你根本不会想到，利用铅笔里的石磨产生的发明能够检测和消除水中的有害细菌。这就是2017年斯德哥尔摩青少年水奖(Stockholm Junior Water Prize)获奖者的发明。了解他们的快速检测系统如何改变检测和处理饮用水的方式。
瑞安-索普(Ryan Thorpe)和张惟美(Rachel Chang)在幼儿园时就相互认识。今年17岁的他们因开发了一套利用生物传感器检测水中四种最常见致病菌的系统，最近荣获了斯德哥尔摩青少年水奖。
索普和张惟美如今是纽约长岛曼哈赛特中学(Manhasset Secondary School)的高中生。Impeller在他们获奖后在斯德哥尔摩世界水周期间采访了他们。
获奖后的感想？
张：这实在是令人难以置信。这是世界上最美好的感觉，尤其是所有参加评选的项目都非同凡响。能够获奖，实在是太棒了。
索普：这周过得非常精彩，充满了乐趣和我一生中无法忘记的体验。我想不到比这更好的结果了。
你们能解释下系统的作用吗？
张：我们开发了一套发现和净化水中细菌的系统，例如当今一些最常见的水中细菌，包括志贺氏杆菌、大肠杆菌、沙门氏菌和霍乱病菌。我们开发的石墨烯生物传感器接触到细菌时，就产生一种电子信号。通过读取显示屏上的电流值，我们发现了细菌的存在。
石墨烯是什么？
张：石墨烯实际上是一种碳。我们从铅笔芯中提取石墨烯。如果我们的项目在发展中国家实施，这是项目具有成本效益的原因之一。石墨烯导电性强，因此我们能够快速检测出细菌。
索普：我们利用Arduino微处理器进行净化。Arduino微处理器是一种能够执行很多种任务的电脑部件。Arduino微处理器的优势在于拥有出色的用户群体，这些用户知识丰富，因此你能够很快掌握知识。我们利用Arduino处理器控制电机，因此当我们发现细菌后，系统将向水中注入化学物质，以便安全、高效地消除细菌。
石墨烯生物传感器是放在水中的吗？
张：传感器像一个扁平的小正方形。由于我们是在学校实验室中完成整个开发过程，我们不得不使用水基涂料，而不是典型的银基涂料。这意味着我们只在传感器上方滴入少量水样本。今后，如果我们能在更专业的实验室中进一步开发，整个传感器就能够浸入水中，从而持续地检测细菌的存在。
索普：我们的传感器与测量装置连接，而测量装置又与电脑连接，最后的结果将显示在电脑屏幕上。你将看到一个二维图表。如果水中没有细菌，就会出现一个不变的红线。如果水中有细菌，电流就会波动。
一个传感器能检测到四种细菌吗？
索普：我们开发了四种不同的生物传感器。每种传感器能够检测中四种重要致病菌中的一种模式生物。由于这些致病菌产生不同的分析结果，如大肠杆菌产生D乳酸，志贺氏杆菌产生丙三醇，因此你能够识别出水中含有哪种病菌。
系统的运作速度有多快？
张：系统一瞬间就能检测细菌。你刚把样本放到生物传感器上，如果细菌存在，电流值就会出现变动。这就是一瞬间的事情。净化过程大约需要10秒钟消除细菌。
你们利用什么物质来消除细菌？
索普：我们利用氢氧化钠和过氧化氢。以往的研究表明，过氧化氢能够显著提升碱度。它能创造羟基自由基，这是用于替换氯的化合物。尽管氯能够消除多种生物体，但有时摄入氯对人体有害。羟基自由基的好处是它们形成的副产品百分比安全，并且存活时间很短。它们能够快速杀死多种有机物，但一旦不活跃后，它们就可安全摄入。
你们的系统如何用于不同的场所？
索普：我们的设备可用于检测与即刻净化。它可广泛用于发展中国家与发达国家。它可以安装在发展中国家的饮水源处，也可以安装在发达国家的管道系统中。
你们的方法与常规方法的不同之处在哪？
张：对于检测，PCR是常用的方法。它放大了细菌的DNA并检测到细菌，但这需要实验室专业人员操作，不仅复杂而且成本较高。你大概需要花费5000美元才能购买设备，并且还需要不断地采购新材料来运转设备。我们的系统更具有亲民性，它不仅便宜，还能即刻检测出大量密集度较小的细菌。
你们怎么对水处理感兴趣的？
张：我对环境保护一直很感兴趣。有一天，我读了一篇关于细菌检测常规方法的期刊文章，常规方法需要一到两天，甚至一周才能检测出细菌。这些方法已经检测出高达1,000种细菌菌落，但世界卫生组织称100毫升水中即使只有一种细菌，也不能安全饮用。因此我很想开发一套系统来改进常规方法，不仅要达到世界卫生组织的标准，还能扩大干净水的获取途径。
索普：我很关注水短缺问题，许多文章指出，水短缺将造成未来全球冲突。我产生这个兴趣是因为我们学校每年都会发行一个准期刊，鼓励学生提交他们的研究成果。我查看了以往的研究，我看到了生物传感器一词。但较新的期刊并没有出现生物传感器，因此我查阅了生物传感器的具体意思和功能。生物传感器实际上是利用细菌在生物传感器上的反应，将我们看不见的物质转化成我们能够看见的信号，我很喜欢这个概念。
你们还有什么补充吗？
张：我认为每个人都能真正做出改变。即使只是关掉一个水龙头，让它不再滴水，只要人人这样做，全球就能节约数百万加仑水。所有人团结一心，就能改善用水。
索普：如果你真心愿意尝试，你就能发现解决方案。如果你愿意坐下来，写下各种可能的解决方案，并且一个个尝试，直到发现最佳方案，你就能成功。
张：努力和坚持就会有回报。