综述：生物传感器技术在非法药物检测方面的进步使得废水监测更加有效

《Chem & Bio Engineering》：Advances in Biosensor Technology for Illicit Drug Detection Enable Effective Wastewater Surveillance

本文综述了生物传感器技术在非法药物废水监测中的应用，对比了传统实验室方法（如GC/LC-MS）的局限性，重点分析了电化学、光学（含SERS）等生物传感器的优势与挑战，提出通过集成IoT和AI实现实时、低成本、高灵敏度的社区级药物使用监测方案。

　　药物滥用一直是全球公共健康面临的重大挑战，迫切需要高效且及时的策略来监测社区层面的药物消费情况。废水流行病学（WBE）通过分析废水中的药物生物标志物，提供大规模的人群层面的洞察，但传统的分析方法往往耗时且资源密集。生物传感器技术正在迅速发展为一种检测非法药物在复杂废水基质中的有力工具，相较于传统方法，它在速度、特异性及成本效益方面具有显著优势。本文探讨了生物传感器技术在提升非法药物检测中的新兴作用，并从多个角度分析了其在废水监测中的应用前景。

在WBE中，药物和其代谢物广泛存在于环境中，带来了严重的公共卫生和安全问题，包括吸毒率上升、过量使用、传染病传播以及经济负担增加。随着对药物监管和政策制定的严格需求，迫切需要一种可靠且有效的检测方法，以准确识别和监测非法药物及/或其代谢物，从而为公共卫生干预和基于证据的政策制定提供及时的数据支持。根据联合国《2021年世界毒品报告》，常见的如苯丙胺（AMP）、可卡因、海洛因和大麻等毒品在全球范围内被滥用，影响社区并增加过量使用和死亡的风险。即使在严格的毒品控制地区如中国，非法药物及其代谢物也能在废水中被检测到，表明这一问题具有全球影响。这些药物不仅污染环境，还可能影响自然界的生物活动，甚至进入食物链，对公众健康构成威胁。

废水流行病学（WBE）已成为评估人群健康和行为的一种跨学科方法。随着分析化学技术的进步，特别是质谱和色谱（气相和液相色谱）的应用，WBE能够更精确地量化废水中的目标分析物。如今，WBE涵盖的应用范围包括病毒监测（如疫情期间的新冠监测）和评估处方药使用情况。在非法药物监管方面，WBE能够提供消费趋势的近实时洞察，并检测新精神活性物质的激增。然而，目前的方法往往依赖于中央实验室分析和专业人员，限制了即时响应能力。此外，仍存在某些药物或代谢物在废水中降解的问题，以及将废水浓度准确转化为消费率的困难。因此，尽管WBE在揭示社区药物使用趋势方面仍然具有重要价值，但它仍面临高分析成本、采样频率有限以及解读时间与空间变化的废水数据的复杂性等挑战。在此背景下，生物传感器技术通过低成本、分散式和高频检测特定药物生物标志物，为WBE提供了新的可能。

生物传感器技术的发展源于生物化学与电子工程的交叉融合。典型的生物传感器主要由三个部分组成：（1）生物识别元件（bioreceptor），负责选择性结合目标分子；（2）转换器，将生物结合事件（如构象变化、催化反应或分子相互作用）转化为可测量的电信号、光信号或质量信号；（3）信号处理系统（processor），将信号转化为可读形式。早期的里程碑包括用于葡萄糖监测的酶传感器，为生物传感器的多样化发展奠定了基础。随着分子生物学、纳米材料和微加工技术的进步，生物传感器的灵敏度、特异性和便携性不断提高。现代生物传感器的生物识别元件包括抗体、酶和适配体，每种元件都能结合特定的精神活性化合物或其代谢物。在非法药物监测中，生物传感器提供快速、通常无需标记的分析，使人们从资源密集的实验室方法转向现场或实时筛查。

在WBE中，生物传感器为非法药物检测提供了独特的价值。它们能够在不依赖复杂实验室基础设施的情况下，实现低成本、分散式和高频检测。然而，生物传感器在多分析物检测能力、对基质效应的敏感性以及检测限方面仍存在局限，通常不如GC/LC–MS。因此，尽管GC/LC–MS仍然是用于最终实验室定量分析的黄金标准，生物传感器则为高通量、快速和现场检测提供了补充技术。

在传统的非法药物检测技术中，色谱-质谱联用技术（GC–MS和LC–MS）被广泛用于检测和量化非法药物，尤其是在非挥发性或热不稳定的化合物检测中表现突出。这些技术能够提供高灵敏度和选择性，但它们通常需要复杂的样品处理和专门的操作人员，使得它们在高通量或实时监测场景中实用性较低。尽管GC–MS的检测限可以达到0.06 ng/L，但实际应用中仍需方法优化和验证。因此，GC–MS在WBE中虽然仍然是敏感和可靠的检测标准，但其高昂的成本、缺乏便携性和对专业人员的依赖，使其难以满足快速、现场检测的需求。这为生物传感器的整合创造了空间，因为生物传感器被设计成能够在无需GC–MS基础设施的情况下，实现快速的现场分析。

与此同时，拉曼光谱和表面增强拉曼光谱（SERS）在非法药物检测中也展现了重要潜力。拉曼光谱依赖于单色光的非弹性散射，能够探测分子的振动模式。SERS则通过金属纳米结构（如金或银纳米颗粒）的局部表面等离子共振（LSPR）显著增强了拉曼信号。这种方法能够提高检测灵敏度，但其在实际应用中仍面临背景干扰、基质复杂性以及纳米颗粒聚集等问题。因此，将SERS与有效的样品预处理方法（如固相萃取或过滤）结合，是实现最佳效果的关键。

颜色测试是一种快速的化学测试，通过特定药物与试剂反应产生特征性颜色变化来检测药物。这些测试因其便携性、易用性和低成本，在初步现场操作或执法场景中广受欢迎。然而，颜色测试通常是定性或半定量的，颜色变化只能指示药物的存在或类别，无法提供精确的身份确认。此外，它们容易出现假阳性或交叉反应。尽管存在这些局限，颜色测试仍然是初步筛查的重要工具，能够在更严格的实验室分析之前提供快速的现场决策。

在非法药物检测中，生物传感器展现出了广阔的应用前景。它们能够提供快速、敏感且可能适用于现场的解决方案，能够检测多种基质中的非法药物和其代谢物。生物传感器的生物识别元件包括抗体、酶、适配体和分子印迹聚合物（MIPs），这些元件在不同的检测机制中扮演重要角色。在WBE中，生物传感器的高灵敏度、高选择性以及快速分析能力使其成为一种有吸引力的替代方案。

生物传感器的生物识别元件在检测机制中发挥着核心作用。理想的生物识别元件应具备高选择性、良好的化学和热稳定性，以及强而快的结合亲和力。例如，适配体能够区分可卡因与其类似物，抗体则通过其独特的抗原-抗体相互作用实现高选择性检测。然而，生物传感器在实际应用中仍需克服一些挑战，如样品基质中的干扰物质，这些物质可能影响生物识别元件的活性。因此，开发抗干扰策略，如使用聚乙二醇（PEG）涂层或纳米复合材料，是提高生物传感器性能的关键。

此外，生物传感器在废水检测中的实际应用也面临一些挑战。废水基质复杂，含有悬浮固体、腐殖质、表面活性剂、盐分、重金属和微生物产物，这些成分可能通过多种机制干扰生物传感器信号的产生。例如，高盐浓度可能掩盖生物识别元件的静电相互作用，而有机污染物可能非特异性吸附在传感器表面，阻碍目标分子的结合。因此，开发有效的样品预处理方法和抗干扰策略，是提升生物传感器在废水检测中的性能的关键。

生物传感器技术在非法药物检测中的应用还涉及到信号的放大和转化。电化学生物传感器通过将生物结合事件转化为电信号，如电流、电压或阻抗变化，实现快速检测。例如，一些研究使用葡萄糖氧化酶（GOx）或辣根过氧化物酶（HRP）作为信号放大手段，通过催化反应生成可检测的产物，如过氧化氢或还原电活性底物，从而提高检测灵敏度。此外，纳米材料辅助的信号放大策略，如金纳米颗粒（AuNPs）、碳纳米管（CNTs）和氧化石墨烯（GO），能够显著提高信号强度和传感器性能。

在WBE中，生物传感器还面临标准化和数据整合的问题。由于缺乏统一的检测方法和数据报告格式，不同研究之间的可比性受到限制。例如，拉曼光谱传感器通常报告相对强度变化，而电化学传感器可能依赖于不同的电化学标记或电极表面积，这些因素可能影响跨平台比较。此外，数据的标准化和校准也是生物传感器应用的关键挑战，特别是在将实验室数据转化为现场数据时。

生物传感器技术的未来发展方向包括进一步的微型化、多路复用检测以及与物联网（IoT）和大数据分析的整合。这些技术的进步将使生物传感器能够更高效地应用于WBE，实现更快速、更准确的非法药物检测。例如，一些研究正在探索将生物传感器与智能城市基础设施相结合，以实现实时监测和数据整合。这不仅能够提高检测的效率，还能使数据更具可操作性，支持公共卫生干预和环境管理。

此外，生物传感器技术还能够与人工智能（AI）相结合，提高数据处理和分析的效率。通过机器学习算法（如随机森林、长短期记忆网络（LSTM）等），生物传感器能够实时处理数据，识别异常模式，并提高数据的准确性。这些技术的结合为WBE提供了新的可能性，使其能够更高效地应用于非法药物监测，支持基于证据的政策制定和公共卫生干预。

综上所述，生物传感器技术在非法药物检测中的应用前景广阔，能够提供快速、敏感和高选择性的解决方案。通过将生物传感器与WBE相结合，可以实现对非法药物趋势的实时监测，支持更有效的公共卫生干预和政策制定。尽管在实际应用中仍面临一些挑战，如基质干扰和标准化问题，但随着技术的进步和跨学科合作的加强，生物传感器在WBE中的应用将不断拓展，为全球公共卫生和环境管理提供新的工具和方法。