段效辉 许文娟 凌莉 徐娟 赵晗 董静

摘 要 为适应新形势下海关监管工作的需求，本研究研发了一款能够辅助海关关员进行登临检疫工作的远程登临一体化检疫查验机器人。该机器人配备3D环视、远程控制、实时记录、红外测温、5G通信以及遥控识别等先进技术，可快速准确地检测并识别潜在风险。此项研究可减少现场登临关员的人数，优化人力资源配置，降低在高风险环境中人员作业导致的感染风险，极大地增强了登临检疫查验工作的安全性。

关键词 机器人；远程监控；海关监管；登临检疫

Application of Integrated Remote-Operated Boarding and Quarantine Service Robots in Customs Control

WANG Yi-Kai¹ WANG You-Fu² WANG Zhun³ DU Zhi-Xin⁴

LI Lan⁵ ZHAO Xiao-Juan¹ SONG Yue-Qian^6* CHANG Liang^1*

Abstract To meet the evolving needs of customs control, this study has developed an integrated remote-operated boarding and quarantine service robot designed to assist customs officers in conducting quarantine inspections. Equipped with advanced technologies such as 3D panoramic view, remote control, real-time recording, infrared thermometry, 5G communication, and remote identification, the robot can rapidly and accurately detect and identify potential risks. This innovation reduces the number of on-site quarantine officers required, optimizes human resource allocation, and minimizes the risk of infection associated with manual operations in high-risk environments, thereby significantly enhancing the safety and efficiency of boarding quarantine inspections.

Keywords robots; remote monitoring; customs control; quarantine by boarding

基金项目：海关总署科研项目（2022HK143，2022HK146）

第一作者：王艺凯（1982—），男，汉族，北京人，硕士，高级工程师，主要从事海关仪器研发与验证评价工作，E-mail: wang yikai_2001@163.com

通信作者：宋悦谦（1972—），男，回族，北京人，硕士，主要从事海关仪器研发与验证评价工作，E-mail: songyueq@263.net

共同通信作者：常亮（1971—），男，汉族，黑龙江双鸭山人，硕士，主要从事海关仪器研发与验证评价工作，E-mail: 511486281@qq.com

1. 中国海关科学技术研究中心 北京 100026

2. 大连海关技术中心 大连 116001

3. 长春海关技术中心 长春 130062

4. 南宁海关技术中心 南宁 530000

5. 阿拉山口海关技术中心 阿拉山口 833418

6. 石家庄海关 石家庄 050051

1. Science and Technology Research Center of China Customs, Beijing 100026

2. Dalian Customs Technical Center, Dalian 116001

3. Changchun Customs Technical Center, Changchun 130062

4. Nanning Customs Technical Center, Nanning 530000

5. Alashankou Customs Technical Center, Alashankou 833418

6. Shijiazhuang Customs, Shijiazhuang 050051

中国口岸科学技术

航空口岸进出境人员流动性高、聚集性强，货物价值高、时效性强，进出境航班在港时间短、中转效率高，在口岸公共卫生、货物安全、航班通关效率等方面给海关登临检疫和监管效能提出较高要求。海关登临检疫查验是指海关依法对进出境航空器以及所载人员、货物、物品等实施的检查、监督等执法行为，具有多方面的必要性^[1]，能够维护国家安全，减少违法犯罪的发生，有效阻止枪支、弹药等危险物品对国家安全构成威胁^[2]；同时可以通过对乘客进行健康检查，防止传染病通过航空运输在国内外传播，维护公众健康和公共卫生安全^[3]。此外，还能够打击走私行为、监管贸易活动，确保进出口货物符合国家的贸易政策和法规，防止虚假申报、偷逃关税等行为，保护国家的经济利益和国内市场的正常秩序，维护公平的贸易环境^[4]。

1 传统远程智能登临检疫查验

随着全球贸易的持续增长与航空旅行的日益频繁，海关登临检疫查验作为确保国家安全与贸易合规的关键环节，工作量持续增加，面临着效率提升与人力优化的双重挑战^[5-6]。传统的海关查验主要依赖两名执法人员登临执行，这一模式在应对复杂多变的环境时，不仅耗时费力，且在深入狭窄或高风险区域时存在诸多不便^[7]。鉴于此，开发一套远程登临一体化检疫查验机器人显得尤为重要。本研究旨在通过集成先进技术与智能算法，实现“一人现场操作+一人远程监控”的协同作业新模式，既保证了海关监管的合规性，又能提升监管效能和降低人员风险，还可以发挥机器人操作的精准性和标准化^[6-8]。该系统能适应航空器上人员检疫、卫生监督、动植物检疫、检疫处理监督、货物检查监管等航空器监管全流程、多场景。本研究不仅是对现有海关查验流程的一次重大突破，更是构建高效、安全、智能海关监管体系的重要一步，更有利于推动全球贸易便利化与加强安全保障。

2 远程登临一体化检疫的定义和系统设计

远程登临一体化查验机器人^[9]，该设备包含小型多功能底盘、机械臂升降检查载荷、操控箱控制器等。其中，小型多功能底盘和机械臂升降检查载荷装配组成了机器人本体，底盘为履带式带辅助臂底盘，机械臂升降检查载荷固定在底盘上。整机配备行进云台摄像头，辅助机器人行进和观察，图1所示的是机器人本体。

图1 机器人结构图

Fig.1 Structural diagram of the robot

图2所示的是操控箱控制器，图中上半部分（箱盖部分）的显示屏高清显示摄像头拍摄的视频内容，下半部分是控制机器人的操控面板。

通过操控箱控制器可实现远程遥控机器人上下楼梯、高处行李架视觉观察、低处脚下视觉观察及环视查看等功能。

图2 操控箱控制器

Fig.2 Control box controller

3 远程登临一体化检疫查验机器人关键技术实现

3.1 行进动力计算

机器人行进机构采用履带结构，履带位于移动平台的两侧，每侧履带各由一个电机驱动，通过电机不同方向的转动，实现平台的前进、后退、左右转向。其结构如图3所示。

图3 移动平台结构示意图（除去机械臂和支臂）

Fig.3 Schematic diagram of the mobile platform (excluding robotic arms and support arms)

根据要求可知，选定最大行驶速度不小于1.5 m/s，初选履带主动轮直径为180 mm，转换到履带主动轮上的速度为2.65转每秒，即159 rpm。机器人自重m控制在41.5 kg以内。整个机器人的行进驱动，在使用过程中底面与机器人底盘的摩擦系数μ = 0.2。机器人在匀速前进过程中，加速度a为0，达到最大速度所需要的功率的计算见公式（1）：

(1)

为重力加速度，取9.8 m/s²。传动系统效率为80%，所以行进电机输出的最低功率为152.5 W。

爬坡要求不低于35°，没有提出爬坡时的速度要求，则选用较低的速度为0.5 m/s，爬坡时所需要的功率的计算见公式（2）：

(2)

传动系统效率为80%，所以行进电机输出的最低功率为187.5 W。在使用过程中需要考虑行进过程中的风阻、电损耗等能量损失、加速度功率以及尽可能的超越指标的设计理念，所以初选额定功率为200 W的直流电机（工作温度-40～75℃），其参数见表1。

表1 行进电机参数

Table 1 Parameters of the traveling motor

当机器人在水平地面移动时，电机前进的牵引力减去地面对底盘提供的摩擦力等于机器人自重m与加速度a的乘积，计算见公式（3）：

(3)

当机器人在水平地面匀速移动时，地面对底盘提供的摩擦力等于电机前进的牵引力，计算见公式（4）：

(4)

主动轮半径r = 0.09 m，则主动轮所需扭矩为= 81.34×0.09 = 7.32 N·m。

由表1的电机参数可知，电机的额定转速为5970 rpm，履带主动轮所需转速为159 rpm，则总的减速比最大为。

当机器人在爬坡时，电机前进的牵引力大于斜坡对底盘的摩擦力，与机器人在平行于斜坡方向的分力的和计算见公式（5）：

(5)

由公式（5）计算得牵引力：

(6)

则主动轮所需扭矩为：

= 300×0.09 = 27 N·m (7)

由表1电机参数可知，电机的额定转矩为640 mNm，底盘前进为双电机驱动，共可输出转矩1280 mNm，即1.28 N·m，而根据上式（7），爬坡所需扭矩为27 N·m，则总的减速比最小为，依据以上扭矩的计算方式，得出在额定工作状态下，减速比为21才能满足扭矩要求。综上所述，实际减速比大于最大扭矩减速比，小于最大速度减速比，即21＜i＜38。而机器人实际工作环境会更加复杂，对于扭矩的需求远大于速度的需求，在满足速度的基本需求的情况下，保证机器人拥有足够的动力，确定减速比接近38。根据机器人结构设计和减速器的组合比较，确定减速器为2级减速器，减速比i = 21，在侧立板内设计减速比为1.75的齿轮组，用于非同轴传力。因此，最终减速比为i = 21×1.75 = 36.75。以此反算电机是否满足使用要求。传动系统效率为80%，对应的实际转矩为。根据表1的电机参数可知，电机的扭矩常数为68 mNm/A，额定电流9.36 A，额定扭矩为640 mNm。则电机达到460 mNm时所需要的电流。电机动力储备丰富，可以应对更复杂的环境。

机器人电机额定转速5970 rpm，减速比i = 36.75，主动轮直径d = 180 mm，所以，机器人的最大理论速度按公式（8）计算所得：

v = 3.14 d/i == 1.53 m/s

(8)

因路况等不同，机器人电机实际带载情况下额定转速略有降低，最终实测机器人的最大速度为1.52 m/s。

3.2 爬坡爬楼设计

机器人重心位置靠前，同时依靠支臂的前伸和收拢以及机械臂的不同姿态，可调节机器人重心，实现大角度爬坡、爬楼梯、越壕等。

机器人行进电机动力储备丰富，通过计算可得出机器人爬坡能力。已知参数：电机输出额定扭矩为640 mNm；减速比i = 36.75；主动轮半径r = 0.09 m；行进电机数量为2；根据上述参数可得电机可提供的驱动力：

= 2×0.64×36.75/0.09 = 522 N (9)

根据公式（9）可计算在522 N的驱动力下，机器人可爬坡的角度，计算如公式（10）：

= 41.5×9.8×() (10)

可得到爬坡角x = 50°，电机动力充足，需要考虑机器人是否会倾翻。对机器人进行受力分析，确定机器人爬坡、爬楼梯角度。爬坡角度工况如图4所示。借助三维工程软件，计算出的重心在外廓线之内，不满足倾翻条件，所以机器人可以爬50°坡和楼梯。实际操作过程中因为不同路面和履带接触面积不同，摩擦系数有变化，机器人实际可爬坡40°，爬楼梯35°。

图4 机器人爬楼测试

Fig.4 Stair climbing test of the robot

3.3 机械臂升降装置计算及电机选型

机械臂升降装置固定在机械臂管上，采用电机、减速器配蜗轮蜗杆减速器的驱动方案。减速器连接转盘，拉紧钢丝绳控制装置升降。升降装置7.86 kg，驱动转盘直径20 mm，旋转轴到施力点的距离s为0.1 m，驱动升降装置的扭矩为。选用电机（工作温度-20～75℃）参数见表2。

表2 3570电机性能参数表

Table 2 Performance parameters of motor 3570

选用量能减速器p32h-66，减速比为66，传动结构选用高比例双曲线齿轮减速比为10，总减速比为660。传动过程的总效率为60%，则大臂关节驱动电机作用在关节臂上的转矩。，选用电机能够达到使用要求。

基于上述关键技术的攻关与验证，本研究团队成功研制出兼具高速运行与高负载能力的远程登临一体化检疫查验机器人。该设备通过履带式底盘设计与多自由度机械臂协同控制，实现了对复杂非结构化地形（如楼梯、斜坡及狭小空间）的卓越适应能力，可精准完成航空器舱内检疫、货物查验及环境监测等全流程任务，为口岸智能监管提供了高效可靠的解决方案。

4 结语

综上所述，远程登临一体化检疫查验机器人的研发与应用，标志着海关登临检疫工作向高效化、智能化迈出了重要一步。通过集成先进技术与智能算法，该系统不仅显著提升了登临检疫查验效率^[10-13]，降低了人力成本，还极大增强了作业安全性，减少了高风险区域的直接人员暴露。参照GJB 7688—2012《装备技术成熟度等级划分及定义》，其技术成熟度达到5级，充分验证了其在复杂环境下的稳定性和实用性，为构建更加高效、安全、智能的海关监管体系奠定了坚实基础。目前，该款机器人已在北京首都国际机场开展试用，未来将推广至其他国境口岸以及更多领域和场景中应用，为检疫查检工作带来更大的便利和显著效益。

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无人机技术 与海关智慧监管应用场景初探

苏一栋 ¹ 邹淑敏 ² 赵 辉 ¹ 何 健 ¹

摘 要 本文立足智慧海关建设全面实施阶段要求，从无人机技术入手，结合人工智能（Artificial Intelligence，AI）研究新技术的海关应用场景。通过分析无人机的类型与特点，探索利用智能巡航、多机协作、多模态人工智能等手段，提升复杂监管环境下的综合应用能力，为物流监控、打击走私和检验检疫等业务提供支撑。另外，对构建低空监管体系进行探讨，为打造“海关新质监管力”提供参考。

关键词 无人机；人工智能；监管；应用

A Preliminary Exploration of Drone Technology and Its Application Scenarios in Smart Customs Supervision

SU Yi-Dong ¹ ZOU Shu-Min ² ZHAO Hui ¹ HE Jian ¹

Abstract Aligning with the requirements of the comprehensive implementation phase for smart customs construction, this paper starts from the drone technology and integrates with artificial intelligence (AI). By analyzing the types and characteristics of drones, the papaer explores to use intelligent patrols, multi-drone collaboration and multimodal AI, aiming to enhance comprehensive application capabilities in complex regulatory environments and providing support for logistics monitoring, anti-smuggling operations and quarantine services. The paper proposes the concept of building a low-altitude regulatory system to develop next-generation customs regulatory capabilities, thereby advancing the modernization of customs governance.

Keywords drone; artificial intelligence; supervision; application

作为新质生产力的代表，低空经济正成为培育发展新动能的重要力量。无人机产业是目前低空经济的主导产业，中国在无人机制造方面具有完整的产业链和明显的技术优势。与此同时，“人工智能+”行动持续推进，大模型的应用前景广阔，特别是随着自然语言处理、计算机视觉、智能协作等领域的突破性发展，未来无人机结合人工智能（Artificial Intelligence，AI）将为智慧海关建设提供更多理念创新、场景应用及解决方案，进一步为推动海关现代化提供“新质监管力”。此前，海关在无人机技术应用方面进行了一定的探索，在场所监管、水尺计重等领域已有初步应用。本文从智慧海关装备设施体系的构建要求入手，分析研究无人机技术如何实现“机器代人”，助力“顺势监管”和“无感通关”。

1 无人机与海关优选机型

无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），简称无人机，是由无线电遥控或自主程序控制的不载人飞行器，主要组成部分包括飞行器、地面控制器和通信系统。

1.1 无人机的分类

无人机由于种类繁多、用途特点鲜明，致使其在外形尺寸、航程距离、飞行参数、作业任务等多方面都有较大差异，从飞行平台构型看，主流类型有以下两大类：

（1）固定翼无人机。机翼固定不变，靠流过机翼的风提供升力，起飞和降落需要长跑道进行助跑或减速滑行。固定翼无人机续航时间长、飞行效率高、载荷大，但操作难度大，飞行平台要求高，不能悬停，适合远距离连续工作。

（2）多旋翼无人机。由螺旋桨产生向上的升力，带动无人机整体进行飞行的无人机。多旋翼无人机具有3个及以上的旋翼轴，常见有四轴、六轴、八轴。多旋翼机械结构简单，可折叠、垂直起降、可悬停、对场地要求低，但续航时间较短、载荷小。

除了技术上的分类，按使用场景可分为消费级无人机和行业级无人机。消费级无人机一般面向终端消费者，大多数以航拍为主要应用，注重娱乐体验。行业级无人机作为生产力工具，主要为提高各行业中的作业效率、降低作业成本，机型选择及性能侧重点有所不同，但总体上对稳定性、可靠性、耐久性与续航的要求都较高^[1]。

1.2 无人机的特点

无人机的快速发展一方面取决于无刷电机、动力电池、飞控导航技术的不断发展，另一方面与其不断优化、适应各类需求的特点分不开。具体而言，有6个特点：一是高效便捷。无人机可以代替传统人工作业，大幅缩短时间和人力成本，提高工作效率。例如，在农业领域，无人机可以对农作物进行监测，根据具体状态进行智能浇水和喷药，大大提高了种植效率。二是灵活机动。无人机和传统飞机相比具有更高灵活性的特点，可以轻松适应各种复杂的作业环境。例如，在救援领域，无人机可以迅速到达灾区，并进行物资投放和救援工作。三是远距离作业。无人机可以在不同地域和地形进行各种作业，例如在极地、海洋等难以到达的地方进行勘测和监测。四是环保节能。无人机的工作过程，主要采用电力集成，能有效减少化石燃料的使用，降低二氧化碳的排放，符合绿色环保的要求。五是多功能性。无人机因其强大的扩充性，可搭配各种挂载设备，应用范围非常广泛，可以应用于农业、环保、救援、安保、航空等领域。例如，在安防领域，无人机可以在空中进行监测和巡逻等任务。六是自主控制。无人机通过无线电通信、遥控器和卫星导航系统等技术，可以实现自主飞行、巡路、起降、巡航和降落等功能。

1.3 适宜海关的机型选择

未来无人机必定因用途不同而呈现更加差异化的特点，而海关因监管任务不同对无人机的机型选择也不尽相同。总体来说，多旋翼无人机因其灵活的操作、丰富的挂载扩充、较低的成本，可以满足日常大部分监管场景。而特殊执法作业，或需要远距离、大范围、长时间连续工作的情况，则需选用匹配的固定翼无人机。

2 无人机技术在海关智慧监管中的应用

2.1 基于巡航监控的监管场景

海关监管作业场所和特殊监管区域的巡查是日常监管的重要环节，依托海关关员现场实施。根据监管要求，巡查的频率周期、辖区覆盖面、检查内容都有明确的要求，但由于人力、时限、雨雪天气等不确定因素影响，巡查效率有待进一步提升。同时，单个场所因场地大小、围网长度、摄像头数量、货物存放条件等，全部兼顾巡查要点有一定的难度，因此，亟需高效的智能化辅助手段，提升巡查的实效。

启用无人机航拍监控与AI智能巡航相结合的方式对监管区实施巡查。无人机依托全天候、高机动、图像实时回传等特性，扩大实时巡查范围，有效规避单一人工巡查耗时费力的问题；AI智能巡航自主规划巡查路径，动态设定巡查频次，通过自然语言处理技术，实现无人机语音指令控制，提升视频监控指挥中心处置效率，将定点视频监控变为“地巡”和“空巡”相结合，构建空地立体化防控网络。同时，由于小型无人机的轻便性，亦可作为单兵设备随身携带，拓宽巡查视角，补充现场关员看不到、看不清的角度，避免巡查“死角”出现。

基于航拍的监管场所巡查应用，还可以衍生出多场景应用。具体如下：

（1）弥补常规监控盲区。例如，进境修造船的外档监测，与一般码头不同，修造船码头往往多艘船舶同时作业，2艘以上待修船并排靠在一个泊位，外档的船舶无法被监控覆盖，存在料件上下船的盲区。而利用无人机的全视角能力，可以有效解决监管过程中的“盲区”问题，辅助AI图像分析，对异常人员上下船进行预警。

（2）特殊情事的监管延伸。例如，锚地作业监管延伸，某些大型海工装备因码头吃水等问题需在锚地装载，传统视频监控无法延伸，无人机可有效解决痛点，实时传输装载情况，留存理货视频证据。又如因特殊原因无法在监管场所内进行查验的货物，在满足监管条件出区查验的情况下，可通过无人机进行多角度监控过程，强化执法的安全性^[2]。同时，利用AI图像生成技术，对临时监管区域进行空间绘图模拟，规划监管路径，定制监管方案。

（3）进境动物隔离检疫健康监管。进境种马、种牛在完成采血、耳标登记、实验室血样检测后，必须在指定的隔离场所进行为期45 d的隔离检疫。其间驻场关员需要每天对动物实施健康监管，观察健康状况，并填写监管手册。利用无人机监控，可对隔离动物群体情况进行空中巡查，同传监测视频，保存影像证据，并挂载环境监测等设备，便于第一时间发现动物异常症状。

（4）复杂地理环境下的监管。我国幅员辽阔，各类地形众多，部分边境及多山地区监管力量的投送存在一定困难。例如，动植物产品出口需要加工厂申请注册登记，有些水果园、特色蔬菜基地依山而建，无法直观察看，周边环保条件印证不易。无人机技术无惧山峦起伏，海关工作人员可通过现场勘察与低空观测进行交叉印证，对果园面积、是否连片种植、周围环境污染等情况进行更为直接和客观的评估考核。同样地，在边关执法过程中，无人机一方面可以缓解人力不足的情况，增加巡查监管频次；另一方面，可以不受严峻地形的限制，在极端天气下利用AI画面补全技术，拓展监管覆盖面。

2.2 基于图像分析的监管场景

2.2.1 集装箱状态的精准监管

集装箱堆场是海关重点监管的场所之一，也是各口岸信息化、智能化程度相对较高的监管区。集装箱在完成运抵、理货之后，根据码头统一管理存放在指定区域。随着安全生产管理要求不断提高，尤其是涉及危险品、食品等货物的监管，对精准掌握集装箱存放状态提出了更高的要求。无人机技术的运用，可以对集装箱场地定制自动巡查方案，按照预先制定的区域和路线进行检查^[3]。利用AI图像分析技术，对涉危罐式集装箱、未放行箱、退运箱、无主箱等进行有效区分，可实现自动清点箱子数量、识别集装箱编号、观测封识及箱门连接处等重点部位，提高海关集装箱场地监管效率。同时，可通过图像差异进行深度学习，建立专属模型，常规巡查中重点区域的集装箱数量一旦变化，可根据箱体颜色、排列顺序、区域三维数据等图像参数迅速分析判断并进行预警。另外，无人机的辅助监管，不影响码头自身的集装箱管理运行，推动“无感监管”场景进一步落地。

2.2.2 散货堆存的智能监管

在海关监管实践中，干散货由于其无包装、难计量等特点，监管难度显著大于液体货、件杂货。在海关各类监管作业场所的管理中，集装箱堆场、储罐、筒仓等区域的智能化管理非常成熟，而干散货堆场的智能化水平则还有提升空间。干散货的堆存位置、形态、体积、重量、卸载或提取进度是海关关注的重要内容，也是海关监管的重点和难点^[4]。得益于无人机航空摄影测量技术和人工智能图像分析技术的飞速发展，破解此类难题成为可能。目前，航空摄影测量广泛应用于地形测绘、土地资源调查、地质灾害应急处理、城市数字化建设等方面，通过航拍能够真实记录和还原真实三维场景，提供精确的点、线、面、体积测量计算。无人机技术的应用，让面向低空遥感领域的航测有了发挥空间，其精确度高、便利性强、成本低廉、适用范围广等特点非常适用于海关干散货的动态监管^[5]。同时，利用深度学习技术，建立干散货图像动态分析模型，AI在干散货卸载、堆存过程中，自动判别其体积、重量，预警重要参数的动态变化，防止未放行的违规提离。无人机低空航测结合AI判图，也为应急指挥、物流监控等业务应用提供更多技术支撑，丰富处置方式。

2.2.3 船舶水尺的辅助观测

水尺计重是海关鉴定工作的内容之一，测算进出口大宗散装固体货物的重量，为海关征税、国际贸易结算提供依据。水尺计重是根据阿基米德定律，测定船舶装卸货前后的排水量之差，从而测定货物重量。观测船舶六面吃水是水尺计重中的基础环节，其观测的准确性直接影响最终计算结果。传统方法是检验人员换乘港口拖轮航行至船舶各吃水点逐次人工读取，水面的上下浮动使得读取环节受个人主观经验影响较大，而且鉴定现场无法复原、鉴定结果难以追溯^[6]。无人机技术的发展，为海关鉴定工作提供了更加安全便捷的方式。海关关员操作无人机悬停至船舶水尺标记处，几分钟即可完成水尺数据的采集工作，系统同步进行测算，不仅提高了效率，还降低了监测费用。同时，无人机的使用摆脱了传统方法用拖轮和攀爬软梯的限制，大大保障了人身安全。

2.2.4 有害杂草的智能监测

在外来有害杂草监测方面，关员需要对动植物及其制品进境码头、运输路线沿线、加工厂内外周边等地进行重点监测，并对疑似检疫性杂草进行鉴定。传统的监测办法仍然以人工踏查为主，费时费力，且在一些复杂的环境下难以开展监测工作，无法对有害杂草的分布及危害程度进行准确的定量评测。利用无人机低空机动，开展拉网式监测，采集影像片段和多光谱数据，依托AI图像技术分析明显不存在植物生长迹象的地区，设置无人机定期复看，减少人力浪费；如对影像存疑，结合有害杂草特征进行模糊判定，为人工踏查提供前期准备资料，大幅提升监测效率^[7]。

2.3 基于口岸安全的监管场景

2.3.1 口岸反恐场景的应用

以核辐射为例，对口岸海关监管场所进行常规辐射环境监测、违规放射性物质的快速定位，通常有固定或移动两种辐射探测方式。相比固定式测量，移动式测量可获得更多放射源有关信息，但由于监管场所内货物众多，地面空间有限，传统的车辆或人工移动能覆盖的探查路径有限，快速锁定放射源的难度较大^[8]。而无人机可有效避开地面复杂环境，通过挂载辐射探测设备和AI计算模块，对大面积货场抵近扫描监测，实现对放射性货物快速定位。结合无人机图传功能，将检测结果与现场影像图相结合，使定位结果更直观，更贴合实际场景。同时，关员远程操作，可远离放射源。通过不同挂载设备，还能对化学、生物有害因子进行探测，提升综合防控能力。

2.3.2 无人机打击走私的应用

海关在打击走私犯罪过程中会遭遇走私嫌疑人逃窜、走私地点远离大陆、夜间走私等各类突发情况，走私行为也越来越隐蔽。无人机的隐蔽性、多功能性能够给打击走私提供更多办法。例如，在打击走私油品过程中，走私嫌疑人往往临时关闭大船的全球定位系统（Global Positioning System，GPS），利用夜间由小船驳油。利用无人机远程监视，隐蔽抵近侦察，搭配夜视和红外装备，拍摄走私过程，保留证据；AI还能实现多机协同与集群控制，通过群体智能算法协调多台无人机任务分配与编队飞行，跟踪嫌疑目标，绘制现场抓捕方案等。

2.4 基于送检时效的监管场景

在构建“无感通关”的过程中，通关时效是重要参考因素。其中，在口岸一线查验部门初筛设备的投入和实验室快速检测能力的建设中，无人机不受地形限制、高速飞行能力，将为样品检测提供更快、更便捷的通道，AI大模型为送样与检测计算最优实现方式，灵活配置资源，实现自动起降、余样计算、精准检测等。

2.4.1 远距离样本运送应用

不同口岸、不同商品对样品送检的需求不同，部分口岸坐落在交通不便的海岛、高海拔地区，或者特殊商品本地不具备检测能力，需异地送检。传统的人工送检耗时长，甚至有些地区需要周转交通工具，十分不便。固定翼无人机远距离投送能力，可以破解上述送样不便的难题，通过航线预设定，无人机可自主飞行，大大节约时间与人力成本，提升商品通关速率。

2.4.2 近距离采送样的应用

例如，在进境粮食的取制样、送样环节中，无人机可以充分为实验室检测争取时间。进境粮食采样需要采集船舱上、中、下不同深度、不同点位的样品，而样品采集完毕的时间与码头卸货速度成正比，传统方式都是由人工进行各点采集，全部采完封装送往实验室。整个过程依赖卸货速度，时间长，样本总量也偏重。利用无人机短距离快速往返的能力，由AI自主规划采样、送样任务，可以在表层采样完毕后即开始送样，实验室第一时间检测样品，在卸货过程中分批送、分批检，集约检测时间。同时，对装卸或检测过程中出现的不同情况，AI可及时调整策略，并主动预警，提升监管效率。

3 海关智慧监管应用无人机技术的必备因素

近年来，海关在无人机场景应用上不断探索，取得了一定的成效。随着“新质监管力”要求的不断提升，智慧化领域的逐步拓展，无人机技术亟待在智慧海关建设的框架下，建立统一的方案规划、技术路径和场景建设。

3.1 构建低空监管体系建设理念

无人机技术的发展与应用，对于海关监管不仅是单一的监管设备，而是打开了低空领域的监管通道。随着其他成熟航空技术的低空应用和各类“人工智能+”设备的搭载，无人机将作为重要的监管平台，丰富监管手段，填补监管盲区，优化监管流程。无人机具有“无感监管”的先天技术优势，因此，笔者建议围绕智慧海关建设要求，将搭建AI低空监管平台纳入智慧海关装备设施体系中，为海关现代化建设提供技术支撑。

3.2 完善监管流程和执法依据

随着《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》《无人驾驶航空器系统作业飞行技术规范》等法律法规、行业规范的执行，无人机在技术标准、操作规范、空域管理、数据使用和隐私保护等方面不断规范，有法可依。与此同时，笔者建议海关在低空领域，也需建立监管办法和操作标准，提升无人机监管的规范化水平。

3.3 加快专业人才培养

人才队伍建设是工作高效推进的保障。因此，笔者建议可根据情况，适时开展专业的无人机、人工智能融合培训，确保执法关员具备无人机基本操作技能和大模型使用知识。同时，进一步开展行业合作，强化场景应用攻关，深入技术交流，培养一支具有低空监管思维、扎实业务能力和精湛操作技能的专业人才队伍。

4 结语

随着无人机技术的成熟程度进一步增加，其全面覆盖、灵活机动、拓展丰富、成本低廉的特性，更有利于复杂监管环境下的综合应用，同时海关在人工智能领域的不断探索，将在数据、图像、行为分析等领域取得突破。本文尝试将无人机技术引入海关业务监管场景分析，相信随着未来低空监管体系的不断推进，人工智能技术的不断演化，更多应用场景的丰富，将为智慧海关建设带来更多理论参考与技术支撑。

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第一作者：苏一栋（1987—），男，汉族，江苏南通人，本科，主要从事科技管理工作，E-mail: nthg008@126.com

1. 南通海关 南通 226000

2. 佛山海关后勤管理中心 佛山 528000

1. Nantong Customs, Nantong 226000

2. Foshan Customs Logistics Management Center, Foshan 528000

海关监管无人车的研发及其应用研究

董昕伟 ¹ 王 伟 ¹ 戴 骏 ¹ 何 里 ¹ 江 果 ¹

摘 要 为提高海关监管效能，降低病原体、高温、粉尘、噪音等执法环境风险，保护监管现场人员身体健康，海关执法现场需要一款可搭载监管装备、防护用具，并能模仿人体查验动作的远程遥控监管无人车。重庆海关通过分析海关监管现场作业需求，结合现有载人监管车应用情况，将不限距离遥控驾驶、跟随避障、实时全局监控、机械臂抵近监控、机械臂搭载监管装备、音视频通话、数据存储和光伏充电等功能集成在海关监管无人车中，研究其在海关监管工作中的应用，以及融合拓展海关监管时空的可行性。研究表明，海关监管无人车的研发和应用不仅能降低人员作业风险，还能为提升国门安全保障能力和国际贸易便利化水平提供有力支撑。

关键词 海关监管；无人车；移动监控指挥；机械臂；光伏充电

Research on the Development and Application of Customs Supervision Unmanned Vehicles

DONG Xin-Wei ¹ WANG Wei ¹ DAI Jun ¹ HE Li ¹ JIANG Guo ¹

Abstract In order to improve the efficiency of customs supervision, reduce law enforcement environmental risks such as radiation, harmful chemical gases, pathogens, high temperatures, dust, and noise, and protect the health of customs supervision personnel, a safe and reliable remote control unmanned vehicle is needed at the customs law enforcement site. It can be equipped with supervision equipment, protective gear, imitate the movements of the human body when viewing, replace regulatory personnel, move remotely to any position on the supervision site, and perform real-time viewing at the optimal distance and angle. Chongqing Customs has integrated functions such as unlimited distance remote control driving, obstacle avoidance, real-time global monitoring, robotic arm proximity monitoring, robotic arm carrying supervision equipment, audio and video communication, data storage, and photovoltaic charging into customs supervision unmanned vehicles by analyzing the on-site operation requirements of customs supervision and combining them with the existing application of manned supervision vehicles. The study aims to investigate their application in daily customs supervision, dangerous and harsh environments, as well as the feasibility of integrating and expanding customs supervision time and space. The research and application of customs supervised unmanned vehicles can not only reduce personnel operational risks, but also integrate and expand the time and space of customs supervision, providing strong support for enhancing national security and international trade facilitation capabilities.

Keywords customs supervision; unmanned vehicle; mobile monitoring command; mechanical arm; photovoltaic charging

载人监管电瓶车是监管现场常见的海关执法辅助工具，能够降低海关关员户外工作强度，增加监管装备携带量，提升监管现场执法效率。重庆海关在使用载人监管电瓶车的过程中发现其具有机动优势、稳定优势、续航优势和集成优势，采取了统一更换电瓶、清理车辆使用环境以及加装移动监控指挥装备等措施优化监管电瓶车的应用^[1]，并取得一定成效。为进一步拓展海关监管覆盖面、提高海关监管效能、降低国际贸易物流成本以及降低执法环境风险，重庆海关开展了海关监管无人车的研发工作。

1 海关监管现场面临的挑战

随着国际贸易的发展，贸易类型、货物种类和物流方式越来越多样，如何在确保国门安全的前提下不断提升贸易便利化水平，海关监管现场面临以下挑战：（1）作业场所多。随着多式联运、指定监管场地以及海关特殊监管区的发展，分布在口岸周边码头、铁路车站、公路场站以及冷链仓库的海关监管作业场所逐渐增加。（2）作业装备多。口岸监管装备种类繁多、专业性强，如核辐射探测仪、辐射个人剂量仪器、核素识别仪等。（3）作业场景多。主要包括现场查验、抽采样、检疫处理监督、辐射探测及处置、大型X光集装箱检查设备运行监督、口岸有害生物监测及防治监督等，对于特殊货物还需要在监管区外查验。（4）作业风险多。现场运行大型龙门吊、正面吊车、载重货车等大型机械装备存在掉物、碰撞风险，在露天作业时监管人员面临高温、暴晒、雨雪、大风、粉尘、雾霾等情况，进出口集装箱货物也可能存在辐射超标、病媒生物、有毒有害化学品等潜在风险因素。

2 海关监管无人车功能需求分析

为更好应对上述挑战，本研究对海关监管无人车功能需求进行了分析，主要包括5个方面。

2.1 不限距离遥控功能

具有依托4G/5G无线通信不限距离远程视频遥控功能，可通过手柄、手机APP、摄像头实时画面进行遥控驾驶，具备转弯、前进、后退和刹车功能，对移动路线中的障碍物能够自动避让，避免发生碰撞及损坏。对监管场地中的龙门吊轨道、火车轨道、升降机等沟缝有通过能力，能按照关员的指示在监管现场自由移动到最佳监管位置。由于4G/5G摄像头及遥控信号有传输延时，为避免发生碰撞事故，在无人车行驶时，车顶应设置警示灯闪烁，提醒车辆及人员避让。

2.2 实时全局监控功能

设置移动监控球机，用于远程实时360°观察无人车周边环境，以便监控掏箱、检疫处理等全局场景。监控信号可接入海关监控指挥中心，可远程调节摄像头画面；设置补光灯具，能够在夜晚或集装箱内部暗处提供照明补光。移动监控球机能实时显示并记录无人车地理位置、时间等基础信息^[2]。

2.3 遥控机械臂抵近监控功能

在可遥控机械臂上搭载移动监控摄像头及补光灯具，按照关员指示调整监控视线角度及亮度，模拟关员的俯身、低头、侧脸、转动等动作，用于对集装箱锁号、封识号、货物细节等近距离或微距实时查看，机械臂能举升至3.2 m，便于查看集装箱顶部情况；模仿人体携带探测仪检测时的动作，机械臂上可根据需要加装探测仪器放置平台、气体探测仪等仪器，监控摄像头可实时监控和读取探测仪显示屏数据，用于对监管物品进行抵近辐射测量。

2.4 实时音视频对话功能

在无人车上设置显示器和喇叭，在遥控端设置摄像头和麦克风，在现场实时展示远程监管者的面部视频和语音，实现现场人员与远程监管者的实时音视频对话，记录并保存远程监管者的监管过程。具有调节音量功能，实现远程高音喊话，能在嘈杂场所对车辆、人员等开展现场调度指挥。音视频数据可自动存储，实现3个月存储调阅。另外还能给移动单兵提供无线通信热点。

2.5 光伏充电功能

监管无人车自身通过大功率光伏板和大容量电池实现无限续航；无人车设置监管装备存放格，用于存放查验工具箱、防护装备、辐射探测仪、化学采样箱生物因子快速检测箱等；具备直接给摄像头、监管装备持续供电功能。

3 海关监管无人车的技术实现路径及制作工艺

无人车主要由4G/5G远程遥控车、机械臂、太阳能充电系统和远程音视频交互系统组成，下面主要从功能角度对无人车的技术实现路径及制作工艺进行介绍。

3.1 结构设计

3.1.1 主体结构设计

无人车的主体采用铝型材配合专用的铝型材连接件搭建而成，结构密闭，防水防尘，配备设备存储仓及车载空调，保证所存储的监管设备安全可靠。无人车车顶设置有高清摄像头，可以为远程遥控者提供实时视频。在无人车的前挡风板处安装有高清屏幕，实时展示远程监管者的面部视频和语音，实现现场人员与远程监管者的实时音视频对话。

3.1.2 底盘结构

无人车底盘由上下两层组成，采用高强度铝型材搭建，有足够的强度；下层底盘进一步加强底盘的强度。此外，无人车的电池、控制器均安装于下层底盘，从而降低无人车系统的重心，电池仓与设备存储仓共用车载空调。底盘4个车轮独立驱动，采用差速转向系统，确保无人车在狭小的空间也能灵活转向。

3.1.3 减震结构

为确保无人车在颠簸路面行驶时车身稳定，减少路面不平带来的车身震动，在无人车每个车轮上都安装有减震机构，确保无人车车身稳定，减小振动冲击给无人车带来的影响。

3.1.4 机械臂

为了实现对集装箱锁号、封识号、货物细节等近距离或微距实时查看，以及对狭小空间的查看，在无人车的车尾设置有机械臂。通过在机械臂的末端配置包括微距摄像头在内的监控仪器，实现对监管对象的360°远程查看。为了全局监控有更好视角，同时能够查看不同高度集装箱顶部情况，在一根机械升降杆上设置高清摄像头。

3.1.5 太阳能光伏充电

为实现长续航功能，在无人车的车顶设置有400 W轻柔光伏组件。按地理位置光伏发电最佳倾角安装，便于雨水冲刷灰尘，从而提高发电效率，平均每天发电1～2度，能够满足无人车用电需要。为太阳能板配套最大功率追踪（Maximum Power Point Tracking ，MPPT）充电控制器，提高对动力电池的充电效率^[3-5]，防止过度充电等情况发生。为大容量动力电池配备DC-DC直流转换器^[5]，为设备存储仓内的设备充电。

3.2 远程控制设计

随着通信技术的飞速发展，4G/5G网络以其高速率、低延迟和大容量的特点，为远程控制领域带来了新的机遇。本研究设计并实现了一种基于4G/5G网络的远程控制无人车系统，该系统通过整合先进的通信技术、视频传输技术和远程控制技术，实现了对无人车及其机械臂的可靠远程可视化操控^[6-8]。

3.2.1 系统架构设计

本系统主要由遥控端、无人车端以及云端服务器三部分组成，各部分通过4G/5G网络进行高效的数据交互。

3.2.2 通讯协议与技术实现

系统采用485协议进行遥控器与网络模块之间的本地通信，该协议具有传输距离远、抗干扰能力强等优点，能够满足遥控数据传输的可靠性要求。在远程数据传输方面，利用4G/5G网络的高速特性，确保遥控指令的实时响应和视频数据的流畅传输。

3.2.3 系统优势

远程控制无人车系统优势显著，可借助4G/5G网络的高速与低延迟特性，实现了对无人车的远程精确操控，同时结合网络摄像头实时传回的视频数据，达成可视化遥控，极大提升了操作的准确性与安全性。系统架构灵活且扩展性强，可根据不同需求轻松添加传感器与控制功能。

4 海关监管无人车的应用场景

4.1 执行简单重复性辅助任务

应用远程遥控驾驶功能，按照规划路线完成对监管场所场地的视频巡查任务^[6]，开启自动跟随避障功能，协助海关关员完成查看、录证、取样、连线会商、携带工具等日常监管的辅助任务；利用随车搭载的辐射探测、气体探测以及红外探测装备，完成对监管场地和集装箱货物的日常性探测任务。

4.2 执行在危险或恶劣环境中的监管任务

首先，当发生辐射探测仪或有害气体探测仪报警时，通过全局摄像头和遥控器远程遥控机械臂将检测仪器抵近到嫌疑目标物体上，再读取机械臂摄像头显示的相关数据，实现危险环境中的远程无人检测。其次，在机械臂上牢固安装遥控抓取设备，可实现远程遥控抓取危险物品并处置到铅箱或防爆罐中 ^[9-10]。另外，在高温、暴晒、风雨、粉尘、噪音的恶劣环境中执行取样、制样、检疫处理等环节的监督任务时，能够保证监管人员健康不受侵害。最后，在执行消毒、灭虫任务时，可将消毒液或杀虫剂存储罐放置于无人车中，将消毒喷枪牢固安装在机械臂上，实现对监管作业场所任意空间的远程高效消毒杀虫作业，避免人体接触有毒气溶胶。

4.3 探索融合拓展海关监管时空

例如，将海关监管无人车应用在出口企业生产地。按照自愿自主的原则，出口生产企业配备与海关共享信息和控制权的无人车，对企业仓库装车现场进行备货、品质检验、数重量检验、抽查、装箱、上集装箱锁的全过程进行监督，确保申报前检验货物与运抵口岸的出口货物为同一批货物，为减少口岸开箱查验，提高出口通关效率提供技术条件和硬件支撑。又如，应用在进口货物境外备货地。按照自愿自主的原则，进口相关企业配备与海关共享信息和控制权的无人车，将无人车运至境外备货地使用。对备货地现场进行备货、商品自验、检疫自验、装箱、上集装箱锁的全过程进行监督，提前排除辐射超标、固体废物、动植物疫情、铁路集装箱配载不平衡等风险，为提高进口准入许可和中国口岸降低开箱查验比例提供技术条件，为提高进口货物通关效率提供硬件支撑。再如，应用在第三方检测环节。对第三方实验室检测相关的取样、混样、制样、检测等关键环节进行监督和录证，不断提升实验室检测质量，确保国际贸易货物实验室检测的客观性、公正性和科学性，避免国际贸易货物的多次检测、结果偏差以及相关贸易损失。

5 结语与展望

海关监管无人车模拟人体查看物体时的动作，实现不限距离的遥控和不限时间的续航。应用海关监管无人车不仅能减轻监管人员工作强度，保护人身安全和健康，还能拓展现场人员处置能力，规范作业行为，优化人力资源配置。虽然海关监管无人车是根据海关监管作业场地相关需求而研发，但其应用范围不局限于海关监管作业场地。当海关监管服务通过无人车融入到广大进出口企业日常运行时，可以实现严密顺势监管，为提升国际贸易便利化水平和保障国门安全提供技术支撑。

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基金项目：海关总署科研项目（T2024HKZQHG0026）

第一作者：董昕伟（1973—），男，汉族，重庆璧山人，本科，主要从事海关口岸监管工作，E-mail: 16765979@qq.com

1. 重庆海关 重庆 400000

1. Chongqing Customs, Chongqing 400000

第7卷 第6期

2025年6月

专论综述 / Monographs and Reviews

重组酶聚合酶扩增技术

在病原检测中的研究进展

张 娟 ¹ 徐 颖 ¹ 张 涛 ¹ 于滢泉 ¹ 杜建森 ¹ 张 瑾 ¹ 徐翮飞 ^1*

摘 要 重组酶聚合酶扩增技术（Recombinase Polymerase Amplification，RPA）相对于传统的聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）而言，在37～42°C条件下，可在20～30 min内快速完成扩增，操作简单，设备费用低，是一种新型的核酸恒温扩增方法。本文对比了不同核酸扩增技术，概述了RPA技术的原理及其在细菌、病毒检测中的最新应用，为RPA技术的推广提供参考依据。

关键词 重组酶聚合酶扩增技术；疾病检测；研究进展

Research Progress in Recombinase Polymerase Amplification Technology for Pathogen Detection

ZHANG Juan¹ XU Ying¹ ZHANG Tao¹ YU Ying-Quan¹

DU Jian-Sen¹ ZHANG Jin¹ XU He-Fei^1*

Abstract Recombinase Polymerase Amplification (RPA) is a novel isothermal nucleic acid amplification method that can rapidly complete amplification within 20-30 minutes at 37-42°C. Compared with traditional Polymerase Chain Reaction (PCR), RPA offers simplicity in operation and lower equipment costs. This article compares different nucleic acid amplification technologies, summarizes the principle of RPA technology and its latest applications in the detection of bacteria and viruses, aiming to provide a reference basis for the promotion of RPA technology.

Keywords recombinant polymerase amplification (RPA); disease detection; research progress

近年来，核酸扩增技术在分子诊断学方面的研究已有显著成效。其中，重组酶聚合酶扩增技术（Recombinase Polymerase Amplification，RPA）因操作简便、检测快速、高灵敏度和高特异性，且无需昂贵仪器，得到广泛关注。本文就核酸扩增技术的现状、RPA技术的原理、引物探针设计、产物分析方法及其应用于细菌和病毒检测等方面的问题进行了深入探讨。

1 核酸扩增技术的现状

聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）是一种特殊的DNA复制技术，被广泛用于特定DNA片段的扩增。然而，PCR流程需经历包括90～95℃变性、55～60℃退火、70～75℃延伸等步骤，这些都需要依靠控温设备来完成且耗时较长，限制了其推广。随着研究的深入，等温核酸扩增技术应运而生并快速发展，有望成为PCR技术的替代方案。等温核酸扩增技术包括核酸依赖性扩增检测（Nucleic Acid Sequence-Based Amplification，NASBA）、环介导等温核酸扩增技术（Loop-Mediated Isothermal Amplification，LAMP）、链替代扩增（Strand Displacement Amplification，SDA）、滚环式等温扩增（Rolling Circle Amplification，RCA）、多重链置换扩增（Multiple Displacement Amplification，MDA）及RPA等，各方法的比较见表1。

NASBA技术可以直接对RNA进行扩增分析，而扩增DNA之前需要先对样本进行高温变性，因此无法做到DNA的一步扩增，再加上扩增所需的酶热稳定性较差，导致扩增片段较短。LAMP技术因需设计多对特异性引物且流程繁琐，容易造成假阳性，同时该技术的扩增效率虽高，但通常仅适用于较短的核酸片段‌。SDA技术对脱氧核糖核苷三磷酸（Deoxyribonucleoside Triphosphate，dNTP）的要求较高，必须使用经过硫基修饰的核苷酸，这大大提高了反应成本，同时也不能实现长片段的扩增，使用范围受到限制。RCA技术对模板要求严格，仅适用于单链环状DNA样本‌，若待测样本不符合该结构，需额外进行退火和环化等预处理‌，其扩增反应耗时较长，在快速检测场景中应用受限。MDA技术反应时间也比较长，不适合用于快速检测。

2006年，Piepenburg等^[1]报道了RPA这种新兴的恒温扩增技术，后由英国公司TwistDx Inc研发推广。RPA技术在25～45℃恒温条件下，在30 min内可以达到指数式的增长，快速完成核酸扩增。其扩增得到的产物既可以通过探针法荧光定量进行实时检测，也可以与横向流层析试纸条、凝胶电泳、生物芯片等多种方法相结合进行检测。检测过程无需昂贵的仪器设备，这使得RPA技术在资源有限的环境中也能得到有效应用。RPA的基础反应体系与其他技术结合，能衍生出多功能多用途的核酸检测技术，不仅能真正实现便携式快速核酸检测，还能在公共卫生领域、临床诊断领域和疫情监测领域，完成对不同病原菌在常温下的核酸检测，显示出广阔的应用前景。

2 重组酶聚合酶等温扩增技术的原理

RPA技术是在T4噬菌体编码的重组酶蛋白（UvsX和UvsY）、单链结合蛋白（gp32）、Bsu DNA聚合酶的作用下，在体外完成DNA扩增的过程，依靠寡核苷酸、Mg²⁺，基于T4噬菌体核酸的复制机制。在目的DNA片段的扩增过程中，首先UvsX重组酶与引物结合形成复合物。该复合物在模板上定位后可以直接引发链交换反应，形成D状环，从而将氢键打开，实现模板链分离。同时，单链结合蛋白（Single-Stranded DNA-Binding Protein，SSB）与单链DNA链结合，阻止形成双链。之后，Bsu DNA聚合酶从发生链交换反应的位置开始复制DNA。同时，反应体系中含有UvsY酶，能与UvsX结合并促进UvsX与单链DNA更加紧密地结合，提高链交换反应的效率。这一过程循环往复，目的DNA片段的扩增最终完成。

3 RPA引物和探针设计原则

3.1 RPA引物设计原则

RPA引物设计与PCR引物设计有一定的相似性，但存在差异。RPA引物设计需要考虑引物长度、引物序列组成和引物选择标准3个关键参数。首先，RPA引物的长度明显长于PCR引物，建议上下游引物的长度选择在30～35 bp之间。这一要求是基于UvsX 重组酶蛋白将寡核苷酸嵌入双链 DNA 所需的最小物理尺寸，因为过短可能导致特异性不足，而过长则可能降低扩增效率。在扩增过程中，RPA的产物长度通常以100～300 bp为宜。引物的选择标准方面要注意以下问题：5'端起始的3～5个碱基避免出现重复G，最好为C或T；3'端后3个碱基最好有G和C；GC含量不要大于60%或小于30%；避免引物间形成二级结构、引物二聚体等。为验证引物的有效性，可通过实验筛选几个寡核苷酸来验证，挑选最佳的引物。

3.2 RPA荧光探针设计原则

探针长度一般在46～52 bp之间；四氢呋喃（Tetrahydrofuran，THF）位点一般设在探针的中间位置，从5'端到THF位点间至少要间隔30个碱基，从THF位点到3'端间至少要间隔15个碱基，THF修饰位点需与荧光基团或淬灭基团相邻；探针序列应避免回文序列、内部二级结构和连续的重复碱基；5'端通常标有抗原标记物，如FAM基团或羧基荧光素，3'端需加上阻断基团，如C3-spacer、磷酸基或双脱氧核苷酸。遵循上述设计原则，可以有效提高RPA反应的特异性及灵敏度，从而提升核酸检测的准确性和可靠性。

4 扩增产物的检测方式

4.1 琼脂糖凝胶电泳

最初的RPA扩增产物采用的是凝胶电泳检测，该方法具有较强的灵敏度，且操作简单，但是会增加检测时间。为避免产生抹带现象，在利用凝胶电泳分析之前，需要对扩增产物进行纯化。尽管存在这些不足之处，结合凝胶电泳分析RPA扩增产物的研究依然广泛。

4.2 实时荧光探针检测

实时荧光探针检测是RPA扩增产物分析的另一种重要方法，荧光报告基团（如FAM）与淬灭基团（如BHQ-1）通过共价方式连接在一起，通过荧光共振能量转移效应来抑制初始荧光。RPA扩增时，探针特异性结合靶序列，核酸内切酶切割探针，引起荧光基团分离从而释放信号。其特点是高灵敏度，可实时监测荧光强度，实现靶标核酸的定量分析，支持多通道检测，局限性在于‌依赖专用设备，野外场景适用性受限。Euler等^[2]在2012年首次系统开发RPA技术用于‌生物威胁剂检测‌，涵盖炭疽杆菌、鼠疫杆菌等6种高危病原体，灵敏度达到10拷贝/反应，特异性＞99%。

4.3 横向流试纸条检测方法

横向流试纸条检测方法是一种创新的检测手段，它将免疫技术、分子杂交技术、胶体金标记技术和横向流层析技术整合在一起。RPA扩增采用生物素和荧光标记引物，产物通过试纸条层析，与固定化抗体或互补探针结合，形成可见条带，从而达到快速检测 RPA扩增产物的目的。该方法的特点‌是成本低、耗时短，肉眼可判读结果，局限性在于灵敏度较低，常适用于定性分析。‌Kim等^[3]采用将 DNA提取、RPA扩增及LF探针检测相结合的方式来检测分析沙门氏菌，结果表明，从提取DNA开始到得到检测结果仅需要30 min，并且检测限可以达到10 cfu/mL。

4.4 微流控芯片集成检测

‌RPA产物与电极表面固定化探针杂交，触发氧化还原反应，通过电流或阻抗变化定量靶标。将RPA扩增与检测模块（荧光、比色、电化学）集成于单一芯片，实现“样本进-结果出”全封闭检测。但局限性‌在于研发与生产成本高，尚未大规模普及。

4.5 CRISPR-Cas耦合检测

RPA扩增后，利用Cas12a/Cas13a蛋白的侧切活性，剪切荧光或比色报告分子，放大检测信号。试纸条化CRISPR检测，支持野外快速筛查，但‌步骤繁琐，常温稳定性待提升。Y Yang等^[4]开发了一种基于CRISPR-Cas13a与逆转录重组酶聚合酶扩增（Reverse Transcription Recombinase Polymerase Amplification，RT-RPA）技术结合的一体式现场快速检测方法，用于废水中SARS-CoV-2病毒的检测。通过单管反应体系即可完成对病毒RNA的提取、逆转录、扩增及检测，极大简化了操作流程。

5 RPA技术的应用

目前基于RPA技术建立的检测方法正越来越广泛地应用于疾病诊断、病原学检测等领域。

5.1 RPA技术在细菌检测领域的应用

Piepenburg等^[1]最初提出用于检测耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的特异性基因SCCmec的RPA方法，并且成功建立实时荧光RPA方法，对于拷贝数低于10的模板都可以得到检测结果。Boyle等^[5]建立的用于结核分枝杆菌的荧光RPA检测方法，可以快速检测结核分枝杆菌的复合群，与荧光显微镜方法相比，RPA方法更快、特异性更强。Raja等^[6]采用RPA技术对常引起尿路感染的5种细菌进行检测，可在12 min内检测到尿液样本中100个拷贝数的细菌，并且与其他菌无交叉反应。周广彪等^[7]建立了针对拟态弧菌vmhA基因的RPA检测方法，仅需在37℃下恒温反应40 min，就能够从拟态弧菌中扩增得到467 bp的特异性条带，灵敏度与PCR一致，均达到0.1 ng/μL，适用于快速检测。

5.2 RPA技术在病毒检测领域的应用

Sun Y等^[8]设计了针对SARS-CoV-2 RdRp和N基因的RT-RPA引物，通过优化反应体系，使扩增和检测在同一管内完成。CRISPR/Cas12a系统利用特定的CRISPR RNA识别目标序列，并通过酶的非特异性切割作用释放荧光信号，进而实现检测。该方法在SARS-CoV-2阳性和阴性样本中测试，结果与实时荧光RT-PCR完全一致，检测限为2.5拷贝/μL，展现出极高的灵敏度。该方法将检测时间压缩至约50 min，远快于传统方法，同时单管操作能降低污染风险，简化流程。Cherkaoui D等^[9]提出为扩大诊断范围以实现在高峰需求时期进行大量检测的需求，RT-RPA是RT-PCR的可行替代方案，两者相比，RT-RPA检测显示出高灵敏度和特异性，分别为96%和97%。该检测方法与所测试的呼吸道病原体组没有交叉反应。此检测法能检测包括4种变体（Alpha、Beta、Delta、Omicron）在内的11个SARS-COV-2 谱系。Sridhar S等^[10]报告了3种针对基孔肯雅病毒（Chikungunya Virus，CHIKV）、奥尼昂-尼昂病毒（O’nyong-nyong Virus，ONNV）和马亚罗病毒（Mayaro Virus，MAYV）的病毒特异性 RT-RPA快速检测的开发和验证，既快速又灵敏，能够在扩增后20 min内检测到10～100个病毒拷贝，且不会出现交叉反应。研究人员使用CHIKV、ONNV 和MAYV感染小鼠以及CHIKV感染人类患者的血清和组织样本评估了这些检测的临床潜力。这些研究结果强调了快速而具体的诊断方法在改善这些虫媒病毒感染的早期检测和管理方面的重要性，尤其是在资源有限的环境中。在婴儿艾滋病毒检测中^[11]，RPA技术可以在31～43℃的条件下，20 min内检测到低拷贝量的HIV-1亚型的前DNA，同时通过增加逆转录RPA反应，该方法还可检测HIV-1 RNA，方法更敏感、更快速。Faye O等^[12]报道了在几内亚埃博拉疫情暴发期间，埃博拉病毒的核衣壳蛋白（Nucleoprotein，NP）基因采用RT-RPA的检测方法，8 min内检测到血浆样品中15个拷贝数的RNA。在临床样本检测中，该方法与RT -PCR方法的符合率达到100%，展示出良好的特异性、灵敏度。国内外也有学者应用RT-RPA技术建立了中东呼吸综合征冠状病毒^[13]、禽流感病毒H7亚型^[14]、流感病毒H5N1血凝素（Hemagglutinin，HA）基因^[15]、裂谷热病毒^[16]快速检测方法，均表现出与实时荧光定量PCR相同的高灵敏度和高特异性。‌新加坡樟宜国际机场建立了全球首个全数字化病原筛查枢纽‌，对入境旅客的唾液样本，采用12台微流控数字RPA检测站（集成AI分液系统），云端变异株数据库实时比对，2 h内完成唾液样本中Omicron亚系BA.2.86的拷贝数定量，阳性检出率较传统PCR大幅提升。

6 结语

RPA技术具有优于非等温核酸扩增技术的显著优势，具体表现在以下几个方面：（1）快速动力学，样品加入体系即开始反应，无需对目标双链DNA进行解链处理；（2）恒温反应，这一特点大大减少了技术及仪器所需要的成本；（3）广泛的目的基因适应性，目标基因不限制于DNA或RNA，甚至可以是处理后适合于进行RPA的RNA病毒，如HCV病毒；（4）与基于探针的检测技术的结合，将对便携式快速精确的核酸检测具有重大意义；（5）在技术兼容性上，与CRISPR、微流控等技术的联合应用，检测灵敏度更高，应用场景更加广阔。综上所述，随着RPA技术的广泛应用，将极大提高检测效率，为疾病的早期诊断和实地检测提供简易快捷的检测手段。

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基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFC2302800）

第一作者：张娟（1982—），女，汉族，山东泰安人，硕士，副主任技师，主要从事传染病检测研究工作，E-mail: 5477272jsl@163.com

通信作者：徐翮飞（1975—），女，汉族，山东青岛人，硕士，主任技师，主要从事传染病检测及分子生物学研究等工作，E-mail: fei3579@163.com

1. 青岛国际旅行卫生保健中心（青岛海关口岸门诊部） 青岛 266071

1. Qingdao International Travel Health Care Center (Outpatient Department of Qingdao Customs), Qingdao 266071

表1 主要核酸等温扩增技术的比较

Table 1 Comparison of major isothermal nucleic acid amplification techniques

第7卷 第6期

2025年6月

Monographs and Reviews / 专论综述

结核分枝杆菌分子诊断技术研究进展

冯茹荔 ¹ 刘 迪 ¹ 张 娟 ¹ 马 赛 ^{1 *}

摘 要 结核病是一种主要经由呼吸道传播的可侵犯多种组织器官的慢性消耗性疾病。目前我国依然属于结核病高负担国家，及时快速准确地检测结核分枝杆菌对结核病防治工作至关重要。分子诊断技术发展迅速，已被广泛应用于结核病防治领域，成为结核病诊断的重要手段之一。本文介绍了当前国内结核病形势，并对分子诊断技术在结核分枝杆菌检测中的应用进展进行分析探讨，以期为我国结核病防治工作提供参考。

关键词 结核分枝杆菌；分子诊断技术；核酸扩增检测

Research Progress on Molecular Diagnostic Techniques for Mycobacterium Tuberculosis

FENG Ru-Li ¹ LIU Di ¹ ZHANG Juan ¹ MA Sai ^1*

Abstract Tuberculosis is a chronic wasting disease that mainly spreads through the respiratory tract and can invade multiple tissues and organs. Currently, China is still a country with a high burden of tuberculosis. Timely, rapid and accurate detection of Mycobacterium Tuberculosis is crucial for tuberculosis prevention and control. Molecular diagnostic techniques have developed rapidly and have been widely applied in the field of tuberculosis prevention and control, becoming one of the important means for tuberculosis diagnosis. This article introduces the current situation of tuberculosis in China, and summarizes the application progress of molecular diagnostic techniques in the detection of Mycobacterium Tuberculosis, with the aim of providing a reference for tuberculosis prevention and treatment in China.

Keywords Mycobacterium Tuberculosis; molecular diagnostic techniques; nucleic acid amplification assays

结核分枝杆菌是引起慢性传染性疾病——结核病的病原菌。迄今为止，结核病依旧威胁着人类健康，也是全球由单一传染性病原体导致死亡的首要原因^[1]。世界卫生组织（WHO）发布的《2024年全球结核病报告》^[2]中估算我国2023年结核病死亡数为2.5万，结核病发病数占全球发病数的6.8%，居高负担国家第三位，属于世界结核病高流行国家。

随着分子生物学技术的发展，分子诊断技术已经超越传统病原学分离培养鉴定技术，成为重要的结核分枝杆菌实验室检测方式。分析当前结核病疫情形势，梳理国内外结核分枝杆菌分子诊断技术，对辅助结核病临床治疗，从而对防制结核病疫情具有重要意义。

1 结核病概述

结核病主要通过咳嗽、喷嚏等方式经由呼吸道传播，也可经消化道或皮肤损伤侵入易感机体而传播。全身多部位均可被结核分枝杆菌感染，除低热、盗汗、消瘦、虚弱等共有症状外，不同脏器感染可呈现多种症状，菌体成分、免疫损伤和其代谢物毒性导致细胞炎症是其主要致病机制。由于肺泡为无菌状态，直径小于10 μm的痰滴微粒、含菌尘埃、飘浮飞沫中存在的结核分枝杆菌吸入肺泡内更易定植，故肺结核最为常见。结核分枝杆菌为单个或分枝状排列的略弯曲细长杆菌，无鞭毛、菌毛和芽孢，有荚膜，对日光与湿热敏感，在干燥环境下抵抗力较强，最长可存活6～8个月。

2 我国结核病现状

我国实施以结核病患者发现、治疗和管理为核心的结核病预防控制措施，国内结核病死亡率为2.0/10万，位于全球较低水平^[3]，与2015年相比，2023年估计结核病死亡例数下降35%。虽然防治结核病工作已取得较大进展，但由于我国人口基数较大，2023年估计的结核病新发患者仍有74.1万例，仅次于印度和印度尼西亚居世界第三位。另外，我国估计新发耐多药结核病/利福平耐药结核病患者2.9万例，占全球例数的7.3%，仅次于印度、俄罗斯、印度尼西亚居世界第四位^[2]。国内结核病发病率空间趋势为自西向东逐渐递减，新疆、西藏、青海、贵州是结核病报告的高发地区^[4]，本地传播是我国结核病传播的主要形式^[5]。此外，随着国际贸易往来日益频繁，结核病口岸监测也成为结核病防治工作的一个重点，有研究表明口岸结核病防控的重点人群是30～45岁的出境劳务人群，且男性检出率明显高于女性^[6]。

3 结核分枝杆菌分子诊断技术进展

虽然结核分枝杆菌分离培养与抗酸染色镜检是结核病检查的“金标准”，但结核分枝杆菌对培养环境要求较高、生长缓慢，导致检测周期长。WHO结核病综合指南^[7]推荐使用分子诊断技术核酸扩增检测（Nucleic Acid Amplification Tests，NAATs）作为结核病和利福平耐药性的初始检测。当前，全球范围内用于检测结核病的分子诊断技术包括：核酸变温扩增技术如实时荧光定量PCR扩增技术（Quantitative Real-Time Polymerase Chain Reaction，qPCR）、线性探针检测（Line Probe Assay，LPA）、高分辨率熔解曲线（High-Resolution Melting，HRM）；核酸等温扩增技术如重组酶聚合酶扩增技术（Recombinase Polymerase Amplification，RPA）、环介导等温扩增技术（Loop-Mediated Isothermal Amplification，LAMP）、滚环扩增技术（Rolling Circle Amplification，RCA)；测序技术包括：内转录间隔基因测序（Internal Transcribed Spacer，ITS）、靶向测序技术（Targeted Next-Generation Sequencing，tNGS）、全基因组测序技术（Whole Genome Sequencing，WGS）等^[8]。

3.1 变温扩增技术

实时荧光定量PCR扩增技术是当前应用最广泛的分子生物学技术，检测特异性强，可实现核酸的相对定量检测、多种或多重靶基因检测。其原理是在普通PCR“变性-退火-延伸”的基础反应循环上，增加荧光染料或者荧光标记探针^[9]，借助荧光检测仪器实时读取荧光信号，实现核酸定性与相对定量检测。目前WHO推荐使用的GeneXpert MTB/RIF Ultra试剂盒就是基于此技术，自动化程度高，操作简单准确，可节省大量人力物力，且对结核病痰液样本有较好的诊断效能^[10]，缺点是试剂与设备成本高且通量小。此外，Kay A等^[11]针对粪便样本研制的新型qPCR在青少年和成人样本中也具有相当的诊断准确性。而针对舌拭子的简单qPCR诊断试剂也已在国内结核病医院进行定点测试，或能成为痰液采集困难者的无创诊断替代方案^[12]。

线性探针检测^[13]是指融合PCR扩增与线性探针杂交的技术，基本原理是使用生物素标记的引物进行目的基因的多重PCR扩增，再将扩增产物与预先固化在试纸条上的寡核苷酸探针杂交，最后利用酶显色后读取结果^[14]，常用于检测对利福平、异烟肼、氟喹诺酮类药物耐药的结核分枝杆菌，与传统的药敏试验相比能有效缩短诊断时间，进而改善治疗效果^[15]。

高分辨率熔解曲线原理是利用特定荧光染料结合双链DNA但不结合单链DNA的特性，连续监测扩增过程中DNA的解链温度变化并形成熔解曲线，从而实现对核酸样本的检测，其优势在于检测价格较低，且不需要为每个核酸靶标单独设计特定的探针和引物，也可合成核酸标准品用以检测结核分枝杆菌耐药基因单个或多个序列突变^[16]。此外，Khosravi A D等^[17]设计了分枝杆菌种类鉴定的高分辨率熔解曲线分析法，可以精准鉴别显微镜检不易分辨的诺卡菌和分枝杆菌。

3.2 等温扩增技术

重组酶聚合酶扩增技术主要借助结合引物的重组酶、单链DNA结合蛋白和链置换DNA聚合酶实现迅速的核酸扩增，在几分钟内即可获得扩增曲线^[18]。有研究表明RPA检测结核分枝杆菌的灵敏度和特异性都明显高于痰涂片镜检^[19]，用于结核分枝杆菌利福平耐药性检测方面也具有一定的临床应用价值^[20]。但RPA易出现非特异性扩增导致假阳性且配套设计的荧光探针相对昂贵。催化发夹组装（Catalytic Hairpin Assembly，CHA），是一种新型的无酶级联扩增方式，其原理主要是在目标物的作用下，引发链诱导发夹探针进行组装，被置换出来后引发下一轮反应，起到类似催化剂的作用，从而实现目标物检测信号的放大。RPA与CHA结合可实现双信号放大，成为灵敏且低成本的结核分枝杆菌现场即时检测（Point-of-Care Testing，POCT）平台，有望应用于临床结核病筛查和诊断^[21]。

环介导等温扩增技术原理是针对靶基因上的不同区段设计 4或6个不同引物，通过环状链置换反应实现对核酸的高效特异扩增，可鉴别不同类型样本中的结核分枝杆菌，特别是对痰液样本的检测有较高的检测灵敏度和准确性，诊断价值更高 ^[22]。侧向流动试纸条（Lateral Flow Dipstick，LFD）利用毛细管层析原理，使扩增产物在层析膜上显化形成可见信号，其与等温扩增技术结合可实现POCT，因其不需要变温设备，故可实现在环境恶劣的户外应用。多重LAMP与LFD相结合可以有效检测结核分枝杆菌复合体，实现裸眼可视化且成本低于PCR^[23]。

滚环扩增技术需构建DNA单链环状模板，使用单链引物结合，借助DNA 聚合酶完成模板延伸和循环扩增。RCA技术能准确识别混合结核分枝杆菌耐药基因中的单碱基突变，配合多色荧光探针实现 3个突变基因的单管多重检测，灵敏度达到1.0 pmol/L^[24]，但在结核分枝杆菌其他检测方面应用较少。

3.3 测序技术

内转录间隔基因测序属于一代测序（sanger测序法），通过16S-23S rRNA区域的测序和DNA数据库序列比对，可实现结核分枝杆菌与非结核分枝杆菌的物种鉴定，但目前公共数据库存在部分问题序列，会在一定程度上影响鉴定效率^[25]。目前二代测序技术主要包含全基因组测序、外显子测序、靶向测序。其中，靶向测序技术是 WHO推荐的具有潜在前景的检测方法，通过核酸预扩增与选定基因测序分析，无需细菌培养即可辅助诊断结核病^[26]。全基因组测序通常可覆盖95%的基因组，借助基因组数据库构建，可分析筛选出所有与耐药表型相关的主要突变因素、追踪人群中的传播情况，甚至可分析耐药传播网络、预测抗结核药物耐药性^[27]，这是其他检测方法无法替代的优势。

4 讨论

与涂片抗酸染色、分枝杆菌分离培养的传统检测方法相比，以qPCR为首的分子诊断技术确实具有更高的阳性检出贡献率，其时间优势也提升了结核病诊断的医疗效率^[28]。随着分子生物学技术的成熟，临床实验室应用变温扩增技术已非常广泛，目前已有多种检测试剂盒通过国家体外诊断试剂注册与备案。恒温扩增技术因其不依赖特殊设备更侧重POCT的应用场景，导致目前实验室诊断使用率相对较低，但可靠高效的恒温扩增技术在恶劣地区或缺乏试验条件的环境中更具使用意义，可推广应用。一代测序技术当前主要面临的瓶颈为核酸序列数据库质量参差不齐，因此，梳理整合我国自研数据库信息具有一定必要性。当前新发耐多药结核病患者不在少数，使用分子诊断技术精准快速检测结核分枝杆菌、追踪耐药基因，对结核病预防控制具有积极意义。

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基金项目：海关总署科研项目（2024HK099）

第一作者：冯茹荔（1993—），女，汉族，山东淄博人，本科，主管技师，主要从事出入境传染病与病媒生物监测工作，E-mail: fengruli199377@163.com

通信作者：马赛（1978—），男，汉族，河北廊坊人，硕士，副主任医师，主要从事出入境传染病监测工作，E-mail: ma_sai@126.com

1. 青岛国际旅行卫生保健中心（青岛海关口岸门诊部） 青岛 266071

1. Qingdao International Travel Health Care Center (Outpatient Department of Qingdao Customs Port), Qingdao 266071

第7卷 第6期

2025年6月

专论综述 / Monographs and Reviews

双酚类化合物检测方法探讨

陈山丹 ¹ 洪锦清 ¹ 刘 萍 ¹ 钱志娟 ¹ 顾 颖 ¹ 张 莉 ¹

摘 要 双酚类化合物是一类广泛应用于聚碳酸酯、环氧树脂及其他高分子材料合成的工业化学品，由于其潜在的雌激素活性和内分泌干扰效应，这类化合物在环境介质及生物体内的残留可能对生态系统和人体健康造成长期危害。为系统评估双酚类化合物的风险并推动相关检测技术的发展，本文概述了国内外针对双酚类化合物的法规限制要求，系统总结了双酚类化合物的化学结构、理化性质以及对人体健康的潜在危害机制。在检测技术方面，对比分析了分光光度法、气相色谱法、气相色谱-质谱法、液相色谱法以及液相色谱-质谱法等不同方法的适用性及优缺点。另外，本文对该领域存在的问题和研究方向进行了展望，提出发展高通量残留物筛查技术、智能化识别方法以及绿色化学检测策略，以减少溶剂消耗并提高分析效率，为纺织品、食品接触材料、玩具等产品的化学安全检测和质量控制提供科学依据和技术支撑。

关键词 双酚A；双酚S；双酚类化合物；检测方法

Discussion on Detection Methods for Bisphenol Compounds

CHEN Shan-Dan ¹ HONG Jin-Qing ¹ LIU Ping ¹ QIAN Zhi-Juan ¹ GU Ying ¹ ZHANG Li ¹

Abstract Bisphenol compounds are industrial chemicals widely used in the synthesis of polycarbonate, epoxy resins, and other polymer materials. Due to their potential estrogenic activity and endocrine disrupting effects, the residues of these compounds in environmental media and biological organisms may pose long-term hazards to ecosystems and human health. To systematically assess the risks associated with bisphenol compounds and promote the development of relevant detection technologies, this paper outlines regulatory restrictions on bisphenol compounds both domestically and internationally, systematically summarizes the chemical structures, physicochemical properties, and potential health hazard mechanisms of bisphenol compounds. In terms of detection technologies, it compares and analyzes the applicability and advantages and disadvantages of various methods, including spectrophotometry, gas chromatography, gas chromatography-mass spectrometry, liquid chromatography, and liquid chromatography-mass spectrometry. Furthermore, this paper discusses existing issues and research directions in the field, proposing the development of high-throughput residue screening technologies, intelligent identification methods, and green chemical detection strategies to reduce solvent consumption and improve analytical efficiency, providing scientific evidence and technical support for the chemical safety testing and quality control of products such as textiles, food contact materials, and toys.

Keywords bisphenol A; bisphenol S; bisphenol compounds; detection methods

基金项目：海关总署科研项目（2024HK094）；南京海关科研项目（2023KJ35）

第一作者：陈山丹（1985—），女，汉族，江苏高邮人，硕士，高级工程师，主要从事轻工产品、儿童用品、化妆品等检测技术研究，E-mail: yc616_635@163.com

1. 南京海关轻工产品与儿童用品检测中心 扬州 225000

1. Nanjing Customs District Light Industry Products and Children’s Products Inspection Center, Yangzhou 225000

双酚类化合物（Bisphenols，BPs）是一类常用的有机酚，是重要的有机化工原料，广泛应用于制造聚碳酸酯、环氧树脂的中间体，常用于纺织品、热敏纸、皮革制品、婴幼儿奶瓶等产品中。然而，其在使用过程中存在显著迁移风险，当相关制品在反复使用或长期暴露于高温、酸碱、紫外光照射等环境中时，材料基质中的双酚类化合物会加速溶出，通过生物积累和食物链传递进入人体。研究证实，双酚类化合物对人体的内分泌系统、免疫系统、神经系统具有不同程度的干扰作用，其中婴幼儿群体因代谢系统未发育完善而表现出更高的暴露敏感性。

基于对双酚类化合物潜在风险的认知，各国政府和监管机构相继出台了相关法规和标准，以保障公众的健康和环境安全。本文系统梳理了双酚类化合物的种类和结构特性，剖析了其对人体健康和生态环境的影响危害，概述了中国、美国、欧盟等国家和地区对双酚类化合物的规定和限制，并对分光光度法、气相色谱法、气相色谱-质谱法、液相色谱法、液相色谱 -质谱法等方法在双酚类化合物测定上的应用情况及优缺点进行分析，旨在为双酚类化合物的研究提供理论参考依据。

1 双酚类化合物的种类和安全风险

双酚类化合物是一类由碳或硫原子桥连两个对羟基苯形成的化合物，结构式如图1所示。其中，R、R′、R′′分别代表不同的有机基团，这些有机基团赋予了双酚类化合物不同性质。

图1 双酚类化合物的结构

Fig.1 Structure of bisphenol compounds

BPs属于典型的内分泌干扰物，双酚A作为其中的典型代表，是最早实现工业化生产的化学品之一，用于制造聚碳酸酯和环氧树脂。毒理学研究表明，双酚A暴露与肥胖、心血管疾病、肾脏疾病等一系列健康问题有关^[1]，其进入人体后会充当雌激素激动剂和雄激素拮抗剂，严重时甚至致癌、致畸、致突变等^[2]。基于其明确的健康风险，欧盟《化学品注册、评估、授权和限制法规》（REACH法规）明确限定热敏纸中双酚A的含量不得≥0.02%；2024年12月19日，欧盟委员会正式通过了禁止在食品接触材料中使用双酚A的法规，该规定意味着双酚A被禁止用于与食品或饮料接触的产品中，如金属罐涂层、可重复使用的塑料饮料瓶等。鉴于此，一些与双酚A物理和化学性质相似的物质，如双酚S、双酚F、双酚AF、双酚B等作为双酚A的替代物被大量投入生产和使用^[3-4]。

双酚F、双酚S和双酚AF是聚碳酸酯和环氧树脂制造中最主要的双酚A替代品，其中，双酚F可用于清漆、衬垫、黏合剂、塑料水管以及牙科密封剂、口腔修复装置、组织替代品和食品包装涂层的生产；双酚S可用于环氧胶、罐头涂料、热敏纸的生产，以及用作染料和鞣剂的添加剂；双酚AF被用作氟橡胶、电子和光纤中的交联剂，以及聚酰亚胺、聚碳酸酯和其他特种聚合物的高性能单体等。随着研究的深入，这些替代品也已被确定为内分泌干扰化学品，表现出与双酚A相当甚至更为严重的内分泌干扰特性、遗传毒性等^[5-6]。而随着BPs相关产品的生产、使用和废弃，双酚类化合物可能迁移至生态环境和生物体中^[7-8]，表现出食物链中的生物累积，这类污染物在不同程度上干扰生物体与生殖、发育相关的激素合成、分泌、传递等环节，进而对个体的生殖、免疫、神经等多方面产生影响，同时具有较强的致癌性、致畸性和致突变性。

国内外对双酚类化合物的限制主要集中在玩具、纺织品、食品接触材料等产品中，美国、欧盟等国家和地区限制双酚A在皮革和毛皮制品中使用。2008年10月，双酚A被加拿大列为有毒化学物质。2011年5月，欧盟食品接触塑料法规（EU）10/2011要求食品塑料接触材料中的双酚A迁移量应≤0.6 mg/kg。2011年11月，美国加利福尼亚州发布法案AB 1319，针对3岁和3岁以下儿童使用的食品接触瓶或杯子要求双酚A含量不得超过0.1 μg/kg。2024年9月，美国加利福尼亚州签署SB 1266法案，进一步限制儿童喂食产品和儿童吮吸或出牙产品中双酚类物质的使用。2011年，我国原卫生部、工业和信息化部、商务部等六部门联合发布《关于禁止双酚A用于婴幼儿奶瓶的公告》，禁止生产、进口和销售含双酚A的婴幼儿奶瓶。国际环保纺织协会（OEKO-TEX^®）在2020年将双酚A纳入有害物质限用范围，限定皮革中双酚A含量不得高于100 mg/kg。2022年12月，欧洲化学品管理局（European Chemicals Agency，ECHA）建议双酚A、双酚B、双酚S、双酚F、双酚AF在皮革及其制品中的限量值为500 mg/kg。2023年1月，REACH法规将双酚S列入高度关注物质。美国华盛顿州儿童产品安全法案将双酚A、双酚F、双酚S等双酚类物质列入儿童产品高度关注化学物质清单中，限制该类物质在汽车座椅、服装鞋类、玩具等儿童产品中使用。欧盟食品接触塑料法规和我国国家标准均规定双酚S在食品或食品模拟物中的迁移限量为0.05 mg/kg。随着大众生活水平的提高和质量安全意识的增强，人们对日常用品的质量要求越来越高，愈加关注其生态安全，因此建立准确、快速、简便的双酚类化合物检测方法，对于保证产品安全、促进对外贸易发展具有重要意义。

2 检测方法研究现状

目前，国内外关于双酚类化合物的分析检测主要集中于食品和食品包装材料、化妆品、环境水样、污泥、纺织品等，检测方法主要有紫外-可见分光光度法（UV and Visible Spectrophotometry，UV-Vis）、气相色谱法（Gas Chromatography，GC）、液相色谱法（Liquid Chromatography，LC）、气相色谱-质谱联用法（Gas Chromatography Mass Spectrometry，GC-MS）、液相色谱-质谱联用法（Liquid Chromatography Mass Spectrometry，HPLC-MS）。

2.1 紫外-可见分光光度法

分光光度法是通过测定物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析的方法，具有灵敏度高、操作简便、快速等优点。双酚类化合物的分子结构中含有苯环，所以具有一定的紫外吸收，可通过测量特定波长下的吸光度对这类化合物进行定性和定量分析。王丽等^[9]利用氨水加强双酚S的紫外吸收信号，在碱性条件下反应，在波长293 nm处测定塑料制品包装中双酚S，线性范围为0.6～7.2 mg/L，相关系数为0.9973；贾聪聪等^[10]提出了一种基于三乙胺碱解双酚S，并用紫外分光光度法进行检测的方法，方法检出限为5.00×10^-5 g/L，线性范围为5.00×10^-5～3.00×10^-2 g/L，相关系数为0.9951，适用于热敏纸中双酚S的测定。曹桂萍等^[11]研究了紫外-可见分光光度法测定塑料制品、纺织品、热敏纸等样品中双酚S，试样浸泡于蒸馏水中，在70℃恒温水浴条件下提取4 h，将萃取液pH值调节至6.0的弱酸性条件，最后选择258 nm作为特征吸收波长进行吸光度测定，该方法对双酚S的检出限为0.1 mg/L，回收率为90.7%～103.9%。

2.2 液相色谱法

液相色谱法是利用待测组分的极性和吸附性间的差异性，在流动相和色谱柱的填料之间的保留系数各不相同，进而在不同时间流出而将化合物进行分离。该方法具有分离效率高、选择性高、灵敏度高、分析速度快等特点，适用于分析高沸点的有机化合物、高分子以及热稳定性差的化合物和具有生物活性的物质。冯徐根等^[12]利用高效液相色谱法测定了鞋类材料中苯酚和双酚A，采用超声萃取法提取，二极管阵列检测器和荧光检测器串联，方法线性范围为0.1～5.0 μg/mL，检出限为0.4～3.6 μg/mL，加标回收率在92.4%～99.6%之间。黄琼兰等^[13]基于磁性C12烷基壳聚糖硅胶复合材料，建立了磁固相萃取富集方法，结合高效液相色谱-二极管阵列检测器建立茶饮样品中5种双酚类化合物的分析方法，检出限为2.34～15.6 μg/mL，精密度为1.5%～8.5%，方法回收率在86.0%～112.3%之间。朱培杰等^[14]以羧基化多壁碳纳米管为填料，制备一种新型的枪头式固相萃取小柱，结合高效液相色谱建立了饮用水中5种双酚类化合物的分析方法。吴国坚等^[15]利用磁性石墨烯纳米复合材料为磁固相吸附剂，利用正交试验对吸附剂用量、时间、温度以及萃取载体体积等条件进行优化，采用高效液相色谱-紫外检测器对纺织品中8种双酚类仿雌激素进行检测，在0.5～100.0 mg/L范围内标准曲线相关系数R²＞0.999，加标回收率为90.3%～104.2%，相对标准偏差（n = 6）为1.2%～4.8%，检出限为0.1～0.5 mg/kg，并对实际样品进行分析，可以实现对不同纺织品中双酚类化合物的检测。

2.3 气相色谱法和气相色谱-质谱联用法

气相色谱法是一种以惰性气体作为流动相的分离分析技术，其基本原理是将汽化后的样品由载气带入色谱柱，利用各组分在沸点、极性等方面的差异，通过其在载气与固定相之间反复进行的分配、吸附及解吸过程，实现不同迁移速率的分离，最终表现为保留时间的差异。该方法适用于挥发性或可汽化的化合物分析，并可依据待测物质的化学性质选择不同的检测器，如氢火焰离子化检测器、热导检测器和电子捕获检测器等。

然而，传统气相色谱法仅依靠保留时间进行定性分析，难以在复杂基质中对未知组分进行准确鉴定。为提升分析能力，气相色谱-质谱联用技术应运而生，该技术结合了气相色谱的高效分离能力与质谱的高分辨、高灵敏度的优势，显著提高了定性分析的可靠性。双酚类化合物由于具有较高的沸点和较强的极性，在常规气相色谱分析过程中往往难以汽化，且在一定的加热温度下开始分解，导致色谱峰拖尾严重，检测灵敏度降低，甚至因高温分解产生干扰峰。为了改善其色谱行为，通常需要对目标化合物进行衍生化处理，以降低极性、增强挥发性并提高热稳定性。

常用的衍生试剂包括乙酸酐、双（三甲基硅烷基）三氟乙酰胺和四甲基氢氧化铵等。通过衍生化反应，双酚类化合物可转化为更适合使用气相色谱法分析的衍生物，从而优化峰形、提高检测灵敏度并减少热分解干扰。唐熙等^[16]采用蒸馏水对奶瓶中双酚A进行迁移实验，通过固相萃取富集目标物后，利用五氟丙酸酐对其进行衍生化处理，随后采用气相色谱-电子捕获检测器进行分析测定，方法检出限为0.2 μg/L，回收率为92.3%～98.5%，相对标准偏差在3.35%～5.96%之间。该方法表现出良好的分析性能，具有较高的灵敏度和重现性，适用于塑料制品中微量双酚A的检测。周圣翔等^[17]用甲醇超声提取皮革样品中双酚A，提取液经过乙酸酐进行乙酰化反应，再通过液液萃取至正己烷中，采用气相色谱-质谱联用仪全扫描定性，选择离子定量分析。衍生物双酚A二乙酸酯在低浓度下有较高的响应信号，方法检出限为0.1 mg/kg，定量限为0.4 mg/kg，回收率为94.46%～102.94%，相对标准偏差在2.44%～4.29%之间。高永刚等^[18]通过索氏萃取富集玩具和食品接触材料样品中的双酚A，在室温下与乙酸酐进行衍生化，优化了衍生时间、乙酸酐用量等条件，衍生化产物用GC-MS进行测定，衍生物得到较好峰型，加标回收率为80%～93%，相对标准偏差（RSD）小于3.7%；检出限为10 μg/kg。周同娜等^[19]建立了固相萃取-衍生化-气相色谱-质谱法同时测定环境水中双酚A等多种酚类化合物的方法，水样通过以苯乙烯/二乙烯苯聚合物为吸附剂的SDB-XC固相萃取膜净化，以1%（质量分数）三甲基氯硅烷（TMCS）的N,O-双（三甲基硅烷基）三氟乙酰胺（BSTFA）溶液为衍生试剂，终溶液用气相色谱分离，选择离子监测模式测定，内标法定量，实际样品中双酚A加标回收率为73.4%～125%。

2.4 液相色谱-质谱联用法

目前双酚类化合物检测中使用较多的仪器方法是液相色谱-质谱法，其中四级杆串联质谱是文献报道中涉及较多的检测器。双酚类化合物在电喷雾离子源（ESI）下的离子化方式与大气压化学源（APCI）相比具有更高的灵敏度，因此现有研究普遍采用ESI源，并在负离子化模式进行检测，以优化目标化合物的响应信号提高方法性能。如李星等^[20]将牛奶样品用氨水/乙腈溶液溶解，超声提取后使用固相萃取柱净化，采用负离子多反应监测模式，建立了同时测定牛奶中双酚A、双酚F和双酚S含量的液相色谱-串联三重四级杆质谱联用方法。韩沐珂等^[21]用乙腈或甲醇溶液对植物源食品中双酚类化合物进行提取，提取液经复合免疫亲和柱净化，采用C₁₈色谱柱进行分离，HPLC-MS/MS检测，通过对线性范围、检出限、定量限等参数进行考察，发现双酚A、双酚S和双酚F在0.05～20 μg/L范围内有较好线性关系，双酚A和双酚F的检出限为0.15 μg/kg，定量限为0.5 μg/kg；双酚S的检出限为0.015 μg/kg，定量限为0.05 μg/kg。该方法中免疫亲和柱基于抗原抗体特异性结合原理，净化效果优良，分析苹果、菠菜、大米粉以及婴幼儿米粉中双酚类物质时能有效降低基质效应，具有积极的推广意义。谢景千等^[22]利用液相色谱-串联质谱法对食品接触材料样品中双酚F和双酚S迁移量进行分析，双酚F和双酚S线性范围分别为10～200 μg/L和0.5～10.0 μg/L，方法检出限分别为2 μg/kg、0.1 μg/kg，加标回收率为84.4%～108%。

3 结语与展望

双酚类化合物的检测体系已发展出多种分析方法，各具特色且适用范围各异。分光光度法仪器成本低、操作简便、快速，但对样品基质要求较高，某些特定物质的检测灵敏度可能较低，不同双酚类化合物具有相同共轭体系时，最大吸收波长相近，选择性差，因此无法实现高通量分析，应用具有一定的局限性。气相色谱-质谱法准确度和灵敏度高，抗干扰能力强，但前处理步骤繁琐，需要对酚类物质衍生后测定，目前已有文献报道的检测方法覆盖化合物较少，常常只能对其中1至2种进行单独测定。液相色谱法无需衍生步骤，样品经特定溶液提取后可直接测定，前处理简单、灵敏度高，但此方法在实验过程中需要消耗大量有机溶剂，容易对环境造成二次污染，且对于复杂基质中痕量残留物分析能力有限，阳性样品需经质谱进一步确证，故在实际应用中受到一定限制。相较于前几种方法，液相色谱-质谱联用法分析时间短，10 min之内即可完成多达十几种双酚类化合物的分析，且具有较高的灵敏度，检测范围广，可结合固相萃取、快速溶剂萃取、QuECHERS等前处理方法对水质、食品、食品接触材料、化妆品等不同形态样品中多种双酚类化合物进行检测分析，近年来被广泛用于双酚类化合物的测定。

随着环境污染和食品安全问题的日益突出，未来法规或标准对双酚类化合物的要求将愈来愈严格，对方法的选择性、灵敏度及环境友好性提出了更高要求。未来双酚类化合物的检测技术有望在以下几个方面取得突破：一是基于纳米材料、分子印迹技术或生物传感器的新型检测技术的开发，将在简化前处理流程、提高选择性和灵敏度方面展现优势，同时减少有机溶剂的使用，推动绿色分析化学的发展。二是高通量多残留检测技术的优化，进一步优化液相色谱-质谱联用技术的硬件设备和软件技术，如结合高分辨质谱提升复杂基质中痕量化合物的定性定量能力，利用人工智能辅助数据分析以提高检测效率和结果准确性。三是结合固相微萃取、在线前处理等技术，实现样品制备与分析的自动化，减少人为误差并提高检测效率，适用于大规模环境监测和食品安全筛查。

总之，双酚类化合物的检测技术将朝着更高效、更精准、更环保的方向发展，为环境健康风险评估和食品安全监管等提供更可靠的技术支撑，未来的研究应注重方法学的创新与实际应用的结合，以满足日益增长的检测需求。

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第7卷 第6期

2025年6月

专论综述 / Monographs and Reviews

水产品及其制品中挥发性物质的电子鼻

检测及应用进展

段效辉 ^{1 , 2} 许文娟 ¹ 凌 莉 ³ 徐 娟 ² 赵 晗 ^{1 *} 董 静 ¹

摘 要 水产品及其制品中挥发性物质组分可以在一定程度上反映产品品质。电子鼻是一种智能气体传感器系统，具有无损、快速、灵敏等优势，在食品挥发性物质测定和分析中得到了广泛应用。本文综述了应用电子鼻检测水产品及其制品中挥发性物质的原理、方法及在品质评价、加工工艺优化、真伪鉴别和安全检测领域应用概况，进一步分析了运用电子鼻技术检测水产品及其制品中挥发性物质面临的挑战，并对其应用前景进行展望。

关键词 水产品；挥发性物质；电子鼻；检测

Advances in Detection and Application of Volatile Substance s in Aquatic Products Using Electronic Nose

DUAN Xiao-Hui ^1,2 XU Wen-Juan ¹ LING Li ³ XU Juan ² ZHAO Han ^1* DONG Jing ¹

Abstract The volatile substances in aquatic products and their derivatives can indicate their product quality to a certain extent. The electronic nose is an intelligent gas sensor system, which has the advantages of being non-destructive, rapid and sensitive. It has been widely used in the determination and analysis of volatile substances in food. This paper reviews the principles and methods of using electronic nose to detect volatile substances in aquatic products, as well as its application in the fields of quality evaluation, optimization of processing technology, authenticity identification and safety detection. This paper also analyzes the problems in using electronic nose to detect volatile substances in aquatic products and looks forward to its application prospects.

Keywords aquatic products; volatile substances; electronic nose; detection

水产品及其制品是高蛋白质食品，味道鲜美，受到人们喜爱。水产品及其制品散发出的挥发性物质在一定程度上可以反映产品品质，包括新鲜度、安全性及产地、营养物质含量、风味物质类别等，这些也是影响其价值的重要因素。通过测定水产品及其制品中挥发性物质组成和含量，可以评估其品质状况，为产品储存、贸易和食用等提供数据支持。

目前，水产品及其制品中挥发性物质成分检测方法包括人工感官检验、色谱和质谱分析等技术。国家标准GB/T 10221—2021《感官检验 术语》^[1]将感官分析定义为用感觉器官对产品感官特性进行评价的科学，是使用一种或多种人体感官（视觉、触觉、嗅觉、味觉）对食品进行检测和等级分类的检测方法。对水产品及其制品中挥发性物质成分进行人工感官检验的方法就是使用人体嗅觉器官进行检测和等级分类的检测方法。这一检测方法对分析人员的感官能力和描述表达能力有严格的要求，因此容易受到人为主观因素影响，结果可能出现差异。

现代色谱和质谱检测技术在针对某种具体成分的检测方面具有绝对优势，但对产品品质进行综合分析，则有一定局限性。电子鼻检测技术是模仿人类嗅觉器官功能的一种快速、无损检测分析方法^[2]，能够对水产品及其制品中复杂的挥发性物质分类响应，不但检测速度快，还避免了人工检测的主观因素影响，又可以通过数据分析结果进行分类、特征判定等，在食品检测领域表现出显著的优越性。近年来，应用电子鼻技术检测水产品中挥发性物质的研究得到越来越多的关注，将其应用于水产品制品检测的相关研究也获得了长足发展。

1 电子鼻检测原理

电子鼻是能够模仿生物嗅觉功能，对周围环境的化学刺激进行感知并开展定性定量分析的智能仿生设备^[3]，一般由挥发性物质采集传递系统（样品收集）、传感器响应系统和模式识别分析系统3个部分组成。

用于电子鼻检测的样品一般无需复杂的前处理步骤。研究人员根据研究目的，将水产品放置于一定的密闭空间，在不加热、不加压或适当加热、加压一定时间后，通过顶空进样法将挥发性气体导入电子鼻，是目前样品收集和导入待测挥发性物质的主流方式。虽然压力、温度条件对水产品挥发性物质组成和浓度的影响尚鲜有报道，但综合现有研究发现，对水产品进行加热或加压处理随研究目的不同而有所差异。以水产品新鲜度评判为主要研究目标时，特征挥发性物质主要考虑氨气、胺类、硫化物等成分，研究人员通常测定产品在4℃左右冷藏条件或常温常压条件下的挥发性物质，并进行数据分析。例如，张渤函等^[4]利用电子鼻建立大黄鱼新鲜度预测模型，Zhu等^[5]利用电子鼻研究蟹的新鲜度快速评估技术，均采用室温静置一定时间后顶空进样方式，获得挥发性气体电子鼻响应数据。当研究目标是特定微生物检测、加工工艺优化、产地鉴别等非新鲜度检测时，一般会综合考虑氨气、芳香烃类、醇类等挥发性物质整体情况，对产品进行适当加热和加压。例如，胡惠平等^[6]检测南美白对虾中副溶血性弧菌，利用加热箱将一定量菌液在37℃下加热600 s，以顶空方式进样，获得副溶血性弧菌代谢物挥发性气体数据。Wang等^[7]以电子鼻鉴别不同产地的中华绒螯蟹，选择在分析前将样品在50℃下孵育120 s。

气敏传感器包括接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等，可单独应用也可组合应用。Di Natale等^[8]使用金属卟啉传感器和电化学传感器两种技术构建的电子鼻检测鳕鱼新鲜度，发现基于不同传感器技术的电子鼻系统通常比单一技术性能更高。因此，水产品中挥发物检测研究中较常见的传感器系统，通常是多种传感器叠加以及多组传感器组成的传感器阵列。而由于灵敏度高、稳定性好，可对多种挥发物灵敏响应等优点，基于金属氧化物半导体传感器构建的电子鼻已成为水产品中挥发性物质检测常用的传感器系统^[2]。目前，相关的应用研究使用的金属氧化物传感器系统一般是由性能彼此重叠的数个至数十个传感器组成阵列，这种多个气体传感器组合可特定地响应复杂的挥发性物质组分^[9]。挥发性物质通过气体传感器识别并呈现特定的信号或模式，当不同的挥发性物质在阵列中呈现，系统可采集特定信号，并筛选出特征性挥发物质或指纹图谱，从而建立水产品特定特征数据库。

传感器系统响应挥发性气体信号得到的数据，可以使用模式识别技术和神经网络算法等进一步分析。主成分（Principal Component Analysis，PCA）分析、多元线性拟合、聚类分析都是电子鼻中常用的数据处理方法。通过这些模式识别技术，可以完成传感器系统响应的挥发性物质数据信号的分类。近年来使用较多的偏最小二乘法能消除随机成分和噪音，对相关程度较高的多因变量数据的拟合效果较好，而神经网络方法是通过对已知数据的反复学习过程，在输入和输出变量间建立有意义的关系，以这两种方法构建的水产品新鲜度、货架期等相关模型，获得了良好的评估结果^[10]。

2 水产品及其制品中挥发性物质类别

水产品及其制品中挥发性物质包括新鲜水产品本身所含有的特定挥发性物质，如醇类、胺类、硫化物等^[11]；水产品在储存过程中因细菌的生长繁殖、酶的催化作用、氧化、风干等原因而散发出的特定挥发性物质，如氨类或胺类碱性含氮化合物；水产品加工过程中因不同的加工处理方式和风味物质添加而形成的特定挥发性物质，如烃类、醛类、脂类、醇类等。这些挥发性物质可通过电子鼻开展检测和统计分析，用于评估水产品及其制品的特征状况。在实际检测过程中，电子鼻是对产品挥发性组分的综合性分析，水产品中固有挥发性物质和代谢物一般同时检测以监测其差异，但仍可通过差异分析获得能够表征水产品特性的特征性挥发性物质组成情况。表1列出了近年来几种电子鼻检测不同水产品及其制品中的特征性挥发物质类别。可以看出，对于新鲜水产品，电子鼻分析获得的特征性挥发物质一般都包括氨气、胺类、含硫化合物等，当涉及水产品加工制品时，芳香族化合物、醇类则成为典型的特征挥发物。

3 电子鼻在水产品挥发物检测中的应用

电子鼻以水产品及其制品独特的气味特征为靶向，具有对挥发性物质快速、无损检测并能进行综合性评估的优势，因此，在水产品挥发性物质检测中得到广泛应用。

3.1 水产品及其制品品质评价

水产品中挥发性物质的组成和浓度因其新鲜度、货架期、营养物质含量等的差异而有显著不同，借助电子鼻设备捕获并分析这些不同组成和浓度的挥发性物质，可实现对水产品品质的评价^[9]。

3.1.1 水产品新鲜度评价

自20世纪90年代以来，不同的电子鼻设备陆续被研发并应用于水产品新鲜度评价^[18-23]，从自主研发不同原理的电子鼻设备到商业化生产功能稳定的电子鼻设备，性能日趋完善，相关研究成果也日渐丰富。2002年，Hammond等^[18]自主研发了一种用于监测鱼类新鲜度的半导金属氧化物阵列，并应用于分析挥发性有机化合物的变化，发现能够区分新鲜和变质的鱼类样本。2014年，王绿野等^[19]利用电子鼻检测4℃贮存的草鱼样品挥发性气体变化情况，结合PCA分析及菌落总数测定，建立了草鱼新鲜度预测模型和基于信噪比值的鲜度指标。结果显示，方法准确、快速，且具有较好的重复性。2023年，汤楚涵^[20]利用法国制造的快速气相色谱电子鼻结合机器学习检测小龙虾新鲜度。同年，Dedy等^[21]利用电子鼻结合7种机器学习算法开发了一种快速、准确的方法，作为评估海洋渔业产品（海鲜）鲜度质量的替代方法。其中，梯度树提升、决策树、随机森林和k-最近邻4种算法可以始终提供高准确率，可以基于电子鼻信号准确识别水产品鲜度级别。2024年，Haitham等^[16]利用商业电子鼻设备对沙丁鱼腐败程度进行准确评估。几十年来，除利用经典的PCA数据分析、聚类分析等方法，结合机器学习的神经网络方法，极大促进了电子鼻在水产品新鲜度评估中的应用，并获得了快速发展。

3.1.2 水产品货架期评估

水产品货架期是影响水产品品质的一项重要指标。与水产品新鲜度研究的对象主要是新鲜或冷冻的水产品不同，水产品货架期预测研究对象还包括经加工的水产制品。通过分析水产品及其制品在储存过程中挥发性物质的变化，结合统计学分析工具，构建相关模型，可以预测其货架寿命，为水产制品的包装和储存提供科学依据^[10,24]。Limbo等^[25]利用电子鼻跟踪储存于不同温度、不同时间的欧洲鲈鱼挥发性物质组成和浓度的变化，预测其不同保存方式的货架期，为销售和消费期间的保存方式和周期提供数据支撑。郭全友等^[26]以电子鼻对南美白对虾即食虾仁常温贮藏期间挥发性物质进行检测，发现不同贮藏期虾仁可通过主成分分析方法得到典型区分，通过构建的相关预测模型，可判定货架期。利用电子鼻对三文鱼、罗非鱼、带鱼等水产品货架期进行评价和预测的相关研究也都取得了较好的结果^[27-29]。

3.1.3 与其他检测指标结合的水产品品质评价

长期以来，水产品品质多通过检测产品的总挥发性盐基氮（TVB-N）来评价，但TVB-N值检测过程相对繁杂，且对水产品的品质评价易受主观因素影响。袁丽等^[30]对不同干燥工艺条件下的腌制鲢鱼挥发性物质进行电子鼻检测，结合测得的TVB-N值，并通过PCA分析和偏最小二乘（PLS）回归分析方法对鲢鱼TVB-N值进行模式识别，还用已知类别的样本作为训练集，用另外一组已知类别样本作为预测集，构建判别模式识别模型，建立了可靠的冷风干燥鲢鱼电子鼻品质评价模型，实现对品质的预测监督。Hou等^[31]同样利用电子鼻技术，结合SPME-GC/MS对新鲜鲟鱼在冷藏储存期间状态进行感官分析和挥发性有机化合物评估，找到了潜在的生物标志物己醛和辛醛，可作为快速评估鲟鱼产品质量的指标。

水产品的营养物质含量对水产品的味觉感受有重要影响。Zheng等^[32]以电子鼻测定棘头梅童鱼中挥发性物质，结合总挥发性盐基氮、pH、脂肪含量等化学指标同双稳态非线性随机共振（SR）和双层级联串联SR进行多变量回归分析，获得电子鼻检测方法的脂肪含量预测模型，具有很高的准确性。

电子鼻设备的商业化生产，有效提高了稳定性和准确度，新的数据分析方法及研究方案优化，使得电子鼻在水产品检测中的应用范围不断拓宽，展示了电子鼻作为一种快速、无损的检测工具在水产品品质评价领域的巨大应用潜力。

3.2 水产制品研发及加工工艺优化

水产制品工艺研发是一个复杂的过程，而电子鼻检测技术在这一工艺研发和优化中同样大有作为。Zhou等^[33]对不同清洗方式的鱼糜香味特征进行了电子鼻技术的PCA分析和GC-MS分析，共评估了6种样品之间的香气轮廓差异，结果证实碱溶液的冲洗效果更为明显，与GC-MS分析一致。王萌^[34]在预制清炸大麻哈鱼调理食品的开发及品质研究过程中，使用电子鼻测定并分析发现，油炸温度和油炸时间不会引起该食品滋味的明显变化，但会引起挥发性风味物质的显著差异，微波复热功率、微波复热时间也有类似特征。根据这一结果，结合实际加工过程确定的最适合的油炸温度和油炸时间，利用电子鼻检测结合GC-MS检测预制清炸大麻哈鱼挥发性物质，确定醛类、酮类、醇类、酸类、烷烃类及芳香族化合物是影响产品风味的主要成分，通过跟踪这些主要成分的变化情况，确定预制清炸大麻哈鱼最佳加工工艺。何炯灵等^[35]在鱿鱼加工过程中，以电子鼻测定香糟鱿鱼在不同加工阶段的风味变化，证实在水煮环节中硫化物成分被大量激发，而将其进一步以酒糟在真空条件下糟制6 d，则使大量特殊芳香成分、醇类成分等风味物质被激发，使鱿鱼酒糟味浓郁、回味悠长，获得其特有风味。这一结果也为香糟鱿鱼加工关键工艺的确定提供了数据支持。研究也证实了以电子鼻检测加工过程风味物质组成和浓度变化，可以指导鱿鱼低盐发酵工艺的优化。此外，利用电子鼻技术对水产品及其制品包装方式、解冻方式、热杀菌条件、盐度条件、烤制条件、保鲜剂类别等工艺进行筛选、优化的研究也已有大量报道^{[12,17,36-41]}。

3.3 水产品及其制品真伪鉴别

通过分析水产品特有的挥发性物质指纹图谱，可以辨别食品是否符合特定的地理标志或品种特征，实现真伪鉴别，保障消费者权益。以电子鼻检测水产品挥发性物质，并建立特异性指纹图谱，能够区分不同来源或种类的食品，因此在鉴别水产品真伪方面具有应用潜力。

Wang等^[7]以电子鼻结合电子舌测试不同产地的中华绒螯蟹肌肉、生殖腺以及肝胰腺中游离氨基酸，发现产于长江流域的野生蟹游离氨基酸含量明显高于阳澄湖蟹和崇明蟹。鲜味当量值在长江流域的野生蟹中含量最高，其次分别是阳澄湖蟹和崇明蟹。对于野生蟹，9种关键挥发性物质的总浓度在生殖腺和肝胰腺中含量最高，但是肌肉中含量则是雌性阳澄湖蟹和雄性崇明蟹含量最高，野生蟹肌肉中含量最低。PCA分析结果显示，崇明雄蟹肌肉组织的香味物质与长江流域野生雄蟹和阳澄湖雄蟹有很大不同，阳澄湖雄蟹的性腺和肝胰腺香味物质与长江野生雄蟹和崇明雄蟹香味物质能有典型区分。Ji等^[42]也利用嗅觉仪获得了中华绒螯蟹不同食用部位香味物质差异的准确分析,这些研究成果给水产品真伪鉴别技术研发提供了新的思路。

3.4 水产品及其制品安全检测

水产品安全检测大多涉及复杂的前处理过程，需要昂贵的检测设备，且需要各领域专业人才。而近年来发展起来的以电子鼻为代表的仿生嗅觉技术，基于其无损、快速检测和客观分析的优势，在水产品安全检测中获得越来越多的关注^[43-44]。

病原微生物是影响水产品安全性的重要指标。为检测特征性代谢物，或与微生物菌落计数结合建立预测模型，电子鼻应用于病原微生物检测的研究日渐增多。胡惠平等^[6]利用电子鼻对南美白对虾中分离的副溶血性弧菌进行检测，发现电子鼻可以有效区分培养后的副溶血性弧菌和空白培养液挥发成分，表明电子鼻可以应用于水产品中食源性致病菌的快速无损检测。戴娟等^[45]通过电子鼻和GC-MS联用技术，分析了虾酱罐头在不同贮藏温度和时间下的菌落总数和挥发性物质的变化，结果表明贮藏温度对虾酱中菌落总数和挥发性物质的影响较大，电子鼻可以有效检测这些变化。Wellington等^[46]以电子鼻将沙门氏菌与大肠杆菌、荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌进行区分，通过选择性培养基加以验证。研究发现，电子鼻检测获得的数据通过PCA分析可以实现几种病原微生物的有效区分，而多层感知器、线性判别分析和逻辑模型树的准确率可达到85%。尤其是针对沙门氏菌、大肠杆菌和荧光假单胞菌，几种数据分析方式均可实现100%的有效区分。除了以上电子鼻对水产品中细菌性病原微生物的检测，某些水产制品也会有霉菌等真菌检测的需求。已经有Michael等^[47]以电子鼻结合人工智能快速诊断严重血液感染中的念珠菌属的报道，相信电子鼻用于霉菌检测的技术方法的研究成果也为期不远。

重金属作为水产品中常见污染物，日常检测离不开昂贵的检测设备和专业的技术人员。Olinda等^[3]使用电子鼻检测水中重金属情况，发现可以区分洁净水和含有0. 5 ppm砷、镉、铅和锌4种金属混合物的瓶装水、反渗透水和自来水，这也为快速、便捷检测水及水产品中重金属提供了新思路。

相较于传统的病原微生物、重金属等有害污染物检测技术，电子鼻检测技术不需要复杂的前处理步骤，操作简便，而且不需要大量专业人员，减少人为因素干扰，能够实现结果的客观分析，是一种值得推广的新型检测技术。

4 结语和展望

电子鼻检测技术具有无损、快速、灵敏等优势，在水产品及其制品检测领域得到了日益广泛的应用。电子鼻可直接检测分析产品挥发性物质组分，尤其是在以电子鼻代替人工嗅觉器官完成水产品感官检验、描述产品差异等方面具有巨大潜力。电子鼻还可通过检测挥发性物质组成和含量，结合相关参数指标同期测定结果分析挥发性物质特征和相关参数指标的关系，评估产品相关特性。除本文论述的在水产品及其制品品质评价、加工研发及工艺优化、真伪鉴别、病原微生物检测等方面的应用外，还有很多潜在应用价值。如可结合消费者接受性或偏爱特性调查，寻找消费者偏爱的挥发性芳香物质成分，寻求含有相关芳香物质的食品或能够激发食品产生相关挥发性芳香物质的加工工艺，建立水产制品消费者接受性评估模型，甚至可用于产品设计或风味营销。日益增多的研究成果表明，电子鼻在水产品及其制品检测领域有着巨大的应用空间。

但值得注意的是，电子鼻传感器阵列将化学变化转化为电信号，这对于样品收集、测量、控制和预测系统至关重要。由于传感器灵敏度波动、信号源动态和操作条件的变化等因素，维持系统性能变得复杂，在建立一致和可靠的评估方法方面面临挑战。这也意味着将电子鼻检测技术由理论研究到成熟应用还有一段路要走^[48]，除需要进一步筛选受环境条件影响程度低、对气体稳定响应的传感器系统以外，研发预测效果好的软件分析系统配合优化的研究方案、确定有效的样品处理方式和气体收集方式，都是值得重视的研究课题。

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基金项目：济南海关科研项目（2023JK006）

第一作者：段效辉（1978—），女，汉族，山东临沂人，博士，高级工程师，主要从事食品安全检测与研究工作，E-mail: xiaohui- duan@126.com

通信作者：赵晗（1981—），女，汉族，山东泰安人，博士，正高级工程师，主要从事食品安全检测与研究工作，E-mail: zhaohanciq@163.com

1. 济南海关 济南 250000

2. 烟台海关技术中心 烟台 264000

3. 广州海关技术中心 广州 510000

1. Jinan Customs, Jinan 250000

2. Yantai Customs Technology Center, Yantai 264000

3. Guangzhou Customs Technology Center, Guangzhou 510000

表1 电子鼻检测的水产品及其制品特征性挥发性物质

Table 1 Characteristic volatile substances of aquatic products and aquatic product derivatives detected by electronic nose