食品安全檢測新技術︱懸浮芯片技術

懸浮芯片同時檢測10種轉基因玉米的實驗流程圖

　　食品安全是人民生活的根本，國家穩定的基礎，社會發展的前提。然而日益加劇的食品安全問題也在很大程度上給人們的生活帶來了嚴重的危害。特別是近年來，世界范圍內食品安全事件頻發，食品安全整體形勢不容樂觀，因此食品安全問題已經成為一個日益引起關注的全球性問題。

　　國家對食品安全問題給予了高度的重視。建立對食品安全污染物的快速篩查檢測技術，并且將新型的、性能優異的材料應用于食品安全檢測領域，保障食品安全，成為了當下的熱點。現有的規模化的檢測手段包括：針對化學污染物的定量分析、光譜分析、色譜分析以及氣質、液質等聯用分析法；針對生物污染物的直接鏡檢、免疫學分析、分子生物學檢測等方法。除此之外，新興的熱門分析手段以及新型功能化材料的應用也在食品安全檢測中扮演著重要的角色。

　　懸浮芯片技術背景

　　生物芯片技術是20世紀80年代末發展起來的一項新技術，可分為基因芯片、蛋白質芯片、組織芯片等。其特點是在固態基材上極小的面積里合成或固定許多核酸或蛋白探針，利用生物分子之間的親和特異反應來檢測目標物質。20世紀80年代以來，多種化學污染物的檢測技術發展較快，隨著分離、測定技術的快速進展，尤其是毛細管色譜柱,多種高靈敏度、選擇性色譜檢測器,質譜檢測器以及色質聯用技術的成熟與普及應用，多元儀器分析技術得到了迅速的發展和廣泛的應用。但實驗確證分析儀器存在著樣品前處理復雜、操作煩瑣、所需樣品用量大、耗時長等缺點，不能很好地滿足目前多元檢測分析的需求。隨著生物芯片技術的發展，高通量懸浮芯片技術逐漸興起。

　　懸浮芯片技術是1997年美國Luminex公司開發研制的多功能液相芯片分析平臺，被譽為后基因組時代的芯片技術，其所有反應都在液相中完成，也稱xMAP （flexible multiple-analyte profiling）、多功能懸浮點陣 （Multi-Analyte Suspension Array，MASA） 或液相芯片 （liquid chip）等。它有機地整合了熒光編碼微球技術、激光分析技術、流式細胞技術、高速數字信號處理技術、計算機運算法則等多項最新科技成果，具有高通量、高速度、低成本、準確性高、重復性好、靈敏度高、線性范圍廣、無需洗滌、操作簡便、在同一平臺上即可完成蛋白質和核酸的檢測等優點，是最早通過美國食品與藥品管理局（FDA）認證的可用于臨床診斷的生物芯片技術，并逐漸成為一種高通量代表性技術。

　　懸浮芯片的技術核心是熒光編碼微球技術與流式細胞技術，“懸浮”是指該技術所采用的聚苯乙烯熒光編碼微球可在檢測體系中呈懸浮游離狀態存在，如同人體血液中的血細胞一樣，可隨液壓的施壓方向在流體管路中流動通行；所謂“芯片”，是指每一種微球上包被的不同比例梯度的2種熒光染料，使其被定義為唯一的編碼地址，眾多的編碼微球被排列成類似于“陣列”的圖譜，因此也就被稱為“芯片”。檢測技術的發展往往離不開先進檢測儀器的更新換代，隨著近30年的發展，懸浮芯片技術完成了從粒徑識別到磁性熒光編碼識別、從xMAP ?到LEXMAP 3D?技術的革新。FLEXMAP 3D?系統憑借著1h內可完成384個樣品處理、144 000個數據點陣和一次可識別500種編碼微球的高性能，成為目前懸浮芯片技術最為先進的高通量分析檢測平臺。

　　懸浮芯片技術基本原理

　　懸浮芯片系統由兩大技術平臺構成：檢測平臺和信號處理平臺，下圖是目前主流的懸浮芯片檢測系統——Luminex 200。檢測平臺包括核心部件——激光檢測器、微孔板平臺、高通量液流系統，實現了實驗操作的自動化。

Luminex 200 懸浮芯片檢測系統

　　懸浮芯片的核心部件——激光檢測器使用脈沖氙燈作為激發光源，功率高、光譜范圍寬。激發光經濾光鏡分離出兩束光束，紅光波長635nm，用來激發對微球進行編碼的分類熒光染料；綠光波長532nm，用于激發待測樣品中的熒光報告分子。所得信號經過光電倍增管后經電腦處理，所得數據可以直接用來判斷結果，且系統只記錄與紅色熒光同時出現的綠色熒光信號，不記錄未結合的熒光報告分子信號，檢測特異性強。

　　懸浮芯片的核心技術是直徑約5.6μm的聚苯乙烯熒光微球和6.5μm的磁性聚苯乙烯熒光微球，這種大小可使微球充分懸浮，對于測定方法的建立和分析都很方便，并且提供了液相反應的動力學效果。微球由紅色和橙色兩種熒光染料（各10個分區）按不同比例組合的100種熒光編碼，表面帶有大量的活性基團，使每種編碼的微球可共價結合能捕獲目標分子的生物探針（核酸、抗原、抗體和酶等），任選幾種或多至100種標記不同探針的微球混合后與樣品中不同的待測目標分子特異結合，再與報告分子特異結合，這就形成了一個懸浮芯片系統。隨后微球排成單列通過紅綠兩束激光對單個微球進行照射，其中紅色激光識別微球分類編碼進行定性檢測，綠色激光識別熒光報告分子的數量，進行定量檢測，獲得目標分子的濃度。

懸浮芯片技術原理示意圖

　　懸浮芯片技術基本特點

　　(1) 高通量：懸浮陣列技術(SAT)可以在同一樣品中同時檢測多達100個不同指標，可同時進行定性定量檢測，具有高通量的檢測優勢。

　　(2) 樣品需量少：僅需μL級別的樣品即可進行檢測，提高了樣品的利用率。

　　(3) 靈活性好：微球表面可以包被各種特異性探針，如抗原、抗體、寡核苷酸、酶底物或者受體，應用于免疫測定、酶學檢驗分子生物學研究等多個方面。

　　(4) 靈敏度高：SAT采用熒光區分熒光編碼微球，每個微球都可高密度的共價結合探針分子，產生的信號強，檢測靈敏度高，線性范圍大。

　　(5) 特異性強：紅綠兩束激光分別分析微球上的熒光和待測分子上報告分子的熒光，并且激光只分析一定半徑微球上的信號，檢測特異性強，背景信號低。

　　(6) 準確性高：SAT對每種檢測指標最少進行100個微球的計數，這相當于每例樣品重復了至少100次檢測，檢測結果的準確性和重復性都很高。

　　(7) 檢測速度快：系統只記錄與紅色熒光同時出現的綠色熒光信號，不記錄未結合的熒光報告分子信號，所以不需要洗滌即可直接讀數；操作簡便，計算機分析處理系統的信號轉換能力非常強，可以迅速得出統計結果，大約1h內即可完成96個樣品的檢測，給出9600個數據，檢測效率相比固相雜交得到大大提高。

　　(8) 液相反應環境：有利于保持蛋白質等的天然結構，有利于探針和檢測物之間的反應。

　　(9) 檢測差異小：SAT自動校正和校檢工具可有效地保證和控制樣品間差異、板間差、系統間差異。

　　懸浮芯片技術應用懸浮芯片是一種高通量、高靈敏度、高特異性的分析技術，目前正在成為眾多研究人員關注的焦點。懸浮芯片在疾病診斷、藥物篩選等領域已經體現出其獨特的應用價值，隨著食品安全日益受到重視，懸浮芯片在食品安全檢測中的應用也逐漸成為研究熱點。食品微生物控制、農獸藥殘留檢測、食品中營養成分分析等方面都已經出現了懸浮芯片的身影。食品安全是重大的民生問題，關系人民群眾身體健康和生命安全，關系社會和諧穩定。隨著生活水平的不斷提高，人民群眾對食品安全更為關注，食以安為先的要求更為迫切。

　　近年來，我國的食品污染問題頻發，已經嚴重影響了消費者對食品安全的信心，而對于多數污染物，均可以利用懸浮芯片技術進行快速準確的分析，包括農藥、獸藥、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劑的分析以及轉基因食品的檢測也可以利用懸浮芯片技術來檢測，這就對食品安全提供了一定的保障。

　　本文由安靜摘編自高志賢主編《食品安全快速檢測新技術及新材料》之第六章。

978-7-03-044836-1

　　《食品安全快速檢測新技術及新材料》論述了食品安全快速檢測的新技術以及新型材料在食品安全檢測中的應用。其中，食品安全檢測技術包括電化學、電化學發光技術、石英晶體微天平、表面等離子體共振、量熱傳感技術、懸浮芯片、核酸適配體技術等技術原理及其在食品安全檢測中的應用；新材料包括磁性納米材料、量子點及上轉換發光材料與光子晶體材料的合成技術及其在食品安全中的應用研究。