Point-of-Care detection devices for food safety monitoring: proactive disease prevention
WU Y C, HSU M Y, CHEN S J, et al
Abstract: Food safety has become an increasingly significant public concern in both developed and under-developed nations around the world; it increases morbidity, mortality, human suffering, and economic burden. This Opinion focuses on (i) examining the influence of pathogens and chemicals (e.g., food additives and pesticide residue) on food-borne illnesses, (ii) summarizing food hazards that are present in Asia, and (iii) summarizing the array of current point-of-care (POC) detection devices that have potential applications in food safety monitoring. In addition, we provide insight into global healthcare issues in both developing and under-developed nations with a focus on bridging the gap between food safety issues in the public sector (associated with relevant clinical cases) and the use of POC detection devices for food safety monitoring.
1.Trends
Unhealthy food additives and pesticide residues from preparation, handling, and storage are increasingly discovered in and on market-ready food products. In the USA, food-borne illnesses account for 325 000 hospitalizations and 5000 deaths annually.
POC detection devices employ technology that can be used to detect unhealthy food adulterants without centralized, expensive, laboratory-centric equipment.
- POC Food Safety Assessment
Food-borne ilnesses impart a starting public morbidity rate, with outbreaks of food-related health hazards occurring at an unpredictable and varying extent in both develop-ing and developed nations.Therefore, proper handling and preparation of food is crucial to ensure quality and preserve societal health during food production, manufacturing, packaging,and transportation.
Food safety issues become further magnified when food is manufactured and transported to and from different regions locally, regionally, and worldwide. Food contamination from patho-gens (i.e., bacteria and viruses) and chemicals such as pesticide residues, metals, and other adulterants are responsible for severe morbidity, mortality, and wide-reaching economic burden. The impact of these food hazards on human health may range from the immediate to the long-term, causing temporary disease, acute organ damage, or cancer. Enhanced monitoring of food safety should be more frequent and larger in scale, performed at multiple locations, and implemented across the points of production both through the various levels of distribution and at the consumer endpoint. Crucial control points, in other words specific points, procedures, or steps in food manufacturing and delivery, are used as examination checkpoints in food safety standard operating procedures. Unfortunately, the current practices of food safety monitoring are not ideal in all circumstances largely because of the high cost of routine laboratory examination. Time-consuming operations based in central laboratories that require specialized, trained personnel hinder the pososibilty of more frequent and regular point-of-care(POC) testing, which is especially advantageous in remote or low-resource settings.
3.Global Public Food Safety Issues
Consumers in Asia have suffered from a series of food safety incidents over the past ten years.The 2008 melamine milk calamity remains one of the largest scandals in the history of China.This incident involved the adulteration of milk and infant formula, as well as other food materials and components, with melamine, resulting in an estimated 300 000 total health victims. Six infants died from kidney stones and other kidney damage, and an estimated 54 000 babies were hospitalized as a result of this event. The addition of melamine to milk gave the false appearance of higher protein content, leading to protein deficiency and contamination of baby formula. An additional incident took place in May of 2011 regarding the ilegal use of the phthalate plasticizer di(2-ethylhexyI) phthalate (DEHP) as a clouding agent in foods and beverages produced in Taiwan. Clouding agof gum Arabic, emulsifying agents, palm oil, or other food aditives. DEHP, however, isents are legal food additives, primarily made of gum Arabic, emulsifying agents, palm oil, or other food aditives. DEHP, however, is categorized as an industrial plasticizer which should not be added to food. Upon investigation,it was found that the ilegal clouding agents containing DEHP had appeared on the market as early as two decades before, and were used because the resulting clouding agent was white in color and esthetically pleasing [15]. A third example occurred in August of 2012 sickens-over-100-others/# .WCyJ1JN96o8) and involved a major food-poisoning outbreak in Hokkaido that klledl seven Japanese pecple, including a 4-year-old child, and sickened more than 100 others who had eaten pickled cabbage tainted with E. coli bacteria. It is clear that poor food safety practices were employed in these instances, and we posit that POC testing has the potential to remedy such shortcomings in food handling, preparation, and storage by providing a ready tool for analysis.
4.POC Detection Devices and Food Safety Monitoring
POC detection devices can be used in a variety of instances, including each of the following:(i) environmental monitoring of infectious agents, metals, or other adulterants; (ii) self-applied quality control by companies within the manufacturing chain of food production; (iii) routine safety inspection by governmental agencies; (iv) toxin screening and cluster identification in emergency and urgent care clinical settings; (M public health and policy support for building a food surveillance system or food safety map; (vi) individual health protection (e.g., testing for food-borne allergens) for end-use consumers; and (vi) improved monitoring in remote rural areas. Figur
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食品安全监测的监护点检测装置：主动预防疾病
摘要：食品安全已成为世界上发达国家和欠发达国家日益关注的一个重要问题，它增加了发病率、死亡率、人类痛苦和经济负担。这一意见的重点是（i）检查病原体和化学品（如食品添加剂和农药残留）对食源性疾病的影响，（ii）总结亚洲存在的食品危害，以及（iii）总结目前在食品安全监测方面有潜在应用的一系列护理点（POC）检测设备。此外，我们还深入了解发展中国家和欠发达国家的全球保健问题，重点是弥合公共部门的食品安全问题（与相关临床病例相关）与使用POC检测设备进行食品安全监测之间的差距。
- 趋势
不健康的食品添加剂和从制备、处理和储存过程中残留的农药越来越多地出现在现成食品中和市场上。在美国，食源性疾病每年造成325000人住院和5000人死亡。
POC检测设备采用的技术可以用来检测不健康的食品掺假者，而无需集中、昂贵、以实验室为中心的设备。
- POC食品安全评估
食源性疾病使公众发病率开始上升，与食品有关的健康危害在发展中国家和发达国家都以不可预测和不同的程度爆发，因此，正确处理和准备食品对于确保食品生产过程中的质量和维护社会健康至关重要，制造、包装和运输。
当食品在当地、地区和世界各地生产和运输时，食品安全问题进一步扩大。致病基因（即细菌和病毒）和化学物质（如农药残留、金属和其他掺假物）造成的食品污染是造成严重发病率、死亡率和广泛的经济负担的原因。这些食物危害对人类健康的影响可能从短期到长期，造成暂时性疾病、急性器官损伤或癌症。加强对食品安全的监测应当更加频繁和大规模，在多个地点进行，并通过各级分销和消费者终端在生产点实施。在食品安全标准操作规程中，关键控制点，也就是食品生产和配送过程中的特定点、程序或步骤，被用作检验关卡。遗憾的是，目前食品安全监测的做法在任何情况下都不理想，很大程度上是因为常规实验室检查费用高昂。基于中央实验室的耗时操作需要经过专门培训的人员，这妨碍了更频繁和更定期的检查点（POC），这在远程或低资源环境中尤其有利。
- 全球公共食品安全问题
在过去的十年里，亚洲的消费者遭受了一系列的食品安全事件。2008年的三聚氰胺牛奶事件仍然是中国历史上最大的丑闻之一。这起事件涉及牛奶和婴儿配方奶粉以及其他食品原料和成分中掺入三聚氰胺，估计有30万健康受害者。6名婴儿死于肾结石和其他肾损害，估计有54000名婴儿因此住院。在牛奶中添加三聚氰胺会造成蛋白质含量较高的假象，从而导致蛋白质缺乏和婴儿配方奶粉受到污染。2011年5月又发生一起事件，指在台湾生产的食品和饮料中非法使用邻苯二甲酸酯增塑剂邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）作为起云剂。混合阿拉伯胶、乳化剂、棕榈油或其他食品添加剂。然而，DEHP是合法的食品添加剂，主要由阿拉伯树胶、乳化剂、棕榈油或其他食品添加剂制成。然而，DEHP属于工业增塑剂，不应添加到食品中。经调查，发现含有DEHP的伊莱格尔混浊剂早在20年前就已上市，之所以使用，是因为所得到的混浊剂颜色为白色，美观[15]。第三个例子发生在2012年8月，在北海道发生了一起严重的食物中毒事件，导致包括一名4岁儿童在内的7名日本人出现雀斑，100多名食用了受大肠杆菌污染的腌制卷心菜的人患病。很明显，在这些情况下采用了不良的食品安全措施，我们假设POC测试有可能通过提供现成的分析工具来弥补食品处理、制备和储存方面的缺陷。
- POC检测装置和食品安全监测
POC检测装置可用于多种情况，包括以下每一种情况：（i）对传染源、金属或其他掺假物进行环境监测；（ii）食品生产制造链内公司自行实施的质量控制；（iii）政府机构的例行安全检查；（iv）急诊科和紧急护理临床设置中的毒素筛选和簇识别；（m）公共卫生和政策支持，用于建立食品监测系统或食品安全图；（vi）针对最终消费者的个体健康保护（例如，对食物传播过敏原的检测）；（vi）改进在偏远农村地区的监测。图1显示了如何将快速POC诊断纳入从各种角度实施食品安全问题的方法学中。我们特别关注POC平台对偏远农村地区的适用性，以及结果可以使用智能手机摄像头拍摄并通过互联网轻松上传到云计算系统的事实。
早期的POC检测设备主要集中在快速的现场医疗诊断上，并没有扩展到其他领域的应用，但它们后来被开发用于确保食品安全。迄今为止的研究已经导致了针对食品安全监测需求量身定制的技术的改进。处理微量样品的能力，流体的精确操作，高灵敏度检测的能力，而易于阅读和解释的诊断输出的产生，都强调了使用POC检测设备实施广泛而具体的食品安全协议的明确能力，为了开发特定应用的检测平台，明智地选择合适的基底材料是非常必要的。许多平台可能非常适合食品安全监测，但我们将在这里检查三个平台：（i）纸基分析设备；（ii）亲水性基底检测设备，使用竹子或棉花作为材料；和（iii）微流控检测设备。我们非常看好将纸基分析设备和亲水性检测设备等平台与智能手机技术相结合以促进快速记录和分析的巨大潜力。当与基于智能手机的技术杂交时，POC检测设备能够具有优异的算法复杂性和计算能力，并且这种布置提供了无线和便携式两种传统的优点。我们认为，利用这种组合很可能导致食品安全监测实践的变革。
用于食品安全监测的POC检测装置可用于检测许多危害，包括（i）食源性或水样细菌，（ii）有机磷农药，（iii）金属，和（iv）其他化学品。
- 食品安全监测中的各种检测方法
在本节中，我们选择关注较新类型的POC检测设备，因为基于微流控的检测设备（即使用聚二甲基硅氧烷作为制造微流控设备的基底材料）在文献中有广泛的记录。
5.1纸基分析设备
纸是由纤维素组成的一种基材，其特性和制备方法在POC检测装置中最为确定。纸基分析设备包括试纸分析、横向流动分析（L-FAs）和微流控纸基分析设备（mu;pad）。在过去的几十年中，试纸条法和线性荧光光谱法分别被广泛应用于尿液和妊娠试验。在这个观点中，我们强烈强调mu;pad。微流控纸基分析设备，也称为“纸上实验室”设备，由Martinez等人于2007年首次演示，包括允许微升级样品操作的流动路径。这种装置可以设计成二维或三维模式，利用毛细血管的固有容量沿亲水通道吸出微升级液体，无需外部应用电力。与玻璃、硅或塑料等其他微流控器件基板相比，纸在食品安全应用方面显示出一些优势。纸张是可取的，因为它是负担得起的，重量轻，自供电，生物可降解，易于制造；所有这些特点使它方便在现场，家庭，或资源贫乏的使用。最近的几篇综述提供了mu;pad的一般背景和具体应用。
5.2亲水性基底检测装置
除纸张外，还有其他基于木质纤维素的检测设备材料，例如螺纹、棉花和竹子，显示出在食品安全应用中的潜力。基于木质纤维素的检测设备是使用单一木质纤维素或由多种木质纤维素组成的混合设计构建的。木质纤维素-由植物细胞壁组成，其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，它们共同形成微纤维结构-在其他资源贫乏的地区发现丰富。因为这些材料是一次性的，环保的，便宜的，并且重量轻，它们非常适合作为食品安全监测设备的平台。这些基体材料易于制造，可以利用其芯吸能力来控制流体尺寸，而无需任何额外的能量或仪器，因此无法经济实用地在现实世界中使用。虽然纸基分析设备已成为低成本检测的实际平台，并在研究和商业应用中得到广泛讨论，但其他木质纤维素检测材料，如棉花、布、木材和竹子，仍在开发中。竹子的用途非常有前景，市场上很容易以竹竿的形式出售，Kuan等人认为。已成功用于制造单一材料（仅竹子）和混合（竹子和木材）木质纤维素检测设备，用于食品和水安全的快速生物分析（即，火锅汤中的亚硝酸盐检测、水中的细菌检测和牛奶中的重苏林检测）。他们的研究结果有力地证明了竹子和竹木杂交材料在监测肉类安全方面的适用性。
棉花，由于其在液体吸收方面的优势，在日常生活中被广泛使用，但由于其潜在的POC应用，还没有发展成为一种完全实现的基质棉，引起了一些研究人员的关注。Lin等人。介绍了一种具有流体通道的棉基高效送样检测装置。这种装置使用一种具有疏水性外部和亲水性内部的特定类型的棉花，能够提供半定量和敏感的结果，同时还可以降低常见的污染风险。
螺纹是一种多孔多孔材料，可以很容易地制成半定量或定量检测装置。正如李和同事以及Reches和同事的研究所描述的那样，螺纹的芯吸能力可以与等离子体氧化或其他特别选择的材料（即丝光棉，可以获得满意的润湿性）相结合，以实现足够的流体输送。可通过缝纫技术（编织、扭转、胶带封装、打结和将凝胶颗粒并入线中）制造基于线的装置，以提供微流体操作能力。Lin等人。提出了以棉花为流动通道，色谱纸为反应区，提高比色结果质量的组合设计。这一概念仍需进一步发展，但仍显示出作为有价值的检测功能的潜在平台的前景。
5.3基于市话的技术
作为一个迅速发展的新兴领域，基于智能手机的技术在与POC设备相结合时已经取得了成功，这一成功为进一步探索奠定了基础，特别是在食品安全方面。广泛的无线网络、强大的计算处理器、高质量的光学传感器、GPS接收器、wi-fi适配器、可充电和节能电池、视觉和触摸友好型显示器以及多种定制应用程序的组合，所有这些都集成到一个便携式多功能机中，口袋大小的设备，使智能手机成为一个令人兴奋的和理想的促进POC设备。智能手机可以很容易地与现有的POC检测设备集成在一起，特别是基于纸的分析设备或基于亲水的检测设备，以满足防疫控制、食品链和监管检查、病人的特定需要服务和化学检测的科学和商业应用的需要。此外，它们可以部署在许多地方，包括商业部门、急诊室/住院医疗机构，以及偏远的欠发达农村地区。
目前确保食品安全的方法依赖于对化学品和/或病原体进行常规的、但资源密集型的实验室检查。在资源匮乏的偏远地区，将标本送到一个必须由专家解释数据的集中实验室是很困难的。相比之下，智能手机通过现场或远程确认检测来规避这些物流挑战。智能手机可以兼作比色或荧光检测阅读器，能够检测各种化合物、核酸、蛋白质和代谢物。在摄影中，它们甚至可以用作视觉显微镜。两个不同的小组展示了混合智能手机集成POC检测设备用于化学检测。在使用基于智能手机的设备的一个典型案例中，魏和同事创建并填充了一个汞污染地图，该地图包含了Califormia超过50个地点，充分展示了基于智能手机的平台的轻量级、灵活性和便携性。这种方法结合了一个小型的光机附件和一个车载智能手机摄像头，以及一个等离子金纳米粒子，通过使用基于适体的比色透射分析来检测汞（II）离子浓度。然后，通过使用安装在智能手机上的软件应用程序处理从附件获取的图像。尽管该设备重量轻、体积小、便于携带和移动，但检测极限仍小于3.5 ppb。沈和他的同事展示了一种使用智能手机对比色分析进行颜色量化的方法。为了避免手机自动校正产生偏色图像的可能性，我们创建了一个包含12个颜色区域的参考图，以便在不同的照明条件下进行可重复的颜色量化。颜色参考图在内置算法中起到了稳定的里程碑作用，智能手机软件应用程序随后将多个功能集成到一个简单的输出读数中，从而创建了一个不需要复杂用户培训的易于使用的设备。目前的POC平台已成功检测出百草枯、有机磷等农药残留。POC平台面临的主要挑战包括：（i）开发能够进行多路测试的POC平台；（ii）增强专用性；（iii）提高存储持续时间；（iv）增强用户友好性，以及操作和学习的方便性；（v） 提高信噪比以弥补背景光对智能手机摄像头的影响（一种方法是研究人员在图像采集过程中使用盒子来降低背景噪声）。
除了检测设备和智能手机之外，继续发展还需要集成更多的接口设备，但促进这种集成可能会证明代价高昂。在实验室之外，测试操作的复杂性、可重复性和可靠性都成为需要克服的重要障碍。例如，进一步发展取样接口的灭菌方法仍然是必要的。在许多受资源匮乏影响的地区，无线网络的连通性和信号质量较差，这削弱了智能手机始终保持连通、快速存储和传输的优势。尽管纸基分析设备的制造成本较低，但复杂的样品制备和特异性的提高仍然是技术挑战，可能会推高成本。这种关注除了附加组件和复用能力之外。
- 总结和未来展望
用于POC的设备可以在食品安全领域提供快速和敏感的结果。目前，POC检测设备主要用于学术研究中的医学诊断和提供医疗服务。然而，在过去的十年中，亲水材料（如纸、棉和线）、塑料平台和智能手机集成技术已经被开发用于各种应用和不同领域，包括动物健康、食品安全、工业需求、治疗监测和环境保证。虽然这些衬底材料显示出在环境监测和食品安全保护中应用的强大潜力，但仍有三个重要需求未被满足：（i）通用协议的标准化；（ii）具有复用特征的成熟的、商业化的试剂盒；以及（iii）制造的系统集成、结果分析、还有录音。虽然目前的研究人员已经引进了高灵敏度和低检测限的设备，但由于缺乏大规模的现场数据和重复的质量评估，实际的实现仍然很难实现。为了适应不同情况下的不同测量，生物标志物检测试剂盒应设计用于各种用途。两个可能的例子包括指定用于确保水安全的重金属检测试剂盒，该试剂盒具有检测多种有毒金属的能力，以及一种细菌检测试剂盒，该试剂盒可以检测食物传播疾病，包括检测多个引起腹泻的细菌。幸运的是，智能手机已经变得功能强大，能够运行强大的移动应用程序，能够执行现场、现场分析，同时提供快速的数据传输和存储，以帮助与以前和当前的记录进行比较。任何POC测试设备的主要目标都是用户友好性。提供快速、易于阅读和解释的结果对于任何此类方法的成功都至关重要。明确的“是或否”显示，或其他简单的可视化（例如，基于距离、基于计数、半定量比色显示）可以降低专业人员培训可能产生的成本。解释偏差的主观差
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