生物芯片在食品安全检测中的运用--ATP荧光检测仪技术文章-仪表展览网

生物芯片在食品安全检测中的运用--ATP荧光检测仪技术文章

2012/9/13 23:06:35

生物芯片在食品安全检测中的运用--ATP荧光检测仪技术文章

关键词：生物芯片基因芯片蛋白芯片芯片实验室应用

生物芯片是20世纪90年代初发展起来的一种全新的微量分析技术，其最大特点是高通量并行分析，生物芯片综合了分子生物技术、微加工技术、免疫学、化学、物理、计算机等多项学科技术，使生命科学研究中不连续的、离散的分析过程集成在芯片上完成，在一块大小不等的玻璃片、硅片、塑料片、尼龙膜、凝胶等载体材料上，生物芯片以大规模阵列的形式排布不同的生物分子（寡核苷酸、cDNA、基因组DNA、多肽、抗原、抗体等），形成可与目的靶分子互相作用、并行反应的固相表面。将芯片与荧光等标记的靶分子进行化学反应（如杂交、免疫反应等），经过激发光扫描后，不同反应强度的标记荧光将呈现不同的荧光发射光谱征，用激光共聚焦显微扫描仪或CCD(charge couple device)相机收集信号后，经计算机分析数据结果，从而获得相关的生物信息^[1]。目前常见的生物芯片分类主要是三大类：基因芯片、蛋白芯片、芯片实验室。

2生物芯片的应用

2.1生物芯片在科学研究中的应用

生物芯片在科研方面, 主要包括基因表达谱分析、基因突变检测、基因功能研究、基因组多态性分析、DNA 测序、寻找新的致病基因或疾病相关基因等。在基因表达检测的研究上人们已比较成功地对多种生物包括拟南芥（Arabidopsis thaliama）、酵母(Saccharomyces cerevisiae)及人的基因组表达情况进行了研究, 并且用该技术（共157112个探针分子）,一次性检测了酵母几种不同株间数千个基因表达谱的差异；Derisi利用高密度寡核苷酸芯片研究了酵母由无氧酵解到有氧呼吸代谢变化过程中的基因表达的变化，发现其中有1740个基因的表达水平发生了改变^[2]。在基因突变检测上，Weidong Du等^[3]通过生物芯片筛选DNA点突变以及确定MELAS（线粒体脑肌瘤病伴高乳酸血症和卒中样发作）综合症或MERRF（肌阵挛性癫痫伴发不规整红纤维）综合症的突变点，利用Cy5标记的DNA芯片检测，结果表明芯片检测与DNA测序结果完全一致。筛查基因组的多态性，将所有单核苷酸多态性（Single nucleotide polymorphisms,SNP）全部信息转入DNA芯片则可检测到与之关联的基因间的差异，这项工作对研究亲代与子代间遗传中的重组及创造更精确的遗传图是有价值的^[2]。

2.2生物芯片在疾病诊断中的应用

生物芯片已用于肿瘤、遗传疾病、传染性疾病的诊断与治疗，由博奥生物有限公司研发的多重等位基因特异性PCR通用芯片(allele-specific PCR-based universal array， ASPUA)，可在5 小时之内完成导致遗传性耳聋的4 种常见基因(GJB2，GJB3，SLC26A4 和线粒体基因) 的检测。运用蛋白芯片联合检测104例经冠状动脉造影证实为ACS（急性冠状动脉综合症）患者的研究结果发现,AMI（急性心肌梗死）和不稳定性心绞痛患者血液中MMP29 、sCD40L 、心肌型脂肪酸结合蛋白等10 种蛋白标记物,在ACS不同分型中呈规律性变化,提示蛋白标记物谱在ACS 的诊断及预后方面具有潜在的应用价值^[4]。美国学者Maria Erali等^[5]应用Nanogen公司的电子生物芯片^[6]与罗氏公司的另一种芯片LightcyclerSNP分析仪进行比较，对VTE（静脉血栓症，是一种常见疾病，与多种遗传因素（基因突变和多态性）有关）常见的3种突变（FVL、FGⅡ20210A 和MTHFR）进行检验后证实，电子生物芯片具有精确、可重复性强等特点。Ciphergen Biosystem 公司的研究小组应用蛋白质芯片研究了健康个体和不同发病阶段癌症病人的血清样品，仅仅3d时间，就发现了前列腺癌6种潜在的标记物，而常规的方法则需要几个月到几年的时间^[7]。

在传染性疾病的研究方面，HIV是严重危害人类健康的一种病毒，早在1996年，Kozal等就利用基因芯片对HIV-1B亚型中的蛋白酶基因多态性进行分析，1998年，Hanser等应用固相核酸杂交技术，在艾滋患者出现抗体反应之前，即能检测艾滋病毒，对于艾滋病毒的早期诊断十分重要^[10]。肝炎病毒感染是全球的重大公共卫生问题，在诊断乙型肝炎时，常规免疫检测方法通常需2-7 天的时间，而采用蛋白芯片来检测，即可在30 分钟内同时完成5项检测^[8]。肝炎基因诊断芯片相对于病毒抗原抗体方法检测血清乙型肝炎病毒更为准确，赵伟等^[9]采用点样法制作的低密度基因芯片，对40例乙肝病人血清和40例健康人血清，进行双盲混合编组后进行检测，结果表明：40例乙肝病毒标志物阳性，40例健康人血清检测为阴性，无一例假阳性出现。李玮等^[10]研发的目视化乙肝病毒基因诊断芯片，采用纳米金标记探针的目视化检测方法，检测从阳性血清中提取的乙肝病毒(HBV)基因, 并与基于荧光素异硫氰酸酯(FITC) 标记探针的荧光检测方法进行了比较. 结果表明, 目视化乙肝病毒基因芯片诊断方法操作简单, 成本低廉。

目前国内外已建立多种生物芯片方法用于病毒快速检测研究，我国军事医学科学院已先后研制出快速检测甲型H1N1流感病毒检测基因芯片以及专门针对甲型H1N1流感病毒抗药性的基因确诊和耐药性分析的基因芯片。2003年SARS病毒带来很大的危害，生物芯片在SARS病毒检测中发挥出了重要作用，我国成功的研制出“SARS病毒多抗体检测蛋白芯片”、“抗SARS病毒抗体的蛋白质芯片”及“SARS冠状病毒全基因组芯片”这些生物芯片不仅使检测结果更加准确，而且具有取样微量、稳定性好、灵敏度高、平行检测、结果可量化显示等优点。M.Los等^[11]使用电子生物芯片^[6]技术以免疫反应为基础快速检测病毒，他们使用噬菌体作为模板检测病毒，用抗体蛋白代替核酸探针进行检测，整个过程只需50分钟并且可以定量。香港科技大学^[12]研发了一种可用于现场检测多种病原物的DNA电子生物芯片，该芯片是一个小型的DNA分析系统，将样品制备、DNA扩增、及电化学扩增检测集成在单一的硅玻璃为基础的反应腔中反应，这个便携式芯片有助于现场病原体的检测。生物芯片技术正朝着微型化和集成化的方向发展，其更高阶段是将样品预处理，多个相对独立的化学反应，反应控制系统，检测系统集成在一张芯片上，即形成芯片实验室，这是芯片技术的最终目标。有学者Liu等使用流动微设备和抗体涂层微球芯片实验室,以探测海洋鱼类虹影病毒，这种检测方法与传统的ELISA反应相比，灵敏度由360ng/ml提升到22ng/ml，检测时间由原来3.25h缩短至30min^[13]。Reichmuth等将电泳和激光诱导荧光检测标记抗体技术相结合的芯片实验室用于检测猪流感病毒，整个检测时间包括设备更新只需6分钟，用不到50ml材料^[13]。

2.3生物芯片在预防医学中的应用

在婴儿出生前,可用生物芯片进行有效地产前筛查和诊断, 以防止患有先天性疾病的婴儿出生。已有相近发明专利一项 “用于产前诊断的蛋白质芯片及制造方法”（G01N33/68，上海晶泰生物技术有限公司）对TORCH产前筛查的五项指标抗原［风疹病毒（RV）、弓形虫（TOX）巨细胞病毒（CMV）单纯疱疹病毒（HSV）］点于一张芯片上，仅通过一次反应即可得到多种指标的反应结果，大大提高了检测速度、效率和灵敏度。有人还预言在婴儿出生后, 即可采用生物芯片技术来分析其基因图谱, 不仅可预测出婴儿日后可以长多高, 还可预测其患心脏病或糖尿病等疾病的潜在可能性有多大, 以便采取预防措施。

2.4、生物芯片在新药开发中的应用

生物芯片的应用正在方兴未艾地发展中,从经济效益来说,最大的应用领域可能就是制药厂用来开发新药了。目前市场上用来筛选药物的芯片类产品主要是博奥生物芯片有限公司研发的“超高通量药物筛选芯片”，该芯片每小时能做380个细胞分析，而一个科研人员一天最多只能分析五、六个细胞，这意味着药物研发效率的飞跃，同时新药物研发费用也大大降低。

药物的研究和开发正从一种药物适用于所有人群的时代, 转变成根据基因组的差异开发出以适用于某一个体或人群的个体化药物。据美国国家卫生院统计,美国每年约有2400个儿童和成人死于急性淋巴性白血病,adverse topurine是一种特效药。但是,大约有10%-15%的儿童对于该种药物的代谢太快或太慢。代谢太快则正常的剂量就不可能获得好的疗效,而代谢太慢则药物可能积蓄到致死量,产生过大的毒性^[14]。如果利用生物芯片技术对患者先进行诊断, 再开处方, 就可对症下药。有人预言，在不久的将来生物芯片将纳入手提式诊断仪器中，使用在病人的床边或医生的办公室，自动化芯片扫描病人的基因，可在几分钟内确定病人症状，给病人特定的药物，生物芯片技术将帮助实现医疗保健和个性化给药成为可能。

3.4、生物芯片在司法鉴定中的应用

生物芯片技术已用于法医物证学检验，为法医物证检验提供了科学，可靠和快速的手段，使物证鉴定从过去只能作个体排除过滤到了可以作同一认定的水平。在司法方面，便携式DNA芯片检测装置可以直接在犯罪现场对可能是疑犯留下来的头发、唾液、精液等进行分析，并立刻与DNA罪犯指纹库系统存蓄的DNA“指纹”进行比较，进行快速准确地破案。李莉等^[15]根据SNP不同等位基因的序列设计探针，制成分型芯片，采用4个复合PCR体系，用末端标记了Cy5的引物进行复合PCR扩增，产物与寡核苷酸探针进行杂交，根据杂交产生的荧光信号值确定样品在SNP位点的基因型，根据109份样本基因型分布统计，同时进行家系调查和方法灵敏度分析，有31个SNP位点为中高信息量位点，适用于法医学个体识别。

2.5、生物芯片在食品安全检测及营养成分分析中的应用

目前世界上第一个能够检测肉类中兽药残留的生物芯片系统在北京国家工程研究中心研制成功，该芯片能够分析大量的生物分子，快速准确地完成肉类中兽药残留的检测工作。对转基因食品进行检测和标识已势在必行，传统的检测方法ELISA和PCR等存在步骤复杂、一次性检测样本少、漏检率高、结果不准确等缺点。由于外源基因最终是以蛋白质或多肽的形式得以表达，通过对蛋白质芯片设计不同的探针阵列，使用特定的分析方法可快速、大量的对食品样本进行检测，是未来转基因食品安全检测的发展方向之一。食源性致病菌引发的流行性疾病越来越受到社会关注，目前，生物芯片以其检测范围广，经济，适用，准确的优点，有望在食品致病微生物检测中处于领军地位，唐晓明等^[16]利用基因芯片对从水中分离的20株细菌进行杂交检测，并用传统方法对这些菌株进行鉴定，基因芯片检测结果与传统方法鉴定结果的一致性达95%。陈广全等^[17]研制了一种高通量检测食品中常见致病微生物的寡核苷酸微阵列芯片，结果表明该芯片的特异性良好, 在所检测的菌株之间无交叉反应, 与同属的其他菌株之间也不存在交叉反应。

传统的食品营养成分的测定十分繁琐而利用生物芯片可以对食品的类别和性质进行快速准确的鉴定。2004年3月法国“biomerieux”公司推出了一种能够识别不明肉类的新型基因芯片，该芯片可检测肉制品是否携带病毒蛋白, 还可用于确认肉制品的某些指标是否达标。

2.7、生物芯片在环境科学中的应用

德国一家主要的水管理企业现投资850万欧元与芯片公司共同开发用生物芯片检测公共饮用水中的微生物，可在4h内得出结果, 费用比常规方法低10倍，形成一种比现有水质控制更有效、更快速和价廉的检测技术。国内靳连群等^[18]设计了一种基因芯片技术对环境中常见致病菌检测和鉴定,对从实际样品中分离的细菌进行检测,准确率达到了96.2%。已问世的专门用于环境毒理学检测的毒理学芯片可以快速大规模检测污染源及环境毒物、研究环境毒物对人体的影响以及进行低剂量毒物实验等。美国国立环境卫生研究院( VIEHS) 已开发出检测环境有毒物的毒理芯片^[19]。Matthew Bartosiewicz等^[20]设计了1个含148个基因的毒理芯片（包括Ⅰ相、Ⅱ相代谢酶，DNA修复酶、应激蛋白、细胞因子基因）来检测受氯化隔、苯并芘和三氯乙烯影响肝脏中某些基因表达调控变化，结果表明可以使用毒理芯片去评估未知化合物或混合物的潜在危害。

2.8、生物芯片在农林科学中的应用

目前已利用基因表达谱芯片进行了植物激素的中心作用、植物基因与环境的相互影响、多种因素(肥力、种子、环境耐受力、抗虫害等) 与植物基因表达的关系的研究,最终有可能用生物芯片技术取代现在沿用的费时费钱的大田试验模式^[21]。

2.9、生物芯片在军事科学中的应用

生物战剂与化学战剂的侦检是一项很复杂且又十分重要的工作,可以采用基因芯片技术检测细菌、病毒、支原体、衣原体、立克次氏体等微生物;利用蛋白芯片检测各种蛋白毒素类;利用免疫或酶芯片侦检化学战剂；微流控芯片技术的发展为生物战剂的现场监测提供了一种新的思路，微流控芯片^[22]完成一次检测大约需要几分钟的时间。美国的Sandia国家实验室正在利用微流控芯片研制生化战剂检测仪器，已有初样机进入试验阶段^[22]。

随着科学技术的发展，许多威胁人类健康的疾病基因将被陆续发现，同时各种与体能有关基因及机体对特殊环境的适应基因也将被陆续发现，这使得分子选兵成为可能，生物芯片将广泛用于分子选兵，尤其是对特种士兵的筛选以及军人体能评价等领域^[23]。

3 生物芯片的前景展望

生物芯片技术展现出巨大的应用前景，越来越多的研究机构和企业投入到生物芯片这一领域，生物芯片将会给21世纪整个人类带来一场“革命”。但目前，生物芯片的应用还处在实验研究阶段，制约生物芯片大规模应用的挑战主要是需要特殊设备、操作复杂且芯片制作成本高。因此发展集成化、便携式、可视化的生物芯片是生物芯片从实验研究走向临床应用的关键，随着新材料、新技术的不断研发，生物芯片技术将会得到进一步的完善和发展，一定能够在各项科学研究及应用领域发挥出其非凡作用，成为本世纪最大的产业。