纳米增强型快速抗原检测试剂盒：一种值得关注的潜在废弃物来源及其环境影响

《Environmental Science & Technology Letters》：Nanoenabled Rapid Antigen Test Kits: A Potential Waste Source of Concern with Implications for Environmental Impact

这篇综述首次系统性评估了新冠（COVID-19）纳米增强型快速抗原检测试剂盒（RATs）作为“纳米废弃物”（nanowaste）的来源及其环境风险。研究揭示，被丢弃的RATs，其核心的纳米金（nAu）检测组件在不同pH值的水环境中会发生析出，尤其在酸性条件下，使用过的试剂盒其nAu析出潜力几乎是未使用的两倍，这构成了一个此前被忽视的环境污染新威胁。文章强调了对这类诊断废弃物进行改进监管、监测和处置的紧迫性。

　　

纳米增强型快速抗原检测试剂盒：一种潜在的环境忧虑废弃物源

引言

纳米技术（Nanotechnology）的应用极大地推动了快速抗原检测试剂盒（Rapid Antigen Test Kits, RATs）的发展，这类试剂盒也被称为“居家检测”或侧向层析检测（Lateral Flow Assays, LFAs）。它们不仅用于检测HIV、结核、疟疾、性传播感染等疾病的病毒抗原，也在近期的新冠（COVID-19）大流行中大规模使用。新冠大流行引发了全球对快速诊断方案（如RATs）前所未有的需求，这得益于其简便、快速和成本效益高的特点。RATs的工作原理类似于层析检测，通过毛细作用（capillary action）引导液体样本成分在纸质膜上移动，并使用纳米金（nAu）进行检测。在比色检测（显色线条）中，所需纳米材料的浓度对于16纳米的nAu约为6.7 × 10⁷个颗粒/毫米²，对于更大的115纳米nAu则为1.5 × 10⁵个颗粒/毫米²。尽管单个试剂盒仅含微量金（Au），但其海量使用引发了与处置和潜在纳米材料泄漏相关的环境担忧。

根据世界卫生组织（WHO）的全球医疗废物分析报告，在新冠大流行期间（2020-2022年）全球售出了超过1.4亿个检测试剂盒。在大多数情况下，它们被作为普通生活垃圾处置，最终在垃圾填埋场堆积。其使用的指数级增长导致其在环境中的存在日益增多。纳米污染（Nanopollution）已在地下水及附近地表水体中被记录，可能破坏水生生态系统。水生生物暴露于纳米材料主要与生殖和发育问题相关。然而，目前针对RAT相关化学品产生的纳米废弃物（nanowaste）和渗滤液（leachate）的潜在风险关注有限。

迄今为止，尚未有研究评估从废弃的纳米增强型RATs中产生的渗滤液的物理化学特性。这是一个关键的知识空白，因为这些设备将聚合物基质与设计用于高反应性和稳定性的工程纳米材料结合在一起，却通过常规的城市垃圾进行处理。本研究假设，在垃圾填埋场所经历的典型环境条件下，嵌入的纳米材料将从检测试剂盒中释放，并可能进入渗滤液。因此，本研究的目标是评估新冠大流行期间使用的标准RATs的废物产生潜力，表征其纳米材料，并评估其在不同pH条件下的析出潜力。因此，本研究首次表征了快速抗原检测试剂盒释放的渗滤液，并质疑其对水生生态系统的潜在生态毒理学影响。

材料与方法

本研究的材料包括新冠RATs、蒸馏水、盐酸（HCl）和氢氧化钠（NaOH）。样品选用了一种可负担的鼻拭子非处方品牌新冠RATs。样品被分为未使用和使用过的两组。为了制备使用过的RATs，向试剂盒中添加了4滴缓冲液并静置处理5分钟，而未使用的样品则不添加缓冲液。实验中未向使用过的试剂盒引入生物样本。

为了评估废物产生潜力，对RATs的不同组件进行了称重，以估算每个试剂盒产生的平均总废物量。通过从试纸条上刮取纳米材料涂层到铜网上，使用透射电子显微镜（TEM）测量nAu的尺寸。使用扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）观察nAu的分布，并识别沿试纸条各部分的涂层。采用傅里叶变换红外衰减全反射光谱（FTIR-ATR）评估试纸条的吸收峰。

为了评估析出潜力，选择了可能的酸性环境条件和报告的垃圾填埋场平均pH值。将使用过和未使用的试纸条浸入12毫升pH值为4.5和9的蒸馏水中，在室温下24小时后使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析nAu渗滤液浓度。统计分析使用GraphPad Prism 8软件进行。

结果与讨论

废物产生量的估算

每个新冠RAT包含多种组件，每种都对功能性和环境足迹有贡献。每个组件都表现出一定程度的可回收性和生物降解性。由于其由纸张、塑料、凝胶和铝箔等不同材料组成，单个单元并非均匀可生物降解或可回收。纸张构成了试剂盒的最大部分，占67.70%，其次是塑料，占26.97%，以及密封的塑料/铝箔组件，占22.59%。所有含塑料的组件都是可回收的，但不一定是可生物降解的。这已经强调了在可回收性和生物降解性之间的权衡，需要审慎考虑处置方法以减轻环境危害。值得注意的是，硅胶干燥剂占1.60%，既不可回收也不可生物降解。试纸条仅占0.42%，却含有最多的纳米增强材料，这凸显了通过规范处置实践来控制其环境足迹的必要性。

新冠RATs中nAu浓度的预测

考虑到试纸条检测区内高效比色视觉结果的限度由nAu的尺寸决定，对于6纳米的颗粒尺寸，大约需要1.27 × 10⁹个颗粒/毫米²才能达到比色检测阈值。这相当于平均50毫米²的共轭试纸条含有1.38微克金。基于2020-2022年期间售出的1.4亿个检测试剂盒，垃圾填埋场中可能释放了9 × 10¹⁸（九百亿亿）个颗粒和193克金离子。

RAT共轭试纸条中纳米材料的可视化

通过TEM评估的大多数nAu值为球形，尺寸在6至8纳米之间。在未使用的试剂盒中，共轭垫在SEM-EDS下显示出相对光滑的表面，并有一层厚厚的、有光泽的纳米材料涂层，这些材料要么嵌入在试纸条内，要么涂覆在其表面。这种nAu附着对于检测试剂盒的功能至关重要，因为它确保纳米材料能够与样本中存在的任何目标分子相互作用。这些纤维的排列专门设计用于通过毛细作用促进样本流动，使液体样本能在垫子上均匀扩散。银（Ag）等备受关注的元素和金属正越来越多地应用于RATs的合成和涂层中，本研究也证实了这一点，它们与信号抗体结合用于产生比色结果。

未使用和使用过RATs的衰减全反射（ATR）和SEM-EDS分析

快速诊断测试是复合设备，由聚合物基底、粘合剂、膜、缓冲液以及越来越多的纳米材料（如胶体nAu）组成。并列的SEM-EDS和FTIR图像显示未使用和使用过的新冠RATs之间存在明显对比。未使用的试纸条（50微米尺度）干净均匀，具有多孔/纤维网络，没有明显的沉积物；而使用过的试纸条（100微米尺度）则显示出细小的毛发状细丝和小聚集体，可能来自干燥的样本成分或测试试剂。使用过的试纸条上额外的细丝和形貌变化表明可能存在材料运输、残留物沉积或部分纳米材料迁移。

在未使用的RATs中，3300–3400厘米^-1区域附近的宽峰表明存在水分和羟基，这与材料（纤维素或聚合物粘合剂）上的亲水官能团有关。2900厘米^-1附近的弱吸收对应于脂肪族烃的C-H伸缩振动，表明共轭垫中存在有机化合物，如聚合物或粘合剂。在识别或指纹光谱区域，多个吸收峰是各种官能团的特征。这些包括与二氧化硅材料相关的1000–1200厘米^-1区域的C-O伸缩或Si-O-Si振动。低于800厘米^-1的峰可能与纳米材料稳定化或共轭过程中使用的无机化合物或金属氧化物有关。

对于使用过的RATs，3359厘米^-1处的峰更加显著，表明由于缓冲液中存在水或其他羟基，O-H伸缩更加明显。C-H伸缩区域仅出现在未使用试剂盒的光谱中，这表明未使用试剂盒中存在脂肪族化合物，而在使用过的垫子中缺失，暗示了缓冲液的影响。对应于1655厘米^-1处观察到的峰的C=O伸缩区域，仅在使用了缓冲液的RATs中看到，可能表明存在蛋白质。在低波数区域，观察到的峰是相似的。在764、640和906厘米^-1处观察到的不同峰信号表明在施加缓冲液之前共轭垫的原始化学成分。

共轭RAT试纸条作为纳米金和离子金的析出潜力

本研究首次证明RATs可以释放具有可测量物理化学特性的纳米增强型渗滤液，将其识别为一个先前未被认识的可能环境问题源。垃圾填埋场产物渗滤液主要由雨水驱动；因此，使用蒸馏水作为析出介质，以减少背景金属浓度和化学复杂性，从而分离pH值对金释放的影响，并为监管筛选提供一个保守、可重复的基线。

纳米材料在环境中的行为和毒性在很大程度上受颗粒大小、核心材料、涂层、物理磨损、温度变化、pH值、光照条件以及其他外部因素的影响。因此，RAT共轭试纸条的渗滤液包括离子金属、纳米材料和可能引起视觉变化（例如，水中观察到的轻微颜色变化）的化学物质的溶解。pH 4.5呈中等酸性，是尿液的常见平均pH值。酸性环境可以增加金属（如Au）从纳米材料中的溶解或释放。在pH 4.5时，未使用的试剂盒试纸条显示71.32 ± 50.68 微克/升的Au渗滤液，而使用过的则显示133.72 ± 33.56 微克/升。这可能是由于酸性条件下H⁺离子与纳米材料表面相互作用的质子化增加，促进了它们的迁移和从垫子上的脱离。通常，使用过的试剂盒含有唾液、血液或尿液等生物材料以及其他试剂，这些可能在酸性环境中加速纳米材料的析出，并对环境构成更高的风险。相反，在未使用的试剂盒中，由于缺乏生物材料和缓冲液，这种相互作用可能不那么强烈，从而导致纳米材料释放较慢，进而对处置材料的即时环境影响较小。

pH 9的环境（模拟垃圾填埋场环境）可能导致纳米材料与周围环境之间的相互作用与酸性环境不同。通常，较高的pH值会减少金属从纳米材料中的溶解，从而减少纳米材料与环境的相互作用。在pH 9时，未使用的RATs显示141.12 ± 32.65 微克/升的Au渗滤液，而使用过的RATs显示132.37 ± 28.65 微克/升。在这种较高的pH值下，未使用的RATs可能显示出显著的金溶解和释放，因为缺少可能结合或稳定纳米材料的生物液体或缓冲液。

尽管nAu通常被认为在各种环境和条件下是稳定的，但目前的发现表明，它们的析出仍然可能受到介质变化的影响。在pH 9时，氢氧根离子浓度的增加可能会破坏未使用RATs中纳米材料的涂层稳定性，导致比使用过的试剂盒中更复杂的基质溶解更快。相比之下，添加了生物样本的使用过的RATs含有更多的有机材料，这些有机材料可能充当屏障或涂层，从而影响nAu的释放。这进一步强调了在处置RATs时考虑环境条件和纳米材料状态的重要性。尽管在pH条件之间或使用过与未使用的试纸条之间未观察到显著差异，但检测到的浓度存在高度变异。纳米材料相互作用的动态性质表明，可能需要时间依赖性评估来完全捕捉渗滤液中金释放的行为。

RATs产生的纳米废弃物的环境影响

纳米废弃物已被记录会破坏对养分循环和植物生长至关重要的土壤微生物过程。这种干扰可能潜在地影响土壤生产力，从而影响粮食安全。例如，含银纳米材料已被注意到会对水生生物造成氧化应激和细胞毒性。这些材料不仅在水生生物中积累，还会聚集并沉积在沉积物中，对环境造成长期影响，这促使人们需要更好的监管和缓解策略。

尽管关于新冠大流行期间的纳米废弃物信息非常有限，但可以推测，由于2020年至2021年间RATs需求和产量的增加，纳米废弃物也随之增加。据报道，新冠RATs的产量在大流行期间增长了200%以上。据估计，至少生产了3.6亿个试剂盒和54吨共轭试纸条，这还不包括此后进入市场的所有其他RATs。因此，RATs的广泛使用产生了巨大的经济效益，包括因及时诊断和干预而降低的医疗成本。这些方面强调了在解决LFAs全生命周期的监管框架内整合经济考量的必要性。

纳米增强型RATs是高效的诊断工具；然而，其广泛且日益增多的使用引发了重大的环境问题，而这些问题迄今为止很少受到关注。目前，还没有已发表的研究评估RATs对环境的潜在风险，而本研究是首个将科学注意力引向此问题的研究，提供了关于nAu（几种潜在有害成分之一）析出潜力的有价值的、有实验支持的数据。研究结果强调了一个关键但目前被低估的环境威胁。需要采取紧急行动，包括制定监管框架、改进处置策略、系统的废物管理、持续的环境监测和公众教育，以减轻与这些技术相关的日益增长的生态负担。