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- 微型傳感器可快速檢測飲用水中的痕量 “永久性化學(xué)物質(zhì)”
- 來源：芝加哥大學(xué) 發(fā)表于 2025/10/10
“永久性化學(xué)物質(zhì)” 的檢測難度眾所周知，但芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院與阿貢國家實驗室的合作團隊開發(fā)出了一種新型檢測方法。該團隊計劃通過一款便攜式手持設(shè)備推廣此方法，利用獨特探針量化全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS，即 “永久性化學(xué)物質(zhì)”）的含量，其中部分 PFAS 對人體具有毒性。圖片來源：約翰・齊克（John Zich）
這類物質(zhì)殘留在我們的水中、血液里以及環(huán)境中 ——“永久性化學(xué)物質(zhì)” 的檢測難度向來很大。
不過，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（UChicago PME）與阿貢國家實驗室的研究人員合作，開發(fā)出了一種檢測水中微量全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）的新方法。該團隊計劃通過一款便攜式手持設(shè)備推廣此方法，利用獨特探針量化 PFAS（“永久性化學(xué)物質(zhì)”）的含量，其中部分 PFAS 對人體有毒。
“現(xiàn)有檢測這些污染物含量的方法可能需要數(shù)周時間，還需借助頂尖設(shè)備和專業(yè)技術(shù)，” 芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院皇冠家族教授、阿貢國家實驗室首席水戰(zhàn)略專家陳君紅（Junhong Chen，音譯）表示，“我們的新型傳感器設(shè)備只需幾分鐘就能檢測出這些污染物�！�
這項技術(shù)已發(fā)表在《自然・水》（Nature Water）期刊上，可檢測出濃度低至 250 每千萬億分之一（ppq）的 PFAS—— 相當于在一個奧運會標準泳池中檢測出一粒沙子。這使得該檢測方法可用于監(jiān)測飲用水中兩種毒性最強的 PFAS：全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）。美國環(huán)境保護署（EPA）近期已提議將這兩種物質(zhì)的限值設(shè)定為 4 萬億分之一。
“PFAS 的檢測與清除是當前環(huán)境和公共健康領(lǐng)域的緊迫挑戰(zhàn)，” 芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院教授安德魯・弗格森（Andrew Ferguson）表示，“計算機模擬和機器學(xué)習(xí)已被證明是極具威力的工具，能幫助我們理解這些分子如何與分子傳感器結(jié)合，并為研發(fā)更靈敏、更具選擇性的分子探針提供實驗指導(dǎo)�！�
“盡管 PFAS 的濃度通常極低，但它們具有一些區(qū)別于水中其他溶解物質(zhì)的分子特征，我們的探針就是專門設(shè)計來識別這些特征的，” 同時任職于阿貢國家實驗室和芝加哥大學(xué)的資深科學(xué)家塞思・達林（Seth Darling）說。
檢測難題
PFAS 是一類具有抗油抗水特性的化學(xué)物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于各類消費和工業(yè)產(chǎn)品，包括不粘鍋、快餐包裝、消防泡沫、雨衣和防污地毯。它們常被稱為 “永久性化學(xué)物質(zhì)”，因其穩(wěn)定性極強，無法自然降解，反而會隨著時間推移在環(huán)境和人體中不斷累積。
近年來，有研究表明 PFAS 與多種健康問題相關(guān)，包括癌癥、甲狀腺疾病和免疫系統(tǒng)受損�；诓糠执祟愌芯�，EPA 提議為 PFOS 和 PFOA 設(shè)定新的限值。
“執(zhí)行這些限值的難點在于，PFAS 的檢測極具挑戰(zhàn)性且耗時，” 陳君紅表示，“目前，人們無法僅取一份水樣在家中完成檢測。”
檢測 PFAS 含量的 “黃金標準” 是一種名為 “液相色譜 - 串聯(lián)質(zhì)譜法” 的昂貴實驗室檢測技術(shù)，該技術(shù)可分離化合物并提供每種化合物的相關(guān)信息。
微型傳感器可快速檢測水中的 “永久性化學(xué)物質(zhì)”圖片來源：RG 電極的傳感器設(shè)計與表征
研究人員試圖研發(fā)更快、更廉價的 PFAS 檢測方法時，面臨著一些挑戰(zhàn)：一方面，水中 PFAS 的濃度往往遠低于其他數(shù)十種更常見的污染物；另一方面，PFAS 種類多達數(shù)千種，其化學(xué)結(jié)構(gòu)僅有細微差異，但在健康影響和監(jiān)管要求上卻存在重要區(qū)別。
不過，陳君紅團隊在過去 15 年中一直致力于研發(fā)基于計算機芯片的高靈敏度便攜式傳感器。陳君紅已將該技術(shù)應(yīng)用于自來水鉛含量傳感器，其實驗室團隊認為，該方法同樣可用于 PFAS 檢測。他們提出的 PFAS 檢測技術(shù)改良方案，已被納入美國國家科學(xué)基金會五大湖水資源創(chuàng)新引擎項目。
人工智能設(shè)計探針
陳君紅團隊研發(fā)的傳感器核心原理是：當 PFAS 分子附著在設(shè)備上時，會改變硅芯片表面的電導(dǎo)率。但他和同事必須解決一個問題 —— 如何讓每個傳感器僅對某一種 PFAS（如 PFOS）具有高特異性。
為實現(xiàn)這一目標，陳君紅、弗格森、達林及其團隊借助機器學(xué)習(xí)篩選獨特探針。這些探針可附著在傳感設(shè)備上，理論上僅與目標 PFAS 結(jié)合。2021 年，他們獲得了芝加哥大學(xué)數(shù)據(jù)與計算中心（CDAC）頒發(fā)的 “探索挑戰(zhàn)獎”，以支持其利用人工智能設(shè)計 PFAS 探針的研究。
“在這一背景下，機器學(xué)習(xí)是一種能快速篩選無數(shù)化學(xué)探針、預(yù)測哪些最有可能與每種 PFAS 結(jié)合的工具，” 陳君紅說。
該團隊在新發(fā)表的論文中指出，經(jīng)計算機預(yù)測的其中一種探針，即便在自來水中存在其他濃度高得多的常見化學(xué)物質(zhì)時，仍能選擇性地與 PFOS 結(jié)合。當含有 PFOS 的水流過設(shè)備時，PFOS 會與新型探針結(jié)合，進而改變芯片的電導(dǎo)率。電導(dǎo)率的變化幅度取決于 PFOS 的濃度。
為確保新設(shè)備檢測結(jié)果的準確性，該團隊與 EPA 合作，采用 EPA 認可的液相色譜 - 串聯(lián)質(zhì)譜法確認 PFAS 濃度，并驗證其結(jié)果與新設(shè)備的檢測結(jié)果一致。團隊還發(fā)現(xiàn)，即便經(jīng)過多次檢測和沖洗循環(huán)，該傳感器仍能保持準確性，這表明其具備實時監(jiān)測的潛力。
“我們的下一步計劃是預(yù)測并合成針對其他 PFAS 的新型探針，并探索該技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，” 陳君紅表示，“在此基礎(chǔ)上，這種方法還可拓展至更多檢測場景 —— 從飲用水中的化學(xué)物質(zhì)，到廢水中的抗生素和病毒，應(yīng)用前景廣闊�！�
最終，消費者或許能通過這種技術(shù)自行檢測家中水質(zhì)，從而在環(huán)境選擇和日常消費方面做出更明智的決策。
期刊信息：《自然・水》（Nature Water）
信息來源：芝加哥大學(xué)
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