基于表面等离子共振技术的毒品快检装备设计与开发*

吴元钊 吕云平 王继业

1. 浙江警察学院 2. 浙江省毒品防控技术研究重点实验室

引言

我国是世界上人口最多的国家，同时也是毒品滥用严重国家之一。尽管公安部门对毒品滥用一直保持高压态势，不断加大打击力度，但形势仍然非常严峻[1]。国家禁毒委员会办公室2019年6月发布的《2018年中国毒品形势报告》显示，近年来中国治理毒品滥用取得一定成效，但合成毒品滥用仍呈蔓延之势，毒品滥用人数增速减缓但规模依然较大，并且新型毒品层出不穷、更新换代加快，吸毒方式也更加隐蔽，这些都给缉毒部门对毒品的现场检测和快速判定带来了极大的挑战。目前，常见的毒品检测技术手段主要有常规理化检测法、免疫分析法和色谱法等，这些检测技术已经非常成熟，有的甚至已经达到了相当高的灵敏度[2]，但上述检测技术均不同程度地存在着一些缺陷和不足，比如对操作人员、实验环境要求较高，检测耗时长、成本高、前处理程序繁琐等[3-6]。不仅如此，随着人类社会文明程度的进步和法律制度的不断完善，人们维护自身权益的意识不断增强，缉毒人员获取吸毒嫌疑人的血液或尿液甚至毛发样品的难度越来越大。因此，开发一种灵敏度高、选择性好、易用性强的毒品快速检测仪器非常有必要。

由于公安禁毒工作的特殊性，相对于尿液、血液和其他检材，在现场检测中使用唾液作为检材具有显著的优势，比如唾液中的药物浓度与血液中的含量相关、唾液可以非侵入式的方式获得、唾液样本透明、易于净化处理等[7,8]。

近年来，基于表面等离子共振技术（Surface Plasmon Resonance，SPR）的免疫传感器已成为检测气体和液体介质中目标分子的重要手段之一。其工作原理是通过生物传感芯片把微弱的生物信号（主要指特定免疫反应）转化为可检测的光电信号，从而达到检测生化指标的目的[9,10]。相较于传统的毒品检测技术，SPR免疫分析法具有如下优点：可以实现非标记定量法测试，可有效缩短分析时间和减少样品消耗量，减少了繁琐的样品前处理程序等[11-13]。

本文设计开发了一种基于SPR技术，可用于唾液中毒品快速检测的便携式、4通道毒品快速检测分析仪，利用该仪器能够在短时间内同时测定唾液中4种不同毒品的含量。仪器样机如图1所示，型号为DT-101。根据国家相关标准对仪器进行了稳定性验证，并测试了唾液中的甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮和吗啡。测试结果表明，该仪器具有良好的稳定性和灵敏度，能够快速准确地检测唾液中毒品的含量，可以达到实际应用需求。

一、系统设计

（一）SPR技术基本原理

早在20世纪初，Wood在一次光学实验中首次发现了SPR现象[14]，1941年，一位名叫Fano的科学家利用电磁波理论才真正解释了SPR原理。之后直到1983年，瑞典科学家Liedberg首次将SPR技术应用于检测免疫球蛋白G（IgG）与抗原的相互作用并取得了成功[15]。从此，基于SPR的生物传感器检测技术得到了蓬勃发展，广泛应用于医疗、医药、生物等领域。

SPR检测技术基本原理如图2所示。光波在入射到金、银等金属表面时，会激发产生等离子波（Surface Plasmons）[16]。当金属表面的p-偏振光以某个角度θ入射到棱镜内的全反射面和金属表面上时，就会发生全反射形成消逝波（Evanescent Wave）进入到棱镜中。当在金属表面的等离子波和消逝波的频率（Ksp= Kx）和方向一致时，就会发生共振，即SPR现象[17]。此时，反射光的强度会大幅度降低甚至消失，在反射光强的反应曲线上通过计算得到SPR角。SPR角通过金属表面折射率的变化与金属表面的生物反应相关联。因此，可以通过检测SPR角的变化来分析金属表面发生的特异性结合反应，从而实现快速、灵敏地检测分子之间的相互作用。

（二）仪器的构成

DT-101毒品快速检测分析仪主要由光路系统、信号采集系统、镀金膜棱镜、进样系统及软件数据分析和显示系统组成。图3是光路系统、信号采集系统、镀金膜棱镜、进样系统示意图。

DT-101毒品快速检测分析仪的光路系统主要由二极管激光器1、偏振片2、镀金膜棱镜5等主要零部件构成。激光二极管1发射波长为780nm的激光束经过偏振片2后形成p-偏振光，p-偏振光通过柱面镜3对激光束快轴上的光束进行汇聚，通过柱面镜4对激光束慢轴的光束进行准直，并在棱镜5的全反射面上形成携带信号的激光束，经过柱面镜6准直，再通过球面镜7和9进行汇聚，最终由CCD相机10检测并记录光信号。

本仪器采用了SONY SLD255VL激光二极管，其发射激光的中心波长为780nm，最大功率为100mW，使用寿命可达10000小时。该激光器的体积和重量较小，减小了整个仪器的体积和重量，提高了仪器的便携性。在信号采集系统中采用了汇聚系统，将光束口径缩小3倍后进入CMOS相机。将光束汇聚并配合小像元CMOS采集激光信号，增加了系统的分辨率。

进样系统流路采用一体化设计，即将储液槽、定量器、废液槽反应通道及棱镜做成一体，提高了硬件的集成度。被测样本溶液经过过滤器后到储液槽，通过仪器内部注射泵提供的负压以恒定流速进入通过芯片表面，待检测结束后进入废液槽。仪器采用4通道进样方式，通道宽度1mm，流速20μL/min，定量器容量150μL，可以实现一分钟内同时对4种毒品进行检测。图4为一体化进样芯片示意图。

信号检测系统每隔200ms采集一帧数据，对像素灰度值进行平滑滤波后，找到对应通道的像素线，对滤波去噪。利用寻峰算法找出最低像素点（随着折射率变化而变化），通过数据解析算法得到折射率与时间对应的曲线图。

二、实验验证

（一）主要仪器和试剂

牛血清蛋白（BSA）、甲基苯丙胺牛血清蛋白结合物（MA-BSA）、可卡因牛血清蛋白结合物（COC-BSA）、氯胺酮牛血清蛋白结合物（KET-BSA）、吗啡牛血清蛋白结合物（MOP-BSA）、甲基苯丙胺单克隆抗体（MA-Ab）、可卡因单克隆抗体（COC-Ab）、氯胺酮单克隆抗体（KET-Ab）、吗啡单克隆抗体（MOP-Ab）购自杭州隆基生物技术有限公司。N-羟基琥珀酰亚胺（NHS，98%）、1-乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳酰二亚胺盐酸盐（EDC，≥99.0%）和乙醇胺购自Sigma-Aldrich公司。磷酸盐缓冲液（Phosphate Buffered Saline，PBS）购自碧云天生物技术。甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮和吗啡标准品由杭州市公安局提供。

在遵守相关法律和道德规范的条件下，通过Salivettes收集器采集健康志愿者提供的20份唾液样本。样本采集完成后通过Unichro过滤器（MCE膜，直径13mm，孔径0.22μm）过膜进样。

（二）结果

1. 仪器稳定性验证

根据GB/T 32267-2015《分析仪器性能测定术语》第2.19条仪器稳定性测试要求：在规定的工作条件下，在规定的工作时间内，仪器保持测定值随时间在限定范围内变化的能力，可用启动时间、基线漂移（静态基线漂移和动态基线漂移）、零点偏移法来测试仪器的稳定性。本次检测采用基线漂移法，基线漂移是指在规定的工作条件和时间内，基线的缓慢变化。工作条件是在室温条件下，样品溶液的流速20μL/min，测试时间25分钟。样品溶液以20μL/min的速度注射去离子水流经SPR传感器镀金膜表面，记录25min内所有的共振像素值。依据GB/T 32267-2015《分析仪器性能测定术语》第2.15条相对标准偏差RSD的计算公式（RSD=S/X*100%，S为标准偏差，X为平均值）记录4个通道的像素数值（如表1所示），得出4个通道的RSD分别为0.011%、0.030%、0.012%和0.010%。测试结果表明，DT-101毒品快速检测分析仪具有较好的稳定性。

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2. 唾液样本中4种毒品检测

我们选取了含有不同浓度的甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮和吗啡唾液样本进行测试。从检测结果来看，甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮的线性范围均为10～100ng/mL，吗啡的线性范围为30～150ng/mL；甲基苯丙胺、氯胺酮和可卡因的检出限可达3ng/mL，吗啡的检出限为10ng/mL。

三、应用效果

选取了杭州刑事科学技术研究所、杭州禁毒支队及南京禁毒支队三家单位对原理样机进行应用，共对1766份样本进行了分析测试。结果表明，DT-101能够在10分钟内完成唾液、尿液中的吗啡/海洛因、甲基苯丙胺、可卡因、氯胺酮的快速相对定量分析，检测灵敏度达到ng/mL级，暂未出现漏检与交叉反应现象。

四、结语

本文设计开发了一种用于唾液中毒品检测的便携式4通道毒品快速检测分析仪，型号DT-101。该仪器能够实现短时间内同时测定唾液中4种不同种类的毒品，对甲基苯丙胺、氯胺酮和可卡因测试的灵敏度可达3ng/mL，吗啡灵敏度为10ng/mL。在当前各种新型毒品层出不穷、更新换代快，缉毒任务繁重且又要快速机动的新形势下，该仪器能够为缉毒一线人员提供准确快速有效的现场检测方案，有利于快速打击和预防犯罪，可有效防范和控制安全风险，保障社会稳定和谐。不仅如此，该仪器具有成本低、响应快等优势，可以节约大量不必要的仪器设备运行维护成本、耗材制备成本、时间人力成本。该仪器的推广使用必将产生可观的社会效益与经济效益。