尊敬的各位院士，大家下午好。今天我报告的题目是《头发用于非侵入性生物检测材料的研究进展》。
在评估环境污染对健康的影响时，测量体内污染物的含量是很重要的环节。传统上主要靠血液检测。但血液检测有几个弊端，首先是针刺会造成疼痛感和创伤。另外，血液检测是瞬时性的，虽然可以反映近几天的情况，但无法反应长期的污染物水平。
在血液之外，还有几种非创伤性的材料，例如尿液与乳汁。尿液的问题是它的波动性很强，早上的尿和晚上的尿污染物量差别非常大，很不稳定，所以也不推荐以尿液作为生物检测材料；母乳是很难得的材料，主要是用来反映婴儿的身体情况，具有很大的局限性。
为此，在前人研究的基础上，我们考虑将头发作为非侵入性的生物检测材料，在这一领域探索了十多年。
头发作为非侵入性生物监测材料的优势与劣势
头发作为检测材料有几个优点：首先是头发采集是非侵入性的，容易采样，其次，头发的稳定性强，易于存储，运输方便。头发还有一个好处，就是可回溯，头发可以回溯大约一年多的污染历史和累积的背景，这一点是其他的生物材料所不具备的。相比之下，血液的代谢非常快，无法反映历史的污染情况。因此头发和血液相比起来有很强的优越性。
那么，为什么头发作为生物检测材料之前没有流行起来？这是因为头发作为检测材料仍然有一个主要问题没有解决，那就是头发所含的污染物是否能够准确地反映该污染物在人体中的含量，换句话说，头发污染物水平和进到人体血液里边的量之间的相关性没有厘清。这也是能否将头发作为生物检测材料的重要瓶颈问题。
另外，由于头发是与空气接触的，那么头发中的污染物有多少污染物是来自人体的血液，又有多少是来自于空气，这又是一个问题。
将头发作为非侵入性生物检测材料，也契合我们国家相关的法律法规和国家需求。我国《环保法》提出，国家要加强环境与健康的检测，建立人群暴露的检测机制。围绕这一点，我们就头发作为检测材料的领域做了十多年的研究。
一方面，我们研究了头发中重金属等污染元素指标的检测。头发作为重金属含量表征的手段，经历了从无到有漫长的历史阶段，检测方法已经成熟，如今学界也较为认可将头发作为重金属含量检测材料的做法，并且相关部门已经把它作为标准。但是在另一方面，头发中有机污染物的检测方法仍然在路上。
头发检测应用的历史回溯
头发中微量元素的检测，最早可以追溯到1858年。据记载，当时的德国警方接到了报警，称11年前有位女死者可能死于中毒，怀疑她的丈夫有作案嫌疑。为了调查事件，警方对这具尸体进行挖掘，但由于已经过去了11年，只能找到她的头发。当时没有大型的仪器和设备，因此使用传统的化学方法，结果显示出这具尸体的头发含有砷元素，但是定量却无法用当时的化学方法做到。
1901年，《The Lancet》上的一篇文章首次对头发里的砷元素进行定量。实验包含了观察组和对照组，观察组是喝含砷啤酒的人和每天服用含砷药物的人。通过实验检测头发中砷元素的含量。最后发现头发的含砷量最高能够达到到1/10000，达到了定量的标准。
1961年，有人重新提出拿破仑死因的问题，过去认为拿破仑被流放后死于暴力，或者是说死于伤害。
但是有人认为拿破仑死于慢性砷中毒，因为当时发现他的病症是肝肿大，脾脏肿大，胸膜有积液，支气管和淋巴结有退化和化脓，于是人们就这个问题开始了调查。虽然当时距离拿破仑去世已经过了很多年，但是他的头发依然还被保留着，这也是头发作为生物检测手段的优势。检测发现头发砷元素的含量高达10.38 pm，高于正常值的13倍。
1962年，有人从拿破仑仆人的后代处获得了拿破仑的整段头发，长13厘米，于是人们采用了基于中子活化的分析方法，这个分析方法比之前的分析方法更加纯净，能把头发分段处理，最后发现，拿破仑在死前一年里有4个月间歇性地暴露于砷元素环境中。1975年，国际原子能机构把砷元素作为一个能够表征健康效应的生物材料固定了下来。大概有30多种元素可以用检测头发来表征污染负荷，这个标准的方法得到了推荐。
另外就是汞污染检测的研究，这一研究比砷元素大概晚了六七十年。在1965到1966年期间，人们基于活化分析，首次在鸟类的羽毛中检测出了汞，毛发中的汞的定量检测也是采用活化原子的方法。1863年到1946年，瑞典收藏品中的羽毛标本里含汞在2.2μg/g左右。但是到了1966年，禽类和鸟的羽毛中的汞含量就有了显著的增加，最后涨到29μg/g。为什么汞含量会涨这么多？
最后发现，主要的原因是使用甲基汞化合物作为种子的杀菌剂。瑞典禁止使用甲基汞后，再对羽毛进行检测，汞含量就基本恢复到原来的水平。
1973年，首次报道了人头发中的汞含量。学者在美国德克萨斯州的亚瑟港工业城市收集了受试者的头发，对汞、铅、镉、锌、镍、铜和锰的浓度进行了检测。这个时候，分析的方法得到了很大改善，开始采用原子吸收法。结果表明，这个地方人们头发的汞含量是5.4PPM，并没有显著的增加。检测技术成熟以后，大规模的人群检测成为了可能。
现在国内外都制定了头发元素的相关标准和阈值。我国制定的相关标准中，规定了头发中32种元素可以用ICP-MS的方法来检测，而WHO（世界卫生组织）、加拿大卫生署、美国环保署等都相继出台了头发汞含量的阈值，并且也制定了检测方法。等离子体质谱的发展为各国头发元素标准的确立奠定了基础。
总的来说，用头发来检测微量元素的方法是比较成熟的。但检测头发有机污染物就复杂得多。
最早在头发中检测出的有机污染物是苯巴比妥，这是一种精神类药物。1954年Goldblum博士用分光光度法从头发中检出了该物质，但该方法并不适用于广泛的药物分析。1979年，加州洛萨基医疗中心应用放射免疫分析技术，首次在头发中检出了鸦片类药物。1980年，德国学者通过色谱法证实了放射免疫分析技术的结果，又推广了荧光检测的薄层色谱法。
1983年，日本通过色谱/质谱方法，对一系列精神类药物，如安非他明、吗啡、可卡因等等，进行了头发检测的研究。从此之后，色谱/质谱法法取代了RIA法，成为了药物滥用检测的主流。
我国司法部也针对某些药物，特别是精神类的药物，给出了相关的规定和标准，公安部也出台了涉毒人员毛发样本的检测规范，规定了部分毒品的含量阈值，色谱和质谱的串联分布分析手段，已经成为了头发检测的重要手段。随着仪器设备不断发展和升级，头发污染物分析方法也在不断的更新，从定性到定量、从一般的元素向复杂的有机物发展，头发逐渐成为污染物暴露的重要生物检测材料。
聚焦头发检测存在的三个问题
但在检测头发有机物的研究中，有三个问题急需解决。一是有机污染物在头发里的赋存规律不清晰。头发的不同区段中的污染物分布是非常不同的，含量最大可以相差4倍。因此，取样到底应该如何处理，就成了一个关键问题。二是头发污染物的内外来源不清晰。血液可以直接反映污染物在人体里的量，但头发中的污染物有一部分是来自于空气和灰尘，因此内外来源的关系不够清晰。三是测量方法不系统。举例来说，材料的预处理问题。
头发角质层外，有一层很厚的污垢，怎么样才能去掉污垢的同时保持头发的完整性？在检测过程中，还有一些类似的问题需要解决。
三个问题的解决方案研究
关于上述的三个问题，我们都做了一些研究。问题1：关于污染物在头发中的赋存规律。我们用PBDE和德克隆等污染物做了研究，发现头发的长度是决定新污染物含量的关键参数，例如PCB（多氯联苯）在发梢与发根的含量差4倍。
我们发现，决定头发中的有机污染物浓度的一个重要的参数，是污染物的蒸气压。蒸气压越高，污染物在头发中的累积越快。另外，针对头发可以检测出的有机物种类问题，我们也做了研究。在进行了上百份样品的采集后，发现大概有60%的有机污染物是可以表征的，比如PBDE、德克隆等5类24种污染物。但是，对其他污染物的可分析性就很差。
研究表明，这一可分析性主要取决于正辛醇-水分配系数，污染物的亲水性越好，用头发来表征的可行性就越强。
问题2：内外来源的界定。污染物究竟有多少来自外源？有多少来自内源？这个问题比较复杂。我们先尝试某些具有特殊性质的物质，首先考虑到的是手性物质，比如说PCB（多氯联苯）。
手性物质的特点是有左旋和右旋两种结构，在自然环境中两个结构的占比是一样多的，但进入血液之后，这两种结构在生化反应中的参与程度就完全不一样了，因此，人体血液中左旋和右旋结构的比值就会发生剧烈的变化。基于此，我们提出一组方程，经过参数求解后，可以求出内外源分别的贡献值。对于分子更大一些的有机物来说，我们探索了人体代谢产物的方法。
例如一种常见的污染物BDE209，它在人体中的代谢产物是BDE207，二者在人体内的含量比值是一个常数，根据这个常数也可以建立方程，来测算血液来源的BDE209与空气来源的BDE209分别对于毛发中污染物含量的贡献，求出它们之间的比例。这一方法也可以把PBDE还有DDT的内外源贡献分析清楚。还有一类较大分子，就像二噁英，这类污染物的特点是含有多种类别的同系物分子，可达二百多种。
一般来说，在人体中、空气中和尘埃中，这二百多种同系物相对的比例是较为稳定且各自不同的。我们根据这一特性，也建立了统计学的方法，最终弄清楚了这一污染物的内外源比例问题。当然，这一方法还有待继续拓展。
问题3：建立系统的检测方法。首先，我们关注了采样长度的问题。我们确定了污染物来源的内外源比例后，发现内外源污染物在头发富集的区段是不同的。
因此，必须采用一定的取样方法，既不破坏头发的完整性，又能保持一些特性。我们对PCB、PBDE、二噁英和DDT这四大类污染物进行了分析，发现内源的污染物主要富集在头发根部2厘米的范围内。不同的污染物富集范围不同，比如对于PCB污染物来说，90%来自内源的PCB集中在头发根部的0.4厘米以内。所以我们如果分析PCB含量时，取样的时候要取0-0.4厘米这一段。而研究DDT时，则要取样1.5厘米。
另一个方面就是头发的清洗问题。头发表面有非常多的污垢，是无法检测测的，要去掉污垢才能测。我们用了表面活性剂、丙酮、二氯甲烷、超纯水四组清洁剂进行比对试验，发现用超纯水，特别是用40度的超纯水的效果是最好的。既能去掉表层附着的污垢，还能保持头发的完整性，并且也是绿色环保清洁的一种方式。最后我们也探索了检测成本控制问题。
在我们最新的检测方法中，可以实现比传统方法节省75%的溶剂和80%的时间，同时也保持了很高的灵敏度，能够达到0.04ng/g，相关方法也申请了发明专利。
在检测方法的应用方面，目前这一系列方法已经应用到国内的电子垃圾拆解地、垃圾焚烧厂等处的环境监测当中，对PBDE、二噁英等特征污染物的检测取得了很好的效果，避免了这个取血液样本的困难问题，并且也把累积性的污染历史暴露出来。历史暴露也是我们下一步研究的聚焦点，我们想把头发的污染复合物与它污染的历史连接起来。
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