趙勝男 高海軍 戴冠蘋 劉瑩
摘要:食品中化學(xué)污染、微生物污染以及摻假問題引起了全世界的廣泛關(guān)注,化學(xué)污染中重金屬污染對食品安全產(chǎn)生了巨大威脅。傳統(tǒng)的重金屬檢測技術(shù)耗時長,已無法滿足當(dāng)前需要,快速、方便、準(zhǔn)確的分析檢測技術(shù)成為未來發(fā)展的趨勢。文章綜述了當(dāng)前食品中重金屬快速檢測技術(shù)的研究發(fā)展,簡明指出了研究過程中存在的問題,重點展示了新材料在促進(jìn)快速檢測技術(shù)發(fā)展過程中的重要意義,并展望了其未來研究方向。
關(guān)鍵詞:食品安全;重金屬;快速檢測;免疫分析;電化學(xué)傳感器
中圖分類號:TS207.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A DOI:10.16465/j.gste.cn431252ts.20210324
食品安全已成為一個全球性話題,世界上食品安全惡性事件頻發(fā)已經(jīng)造成了巨大的經(jīng)濟損失,同時引發(fā)了諸多疾病甚至死亡[1-2]。食品安全主要涉及以下幾個方面:化學(xué)污染物、微生物污染和食品摻假等,其中重金屬是主要化學(xué)污染物之一[3]。重金屬主要包括鉛、鎘、汞、砷、鋅、鎳、銅等元素[4],均會對人體腎臟、肝臟、神經(jīng)和心血管系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響[5]。鉛元素在6種重金屬污染物中排首位[6];1972年聯(lián)合國食品農(nóng)業(yè)組織(The United Nations Food and Agriculture Organization)和世衛(wèi)組織(World Health Organization)優(yōu)先將鎘元素定義為食品污染物,并在1974年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署提出的12種危險有毒物中列為第一[7];汞元素能夠轉(zhuǎn)換成甲基汞這種更有毒的形式危害人體健康[8];食品中存在無機砷和有機砷,無機砷及其化合物已經(jīng)被定義為主要致癌物質(zhì)[9]。因此,食品中重金屬含量的測定必不可少。
1 概 述
傳統(tǒng)的檢測重金屬方法主要是依賴大型儀器的光譜法[10],能準(zhǔn)確測定食品中重金屬的含量,但是樣品前處理步驟繁瑣,檢測時間相對較長,設(shè)備昂貴,實驗耗材多,局限于實驗室分析檢測,對其他場合尤其是現(xiàn)場檢測有困難[11]。與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比,重金屬快速檢測技術(shù)有顯著優(yōu)勢:一是能對多種元素實現(xiàn)快速準(zhǔn)確分析;二是設(shè)備小,容易搬運[12],方便、快速、經(jīng)濟,適用于食品中重金屬污染物的現(xiàn)場檢測。本文從化學(xué)比色法、酶抑制法、免疫分析、電化學(xué)傳感器、生物條形碼及信息技術(shù)6個方面綜述了近幾年食品重金屬快速檢測技術(shù)的最新應(yīng)用,著重介紹了新材料在各項快檢技術(shù)發(fā)展中的核心作用,以期為食品重金屬快速檢測技術(shù)研究提供依據(jù)。
2 食品重金屬快速檢測技術(shù)
2.1 化學(xué)比色法
化學(xué)比色法是指待測物質(zhì)與試紙上特定的化學(xué)試劑發(fā)生特異性的化學(xué)顯色反應(yīng),通過顏色的對比,實現(xiàn)定性或半定量檢測。李琴等[13]以自制的鎘試紙為載體,在馬鈴薯中加入抗壞血酸和碘化鉀,用硫酸調(diào)節(jié)pH,與標(biāo)準(zhǔn)比色板比較后快速測定出馬鈴薯中有害重金屬鎘含量。但是傳統(tǒng)化學(xué)比色法存在靈敏度低、適用于單一樣品等弊端,新材料與化學(xué)比色技術(shù)結(jié)合大大降低了檢出限,提高了檢測靈敏度,成功實現(xiàn)了食品重金屬的現(xiàn)場快速檢測。Wu等[14]將比色法與微流控紙芯片技術(shù)結(jié)合快速檢測飲用水中Cu2+,檢出限低至0.340 μmol/L。Cao等[15]基于天然食用色素——紅甜菜色素和智能手機建立了飲用水中Cu2+的便攜式比色快檢法。在堿性條件下,紅甜菜色素通過氧化還原反應(yīng)和螯合作用選擇性地與Cu2+反應(yīng),從而使溶液顏色由紫色變橙紅色,而基于安卓系統(tǒng)的智能手機能實現(xiàn)Cu2+的可視化檢測,線性范圍達(dá)4~20 μmol/L,檢出限為0.84 μmol/L。Huang等[16]利用非貴金屬納米酶實現(xiàn)了食品中Hg2+快速檢測?;谏锵嗳菪约{米酶CS-MoSe2 NS和智能手機的集成系統(tǒng)可以實現(xiàn)15 min內(nèi)現(xiàn)場快速檢測Hg2+,檢出限達(dá)8.4 nmol/L。
芯片技術(shù)、智能設(shè)備等新技術(shù)與比色法相結(jié)合使重金屬檢測過程更方便快捷,檢測結(jié)果直觀化,更適用于現(xiàn)場批量樣品的快速篩查,但還存在親-疏水材料(比色紙芯片)、納米酶等新材料研發(fā)成本較高、檢測結(jié)果重現(xiàn)性、準(zhǔn)確性欠缺等不足之處,未來學(xué)者將在比色紙構(gòu)成、酶合成、提高結(jié)果可靠性等方面深入研究。
2.2 酶抑制法
酶抑制法檢測重金屬原理是重金屬離子與形成酶活性中心的巰基或甲巰基結(jié)合使反應(yīng)體系發(fā)生顏色、pH、電導(dǎo)率和吸光度等變化,通過這些變量測定重金屬含量。目前已有脲酶、葡萄糖氧化酶、磷酸酯酶、蛋白酶等多種酶用于食品重金屬檢測,檢測技術(shù)有生物傳感器、酶反應(yīng)器等。Da Silva等[17]研發(fā)了一種新型葡萄糖氧化酶電化學(xué)生物傳感器,靈敏度高,檢出限較低,重現(xiàn)性、穩(wěn)定性、選擇性均良好,并成功用于牛奶樣品中Hg2 +、Cd2 +、Pb2 +的痕量檢測。Lukyanenko等[18]利用手持酶發(fā)光生物傳感器實現(xiàn)了飲用水中Cu2+的快速檢測。檢測系統(tǒng)基于一個熱穩(wěn)定硅光電倍增管(Silicon photomultiplier,SiPM),由手持光度計和微流體芯片組成,對硫酸銅的檢出限為2.5 mg/L。
酶抑制法簡單便捷,但多用于環(huán)境樣品檢測,用于食品檢測報道相對較少。未來研究重點應(yīng)放在開發(fā)對多種重金屬特異性、穩(wěn)定性強的酶源、優(yōu)化前處理方法、降低復(fù)雜樣品基質(zhì)干擾、提升食品中重金屬的提取率等方面,并增加酶抑制法在食品檢測領(lǐng)域的研究。
2.3 免疫分析技術(shù)
2.3.1 ELISA
ELISA是一種以酶作為標(biāo)記物的免疫分析方法,已用于食品中多種重金屬污染物檢測,該法快速、靈敏、簡單,適用于現(xiàn)場檢測[19]。Xu等[20]基于自制的單克隆抗體采用ELISA法實現(xiàn)了飲用水、食品和種子樣品中Pb2+檢測,檢出限達(dá)0.7 ng/mL,回收率為82.1%~108.3%。郝代玲等[21]基于制備的重金屬銅單抗建立了食品中Cu2+間接和直接競爭ELISA檢測法,兩種方法靈敏度、檢出限和線性范圍良好。
ELISA法目前發(fā)展迅速,檢測時間短、操作簡便、成本較低,但研究過程中還存在樣品前處理污染環(huán)境、新型螯合劑制備、抗體特異性亟待增強等問題[19]。
2.3.2 膠體金免疫層析試紙法
膠體金免疫層析法(gold immune-chromato- graphic assay,GICA)是以膠體金為標(biāo)記物的定性或半定量免疫分析技術(shù)。劉美辰等[22]、趙小旭等[23]分別采用膠體金免疫層析試紙法實現(xiàn)了糙米和乳制品中Pb2+的快速定量檢測,且檢測結(jié)果與AAS法一致。該方法簡單易操作,可用于食品中獸藥、抗生素、農(nóng)殘、重金屬、毒素等多種物質(zhì)的現(xiàn)場快速初篩[24]。但膠體金免疫試紙法的弊端是檢測結(jié)果不可靠、穩(wěn)定性差,如何應(yīng)用新材料提高檢測結(jié)果的靈敏度、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性將是未來研究的重點。
2.3.3 化學(xué)發(fā)光免疫分析法
化學(xué)發(fā)光免疫分析法分析速度快、靈敏度較高、線形范圍寬、設(shè)備簡易,對多種復(fù)雜化合物響應(yīng)較好,已廣泛用于食品分析[25]。Xu等[20]采用化學(xué)發(fā)光酶免疫分析法實現(xiàn)了食品中Pb2+檢測,檢出限低(0.1 ng/mL),回收率較高(80.1%~98.8%)。
基于化學(xué)發(fā)光技術(shù),電化學(xué)發(fā)光技術(shù)(electrochemiluminescence,ECL)逐漸發(fā)展起來。這項技術(shù)整合了電化學(xué)分析技術(shù)和化學(xué)發(fā)光技術(shù),原理是在某個激發(fā)電壓下電極表面會產(chǎn)生不穩(wěn)定中間物質(zhì),不穩(wěn)定的中間物相互反應(yīng)或者與體系里面其他物質(zhì)反應(yīng),而產(chǎn)生光輻射現(xiàn)象,產(chǎn)生的光子被光學(xué)儀器接收并轉(zhuǎn)換成發(fā)射光譜應(yīng)用于物質(zhì)的痕量分析。這項技術(shù)選擇性好、靈敏度高、重現(xiàn)性好、檢出限低、響應(yīng)范圍寬,在食品安全和質(zhì)量檢測領(lǐng)域已經(jīng)成為研究熱點。
20世紀(jì)60年代,學(xué)者們開始研究電化學(xué)發(fā)光。電子技術(shù)的發(fā)展及高靈敏度光電傳感器的出現(xiàn)為研究電化學(xué)發(fā)光技術(shù)提供了有力工具。20世紀(jì)80年代,電化學(xué)發(fā)光技術(shù)進(jìn)入應(yīng)用階段。高效液相色譜(high-performance liquid chromatography,HPLC)和毛細(xì)管電泳(Capillary electrophoresis,CE)依靠電化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)和流體注射分析技術(shù)(flow injection analysis,F(xiàn)IA)改善了光學(xué)信號的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。三聯(lián)吡啶釕的電化學(xué)發(fā)光是這一時期的重要發(fā)現(xiàn)之一。20世紀(jì)90年代后,電化學(xué)發(fā)光設(shè)備、電極材料以及光信號傳導(dǎo)材料進(jìn)一步發(fā)展,電化學(xué)分析的應(yīng)用范圍擴展到免疫分析、藥物分析、生物活性物質(zhì)以及活體分析。目前,電化學(xué)發(fā)光體系主要分為無機物、有機物以及半導(dǎo)體納米材料體系,即量子點體系。
由于量子體系具有穩(wěn)定性好、可調(diào)諧發(fā)射、生物相容性好、低毒等特性,研究者將量子點技術(shù)和電化學(xué)發(fā)光技術(shù)相結(jié)合,研發(fā)出用于食品檢測的多種傳感設(shè)備,增強了檢測的靈敏度和特異性。Feng等[26]將MIL-53(Al)@CdTe和電化學(xué)發(fā)光結(jié)合實現(xiàn)了Hg2+和Pb2+的快速檢測,兩種重金屬離子適配體傳感器檢出限低,可用于魚、蝦等實際樣品中重金屬含量的檢測。電化學(xué)發(fā)光技術(shù)還可與微流體技術(shù)結(jié)合用于食品重金屬檢測,一次性微流體聚合物芯片或者紙芯片技術(shù)成本低、易操作,樣品前處理和分離過程在芯片上完成,直接通過手機或肉眼即可獲得檢測結(jié)果,微流體裝置的缺點是靈敏度較低,這歸因于樣本容量和試劑消耗較少[27]。
電化學(xué)發(fā)光技術(shù)優(yōu)勢明顯,但在檢測特異性、靈敏度、多組分協(xié)同檢測方面還有欠缺,未來這項技術(shù)一方面將繼續(xù)與納米材料相結(jié)合,部分納米材料可作為電化學(xué)發(fā)光的發(fā)射源,同時將繼續(xù)利用納米材料表面等離子體共振、良好的導(dǎo)電性和磁性等特性設(shè)計新型電化學(xué)發(fā)光傳感器;另一方面將探索與其他技術(shù)結(jié)合改善檢測效果。
2.4 電化學(xué)傳感器
生物傳感器可以快速、經(jīng)濟、高通量分析食品和環(huán)境中的重金屬污染物。這項技術(shù)的原理是樣品經(jīng)生物識別元件識別后,由信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可測量信號。電化學(xué)傳感器和生物傳感器原理相似,是基于測量物質(zhì)的電化學(xué)特性,或者說將物質(zhì)的化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行測量。電化學(xué)傳感器通常由兩部分組成,一部分是能選擇性識別待測物質(zhì)的傳感器,另一部分是將信號從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式的信號轉(zhuǎn)換裝置。
電化學(xué)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展很長一段時間,由于高效、便攜、靈敏度高,已應(yīng)用于生物醫(yī)藥、環(huán)境檢測、食品檢測分析等多領(lǐng)域。新材料推動電化學(xué)傳感器的發(fā)展步入了一個新階段,為傳感器的設(shè)計提供了許多新方法。Zhang等[28]研發(fā)出一種經(jīng)濟、實用的電化學(xué)平臺來檢測橘子汁和蘋果汁中的Cd2+、Pb2+、Hg2+。這個平臺的信息終端只需要一個智能手機和一個自制的作為電化學(xué)分析工具的穩(wěn)壓器,檢測結(jié)果的靈敏度和準(zhǔn)確度良好。禹亞莉等[29]基于T-Hg-T模型成功研制出具有自組裝金電極的電化學(xué)傳感器用于檢測魚體內(nèi)Hg2+,當(dāng)Hg2+濃度為1~104 nmol/L,線性良好(R2=0.997),檢出限較低(0.5 nmol/L)。Yu等[30]采用金納米顆粒裝飾的蒲公英狀氧化銅納米微球作為傳感器的修飾材料,利用T-Hg-T結(jié)構(gòu)觸發(fā)雜交連鎖反應(yīng)進(jìn)行信號放大來測定Hg2+,取得了滿意結(jié)果。Wang等[31]基于石墨烯/石墨碳氮化硅納米復(fù)合材料研發(fā)了一種新型Cd2+電化學(xué)適配體傳感器,其選擇性好,檢出限低(0.337 nmol/L),靈敏度高,線性范圍寬(1~1 000 nmol/L)。
基于納米材料修飾的電化學(xué)傳感器測試性能顯著提高,開辟了食品中重金屬檢測的新渠道。但研究推廣過程中還存在成本相對較高、納米材料制備過程復(fù)雜、重復(fù)使用率低、納米材料與電極結(jié)合不牢固、檢測設(shè)備體積大、自動化程度低、市場化程度低等問題。因此,未來研究將朝著以下幾方面改進(jìn):一是合成電化學(xué)性能良好、穩(wěn)定性高、相互作用力強的新型納米材料;二是檢測設(shè)備便攜化、自動化;三是將新型傳感器商業(yè)化并應(yīng)用于實際檢測。
2.5 生物條形碼技術(shù)
生物條形碼技術(shù)是一項新型的分子生物學(xué)放大技術(shù),這項技術(shù)利用寡核苷酸作為蛋白質(zhì)和核酸檢測的目標(biāo)識別物。金納米顆粒(AuNPs)作為生物條形碼載體用于檢測目標(biāo)分子[32]。2003年,Nam等[33]首次基于生物條形碼提出了納米顆粒,極其靈敏地檢測出蛋白質(zhì),之后臨床藥物和基礎(chǔ)生命科學(xué)領(lǐng)域相繼出現(xiàn)大量的相關(guān)研究[34]。用于食品重金屬檢測的生物條形碼技術(shù)起步晚,范圍小,直到2008年,Shen等[35]基于脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic Acid,DNA)電化學(xué)傳感器,利用生物條形碼技術(shù)增強信號,降低檢出限(1 nmol/L),提高靈敏度,成功檢測食品中重金屬鉛。
生物條形碼技術(shù)前景廣闊,但是這項技術(shù)仍舊不成熟,存在不容忽視的弊端,其中之一是單克隆抗體的制備。市場上的單克隆抗體十分昂貴,而對于類似重金屬的小分子物質(zhì),抗體制備非常困難??贵w是生物條形碼技術(shù)不可或缺的物質(zhì),如何減少抗體花費是目前需要解決的問題。另一個顯著弊端是生物條形碼檢測需要在電泳或者芯片檢測前實現(xiàn)DNA 擴增,設(shè)備昂貴的問題限制了這種方法的實際應(yīng)用。與其他快檢法相比,生物條形碼技術(shù)在食品檢測方面的文獻(xiàn)報道較少,最大的原因可能是檢測花費較高。
2.6 信息技術(shù)
目前,信息技術(shù)的發(fā)展上升到一個新高度,大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能已經(jīng)應(yīng)用于食品安全監(jiān)管。幾乎所有社會領(lǐng)域都不可避免產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),將大數(shù)據(jù)應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域?qū)τ诮⑹称钒踩到y(tǒng)是十分必要的。當(dāng)前,已經(jīng)有許多使用大數(shù)據(jù)的例子。例如,大型連鎖餐廳收集食品的運輸溫度、保質(zhì)期和質(zhì)量指標(biāo)等,確保出現(xiàn)問題的第一時間相關(guān)食品能從餐廳快速召回。云計算中心是一個巨大的數(shù)據(jù)信息接收、安全評估、預(yù)警和存儲系統(tǒng)。它可以評估食品的安全性并且計算相應(yīng)的食品安全等級。電子垃圾包含重金屬和工業(yè)化合物之類的潛在環(huán)境污染物,大量的電子垃圾將會污染環(huán)境、水和食物。通過向偏遠(yuǎn)地區(qū)提供計算服務(wù)可以擴大云計算網(wǎng)絡(luò),從而減少電子垃圾的產(chǎn)生。
基于大數(shù)據(jù)和云計算,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。物聯(lián)網(wǎng)可以獲得食品配料的原始信息并且實現(xiàn)實時追蹤,與健康、環(huán)境、食品相關(guān)的技術(shù)也可以通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)整合從而解決全球性健康問題。大數(shù)據(jù)是人工智能(Artificial Intelligence,AI)發(fā)展背后的驅(qū)動力。作為一項新技術(shù),人工智能加速了通過計算機技術(shù)收集數(shù)據(jù)實現(xiàn)模擬人類思考的進(jìn)程。食品監(jiān)管及檢測均能利用人工智能獨特的分析計算和自我學(xué)習(xí)能力。研究者已經(jīng)研發(fā)出一種嵌入智能算法的智能云平臺來預(yù)測食品的感官性狀。一種紅外光譜儀平臺也可用于檢測過敏性物質(zhì)來保障生產(chǎn)線安全[36]。Jia等[37]設(shè)計了一款包含微型相機和運動傳感器的可穿戴相機,這款相機可以自動調(diào)整拍攝圖像的視野,對食物和飲料各項指標(biāo)檢測的準(zhǔn)確率為91.5%和86.4%。人工智能用于食品重金屬檢測的報道相對較少,這必將成為未來研究的方向。
以人工智能為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命將會影響世界經(jīng)濟秩序的重建。人工智能用于食品安全領(lǐng)域?qū)⑹俏磥硎称繁O(jiān)管的方向。一方面,人工智能可以加強食品市場秩序的監(jiān)管;另一方面,人工智能將有助于解決消費者對于高質(zhì)量、安全的食品的需要。
3 展 望
食品安全是世界上所有國家都會面臨的一個影響國家穩(wěn)定和社會和諧的主要公共安全問題。尤其近年來,全世界食品安全事件頻發(fā),安全形勢嚴(yán)峻,食品安全的大局不容樂觀。食品重金屬快速檢測技術(shù)發(fā)展迅速,但還存在以下問題,一是部分快檢設(shè)備靈敏度偏低,穩(wěn)定性差,難以滿足實際樣品檢測準(zhǔn)確度和精密度要求;二是前處理步驟普遍繁瑣,基質(zhì)干擾嚴(yán)重;三是快檢設(shè)備體積偏大,不便于隨身攜帶。未來食品重金屬快檢技術(shù)將會朝著靈敏度增加、時間縮短、選擇性提高、檢測設(shè)備便攜化、模塊化的智能化方向發(fā)展,這將便于檢測人員隨時開展工作,發(fā)揮食品檢測有效地預(yù)防作用,保障食品安全。另外,新穎的分析方法以及新功能材料的應(yīng)用在食品重金屬檢測領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)成為研究熱點。生物條形碼技術(shù)和其他技術(shù)相結(jié)合來改善檢測的靈敏度和便捷性將會是研究方向之一。
參 考 文 獻(xiàn)
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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