食品安全領(lǐng)域核酸適配體研究發(fā)展態(tài)勢分析

鄭床木，王 琳，劉振虎

(1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所，北京 100081；2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技管理局，北京 100081)

近年來，核酸適配體作為一種新興生物識別分子，具有可體外合成、穩(wěn)定性好、親和力高、特異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為食品安全快速檢測提供了一種全新思路，逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-3]。本文基于文獻(xiàn)、專利及國家自然科學(xué)項(xiàng)目，對食品安全領(lǐng)域核酸適配體研究進(jìn)展進(jìn)行計(jì)量分析，以了解主要研究機(jī)構(gòu)及團(tuán)隊(duì)，探究其發(fā)展現(xiàn)狀和態(tài)勢，為基于核酸適配體的食品中污染物快速檢測技術(shù)深入研究提供參考。

1 文獻(xiàn)分析

在SCIE數(shù)據(jù)庫中，利用主題詞aptamer* & food檢索，文獻(xiàn)類型包括研究論文、研究綜述、會議論文及社論材料，數(shù)據(jù)采集時間為2018年3月2日。以這些文獻(xiàn)作為數(shù)據(jù)集，對發(fā)文量年度趨勢、主要研究力量以及來源刊物等進(jìn)行分析。

1.1 文獻(xiàn)年度變化趨勢

2002—2018年，SCIE數(shù)據(jù)庫共收錄食品安全領(lǐng)域適配體研究方面文獻(xiàn)570篇(圖1)。2002—2009年，文獻(xiàn)數(shù)量年均僅4.4篇，科研人員嘗試篩選能特異性結(jié)合食源性微生物、生物毒素適配體，開發(fā)相應(yīng)快速檢測方法[4-7]。2010—2014年，年均超過30篇，篩選到了重金屬、農(nóng)藥、獸藥、違禁非法添加物等適配體。2015年起，論文數(shù)量持續(xù)高速增長，每年突破100篇，篩選到了病原微生物、生物毒素、重金屬、農(nóng)藥、獸藥、違禁非法添加物等系列高質(zhì)量適配體，尤其是利用納米材料，建立了比色、熒光、電化學(xué)和表面等離子共振等適配體分析方法。2002—2017年，每年引用次數(shù)與發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量趨勢相同，引用次數(shù)年均增長了124%，文獻(xiàn)數(shù)量年均增長了61%。

圖1 2002—2018年食品安全領(lǐng)域適配體研究文獻(xiàn)數(shù)量及引用次數(shù)

1.2 研究力量分布

2002—2018年食品安全領(lǐng)域適配體研究文獻(xiàn)來源國家/地區(qū)共有52個，發(fā)文數(shù)量排名前10位的國家(中國不包含港澳臺，下同)見表1。從發(fā)文數(shù)量看，中國高居榜首，占論文總數(shù)的49.65%，遠(yuǎn)高于其他國家，是美國(排名第二)的3.14倍。從篇均被引頻次看，加拿大及西班牙領(lǐng)先于其他國家；中國僅領(lǐng)先于伊朗，低于總篇均被引頻次。食品安全領(lǐng)域適配體研究發(fā)文量排名前10位研究機(jī)構(gòu)共發(fā)表文獻(xiàn)193篇(表2)，占總量的33.86%。其中7家來自中國、2家來自法國、1家來自伊朗，且均超過10篇。江南大學(xué)發(fā)文數(shù)量排名第一，占論文總數(shù)的8.42%。分析研究作者發(fā)現(xiàn)，發(fā)文數(shù)量排名前列的很多作者多為同一團(tuán)隊(duì)成員，以通信作者計(jì)算，文獻(xiàn)數(shù)量排名前10位的研究作者共發(fā)表文獻(xiàn)137篇(表3)，占總量的24.04%。從篇均被引頻次看，加利福尼亞州立大學(xué)Jaykus LA單篇被引頻次最高，達(dá)50.57次。

表1 文獻(xiàn)數(shù)量排前10位的國家

表2 文獻(xiàn)數(shù)量排名前10位的研究機(jī)構(gòu)

表3 文獻(xiàn)數(shù)量排名前10位的研究作者

1.3 來源刊物分析

共有175種期刊刊載了食品安全領(lǐng)域適配體研究相關(guān)文獻(xiàn)，其中發(fā)文量排名前10位期刊共刊載論文289篇(表4)，占總數(shù)的50.70%。其中，來自英國有5本期刊，刊載論文145篇，占總數(shù)的25.44%；來自荷蘭有2本期刊，其他分別來自瑞士、奧地利、美國與德國?？梢娤嚓P(guān)文獻(xiàn)主要發(fā)表在英國與荷蘭期刊上。從篇均被引頻次看，美國《Analytical Chemistry》最高，其次為英國《Food Control》以及荷蘭《Biosensors Bioelectronics》，篇均被引頻次接近或超過30，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他8本期刊。從期刊分類看，食品安全領(lǐng)域適配體研究在分析化學(xué)、電化學(xué)、生物技術(shù)、應(yīng)用微生物、納米科學(xué)與技術(shù)、生物物理學(xué)、食品科學(xué)與技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)文量較多，說明食品安全領(lǐng)域適配體研究屬于交叉科學(xué)，研究內(nèi)容涉及化學(xué)、生物技術(shù)、納米材料、食品科學(xué)與技術(shù)等多個學(xué)科。

表4 文獻(xiàn)數(shù)量排名前10位的期刊

1.4 高水平論文

共有19篇高被引論文，以第一通信作者計(jì)算，其中中國6篇，加拿大、法國及韓國各2篇，美國、德國、伊朗、波蘭等7個國家各1篇。文獻(xiàn)數(shù)量前10的期刊中，《Food Control》有6篇入選，《Biosensors Bioelectronics》《Analytical Chemistry》各有1篇入選，《Food Chemistry》雖然發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量未進(jìn)入前10，但有4篇文獻(xiàn)入選高被引論文，僅次于《Food Control》。

1.5 研究熱點(diǎn)分析

利用Vosviewer軟件對全部檢索結(jié)果進(jìn)行詞頻分析，共得到253個關(guān)鍵詞(表5)。去掉適配體(aptamer)、生物傳感(biosensor)、食品(food)、樣品(sample)、免疫傳感(immunosensor)等通用關(guān)鍵詞，前20個關(guān)鍵詞中，納米金顆粒(gold nanoparticles)、篩選(selection)出現(xiàn)頻次最高，說明金納米材料已被廣泛應(yīng)用于適配體檢測技術(shù)研究以及篩選高質(zhì)量適配體為當(dāng)前研究重點(diǎn)。非標(biāo)記(label-free)、赭曲霉毒素(ochratoxin)、生物毒素(mycotoxins)、電化學(xué)(electrochemical)、熒光(fluorescence)、石墨烯(graphene oxide)出現(xiàn)頻次也較高。圖2分析發(fā)現(xiàn)，研究熱點(diǎn)集中在適配體納米金修飾(gold nanoparticles)及適配體篩選(selection)，檢測方法上聚焦可視化檢測(visual detection)、電化學(xué)(electrochemical)及表面等離子體共振(Surface-plasmon resonance)等，風(fēng)險因子上則關(guān)注生物毒素(mycotoxins)。

表5 食品安全領(lǐng)域核酸適配體研究文獻(xiàn)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次

圖2 文獻(xiàn)研究熱點(diǎn)密度視圖

2 專利分析

在國家知識產(chǎn)權(quán)局專利查詢系統(tǒng)中檢索名稱中含適配體的各個國家專利，類型包括發(fā)明、外觀設(shè)計(jì)及實(shí)用新型，數(shù)據(jù)采集時間為2018年3月7日，共有1 356條記錄。其中可分為兩類，一類是適配體技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測的專利，國外基本上可以歸為這一類；一類是應(yīng)用于食品安全快速檢測，以中國專利占絕大多數(shù)。經(jīng)逐一篩選，食品安全領(lǐng)域核酸適配體方面的專利共186件，韓國專利5件，中國專利181件。

2.1 專利申請年度變化趨勢

181件中國專利全部為發(fā)明專利，其中，69件已獲得授權(quán)、112件仍在受理中。最早申請年份為2009年，2013年起急劇增加，2017年56件為最高。圖3可以發(fā)現(xiàn)，專利申請年度變化趨勢與SCI文獻(xiàn)變化趨勢基本趨同。2002—2009年，文獻(xiàn)數(shù)量不超過10篇，反映了這時期適配體技術(shù)應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域剛剛起步，技術(shù)還不成熟。2013年文獻(xiàn)數(shù)量達(dá)到35篇，2014年58篇，2015年更是躍升到109篇，表明成熟技術(shù)不斷積累。

圖3 2009—2017年食品安全領(lǐng)域適配體研究專利申請數(shù)量

2.2 專利申請單位比較

181件專利中，共有57家第一申請單位。申請數(shù)量排名前10位的單位共申請125件(表6)，占總數(shù)的69.06%，共獲得授權(quán)52件，占授權(quán)總量的75.36%。江南大學(xué)、江蘇大學(xué)、中國科學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院等4家單位既在文獻(xiàn)數(shù)量前10位的研究機(jī)構(gòu)中，專利申請數(shù)量也在前10行列。其中，江南大學(xué)申請26件，占申請總量的14.36%；授權(quán)13件，占授權(quán)總量的18.84%。申請及授權(quán)數(shù)量均超出第2名濟(jì)南大學(xué)1倍之多，反映了江南大學(xué)在食品安全領(lǐng)域適配體研究的領(lǐng)跑地位。濟(jì)南大學(xué)雖然發(fā)表SCI文獻(xiàn)相對較少，但專利申請及授權(quán)表現(xiàn)搶眼。而北京美正生物科技有限公司申請數(shù)量排名第5，為57家單位中唯一的企業(yè)，表明食品安全領(lǐng)域適配體研究專利已受到企業(yè)關(guān)注。

表6 專利數(shù)量排名前10位的研究機(jī)構(gòu)

2.3 第一專利申請人分布

申請數(shù)量排名前8的第一專利申請人共申請專利71件(表7)，占申請總量的39.23%；獲得授權(quán)30件，占授權(quán)總量的43.48%。其中江南大學(xué)王周平教授排名第1，申請達(dá)11件，授權(quán)6件。王周平、陳愛亮既為文獻(xiàn)數(shù)量排名前10位的研究作者，專利申請數(shù)量也居前10。除江蘇大學(xué)、濟(jì)南大學(xué)、河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)、新疆農(nóng)墾科學(xué)院外，其他專利申請排名前10位的單位均有申請排名前8的第一專利申請人，說明各個申請單位中，專利相對集中，間接表明了均有相對穩(wěn)定的研究團(tuán)隊(duì)。

2.4 針對不同污染物專利數(shù)量分析

181件申請專利主要應(yīng)用于食品中微生物、生物毒素、重金屬、農(nóng)獸藥、違禁非法添加物檢測等。其中抗生素類獸藥殘留方面專利最多，申請57件，占申請總量的31.49%；授權(quán)28件，占授權(quán)總量的40.58%。生物毒素方面專利緊隨其后，申請45件，占申請總量的24.86%；授權(quán)13件，占授權(quán)總量的18.84%。其次為微生物及重金屬方面專利，農(nóng)藥方面適配體專利則相對較少(圖4)。

圖4 針對不同污染物的專利數(shù)量

表7 專利數(shù)量排名前8位的第一專利申請人

3 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目分析

在國家自然科學(xué)基金資助數(shù)據(jù)庫中檢索名稱中含“適配體”的資助項(xiàng)目，逐一篩選檢索結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，2010—2017年，食品安全領(lǐng)域適配體研究方面共資助了項(xiàng)目56項(xiàng)，總經(jīng)費(fèi)2 118萬元。

3.1 立項(xiàng)年度及經(jīng)費(fèi)情況

從立項(xiàng)年度看，國家自然科學(xué)基金委從2010年開始資助該方面項(xiàng)目，2010年資助3項(xiàng)，2011年1項(xiàng)，從2015年起資助項(xiàng)目數(shù)穩(wěn)定在10項(xiàng)以上，經(jīng)費(fèi)強(qiáng)度每年300萬元以上(圖5)。

圖5 2010—2017年食品安全領(lǐng)域適配體研究基金立項(xiàng)數(shù)量及經(jīng)費(fèi)

3.2 依托單位分布

從依托單位看，共有45家單位獲得資助。其中中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院立項(xiàng)數(shù)量最多，達(dá)4項(xiàng)；江蘇大學(xué)次之，共3項(xiàng)；南昌大學(xué)、清華大學(xué)、山東理工大學(xué)、延邊大學(xué)、浙江大學(xué)等5家單位各2項(xiàng)，江南大學(xué)、濟(jì)南大學(xué)、山東理工大學(xué)等39家單位各1項(xiàng)。可見依托單位來源廣泛，既有綜合性、理工科、食品科學(xué)等一流大學(xué)，也有中國科學(xué)院、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院等知名科研院所，表明適配體研究越來越受到科研人員的高度重視，并投入大量精力開展技術(shù)攻關(guān)。

3.3 所屬學(xué)部分析

從所屬學(xué)部看，56項(xiàng)基金分布在化學(xué)、生命、醫(yī)學(xué)、工程與材料、信息等學(xué)部。其中化學(xué)學(xué)部資助24項(xiàng)，達(dá)到42.86%，集中在電化學(xué)分析、光譜分析、生化分析及生物傳感、樣品前處理方法與技術(shù)、環(huán)境分析化學(xué)等5個方向；生命學(xué)部資助21項(xiàng)，占37.50%，集中在食品檢驗(yàn)學(xué)、食品化學(xué)殘留與控制、食品生物污染與控制等3個方向；醫(yī)學(xué)學(xué)部資助8項(xiàng)，占14.29%，集中在衛(wèi)生分析化學(xué)、中藥質(zhì)量評價等2個方向。其他3項(xiàng)分別為工程與材料學(xué)部1項(xiàng)、信息學(xué)部2項(xiàng)?；鹳Y助項(xiàng)目分布于多學(xué)部，也反映了適配體研究的多學(xué)科交叉特點(diǎn)。

3.4 針對污染物情況

從不同污染物來看，針對生物毒素項(xiàng)目最多，達(dá)24項(xiàng)，占42.86%，集中在赭曲霉毒素、黃曲霉毒素及霉菌等。獸藥方面項(xiàng)目9項(xiàng)，占16.07%，主要是抗生素類獸藥；農(nóng)藥方面項(xiàng)目8項(xiàng)，占14.29%，聚焦有機(jī)磷類；微生物6項(xiàng)，占10.71%，側(cè)重食源性致病微生物；重金屬5項(xiàng)，占8.93%，集中在鉛、砷等；環(huán)境污染物4項(xiàng)，重點(diǎn)是多氯聯(lián)苯等持久性有機(jī)污染物。

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過近30年的發(fā)展，核酸適配體技術(shù)不斷成熟，食品領(lǐng)域適配體研究也取得明顯進(jìn)展。中國在該領(lǐng)域居于國際領(lǐng)先水平，江南大學(xué)在發(fā)文總量、高水平論文、專利數(shù)量上高居榜首，江蘇大學(xué)在發(fā)文總量、專利數(shù)量上緊隨其后，濟(jì)南大學(xué)、山東理工大學(xué)在專利數(shù)量上表現(xiàn)搶眼。目前已經(jīng)形成了江南大學(xué)王周平、江蘇大學(xué)王坤、寧波大學(xué)干寧、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院陳愛亮、山東理工大學(xué)郭業(yè)民、濟(jì)南大學(xué)劉素等有影響力的科研團(tuán)隊(duì)。圍繞食品中不同污染物，已篩選出50余種適配體[3，8]，開發(fā)了系列檢測方法，研制了重金屬鉛、赭曲霉毒素、黃曲霉毒素B1的檢測試劑盒及試紙條[9-11]。但與基于抗原反應(yīng)的免疫分析方法相比，基于適配體的食品中不同污染物快速檢測技術(shù)仍處于探索階段，僅篩選得到了部分污染物高親和力適配體，適配體高效篩選關(guān)鍵技術(shù)、與靶標(biāo)相互作用機(jī)制、傳感識別中構(gòu)象變化規(guī)律等關(guān)鍵科學(xué)問題仍有待闡明。

未來，要真正實(shí)現(xiàn)適配體技術(shù)在食品污染物快速檢測的產(chǎn)業(yè)化，必須攻克高親和力適配體篩選技術(shù)，尤其是針對農(nóng)藥等小分子靶標(biāo)，篩選出更多高質(zhì)量適配體；闡明適配體與靶標(biāo)相互作用機(jī)制及構(gòu)象變化規(guī)律，增強(qiáng)其穩(wěn)定性；利用石墨烯、納米等先進(jìn)材料及分子印跡聚合物等新型前處理技術(shù)，開展適配體修飾，開發(fā)適合基層、現(xiàn)場、穩(wěn)定及快速的商業(yè)化試劑盒/試紙條，最終實(shí)現(xiàn)適配體檢測技術(shù)產(chǎn)業(yè)化?！?/p>