生物传感器技术将成为环境监测仪器发展新方向

近年来，我国的经济发展迅速，城市规模正在快速扩大，生态环境的恶化也随之而来。据报道，人类生产与生活中排放到环境里的有害化学物质已超过50多万种，使传统的环境水质分析技术面临巨大挑战。今年公布的《第一次全国水利普查公报》指出，我国约38%工业用水和70%农业用水还未监测计量，50%的水功能区尚无监测手段，52%的省界断面未开展水质监测，也显示我国在水质监测上有着很大的缺口，要满足水环境管理和治理仍有困难，水质监测技术及设备有着巨大的需求。  

2012年11月立项，并于2013年1月启动的国家重大科学仪器设备开发专项“水中有毒污染物多指标快速检测仪器”项目，引发业界关注，这一技术及设备与传统的水质分析方法有何不同，将为我们的水质分析工作和行业带来什么改变?近日，仪器信息网探访了清华大学环境学院，采访了国家重大科学仪器设备开发专项“水中有毒污染物多指标快速检测仪器”项目(以下简称“该项目”)的项目负责人、安恒环境科技(北京)股份有限公司总经理万众华，及项目技术负责人、清华大学施汉昌教授。  

据了解，该项目的核心技术是基于以抗体和功能基因为敏感材料的生物传感器技术，研发出的仪器可对多种污染物同时进行快速检测。在施汉昌担任负责人的清华大学现代环境监测技术研究组的实验室中，我们看到有一间实验室用于生物敏感材料的研究与制备，另一间实验室正在进行仪器和检测方法的研究与开发。  

在实验室中，一位博士生正在使用仪器进行铅的检测，这是项目早期的一台单指标的便携式仪器样机，其光纤传感器置于流动池内，生物材料修饰在光纤前端的表面上，由激光激发荧光物质，对污染物进行检测，再经过光电转换，生成数据。  

另一台正在进行检测的实验室型多指标分析仪已经比较接近成品，该仪器在玻片上固定生物材料，使用时将玻片装入仪器内，激光由斜面进入玻片并进行数次反射，对8个固定点上的标记了荧光染料的生物材料进行激发，同时检测多种污染物。另据介绍，在线型仪器的研究成果也已经发表。  

施汉昌表示，该项目的相关研究其实已有十多年的历史。现在很多高新技术均来源于上世纪90年代后期的一批新技术领域，如基因工程和新型材料等。为了把这些高新技术引入到环境领域中，研究团队做了两年多的调研，研究环境中哪个领域适合引入这些新技术，而调研的结论是，在环境监测领域中开展新型仪器研究是引入和整合高新技术的最佳方向。当时，研究团队确定开展这方面的应用基础研究，如生物检测的敏感材料及其修饰技术等。当时正是1999年，在此之前，清华大学环境工程系(清华大学环境学院的前身)还从未做过仪器的研发，相关研究的进行开拓了一个新的研究方向，也是在这一年，环境工程系招收了第一个以环境监测仪器为研究方向的博士生。  

由于是全新的研究方向，研究工作刚起步时，还不为人知，也缺少经费，在研究开展了三四年之后才获得了学校的第一笔研究基金。随后研究工作获得了两个863课题的支持，研究的进度加速，并不断与实际应用结合，明确了污染物监测仪器的发展方向。到2005年，仪器已有了雏形，比较接近实际样机。在此基础上，研究团队与安恒环境科技(北京)股份有限公司合作申请了国家重大仪器专项。  

回顾这些年来的研究，施汉昌认为，其他领域的一些研究成果，比如电子信息、生物材料这些其他学科的技术，如果想要在环境领域中得到应用，就需要与环境领域的现实问题相结合，产生新的手段，来解决环境领域的问题，这也是团队的主要创新思路之一。仪器是高度集成的系统，是应用生物技术和材料非常好的载体，而环境监测方法与环境监测仪器，是重要的结合方向。  

“该项目中的大部分技术是属于比较前沿的技术，目前欧美也只有少数机构达到可以用于测试的技术水平。”施汉昌认为，生物及基因技术已超出了生命科学领域的范围，进入到材料领域，在此方向上将发展出一系列有别于传统化学分析方法的新检测方法，可以成为中国仪器业的一个新发展方向，而且与国际上的研究差不多同步，也是国产仪器技术缩小与国外差距的一个机会。  

项目进展  

基于目前的研究成果，仪器对数种有机有毒物、部分重金属和数种生物毒素，总计十余种污染物的检测技术相对已经比较成熟，也能够实现以同一传感器对3种污染物同时进行检测，而未来可实现在同一台仪器中对更多种污染物的同时检测。而是否能实现对更多污染物的检测，则取决于是否有合适的生物敏感材料及修饰技术。  

目前，该项目所研究的仪器及检测技术主要在藻毒素等污染物的检测上最具优势，两年以来，安装在苏州的样机一直在进行藻毒素的检测并与HPLC(高效液相色谱法)、ELISA(酶联免疫吸附法)进行了多次对照。通常检测方法完成一次检测至少需2小时，而使用“水中有毒污染物多指标快速检测仪器”，仅需10分钟左右，采样量、药剂量也更少。  

施汉昌还透露，不仅是水质污染物检测，项目在食品安全方面也有很好的应用前景。目前已针对乳品中三聚氰胺、黄曲霉素、氯霉素等的检测进行了研究，检测结果能达到比国家及WHO标准低一个数量级的精度，仪器的操作也相当简单，不需要复杂的前处理工作。  

据万众华介绍，目前项目的研究已不仅是仪器，而是一个完整的体系，包括专用的生物试剂、检测方法、仪器应用和监测标准等，而工作目标在于实现产业化。参与项目的共有十余家单位，其中安恒为项目牵头单位，清华大学和中国人民大学负责技术研究，安恒与金达清创公司负责产业化开发，长江流域水环境监测中心、苏州市环境监测中心站、肇庆市环境保护监测站、国家果类及农副加工产品质量监督检验中心等4个单位负责应用开发，中国环境监测总站等单位负责检测标准的研究与编制。  

对这一新技术和仪器的应用前景，万众华表示乐观：“我们的项目非常贴近水质检测的实际需要，项目本身就是基于一定的需求，整个研发过程也一直都很重视用户需求和应用，设有用户委员会促成用户的参与，每一项研发成果都会在几家参与单位进行应用，在应用中不断发现问题，不断改进。而检测方法和整体解决方案的开发，也能满足未来对环境监测的需要。清华大学能够提供良好的技术支撑，合作堪称完美。”据了解，项目在中国宜兴环保科技工业园的支持下，已于江苏宜兴投资一千余万元，正在建设产业化基地，该基地将为“水中有毒污染物多指标快速检测仪器”项目及其他一些新仪器的研发生产提供保障。  

后记  

中国水质分析仪器市场目前增长迅速，而随着水污染的加剧，以及污染物控制和处理日益受重视，未来几年水质分析仪器可能会有更大的增长。多参数测定、高效率和低成本等都很受国内用户的重视，“水中有毒污染物多指标快速检测仪器”这一技术和设备比较切合这方面的需求，也带来了新的发展机遇。  

新仪器的发展往往需要长期坚持研究，才能从技术原理到原理样机、工程样机直到商业机型不断推进，而从本次采访中得知，“水中有毒污染物多指标快速检测仪器”这一项目的进展，也是来自团队十余年以来的持续研究和积累。坚持教学工作的施汉昌，这些年来一直在培养生物传感器和污水处理方面的学生，这一点也令人印象深刻。在笔者看来，对于缺乏人才的仪器及环保行业，人才培养的意义或许并不亚于新产品的研究。