微流控在食品安全控制方面的进展

微流控芯片

摘要

食品污染是一个全球性问题，特别是在发展中国家。两种主要类型的食物污染物——化学污染物和生物污染物——是威胁人类健康的常见问题。因此，需要快速准确的检测方法来应对食品污染的威胁。用于检测这两种食品污染物的传统方法存在一些局限性，包括成本高和分析时间长。或者，微流控技术可以进行简单、快速和现场测试，使我们能够及时、经济、简单、准确地控制食品安全。本文综述了微流控检测食品污染物的方法的进展。微流控平台采用了不同的检测方法，以识别两种主要类型的污染物：化学污染物和生物污染物。在化学污染物控制方面，本文综述了微流控方法在检测食品样品中重金属、农药、抗生素残留和其他污染物方面的应用。讨论了用于化学污染物检测的不同方法，包括酶法、化学法、免疫法、分子法和电化学法，这些方法基于其工作原理、在微流控平台中的集成、优势和局限性。综述了从样品制备到最终检测的食源性病原体检测的微流控方法，以鉴定食源性病原体。列出并讨论了食源性致病菌筛查的常用方法，即免疫测定法、核酸扩增法等方法;本文还回顾了近期研究的重点实例。还涵盖了微流体设计和制造过程中可以采用的挑战和未来趋势，以解决食品安全控制的现有限制。微流控技术是一种很有前途的食品安全控制工具，具有很高的效率和适用性。小型化、便携性、低成本、样品和试剂节省使微流控设备成为现场检测的理想选择，尤其是在资源匮乏的地区。尽管微流控技术具有许多优点，但微流控设备的广泛制造仍然需要进行深入研究，以实现用户友好和准确的食品安全控制。介绍微流控器件的最新进展将建立对该技术的全面理解，并为未来的研究和现场应用提供比较分析。

介绍

近年来，随着食品行业的长足发展，食品安全已成为客户关注的主要问题。食品污染是一个有害的公共卫生问题，可导至食源性疾病和严重的经济损失。当食品基质中存在化学物质和微生物等外来因素时，就会发生污染（Gao 等人，2020 年）。食品污染可分为化学污染、物理污染和生物污染。当食品被食品添加剂、农药残留或重金属等外部化学物质污染时，就会发生化学污染。当食品中存在玻璃或小石头等外来颗粒时，就会发生物理污染（Marriott等人，2018）。生物污染一般是指食品中存在有害的病原生物，如寄生虫、细菌、病毒、真菌和相关毒素。在食品生产、加工和分销过程中可能发生污染（Griffith，2016）。

在这些类型的食物污染中，化学和生物污染是食物中毒和食源性疾病的主要原因。由化学污染物引起的食源性疾病可能会产生从轻度胃肠炎到致命疾病的有害后果。虽然食物的物理污染和交叉污染很少会造成重大的安全问题，但生物污染物在食物从生产到食用的任何阶段都很容易污染，许多化学污染物在处理不当后仍保持稳定，甚至变得有毒。食品中发生化学污染主要是由于使用农药或兽药等农用化学品、过度使用食品添加剂以及来自水、土壤和空气等环境来源或食品加工的污染（Bhavadharini 等人，2022 年，Wright，2009 年）。杀虫剂是通过控制各种害虫、昆虫、疾病和杂草来提高农业生产力和盈利能力的整体解决方案（Xu， Gao et al.， 2017）。尽管有使用杀虫剂的法律惯例，但它们可能会被滥用或在施用、储存、运输或环境中污染食品。同样，兽用试剂也被用于提高牲畜产量。兽药残留物可以残留在动物组织中。因此，它们可能存在于动物源性食品中，并对消费者造成负面影响。兽药的主要类别包括抗生素、驱虫药、球虫抑制剂、非甾体抗炎药、镇静剂、皮质类固醇、β-激动剂和合成代谢激素（Wang 等人，2021 年）。除了从农用化学品中获得的化学污染物外，食品还可能受到环境中化学物质的污染，例如重金属、水消毒副产物和工业污染物。此外，化学污染物可以通过包装材料或加工过程中的形式进入食物链，例如加热、烧烤、水解、罐装、发酵或使用未经批准的添加剂。

生物污染物是食物中毒和食物变质的常见原因。大多数食物都是微生物生长的理想环境。不同的病原体，如细菌、真菌、病毒和寄生虫，会造成生物污染。此外，许多食源性病原体会向食物中释放毒素。一些例子如下：肉毒梭菌 释放肉毒杆菌毒素，引起肉毒杆菌中毒;蜡样芽孢杆菌产生催吐毒素，引起快速发作的恶心和呕吐;曲霉菌会产生剧毒和致癌的黄曲霉毒素，导至严重的健康后果。此外，一些细菌，包括芽孢杆菌和梭状芽孢杆菌，以及真菌，可以产生耐热孢子。这些微生物的孢子是携带遗传物质的休眠体，但没有活跃的新陈代谢。它们耐热、耐压和其他恶劣条件。因此，它们可以在食品生产过程中的不利条件下生存。一旦环境变得有利，孢子就会萌发成营养细胞。污染可能发生在任何食品加工步骤中，并可能改变食品的营养价值和物理特性，包括形状、质地、气味和稳定性（Umesha 和 Manukumar，2018 年，Rohde 等人，2017 年，Gao 等人，2022 年）。最常见的食源性病原体是大肠杆菌O157：H7（大肠杆菌O157：H7）、沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌、肉毒梭菌。由食源性病原体引起的疾病通常会导至肠道炎症、发烧、呕吐、腹泻、慢性肾病，甚至死亡。许多病原体，如大肠杆菌O157：H7和沙门氏菌，感染剂量较低，需要在早期采用灵敏快速的检测方法，以减少对消费者的伤害。

考虑到受污染的食品对人类健康的重大威胁，有效的识别和快速的食品安全控制方法对于预防食品相关疾病的暴发非常重要。用于监测化学和生物污染物的现有分析方法，如色谱法（例如气相色谱法和高效液相色谱法）、质谱法、培养技术、生物分子技术和免疫测定法，成本高昂、耗时，并且需要训练有素的技术人员。传统的检测技术通常需要精密的仪器，测试过程通常在专业实验室进行。在过去的 15 年中，微流体技术已大量应用于生化和生物医学诊断领域，包括食品安全控制、临床诊断和环境控制（Lace & Cleary，2021 年）。微流体技术通过微气动系统、毛细管、疏水力、离心力或外部流体处理系统（如泵或阀门）操纵微米级流体通道和腔室中的流体（Battat 等人，2022 年）。微通道和腔室是微流控芯片的主要部件。无机刚性材料，包括聚合物、玻璃和硅晶圆，主要用于制造微流体器件。最近，论文已被广泛用于生产基于纸张的微流控芯片（Hua et al.， 2018， Fu and Wan， 2018， Lin et al.， 2016）。微米级微流控器件具有较大的表面积，并提供快速的传热。因此，微流控分析装置的优点包括成本低、试剂和样品消耗低、便携性、易用性和高一次性性。先前的研究表明，微流控系统具有将多个操作单元组合在一起以执行各种诊断功能的巨大潜力，包括样品制备、过滤、分离以及核酸扩增和检测（Gao 等人，2022 年）。近五年来，用于食品污染物检测的微流控装置相关出版物呈指数级增长，如图1所示。表1包括用于化学和生物污染物检测的常规和微流控技术，并讨论了它们在食品安全监测中的优缺点。本文综述了微流控技术在食品安全监测方面的最新进展，包括化学和生物污染物监测（图2）。还讨论了微流控设备在食品监测中的应用挑战。

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