随着全球环境挑战威胁到水质，对高效监测解决方案的需求不断增长。光子传感技术成为有前途的实时和精确的水质评估工具，在各种水生环境中提供高灵敏度和选择性。
光子传感技术原理
光子传感技术使用基本的光-物质相互作用(如透射和反射)来识别安全壳或关键水质指标，如总悬浮固体 (TSS)。
这些传感器利用 LED 或激光等光源来照亮水，其中杂质的大小和成分会影响光相互作用，导致光强度或波长发生变化。
然后使用各种检测方法记录这些变化，包括光电二极管、光电晶体管或电荷耦合器件 (CCD)，这些方法测量光与污染物相互作用后的强度。光纤通常用于将光引导到水样和从水样引导，从而实现远程或分布式传感。2
除了测量透光率和反射率外，一些光子传感器还利用特定的光学现象来检测污染物。例如，荧光传感器用特定波长的光激发水中的荧光分子，并测量发射荧光的强度，这可以与特定污染物的浓度相关联。
相反，表面等离子体共振(SPR)传感器监测由目标分子结合引起的金属表面折射率变化，提供一种无标记的实时检测方法。
光子传感在水质监测中的优势
光子传感技术为水质监测提供了几个关键优势：
精密度和准确度：光子传感器可以以极高的精度和准确度测量叶绿素浓度、浊度和溶解氧等水质参数，从而实现可靠的数据驱动决策。
实时数据访问：与需要实验室分析的抓取取样方法不同，光子传感器提供实时数据访问，允许对水条件的变化做出快速响应并实现主动管理策略。
多参数监测：光子传感器的一个显着优势是它们能够从单个设备同时监测多个水质参数，从而提供水生环境的全面视图。
长期稳定性和最小漂移：光子传感器通常在较长时间内经历最小的信号漂移，从而确保数据可靠性并减少频繁更换或校准的需要。
物联网兼容性：光子传感器与物联网 (IoT) 技术的无缝集成可实现远程数据收集、监测和控制，使决策者能够从几乎任何地方实时访问水质状况。
当前挑战和最新创新
开发低成本、坚固耐用的传感器
虽然光子传感具有变革潜力，但一些挑战阻碍了其在水质监测中的更广泛采用。这些因素包括可检测分析物范围有限、易受干扰、影响传感器精度的持续生物污染，以及开发、部署和大量功率要求的高成本。
发表在塔兰塔的一项研究设计了一种新型多波长光学传感器(OCS)，为监测水生环境提供了一种低成本和耐用的选择。OCS 可以自主运行，也可以在传感器网络内运行，测量来自多个 LED 的透光率和侧向散射，以检测水的不透明度和颜色变化。它在检测污染事件、悬浮固体和藻华方面特别有效，这对于开发高分辨率、实时污染警报系统至关重要。
用于病原体检测的光子器件
缺乏快速、灵敏、具有成本效益的方法来检测和测量本地微生物细胞和病原体，这在历史上阻碍了水质监测。传统的基于培养的方法，如异养平板计数(HPC)，只能捕获总微生物种群的一小部分，而忽略了大多数不可培养的细菌细胞。
WaterSpy(欧盟地平线 2020 资助)项目通过开发一种在 6-10 μm 光谱范围内运行的经济高效、紧凑的光子设备来解决这些限制，靶向大肠杆菌、铜绿假单胞菌和肠道沙门氏菌。
该设备使用先进的量子级联激光器 (QCL) 和新型更高工作温度 (HOT) 光电探测器，采用衰减全反射 (ATR) 光谱来提供实时、准确的水质分析。
初步结果表明，WaterSpy设备可以有效检测病原体，从而可以对配水管网中的大型水体进行全面实时监测。
用于藻华监测的机器学习
由农业、废物排放以及能源和粮食生产的过度养分输入引起的富营养化和富营养化导致藻华 (HAB)。这些水华产生的蓝藻毒素威胁着人类和动物的健康，并影响水产养殖业。
目前，卫星上的光学传感器，如海洋和陆地仪器(OLCI)，通过使用叶绿素-a测量浮游植物浓度来监测这些水华。然而，在全球不同水域中准确检索叶绿素-a存在重大的方法学挑战。
另一个欧盟“地平线2020”资助的项目提出了一种新方法，该方法绕过叶绿素-a检索，并使用机器学习算法直接从OLCI信号中估计水的健康状况。研究结果发表在ISPRS摄影测量与遥感杂志上。
该算法可准确估计全球水体OLCI影像上的所有营养状态，比同类先进方法高出5-12%，无需选择特定的水观测算法，在高度富营养化和富营养化水域中实现90%以上的准确率。
未来展望和新兴趋势
成像、数据分析和机器学习方面的持续创新可能会彻底改变光子水传感。高灵敏度的光学生物传感器可以以最小的样品量实现现场实时微生物监测。
先进的光谱技术与化学计量学和 AI/ML 相结合，可以通过紧凑、可现场的仪器进行多参数测量和智能分析。通过物联网系统将部署的传感器联网，可以提供高分辨率的水质测绘。
随着这些进步的不断进步，强大且可扩展的光子传感解决方案有望在保护全球水资源方面变得越来越重要。这些解决方案将允许自主监测淡水和海洋环境中的污染物、微生物负荷和营养水平，这对于加强环境管理和保护全球水质至关重要。
