近年來，我國的經(jīng)濟發(fā)展迅速，城市規(guī)模正在快速擴大，生態(tài)環(huán)境的惡化也隨之而來。據(jù)報道，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》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，并于2013年1月啟動的國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項“水中有毒污染物多指標(biāo)快速檢測儀器”項目，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“水中有毒污染物多指標(biāo)快速檢測儀器”項目(以下簡稱“該項目”)的項目負責(zé)人、安恒環(huán)境科技(北京)股份有限公司總經(jīng)理萬眾華，及項目技術(shù)負責(zé)人、清華大學(xué)施漢昌教授。
左:清華大學(xué)施漢昌教授,右: 安恒環(huán)境科技(北京)股份有限公司總經(jīng)理萬眾華
項目研究歷程
用于生物敏感材料研究的實驗室
據(jù)了解，該項目的核心技術(shù)是基于以抗體和功能基因為敏感材料的生物傳感器技術(shù)，研發(fā)出的儀器可對多種污染物同時進行快速檢測。在施漢昌擔(dān)任負責(zé)人的清華大學(xué)現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究組的實驗室中，我們看到有一間實驗室用于生物敏感材料的研究與制備，另一間實驗室正在進行儀器和檢測方法的研究與開發(fā)。
便攜式儀器樣機
儀器所用光纖
在實驗室中，一位博士生正在使用儀器進行鉛的檢測，這是項目早期的一臺單指標(biāo)的便攜式儀器樣機，其光纖傳感器置于流動池內(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)，對污染物進行檢測，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，生成數(shù)據(jù)。
實驗室型環(huán)境污染物多指標(biāo)分析儀
另一臺正在進行檢測的實驗室型多指標(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，使用時將玻片裝入儀器內(nèi)，激光由斜面進入玻片并進行數(shù)次反射，對8個固定點上的標(biāo)記了熒光染料的生物材料進行激發(fā)，同時檢測多種污染物。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，該項目的相關(guān)研究其實已有十多年的歷史�，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，研究團隊做了兩年多的調(diào)研，研究環(huán)境中哪個領(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，研究團隊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)研究的進行開拓了一個新的研究方向，也是在這一年，環(huán)境工程系招收了第一個以環(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，還不為人知，也缺少經(jīng)費，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863課題的支持，研究的進度加速，并不斷與實際應(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，比較接近實際樣機。在此基礎(chǔ)上，研究團隊與安恒環(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。
回顧這些年來的研究，施漢昌認為，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，這也是團隊的主要創(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)機構(gòu)達到可以用于測試的技術(shù)水平。”施漢昌認為，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機會。
項目進展
基于目前的研究成果，儀器對數(shù)種有機有毒物、部分重金屬和數(shù)種生物毒素，總計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種污染物同時進行檢測，而未來可實現(xiàn)在同一臺儀器中對更多種污染物的同時檢測。而是否能實現(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，安裝在蘇州的樣機一直在進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)進行了多次對照。通常檢測方法完成一次檢測至少需2小時，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、氯霉素等的檢測進行了研究，檢測結(jié)果能達到比國家及WHO標(biāo)準(zhǔn)低一個數(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，目前項目的研究已不僅是儀器，而是一個完整的體系，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)在于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。參與項目的共有十余家單位，其中安恒為項目牽頭單位，清華大學(xué)和中國人民大學(xué)負責(zé)技術(shù)研究，安恒與金達清創(chuàng)公司負責(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)督檢驗中心等4個單位負責(zé)應(yīng)用開發(fā)，中國環(huán)境監(jiān)測總站等單位負責(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：“我們的項目非常貼近水質(zhì)檢測的實際需要，項目本身就是基于一定的需求，整個研發(fā)過程也一直都很重視用戶需求和應(yīng)用，設(shè)有用戶委員會促成用戶的參與，每一項研發(fā)成果都會在幾家參與單位進行應(yīng)用，在應(yīng)用中不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷改進。而檢測方法和整體解決方案的開發(fā)，也能滿足未來對環(huán)境監(jiān)測的需要。清華大學(xué)能夠提供良好的技術(shù)支撐，合作堪稱完美。”據(jù)了解，項目在中國宜興環(huán)�？萍脊I(yè)園的支持下，已于江蘇宜興投資一千余萬元，正在建設(shè)產(chǎn)業(yè)化基地，該基地將為“水中有毒污染物多指標(biāo)快速檢測儀器”項目及其他一些新儀器的研發(fā)生產(chǎn)提供保障。
編輯手記
中國水質(zhì)分析儀器市場目前增長迅速，而隨著水污染的加劇，以及污染物控制和處理日益受重視，未來幾年水質(zhì)分析儀器可能會有更大的增長。多參數(shù)測定、高效率和低成本等都很受國內(nèi)用戶的重視，“水中有毒污染物多指標(biāo)快速檢測儀器”這一技術(shù)和設(shè)備比較切合這方面的需求，也帶來了新的發(fā)展機遇。
新儀器的發(fā)展往往需要長期堅持研究，才能從技術(shù)原理到原理樣機、工程樣機直到商業(yè)機型不斷推進，而從本次采訪中得知，“水中有毒污染物多指標(biāo)快速檢測儀器”這一項目的進展，也是來自團隊十余年以來的持續(xù)研究和積累。堅持教學(xué)工作的施漢昌，這些年來一直在培養(yǎng)生物傳感器和污水處理方面的學(xué)生，這一點也令人印象深刻。在筆者看來，對于缺乏人才的儀器及環(huán)保行業(yè)，人才培養(yǎng)的意義或許并不亞于新產(chǎn)品的研究。
