陳超 李志鵬 柯明劍 劉志明

摘要：以“探究式”為中心的通識(shí)教育可以有效地幫助學(xué)生自主學(xué)習(xí)，拓展知識(shí)面，增加實(shí)踐技能。因此，本文以社會(huì)普遍關(guān)心的食品安全問(wèn)題為切入點(diǎn)，構(gòu)建了基于食品安全快速檢測(cè)的“探究式”通識(shí)教育微型平臺(tái)。該平臺(tái)包括利用基因芯片生物技術(shù)的“食源”性致病微生物快速鑒定和利用抗原抗體免疫反應(yīng)原理的食品毒性物質(zhì)快速檢測(cè)兩個(gè)模塊。另外，平臺(tái)實(shí)踐系統(tǒng)的“開(kāi)放性”設(shè)計(jì)可適應(yīng)學(xué)生自主創(chuàng)新的深入學(xué)習(xí)、拓展通識(shí)教育廣度，“微型”設(shè)計(jì)可降低設(shè)備的成本并滿足偏遠(yuǎn)不發(fā)達(dá)地區(qū)的“探究式”通識(shí)教育需求。

關(guān)鍵詞：探究式；通識(shí)教育；食品安全；微型平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）27-0127-03

一、引言

隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通識(shí)教育領(lǐng)域越來(lái)越關(guān)注如何有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生認(rèn)識(shí)問(wèn)題的深度，并養(yǎng)成自主不斷地拓展認(rèn)識(shí)領(lǐng)域的習(xí)慣。解決實(shí)際問(wèn)題的學(xué)習(xí)方法配合傳統(tǒng)和現(xiàn)代的科學(xué)實(shí)踐手段對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性，改善教學(xué)質(zhì)量有明顯作用，是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的有效解決方案。例如，食品安全問(wèn)題事關(guān)國(guó)計(jì)民生、社會(huì)和諧，但近年來(lái)因環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)不適當(dāng)操作、加工儲(chǔ)藏不規(guī)范、微生物侵入食品供應(yīng)鏈等引發(fā)的食品安全重大問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。

二、構(gòu)建“探究式”通識(shí)教育的興趣元素

從教育心理學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，興趣是一個(gè)人傾向于認(rèn)識(shí)、研究獲得某種知識(shí)的心理特征，是可以推動(dòng)人們求知的一種內(nèi)在力量。在當(dāng)今“應(yīng)試”教育體系下，如果所支出的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本不太高的情況下，當(dāng)學(xué)生認(rèn)識(shí)到某一處知識(shí)體系的實(shí)踐能夠?qū)ι磉叺娜巳寒a(chǎn)生影響，而且周?chē)巳旱姆答佂瑫r(shí)存在迫使其進(jìn)一步提高實(shí)踐水平、拓展知識(shí)體系的客觀要求時(shí)，這種興趣才有可能成為“探究式”學(xué)習(xí)的根本原因，才有可能獲得學(xué)生、家長(zhǎng)及社會(huì)的普遍認(rèn)同，進(jìn)而促進(jìn)“探究式”學(xué)習(xí)不斷發(fā)展。因此，“探究式”通識(shí)教育的興趣元素必須構(gòu)建在與實(shí)際問(wèn)題緊密相關(guān)，通過(guò)一定的先進(jìn)技術(shù)手段能夠?qū)崿F(xiàn)，且耗時(shí)較少的探究實(shí)踐基礎(chǔ)之上。本文構(gòu)建的快速食品安全檢測(cè)微型平臺(tái)就是針對(duì)上述基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的檢測(cè)主題。

（一）食源性病源微生物檢測(cè)

據(jù)衛(wèi)生部2011年度全國(guó)食物中毒報(bào)告統(tǒng)計(jì)，全國(guó)食物中毒類(lèi)突發(fā)公共衛(wèi)生事件報(bào)告189起，中毒8324人，死亡137人，涉及100人以上的食物中毒事件9起，重大食物中毒事件2起。其中，微生物性食物中毒事件的報(bào)告起數(shù)和中毒人數(shù)最多，分別占總數(shù)的41.27%和61.67%，主要是由于食品儲(chǔ)存、加工環(huán)節(jié)操作不當(dāng)導(dǎo)致食品變質(zhì)或受污染。由病源性微生物引起的食源性疾病中，細(xì)菌及其產(chǎn)生的毒素是最常見(jiàn)的原因，其次是病毒、真菌。常見(jiàn)的致病細(xì)菌有沙門(mén)菌屬、致病性大腸桿菌、志賀菌屬、空腸彎曲菌、副溶血性弧菌、單核細(xì)胞增多癥李斯特菌、金黃色葡萄球菌、肉毒梭狀芽孢桿菌、霍亂菌、小腸結(jié)腸炎耶爾森菌等。本文設(shè)計(jì)的食品安全快速檢測(cè)微型平臺(tái)利用基因芯片技術(shù)，能夠同時(shí)檢測(cè)上述10種細(xì)菌是否存在于食品當(dāng)中，可從“探究式”學(xué)習(xí)的角度解決監(jiān)控細(xì)菌性污染食品這一實(shí)際問(wèn)題，從而較充分的激發(fā)學(xué)生的原始學(xué)習(xí)興趣。

（二）“地溝油”毒性物質(zhì)檢測(cè)

“地溝油”對(duì)于人體最大的危害主要是其含有黃曲霉毒素，黃曲霉毒素是一類(lèi)真菌毒素，至今已發(fā)現(xiàn)B1、B2、G1、G2、M1、M2、P1、Q1、H1、GM、B2a、G2a及毒醇等20余種結(jié)構(gòu)類(lèi)似物，其中黃曲霉毒素B1的致癌性、毒性最強(qiáng)。黃曲霉毒素不但存在于“地溝油”中，即使一些直接以豆類(lèi)、花生為原材料生產(chǎn)的植物性油脂中，如果糧食原材料儲(chǔ)藏、運(yùn)輸不當(dāng)，生產(chǎn)的植物油脂同樣有可能會(huì)被黃曲霉毒素B1污染，因此鑒定油脂中是否含有黃曲霉毒素B1對(duì)于監(jiān)控有害“地溝油”是否進(jìn)入人類(lèi)食品供應(yīng)鏈，或者購(gòu)買(mǎi)的調(diào)和油、花生油等常見(jiàn)植物油脂是否具有潛在的致癌危害具有重要意義。本文設(shè)計(jì)的食品安全快速檢測(cè)微型平臺(tái)利用“膠體金標(biāo)記免疫層析技術(shù)”能夠快速檢測(cè)油脂中黃曲霉毒素B1，可充分激發(fā)學(xué)生探究其所能獲得的油脂中的毒性物質(zhì)，從而激發(fā)主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣。

三、構(gòu)建“探究式”通識(shí)教育的專業(yè)深度

（一）生物芯片技術(shù)

該技術(shù)利用分子間特異性相互作用的原理，在厘米見(jiàn)方的芯片上集成成千上萬(wàn)與生命相關(guān)的信息分子，甚至將生命科學(xué)領(lǐng)域中不連續(xù)的分析過(guò)程微縮在硅芯片或玻璃芯片表面，從而形成微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)小分子、核酸、蛋白、細(xì)胞及其他生物組分準(zhǔn)確、快速、高通量的測(cè)試與分析。由于該技術(shù)可以將極其大量的探針同時(shí)固定于支持物上，從而實(shí)現(xiàn)一次性對(duì)大量生物分子的檢測(cè)分析，解決了傳統(tǒng)核酸、免疫印跡雜交技術(shù)操作復(fù)雜、檢測(cè)目的分子數(shù)量少、自動(dòng)化程度低、低通量等不足，是“高通量”、“快速檢測(cè)”在食品安全領(lǐng)域應(yīng)用的最前沿研究熱點(diǎn)之一。按照芯片上固化的生物材料的不同，可以將生物芯片劃分為基因芯片、多肽芯片、蛋白質(zhì)芯片、細(xì)胞芯片和組織芯片等。生物芯片技術(shù)可用于DNA序列鑒定、基因差異性表達(dá)檢測(cè)、突變點(diǎn)分析以及單核苷酸多態(tài)性（SNP）分析等，廣泛應(yīng)用于遺傳病、傳染病檢測(cè)、癌癥等多種疾病的生物學(xué)研究和臨床診斷中。本文涉及的生物芯片為基因芯片檢測(cè)，學(xué)生在掌握基本操作后，不僅可以理解基因芯片的基本原理，更能直接利用該技術(shù)監(jiān)控周?chē)笆吃础毙灾虏〖?xì)菌的潛在危害，從而積極探索該領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)體系（圖1），甚至獨(dú)立開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用芯片。

（二）膠體金標(biāo)記免疫層析技術(shù)

膠體金標(biāo)記免疫層析技術(shù)（colloidal gold immunochromatographic assay，簡(jiǎn)稱ICG）是近幾年在國(guó)內(nèi)外興起的一種固相標(biāo)記免疫鑒定技術(shù)，主要是在紙層析基礎(chǔ)上，將膠體金作為示蹤標(biāo)記物，利用抗原抗體特異性相互作用，對(duì)目的蛋白（抗原或抗體）進(jìn)行定位從而達(dá)到對(duì)其定性、定量的檢測(cè)目的。氯金酸在還原劑（如白磷，枸櫞酸鈉，鞣酸，抗壞血酸）的作用下，可以聚合成特定大小的金顆粒，在靜電作用下成為穩(wěn)定的膠體體系，成為膠體金。膠體金所帶負(fù)電荷可與蛋白質(zhì)分子（或其他有機(jī)分子）的正電荷基團(tuán)靜電結(jié)合，從而可以與酶、抗生素、激素、糖蛋白等多種物質(zhì)進(jìn)行非共價(jià)結(jié)合。膠體金具有的一些物理特性，如高電子密度、顆粒大小、顏色反應(yīng)等，使膠體金標(biāo)記技術(shù)廣泛地應(yīng)用于免疫學(xué)、組織學(xué)、病理學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域。

膠體金標(biāo)記免疫層析法的原理是：將特異性的有機(jī)小分子抗原藕聯(lián)BSA后以條帶狀固定在膜上，膠體金標(biāo)記試劑（金標(biāo)記抗體）吸附在結(jié)合墊上；當(dāng)待檢樣本加到試紙條一端的加樣孔后，通過(guò)毛細(xì)作用向前移動(dòng)，與溶解在結(jié)合墊上的膠體金標(biāo)記試劑發(fā)生反應(yīng)后，繼續(xù)沿著試紙條向前移動(dòng)，當(dāng)遇到固定有小分子抗原藕聯(lián)BSA的條帶后，膜上固定的有機(jī)小分子將和待檢樣本中的目的小分子競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合膠體金標(biāo)記的抗體，從而在檢測(cè)帶上顯現(xiàn)出顏色，從而實(shí)現(xiàn)特異性的免疫檢測(cè)。該法使用十分方便，但是所涉及的專業(yè)知識(shí)比較多（圖2），其操作流程可歸納為以下幾個(gè)方面：膠體金的制備，膠體金的標(biāo)記，膠體金標(biāo)記后的純化，試紙條的組裝等，但是其核心關(guān)鍵技術(shù)是相應(yīng)抗體的獲得。因此，在專業(yè)拓展上，可適當(dāng)引入多克隆抗體的制備，而這一技術(shù)可涵蓋大部分的分子生物學(xué)核心技術(shù)，有利于學(xué)生從通識(shí)教育領(lǐng)域向?qū)I(yè)領(lǐng)域主動(dòng)深化，培養(yǎng)濃厚的科學(xué)興趣。

四、構(gòu)建“探究式”通識(shí)教育的實(shí)踐手段

（一）生物芯片實(shí)驗(yàn)方法

生物芯片檢測(cè)食源性微生物的主要技術(shù)路線如圖3所示，其主要技術(shù)原理為：利用已有的待檢測(cè)微生物的基因組序列信息，特別是更為完整的16s rRNA基因序列數(shù)據(jù)庫(kù)，分析各種微生物的特異的DNA序列，設(shè)計(jì)特異性探針并預(yù)先固定到生物芯片的相應(yīng)位置上（圖4A）。同時(shí)根據(jù)側(cè)翼的共同序列部分設(shè)計(jì)通用引物，并事先在引物的5′端標(biāo)記生物素（Biotin）。標(biāo)記完成后的PCR產(chǎn)物變性后與芯片上相匹配的探針序列發(fā)生雜交，在雜交后生物素與鏈親和素-堿性磷酸酶復(fù)合物（Stripavitin-AP）反應(yīng)，生成新的復(fù)合物：Biotin-Stripavitin-AP，后者發(fā)生如下的顯色反應(yīng)從而得到識(shí)別（圖4B、C）：

Biotin-Stripavitin-AP+BCI-P→BCI-OH+Pi（pH7.5）

BCI-OH+NBT→藍(lán)紫色沉淀

式中：BCIP代表5溴-4氯-3吲哚磷酸；NBT代表硝基四氮唑藍(lán)。

生物芯片檢測(cè)過(guò)程較為復(fù)雜，本文所述基因芯片檢測(cè)技術(shù)，不需復(fù)雜儀器，其中的PCR實(shí)踐內(nèi)容除可用專業(yè)的PCR儀器完成外，利用簡(jiǎn)單的恒溫箱或水浴鍋，配合微型平臺(tái)內(nèi)提供特殊的酶，也可在恒溫中進(jìn)行等溫PCR擴(kuò)增。芯片雜交顯色步驟也只需一般的恒溫箱就能實(shí)現(xiàn)（在室外，溫度計(jì)配合溫水就可以實(shí)施）。生物芯片這一最具前沿的生物科學(xué)現(xiàn)代技術(shù)，可通過(guò)微型平臺(tái)向各類(lèi)學(xué)生展示它在食品安全方面的應(yīng)用，并深入拓展學(xué)生的通識(shí)領(lǐng)域和通識(shí)深度。

（二）膠體金標(biāo)記免疫層析方法

膠體金標(biāo)記免疫層析試紙條由樣品墊（吸水紙）、吸水玻璃纖維、硝酸纖維素膜、余液吸收墊（吸水紙）、底板（塑膠板）紙四部分組成。作為樣品墊的吸水紙剪切為長(zhǎng)寬均為0.7×0.5 cm的長(zhǎng)方形小片。余液吸收墊（吸水紙）剪切為長(zhǎng)1.5 cm，寬0.5 cm的矩形小條。將樣品墊、吸水玻璃纖維、硝酸纖維素膜和余液吸收墊依次粘貼于5.0 cm×0.5 cm塑膠板表面制成金標(biāo)-AFB1免疫層析試紙，除硝酸纖維素膜和余液吸收墊重疊區(qū)為3 mm外，吸水玻璃纖維和樣品墊及硝酸纖維素膜的重疊區(qū)均為2mm，試紙條組裝后，套上塑料外殼，分別用含有黃曲霉毒素B1、M1以及玉米赤霉烯酮標(biāo)準(zhǔn)溶液，濃度分別為0、10、30（ng/ml），進(jìn)行特異性檢測(cè)，典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。膠體金標(biāo)記免疫層析試紙結(jié)合了義務(wù)教育中的物理、化學(xué)、生物知識(shí)，三者完美的統(tǒng)一成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)快速診斷、食品快速檢測(cè)的“金標(biāo)”試劑的核心基礎(chǔ)，而正是這一技術(shù)基礎(chǔ)廣泛的應(yīng)用，使其成為學(xué)生最直接的可操作的通識(shí)媒介。

五、結(jié)語(yǔ)

“開(kāi)放性”實(shí)驗(yàn)是本文食品安全檢測(cè)微型平臺(tái)的靈魂，在提供食源性微生物基因芯片檢測(cè)的同時(shí)，微型平臺(tái)內(nèi)還提供空白基因芯片試劑，使用者可根據(jù)需要制作任何自己感興趣的低通量生物芯片，例如人體癌癥SNP突變芯片，白血病融合基因檢測(cè)芯片等；在膠體金標(biāo)記免疫層析方法中，提供了空白的試紙條組裝原材料，使用者可制備檢測(cè)瘦肉精，農(nóng)藥殘留的金標(biāo)試紙條。在食品安全快速檢測(cè)的“探究式”通識(shí)教育微型平臺(tái)上，學(xué)生可不拘泥于課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)空的限制，通過(guò)平臺(tái)拓展，既能滿足學(xué)生通識(shí)教育的需要，又能提高學(xué)生的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力、分析與解決問(wèn)題的能力。2012年12月本文所提出的基于食品快速檢測(cè)的“探究式”通識(shí)教育設(shè)計(jì)經(jīng)非生物學(xué)、化學(xué)專業(yè)的大一本科生試用后，問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)實(shí)踐操作檢測(cè)食品安全的反應(yīng)良好。通過(guò)實(shí)踐，既能協(xié)助學(xué)生進(jìn)行“探究式”生物學(xué)通識(shí)學(xué)習(xí)，獲得相關(guān)食品安全知識(shí)，也能深入了解生物工程學(xué)科專業(yè)體系，并對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有了深入了解，而且所花費(fèi)的時(shí)間不多，對(duì)其自身專業(yè)學(xué)習(xí)不構(gòu)成影響。因此，本課題組還將進(jìn)一步推廣基于食品快速檢測(cè)的“探究式”通識(shí)教育到中學(xué)教育中，以便更好地為中學(xué)通識(shí)教育服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]E.J. Van Loo.Food Safety and Organic Meats[J].Annual Review of Food Science and Technology，2012，3：203-225.

[2]I.F.Almeida.Mycobiota and Aflatoxin B1 in Feed for Farmed Sea Bass（Dicentrarchus labrax）[J].Toxins，2011，3（3）：163-171.

[3]G.L. Liu. Advances in Heavy Metal Ions Immunoassay[J].Sheng Wu Gong Cheng Xue Bao，2006，22（6）：877-881.