原題目：食品安全快速檢測技術在我國的特需性及其主流技術的進展
蔣士強
(中國農業科學院/中國儀器儀表學會)
一、 觧決我國食品安全問題必需實現二個根本性的轉變
1、監管的環節上應從目前的“事故發生>媒體曝光>抽查普查>事后打擊>善后治理”的“事后監管”轉變為“法治>標準>誠信>認證>追溯>風險評價>危害預警和應急響應”的“全程系統監管”模式
2、檢測技術作為整個安全保障監管體系中的技術支撐和手段，也應從當前對終端產品的質量安全檢測，推前到對農產品與食品生產的源頭甚至現場檢測開始，針對我國國情，完善地構建“源頭快檢篩查十實驗室儀器分析檢測確證”的模式。因在發達國家，由于食品企業規模大，自律意識強，法律執行力度大，法治較健全，快檢的重要性不如我國凸顯。我國由于農產品、食品的生產和供給渠道多、數量大、規模小、分散、復雜，而且人口與消費人群眾多，法治和自律意識較弱，俗話的說法”犯罪成本很低”，因而導致食品安全問題，從生產到消費的眾多環節中多發。除了環境和生產條件等外在因素外，大多源于農藥和獸藥的違規濫用、食品添加劑過量使用，以及生產、儲運、消售等環節的衛生條件差，造成生物性污染，而更嚴重的是非法添加物的濫用，且禁而不至。所以僅依靠前些年各部門、系統建設的一系列質檢機構裝備起來的實驗室儀器分析檢測手段，由於對樣品前處理耗時，檢測儀器和試剤昂貴、操作復雜、通量低，是難于從食品生產的源頭開始全面、及時地監控全國的食品安全，所以快速、便攜甚至現場檢測與篩查技術與儀器在我國現階段具有特殊意義。
二、食品與農產品安全快檢和篩查技術與儀器的進展
應用目的、要求和場合的不同，所用技術和儀器設備是不同的，對其分類和命名，國內學界和業界有著不同理解，大致包括：
實驗室快速檢測與篩查的技術和儀器設備，如色譜-質譜聯用儀在發達國家頗受重視，主要用于進出口檢驗和定期監測及食品安全事件的應急檢測與分析等。顯然，為此不僅要求準確的定性和定量分析而且要達到更高的通量。發達國家通過加大研發投入，不斷提升各種色譜-質譜聯用儀的靈敏度(降低檢測限)、分辯率和速度，一次進樣可以檢測數百種殘留物及其代謝物的多殘留分析技術與儀器在國外已經成為當今主流。此外，一天可以檢測數千份樣品的生物芯片分析系統和以新一代的表面等離子共振分析儀(SPR)為基礎，集免疫敏感芯片、微流控、納米技術、分子印跡等新技術為一體儀器等，也己被視為當前和未來實驗室快速檢測和篩查儀器的發展方向。
在線在質控技術與設備(國外常通稱為過程分析與控制技術)，主要用于規模化食品生產現場。在發達國家，由于食品生產規模化程度高，對生產現場質量控制技術與儀器有著很大的需求，所以在線質控技術與設備在發達國家非常受重視，通常將其視為建立食品良好生產規范(GMP)和危害分析與關鍵控制點(HACCP)的重要環節和措施。其中所用的技術和設備，大多是各種通用分析測試技術和自動控制技術與儀器的派生、衍生，並作有針對性的有機整合。
快速檢測和篩查及現場速測技術與儀器，目前的快速篩查和現場速測的技術及儀器有很多，但是很成熟的不多，在我國也是近幾年才有長足的發展，有的已實現產業化，有的正在應用開發，有的處在進一步完善和拓展，目前有較好市場前景的快速篩查或現場速測的技術與儀器主要有以下十大類。
1、免疫分析方法與儀器
免疫分析方法包括放射免疫、酶聯免疫、熒光免疫、化學發光免疫和膠體金標免疫等。其中酶聯免疫檢測技術(ELISA)曾被AOAC(美國官方分析化學師協會)列為殘留檢測三大支柱技術之一，具有高特異性、準確性、簡便、快速等特點，可用于篩查農藥和獸藥殘留，致病菌，病毒，毒素以及轉基因產品。美國EPA(美國環保局)頒布了12項篩查與農業環保相關的土壤和水中的氯丹、五氯酚、多環芳烴、聚氯雙酚、汞、阿特拉津、毒殺芬等方法，均使用ELISA。目前我國已有許多家企業生產膠體金試紙條、酶聯免疫試劑盒和配套儀器，如北京勤邦、陸橋等企業巳能生產出性能與進口試劑盒相近，品種更多且價格為進口試劑盒的2/3-1/2，化學發光免疫分析法具有靈敏度高(可測定極限達到10-17-10-19M/L)、可測定濃度范圍寬、試劑穩定性好、操作簡單、無環境污染等優點，目前國內外生產相關產品的企業有Beckman Coulter、Roche、Bayer、博奧生物、北京科美生物技術有限公司、深圳新產業生物醫學工程有限公司等，上述廠家生產的化學發光免疫分析儀器主要面向醫學和生命科學領域。北京勤邦生物技術有限公司基于較完善的免疫學研究平臺和小分子檢測技術經驗，開發出高通量全自動化學發光免疫分析儀和一系列配套的化學發光試劑，拓展了化學發光免疫分析儀器在食品安全、疾病檢測等領域的應用，目前正在示范推廣。在免疫分析技術領域，今后應深入研究ELI SA方法的各種影響因素，標準化、系列化生產各種試劑盒，并向重組抗原、多項目標物、酶的定向改造和體外分子進化等技術。
2、.基于經典的分子光譜法的速測儀器
分子光譜法是最經典的技術，幾乎可用于所有檢測任務，但是一般只能進行常量或微量檢測，難于承擔痕量分析的任務。近幾年，吉大小天鵝和華廈科創等，以分析化學為基礎，優化和整合分析的方法、程序、試劑，開發出一系列針對不同檢測目標的多種試劑盒，并采用集束式冷光源/單色器等新技術，推出了高精度、高穩定性、模塊化的便攜式儀器。此外，配合樣品快速提取和富集技術，構成了可以快速篩查與食品安全密切相關的40多種參數(如硝酸鹽、亞硝酸鹽、菊脂類農藥殘留、甲醛、吊白塊、味素、人造色素、無機砷、金屬鉛、劣質奶、“地溝油”、“泔水油”等)的多參數食品安全速測儀。這些儀器非常符合我國國情，在食品安全快速篩檢中占據一席之地。
3、對酶的抑制法與儀器的認識
國內曾把酶抑制法和儀器，首推為農藥殘留速測技術，其實它早在1951年由美國提出，1968年由加拿大做了改進，我國于20世紀80年代，浙大等單位開始研發過，發現其有諸多不足，故未推廣。但前些年，借某專業檢測機構的名聲，有眾多企業推出十幾種商品化儀器，并得到推廣。事后眾多應用者和專家都發現，該方法只能檢測有機磷和氨基甲酸酯兩類農藥，且對同類、不同種農藥的抑制率差別很大，所以用統一的抑制率確定農藥殘留是否超標，必然會導致假陽性或假陰性的漏檢，所以我認為酶的抑制法是目前“不得已而采用的速測法”。該方法僅適用于基層初檢，在發現超標現象時，必須用標準方法進行復測、確證，這在《農產品質量安全法》第36條第二款中有明確的規定。對于陰性結果，也應按比例進行抽樣，采用可靠的實驗室儀器分析方法進行復測和確證
4、生物傳感器
生物傳感器具有功能多樣、微型、智能、集成、低成本、高靈敏、高識別和實用性等特點。國內外高度重視，發展快、種類很多，有代表性的有：
(1)發達國家已廣泛應用將SPR儀與其他許多新技術強強結合，推出一批新型的快速篩查、檢測方法和儀器，其特點是：靈敏、快速、無需標記、便捷，實時。最典型的以BiacoreAB和美國TI以及Bio—RAD為代表。Biacore將SPR檢測系統、生物傳感芯片、微流控系統等組合為一體，配以多種試劑盒，構成用于快速篩查和檢測獸藥殘、致病菌、毒素等。日本用于篩查二惡英。Bio—PAD稱為分子相互作用儀。我國中科院電子所崔大付研究員的團隊，已開發出三種SPR儀，河南農大胡建東等研發出用于檢測獸藥殘等的SPR儀。發展方向是：快速、高通量、高靈敏，進而實現.便攜、現場、小型甚至微型。
(2)最近有報導美國采用納米技術開發出新型生物傳感器，可快速、高靈敏度地檢測食品和水中極微量的細菌、病毒、寄生蟲、病原體等。
(3)微生物傳感器，其中尤以對毒性物質具有高靈敏發光反應的為代表的微生物傳感器。在歐美很重視發光菌的研究和應用，例如IS011348，即利用費希爾弧發光菌檢測殺蟲劑、除草劑、滅菌劑、黃曲霉、重金屬 、氰化物、毒素、硝基化合物、溴代合物等。另外運用ATP檢測技術，即利用三磷酸腺苷與熒光素酶發光反應，快速篩查(可現場速檢)微生物和有機物污染程度。此外還有利用鐵氧化菌的活力與污染的靈敏關系，速檢有害物質，這些方面、環境監測總站的齊文啟研究員等對此很關注。
5、生物芯片系統、微縮芯片實驗室和便攜式微流控芯片系統
此類技術具有高通量、高靈敏度和快速等特點，因而國際上對其在食品安全、疾病診斷等方面的應用給予了極大關注。我國國家生物芯片中心已開發出用于食源性致病菌、食源性病毒和獸藥殘留等檢測的生物芯片技術平臺(儀器和試劑盒)，并將進一步向現場速測、稱之為微縮芯片實驗室方向發展。與上述並列的，雖也應用芯片技術(但一般用中或低密度芯片)，同時應用許多其他新技術，從而形成一個獨立分支，國際上稱之為”微流控”、”微全分析技術”，國內常稱之為便攜式微流控芯片系統或稱為微全分析系統。我國過去以方肇倫院士為代表的有關學者、專家發表的論文曾在國際上名列僅次于美國，以往側重于化學分析的“微流控”、“微全分析”，近幾年的發展，凸顯其在生化、食品安全、檢驗檢疫、醫療等生命科學領域中具有巨大的潛在前景，國外正在大力產業化開發之中，如Ca1iper、Micronics&PATH、Agilent等企業，國內有中國檢科院、浙大、吉大、中科院等有關單位在研發之中、其中中國檢科院鄒明強研究員的團隊和北京博暉創新等，一直致力于該分析系統的研發，有較顯著的優勢，他們已采用具有創新性的微膜泵驅動、微流控、生物芯片、膜富集等新技術，開發出微流控芯片核酸分子微全分析系統的樣機，成功地應用于現場、快速篩查食品安全和檢測疫病、動植物檢疫、水質監測等，該技術將會進一步拓展。。
6、納米材料修飾的微型化和智能化電化學傳感器
電化學傳感器具有小巧、靈敏、多樣化、高選擇性和多目稱同時速測且成本低等優點，可利用特種電化學傳感器構建食品安全快速檢測儀，當前研發多聚焦到有關碳納米管和石墨烯傳感器的制備和產業化上，在國內外已經受到廣泛關注，例如長春應用化學研究所汪爾康院士的團隊和華東師范大學等單位，將納米技術和電化學技術有機結合，構建了快速檢測食品中有毒有害重金屬的儀器；運用新型納米過氧化物傳感器和納米金屬/氧化物傳感器，構建了快速檢測細菌總數和大腸桿菌的快速檢測儀等。
7、激光拉曼光譜、深紫外光譜及近紅外光譜分析技術與儀器
據報道，美國運用激光拉曼光譜推出號稱“皇冠克星”速測技術。中國檢科院等單位運用國產化的高性能小型激光器和穩頻技術，開發出高靈敏度的便攜式激光拉曼光譜儀，可用于三聚氰胺的快速篩查，不僅靈敏度高，而且可進行半定量檢測。賽默飛世爾推出一款新的拉曼光譜儀，可直接穿透玻璃和塑料包裝，具有高重現性和高特征性。以我國許祖彥院士首創的全固態深紫外線激光器(能量分辨率可提高5-10倍，光子流密度提高3-5分量級)為基礎，高強度激光拉曼光譜儀已在研發中；王占國院士正在研究的深紫外光致發光光譜儀；佟振合院士正在研發的深紫外光化學反應儀，這些都有可能催生出一批快速、靈敏的速測儀。近紅外光譜分析方面，有采用微精細機電加工技術，推出更穩定、可靠、模塊化小巧的近紅外光譜儀；有將近紅外光譜分析與成像技術結合，構成更直觀、快速且分辨力更髙的儀器； 中國農大和中科院電子所擬定在運用聚類分析和模型識別的基礎上，引入仿生識別算法等技術，可對食品中品牌產品的真偽進行更清晰和快速鑒別，在近紅外光譜分析技術與儀器研發方面，我國陸婉珍院士、北京化工大學、中科院安徽光機所、中國農大、聚光科技等都在不斷地探索和開發之中。上述幾類光譜分析技術的快速發展，都將創造出新一代、一系列可用于食品安全快速篩查的光譜分析儀。
8、離子遷移質譜儀(lMS)和小型化飛行時間質譜儀(TOF-MS)
目前，食品安全檢測的國際和國內標準方法多是采用氣相和液相色譜與各種質譜(MS)的聯用、雜交，實現多殘留快速分析，但是要實現小型、便攜和快速的現場檢測，通常的色譜儀和質譜儀都存在困難，而后者比前者更為困難。為應對航天、國防、環境、食品等方面的突發事件及恐怖襲擊事件，國外最早致力于離子阱質譜的小型化，之后轉向研究小型化的TO F-MS和IMS，并已經取得了一定的進展。IMS依據樣品中不同分子、離子，在大氣壓下漂移管中的特征遷移時間，進行快速檢測,檢測限可達微秒級。IM S不需真空系統，裝置很小，造價不高，而靈敏度極高，可達到皮克(pg)級，采用最新檢測器可達飛克(fg)級，可區分異構體。中國雖然一直得不到國外有關IMS技術的支持，但是近年來在這方面已經取得了突破，中科院化物所、地化所、光機所等單位在這方面已經取得一系列成果，并具有自己的特色，已成為檢驗檢測行業的熱門技術，IMS在生物醫學和食品安全等快速篩檢領域有著巨大潛力。小型化TOF-MS分析速度快，可達微秒級，結構較簡單，分辨率約為600，質量數為500，可用于環境檢測，但與食品安全檢測要求，還有點距離， 不過、進一步采用真空紫外光單光子電離和膜富集等新技術，其在食品安全領域的拓展應用已指日可待，廣州禾信在這方面己取得可喜的成果，並獲得“國家重大科學儀器設備開發專項”的立項。
9、飛秒激光太赫茲時域光譜儀
它是近20年才開發，并逐步認識到可稱為最后開發出來的一段很有用的特殊電磁波譜(0.03mm-3mm的THZ波)，具有一系列特殊的應用性能，己成為國際上研究、開發、應用的熱門。據報告，國際上有80多家高科技企業研發和銷售THZ相關產品，其中因其具有特殊良好空間穿透性，成為優選強穿透性的成像技術，已為美國等用于安檢、質檢、防恐、反恐等領域，2011年度重大科學儀器開發專項中，以上海理工大學為首、已獲得側重于成像技術的立項，無疑是正確的。此外，太赫茲時域光譜不僅具有強穿透性，還對許多物質具有良好的指紋特征和很靈敏的檢出限，所以成為非破壞性、非侵入式的新興檢測分析技術和THZ光譜儀，國外己不斷地開發，并成為實時、現場、快速、靈敏地檢測食品、藥品、毒品、危險品等極有力手段，成為國際上競爭的熱門。如美國Zomega和PicoMatrix及EMCOR等、英國TeraView、日本Adrantest和Nikon等、立陶宛Eksp1a等不斷地開發和推出商品化產品。2004年美國政府即將THZ科技評為“改變未來世界的十大技術”之一，我國政府也在2005年11月專門召開了“香山科技會議”制定我國THZ技術發展規劃。我國對其機理、關鍵技術和部件以及在各領域的應用已有很多的探索和成果，其中以首都師大“太赫茲光電子學教育部重點實驗室”、北大、上海理工大等為代表，北京大恒紀元已掌握并生產飛秒激光器等關鍵部件和太赫茲光譜儀商品樣機，正在升級換代。太赫赫光譜儀也已獲得“國家重大科學儀器設備開發專項”的立項。
10、實時直接分析質譜儀(DART-MS)和便攜式質譜儀
在環境空氣條件下，氣體(如氮、氦或氬氣)經放電產生激發態原子，瞬間解吸并離子化樣品表面的化合物分子，樣品可以是氣、液、固態，任何幾何形狀，無需繁雜化學處理和色譜分離，僅需簡單前處理，化合物離子以質譜或串聯質譜檢測。優點：不僅能滿足實驗室對樣品高通量分析，而且適用于現場、直接、無損、快速、原位分析的需求。在食品安全檢測，藥品開發等領域將有廣闊的前景。它屬于新興的環境離子化質譜技術，其中有DES1、DART、DBDl、ASAP、ELDl，當今只有DART和DESl已經商品化。美國普度大學以著名的質譜大師R.Graham Cooks教授為首的團隊對現場、便攜、個人化質譜儀作了多年、多方便研發，並取得突破性進展，例如在大氣壓下對樣品作無預處理的離子化；低溫等離子體技術、紙噴霧質譜技術以及小型化離子阱多級串聯質譜技等。我國近幾年對此也開展了大量研發工作，如中國計量院、清華大學、聚光科技等單位都取得可喜的成果。
食品安全快速檢測、篩查、在線質控和現場速測技術與設備，是許多成熟的技術、設備和許多新機理新方法的拓展、整合、衍生和嫁接。今后還將有更多的新技術及更新的機理、技術、工藝、材料不斷涌現并在實踐中得以運用。例如，納米材料在一系列速測儀的傳感器、檢測器中的應用，將極大的提高其靈敏度、穩定性；又如以分子印跡聚合物為核心的分子印跡技術具有高預定性、高識別性、高選擇性以及高穩定性，不僅成為很好的分離富集手段，如嫁接到其他速測技術與設備中，可大大改進現有的技術與設備，中國農科院王靜教授的團隊和軍事醫學科學院髙志賢研究員的團隊等單位在這方面已做了大量研發工作。總之，日新月異的技術發展，將會使食品安全快速篩查和速測儀不斷推出、改進、翻新，并使其更符合實際工作的需求。