清華大學(xué)施漢昌：水中微量污染物與生物傳感技術(shù)的發(fā)展

　　近年來，生態(tài)環(huán)境與飲用水安全越來越受到社會關(guān)注，除了常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)之外，下一步微量污染物指標(biāo)可能會得到廣泛的關(guān)注。9月4日，在“2020（第五屆）供水高峰論壇”上，清華大學(xué)教授/北京協(xié)同創(chuàng)新研究院環(huán)境工程研究所所長施漢昌介紹了水中微量污染物與生物傳感技術(shù)的發(fā)展情況。

施漢昌　　

新形勢下對水質(zhì)監(jiān)測的要求

　　“環(huán)境監(jiān)測是生態(tài)文明建設(shè)中的重要抓手，沒有監(jiān)測就沒有數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)就不知道水怎么樣，所以環(huán)境監(jiān)測對污染物精準(zhǔn)預(yù)警、污染區(qū)有效治理和合理風(fēng)險評估來說非常重要?！笔h昌指出，我國這些年來水質(zhì)有了很大改善，但是從全國水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)、癌癥村分布地圖、抗生素污染地圖上來看，總的來講并不樂觀。

　　水環(huán)境中有一類很重要的污染物稱為微量污染物，包括農(nóng)藥殘留、抗生素、內(nèi)分泌干擾物等。它們在環(huán)境中的含量較少，通常在納克或微克/升(μg/L)量級，又稱新興污染物，但是對生態(tài)環(huán)境和人類健康的威脅卻很大。

中國飲用水標(biāo)準(zhǔn)中的微量污染物(GB5749-2006)

美國EPA標(biāo)準(zhǔn) (UCMR3)中的微量污染物

日本2015年飲用水標(biāo)準(zhǔn)中新增雌激素活性污染物

　　《水污染防治行動計劃》中提到，2020年，長江、黃河、珠江、松花江、淮河、海河、遼河等七大重點流域水質(zhì)優(yōu)良（達到或優(yōu)于Ⅲ類）比例總體達到70%以上，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)，地級及以上城市集中式飲用水水源水質(zhì)達到或優(yōu)于Ⅲ類比例總體高于93%。

　　施漢昌指出，實際上我國的地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)并沒有將微量污染物指標(biāo)納入其中，還只是涉及一些常規(guī)指標(biāo)。而我國是抗生素、內(nèi)分泌污染物和農(nóng)藥的世界第一生產(chǎn)大國和第一消費大國，和很多歐美地區(qū)相比，我國水體中的微量污染物濃度較高。因此，微量有毒污染物將成為水質(zhì)監(jiān)測的重點。

　　微量污染物的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法多采用GC-MS、LC-MS、AA、ICP等大型儀器，價格昂貴，操作復(fù)雜。因此，我國需要具有強抗干擾能力、快速、靈敏、操作簡單、成本低的監(jiān)測手段，并發(fā)展廉價易操作的檢測技術(shù)和裝備以及自動化的新型監(jiān)測技術(shù)。

　　生物傳感技術(shù)及其發(fā)展

　　近年來，國際上出現(xiàn)了一類新型監(jiān)測技術(shù)，即生物傳感技術(shù)。生物傳感技術(shù)發(fā)展很快，可以在飲用水和水環(huán)境污染物監(jiān)測中起到預(yù)警作用，用于突發(fā)事件的預(yù)警、污染物監(jiān)測等。

　　生物傳感器由生物識別元件和信號轉(zhuǎn)換單元/換能器兩部分組成，它的特點是響應(yīng)快速，能及時應(yīng)對突發(fā)性污染；能夠?qū)崿F(xiàn)在線、連續(xù)監(jiān)測，成本低；可實現(xiàn)高通量檢測；具有微型化潛力，可實現(xiàn)原位監(jiān)測。這為快速監(jiān)測和預(yù)警水體安全設(shè)置了一道防線。

水質(zhì)監(jiān)測生物傳感器的構(gòu)成

　　生物傳感需要識別材料，常用的是抗體（蛋白質(zhì)）和功能核酸。它們的親和力高、穩(wěn)定性好，有特異的結(jié)合性。生物識別材料通過換能器的轉(zhuǎn)換，信號的轉(zhuǎn)換增強處理輸出，形成生物傳感器。（如上圖所示）

基于光學(xué)原理的生物傳感元件

　　施漢昌介紹了一種基于光學(xué)原理的生物傳感元件——平面波導(dǎo)陣列傳感芯片。它是一種特殊的光學(xué)玻璃，左邊是激光器，通過光學(xué)元件把激光打到玻片里，在玻片里形成折射，然后有很小的能量釋放出來，這個能量可以把熒光染料激發(fā)，右圖有8條激發(fā)的熒光光帶，其能量可激發(fā)熒光染料并可以進行污染物的識別。

　　他提到，生物監(jiān)測技術(shù)與化學(xué)監(jiān)測優(yōu)勢互補，聯(lián)合生物-化學(xué)監(jiān)測可提升擴展監(jiān)測功能，這是國際監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，代表著環(huán)境監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的前沿方向。

平面波導(dǎo)型熒光免疫生物傳感器

　　“常見生物識別材料的固定方法有吸附法、包埋法、共價偶聯(lián)法、交聯(lián)法，我們采用的是共價偶聯(lián)法?！笔h昌介紹，在生物傳感器的應(yīng)用與檢測上，生物傳感器對微囊藻毒素-LR具有良好的特異性響應(yīng)，而非特異性響應(yīng)微弱。這個芯片每次測試后可以進行再生，一個芯片可以再生100~200次，大大降低了檢測成本，再生后的檢測信號也很穩(wěn)定。清華大學(xué)用生物傳感器檢測了各種各樣的水，比如頤和園、肖家河、太湖、巢湖的水，效果很好。

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編輯：徐冰冰