基于光纖感知技術的生物監測系統研究

張樂琪，趙燕杰，劉浩東，牛昊，劉克寒

(山東建筑大學理學院，山東濟南250101)

0 引言

近年來，由于水體污染所導致的問題和事故不斷發生，水體污染已成為制約人類生存和經濟發展的重要因素，而水體監測也已引起全球范圍內的高度關注[1]，急需加強對水質污染監測與治理等方面的綜合研究[2]。

目前，檢測水質的方法主要包括:光譜法、色譜法、化學法、電化學法、水生生物監測[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、存在譜峰重疊現象等[3－4]；色譜分析法可以進行精確檢測，但監測儀器非常昂貴，預處理和分析過程復雜、耗時長，而且需要熟練的人工操作[5－6]；化學分析法的原理成熟、檢測準確度高，而缺點是需要化學試劑、過程復雜、檢測時容易產生二次污染，并且難以實現在線實時監測；電化學分析法利用水中某種物質與電極的化學反應測定物質的含量，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]。

水生生物監測技術主要通過生物傳感器監測水質參數，長期以來，利用生物對生長環境敏感的特點，已經應用在水質的pH 值、水溫、含氧量、重金屬污染等方面的監測[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境污染物鎘、鉛的細胞毒性反應，證明其和污染物鎘、鉛具有明顯的劑量—細胞活性關系，可作為生物監測指示物。 杜靜等[12]利用雙殼貝類作為指示生物監測海洋微塑料污染，綜述了海洋雙殼貝類體內塑料的分析方法，受控實驗條件下微塑料對雙殼貝類的生態毒理效應。 研究發現，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，對于環境的要求不高、耐受性強。 當水體受到污染時，貝類會改變濾食和呼吸的頻率；而當污染嚴重時，貝類活性降低甚至死亡，兩扇殼的張度會超過平時值[13]。 將生物與傳感器結合，可以達到連續監測、較高的監測靈敏度、快速反應[14－15]等目的。

在選用傳感器方面，光纖傳感器相比于傳統監測手段，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監測的要求。 王達達等[16]設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動傳感器的設計；蔣善超等[17]利用光纖光柵實現了對位移的有效監測；何少靈等[18]和劉小會等[19]采用光纖傳感技術實現了壓力傳感器的研究和開發，這些都為文章在實驗過程中使用彈性梁、水下傳感器作業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、監測極限不理想的問題，推動了光纖傳感技術在工程應用領域的進展。 另外，光纖傳感器因具有體積小、質量輕、成本低、復用性好、可以在惡劣環境下工作等特點，已廣泛應用于環境監測、水庫安全等領域。 因此，生物與光纖感知技術相結合的生物系統亦可應用于水體污染物監測，該技術將是提高水質監測準確度與效率的有效方法，不僅能夠實時在線監測水質，還將有助于解決當前監測設備復雜、成本高昂、無法及時發現污染等問題，對監測領域技術發展的多樣化、規模化具有重要意義。

根據水質監測技術需求，以河蚌為樣本生物體，研究了一種基于光纖感知技術的新型貝類生命體征在線監測生物系統，通過設計基于光纖感知技術的傳感器探頭測量光纖光柵波長的變化，監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律，從而間接獲取反映水質變化的信息，為水質監測提供一種高效、穩定、實時的監測手段。

1 基于光纖感知技術的生物監測系統設計與原理

1.1 生物監測系統的設計

設計的基于光纖感知傳感技術的生物監測系統主要以雙殼河蚌為生物體、光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)為感知元件，通過貝類生理特征間接進行水質監測。

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解調儀并轉換為電子量，在傳輸至上位機后，進行處理、分析信號，并呈現到電腦程序端。 監測者可以直觀、快捷地觀察水體水質并記錄統計。 系統原理圖如圖1 所示。

圖1 生物監測系統原理圖

1.2 生物監測系統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，當一束寬帶光譜經過光纖光柵時，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。

當外界應力、溫度、磁場發生變化時，Λ和neff隨之產生改變，從而會導致光纖光柵的λB發生變化。假設變化后的波長為λ′B，則中心波長變化值(漂移量)為 ΔλB＝λB－λ′B。 當光纖光柵所受應力發生變化時，光纖光柵的中心波長漂移量ΔλB和軸向應變ε的關系由式(2)表示為

式中pe為光纖材料的彈光系數；1－pe為光纖光柵相對波長位移應變的靈敏度系數(即應變系數)，當波長為 1 550 nm 時，應變系數為 1.2× 10－3nm/με 。

1.2.2 光纖光柵傳感器探頭

用于監測感知河蚌生理特征的傳感器探頭結構示意圖如圖3 所示，主要由生物體(河蚌)、固定基座、響應結構(彈性梁片)、以及感知元件(光纖光柵)組成。

圖3 傳感器探頭結構示意圖

固定基座用于將傳感器與生物體穩定固定在一起，形成聯動一體結構；當生物體產生生理反應時(如呼吸張合、濾食等)，會通過固定結構聯動，導致彈性梁片產生彎曲形變；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，從而實現傳感感知功能。

1.2.3 光學解調儀

基于掃描半導體激光器的光纖光柵解調儀由連續可調諧激光器、激光器溫控調諧電路、光電探測及放大電路和耦合器等部件構成，其系統示意圖如圖4 所示。

圖4 基于掃描半導體激光器的光纖光柵解調儀系統示意圖

采用的光纖光柵解調模塊，由單片機發送掃描指令到激光器模塊，激光器發出波長掃描的激光光束，輸出波長的調諧范圍覆蓋 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 保存數據點的數量為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生形變，光纖內部滿足光纖光柵布拉格條件的光波將產生反射，單片機在觸發上沿采集各通道的模擬數字轉換值(Analog-to-Digital Converter，ADC)，存儲于靜態隨機存取存儲器(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到電腦端，由電腦端解調程序記錄數據，進行尋峰計算和中心波長的統計，形成隨時間變化的波形曲線，即雙殼貝類的張合實時數據曲線。

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結的新型生物監測系統，以光作為監測信息的載體，具有高靈敏度，測量速度快，信息容量大的優勢；以光纖作為傳遞監測信息的媒質，具有耐腐蝕、電絕緣性能好、抗電磁干擾能力強、容易實現對被測信號的遠距離監控等特點，便于與電腦監測端連接。

2 生物監測系統實驗與結果分析

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，養殖于規格為48 cm×34 cm×29 cm 的一、二號水箱內(如圖 5 所示)，所用養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境，待河蚌養殖一周后開始進行實驗。

2.2 實驗結果定性分析

(1) 不同水箱內的河蚌實驗

選擇一、二號水箱內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向一號水箱內加入帶有少量泥沙的濁水，同時向二號水箱內加入等量的純凈水，通過傳感探頭采集河蚌雙殼張合的數據。 根據加入水質的不同，對比兩個水箱中河蚌的生理活動數據，活動連續監測24 h 的數據如圖6 所示。

圖6 不同水箱內河蚌張合呼吸濾食規律對比圖

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，河蚌的餌料數量也隨之增加，相應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；在水質中加入混合泥沙物后，監測數據出現明顯波動，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，濾食活動保持穩定，光纖光柵波長的波動范圍為0～140 pm，在短時間內無明顯超過100 pm 的波動，全天呼吸頻率較為平緩。

(2) 相同水箱內的河蚌實驗

選擇二號水箱內的河蚌，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據。 根據加入水質與時間的不同，對比同一水箱中河蚌的兩次生理活動數據，連續監測24 h 的活動數據如圖7 所示。

圖7 相同水箱內河蚌張合呼吸濾食規律對比圖

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，兩殼張合頻繁且較為規律，處于濾食活躍期。12:00～16:00時間段內，河蚌處于呼吸以及偶爾濾食狀態；在水質中加入混合泥沙物后，監測數據出現明顯波動，光纖光柵波長的波動范圍為0～380 pm。

水質是影響河蚌呼吸和代謝的關鍵因素之一，已有研究表明，隨水體中的浮游生物、腐屑等數量的改變，河蚌的濾食活動和呼吸代謝也會受到影響，YUKIHIRA 等[21]發現兩種珍珠貝類(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，河蚌會根據水體中的污染物或雜質改變雙殼張合頻率，可作為監測水質的有效手段。同時，實驗中發現，河蚌蚌殼的張合頻率、幅度隨污水的加入而呈增長趨勢，水質的改變使得河蚌雙殼張合頻率發生明顯變化，考慮可能是由于水體中餌料濃度的改變導致河蚌的濾食活動、體內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測水質的好壞，當河蚌蚌殼張合呈現出良好周期性時即可判斷該水域水質良好，反之，則可能受到污染。

3 結論

根據水質監測技術需求，以河蚌為樣本生物體，研究了一種基于光纖感知技術的新型貝類生命體征在線生物監測系統。 通過改變河蚌生活的水質進行不同的對比實驗，得到以下結論:

(1) 在水質中無明顯污染時，呈現的監測數據較為穩定，光纖光柵波長的波動范圍為0 ～140 pm；在水質中加入混合泥沙物后，監測數據出現明顯波動，光纖光柵波長的波動范圍＞0～320 pm，實驗結果表明水質的改變使得河蚌雙殼張合頻率發生明顯變化，從而通過測量光纖光柵波長變化可以反映所監測水質的情況。

(2) 此系統以光纖布拉格光柵為感知元件，具有高靈敏度、快速測量的優勢；使用光纖光柵解調模塊，可設置為每小時收集3 600 個數據點，一旦雙殼貝類對環境污染物做出反應，可實現瞬時反應的監測效果，有效地提升了測量精度，為一種高效、穩定、實時的監測手段。