《Microchemical Journal》：Advanced electrochemical sensors for viral detection in complex environmental matrices: Overcoming detection challenges for viral monitoring
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病毒性疾病对全球公共卫生和生态安全构成重大威胁，亟需高效的环境病毒监测策略。本文系统综述了电化学检测技术在环境病毒监测中的应用，重点分析其基于生物标志物识别的快速（<2小时）、低成本和便携特性，可实时检测空气与水体中的病毒载量，为疫情预警提供关键数据支持。当前技术面临复杂基质干扰、检测灵敏度及标准化系统等挑战，未来需通过多传感器融合和纳米材料修饰提升环境适应性。
李 Zhang|雷 Zhang|陈冠宇|李新元|Paul N. Williams|张玉轩|王宝英|刘星|季晓辉|罗军
中国南京大学环境学院污染控制与资源再利用国家重点实验室，南京 210023。
摘要
病毒性疾病对全球公共卫生和生态安全构成重大威胁，因此需要先进的病毒环境监测策略。电化学检测方法在这方面成为了一种变革性工具，为监测空气和水系统等环境基质中的病毒病原体提供了快速、经济且可现场应用的解决方案。与传统分析方法不同，电化学平台能够实时检测复杂环境样本中的微量病毒载量，为疫情预防提供关键的早期预警能力。本文重点介绍了电化学病毒检测的基本原理，并强调了其在环境监测中的应用。系统讨论了关键的生物标志物和生物分子识别元件，并通过具体实例说明了它们在检测空气中的病毒气溶胶和水传播病原体方面的实用性。电化学检测技术凭借其独特优势，在病毒检测领域展现出巨大应用潜力，为环境病毒的评估和管理开辟了新途径。随着技术的不断创新，电化学病毒检测预计将在环境监测领域发挥更重要的作用，为保护人类健康和生态环境安全做出更大贡献。
引言
病毒是具有高度侵袭性和传染性的微生物，在环境中无处不在，可通过水和空气传播，对人类健康构成严重威胁，甚至对社会经济发展和社会稳定带来严重挑战[1]、[2]。鉴于环境病毒组的庞大规模（其中包含许多对生态系统至关重要的非致病性病毒），本文重点关注那些对公共卫生构成威胁的致病性病毒。过去几十年中，全球范围内爆发了多种病毒性疾病（见表1），包括严重急性呼吸综合征（SARS）[3]、[4]、甲型流感（H1N1）[5]、中东呼吸综合征（MERS）[6]、[7]、埃博拉病毒病[9]、[10]、寨卡病毒病[11]、诺如病毒[12]等。特别是近年来，一种新的冠状病毒在全球范围内肆虐，导致许多国家出现严重的长期后果和人员死亡[13]、[14]。随着全球化的加剧以及人员和国际交通的频繁往来，病毒可以迅速传播，给全球公共卫生安全和经济带来巨大压力[15]、[16]。因此，有效的病毒临床诊断和环境监测至关重要[17]、[18]、[19]。
环境病毒监测是流行病防控的关键防线，能够实时了解病毒在空气、水和公共空间中的持续存在和传播途径。一些空气传播的病毒可通过飞沫和气溶胶引发呼吸道疾病[25]、[26]。此外，许多病毒还可通过受污染的水传播，导致胃肠道疾病。多项研究在多个地区和国家的水样中检测到了新冠病毒[27]、[28]、[29]。通过追踪空气生物气溶胶和水生系统中病原体的分布模式，环境病毒监测能够捕捉病毒传播的动态趋势，为早期预警系统和有针对性的防控措施提供科学依据。当前的技术方法，如分子生物学检测和高灵敏度传感技术，能够定量分析气溶胶中的病毒载量，并通过废水系统监测SARS-CoV-2等病原体的社区传播信号，有助于识别潜在的污染源[30]、[31]。基于环境监测数据制定的防控策略（包括区域消毒强度调整、风险区域划分和水源净化）可以与公共卫生管理措施相结合，构建多维度干预框架。这种综合方法有效打破了病毒传播链，保障了生态安全和公共健康。
传统的病毒检测方法（如聚合酶链反应[PCR] [32]、[33]、[34]和酶联免疫吸附测定[ELISA] [35]、[36]）通常需要复杂的实验操作、漫长的分析过程以及专业的实验室设备和技术人员。这些限制使得传统方法在疾病流行期间效率低下。快速准确的病毒检测对于流行病监测和传染病防控至关重要。电化学方法在临床诊断和环境监测中展现出巨大潜力[37]、[38]。与传统方法相比，电化学方法无需复杂的实验操作，少量病毒样本即可通过简单的电化学仪器在短时间内（<2小时）被检测出来，大大节省了时间和成本，从而及时实现疾病预警和快速诊断[39]、[40]。例如，电化学生物传感器能够准确检测病毒颗粒[41]、[42]、[43]、[44]、病毒蛋白[45]、[46]和病毒基因[47]、[48]，为病毒疾病的快速检测提供了新方法。这些成功案例证明了电化学方法在检测效率、低成本和准确性方面的优势。同时，由于电化学仪器的便携性，它们可以方便地用于各种自然环境场景中的病毒检测，如生物样本、水和空气，表明它们是临床诊断和环境病毒监测的新工具。
在全球日益关注公共卫生和环境安全的背景下，环境病毒监测变得愈发紧迫和重要。本文重点介绍了电化学方法在环境病毒监测中的重要价值和独特优势，特别是在空气和水系统中。文章总结了当前电化学病毒检测技术的原理，并通过系统回顾现有研究分析了其在环境病毒监测中的实际效果，同时也探讨了环境监测过程中遇到的挑战和瓶颈。鉴于关于环境病毒监测电化学传感器的综合性综述存在不足，本研究为未来的研究提供了坚实的理论基础和宝贵参考，有望推动电化学方法在环境病毒监测领域的创新和发展，为保护环境安全和公共卫生做出贡献。
传统病毒检测方法
鉴于病毒对公共健康的严重危害，其检测一直是研究的重点。目前，病毒检测方法主要基于传统的细胞培养、分子生物学、免疫学和物理化学技术发展而来。
细胞培养是最早的病毒检测方法之一。几十年来，细胞培养中的病毒分离一直是病毒检测的“金标准”[49]、[50]。该方法用于确定病毒是否存在
电化学病毒检测：原理和技术发展
电化学方法具有高灵敏度，能够检测极低浓度的目标物质，使其在环境中的微量病毒检测中至关重要。凭借其经济性和操作简便性，电化学设备可以快速完成分析过程，适用于临床诊断、环境监测等对实时性要求严格的场景。此外，通过改进
环境监测中的病毒电化学检测
环境中的病毒监测是预防和控制病毒传播的重要手段。对环境监测中电化学检测方法的研究将有助于提高我们对环境病毒监测的水平，为及时有效的病毒应对提供有力支持，从而促进公共卫生的提升。
环境应用中电化学病毒监测的挑战与未来方向
电化学病毒监测在环境监测中的应用面临多种技术挑战，主要源于环境样本的复杂性、检测性能的局限以及缺乏标准化系统。环境介质中通常含有高浓度的有机物、悬浮颗粒和微生物代谢物，这些物质容易与传感器发生非特异性结合，干扰检测信号。例如，腐殖质
结论
电化学检测已成为环境环境中病毒监测的关键技术，特别是在追踪空气和水系统中的病原体方面。与受控的临床环境不同，环境应用面临独特挑战，因为需要在废水、气溶胶和天然水体等复杂且多变的基质中检测微量病毒。共存污染物的存在
作者贡献声明
李 Zhang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，研究，概念化。雷 Zhang：撰写 – 审稿与编辑，研究。陈冠宇：撰写 – 审稿与编辑，研究。李新元：撰写 – 原稿，研究。Paul N. Williams：撰写 – 审稿与编辑。张玉轩：研究。王宝英：撰写 – 审稿与编辑。刘星：撰写 – 审稿与编辑。季晓辉：撰写 – 审稿与编辑。罗军：撰写 – 审稿与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42277375）的资助。
