用于快速和現(xiàn)場廢水監(jiān)測的低成本傳感器解決方案

廢水監(jiān)測或基于廢水的流行病學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)病原體的快速檢測和社區(qū)流行率的量化。目前，全球已有70多個(gè)國家正在開展區(qū)域性和國家范圍的廢水監(jiān)測規(guī)劃。廢水監(jiān)測不僅可以為政府和衛(wèi)生機(jī)構(gòu)提供病原體流行數(shù)據(jù)，還可以提供疾病的早期預(yù)警。然而，大多數(shù)廢水的檢測需要將樣本送到實(shí)驗(yàn)室，并利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）或基因組測序等方法進(jìn)行分析，以識別新的病原體變異株。這些分析方法導(dǎo)致獲得報(bào)告結(jié)果的周期很長。除了與分析時(shí)間長度相關(guān)的挑戰(zhàn)（廢水中的病原體在長時(shí)間的儲存和運(yùn)輸過程中可能發(fā)生核酸降解），廢水中PCR抑制劑的存在也可能導(dǎo)致病原體檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差。

此外，診斷中心和訓(xùn)練有素專業(yè)人員的缺乏阻礙了廢水監(jiān)測在更廣泛范圍內(nèi)的實(shí)施，特別是在資源匱乏的環(huán)境和醫(yī)療服務(wù)水平低下的社區(qū)，例如低收入和中等收入國家（LMICs）。不幸的是，全球南方地區(qū)通常是包括結(jié)核病、瘧疾、獲得性免疫缺陷綜合癥（AIDS）、登革熱、埃博拉、肝炎、流感、寨卡病毒、諾如病毒、新冠病毒（SARS-CoV-2）和猴痘病毒等在內(nèi)的傳染病高發(fā)地區(qū)。因此，在資源有限的地區(qū)開發(fā)快速和低成本的現(xiàn)場廢水監(jiān)測方法至關(guān)重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自英國克蘭菲爾德大學(xué)（Cranfield University）的研究人員在Nature Water期刊上發(fā)表了題為“Low-cost and rapid sensors for wastewater surveillance at low-resource settings”的評論文章，評價(jià)討論了用于快速、低成本廢水現(xiàn)場監(jiān)測的傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

低成本和快速檢測傳感器

目前，低成本和快速檢測的傳感器技術(shù)（例如比色傳感器、側(cè)流裝置（LFD）以及紙基微流控裝置）已經(jīng)被開發(fā)并用于廢水中的病原體診斷。然而，由于致病生物標(biāo)志物的低濃度特性以及基質(zhì)的復(fù)雜性和可變性（例如PCR抑制劑會阻止信號放大），廢水分析對于已開發(fā)的傳感器來說仍然具有很大的挑戰(zhàn)性。理想的傳感技術(shù)需要滿足以下條件：（1）靈敏度和特異性高；（2）能夠提供全面、客觀的數(shù)據(jù)；（3）檢測結(jié)果可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)；（4）能夠同時(shí)監(jiān)測多種疾病和污染物；（5）具有可擴(kuò)展性和成本效益；（6）易于使用，不需要耗費(fèi)專業(yè)資源。

包括貴金屬納米粒子以及碳基納米材料在內(nèi)的納米材料和納米技術(shù)對提高生物傳感器的分析性能（例如靈敏度和特異性）做出了重大貢獻(xiàn)。與此同時(shí)，除了抗體，新的高度特異性的生物受體，如DNA酶、噬菌體和肽也可以推廣用于生物傳感器。此外，通過對新興的生物技術(shù)（例如，CRISPR/Cas傳感器技術(shù)）、工程方法（例如，低成本的紙基微流控技術(shù)）和電子學(xué)的進(jìn)一步探索，可以開發(fā)用于廢水分析的綜合生物傳感平臺。除了提高分析性能外，開發(fā)的傳感器裝置必須足夠穩(wěn)定，以承受長期存儲和環(huán)境條件的波動。

側(cè)流裝置是傳感器應(yīng)用于新冠肺炎（COVID-19）診斷中的典型案例。在新冠肺炎大流行期間，更多的新型裝置被開發(fā)以輔助新冠病毒的大規(guī)模篩查。這些裝置成本低、易于操作、快速且靈敏度高，有用于現(xiàn)場檢測的潛力。例如，Wu等人開發(fā)了一種基于依賴核酸序列的等溫?cái)U(kuò)增（NASBA）測序技術(shù)的高通量檢測方法，該檢測方法使用熒光檢測或側(cè)流裝置進(jìn)行讀出，可以在1至2小時(shí)內(nèi)提供檢測結(jié)果，從而有可能實(shí)現(xiàn)在群體范圍內(nèi)的大規(guī)模應(yīng)用（圖1）。此外，Peter Q. Nguyen等人開發(fā)了一種集成在口罩上的傳感器，可作為基于鼻咽采樣診斷新冠肺炎方法的補(bǔ)充（圖2）。該傳感器包括一個(gè)水化儲層、一個(gè)位于傳感器表面區(qū)域的采樣墊、一個(gè)蠟紋微流控紙基分析裝置和一個(gè)側(cè)流分析試紙條。

圖1 兩階段一體化新冠肺炎檢測平臺

圖2 一種集成于口罩的新冠病毒可穿戴診斷技術(shù)

用于廢水現(xiàn)場檢測的傳感器

最近，快速、低成本傳感器在檢測廢水中的病原體方面顯示出了明顯的潛力（圖3）。例如，一種紙基微流控裝置已被開發(fā)出來，用于多重病原體檢測，并在印度農(nóng)場和烏干達(dá)成功進(jìn)行了瘧疾測試。此外，該裝置已被進(jìn)一步證明可以作為活動性丙型肝炎病毒（HCV）感染的即時(shí)診斷工具。該裝置包括環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增（LAMP）室和側(cè)流核酸檢測條，可以在不到40分鐘的時(shí)間內(nèi)給出可視化讀取和用戶友好的結(jié)果。隨后，有研究提出了將側(cè)流裝置與環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)集成用于檢測廢水中的遺傳生物標(biāo)志物，以實(shí)現(xiàn)廢水中新冠病毒的檢測。此外，研究人員開發(fā)了一種低成本、快速、用戶友好的多路復(fù)用紙基微流控平臺，用于檢測廢水中的新冠病毒和流感病毒，在英國倫敦一家用于隔離的酒店，該微流控平臺可在90分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場病毒檢測，顯示了其在中低收入國家和資源有限地區(qū)的潛在應(yīng)用前景。

圖3 用于快速和現(xiàn)場廢水監(jiān)測的低成本傳感器

然而，為了進(jìn)一步促進(jìn)以上傳感器在資源匱乏環(huán)境中的應(yīng)用，還需要對它們進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)：（1）實(shí)現(xiàn)在高度可變的環(huán)境條件下的運(yùn)行；（2）簡化傳感器現(xiàn)場更換流程；（3）促進(jìn)數(shù)據(jù)通信；（4）最大限度地減少傳感器需要進(jìn)行標(biāo)定的可能性。此外，除了解決包括以上問題在內(nèi)的技術(shù)問題外，還需要考慮數(shù)據(jù)的安全性和保密性。例如，有研究在烏干達(dá)農(nóng)村地區(qū)建立了基于多路環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增檢測和側(cè)流檢測的端到端智能手機(jī)瘧疾診斷平臺，該平臺結(jié)合了用于本地決策支持的深度學(xué)習(xí)算法和用于安全數(shù)據(jù)管理的區(qū)塊鏈技術(shù)。新開發(fā)的傳感器可以進(jìn)一步擴(kuò)展到抗菌藥物耐藥性的評估中。

前景展望

總體而言，廢水監(jiān)測可以提供社區(qū)級別疫情的早期預(yù)警，預(yù)測人群中的感染趨勢，并根據(jù)長期慢性疾病的標(biāo)志物反映人與環(huán)境之間交互關(guān)系的動態(tài)。此外，廢水可用于多維度地跟蹤傳染病動態(tài)。例如，從社區(qū)層面到建筑層面維度；以及從下水道和污水處理廠（WWTPs）等污染源，到地表水和點(diǎn)源（例如天然水池點(diǎn)）維度。未來，人工智能、大數(shù)據(jù)分析和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）可以與傳感器和傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，用于廢水監(jiān)測。即使在資源較匱乏的環(huán)境中，人工智能（AI）裝置也可以使用各種算法進(jìn)行多步驟分析，以預(yù)測疾病概況，這為應(yīng)對未來的大流行提供了更有力的可能。

此外，開發(fā)現(xiàn)場快速監(jiān)測廢水的生物傳感器需要學(xué)術(shù)研究人員、醫(yī)療專業(yè)人員、工業(yè)工程師和政府機(jī)構(gòu)的共同努力。這些利益相關(guān)方必須共同探索和改進(jìn)傳感器性能、統(tǒng)計(jì)分析方法和模型以及快速傳感器的硬件設(shè)計(jì)，以便在資源匱乏的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，以幫助保護(hù)全球公眾健康。

編輯：黃飛

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