3D打印技术应用于食品分析领域的进展！

导读：食品质量控制对人类安全和健康极为重要，通常需要高效和可靠的食品分析方法。多样性、简单性、可重复性、准确性和低成本等优势使3D打印技术应用于便携式传感器中，以检测各种食品污染物。那么现在应用于食品分析的3D打印传感器发展到哪一步了呢？还面临着什么问题呢？下面请跟随南极熊一起看下去吧！

2022年5月，南极熊获悉，来自巴西纳米技术国家农业实验室(LNNA)的研究人员发表了一篇题为《Advances in 3D printed sensors for food analysis》的综述文章，全面整理了3D打印传感的最新进展，并对此类传感器在检测食品污染物（如重金属、农药残留、病原体、霉菌毒素、腐败以及食品上的过敏原和掺杂物）方面的应用提供全面见解。


全文主要分为两个方面：1）介绍了3D打印技术和传感机制，2）介绍并分析了目前较为先进的3D打印技术用于制备监测食品安全和质量的传感器的发展和具体应用。可以说，3D打印传感器在检测食品方面具有显著的性能，但在实际应用前，仍需要克服一些挑战。随着3D打印技术和材料科学的发展，3D打印传感器的成功开发将有效地帮助改善食品安全控制，在整个食品供应链中具有巨大的应用潜力。


△3D打印传感器在检测与食品质量和安全有关领域的应用

3D打印技术及其在分析装置开发中的应用






△3D打印技术及其在分析装置开发中的应用；注：$-低于300美元；$$-从300.00美元到1000.00美元; $$$-高于314 1000.00美元

3D打印传感器在食品分析领域的应用

1. 检测食品污染物

●杀虫剂的检测
不断增长的粮食生产需求需要广泛使用农药来预防、控制或消除害虫（如昆虫、杂草、微生物），以提高农业生产率。然而，这些化学物质的残留，会造成食品污染，危害人类健康和环境。因此，为了对农药及其在食品中的残留物进行可靠的检测和定量，传感器的开发受到了高度关注。最近，人们提出了利用3D打印技术快速检测农药的便携方法。研究人员已开发了一个基于3D打印技术的便携式智能手机传感平台，用于检测洋葱和大蒜样品中的二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂thiram。

△用于检测thiram的智能手机传感平台示意图

●金属的检测
重金属是对人类、动物和环境具有潜在毒性的元素或物质 。这些物质可能来自自然环境，例如，来自地壳或火山活动439，也可能是由于人类行为，如农业、工业和采矿活动。食品中重金属的存在取决于几个因素，如食品种植的环境条件，包括土壤成分、产品产地、生产方法，包括接触杀虫剂和化肥，以及食品加工445 。因此，迫切需要能够使用便携式设备和传感器检测重金属的新方法。在这方面，研究人员Katseli等人发明了一个集成的微型全3D打印装置，通过阳极剥离伏安法（ASV）测定瓶装水和鱼油样品中的微量汞。该装置是通过使用FFF双挤出3D打印机的单步打印过程制造的。


△重金属检测装置

●抗生素的检测
食品中的抗生素残留（如在肉、鸡、蛋、牛奶、蜂蜜和鱼中的抗生素残留），由于抗生素具有致癌性、超敏性等问题，会给人的身体带来严重的问题。为此，一个3D打印的基于智能手机的平台（SBP）被开发出来，用于敏感和特异地定量检测蜂蜜、牛奶和自来水中的链霉素。SBP是用SLA三维打印机制造的，由三个部分组成，如下图（i-iv）所示：一个智能手机的适配器，一个光学管，以及一个带有个黑色盖子的支架，用于定位比色皿。作者使用黑色感光树脂作为打印材料，以减少漏光。打印出来的电池供电的光学传感配件被连接到智能手机的摄像头上进行吸光度测量。


△检测抗生素的3D打印手机平台（SBP）

●病原体的检测
由病毒、细菌或真菌病原体引起的食源性感染是影响世界各地的人们死亡的一大诱因。世界卫生组织（WHO）估计，在欧洲，有2300万人因食用受污染的食物而患病，每年约有5000人因其死亡。污染的来源可能是多种多样的，食物的生产和运输以及不适当的储存和处理都可能导致。因此，有必要为食品病原体检测提供快速、精确和可现场检测的传感器，以确保食品安全。在这方面，3D打印传感器按需出现。Jeo制造了一个3D打印的微流体装置，该装置被用作磁性辅助预浓缩器装置，用于检测含有沙门氏菌的生菜溶液和具有大肠杆菌的牛奶样品。这两个装置都是用3D System Viper SLA 514打印机打印出来的，小通道和复杂结构的内在设计特点只能通过增材制造获得。

●食品变质情况的检测
对一些特定化合物的检测可以作为食品腐败的指标。这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、多巴胺和组胺，等等。它们的检测可以以非破坏性的方式进行，并使用不同类型的传感器，如电化学和比色法。近日，3D打印传感器也被用于检测食品变质。Yang等人使用一种基于分子印记聚合物嵌入碳量子点（CQD@MIPs）的传感器来快速检测牛肉腐败中的物质。研究人员将光交联的甲基丙烯酰化明胶与CQD@MIPs混合以获得打印墨水，并使用挤出式DIW打印机进行传感器的制造。

●霉菌毒素的检测
真菌可以产生无数种具有不同类型生物活性的物质，以及不同的化学结构。在某些情况下，这些真菌可以产生毒素，称为霉菌毒素，对动物和人类都有致癌、诱变、致畸和免疫抑制作用。因此，霉菌毒素对全世界的公共卫生来说是一个巨大的问题，要求采用传感方法进行检测从而代替传统的分析方法。Li等人（开发了一个3D打印的光学配件，可连接到智能手机上，用于现场定量检测玉米样品中的黄曲霉毒素B1（AFB1）。光学配件通过3D打印进行制造，可准检测芯片，并为智能手机摄像头捕获的成像提供均匀的照明，经检测，次装置与传统的ELISA试剂盒相比，具有快速现场筛查和量化食品毒素的潜力。


△霉菌毒素的检测的检测装置

2.食品过敏原检测

食物过敏相当于由特定的食物成分引发的不良系统免疫反应，被认为是一个日益严重的公共卫生问题。因此，提供有关食物过敏原存在的准确信息，以防止消费者过度敏感，变得至关重要。目前，需要精确、快速、具有成本效益和用户友好的食品过敏原检测设备，这对于食品行业的质量控制以及过敏体质的人在餐厅或家里吃饭前实时识别过敏原都很重要。  最近，有人提出用3D打印技术来开发各种传感器，以检测食品过敏原。例如，在最近的一项研究中，通过使用SLA和FDM打印技术，开发了一个小型、可现场经检测和消费者友好的3D打印免疫传感器，以检测烘焙产品中的榛子和花生过敏原。


△3D打印可检测过敏原的设备

3.食品真实性测试

对食品真实性的评估越来越重要，因为食品的掺假行为屡见不鲜，这侵犯了消费者的权利，并可能对消费者的健康造成重大风险。掺假通常是为了使产品更容易获得，以提高利润，或降低产品价格。当一种食品被说成是掺假的时候，意味着产品成分没有达到法定标准，不符合健康或安全规定。为了增加产品数量和获取利润，牛奶可以掺入水、面粉、淀粉，甚至尿素。掺杂物会导致牛奶粘度的改变。在这方面，Venkateswaran等人利用立体光刻技术制造了一个耐用的低成本光电微粘度计，通过分析其粘度确定牛奶的掺假情况。



4.食品味道分析

食品风味分析对于确保产品的质量以及保证消费者的可接受性和满意度至关重要。这种分析的传统方法依赖于训练有素的感官小组成员，这就导致一些限制和缺点，不仅费力、耗时、规模小，并可能受到小组成员主观性的影响。所以，以可靠和具有成本效益的方式开发替代传统的食品风味分析方法是十分重要的。电子舌头（e-tongue）和电子鼻子（e-nose）可以分别模拟人的舌头和鼻子，并且已经作为感官小组的替代方法被广泛研究。最近，这样的系统已经使用3D打印方法生产。例如，Gaal等人使用FFF三维打印技术制造了一个基于聚乳酸的微流控电子舌头装置来区分食物中的味觉物质。作者在微流控装置中加入了灵活的金质插接电极，从而形成了一个能够区分水溶液中甜味、咸味、酸味和苦味等基本味道的感测平台。



△3D打印的微流控电子舌头

总结与展望


△2010-2022年期间，每年与3D打印传感器有关的科学出版物（绿色柱状图）和引用次数（红色曲线）

●经过分析可知，FFF和SLA是开发传感器时采用最多的3D打印技术。其他3D打印方法，如DIW或AJP，仍处于发展阶段，在制造多样化的混合传感平台方面具有很大的应用潜力。此外，可以研究这些打印技术的组合，以制备准确、快速、低成本和高灵敏度的检测平台和设备，可以同时分析食品样品中的多种分析物。

●纳米材料的创新和三维打印技术的进步，将有助于高灵敏度、高稳定性、可选择性、高机械性能、具有光学和电气特性的（生物）传感器的开发。在生物传感器的制造中，研究工作应致力于通过在原始打印材料中加入识别元素，以及通过开发有效的方法来固定这些元素提高传感效率。

●使用3D打印的分析设备经常需要传统分析方法中常用的取样和样品制备程序，这对开发无需任何制备步骤就能直接分析食品样品的手持设备是一个巨大的挑战。最近，人们探索了3D打印技术的多功能性，以制造小型化的系统，其中准备步骤和分析测试在一个集成的设备中进行。然而，这些研究还处于早期阶段，需要大量的工作来开发一个完全集成的设备。

●研究人员可以通过结合目前的工业生产方法和3D打印技术来优化或开发打印方法，以加速实现基于复合材料的传感平台的大规模生产，并刺激其商业化。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.trac.2022.116672.