食品中殘留抗生素的微流控分析研究進展

劉平麗，李娓婷，陳帥，余少挺，羅志平，饒治*

（1.贛東學院應用工程系，江西 撫州 344000；2.撫州市農業技術推廣中心，江西 撫州 344000）

自從青霉素被發現以來，抗生素的使用挽救了無數人的生命[1]。大多數抗生素被用于可食用動物，以確保其健康并為人類提供足夠的食物，但抗生素的過度使用正威脅著人類健康和生命安全[2]。食品中的抗生素殘留濃度若超過標準水平，容易導致抗生素殘留以及抗藥性細菌的產生，如肉組織和蛋中的獸藥殘留會導致敏感菌株產生抗生素耐藥性，而一些抗生素會通過食物鏈累積；大環內酯類抗生素作為一種常用獸藥，會通過動物性食物進入人體，危害人類健康；人畜使用的阿莫西林類藥物70%都不能被完全吸收，未被吸收的抗生素隨人畜的排泄物流入生態環境中，這都給食品安全工作帶來了巨大的挑戰[3-8]。為保障食品安全，必須要強化對食品的抗生素殘留檢測，杜絕食品中抗生素殘留造成的不良影響。因此，我們迫切需要有效的檢測技術來監測整個食品生產鏈中的抗生素殘留。

目前，許多分析技術已被用于抗生素殘留的檢測，例如儀器分析方法，生物傳感器和微流控分析等。在這些技術中，微流控分析因其具有容易操作、低成本、便攜和快速檢測等優點而受到極大的關注。此外，微流控裝置還易于與各種檢測技術、數據傳輸和報告系統集成，顯示出所監測食品中的抗生素殘留情況。近十年來，微流控分析技術在快速分析食品中的有害物質方面取得了很大的進步。而針對食品中抗生素殘留的微流控分析技術的研究，主要集中在三個方面，即微流控檢測技術、微流控器件中的分子識別材料和制造材料。

1 抗生素殘留物中的微流控檢測技術

1.1 熒光檢測法

熒光檢測是一種簡單、靈敏且快速的測量技術，該技術可以利用熒光的各種檢測參數，使熒光檢測非常靈活且性能強大。目前有一種用于檢測牛奶中氯霉素（CAP）的自動微流控熒光分析系統，這種自動化微流控芯片可以同時用于單個PDMS 微流控芯片中多個牛奶樣品的CAP 檢測，并且只要不到20 min 的時間即可完成檢測，檢測限為0.05 μg/L，回收率達91%～106%不等。目前也存在一種基于啞鈴狀DNA 介導的信號放大的CAP 檢測熒光傳感系統，它已被成功應用于檢測牛奶、魚，這種CAP 傳感器顯示出從10 fm 到10 nm 的寬線性范圍，檢測限為2 fm[9]。還有一種獨特的熒光識別生物材料，其熒光強度將通過結合四環素（TC），如四環素、金霉素、土霉素和多西環素來淬滅。因此，研究人員構建了用于TC 檢測的PDMS 微流控芯片平臺。該系統用30 s 內的超快速檢測時間顯示出結果，檢測限為0.09 μg/mL，在加標樣品中的回收率范圍為86%～94%。

1.2 化學發光檢測法

化學發光檢測方法通常具有超高靈敏度。當化學發光技術與微流控分析系統相結合時，很容易建立一種高度靈敏、高選擇性和高通量的目標分析方法，這可以減少一些食物基質效應，但在將樣品引入微流控芯片之前仍然需要進行簡單的預處理。研究人員基于氨基糖苷類化合物氨基糖苷類抗生素對Cu 催化的魯米諾和過氧化氫化學發光反應的抑制，建立了用于檢測水中氨基糖苷類抗生素的化學發光微流控分析系統。此外，還有基于流動（注射技術）的可再生化學發光測定法，用于篩選環境和食品樣品中的TC。使用注射器過濾器過濾樣品后，可以通過該測定系統直接進行分析。魯米諾-H2O2開發了由辣根過氧化物酶（HRP）催化的化學發光系統來量化真實樣品中的TC[10]。該測定系統可以在30 min 內完成單次樣品分析。

1.3 表面增強拉曼散射檢測

表面增強拉曼散射（SERS）是一種快速、靈敏、多功能和無損的檢測技術[11]。然而，由于分析目標總是在復雜的食品基質中，仍然需要對食品樣品進行預處理，以確保檢測的準確性、靈敏度和回收率。SERS 微流控系統，可用來檢測牛奶中微量的氨芐西林。該裝置可以在10 min 內完成檢測，并顯示出10 μg/kg 的低檢測限和20 μL 的小樣品體積。SERS 傳感器可用來檢測頭孢曲松。這種傳感器可以快速獲得在線拉曼信號，在醫學和環境研究領域顯示出巨大的潛力。此外，利用硼酸官能化熒光染料間接檢測紅霉素的新方法也被提出，該方法可以選擇性地識別紅霉素，根據染料SERS 譜的變化，可實現對目標紅霉素的檢測和定量。

1.4 比色檢測法

比色檢測由于其具有簡單性、合理的靈敏度和顯著的經濟優勢，已經成為目前一種非常流行的化學分析方法。此外，比色檢測還可以輕松地與計算機和智能手機相結合，以實現便攜式現場檢測[12]。基于紙質微流控芯片開發了一種無標記檢測方法，用于檢測牛奶樣品中的卡那霉素。樣品預處理后，將樣品混合物加入到測試區域，采用RGB 顏色分析技術，比色傳感器的檢測限低至3.35 μm。有學者設計了一種類似于微流控芯片的生物傳感器來檢測牛奶中的慶大霉素，顯示其快速分析時間少于2 min，而且檢測限更低，為300 nm。

1.5 電化學檢測法

電化學檢測是一種靈敏而快速的目標測量方法，但它通常具有低再現性和高背景噪聲的特點，需仔細預處理樣品。通過將微流控裝置與電化學技術相結合，食品中殘留抗生素的檢測靈敏度可得到提高，試劑使用量也會減少。研究人員將膠束電動毛細管色譜（MEKC）與微流控技術相結合，設計了一種用于分析牛肉樣品中的四環素的電化學檢測方法。該系統可在150 s 內完成分離，使得TC 抗生素的檢測限為1.5 ～4.3 nm，比傳統的MEKC 檢測方法更靈敏。此外，一種使用適配子作為材料的電化學檢測方法也被報道，該方法可以檢測100 pm 至1 mm 超寬濃度范圍的氨芐西林。

1.6 質譜法

質譜儀是用于分析目標分析物的高性能工具，具有高通量、高靈敏度和高精度的優點。然而，質譜儀檢測成本高、體積大、價格昂貴，并且需要專業的操作員。目前有一種高度集成的微流控芯片，用于在線檢測雞肉樣品中的某些抗生素。該系統不需要額外的預處理步驟，并且實現了自動檢測和良好重現性。還有一種基于電泳和電噴霧電離質譜的微流控分析平臺，以熒光染料和抗生素為測試樣品，可以有效地完成檢測工作。

質譜儀靈敏度高、選擇性高，且不需要特定的識別材料，是分析食品中抗生素殘留的最有力的工具，但它成本高，現場檢測面臨諸多困難[13]。而熒光檢測技術和SERS 檢測技術仍然有機會進一步提高其靈敏度。雖然比色法是最簡單的檢測方法，但其靈敏度不夠高，需要通過使用圖像分析軟件技術來提高。

2 微流控器件中的分子識別材料

特定識別材料是微流控分析系統的關鍵組成部分。生物抗體由于其高特異性和高親和力成為最常用的識別材料，但其生產成本高，生產程序復雜耗時，且面臨著全球不可重復性的問題。適配子發展迅速，可用作識別材料，表現出了相對較高的穩定性和可重復性，但其生產成本也很高。分子印跡聚合物，也被稱為“人造抗體或受體”，易于合成，成本低，但其選擇性及親和力仍需提高。

2.1 生物抗體

一種基于EAN-8 編碼規則的多層紙芯片，通過使用生物抗體作為特異性識別位點來檢測牛奶中的氯霉素。EAN-8 格式測量是在智能手機上基于不同編碼區域膠體金免疫層析測定顏色變化實現的，使三聚氰胺和氯霉素的檢測限分別為30 ng/mL 和6 ng/mL。一種用于全自動檢測牛奶中獸藥殘留的微陣列微流控系統，可提高微流控分析的通量和自動能力。該平臺可實現液體轉移，釋放和混合操作，且該系統的檢測部分與可同時處理四個微流控芯片的熒光檢測器耦合。氯霉素、四環素、恩諾沙星、頭孢氨芐和磺胺的檢出限分別可達0.92 μg/kg、1.01 μg/kg、1.83 μg/kg、1.14 μg/kg 和1.96 μg/kg。用于檢測家禽樣品中氯克西林的微流控化學發光免疫測定系統，采用了HRP 標記的抗小鼠IgG抗體和化學發光底物進行信號生成，檢測限為0.92 ng/mL。

2.2 適配子

適配子是一種用于檢測牛奶和魚類中卡那霉素的微流控適配體傳感器，檢測限可達0.3 pg/mL。基于場效應晶體管的適配體修飾的PDMS 傳感器，可用于測量卡那霉素、鏈霉素、環丙沙星等抗生素，該過程可以在5 s內完成。此外，通過將磁編碼適配體探針與微流控芯片相結合，研究人員開發出一種同時檢測卡那霉素、17β-雌二醇和鉛離子的多重檢測方法，檢測限都比較低。

2.3 分子印跡聚合物

分子印跡聚合物具有獨特的空腔，用于特定識別目標，包括金屬離子、有機分子和生物體等。越來越多的食品科學研究人員專注于研究高性能分子印跡聚合物，用于分離和檢測食品中的抗生素殘留。例如目前被開發出來的一種預處理PDMS/玻璃鍵合的芯片，該芯片用于同時從雞蛋樣品中提取TC 等[14]。這種微流控預處理系統可以與HPLC 耦合，與熒光檢測器集成，使目標抗生素的檢測限為3.0 ～5.5 μg/kg。

3 微流控器件的制造材料

使用不同的制造材料制造微流控器件可能會影響檢測性能，因為它們具有不同的的表面特性，例如疏水性，這將導致非特異性吸附效應和產生毛細管力。

3.1 聚甲基丙烯酸甲酯

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是制造微流控芯片最常用的聚合物之一，因為它具有良好的生物相容性、優異的光學透明度及機械性能。基于PMMA 材料和間接競爭性熒光免疫分析法，研究人員開發了一種便攜式微流控生物傳感平臺，用于檢測牛奶中的磺胺嘧啶，檢測限為0.05 μg/L。此外，另一個微流控系統由兩個PMMA 板組成，通過聚四氟乙烯管（PTFE 管）連接到注射泵，并與化學發光檢測部分耦合。目前，已有研究人員成功應用了集成微流控裝置測定牛奶中的β-內酰胺類抗生素。

3.2 聚二甲基硅氧烷

聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有成本低，易于制造，生物相容性好，透氣性好和光學透明度高等優點，廣泛用于制造微流控器件。但它有一定的局限性：在有機溶劑存在下溶脹，聚合物基質中的非特異性吸附，以及其固有的疏水性。有學者將藥物抗原修飾磁珠排列到PDMS 通道中以構建一個自動操作系統。該系統可以通過測量每個磁珠的熒光強度來確定殘余藥物濃度，如氯霉素和磺胺二甲嘧啶的檢測限分別為0.3 μg/L 和0.03 μg/L。而在另一項研究中，研究人員使用PDMS 材料建立了高度集成的微流控系統，用于牛奶樣品中七種不同喹諾酮類藥物的在線分析[15]。該PDMS 芯片可檢測靶向抗生素，采用全掃描模式和單一同位素內標方法對喹諾酮類藥物進行定量分析，檢測限為0.047 ～0.490 μg/L。

3.3 其他制造材料

除了上面提到的常用材料外，還有其他材料，例如硅、玻璃和有機材料、環烯烴共聚物（COC）和聚四氟乙烯（PTFE）。研究人員基于使用玻璃為基板建立了一種自動化學發光微陣列檢測系統，用于檢測牛奶中的青霉素。該微流控分析系統至少可進行47 次連續測量，6 min 內即可達到1.1 μg/L 的檢測限。有研究人員將Au@CQDs 納米復合材料（NCs）用作檢測食物樣本中的慶大霉素和卡那霉素抗生素的傳感器，慶大霉素的檢測限為116 nm 和133 nm，卡那霉素的檢測限分別為195 nm 和120 nm[16]。比無機納米顆粒和化學衍生碳點更低廉、綠色，具有這種綠色前體衍生碳點的光學傳感系統在未來也有希望成為監測工具[17]。還可將環烯烴共聚物嵌入空白載玻片和內表面有銅線的載玻片之間來制備夾層微流控芯片。采用微芯片結合激光誘導熒光檢測裝置測定雞肉中的抗生素，檢測限在0.2 ～2.3 μg/L 范圍內。

4 結論

微流控分析因其高度集成的樣品預處理能力、高選擇性材料和靈敏的檢測技術，以及低成本的制造基板和更少的樣品需求而在食品中的抗生素殘留檢測中越來越受歡迎。盡管食品基質對于直接通過傳統的微流控芯片測定殘留抗生素仍然是一個很大的挑戰，但科研工作者已經開發了一些與預濃縮和分離部分集成在一起的新型微流控裝置，例如在微流控通道中嵌入富集和分離介質或使用電泳。但是，無論預處理是在芯片上進行還是在芯片外進行，都會延長分析時間并降低現場檢測的可能性。面對這個問題，開發快速和無儀器的樣品預處理技術是實現對食品中殘留抗生素的檢測的一種可行方法。