洪詩然，陳 松

（湖南師范大學(xué)，湖南長沙 410081）

隨著我國基因工程方面的技術(shù)不斷進(jìn)步完善，基因芯片技術(shù)在各個領(lǐng)域被研發(fā)并投入應(yīng)用，它是一種集成半導(dǎo)體技術(shù)、信息化技術(shù)及尖端生物技術(shù)的新型檢測手段，以檢測基因功能及基因表現(xiàn)性征作為檢測內(nèi)容。目前在我國，該技術(shù)正處于研發(fā)完善階段，且在禽畜肉類等食品加工產(chǎn)業(yè)中作為一項示范技術(shù)開始推廣應(yīng)用。

1 基因芯片技術(shù)用于食品檢測的基本原理

1.1 基因芯片的分類

基因芯片技術(shù)會根據(jù)用途類型的不同而選擇不同的芯片材質(zhì)。由于它是以支持固相載體內(nèi)植入的方式安裝的，因此根據(jù)支持固相載體的特征不同采用不同的材料，以芯片材質(zhì)可分為以玻璃、陶瓷、硅等制成的無機(jī)物芯片和以尼龍薄膜、纖維素膜、聚丙烯工業(yè)材料等制成的有機(jī)物芯片?；蛐酒峭ㄟ^探針讀取載體的基因信息，根據(jù)讀取感知的功能不同分為寡核苷酸芯片和cDNA芯片。根據(jù)芯片點陣合成技術(shù)不同還分為電定位芯片、原位合成芯片和微矩陣芯片3類。

1.2 基因芯片技術(shù)的基本原理

基因芯片是基于生物芯片技術(shù)基礎(chǔ)上的一種電子化的檢測裝置，不同的基因自然擁有不同的基因功能和基因表性特征，因為它們的基因核酸分子雜交序列上存在較大出入，因此基因芯片可以用幾種可檢測出已知的核酸分子雜交衍生序列的探針，對載體進(jìn)行基因表性檢測[1]。利用點樣技術(shù)將寡核苷酸或者cDNA按照預(yù)先設(shè)定好的核酸分子雜交衍生列進(jìn)行高密度集成后固定在支持載體的表面，載體表面與探針進(jìn)行雜交后，生物信號會被半導(dǎo)體傳感器制成的特殊裝置捕捉到，開展同步記錄并將記錄內(nèi)容回傳給計算機(jī)進(jìn)行分析，最終得到載體樣本的基因功能與基因表性特征，用這種基因功能與表性特征信息作為判定食品原材料與生產(chǎn)過程中是否存在致病因素的最終依據(jù)。

1.3 基因芯片檢測的流程

1.3.1 載片制備與樣本制配

將樣本處理提純后得到高純度DNA，而后對檢測基因表性特征的高密度寡核苷酸分子雜交序列進(jìn)行標(biāo)記，由于受限于檢測精度問題，還需要用固相PCR方法對樣品進(jìn)行擴(kuò)增，并預(yù)檢測目標(biāo)的基因信息轉(zhuǎn)錄集成在芯片載片的基因文庫內(nèi)。

1.3.2 分子雜交

被標(biāo)記的樣本分子雜交序列在探針處雜交前會呈雙鏈的形式顯現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過高溫變性后處理為單鏈DNA形式后，再與芯片上的探針進(jìn)行雜交。

1.3.3 雜交信號檢測

樣品與探針進(jìn)行充分的雜交后，半導(dǎo)體傳感器會將這種雜交信息以特殊波長的電信號或者熒光信號的形式體現(xiàn)。根據(jù)傳感器回傳的信號強(qiáng)弱可以分析處探針與樣本的反應(yīng)程度。若探針與樣本發(fā)生不完全雜交，此時回傳的電信號或者熒光信號較弱；若探針與樣本不發(fā)生雜交反應(yīng)，將不會捕捉到任何特殊波長的電信號或熒光信號[2]。以熒光信號舉例，一種高分辨率的熒光掃描儀可以通過計算機(jī)連接控制讀取到回傳熒光信號的差異，再經(jīng)過計算機(jī)分析后就可以得出待檢測樣本的靶基因信息了。

2 基因芯片技術(shù)在食品檢測中的具體應(yīng)用路徑

2.1 用于轉(zhuǎn)基因食品的檢測

隨著基因工程技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，越來越多的轉(zhuǎn)基因食品技術(shù)相繼問世。轉(zhuǎn)基因食品是以在特定的生物本體內(nèi)引介入外源的基因組的方式，使特定的生物物種獲得相應(yīng)的新基因表性的一種生物技術(shù)，經(jīng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)處理后的物種作為新型種植育種，由這種育種所生產(chǎn)加工的食品就叫做轉(zhuǎn)基因食品。轉(zhuǎn)基因食品按轉(zhuǎn)基因功能分為增產(chǎn)型、控熟型、加工型、高營養(yǎng)型和新品種型等幾個類型轉(zhuǎn)基因食品。出于對轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展過快所導(dǎo)致的不可預(yù)估結(jié)果的擔(dān)憂，目前國際上普遍認(rèn)為尚無證據(jù)表明轉(zhuǎn)基因食品長期發(fā)展后的新物種對人們的健康完全無害。

轉(zhuǎn)基因技術(shù)的多向性與不可預(yù)估性可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因后的生物物種產(chǎn)生多種毒性物質(zhì)的營養(yǎng)分子、溶血劑和未知神經(jīng)毒素等，嚴(yán)重的甚至?xí)蛑卸径鹑梭w生理功能衰竭死亡，如目前已發(fā)現(xiàn)的一種轉(zhuǎn)基因木薯發(fā)生了毒素蛋白過量繁殖的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)基因食品中含有的部分物質(zhì)成分，很難確保轉(zhuǎn)基因食物不會出現(xiàn)過敏或者抗生素抗性等危害性特征。因此國際上對轉(zhuǎn)基因食品采取的監(jiān)管檢測制度十分嚴(yán)格，要求轉(zhuǎn)基因食品必須以說明標(biāo)簽的形式加以體現(xiàn)。食品監(jiān)督部門和食品加工單位需要可靠、經(jīng)濟(jì)且高效的轉(zhuǎn)基因食品檢測技術(shù)方法[3]。在新型技術(shù)的基因芯片法出現(xiàn)前，對轉(zhuǎn)基因食品的基因芯片檢測都是以PCR擴(kuò)增法進(jìn)行的，但這種方法每次只能對單獨的一種轉(zhuǎn)基因食品成分進(jìn)行檢測，若是同時存在多種待檢測項目時，需要多次重復(fù)檢測完成，檢測的效率低下，還容易受到樣本交叉污染問題影響檢測準(zhǔn)確度。而采用基因芯片檢測法，可以在檢測載片上制備多種檢測片段，以不同的探針進(jìn)行區(qū)分，一次可以對轉(zhuǎn)基因食品中的多種成分進(jìn)行檢測。以農(nóng)作植物來源的轉(zhuǎn)基因食品為例，可以選擇卡那霉素抗性基因、花椰菜花葉病毒、葡萄糖醛酸核苷酶等多種檢測片段，在緩沖液中進(jìn)行擴(kuò)增和標(biāo)記，以此檢測待檢農(nóng)作物中是否含有轉(zhuǎn)基因成分。這種多檢測片段的基因芯片檢測法，最多可以同時檢測出玉米中Bt176、Bt11、GA21等7種轉(zhuǎn)基因成分，且檢測精度極高，最高可達(dá)0.1%含量的有效檢測精度。

2.2 用于禽畜類病疫及致病性細(xì)菌檢測

除了轉(zhuǎn)基因食品外，基因芯片技術(shù)還可以被應(yīng)用在禽畜類病疫及致病性細(xì)菌微生物檢測上。傳統(tǒng)的PCR擴(kuò)增法只能對單一種類的細(xì)菌微生物進(jìn)行擴(kuò)增檢測，但禽畜肉類食品中的病疫源復(fù)雜多樣，例如巴氏桿菌和黃病毒科的各種致病病毒所導(dǎo)致的禽畜類病疫。傳統(tǒng)的檢測方法下很難應(yīng)對如此種類復(fù)雜，待檢工作量大的禽畜類食品檢測工作，特別是對一些未知致病病毒與毒性微生物的檢測收效甚微。新型的基因芯片檢測技術(shù)利用rDNA生物基因的高保守性，將已知常見的幾種致病病毒的差異序列作為檢測靶基因，進(jìn)行禽畜類的病疫檢測，可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)感染病疫的禽畜肉制品。因此在我國食品安全管理工作中，被廣泛應(yīng)用于防止未經(jīng)檢疫合格的攜帶有口蹄疫、傳染性肺炎、高致病性禽流感、鼠疫和豬瘟等多種禽畜類病疫的肉類食品非法流入市場方面上。此外還可以將致病性細(xì)菌在16S rDNA上的共同序列部分作以標(biāo)記，以此標(biāo)記作為樣本感染致病性細(xì)菌微生物的感染特征，以這種感染特征生物雜交序列作為探針，利用堿基互補(bǔ)的生物學(xué)原理，識別到食品基因混合物中的特定感染基因，從而檢測出食品在加工生產(chǎn)中攜帶致病性或毒性細(xì)菌的種類與含量。這種用于檢測細(xì)菌病原菌的基因芯片檢測技術(shù)識別敏感度非常高，最高可以精準(zhǔn)識別出樣本中每mol中數(shù)量為56的細(xì)菌菌落。此外，若是對基因芯片技術(shù)作以改進(jìn)調(diào)整，該技術(shù)還可利用幾種常見多發(fā)的毒性細(xì)菌的序列共性特點，用于對導(dǎo)致突發(fā)的急性食物中毒事故的毒性微生物進(jìn)行快速識別診斷上，以便第一時間對食物中毒導(dǎo)致危重的病人實施醫(yī)療搶救。

3 基因芯片檢測技術(shù)的優(yōu)勢

3.1 檢測效率極快，精度極高

與傳統(tǒng)的食品檢測方法相比，基因芯片檢測技術(shù)的檢測效率擁有絕對的精度優(yōu)勢與效率優(yōu)勢。常規(guī)的食品檢測方法中的細(xì)菌培養(yǎng)法，需要對食品樣本中的菌落進(jìn)行人工繁殖，只有送檢樣達(dá)到一定的種群密度時，才能對其進(jìn)行生物鑒定和血清分型。而且不同的致病性細(xì)菌或者毒性微生物的活性會因培養(yǎng)環(huán)境的變化而變化，從而使檢測結(jié)果發(fā)生偏差，且通常情況下這種鑒定方法取得檢測結(jié)果需要數(shù)天乃至數(shù)周的時間，但基因芯片檢測技術(shù)得到檢測分析結(jié)果，需要探針與樣本雜交過程完成，往往只需要6～12 h就能夠得到較為精準(zhǔn)的檢測結(jié)果[4]。另一方面，它還能補(bǔ)充解決了PCR無法多項擴(kuò)增的技術(shù)難題，使應(yīng)用基因芯片的檢測技術(shù)可以同時對一種待檢食品樣本進(jìn)行多種檢測項目的檢測，效率較高，擁有比傳統(tǒng)細(xì)菌培養(yǎng)法更高的檢測準(zhǔn)確度。

3.2 減低了食品檢測的難度與工作量

傳統(tǒng)的食品檢測方法是以大量復(fù)雜的微生物實驗進(jìn)行檢測的，在這樣的檢測技術(shù)下，檢測難度主要來自于實驗過程中的環(huán)境變量控制，如恒溫控制、濕度控制、培養(yǎng)液營養(yǎng)控制等，在檢測中也需要多次的實驗觀察才能最終得出檢測結(jié)果。而應(yīng)用了基因芯片檢測技術(shù)的檢測方法，只需要一次探針雜交就能輕松完成，探針雜交信息是由傳感器同步回傳的熒光信息或電信號作為檢測反饋的，再經(jīng)高分辨率的檢測設(shè)備或控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，最后由計算機(jī)對檢測分析結(jié)果進(jìn)行可視化處理，得出精確的檢測數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)檢測方法的實驗記錄相比，在檢測結(jié)果讀數(shù)上更加直觀，使檢測難度與工作量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)檢測技術(shù)[5]。

3.3 成本經(jīng)濟(jì)低廉

傳統(tǒng)的食品檢測需要大量的大型實驗室儀器工具，用于進(jìn)行微生物鑒定的檢測設(shè)備造價成本不菲。而基因芯片只采用硅片、玻璃、陶瓷、工業(yè)塑料或尼龍材料等造價低廉的材質(zhì)制成，且載片尺寸非常小，體積上遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)食品檢測方法的大型儀器設(shè)備，并且可重復(fù)使用性極高。一種熒光信號式的基因芯片技術(shù)，僅需要一個預(yù)制好的小型芯片作為樣本載體，一臺高分辨率熒光檢測設(shè)備用于技術(shù)檢測，若是能在食品檢測中廣泛應(yīng)用，一定可以大幅縮減食品檢測的技術(shù)成本。

4 結(jié)語

基因芯片是一種利用尖端技術(shù)反應(yīng)基因表性特征的成熟檢測技術(shù)，除了本文提及的應(yīng)用路徑外，在其他多個食品檢測領(lǐng)域中均能起到提高檢測效率與檢測精度的作用。因此需要食品檢測行業(yè)通過技術(shù)研發(fā)拓展基因芯片的應(yīng)用潛力，從食品原料檢測以及致病微生物菌類檢測兩個方面著手，更好地保障食品生產(chǎn)加工安全。