在偏遠山區(qū)的溪流旁，或是突發(fā)污染事故的河流邊，傳統(tǒng)水質監(jiān)測設備往往因笨重、依賴外部電源而 “束手無策”。隨著全球水污染問題日益嚴峻，對便捷、低成本、實時的污染物檢測技術需求愈發(fā)迫切。近日，日本東京理科大學（Science Tokyo）的研究團隊交出了一份創(chuàng)新答卷 —— 他們研發(fā)出一款完全依靠液體流動供能的水污染傳感器，無需外接電源，就能通過發(fā)光信號精準檢測水中的有毒胺類物質，為偏遠地區(qū)、應急場景下的水質監(jiān)測開辟了新路徑。該研究成果已于 2025 年 9 月 8 日發(fā)表在國際頂級期刊《自然・通訊》（Nature Communications）上。

傳統(tǒng)水質監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是針對有機污染物（如胺類）的檢測，常依賴大型實驗室設備，不僅成本高昂、操作復雜，還需要穩(wěn)定的電力供應，這使其在缺乏基礎設施的偏遠地區(qū)或緊急污染事件中難以快速部署。而東京理科大學化學科學與工程系稻木伸介（Shinsuke Inagi）教授帶領的團隊，正是瞄準了這一痛點，將目光投向了 “電化學發(fā)光（ECL）” 技術 —— 一種通過化學反應產生光信號的檢測方法，并突破性地為其賦予了 “自供電” 能力。

電化學發(fā)光技術本身并非全新概念，其核心原理是利用兩種關鍵分子的 redox 反應（氧化還原反應）：作為發(fā)光源的 “發(fā)色團”，以及作為犧牲劑的 “共反應物”。當這兩種分子發(fā)生反應時，發(fā)色團會被激發(fā)至高能態(tài)，待其回落至基態(tài)時便會釋放出光，光的亮度或有無即可判斷目標污染物是否存在。但傳統(tǒng)的電化學發(fā)光檢測必須依賴外部電源驅動反應，而稻木團隊的創(chuàng)新之處在于，他們用 “流動電勢” 替代了外部電源 —— 即利用檢測液體本身的流動來產生電能，讓傳感器實現 “自給自足”。

為實現這一設計，團隊打造了一款微流體裝置，其結構看似簡單卻暗藏巧思：裝置包含兩個分別裝有鉑絲電極的腔室，中間通過一條填充了多孔材料（如酚醛樹脂整體材料）的通道連接，電極則與電流表相連，構成一個 “分裂雙極電極系統(tǒng)”。當液體（哪怕是用手動注射器推動的液體）流經中間通道時，會與多孔材料表面發(fā)生相互作用，產生最高可達 2-3 伏的流動電勢 —— 這個電壓足以觸發(fā)電極處的氧化還原反應，為電化學發(fā)光過程供能。

在分子選擇上，團隊也進行了精準搭配：他們將苯并噻二唑 - 三苯胺（BTD-TPA）作為發(fā)色團沉積在陽極表面，同時選用三正丙胺（TPrA）作為共反應物。之所以選擇檢測 “胺類物質”，是因為這類化合物廣泛應用于化工、制藥等工業(yè)領域，卻具有顯著毒性，部分胺類甚至被證實具有致癌性和致基因突變性，一旦流入水體，會對生態(tài)環(huán)境和人類健康構成嚴重威脅。

實驗數據顯示，這款傳感器的性能遠超預期：當含有三正丙胺的溶液流經裝置時，流動電勢會驅動陽極處的胺類物質與發(fā)色團同時發(fā)生氧化，進而引發(fā)一系列反應并釋放出可見光 —— 這種光信號強度足以被普通數碼相機捕捉，即便電壓低至 2.3 伏，仍能檢測到清晰信號。除了三正丙胺，該傳感器還能識別其他常見胺類，如 2-（二丁基氨基）乙醇、三乙醇胺（盡管檢測效率略有下降）；更重要的是，它在蒸餾水和自來水中均能精準捕捉到痕量胺類，對三正丙胺的檢測限更是低至 0.01 毫摩爾，足以滿足實際水質監(jiān)測的靈敏度需求。

“這項無需電源的電化學發(fā)光技術，為利用自然流動能量監(jiān)測河流、管道污染物提供了新可能�！� 稻木伸介教授表示，該技術的應用場景遠不止環(huán)境監(jiān)測 —— 未來還可擴展到食品水質檢測、生物戰(zhàn)劑識別等領域。團隊的愿景是，隨著技術進一步優(yōu)化和耐用性提升，未來只需將傳感器部署在自然流動的水體（如河流）中，依靠水流本身的能量，就能實現對水質的持續(xù)、實時監(jiān)測。

這款流動供能的有毒胺類傳感器，不僅突破了傳統(tǒng)監(jiān)測設備對電源的依賴，更以低成本、便攜性和高靈敏度，填補了偏遠地區(qū)、應急場景下水質快速檢測的技術空白。它的出現，不僅是水污染監(jiān)測領域的一次重要創(chuàng)新，也為 “利用自然能量實現實用化檢測” 提供了可借鑒的技術范式 —— 未來，或許會有更多 “無需插電” 的環(huán)保監(jiān)測設備，守護我們身邊的水資源安全。