微流控芯片技術(shù)在食品快速檢測中的應(yīng)用

Application of Microfluidic Chip Technology in Food Rapid Inspection

MAOHailiang，ZHANGTao （Gansu Forestry VocationUniversity， Tianshui 741o20， China）

Abstract： Food safety is the basis of public health protection.Although traditional food detection methods are accurate，they have shortcomings such as long detection cycle and expensive equipment， which aredificult to met the needs ofrapid on-site detection.Microfluidicchip technology is a new rapid detection technology， which integrates the experimental process on the micro chip，drives the fluid by pressure difference and electric field force， and usesvarious materials toachieve efcient and accurate analysis through separationand detection means.In this paper，teapplication status of microfluidic chip technology in foodrapid inspection isanalyzed，and the prospectis made，in order to promote the application of this technologyin the fieldof food rapid inspection and provide strong technical support for ensuring food safety.

Keywords： microfluidic chip technology; food; quick inspection technology

食品安全關(guān)乎公眾健康與社會穩(wěn)定。隨著人們對食品安全關(guān)注度的不斷提高，對食品檢測技術(shù)的快速性、準(zhǔn)確性和便捷性提出了更高要求。傳統(tǒng)食品檢測方法如色譜法、質(zhì)譜法、培養(yǎng)法等，雖具有較高的準(zhǔn)確性，但存在檢測周期長、設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜且依賴專業(yè)技術(shù)人員等缺點，難以滿足現(xiàn)場快速檢測及大量樣本篩查的需求。食品快速檢測技術(shù)作為保障食品安全的重要手段，能夠在短時間內(nèi)出具檢測結(jié)果，及時發(fā)現(xiàn)食品安全隱患。在此背景下，微流控芯片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)具有樣品和試劑消耗少、分析速度快、高通量、可集成化等優(yōu)勢，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測方法的不足，為食品快速檢測提供了一種高效、便捷的解決方案。近年來，微流控芯片技術(shù)在食品快檢領(lǐng)域的應(yīng)用研究取得豐碩成果，涵蓋食源性致病菌、農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、食品過敏原等多個檢測項目，為食品快速檢測技術(shù)領(lǐng)域帶來新的變革[1]

1微流控芯片技術(shù)

1.1 工作原理

微流控芯片技術(shù)通過精巧的技術(shù)原理，將生物、化學(xué)實驗流程集成在微小芯片上，以實現(xiàn)精準(zhǔn)分析。在流體驅(qū)動方面，借助壓力差、電場力，推動微通道內(nèi)的流體運(yùn)動。由于芯片的微尺度特性，流體多呈現(xiàn)層流狀態(tài)，從而保障流體運(yùn)動的穩(wěn)定性與可預(yù)測性。芯片微通道采用多樣化設(shè)計，玻璃、聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）等材料憑借其良好的生物兼容性、化學(xué)穩(wěn)定性及光學(xué)透明性被廣泛應(yīng)用。在進(jìn)行樣品處理與分析時，利用微注射泵等設(shè)備，將極少量的樣品與試劑引入芯片，通過特定的通道結(jié)構(gòu)和流體特性，實現(xiàn)二者的均勻混合和反應(yīng)。為了實現(xiàn)對樣品的深度分析，可利用電泳、色譜等分離技術(shù)，將復(fù)雜樣品中的不同組分分離，再通過光學(xué)檢測、電化學(xué)檢測等手段，對樣本進(jìn)行高效、準(zhǔn)確分析[2]。

1.2微流控芯片材料

微流控芯片的性能和應(yīng)用場景在很大程度上取決于其選擇的制作材料。當(dāng)前，用于制作微流控芯片的材料種類繁多，每種材料都具有獨(dú)特的性質(zhì)。

玻璃是一種常用的微流控芯片材料，具有良好的電滲性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，其電滲流特性使得在基于電驅(qū)動的微流控芯片中，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的流體輸運(yùn)和樣品分離。此外，玻璃還具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠耐受多種化學(xué)試劑和較高的溫度環(huán)境，適用于部分對反應(yīng)條件要求苛刻的實驗[3]。

PDMS是目前應(yīng)用最為廣泛的微流控芯片材料之一，具有高彈性、良好的透明性和生物相容性。其高彈性使得芯片在制作和使用過程中能夠適應(yīng)一定程度的變形，不易破裂；良好的透明性保證了其在光學(xué)檢測中的適用性；生物相容性使其非常適用于生物樣品的分析和檢測，對生物分子和細(xì)胞的活性影響較小[4]。

紙基材料由于其成本低廉、易于獲取和獨(dú)特的毛細(xì)作用驅(qū)動特性，在微流控芯片領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。紙基芯片利用紙張的毛細(xì)作用實現(xiàn)流體的自動傳輸，無須外部復(fù)雜的驅(qū)動設(shè)備，大大簡化了芯片的操作[5]

除上述材料外，聚甲基丙烯酸甲酯（PolymethylMethacrylate，PMMA）等高分子聚合物也是目前較為常見的微流控芯片材料。PMMA具有優(yōu)異的光學(xué)性能，其透光率高，在光學(xué)檢測方面表現(xiàn)良好，且PMMA具有較好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠耐受一定的化學(xué)腐蝕。

2微流控芯片技術(shù)在食品快速檢測中的應(yīng)用

2.1食源性致病菌檢測

食源性致病菌是引發(fā)食源性疾病的主要原因之一，嚴(yán)重威脅人體健康和公共衛(wèi)生安全。傳統(tǒng)的食源性致病菌檢測方法如細(xì)菌培養(yǎng)法，雖被公認(rèn)為“金標(biāo)準(zhǔn)”，但檢測周期長，通常需要數(shù)天時間才能得到結(jié)果；分子生物學(xué)方法如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PolymeraseChainReaction，PCR），雖靈敏度高，但較為依賴大型設(shè)備且操作復(fù)雜。而微流控芯片技術(shù)為食源性致病菌的快速檢測提供了新的解決方案。

基于微流控芯片的免疫檢測技術(shù)在食源性致病菌檢測中應(yīng)用廣泛。該技術(shù)利用抗原與抗體間的特異性結(jié)合原理，將抗體固定在微流控芯片的表面或微通道內(nèi)，當(dāng)含有目標(biāo)致病菌的樣品流經(jīng)芯片時，致病菌表面的抗原會與固定的抗體發(fā)生特異性結(jié)合。隨后，通過標(biāo)記有熒光物質(zhì)、酶等信號分子的二抗與結(jié)合在芯片上的致病菌抗原進(jìn)行反應(yīng)，利用光學(xué)或電化學(xué)等檢測手段對信號進(jìn)行檢測，從而實現(xiàn)對致病菌的快速定性和定量分析。萬其武等[開發(fā)了一種基于微流控芯片的免疫熒光檢測方法，用于檢測食品中的大腸桿菌。該方法檢測時間短，僅需數(shù)分鐘，靈敏度高，能夠檢測出低至 的大腸桿菌，大大提高了檢測效率和準(zhǔn)確性。

2.2 農(nóng)藥殘留檢測

農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用，以保障農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。然而，農(nóng)藥殘留問題對食品安全和人體健康構(gòu)成了潛在威脅。傳統(tǒng)的農(nóng)藥殘留檢測方法，如氣相色譜法、液相色譜法等，雖然準(zhǔn)確性高，但需要昂貴的儀器設(shè)備、復(fù)雜的樣品前處理過程以及專業(yè)的技術(shù)人員操作，難以滿足現(xiàn)場快速檢測的需求。微流控芯片技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，在農(nóng)藥殘留快速檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[7]。

基于酶抑制原理的微流控芯片是農(nóng)藥殘留檢測的常用方法之一。在微流控芯片中，將含有酶和底物的溶液與經(jīng)過預(yù)處理的食品樣品溶液在微通道內(nèi)混合。若樣品中含有農(nóng)藥，農(nóng)藥會抑制酶的活性，導(dǎo)致底物的分解速率降低，通過檢測底物分解產(chǎn)物的變化量，即可間接判斷樣品中農(nóng)藥的殘留量。裘一婧等[8設(shè)計了一種基于微流控芯片的酶抑制法農(nóng)藥殘留檢測系統(tǒng)，該芯片采用PDMS材料制作，能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)藥殘留量的定量分析。該方法檢測速度快，僅需幾分鐘即可完成檢測，對常見的有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥的檢測限可達(dá) μg?L^-1 級別，且芯片可以多次重復(fù)使用，成本較低。

2.3 獸藥殘留檢測

在畜禽養(yǎng)殖和水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，為了預(yù)防和治療動物疾病、促進(jìn)動物生長，常常會使用獸藥。然而，獸藥的不合理使用會導(dǎo)致獸藥殘留問題，對食品安全和公眾健康產(chǎn)生潛在危害。微流控芯片技術(shù)在獸藥殘留快速檢測方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠為保障動物性食品安全提供有力的技術(shù)支持。

免疫分析技術(shù)在微流控芯片檢測獸藥殘留中應(yīng)用廣泛。以抗生素為例，基于微流控芯片的免疫檢測方法可快速、靈敏地檢測食品中的抗生素殘留。在微流控芯片的制備過程中，將抗生素特異性抗體固定在芯片的微通道表面或微反應(yīng)腔室內(nèi)。當(dāng)含有抗生素殘留的食品樣品經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)入芯片，樣品中的抗生素分子會與固定的抗體發(fā)生特異性結(jié)合。隨后加入標(biāo)記有熒光素、酶等信號分子的二抗，二抗與結(jié)合在芯片上的抗體-抗原復(fù)合物進(jìn)一步結(jié)合，通過檢測信號分子產(chǎn)生的信號強(qiáng)度，如熒光強(qiáng)度、化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度或酶催化反應(yīng)產(chǎn)物的吸光度等，即可定量分析樣品中抗生素的殘留量。ZHAO等[開發(fā)了一種基于微流控芯片的熒光免疫檢測試劑盒，用于牛奶中抗生素殘留的快速檢測。該方法檢測時間短，僅需 15～20min ，檢測限可達(dá) 0.05μg?L^-1 ，操作簡便，無須專業(yè)的儀器設(shè)備，適合現(xiàn)場快速檢測。

3微流控芯片技術(shù)在食品快速檢測中的應(yīng)用展望

3.1 新型材料的不斷引入

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，更多新型材料將被應(yīng)用于微流控芯片的制備。納米材料物理化學(xué)性質(zhì)獨(dú)特，可顯著增強(qiáng)芯片的檢測性能。碳納米管具有優(yōu)異的電學(xué)性能和較大的比表面積，將其集成到微流控芯片中，有望開發(fā)出高靈敏度的電化學(xué)傳感器，用于檢測食品中痕量的有害物質(zhì)。

3.2多技術(shù)集成與聯(lián)用

將微流控芯片與微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合，可實現(xiàn)芯片的微型化和自動化控制，進(jìn)一步提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，微流控芯片與人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合，可通過數(shù)據(jù)分析和挖掘，實現(xiàn)對食品安全風(fēng)險的預(yù)測和預(yù)警。未來，微流控芯片將與更多先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)深度集成與聯(lián)用，開發(fā)更高效、更靈敏的食品快檢方法，滿足日益增長的食品安全檢測需求。

3.3智能化與便攜化發(fā)展

為了滿足現(xiàn)場快速檢測和實時監(jiān)測的需求，微流控芯片將朝著智能化和便攜化方向發(fā)展。 ① 通過集成微型化的檢測設(shè)備和智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)檢測過程的自動化和智能化操作，減少人為因素對檢測結(jié)果的影響。 ② 利用無線通信技術(shù)，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的實時傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控，方便監(jiān)管部門及時了解食品安全狀況，做出相應(yīng)的決策。

4結(jié)語

微流控芯片技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，在食品快檢領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，為食品安全檢測提供了新的思路和方法。未來，隨著材料科學(xué)、微加工技術(shù)、檢測技術(shù)、人工智能等多學(xué)科的交叉融合與發(fā)展，微流控芯片技術(shù)有望在新型材料的引入、多技術(shù)集成與聯(lián)用以及智能化和便攜化等方面取得突破，進(jìn)一步推動其在食品快檢領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為保障食品安全提供更有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]王迪.食品檢驗技術(shù)現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)：新興技術(shù)的探索[J].中外食品工業(yè)，2024（11）：67-69.

[2]向鈺潔，馬學(xué)軍，申辛欣.免疫芯片檢測技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J].病毒學(xué)報，2024，40（4）：869-876.

[3]余小妹.三種食源性病原微生物的微流控芯片檢測技術(shù)研究[D].株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2024

[4]周可夢.PDMS微流控芯片表面修飾及其在酶固定化中的應(yīng)用[D].濟(jì)南：齊魯工業(yè)大學(xué)，2024.

[5]玄翠娟.新型紙基微流控分析方法及應(yīng)用研究[D].西安：西北大學(xué)，2015.

[6]萬其武，包旭東，丁柯，等.微流控技術(shù)在病原微生物檢測中的研究進(jìn)展[J].生物技術(shù)通報，2023，39（10）：107-114.

[7]朱婧腸，董旭華，張維宜，等.微流控技術(shù)在食品安全快速檢測中的應(yīng)用[J].化學(xué)試劑，2021，43（5）：632-639

[8]裘一婧，賈彥博，張佳鳳，等.微流控芯片快速檢測技術(shù)在鐵皮石斛農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用研究[J].中國現(xiàn)代應(yīng)用藥學(xué)，2023，40（15）：2131-2139.

[9]ZHAOMT，LIXL，ZHANGYL，etal.Rapid quantitative detection ofchloramphenicol inmilkbymicrofluidic immunoassay[J].Food Chem，2021，339：127857.