医疗废水中病原体检测的电化学生物传感器研究进展

　　在医疗废水处理领域，病原体检测是保障公共卫生和环境安全的关键环节。传统检测方法因耗时、成本高、操作复杂，在快速检测方面存在不足。电化学生物传感器以其操作简便、响应迅速、便携且低成本等优势，成为病原体检测的新选择。

　　医疗废水病原体检测的重要性

　　医疗废水来源广泛，包括传染病、结核病医疗机构及综合医院等，含有大量病原微生物，如细菌、病毒、真菌和寄生虫，可引发多种疾病，对人类健康和环境构成严重威胁。全球超三分之一的医院废水属危险传染性废物，不当处理会导致肠道疾病等感染，尤其在卫生条件差的地区，儿童死亡率高。此外，医疗废水中的病原体与慢性疾病发展密切相关，如代谢疾病、胃肠疾病和结直肠癌等。因此，快速、准确检测医疗废水中的病原体，对于控制疾病传播、保护生态环境和维护公共卫生安全至关重要。

　　电化学生物传感器的优势

　　电化学生物传感器通过将生物标志物与检测元件间的反应转化为电信号，实现病原体的快速、灵敏和特异性检测。与传统方法相比，它无需昂贵设备和专业人员，检测过程简单快捷，结果准确可靠，特别适合资源有限地区的现场快速检测。

　　电化学生物传感器的检测技术

　　电电化学生物传感器的检测技术多样，包括伏安法、电导法、阻抗法、光电化学法和电化学发光法等。

　　图1 电化学生物传感器的发展

　　伏安法生物传感器

　　伏安法生物传感器测量施加电位下的电流变化，电流强度与待测物质浓度呈线性关系，实现定量检测。例如，无标记安培生物传感器可检测大肠杆菌O157:H7.检测范围101–107 cells / mL，对其他细菌具有高选择性和特异性。通过在识别元件上修饰标记材料，可放大检测信号，实现低丰度病原体检测。

　　图2 大肠杆菌O157:H7无标记安培生物传感器

　　电导法生物传感器

　　电导法生物传感器测量两平行电极间的电导差异，确定目标检测对象浓度。如聚丙烯微纤维膜涂覆导电聚吡咯和功能化抗体的电导法生物传感器，可现场检测大肠杆菌O157.灵敏度范围1 × 10−2–1 × 10−1 cells / L，能感知溶液中目标病原体引起的微小电导变化。

　　阻抗法生物传感器

　　电化学阻抗谱(EIS)是阻抗法生物传感器的核心，通过施加小交流电压并测量交流电流来测量阻抗。目标分子与电极表面结合会改变电荷分布和质量传递过程，影响系统电阻和电容。通过分析阻抗谱，可确定与目标分子的结合程度，并定量分析浓度。例如，基于免疫学原理的阻抗法生物传感器可快速检测伤寒沙门氏菌，检测范围1.6 × 102–1.6 × 106 CFU / mL，检测限73 CFU / mL。

　　光电化学（PEC）生物传感器

　　光电化学生物传感器基于电极/界面光诱导电子转移过程，具有高灵敏度、高抗干扰能力和高性价比。当光线照射到光敏材料上，光能转化为电能，触发光电化学反应，实现生物目标检测。如BiOI半导体薄膜和金纳米颗粒构建的PEC平台，对大肠杆菌具有高捕获性能和检测灵敏度，检测限46 CFU / mL。

　　图3 BiOI半导体薄膜和金纳米颗粒抗菌检测集成光电化学平台

　　电化学发光（ECL）生物传感器

　　电化学发光生物传感器融合电化学和光致发光分析优点，实现高灵敏度和简单检测。与传统PCR和ELISA技术相比，ECL生物传感器操作简单、耗时短。例如，基于共振能量转移和表面等离子体耦合关系的ECL生物传感器，可有效猝灭量子点ECL信号，准确定量检测产志贺毒素的大肠杆菌(STEC)基因，检测限0.3 p mol / L。

　　发展趋势与挑战

　　电化学生物传感器在医疗废水病原体检测领域前景广阔。未来研究将聚焦提高传感器灵敏度和特异性，开发便携、低成本设备，创新检测方法以适应多样化病原体检测需求。制造工艺简化，大规模制造流程有望降低成本，提高生产效率，推动其广泛应用。

　　然而，电化学生物传感器在实际应用中面临挑战。目前，该领域尚处初级阶段，缺乏统一标准。不同传感器设计结构导致性能差异大，需提升重复性、稳定性和抗干扰能力，以适应实际检测需求。此外，生物传感器对医疗废水中病原体样本浓度和富集方法存在限制，这也是未来研究需攻克的难题。

　　结语

　　电化学生物传感器凭借突出优势，在医疗废水病原体检测中展现出巨大潜力。随着技术进步，它有望在病原体检测中发挥关键作用，为人类健康和环境保护贡献力量。

　　参考文献：

　　Chen B, He J, Tian K, et al. Research Progress on Detection of Pathogens in Medical Wastewater by Electrochemical Biosensors[J]. Molecules, 2024. 29(15): 3534.