生物传感器技术将成为环境监测仪器发展新方向

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。

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工程，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
速检测仪器工程(以下简称该工程)的工程负责人、安恒环境科技(北京)股份有限公司总经理万众华，及工程技术负责人、清华大学施汉昌教授。

据了解，该工程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，这是工程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，该工程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。

该工程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。

工程进展
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，该工程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，工程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，目前工程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。

参与工程的共有十余家单位，其中安恒为工程牵头单位，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：我们的工程非常贴近水质检测的实际需要，工程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，工程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工程及其他一些新
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工程的进展，也是来自团队十余年以来的持续研究和积累。

坚持教案工作的施汉昌，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。

近年來，我國的經濟發展迅速，城市規模正在快速擴大，生態環境的惡化也隨之而來。

據報道，人
類生產與生活中排放到環境裡的有害化學物質已超過50多萬種，使傳統的環境水質分析技術面臨巨大挑戰。

近年來，我國的經濟發展迅速，城市規模正在快速擴大，生態環境的惡化也隨之而來。

據報道，人類生產與生活中排放到環境裡的有害化學物質已
超過50多萬種，使傳統的環境水質分析技術面臨巨大挑戰。

今年公佈的《第一次全國水利普查公報》指出，我國約38%工業用水和70%農業用水還未監測計量，50%的水功能區尚無監測手段，52%的省界斷面未開展水質監測，也顯示我國在水質監測上有著很大的缺口，要滿足水環境管理和治理仍有困難，水質監測技術及設備有著巨大的需求。

2012年11月立項，並於2013年1月啟動的國傢重大科學儀器設備開發專項水中有毒污染物多指
標快速檢測儀器項目，引發業界關註，這一技術及設備與傳統的水質分析方法有何不同，將為我們的水質分析工作和行業帶來什麼改變?近日，儀器信息網探訪瞭清華大學環境學院，采訪瞭國傢重大科學儀器設備開發專項水中有毒污染物多指標快速檢測儀器項目(以下簡稱該項目)的項目負責人、安恒環境科技(北京)股份有限公司總經理萬眾華，及項目技術負責人、清華大學施漢昌教授。

據瞭解，該項目的核心技術是基於以抗體和功能
基因為敏感材料的生物傳感器技術，研發出的儀器可對多種污染物同時進行快速檢測。

在施漢昌擔任負責人的清華大學現代環境監測技術研究組的實驗室中，我們看到有一間實驗室用於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。

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的便攜式儀器樣機，其光纖傳感器置於流動池內，生物材料修飾在
光纖前端的表面上，由激光激發熒光物質，對污染物進行檢測，再經過光電轉換，生成數據。

另一臺正在進行檢測的實驗室型多指標分析儀已經比較接近成品，該儀器在玻片上固定生物材料，使用時將玻片裝入儀器內，激光由斜面進入玻片並進行數次反射，對8個固定點上的標記瞭熒光染料的生物材料進行激發，同時檢測多種污染物。

另據介紹，在線型儀器的研究成果也已經發表。

施漢昌表示，該項目的相關研究其實已有十多年的歷史。

現在很多高新技術均來源於上世紀90年代後期的一批新技術領域，如基因工程和新型材料等。

為瞭把這些高新技術引入到環境領域中，研究團隊做瞭兩年多的調研，研究環境中哪個領域適合引入這些新技術，而調研的結論是，在環境監測領域中開展新型儀器研究是引入和整合高新技術的最佳方向。

當時，研究團隊確定開展這方面的應用基礎研究，如生物檢測的敏感材料及其修飾技術
等。

當時正是1999年，在此之前，清華大學環境工程系(清華大學環境學院的前身)還從未做過儀器的研發，相關研究的進行開拓瞭一個新的研究方向，也是在這一年，環境工程系招收瞭第一個以環境監測儀器為研究方向的博士生。

由於是全新的研究方向，研究工作剛起步時，還不為人知，也缺少經費，在研究開展瞭三四年之後才獲得瞭學校的第一筆研究基金。

隨後研究工作獲得瞭兩個863課題的支持，研究的進度加速，並不
斷與實際應用結合，明確瞭污染物監測儀器的發展方向。

到2005年，儀器已有瞭雛形，比較接近實際樣機。

在此基礎上，研究團隊與安恒環境科技(北京)股份有限公司合作申請瞭國傢重大儀器專項。

回顧這些年來的研究，施漢昌認為，其他領域的一些研究成果，比如電子信息、生物材料這些其他學科的技術，如果想要在環境領域中得到應用，就需要與環境領域的現實問題相結合，產生新的手段，來解決環境領域的問題，這也是團隊的主要創
新思路之一。

儀器是高度集成的系統，是應用生物技術和材料非常好的載體，而環境監測方法與環境監測儀器，是重要的結合方向。

該項目中的大部分技術是屬於比較前沿的技術，目前歐美也隻有少數機構達到可以用於測試的技術水平。

施漢昌認為，生物及基因技術已超出瞭生命科學領域的范圍，進入到材料領域，在此方向上將發展出一系列有別於傳統化學分析方法的新檢測方法，可以成為中國儀器業的一個新發展方
向，而且與國際上的研究差不多同步，也是國產儀器技術縮小與國外差距的一個機會。

項目進展
基於目前的研究成果，儀器對數種有機有毒物、部分重金屬和數種生物毒素，總計十餘種污染物的檢測技術相對已經比較成熟，也能夠實現以同一傳感器對3種污染物同時進行檢測，而未來可實現在
同一臺儀器中對更多種污染物的同時檢測。

而是否能實現對更多污染物的檢測，則取決於是否有合適的生物敏感材料及修飾技術。

目前，該項目所研究的儀器及檢測技術主要在藻毒素等污染物的檢測上最具優勢，兩年以來，安裝在蘇州的樣機一直在進行藻毒素的檢測並與HPLC(高效液相色譜法)、ELISA(酶聯免疫吸附法)進行瞭多次對照。

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，不僅是水質污染物檢測，項目在食品安全方面也有很好的應用前景。

目前已針對乳品中三聚氰胺、黃曲黴素、氯黴素等的檢測進行瞭研究，檢測結果能達到比國傢及WHO標準低一個數量級的精度，儀器的操作也相當簡單，不需要復雜的前處理工作。

據萬眾華介紹，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、儀器應用和監測標準等，而工作目標在於實現產業化。

參與項目的共有十餘傢單位，其中安恒為項目牽頭單位，清華大學和中國人民大學負責技術研究，安恒與金達清創公司負責產業化開發，長江流域水環境監測中心、蘇州市環境監測中心站、肇慶市環境保護監測站、國傢果類及農副加工產品質量監督檢驗中心等4個單位負責應用開發，中國環境監測總站等單位負責檢測標準的研究與編制。

對這一新技術和儀器的應用前景，萬眾華表示樂觀：我們的項目非常貼近水質檢測的實際需要，項目本身就是基於一定的需求，整個研發過程也一直都很重視用戶需求和應用，設有用戶委員會促成用戶的參與，每一項研發成果都會在幾傢參與單位進行應用，在應用中不斷發現問題，不斷改進。

而檢測方法和整體解決方案的開發，也能滿足未來對環境監測的需要。

清華大學能夠提供良好的技術支撐，合作堪稱完美。

據瞭解，項目在中國宜興環
保科技工業園的支持下，已於江蘇宜興投資一千餘萬元，正在建設產業化基地，該基地將為水中有毒污染物多指標快速檢測儀器項目及其他一些新儀器的研發生產提供保障。

後記
中國水質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，
未來幾年水質分析儀器可能會有更大的增長。

多參數測定、高效率和低成本等都很受國內用戶的重視，水中有毒污染物多指標快速檢測儀器這一技術和設備比較切合這方面的需求，也帶來瞭新的發展機遇。

新儀器的發展往往需要長期堅持研究，才能從技術原理到原理樣機、工程樣機直到商業機型不斷推進，而從本次采訪中得知，水中有毒污染物多指標快速檢測儀器這一項目的進展，也是來自團隊
十餘年以來的持續研究和積累。

堅持教學工作的施漢昌，這些年來一直在培養生物傳感器和污水處理方面的學生，這一點也令人印象深刻。

在筆者看來，對於缺乏人才的儀器及環保行業，人才培養的意義或許並不亞於新產品的研究。