微流控芯片技术在食品快速检测中的应用

作者: 毛海亮 张涛

微流控芯片技术在食品快速检测中的应用0

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

食品安全关乎公众健康与社会稳定。随着人们对食品安全关注度的不断提高,对食品检测技术的快速性、准确性和便捷性提出了更高要求。传统食品检测方法如色谱法、质谱法、培养法等,虽具有较高的准确性,但存在检测周期长、设备昂贵、操作复杂且依赖专业技术人员等缺点,难以满足现场快速检测及大量样本筛查的需求。食品快速检测技术作为保障食品安全的重要手段,能够在短时间内出具检测结果,及时发现食品安全隐患。在此背景下,微流控芯片技术应运而生。该技术具有样品和试剂消耗少、分析速度快、高通量、可集成化等优势,能够有效弥补传统检测方法的不足,为食品快速检测提供了一种高效、便捷的解决方案。近年来,微流控芯片技术在食品快检领域的应用研究取得丰硕成果,涵盖食源性致病菌、农药残留、兽药残留、食品过敏原等多个检测项目,为食品快速检测技术领域带来新的变革[1]

1微流控芯片技术

1.1 工作原理

微流控芯片技术通过精巧的技术原理,将生物、化学实验流程集成在微小芯片上,以实现精准分析。在流体驱动方面,借助压力差、电场力,推动微通道内的流体运动。由于芯片的微尺度特性,流体多呈现层流状态,从而保障流体运动的稳定性与可预测性。芯片微通道采用多样化设计,玻璃、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)等材料凭借其良好的生物兼容性、化学稳定性及光学透明性被广泛应用。在进行样品处理与分析时,利用微注射泵等设备,将极少量的样品与试剂引入芯片,通过特定的通道结构和流体特性,实现二者的均匀混合和反应。为了实现对样品的深度分析,可利用电泳、色谱等分离技术,将复杂样品中的不同组分分离,再通过光学检测、电化学检测等手段,对样本进行高效、准确分析[2]。

1.2微流控芯片材料

微流控芯片的性能和应用场景在很大程度上取决于其选择的制作材料。当前,用于制作微流控芯片的材料种类繁多,每种材料都具有独特的性质。

玻璃是一种常用的微流控芯片材料,具有良好的电渗性质和光学性质,其电渗流特性使得在基于电驱动的微流控芯片中,能够实现高效的流体输运和样品分离。此外,玻璃还具有较好的化学稳定性和热稳定性,能够耐受多种化学试剂和较高的温度环境,适用于部分对反应条件要求苛刻的实验[3]。

PDMS是目前应用最为广泛的微流控芯片材料之一,具有高弹性、良好的透明性和生物相容性。其高弹性使得芯片在制作和使用过程中能够适应一定程度的变形,不易破裂;良好的透明性保证了其在光学检测中的适用性;生物相容性使其非常适用于生物样品的分析和检测,对生物分子和细胞的活性影响较小[4]。

纸基材料由于其成本低廉、易于获取和独特的毛细作用驱动特性,在微流控芯片领域受到了广泛关注。纸基芯片利用纸张的毛细作用实现流体的自动传输,无须外部复杂的驱动设备,大大简化了芯片的操作[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较为常见的微流控芯片材料。PMMA具有优异的光学性能,其透光率高,在光学检测方面表现良好,且PMMA具有较好的机械性能和化学稳定性,能够耐受一定的化学腐蚀。

2微流控芯片技术在食品快速检测中的应用

2.1食源性致病菌检测



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食源性致病菌是引发食源性疾病的主要原因之一,严重威胁人体健康和公共卫生安全。传统的食源性致病菌检测方法如细菌培养法,虽被公认为“金标准”,但检测周期长,通常需要数天时间才能得到结果;分子生物学方法如聚合酶链式反应(PolymeraseChainReaction,PCR),虽灵敏度高,但较为依赖大型设备且操作复杂。而微流控芯片技术为食源性致病菌的快速检测提供了新的解决方案。

基于微流控芯片的免疫检测技术在食源性致病菌检测中应用广泛。该技术利用抗原与抗体间的特异性结合原理,将抗体固定在微流控芯片的表面或微通道内,当含有目标致病菌的样品流经芯片时,致病菌表面的抗原会与固定的抗体发生特异性结合。随后,通过标记有荧光物质、酶等信号分子的二抗与结合在芯片上的致病菌抗原进行反应,利用光学或电化学等检测手段对信号进行检测,从而实现对致病菌的快速定性和定量分析。万其武等[开发了一种基于微流控芯片的免疫荧光检测方法,用于检测食品中的大肠杆菌。该方法检测时间短,仅需数分钟,灵敏度高,能够检测出低至 微流控芯片技术在食品快速检测中的应用1 的大肠杆菌,大大提高了检测效率和准确性。

2.2 农药残留检测

农药在农业生产中被广泛使用,以保障农作物的产量和质量。然而,农药残留问题对食品安全和人体健康构成了潜在威胁。传统的农药残留检测方法,如气相色谱法、液相色谱法等,虽然准确性高,但需要昂贵的仪器设备、复杂的样品前处理过程以及专业的技术人员操作,难以满足现场快速检测的需求。微流控芯片技术凭借其独特的优势,在农药残留快速检测领域展现出巨大的应用潜力[7]。

基于酶抑制原理的微流控芯片是农药残留检测的常用方法之一。在微流控芯片中,将含有酶和底物的溶液与经过预处理的食品样品溶液在微通道内混合。若样品中含有农药,农药会抑制酶的活性,导致底物的分解速率降低,通过检测底物分解产物的变化量,即可间接判断样品中农药的残留量。裘一婧等[8设计了一种基于微流控芯片的酶抑制法农药残留检测系统,该芯片采用PDMS材料制作,能够实现对农药残留量的定量分析。该方法检测速度快,仅需几分钟即可完成检测,对常见的有机磷和氨基甲酸酯类农药的检测限可达 μg⋅L-1 级别,且芯片可以多次重复使用,成本较低。

2.3 兽药残留检测

在畜禽养殖和水产养殖过程中,为了预防和治疗动物疾病、促进动物生长,常常会使用兽药。然而,兽药的不合理使用会导致兽药残留问题,对食品安全和公众健康产生潜在危害。微流控芯片技术在兽药残留快速检测方面具有独特的优势,能够为保障动物性食品安全提供有力的技术支持。

免疫分析技术在微流控芯片检测兽药残留中应用广泛。以抗生素为例,基于微流控芯片的免疫检测方法可快速、灵敏地检测食品中的抗生素残留。在微流控芯片的制备过程中,将抗生素特异性抗体固定在芯片的微通道表面或微反应腔室内。当含有抗生素残留的食品样品经过预处理后进入芯片,样品中的抗生素分子会与固定的抗体发生特异性结合。随后加入标记有荧光素、酶等信号分子的二抗,二抗与结合在芯片上的抗体-抗原复合物进一步结合,通过检测信号分子产生的信号强度,如荧光强度、化学发光强度或酶催化反应产物的吸光度等,即可定量分析样品中抗生素的残留量。ZHAO等[开发了一种基于微流控芯片的荧光免疫检测试剂盒,用于牛奶中抗生素残留的快速检测。该方法检测时间短,仅需 15~20min ,检测限可达 0.05μg⋅L-1 ,操作简便,无须专业的仪器设备,适合现场快速检测。

3微流控芯片技术在食品快速检测中的应用展望

3.1 新型材料的不断引入

随着材料科学的不断发展,更多新型材料将被应用于微流控芯片的制备。纳米材料物理化学性质独特,可显著增强芯片的检测性能。碳纳米管具有优异的电学性能和较大的比表面积,将其集成到微流控芯片中,有望开发出高灵敏度的电化学传感器,用于检测食品中痕量的有害物质。

3.2多技术集成与联用

将微流控芯片与微机电系统技术结合,可实现芯片的微型化和自动化控制,进一步提高检测的准确性和可靠性。同时,微流控芯片与人工智能、大数据技术的结合,可通过数据分析和挖掘,实现对食品安全风险的预测和预警。未来,微流控芯片将与更多先进技术实现深度集成与联用,开发更高效、更灵敏的食品快检方法,满足日益增长的食品安全检测需求。

3.3智能化与便携化发展

为了满足现场快速检测和实时监测的需求,微流控芯片将朝着智能化和便携化方向发展。 ① 通过集成微型化的检测设备和智能控制系统,实现检测过程的自动化和智能化操作,减少人为因素对检测结果的影响。 ② 利用无线通信技术,实现检测数据的实时传输和远程监控,方便监管部门及时了解食品安全状况,做出相应的决策。

4结语

微流控芯片技术凭借其独特的优势,在食品快检领域展现出广阔的应用前景,为食品安全检测提供了新的思路和方法。未来,随着材料科学、微加工技术、检测技术、人工智能等多学科的交叉融合与发展,微流控芯片技术有望在新型材料的引入、多技术集成与联用以及智能化和便携化等方面取得突破,进一步推动其在食品快检领域的广泛应用,为保障食品安全提供更有力的技术支持。

参考文献

[1]王迪.食品检验技术现状与挑战:新兴技术的探索[J].中外食品工业,2024(11):67-69.

[2]向钰洁,马学军,申辛欣.免疫芯片检测技术应用研究进展[J].病毒学报,2024,40(4):869-876.

[3]余小妹.三种食源性病原微生物的微流控芯片检测技术研究[D].株洲:湖南工业大学,2024

[4]周可梦.PDMS微流控芯片表面修饰及其在酶固定化中的应用[D].济南:齐鲁工业大学,2024.

[5]玄翠娟.新型纸基微流控分析方法及应用研究[D].西安:西北大学,2015.

[6]万其武,包旭东,丁柯,等.微流控技术在病原微生物检测中的研究进展[J].生物技术通报,2023,39(10):107-114.

[7]朱婧肠,董旭华,张维宜,等.微流控技术在食品安全快速检测中的应用[J].化学试剂,2021,43(5):632-639

[8]裘一婧,贾彦博,张佳凤,等.微流控芯片快速检测技术在铁皮石斛农药残留检测中的应用研究[J].中国现代应用药学,2023,40(15):2131-2139.

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



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