廢水監測或基于廢水的流行病學能夠實現病原體的快速檢測和社區流行率的量化。目前，全球已有70多個國家正在開展區域性和國家范圍的廢水監測規劃。廢水監測不僅可以為政府和衛生機構提供病原體流行數據，還可以提供疾病的早期預警。然而，大多數廢水的檢測需要將樣本送到實驗室，并利用聚合酶鏈式反應（PCR）或基因組測序等方法進行分析，以識別新的病原體變異株。這些分析方法導致獲得報告結果的周期很長。除了與分析時間長度相關的挑戰（廢水中的病原體在長時間的儲存和運輸過程中可能發生核酸降解），廢水中PCR抑制劑的存在也可能導致病原體檢測結果出現偏差。

此外，診斷中心和訓練有素專業人員的缺乏阻礙了廢水監測在更廣泛范圍內的實施，特別是在資源匱乏的環境和醫療服務水平低下的社區，例如低收入和中等收入國家（LMICs）。不幸的是，全球南方地區通常是包括結核病、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）和猴痘病毒等在內的傳染病高發地區。因此，在資源有限的地區開發快速和低成本的現場廢水監測方法至關重要。

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

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（例如比色傳感器、側流裝置（LFD）以及紙基微流控裝置）已經被開發并用于廢水中的病原體診斷。然而，由于致病生物標志物的低濃度特性以及基質的復雜性和可變性（例如PCR抑制劑會阻止信號放大），廢水分析對于已開發的傳感器來說仍然具有很大的挑戰性。理想的傳感技術需要滿足以下條件：（1）靈敏度和特異性高；（2）能夠提供全面、客觀的數據；（3）檢測結果可以實時呈現；（4）能夠同時監測多種疾病和污染物；（5）具有可擴展性和成本效益；（6）易于使用，不需要耗費專業資源。

包括貴金屬納米粒子以及碳基納米材料在內的納米材料和納米技術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。與此同時，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（例如，CRISPR/Cas傳感器技術）、工程方法（例如，低成本的紙基微流控技術）和電子學的進一步探索，可以開發用于廢水分析的綜合生物傳感平臺。除了提高分析性能外，開發的傳感器裝置必須足夠穩定，以承受長期存儲和環境條件的波動。

側流裝置是傳感器應用于新冠肺炎（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以輔助新冠病毒的大規模篩查。這些裝置成本低、易于操作、快速且靈敏度高，有用于現場檢測的潛力。例如，Wu等人開發了一種基于依賴核酸序列的等溫擴增（NASBA）測序技術的高通量檢測方法，該檢測方法使用熒光檢測或側流裝置進行讀出，可以在1至2小時內提供檢測結果，從而有可能實現在群體范圍內的大規模應用（圖1）。此外，Peter Q. Nguyen等人開發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充（圖2）。該傳感器包括一個水化儲層、一個位于傳感器表面區域的采樣墊、一個蠟紋微流控紙基分析裝置和一個側流分析試紙條。

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

用于廢水現場檢測的傳感器

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出來，用于多重病原體檢測，并在印度農場和烏干達成功進行了瘧疾測試。此外，該裝置已被進一步證明可以作為活動性丙型肝炎病毒（HCV）感染的即時診斷工具。該裝置包括環介導等溫擴增（LAMP）室和側流核酸檢測條，可以在不到40分鐘的時間內給出可視化讀取和用戶友好的結果。隨后，有研究提出了將側流裝置與環介導等溫擴增技術集成用于檢測廢水中的遺傳生物標志物，以實現廢水中新冠病毒的檢測。此外，研究人員開發了一種低成本、快速、用戶友好的多路復用紙基微流控平臺，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分鐘內實現現場病毒檢測，顯示了其在中低收入國家和資源有限地區的潛在應用前景。

圖3 用于快速和現場廢水監測的低成本傳感器

然而，為了進一步促進以上傳感器在資源匱乏環境中的應用，還需要對它們進行進一步的改進：（1）實現在高度可變的環境條件下的運行；（2）簡化傳感器現場更換流程；（3）促進數據通信；（4）最大限度地減少傳感器需要進行標定的可能性。此外，除了解決包括以上問題在內的技術問題外，還需要考慮數據的安全性和保密性。例如，有研究在烏干達農村地區建立了基于多路環介導等溫擴增檢測和側流檢測的端到端智能手機瘧疾診斷平臺，該平臺結合了用于本地決策支持的深度學習算法和用于安全數據管理的區塊鏈技術。新開發的傳感器可以進一步擴展到抗菌藥物耐藥性的評估中。

前景展望

總體而言，廢水監測可以提供社區級別疫情的早期預警，預測人群中的感染趨勢，并根據長期慢性疾病的標志物反映人與環境之間交互關系的動態。此外，廢水可用于多維度地跟蹤傳染病動態。例如，從社區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，到地表水和點源（例如天然水池點）維度。未來，人工智能、大數據分析和物聯網（IoT）可以與傳感器和傳感器網絡相結合，用于廢水監測。即使在資源較匱乏的環境中，人工智能（AI）裝置也可以使用各種算法進行多步驟分析，以預測疾病概況，這為應對未來的大流行提供了更有力的可能。

此外，開發現場快速監測廢水的生物傳感器需要學術研究人員、醫療專業人員、工業工程師和政府機構的共同努力。這些利益相關方必須共同探索和改進傳感器性能、統計分析方法和模型以及快速傳感器的硬件設計，以便在資源匱乏的情況下實現實時監測，以幫助保護全球公眾健康。

編輯：黃飛

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