經濟的高速發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境污染問題 也越來越多地進入了公眾視野。對于食品安全和環境污染問題，尤其是突發性問題，發展簡單快捷的實時、現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進行反應和檢測的分析技術，20 世紀 90 年代 初由 Manz 和 Widmer 等提出微全分析系統( Micro total analysis system，μTAS) 后引起了研究者的廣泛關注。該技術的核心是利用微流控芯片將樣品預處理、生物和化學反應、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絡的芯片上，通過操控流體完成復雜的分析過程，具有樣品和試 劑消耗量少、分析時間短、易實現大規模平行測定等優點。利用微流控分析技術可以方便地實現分析系統的小型化、集成化與便攜化。

目前，微流控分析系統的應用研究已擴展到生物醫藥、環境監測、食品衛生等領域，具有良好的應用前景。從研究角度看，微流控分析在食品和環境領域的應用正在蓬勃發展，在 Scifinder 中以 Microfluidics ＆ food 和 Microfluidics ＆ environmental 為關鍵詞搜索 2002 ～ 2013 年間發表的論文，可觀察到其數量逐年上升。針對食品和環境方面的應用也有大量綜述發表。Atalay 等總結了微流控技術在食品分析方面的應用，討論了微流控技術在應用方面所面臨的主要挑戰以及目前的發展趨勢，并提出實際食品樣品的分析需要構建集成多種單元組件的多功能微流控平臺; Neethirajan 等對微流控技術在食品、農業和生物系統方面的應用進行了歸納; 汪美鳳等則綜述了微流控芯片技術在食品添加劑、重金屬、農藥殘留等食品化學分析中的應用; Jokerst 等對近期微流控技術在環境分析中的應用加以總結，提出了該方向的發展趨勢; Li 等對基于微流控平臺的集成樣品預處理單元、 分離模式、檢測方法和微流控傳感器在環境分析中 的應用進行了總結; Chen 等則詳細綜述了基于 電化學檢測的微流控芯片電泳在環境污染物檢測方面的應用及研究進展。本文的焦點主要集中在微流控芯片電泳方面，從其在食品、環境領域的典型應用研究出發，討論其走向實際應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毛細管電泳的拓展。該技術繼承了毛細管電泳分離效率高、試劑消耗小等優點，同時還具有分析速度快、便于微型、更易集 成等特點，屬于研究最深入的微流控分析技術之一，非常適合多組分快速分析。通常用于電泳的芯片微通道結構有 “T” 字 形、雙 “T” 形 和 “十”字形( 圖 1) ，可采用的進樣方法有四路高壓夾切進樣、門控進樣和負壓夾切進樣等。常用的檢測方法有安培法、電導法、化學發光法、熒光法以及質譜( MS) 法等。 均勻、光滑的微通道是保證芯片電泳分離效率的關鍵，消除微通道對待測物和樣品基體的非特異性吸附對實現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一直是芯片電泳研究的主要內容。某課題組采用改進的金屬絲熱壓法實現了環烯烴共聚物( COC) 芯片的低成 本快速加工，并成功應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構示意圖

2.微流控芯片電泳的應用

2.1 食品安全

食品從種植養殖、生產加工、市場流通，再到消費者口中，任何一個環節把關不嚴均可能引起食 品安全問題。一般來說，食品安全問題常來自以下方面: 農業種植業超標使用化肥、農藥; 畜牧和 水產養殖業濫用激素、抗生素; 食品的生產、加工，或者制造過程中添加有毒物質; 超量使用食品添 加劑; 食品生產設備技術落后、衛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 泳在上述領域均有應用，典型實例見表 1。

2.1.1 有毒物質殘留檢測

草甘膦、草銨膦因具有活性高、殺草譜廣等特點，使用面極廣。但這些 水溶性除草劑的濫用很容易導致其在農產品中的高殘留量，而其色譜測定方法較為繁瑣。Horcˇ icˇ iak 等通過在柱 － 偶聯芯片對飲用水進行了在線等速電泳樣品預處理，并用電泳對其中的痕量草甘膦進 行了測定，進樣量僅需 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，并系統優化了分離條件，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中成功分離，理論塔板數高達 1. 0 × 106 /m，相應的檢出限分別為 0. 34，0. 18 μg /L。在不經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 等報道了一種 快速、簡單、重復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 耦合非接觸式電導檢測，無需任何樣品預富集步驟，對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，對動物和人有很強的毒性。 Lu 等建立了一種非接觸式電導檢測 － 芯片電泳法對果汁和自來水中氟乙酸鈉進行快速定量檢測。該 方法無需樣品預處理，整個檢測過程不超過 5 min，對自來水和橘子汁的檢出限分別為 125，176 μg /L。

酪胺和組胺是在發酵飲料中發現的對健康危害最大的兩種生物胺，它們易導致敏感體質人群頭疼、 呼吸紊亂等癥狀。Jayarajah 等研制了一種用于檢測發酵飲料中的酪胺和組胺的便攜式微流控芯片電 泳檢測設備。待測物結構中的伯胺基團可被熒光胺衍生，從而能夠進行激光誘導熒光檢測，實驗使用 了 21. 4 cm 長的分離通道，電泳過程僅需 120 s?；诖朔椒?，作者研究了紅酒、米酒等樣品中的酪胺 和組胺含量，發現它們是伴隨著酵母和乳酸的發酵過程而產生。

2. 1. 2 抗生素檢測

抗生素在畜牧業中被大量用于防治胃腸和呼吸道疾病，但濫用或處理不當會 導致藥物在動物食品中高濃度殘留。Wang 等利用微流控芯片電泳 － 激光誘導熒光檢測技術，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，在微通道內形成硼酸和 PVA 的絡合物，顯著改善了分離效率，達到了快速、高效分離分析的 目的。在最優條件下，可在 1 min 內分離磺胺、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲? 唑、磺胺喹? 啉 4 種磺胺類 物質，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 等報道了 PDMS 微流控芯片電泳 － 電化學檢測牛奶中 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 是通過兩條輔助通道來實現待測物在酸性介質中的分離，而在堿性介質中進行安培檢測，在最佳分離 和檢測條件下對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 － 脈沖安培檢測法對糖、氨基酸和含硫抗生素進行分離測定，采用微金絲電極，對青霉素 和氨芐青霉素的檢出限均為 5 μmol /L。

Lee 等設計了集預富集、分離、安培檢測為一體的微流控芯片，在此基礎上利用膠束電色譜 － 安培法對韓國牛肉中的 4 種四環素類抗生素( 四環素、土霉素、氯四環素和多西環素) 進行檢測，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 的穩定性和抑制細菌的生長，這些添加劑含量在一定范圍內對人體并無害處。但一些不法廠商受利益 驅使會向其中添加一些對人體有害的物質。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 － 電化學檢測方法對軟飲料和糖果中的 5 種偶氮類顏料( 顏料黃 AB、 紅 2G、日落黃、新胭脂紅和莧菜紅) 進行了檢測，檢出限為 3. 8 ～ 15. 1 μmol /L，方法可在 300 s 內完成 測定。Lee 等也用微流控芯片電泳 － 電化學方法測定了果汁、酒、魚、面條以及胡椒粉中的染料( 亮 藍 FCF、靛藍、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 在線預富集使檢測靈敏度相比傳統的膠束電動色譜 － 電化學方法提高了 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 － 電化學檢測方法在 200 s 內分離了香草醇、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，并在實際樣品分析中重點 關注了香草醛和乙基香草醛，因為它們是食品香味摻假的主要來源。

2.2 環境安全

2. 2. 1 有害無機離子的檢測

高氯酸鹽可以競爭性地抑制甲狀腺對碘化物的吸收，長期接觸高氯酸 鹽會導致胎兒和嬰兒的神經紊亂，也可能引發甲狀腺腫瘤。Gertsch 等報道了一種基于接觸式電導檢測的微芯片電泳設備用于水中 ppb 級高氯酸鹽的檢測。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，對飲用水中高氯酸鹽和其競爭陰離子進行了分離，其中對高氯酸鹽的檢出限 可達 5. 6 ppb，檢測時間只需 60 s。

Liu 等利用非接觸電導檢測的微流控芯片電泳設備分離了無機離子和重金屬。所用檢測電路基 于鎖相放大器，對水中無機陽離子的檢出限為 0. 4 μmol /L，優于其它非接觸式電導檢測器。鹵乙酸有 毒性和致癌性，嚴重危脅人體健康，Ding 等采用基于非接觸式電導檢測器的微流控芯片電泳系 統對鹵乙酸( 二氯乙酸和三氯乙酸) 進行檢測，結合固相微萃取技術，對游泳池水中 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發光將化學發光檢測( Chemiluminescence，CL) 用 于水樣中砷酸鹽含量的測定，應用魯米諾和 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，方法相對簡單，有現場檢測低濃度污染物的潛 力。該方法對五價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 6 種與環境污染相關的有 毒金屬離子( Cd2 + ，Pb2 + ，Cu2 + ，Co2 + ，Ni2 + 和 Hg2 + ) 進行分離檢測。通過 C18硅膠微柱上金屬螯合劑 和固相微萃取的結合使方法靈敏度提高了幾百倍，對 Cd2 + ，Pb2 + ，Co2 + ，Ni2 + 的檢出限分別為 6. 0， 1. 8，0. 15，0. 48 μg /L。

2. 2. 2 有機污染物的檢測

內分泌干擾物是能干擾人類或動物內分泌系統諸環節并導致異常效應的 物質，包括殺蟲劑、除草劑、殺菌劑、增塑劑、表面活化劑、有機金屬、鹵代雜環烴、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備對雙酚 A、苯酚、苯基苯酚和壬基苯酚 4 種內分泌 干擾物( Endocrine disrupting species，EDCs) 進行了檢測，樣品經普魯士藍修飾的氧化銦錫( ITO) 薄膜電 極和蛇形的分離通道，在 2 min 內可實現分離，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，對動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) 對違禁芳香胺進行標記，通過在緩沖溶液中添加羥丙基纖維素，對 5 種芳香胺 ( 鄰甲苯胺，2，4-二甲基苯胺，對氯苯胺，4，4'-二氨基二苯甲烷和聯苯胺) 進行分離測定，僅需 90 s 便可實現 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 PAHs 進行激發，在 350 nm 處檢測熒光，這 4 種多環芳 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 － 安培法對土壤和地下水中的爆炸物進行檢測，4 min 內可實現 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 等發展了一種將微芯片電泳與厚膜安培檢測器相結合的微型化分析系統，用于分離檢測 有機磷神經毒劑化合物。該系統使用 72 mm 長的分離通道和 2 000 V 的分離電壓，4 種有機磷農藥( 對 氧磷、甲基對硫磷、乙基對硫磷和殺螟硫磷) 在 140 s 內可達到基線分離，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境分析中的應用

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境分析的快速現場檢測技術，但目前為止實際分析應用較少。表觀的原因有商品化儀器設備缺乏、芯片價格昂貴、與芯片配套 的外圍設備微型化不夠等。但商品微流控芯片電泳儀器用量較少并不是技術原因，多年來已有許多微型化芯片電泳整機研究的報道，工業界現有的儀器制造水平也完全能夠滿足要求。目前微芯片售 價高主要是由于用戶太少所致，實際生產中塑料芯片的加工成本很低。

此外，分析對象較少，對操作人員的技術和使用環境的要求高，重現性等方面與傳統色譜相比尚 有不足等也是阻礙微芯片電泳走向實用的因素。采用激光誘導熒光檢測往往需要樣品衍生，對于電化 學檢測而言，若待測物無電化學活性，也需要衍生之后方可進行檢測; 一些操作細節也會影響分析結果的重現性。 為解決這些問題，促進微流控芯片電泳在實際工作中的應用，研究人員在方法建立階段可充分考 慮上述因素，根據檢測對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的影響，從而建立簡單易行的通道改性方法，進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的影響并同時實現動態改性，方法的可靠性和分析效率均有明顯改善。此外，儀器生產廠商應該更注重設備的 集成和智能化程度，在提供整機設備的同時提供針對特定分析物的預充了緩沖溶液的芯片，省去用戶的芯片預處理及清洗操作，從而真正發揮微流控分析的優勢。

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

（文章來源：分析測試學報第34卷 第3期 doi: 10. 3969 / j. issn. 1004 － 4957. 2015. 03. 005 科學網科學網轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）