用于微生物病原体即时检测的材料功能化微流控系统研究进展

食源性疾病是全球公共卫生的主要威胁之一。世界卫生组织（WHO）估计，全球每年有6亿人患有食源性疾病，并导致42万人死亡。其中，包括单核细胞增多性李斯特菌、产志贺毒素的大肠杆菌、沙门氏菌、弯曲杆菌、志贺氏菌和霍乱弧菌在内的食源性病原体是主要诱因。食源性疾病的症状包括腹泻、呕吐、胃痉挛和恶心，严重的症状会危及生命，特别是对于免疫系统受损的人。由食源性病原体引起的食品安全暴发是世界范围内一项重要的公共卫生挑战，可造成健康和经济损失。因此，食源性致病菌的快速检测是预防食源性疾病暴发和保障公众健康的迫切需要。

微流控系统可以操纵几十微米到几百微米大小的通道中的微量液体（10⁻⁹～10⁻¹⁸ L），其出现为传统的分析技术（如核酸序列扩增、比色分析、酶联免疫分析）检测小芯片上的特定靶点提供了一个集成的平台，可以实现现场诊断应用，特别是在资源不足的环境中。更重要的是，通过模块化设计，微流控系统可以根据检测需求进行定制，例如乐高类即插即用微流控系统或使用磁铁连接模块。

具有不同物理化学性质的材料可以赋予微流控系统复杂的功能，因而被称为功能化材料。选择用于微流控制造的材料应遵循以下几个原则：1）化学稳定性；2）电绝缘和散热潜力；3）对检测信号的干扰最小；4）易于获得和简单制造；5）良好的可塑性。硅和玻璃是制造微流控器件最常用的材料。然而，这些材料由于其复杂、耗时和昂贵的制造而被逐步淘汰。聚合物因其相对较低的成本、良好的生物相容性和较高的耐化学性，作为微流控制造材料受到越来越多的关注。常用的聚合物材料包括热塑性塑料（例如，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA））和弹性体（例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS））。PDMS具有良好的光学透过性、生物相容性、透气性和耐化学性，是微流控加工中应用最广泛的材料之一。PMMA是一种耐冲击的透明塑料，可以表现出玻璃般的光学透明度，但重量不到相同尺寸的普通玻璃的一半。此外，近年来，新兴的纸/线材料以其独特的毛细管效应在微流控领域引起了广泛的关注。具有不同物理化学性质的制造材料使微流控系统具有复杂的功能，适合于特定的应用。

近期，浙江大学丁甜教授课题组在Trends in Food Science & Technology期刊上发表了题为“Advancing point-of-care microbial pathogens detection by material-functionalized microfluidic systems”的综述性论文，从无机材料、有机材料和组合材料三个方面对微流控系统的材料进行了综述，并讨论了材料功能化微流控系统在检测食源性病原体方面的最新进展和挑战。最后，展望了下一代微流控技术在食品安全风险预防和食源性病原体监测应用方面的潜力。

用于食源性致病菌检测的微流控系统

（1）基于无机材料的微流控系统 无机材料（即硅和玻璃）是制造微流控系统的先驱材料。硅与大多数溶剂相容（强碱除外），然而，其不透明性限制了硅基微流控系统在光学信号检测（如比色法、荧光和化学发光）中的应用。玻璃具有光学透明（波长为200nm～3500 nm）和低自发荧光的优点。硅/玻璃微流控系统的制造遵循经典的光刻工艺，该工艺包括在晶片物质的表面涂覆一层薄薄的光刻胶，并暴露在紫外光下以将微图案从掩模施加到光刻胶层上。光曝光后，未固化的部分被去除，而未被光致抗蚀剂覆盖的最上面的区域可以通过湿法/干法蚀刻进一步去除。湿法蚀刻通过浸渍、旋转或喷洒蚀刻剂（例如氢氟酸、氢氧化钾）在液体中进行。湿法腐蚀是各向同性的，通常以低于7 μm/min～8 μm/min的速率进行。

玻璃/硅的干法刻蚀是通过气相等离子体、离子束或反应离子与包括C₄F₈、CF₄、SF₆或CHF₃的气体实现的。剩余的光刻胶可以通过等离子体清洗或1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶剂清洗来去除。与湿法刻蚀相比，干法刻蚀表现出各向异性，并且由于刻蚀速率较低（0.5 μm/min～0.7 μm/min）而需要更长的加工时间。除了光刻技术，基于硅/玻璃的微流控系统还可以通过其他机械方法来制造，包括激光烧蚀、机械侵蚀、电加工和压花。硅/玻璃制造的微流控系统与毛细管电泳法、电化学检测法和聚合酶链式反应分析相兼容，可检测病原体（例如，大肠杆菌O157∶H7）。然而，基于无机材料的微流控系统的制造会受到操作要求的限制（例如，超清洁的环境、保护设施、高温/高压）。

（2）基于弹性材料的微流控系统 聚二甲基硅氧烷（PDMS）是微流控制造中应用最广泛的弹性体基材料。固化温度、交联剂比例、固化处理和掺杂可能是影响PDMS力学性能的因素（例如，弹性、刚性）。目前，聚二甲基硅氧烷与交联剂最常用的比例为10∶1，在100 ℃下焙烧7 d后，其最大拉伸硬度可达4 MPa。

软光刻是制造PDMS最广泛使用的制造工艺。PDMS是热固化的，可以用光致抗蚀剂模板以低至10 nm的高分辨率进一步浇铸，因此与基于硅/玻璃的微流控系统相比，基于PDMS的微流控系统的制造更容易且成本效益更高。经过等离子体处理后，PDMS表面可以不可逆地结合到其他衬底上，如PDMS、玻璃或硅，从而使组装变得方便。PDMS的高透气性、生物相容性和低毒性使其适合于生物应用。

（3）基于热塑性材料的微流控系统 通过设置加热和冷却顺序，热塑性材料可以在玻璃化转变温度附近成型和重塑。通常用于微流控制造的热塑性材料包括丙烯酸酯（例如，PMMA、聚苯乙烯/PS、聚丙烯/PP和聚四氟乙烯/聚四氟乙烯）。与PDMS不同，PMMA等热塑性塑料通常是以固体形式预先准备好的，并通过热成型制造，从而能够快速且低成本地生产。此外，热塑性塑料还表现出对可见光光谱的广泛透射性，并且具有微弱的本征荧光、高的化学稳定性、良好的机械刚性和良好的生物相容性。

图1 基于热塑性材料的微流控系统用于检测食源性病原体

（4）基于水凝胶的微流控系统 水凝胶是一种仿生材料，用于制造微流控系统，使其能够在水中膨胀并保持高含水量。基于水凝胶材料的微流控装置已被开发用于模拟生物基质环境。根据物质来源，水凝胶可分为天然水凝胶（如透明质酸、胶原蛋白、海藻酸钠）和合成水凝胶（如海藻酸钠）。根据交联方式可分为物理交联水凝胶和化学交联水凝胶。物理交联的水凝胶可以通过静电相互作用形成，当外界条件发生变化时，氢键可以可逆地转换回溶液状态。后者是由化学键构成的三维网络，其结构稳定，具有永久性。

（5）纸基微流控系统 基于纸张的微流控系统在过去十年中被提出并迅速发展。纸是一种多孔的纺织基材，通常很薄，由木材、草或破布中的纤维素纤维压缩而成。该纸的液体毛细效应加速了液体的被动输运，特别适用于微流控系统的构建。光刻、蜡印、喷墨印刷、激光印刷和柔版印刷主要用于在纸基材上形成疏水屏障。

图2 用于检测食源性病原体的纸基微流控系统

（6）基于丝线的微流控系统 除了纸，棉线、尼龙线、丝线、聚酯线或其他纤维也被提议作为制造微流控诊断系统的基材。丝线的芯吸作用可以在不需要外部泵送系统的情况下，通过毛细效应引导液体流动。在潮湿的条件下，线的机械强度比纸高。

图3 为检测食源性病原体开发的基于线程的微流控系统

通过物联网和大数据，实现微流控系统在全球范围内的监测应用

（1）微流控系统与物联网的集成 为了实现自动、连续、高效的检测和处理大数据，机器学习与普通传感器相结合，开辟了产生智能传感器的新途径，这些传感器可以基于决策系统自动预测细菌图谱和食源性疾病的流行病学。物联网（IoT）是信息技术（IT）的一项技术进步，它使任何东西都能够无缝地集成到网络中，并通过无线网络传输数据，而无需人工干预。

（2）物联网集成微流控系统在食源性致病菌监测中的应用 物联网已被应用于智能家居、汽车传感、智能农业、医疗保健等领域，以节省时间、能源和人力。物联网集成的微流控系统已被开发用于监测疟疾和甲型登革热等传染病。它可以使用各种算法来预测疾病谱，如疾病分类、聚类、模式和特征，以便为临床治疗做出准确和快速的决策。

（3）物联网集成微流控系统的材料选择 制造物联网集成微流控系统的材料取决于分析技术。电化学生物传感器与智能检测设备（如智能手机）兼容，这为物联网-微流控系统的开发提供了可能性。

图4 物联网集成微流控系统 综上所述，微流控技术具有集成度高、准确度好、试剂消耗低、反应速度快等优点，在食源性致病菌的检测和监测中得到了迅速发展。然而，这一领域的研究仍有一些挑战需要解决。首先，刻蚀、软光刻和其他制造微流控芯片的技术不可避免地需要键合来创建封闭的沟道，从而导致制造分辨率和精度的限制。近年来，人们提出了一些创新技术来开发微流控芯片中的密封微通道。例如，开发了有组织微纤维（OM）技术来制造微流控系统。在OM中，光敏化聚合物和微型LED光源被用来在聚合物薄膜中建立复杂的、自封闭的和多孔的微通道，而不需要额外的组装。这些OM微通道可以携带水溶液并分离出小的生物分子。在未来的研究中，微流控系统中微通道的自密封技术仍需进一步发展。

此外，目前的大多数微流控检测平台需要额外的样品前处理（如核酸提取、组织研磨），这一点很难集成到一个单一平台中。由于食品基质的复杂性，微流控系统的灵敏度和便携性可能会受到影响。此外，由于整个微流控检测领域需要更多的标准化，针对特定应用的新型微流控检测和分析技术往往与市场上现有的技术不兼容。对于实验室研究，微流控材料的选择需要在易于成型和器件性能之间达成妥协，而PDMS是在实验室制造微流控器件的主要选择材料。然而，用于制造商业微流控器件的材料（例如PMMA）的生产成本、易用性和可靠性受到了更多的关注。像PMMA这样的高性价比材料已经建立了高通量的制造和成形方法，包括滚压、压花、激光诱导切割、注射成型和计算机数控铣削。但是，现有的大多数微流控技术的功能是用弹性材料如PDMS实现的，而不是通过其他聚合物容易实现的。因此，未来的研究方向需要强调由其他理想的低成本材料（如纸、线）制成的基于PDMS的器件或微流控检测器件的可扩展制造。

最后，与物联网集成的微流控系统能够监测食品供应链上食源性疾病的爆发和抗菌素耐药性的流行趋势，及时做出疫情防控决策。目前，物联网微流控设计自动化的研究仅涉及单个微流控芯片的构建。未来的研究需要实现模块化设计，建立可重复使用的微流控组件库。此外，集成了物联网的微流控系统需要识别设备，以自动适应不同类型的分析。同时，需要一个整体的多层次战略，以实现最终与实体的自动化交互，以降低物联网微流控生态系统设计的复杂性。作为一项尖端技术，需要微生物学、传感器制造、生物芯片制造、硬件工程和大数据分析等多学科的结合，才能产生更高智能和更复杂功能的物联网集成微流控系统。

审核编辑：刘清