《食品科学》：中国农业大学程楠副教授等：纸上微型实验室在食品检测领域的研究进展

“纸上微型实验室”是以纸为基底建立的微分析系统，利用固定在纸基表面的识别元件与靶标分子识别反应，将分析物的浓度转化为光学、电化学或其他信号进行定性、半定量或定量检测，其原理如图1所示。近年来，“纸上微型实验室”因兼具快速、便携、灵敏、经济等优势，已成为食品快速检测技术领域的研究热点。

中国农业大学食品科学与营养工程学院的陈 洋、程 楠*等综述了纸层析法、化学试纸、侧流层析试纸条、纸基微流控分析装置（μPADs）和合成生物学纸的原理、分类、优缺点及研究进展，并总结了以上5 种纸基分析方法在食品检测领域的应用情况，最后展望了“纸上微型实验室”面临的挑战和未来的发展趋势，以期拓宽纸基分析方法在食品检测领域的应用前景。

1、纸基分析技术

纸层析法

纸层析法适用于氨基酸、色素、有机酸等食品中小分子化合物的检测，能满足组分数较少样品初步分离、鉴定的需求。为了进一步实现微量、定量测定，纸上涂覆纳米材料和联用高精度检测仪器是提高灵敏度常用的策略，如Zhang Min和张建云等分别联用酶标仪法和分光光度法检测微生物发酵液中的γ-氨基丁酸和L-丝氨酸；Weatherston等将表面增强拉曼散射（SERS）与纸层析法联用，通过在超细玻璃纤维滤纸上镀纳米银增强SERS信号，用来分离和鉴定食品中的番茄红素和β-胡萝卜素。

化学试纸法

化学试纸是包容性很强的微型检测平台，如常用的pH试纸、亚硝酸盐试纸、过氧化物试纸等，适合反应步骤少、颜色变化明显的物质检测。然而，简单的化学试纸只能粗略地指示待测物浓度，且指示剂容易老化、稳定性较差。由此衍生出许多提升化学试纸法性能的方法，如熊慧娟等将化学试纸法与树脂吸附富集法联用，使亚硝酸根离子检测精度大幅提高；也可以配合图像分析装置进行比色，Iacono等针对啤酒生产过程中的昏暗环境设计了pH值测试仪，避免阴影和光照对比色结果的影响，扩大了酸碱度检测范围。

侧流层析试纸条

侧流层析即侧向流动分析（LFAs），LFAs试纸条一般由5 个部分组成，依次为样品垫、结合垫、硝酸纤维素（NC）膜、吸收垫和聚氯乙烯背板，相邻的垫彼此重叠一部分以保证液体连续流动，背板在最下面提供机械支撑。待测样品被滴加在样品垫上，在毛细管力作用下输送至结合垫，与其上所储存识别靶标的有色纳米材料标记的抗体（如金标抗体）相互作用，形成肉眼可见的免疫复合物。NC膜负责捕获分析物，抗体通过静电作用、氢键和/或疏水力沉积在NC膜上，构成一条或多条测试（test，T）线和一条控制（control，C）线。样品流过膜的过程中，免疫复合物和多余的标记试剂分别被T线和C线捕获，由于标记材料（如纳米金）的光学性质，T线和C线上形成并保留可视线，并以T线区域信号的强弱判定检测结果。最后，多余的液体由吸收垫截留，吸收垫具有强大的持液能力，并为整个流动分析过程提供芯吸力。

纸基微流控分析装置

μPADs是利用微加工技术在纸上设计并组装各种结构，如通道、反应池、微泵、微阀等功能单元，引导液体沿指定通路流动并完成反应的技术。自2007年Whitesides团队首次提出μPADs的概念，随后μPADs引起学界广泛关注并持续至今。μPADs的基本原理是将纸芯片直接切割或采用化学改性、物理沉积堵塞纤维素纸内的孔隙来改变纸的亲/疏水性，以纸为基底构建图案化亲水区域和疏水通道，如图3A所示。在毛细作用力的驱动下，液体按图案定向流动并反应，后经分析器件转化为其他信号进行比较分析。

合成生物学纸

合成生物学纸是在纸基上构建的可编程的体外诊断平台，如图4所示，以纸为基底嵌入生物系统并建立成套的“纸基传感器＋开关/逻辑门”基因回路，通过感应由靶标引起的特定变化，反应体系将开启、关闭或切换特殊功能，完成分子识别、信号转化与传感过程，从而达到检测的目的。近些年，合成生物学模型、工具包和基因回路的多样化和模块化极大推进了纸基传感器的可持续发展，基于合成生物学的“纸上微型实验室”日益成熟，并在食品检测领域崭露头角。

与传统实验室检测技术相比，“纸上微型实验室”轻巧便携、操作简单、成本低廉，在现场快速检测领域有巨大优势，与此同时，日益普遍的新业态、新资源食品以及消费者对食品的更高标准也为“纸上微型实验室”带来了新挑战（表1）。

2、“纸上微型实验室”在食品检测领域的应用

近些年，由于“纸上微型实验室”耗时短、成本低、体积小等诸多优势，能够突破传统实验室检测方法耗时长、操作复杂、成本高的局限性，并满足现场快速检测对灵敏度和选择性的需求。“纸上微型实验室”为食源性致病微生物、重金属、农药残留、兽药残留、食品添加剂、非法添加物以及毒素等食品安全风险因子的检测提供快速、便捷、可靠的平台，从而拓宽了其在食品检测领域中的应用前景。目前“纸上微型实验室”在食品检测中的应用汇总如表2所示。

结语

“纸上微型实验室”为食品检测建立了便捷、灵敏、经济的新平台。不可否认，纸基分析方法仍存在灵敏度较低、易受污染、稳定性较差等局限性，只能作为快速筛选的手段而不能作为最终诊断的依据。因此，兼具快速和准确两大优点是“纸上微型实验室”追求的目标，基于此目标，众多改进方法有待发掘：1）选择更高效的样品预处理方法或增添过滤和浓缩组件，以缩短检测耗时；2）开发更好的显信号方法和专门的阅读分析仪器，以提高检测灵敏度；3）将纤维素纸与新兴材料结合、拓展纸基分析装置的新结构，以最大化发挥纸基便携、快速的优势。综上，“纸上微型实验室”正顺应现代检测技术简捷化、高通量化、多功能化的趋势迅猛发展，可为资源匮乏地区的现场快速检测提供简便工具，并为食品检测提供安全、可靠的技术平台。

通信作者简介

程楠，副教授，中国农业大学食品科学与营养工程学院。
研究方向：
1. 食品安全快速检测生物传感技术
2. 食品科学中的纳米技术
3. 食品安全快速检测智能装备
获得荣誉及研究成果：

中国农业大学食品科学与营养工程学院副教授，中国农业大学校团委副书记（挂职）。全国博士后创新人才支持计划获得者、中国农业大学大禹青年学者、中国农业大学引进优秀人才；担任北京食品学会第十一届理事、北京食品学会现代营养健康检测专业委员会副秘书长、爱思唯尔全球前 2%顶尖科学家（World's Top 2% Scientists, Elsevier）。从事食品安全风险因子快速检测工作，主要研究领域及方向为食品安全快速检测生物传感技术、食品科学中的纳米技术、食品安全快速检测智能装备。相应研究成果获得授权国家专利 15 项，发表 SCI 收录论文 50 余篇，收录于 Trends in Biotechnology、Small等期刊；担任Food Science and Engineering（FSE）杂志编委，《中国食品学报》及《食品质量安全检测学报》青年编委。

第一作者简介

陈洋，硕士研究生，中国农业大学食品科学与营养工程学院。研究方向为食品安全快速检测生物传感技术。

本文《纸上微型实验室在食品检测领域的研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷3期246-257页，作者：陈洋，杨湛森，王鑫，宋光春，黄荟娴，徐瑗聪，罗云波，黄昆仑，程楠。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220223-189。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

图片来源于文章原文及摄图网。

为构建多元化食物供给体系并兼顾生态环境保护，并形成以生物多样性保护促进食品生产的可持续性，北京食品科学研究院和中国食品杂志社将与北方民族大学、皖西学院、宿州学院、滁州学院于 2023年5月13-14日在中国宁夏银川 共同举办“ 生态保护与食品可持续发展国际研讨会 ”。本届研讨会将围绕新资源食品挖掘、动植物、微生物可替代蛋白、食用菌等食物资源的开发现状、重要创新进展及存在的问题开展研讨，探讨未来食品发展方向，通过展示我国生态保护与食品可持续发展等领域的最新科研成果，搭建科研单位与企业产学研结合的平台，共同促进我国食品产业发展快速踏入新里程。

Food Science of Animal Products（ISSN: 2958-4124, e-ISSN : 2958-3780）是一本国际同行评议、开放获取的期刊，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心主办，中国食品杂志社《食品科学》编辑团队运营，属于食品科学与技术学科，旨在报道动物源食品领域最新研究成果，涉及肉、水产、乳、蛋、动物内脏、食用昆虫等原料，研究内容包括食物原料品质、加工特性，营养成分、活性物质与人类健康的关系，产品风味及感官特性，加工或烹饪中有害物质的控制，产品保鲜、贮藏与包装，微生物及发酵，非法药物残留及食品安全检测，真实性鉴别，细胞培育肉，法规标准等。

投稿网址：

https://www.sciopen.com/journal/2958-4124