生物毒素快速和定量检测的微纳细胞传感器及检测方法的研究

At present, the detection of biological toxins in food, is mainly based on mouse bioassay, ELISA method, and liquid mass spectrometry instrument analysis, such as food paralytic and diarrhetic shellfish biotoxins. However, the current detection methods for neurological and other biotoxin detection is with low sensitivity, only qualitative or semi-quantitative and can not determine the component of the toxin compounds. The current instrumental analysis methods in laboratory have seriously affected the quantitative operational monitoring of shellfish toxins because of its time-consuming, complexly operating, difficultly being automated. Therefore, the high-tech about shellfish toxins rapid and quantitative detection and so on is required urgently for the protection of public food health..This project proposes that using micro-nano cell sensor method which is fast, accurate, and convenient, can replace animal experiments in mice. Cell sensor using cell-specific expression of the receptor, which can specifically detect toxins, can analyze shellfish toxin rapidly and sensitively and quantitatively, establish cell sensor database of shellfish toxin analysis, and obtain biotoxins information by the effect of toxin on cell state, growth and metabolism as well as signal transduction, in order to determine its activity and toxicity. The novelty of this method is that it’s an alternative to animal experiments, which can provide multi-dimensional and real-time fast biological information from cells effected by biotoxins and achieve fast screening and rapid analysis of biotoxins in food at the cellular and molecular level.

目前，食品生物毒素检测中，主要采用小鼠生物法以及ELISA方法、液相质谱等仪器分析方法，如食品的麻痹性和腹泻性贝生物毒素。但目前的检测手段对神经性等生物毒素检测灵敏度低，仅能定性或半定量，不能确定毒素化合物的组分。此外，目前的方法分析时间长、操作复杂等，已严重影响了我国生物毒素的定量业务监测。目前急需发展新的生毒素快速和定量检测新方法，为保证公众食品健康提供技术支撑。.本项目提出采用微纳细胞传感器方法具有快速、准确、便利等特点，可代替小白鼠动物实验，采用特异表达的受体细胞构建能够特异性检测毒素的细胞传感器，灵敏快速和定量分析贝类毒素，建立细胞传感器贝类毒素分析数据库，通过毒素对细胞状态以及生长和代谢及信号转导等的影响，获取生物毒素信息，确定其活性和毒性。该方法创新性是可替代动物实验获得生物毒素对细胞的多维和实时快速的生物信息，在细胞和分子水平上实现食品毒素快速筛选和定量分析。

随着海洋环境的不断恶化，有害赤潮的发生频率和面积都在不断增加。赤潮生物可以产生大量的有害毒素，从而对海洋生物以及人类健康产生巨大的危害。目前，食品生物毒素检测主要采用小鼠生物法、ELISA方法以及液相质谱等仪器分析方法，如食品中的麻痹性和腹泻性贝类生物毒素。但目前的检测手段对这些生物毒素检测灵敏度低，仅能定性或半定量。此外，目前的方法分析时间长、操作复杂等，已严重影响了我国生物毒素的定量检测业务，因此急需发展新的生物毒素快速和定量检测新方法。本项目中我们将细胞与微电子芯片技术相结合，开发了用于生物毒素检测的微纳细胞集成传感器芯片及检测方法，通过毒素对细胞形态以及生长和代谢及信号转导等的影响，实现了生物毒素快速和定量检测。设计了细胞阻抗传感器、细胞电位传感器、心肌细胞生长与搏动复合传感器、心肌细胞活性与电位复合传感器以及光学传感系统Bionic-Eye。麻痹性贝毒的检出限为0.0092ppb，检测范围为0.02-0.32ppb，检测时间为5分钟；神经性贝毒的检出限为1.55ppb，检测时间为5分钟；腹泻性贝毒的检出限为3.1451ppb。本项目共发表高水平论文18篇：其中，8篇(IF>5)；3篇(IF>3)；授权或受理发明专利13项。项目“细胞传感技术及其应用基础研究”获2017教育部自然科学二等奖、项目“仿生智能传感器的关键技术及其应用”获2018年教育部技术发明二等奖。本项目中，我们采用微纳细胞传感器方法，建立了一个有效的在细胞和分子水平上的生物毒素分析检测平台，可替代小鼠生物法实现食品毒素快速筛选和定量分析，在食品安全检测及生物医学检测等领域具有极大的应用前景。