基于智能手机检测在食品安全中的应用

刘美廷，李绍平，赵 静

(澳门大学 中华医药研究院，中药质量研究国家重点实验室，澳门 999078)

“科技改变生活”，智能手机(Smartphone)现已成为人们日常生活、工作和学习不可或缺的好帮手。与传统蜂窝手机(Cellphone)相比，智能手机运行系统和操作界面更精细巧妙，配备了多核心处理器和分辨率更高的拍摄镜头。此外，用户可在手机应用商店自行下载安装软件，极大地拓展了智能手机的应用范围。当今，智能手机凭借其独特的便携性和实时检测(Point-of-care testing，POCT)优势，不再局限于人们通话交流和普通的拍摄记录，其在分析检测领域的应用已成为研究热点[1-2]，在医疗诊断[3]、环境监测[4]和食品监督[5]等领域也发挥越来越大的作用。人们不仅可以通过智能手机拍摄记录实验结果，也可用其直接进行数据处理分析，还可以针对实验需求开发应用程序[6]，使得实验装置微型化、分析检测实时化。

食品安全是百姓和舆论高度关注的民生话题。目前，食品的分析检测方法大多为长途寄送样品或现场取样，再使用实验室的大型精密仪器进行操作，耗时长且成本高。基于智能手机的检测技术应用于食品安全领域，优势在于装置易设计、成本低、便于携带、可实时检测。另外，可将实验数据生成条形码[7]或二维码[8]，从而使食品在生产加工、包装储存、运输流通和批发零售等环节得到有效、及时地监督。也可将数据上传至云端共享[9]，或使用物联网(Internet of thing，IoT)[10]和近场通信(Near field communication，NFC)[11]等技术快速获取实验数据。

本文首先概述了基于智能手机的检测原理，并介绍了近5年智能手机检测在食品安全方面的应用，包括食品添加剂、抗生素、微生物、农残与重金属、生物毒素以及食物新鲜度等，以期为相关研究提供参考依据，最后对这项热门技术在分析检测领域中的应用前景进行了展望。

1 基于智能手机的检测原理

智能手机在分析检测领域中可用于控制实验进程、记录并检测实验结果和统计实验数据，其中记录检测功能应用最为广泛。基于智能手机的检测原理是在光学检测或电化学检测中，手机采集待测物质在实验过程中的光信号或电信号，并通过应用程序或软件进行分析和统计，输出实验结果。

光学检测的常见方法包括比色法、荧光法、显微成像和表面等离子体共振等[2]，其中，比色法和荧光法在食品检测中应用较广泛。比色法根据待测成分的色度值(如红绿蓝(RGB)[12]、印刷四色模式(CMYK)[13]、国际照明委员会色度空间(L*a*b*)[14]等)与浓度之间的比例关系进行分析检测。如利用酸碱指示剂的颜色变化检测酸度[15]，基于金属络合物颜色检测重金属[16]等。荧光法是先将待测物质进行荧光标记后，再在一定波长激发光下测定荧光强度，从而实现定性定量分析。此方法灵敏度高，除使用手机应用程序或专业软件进行检测分析外，也可搭建微型光谱装置与手机联用[17]。电化学检测是利用电极与待测物质之间发生的电化学反应，根据测量参数可分为电位测定法、电流测定法、电导测定法、电压测定法和电量测定法等[18]，该方法具有高的灵敏度。

2 智能手机检测在食品安全方面的应用

2.1 食品添加剂的检测

图1 牛奶纸盒微流控装置(A)、显色反应和 手机App颜色识别结果(B)[20]Fig.1 Milk carton with integrated paper-based microfluidic device(A);colorimetry reaction and detection result from App(B)[20]

食品添加剂尤其是非法添加物的过量摄入会对人体健康造成严重影响。Shahvar等[19]使用纤维素纸顶空薄膜微萃取法提取富集酸化后饮料中的亚硫酸盐，并与纤维素纸上3价铁离子和1,10-邻二氮杂菲相继反应生成红色络合物，并使用智能手机App检测其RGB值进行定量。该方法与其它方法(如分散液-液萃取光纤线性阵列检测等)相比，其LOD较低(0.04 μg/L)。

纸基微流控分析通过毛细管作用控制样品在亲水微通道和疏水壁的流体运动，无需外力驱动，具有快速精确、绿色环保等特点。此外，检测试剂在纸上润湿后，经干燥便于储存携带，可实现便携式检测。图1A为印有纸基微流控装置的牛奶盒[20]，检测区域固定有比色反应试剂，只需加入1滴牛奶样品至检测区域反应，用自编App拍摄结果并检测，如图1B所示，即可对样品中尿素和亚硝酸盐进行定性或定量分析，全过程仅约10 min。Fu等[21-23]使用纸基微流控装置检测果脯、干货等食品，自编App分析比色反应后的色度值，可对几种常见防腐剂(如苯甲酸和二氧化硫)以及非法添加物甲醛进行定量，结果令人满意。智能手机对其它食品添加剂的检测应用见表1[24-28]。

2.2 抗生素的检测

抗生素在动物饲养场被广泛用于防止细菌感染、传播和促进动物生长，但滥用抗生素会导致食源性积聚，抗生素残留会促使耐药细菌产生，给人类健康带来不利影响[29]。表1列出了智能手机对部分抗生素的检测应用[29-36]。Masawat等[30]开发了一种App分析牛奶中的四环素，App包括“Learning”和“Testing”两个模块，先使用“Learning”模块得出四环素色度值与浓度的标准曲线并存入数据库，再使用“Testing”模块分析样品图像的RGB等色度值，结合数据库可预测样品中四环素的浓度，方法的LOD与LOQ分别为0.5 μg/mL和1.5 μg/mL。

适配体是一种短序列单链寡核苷酸，结构简单清晰、易于合成、高度稳定。与抗体相比，其具有和待测物更高的特异性和亲和性，可根据待测物选择不同适配体。基于智能手机应用适配体识别抗生素的实时检测，具有很高特异性，可排除其它类型抗生素和食品中杂质的干扰。Lin等[34]利用链霉素适配体优先识别待测物，剩余适配体与互补DNA杂交形成双链DNA，再与SYBRGreenI染料结合。图2A为用于取代荧光计的便携式检测装置，其主要包括智能手机、放置比色皿的样品室和波长为395 nm的紫外灯。紫外灯激发样品产生绿色荧光，通过拍摄记录待测物荧光信号，并使用App(图2B)检测RGB中G值，对鸡肉和牛奶中的链霉素进行定量分析，绿色荧光密度与链霉素浓度呈负相关，相对于其它方法，如HPLC-PAD、酶联免疫吸附剂测定(ELISA)等，该方法具有更宽的线性范围(0.1～100 μmol/L)，LOD为94 nmol/L。Liu等[35]以链霉素适配体-纳米金粒子复合物为比色法指示剂，使用自制的智能手机便携检测装置，对蜂蜜和牛奶中的链霉素进行定量检测，App将图像结果的RGB值转换为检测波长下的吸光度，检测结果(315.05 nmol/L)与LC-MS法(314.26 nmol/L)相比无显著性差异。

表1 基于智能手机检测在食品添加剂和抗生素中的应用Table 1 Applications of smartphone-based detection on additives and antibiotics in food

*no data

图2 智能手机荧光检测装置(A)及应用 程序示意图(B)[34]Fig.2 Smartphone-based fluorometry device(A) and App diagram(B)[34]

图3 基于智能手机的荧光显微镜系统结构[38]Fig.3 Structure of smartphone-based fluorescent microscopic system[38]

2.3 微生物的检测

致病性细菌是污染食品的常见微生物，也是引起集体食物中毒的关键因素。基于智能手机的便携式荧光显微镜已应用于微生物检测，如检测水样中诺如病毒[37]。其过程是在显微镜下观察微生物，采用智能手机记录图像，再根据目标分析物特征，如尺寸、颜色和荧光强度等，实现量化检测。Wang等[38]开发出一种可快速灵敏检测苹果汁中鼠伤寒沙门氏菌的生物传感器，鼠伤寒沙门氏菌经免疫磁分离和荧光标记后注入微流控芯片，通过基于智能手机的荧光显微系统(见图3)在线监测流动的荧光斑点，实时获取视频并将其提取为一系列灰度帧，利用帧间差分法计算细菌的数量，该方法特异性强，LOD为58 CFU/mL。Shrivastava等[39]将耐药性金黄色葡萄球菌适配体与荧光磁性纳米颗粒相结合，用于捕获花生牛奶中的金黄色葡萄球菌，再用智能手机荧光显微系统进行成像和定量检测，成像结果的图片经处理后变得更清晰且有利于检测，还能区分待测物信号及背景噪音，LOD低至10 CFU/mL，整个过程只需10 min。智能手机检测其它致病菌的应用见表2[40-47]。

图4 可检测农残的手套[50]Fig.4 Glove for testing pesticide residues[50]

2.4 农残与重金属的检测

农药残留对人类健康乃至生态系统造成严重威胁，是人们对食品安全关注的重要内容之一。应用智能手机检测农残既快速又实用，不仅降低了检测设备的成本，且结果重复性较高[48-49]。古有银针试毒，今则研发出可检测蔬果中农药甲基对硫磷和甲基对氧磷的手套[50](见图4)。手套食指部分为含有固定化有机磷水解酶的传感扫描装置，包括笑脸状碳基计数器、工作电极和Ag/AgCl参考电极；拇指部分带有印制的碳垫，触摸样品表面采集待测物，再与食指接触发生电化学反应；反应产生的伏安信号通过无线通信传输至手机，经App显示检测结果。此装置实用性强，适用于现场检测有机磷农残。Cheng等[51]采用荧光适配体侧流传感器结合荧光猝灭纳米和智能手机光谱阅读器同时检测生菜、苹果等蔬果中毒死蜱、二嗪磷和马拉硫磷3种农药残留量，无需额外电源，适用于现场检测。智能手机检测其它农残的应用见表2[52-53]。

重金属污染是食品安全的另一重要问题。Zhang等[54]使用纳米金修饰电极和自制稳压器进行电化学反应，信号经无线通信传输至自编App，实现对牛奶与果汁中Cd2+、Pb2+和Hg2+的检测，LOD分别为1.1、1.0、1.2 μg/L(见表2)，检测结果与ICP-MS法一致，实验数据可云共享。利用此原理，也可检测Cu2+、Zn2+、As3+等其它离子。

表2 基于智能手机的检测在致病菌、农残和重金属中的应用Table 2 Applications of smartphone-based detection on microorganisms,pesticide residues and heavy metals in food

*no data

2.5 生物毒素的检测

黄曲霉毒素具有很强的毒性和致癌性，是中药和食品存储不当时极易产生的一类外源性有毒物质。Li等[55]开发了基于智能手机的黄曲霉毒素B1定量检测系统，该系统由检测芯片、便携式光学装置和自编App组成。待测样品与微流控芯片通道上的黄曲霉毒素B1抗原发生间接竞争免疫反应，再将芯片插入便携式光学装置中拍摄记录图像结果，最后用App快速检测图像的光学灰度比值。根据黄曲霉毒素B1浓度与光学灰度比值呈负相关，且在0.5～250 ppb范围内呈线性，用于测定发霉玉米中黄曲霉毒素B1含量，结果与HPLC和商用ELISA检测结果具有良好一致性。

冈田酸及其衍生物是常见的腹泻性贝毒素，Su等[56]将细胞活力传感器和仿生电子眼用于贻贝中冈田酸的快速检测。细胞活力传感器由细胞计数试剂盒和两种活细胞HepG2与THP-1组成，仿生电子眼为基于智能手机的比色系统，可看作是小型化的酶标仪，包括便携式光源和实时分析细胞活力传感器的App。标准化细胞活力指数与冈田酸的浓度呈负相关，使用HepG2与THP-1检测的LOD分别为3.408 3 μg/L和13.445 6 μg/L。该方法对冈田酸的检测特异性强，能与麻痹性贝毒素和神经性贝毒素高度区分，适用于样品中毒素的初步筛选。智能手机检测其它生物毒素的应用见表3[57-66]。

2.6 食物新鲜度的检测

食品中具有蛋白质水解活性的微生物作用于长链蛋白质，将其转化为分子量更小的化合物，如游离氨基酸，这些氨基酸很容易发生氧化脱氨、脱羧和脱硫反应，从而产生总挥发性碱氮、CO2和H2S等[67-69]。上述成分可作为食物新鲜度指标用于食品质量的监测。Li等[70]基于加样后的二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱/聚二乙炔(DMPC/PDA)囊泡比色试纸从蓝色到红色的变化，采用手机App检测深海鱼类及其罐头制品中的组胺含量，LOD为70 ppm，样品检测结果与使用专业图像处理软件和光谱法结果无显著性差异(P>0.05)。

NFC标记技术标签是一种经济实惠的纸样共振电路，智能手机可经无接触交流读取其储存的信息。Ma[71]等开发了基于纳米结构的对甲苯磺酸盐-聚苯胺(PTS-PAni)，一种用于修饰NFC标签的导电聚合物，作为气相传感器能高度灵敏地检测肉类中氨、腐胺和尸胺浓度。腐败肉类释放的生物胺气体与PTS-PAni反应，从而增加NFC标签电阻，当浓度超出预设阈值时，手机即可读出肉类的腐败情况，LOD可低至5 ppm。智能手机检测食物新鲜度的更多应用见表3[72]。

表3 基于智能手机的检测在生物毒素和食品新鲜度中的应用Table 3 Applications of smartphone-based detection on biotoxins and freshness in food

3 结论与展望

基于智能手机的分析检测是众多学科巧妙结合的典范，适当的样品处理技术和构思精巧的小型化便携装置与手机App相得益彰。虽然存在灵敏度略低于常规分析仪器，装置通用性有待改善等问题，但应用于实时检测食品安全仍具有巨大潜力。食物与中药从古至今有着密切的联系[73]，故这项热门技术也值得中药分析领域在未来思考借鉴，例如检测中药中微生物、农残、重金属和黄曲霉素等有害物质，或定性定量分析中药的有效成分等[74]。随着时代的发展与科技的进步，基于智能手机的检测技术将在分析检测领域有着更为广阔的应用前景和发展机遇。