苏州汶颢微流控技术股份有限公司

首页 > 技术资讯 > 技术学院

微流控芯片电泳在食品安全与环境污染检测中的应用

经济的高速发展给人们的生活和工作带来各种便利,但随之而来的各种食品安全和环境污染问题 也越来越多地进入了公众视野。对于食品安全和环境污染问题,尤其是突发性问题,发展简单快捷的实时、现场分析方法十分必要。

微流控分析是指在微米甚至纳米尺度的微通道内进行反应和检测的分析技术,20 世纪 90 年代 初由 Manz 和 Widmer 等提出微全分析系统( Micro total analysis system,μTAS) 后引起了研究者的广泛关注。该技术的核心是利用微流控芯片将样品预处理、生物和化学反应、分离检测等多种基本操作单 元集成在具有微米或纳米微通道网络的芯片上,通过操控流体完成复杂的分析过程,具有样品和试 剂消耗量少、分析时间短、易实现大规模平行测定等优点。利用微流控分析技术可以方便地实现分析系统的小型化、集成化与便携化

目前,微流控分析系统的应用研究已扩展到生物医药、环境监测、食品卫生等领域,具有良好的应用前景。从研究角度看,微流控分析在食品和环境领域的应用正在蓬勃发展,在 Scifinder 中以 Microfluidics & food 和 Microfluidics & environmental 为关键词搜索 2002 ~ 2013 年间发表的论文,可观察到其数量逐年上升。针对食品和环境方面的应用也有大量综述发表。Atalay 等总结了微流控技术在食品分析方面的应用,讨论了微流控技术在应用方面所面临的主要挑战以及目前的发展趋势,并提出实际食品样品的分析需要构建集成多种单元组件的多功能微流控平台; Neethirajan 等对微流控技术在食品、农业和生物系统方面的应用进行了归纳; 汪美凤等则综述了微流控芯片技术在食品添加剂、重金属、农药残留等食品化学分析中的应用; Jokerst 等对近期微流控技术在环境分析中的应用加以总结,提出了该方向的发展趋势; Li 等对基于微流控平台的集成样品预处理单元、 分离模式、检测方法和微流控传感器在环境分析中 的应用进行了总结; Chen 等则详细综述了基于 电化学检测的微流控芯片电泳在环境污染物检测方面的应用及研究进展。本文的焦点主要集中在微流控芯片电泳方面,从其在食品、环境领域的典型应用研究出发,讨论其走向实际应用的障碍和可能的解决途径。

1.微流控芯片电泳简介

微流控芯片电泳是传统毛细管电泳的拓展。该技术继承了毛细管电泳分离效率高、试剂消耗小等优点,同时还具有分析速度快、便于微型、更易集 成等特点,属于研究最深入的微流控分析技术之一,非常适合多组分快速分析。通常用于电泳的芯片微通道结构有 “T” 字 形、双 “T” 形 和 “十”字形( 图 1) ,可采用的进样方法有四路高压夹切进样、门控进样和负压夹切进样等。常用的检测方法有安培法、电导法、化学发光法、荧光法以及质谱( MS) 法等。 均匀、光滑的微通道是保证芯片电泳分离效率的关键,消除微通道对待测物和样品基体的非特异性吸附对实现高效分离也必不可少。因此,新型的芯片制作方法和微通道表面改性技术一直是芯片电泳研究的主要内容。课题组采用改进的金属丝热压法实现了环烯烃共聚物( COC) 芯片的低成 本快速加工,并成功应用于多类样品的芯片电泳分析

图 2 常用于微流控芯片电泳的通道结构示意图

2 常用于微流控芯片电泳的通道结构示意图

2.微流控芯片电泳的应用

2.1 食品安全

食品从种植养殖、生产加工、市场流通,再到消费者口中,任何一个环节把关不严均可能引起食 品安全问题。一般来说,食品安全问题常来自以下方面: 农业种植业超标使用化肥、农药; 畜牧和 水产养殖业滥用激素、抗生素; 食品的生产、加工,或者制造过程中添加有毒物质; 超量使用食品添 加剂; 食品生产设备技术落后、卫生条件不合格与食品流通过程中带来的微生物污染。微流控芯片电 泳在上述领域均有应用,典型实例见表 1。

2.1.1 有毒物质残留检测

草甘膦、草铵膦因具有活性高、杀草谱广等特点,使用面极广。但这些 水溶性除草剂的滥用很容易导致其在农产品中的高残留量,而其色谱测定方法较为繁琐。Horcˇ icˇ iak 等通过在柱 - 偶联芯片对饮用水进行了在线等速电泳样品预处理,并用电泳对其中的痕量草甘膦进 行了测定,进样量仅需 9. 9 μL 便可得到 2. 5 μg /L 的检出限。Wei 等建立了一种激光诱导荧光 - 芯 片电泳快速高效无干扰地检测草甘膦和草铵膦的新方法,并系统优化了分离条件,在含有 10 mmol /L 硼砂和 2. 0% 羟丙基纤维素的分离缓冲液( pH 9. 0) 中,草甘膦和草铵膦能从样品基质中成功分离,理论塔板数高达 1. 0 × 106 /m,相应的检出限分别为 0. 34,0. 18 μg /L。在不经任何样品富集的条件下, 该方法被成功用于黄河水样、西兰花、大豆中草甘膦和草铵膦含量的检测。da Silva 等报道了一种 快速、简单、重复性好且可直接检测草甘膦及其代谢物甲基膦酸的方法,通过微流控芯片电泳 - 电感 耦合非接触式电导检测,无需任何样品预富集步骤,对二者的检出限分别为 45. 1,70. 5 μmol /L,并成 功用于河水样品的检测。

氟乙酸钠是一种很常用的灭鼠剂,水溶性极好,在溶液中无色无味,对动物和人有很强的毒性。 Lu 等建立了一种非接触式电导检测 - 芯片电泳法对果汁和自来水中氟乙酸钠进行快速定量检测。该 方法无需样品预处理,整个检测过程不超过 5 min,对自来水和橘子汁的检出限分别为 125,176 μg /L。

酪胺和组胺是在发酵饮料中发现的对健康危害最大的两种生物胺,它们易导致敏感体质人群头疼、 呼吸紊乱等症状。Jayarajah 等研制了一种用于检测发酵饮料中的酪胺和组胺的便携式微流控芯片电 泳检测设备。待测物结构中的伯胺基团可被荧光胺衍生,从而能够进行激光诱导荧光检测,实验使用 了 21. 4 cm 长的分离通道,电泳过程仅需 120 s。基于此方法,作者研究了红酒、米酒等样品中的酪胺 和组胺含量,发现它们是伴随着酵母和乳酸的发酵过程而产生。

2. 1. 2 抗生素检测

抗生素在畜牧业中被大量用于防治胃肠和呼吸道疾病,但滥用或处理不当会 导致药物在动物食品中高浓度残留。Wang 等利用微流控芯片电泳 - 激光诱导荧光检测技术,建立 了一种简单、快速、灵敏地测定牛奶和鸡肉中磺胺类抗生素残留的分析检测方法,通过使用添加剂聚 乙烯醇,在微通道内形成硼酸和 PVA 的络合物,显著改善了分离效率,达到了快速、高效分离分析的 目的。在最优条件下,可在 1 min 内分离磺胺、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲 唑、磺胺喹 啉 4 种磺胺类 物质,检出限和线性范围分别为 0. 2 ~ 2. 3 μg /L 和 0. 6 ~ 7. 7 μg /L。

Ding 等报道了 PDMS 微流控芯片电泳 - 电化学检测牛奶中 5 种氨基糖苷抗生素( 壮观霉素、链 霉素、阿米卡星、巴龙霉素、新霉素) 的方法,检测电极由铜 - 锡 - 镉合金电沉积制得。该研究的特点 是通过两条辅助通道来实现待测物在酸性介质中的分离,而在碱性介质中进行安培检测,在最佳分离 和检测条件下对阿米卡星和壮观霉素的检出限分别为 2. 1 μmol /L 和4. 6 μmol /L。García 等利用微流控芯片电泳 - 脉冲安培检测法对糖、氨基酸和含硫抗生素进行分离测定,采用微金丝电极,对青霉素 和氨苄青霉素的检出限均为 5 μmol /L。

Lee 等设计了集预富集、分离、安培检测为一体的微流控芯片,在此基础上利用胶束电色谱 - 安培法对韩国牛肉中的 4 种四环素类抗生素( 四环素、土霉素、氯四环素和多西环素) 进行检测,检出 限为 1. 5 ~ 4. 3 nmol /L,显示了微流控芯片电泳多功能集成的优势。

2. 1. 3 非法食品添加剂的检测

一些化合物可被加入食品中改善颜色、香味、口感,以及保持食品 的稳定性和抑制细菌的生长,这些添加剂含量在一定范围内对人体并无害处。但一些不法厂商受利益 驱使会向其中添加一些对人体有害的物质。因此,建立快速可靠的非法食品添加剂鉴定方法很有必要。 Dossi 等采用微流控芯片 - 电化学检测方法对软饮料和糖果中的 5 种偶氮类颜料( 颜料黄 AB、 红 2G、日落黄、新胭脂红和苋菜红) 进行了检测,检出限为 3. 8 ~ 15. 1 μmol /L,方法可在 300 s 内完成 测定。Lee 等也用微流控芯片电泳 - 电化学方法测定了果汁、酒、鱼、面条以及胡椒粉中的染料( 亮 蓝 FCF、靛蓝、固绿 FCF、苋菜红、赤藓红、诱惑红、胭脂红 4R、酒石黄、晚霞黄 FCF) 含量,利用 在线预富集使检测灵敏度相比传统的胶束电动色谱 - 电化学方法提高了 10 800 倍,检出限低至 1. 0 ~ 5. 0 nmol /L。vila 等利用微流控芯片电泳 - 电化学检测方法在 200 s 内分离了香草醇、乙基麦芽酚、 麦芽酚、乙基香草醛和香草醛 5 种食物香料,检出限为 0. 09 ~ 0. 31 mmol /L,并在实际样品分析中重点 关注了香草醛和乙基香草醛,因为它们是食品香味掺假的主要来源。

2.2 环境安全

2. 2. 1 有害无机离子的检测

高氯酸盐可以竞争性地抑制甲状腺对碘化物的吸收,长期接触高氯酸 盐会导致胎儿和婴儿的神经紊乱,也可能引发甲状腺肿瘤。Gertsch 等报道了一种基于接触式电导检测的微芯片电泳设备用于水中 ppb 级高氯酸盐的检测。该研究利用两性表面活性剂的胶束假固定相来 选择性地保留高氯酸盐,对饮用水中高氯酸盐和其竞争阴离子进行了分离,其中对高氯酸盐的检出限 可达 5. 6 ppb,检测时间只需 60 s。

Liu 等利用非接触电导检测的微流控芯片电泳设备分离了无机离子和重金属。所用检测电路基 于锁相放大器,对水中无机阳离子的检出限为 0. 4 μmol /L,优于其它非接触式电导检测器。卤乙酸有 毒性和致癌性,严重危胁人体健康,Ding 等采用基于非接触式电导检测器的微流控芯片电泳系 统对卤乙酸( 二氯乙酸和三氯乙酸) 进行检测,结合固相微萃取技术,对游泳池水中 3 类卤乙酸的检出 限低至 38 ~ 500 ppb。

Som - Aum 等基于杂多酸配合物的鲁米诺化学发光将化学发光检测( Chemiluminescence,CL) 用 于水样中砷酸盐含量的测定,应用鲁米诺和 VMoAs - HPA( Vanadomolybdoarsenate heteropoly acid) 提高 了灵敏度和选择性,消除了 Co2 + ,Cu2 + 和 Fe2 + 的干扰,方法相对简单,有现场检测低浓度污染物的潜 力。该方法对五价砷离子的线性范围为 1. 0 × 10 - 7~ 5. 0 × 10 - 5 mol /L,检出限低至 8. 9 × 10 - 8 mol /L。 Deng 等利用芯片电泳 - 吸光度检测法,通过加入有色的金属螯合剂对 6 种与环境污染相关的有 毒金属离子( Cd2 + ,Pb2 + ,Cu2 + ,Co2 + ,Ni2 + 和 Hg2 + ) 进行分离检测。通过 C18硅胶微柱上金属螯合剂 和固相微萃取的结合使方法灵敏度提高了几百倍,对 Cd2 + ,Pb2 + ,Co2 + ,Ni2 + 的检出限分别为 6. 0, 1. 8,0. 15,0. 48 μg /L。

2. 2. 2 有机污染物的检测

内分泌干扰物是能干扰人类或动物内分泌系统诸环节并导致异常效应的 物质,包括杀虫剂、除草剂、杀菌剂、增塑剂、表面活化剂、有机金属、卤代杂环烃、植物雌激素等。 Ha 等利用基于安培检测器的微流控芯片电泳设备对双酚 A、苯酚、苯基苯酚和壬基苯酚 4 种内分泌 干扰物( Endocrine disrupting species,EDCs) 进行了检测,样品经普鲁士蓝修饰的氧化铟锡( ITO) 薄膜电 极和蛇形的分离通道,在 2 min 内可实现分离,检出限为 59 nmol /L。

芳香胺及其衍生物有毒,能够通过吸入、食入或透过皮肤吸收而导致中毒。其中一些芳香胺衍生 物还具有致癌和致突变的作用,即使在低浓度下,对动物和人体也具有致癌性。Li 等使用荧光染料 异硫氰酸荧光素( FITC) 对违禁芳香胺进行标记,通过在缓冲溶液中添加羟丙基纤维素,对 5 种芳香胺 ( 邻甲苯胺,2,4-二甲基苯胺,对氯苯胺,4,4'-二氨基二苯甲烷和联苯胺) 进行分离测定,仅需 90 s 便可实现 5 种芳香胺的分离。

Broyles 等建立了用于蒽、芘、1,2-苯并芘和苯并 α 芘 4 种多环芳烃( PAHs) 分离和检测的微芯 片电泳方法。利用 325 nm 的 He - Cd 激光器对 PAHs 进行激发,在 350 nm 处检测荧光,这 4 种多环芳 烃的检出限分别为 3. 1,1. 0,8. 1,17 nmol /L。

Hilmi 等建立了一种微芯片电泳 - 安培法对土壤和地下水中的爆炸物进行检测,4 min 内可实现 TNT 和其它 4 种硝基爆炸物( RDX,2,4-DNT,2,6-DNT,2,3-DNT) 的分离检测,检出限为 100 ~ 200 μg /L。

Wang 等发展了一种将微芯片电泳与厚膜安培检测器相结合的微型化分析系统,用于分离检测 有机磷神经毒剂化合物。该系统使用 72 mm 长的分离通道和 2 000 V 的分离电压,4 种有机磷农药( 对 氧磷、甲基对硫磷、乙基对硫磷和杀螟硫磷) 在 140 s 内可达到基线分离,检出限分别为 0. 21,0. 40, 4. 48,1. 06 ppm,该方法被成功用于河水样品的检测。

1 微流控芯片在食品安全与环境分析中的应用

表 1 微流控芯片在食品安全与环境分析中的应用

表 1 微流控芯片在食品安全与环境分析中的应用

3.微流控芯片电泳存在的问题及解决办法

从上述研究可以看出,微流控芯片电泳是一种非常理想的用于食品和环境分析的快速现场检测技术,但目前为止实际分析应用较少。表观的原因有商品化仪器设备缺乏、芯片价格昂贵、与芯片配套 的外围设备微型化不够等。但商品微流控芯片电泳仪器用量较少并不是技术原因,多年来已有许多微型化芯片电泳整机研究的报道,工业界现有的仪器制造水平也完全能够满足要求。目前微芯片售 价高主要是由于用户太少所致,实际生产中塑料芯片的加工成本很低。

此外,分析对象较少,对操作人员的技术和使用环境的要求高,重现性等方面与传统色谱相比尚 有不足等也是阻碍微芯片电泳走向实用的因素。采用激光诱导荧光检测往往需要样品衍生,对于电化 学检测而言,若待测物无电化学活性,也需要衍生之后方可进行检测; 一些操作细节也会影响分析结果的重现性。 为解决这些问题,促进微流控芯片电泳在实际工作中的应用,研究人员在方法建立阶段可充分考 虑上述因素,根据检测对象选用适合的检测器,并采用合理手段来避免压力差引起的流动的影响,从而建立简单易行的通道改性方法,进一步降低芯片制作成本。作为一种尝试,课题组采用金属丝热压法制作芯片,在较大的微通道( I. D. 70 ~ 80 μm) 中利用多功能添加剂减小压力流动的影响并同时实现动态改性,方法的可靠性和分析效率均有明显改善。此外,仪器生产厂商应该更注重设备的 集成和智能化程度,在提供整机设备的同时提供针对特定分析物的预充了缓冲溶液的芯片,省去用户的芯片预处理及清洗操作,从而真正发挥微流控分析的优势。

已有的研究结果表明,微流控芯片电泳可成功应用于食品安全和环境污染的快速分析,试剂消耗量少、操作简单、容易微型化和智能化等优点使其成为便携式多参数、多成分检测的理想手段,有巨大的应用潜力。该技术不仅可以作为质检、环境保护的工具,当其微型化和智能化水平发展到一定阶段时, 它甚至可能走向家庭,成为人们检查食品、环境质量和健康状况的日常用具。尽管目前该技术的实用化仍有诸多困难,但其具有的多功能集成化潜能是重要优势,相信随着人们对便携式、多功能检测设备需 求的增加以及研究的深入,当前面临的各种问题都会找到有效的解决途径,最终实现该技术的普及。

(文章来源分析测试学报第34卷 第3 doi: 10. 3969 / j. issn. 1004 - 4957. 2015. 03. 005 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:   微流控芯片电泳 食品安全 环境污染检测