食品中有毒物质智能化应急筛查装备及配套试剂系统的研发

姚世平，刘光中，黄 华，姚洪涛，毛 婷，丁绍伟，王乃飞，韩 啸，马 彪

食品中有毒物质智能化应急筛查装备及配套试剂系统的研发

姚世平，刘光中，黄 华，姚洪涛，毛 婷，丁绍伟，王乃飞，韩 啸，马 彪

目的：为解决食品安全监管的迫切需要，针对食品安全的现场应急检测、流动执法检测等应用，开展食品中有毒有害物质智能化应急筛查装备的研制。方法：将光度比色技术、上转发光免疫技术、酶联免疫技术等不同相关先进检测技术及数字化信息模块整合于一个整体系统，并结合其核心检测模块开展配套检测试剂的研发。结果：该设备可实现理化指标和微生物指标的同机检测、现场快速检测的实时动态监控、现场分析结果和自动传输结果，满足食品安全监管的现场应急监测、流动执法检测的要求。结论：该仪器可用于食品安全相关的农业生产、食品加工、流通、消费等各环节，是集样品处理、样品检测、信息化管理功能于一体的食品中有毒有害物质智能化应急筛查装备，可以有效提升食品安全保障能力和监管水平，大幅度提高监管工作的效率。

食品安全；快速检测；应急筛查；试剂系统；信息化集成

0 引言

近年来，多种原因导致食品中存在各种不安全因素，产生的食品安全问题迅速增多，食品安全事故频发，国家政府相关部门对食品安全问题高度重视[1]。

以北京为例，首都食品安全风险有着自身的特点：一方面，作为特大城市，北京市85%以上的食品靠外埠供应，源头难以控制；食品生产经营的外部环境和供应渠道复杂，食品安全隐患多，输入型风险对食品安全的影响将长期存在[2]；食品安全日常监管面广量大，任务繁重。与之相对应，北京市每年统一监测与监督抽检、风险监测、快速检测、企业自检的力度不断加强，覆盖范围不断扩大，对实验室风险筛查能力、现场快速检测能力和企业自检能力不断提出更高的要求。另一方面，作为首都，北京承办的国际性会议和各类活动频繁，食品安全事件应急处置时间紧、标准高，迫切需要进一步提高食品安全风险筛查的速度和准确性。然而，与首都食品安全监管的迫切需求相比，目前我国食品中有毒有害物质应急筛查装备尚存在一定差距，主要表现为：（1）检测技术分散，分析效率不高。我国现有的关于农兽药残留、非食用物质、工业染料、食源性致病菌等有毒有害物质的应急筛查装备大多针对单类物质，检测效率低，造成对食品安全风险筛不快、筛不准。（2）还需在智能化、信息化方面进一步加强。食品安全快速筛查的仪器设备功能分散、单一，智能化程度低，操作繁琐，费时费力；在数据处理、归集方面人工干预多，易带来人为误差。

因此，立足于解决食品安全监管的迫切需要，食品中有毒有害物质智能化应急筛查装备的研发工作迫在眉睫。

1 国内外现状

保障食品的质量和安全离不开产品检测，但因食品安全涉及部门多，需要在食品中进行检测、控制的有毒有害物质的种类、数量很多，部分检测项目需要多方协调等原因，使得食品安全检测面临很大的挑战；国内不同食品生产机构或者公司的安全检测机制及人员配置参差不齐、实验室建设不完善等直接导致食品安全问题出现严重漏洞；无论是国内还是国际市场现有的食品安全快速检测设备，针对不同的检验目的，从依据不同原理的试纸条、卡、测试盒到基于色质联用仪的多残留分析技术与仪器相继出现[3]，但普遍功能单一、检测项目少、成套性差、应急性差、信息化程度低，检测需要多台仪器配合，运输、展收、操作不方便。所以，研制开发快速检测技术与设备一直受到国内外的高度重视。

研制开发出食品安全检验检疫一线业务急需的高效率、高速度、高精度专用技术装备，提高食品中风险因子监测技术能力，建立食品有毒有害物质整体筛查技术和风险预警数据库，开展样品前处理方法、耗材、试剂盒等适于基层人员的检测条件的技术研究，对有毒有害物质进行分析、检测，已成为当前食品安全检测工作的一个重要内容。

2 装备总体设计

通过整合的方式将各种食品安全检测技术及食品安全实验室管理系统整合到一个整体系统中，主要包括如下技术：

（1）光度比色技术[4]：分光光度法是借助分光光度计来测量一系列标准溶液的吸光度，绘制标准曲线，然后根据被测试液的吸光度，从标准曲线上求得被测物质的浓度或含量。目前，该方法在食品安全快速检测领域应用最广，具有操作简单、出结果快等特点。

（2）酶联免疫技术[5]：该技术是将抗原抗体反应的高度特异性和酶的高效催化作用相结合发展建立的一种免疫分析技术。该技术不仅具有操作简便、快速、灵敏等优点，而且准确性好、特异性强、检测成本低，还可用于大批量样品的检测。

（3）上转发光免疫专利技术[1]：该技术采用新型的上转发光材料（UCP），不存在来自外界的背景干扰，特异性高，样品处理简单、快速。应用该技术进行食品中致病性食源菌及生物毒素的检测时，可有效减少背景干扰，提高检测的准确度；且检测时间短，4～5 h内完成增菌培养，15 min内给出检测结果，是最适合微生物检测的手段和方法。

（4）食品安全信息化管理：该方法通过数字化与信息模块研发的食品安全实验室管理系统连接到国家现有的食品安全监管系统，可实现无缝对接。通过3G通信模块实现检测数据、现场环境影像、视频等无线传输共享，实现对现场检测结果的实时监测和数据汇集。并通过系统内置培训视频对操作者进行在线指导，以实现检测流程的统一化、规范化。

政府在食品安全监管中配备食品中有毒物质智能化应急筛查装备，可切实提高质量监管部门在食品安全监管工作中的技术手段，提高快速反应能力，更好地完善食品安全监管方式，实现现场快速检测，当场出具检测结果，并对存在问题的食品当场查封，大大地节省了产品检验时间，既减轻了企业的负担，又提高了执法工作效率，从而有效提高了食品安全监管的针对性、实效性和对突发食品安全事件的快速反应能力。

3 研制思路

食品中有毒物质智能化应急筛查装备拟创造性地将多种食品安全检测模块（光度比色检测模块、酶联免疫检测模块、上转发光免疫检测模块）及信息化管理模块整合到一个系统中，其模块划分如图1所示。该系统最大限度地减少了原有各个单独设备分散放置所占的较大空间和质量，并使该系统便于固定、车载等不同应用场合，运输、展收、操作简单化，并具备信息化管理等先进功能，可以作为小型的移动实验室，既适用于现场快速检测，同时也能满足各级实验室对常规食品安全检测项目的检测需求，功能强大、操作简便、响应迅速。

图1 食品中有毒物质智能化应急筛查装备模块划分示意图

3.1 理化（光度比色）检测模块设计开发方案

理化检测模块由超高亮度发光二极管光源、比色池、高灵敏度集成光电池、微处理器、无线传输模块以及集成芯片构成，组成原理如图2所示。该模块可以测定被测物的浓度并传输到信息化模块中生成检测报告，检测原理是：被检食物样品中的相关指标成分与特定的试剂在一定条件下发生特异性反应，可以生成不同颜色且深浅不一的产物，这些产物对不同波长的可见光会有选择性地吸收，颜色的深浅及吸光度的高低与样品中该指标成分的浓度呈相关性，并在适当的浓度范围内服从朗伯-比尔定律，检测的吸光度值经仪器预置的标准曲线软件自动计算即可得出该指标成分的准确浓度以及是否超标。

该模块的设计制造参考了JB/T 9324—1999《可见分光光度计》专业标准，并根据Q/XSTD 009—2011研发，其适用的各项理化指标检测方法参考了相关项目的国家标准方法或其改进方法。

3.2 酶联免疫检测模块设计开发方案

酶联免疫检测模块拟采用嵌入式计算机控制技术，备有业内通用的8通道光路检测系统，具有自动进板、自动测量、自动数据分析处理、自动传输结果的特点。该模块内置4片标准滤光片，测量时根据操作者的设定自动识别单、双波长测量，采用触控大屏进行操作和显示。其工作原理示意图如图3所示。

图2 光度比色模块设计原理图

图3 酶标仪工作原理图

酶联免疫吸附试验（enzyme-linked immunosorbent assays，ELISA）是酶免疫测定技术中应用最广的技术。其基本原理是酶分子与抗体或抗抗体分子共价结合，此种结合不会改变抗体的免疫学特性，也不影响酶的生物学活性。此种酶标记抗体可与吸附在固相载体上的抗原或抗体发生特异性结合。滴加底物溶液后，底物可在酶作用下使其所含的供氢体由无色的还原型变成有色的氧化型，出现颜色反应。因此，可通过底物的颜色反应来判定有无相应的免疫反应，颜色反应的深浅与标本中相应抗体或抗原的量呈正比。此种显色反应可通过ELISA检测仪进行定量测定。自从Engvall和Perlman于1971年首次报道建立ELISA以来，由于其具有快速、敏感、简便、易于标准化等优点，得到迅速的发展和广泛应用，尤其在医疗卫生、环境监测、食品卫检等领域应用前景广阔。

3.3 上转发光检测模块设计开发方案

上转发光免疫分析模块是一种基于上转换发光技术（up-converting phosphor technology，UPT）的光电检测仪器，通过利用UCP作为标记物，结合传统的免疫层析分析技术，利用红外光激发产生可见光，经过光电转化形成信号，反映UCP颗粒的分布状态，进而测量、分析及处理，给出样品中目标被检物的浓度，做到对待测样本的快速精确定量。其检测原理示意图如图4所示。

图4 上转发光模块检测原理图

上转发光模块的具体工作过程是：首先激发器发射红外光，红外光照射到与检测卡结果扫描窗对应的分析膜部分（包括检测带和质控带）；分析膜上存在的UCP颗粒受红外光激发产生可见光，照射于光电倍增管接收器上，完成光电转换，就得到与试纸条某一具体位置上UCP颗粒沉积量对应的检测信号值；在此基础上，通过多功能采集卡驱动电动机，使检测卡随滑动平台滑动，从而得到与检测卡分析膜上间隔固定的每一个位置对应的检测信号值，即实现以UPT免疫分析模块对检测卡的扫描检测，最终结果以具体数值以及扫描曲线的形式给出，并传输至计算机中生成实验报告。

传统的以培养为基础的食源性致病菌检测方法繁琐复杂，对前处理要求高，检测周期长，不能满足现场、快速的要求。食品中有毒物质智能化应急筛查装备的微生物检测采用新型的上转发光材料，不存在来自外界的背景干扰，特异性高，样品处理简单、快速。

3.4 信息化模块设计开发方案

在信息化方面，拟针对食品安全管理中对检测实时动态监控、数据共享、在线培训和指导的需求来进行设计。食品中有毒物质智能化应急筛查装备整合了技术已经成熟的食品安全实验室管理系统，该系统现可与政府部门的食品安全监管系统完全兼容，实现无缝对接。信息化软件工作原理如图5所示。

图5 信息化软件工作原理图

3.5 配套试剂的研发

结合上述3个核心检测模块，开展了配套检测试剂的研发[6]，方法上涵盖了光度比色法、上转发光法以及酶联免疫法，能够检测的食品安全指标达60项，其中人工掺假及违禁添加19项、过量添加8项、常见食品品质检验18项[7-9]、农药残留及环境污染7项[10-11]、微生物指标4项、非法添加4项。该方法能够覆盖常见的非法添加物、农兽残、重金属、微生物等指标[12]，检测限满足现有标准要求。

4 使用状况

食品中有毒物质智能化应急筛查装备已经在中国人民解放军全军卫生监督中心、中国人民解放军疾病预防控制所、中国检验检疫科学研究院综合检测中心经过应用测试并获得了测试报告，在国家食品质量监督检验中心、北京市食品安全监控中心、北京市食品及酿酒产品质量监督检验一站经过试用评估并获得了验证报告，对各检测模块、信息化管理等功能进行了系统测试，设备的整体功能达到设计要求。食品中有毒物质智能化应急筛查装备的简装版已应用在北京市基层食品安全监管网络、昔阳县数字化食品安全监控网络、军队重点机构食品安全检测监控网络等共计50家示范应用单位。通过该网络，能够在原有人才的基础上，快速开展食品安全检测工作，提升了基层执法机构的检测能力；通过信息化管理，实现了检测数据的实时汇集。

应用实践证明，食品中有毒物质智能化应急筛查装备可以有效提升食品安全的保障能力和监管水平，大幅度提高监管工作效率。

5 结论与展望

该项目的实施将显著增强食品安全应急检测能力，有效应对重大突发事件和重大活动对食品供应和食品安全的影响，增强人民群众食品消费的安全感，促进社会和谐发展。2014年，预计配备的食品中有毒有害物质智能化应急筛查装备总数占到基层执法监管部门配备的快检设备的95%以上。

此外，以设备为终端，利用信息化系统，整合原有分散的监测点，构建食品安全快检监测网络，实现检测数据自动归集、入库，能够有效提升国内食品安全监管的整体水平和工作效率，有力防范食品安全系统性和区域性的风险。

[1]周蕾，杨瑞馥，郭兆彪，等.上转发光免疫分析系统的研究及其在POCT中的应用[C]//中华医学会第九次全国检验医学学术会议暨中国医院协会临床检验管理专业委员会第六届全国临床检验实验室管理学术会议论文汇编.北京：中华医学会，2011：460-461.

[2]GB 2760—2011 食品添加剂使用标准[S].

[3]鲁满新.现代检测技术在食品安全中的应用[J].安徽农业科学，2007，35（21）：6 589-6 590.

[4]李巧玲，刘景艳.紫外-可见分光光度法在食品分析中的应用[J].中国食品添加剂，2005，72（5）：113-116.

[5]水小溪，蔡乐，赵宝华.ELISA技术在食品安全检测中的应用[J].生命科学仪器，2008，6（10）：51-54.

[6]SN/T 1924—2011 中华人民共和国出入境检验检疫行业标准[S].

[7]GB/T 5009.192—2003 动物性食物中克伦特罗残留量的测定[S].

[8]GB/T 18796—2005 蜂蜜[S].

[9]GB 2707—2005 鲜（冻）畜肉卫生标准[S].

[10]GB 2733—2005 海水鱼类卫生标准[S].

[11]GB 2763—2005 食品中农药最大残留限量[S].

[12]GB 18406.1—2001 农产品安全质量 无公害蔬菜安全要求[S].

（收稿：2014-04-14 修回：2014-07-10）

Development of emergency intelligent screening device for poisonous substances in food and reagent system

YAO Shi-ping1,LIU Guang-zhong1,HUANG Hua2,YAO Hong-tao1,MAO Ting2, DING Shao-wei1,WANG Nai-fei1,HAN Xiao1,MA Biao1
(1.Beijing Biochem Group,Beijing 100020,China;2.Beijing Food Safety Monitoring Center,Beijing 100041,China)

ObjectiveTo develop an emergency intelligent screening device for poisonous and hazardous substances in the food for safety monitoring.MethodsThe spectrophotometer technology,up-converting phosphor technology,ELASA technology and etc were combined with a digital information module to form a integrated system,and a set of corresponding reagent system was developed based on the core detection module.ResultsThe device could be used for the detection of indexes of physics,chemistry and microbiology,real-time dynamic monitoring,field result analysis and automatic result transmission.ConclusionThe device is gifted with the functions of sample processing,sample detection and informatized management,and thus can promote the food safety supervision greatly.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（10）：7-10]

food safety;rapid detection;emergency screening;reagent system;informatized integration

R318.6；R197.39

A

1003-8868（2014）10-0007-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.10.007

北京市市委市政府重点工作及区县政府应急项目预启动（Z1211100003000）

姚世平（1963—），男，主要从事医学及检验领域的技术与设备研究，E-mail：wilsonyao@biochemgroup.net。

100020北京，北京倍肯集团（姚世平，刘光中，姚洪涛，丁绍伟，王乃飞，韩 啸，马 彪）；100041北京，北京市食品安全监控中心（黄 华，毛 婷）

姚洪涛，E-mail：yaohongtao@biochemgroup.net