食品安全快速檢測技術(shù)研習(xí)范文

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一、基于光學(xué)分析的快速檢測技術(shù)

（一）基于熒光分子光譜的快速檢測技術(shù)一些具有平面或剛性結(jié)構(gòu)的分子，其存在π－π共軛結(jié)構(gòu)，當(dāng)此類分子受到光能量激發(fā)后會發(fā)出熒光，產(chǎn)生熒光光譜。當(dāng)體系共軛度增加時(shí)，熒光強(qiáng)度隨之增加，熒光光譜改變。如存在－OH、－NH2、－OR、－NR2等給電子取代基時(shí)，熒光強(qiáng)度增加，存在－COOH，－CHO，－NO2，－N=N－等吸電子基團(tuán)時(shí)，熒光減弱。熒光光譜與其他吸收光譜比較，靈敏度高幾個(gè)數(shù)量級，且選擇性更好，因此熒光光譜更能滿足痕量分析的需要。缺點(diǎn)為不是所有物質(zhì)都會發(fā)出熒光，自身能發(fā)出熒光的物質(zhì)及能形成熒光測量體系的物質(zhì)相對較少，雖通過化學(xué)衍生可使部分待測目標(biāo)物產(chǎn)生熒光，但增加了難度，應(yīng)用受到限制。絕大多數(shù)能產(chǎn)生熒光的物質(zhì)都具有芳香環(huán)或雜環(huán)結(jié)構(gòu)，食品中的部分危害因子具有此類結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生熒光，可利用其熒光光譜或熒光猝滅實(shí)現(xiàn)定性或定量分析[6]。目前，應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品主要有：（1）真菌毒素?zé)晒鈨x。該儀器結(jié)合免疫親和層析前處理技術(shù)，可快速測定糧谷、油料中黃曲霉毒素、赭曲霉毒素、伏馬毒素、玉米赤霉烯酮、嘔吐毒素和T－2毒素等十幾種毒素，黃曲霉毒素檢出限為0.1μg/kg，樣品處理及分析時(shí)間小于20min。（2）食用菌熒光增白劑檢測儀。可用于食用菌或含有熒光增白劑成分作為保鮮劑的食品的快速定性檢測。（3）手持式ATP熒光檢測儀。該儀器利用ATP（三磷酸腺苷）試劑中組分如熒光素－熒光素酶與細(xì)菌等微生物細(xì)胞內(nèi)ATP反應(yīng)產(chǎn)生熒光，可實(shí)現(xiàn)細(xì)菌及潔凈度指標(biāo)的快速檢測，檢測限可達(dá)4×10－18molATP。另外，苯并（α）芘等多環(huán)芳烴、四環(huán)素、莫能霉素、乙氧喹、噻菌靈等都具有熒光結(jié)構(gòu)，均可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的熒光快速檢測[7～10]。

（二）基于近紅外光譜的快速檢測技術(shù)近紅外光譜是指物質(zhì)在近紅外區(qū)（0.7μm～2.5μm）的吸收光譜，是有機(jī)分子中含氫基團(tuán)（C－H、O－H、N－H）振動的合頻和各級倍頻的吸收疊加，通過掃描樣品的近紅外光譜，可得到樣品中有機(jī)分子含氫基團(tuán)的特征信息。利用近紅外光譜技術(shù)分析樣品具有樣品無需前處理、快速、高效和低成本，不破壞樣品，不消耗化學(xué)試劑，不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，因此該技術(shù)越來越受到重視和歡迎[11]。近紅外光譜本身得到的信息是有限的，但結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)建立起的光譜信息與待測樣品之間的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型，則可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成分的定性定量。常用數(shù)據(jù)處理的方法有主成分分析（PCA）、偏最小二乘（PLS）、模式識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）、小波變換（WT）等[12]。目前，近紅外光譜應(yīng)用于食品的真?zhèn)舞b別、無損檢測、食品生產(chǎn)質(zhì)量安全在線控制及常量分析是成功的，有大量的應(yīng)用案例可以證明，但對于微量和痕量分析是不合適的。我國自主研發(fā)的手持式近紅外光譜分析儀、小型近紅外光譜分析儀已應(yīng)用于花生油、豆油、純牛奶中還原奶等的鑒別。

（三）基于太赫茲輻射的快速檢測技術(shù)太赫茲（THz）輻射介于遠(yuǎn)紅外與微波區(qū)之間，頻率范圍在0.1THz～10THz（1THz相當(dāng)于33.3cm－1，4.14meV，波長300μm），對應(yīng)著物質(zhì)分子間的弱相互作用，如氫鍵、范德華力、偶極子的振轉(zhuǎn)躍遷和晶體中晶格的低頻振動等。有機(jī)分子特別是大多數(shù)有機(jī)極性分子對THz波段的輻射具有強(qiáng)烈的吸收和色散作用，形成物質(zhì)的“指紋圖譜”，因此可以借助THz光譜對物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)分子組成進(jìn)行分析研究[13]。目前，已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)形成了一個(gè)THz技術(shù)研究高潮，我國也高度重視，投入重金支持太赫茲技術(shù)的研究，寬譜太赫茲時(shí)域光譜儀、便攜式太赫茲時(shí)域光譜儀已成功研制，商品化儀器上市指日可待。太赫茲應(yīng)用于吡蟲啉、代森錳鋅、乙酰甲胺磷、致病菌、病毒DNA等食品危害因子檢測已有多篇報(bào)道。

（四）表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測技術(shù)拉曼光譜（RamanSpectroscopy）分析技術(shù)是以拉曼效應(yīng)為基礎(chǔ)建立起來的分子結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，可直接反映待測物中化學(xué)分子鍵的振動模式信息，進(jìn)而可以了解分子的構(gòu)成及構(gòu)象信息。20世紀(jì)60年代隨著激光的問世并引入到拉曼光譜儀作為光源之后，很多新的拉曼光譜技術(shù)出現(xiàn)并迅速發(fā)展，從而應(yīng)用到許多領(lǐng)域。表面增強(qiáng)拉曼檢測具有重現(xiàn)性良好、速度快、靈敏、成本低、儀器輕便、設(shè)備操作和前處理簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而此技術(shù)非常適用于食品安全中微痕量危害因子的現(xiàn)場、快速檢測。我國已有關(guān)于采用表面增強(qiáng)激光拉曼光譜檢測蔬菜中有機(jī)磷農(nóng)藥、養(yǎng)殖用水中孔雀石綠、辣椒粉中蘇丹紅Ⅰ號、味精中硫化鈉、乳粉中三聚氰胺、尿樣中的β－受體激動劑等農(nóng)藥及違禁添加物的報(bào)道。商品化的便攜式激光拉曼光譜儀已用于三聚氰胺、孔雀石綠、結(jié)晶紫等違禁添加劑的快速檢測。

二、基于免疫學(xué)的快速檢測技術(shù)

（一）基于酶聯(lián)免疫的檢測技術(shù)免疫分析是利用抗原與抗體的特異性結(jié)合特性來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物檢測的方法，該方法特異性好，但靈敏度不能滿足痕量檢測的要求，故發(fā)展了標(biāo)記的免疫分析技術(shù)。目前，標(biāo)記免疫分析技術(shù)主要包括酶聯(lián)免疫（ELISA）、放射免疫、熒光免疫、膠體金免疫層析、化學(xué)發(fā)光免疫分析。其中酶聯(lián)免疫吸附分析技術(shù)是目前食品安全快速檢測的主流技術(shù)。此方法誕生于20世紀(jì)70年代，具有特異性好、靈敏度高、操作簡單，所需儀器設(shè)備價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合大量樣本的篩查。它是以辣根過氧化物酶等標(biāo)記物標(biāo)記抗原或抗體。借助抗原抗體的特異性結(jié)合作用和酶對底物的催化顯色反應(yīng)，根據(jù)顏色反應(yīng)的深淺實(shí)現(xiàn)對待測目標(biāo)物的快速檢測。由于酶的催化效率高，故可迅速而高倍數(shù)地放大反應(yīng)效果，大大提高了靈敏度。目前，我國有近百種商品化的食品安全ELISA試劑盒，包括呋喃類、氟喹諾酮類、磺胺類、氨基糖苷類、大環(huán)內(nèi)酯類等獸藥ELISA試劑盒，β－受體激動劑類、蘇丹紅、三聚氰胺等違禁添加物ELISA試劑盒，黃曲霉毒素、玉米赤霉烯酮、赭曲霉毒素等真菌毒素ELISA試劑盒，與之配套的酶標(biāo)儀也已有多款國產(chǎn)商品化產(chǎn)品，基本能滿足獸藥、毒素、違禁添加物的快速檢測需要。

（二）基于膠體金試紙條的檢測技術(shù)膠體金試紙條是以膠體金為顯色標(biāo)記物，借助抗原抗體間的特異性免疫結(jié)合作用和色譜層析原理建立的一種快速檢測方法。膠體金是一種含有特定大小（20nm～100nm）的金顆粒穩(wěn)定膠體溶液，它是由氯金酸的水溶液在檸檬酸三鈉等還原劑的作用下聚合而成，并由于靜電作用成為膠體狀態(tài)。由于膠體金顆粒具有高電子密度，且顆粒聚集達(dá)到一定密度時(shí)出現(xiàn)肉眼可見的紅色斑點(diǎn)，因而可以與帶正電的蛋白（抗原或抗體）發(fā)生靜電吸附，作為免疫層析試驗(yàn)的指示物。當(dāng)樣品溶液在層析條上借助毛細(xì)管作用泳動時(shí)，待測目標(biāo)物與層析材料上的抗體發(fā)生高特異、高親和性的免疫反應(yīng)，形成的抗原抗體復(fù)合物被富集或截留在檢測帶上與膠體金結(jié)合，幾分鐘內(nèi)便可得到直觀的檢測結(jié)果。此方法與ELISA法相比，省去了繁瑣的加樣、洗滌等步驟，在層析過程中具有對樣品凈化的效果，且操作簡便、檢測時(shí)間短、分析結(jié)果清楚、易于判斷，無需儀器或只需簡單儀器，非常適合于食品安全的現(xiàn)場快速檢測。目前已有20多種商品化膠體金試紙條，廣泛用于萊克多巴胺、鹽酸克侖特羅、沙丁胺醇、β－內(nèi)酰胺酶、三聚氰胺、黃曲霉毒素、喹諾酮類、磺胺類藥物等的快速檢測。

（三）基于適配體的快速檢測技術(shù)核酸適配體（aptamer）是利用體外篩選技術(shù)———指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SystematicEvolutionofLig-andsbyExponentialEnrichment，SELEX），從核酸文庫中得到的DNA或RNA寡核苷酸片段，此片段具有類似抗體的特異性識別能力，但其特異性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要大大高于一般的免疫球蛋白形成的抗體，也被稱為“新一代抗體”。SELEX技術(shù)的基本原理是在體外構(gòu)建成一個(gè)單鏈寡核苷酸庫，將它與目標(biāo)物混合，形成靶物質(zhì)與核酸的復(fù)合物，首先洗掉未與目標(biāo)物結(jié)合的核酸，分離出被結(jié)合的核酸片段，以此核酸分子為模板，擴(kuò)增出更多的核酸片段，再進(jìn)行下一輪的篩選過程，獲得與靶物質(zhì)結(jié)合更緊密的核酸片段。通過重復(fù)的篩選與擴(kuò)增，一些與靶物質(zhì)不結(jié)合或與靶物質(zhì)親和力較弱的DNA或RNA分子被洗去，而稱之為適配體的、有高親和力的DNA分子或RNA分子從隨機(jī)庫中分離出來，且純度隨SELEX過程的進(jìn)行而不斷提高，篩選出的核酸適配體進(jìn)一步與待測物發(fā)生特異性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高靈敏度快速檢測。目前已有利用核酸適配體技術(shù)檢測糧油產(chǎn)品中赭曲霉毒素等真菌毒素、食品中青霉素等抗生素的研究報(bào)道，但距商品化仍有一段距離。

三、基于電化學(xué)的快速檢測技術(shù)

電化學(xué)傳感器檢測技術(shù)是基于指示電極敏感膜表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)信號轉(zhuǎn)化成電信號，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物快速檢測的技術(shù)。敏感膜由酶、抗體、細(xì)胞、核酸、仿生材料等構(gòu)成的傳感器也稱為電化學(xué)生物傳感器。電化學(xué)傳感器因具有便攜、快速、成本低、高選擇性和可進(jìn)行多目標(biāo)分析等特點(diǎn)，越來越成為科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。特別是隨著納米材料和抗體制備技術(shù)的發(fā)展，新型電化學(xué)傳感器的靈敏度和特異性大大提高。納米材料電化學(xué)傳感器多基于碳納米管、石墨烯等功能材料，有研究報(bào)道將納米技術(shù)和電化學(xué)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，開發(fā)了快速檢測食品中重金屬、β－激動劑、雙酚A、細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌等的傳感器。電化學(xué)免疫傳感器是將免疫學(xué)檢測技術(shù)和電化學(xué)技術(shù)相結(jié)合，將抗原與抗體特異性結(jié)合反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行測量，具有特異性好、可實(shí)時(shí)監(jiān)測、響應(yīng)快等特點(diǎn)。目前有大量關(guān)于此技術(shù)應(yīng)用于食品中致病菌、毒素和農(nóng)獸藥殘留檢測的研究報(bào)道。

四、基于PCR的檢測技術(shù)

PCR（PolymeraseChainReaction）聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是利用DNA在高溫條件下變性成為單鏈模板，進(jìn)一步加入與單鏈模板兩端序列互補(bǔ)的寡核苷酸片斷作為引物，低溫時(shí)引物與單鏈模板按堿基互補(bǔ)配對，再調(diào)溫度至DNA聚合酶最適反應(yīng)溫度，在4種dNTPs底物存在的情況下，DNA聚合酶沿著磷酸到五碳糖（5''''－3''''）的方向合成互補(bǔ)鏈。新合成的DNA雙鏈又可作為擴(kuò)增的模板，重復(fù)上述反應(yīng)。經(jīng)過幾十次循環(huán)，模板DNA序列擴(kuò)增近百萬倍。近年來，PCR已衍生出許多種類，常用的有反轉(zhuǎn)錄PCR、實(shí)時(shí)熒光定量PCR、隨機(jī)引物PCR等。目前，我國已有PCR儀器的研發(fā)和生產(chǎn)能力，配套的核心試劑生產(chǎn)技術(shù)也日趨成熟。PCR技術(shù)已成為致病微生物定量、轉(zhuǎn)基因食品判定、畜禽產(chǎn)品真?zhèn)渭皳郊勹b別、農(nóng)產(chǎn)品溯源和品種鑒定的重要手段。

五、基于生物芯片的檢測技術(shù)

生物芯片是指將抗體、抗原、寡核苷酸、cDNA、genomicDNA、多肽等生物分子固著于硅、玻璃、塑料、凝膠、尼龍膜等固相載體上，形成生物分子點(diǎn)陣列。借助分子雜交或抗原抗體相互作用，可以對目標(biāo)物進(jìn)行高通量、高靈敏度、快速篩查。生物芯片技術(shù)已從開始的疾病診斷領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域，我國已開發(fā)出可同時(shí)檢測樣品中金黃色葡萄球菌、霍亂弧菌、大腸桿菌O157∶H7、單核細(xì)胞增生李斯特氏菌、沙門氏菌、乙型溶血性鏈球菌、副溶血弧菌、空腸彎曲桿菌、板崎腸桿菌等食源性致病微生物和磺胺、氯霉素、恩諾沙星、鏈霉素等獸藥殘留檢測的高通量生物芯片及其技術(shù)平臺，但目前檢測的食源性致病菌和獸藥種類有限，配套儀器和設(shè)備成本較高，推廣應(yīng)用受到限制。

六、基于納米材料的快速檢測技術(shù)

納米即10－9m，在此尺度范疇的材料體積小、比表面積大，并具有聲、光、電、磁、熱性能等優(yōu)秀的物化性質(zhì)。納米材料易制備，可放量生產(chǎn)，與食品安全檢測技術(shù)結(jié)合可滿足快速、靈敏、實(shí)時(shí)現(xiàn)場、低成本檢測的需要。將納米技術(shù)和納米材料應(yīng)用于檢測技術(shù)領(lǐng)域是現(xiàn)在及未來發(fā)展的重要方向。已商品化的新型納米材料包括碳納米管、金納米粒子、熒光量子點(diǎn)、磁性納米粒子等。碳納米管可用于修飾電化學(xué)傳感器電極；金納米粒子除了用于制備膠體金試紙條、電化學(xué)傳感器電極修飾、用于乙酰膽堿酯酶的固定化以檢測氨基甲酸酯類農(nóng)藥外，還可利用其良好的光學(xué)性質(zhì)構(gòu)建光學(xué)傳感器，用于食品中三聚氰胺等違禁添加物的檢測；量子點(diǎn)是II－VI族或III－V族元素組成的直徑在1～100nm的半導(dǎo)體納米顆粒，被激發(fā)后可發(fā)射熒光，其具有寬激發(fā)光譜、窄發(fā)射光譜，發(fā)射波長與粒徑相關(guān)，易調(diào)控，量子產(chǎn)率高，生物相容性好，是理想的新一代生物熒光標(biāo)記材料；磁性納米粒子是納米級（1～100nm）的磁性材料，以鐵及鐵系氧化物居多，可包被生物高分子，具良好的磁導(dǎo)向性和生物相融性，可與蛋白質(zhì)、核酸、生物素等結(jié)合。磁性納米粒子可通過共聚合和表面修飾活性基團(tuán)，進(jìn)一步與酶、抗體、分子印跡聚合物、適配體等偶聯(lián)，并在外加磁場的作用下迅速富集，同時(shí)與基底分離。上述納米材料已廣泛應(yīng)用于農(nóng)獸藥殘留、生物毒素、違禁添加物等食品中危害因子的分析，極大地提高了檢測靈敏度、操作效率和檢測通量，在食品安全檢測領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

七、結(jié)語

食品安全快速檢測技術(shù)是物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科、多技術(shù)門類的交叉與整合的成果，是許多新機(jī)理新方法的拓展和實(shí)踐。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，今后還將不斷有更多的新技術(shù)、新原理、新工藝、新材料應(yīng)用其中，涌現(xiàn)出更多、更好、更快、更方便的食品安全快速檢新技術(shù)、新方法、新裝備，為我國的食品安全事業(yè)提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐和有力保障，為消費(fèi)者的生命和健康保駕護(hù)航。

作者：王靜王淼單位：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室