專欄報導

2021 年 4 月 15 日

【科學月刊專題】將兩週縮到五分鐘!瑞準科技改變水質檢測的現在與未來

資料來源:科技報導 472 期

作者:陳其暐/嘗試在混亂的年代當一名說故事的人。

只要將少少幾滴水樣,放上重金屬的電極感測試片上,瑞準科技專門研發的電化學分析儀,快至300秒內,就可以在螢幕上顯示相對精確的水樣中所含重金屬濃度。相較於以往後送實驗室檢測耗時兩週,可說是有天壤之別。

環境水樣檢測的需求與困擾

檢測環境水樣的需求,近來並不少見。臺灣製造業工廠林立,製程中時常會產生大量含有銅、鎳等重金屬的廢水,若未經過適當處理,就容易汙染生態環境。隨著環保意識崛起,為了降低經濟發展對環境的負擔,同時確保居民權益,臺灣環境法規也越趨嚴格,對於工廠放流水也有更明確的規範。2017年創立於臺中的瑞準科技公司,專業就在於以電化學感測技術,開發重金屬檢測的解決方案。

「工廠放流水濃度超過國家規定的標準,如果被抓到,就可能會吃上幾百萬的罰單。」瑞準科技執行長張漢予指出,為了避免超標,大多企業都會自行監測工廠放流水的重金屬濃度,而最常用的方法,就是使用快篩試劑包。

瑞準科技專案副總劉孟葳拿出一只長條透明的塑膠包裝,其大小如咖啡糖包,末端有開口可吸水。她解釋,這種快篩工具裝有粉末藥劑,若水中含有重金屬就會變色,濃度越高則顏色越深,使用者可藉由試劑所附的色卡來粗略計算重金屬的濃度。

「這是目前最快、最便宜的檢測方式。」一只試劑包僅約30~40元臺幣,成本低廉,且即使從未使用過的人也能輕易上手。因此無論是環保局要稽查工廠放流水,或是業主要確保廢水符合法規排放標準,都經常採用這種方法來檢測水質重金屬。

快篩試劑包雖然方便,卻也有無法解決的問題,「假設顏色剛好卡在兩個色階中間,便很難判斷濃度,又如果管制標準剛好在交界點的時候,多一點就超標,就會造成困擾。」劉孟葳表示。

若監測人員想在現場即時獲得「精確」的數據,就得使用另一套方法:以分光光度計檢測濃度。但這種方法除了需要手動添加藥劑外,當場使用還必須校正儀器,過程繁瑣費時,對一般使用者而言並不友善。

若不想手動操作又想獲得精確數字,就得送到臺灣商業實驗室檢測,但這一般得等上兩個禮拜才會收到檢驗結果。種種不便讓當時任職環境顧問公司的張漢予開始思考,是否有方法能讓水質重金屬檢測變得更為便利、快速?他從血糖機得到了靈感。

從血糖機到重金屬檢測

血糖機的誕生,來自於糖尿病容易引起許多併發症,患者需要隨時準確監控血糖高低,才能有效穩定病情。操作血糖機時,通常會使用一片可拋棄式的電極試片,患者只要把少許血液滴在試片上,再插入血糖機。試片上帶有酵素,會與血液中的葡萄糖反應,血糖機藉此偵測電流訊號,經過約數十秒,就會顯示精確的血糖濃度。

張漢予認為,若測血糖都能如此便捷,那麼也有可能應用在環境檢測上,「我知道科學上這絕對可行,只是沒有人把它變成一個能真正解決問題的產品。」於是在2017年底,張漢予邀請到同樣曾任職於環境工程顧問公司的劉孟葳與吳宗道,共同創辦瑞準科技,把這個概念複製到重金屬檢測上,利用電化學原理來檢測水裡的重金屬離子。

訪問途中,張漢予從一旁拿出黑色的手提箱,一打開,瑞準的成果一覽無遺:一台手持式的電化學分析儀,與八種重金屬的電極感測試片。使用方法如同血糖機,只要將與記憶卡大小相仿的感測試片沾上幾滴待測的水,水就會進入試片裡的微流道,接著插入電化學分析儀讀取訊號。若檢測對象是銅離子,僅需300秒,就能在螢幕上得到精確的濃度數字。

為了讓使用者不需每次使用前都要校正儀器,儀器內已儲存了校正曲線的參數,並且預先在感測試片裡加入藥劑,使用者不必額外添加,每次檢測水質前就使用一片全新試片,用完即棄、簡化流程。

商業化所面臨的挑戰

張漢予表示,電化學與電極試片的發展其實已相當成熟,學術上也是時常被作為檢測重金屬的工具,所應用的基礎原理乍看也十分易懂:當含有銅離子的水進入電極試片並插入電化學分析儀後,分析儀會提供電壓把銅離子還原成銅,使銅附著在電極上;一段時間後,再外加另一道電壓,把銅再重新轉變為銅離子。此時銅所放出的電子會產生一股訊號,分析儀藉由量測這股訊號的強度,來換算出水中的銅離子濃度。

然而,要從學術研究轉變為商業產品,中間仍有許多要克服的問題,「公司成立到現在三年多,還沒有看到有人在做一樣的東西。」張漢予強調,最大的技術門檻,就在於電極試片。

為了確保每次的試片檢測結果一致且讓客戶不必自行校正,「試片製程必須穩定,讓每一批生產的試片都能適用同樣範圍的校正曲線。」另外,為了讓試片偵測重金屬時得到穩定的數值,也得調配特定的藥劑組合,讓電極在適合的電解質環境下偵測訊號。而且試片讀取的電流強度可能僅有百萬分之一安培,因此得找出放大訊號的方法。這些處理程序,不僅是要確保試片結果的再現性,也要兼顧讓使用者以最簡單的方式操作儀器。

「如果一台家用血糖機在使用前還要先校正,是不可能普及的,特別是使用者多是年紀比較大的人。」劉孟葳觀察,農田水利會、環保署等公務機關人員常有檢測水質的需求,但若儀器的學習門檻太高,他們會寧願選擇其他方式來檢測,「我們希望那些沒有受過實驗室訓練的人,也能夠得到具有參考價值的數據,所以盡量在生產時就簡化步驟。」

讓水質檢測精確又即時

目前環保署水質保護處已開始使用瑞準的儀器監測水質,張漢予表示,「新北市泰山附近有一條塔寮坑溪,旁邊有很多工廠經常排放汙水,水保處因此希望有重金屬快速檢測的儀器,能夠用來找出每天排放汙水濃度最高的時段。」若將水質樣本送到實驗室檢測,不僅會延宕改善的時效性,頻繁檢測也需耗用大量經費。因此水質保護處透過瑞準的儀器現地檢測,來即時獲取水質資訊。

除了公部門外,瑞準希望把這一套水質監測系統推廣到更多中小企業,「工廠管理好水質,就能讓他們的心力放在生產上。若有合適的工具,就能知道水質有沒有超標,並能快速解決。」張漢予說。

近日菲律賓的一間學術單位也採購了瑞準的這套系統,將用來檢測當地河川裡的重金屬。瑞準也著眼於東南亞其他國家,劉孟葳舉例,「在印度、孟加拉、柬埔寨,許多人民沒有自來水可用,地表水又汙染嚴重,地下水井附近又有含砷的岩礦。」透過便利的水質監測系統,將能夠幫助當地居民揀選更為乾淨的水質。

雖然瑞準因為受到疫情影響,在海外市場拓展進程上有所受阻,不過張漢予也認為,這讓他們有時間專注改善產品,「未來希望能夠做到自動化連續偵測,讓機器自動更換試片。甚至把試片變成可回收材質,不僅沒有廢液產生,連唯一產生的廢棄物也可以再利用。」結合物聯網更是在計劃之內,「我們想把數據連到手機上,客戶就能夠獲得即時數據。」

「要推出產品,得先了解市場;要了解市場,得要了解問題,接著才能提供合適的工具。」

張漢予等人著眼於嶄新的檢測方法,或將改變環境水質檢測未來的面貌。

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