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纸基微流控装置(DON-Chip)快速、低成本检测食品、饲料和饲料原料中的脱氧雪腐镰刀菌烯醇

来源:https://doi.org/10.1021/acssensors.9b01895 发布时间:2021-12-19

真菌毒素检测和脱毒


纸基微流控装置(DON-Chip)快速、低成本检测食品饲料和饲料原料中的脱氧雪腐镰刀菌烯醇

Paper-Based Microfluidic Device (DON-Chip) for Rapid and Low-Cost Deoxynivalenol Quantification
in Food, Feed, and Feed Ingredients

摘要:真菌毒素污染每年给北美食品和饲料工业造成超过50亿美元的经济损失。脱氧雪腐镰刀菌烯醇(Deoxynivalenol, DON)是一种主要存在于谷物中的代表性真菌毒素,若建立一种快速、低成本、便携、可靠的现场检测方法将有助于控制真菌毒素污染。本研究开发了一种纸基微流控芯片,用于食品、饲料和饲料原料中DON(DON-Chip)的检测。DON-Chip将比色竞争免疫分析结合到纸质微流控装置中,并使用纳米金作为信号指示剂。固体食品、饲料和饲料原料的水萃取物中DON的检测范围为0.01ppm-20ppm(使用10-104ppm的稀释因子),成功地验证了该方法的有效性。与传统方法相比,DON-Chip方法可以大大降低食品和饲料行业真菌毒素检测的成本和时间。

关键词: 纸基微流控装置; DON定量; 竞争免疫分析; 低成本; 现场检测


1. 芯片的优化设计

       速度、成本、可靠性和灵敏度是现场检测系统最重要的参数。本文通过以下步骤对这些参数进行了优化:选择最佳的通道尺寸和模式,以实现快速的样品流动;确保足够的Don−BSA在T1区和在T2区的二次抗体,以捕获所有抗体结合的AuNP;优化Don−BSA的浓度,以确保高灵敏度,同时降低了成本;提出一种结合T1区和T2区的信号来生成校准曲线并确定DON浓度的分析方法。DON-Chip的检测原理如图1所示。

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图 1 使用DON芯片的DON测量原理示意图
DON:脱氧雪腐镰刀菌烯醇;AuNPs:金纳米颗粒;Don−牛血清白蛋白:DON标记的牛血清白蛋白;抗DON−AuNPs:抗DON抗体标记的AuNPs。


2. DON-Chip的校准

       DON在该芯片中的饱和结合浓度约为20 ng/mL。如图2所示,本文使用浓度为0.0、1.0、2.0、4.0、8.0、16和20 ng/mL的DON标准品来确定校准曲线。Don-Chip中T1和T2中信号的代表性图像如图3所示。结果表明,DON浓度与T1信号呈负相关,与T2信号呈正相关。因此,T1和T2信号都可以用来构建用于DON检测的校准值。

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图 2 芯片中T1和T2信号的校准曲线
 

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图 3 使用不同浓度DON标准的DON芯片中T1和T2区域的代表性图像


3. DON芯片在不同条件下的稳定性

       考虑到真正的食品、饲料和饲料原料样品中存在不同的pH值和许多其他种类的真菌毒素,因此本文利用DON-Chip测试了pH和谷物中常见的真菌毒素玉米赤霉烯酮(Zearalenone, ZEN)对DON测定的干扰。如表1所示,在标准样品中添加ZEN(范围为1至15 ng/mL)不会影响DON的测量。如表2所示,稀释缓冲液的pH值从6.0到9.0不影响DON-Chip中DON的测量。

表 1 ZEN存在时的DON测量
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表 2 pH值对DON测定的影响
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4. DON-Chip在添加玉米样品中的药效

       为模拟实际食品或饲料样品中DON的检测,本文将DON标准品添加到未受污染的玉米样品中,然后根据样品制备和分析程序,从添加了DON的玉米样品中提取DON。结果如表3所示,DON的回收率在90−105%范围内。所有的变异系数均小于10%,说明芯片的重复性好。

表 3 用DON芯片测量添加玉米样品中的DON
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5. DON-Chip在食品、饲料和饲料原料样品中的应用

       为了评估该DON-Chip检测实际样品中DON浓度的能力,对21种食品、饲料和饲料原料中的DON浓度进行了测定,使用DON-Chip和商用DON ELISA试剂盒测量样本。如表4所示,ELISA和DON-Chip的检测结果。对同一样品的测定结果相似(两种方法之间的差异小于15%)。仅DDGS(4)在两种方法之间有显著性差异(P<0.05)。用ELISA和DON-Chip测定DON结果的线性拟合如图4所示。DON结果的拟合线斜率和相关系数(R2)分别为0.8988和0.9991。基于这些结果,DON-Chip被证实是检测食品、饲料和饲料成分中DON的可靠方法。

表 4 食品、饲料和饲料原料样品中DON的测定结果
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图 4 食品、饲料和饲料原料样品中DON的测定结果
酶联免疫吸附试验(ELISA)和直接芯片法(DON-Chip)检测DON结果之间存在线性关系(R2=0.9991,斜率=0.8988);在DON测量中使用了21个食物、饲料和饲料成分样本
(每次测量重复4次);信号的平均值和标准差在图中用点和误差条表示;Y轴和X轴分别代表从芯片芯片法和ELISA试剂盒获得的值。

 

总结:本文开发了一种低成本的纸基微流控DON芯片,能在12分钟内测量食品、饲料和饲料原料中的DON水平,检测范围为0.01−20ppm。DON-Chip是第一个结合抗原沉积区和二次抗体沉积区的互补信号来指示装置的有效性的的免疫分析方法,也是第一个确定抗原浓度的竞争性的免疫分析方法。开发的便携式DON-Chip成像系统为现场检测提供了便携性。总体而言,开发DON-Chip提供了一种新的低成本和便携式真菌毒素检测工具,能有效地解决动物健康和食品安全方面的相关问题。

Jiang Q, Wu J, K Yao, et al. Paper-Based Microfluidic Device (DON-Chip) for Rapid and Low-Cost Deoxynivalenol Quantification in Food, Feed, and Feed Ingredients[J]. ACS Sensors, 2019, 4(11).
 
全文链接:https://doi.org/10.1021/acssensors.9b01895 





 

文稿:薛晴谦       编辑:上官国莲       审核:王敬敬