食品安全的“超級偵探”

在食品安全問題日益凸顯的今天，如何確保舌尖上的安全成為全球關注的焦點。食品安全領域需要“超級偵探”來精準捕捉食品中的化學危害物，為食品安全筑起堅實的屏障。

《科學畫報》編輯部

文/徐斐 徐鳴

徐斐，上海理工大學健康科學與工程學院教授，上海食品快速檢測工程技術中心主任。

徐鳴，上海市科普作家協會會員。

民以食為天。隨著經濟發展、人民生活水平提高，以及消費者對健康安全的日益重視，主要來源于農獸藥殘留、重金屬污染、非法添加等的化學危害物問題日益凸顯。國家基于“從農田到餐桌”的全過程食品安全風險管控理念，針對危害風險大的危害物，在全過程中多個關鍵環節制定相應的限量標準，以確保廣大消費者舌尖上的安全。因此，開發一種能精準識別并檢測食品中有害物質的材料至關重要。

破解識別密碼，創新高效識別材料

要從品類眾多、成分復雜的食品中精準識別并檢測那些含量很低的化學危害物，需要尋找或設計一個火眼金睛的“超級偵探”，以便探測到危害物存在，并在此基礎上開發定量檢測方法，確定其含量多少、是否超標。所謂“偵探”，其實就是檢測用的危害物識別材料。識別材料探得靈不靈、定量準不準，核心就在于其與危害物分子之間的識別結合作用。不同類型的危害物分子由于結構或性質差異，與識別材料之間存在不同類型、不同強度的分子間相互作用，可形成千變萬化的化合物。因此，只要破解實際檢測應用場景下復雜食品基質中化學危害物的“識別密碼”，就可以對識別材料進行逆向設計，開發出高靈敏識別材料。

但是，由于目前大部分化學危害物的“識別密碼”不明，高性能識別材料的開發猶如大海撈針。針對分子結合機制不明和材料結構設計缺乏依據的難點，上海理工大學徐斐研究團隊經過創新，采用動靜態分子模擬聯動體系，提出一套從分子模擬到識別材料精準設計的系統解決方案，并貼近真實場景模擬，成功破解食品中常見化學危害物的識別密碼，獲得不同實際應用場景下多種化學危害物和功能單體的分子結合機制，有效提升高性能識別材料的篩選合成效率，為食品安全檢測材料設計提供前所未有的精確度和效率。

研究團隊根據農獸藥和重金屬的結構特點，確定識別材料的制備路徑，篩選出潛在功能單體，逆向構建農獸藥和重金屬結合的復合物模型，運用量子化學、分子力學技術和全面評估結合動力學等特性的多維度實驗，實現模擬與實驗的緊密結合。這一創新方法大幅提升了計算精度，構象精確度同比提升一個數量級，模擬周期縮短至原有的1/5。通過在硅球表面精準修飾不同類型的功能基團，研究團隊研制出混合識別作用模式的色譜識別材料，將識別保留農獸藥種類范圍拓寬了30%以上。通過在速測識別材料的核心識別區域內優化功能基團的空間排列，研究團隊將研制的速測材料特異性提升了2~10倍，為食品安全提供了檢測材料保障。

色譜技術革新，引領食安檢測新紀元

在食品安全守護戰中，“色譜精準檢測+快速檢測”的組合可有效保障食品安全。其中，快速檢測多用于食品中化學危害物的大面積篩查，而色譜檢測多用于食品中化學危害物多殘留的精準檢測，以及對快速檢測中發現的可疑樣品進一步確證。

色譜分析技術自20世紀誕生以來，現已成為應用最廣、收入至檢測方法標準中最多的一類分析方法。針對色譜檢測中食品復雜基質干擾大以及多靶標難以同時保留的難點，研究團隊不斷突破，在識別材料基礎上，創新融入材料與危害物靶標以及基質干擾物之間的互作類型和數量，構建多指標正交實驗矩陣，從指標層、因素層、水平層構建三層數據結構模型，并進行權矩陣分析，從而將多目標問題轉化為單目標問題，以實現色譜前處理條件的高效篩選。由此，研究團隊研發上市了60種固相萃取小柱，有效降低色譜基質效應，并拓寬適用食品范圍，同時成功研發出一套全新的色譜前處理裝備，可高效提取20余大類農獸藥殘留物。研究團隊還創制高性能國產色譜柱，顯著提升多靶標分離度，將單次檢測靶標數增加了25%~40%。基于以上技術和發明，研究團隊集成構建高分辨質譜靶向篩查系統和化學物電子身份證-指紋圖譜，實現1 000余種農獸藥分子識別。

研究團隊自主研發上市的色譜柱和固相萃取小柱，打破國外色譜技術壟斷，目前已全面實現國產替代，部分實現取代，其柱效等關鍵技術指標普遍優于國外頭部品牌的同類產品，并具有價格優勢。多種色譜柱銷量居國內品牌首位，并遠銷印度等20多個國家。

紙基速測產品領航食品安全監管

近20年來，我國食品工業持續高速發展，產值連續多年位居各工業部門之首，業已成為國民經濟基礎性、戰略性支柱產業。但是，小而散的食品產業整體現狀仍沒有根本改變。以上海為例，年銷售額在2 000萬元以上的規模食品企業占比不到食品企業總數的1/3，而經典色譜檢測儀器成本高、對檢測操作人員要求高，小企業難承受，監管難度也很大。

快速檢測技術能顯著縮短檢測時間，在樣品制備、實驗準備和檢測過程中實現簡化或自動化，及時識別、預防食品中的可能危害、迅速排查其源頭。因此，近年來我國食品快速檢測的需求日益增加。檢測的效率和準確度一直是食品快速檢測的關注焦點。由于抗體、酶、適配體等生物材料具有較好的識別特異性，可以在復雜的食品基質中快速、專一地捕捉危害靶標物質，因此常用于快速檢測中。但是，這些生物識別材料通常需要酸堿度溫和的水相環境來保持其識別活性，無法在危害物提取的強酸或有機溶劑環境中發揮作用。

針對這一問題，研究團隊在快速檢測用材料的基礎上，研發了一系列新型速測前處理技術。例如：將生物材料與抗干擾能力強的印跡材料耦合在一起，研發了印跡限域類生物識別或基于刺激- 響應型材料的分散固相萃取技術；利用QuEChERS耦合溶劑替代技術，將危害物提取出來之后再將有機溶劑替換為水相溶劑；研發采用雙頻超聲輔助酶解技術，將食品基質中的重金屬提取至溫和的水相環境中，實現了速測提取與快速檢測的完美對接；將具有檢測識別功能的材料分子和具有檢測信號放大功能的材料分子一體化，開發了紙基速測平臺，在紙基上成功實現了多種危害物的同步檢測，使檢測耗時縮短80%，靈敏度提高了2~6個數量級，解決了快檢過程中速度與靈敏度之間的矛盾。

在現代檢測行業，紙基速測產品和智能裝備的開發正引領著技術監管的新潮流。研究團隊以此創制的速測產品及儀器上市百余種，已成為大型活動賽事食品安全保障主導產品，并獲得多國認證，成功打入國際市場，帶動產業升級，創收億元效益，守護人民健康。

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