《食品科学》:中国农业大学赵靓教授等:微流控技术在食品研究中的应用

进入21世纪后，微流控技术在食品科学与加工领域快速发展，开始应用于食品安全检测、成分鉴定、食品智能包装、乳液制备、微生物与酶的得选以及活性成分的包封递送等方面。微流控技术是一门新兴的交叉学科技术，通过处理微小流体（μL～fL水平），实现高通量、快速检测和制样。而根据流体特性和功能要求，微流控技术可分为3 类：连续流微流控（CMF）技术、DMF技术和纺丝微流控（SMF）技术（图1）。

中国农业大学食品科学与营养工程学院的谢嘉俊、杨东、赵靓*等综述CMF和DMF在食品研究中的应用及优缺点，系统梳理CMF在食品安全检测、成分鉴定、智能包装等方向的实际案例，以及DMF在酶与菌株定向得选、乳液制备、包封递送等领域的技术进展。同时，展望微流控技术在食品工业中的应用前景，旨在为科研人员和生产者提供新的思路。

01

CMF在食品中的应用

1.1 食源性病原体检测

食源性病原体是通过摄食进入人体，引发感染或中毒的微生物，常见症状包括恶心、呕吐、腹泻等。常见病原体包括大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌等细菌，以及甲型、戊型肝炎病毒、轮状病毒等病毒。传统检测方法细菌分离鉴定需48～96 h，而PCR检测虽灵敏但步骤繁琐、成本高，易延误诊断。因此，亟需高效、快速、低成本的检测技术。

基于CMF平台的实时检测技术，凭借其快速、灵敏、便捷的特点，展现出克服现有检测局限的巨大潜力。CMF结合多种检测原理，可在不同应用场景下实现高效的病原体检测：1）基于比色法的CMF检测技术，利用CMF结合等温核酸扩增原理，通过喷蜡打印制备纸基层芯片，包括DNA提取区、重组酶聚合酶扩增（RPA）区和侧流检测试纸条（LFD）检测区，可以快速检测目标菌株。该芯片利用纸棒从样品中提取DNA，微流体在纸纤维上流动，并通过特异性引物进行RPA，LFD技术检测目标核酸片段，简化了传统的离心和移液操作，使检测时间从15 h缩短至30 min（图2A）。2）基于荧光的CMF检测技术，微流控芯片采用“前真空储液室”设计，预先封装免疫磁珠（IMBs）和荧光量子点微球（QDMs）于真空负压环境中。检测时，用户通过注入预处理样品，同时用金属针刺破芯片下层聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，利用负压驱动释放储液室内的试剂，使微流体通过蛇形通道进入孵育室。利用特异性修饰IMBs捕获抗体，与大肠杆菌O157:H7和鼠伤寒沙门氏菌结合，形成抗原-抗体复合物。同时，荧光量子点（CdSe/ZnS QDMs）修饰的检测抗体与抗原结合，形成双抗夹心复合物（IMBs-抗原-QDMs）。通过音频振动提高抗原-抗体结合效率，再由外部磁场捕获磁珠，使IMBs-抗原-QDMs被固定，未结合物质经清洗通道排出，实现病原菌的富集和分离，在紫外光照射下发出强红色荧光并利用荧光信号强度进行定量分析（图2B）。3）基于电信号的CMF检测技术，通过将特异性探针固定于还原氧化石墨烯（rGO）上，微流体溶液中的目标DNA片段与捕获探针结合形成稳定的双链DNA，导致rGO晶体表面电荷分布变化，进而改变电导性。通过场效应晶体管（FET）实时监测信号变化，实现灵敏的特异性检测（图2C）。

表1总结了多种微流控技术在食源性致病菌检测方面的应用，如用特异性标记的方法荧光检测牛奶中的沙门氏菌，检测限为50 CFU/mL，检测时间为4 h；用电化学方法记录峰电流变化量，定量检测金黄色葡萄球菌的浓度，检测限为13 CFU/mL，且无需长时间检测。与传统技术相比，微流控技术极大地缩短了检测时间以及降低了检测限，适合高通量快速检测。

1.2 金属离子污染物和真菌毒素检测

根据国际食品法典委员会制定的《食品和饲料中污染物和毒素通用标准》，污染物包括霉菌毒素、金属污染物、放射性核素和其他化学污染物，其中毒素和重金属污染是食品安全和环境监测的关键问题。这些污染物通过食物链和水体传播，威胁人类健康和生态系统。传统检测方法（如高效液相色谱、电感耦合等离子体-质谱（ICPMS）法、酶联免疫吸附试验等）虽然灵敏，但操作复杂、耗时且设备昂贵。微流控技术作为高效、快速、简便的替代方案，具备高灵敏度、快速检测、低试剂消耗、低成本和高通量等优势。

霉菌毒素由曲霉等真菌产生，污染谷物及食品，毒性强且难去除，可致癌、损伤肝肾、引发基因突变。常见种类如黄曲霉毒素（AF）、伏马菌素（FB），多存在于玉米、小麦等作物中。霉菌毒素存在痕量污染、难以检测的问题，微流控技术能够通过集成多种技术的方法实现其快速检测：1）基于比色法的CMF检测技术，利用AuNPs和36-mer适配体检测赭曲霉毒素A（OTA）。当OTA存在时，适配体与其结合，导致AuNPs聚集，表面等离子体共振（SPR）峰红移，溶液颜色由红色变为蓝紫色。通过吸光度比值可反映OTA浓度，无需提取或净化，可检测水、玉米和花生中的OTA，检测限分别为0.242、0.546、0.096 μg/mL，且在低浓度下只需反应5 min即可得到检测结果，展现出高灵敏性；2）基于电信号的CMF快速检测AFB₁技术已被开发。一种微流控印制电路板适配体传感器可利用交流电热效应富集AFB₁并测量电容变化，检测限为0.62 fmol/L，在1 fmol/L～10 pmol/L范围内线性良好，20 s内完成检测，可精准检测全麦面粉、玉米粉和糙米粉等样品中的AFB₁残留，成本低于1 美元（图3A）。另一种便携式双模式纸质芯片采用侧向流动式微流控系统进行设计，基于侧向层析原理，通过毛细作用驱动流体在芯片内自动流动，无需依赖外部泵辅助，具备高度集成与便携化特性。其核心结构包含电化学发光（ECL）检测区、毛细驱动通道和显色分析区，流体从样品入口出发，依次流经ECL区和显色区完成检测。该芯片通过适配体门控的MOFs纳米开关控制信号释放，多孔UiO-66-NH₂ MOFs封装显色剂TMB，表面修饰的CdS量子点-适配体复合物作为分子门控。当AFB₁存在时，适配体特异性识别靶标并解离门控结构，释放TMB与适配体修饰的CdS量子点复合物至流体中。流体在毛细作用下沿纸质通道自动流动，首先通过ECL区触发CdS量子点与电极反应生成电化学信号，随后携带TMB进入显色区产生颜色变化。这种双模式检测机制通过流体自主驱动与定向迁移，同步输出电信号和比色信号，其检测限分别为7.8 fg/mL（ECL）和9.5 pg/mL（比色），在0.05 pg/mL～50 ng/mL范围内线性良好，成功应用于玉米检测，回收率分别为90%～101%，与高效液相色谱结果一致。两种方法均具备高灵敏度、低成本和快速检测的优势（图3B）。

重金属离子是食品中的主要污染物之一，来源包括天然环境和人为活动，具有难降解、高毒性和生物富集性的特点，长期积累即使在低浓度下也可严重威胁健康，如铅损害神经发育、镍引发器官损伤、铜过量致中毒。基于CMF的金属离子检测方法主要包括质谱法、电化学、荧光等。Mavrakis等通过时间分辨信号检测技术，将CMF与ICP-MS联用，构建了标准稀释分析系统。该系统可优化气动压力泵和低流速参数，实现样品与校准溶液的自动混合，并利用ICP-MS采集时间分辨信号计算离子浓度。该系统检测限分别低至0.14 ng/L（Cd）、0.24 ng/L（Co）、1 μg/L（Cr和Ni），线性范围为5～10 μg/L，回收率达97.4%～100.1%，展现了高灵敏、快速检测的优势（图3C）。Wang Liyan等通过CMF的荧光检测技术，结合离子印迹聚合物的选择性识别能力，成功开发旋转式布/纸混合微流控装置，通过荧光猝灭效应检测Hg^2＋和Pb^2＋，检测限分别为0.18 μg/L和0.07 μg/L，线性检测范围为0.5～20 μg/L，回收率在96.2%～114.1%，成功应用于河水和海水样品检测。这些方法与传统检测结果一致，具有低样品消耗、高灵敏度和自动化操作的优势，而微流控技术结合不同技术，可实现真菌毒素和金属离子的快速检测（表2）。

1.3 食品添加剂及农兽药残留检测

根据联合国粮农组织和世界卫生组织的《食品中化学物风险评估原则和方法》，食品化学物可分为添加剂、污染物、农兽药残留和天然毒素，其中添加剂和农兽药为人为添加，其含量超标危害人体健康，快速检测这两类物质至关重要。

食品添加剂如姜黄素、焦糖色素和番茄红素等，广泛用于改善食品感官、延长保质期和防止氧化腐败。然而，滥用或非法添加食品添加剂可能引发食品安全问题。为了有效检测食品中的添加剂和抗氧化剂，近年来基于CMF开发了多种快速检测方法：1）基于发光强度检测，构建的CMF多色发光微流控纸芯片，可检测食品抗氧化剂。通过修饰鲁米诺-Co^2＋、鲁米诺-荧光素-Co^2＋和鲁米诺-罗丹明B-Co^2＋，在H₂O₂作用下分别产生蓝、绿、紫色光，强度与抗氧化剂种类呈现特异性响应。结合三原色光模式（RGB）、主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）成功区分多种抗氧化剂。该方法检测限为0.5 mmol/L，线性范围为0.5～10 mmol/L（图4A）。2）基于比色法CMF检测技术开发的光遮蔽反应微流控PMMA/纸基检测系统可用于食品中甜蜜素浓度检测，通过重氮化反应生成紫红色偶氮化合物，使用CMOS相机捕捉显色图像并定量，线性范围为50～1 000 μg/mL，检测限为20 μg/mL，应用于话梅、芒果干和蔓越莓检测，结果与液相色谱-串联质谱偏差小于4.8%。3）基于荧光CMF检测技术构建的微流控色谱检测系统可快速检测糖精钠和安赛蜜钾。目标物在芯片色谱通道分离后，在254 nm紫外光波长激发下产生荧光，通过CMOS成像和标准曲线定量，检测范围为50～2 000 μg/mL，检测限为50 μg/mL与高效液相色谱结果偏差小于6.3%，成功检测16 种商业食品（图4B）。这3 种方法都无需复杂仪器和复杂样品前处理，且具有快速、便携、高灵敏度优势。

农药和兽药的广泛使用导致其在食品和环境中的残留问题直接威胁消费者健康，农药残留主要源于作物害虫防治，可能引发急慢性疾病；兽药（特别是抗生素）滥用导致动物食品中药物残留，引发过敏反应和抗药性微生物的产生，危害公共健康。因此，开发高效的残留检测方法是保障食品安全的关键。近年来，CMF为快速检测农药和兽药残留提供了新解决方案：1）基于比色检测构建的三金属MOF纳米酶纸基CMF平台，可用智能手机实现草甘膦（GLY）的现场快速检测。该平台通过三元金属有机框架（ZnCo-ZIFs@MIL-101(Fe)）纳米酶催化H₂O₂与TMB反应生成蓝色氧化态TMB，GLY抑制酶活性降低显色强度，其在652 nm波长处的吸光度与浓度呈线性关系（图4C）。该方法检测限为1 ng/mL，线性范围为0.02～40 μg/mL，成功应用于卷心菜、橙子和黄芪样品。2）基于荧光检测构建的微流控生物传感芯片，可通过智能手机平台同步定量多种氟喹诺酮类抗生素。该平台利用上转换纳米材料-氧化石墨烯适配体（UCNPs-GO-Apt）荧光探针实现便携式现场检测，检测限分别为1.84 ng/mL（恩诺沙星）和2.22 ng/mL（环丙沙星），线性范围为1.0×10¹～1.0×10⁵ ng/mL。3）基于化学发光检测构建的便携式微流控芯片系统（PACS）有3 层结构，顶层和底层由PDMS材料构成储液池与基板，中间层为硅膜反应层，其表面固定β-激动剂-牛血清白蛋白（Ag-BSA）结合物，通过增强抗原吸附能力显著提升检测灵敏度。系统通过集成微波阀与蠕动泵，结合线性驱动器精准调控微米级通道内流体的顺序流动，在负压驱动与微波阀垂直运动的协同作用下实现多步骤反应的全流程自动化，包括样品混合、免疫反应、洗涤及信号检测。系统采用间接竞争免疫分析法，样品中的β-激动剂与硅膜表面固定的Ag-BSA结合物竞争结合抗体，未结合的抗体经洗脱后，通过HRP标记的二抗催化化学发光底物生成信号，其强度与目标物浓度呈反比，而芯片设计的3 条平行反应带可同步检测克伦特罗（CLB）、莱克多巴胺（RAC）、沙丁胺醇（SAL），检测限分别为54、59 pg/mL和93 pg/mL，检测范围为62.5～2 000 pg/mL（图4D）。微流控技术为食品添加剂和农兽药残留快速检测提供了全新的解决方案（表3）。随着技术发展，微流控平台将推动食品安全检测进入新阶段，为应对复杂食品安全挑战提供有力支持。

1.4 食品成分鉴定

传统的过敏原和成分掺假检测方法虽然可靠，但通常需要较大样本量、较长检测时间，并依赖复杂仪器。CMF因其高效、便捷和精准的特点，在食品过敏原和成分掺假检测中展现了巨大潜力。

在过敏原检测中，CMF可以快速、灵敏地识别食品中的过敏原成分，减少食物过敏风险。1）基于电信号检测，CMF可快速检测过敏原。Baldo等通过构建一次性电化学微流控设备，利用磁性微珠与卵清蛋白（OVA）抗体和HRP结合，在H₂O₂与对苯二酚催化下生成电化学信号，从而检测OVA过敏原；此外，纸基微流控纳米适配体传感器可识别花生过敏原Arah1，并借助黑磷纳米片增强信号。2）利用CMF结合荧光检测，可通过qPCR检测小麦、芝麻、大豆和榛子等过敏原DNA，利用不同荧光波长定时定量分析，确保准确性并避免假阳性/假阴性；相比之下，利用DMF集成平台，可减少流体蒸发和气泡生成，结合SYBR Green试剂进行PCR，不仅可检测花生DNA，还能扩增芝麻、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌的DNA，展现了其在食品过敏检测中的潜力。3）结合比色法检测的CMF技术，可利用LAMP原理在恒温下扩增花生、芝麻和大豆等过敏原DNA，生成H^＋使反应液酸化，利用NeuRed染料实现pH值可视化检测（浅棕色变为粉红色），无需昂贵设备；也可利用免疫反应原理，通过固定Ab1抗体捕捉过敏原，使其与双功能核壳结构金-普鲁士蓝纳米颗粒纳米酶结合催化H₂O₂与2,2’-联氮双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)（ABTS）阳离子自由基反应生成绿色氧化物，基于微流控免疫传感器实现比色法定量检测。4）CMF联用其他仪器也可准确分析食物过敏原。Zhou Jinru等则在金电极生物微流控芯片上利用SPR检测螯肌蛋白与抗体结合引起的折射率变化，实现快速、高灵敏度的无标记过敏原检测。

对于成分掺假鉴定，CMF亦可结合扩增技术和各类检测技术精确检测食品中的成分或掺假成分，保障食品的真实性。1）CMF可集成qPCR技术，Wang Hanling等通过侧向流试纸条实现产物可视化检测，利用特异性测试线区分不同肉类成分，灵敏度达0.01%；Kim等则开发了一种便携式微流控芯片qPCR系统，用于快速鉴定商业紫菜中6 种易混淆物种，以应对供应链中的食品欺诈问题。其微流控核心技术是基于平板式热块设计，通过直接接触芯片表面实现8～11 ℃/s的快速热传递，将qPCR扩增时间缩短至20 min，同时微型流体通道与程序化微波阀协同工作，利用蠕动泵驱动的负压精确操控10 μL反应体系，实现从试剂加载到信号检测的全流程自动化控制。系统结合特异性引物靶向紫菜叶绿体基因rbcL和rbcS，采用EvaGreen染料实时监测扩增曲线，无需后续凝胶电泳验证，并整合快速DNA提取技术，灵敏度达1×10^-4 ng，能够有效解决海藻掺假问题。2）CMF可耦合LAMP反应，在常温下完成DNA扩增，同步检测猪、牛、羊及和鸭肉；结合微针技术可直接从肉类中提取DNA并进行芯片级LAMP，通过显色判断结果，无需预处理。该技术已拓展至乳品领域，Wang Nan和Yu Wenjie等分别建立了牛奶、骆驼奶、马奶、山羊奶和牦牛奶的掺假检测体系。3）CMF结合电化学检测，Radovanović等开发纸质微流控平台，通过多壁碳纳米管沉积提升电导性，基于橄榄油与其他油的介电差异，利用电阻变化定量分析掺混比例。

1.5 食品智能包装

CMF在食品包装领域展现出显著优势，逐步替代传统方法，推动包装技术革新。通过集成时间-温度指示器、临界温度指示器、微生物传感器和活性包装等设备，实现了食品供应链的全程实时监控。

在技术应用方面，SMF技术主导食品包装领域，而连续流和DMF技术则更多应用于食品质量评估。其中，CMF在时间温度指示器中发挥关键作用，其通过温度变化引起微流体的物理性质变化从而实现监控。例如：利用花生油与椰子油比例不同的微流体设定温度阈值，液体融化后改变介电常数，实现无线温度检测；使用山梨醇和木糖醇作为温度敏感微流体，其流动距离与温度和时间呈正比，并通过电容变化反映温度变化过程；采用7 层结构和扇形通道设计监测脂肪酸的流动速率，速率与温度变化相关；或固体染料熔化后，其迁移距离与系统电阻的协同变化可精确表征温度状态。这些方法适用于奶制品、鸡蛋及新鲜水果等各种冷链的温度监控，可延长保质期并确保食品安全与质量。

在营养成分分析方面，CMF同样表现突出。例如，Fan Yiqiang等将纸基微流控设备嵌入牛奶包装，通过蜡打印通道和通道显色反应，定性检测尿素和亚硝酸盐并分析蛋白质含量，结果可通过手机应用程序获取，快速、低成本且操作简单，具有实际应用价值（图5）。

CMF在食品安全和质量检测领域潜力巨大，尤其在过敏原检测、成分鉴定和智能包装等方面，为传统方法提供了高效、灵敏且便携的替代方案。

02

DMF在食品中的应用

2.1 微生物与酶的得选

在食品科学中，得选有益的微生物是必不可少的一环。一些环境微生物可用于开发菌剂治疗疾病，如从酸菜汤中分离出的植物乳杆菌提高了E. coli对阿奇霉素的敏感性，从婴儿肠道微生物群中分离的耐铅植物乳杆菌能降低人体内铅水平，减轻铅中毒对肝肾的损伤。而一些功能性益生菌和工业发酵菌株的得选同样重要，益生菌既能产生特定代谢物，也可作为载体导入遗传物质以获取目标代谢物。如一些益生菌可通过代谢膳食纤维产生短链脂肪酸，调节炎症和免疫反应，从而干预食物过敏，或产生代谢物降低高血压。此外，Yuan Huiling等则用毕赤酵母作为载体，通过大气和室温等离子体（ARTP）诱变与DMF技术高通量得选出高产纤维素酶的突变体。

传统微生物得选技术因依赖人工涂布、挑菌等操作存在显著局限性：实验通量受制于手动流程，单周期得选耗时长达数月；环境因素如培养基成分差异、温湿度波动易干扰表型表达，导致假阴性率升高，增加优质菌株或罕见微生物漏得风险。传统划平板法分离特定功能菌株不仅成本高昂，且效率低下，而DMF技术通过微流控芯片实现高通量得选突破，其单芯片每秒可生成10³～10⁶ 个微液滴，显著提升得选效率。例如法国Elveflow公司的Fluidic 947系统通量达1 270 Hz，中国天木生物公司Drem Cell系统通量达10 kHz，英国Dolomite公司Telos系统通过多模块并行实现70 个液滴单元的同步运行，整体通量可达500 kHz，较传统方法提升超50 000 倍，为大规模菌株并行得选奠定了硬件基础。

对于低丰度微生物得选，DMF技术展现出传统方法难以企及的富集能力。液滴封装形成的独立微环境可有效分离在传统培养中难以被发现的罕见微生物（Apilactobacillus kunkeei、Lactobacillus helsingborgensis、Gilliamella apicola）（相对丰度＜0.01%）。Villa等发现液滴培养的肠道微生物中，有204 种能分解某些多糖，其中94 种是液滴培养中所独有的。此外，利用DMF平台封装粪便微生物，结果发现微生物种群丰富度显著提高，并得选出耐抗生素的微生物，为治疗肠道微生物感染提供了新方法。

DMF系统以其单细胞分辨率的精准操控能力，在微生物组研究和工业生物技术领域实现了双重突破。在单细胞基因组解析方面，Microbe-Seq技术通过微流控液滴封装单细胞，结合高通量条形码标记与全基因组扩增，不仅成功重建了76 种肠道菌的完整基因组，突破了传统宏基因组分析的物种混杂难题，更首次在单细胞层面揭示了同类细菌间高频水平基因转移的动态网络，为微生物群落的功能互作研究提供了全新视角。而在工业应用领域，该技术通过“精准封装-高通量得选”的技术范式革新了功能菌株与酶分子的得选体系，针对工业菌株选育，研究人员将甲基磺酸乙酯（EMS）诱变与液滴封装技术结合，从海量突变体中得选出核黄素产量激增2 000 倍的乳酸菌突变株，并创新性地集成SERS和光镊技术，实现微液滴内代谢产物的原位检测与目标菌株实时分选，使得选效率提升成本降低；在酶分子定向进化方向，Agresti等构建的“诱变-封装-得选”闭环系统通过错误倾向PCR（epPCR）诱变酵母文库，利用液滴微反应器的并行化优势，从数百万变异体中高效得选出催化速率提升10 倍的HRP突变体。这种单细胞精度与高通量得选的深度融合，既推动了微生物基因转移机制的深度解析，又为工业菌株智能化选育和酶分子人工进化构筑了高效技术平台，彰显了其在基础研究与产业应用中的双重价值（表4）。

正是因为DMF技术可结合多种技术，对特定产物进行检测，其得选效能突破了限制，可实现液滴动态监测和多维分析得选。传统平板培养需肉眼观察菌落形态，仅能获取颜色、大小等单一表型信息，而液滴系统可实时追踪微生物生长曲线，同步检测代谢活性、基因表达等深层指标，将得选周期从数周压缩至数天。如可以利用DMF技术集成阻抗谱检测和发光检测两种检测技术，构建了一个低成本、高灵敏度、实时双模态的检测系统，能够准确检测纳升级的生物发光液滴，并同时提供阻抗信息，用于液滴大小与细胞密度的评估，从而实现对生物传感器性能的更全面分析和优化。DMF技术凭借其高通量、单细胞精度及多参数分析能力，成功突破了传统菌株得选方法的技术瓶颈。该技术不仅显著提升了功能性菌株的挖掘效率，还能有效优化食品工业生产流程，尤其在益生菌定向得选、产酶菌株高效挖掘、以及合成生物学菌株构建（如食品添加剂生产或目标蛋白表达）等关键领域，展现出重要的应用价值。

2.2 乳液与包封递送

乳液在食品工业中具有重要作用，包括水包油（O/W）乳液、油包水（W/O）乳液、双重乳液和无乳化剂乳液。它们能够提高食品稳定性、延长保质期；改善质地、口感、外观和色泽；增强脂溶性营养成分（如VA、VD、VE、VK）的生物利用度。此外，乳液还能作为载体运输亲水性、两亲性和脂溶性生物活性成分。

传统乳液制备方法（如高压均质、胶体磨、超声处理）存在粒径分布不均、能效低（仅5%能量用于乳液生成）及可能破坏活性成分等局限。相比之下，微流控技术通过精确控制微通道流体行为，可高效制备分散乳液，精确调节粒径和稳定性，同时具有节能和保护活性成分的优势，已成功用于构建固体脂质颗粒、微凝胶、脂质体等均一递送系统，在营养包埋、靶向递送及控制领域表现突出。微流控芯片还可精确控制释放速率，满足药物及功能食品的精确递送需求，为食品和生物医学领域提供革新性解决方案。

许多研究利用微流控系统合成食品级乳液。1）DMF制备单重乳液：有研究利用由豆渣油和聚丙烯酸-普朗尼克共聚物组成的油包水（W/O）乳液包埋乳酸菌，或利用由红花油、橄榄油和大豆蛋白分离物溶液组成的水包油（O/W）乳液封装叶黄素等分子活性物质，通过精确控制乳液滴的大小和组成，提高这些活性物质在消化道中的稳定性和生物利用度。2）DMF制备多重乳液：通过温控三相玻璃毛细管微流控调整三相流速比，成功减少油脂含量并提高乳液稳定性，同时保持与单重乳液相似的口感。3）DMF构建多种递送系统：通过调整流速、流量及材料比，可合成不同固体脂质纳米粒用于包埋亲水性胰蛋白酶和亲脂性睾酮，或制备藻酸盐和κ-卡拉胶共聚物微凝胶以提高蛋白质封装效率、控制性能及机械强度。4）DMF构建囊泡与脂质体：丁香宁的非离子表面活性剂囊泡和丁香酚脂质体的微流控制备技术相比传统水膜法，展现出更优的包封效率、稳定性及生物利用度。

乳液在食品工业中可用于提高活性成分的稳定性、延长保质期，并改善溶液的口感和营养。传统制备乳液的方法在粒径控制和能效上有限，而微流控技术通过精确流体控制，能够显著提升乳液的制备效率、粒径调节和稳定性，同时保护生物活性成分。该技术广泛应用于食品、药物递送和生物医学领域，为保护、靶向递送和受控释放生物活性成分提供了创新解决方案（表5）。

03

结 语

CMF和DMF两大技术体系为食品检测、质量控制及营养强化提供精准、高效、经济的解决方案。CMF通过层流调控实现快速检测与反应控制，已成功结合电化学、化学发光、免疫分析等技术应用于食品安全检测、食品成分鉴定及智能包装传感器开发，并逐步从实验室向产业化过渡，形成局部商业化产品。DMF则依托液滴操控，结合PCR、荧光、SERS等技术，推动益生菌得选、乳液、包封递送系统的初步产业化突破，但其大规模生产仍受限。未来需重点突破CMF与DMF在检测与信号处理技术、芯片材料与制造工艺、标准化与规模化生产以及自动化检测、定向进化与集成便携化应用的平台构建等方面的技术瓶颈，通过跨学科融合推动深度革新，同时展望CMF技术和DMF技术在未来跨学科多元化以及协同创新方面的应用。

1）检测与信号处理技术提升：在多重检测与灵敏度优化方面，通过融合成簇规律间隔短回文重复序列及其相关蛋白基因系统、分子印迹聚合物及适配体探针，突破多污染物同步检测与痕量分析（如单细胞级病原体识别）的技术瓶颈，有效抑制食品基质荧光背景干扰，提升特异性并降低误判率；同时，开发多模态传感芯片（如集成磁阻抗传感器的DMF系统），实现液滴内pH值、氧含量等参数微米级分辨率监测，结合声/光/电多物理场耦合技术，构建非标记实时检测体系，解决多传感器信号串扰问题；此外，依托区块链与物联网技术建立加密数据链，攻克微型无线模块近场通信（集成与隐私合规性挑战，形成“农田-餐桌”全链可追溯的智能监控闭环，为食品安全提供高灵敏、高可靠、全周期保障。

2）芯片材料与制造工艺突破：微流控芯片技术正迎来材料与制造工艺的重大突破，其中环保型可降解材料如纸基和聚合物成为研发重点，这些材料不仅提升了芯片的机械强度和稳定性，还能有效解决传统PDMS材料成本高和形变、污染等问题。针对CMF技术的纸基芯片，需提升其防水性和灵敏度，而DMF芯片则需开发耐受121 ℃高温灭菌和强酸碱环境的高性能材料，确保生物实验室的无污染操作，同时开发动态共价聚合物自修复芯片以进一步延长芯片使用寿命。在制造工艺方面，卷对卷加工柔性基材技术的开发显著降低了生产成本；飞秒激光3D打印技术的应用则进一步实现fL级液滴的精准操作，提高通量实验；而微纳3D打印技术则推动了一体化芯片的直接制造。为适应田间和仓储等复杂环境，新型芯片需整合三防封装、抗冲击设计和太阳能自供能模块，构建出可靠的被动检测系统。量产环节则需通过自动化质控将良品率提升至95%以上，重点解决了微通道堵塞和电极失效等问题。在此基础上，开放式模块化架构的微流控芯片设计赋予用户灵活组合微流道结构和功能模块的能力，实现实验需求的高度适配。

3）标准化与规模化生产：未来要建立统一的芯片设计-制造-检测标准体系，解决不同实验室/厂商芯片性能差异与良品率难题，开发自动化质控系统实现产业化跃升。

4）自动化检测、定向进化与集成便携化应用的平台构建：未来微流控技术将围绕自动化检测、定向进化与集成便携化平台构建展开。智能化检测平台利用人工智能算法动态优化流体参数及检测流程，开发全自动样品进-结果出系统，并集成芯片实现数据实时分析与边缘计算以降低云端依赖。自适应生物进化平台通过液滴内原位诱变与表型检测联动技术，自主完成微生物培养、选择压力施加及代谢监测，实现菌株得选与酶分子定向进化全流程无人化操作。合成生物学仿生微环境平台则可利用DMF技术构建人工细胞膜包裹的合成细胞器，实现功能模块区室化组装，结合CMF技术与3D打印制备分辨率达10 μm的仿生血管网络以模拟组织工程的物质梯度供给环境。针对多模块集成中的信号干扰与设备便携性限制，通过优化接口设计、抗干扰算法及毛细作用等无泵化实现被动流控，在提升系统兼容性的同时推动设备小型化与低功耗化。

5）微流控技术未来跨学科多元化应用：未来微流控技术将跨学科拓展至食品工业、生物医学及航天工程领域。在食品工业中，CMF芯片可集成于加工管线实现原位动态监测，例如实时追踪发酵过程中酵母代谢产物并精准调控参数以提升风味控制精度，或嵌入灌装设备同步检测乳制品毒素残留并上传云端质控中心，同时结合智能包装技术通过感知肉类腐败物质实现安全预警。生物医学领域重点开发可穿戴传感贴片与便携检测设备，前者通过微流控技术采集汗液与多模态分析实时预警脱水风险，后者支持指尖血样本快速定量凝血参数。面向航天工程，嵌入式微流控系统可集成于舱外航天服，实时监测多维生理指标并构建深空极端环境下的闭环生命保障体系。

6）CMF与DMF的协同创新应用：未来CMF与DMF的协同创新将推动智能质控与闭环营养工程发展。在智能质控领域，CMF负责前端快速得查原料污染物，DMF负责后端对阳性样本进行单细胞级病原体分型，建立分级预警机制。闭环营养工程中，CMF-DMF联用芯片通过持续监测人体汗液电解质流失数据，动态驱动DMF合成含特定微量元素的微胶囊，并利用胃肠道滞留型水凝胶实现12 h缓释，形成监测-补充-评估的循环体系。