基于表面等離子共振技術(shù)的毒品快檢裝備設(shè)計(jì)與開發(fā)*

吳元釗 呂云平 王繼業(yè)

1. 浙江警察學(xué)院 2. 浙江省毒品防控技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引言

我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，同時(shí)也是毒品濫用嚴(yán)重國(guó)家之一。盡管公安部門對(duì)毒品濫用一直保持高壓態(tài)勢(shì)，不斷加大打擊力度，但形勢(shì)仍然非常嚴(yán)峻[1]。國(guó)家禁毒委員會(huì)辦公室2019年6月發(fā)布的《2018年中國(guó)毒品形勢(shì)報(bào)告》顯示，近年來(lái)中國(guó)治理毒品濫用取得一定成效，但合成毒品濫用仍呈蔓延之勢(shì)，毒品濫用人數(shù)增速減緩但規(guī)模依然較大，并且新型毒品層出不窮、更新?lián)Q代加快，吸毒方式也更加隱蔽，這些都給緝毒部門對(duì)毒品的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和快速判定帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。目前，常見的毒品檢測(cè)技術(shù)手段主要有常規(guī)理化檢測(cè)法、免疫分析法和色譜法等，這些檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，有的甚至已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的靈敏度[2]，但上述檢測(cè)技術(shù)均不同程度地存在著一些缺陷和不足，比如對(duì)操作人員、實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求較高，檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、前處理程序繁瑣等[3-6]。不僅如此，隨著人類社會(huì)文明程度的進(jìn)步和法律制度的不斷完善，人們維護(hù)自身權(quán)益的意識(shí)不斷增強(qiáng)，緝毒人員獲取吸毒嫌疑人的血液或尿液甚至毛發(fā)樣品的難度越來(lái)越大。因此，開發(fā)一種靈敏度高、選擇性好、易用性強(qiáng)的毒品快速檢測(cè)儀器非常有必要。

由于公安禁毒工作的特殊性，相對(duì)于尿液、血液和其他檢材，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中使用唾液作為檢材具有顯著的優(yōu)勢(shì)，比如唾液中的藥物濃度與血液中的含量相關(guān)、唾液可以非侵入式的方式獲得、唾液樣本透明、易于凈化處理等[7,8]。

近年來(lái)，基于表面等離子共振技術(shù)（Surface Plasmon Resonance，SPR）的免疫傳感器已成為檢測(cè)氣體和液體介質(zhì)中目標(biāo)分子的重要手段之一。其工作原理是通過生物傳感芯片把微弱的生物信號(hào)（主要指特定免疫反應(yīng)）轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的光電信號(hào)，從而達(dá)到檢測(cè)生化指標(biāo)的目的[9,10]。相較于傳統(tǒng)的毒品檢測(cè)技術(shù)，SPR免疫分析法具有如下優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)非標(biāo)記定量法測(cè)試，可有效縮短分析時(shí)間和減少樣品消耗量，減少了繁瑣的樣品前處理程序等[11-13]。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于SPR技術(shù)，可用于唾液中毒品快速檢測(cè)的便攜式、4通道毒品快速檢測(cè)分析儀，利用該儀器能夠在短時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)定唾液中4種不同毒品的含量。儀器樣機(jī)如圖1所示，型號(hào)為DT-101。根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀器進(jìn)行了穩(wěn)定性驗(yàn)證，并測(cè)試了唾液中的甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮和嗎啡。測(cè)試結(jié)果表明，該儀器具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度，能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)唾液中毒品的含量，可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）SPR技術(shù)基本原理

早在20世紀(jì)初，Wood在一次光學(xué)實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)了SPR現(xiàn)象[14]，1941年，一位名叫Fano的科學(xué)家利用電磁波理論才真正解釋了SPR原理。之后直到1983年，瑞典科學(xué)家Liedberg首次將SPR技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)免疫球蛋白G（IgG）與抗原的相互作用并取得了成功[15]。從此，基于SPR的生物傳感器檢測(cè)技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、醫(yī)藥、生物等領(lǐng)域。

SPR檢測(cè)技術(shù)基本原理如圖2所示。光波在入射到金、銀等金屬表面時(shí)，會(huì)激發(fā)產(chǎn)生等離子波（Surface Plasmons）[16]。當(dāng)金屬表面的p-偏振光以某個(gè)角度θ入射到棱鏡內(nèi)的全反射面和金屬表面上時(shí)，就會(huì)發(fā)生全反射形成消逝波（Evanescent Wave）進(jìn)入到棱鏡中。當(dāng)在金屬表面的等離子波和消逝波的頻率（Ksp= Kx）和方向一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振，即SPR現(xiàn)象[17]。此時(shí)，反射光的強(qiáng)度會(huì)大幅度降低甚至消失，在反射光強(qiáng)的反應(yīng)曲線上通過計(jì)算得到SPR角。SPR角通過金屬表面折射率的變化與金屬表面的生物反應(yīng)相關(guān)聯(lián)。因此，可以通過檢測(cè)SPR角的變化來(lái)分析金屬表面發(fā)生的特異性結(jié)合反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)快速、靈敏地檢測(cè)分子之間的相互作用。

（二）儀器的構(gòu)成

DT-101毒品快速檢測(cè)分析儀主要由光路系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、鍍金膜棱鏡、進(jìn)樣系統(tǒng)及軟件數(shù)據(jù)分析和顯示系統(tǒng)組成。圖3是光路系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、鍍金膜棱鏡、進(jìn)樣系統(tǒng)示意圖。

DT-101毒品快速檢測(cè)分析儀的光路系統(tǒng)主要由二極管激光器1、偏振片2、鍍金膜棱鏡5等主要零部件構(gòu)成。激光二極管1發(fā)射波長(zhǎng)為780nm的激光束經(jīng)過偏振片2后形成p-偏振光，p-偏振光通過柱面鏡3對(duì)激光束快軸上的光束進(jìn)行匯聚，通過柱面鏡4對(duì)激光束慢軸的光束進(jìn)行準(zhǔn)直，并在棱鏡5的全反射面上形成攜帶信號(hào)的激光束，經(jīng)過柱面鏡6準(zhǔn)直，再通過球面鏡7和9進(jìn)行匯聚，最終由CCD相機(jī)10檢測(cè)并記錄光信號(hào)。

本儀器采用了SONY SLD255VL激光二極管，其發(fā)射激光的中心波長(zhǎng)為780nm，最大功率為100mW，使用壽命可達(dá)10000小時(shí)。該激光器的體積和重量較小，減小了整個(gè)儀器的體積和重量，提高了儀器的便攜性。在信號(hào)采集系統(tǒng)中采用了匯聚系統(tǒng)，將光束口徑縮小3倍后進(jìn)入CMOS相機(jī)。將光束匯聚并配合小像元CMOS采集激光信號(hào)，增加了系統(tǒng)的分辨率。

進(jìn)樣系統(tǒng)流路采用一體化設(shè)計(jì)，即將儲(chǔ)液槽、定量器、廢液槽反應(yīng)通道及棱鏡做成一體，提高了硬件的集成度。被測(cè)樣本溶液經(jīng)過過濾器后到儲(chǔ)液槽，通過儀器內(nèi)部注射泵提供的負(fù)壓以恒定流速進(jìn)入通過芯片表面，待檢測(cè)結(jié)束后進(jìn)入廢液槽。儀器采用4通道進(jìn)樣方式，通道寬度1mm，流速20μL/min，定量器容量150μL，可以實(shí)現(xiàn)一分鐘內(nèi)同時(shí)對(duì)4種毒品進(jìn)行檢測(cè)。圖4為一體化進(jìn)樣芯片示意圖。

信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)每隔200ms采集一幀數(shù)據(jù)，對(duì)像素灰度值進(jìn)行平滑濾波后，找到對(duì)應(yīng)通道的像素線，對(duì)濾波去噪。利用尋峰算法找出最低像素點(diǎn)（隨著折射率變化而變化），通過數(shù)據(jù)解析算法得到折射率與時(shí)間對(duì)應(yīng)的曲線圖。

二、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（一）主要儀器和試劑

牛血清蛋白（BSA）、甲基苯丙胺牛血清蛋白結(jié)合物（MA-BSA）、可卡因牛血清蛋白結(jié)合物（COC-BSA）、氯胺酮牛血清蛋白結(jié)合物（KET-BSA）、嗎啡牛血清蛋白結(jié)合物（MOP-BSA）、甲基苯丙胺單克隆抗體（MA-Ab）、可卡因單克隆抗體（COC-Ab）、氯胺酮單克隆抗體（KET-Ab）、嗎啡單克隆抗體（MOP-Ab）購(gòu)自杭州隆基生物技術(shù)有限公司。N-羥基琥珀酰亞胺（NHS，98%）、1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亞胺鹽酸鹽（EDC，≥99.0%）和乙醇胺購(gòu)自Sigma-Aldrich公司。磷酸鹽緩沖液（Phosphate Buffered Saline，PBS）購(gòu)自碧云天生物技術(shù)。甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮和嗎啡標(biāo)準(zhǔn)品由杭州市公安局提供。

在遵守相關(guān)法律和道德規(guī)范的條件下，通過Salivettes收集器采集健康志愿者提供的20份唾液樣本。樣本采集完成后通過Unichro過濾器（MCE膜，直徑13mm，孔徑0.22μm）過膜進(jìn)樣。

（二）結(jié)果

1. 儀器穩(wěn)定性驗(yàn)證

根據(jù)GB/T 32267-2015《分析儀器性能測(cè)定術(shù)語(yǔ)》第2.19條儀器穩(wěn)定性測(cè)試要求：在規(guī)定的工作條件下，在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，儀器保持測(cè)定值隨時(shí)間在限定范圍內(nèi)變化的能力，可用啟動(dòng)時(shí)間、基線漂移（靜態(tài)基線漂移和動(dòng)態(tài)基線漂移）、零點(diǎn)偏移法來(lái)測(cè)試儀器的穩(wěn)定性。本次檢測(cè)采用基線漂移法，基線漂移是指在規(guī)定的工作條件和時(shí)間內(nèi)，基線的緩慢變化。工作條件是在室溫條件下，樣品溶液的流速20μL/min，測(cè)試時(shí)間25分鐘。樣品溶液以20μL/min的速度注射去離子水流經(jīng)SPR傳感器鍍金膜表面，記錄25min內(nèi)所有的共振像素值。依據(jù)GB/T 32267-2015《分析儀器性能測(cè)定術(shù)語(yǔ)》第2.15條相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD的計(jì)算公式（RSD=S/X*100%，S為標(biāo)準(zhǔn)偏差，X為平均值）記錄4個(gè)通道的像素?cái)?shù)值（如表1所示），得出4個(gè)通道的RSD分別為0.011%、0.030%、0.012%和0.010%。測(cè)試結(jié)果表明，DT-101毒品快速檢測(cè)分析儀具有較好的穩(wěn)定性。

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2. 唾液樣本中4種毒品檢測(cè)

我們選取了含有不同濃度的甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮和嗎啡唾液樣本進(jìn)行測(cè)試。從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮的線性范圍均為10～100ng/mL，嗎啡的線性范圍為30～150ng/mL；甲基苯丙胺、氯胺酮和可卡因的檢出限可達(dá)3ng/mL，嗎啡的檢出限為10ng/mL。

三、應(yīng)用效果

選取了杭州刑事科學(xué)技術(shù)研究所、杭州禁毒支隊(duì)及南京禁毒支隊(duì)三家單位對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行應(yīng)用，共對(duì)1766份樣本進(jìn)行了分析測(cè)試。結(jié)果表明，DT-101能夠在10分鐘內(nèi)完成唾液、尿液中的嗎啡/海洛因、甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮的快速相對(duì)定量分析，檢測(cè)靈敏度達(dá)到ng/mL級(jí)，暫未出現(xiàn)漏檢與交叉反應(yīng)現(xiàn)象。

四、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種用于唾液中毒品檢測(cè)的便攜式4通道毒品快速檢測(cè)分析儀，型號(hào)DT-101。該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)定唾液中4種不同種類的毒品，對(duì)甲基苯丙胺、氯胺酮和可卡因測(cè)試的靈敏度可達(dá)3ng/mL，嗎啡靈敏度為10ng/mL。在當(dāng)前各種新型毒品層出不窮、更新?lián)Q代快，緝毒任務(wù)繁重且又要快速機(jī)動(dòng)的新形勢(shì)下，該儀器能夠?yàn)榫兌疽痪€人員提供準(zhǔn)確快速有效的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方案，有利于快速打擊和預(yù)防犯罪，可有效防范和控制安全風(fēng)險(xiǎn)，保障社會(huì)穩(wěn)定和諧。不僅如此，該儀器具有成本低、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)約大量不必要的儀器設(shè)備運(yùn)行維護(hù)成本、耗材制備成本、時(shí)間人力成本。該儀器的推廣使用必將產(chǎn)生可觀的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。