食品安全生物检测技术

黑龙江大学《食品安全生物检测技术》论文学院生命科学年级2013专业食品科学与工程学号20133597姓名陈熠序号手机号码22013100884914成绩黑龙江大学生命科学学院我国食品安全的现状和生物芯片技术的研究进展及应用陈熠（食品科学与工程2班生命科学学院黑龙江大学哈尔滨150080）摘要：近几年来，世界上一些国家和地区食品安全的恶性事件不断发生，随着食品加工过程中化学品和新技术的广泛使用，新的食品安全问题不断涌现。尽管现代科技己发展到了相当水平，但食源性疾病不论在发达国家还是发展中国家，都没有得到有效的控制，仍然严重地危害着人民的健康，成为当今世界各国最关注的卫生问题之一。因此，就食品安全问题本身的严峻性而言，重视并大力解决好这一问题依然迫在眉睫。生物芯片技术是国际上近年来发展起来的一门高新技术。本文综述了国内外生物芯片技术的研究现状及研究进展。主要内容有基本概念、生物芯片制作及其应用、国内外发展现状、生物芯片的研究开发方向等方而，以达到对生物芯片技术的发展有一个全而了解的目的。关键词：食品安全隐患；现状；生物芯片;基因芯片;高密度基因芯片一、我国食品安全的现状长久以来，关于种种劣质食品的报道几乎成了我们隔三岔五就能在媒体上看到的一个主要话题。比如说关于劣质奶粉、劣质面粉、劣质大米、劣质豆制品、染白粉丝、注水肉、苏丹红还有现在正搞得沸沸扬扬的三聚氰胺事件等等，我们可以列出长长的一列名单。这些频频曝光的食品加工中的黑幕对消费者来说已不再陌生。各级监管部门针对于此的执法检查，也始终没有停止过，而且还会在每年的元旦、春节等重大节日前加大执法检查的力度，在2007年还进行了全国食品安全隐患大排查。并相继制订了各种法和条例，如《中华人民共和国食品卫生法》、《中华人民共和国农产品质量安全法》、《广东省食用农产品质量安全条例》等，可见我国对食品安全的整治力度有着铁的手腕。[1]但令人不解的是，这些年来，各级监管部门的工作不可谓不努力，但劣质食品依然层出不穷，正如紧接着上演的含有“三聚氰胺”成份的食品不断曝光，严重威胁着人们的生命健康，时时令我们提心吊胆。当前我国食品安全领域存在五大问题：微生物造成的食源性疾病、种植养殖方面的农药残留和兽药残留、生产经营者守法意识淡薄、食品生产新技术应用所带来的食品安全问题、环境对食品安全的影响。这些问题从而导致了我国食品生产行业的发展非常不均衡。在我国曾发生两起较大的食品安全事件，至今还让人心有余悸。一起是1988年初在上海发生的因市民食用受到污染的毛蚶而爆发的甲肝大流行事件，当时患者达31万例，造成不少人员死亡，上海市民出行（指到外地）受到限制，食品出口遭到退回，经济损失惨重。另一起是1997年12月发生在香港的禽流感，该事件对我国禽肉的出口影响很大。近年来，危害人民身体健康甚至危及生命的食品安全方面的重大事件频频发生，其数量和危害程度呈日益上升的趋势。如2001年发生在浙江省的白砂糖中添加“吊白块”案件；重庆市“毛发水”酱油案件；广东省劣质大米案件；江西省河豚鱼中毒案件；内蒙古死因不明羊肉案件；天津市输液瓶灌装酱油案件；江西省病死猪肉加工食品案件；重庆市非法加工伪劣食品案件；因食用含有“瘦肉精”（即盐酸克伦特罗）的猪肉，致使杭州市60多人食物中毒和广东省信谊县百余人食物中毒案件；再到到今天的孔雀石绿、苏丹红、大头婴儿、三聚氰胺案件等等。此外，涉及到因假酒、农药残留、食品或饲料中添加违禁物质造成的食物中毒，导致人员死亡和大批人员集体住院的事件时有发生。据专家估计，我国每年食物中毒报告涉及的总人数为2～4万人，但这一数字尚不到实际发生数的十分之一，也就是说我国每年食物中毒人数大约为20～40万人。[2]从各种案例和数字来看，足以让我们触目惊心，这个定时炸弹就在我们身边，随时爆发。因此对食品安全的整治，提高食品安全系数，让我们食得安全，食得放心，这些工作刻不容缓。食品安全检测技术提升——生物芯片二、生物芯片的基本概念生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片细胞等等生物样品有序地固化于支持物的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。[3]由于常用硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。对于广义生物芯片而言，除了上述被动式微阵列芯片之外，还包括利用光刻技术和微加工技术，在固体基片表面构建微流体分析单元和系统以实现对生物分子快速、大信息量并行处理和分析的微型固体薄型器件，主要包括核酸扩增芯片、阵列毛细管电泳芯片、主动式电磁生物芯片。三、生物芯片的种类、制作及其应用根据芯片上的固定的探针不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片，另外根据原理还有元件型微阵列芯。表达谱基因芯片是用于基因功能研究的一种基因芯片。是目前技术比较成熟，应用最广泛的一种基因芯片。1、种类(1)基因芯片(Genechip，DNAchip，DNAmicro-array)基因芯片又称DNA芯片，其主要原理是分子生物学中的核酸分子原位杂交技术，即利用核酸分子碱基之间互补配对的原理，通过各种技术手段将核昔酸固定到固体支持物上，随后将处理好的样品与其进行杂交，以实现对所测样品基因的大规模检验。[4](2)蛋白质芯片(Proteinchip)蛋白质芯片是一种新型的生物芯片，是山固定于不同种类支持介质上的蛋白微阵列组成，阵列中固定分子的位置及组成是已知的，用未经标记或标记(荧光物质、酶或化学发光物质等标记)的生物分子与芯片上的探针进行反应.然后通过特定的扫描装置进行检测.结果山计算机分析处理。[5]蛋白质芯片的特点为:①高通量，高效率;②蛋白质芯片是一个动态的技术流程概念，不局限于某个固相有形物;③适用于包括组织、细胞系、体液在内的多种生物样品;④芯片上的样品包含针对信号传导、癌症、细胞周期调控、细胞结构、凋亡和神经生物学等广泛的生物功能的相关蛋白，跨度大、适用范围广;⑤芯片上的结合物分别经过不同的方法检测，灵敏度高达pg/ml;⑥开放性的芯片平台设计，可以用各种型号的DNA芯片扫描仪进行检测.综合上述特点，决定了蛋白质芯片有着广泛的应用潜力和前景。[6]细胞作为生物有机体结构和功能的基本单位，其生物学功能容量巨大。利用生物芯片技术研究细胞，在细胞的代谢机制、细胞内生物电化学信号识别传导机制、细胞内各种复合组件控制以及细胞内环境的稳定等方而，都具有其它传统方法无法比拟的优越性。口前，细胞芯片在国内外已有报道，一般指的是充分运用显微技术或纳米技术，利用一系列几何学、力学、电磁学等原理，在芯片上完成对细胞的捕获、固定、平衡、运输、刺激及培养等精确控制，并通过微型化的化学分析方法，实现对细胞样品的高通量、多参数、连续原位信号检测和细胞组分的理化分析等研究口的。新型的细胞芯片应满足以下3个方而的功能:①在芯片上实现对细胞的精确控制与运输;2在芯片上完成对细胞的特征化修饰;③在芯片上实现细胞与内外环境的交流和联系。[7]（3）组织芯片组织芯片也称组织微阵列，是指将数十至上千个不同个体的小组织标本高密度整齐地排列在一张固相载体(载玻片、硅片、硝酸纤维膜或尼龙膜等)上而制成的组织切片。然后用其进行免疫组织化学、原位杂交或其他分子病理检测技术操作。组织芯片可用于组织形态观察、组化特性分析以及蛋白质和核酸在组织细胞中的定位研究。组织芯片将基因、蛋白表达水平的检测与组织形态学有机地结合起来，克服了传统分子病理学技术和病理组织学技术操作复杂、自动化程度低、检测效率低等缺点，提高了实验效率，具有无可比拟的优点。[8]2、制作生物芯片的加工所依赖的是应用}一分成熟的光学光刻技术和微机电系统加工中所采用的各种方法。1)样品制备芯片针对人白细胞的分离，宾夕法尼亚大学的研究小组设计了一种微过滤芯片，研究人员在硅片上刻出各种形状的大小为几个微米的过滤通道，再在硅片上烧结上一块玻璃盖片。人们还设计加工出了用作介电电泳的生物电子芯片。2)高密度基因芯片这种基因芯片采用平面微细加工技术，可实现大批量生产。通过提高集成度，降低单个芯片的成本。可组装大量的生物分子探针，获取信息量大、效率高，特别适合于基因信息的采集。3)生化反应芯片宾夕法尼亚大学研究小组设计了一种微升的硅一玻璃生化反应芯片，采用计算机控制的帕尔帖电热器对芯片外部加热和冷却。4)DNA芯片DNA芯片是由玻璃或塑料制成的薄片的表面排列的几千个极微小的DNA片段，是生物芯片研究中最先实现商品化的产品，在DNA微阵列的制作过程中，有四种典型的方法。DNA芯片的开发应用是一个较为复杂的过程。首先，要根据所要检测的目标进行芯片设计。芯片制备的过程就是按照设计将探针有序地固定在基片表面组成阵列的过程。第一步制作基因探针:利用聚合酶链式反应和生化合成等传统手段合成已知碱基序列的DNA片段;第二步制造DNA芯片基衬:采用光刻或其他纳米制造技术制备能接纳DNA探针的玻璃或塑料基衬;第三步在基衬上沉淀基因探针:使用电泳技术或自动化沉淀等手段，将多种DNA探针集成固定在玻璃等基衬上，形成一个DNA探针阵列;第四步DNA芯片的使用:制备好的DNA芯片将被封装、贴标签，最后送到研究人员手中。研究人员在荧光标记的帮助卜，获知样品中DNA序列的信息。3.应用1998年6月29日美国宣布正式启动生物芯片计划，随后世界各国也开始重视并加强对生物芯片研发的投入，以生物芯片为核心的相关生物技术产业正在全球崛起。3.1在医学研究及药物筛选中的应用生物芯片将在临床基因诊断、疫苗设计以及药物设计方面占据重要地位。生物芯片在疾病诊断方而有独特的优势，特别是对感染性疾病、遗传性疾病和恶性肿瘤等的临床诊断。生物芯片技术具有的高通量、大规模、平行性等特点可以用于新药的筛选。在肿瘤研究方而，应用生物芯片可以进行血栓研究遗传药理学[9]、毒理学和病毒感染的快速诊断[10]病毒耐药性突变检测肿瘤诊断[11]、寻找肿瘤相关基因、研究肿瘤基因突变、进行抗肿瘤药物的筛选等。[12]同时生物芯片还在疫苗研制、中药安全性的检测、中药材品质的检测、药物基因组学、耐药性分析、个体药物研究、血液恶性疾病等领域也有许多成功应用。3.2在食品科学上的应用在食品工业中，生物芯片技术可以对食品的安全状态有一个快速的、科学的、量化的了解;[13]可以及时准确地检测出食品中的病原微生物;可以利用其具有高通量并行检测的优点对[14]转基因食品进行筛选;此外，生物芯片还广泛应用于食品安全检测、食品营养成分的分析[15]、食品毒理学的研究、等方而的研究工作中。生物芯片在食品科学研究领域有广泛的发展空间和应用前景，将为人类的营养健康做出无可估计的贡献。3.3在环境科学上的应用生物芯片高信息量、快速、微型化、自动化、成本低、污染少、用途广等优点，很适应环境学研究中的技术需求，使其在环境科学领域有很好的应用前景。因此，将生物芯片技术引入环境科学研究中有重大意义。目前生物芯片已应用于检测土壤微生物及鉴定微生物群落、检测水中的微生物、环境毒物、环境流行病学分析、公害病及职业病的研究、环境医学等的研究领域。3.4在基因结构与功能研究上的应用生物芯片技术使得同时分析数以千计的DNA序列成为可能，对于基因与基因组的研究具有重要的划时代的意义。目前生物芯片已经广泛应用于大规模DNA测序，可用于含重复序列及较长序列的DNA序列测定及不同基因组同源区域的序列比较。另外，生物芯片还可用于基因表达分析、基因诊断、基因突变和多态性检测，能够比较不同个体生物物种之间及同一个个体在正常和疾病状态下的基因表达的差异，寻找和发现新的基因，研究发育、遗传、进化等过[16]程中的基因表达功能，揭示不同层次上多基因协同作用的生命过程。四．小结在短短的几年里，生物芯片技术已在生物学、医学、农业、环保和食品科学等领域取得了丰硕的成果。目前，生物芯片所涉及的生物、医学、化学、物理、微电子等领域都有了长足发展