劉美廷，李紹平，趙 靜

(澳門大學(xué) 中華醫(yī)藥研究院，中藥質(zhì)量研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，澳門 999078)

“科技改變生活”，智能手機(jī)(Smartphone)現(xiàn)已成為人們?nèi)粘Ｉ?、工作和學(xué)習(xí)不可或缺的好幫手。與傳統(tǒng)蜂窩手機(jī)(Cellphone)相比，智能手機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)和操作界面更精細(xì)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(jī)應(yīng)用商店自行下載安裝軟件，極大地拓展了智能手機(jī)的應(yīng)用范圍。當(dāng)今，智能手機(jī)憑借其獨(dú)特的便攜性和實(shí)時(shí)檢測(cè)(Point-of-care testing，POCT)優(yōu)勢(shì)，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(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn)[1-2]，在醫(yī)療診斷[3]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[4]和食品監(jiān)督[5]等領(lǐng)域也發(fā)揮越來越大的作用。人們不僅可以通過智能手機(jī)拍攝記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也可用其直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，還可以針對(duì)實(shí)驗(yàn)需求開發(fā)應(yīng)用程序[6]，使得實(shí)驗(yàn)裝置微型化、分析檢測(cè)實(shí)時(shí)化。

食品安全是百姓和輿論高度關(guān)注的民生話題。目前，食品的分析檢測(cè)方法大多為長(zhǎng)途寄送樣品或現(xiàn)場(chǎng)取樣，再使用實(shí)驗(yàn)室的大型精密儀器進(jìn)行操作，耗時(shí)長(zhǎng)且成本高?；谥悄苁謾C(jī)的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于食品安全領(lǐng)域，優(yōu)勢(shì)在于裝置易設(shè)計(jì)、成本低、便于攜帶、可實(shí)時(shí)檢測(cè)。另外，可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成條形碼[7]或二維碼[8]，從而使食品在生產(chǎn)加工、包裝儲(chǔ)存、運(yùn)輸流通和批發(fā)零售等環(huán)節(jié)得到有效、及時(shí)地監(jiān)督。也可將數(shù)據(jù)上傳至云端共享[9]，或使用物聯(lián)網(wǎng)(Internet of thing，IoT)[10]和近場(chǎng)通信(Near field communication，NFC)[11]等技術(shù)快速獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本文首先概述了基于智能手機(jī)的檢測(cè)原理，并介紹了近5年智能手機(jī)檢測(cè)在食品安全方面的應(yīng)用，包括食品添加劑、抗生素、微生物、農(nóng)殘與重金屬、生物毒素以及食物新鮮度等，以期為相關(guān)研究提供參考依據(jù)，最后對(duì)這項(xiàng)熱門技術(shù)在分析檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 基于智能手機(jī)的檢測(cè)原理

智能手機(jī)在分析檢測(cè)領(lǐng)域中可用于控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、記錄并檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中記錄檢測(cè)功能應(yīng)用最為廣泛。基于智能手機(jī)的檢測(cè)原理是在光學(xué)檢測(cè)或電化學(xué)檢測(cè)中，手機(jī)采集待測(cè)物質(zhì)在實(shí)驗(yàn)過程中的光信號(hào)或電信號(hào)，并通過應(yīng)用程序或軟件進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

光學(xué)檢測(cè)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(cè)中應(yīng)用較廣泛。比色法根據(jù)待測(cè)成分的色度值(如紅綠藍(lán)(RGB)[12]、印刷四色模式(CMYK)[13]、國(guó)際照明委員會(huì)色度空間(L*a*b*)[14]等)與濃度之間的比例關(guān)系進(jìn)行分析檢測(cè)。如利用酸堿指示劑的顏色變化檢測(cè)酸度[15]，基于金屬絡(luò)合物顏色檢測(cè)重金屬[16]等。熒光法是先將待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行熒光標(biāo)記后，再在一定波長(zhǎng)激發(fā)光下測(cè)定熒光強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)定性定量分析。此方法靈敏度高，除使用手機(jī)應(yīng)用程序或?qū)I(yè)軟件進(jìn)行檢測(cè)分析外，也可搭建微型光譜裝置與手機(jī)聯(lián)用[17]。電化學(xué)檢測(cè)是利用電極與待測(cè)物質(zhì)之間發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，根據(jù)測(cè)量參數(shù)可分為電位測(cè)定法、電流測(cè)定法、電導(dǎo)測(cè)定法、電壓測(cè)定法和電量測(cè)定法等[18]，該方法具有高的靈敏度。

2 智能手機(jī)檢測(cè)在食品安全方面的應(yīng)用

2.1 食品添加劑的檢測(cè)

圖1 牛奶紙盒微流控裝置(A)、顯色反應(yīng)和 手機(jī)App顏色識(shí)別結(jié)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(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)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(jià)鐵離子和1,10-鄰二氮雜菲相繼反應(yīng)生成紅色絡(luò)合物，并使用智能手機(jī)App檢測(cè)其RGB值進(jìn)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(cè)等)相比，其LOD較低(0.04 μg/L)。

紙基微流控分析通過毛細(xì)管作用控制樣品在親水微通道和疏水壁的流體運(yùn)動(dòng)，無需外力驅(qū)動(dòng)，具有快速精確、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。此外，檢測(cè)試劑在紙上潤(rùn)濕后，經(jīng)干燥便于儲(chǔ)存攜帶，可實(shí)現(xiàn)便攜式檢測(cè)。圖1A為印有紙基微流控裝置的牛奶盒[20]，檢測(cè)區(qū)域固定有比色反應(yīng)試劑，只需加入1滴牛奶樣品至檢測(cè)區(qū)域反應(yīng)，用自編App拍攝結(jié)果并檢測(cè)，如圖1B所示，即可對(duì)樣品中尿素和亞硝酸鹽進(jìn)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(cè)果脯、干貨等食品，自編App分析比色反應(yīng)后的色度值，可對(duì)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(jìn)行定量，結(jié)果令人滿意。智能手機(jī)對(duì)其它食品添加劑的檢測(cè)應(yīng)用見表1[24-28]。

2.2 抗生素的檢測(cè)

抗生素在動(dòng)物飼養(yǎng)場(chǎng)被廣泛用于防止細(xì)菌感染、傳播和促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)，但濫用抗生素會(huì)導(dǎo)致食源性積聚，抗生素殘留會(huì)促使耐藥細(xì)菌產(chǎn)生，給人類健康帶來不利影響[29]。表1列出了智能手機(jī)對(duì)部分抗生素的檢測(cè)應(yīng)用[29-36]。Masawat等[30]開發(fā)了一種App分析牛奶中的四環(huán)素，App包括“Learning”和“Testing”兩個(gè)模塊，先使用“Learning”模塊得出四環(huán)素色度值與濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，再使用“Testing”模塊分析樣品圖像的RGB等色度值，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)可預(yù)測(cè)樣品中四環(huán)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰、易于合成、高度穩(wěn)定。與抗體相比，其具有和待測(cè)物更高的特異性和親和性，可根據(jù)待測(cè)物選擇不同適配體。基于智能手機(jī)應(yīng)用適配體識(shí)別抗生素的實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有很高特異性，可排除其它類型抗生素和食品中雜質(zhì)的干擾。Lin等[34]利用鏈霉素適配體優(yōu)先識(shí)別待測(cè)物，剩余適配體與互補(bǔ)DNA雜交形成雙鏈DNA，再與SYBRGreenI染料結(jié)合。圖2A為用于取代熒光計(jì)的便攜式檢測(cè)裝置，其主要包括智能手機(jī)、放置比色皿的樣品室和波長(zhǎng)為395 nm的紫外燈。紫外燈激發(fā)樣品產(chǎn)生綠色熒光，通過拍攝記錄待測(cè)物熒光信號(hào)，并使用App(圖2B)檢測(cè)RGB中G值，對(duì)雞肉和牛奶中的鏈霉素進(jìn)行定量分析，綠色熒光密度與鏈霉素濃度呈負(fù)相關(guān)，相對(duì)于其它方法，如HPLC-PAD、酶聯(lián)免疫吸附劑測(cè)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(fù)合物為比色法指示劑，使用自制的智能手機(jī)便攜檢測(cè)裝置，對(duì)蜂蜜和牛奶中的鏈霉素進(jìn)行定量檢測(cè)，App將圖像結(jié)果的RGB值轉(zhuǎn)換為檢測(cè)波長(zhǎng)下的吸光度，檢測(cè)結(jié)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(jī)檢測(cè)在食品添加劑和抗生素中的應(yīng)用Table 1 Applications of smartphone-based detection on additives and antibiotics in food

*no data

圖2 智能手機(jī)熒光檢測(cè)裝置(A)及應(yīng)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(jī)的熒光顯微鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[38]Fig.3 Structure of smartphone-based fluorescent microscopic system[38]

2.3 微生物的檢測(cè)

致病性細(xì)菌是污染食品的常見微生物，也是引起集體食物中毒的關(guān)鍵因素?；谥悄苁謾C(jī)的便攜式熒光顯微鏡已應(yīng)用于微生物檢測(cè)，如檢測(cè)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(jī)記錄圖像，再根據(jù)目標(biāo)分析物特征，如尺寸、顏色和熒光強(qiáng)度等，實(shí)現(xiàn)量化檢測(cè)。Wang等[38]開發(fā)出一種可快速靈敏檢測(cè)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(jīng)免疫磁分離和熒光標(biāo)記后注入微流控芯片，通過基于智能手機(jī)的熒光顯微系統(tǒng)(見圖3)在線監(jiān)測(cè)流動(dòng)的熒光斑點(diǎn)，實(shí)時(shí)獲取視頻并將其提取為一系列灰度幀，利用幀間差分法計(jì)算細(xì)菌的數(shù)量，該方法特異性強(qiáng)，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(jié)合，用于捕獲花生牛奶中的金黃色葡萄球菌，再用智能手機(jī)熒光顯微系統(tǒng)進(jìn)行成像和定量檢測(cè)，成像結(jié)果的圖片經(jīng)處理后變得更清晰且有利于檢測(cè)，還能區(qū)分待測(cè)物信號(hào)及背景噪音，LOD低至10 CFU/mL，整個(gè)過程只需10 min。智能手機(jī)檢測(cè)其它致病菌的應(yīng)用見表2[40-47]。

圖4 可檢測(cè)農(nóng)殘的手套[50]Fig.4 Glove for testing pesticide residues[50]

2.4 農(nóng)殘與重金屬的檢測(cè)

農(nóng)藥殘留對(duì)人類健康乃至生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅，是人們對(duì)食品安全關(guān)注的重要內(nèi)容之一。應(yīng)用智能手機(jī)檢測(cè)農(nóng)殘既快速又實(shí)用，不僅降低了檢測(cè)設(shè)備的成本，且結(jié)果重復(fù)性較高[48-49]。古有銀針試毒，今則研發(fā)出可檢測(cè)蔬果中農(nóng)藥甲基對(duì)硫磷和甲基對(duì)氧磷的手套[50](見圖4)。手套食指部分為含有固定化有機(jī)磷水解酶的傳感掃描裝置，包括笑臉狀碳基計(jì)數(shù)器、工作電極和Ag/AgCl參考電極；拇指部分帶有印制的碳?jí)|，觸摸樣品表面采集待測(cè)物，再與食指接觸發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)產(chǎn)生的伏安信號(hào)通過無線通信傳輸至手機(jī)，經(jīng)App顯示檢測(cè)結(jié)果。此裝置實(shí)用性強(qiáng)，適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)殘。Cheng等[51]采用熒光適配體側(cè)流傳感器結(jié)合熒光猝滅納米和智能手機(jī)光譜閱讀器同時(shí)檢測(cè)生菜、蘋果等蔬果中毒死蜱、二嗪磷和馬拉硫磷3種農(nóng)藥殘留量，無需額外電源，適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。智能手機(jī)檢測(cè)其它農(nóng)殘的應(yīng)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(wěn)壓器進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，信號(hào)經(jīng)無線通信傳輸至自編App，實(shí)現(xiàn)對(duì)牛奶與果汁中Cd2+、Pb2+和Hg2+的檢測(cè)，LOD分別為1.1、1.0、1.2 μg/L(見表2)，檢測(cè)結(jié)果與ICP-MS法一致，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可云共享。利用此原理，也可檢測(cè)Cu2+、Zn2+、As3+等其它離子。

表2 基于智能手機(jī)的檢測(cè)在致病菌、農(nóng)殘和重金屬中的應(yīng)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(cè)

黃曲霉毒素具有很強(qiáng)的毒性和致癌性，是中藥和食品存儲(chǔ)不當(dāng)時(shí)極易產(chǎn)生的一類外源性有毒物質(zhì)。Li等[55]開發(fā)了基于智能手機(jī)的黃曲霉毒素B1定量檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由檢測(cè)芯片、便攜式光學(xué)裝置和自編App組成。待測(cè)樣品與微流控芯片通道上的黃曲霉毒素B1抗原發(fā)生間接競(jìng)爭(zhēng)免疫反應(yīng)，再將芯片插入便攜式光學(xué)裝置中拍攝記錄圖像結(jié)果，最后用App快速檢測(cè)圖像的光學(xué)灰度比值。根據(jù)黃曲霉毒素B1濃度與光學(xué)灰度比值呈負(fù)相關(guān)，且在0.5～250 ppb范圍內(nèi)呈線性，用于測(cè)定發(fā)霉玉米中黃曲霉毒素B1含量，結(jié)果與HPLC和商用ELISA檢測(cè)結(jié)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(xì)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(cè)。細(xì)胞活力傳感器由細(xì)胞計(jì)數(shù)試劑盒和兩種活細(xì)胞HepG2與THP-1組成，仿生電子眼為基于智能手機(jī)的比色系統(tǒng)，可看作是小型化的酶標(biāo)儀，包括便攜式光源和實(shí)時(shí)分析細(xì)胞活力傳感器的App。標(biāo)準(zhǔn)化細(xì)胞活力指數(shù)與岡田酸的濃度呈負(fù)相關(guān)，使用HepG2與THP-1檢測(cè)的LOD分別為3.408 3 μg/L和13.445 6 μg/L。該方法對(duì)岡田酸的檢測(cè)特異性強(qiáng)，能與麻痹性貝毒素和神經(jīng)性貝毒素高度區(qū)分，適用于樣品中毒素的初步篩選。智能手機(jī)檢測(cè)其它生物毒素的應(yīng)用見表3[57-66]。

2.6 食物新鮮度的檢測(cè)

食品中具有蛋白質(zhì)水解活性的微生物作用于長(zhǎng)鏈蛋白質(zhì)，將其轉(zhuǎn)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(fā)生氧化脫氨、脫羧和脫硫反應(yīng)，從而產(chǎn)生總揮發(fā)性堿氮、CO2和H2S等[67-69]。上述成分可作為食物新鮮度指標(biāo)用于食品質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。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(lán)色到紅色的變化，采用手機(jī)App檢測(cè)深海魚類及其罐頭制品中的組胺含量，LOD為70 ppm，樣品檢測(cè)結(jié)果與使用專業(yè)圖像處理軟件和光譜法結(jié)果無顯著性差異(P>0.05)。

NFC標(biāo)記技術(shù)標(biāo)簽是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的紙樣共振電路，智能手機(jī)可經(jīng)無接觸交流讀取其儲(chǔ)存的信息。Ma[71]等開發(fā)了基于納米結(jié)構(gòu)的對(duì)甲苯磺酸鹽-聚苯胺(PTS-PAni)，一種用于修飾NFC標(biāo)簽的導(dǎo)電聚合物，作為氣相傳感器能高度靈敏地檢測(cè)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(yīng)，從而增加NFC標(biāo)簽電阻，當(dāng)濃度超出預(yù)設(shè)閾值時(shí)，手機(jī)即可讀出肉類的腐敗情況，LOD可低至5 ppm。智能手機(jī)檢測(cè)食物新鮮度的更多應(yīng)用見表3[72]。

表3 基于智能手機(jī)的檢測(cè)在生物毒素和食品新鮮度中的應(yīng)用Table 3 Applications of smartphone-based detection on biotoxins and freshness in food

3 結(jié)論與展望

基于智能手機(jī)的分析檢測(cè)是眾多學(xué)科巧妙結(jié)合的典范，適當(dāng)?shù)臉悠诽幚砑夹g(shù)和構(gòu)思精巧的小型化便攜裝置與手機(jī)App相得益彰。雖然存在靈敏度略低于常規(guī)分析儀器，裝置通用性有待改善等問題，但應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)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(lián)系[73]，故這項(xiàng)熱門技術(shù)也值得中藥分析領(lǐng)域在未來思考借鑒，例如檢測(cè)中藥中微生物、農(nóng)殘、重金屬和黃曲霉素等有害物質(zhì)，或定性定量分析中藥的有效成分等[74]。隨著時(shí)代的發(fā)展與科技的進(jìn)步，基于智能手機(jī)的檢測(cè)技術(shù)將在分析檢測(cè)領(lǐng)域有著更為廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展機(jī)遇。