生物芯片技术在食品检验中的应用研究

摘 要：随着食品安全问题日益受到关注，生物芯片技术作为一种高效、高通量的检测方法，在食品检验中展现出广阔的应用前景。本文综述了生物芯片技术的原理及其在食品检验中的应用，并探讨了其面临的挑战与未来发展前景。

关键词：生物芯片技术；食品检验；农药残留；病原微生物；食品安全

Research on the Application of Biochip Technology in Food Inspection

Yelinuer Hamuzha

（Xinjiang Uygur Autonomous Region Changji Hui Autonomous Prefecture Inspection and Testing Center Product Quality Inspection Institute， Changji 831100， China）

Abstract： With the increasing concern of food safety， biochip technology， as an efficient and high-throughput detection method， shows a broad application prospect in food inspection. This paper summarizes the principles of biochip technology and its application in food inspection， and discusses its challenges and future development prospects.

Keywords： biochip technology; food inspection; pesticide residues; pathogenic microorganisms; food safety

食品安全关系人们的身体健康和生命安全，因此对食品进行准确、高效的检验至关重要。生物芯片技术是一种将生物分子固定在微小芯片表面，通过特异性反应实现生物信息检测的技术[1]。根据芯片上固定的生物分子种类，生物芯片可分为基因芯片、蛋白质芯片和组织芯片等[2-3]。生物芯片技术具有高通量、高灵敏度、高特异性等优点，能够同时检测食品中的农药残留、食品添加剂和病原微生物等多种目标分子，提高检测效率。本文旨在探讨生物芯片技术在食品检验中的应用，为食品安全监管提供技术支持。

1 生物芯片技术在食品检验中的应用

1.1 农药残留检测

在食品中农药残留的快速检测方面，生物芯片技术的应用为食品安全监管提供了强有力的技术支持。生物芯片技术的核心在于其特异性探针的设计与应用。这些探针经过精细的分子设计和合成，能够特异性地结合目标农药分子。当这些探针与食品样本中的农药分子发生特异性结合时，便会触发一系列生物化学反应，进而产生可检测的信号。通过检测这些信号，可以实现对食品中农药残留的高效、准确检测。与传统的化学分析方法相比，生物芯片技术具有显著的优势。生物芯片技术的探针与目标农药分子之间的特异性结合，使得生物芯片能够在极低的浓度下检测到农药残留，这意味着即使食品中的农药残留量极低，生物芯片也能准确识别，从而避免了因检测限过高而导致的漏检现象，大大提高了检测的准确性。此外，生物芯片技术还具有高通量、自动化和集成化等特点[4]。

1.2 食品添加剂检测

食品添加剂作为现代食品加工中不可或缺的一部分，其种类繁多，对食品质量与安全的影响不容忽视。生物芯片技术利用特定的分子探针与食品添加剂分子之间的相互作用，实现对添加剂成分和含量的检测。分子探针经过精心设计，能够特异性地识别并结合目标添加剂分子。当含有添加剂的食品样本与生物芯片接触时，探针与添加剂分子发生特异性结合，引发了一系列生化反应，产生可检测的信号。与传统的化学分析方法相比，生物芯片技术在食品添加剂检测方面展现出显著优势。①生物芯片技术能够实现多种添加剂的同时检测。通过在同一芯片上设计针对不同添加剂的特异性探针，可以同时检测食品样本中的多种添加剂，大大提高了检测效率。②生物芯片技术具有更高的灵敏度和准确性。由于探针与目标添加剂分子之间的特异性结合，使得生物芯片能够在极低的浓度下检测到添加剂的存在，从而确保检测结果的准确性。

1.3 病原微生物检测

病原微生物是食品安全的重要隐患之一。在食品病原微生物检测中，通过设计针对特定病原微生物的特异性探针，生物芯片能够实现对目标病原体的快速、准确识别。特异性探针通常是由与病原微生物特定基因序列互补的寡核苷酸序列构成，它们能够与目标病原体DNA或RNA发生特异性杂交，从而实现对病原微生物的检测。生物芯片技术的检测过程通常包括样品处理、探针杂交、信号检测和数据分析等步骤：对食品样本进行适当的处理，提取出病原微生物的核酸；将核酸与生物芯片上的特异性探针进行杂交，只有与目标病原体核酸序列相匹配的探针才能发生特异性结合，形成稳定的杂交体；通过荧光扫描或电化学检测等方法，对杂交体进行信号检测；利用生物信息学方法对检测信号进行分析，确定样本中是否存在目标病原微生物。与传统的病原微生物检测方法相比，生物芯片技术具有显著的优势。①生物芯片技术具有高通量特点，能够同时检测多种病原微生物，大大提高了检测效率。②生物芯片技术具有高度的特异性和敏感性，能够准确识别目标病原体，降低漏检和误检的风险[5]。

2 生物芯片技术在食品检验中面临的问题

2.1 生物芯片研发生产复杂度高

生物芯片的制备过程对高精度技术和设备的要求较高，这在很大程度上影响了其制备的成本。生物芯片的制备过程通常涉及精准的光刻、化学合成、表面修饰等工艺步骤，这些步骤要求高度精密的设备和技术支持，以确保芯片上的生物分子探针能够以高度特异性和稳定性的状态固定在芯片表面。这种高度工艺化的制备过程不仅需要复杂的仪器设备，如光刻机、化学合成反应器等，还需要高水平的专业技术人员进行操作和监控。由于这些技术和设备的高精度要求，制备生物芯片的成本变得相对昂贵。制备生物芯片所需的高度专业化的设备和材料，以及为维持工艺稳定性而进行的维护和校准，都贡献了较高的制备成本，限制了其在大规模实际应用中的推广。

2.2 生物芯片的实验检测标准未统一

生物芯片技术在食品检验领域的应用面临着标准化方面的挑战，其标准化问题尚未完全解决，导致不同实验室之间的实验结果存在一定程度的差异。缺乏统一的标准化协议，对数据的一致性产生负面影响，进而影响生物芯片技术在不同研究环境下的可重复性和可比性。标准化问题的存在主要源于生物芯片技术的高度复杂性和多样性，不同实验室采用不同的生产流程、试剂、仪器设备以及实验条件，使得实验结果的比较和解释存在一定的困难。缺乏全面且广泛接受的标准化流程，导致在不同实验室中获得的数据难以互相验证和比较，降低了该技术在跨实验室研究中的可信度。

2.3 生物芯片的特异性和灵敏度亟待提高

生物芯片技术在面对食品样本中的复杂成分时，迫切需要提高生物芯片技术的特异性和灵敏度。针对复杂食品样本中存在的多种干扰物质，包括但不限于背景噪音、共存的化合物和异物，提高生物芯片技术的特异性至关重要。通过设计和选择更为特异性的生物分子探针，如引入具有更高亲和力和特异性的抗体、寡核苷酸或蛋白质，可以有效减少非特异性信号的干扰，提高目标分子的准确检测能力。为了适应不同食品矩阵的复杂性，生物芯片技术需要进一步提高其灵敏度，改进信号放大和检测系统，以便检测极低浓度的目标分子。此外，考虑到食品样本的多样性，需要定制不同类型的生物芯片，以满足不同食品成分和特性的检测要求。

3 生物芯片技术在食品检验中的应用建议

3.1 加强技术研发，改进生产工艺，提高产业化

（1）通过技术改进，可以优化生物芯片制备的工艺流程，提高生产效率，从而减少生产所需的时间和资源。例如，通过简化制备步骤、优化反应条件以及采用自动化和高通量技术，可以降低生物芯片的制备成本。此外，引入新颖的制备方法和材料，如纳米技术或生物合成方法，有望进一步提高效率并减少成本。

（2）通过更新和改进生物芯片制备所需的仪器设备，可以提高生产线的自动化程度、减少人工干预，并降低能耗。采用更先进、高效的仪器设备，如先进的光刻机、化学反应器等，可以提高生产效率，降低能源消耗，进而降低生产成本。

（3）规模化生产是实现成本降低的有效途径之一。通过大规模制造生物芯片，可以实现生产批量效应，从而减少材料采购成本、提高设备利用率，并降低单个芯片的制备成本。规模化生产还有助于推动生产工艺的标准化，提高生产线的稳定性和可靠性，减少生产过程中的变异性，进一步降低成本。

3.2 规范食品检验的流程，统一检验标准

标准化的实施应覆盖芯片制备流程、实验条件以及数据分析方法等多个方面，以确保各实验室在使用生物芯片技术时能够遵循相同的标准，从而提高实验结果的可比性和可重复性。

（1）对于芯片制备流程的标准化，需要确立一套明确的步骤和操作规程，涵盖生物分子探针的选择、固定化方法、反应条件等关键环节。这包括对于探针的质量标准、固定化效率的评估，以及芯片存储条件等方面的详细规定，以确保在不同实验室中制备的芯片具有相似的特性和性能。

（2）实验条件的标准化涉及反应环境、温度、湿度等关键参数的控制，以确保在不同实验室中进行的实验能够在相似的条件下进行。这有助于减小实验环境差异而引起的数据差异，提高实验结果的可比性。

（3）对于数据分析方法的标准化，需要明确定义数据的采集、处理、解读和报告等方面的流程，包括标准的数据格式、数据处理算法的规范以及实验结果的报告标准，以确保各实验室得到的数据是一致和可解释的。

3.3 加强食品复杂性分析，提高生物芯片特异性和灵敏度

针对不同食品矩阵的多样性，有必要对样本中的潜在干扰因素、杂质和复杂背景进行全面而深入的分析，以更好地定制生物芯片。在提高特异性方面，通过引入具有高度特异性的生物分子如抗体、寡核苷酸或蛋白质作为生物芯片上的探针，可显著减少非特异性信号的影响。深入了解目标分子与生物芯片探针之间的相互作用机制，有助于通过分子工程手段提高探针的选择性，以更有效地实现目标分子的识别和检测。与此同时，为适应不同食品样本的复杂性，必须致力于提高生物芯片技术的灵敏度。通过改进信号放大技术、优化检测系统，以及采用先进的光学、电化学等传感器技术，可以提高对极低浓度目标分子的检测能力。这需要对传感器技术的不断创新和性能提升，以实现对微量目标的高效可靠检测。

推动生物芯片技术的研究和发展至关重要，可以不断推进其在食品检验领域的应用。通过深入分析食品样本、生物芯片设计和技术改进，有望获得更全面、高效和可靠的食品检验方法。这将为确保食品安全和质量提供更为可行的解决方案，为食品检测领域的科学进步奠定坚实基础。

4 结论

生物芯片技术作为一种新兴的检测方法，在食品检验中具有广阔的应用前景。通过设计特异性探针，生物芯片能够实现对食品中农药残留、食品添加剂和病原微生物等多种目标分子的快速、准确检测。然而，该技术仍面临标准化、成本及法规等方面的挑战。未来，随着技术的不断创新与优化以及政策法规的支持，生物芯片技术在食品检验中的应用将更加广泛，在保障食品安全方面发挥重要作用。

参考文献

[1]苗小草，陈万义，张娟，等.生物芯片在食品检测中的应用进展[J].河南工业大学学报（自然科学版），2017，38（1）：114-121.

[2]裘一婧，贾彦博，张佳凤，等.微流控芯片快速检测技术在铁皮石斛农药残留检测中的应用研究[J].中国现代应用药学，2023，40（15）：2131-2139.

[3]魏静，朱治，王亚生，等.生物传感技术在食品中重金属检测中的应用进展[J].食品安全质量检测学报，2022，13（19）：6337-6345.

[4]辛亮，张兰威.核酸-微流控芯片检测食品病原微生物的研究进展[J].食品科学，2020，41（23）：266-272.

[5]杨帆，王苏仪，刘晓飞，等.生物传导芯片在食品安全检测中的应用进展[J].食品工业，2019，40（7）：270-274.