超灵敏快速近源废水流行病学检测：基于纳米材料的量子传感技术突破

为解决传统废水流行病学(WBE)检测耗时久(24-72小时)、灵敏度不足的问题，研究人员开发了基于碳黑纳米颗粒(CBNPs)和荧光纳米金刚石(FNDs)的量子传感技术，实现2小时内检测限达7拷贝/反应的SARS-CoV-2检测。该"实验室手提箱"系统在威尔士国家WBE项目中展现100%特异性，为资源有限地区提供早期疫情预警新工具。

　　

在全球公共卫生领域，废水流行病学(Wastewater-Based Epidemiology, WBE)正成为疫情早期预警的重要工具。然而传统PCR检测需要将样本运输至实验室，导致24-72小时的报告延迟，这在资源有限地区尤为突出。更棘手的是，废水中病毒RNA片段被高度稀释，且复杂基质含有腐殖质等干扰物，使得金标准检测方法面临巨大挑战。2020年COVID-19大流行期间，全球已有70多个国家采用WBE监测SARS-CoV-2，但如何实现快速、超灵敏的近源检测仍是未解难题。

针对这一科学瓶颈，由Da Huang、Rachel A. McKendry等组成的国际团队在《Nature Communications》发表突破性研究，开发了两种互补的纳米材料检测平台：肉眼可读的碳黑纳米颗粒(CBNPs)试纸条和基于自旋增强荧光纳米金刚石(FNDs)的超灵敏量子传感器。这项研究不仅将检测时间缩短至2小时，更实现了7拷贝/反应的惊人灵敏度，为资源有限地区的疫情监测提供了革命性工具。

研究团队采用了三项关键技术方法：(1)针对SARS-CoV-2 E基因和RdRp基因设计多重重组酶聚合酶扩增(RPA)引物，优化冻干工艺实现"一锅式"反应；(2)开发磁珠提取结合注射器过滤的简化样本前处理方法，处理50mL原废水仅需50分钟；(3)创新性地将600nm荧光纳米金刚石(FNDs)与微波调制技术结合，通过氮空位中心(NV centers)的自旋态调控实现背景荧光分离。所有验证实验均采用威尔士国家WBE项目提供的62份真实废水样本进行双盲测试。

【碳黑纳米颗粒试纸条开发】

研究人员首先优化了RPA反应体系，针对SARS-CoV-2的E基因和RdRp基因设计生物素/DIG标记引物。通过时间梯度实验确定40分钟为最佳扩增时长，在添加腐殖酸模拟干扰的实验证实该体系具有良好抗干扰性。使用模型RNA样本测试显示，E基因检测限达71拷贝/反应(95%CI:34-134)，RdRp基因达127拷贝/反应(95%CI:64-249)。在62份临床废水样本验证中，该方案展现出80%灵敏度和100%特异性，但对超高Ct值(35-40)样本存在漏检。

【自旋增强纳米金刚石检测】

为突破灵敏度极限，团队创新性地采用600nm荧光纳米金刚石(FNDs)，通过氮空位中心的自旋态调控实现背景分离。扫描电镜显示功能化后的FNDs粒径分布均匀(图3b)。微波调制锁相检测技术使检测时间缩短至25分钟，灵敏度较碳黑颗粒提升15,375倍。在相同废水样本测试中，该技术实现100%灵敏度和100%特异性，检测限达7拷贝/反应(95%CI:3-13)，创造了WBE现场检测的新纪录。

【实验室手提箱系统集成】

研究最终集成出废水流行病学量子现场检测系统(WE-QOSS)，包含四个模块：(1)10分钟注射器过滤浓缩；(2)40分钟磁珠RNA提取；(3)25分钟冻干RPA反应；(4)45分钟FNDs试纸条检测。便携式荧光读数器(Axxin AX-2X-S)仅重650g，成本8000美元，在实地测试中保持95%灵敏度和100%特异性(图4)。该系统将传统WBE的72小时流程压缩至2小时，检测限达140gc/L，与实验室qPCR相当。

这项研究标志着WBE技术从实验室走向现场应用的重大转折。碳黑试纸条为资源匮乏地区提供了经济实惠的检测方案，而纳米金刚石系统则通过量子传感实现了媲美实验室的超灵敏检测。尤为重要的是，该技术不仅适用于SARS-CoV-2，其模块化设计可扩展至脊髓灰质炎病毒、诺如病毒等多种病原体监测。研究者特别指出，未来通过增加样本体积(50mL→150mL)，该系统可进一步提升对低丰度病原体的检出率。

该研究的创新价值体现在三个方面：首先，将量子传感技术成功引入环境监测领域，开创了"近源量子流行病学"新范式；其次，通过冻干试剂和便携设备的巧妙组合，使尖端技术真正惠及医疗资源不均地区；最后，为全球传染病早期预警系统提供了可立即部署的解决方案。正如作者强调，这项技术不仅可用于污水处理厂，更可部署在医院、监狱、难民营等关键场所，通过废水这把"群体体温计"，为公共卫生决策赢得宝贵时间窗。