智能傳感器在土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究\t

摘要：隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，土壤重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)生態(tài)和人類健康構(gòu)成了巨大威脅。傳統(tǒng)的土壤重金屬檢測(cè)方法，如化學(xué)分析方法，通常需要取樣、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)等多步驟操作，耗時(shí)較長(zhǎng)且成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高頻率的監(jiān)測(cè)。智能傳感器技術(shù)的引入為土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)提供了新的可能性。智能傳感器通過(guò)集成多種傳感技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，顯著提高了監(jiān)測(cè)效率和準(zhǔn)確性?；诖耍接懼悄軅鞲衅髟谕寥乐亟饘傥廴颈O(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：智能傳感器；土壤；重金屬污染監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）02-00-03

Research on the Application of Intelligent Sensor in Soil Heavy Metal Pollution Monitoring

WANG Jiangting， LING Huijiao， WU Jingwen， LI Xia， WEI Xingming

（Guangxi Academy of Environmental Protection Sciences， Nanning 530000， China）

Abstract： With the rapid development of industrialization and urbanization， soil heavy metal pollution has become increasingly serious， posing a huge threat to ecology and human health. Traditional soil heavy metal detection methods， such as chemical analysis methods， usually require multi-step operations such as sampling and laboratory testing， which is time-consuming and costly， and difficult to achieve large-scale and high-frequency monitoring. The introduction of intelligent sensor technology provides a new possibility for soil heavy metal pollution monitoring. By integrating multiple sensing technologies， smart sensors can achieve fast and continuous data acquisition， and remote monitoring and data transmission through the Internet of Things technology， significantly improving monitoring efficiency and accuracy. Based on this， this paper explores the application of intelligent sensors in monitoring soil heavy metal pollution， in order to provide reference for research and application in related fields.

Keywords： intelligent sensor; soil; heavy metal pollution monitoring

土壤重金屬污染是全球面臨的環(huán)境問(wèn)題之一，重金屬主要來(lái)源于工業(yè)排放、城市生活廢棄物、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等。重金屬進(jìn)入土壤，難以降解，長(zhǎng)期積累會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)、土壤質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響人類健康。傳統(tǒng)的土壤重金屬檢測(cè)方法，如化學(xué)分析方法，雖然精度較高，但存在操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題，難以滿足大規(guī)模、高頻率的監(jiān)測(cè)需求。近年來(lái)，智能傳感器技術(shù)的發(fā)展為土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)提供了新的解決方案。智能傳感器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，還能通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，提高了監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性。本研究探討智能傳感器在土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、策略及其實(shí)際效果，為環(huán)境保護(hù)和污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 智能傳感器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

智能傳感器在土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)中具有以下優(yōu)勢(shì)。第一，效率高。智能傳感器可以實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，有效提高了監(jiān)測(cè)效率。傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法通常需要取樣、實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)等多步驟操作，耗時(shí)較長(zhǎng)，而智能傳感器能夠在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取數(shù)據(jù)。第二，準(zhǔn)確性高。智能傳感器集成了多種傳感技術(shù)，能夠更準(zhǔn)確地測(cè)定土壤中的重金屬含量。例如，電化學(xué)傳感器可以檢測(cè)特定重金屬的離子濃度，光譜傳感器可以識(shí)別不同重金屬的光譜特征，這些技術(shù)的結(jié)合使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加可靠。第三，靈活性高。智能傳感器體積小、質(zhì)量輕，便于安裝和移動(dòng)，可以在不同地點(diǎn)和環(huán)境中靈活使用。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)測(cè)，覆蓋更多的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。第四，成本低。傳統(tǒng)的土壤重金屬監(jiān)測(cè)方法不僅操作復(fù)雜，而且成本較高。智能傳感器技術(shù)的引入可以顯著降低監(jiān)測(cè)成本，特別是對(duì)于長(zhǎng)期、大面積的監(jiān)測(cè)任務(wù)。第五，智能性。智能傳感器內(nèi)置了數(shù)據(jù)處理和通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理和傳輸。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理[1]。

2 智能傳感器在土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用策略

2.1 傳感器選型與布局

在設(shè)計(jì)和應(yīng)用智能傳感器進(jìn)行土壤重金屬監(jiān)測(cè)時(shí)，傳感器選型與布局是至關(guān)重要的第一步。首先，傳感器的選型應(yīng)基于目標(biāo)重金屬的物理化學(xué)特性。例如，電化學(xué)傳感器因其高靈敏度和選擇性，適用于檢測(cè)鉛、鎘等離子態(tài)重金屬，能夠快速響應(yīng)并提供準(zhǔn)確的濃度數(shù)據(jù)。光譜傳感器則可以利用不同重金屬的光譜吸收特性，適合檢測(cè)汞、砷等元素。X射線熒光傳感器能夠在非破壞性條件下測(cè)定土壤中的多種重金屬，適用于快速現(xiàn)場(chǎng)篩查。此外，生物傳感器利用生物體對(duì)重金屬的敏感性，可以檢測(cè)重金屬，為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供重要依據(jù)。

在傳感器布局方面，需要考慮監(jiān)測(cè)區(qū)域的地理特征和污染源分布。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)覆蓋所有潛在的污染熱點(diǎn)，確保數(shù)據(jù)具有代表性。同時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離應(yīng)根據(jù)土壤的均勻性和污染擴(kuò)散特性進(jìn)行合理安排，以避免數(shù)據(jù)冗余和遺漏。例如，在工業(yè)園區(qū)周邊，應(yīng)重點(diǎn)布設(shè)在排放口附近和下風(fēng)向地帶，而在農(nóng)田中，應(yīng)選擇代表性地塊和不同土壤類型區(qū)域進(jìn)行布設(shè)。此外，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和位置應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)任務(wù)的規(guī)模和精度要求進(jìn)行調(diào)整，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。合理的傳感器選型與布局不僅能夠提高監(jiān)測(cè)效率，還能有效地降低監(jiān)測(cè)成本，為防治土壤重金屬污染提供科學(xué)依據(jù)[2]。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

制定科學(xué)的數(shù)據(jù)采集方案是確保土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集方案應(yīng)包括采樣頻率、采樣時(shí)間、采樣位置等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定。采樣頻率應(yīng)根據(jù)重金屬污染的變化速率和監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行調(diào)整，高頻次的數(shù)據(jù)采集有助于捕捉污染的動(dòng)態(tài)變化，而低頻次的采集則適用于長(zhǎng)期趨勢(shì)分析。采樣時(shí)間應(yīng)選擇在污染源活動(dòng)的高峰期，以確保獲取的數(shù)據(jù)更具代表性。采樣位置應(yīng)覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的關(guān)鍵點(diǎn)和潛在污染熱點(diǎn)，同時(shí)兼顧土壤類型和地形特征，確保數(shù)據(jù)的全面性和空間分布的合理性。

在數(shù)據(jù)處理方面，先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法能夠顯著提高數(shù)據(jù)處理的效率和精度。機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，如支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）、隨機(jī)森林（Random Forest，RF）和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Network，DNN），可以用于分類和預(yù)測(cè)土壤中的重金屬含量，通過(guò)訓(xùn)練模型來(lái)識(shí)別和區(qū)分不同類型的重金屬污染，提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)融合技術(shù)則通過(guò)多傳感器數(shù)據(jù)的綜合分析，減少單一傳感器的誤差和不穩(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)的健壯性。例如，結(jié)合電化學(xué)傳感器和光譜傳感器的數(shù)據(jù)，可以更準(zhǔn)確地測(cè)定土壤中多種重金屬的含量，避免因傳感器類型單一導(dǎo)致的誤差。數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟，如信號(hào)濾波、噪聲去除和數(shù)據(jù)歸一化，也是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要手段。這些方法可以有效地確保數(shù)據(jù)的可靠性和一致性，為后續(xù)的分析和決策提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能傳感器節(jié)點(diǎn)之間的高效數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而顯著提升土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和智能化水平。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)將各種傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和監(jiān)控中心連接在一起，形成一個(gè)分布式的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的全面覆蓋和連續(xù)監(jiān)測(cè)。

數(shù)據(jù)傳輸方面，選擇合適的無(wú)線通信技術(shù)至關(guān)重要。LoRa是一種低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，適合于廣域、低帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，能夠有效覆蓋工業(yè)園區(qū)、農(nóng)田等大面積監(jiān)測(cè)區(qū)域。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低功耗、壽命長(zhǎng)、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，適用于城市區(qū)域和密集監(jiān)測(cè)點(diǎn)。此外，可以考慮使用Wi-Fi、ZigBee等短距離無(wú)線通信技術(shù)，適合于小范圍、高密度的傳感器網(wǎng)絡(luò)部署。

遠(yuǎn)程監(jiān)控是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)中的另一個(gè)重要應(yīng)用。通過(guò)在監(jiān)測(cè)中心建立中央控制平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)接收和處理來(lái)自各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)?？刂破脚_(tái)可以通過(guò)云服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，發(fā)現(xiàn)污染趨勢(shì)和異常情況，為環(huán)境監(jiān)管部門提供科學(xué)依據(jù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，確保整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，監(jiān)測(cè)人員可以在任何有網(wǎng)絡(luò)連接的地方實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和管理效率[3]。

3 實(shí)踐案例分析

3.1 案例背景

中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所經(jīng)過(guò)合作，成功建立了以功能核酸為分子識(shí)別元件的重金屬生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重金屬的超靈敏、智能化快速檢測(cè)，并構(gòu)建了土壤有效態(tài)重金屬檢測(cè)新方法。這項(xiàng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)方法的瓶頸，為土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)提供了一種新的解決方案[4]。

3.2 具體措施

3.2.1 DNA網(wǎng)狀納米結(jié)構(gòu)生物傳感器的建立

創(chuàng)新性地以雙莖環(huán)脫氧核糖核酸（Deoxyribo Nucleic Acid，DNA）探針為自組裝元件，當(dāng)反應(yīng)體系中存在待檢重金屬（以鈾離子為例），釋放的核酸片段可激活DNA組裝，經(jīng)過(guò)多重循環(huán)的核酸雜交及鏈置換反應(yīng)，形成DNA網(wǎng)狀納米結(jié)構(gòu)的熒光生物傳感器。該傳感器對(duì)鈾離子的檢測(cè)限為2 pm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤樣品中痕量鈾污染的超靈敏檢測(cè)。

3.2.2 分子邏輯門生物傳感器的建立

基于二進(jìn)制原理，以0和1對(duì)重金屬進(jìn)行編碼，構(gòu)建了多種分子邏輯門生物傳感器，包括OR、AND、XOR、半加器及半減器等。這些傳感器能在分子水平上為重金屬的智能化檢測(cè)提供一套新的傳感體系。

3.2.3 DNA熒光生物傳感器的建立

以生命體基元DNA為有效態(tài)重金屬識(shí)別探針，通過(guò)DNA識(shí)別、切割以及信號(hào)轉(zhuǎn)換，構(gòu)建了DNA熒光生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤有效態(tài)重金屬（鉛、鎘、銅等）的快速檢測(cè)。該方法操作簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速，無(wú)須復(fù)雜的連續(xù)萃取過(guò)程，方便現(xiàn)場(chǎng)快速分析。

3.3 成效

DNA網(wǎng)狀納米結(jié)構(gòu)生物傳感器和DNA熒光生物傳感器均展現(xiàn)出高靈敏度和高特異性，能夠滿足復(fù)雜樣品中有效態(tài)重金屬檢測(cè)的需求。這些生物傳感器操作簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速，信號(hào)擴(kuò)增效率高，為土壤重金屬的超靈敏檢測(cè)提供了新方法。這些生物傳感器在田間精細(xì)化養(yǎng)分管理方面具有很大的潛力，并且已成功應(yīng)用于實(shí)際土壤環(huán)境中的磷酸鹽連續(xù)測(cè)定。

綜上所述，該案例展示了智能傳感器在土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)中的成功應(yīng)用，通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤中重金屬的快速、靈敏、智能化檢測(cè)，為土壤污染監(jiān)測(cè)和管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

4 結(jié)論

智能傳感器在土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)中具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠有效提高監(jiān)測(cè)的效率、準(zhǔn)確性和靈活性，同時(shí)降低監(jiān)測(cè)成本。特別是在實(shí)際案例中，重金屬生物傳感器的成功應(yīng)用進(jìn)一步驗(yàn)證了智能傳感器在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性和有效性。未來(lái)，隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能傳感器有望在更多的環(huán)境保護(hù)和污染治理項(xiàng)目中發(fā)揮重要作用，推動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能化和精準(zhǔn)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-12-12

作者簡(jiǎn)介：王姜婷（1989—），女，滿族，廣東云浮人，工程師。研究方向：環(huán)境監(jiān)測(cè)。