《Food Research International》：Microfluidic platforms for food analysis: Materials, fabrication, analytical strategies, matrix handling, and translation
编辑推荐：
•完整的食品样本到结果的工作流程揭示了芯片级别指标的局限性。•材料和制造选择决定了设备的用途、可重复性和可扩展性。•天然受污染的食品比添加了试剂或经过净化的样本提供了更有力的证据。•CRISPR、磁流控技术和人工智能扩展了功能，但仍受到工作流程的限制。•分阶段的路线图优先考虑采样
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完整的食品样本到结果的工作流程揭示了芯片级别指标的局限性。
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材料和制造选择决定了设备的用途、可重复性和可扩展性。
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天然受污染的食品比添加了试剂或经过净化的样本提供了更有力的证据。
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CRISPR、磁流控技术和人工智能扩展了功能，但仍受到工作流程的限制。
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分阶段的路线图优先考虑采样、样品处理、生产和验证。
引言
食品分析现在支持三项相互关联的任务：安全控制、营养和质量评估以及标签声明和产品身份的验证。相应的检测目标包括内源性营养素和生物活性成分、添加剂、掺杂物、重金属离子、农药和兽药残留、霉菌毒素以及病原微生物。多样的原材料、漫长的加工链、异质的样品基质和不同的检测环境使这些任务变得复杂。因此，分析工作流程必须提供足够的灵敏度和选择性，同时满足其预期使用的速度、成本、便携性和操作要求。
已建立的色谱法、光谱法以及基于培养或核酸的方法能够提供可靠的定量或确认结果，并为监管检测提供基础。许多方法需要集中式的仪器、训练有素的人员和耗时的样品制备，这限制了它们在分散式筛查或快速工艺决策中的应用。微型化平台可以通过减少样品和试剂的使用、缩短运输和反应路径，并以紧凑的形式协调连续操作来补充这些方法。
微流控平台在微通道、多孔网络或可寻址液滴中操作少量液体。早期的微型化全化学分析系统概念表明，流体处理、分离和化学测量可以在微规模上集成（Manz等人，1990年）。随后在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中的快速原型制作使得通道制造和设计迭代变得更加容易（Duffy等人，1998年）。图案化纸片利用毛细管传输技术，实现了无需泵浦、低成本且一次性的检测方法（Martinez等人，2007年）。这些发展扩展了可用的设备格式，但每种方法也引入了不同的限制，涉及尺寸稳定性、表面吸附、溶剂兼容性、流动再现性、试剂储存和食品基质的预处理。
因此，不能仅从传感化学特性来推断设备的性能。基底选择、制造过程、表面处理、试剂稳定、封装和组装决定了一个设计在最初实验室演示之后的可靠性。为原型迭代优化的流程可能无法提供部署所需的存储稳定性、批次一致性和生产吞吐量，而且当色素、颗粒、蛋白质、脂质或盐改变流体传输或信号生成时，敏感的读数仍可能出错（Cong & Zhang，2022年）。因此，中心设计问题是将材料和制造与识别、读数、样品基质处理和最终检测决策相匹配。
最近的综述探讨了这一设计领域的重要方面。广泛的调查总结了用于检测农药残留、病原体、重金属、添加剂和其他污染物的芯片材料、制造方法和应用（Gao等人，2020年；Kasputis等人，2024年）。更具体的分析研究了基于微流控纸的分析设备（μPADs），包括其制造、流体控制、读数和食品安全应用（Soman等人，2024年）；以及用于捕获和信号放大的纳米酶平台（Zhang, Zhu等人，2024年）；以及用于检测化学和生物污染物的识别和检测工作流程（Trinh等人，2024年）。数字微流控芯片也在制备、液滴驱动和食品安全应用方面进行了回顾（Wang等人，2023年）。表1比较了这些综述的范围和重点。
这些研究共同为各类平台和传感机制提供了坚实的基础。然而，它们的范围往往只是部分明确了材料选择、制造、识别、读数、样品基质处理和验证之间的下游依赖关系。这种分离使得难以确定一个在缓冲液中表现良好的设备是否仍然适用于特定的食品基质或使用场景。本综述通过一个从设计到部署的连贯框架来填补这一空白。它跟踪了早期材料和制造选择如何影响流体处理、试剂储存、分析响应、样品基质耐受性、外部读数器要求和可扩展性。它还区分了来自天然受污染样品、人工接种或添加试剂样品以及预纯化样品的证据，并考虑了芯片内和芯片外处理的界限。
因此，本综述提供了以应用为导向、以设计为中心的食品分析微流控评估，重点关注2020年以来发表的研究，同时保留了定义主要能力轨迹的早期工作。其中心贡献是一个选择框架，将设备构造与分析性能和预期用途联系起来。第2节使用食品基质的兼容性、功能集成、可重复性、定量制造指标和生产规模来比较基底材料和制造路线。第3节评估了核酸扩增和CRISPR辅助检测、免疫测定、适配体、分子印迹聚合物（MIPs）、纳米材料驱动的功能以及电化学生物传感。第4节考察了比色法、荧光法、电化学法、化学发光法、双信号法、多重法、光谱法和基于分离的读数方法，以及校准、读数器配置和工作流程负担。第5节按营养和医学-食品同源性成分、添加剂和掺杂物、毒素和化学残留物、重金属以及病原微生物对应用进行了分类。第6节将能力定义的进步与食品特定的优势、劣势、机会和威胁（SWOT）分析以及分阶段的路线图相结合，包括代表性采样、适应样品基质的自动化、商业化、参考方法比较和预期用途验证。
章节片段
面向食品的微流控芯片的材料和制造策略
材料选择和制造方法共同决定了面向食品的微流控芯片的性能和可制造性。基底决定了与样品和试剂的相互作用，而制造过程则控制着通道结构、生产时间、成本、可重复性、可扩展性和功能集成。本节评估了这两个方面，并解释了它们的兼容性如何影响设备的操作、一次性使用和适用于不同食品分析环境的能力。
核酸扩增和CRISPR辅助检测
微流控核酸检测结合了目标扩增和小体积反应以及受控的温度条件。定量聚合酶链反应（qPCR）支持定量测量，但需要热循环和精确的温度控制。LAMP、RPA和重组酶辅助扩增（RAA）使用恒定的反应温度，简化了它们在便携式设备中的集成。可靠的性能仍然取决于引物设计和温度均匀性。
不同食品分析物的读数模式选择
在目标识别和信号生成之后，读数模式决定了分析事件如何被记录、量化和解释。在面向食品的微流控系统中，选择读数模式不能仅依赖于检测限。色素、浊度、自发荧光、电活性干扰物、粘度、提取效率、读数器的可用性和预期用途都会影响实际性能。本章比较了四种常见的读数方法——比色法、荧光法、电化学法等。
基于应用的微流控食品传感器设计
面向食品的微流控平台不能仅根据微型化和分析灵敏度来设计和评估。它们的实际配置还取决于目标特性、食品基质的复杂性、样品预处理和预期的测试场景。食品中的营养和组成标志物、医学-食品同源性材料中的生物活性化合物、添加剂、掺杂物、毒素、化学残留物、重金属和病原微生物的浓度各不相同。
转化挑战、食品特定的SWOT分析和优先级路线图
在讨论了材料、制造、识别策略、读数模式和面向食品的应用之后，本节从分析能力转向实际转化所需的条件。首先根据它们解决的瓶颈和在食品基质中持续存在的限制来评估能力定义的进步。然后通过食品特定的SWOT分析将微尺度分析优势与代表性采样和预处理联系起来。
结论
本综述将面向食品的微流控分析视为一个涉及基底材料、制造、目标识别、信号读数、食品基质准备和预期用途的连贯设计过程。材料选择影响通道稳定性、分析物吸附、试剂储存、光学兼容性和设备制造，而制造过程决定了结构精度、生产成本、可重复性和可扩展性。没有一种材料或制造方法是完全最优的。
顾同龙：撰写——原始草稿、可视化、概念化。李翔：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报道工作的竞争性财务利益或个人关系。
顾同龙|李翔
