首页 期刊 论文范文

微流控技术在食品安全快速检测中的应用

所属栏目:农业工程科学论文 发布日期:2021-03-20 10:01 热度:

   随着全球工业生产力的充分释放,食品工业得到了迅猛的发展,但食品中重金属、添加剂含量超标,农兽药残留、微生物污染等食品安全事件频频发生,使食品安全成为全球性话题[1-3]。解决食品安全问题需要对食品生产、加工、流通进行全过程监控,食品安全分析与检测成为控制食品污染和监督的重要手段,由于食品组分复杂、干扰杂质多,对食品中特定残留物或组分的快速现场检测成为分析领域的主要难点之一[4]。按照我国目前现有的检验标准,食品安全检测需在有资质的实验室采用传统检测技术进行检测,即高效液相色谱法(High Performance Liquid Chromatography, HPLC),气相色谱法(Gas Chromatography, GC),液相色谱法(Liquid Chromatography, LC),气相色谱-质谱法(Gas Chromatography-mass spectrometry, GC-MS)等检测技术,上述技术虽具有适用范围广、选择性强、可进行多残留分析且定性定量的优点,但通常需要昂贵的大型仪器,且前处理复杂,需要专业的操作人员进行分析检测,难以满足对食品进行现场、实时、快速、便携化检测的需要[5]。因此,在面对大量产品检测需求和食品安全的严峻挑战下,研制出对食品中危害物可以快速无损、可在线检测的技术和方法具有重要意义。

微流控技术在食品安全快速检测中的应用

  微流控芯片(Microfludic chip),又称微全分析系统(Miniaturized total analysis systems, μTAS),也可称为芯片实验室(lab-on-a-chip),是以分析化学为基础,微机电系统(Micro electromechanical systems , MEMS)为依托,将样品预处理、分离、检测等过程集成在几平方厘米的芯片上,依靠表面张力、流体阻力、能量耗散等一系列特殊效果来控制流体流向、缩短反应时间的微型实验室[6,7]。相对于现有检测技术的缺陷,微流控技术具有的高密度微观结构,实现了样品预处理和后续分析的小型化、自动化、集成化[8]。微流控技术不仅与生物、化学、医学、电子、材料、机械等学科进行了完美融合,使传统检测方式与分析过程发生改变,更通过与智能手机、平板电脑等便携设备的联用,使微流控技术在智能化领域取得了重要突破。目前,微流控技术已在细胞生物学、遗传分析、化学成分分析等领域得到了广泛的应用,其在市场的年增长率正在逐年增加,预计 2019 年市场收入将超过 30 亿美元,且根据不完整数据显示,全球已有 31 个国家的 269 家公司、35 个研究机构和 118 个大学研究小组积极参与微流控系统的方法、流程、工具和设备的开发[9-11]。本文综述了近 5 年微流控技术在农药残留、重金属、生物毒素、食物过敏原、食源性致病菌等食品安全快速检测方面取得的一系列重要进展,为微流控技术在食品安全分析中的理论提供了依据。

  1 微流控芯片概述

  1990 年,Manz 等[12]首先提出了微全分析系统(μTAS)的概念,并在 1993 年,利用微机电加工技术在平板玻璃上通过对微管道的刻蚀制备了芯片毛细管电泳装置,实现了荧光标记氨基酸的分离[13]。微流控技术作为微全分析系统的分支,通过与比色、电化学、荧光光谱等多种检测技术结合,将生物、化学分析的所有必要步骤集成在 10~200 mm 的微尺度通道[14]。与传统方法相比,微流控技术满足了即时检测的需求,且在一定程度克服了培养时间长、前处理复杂的缺点,其具有的小型化、高通量、快速、集成化和消耗少等优点,被各国科学家充分利用[15]。其中合成化学家利用小型实验室合成新的分子或材料,生物学家利用微流控芯片研究复杂细胞在细胞生物学中的广泛应用,分析化学学家通过装置对有机和无机化合物进行检测和测定[16-18]。目前,微流控芯片是由硅、玻璃、石英、有机聚合物和复合材料通过微加工技术制成的,表 1 列出了用于制造微流控芯片的不同材料及其优缺点[19]。

  2 微流控技术在食品安全快速检测分析中的应用

  目前,食品中的危害因子有多种,按性质将其分为生物性危害、化学性危害、物理性危害以及其他危害,其中以生物性危害和化学性危害最为普遍。生物危害主要为食源性致病菌、生物毒素和食物过敏原等,化学危害主要为农药残留、重金属残留等。由于食品从农场到餐桌均有可能受到危害因子的污染,因此,对该类食品危害物进行有效监控,是保证食品安全的重要举措。微流控技术平台作为一种新兴的快速检测平台,正在逐步显现其在食品安全快速检测领域的应用价值,本文就微流控芯片技术在农药、重金属、过敏原、生物毒素、食源性致病菌等方面的应用进行了综述。

  2.1 在农药残留检测方面的应用农药,作为防止病虫侵害、调节植物生长的重要化学品,在得到了广泛应用的同时,也威胁着人类的身体健康,因此,农药残留检测在保证消费者健康安全方面具有重要意义[31]。目前,农药的快速检测多以酶抑制法展开,即利用农药的毒理特性,对农药进行特异性检测。 Satake 等[32]利用酶抑制法制备了一种小型微流控装置,对有机磷农药(OPs)实施检测。其中微通道由主流道和辅助流道组成,通过对主流道施加压力,使乙酰胆碱与含有乙酰胆碱酯酶和有机磷农药的标准溶液进入辅助流道的菱形阵列中进行混合,农药的存在抑制了酶的活性,减少了水解产物的产生,使传感区电极产生的电信号受到影响。其对马拉硫磷的检出限为 33.00 nmol/L,对甲胺磷、甲胺磷和二嗪农的检出限 90.00 nmol/L。在此基础上,Hu 等[33] 采用相同的抑制机理制备了基于乙酰胆碱酯酶的微流控荧光传感器,用于有机磷酸酯类农药的检测。量子点气凝胶在乙酰胆碱酶对乙酰胆碱的水解作用下,发生荧光猝灭。有机磷农药作为乙酰胆碱酯酶的有效抑制剂,其存在使量子点气凝胶的荧光强度恢复。研究表明,该微流控阵列传感器在有机磷农药的快速检测方面具有良好的灵敏度,检出限为 0.38 pmol/L,检测范围为 1.00×10−5~1.00×10−12 mol/L。

  2.2 在重金属检测方面的应用食品中的重金属污染主要是指由生物毒性显著的重金属元素引起的污染,如砷、汞、铜和铅等,长期接触此类元素可能会导致癌症或其他相关疾病,如日本发生的水俣病、痛痛病就是由于长期食用受到汞和镉所污染的食品而导致的,目前,重金属污染已被列为影响食品安全的主要危害之一[36]。因此,开发快速、可靠的重金属检测方法具有重要意义。传统实验室中重金属的检测方法主要包括原子吸收光谱法(AAS)和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等,但由于其成本和分析时间的限制,使它们在现场筛选和监测中无法应用,微流控技术的出现实现了对重金属离子的原位测量。Park 等[37]通过微流控样品预处理装置与 DNA 适配体连接的光致发光氧化石墨烯量子点(GOQD)传感器的结合,实现了对 Pb2+ 的检测。如图 2 所示,该平台在蠕动式聚二甲基硅氧烷(PDMS)微泵与阳离子交换树脂的作用下实现了对微量金属离子的预浓缩,Pb2+与 GOQD 上 DNA 适配体的特异性相互作用形成 G-四联体,在紫外线照射下诱导电子转移,GOQD 发生荧光猝灭效应。研究表明,该传感器对 Pb2+具有较高检测能力,其检出限为 0.64 nmol/L,线性范围为 1.00~1000.00 nmol/L。 Hong 等[38]设计了带有微孔 Mn2O3 修饰的丝网印刷电极的 3D 打印微流控装置。整个装置由 Mn2O3 修饰的丝网印刷电极、便携式 3D 打印单元、通用串行总线 USB 接口、蠕动泵和平板电脑组成,通过 USB 与平板电脑的连接对 Pb2+进行了实时监控,并利用有限元方法(FEM)对微流控单元参数完成了优化,实验结果显示这一操作对提高该装置的检测限、灵敏度、选择性和重现性具有重要意义,其对 Pb2 +的检出限为 0.20 µg/L。滤纸作为目前微流控技术的首选材料,在重金属检测中得到了良好的应用。Kingkan 等[39]制备了基于丝网印刷石墨烯电极的纸基微流控电化学检测平台,用于同时检测锡和铅。为了提高装置的电化学性能,文章将铋纳米粒子修饰在丝网印刷的石墨烯电极上,并利用表面活性剂改变重金属的氧化还原电势、扩散系数和电子传递系数,防止检测过程中出现重叠峰。其对铅和锡的检出限分别为 0.26、0.44 ng/mL。

  2.3 在食物过敏原检测方面的应用食物过敏主要是由食物中的糖蛋白引起的不良免疫反应。近年来,食物过敏发病率的显著增加,给患者的生活质量以及社会经济带来了巨大的压力,发达国家每年对食物过敏儿童的总体经济支出便高达 248 亿[40]。但目前,对于食物过敏尚没有明确的治疗方法,预防过敏反应的唯一方法就是严格避免摄入含有过敏成分的食品。因此,开发便捷、高效的过敏原检测技术是防止食物过敏的主要途径。Jiang 等[41]通过测量食物过敏原诱导的细胞形态变化,制备了一种用于检测食物过敏原的细胞间电化学微流控芯片,如图 3 所示,通过在微通道对 ANA-1 巨噬细胞和 RBL- 2H3 肥大细胞进行平行培养,观察二硝基苯化牛血清白蛋白(DNP-BSA)对培养细胞的刺激产生炎性细胞因子时细胞抗阻的变化,实现了对过敏原的实时监测。Neethirajan 等[42]利用量子点-适配体-氧化石墨烯复合物作为探针建立了微型生物传感器,基于适配体共轭量子点吸附和解吸过程中氧化石墨烯发生荧光猝灭和恢复的特性,成功检测了花生中的主要过敏原 Ara h1 蛋白,结果表明,该芯片仅需 10 分钟便可对过敏原完成定量检测,其检出限为 56.00 ng/mL。小麦中所含的谷蛋白是引起食物过敏的重要因素,在美国,有 10%的食物过敏与谷蛋白相关。Weng 等[43]通过酶联免疫法与微流控分析装置结合对小麦面筋蛋白进行了定量比色检测。通过对饼干、无谷蛋白面粉中小麦面筋蛋白的分析,证明了微流控的酶联免疫生物传感器卓越的检测性能,与商业 ELISA 试剂盒相比,微流控平台灵敏度更高,试剂消耗更少,检测速度更快,具有良好的发展前景。

  3 展望

  微流控芯片作为集物理、化学、纳米技术、工程研究等多学科为一体的新兴技术,其出现不仅为未来食品安全分析行业提供了良好的分析平台,甚至在分析领域取得了革命性的突破。目前,微流控技术已经在环境监测、食品科学、药物筛选、疾病诊断等领域展现出巨大的潜力,但距离市场化应用仍有一些距离,因此,开发新材料和新加工方法是推进微流控技术发展的重要手段。为了实现市场商业化,当前研究者的研究工作主要集中在提高灵敏度和自标定分析上。除此之外,将其他分离和检测技术集成到微流控系统,如荧光、比色、电化学检测等技术的成功应用提高了微流控芯片的分析性能,与智能手机、APP 的联用实现了实验室的便携化与智能化。

  综上所述,微流控技术将复杂的传统装置转化为简单高效的微尺度器件,其所具有的便携性、即时性等优势在检测领域展现出了巨大的发展前景,随着微流控技术的不断完善和改进,微流控技术将成为食品工业健康快速发展的主要推动力,为广大群众的饮食健康提供有效保障。

  参考文献:

  [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] 邓秀武,高亚娟,司海丰,等. 食品化学污染物的风险监测质量控制要点归纳分析[J]. 粮食流通技术, 2016, 5(9): 5-8.

  《微流控技术在食品安全快速检测中的应用》来源:《化学试剂》,作者:朱婧旸 1,2,董旭华 1,2,沈佳彬 1,2,刘海泉 1,2,赵勇*1,2,朱永恒*1,2

文章标题:微流控技术在食品安全快速检测中的应用

转载请注明来自:http://www.sofabiao.com/fblw/nongye/gongcheng/45266.html

相关问题解答

农业工程科学论文

搜论文知识网的海量本科毕业论文、硕士论文及职称论文范文仅供广大读者免费阅读使用! 冀ICP备15021333号-3