食品中殘留抗生素的微流控分析研究進(jìn)展

劉平麗，李娓婷，陳帥，余少挺，羅志平，饒治*

（1.贛東學(xué)院應(yīng)用工程系，江西 撫州 344000；2.撫州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江西 撫州 344000）

自從青霉素被發(fā)現(xiàn)以來，抗生素的使用挽救了無數(shù)人的生命[1]。大多數(shù)抗生素被用于可食用動(dòng)物，以確保其健康并為人類提供足夠的食物，但抗生素的過度使用正威脅著人類健康和生命安全[2]。食品中的抗生素殘留濃度若超過標(biāo)準(zhǔn)水平，容易導(dǎo)致抗生素殘留以及抗藥性細(xì)菌的產(chǎn)生，如肉組織和蛋中的獸藥殘留會(huì)導(dǎo)致敏感菌株產(chǎn)生抗生素耐藥性，而一些抗生素會(huì)通過食物鏈累積；大環(huán)內(nèi)酯類抗生素作為一種常用獸藥，會(huì)通過動(dòng)物性食物進(jìn)入人體，危害人類健康；人畜使用的阿莫西林類藥物70%都不能被完全吸收，未被吸收的抗生素隨人畜的排泄物流入生態(tài)環(huán)境中，這都給食品安全工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)[3-8]。為保障食品安全，必須要強(qiáng)化對(duì)食品的抗生素殘留檢測(cè)，杜絕食品中抗生素殘留造成的不良影響。因此，我們迫切需要有效的檢測(cè)技術(shù)來監(jiān)測(cè)整個(gè)食品生產(chǎn)鏈中的抗生素殘留。

目前，許多分析技術(shù)已被用于抗生素殘留的檢測(cè)，例如儀器分析方法，生物傳感器和微流控分析等。在這些技術(shù)中，微流控分析因其具有容易操作、低成本、便攜和快速檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而受到極大的關(guān)注。此外，微流控裝置還易于與各種檢測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和報(bào)告系統(tǒng)集成，顯示出所監(jiān)測(cè)食品中的抗生素殘留情況。近十年來，微流控分析技術(shù)在快速分析食品中的有害物質(zhì)方面取得了很大的進(jìn)步。而針對(duì)食品中抗生素殘留的微流控分析技術(shù)的研究，主要集中在三個(gè)方面，即微流控檢測(cè)技術(shù)、微流控器件中的分子識(shí)別材料和制造材料。

1 抗生素殘留物中的微流控檢測(cè)技術(shù)

1.1 熒光檢測(cè)法

熒光檢測(cè)是一種簡單、靈敏且快速的測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)可以利用熒光的各種檢測(cè)參數(shù)，使熒光檢測(cè)非常靈活且性能強(qiáng)大。目前有一種用于檢測(cè)牛奶中氯霉素（CAP）的自動(dòng)微流控?zé)晒夥治鱿到y(tǒng)，這種自動(dòng)化微流控芯片可以同時(shí)用于單個(gè)PDMS 微流控芯片中多個(gè)牛奶樣品的CAP 檢測(cè)，并且只要不到20 min 的時(shí)間即可完成檢測(cè)，檢測(cè)限為0.05 μg/L，回收率達(dá)91%～106%不等。目前也存在一種基于啞鈴狀DNA 介導(dǎo)的信號(hào)放大的CAP 檢測(cè)熒光傳感系統(tǒng)，它已被成功應(yīng)用于檢測(cè)牛奶、魚，這種CAP 傳感器顯示出從10 fm 到10 nm 的寬線性范圍，檢測(cè)限為2 fm[9]。還有一種獨(dú)特的熒光識(shí)別生物材料，其熒光強(qiáng)度將通過結(jié)合四環(huán)素（TC），如四環(huán)素、金霉素、土霉素和多西環(huán)素來淬滅。因此，研究人員構(gòu)建了用于TC 檢測(cè)的PDMS 微流控芯片平臺(tái)。該系統(tǒng)用30 s 內(nèi)的超快速檢測(cè)時(shí)間顯示出結(jié)果，檢測(cè)限為0.09 μg/mL，在加標(biāo)樣品中的回收率范圍為86%～94%。

1.2 化學(xué)發(fā)光檢測(cè)法

化學(xué)發(fā)光檢測(cè)方法通常具有超高靈敏度。當(dāng)化學(xué)發(fā)光技術(shù)與微流控分析系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，很容易建立一種高度靈敏、高選擇性和高通量的目標(biāo)分析方法，這可以減少一些食物基質(zhì)效應(yīng)，但在將樣品引入微流控芯片之前仍然需要進(jìn)行簡單的預(yù)處理。研究人員基于氨基糖苷類化合物氨基糖苷類抗生素對(duì)Cu 催化的魯米諾和過氧化氫化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的抑制，建立了用于檢測(cè)水中氨基糖苷類抗生素的化學(xué)發(fā)光微流控分析系統(tǒng)。此外，還有基于流動(dòng)（注射技術(shù)）的可再生化學(xué)發(fā)光測(cè)定法，用于篩選環(huán)境和食品樣品中的TC。使用注射器過濾器過濾樣品后，可以通過該測(cè)定系統(tǒng)直接進(jìn)行分析。魯米諾-H2O2開發(fā)了由辣根過氧化物酶（HRP）催化的化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)來量化真實(shí)樣品中的TC[10]。該測(cè)定系統(tǒng)可以在30 min 內(nèi)完成單次樣品分析。

1.3 表面增強(qiáng)拉曼散射檢測(cè)

表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）是一種快速、靈敏、多功能和無損的檢測(cè)技術(shù)[11]。然而，由于分析目標(biāo)總是在復(fù)雜的食品基質(zhì)中，仍然需要對(duì)食品樣品進(jìn)行預(yù)處理，以確保檢測(cè)的準(zhǔn)確性、靈敏度和回收率。SERS 微流控系統(tǒng)，可用來檢測(cè)牛奶中微量的氨芐西林。該裝置可以在10 min 內(nèi)完成檢測(cè)，并顯示出10 μg/kg 的低檢測(cè)限和20 μL 的小樣品體積。SERS 傳感器可用來檢測(cè)頭孢曲松。這種傳感器可以快速獲得在線拉曼信號(hào)，在醫(yī)學(xué)和環(huán)境研究領(lǐng)域顯示出巨大的潛力。此外，利用硼酸官能化熒光染料間接檢測(cè)紅霉素的新方法也被提出，該方法可以選擇性地識(shí)別紅霉素，根據(jù)染料SERS 譜的變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)紅霉素的檢測(cè)和定量。

1.4 比色檢測(cè)法

比色檢測(cè)由于其具有簡單性、合理的靈敏度和顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為目前一種非常流行的化學(xué)分析方法。此外，比色檢測(cè)還可以輕松地與計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)便攜式現(xiàn)場檢測(cè)[12]?；诩堎|(zhì)微流控芯片開發(fā)了一種無標(biāo)記檢測(cè)方法，用于檢測(cè)牛奶樣品中的卡那霉素。樣品預(yù)處理后，將樣品混合物加入到測(cè)試區(qū)域，采用RGB 顏色分析技術(shù)，比色傳感器的檢測(cè)限低至3.35 μm。有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種類似于微流控芯片的生物傳感器來檢測(cè)牛奶中的慶大霉素，顯示其快速分析時(shí)間少于2 min，而且檢測(cè)限更低，為300 nm。

1.5 電化學(xué)檢測(cè)法

電化學(xué)檢測(cè)是一種靈敏而快速的目標(biāo)測(cè)量方法，但它通常具有低再現(xiàn)性和高背景噪聲的特點(diǎn)，需仔細(xì)預(yù)處理樣品。通過將微流控裝置與電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合，食品中殘留抗生素的檢測(cè)靈敏度可得到提高，試劑使用量也會(huì)減少。研究人員將膠束電動(dòng)毛細(xì)管色譜（MEKC）與微流控技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種用于分析牛肉樣品中的四環(huán)素的電化學(xué)檢測(cè)方法。該系統(tǒng)可在150 s 內(nèi)完成分離，使得TC 抗生素的檢測(cè)限為1.5 ～4.3 nm，比傳統(tǒng)的MEKC 檢測(cè)方法更靈敏。此外，一種使用適配子作為材料的電化學(xué)檢測(cè)方法也被報(bào)道，該方法可以檢測(cè)100 pm 至1 mm 超寬濃度范圍的氨芐西林。

1.6 質(zhì)譜法

質(zhì)譜儀是用于分析目標(biāo)分析物的高性能工具，具有高通量、高靈敏度和高精度的優(yōu)點(diǎn)。然而，質(zhì)譜儀檢測(cè)成本高、體積大、價(jià)格昂貴，并且需要專業(yè)的操作員。目前有一種高度集成的微流控芯片，用于在線檢測(cè)雞肉樣品中的某些抗生素。該系統(tǒng)不需要額外的預(yù)處理步驟，并且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)和良好重現(xiàn)性。還有一種基于電泳和電噴霧電離質(zhì)譜的微流控分析平臺(tái)，以熒光染料和抗生素為測(cè)試樣品，可以有效地完成檢測(cè)工作。

質(zhì)譜儀靈敏度高、選擇性高，且不需要特定的識(shí)別材料，是分析食品中抗生素殘留的最有力的工具，但它成本高，現(xiàn)場檢測(cè)面臨諸多困難[13]。而熒光檢測(cè)技術(shù)和SERS 檢測(cè)技術(shù)仍然有機(jī)會(huì)進(jìn)一步提高其靈敏度。雖然比色法是最簡單的檢測(cè)方法，但其靈敏度不夠高，需要通過使用圖像分析軟件技術(shù)來提高。

2 微流控器件中的分子識(shí)別材料

特定識(shí)別材料是微流控分析系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。生物抗體由于其高特異性和高親和力成為最常用的識(shí)別材料，但其生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)程序復(fù)雜耗時(shí)，且面臨著全球不可重復(fù)性的問題。適配子發(fā)展迅速，可用作識(shí)別材料，表現(xiàn)出了相對(duì)較高的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，但其生產(chǎn)成本也很高。分子印跡聚合物，也被稱為“人造抗體或受體”，易于合成，成本低，但其選擇性及親和力仍需提高。

2.1 生物抗體

一種基于EAN-8 編碼規(guī)則的多層紙芯片，通過使用生物抗體作為特異性識(shí)別位點(diǎn)來檢測(cè)牛奶中的氯霉素。EAN-8 格式測(cè)量是在智能手機(jī)上基于不同編碼區(qū)域膠體金免疫層析測(cè)定顏色變化實(shí)現(xiàn)的，使三聚氰胺和氯霉素的檢測(cè)限分別為30 ng/mL 和6 ng/mL。一種用于全自動(dòng)檢測(cè)牛奶中獸藥殘留的微陣列微流控系統(tǒng)，可提高微流控分析的通量和自動(dòng)能力。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)液體轉(zhuǎn)移，釋放和混合操作，且該系統(tǒng)的檢測(cè)部分與可同時(shí)處理四個(gè)微流控芯片的熒光檢測(cè)器耦合。氯霉素、四環(huán)素、恩諾沙星、頭孢氨芐和磺胺的檢出限分別可達(dá)0.92 μg/kg、1.01 μg/kg、1.83 μg/kg、1.14 μg/kg 和1.96 μg/kg。用于檢測(cè)家禽樣品中氯克西林的微流控化學(xué)發(fā)光免疫測(cè)定系統(tǒng)，采用了HRP 標(biāo)記的抗小鼠IgG抗體和化學(xué)發(fā)光底物進(jìn)行信號(hào)生成，檢測(cè)限為0.92 ng/mL。

2.2 適配子

適配子是一種用于檢測(cè)牛奶和魚類中卡那霉素的微流控適配體傳感器，檢測(cè)限可達(dá)0.3 pg/mL。基于場效應(yīng)晶體管的適配體修飾的PDMS 傳感器，可用于測(cè)量卡那霉素、鏈霉素、環(huán)丙沙星等抗生素，該過程可以在5 s內(nèi)完成。此外，通過將磁編碼適配體探針與微流控芯片相結(jié)合，研究人員開發(fā)出一種同時(shí)檢測(cè)卡那霉素、17β-雌二醇和鉛離子的多重檢測(cè)方法，檢測(cè)限都比較低。

2.3 分子印跡聚合物

分子印跡聚合物具有獨(dú)特的空腔，用于特定識(shí)別目標(biāo)，包括金屬離子、有機(jī)分子和生物體等。越來越多的食品科學(xué)研究人員專注于研究高性能分子印跡聚合物，用于分離和檢測(cè)食品中的抗生素殘留。例如目前被開發(fā)出來的一種預(yù)處理PDMS/玻璃鍵合的芯片，該芯片用于同時(shí)從雞蛋樣品中提取TC 等[14]。這種微流控預(yù)處理系統(tǒng)可以與HPLC 耦合，與熒光檢測(cè)器集成，使目標(biāo)抗生素的檢測(cè)限為3.0 ～5.5 μg/kg。

3 微流控器件的制造材料

使用不同的制造材料制造微流控器件可能會(huì)影響檢測(cè)性能，因?yàn)樗鼈兙哂胁煌牡谋砻嫣匦?，例如疏水性，這將導(dǎo)致非特異性吸附效應(yīng)和產(chǎn)生毛細(xì)管力。

3.1 聚甲基丙烯酸甲酯

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是制造微流控芯片最常用的聚合物之一，因?yàn)樗哂辛己玫纳锵嗳菪?、?yōu)異的光學(xué)透明度及機(jī)械性能?；赑MMA 材料和間接競爭性熒光免疫分析法，研究人員開發(fā)了一種便攜式微流控生物傳感平臺(tái)，用于檢測(cè)牛奶中的磺胺嘧啶，檢測(cè)限為0.05 μg/L。此外，另一個(gè)微流控系統(tǒng)由兩個(gè)PMMA 板組成，通過聚四氟乙烯管（PTFE 管）連接到注射泵，并與化學(xué)發(fā)光檢測(cè)部分耦合。目前，已有研究人員成功應(yīng)用了集成微流控裝置測(cè)定牛奶中的β-內(nèi)酰胺類抗生素。

3.2 聚二甲基硅氧烷

聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有成本低，易于制造，生物相容性好，透氣性好和光學(xué)透明度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制造微流控器件。但它有一定的局限性：在有機(jī)溶劑存在下溶脹，聚合物基質(zhì)中的非特異性吸附，以及其固有的疏水性。有學(xué)者將藥物抗原修飾磁珠排列到PDMS 通道中以構(gòu)建一個(gè)自動(dòng)操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過測(cè)量每個(gè)磁珠的熒光強(qiáng)度來確定殘余藥物濃度，如氯霉素和磺胺二甲嘧啶的檢測(cè)限分別為0.3 μg/L 和0.03 μg/L。而在另一項(xiàng)研究中，研究人員使用PDMS 材料建立了高度集成的微流控系統(tǒng)，用于牛奶樣品中七種不同喹諾酮類藥物的在線分析[15]。該P(yáng)DMS 芯片可檢測(cè)靶向抗生素，采用全掃描模式和單一同位素內(nèi)標(biāo)方法對(duì)喹諾酮類藥物進(jìn)行定量分析，檢測(cè)限為0.047 ～0.490 μg/L。

3.3 其他制造材料

除了上面提到的常用材料外，還有其他材料，例如硅、玻璃和有機(jī)材料、環(huán)烯烴共聚物（COC）和聚四氟乙烯（PTFE）。研究人員基于使用玻璃為基板建立了一種自動(dòng)化學(xué)發(fā)光微陣列檢測(cè)系統(tǒng)，用于檢測(cè)牛奶中的青霉素。該微流控分析系統(tǒng)至少可進(jìn)行47 次連續(xù)測(cè)量，6 min 內(nèi)即可達(dá)到1.1 μg/L 的檢測(cè)限。有研究人員將Au@CQDs 納米復(fù)合材料（NCs）用作檢測(cè)食物樣本中的慶大霉素和卡那霉素抗生素的傳感器，慶大霉素的檢測(cè)限為116 nm 和133 nm，卡那霉素的檢測(cè)限分別為195 nm 和120 nm[16]。比無機(jī)納米顆粒和化學(xué)衍生碳點(diǎn)更低廉、綠色，具有這種綠色前體衍生碳點(diǎn)的光學(xué)傳感系統(tǒng)在未來也有希望成為監(jiān)測(cè)工具[17]。還可將環(huán)烯烴共聚物嵌入空白載玻片和內(nèi)表面有銅線的載玻片之間來制備夾層微流控芯片。采用微芯片結(jié)合激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)裝置測(cè)定雞肉中的抗生素，檢測(cè)限在0.2 ～2.3 μg/L 范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

微流控分析因其高度集成的樣品預(yù)處理能力、高選擇性材料和靈敏的檢測(cè)技術(shù)，以及低成本的制造基板和更少的樣品需求而在食品中的抗生素殘留檢測(cè)中越來越受歡迎。盡管食品基質(zhì)對(duì)于直接通過傳統(tǒng)的微流控芯片測(cè)定殘留抗生素仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，但科研工作者已經(jīng)開發(fā)了一些與預(yù)濃縮和分離部分集成在一起的新型微流控裝置，例如在微流控通道中嵌入富集和分離介質(zhì)或使用電泳。但是，無論預(yù)處理是在芯片上進(jìn)行還是在芯片外進(jìn)行，都會(huì)延長分析時(shí)間并降低現(xiàn)場檢測(cè)的可能性。面對(duì)這個(gè)問題，開發(fā)快速和無儀器的樣品預(yù)處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)食品中殘留抗生素的檢測(cè)的一種可行方法。