苗小草，陳萬(wàn)義，張 娟，游春蘋(píng)*

（1.乳業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海 200436;2.上海大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，上海 200444）

生物芯片在食品檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展

苗小草1，2，陳萬(wàn)義1，張 娟2，游春蘋(píng)1*

（1.乳業(yè)生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海乳業(yè)生物工程技術(shù)研究中心，光明乳業(yè)股份有限公司乳業(yè)研究院，上海 200436;2.上海大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，上海 200444）

生物芯片技術(shù)作為各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的新興技術(shù)，在食品研究領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。簡(jiǎn)要介紹了生物芯片的基本原理。深入探討了生物芯片在食品安全領(lǐng)域中的應(yīng)用，包括對(duì)病原微生物、生物毒素、殘留農(nóng)獸藥、非法添加物、摻假、轉(zhuǎn)基因食品及食品過(guò)敏原等各個(gè)方面的檢測(cè)。簡(jiǎn)要敘述了生物芯片在食品安全檢測(cè)、毒理學(xué)、營(yíng)養(yǎng)健康分析中的應(yīng)用，以及該技術(shù)存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

生物芯片；食品安全；檢測(cè)

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)[1]。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[2]、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[3]以及國(guó)防領(lǐng)域[4]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)[5-7]。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[8]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[9]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[10]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[5]。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?？傊?，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[11]。其中芯片制備包括原位合成和預(yù)合成后點(diǎn)樣[12]。

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)[13]和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)[14]。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[15]。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[16-17]。

Huang[18]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0.1 U/mL的beta-醛酸苷酶，大約相當(dāng)于106 CFU/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[19]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、0.001 9、0.031 pg/μL，且均在18 min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[20]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0.37 ng/μL，在24 h內(nèi)可得到所需結(jié)果。

Koo等[21]通過(guò)研究得出微流控芯片[22-23]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5 min的介電電泳力，可使熱休克蛋白的捕獲率增加60%。Eom等[24]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16S rDNA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[25]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16S rRNA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，3 h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[26]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[27]。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[28]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2 h的檢測(cè)時(shí)間。

Pandey等[29]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[30]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[31]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[32]?！盁o(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[33]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[34]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[35]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。

2.4 非法添加物及摻假的檢測(cè)

在利益的驅(qū)使下，不良商家會(huì)向食品中添加非法添加物或摻假。他們的方式和手法日趨復(fù)雜，所用的物質(zhì)五花八門(mén)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法明顯跟不上造假手段的翻新[36]。

可卡因是食品中嚴(yán)令禁止的，為了優(yōu)化食品風(fēng)味，火鍋底料等食品中會(huì)添加微量的可卡因[37]。Kawano等[38]用膜蛋白通道結(jié)合 DNA適配體檢測(cè)可卡因，DNA適配體可以高選擇性地確認(rèn)可卡因分子，可以通過(guò)嵌入了生物納米孔的微芯片在60 s內(nèi)檢測(cè)出300 ng/mL的可卡因。

肉制品的檢驗(yàn)是世界各地食品檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的一項(xiàng)基本任務(wù)。到目前為止，肉制品安全檢測(cè)最常用的兩種方法是免疫吸附試驗(yàn)法和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)法[39]。這兩種方法得到廣泛認(rèn)可，但是不適用于多種肉類(lèi)樣品的同時(shí)檢測(cè)，要用來(lái)檢測(cè)意外污染或蓄意摻假肉類(lèi)產(chǎn)品需要很高的成本。Iwobi等[40]使用兩個(gè)商用動(dòng)物芯片檢測(cè)系統(tǒng)（CarnoCheck檢測(cè)試劑盒與 MEATspecies液晶陣列），該法靈敏度高、可重復(fù)利用、操作簡(jiǎn)便，可高效地同時(shí)檢測(cè)出8～14種肉類(lèi)制品中的動(dòng)物種類(lèi)。這兩種芯片效果優(yōu)良，可以實(shí)現(xiàn)在任何食品檢測(cè)機(jī)構(gòu)中的常規(guī)使用。Roy等[41]用新型電化學(xué)生物傳感器技術(shù)，通過(guò)DNA氧化還原的靜電相互作用和分子非特異性地吸附在石墨烯生物芯片上，從而完成對(duì)肉種類(lèi)的鑒定。這些石墨烯生物芯片成本低、快速高效，為肉類(lèi)摻假造假的監(jiān)管提供了技術(shù)支持。

2.5 轉(zhuǎn)基因食品的檢測(cè)

從1994年美國(guó)第一個(gè)轉(zhuǎn)基因番茄獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品在全球飛速發(fā)展。由于轉(zhuǎn)基因食品安全問(wèn)題爭(zhēng)議很大[42]，目前國(guó)際上沒(méi)有正式的科學(xué)報(bào)告能夠證實(shí)轉(zhuǎn)基因食品是永久安全的[43]，而國(guó)際上轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的檢測(cè)還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)基因檢測(cè)方法不能滿(mǎn)足同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，且準(zhǔn)確性不高。此外，轉(zhuǎn)基因食品中包含某些人們尚未完全認(rèn)識(shí)清楚的成分。因此，開(kāi)發(fā)高效、高通量的檢測(cè)技術(shù)是勢(shì)在必行的。

Cheng等[44]用薄膜生物傳感器芯片檢測(cè)轉(zhuǎn)基因大豆、水稻和玉米，選取9個(gè)外源DNA片段作為靶基因，設(shè)計(jì)并合成引物及探針，采用PCR技術(shù)擴(kuò)增樣品中的DNA目標(biāo)序列，雜交PCR產(chǎn)物及生物芯片，芯片會(huì)直接顯示雜交結(jié)果。該試驗(yàn)方法可以檢測(cè)出常見(jiàn)的5種改性植物，高效、準(zhǔn)確、易操作、高通量、實(shí)用且不用使用熒光掃描儀。Gryadunov等[45]用基因芯片及PCR技術(shù)同時(shí)檢測(cè)10種不同的轉(zhuǎn)基因食品和飼料，該芯片可以檢測(cè)植物的DNA，測(cè)定植物（大豆、玉米、土豆、水稻）類(lèi)型，鑒定轉(zhuǎn)基因成分（CaMV 35S、FMV 35S序列，水稻肌動(dòng)蛋白為啟動(dòng)子；NOS、CaMV 35S、OCS、豌豆 rbcS1為終止子；Bar、GUS以及 NPTII為標(biāo)記基因）。因而該芯片可以應(yīng)用于篩選轉(zhuǎn)基因樣品。

Von Gotz等[46]研究了 DNA微陣列的發(fā)展趨勢(shì)。在最近幾年，多重PCR和微陣列技術(shù)的結(jié)合被用來(lái)定性評(píng)估轉(zhuǎn)基因生物，如德國(guó)的DualChipA（R）GMO是唯一一個(gè)經(jīng)多中心研究認(rèn)可的轉(zhuǎn)基因篩選系統(tǒng)，通過(guò)革新擴(kuò)增技術(shù)，轉(zhuǎn)基因的微陣列檢測(cè)正在向定量方向發(fā)展。

2.6 食品過(guò)敏原的檢測(cè)

食品過(guò)敏的發(fā)病率和流行情況日益增加，尤其是在發(fā)達(dá)國(guó)家，這給醫(yī)學(xué)和食品工業(yè)造成了巨大的壓力。加上人們現(xiàn)在生活習(xí)慣的改變，飲食面的快速拓寬，使得過(guò)敏癥狀多樣、復(fù)雜和嚴(yán)重。在世界各地的過(guò)敏專(zhuān)家和商業(yè)公司，致力于開(kāi)發(fā)新的測(cè)試方法，以提高診斷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及過(guò)敏的早期預(yù)防性治療[47]。

Wang等[48]用光學(xué)薄膜芯片多重檢測(cè)食品中8個(gè)過(guò)敏原（芹菜、杏仁、燕麥、芝麻、芥末、羽扇豆、核桃、榛子），PCR擴(kuò)增之后，用生物芯片檢測(cè)，30 min即可得出結(jié)果。光學(xué)薄膜芯片可檢測(cè)PCR目標(biāo)片段的存在生物，芯片表層光干涉圖樣改變引起肉眼可見(jiàn)的顏色變化。這是一種能特異、高通量檢測(cè)食品樣品中過(guò)敏原的檢測(cè)方法。

Harwanegg等[49]采用復(fù)用芯片免疫檢測(cè)分析了牛奶和雞蛋中的過(guò)敏原。Pasquariello等[50]用復(fù)用芯片免疫分析檢驗(yàn)致敏性的蘋(píng)果，該研究針對(duì)10種傳統(tǒng)的蘋(píng)果品種和兩種在意大利南部廣泛種植的品種進(jìn)行研究。選取過(guò)敏體質(zhì)者血清作為探針，IgE、IgG和 IgG4抑制試驗(yàn)在復(fù)用基因芯片上進(jìn)行反應(yīng)，即可得到過(guò)敏成分。該技術(shù)可以快速檢測(cè)致敏性食物。

3 生物芯片在食品毒理學(xué)研究中的應(yīng)用

食品毒理學(xué)的研究可以檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)食品安全水平，并為此提供了依據(jù)。傳統(tǒng)的食品毒理學(xué)必須通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)動(dòng)物不仁道，而且人體與動(dòng)物有很大的差異，結(jié)果不精確。生物芯片解決了該倫理問(wèn)題，它從分子和細(xì)胞（體外）進(jìn)行研究，可以顯著減少對(duì)動(dòng)物和人類(lèi)志愿者的測(cè)試數(shù)目[51]。

Prot等[52]分析了在含有或不含對(duì)乙酰氨基酚的微流控生物芯片內(nèi)培養(yǎng)的肝癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)圖譜。不含對(duì)乙酰氨基酚時(shí)，自適應(yīng)細(xì)胞對(duì)微流控環(huán)境有所反應(yīng)，即抗氧化應(yīng)激反應(yīng)和細(xì)胞保護(hù)途徑的誘導(dǎo)。當(dāng)有對(duì)乙酰氨基酚存在時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)鈣穩(wěn)態(tài)的波動(dòng)、脂質(zhì)過(guò)氧化以及細(xì)胞死亡。代謝組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組學(xué)概況的整合使得對(duì)乙酰氨基酚損傷通道的重建更加完整。這是全球第一個(gè)微流控生物芯片評(píng)估毒性的例子，該試驗(yàn)也表明生物芯片對(duì)于毒理學(xué)方面應(yīng)用的潛力。

4 生物芯片在食品與健康研究中的應(yīng)用

利用生物芯片技術(shù)研究營(yíng)養(yǎng)素與蛋白質(zhì)和基因表達(dá)的關(guān)系，可以為揭示抗病和預(yù)防機(jī)理提供理論依據(jù)。如營(yíng)養(yǎng)與高血壓、糖尿病[53]和免疫系統(tǒng)的分子水平研究等[5]。Lin等[54]用微流控生物芯片系統(tǒng)對(duì)甘油三酯和甲醇進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，該項(xiàng)技術(shù)可以用于醫(yī)學(xué)快速診斷和食品安全領(lǐng)域。孫麗等[55]通過(guò)采用DNA甲基化芯片技術(shù)，檢測(cè)出高脂飲食可升高動(dòng)脈粥樣硬化小鼠基因組DNA甲基化水平，此技術(shù)可從小鼠延伸至研究食品營(yíng)養(yǎng)與人類(lèi)健康。

5 生物芯片的展望

生物芯片在潛移默化中為人類(lèi)生活帶來(lái)了一場(chǎng)革命，相比傳統(tǒng)生物技術(shù)，生物芯片有顯著優(yōu)勢(shì)，但由于人才、經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)水平等方面的制約，使得生物芯片系統(tǒng)未能廣泛普及。這促使以全新的思維方式對(duì)生物芯片進(jìn)行創(chuàng)新和改善，可視芯片技術(shù)[56]就是一項(xiàng)突破，一方面它不需要價(jià)格高昂的熒光掃描設(shè)備，另一方面使用快速、便捷，這也是目前生物芯片的發(fā)展方向。馬銳等[57]選用金標(biāo)銀染可視化基因芯片分析豬腹瀉病毒。李永進(jìn)等[58]將堿性磷酸酶與底物之間的酶學(xué)顯色反應(yīng)引入檢測(cè)體系使芯片可視化，檢測(cè)了9種轉(zhuǎn)基因玉米及棉花、大豆等材料?？梢暬镄酒€可應(yīng)用于基因突變的檢測(cè)[59]、工具酶功能鑒定[60]等領(lǐng)域，具有廣泛的發(fā)展市場(chǎng)。

根據(jù)李丫丫等[61]對(duì)歐洲專(zhuān)利局PATSTAT數(shù)據(jù)庫(kù)中生物芯片相關(guān)專(zhuān)利數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，中國(guó)生物芯片技術(shù)引入相較美、日、韓、德、法略晚，目前正處于成長(zhǎng)期且芯片技術(shù)軌道趨于穩(wěn)定，技術(shù)主導(dǎo)設(shè)計(jì)目前還沒(méi)有形成，預(yù)計(jì)形成時(shí)期將在2022年以后。由于中國(guó)芯片技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)能力較弱，從別國(guó)借鑒消化水平不高，此外政府投資力度不大，專(zhuān)項(xiàng)資金短缺，故與發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的差距。生物芯片在中國(guó)有著廣闊的發(fā)展市場(chǎng)和潛在的應(yīng)用前景，相信隨著中國(guó)學(xué)者和世界各國(guó)學(xué)者的共同努力，生物芯片必將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮出其更大的優(yōu)勢(shì)。

［1］LUO Y，BHATTACHARYA B B，HO T Y，et al.Design and optimization of a cyberphysical digital-microfluidic biochip for the polymerase chain reaction［J］.IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，2015，34（1）:29-42.

［2］ALAPAN Y，KIM C，ADHIKARI A，et al.Sickle cell disease biochip:a functional red blood cell adhesion assay for monitoring sickle cell disease［J］.Translational Research，2016，173:74-91.

［3］DENG Z L，GE Y T，CAO Q K，et al.The detection of a transgenic soybean biochip using gold label silver stain technology［J］.Bioorganic&Medicinal Chemistry Letters，2011，21（22）:6905-6908.

［4］KOCAZEYBEK B S，YUKSEL P，KESKIN D，et al.Travel-associated infections caused by unusual serogroups of Legionella pneumophila identified using Legionella BIOCHIP slides in Turkey and Iraq［J］.Travel Medicine and Infectious Disease，2016，14（3）:248-254.

［5］PASQUARELLI A.Biochips:Technologies and applications［J］.Materials Science and Engineering C，2008，28:495-508.

［6］丁立群，馮麗娟.生物芯片及其在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（1）:18-20.

［7］王娟.生物芯片的微制備技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012.

［8］GRAHAM N S，MAY S T，DANIEL Z C，et al.Use of the Affymetrix Human GeneChip array and genomic DNA hybridisation probe selection to study ovine transcriptomes［J］.Animal，2011，5（6）:861-866.

［9］SHAMAY M， LIU J Y，LI R F，et al.A protein array screen for kaposi's sarcoma-associated herpesvirus LANA interactors links LANA to TIP60，PP2A activity，and telomere shortening［J］.Journal of Virology，2012，86（9）:5179-5191.

［10］GERVAIS L，DE ROOIJ N，DELAMARCHE E. Microfluidic chips for point-of-care immunodiagnostics［J］.Advanced Healthcare Materials，2011，23（24）:H151-H176.

［11］楊喻曉，張瓅文，丁美會(huì)，等.基因芯片技術(shù)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.糧油食品科技，2009（1）:68-70.

［12］王東，宋立斌，李志明，等.生物芯片微陣列制備方法研究［J］.高技術(shù)通訊，2002（8）: 60-63.

［13］陳愛(ài)華，楊堅(jiān).酶聯(lián)免疫吸附（ELISA）法在食品微生物檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)食品添加劑，2004（4）:109-111，105.

［14］馬軍，邱立平，馮琦.聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在微生物檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)給水排水，2002（1）:34-36.

［15］王運(yùn)照，胡文忠，李婷婷，等.基因芯片在微生物檢測(cè)中的應(yīng)用及發(fā)展概況［J］.食品工業(yè)科技，2015（15）:396-400.

［16］PRIMICERI E，CHIRIACO M S，F(xiàn)EO F D，et al.A multipurpose biochip for food pathogen detection［J］.Analytical Methods，2016，8（15）: 3055-3060.

［17］LIU R H，YANG J N，LENIGK R，et al. Self-contained，fully integrated biochip for sample preparation，polymerase chain reaction amplification，and DNA microarray detection［J］.Analytical Chemistry，2004，76（7）:1824-1831.

［18］HUANG S H.Detection of Escherichia coli using CMOS array photo sensor-based enzyme biochip detection system［J］.Sensors and Actuators B，2008，133:561-564.

［19］TACHIBANA H，SAITO M，SHIBUY S，et al. On-chip quantitative detection of pathogen genes by autonomous microfluidic PCR platform［J］.Biosensors and Bioelectronics，2015，74: 725-730.

［20］MANZANO M，CECCHINI F，F(xiàn)ONTANOT M，et al.OLED-based DNA biochip for Campylobacter spp.detection in poultry meat samples［J］.Biosensors and Bioelectronics，2015，66: 271-276.

［21］KOO O K，LIU Y S，SHUAIB S，et al.Targeted capture of pathogenic bacteria using a mammalian cell receptor coupled with dielectrophoresis on a biochip［J］.Analytical Chemistry，2009，81:3094-3101.

［22］JELLALIA R，PAULLIERA P，F(xiàn)LEURYA M J，et al.Liver and kidney cells cultures in a new perfluoropolyether biochip［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2016，229（28）:396-407.

［23］HASSAN U，WATKINS N N，JR B R，et al. Microfluidic differential immunocapture biochip for specificleukocyte counting［J］.Nature Protocols，2016，11（4）:714-726.

［24］EOM H S，HWANG B H，KIM D H，et al. Multiple detection of food-borne pathogenic bacteria using a novel 16S rDNA-based oligonucleotide signature chip［J］.Biosensors and Bioelectronics，2007，22:845-853.

［25］IKEDA M，YAMAGUCHI N，TANI K，et al. Rapid and simple detection of food poisoning bacteria bybead assay with a microfluidic chip-based system［J］.Journal of Microbiological Methods，2006，67：241-247.

［26］PENNACCHIO A，RUGGIERO G，STAIANO M，et al.A surface plasmon resonance based biochip for the detection of patulin toxin［J］. Optical Materials，2014，36:1670-1675.

［27］BOUSSABBEH M，SALEM I B，PROLA A，et al.Patulin induces apoptosis through ROS-Mediated endoplasmic reticulum stresspathway［J］.Toxicological Sciences，2015，144（2）:328-337.

［28］RUBINA A Y，F(xiàn)ILIPPPOVA M A，F(xiàn)EIZKHANOVA G U，et al.Simultaneous detection of seven Staphylococcal Enterotoxins:Development of hydrogel biochips for analytical and practical application［J］.Analytical Chemistry，2010，82（21）:8881-8889.

［29］PANDEY A，CHOUHAN R S，GURBUZ Y，et al.S.cerevisiae whole-cell based capacitive biochip for the detection of toxicity of different forms of carbon nanotubes［J］.Sensors and Actuators B，2015，218:253-260.

［30］AHN J M，GU M B.Geno-Tox:cell array biochip for genotoxicity monitoring and classification［J］.Applied Biochemistry and Biotechnology，2010，168:752-760.

［31］JIMENA C，F(xiàn)RIEBEA S.Regenerable immunobiochip for screening ochratoxin A in green coffee extract using an automated microarray chip reader with chemiluminescence detection［J］.Analytica Chimica Acta，2011，689（2）: 234-242.

［32］GAUDINA V，HEDOUA C，SOUMET C，et al.Evaluation and validation of a biochip multi-array technology for the screening of 14 sulphonamide and trimethoprim residues in honey according to the European guideline for the validation of screening methods for veterinary medicines［J］.Food and Agricultural Immunology，2015，26（4）:477-495.

［33］GAUDIN V，HEDOU C，SOUMET C，et al.E－valuation and validation of biochip multi-array technology for the screening of six families of antibiotics in honey according to the European guideline for the validation of screening methods for residues of veterinary medicines［J］. Food Additives & Contaminants:PartA，2014，31:1699-1711.

［34］MAHONY J，MOLONEY M，MCCONNELL R I，et al.Simultaneous detection of four nitrofuran metabolites in honey using a multiplexing biochip screening assay［J］.Biosensors and Bioelectronics，2011，26:4076-4081.

［35］KLOTH K，RYE-JOHNSEN M，DIDIER A，et al.A regenerable immunochip for the rapid determination of 13 different antibiotics in raw milk［J］.Analyst，2009，134（7）:1433-1439.

［36］王君，劉蓉.近紅外光譜技術(shù)在液態(tài)食品摻假檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.食品工業(yè)科技，2016（7）:374-380，386.

［37］王小波，葉能勝，王繼芬，等.可卡因及代謝物的分析檢測(cè)研究進(jìn)展［J］.化學(xué)通報(bào)，2010（2）:111-117.

［38］KAWANO R，OSAKI T，SASAKI H，et al. Rapid detection of a cocaine-binding aptamer using biologicalnanopores on a chip［J］. JournaloftheAmerican ChemicalSociety，2011，133:8474-8477.

［39］HASMAN H，HAMMERUM A M，HANSEN F，et al.Detection of mcr-1 encoding plasmidmediated colistin-resistant Escherichia coli isolates from human bloodstream infection and imported chicken meat，Denmark 2015［J］. Eurosurveillance，2015，20（49）:2-6.

［40］IWOBI A N，HUBER I，HAUNER G，et al. Biochip technology for the detection of animal species in meat products［J］.Food Analytical Methods，2011，4:389-398.

［41］ROY S，RAHMAN I A，SANTOS J H，et al. Meat species identification using DNA-redox electrostatic interactions and non-specific adsorption on graphene biochips［J］.Food Con－trol，2016，61:70-78.

［42］MARQUES M D，CRITCHLEY C R，JARROD W.Attitudes to genetically modified food over time:How trust in organizations and the media cycle predict support［J］.Public Understanding of Science，2015，24（5）:601-618.

［43］穆小婷，董文賓，王玲玲，等.特異性生物芯片在乳品檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)乳品工業(yè)，2014（2）:38-40，43.

［44］成曉維，王小玉，胡松楠，等.可視芯片檢測(cè)大豆，水稻和玉米中的轉(zhuǎn)基因成分［J］.現(xiàn)代食品科技，2013，29（3）:654-659.

［45］GRYADUNOV D A，GETMAN I A.Identification of plant-derived genetically modified organisms in food and feed using a hydrogel oligonucleotide microchip［J］.Molecular Biology，2011，45（6）:894-903.

［46］VON GOTZ F.See what you eat-broad GMO screening with microarrays［J］.Analytical and Bioanalytical Chemistry，2010，396（6）:1961-1967.

［47］VERMERSCH P，MAILHOL0 C，TETU L，et al.The cherry on the top of the cake or ISAC（R） biochip interest to explore food allergy［J］.Revue Franaise D Allergologie，2015，55（6）:406-409.

［48］WANG W，LI Y Y，ZHAO F Y，et al.Optical thin-film biochips for multiplex detection of eight allergens in food［J］.Food Research International，2011，44:3229-3234.

［49］HARWANEGG C，HUTTER S，HILLER R. Allergen microarrays for the diagnosis of specific IgE against components of cow milk and hen egg in a multiplex biochip-based immunoassay［J］.Microchip-Based Assay Systems，2007，385:145-157.

［50］PASQUARIELLO M S，PALAZZO P，TUPPO L，et al.Analysis of the potential allergenicity of traditional apple cultivars by multiplex biochipbased immunoassay［J］.Food Chemistry，2012，135:219-227.

［51］BEATRICE S，WEI L，ALAIN T，et al.Design of a live biochip for in situ nanotoxicology studies:a proof of concept［J］.RSC Advances，2015，5（10）:82169-82178.

［52］PROT J M，BUNESCU A，ELENA-HERRMANN B.Predictive toxicology using systemic biology and liver microfluidic"on chip" approaches:Application to acetaminophen injury［J］.Toxicology and Applied Pharmacology，2012，259（3）:270-280.

［53］IOST R M，SALES F C P F，MARTINS M V A，et al.Glucose biochip based on flexible carbon fiber electrodes:In vivo diabetes evaluation in rats［J］.Chemelectrochem，2015，2（4）:518-521.

［54］LIN M Y，YU C S，HU Y C，et al.Dropletbased mierotexture biochip system for triglycerides and methanol measurement［J］.International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society，2005，1:530-533.

［55］孫麗，康群甫，周明學(xué)，等.基于生物芯片探討高脂飲食對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化小鼠基因組DNA甲基化的影響［J］.現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2016（8）:1415-1419.

［56］張娟，譚嘉力，梁宇斌，等.可視芯片技術(shù)及其在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.食品工業(yè)科技，2013（8）:381-385.

［57］馬銳，文心田，楊國(guó)淋，等.豬腹瀉病毒可視化基因芯片的兩種靶基因標(biāo)記技術(shù)的比較［J］.中國(guó)獸醫(yī)科學(xué)，2016（4）:409-417.

［58］李永進(jìn)，熊濤，吳華偉，等.利用可視化膜芯片檢測(cè)9種轉(zhuǎn)基因玉米［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016（1）:2926-2929.

［59］XUE L，F(xiàn)EI J J，SONG Y，et al.Visual DNA microarray for detection of epidermal growth factor receptor（EGFR）gene mutations［J］. Scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investigation，2014，74（8）:693-699.

［60］MA L，ZHU Z J，LI T，et al.Assaying multiple restriction endonucleases functionalities and inhibitions on DNA microarray with multifunctional gold nanoparticle probes［J］.Biosensors and Bioelectronics，2014（52）:118-123.

［61］李丫丫，趙玉林.全球生物芯片產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展階段比較研究［J］.科技進(jìn)步與對(duì)策，2016（10）:44-48.

APPLICATION PROGRESS OF BIOCHIP IN FOOD DETECTION

MIAO Xiaocao1，2，CHEN Wanyi1，ZHANG Juan2，YOU Chunping1
(1.State Key Laboratory of Dairy Biotechnology，Shanghai Engineering Research Center of Dairy Biotechnology，Dairy Research Institure of Bright Dairy&Food Co.，Ltd.，Shanghai 200436，China; 2.School of Life Science，Shanghai University，Shanghai 200444，China)

Biochip as an emerging technology has been widely used in food research.This paper summarized the basic principle of biochip and introduced the application of biochip in the food safety field，including the detection of pathogenic microorganism，biotoxin，drug residues，illegal additives，adulteration，genetically modified food and food allergen.The paper briefly described the application of biochip in food safety detection，toxicology，nutrient analysis and quality analysis，as well as flaws and further development trend of biochip technology.

biochip；food safety；detection

TS207.7

A

1673-2383(2017)01-0114-08

http://www.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20170222.1117.042.html

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-2-22 11:17:21

2016-10-17

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃(2012BAD12B08);上海市科委項(xiàng)目（16DZ2280600，15XD1520300）

苗小草（1993—），女，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向?yàn)槭称钒踩?/p>

*通信作者