面向水环境新污染物的便携式光学原位检测系统

1从国家战略到项目切入点

国家明确新污染物治理方向 → 我们聚焦抗生素 → 现状数据表明其滥用已触目惊心。

① 国家要求：把新污染物治理提到战略高度

国务院办公厅 · 2022

《新污染物治理行动方案》

加强新污染物治理，切实保障生态环境安全和人民健康。

国家科技规划 · 2022

《"十四五"生态环境领域科技创新专项规划》

研究多介质环境中新污染物快速筛查方法、监测检测技术。

② 我们的聚焦：抗生素类新污染物

在众多新污染物中，抗生素同时牵动公共卫生安全、生态安全与全球可持续发展——其风险不仅来自污染本身，更驱动了人类耐药性演变这一全球公共健康挑战，已成为全球环境治理的难点与重点。

③ 现状：我国抗生素排放已高度集中、普遍超标

研究估算 2013 年我国抗生素总使用量达 16.2 万吨，约 5.4 万吨最终排入自然环境。华北、华东、华中流域排放强度普遍超过 80 kg/km²·yr，海河、珠江等流域成为高风险热点。

图：中国抗生素排放分布（A：总排放量 t/yr；B：排放强度 kg/km²·yr） | 来源：Zhang Q-Q, et al. Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 6145–6152. doi:10.1021/acs.est.5b00729

由此导出我们的科学命题

国家战略要求 + 抗生素高风险 + 现有检测手段存在结构性缺口 → 亟需突破抗生素类新污染物环境风险识别与精准监测的关键技术瓶颈。

2项目背景与问题

从"实验室深解析"到"现场高频监测"——我们不替代 LC-MS/MS，而是补上它力所不及的那一块。

① 现有范式：实验室 LC-MS/MS 深度解析

液相色谱–质谱联用系统 (LC-MS/MS)
实验室"深解析"金标准

图片来源：Cwszot / Dagui1929 / CasJu / YassineMrabet，基于 File:Liquid_chromatography_tandem_Mass_spectrometry_diagram.png、File:Preperative_HPLC_(zh-cn).svg、File:Ions_trap_général.png、File:HPLC_apparatus_(zh-cn).svg 合成，CC0， Wikimedia Commons

当前抗生素类新污染物的分析主要依赖实验室色谱–质谱联用技术，并辅以前处理分离、纯化与浓缩步骤。

不可替代的核心地位

高灵敏度、高特异性，是痕量化合物准确识别、毒性关联与非靶查筛查研究的关键支撑，长期处于新污染物风险评估的核心地位。

结构性局限

依赖昂贵仪器、专业技术人员与严格实验条件；检测周期以日或周为单位；需复杂样品采集、保存与运输。

② 结构性矛盾：风险评估"需要"vs 监测模式"提供"

监测对象复杂

ng/L 痕量 + 多时间尺度复杂波动

深解析盲区

低频、离线 → 大量数据缺口

本质矛盾

需要高分辨率 vs 难以时空连续

③ 理想状态：流域级动态监测云平台

流域级智慧水环境动态监测云平台
多站点分布 + 多参数实时曲线

图片来源： hdim.com.cn

风险评估真正需要的，是如图所示、覆盖整个流域的多站点网络、多参数并发采集、时间序列连续追踪的数据资产。

要达成的数据能力

跨流域空间覆盖 · 分钟/小时级时间分辨率 · 多目标物并发 · 远程实时可视化

缺失的关键一环

这一愿景的前提，是前端必须存在一种能在现场高频工作的痕量检测手段——而目前恰恰缺位。

④ 破题思路：协同而非替代

突破的关键不在于替代色谱–质谱的"深解析"能力，而在于构建可与其协同的现场化、自动化、可持续运行的检测体系，实现"深度解析 + 高频监测"的互补与融合。

→ 因此，发展面向复杂水体、具备高灵敏度与便携化特征的光学检测技术，成为新污染物检测领域的重要方向。

3技术路线总览

针对真实水体 ng/L 痕量、复杂基质干扰的核心挑战——在既有样机基础上并行发展两条互补光学检测路线。

研发基础

凌力教授 + 王金鑫博士搭建的
微流控免疫芯片便携式光学检测样机

→

本课题贡献

两条光学检测路线 + 完整信号处理算法链
使整机从"可工作" → "可精准、可高频"

PATH 01

路径一：宽谱拉曼超材料光纤检测

无损检测分子指纹

01 · 算法

光谱预处理算法排除复杂基质干扰

02 · 建模

基于光纤拉曼光路原理构筑光场模型

03 · 效果

保证特异性下拓展灵敏度与适用范围

PATH 02

路径二：自动化荧光阵列检测

特异性反应高通量定量

01 · 通量

单张芯片万量级微孔高通量定量

02 · 算法

栅格定位 · 淬灭恢复 · 无重叠积分

03 · 输出

荧光图像 → 强度分布向量全自动转换

4光学机理与COMSOL仿真

仿真是整个检测体系的理论基石——为硬件选型和参数优化提供定量指导，将工艺优化从试错筛选转为理论靶向。

MODEL 01

光纤倏逝波与镀层结构

多维参数扫描帕累托前沿

在入射角 ϑ_m、环境折射率 n_e、波长 λ 三个维度上的仿真扫描
颜色：单位长度倏逝波耦合效率 (% cm^-1)

在 折射率、入射角度、波长、镀层厚度等多维变量上系统考察倏逝波耦合效率，定位"高灵敏度 – 低损耗"的最优参数窗口。

01 · 验证

现有镀层方案位于帕累托最优前沿

02 · 窗口

给出"高灵敏度 – 低损耗"兼顾的参数区间

03 · 成果

支撑投稿 Nature Communications 合作论文

AUTOMATED SIMULATION

已开发自动化仿真脚本，批量遍历参数空间，为模型寻求更强大的理论支撑

COMSOL

示例：TiO₂-QOF-Med 结构下 Quartz (n=1.46) / External (n=1.0) 界面的 |E| 分布仿真

5信号处理算法体系

四套核心算法层层递进，构建从原始信号到物性参数与机理解释的全链条。

算法一：ALSL 拉曼背景扣除

不对称加权最小二乘 + 局部平滑，自适应剥离荧光本底。

信噪比显著提升检测限实质性降低

已在 J. Hazard. Mater. 发表论文中外部验证

算法二：转移矩阵荧光分布演化

将荧光强度分布变化建模为受约束转移矩阵，定量分解未结合/部分淬灭/强烈淬灭通道。

超越"前后减法" 揭示淬灭机理

算法三：多角度复折射率反演

多角度反射-透射联合自洽拟合，打破参数耦合，获取高置信度光学常数。

已在 Nat. Sustain. 投稿论文中应用

算法四：荧光阵列自动化读出

几何校正 → 自适应栅格定位 → 淬灭位点恢复 → 两阶段无重叠积分。

12,000+ 位点 / 芯片处理 ~数十秒 CV 低至 0.022

6荧光阵列读出算法详解

多阶段级联处理，实现从原始荧光图像到强度分布向量的全自动转换。

阶段一：几何校正与行列定位

两阶段旋转检测（粗扫1° → 精搜0.1°），top-hat滤波消除PSF串扰，PSF双峰合并避免多发射分支误判。

阶段二：淬灭位点恢复与亚像素精修

基于锚点插值的间隙填充，保证无论淬灭程度如何都恢复完整阵列拓扑。加权质心实现亚像素定位。

阶段三：两阶段无重叠通量积分

核心孔径(r=3px)测主峰 → 环形区域(3~10px)搜索分支峰 → 并集积分，每像素仅计入一次。

DETECTION RESULTS

识别结果：三种浓度下的全自动位点标号

阵列拓扑 100% 恢复

0 μg/L 空白对照

5 μg/L 中等淬灭

20 μg/L 强烈淬灭

即使在 20 μg/L 强烈淬灭条件下——大量位点几乎不可见——算法仍通过锚点插值完整恢复阵列拓扑，保证每个位点都被正确编号与积分。

统计验证

子区域均匀性：8个子区域独立计算五级强度分布，CV 低至 0.022
随机占优检验：全部4个阈值水平严格通过 P(0 μg/L) ≥ P(5 μg/L) ≥ P(20 μg/L)

8核心成果

从技术、学术到产业化的系统性成果。

套核心算法

12,000+

位点 / 芯片自动分析

~1%

传统LC-MS/MS成本

100x+

单次检测通量提升

学术成果

成果	状态
J. Hazard. Mater. 合作论文	已发表
Nature Communications 合作论文	一审完成，修改中
Nature Sustainability 合作论文	审稿中
发明专利 ZL 202511199322.8	已申请

专利：一种检测非蛋白质小分子的方法及应用
发明人：凌力、王金鑫、吴天准、程四兴、杨云、马泽炫、余刚

产业化合作布局

四项合作构成从 C 端到 B 端、从检测到治理的完整布局。

安利（中国）

C端家庭市场

结合益之源净水器渠道，使纳克/升级痕量检测首次进入家庭场景，开辟消费级环境健康检测新市场。

科德宝过滤技术集团

B端工业闭环

将检测能力嵌入过滤系统关键节点，实现"检测-反馈-过滤"智能联动，构建从发现污染到治理污染的产业闭环。

中科先见医疗科技

POCT制高点

与成熟IVD/POCT平台融合，拓展至污水流行病学、公共卫生相关指标的现场快检。

广州谱临晟科技

工程化量产

解决从"实验室样机"到"可量产产品"的工程化鸿沟，提供光学结构联合优化与批量生产能力。

9商业模式

定位：水环境新污染物便携式检测解决方案提供商——三层递进变现 + 三重竞争护城河。

LAYER 01 · 入口

设备切入（便携主机）

建立技术壁垒 + 用户粘性

LAYER 02 · 现金流

耗材锁定（核心营收）

高频消耗 → 可预测持续收入

LAYER 03 · 天花板

数据增值（服务/数据产品）

以知识密集型输出打开利润天花板

三重竞争护城河技术壁垒
全链条信号处理算法的系统级门槛
商业壁垒（转换成本）
设备-耗材接口锁定 + 高转换成本
数据壁垒（先发优势）
率先部署的检测网络积累独占性数据

10困难与经验

每一个技术瓶颈都转化为推动方案升级的驱动力。

模拟水样 → 真实水体

复杂基质导致信噪比断崖式下降。驱动了ALSL算法的开发与荧光读出算法的多轮迭代，认识到算法的真正价值在于面对真实场景的鲁棒性。

"能用" → "好用"

便携化面临光路对准、温度漂移、光源功率波动等工程问题。仿真与实验形成双向反馈闭环。

单目标物 → 检测谱系

采取"核心算法通用化 + 检测参数目标物特异化"分层策略，建立多类目标物数据库。

技术验证 → 产业落地

不同行业关注点各异。产业端反馈反向推动了模块化、标准化和合规性设计。

11团队成员

覆盖物理光学、材料制备、算法开发与商业策划的多学科团队。

马泽炫负责人

统筹技术路线，主导COMSOL仿真与全部信号处理算法的架构设计与核心开发。项目技术体系的主要构建者。

麦梓明

实验基底制备工艺开发与性能测试，硬件模块研发迭代与系统联调。

高润宇

检测光路建模、电磁场分布推导与仿真验证，提供理论支撑。

蔡瑜婷

信号处理与模式识别算法研发，数据建模与软件实现。

朱江晟

可视化呈现与对外展示，路演材料设计、技术文档与答辩汇报。

关键支撑

凌力教授：指导教师，核心技术路线选择、方案论证与产学研对接全程指导
王金鑫（博士研究生）：微流控免疫芯片与便携式检测样机的核心研发者，主导产业化合作对接与商业模式设计

12总结

技术层面

实现从光学仿真、算法开发到样机集成的全链条贯通，围绕拉曼与荧光两条技术路线实现便携式高灵敏检测。

学术层面

3篇国际高水平期刊论文（1篇已发表，2篇在审），1件发明专利。

产业化层面

4家行业头部企业合作意向，覆盖C端到B端完整产业链，商业模式设计完成。

为流域尺度高频次、网格化原位监测
提供切实可行的技术路径

谢谢各位老师