基于纸基平台的食品安全快速检测方法研究进展

来源：核心期刊咨询网时间：2021-01-04 11:4612

摘要：摘 要 食品安全是人类社会发展最重要的问题之一，随着食品种类的丰富和发展，快速即时、低成本、便捷化的食品安全检测方法日益受到关注。纸基分析方法具有低成本和简便化分析特点，经历了从试纸到微流控纸芯片的快速发展过程。以纸基材料结合各种分析方法形

　　摘 要 食品安全是人类社会发展最重要的问题之一，随着食品种类的丰富和发展，快速即时、低成本、便捷化的食品安全检测方法日益受到关注。纸基分析方法具有低成本和简便化分析特点，经历了从试纸到微流控纸芯片的快速发展过程。以纸基材料结合各种分析方法形成的纸基分析装置，在食品快速检测方面显示出了良好的应用前景。本文首先介绍了纸基材料表面的功能化改性，综述了比色分析、荧光分析、电化学分析、表面增强拉曼分析等及其联用技术与纸基平台结合构建的分析方法在食品安全快速检测中研究和应用进展，最后讨论了其在食品安全快速分析检测中面临的挑战和发展前景。

　　关键词 纸基分析装置; 食品安全; 快速检测; 比色分析; 荧光分析; 表面增强拉曼散射分析; 电化学分析; 评述

　　1 引 言

　　食用安全的食品是人类保持健康的基本需要，食品安全和质量一直是人们关注的焦点[1，2]。根据来源和性质，影响食品安全的因素可分为以下几类：自食物原料本身的毒素，如霉菌、植物和海洋藻类; 环境污染物，如重金属离子、持久性有机污染物; 滥用的或未经批准的食品添加剂; 加工过程中的工业中间体; 农药残留; 兽用药品; 食物过敏原，如坚果成分、乳糖成分; 食源性致病菌等[3]。因此，有必要发展灵敏、高效的食品安全与检测技术以准确评估食物产业链的每个阶段潜在的有害因素[4]。目前，食品中有害物质的分析方法主要包括气相色谱法[5]、高效液相色谱法[6，7]、质谱法[8，9]、聚合酶链式反应[10～12]和免疫试剂盒测定法[13]等。因此，为满足快速筛查大量食品的需求， 尤其是对生产过程难以监管的进口食品的分析、难以利用大型仪器设备的日常检测等，发展用于食品快速分析的传感器和装置显得尤为重要[14]。纸基分析平台由于具有快速高效、易于使用、低成本的特点，受到了广泛关注[15]。

　　从19世纪近似测量pH值的石蕊试纸问世，到2007年Whitesides团队首次提出微流控纸芯片概念，纸基分析平台已经发展出了横向层析式、二维纸芯片、三维纸芯片等多种形式。纸芯片的发展历程也是分析技术融合于纸基平台的发展历程[16～18]。对于食品安全快速分析，纸基分析平台具有诸多优点：纸廉价易得; 纸纤维具有良好的生物相容性，无毒、可降解; 纸可以通过毛细作用使液體矢量流动，而不需要提供额外动力; 纸的可塑造性强，由于纸纤维表面含有大量羟基和少量羧基，纸表面容易进行化学改性; 纸容易加工，进行切割、折叠、堆叠等; 检测背景低，有利于光度法检测; 纸绿色环保可降解等[19]。基于纸基平台的诸多优势，越来越多的分析方法可以在纸基平台上实现，发展与各种仪器设备以及个人电子用品(例如智能手机)联用的微流控纸芯片分析传感方法已成为目前的研究发展趋势[20，21]。同时，纸基分析平台在食品安全快速检测领域展示出强大的发展活力和应用前景[22，23]。本文主要综述了用于食品安全快速检测的比色分析、荧光分析、电化学分析、表面增强拉曼(Surface enhanced Raman scattering， SERS)分析等方法及其联用技术在纸基平台上的构建与应用的研究进展，并展望了其在食品安全快速分析检测中的发展前景与挑战。

　　2 纸基表面功能化改性

　　纸基表面功能化改性是构建纸基平台分析方法的基础。纸的种类的选择是纸芯片制作的关键，目前使用最为广泛的是含有98% α-纤维素的Whatman No.1滤纸，其表面光滑均匀，流体在其内部流速合适，颗粒保留效果好。除滤纸外，硝化纤维纸、蜡光纸、玻璃纤维纸和棉纤维纸也常被采用[24]。

　　最常用的纤维素纸的主要组成为通过缩醛键和长链β-1，4-葡糖糖连接形成的(1→4)-β-D-吡喃葡萄糖的均聚物，具有多糖结构[15]。纤维素纸含有羟基，带负电荷，通常只能吸附阳离子和带正电荷的分子，但生物分子的修饰固定需要更高表面密度的负电荷，而在纸基修饰表面带负电荷的纳米颗粒，则需要在基质表面使用交联剂或添加表面涂层[25，26]。为了使功能分子和粒子固定在纸上，研究者开发了一些纸纤维表面改性方法。

　　2.1 静电吸附法

　　这种方法利用静电引力和范德华力将材料吸附在纸上，简单、经济[27]。将含有传感材料的溶液浸泡或直接刷涂在纸上，干燥后，即可获得所需的涂层[28，29]。

　　2.2 共价键修饰法

　　纤维素纸上的官能团包括羟基和纤维素环的还原端，可以进行化学修饰，从而引入更多活性基团。羟基是容易反应利用的基团，这些羟基的可用性和反应活性取决于与之相连的碳的位置。根据羟基参与分子内氢键的情况，C3位的OH基团活性最低，而C2和C6位的OH基团活性最强[30]。通过共价键可以使传感材料地与纸基表面稳固结合，但修饰过程通常需要多个步骤，可能破坏纸的强度性能。为了固定传感材料，目前已经发展了多种化学改性方法。纸可以被氧化生成羰基或羧基，然后与带有氨基的分子(如蛋白质或DNA)共价结合。NaBr、NaClO和2，2，6，6-四甲基哌啶-1-基氧自由基可使C6处的羟基基团氧化，形成羧基，这些处理方法已被用于酶的固定[31]。另一种方法不需要氧化产生羧基，而是通过纤维素羟基的醚化，先用NaOH激活OH基团，然后与一氯乙酸反应，进一步制备氟-2-硝基-4-叠氮苯功能化的光反应纸，用于蛋白质的固定[32]。这种技术的优点是可以附着不同的生物分子，而无需考虑其官能团。还有其它可以活化纸基表面的氧化方法，如利用甲基丙烯酸缩水甘油酯反应生成环氧基的方法[33]。生物分子的生物亲和性也可用于纸的功能化，因为很多蛋白质具有纤维素结合域。此外，纤维素纸可以通过羧基酯化羟基后进行修饰，通过这种方法可以在纸上固定偶氮染料[34]。在H3PO4或H2SO4等强酸存在的条件下，可以用HNO3将阳离子硝化纤维素纸羟基酯化[26]。此外，可以在纸上修饰可提高分子结合效率的阳离子聚合物，如聚酰胺-环氧氯丙烷和聚乙烯醇[35]。

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