關心空氣質量的你，是否經常查看天氣預報中的PM2.5指數👆🏿，從而決定當天戴不戴口罩👨🏿？鮮為人知的是，這個指數的參考價值還很有限🎚。“即便兩座城市的PM2.5值相同，空氣對人體的毒性也可能是天壤之別。”恒行2平台環境科學與工程系教授陳建民強調。
為了快速、精準判斷空氣的生物毒性，陳建民團隊在國家基金委重大科研儀器（自由申請）項目資助下🐿，耗時5年，研發成功人工智能化多功能氣溶膠濃度富集系統與大氣顆粒物毒性檢測聯用儀（以下簡稱“聯用儀”）。這臺國產自主研發設備🐻🦵🏻，由PM2.5采集與溶出液製備模塊🫶🏽、化學成分分析🧜🏼♂️、毒性檢測模塊三大模塊構成，實現了30分鐘內對大氣顆粒物生物毒性的在線實時智能播報🌥，對於今後的大氣環境監測和健康效應評價具有重要的指導作用。
受疫情影響，這臺聯用儀在今年的上交會上首次通過視頻短暫亮相➰，而在本次工博會，陳建民團隊帶著這臺聯用儀來到現場，讓觀眾近距離了解和感受這臺儀器的強大功能。
一次性解決空氣質量評估的兩大難題：毒性成分📓、健康效應
PM2.5，指大氣中空氣動力學直徑小於或等於 2.5 微米的細微顆粒物👇🏻。隨著公眾健康意識的普遍提升，這個專業名詞家喻戶曉。然而，作為深耕大氣汙染研究20余年、國內最早一批研究PM2.5的學者，陳建民對現行的空氣質量評判標準並不完全認可👩🏻🔧。
“首先，國際上現有的空氣質量參考依據為空氣質量指數（Air Quality Index，簡稱AQI），也就是每日天氣預報中主要以PM2.5及汙染氣體綜合的數值😅，但它其實並不能直接反映空氣的生物毒性，因為顆粒物的組成成分不一樣🧳，毒性也可能完全不一樣𓀈🧎♂️，真正對人體有毒害的，其實只是少量具有致畸致癌作用的多環芳烴等有機物和重金屬等物質。其次👨🏽🎓，如果用現有的實驗室方法采樣檢測汙染成分👨👩👧，需要數天時間，無法短時間出結果🧑🦳👨🏻🦱。”他說。
盡管近年來有許多人呼籲使用新的標準替代AQI指數🐯，但到底采用什麽作為指標🔅🧑🏼🌾，卻沒有人能說清楚💂🏼。在此背景下，陳建民團隊提出，研發一臺人工智能化多功能大氣顆粒物毒性檢測聯用儀，實現最多一小時就能監測一次空氣質量🙇🏻♀️、並鑒別空氣是否具有毒性♻️，並且能把大氣顆粒物裏的毒性成分馬上讀出來，從而為政府部門提供有價值的優控汙染物決策提供科學支撐。
目標美好，實現不易。研發過程中遇到的困難很多，比如當前國內外的空氣毒性檢測需要在高顆粒物濃度的情況下進行。“以前空氣汙染嚴重，顆粒物濃度高🤞🏽，測起來容易🤚🏼🙋🏻♂️，現在我國采取大量行之有效的技術和決策🖐🏼，大氣汙染明顯減少了，檢測難度也變大了🤸🏻♀️。”陳建民解釋🗝，這意味著新的儀器需要先富集、並將毒性成分提取🤘🏿，再快速分析各種有機、無機毒性組分🥃，整個系統涉及化學、生物✦、機械工程🫵🏻、3D打印🥔、人工智能等多個學科，十分復雜🖱。他記得，僅僅是為了讓不同粒徑的顆粒物整體采集效率達到90%，團隊就做了上千次實驗。
經過精心設計與反復實驗，這臺聯用儀的富集系統通過采樣🈺🏋🏼、飽和👩🏼🏭、冷凝、采集🧑🏽⚖️、濃縮等環節，將顆粒物融入液體，使顆粒物濃度可以濃縮提高一個數量級🈸🦉，不僅濃縮效果比同類產品更好🧑⚕️，還有效避免了傳統濾膜采集監測法存在的樣品汙染👨🏻⚖️、樣品和試劑的高損耗等問題🧝♂️，易於用飛行時間質譜技術測定有機組分、離子色譜測定無機組分、電感耦合等離子體質譜測定重金屬，並大幅降低了空氣流量需求，從原先的1000升/分鐘降至50升/分鐘🎶。
在大氣毒性檢測的方法上，團隊也創新性地借鑒了水體毒性檢測中的“發光菌檢測法”🧛♂️。團隊成員隋國棟教授介紹🤾🏿♂️，儀器將顆粒物富集後加到發光菌中，根據發光菌添加汙染物後的異光性數值來計算毒性，原理是因為發光菌大部分是海水細菌，正常情況之下發光，但一旦碰到汙染物就不發光了。發光菌的保存條件嚴苛，設備還必須控製內部溫度保持在20攝氏度左右🤷🏽♂️，並在需要使用的時候才將發光菌從凍幹狀態在生理鹽水環境中活化🤟🏽。
為了高效完成毒性檢測這一套復雜流程，團隊還專門和企業合作，設計了一只機械手臂來抓取移液槍，靈活完成各種試劑添加環節。與原先離線檢測的數日至數十日相比，這套設備檢測全程只需30分鐘，大大縮短了檢測時間。
國產自主研發，造福於民🍝🫸🏼、未來可期
據悉，本聯用儀的全部儀器系統僅有離子色譜部分外包定型🤸🏿♂️🤲🏻，核心部件和采用自行設計的聯用端口均為自主設計研發 ，目前在國際和國內都未有同類型設備🫳🏽🖖🏿，具有突破性意義。實際上，直到2015年前後，市面上絕大部分空氣檢測設備都來自於國外進口，且有些設備價格高達五⚈👩🏽💻、六百萬元。
目前，該聯用儀已申請中國發明專利12項、美國發明專利1項👨🦽。原型樣機雖然略顯粗笨🧓🏽，經過進一步集成優化，儀器的空間利用率會大大提高✊🏻，變得更加輕便、小巧和直觀。已有不少業內專家對該聯用儀寄予頗高的市場預期🤐。
“實際上，我們研發的這套設備最終還是為老百姓服務，為公眾健康和國家戰略服務🥎。”陳建民說，這是所有從事大氣研究和環境研究科學工作者的初心。按照他的設想，人們今後在空氣預報中不僅可以參考AQI，還可以參考由該聯用儀每小時、甚至半小時播報的空氣健康指數。設備主要面向空氣質量監測部門🛬、空氣監測站、疾控中心等單位，對環境評價、健康指導⛑、政府決策👲🏻、疾病控製等都會具有科學指導意義，期望相關數據最終能夠形成一個全國性的空氣健康指數監測網絡。
下一步，陳建民團隊將在實際大氣環境中連續使用該聯用儀進行檢測調試，並開展小鼠暴露實驗，對相關指數進行健康分級，用於提示公眾是否適合外出鍛煉、哪些敏感人群需要註意等事項📁。
本聯用儀的研發團隊包括恒行2平台環境科學與工程系教授陳建民、隋國棟、葉興南，副教授李丹，高級工程師李淩，博士後尚曉娜、耿雪韻🐤、聶昌亮💆🏿♂️🚣🏿♂️，還有5位博士生和3位碩士生。該項目還獲得了國家基金委重大研究計劃“中國大氣復合汙染的成因健康影響與應對機製”的集成項目和重點項目的後續支持。
