“永久性化學(xué)物質(zhì)” 的檢測(cè)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的合作團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種新型檢測(cè)方法。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)一款便攜式手持設(shè)備推廣此方法，利用獨(dú)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(duì)人體具有毒性。圖片來(lái)源：約翰・齊克（John Zich）

這類(lèi)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(cè)難度向來(lái)很大。

不過(guò)，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（UChicago PME）與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員合作，開(kāi)發(fā)出了一種檢測(cè)水中微量全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）的新方法。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)一款便攜式手持設(shè)備推廣此方法，利用獨(dú)特探針量化 PFAS（“永久性化學(xué)物質(zhì)”）的含量，其中部分 PFAS 對(duì)人體有毒。

“現(xiàn)有檢測(cè)這些污染物含量的方法可能需要數(shù)周時(shí)間，還需借助頂尖設(shè)備和專(zhuān)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室首席水戰(zhàn)略專(zhuān)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(cè)出這些污染物�！�

這項(xiàng)技術(shù)已發(fā)表在《自然・水》（Nature Water）期刊上，可檢測(cè)出濃度低至 250 每千萬(wàn)億分之一（ppq）的 PFAS—— 相當(dāng)于在一個(gè)奧運(yùn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)泳池中檢測(cè)出一粒沙子。這使得該檢測(cè)方法可用于監(jiān)測(cè)飲用水中兩種毒性最強(qiáng)的 PFAS：全氟辛酸（PFOA）和全氟辛烷磺酸（PFOS）。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）近期已提議將這兩種物質(zhì)的限值設(shè)定為 4 萬(wàn)億分之一。

“PFAS 的檢測(cè)與清除是當(dāng)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(jì)算機(jī)模擬和機(jī)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(shí)驗(yàn)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)來(lái)識(shí)別這些特征的，” 同時(shí)任職于阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和芝加哥大學(xué)的資深科學(xué)家塞思・達(dá)林（Seth Darling）說(shuō)。

檢測(cè)難題

PFAS 是一類(lèi)具有抗油抗水特性的化學(xué)物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)消費(fèi)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(chēng)為 “永久性化學(xué)物質(zhì)”，因其穩(wěn)定性極強(qiáng)，無(wú)法自然降解，反而會(huì)隨著時(shí)間推移在環(huán)境和人體中不斷累積。

近年來(lái)，有研究表明 PFAS 與多種健康問(wèn)題相關(guān)，包括癌癥、甲狀腺疾病和免疫系統(tǒng)受損�；�于部分此類(lèi)研究，EPA 提議為 PFOS 和 PFOA 設(shè)定新的限值。

“執(zhí)行這些限值的難點(diǎn)在于，PFAS 的檢測(cè)極具挑戰(zhàn)性且耗時(shí)，” 陳君紅表示，“目前，人們無(wú)法僅取一份水樣在家中完成檢測(cè)�！�

檢測(cè) PFAS 含量的 “黃金標(biāo)準(zhǔn)” 是一種名為 “液相色譜 - 串聯(lián)質(zhì)譜法” 的昂貴實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)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(cè)水中的 “永久性化學(xué)物質(zhì)”圖片來(lái)源：RG 電極的傳感器設(shè)計(jì)與表征

研究人員試圖研發(fā)更快、更廉價(jià)的 PFAS 檢測(cè)方法時(shí)，面臨著一些挑戰(zhàn)：一方面，水中 PFAS 的濃度往往遠(yuǎn)低于其他數(shù)十種更常見(jiàn)的污染物；另一方面，PFAS 種類(lèi)多達(dá)數(shù)千種，其化學(xué)結(jié)構(gòu)僅有細(xì)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(guò)，陳君紅團(tuán)隊(duì)在過(guò)去 15 年中一直致力于研發(fā)基于計(jì)算機(jī)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(lái)水鉛含量傳感器，其實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該方法同樣可用于 PFAS 檢測(cè)。他們提出的 PFAS 檢測(cè)技術(shù)改良方案，已被納入美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)五大湖水資源創(chuàng)新引擎項(xiàng)目。

人工智能設(shè)計(jì)探針

陳君紅團(tuán)隊(duì)研發(fā)的傳感器核心原理是：當(dāng) PFAS 分子附著在設(shè)備上時(shí)，會(huì)改變硅芯片表面的電導(dǎo)率。但他和同事必須解決一個(gè)問(wèn)題 —— 如何讓每個(gè)傳感器僅對(duì)某一種 PFAS（如 PFOS）具有高特異性。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，陳君紅、弗格森、達(dá)林及其團(tuán)隊(duì)借助機(jī)器學(xué)習(xí)篩選獨(dú)特探針。這些探針可附著在傳感設(shè)備上，理論上僅與目標(biāo) PFAS 結(jié)合。2021 年，他們獲得了芝加哥大學(xué)數(shù)據(jù)與計(jì)算中心（CDAC）頒發(fā)的 “探索挑戰(zhàn)獎(jiǎng)”，以支持其利用人工智能設(shè)計(jì) PFAS 探針的研究。

“在這一背景下，機(jī)器學(xué)習(xí)是一種能快速篩選無(wú)數(shù)化學(xué)探針、預(yù)測(cè)哪些最有可能與每種 PFAS 結(jié)合的工具，” 陳君紅說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)在新發(fā)表的論文中指出，經(jīng)計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)的其中一種探針，即便在自來(lái)水中存在其他濃度高得多的常見(jiàn)化學(xué)物質(zhì)時(shí)，仍能選擇性地與 PFOS 結(jié)合。當(dāng)含有 PFOS 的水流過(guò)設(shè)備時(shí)，PFOS 會(huì)與新型探針結(jié)合，進(jìn)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(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，該團(tuán)隊(duì)與 EPA 合作，采用 EPA 認(rèn)可的液相色譜 - 串聯(lián)質(zhì)譜法確認(rèn) PFAS 濃度，并驗(yàn)證其結(jié)果與新設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果一致。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，即便經(jīng)過(guò)多次檢測(cè)和沖洗循環(huán)，該傳感器仍能保持準(zhǔn)確性，這表明其具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的潛力。

“我們的下一步計(jì)劃是預(yù)測(cè)并合成針對(duì)其他 PFAS 的新型探針，并探索該技術(shù)的規(guī)�；瘧�(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(cè)場(chǎng)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(fèi)者或許能通過(guò)這種技術(shù)自行檢測(cè)家中水質(zhì)，從而在環(huán)境選擇和日常消費(fèi)方面做出更明智的決策。

期刊信息：《自然・水》（Nature Water）

信息來(lái)源：芝加哥大學(xué)