快速、移动检测：分析工作者的新关注点
——访清华大学分析中心林金明教授
【导语】智能手机和Pad的出现伴随爆炸性的增长，再造了新时代的IT业；各种突发的食品、环境、药品等生产和流通环节的分散性，让一直使用传统实验室精密检测技术的分析工作者们也常常“英雄气短”。借鉴其它行业的发展，面对食品、环境、药品等检测领域的新挑战，众多分析领域的科学家和设备供应商，都不约而同地将目光投向一个新的、潜力巨大的市场——快速、移动检测。不久前，本网小编就该领域的发展采访到清华大学分析中心主任林金明教授，他结合自己实验室的研究工作，并展望新的研究方向指出：快速、移动检测，是未来十年甚至更长时期内分析工作者需要关注的研究方向之一，有望通过广大分析工作者的共同努力，实现样品分析的快速、移动检测，使分析化学研究成果更好地服务于社会、服务于国民经济的发展。
清华大学分析中心主任 林金明教授
准确、快速的检测一直是分析化学研究的主要目标
众所周知，在快速、移动检测的仪器和方法方面，有如下一些特殊要求和关键词：快速、实时、稳定、小型化、使用方便、快速的前处理。当然，移动检测也有一些和实验室大型仪器和方法同样的要求：准确性、高灵敏度、高选择性、高通量等等。
林金明教授首先谈到自己的工作和快速检测、移动检测的关系。他主要谈到三方面的工作，有些已成功地应用到产业领域，有些仍处于前沿科学研究领域。
化学发光分析
林金明教授于2001年从日本回国，之后到2011年十年的时间里，一直致力于化学发光以及化学发光免疫分析方法的研究，并编写了《化学发光基础理论与应用》以及《化学发光免疫分析》两部著作，系统、全面地介绍了化学发光免疫分析的原理、应用和进展。
林金明教授介绍说，“化学发光免疫分析在过去的10多年中得到不断的普及，已广泛地应用于临床、食品、环境等检测；我们的技术也通过与企业合作，较好地应用于临床检测，比如癌症、传染病以及内分泌等疾病标记物的检测。”
在临床方面，林金明教授通过10年的研究，实现了不同疾病标记物的检测，与相关企业合作，把疾病标记物的化学发光免疫检测做成系列的产品，并推广到临床应用领域，同时也使原来只能依赖进口的化学发光试剂及仪器的价格大幅下降。
在食品安全移动检测方面，林金明教授谈到：化学发光分析具有灵敏度高、快速、仪器简单等特点，可以满足快速、现场检测的需求。医院临床检测时，样本可集中到某个地方(如使用大型设备)检测，但食品分散在不同的角落，比如不同的食品厂家、不同的食品销售点、不同的食品消费点，这就需要一些小型、快速的设备装置，灵敏、准确的方法和技术。根据自己十几年积累的经验，林金明教授表示：“化学发光分析技术已经比较成熟，完全有可能推广到食品检测领域；另外，除了化学发光，还可加入ATP生物发光技术来测定细菌和病毒等，这就可以做成小型、便携式装置，拿来就测，目前国内外有不少专家在致力于这一领域的研究与技术开发。”
林金明教授实验室还用化学/生物发光免疫技术测定环境中水的菌落，如对大肠杆菌进行定量检测。在食品移动检测领域，开发了牛奶中细菌、玉米样品中的黄曲霉毒素B1等的检测技术。在海洋监测方面，开发了一种全自动化学发光检测装置，可以现场检测海水中微量酚类和腐殖酸，初步应用于海洋环境污染物的现场、快速检测，仪器经过适当的改进，也可以应用于湖泊、江河等陆地水中酚类和腐殖酸的现场检测。
在仪器开发研制方面，林金明教授说：“从化学发光的原理上来讲，它适合小型化，因为它不需要光源，只需要一个小型的光电倍增管，仪器设备简单，所以最近我们正在与企业合作，争取能够研制更多有实际应用价值的化学发光检测仪器。”
微流控芯片
细胞分析对于生命科学的研究非常重要，成为科学研究的前沿领域之一。近年来，林金明教授实验室致力于微流控芯片质谱联用细胞分析方法的研究。利用微流控芯片可研究细胞的生命过程、细胞之间的相互作用、细胞对药物的代谢作用、研究生长环境对细胞的影响等。
比如，用微流控芯片可构建细胞培养的微环境，研究细胞的生物学过程，将某些化学物质作用于细胞，研究其和细胞相互作用后产生的物质，再来检测这些物质。比如可以将微流控芯片的研究和临床相结合，解释肿瘤细胞的形成机理，研究如何抑制肿瘤细胞的形成等。微流控芯片技术在新药开发和疾病诊断方面都有非常诱人的前景，将吸引更多的学者参与这一领域的研究。
样品前处理
样品前处理是分析化学研究的重要组成部分，林金明教授十分重视复杂样品前处理研究。研究成果两次获得“中国分析测试协会科学技术奖(CAIA奖)”一等奖。林金明教授表示：分析化学一个极其重要的工作是样品前处理。他举了一个和我们每个家庭息息相关的例子：天然气需要进行样品前处理后才能民用，如果家里的天然气燃烧时是蓝色的，说明处理的比较好；而如果处理过程中没有脱盐，或包含铅、汞等重金属物质，那么燃烧时就不是蓝色。而检测天然气中的这些有害物质，需要用到固相萃取技术、通常会用到一些新型功能材料和特殊技术，如膜萃取技术、固相微萃取技术等。林金明教授实验室发展了一系列方法，来检测其中的无机元素和有机杂质。
林金明教授还举例了用前处理技术富集环境水中的雌激素、双酚A等进行检测。他们采用分散固相萃取或者固相微萃取技术，使待测样品成分富集于功能材料上，实现样品的现场采集与富集。这种前处理设备是可移动的，属于移动实验室的范畴。
总结实验室三各主要研究方向，林金明教授说：“我们实验室在化学发光以及化学发光免疫分析方面积累了十多年的经验，过去十年主要用于临床，目前正努力把该技术应用于食品检测上，比如细菌、黄曲霉毒素等。我们正在积极探索微流控芯片的应用，比如用微流控芯片与化学发光、荧光、质谱等高灵敏度检测技术进行联用，通过对细胞共培养和代谢物的检测，揭示细胞的药物代谢、细胞信息转导等，并开发快速的细胞诊断方法。在微流控芯片上进行超微量样品前处理方面，我们可以采用分子印迹、固相微萃取、液滴萃取等技术。尽管目前研究工作还处于起步阶段，但是很有用意义，属于交叉学科的研究内容。
对于移动、快速检测的新市场，林金明教授还分享了自己的一些观点。
首先，对于可移动的仪器来讲，准确性和稳定性是最重要的，因为需要变换不同的场所，需要移动、搬运，在此过程中要求更稳定。如果仪器设计得过于追求精密而不够稳定，那么测试方法的可靠性就难以保证。
其次要小型化，小型化的前提是要适合模块集成，这样在搬运的过程中不容易损坏。
另外，抗干扰能力要比较强，目前并不是所有的方法都适合用移动的仪器来做检测。
就现在的市场而言，设备稍大一点儿的常设计为车载；还有些需要在移动的过程中实现监控，比如多点采样、连续监控，这时也可以做成车载式的。对于食品检测，便携式、手提式的更合适。另外试纸类的方法也是一个很好的发展方向，因为降低了操作者的使用难度；不过试纸法需选择合适的检测方法，目前和试纸匹配的一种好方法是光学显色法。
在快速检测方面，林金明教授举例谈到了几大应用：一是临床上的快速检测，追求在几分钟或十几分钟之内完成。另一方面是食品的快速检测，有些食品已经变化了，几天才能出结果也达不到实时监控的目的。在环境污染物监测方面，也需要快速检测、现场出结果，对于污染物排放的监控起到重要作用。
谈到快速检测的意义和发展状况，林金明教授表示：快速检测一直是分析化学研究的重要内容之一。不过林金明教授也提到了一种现象，对于许多分析对象，实现快速分析，难度还是比较大。实际工作中很大的样品量、需要花费的大量检测时间。所以，分析化学科研人员不管是仪器研制还是分析方法研究，除了考虑高灵敏度、高选择性外，还要进一步考虑快速、稳定、使用方便。
已存在的各种快速、移动检测技术有那些特点?
对于这个问题，林金明教授谈到以下几个方面：
移动检测仪器要达到高性能，通常需要采用和大型仪器不同的新原理新技术。
移动检测的仪器需要小型化，便于移动。小型化必然要涉及到核心部件，比如光学仪器中的分光系统，而可移动仪器的分光系统要想做到像实验室那样的装置，是非常困难的。这时必须要有新的原理、或新的材料、新的技术，使得仪器小型化后还有高性能。“比如我们正在做的微流控芯片，它把样品的前处理、分离、检测的整套部件，集成到一个小型的、只有手机大小的基于芯片的装置上。以前的样品前处理需要一台大设备、高泵压，现在不需要了；以前的分离需要10-20cm长的色谱柱，现在集成在1-2cm长的分离通道上，只需填充一些高性能材料、或在通道上直接进行修饰，就可以进行分离；以前检测要用很大的光电倍增管，现在只需要一个微小的光敏材料器件(比如CCD或其它材料)。随着技术、材料以及光电转化技术的发展，仪器会越来越小。”
目测法
移动检测的另一大领域是用目测法，最简单的比如pH试纸。再比如妊娠检查使用HCG(绒毛膜促性腺激素)看条带变化，随着胶体纳米技术的发展，胶体金得到了很好的应用，出现了更快速方便的胶体金试纸法。林老师这时拿出一张试纸说：“这是一张测油试纸，可以用来快速测定油中的过氧化物。如果油反复榨,用得次数多了，过氧化的有机化合物含量会增高，把油滴到这张试纸上，就可以显示出油的品质，是初次使用还是经过反复使用的。”
除了试纸，还可用毛细管。“你可以在一根很细的毛细管上开展很多研究。比如，用毛细管鉴别纯净水和矿泉水。”一边说着，林金明教授把两根毛细管分别插入到一瓶纯净水和一瓶矿泉水中，结果显示，插入矿泉水的毛细管中水柱更高。原来，矿泉水中的含矿物质比较高，而纯净水几乎不含矿物质。含矿物质越高，水对玻璃的表面张力越大，在毛细管中水柱的高度也就越高。如果是酒，水柱比纯净水更低。利用毛细管中上升水柱的高度不同，可直接测量出水的密度；而如果把毛细管发明成一个很简单的装置放在仪器里边，就是一个很好的检测设备。“科学并不是那么神秘，把物理、化学、生物学的原理搞清楚了，就可以变出各种各样的检测技术。”想必林金明教授常用这种演示神奇现象的方法来激发清华学子的兴趣和创造力吧。
对于如何设计和选择快速、移动检测方法，林金明教授表示：最好是根据原理做成眼睛可以看到的一些便携仪器。如果达不到这个状态，可做成带数据显示的小型设备。目前中国在集中开展该领域的研究和应用，可以把试纸、试剂、毛细管等新技术都用上来；从普通的测试到高精度检测，光、电、生物、物理的手段都能用得上。以前大家注重论文，现在要更注重论文和应用相结合，在坚实的基础理论指导下，研制具有实际应用价值的分析仪器，开发相应的分析方法。
快速、移动检测的发展趋势
谈到趋势，林金明教授首先表示：“再先进的科学仪器也需要不断改进和提高，对于快速、移动检测市场出现的新需求，我们一定会看到仪器会不断改进、不断提高。”
首先，追求更好、更准确，是对所有仪器发展的要求。移动检测领域有一些设备或耗材一次性使用的，就是追求更好、更准确。另外一些需要长期反复使用，还需要追求持久耐用。
在快速、移动检测的现有市场上，林金明教授认为，目前用得最好的还是试纸条，还有一些手提式测定细菌的用得也比较广泛。林金明教授风趣地说道：“我最近看到一种测PM2.5的设备很不错，体积比矿泉水瓶还小，可以放在烤羊肉串摊附近，开始PM2.5是70，烟一飘过来，PM2.5的数值马上就上去了，有时甚至超过500，响应速度快、准确、灵敏、非常方便操作。”
谈到未来，林金明教授表示，“研究要服务于社会，我们一定会继续紧跟国家和社会的需求，同时结合我们自己的专业背景开展科研工作。比如化学发光技术比较有利于开发移动测量仪器，我们在此方面积累了一些经验”。
林金明教授还特别提到自己在食品安全快速、移动检测方面的计划，他说：“在食品安全方面开发快速、可移动、小型化、现场的仪器和检测技术，是我们实验室未来的一个重要方向。比如化学发光分析方面，要从临床转移到食品检测应用上，我们还处在起步阶段。食品和临床检测不同的是，临床有些是大分子和蛋白质，食品上大部分添加的物质是小分子，小分子要变成发光免疫来测，必须要知道半抗原和免疫的原理。另外食品的样品处理和人体体液样品处理是不一样的，临床检测一般用血液、尿液；食品有些是固体、半固体的状态，相对来说前处理会复杂一些。但正因为食品安全比临床诊断研究更困难、更复杂，才更吸引我们下更大的功夫去研究，因为我们更喜欢面对困难，更喜欢迎接挑战。”
