食品中重金屬快速檢測技術研究進展

趙勝男 高海軍 戴冠蘋 劉瑩

摘要：食品中化學污染、微生物污染以及摻假問題引起了全世界的廣泛關注，化學污染中重金屬污染對食品安全產生了巨大威脅。傳統的重金屬檢測技術耗時長，已無法滿足當前需要，快速、方便、準確的分析檢測技術成為未來發展的趨勢。文章綜述了當前食品中重金屬快速檢測技術的研究發展，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快速檢測技術發展過程中的重要意義，并展望了其未來研究方向。

關鍵詞：食品安全；重金屬；快速檢測；免疫分析；電化學傳感器

中圖分類號：TS207.3 文獻標識碼：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已經造成了巨大的經濟損失，同時引發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：化學污染物、微生物污染和食品摻假等，其中重金屬是主要化學污染物之一[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、神經和心血管系統產生負面影響[5]。鉛元素在6種重金屬污染物中排首位[6]；1972年聯合國食品農業組織（The United Nations Food and Agriculture Organization）和世衛組織（World Health Organization）優先將鎘元素定義為食品污染物，并在1974年聯合國環境規劃署提出的12種危險有毒物中列為第一[7]；汞元素能夠轉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被定義為主要致癌物質[9]。因此，食品中重金屬含量的測定必不可少。

1 概 述

傳統的檢測重金屬方法主要是依賴大型儀器的光譜法[10]，能準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場檢測有困難[11]。與傳統檢測技術相比，重金屬快速檢測技術有顯著優勢：一是能對多種元素實現快速準確分析；二是設備小，容易搬運[12]，方便、快速、經濟，適用于食品中重金屬污染物的現場檢測。本文從化學比色法、酶抑制法、免疫分析、電化學傳感器、生物條形碼及信息技術6個方面綜述了近幾年食品重金屬快速檢測技術的最新應用，著重介紹了新材料在各項快檢技術發展中的核心作用，以期為食品重金屬快速檢測技術研究提供依據。

2 食品重金屬快速檢測技術

2.1 化學比色法

化學比色法是指待測物質與試紙上特定的化學試劑發生特異性的化學顯色反應，通過顏色的對比，實現定性或半定量檢測。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，用硫酸調節pH，與標準比色板比較后快速測定出馬鈴薯中有害重金屬鎘含量。但是傳統化學比色法存在靈敏度低、適用于單一樣品等弊端，新材料與化學比色技術結合大大降低了檢出限，提高了檢測靈敏度，成功實現了食品重金屬的現場快速檢測。Wu等[14]將比色法與微流控紙芯片技術結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和螯合作用選擇性地與Cu2+反應，從而使溶液顏色由紫色變橙紅色，而基于安卓系統的智能手機能實現Cu2+的可視化檢測，線性范圍達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可以實現15 min內現場快速檢測Hg2+，檢出限達8.4 nmol/L。

芯片技術、智能設備等新技術與比色法相結合使重金屬檢測過程更方便快捷，檢測結果直觀化，更適用于現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成本較高、檢測結果重現性、準確性欠缺等不足之處，未來學者將在比色紙構成、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合使反應體系發生顏色、pH、電導率和吸光度等變化，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，檢測技術有生物傳感器、酶反應器等。Da Silva等[17]研發了一種新型葡萄糖氧化酶電化學生物傳感器，靈敏度高，檢出限較低，重現性、穩定性、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]利用手持酶發光生物傳感器實現了飲用水中Cu2+的快速檢測。檢測系統基于一個熱穩定硅光電倍增管（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，但多用于環境樣品檢測，用于食品檢測報道相對較少。未來研究重點應放在開發對多種重金屬特異性、穩定性強的酶源、優化前處理方法、降低復雜樣品基質干擾、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域的研究。

2.3 免疫分析技術

2.3.1 ELISA

ELISA是一種以酶作為標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，適用于現場檢測[19]。Xu等[20]基于自制的單克隆抗體采用ELISA法實現了飲用水、食品和種子樣品中Pb2+檢測，檢出限達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）是以膠體金為標記物的定性或半定量免疫分析技術。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了糙米和乳制品中Pb2+的快速定量檢測，且檢測結果與AAS法一致。該方法簡單易操作，可用于食品中獸藥、抗生素、農殘、重金屬、毒素等多種物質的現場快速初篩[24]。但膠體金免疫試紙法的弊端是檢測結果不可靠、穩定性差，如何應用新材料提高檢測結果的靈敏度、準確度和穩定性將是未來研究的重點。

2.3.3 化學發光免疫分析法

化學發光免疫分析法分析速度快、靈敏度較高、線形范圍寬、設備簡易，對多種復雜化合物響應較好，已廣泛用于食品分析[25]。Xu等[20]采用化學發光酶免疫分析法實現了食品中Pb2+檢測，檢出限低（0.1 ng/mL），回收率較高（80.1%～98.8%）。

基于化學發光技術，電化學發光技術（electrochemiluminescence，ECL）逐漸發展起來。這項技術整合了電化學分析技術和化學發光技術，原理是在某個激發電壓下電極表面會產生不穩定中間物質，不穩定的中間物相互反應或者與體系里面其他物質反應，而產生光輻射現象，產生的光子被光學儀器接收并轉換成發射光譜應用于物質的痕量分析。這項技術選擇性好、靈敏度高、重現性好、檢出限低、響應范圍寬，在食品安全和質量檢測領域已經成為研究熱點。

20世紀60年代，學者們開始研究電化學發光。電子技術的發展及高靈敏度光電傳感器的出現為研究電化學發光技術提供了有力工具。20世紀80年代，電化學發光技術進入應用階段。高效液相色譜（high-performance liquid chromatography，HPLC）和毛細管電泳（Capillary electrophoresis，CE）依靠電化學發光分析技術和流體注射分析技術（flow injection analysis，FIA）改善了光學信號的重現性和穩定性。三聯吡啶釕的電化學發光是這一時期的重要發現之一。20世紀90年代后，電化學發光設備、電極材料以及光信號傳導材料進一步發展，電化學分析的應用范圍擴展到免疫分析、藥物分析、生物活性物質以及活體分析。目前，電化學發光體系主要分為無機物、有機物以及半導體納米材料體系，即量子點體系。

由于量子體系具有穩定性好、可調諧發射、生物相容性好、低毒等特性，研究者將量子點技術和電化學發光技術相結合，研發出用于食品檢測的多種傳感設備，增強了檢測的靈敏度和特異性。Feng等[26]將MIL-53（Al）@CdTe和電化學發光結合實現了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。電化學發光技術還可與微流體技術結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]。

電化學發光技術優勢明顯，但在檢測特異性、靈敏度、多組分協同檢測方面還有欠缺，未來這項技術一方面將繼續與納米材料相結合，部分納米材料可作為電化學發光的發射源，同時將繼續利用納米材料表面等離子體共振、良好的導電性和磁性等特性設計新型電化學發光傳感器；另一方面將探索與其他技術結合改善檢測效果。

2.4 電化學傳感器

生物傳感器可以快速、經濟、高通量分析食品和環境中的重金屬污染物。這項技術的原理是樣品經生物識別元件識別后，由信號轉換器轉換成可測量信號。電化學傳感器和生物傳感器原理相似，是基于測量物質的電化學特性，或者說將物質的化學信號轉換成電信號進行測量。電化學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的傳感器，另一部分是將信號從一種形式轉換成另一種形式的信號轉換裝置。

電化學技術已經發展很長一段時間，由于高效、便攜、靈敏度高，已應用于生物醫藥、環境檢測、食品檢測分析等多領域。新材料推動電化學傳感器的發展步入了一個新階段，為傳感器的設計提供了許多新方法。Zhang等[28]研發出一種經濟、實用的電化學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分析工具的穩壓器，檢測結果的靈敏度和準確度良好。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傳感器用于檢測魚體內Hg2+，當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結構觸發雜交連鎖反應進行信號放大來測定Hg2+，取得了滿意結果。Wang等[31]基于石墨烯/石墨碳氮化硅納米復合材料研發了一種新型Cd2+電化學適配體傳感器，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雜、重復使用率低、納米材料與電極結合不牢固、檢測設備體積大、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：一是合成電化學性能良好、穩定性高、相互作用力強的新型納米材料；二是檢測設備便攜化、自動化；三是將新型傳感器商業化并應用于實際檢測。

2.5 生物條形碼技術

生物條形碼技術是一項新型的分子生物學放大技術，這項技術利用寡核苷酸作為蛋白質和核酸檢測的目標識別物。金納米顆粒（AuNPs）作為生物條形碼載體用于檢測目標分子[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，之后臨床藥物和基礎生命科學領域相繼出現大量的相關研究[34]。用于食品重金屬檢測的生物條形碼技術起步晚，范圍小，直到2008年，Shen等[35]基于脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic Acid，DNA）電化學傳感器，利用生物條形碼技術增強信號，降低檢出限（1 nmol/L），提高靈敏度，成功檢測食品中重金屬鉛。

生物條形碼技術前景廣闊，但是這項技術仍舊不成熟，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，抗體制備非常困難?？贵w是生物條形碼技術不可或缺的物質，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DNA 擴增，設備昂貴的問題限制了這種方法的實際應用。與其他快檢法相比，生物條形碼技術在食品檢測方面的文獻報道較少，最大的原因可能是檢測花費較高。

2.6 信息技術

目前，信息技術的發展上升到一個新高度，大數據、云計算、物聯網和人工智能已經應用于食品安全監管。幾乎所有社會領域都不可避免產生大量數據，將大數據應用于食品安全領域對于建立食品安全系統是十分必要的。當前，已經有許多使用大數據的例子。例如，大型連鎖餐廳收集食品的運輸溫度、保質期和質量指標等，確保出現問題的第一時間相關食品能從餐廳快速召回。云計算中心是一個巨大的數據信息接收、安全評估、預警和存儲系統。它可以評估食品的安全性并且計算相應的食品安全等級。電子垃圾包含重金屬和工業化合物之類的潛在環境污染物，大量的電子垃圾將會污染環境、水和食物。通過向偏遠地區提供計算服務可以擴大云計算網絡，從而減少電子垃圾的產生。

基于大數據和云計算，物聯網應運而生。物聯網可以獲得食品配料的原始信息并且實現實時追蹤，與健康、環境、食品相關的技術也可以通過物聯網實現整合從而解決全球性健康問題。大數據是人工智能（Artificial Intelligence，AI）發展背后的驅動力。作為一項新技術，人工智能加速了通過計算機技術收集數據實現模擬人類思考的進程。食品監管及檢測均能利用人工智能獨特的分析計算和自我學習能力。研究者已經研發出一種嵌入智能算法的智能云平臺來預測食品的感官性狀。一種紅外光譜儀平臺也可用于檢測過敏性物質來保障生產線安全[36]。Jia等[37]設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整拍攝圖像的視野，對食物和飲料各項指標檢測的準確率為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。

以人工智能為標志的第四次工業革命將會影響世界經濟秩序的重建。人工智能用于食品安全領域將是未來食品監管的方向。一方面，人工智能可以加強食品市場秩序的監管；另一方面，人工智能將有助于解決消費者對于高質量、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，安全形勢嚴峻，食品安全的大局不容樂觀。食品重金屬快速檢測技術發展迅速，但還存在以下問題，一是部分快檢設備靈敏度偏低，穩定性差，難以滿足實際樣品檢測準確度和精密度要求；二是前處理步驟普遍繁瑣，基質干擾嚴重；三是快檢設備體積偏大，不便于隨身攜帶。未來食品重金屬快檢技術將會朝著靈敏度增加、時間縮短、選擇性提高、檢測設備便攜化、模塊化的智能化方向發展，這將便于檢測人員隨時開展工作，發揮食品檢測有效地預防作用，保障食品安全。另外，新穎的分析方法以及新功能材料的應用在食品重金屬檢測領域將繼續成為研究熱點。生物條形碼技術和其他技術相結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

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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