomer sheets) 中之微陣列設計微孔洞，先將受質 (capture agents 抓住特定蛋白質之媒介物質 ) 黏附於每個微孔洞底部，再將蛋白質置於微孔洞中反應及分析 微孔晶片 缺點 優點 原理 晶片種類

69. Biochip Sample Spotted DNA arrays Affymetrix gene chips Ink-jet microarrays (Agilent)

70. Spotted DNA arrays ( 設計製造 ) 1. 使用 PCR 放大技術複製 DNA (PCR amplification) 2. 使用純化技術保留目標 DNA (Purification) 3. 將目標 DNA 利用精密儀器以高密度方式分段依序載於薄膜上 (Robotic printing)

71. Spotted DNA arrays ( 操作使用 ) 4. 將紅色螢光加在 RNA 1 上，並將綠色螢光加在 RNA 2 上 5. 將加過不同螢光的兩個 RNA 分別置於薄膜上做雜交結合 (Hybridize) 6. 雜交結合完畢後，清洗薄膜並分別掃描其結果影像 (Wash, Scan 1 & Scan 2)

72. Spotting Robot

73. Spotted DNA arrays ( 結果判讀 ) 7. 將分別掃描之兩者影像，使用軟體結合後，可得出其合併結果如左。 紅色者為 RNA 1 表現較強部份 綠色者為 RNA 2 表現較強部份 黃色者則為兩者表現強弱相似

74. Affymetrix gene chips ( 設計製造 ) 運用光刻法技術 (Photolithography technology) ，將核甘酸一一建築於晶片之上，最長長度為 25mer 。 其探針可彈性任意設計 ( 其它晶片之探針多為實體 DNA 切段而來 ) 。

75. Affymetrix gene chips ( 操作使用 ) 選用適合之晶片，在其上有大量數目之單股螺旋，長度各為 25 mers 。 其中一半為完美配對 (perfectly match -PM) 另外一半為瑕疵配對 (one mismatch –MM) 基因表現強度判定式子為： PM-MM

76. Affymetrix gene chips ( 操作使用 ) 將紅色螢光標記之目標 RNA 區段與晶片上之 DNA 做雜交結合。

77. Affymetrix gene chips ( 結果判讀 ) 結果如左圖示。結合程度較高之區域 (cells) 會顯現出較強之紅色螢光。 完全不發光者則是沒有結合的區域。 依螢光強度可判定基因表現程度。

78. 生物晶片設計製造操作–動畫

79. Ink-jet microarrays( 設計製造 ) 使用特殊生物墨水噴射技術，將所需之 DNA 直接“印”在晶片上，長度約為 25~60mers 。 優點為設計彈性大、且製造速度快，但缺點是過於昂貴。

80. Ink-jet microarrays ( 操作使用與結果判讀 ) Ink-jet microarrays 除設計製造方法較為特殊之外，其它操作使用與結果判讀方式與一般生物晶片並無二致。

81. Biochip Image and data analysis 影像擷取（尋點） 數值資料轉換 影像正規化 資料過濾 資料分類與分群

82. 影像擷取 ( 尋點 ) 尋點 (To find a spot) 生物晶片上的反應點間之距離相當接近，故辨識不易。除了操作疏失外，也可能有實驗污染干擾。第一步欲正確地抓取晶片上所有的反應點位置，即是一項大工程。

83. 影像擷取 ( 尋點 ) 影響電腦正確辨識反應點的因素如下： 反應點大小或形狀不正確 (Irregular size or shape) 。 反應點強度太弱反應點間互相渲染干擾 (Spot variance) 。 背景污染干擾 (background variance) 。

84. 影像擷取 ( 尋點 ) 反應點影像 可能錯誤 狀況舉例，由左至右分別為： 無法辨識 ( 顏色過淺 ) 顏色過深 錯誤反應點 ( 形狀有問題、顏色深淺也不一致 ) 排列位置不正確 人工失誤 ( 自然反應點顏色不可能會深淺差這麼多，中間還被分隔開 )

85. 數值資料轉換 數值資料轉換 (Convert feature into numeric data) 在除去各項干擾、正確判斷出反應點位置之後，接著需將反應點的影像資料轉換成電腦能比較的數值資料。 此步驟較為 簡單 、只需將影像之 RGB 值、亮度、對比 等資料循一定公式算出數值即可。

86. 資料正規化 資料正規化 (Data normalization) 由於每次實驗環境均有小差異、且各種掃描器對影像 RGB 值等亦有不同。為免這些變數影響數值資料之正確性，每次實驗均會有實驗組及對照組，以藉此 校正數值資料 。 誤差原因 如下： 著色誤差 (Dye bias) 位置誤差 (Location bias) 強度誤差 (Intensity bias) 插梢誤插 (Pin bias) 滑動誤插 (Slide bias)

87. 資料正規化範例 左圖為未正規化資料，右圖則是已正規化之資料 明顯可看出正規化後的顏色較為鮮明易辨認。

88. 資料過濾 資料過濾 (Data filtering) 資料過濾目的在於移除條件不符的基因，以增加處理的速度及正確性。 條件不符 原因可能如下： 異常點 ：顏色過深、背景過強、分佈不均等等 過於極端之點 統計理由 ：例如 p-value<0.01 之點 生物理由 而遭過濾 程式本身 掌握的點特性而濾除

89. 分類與分群 (1) 資料分類與分群 (Data classification and clustering) 分類 (Classification) 監督式學習 (Supervised learning) ：資料分群的目的 疾病鑑別 (identify disease) 結果預測 (predict outcome)/ 最佳處置 (select best treatment) 尋找資料中的自然分類 分群 (Clustering) 非監督式學習 (unsupervised learning) ： 尋找新的生物上分類 (find new biological classes)/ 改善既有分類 (refine existing ones) 探索 (exploration)

90. 分類與分群 (2) 一般常見之分類方法 決策樹 / 規則 (Decision Trees/Rules) 類神經網路 (Neural Nets) 基因數量精簡時，可能有不錯成效 支持向量機 (SVM – Support Vector Machine) 精確度高、具自我選擇性、但不易了解 K 芳鄰法 (K nearest neighbor) 基因數量少時可用，粗糙 貝氏網路 (Bayesian nets) 簡單但粗糙

91. 分類與分群 (3) 資料分群的目的 尋找資料中的自然分類 辨認新分類或新的基因相依關係 改善既有生物分類 支援生物分析或發現 分群方法 階層式分群法 (Hierarchical clustering) 、自我組織映射圖 (SOM’s, self organizing maps)

92. 生物晶片現況 自 1998 年 6 月 美國 宣佈正式啟動 生物晶片計劃 後，他國亦紛紛跟進 至今保守估計在美國就約有 3000 家的生物晶片公司，實際生產者約 100 家。而目前亦屬測試改良階段、故 實際皆未獲利 。 依末端市場不同，生物晶片可區分為「研究用」及「臨床檢驗用」晶片兩種 目前由於製作 技術及門檻皆高 ，故實際市場及成長規模相當有限。但 日後潛力無窮 。

93. 生物晶片應用 (1) 基因表現的藍圖 – 了解疾病與基因間的關係。 毒理學上的分析 – 檢測有機毒物對特定基因之表現。 基因的定序 – 同時且大量地做基因定序 單一核醣核酸多形性的檢定 – 此檢定需做到大量之基因定序方可能完成，故可利用生物晶片。 法醫學上的應用 – 檢定快速、準確且易攜帶，可望成為未來法醫現場辦案利器。

94. 生物晶片應用 (2) 免疫反應分析 – 利用抗原抗體之結合性即可。 蛋白質晶片 – 將探針改為蛋白質以期能做到廣大蛋白質生物學上的研究。 生物武器偵測 – 在戰場上快速準確檢定有害之生物武器。 藥物篩選 – 應用藥品與其接受器 (receptors) 之緊密結合特性於晶片上。 DNA 計算處理器 – 利用 DNA 之自我組合特性，類似電腦程式語言。

95. 生物晶片醫療市場預測

96. 生物晶片商機 晶片表面處理與製造 晶片製程研發 檢體處理及訊號放大技術及機台的開發 生物資訊軟體開發與生物資訊資料庫服務 半自動化操作訊號讀取機台開發 產品效能改進與契約服務 工研院的生醫中心 首先以 oligo DNA-chip 為起始點，發展診斷發燒病原菌的晶片，預計將為台灣開創另一波高科技浪潮。

97. References http://www.bio-drchip.com.tw/ ( 晶宇生物科技 ) http://www.phalanx.com.tw/ ( 華聯生物科技 ) http://www.poiic.org/ ( 產業創新能耐平台 ) 。 http://www.biochip.org.tw/CHIPPROSPECT.asp ( 台灣生物晶片協會 ) 。 http://doit.moea.gov.tw ( 經濟部技術處 ) 。 http://biotech.nsc.gov.tw/ ( 行政院國家科學委員會 ) 。 http://www.sinphar.com/medical/no30/product_01.html ( 杏輝醫藥集團 ) 。 http://www.biochipmaster.com ( 生物晶片產業分析報導 ) 。 http://163.21.82.150/MIS/ ( 生物晶片 ) 陳健尉， 2004 ，生物晶片：技術發展及在生命科學上之應，中興大學 生物醫學 / 分子生物學研究所 助教授 。

98. Thanks!!