湖南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 洪詩然

伴隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，基因芯片技術(shù)在眾多領(lǐng)域中均得到了廣泛地運(yùn)用?；蛐酒夹g(shù)屬于一種多學(xué)科交叉融合所產(chǎn)生的高新技術(shù)，在檢測(cè)中不僅具備快速準(zhǔn)確的特征，同時(shí)重復(fù)性較好，當(dāng)前在食品檢測(cè)中也得到了廣泛的應(yīng)用?；诖耍疚南仁歉攀隽嘶蛐酒夹g(shù)的概念，分析了基因芯片技術(shù)在食品檢測(cè)中的具體應(yīng)用，僅供同行參考和借鑒。

保證食品安全的重要手段之一就是開展食品檢測(cè)工作。而在食品檢測(cè)工作中，基因芯片技術(shù)因具備信息量大、操作簡(jiǎn)單以及重復(fù)性強(qiáng)等眾多優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)可有效檢測(cè)食品中的營(yíng)養(yǎng)成分[1]，同時(shí)對(duì)食品的健康衛(wèi)生、安全以及食品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督，只有食品檢測(cè)工作過關(guān)，才能為人類的生命健康安全提供保證，并且這對(duì)于整個(gè)食品領(lǐng)域的長(zhǎng)期健康發(fā)展也有非常重要的影響。

1 基因芯片技術(shù)概述

1.1 基因芯片原理

基因芯片也被叫做DNA芯片或者DNA微陣列，其是一種生物芯片，通過采用微電子學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)以及生物學(xué)等高科技技術(shù)，將眾多的基因探針或者片段，依照特定的陣列形式，以穩(wěn)固惡方式，將其在玻璃、硅片、塑料或者尼龍膜等載體上固定，進(jìn)而形成井然有序、且精致緊密的DNA分子點(diǎn)陣[2]。由于基因芯片的固相載體比較常運(yùn)用硅芯片或者硅玻片，所以也常被叫做基因芯片?；蛐酒贒NA序列技術(shù)、表達(dá)差異以及基因表達(dá)等均得到了廣泛地運(yùn)用，同時(shí)從現(xiàn)階段來看，基因芯片技術(shù)在食品安全檢測(cè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 基因芯片分類

根據(jù)基因芯片的實(shí)際功能，可將其分為表達(dá)譜基因芯片、檢測(cè)芯片及診斷芯片；若是按照芯片的點(diǎn)樣方式進(jìn)行分類，可分為電定位芯片、微矩陣芯片以及原位合成芯片；再如果按照芯片運(yùn)用探針的差異進(jìn)行分類，可分為cDNA芯片以及寡核苷酸芯片。

1.3 基因芯片制備方法

基因芯片技術(shù)，可從以下三個(gè)方面進(jìn)行概括：(1)為芯片的制備環(huán)節(jié)，通過運(yùn)用表面接收到化學(xué)處理的固相載體，如使用硅片或者玻片然后將其作為芯片的片基，根據(jù)已經(jīng)規(guī)定好的順序把DNA片段一一排列在片基上。(2)制備樣品與雜交的環(huán)節(jié)，通常情況下，生物樣品是不可以與芯片直接進(jìn)行反應(yīng)的，所以應(yīng)對(duì)樣品進(jìn)行特殊的生物化處理，然后把存在與DNA或者RNA的信息分子取出來，并將標(biāo)記工作做好，之后科學(xué)選擇具體的反應(yīng)條件，從而促使樣品及靶標(biāo)分子出現(xiàn)雜交反應(yīng)[3]。(3)對(duì)芯片的檢測(cè)與分析環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段對(duì)于芯片信號(hào)檢測(cè)最常運(yùn)用的檢測(cè)方法就是在芯片掃描儀中植入芯片，然后對(duì)不同反應(yīng)點(diǎn)的熒光強(qiáng)弱及位置分別進(jìn)行采集，并運(yùn)用技術(shù)軟件進(jìn)行針對(duì)性分析，從而對(duì)有關(guān)的生物信息進(jìn)行獲取。

2 基因芯片技術(shù)在食品檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 在食品微生物檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1.1 微生物檢測(cè)的基本原理

該檢測(cè)技術(shù)的根本原理為，先在芯片表面把不同種類的基因寡核苷酸進(jìn)行點(diǎn)樣，并將微生物樣品DNA通過PCR擴(kuò)充之后，把熒光標(biāo)記探針的制作購置工作做好，之后與芯片上邊寡核苷酸點(diǎn)進(jìn)行雜交，最后經(jīng)過對(duì)掃描儀定量以及分析熒光分布模式的運(yùn)用，明確所檢測(cè)的樣品，是否有特殊的微生物存在[4]?；蛐酒夹g(shù)不僅可對(duì)不同介質(zhì)中的微生物進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)可對(duì)比較繁雜微生物群體的基因表達(dá)進(jìn)行深究[5]。相較于以往的檢測(cè)方式，如：細(xì)菌培養(yǎng)或者生化鑒定等，該技術(shù)具有更高的檢測(cè)水平，主要在以下三方面中得以體現(xiàn)：(1)基因芯片可進(jìn)行下一代測(cè)序技術(shù)檢測(cè)及同時(shí)實(shí)施檢測(cè)，只需要開展一次實(shí)驗(yàn)工作就可取得所有的結(jié)果；(2)該技術(shù)的運(yùn)用，具有操作快速簡(jiǎn)單的特征，一般情況下，檢測(cè)工作的全部時(shí)間加起來只有4小時(shí)左右就可獲取具體結(jié)果的，但是傳統(tǒng)的檢測(cè)方式通常需要5-7天左右；(3)該檢測(cè)技術(shù)不僅敏感性高，并且具有較強(qiáng)的特異性[6]。

2.1.2 采集制備樣品及DNA分離純化

在實(shí)際開展食品衛(wèi)生檢測(cè)工作的過程中，其所包含的檢測(cè)工作內(nèi)容不僅品種類型較多、且樣品的數(shù)量也比較大。在食品分布中，因?yàn)槲⑸镆蚓邆潆S機(jī)性、種類廣的特征，所以運(yùn)用基因芯片技術(shù)對(duì)食品中的微生物進(jìn)行檢測(cè)，首先需要考慮解決的問題即典型樣品的采集工作，大范圍的篩選工作等[7]。近些年以來，關(guān)于采集和分離食品標(biāo)本中除分析物以外的一切組成工作的進(jìn)展研究非常快，不僅進(jìn)一步的完善了傳統(tǒng)檢測(cè)工作中的離心、過濾及免疫捕集技術(shù)，同時(shí)還把非常多分離純化手段納入到了檢測(cè)食品微生物的過程中。擴(kuò)充PCR的過程中，對(duì)DNA的純度提出了更高的要求，但在食品微生物中靶核酸濃度相對(duì)來說比較低，且具有較強(qiáng)的特質(zhì)性，所以在食品分析檢測(cè)的過程中，運(yùn)用基因芯片技術(shù)，對(duì)微生物DNA進(jìn)行分離純化是檢測(cè)工作中的一項(xiàng)重難點(diǎn)工作[8]。有關(guān)研究中，構(gòu)建了順磁珠分離純化DNA技術(shù)，不僅具有較高的敏感性，并且操作簡(jiǎn)便實(shí)用，通過運(yùn)用此方式可一次性完成細(xì)菌濃縮及DNA純化，所以在食品微生物的檢測(cè)中，順磁珠分離純化DNA技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用。操作的具體流程為，在多聚體表層上填充高離液序列性的鹽及去污劑，混合順磁珠及食品樣品，并將潛藏在其中的微生物吸附過來，之后把順磁珠上所攜帶的細(xì)菌微生物進(jìn)行熱解，這個(gè)過程可運(yùn)用裂解液進(jìn)行，最后把存在的雜質(zhì)物全部清洗干凈，所得到的純化的DNA就可在PCR擴(kuò)充上進(jìn)行有效運(yùn)用了。順磁珠分離純化DNA技術(shù)可對(duì)潛藏的細(xì)菌或者真菌等微生物進(jìn)行有效檢測(cè)，當(dāng)前已在水果、蔬菜及魚類等動(dòng)植物食品檢測(cè)中均得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2.1.3 基因芯片技術(shù)在食品微生物檢測(cè)中的應(yīng)用

在食品檢測(cè)中運(yùn)用基因芯片技術(shù)，可通過一次實(shí)驗(yàn)就把潛藏的導(dǎo)致病原的病菌檢測(cè)出來，同時(shí)也可運(yùn)用同一芯片對(duì)某一種導(dǎo)致病原的遺傳學(xué)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過程中不僅靈敏度較高，同時(shí)具有較強(qiáng)的特異性，所以基因芯片檢測(cè)技術(shù)在病原微生物的檢測(cè)中也有非常好的應(yīng)用前景。近些年以來，有非常多學(xué)者通過運(yùn)用基因芯片技術(shù)，分析并檢測(cè)了食品中比較多見的導(dǎo)致人們發(fā)病的病菌。在以往的相關(guān)研究中，通過應(yīng)用基因芯片技術(shù)，檢測(cè)了與致使疾病發(fā)病機(jī)制有關(guān)的特異標(biāo)記[9]。性質(zhì)發(fā)生改變的PCR產(chǎn)物和基因相同的寡核苷酸在芯片上雜交之后，這個(gè)時(shí)候復(fù)合PCR監(jiān)督控制了細(xì)菌菌株致病因子的基因，其所呈現(xiàn)的結(jié)果主要是由放射標(biāo)記基因?qū)Ｒ恍蕴结樢约凹?xì)菌克隆的基因組DNA雜交反應(yīng)之后得以確認(rèn)的，通過運(yùn)用該手段，將導(dǎo)致病菌發(fā)生的致病因子有效的檢測(cè)了出來。此外在其他研究中，為鑒別不同的細(xì)菌，還設(shè)計(jì)了一種鑒別診斷的芯片，一種主要是從高度保守基因序列出發(fā)，也就是說將不同菌種之間的差異序列作為靶的基因，另一種則是運(yùn)用相同的細(xì)菌，但血清型存在差異的標(biāo)志基因作為靶的基因，將其穩(wěn)固與芯片表面，并且其中還包括了保守序列，其主要的作用就是明確細(xì)菌感染標(biāo)志，該方法相較于傳統(tǒng)方式，敏感度更高，且操作起來較為方便，具有較高的重復(fù)性。除此之外，在食品的微生物研究中，基因芯片技術(shù)也是非常重要的工具之一。食品發(fā)酵時(shí)，大部分活菌都不可以進(jìn)行體外培養(yǎng)，無法對(duì)產(chǎn)物中的細(xì)菌種類及數(shù)量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估，但運(yùn)用基因芯片，可對(duì)發(fā)酵產(chǎn)物中的微生物種群進(jìn)行直接的分析。

2.2 在轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)中的應(yīng)用

2.2.1 轉(zhuǎn)基因成分檢測(cè)的基本原理及方法

一般情況下，轉(zhuǎn)基因食品的原料所指的即是包含外源基因，轉(zhuǎn)入到植物體并進(jìn)行表達(dá)的農(nóng)作物。如果外源轉(zhuǎn)基因載體是人工構(gòu)造的，那么設(shè)計(jì)裝入基因表達(dá)需要的啟動(dòng)子以及中止子序列的主要目的，就是為了便于轉(zhuǎn)基因作物的篩查工作，所作出的報(bào)告基因以及抗性基因。但是若沒有辦法對(duì)所轉(zhuǎn)入的目標(biāo)基因進(jìn)行明確時(shí)，經(jīng)過對(duì)以上的基因序列進(jìn)行有效檢測(cè)，就可鑒別是否為轉(zhuǎn)基因作物。具體的操作方法為：(1)對(duì)基因芯片的制備，按照食品具體的來源情況，優(yōu)選具體的檢測(cè)方法，分別設(shè)計(jì)擴(kuò)充引物，通過PCR的有效擴(kuò)充將探針得到，之后對(duì)探針進(jìn)行純化，并在濃縮之后點(diǎn)樣，最后將其在相關(guān)支持物上進(jìn)行穩(wěn)固。(2)提取視頻DNA，轉(zhuǎn)基因食品通過預(yù)處理之后，運(yùn)用基本的CTAB法就可將DNA提取出來，再得到烘干之后，融入于適當(dāng)含量的緩沖液當(dāng)中。接著可運(yùn)用多重PCR法，對(duì)要達(dá)到的片段應(yīng)進(jìn)行擴(kuò)增和標(biāo)記。然后進(jìn)行雜交和洗滌，所標(biāo)記的探針在性質(zhì)發(fā)生改變之后，在芯片微點(diǎn)陣表面將其輕輕地鋪上，然后在合適的條件下開展雜交工作，有所反應(yīng)之后進(jìn)行清洗，并將其晾曬干。(3)檢測(cè)雜交結(jié)果，對(duì)于雜交結(jié)果的獲取，可運(yùn)用基因芯片掃描儀開展檢測(cè)工作。

2.2.2 基因芯片技術(shù)在轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)中的應(yīng)用

在基因工程技術(shù)不斷進(jìn)步的背景之下，有愈來愈多轉(zhuǎn)基因食品出現(xiàn)在了大眾的視野范圍內(nèi)。但可能因擔(dān)心無法把握該食品安全結(jié)果，也或者使考慮讓消費(fèi)者對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的食用有知情權(quán)，國(guó)際上對(duì)于該食品能有效通行的主要方法則是嚴(yán)格闊時(shí)說明標(biāo)簽制度。所以不管從生產(chǎn)廠商來說，還是從監(jiān)督管理部門來說，對(duì)轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行有效的檢測(cè)尤為重要，而這就需要一種行之有效的檢測(cè)手段。當(dāng)前已經(jīng)被使用的PCR擴(kuò)充法，一次只可以檢測(cè)一種轉(zhuǎn)基因成分，不僅時(shí)間長(zhǎng)，并且拉低了檢測(cè)的效率，對(duì)于食品中大量轉(zhuǎn)基因成分的快速檢測(cè)極為不利。但是基因芯片技術(shù)不僅具有高通量的優(yōu)勢(shì)，還可以同時(shí)實(shí)施檢測(cè)，只需要通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，便能將不同類型的轉(zhuǎn)基因成分篩選出來，基因芯片技術(shù)當(dāng)前被認(rèn)為是最有效的檢測(cè)方式之一。

2.2.3 對(duì)食品原料的檢測(cè)

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，基因芯片還能夠針對(duì)各種基因突變的食物原料作物進(jìn)行篩選，例如尋找抗病、抗蟲、高產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)較高的作物等，對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行篩選；對(duì)各種作物的基因組進(jìn)行檢測(cè)；通過對(duì)比實(shí)際差異，對(duì)新基因進(jìn)行尋找表達(dá)：對(duì)基因表達(dá)水平進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)；對(duì)后基因組的研究和食品原料作物疾病進(jìn)行充分的檢疫與檢測(cè)。通過采用基因芯片自身所具備的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，能夠?qū)Ω鱾€(gè)作物的不同基因功能進(jìn)行明確地了解與掌握，各種因素都會(huì)對(duì)作物造成不利影響，主要包括光質(zhì)、肥力、光量、除草劑、干旱以及植物技術(shù)等，然而，在對(duì)不同作物進(jìn)行有效的處理的過程中，朝著期望的發(fā)展方向進(jìn)步，利于培育食品原料作物的新品種，同時(shí)能夠提高培育速度與質(zhì)量，更好的降低大田實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)投入與時(shí)間投入，降低投入成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。在基因組測(cè)序工作的順利開展后，較多植物病害的病原微生物基因組被解碼，并且已經(jīng)公布了其表達(dá)序列標(biāo)簽（EST），通過對(duì)EST序列制成植物檢疫芯片進(jìn)行有效地利用，能夠加快對(duì)植物病害的診斷速度，能夠做好預(yù)防工作，在發(fā)病前通過有效地防治避免問題發(fā)生，指導(dǎo)跨區(qū)引種、調(diào)種、植物檢驗(yàn)；對(duì)轉(zhuǎn)基因食品原料進(jìn)行檢測(cè)，建立轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品的國(guó)際貿(mào)易技術(shù)壁壘。

3 結(jié)語

總而言之，基因芯片技術(shù)因其具有快速方便、敏感性高及高通量等優(yōu)勢(shì)，并且可同時(shí)進(jìn)行大量的樣本檢測(cè)，當(dāng)前已在食品安全檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，只有確保食品檢測(cè)的安全性，才能為大眾的生命健康安全提供保證。

引用

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