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清華大學施漢昌:水中微量污染物與生物傳感技術的發展

時間:2020-09-16 16:27

來源:中國水網

作者:徐冰冰整理

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  近年來,生態環境與飲用水安全越來越受到社會關注,除了常規水質指標之外,下一步微量污染物指標可能會得到廣泛的關注。9月4日,在“2020(第五屆)供水高峰論壇”上,清華大學教授/北京協同創新研究院環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的發展情況。

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施漢昌  

新形勢下對水質監測的要求

  “環境監測生態文明建設中的重要抓手,沒有監測就沒有數據,沒有數據就不知道水怎么樣,所以環境監測對污染物精準預警、污染區有效治理和合理風險評估來說非常重要?!笔h昌指出,我國這些年來水質有了很大改善,但是從全國水質監測網、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。

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

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中國飲用水標準中的微量污染物(GB5749-2006)

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美國EPA標準 (UCMR3)中的微量污染物

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日本2015年飲用水標準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優良(達到或優于Ⅲ類)比例總體達到70%以上,地級及以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內,地級及以上城市集中式飲用水水源水質達到或優于Ⅲ類比例總體高于93%。

  施漢昌指出,實際上我國的地表水Ⅲ類標準并沒有將微量污染物指標納入其中,還只是涉及一些常規指標。而我國是抗生素、內分泌污染物和農藥的世界第一生產大國和第一消費大國,和很多歐美地區相比,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監測的重點。

  微量污染物的標準檢測方法多采用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、成本低的監測手段,并發展廉價易操作的檢測技術和裝備以及自動化的新型監測技術。

  生物傳感技術及其發展

  近年來,國際上出現了一類新型監測技術,即生物傳感技術。生物傳感技術發展很快,可以在飲用水和水環境污染物監測中起到預警作用,用于突發事件的預警、污染物監測等。

  生物傳感器由生物識別元件和信號轉換單元/換能器兩部分組成,它的特點是響應快速,能及時應對突發性污染;能夠實現在線、連續監測,成本低;可實現高通量檢測;具有微型化潛力,可實現原位監測。這為快速監測和預警水體安全設置了一道防線。

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水質監測生物傳感器的構成

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

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基于光學原理的生物傳感元件

  施漢昌介紹了一種基于光學原理的生物傳感元件——平面波導陣列傳感芯片。它是一種特殊的光學玻璃,左邊是激光器,通過光學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,右圖有8條激發的熒光光帶,其能量可激發熒光染料并可以進行污染物的識別。

  他提到,生物監測技術與化學監測優勢互補,聯合生物-化學監測可提升擴展監測功能,這是國際監測技術發展的重要內容,代表著環境監測技術發展的前沿方向。

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平面波導型熒光免疫生物傳感器

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  “常見生物識別材料的固定方法有吸附法、包埋法、共價偶聯法、交聯法,我們采用的是共價偶聯法?!笔h昌介紹,在生物傳感器的應用與檢測上,生物傳感器對微囊藻毒素-LR具有良好的特異性響應,而非特異性響應微弱。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定。清華大學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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