傳感器技術(shù)成為環(huán)境監(jiān)測儀器發(fā)展新方向

近年來，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城市規(guī)模正在快速擴(kuò)大，生態(tài)環(huán)境的惡化也隨之而來。據(jù)報(bào)道，人類生產(chǎn)與生活中排放到環(huán)境里的有害化學(xué)物質(zhì)已超過50多萬種，使傳統(tǒng)的環(huán)境水質(zhì)分析技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。今年公布的《第一次全國水利普查公報(bào)》指出，我國約38%工業(yè)用水和70%農(nóng)業(yè)用水還未監(jiān)測計(jì)量，50%的水功能區(qū)尚無監(jiān)測手段，52%的省界斷面未開展水質(zhì)監(jiān)測，也顯示我國在水質(zhì)監(jiān)測上有著很大的缺口，要滿足水環(huán)境管理和治理仍有困難，水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)及設(shè)備有著巨大的需求。

2012年11月立項(xiàng)，并于2013年1月啟動(dòng)的國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“水中有毒污染物多指標(biāo)快速檢測儀器”項(xiàng)目，引發(fā)業(yè)界關(guān)注，這一技術(shù)及設(shè)備與傳統(tǒng)的水質(zhì)分析方法有何不同，將為我們的水質(zhì)分析工作和行業(yè)帶來什么改變？近日，儀器信息網(wǎng)探訪了清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，采訪了國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)“水中有毒污染物多指標(biāo)快速檢測儀器”項(xiàng)目（以下簡稱“該項(xiàng)目”）的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、安恒環(huán)境科技（北京）股份有限公司總經(jīng)理萬眾華，及項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)施漢昌教授。

據(jù)了解，該項(xiàng)目的核心技術(shù)是基于以抗體和功能基因?yàn)槊舾胁牧系纳�物傳感器技術(shù)，研發(fā)出的儀器可對多種污染物同時(shí)進(jìn)行快速檢測。在施漢昌擔(dān)任負(fù)責(zé)人的清華大學(xué)現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究組的實(shí)驗(yàn)室中，我們看到有一間實(shí)驗(yàn)室用于生物敏感材料的研究與制備，另一間實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行儀器和檢測方法的研究與開發(fā)。

在實(shí)驗(yàn)室中，一位博士生正在使用儀器進(jìn)行鉛的檢測，這是項(xiàng)目早期的一臺(tái)單指標(biāo)的便攜式儀器樣機(jī)，其光纖傳感器置于流動(dòng)池內(nèi)，生物材料修飾在光纖前端的表面上，由激光激發(fā)熒光物質(zhì)，對污染物進(jìn)行檢測，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，生成數(shù)據(jù)。

另一臺(tái)正在進(jìn)行檢測的實(shí)驗(yàn)室型多指標(biāo)分析儀已經(jīng)比較接近成品，該儀器在玻片上固定生物材料，使用時(shí)將玻片裝入儀器內(nèi)，激光由斜面進(jìn)入玻片并進(jìn)行數(shù)次反射，對8個(gè)固定點(diǎn)上的標(biāo)記了熒光染料的生物材料進(jìn)行激發(fā)，同時(shí)檢測多種污染物。另據(jù)介紹，在線型儀器的研究成果也已經(jīng)發(fā)表。

施漢昌表示，該項(xiàng)目的相關(guān)研究其實(shí)已有十多年的歷史�，F(xiàn)在很多高新技術(shù)均來源于上世紀(jì)90年代后期的一批新技術(shù)領(lǐng)域，如基因工程和新型材料等。為了把這些高新技術(shù)引入到環(huán)境領(lǐng)域中，研究團(tuán)隊(duì)做了兩年多的調(diào)研，研究環(huán)境中哪個(gè)領(lǐng)域適合引入這些新技術(shù)，而調(diào)研的結(jié)論是，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中開展新型儀器研究是引入和整合高新技術(shù)的最佳方向。當(dāng)時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)確定開展這方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，如生物檢測的敏感材料及其修飾技術(shù)等。當(dāng)時(shí)正是1999年，在此之前，清華大學(xué)環(huán)境工程系（清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院的前身）還從未做過儀器的研發(fā)，相關(guān)研究的進(jìn)行開拓了一個(gè)新的研究方向，也是在這一年，環(huán)境工程系招收了第一個(gè)以環(huán)境監(jiān)測儀器為研究方向的博士生。

由于是全新的研究方向，研究工作剛起步時(shí)，還不為人知，也缺少經(jīng)費(fèi)，在研究開展了三四年之后才獲得了學(xué)校的第一筆研究基金。隨后研究工作獲得了兩個(gè)863課題的支持，研究的進(jìn)度加速，并不斷與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合，明確了污染物監(jiān)測儀器的發(fā)展方向。到2005年，儀器已有了雛形，比較接近實(shí)際樣機(jī)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)與安恒環(huán)境科技（北京）股份有限公司合作申請了國家重大儀器專項(xiàng)。

回顧這些年來的研究，施漢昌認(rèn)為，其他領(lǐng)域的一些研究成果，比如電子信息、生物材料這些其他學(xué)科的技術(shù)，如果想要在環(huán)境領(lǐng)域中得到應(yīng)用，就需要與環(huán)境領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)問題相結(jié)合，產(chǎn)生新的手段，來解決環(huán)境領(lǐng)域的問題，這也是團(tuán)隊(duì)的主要?jiǎng)?chuàng)新思路之一。儀器是高度集成的系統(tǒng)，是應(yīng)用生物技術(shù)和材料非常好的載體，而環(huán)境監(jiān)測方法與環(huán)境監(jiān)測儀器，是重要的結(jié)合方向。

“該項(xiàng)目中的大部分技術(shù)是屬于比較前沿的技術(shù)，目前歐美也只有少數(shù)機(jī)構(gòu)達(dá)到可以用于測試的技術(shù)水平�！笔�漢昌認(rèn)為，生物及基因技術(shù)已超出了生命科學(xué)領(lǐng)域的范圍，進(jìn)入到材料領(lǐng)域，在此方向上將發(fā)展出一系列有別于傳統(tǒng)化學(xué)分析方法的新檢測方法，可以成為中國儀器業(yè)的一個(gè)新發(fā)展方向，而且與國際上的研究差不多同步，也是國產(chǎn)儀器技術(shù)縮小與國外差距的一個(gè)機(jī)會(huì)。

項(xiàng)目進(jìn)展

基于目前的研究成果，儀器對數(shù)種有機(jī)有毒物、部分重金屬和數(shù)種生物毒素，總計(jì)十余種污染物的檢測技術(shù)相對已經(jīng)比較成熟，也能夠?qū)崿F(xiàn)以同一傳感器對3種污染物同時(shí)進(jìn)行檢測，而未來可實(shí)現(xiàn)在同一臺(tái)儀器中對更多種污染物的同時(shí)檢測。而是否能實(shí)現(xiàn)對更多污染物的檢測，則取決于是否有合適的生物敏感材料及修飾技術(shù)。

目前，該項(xiàng)目所研究的儀器及檢測技術(shù)主要在藻毒素等污染物的檢測上最具優(yōu)勢，兩年以來，安裝在蘇州的樣機(jī)一直在進(jìn)行藻毒素的檢測并與HPLC（高效液相色譜法）、ELISA（酶聯(lián)免疫吸附法）進(jìn)行了多次對照。通常檢測方法完成一次檢測至少需2小時(shí)，而使用“水中有毒污染物多指標(biāo)快速檢測儀器”，僅需10分鐘左右，采樣量、藥劑量也更少。

施漢昌還透露，不僅是水質(zhì)污染物檢測，項(xiàng)目在食品安全方面也有很好的應(yīng)用前景。目前已針對乳品中三聚氰胺、黃曲霉素、氯霉素等的檢測進(jìn)行了研究，檢測結(jié)果能達(dá)到比國家及WHO標(biāo)準(zhǔn)低一個(gè)數(shù)量級的精度，儀器的操作也相當(dāng)簡單，不需要復(fù)雜的前處理工作。

據(jù)萬眾華介紹，目前項(xiàng)目的研究已不僅是儀器，而是一個(gè)完整的體系，包括專用的生物試劑、檢測方法、儀器應(yīng)用和監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)等，而工作目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。參與項(xiàng)目的共有十余家單位，其中安恒為項(xiàng)目牽頭單位，清華大學(xué)和中國人民大學(xué)負(fù)責(zé)技術(shù)研究，安恒與金達(dá)清創(chuàng)公司負(fù)責(zé)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，長江流域水環(huán)境監(jiān)測中心、蘇州市環(huán)境監(jiān)測中心站、肇慶市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測站、國家果類及農(nóng)副加工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心等4個(gè)單位負(fù)責(zé)應(yīng)用開發(fā)，中國環(huán)境監(jiān)測總站等單位負(fù)責(zé)檢測標(biāo)準(zhǔn)的研究與編制。

對這一新技術(shù)和儀器的應(yīng)用前景，萬眾華表示樂觀：“我們的項(xiàng)目非常貼近水質(zhì)檢測的實(shí)際需要，項(xiàng)目本身就是基于一定的需求，整個(gè)研發(fā)過程也一直都很重視用戶需求和應(yīng)用，設(shè)有用戶委員會(huì)促成用戶的參與，每一項(xiàng)研發(fā)成果都會(huì)在幾家參與單位進(jìn)行應(yīng)用，在應(yīng)用中不斷發(fā)現(xiàn)問題，不