杜美紅：格物探微推動食品微生物快檢技術發展

　　——訪北京市科學技術研究院分析測試研究所杜美紅博士/研究員

　　食源性致病菌是導致食品安全問題的重要污染來源，由其引發的公共衛生安全事件時有發生，嚴重危害消費者身體健康和生命安全。因此，食源性致病菌備受世界各國關注，迫切需要建立食源性致病菌的快速篩查方法，及時有效地對食品安全事件做出響應。目前，國內外食源性致病菌檢測主要采用經典的平板培養檢測方法，一般需要3-5天才能完成檢測。雖然快速檢測新技術不斷涌現，但其樣品前處理依然依賴于經典的培養方法，過程極其復雜、費時費力，快檢技術優勢不能得到發揮，應用受限。專注食品微生物檢測技術十余年的杜美紅研究員迎難而上，研發了免疫磁分離試劑、磁分離前處理方法、磁分離前處理工作站“試劑-方法-儀器” 為一體的食品微生物快速檢測樣品前處理解決方案，快速、高效、準確，并成功地實現企業轉化。近日，分析測試百科采訪了北京市科學技術研究院分析測試研究所（北京市理化分析測試中心）（以下簡稱：分析測試所）杜美紅博士，請她分享了團隊在開發該解決方案的特點和研發中的酸甜苦辣，并展望了未來我國食品安全微生物檢測面臨的主要挑戰和機遇。

圖1 北京市科學技術研究院分析測試研究所杜美紅博士/研究員

孜孜求學路 開闊的科研視野

　　杜美紅曾在中國農業大學生物學院生物化學與分子生物學系攻讀博士學位，師從李贊東教授；農大生物學院先進的學術思想，濃烈的科研氛圍，培養和塑造了杜美紅的科研思想和孜孜以求的探索精神。博士畢業后，杜美紅申請成為中國科學院化學研究所與北京市科學技術研究院聯合培養博士后，在導師高明遠研究員的嚴格指導下，確立了納米免疫磁珠在食品微生物快速檢測中的應用研究方向，并在分析測試所生物技術部開展了博士后研究工作，就此開始了食品微生物快速檢測技術的應用研究。

專注食品微生物檢測研究十余載 矢志不渝

瞄準食品微生物檢測技術痛點 重點攻關

　　食源性致病菌常引起重大公共安全問題的發生，危害消費者生命安全和身體健康，對食源性致病菌的監管是國家公共衛生安全領域的重大需求，而高效快速的檢測技術則是其重要手段。目前，微生物檢測的主要技術依據是GB 4789系列，國標方法雖然檢測結果準確，但前處理（包括預增菌、增菌、分離）過程費時費力，不利于快速檢測技術優勢的發揮，建立高效快速樣品前處理方法，是食源性致病菌快速檢測面臨的主要技術難題。

　　杜美紅從博士后流動站期間的納米磁珠應用研究工作受到啟發，出站后結合分析測試所的發展方向及自身生物專業背景優勢，從2008年起，專攻納米免疫磁珠在食品微生物快速檢測中的應用研究，重點關注食源性致病菌快速檢測，并于2010年獲得北京市優秀人才培養項目資助計劃：《納米免疫磁球微生物富集應用研究》（2010D002022000001），該項目對杜美紅前期的科研工作給予了很大的支持與鼓舞，激勵她用更大的熱情投入該領域的應用與轉化。

　　免疫磁珠富集技術在致病菌快檢領域發展迅速。但在相當長的時間里，國內市場基本被國外產品壟斷，而且因為樣品適應性等問題，其時國內市場上銷售的磁珠捕獲致病菌效率普遍較低。在北京市自然科學基金（2162018）、國家自然科學基金（31972146）項目資助下，杜美紅博士帶領技術團隊，針對免疫磁珠表面抗體有序性差、空間位阻大的問題，通過改變pH值調控抗體蛋白帶電性，實現抗體在微納磁珠表面的定向吸附固定，提高了磁珠對致病菌的免疫識別性能和對目標菌的捕獲效率，為解決磁珠表面因抗原-抗體特異反應造成的空間位阻問題提供了新思路和新方法。杜美紅技術團隊研發出的系列微生物分離富集免疫磁珠材料，與國外同類商品相比捕獲效率更高，同時具有性能穩定、產品價格低等的優點，具有更強的競爭優勢。

圖2 pH調控抗體定向固定技術示意圖

　　眾所周知，食物樣品基質非常復雜，而標準檢測方法前處理時間長、程序復雜、致使與其結合的快速檢測技術優勢發揮受到限制。杜美紅帶領技術團隊充分利用食品復雜基質中的營養成份以及免疫磁珠高效捕獲性能，創新建立了高效免疫磁分離目標菌的前處理技術，使前增菌時間從常規2-3 天縮短至7小時，通過對含100 CFU痕量致病菌樣品的前處理，使目標菌快速增加至103 CFU/mL以上，滿足了多種快速檢測方法檢測限的需求，使更多快速檢測技術能與磁分離前處理有效整合，快檢技術優勢得以發揮，并為更多新興的快檢方法在微生物致病菌的應用奠定了技術基礎。

　　高效的免疫磁分離前處理技術已經建立，但在推廣應用的過程中又遇到很多困難。對此，杜美紅介紹道：“一方面，基層的操作人員對步驟不熟悉，存在不同人員操作誤差大等問題，限制了該技術在食品微生物檢測中的應用；另一方面我們考慮到，近年來優秀的檢測實驗室正在向自動化、智能化的方向發展，尤其是對傳染性病毒、致病菌，提出無人值守的‘黑燈實驗室’的設想；而免疫磁分離技術有高效、快速、可重復性以及易于自動化等特點，可實現自動化檢測，減少人工操作誤差。基于這樣的理念，我們決定把工作重心轉移到前處理設備的研制上。”

　　 談及磁分離前處理自動化工作站研發過程遇到的困難和解決的難題，杜美紅如是說：“免疫磁分離技術在食品中應用需要克服食品基質復雜性和種類多樣性的影響，我們針對成分和質構特性進行了研究，探索出了一套針對不同食品分類的免疫磁分離技術應用方案，解決了一系列問題，比如：如何與標準檢測方法匹配對接？痕量食源性致病菌如何實現快速富集、快速分離？如何滿足快速檢測技術的檢出限需求？針對這些問題，我們創新性設計了均質罐處理模塊，既與標準方法中處理方法相對應，又創新了國際同類微生物富集分離系統，實現了樣品自動化前處理的一個飛躍。”該研究工作最初得到了北京市科學技術研究院人才計劃-“北科院高水平創新團隊計劃-食品微生物快檢免疫磁分離樣品前處理技術”（課題編號：HIT202201）經費支持。通過幾年的開發，杜美紅帶領技術團隊研制出了磁分離前處理自動化工作站，該工作站充分利用免疫磁分離技術集富集和分離的優勢性能，設計多自由度功能組合式食物樣品均質孵育分離核心組件，建立了自動化、高通量樣品前處理工作系統，克服了傳統的檢測方法實驗繁雜、耗時較長、工作繁重、人為誤差大等問題，從而實現復雜多樣食品基質中目標微生物的高效分離與富集。

專注一件事 做好一件事

　　談到自己的研究工作，杜美紅博士充滿了感慨與信心，在理化中心的十余年，她專注做一件事：建立和發展食品微生物快速檢測技術及實現應用，在未來還將繼續堅持把這件事情做好、做下去。

圖3 免疫磁分離技術微生物快速檢測技術體系

　　經過十余年的努力，杜美紅團隊開發建立了免疫磁分離試劑、磁分離前處理方法、磁分離前處理工作站“試劑-方法-儀器”三位一體的知識產權鏈及產業鏈，推動了食品安全微生物快速檢測領域的快速發展，具體可總結為三個方面：

　　第一：從食源性致病菌快速檢測需求出發，致力于國產化免疫磁珠的研發與應用。構建了新穎的高捕獲性能的免疫磁珠抗體固定技術，開發出微生物致病菌分離富集用系列免疫磁珠產品，應用于食源性致病菌快速檢測食品樣品前處理。

圖4 致病菌免疫磁珠分離檢測試劑

　　該免疫磁珠產品獲得第十七批北京市新技術新產品（服務）認定，在中國人民解放軍軍事醫學科學院，中國科學院電子學研究所，南京大學，大連海事大學等高校、科研院所得到應用，性價比遠高于國外同類商品，反饋良好，為打破國外商品在中國市場的壟斷局面進行了有益的探索。

圖5 北京市新技術新產品證書

　　第二：免疫磁分離微生物致病菌快速檢測技術發展與方法應用。基于免疫磁分離食品樣品前處理技術與產品，建立了與化學發光免疫分析（CLIA）、聚合酶鏈式反應（PCR）、酶聯免疫吸附法（ELISA）、環介導等溫擴增技術（LAMP）等技術相結合的食源性致病菌多種快速檢測技術，包含樣品前處理在內，對樣品中含量極低致病菌的檢測過程在8 h內即可完成，實現了檢測的快速、高靈敏，被中國生產力促進中心協會評定為“中國好技術”。

　　第三：創新建立了微生物快速檢測食品樣品磁分離前處理自動化工作站。鑒于免疫磁分離技術的先進性與實驗室檢測人員知識背景、操作技能及接受度存在不匹配的問題，極大地限制了該技術在食品微生物檢測中的應用；同時，食品微生物檢測大量樣品篩查的需求，對高通量、智能化的前處理提出更高的要求，實現樣本高效、快速處理成為食品微生物檢測的必然發展趨勢。針對上述現狀和需求，杜美紅團隊開發了磁分離前處理自動化工作站，以磁分離技術為核心，將自主創新的磁分離技術、快速增菌技術等有效結合，對食品樣品均質、孵育、磁分離等環節自動化關鍵技術取得突破，實現了食品樣品磁分離前處理的自動化、智能化、標準化。該工作站具有如下特點：（1）可處理樣本種類多，包括水果、蔬菜、肉類等成分復雜食品樣品；（2）樣本處理通量大，單次可處理完成16-48份樣本；（3）處理速度快，可在7 h內獲得可檢測的目標微生物；（4）處理結果開放友好，能夠與多種快速檢測試劑集成、整合，實現目標微生物整體的快速檢測。

圖6 第二十屆CISILE期間在百泰克生物展臺上展示的磁分離前處理自動化工作站

　　杜美紅及其研究團隊的研究工作得到了國家的支持和社會認可，她先后獲得國家自然科學基金、國家重點研究計劃等國家級、省部級科技項目等的支持，科技成果獲北京市科學技術二等獎、中國分析測試協會科學技術二等獎等省部級/行業科技獎勵共8項，獲國家授權發明專利11件，制定/參與國家標準/行業標準共11項，科研團隊獲北京市總工會與北京市聯合認定“2017年度市級職工創新工作室”，2020年度獲得“杜美紅創新工作室”榮譽稱號。

圖7 北京市總工會頒發的“杜美紅創新工作室”

　　杜美紅帶領團隊開發的技術及產品目前已應用于海關出入境、食品檢測機構、各大生鮮食品生產企業、大型賽事活動、食品生產或加工場所、出入境口岸、檢測機構或檢測實驗室對食品安全微生物的快速檢測與篩查。2020年，這些技術和產品在冬奧會及冬殘奧會測試賽、冬奧會及冬殘奧會正式比賽的供奧食品安全檢測中得到應用，有效支撐了供奧食品源頭上的安全。

食品安全和國產儀器如何“更上一層樓”

　　談及我國食品微生物檢測亟需解決的問題，杜美紅認為：首先，現有的食品微生物檢測方法存在著樣品處理不完全、分離和富集效率低、檢測靈敏度不高、檢測過程復雜、耗時長等問題，導致實際操作時難以較快地完成檢測工作。其次，食品微生物檢測的標準還有待完善。國標的方法不滿足某些短貨架期生鮮食品的時效性要求，出入境等行業和一些地方出臺了快篩的標準，但是目前不夠統一和規范，需要出臺標準完善微生物快篩方法的標準化管理。第三，技術創新和應用推廣也是食品安全微生物檢測領域面臨的問題。需要引導新技術的應用，推廣新方法，提高檢測效率，以更好的服務于食品安全監管和消費者權益保護。

　　杜美紅也提及了食品安全這個經久不衰的話題，從應用層面和技術層面進行了分析。她認為未來食品安全檢測將不僅限于常規食品檢測，還需擴展到非傳統食品的檢測，如從根源上進行監管，通過溯源技術對食品的生產、運輸、銷售等過程進行追溯，有效防止食品的污染和偽造，更好地保障消費者的權益。未來的食品安全檢測技術將會更加智能化、高效化,在儀器設備方面，未來的食品安全檢測設備將會更加便攜、高靈敏、高精度和高通量，實現快速、準確、高效的檢測工作。

　　作為國產儀器的使用者和制造者，杜美紅向筆者提出了自己的一些看法和建議，筆者刊其二三，以饗讀者，希望對我國國產儀器的發展有一定的建議和幫助。杜美紅認為：發展國產儀器需要注重以下幾個方面：（1）提高技術水平：技術是國產儀器能否與國際品牌競爭的關鍵。需要加快研發和創新，尋求技術上的差異化。同時，需要對外界技術創新趨勢敏銳，引進和借鑒國外技術前沿，及時將其應用到國產儀器中。（2）強化品牌形象：品牌形象是企業的重要資產。國產儀器需要加強品牌管理，制造出優質的產品，塑造自己的品牌形象，提高品牌在市場中的競爭力和知名度。（3）優化售后服務：售后服務是儀器企業贏得用戶的關鍵因素之一。需要加強售后服務團隊建設，提供優質的售后服務，解決用戶在使用過程中遇到的問題，及時反饋用戶的需求和意見，不斷改進和完善自己的產品服務。

結束語

　　杜美紅博士是筆者的大學同學，認識二三十年了。在這次采訪和交流的過程，筆者欣慰地看到她的努力和努力后獲得的成績和社會認可。路漫漫兮，科研的道路還很漫長而曲折，筆者衷心祝愿在未來的日子里，杜美紅博士能取得更多的成績，為我國食品安全的微生物檢測事業做出更大的貢獻。