生物芯片-水质监测

生物芯片技术用于水质监测时慧敏2014年4月25日生物芯片技术简介20世纪90年代中期以来影响最深远的重大进展之一，其中基因芯片可自动、快速地检测出成千上万个基因的表达情况。原理：在环境污染物的影响下，敏感生物个体细胞的基因表达丰度会发生相当程度的变化，分析基因组DNA中的变化序列以筛选出DNA突变和多态性变化，寻找与正常表达的差异，单独地或混合地确定毒物质对敏感生物基因水平上的影响以及影响的程度，以此来检测环境中的污染物及其生物效应。生物芯片技术简介污染物影响环境生物个体基因表达改变生物芯片分析DNA，寻找表达差异确定有毒物质在基因水平上的影响检测污染物及其生物效应生物芯片技术简介根据芯片上固定的样品探针不同，可分为基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片、芯片实验室等。生物芯片技术简介基因芯片利用集成电路控制寡核苷酸探针，并把它们密集、规律地排列在1cm2大小的硅片或玻璃晶片上，然后将荧光标记的DNA或cDNA样品在芯片上与探针杂交，经激光共聚焦显微镜扫描，以计算机系统对荧光信号作出比较和检测。生物芯片技术简介基因芯片选择固相载体，固定蛋白质（抗原或抗体）按设计方式排列，形成蛋白质芯片加入与之特异性结合、带有特殊标记的蛋白质分子（抗原或抗体）通过对标记物的检测来实现抗原抗体的互检生物芯片技术简介蛋白质芯片利用抗体与抗原结合的特异性即免疫反应来构建。该技术所需蛋白质的量极少，反应相对较快，稳定性较好，灵敏度较高。生物芯片技术简介蛋白质芯片生物芯片技术简介细胞芯片生物芯片技术简介组织芯片生物芯片技术简介芯片实验室是生物芯片技术发展的终极目标。更加复杂，引入纳米技术，在微小的硅材料表面，制造出将样品制备、生化反应、检测分析整个过程集于一身的集约化微型分析系统。可灵敏地检测到稀有基因的变化；加快杂交反应，缩短检测时间，从而降低成本。便于携带，可用于紧急场所，野外操作，甚至放在航天器上。生物芯片技术简介芯片实验室芯片上的水凝胶薄膜粘合剂垫片微流控门和阀门在水坏境中的应用控制水质：生物芯片提供的信息量巨大，能比常规方法检测出更多微生物，并可检测微生物的遗传指纹。这种方法精确可靠，整个过程可在4h内完成，费用比常规方法低10倍。法国一家水管理企业投资850万欧元与芯片公司共同开发生物芯片，以检测公共饮用水中的微生物。在水坏境中的应用瞬时检测病原细菌：罗德岛大学研究人员将生物传感器技术和光纤技术相结合，利用光纤作为探针，来接触待测物，精确检测并量化病原体水平，从而即时检测出其中的病原细菌，整个过程仅需60～90min。该法可以瞬时检测出水中的沙门氏菌和大肠杆菌。在水坏境中的应用进行细菌检测和菌种鉴定：利用细菌已知序列的特殊基因或特异的DNA序列,设计特异探针,负载于生物芯片上,可检测样品中对应细菌。Cho等发展了一种基于随机基因组片段的DNA芯片技术方法,此方法在鉴定细菌和确定细菌之间遗传学距离方面都很有效。Anthony等利用DNA芯片建立一个快速(<4h)的细菌检测及鉴定系统，且不会显著增加复杂性和成本。在水坏境中的应用进行细菌检测和菌种鉴定：Call等用基因芯片确定大肠杆菌O157:H7基因分型敏感性和特异性，实验结果表明：基因芯片的敏感性是凝胶电泳的32倍以上,用玻璃基片的基因芯片检测多重PCR（聚合酶链反应）产物是一种相对简单、快速、敏感的新方法。在水坏境中的应用进行重金属检测：重金属是水体污染重要组分，水生动物体内重金属含量随着外界浓度的增加而增加，可以认为水生动物体内的重金属含量如实地反映了水环境的污染状况和水域近期的污染过程，从而可以考虑把它们作为海域重金属污染的指示生物。在水坏境中的应用进行重金属检测：Walker等用基因芯片测定暴露在银、铜和镉元素的体外培养腮上皮细胞转录差分布，实验证明了体外培养腮细胞具有准确确定和识别水生样本生物毒性的遗传识别功能。HansReynders等用基因芯片检测在水体中添加镉和在饲料中添加镉条件下养殖鲤鱼的肝脏表达差异，检测结果：鲤鱼对镉染毒有较高的动态响应。在低镉染毒条件下与能量相关基因发生表达差异；在高浓度时，与逆境相关基因表达有差异；另外，在最高浓度下驯养7天鲤鱼肝脏被破坏。在水坏境中的应用检测有毒污染物：有毒物质增加都会引起水体动物应激反应，通过对水体动物应激引起的基因差量表达能够对水体污染进行检测。Wiseman等研究了虹鳟从急性应激源恢复过程中肝脏的基因表达谱，结果：肝脏分子重组中应激源调节基因信号与应激有关，进而应证了在分子水平适应性应激反应复杂性质，更说明基因研究在应激处理机制的可行性。在水坏境中的应用检测有毒污染物：AlekseiKrasnov等用基因芯片检测：在肝毒素芘与CCl4染毒条件下生长4天后的虹鳟幼鱼的1273个基因，研究发现芘和CCl4对某些基因表达有负作用。在水坏境中的应用检测养殖水体：养殖水体在夏季很容易发生缺氧，对养殖生物产生应激反应，研究养殖水体中个中不良条件对养殖动物影响后果可以进一步更好的提高产量。Ju等研究了日本青鱂在缺氧条件下组织基因表达，取脑、腮和肝脏组织，采用保守型选择标准分别在这3个组织中选取基因并检测这些基因的表达差量。研究发现：多数新陈代谢、异化作用、RNA和蛋白质代谢等有关基因表现出表达差异。在水坏境中的应用基因芯片对水体病原体检测的应用：致病菌污染饮用水可导致多种疾病的爆发与流行，严重威胁着人类的健康。在水坏境中的应用基因芯片对水体病原体检测的应用：不同检测方法比较：检测方法传统法操作繁琐、且需要数天时间才能得到结果核酸探针杂交技术存在特异性或敏感性的问题常规PCR技术无法检测含未知菌、多种细菌感染的样品基因芯片技术快速、准确、易于操作在水坏