基于光纖感知技術(shù)的生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張樂(lè)琪，趙燕杰，劉浩東，牛昊，劉克寒

(山東建筑大學(xué)理學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

0 引言

近年來(lái)，由于水體污染所導(dǎo)致的問(wèn)題和事故不斷發(fā)生，水體污染已成為制約人類生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，而水體監(jiān)測(cè)也已引起全球范圍內(nèi)的高度關(guān)注[1]，急需加強(qiáng)對(duì)水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)與治理等方面的綜合研究[2]。

目前，檢測(cè)水質(zhì)的方法主要包括:光譜法、色譜法、化學(xué)法、電化學(xué)法、水生生物監(jiān)測(cè)[3－8]等。 其中，光譜法檢測(cè)速度快、無(wú)需試劑、靈敏度高，但其缺點(diǎn)是容易受到干擾、存在譜峰重疊現(xiàn)象等[3－4]；色譜分析法可以進(jìn)行精確檢測(cè)，但監(jiān)測(cè)儀器非常昂貴，預(yù)處理和分析過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，而且需要熟練的人工操作[5－6]；化學(xué)分析法的原理成熟、檢測(cè)準(zhǔn)確度高，而缺點(diǎn)是需要化學(xué)試劑、過(guò)程復(fù)雜、檢測(cè)時(shí)容易產(chǎn)生二次污染，并且難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；電化學(xué)分析法利用水中某種物質(zhì)與電極的化學(xué)反應(yīng)測(cè)定物質(zhì)的含量，無(wú)污染、靈敏度高，其缺點(diǎn)是電極壽命較短、需要定期校正等[7－8]。

水生生物監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過(guò)生物傳感器監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)，利用生物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境敏感的特點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用在水質(zhì)的pH 值、水溫、含氧量、重金屬污染等方面的監(jiān)測(cè)[9]。 UPDIKE 等[10]首次研制出將葡萄糖氧化酶電極用于定量測(cè)定血清中葡萄糖含量，制造出第一代的生物傳感器。 楊平等[11]通過(guò)研究小鼠腹腔巨噬細(xì)胞對(duì)于環(huán)境污染物鎘、鉛的細(xì)胞毒性反應(yīng)，證明其和污染物鎘、鉛具有明顯的劑量—細(xì)胞活性關(guān)系，可作為生物監(jiān)測(cè)指示物。 杜靜等[12]利用雙殼貝類作為指示生物監(jiān)測(cè)海洋微塑料污染，綜述了海洋雙殼貝類體內(nèi)塑料的分析方法，受控實(shí)驗(yàn)條件下微塑料對(duì)雙殼貝類的生態(tài)毒理效應(yīng)。 研究發(fā)現(xiàn)，雙殼貝類是常見的水生生物，其種類繁多、體積較小、活動(dòng)性不強(qiáng)、便于觀察，對(duì)于環(huán)境的要求不高、耐受性強(qiáng)。 當(dāng)水體受到污染時(shí)，貝類會(huì)改變?yōu)V食和呼吸的頻率；而當(dāng)污染嚴(yán)重時(shí)，貝類活性降低甚至死亡，兩扇殼的張度會(huì)超過(guò)平時(shí)值[13]。 將生物與傳感器結(jié)合，可以達(dá)到連續(xù)監(jiān)測(cè)、較高的監(jiān)測(cè)靈敏度、快速反應(yīng)[14－15]等目的。

在選用傳感器方面，光纖傳感器相比于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段，可以進(jìn)行超遠(yuǎn)距離的傳輸；使用光作為敏感信息的載體，其高精度和敏感度能夠更好地滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)的要求。 王達(dá)達(dá)等[16]設(shè)計(jì)了一種將光纖光柵粘合在不銹鋼管，用來(lái)測(cè)量法蘭盤上應(yīng)變作用的自鎖緊式光纖傳感器，通過(guò)這一新思路，文章提出了利用光纖光柵制作生物聯(lián)動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)；蔣善超等[17]利用光纖光柵實(shí)現(xiàn)了對(duì)位移的有效監(jiān)測(cè)；何少靈等[18]和劉小會(huì)等[19]采用光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了壓力傳感器的研究和開發(fā)，這些都為文章在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用彈性梁、水下傳感器作業(yè)等問(wèn)題提供了解決手段。 王亞杰等[20]改善了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中生物傳感器靈敏度低、監(jiān)測(cè)極限不理想的問(wèn)題，推動(dòng)了光纖傳感技術(shù)在工程應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)展。 另外，光纖傳感器因具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、復(fù)用性好、可以在惡劣環(huán)境下工作等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、水庫(kù)安全等領(lǐng)域。 因此，生物與光纖感知技術(shù)相結(jié)合的生物系統(tǒng)亦可應(yīng)用于水體污染物監(jiān)測(cè)，該技術(shù)將是提高水質(zhì)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度與效率的有效方法，不僅能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)，還將有助于解決當(dāng)前監(jiān)測(cè)設(shè)備復(fù)雜、成本高昂、無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染等問(wèn)題，對(duì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的多樣化、規(guī)?；哂兄匾饬x。

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)需求，以河蚌為樣本生物體，研究了一種基于光纖感知技術(shù)的新型貝類生命體征在線監(jiān)測(cè)生物系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)基于光纖感知技術(shù)的傳感器探頭測(cè)量光纖光柵波長(zhǎng)的變化，監(jiān)測(cè)目標(biāo)生物的生理特征，以期獲取河蚌生命體在水體中的生活規(guī)律，從而間接獲取反映水質(zhì)變化的信息，為水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供一種高效、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)手段。

1 基于光纖感知技術(shù)的生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理

1.1 生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于光纖感知傳感技術(shù)的生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要以雙殼河蚌為生物體、光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)為感知元件，通過(guò)貝類生理特征間接進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。

存在于水體中的某些污染物(如渾濁度、重金屬、細(xì)菌微生物等)會(huì)影響到生物體(如河蚌)的生命特征，系統(tǒng)通過(guò)FBG 可以捕捉河蚌雙殼的張合程度及頻率等信息，利用傳輸光纖將其傳送到光學(xué)解調(diào)儀并轉(zhuǎn)換為電子量，在傳輸至上位機(jī)后，進(jìn)行處理、分析信號(hào)，并呈現(xiàn)到電腦程序端。 監(jiān)測(cè)者可以直觀、快捷地觀察水體水質(zhì)并記錄統(tǒng)計(jì)。 系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

1.2 生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各功能單元工作原理

1.2.1 光纖光柵感知單元

光纖布拉格光柵原理示意圖如圖2 所示，當(dāng)一束寬帶光譜經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的光波將被反射，其余的光波將透過(guò)光纖光柵繼續(xù)向前傳輸。

圖2 光纖布拉格光柵原理示意圖

由耦合模理論可知， FBG 的中心反射波長(zhǎng)λB可由式(1)表示為

式中neff為光纖纖芯的有效折射率；Λ為光柵的周期。

當(dāng)外界應(yīng)力、溫度、磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，Λ和neff隨之產(chǎn)生改變，從而會(huì)導(dǎo)致光纖光柵的λB發(fā)生變化。假設(shè)變化后的波長(zhǎng)為λ′B，則中心波長(zhǎng)變化值(漂移量)為 ΔλB＝λB－λ′B。 當(dāng)光纖光柵所受應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移量ΔλB和軸向應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系由式(2)表示為

式中pe為光纖材料的彈光系數(shù)；1－pe為光纖光柵相對(duì)波長(zhǎng)位移應(yīng)變的靈敏度系數(shù)(即應(yīng)變系數(shù))，當(dāng)波長(zhǎng)為 1 550 nm 時(shí)，應(yīng)變系數(shù)為 1.2× 10－3nm/με 。

1.2.2 光纖光柵傳感器探頭

用于監(jiān)測(cè)感知河蚌生理特征的傳感器探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，主要由生物體(河蚌)、固定基座、響應(yīng)結(jié)構(gòu)(彈性梁片)、以及感知元件(光纖光柵)組成。

圖3 傳感器探頭結(jié)構(gòu)示意圖

固定基座用于將傳感器與生物體穩(wěn)定固定在一起，形成聯(lián)動(dòng)一體結(jié)構(gòu)；當(dāng)生物體產(chǎn)生生理反應(yīng)時(shí)(如呼吸張合、濾食等)，會(huì)通過(guò)固定結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，導(dǎo)致彈性梁片產(chǎn)生彎曲形變；固定在彈性梁片上的光纖光柵能夠感知彈性梁的形變信息，產(chǎn)生反射光譜中心波長(zhǎng)的移動(dòng)，通過(guò)中心波長(zhǎng)的偏移量即可反演河蚌的生命特征，從而實(shí)現(xiàn)傳感感知功能。

1.2.3 光學(xué)解調(diào)儀

基于掃描半導(dǎo)體激光器的光纖光柵解調(diào)儀由連續(xù)可調(diào)諧激光器、激光器溫控調(diào)諧電路、光電探測(cè)及放大電路和耦合器等部件構(gòu)成，其系統(tǒng)示意圖如圖4 所示。

圖4 基于掃描半導(dǎo)體激光器的光纖光柵解調(diào)儀系統(tǒng)示意圖

采用的光纖光柵解調(diào)模塊，由單片機(jī)發(fā)送掃描指令到激光器模塊，激光器發(fā)出波長(zhǎng)掃描的激光光束，輸出波長(zhǎng)的調(diào)諧范圍覆蓋 C 波段(1 530 ～1 565 nm)，可覆蓋傳感器所使用的FBG 的波長(zhǎng)范圍，其輸出激光功率13 dBm，單個(gè)FBG 保存數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量為3 600 個(gè)/h。

傳感器中與雙殼接觸的基座將受到的壓力傳到彈性梁片，緊貼彈性梁片的光纖光柵將產(chǎn)生形變，光纖內(nèi)部滿足光纖光柵布拉格條件的光波將產(chǎn)生反射，單片機(jī)在觸發(fā)上沿采集各通道的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換值(Analog-to-Digital Converter，ADC)，存儲(chǔ)于靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Static Random-Access Memory，SRAM)，將中心波長(zhǎng)通過(guò)串口上傳到上位機(jī)，進(jìn)而攜帶了傳感信息的信號(hào)被傳輸?shù)诫娔X端，由電腦端解調(diào)程序記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行尋峰計(jì)算和中心波長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)，形成隨時(shí)間變化的波形曲線，即雙殼貝類的張合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。

以光纖布拉格光柵為感知元件，通過(guò)傳感器探頭與生物體雙殼相聯(lián)結(jié)的新型生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以光作為監(jiān)測(cè)信息的載體，具有高靈敏度，測(cè)量速度快，信息容量大的優(yōu)勢(shì)；以光纖作為傳遞監(jiān)測(cè)信息的媒質(zhì)，具有耐腐蝕、電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控等特點(diǎn)，便于與電腦監(jiān)測(cè)端連接。

2 生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用圓頂珠蚌(簡(jiǎn)稱為河蚌)為研究生物體，清洗河蚌表面，除去污損生物后，養(yǎng)殖于規(guī)格為48 cm×34 cm×29 cm 的一、二號(hào)水箱內(nèi)(如圖 5 所示)，所用養(yǎng)殖水為靜置暴曬后的自來(lái)水，水體溫度為(22±2)℃。 全天日照且兩水箱里放置了同樣的充氧棒，以保證其氧含量相同。 對(duì)養(yǎng)殖水箱2 d 換水1 次，不進(jìn)行投喂，避免頻繁的人工干涉，盡量排除人為影響，最大可能為河蚌模擬適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，待河蚌養(yǎng)殖一周后開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性分析

(1) 不同水箱內(nèi)的河蚌實(shí)驗(yàn)

選擇一、二號(hào)水箱內(nèi)的河蚌進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，保持日照條件、溫度、含氧量等條件相同的情況下，于0:00向一號(hào)水箱內(nèi)加入帶有少量泥沙的濁水，同時(shí)向二號(hào)水箱內(nèi)加入等量的純凈水，通過(guò)傳感探頭采集河蚌雙殼張合的數(shù)據(jù)。 根據(jù)加入水質(zhì)的不同，對(duì)比兩個(gè)水箱中河蚌的生理活動(dòng)數(shù)據(jù)，活動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)24 h 的數(shù)據(jù)如圖6 所示。

圖6 不同水箱內(nèi)河蚌張合呼吸濾食規(guī)律對(duì)比圖

由圖6(a)可知，一號(hào)水箱于0 點(diǎn)加入帶有泥沙的濁水后，水體中浮游生物、腐屑等增加，河蚌的餌料數(shù)量也隨之增加，相應(yīng)的呼吸濾食活動(dòng)也隨之增強(qiáng)。 在1:00 和6:00 兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，兩殼張合頻繁，處于濾食活躍期。 8:00 至13:00 時(shí)間段，河蚌處于休眠期，處于呼吸以及偶爾濾食狀態(tài)；在水質(zhì)中加入混合泥沙物后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，光纖光柵波長(zhǎng)的波動(dòng)范圍為0 ～320 pm。 由圖6(b)可知，二號(hào)水箱則全天未加入污染物，濾食活動(dòng)保持穩(wěn)定，光纖光柵波長(zhǎng)的波動(dòng)范圍為0～140 pm，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)明顯超過(guò)100 pm 的波動(dòng)，全天呼吸頻率較為平緩。

(2) 相同水箱內(nèi)的河蚌實(shí)驗(yàn)

選擇二號(hào)水箱內(nèi)的河蚌，保持日照條件、溫度、氧含量等條件相同的情況下，于6:00 時(shí)向二號(hào)水箱內(nèi)加入帶有少量泥沙的濁水，通過(guò)傳感探頭采集河蚌雙殼張合的數(shù)據(jù)。 根據(jù)加入水質(zhì)與時(shí)間的不同，對(duì)比同一水箱中河蚌的兩次生理活動(dòng)數(shù)據(jù)，連續(xù)監(jiān)測(cè)24 h 的活動(dòng)數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 相同水箱內(nèi)河蚌張合呼吸濾食規(guī)律對(duì)比圖

由圖7(a)可見，二號(hào)水箱加入混合泥沙物之前，全天呼吸頻率較為平緩，光纖光柵波長(zhǎng)的波動(dòng)范圍為0 ～140 pm，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)明顯＞100 pm 的波動(dòng)。 由圖7(b)可見，二號(hào)水箱加入混合泥沙物后，在6:00～9:00 以及15:00～20:00 這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，兩殼張合頻繁且較為規(guī)律，處于濾食活躍期。12:00～16:00時(shí)間段內(nèi)，河蚌處于呼吸以及偶爾濾食狀態(tài)；在水質(zhì)中加入混合泥沙物后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，光纖光柵波長(zhǎng)的波動(dòng)范圍為0～380 pm。

水質(zhì)是影響河蚌呼吸和代謝的關(guān)鍵因素之一，已有研究表明，隨水體中的浮游生物、腐屑等數(shù)量的改變，河蚌的濾食活動(dòng)和呼吸代謝也會(huì)受到影響，YUKIHIRA 等[21]發(fā)現(xiàn)兩種珍珠貝類(Pinctada margaritif-era和Pinctada maxima)的耗氧率和代謝速率都隨水體中餌料的增加而上升，這一研究在本實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證，河蚌會(huì)根據(jù)水體中的污染物或雜質(zhì)改變雙殼張合頻率，可作為監(jiān)測(cè)水質(zhì)的有效手段。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，河蚌蚌殼的張合頻率、幅度隨污水的加入而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，水質(zhì)的改變使得河蚌雙殼張合頻率發(fā)生明顯變化，考慮可能是由于水體中餌料濃度的改變導(dǎo)致河蚌的濾食活動(dòng)、體內(nèi)消化吸收活動(dòng)和代謝速率改變，從而影響河蚌蚌殼的張合。由此可以看出，對(duì)河蚌生命體征進(jìn)行定性分析可以間接地反映所監(jiān)測(cè)水質(zhì)的好壞，當(dāng)河蚌蚌殼張合呈現(xiàn)出良好周期性時(shí)即可判斷該水域水質(zhì)良好，反之，則可能受到污染。

3 結(jié)論

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)需求，以河蚌為樣本生物體，研究了一種基于光纖感知技術(shù)的新型貝類生命體征在線生物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 通過(guò)改變河蚌生活的水質(zhì)進(jìn)行不同的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論:

(1) 在水質(zhì)中無(wú)明顯污染時(shí)，呈現(xiàn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，光纖光柵波長(zhǎng)的波動(dòng)范圍為0 ～140 pm；在水質(zhì)中加入混合泥沙物后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，光纖光柵波長(zhǎng)的波動(dòng)范圍＞0～320 pm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水質(zhì)的改變使得河蚌雙殼張合頻率發(fā)生明顯變化，從而通過(guò)測(cè)量光纖光柵波長(zhǎng)變化可以反映所監(jiān)測(cè)水質(zhì)的情況。

(2) 此系統(tǒng)以光纖布拉格光柵為感知元件，具有高靈敏度、快速測(cè)量的優(yōu)勢(shì)；使用光纖光柵解調(diào)模塊，可設(shè)置為每小時(shí)收集3 600 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，一旦雙殼貝類對(duì)環(huán)境污染物做出反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)反應(yīng)的監(jiān)測(cè)效果，有效地提升了測(cè)量精度，為一種高效、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)手段。