蒋士强：点评食品安全快速筛查技术与设备
蒋士强 (中国农业科学院/中国仪器仪表学会)撰写 李晨(仪器信息网)整理 原标题：蒋士强：对十种食品安全快速筛查和速测技术与设备的点评 一、概述、由于实验室检测技术对样品前处理耗时，检测仪器昂贵、复杂、通量低，并且仅靠一系列国标和行标确定的实验室检测技术，难以及时、快速从源头监控食品安全状况，所以快速筛查和速测技术在我国有着特殊的意义。因为快速筛查和速测技术实际上属于定性或带半定量式的初步筛查，在此基础上，还需要对可疑样品进行实验室定量、定性(确证)检测，因此当前我们所说的快速检测，准确地说，应该理解以快速筛查为主的速测技术。 应用目的、要求和场合的不同，所用技术和仪器设备是不同的 对于食品安全的实验室仪器分析检测、快速检测、在线质控、和快速筛查及现场速测技术与仪器的定义和分类，国内学界和业界有着不同理解，我建议：宜将能进行定量、定性(确证)或半定性分析的技术定义为检测 将仅能初步定性(阴、阳性)有时带有半定量的技术定义多为筛查 而将能快速实施检测和筛查的方法，冠以快速，将能大通量检测和筛查的冠以大通量，将能便携、现场实施的冠以现场，这樣分类和定义将更为明晣。据此并結合食品安全检测和筛查技术的应用要求和设备应用场合的不同，我认为可分为食品安全实验室仪器分析检测技术(已有一系列专著和标准，在本文中从略)、实验室快速检测与筛查、在线质控、快速筛查和现场速测技术与设备。 实验室快速检测与筛查的技术和仪器设备，如色谱-质谱联用仪在发达国家颇受重视，主要用于进出口检验和定期监测及食品安全事件的应急检测分析等。显然，为此不仅要求准确而且要达到更高的通量。发达国家通过加大研发投入，不断提升各种色谱-质谱联用仪的灵敏度、速度，降低检测限，当今一次进樣可以检测数百种残留物及其代谢物的多残留分析技术与仪器在国外已经成为主流。此外，一天可以检测数千份样品、以新一代的表面等离子共振分析仪(SPR)为基础，集免疫敏感芯片、微流控、納米技术、分子印迹等新技术为一体仪器，己被视为当前和未来实验室快速检测和筛查仪器的发展方向之一。 在线质控技术与设备(国外常通称为过程分析和控制技术)，主要用于规模化食品生产现场。在发达国家，由于食品生产规模化程度高，对生产现场质量控制技术与仪器有着很大的需求，所以在线质控技术与设备在发达国家非常受重视，通常将其视为建立食品良好生产规范(GMP)和危害分析与关鍵控制点(HACCP)的重要环节和措施。其中所用的技术和設备，大多是各种通用分析测試技术和自动控制技术与仪器的派生、衍生並作有针对性的有机整合。 快速筛查和现场速测技术与仪器，在发达国家，由于食品企业自律意识强，法律执行力度大，法治较健全，故大型仪器生产企业和科研单位对此类技术与仪器的关注程度不如我国高。我国则不同，由于农产品、食品的生产和供给渠道多、数量大、规模小、分散、复杂，人口与消费人群众多，且法治和自律意识较弱，因而导致食品安全问题，从生产到消费众多环节中多发。除了环保和生产条件等外在因素外，大多源于农药和兽药的違规濫用、食品添加剂过量使用，以及生产、储运、消售等环节的卫生条件差，造成生物性污染，而更严重的是非法添加物的滥用，且禁而不至。所以快速筛查和现场速测食品安全的技术与仪器，是我国国情所特需。 二、当今较成熟或有发展前途的食品安全快速筛查和现场速测的技术与仪器 目前的快速筛查和现场速测的技术及仪器有很多，但是很成熟的不多，在我国也是近几年才有长足的发展，且有的已实现产业化。目前有较好市场前景的快速筛查或现场速测的技术与仪器主要有以下十大类。 1、免疫分析方法与仪器 免疫分析方法包括放射免疫、酶联免疫、荧光免疫、化学发光免疫和胶体金标免疫等。其中酶联免疫检测技术(ELISA)曾被AOAC(美国官方分析化学师协会)列为残留检测三大支柱技术之一，具有高特异性、准确性、简便、快速等特点，可用于筛查农药和兽药残留，致病菌，病毒，毒素以及转基因产品。美国EPA(美国环保局)颁布了12项筛查与农业环保相关的土壤和水中的氯丹、五氯酚、多环芳烃、聚氯双酚、汞、阿特拉津、毒杀芬等方法，均使用ELISA。目前我国已有多家酶联免疫試剂盒和配套仪器的生产厂家，如北京勤邦巳能生产出性能与进口试剂盒相近，品种更多且价格为进口試剂盒的2/3-1/2，最近又推出全自动化学发光免疫分析仪和配套的試剂盒，灵敏度比传统的酶联免疫技术提高1-2个级次。今后应深入研究ELI SA方法的各种影响因素，标准化、系列化生产各种试剂盒，并向重组抗原、多项目标物、酶的定向改造和体外分子进化等技术方向发展。 2、生物传感器 生物传感器具有功能多样、微型、智能、集成、低成本、高灵敏、高识别和实用性等特点。国内外高度重视，发展快、种类很多，有代表性的有： (1)发达国家已广泛应用将SPR仪与其他许多新技术强强结合，推出一批新型的快速筛查、检测方法和仪器，其特点是：灵敏、快速、无需标记、便捷，实时。最典型的以BiacoreAB和美国TI以及Bio—RAD为代表。Biacore将SPR检测系统、生物传感芯片、微流控系统等组合为一体，配以多种试剂盒，构成用于快速筛查和检测兽药残、致病菌、毒素等。日本用于筛查二恶英。Bio—PAD称为分子相互作用仪。我国中科院电子所崔大付研究员的团队，已开发出三种SPR仪，河南农大胡建东等研发出用于检测兽药残等的SPR仪。发展方向是：快速、高通量、高灵敏，进而实现.便携、现场、小型甚至微型。 (2)最近有报导美国采用纳米技术开发出新型生物传感器，可快速、高灵敏度地检测食品和水中极微量的细菌、病毒、寄生虫、病原体等。 (3)微生物传感器，其中尤以对毒性物质具有高灵敏发光反应的为代表的微生物传感器。在欧美很重视发光菌的研究和应用，例如IS011348，即利用费希尔弧发光菌检测杀虫剂、除草剂、灭菌剂、黄曲霉、重金属 、氰化物、毒素、硝基化合物、溴代合物等。另外运用ATP检测技术，即利用三磷酸腺苷与荧光素酶发光反应，快速筛查(可现场速检)微生物和有机物污染程度。此外还有利用铁氧化菌的活力与污染的灵敏关系，速检有害物质。这些方面、环境监测总站的齐文启研究员等对此很关注。 3、生物芯片、微缩芯片实验室和便携式微流控芯片系统 此类技术具有高通量、高灵敏度和快速等特点，因而国际上对其在食品安全、疾病诊断等方面的应用给予了极大关注。我国国家生物芯片中心已开发出用于食源性致病菌、食源性病毒和兽药残留等检测的生物芯片技术平台(仪器和试剂盒)，并将进一步向现场速测、称之为微缩芯片实验室方向发展 。与上述並列的，虽也应用芯片技术(但一般用中或低密度芯片)，同时应用许多其他新技术，从而形成一个独立分支，国际上称之为”微流控”、”微全分析技术”，国内常称之为便携式微流控芯片系统或称为微全分析系统。我国过去以方肇伦院士为代表的有关学者、专家发表的论文曾在国际上名列仅次于美国，以往侧重于化学分析的“微流控”、“微全分析”，近几年的发展，凸显其在生化、食品安全、检验检疫、医疗等生命科学领域中具有巨大的潜在前景，国外正在大力产业化开发之中，如Ca1iper、Micronics&PATH、Agilent等企业，国内有中国检科院、浙大、吉大、中科院等有关单位在研发之中、其中中国检科院邹明强的团队和北京博晖创新等，一直致力于该分析系统的研发，有较显著的优势，他们已采用具有创新性的微膜泵驱动、微流控、生物芯片、膜富集等新技术，开发出微流控芯片核酸分子微全分析系统的样机，成功地应用于现场、快速筛查食品安全和检测疫病、动植物检疫、水质监测等，该技术将会进一步拓展。。 4、纳米材料修饰的微型化和智能化电化学传感器 电化学传感器具有小巧、灵敏、多样化、高选择性和多目称同时速测且成本低等优点，可利用特种电化学传感器构建食品安全快速检测仪，当前研发多聚焦到有关碳纳米管和石墨烯传感器的制备和产业化上，在国内外已经受到广泛关注，例如长春应用化学研究所汪尔康院士的团队和华东师范大学等单位，将纳米技术和电化学技术有机结合，构建了快速检测食品中有毒有害重金属的仪器 运用新型纳米过氧化物传感器和纳米金属/氧化物传感器，构建了快速检测细菌总数和大肠杆菌的快速检测仪等。 5、激光拉曼光谱、深紫外光谱及近红外光谱分析技术与仪器 据报道，美国运用激光拉曼光谱推出号称“皇冠克星”速测技术。中国检科院等单位运用国产化的高性能小型激光器和稳频技术，开发出高灵敏度的便携式激光拉曼光谱仪，可用于三聚氰胺的快速筛查，不仅灵敏度高，而且可进行半定量检测。赛默飞世尔推出一款新的拉曼光谱仪，可直接穿透玻璃和塑料包装，具有高重现性和高特征性。以我国许祖彦院士首创的全固态深紫外线激光器(能量分辨率可提高5-10倍，光子流密度提高3-5分量级)为基础，高强度激光拉曼光谱仪已在研发中 王占国院士正在研究的深紫外光致发光光谱仪 佟振合院士正在研发的深紫外光化学反应仪，这些都有可能催生出一批快速、灵敏的速测仪。此外，还有采用微精细机电加工技术，推出更稳定、可靠、模块化小巧的近红外光谱仪 将近红外光谱分析与成像技术結合，构成更直观、快速且分辨力更髙的仪器 分析方法方面在运用聚类分析和模型识别的基础上，进而中国农大和中科院电子所，拟定引入仿生识别算法等技术，可对食品中品牌产品的真伪进行更清晰和快速鉴别。这些都将创造出新一代、一系列可用于食品安全快速筛查的光谱分析仪。 6、离子迁移质谱仪(lMS)和小型化飞行时间质谱仪(TOF-MS) 目前，食品安全检测的国际和国内标准方法多是采用气相和液相色谱与各种质谱(MS)的联用、杂交，实现多残留快速分析，但是要实现小型、便携和快速的现场检测，通常的色谱仪和质谱仪都存在困难，而后者比前者更为困难。 为应对航天、国防、环境、食品等方面的突发事件及恐怖袭击事件，国外最早致力于离子阱质谱的小型化，之后转向研究小型化的TO F-MS和IMS，并已经取得了一定的进展。IMS依据样品中不同分子、离子，大气压下在漂移管中的特征迁移时间进行快速筛查,检测限可达微秒级。IM S不需真空系统，装置很小，造价不高，而灵敏度极高，可达到皮克(pg)级，采用最新检测器可达飞克(fg)级，可区分异构体。中国虽然一直得不到国外有关IMS技术的支持，但是近年来在这方面已经取得了突破，中科院化物所、地化所、光机所等单位在这方面已经取得一系列成果，并具有自己的特色，已成为检验检测行业的热门技术，IMS在生物医学和食品安全快速筛检领域有着巨大潜力。小型化TOF-MS分析速度快，可达微秒级，结构较简单，分辨率约为600，质量数为500，可用于环境检测，但与食品安全检测要求还有距离 不过，在保留采用真空紫外光单光子电离和膜富集的基础上，其在食品安全领域的拓展应用已指日可待。 7、基于经典的分子光谱法的速测仪器 分子光谱法是最经典的技术，几乎可用于所有检测任务，但是只能进行常量或微量检测，难于承担痕量分析的任务。近几年，吉大小天鹅和华厦科创等，以分析化学为基础，优化和整合分析的方法、程序、試剂，开发出一系列針对不同检测目标的多种试剂盒，并采用集束式冷光源/单色器等新技术，推出了高精度、高稳定性、模块化的便携式仪器。此外，配合样品快速提取和富集技术，构成了可以快速筛查与食品安全密切相关的40多种参数(如硝酸盐、亚硝酸盐、甲醛、吊白块、味素、人造色素、无机砷、金属铅、劣质奶、“地沟油”、“泔水油”等)的多参数食品安全速测仪。这些仪器非常符合我国国情，在食品安全快速筛检中占据一席之地。 8、飞秒激光太赫兹时域光谱仪 它是近20年才开发，并逐步认识到可称为最后开发出来的一段很有用的特殊电磁波谱(0.03mm-3mm的THZ波)，具有一系列特殊的应用性能，己成为国际上研究、开发、应用的热门。据报告，国际上有80多家高科技企业研发和销售THZ相关产品，其中因其具有特殊良好空间穿透性，成为优选强穿透性的成像技术，已为美国等用于安检、质检、防恐、反恐等领域，2011年度重大科学仪器开发专项中，以上海理工大学为首、已获得侧重于成像技术的立项，无疑是正确的。此外，太赫兹时域光谱不仅具有强穿透性，还对许多物质具有良好的指纹特征和很灵敏的检出限，所以成为非破坏性、非侵入式的新兴检测分析技术和THZ光谱仪，国外己不断地开发，并成为实时、现场、快速、灵敏地检测食品、药品、毒品、危险品等极有力手段，成为国际上竞争的热门。如美国Zomega和PicoMatrix及EMCOR等、英国TeraView、日本Adrantest和Nikon等、立陶宛Eksp1a等不断地开发和推出商品化产品。2004年美国政府即将THZ科技评为“改变未来世界的十大技术”之一，我国政府也在2005年11月专门召开了“香山科技会议”制定我国THZ技术发展规划。我国对其机理、关键技术和部件以及在各领域的应用已有很多的探索和成果，其中以首都师大“太赫兹光电子学教育部重点实验室”、北大、上海理工大等为代表，北京大恒纪元已掌握并生产飞秒激光器等关键部件和太赫兹光谱仪商品样机，正在升级换代。 9、实时直接分析质谱仪(DART-MS)和便携式质谱仪 在环境空气条件下，气体(如氮、氦或氩气)经放电产生激发态原子，瞬间解吸并离子化样品表面的化合物分子，样品可以是气、液、固态，任何几何形状，无需繁杂化学处理和色谱分离，仅需简单前处理，化合物离子以质谱或串联质谱检测。优点：不仅能满足实验室对样品高通量分析，而且适用于现场、直接、无损、快速、原位分析的需求。在食品安全检测，药品开发等领域将有广阔的前景。它属于新兴的环境离子化质谱技术，其中有DES1、DART、DBDl、ASAP、ELDl，当今只有DART和DESl已经商品化。 美国普度大学以著名的质谱大师R.Graham Cooks教授为首的团队对现场、便携、个人化质谱仪作了多年、多方便研发，例如在大气压下对樣品作无预处理的离子化 低温等离子体技术、纸喷雾质谱技术以及小型化离子阱多级串联质谱技等。我国近几年对此也开展了大量研发工作，如中国計量院、清华大学、聚光科技等单位都取得可喜的成果。 10、对酶的抑制法与仪器酶的认识 国内曾把酶抑制法和仪器，首推为农药残留速测技术，其实它早在1951年由美国提出，1968年由加拿大做了改进。我国于20世纪80年代浙大等单位开始研发过，发现其有诸多不足，故未推广。但前些年，借某专业检测机构的名声，有众多企业推出十几种商品化仪器，并得到推广。事后众多应用者和专家都发现，该方法只能检测有机磷和氨基甲酸酯两类农药，且对同类、不同种农药的抑制率差别很大，所以用统一的抑制率确定农药残留是否超标，必然会导致假阳性或假阴性的漏检，所以我认为酶的抑制法是目前“不得已而采用的速测法”。该方法仅适用于基层初检，在发现超标现象时，必须用标准方法进行复测、确证，这在《农产品质量安全法》第36条第二款中有明确的规定。对于阴性结果，也应按比例进行抽样，采用可靠的实验室仪器分析方法进行复测和确证。 食品安全快速筛查、在线质控和现场速测技术与设备是许多成熟的技术、设备和新方法的整合、衍生和嫁接。今后还将有更多的新技术及更新的机理、技术、工艺、材料不断涌现并在实践中得以运用。例如，纳米材料在一系列速测仪的传感器、检测器中的应用，将极大的提高其灵敏度、稳定性 以分子印迹聚合物为核心的分子印迹技术具有高预定性、高识别性、高选择性以及高稳定性，不仅成为很好的分离富集手段，如被嫁接到其他速测技术与设备中，还可大大改进现有的技术与设备，将高灵敏度的化学发光法与高选择性的免疫分析法进行更深层次的结合，即可推出应用于食品安全速测的简便、高精度的化学发光免疫分析方法和仪器。总之，日新月异的技术发展，将会使食品安全快速筛查和速测仪不断推出、改进、翻新，并使其更符合实际检测工作的需要。 作者简介： 1. 1977年以来，从事科学仪器与测试技术在农业、生物技术、检验检疫和环境检测中应用研究，近十多年致力于食品和农产品安全保障体系与检测技术研究。 2. 曾主持并完成二项部重课题，获部级科技二等奖。 3. 主要著作：《仪器与农业》,《机械工程手册》第十卷第七篇副主编、撰写了《农用仪器》。 4. 主要论文：“温室中的自动控制技术”、“纵观农业仪器的现状与发展”、“生物工程中的仪器设备”、“近红外光谱分析仪及其在我国的应用”、“植物对太阳能的利用及其测试分析技术”、“仪器仪表在科技兴农中的作用与展望”等涉及农业仪器与食品快检等五十余篇。 5. 曾被聘为"农业部世行货款项目”、“发改委吉林世行贷款项目”、“日本无偿援助项目”、“全国无规定动物疫病区建設项目”、“科技部科学仪器研发专项”、“全国农产品质量安全检验检测体系建设”等项目专家顾问组组长或成员，以及聚光、天美等企业收购事宜技术顾问。 6. 曾担任中国仪器仪表学会常务理事、农业仪器应用技术分会常务副理事长、中国分析测试协会专家、中国仪器仪表学会分析仪器分会顾问。现为农业仪器应用技术分会和检验检疫仪器应用技术分会名誉副理事长、分析仪器分会顾问，“现代科学仪器”副主编，科技部、农业部、发改委、工信部、质检总局咨询专家。享受囯务院颁发的政府特殊津贴。 注：本文为蒋士强老师为仪器信息网独家供稿，未经作者本人及仪器信息网许可，严禁转载。
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