關(guān)樺楠*，吳巧艷，宋巖，彭勃，薛悅，張娜

哈爾濱商業(yè)大學(xué)食品工程學(xué)院（哈爾濱 150076）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升、人民生活水平的不斷提高，大眾對(duì)于食品和藥品安全的重視程度越來(lái)越高，食品和藥品分析及安全檢測(cè)的水平和技術(shù)成為人們廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。目前，食品和藥品分析多采用化學(xué)分析和儀器分析方法，主要包括色譜分析法、光譜分析法、電化學(xué)分析法和生物檢測(cè)技術(shù)[2-3]。然而，這些傳統(tǒng)的方法仍有著樣品前處理過(guò)程繁瑣、操作程序復(fù)雜以及設(shè)備昂貴等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求[4]。近年來(lái)，智能手機(jī)的普及度越來(lái)越高，使用的人群年齡范圍越來(lái)越廣。智能手機(jī)具有獨(dú)立的運(yùn)行空間、開(kāi)放性的操作系統(tǒng)，可以由用戶(hù)自行安裝軟件、游戲等第三方服務(wù)商提供的軟件。智能手機(jī)主要的操作系統(tǒng)iOS和安卓相關(guān)版本均具有成像功能，這使得智能手機(jī)成像技術(shù)可被應(yīng)用于食品、藥品和環(huán)境中成分的分析檢測(cè)領(lǐng)域。基于智能手機(jī)的分析傳感系統(tǒng)和應(yīng)用程序，將為食品分析領(lǐng)域提供一項(xiàng)方便快捷、低成本、穩(wěn)定性好、靈敏性高且用戶(hù)友好的快速檢測(cè)方法[5]。

1 智能手機(jī)用于食品藥品分析的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)階段，智能手機(jī)已經(jīng)成為一種必不可少的通訊工具，比普通手機(jī)的使用范圍更加廣泛，并被普遍認(rèn)為是“特色計(jì)算機(jī)”[6]。它類(lèi)似于帶有操作系統(tǒng)、內(nèi)部存儲(chǔ)器和高質(zhì)量照相機(jī)鏡頭的微型計(jì)算機(jī)，極大地改變生活中的很多特征。隨著人們更廣泛地使用智能手機(jī)，通過(guò)云計(jì)算、創(chuàng)新的數(shù)字技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)，基于智能手機(jī)的食品分析技術(shù)將顛覆傳統(tǒng)食品安全檢測(cè)的各個(gè)方面，其獨(dú)特的功能有：直接使用集成傳感器測(cè)量物理量；與其他設(shè)備的無(wú)線連接；操作簡(jiǎn)單、容易使用。更多研究人員專(zhuān)注于智能手機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，使其能夠用于更多的分析檢測(cè)[7]。此外，它們比便攜式實(shí)驗(yàn)室分析設(shè)備更容易獲得且成本更低廉，可以與其他附件配合使用，其目的是脫離實(shí)驗(yàn)室昂貴的大型儀器的限制[8]。基于智能手機(jī)的分析平臺(tái)，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)克服此類(lèi)問(wèn)題，來(lái)節(jié)省成本和提高效率。這種設(shè)備作為移動(dòng)分析工具有很大潛力，可以更好地應(yīng)用在食品、藥品及環(huán)境中成分分析領(lǐng)域[9]。

2 智能手機(jī)成像技術(shù)在食品藥品檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 智能手機(jī)在免疫分析中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的免疫分析數(shù)據(jù)處理方法需要復(fù)雜運(yùn)算體系，而基于智能手機(jī)的色度檢測(cè)系統(tǒng)為醫(yī)療保健應(yīng)用提供一種新方法[10-11]。Kim等[12]報(bào)道一種用于蛋白質(zhì)標(biāo)記和酶檢測(cè)的混合生物傳感器系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)使用刻有標(biāo)志并裝有生化反應(yīng)墊的預(yù)定膜，將加載的樣本留在墊子中進(jìn)行整個(gè)免疫分析，利用智能手機(jī)對(duì)其進(jìn)行定量分析，總變異系數(shù)在8.6%～13.3%之間。Kim等[12]利用該方法，快速和準(zhǔn)確地測(cè)定人體血液中10%～65%的紅細(xì)胞壓積，測(cè)出紅細(xì)胞壓積的最低檢測(cè)限為0.1%，靈敏度為0.53 Gy（a.u.）/紅細(xì)胞壓積%。與傳統(tǒng)方法相比，方法方便簡(jiǎn)單、快速準(zhǔn)確、靈敏高，可用于生物醫(yī)學(xué)和食品檢測(cè)方面。

Hosu等[13]設(shè)計(jì)出一種用于檢測(cè)腫瘤抗原125（CA125）的智能手機(jī)免疫傳感器。將抗體固定之后，抗體-AuNPs與CA125溶液作用，誘導(dǎo)銀沉淀，形成納米金銀。CA125濃度的不同，會(huì)產(chǎn)生不同灰度點(diǎn)的金銀納米粒子，用智能手機(jī)攝像頭進(jìn)行圖像采集，RGB程序進(jìn)行顏色分析，由軟件轉(zhuǎn)換為HSV（色調(diào)、飽和度和值）數(shù)據(jù)，得到CA125的檢出限為30 U/mL，定量限為100 U/mL。通過(guò)驗(yàn)證，該免疫傳感器的重現(xiàn)性高，特異性強(qiáng)，靈敏度好，具有良好的選擇性，對(duì)于CA125的檢測(cè)，具有響應(yīng)能力，符合臨床需要。

2.2 智能手機(jī)在違規(guī)添加劑分析檢測(cè)中的應(yīng)用

Hu等[14]建立基于Au@CQDs的三聚氰胺智能手機(jī)快速檢測(cè)的方法。利用智能手機(jī)獲取不同三聚氰胺濃度熒光標(biāo)準(zhǔn)圖像，利用96孔板和智能手機(jī)制作熒光標(biāo)準(zhǔn)陣列，原理如圖1所示。該熒光標(biāo)準(zhǔn)陣列可用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)三聚氰胺，隨著三聚氰胺濃度增加，Au@CQD熒光發(fā)射增強(qiáng)，熒光強(qiáng)度增大，利用智能手機(jī)直接觀察到結(jié)果。這種方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)牛奶中的三聚氰胺的定量檢測(cè)，樣本的CV值不小于2%，回收率在α=0.95的置信區(qū)間為102.75%～105.64%。與HPLC法相比，該檢測(cè)方法靈敏度高，檢測(cè)限低，回收率高，CV值低，利用智能手機(jī)就可以對(duì)三聚氰胺進(jìn)行直觀和準(zhǔn)確的分析，為乳制品中三聚氰胺的檢測(cè)提供新方法，有助于保證牛奶安全性。

圖1 用智能手機(jī)視覺(jué)檢測(cè)牛奶樣品中三聚氰胺的熒光標(biāo)準(zhǔn)陣列[14]

Lopez-ruiz等[15]設(shè)計(jì)出基于智能手機(jī)在檢測(cè)亞硝酸鹽濃度中的應(yīng)用程序，并結(jié)合一種低成本紙基微流體裝置，該裝置有7個(gè)感測(cè)區(qū)。其中，包含相應(yīng)的固定試劑，樣品溶液放置在取樣區(qū)時(shí)，產(chǎn)生選擇性的顏色變化，在受光的條件下，采用自定義的算法對(duì)智能手機(jī)獲取的圖像進(jìn)行分析處理。在亞硝酸鹽濃度的實(shí)際測(cè)定過(guò)程中，用智能手機(jī)作為捕捉設(shè)備，從微流控設(shè)備的圖片中檢測(cè)顏色，然后提取HSV顏色空間的H和S坐標(biāo)并進(jìn)行分析，直接得到亞硝酸鹽的濃度，最低檢測(cè)限為0.52 mg/L。Lopez-Ruiz等利用該應(yīng)用程序，還獲得了樣品溶液pH，在分辨率為0.04時(shí)，準(zhǔn)確度0.09，均方誤差0.167。通過(guò)重新設(shè)計(jì)，可以同時(shí)測(cè)定亞硝酸鹽的濃度和pH，將其應(yīng)用在更多的分析領(lǐng)域中，極大提高了測(cè)量效率和速度。

2.3 智能手機(jī)在有害微生物檢測(cè)中的應(yīng)用

Zhu等[16]開(kāi)發(fā)出一個(gè)便攜式大腸桿菌檢測(cè)平臺(tái)，用于篩選水和食品樣品。基于智能手機(jī)的成像技術(shù)專(zhuān)門(mén)用來(lái)量化裝在玻璃毛細(xì)管中的水樣中細(xì)菌的濃度，利用大腸桿菌的抗體對(duì)其進(jìn)行功能化，由于量子點(diǎn)有其獨(dú)特的光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，并有特殊的亮度，因此，次級(jí)抗體與量子點(diǎn)結(jié)合后，被分配到毛細(xì)血管中成為熒光信號(hào)。在這種情況下，紫外-發(fā)光二極管提供激勵(lì)信號(hào)，量子點(diǎn)通過(guò)另外一個(gè)的鏡頭發(fā)出的輻射被傳送到智能手機(jī)攝像單元。該方法中，智能手機(jī)攝像裝置，便作為診斷平臺(tái)的主機(jī)，通過(guò)對(duì)每根毛細(xì)管熒光的定量測(cè)定，測(cè)定樣品中大腸桿菌的濃度，最低檢測(cè)限為5～10 CFU/mL，結(jié)果令人滿意。

2.4 智能手機(jī)在抗生素殘留量檢測(cè)中的應(yīng)用

日常生活中抗生素殘留活性的快速檢測(cè)對(duì)食品安全至關(guān)重要[17]。據(jù)報(bào)道，Lin等[18]設(shè)計(jì)出一種基于鏈霉素（抗生素模型化合物），利用智能手機(jī)直接測(cè)量抗生素的熒光測(cè)量方法。其原理是：多余的鏈霉素適配體與互補(bǔ)的DNA雜交，形成dsDNA，再與SYBR Green I（具有綠色激發(fā)波長(zhǎng)的染料）結(jié)合，發(fā)出綠色熒光。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，隨著鏈霉素濃度增加，熒光強(qiáng)度下降，通過(guò)智能手機(jī)成像技術(shù)監(jiān)測(cè)圖像的RGB值，得出鏈霉素的最低檢測(cè)限為94 nmol/mL，在0.1～100 nmol范圍內(nèi)，與G值呈線性關(guān)系。

2.5 智能手機(jī)在有機(jī)污染物檢測(cè)中的應(yīng)用

2, 4, 6-三硝基甲苯被認(rèn)為是最常用、最易致突變、最難降解的污染物之一，同時(shí)也帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題，尤其是水污染[19]。Tang等[20]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種智能手機(jī)支持平臺(tái)，用于2, 4, 6-三硝基甲苯（TNT）的比色分析。將固化的聚二甲基硅氧烷（PDMS）浸泡在氨基硅烷溶液中，最終制備出含胺的聚二甲基硅氧烷，在接觸含TNT的溶液后，無(wú)色PDMS發(fā)生顏色變化，通過(guò)智能手機(jī)應(yīng)用程序?qū)Σ噬玃DMS膜的圖片進(jìn)行分析，檢出測(cè)限為1 μmol/L，實(shí)現(xiàn)了一種便攜式現(xiàn)場(chǎng)TNT檢測(cè)的有效方法，通過(guò)檢測(cè)實(shí)際樣品（如飲用水、自來(lái)水和湖水）中的TNT，證明了這種方法實(shí)用性。該方法提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、低成本、便攜、高效的檢測(cè)TNT的平臺(tái)，雖然主要集中在使用胺捕獲的PDMS來(lái)檢測(cè)TNT，但將PDMS的多孔結(jié)構(gòu)與其他化學(xué)功能化方法相結(jié)合，可以進(jìn)一步應(yīng)用于其他分析領(lǐng)域。

2.6 智能手機(jī)在重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用

Marc[21]利用手機(jī)攝像頭和一個(gè)免費(fèi)的應(yīng)用程序通過(guò)測(cè)量溶液的顏色，達(dá)到測(cè)定溶液中銅離子濃度的目的，將已知量的銅溶解在硝酸中，待完全溶解后用蒸餾水稀釋至100 mL容量瓶中，將此溶液當(dāng)作未知樣品。同理制備出已知濃度的銅溶液，用智能手機(jī)成像技術(shù)分別測(cè)量已知和未知溶液的顏色（H值）。在確保有足夠的環(huán)境光或使用智能手機(jī)內(nèi)置相機(jī)閃光燈的條件下，用HSV顏色模型來(lái)測(cè)量顏色，并報(bào)告H值。用已知溶液的H值作銅質(zhì)量函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，確定未知溶液所含銅的質(zhì)量，得到很好的結(jié)果。此外，使用該方法，獲得瑞士5美分硬幣中含有92%的銅、6%的鋁和2%的鎳。這種方法操作簡(jiǎn)單、成本低，可進(jìn)一步應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如對(duì)食品環(huán)境造成污染的其他重金屬離子。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

介紹近年來(lái)智能手機(jī)成像技術(shù)在食品藥品分析方面的最新研究進(jìn)展。結(jié)果表明，隨著手機(jī)智能化和新技術(shù)的出現(xiàn)，基于智能手機(jī)的傳感設(shè)備迅速獲得認(rèn)可，可通過(guò)嵌入新的應(yīng)用程序來(lái)使智能手機(jī)測(cè)量更多的物理量，不僅用于食品監(jiān)測(cè)應(yīng)用，而且用于免疫分析、有機(jī)污染物、有害微生物的檢測(cè)以及重金屬的檢測(cè)。在食品分析領(lǐng)域，這項(xiàng)基于智能手機(jī)成像技術(shù)的應(yīng)用比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室分析方法更便攜、更經(jīng)濟(jì)、更易于使用，并得到好的結(jié)果。此外，智能手機(jī)逐漸在全球范圍內(nèi)得以普及，成為現(xiàn)代人實(shí)際生活中的一種重要工具，為智能手機(jī)成像技術(shù)的發(fā)展提供強(qiáng)大助力，使得利用智能手機(jī)開(kāi)發(fā)的分析設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試成為可能。在未來(lái)，有望基于智能手機(jī)的成像技術(shù)的生物傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)多種細(xì)菌和病原體進(jìn)行高度敏感和快速的現(xiàn)場(chǎng)定量，并取得滿意結(jié)果，讓基于智能手機(jī)成像技術(shù)的便攜式設(shè)備，成為下一代檢測(cè)和監(jiān)測(cè)癌癥生物標(biāo)志物的有力工具，不斷監(jiān)測(cè)人類(lèi)的健康，以期將智能手機(jī)生物傳感器的意識(shí)真正引入公共領(lǐng)域。