0  引言

目前，食品安全問(wèn)題在全球越來(lái)越受到重視。無(wú)論是對(duì)頻發(fā)中毒現(xiàn)象的食品以及召回事件的食物品質(zhì)的改善，還是人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)健康日益增加的需求，都需要科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和大力支持。這就促使各種食品高新檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，從20世紀(jì)80年代的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）到后來(lái)的熒光定量PCR反應(yīng)，各種新的分子生物技術(shù)開(kāi)始逐步應(yīng)用到食品檢測(cè)中。

20世紀(jì)90年代，生物芯片作為一種全新的生物技術(shù)逐漸成熟并發(fā)展壯大起來(lái)。該技術(shù)具有高通量、微量化和自動(dòng)化等特點(diǎn)。伴隨著芯片技術(shù)的迅猛發(fā)展，生物芯片在醫(yī)療領(lǐng)域]、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域以及國(guó)防領(lǐng)域都有所突破，作者簡(jiǎn)要介紹生物芯片的基本原理，并對(duì)生物芯片在食品安全、營(yíng)養(yǎng)與品質(zhì)檢測(cè)方面的應(yīng)用作了較為詳細(xì)的介紹。

1  生物芯片概述

生物芯片技術(shù)是一項(xiàng)綜合的高新技術(shù)，涵蓋了生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、電子技術(shù)、生物信息學(xué)、機(jī)密儀器等交叉研究領(lǐng)域。生物芯片（biochip）是指將標(biāo)記的生物探針固定排列于支持物（硅片、載玻片或高分子聚合物薄片）上，待檢測(cè)樣品與支持物上的探針發(fā)生特異性親和反應(yīng)后，通過(guò)掃描并借助計(jì)算機(jī)軟件分析每一探針上的標(biāo)記信號(hào)，從而完成對(duì)DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)等生物物質(zhì)的檢測(cè)。它包含三大領(lǐng)域：基因芯片、蛋白質(zhì)芯片和芯片微縮實(shí)驗(yàn)室。基因芯片是利用樣品和探針之間基因的堿基配對(duì)原理進(jìn)行雜交。蛋白質(zhì)芯片利用抗體和抗原之間特異性免疫的原理。芯片微縮實(shí)驗(yàn)室則是集各種生物芯片于一體的生物分析系統(tǒng)，使用方便快捷且高效便攜，是未來(lái)生物芯片的發(fā)展方向。相比蛋白質(zhì)芯片和芯片微縮實(shí)驗(yàn)室，基因芯片的應(yīng)用范圍和普及程度更為廣泛。生物芯片是微量生化分析的基礎(chǔ)，相比傳統(tǒng)的分析方法，它的優(yōu)勢(shì)顯著：各種分析物可以在同一樣品上同時(shí)進(jìn)行研究；所需樣本量少；對(duì)于稀缺試劑的消耗量低；高度微量化；高通量。它可廣泛應(yīng)用于疾病診斷和治療、藥物篩選、農(nóng)作物的優(yōu)育優(yōu)選、食品檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、國(guó)防等領(lǐng)域。總之，凡與生命活動(dòng)有關(guān)的領(lǐng)域中，生物芯片均有其重大的應(yīng)用前景。

制備生物芯片所需的載體材料必須是固體片狀或者膜，由于玻璃方便易得且熒光背景低，故玻璃片是最為常用的載體材料，通常會(huì)將活性基因連接在載體玻片上。以基因芯片為例，其制作技術(shù)主要有3步：芯片制備、樣品制備與雜交、芯片的檢測(cè)與分析。其中芯片制備包括原位合成和預(yù)合成后點(diǎn)樣。

2  生物芯片在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

中國(guó)食品行業(yè)安全問(wèn)題日益突顯，傳統(tǒng)的檢測(cè)方式對(duì)于五花八門(mén)的造假摻假等問(wèn)題顯得有些滯后，很多方法針對(duì)性弱，不能檢測(cè)出多種物質(zhì)或者耗時(shí)很長(zhǎng)，不能用于現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)。所以生物芯片的開(kāi)發(fā)就顯得很有必要，既有利于企業(yè)的驗(yàn)收把關(guān)，也有利于監(jiān)管部門(mén)的嚴(yán)格監(jiān)管，保護(hù)消費(fèi)者的利益。

2.1  食源性病原微生物的檢測(cè)

很多食品營(yíng)養(yǎng)豐富，是微生物的良好培養(yǎng)基，從農(nóng)田到餐桌的每一個(gè)過(guò)程中都可能引起微生物對(duì)食品的污染。傳統(tǒng)微生物檢測(cè)主要有酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)技術(shù)和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)。但ELISA法重復(fù)性不好、受自身抗體干擾容易出現(xiàn)假陽(yáng)性。PCR難以滿(mǎn)足對(duì)多病毒的檢測(cè)，易污染及易出現(xiàn)假陽(yáng)性。生物芯片的高通量、高靈敏度、高特異性等優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)檢測(cè)方法不可比擬的。Huang提出了陳列式CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）生物電信號(hào)傳感芯片和聚合酶生物芯片的光學(xué)酶檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)致病性大腸桿菌進(jìn)行檢測(cè)。在這種測(cè)定方法中，使用4-甲基傘形酮-beta-D-葡糖苷酸作為熒光底物，可檢出0.1U/mL的beta-醛酸苷酶，大約相當(dāng)于106CFU/mL的大腸桿菌細(xì)胞。該光學(xué)酶檢測(cè)系統(tǒng)靈敏且快速。Tachibana等發(fā)明了可以定量檢測(cè)病原微生物的一次性自動(dòng)微流控PCR塑料芯片。為了實(shí)現(xiàn)通用性，他采用了環(huán)烯烴聚合物作為芯片的基片。該P(yáng)CR芯片的人體、大腸桿菌、致病大腸桿菌O157的DNA最低檢測(cè)限度分別為4、0.0019、0.031pg/μL，且均在18min內(nèi)檢出。該研究提供了一種快速、易操作、低成本的PCR檢測(cè)方法。Manzano等設(shè)計(jì)了基于深藍(lán)色有機(jī)發(fā)光二極管的小型高敏感DNA芯片。為了激發(fā)熒光共軛的DNA探針對(duì)二極管的分子設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，為獲得較高的靈敏度和特異性使用真正的肉類(lèi)樣本進(jìn)行測(cè)試。最后用經(jīng)典平板方法和分子生物學(xué)方法來(lái)驗(yàn)證DNA芯片所取得的結(jié)果。該有機(jī)發(fā)光二極管芯片的最低檢測(cè)限度為0.37ng/μL，在24h內(nèi)可得到所需結(jié)果。

Koo等通過(guò)研究得出微流控芯片能精確檢測(cè)病原微生物的先決條件是：能在生物傳感器上高效捕獲目標(biāo)物。他們用被生物素標(biāo)記的熱休克蛋白作為捕獲分子，在微流控環(huán)境中檢測(cè)出了單核細(xì)胞增生李斯特菌。并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)在孵化時(shí)施加5min的介電電泳力，可使熱休克蛋白的捕獲率增加60%。Eom等選取了7種食源性病原體，用他們發(fā)明的基于寡核苷酸的芯片檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)病原體各自的16SrDNA特定序列進(jìn)行評(píng)估。并用開(kāi)發(fā)的一個(gè)二維可視化工具對(duì)結(jié)果做了驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)可用于多種病原體的檢測(cè)。Ikeda等開(kāi)發(fā)了快速微珠法檢測(cè)致病細(xì)菌的微流控芯片系統(tǒng)。他們選取4種細(xì)菌（大腸桿菌、沙門(mén)氏菌、小腸結(jié)腸炎耶爾森氏菌和蠟狀芽孢桿菌）作為食源性致病菌的代表菌種。該系統(tǒng)將5個(gè)寡核苷酸探針對(duì)應(yīng)的目標(biāo)細(xì)菌的16SrRNA與熒光微珠結(jié)合，熒光標(biāo)記從4種細(xì)菌中提取的RNA，并與固定化寡核苷酸探針熒光微珠雜交。用微流控芯片系統(tǒng)分析復(fù)式RNA及微珠，3h后可以得出結(jié)果。

2.2  生物毒素的檢測(cè)

在正常情況下，人體有能力化解和排除部分微量的毒素以維持自身健康。一旦平衡被打破，體內(nèi)毒素得不到及時(shí)清除而不斷累積，人體則會(huì)進(jìn)入亞健康狀態(tài)，進(jìn)而引發(fā)多種疾病。生物毒素的檢測(cè)也是不可或缺的。

Pennacchio等通過(guò)表面等離子體共振生物芯片來(lái)檢測(cè)棒曲霉素毒素。棒曲霉素是青霉和黑曲霉屬真菌有毒的次生代謝產(chǎn)物，能引起胃潰瘍和腸道炎癥，常存在于感冒藥中。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式需要昂貴的分析儀器，該項(xiàng)研究提出了新的競(jìng)爭(zhēng)免疫測(cè)定方法來(lái)檢測(cè)感冒藥。試驗(yàn)中很重要的檢測(cè)方式是表面等離子體共振光學(xué)技術(shù)。激光誘導(dǎo)生物芯片表面金屬附近的探針和目標(biāo)分子相互作用，很容易測(cè)出輕微改變的反射率，從而檢測(cè)棒曲霉素毒素。Rubina等用水凝膠生物芯片同時(shí)檢測(cè)出了7種金黃色葡萄球菌腸毒素（A、B、C1、D、E、G和I）。該方法先表達(dá)純化重組毒素，產(chǎn)生抗毒素的單克隆抗體。設(shè)計(jì)制造出可以篩選單克隆抗體及最優(yōu)毒素抗體的生物芯片。最后再設(shè)計(jì)可以定量分析毒素的診斷生物芯片。若在芯片表面涂金屬涂層可縮短2h的檢測(cè)時(shí)間。

Pandey等用釀酒酵母全細(xì)胞型電容式生物芯片檢測(cè)不同形式碳納米管的毒性。該芯片置于不同濃度的單壁、多壁和雙壁碳納米管中，在交流頻率下測(cè)定動(dòng)態(tài)細(xì)胞表面電荷分布相對(duì)電容的變化。該芯片與碳納米管吸附力有很大關(guān)系。發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的該芯片可用于食品和環(huán)境樣品的高通量篩選。Ahn等構(gòu)造了基因毒性細(xì)胞陣列芯片進(jìn)行遺傳毒性試驗(yàn)，8個(gè)重組發(fā)光細(xì)菌被成功地用來(lái)制作基因毒性細(xì)胞陣列芯片，用4個(gè)有明顯化學(xué)損傷的DNA來(lái)驗(yàn)證該芯片的功能。根據(jù)遺傳毒性作用的具體過(guò)程，每個(gè)芯片的菌株都有明顯反應(yīng)。該芯片可以用來(lái)研究食品、藥物或環(huán)境中未知物質(zhì)的遺傳毒性機(jī)制。Jimena等用自動(dòng)化微列陣芯片提取生咖啡中的赭曲霉素A，并用化學(xué)發(fā)光檢測(cè)法檢測(cè)由可再生免疫生物芯片篩選出的赭曲霉素A。他們通過(guò)接觸式點(diǎn)樣，合成了一種共價(jià)固定在玻璃芯片上的與水溶性肽共軛羧基化的赭曲霉素A。該芯片可用間接競(jìng)爭(zhēng)免疫來(lái)測(cè)定赭曲霉素A。

2.3  殘留農(nóng)獸藥的檢測(cè)

不管何種食品中殘留有抗生素，均會(huì)嚴(yán)重影響食品的品質(zhì)。食用抗生素使得人體內(nèi)有益菌被抑制、致病菌產(chǎn)生耐藥性。“無(wú)抗奶”是一個(gè)通用的國(guó)際化原料奶的收購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，其他食品中也有對(duì)抗生素限制的標(biāo)準(zhǔn)。

Gaudin等根據(jù)歐洲指南中檢測(cè)獸藥殘留方法，用生物芯片技術(shù)檢驗(yàn)了6種蜂蜜中的抗生素。蜂蜜沒(méi)有任何抗生素最大殘留限量標(biāo)準(zhǔn)，Gaudin參考了2007年出版的歐盟標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的控制方法和分析性能中關(guān)于蜂蜜中的抗生素殘留控制的策略，用競(jìng)爭(zhēng)化學(xué)發(fā)光免疫分析檢測(cè)抗菌藥物。特異性?xún)?yōu)良，且適用于不同種類(lèi)的蜂蜜。同樣是對(duì)蜂蜜中抗生素的檢測(cè)，Mahony等用化學(xué)發(fā)光的生物芯片陣列傳感技術(shù)檢測(cè)蜂蜜中硝基呋喃類(lèi)抗生素的殘留。使用多路復(fù)用的方法，能同時(shí)檢測(cè)4個(gè)主要的硝基呋喃類(lèi)抗生素代謝物。最后用高效液相色譜二級(jí)質(zhì)譜對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。這個(gè)生物傳感器法具有發(fā)展?jié)摿?，適合作為一個(gè)在食品安全方面的目的篩選技術(shù)。

Kloth等設(shè)計(jì)了間接競(jìng)爭(zhēng)化學(xué)發(fā)光免疫芯片法，僅需要幾分鐘就可同時(shí)檢測(cè)牛奶中13種抗生素的含量。他們對(duì)片基采取了多步化學(xué)處理后，最終在玻片表面修飾上環(huán)氧樹(shù)脂活化的PEG層，然后加入磺胺類(lèi)、β-內(nèi)酰胺類(lèi)、氨基糖苷類(lèi)和氟喹諾酮類(lèi)等的衍生物，直接與環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行共價(jià)結(jié)合。該方法靈敏度較高，且可重復(fù)使用50次，增加了測(cè)定的穩(wěn)定性和便捷性，且減少重新制備片基的成本。

作者：苗小草，陳萬(wàn)義，張娟，游春蘋(píng)

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