摘要

食品污染是一個全球性問題，特別是在發(fā)展中國家。兩種主要類型的食物污染物——化學(xué)污染物和生物污染物——是威脅人類健康的常見問題。因此，需要快速準(zhǔn)確的檢測方法來應(yīng)對食品污染的威脅。用于檢測這兩種食品污染物的傳統(tǒng)方法存在一些局限性，包括成本高和分析時間長。或者，微流控技術(shù)可以進行簡單、快速和現(xiàn)場測試，使我們能夠及時、經(jīng)濟、簡單、準(zhǔn)確地控制食品安全。本文綜述了微流控檢測食品污染物的方法的進展。微流控平臺采用了不同的檢測方法，以識別兩種主要類型的污染物：化學(xué)污染物和生物污染物。在化學(xué)污染物控制方面，本文綜述了微流控方法在檢測食品樣品中重金屬、農(nóng)藥、抗生素殘留和其他污染物方面的應(yīng)用。討論了用于化學(xué)污染物檢測的不同方法，包括酶法、化學(xué)法、免疫法、分子法和電化學(xué)法，這些方法基于其工作原理、在微流控平臺中的集成、優(yōu)勢和局限性。綜述了從樣品制備到最終檢測的食源性病原體檢測的微流控方法，以鑒定食源性病原體。列出并討論了食源性致病菌篩查的常用方法，即免疫測定法、核酸擴增法等方法;本文還回顧了近期研究的重點實例。還涵蓋了微流體設(shè)計和制造過程中可以采用的挑戰(zhàn)和未來趨勢，以解決食品安全控制的現(xiàn)有限制。微流控技術(shù)是一種很有前途的食品安全控制工具，具有很高的效率和適用性。小型化、便攜性、低成本、樣品和試劑節(jié)省使微流控設(shè)備成為現(xiàn)場檢測的理想選擇，尤其是在資源匱乏的地區(qū)。盡管微流控技術(shù)具有許多優(yōu)點，但微流控設(shè)備的廣泛制造仍然需要進行深入研究，以實現(xiàn)用戶友好和準(zhǔn)確的食品安全控制。介紹微流控器件的最新進展將建立對該技術(shù)的全面理解，并為未來的研究和現(xiàn)場應(yīng)用提供比較分析。

介紹

近年來，隨著食品行業(yè)的長足發(fā)展，食品安全已成為客戶關(guān)注的主要問題。食品污染是一個有害的公共衛(wèi)生問題，可導(dǎo)致食源性疾病和嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。當(dāng)食品基質(zhì)中存在化學(xué)物質(zhì)和微生物等外來因素時，就會發(fā)生污染（Gao 等人，2020 年）。食品污染可分為化學(xué)污染、物理污染和生物污染。當(dāng)食品被食品添加劑、農(nóng)藥殘留或重金屬等外部化學(xué)物質(zhì)污染時，就會發(fā)生化學(xué)污染。當(dāng)食品中存在玻璃或小石頭等外來顆粒時，就會發(fā)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，如寄生蟲、細菌、病毒、真菌和相關(guān)毒素。在食品生產(chǎn)、加工和分銷過程中可能發(fā)生污染（Griffith，2016）。

在這些類型的食物污染中，化學(xué)和生物污染是食物中毒和食源性疾病的主要原因。由化學(xué)污染物引起的食源性疾病可能會產(chǎn)生從輕度胃腸炎到致命疾病的有害后果。雖然食物的物理污染和交叉污染很少會造成重大的安全問題，但生物污染物在食物從生產(chǎn)到食用的任何階段都很容易污染，許多化學(xué)污染物在處理不當(dāng)后仍保持穩(wěn)定，甚至變得有毒。食品中發(fā)生化學(xué)污染主要是由于使用農(nóng)藥或獸藥等農(nóng)用化學(xué)品、過度使用食品添加劑以及來自水、土壤和空氣等環(huán)境來源或食品加工的污染（Bhavadharini 等人，2022 年，Wright，2009 年）。殺蟲劑是通過控制各種害蟲、昆蟲、疾病和雜草來提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和盈利能力的整體解決方案（Xu， Gao et al.， 2017）。盡管有使用殺蟲劑的法律慣例，但它們可能會被濫用或在施用、儲存、運輸或環(huán)境中污染食品。同樣，獸用試劑也被用于提高牲畜產(chǎn)量。獸藥殘留物可以殘留在動物組織中。因此，它們可能存在于動物源性食品中，并對消費者造成負(fù)面影響。獸藥的主要類別包括抗生素、驅(qū)蟲藥、球蟲抑制劑、非甾體抗炎藥、鎮(zhèn)靜劑、皮質(zhì)類固醇、β-激動劑和合成代謝激素（Wang 等人，2021 年）。除了從農(nóng)用化學(xué)品中獲得的化學(xué)污染物外，食品還可能受到環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)的污染，例如重金屬、水消毒副產(chǎn)物和工業(yè)污染物。此外，化學(xué)污染物可以通過包裝材料或加工過程中的形式進入食物鏈，例如加熱、燒烤、水解、罐裝、發(fā)酵或使用未經(jīng)批準(zhǔn)的添加劑。

生物污染物是食物中毒和食物變質(zhì)的常見原因。大多數(shù)食物都是微生物生長的理想環(huán)境。不同的病原體，如細菌、真菌、病毒和寄生蟲，會造成生物污染。此外，許多食源性病原體會向食物中釋放毒素。一些例子如下：肉毒梭菌釋放肉毒桿菌毒素，引起肉毒桿菌中毒;蠟樣芽孢桿菌產(chǎn)生催吐毒素，引起快速發(fā)作的惡心和嘔吐;曲霉菌會產(chǎn)生劇毒和致癌的黃曲霉毒素，導(dǎo)致嚴(yán)重的健康后果。此外，一些細菌，包括芽孢桿菌和梭狀芽孢桿菌，以及真菌，可以產(chǎn)生耐熱孢子。這些微生物的孢子是攜帶遺傳物質(zhì)的休眠體，但沒有活躍的新陳代謝。它們耐熱、耐壓和其他惡劣條件。因此，它們可以在食品生產(chǎn)過程中的不利條件下生存。一旦環(huán)境變得有利，孢子就會萌發(fā)成營養(yǎng)細胞。污染可能發(fā)生在任何食品加工步驟中，并可能改變食品的營養(yǎng)價值和物理特性，包括形狀、質(zhì)地、氣味和穩(wěn)定性（Umesha 和 Manukumar，2018 年，Rohde 等人，2017 年，Gao 等人，2022 年）。最常見的食源性病原體是大腸桿菌O157：H7（大腸桿菌O157：H7）、沙門氏菌、單核細胞增生李斯特菌、肉毒梭菌。由食源性病原體引起的疾病通常會導(dǎo)致腸道炎癥、發(fā)燒、嘔吐、腹瀉、慢性腎病，甚至死亡。許多病原體，如大腸桿菌O157：H7和沙門氏菌，感染劑量較低，需要在早期采用靈敏快速的檢測方法，以減少對消費者的傷害。

考慮到受污染的食品對人類健康的重大威脅，有效的識別和快速的食品安全控制方法對于預(yù)防食品相關(guān)疾病的暴發(fā)非常重要。用于監(jiān)測化學(xué)和生物污染物的現(xiàn)有分析方法，如色譜法（例如氣相色譜法和高效液相色譜法）、質(zhì)譜法、培養(yǎng)技術(shù)、生物分子技術(shù)和免疫測定法，成本高昂、耗時，并且需要訓(xùn)練有素的技術(shù)人員。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)通常需要精密的儀器，測試過程通常在專業(yè)實驗室進行。在過去的 15 年中，微流體技術(shù)已大量應(yīng)用于生化和生物醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，包括食品安全控制、臨床診斷和環(huán)境控制（Lace & Cleary，2021 年）。微流體技術(shù)通過微氣動系統(tǒng)、毛細管、疏水力、離心力或外部流體處理系統(tǒng)（如泵或閥門）操縱微米級流體通道和腔室中的流體（Battat 等人，2022 年）。微通道和腔室是微流控芯片的主要部件。無機剛性材料，包括聚合物、玻璃和硅晶圓，主要用于制造微流體器件。最近，論文已被廣泛用于生產(chǎn)基于紙張的微流控芯片（Hua et al.， 2018， Fu and Wan， 2018， Lin et al.， 2016）。微米級微流控器件具有較大的表面積，并提供快速的傳熱。因此，微流控分析裝置的優(yōu)點包括成本低、試劑和樣品消耗低、便攜性、易用性和高一次性性。先前的研究表明，微流控系統(tǒng)具有將多個操作單元組合在一起以執(zhí)行各種診斷功能的巨大潛力，包括樣品制備、過濾、分離以及核酸擴增和檢測（Gao 等人，2022 年）。近五年來，用于食品污染物檢測的微流控裝置相關(guān)出版物呈指數(shù)級增長，如圖1所示。表1包括用于化學(xué)和生物污染物檢測的常規(guī)和微流控技術(shù)，并討論了它們在食品安全監(jiān)測中的優(yōu)缺點。本文綜述了微流控技術(shù)在食品安全監(jiān)測方面的最新進展，包括化學(xué)和生物污染物監(jiān)測（圖2）。還討論了微流控設(shè)備在食品監(jiān)測中的應(yīng)用挑戰(zhàn)。

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