快速、移動檢測：分析工作者的新關注點

　　——訪清華大學分析中心林金明教授

　　【導語】智能手機和Pad的出現伴隨爆炸性的增長，再造了新時代的IT業；各種突發的食品、環境、藥品等生產和流通環節的分散性，讓一直使用傳統實驗室精密檢測技術的分析工作者們也常常“英雄氣短”。借鑒其它行業的發展，面對食品、環境、藥品等檢測領域的新挑戰，眾多分析領域的科學家和設備供應商，都不約而同地將目光投向一個新的、潛力巨大的市場——快速、移動檢測。不久前，本網小編就該領域的發展采訪到清華大學分析中心主任林金明教授，他結合自己實驗室的研究工作，并展望新的研究方向指出：快速、移動檢測，是未來十年甚至更長時期內分析工作者需要關注的研究方向之一，有望通過廣大分析工作者的共同努力，實現樣品分析的快速、移動檢測，使分析化學研究成果更好地服務于社會、服務于國民經濟的發展。

清華大學分析中心主任 林金明教授

準確、快速的檢測一直是分析化學研究的主要目標

　　眾所周知，在快速、移動檢測的儀器和方法方面，有如下一些特殊要求和關鍵詞：快速、實時、穩定、小型化、使用方便、快速的前處理。當然，移動檢測也有一些和實驗室大型儀器和方法同樣的要求：準確性、高靈敏度、高選擇性、高通量等等。

　　林金明教授首先談到自己的工作和快速檢測、移動檢測的關系。他主要談到三方面的工作，有些已成功地應用到產業領域，有些仍處于前沿科學研究領域。

　　化學發光分析

　　林金明教授于2001年從日本回國，之后到2011年十年的時間里，一直致力于化學發光以及化學發光免疫分析方法的研究，并編寫了《化學發光基礎理論與應用》以及《化學發光免疫分析》兩部著作，系統、全面地介紹了化學發光免疫分析的原理、應用和進展。

　　林金明教授介紹說，“化學發光免疫分析在過去的10多年中得到不斷的普及，已廣泛地應用于臨床、食品、環境等檢測；我們的技術也通過與企業合作，較好地應用于臨床檢測，比如癌癥、傳染病以及內分泌等疾病標記物的檢測。”

　　在臨床方面，林金明教授通過10年的研究，實現了不同疾病標記物的檢測，與相關企業合作，把疾病標記物的化學發光免疫檢測做成系列的產品，并推廣到臨床應用領域，同時也使原來只能依賴進口的化學發光試劑及儀器的價格大幅下降。

　　在食品安全移動檢測方面，林金明教授談到：化學發光分析具有靈敏度高、快速、儀器簡單等特點，可以滿足快速、現場檢測的需求。醫院臨床檢測時，樣本可集中到某個地方(如使用大型設備)檢測，但食品分散在不同的角落，比如不同的食品廠家、不同的食品銷售點、不同的食品消費點，這就需要一些小型、快速的設備裝置，靈敏、準確的方法和技術。根據自己十幾年積累的經驗，林金明教授表示：“化學發光分析技術已經比較成熟，完全有可能推廣到食品檢測領域；另外，除了化學發光，還可加入ATP生物發光技術來測定細菌和病毒等，這就可以做成小型、便攜式裝置，拿來就測，目前國內外有不少專家在致力于這一領域的研究與技術開發。”

　　林金明教授實驗室還用化學/生物發光免疫技術測定環境中水的菌落，如對大腸桿菌進行定量檢測。在食品移動檢測領域，開發了牛奶中細菌、玉米樣品中的黃曲霉毒素B1等的檢測技術。在海洋監測方面，開發了一種全自動化學發光檢測裝置，可以現場檢測海水中微量酚類和腐殖酸，初步應用于海洋環境污染物的現場、快速檢測，儀器經過適當的改進，也可以應用于湖泊、江河等陸地水中酚類和腐殖酸的現場檢測。

　　在儀器開發研制方面，林金明教授說：“從化學發光的原理上來講，它適合小型化，因為它不需要光源，只需要一個小型的光電倍增管，儀器設備簡單，所以最近我們正在與企業合作，爭取能夠研制更多有實際應用價值的化學發光檢測儀器。”

　　微流控芯片

　　細胞分析對于生命科學的研究非常重要，成為科學研究的前沿領域之一。近年來，林金明教授實驗室致力于微流控芯片質譜聯用細胞分析方法的研究。利用微流控芯片可研究細胞的生命過程、細胞之間的相互作用、細胞對藥物的代謝作用、研究生長環境對細胞的影響等。

　　比如，用微流控芯片可構建細胞培養的微環境，研究細胞的生物學過程，將某些化學物質作用于細胞，研究其和細胞相互作用后產生的物質，再來檢測這些物質。比如可以將微流控芯片的研究和臨床相結合，解釋腫瘤細胞的形成機理，研究如何抑制腫瘤細胞的形成等。微流控芯片技術在新藥開發和疾病診斷方面都有非常誘人的前景，將吸引更多的學者參與這一領域的研究。

　　樣品前處理

　　樣品前處理是分析化學研究的重要組成部分，林金明教授十分重視復雜樣品前處理研究。研究成果兩次獲得“中國分析測試協會科學技術獎(CAIA獎)”一等獎。林金明教授表示：分析化學一個極其重要的工作是樣品前處理。他舉了一個和我們每個家庭息息相關的例子：天然氣需要進行樣品前處理后才能民用，如果家里的天然氣燃燒時是藍色的，說明處理的比較好；而如果處理過程中沒有脫鹽，或包含鉛、汞等重金屬物質，那么燃燒時就不是藍色。而檢測天然氣中的這些有害物質，需要用到固相萃取技術、通常會用到一些新型功能材料和特殊技術，如膜萃取技術、固相微萃取技術等。林金明教授實驗室發展了一系列方法，來檢測其中的無機元素和有機雜質。

　　林金明教授還舉例了用前處理技術富集環境水中的雌激素、雙酚A等進行檢測。他們采用分散固相萃取或者固相微萃取技術，使待測樣品成分富集于功能材料上，實現樣品的現場采集與富集。這種前處理設備是可移動的，屬于移動實驗室的范疇。

　　總結實驗室三各主要研究方向，林金明教授說：“我們實驗室在化學發光以及化學發光免疫分析方面積累了十多年的經驗，過去十年主要用于臨床，目前正努力把該技術應用于食品檢測上，比如細菌、黃曲霉毒素等。我們正在積極探索微流控芯片的應用，比如用微流控芯片與化學發光、熒光、質譜等高靈敏度檢測技術進行聯用，通過對細胞共培養和代謝物的檢測，揭示細胞的藥物代謝、細胞信息轉導等，并開發快速的細胞診斷方法。在微流控芯片上進行超微量樣品前處理方面，我們可以采用分子印跡、固相微萃取、液滴萃取等技術。盡管目前研究工作還處于起步階段，但是很有用意義，屬于交叉學科的研究內容。

　　對于移動、快速檢測的新市場，林金明教授還分享了自己的一些觀點。

　　首先，對于可移動的儀器來講，準確性和穩定性是最重要的，因為需要變換不同的場所，需要移動、搬運，在此過程中要求更穩定。如果儀器設計得過于追求精密而不夠穩定，那么測試方法的可靠性就難以保證。

　　其次要小型化，小型化的前提是要適合模塊集成，這樣在搬運的過程中不容易損壞。

　　另外，抗干擾能力要比較強，目前并不是所有的方法都適合用移動的儀器來做檢測。

　　就現在的市場而言，設備稍大一點兒的常設計為車載；還有些需要在移動的過程中實現監控，比如多點采樣、連續監控，這時也可以做成車載式的。對于食品檢測，便攜式、手提式的更合適。另外試紙類的方法也是一個很好的發展方向，因為降低了操作者的使用難度；不過試紙法需選擇合適的檢測方法，目前和試紙匹配的一種好方法是光學顯色法。

　　在快速檢測方面，林金明教授舉例談到了幾大應用：一是臨床上的快速檢測，追求在幾分鐘或十幾分鐘之內完成。另一方面是食品的快速檢測，有些食品已經變化了，幾天才能出結果也達不到實時監控的目的。在環境污染物監測方面，也需要快速檢測、現場出結果，對于污染物排放的監控起到重要作用。

　　談到快速檢測的意義和發展狀況，林金明教授表示：快速檢測一直是分析化學研究的重要內容之一。不過林金明教授也提到了一種現象，對于許多分析對象，實現快速分析，難度還是比較大。實際工作中很大的樣品量、需要花費的大量檢測時間。所以，分析化學科研人員不管是儀器研制還是分析方法研究，除了考慮高靈敏度、高選擇性外，還要進一步考慮快速、穩定、使用方便。

已存在的各種快速、移動檢測技術有那些特點?

　　對于這個問題，林金明教授談到以下幾個方面：

　　移動檢測儀器要達到高性能，通常需要采用和大型儀器不同的新原理新技術。

　　移動檢測的儀器需要小型化，便于移動。小型化必然要涉及到核心部件，比如光學儀器中的分光系統，而可移動儀器的分光系統要想做到像實驗室那樣的裝置，是非常困難的。這時必須要有新的原理、或新的材料、新的技術，使得儀器小型化后還有高性能。“比如我們正在做的微流控芯片，它把樣品的前處理、分離、檢測的整套部件，集成到一個小型的、只有手機大小的基于芯片的裝置上。以前的樣品前處理需要一臺大設備、高泵壓，現在不需要了；以前的分離需要10-20cm長的色譜柱，現在集成在1-2cm長的分離通道上，只需填充一些高性能材料、或在通道上直接進行修飾，就可以進行分離；以前檢測要用很大的光電倍增管，現在只需要一個微小的光敏材料器件(比如CCD或其它材料)。隨著技術、材料以及光電轉化技術的發展，儀器會越來越小。”

　　目測法

　　移動檢測的另一大領域是用目測法，最簡單的比如pH試紙。再比如妊娠檢查使用HCG(絨毛膜促性腺激素)看條帶變化，隨著膠體納米技術的發展，膠體金得到了很好的應用，出現了更快速方便的膠體金試紙法。林老師這時拿出一張試紙說：“這是一張測油試紙，可以用來快速測定油中的過氧化物。如果油反復榨,用得次數多了，過氧化的有機化合物含量會增高，把油滴到這張試紙上，就可以顯示出油的品質，是初次使用還是經過反復使用的。”

　　除了試紙，還可用毛細管。“你可以在一根很細的毛細管上開展很多研究。比如，用毛細管鑒別純凈水和礦泉水。”一邊說著，林金明教授把兩根毛細管分別插入到一瓶純凈水和一瓶礦泉水中，結果顯示，插入礦泉水的毛細管中水柱更高。原來，礦泉水中的含礦物質比較高，而純凈水幾乎不含礦物質。含礦物質越高，水對玻璃的表面張力越大，在毛細管中水柱的高度也就越高。如果是酒，水柱比純凈水更低。利用毛細管中上升水柱的高度不同，可直接測量出水的密度；而如果把毛細管發明成一個很簡單的裝置放在儀器里邊，就是一個很好的檢測設備。“科學并不是那么神秘，把物理、化學、生物學的原理搞清楚了，就可以變出各種各樣的檢測技術。”想必林金明教授常用這種演示神奇現象的方法來激發清華學子的興趣和創造力吧。

　　對于如何設計和選擇快速、移動檢測方法，林金明教授表示：最好是根據原理做成眼睛可以看到的一些便攜儀器。如果達不到這個狀態，可做成帶數據顯示的小型設備。目前中國在集中開展該領域的研究和應用，可以把試紙、試劑、毛細管等新技術都用上來；從普通的測試到高精度檢測，光、電、生物、物理的手段都能用得上。以前大家注重論文，現在要更注重論文和應用相結合，在堅實的基礎理論指導下，研制具有實際應用價值的分析儀器，開發相應的分析方法。

快速、移動檢測的發展趨勢

　　談到趨勢，林金明教授首先表示：“再先進的科學儀器也需要不斷改進和提高，對于快速、移動檢測市場出現的新需求，我們一定會看到儀器會不斷改進、不斷提高。”

　　首先，追求更好、更準確，是對所有儀器發展的要求。移動檢測領域有一些設備或耗材一次性使用的，就是追求更好、更準確。另外一些需要長期反復使用，還需要追求持久耐用。

　　在快速、移動檢測的現有市場上，林金明教授認為，目前用得最好的還是試紙條，還有一些手提式測定細菌的用得也比較廣泛。林金明教授風趣地說道：“我最近看到一種測PM2.5的設備很不錯，體積比礦泉水瓶還小，可以放在烤羊肉串攤附近，開始PM2.5是70，煙一飄過來，PM2.5的數值馬上就上去了，有時甚至超過500，響應速度快、準確、靈敏、非常方便操作。”

　　談到未來，林金明教授表示，“研究要服務于社會，我們一定會繼續緊跟國家和社會的需求，同時結合我們自己的專業背景開展科研工作。比如化學發光技術比較有利于開發移動測量儀器，我們在此方面積累了一些經驗”。

　　林金明教授還特別提到自己在食品安全快速、移動檢測方面的計劃，他說：“在食品安全方面開發快速、可移動、小型化、現場的儀器和檢測技術，是我們實驗室未來的一個重要方向。比如化學發光分析方面，要從臨床轉移到食品檢測應用上，我們還處在起步階段。食品和臨床檢測不同的是，臨床有些是大分子和蛋白質，食品上大部分添加的物質是小分子，小分子要變成發光免疫來測，必須要知道半抗原和免疫的原理。另外食品的樣品處理和人體體液樣品處理是不一樣的，臨床檢測一般用血液、尿液；食品有些是固體、半固體的狀態，相對來說前處理會復雜一些。但正因為食品安全比臨床診斷研究更困難、更復雜，才更吸引我們下更大的功夫去研究，因為我們更喜歡面對困難，更喜歡迎接挑戰。”