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食品安全检测新技术︱悬浮芯片技术

2015.12.14

悬浮芯片同时检测10种转基因玉米的实验流程图

　　食品安全是人民生活的根本，国家稳定的基础，社会发展的前提。然而日益加剧的食品安全问题也在很大程度上给人们的生活带来了严重的危害。特别是近年来，世界范围内食品安全事件频发，食品安全整体形势不容乐观，因此食品安全问题已经成为一个日益引起关注的全球性问题。

　　国家对食品安全问题给予了高度的重视。建立对食品安全污染物的快速筛查检测技术，并且将新型的、性能优异的材料应用于食品安全检测领域，保障食品安全，成为了当下的热点。现有的规模化的检测手段包括：针对化学污染物的定量分析、光谱分析、色谱分析以及气质、液质等联用分析法；针对生物污染物的直接镜检、免疫学分析、分子生物学检测等方法。除此之外，新兴的热门分析手段以及新型功能化材料的应用也在食品安全检测中扮演着重要的角色。

　　悬浮芯片技术背景

　　生物芯片技术是20世纪80年代末发展起来的一项新技术，可分为基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片等。其特点是在固态基材上极小的面积里合成或固定许多核酸或蛋白探针，利用生物分子之间的亲和特异反应来检测目标物质。20世纪80年代以来，多种化学污染物的检测技术发展较快，随着分离、测定技术的快速进展，尤其是毛细管色谱柱,多种高灵敏度、选择性色谱检测器,质谱检测器以及色质联用技术的成熟与普及应用，多元仪器分析技术得到了迅速的发展和广泛的应用。但实验确证分析仪器存在着样品前处理复杂、操作烦琐、所需样品用量大、耗时长等缺点，不能很好地满足目前多元检测分析的需求。随着生物芯片技术的发展，高通量悬浮芯片技术逐渐兴起。

　　悬浮芯片技术是1997年美国Luminex公司开发研制的多功能液相芯片分析平台，被誉为后基因组时代的芯片技术，其所有反应都在液相中完成，也称xMAP （flexible multiple-analyte profiling）、多功能悬浮点阵（Multi-Analyte Suspension Array，MASA）或液相芯片（liquid chip）等。它有机地整合了荧光编码微球技术、激光分析技术、流式细胞技术、高速数字信号处理技术、计算机运算法则等多项最新科技成果，具有高通量、高速度、低成本、准确性高、重复性好、灵敏度高、线性范围广、无需洗涤、操作简便、在同一平台上即可完成蛋白质和核酸的检测等优点，是最早通过美国食品与药品管理局（FDA）认证的可用于临床诊断的生物芯片技术，并逐渐成为一种高通量代表性技术。

　　悬浮芯片的技术核心是荧光编码微球技术与流式细胞技术，“悬浮”是指该技术所采用的聚苯乙烯荧光编码微球可在检测体系中呈悬浮游离状态存在，如同人体血液中的血细胞一样，可随液压的施压方向在流体管路中流动通行；所谓“芯片”，是指每一种微球上包被的不同比例梯度的2种荧光染料，使其被定义为唯一的编码地址，众多的编码微球被排列成类似于“阵列”的图谱，因此也就被称为“芯片”。检测技术的发展往往离不开先进检测仪器的更新换代，随着近30年的发展，悬浮芯片技术完成了从粒径识别到磁性荧光编码识别、从xMAP ®到LEXMAP 3D®技术的革新。FLEXMAP 3D®系统凭借着1h内可完成384个样品处理、144 000个数据点阵和一次可识别500种编码微球的高性能，成为目前悬浮芯片技术最为先进的高通量分析检测平台。

　　悬浮芯片技术基本原理

　　悬浮芯片系统由两大技术平台构成：检测平台和信号处理平台，下图是目前主流的悬浮芯片检测系统——Luminex 200。检测平台包括核心部件——激光检测器、微孔板平台、高通量液流系统，实现了实验操作的自动化。

Luminex 200 悬浮芯片检测系统

　　悬浮芯片的核心部件——激光检测器使用脉冲氙灯作为激发光源，功率高、光谱范围宽。激发光经滤光镜分离出两束光束，红光波长635nm，用来激发对微球进行编码的分类荧光染料；绿光波长532nm，用于激发待测样品中的荧光报告分子。所得信号经过光电倍增管后经电脑处理，所得数据可以直接用来判断结果，且系统只记录与红色荧光同时出现的绿色荧光信号，不记录未结合的荧光报告分子信号，检测特异性强。

　　悬浮芯片的核心技术是直径约5.6μm的聚苯乙烯荧光微球和6.5μm的磁性聚苯乙烯荧光微球，这种大小可使微球充分悬浮，对于测定方法的建立和分析都很方便，并且提供了液相反应的动力学效果。微球由红色和橙色两种荧光染料（各10个分区）按不同比例组合的100种荧光编码，表面带有大量的活性基团，使每种编码的微球可共价结合能捕获目标分子的生物探针（核酸、抗原、抗体和酶等），任选几种或多至100种标记不同探针的微球混合后与样品中不同的待测目标分子特异结合，再与报告分子特异结合，这就形成了一个悬浮芯片系统。随后微球排成单列通过红绿两束激光对单个微球进行照射，其中红色激光识别微球分类编码进行定性检测，绿色激光识别荧光报告分子的数量，进行定量检测，获得目标分子的浓度。

悬浮芯片技术原理示意图

　　悬浮芯片技术基本特点

　　(1) 高通量：悬浮阵列技术(SAT)可以在同一样品中同时检测多达100个不同指标，可同时进行定性定量检测，具有高通量的检测优势。

　　(2) 样品需量少：仅需μL级别的样品即可进行检测，提高了样品的利用率。

　　(3) 灵活性好：微球表面可以包被各种特异性探针，如抗原、抗体、寡核苷酸、酶底物或者受体，应用于免疫测定、酶学检验分子生物学研究等多个方面。

　　(4) 灵敏度高：SAT采用荧光区分荧光编码微球，每个微球都可高密度的共价结合探针分子，产生的信号强，检测灵敏度高，线性范围大。

　　(5) 特异性强：红绿两束激光分别分析微球上的荧光和待测分子上报告分子的荧光，并且激光只分析一定半径微球上的信号，检测特异性强，背景信号低。

　　(6) 准确性高：SAT对每种检测指标最少进行100个微球的计数，这相当于每例样品重复了至少100次检测，检测结果的准确性和重复性都很高。

　　(7) 检测速度快：系统只记录与红色荧光同时出现的绿色荧光信号，不记录未结合的荧光报告分子信号，所以不需要洗涤即可直接读数；操作简便，计算机分析处理系统的信号转换能力非常强，可以迅速得出统计结果，大约1h内即可完成96个样品的检测，给出9600个数据，检测效率相比固相杂交得到大大提高。

　　(8) 液相反应环境：有利于保持蛋白质等的天然结构，有利于探针和检测物之间的反应。

　　(9) 检测差异小：SAT自动校正和校检工具可有效地保证和控制样品间差异、板间差、系统间差异。

　　悬浮芯片技术应用悬浮芯片是一种高通量、高灵敏度、高特异性的分析技术，目前正在成为众多研究人员关注的焦点。悬浮芯片在疾病诊断、药物筛选等领域已经体现出其独特的应用价值，随着食品安全日益受到重视，悬浮芯片在食品安全检测中的应用也逐渐成为研究热点。食品微生物控制、农兽药残留检测、食品中营养成分分析等方面都已经出现了悬浮芯片的身影。食品安全是重大的民生问题，关系人民群众身体健康和生命安全，关系社会和谐稳定。随着生活水平的不断提高，人民群众对食品安全更为关注，食以安为先的要求更为迫切。

　　近年来，我国的食品污染问题频发，已经严重影响了消费者对食品安全的信心，而对于多数污染物，均可以利用悬浮芯片技术进行快速准确的分析，包括农药、兽药、抗生素、化肥、激素、致病微生物、生物毒素等，另外食品的非法添加剂的分析以及转基因食品的检测也可以利用悬浮芯片技术来检测，这就对食品安全提供了一定的保障。

　　本文由安静摘编自高志贤主编《食品安全快速检测新技术及新材料》之第六章。

978-7-03-044836-1

　　《食品安全快速检测新技术及新材料》论述了食品安全快速检测的新技术以及新型材料在食品安全检测中的应用。其中，食品安全检测技术包括电化学、电化学发光技术、石英晶体微天平、表面等离子体共振、量热传感技术、悬浮芯片、核酸适配体技术等技术原理及其在食品安全检测中的应用；新材料包括磁性纳米材料、量子点及上转换发光材料与光子晶体材料的合成技术及其在食品安全中的应用研究。

食品安全检测新技术悬浮芯片

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