基于微流控芯片的检测技术及应用举例

微流控技术是一种精密操控微小尺度流体的技术手段，利用微通道内部特有的尺度效应，在微小空间内显著增强反应效率与精确度，从而实现实验过程的微型化、集成化、快速化和自动化等目标。

这一技术的核心载体是微流控芯片，也被称为“芯片实验室”，能够将样品采集、预处理以及分析检测等一系列实验步骤整合在一个仅几平方厘米大小的芯片上。

通过运用表面张力、微流体阻力、能量耗散等独特效应，微流控芯片可以精密调控流体流动方向并缩短反应时间，构建一个高度微型化的实验环境。

微流控芯片可采用多种基底材料制作，包括纸基材料、有机聚合物（如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）等）、石英玻璃以及水凝胶等。

芯片的制备工艺涉及多种精密加工技术，如印刷、光刻、模塑、热压成形和3D打印等。通过选择不同的材料和加工方法，可以调控微流控芯片的稳定性和功能性，以适应不同的应用需求。

在生物医学研究、环境监测、食品安全检测、临床诊断和药物筛选等方面，微流控芯片展现出优异的应用前景。

目前，传统的抗生素检测方法包括紫外-可见分光光度法、液相色谱法、气相色谱-质谱法和酶联免疫分析法等。

其中，液相色谱及其联用技术应用较为广泛，具有稳定性好、检测限低和检测灵敏度高等优点。

但是这些方法仍存在检测过程复杂、需要专业检测人员和设备的问题，无法满足日常即时、现场检测的要求，且成本较高，研发快速、便携、低成本的检测系统成为实现抗生素即时检测的重要突破口。

基于微流控芯片的传感器类型

在抗生素的快速检测中，微流控技术建立了一种小型化、便携式和高通量的检测平台，为含抗生素残留的少量甚至痕量样品的即时、快速检测提供了可能。

与微流控芯片具有良好集成性能的传感器是其中的关键。根据检测原理的不同，微流控芯片的传感器检测技术可分为光学检测、电化学检测和质谱检测。

光学检测技术主要包括荧光检测、化学发光检测、比色检测、表面增强拉曼散射光学检测等。

荧光检测是一种通过检测目标物或标记物（如有机荧光染料、无机荧光复合物、荧光量子点、纳米发光材料等）产生的荧光信号强度来确定目标分析物含量的方法。

该技术因其灵敏度高、重现性好、操作简便而受到广泛应用，尤其适用于痕量分析和实时监测。

化学发光检测是一种通过检测抗生素氧化还原反应、酶催化反应等产生的化学能被发光体吸收后产生的发光强度来确定目标分析物含量的技术。

该技术具有灵敏度高、易于微型化等优势，但要求发光试剂与被检测物质能够高效混合，并且仅限于具有明显化学发光效应的体系。

比色检测是一种基于目标分析物与显色剂反应后颜色变化进行定量测定的方法。

该技术成本低廉、操作简便、即时性强，可快速直观地显示测试结果，但灵敏度、定量性和可靠性较低，结果受温度和时间影响大，不适于复杂样品分析。

表面增强拉曼散射（SERS）检测是一种通过在金属表面吸附目标分子来增强拉曼散射信号的方法，适用于痕量抗生素残留的高灵敏度检测。

该技术检测速度快、检测限低，但样品制作复杂、成本高，且基衬的重现性和稳定性较难控制。

电化学检测通过识别分子和目标物作用后产生的电化学信号，如电流、电压或电化学阻抗的变化，实现对抗生素残留量的检测。

电化学检测具有选择性好、兼容性强，易于微型化和集成化等特点，但要求目标分析物具有电化学活性，重现性可能较差。

质谱检测则是将微流控芯片与质谱分析技术结合，通过微流控芯片对样品进行预处理（富集或分离）后送入质谱仪中进行精确质量分析的技术。

该技术适用于痕量抗生素的检测和多组分的同时测定，能够高效、准确地提供抗生素的定性与定量分析。质谱检测技术具有灵敏度高、检测时间短、定量性好和鉴别目标分析物结构等优点。

然而，该技术也存在一些局限，如质谱仪体积大、造价高，不符合芯片微型化要求，且芯片与质谱仪接口较为复杂，需要专业人员操作等，增加了实际应用的难度。

微流控技术在抗生素快速检测中的应用

抗生素通过动物分泌物、污水和医疗废物等途径迅速传播，并通过食物链进入并堆积在动物或人类体内，过量的抗生素严重威胁人体健康。如何快速、准确、低成本地检测残留抗生素是一个亟需解决的问题。

微流控技术在食品安全分析方面的应用

在禽畜饲养过程中，为预防和治疗感染性疾病，养殖者通常会大量使用抗生素类药物。

抗生素的滥用及其在食物链中的积累，导致乳制品、肉制品和水产品等食品中抗生素严重超标，对食品安全和人类健康构成极大风险。

因此，加强对食品中抗生素残留的检测和监督是解决该问题的关键途径。

相比传统检测方法，微流控分析技术能够实现各类食品中抗生素残留的微型化、快速化和即时化提取和检测，已被应用于乳制品、肉类、鸡蛋和蜂蜜等食品中抗生素的快速检测。

微流控技术在环境污染检测方面的应用

环境中的抗生素主要来源于生活污水、畜牧业和水产养殖业的废水、药企工业废水及医疗废水等，并通过水体、土壤、畜类和水产品等介质扩散、循环和富集。

因此，建立可靠的抗生素残留现场快速监测方法对环境中抗生素污染的预警和监督至关重要。

微流控技术的微型化和便携性，允许其在复杂、动态的环境样品中对分析物进行低量、快速的定性和定量分析，并且对操作的专业要求不高，易于实际推广使用。

微流控技术在医药监测方面的应用

抗生素是临床上治疗细菌感染引起的各类炎症最常用的处方药，误用和过度使用会导致病菌对抗生素产生耐药性及过敏反应，不利于疾病的预防和治疗。

因此，临床治疗或护理中对抗生素剂量的严格监控十分重要，有效的药物治疗取决于个体的药代和药效，体内抗生素药物的即时代谢监测对相关疾病诊断、个性化治疗方案和剂量确定具有重要意义。

利用微流控技术，可实现血液、尿液等医疗生物样本中抗生素的高通量、快速和微量化检测。