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1、生物芯片及其在食品安全检测中的应用B食品092周长桂23摘要:生物芯片是一种全新微量分析技术,被誉为21世纪生命支撑平台。本文探讨了生物芯片两大理论基础)分子生物技术和微细加工技术;综述了包括基因芯片、蛋白芯片和芯片缩微实验室三类生物芯片的研究应用现状;深入探讨了生物芯片在食品安全检测中的应用前景,主要表现在食品毒理学、食品卫生检验、分子水平上阐述食品营养机理、转基因食品的检测。关键词:生物芯片;食品;安全检测目前,全球食品安全形势不容乐观,主要表现为食源性疾病不断上升,恶性食品污染事件接二连三,食品加工新技术与新工艺带来不确定性危害。世界范围内由于食品安全卫生质量而引起的
2、食品贸易纠纷不断,高新技术应用于食品安全检测具有无限的发展空间。生物芯片是九十年代初发展起来的一种全新的微量分析技术,综合了分子生物技术、微加工技术、免疫学、计算机等多项技术,生命科学研究中不连续的分析过程,集成在芯片上完成,实现样品检测分析过程的连续化、集成化、微型化和信息化,生物芯片技术作为一代生物技术,在食品领域中具有广阔的基础研究价值和产业化前景。1生物芯片技术简介1.1生物芯片技术的原理生物芯片技术是采用原位合成或微量点样等方法,将大量生物大分子如核酸片段、多肽片段甚至组织切片、细胞等样品有序地固定在硅胶片或聚丙烯酰胺凝胶等支持物的表面,组成密集二维分子排列,然后
3、与已标记的待测生物样品中的靶分子杂交,通过特定的仪器如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄像机对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析,判断样品中靶分子的数量,从而达到分析检测的目的。1.2生物芯片制备的基本流程所有生物芯片制备都包括4个基本要点:芯片的构建、样品的制备、生物分子相互反应和结果检测分析。1.2.1芯片的构建目前芯片制备主要是采用表面化学的方法或组合化学的方法来处理片芯(玻璃片或硅胶片),然后使DNA片段或蛋白质分子按顺序排列在芯片上。因芯片种类较多,制备的方法也不尽相同,但基本上可以分成原位合成(insitusynthesis)与微矩阵点样(microarray
4、distribute)两大类。原位合成是采用光导化学合成和照相平板印刷技术在载体表面合成寡核苷酸探针,其中原位合成法又可分为光引导原位合成、喷墨打印和分子印迹原位合成3种。由于短核酸探针阵列具有密度高、速度快、效率高等优点,原位合成DNA微点阵适于进行突变检测、多态性分析、杂交测序等需要大量探针和高杂交严谨性实验。微矩阵点样法是将通过液相化学合成寡核苷酸链探针,或是PCR技术扩增得到cDNA或生物分子,由阵列复制器(arrayingandreplicatingdevice,ARD),或阵列机(arrayer)及电脑控制的点样仪,准确、快速地将不同探针样品定量点样于带正电荷的
5、尼龙膜或硅片等相应位置上,再由紫外线交联固定后即得到理想的芯片[9]。该方法在多聚物设计方面与前者相似,合成工作用传统DNA或多肽固相合成仪完成,只是合成后用特殊自动化微量点样装置将其以较高密度涂布于芯片载体上。这种方法生产的芯片上探针不受探针分子大小种类的限制,能够灵活机动地根据使用者的要求制作出符合目的的芯片。1.2.2样品制备生物样品是复杂生物分子混合体,除少数特殊样品外,一般不能直接与芯片反应,必须将样品进行生物处理。对于基因芯片,通常需要逆转录成cDNA并进行标记后才能进行检测。在PCR扩增过程中进行样品标记的方法有荧光标记法、生物素标记法、同位素标记法等。而通常
6、用来制备蛋白芯片的蛋白质在点样前要采用合适的缓冲液将其溶解,并要求具有较高的纯度和完好的生物活性。1.2.3生物分子反应生物分子反应是芯片检测的关键一步,样品DNA与探针DNA互补杂交要根据探针的类型和长度以及芯片的应用来选择、优化杂交条件。如果是基因表达检测,反应时需要高盐浓度、低温和长时间(往往要求过夜)。如果要检测是否有突变,因涉及单个碱基的错配,故需要在短时间内(几小时)、低盐、高温条件下高特异性杂交。检测蛋白结构的免疫芯片须保证抗原、抗体的特异性结合。芯片分子杂交的特点是探针固化,样品荧光标记,一次可以对大量生物样品进行检测分析。1.2.4反应图谱的检测和分析生物
7、芯片在与荧光标记的目标DNA或RNA杂交后或与荧光标记的目标抗原或抗体结合后,用激光共聚焦扫描芯片和CCD芯片扫描仪可将芯片测定结果转变成可供分析处理的图像和数据。获得图像数据后,进行数据分析有3个基本步骤:数据标准化,数据筛选,模式鉴定。无论是成对样本还是一组实验,为了比较数值,对数据要进行某种必要的标准化。第二步,进行数据筛选,去掉没有信息的基因。第三步,鉴定数据的模式和分组,给以生物学的解释。数据处理和破译的方法也是不同的。生物芯片需要一个专门系统处理芯片数据,一个完整芯片数据处理系统应包括芯片图像分析和数据
