吳元釗 呂云平 王繼業(yè)

1. 浙江警察學院 2. 浙江省毒品防控技術研究重點實驗室

引言

我國是世界上人口最多的國家，同時也是毒品濫用嚴重國家之一。盡管公安部門對毒品濫用一直保持高壓態(tài)勢，不斷加大打擊力度，但形勢仍然非常嚴峻[1]。國家禁毒委員會辦公室2019年6月發(fā)布的《2018年中國毒品形勢報告》顯示，近年來中國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，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毒品的現(xiàn)場檢測和快速判定帶來了極大的挑戰(zhàn)。目前，常見的毒品檢測技術手段主要有常規(guī)理化檢測法、免疫分析法和色譜法等，這些檢測技術已經非常成熟，有的甚至已經達到了相當高的靈敏度[2]，但上述檢測技術均不同程度地存在著一些缺陷和不足，比如對操作人員、實驗環(huán)境要求較高，檢測耗時長、成本高、前處理程序繁瑣等[3-6]。不僅如此，隨著人類社會文明程度的進步和法律制度的不斷完善，人們維護自身權益的意識不斷增強，緝毒人員獲取吸毒嫌疑人的血液或尿液甚至毛發(fā)樣品的難度越來越大。因此，開發(fā)一種靈敏度高、選擇性好、易用性強的毒品快速檢測儀器非常有必要。

由于公安禁毒工作的特殊性，相對于尿液、血液和其他檢材，在現(xiàn)場檢測中使用唾液作為檢材具有顯著的優(yōu)勢，比如唾液中的藥物濃度與血液中的含量相關、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，基于表面等離子共振技術（Surface Plasmon Resonance，SPR）的免疫傳感器已成為檢測氣體和液體介質中目標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（主要指特定免疫反應）轉化為可檢測的光電信號，從而達到檢測生化指標的目的[9,10]。相較于傳統(tǒng)的毒品檢測技術，SPR免疫分析法具有如下優(yōu)點：可以實現(xiàn)非標記定量法測試，可有效縮短分析時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]。

本文設計開發(fā)了一種基于SPR技術，可用于唾液中毒品快速檢測的便攜式、4通道毒品快速檢測分析儀，利用該儀器能夠在短時間內同時測定唾液中4種不同毒品的含量。儀器樣機如圖1所示，型號為DT-101。根據(jù)國家相關標準對儀器進行了穩(wěn)定性驗證，并測試了唾液中的甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮和嗎啡。測試結果表明，該儀器具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度，能夠快速準確地檢測唾液中毒品的含量，可以達到實際應用需求。

一、系統(tǒng)設計

（一）SPR技術基本原理

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

SPR檢測技術基本原理如圖2所示。光波在入射到金、銀等金屬表面時，會激發(fā)產生等離子波（Surface Plasmons）[16]。當金屬表面的p-偏振光以某個角度θ入射到棱鏡內的全反射面和金屬表面上時，就會發(fā)生全反射形成消逝波（Evanescent Wave）進入到棱鏡中。當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，就會發(fā)生共振，即SPR現(xiàn)象[17]。此時，反射光的強度會大幅度降低甚至消失，在反射光強的反應曲線上通過計算得到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相關聯(lián)。因此，可以通過檢測SPR角的變化來分析金屬表面發(fā)生的特異性結合反應，從而實現(xiàn)快速、靈敏地檢測分子之間的相互作用。

（二）儀器的構成

DT-101毒品快速檢測分析儀主要由光路系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、鍍金膜棱鏡、進樣系統(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)、信號采集系統(tǒng)、鍍金膜棱鏡、進樣系統(tǒng)示意圖。

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

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

進樣系統(tǒng)流路采用一體化設計，即將儲液槽、定量器、廢液槽反應通道及棱鏡做成一體，提高了硬件的集成度。被測樣本溶液經過過濾器后到儲液槽，通過儀器內部注射泵提供的負壓以恒定流速進入通過芯片表面，待檢測結束后進入廢液槽。儀器采用4通道進樣方式，通道寬度1mm，流速20μL/min，定量器容量150μL，可以實現(xiàn)一分鐘內同時對4種毒品進行檢測。圖4為一體化進樣芯片示意圖。

信號檢測系統(tǒng)每隔200ms采集一幀數(shù)據(jù)，對像素灰度值進行平滑濾波后，找到對應通道的像素線，對濾波去噪。利用尋峰算法找出最低像素點（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間對應的曲線圖。

二、實驗驗證

（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合物（MA-BSA）、可卡因牛血清蛋白結合物（COC-BSA）、氯胺酮牛血清蛋白結合物（KET-BSA）、嗎啡牛血清蛋白結合物（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）購自杭州隆基生物技術有限公司。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%）和乙醇胺購自Sigma-Aldrich公司。磷酸鹽緩沖液（Phosphate Buffered Saline，PBS）購自碧云天生物技術。甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮和嗎啡標準品由杭州市公安局提供。

在遵守相關法律和道德規(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）過膜進樣。

（二）結果

1. 儀器穩(wěn)定性驗證

根據(jù)GB/T 32267-2015《分析儀器性能測定術語》第2.19條儀器穩(wěn)定性測試要求：在規(guī)定的工作條件下，在規(guī)定的工作時間內，儀器保持測定值隨時間在限定范圍內變化的能力，可用啟動時間、基線漂移（靜態(tài)基線漂移和動態(tài)基線漂移）、零點偏移法來測試儀器的穩(wěn)定性。本次檢測采用基線漂移法，基線漂移是指在規(guī)定的工作條件和時間內，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，測試時間25分鐘。樣品溶液以20μL/min的速度注射去離子水流經SPR傳感器鍍金膜表面，記錄25min內所有的共振像素值。依據(jù)GB/T 32267-2015《分析儀器性能測定術語》第2.15條相對標準偏差RSD的計算公式（RSD=S/X*100%，S為標準偏差，X為平均值）記錄4個通道的像素數(shù)值（如表1所示），得出4個通道的RSD分別為0.011%、0.030%、0.012%和0.010%。測試結果表明，DT-101毒品快速檢測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

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行測試。從檢測結果來看，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3ng/mL，嗎啡的檢出限為10ng/mL。

三、應用效果

選取了杭州刑事科學技術研究所、杭州禁毒支隊及南京禁毒支隊三家單位對原理樣機進行應用，共對1766份樣本進行了分析測試。結果表明，DT-101能夠在10分鐘內完成唾液、尿液中的嗎啡/海洛因、甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮的快速相對定量分析，檢測靈敏度達到ng/mL級，暫未出現(xiàn)漏檢與交叉反應現(xiàn)象。

四、結語

本文設計開發(fā)了一種用于唾液中毒品檢測的便攜式4通道毒品快速檢測分析儀，型號DT-101。該儀器能夠實現(xiàn)短時間內同時測定唾液中4種不同種類的毒品，對甲基苯丙胺、氯胺酮和可卡因測試的靈敏度可達3ng/mL，嗎啡靈敏度為10ng/mL。在當前各種新型毒品層出不窮、更新?lián)Q代快，緝毒任務繁重且又要快速機動的新形勢下，該儀器能夠為緝毒一線人員提供準確快速有效的現(xiàn)場檢測方案，有利于快速打擊和預防犯罪，可有效防范和控制安全風險，保障社會穩(wěn)定和諧。不僅如此，該儀器具有成本低、響應快等優(yōu)勢，可以節(jié)約大量不必要的儀器設備運行維護成本、耗材制備成本、時間人力成本。該儀器的推廣使用必將產生可觀的社會效益與經濟效益。