食品安全領域核酸適配體研究發展態勢分析

鄭床木，王 琳，劉振虎

(1 中國農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，北京 100081；2中國農業科學院科技管理局，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、穩定性好、親和力高、特異性強等優點，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[1-3]。本文基于文獻、專利及國家自然科學項目，對食品安全領域核酸適配體研究進展進行計量分析，以了解主要研究機構及團隊，探究其發展現狀和態勢，為基于核酸適配體的食品中污染物快速檢測技術深入研究提供參考。

1 文獻分析

在SCIE數據庫中，利用主題詞aptamer* & food檢索，文獻類型包括研究論文、研究綜述、會議論文及社論材料，數據采集時間為2018年3月2日。以這些文獻作為數據集，對發文量年度趨勢、主要研究力量以及來源刊物等進行分析。

1.1 文獻年度變化趨勢

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

圖1 2002—2018年食品安全領域適配體研究文獻數量及引用次數

1.2 研究力量分布

2002—2018年食品安全領域適配體研究文獻來源國家/地區共有52個，發文數量排名前10位的國家(中國不包含港澳臺，下同)見表1。從發文數量看，中國高居榜首，占論文總數的49.65%，遠高于其他國家，是美國(排名第二)的3.14倍。從篇均被引頻次看，加拿大及西班牙領先于其他國家；中國僅領先于伊朗，低于總篇均被引頻次。食品安全領域適配體研究發文量排名前10位研究機構共發表文獻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。江南大學發文數量排名第一，占論文總數的8.42%。分析研究作者發現，發文數量排名前列的很多作者多為同一團隊成員，以通信作者計算，文獻數量排名前10位的研究作者共發表文獻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Jaykus LA單篇被引頻次最高，達50.57次。

表1 文獻數量排前10位的國家

表2 文獻數量排名前10位的研究機構

表3 文獻數量排名前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域適配體研究相關文獻，其中發文量排名前10位期刊共刊載論文289篇(表4)，占總數的50.70%。其中，來自英國有5本期刊，刊載論文145篇，占總數的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。可見相關文獻主要發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，且遠遠高于其他8本期刊。從期刊分類看，食品安全領域適配體研究在分析化學、電化學、生物技術、應用微生物、納米科學與技術、生物物理學、食品科學與技術等領域發文量較多，說明食品安全領域適配體研究屬于交叉科學，研究內容涉及化學、生物技術、納米材料、食品科學與技術等多個學科。

表4 文獻數量排名前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。文獻數量前10的期刊中，《Food Control》有6篇入選，《Biosensors Bioelectronics》《Analytical Chemistry》各有1篇入選，《Food Chemistry》雖然發表文獻數量未進入前10，但有4篇文獻入選高被引論文，僅次于《Food Control》。

1.5 研究熱點分析

利用Vosviewer軟件對全部檢索結果進行詞頻分析，共得到253個關鍵詞(表5)。去掉適配體(aptamer)、生物傳感(biosensor)、食品(food)、樣品(sample)、免疫傳感(immunosensor)等通用關鍵詞，前20個關鍵詞中，納米金顆粒(gold nanoparticles)、篩選(selection)出現頻次最高，說明金納米材料已被廣泛應用于適配體檢測技術研究以及篩選高質量適配體為當前研究重點。非標記(label-free)、赭曲霉毒素(ochratoxin)、生物毒素(mycotoxins)、電化學(electrochemical)、熒光(fluorescence)、石墨烯(graphene oxide)出現頻次也較高。圖2分析發現，研究熱點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(electrochemical)及表面等離子體共振(Surface-plasmon resonance)等，風險因子上則關注生物毒素(mycotoxins)。

表5 食品安全領域核酸適配體研究文獻關鍵詞出現頻次

圖2 文獻研究熱點密度視圖

2 專利分析

在國家知識產權局專利查詢系統中檢索名稱中含適配體的各個國家專利，類型包括發明、外觀設計及實用新型，數據采集時間為2018年3月7日，共有1 356條記錄。其中可分為兩類，一類是適配體技術應用于醫學檢測的專利，國外基本上可以歸為這一類；一類是應用于食品安全快速檢測，以中國專利占絕大多數。經逐一篩選，食品安全領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明專利，其中，69件已獲得授權、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可以發現，專利申請年度變化趨勢與SCI文獻變化趨勢基本趨同。2002—2009年，文獻數量不超過10篇，反映了這時期適配體技術應用于食品安全領域剛剛起步，技術還不成熟。2013年文獻數量達到35篇，2014年58篇，2015年更是躍升到109篇，表明成熟技術不斷積累。

圖3 2009—2017年食品安全領域適配體研究專利申請數量

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。申請數量排名前10位的單位共申請125件(表6)，占總數的69.06%，共獲得授權52件，占授權總量的75.36%。江南大學、江蘇大學、中國科學院、中國農業科學院等4家單位既在文獻數量前10位的研究機構中，專利申請數量也在前10行列。其中，江南大學申請26件，占申請總量的14.36%；授權13件，占授權總量的18.84%。申請及授權數量均超出第2名濟南大學1倍之多，反映了江南大學在食品安全領域適配體研究的領跑地位。濟南大學雖然發表SCI文獻相對較少，但專利申請及授權表現搶眼。而北京美正生物科技有限公司申請數量排名第5，為57家單位中唯一的企業，表明食品安全領域適配體研究專利已受到企業關注。

表6 專利數量排名前10位的研究機構

2.3 第一專利申請人分布

申請數量排名前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30件，占授權總量的43.48%。其中江南大學王周平教授排名第1，申請達11件，授權6件。王周平、陳愛亮既為文獻數量排名前10位的研究作者，專利申請數量也居前10。除江蘇大學、濟南大學、河南省農業科學院、同濟大學、新疆農墾科學院外，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定的研究團隊。

2.4 針對不同污染物專利數量分析

181件申請專利主要應用于食品中微生物、生物毒素、重金屬、農獸藥、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28件，占授權總量的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13件，占授權總量的18.84%。其次為微生物及重金屬方面專利，農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量

表7 專利數量排名前8位的第一專利申請人

3 國家自然科學基金項目分析

在國家自然科學基金資助數據庫中檢索名稱中含“適配體”的資助項目，逐一篩選檢索結果后發現，2010—2017年，食品安全領域適配體研究方面共資助了項目56項，總經費2 118萬元。

3.1 立項年度及經費情況

從立項年度看，國家自然科學基金委從2010年開始資助該方面項目，2010年資助3項，2011年1項，從2015年起資助項目數穩定在10項以上，經費強度每年300萬元以上(圖5)。

圖5 2010—2017年食品安全領域適配體研究基金立項數量及經費

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學科學院立項數量最多，達4項；江蘇大學次之，共3項；南昌大學、清華大學、山東理工大學、延邊大學、浙江大學等5家單位各2項，江南大學、濟南大學、山東理工大學等39家單位各1項。可見依托單位來源廣泛，既有綜合性、理工科、食品科學等一流大學，也有中國科學院、中國農業科學院、軍事醫學科學院等知名科研院所，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攻關。

3.3 所屬學部分析

從所屬學部看，56項基金分布在化學、生命、醫學、工程與材料、信息等學部。其中化學學部資助24項，達到42.86%，集中在電化學分析、光譜分析、生化分析及生物傳感、樣品前處理方法與技術、環境分析化學等5個方向；生命學部資助21項，占37.50%，集中在食品檢驗學、食品化學殘留與控制、食品生物污染與控制等3個方向；醫學學部資助8項，占14.29%，集中在衛生分析化學、中藥質量評價等2個方向。其他3項分別為工程與材料學部1項、信息學部2項。基金資助項目分布于多學部，也反映了適配體研究的多學科交叉特點。

3.4 針對污染物情況

從不同污染物來看，針對生物毒素項目最多，達24項，占42.86%，集中在赭曲霉毒素、黃曲霉毒素及霉菌等。獸藥方面項目9項，占16.07%，主要是抗生素類獸藥；農藥方面項目8項，占14.29%，聚焦有機磷類；微生物6項，占10.71%，側重食源性致病微生物；重金屬5項，占8.93%，集中在鉛、砷等；環境污染物4項，重點是多氯聯苯等持久性有機污染物。

4 結論與展望

經過近30年的發展，核酸適配體技術不斷成熟，食品領域適配體研究也取得明顯進展。中國在該領域居于國際領先水平，江南大學在發文總量、高水平論文、專利數量上高居榜首，江蘇大學在發文總量、專利數量上緊隨其后，濟南大學、山東理工大學在專利數量上表現搶眼。目前已經形成了江南大學王周平、江蘇大學王坤、寧波大學干寧、中國農業科學院陳愛亮、山東理工大學郭業民、濟南大學劉素等有影響力的科研團隊。圍繞食品中不同污染物，已篩選出50余種適配體[3，8]，開發了系列檢測方法，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，適配體高效篩選關鍵技術、與靶標相互作用機制、傳感識別中構象變化規律等關鍵科學問題仍有待闡明。

未來，要真正實現適配體技術在食品污染物快速檢測的產業化，必須攻克高親和力適配體篩選技術，尤其是針對農藥等小分子靶標，篩選出更多高質量適配體；闡明適配體與靶標相互作用機制及構象變化規律，增強其穩定性；利用石墨烯、納米等先進材料及分子印跡聚合物等新型前處理技術，開展適配體修飾，開發適合基層、現場、穩定及快速的商業化試劑盒/試紙條，最終實現適配體檢測技術產業化。◇