微流控芯片在食品安全分析中的应用进展 - 汶颢股份
首页 > 技术资讯 > 技术学院

微流控芯片在食品安全分析中的应用进展

微流控芯片技术可以实现从样品处理到检测的微型化、自动化、集成化及便携化,因而在食品安全检测方面展现出强大的发展活力。目前微流控芯片技术在农药残留、兽药残留、重金属、食品添加剂等食品安全检测方面已取得了一系列重要进展。

食品安全分析检测是控制食品污染的重要手段,传统检测技术往往通过分离技术结合检测仪器对污染物进行定性和定量分析,虽具备一定的优势,但是存在仪器昂贵、需要专业操作人员、试剂 和样品消耗量大、灵敏度较低等局限,难以满足对食品进行现场、实时、快速、微量化、集成化、便 携化的检测需要

1.农药残留的检测

农残检测是食品安全检测的重点,目前微流控芯片主要用于有机磷类、氨基甲酸酯类、有机氯类、除草剂类等农药残留的检测。

图 1 微流控芯片的主要功能(A)及常见微流控芯片通道结构(B)

1 微流控芯片的主要功能(A)及常见微流控芯片通道结构(B)

1.1 有机磷类农残的检测

Wang 等设计了一种检测水中有机磷农药残留的微流控芯片,这种芯片将毛细管电泳芯片与厚膜测量电流传感器耦合,其对杀螟松、对氧磷和甲基对硫磷的检出限分别达到 1. 06,0. 21,0. 4 μg /mL, 检测时间均小于 140 s; 2004 年,Wang 等设计了一种用于有机磷神经毒气和有机磷农残毒性筛选的微流控芯片,该芯片主要通过前置柱与有机磷水解酶反应,得到的磷酸产物通过电泳分离,并用非接 触电导检测。相比于以有机磷水解酶为基础的生物传感器,这种新型生物芯片可以方便地区别单独的有机磷复合物,并首次实现了非接触电导检测仪检测酶产生的产物。该新型微系统由于具有高速、高 效、样本小、成本低等优势,可以用于田间有机磷农药和神经毒素的筛选。Lee 等在聚二甲基硅氧烷微流控通道上使用共焦增强拉曼光谱对甲基对硫磷进行检测,检出限为 0. 1 μg /mL。郭红斌等利用反应产物对光的吸收原理制作出一种用于检测有机磷农药的聚二甲基硅氧烷微流控传感器,该传感器集成了光纤和用于固定有机磷水解酶的 SU - 8 圆柱,对不同浓度的有机磷农药均具有良好响应。

1.2 氨基甲酸酯类农残的检测

Smirnova 等设计了一种具有新通道的微流控芯片用于氨基甲酸酯类农残的高效萃取。将西维 因、克百威、残杀威、虫威 4 种氨基甲酸酯类杀虫剂水解成相应的萘酚后,加入对硝基苯、氟硼酸 盐试剂,再萃取到 1-丁醇中作为有色偶氮衍生物,然后用热透镜显微镜检测,检出限可达 ng 水平,比传统分光光度方法的检出限低至少2个数量级。 Smirnova 等设计了一种集水解、偶氮衍生、 液液萃取、胶束电色谱分离、热透镜检测于一 体的集成硅芯片(图 2),用于西维因、克百威、 残杀威、 虫威 4 种氨基甲酸酯类农药的分离检测。将西维因在碱性介质中水解出的 1-萘酚 与三甲基苯胺重氮化,通过甲苯萃取其中的有 色含氮染料,并用热力透镜显微镜(TLM)检测, 在 3. 4 × 10 - 7~ 3. 5 × 10 - 6 mol /L 范围线性较好, 检出限为 7 × 10 - 8 mol /L。

图 2 微芯片上西维因的检测

2 微芯片上西维因的检测

1.3 有机氯类物质的检测

Khummueng 等设计了一个二维的气相色谱(GC × GC)双重检测系统,该系统将微流体分离设备 连接到平行检测器上,通过耦合氮磷检测(NPD)和电子捕获检测(ECD)对蔬菜中的多类农药(包括 17 个有机氯农药、15 个有机磷杀虫剂和 9 个含氮的杀真菌剂)进行检测。结果表明农药残留的分离效率得到了改进,产生了更大的响应,达到了更高的准确度。Aota 等采用多层毛细管柱和微流控液液分 区对变压器油中的多氯联苯进行预处理,可在 2 min 内完成多氯联苯的分解及油的分离,得到洗脱液 中的多氯联苯浓度显著高于传统蒸馏方法。

1.4 除草剂类农残的检测

Lefévre 等研制了一种以聚二甲基硅氧烷( PDMS) 为基底,以莱茵衣藻( Chlamydomonas reinhardtii)为指示对象,集成了有机二极管(OLED)和有机光电探测器(OPD)的微流控芯片,将其用于水 体中敌草隆的检测,检出限达 11 nmol /L。

Islam 等使用标准光刻法设计了一种将毛细管电泳与内通道脉冲安培检测联用的微流控芯片, 并将其用于 3 种常见的三嗪类除草剂(莠去津、西玛津、莠灭净)的分离和检测,方法简单、快速。da Silva 等设计了一个长 150 mm,宽 12 mm,进样长度 10 mm,分离长度 40 mm 的聚酯碳粉微流控芯 片,结合电容耦合非接触电导检测和电泳分离分析了草甘膦及其主要代谢产物氨甲基膦酸(AMPA)。 在无任何预富集的条件下,对草甘膦和氨甲基膦酸的检出限分别达 45. 1,70. 5 mol /L,方法简单、快 速、直接。Wei 等将激光诱导荧光检测器与微流控芯片电泳结合,采用一次性环烯烃共聚物微芯片 和低成本的光诱导荧光检测器实现了最小化的分析成本,从而建立了一种快速和抗干扰的检测草甘膦 和草铵膦的方法,成功检测到 0. 34 μg /L 草甘膦和 0. 18 μg /L 草铵膦。由于这种方法的分析速度快、 抗干扰能力强,被认为是潜在的现场快速筛查水中和农产品中除草剂残留的分析方法,是微流控系统 用于现实分析的一个成功案例。

2.兽药残留的检测

目前,微流控芯片技术用于抗生素类兽药残留检测的研究较多,如 Fesenko 等使用丙烯酰胺保护菌细胞的活性,从而将活的大肠杆菌固定在生物芯片上用于检测抗生素。Garcia 等将芯片电泳与脉冲安培检测相结合成功检测了青霉素和氨苄青霉素,检出限达 5 μmol /L。裴翠锦等采用微流动注射芯片化学发光法成功地测定了鱼虾中的四环素残留,方法的线性范围为 0. 2 ~ 10 μg /mL,检出限为 0. 017 μg /mL。Lee 等制备了一种集富集、分离、电化学检测为一体的用于四环素系列抗生素检测 的微流控芯片,对牛肉样品中四环素、土霉素、金霉素、强力霉素的检出限为 1. 5 ~ 4. 3 nmol /L,与传 统胶束电色谱 - 电化学检测法相比,灵敏度提高了 10 ~ 900 倍。Lu 等将芯片电泳与激光诱导荧光检 测相结合实现了人血清中阿霉素和柔毛霉素的检测,其线性范围为 1 ~ 75 μg /mL,检出限分别为 0. 3, 0. 2 μg /mL

微流控芯片技术用于激素类兽药残留检测也有较多文献报道。Karuwan 等开发了一种微流体与流动注射电化学结合快速检测沙丁胺醇的装置,该装置由 PDMS 微通道和电化学电极玻璃衬底构成, 相比裸电极表现出良好的稳定性和重复性。大连化物所研究人员将微芯片与共聚焦激光诱导荧光 (LIF)扫描仪集成建立了微流控免疫分析系统,制备出三层结构的微流控芯片,利用抗原抗体特异性反 应,可以实现盐酸克伦特罗的高通量检测,达到了较好的检测灵敏度。万德慧等以莱克多巴胺印迹 聚合物为识别元件,以微流控芯片为流通反应池,以化学发光仪作为检测器,通过流动注射分析检测 猪肝和牛肉中的莱克多巴胺,其线性范围为 6 ~ 960 ng /mL

3.重金属残留的检测

Lu 等以 4-(2-吡啶偶氮)间苯二酚(PAR)为金属络合剂和显色剂,与二极管阵列结合制备了一 种用于检测 Co2 + ,V3 + ,Ni2 + ,Cu2 + ,Fe2 + ,Mn2 + ,Cd2 + 等金属离子的微流控芯片,各金属离子的检 出限分别为 0. 47,0. 97,0. 40,0. 41,1. 00,1. 15,0. 54 μg /mL,检测时间均小于 65 s。Lichtfouse 等[27]利用鲁米诺的发光性质,将光刻法与湿法刻蚀技术相结合,使用成本很低的光电探测器,成功研 制出一种将试剂固定在微芯片上,能自动对硝酸钴进行测定的微流控芯片,检出限达 3 × 10 - 11 mol /L。 Nogami 等将微流控芯片电泳与化学发光结合实现了自来水中铜离子的检测,检出限达 7. 5 nmol /L。 Alves - Segundo 等使用发光二极管和光电二极管,搭配低温共烧陶瓷,制造了一种以二苯基甲酰胺 作为显色剂,能连续流动分析六价铬的微芯片(图 3),六价铬在 0. 1 ~ 20 mg /L 的范围内表现出良好的 线性关系,检出限达 50 μg /L。An 等将两个移动的海洋浮游植物细胞固定在微流控芯片中,利用细 胞动力作为高通量传感器的信号,实现了汞、铅、铜等污染物的快速、简单、高通量检测。实验结果 证明将几个灵活、可扩展的功能元件集成在一个芯片设备上,可实现对海洋浮游生物的高通量生物测 定和自动分析,且样品和时间的消耗更少。

图 3 重金属检测微流控芯片系统

3 重金属检测微流控芯片系统

4.食品添加剂的检测

微流控芯片也可用于食品中着色剂、防腐剂、护色剂、增白剂、漂白剂及香料等食品添加剂的检测Law 等首次用传统毛细管电泳和芯片电泳电容耦合的非接触电导检测了苯酸盐、山梨酸酯两种 防腐剂和维生素 C,发现该芯片电泳能极大地减少分析时间,方法对饮料中食品添加剂等的检出限达 到 3 ~ 10 μg /mL,分析时间小于 50 s。Liu 等通过两层芯片间夹滤膜的手段发展了一种真空加速微流 体免疫方法(VAMI),比传统的微流体免疫方法具有更高的灵敏度,所需时间更短,对食品中非法添加 物质苏丹红的检出限(LOD)为1 ng /mL,总检测时间为15 min。2007 年,Dossi 等采用芯片电泳与电 化学结合检测了软饮料和糖果中的着色剂颜料黄 AB、新红、日落黄、新胭脂红和苋菜红 5 种偶氮染 料,检出限分别为 3. 8,3. 4,3. 6,9. 1,15. 1 μmol /L,检测时间均小于 300 s。Dossi 等设计了一种新型微流控芯片,这种芯片由于通道出口与工作电极之间没有距离,可以有效防止分析物流出分离通道, 而进入相对较大的检测池,用于检测软饮料和糖果中的着色剂酸性绿 S 和专利蓝,检出限分别为 17,10 μmol /L,线性范围为 50 ~ 2 000 μmol /L,检测时间小于 250 s。Lee 等[35]在芯片上设计了 3 条平行通道用 于着色剂艳蓝 FCF、靛蓝、固绿 FCF、苋菜红、赤藓红、诱惑红、丽春红 4R、酒石黄、日落黄 FCF 的检 测,检出限为 1. 0 ~ 5. 0 nmol /L,灵敏度比传统的胶束电色谱 - 电化学检测法提高了 10 800 倍。Shiddiky 等将芯片电泳与电化学检测相结合实现了水中护色剂———亚硝酸盐的检测,检出限达(0. 09 ± 0. 007) μmol /L。Shiddiky 等将芯片电泳与电化学检测相结合实现了火腿中护色剂———亚硝酸盐的检测,检出 限可达(0. 35 ± 0. 05) μg /mL。刘伟采用微流动注射化学发光法检测了面粉中的增白剂———过氧化苯甲 酰,检出限达 0. 4 μg /mL,线性范围为 0. 8 ~ 100 μg /mL。同样方法检测自来水中漂白剂———次氯酸根的 检出限达 0. 14 μg /mL,线性范围为 0. 3 ~ 100 μg /mL。Crevillen 等利用碳纳米管材料制备微流控装 置,实现了饮食中的香料、抗氧化剂、水溶性维生素和异黄酮的选择性分析。相比于未经修饰的丝网印 刷电极,多壁碳纳米管在食品分析中表现出更快的分离能力和良好的电信号,分辨率提高了 2 个数量级。

 

在食品安全领域,人们对食品安全检测技术提出了更高的要求。微流控芯片不仅可以用于食品体系中化学有害物质的检测,还可以应用于微生物危害的监控及营养物质和功能成分的分析,但目前对于实际样品分析还处于起步阶段。随着芯片研究的深入,未来的微流控芯片发展一方面将结合纳米技术、纳米材料来扩展检测的信号范围和精度,以实现微流控芯片检测方法时间短、检测灵敏度高的要求,从而可能在很大程度上改变食品安全检测领域的研究现状。另一趋势是向着小型化、便携化发展, 通过将光源、激发器、分析组件等检测元件小型化,减小检测的损耗和体积,发展出简易的现场、实时检测分析系统,向着芯片实验室的方向发展。

(文章来源分析测试学报第 34 卷 第 4 期 doi: 10. 3969 / j. issn. 1004-4957. 2015. 04. 019 科学网科学网转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)



标签:   微流控芯片 食品安全