基于智能手機檢測在食品安全中的應用

劉美廷，李紹平，趙 靜

(澳門大學 中華醫藥研究院，中藥質量研究國家重點實驗室，澳門 999078)

“科技改變生活”，智能手機(Smartphone)現已成為人們日常生活、工作和學習不可或缺的好幫手。與傳統蜂窩手機(Cellphone)相比，智能手機運行系統和操作界面更精細巧妙，配備了多核心處理器和分辨率更高的拍攝鏡頭。此外，用戶可在手機應用商店自行下載安裝軟件，極大地拓展了智能手機的應用范圍。當今，智能手機憑借其獨特的便攜性和實時檢測(Point-of-care testing，POCT)優勢，不再局限于人們通話交流和普通的拍攝記錄，其在分析檢測領域的應用已成為研究熱點[1-2]，在醫療診斷[3]、環境監測[4]和食品監督[5]等領域也發揮越來越大的作用。人們不僅可以通過智能手機拍攝記錄實驗結果，也可用其直接進行數據處理分析，還可以針對實驗需求開發應用程序[6]，使得實驗裝置微型化、分析檢測實時化。

食品安全是百姓和輿論高度關注的民生話題。目前，食品的分析檢測方法大多為長途寄送樣品或現場取樣，再使用實驗室的大型精密儀器進行操作，耗時長且成本高。基于智能手機的檢測技術應用于食品安全領域，優勢在于裝置易設計、成本低、便于攜帶、可實時檢測。另外，可將實驗數據生成條形碼[7]或二維碼[8]，從而使食品在生產加工、包裝儲存、運輸流通和批發零售等環節得到有效、及時地監督。也可將數據上傳至云端共享[9]，或使用物聯網(Internet of thing，IoT)[10]和近場通信(Near field communication，NFC)[11]等技術快速獲取實驗數據。

本文首先概述了基于智能手機的檢測原理，并介紹了近5年智能手機檢測在食品安全方面的應用，包括食品添加劑、抗生素、微生物、農殘與重金屬、生物毒素以及食物新鮮度等，以期為相關研究提供參考依據，最后對這項熱門技術在分析檢測領域中的應用前景進行了展望。

1 基于智能手機的檢測原理

智能手機在分析檢測領域中可用于控制實驗進程、記錄并檢測實驗結果和統計實驗數據，其中記錄檢測功能應用最為廣泛。基于智能手機的檢測原理是在光學檢測或電化學檢測中，手機采集待測物質在實驗過程中的光信號或電信號，并通過應用程序或軟件進行分析和統計，輸出實驗結果。

光學檢測的常見方法包括比色法、熒光法、顯微成像和表面等離子體共振等[2]，其中，比色法和熒光法在食品檢測中應用較廣泛。比色法根據待測成分的色度值(如紅綠藍(RGB)[12]、印刷四色模式(CMYK)[13]、國際照明委員會色度空間(L*a*b*)[14]等)與濃度之間的比例關系進行分析檢測。如利用酸堿指示劑的顏色變化檢測酸度[15]，基于金屬絡合物顏色檢測重金屬[16]等。熒光法是先將待測物質進行熒光標記后，再在一定波長激發光下測定熒光強度，從而實現定性定量分析。此方法靈敏度高，除使用手機應用程序或專業軟件進行檢測分析外，也可搭建微型光譜裝置與手機聯用[17]。電化學檢測是利用電極與待測物質之間發生的電化學反應，根據測量參數可分為電位測定法、電流測定法、電導測定法、電壓測定法和電量測定法等[18]，該方法具有高的靈敏度。

2 智能手機檢測在食品安全方面的應用

2.1 食品添加劑的檢測

圖1 牛奶紙盒微流控裝置(A)、顯色反應和 手機App顏色識別結果(B)[20]Fig.1 Milk carton with integrated paper-based microfluidic device(A);colorimetry reaction and detection result from App(B)[20]

食品添加劑尤其是非法添加物的過量攝入會對人體健康造成嚴重影響。Shahvar等[19]使用纖維素紙頂空薄膜微萃取法提取富集酸化后飲料中的亞硫酸鹽，并與纖維素紙上3價鐵離子和1,10-鄰二氮雜菲相繼反應生成紅色絡合物，并使用智能手機App檢測其RGB值進行定量。該方法與其它方法(如分散液-液萃取光纖線性陣列檢測等)相比，其LOD較低(0.04 μg/L)。

紙基微流控分析通過毛細管作用控制樣品在親水微通道和疏水壁的流體運動，無需外力驅動，具有快速精確、綠色環保等特點。此外，檢測試劑在紙上潤濕后，經干燥便于儲存攜帶，可實現便攜式檢測。圖1A為印有紙基微流控裝置的牛奶盒[20]，檢測區域固定有比色反應試劑，只需加入1滴牛奶樣品至檢測區域反應，用自編App拍攝結果并檢測，如圖1B所示，即可對樣品中尿素和亞硝酸鹽進行定性或定量分析，全過程僅約10 min。Fu等[21-23]使用紙基微流控裝置檢測果脯、干貨等食品，自編App分析比色反應后的色度值，可對幾種常見防腐劑(如苯甲酸和二氧化硫)以及非法添加物甲醛進行定量，結果令人滿意。智能手機對其它食品添加劑的檢測應用見表1[24-28]。

2.2 抗生素的檢測

抗生素在動物飼養場被廣泛用于防止細菌感染、傳播和促進動物生長，但濫用抗生素會導致食源性積聚，抗生素殘留會促使耐藥細菌產生，給人類健康帶來不利影響[29]。表1列出了智能手機對部分抗生素的檢測應用[29-36]。Masawat等[30]開發了一種App分析牛奶中的四環素，App包括“Learning”和“Testing”兩個模塊，先使用“Learning”模塊得出四環素色度值與濃度的標準曲線并存入數據庫，再使用“Testing”模塊分析樣品圖像的RGB等色度值，結合數據庫可預測樣品中四環素的濃度，方法的LOD與LOQ分別為0.5 μg/mL和1.5 μg/mL。

適配體是一種短序列單鏈寡核苷酸，結構簡單清晰、易于合成、高度穩定。與抗體相比，其具有和待測物更高的特異性和親和性，可根據待測物選擇不同適配體。基于智能手機應用適配體識別抗生素的實時檢測，具有很高特異性，可排除其它類型抗生素和食品中雜質的干擾。Lin等[34]利用鏈霉素適配體優先識別待測物，剩余適配體與互補DNA雜交形成雙鏈DNA，再與SYBRGreenI染料結合。圖2A為用于取代熒光計的便攜式檢測裝置，其主要包括智能手機、放置比色皿的樣品室和波長為395 nm的紫外燈。紫外燈激發樣品產生綠色熒光，通過拍攝記錄待測物熒光信號，并使用App(圖2B)檢測RGB中G值，對雞肉和牛奶中的鏈霉素進行定量分析，綠色熒光密度與鏈霉素濃度呈負相關，相對于其它方法，如HPLC-PAD、酶聯免疫吸附劑測定(ELISA)等，該方法具有更寬的線性范圍(0.1～100 μmol/L)，LOD為94 nmol/L。Liu等[35]以鏈霉素適配體-納米金粒子復合物為比色法指示劑，使用自制的智能手機便攜檢測裝置，對蜂蜜和牛奶中的鏈霉素進行定量檢測，App將圖像結果的RGB值轉換為檢測波長下的吸光度，檢測結果(315.05 nmol/L)與LC-MS法(314.26 nmol/L)相比無顯著性差異。

表1 基于智能手機檢測在食品添加劑和抗生素中的應用Table 1 Applications of smartphone-based detection on additives and antibiotics in food

*no data

圖2 智能手機熒光檢測裝置(A)及應用 程序示意圖(B)[34]Fig.2 Smartphone-based fluorometry device(A) and App diagram(B)[34]

圖3 基于智能手機的熒光顯微鏡系統結構[38]Fig.3 Structure of smartphone-based fluorescent microscopic system[38]

2.3 微生物的檢測

致病性細菌是污染食品的常見微生物，也是引起集體食物中毒的關鍵因素。基于智能手機的便攜式熒光顯微鏡已應用于微生物檢測，如檢測水樣中諾如病毒[37]。其過程是在顯微鏡下觀察微生物，采用智能手機記錄圖像，再根據目標分析物特征，如尺寸、顏色和熒光強度等，實現量化檢測。Wang等[38]開發出一種可快速靈敏檢測蘋果汁中鼠傷寒沙門氏菌的生物傳感器，鼠傷寒沙門氏菌經免疫磁分離和熒光標記后注入微流控芯片，通過基于智能手機的熒光顯微系統(見圖3)在線監測流動的熒光斑點，實時獲取視頻并將其提取為一系列灰度幀，利用幀間差分法計算細菌的數量，該方法特異性強，LOD為58 CFU/mL。Shrivastava等[39]將耐藥性金黃色葡萄球菌適配體與熒光磁性納米顆粒相結合，用于捕獲花生牛奶中的金黃色葡萄球菌，再用智能手機熒光顯微系統進行成像和定量檢測，成像結果的圖片經處理后變得更清晰且有利于檢測，還能區分待測物信號及背景噪音，LOD低至10 CFU/mL，整個過程只需10 min。智能手機檢測其它致病菌的應用見表2[40-47]。

圖4 可檢測農殘的手套[50]Fig.4 Glove for testing pesticide residues[50]

2.4 農殘與重金屬的檢測

農藥殘留對人類健康乃至生態系統造成嚴重威脅，是人們對食品安全關注的重要內容之一。應用智能手機檢測農殘既快速又實用，不僅降低了檢測設備的成本，且結果重復性較高[48-49]。古有銀針試毒，今則研發出可檢測蔬果中農藥甲基對硫磷和甲基對氧磷的手套[50](見圖4)。手套食指部分為含有固定化有機磷水解酶的傳感掃描裝置，包括笑臉狀碳基計數器、工作電極和Ag/AgCl參考電極；拇指部分帶有印制的碳墊，觸摸樣品表面采集待測物，再與食指接觸發生電化學反應；反應產生的伏安信號通過無線通信傳輸至手機，經App顯示檢測結果。此裝置實用性強，適用于現場檢測有機磷農殘。Cheng等[51]采用熒光適配體側流傳感器結合熒光猝滅納米和智能手機光譜閱讀器同時檢測生菜、蘋果等蔬果中毒死蜱、二嗪磷和馬拉硫磷3種農藥殘留量，無需額外電源，適用于現場檢測。智能手機檢測其它農殘的應用見表2[52-53]。

重金屬污染是食品安全的另一重要問題。Zhang等[54]使用納米金修飾電極和自制穩壓器進行電化學反應，信號經無線通信傳輸至自編App，實現對牛奶與果汁中Cd2+、Pb2+和Hg2+的檢測，LOD分別為1.1、1.0、1.2 μg/L(見表2)，檢測結果與ICP-MS法一致，實驗數據可云共享。利用此原理，也可檢測Cu2+、Zn2+、As3+等其它離子。

表2 基于智能手機的檢測在致病菌、農殘和重金屬中的應用Table 2 Applications of smartphone-based detection on microorganisms,pesticide residues and heavy metals in food

*no data

2.5 生物毒素的檢測

黃曲霉毒素具有很強的毒性和致癌性，是中藥和食品存儲不當時極易產生的一類外源性有毒物質。Li等[55]開發了基于智能手機的黃曲霉毒素B1定量檢測系統，該系統由檢測芯片、便攜式光學裝置和自編App組成。待測樣品與微流控芯片通道上的黃曲霉毒素B1抗原發生間接競爭免疫反應，再將芯片插入便攜式光學裝置中拍攝記錄圖像結果，最后用App快速檢測圖像的光學灰度比值。根據黃曲霉毒素B1濃度與光學灰度比值呈負相關，且在0.5～250 ppb范圍內呈線性，用于測定發霉玉米中黃曲霉毒素B1含量，結果與HPLC和商用ELISA檢測結果具有良好一致性。

岡田酸及其衍生物是常見的腹瀉性貝毒素，Su等[56]將細胞活力傳感器和仿生電子眼用于貽貝中岡田酸的快速檢測。細胞活力傳感器由細胞計數試劑盒和兩種活細胞HepG2與THP-1組成，仿生電子眼為基于智能手機的比色系統，可看作是小型化的酶標儀，包括便攜式光源和實時分析細胞活力傳感器的App。標準化細胞活力指數與岡田酸的濃度呈負相關，使用HepG2與THP-1檢測的LOD分別為3.408 3 μg/L和13.445 6 μg/L。該方法對岡田酸的檢測特異性強，能與麻痹性貝毒素和神經性貝毒素高度區分，適用于樣品中毒素的初步篩選。智能手機檢測其它生物毒素的應用見表3[57-66]。

2.6 食物新鮮度的檢測

食品中具有蛋白質水解活性的微生物作用于長鏈蛋白質，將其轉化為分子量更小的化合物，如游離氨基酸，這些氨基酸很容易發生氧化脫氨、脫羧和脫硫反應，從而產生總揮發性堿氮、CO2和H2S等[67-69]。上述成分可作為食物新鮮度指標用于食品質量的監測。Li等[70]基于加樣后的二肉豆蔻酰磷脂酰膽堿/聚二乙炔(DMPC/PDA)囊泡比色試紙從藍色到紅色的變化，采用手機App檢測深海魚類及其罐頭制品中的組胺含量，LOD為70 ppm，樣品檢測結果與使用專業圖像處理軟件和光譜法結果無顯著性差異(P>0.05)。

NFC標記技術標簽是一種經濟實惠的紙樣共振電路，智能手機可經無接觸交流讀取其儲存的信息。Ma[71]等開發了基于納米結構的對甲苯磺酸鹽-聚苯胺(PTS-PAni)，一種用于修飾NFC標簽的導電聚合物，作為氣相傳感器能高度靈敏地檢測肉類中氨、腐胺和尸胺濃度。腐敗肉類釋放的生物胺氣體與PTS-PAni反應，從而增加NFC標簽電阻，當濃度超出預設閾值時，手機即可讀出肉類的腐敗情況，LOD可低至5 ppm。智能手機檢測食物新鮮度的更多應用見表3[72]。

表3 基于智能手機的檢測在生物毒素和食品新鮮度中的應用Table 3 Applications of smartphone-based detection on biotoxins and freshness in food

3 結論與展望

基于智能手機的分析檢測是眾多學科巧妙結合的典范，適當的樣品處理技術和構思精巧的小型化便攜裝置與手機App相得益彰。雖然存在靈敏度略低于常規分析儀器，裝置通用性有待改善等問題，但應用于實時檢測食品安全仍具有巨大潛力。食物與中藥從古至今有著密切的聯系[73]，故這項熱門技術也值得中藥分析領域在未來思考借鑒，例如檢測中藥中微生物、農殘、重金屬和黃曲霉素等有害物質，或定性定量分析中藥的有效成分等[74]。隨著時代的發展與科技的進步，基于智能手機的檢測技術將在分析檢測領域有著更為廣闊的應用前景和發展機遇。