研发生物传感技术 开拓环境检测新方向

环境监测是生态环境保护的眼睛。大力发展对环境污染及生态安全具有快速诊断能力的环境监测生物传感技术和装备，是实现“青山绿水”的保障。近年，生物和电子技术的发展使生物传感技术异军突起，成为环境监测领域传统检测方法的补充，在微量污染物、生物毒性和环境风险的监测方面发挥了不可替代的作用。因此，大力发展环境监测生物传感技术和仪器装备并推广应用，刻不容缓。

多年来，清华大学环境学院施汉昌教授团队一直从事环境监测生物传感技术的研究，针对环境监测领域，开发研制多套设备，这些仪器设备，具有高选择性、高灵敏度、低成本、能在复杂的体系中进行快速自动连续监测等特点，适用于监测水和土壤中的污染物，在环境监测领域有着广阔的应用前景。

两类两种有毒污染物多指标快速检测仪器的传感元件

研发团队研制了两种多通道多指标激光诱导荧光平面波导传感芯片，并在此基础上，确定了激光线光源平面波导芯片为多通道多指标快速检测仪的研制方案，基于几何光学原理，建立芯片倏逝场分布和荧光激发与耦合模型，系统优化了芯片器件及光路参数。芯片灵敏度与国际上先进的倏逝波荧光生物传感分析系统AWACSS芯片相当，成本仅为AWACSS芯片的5%。通过构建平面波导芯片精密测试平台，开展了对平面光波导芯片的性能测试，并设计了相应配套的流路和反应池。在平面波导芯片上实现了16个检测位点对不同浓度的荧光染料的测试，对荧光染料检测限≤1nM。

图1 平面波导与光纤生物传感器元件

同时，研制出一组高精度四通道全光纤光学传感元件，以组合锥型光纤传感元件为核心，通过单多模光纤耦合器设计，实现了激发光与荧光收集的一体化。通过构建的四通道检测系统，实现了光纤元件的性能测试，对荧光染料检测限达到0.1nM。

提出制备微痕组合锥型光纤传感探头的蚀刻液、利用BSA等电点封闭液构建可再生DNA杂交界面的方法等，研究建立表面修饰包被抗原的免疫芯片界面修饰方法、表面修饰脱硫生物素的芯片界面修饰方法以及表面修饰DNA探针的DNA芯片界面修饰方法。其中DNA芯片的界面再生能力是目前DNA固相杂交界面的最高水平。

图2 仪器系统与测试信号

基于生物亲和及核酸酶切原理，研究建立针对农药、重金属、工业污染物和生物毒素四类污染物质的单指标生物传感芯片标准化制备方案。提出构建同步检测生物传感芯片的核心优化条件，通过抗体交叉反应考察，研究建立了四种可同步高灵敏检测多种污染物的生物传感芯片：包括黄曲霉素，三聚氰胺，双酚A，磺胺二甲嘧啶多指标生物传感芯片；雌二醇、2,4-D、阿特拉津、双酚A多指标生物传感芯片；阿特拉津、2,4-D、MC-LR、呋喃丹多指标生物传感芯片；MC-LR、2,4-D、双酚A多指标生物传感芯片。

研发在线式、台式和便携式有毒污染物多指标快速检测仪器

研究团队研发了激光光源控制模块、集成光路模块、微弱信号多路平行检测模块和仪器系统的多种软件。通过系统集成，研发出了在线式微量有毒污染物自动监测仪器、实验室用台式有毒污染物多指标快速检测仪器和在便携式有毒污染物多指标快速检测仪器。仪器的核心部件——生物芯片，可再生测试，使用寿命可达200余次，大大降低了测试成本。

仪器的分析与控制系统软件灵活可调，非常友好。可根据检测实际情况灵活设计仪器参数及样品检测程序。仪器可实时显示样品检测曲线。检测完成后，可即时给出检测结果，并可实现数据的远程传输。此类新型仪器可实现水中有机污染物、生物毒素、重金属污染物等不同类型物质的快速检测，减少对HPLC、GC-MS、ICP-MS等大型仪器的依赖，降低仪器成本。

水中有毒污染物多指标快速检测仪器，用于环境监测可实现：环境综合毒性指标的快速确定；环境中微量有毒有害污染物快速检测；环境中致病微生物的快速筛查；生态环境风险和毒性评价。其高精度、广谱化、小型化和自动化方向发展，能够对我国现行环境监测系统在时间和空间上监测密度低、对具有生态环境风险的微量有毒污染物检测能力弱和对污染事件应急预警能力不足等短板，形成有效的补充和技术支撑。

图3 在线式、台式和便携式有毒污染物多指标快速检测仪器