蔣士強 (中國農業科學院/中國儀器儀表學會)撰寫 李晨(儀器信息網)整理
原標題：蔣士強：對十種食品安全快速篩查和速測技術與設備的點評
一、概述、由於實驗室檢測技術對樣品前處理耗時，檢測儀器昂貴、複雜、通量低，並且僅靠一系列國標和行標確定的實驗室檢測技術，難以及時、快速從源頭監控食品安全狀況，所以快速篩查和速測技術在我國有著特殊的意義。因為快速篩查和速測技術實際上屬於定性或帶半定量式的初步篩查，在此基礎上，還需要對可疑樣品進行實驗室定量、定性(確證)檢測，因此當前我們所說的快速檢測，準確地說，應該理解以快速篩查為主的速測技術。
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
對於食品安全的實驗室儀器分析檢測、快速檢測、在線質控、和快速篩查及現場速測技術與儀器的定義和分類，國內學界和業界有著不同理解，我建議：宜將能進行定量、定性(確證)或半定性分析的技術定義為檢測;將僅能初步定性(陰、陽性)有時帶有半定量的技術定義多為篩查;而將能快速實施檢測和篩查的方法，冠以快速，將能大通量檢測和篩查的冠以大通量，將能便攜、現場實施的冠以現場，這樣分類和定義將更為明晣。據此並結合食品安全檢測和篩查技術的應用要求和設備應用場合的不同，我認為可分為食品安全實驗室儀器分析檢測技術(已有一系列專著和標準，在本文中從略)、實驗室快速檢測與篩查、在線質控、快速篩查和現場速測技術與設備。
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，主要用於進出口檢驗和定期監測及食品安全事件的應急檢測分析等。顯然，為此不僅要求準確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、速度，降低檢測限，當今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主流。此外，一天可以檢測數千份樣品、以新一代的表面等離子共振分析儀(SPR)為基礎，集免疫敏感晶片、微流控、納米技術、分子印跡等新技術為一體儀器，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之一。
在線質控技術與設備(國外常通稱為過程分析和控制技術)，主要用於規模化食品生產現場。在發達國家，由於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範(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。
快速篩查和現場速測技術與儀器，在發達國家，由於食品企業自律意識強，法律執行力度大，法治較健全，故大型儀器生產企業和科研單位對此類技術與儀器的關注程度不如我國高。我國則不同，由於農產品、食品的生產和供給渠道多、數量大、規模小、分散、複雜，人口與消費人群眾多，且法治和自律意識較弱，因而導致食品安全問題，從生產到消費眾多環節中多發。除了環保和生產條件等外在因素外，大多源於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，造成生物性汙染，而更嚴重的是非法添加物的濫用，且禁而不至。所以快速篩查和現場速測食品安全的技術與儀器，是我國國情所特需。
二、當今較成熟或有發展前途的食品安全快速篩查和現場速測的技術與儀器
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，且有的已實現產業化。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、螢光免疫、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，可用於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。目前我國已有多家酶聯免疫試劑盒和配套儀器的生產廠家，如北京勤邦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，最近又推出全自動化學發光免疫分析儀和配套的試劑盒，靈敏度比傳統的酶聯免疫技術提高1-2個級次。今後應深入研究ELI SA方法的各種影響因素，標準化、系列化生產各種試劑盒，並向重組抗原、多項目標物、酶的定向改造和體外分子進化等技術方向發展。
2、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、生物傳感晶片、微流控系統等組合為一體，配以多種試劑盒，構成用於快速篩查和檢測獸藥殘、致病菌、毒素等。日本用於篩查二惡英。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於檢測獸藥殘等的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)最近有報導美國採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、黃麴黴、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螢光素酶發光反應，快速篩查(可現場速檢)微生物和有機物汙染程度。此外還有利用鐵氧化菌的活力與汙染的靈敏關係，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。
3、生物晶片、微縮晶片實驗室和可攜式微流控晶片系統
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。我國國家生物晶片中心已開發出用於食源性致病菌、食源性病毒和獸藥殘留等檢測的生物晶片技術平臺(儀器和試劑盒)，並將進一步向現場速測、稱之為微縮晶片實驗室方向發展;。與上述並列的，雖也應用晶片技術(但一般用中或低密度晶片)，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」，國內常稱之為可攜式微流控晶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於美國，以往側重於化學分析的「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的團隊和北京博暉創新等，一直致力於該分析系統的研發，有較顯著的優勢，他們已採用具有創新性的微膜泵驅動、微流控、生物晶片、膜富集等新技術，開發出微流控晶片核酸分子微全分析系統的樣機，成功地應用於現場、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。。
4、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製備和產業化上，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範大學等單位，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。
5、雷射拉曼光譜、深紫外光譜及近紅外光譜分析技術與儀器
據報導，美國運用雷射拉曼光譜推出號稱「皇冠剋星」速測技術。中國檢科院等單位運用國產化的高性能小型雷射器和穩頻技術，開發出高靈敏度的可攜式雷射拉曼光譜儀，可用於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徵性。以我國許祖彥院士首創的全固態深紫外線雷射器(能量解析度可提高5-10倍，光子流密度提高3-5分量級)為基礎，高強度雷射拉曼光譜儀已在研發中;王佔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。此外，還有採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;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;分析方法方面在運用聚類分析和模型識別的基礎上，進而中國農大和中科院電子所，擬定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鑑別。這些都將創造出新一代、一系列可用於食品安全快速篩查的光譜分析儀。
6、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採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，而後者比前者更為困難。
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，國外最早致力於離子阱質譜的小型化，之後轉向研究小型化的TO F-MS和IMS，並已經取得了一定的進展。IMS依據樣品中不同分子、離子，大氣壓下在漂移管中的特徵遷移時間進行快速篩查,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，採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，並具有自己的特色，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，解析度約為600，質量數為500，可用於環境檢測，但與食品安全檢測要求還有距離;不過，在保留採用真空紫外光單光子電離和膜富集的基礎上，其在食品安全領域的拓展應用已指日可待。
7、基於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，幾乎可用於所有檢測任務，但是只能進行常量或微量檢測，難於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，並採用集束式冷光源/單色器等新技術，推出了高精度、高穩定性、模塊化的可攜式儀器。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、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佔據一席之地。
8、飛秒雷射太赫茲時域光譜儀
它是近20年才開發，並逐步認識到可稱為最後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，已為美國等用於安檢、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、已獲得側重於成像技術的立項，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徵和很靈敏的檢出限，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，並成為實時、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，北京大恆紀元已掌握並生產飛秒雷射器等關鍵部件和太赫茲光譜儀商品樣機，正在升級換代。
9、實時直接分析質譜儀(DART-MS)和可攜式質譜儀
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，瞬間解吸並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，而且適用於現場、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。它屬於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，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。
10、對酶的抑制法與儀器酶的認識
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。我國於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，並得到推廣。事後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「不得已而採用的速測法」。該方法僅適用於基層初檢，在發現超標現象時，必須用標準方法進行複測、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。對於陰性結果，也應按比例進行抽樣，採用可靠的實驗室儀器分析方法進行複測和確證。
食品安全快速篩查、在線質控和現場速測技術與設備是許多成熟的技術、設備和新方法的整合、衍生和嫁接。今後還將有更多的新技術及更新的機理、技術、工藝、材料不斷湧現並在實踐中得以運用。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;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，如被嫁接到其他速測技術與設備中，還可大大改進現有的技術與設備，將高靈敏度的化學發光法與高選擇性的免疫分析法進行更深層次的結合，即可推出應用於食品安全速測的簡便、高精度的化學發光免疫分析方法和儀器。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，並使其更符合實際檢測工作的需要。
作者簡介：
1. 1977年以來，從事科學儀器與測試技術在農業、生物技術、檢驗檢疫和環境檢測中應用研究，近十多年致力於食品和農產品安全保障體系與檢測技術研究。
2. 曾主持並完成二項部重課題，獲部級科技二等獎。
3. 主要著作：《儀器與農業》,《機械工程手冊》第十卷第七篇副主編、撰寫了《農用儀器》。
4. 主要論文：「溫室中的自動控制技術」、「縱觀農業儀器的現狀與發展」、「生物工程中的儀器設備」、「近紅外光譜分析儀及其在我國的應用」、「植物對太陽能的利用及其測試分析技術」、「儀器儀表在科技興農中的作用與展望」等涉及農業儀器與食品快檢等五十餘篇。
5. 曾被聘為"農業部世行貨款項目」、「發改委吉林世行貸款項目」、「日本無償援助項目」、「全國無規定動物疫病區建設項目」、「科技部科學儀器研發專項」、「全國農產品質量安全檢驗檢測體系建設」等項目專家顧問組組長或成員，以及聚光、天美等企業收購事宜技術顧問。
6. 曾擔任中國儀器儀表學會常務理事、農業儀器應用技術分會常務副理事長、中國分析測試協會專家、中國儀器儀表學會分析儀器分會顧問。現為農業儀器應用技術分會和檢驗檢疫儀器應用技術分會名譽副理事長、分析儀器分會顧問，「現代科學儀器」副主編，科技部、農業部、發改委、工信部、質檢總局諮詢專家。享受囯務院頒發的政府特殊津貼。
註：本文為蔣士強老師為儀器信息網獨家供稿，未經作者本人及儀器信息網許可，嚴禁轉載。