經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展給人們的生活和工作帶來各種便利，但隨之而來的各種食品安全和環(huán)境污染問題 也越來越多地進(jìn)入了公眾視野。對(duì)于食品安全和環(huán)境污染問題，尤其是突發(fā)性問題，發(fā)展簡單快捷的實(shí)時(shí)、現(xiàn)場分析方法十分必要。

微流控分析是指在微米甚至納米尺度的微通道內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)和檢測的分析技術(shù)，20 世紀(jì) 90 年代 初由 Manz 和 Widmer 等提出微全分析系統(tǒng)( Micro total analysis system，μTAS) 后引起了研究者的廣泛關(guān)注。該技術(shù)的核心是利用微流控芯片將樣品預(yù)處理、生物和化學(xué)反應(yīng)、分離檢測等多種基本操作單 元集成在具有微米或納米微通道網(wǎng)絡(luò)的芯片上，通過操控流體完成復(fù)雜的分析過程，具有樣品和試 劑消耗量少、分析時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模平行測定等優(yōu)點(diǎn)。利用微流控分析技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)分析系統(tǒng)的小型化、集成化與便攜化。

目前，微流控分析系統(tǒng)的應(yīng)用研究已擴(kuò)展到生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測、食品衛(wèi)生等領(lǐng)域，具有良好的應(yīng)用前景。從研究角度看，微流控分析在食品和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展，在 Scifinder 中以 Microfluidics ＆ food 和 Microfluidics ＆ environmental 為關(guān)鍵詞搜索 2002 ～ 2013 年間發(fā)表的論文，可觀察到其數(shù)量逐年上升。針對(duì)食品和環(huán)境方面的應(yīng)用也有大量綜述發(fā)表。Atalay 等總結(jié)了微流控技術(shù)在食品分析方面的應(yīng)用，討論了微流控技術(shù)在應(yīng)用方面所面臨的主要挑戰(zhàn)以及目前的發(fā)展趨勢，并提出實(shí)際食品樣品的分析需要構(gòu)建集成多種單元組件的多功能微流控平臺(tái); Neethirajan 等對(duì)微流控技術(shù)在食品、農(nóng)業(yè)和生物系統(tǒng)方面的應(yīng)用進(jìn)行了歸納; 汪美鳳等則綜述了微流控芯片技術(shù)在食品添加劑、重金屬、農(nóng)藥殘留等食品化學(xué)分析中的應(yīng)用; Jokerst 等對(duì)近期微流控技術(shù)在環(huán)境分析中的應(yīng)用加以總結(jié)，提出了該方向的發(fā)展趨勢; Li 等對(duì)基于微流控平臺(tái)的集成樣品預(yù)處理單元、 分離模式、檢測方法和微流控傳感器在環(huán)境分析中 的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié); Chen 等則詳細(xì)綜述了基于 電化學(xué)檢測的微流控芯片電泳在環(huán)境污染物檢測方面的應(yīng)用及研究進(jìn)展。本文的焦點(diǎn)主要集中在微流控芯片電泳方面，從其在食品、環(huán)境領(lǐng)域的典型應(yīng)用研究出發(fā)，討論其走向?qū)嶋H應(yīng)用的障礙和可能的解決途徑。

1.微流控芯片電泳簡介

微流控芯片電泳是傳統(tǒng)毛細(xì)管電泳的拓展。該技術(shù)繼承了毛細(xì)管電泳分離效率高、試劑消耗小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有分析速度快、便于微型、更易集 成等特點(diǎn)，屬于研究最深入的微流控分析技術(shù)之一，非常適合多組分快速分析。通常用于電泳的芯片微通道結(jié)構(gòu)有 “T” 字 形、雙 “T” 形 和 “十”字形( 圖 1) ，可采用的進(jìn)樣方法有四路高壓夾切進(jìn)樣、門控進(jìn)樣和負(fù)壓夾切進(jìn)樣等。常用的檢測方法有安培法、電導(dǎo)法、化學(xué)發(fā)光法、熒光法以及質(zhì)譜( MS) 法等。 均勻、光滑的微通道是保證芯片電泳分離效率的關(guān)鍵，消除微通道對(duì)待測物和樣品基體的非特異性吸附對(duì)實(shí)現(xiàn)高效分離也必不可少。因此，新型的芯片制作方法和微通道表面改性技術(shù)一直是芯片電泳研究的主要內(nèi)容。某課題組采用改進(jìn)的金屬絲熱壓法實(shí)現(xiàn)了環(huán)烯烴共聚物( COC) 芯片的低成 本快速加工，并成功應(yīng)用于多類樣品的芯片電泳分析。

圖 2 常用于微流控芯片電泳的通道結(jié)構(gòu)示意圖

2.微流控芯片電泳的應(yīng)用

2.1 食品安全

食品從種植養(yǎng)殖、生產(chǎn)加工、市場流通，再到消費(fèi)者口中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)把關(guān)不嚴(yán)均可能引起食 品安全問題。一般來說，食品安全問題常來自以下方面: 農(nóng)業(yè)種植業(yè)超標(biāo)使用化肥、農(nóng)藥; 畜牧和 水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)濫用激素、抗生素; 食品的生產(chǎn)、加工，或者制造過程中添加有毒物質(zhì); 超量使用食品添 加劑; 食品生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)落后、衛(wèi)生條件不合格與食品流通過程中帶來的微生物污染。微流控芯片電 泳在上述領(lǐng)域均有應(yīng)用，典型實(shí)例見表 1。

2.1.1 有毒物質(zhì)殘留檢測

草甘膦、草銨膦因具有活性高、殺草譜廣等特點(diǎn)，使用面極廣。但這些 水溶性除草劑的濫用很容易導(dǎo)致其在農(nóng)產(chǎn)品中的高殘留量，而其色譜測定方法較為繁瑣。Horcˇ icˇ iak 等通過在柱 － 偶聯(lián)芯片對(duì)飲用水進(jìn)行了在線等速電泳樣品預(yù)處理，并用電泳對(duì)其中的痕量草甘膦進(jìn) 行了測定，進(jìn)樣量僅需 9. 9 μL 便可得到 2. 5 μg /L 的檢出限。Wei 等建立了一種激光誘導(dǎo)熒光 － 芯 片電泳快速高效無干擾地檢測草甘膦和草銨膦的新方法，并系統(tǒng)優(yōu)化了分離條件，在含有 10 mmol /L 硼砂和 2. 0% 羥丙基纖維素的分離緩沖液( pH 9. 0) 中，草甘膦和草銨膦能從樣品基質(zhì)中成功分離，理論塔板數(shù)高達(dá) 1. 0 × 106 /m，相應(yīng)的檢出限分別為 0. 34，0. 18 μg /L。在不經(jīng)任何樣品富集的條件下， 該方法被成功用于黃河水樣、西蘭花、大豆中草甘膦和草銨膦含量的檢測。da Silva 等報(bào)道了一種 快速、簡單、重復(fù)性好且可直接檢測草甘膦及其代謝物甲基膦酸的方法，通過微流控芯片電泳 － 電感 耦合非接觸式電導(dǎo)檢測，無需任何樣品預(yù)富集步驟，對(duì)二者的檢出限分別為 45. 1，70. 5 μmol /L，并成 功用于河水樣品的檢測。

氟乙酸鈉是一種很常用的滅鼠劑，水溶性極好，在溶液中無色無味，對(duì)動(dòng)物和人有很強(qiáng)的毒性。 Lu 等建立了一種非接觸式電導(dǎo)檢測 － 芯片電泳法對(duì)果汁和自來水中氟乙酸鈉進(jìn)行快速定量檢測。該 方法無需樣品預(yù)處理，整個(gè)檢測過程不超過 5 min，對(duì)自來水和橘子汁的檢出限分別為 125，176 μg /L。

酪胺和組胺是在發(fā)酵飲料中發(fā)現(xiàn)的對(duì)健康危害最大的兩種生物胺，它們易導(dǎo)致敏感體質(zhì)人群頭疼、 呼吸紊亂等癥狀。Jayarajah 等研制了一種用于檢測發(fā)酵飲料中的酪胺和組胺的便攜式微流控芯片電 泳檢測設(shè)備。待測物結(jié)構(gòu)中的伯胺基團(tuán)可被熒光胺衍生，從而能夠進(jìn)行激光誘導(dǎo)熒光檢測，實(shí)驗(yàn)使用 了 21. 4 cm 長的分離通道，電泳過程僅需 120 s。基于此方法，作者研究了紅酒、米酒等樣品中的酪胺 和組胺含量，發(fā)現(xiàn)它們是伴隨著酵母和乳酸的發(fā)酵過程而產(chǎn)生。

2. 1. 2 抗生素檢測

抗生素在畜牧業(yè)中被大量用于防治胃腸和呼吸道疾病，但濫用或處理不當(dāng)會(huì) 導(dǎo)致藥物在動(dòng)物食品中高濃度殘留。Wang 等利用微流控芯片電泳 － 激光誘導(dǎo)熒光檢測技術(shù)，建立 了一種簡單、快速、靈敏地測定牛奶和雞肉中磺胺類抗生素殘留的分析檢測方法，通過使用添加劑聚 乙烯醇，在微通道內(nèi)形成硼酸和 PVA 的絡(luò)合物，顯著改善了分離效率，達(dá)到了快速、高效分離分析的 目的。在最優(yōu)條件下，可在 1 min 內(nèi)分離磺胺、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲? 唑、磺胺喹? 啉 4 種磺胺類 物質(zhì)，檢出限和線性范圍分別為 0. 2 ～ 2. 3 μg /L 和 0. 6 ～ 7. 7 μg /L。

Ding 等報(bào)道了 PDMS 微流控芯片電泳 － 電化學(xué)檢測牛奶中 5 種氨基糖苷抗生素( 壯觀霉素、鏈 霉素、阿米卡星、巴龍霉素、新霉素) 的方法，檢測電極由銅 － 錫 － 鎘合金電沉積制得。該研究的特點(diǎn) 是通過兩條輔助通道來實(shí)現(xiàn)待測物在酸性介質(zhì)中的分離，而在堿性介質(zhì)中進(jìn)行安培檢測，在最佳分離 和檢測條件下對(duì)阿米卡星和壯觀霉素的檢出限分別為 2. 1 μmol /L 和4. 6 μmol /L。García 等利用微流控芯片電泳 － 脈沖安培檢測法對(duì)糖、氨基酸和含硫抗生素進(jìn)行分離測定，采用微金絲電極，對(duì)青霉素 和氨芐青霉素的檢出限均為 5 μmol /L。

Lee 等設(shè)計(jì)了集預(yù)富集、分離、安培檢測為一體的微流控芯片，在此基礎(chǔ)上利用膠束電色譜 － 安培法對(duì)韓國牛肉中的 4 種四環(huán)素類抗生素( 四環(huán)素、土霉素、氯四環(huán)素和多西環(huán)素) 進(jìn)行檢測，檢出 限為 1. 5 ～ 4. 3 nmol /L，顯示了微流控芯片電泳多功能集成的優(yōu)勢。

2. 1. 3 非法食品添加劑的檢測

一些化合物可被加入食品中改善顏色、香味、口感，以及保持食品 的穩(wěn)定性和抑制細(xì)菌的生長，這些添加劑含量在一定范圍內(nèi)對(duì)人體并無害處。但一些不法廠商受利益 驅(qū)使會(huì)向其中添加一些對(duì)人體有害的物質(zhì)。因此，建立快速可靠的非法食品添加劑鑒定方法很有必要。 Dossi 等采用微流控芯片 － 電化學(xué)檢測方法對(duì)軟飲料和糖果中的 5 種偶氮類顏料( 顏料黃 AB、 紅 2G、日落黃、新胭脂紅和莧菜紅) 進(jìn)行了檢測，檢出限為 3. 8 ～ 15. 1 μmol /L，方法可在 300 s 內(nèi)完成 測定。Lee 等也用微流控芯片電泳 － 電化學(xué)方法測定了果汁、酒、魚、面條以及胡椒粉中的染料( 亮 藍(lán) FCF、靛藍(lán)、固綠 FCF、莧菜紅、赤蘚紅、誘惑紅、胭脂紅 4Ｒ、酒石黃、晚霞黃 FCF) 含量，利用 在線預(yù)富集使檢測靈敏度相比傳統(tǒng)的膠束電動(dòng)色譜 － 電化學(xué)方法提高了 10 800 倍，檢出限低至 1. 0 ～ 5. 0 nmol /L。?vila 等利用微流控芯片電泳 － 電化學(xué)檢測方法在 200 s 內(nèi)分離了香草醇、乙基麥芽酚、 麥芽酚、乙基香草醛和香草醛 5 種食物香料，檢出限為 0. 09 ～ 0. 31 mmol /L，并在實(shí)際樣品分析中重點(diǎn) 關(guān)注了香草醛和乙基香草醛，因?yàn)樗鼈兪鞘称废阄稉郊俚闹饕獊碓础?/span>

2.2 環(huán)境安全

2. 2. 1 有害無機(jī)離子的檢測

高氯酸鹽可以競爭性地抑制甲狀腺對(duì)碘化物的吸收，長期接觸高氯酸 鹽會(huì)導(dǎo)致胎兒和嬰兒的神經(jīng)紊亂，也可能引發(fā)甲狀腺腫瘤。Gertsch 等報(bào)道了一種基于接觸式電導(dǎo)檢測的微芯片電泳設(shè)備用于水中 ppb 級(jí)高氯酸鹽的檢測。該研究利用兩性表面活性劑的膠束假固定相來 選擇性地保留高氯酸鹽，對(duì)飲用水中高氯酸鹽和其競爭陰離子進(jìn)行了分離，其中對(duì)高氯酸鹽的檢出限 可達(dá) 5. 6 ppb，檢測時(shí)間只需 60 s。

Liu 等利用非接觸電導(dǎo)檢測的微流控芯片電泳設(shè)備分離了無機(jī)離子和重金屬。所用檢測電路基 于鎖相放大器，對(duì)水中無機(jī)陽離子的檢出限為 0. 4 μmol /L，優(yōu)于其它非接觸式電導(dǎo)檢測器。鹵乙酸有 毒性和致癌性，嚴(yán)重危脅人體健康，Ding 等采用基于非接觸式電導(dǎo)檢測器的微流控芯片電泳系 統(tǒng)對(duì)鹵乙酸( 二氯乙酸和三氯乙酸) 進(jìn)行檢測，結(jié)合固相微萃取技術(shù)，對(duì)游泳池水中 3 類鹵乙酸的檢出 限低至 38 ～ 500 ppb。

Som － Aum 等基于雜多酸配合物的魯米諾化學(xué)發(fā)光將化學(xué)發(fā)光檢測( Chemiluminescence，CL) 用 于水樣中砷酸鹽含量的測定，應(yīng)用魯米諾和 VMoAs － HPA( Vanadomolybdoarsenate heteropoly acid) 提高 了靈敏度和選擇性，消除了 Co2 + ，Cu2 + 和 Fe2 + 的干擾，方法相對(duì)簡單，有現(xiàn)場檢測低濃度污染物的潛 力。該方法對(duì)五價(jià)砷離子的線性范圍為 1. 0 × 10 － 7～ 5. 0 × 10 － 5 mol /L，檢出限低至 8. 9 × 10 － 8 mol /L。 Deng 等利用芯片電泳 － 吸光度檢測法，通過加入有色的金屬螯合劑對(duì) 6 種與環(huán)境污染相關(guān)的有 毒金屬離子( Cd2 + ，Pb2 + ，Cu2 + ，Co2 + ，Ni2 + 和 Hg2 + ) 進(jìn)行分離檢測。通過 C18硅膠微柱上金屬螯合劑 和固相微萃取的結(jié)合使方法靈敏度提高了幾百倍，對(duì) Cd2 + ，Pb2 + ，Co2 + ，Ni2 + 的檢出限分別為 6. 0， 1. 8，0. 15，0. 48 μg /L。

2. 2. 2 有機(jī)污染物的檢測

內(nèi)分泌干擾物是能干擾人類或動(dòng)物內(nèi)分泌系統(tǒng)諸環(huán)節(jié)并導(dǎo)致異常效應(yīng)的 物質(zhì)，包括殺蟲劑、除草劑、殺菌劑、增塑劑、表面活化劑、有機(jī)金屬、鹵代雜環(huán)烴、植物雌激素等。 Ha 等利用基于安培檢測器的微流控芯片電泳設(shè)備對(duì)雙酚 A、苯酚、苯基苯酚和壬基苯酚 4 種內(nèi)分泌 干擾物( Endocrine disrupting species，EDCs) 進(jìn)行了檢測，樣品經(jīng)普魯士藍(lán)修飾的氧化銦錫( ITO) 薄膜電 極和蛇形的分離通道，在 2 min 內(nèi)可實(shí)現(xiàn)分離，檢出限為 59 nmol /L。

芳香胺及其衍生物有毒，能夠通過吸入、食入或透過皮膚吸收而導(dǎo)致中毒。其中一些芳香胺衍生 物還具有致癌和致突變的作用，即使在低濃度下，對(duì)動(dòng)物和人體也具有致癌性。Li 等使用熒光染料 異硫氰酸熒光素( FITC) 對(duì)違禁芳香胺進(jìn)行標(biāo)記，通過在緩沖溶液中添加羥丙基纖維素，對(duì) 5 種芳香胺 ( 鄰甲苯胺，2，4-二甲基苯胺，對(duì)氯苯胺，4，4'-二氨基二苯甲烷和聯(lián)苯胺) 進(jìn)行分離測定，僅需 90 s 便可實(shí)現(xiàn) 5 種芳香胺的分離。

Broyles 等建立了用于蒽、芘、1，2-苯并芘和苯并 α 芘 4 種多環(huán)芳烴( PAHs) 分離和檢測的微芯 片電泳方法。利用 325 nm 的 He － Cd 激光器對(duì) PAHs 進(jìn)行激發(fā)，在 350 nm 處檢測熒光，這 4 種多環(huán)芳 烴的檢出限分別為 3. 1，1. 0，8. 1，17 nmol /L。

Hilmi 等建立了一種微芯片電泳 － 安培法對(duì)土壤和地下水中的爆炸物進(jìn)行檢測，4 min 內(nèi)可實(shí)現(xiàn) TNT 和其它 4 種硝基爆炸物( ＲDX，2，4-DNT，2，6-DNT，2，3-DNT) 的分離檢測，檢出限為 100 ～ 200 μg /L。

Wang 等發(fā)展了一種將微芯片電泳與厚膜安培檢測器相結(jié)合的微型化分析系統(tǒng)，用于分離檢測 有機(jī)磷神經(jīng)毒劑化合物。該系統(tǒng)使用 72 mm 長的分離通道和 2 000 V 的分離電壓，4 種有機(jī)磷農(nóng)藥( 對(duì) 氧磷、甲基對(duì)硫磷、乙基對(duì)硫磷和殺螟硫磷) 在 140 s 內(nèi)可達(dá)到基線分離，檢出限分別為 0. 21，0. 40， 4. 48，1. 06 ppm，該方法被成功用于河水樣品的檢測。

表 1 微流控芯片在食品安全與環(huán)境分析中的應(yīng)用

3.微流控芯片電泳存在的問題及解決辦法

從上述研究可以看出，微流控芯片電泳是一種非常理想的用于食品和環(huán)境分析的快速現(xiàn)場檢測技術(shù)，但目前為止實(shí)際分析應(yīng)用較少。表觀的原因有商品化儀器設(shè)備缺乏、芯片價(jià)格昂貴、與芯片配套 的外圍設(shè)備微型化不夠等。但商品微流控芯片電泳儀器用量較少并不是技術(shù)原因，多年來已有許多微型化芯片電泳整機(jī)研究的報(bào)道，工業(yè)界現(xiàn)有的儀器制造水平也完全能夠滿足要求。目前微芯片售 價(jià)高主要是由于用戶太少所致，實(shí)際生產(chǎn)中塑料芯片的加工成本很低。

此外，分析對(duì)象較少，對(duì)操作人員的技術(shù)和使用環(huán)境的要求高，重現(xiàn)性等方面與傳統(tǒng)色譜相比尚 有不足等也是阻礙微芯片電泳走向?qū)嵱玫囊蛩?。采用激光誘導(dǎo)熒光檢測往往需要樣品衍生，對(duì)于電化 學(xué)檢測而言，若待測物無電化學(xué)活性，也需要衍生之后方可進(jìn)行檢測; 一些操作細(xì)節(jié)也會(huì)影響分析結(jié)果的重現(xiàn)性。 為解決這些問題，促進(jìn)微流控芯片電泳在實(shí)際工作中的應(yīng)用，研究人員在方法建立階段可充分考 慮上述因素，根據(jù)檢測對(duì)象選用適合的檢測器，并采用合理手段來避免壓力差引起的流動(dòng)的影響，從而建立簡單易行的通道改性方法，進(jìn)一步降低芯片制作成本。作為一種嘗試，某課題組采用金屬絲熱壓法制作芯片，在較大的微通道( I. D. 70 ～ 80 μm) 中利用多功能添加劑減小壓力流動(dòng)的影響并同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)改性，方法的可靠性和分析效率均有明顯改善。此外，儀器生產(chǎn)廠商應(yīng)該更注重設(shè)備的 集成和智能化程度，在提供整機(jī)設(shè)備的同時(shí)提供針對(duì)特定分析物的預(yù)充了緩沖溶液的芯片，省去用戶的芯片預(yù)處理及清洗操作，從而真正發(fā)揮微流控分析的優(yōu)勢。

已有的研究結(jié)果表明，微流控芯片電泳可成功應(yīng)用于食品安全和環(huán)境污染的快速分析，試劑消耗量少、操作簡單、容易微型化和智能化等優(yōu)點(diǎn)使其成為便攜式多參數(shù)、多成分檢測的理想手段，有巨大的應(yīng)用潛力。該技術(shù)不僅可以作為質(zhì)檢、環(huán)境保護(hù)的工具，當(dāng)其微型化和智能化水平發(fā)展到一定階段時(shí)， 它甚至可能走向家庭，成為人們檢查食品、環(huán)境質(zhì)量和健康狀況的日常用具。盡管目前該技術(shù)的實(shí)用化仍有諸多困難，但其具有的多功能集成化潛能是重要優(yōu)勢，相信隨著人們對(duì)便攜式、多功能檢測設(shè)備需 求的增加以及研究的深入，當(dāng)前面臨的各種問題都會(huì)找到有效的解決途徑，最終實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的普及。

（文章來源：分析測試學(xué)報(bào)第34卷 第3期 doi: 10. 3969 / j. issn. 1004 － 4957. 2015. 03. 005 科學(xué)網(wǎng)科學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除）