制藥工程與生物工程的區(qū)別
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制藥工程與生物工程的區(qū)別范文第1篇
一、生物工程專業(yè)就業(yè)現(xiàn)狀
生物工程是一門建立在現(xiàn)代生命科學基礎之上的新興學科，綜合了發(fā)酵工程、細胞工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和基因工程等新技術手段，近年來發(fā)展速度很快，對考生的吸引力也很大。但是，由于國內(nèi)高校擴招，不但綜合性大學開設了生物院系，很多地方性院校甚至師范類院校也都開設了生物院系，相關專業(yè)招生人數(shù)多，與化工、機械等傳統(tǒng)專業(yè)以及IT等熱門行業(yè)相比較而言，我國生物技術行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化不足，生物制藥、生物保健等相關產(chǎn)業(yè)并不發(fā)達，不足以吸納過多的畢業(yè)生，生物技術行業(yè)對人才的需求也存在著兩極分化，一方面需要高層次的人才，要求畢業(yè)生具備碩士或博士學歷，另一方面需求應用型人才，要求學生只具備中專或者大專學歷即可，導致生物專業(yè)本科畢業(yè)生的就業(yè)壓力大，專業(yè)對口率較低。因此從就業(yè)角度看，生物專業(yè)的畢業(yè)生就業(yè)形勢不容樂觀，就業(yè)前景黯淡。
二、小學期情況簡介
小學期又稱暑期學校（SummerSchool）。自美國哈佛大學1871年首次開辦暑期學校起，小學期至今已有130多年的歷史[2]。我國高校現(xiàn)在正在流行的暑假小學期，就是向美國學習的產(chǎn)物[3]。所謂暑期小學期就是利用暑假，根據(jù)學生的學習需要，成立“暑期班”，開設選修課，學生們可以根據(jù)自己的需求報名參加，學習自己感興趣的科目。各校所開設的小學期并不是傳統(tǒng)意義上的第三學期，是開放式的，課程內(nèi)容、具體要求不一而足，可以根據(jù)學校的實際情況與學生的需求進行調(diào)整，靈活性、機動性強。因此，蚌埠學院生物工程專業(yè)每年暑假，將小學期與學生的就業(yè)需求結(jié)合起來，加強就業(yè)技能訓練，增加學生的就業(yè)競爭力。對于小學期應該有多長時間，并沒有一個明確的規(guī)定，目前各高校也是長短不一，但普遍是將小學期安排在暑假。蚌埠學院就將小學期設置在每年暑假的第一周到第四周，為期近一個月。國內(nèi)高校學生在選修小學期時，會獲得一定的學分。蚌埠學院對于選修暑期小學期的學生，也會給予一定創(chuàng)新學分的認定。目前，結(jié)合就業(yè)現(xiàn)狀并綜合專業(yè)課程安排的實際情況，蚌埠學院生物工程專業(yè)分為三個方向：發(fā)酵工程方向、生物技術方向以及生物制藥方向，學校在不同階段，針對用人單位的實際需求，為在校生物工程專業(yè)學生提供小學期實踐課程，著重培養(yǎng)大學生的專業(yè)能力、素養(yǎng)與技能，為其將來的職業(yè)發(fā)展奠定扎實基礎。蚌埠學院生物工程專業(yè)的小學期實踐課程安排有別于傳統(tǒng)的教學模式，主要采用項目制，指導老師提出項目，由學生負責實施完成，最后再由指導教師對項目的實施情況進行驗收總結(jié)。這樣，教師可有效利用小學期，有效處理好教學與科研的關系，可保證教學計劃的完成，提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力，還可引導教師將教學與科研有機結(jié)合，有利于教育資源的充分利用，提高效益[4]。從蚌埠學院生物工程專業(yè)畢業(yè)生就業(yè)去向可以看出，除近20%的學生讀研深造外，超過半數(shù)的畢業(yè)生主要進入企業(yè)，從事生產(chǎn)第一線或參與產(chǎn)品檢測以及科研等工作。所以生物工程專業(yè)人才的培養(yǎng)要能體現(xiàn)出知識、能力、素質(zhì)三者協(xié)調(diào)發(fā)展的原則，即要形成可以幫助學生發(fā)展專業(yè)實踐技能，養(yǎng)成一定的職業(yè)素養(yǎng)的實踐體系，因此，蚌埠學院生物工程專業(yè)在設置小學期課程體系時，以就業(yè)為導向，在基礎實踐、專業(yè)實踐、綜合實踐以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力實踐等四方面進行課程設置。
三、基于就業(yè)導向的生物工程專業(yè)小學期課程設置
（一）基本操作技能實踐
該項實踐內(nèi)容主要是指學生進行基本操作技能和基本專業(yè)素養(yǎng)的訓練，強化學生的基本操作技能實踐，可以引導學生學習和理解課堂所學的基礎理論知識，培養(yǎng)其基本操作技能。在對用人單位進行滿意度調(diào)查時，發(fā)現(xiàn)有企業(yè)認為部分學生存在動手能力不足，基礎實驗訓練不充分的的情況，因此在進行小學期課程設置時，有意識地通過基礎實踐來提高學生的專業(yè)基礎素質(zhì)。本實踐結(jié)合學生的相關課程開展情況，利用大學一、二年級的暑假小學期在學校的專業(yè)實驗室進行規(guī)范化的訓練，內(nèi)容主要主要包括“五大化學”實驗以及物質(zhì)的提取以及生化分離實驗等，培養(yǎng)學生的基本操作技能和嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度。
（二）專項操作技能實踐
該項實踐內(nèi)容主要是指結(jié)合用人單位的生產(chǎn)實際，引導進行各種專項專業(yè)實踐（如專業(yè)課程實踐、專業(yè)綜合實踐和跨專業(yè)綜合實踐等），通過一段時間的鍛煉，學生可以熟悉企業(yè)的具體生產(chǎn)實際、生產(chǎn)條件及工藝路線，為后續(xù)實踐打下基礎。本實踐利用大學二、三年級的暑假小學期開展，部分安排在學校的專業(yè)實驗室，部分安排在企業(yè)生產(chǎn)第一線完成。根據(jù)生物工程專業(yè)特點和人才培養(yǎng)要求，將重要的、對動手能力有很高要求的課程融會貫通于實驗，以加強理論與生產(chǎn)實踐的聯(lián)系。如酶工程實驗研究的是微生物發(fā)酵產(chǎn)酶生產(chǎn)工藝，要求能熟練地對酶進行提取與分離，測定酶的活力。學生通過在學校實驗室和企業(yè)生產(chǎn)實際進行對比，就可以更清楚地掌握微生物發(fā)酵產(chǎn)酶生產(chǎn)原理、工藝流程及相關工藝參數(shù)，加深對理論知識的理解，了解實驗室操作與生產(chǎn)實際的區(qū)別，培養(yǎng)從事發(fā)酵實踐的技能技巧，有利于在學校和企業(yè)之間實現(xiàn)“無縫對接”。
（三）綜合能力技能實踐
該項實踐內(nèi)容主要是指引導學生結(jié)合頂崗實習、科研訓練等活動開展綜合能力技能實踐，通過該實踐，學生可以將理論與實踐相聯(lián)系，運用所學的知識解決實際問題，訓練科研思維和創(chuàng)新能力。本實踐利用大學三年級的暑假小學期開展。對于頂崗實習的學生，在已具備專業(yè)基本技能的條件下，被安排在企業(yè)完成。學生到專業(yè)密切相關的企業(yè)進行頂崗實習，在學校派出的指導教師和企業(yè)生產(chǎn)一線技術人員的雙重指導下開展工作，進行鍛煉。對于科研能力較強的同學，安排參加科研訓練，讓學生參加教師課題，或者鼓勵他們申報校級或院級科研創(chuàng)新項目，通過科研工作讓學生了解和掌握實驗設計方法，學習科技論文寫作，以此開拓學生的學術思維，鍛煉創(chuàng)新能力。
（四）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技能實踐
在當前新形勢下，大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)是大學教育至關重要的內(nèi)容，對大學生進一步深造和將來的就業(yè)都具有重要意義[5]。通過該實踐，引導學生不斷地開展技術改造革與新，到市場經(jīng)濟的大潮中去創(chuàng)業(yè)，實現(xiàn)自身價值。本實踐利用大學一年級到三年級的暑假小學期開展，在低年級階段，由于學生掌握的專業(yè)知識有限，可引導開展創(chuàng)業(yè)實踐，如“挑戰(zhàn)杯大學生創(chuàng)業(yè)大賽”，等學生較好地掌握了專業(yè)知識和技能后，引導他們在大三年級的暑期小學期開展創(chuàng)新實踐，鼓勵他們“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技競賽、“數(shù)學建模大賽”各級各類創(chuàng)新競賽，鍛煉他們的創(chuàng)新思維，增強他們的動手能力、溝通能力、團隊協(xié)作精神以及獨立分析和解決問題的能力，為將來進一步創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)奠定基礎。
四、有效的實施方法
（一）建立主體明確的責任制
蚌埠學院生物工程專業(yè)暑期小學期實行項目制，指導老師全權負責學生的項目實施情況，對學生全程進行指導，引導學生強化動手能力，勇于面對困難，通過主動學習來分析問題、解決問題，及時進行總結(jié)。
（二）建立合理的考核方式
對于實踐性的課程，向來很難給出科學又明確直觀的分數(shù)，因此**學院生物工程專業(yè)暑期小學期考核采用形成性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的方式，評價采用百分制，形成性評價占50分，總結(jié)性評價占50分。在小學期期間，指導老師對學生的學習態(tài)度進行定性評價，小學期結(jié)束后，指導老師在根據(jù)學校所制定的評價表對學生參加學習的結(jié)果進行打分，最后計算總分。
（三）加強與企業(yè)的合作
以前，蚌埠學院生物工程專業(yè)雖建有多個實踐教學基地，但企業(yè)參與學生實踐教學的積極性不高，很多合作流于形式。在將小學期與就業(yè)實踐相結(jié)合后，由于學生的小學期課題與企業(yè)的生產(chǎn)實際緊密結(jié)合，通過指導教師的緊密參與，可給提供一些免費的技術指導與咨詢，提高了企業(yè)參與的積極性，保證了小學期的教學質(zhì)量。
五、結(jié)語
制藥工程與生物工程的區(qū)別范文第2篇
【關鍵詞】CBE教學模式；生物制藥；職業(yè)能力；生物藥物分離
0 引言
CBE（Competency Based Education）是一種“以能力培養(yǎng)為中心的教育教學體系”，該教學模式是美國著名心理學家布魯姆倡導的一種新型教學模式。CBE教學模式打破了傳統(tǒng)科學體系，以某崗位的從業(yè)能力為教學目標，以學生為主體，利用各種教學形式，充分發(fā)揮學生的主動性，最大限度的滿足學生的求職需要。由于CBE式的教學模式能最大限度地調(diào)動學生的獨立思考能力、學習能力和創(chuàng)新能力，所以CBE教學模式無疑是較為適合職業(yè)教育的先進教育模式。
1 高職生物制藥推進CBE模式的必要性
1.1 傳統(tǒng)教學存在的主要問題
目前，高職生物制藥專業(yè)受普通高等教育的“課堂+書本”的學科型教育模式的影響，但此模式是不能達到高職教育發(fā)展的要求和目標的，其缺陷主要有兩方面：
1.1.1 不能平衡“必需”與“夠用”的矛盾
傳統(tǒng)的教學模式強調(diào)知識的系統(tǒng)性和完整性，而高職教育則更多應該關注知識的運用。在傳統(tǒng)教學模式下，是課堂教學主導實驗實訓。老師往往具有扎實的理論知識，卻忽視了用人單位對高職學生的實際要求，最終造成“必需”的內(nèi)容沒有講，學生缺乏理論指導實踐的能力，講了卻“用不到”，影響了教學的效果和效率，甚至造成了教學資源的浪費。
1.1.2 不能解決“灌輸”和“求索”的矛盾
在我國現(xiàn)行的高職教育中，能力的培養(yǎng)是通過課程的方式進行的，學生的實踐能力是通過若干互相割裂的實驗實訓在完成的，作為學生只是機械的模仿和記憶，很難將實驗內(nèi)容舉一反三的運用到實際生產(chǎn)中。傳統(tǒng)的教學過程是一個灌輸過程，學生很難從“要我學”轉(zhuǎn)變成“我要學”，學習的積極性、主動性不高，從而影響了教學效果。
1.2 CBE教學模式的特色
培養(yǎng)應用型人才、“能力為本”是高職教育的特征之一[1]。高職生物制藥專業(yè)必須加強實踐教學，以鍛煉學生核心技能為目標，兼顧學生就業(yè)渠道的拓寬，注重學生的專業(yè)素質(zhì)和就業(yè)能力的并重培養(yǎng)。而我們之所以采用CBE模式，是因為此模式具有以下幾個特色：
1.2.1 寬基礎
生物制藥專業(yè)是一個跨學科的綜合性專業(yè)。生物制藥的高職人才，需要同時掌握生物技術和藥學基本原理.以及生化制藥、發(fā)酵工程制藥和基因工程制藥的基本理論和技術。因此，我們廣泛調(diào)研，了解周邊生物制藥行業(yè)對勞動力的要求，結(jié)合學生的職業(yè)生涯規(guī)劃，制定相應的人才培養(yǎng)方案，旨在使學生對本行業(yè)有豐富全面的認識，掌握各項基本技能，具備良好的職業(yè)素質(zhì)和道德。
1.2.2 重素質(zhì)
與本科教育有所區(qū)別的是，高等職業(yè)教育培養(yǎng)的是“高素質(zhì)的技能型人才”，技能是高職人才的核心競爭力[2]。因此.以培養(yǎng)能力為本位的項目化教學是高職生物制藥專業(yè)的重要組成部分，在培養(yǎng)學生職業(yè)技能的同時，對培養(yǎng)學生自主學習能力、協(xié)作精神和創(chuàng)新意識有著不可替代的作用。
1.2.3 強特色
對于人才培養(yǎng)方案的設置，在滿足“必需”和“夠用”的基礎上，結(jié)合本地區(qū)生物制藥企業(yè)的特點，有針對性的對相關職業(yè)能力進行強化培養(yǎng)，使學生在掌握專業(yè)基本技能的基礎上，對發(fā)酵過程控制、產(chǎn)物的分離提取精制等有完整清晰的認識。
2 CBE模式下《生物藥物分離技術》教學的改革與實踐
隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)教學模式已不能滿足需要，但是如何提高學生的學習興趣，增強學生的自學能力，培養(yǎng)學生的職業(yè)技能，是值得探討的問題。鑒于此，我們提出對生物制藥專業(yè)主干課程進行教學改革，通過幾年的探索，取得了顯著的效果。現(xiàn)以《生物藥物分離技術》課程為例，作簡要探討。
2.1 知識理論的整合
《生物藥物分離技術》在生物制藥專業(yè)的課程設置中處于核心地位，對專業(yè)人才的培養(yǎng)發(fā)揮著重要的作用。《生物藥物分離技術》作為生物工程的下游加工過程，和生物制藥各專業(yè)課聯(lián)系密切，尤其體現(xiàn)在實驗實訓上。如《發(fā)酵工藝學》講的是通過微生物發(fā)酵等手段生產(chǎn)目的產(chǎn)物，其終產(chǎn)品必須要經(jīng)過生物分離過程得到。酶工程、細胞工程等的產(chǎn)物也要通過相關分離技術的應用，最終分離得到生化藥品、酶制劑等。與此同時，《生物藥物分離技術》與藥學其他專業(yè)課有著密切的聯(lián)系，例如藥物制劑技術、藥物生物檢定技術、生物制藥設備等。
生物制藥教研室的老師開展集體備課活動，將相關課程的知識點羅列起來，形成一個完整的知識網(wǎng)絡，并將相關課程的知識點進行了有機整合，有效的避免了知識點的重復講授和遺漏，即節(jié)約了教學資源，又提高了學習效率，同時加深了學生對各關鍵環(huán)節(jié)的印象。例如，發(fā)酵工藝學重點開展菌種保藏與復蘇技術、發(fā)酵工藝技術等技能的教學與技能訓練；生物藥物分離技術主要完成發(fā)酵液預處理及固液分離技術、膜分離技術、萃取與濃縮技術、層析技術、結(jié)晶與干燥技術的教學與實訓；而藥品生物檢定技術則側(cè)重生物藥物的鑒別、檢查、效價（含量）測定等基本技能的教學，各課程互有側(cè)重，相輔相成。
2.2 項目教學的開展
新的教學模式旨在讓學生在課堂上就能夠體會到行業(yè)的職業(yè)特點，將知識和技能轉(zhuǎn)化為職業(yè)能力。在《生物藥物分離技術》的教學中，教師把項目分為綜合性實驗（實驗）和校內(nèi)模擬生產(chǎn)（實訓）兩類。值得注意的是：教學內(nèi)容的擬定不是將各門課程的實驗進行簡單的拼湊。而是根據(jù)確定的崗位，分析起技能要求并以此為中心將各門課程的內(nèi)容進行有機的整合，以一個或幾個大項目的形式呈現(xiàn)，這樣設計不但涵蓋生物制藥下游技術的幾乎所有重要技能.而且有利于學生對項目過程整體的把握和學習，了解自己所學內(nèi)容如何與職業(yè)崗位技能相對應，提高學習效果。
對于實驗，我們強化某一崗位的職業(yè)技能，教師布置項目，學生成立實驗小組。先由老師介紹本項目的基礎知識，然后給學生分配階段性學習任務，引導學生進行文獻查閱、確定實驗路線，經(jīng)教師修訂后讓學生自行實驗并對結(jié)果進行總結(jié)分析。我們開展了血清γ-球蛋白的分離純化與鑒定、離子交換樹脂法分離混合氨基酸、凝膠電泳分離脂蛋白等項目的教學，通過以上方式激發(fā)學生主動學習的熱情，強化專業(yè)生產(chǎn)技能，同時鍛煉了團隊合作、文獻檢索和口頭表達等技能。
對于實訓部分，在完成實驗教學的基礎上，為提高學生的適應能力，我們模擬生物制藥企業(yè)真實職業(yè)環(huán)境，盡可能與職業(yè)技能鑒定接軌，使該專業(yè)學生的核心技能得到培養(yǎng)和加強，同時進一步培養(yǎng)其職業(yè)能力與職業(yè)道德。例如，考慮到微生物發(fā)酵仍是生物制藥企業(yè)使用的主要方法，可通過L-天冬酰胺酶的生產(chǎn)、慶大霉素的生產(chǎn)等培養(yǎng)學生的崗位技能、專業(yè)技能、嚴謹求實的工作作風，從而形成實訓―科研―就業(yè)一體化人才培養(yǎng)模式。如檸檬酸的制備這個實訓涉及到發(fā)酵工藝學的知識，同時主要涉及生物分離技術中的發(fā)酵液預處理、固液分離、初步純化、高度純化、直到采用結(jié)晶法制備出成品，包括了生化產(chǎn)品分離的整套過程。此實訓項目涉及的專業(yè)知識面廣，但這也是讓學生將專業(yè)知識系統(tǒng)地應用于實踐的一種好方法，所以要鼓勵學生在方案的設計和實驗的過程中勤學善思、勇于探索、不斷進取。
2.3 職業(yè)素質(zhì)的訓練
在確定項目課題時，要根據(jù)本項目需要掌握的理論知識點，緊密結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實際，使教學內(nèi)容落到實處。以學生畢業(yè)后去用人單位“下得去、留得住、用得上”為目標，在實踐項目的教學計劃中可設立安全生產(chǎn)、法律法規(guī)、廠規(guī)廠紀等知識以及制藥行業(yè)涉及到的專業(yè)基本知識等，培養(yǎng)學生的職業(yè)素質(zhì)。
2.4 創(chuàng)新能力的培養(yǎng)
CBE模式強調(diào)在教學方式上要給予學生更多的自主性，教師只講解設計思路，主要任務是負責實驗方案的審查和解答學生疑問，不演示具體的操作步驟。在教學過程中給予一些必要的啟發(fā)和引導，鼓勵學生具有創(chuàng)新意識，對現(xiàn)有的實驗內(nèi)容、步驟提出合理建議為培養(yǎng)學生具備創(chuàng)新能力打下堅實的基礎。在項目教學中，在課堂實驗中盡可能地鼓勵和引導學生積極思考，對學生提出的問題一般不作正面回答，而是啟發(fā)學生通過自己思考分析并加以解決。同時，對實驗中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，鼓勵學生展開討論，培養(yǎng)學生探究創(chuàng)新意識。
同時，為了激發(fā)學生的學習興趣，我們嘗試將企業(yè)生產(chǎn)、教師的科研和學生的實訓相結(jié)合，讓更多學生參與進來。例如，目前正在進行的或已經(jīng)成熟的科研課題作為實訓項目。把教師的課題分解成若干小項目。再安排學生分組進行實驗.讓學生從頭至尾參與整個課題過程，這樣不但可以培養(yǎng)學生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，增加學生在實驗過程中的積極性。
2.5 考核方式的改進
經(jīng)過探討，我們用過程性評價的方法來評估CBE教學模式下生物制藥專業(yè)學生對《生物藥物分離技術》的掌握程度。高職教育培養(yǎng)的是技能型人才，應重點加強對學生專業(yè)技能的考核，加大操作考核的比例。首先，在考核過程中穿插教師的提問，要求學生具有全面的理論知識，能舉一反三，正確分析工作中遇到的技術問題。其次，加強對學生專業(yè)技能的考核，加大操作的比例。同時，評估學生的綜合專業(yè)素質(zhì)，并適當考慮對學生專業(yè)素質(zhì)，例如：著裝標準、生產(chǎn)術語的應用等。
在考核方式上，結(jié)合項目化教學分組實施教學的方式，采用先自評，再小組互評，最后由教師和實驗指導老師對該生就學習態(tài)度、學習效果、職業(yè)技能掌握等做出綜合性評價。
最后，運用考核的雙重性，一方面檢查學生對實踐技能的掌握情況，同時借助考核反饋的信息.發(fā)現(xiàn)教學中可能存在的教學問題，提升教學質(zhì)量。
3 實施CBE模式教學的效果和收獲
綜合學生對教學效果的反饋，對使用CBE教學模式后，學生的滿意度提升了20%左右，用人單位普遍反映畢業(yè)生能很較快適應職業(yè)的需求，在職業(yè)技能、職業(yè)素質(zhì)、職業(yè)道德等方面比改革前有極大的提高，深受到用人單位的歡迎。由此證明，基于CBE教學模式改革《生物藥物分離技術》的教學方式取得了一定的成效。
3.1 促進教師向雙師型發(fā)展
CBE指導下的教學中心是學生，教學目標是構建學生的能力結(jié)構，課程的評價指標也著重體現(xiàn)學生的能力變化，這使老師成為了課程學習的“組織者”與“指導者”而不僅僅是“灌輸者”。這種課程中心的轉(zhuǎn)移必然對專業(yè)教師提出了更高的要求，促進教師不斷加強自身學習，激勵教師下臨床、下實踐，不斷更新知識儲備，真正產(chǎn)生一批理論聯(lián)系實踐的“雙師型”教師，形成“教學相長”的有利局面。
3.2 促進培養(yǎng)目標與社會接軌
其次，生物制藥專業(yè)知識更新快，新技術、新方法層出不窮。要上好這門課程，教師就要有合理的知識結(jié)構.平時多學習、多積累，去企業(yè)實踐以提高自身業(yè)務素質(zhì)，使教學內(nèi)容更加貼近生產(chǎn)。
高職院校培養(yǎng)的是技能型人才，畢業(yè)生畢業(yè)后要能到相應工作崗位頂崗，因此，高職院校可以聘請一些企業(yè)的技術人員參與教學。尤其是實訓教學，這樣有利于提高學生的學習興趣，而且由于上課內(nèi)容直接來自于生產(chǎn)生活.更有利于提高學生的專業(yè)素養(yǎng)，提升畢業(yè)生在就業(yè)方面的競爭力。
3.3 促進學生自主學習意識的加強
在教學過程中，本課程引入了來自生產(chǎn)企業(yè)和科研院校的一系列生產(chǎn)工藝與項目案例，是理論教學過程盡量和生產(chǎn)實踐相聯(lián)系，使學生產(chǎn)生“學以致用”的成就感，激發(fā)了學生的學習主動性。同時，生物藥物分離技術是一門新興交叉學科，也是生物制藥專業(yè)的重要課程之一。通過近年來生物制藥實訓教學的改革，學生學習的主觀能動性得到充分的發(fā)揮，實踐教學質(zhì)量也有了明顯的提高。但是，生物制藥行業(yè)發(fā)展迅猛。對高職類生物制藥教學內(nèi)容和方法的改進提出了更高要求，因此，我們必須進一步提高生物制藥專業(yè)學生的綜合職業(yè)素質(zhì)，這仍然需要我們不斷地實踐和探索。
生物藥物分離技術在生物制藥專業(yè)人才培養(yǎng)中發(fā)揮著重要的地位和作用，作為一門與生產(chǎn)實踐聯(lián)系緊密的課程，其實驗教學內(nèi)容可以滲透到其它專業(yè)實驗中。通過對生化分離工程及其它幾門專業(yè)實驗進行優(yōu)化整合，開設制藥工程專業(yè)大實驗有利于學生對專業(yè)知識的系統(tǒng)掌握，充分拓寬學生的思路，使之深入理解生物分離技術在制藥過程中的地位和作用，并且通過實驗教學內(nèi)容的整合，改進教學方法和手段，開設設計性、綜合性的實驗，這有助于提高學生的主動性、創(chuàng)新性，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、分析解決問題和初步的科研能力，為今后從事相關的工作打下良好的基礎，充分發(fā)揮實驗教學在工科專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要性。
【參考文獻】
制藥工程與生物工程的區(qū)別范文第3篇
生物技術專業(yè)作為高等農(nóng)林院校的基礎專業(yè)，近年來畢業(yè)生的就業(yè)情況不容樂觀，從而折射出許多急待改革的問題。為此，基于浙江農(nóng)林大學生物技術專業(yè)人才培養(yǎng)情況問卷調(diào)查以及與該專業(yè)本科生的座談交流和對部分高等農(nóng)林院校的實地調(diào)研，并結(jié)合浙江農(nóng)林大學生物技術專業(yè)相關教師的教學實踐經(jīng)驗，對高等農(nóng)林院校生物技術專業(yè)的教學現(xiàn)狀及存在的問題進行了分析總結(jié)，對教學改革進行了深入思考，提出高等農(nóng)林院校應通過明確有別于其他科類院校的生物技術專業(yè)人才培養(yǎng)目標、積極推進分類模塊化人才培養(yǎng)模式、精簡優(yōu)化課程設置和教學內(nèi)容、嘗試課堂討論式教學法、采取多種形式相結(jié)合的課程考核方式、探索行之有效的教學評價體系等措施的實施，實現(xiàn)“因地制宜、因人而異、因材施教”的生物技術專業(yè)人才培養(yǎng)。
關鍵詞：
高等農(nóng)林院校；生物技術專業(yè)；人才培養(yǎng)模式；課程教學；教學評價
近年來，以基因工程、細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程為主要內(nèi)容的現(xiàn)代生物技術發(fā)展迅猛。伴隨著生命科學的新突破，現(xiàn)代生物技術已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品、環(huán)保、能源等領域，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。為了滿足生物技術產(chǎn)業(yè)對專業(yè)人才的需求，國內(nèi)外的生物技術高等教育也迅速發(fā)展起來。從20世紀90年代開始，我國先后有337所高等院校開設了生物技術本科專業(yè)。經(jīng)過20余年的不斷改革和優(yōu)化，我國生物技術本科專業(yè)的辦學取得了很大的進步，招生人數(shù)和畢業(yè)生人數(shù)有了大幅度的增加。但是，目前我國的生物高新技術產(chǎn)業(yè)正處于起步發(fā)展階段，與國際水平相比，尚有一定的差距。這導致生物技術本科專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)率較低，特別是農(nóng)林類高等院校該專業(yè)本科畢業(yè)生的就業(yè)狀況不容樂觀。2010年，生物技術專業(yè)甚至被教育部列入10大“紅牌”本科專業(yè)。由此可見，從整體上看，我國生物技術高等教育仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。為此，筆者在浙江農(nóng)林大學開展了生物技術專業(yè)人才培養(yǎng)情況問卷調(diào)查，與生物技術專業(yè)本科生進行了座談交流，還到部分高等農(nóng)林院校進行了實地調(diào)研，并在此基礎上結(jié)合浙江農(nóng)林大學生物技術專業(yè)相關教師的教學實踐經(jīng)驗，對高等農(nóng)林院校生物技術專業(yè)的教學現(xiàn)狀及存在的問題進行了分析總結(jié)，對教學改革進行了深入思考。
一、高校生物技術專業(yè)的人才培養(yǎng)目標
（一）其他科類院校生物技術專業(yè)的人才培養(yǎng)目標
根據(jù)教育部的界定，生物技術專業(yè)以理科為主、工科為輔，是理工科復合型專業(yè)，主要培養(yǎng)應用研究型人才［1］。生物技術高等教育的根本目標是使學生掌握現(xiàn)代生物學和生物技術的基本理論和基本技能，對學生進行應用基礎研究和科技開發(fā)研究能力的初步訓練，以培養(yǎng)具備較強創(chuàng)新意識和實踐能力的生物技術專業(yè)人才。在現(xiàn)代社會生活中，生物技術專業(yè)人才承擔著將相關理論應用于實踐以及將科學技術轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的重要責任。因此，促進生物技術高等教育質(zhì)量的提高倍顯重要。截至2015年，在全國開設生物技術本科專業(yè)的337所高校中，農(nóng)林類高等院校占36所。其他科類高等院校生物技術本科專業(yè)的人才培養(yǎng)目標通常是以社會需求為出發(fā)點，重點培養(yǎng)的是具備生命科學基本理論以及較系統(tǒng)的生物技術基本知識和基本技能的綜合性專業(yè)人才。其主要特色是培養(yǎng)大眾化的生物技術專業(yè)人才。但是，由于其缺乏對專業(yè)人才培養(yǎng)的市場化細分，所以難以滿足我國生物技術行業(yè)發(fā)展對基本專業(yè)人才的多樣化需求。
（二）高等農(nóng)林院校生物技術專業(yè)的人才培養(yǎng)目標
目前，我國已有36所農(nóng)林類高等院校開設了生物技術本科專業(yè)，但是大多沒有確立富有特色的人才培養(yǎng)目標。如前文所述，盡管生物技術本科專業(yè)已經(jīng)明確了相對宏觀的人才培養(yǎng)目標，但并不完全適用于農(nóng)林類高等院校生物技術本科專業(yè)的人才培養(yǎng)。從現(xiàn)狀看，農(nóng)林類高等院校往往過于注重學校整體的農(nóng)林特色，著重于培養(yǎng)傳統(tǒng)的農(nóng)林人才，而對在農(nóng)林業(yè)發(fā)展中發(fā)揮同樣重要作用的現(xiàn)代生物技術本科專業(yè)的人才培養(yǎng)重視不夠。因此，筆者認為，各高等農(nóng)林院校在主打自身農(nóng)業(yè)、林業(yè)特色的基礎上，應結(jié)合各自院校的歷史發(fā)展優(yōu)勢、地方發(fā)展特色以及未來發(fā)展規(guī)劃等，進一步細化生物技術本科專業(yè)的人才培養(yǎng)目標，重點培養(yǎng)具有農(nóng)林素養(yǎng)的生物技術專業(yè)特色人才，從而發(fā)展各具特色的或本校獨有的生物技術專業(yè)教育。以浙江農(nóng)林大學為例，作為一所多科性高等農(nóng)林院校，其開設的生物技術本科專業(yè)確立了獨特的人才培養(yǎng)目標，即培養(yǎng)具有現(xiàn)代生命科學基本知識、掌握系統(tǒng)的生物技術基本理論和核心技能、了解生物技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢的基礎扎實、實踐能力強、綜合素質(zhì)高、具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)能力的應用研究型專業(yè)人才。因此，浙江農(nóng)林大學生物技術本科專業(yè)的人才培養(yǎng)注重激發(fā)學生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)意識以及培養(yǎng)學生的實踐應用能力，竭力塑造獨具特色的富有生態(tài)性和應用性的創(chuàng)業(yè)型專業(yè)人才。目前該專業(yè)已發(fā)展成為浙江省重點專業(yè)。
二、高等農(nóng)林院校生物技術專業(yè)的人才培養(yǎng)模式
（一）現(xiàn)行的人才培養(yǎng)模式及存在的問題
通過走訪調(diào)研部分高等農(nóng)林院校，筆者發(fā)現(xiàn)，生物技術本科專業(yè)在多數(shù)高等農(nóng)林院校并非是主流專業(yè)，專業(yè)的培養(yǎng)目標比較模糊。通常情況下，生物技術專業(yè)本科畢業(yè)生的主要去向是考研和就業(yè)。但是，多數(shù)高等農(nóng)林院校并沒有針對2種畢業(yè)去向在生物技術專業(yè)人才培養(yǎng)過程中對學生進行明確的引導，所開設的課程都是統(tǒng)一的。只有少數(shù)高等農(nóng)林院校為畢業(yè)去向不同的生物技術專業(yè)學生提供了有區(qū)別的人才培養(yǎng)方案，即針對本科畢業(yè)后準備考研深造的學生，設立了考研強化班，并強化了理論性強的“生物化學”“分子生物學”等專業(yè)課程的教學；同時，針對本科畢業(yè)后準備直接就業(yè)的學生，注重引導其更多地掌握生物工程、生物制藥等方向的實用專業(yè)知識，從而使該專業(yè)本科畢業(yè)生的就業(yè)率得到較大的提升。
（二）人才培養(yǎng)模式的改革
為了適應不同科類高校和不同高等農(nóng)林院校生物技術本科專業(yè)人才培養(yǎng)目標的不同定位，生物技術專業(yè)教育應結(jié)合各高等院校的辦學特色，從滿足學生畢業(yè)去向的需求出發(fā)，積極探索分類模塊化人才培養(yǎng)模式，充分體現(xiàn)“因地制宜、因人而異、因材施教”的人才培養(yǎng)指導思想。所謂分類模塊化人才培養(yǎng)模式，就是首先根據(jù)生物技術專業(yè)本科生的學習意圖，將其分為工作就業(yè)、考研深造、實踐創(chuàng)業(yè)及其他4類；然后根據(jù)這4類學生所需掌握的知識和技能，將教學內(nèi)容進行模塊化。這樣，不僅可以充分利用教學資源的優(yōu)勢，極大地提升學生的學習質(zhì)量，而且可以為學生未來的個性化發(fā)展提供富有針對性的教育教學服務。第一，針對畢業(yè)后意向工作就業(yè)的生物技術專業(yè)本科生，高等農(nóng)林院校應充分發(fā)揮“產(chǎn)、學、研”教學模式的優(yōu)勢［2］，大力鼓勵學生到企業(yè)部門、生產(chǎn)一線進行實踐實習；同時，可在此基礎上進行創(chuàng)新嘗試，探索具有自身特色的“政、產(chǎn)、學、研、用”相結(jié)合的聯(lián)動式人才培養(yǎng)模式，以培養(yǎng)應用型人才。此外，以細化的就業(yè)需求為導向，為該類學生開設普通生物技術、生物制藥、生物工程等方向的模塊化課程。第二，針對畢業(yè)后意向考研深造的生物技術專業(yè)本科生，高等農(nóng)林院校應大膽借鑒某些高校的成功經(jīng)驗，盡可能為該類學生提供相應的培訓輔導，以培養(yǎng)高層次的理論研究型人才。例如，可開設相應的輔導班，強化專業(yè)課程理論知識的傳授。第三，針對畢業(yè)后意向?qū)嵺`創(chuàng)業(yè)的生物技術專業(yè)本科生，高等農(nóng)林院校要結(jié)合學生的具體要求，將學生的學習實踐直接引進實驗室和大學生創(chuàng)業(yè)孵化園，或者引導學生直接進入企業(yè)開展實踐，以切實推動學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的開發(fā)和培養(yǎng)。另外，值得注意的是，不僅生物技術專業(yè)，其他學科專業(yè)也總會有相當一部分學生畢業(yè)后學習或工作的內(nèi)容與所學的本科專業(yè)并不相關。針對畢業(yè)后從事非本專業(yè)學習或工作的生物技術專業(yè)本科生，高等農(nóng)林院校應從該類學生的需求出發(fā)，適時適當?shù)靥峁┫嚓P的教育資源和支持，以便其為未來的學習和工作做好充分的準備。
三、高等農(nóng)林院校生物技術專業(yè)的課程設置和教學內(nèi)容
生物技術是一門涉及領域多、涵蓋范圍廣、基礎性強的新興的綜合性生物學科，是現(xiàn)代生物學與相關學科交叉融合發(fā)展的產(chǎn)物。生物技術本科專業(yè)的課程主要涉及發(fā)酵工程、基因工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程、細胞工程、生化工程6個方面，這些課程從教學的角度又可分為理論課程和實踐課程兩大部分。
（一）理論課程的現(xiàn)狀與改革
目前，各高校開設的生物技術本科專業(yè)課程主要有“微生物學”“細胞生物學”“遺傳學”“植物學”“生態(tài)學”“植物生理學”“植物育種學”“動物生理學”“生物化學”“分子生物學”“基因工程”“細胞工程”“發(fā)酵工程”“酶工程”“生物信息學”等，以及相應的生物類實驗課程。從以往的教學經(jīng)驗和教學效果看，對教師來說，在生物技術本科專業(yè)4年的教學時間里完成上述課程的教學，顯然是任務繁重、困難重重的；同樣，對學生來說，在如此短的時間內(nèi)接受并吸收理解如此多的課程知識也是不切實際的。為此，目前各高校普遍采取的解決辦法是結(jié)合自身的辦學理念和專業(yè)特色，選擇性地開設其中的部分生物技術專業(yè)課程；同時，調(diào)整專業(yè)課程的教學時間，實行理論教學與實驗教學并行。此外，現(xiàn)代生物技術的高速發(fā)展決定了生物技術專業(yè)的專業(yè)知識每時每刻都有大量的更新，理論知識在不斷地得到充實完善，這使生物技術具有很強的前沿性。因此，高等農(nóng)林院校在設置生物技術專業(yè)的專業(yè)課程時，一定要緊跟生物技術的發(fā)展步伐，積極主動聽取學生的意見和建議，努力做到理論知識最新、課程內(nèi)容均衡、教學時間安排合理、專業(yè)匹配一致。同時，課程設置還應根據(jù)人才培養(yǎng)目標的定位不同而有所不同，做到“因地制宜、因人而異、因材施教”。例如，如果人才培養(yǎng)目標定位于培養(yǎng)創(chuàng)新研究型人才，那么應側(cè)重于設置理論技術類課程；如果人才培養(yǎng)目標定位于培養(yǎng)應用實踐型人才，那么應側(cè)重于設置工程實踐類課程。以浙江農(nóng)林大學生物技術本科專業(yè)為例，其主要通過專業(yè)課程（包括專業(yè)基礎課、專業(yè)必修課和專業(yè)選修課等）的設置開展理論教學。其中，專業(yè)基礎課安排在本科階段的第1、2學期，專業(yè)必修課安排在本科階段的第3～6學期，專業(yè)選修課則伴隨專業(yè)必修課穿插安排在相應的各學期。筆者通過對2003～2014級的116名生物技術專業(yè)本科畢業(yè)生和在校生開展的浙江農(nóng)林大學生物技術專業(yè)人才培養(yǎng)情況問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，“分子生物學”“微生物學”“基因工程原理與應用”“植物組織培養(yǎng)”等專業(yè)課程受歡迎程度普遍較高。學生普遍反映這些課程的系統(tǒng)性強、應用性強，能夠?qū)W有所用。而“生物信息學”“遺傳學”等專業(yè)課程的受歡迎程度則較低。
（二）實踐課程的現(xiàn)狀與改革
鄭世英在《地方本科院校生物技術專業(yè)應用型人才培養(yǎng)模式研究》中充分闡述了培養(yǎng)生物技術專業(yè)應用型人才的重要性［3］。同時，有學者指出，在就業(yè)市場競爭愈益激烈的今天，創(chuàng)新能力已成為大學生社會生存的重要資本［4］。由此可見，生物技術本科專業(yè)的人才培養(yǎng)在注重提升學生專業(yè)理論水平的同時強調(diào)加強學生實驗操作技能的培養(yǎng)是非常必要的。但是，當前，各高等農(nóng)林院校生物技術本科專業(yè)的實踐類課程仍然只是覆蓋課程實驗、生產(chǎn)實踐、學科競賽和自主實習等幾個方面。可見，通過實踐課程加強學生創(chuàng)新意識和科技素養(yǎng)培養(yǎng)的做法在高等農(nóng)林院校尚未得到全面的推廣。筆者通過深入了解也發(fā)現(xiàn)，多數(shù)生物技術本科專業(yè)的實踐類課程過于形式化，再加上部分學校的重視程度不高，學生參與的積極性很低，所以看似形式多樣的實踐課程所產(chǎn)生的實際教學效果卻不甚理想。為了有效地調(diào)動生物技術本科專業(yè)學生參與課程實踐的積極性，提升學生的自主創(chuàng)新能力和動手操作能力，以增強人才培養(yǎng)對產(chǎn)業(yè)發(fā)展和實際需求的適應性，高等農(nóng)林院校生物技術本科專業(yè)的實踐類課程建設應強調(diào)多元化、自主化和時代化。首先，在課程實驗方面，生物技術本科專業(yè)要打破原有的以綜合驗證性實驗為主的格局，針對每門專業(yè)課設置相應的實驗課程；同時，注重開發(fā)學生的創(chuàng)新潛力，鼓勵學生自己設計實驗方案、自主進行實驗操作。其次，在生產(chǎn)實踐方面，高等農(nóng)林院校要積極與相關的企事業(yè)單位、地方行政部門等組織機構合作，為生物技術本科專業(yè)學生爭取充足的實踐機會和實踐時間，從而使學生能夠真正到農(nóng)林生產(chǎn)一線去并將所學的理論知識應用到生產(chǎn)實踐中。再次，在學科競賽方面，高等農(nóng)林院校除了要提供一定的設備和經(jīng)費予以支持之外，還要采取有效的措施，如將學科競賽成績納入學生學業(yè)考核體系，以鼓勵學生積極參與；同時，要引導學生充分認識到參加學科競賽對提升自身綜合能力的重要性，鼓勵學生在參加學科競賽的過程中主動與教師進行交流、學會合作、敢于大膽創(chuàng)新。最后，在自主實習方面，考慮多數(shù)高校在本科階段的第4學年已基本不安排課程教學，所以建議高等農(nóng)林院校將生物技術本科專業(yè)的自主實習安排在此階段進行；同時，建議給予學生更大的自主空間，允許學生自己選擇實習崗位和工作內(nèi)容等，而學校和實習單位只需做好監(jiān)督驗收工作。這樣，可以使生物技術本科專業(yè)的準畢業(yè)生親身感受實際工作崗位的真實氛圍，提前做好就業(yè)準備，從而使學生能夠順利地從校園學習環(huán)境過渡到社會工作環(huán)境。
四、高等農(nóng)林院校生物技術專業(yè)的教學方法
（一）現(xiàn)狀與問題
無論是高等教育，還是中等教育或基礎教育，目前我國各級各類院校廣泛采用的仍是傳統(tǒng)的教學方法，即以教師為主體、學生為受體，其主要特點就是“滿堂灌”，所以培養(yǎng)的人才“平而不尖”，缺乏學習的主動性［5］。同樣，高等農(nóng)林院校生物技術本科專業(yè)的課程教學方法也不例外，通常是教師一人講得熱火朝天，而學生“各有所為”，從而導致課堂教學效果大打折扣。筆者通過與浙江農(nóng)林大學生物技術本科專業(yè)各年級學生座談發(fā)現(xiàn)，學生對課程教學主要有以下一些看法：①課程教學目標不明確；②課程內(nèi)容不夠吸引人；③教學方式存在部分不足；④教室等硬件條件有欠缺；⑤自身學習積極性不高。
（二）改革措施
針對上述學生反映的問題，筆者認為，高等農(nóng)林院校生物技術本科專業(yè)的課程教學要想改變現(xiàn)狀、解決問題，首先，要改變以教師講述為主、學生參與為輔的傳統(tǒng)教學模式，逐漸推行以學生自主學習為主、教師引導為輔的反轉(zhuǎn)式教學模式，從而真正樹立以學生為主體的教學意識。其次，要從人才培養(yǎng)目標出發(fā)，最大化地利用學校的軟硬件教學條件，充分發(fā)揮多媒體教學及網(wǎng)絡資源的優(yōu)勢。例如，筆者在“細胞工程”專業(yè)課程的教學改革實踐中探索實施了課堂討論法。首先，筆者以細胞工程領域最新的研究進展為基礎材料，向?qū)W生傳授該課程的基本理論知識，其中穿插部分視頻展示，以提升學生的學習興趣和上課時的注意力。其次，在學生對課程教學內(nèi)容有了基本的認識和了解后，筆者通過布置自主性課程論文，要求學生對自己感興趣的細胞工程課程內(nèi)容進行整理和論述，以充分發(fā)揮學生學習的自主性。最后，在學生完成相關資料的搜集和課程論文的撰寫后，筆者要求學生針對某些共通性話題展開小組討論和課堂辯論，以使學生彼此交流各自學到的知識。課堂討論法充分調(diào)動了全體學生參與課程教學的積極性和主動性，在之后的課程教學評價中得到了學生的一致認可。
五、高等農(nóng)林院校生物技術專業(yè)的課程考核方式
（一）現(xiàn)狀與問題
有了好的課程教學模式，還必須輔以科學合理的課程考核方式。只有這樣，才能準確地評價和有效地提高課程教學的效果。所以高等農(nóng)林院校生物技術本科專業(yè)在改革教學方法的同時，還應對課程考核方式進行相應的完善。目前，各高校的期末考試成績在課程考核成績中占據(jù)的比例過大，學生學習效果的評價主要依據(jù)最終的卷面考試成績［6］。這導致相當一部分學生的學習只是為了考高分，而不是為了真正掌握專業(yè)理論知識和專業(yè)技能；也導致部分學生應付完考試便不再復習鞏固所學的知識，所以知識遺忘率較高。可見，高校課程考核方式的缺陷使學生的學習行為有悖于課程教學目標的要求。因此，高等農(nóng)林院校生物技術本科專業(yè)應改變單一的課程考核方式，采取多種方式考核學生對知識的掌握程度，既要考核學生對所學知識的記憶準確與否，更要考核學生的實際操作技能和創(chuàng)新能力，并基于這兩個方面做出綜合評價［7］。
（二）改革措施
筆者認為，高等農(nóng)林院校生物技術本科專業(yè)應對現(xiàn)行的課程考核方式進行改革。首先，要適當加大平時成績在課程考核成績中所占的比例；其次，要細化平時成績的構成，將與課程教學相關的各方面因素充分考慮在內(nèi)，并且明確評分標準。例如，如果以百分制計算課程考核成績，那么可以規(guī)定平時成績占60分、期末考試成績占40分。其中，平時成績包括2部分：①平時表現(xiàn)占40分，主要對出勤率、課堂活動參與度、作業(yè)完成情況和平時綜合表現(xiàn)等進行考評；②實驗或課程論文完成情況占20分。將實驗或課程論文成績納入課程考核成績，通過考察學生對專業(yè)知識的理解程度和應用能力，不僅有利于引導學生加強實踐能力的鍛煉，而且有利于促進學生查找文獻、篩選資料以及寫作表達等能力的培養(yǎng)與提高。此外，課程的期末考試也要打破傳統(tǒng)的筆試答題形式，應嘗試采用計算機考試系統(tǒng)［8］或網(wǎng)絡在線答題等靈活高效的隨機測試形式。這不僅能夠較為客觀地考察學生的學習水平，而且可以降低教師的評閱難度和工作強度。
六、高等農(nóng)林院校生物技術專業(yè)的教學評價體系
（一）現(xiàn)狀與問題
所謂教學評價，就是依據(jù)一定的標準對人才培養(yǎng)過程及其質(zhì)量和效益做出客觀的判斷與評價。在整個教學過程中，總結(jié)評價是必不可少的一個環(huán)節(jié)，也是檢驗教學效果的有效形式和激勵師生的重要手段［9］。目前，各高校的教學評價大多采取師生互評的做法。通常，師生雙方通過網(wǎng)上教育系統(tǒng)或紙質(zhì)問卷進行評價與反饋。部分高等院校考慮到學生數(shù)量多而采取隨機抽取部分學生參與教學評價的做法。但是，筆者在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，通過師生互評進行教學評價存在2個方面的問題：①參與評價的學生往往抱有應付的心態(tài)，而且學生評教難以保證客觀公正，考評“全優(yōu)”的現(xiàn)象較為普遍；②教師對學生評教的結(jié)果存在不重視的現(xiàn)象，不能及時做出反饋，個別教師甚至完全忽視教學評價環(huán)節(jié)。
（二）改革措施
建立科學合理的教學評價體系有利于促進生物技術專業(yè)教育的良好發(fā)展。由于生物技術專業(yè)具有較強的系統(tǒng)性和一定的獨立性，所以各高等農(nóng)林院校應建立符合生物技術專業(yè)教育自身特點的教學評價體系。首先，明確教學評價對象的主體應包括專業(yè)、課程、教師和學生。其次，采取師生互評、師生自評、階段總結(jié)相結(jié)合的教學評價方式。其中，師生互評旨在提高教師對學生以及學生對教師的認知度，師生自評旨在提高教師、學生對自我的認知度，階段總結(jié)旨在提高師生對生物技術專業(yè)教育的認知度。為此，浙江農(nóng)林大學組建了由林業(yè)與生物技術學院教學負責人和生物技術專業(yè)資深專業(yè)教師組成的生物技術專業(yè)委員會，由其負責對生物技術專業(yè)的發(fā)展方向以及招生方案、人才培養(yǎng)目標、課程設置、課程考評方式、教育教學的改革探索等進行系統(tǒng)性的研究與實施，以及加強對專業(yè)教學評價體系的構建和完善。
總之，我國生物技術專業(yè)高等教育的發(fā)展是一個漫長的過程，教學改革不能急于求成。各高等農(nóng)林院校要充分結(jié)合自身的辦學理念和專業(yè)特色，積極主動借鑒國內(nèi)外優(yōu)秀高等院校的成功經(jīng)驗，堅持“因地制宜、因人而異、因材施教”的原則，以科學的態(tài)度不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題；要緊隨國家高等教育改革的步伐，關注生物技術發(fā)展創(chuàng)新的動態(tài)，在國家、政府、企業(yè)、高校、師生之間搭建起一座生物技術的橋梁，以促進我國生物技術產(chǎn)業(yè)和生物技術專業(yè)教育向著國際化、高效化、優(yōu)勢化的方向邁進。
作者：王正加 唐永超 單位：浙江農(nóng)林大學林業(yè)與生物技術學
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制藥工程與生物工程的區(qū)別范文第4篇
一．什么是基因芯片
生物芯片，簡單地說就是在一塊指甲大小（1cm3）的有多聚賴氨酸包被的硅片上或其它固相支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纖維素膜、尼龍膜等，但需經(jīng)特殊處理。作原位合成的支持物在聚合反應前要先使其表面衍生出羥基或氨基（視所要固定的分子為核酸或寡肽而定）并與保護基建立共價連接；作點樣用的支持物為使其表面帶上正電荷以吸附帶負電荷的探針分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚賴氨酸等）將生物分子探針（寡核苷酸片段或基因片段）以大規(guī)模陣列的形式排布，形成可與目的分子（如基因）相互作用，交行反應的固相表面，在激光的順序激發(fā)下標記熒光根據(jù)實際反應情況分別呈現(xiàn)不同的熒光發(fā)射譜征，ccd相機或激光共聚焦顯微鏡根據(jù)其波長及波幅特征收集信號，作出比較和檢測，從而迅速得出所要的信息。生物芯片包括基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、組織芯片。而基因芯片中，最成功的是dna芯片，即將無數(shù)預先設計好的寡核苷酸或cdna在芯片上做成點陣，與樣品中同源核酸分子雜交[3]的芯片。
基因芯片的基本原理同芯片技術中雜交測序（sequencing by hybridization, sbh）。即任何線狀的單鏈dna或rna序列均可被分解為一個序列固定、錯落而重疊的寡核苷酸，又稱亞序列（subsequence）。例如可把寡核苷酸序列ttagctcatatg分解成5個8 nt亞序列：
(1)
ctcatatg
(2)
gctcatat
(3)
agctcata
(4)
tagctcat
(5)
ttagctca
這5個亞序列依次錯開一個堿基而重疊7個堿基。亞序列中a、t、c、g 4個堿基自由組合而形成的所有可能的序列共有65536種。假如只考慮完全互補的雜交，那么48個8 nt亞序列探針中，僅有上述5個能同靶dna雜交。可以用人工合成的已知序列的所有可能的n體寡核苷酸探針與一個未知的熒光標記dna/rna序列雜交，通過對雜交熒光信號檢測，檢出所有能與靶dna雜交的寡核苷酸，從而推出靶dna中的所有8 nt亞序列，最后由計算機對大量熒光信號的譜型（pattern）數(shù)據(jù)進行分析，重構靶dna 的互補寡核苷酸序列。
一般基因芯片按其材質(zhì)和功能，基本可分為以下幾類[4]
(一)元件型微陣列芯片
1.生物電子芯片
2.凝膠元件微陣列芯片
3.藥物控釋芯片
(二) 通道型微陣列芯片
1.毛細管電泳芯片
2 .pcr擴增芯片
3.集成dna分析芯片
4.毛細管電層析芯片
(三)生物傳感芯片
1光學纖維陣列芯片
2白光干涉譜傳感芯片
小鼠基因表達譜芯片(mgec)
附:目前國內(nèi)基因芯片常見品種.(上海博星公司)
三 基因芯片的制備
芯片種類較多，制備方法也不盡相同，常見的芯片可分為兩大類：一類是原位合成；一種是直接點樣。原位合成適用于寡核苷酸；直接點樣多用于大片段dna，有時也用于寡核苷酸，甚至mrna。原位合成有兩種途徑。一是光蝕刻法；一是噴印法。光蝕刻法可以合成30nt左右，噴印法可以合成40-50nt，光蝕刻法每步縮合率較低，一般為95%左右，合成30nt產(chǎn)率僅20%；噴印法可達99%以上，合成30nt產(chǎn)率可達74%，從這個意義上說噴印法特異性應比光刻法高。此外，噴印法不需特殊的合成試劑。與原位合成法比較點樣法較簡單，只需將預先制備好的寡核苷酸或cdna等樣品通過自動點樣裝置點于經(jīng)特殊處理的玻璃片或其它材料上即可。
1、原位光蝕刻合成[5-7] 寡聚核苷酸原位光蝕刻合成技術是由affymetrix公司開發(fā)的，采用的技術原理是在合成堿基單體的5'羥基末端連上一個光敏保護基。合成的第一步是利用光照射使羥基端脫保護，然后一個5'端保護的核苷酸單體連接上去，這個過程反復進行直至合成完畢。使用多種掩蓋物能以更少的合成步驟生產(chǎn)出高密度的陣列，在合成循環(huán)中探針數(shù)目呈指數(shù)增長。某一含n個核苷酸的寡聚核苷酸，通過4×n個化學步驟能合成出4n個可能結(jié)構。例如：一個完整的十核苷酸通過32個化學步驟，8個小時可能合成65,536個探針。
目前美國affymetrix公司已有同時檢測6,500個已知人類基因的dna芯片，并且正在制備含500,000-1,000,000個寡核苷酸探針的人類基因檢測芯片。該公司每月投入基因芯片研究的經(jīng)費約100萬美元，目前產(chǎn)品尚未公開投放市場發(fā)揮經(jīng)濟效益，但已有許多公司及研究機構與其簽約購買其產(chǎn)品。該產(chǎn)品不僅可用于基因表達分析和基因診斷等，而且在大規(guī)模藥物開發(fā)方面也具有誘人的前景。affymetrix的大部分產(chǎn)品將在98年底全面投放市場。屆時，在其產(chǎn)品被廣泛采用的同時，其所有的研究投入將變成巨大的利潤。其它公司產(chǎn)品也正在從實驗室技術研究走向開發(fā)應用。目前，用于分子診斷的dna芯片不僅已可用于檢測愛滋病病毒基因還可用于囊性纖維化（cf）、乳腺癌、卵巢癌等疾病相關基因的基因診斷。鑒于光刻設備技術復雜，只能有專業(yè)化公司生產(chǎn)，加之成本高及合成效率不高的問題，因此有待進行以下研究：⑴對光刻技術進行改進，提高合成效率；⑵開發(fā)新的原位合成技術，如噴印合成技術，該技術既能進行原位合成又能進行非原位合成。
另一方法是光導原位合成法。具體方法是在經(jīng)過處理的載玻片表面鋪上一層連接分子（linker），其羥基上加有光敏保護基團，可用光照除去，用特制的光刻掩膜（photolithographic mask）保護不需要合成的部位，而暴露合成部位，在光作用下去除羥基上的保護基團，游離羥基，利用化學反應加上第一個核苷酸，所加核苷酸種類及在芯片上的部位預先設定，所引入的核苷酸帶有光敏保護基團，以便下一步合成。然后按上述方法在其它位點加上另外三種核苷酸完成第一位核苷酸的合成，因而n個核苷酸長的芯片需要4n個步驟。每一個獨特序列的探針稱為一個“feature”，這樣的芯片便具有4n個“feature”，包含了全部長度為n的核苷酸序列。這種原位直接合成的方法無須制備處理克隆和pcr產(chǎn)物，但是每輪反應所需設計的光柵則是主要的經(jīng)費消耗。運用這種方法制作的芯片密度可高達106探針/平方厘米，即探針間隔為 5－10μm，但只能制作ii型 dna芯片。見圖一。
2 原位噴印合成 芯片原位噴印合成原理與噴墨打印類似，不過芯片噴印頭和墨盒有多個，墨盒中裝的是四種堿基等液體而不是碳粉。噴印頭可在整個芯片上移動并根據(jù)芯片上不同位點探針的序列需要將特定的堿基噴印在芯片上特定位置。該技術采用的化學原理與傳統(tǒng)的dna固相合成一致，因此不特殊制備的化學試劑。
3 點樣法 點樣法是將合成好的探針、cnda或基因組dna通過特定的高速點樣機器人直接點在芯片上。點樣分子可以是核酸也可以是寡核酸。一些研究者采用人工點樣的方法將寡核苷酸分子點樣于化學處理后的載玻片上，經(jīng)一定的化學方法處理非干燥后，寡核苷酸分子即固定于載玻片上，制備好的dna芯片可置于緩沖液中保存。由于方法費時費力，不適于大規(guī)模dna芯片制作，因而實現(xiàn)自動化點樣就顯得尤為重要。有的研究者用多聚賴氨酸包被固相支待物玻片，經(jīng)過分區(qū)后用計算機控制的微陣列點樣機按照預先設計順序點上核酸分子，點樣量很小，約為5nl。大規(guī)模cdna芯片多采用這種方法，與其寡核苷酸微芯片相比。dna芯片的潛在優(yōu)越性是具有更強的親和勢和特異性雜交，但是需要大量制備，純化，量化，分類pcr產(chǎn)物。有的研究者將玻片上覆蓋20μm厚薄層聚丙烯酰胺凝膠作為支持物，采用機械刻寫或光刻的方法在其表面劃上網(wǎng)格，并用激光照射蒸發(fā)掉單元間隙的多余凝膠，以實現(xiàn)dna芯片分區(qū)，單元大小為 40×40μm或 100×100μm間隔分別為50μm和100μm。然后將化學方法合成的寡核苷酸探針自動化點樣于各個單元內(nèi)而制成dna芯片，點樣速度可達2000單元/秒。
其裝置采用的機器人有一套計算機控制三維移動裝置、多個打印/噴印針的打印/噴印頭；一個減震底座，上面可放內(nèi)盛探針的多孔板和多個芯片。根據(jù)需要還可以有溫度和濕度控制裝置、針洗滌裝置。打印/噴印針將探針從多孔板取出直接打印或噴印于芯片上。直接打印時針頭與芯片接觸，而在噴印時針頭與芯片保持一定距離。打印法的優(yōu)點是探針密度高，通常1平方厘米可打印2,500個探針。缺點是定量準確性及重現(xiàn)性不好，打印針易堵塞且使用壽命有限。噴印法的優(yōu)點是定量準確，重現(xiàn)性好，使用壽命長。缺點是噴印的斑點大，因此探針密度低，通常1平方厘米只有400點。國外有多家實驗室和公司研究開發(fā)打印/噴印設備，目前有一些已經(jīng)商品化。軍事醫(yī)學科學院和益生堂生物企業(yè)公司目前正在聯(lián)手利用打印/噴印技術進行生物芯片的研究和開發(fā)，預計2年內(nèi)將有用于實驗室研究或臨床診斷的基因芯片產(chǎn)品問世。見圖二。
4 電子芯片[8-10] 電子芯片是由美國nanogen公司開發(fā)的，目前國內(nèi)清華大學和復旦大學也在開發(fā)這一技術。這種芯片為帶有陽電荷的硅芯片、芯片經(jīng)熱氧化，制成1mm×1mm的陣列、每個陣列含多個微電極，在每個電極上通過氧化硅沉積和蝕刻制備出樣品池。將連接鏈親和素的瓊脂糖覆蓋在電極上，在電場作用下生物素標記的探針即可結(jié)合在特定電極上。電子芯片最大特點是雜交速度快，可大大縮短分析時間。制備復雜、成本高是其不足。
5 三維芯片[11-12] 三維芯片是由美國的packard、摩托羅拉、argonne國家實驗室三家機構與俄羅斯engelhardt分子生物學研究所合作開發(fā)的一種芯片技術。三維生物芯片實質(zhì)上是一塊顯微鏡載玻片，其上有10,000個微小聚乙烯酰胺凝膠條，每個凝膠條可用于靶dna，rna和蛋白質(zhì)的分析。先把乙知化合物加在凝膠條上，再用3cm長的微型玻璃毛細管將待測樣品加到凝膠條上。每個毛細管能把小到0.2nl的體積打到凝膠上。以上幾家機構合作研究的生物芯片系統(tǒng)具有其它生物芯片系統(tǒng)不具有的幾個優(yōu)點。一是凝膠的三維化能加進更多的已知物質(zhì)，增加了敏感性。二是可以在芯片上同時進行擴增與檢則。一般情況下，必須在微量多孔板上先進行pcr擴增，再把樣品加到芯片上，因此需要進行許多額外操作。本芯片所用凝膠體積很小。使pcr擴增體系的體積減小1,000倍（總體積約納升級），從而節(jié)約了每個反應所用的pcr酶（約減少100倍）。三是以三維構象形式存在的蛋白和基因材料可以其天然狀態(tài)在凝膠條上分析，可以進行免疫測定，受體-配體研究和蛋白組分析。
6 流過式芯片（flow-thru chip）[13] cene logic正在開發(fā)一種在芯片片基上制成格柵狀微通道，cene logic設計及合成特定的寡核苷酸探針，結(jié)合于微通道內(nèi)芯片的特定區(qū)域。從待測樣品中分離dna或rna并對其進行熒光標記，然后，該樣品流過芯片，固定的寡核苷酸探針捕獲與之相互補的核酸，采用cene logic's信號檢測系統(tǒng)分析結(jié)果。流通式芯片用于高通量分析已知基因的變化，其特定在于⑴敏感性高：由于寡核苷酸吸附表面的增大，流過式芯片可監(jiān)測稀有基因表達的變化；⑵速度快：微通道加速了雜交反應，減少了每次檢測所需時間；⑶價格降低：由于采用了特殊的共價化學技術將寡核苷酸吸附于微通道內(nèi)，使每一種流過芯片可反復使用多次，從而使其成本降低。
四．基因芯片樣品制備
一般說來應用dna芯片進行實驗包括5個過程：生物學問題的提出和芯片設計；樣品制備；生物雜交反應；結(jié)果探測；數(shù)據(jù)處理和建模。
1．樣品制備。一般所需mrna的量是以一張表達譜芯片需要3μg mrna計算的
考慮到個體差異以及樣品在研磨、勻漿等過程中的損失，客戶提供的樣品量應在上述基礎上增加1-2倍。
2 樣本采集過程關鍵點．
組織標本采集操作建議規(guī)程,(取標本所需關鍵器材和處理要求 )
注：
· 以下步驟1 － 5應在冰上進行且不超過15分鐘，超過時間會導致樣品的rna降解。
· 對腫瘤組織的取材，要求盡可能準確地判定腫瘤和正常組織，例如對于手術切除的整個或部分前列腺，可能要根據(jù)冰凍切片報告的結(jié)果來判定要進行研究的取材部位。
1 離體新鮮組織，切成多個1cm3小塊，剔除結(jié)締組織和脂肪組織。胃、腸組織應剪除外膜；肝、腎、脾應剪除門部血管神經(jīng)，腫瘤組織應將周圍的正常組織切除干凈（正常組織也應將周圍的腫瘤組織切除干凈）。
2 在rnase-free 0.9％生理鹽水中漂洗樣品，以去除血漬和污物。
3 用鋁箔包裹組織，或用5ml凍存管裝載組織(但最好統(tǒng)一采用鋁箔)。用記號筆在鋁箔或凍存管外表寫明樣品編號，并貼上標簽，迅速投入液氮冷卻。
4 填寫樣品登記表，寫明樣品名稱、種類、編號、取樣日期、樣品處理情況等
將液氮冷卻的組織放入樣品袋（每個樣品袋只保存同樣的組織），袋口留一根編號繩，繩上粘一張標簽紙（標簽上注明：樣品名稱、編號、日期），迅速轉(zhuǎn)入便攜式液氮罐
5 保留1-2張取材部位的病理切片。
五.生物芯片雜交
待分析基因在與芯片結(jié)合探針雜交之前必需進行分離、擴增及標記。根據(jù)樣品來源、基因含量及檢測方法和分析目的不同，采用的基因分離、擴增及標記方法各異。當然，常規(guī)的基因分離、擴增及標記技術完全可以采用，但操作繁瑣且費時。高度集成的微型樣品處理系統(tǒng)如細胞分離芯片及基因擴增芯片等是實現(xiàn)上述目的的有效手段和發(fā)展方向。為了獲得基因的雜交信號必須對目的基因進行標記，目前采用的最普遍的熒光標記方法與傳統(tǒng)方法如體外轉(zhuǎn)錄、pcr、逆轉(zhuǎn)錄等原理上并無多大差異，只是采用的熒光素種類更多，這可以滿足不同來源樣品的平行分析。用計算機控制的高分辨熒光掃描儀可獲得結(jié)合于芯片上目的基因的熒光信號，通過計算機處理即可給出目的基因的結(jié)構或表達信息。
雜交條件的選擇與研究目的有關，多態(tài)性分析或者基因測序時，每個核苷酸或突變位點都必須檢測出來。通常設計出一套四種寡聚核苷酸，在靶序列上跨越每個位點，只在中央位點堿基有所不同，根據(jù)每套探針在某一特點位點的雜交嚴謹程度，即可測定出該堿基的種類。如果芯片僅用于檢測基因表達，只需設計出針對基因中的特定區(qū)域的幾套寡聚核苷酸即可。表達檢測需要長的雜交時間，更高的嚴謹性，更高的樣品濃度和低溫度，這有利于增加檢測的特異性和低拷貝基因檢測的靈敏度。突變檢測，要鑒別出單堿基錯配，需要更高的雜交嚴謹性和更短的時間。
此外，雜交反應還必須考慮雜交反應體系中鹽濃度、探針gc含量和所帶電荷、探針與芯片之間連接臂的長度及種類、檢測基因的二級結(jié)構的影響。有資料顯示探針和芯片之間適當長度的連接臂可使雜交效率提高150倍[9]。連接臂上任何正或負電荷都將減少雜交效率。由于探針和檢測基因均帶負電荷，因此影響他們之間的雜交結(jié)合，為此有人提出用不帶電荷的肽核酸（pna）做探針[9]。雖然pna的制備比較復雜，但與dna探針比較有許多特點，如不需要鹽離子，因此可防止檢測基因二級結(jié)構的形成及自身復性。由于pna-dna結(jié)合更加穩(wěn)定和特異，因此更有利于單堿基錯配基因的檢測。
六 基因芯片檢測原理
雜交信號的檢測是dna芯片技術中的重要組成部分。以往的研究中已形成許多種探測分子雜交的方法，如熒光顯微鏡、隱逝波傳感器、光散射表面共振、電化傳感器、化學發(fā)光、熒光各向異性等等，但并非每種方法都適用于dna芯片。由于dna芯片本身的結(jié)構及性質(zhì)，需要確定雜交信號在芯片上的位置，尤其是大規(guī)模dna芯片由于其面積小，密度大，點樣量很少，所以雜交信號較弱，需要使用光電倍增管或冷卻的電荷偶連照相機(charged-coupled device camera，ccd)攝像機等弱光信號探測裝置。此外，大多數(shù)dna芯片雜交信號譜型除了分布位點以外還需要確定每一點上的信號強度，以確定是完全雜交還是不完全雜交，因而探測方法的靈敏度及線性響應也是非常重要的。雜交信號探測系統(tǒng)主要包括雜交信號產(chǎn)生、信號收集及傳輸和信號處理及成像三個部分組成。
由于所使用的標記物不同，因而相應的探測方法也各具特色。大多數(shù)研究者使用熒光標記物，也有一些研究者使用生物素標記，聯(lián)合抗生物素結(jié)合物檢測dna化學發(fā)光。通過檢測標記信號來確定dna芯片雜交譜型。
1．熒光標記雜交信號的檢測方法
使用熒光標記物的研究者最多，因而相應的探測方法也就最多、最成熟。由于熒光顯微鏡可以選擇性地激發(fā)和探測樣品中的混合熒光標記物，并具有很好的空間分辨率和熱分辨率，特別是當熒光顯微鏡中使用了共焦激光掃描時，分辨能力在實際應用中可接近由數(shù)值孔徑和光波長決定的空間分辨率，而在傳統(tǒng)的顯微鏡是很難做到的，這便為dna芯片進一步微型化提供了重要的檢測方法的基礎。大多數(shù)方法都是在人射照明式熒光顯微鏡（epifluoescence microscope）基礎上發(fā)展起來的，包括激光掃描熒光顯微鏡、激光共焦掃描顯微鏡、使用了ccd相機的改進的熒光顯微鏡以及將dna芯片直接制作在光纖維束切面上并結(jié)合熒光顯微鏡的光纖傳感器微陣列。這些方法基本上都是將待雜交對象 以熒光物質(zhì)標記，如熒光素或麗絲膠（lissamine）等，雜交后經(jīng)過ssc和sds的混合溶液或sspe等緩沖液清洗。
（1）激光掃描熒光顯微鏡
探測裝置比較典型。方法是將雜交后的芯片經(jīng)處理后固定在計算機控制的二維傳動平臺上，并將一物鏡置于其上方，由氬離子激光器產(chǎn)生激發(fā)光經(jīng)濾波后通過物鏡聚焦到芯片表面，激發(fā)熒光標記物產(chǎn)生熒光，光斑半徑約為5－10μm。同時通過同一物鏡收集熒光信號經(jīng)另一濾波片濾波后，由冷卻的光電倍增管探測，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。通過計算機控制傳動平臺x－y方向上步進平移，dna芯片被逐點照射，所采集熒光信號構成雜交信號譜型，送計算機分析處理，最后形成20μm象素的圖像。這種方法分辨率高、圖像質(zhì)量較好，適用于各種主要類型的dna芯片及大規(guī)模dna芯片雜交信號檢測，廣泛應用于基因表達、基因診斷等方面研究。
(2)激光掃描共焦顯微鏡
激光掃描共焦顯微鏡與激光掃描熒光顯微鏡結(jié)構非常相似，但是由于采用了共焦技術因而更具優(yōu)越性。這種方法可以在熒光標記分子與dna芯片雜交的同時進行雜交信號的探測，而無須清洗掉未雜交分子，從而簡化了操作步驟大大提高了工作效率。affymetrix公司的s．p．a(chǎn)．forder等人設計的dna芯片即利用此方法。其方法是將靶 dna分子溶液放在樣品地中，芯片上合成寡核苷酸陣列的一面向下，與樣品池溶液直接接觸，并與dna樣品雜交。當用激發(fā)光照射使熒光標記物產(chǎn)生熒光時，既有芯片上雜交的dna樣品所發(fā)出的熒光，也有樣品地中dna所發(fā)出的熒光，如何將兩者分離開來是一個非常重要的問題。而共焦顯微鏡具有非常好的縱向分辨率，可以在接受芯片表面熒光信號的同時，避開樣品池中熒光信號的影響。一般采用氬離子激光器（488nm）作為激發(fā)光源，經(jīng)物鏡聚焦，從芯片背面入射，聚集于芯片與靶分子溶液接觸面。雜交分子所發(fā)的熒光再經(jīng)同一物鏡收集，并經(jīng)濾波片濾波，被冷卻的光電倍增管在光子計數(shù)的模式下接收。經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換反轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送微機處理，成像分析。在光電信增管前放置一共焦小孔，用于阻擋大部分激發(fā)光焦平面以外的來自樣品池的未雜交分子熒光信號，避免其對探測結(jié)果的影響。激光器前也放置一個小孔光闌以盡量縮小聚焦點處光斑半徑，使之能夠只照射在單個探針上。通過計算機控制激光束或樣品池的移動，便可實現(xiàn)對芯片的二維掃描，移動步長與芯片上寡核苷酸的間距匹配，在幾分鐘至幾十分鐘內(nèi)即可獲得熒光標記雜交信號圖譜。其特點是靈敏度和分辨率較高，掃描時間長，比較適合研究用。現(xiàn)在 affymetrix公司已推出商業(yè)化樣機，整套系統(tǒng)約 12萬美元。
（3）采用了ccd相機的熒光顯微鏡
這種探測裝置與以上的掃描方法都是基于熒光顯微鏡，但是以ccd相機作為信號接收器而不是光電倍增管，因而無須掃描傳動平臺。由于不是逐點激發(fā)探測，因而激發(fā)光照射光場為整個芯片區(qū)域，由ccd相機獲得整個dna芯片的雜交譜型。這種方法一般不采用激光器作為激發(fā)光源，由于激光束光強的高斯分布，會使得光場光強度分布不均，而熒光信號的強度與激發(fā)光的強度密切相關，因而不利于信號采集的線性響應。為保證激發(fā)光勻場照射，有的學者使用高壓汞燈經(jīng)濾波片濾波，通過傳統(tǒng)的光學物鏡將激發(fā)光投射到芯片上，照明面積可通過更換物鏡來調(diào)整；也有的研究者使用大功率弧形探照燈作為光源，使用光纖維束與透鏡結(jié)合傳輸激發(fā)光，并與芯片表面呈50o角入射。由于采用了ccd相機，因而大大提高了獲取熒光圖像的速度，曝光時間可縮短至零點幾秒至十幾秒。其特點是掃描時間短，靈敏度和分辨率較低，比較適合臨床診斷用[14].
（4）光纖傳感器
有的研究者將 dna芯片直接做在光纖維束的切面上（遠端），光纖維束的另一端（近端）經(jīng)特制的耦合裝置耦合到熒光顯微鏡中。光纖維束由7根單模光纖組成。每根光纖的直徑為200μm，兩端均經(jīng)化學方法拋光清潔。化學方法合成的寡核苷酸探針共價結(jié)合于每根光纖的遠端組成寡核苷酸陣列。將光纖遠端浸入到熒光標記的靶分子溶液中與靶分子雜交，通過光纖維束傳導來自熒光顯微鏡的激光（490urn），激發(fā)熒光標記物產(chǎn)生熒光，仍用光纖維束傳導熒光信號返回到熒光顯微鏡，由ccd相機接收。每根光纖單獨作用互不干擾，而溶液中的熒光信號基本不會傳播到光纖中，雜交到光纖遠端的靶分子可在90％的甲酸胺（ formamide）和te緩沖液中浸泡10秒鐘去除，進而反復使用。這種方法快速、便捷，可實時檢測dna微陣列雜交情況而且具有較高的靈敏度，但由于光纖維束所含光纖數(shù)目有限，因而不便于制備大規(guī)模dna芯片，有一定的應用局限性。
2.生物素標記方法中的雜交信號探測
以生物素（biotin）標記樣品的方法由來已久，通常都要聯(lián)合使用其它大分子與抗生物素的結(jié)合物（如結(jié)合化學發(fā)光底物酶、熒光素等），再利用所結(jié)合大分子的特殊性質(zhì)得到最初的雜交信號，由于所選用的與抗生物素結(jié)合的分子種類繁多，因而檢測方法也更趨多樣化。特別是如果采用尼龍膜作為固相支持物，直接以熒光標記的探針用于dna芯片雜交將受到很大的限制，因為在尼龍膜上熒光標記信號信噪比較低。因而使用尼龍膜作為固相支持物的這些研究者大多是采用生物素標記的。
目前應用較多的是美國general scanning公司開發(fā)的基因芯片專用檢測系統(tǒng)(scanarray 3000)，采用激光共聚焦掃描原理進行熒光信號采集，由計算機處理熒光信號，并對每個點的熒光強度數(shù)字化后進行分析。近期又開發(fā)出了scanarray 5000，其掃描精度和功能有較大的提高。
七 結(jié)果的分析
樣品在被測定前，首先要經(jīng)過消化，使待測組織細胞中的dna或rna釋放出來，在經(jīng)過適當?shù)臄U增后，以熒光標記物標記，放入基因芯片自動孵育裝置（fluidics station）中，由其自動控制反應的時間、溫度以及緩沖液的配比等反應條件，進行雜交，這一過程，僅需要數(shù)秒鐘。雜交完成后，要對基因芯片進行“讀片”，即應用激光共聚焦熒光掃描顯微鏡，對基因芯片表面的每個位點進行檢測。這種顯微鏡，將聚焦的平面設定為芯片的表面，因此可以檢測結(jié)合到芯片表面位點的樣品片斷的熒光標記，而待測樣品中未與芯片上探針結(jié)合的熒光標記物，則懸浮于溶液中，由于不在聚焦平面上，因而不被檢測。樣品與探針的錯配是影響雜交反應結(jié)果的重要因素，但由于樣品與芯片上的探針正確配對時產(chǎn)生的熒光信號要比錯配時強的多，因此，通過對信號強度的分析，就可以區(qū)分正確與錯誤的配對。
為了使結(jié)果的檢驗更加簡便和快速，affymetrix的基因芯片的分析系統(tǒng)中采用了基因陣列掃描儀和專用的基因芯片工作站，對一幅包含數(shù)萬個探針位點的基因芯片圖樣的分析，僅需要數(shù)分鐘的時間。這樣在短短的幾十分鐘至數(shù)小時內(nèi)，就可以完成用傳統(tǒng)方法需要數(shù)月才能完成的幾萬乃至幾十萬次雜交分析試驗。
八 基因芯片的應用
（一）基因表達分析 基因芯片具有高度的敏感性和特異性，它可以監(jiān)測細胞中幾個至幾千個mrna拷貝的轉(zhuǎn)錄情況。與用單探針分析mrna的點雜交技術不同，基因芯片表達探針陣列應用了大約20對寡核苷酸探針來監(jiān)測每一個mrna的轉(zhuǎn)錄情況。每對探針中，包含一個與所要監(jiān)測的mrna完全吻合和一個不完全吻合的探針（圖2），這兩個探針的差別在于其中間位置的核苷酸不同。這種成對的探針可以將非特異性雜交和背景訊號減小到最低的水平，由此我們就可以確定那些低強度的mrna。目前，affymetrix公司已經(jīng)生產(chǎn)出hugenefl、mu6500（含有小鼠6 500個基因）、ye6100（含有酵母6 100個基因）等基因芯片成品。
1 分析基因表達時空特征。英國劍橋大學whitehead研究所的frank c.p. holstege等人，應用含有酵母基因組的基因芯片，深入研究了真核細胞基因組的調(diào)節(jié)周期。應用基因組水平的表達分析，監(jiān)測那些表達受轉(zhuǎn)錄起始機制的關鍵成分控制的基因，發(fā)現(xiàn)rna聚合酶ii、主要的轉(zhuǎn)錄因子tfiid和saga染色體修飾復合物等均在基因的表達中有自己特定的作用位點[15]。通過本試驗，研究人員揭示了：（1）基因特異性的轉(zhuǎn)錄因子對表達的調(diào)控作用。（2）細胞在缺乏營養(yǎng)的環(huán)境中，基因不同位點的協(xié)同調(diào)節(jié)作用的全新機制。（3）信號轉(zhuǎn)導通路的最終作用位點，在最初的幾步中就可以確定。以此試驗為基礎，研究人員進一步繪制出了酵母基因組控制圖，并由此分析出了各種調(diào)節(jié)因子在基因上不同的作用位點和其作用的分子機制。
美國stanford大學的v.r.iyer等人[16]，對成纖維細胞中與細胞增生和損傷修復有關的基因進行了分析。首先，他們用成纖維細胞中的8 600個基因片斷制成基因芯片的探針陣列，通過與mrna反轉(zhuǎn)錄形成的cdna的雜交反應，可以判斷出該基因的活性。在試驗中，成纖維細胞被置于無營養(yǎng)的環(huán)境中，使絕大部分基因的活性關閉，兩天后，加入10%的血清，24小時內(nèi)，分6個不同的時間點，觀察基因的活化情況。試驗結(jié)果表明，在所有被監(jiān)測的基因中，約有500個基因最為活躍，而使細胞保持不分裂狀態(tài)的基因活性被抑制。其中，最早被活化的是那些轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因。在活化的基因中，有28個基因共同作用，控制細胞的增殖；8個與免疫反應的激活有關；19個與血管重建有關；另有許多基因，與血管新生密切相關。在腫瘤細胞中，基因的表達與正常的細胞存在著明顯的差異。通過基因芯片繪出基因表達的時空圖譜，有助于人類認識生命活動過程和特征。
2 基因差異表達檢測〔17〕 生命活動中基因表達的改變是生物學研究的核心問題。理解人類基因組中10萬個不同的基因功能，監(jiān)測某些組織、細胞不同分化階段的差異基因表達（differential gene expression ，dge）十分重要。對差異表達的研究，可以推斷基因與基因的相互關系，細胞分化中基因“開啟”或“關閉”的機制；揭示基因與疾病的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)歸的內(nèi)在聯(lián)系。目前dge研究方法主要有表達序列標簽（ests）測序、差減克隆（subtractive cloning ）、差異顯示（differential display）、基因表達系列分析 (serial analysis of gene expression, sage)。而cdna微陣列雜交技術可監(jiān)測大量mrna的轉(zhuǎn)錄，直接快速地檢測出極其微量的mrna，且易于同時監(jiān)測成千上萬的基因，是研究基因功能的重要手段之一。rihn bh等利用基因芯片檢測胸膜間皮瘤與正常細胞間比較了6500個基因，，發(fā)現(xiàn)了300多個差異基因的表達。其中幾個典型基因的表達經(jīng)rt-pcr進行定量后，可作為胸膜間皮瘤診斷的標記物（markers）[18]。sgroi〔19〕報告dna芯片結(jié)合激光捕獲顯微切割技術（laser capture microdissection）用于乳癌浸潤期和轉(zhuǎn)移期及正常細胞的基因表達譜（gene expression profiles）差異研究，結(jié)果被定量pcr和免疫組化所證實。差異表達有助于早期發(fā)現(xiàn)瘤細胞3萬個基因與正常細胞的區(qū)別，有助于了解瘤細胞的發(fā)生、浸潤、轉(zhuǎn)移和藥敏。最近，美國毒物化學研究所（ciit） 和國家環(huán)境健康科學研究所（niehs）正計劃在一張玻片上建立8 700個小白鼠cdna芯片，用于肝癌的研究。我國也已成功研制出能檢出41 000種基因表達譜的芯片。美國stanford大學的david botstein利用cdna微陣列芯片，對乳腺癌細胞的基因表達進行了分析，發(fā)現(xiàn)其基因表達水平明顯低于正常細胞。利用基因芯片對表達進行分析，在一次試驗中可以獲取相當于在60余萬次傳統(tǒng)的northern雜交中所獲得的關于基因表達的信息。通過這種實驗方法，可以建立一種全新的腫瘤分類學方法，即依據(jù)每個腫瘤細胞中的基因表達情況對腫瘤細胞進行分類。基因芯片技術在分析基因的表達中具有不可比擬的優(yōu)勢。
3 發(fā)現(xiàn)新基因 moch等利用腫瘤微陣列芯片（5 184個cdna片段）發(fā)現(xiàn)了腎細胞癌的腫瘤標志物基因，并于正常細胞進行比較。在532份標本中檢測到胞漿纖維vimentin的表達基因，陽性率為51%～61%〔20〕。追蹤觀察，有vimentin表達的患者，預后極差。人類大量ests給cdna微陣列提供了豐富的資源，數(shù)據(jù)庫中400 000個ests代表了所有人類基因，成千上萬的ests微陣列將為人類基因表達研究提供強有力的分析工具。這將大大地加速人類基因組的功能分析〔21〕。
定量檢測大量基因表達水平在闡述基因功能、探索疾病原因及機理、發(fā)現(xiàn)可能的診斷及治療靶等方面是很有價值的。如該技術在炎癥性疾病類風濕性關節(jié)炎（ra）和炎癥性腸病（ibd）的基因表達研究中，由ra或ibd組織制備探針，用cy3和cy5熒光素標記，然后與靶cdna微陣列雜交，可檢測出炎癥疾病誘導的基因如tnf-α、il或粒細胞集落刺激因子，同時發(fā)現(xiàn)一些以前未發(fā)現(xiàn)的基因如hme基因和黑色素瘤生長刺激因子。schena等人[22]報道了cdna的微陣列在人類基因表達監(jiān)測、生物學功能研究和基因發(fā)現(xiàn)方面的應用。采用含1,046個已知序列的cdna微陣列，用高速機器人噴印在玻片上，用雙色雜交法定量監(jiān)測不同基因表達，在一定的實驗條件下，不同表達模式的陣列成分通過序列分析鑒定其特征。該方法較以往常用的方法敏感10倍以上，檢測限度為1:500,000(wt/wt)總?cè)梭wmrna。在培養(yǎng)t細胞熱休克反應的測定中，發(fā)現(xiàn)17個陣列成分的熒光比較明顯改變，其中11個受熱休克處理的誘導，6個呈現(xiàn)中度抑制，對相應于17個陣列成分的cdna測序發(fā)現(xiàn)5個表達最高的成分是5種熱休克蛋白，17個克隆中發(fā)現(xiàn)3個新序列。另外，在佛波酯誘導檢測中[23]，發(fā)現(xiàn)有6個陣列成分信號增強超過2倍，測序及數(shù)據(jù)庫比較揭示有5個已知的，誘導表達最高的兩個是pca-1酪氨酸磷酸酶和核因子-κb1，有一個是未知的。這4個新基因的表達水平均相對較低，僅呈現(xiàn)2倍的誘導。northern雜交結(jié)果證實了微陣列的結(jié)果。進一步檢測了人的骨髓、腦、前列腺及心臟組織中熱休克和佛波酯調(diào)節(jié)基因的表達，4種組織中檢測出15種熱休克和佛波酯調(diào)節(jié)基因的表達，其表達水平與jurkat細胞中相應成分的表達水平密切相關如在四種組織中表達水平最高的兩個基因β-actin和細胞色素c氧化酶在jurkat細胞中的表達水平也很高。上述實驗提示在缺乏任何序列信息的條件下，微陣列可用于基因發(fā)現(xiàn)和基因表達檢測。目前，大量人類ests給cdna微陣列提供了豐富的資源，數(shù)據(jù)庫中400,000個ests代表了所有人類基因，成千上萬的ests微陣列將為人類基因表達研究提供強有力的分析工具。這將大大地加速人類基因組的功能分析。
4 大規(guī)模dna測序 人類基因組計劃的實施促進了高效的、自動化操作的測序方法的發(fā)展。芯片技術中雜交測序（sequencing by hybridization, sbh）技術及鄰堆雜交（contiguous stacking hybridization, csh）技術即是一種新的高效快速測序方法[24-26]。用含65 536個8聚寡核苷酸的微陣列，采用sbh技術，可測定200 bp長dna序列，采用67 108 864個13聚寡核苷酸的微陣列，可對數(shù)千個堿基長的dna測序。sbh技術的效率隨著微陣列中寡核苷酸數(shù)量與長度的增加而提高，但微陣列中寡核苷酸數(shù)量與長度的增加則提高了微陣列的復雜性，降低了雜交準確性。csh技術彌補了sbh技術存在的弊端，csh技術的應用增加了微陣列中寡核苷酸的有效長度，加強了序列準確性，可進行較長的dna測序。計算機模擬論證了8聚寡核苷酸微陣列與5聚寡核苷酸鄰堆雜交，相當于13聚寡核苷酸微陣列的作用，可測定數(shù)千個核苷酸長的dna序列[26]。dubiley等人[26]將合成的10聚寡核苷酸固定于排列在載片表面的0.1×0.1×0.02mm或1×1×0.02mm聚丙酰胺凝膠墊上制備聚寡核苷酸微陣列，先用分離微陣列（fractionation chips）進行單鏈dna分離，再用測序微陣列（sequencing chips）分析序列，后者聯(lián)合采用了10聚寡核苷酸微陣列的酶促磷酸化、dna雜交及與鄰堆的5聚寡核苷酸連接等技術。該方法可用于含重復序列及較長序列的dna序列測定及不同基因組同源區(qū)域的序列比較。利用基因芯片測序的準確率達99%以上。
正如nih首腦harold varmus在美國細胞生物學1998年年會上所說：“在基因芯片的幫助下，我們將能夠監(jiān)測一個細胞乃至整個組織中所有基因的行為。”
（二）基因型、基因突變和多態(tài)性分析
在同一物種不同種群和個體之間，有著多種不同的基因型，而這種不同，往往與個體的不同性狀和多種遺傳性疾病有著密切的關系。通過對大量具有不同性狀的個體的基因型進行比較，就可以得出基因與性狀的關系。但是，由于大多數(shù)性狀和遺傳性疾病是由多個基因同時決定的，因此分析起來就十分困難，然而基因芯片技術恰恰解決了這一問題，利用其可以同時反應數(shù)千甚至更多個基因的特性，我們就可以分析基因組中不同基因與性狀或疾病的關系。美國stanford大學的e.a.winzeler等[27]，以兩種不同菌株的酵母（s96和yjm789）作為實驗材料，對控制酵母對放線菌酮的抗藥性的基因進行分析。將含有酵母150 000個dna片斷的基因芯片分別與這兩株酵母活化轉(zhuǎn)錄的mrna分子雜交，s96幾乎全部吻合，而yjm789與芯片上的探針組存在較大的差異，約有3000個位點沒有雜交顯色。由于s96對放線菌酮有抗藥性而yjm789的抗藥性則弱的多，因此可以判定控制這一抗藥性的基因的所在。而后，通過對s96和yjm789雜交后產(chǎn)生的抗藥子代的遺傳標記的分析，進一步確定，控制該抗藥性的基因位于15號染色體，是一長約57 000個堿基的片斷。美國國家人類基因組研究室的j.g.hacia等在fodor研究小組的協(xié)助下[28]，將基因芯片應用于雙色突變分析。他們的分析對象是與人類遺傳性乳腺癌和卵巢癌密切相關的brca1基因的外顯子11。在擴增后，將brca1基因的外顯子11置于含有熒光素-12-utp的環(huán)境中進行體外轉(zhuǎn)錄反應，而后將轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mrna與brca1外顯子11芯片雜交，4小時后，用藻紅蛋白染色。在觀察時，用488nm的氬離子激光進行掃描，熒光染色位點呈現(xiàn)綠色，而藻紅蛋白染色的位點呈現(xiàn)紅色。應用雙色分析，可以更為清楚的監(jiān)測未知樣品與標準鏈之間的競爭性雜交情況，進而分析該基因中的不同突變。通過對15名患者brca1基因的觀察，有14名患者在外顯子11位點存在不同的突變。hacia等［29］在1.28 cm×1.28 cm的芯片上固定了9.66×104個長度為20 nt的寡核苷酸探針，用于檢測乳腺癌基因brca1的exon11 (3.45 kb)中所有可能的堿基置換、插入和缺失(1～5 bp)突變。針對每一個位點，共有28個獨立的探針，14個針對有義鏈，14個針對反義鏈。14個探針包括2個野生型，3個堿基置換、4個插入突變、5個堿基缺失。在15例患者樣品中，發(fā)現(xiàn)有14例有基因突變，類型包括點突變、插入及缺失等；在20例對照樣品中均未檢出假陽性結(jié)果，結(jié)果表明dna芯片技術可快速、準確地研究大量患者樣品定基因所有可能的雜合變。cronin等［30］分別用兩種dna芯片檢測囊性纖維化跨膜傳導調(diào)節(jié)(cftr)的突變，其中一個芯片包含1 480個探針，檢測了cftr基因的第10和11外顯子的已知突變，包括缺失、插入和單堿基置換，并分析了10個未知樣品的cftr基因，其結(jié)果與pcr-relp的分析結(jié)果完全一致。
guo等人[31]利用結(jié)合在玻璃支持物上的等位基因特異性寡核苷酸（asos）微陣列建立了簡單快速的基因多態(tài)性分析方法。將asos共價固定于玻璃載片上，采用pcr擴增基因組dna，其一條引物用熒光素標記，另一條引物用生物素標記，分離兩條互補的dna鏈，將熒光素標記dna鏈與微陣列雜交，通過熒光掃描檢測雜交模式，即可測定pcr產(chǎn)物存在的多種多態(tài)性，該方法對人的酪氨酸酶基因等4個外顯子內(nèi)含有的5個單堿基突變進行分析，結(jié)果顯示單堿基錯配與完全匹配的雜交模式非常易于區(qū)別。這種方法可快速、定量地獲得基因信息。β-地中海貧血中變異的檢測也論證了該方法的有效性和可信性[32]。lipshutz等人[33]采用含18,495個寡核苷酸探針的微陣列，對hiv-1基因組反轉(zhuǎn)錄酶基因（rt）及蛋白酶基因（pro）的高度多態(tài)性進行了篩選。微陣列中內(nèi)部探針與靶序列的錯配具有明顯的不穩(wěn)定性，據(jù)此可快速區(qū)別核酸靶的差異。例如檢測序列5'gtatcagcatxgccatcgtgc中x堿基的種類，可用下列4種探針3'agtcgtaacggtagc，3'agtcgtaccggtagc，3'agtcgtagcggtagc，3'agtcgtatcggtagc。高密度探針陣列可檢則具有特征性的較長序列相關的多態(tài)性與變異。篩選1,000個核苷酸序列的變異與多態(tài)性需要4,000個探針。用100μm合成位點，設計1.28cm2陣列，將有大約16,000個探針，能篩選4kb序列。hiv-1基因組中rt與pro在疾病過程中易于發(fā)生多種變異，這些變異將導致病毒對多種抗病毒藥物包括azt、ddi、ddc等出現(xiàn)明顯抗性，因此檢測和分析rt與pro的變異與多態(tài)性具有重要的臨床意義。隨著遺傳病與癌癥相關基因發(fā)現(xiàn)數(shù)量的增加，變異與多態(tài)性分析將越來越重要。chee等［34］用含有1.35×105個長度為25 nt的寡核苷酸探針，分析了16.6 kb的人類線粒體基因組dna(mt dna)，共分析了10個樣本，檢測出了505個多態(tài)性位點，并在leber′s遺傳性視神經(jīng)疾病患者的mt dna中檢測出3個致病性突變位點。
隨著人類基因組計劃的逐步發(fā)展，研究人員分析出了越來越多的基因序列。下一步，就是要分析這些基因的多態(tài)性與生物功能和疾病的關系，而這需要對大量個體進行分析。通過基因芯片snp（單核苷酸多態(tài)性）定位試驗，可以確定基因多態(tài)性和疾病的關系，同時也可確定致病的機制和病人對治療的反應等。同樣，對于許多與人類疾病密切相關的致病微生物，也可對其進行基因型和多態(tài)性分析，1998年，法國t.livache等[35]就成功的利用基因芯片技術，對人血中的hcv病毒進行了基因型分析。snp基因芯片的成功將使臨床診斷上到一個新的臺階。
（三）疾病的診斷與治療 人類的疾病與遺傳基因密切相關，基因芯片可以對遺傳信息進行快速準確的分析，因此它在疾病的分子診斷中的優(yōu)勢是不言而喻的，就臨床一種新的、強有力的分子工具[36]。基因芯片技術已經(jīng)被應用于感染性疾病、腫瘤和藥物代謝等方面的研究。
1 遺傳病相關基因的定位 90年代以來,隨著人類基因組計劃的發(fā)展,各種方法被相繼創(chuàng)立并應用到基因定位中。我國有4 000萬育齡婦女，每年有2 000萬新生兒，準確檢測遺傳病基因是優(yōu)生優(yōu)育的技術保障。dna芯片充分結(jié)合并靈活運用了大規(guī)模集成電路制造技術、自動化技術、計算機及網(wǎng)絡技術、激光共聚焦掃描、dna合成、熒光標記探針、分子雜交及分子生物學的其它技術,在這一領域的研究中有著巨大的潛力。這一技術已成為基因定位研究的高效工具。隨著遺傳病與癌癥相關基因發(fā)現(xiàn)數(shù)量的增加，變異與多態(tài)性分析將越來越重要。hgp使許多遺傳疾病基因得以定位,配合使用多位pcr (multiplex-pcr) /dna芯片可一次篩查多種遺傳病,既經(jīng)濟快速又敏感可靠[37,38]。
2 腫瘤診斷 已用基因芯片檢測人鼻咽癌、肺癌基因表達譜、腫瘤原癌基因和抑癌基因的發(fā)現(xiàn)和定位。早在1996年，m.j.kozal等就利用基因芯片[39]，對hiv-i b亞型中的蛋白酶基因的多態(tài)性進行了分析，這也是基因芯片技術被首次應用于臨床實踐。在艾滋病的治療中，使用hiv蛋白酶抑制劑是一種重要的手段。然而，病毒對該藥物的反應卻有著很大的差異。利用基因芯片技術，研究人員分析了取自102個病人的167個病毒單體，發(fā)現(xiàn)這些同為美國hiv-i b亞種的病毒的基因序列存在極大差異，其中蛋白酶的基因片斷差異最大，在編碼99個氨基酸的序列中，竟有47.5%存在明顯突變。這些氨基酸的突變，直接導致了病毒抗藥性的不同。含96 600個20體寡核苷酸高密度陣列對遺傳性乳腺和卵巢癌brca1基因3.45 kb的第11個外顯子進行雜合變異篩選，15個患者的已知變異的樣品中，準確診斷出14個患者，20個對照樣品中未發(fā)現(xiàn)假陽性。用affimetrix p53芯片和pcr-sscp調(diào)查42例有乳癌史的家系，p53基因13 964位的g變?yōu)閏，突變率為7.1%；無乳癌家族史者為0。favis等用多位pcr/連接酶檢測反應（pcr/ldr）在一個試管內(nèi)同時檢測數(shù)百個基因突變，用于檢測大腸癌組織k-ras 和p53突變及brca-1和brca-2低頻率突變收到良好效果。
人類惡性腫瘤中，約有60%與人類p53抑癌基因的突變有關，目前研究人員已經(jīng)研制成功了可以檢測p53基因所有編碼區(qū)（外顯子2～外顯子11）錯意突變和單堿基缺失突變的基因芯片。以外顯子7的第248個密碼子為例，野生型為cgg，在芯片上做出5條探針，相應位點分別為gac、gcc、ggc、gtc和g-c，根據(jù)雜交后的熒光顯色圖，就可以分析出該位點為何種突變。
3 感染性疾病的診斷 hiv-1基因組中rt與pro在疾病過程中易于發(fā)生多種變異，這些變異將導致病毒對多種抗病毒藥物包括azt、ddi、ddc等出現(xiàn)明顯抗性，因此檢測和分析rt與pro的變異與多態(tài)性具有重要的臨床意義。hayward[40]以3 648個插入片段建立獵槍微陣列(shotgun microarray)，通過差異雜交和dna測序找到了瘧原蟲無性和有性生殖階段基因差異表達，為抗瘧藥設計提供了線索。可以預測在不久的將來，人們可望在一張dna芯片上檢測幾乎所有的病原微生物基因，實現(xiàn)真正意義上的“組合檢測（profile tests）”。
4 耐藥菌株和藥敏檢測 據(jù)who報告，全球每年約有800萬結(jié)核病患者，有300萬人死亡，死亡人數(shù)超過了艾滋病和瘧疾的總和。主要原因是菌株對不同的藥物產(chǎn)生了抗藥性（俄國80%tb對一種藥物產(chǎn)生抗性；美國50%為多重耐藥）。對每例患者進行菌株和藥敏鑒定是控制tb的關鍵。最近，俄美兩國科學家開發(fā)了具此功能的基因芯片，可使醫(yī)生及早使用敏感藥物。該芯片（tb biochips）將抗性菌株的單鏈dna標記后固定在玻片上，與待檢tb株雜交，臨床使用未見假陽性，該芯片可清洗后重復使用50次。
（四）藥物研究中的應用
從經(jīng)濟效益來說，最大的應用領域可能是制藥廠用來開發(fā)新藥。所以已經(jīng)有多家制藥企業(yè)介入芯片的開發(fā)。如： incyte pharmaaceuticals inc.，sequana therapeutics，millenium pharmaceuticals inc.等。對于尋找新藥來說，目標之一是應用芯片可以在基因水平上尋找藥物靶標。采用所謂“譯碼器”策略（decoder strategy）來確定藥物靶標。從而找到“導向藥物”。基因芯片也被用于尋找蛋白激酶抑制物。細菌或腫瘤組織的耐藥性也涉及基因改變可以用dna芯片鑒定。
1 新藥開發(fā) 高通量的dna芯片可發(fā)現(xiàn)眾多的新基因和新的靶分子用于新藥的設計。噬菌體展示技術可創(chuàng)造大量蛋白質(zhì)，目前多用于抗體庫的建立和篩選，進而可用于受體-配體相互作用的研究。基因組學、蛋白質(zhì)組學和生物信息學（bioinformatics）將大大促進制藥工業(yè)的發(fā)展。目前第一個生物分子工程藥物herceptin已用于乳癌的治療，并獲得美國fda的批準。除腫瘤外，用分子生物工程設計的藥物可用于治療遺傳病及代謝疾病、抗衰老、設計新的抗生素和工業(yè)用酶等。
同時，有時一種藥物的作用是多方面的，基因芯片有助于發(fā)現(xiàn)一種藥物的新的功能。原先設想的作用是針對某一靶標的，但在全基因或廣范圍篩選中卻發(fā)現(xiàn)該藥在另一方面有很強的抑制作用，從而開發(fā)成另一種新藥。
2 調(diào)查藥物處理細胞后基因的表達情況
基因芯片在用來研究藥物的作用機理時十分有用。marton[40]等人利用基因芯片構建了免疫抑制性藥物fk506處理酵母細胞后的基因表達圖譜。發(fā)現(xiàn)用fk506處理的酵母細胞基因表達圖譜與fk506靶標的無意義突變體相似。而用fk506去處理此突變體，發(fā)現(xiàn)了不同于野生型的作用機制。clarke等［41］用基因芯片研究了腸癌患者化療前和治療期間腫瘤基因表達情況，發(fā)現(xiàn)絲裂霉素c和5-氟尿嘧啶治療均可使糖苷合成酶和尿嘧啶-dna糖基酶的基因表達增加。該研究提示，這類研究既有助于闡明藥物的作用機制，也有助于確定藥物作用的靶基因，為新藥研究提供線索。
3 對藥物進行毒性評價
應用芯片查找藥物的毒性或副作用，進行毒理學研究。尤其是慢性毒性和副作用，往往涉及基因或基因表達的改變。如果藥物能抑制重要基因的表達，則對它的深入研究就值得考慮。用芯片作大規(guī)模的表達研究往往可省略大量的動物試驗。若某個正在篩選的潛在藥物作用靶細胞得到的基因表達圖譜與已知的具有毒性副作用的藥物得到的基因表達圖譜相似時，就要考慮是否停止藥物開發(fā)（drug development）中花費巨大的臨床實驗階段。nuwaysir等［42］研制了包括涉及細胞凋亡、dna復制和修復、氧化應激/氧化還原內(nèi)穩(wěn)態(tài)、過氧化物酶體增殖反應、二英/多環(huán)芳烴反應、雌激素反應、看家基因、癌基因和抑癌基因、細胞周期控制、轉(zhuǎn)錄因子、激酶、磷酸酶、熱休克蛋白、受體、細胞色素p450等共2 090個基因的毒理芯片(toxchip v1.0), 該芯片既可用于毒物的檢測和遺傳多態(tài)性的檢測，又可用于受檢毒物的毒作用機制的研究。最近，holden等從人和小鼠文庫中選擇約600個與毒理學相關基因的cdna克隆，制備了種屬特異的毒理基因組學芯片，可研究肝臟毒性、內(nèi)分泌干擾、致癌作用等毒性終點的作用機制，也可用于確定以基因表達模式為基礎的化合物的毒性。
（五）基因芯片中醫(yī)學領域中的應用
中醫(yī)學中應用基因芯片技術，還處于初始階段，目前主要集中以下三個方面：
1 中藥的研究，具體的方法，同上述藥物篩選方法類似。尤其中藥中眾多成分中有效成分的篩選、有效藥物的篩選、中藥毒理學過程均被大大簡化，將推動中藥的迅猛發(fā)展。中藥學引入基因芯片技術，將大大推動中藥研究的國際化進程，為闡明中藥作用機理，具有無可估量的重要意義。
2 中醫(yī)“證”本質(zhì)的研究。中醫(yī)“證”的中醫(yī)藥的臨床治療的核心，但“證”的本質(zhì)研究一直難以有重大進展。主要因為中醫(yī)理論設及到生命的整體，因而它牽涉到許多基因和蛋白質(zhì)，傳統(tǒng)的方法學無法弄清“證”的實質(zhì)，而利用基因芯片技術，對不同“證”狀態(tài)的基因組進行掃描，再繪出不同證的基因表達譜，通過相關分析，可望獲得一些有意義的成果。也是從分子基因水平全面揭示“證”本質(zhì)提供了可能。如果證本質(zhì)被揭示，它可能會引起醫(yī)學治療學理論的重大革新或變化，尤其是個體化治療方案可能重新被重視。
3 針灸原理研究。針灸的原理設及全身各個部分，針灸不同方法、不同穴位、經(jīng)絡是否具有不同的作用，也即經(jīng)脈與臟腑間的相關聯(lián)系是否具有相對特異性。通過基因芯片測量不同組織基因表達的差異，判斷基因表達是否具有特異性，有望解決這一長期爭論不休的問題。如果心經(jīng)與心臟具有相對特異性，那么針刺心經(jīng)后，心臟內(nèi)可能會出現(xiàn)某些與針刺相關的特異性基因表達，而且，這種表達只在針刺心經(jīng)時出現(xiàn)，這些基因可能不在其它器官，如肝臟中表達。那么可以肯定地認為經(jīng)脈臟腑相關是具有相對特異性的，也可以認為傳統(tǒng)經(jīng)絡理論是有依據(jù)的。
另一方面，基因芯片還有助于揭示針灸的作用機制。針灸的作用是與神經(jīng)內(nèi)分泌免疫網(wǎng)絡系統(tǒng)（nei networks）密切相關的，它設及到細胞信使、神經(jīng)遞質(zhì)、調(diào)質(zhì)、神經(jīng)肽、細胞因子、內(nèi)分泌激素等多種因子，但針灸的信號是如何在細胞間和細胞內(nèi)傳遞的過程仍不明朗，如果引入基因芯片，可以高通量的檢測細胞內(nèi)基因表達的時空特征，有助于了解針灸促進基因表達的特點，進而再利用蛋白組學相關技術，揭示針灸作用原理。現(xiàn)在已有部分工作正在進行。
（六）其它應用
1 環(huán)境化學毒物的篩選 我們的生活環(huán)境中存在著數(shù)千種化學物質(zhì)，每種物質(zhì)在投入使用前必須進行人體毒性試驗，傳統(tǒng)的動物試驗費用高昂，且存在著國際上關注的動物福利（animal welfare）問題。采用毒物檢測芯片（toxchips）可對環(huán)境中眾多化學物質(zhì)對人類基因的潛在毒性進行篩選，探查毒物“開啟”或“關閉”哪些基因，研究“環(huán)境如何改變我們的基因”。niehs將對人類100 000個基因中的12 000個基因進行檢測，弄清致癌物質(zhì)對基因的改變，建立化學物質(zhì)指紋庫（fingerprints of chemicals），然后即可通過測定特定基因的突變與否判斷新的合成物質(zhì)的生物毒性。
2 體質(zhì)醫(yī)學的研究。體質(zhì)醫(yī)學關系到個體化治療的核心問題，不同的人具有不同的體質(zhì)基礎，其原因與基因型可能存在一定的相關性，尤其可能與snp關系較大，如何全面了解人的snp差異，以及它與體質(zhì)因素、疾病的易感性間關系，是值得研究的重大課題。
美國繼開展人類基因組計劃以后，于1998年正式啟動基因芯片計劃，美國國立衛(wèi)生部、能源部、商業(yè)部、司法部、國防部、中央情報局等均參與了此項目。同時斯坦福大學、麻省理工學院及部分國立實驗室如argonne oakridge也參與了該項目的研究和開發(fā)。英國劍橋大學、歐亞公司正在從事該領域的研究。世界大型制藥公司尤其對基因芯片技術用于基因多態(tài)性、疾病相關性、基因藥物開發(fā)和合成或天然藥物篩選等領域感興趣，都已建立了或正在建立自己的芯片設備和技術。目前全世界有幾百家基因芯片公司，有多種生物芯片問世，而且這些芯片的特點較以前密度更高，檢測方法更精確，特異性更強的特點。而主要仍以少數(shù)幾家公司為主，如affymetrix、brax、hysep等。國內(nèi)目前主要如清華大學（陳京）、中科院生命科學院、上海復旦大學、北京軍事科學院、南京東南大學、西安等四十余家公司，而且可能還有一大批公司相繼成立。
主要dna芯片高科技術企業(yè)的開發(fā)善和各自技術特點(1998年)[43]
十、當前面臨的困難
盡管基因芯片技術已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，得到人們的矚目，但仍然存在著許多難以解決的問題，例如技術成本昂貴、復雜、檢測靈敏度較低，重復性差、分析泛圍較狹窄等問題。這些問題主要表現(xiàn)在樣品的制備、探針合成與固定、分子的標記、數(shù)據(jù)的讀取與分析等幾個方面。
1 樣品制備上，當前多數(shù)公司在標記和測定前都要對樣品進行一定程度的擴增以便提高檢測的靈敏度，但仍不少人在嘗試繞過該問題，這包括mosaic technologies公司的固相pcr擴拉體系以及l(fā)ynx therapeutics公司提出大量并行固相克隆方法，兩種方法各有優(yōu)缺點，但目前尚未取得實際應用。
2 探針的合成與固定比較復雜，特別是對于制作高密度的探針陣列。使用光導聚合技術每步產(chǎn)率不高（95%），難于保證好的聚合效果。應運而生的其它很多方法，如壓電打壓、微量噴涂等多項技術，雖然技術難度較低方法也比較靈活，但存在的問題是難以形成高密度的探針陣列，所以只能在較小規(guī)模上使用。最近我國學者已成功地將分子印章技術應用探針的原位合成而且取得了比較滿意的結(jié)果。
3 目標分子的標記也是一個重要的限速步驟，如何簡化或繞過這一步現(xiàn)在仍然是個問題。目標分子與探針的雜交會出現(xiàn)一些問題：首先，由于雜交位于固相表面，所以有一定程度的空間阻礙作用，有必要設法減少這種不利因素的影響。southern曾通過向探針中引入間隔分子而使雜交效率提高于150倍。其次，探針分子的gc含量、長度以及濃度等都會對雜交產(chǎn)生一定的影響，因此需要分別進行分析和研究。
4 信號的獲取與分析上，當前多數(shù)方法使用熒光法進行檢測和分析，重復性較好，但靈敏仍然不高。正在發(fā)展的方法有多種，如質(zhì)譜法、化學發(fā)光法等。基因芯片上成千上萬的寡核苷酸探針由于序列本身有一定程度的重疊因而產(chǎn)生了大量的豐余信息。這一方面可以為樣品的檢測提供大量的難證機會，但同時，要對如此大量的信息進行解讀，目前仍是一個艱巨的技術問題。
5 基因芯片的特異性還有待提高。最近affymetrix公司生產(chǎn)的基因芯片采用瓣的技術，已大大提高檢測的特異性，估計在今后幾年內(nèi)基因芯片的特異性將大大提高。
6 如何檢測低豐度表達基因仍是目前一個重要問題。基因芯片要保證其特異性、但又要保證能檢測低豐度表達的基因，目前尚未解決這一問題。因為許多低豐度表達的基因，也可能表達出主要執(zhí)行效應功能的蛋白質(zhì)。因為基因表達與蛋白質(zhì)生成并不成比例。
上述問題不僅是當前和今后一段時期內(nèi)國內(nèi)外基因芯片技術研究的焦點，同時也是基因芯片能否從實驗室研究推向臨床應用的關鍵問題。
十一 基因芯片技術的研究可能方向
縱觀當前基因芯片的研究趨勢，基因芯片在今后幾年內(nèi)可能的發(fā)展方向，可能有以下幾個方面：
1．進一步提高探針陣列的集成度，如有多家公司的芯片陣列的集成度已達1.0×105左右，這樣基因數(shù)量在1.0×105以下的生物體（大多數(shù)生物體）的基因表達情況只用一塊芯片即可包括。
2 提高檢測的靈敏度和特異性。如檢測系統(tǒng)的優(yōu)化組合和采用高靈敏度的熒光標志。多重檢測以提高特異性，減少假陽性。
4 高自動化、方法趨于標準化、簡單化，成本降低。價格高昂是目前推廣應用的主要障礙之一，但隨著技術的革新，基因芯片的價格將會大大降低。
5 高穩(wěn)定性。寡核苷酸探針、rna均不穩(wěn)定，易受破壞。而肽核酸（pna）有望取代普通rna/dna探針，可以確保探針的高穩(wěn)定性。
6 研制新的應用芯片，如1999年美國環(huán)保局(epa)組織專家研討會，討論了毒理學芯片的發(fā)展策略。近來多種新的生物芯片不斷問世，這是物理學、生物學與計算機科學共同的結(jié)晶。
7 研制芯片新檢測系統(tǒng)和分析軟件，以充分利用生物信息。
8 芯片技術將與其它技術結(jié)合使用，如基因芯片pcr、納米芯片等。
9不同生物芯片間綜合應用，如蛋白質(zhì)芯片與基因芯片間相互作用等，可用于了解蛋白質(zhì)與基因間相互作用的關系。
當前，基因芯片數(shù)量呈幾何級數(shù)在增長，功能也日益完善，但價格卻大大降低。可以預見，基因芯片可能在未來3-5年，也即到2005年左右，將在醫(yī)學和生物學領域中得到廣泛應用，甚至普及使用！到2010年它可能成為常規(guī)的實驗技術，正如個人電腦的迅速普及一樣。
基因芯片作為生物芯片的代表，其發(fā)展目標同生物芯片的目標一樣是“芯片實驗室”(lab-on-chip)，也即將整個生化檢測分析過程縮微到芯片上。“芯片實驗室”通過微細加工工藝制作的微濾器、微反應器、微泵、微閥門、微電極等以實現(xiàn)對生物樣品從制備、生化反應到檢測和分析的全過程，而且實驗過程趨于自動化從而極大地縮短的檢測和分析時間，節(jié)省了實驗材料，而且又降低人為主觀因素，大大提高實驗的客觀性。
總之，基因芯片技術發(fā)展到今天不過短短幾年時間，雖然還存在這樣或那樣的問題，但其在基因表達譜分析、基因診斷、藥物篩選及序列分析等諸多領域已呈現(xiàn)出廣闊的應用前景，隨著研究的不斷深入和技術的更加完善基因芯片一定會在生命科學研究領域發(fā)揮出其非凡的作用。基因芯片最終的意義和目的不再于本身，而在于它極大地提高了人類認識生命本質(zhì)的能力和手段，為揭示人類這個復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)打下基礎。從某種意義上我們可以這樣認為：基因的結(jié)構或種類決定物種；基因的功能或表達則決定生命，即生物的生、老、病、死。基因芯片技術將為我們提供一條認識生命本質(zhì)的捷徑。當然基因芯片并非萬能，基因的表達并非代表生命活動本質(zhì)，生命執(zhí)行者應是蛋白質(zhì)，因而基因芯片必需同蛋白組學相關技術，如二維凝膠電泳、蛋白質(zhì)芯片、大規(guī)模雙雜交體系等相結(jié)合才有望真正揭示生命活動的時空過程。
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