我国正处于经济快速发展与环境污染加剧的时期，水环境安全保障已经成为国家社会经济发展的限制性因素和迫切需要解决的重大问题。多种类型的环境污染事件不断发生，对生态环境、人民健康和社会发展产生重大影响。水环境污染事件的发展和环境水质复合污染的特点，不仅要求对常规水质指标进行检测，而且迫切需要对有毒有机物、重金属和生物毒素类污染物进行检测。生物传感器技术是目前国际环境监测领域的发展方向和前沿技术，它已成为我国环境科技工作者重点研发的方向之一。
清华大学环境学院长期以来从事水环境污染控制理论与技术的研究，该院的环境生物监测技术研究中心在水环境污染物监测生物传感器领域积累了大量的研究成果和经验。经过十余年的科技攻关成功地研制了基于倏逝波原理的“平面波导生物传感器”和“全光纤倏逝波生物传感器”，建立了仪器系统，并实现了成果转化，为环境监测提供了新技术。
生物传感器研究的背景
生物传感器是一种运用抗体和功能基因等生物材料作为敏感材料，通过适当的信号采集器件，将各种生物化学信息转换为电信号的分析装置。许多生物活性物质都可以作为敏感材料，用以识别环境中的污染物，与各种敏感材料相适应的传感元件也有很多种 ，如电流测定元件、电位测定元件、光强测定元件等。与传统传感器相比，生物传感器具有选择性强、测试速度快、操作简便和可连续测定等特点。
国际上环境监测生物传感器的研发始于上世纪90年代，欧盟项目支持的AWACSS系统是目前国际上采用生物传感器技术对水中微量有毒污染物进行定量检测的代表。该仪器系统实现了对水中6种微量有毒污染物进行一机多指标的定量检测，但仪器系统尚处于实验阶段，未能实现批量生产和推广应用。
2000年以来，清华大学环境学院在国家863计划等项目的持续支持下，研究中心攻克了小分子环境污染物生物材料研制、传感元件的功能材料修饰与系统光学准直设计、复杂环境样品检测中微弱信号的采集与干扰屏蔽等关键技术难点，完成了多项发明和技术创新，研制了在线式、便携式、实验室台式和微型传感器四种水中有毒污染物高灵敏检测生物传感器及其仪器系统。仪器实现了产业化。在国际上首次实现了基于免疫与功能核酸生物传感技术的环境监测仪器的现场长期连续监测。引领了环境监测生物传感器技术的发展，推动了环境监测与水污染控制领域的技术进步。
生物传感器的优势与特点
生物传感器由生物功能材料、传感元件和信号收集与处理单元构成。研发生物传感器首先需要研制用于识别污染物的生物功能材料，包括抗体和功能核酸等。研究中心开发了多种用于检测环境和食品污染物的多克隆抗体和单克隆抗体，并建立相应的免疫检测技术和产品。生物传感器中基于抗体/抗原反应原理的免疫分析技术是发展最为迅速、最为成熟、应用最为广泛的生物监测技术。基于高特异性抗体的污染物免疫检测技术，是目前有毒有害有机污染物（如POPs、EDCs、藻类毒素、农药残留等）快速检测的重要手段。课题组研发的新型生物传感器检测生物反应所产生的荧光信号，通过检测光的强度、振幅、相位等参数确定被检物质的量。与其他传感器相比，这种传感器具有抗电磁干扰能力强。不用参比电极，可以实现传感器微型化以及用于遥测和适时检测等优点。
要实现对环境污染物的监测，还需要功课生物传感器表面修饰的难关。如何将小分子化合物固定到传感器表面一直是表面修饰领域中的一个难题。研究中心在进行锥型光学传感器理论分析的基础上，提出了将小分子污染物与大分子惰性蛋白结合形成复合物，然后再将该复合物通过双功能试剂固定到硅烷化后的传感器表面上的修饰方法对传感器进行修饰；最后利用X射线光电子能谱仪（XPS）和基于倏逝波原理的微量污染物快速检测仪器对修饰的效果进行表征。
全光纤倏逝波微量污染物快速检测仪的发明
研究中心运用自主研发的专利技术发明了全光纤倏逝波生物传感器，并通过成果转化，发明了全光纤倏逝波微量污染物快速检测仪。这一仪器利用激光在光纤内以全反射方式传输时，在光纤表面所处的介质中产生倏逝波，该倏逝波可以激发光纤表面用荧光染料标记的抗体或互补DNA上标记的荧光物质，实现待测目标物质的定量检测。新型的微量污染物快速检测仪集成倏逝波荧光分析原理与光纤检测优势于一体，可实现灵敏、准确、快速、经济的检测，在环境质量监控、食品安全检测及生物医学检测等领域具有广泛的应用前景。
全光纤倏逝波快速检测仪的结构原理如图1所示，硬件主要包括光学系统、流动进样系统、信号处理与控制系统。图2为便携式倏逝波全光纤微量污染物快速检测仪的实物图。该发明在激发光路上，以波长为635nm、输出功率为8mW的半导体脉冲激光器作为光源，激光器发出的激光通过光纤耦合器进入单多模光纤耦合器中的单模光纤，由于单模光纤只传递一种模式的光，可有效地降低能量损失。然后再经单多模光纤耦合器的多模光纤传输，从光纤连接器进入光纤探头（见图3）。利用单多模光纤耦合结构将激光引入光纤探头，可有效克服传统光纤免疫传感器激光由光纤探头端面射入时，由于端面反射而造成背景噪声高的缺点。最后，激光在探头表面附近区域产生倏逝波，激发光纤探头表面连接在抗体或DNA分子上的荧光标记物质。
在信号接收光路中，大部分被激发的荧光耦合回探头，经连接器进入单多模光纤耦合器的多模光纤，由多模光纤的另一端射出。荧光滤光片滤除反射的或迷失的激发光，而使绝大部分荧光透过，透过的荧光由光电探测器（光电二极管）探测并将光信号转换成电信号，然后该电信号经锁相放大器放大，由计算机采集并进行数据处理。脉冲激光器的脉冲信号由脉冲信号发生器提供，同时，脉冲信号发生器为锁相放大器提供相同频率信号作为参考信号。通过对太湖和巢湖等大量实际水样和加标水样的检测，并与液相色谱等标准方法比对表明，全光纤倏逝波微量污染物快速检测仪对2，4-D和藻毒素等微量有毒污染物的检出限可满足《生活饮用水卫生标准》的要求。该仪器具有灵敏度高、检测速度快和测试成本低等特点。
全光纤倏逝波微量污染物快速检测仪的出现，为我国环境检测技术提供了新的手段，并将在环境检测领域占得一席之地。崭露头角的全光纤倏逝波微量污染物快速检测仪，已然吹响了生物监测技术进入环境监测领域的号角，不久的将来它将在环境保护中大显身手。
