现代食品检测技术之分子生物学技术（二）

基因芯片又称DNA芯片或DNA微阵列，现代学技包括寡核苷酸芯片和cDNA芯片两大类。食品生物术基因芯片是检测技术生物芯片中最基础，也是现代学技研究开发最早、最为成熟和目前应用最广泛的食品生物术产品。主要应用在基因表达检测、检测技术寻找新基因、现代学技杂交测序、食品生物术基因突变和多态性分析以及基因文库作图等方面。检测技术

基因芯片的现代学技理论基础是杂交测序，即利用核酸杂交的食品生物术原理检测未知分子。在硅片、检测技术玻片等固相载体上按特定排列方式固定大量核酸探针或基因片段，现代学技与标记的食品生物术待检样品进行杂交，通过检测标记物信号得到杂交结果，检测技术利用计算机分析从而获得大量生物信息。

1、样品的处理和标记

(1)样品处理：生物样品往往是非常复杂的生物分子混合体，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。如RNA样品通常需要首先逆转录成cDNA，并进行标记后才可进行检测；从血液或活组织中获取的DNA/mRNA样品在标记成为探针以前，必须扩增以提高阅读灵敏度。除了检测前对样品分子的放大外，通常仍需要有高灵敏度的检测设备来采集、处理和解析生物信息。

(2)标记：根据样品来源、基因含量、检测方法和分析目的的不同，采用的基因分离、扩增及标记方法各异。为了获得基因的杂交信号，必须对目的基因进行标记。标记方法有同位素标记法、生物素标记法、荧光标记法等，不同方法各有利弊。

2、杂交反应

杂交是DNA芯片技术中除DNA阵列构建外最重要的一步，复杂程度和具体条件的控制可根据探针的类型、长度以及研究目的进行选择。如用于基因表达检测，杂交时需要高盐浓度、样品浓度高、低温和长时间(往往要求过夜)，但严谨性要求则比较低，这有利于增加检测的特异性和低拷贝基因检测的灵敏度；若用于突变检测，要鉴别出单碱基错配，故需要在短时间内(几小时)、低盐、高温条件下进行高严谨性杂交。多态性分析或者基因测序时，每个核苷酸或突变位点都必须检测出来，通常设计出一套4种寡聚核苷酸，在靶序列上跨越每个位点，只在中央位点碱基有所不同，根据每套探针在某一特点位点的杂交严谨程度，即可测定出该碱基的种类。

3、信号检测与数据分析

(1)信号检测：基因芯片在与荧光标记的目标DNA或RNA杂交后，必须用信号检测装置将芯片测定结果转变成可供分析处理的图像数据，这便是芯片的扫描测定步骤，由芯片扫描仪来完成。目前大部分生物芯片采用荧光染料标记。专用于荧光扫描的扫描仪有激光共聚焦扫描仪和电荷偶合装置芯片扫描仪。

(2)数据分析：数据分析简单来说就是对芯片高密度杂交点阵进行图像处理，并从中提取杂交点的荧光强度信号进行定量分析，通过有效数据的筛选和相关基因表达谱的聚类，最终整合杂交点的生物学信息，发现基因的表达谱与功能可能存在的联系。芯片数据分析主要包括图像分析、标准化处理、Ratio值分析、基因聚类分析。

四、蛋白质芯片

蛋白质芯片又称蛋白质微阵列，也有人称之为肽芯片，是一种高通量、微型化和自动化的研究蛋白质和蛋白质、蛋白质和DNA或RNA、蛋白质和小分子等相互作用的技术方法。它是继基因芯片之后又一项对人类健康具有重大应用价值的生物芯片。蛋白质芯片技术是指把制备好的已知蛋白质样品(如酶、抗原、抗体、受体、配体、细胞因子等)固定于经化学修饰的玻璃片、硅片等载体上，蛋白质与载体表面结合，同时仍保留蛋白质的物理和化学性质。根据这些分子的特性，通过蛋白质芯片技术可以高效地大规模捕获能与之特异性结合的待测蛋白质，经洗涤、纯化后，再进行确认和生化分析。它为获得重要生命信息(如未知蛋白质的组分、序列、生化特性、污染物的检测等)提供有力的技术支持，也是蛋白质组研究的重要手段。

目前，蛋白质芯片的种类很多，主要有蛋白质微阵列、微孔板蛋白质芯片、三维凝胶块芯片以及分子扫描技术或质谱成像法。这里主要介绍蛋白质微阵列。

1、蛋白质微阵列的原理

蛋白质微阵列是较为常用的一种蛋白质芯片，类似于较早出现的基因芯片，即在固相支持物表面高密度地排列探针蛋白质(最常用的探针蛋白质是抗体)，可特异性地捕获样品中的靶分子，利用CCD(charge-cottpled device)照相技术与激光扫描系统获取阵列图像，最后利用专门的计算机软件包进行图像分析、结果定量和解释。另外还可以利用表面增强激光解析离子化一飞行时间质谱技术(SELDI—TOF-MS)将靶蛋白离子化，然后直接分析靶蛋白质的分子量以及相对含量。具体方法有直接检测模式和间接检测模式，前者是将样品中蛋白质预先用荧光素或同位素标记，结合到芯片上的蛋白质就会发出特定的信号；后者则采用的是标记第二抗体分子，其原理和操作过程类似于ELISA方法。这种以阵列为基础的芯片检测技术操作简便、成本低廉、结果重复性较好，并能很快获得测试结果。用于蛋白质组研究的蛋白质微阵列可对靶蛋白进行定性或定量分析(如图3—23)。就应用前景来说，这种芯片具有更大的潜力。

2、样品检测和结果分析

芯片的检测过程即生物分子的特异结合或识别的过程，芯片上的生物分子间的反应是芯片检测的关键步骤。通过选择合适的反应条件使生物分子间的反应处于最佳状况，可以减少生物分子之间的错配比例。根据探针(标记样品)是否与载体上固定的配基进行特异性反应，可以检出样品中是否含有与配基特异性相互作用的分子，并能鉴定其组分。反应时可直接加样品于固定配基的芯片上；或将样品通过特殊通路进入反应池；也可在芯片反应池(通常直径数十微米至数百微米)周围制成聚丙烯酰胺凝胶，样品经电泳后进入反应池，其优点是同时去除了未结合的分子。

目前，对于吸附到蛋白质芯片表面的靶蛋白的检测方式主要市两种：一种为蛋白质标记法，即样品中的蛋白质预先用荧光物质或同位素等标记，结合到芯片上的蛋白质就会发出特定的信号，用CCD照相技术及激光扫描系统等对信号进行检测，包括酶联显色、放射性核素放射自显影显色、荧光显色等；另一种是以质谱技术为基础的直接检测法，如表面增强激光解析离子化一飞行时间质谱技术(SELDI-TOF-MS)。

五、生物芯片技术在食品安全检测中的应用

1、应用生物芯片技术检测转基因食品

生物芯片是转基因食品检测的新方法。目前对于转基因食品的检测，先是检测用于制造该食品的植物、动物性原料是不是转基因的。这类方法和目前已知的同类PCR法相比，除操作简便、快速、结果准确外，还具有高通量的特性，解决了转基因检测中样品核酸制备中的困难，同时可降低检测成本和所需时间，这是转基因食品检测的发展方向之一。

2、生物芯片在营养与食品化学、生物安全性检测领域的应用

(1)生物芯片技术在营养研究领域的应用：生物芯片技术在营养研究领域将发挥重要作用，近年来，在肥胖研究中，人们发现了与营养及肥胖有关的蛋白和基因，如瘦素、神经肽Y、增食因子、黑色素皮质素、载脂蛋白、非偶联蛋白等。采用生物芯片技术研究营养素与蛋白和基因表达的关系，将为揭示肥胖的发生机理及预防打下基础。此外，还可以利用生物芯片技术研究金属硫蛋白(金属硫蛋白基因)及锌转运体基因等与锌等微量元素的吸收、转运与分布的关系；视黄醇受体(视黄醇受体基因)与维生素A的吸收、转运与代谢的关系等。

(2)生物芯片在食品化学、生物安全性检测方面的应用：目前，食品营养成分的分析，食品中有毒、有害化学物质(农药、化肥、重金属、激素等)的分析、检测，食品中污染的致病微生物的检测，食品中生物毒素(细菌毒素、真菌毒素)的检测等大量的监督检测工作几乎都可以用生物芯片来完成。

参考资料：食品检测技术

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