有害殘留物的分析檢測應該做到快速、安全和經濟，但技術上實現起來有很大難度。而將微陣芯片技術與多溶質免疫測定法相結合可以兼顧這三方面。慕尼黑工業大學（TUM）的科學家們，與路德維希-馬克西米利安慕尼黑大學（LMU）以及慕尼黑GWK-精密制造公司共同合作, 開發了一種全自動的微型實驗室，能夠快速、可靠地用于牛奶中抗生素殘留物的確證。
對奶牛施用抗生素不是一個好辦法，但有時卻又不得不這樣做，生態農業也經常有這樣的情況。牛奶中的抗菌劑殘留物可能對消費者帶來健康風險，并由此導致乳品質量安全事故，以及對問題產品的清除，這些都會讓乳品和食品經濟遭受嚴重損失。整個歐洲乳品經濟每年因乳品安全事故產生的損失高達2億歐元。歐盟為保護消費者，對抗生素含量進行了規定，但迄今為止，用于確證牛奶中所使用的抗生素殘留的檢測方法，既復雜又不完備。
為了規避風險，降低損失，歐盟采取的方式是，將交貨的牛奶在奶場加以控制，并通過第三方檢測實驗室另行檢驗。這里主要通過微生物抑制劑試驗完成，如果牛奶樣品抑制了試驗細菌的生長，則須懷疑抗生素殘留物有可能存在于牛奶中，然后就要采取復雜的方法進一步分析確證。這種方法的缺點在于：耗時長達3h以上，且不能對藥物作出準確的鑒定和定量分析。另外，還有一種受體快速測試法，但需要一系列手工操作步驟，而且只能確證出一些單個的抗生素組群。
圖2. 多溶質免疫分析法定量測定牛奶中抗生素的原理。
基于微陣芯片的檢測系統
乳品制造商和奶場的進貨控制室都希望能夠獲得盡可能多的有關藥物殘留分析方面的信息。為此，慕尼黑工業大學（TUM）分析化學教研室會同路德維希-馬克西米利安慕尼黑大學牛奶衛生與技術教研室的科技人員，開發了一種玻璃芯片和全自動的分析平臺，可以對14種重要的抗生素進行平行、可靠的確證。科技人員利用了一種抗原/抗體-反應：在玻璃板上印制了具有不同待測抗生素的斑點，形成一種微陣芯片。往待測的牛奶樣品中加入針對該抗生素具有專屬反應的抗體混合物，如果某種抗生素存在于牛奶樣品中，它就會與相應的抗體發生反應。抗生素的濃度越高，與該抗生素反應的抗體就越多，剩余的未反應的抗體與芯片上的抗生素斑點相結合，這些二級抗體通過辣根過氧化物酶標記，這種酶在發光氨和過氧化氫的存在下能夠在每個單個斑點區激發一種化學熒光反應。借助于這種化學發光反應，就像法醫學中的血跡確證原理那樣，在那些有最多抗體結合的地方，出現最亮的發光點。如果牛奶中存在某種抗生素，則只有較少的抗體可供使用，于是相應的點就顯得暗淡（見圖2）。采用電荷耦合式攝像機（CCD相機）對光的強度進行測量，不僅能夠證明牛奶樣品中是否含有抗生素，而且還能顯示其含量。這種技術的優點在于可以測定牛奶中含有的多種抗生素的含量，借此追溯到所使用的藥物。
目前，路德維希-馬克西米利安慕尼黑大學已經成功開發了一種對抗生素具良好選擇性的單克隆抗體。
圖3. 一種抗生素-微陣芯片分析的化學熒光圖像：左圖為不含抗生素的牛奶樣品；右圖為被560μg/L青霉素G污染了的牛奶樣品（法定最大殘留量MRL=4μg/L）。
全自動微型實驗室
慕尼黑工業大學與慕尼黑GWK-精密制造公司合作，開發了全自動的微型實驗室 MCR-3（第3代慕尼黑芯片閱讀機），將其與微陣芯片結合便可確證原料奶中的抗生素是否已經超標。整個分析平臺的組成包括：一個由泵和閥組成的精確控制測量進程的液路；一個含有抗生素微陣芯片和與液路連接的微液路電子芯片；一個檢測模塊；一個自動進樣器和一個用于對過程進行控制和對微陣成像分析求值的集成軟件。采用這一系統，無需對原料奶進行樣品前處理，就能于5min之內得到14種以上抗生素的定量信息。
此外，這種抗生素微陣芯片還具有可再生性，通過一種特殊的緩沖溶液，可以將抗體從芯片表面洗掉，可供下次使用。再生芯片可以重復使用50次，如果在同一工作日對每塊微陣芯片進行一次內部校正，可分析50個牛奶樣品，而無需更換微陣芯片，從而降低了每次的分析成本。這也使得這種微型實驗室成為全球用于牛奶中抗生素分析最快速、最實惠的分析系統。
此外，該系統的分析精密度還通過在牛奶中加入經由低壓凍干的、多溶質校正標準物質而得到進一步提高。這種多溶質校正標準物質系由慕尼黑AiM公司所制備，首次于MCR-3 微型實驗室儀器上結合實際樣品進行了驗證性試驗，該試驗由巴伐利亞州牛奶監測站（MPR）完成。同時，作為互補性參考分析，坎普頓Muva公司還建立了質譜測定法作為比對。
實驗結果表明，β-內酰胺、磺胺類藥、喹諾酮、大環內脂和氨基糖苷類抗生素等14種最重要的抗生素，均可于5min之內同時定量測出（見圖3）。各種單個的免疫測定法皆如此進行了優化，使得法定最大殘留物量（最大殘留水平 MRL）盡量位于校正曲線的工作范圍之內（見表1）。一部分抗體顯示出過高的敏感度，以致在得到陽性結果時，還要采用稀釋后的樣品重新測定。抗體-微陣芯片批次間的變異系數大約為30%，與之相反，芯片本身的變異系數僅為10%，這就意味著，每個芯片在用于測定之前必須采用多溶質標準物質加以校正，以保證測量結果的高重現性。
同時定量測定14種抗生素
自2008年以來，在巴伐利亞州牛奶監測站業已采用MCR-3微型實驗室分析了對抑制劑呈陽性結果的2408個牛奶樣品，并給出了原料奶中14種實際可檢出的抗生素的初步含量信息。其中93%的實際樣品測定結果與BRT-分析結果相一致。發現了氨芐青霉素、氯唑西林，青霉素G/鏈霉素、氯唑西林/氨芐青霉素,青霉素G/新霉素B等單個抗生素的殘留物，其中青霉素G以72%的比例被最頻繁地作為抗生素使用。
為了對檢測結果進行確證，巴伐尼亞州牛奶監測站還進行了BRT-抑制劑試驗，并由Muva公司使用HPLC-MS法進行了測定。結果表明，這種多溶質免疫法的測量結果與BRT-抑制劑法和質譜分析法具有很好的符合性（見表2）。
結語
這種具有高精確度的快速分析系統，有助于檢出牛奶產品中的抗生素殘留物、識別肇事牛奶生產者，盡早地查明污染源。由此大大避免了因乳品安全問題引起的停產，以及為清除問題產品付出的昂貴費用，消費者更能從進一步改善的牛奶安全中受益。
這一微型實驗室的開發工作受到如下機構的財政支持：巴伐利亞州研究基金會；巴伐利亞州主管營養、農業和森林的州務部；食品營養工業研究協會經由德國工業研發聯合會（AIF）“中小企業未來計劃（ZUTECH）”；德國科研教育部（BMBF）；聯邦國防軍以及德國研究協會（DFG）。