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

        2021-06-17 06:53:30張樂琪趙燕杰劉浩東牛昊劉克寒
        山東建筑大學(xué)學(xué)報 2021年3期
        關(guān)鍵詞:雙殼河蚌光柵

        張樂琪,趙燕杰,劉浩東,牛昊,劉克寒

        (山東建筑大學(xué)理學(xué)院,山東濟南250101)

        0 引言

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

        目前,檢測水質(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[3-8]等。 其中,光譜法檢測速度快、無需試劑、靈敏度高,但其缺點是容易受到干擾、存在譜峰重疊現(xiàn)象等[3-4];色譜分析法可以進行精確檢測,但監(jiān)測儀器非常昂貴,預(yù)處理和分析過程復(fù)雜、耗時長,而且需要熟練的人工操作[5-6];化學(xué)分析法的原理成熟、檢測準確度高,而缺點是需要化學(xué)試劑、過程復(fù)雜、檢測時容易產(chǎn)生二次污染,并且難以實現(xiàn)在線實時監(jiān)測;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)測定物質(zhì)的含量,無污染、靈敏度高,其缺點是電極壽命較短、需要定期校正等[7-8]。

        水生生物監(jiān)測技術(shù)主要通過生物傳感器監(jiān)測水質(zhì)參數(shù),長期以來,利用生物對生長環(huán)境敏感的特點,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[9]。 UPDIKE 等[10]首次研制出將葡萄糖氧化酶電極用于定量測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]通過研究小鼠腹腔巨噬細胞對于環(huán)境污染物鎘、鉛的細胞毒性反應(yīng),證明其和污染物鎘、鉛具有明顯的劑量—細胞活性關(guān)系,可作為生物監(jiān)測指示物。 杜靜等[12]利用雙殼貝類作為指示生物監(jiān)測海洋微塑料污染,綜述了海洋雙殼貝類體內(nèi)塑料的分析方法,受控實驗條件下微塑料對雙殼貝類的生態(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、活動性不強、便于觀察,對于環(huán)境的要求不高、耐受性強。 當(dāng)水體受到污染時,貝類會改變?yōu)V食和呼吸的頻率;而當(dāng)污染嚴重時,貝類活性降低甚至死亡,兩扇殼的張度會超過平時值[13]。 將生物與傳感器結(jié)合,可以達到連續(xù)監(jiān)測、較高的監(jiān)測靈敏度、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)測手段,可以進行超遠距離的傳輸;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)測的要求。 王達達等[16]設(shè)計了一種將光纖光柵粘合在不銹鋼管,用來測量法蘭盤上應(yīng)變作用的自鎖緊式光纖傳感器,通過這一新思路,文章提出了利用光纖光柵制作生物聯(lián)動傳感器的設(shè)計;蔣善超等[17]利用光纖光柵實現(xiàn)了對位移的有效監(jiān)測;何少靈等[18]和劉小會等[19]采用光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)了壓力傳感器的研究和開發(fā),這些都為文章在實驗過程中使用彈性梁、水下傳感器作業(yè)等問題提供了解決手段。 王亞杰等[20]改善了在實驗過程中生物傳感器靈敏度低、監(jiān)測極限不理想的問題,推動了光纖傳感技術(shù)在工程應(yīng)用領(lǐng)域的進展。 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,已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、水庫安全等領(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,該技術(shù)將是提高水質(zhì)監(jiān)測準確度與效率的有效方法,不僅能夠?qū)崟r在線監(jiān)測水質(zhì),還將有助于解決當(dāng)前監(jiān)測設(shè)備復(fù)雜、成本高昂、無法及時發(fā)現(xiàn)污染等問題,對監(jiān)測領(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)測生物系統(tǒng),通過設(shè)計基于光纖感知技術(shù)的傳感器探頭測量光纖光柵波長的變化,監(jiān)測目標生物的生理特征,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)測提供一種高效、穩(wěn)定、實時的監(jiān)測手段。

        1 基于光纖感知技術(shù)的生物監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與原理

        1.1 生物監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

        設(shè)計的基于光纖感知傳感技術(shù)的生物監(jiān)測系統(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,通過貝類生理特征間接進行水質(zhì)監(jiān)測。

        存在于水體中的某些污染物(如渾濁度、重金屬、細菌微生物等)會影響到生物體(如河蚌)的生命特征,系統(tǒng)通過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,在傳輸至上位機后,進行處理、分析信號,并呈現(xiàn)到電腦程序端。 監(jiān)測者可以直觀、快捷地觀察水體水質(zhì)并記錄統(tǒng)計。 系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

        圖1 生物監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

        1.2 生物監(jiān)測系統(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)過光纖光柵時,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、磁場發(fā)生變化時,Λ和neff隨之產(chǎn)生改變,從而會導(dǎo)致光纖光柵的λB發(fā)生變化。假設(shè)變化后的波長為λ′B,則中心波長變化值(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,光纖光柵的中心波長漂移量ΔλB和軸向應(yīng)變ε的關(guān)系由式(2)表示為

        式中pe為光纖材料的彈光系數(shù);1-pe為光纖光柵相對波長位移應(yīng)變的靈敏度系數(shù)(即應(yīng)變系數(shù)),當(dāng)波長為 1 550 nm 時,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)動一體結(jié)構(gòu);當(dāng)生物體產(chǎn)生生理反應(yīng)時(如呼吸張合、濾食等),會通過固定結(jié)構(gòu)聯(lián)動,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的移動,通過中心波長的偏移量即可反演河蚌的生命特征,從而實現(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,由單片機發(fā)送掃描指令到激光器模塊,激光器發(fā)出波長掃描的激光光束,輸出波長的調(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 的波長范圍,其輸出激光功率13 dBm,單個FBG 保存數(shù)據(jù)點的數(shù)量為3 600 個/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),存儲于靜態(tài)隨機存取存儲器(Static Random-Access Memory,SRAM),將中心波長通過串口上傳到上位機,進而攜帶了傳感信息的信號被傳輸?shù)诫娔X端,由電腦端解調(diào)程序記錄數(shù)據(jù),進行尋峰計算和中心波長的統(tǒng)計,形成隨時間變化的波形曲線,即雙殼貝類的張合實時數(shù)據(jù)曲線。

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

        2 生物監(jiān)測系統(tǒng)實驗與結(jié)果分析

        2.1 實驗材料

        選用圓頂珠蚌(簡稱為河蚌)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、二號水箱內(nèi)(如圖 5 所示),所用養(yǎng)殖水為靜置暴曬后的自來水,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。 對養(yǎng)殖水箱2 d 換水1 次,不進行投喂,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環(huán)境,待河蚌養(yǎng)殖一周后開始進行實驗。

        2.2 實驗結(jié)果定性分析

        (1) 不同水箱內(nèi)的河蚌實驗

        選擇一、二號水箱內(nèi)的河蚌進行對比試驗,保持日照條件、溫度、含氧量等條件相同的情況下,于0:00向一號水箱內(nèi)加入帶有少量泥沙的濁水,同時向二號水箱內(nèi)加入等量的純凈水,通過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,對比兩個水箱中河蚌的生理活動數(shù)據(jù),活動連續(xù)監(jiān)測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)律對比圖

        由圖6(a)可知,一號水箱于0 點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)的呼吸濾食活動也隨之增強。 在1:00 和6:00 兩個時間點,兩殼張合頻繁,處于濾食活躍期。 8:00 至13:00 時間段,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)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動,光纖光柵波長的波動范圍為0 ~320 pm。 由圖6(b)可知,二號水箱則全天未加入污染物,濾食活動保持穩(wěn)定,光纖光柵波長的波動范圍為0~140 pm,在短時間內(nèi)無明顯超過100 pm 的波動,全天呼吸頻率較為平緩。

        (2) 相同水箱內(nèi)的河蚌實驗

        選擇二號水箱內(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 時向二號水箱內(nèi)加入帶有少量泥沙的濁水,通過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)與時間的不同,對比同一水箱中河蚌的兩次生理活動數(shù)據(jù),連續(xù)監(jiān)測24 h 的活動數(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)律對比圖

        由圖7(a)可見,二號水箱加入混合泥沙物之前,全天呼吸頻率較為平緩,光纖光柵波長的波動范圍為0 ~140 pm,在短時間內(nèi)無明顯>100 pm 的波動。 由圖7(b)可見,二號水箱加入混合泥沙物后,在6:00~9:00 以及15:00~20:00 這兩個時間段內(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)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動,光纖光柵波長的波動范圍為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,河蚌的濾食活動和呼吸代謝也會受到影響,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,這一研究在本實驗中得到驗證,河蚌會根據(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)測水質(zhì)的有效手段。同時,實驗中發(fā)現(xiàn),河蚌蚌殼的張合頻率、幅度隨污水的加入而呈增長趨勢,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、體內(nèi)消化吸收活動和代謝速率改變,從而影響河蚌蚌殼的張合。由此可以看出,對河蚌生命體征進行定性分析可以間接地反映所監(jiān)測水質(zhì)的好壞,當(dāng)河蚌蚌殼張合呈現(xiàn)出良好周期性時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)測系統(tǒng)。 通過改變河蚌生活的水質(zhì)進行不同的對比實驗,得到以下結(jié)論:

        (1) 在水質(zhì)中無明顯污染時,呈現(xiàn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定,光纖光柵波長的波動范圍為0 ~140 pm;在水質(zhì)中加入混合泥沙物后,監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動,光纖光柵波長的波動范圍>0~320 pm,實驗結(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,從而通過測量光纖光柵波長變化可以反映所監(jiān)測水質(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、快速測量的優(yōu)勢;使用光纖光柵解調(diào)模塊,可設(shè)置為每小時收集3 600 個數(shù)據(jù)點,一旦雙殼貝類對環(huán)境污染物做出反應(yīng),可實現(xiàn)瞬時反應(yīng)的監(jiān)測效果,有效地提升了測量精度,為一種高效、穩(wěn)定、實時的監(jiān)測手段。

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