基于光纤感知技术的生物监测系统研究

张乐琪，赵燕杰，刘浩东，牛昊，刘克寒

(山东建筑大学理学院，山东济南250101)

0 引言

近年来，由于水体污染所导致的问题和事故不断发生，水体污染已成为制约人类生存和经济发展的重要因素，而水体监测也已引起全球范围内的高度关注[1]，急需加强对水质污染监测与治理等方面的综合研究[2]。

目前，检测水质的方法主要包括:光谱法、色谱法、化学法、电化学法、水生生物监测[3－8]等。 其中，光谱法检测速度快、无需试剂、灵敏度高，但其缺点是容易受到干扰、存在谱峰重叠现象等[3－4]；色谱分析法可以进行精确检测，但监测仪器非常昂贵，预处理和分析过程复杂、耗时长，而且需要熟练的人工操作[5－6]；化学分析法的原理成熟、检测准确度高，而缺点是需要化学试剂、过程复杂、检测时容易产生二次污染，并且难以实现在线实时监测；电化学分析法利用水中某种物质与电极的化学反应测定物质的含量，无污染、灵敏度高，其缺点是电极寿命较短、需要定期校正等[7－8]。

水生生物监测技术主要通过生物传感器监测水质参数，长期以来，利用生物对生长环境敏感的特点，已经应用在水质的pH 值、水温、含氧量、重金属污染等方面的监测[9]。 UPDIKE 等[10]首次研制出将葡萄糖氧化酶电极用于定量测定血清中葡萄糖含量，制造出第一代的生物传感器。 杨平等[11]通过研究小鼠腹腔巨噬细胞对于环境污染物镉、铅的细胞毒性反应，证明其和污染物镉、铅具有明显的剂量—细胞活性关系，可作为生物监测指示物。 杜静等[12]利用双壳贝类作为指示生物监测海洋微塑料污染，综述了海洋双壳贝类体内塑料的分析方法，受控实验条件下微塑料对双壳贝类的生态毒理效应。 研究发现，双壳贝类是常见的水生生物，其种类繁多、体积较小、活动性不强、便于观察，对于环境的要求不高、耐受性强。 当水体受到污染时，贝类会改变滤食和呼吸的频率；而当污染严重时，贝类活性降低甚至死亡，两扇壳的张度会超过平时值[13]。 将生物与传感器结合，可以达到连续监测、较高的监测灵敏度、快速反应[14－15]等目的。

在选用传感器方面，光纤传感器相比于传统监测手段，可以进行超远距离的传输；使用光作为敏感信息的载体，其高精度和敏感度能够更好地满足水质监测的要求。 王达达等[16]设计了一种将光纤光栅粘合在不锈钢管，用来测量法兰盘上应变作用的自锁紧式光纤传感器，通过这一新思路，文章提出了利用光纤光栅制作生物联动传感器的设计；蒋善超等[17]利用光纤光栅实现了对位移的有效监测；何少灵等[18]和刘小会等[19]采用光纤传感技术实现了压力传感器的研究和开发，这些都为文章在实验过程中使用弹性梁、水下传感器作业等问题提供了解决手段。 王亚杰等[20]改善了在实验过程中生物传感器灵敏度低、监测极限不理想的问题，推动了光纤传感技术在工程应用领域的进展。 另外，光纤传感器因具有体积小、质量轻、成本低、复用性好、可以在恶劣环境下工作等特点，已广泛应用于环境监测、水库安全等领域。 因此，生物与光纤感知技术相结合的生物系统亦可应用于水体污染物监测，该技术将是提高水质监测准确度与效率的有效方法，不仅能够实时在线监测水质，还将有助于解决当前监测设备复杂、成本高昂、无法及时发现污染等问题，对监测领域技术发展的多样化、规模化具有重要意义。

根据水质监测技术需求，以河蚌为样本生物体，研究了一种基于光纤感知技术的新型贝类生命体征在线监测生物系统，通过设计基于光纤感知技术的传感器探头测量光纤光栅波长的变化，监测目标生物的生理特征，以期获取河蚌生命体在水体中的生活规律，从而间接获取反映水质变化的信息，为水质监测提供一种高效、稳定、实时的监测手段。

1 基于光纤感知技术的生物监测系统设计与原理

1.1 生物监测系统的设计

设计的基于光纤感知传感技术的生物监测系统主要以双壳河蚌为生物体、光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)为感知元件，通过贝类生理特征间接进行水质监测。

存在于水体中的某些污染物(如浑浊度、重金属、细菌微生物等)会影响到生物体(如河蚌)的生命特征，系统通过FBG 可以捕捉河蚌双壳的张合程度及频率等信息，利用传输光纤将其传送到光学解调仪并转换为电子量，在传输至上位机后，进行处理、分析信号，并呈现到电脑程序端。 监测者可以直观、快捷地观察水体水质并记录统计。 系统原理图如图1 所示。

图1 生物监测系统原理图

1.2 生物监测系统各功能单元工作原理

1.2.1 光纤光栅感知单元

光纤布拉格光栅原理示意图如图2 所示，当一束宽带光谱经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的光波将被反射，其余的光波将透过光纤光栅继续向前传输。

图2 光纤布拉格光栅原理示意图

由耦合模理论可知， FBG 的中心反射波长λB可由式(1)表示为

式中neff为光纤纤芯的有效折射率；Λ为光栅的周期。

当外界应力、温度、磁场发生变化时，Λ和neff随之产生改变，从而会导致光纤光栅的λB发生变化。假设变化后的波长为λ′B，则中心波长变化值(漂移量)为 ΔλB＝λB－λ′B。 当光纤光栅所受应力发生变化时，光纤光栅的中心波长漂移量ΔλB和轴向应变ε的关系由式(2)表示为

式中pe为光纤材料的弹光系数；1－pe为光纤光栅相对波长位移应变的灵敏度系数(即应变系数)，当波长为 1 550 nm 时，应变系数为 1.2× 10－3nm/με 。

1.2.2 光纤光栅传感器探头

用于监测感知河蚌生理特征的传感器探头结构示意图如图3 所示，主要由生物体(河蚌)、固定基座、响应结构(弹性梁片)、以及感知元件(光纤光栅)组成。

图3 传感器探头结构示意图

固定基座用于将传感器与生物体稳定固定在一起，形成联动一体结构；当生物体产生生理反应时(如呼吸张合、滤食等)，会通过固定结构联动，导致弹性梁片产生弯曲形变；固定在弹性梁片上的光纤光栅能够感知弹性梁的形变信息，产生反射光谱中心波长的移动，通过中心波长的偏移量即可反演河蚌的生命特征，从而实现传感感知功能。

1.2.3 光学解调仪

基于扫描半导体激光器的光纤光栅解调仪由连续可调谐激光器、激光器温控调谐电路、光电探测及放大电路和耦合器等部件构成，其系统示意图如图4 所示。

图4 基于扫描半导体激光器的光纤光栅解调仪系统示意图

采用的光纤光栅解调模块，由单片机发送扫描指令到激光器模块，激光器发出波长扫描的激光光束，输出波长的调谐范围覆盖 C 波段(1 530 ～1 565 nm)，可覆盖传感器所使用的FBG 的波长范围，其输出激光功率13 dBm，单个FBG 保存数据点的数量为3 600 个/h。

传感器中与双壳接触的基座将受到的压力传到弹性梁片，紧贴弹性梁片的光纤光栅将产生形变，光纤内部满足光纤光栅布拉格条件的光波将产生反射，单片机在触发上沿采集各通道的模拟数字转换值(Analog-to-Digital Converter，ADC)，存储于静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)，将中心波长通过串口上传到上位机，进而携带了传感信息的信号被传输到电脑端，由电脑端解调程序记录数据，进行寻峰计算和中心波长的统计，形成随时间变化的波形曲线，即双壳贝类的张合实时数据曲线。

以光纤布拉格光栅为感知元件，通过传感器探头与生物体双壳相联结的新型生物监测系统，以光作为监测信息的载体，具有高灵敏度，测量速度快，信息容量大的优势；以光纤作为传递监测信息的媒质，具有耐腐蚀、电绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、容易实现对被测信号的远距离监控等特点，便于与电脑监测端连接。

2 生物监测系统实验与结果分析

2.1 实验材料

选用圆顶珠蚌(简称为河蚌)为研究生物体，清洗河蚌表面，除去污损生物后，养殖于规格为48 cm×34 cm×29 cm 的一、二号水箱内(如图 5 所示)，所用养殖水为静置暴晒后的自来水，水体温度为(22±2)℃。 全天日照且两水箱里放置了同样的充氧棒，以保证其氧含量相同。 对养殖水箱2 d 换水1 次，不进行投喂，避免频繁的人工干涉，尽量排除人为影响，最大可能为河蚌模拟适宜的生长环境，待河蚌养殖一周后开始进行实验。

2.2 实验结果定性分析

(1) 不同水箱内的河蚌实验

选择一、二号水箱内的河蚌进行对比试验，保持日照条件、温度、含氧量等条件相同的情况下，于0:00向一号水箱内加入带有少量泥沙的浊水，同时向二号水箱内加入等量的纯净水，通过传感探头采集河蚌双壳张合的数据。 根据加入水质的不同，对比两个水箱中河蚌的生理活动数据，活动连续监测24 h 的数据如图6 所示。

图6 不同水箱内河蚌张合呼吸滤食规律对比图

由图6(a)可知，一号水箱于0 点加入带有泥沙的浊水后，水体中浮游生物、腐屑等增加，河蚌的饵料数量也随之增加，相应的呼吸滤食活动也随之增强。 在1:00 和6:00 两个时间点，两壳张合频繁，处于滤食活跃期。 8:00 至13:00 时间段，河蚌处于休眠期，处于呼吸以及偶尔滤食状态；在水质中加入混合泥沙物后，监测数据出现明显波动，光纤光栅波长的波动范围为0 ～320 pm。 由图6(b)可知，二号水箱则全天未加入污染物，滤食活动保持稳定，光纤光栅波长的波动范围为0～140 pm，在短时间内无明显超过100 pm 的波动，全天呼吸频率较为平缓。

(2) 相同水箱内的河蚌实验

选择二号水箱内的河蚌，保持日照条件、温度、氧含量等条件相同的情况下，于6:00 时向二号水箱内加入带有少量泥沙的浊水，通过传感探头采集河蚌双壳张合的数据。 根据加入水质与时间的不同，对比同一水箱中河蚌的两次生理活动数据，连续监测24 h 的活动数据如图7 所示。

图7 相同水箱内河蚌张合呼吸滤食规律对比图

由图7(a)可见，二号水箱加入混合泥沙物之前，全天呼吸频率较为平缓，光纤光栅波长的波动范围为0 ～140 pm，在短时间内无明显＞100 pm 的波动。 由图7(b)可见，二号水箱加入混合泥沙物后，在6:00～9:00 以及15:00～20:00 这两个时间段内，两壳张合频繁且较为规律，处于滤食活跃期。12:00～16:00时间段内，河蚌处于呼吸以及偶尔滤食状态；在水质中加入混合泥沙物后，监测数据出现明显波动，光纤光栅波长的波动范围为0～380 pm。

水质是影响河蚌呼吸和代谢的关键因素之一，已有研究表明，随水体中的浮游生物、腐屑等数量的改变，河蚌的滤食活动和呼吸代谢也会受到影响，YUKIHIRA 等[21]发现两种珍珠贝类(Pinctada margaritif-era和Pinctada maxima)的耗氧率和代谢速率都随水体中饵料的增加而上升，这一研究在本实验中得到验证，河蚌会根据水体中的污染物或杂质改变双壳张合频率，可作为监测水质的有效手段。同时，实验中发现，河蚌蚌壳的张合频率、幅度随污水的加入而呈增长趋势，水质的改变使得河蚌双壳张合频率发生明显变化，考虑可能是由于水体中饵料浓度的改变导致河蚌的滤食活动、体内消化吸收活动和代谢速率改变，从而影响河蚌蚌壳的张合。由此可以看出，对河蚌生命体征进行定性分析可以间接地反映所监测水质的好坏，当河蚌蚌壳张合呈现出良好周期性时即可判断该水域水质良好，反之，则可能受到污染。

3 结论

根据水质监测技术需求，以河蚌为样本生物体，研究了一种基于光纤感知技术的新型贝类生命体征在线生物监测系统。 通过改变河蚌生活的水质进行不同的对比实验，得到以下结论:

(1) 在水质中无明显污染时，呈现的监测数据较为稳定，光纤光栅波长的波动范围为0 ～140 pm；在水质中加入混合泥沙物后，监测数据出现明显波动，光纤光栅波长的波动范围＞0～320 pm，实验结果表明水质的改变使得河蚌双壳张合频率发生明显变化，从而通过测量光纤光栅波长变化可以反映所监测水质的情况。

(2) 此系统以光纤布拉格光栅为感知元件，具有高灵敏度、快速测量的优势；使用光纤光栅解调模块，可设置为每小时收集3 600 个数据点，一旦双壳贝类对环境污染物做出反应，可实现瞬时反应的监测效果，有效地提升了测量精度，为一种高效、稳定、实时的监测手段。