食源性疾病是全球公共衛生的主要威脅之一。世界衛生組織（WHO）估計，全球每年有6億人患有食源性疾病，并導致42萬人死亡。其中，包括單核細胞增多性李斯特菌、產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，嚴重的癥狀會危及生命，特別是對于免疫系統受損的人。由食源性病原體引起的食品安全暴發是世界范圍內一項重要的公共衛生挑戰，可造成健康和經濟損失。因此，食源性致病菌的快速檢測是預防食源性疾病暴發和保障公眾健康的迫切需要。

微流控系統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），其出現為傳統的分析技術（如核酸序列擴增、比色分析、酶聯免疫分析）檢測小芯片上的特定靶點提供了一個集成的平臺，可以實現現場診斷應用，特別是在資源不足的環境中。更重要的是，通過模塊化設計，微流控系統可以根據檢測需求進行定制，例如樂高類即插即用微流控系統或使用磁鐵連接模塊。

具有不同物理化學性質的材料可以賦予微流控系統復雜的功能，因而被稱為功能化材料。選擇用于微流控制造的材料應遵循以下幾個原則：1）化學穩定性；2）電絕緣和散熱潛力；3）對檢測信號的干擾最小；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，這些材料由于其復雜、耗時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性，作為微流控制造材料受到越來越多的關注。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具有良好的光學透過性、生物相容性、透氣性和耐化學性，是微流控加工中應用最廣泛的材料之一。PMMA是一種耐沖擊的透明塑料，可以表現出玻璃般的光學透明度，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/線材料以其獨特的毛細管效應在微流控領域引起了廣泛的關注。具有不同物理化學性質的制造材料使微流控系統具有復雜的功能，適合于特定的應用。

近期，浙江大學丁甜教授課題組在Trends in Food Science & Technology期刊上發表了題為“Advancing point-of-care microbial pathogens detection by material-functionalized microfluidic systems”的綜述性論文，從無機材料、有機材料和組合材料三個方面對微流控系統的材料進行了綜述，并討論了材料功能化微流控系統在檢測食源性病原體方面的最新進展和挑戰。最后，展望了下一代微流控技術在食品安全風險預防和食源性病原體監測應用方面的潛力。

用于食源性致病菌檢測的微流控系統

（1）基于無機材料的微流控系統 無機材料（即硅和玻璃）是制造微流控系統的先驅材料。硅與大多數溶劑相容（強堿除外），然而，其不透明性限制了硅基微流控系統在光學信號檢測（如比色法、熒光和化學發光）中的應用。玻璃具有光學透明（波長為200nm～3500 nm）和低自發熒光的優點。硅/玻璃微流控系統的制造遵循經典的光刻工藝，該工藝包括在晶片物質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域可以通過濕法/干法蝕刻進一步去除。濕法蝕刻通過浸漬、旋轉或噴灑蝕刻劑（例如氫氟酸、氫氧化鉀）在液體中進行。濕法腐蝕是各向同性的，通常以低于7 μm/min～8 μm/min的速率進行。

玻璃/硅的干法刻蝕是通過氣相等離子體、離子束或反應離子與包括C?F?、CF?、SF?或CHF?的氣體實現的。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間。除了光刻技術，基于硅/玻璃的微流控系統還可以通過其他機械方法來制造，包括激光燒蝕、機械侵蝕、電加工和壓花。硅/玻璃制造的微流控系統與毛細管電泳法、電化學檢測法和聚合酶鏈式反應分析相兼容，可檢測病原體（例如，大腸桿菌O157∶H7）。然而，基于無機材料的微流控系統的制造會受到操作要求的限制（例如，超清潔的環境、保護設施、高溫/高壓）。

（2）基于彈性材料的微流控系統 聚二甲基硅氧烷（PDMS）是微流控制造中應用最廣泛的彈性體基材料。固化溫度、交聯劑比例、固化處理和摻雜可能是影響PDMS力學性能的因素（例如，彈性、剛性）。目前，聚二甲基硅氧烷與交聯劑最常用的比例為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的高分辨率進一步澆鑄，因此與基于硅/玻璃的微流控系統相比，基于PDMS的微流控系統的制造更容易且成本效益更高。經過等離子體處理后，PDMS表面可以不可逆地結合到其他襯底上，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用。

（3）基于熱塑性材料的微流控系統 通過設置加熱和冷卻順序，熱塑性材料可以在玻璃化轉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先準備好的，并通過熱成型制造，從而能夠快速且低成本地生產。此外，熱塑性塑料還表現出對可見光光譜的廣泛透射性，并且具有微弱的本征熒光、高的化學穩定性、良好的機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用于檢測食源性病原體

（4）基于水凝膠的微流控系統 水凝膠是一種仿生材料，用于制造微流控系統，使其能夠在水中膨脹并保持高含水量。基于水凝膠材料的微流控裝置已被開發用于模擬生物基質環境。根據物質來源，水凝膠可分為天然水凝膠（如透明質酸、膠原蛋白、海藻酸鈉）和合成水凝膠（如海藻酸鈉）。根據交聯方式可分為物理交聯水凝膠和化學交聯水凝膠。物理交聯的水凝膠可以通過靜電相互作用形成，當外界條件發生變化時，氫鍵可以可逆地轉換回溶液狀態。后者是由化學鍵構成的三維網絡，其結構穩定，具有永久性。

（5）紙基微流控系統 基于紙張的微流控系統在過去十年中被提出并迅速發展。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。該紙的液體毛細效應加速了液體的被動輸運，特別適用于微流控系統的構建。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

（6）基于絲線的微流控系統 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的基材。絲線的芯吸作用可以在不需要外部泵送系統的情況下，通過毛細效應引導液體流動。在潮濕的條件下，線的機械強度比紙高。

圖3 為檢測食源性病原體開發的基于線程的微流控系統

通過物聯網和大數據，實現微流控系統在全球范圍內的監測應用

（1）微流控系統與物聯網的集成 為了實現自動、連續、高效的檢測和處理大數據，機器學習與普通傳感器相結合，開辟了產生智能傳感器的新途徑，這些傳感器可以基于決策系統自動預測細菌圖譜和食源性疾病的流行病學。物聯網（IoT）是信息技術（IT）的一項技術進步，它使任何東西都能夠無縫地集成到網絡中，并通過無線網絡傳輸數據，而無需人工干預。

（2）物聯網集成微流控系統在食源性致病菌監測中的應用 物聯網已被應用于智能家居、汽車傳感、智能農業、醫療保健等領域，以節省時間、能源和人力。物聯網集成的微流控系統已被開發用于監測瘧疾和甲型登革熱等傳染病。它可以使用各種算法來預測疾病譜，如疾病分類、聚類、模式和特征，以便為臨床治療做出準確和快速的決策。

（3）物聯網集成微流控系統的材料選擇 制造物聯網集成微流控系統的材料取決于分析技術。電化學生物傳感器與智能檢測設備（如智能手機）兼容，這為物聯網-微流控系統的開發提供了可能性。

圖4 物聯網集成微流控系統 綜上所述，微流控技術具有集成度高、準確度好、試劑消耗低、反應速度快等優點，在食源性致病菌的檢測和監測中得到了迅速發展。然而，這一領域的研究仍有一些挑戰需要解決。首先，刻蝕、軟光刻和其他制造微流控芯片的技術不可避免地需要鍵合來創建封閉的溝道，從而導致制造分辨率和精度的限制。近年來，人們提出了一些創新技術來開發微流控芯片中的密封微通道。例如，開發了有組織微纖維（OM）技術來制造微流控系統。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，微流控系統中微通道的自密封技術仍需進一步發展。

此外，目前的大多數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），這一點很難集成到一個單一平臺中。由于食品基質的復雜性，微流控系統的靈敏度和便攜性可能會受到影響。此外，由于整個微流控檢測領域需要更多的標準化，針對特定應用的新型微流控檢測和分析技術往往與市場上現有的技術不兼容。對于實驗室研究，微流控材料的選擇需要在易于成型和器件性能之間達成妥協，而PDMS是在實驗室制造微流控器件的主要選擇材料。然而，用于制造商業微流控器件的材料（例如PMMA）的生產成本、易用性和可靠性受到了更多的關注。像PMMA這樣的高性價比材料已經建立了高通量的制造和成形方法，包括滾壓、壓花、激光誘導切割、注射成型和計算機數控銑削。但是，現有的大多數微流控技術的功能是用彈性材料如PDMS實現的，而不是通過其他聚合物容易實現的。因此，未來的研究方向需要強調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展制造。

最后，與物聯網集成的微流控系統能夠監測食品供應鏈上食源性疾病的爆發和抗菌素耐藥性的流行趨勢，及時做出疫情防控決策。目前，物聯網微流控設計自動化的研究僅涉及單個微流控芯片的構建。未來的研究需要實現模塊化設計，建立可重復使用的微流控組件庫。此外，集成了物聯網的微流控系統需要識別設備，以自動適應不同類型的分析。同時，需要一個整體的多層次戰略，以實現最終與實體的自動化交互，以降低物聯網微流控生態系統設計的復雜性。作為一項尖端技術，需要微生物學、傳感器制造、生物芯片制造、硬件工程和大數據分析等多學科的結合，才能產生更高智能和更復雜功能的物聯網集成微流控系統。

審核編輯：劉清