隨著全球工業(yè)生產(chǎn)力的充分釋放，食品工業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，但食品中重金屬、添加劑含量超標(biāo)，農(nóng)獸藥殘留、微生物污染等食品安全事件頻頻發(fā)生，使食品安全成為全球性話題[1-3]。解決食品安全問題需要對食品生產(chǎn)、加工、流通進(jìn)行全過程監(jiān)控，食品安全分析與檢測成為控制食品污染和監(jiān)督的重要手段，由于食品組分復(fù)雜、干擾雜質(zhì)多，對食品中特定殘留物或組分的快速現(xiàn)場檢測成為分析領(lǐng)域的主要難點(diǎn)之一[4]。按照我國目前現(xiàn)有的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，食品安全檢測需在有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室采用傳統(tǒng)檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，即高效液相色譜法(High Performance Liquid Chromatography, HPLC)，氣相色譜法(Gas Chromatography, GC)，液相色譜法(Liquid Chromatography, LC)，氣相色譜-質(zhì)譜法(Gas Chromatography-mass spectrometry, GC-MS)等檢測技術(shù)，上述技術(shù)雖具有適用范圍廣、選擇性強(qiáng)、可進(jìn)行多殘留分析且定性定量的優(yōu)點(diǎn)，但通常需要昂貴的大型儀器，且前處理復(fù)雜，需要專業(yè)的操作人員進(jìn)行分析檢測，難以滿足對食品進(jìn)行現(xiàn)場、實(shí)時(shí)、快速、便攜化檢測的需要[5]。因此，在面對大量產(chǎn)品檢測需求和食品安全的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)下，研制出對食品中危害物可以快速無損、可在線檢測的技術(shù)和方法具有重要意義。

　　微流控芯片(Microfludic chip)，又稱微全分析系統(tǒng)(Miniaturized total analysis systems， μTAS)，也可稱為芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip)，是以分析化學(xué)為基礎(chǔ)，微機(jī)電系統(tǒng)(Micro electromechanical systems , MEMS)為依托，將樣品預(yù)處理、分離、檢測等過程集成在幾平方厘米的芯片上，依靠表面張力、流體阻力、能量耗散等一系列特殊效果來控制流體流向、縮短反應(yīng)時(shí)間的微型實(shí)驗(yàn)室[6,7]。相對于現(xiàn)有檢測技術(shù)的缺陷，微流控技術(shù)具有的高密度微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了樣品預(yù)處理和后續(xù)分析的小型化、自動(dòng)化、集成化[8]。微流控技術(shù)不僅與生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子、材料、機(jī)械等學(xué)科進(jìn)行了完美融合，使傳統(tǒng)檢測方式與分析過程發(fā)生改變，更通過與智能手機(jī)、平板電腦等便攜設(shè)備的聯(lián)用，使微流控技術(shù)在智能化領(lǐng)域取得了重要突破。目前，微流控技術(shù)已在細(xì)胞生物學(xué)、遺傳分析、化學(xué)成分分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其在市場的年增長率正在逐年增加，預(yù)計(jì) 2019 年市場收入將超過 30 億美元，且根據(jù)不完整數(shù)據(jù)顯示，全球已有 31 個(gè)國家的 269 家公司、35 個(gè)研究機(jī)構(gòu)和 118 個(gè)大學(xué)研究小組積極參與微流控系統(tǒng)的方法、流程、工具和設(shè)備的開發(fā)[9-11]。本文綜述了近 5 年微流控技術(shù)在農(nóng)藥殘留、重金屬、生物毒素、食物過敏原、食源性致病菌等食品安全快速檢測方面取得的一系列重要進(jìn)展，為微流控技術(shù)在食品安全分析中的理論提供了依據(jù)。

　　1 微流控芯片概述

　　1990 年，Manz 等[12]首先提出了微全分析系統(tǒng)(μTAS)的概念，并在 1993 年，利用微機(jī)電加工技術(shù)在平板玻璃上通過對微管道的刻蝕制備了芯片毛細(xì)管電泳裝置，實(shí)現(xiàn)了熒光標(biāo)記氨基酸的分離[13]。微流控技術(shù)作為微全分析系統(tǒng)的分支，通過與比色、電化學(xué)、熒光光譜等多種檢測技術(shù)結(jié)合，將生物、化學(xué)分析的所有必要步驟集成在 10～200 mm 的微尺度通道[14]。與傳統(tǒng)方法相比，微流控技術(shù)滿足了即時(shí)檢測的需求，且在一定程度克服了培養(yǎng)時(shí)間長、前處理復(fù)雜的缺點(diǎn)，其具有的小型化、高通量、快速、集成化和消耗少等優(yōu)點(diǎn)，被各國科學(xué)家充分利用[15]。其中合成化學(xué)家利用小型實(shí)驗(yàn)室合成新的分子或材料，生物學(xué)家利用微流控芯片研究復(fù)雜細(xì)胞在細(xì)胞生物學(xué)中的廣泛應(yīng)用，分析化學(xué)學(xué)家通過裝置對有機(jī)和無機(jī)化合物進(jìn)行檢測和測定[16-18]。目前，微流控芯片是由硅、玻璃、石英、有機(jī)聚合物和復(fù)合材料通過微加工技術(shù)制成的，表 1 列出了用于制造微流控芯片的不同材料及其優(yōu)缺點(diǎn)[19]。

　　2 微流控技術(shù)在食品安全快速檢測分析中的應(yīng)用

　　目前，食品中的危害因子有多種，按性質(zhì)將其分為生物性危害、化學(xué)性危害、物理性危害以及其他危害，其中以生物性危害和化學(xué)性危害最為普遍。生物危害主要為食源性致病菌、生物毒素和食物過敏原等，化學(xué)危害主要為農(nóng)藥殘留、重金屬殘留等。由于食品從農(nóng)場到餐桌均有可能受到危害因子的污染，因此，對該類食品危害物進(jìn)行有效監(jiān)控，是保證食品安全的重要舉措。微流控技術(shù)平臺(tái)作為一種新興的快速檢測平臺(tái)，正在逐步顯現(xiàn)其在食品安全快速檢測領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，本文就微流控芯片技術(shù)在農(nóng)藥、重金屬、過敏原、生物毒素、食源性致病菌等方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

　　2.1 在農(nóng)藥殘留檢測方面的應(yīng)用農(nóng)藥，作為防止病蟲侵害、調(diào)節(jié)植物生長的重要化學(xué)品，在得到了廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也威脅著人類的身體健康，因此，農(nóng)藥殘留檢測在保證消費(fèi)者健康安全方面具有重要意義[31]。目前，農(nóng)藥的快速檢測多以酶抑制法展開，即利用農(nóng)藥的毒理特性，對農(nóng)藥進(jìn)行特異性檢測。 Satake 等[32]利用酶抑制法制備了一種小型微流控裝置，對有機(jī)磷農(nóng)藥(OPs)實(shí)施檢測。其中微通道由主流道和輔助流道組成，通過對主流道施加壓力，使乙酰膽堿與含有乙酰膽堿酯酶和有機(jī)磷農(nóng)藥的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)入輔助流道的菱形陣列中進(jìn)行混合，農(nóng)藥的存在抑制了酶的活性，減少了水解產(chǎn)物的產(chǎn)生，使傳感區(qū)電極產(chǎn)生的電信號(hào)受到影響。其對馬拉硫磷的檢出限為 33.00 nmol/L，對甲胺磷、甲胺磷和二嗪農(nóng)的檢出限 90.00 nmol/L。在此基礎(chǔ)上，Hu 等[33] 采用相同的抑制機(jī)理制備了基于乙酰膽堿酯酶的微流控?zé)晒鈧鞲衅鳎�用于有機(jī)磷酸酯類農(nóng)藥的檢測。量子點(diǎn)氣凝膠在乙酰膽堿酶對乙酰膽堿的水解作用下，發(fā)生熒光猝滅。有機(jī)磷農(nóng)藥作為乙酰膽堿酯酶的有效抑制劑，其存在使量子點(diǎn)氣凝膠的熒光強(qiáng)度恢復(fù)。研究表明，該微流控陣列傳感器在有機(jī)磷農(nóng)藥的快速檢測方面具有良好的靈敏度，檢出限為 0.38 pmol/L，檢測范圍為 1.00×10−5～1.00×10−12 mol/L。

　　2.2 在重金屬檢測方面的應(yīng)用食品中的重金屬污染主要是指由生物毒性顯著的重金屬元素引起的污染，如砷、汞、銅和鉛等，長期接觸此類元素可能會(huì)導(dǎo)致癌癥或其他相關(guān)疾病，如日本發(fā)生的水俁病、痛痛病就是由于長期食用受到汞和鎘所污染的食品而導(dǎo)致的，目前，重金屬污染已被列為影響食品安全的主要危害之一[36]。因此，開發(fā)快速、可靠的重金屬檢測方法具有重要意義。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中重金屬的檢測方法主要包括原子吸收光譜法(AAS)和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等，但由于其成本和分析時(shí)間的限制，使它們在現(xiàn)場篩選和監(jiān)測中無法應(yīng)用，微流控技術(shù)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了對重金屬離子的原位測量。Park 等[37]通過微流控樣品預(yù)處理裝置與 DNA 適配體連接的光致發(fā)光氧化石墨烯量子點(diǎn)(GOQD)傳感器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對 Pb2+ 的檢測。如圖 2 所示，該平臺(tái)在蠕動(dòng)式聚二甲基硅氧烷(PDMS)微泵與陽離子交換樹脂的作用下實(shí)現(xiàn)了對微量金屬離子的預(yù)濃縮，Pb2+與 GOQD 上 DNA 適配體的特異性相互作用形成 G-四聯(lián)體，在紫外線照射下誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，GOQD 發(fā)生熒光猝滅效應(yīng)。研究表明，該傳感器對 Pb2+具有較高檢測能力，其檢出限為 0.64 nmol/L，線性范圍為 1.00～1000.00 nmol/L。 Hong 等[38]設(shè)計(jì)了帶有微孔 Mn2O3 修飾的絲網(wǎng)印刷電極的 3D 打印微流控裝置。整個(gè)裝置由 Mn2O3 修飾的絲網(wǎng)印刷電極、便攜式 3D 打印單元、通用串行總線 USB 接口、蠕動(dòng)泵和平板電腦組成，通過 USB 與平板電腦的連接對 Pb2+進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，并利用有限元方法(FEM)對微流控單元參數(shù)完成了優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這一操作對提高該裝置的檢測限、靈敏度、選擇性和重現(xiàn)性具有重要意義，其對 Pb2 +的檢出限為 0.20 µg/L。濾紙作為目前微流控技術(shù)的首選材料，在重金屬檢測中得到了良好的應(yīng)用。Kingkan 等[39]制備了基于絲網(wǎng)印刷石墨烯電極的紙基微流控電化學(xué)檢測平臺(tái)，用于同時(shí)檢測錫和鉛。為了提高裝置的電化學(xué)性能，文章將鉍納米粒子修飾在絲網(wǎng)印刷的石墨烯電極上，并利用表面活性劑改變重金屬的氧化還原電勢、擴(kuò)散系數(shù)和電子傳遞系數(shù)，防止檢測過程中出現(xiàn)重疊峰。其對鉛和錫的檢出限分別為 0.26、0.44 ng/mL。

　　2.3 在食物過敏原檢測方面的應(yīng)用食物過敏主要是由食物中的糖蛋白引起的不良免疫反應(yīng)。近年來，食物過敏發(fā)病率的顯著增加，給患者的生活質(zhì)量以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來了巨大的壓力，發(fā)達(dá)國家每年對食物過敏兒童的總體經(jīng)濟(jì)支出便高達(dá) 248 億[40]。但目前，對于食物過敏尚沒有明確的治療方法，預(yù)防過敏反應(yīng)的唯一方法就是嚴(yán)格避免攝入含有過敏成分的食品。因此，開發(fā)便捷、高效的過敏原檢測技術(shù)是防止食物過敏的主要途徑。Jiang 等[41]通過測量食物過敏原誘導(dǎo)的細(xì)胞形態(tài)變化，制備了一種用于檢測食物過敏原的細(xì)胞間電化學(xué)微流控芯片，如圖 3 所示，通過在微通道對 ANA-1 巨噬細(xì)胞和 RBL- 2H3 肥大細(xì)胞進(jìn)行平行培養(yǎng)，觀察二硝基苯化牛血清白蛋白(DNP-BSA)對培養(yǎng)細(xì)胞的刺激產(chǎn)生炎性細(xì)胞因子時(shí)細(xì)胞抗阻的變化，實(shí)現(xiàn)了對過敏原的實(shí)時(shí)監(jiān)測。Neethirajan 等[42]利用量子點(diǎn)-適配體-氧化石墨烯復(fù)合物作為探針建立了微型生物傳感器，基于適配體共軛量子點(diǎn)吸附和解吸過程中氧化石墨烯發(fā)生熒光猝滅和恢復(fù)的特性，成功檢測了花生中的主要過敏原 Ara h1 蛋白，結(jié)果表明，該芯片僅需 10 分鐘便可對過敏原完成定量檢測，其檢出限為 56.00 ng/mL。小麥中所含的谷蛋白是引起食物過敏的重要因素，在美國，有 10%的食物過敏與谷蛋白相關(guān)。Weng 等[43]通過酶聯(lián)免疫法與微流控分析裝置結(jié)合對小麥面筋蛋白進(jìn)行了定量比色檢測。通過對餅干、無谷蛋白面粉中小麥面筋蛋白的分析，證明了微流控的酶聯(lián)免疫生物傳感器卓越的檢測性能，與商業(yè) ELISA 試劑盒相比，微流控平臺(tái)靈敏度更高，試劑消耗更少，檢測速度更快，具有良好的發(fā)展前景。

　　3 展望

　　微流控芯片作為集物理、化學(xué)、納米技術(shù)、工程研究等多學(xué)科為一體的新興技術(shù)，其出現(xiàn)不僅為未來食品安全分析行業(yè)提供了良好的分析平臺(tái)，甚至在分析領(lǐng)域取得了革命性的突破。目前，微流控技術(shù)已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測、食品科學(xué)、藥物篩選、疾病診斷等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，但距離市場化應(yīng)用仍有一些距離，因此，開發(fā)新材料和新加工方法是推進(jìn)微流控技術(shù)發(fā)展的重要手段。為了實(shí)現(xiàn)市場商業(yè)化，當(dāng)前研究者的研究工作主要集中在提高靈敏度和自標(biāo)定分析上。除此之外，將其他分離和檢測技術(shù)集成到微流控系統(tǒng)，如熒光、比色、電化學(xué)檢測等技術(shù)的成功應(yīng)用提高了微流控芯片的分析性能，與智能手機(jī)、APP 的聯(lián)用實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的便攜化與智能化。

　　綜上所述，微流控技術(shù)將復(fù)雜的傳統(tǒng)裝置轉(zhuǎn)化為簡單高效的微尺度器件，其所具有的便攜性、即時(shí)性等優(yōu)勢在檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展前景，隨著微流控技術(shù)的不斷完善和改進(jìn)，微流控技術(shù)將成為食品工業(yè)健康快速發(fā)展的主要推動(dòng)力,為廣大群眾的飲食健康提供有效保障。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] LAM H M, REMAIS J, FUNG M C, et al. Food supply and food safety issues in China[J]. Lancet, 2013, 381(9882): 2044-2053.

　　[2] KAPTAN G, FISCHER A R H, FREWER L J. Extrapolating understanding of food risk perceptions to emerging food safety cases[J]. J. Risk Res., 2018, 21(8): 996-1018.

　　[3] VAN ASSELT E D, FELS㎏LERX H J, BREUER O, et al. Food Safety Crisis Management〢 Comparison between Germany and the Netherlands[J]. J. Food Sci., 2017, 82(2): 477-483.

　　[4] CHEN Q, ZHANG C, ZHAO J, et al. Recent advances in emerging imaging techniques for non-destructive detection of food quality and safety[J]. Trac-Trends Anal. Chem., 2013, 52: 261-274.

　　[5] 鄧秀武，高亞娟，司海豐，等. 食品化學(xué)污染物的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測質(zhì)量控制要點(diǎn)歸納分析[J]. 糧食流通技術(shù), 2016, 5(9): 5-8.

　　《微流控技術(shù)在食品安全快速檢測中的應(yīng)用》來源：《化學(xué)試劑》，作者：朱婧旸 1,2，董旭華 1,2，沈佳彬 1,2，劉海泉 1,2，趙勇*1,2，朱永恒*1,2