用于微生物病原體即時(shí)檢測的材料功能化微流控系統(tǒng)研究進(jìn)展

食源性疾病是全球公共衛(wèi)生的主要威脅之一。世界衛(wèi)生組織（WHO）估計(jì)，全球每年有6億人患有食源性疾病，并導(dǎo)致42萬人死亡。其中，包括單核細(xì)胞增多性李斯特菌、產(chǎn)志賀毒素的大腸桿菌、沙門氏菌、彎曲桿菌、志賀氏菌和霍亂弧菌在內(nèi)的食源性病原體是主要誘因。食源性疾病的癥狀包括腹瀉、嘔吐、胃痙攣和惡心，嚴(yán)重的癥狀會危及生命，特別是對于免疫系統(tǒng)受損的人。由食源性病原體引起的食品安全暴發(fā)是世界范圍內(nèi)一項(xiàng)重要的公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)，可造成健康和經(jīng)濟(jì)損失。因此，食源性致病菌的快速檢測是預(yù)防食源性疾病暴發(fā)和保障公眾健康的迫切需要。

微流控系統(tǒng)可以操縱幾十微米到幾百微米大小的通道中的微量液體（10??～10?1? L），其出現(xiàn)為傳統(tǒng)的分析技術(shù)（如核酸序列擴(kuò)增、比色分析、酶聯(lián)免疫分析）檢測小芯片上的特定靶點(diǎn)提供了一個(gè)集成的平臺，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場診斷應(yīng)用，特別是在資源不足的環(huán)境中。更重要的是，通過模塊化設(shè)計(jì)，微流控系統(tǒng)可以根據(jù)檢測需求進(jìn)行定制，例如樂高類即插即用微流控系統(tǒng)或使用磁鐵連接模塊。

具有不同物理化學(xué)性質(zhì)的材料可以賦予微流控系統(tǒng)復(fù)雜的功能，因而被稱為功能化材料。選擇用于微流控制造的材料應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：1）化學(xué)穩(wěn)定性；2）電絕緣和散熱潛力；3）對檢測信號的干擾最??；4）易于獲得和簡單制造；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，這些材料由于其復(fù)雜、耗時(shí)和昂貴的制造而被逐步淘汰。聚合物因其相對較低的成本、良好的生物相容性和較高的耐化學(xué)性，作為微流控制造材料受到越來越多的關(guān)注。常用的聚合物材料包括熱塑性塑料（例如，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA））和彈性體（例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS））。PDMS具有良好的光學(xué)透過性、生物相容性、透氣性和耐化學(xué)性，是微流控加工中應(yīng)用最廣泛的材料之一。PMMA是一種耐沖擊的透明塑料，可以表現(xiàn)出玻璃般的光學(xué)透明度，但重量不到相同尺寸的普通玻璃的一半。此外，近年來，新興的紙/線材料以其獨(dú)特的毛細(xì)管效應(yīng)在微流控領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。具有不同物理化學(xué)性質(zhì)的制造材料使微流控系統(tǒng)具有復(fù)雜的功能，適合于特定的應(yīng)用。

近期，浙江大學(xué)丁甜教授課題組在Trends in Food Science & Technology期刊上發(fā)表了題為“Advancing point-of-care microbial pathogens detection by material-functionalized microfluidic systems”的綜述性論文，從無機(jī)材料、有機(jī)材料和組合材料三個(gè)方面對微流控系統(tǒng)的材料進(jìn)行了綜述，并討論了材料功能化微流控系統(tǒng)在檢測食源性病原體方面的最新進(jìn)展和挑戰(zhàn)。最后，展望了下一代微流控技術(shù)在食品安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防和食源性病原體監(jiān)測應(yīng)用方面的潛力。

用于食源性致病菌檢測的微流控系統(tǒng)

（1）基于無機(jī)材料的微流控系統(tǒng) 無機(jī)材料（即硅和玻璃）是制造微流控系統(tǒng)的先驅(qū)材料。硅與大多數(shù)溶劑相容（強(qiáng)堿除外），然而，其不透明性限制了硅基微流控系統(tǒng)在光學(xué)信號檢測（如比色法、熒光和化學(xué)發(fā)光）中的應(yīng)用。玻璃具有光學(xué)透明（波長為200nm～3500 nm）和低自發(fā)熒光的優(yōu)點(diǎn)。硅/玻璃微流控系統(tǒng)的制造遵循經(jīng)典的光刻工藝，該工藝包括在晶片物質(zhì)的表面涂覆一層薄薄的光刻膠，并暴露在紫外光下以將微圖案從掩模施加到光刻膠層上。光曝光后，未固化的部分被去除，而未被光致抗蝕劑覆蓋的最上面的區(qū)域可以通過濕法/干法蝕刻進(jìn)一步去除。濕法蝕刻通過浸漬、旋轉(zhuǎn)或噴灑蝕刻劑（例如氫氟酸、氫氧化鉀）在液體中進(jìn)行。濕法腐蝕是各向同性的，通常以低于7 μm/min～8 μm/min的速率進(jìn)行。

玻璃/硅的干法刻蝕是通過氣相等離子體、離子束或反應(yīng)離子與包括C?F?、CF?、SF?或CHF?的氣體實(shí)現(xiàn)的。剩余的光刻膠可以通過等離子體清洗或1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）溶劑清洗來去除。與濕法刻蝕相比，干法刻蝕表現(xiàn)出各向異性，并且由于刻蝕速率較低（0.5 μm/min～0.7 μm/min）而需要更長的加工時(shí)間。除了光刻技術(shù)，基于硅/玻璃的微流控系統(tǒng)還可以通過其他機(jī)械方法來制造，包括激光燒蝕、機(jī)械侵蝕、電加工和壓花。硅/玻璃制造的微流控系統(tǒng)與毛細(xì)管電泳法、電化學(xué)檢測法和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)分析相兼容，可檢測病原體（例如，大腸桿菌O157∶H7）。然而，基于無機(jī)材料的微流控系統(tǒng)的制造會受到操作要求的限制（例如，超清潔的環(huán)境、保護(hù)設(shè)施、高溫/高壓）。

（2）基于彈性材料的微流控系統(tǒng) 聚二甲基硅氧烷（PDMS）是微流控制造中應(yīng)用最廣泛的彈性體基材料。固化溫度、交聯(lián)劑比例、固化處理和摻雜可能是影響PDMS力學(xué)性能的因素（例如，彈性、剛性）。目前，聚二甲基硅氧烷與交聯(lián)劑最常用的比例為10∶1，在100 ℃下焙燒7 d后，其最大拉伸硬度可達(dá)4 MPa。

軟光刻是制造PDMS最廣泛使用的制造工藝。PDMS是熱固化的，可以用光致抗蝕劑模板以低至10 nm的高分辨率進(jìn)一步澆鑄，因此與基于硅/玻璃的微流控系統(tǒng)相比，基于PDMS的微流控系統(tǒng)的制造更容易且成本效益更高。經(jīng)過等離子體處理后，PDMS表面可以不可逆地結(jié)合到其他襯底上，如PDMS、玻璃或硅，從而使組裝變得方便。PDMS的高透氣性、生物相容性和低毒性使其適合于生物應(yīng)用。

（3）基于熱塑性材料的微流控系統(tǒng) 通過設(shè)置加熱和冷卻順序，熱塑性材料可以在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近成型和重塑。通常用于微流控制造的熱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）。與PDMS不同，PMMA等熱塑性塑料通常是以固體形式預(yù)先準(zhǔn)備好的，并通過熱成型制造，從而能夠快速且低成本地生產(chǎn)。此外，熱塑性塑料還表現(xiàn)出對可見光光譜的廣泛透射性，并且具有微弱的本征熒光、高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的機(jī)械剛性和良好的生物相容性。

圖1 基于熱塑性材料的微流控系統(tǒng)用于檢測食源性病原體

（4）基于水凝膠的微流控系統(tǒng) 水凝膠是一種仿生材料，用于制造微流控系統(tǒng)，使其能夠在水中膨脹并保持高含水量?；谒z材料的微流控裝置已被開發(fā)用于模擬生物基質(zhì)環(huán)境。根據(jù)物質(zhì)來源，水凝膠可分為天然水凝膠（如透明質(zhì)酸、膠原蛋白、海藻酸鈉）和合成水凝膠（如海藻酸鈉）。根據(jù)交聯(lián)方式可分為物理交聯(lián)水凝膠和化學(xué)交聯(lián)水凝膠。物理交聯(lián)的水凝膠可以通過靜電相互作用形成，當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，氫鍵可以可逆地轉(zhuǎn)換回溶液狀態(tài)。后者是由化學(xué)鍵構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有永久性。

（5）紙基微流控系統(tǒng) 基于紙張的微流控系統(tǒng)在過去十年中被提出并迅速發(fā)展。紙是一種多孔的紡織基材，通常很薄，由木材、草或破布中的纖維素纖維壓縮而成。該紙的液體毛細(xì)效應(yīng)加速了液體的被動輸運(yùn)，特別適用于微流控系統(tǒng)的構(gòu)建。光刻、蠟印、噴墨印刷、激光印刷和柔版印刷主要用于在紙基材上形成疏水屏障。

圖2 用于檢測食源性病原體的紙基微流控系統(tǒng)

（6）基于絲線的微流控系統(tǒng) 除了紙，棉線、尼龍線、絲線、聚酯線或其他纖維也被提議作為制造微流控診斷系統(tǒng)的基材。絲線的芯吸作用可以在不需要外部泵送系統(tǒng)的情況下，通過毛細(xì)效應(yīng)引導(dǎo)液體流動。在潮濕的條件下，線的機(jī)械強(qiáng)度比紙高。

圖3 為檢測食源性病原體開發(fā)的基于線程的微流控系統(tǒng)

通過物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)微流控系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的監(jiān)測應(yīng)用

（1）微流控系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)的集成 為了實(shí)現(xiàn)自動、連續(xù)、高效的檢測和處理大數(shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)與普通傳感器相結(jié)合，開辟了產(chǎn)生智能傳感器的新途徑，這些傳感器可以基于決策系統(tǒng)自動預(yù)測細(xì)菌圖譜和食源性疾病的流行病學(xué)。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是信息技術(shù)（IT）的一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步，它使任何東西都能夠無縫地集成到網(wǎng)絡(luò)中，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，而無需人工干預(yù)。

（2）物聯(lián)網(wǎng)集成微流控系統(tǒng)在食源性致病菌監(jiān)測中的應(yīng)用 物聯(lián)網(wǎng)已被應(yīng)用于智能家居、汽車傳感、智能農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域，以節(jié)省時(shí)間、能源和人力。物聯(lián)網(wǎng)集成的微流控系統(tǒng)已被開發(fā)用于監(jiān)測瘧疾和甲型登革熱等傳染病。它可以使用各種算法來預(yù)測疾病譜，如疾病分類、聚類、模式和特征，以便為臨床治療做出準(zhǔn)確和快速的決策。

（3）物聯(lián)網(wǎng)集成微流控系統(tǒng)的材料選擇 制造物聯(lián)網(wǎng)集成微流控系統(tǒng)的材料取決于分析技術(shù)。電化學(xué)生物傳感器與智能檢測設(shè)備（如智能手機(jī)）兼容，這為物聯(lián)網(wǎng)-微流控系統(tǒng)的開發(fā)提供了可能性。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)集成微流控系統(tǒng) 綜上所述，微流控技術(shù)具有集成度高、準(zhǔn)確度好、試劑消耗低、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在食源性致病菌的檢測和監(jiān)測中得到了迅速發(fā)展。然而，這一領(lǐng)域的研究仍有一些挑戰(zhàn)需要解決。首先，刻蝕、軟光刻和其他制造微流控芯片的技術(shù)不可避免地需要鍵合來創(chuàng)建封閉的溝道，從而導(dǎo)致制造分辨率和精度的限制。近年來，人們提出了一些創(chuàng)新技術(shù)來開發(fā)微流控芯片中的密封微通道。例如，開發(fā)了有組織微纖維（OM）技術(shù)來制造微流控系統(tǒng)。在OM中，光敏化聚合物和微型LED光源被用來在聚合物薄膜中建立復(fù)雜的、自封閉的和多孔的微通道，而不需要額外的組裝。這些OM微通道可以攜帶水溶液并分離出小的生物分子。在未來的研究中，微流控系統(tǒng)中微通道的自密封技術(shù)仍需進(jìn)一步發(fā)展。

此外，目前的大多數(shù)微流控檢測平臺需要額外的樣品前處理（如核酸提取、組織研磨），這一點(diǎn)很難集成到一個(gè)單一平臺中。由于食品基質(zhì)的復(fù)雜性，微流控系統(tǒng)的靈敏度和便攜性可能會受到影響。此外，由于整個(gè)微流控檢測領(lǐng)域需要更多的標(biāo)準(zhǔn)化，針對特定應(yīng)用的新型微流控檢測和分析技術(shù)往往與市場上現(xiàn)有的技術(shù)不兼容。對于實(shí)驗(yàn)室研究，微流控材料的選擇需要在易于成型和器件性能之間達(dá)成妥協(xié)，而PDMS是在實(shí)驗(yàn)室制造微流控器件的主要選擇材料。然而，用于制造商業(yè)微流控器件的材料（例如PMMA）的生產(chǎn)成本、易用性和可靠性受到了更多的關(guān)注。像PMMA這樣的高性價(jià)比材料已經(jīng)建立了高通量的制造和成形方法，包括滾壓、壓花、激光誘導(dǎo)切割、注射成型和計(jì)算機(jī)數(shù)控銑削。但是，現(xiàn)有的大多數(shù)微流控技術(shù)的功能是用彈性材料如PDMS實(shí)現(xiàn)的，而不是通過其他聚合物容易實(shí)現(xiàn)的。因此，未來的研究方向需要強(qiáng)調(diào)由其他理想的低成本材料（如紙、線）制成的基于PDMS的器件或微流控檢測器件的可擴(kuò)展制造。

最后，與物聯(lián)網(wǎng)集成的微流控系統(tǒng)能夠監(jiān)測食品供應(yīng)鏈上食源性疾病的爆發(fā)和抗菌素耐藥性的流行趨勢，及時(shí)做出疫情防控決策。目前，物聯(lián)網(wǎng)微流控設(shè)計(jì)自動化的研究僅涉及單個(gè)微流控芯片的構(gòu)建。未來的研究需要實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，建立可重復(fù)使用的微流控組件庫。此外，集成了物聯(lián)網(wǎng)的微流控系統(tǒng)需要識別設(shè)備，以自動適應(yīng)不同類型的分析。同時(shí)，需要一個(gè)整體的多層次戰(zhàn)略，以實(shí)現(xiàn)最終與實(shí)體的自動化交互，以降低物聯(lián)網(wǎng)微流控生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。作為一項(xiàng)尖端技術(shù)，需要微生物學(xué)、傳感器制造、生物芯片制造、硬件工程和大數(shù)據(jù)分析等多學(xué)科的結(jié)合，才能產(chǎn)生更高智能和更復(fù)雜功能的物聯(lián)網(wǎng)集成微流控系統(tǒng)。

審核編輯：劉清