食品中重金属快速检测技术研究进展

赵胜男 高海军 戴冠苹 刘莹

摘要：食品中化学污染、微生物污染以及掺假问题引起了全世界的广泛关注，化学污染中重金属污染对食品安全产生了巨大威胁。传统的重金属检测技术耗时长，已无法满足当前需要，快速、方便、准确的分析检测技术成为未来发展的趋势。文章综述了当前食品中重金属快速检测技术的研究发展，简明指出了研究过程中存在的问题，重点展示了新材料在促进快速检测技术发展过程中的重要意义，并展望了其未来研究方向。

关键词：食品安全；重金属；快速检测；免疫分析；电化学传感器

中图分类号：TS207.3 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20210324

食品安全已成为一个全球性话题，世界上食品安全恶性事件频发已经造成了巨大的经济损失，同时引发了诸多疾病甚至死亡[1-2]。食品安全主要涉及以下几个方面：化学污染物、微生物污染和食品掺假等，其中重金属是主要化学污染物之一[3]。重金属主要包括铅、镉、汞、砷、锌、镍、铜等元素[4]，均会对人体肾脏、肝脏、神经和心血管系统产生负面影响[5]。铅元素在6种重金属污染物中排首位[6]；1972年联合国食品农业组织（The United Nations Food and Agriculture Organization）和世卫组织（World Health Organization）优先将镉元素定义为食品污染物，并在1974年联合国环境规划署提出的12种危险有毒物中列为第一[7]；汞元素能够转换成甲基汞这种更有毒的形式危害人体健康[8]；食品中存在无机砷和有机砷，无机砷及其化合物已经被定义为主要致癌物质[9]。因此，食品中重金属含量的测定必不可少。

1 概 述

传统的检测重金属方法主要是依赖大型仪器的光谱法[10]，能准确测定食品中重金属的含量，但是样品前处理步骤繁琐，检测时间相对较长，设备昂贵，实验耗材多，局限于实验室分析检测，对其他场合尤其是现场检测有困难[11]。与传统检测技术相比，重金属快速检测技术有显著优势：一是能对多种元素实现快速准确分析；二是设备小，容易搬运[12]，方便、快速、经济，适用于食品中重金属污染物的现场检测。本文从化学比色法、酶抑制法、免疫分析、电化学传感器、生物条形码及信息技术6个方面综述了近几年食品重金属快速检测技术的最新应用，着重介绍了新材料在各项快检技术发展中的核心作用，以期为食品重金属快速检测技术研究提供依据。

2 食品重金属快速检测技术

2.1 化学比色法

化学比色法是指待测物质与试纸上特定的化学试剂发生特异性的化学显色反应，通过颜色的对比，实现定性或半定量检测。李琴等[13]以自制的镉试纸为载体，在马铃薯中加入抗坏血酸和碘化钾，用硫酸调节pH，与标准比色板比较后快速测定出马铃薯中有害重金属镉含量。但是传统化学比色法存在灵敏度低、适用于单一样品等弊端，新材料与化学比色技术结合大大降低了检出限，提高了检测灵敏度，成功实现了食品重金属的现场快速检测。Wu等[14]将比色法与微流控纸芯片技术结合快速检测饮用水中Cu2+，检出限低至0.340 μmol/L。Cao等[15]基于天然食用色素——红甜菜色素和智能手机建立了饮用水中Cu2+的便携式比色快检法。在碱性条件下，红甜菜色素通过氧化还原反应和螯合作用选择性地与Cu2+反应，从而使溶液颜色由紫色变橙红色，而基于安卓系统的智能手机能实现Cu2+的可视化检测，线性范围达4～20 μmol/L，检出限为0.84 μmol/L。Huang等[16]利用非贵金属纳米酶实现了食品中Hg2+快速检测。基于生物相容性纳米酶CS-MoSe2 NS和智能手机的集成系统可以实现15 min内现场快速检测Hg2+，检出限达8.4 nmol/L。

芯片技术、智能设备等新技术与比色法相结合使重金属检测过程更方便快捷，检测结果直观化，更适用于现场批量样品的快速筛查，但还存在亲-疏水材料（比色纸芯片）、纳米酶等新材料研发成本较高、检测结果重现性、准确性欠缺等不足之处，未来学者将在比色纸构成、酶合成、提高結果可靠性等方面深入研究。

2.2 酶抑制法

酶抑制法检测重金属原理是重金属离子与形成酶活性中心的巯基或甲巯基结合使反应体系发生颜色、pH、电导率和吸光度等变化，通过这些变量测定重金属含量。目前已有脲酶、葡萄糖氧化酶、磷酸酯酶、蛋白酶等多种酶用于食品重金属检测，检测技术有生物传感器、酶反应器等。Da Silva等[17]研发了一种新型葡萄糖氧化酶电化学生物传感器，灵敏度高，检出限较低，重现性、稳定性、选择性均良好，并成功用于牛奶样品中Hg2 +、Cd2 +、Pb2 +的痕量检测。Lukyanenko等[18]利用手持酶发光生物传感器实现了饮用水中Cu2+的快速检测。检测系统基于一个热稳定硅光电倍增管（Silicon photomultiplier，SiPM），由手持光度计和微流体芯片组成，对硫酸铜的检出限为2.5 mg/L。

酶抑制法简单便捷，但多用于环境样品检测，用于食品检测报道相对较少。未来研究重点应放在开发对多种重金属特异性、稳定性强的酶源、优化前处理方法、降低复杂样品基质干扰、提升食品中重金属的提取率等方面，并增加酶抑制法在食品检测领域的研究。

2.3 免疫分析技术

2.3.1 ELISA

ELISA是一种以酶作为标记物的免疫分析方法，已用于食品中多种重金属污染物检测，该法快速、灵敏、简单，适用于现场检测[19]。Xu等[20]基于自制的单克隆抗体采用ELISA法实现了饮用水、食品和种子样品中Pb2+检测，检出限达0.7 ng/mL，回收率为82.1%～108.3%。郝代玲等[21]基于制备的重金属铜单抗建立了食品中Cu2+间接和直接竞争ELISA检测法，两种方法灵敏度、检出限和线性范围良好。

ELISA法目前发展迅速，检测时间短、操作简便、成本较低，但研究过程中还存在样品前处理污染环境、新型螯合剂制备、抗体特异性亟待增强等问题[19]。

2.3.2 胶体金免疫层析试纸法

胶体金免疫层析法（gold immune-chromato- graphic assay，GICA）是以胶体金为标记物的定性或半定量免疫分析技术。刘美辰等[22]、赵小旭等[23]分别采用胶体金免疫层析试纸法实现了糙米和乳制品中Pb2+的快速定量检测，且检测结果与AAS法一致。该方法简单易操作，可用于食品中兽药、抗生素、农残、重金属、毒素等多种物质的现场快速初筛[24]。但胶体金免疫试纸法的弊端是检测结果不可靠、稳定性差，如何应用新材料提高检测结果的灵敏度、准确度和稳定性将是未來研究的重点。

2.3.3 化学发光免疫分析法

化学发光免疫分析法分析速度快、灵敏度较高、线形范围宽、设备简易，对多种复杂化合物响应较好，已广泛用于食品分析[25]。Xu等[20]采用化学发光酶免疫分析法实现了食品中Pb2+检测，检出限低（0.1 ng/mL），回收率较高（80.1%～98.8%）。

基于化学发光技术，电化学发光技术（electrochemiluminescence，ECL）逐渐发展起来。这项技术整合了电化学分析技术和化学发光技术，原理是在某个激发电压下电极表面会产生不稳定中间物质，不稳定的中间物相互反应或者与体系里面其他物质反应，而产生光辐射现象，产生的光子被光学仪器接收并转换成发射光谱应用于物质的痕量分析。这项技术选择性好、灵敏度高、重现性好、检出限低、响应范围宽，在食品安全和质量检测领域已经成为研究热点。

20世纪60年代，学者们开始研究电化学发光。电子技术的发展及高灵敏度光电传感器的出现为研究电化学发光技术提供了有力工具。20世纪80年代，电化学发光技术进入应用阶段。高效液相色谱（high-performance liquid chromatography，HPLC）和毛细管电泳（Capillary electrophoresis，CE）依靠电化学发光分析技术和流体注射分析技术（flow injection analysis，FIA）改善了光学信号的重现性和稳定性。三联吡啶钌的电化学发光是这一时期的重要发现之一。20世纪90年代后，电化学发光设备、电极材料以及光信号传导材料进一步发展，电化学分析的应用范围扩展到免疫分析、药物分析、生物活性物质以及活体分析。目前，电化学发光体系主要分为无机物、有机物以及半导体纳米材料体系，即量子点体系。

由于量子体系具有稳定性好、可调谐发射、生物相容性好、低毒等特性，研究者将量子点技术和电化学发光技术相结合，研发出用于食品检测的多种传感设备，增强了检测的灵敏度和特异性。Feng等[26]将MIL-53（Al）@CdTe和电化学发光结合实现了Hg2+和Pb2+的快速检测，两种重金属离子适配体传感器检出限低，可用于鱼、虾等实际样品中重金属含量的检测。电化学发光技术还可与微流体技术结合用于食品重金属检测，一次性微流体聚合物芯片或者纸芯片技术成本低、易操作，样品前处理和分离过程在芯片上完成，直接通过手机或肉眼即可获得检测结果，微流体装置的缺点是灵敏度较低，这归因于样本容量和试剂消耗较少[27]。

电化学发光技术优势明显，但在检测特异性、灵敏度、多组分协同检测方面还有欠缺，未来这项技术一方面将继续与纳米材料相结合，部分纳米材料可作为电化学发光的发射源，同时将继续利用纳米材料表面等离子体共振、良好的导电性和磁性等特性设计新型电化学发光传感器；另一方面将探索与其他技术结合改善检测效果。

2.4 电化学传感器

生物传感器可以快速、经济、高通量分析食品和环境中的重金属污染物。这项技术的原理是样品经生物识别元件识别后，由信号转换器转换成可测量信号。电化学传感器和生物传感器原理相似，是基于测量物质的电化学特性，或者说将物质的化学信号转换成电信号进行测量。电化学传感器通常由两部分组成，一部分是能选择性识别待测物质的传感器，另一部分是将信号从一种形式转换成另一种形式的信号转换装置。

电化学技术已经发展很长一段时间，由于高效、便携、灵敏度高，已应用于生物医药、环境检测、食品检测分析等多领域。新材料推动电化学传感器的发展步入了一个新阶段，为传感器的设计提供了许多新方法。Zhang等[28]研发出一种经济、实用的电化学平台来检测橘子汁和苹果汁中的Cd2+、Pb2+、Hg2+。这个平台的信息终端只需要一个智能手机和一个自制的作为电化学分析工具的稳压器，检测结果的灵敏度和准确度良好。禹亚莉等[29]基于T-Hg-T模型成功研制出具有自组装金电极的电化学传感器用于检测鱼体内Hg2+，当Hg2+浓度为1～104 nmol/L，线性良好（R2=0.997），检出限较低（0.5 nmol/L）。Yu等[30]采用金纳米颗粒装饰的蒲公英状氧化铜纳米微球作为传感器的修饰材料，利用T-Hg-T结构触发杂交连锁反应进行信号放大来测定Hg2+，取得了满意结果。Wang等[31]基于石墨烯/石墨碳氮化硅纳米复合材料研发了一种新型Cd2+电化学适配体传感器，其选择性好，检出限低（0.337 nmol/L），灵敏度高，线性范围宽（1～1 000 nmol/L）。

基于纳米材料修饰的电化学传感器测试性能显著提高，开辟了食品中重金属检测的新渠道。但研究推广过程中还存在成本相对较高、纳米材料制备过程复杂、重复使用率低、纳米材料与电极结合不牢固、检测设备体积大、自动化程度低、市场化程度低等问题。因此，未来研究将朝着以下几方面改进：一是合成电化学性能良好、稳定性高、相互作用力强的新型纳米材料；二是检测设备便携化、自动化；三是将新型传感器商业化并应用于实际检测。

2.5 生物条形码技术

生物条形码技术是一项新型的分子生物学放大技术，这项技术利用寡核苷酸作为蛋白质和核酸检测的目标识别物。金纳米颗粒（AuNPs）作为生物条形码载体用于检测目标分子[32]。2003年，Nam等[33]首次基于生物条形码提出了纳米颗粒，极其灵敏地检测出蛋白质，之后临床药物和基础生命科学领域相继出现大量的相关研究[34]。用于食品重金属检测的生物条形码技术起步晚，范围小，直到2008年，Shen等[35]基于脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic Acid，DNA）电化学传感器，利用生物条形码技术增强信号，降低检出限（1 nmol/L），提高灵敏度，成功检测食品中重金属铅。

生物条形码技术前景广阔，但是这项技术仍旧不成熟，存在不容忽视的弊端，其中之一是单克隆抗体的制备。市场上的单克隆抗体十分昂贵，而对于类似重金属的小分子物质，抗体制备非常困难。抗体是生物条形码技术不可或缺的物质，如何减少抗体花费是目前需要解决的问题。另一个显著弊端是生物条形码检测需要在电泳或者芯片检测前实现DNA 扩增，设备昂贵的问题限制了这种方法的实际应用。与其他快检法相比，生物条形码技术在食品检测方面的文献报道较少，最大的原因可能是检测花费较高。

2.6 信息技术

目前，信息技术的发展上升到一个新高度，大数据、云计算、物联网和人工智能已经应用于食品安全监管。几乎所有社会领域都不可避免产生大量数据，将大数据应用于食品安全领域对于建立食品安全系统是十分必要的。当前，已经有许多使用大数据的例子。例如，大型连锁餐厅收集食品的运输温度、保质期和质量指标等，确保出现问题的第一时间相关食品能从餐厅快速召回。云计算中心是一个巨大的数据信息接收、安全评估、预警和存储系统。它可以评估食品的安全性并且计算相应的食品安全等级。电子垃圾包含重金屬和工业化合物之类的潜在环境污染物，大量的电子垃圾将会污染环境、水和食物。通过向偏远地区提供计算服务可以扩大云计算网络，从而减少电子垃圾的产生。

基于大数据和云计算，物联网应运而生。物联网可以获得食品配料的原始信息并且实现实时追踪，与健康、环境、食品相关的技术也可以通过物联网实现整合从而解决全球性健康问题。大数据是人工智能（Artificial Intelligence，AI）发展背后的驱动力。作为一项新技术，人工智能加速了通过计算机技术收集数据实现模拟人类思考的进程。食品监管及检测均能利用人工智能独特的分析计算和自我学习能力。研究者已经研发出一种嵌入智能算法的智能云平台来预测食品的感官性状。一种红外光谱仪平台也可用于检测过敏性物质来保障生产线安全[36]。Jia等[37]设计了一款包含微型相机和运动传感器的可穿戴相机，这款相机可以自动调整拍摄图像的视野，对食物和饮料各项指标检测的准确率为91.5%和86.4%。人工智能用于食品重金属检测的报道相对较少，这必将成为未来研究的方向。

以人工智能为标志的第四次工业革命将会影响世界经济秩序的重建。人工智能用于食品安全领域将是未来食品监管的方向。一方面，人工智能可以加强食品市场秩序的监管；另一方面，人工智能将有助于解决消费者对于高质量、安全的食品的需要。

3 展 望

食品安全是世界上所有国家都会面临的一个影响国家稳定和社会和谐的主要公共安全问题。尤其近年来，全世界食品安全事件频发，安全形势严峻，食品安全的大局不容乐观。食品重金属快速检测技术发展迅速，但还存在以下问题，一是部分快检设备灵敏度偏低，稳定性差，难以满足实际样品检测准确度和精密度要求；二是前处理步骤普遍繁琐，基质干扰严重；三是快检设备体积偏大，不便于随身携带。未来食品重金属快检技术将会朝着灵敏度增加、时间缩短、选择性提高、检测设备便携化、模块化的智能化方向发展，这将便于检测人员随时开展工作，发挥食品检测有效地预防作用，保障食品安全。另外，新颖的分析方法以及新功能材料的应用在食品重金属检测领域将继续成为研究热点。生物条形码技术和其他技术相结合来改善检测的灵敏度和便捷性将会是研究方向之一。

参 考 文 献

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Current Progress in Rapid Detection Technology for Heavy Metals in Food

Zhao Shengnan， Gao Haijun， Dai Guanping， Liu Ying

（ Henan Cereal， Oil & Feed Products Quality Supervision and Inspection Center， Zhengzhou， Henan 450004 ）Abstract： Chemical contamination， microbial contamination and adulteration in food have attracted the wide attention around the world， heavy metals pollution included chemical contamination has a huge threat on food safety. The traditional time-consuming detection technologies have been unable to meet the current needs. The rapid， convenient and accurate detection technology has become the development trend of the future. This paper summarized the current some kinds of rapid detection technologies of heavy metals in food， pointed out the problems existing in the research process concisely， showed the important significance of new materials in the process of promoting the development of rapid detection technology， and the future research direction was put forward.

Key words： food safety， heavy metals， rapid detection technology， immunoassay， electrochemical sensor