——访北京市科学技术研究院分析测试研究所杜美红博士/研究员
食源性致病菌是导致食品安全问题的重要污染来源，由其引发的公共卫生安全事件时有发生，严重危害消费者身体健康和生命安全。因此，食源性致病菌备受世界各国关注，迫切需要建立食源性致病菌的快速筛查方法，及时有效地对食品安全事件做出响应。目前，国内外食源性致病菌检测主要采用经典的平板培养检测方法，一般需要3-5天才能完成检测。虽然快速检测新技术不断涌现，但其样品前处理依然依赖于经典的培养方法，过程极其复杂、费时费力，快检技术优势不能得到发挥，应用受限。专注食品微生物检测技术十余年的杜美红研究员迎难而上，研发了免疫磁分离试剂、磁分离前处理方法、磁分离前处理工作站“试剂-方法-仪器” 为一体的食品微生物快速检测样品前处理解决方案，快速、高效、准确，并成功地实现企业转化。近日，分析测试百科采访了北京市科学技术研究院分析测试研究所（北京市理化分析测试中心）（以下简称：分析测试所）杜美红博士，请她分享了团队在开发该解决方案的特点和研发中的酸甜苦辣，并展望了未来我国食品安全微生物检测面临的主要挑战和机遇。
图1 北京市科学技术研究院分析测试研究所杜美红博士/研究员
杜美红曾在中国农业大学生物学院生物化学与分子生物学系攻读博士学位，师从李赞东教授；农大生物学院先进的学术思想，浓烈的科研氛围，培养和塑造了杜美红的科研思想和孜孜以求的探索精神。博士毕业后，杜美红申请成为中国科学院化学研究所与北京市科学技术研究院联合培养博士后，在导师高明远研究员的严格指导下，确立了纳米免疫磁珠在食品微生物快速检测中的应用研究方向，并在分析测试所生物技术部开展了博士后研究工作，就此开始了食品微生物快速检测技术的应用研究。
食源性致病菌常引起重大公共安全问题的发生，危害消费者生命安全和身体健康，对食源性致病菌的监管是国家公共卫生安全领域的重大需求，而高效快速的检测技术则是其重要手段。目前，微生物检测的主要技术依据是GB 4789系列，国标方法虽然检测结果准确，但前处理（包括预增菌、增菌、分离）过程费时费力，不利于快速检测技术优势的发挥，建立高效快速样品前处理方法，是食源性致病菌快速检测面临的主要技术难题。
杜美红从博士后流动站期间的纳米磁珠应用研究工作受到启发，出站后结合分析测试所的发展方向及自身生物专业背景优势，从2008年起，专攻纳米免疫磁珠在食品微生物快速检测中的应用研究，重点关注食源性致病菌快速检测，并于2010年获得北京市优秀人才培养项目资助计划：《纳米免疫磁球微生物富集应用研究》（2010D002022000001），该项目对杜美红前期的科研工作给予了很大的支持与鼓舞，激励她用更大的热情投入该领域的应用与转化。
免疫磁珠富集技术在致病菌快检领域发展迅速。但在相当长的时间里，国内市场基本被国外产品垄断，而且因为样品适应性等问题，其时国内市场上销售的磁珠捕获致病菌效率普遍较低。在北京市自然科学基金（2162018）、国家自然科学基金（31972146）项目资助下，杜美红博士带领技术团队，针对免疫磁珠表面抗体有序性差、空间位阻大的问题，通过改变pH值调控抗体蛋白带电性，实现抗体在微纳磁珠表面的定向吸附固定，提高了磁珠对致病菌的免疫识别性能和对目标菌的捕获效率，为解决磁珠表面因抗原-抗体特异反应造成的空间位阻问题提供了新思路和新方法。杜美红技术团队研发出的系列微生物分离富集免疫磁珠材料，与国外同类商品相比捕获效率更高，同时具有性能稳定、产品价格低等的优点，具有更强的竞争优势。
图2 pH调控抗体定向固定技术示意图
众所周知，食物样品基质非常复杂，而标准检测方法前处理时间长、程序复杂、致使与其结合的快速检测技术优势发挥受到限制。杜美红带领技术团队充分利用食品复杂基质中的营养成份以及免疫磁珠高效捕获性能，创新建立了高效免疫磁分离目标菌的前处理技术，使前增菌时间从常规2-3 天缩短至7小时，通过对含100 CFU痕量致病菌样品的前处理，使目标菌快速增加至103 CFU/mL以上，满足了多种快速检测方法检测限的需求，使更多快速检测技术能与磁分离前处理有效整合，快检技术优势得以发挥，并为更多新兴的快检方法在微生物致病菌的应用奠定了技术基础。
高效的免疫磁分离前处理技术已经建立，但在推广应用的过程中又遇到很多困难。对此，杜美红介绍道：“一方面，基层的操作人员对步骤不熟悉，存在不同人员操作误差大等问题，限制了该技术在食品微生物检测中的应用；另一方面我们考虑到，近年来优秀的检测实验室正在向自动化、智能化的方向发展，尤其是对传染性病毒、致病菌，提出无人值守的‘黑灯实验室’的设想；而免疫磁分离技术有高效、快速、可重复性以及易于自动化等特点，可实现自动化检测，减少人工操作误差。基于这样的理念，我们决定把工作重心转移到前处理设备的研制上。”
谈及磁分离前处理自动化工作站研发过程遇到的困难和解决的难题，杜美红如是说：“免疫磁分离技术在食品中应用需要克服食品基质复杂性和种类多样性的影响，我们针对成分和质构特性进行了研究，探索出了一套针对不同食品分类的免疫磁分离技术应用方案，解决了一系列问题，比如：如何与标准检测方法匹配对接？痕量食源性致病菌如何实现快速富集、快速分离？如何满足快速检测技术的检出限需求？针对这些问题，我们创新性设计了均质罐处理模块，既与标准方法中处理方法相对应，又创新了国际同类微生物富集分离系统，实现了样品自动化前处理的一个飞跃。”该研究工作最初得到了北京市科学技术研究院人才计划-“北科院高水平创新团队计划-食品微生物快检免疫磁分离样品前处理技术”（课题编号：HIT202201）经费支持。通过几年的开发，杜美红带领技术团队研制出了磁分离前处理自动化工作站，该工作站充分利用免疫磁分离技术集富集和分离的优势性能，设计多自由度功能组合式食物样品均质孵育分离核心组件，建立了自动化、高通量样品前处理工作系统，克服了传统的检测方法实验繁杂、耗时较长、工作繁重、人为误差大等问题，从而实现复杂多样食品基质中目标微生物的高效分离与富集。
谈到自己的研究工作，杜美红博士充满了感慨与信心，在理化中心的十余年，她专注做一件事：建立和发展食品微生物快速检测技术及实现应用，在未来还将继续坚持把这件事情做好、做下去。
图3 免疫磁分离技术微生物快速检测技术体系
经过十余年的努力，杜美红团队开发建立了免疫磁分离试剂、磁分离前处理方法、磁分离前处理工作站“试剂-方法-仪器”三位一体的知识产权链及产业链，推动了食品安全微生物快速检测领域的快速发展，具体可总结为三个方面：
第一：从食源性致病菌快速检测需求出发，致力于国产化免疫磁珠的研发与应用。构建了新颖的高捕获性能的免疫磁珠抗体固定技术，开发出微生物致病菌分离富集用系列免疫磁珠产品，应用于食源性致病菌快速检测食品样品前处理。
图4 致病菌免疫磁珠分离检测试剂
该免疫磁珠产品获得第十七批北京市新技术新产品（服务）认定，在中国人民解放军军事医学科学院，中国科学院电子学研究所，南京大学，大连海事大学等高校、科研院所得到应用，性价比远高于国外同类商品，反馈良好，为打破国外商品在中国市场的垄断局面进行了有益的探索。
图5 北京市新技术新产品证书
第二：免疫磁分离微生物致病菌快速检测技术发展与方法应用。基于免疫磁分离食品样品前处理技术与产品，建立了与化学发光免疫分析（CLIA）、聚合酶链式反应（PCR）、酶联免疫吸附法（ELISA）、环介导等温扩增技术（LAMP）等技术相结合的食源性致病菌多种快速检测技术，包含样品前处理在内，对样品中含量极低致病菌的检测过程在8 h内即可完成，实现了检测的快速、高灵敏，被中国生产力促进中心协会评定为“中国好技术”。
第三：创新建立了微生物快速检测食品样品磁分离前处理自动化工作站。鉴于免疫磁分离技术的先进性与实验室检测人员知识背景、操作技能及接受度存在不匹配的问题，极大地限制了该技术在食品微生物检测中的应用；同时，食品微生物检测大量样品筛查的需求，对高通量、智能化的前处理提出更高的要求，实现样本高效、快速处理成为食品微生物检测的必然发展趋势。针对上述现状和需求，杜美红团队开发了磁分离前处理自动化工作站，以磁分离技术为核心，将自主创新的磁分离技术、快速增菌技术等有效结合，对食品样品均质、孵育、磁分离等环节自动化关键技术取得突破，实现了食品样品磁分离前处理的自动化、智能化、标准化。该工作站具有如下特点：（1）可处理样本种类多，包括水果、蔬菜、肉类等成分复杂食品样品；（2）样本处理通量大，单次可处理完成16-48份样本；（3）处理速度快，可在7 h内获得可检测的目标微生物；（4）处理结果开放友好，能够与多种快速检测试剂集成、整合，实现目标微生物整体的快速检测。
图6 第二十届CISILE期间在百泰克生物展台上展示的磁分离前处理自动化工作站
杜美红及其研究团队的研究工作得到了国家的支持和社会认可，她先后获得国家自然科学基金、国家重点研究计划等国家级、省部级科技项目等的支持，科技成果获北京市科学技术二等奖、中国分析测试协会科学技术二等奖等省部级/行业科技奖励共8项，获国家授权发明专利11件，制定/参与国家标准/行业标准共11项，科研团队获北京市总工会与北京市联合认定“2017年度市级职工创新工作室”，2020年度获得“杜美红创新工作室”荣誉称号。
图7 北京市总工会颁发的“杜美红创新工作室”
杜美红带领团队开发的技术及产品目前已应用于海关出入境、食品检测机构、各大生鲜食品生产企业、大型赛事活动、食品生产或加工场所、出入境口岸、检测机构或检测实验室对食品安全微生物的快速检测与筛查。2020年，这些技术和产品在冬奥会及冬残奥会测试赛、冬奥会及冬残奥会正式比赛的供奥食品安全检测中得到应用，有效支撑了供奥食品源头上的安全。
谈及我国食品微生物检测亟需解决的问题，杜美红认为：首先，现有的食品微生物检测方法存在着样品处理不完全、分离和富集效率低、检测灵敏度不高、检测过程复杂、耗时长等问题，导致实际操作时难以较快地完成检测工作。其次，食品微生物检测的标准还有待完善。国标的方法不满足某些短货架期生鲜食品的时效性要求，出入境等行业和一些地方出台了快筛的标准，但是目前不够统一和规范，需要出台标准完善微生物快筛方法的标准化管理。第三，技术创新和应用推广也是食品安全微生物检测领域面临的问题。需要引导新技术的应用，推广新方法，提高检测效率，以更好的服务于食品安全监管和消费者权益保护。
杜美红也提及了食品安全这个经久不衰的话题，从应用层面和技术层面进行了分析。她认为未来食品安全检测将不仅限于常规食品检测，还需扩展到非传统食品的检测，如从根源上进行监管，通过溯源技术对食品的生产、运输、销售等过程进行追溯，有效防止食品的污染和伪造，更好地保障消费者的权益。未来的食品安全检测技术将会更加智能化、高效化,在仪器设备方面，未来的食品安全检测设备将会更加便携、高灵敏、高精度和高通量，实现快速、准确、高效的检测工作。
作为国产仪器的使用者和制造者，杜美红向笔者提出了自己的一些看法和建议，笔者刊其二三，以飨读者，希望对我国国产仪器的发展有一定的建议和帮助。杜美红认为：发展国产仪器需要注重以下几个方面：（1）提高技术水平：技术是国产仪器能否与国际品牌竞争的关键。需要加快研发和创新，寻求技术上的差异化。同时，需要对外界技术创新趋势敏锐，引进和借鉴国外技术前沿，及时将其应用到国产仪器中。（2）强化品牌形象：品牌形象是企业的重要资产。国产仪器需要加强品牌管理，制造出优质的产品，塑造自己的品牌形象，提高品牌在市场中的竞争力和知名度。（3）优化售后服务：售后服务是仪器企业赢得用户的关键因素之一。需要加强售后服务团队建设，提供优质的售后服务，解决用户在使用过程中遇到的问题，及时反馈用户的需求和意见，不断改进和完善自己的产品服务。
结束语
杜美红博士是笔者的大学同学，认识二三十年了。在这次采访和交流的过程，笔者欣慰地看到她的努力和努力后获得的成绩和社会认可。路漫漫兮，科研的道路还很漫长而曲折，笔者衷心祝愿在未来的日子里，杜美红博士能取得更多的成绩，为我国食品安全的微生物检测事业做出更大的贡献。
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