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(guān)注的焦點(diǎn)。食品安全領(lǐng)域需要“超級偵探”來精準(zhǔn)捕捉食品中的化學(xué)危害物，為食品安全筑起堅(jiān)實(shí)的屏障。

《科學(xué)畫報(bào)》編輯部

文/徐斐 徐鳴

徐斐，上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院教授，上海食品快速檢測工程技術(shù)中心主任。

徐鳴，上海市科普作家協(xié)會會員。

民以食為天。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平提高，以及消費(fèi)者對健康安全的日益重視，主要來源于農(nóng)獸藥殘留、重金屬污染、非法添加等的化學(xué)危害物問題日益凸顯。國家基于“從農(nóng)田到餐桌”的全過程食品安全風(fēng)險(xiǎn)管控理念，針對危害風(fēng)險(xiǎn)大的危害物，在全過程中多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)制定相應(yīng)的限量標(biāo)準(zhǔn)，以確保廣大消費(fèi)者舌尖上的安全。因此，開發(fā)一種能精準(zhǔn)識別并檢測食品中有害物質(zhì)的材料至關(guān)重要。

破解識別密碼，創(chuàng)新高效識別材料

要從品類眾多、成分復(fù)雜的食品中精準(zhǔn)識別并檢測那些含量很低的化學(xué)危害物，需要尋找或設(shè)計(jì)一個(gè)火眼金睛的“超級偵探”，以便探測到危害物存在，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)定量檢測方法，確定其含量多少、是否超標(biāo)。所謂“偵探”，其實(shí)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(zhǔn)不準(zhǔn)，核心就在于其與危害物分子之間的識別結(jié)合作用。不同類型的危害物分子由于結(jié)構(gòu)或性質(zhì)差異，與識別材料之間存在不同類型、不同強(qiáng)度的分子間相互作用，可形成千變?nèi)f化的化合物。因此，只要破解實(shí)際檢測應(yīng)用場景下復(fù)雜食品基質(zhì)中化學(xué)危害物的“識別密碼”，就可以對識別材料進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，開發(fā)出高靈敏識別材料。

但是，由于目前大部分化學(xué)危害物的“識別密碼”不明，高性能識別材料的開發(fā)猶如大海撈針。針對分子結(jié)合機(jī)制不明和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏依據(jù)的難點(diǎn)，上海理工大學(xué)徐斐研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過創(chuàng)新，采用動靜態(tài)分子模擬聯(lián)動體系，提出一套從分子模擬到識別材料精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)解決方案，并貼近真實(shí)場景模擬，成功破解食品中常見化學(xué)危害物的識別密碼，獲得不同實(shí)際應(yīng)用場景下多種化學(xué)危害物和功能單體的分子結(jié)合機(jī)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(shè)計(jì)提供前所未有的精確度和效率。

研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)農(nóng)獸藥和重金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定識別材料的制備路徑，篩選出潛在功能單體，逆向構(gòu)建農(nóng)獸藥和重金屬結(jié)合的復(fù)合物模型，運(yùn)用量子化學(xué)、分子力學(xué)技術(shù)和全面評估結(jié)合動力學(xué)等特性的多維度實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)模擬與實(shí)驗(yàn)的緊密結(jié)合。這一創(chuàng)新方法大幅提升了計(jì)算精度，構(gòu)象精確度同比提升一個(gè)數(shù)量級，模擬周期縮短至原有的1/5。通過在硅球表面精準(zhǔn)修飾不同類型的功能基團(tuán)，研究團(tuán)隊(duì)研制出混合識別作用模式的色譜識別材料，將識別保留農(nóng)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(qū)域內(nèi)優(yōu)化功能基團(tuán)的空間排列，研究團(tuán)隊(duì)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(shù)革新，引領(lǐng)食安檢測新紀(jì)元

在食品安全守護(hù)戰(zhàn)中，“色譜精準(zhǔn)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(xué)危害物的大面積篩查，而色譜檢測多用于食品中化學(xué)危害物多殘留的精準(zhǔn)檢測，以及對快速檢測中發(fā)現(xiàn)的可疑樣品進(jìn)一步確證。

色譜分析技術(shù)自20世紀(jì)誕生以來，現(xiàn)已成為應(yīng)用最廣、收入至檢測方法標(biāo)準(zhǔn)中最多的一類分析方法。針對色譜檢測中食品復(fù)雜基質(zhì)干擾大以及多靶標(biāo)難以同時(shí)保留的難點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)不斷突破，在識別材料基礎(chǔ)上，創(chuàng)新融入材料與危害物靶標(biāo)以及基質(zhì)干擾物之間的互作類型和數(shù)量，構(gòu)建多指標(biāo)正交實(shí)驗(yàn)矩陣，從指標(biāo)層、因素層、水平層構(gòu)建三層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行權(quán)矩陣分析，從而將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題，以實(shí)現(xiàn)色譜前處理?xiàng)l件的高效篩選。由此，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)上市了60種固相萃取小柱，有效降低色譜基質(zhì)效應(yīng)，并拓寬適用食品范圍，同時(shí)成功研發(fā)出一套全新的色譜前處理裝備，可高效提取20余大類農(nóng)獸藥殘留物。研究團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)制高性能國產(chǎn)色譜柱，顯著提升多靶標(biāo)分離度，將單次檢測靶標(biāo)數(shù)增加了25%~40%?；谝陨霞夹g(shù)和發(fā)明，研究團(tuán)隊(duì)集成構(gòu)建高分辨質(zhì)譜靶向篩查系統(tǒng)和化學(xué)物電子身份證-指紋圖譜，實(shí)現(xiàn)1 000余種農(nóng)獸藥分子識別。

研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)上市的色譜柱和固相萃取小柱，打破國外色譜技術(shù)壟斷，目前已全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，部分實(shí)現(xiàn)取代，其柱效等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)普遍優(yōu)于國外頭部品牌的同類產(chǎn)品，并具有價(jià)格優(yōu)勢。多種色譜柱銷量居國內(nèi)品牌首位，并遠(yuǎn)銷印度等20多個(gè)國家。

紙基速測產(chǎn)品領(lǐng)航食品安全監(jiān)管

近20年來，我國食品工業(yè)持續(xù)高速發(fā)展，產(chǎn)值連續(xù)多年位居各工業(yè)部門之首，業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性支柱產(chǎn)業(yè)。但是，小而散的食品產(chǎn)業(yè)整體現(xiàn)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(guī)模食品企業(yè)占比不到食品企業(yè)總數(shù)的1/3，而經(jīng)典色譜檢測儀器成本高、對檢測操作人員要求高，小企業(yè)難承受，監(jiān)管難度也很大。

快速檢測技術(shù)能顯著縮短檢測時(shí)間，在樣品制備、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和檢測過程中實(shí)現(xiàn)簡化或自動化，及時(shí)識別、預(yù)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(zhǔn)確度一直是食品快速檢測的關(guān)注焦點(diǎn)。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(fù)雜的食品基質(zhì)中快速、專一地捕捉危害靶標(biāo)物質(zhì)，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(huán)境來保持其識別活性，無法在危害物提取的強(qiáng)酸或有機(jī)溶劑環(huán)境中發(fā)揮作用。

針對這一問題，研究團(tuán)隊(duì)在快速檢測用材料的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一系列新型速測前處理技術(shù)。例如：將生物材料與抗干擾能力強(qiáng)的印跡材料耦合在一起，研發(fā)了印跡限域類生物識別或基于刺激- 響應(yīng)型材料的分散固相萃取技術(shù)；利用QuEChERS耦合溶劑替代技術(shù)，將危害物提取出來之后再將有機(jī)溶劑替換為水相溶劑；研發(fā)采用雙頻超聲輔助酶解技術(shù)，將食品基質(zhì)中的重金屬提取至溫和的水相環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)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(fā)了紙基速測平臺，在紙基上成功實(shí)現(xiàn)了多種危害物的同步檢測，使檢測耗時(shí)縮短80%，靈敏度提高了2~6個(gè)數(shù)量級，解決了快檢過程中速度與靈敏度之間的矛盾。

在現(xiàn)代檢測行業(yè)，紙基速測產(chǎn)品和智能裝備的開發(fā)正引領(lǐng)著技術(shù)監(jiān)管的新潮流。研究團(tuán)隊(duì)以此創(chuàng)制的速測產(chǎn)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(dǎo)產(chǎn)品，并獲得多國認(rèn)證，成功打入國際市場，帶動產(chǎn)業(yè)升級，創(chuàng)收億元效益，守護(hù)人民健康。

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2025年《科學(xué)畫報(bào)》