食品安全的“超级侦探”

在食品安全问题日益凸显的今天，如何确保舌尖上的安全成为全球关注的焦点。食品安全领域需要“超级侦探”来精准捕捉食品中的化学危害物，为食品安全筑起坚实的屏障。

《科学画报》编辑部

文/徐斐徐鸣

徐斐，上海理工大学健康科学与工程学院教授，上海食品快速检测工程技术中心主任。

徐鸣，上海市科普作家协会会员。

民以食为天。随着经济发展、人民生活水平提高，以及消费者对健康安全的日益重视，主要来源于农兽药残留、重金属污染、非法添加等的化学危害物问题日益凸显。国家基于“从农田到餐桌”的全过程食品安全风险管控理念，针对危害风险大的危害物，在全过程中多个关键环节制定相应的限量标准，以确保广大消费者舌尖上的安全。因此，开发一种能精准识别并检测食品中有害物质的材料至关重要。

破解识别密码，创新高效识别材料

要从品类众多、成分复杂的食品中精准识别并检测那些含量很低的化学危害物，需要寻找或设计一个火眼金睛的“超级侦探”，以便探测到危害物存在，并在此基础上开发定量检测方法，确定其含量多少、是否超标。所谓“侦探”，其实就是检测用的危害物识别材料。识别材料探得灵不灵、定量准不准，核心就在于其与危害物分子之间的识别结合作用。不同类型的危害物分子由于结构或性质差异，与识别材料之间存在不同类型、不同强度的分子间相互作用，可形成千变万化的化合物。因此，只要破解实际检测应用场景下复杂食品基质中化学危害物的“识别密码”，就可以对识别材料进行逆向设计，开发出高灵敏识别材料。

但是，由于目前大部分化学危害物的“识别密码”不明，高性能识别材料的开发犹如大海捞针。针对分子结合机制不明和材料结构设计缺乏依据的难点，上海理工大学徐斐研究团队经过创新，采用动静态分子模拟联动体系，提出一套从分子模拟到识别材料精准设计的系统解决方案，并贴近真实场景模拟，成功破解食品中常见化学危害物的识别密码，获得不同实际应用场景下多种化学危害物和功能单体的分子结合机制，有效提升高性能识别材料的筛选合成效率，为食品安全检测材料设计提供前所未有的精确度和效率。

研究团队根据农兽药和重金属的结构特点，确定识别材料的制备路径，筛选出潜在功能单体，逆向构建农兽药和重金属结合的复合物模型，运用量子化学、分子力学技术和全面评估结合动力学等特性的多维度实验，实现模拟与实验的紧密结合。这一创新方法大幅提升了计算精度，构象精确度同比提升一个数量级，模拟周期缩短至原有的1/5。通过在硅球表面精准修饰不同类型的功能基团，研究团队研制出混合识别作用模式的色谱识别材料，将识别保留农兽药种类范围拓宽了30%以上。通过在速测识别材料的核心识别区域内优化功能基团的空间排列，研究团队将研制的速测材料特异性提升了2~10倍，为食品安全提供了检测材料保障。

色谱技术革新，引领食安检测新纪元

在食品安全守护战中，“色谱精准检测+快速检测”的组合可有效保障食品安全。其中，快速检测多用于食品中化学危害物的大面积筛查，而色谱检测多用于食品中化学危害物多残留的精准检测，以及对快速检测中发现的可疑样品进一步确证。

色谱分析技术自20世纪诞生以来，现已成为应用最广、收入至检测方法标准中最多的一类分析方法。针对色谱检测中食品复杂基质干扰大以及多靶标难以同时保留的难点，研究团队不断突破，在识别材料基础上，创新融入材料与危害物靶标以及基质干扰物之间的互作类型和数量，构建多指标正交实验矩阵，从指标层、因素层、水平层构建三层数据结构模型，并进行权矩阵分析，从而将多目标问题转化为单目标问题，以实现色谱前处理条件的高效筛选。由此，研究团队研发上市了60种固相萃取小柱，有效降低色谱基质效应，并拓宽适用食品范围，同时成功研发出一套全新的色谱前处理装备，可高效提取20余大类农兽药残留物。研究团队还创制高性能国产色谱柱，显著提升多靶标分离度，将单次检测靶标数增加了25%~40%。基于以上技术和发明，研究团队集成构建高分辨质谱靶向筛查系统和化学物电子身份证-指纹图谱，实现1 000余种农兽药分子识别。

研究团队自主研发上市的色谱柱和固相萃取小柱，打破国外色谱技术垄断，目前已全面实现国产替代，部分实现取代，其柱效等关键技术指标普遍优于国外头部品牌的同类产品，并具有价格优势。多种色谱柱销量居国内品牌首位，并远销印度等20多个国家。

纸基速测产品领航食品安全监管

近20年来，我国食品工业持续高速发展，产值连续多年位居各工业部门之首，业已成为国民经济基础性、战略性支柱产业。但是，小而散的食品产业整体现状仍没有根本改变。以上海为例，年销售额在2 000万元以上的规模食品企业占比不到食品企业总数的1/3，而经典色谱检测仪器成本高、对检测操作人员要求高，小企业难承受，监管难度也很大。

快速检测技术能显著缩短检测时间，在样品制备、实验准备和检测过程中实现简化或自动化，及时识别、预防食品中的可能危害、迅速排查其源头。因此，近年来我国食品快速检测的需求日益增加。检测的效率和准确度一直是食品快速检测的关注焦点。由于抗体、酶、适配体等生物材料具有较好的识别特异性，可以在复杂的食品基质中快速、专一地捕捉危害靶标物质，因此常用于快速检测中。但是，这些生物识别材料通常需要酸碱度温和的水相环境来保持其识别活性，无法在危害物提取的强酸或有机溶剂环境中发挥作用。

针对这一问题，研究团队在快速检测用材料的基础上，研发了一系列新型速测前处理技术。例如：将生物材料与抗干扰能力强的印迹材料耦合在一起，研发了印迹限域类生物识别或基于刺激- 响应型材料的分散固相萃取技术；利用QuEChERS耦合溶剂替代技术，将危害物提取出来之后再将有机溶剂替换为水相溶剂；研发采用双频超声辅助酶解技术，将食品基质中的重金属提取至温和的水相环境中，实现了速测提取与快速检测的完美对接；将具有检测识别功能的材料分子和具有检测信号放大功能的材料分子一体化，开发了纸基速测平台，在纸基上成功实现了多种危害物的同步检测，使检测耗时缩短80%，灵敏度提高了2~6个数量级，解决了快检过程中速度与灵敏度之间的矛盾。

在现代检测行业，纸基速测产品和智能装备的开发正引领着技术监管的新潮流。研究团队以此创制的速测产品及仪器上市百余种，已成为大型活动赛事食品安全保障主导产品，并获得多国认证，成功打入国际市场，带动产业升级，创收亿元效益，守护人民健康。