食品中残留抗生素的微流控分析研究进展.pdf

JIANGXI NONGYE124农业资讯NONGYE ZIXUN食品中残留抗生素的微流控分析研究进展刘平丽1，李娓婷2，陈帅2，余少挺2，罗志平2，饶治1*（1.赣东学院应用工程系，江西 抚州 344000；2.抚州市农业技术推广中心，江西 抚州 344000）摘要：食品中的抗生素残留是对人类健康和生命的一大威胁。为保障食品安全，迫切需要开发针对残留抗生素的简单快速检测技术。目前，许多分析技术已被用于检测食品中的抗生素残留，在这些分析技术中，微流控分析因其低成本、易携带、高集成度、操作简单、检测速度快等优点而受到越来越多的关注。本文综述了微流控器件在食品抗生素残留分析中的应用，主要集中在其检测技术（包括荧光检测法、化学发光检测法、表面增强拉曼散射检测、比色检测法、电化学检测法、质谱法）、分子识别材料（如生物抗体、适配子和分子印迹聚合物）和制造材料上，最后提及了微流控分析平台在实际应用中的前景和挑战。关键词：抗生素；微流控分析；检测技术；残留分析；食品安全自从青霉素被发现以来，抗生素的使用挽救了无数人的生命1。大多数抗生素被用于可食用动物，以确保其健康并为人类提供足够的食物，但抗生素的过度使用正威胁着人类健康和生命安全2。食品中的抗生素残留浓度若超过标准水平，容易导致抗生素残留以及抗药性细菌的产生，如肉组织和蛋中的兽药残留会导致敏感菌株产生抗生素耐药性，而一些抗生素会通过食物链累积；大环内酯类抗生素作为一种常用兽药，会通过动物性食物进入人体，危害人类健康；人畜使用的阿莫西林类药物 70%都不能被完全吸收，未被吸收的抗生素随人畜的排泄物流入生态环境中，这都给食品安全工作带来了巨大的挑战3-8。为保障食品安全，必须要强化对食品的抗生素残留检测，杜绝食品中抗生素残留造成的不良影响。因此，我们迫切需要有效的检测技术来监测整个食品生产链中的抗生素残留。目前，许多分析技术已被用于抗生素残留的检测，例如仪器分析方法，生物传感器和微流控分析等。在这些技术中，微流控分析因其具有容易操作、低成本、便携和快速检测等优点而受到极大的关注。此外，微流控装置还易于与各种检测技术、数据传输和报告系统集成，显示出所监测食品中的抗生素残留情况。近十年来，微流控分析技术在快速分析食品中的有害物质方面取得了很大的进步。而针对食品中抗生素残留的微流控分析技术的研究，主要集中在三个方面，即微流控检测技术、微流控器件中的分子识别材料和制造材料。1 抗生素残留物中的微流控检测技术1.1 荧光检测法荧光检测是一种简单、灵敏且快速的测量技术，该技术可以利用荧光的各种检测参数，使荧光检测非常灵活且性能强大。目前有一种用于检测牛奶中氯霉素（CAP）的自动微流控荧光分析系统，这种自动化微流控芯片可以同时用于单个 PDMS 微流控芯片中多个牛奶样品的 CAP 检测，并且只要不到 20 min 的时间即可完成检测，检测限为0.05 g/L，回收率达 91%106%不等。目前也存在一种基于哑铃状 DNA 介导的信号放大的 CAP 检测荧光传感系统，它已被成功应用于检测牛奶、鱼，这种 CAP 传感器显示出从 10 fm 到 10 nm 的宽线性范围，检测限为 2 fm9。还有一种独特的荧光识别生物材料，其荧光强度将通过结合四环素（TC），如四环素、金霉素、土霉素和多西环素来淬灭。因此，研究人员构建了用于 TC 检测的 PDMS 微流控芯片平台。该系统用 30 s 内的超快速检测时间显示出结果，检测限为 0.09 g/mL，在加标样品中的回收率范围为 86%94%。1.2 化学发光检测法化学发光检测方法通常具有超高灵敏度。当化学发光技术与微流控分析系统相结合时，很容易建立一种高度灵敏、高选择性和高通量的目标分析方法，这可以减少一些食物基质效应，但在将样品引入微流控芯片之前仍然需要进行简单的预处理。研究人员基于氨基糖苷类化合物氨基糖苷类抗生素对 Cu 催化的鲁米诺和过氧化氢化学发光反应的抑制，建立了用于检测水中氨基糖苷类抗生素的化学发光微流控分析系统。此外，还有基于流动（注射技术）的可再生化学发光测定法，用于筛选环境和食品样品中的TC。使用注射器过滤器过滤样品后，可以通过该测定系统直接进行分析。鲁米诺-H2O2开发了由辣根过氧化物酶（HRP）催化的化学发光系统来量化真实样品中的 TC10。作者简介：刘平丽(1989-)，女，汉族，河北唐山人，硕士研究生，助教，研究方向为农残分析检测及功能膜材料。E-mail:。基金项目：江西省教育厅科技项目(GJJ218608)；赣东学院院长基金项目(YZJJ202204)；赣东学院院长基金项目(YZJJ202203)。*通信作者：饶治(1991-)，男，汉族，江西临川人，硕士研究生，农艺师，研究方向为无机功能材料及农残分析检测。E-mail:。JIANGXI NONGYE125农业资讯NONGYE ZIXUN该测定系统可以在 30 min 内完成单次样品分析。1.3 表面增强拉曼散射检测表面增强拉曼散射（SERS）是一种快速、灵敏、多功能和无损的检测技术11。然而，由于分析目标总是在复杂的食品基质中，仍然需要对食品样品进行预处理，以确保检测的准确性、灵敏度和回收率。SERS 微流控系统，可用来检测牛奶中微量的氨苄西林。该装置可以在 10 min 内完成检测，并显示出 10 g/kg 的低检测限和 20 L 的小样品体积。SERS 传感器可用来检测头孢曲松。这种传感器可以快速获得在线拉曼信号，在医学和环境研究领域显示出巨大的潜力。此外，利用硼酸官能化荧光染料间接检测红霉素的新方法也被提出，该方法可以选择性地识别红霉素，根据染料 SERS 谱的变化，可实现对目标红霉素的检测和定量。1.4 比色检测法比色检测由于其具有简单性、合理的灵敏度和显著的经济优势，已经成为目前一种非常流行的化学分析方法。此外，比色检测还可以轻松地与计算机和智能手机相结合，以实现便携式现场检测12。基于纸质微流控芯片开发了一种无标记检测方法，用于检测牛奶样品中的卡那霉素。样品预处理后，将样品混合物加入到测试区域，采用 RGB 颜色分析技术，比色传感器的检测限低至 3.35 m。有学者设计了一种类似于微流控芯片的生物传感器来检测牛奶中的庆大霉素，显示其快速分析时间少于 2 min，而且检测限更低，为 300 nm。1.5 电化学检测法电化学检测是一种灵敏而快速的目标测量方法，但它通常具有低再现性和高背景噪声的特点，需仔细预处理样品。通过将微流控装置与电化学技术相结合，食品中残留抗生素的检测灵敏度可得到提高，试剂使用量也会减少。研究人员将胶束电动毛细管色谱（MEKC）与微流控技术相结合，设计了一种用于分析牛肉样品中的四环素的电化学检测方法。该系统可在 150 s 内完成分离，使得 TC 抗生素的检测限为 1.5 4.3 nm，比传统的 MEKC 检测方法更灵敏。此外，一种使用适配子作为材料的电化学检测方法也被报道，该方法可以检测 100 pm 至 1 mm 超宽浓度范围的氨苄西林。1.6 质谱法质谱仪是用于分析目标分析物的高性能工具，具有高通量、高灵敏度和高精度的优点。然而，质谱仪检测成本高、体积大、价格昂贵，并且需要专业的操作员。目前有一种高度集成的微流控芯片，用于在线检测鸡肉样品中的某些抗生素。该系统不需要额外的预处理步骤，并且实现了自动检测和良好重现性。还有一种基于电泳和电喷雾电离质谱的微流控分析平台，以荧光染料和抗生素为测试样品，可以有效地完成检测工作。质谱仪灵敏度高、选择性高，且不需要特定的识别材料，是分析食品中抗生素残留的最有力的工具，但它成本高，现场检测面临诸多困难13。而荧光检测技术和 SERS 检测技术仍然有机会进一步提高其灵敏度。虽然比色法是最简单的检测方法，但其灵敏度不够高，需要通过使用图像分析软件技术来提高。2 微流控器件中的分子识别材料特定识别材料是微流控分析系统的关键组成部分。生物抗体由于其高特异性和高亲和力成为最常用的识别材料，但其生产成本高，生产程序复杂耗时，且面临着全球不可重复性的问题。适配子发展迅速，可用作识别材料，表现出了相对较高的稳定性和可重复性，但其生产成本也很高。分子印迹聚合物，也被称为“人造抗体或受体”，易于合成，成本低，但其选择性及亲和力仍需提高。2.1 生物抗体一种基于 EAN-8 编码规则的多层纸芯片，通过使用生物抗体作为特异性识别位点来检测牛奶中的氯霉素。EAN-8 格式测量是在智能手机上基于不同编码区域胶体金免疫层析测定颜色变化实现的，使三聚氰胺和氯霉素的检测限分别为 30 ng/mL 和 6 ng/mL。一种用于全自动检测牛奶中兽药残留的微阵列微流控系统，可提高微流控分析的通量和自动能力。该平台可实现液体转移，释放和混合操作，且该系统的检测部分与可同时处理四个微流控芯片的荧光检测器耦合。氯霉素、四环素、恩诺沙星、头孢氨苄和磺胺的检出限分别可达0.92 g/kg、1.01 g/kg、1.83 g/kg、1.14 g/kg 和 1.96 g/kg。用于检测家禽样品中氯克西林的微流控化学发光免疫测定系统，采用了 HRP 标记的抗小鼠 IgG抗体和化学发光底物进行信号生成，检测限为0.92 ng/mL。2.2 适配子适配子是一种用于检测牛奶和鱼类中卡那霉素的微流控适配体传感器，检测限可达 0.3 pg/mL。基于场效应晶体管的适配体修饰的 PDMS 传感器，可用于测量卡那霉素、链霉素、环丙沙星等抗生素，该过程可以在5 s内完成。此外，通过将磁编码适配体探针与微流控芯片相结合，研究人员开发出一种同时检测卡那霉素、17-雌二醇和铅离子的多重检测方法，检测限都比较低。2.3 分子印迹聚合物分子印迹聚合物具有独特的空腔，用于特定识别目标，包括金属离子、有机分子和生物体等。越来越多的食品科学研究人员专注于研究高性能分子印迹聚合物，用于分离和检测食品中的抗生素残留。例如目前被开发出来的一种预处理PDMS/玻璃键合的芯片，该芯片用于同时从鸡蛋样品中提取 TC 等14。这种微流控预处理系统可以与 HPLC 耦合，与荧光检测器集成，使目标抗生素的检测限为 3.0 5.5 g/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会影响检测性能，因为它们具有不同的的表面特性，例如疏水性，这将导致非特异性吸附效应和产生毛细管力。JIANGXI NONGYE126农业资讯NONGYE ZIXUN3.1 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，因为它具有良好的生物相容性、优异的光学透明度及机械性能。基于 PMMA 材料和间接竞争性荧光免疫分析法，研究人员开发了一种便携式微流控生物传感平台，用于检测牛奶中的磺胺嘧啶，检测限为 0.05 g/L。此外，另一个微流控系统由两个 PMMA 板组成，通过聚四氟乙烯管（PTFE 管）连接到注射泵，并与化学发光检测部分耦合。目前，已有研究人员成功应用了集成微流控装置测定牛奶中的-内酰胺类抗生素。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，透气性好和光学透明度高等优点，广泛用于制造微流控器件。但它有一定的局限性：在有机溶剂存在下溶胀，聚合物基质中的非特异性吸附，以及其固有的疏水性。有学者将药物抗原修饰磁珠排列到 PDMS 通道中以构建一个自动操作系统。该系统可以通过测量每个磁珠的荧光强度来确定残余药物浓度，如氯霉素和磺胺二甲嘧啶的检测限分别为 0.3 g/L 和 0.03 g/L。而在另一项研究中，研究人员使用 PDMS 材料建立了高度集成的微流控系统，用于牛奶样品中七种不同喹诺酮类药物的在线分析15。该 PDMS 芯片可检测靶向抗生素，采用全扫描模式和单一同位素内标方法对喹诺酮类药物进行定量分析，检测限为0.047 0.490 g/L。3.3 其他制造材料除了上面提到的常用材料外，还有其他材料，例如硅、玻璃和有机材料、环烯烃共聚物（COC）和聚四氟乙烯（PTFE）。研究人员基于使用玻璃为基板建立了一种自动化学发光微阵列检测系统，用于检测牛奶中的青霉素。该微流控分析系统至少可进行 47 次连续测量，6 min 内即可达到 1.1 g/L 的检测限。有研究人员将 AuCQDs 纳米复合材料（NCs）用作检测食物样本中的庆大霉素和卡那霉素抗生素的传感器，庆大霉素的检测限为 116 nm 和 133 nm，卡那霉素的检测限分别为 195 nm 和 120 nm16。比无机纳米颗粒和化学衍生碳点更低廉、绿色，具有这种绿色前体衍生碳点的光学传感系统在未来也有希望成为监测工具17。还可将环烯烃共聚物嵌入空白载玻片和内表面有铜线的载玻片之间来制备夹层微流控芯片。采用微芯片结合激光诱导荧光检测装置测定鸡肉中的抗生素，检测限在0.2 2.3 g/L 范围内。4 结论微流控分析因其高度集成的样品预处理能力、高选择性材料和灵敏的检测技术，以及低成本的制造基板和更少的样品需求而在食品中的抗生素残留检测中越来越受欢迎。尽管食品基质对于直接通过传统的微流控芯片测定残留抗生素仍然是一个很大的挑战，但科研工作者已经开发了一些与预浓缩和分离部分集成在一起的新型微流控装置，例如在微流控通道中嵌入富集和分离介质或使用电泳。但是，无论预处理是在芯片上进行还是在芯片外进行，都会延长分析时间并降低现场检测的可能性。面对这个问题，开发快速和无仪器的样品预处理技术是实现对食品中残留抗生素的检测的一种可行方法。参考文献1 周浩，周东梅，张燕辉.Mg-M(Al，Fe)层状双氢氧化物光催化降解环丙沙星试验研究 J.长江大学学报(自科版)，2018，15(17)：15-19+4.2Jin Y,Dou M,Zhuo Sm,et al.Advances in microfluidic analysis of residual antibiotics in foodJ.Food Control,2022：136.3 赵书河.浅谈禽类产品中兽药残留的危害 J.畜牧兽医科技信息，2022(02)：177-178.4 刘书余，郭亚文，汤亚云，等.禽组织和禽蛋中兽药残留快速检测技术研究进展 J/OL.食品工业科技，2023，44(15)：482-491.5 邵乾坤，刘延浩，王路.动物源性食品微量抗生素残留水凝胶传感器快速检测 J.卫生研究，2023，52(01)：168-172.6 李锋.动物源食品的抗生素残留检测探讨 J.食品安全导刊，2022(35)：169-171+175.7 杨晨晔，徐世伟，韩伟，等.液质联用分析动物性食物中残留的大环内酯的研究进展 J.常州大学学报(自然科学版)，2017，29(05)：85-92.8 王泽军，欧红香，王利平，等.多孔壳聚糖印迹聚合物吸附分离阿莫西林性能研究 J.常州大学学报(自然科学版)，2018，30(02)：37-44+62.9Shi G,Yan C,Chen J.Fluorescent aptasensor for the ultrasensitive detection of antibiotic residue in food samples based on dumbbell DNA-mediated signal 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强化农机专业技能培训为提升农机用户的操作技能和水平，政府部门应当做好对农户的培训工作。一方面，应当要求农机设备销售企业的工作人员在销售农机设备的同时，指导农户掌握农机设备正确、规范的操作技能，以满足农机化生产应用及发展需求。另一方面，农机主管部门应当制定科学的培训制度和计划，完善培训设施设备，定期通过技能竞赛、专家讲座等方式，帮助广大农机手了解农机内部构造、运行管理知识，讲解常见的故障问题和解决措施，提升农机手专业技能，满足农机设备管理、维护需求，同时也避免出现违规操作等现象。除此之外，要加快“平安农机”示范县创建进程，加大联合执法力度，及时发现酒后或疲劳驾驶等违法行为并严厉查处，规避安全事故的发生，保障农机安全应用及人民群众生命财产安全。3.8 加快推进农机信息化发展农机信息化发展是大势所趋。泗县相关部门应当充分意识到农机信息化发展的重要意义，科学做好规划工作，通过农机信息化加快农业机械化发展速度及提升农机管理水平。首先，要加深农机装备、技术与物联网技术、大数据的融合，不断优化农机装备结构及功能，提升农机装备智能化水平。其次，要搭建农机信息化网站，发挥计算机信息网络作用，科学整合分析利用数据资料，提升农业机械设备管理效率。最后，要实现农机信息共享，做好对区域内农机资源、分布状况的统筹调配工作，积极引导大型农机跨区作业，并提供农机租赁服务，在提升农机资源利用率的同时，防止农业机械闲置或浪费，提升农机化服务水平。4 结语综上所述，乡村振兴离不开农业机械化高质量发展。针对当前泗县农机化发展中存在的诸多问题，要引起足够的重视，深入分析问题根本原因所在，进而制定切实有效的解决措施，明确农业机械化发展目标及重点，完善农业机械化发展对策，创新农业机械化发展路径，提升农业机械化发展水平，推动农业机械化高质量发展，带动农业生产力提升，加快农业转型升级，助力乡村振兴战略实施。参考文献1 赵妍.农业机械化在乡村振兴战略中的作用分析 J.农业开发与装备，2022(10)：49-50.2 马建新.农业机械化在实施乡村振兴战略中的作用和意义 J.农业开发与装备，2019(05)：50.3 郭云发.农业机械化在实施乡村振兴战略中的作用 J.农业技术与装备，2019(06)：82-83.4 陈永志.为农业机械化助力乡村振兴战略实施提供农机鉴定技术支持 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