3D打印技術(shù)應(yīng)用于食品分析領(lǐng)域的進(jìn)展！

導(dǎo)讀：食品質(zhì)量控制對(duì)人類安全和健康極為重要，通常需要高效和可靠的食品分析方法。多樣性、簡單性、可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和低成本等優(yōu)勢使3D打印技術(shù)應(yīng)用于便攜式傳感器中，以檢測各種食品污染物。那么現(xiàn)在應(yīng)用于食品分析的3D打印傳感器發(fā)展到哪一步了呢？還面臨著什么問題呢？下面請(qǐng)跟隨南極熊一起看下去吧！

2022年5月，南極熊獲悉，來自巴西納米技術(shù)國家農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室(LNNA)的研究人員發(fā)表了一篇題為《Advances in 3D printed sensors for food analysis》的綜述文章，全面整理了3D打印傳感的最新進(jìn)展，并對(duì)此類傳感器在檢測食品污染物（如重金屬、農(nóng)藥殘留、病原體、霉菌毒素、腐敗以及食品上的過敏原和摻雜物）方面的應(yīng)用提供全面見解。


全文主要分為兩個(gè)方面：1）介紹了3D打印技術(shù)和傳感機(jī)制，2）介紹并分析了目前較為先進(jìn)的3D打印技術(shù)用于制備監(jiān)測食品安全和質(zhì)量的傳感器的發(fā)展和具體應(yīng)用。可以說，3D打印傳感器在檢測食品方面具有顯著的性能，但在實(shí)際應(yīng)用前，仍需要克服一些挑戰(zhàn)。隨著3D打印技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，3D打印傳感器的成功開發(fā)將有效地幫助改善食品安全控制，在整個(gè)食品供應(yīng)鏈中具有巨大的應(yīng)用潛力。


△3D打印傳感器在檢測與食品質(zhì)量和安全有關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用

3D打印技術(shù)及其在分析裝置開發(fā)中的應(yīng)用






△3D打印技術(shù)及其在分析裝置開發(fā)中的應(yīng)用；注：$-低于300美元；$$-從300.00美元到1000.00美元; $$$-高于314 1000.00美元

3D打印傳感器在食品分析領(lǐng)域的應(yīng)用

1. 檢測食品污染物

●殺蟲劑的檢測
不斷增長的糧食生產(chǎn)需求需要廣泛使用農(nóng)藥來預(yù)防、控制或消除害蟲（如昆蟲、雜草、微生物），以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。然而，這些化學(xué)物質(zhì)的殘留，會(huì)造成食品污染，危害人類健康和環(huán)境。因此，為了對(duì)農(nóng)藥及其在食品中的殘留物進(jìn)行可靠的檢測和定量，傳感器的開發(fā)受到了高度關(guān)注。最近，人們提出了利用3D打印技術(shù)快速檢測農(nóng)藥的便攜方法。研究人員已開發(fā)了一個(gè)基于3D打印技術(shù)的便攜式智能手機(jī)傳感平臺(tái)，用于檢測洋蔥和大蒜樣品中的二硫代氨基甲酸酯類殺菌劑thiram。

△用于檢測thiram的智能手機(jī)傳感平臺(tái)示意圖

●金屬的檢測
重金屬是對(duì)人類、動(dòng)物和環(huán)境具有潛在毒性的元素或物質(zhì) 。這些物質(zhì)可能來自自然環(huán)境，例如，來自地殼或火山活動(dòng)439，也可能是由于人類行為，如農(nóng)業(yè)、工業(yè)和采礦活動(dòng)。食品中重金屬的存在取決于幾個(gè)因素，如食品種植的環(huán)境條件，包括土壤成分、產(chǎn)品產(chǎn)地、生產(chǎn)方法，包括接觸殺蟲劑和化肥，以及食品加工445 。因此，迫切需要能夠使用便攜式設(shè)備和傳感器檢測重金屬的新方法。在這方面，研究人員Katseli等人發(fā)明了一個(gè)集成的微型全3D打印裝置，通過陽極剝離伏安法（ASV）測定瓶裝水和魚油樣品中的微量汞。該裝置是通過使用FFF雙擠出3D打印機(jī)的單步打印過程制造的。


△重金屬檢測裝置

●抗生素的檢測
食品中的抗生素殘留（如在肉、雞、蛋、牛奶、蜂蜜和魚中的抗生素殘留），由于抗生素具有致癌性、超敏性等問題，會(huì)給人的身體帶來嚴(yán)重的問題。為此，一個(gè)3D打印的基于智能手機(jī)的平臺(tái)（SBP）被開發(fā)出來，用于敏感和特異地定量檢測蜂蜜、牛奶和自來水中的鏈霉素。SBP是用SLA三維打印機(jī)制造的，由三個(gè)部分組成，如下圖（i-iv）所示：一個(gè)智能手機(jī)的適配器，一個(gè)光學(xué)管，以及一個(gè)帶有個(gè)黑色蓋子的支架，用于定位比色皿。作者使用黑色感光樹脂作為打印材料，以減少漏光。打印出來的電池供電的光學(xué)傳感配件被連接到智能手機(jī)的攝像頭上進(jìn)行吸光度測量。


△檢測抗生素的3D打印手機(jī)平臺(tái)（SBP）

●病原體的檢測
由病毒、細(xì)菌或真菌病原體引起的食源性感染是影響世界各地的人們死亡的一大誘因。世界衛(wèi)生組織（WHO）估計(jì)，在歐洲，有2300萬人因食用受污染的食物而患病，每年約有5000人因其死亡。污染的來源可能是多種多樣的，食物的生產(chǎn)和運(yùn)輸以及不適當(dāng)?shù)膬?chǔ)存和處理都可能導(dǎo)致。因此，有必要為食品病原體檢測提供快速、精確和可現(xiàn)場檢測的傳感器，以確保食品安全。在這方面，3D打印傳感器按需出現(xiàn)。Jeo制造了一個(gè)3D打印的微流體裝置，該裝置被用作磁性輔助預(yù)濃縮器裝置，用于檢測含有沙門氏菌的生菜溶液和具有大腸桿菌的牛奶樣品。這兩個(gè)裝置都是用3D System Viper SLA 514打印機(jī)打印出來的，小通道和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)在設(shè)計(jì)特點(diǎn)只能通過增材制造獲得。

●食品變質(zhì)情況的檢測
對(duì)一些特定化合物的檢測可以作為食品腐敗的指標(biāo)。這些化合物的一些典型例子是三甲胺（TMA）、二甲胺（DMA）、尸胺、腐胺、氨、多巴胺和組胺，等等。它們的檢測可以以非破壞性的方式進(jìn)行，并使用不同類型的傳感器，如電化學(xué)和比色法。近日，3D打印傳感器也被用于檢測食品變質(zhì)。Yang等人使用一種基于分子印記聚合物嵌入碳量子點(diǎn)（CQD@MIPs）的傳感器來快速檢測牛肉腐敗中的物質(zhì)。研究人員將光交聯(lián)的甲基丙烯�；�明膠與CQD@MIPs混合以獲得打印墨水，并使用擠出式DIW打印機(jī)進(jìn)行傳感器的制造。

●霉菌毒素的檢測
真菌可以產(chǎn)生無數(shù)種具有不同類型生物活性的物質(zhì)，以及不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)。在某些情況下，這些真菌可以產(chǎn)生毒素，稱為霉菌毒素，對(duì)動(dòng)物和人類都有致癌、誘變、致畸和免疫抑制作用。因此，霉菌毒素對(duì)全世界的公共衛(wèi)生來說是一個(gè)巨大的問題，要求采用傳感方法進(jìn)行檢測從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分析方法。Li等人（開發(fā)了一個(gè)3D打印的光學(xué)配件，可連接到智能手機(jī)上，用于現(xiàn)場定量檢測玉米樣品中的黃曲霉毒素B1（AFB1）。光學(xué)配件通過3D打印進(jìn)行制造，可準(zhǔn)檢測芯片，并為智能手機(jī)攝像頭捕獲的成像提供均勻的照明，經(jīng)檢測，次裝置與傳統(tǒng)的ELISA試劑盒相比，具有快速現(xiàn)場篩查和量化食品毒素的潛力。


△霉菌毒素的檢測的檢測裝置

2.食品過敏原檢測

食物過敏相當(dāng)于由特定的食物成分引發(fā)的不良系統(tǒng)免疫反應(yīng)，被認(rèn)為是一個(gè)日益嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題。因此，提供有關(guān)食物過敏原存在的準(zhǔn)確信息，以防止消費(fèi)者過度敏感，變得至關(guān)重要。目前，需要精確、快速、具有成本效益和用戶友好的食品過敏原檢測設(shè)備，這對(duì)于食品行業(yè)的質(zhì)量控制以及過敏體質(zhì)的人在餐廳或家里吃飯前實(shí)時(shí)識(shí)別過敏原都很重要。  最近，有人提出用3D打印技術(shù)來開發(fā)各種傳感器，以檢測食品過敏原。例如，在最近的一項(xiàng)研究中，通過使用SLA和FDM打印技術(shù)，開發(fā)了一個(gè)小型、可現(xiàn)場經(jīng)檢測和消費(fèi)者友好的3D打印免疫傳感器，以檢測烘焙產(chǎn)品中的榛子和花生過敏原。


△3D打印可檢測過敏原的設(shè)備

3.食品真實(shí)性測試

對(duì)食品真實(shí)性的評(píng)估越來越重要，因?yàn)槭称返膿郊傩袨閷乙姴货r，這侵犯了消費(fèi)者的權(quán)利，并可能對(duì)消費(fèi)者的健康造成重大風(fēng)險(xiǎn)。摻假通常是為了使產(chǎn)品更容易獲得，以提高利潤，或降低產(chǎn)品價(jià)格。當(dāng)一種食品被說成是摻假的時(shí)候，意味著產(chǎn)品成分沒有達(dá)到法定標(biāo)準(zhǔn)，不符合健康或安全規(guī)定。為了增加產(chǎn)品數(shù)量和獲取利潤，牛奶可以摻入水、面粉、淀粉，甚至尿素。摻雜物會(huì)導(dǎo)致牛奶粘度的改變。在這方面，Venkateswaran等人利用立體光刻技術(shù)制造了一個(gè)耐用的低成本光電微粘度計(jì)，通過分析其粘度確定牛奶的摻假情況。



4.食品味道分析

食品風(fēng)味分析對(duì)于確保產(chǎn)品的質(zhì)量以及保證消費(fèi)者的可接受性和滿意度至關(guān)重要。這種分析的傳統(tǒng)方法依賴于訓(xùn)練有素的感官小組成員，這就導(dǎo)致一些限制和缺點(diǎn)，不僅費(fèi)力、耗時(shí)、規(guī)模小，并可能受到小組成員主觀性的影響。所以，以可靠和具有成本效益的方式開發(fā)替代傳統(tǒng)的食品風(fēng)味分析方法是十分重要的。電子舌頭（e-tongue）和電子鼻子（e-nose）可以分別模擬人的舌頭和鼻子，并且已經(jīng)作為感官小組的替代方法被廣泛研究。最近，這樣的系統(tǒng)已經(jīng)使用3D打印方法生產(chǎn)。例如，Gaal等人使用FFF三維打印技術(shù)制造了一個(gè)基于聚乳酸的微流控電子舌頭裝置來區(qū)分食物中的味覺物質(zhì)。作者在微流控裝置中加入了靈活的金質(zhì)插接電極，從而形成了一個(gè)能夠區(qū)分水溶液中甜味、咸味、酸味和苦味等基本味道的感測平臺(tái)。



△3D打印的微流控電子舌頭

總結(jié)與展望


△2010-2022年期間，每年與3D打印傳感器有關(guān)的科學(xué)出版物（綠色柱狀圖）和引用次數(shù)（紅色曲線）

●經(jīng)過分析可知，F(xiàn)FF和SLA是開發(fā)傳感器時(shí)采用最多的3D打印技術(shù)。其他3D打印方法，如DIW或AJP，仍處于發(fā)展階段，在制造多樣化的混合傳感平臺(tái)方面具有很大的應(yīng)用潛力。此外，可以研究這些打印技術(shù)的組合，以制備準(zhǔn)確、快速、低成本和高靈敏度的檢測平臺(tái)和設(shè)備，可以同時(shí)分析食品樣品中的多種分析物。

●納米材料的創(chuàng)新和三維打印技術(shù)的進(jìn)步，將有助于高靈敏度、高穩(wěn)定性、可選擇性、高機(jī)械性能、具有光學(xué)和電氣特性的（生物）傳感器的開發(fā)。在生物傳感器的制造中，研究工作應(yīng)致力于通過在原始打印材料中加入識(shí)別元素，以及通過開發(fā)有效的方法來固定這些元素提高傳感效率。

●使用3D打印的分析設(shè)備經(jīng)常需要傳統(tǒng)分析方法中常用的取樣和樣品制備程序，這對(duì)開發(fā)無需任何制備步驟就能直接分析食品樣品的手持設(shè)備是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。最近，人們探索了3D打印技術(shù)的多功能性，以制造小型化的系統(tǒng)，其中準(zhǔn)備步驟和分析測試在一個(gè)集成的設(shè)備中進(jìn)行。然而，這些研究還處于早期階段，需要大量的工作來開發(fā)一個(gè)完全集成的設(shè)備。

●研究人員可以通過結(jié)合目前的工業(yè)生產(chǎn)方法和3D打印技術(shù)來優(yōu)化或開發(fā)打印方法，以加速實(shí)現(xiàn)基于復(fù)合材料的傳感平臺(tái)的大規(guī)模生產(chǎn)，并刺激其商業(yè)化。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.trac.2022.116672.